JP2008295181A - Ｐｗｍ制御方法及びこれを用いた電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単で且つ確実な補正によって最小オンパルス幅を確保し、かつ線間電圧の線形性を得られるように改良したＰＷＭ制御方法を提供する。
【解決手段】複数個の縦シフトされた３角波状のキャリアによって３相の電圧基準各々をＰＷＭ変調して電力変換装置のゲート信号を得るようにしたキャリア縦シフト型のＰＷＭ制御方法において、前記キャリアの先端部分に前記電圧基準が入らないように制御するための禁止帯を設け、前記３相の電圧基準全てが禁止帯に入らないときには通常のＰＷＭ制御を行い、前記３相の電圧基準のうち新たな１相が前記禁止帯を横切ったとき、当該新たな１相の電圧基準が前記禁止帯の上下何れかの境界線上となるようにシフト補正し、前記シフト補正した量と同量の補正を他の２相に対して行なうようにする。
【選択図】図１

Description

本発明はＰＷＭ制御方法及びこれを用いた電力変換装置に関わり、特に最小オンパルス幅を確保し、かつ線間電圧の線形性を得られるように改良したＰＷＭ制御方法及びこれを用いた電力変換装置に関する。

パルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）を用いて電圧基準から出力パルスを得る電力変換装置は、通常自己消弧形のスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）によって主回路が構成され、変調周期毎に所定時間だけスイッチング素子がオンオフすることによってパルス状の電圧を出力し、その平均電圧を制御している。この場合、スイッチング素子がターンオフする際に生じるサージ電圧による素子破損を防止するため、スイッチング素子と並列にスナバ回路のコンデンサが接続され、このコンデンサにサージ電圧を吸収させることによってサージ電圧を抑制している。またこのコンデンサの電圧を初期化するため、スイッチング素子をオンにしたとき、一定時間（これを最小オンパルス幅と呼ぶ。）オン状態を維持して、コンデンサの電荷を放電させるようにしている。なお、インバータに代表される電力変換装置に関してはその知識は広く知られたものであり、ここでは図表を用いた説明は省略する。

一般的にＰＷＭ制御を用いた電力変換装置においては、３角波状の搬送波（キャリア）と電圧基準を比較してゲートパルスを生成する。このとき、電圧基準がキャリアの先端部分で交差すると、スイッチング素子の最小オンパルス幅よりも狭いゲートパルスが生成される恐れがある。

上記対策として、最小オンパルス幅以下のゲートパルスが作成されないように、各相の電圧基準に直流バイアス電圧を加え、線間電圧を指令値に保った状態で電圧指令を補正する提案が為されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平９−７４７６７号公報（第３−５頁、図１）

特許文献１に示された手法によれば、線間電圧を元の電圧基準に保った状態で電圧基準を補正するようにしているので、キャリア周波数がある程度高ければ電圧基準の基本波分に影響を与えない補正が可能となる。また、ＰＷＭ変調方法にもよるが、主に電圧基準がゼロレベルに近いところでの電圧基準の補正となるので、補正による擾乱の影響は少ない。

ところが、単位インバータを相毎に直列接続して構成する電力変換装置や、同一の直流電源の電圧を分割して構成する多レベル電力変換装置のように、キャリアを縦に複数個持つ事によってＰＷＭ制御を実現している場合、このキャリアの先端部分が複数箇所存在するため、通常のレベルの電圧基準であっても上記の補正箇所が増えるため補正制御が複雑となり、また必要以上の電圧補正を行なって出力に擾乱を与える恐れがある。

本発明は上記に鑑みて為されたもので、その目的は、比較的簡単で且つ確実な補正によって最小オンパルス幅を確保し、且つ線間電圧の線形性を得られるように改良したＰＷＭ制御方法及びこれを用いた電力変換装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のＰＭＷ制御方法及びこれを用いた電力変換装置は、複数個の縦シフトされた３角波状のキャリアによって３相の電圧基準各々をＰＷＭ変調して電力変換装置のゲート信号を得るようにしたキャリア縦シフト型のＰＷＭ制御方法において、前記キャリアの先端部分に前記電圧基準が入らないように制御するための禁止帯を設け、前記３相の電圧基準全てが前記禁止帯に入らないときには通常のＰＷＭ制御を行い、前記３相の電圧基準のうち新たな１相が前記禁止帯を横切ったとき、当該新たな１相の電圧基準が前記禁止帯の上下何れかの境界線上となるようにシフト補正し、前記シフト補正した量と同量の補正を他の２相に対して行なうようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、比較的簡単で且つ確実な補正によって最小オンパルス幅を確保し、かつ線間電圧の線形性を得られるように改良したＰＷＭ制御方法及びこれを用いた電力変換装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の実施例１に係るＰＷＭ制御方法及びこれを用いた電力変換装置を図１乃至図４を参照して説明する．
図１は本発明による電力変換装置のＰＷＭ制御器を示すブロック構成図である。

図１において、インバータ装置の例えばベクトル制御ブロック等から出力される３相電圧基準（Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*）をそれぞれ禁止帯チェック処理回路１１Ｕ、１１Ｖ及び１１Ｗへ入力し、夫々の電圧基準が禁止帯領域内に存在するかどうかをチェックする。そしてこのチェック結果を電圧基準シフト量演算回路１２に与える。ここで、禁止帯領域を規定するため、禁止帯チェック処理回路１１Ｕ、１１Ｖ及び１１Ｗには縦シフトキャリア発生回路１３から得られるキャリア信号を入力している。

電圧基準シフト量演算回路１２においては、３相電圧基準が禁止帯領域内に無いときは電圧基準シフト量演算回路１２の出力である補正量Ｖｓｆｔを０として加算器１４Ｕ、１４Ｖ及び１４Ｗに夫々与える。加算器１４Ｕ、１４Ｖ及び１４Ｗにおいては、元の３相電圧基準（Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*）の各々に０を加算して新たな３相電圧基準（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）を求めてキャリア比較器１５へ入力し、キャリア比較器１５において各相のゲート信号を生成する。ここでキャリア比較器１５は、縦シフトキャリア発生回路１３から得られるキャリア信号と新たな３相電圧基準（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）から各相のゲート信号を生成する。

また、電圧基準シフト量演算回路１２において、元の電圧基準が１相でも禁止帯領域内にあるときは、３相全てが禁止帯領域外になるような補正量Ｖｓｆｔを出力して加算器１４Ｕ、１４Ｖ及び１４Ｗに夫々与える。加算器１４Ｕ、１４Ｖ及び１４Ｗにおいては、元の３相電圧基準（Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*）の各々に補正量Ｖｓｆｔを加算して新たな３相電圧基準（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）を夫々求め、この新たな３相電圧基準（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）をキャリア比較器１５へ入力し、キャリア比較器１５において各相のゲート信号を生成する。

図２は、図１に示したＰＷＭ制御器が用いられる電力変装置の一例を示す回路
構成図である。交流電源１から入力変圧器２に交流が供給されている。入力変圧器２は２次巻線が多重化された変圧器であり、この２次巻線の交流出力は単位インバータ３Ｕ１、３Ｕ２、３Ｕ３、３Ｖ１、３Ｖ２，３Ｖ３、３Ｗ１、３Ｗ２、３Ｗ３に夫々供給される。単位インバータ３Ｕ１、３Ｕ２及び３Ｕ３の交流出力は夫々直列に接続され、その直列回路の片端は中性点Ｎに、他端は交流電動機４のＵ相に接続されている。同様に、単位インバータ３Ｖ１、３Ｖ２及び３Ｖ３並びに単位インバータ３Ｗ１、３Ｗ２及び３Ｗ３の各々の交流出力は直列回路を形成し、夫々の片端は中性点Ｎに、他端は交流電動機４のＶ相、Ｗ相に夫々接続されている。

単位インバータ３Ｕ１、３Ｕ２及び３Ｕ３にはＰＷＭ制御器１０からＵ相ゲート信号が与えられ、単位インバータ３Ｖ１、３Ｖ２及び３Ｖ３並びに単位インバータ３Ｗ１、３Ｗ２及び３Ｗ３にはＰＷＭ制御器１０からＶ相ゲート信号、Ｗ相ゲート信号が夫々与えられている。

ここで、単位インバータ３Ｕ１、３Ｕ２及び３Ｕ３に与えられるＵ相ゲート信号は基本キャリアを縦シフトして３段構成した縦シフトキャリアとＵ相の補正された電圧基準Ｖｕから求められ、夫々１段目、２段目及び３段目のキャリアが電圧基準Ｖｕでパルス幅変調されたゲートパルスとなる。

以下、図３及び図４を参照して、図１及び図２で示した実施例１の構成における動作を説明する。図３はＰＷＭ制御器１０が電圧基準を補正するときの動作フローチャート、図４は補正時における各部の動作波形を示す。尚図４においては、基本キャリアを縦シフトして６段構成した縦シフトキャリアの場合が図示されている。

図３のステップＳＴ−１に示すように、まず３相電圧基準（Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*）の何れかの相が禁止帯領域内に入ったかどうかチェックする。この禁止帯領域とは、図４に示したように、６段構成した縦シフトキャリアの三角波の先端部分に振幅方向に設けられた領域であり、各段の中間部に帯状に形成されている。そして、元の３相電圧基準（Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*）の何れの相も禁止帯領域内に入っていない場合には補正は行なわず、次のサンプリングに移行する。

そして、何れかの相の電圧基準が禁止帯領域内に入ったとき、この禁止帯領域に入った相の電圧基準が禁止帯領域の境界線上に来るように補正を加える（ＳＴ−２）。これを図４で説明すると、時刻ｔ＝Ｔ１までは何れの相も禁止帯領域内に入っていないが、時刻ｔ＝Ｔ１でＶ相電圧基準が禁止帯３の負側（下部）の境界線を横切る。そして時刻ｔ＝Ｔ２で禁止帯３の正側（上部）の境界線を横切るまでは禁止帯３の領域内にある。このとき、図４に示したようにＴ１からＴ２の間は新たな電圧基準Ｖｕが禁止帯３の下部の境界線上となるように元の電圧基準Ｖｕ*をシフト補正する。

このステップ２の補正を行うと同時にこの補正量と同じ値のシフト補正を他の２相であるＵ相及びＷ相についても行う（ＳＴ−３）。

同様に、図４においてＴ２からＴ３の区間は何れの相も禁止帯領域内に入っていないので補正なしとなるが、時刻ｔ＝Ｔ３においてＷ相電圧基準が禁止帯１の上部の境界線を横切る。そして時刻ｔ＝Ｔ４で禁止帯１の下部の境界線を横切るまでは禁止帯１の領域内にある。このとき、Ｔ３からＴ４の間は新たなＷ相電圧基準Ｖｗが禁止帯１の上部の境界線上となるように元の電圧基準Ｖｗ*をシフト補正する。

以上説明したようなシフト補正を行なうと、
Ｖｕ＝Ｖｕ*＋Ｖｓｆｔ
Ｖｖ＝Ｖｖ*＋Ｖｓｆｔ
Ｖｗ＝Ｖｗ*＋Ｖｓｆｔ
となるので、例えばＵ相Ｖ相間の線間電圧は、
Ｖｖ−Ｖｕ＝Ｖｖ*+Ｖｓｆｔ−(Ｖｕ*＋Ｖｓｆｔ)＝Ｖｖ*−Ｖｕ*
となり、上述した禁止帯リミット制御による補正量の影響が線間電圧には現れないことが判る。

また、上記のステップＳＴ−２、ＳＴ−３でシフト補正を実施中に新たに別の相の電圧基準が禁止帯領域内に入ったときは、その新たな相に着目して上記ステップＳＴ−２においてシフト補正を行うようにすれば良い。

以上説明したように、最小オンパルス幅に対して禁止帯の幅と制御のサンプリング周期を適切に選定すれば、本実施例１によって比較的簡単な回路構成で確実に最小オンパルス幅を確保し、かつ線間電圧の線形性を得られるＰＷＭ制御が実現可能となる。尚、制御のサンプリング周期が十分短ければ、キャリアの先端部でカットされた禁止帯の境界線が略最小オンパルス幅となるようにすれば良い。

以下、本発明の実施例２に係る電力変換装置を図５及び図６を参照して説明する．
図５はＰＷＭ制御器１０が電圧基準を補正するときの動作フローチャート、図６は補正時における各部の動作波形を示している。図５に示す実施例２のフローチャートの各部について、図３の本発明の実施例１に係る電力変換装置のＰＷＭ制御器１０が電圧基準を補正するときの動作フローチャートの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、ステップＳＴ−２で禁止帯領域内に電圧基準が入ったことを確認した後に、その禁止帯領域内の元の電圧基準が禁止帯の中心を横切ったかどうかをチェックするステップＳＴ−１Ａを挿入した点、またステップＳＴ−１ＡでＹＥＳの場合は、補正シフトする禁止帯の境界線を上下反転するステップＳＴ−１Ｂを設けた点である。

この実施例２の動作について図６の補正時における各部の動作波形で説明する。図６において、時刻ｔ＝Ｔ１で行なう補正シフト動作は図４の実施例１における動作と同様である。そして時刻ｔ＝Ｔ５になると元のＶ相電圧基準Ｖｖ*が禁止帯３の中心を横切るので上述のステップＳＴ−１Ｂにより補正された電圧基準Ｖｖを禁止帯３の下部の境界線から上部の境界線に移行させる。

以上のこの実施例２特有の動作は時刻ｔ＝Ｔ５においても行なわれる。ここでは、元のＷ相電圧基準Ｖｗ*が禁止帯１の中心を横切るので上述のステップＳＴ−１Ｂにより補正された電圧基準Ｖｗを禁止帯１の上部の境界線から下部の境界線に移行させている。

以上説明したように、この実施例２によれば、元の３相電圧基準とシフト補正後の３相電圧基準との差が最小となるようなシフト補正を行なっているので、電圧基準のシフトによる擾乱の影響を最小限に抑えることが可能になる。

以下、本発明の実施例３に係る電力変換装置を図７及び図８を参照して説明する．
図７はＰＷＭ制御器１０が電圧基準を補正するときの動作フローチャート、図８は補正時における各部の動作波形を示している。図７に示す実施例３のフローチャートの各部について、図３の本発明の実施例１に係る電力変換装置のＰＷＭ制御器１０が電圧基準を補正するときの動作フローチャートの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、ステップＳＴ−２で禁止帯領域内に電圧基準が入ったことを確認した後に、通常のシフト補正を行なったとき絶対値が最大である相の電圧基準が増大するかどうかをチェックするステップＳＴ−１Ｃを挿入した点、またステップＳＴ−１ＣでＹＥＳの場合は、補正シフトする禁止帯の境界線を上下反転するステップＳＴ−１Ｂを設けた点である。

この実施例３の動作について図８の補正時における各部の動作波形で説明する。図８において、時刻ｔ＝Ｔ１で行なう補正シフト動作は図４の実施例１における動作と結果的に同じである。これは、Ｖ相電圧基準の通常のシフト補正方向が、その時点Ｔ１における絶対値が最大であるＵ相の電圧基準を低下させる方向の補正となるからである。ところが、時刻ｔ＝Ｔ３の補正においては、実施例１の図４で示した通常の補正を行なうと絶対値が最大であるＵ相の電圧基準を増大させる方向の補正となってしまう。従ってステップＳＴ−１Ｂにより補正された電圧基準Ｖｗを禁止帯３の上部の境界線から下部の境界線に移行させる。このようにすれば、図８に示したように時刻ｔ＝Ｔ３におけるシフト補正によって、ｔ＝Ｔ３の時点で絶対値が最大であるＵ相の電圧基準を低下させる方向の補正とすることができる。

以上説明したように、この実施例３によれば、元の３相電圧基準の絶対値が最大である相の電圧が小さくなる方向にシフト補正を行なっているので、電力変換装置の電圧余裕を余分にとる必要のない効率的なＰＷＭ制御を実現することが可能になる。

本発明による電力変換装置のＰＷＭ制御器を示すブロック構成図。 図１に示したＰＷＭ制御器が用いられる電力変換装置の一例を示す回路構成図。 本発明の実施例１に係るＰＷＭ制御器が電圧基準を補正するときの動作フローチャート。 本発明の実施例１の電圧基準補正時における各部の動作波形。 本発明の実施例２に係るＰＷＭ制御器が電圧基準を補正するときの動作フローチャート。 本発明の実施例２の電圧基準補正時における各部の動作波形。 本発明の実施例３に係るＰＷＭ制御器が電圧基準を補正するときの動作フローチャート。 本発明の実施例３の電圧基準補正時における各部の動作波形。

符号の説明

１ 交流電源
２ 入力変圧器
３Ｕ１、３Ｕ２、３Ｕ３、３Ｖ１、３Ｖ２，３Ｖ３、３Ｗ１、３Ｗ２、３Ｗ３ 単位インバータ
４ 交流電動機

１０ ＰＷＭ制御器
１１Ｕ、１１Ｖ、１１Ｗ 禁止帯チェック処理回路
１２ 電圧基準シフト量演算回路
１３ 縦シフトキャリア発生器
１４Ｕ、１４Ｖ、１４Ｗ 加算器
１５ キャリア比較器

Claims (8)

1. 複数個の縦シフトされた３角波状のキャリアによって３相の電圧基準各々をＰＷＭ変調して電力変換装置のゲート信号を得るようにしたキャリア縦シフト型のＰＷＭ制御方法において、
   前記キャリアの先端部分に前記電圧基準が入らないように制御するための禁止帯を設け、
   前記３相の電圧基準全てが前記禁止帯に入らないときには通常のＰＷＭ制御を行い、
   前記３相の電圧基準のうち新たな１相が前記禁止帯を横切ったとき、当該新たな１相の電圧基準が前記禁止帯の上下何れかの境界線上となるようにシフト補正し、
   前記シフト補正した量と同量の補正を他の２相に対して行なうようにしたことを特徴とするＰＷＭ制御方法。
2. 前記３相の電圧基準のうち新たな１相が前記禁止帯を横切ったとき、当該新たな１相の電圧基準を、当該相が前記禁止帯を横切った側の境界線上となるようにシフト補正するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のＰＷＭ制御方法。
3. 元の３相電圧基準とシフト補正後の３相電圧基準との差が最小となるように前記禁止帯の前記境界線の上下何れかを選択するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＰＷＭ制御方法。
4. 元の３相電圧基準の絶対値が最大である相の電圧が小さくなるように前記禁止帯の前記境界線の上下何れかを選択するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のＰＷＭ制御方法。
5. 前記禁止帯の幅は、前記ゲート信号が最小オンパルス幅を確保できるように選定するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のＰＷＭ制御方法。
6. 前記電力変換装置は、
   複数個の２次巻線を有する入力変圧器と、
   前記２次巻線に夫々接続され、所望の周波数の単相交流電圧を出力する複数台の単位インバータとから成り、
   前記複数台の単位インバータを相毎に３グループに分割し、グループ毎にその出力を直列接続し、その一端を中性点として互いに接続し、他の一端から３相交流出力を得るようにした電力変換装置であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のＰＷＭ制御方法。
7. 複数個の縦シフトされた３角波状のキャリアによって３相の電圧基準各々をＰＷＭ変調してゲート信号を得るようにしたキャリア縦シフト型のＰＷＭ制御部を有する電力変換装置であって、
   前記ＰＷＭ制御部は、
   前記キャリアの先端部分に前記電圧基準が入らないように制御する禁止帯を有し、
   前記３相の電圧基準全てが禁止帯に入らないときには通常のＰＷＭ制御を行い、
   前記３相の電圧基準のうち新たな１相が前記禁止帯を横切ったとき、当該新たな１相の電圧基準が前記禁止帯の上下何れかの境界線上となるようにシフト補正し、
   前記シフト補正した量と同量の補正を他の２相に対して行なうようにしたことを特徴とする電力変換装置。
8. 前記電力変換装置は、
   複数個の２次巻線を有する入力変圧器と、
   前記２次巻線に夫々接続され、所望の周波数の単相交流電圧を出力する複数台の単位インバータとから成り、
   前記複数台の単位インバータを相毎に３グループに分割し、グループ毎にその出力を直列接続し、その一端を中性点として互いに接続し、他の一端から３相交流出力を得るものである請求項８に記載の電力変換装置。

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