JPH09140154A - インバータの保護装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 インバータの出力周波数が直流を含む極低周
波数となった場合での主回路半導体素子の熱蓄積による
熱破壊を未然に防止すること。 【解決手段】 インバータの出力周波数ｆoutを表わす
信号ω１と、インバータの出力電流Ｉを表わす信号i1*f
bを取り込み、出力周波数ｆoutが、予め設定してある数
ヘルツ以下の所定の周波数ｆa 以下になったことを前提
条件とし、このときのインバータの出力電流Ｉで決まる
時間ｔが経過したら保護動作信号Ｓを発生する監視回路
１４と、保護動作信号Ｓが供給されたら接点を開く保護
スイッチ１５を設け、インバータ主回路１内の逆変換部
を構成する主回路半導体素子の動作を停止させて保護を
行うようにしたもの。ベクトル制御方式のインバータ
や、センサレスベクトル制御方式のインバータなど、す
べり周波数補正を行うインバータにおいても、主回路半
導体素子の熱破壊を確実に防止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可変電圧可変周波
数インバータの主回路半導体素子を対象とした保護装置
に係り、特にベクトル制御方式のインバータ及びセンサ
レスベクトル制御方式のインバータに好適な保護装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】インバータの保護装置としては、従来か
ら過電流保護方式の保護装置が用いられ、インバータの
出力電流が所定値を越えたとき、主回路半導体素子を遮
断して保護するようになっていた。

【０００３】また、モータ駆動用のインバータでは、そ
の負荷であるモータに、保護用として搭載されている電
子サーマル保護装置を利用し、その保護動作特性を、低
周波数領域では保護動作が早く働いて負荷電流を遮断す
るような特性に設定することにより、結果としてインバ
ータの保護が得られるようにしていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、イン
バータが極低周波出力周波数領域で動作されたときでの
主回路半導体素子の保護について配慮がされておらず、
過電流保護機能が働かない電流値領域で主回路半導体素
子破壊の虞れが生じるという問題があった。

【０００５】一般に、主回路半導体素子の定格電流は、
直流電流をスイッチングしない状態で連続的に流せる電
流値となっているが、ＰＷＭ(パルス幅変調)インバータ
のように、トランジスタなどの半導体素子を数Ｋヘルツ
もの周波数でスイッチングする装置の場合、半導体素子
のオン抵抗などによる定常的なロスに加え、スイッチン
グ動作による過渡的なロスが付加されるため、半導体素
子チップの温度上昇が激しくなる。

【０００６】しかして、インバータの出力周波数が数ヘ
ルツ以上の場合には、半導体素子の通過電流は短い周期
で断続され、素子チップでの熱の蓄積と放出が短い周期
で交互に起こるので、高周波数スイッチング下でもチッ
プの急激な温度上昇は起こらず、問題なく使用できる。

【０００７】しかしながら、インバータの出力が直流や
それに近い極低周波数の交流の場合には、半導体素子の
電流通過周期が長くなって半導体チップでの熱蓄積が大
きくなり、急激にチップの温度が上昇し、例えば１秒以
内の短時間で飽和温度状態に到ることも珍しくない。

【０００８】従来、インバータの主回路半導体素子の容
量選定は、交流出力時での定格により設定されているの
が一般的で、直流出力時でも連続して使用できるような
容量選定は、その利用分野での使用状態やコストの面で
行われていない。

【０００９】また、従来の可変電圧可変周波数インバー
タ、いわゆるＶＶＶＦインバータは通常、Ｖ／ｆ一定制
御方式であり、このため、出力周波数が直流を含む数ヘ
ルツ以下の極低周波数で長時間動作されることはなく、
従って、極低周波数や直流時での主回路半導体素子の熱
蓄積による熱破壊の虞れはほとんど無かった。

【００１０】しかし、最近では、インバータにもセンサ
レスベクトル制御方式などのすべり補償を行うような制
御方式が付加された機種が広く使用されるようになり、
このような制御方式のインバータでは、運転条件によっ
ては、出力周波数が直流や極低周波数のもとで動作され
る場合が多くなる。

【００１１】しかして、この場合でも、上記した通り、
主回路半導体素子の容量は、直流出力を考慮していない
ため、出力周波数が直流や極低周波数となった場合、定
格値程度の電流でも、短時間でチップの温度が異常に上
昇し、熱破壊にいたる場合があり、この結果、従来技術
では、上記した問題が生じてしまうのである。

【００１２】本発明の目的は、インバータの出力周波数
状態に関わらず、常に確実に保護機能が得られ、主回路
半導体素子の破壊が未然に防止できるようにしたインバ
ータの保護装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的は、主回路半導
体素子のスイッチング制御により可変電圧可変周波数の
出力を発生するインバータにおいて、主回路半導体素子
に対する出力周波数指令値と主回路半導体素子の出力電
流値とを入力とする監視手段と、該監視手段からの制御
信号により上記主回路半導体素子のスイッチング動作を
停止させ、遮断状態に保持する保護手段とを設け、上記
監視手段が、上記インバータの出力周波数が所定周波数
以下にあることを条件として、上記主回路半導体素子の
出力電流値とその継続時間の関係が所定の範囲を越えた
とき、上記制御信号を発生するようにして達成される。

【００１４】すなわち、まず、インバータの出力が数ヘ
ルツ以下の極低周波数における主回路半導体素子の出力
電流に対する損失及び冷却能力から熱破壊温度までの時
間を予め推定し、出力電流に対する許容運転時間を求め
ておく。

【００１５】そして、インバータには、出力周波数と出
力電流を常時監視する手段を設けておき、出力周波数が
極低周波数以下の出力となったとき、出力電流の大きさ
に応じて、その出力時間をカウントし、許容時間を越え
た時点で主回路半導体素子の出力を遮断するので、破壊
の虞れをなくすことができる。

【００１６】この結果、ベクトル制御方式のインバータ
や、センサレスベクトル制御方式のインバータなどでス
ベリ周波数補正を行うインバータにおいて、その負荷条
件により直流出力近傍での運転状態となった場合でも主
回路半導体素子が熱破壊に到る前に出力を遮断し、半導
体素子を保護することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるインバータの
保護装置について、実施例を用いて詳細に説明る。図１
は、代表的なベクトル制御方式のインバータに本発明を
適用した場合の本発明の一実施例である。一般的に、こ
のようなインバータ装置は、図示のように、大別してイ
ンバータ主回路１と、制御回路系２とで構成されてお
り、そして、この図１では、インバータ主回路１は、少
なくとも順変換部と逆変換部の外に、ＰＷＭ(パルス幅
変調)信号生成部とを含むものとして示されている。

【００１８】まず、インバータ主回路１は、商用交流電
源ＡＣから供給されているほぼ一定電圧で一定周波数の
交流電力を順変換部で直流電力に変換したあと、逆変換
部の半導体素子(主回路半導体素子)をＰＷＭ信号により
スイッチング制御し、所定の電圧で所定の周波数の交流
電力に変換して誘導電動機ＩＭに供給し、この誘導電動
機ＩＭを速度指令Ｎ＊(後述)に対応した回転速度で駆動
する働きをするものである。なお、このときの主回路半
導体素子としては、例えば静電誘導型バイポーラトラン
ジスタなどが用いられている。

【００１９】このとき、インバータ主回路１の半導体素
子に供給されるＰＷＭ信号は、制御回路系２から供給さ
れる制御信号Ｃに基づいて、インバータ主回路１内に設
けられているＰＷＭ信号生成部によって生成されるよう
になっており、この制御信号Ｃが入力されなくなると、
ＰＷＭ信号も主回路半導体素子に供給されなくなり、こ
の結果、主回路半導体素子は遮断状態に保持されるよう
になっている。

【００２０】制御回路系２は、従来のベクトル制御方式
のインバータにおける通常の制御回路系と同じく、速度
制御回路３、一次周波数位相検出部４、すべり周波数演
算部５、積分回路６、乗算回路７、それに減算回路８、
９及び加算回路１０、１１とで構成されている。

【００２１】そして、これも従来例と同じく、外部から
与えられる速度指令Ｎ＊と励磁電流指令Ｉm＊、エンコ
ーダ１２で検出される誘導電動機ＩＭの回転速度ωr、
及び電流検出器１３で検出されるインバータ主回路１の
出力電流検出値ｉｂ＊ｆｂとに基づいて信号(il*−il*f
b)を演算し、これを制御信号Ｃとして出力するようにな
っており、これにより誘導電動機ＩＭの実回転速度ωr
が速度指令Ｎ＊に等しく収斂して行くように動作するも
のである。

【００２２】ところで、この実施例による制御回路系２
でも、ここまでは従来のベクトル制御方式のインバータ
における制御回路系と同じであるが、しかして、この実
施例では、更に監視回路１５と保護スイッチ１６とが設
けてある点で従来例とは異なっている。

【００２３】まず監視回路１５は内部に計時機能を備え
ており、インバータに指令する周波数の一次周波数指令
ω１と、インバータ主回路１の出力電流検出値を、それ
ぞれ加算回路１０及び電流検出器１３から取り込み、こ
れにより、インバータの出力周波数ｆout(＝ω１)が所
定周波数ｆa 以下にあることを条件として、上記主回路
半導体素子の出力電流値Ｉout(∝ｉｂ＊ｆｂ)と、その
継続時間の関係が所定の範囲を越えたとき、保護動作信
号Ｓを発生するように構成されている。

【００２４】次に、保護スイッチ１６は、いわゆる常閉
接点からなるスイッチで、監視回路１５から保護動作信
号Ｓが供給されていないときには、図示の状態とは異な
り、閉じたままに保たれて、減算回路９から出力される
制御信号Ｃをそのままインバータ主回路１に入力させて
いるが、監視回路１５で保護動作信号Ｓが発生される
と、これに応じて図示のように開放され、制御信号Ｃが
インバータ主回路１に入力されないようにする働きをす
るものである。

【００２５】次に、この実施例の動作について説明す
る。制御回路系２からインバータに指令する周波数の一
次周波数指令ω１は、図示のように、まず速度指令Ｎ*
と、エンコーダ１２で検出された誘導電動機ＩＮの回転
速度ωrとの差から設定すべり周波数ωsを演算し、次
に、このすべり周波数ωsを回転速度ωrに加算して得て
いる。

【００２６】そこで、誘導電動機ＩＭの連続的な運転を
考えると、通常、電動機が力行時には、これらの値ω
s、ωrは何れも正の値であるので、結果として一次周波
数指令ω１が０になることはなく、従って、インバータ
の出力周波数は０、すなわち、直流にはならない。

【００２７】しかし、誘導電動機ＩＭが回生状態になっ
た場合には、すべり周波数ωsが負の値となるので、ωr
＝−ωsになった場合、負荷条件によっては、ω1＝０に
なり得る。つまり、このような、すべり制御を行うイン
バータでは、直流を出力する運転状態になってしまう虞
れが十分にあり得ることになる。

【００２８】そこで、この実施例では、ω１≒０となっ
たとき、そのときの運転状態に応じてインバータ主回路
１内の主回路半導体素子のスイッチング動作を停止さ
せ、遮断(オフ)状態にして保護するようになっており、
このため、図示のように監視回路１４と保護スイッチ１
５が設けられているのである。

【００２９】上記したように、まず監視回路１４は、イ
ンバータ運転中、常時一次周波数指令ω１を監視してお
り、この一次周波数指令ω１が保護動作を行うべき周波
数、すなわち、予め設定してある周波数ｆa より下がっ
たとき、インバータの出力電流Ｉoutを拾い込み、その
電流の大きさ毎に許容できる時間ｔmaxを越えた時点で
保護動作信号Ｓを発生させて保護スイッチ１５を開き、
主回路半導体素子をオフにし、インバータの出力を遮断
するのである。

【００３０】このときの監視回路１４の検出特性は、出
力電流が大きいほど損失が大きくなるので、許容時間ｔ
maxは短くなり、反対に出力電流が小さくなれば許容時
間が長くなるり、ある電流レベル以下では、許容時間は
無限大になり、連続運転が可能となる。

【００３１】次に、このときの出力電流Ｉoutと許容時
間ｔmax、及び動作周波数ｆa の関係は、使用環境温度
Ｔa、半導体素子が発生する損失Ｐ、ジャンクション−
ケース間過渡熱抵抗Ｒthj-c、それにジャンクション許
容温度Ｔjmax から求めることができる。

【００３２】まず、半導体素子の損失Ｐは、前述のよう
に、半導体素子のオン抵抗などによる定常的なロスＰsa
tと、過渡時でのスイッチングロスＰswとに分けて考え
ることができる。

【００３３】まず、定常ロスＰsatは、オン電圧をＶsat
とし、出力電流をＩ(＝Ｉout)とすれば、インバータで
は電流通過デューティが１／２なので、 Ｐsat ＝(Ｖsat×Ｉ)／２ で求められる。

【００３４】次に、スイッチングロスＰswは、さらにタ
ーンオンロスＰonと、ターンオフロスＰoffとに分けら
れ、それぞれのロスは、１回のターンオン及びターンオ
フに際して発生する損失Ｅon、Ｅoff(単位はジュール)
と、インバータのスイッチング周波数ｆc から、 Ｐon ＝Ｅon×ｆc Ｐoff ＝Ｅoff×ｆc として、それぞれ求められる。

【００３５】ここで、一般に、これらの損失Ｅon、Ｅof
fと出力電流Ｉは、 Ｅon ＝exp(Ａon×Ｉ＋Ｂon) Ｅoff ＝exp(Ａoff×Ｉ＋Ｂoff) Ａon、Ａoff、Ｂon、Ｂoff ：係数 という関数により近似できる。

【００３６】よって、半導体素子の損失Ｐは、これらの
ロスの総合として、 Ｐ＝Ｐsw＋Ｐon＋Ｐoff ＝(Ｖsat×Ｉ)／２＋exp(Ａon×Ｉ＋Ｂon)・ｆc ＋exp(Ａoff×Ｉ＋Ｂoff)・ｆc として表わすことができ、電流Ｉの関数Ｐ(I)とおくこ
とができる。

【００３７】次に、半導体素子のジャンクションの温度
上昇値をΔＴj とすれば、これは、ジャンクション−ケ
ース間過渡熱抵抗Ｒthj-c と電流の通過時間ｔから、 ΔＴj ＝Ｒthj-c ・Ｐ(I)・ｔ となる。

【００３８】従って、半導体素子のジャンクション温度
Ｔj は、半導体素子のケース温度上昇値をＴc とする
と、 Ｔj ＝Ｔa ＋ΔＴc ＋ΔＴj ＝Ｔa ＋ΔＴc ＋Ｒthj-c ・Ｐ(I)・ｔ となる。ここで、ΔＴc は、定格出力時での冷却フィン
の温度上昇である。

【００３９】上記した係数Ａon、Ａoff、Ｂon、Ｂoff
は、主回路半導体素子のデータから定数として算出する
ことができるので、結局、ジャンクション温度Ｔj は出
力電流Ｉと電流通過時間ｔの関数となる。

【００４０】本発明では、これら出力電流Ｉと電流通過
時間ｔで決まる主回路半導体素子のジャンクション温度
Ｔj が、そのジャンクション許容温度Ｔjmax を越えな
いように、出力電流Ｉと電流通過時間ｔを見て保護機能
が働くようにしてやるようになっているのであるから、
監視回路１４による保護動作信号Ｓの発生条件は、 Ｔjmax ＞Ｔa ＋ΔＴc ＋Ｒthj-c ・Ｐ(I)・ｔ となり、さらにこの条件は、時間ｔと出力電流Ｉについ
て、 ｔ＜(Ｔjmax −Ｔa −ΔＴc)／(Ｒthj-c ・Ｐ(I)) という関数で表わすことができる。

【００４１】従って、監視回路１４は、電流検出器１３
から取込んだ出力電流Ｉの値から、上記の式に基づいて
対応する時間ｔを計算し、この時間ｔ以上継続して出力
電流Ｉが流れたら、保護動作信号Ｓを発生するように構
成してあり、この結果、上記実施例によれば、主回路半
導体素子のジャンクション温度Ｔj が、そのジャンクシ
ョン許容温度Ｔjmax 以上なると直ちに保護スイッチ１
５に保護動作信号Ｓが供給され、インバータ主回路１に
対する制御信号Ｃの供給が停止されるので、主回路半導
体素子の破壊を確実に防止することができる。

【００４２】また、この結果、上記実施例によれば、イ
ンバータ運転中、主回路半導体素子に熱破壊の虞れを生
じたときには、何時でも自動的に保護機能が働くので、
直流出力時にも主回路半導体素子の能力限界近くまで使
用できるようになり、インバータ運転中、負荷の状態に
特に注意を払うこと無く、定格一杯のままでも安心して
運転することができる。

【００４３】ところで、上記した関数に基づいて、時間
ｔと出力電流Ｉで決まる安全動作特性を描いてみると図
２のようになる。この図２において、Ａが安全動作特性
曲線であり、この曲線Ａの右側が保護動作信号Ｓ発生領
域で、左側が安全動作領域となる。そこで、監視回路１
４に、この図２の特性をテーブルとして用意しておき、
出力電流Ｉの値に応じてテーブルを検索し、時間ｔを設
定して保護動作信号Ｓを発生するように構成してもよ
い。

【００４４】次に、監視回路１４で、保護動作信号Ｓを
発生するための前提条件になっている上限の周波数ｆa
について説明する。この周波数ｆa は、インバータの出
力電流Ｉの値を最大値としたときでの主回路半導体素子
のジャンクション温度Ｔj が、ジャンクション許容温度
Ｔjmax を越えない周期の逆数となる。そこで、この実
施例では、インバータの出力電流Ｉの値を最大値にした
ときの許容時間ｔの２倍の時間の逆数で決まる周波数
を、保護動作信号Ｓを発生するための前提条件になって
いる上限の周波数ｆa に定めてやれば良い。

【００４５】ところで、上記した実施例では、許容時間
ｔを出力電流Ｉだけのパラメータとして算出している
が、更にインバータの一次周波数指令ω１をパラメータ
に含めてもよく、この場合には、一次周波数指令ω１に
応じた許容時間で保護機能が作動するようにすることが
できる。

【００４６】また、半導体素子の損失は、インバータの
スイッチング周波数ｆcに大きく依存するので、スイッ
チング周波数が可変される方式のインバータでは、上記
したテーブルに、このスイッチング周波数ｆcによるパ
ラメータを追加してやり、必要に応じてスイッチング周
波数ｆcを低げてやるようにすれば、運転可能時間をさ
らに長くすることができ、応用範囲を広くすることがで
きる。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、インバータが、その出
力周波数の低い方で、どのような周波数で運転されて
も、主回路半導体素子が熱破壊する虞れがないので、定
格限界近くまで安全に出力を増加させて運転することが
でき、この結果、応用範囲を充分に広げることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるインバータの保護装置の一実施例
を示す構成図である。

【図２】本発明の一実施例における出力電流と出力許容
時間のテーブルの一例を示す特性曲線図である。

【符号の説明】

１ インバータ主回路 ２ インバータの制御回路系 ３ 速度制御回路 ４ 一次周波数位相検出部 ５ すべり周波数演算部 ６ 積分器 ７ 乗算器 ８、９ 減算回路 １０、１１ 加算回路 １２ 回転速度検出用のエンコーダ １３ 電流検出器 １４ 監視回路 １５ 保護スイッチ

フロントページの続き (72)発明者 渡嘉敷 睦男 千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号 株式会社日立製作所産業機器事業部内 (72)発明者 井堀 敏 千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号 株式会社日立製作所産業機器事業部内 (72)発明者 富田 浩之 千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号 株式会社日立製作所産業機器事業部内 (72)発明者 下向 和人 千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号 株式会社日立製作所産業機器事業部内 (72)発明者 伊藤 和広 千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号 株式会社日立製作所産業機器事業部内 (72)発明者 広田 雅之 千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号 日立京葉エンジニアリング株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主回路半導体素子のスイッチング制御に
   より可変電圧可変周波数の出力を発生するインバータに
   おいて、 上記主回路半導体素子に対する出力周波数指令値と上記
   主回路半導体素子の出力電流値とを入力とする監視手段
   と、 該監視手段から供給される保護動作信号により上記主回
   路半導体素子のスイッチング動作を停止させ、遮断状態
   に保持する保護手段とを設け、 上記監視手段は、上記インバータの出力周波数が所定周
   波数以下にあることを条件として、上記主回路半導体素
   子の出力電流値とその継続時間の関係が所定の範囲を越
   えたとき、上記保護動作信号を発生するように構成され
   ていることを特徴とするインバータの保護装置。
2. 【請求項２】 主回路半導体素子のスイッチング制御に
   より可変電圧可変周波数の出力を発生するインバータに
   おいて、 上記主回路半導体素子に対する出力周波数指令値及びス
   イッチング周波数指令値と上記主回路半導体素子の出力
   電流値とを入力とする監視手段と、 該監視手段からの制御信号により上記主回路半導体素子
   のスイッチング動作を停止させ、遮断状態に保持する保
   護手段とを設け、 上記監視手段は、上記インバータの出力周波数が所定周
   波数以下にあること及び上記スイッチング周波数指令値
   が所定周波数以上にあることの少なくとも一方を条件と
   して、上記主回路半導体素子の出力電流値とその継続時
   間の関係が所定の範囲を越えたとき、上記制御信号を発
   生するように構成されていることを特徴とするインバー
   タの保護装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２の発明において、 上記監視手段が、上記主回路半導体素子の出力電流値と
   その継続時間の関係を表わすテーブルを備え、このテー
   ブルから上記所定の範囲を越えたか否かの判定が得られ
   るように構成されていることを特徴とするインバータの
   保護装置。