JPS60152270A - インバータ装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は直流電力を交流電力に変換してゆくパルス幅変
調方式のインバータ装置に関するもので沁り、特に改良
したパルス幅変調回路を提供するものである。

〔発明の背景） 直流電力を交流電力に変換してゆくパルス幅変調方式の
インバータ装置は、出力電流の基本波に相轟する正弦波
発生回路と、搬送波となる三角波発生回路を設け、両回
路の波形を合成することにより、インバータ部を構成す
るスイッチング素子路によると、基本波あるいは搬送波
の周波数を変更しようとすれば、複雑な周辺回路が必要
となり、インバータ装置の小形（ＩＺ、あるいは低価格
化の障害となるものであった。

一方、基本波あるいは搬送波の周波数を変更することは
、インバータに接続する負荷装置の制御範囲を広げ、ま
た、機械的あるいは電気的な振動を避ける意味で重要で
ある。同時に、搬送波を調整し、インバータ装置の出力
周波数の低い範囲では、インバータ装置の出力波形を改
善するために、基本波に対する出力パルス数を増加し、
逆に、インバータ装置の出力周波数の高い範囲では、ス
イッチング素子のスイッチング効率を向上させるために
、出力パルス数を減少してゆくことが望まれている。

このようなことから、最近では制御回路をアナログ回路
からデジタル回路に切り替えてゆくことが行なわれてい
る。このような制御例として例えば、特開昭５６−１５
７２７５号、あるいは特開昭５７−４３５７３号などが
すでに提案されている。しかし、すでに発表されている
パルス幅変調方式は、各出力周波数におけるスイッチン
グ素子のスイッチングパターンを記憶するため、大容量
の記憶回路を必要としたり、あるいは、スイッチング素
子のゲート（ベース）信号を得るため複雑な演算処理を
行なわなければならないなど、さらにインバータ装置を
安価に、しかも、制御性を向上してゆくためには問題の
残るものであった。

〔発明の目的） そこで本発明はインバータ装置の制御性を向上してゆく
ことができる。さらに改良したパルス幅変調方式を提供
してゆくものである。

〔発明の概要） すなわち本発明は、直流電力を交流電力に変換してゆく
パルス幅変調方式のインバータ装置において、出力電圧
値に関連する値と、相出力パルスの発生間隔に関連する
値と、相出力パルスの相出力位相における基本波の瞬時
値に関連する値との乗算結果に応じたポルス幅の相出力
パルスを出力するパルス幅変調回路を設けるものである
。

さらに若干の説明を加えると、本発明はインバータ装置
の出力周波数に応じた出力電圧値に関連する値と、従来
の搬送波に相当する相出力パルスの発生間隔に関連する
値と、従来の基本波に相当する相出力パルスの相出力位
相ｌこおける基本波の瞬時値に関連する値上の乗算結果
に応じたパルス幅の相出力パルスを出力するパルス幅変
調回路を備えるものである。

〔発明の実施例） 本発明者らは、さすざまな制御回路あるいは制のような
関係式を基に処理してゆくと、各種の処理操作が軽減さ
れることを見いたした。すなわち、制御の基本となる相
出力パルスのパルス列を構成する個々のパルスのパルス
幅をＴｐとすると、Ｔｐは ’ｒｐ　＝に−Ｔｃ＠ＶＩＩＳｉｎωｔ　・＝（１）Ｋ
；比例定数 巽；パルス列の発生間隔 ■；出力電圧 ωｔ；基本波に対するパルス列の発生位相 き表わすことができる。

以下、このよ・うな関係式に基づいて構成した実施例に
ついて詳しく説明する。第１図は本発明の一つの実施例
を説明するためのブロック図である。

これを説明すると１は三相交流電源２よりの交流電力を
直流電力に変換するコンバータ、３は直流回路に接続し
た平滑コンデンサ、４は直流電力を再び交流電力に変換
するためのインバータブリッジであり、実施例ではスイ
ッチング素子きしてトランジスタが利用されている。こ
のように構成したインバータ装置の主回路は、次のよう
な制御回路により制御される。なお、５はインバータ装
置に接続した三相誘導電動機である。また、６は直流回
路中屹組め込んだ過電流を検出するための抵抗、７は直
流回路の過電圧を検出するための配線であり、いずれも
インターフェース８を介して、後に説明する制御回路に
検出信号が入力される。

制御回路の構成を詳しく説明すると、１０は速度設定器
であり、三相誘導電動機５の運転速度、すなわち、イン
バータ装置の出力電圧の周波数を設定するものである。

１１はランプ回路であり、三相誘導電動機５に連結した
負荷装置の負荷特性に合わせて速度設定器１０による速
度設定値の加速・減速時間を調整するものである。１２
は出力電圧設定回路であり、ランプ回路１１を介して入
力される速度設定値に応じて、定トルク制御あるいは定
出力制御など運転目的に応じたインバータ装置の出力電
圧値のパターンを出力する。１３は発振器であり、速度
設定値に比例した周波数を持つパルス列を発振するもの
である。１４は分周回路であり、発振器１３からのパル
ス列を分周することにより、基本波中に含まれる相出力
パルスの発生間隔に応じたパルス列を出力する。すなわ
ち、相出力パルスの発生間隔に応じたパルス列が得られ
るように、速度指令値と発振器１３の゛発振周波数の関
係、および、分周回路１４の分局比をあらかじめ選択す
るものである。１５はパルス間隔測定回路であり、分周
回路１４より発せられるパルス列のパルス間隔を測定し
、この測定結果をパルス間隔データとして出力するもの
である。１６はＡ／Ｄ変換器であり、出力電圧値および
速度指令値のアナログデータをデジタルデータに変換し
てゆくものである。１７は演算処理装置であり、メモリ
１８にあらかじめ記憶したプログラムおよび各種入力デ
ータに従い、所定の演算処理を行なうものである。メモ
リ１８には演算処理装置１７の処理を進めるためのプロ
グラムデータ、および後で詳しく説明する各種テーブル
データ、さらには演算処理装置１７のためのワーキング
エリアが確保されている。１９は一種のタイマ装置で構
成したパルス幅変換回路であり、演算処理装置１７Ｍこ
より演算処理したパルス幅データに基づき、演算処理装
置１７よりのコマンド信号を受けて、パルス幅データに
応じた幅パルスを出力するものである。２０はＤ形フリ
ップフロップを基本とする波形処理回路であり、演算処
理装置１７よりのデータ信号と、パルス幅変換回路１９
よりの幅パルス信号をクロック信号として入力し、相出
力パルス列を１８次出力してゆくものである。２１．２
２は相出力分配回路、および信号増幅器であり、インバ
ータブリッジ４を構成する各相の上・下アームに相出力
パルス列を分配し、信号増幅を行なった後、ベース駆動
信号として、インバータブリッジ４の各スイッチング素
子に供給してゆくものである。２３は電源部異状検出回
路であり、三相交流電源２の瞬時停電あるいは不足電圧
を検出し、この検出結果をインターフェース８を介して
演算処理装置１７に入力している。また、インターフェ
ース８からは、さらに緊急しゃ断信号が、直流回路の過
電流、過電圧および三相交流電源の瞬時停電、不足電圧
を検出したとき、相出力分配回路２１に出力される。こ
の緊急しゃ断信号を受けて、相出力分配回路２１は相出
力パルス列の分配を中止し、インバータ装置の保護処理
を行なう。

次に、このように構成した制伺１回絡めさらに具体的な
動作を、第２図に示すタイミングチャート、および第３
図に示すフローチャートを参照して説明する。インバー
タ装置の相出力パルス列を電位ゼロと電位プラスのパル
ス信号によ′つて表わそうとずれば、これは、第２図す
に示すような電位がプラスの期間、あるいはゼロの期間
がしだい−こ変化するパルス信号列となる。これを、従
来の基本波と急送波の関係りこよつ゛Ｃ説明する。第２
図において、基本波の波形をＳ、寧送びの波形をＭ♂す
れば、相出力パルス列は、通常両波形の関係からｂのよ
うなパルス列として得ることができる。すなわち、基本
波Ｓがゼロ付近では相出力パルス列すの電位ＬＯとＨｉ
の期間がほぼ等しく、また、基本波Ｓがプラスの範囲で
、しかも、絶対値が大きくなるに従い相出力パルス列す
の電位ＬＯの期間が短くなり、逆に、基本波Ｓがマイナ
スの範囲で、しかも、絶対値が大きくなるに従い相出力
パルス列すの電位Ｌｏの期間が長くなるようにしている
。さらに、これらの関係に着目すると、搬送波Ｍのプラ
ス・マイナスの各ピークから始まる搬送波Ｍの一周期に
おいて、相出力パルスｂが搬送波Ｍのプラス側のピーク
点を過ぎてプラスに変化するタイミングＴｐ、は、基本
波Ｓがプラス側で、これの絶対値が大きくなるほどゆく
、また、相出力パルスｂが搬送波Ｍのマイナス側のピー
ク点を過ぎてゼロに変化するタイミンクＴｐ、は、基本
波Ｓがマイナス側で、これの絶対値が大きくなるほど短
くなっていることが分かる。したがって、これらのタイ
ミングは搬送波ＭＯ）ｙ４周期を基本として、それぞれ と表わすことができる。

したがって、本実施例においては、これらのパルスタイ
ミングＴｐＨＴｐ１を管理することにより相出力パルス
列すを得ているものである。

さらに、この点を第１図に示すブロック図と、第３図に
示すフローチャートとの関係において説明する。速度指
令値に応じて、発振器１３が発振を始めると、この発振
パルス列を受けて分周回路１４は発振パルス列のカウン
トを始め、あらかじめ定められた分周比毎に割込みパル
スｐを発する。

この分周回路１４の分周比はインバータ装置の出力周波
数に応じ、インバータ装置の１サイクルを構成するのに
適切な相出力パルス列すの２倍のパルス数が得られるよ
う崖、出力周波数と分周比の間係をあらかじめメｊｌＪ
ｘｓ内ｊこ記憶しておくものである。すなわち、この割
込みパルスｐは従来の搬送波Ｍの各プラス・マイナスの
ピークに対応する周期で出力される。そして、このメモ
リ１８内の分周比データは演算処理装置１７を介して分
周回路１４に入力される。またこの例では、パルス間隔
測定回路１５は、割込みパルスｐの一つ置きのパルス間
隔を測定している。

さて、演算処理装置１７は分周回路１４からの割込み信
号ｐが入力される毎にメモリ１８内にあらかじめ記憶し
た、第３図に示す割込みルーチンを実行する。すなわち
、割込みルーチンか起動されると演算処理装置１７は、
まず、波形処理回路２０に与えるデータ信号Ｃを反転す
る。このデータ信号Ｃの変化を第２図中Ｃで示す。次に
演算処理装置１７はコマンド信号を発しタイマ装置１９
を起動する。このタイマ装置１９は、前回の割込みルー
チンにおいてあらかじめ計算された、パルス列生成のた
めのタイミングデータに基づき起動する。次に演算処理
装置１７はメモリ１８内に設けたワーキングエリア内の
位相データを更新する。

これは、基本波Ｓに対する割込みパルス数が相出力パル
ス数より決められると、割込みパルス毎に更新しなけれ
ばならない位相間隔も決められるため、これによるもの
である。次に演算処理装置１７はパルス間隔測定回路１
５よりのパルス間隔データＴＣを入力し、後の演算処理
のためメモリ１８内のワーキングエリアζこ記憶する。

続いて、演算処理装置１７はＡ／Ｄ変換器１６を介して
速度指令値を入力し、これをメモリ１８内に設けた、出
力周波数と分局比との関係を示すテーブルと比較し、分
周比、すなわち、基本波に対する相出力パルス数を切換
える必要がないと判断した場合は、次のステップで再び
Ａ／Ｄ変換器１６を介して出力電圧設定回路１２の出力
電圧値を入力し、後の演算処理のためメモリ１８内のワ
ーキングエリアに記憶する。次に演算処理装置１７は更
新した位相データに基づき、あらかじめメモリ１８内に
記憶した、相出力パルスの相出力位相と基本波Ｓの瞬時
値との関係を示すサインテーブルを参照し、必要な瞬時
値データを読み取る。この読み取り結果はワーキングエ
リア内に一時記憶される。次に演算処理装置１７は各処
理段階で取り込んだ、パルス間隔データＴｃ、出力電圧
値データｖ１瞬時値データ３ｉｎωｔに基づき、すでに
説明した（２）式、（３）式を利用して、パルス発生の
タイミングを計算する。すなわち、まずＵ相のパルスタ
イミング和か計算される。詳しく説明すると、割込みル
ーチンの最初に反転保持したデータ信号ＣがＬｏの状態
にあれば（２）式に基づき、相出力パルスｂの立上りの
タイミング−が演算される。

また、データ信号ＣがＨｉの状態であれば（８）式に基
づき相出力パルスｂの立下りのタイミングＴｕ。

が演算される。

これら（４）式、（６）式は割込みルーチンの一処理毎
に交互に選択さ札演算結果は次の処理スコップでタイマ
装置１９のＵ相データの一時記憶エリアζこ転送される
。Ｕ相のパルスタイミングデータＴｕなる基本波Ｓの瞬
時値を再びサインテーブルより読み取り、この値を基に
■相のパルスタイミング？ｌを計算する。

すなわち■相のパルスタイミングＴＶはよりめる。この
、■相の相出力パルスの立上り、あるいは立下りのタイ
ミングデータＴｖは、次のステップで同じようにタイマ
装置１９の■相データの一時記憶エリアに転送される。

最後に、Ｗ相の相出力パルスの立上り、あるいは立下り
のタイミングは、すでに演算処理したＵ相のタイミング
データＴｕ、１Ｌ−Ｖ相のタイミングデータＴＶからＴ
ｗ＝＝　−（Ｔｕ　＋Ｔｖ　）　請 求められる。このＷ相のタイミングデータＴＷは同様に
タイマ装置１９のＷ相の一時記憶エリアに転送される。

もちろん、（７）式の計算のため、Ｕ相、■相のパルス
タイミングの演算結果はメモリ１８内のワーキングエリ
アにも同時に記憶しておくものである。このように、分
周回路１４よりの割込み信号ｐが入力される毎に、演算
処理装置１７は割込みルーチンを実行し、タイマ装置１
９をすでに計算されているタイミングデータＴｕ　、　
Ｔｖ、　Ｔｗに基づき起動すると共に、次回のタイマ装
置１９の起動のためタイミングデータを計算するもので
ある。

次に、割込みルーチン中の分周比の切換えを伴う実施例
について説明する。すなわち、演算処理装置１７は、速
度指令値を入力し、これをメモリ１８内に設けた出力周
波数と分周比のテーブルと対比し、分周比を切換る速度
指令値に達していると判断した場合、更新位相０ｏｏ）
タイミングを待って次のような処理を行なう。まず、出
力周波数と分周比のテーブルより新たな分局比を読み出
し、この分周比データを分周回路１４ニ出力する。次に
、当然割込みパルスｐの発生周期も変更しなければなら
ないから、新たな速度指令値に対応した割込みパルスｐ
の一つ置きの発生周期を、あらかじめメモリ１８内に記
憶したデータチーフル、あるいは、速度指令値に応じた
基本波Ｓの発生周期、発振器１３の発振周期、分周回路
１４の分周比などから演算によりめ、メモリ１８内のワ
ーキングエリアに記憶しであるパルス間隔データＴｃを
補正する。この分局比の変更、パルス間隔データＴＣの
補正を行なった後は、すでに説明した割込みルーチンに
戻り、これを実行するものである。

さて、このように相出力パルス列の立上り・立下りに関
するパルスタイミングデータ（Ｔｕ、、Ｔ−・・・・・
・Ｔｖ、Ｔｗなど）が作成されると、タイマ装置１９は
演算処理装置１７が割込みパルスｐを入力する毎に出力
する・−ンド信号を受みてタイ−動作を行なう。すなわ
ち、タイマ装置１９はコマンド信号を受けてパルスタイ
ミングデータに応じたタイマ動作を行なっている間は出
力をＬＯの状態に保ち、タイマ動作が完了した後は出力
をＨｉの状態に戻す。このときのタイマ装置１９の出力
信号波形を第２図中ｄで示す。次に波形処理回路２０は
タイマ装置１９の出力信号ｄをクロック信号として入力
し、このクロック信号を基に、演算処理袋＃１７より出
力されるデータ信号Ｃの処理を行なう。すなわち、この
波形処理回路２０は、クロックパルスｄの立上がり時の
データ信号Ｃの状態を保持するものである。このように
波形処理された波形処理回路２０の出力信号すは相出力
パルス列として相出力分配回路２１に入力される。相出
力分配回路２１は波形処理回路２０の出力信号すを上ア
ーム信号、これを反転した信号を下アーム信号として分
配してゆくものである。タイマ装置１９、波形処理回路
２０については一相分のみの説明を行なったが、もちろ
んこれは三相分の信号処理を同時に進めるものである。

このようにして生成したパルス幅変調信号によりインバ
ータ装置の運転を行なうと、三相誘導な動機５に流れる
線電流はほぼ正弦波形となる。

このような実施例によれば、従来から基本波と搬送波の
突き合わせによって生成していたパルス幅変調信号を、
比較的簡単な演算処理を繰返すことにより得ることがで
きる。また、実施例におけるせインテーブルのデータは
割込みパルスが発生ずる可能性のある位相の瞬時値デー
タだけを記憶しておけは良いものであるから、制御に必
要なデータ量は非常に小さくなる。具体的には基本波の
１ザイクルを構成する相出力パルス数の２倍に、相出力
パルス数の種類数を掛は合わせた数μ下のデータをあら
かじめ記憶すれば良いものである。

また、このサインテーブルのデータは基本波の半周期分
だけを記憶し、読み出し位相と読み出し量を変換する操
作を行なうことにより半減させることもできる。

以上説明した実施例では、回路構成の一部を７１−ドロ
ジツク、また、一部を演算処理装置によって行なったが
、十分高速処理の可能な演算処理装置によれば、パルス
幅変調信号を全て演算処理によりめることができる。す
なわち、相出力／Ｅ）レス列の発生間隔ＴＣは速度指令
値により定まる出力周波数ＦＯｕ′ｒと基本波の１周期
を構成するパルス数ＰＮによって決まる。

Ｔｃ＝□・・（８） ＰＮ　ａ　ＦＯＵＴ また、速度指令値に対する出力電圧値■はある関数で表
わすことができる。

Ｖ＝ａｆ＋ｂ・・・（９） ａ、　ｂ　Ｈ定数 ｆ；速度指令値 したがって、これら（８）式、（９）式を（１）式に代
入すると、 と表わすことができる。したがって、高速演算処理が可
能ならば（１０）式を基にパルス幅変調信号を演算して
ゆくこともできる。

さらに理想を言えば相出力パルス列のパルス幅はパルス
列の発生周期の積分、すなわち、と表わすことができる
。したがって、（１１）式の処理が可能であれば一層理
想的なパルス幅変調を行なうことができる。

また、実施例では基本波を正弦波としたが、これは波形
改善、あるいはメモリ容量の節村のために台形波、階段
波、あるいは、その他の波形を選択することができる。

前記説明した実施例では出力電圧設定回路を一種の関数
発生器により構成したが、これは、出力周波数と出力電
圧テーブルとしてメモリ内に記憶して置くこともできる
。また、関数発生器により発生した出力電圧データを一
部補正し、より理想的な値とするよう、これの補正値に
関する情報をメモリ内に記憶しておくこともできる。

さらに実施例では基本波と搬送波の周期が一致する、い
わゆる同期式のインバータ装置について詳しく説明した
が、本発明はこれに限られることなく、いわゆる非同期
式のものについても実施可能である。この場合は、基本
波に対する割込み信号の発生する位相が可変となるため
、サインテーブルのデータ量が増加する。また、データ
量を増加させないためにはサインテーブルの読み出し処
理を工夫する必要がある。

さらにまた実施例では出力周波数、電動機の実回転速度
、あるいは発振器の発振周波数のフィードバックは取ら
なかったが、必要があれば、これらのフィードバック値
により適切に補正した値に基づき制御動作を続けるもの
である。

なお、本発明に直接関係ないので説明を省いたが、割込
み処理ルーチンの余り時間を利用し、負荷状態の監視、
あるいは各種の異常処理、保護動作が行なわれる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明は直流電力を交
流電力に変換してゆくパルス幅変調方式のインバータ装
置において、出力電圧値に関連する値と、出力パルスの
発生間隔に関連する値と、相出力パルスの相出力位相に
おける基本波の瞬時値に関連する値との乗算結果に応じ
たパルス幅の相出力パルスを生成するパルス幅変調回路
を備えることにより、制御性を改善したインバータ装置
を得るこさができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一つの実施例を説明するためのブロッ
ク図、第２図は実施例の動作を説明するためのタイミン
グチャート、第３図は同じく動作を説明するためのフロ
ーチャートである。 ■・・・出力電圧値、ＴＣ・・・発生間隔、５ｉｎｌＱ
）ｔ・・・瞬時値、ｂ・・・相出力パルス 代理人　弁理士　高　橋　明　ｄ （′７１面の浄書（内容に変更なし） 第　２　図 第　３　圀 □−□− 手続補正書（方式） 昭和　５葦　５月　１も 特許庁長官殿 事件の表示 昭和　５９　年　特許願　第　７１８４　号発明の名称 インパーク装置 補正をする者 事件との関係　特許出願人 名　称　（Ｓ　１０）株式会社　日　立　製　作　所代
　理　人 居　所　〒１００　東京都千代田区丸の内−丁目５番１
号株式会社　日立製作所内 電　話　東京　２１２−１１１１（大代表）昭和５９年
４月２４日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、直流電力を交流電力に変換してゆくパルス幅変調方
   式のインバータ装置において、 出力電圧値に関連する値と、 相出力パルスの発生間隔に関連する値と、相出力パルス
   の相出力位相における基本波の瞬時値に関連する値との
   乗算結果に応じたパルス幅の相出力パルスを出力するパ
   ルス幅変調回路を備えたインバータ装置。