JP2004502399A - 電力コンバータにおける調波を低減する装置および方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は、少なくとも１つの入力フィルタ（１）、少なくとも２つのスイッチ（Ｆｒ１、Ｆｒ２）を含む抵抗制動チョッパ（２）および直列に接続された少なくとも４つのスイッチ（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４）を含む多レベル・インバータ（４）から成り、特にうなりの形態で発生する望ましくない調波の振幅を低減する多段式電力スイッチング電子装置であって、インバータ（４）をチョッパ（２）に、それぞれの中点（Ｘ＝Ｘ’）を接続する結線を介して接続することによって直接取り付けたこと、およびチョッパ（２）のスイッチを制御する可変ランダム周波数パルス発生器を含むことを特徴とする多段式パワー・スイッチング電子装置に係わる。

Description

【０００１】
【発明の主題】
本発明は、電力コンバータにおいて発生する有害な調波を低減する装置および方法に係わる。
【０００２】
【従来技術】
パワー・エレクトロニクスは一般にスイッチングを介して作動するから、必然的に調波が発生することになる。しかも、パワー・システムは複数のサブシステムから成り、それぞれのサブシステムは独自の周波数で作動する。これら種々の周波数の組合せも、うなり現象による調波発生源となる。
【０００３】
うなりは、２つの隣接する周波数の重畳に起因する振動振幅の周期的な変化である。
【０００４】
対応策として、インダクタ（Ｌ）とコンデンサ（Ｃ）から成るフィルタを利用することによってこれらサブシステムの減結合を試みるのが一般的である。
【０００５】
鉄道用推進モータのための３相インバータの場合、例えば、これに加えて、弁別器での指令補正によるＰＷＭ（パルス幅変調）波の処理も提案されている（国際公開９６／３３５４８号）。この方法を採用することによって、指令のスイッチングに伴うむだ時間を無くし、望ましくない調波、特にモータ電流に現れる第５および第７調波と、電源側およびモータ・トルク側に現れる第６調波を著しく低減することができる。
【０００６】
しかし、半導体ロスおよびシステムの物理的条件によって、システム構成の変更が制約されることが多い。
【０００７】
多くの文献、特にＵＳ−Ａ−４　６３８　４１７号、ＤＥ−Ａ−１９６　５１　２８１号、ＤＥ−Ａ−３　９１２　７０６号、ＧＢ−Ａ−２　２３２　８３５号およびＵＳ−Ａ−４　３３９　６９７号は、可変指令を印加すること、ランダム周波数の場合、主としてノイズを低減する目的で、インバータを制御するＰＷＭ（パルス幅変調）波に印加することを提案している。
【０００８】
【発明の目的】
本発明の目的は、多段電力コンバータにおける異なるスイッチング周波数の組合せに起因する調波を低減または排除するための簡単な装置を提供することにある。
【０００９】
本発明は特に、抵抗制動チョッパ、インバータ／整流器の機能を有する少なくとも２つのサブシステムから成るシステムに応用できる装置および方法に係わる。
【００１０】
【発明の主な特徴的要素】
本発明は、多段スイッチング電力コンバータに発生する望ましくない調波の振幅を、少なくとも１つの段のスイッチを可変ランダム周波数のパルスによって制御することで低減する装置および方法に係わる。
【００１１】
本発明において、“電力コンバータ”とは、入力フィルタ、抵抗制御チョッパおよび多レベル・インバータまたは整流器を含む複数の機能性サブシステムから成る電力スイッチング装置を意味する。
【００１２】
通常、チョッパは互に直列に接続され、それぞれが逆方向バイアス・ダイオードとは並列の少なくとも２つの、好ましくはＩＧＢＴタイプのスイッチから成り、これらスイッチ／逆方向バイアス・ダイオード・アセンブリは抵抗器と直列である。
【００１３】
通常、多レベル・インバータ、例えば、３レベル・インバータの１つの枝路は、対結合された、好ましくはＩＧＢＴタイプの少なくとも４つのスイッチから成る。それぞれのスイッチは逆方向バイアス・ダイオードと並列である。
【００１４】
本発明では、可変ランダム周波数パルスによって制御されるのはチョッパ・スイッチである。
【００１５】
即ち、本発明の装置は、チョッパ・スイッチを制御する可変ランダム周波数パルスから成る波を発生させる手段を含む。
【００１６】
周波数は、ガウス分布と一致し、標準偏差が平均値の１５％乃至３５％であることが好ましい。
【００１７】
平均値は、問題のスイッチを制御するのに利用される固定周波数に相当することが好ましい。
【００１８】
特定の１実施例では、チョッパの平均制御周波数が６００乃至９００Ｈｚであり、標準偏差が１５０乃至２５０Ｈｚである。
【００１９】
本発明の重要な特徴の１つとして、多レベル・インバータをチョッパに直接取り付ける。即ち、チョッパは中点を介してインバータに接続されることになる。
【００２０】
従って、チョッパのために分圧器を介在させなくて済む。
【００２１】
【従来技術の詳細】
図１は公知の２段コンバータを示す回路図である。通常、このようなコンバータは複数のサブアセンブリ：入力フィルタ１、制動チョッパ２およびインバータ４から成る。図面では、３レベル・インバータの１つの枝路だけを示す。
【００２２】
通常、入力フィルタはインダクタＬと１つまたは２つ以上のコンデンサＣ３およびＣ４から成る。
【００２３】
制動チョッパ２は、互に直列に接続され、それぞれが逆方向バイアス・ダイオードＤｒ１およびＤｒ２と並列に接続された、好ましくはＩＧＢＴタイプの２つのスイッチＦｒ１およびＦｒ２から成り、これらスイッチ／逆方向バイアス・ダイオード・アセンブリは、負荷Ｍ１によって消費されないエネルギーの消散を可能にする抵抗器Ｒ１およびＲ２と直列である。
【００２４】
また、定常な電圧を確保するため、２つのコンデンサＣ３およびＣ４から成るチョッパのための分圧器を設けてある。
【００２５】
図１には３レベル・インバータの１つの枝路を示す。この枝路は対結合（Ｔ１とＴ２、Ｔ３とＴ４）された、好ましくはＩＧＢＴタイプの４つのスイッチから成る。それぞれのスイッチは逆方向バイアス・ダイオードＤ１〜Ｄ４と並列に配置されている。２つのコンデンサＣ１およびＣ２から成る分圧器３もインバータ４と並列である。
【００２６】
図１から明らかなように、公知の技術では、通常、チョッパＸ’およびＸの中点は接続されていない。
【００２７】
【発明の好ましい一実施態様の説明】
図２に示すように、本発明では、２つのコンデンサの間に位置するチョッパおよびインバータの中点（Ｘ、Ｘ’）を互に接続する。これによって、チョッパ２／インバータ４から成るサブシステムのそれぞれに特定の分圧ブリッジを設けなくてもよいという利点が得られる。
【００２８】
３レベル・インバータ４の動作モードは全く従来通りであり、スイッチを１対ずつ、先ず上段の１対（ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２）を、次いで中段の１対（ＩＧＢＴ２、ＩＧＢＴ３）、最後に下段の１対（ＩＧＢＴ３、ＩＧＢＴ４）を導通させることによって、架空電車線のＨＴ直流電圧を２つのＩＧＢＴスイッチに分布させることができる。
【００２９】
このようにして、３つの電圧レベル：ＨＴ、ＨＴ／２および０によってほぼ正弦波状の曲線が形成される。
【００３０】
中点Ｘ、Ｘ’間の接続によって高電圧を望ましい態様で分布させることができるから、インバータが正しく機能するように中間電圧を設定するために第２分圧器を設ける必要はない。
【００３１】
２レベル・インバータと比較して、３レベル・システムは正弦波状曲線により近づけることだけでも、調波レベルを抑制することができる。
【００３２】
インバータによって負荷に印加される電圧は軸Ｏｙを挟んで対称であるから、フーリエ級数展開は基本波および奇数番目調波（３、５、７、９番目など）だけを含む：即ち、
ＨＴ（ｔ）＝α_１ｓｉｎ（ωｔ＋φ_１）＋α_３ｓｉｎ（３ωｔ＋φ_３）
＋α_５ｓｉｎ（５ωｔ＋φ_５）＋…
但し、ｔは時間、ωは基本角周波数、φ_２ｉ−１は周波数（２ｉ−１）ω、ｉ＝１、２、３、…に対応する位相である。
【００３３】
このことからも明らかなように、ｎ個の未知数を有し、係数ａ_３、ａ_５、ａ_７、…がスイッチング角度α_１、α_２、α_３、…を表すｎ本の連立一次方程式を得ることができる。図２は３つのスイッチング角度α_１、α_２、α_３、…に対応する波形を示す。
【００３４】
連立方程式を反転させることにより、フーリエ級数展開中の係数ａ_３、ａ_５、ａ_７、…の関数としてスイッチング角度α_１、α_２、α_３、…を表現することができる。
【００３５】
従って、最初から選択した幾つかの調波を排除するのに必要なスーチング角度を計算することができる。換言すれば、インバータ・サブシステムに印加すべき波形を然るべく選択すれば、モータ側で、幾つかの調波を、特に５番目および７番目調波のように最も望ましくない調波を排除することができる。３番目および３の倍数番目の調波は、ここは中性点が非接地の３相システムの場合であるから、さして不都合な要因とはならない。
【００３６】
通常、コンデンサ・ブリッジ３（Ｃ１、Ｃ２）を組込まず、できれば制動チョッパをインバータに直接接続しようと試みる。この場合、うなりは不可避であり、以下に述べるように、チョッパからの指令があって初めて抑制される。
【００３７】
正常な動作中、インバータは中点Ｘ、Ｘ’において、動作周波数の３の倍数倍に相当する周波数の調波を発生する。例えば、インバータが５０Ｈｚで動作する場合、中点に周波数１５０、３００、４５０Ｈｚなどの調波が発生する。
【００３８】
図２に示す実施例では、インバータに直接取り付けられた制動チョッパが独自の周波数（例えば、８００Ｈｚ）で動作する。この周波数が中点に存在するすべての調波と組み合わされて、うなりを形成する。いうまでもなく、うなりは周波数どうしが互に近似であればあるほど比例的に顕著になる。
【００３９】
具体的には、ｆ１をインバータの調波周波数、ｆ２をチョッパの周波数とすれば、周波数が（ｆ１＋ｆ２）／２および（ｆ１−ｆ２）／２である２つのうなりが得られる。
【００４０】
この現象を克服するには、ランダム周波数を使用することによってチョッパを制御すればよい。この周波数の分布は、例えば、平均値が動作周波数ｆ_０＝８００Ｈｚ，標準偏差がΔｆ＝２００Ｈｚ程度のガウス分布である。図３はチョッパＩＧＢＴ（ＩＧＢＴ　Ｆｒ１、ＩＧＢＴ　Ｆｒ２）に対する、ランダム周波数の制御信号６の１例である。チョッパに使用される変調率レベルを指令（ｓｅｔ ｗａｖｅ）５が決定する。
【００４１】
本発明の好ましい１実施例は、限られたタイム・インターバルでのサンプリング（例えば、１秒間中１０ｍｓ毎に得られる正弦関数のサンプル）であり、その周波数が経時的に変化する入力信号を、乱数発生器を利用して発生させることにある。
【００４２】
電力成分に生ずるスイッチング損失は単一周波数の場合と同じである。
【００４３】
しかし、本発明が提案する解決策は下記のような重要な長所がある：
−標準偏差が大きければ大きいほど、比例的にうなりが低減される；
−システムのノイズが低減される；
−チョッパとインバータの間に分圧器を介在させなくて済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】
公知技術による２段コンバータの回路図。
【図２】
本発明の調波低減装置および方法を採用するコンバータの回路図。
【図３】
３つのスイッチング角度α１、α２およびα３でインバータ制御回路に印加される波形を示す波形図。
【図４】
本発明の抵抗制動チョッパに印加される制御信号をその指令信号と共に示す波形図。

Claims (6)

1. 少なくとも１つの入力フィルタ（１）、少なくとも２つのスイッチ（Ｆｒ１、Ｆｒ２）を含む抵抗制動チョッパ（２）および直列に接続された少なくとも４つのスイッチ（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４）を含む多レベル・インバータ（４）から成り、特にうなりの形態で発生する望ましくない調波の振幅を低減する多段式電力スイッチング電子装置であって、インバータ（４）をチョッパ（２）に、それぞれの中点（Ｘ＝Ｘ’）を接続する結線を介して接続することによって直接取り付けたこと、および前記チョッパ（２）のスイッチを制御する可変ランダム周波数パルス発生器を含むことを特徴とする前記装置。
2. ランダム周波数が、固定周波数の等価装置に使用される周波数に等しい平均周波数のガウス分布を示すことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. ランダム周波数が非ガウス分布を示すことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 分布の標準偏差が平均周波数の１５％乃至３５％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. インバータ（４）のスイッチが、前記インバータ（４）から負荷（Ｍ１）へ供給される電圧電波の少なくとも１つの奇数番目の調波の振幅を低減または排除するように計算されたスイッチング角度（α１、α２、α３、…）に対応するＰＷＭ波パルスによって制御されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 少なくとも１つの入力フィルタ（１）、少なくとも２つのスイッチ（Ｆｒ１、Ｆｒ２）を含む抵抗制動チョッパ（２）および直列に接続された少なくとも４つのスイッチ（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４）を含む多レベル・インバータ（４）から成り、インバータ（４）の中点（Ｘ）をチョッパ（２）の中点（Ｘ’）に接続する結線を介してインバータ（４）をチョッパ（２）に直接取り付けた多段式パワー・スイッチング装置において発生する、望ましくない調波の周波数を低減する方法であって、チョッパ（２）のスイッチ（Ｆｒ１、Ｆｒ２）を可変ランダム周波数パルスによって制御することを特徴とする前記方法。

Images