JP2005033986A - 電圧制御パルス幅変調周波数変換器及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大きな直流キャパシタを用いずに雑音問題を解消し、直流中間キャパシタのキャパシタンスを従来のキャパシタに比べて２０分の１以下に減少させる電圧制御パルス幅変調周波数変換器の制御方法を提供する。
【解決手段】インバータブリッジが、ＰＷＭ制御半導体スイッチと、これらに対し逆並列に接続されたフライホイールダイオードとを有し、直流中間回路に直流キャパシタユニットが設けられ、電圧制御ＰＷＭ周波数変換器は、電源ライン電流が実質的に正弦波状で且つ電源ライン電圧と同相となるように制御する。インバータブリッジは、直流中間回路の濾波平均電流の曲線が整流交流電源電圧の曲線を実質的に追随するように制御し、整流ブリッジは、中間エネルギー蓄積部として作用する直流キャパシタユニットを設けずに直接インバータブリッジに接続し、負荷供給電力の曲線形状を実質的に

とする。
【選択図】図４ａ

Description

本発明は、単相整流ブリッジと、直流中間回路と、電圧及び周波数が変化する交流出力電圧を発生させる制御インバータブリッジとを具える電圧制御パルス幅変調（ＰＷＭ）周波数変換器に関するものである。本発明は更に、このような周波数変換器を制御する方法にも関するものである。

従来の単相ＰＷＭ周波数変換器を図１ａに示す。この周波数変換器は、電源ラインの交流電圧Ｕ_inを直流中間回路１１に対する直流電圧Ｕdcに整流する整流ブリッジ１０と、直流中間回路の直流電圧Ｕdcを単相又は３相で可変周波数の交流電圧Ｕ_out に転換するインバータブリッジ１２とを具えている。このような単相周波数変換器は、小型のポンプ又はファンのモータ１３のような小型の単相又は３相交流負荷に接続することができる。インバータブリッジは、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）のようなパルス幅変調半導体スイッチＶ１１〜Ｖ１６と、これら半導体スイッチに対し逆並列に接続されたフライホイールダイオードＤ１１〜Ｄ１６とを有する全波ブリッジとすることができる。半導体スイッチＶ１１〜Ｖ１６は、ＰＷＭ制御ユニット１４を用いてパルス幅変調により制御される。整流ブリッジは、交流電源電圧Ｕ_inの位相ライン及びニュートラル（中性）ラインに接続された４つのダイオードＤ１〜Ｄ４を有する全波ダイオードブリッジとすることができる。

図１ｂは、従来の単相周波数変換器の幾つかの代表的な信号波形を示す。モータ制御の目的は、通常、モータ軸のトルクを一定の動作点においてできるだけ一定にすることにある。この目的のためには、直流中間回路電圧を一定にするのが好ましい。その理由は、このようにすると、モータ軸のトルクを決定するのに不可欠な正確な出力電圧Ｕ_out の形成が容易となる為である。このことが、直流中間回路のキャパシタＣdcを通常極めて大きく設計する理由である。直流中間回路の電流Ｉdcは、インバータのＰＷＭに応じたパルスより成っている。電圧Ｕdcが一定で、モータの動作点が安定している際には、パルス列Ｉdcは図１ｂに示すように完全に一定である。

平滑直流中間回路の電圧は、整流された電源交流電圧Ｕ_inが、極めて短い期間の間だけ直流電圧Ｕdcよりも高くなるようにする。これにより、電源位相電流波形が図１ｂのように極めて狭くて高いパルスとなるようにする。その理由は、電源交流電圧Ｕ_inが直流電圧Ｕdcよりも高くなっている時のみ電流が流れることができる為である。この種類のライン電流波形は、例えば、素子の設計において問題を生ぜしめ、電源ラインに電気雑音問題を生ぜしめる。

電源ライン電流の問題を低減させる幾つかの既知の方法が存在する。リアクトル及びキャパシタより成る追加のフィルタリングを用いることができる。既知の解決策の１つは、図２ａに示すいわゆるＰＦＣ（力率補正）回路である。この回路はリアクトルＬ２１と、ダイオードＤ２１と、ＩＧＢＴのような半導体スイッチＶ２１とから成る。このスイッチＶ２１は、リアクトル電流が正弦波にできるだけ近付き且つライン電圧Ｕ_inと同相になるように制御される（図２ｂ参照）。ＰＦＣを用いると、直流中間回路電圧Ｕdcは通常一定で、ライン電圧のピーク値よりも高くなる。欧州特許出願公開第１１７０８５３号明細書（特開２００２−１０１６６０号公報に対応）には単相のＡＣ‐ＤＣコンバータが開示されており、このＡＣ‐ＤＣコンバータは、ＡＣ電源からの電流を整流することにより得られる整流電流をスイッチングするＰＦＣ電源部と、ＡＣ電源からの電流を整流及び平滑することにより得られる直流電流をスイッチングするＤＣ‐ＤＣ電源部と、前記ＰＦＣ電源部のスイッチング動作を行なう第１スイッチング素子と、前記ＤＣ‐ＤＣ電源部のスイッチング動作を行なう第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子を駆動する第１駆動パルスと前記第２スイッチング素子を駆動する第２駆動パルスとを発生する駆動パルス発生回路と、この駆動パルス発生回路を制御するサーボループとを具えている。

従来の解決策は、高キャパシタンスの直流中間キャパシタＣdcを中間のエネルギー蓄積部として用いることにより、直流中間回路に一定の電圧Ｕdcを維持することを目的としている。キャパシタの定格は、一般に、これらキャパシタに与えられる電流リップル及び電圧ローディングに耐え得るこれらキャパシタの能力によって決定される。これらの能力（条件）が、通常、直流キャパシタ素子を大型で高価なものにする。

更に、従来の周波数変換器における幹線交流電源のライン電流は、正弦波状でもなければ、電源電圧と同相でもない。この理由で、入力電流を正弦波状にするとともに、力率を補正してライン電流がライン電圧と同相となるようにするために、従来の単相周波数変換器に能動ＰＦＣ回路１５を設けることができる。しかし、このようなＰＦＣ回路は周波数変換器を一層高価で複雑にする。

従来の周波数変換器の目的は、出力電圧Ｕ_out を制御して、モータ軸のトルクをできるだけ平滑にすることにある。一方、ポンプやファンを駆動する場合のように、単相モータが用いられている殆どの分野では、モータ軸のトルクを平滑にする必要がないことが知られている。このことは、図３に示す単相モータの信号波形から明らかである。この図３において、ｕはライン電圧であり、ｉはライン電流であり、Ｐはモータの電力である（Ｐ＝ｕ・ｉ）。電圧及び電流の双方が正弦波状である為、モータに供給される電力も正弦波状となる。通常、負荷の慣性は、モータの軸速度がほぼ一定に保たれる程度に高く、このことは、軸トルクの変動は電力（Ｐ＝ωＴ、ここにωはモータ軸の角速度である）の変動に類似するということをも意味する。
欧州特許出願公開第１１７０８５３号

本発明の目的は、特に軸トルクの変動を許容する分野における従来の解決策の欠点を無くすとともに、直流中間キャパシタのキャパシタンスを従来のキャパシタに比べて２０分の１以下に減少させる制御回路を得ることにある。

本発明の他の目的は、本発明による制御ユニットが少なくともほぼ正弦波状としたライン電流を生ぜしめるようにする制御回路を得ることにある。

本発明では、直流中間回路における濾波された平均電流の曲線が、整流された交流電源電圧の曲線を追随するように、周波数変換器を制御する。更に、整流ブリッジは、中間エネルギー蓄積部として作用する直流キャパシタユニットを設けることなく直接インバータブリッジに接続する。従って、ライン電流は正弦波状となるとともに、ライン電圧と同相になり、追加のＰＦＣ回路を用いずに力率が

となる。直流中間電圧の曲線は、整流された正弦波状のライン電圧の曲線を追随する。負荷に供給される有効電力の曲線は（回転速度が一定であると仮定した場合には、トルクの曲線も）、

の形状を有する。
本発明は、特許請求の範囲に詳細に明示してある。

本発明によれば、整流ブリッジを、中間エネルギー蓄積部として作用する直流キャパシタユニットを設けることなく直接インバータブリッジに接続する為、直流中間キャパシタＣdcを且つ周波数変換器の物理的寸法をも最小にすることができる。

本発明による周波数変換器は、中間回路の直流電圧を平滑化するキャパシタを必要としないが、直流中間回路の漂遊インダクタンスに潜在するエネルギーによりスイッチング状態で生じる電圧スパイクを制限するために、キャパシタンス値が低いキャパシタは依然として用いることができる。同様に、インダクタンス値が低いインダクタと、キャパシタンス値が低いキャパシタとより成るフィルタユニットを電源ライン側で用いて電源電流から高周波高調波を濾波することができる。

図４ａは、本発明による単相ＰＷＭ周波数変換器を示す。この周波数変換器は、従来（図１ａ参照）と同様に、電源ラインの交流電圧Ｕ_inを直流中間回路１１に対する直流電圧Ｕdcに整流する整流ブリッジ１０と、中間回路の直流電圧Ｕdcを単相又は３相の可変周波数交流電圧Ｕ_out に転換する３相インバータブリッジ１２とを有する。この周波数変換器は、ポンプ又はファンのモータ１３のような小型の３相交流負荷に接続される。インバータブリッジは、ＩＧＢＴのようなパルス幅変調半導体スイッチＶ１１〜Ｖ１６と、これら半導体スイッチと逆並列に接続されたフライホイールダイオードＤ１１〜Ｄ１６とを有する全波ブリッジである。半導体スイッチＶ１１〜Ｖ１６はＰＷＭ制御ユニット１４を用いてパルス幅変調により制御される。整流ブリッジは、交流電源電圧Ｕ_inのラインに接続された４つのダイオードＤ１〜Ｄ４を有する全波ダイオードブリッジとすることができる。エネルギー蓄積部として作用せずにＩＧＢＴのスイッチング中の電圧スパイクを減少させるだけの小型のキャパシタＣdcが直流中間回路中に接続されており、交流電源電圧Ｕ_inのラインと整流ブリッジとの間には小型のリアクトルＬacを接続して、周波数変換動作により生ぜしめられる雑音及び高周波高調波をラインに流して減少させるようにすることができる。

本発明によれば、周波数変換器の出力電圧及び周波数を制御して、直流中間回路における濾波された平均電流Ｉ_dcの曲線が，整流された交流電源電圧Ｕdcの曲線を追随するようにする。更に、直流中間回路にはエネルギー蓄積キャパシタは存在しない為、ライン電流Ｉ_inも正弦波状となり且つライン電圧と同相となり、従って、力率は

となる。しかも、直流中間電圧Ｕdcの曲線は、整流された正弦波状のライン電圧の曲線を追随する（図４ｂ参照）。直流中間回路の電圧Ｕdc及び電流Ｉ_dcの双方共ライン電圧の正弦波波形を追随する為、モータに供給される電力の曲線は（回転速度が一定であると仮定した場合には、トルクの曲線も）、

の形状を有する。

周波数変換器を適切に動作させるには、出力電圧の基本波が原則的に、モータの動作点により決定される正しい値に維持されているように、モータを制御する必要がある。モータは例えば、関係Ｕ_out ／ｆ_out （ここに、Ｕ_out は出力電圧であり、ｆ_out は出力周波数である）が平均で一定に保たれるように制御することができる。

従って、本発明によれば、制御ユニット１４は主たる２つの作用を有する。すなわち、制御ユニットは、出力電圧及び周波数を制御して、平均電圧値が正しくなるようにするとともに、平均直流中間回路電流が、整流されたライン電圧波形を追随するようにする必要がある。

モータは、単相又は３相のいずれのモータにもすることができる。単相動作では、通常スタートキャパシタが接続される位相が、始動時にインバータの３相スイッチにより制御されて充分な始動トルクが得られるようにする。従って、別のスタートキャパシタは必要としない。

本発明は上述した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲内で種々に変更しうること、当業者にとって明らかである。本発明に用いる完全に制御可能な半導体スイッチは、ＩＧＢＴ以外に、完全にグリッド制御される半導体スイッチ、すなわちＭＯＳＦＥＴのようなターンオン及びターンオフしうるスイッチをもって構成することもできる。

従来の単相パルス幅変調周波数変換器を示す回路図である。 従来の単相パルス幅変調周波数変換器におけるライン電流及びライン電圧並びに直流中間電流及び直流中間電圧の代表的な波形を示す線図である。 力率補正（ＰＦＣ）回路を用いてライン電流波形を改善した従来の単相パルス幅変調周波数変換器を示す回路図である。 ＰＦＣ回路を有する従来の単相パルス幅変調周波数変換器におけるライン電流及びライン電圧並びに直流中間電圧の代表的な波形を示す線図である。 ライン電流及びライン電圧並びに１つの位相ラインに接続された単相モータの電力の代表的な波形を示す線図である。 本発明による単相パルス幅変調周波数変換器を示す回路図である。 ライン電流と、本発明による単相パルス幅変調周波数変換器における直流中間電流及び電圧との代表的な波形を示す線図である。

符号の説明

１０ 整流ブリッジ
１１ 直流中間回路
１２ インバータブリッジ
１３ モータ
１４ パルス幅変調制御ユニット
１５ 力率制御回路

Claims (7)

1. 正弦波状の単相電源に接続しうる単相整流ブリッジ（１０）と、直流中間回路（１１）と、振幅及び周波数が変化する交流出力電圧を負荷へ供給する制御インバータブリッジ（１２）とを具える電圧制御パルス幅変調周波数変換器の制御方法であって、
   前記インバータブリッジ（１２）が、パルス幅変調制御半導体スイッチ（Ｖ１１〜Ｖ１６）と、これら半導体スイッチに対し逆並列に接続されたフライホイールダイオード（Ｄ１１〜Ｄ１６）とを有し、
   前記直流中間回路（１１）に直流キャパシタユニットが設けられており、
   前記電圧制御パルス幅変調周波数変換器は、電源ライン電流（Ｉ_in）が実質的に正弦波状で且つ電源ライン電圧（Ｕ_in）と同相となるように制御されるようにする
   当該電圧制御パルス幅変調周波数変換器の制御方法において、
   前記インバータブリッジは、前記直流中間回路における濾波された平均電流（Ｉdc）の曲線が整流された交流電源電圧（Ｕdc）の曲線を実質的に追随するように制御され、
   前記整流ブリッジ（１０）は、中間エネルギー蓄積部として作用する直流キャパシタユニットを設けることなく直接前記インバータブリッジに接続し、
   負荷へ供給される電力の曲線が実質的に
   

   

   
   の形状を有するようにすることを特徴とする電圧制御パルス幅変調周波数変換器の制御方法。
2. 請求項１に記載の電圧制御パルス幅変調周波数変換器の制御方法において、スイッチング状態で生じる電圧スパイクを制限するために、キャパシタンス値が低い直流キャパシタユニットを用いることを特徴とする電圧制御パルス幅変調周波数変換器の制御方法。
3. 請求項１に記載の電圧制御パルス幅変調周波数変換器の制御方法において、前記インバータブリッジの２つの位相スイッチを単相モータ巻線に接続し、このインバータブリッジの３番目の位相スイッチを用いることにより第３位相巻線を介して充分な始動トルクを生ぜしめ、これにより個別のスタートキャパシタをモータに用いないようにすることを特徴とする電圧制御パルス幅変調周波数変換器の制御方法。
4. 正弦波状の単相電源に接続しうる単相整流ブリッジ（１０）と、直流中間回路（１１）と、周波数が変化する交流出力電圧を負荷へ供給する制御インバータブリッジ（１２）と、パルス幅変調コントローラユニット（１４）とを具える電圧制御パルス幅変調周波数変換器であって、
   前記インバータブリッジ（１２）が、パルス幅変調制御半導体スイッチ（Ｖ１１〜Ｖ１６）と、これら半導体スイッチに対し逆並列に接続されたフライホイールダイオード（Ｄ１１〜Ｄ１６）とを有し、
   前記直流中間回路（１１）に直流キャパシタユニットが設けられており、
   前記パルス幅変調コントローラユニット（１４）は、電源ライン電流（Ｉ_in）が実質的に正弦波状となり且つ電源ライン電圧（Ｕ_in）と同相になるように電圧制御パルス幅変調周波数変換器を制御するようにした当該電圧制御パルス幅変調周波数変換器において、
   前記パルス幅変調コントローラユニット（１４）は、前記直流中間回路における濾波された平均電流（Ｉdc）の曲線が整流された交流電源電圧（Ｕdc）の曲線を実質的に追随するように前記インバータブリッジを制御し、
   前記整流ブリッジ（１０）は、中間エネルギー蓄積部として作用する直流キャパシタユニットを設けることなく直接前記インバータブリッジに接続され、
   負荷へ供給される電力の曲線が実質的に
   

   

   
   の形状を有するようにしたことを特徴とする電圧制御パルス幅変調周波数変換器。
5. 請求項４に記載の電圧制御パルス幅変調周波数変換器において、スイッチング状態で生じる電圧スパイクを制限するために、キャパシタンス値が低い直流キャパシタユニットが設けられていることを特徴とする電圧制御パルス幅変調周波数変換器。
6. 請求項４に記載の電圧制御パルス幅変調周波数変換器において、電源電流から高周波の高調波を濾波して除去するために、インダクタンス値の低いインダクタとキャパシタンス値の低いキャパシタとより成るフィルタユニットが電源ライン側に設けられていることを特徴とする電圧制御パルス幅変調周波数変換器。
7. 請求項４に記載の電圧制御パルス幅変調周波数変換器において、前記インバータブリッジの２つの位相スイッチが単相モータ巻線に接続され、このインバータブリッジの３番目の位相スイッチを用いて第３位相巻線を介して充分な始動トルクを生ぜしめ、これにより個別のスタートキャパシタをモータに用いないようにしたことを特徴とする電圧制御パルス幅変調周波数変換器。

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