JP2001078466A - 電圧型pwmインバータ及び電力変換方法 - Google Patents

電圧型pwmインバータ及び電力変換方法

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JP2001078466A
JP2001078466A JP25578199A JP25578199A JP2001078466A JP 2001078466 A JP2001078466 A JP 2001078466A JP 25578199 A JP25578199 A JP 25578199A JP 25578199 A JP25578199 A JP 25578199A JP 2001078466 A JP2001078466 A JP 2001078466A
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wave
power
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voltage
control signal
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Kenji Tsutsui
健司 筒井
Kiyotaka Kadofuji
清隆 角藤
Takayuki Suzuki
孝幸 鈴木
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 直流電力を交流電力に変換する際に発生する
電磁音を低減できる電圧型PWMインバータ及び電力変
換方法を提供する。 【解決手段】 直流電力をPWM制御信号に基づいて交
流電力に変換する電圧型PWMインバータにおいて、正
弦波と正弦波の3n(nは自然数)倍の周波数を有する
方形波とを重畳させた波形を有する重畳波22u〜22
wと、重畳波22u〜22wの振幅より大きい振幅を有
する搬送波21とに基づいて、PWM制御信号23u〜
23wを生成することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電圧型PWM(Pu
lse Width Modulation)インバータ及び電力変換方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】従来から、直流電力を交流電力に変換
し、変換された交流電流をモータ等の負荷に供給する装
置として、電圧型PWMインバータが知られている。電
圧型PWMインバータによる電力変換は、詳しくは次の
ように行われる。まず、搬送波と電圧指令信号波である
正弦波とに基づいてパルス状のPWM制御信号を生成
し、このPWM制御信号を電力変換回路に送信する。こ
こで電圧指令信号波とは、負荷であるモータ等を駆動す
る際の回転周波数を指示する信号波である。次に、送信
されたPWM制御信号によって電力変換回路に備えられ
たトランジスタのオン、オフの時間比率(デューティー
比)を変化させ、これにより入力された直流電力を交流
電力に変換する。そして、この交流電力をモータ等の負
荷に供給していた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電圧型PWMインバータには以下の問題がある。すなわ
ち、従来の電圧型PWMインバータによって変換された
交流電力が負荷に供給される際に、インバータと負荷で
あるモータとの間のモータ線間電圧の高調波スペクトラ
ム分布を見ると、搬送波周波数の2倍の側波帯領域の分
布が大きい。この高調波スペクトラム分布はモータの周
波数に依存して変化し、特に低周波数の場合には、図6
に示すように搬送波周波数fcの側波帯領域より搬送波
周波数fcの2倍の側波帯領域の分布の方が大きくなっ
ている。すなわち、電力変換の際に電磁音が発生する。
【0004】そこで、本発明は上記課題を解決し、電磁
音を低減できる電圧型PWMインバータ及び電力変換方
法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明に係る電圧型PW
Mインバータは、直流電力をPWM制御信号に基づいて
交流電力に変換する電圧型PWMインバータにおいて、
正弦波と正弦波の3n(nは自然数)倍の周波数を有す
る方形波とを重畳させた波形を有する重畳波と、重畳波
の振幅より大きい振幅を有する搬送波とに基づいてPW
M制御信号を生成することを特徴とする。正弦波とその
3n(nは自然数)倍の周波数を有する方形波とを重ね
合わせた重畳波と搬送波に基づいてPWM制御信号を生
成し、このPWM制御信号によって直流電力を交流電力
に変換することにより、交流電力の高周波スペクトルの
分布を小さくし、電磁音を低減した交流電力をモータ等
の負荷に供給することができる。
【0006】本発明に係る電力変換方法は、直流電力を
PWM制御信号に基づいて交流電力に変換する電力変換
方法において、正弦波と正弦波の3n(nは自然数)倍
の周波数を有する方形波とを重畳させた波形を有する重
畳波を生成する重畳波生成工程と、重畳波の振幅より大
きい振幅を有する搬送波を生成する搬送波生成工程と、
重畳波と搬送波とに基づいてPWM制御信号を生成する
PWM制御信号生成工程とを備えることを特徴とする。
このように、正弦波とその3n(nは自然数)倍の周波
数を有する方形波とを重ね合わせた重畳波を電圧指令信
号波として用いることにより、変換される交流電力の高
周波スペクトルの分布を小さくし、電磁音を低減した交
流電力をモータ等の負荷に供給することができる。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明の好適な実施形態を、添付
図面を用いて説明する。各図において同一の要素には同
一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【0008】図1は、本実施形態の電圧型PWMインバ
ータ1を説明するためのブロック図である。電圧型PW
Mインバータ1は、直流電源10から入力される直流電
力を交流電力に変換し、三相誘導モータ11に供給す
る。ここで、直流電源10は電池でも良いし、商用電源
と整流回路とを接続したものであっても良い。
【0009】電圧型PWMインバータ1は、入力された
直流電流が流れる方向を切り替えるスイッチングモジュ
ール2と、このスイッチングモジュール2による電流の
切り替えのタイミングを制御する制御部3とから構成さ
れている。
【0010】図1で模式的に示しているスイッチングモ
ジュール2には、三相誘導モータ11の各相の交流電力
を生成する3つのスイッチング部が備えられており、各
スイッチング部はトランジスタとダイオードからなる複
数のスイッチによって構成される。また、制御部3は、
搬送波を示す搬送波データを保存する搬送波データテー
ブル4と、正弦波と方形波とを重ね合わせた重畳波を示
す重畳波データを保存する重畳波データテーブル5と、
これらのテーブル4、5からデータを読み出して、PW
M制御信号を生成するPWM制御信号生成部6とから構
成されている。
【0011】また、本実施形態では、電圧型PWMイン
バータ1と三相誘導モータ11との間には、電圧型PW
Mインバータ6から三相誘導モータ11に供給される交
流電力の高周波スペクトルを分析するためのFFTアナ
ライザ12が接続されている。
【0012】次に、本実施形態の電圧型PWMインバー
タ1の動作について説明する。
【0013】まず、制御部3のPWM制御信号生成部6
が、搬送波データテーブル4から搬送波データを読み出
す。本実施形態においては、搬送波は三角波である。
【0014】次に、PWM制御信号生成部6が、重畳波
データテーブル5から重畳波データを読み出す。図2
は、読み出された搬送波及び重畳波と、これらに基づい
て生成されたPWM制御信号を示す図である。図2
(a)に示すように、重畳波が3つ存在するのは三相誘
導モータの各相を駆動するために3つの交流電力が必要
であるからであり、3つの重畳波は120°ずつ位相が
ずれて三相誘導モータのそれぞれの相に印加される。
【0015】ここで、本実施形態の特徴である重畳波2
2u〜22wについて説明する。重畳波22u〜22w
は、三相誘導モータ11の回転周波数を変化させる電圧
指令信号波である。重畳波22u〜22wは正弦波とこ
の正弦波の3倍の周波数を有する方形波を重ね合わせた
波形をしており、その振幅は搬送波21の振幅を越えな
いように作成されている。すなわち、搬送波21の振幅
の方が大きい。また、重畳波データは1°毎に重畳波デ
ータテーブル5に保存されているが、この重畳波データ
をどのような間隔で取り出して読み込むかは、駆動され
る三相誘導モータ11の周波数に応じて決定する。保存
されている重畳波データをすべて読み出す場合に重畳波
は最も低い周波数となり、2°毎読み出す場合は、重畳
波データを半分に間引くことになるので、重畳波は1°
毎読み出す場合の2倍の周波数となる。
【0016】次に、図2に示す搬送波21と重畳波22
u〜22vに基づいて、PWM制御信号生成部6は、図
2(b)〜(d)に示すPWM制御信号23u〜23w
を生成する。具体的には搬送波21と重畳波22uとの
比較を行い、搬送波21より重畳波22uの方が大きい
場合は正の信号、重畳波22uより搬送波21の方が大
きい場合は負の信号を出力し、PWM制御信号23uを
生成する(図2(b))。すなわち、重畳波22uと搬
送波21との交点がPWM制御信号の正負反転の位相を
示すこととなる。重畳波22v、22wについても同様
に搬送波21との比較を行い、PWM制御信号23v、
23wを生成する(図2(c)、(d))。ここで、重
畳波22u〜22wの振幅は搬送波21の振幅より小さ
いので、重畳波22u〜22wは搬送波21のすべての
辺と交差し、重畳波22u〜22wを反映したPWM制
御信号23u〜23wが生成されることとなる。
【0017】次に、PWM制御信号生成部6は、上記の
工程を経ることで生成されたPWM制御信号23u〜2
3wをスイッチングモジュール2へ送信し、このPWM
制御信号23u〜23wによってスイッチングモジュー
ル2を制御して直流電力を交流電力に変換する。すなわ
ち、PWM制御信号23u〜23wの正負によって、ス
イッチング部を構成するトランジスタの一方を導電させ
て電流の流れる方向を変え、直流電力を交流電力に変換
する。
【0018】図3は、本実施形態の電圧型PWMインバ
ータ1のモータ線間電圧の高周波スペクトラム分布をF
FTアナライザ12で分析した結果を示す図である。図
3における縦軸は周波数毎の出力電圧の成分を表し、全
周波数について足し合わせると電圧型PWMインバータ
1からの出力電圧となる。図3から理解されるように、
従来の電圧型PWMインバータと比較して搬送周波数f
cの2倍の側波帯領域の分布が減少している。すなわ
ち、本実施形態のように、正弦波及び方形波を重ね合わ
せた重畳波22u〜22wと搬送波21とに基づいて生
成されたPWM制御信号23u〜23wによって、スイ
ッチングモジュールを制御すれば、直流電力を交流電力
に変換する際に発生する電磁音を低減させることができ
る。
【0019】以上、本発明の実施形態について詳細に説
明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるもの
ではない。
【0020】例えば、本実施形態の電圧型PWMインバ
ータ1では、正弦波の3倍の周波数を有する方形波を重
畳した波形を有する重畳波22u〜22vを用いている
が、方形波の周波数は正弦波周波数の3倍に限定され
ず、正弦波周波数の3n(nは自然数)倍であれば良
い。すなわち、図4に示すように正弦波周波数の6倍の
周波数を有する方形波を重畳した波形を有する重畳波4
1u〜41wを用いても良い。また、図5に示すよう
に、本実施形態の方形波とは上下逆向きに変位する方形
波と正弦波とを重畳した波形を有する重畳波51u〜5
1wを用いることとしても良い。
【0021】また、本実施形態では、搬送波及び重畳波
のデータをあらかじめテーブルに保存し、PWM制御信
号生成部でそれらのデータを読み出すこととしたが、搬
送波生成部、重畳波生成部をそれぞれ備えることとし、
搬送波生成部、重畳波生成部において生成された搬送波
及び重畳波をPWM制御信号生成部に入力し、この搬送
波、重畳波に基づいてPWM制御信号を生成することと
しても良い。
【0022】また、本実施形態では、三相誘導モータを
駆動させることを例として説明をしたが、本発明は、単
相誘導モータ等の他の負荷を駆動させる場合にも適用可
能であることはいうまでもない。
【0023】
【発明の効果】本発明によれば、電圧型PWMインバー
タによって変換された交流電力の高周波スペクトラム分
布から理解されるように、搬送波周波数の2倍の側波帯
領域の分布を減少させることができる。すなわち、直流
電力を交流電力に変換する際に発生する電磁音を低減さ
せることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態の電圧型PWMインバータを説明す
るためのブロック図である。
【図2】(a)本実施形態のPWM制御信号生成部で読
み出された搬送波及び重畳波を示す図である。(b)〜
(d)本実施形態のPWM制御信号生成部で読み出され
たPWM制御信号を示す図である。
【図3】本実施形態の電圧型PWMインバータのモータ
線間電圧の高周波スペクトラム分布を示す図である。
【図4】正弦波と正弦波周波数の6倍の周波数を有する
方形波を重ね合わせた重畳波を示す図である。
【図5】上記実施形態の方形波とは逆向きに変位する方
形波と正弦波とを重畳した波形の重畳波を示す図であ
る。
【図6】従来の電圧型PWMインバータのモータ線間電
圧の高周波スペクトラム分布を示す図である。
【符号の説明】
1・・・電圧型PWMインバータ、2・・・スイッチン
グモジュール、3・・・制御部、4・・・搬送波データ
テーブル、5・・・重畳波データテーブル、6・・・P
WM制御信号生成部、10・・・直流電源、11・・・
三相誘導モータ、12・・・FFTアナライザ、21・
・・搬送波、22u〜22w・・・重畳波、23u〜2
3w・・・PWM制御信号。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直流電力をPWM制御信号に基づいて交
    流電力に変換する電圧型PWMインバータにおいて、 正弦波と前記正弦波の3n(nは自然数)倍の周波数を
    有する方形波とを重畳させた波形を有する重畳波と、前
    記重畳波の振幅より大きい振幅を有する搬送波とに基づ
    いて、前記PWM制御信号を生成することを特徴とする
    電圧型PWMインバータ。
  2. 【請求項2】 直流電力をPWM制御信号に基づいて交
    流電力に変換する電力変換方法において、 正弦波と前記正弦波の3n(nは自然数)倍の周波数を
    有する方形波とを重畳させた波形を有する重畳波を生成
    する重畳波生成工程と、 前記重畳波の振幅より大きい振幅を有する搬送波を生成
    する搬送波生成工程と、 前記重畳波と前記搬送波とに基づいて前記PWM制御信
    号を生成するPWM制御信号生成工程と、 を備えることを特徴とする電力変換方法。
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