JPH11326428A

JPH11326428A - インバータ回路のパラメータ測定装置

Info

Publication number: JPH11326428A
Application number: JP10137199A
Authority: JP
Inventors: Katsuhisa Kato; 勝久加藤
Original assignee: Sony Tektronix Corp
Current assignee: Tektronix Japan Ltd
Priority date: 1998-05-19
Filing date: 1998-05-19
Publication date: 1999-11-26

Abstract

(57)【要約】【課題】電力の変換効率等をほぼリアルタイムで算出
できるようにする。【解決手段】ＣＴ１８及び第１絶縁増幅器２０で入力
電流及び電圧を検出する。第１乗算回路２２はこれらを
乗算し、第１積算回路２４で入力電力に比例する電圧を
生成し、Ａ／Ｄ２８で入力電力のデータを生成する。同
様にして、ＣＴ３０及び３２、絶縁増幅器３４及び３
６、積算回路４４、Ａ／Ｄ４８を用いて出力電力のデー
タを生成する。分周回路１６は、モータ１４の回転子が
１回転する毎に出力する１０２４個のパルスを１０２４
分の１に分周し、第１及び第２積算回路２４及び４４、
Ａ／Ｄ２８及び４８が回転子の１周期毎にデータを出力
するように制御する。これにより、変換効率ηを回転子
の１周期毎に更新しながら、測定できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】インバータ回路の電力変換効
率等のパラメータを測定する装置に関し、特に過渡状態
におけるパラメータも測定できるインバータ回路のパラ
メータ測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】日本の商用電源の周波数は５０Ｈｚ又は
６０Ｈｚであるが、電気機器を効率よく使用するには他
の周波数とした方が消費電力を低減できるなど良いこと
が多い。そこで、商用電源の交流電力を一旦直流電力に
変換した後、インバータ回路を用いて所望周波数の交流
電力に変換することが広く行われている。

【０００３】インバータ回路の性能を考える上で重要な
パラメータの１つは、入力電力に対して出力電力がどの
くらいかという変換効率である。インバータ回路の変換
効率ηは、次の式で示される。

【数１】η＝出力電力（Ｐｏ）／入力電力（Ｐｉ）

【０００４】インバータ回路の変換効率ηが例えば９０
％であるとすると、入力電力の９０％を出力電力に変換
し、残りの１０％はインバータ回路が消費してしまうこ
とを意味する。

【０００５】ところで電力Ｐは、交流の１周期をＴ、交
流電圧をＶ、交流電流をｉとすると、瞬時電力の積Ｖｉ
の１周期の平均値として定義され、次の数２で示され
る。

【数２】実用化されている電力計では、１周期毎に平均値を求め
る代わりに、積分時間即ち、平均時間Ｔを交流周期に比
較して充分長い時間として計算することが多い。例え
ば、積分時間Ｔを１秒とすれば、商業電源の交流周波数
５０Ｈｚ又は６０Ｈｚに比較すれば充分に長いので、周
波数が多少ゆらいだとしても誤差が少なくて済む。

【０００６】その反面、インバータ周波数が数Ｈｚから
数百Ｈｚまでパルス幅変調（ＰＷＭ）される場合、イン
バータ周波数による測定誤差が生じる。また、平均時間
（積算時間）が１秒などでは、電気自動車のように加速
減速が繰り返される過渡状態の電力測定には長すぎて変
化を的確にとらえることができない。また、電気自動車
の場合、減速時には電力が回生されるために、バッテリ
ーの全損容量の正確な測定が出来ないという問題もあ
る。

【０００７】インバータ回路の出力電圧、出力電流を測
定することについては、例えば、特開平４−３６１１６
７号公報に記載されている。これは、３相インバータ回
路のｕ相、ｖ相及びｗ相の実効電圧並びに少なくとも２
相、例えばｕ相及びｖ相の実効電流を検出するものであ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】インバータ回路の変換
効率は、上述のように９０％等などと表示されている
が、これは一般に出力電力が一定の状態（定常状態）に
おいて測定した数値である。ところが、出力電力を変化
させている状態（過渡状態）では、通常、インバータ回
路の消費電力が高くなり、変換効率ηは低下する。

【０００９】これでは、電気自動車で使用するモータの
ように頻繁に過渡状態に入るような負荷の場合には、変
換効率ηの把握が困難である。また、電気自動車のモー
タでは、回生電力の影響もある。こうしたことから、変
換効率ηをリアルタイムで測定することが望ましい。同
様にして、インバータ回路の平均出力電力、平均出力電
圧、平均出力電流、実効電圧、実効電流などもリアルタ
イムで（もっと短い時間を単位にして）測定することが
望ましい。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、直流電源が供
給する直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するイ
ンバータ回路のパラメータをほぼリアルタイムで測定す
る装置に関する。入力電流及び入力電圧検出手段は、直
流電源がインバータ回路に供給する入力電流及び入力電
圧を検出する。第１選択乗算手段は、入力電流又は入力
電圧を選択的に出力するか若しくは乗算して出力する。
出力電流及び出力電圧検出手段は、インバータ回路が負
荷に供給する出力電流及び出力電圧を検出する。ただし
このとき、インバータ回路が負荷からの回生電力を受け
るために、供給する出力電流又は出力電圧がマイナスに
なる場合もある。第２選択乗算手段は、出力電流又は出
力電圧を選択的に出力するか若しくは乗算して出力す
る。積算デジタル化手段は、所定周期中において上記第
１及び第２選択乗算手段の出力をそれぞれ積算するとと
もにデジタル・データに変換する。そして、演算手段が
積算デジタル化手段の出力するデジタル・データからイ
ンバータ回路のパラメータを演算する。

【００１１】上述した所定期間としては、例えば、イン
バータ回路が供給する交流電力の周期を利用すれば良
い。また、負荷がモータの場合では、例えばその回転子
の周期を所定期間とすれば良い。回転子の周期は、モー
タが回転子の１周期当たり所定数のパルスを出力するの
で、このパルスを所定分周比で分周することによって検
出できる。さらには、所定期間を例えば１０ｍ秒といっ
た任意に定めた一定時間としても良い。この場合、数２
に示した電力の定義式には従わないが、所定期間毎に平
均電力の値を得ることができ、実用上は非常に有効なパ
ラメータを得ることができる。

【００１２】積算デジタル化手段は、第１及び第２選択
乗算手段の出力に応じて充電されるコンデンサと、コン
デンサの電荷を所定期間毎にリセットするスイッチ手段
と、コンデンサの電位をサンプリングしてアナログ・デ
ジタル変換するアナログ・デジタル変換手段とで構成し
ても良い。また、他の例としては、積算デジタル化手段
を、第１及び第２選択乗算手段の出力をそれぞれアナロ
グ・デジタル変換するアナログ・デジタル変換手段と、
アナログ・デジタル変換手段の出力を所定期間中積算す
る積算回路とで構成しても良い。

【００１３】本発明の測定で扱うパラメータとしては、
所定期間におけるインバータ回路の変換効率、平均出力
電力、平均出力電圧、平均出力電流、実効電圧又は実効
電流などである。電流検出手段には、例えばＣＴ又は分
流抵抗器を用いると良い。また、電圧検出手段には例え
ば絶縁増幅器を用いると良い。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明によるインバータ
回路のパラメータ測定装置の一例を示すブロック図であ
る。インバータ回路１０には、直流電源１２が直流電力
を供給する。直流電源１２は、リチウム・イオン蓄電池
などの２次電池や、交流商用電源を直流に変換する整流
回路などである。インバータ回路１０は、ここでは誘導
性負荷であるモータ１４に３相交流電力を供給する。

【００１５】なお、所定期間Ｔにおける平均入出力電
力、電圧、電流を検出する場合には、その値を絶対値で
正確に求める必要がある。しかし、電力の変換効率η＝
Ｐｏ／Ｐｉの計算では、出力電力を入力電力で割り算す
るので、これらの値の相対的な関係、つまり、比率さえ
正しければ、正しい変換効率ηが算出できる。言い換え
ると、絶対的な数値が必ずしも正しい必要はない。

【００１６】第１電流センサＣＴ１８は、入力電流を検
出する。第１絶縁増幅器２０は、入力電圧を検出する。
第１選択乗算回路２２は、マルチプレクサ（ＭＵＸ）又
は乗算器として機能する。即ち、平均入力電流、平均入
力電圧、実効入力電流、実効入力電圧を測定する場合に
はマルチプレクサ（ＭＵＸ、選択手段）として機能さ
せ、第１電流センサ１８及び第１絶縁増幅器２０がそれ
ぞれ出力する入力電流又は入力電圧を選択的に出力す
る。一方、入力電力を測定する場合には、乗算器として
機能し、入力電流及び入力電圧を乗算し、入力皮相電力
に対応した電圧（第１制御電圧）を生成する。以下で
は、第１選択乗算回路２２が乗算器として機能する例で
説明するが、ＭＵＸとして機能させた場合も同様であ
る。

【００１７】第１制御電圧（Ｃｔｒｌ）は、第１積算回
路２４の電流源２４ａが出力する電流を制御する。電流
源２４ａが出力する電流は、コンデンサ２４ｃに充電さ
れる。スイッチ２４ｂは、後述する分周回路１６の周期
パルス信号Ｔｐに従って、モータ１４の回転子の１周期
Ｔ毎にコンデンサ２４ｃの電荷を放電する。サンプル・
ホールド回路（Ｓ／Ｈ）２６は、バッファ増幅器２５を
介してコンデンサ２４ｃの最高電位を保持する。なお、
サンプル・ホールド回路２６は、分周回路１６からの周
期パルス信号Ｔｐでモータ１４の回転子の１周期Ｔ毎に
リセットされる。アナログ・デジタル変換回路（Ａ／
Ｄ）２８は、周期パルス信号Ｔｐに応じて、アナログ・
デジタル変換回路（Ａ／Ｄ）２８モータ１４の回転子の
各周期中におけるコンデンサ２４ｃの最大値をデジタル
・データに変換する。このとき、この最大値は、モータ
の各周期に供給された入力瞬間電力を周期Ｔだけ積算し
た値（に比例する値）である。つまり、これは上述の数
２に従ったものである。

【００１８】次に、インバータ回路の出力系パラメータ
の検出について説明する。図１に示す３相インバータ回
路１０のうちの２相に第２及び第３電流センサＣＴ３０
及び３２が設けられ、ｕ相及びｖ相の出力電流が検出さ
れる。また、ｕｗ相間出力電圧が第２絶縁増幅器３４
で、ｖｗ相間出力電圧が第３絶縁増幅器３６で検出され
る。

【００１９】第２選択乗算回路３８は、電流センサ３０
及び絶縁増幅器３４の出力を選択的に出力するか、又は
これらを乗算して出力の皮相電力に対応した電圧を出力
する。同様に第３選択乗算回路４０は、電流センサ３２
及び絶縁増幅器３４の出力を選択的に出力するか、又は
これらを乗算して皮相電力に対応した電圧を出力する。

【００２０】加算回路４２は、第２及び第３選択乗算回
路３８及び４０の出力を加算する。加算回路４２は、第
２及び第３選択乗算手段３８及び４０がマルチプレクサ
（選択手段）として機能しているときには、出力電流又
は出力電圧に対応した電圧を出力する。このとき同時に
実効値に変換し、実効出力電流又は実効出力電圧に対応
した電圧を出力するようにしても良い。また、第２及び
第３選択乗算手段３８及び４０が乗算器として機能して
いるときには、出力皮相電力（＝Ｉ_uＶ_uw＋Ｉ_vＶ_vw）に
対応した電圧（第２制御電圧）が生成される。なお、負
荷がモータのような誘導性の場合、回生電力があるので
出力がマイナスになることがある。

【００２１】以下では、簡単のため加算回路４２が出力
皮相電力を出力する場合を例にして説明する。第２制御
電圧は、第１積算回路２４に関して上述した動作と同様
にして、第２積算回路４４を制御する。そして、Ａ／Ｄ
４８がモータ１４の回転子の各周期中におけるコンデン
サ４４ｃの最大値をデジタル・データに変換する。この
最大値は、モータの各周期に供給された出力電力を周期
Ｔだけ積分した値（に比例する値）である。周期カウン
タ５０は、２つの周期パルス信号Ｔｐ間においてクロッ
クＣＬＫをカウントすることによってモータの周期Ｔを
求める。こうして求められたパラメータは、次の数３に
従って３相インバータ回路の出力電力Ｐｏの算出に利用
される。

【数３】

【００２２】Ａ／Ｄ２８及び４８がそれぞれ出力する入
力電力データ（Ｔ・Ｐｉ）及び出力電力データ（Ｔ・Ｐ
ｏ）は、演算手段（図示せず）に入力され、記憶及び演
算に利用される。例えば、電力の変換効率η＝Ｐｏ／Ｐ
ｉが算出される。このとき、図１に示す場合では周期Ｔ
が乗算されたデータがＡ／Ｄ２８及び４８から得られ
る。そこで、平均入力電力、平均入力電流、平均入力電
圧、平均出力電力、平均出力電流、平均出力電圧等（こ
れらの実効値も含む）の計算では、更に周期検出カウン
タ５０で検出した所定期間Ｔのデータを利用してこれら
パラメータが算出される。

【００２３】図２は、図１に示す実施形態において、破
線に示すブロック１００又は１０２の部分に変更を加え
た例である。以下ではブロック１００に関して説明する
が、ブロック１０２も全く同様である。図１の場合と図
２を比較すると、Ｓ／Ｈ２６とＡ／Ｄ２８の間に割り算
回路２７が設けられている点が異なる。図１に示す例で
は、周期Ｔが変動した場合にＳ／Ｈ２６が出力するＴ・
Ｐｉの値も変動するため、Ａ／Ｄ２８には大きなダイナ
ミック・レンジが要求されることがある。しかし、図２
に示す例では、割り算回路２７が周期検出カウンタ５０
から周期Ｔのデータを受け、Ｓ／Ｈ２６が出力したＴ・
Ｐｉに対応した値を周期Ｔに対応する値で割り算してい
る。これによって、周期Ｔが変動した場合でも、Ａ／Ｄ
はＰｉに対応したアナログ値をデジタル値に変換するの
で、必要以上にダイナミック・レンジを広くする必要が
なくなるという利点がある。

【００２４】ところで図１では、電流検出にＣＴ（電流
センサ又は変流器）を利用する例を示したが、分流（シ
ャント）抵抗器を利用しても良い。こうした電流検出及
び電圧検出については周知であるため、詳細な説明は省
力する。

【００２５】分周回路１６について説明する。モータ１
４は、その回転子の１周期当たり所定数のパルス、図１
の例では１０２４個のパルスを生成する。分周回路１６
は、この所定パルス数と同じ１０２４の分周比を有し、
回転子の１周期中に出力する１０２４個のパルスを１／
１０２４に分周し、周期パルス信号Ｔｐを生成する。つ
まり、回転子の１周期毎に１個のパルスを出力するの
で、回転子の周期を検出できる。先の入力電力データＰ
ｉ及び出力電力データＰｏは、周期パルス信号Ｔｐに従
って更新されるので、モータの回転子の１周期単位で電
力の変換効率ηも周期パルス信号Ｔｐに応じて算出・更
新される。他のパラメータについても同様にして、周期
パルス信号Ｔｐにより測定データを更新する所定期間Ｔ
が定まる。

【００２６】図３は、本発明による実施形態の他の例を
示すブロック図である。図１では、積算回路のコンデン
サ２４ｃ及び４４ｃの所定周期Ｔだけ電荷を充電し、そ
の電位を検出するというアナログ的な方法で積算してい
た。しかし、所定周期Ｔの期間だけ積算するのは同じだ
が、積算する前にデジタル・データに変換し、このデジ
タル・データを積算する。デジタル積算回路４４は、次
に示す数４に従って積算し、出力電力Ｐｏを算出する。
デジタル積算回路２４も同様に入力電力Ｐｉを算出す
る。

【数４】

【００２７】このとき、Ｓ／Ｈ、Ａ／Ｄ、デジタル積算
回路４４は、所定周期Ｔより充分に速いクロックＣＬＫ
に従って動作する。ｎは、所定周期Ｔにおけるサンプリ
ング（クロック）数である。このｎは、周期検出カウン
タ５２で周期Ｔの期間中のクロックＣＬＫをカウントす
ることによって算出しても良い。なお、デジタル積算回
路４４に相当する機能は、ＣＰＵ（マイクロプロセッ
サ）を用いてソフトウェア的に実現しても良い。また、
電力以外のパラメータの算出も同様に行えばよい。

【００２８】上述では、平均値等の算出に使用する所定
期間Ｔの算出例として、モータの周期パルス信号Ｔｐを
カウントするものを説明してきた。しかし、本発明では
これに限らず、他のものから算出単位となる所定期間Ｔ
としても良い。例えば、インバータ回路が出力する交流
信号の１周期を所定期間Ｔとしても良い。また、例えば
１０ｍ秒といった任意に定めた一定の時間を所定周期と
し、Ｖｉの平均値を算出するようにしても良い。この場
合、数２に示した電力の定義式には従わないが、一定時
間毎の平均電力の値を得ることができ、これは実用上は
非常に有効なパラメータである。

【００２９】このように本発明では、所定期間毎に変換
効率η等のパラメータを算出し更新するので、ほぼリア
ルタイムの測定を実現できる。このため、過渡状態のパ
ラメータも測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施形態の一例を示すブロック図
である。

【図２】図１に示す実施形態の一部変形例を示すブロッ
ク図である。

【図３】本発明による実施形態の他の例を示すブロック
図である。

【符号の説明】

１０インバータ回路１２直流電源１４モータ（誘導性負荷）１６分周回路１８第１電流センサ２０第１絶縁増幅器２２第１選択乗算手段２４第１積算回路２４ａ電流源２４ｂスイッチ２４ｃコンデンサ２５バッファ増幅器２６サンプル・ホールド回路２８アナログ・デジタル変換器３０第２電流センサ３２第３電流センサ３４第２絶縁増幅器３６第３絶縁増幅器３８、４０第２選択乗算手段４２加算回路４４第２積算回路４４ａ電流源４４ｂスイッチ４４ｃコンデンサ４５バッファ増幅器４６サンプル・ホールド回路４８アナログ・デジタル変換器５０周期検出カウンタ５２周期検出カウンタｎ１周期当たりのクロック数Ｔｐ周期パルス信号 η 電力変換効率

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直流電源が供給する直流電力を交流電力
に変換して負荷に供給するインバータ回路のパラメータ
を測定する装置であって、上記直流電源が上記インバータ回路に供給する入力電流
及び入力電圧を検出する入力電流及び入力電圧検出手段
と、上記入力電流又は入力電圧を選択的に出力するか若しく
は乗算して出力する第１選択乗算手段と、上記インバータ回路が上記負荷に供給する出力電流及び
出力電圧を検出する出力電流及び出力電圧検出手段と、上記出力電流又は出力電圧を選択的に出力するか若しく
は乗算して出力する第２選択乗算手段と、所定期間毎に上記第１及び第２選択乗算手段の出力をそ
れぞれ積算するとともにデジタル・データに変換する積
算デジタル化手段と、該積算デジタル化手段の出力する上記デジタル・データ
から上記インバータ回路のパラメータを演算する演算手
段とを具えるインバータ回路のパラメータ測定装置。
【請求項２】上記所定期間として、上記インバータ回
路が供給する上記交流電力の周期を利用することを特徴
とする請求項１記載のインバータ回路のパラメータ測定
装置。
【請求項３】上記負荷はモータであって、該モータの
回転子の周期を上記所定期間として利用することを特徴
とする請求項１記載のインバータ回路のパラメータ測定
装置。
【請求項４】上記所定周期は任意に定めた一定時間で
あることを特徴とする請求項１記載のインバータ回路の
パラメータ測定装置。
【請求項５】上記積算デジタル化手段は、上記第１及
び第２選択乗算手段の出力に応じて充電されるコンデン
サと、該コンデンサの電荷を上記所定期間毎にリセット
するスイッチ手段と、上記コンデンサの電位をサンプリ
ングしてアナログ・デジタル変換するアナログ・デジタ
ル変換手段とを有することを特徴とする請求項１乃至４
のいずれかに記載のインバータ回路のパラメータ測定装
置。
【請求項６】上記積算デジタル化手段は、上記第１及
び第２選択乗算手段の出力をそれぞれアナログ・デジタ
ル変換するアナログ・デジタル変換手段と、該アナログ
・デジタル変換手段の出力を上記所定期間中積算する積
算回路とを有することを特徴とする請求項１乃至５のい
ずれかに記載のインバータ回路のパラメータ測定装置。
【請求項７】上記パラメータは上記所定期間における
上記インバータ回路の変換効率、平均入力電流、平均出
力電力、平均出力電圧、平均出力電流、実効電圧又は実
効電流であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれ
かに記載のインバータ回路のパラメータ測定装置。
【請求項８】上記電流検出手段にＣＴ又は分流抵抗器
を用いることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに
記載のインバータ回路のパラメータ測定装置。
【請求項９】上記電圧検出手段に絶縁増幅器を用いる
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のイ
ンバータ回路のパラメータ測定装置。