CN1659775A - Pwm逆变器控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题是提供一种可通过降噪和开关次数限制来兼顾降噪和节能两方面的PWM逆变器控制方法。本发明在2电平PWM逆变器的控制方法中，对串联连接的开关元件的开关动作进行如下限制：在逆变器的运转频率低的情况下，设定开关次数和定时，使得由开关动作引起的噪声频率分量不集中，并输出任意电压，此时，对开关次数设定下限，使得开关次数不过度减少，另一方面，在逆变器的运转频率上升的情况下，使开关次数和定时的设定值与运转频率一起以恒定比率上升，设定开关次数的上限，使得开关次数不上升到大于等于某个设定值。

Description

PWM逆变器控制方法
技术领域
本发明涉及对电动机等进行可变速驱动和系统联动的PWM逆变器的降噪。
背景技术
图13是以往的PWM逆变器的结构图。在图13中，1是控制器，2是降噪PWM生成电路，4是电流检测电路，5是直流电源，11是平滑电容器，101～106是开关元件，201～206是续流二极管。
在以上结构中，向控制器1输入指令并从电流检测电路4输入输出电流的检测值。控制器1根据这些输入，使用降噪PWM生成电路2生成专门降噪的PWM开关图形，并输出使开关元件接通/断开的指令。
此处，对专门降噪的PWM开关图形进行说明，如果使用空间矢量图表示图13所示的电路输出的3相2电平PWM脉冲，则如图2所示；图3所示的图形表示一般的PWM脉冲图形。图2的空间矢量图上的符号、a、b、Op、On矢量与图3所示的各相的开关图形对应，H表示上侧开关元件接通的状态，L表示下侧开关元件接通的状态。
PWM逆变器通常输出图3所示的图形，还输出用降噪PWM生成电路2对脉冲图形进行了重组的图4所示的降噪图形。该降噪图形与通常的图3的图形的时间平均相等，生成将脉冲分割并使之集中或分散后的图4所示的脉冲图形，以分散噪声，实现降噪。
然而，在上述以往的技术中，通常的PWM方式，由于哪一相都均等地进行开关动作，因而噪声的产生频率集中，产生刺耳的噪声。然而，当由于降噪对策而使脉冲图形变复杂时，开关次数大幅度上升，开关元件的开关损耗上升，发热增大。这在使逆变器安全运转方面是大问题，存在影响开关元件的寿命的问题。
发明内容
因此，本发明的目的是提供PWM逆变器控制方法，该PWM逆变器控制方法在可自由设定各相的开关动作的PWM控制方法中，可使它们的噪声峰值分散，并通过给开关次数设定下限值、上限值并把开关损耗抑制为小于等于设定值，可兼顾降噪对策和节能两个方面。
为了达到上述目的，发明1所述的发明是一种PWM逆变器控制方法，该控制方法是2电平PWM控制方式的PWM逆变器控制方法，其采用以下结构：使用大于等于2组的多组由2个开关串联连接而成的电路，其中，该开关由开关元件和反并联连接的整流元件组成；具有使前述串联连接的开关元件的开关动作按组自由变化的功能，其特征在于，对前述串联连接的开关元件的开关动作进行如下限制：在逆变器的运转频率低的情况下，设定开关次数和定时，使得由开关动作引起的噪声的频率分量不集中，并输出任意电压，此时，对开关次数设定下限，使得开关次数不过度减少，另一方面，在逆变器的运转频率上升的情况下，使前述开关次数和定时的设定值与运转频率一起以恒定比率上升，但设定开关次数的上限，使得开关次数不上升到大于等于某个设定值。
该PWM逆变器控制方法中，在可自由地设定各相的开关动作的2电平PWM逆变器控制方法中，由于使噪声峰值分散，并对开关次数设定上限、下限值进行限制，因而，可降低刺耳的噪声并抑制开关损耗。
并且，发明2所述的发明是一种PWM逆变器控制方法，该控制方法是多电平PWM控制方式的PWM逆变器控制方法，其采用以下结构：使用大于等于2组的多个由4个或更多的偶数个开关串联连接而成的电路，其中，该开关由开关元件和反并联连接的整流元件组成；具有使前述串联连接的开关元件的开关动作按组自由变化的功能；并作为输出电平输出大于等于3电平的PWM脉冲，其特征在于，对前述串联连接的开关元件的开关动作进行如下限制：在逆变器的运转频率低的情况下，设定开关次数和定时，使得由开关动作引起的噪声的频率分量不集中，并输出任意电压，此时，对开关次数设定下限，使得开关次数不过度减少，另一方面，在逆变器的运转频率上升的情况下，使前述开关次数和定时的设定值与运转频率一起以恒定比率上升，但对开关次数设定上限，使得开关次数不上升到大于等于某个设定值。
该PWM逆变器控制方法中，在3电平PWM逆变器控制方法中，由于使噪声峰值分散，并对开关次数设定上限、下限值进行限制，因而可降低刺耳的噪声并抑制开关损耗。
并且，发明3所述的发明是：在发明1或2所述的PWM逆变器控制方法中，其特征在于，对前述开关次数的上限值进行设定，使得从开关元件产生的开关损耗的时间平均小于等于某个设定值。
该PWM逆变器控制方法中，由于对开关次数限制的上限值进行设定，使得开关损耗的时间平均小于等于设定值，因而可把开关损耗作为控制量，决定和控制开关次数的上限值。
并且，发明4所述的发明是：在发明1或2所述的PWM逆变器控制方法中，其特征在于，对前述开关次数的上限值进行设定，使得PWM逆变器的发热小于等于某个设定值。
该PWM逆变器控制方法中，由于对开关次数限制的上限值进行设定，使得逆变器的发热小于等于设定值，因而可把发热量作为控制量，决定和控制开关次数的上限值。
并且，发明5所述的发明是：在发明1～4中任意一项所述的PWM逆变器控制方法中，其特征在于，为使设定的开关次数的频率分量不等于与输出侧连接的电动机的谐振频率，跳过该频率。
该PWM逆变器控制方法，可实现降噪，通过开关次数限制，可抑制开关损耗，并通过跳过电动机的谐振频带的频率，可抑制控制系统的振动，可降低机械声的产生。
附图说明
图1是示出根据本发明的第1实施方式的PWM逆变器控制方法的电路例的图。
图2是示出图1所示的逆变器的空间矢量的图。
图3是示出图1所示的逆变器的通常的开关图形的图。
图4是示出图3所示的图形的降噪后的开关图形的图。
图5是示出图1所示的逆变器的进行了降噪和开关次数限制的开关图形的图。
图6是示出表示图5所示的开关次数限制的曲线图的图。
图7是示出图6所示的曲线图的跳过的频带的图。
图8是示出根据本发明的第2实施方式的PWM逆变器控制方法的电路例的图。
图9是示出图8所示的逆变器的空间矢量的图。
图10是示出图8所示的逆变器的通常的开关图形的图。
图11是示出图10所示的图形的降噪后的开关图形的图。
图12是示出图8所示的逆变器的进行了降噪和开关次数限制的开关图形的图。
图13是示出以往的PWM逆变器装置的电路例的图。
另外，关于图中的符号，1是控制器，2是降噪PWM生成电路，3是开关次数限制电路，4是电流检测电路，5是直流电源，11是平滑电容器，12、13是分压电容器，101～118是开关元件，201～218是续流二极管，301～306是箝位二极管。
具体实施方式
以下，参照图对本发明的第1实施方式进行说明。
图1是示出根据第1实施方式的PWM逆变器控制方法的电路例的图。
图2是示出图1所示的逆变器的空间矢量的图。
图3是示出图1所示的逆变器的通常的开关图形的图。
图4是示出图3所示的图形的降噪后的开关图形的图。
图5是示出图1所示的逆变器的进行了降噪和开关次数限制的开关图形的图。
图6是示出表示图5所示的开关次数限制的曲线图的图。
图7是示出图6所示的曲线图的跳过的频带的图。
在图1中，1是控制器，2是降噪PWM生成电路，3是开关次数限制电路，4是电流检测电路，5是直流电源，11是平滑电容器，101～106是开关元件，201～206是续流二极管。
下面，对动作进行说明。
在图1所示的3相2电平PWM逆变器中，当从控制器1输入指令时，按照该指令值并根据图2所示的空间矢量，生成图3所示的PWM脉冲图形。图2的空间矢量符号a、b、Op、On与图3所示的各相U、V、W的开关图形对应，H表示上侧开关元件101、103、105接通的状态，L表示下侧开关元件102、104、106接通的状态。另外，开关元件“101，102”相当于U相，“103，104”相当于V相，“105，106”相当于W相。
然后，该PWM脉冲图形被变更为由降噪PWM生成电路2降噪后的PWM开关图形。也就是说，在图3的情况下，由于U、V、W相全都均等地进行开关动作，因而噪声输出集中在特定的频率，而在图4的降噪图形中，在被输出的电压的平均值与图3保持相同的同时，将图形进行分割重组，进行频率调整，使得不输出特定(刺耳的声音频带内的频率等)的频率。以U相为例进行说明，图3的U相的均等脉冲虽然在图4的U相中被重组成脉冲宽度不同的倍数脉冲，但总电压的平均值相同，通过仅重组频率，将其向高频率方向偏移调整，使其处于声音频带外。这样，使刺耳的声音频带内等的噪声分散和降低。
然后，这样降噪后的开关图形输入到开关次数限制电路3，判断是否满足所设定的开关次数。在开关次数限制电路3中，施加限制，使得开关次数不会达到大于等于为抑制由开关损耗引起的发热而设定的开关次数。该限制可以在设计PWM逆变器时，根据开关元件(IGBT等)的特性来设定，也可以根据实际使用条件下的发热量等通过实测进行设定，而不设定成特定的固定值。
在PWM逆变器中，在运转频率上升的同时，开关次数也上升，然而当根据开关次数限制电路3的判断，开关次数超过设定值时，如图6所示，次数限制功能起作用，限制进一步的开关。
具体地说，当开关次数超过设定值时，在降噪PWM生成电路2中，为了使时间平均的开关次数恒定不变，按载波周期单位等使PWM图形的分割数减少、或者变更分散的方法进行调整使开关次数降低。
例如，图5是进行了开关次数限制的降噪图形，T1期间与图4所示的脉冲图形相同，而在周期从T1变化到T2，运转频率上升的情况下，受到开关次数的限制，使脉冲减少。这种情况下的每个控制期间的开关次数为：T1期间是11次，与图4相同，而T2期间减少成7次。但是，在整体的时间平均方面，开关次数大致均等化，开关损耗的时间平均保持为小于等于设定值，抑制了开关元件的发热。
并且，由于开关次数过少也使输出电流产生大的脉动而出现问题，因而，如图6所示，用开关次数限制电路3设定开关次数的下限值(这也根据特性值等进行设定)，并设定限制，使得开关次数不小于等于该下限值。
并且，如图7所示，为了使作为负载连接的电动机的谐振频率和输出的PWM脉冲图形的开关次数不一致，作为开关次数限制电路3的处理，对开关次数进行跳跃处理。
这样，通过使开关次数跳跃以便不输出谐振频率，可以抑制振动并抑制机械声的产生，并且可实现稳定的降噪。
然后，参照图对本发明的第2实施方式进行说明。
图8是示出根据第2实施方式的PWM逆变器控制方法的电路例的图。
图9是示出图8所示的逆变器的空间矢量的图。
图10是示出图8所示的逆变器的通常的开关图形的图。
图11是示出图10所示的图形的降噪后的开关图形的图。
图12是示出图8所示的逆变器的进行了降噪和开关次数限制的开关图形的图。
图8是应用于3相3电平逆变器的例子，1是控制器，2是降噪PWM生成电路，3是开关次数限制电路，4是电流检测电路，5是直流电源，12、13是平滑电容器，107～118是开关元件(开关元件107～110相当于U相，111～114相当于V相，115～118相当于W相)，201～206是续流二极管，301～306是中间电平输出用箝位二极管。
以下对动作进行说明。
在使用图8所示的3电平NPC逆变器的情况下，如果使用空间矢量图表示可输出的PWM脉冲，则如图9所示；使用该逆变器的一般的脉冲图形如图10所示。空间矢量的各符号、a、b、ap、an、bp、bn、Op、On、Oo与图10所示的各相的开关图形对应，H、O、L中的H表示上侧开关元件接通的状态，O表示输出电容器分压后的中性点电压的正中的2个开关元件接通的状态，L表示下侧开关元件接通的状态。
通常，输出图10所示的均等图形，但由降噪PWM生成电路2，变更为图11所示的降噪后的PWM开关图形。该降噪后的PWM图形中，电压的时间平均与图10所示的通常均等图形相等，将脉冲分割并使之集中或分散，生成图1所示的降噪图形，以使噪声分散化，实现降噪。
然后，与前面的实施方式相同，使用开关次数限制电路3设定图6所示的次数限制，使得开关次数不大于等于为抑制由开关损耗引起的发热而设定的开关次数，根据图11所示的降噪图形，生成图12所示的开关次数限制图形。在图12的例中，T1期间的次数与图11相同，而在运转频率上升、开关次数限制起作用的T2期间，使开关次数减少，减少了脉冲的分割数。
因此，即使运转频率进一步上升，通过使PWM图形的分割数减少，或者变更分散的方法，可原样保持按时间平均的开关次数，防止开关损耗的上升，可安全地实现降噪。
另外，在第2实施方式中，也可以进行图7所示的跳跃处理。
上面，参照特定的实施方式，对本发明进行了详细说明，但对本领域技术人员而言，显然可以在不背离本发明的精神和范围的情况下施加各种变更和修正。
本申请基于2002年6月12日申请的日本专利申请(特願2002-171395)，并将其内容引用至此作为参考。
如以上说明的那样，根据本发明，具有以下效果：在可自由设定各相的开关动作的PWM逆变器控制方法中，为使它们的噪声峰值分散，将各相的开关图形进行重组，实现降噪，并且，通过对开关次数设定下限值、上限值并抑制开关损耗使其小于等于设定值，可兼顾降噪和节能两个方面。

Claims (5)

1.一种PWM逆变器控制方法，是2电平PWM控制方式的PWM逆变器控制方法，其采用以下结构：使用大于等于2组的多组由2个开关串联连接而成的电路，其中，该开关由开关元件和反并联连接的整流元件组成；具有使前述串联连接的开关元件的开关动作按组自由变化的功能，其特征在于，
对前述串联连接的开关元件的开关动作进行如下限制：在逆变器的运转频率低的情况下，设定开关次数和定时，使得由开关动作引起的噪声的频率分量不集中，并输出任意电压，此时，对开关次数设定下限，使得开关次数不过度减少，另一方面，在逆变器的运转频率上升的情况下，使前述开关次数和定时的设定值与运转频率一起以恒定比率上升，但设定开关次数的上限，使得开关次数不上升到大于等于某个设定值。
2.一种PWM逆变器控制方法，是多电平PWM控制方式的PWM逆变器控制方法，其采用以下结构：使用大于等于2组的多个由4个或更多的偶数个开关串联连接而成的电路，其中，该开关由开关元件和反并联连接的整流元件组成；具有使前述串联连接的开关元件的开关动作按组自由变化的功能；并作为输出电平输出大于等于3电平的PWM脉冲，其特征在于，
对前述串联连接的开关元件的开关动作进行如下限制：在逆变器的运转频率低的情况下，设定开关次数和定时，使得由开关动作引起的噪声的频率分量不集中，并输出任意电压，此时，对开关次数设定下限，使得开关次数不过度减少，另一方面，在逆变器的运转频率上升的情况下，使前述开关次数和定时的设定值与运转频率一起以恒定比率上升，但对开关次数设定上限，使得开关次数不上升到大于等于某个设定值。
3.根据权利要求1或2所述的PWM逆变器控制方法，其特征在于，在PWM逆变器控制方法中，对前述开关次数的上限值进行设定，使得由开关元件产生的开关损耗的时间平均小于等于某个设定值。
4.根据权利要求1或2所述的PWM逆变器控制方法，其特征在于，在PWM逆变器控制方法中，对前述开关次数的上限值进行设定，使得PWM逆变器的发热小于等于某个设定值。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的PWM逆变器控制方法，其特征在于，在PWM逆变器控制方法中，为了使设定的开关次数的频率分量不等于与输出侧连接的电动机的谐振频率，跳过该频率。
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