JP2012120250A

JP2012120250A - 波形生成方法及び波形生成装置

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Publication number: JP2012120250A
Application number: JP2010264789A
Authority: JP
Inventors: Minoru Kondo; 稔近藤; Minoru Miyabe; 実宮部
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2012-06-21

Abstract

【課題】電動機を駆動するインバータの出力電圧波形として、低次高調波を消去しつつ基本波成分の出力電圧の増大を図った電圧波形を生成すること。
【解決手段】電動機をインバータ駆動する際のインバータ電圧波形として、ｎパルスモードでは、スイッチ角α１〜αｎが、正規化した高調波損失を正規化した基本波電力で除した値が最小となる値とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、インバータ電圧波形を生成する波形生成方法等に関する。

現在、電気車や電気自動車等の自走式の移動体の駆動システムには、インバータ駆動の誘導電動機が多く用いられている。特に、電気車用のインバータには電圧形インバータが用いられ、誘導電動機は、インバータの出力電圧が低い低速域では非同期ＰＷＭで駆動され、高い電圧が必要な中高速域では、最大電圧モードである１パルスモード（矩形波通電）で駆動されるのが一般的であった。しかし、１パルスモードでは、誘導電動機に流れる電流に多くの低次高調波が含まれ、この高調波成分によって、誘導電動機で多くの損失が発生するという問題あった。

そこで、インバータにおけるスイッチング回数を増やしてパルスモードを変更することで特定の低次高調波を消去する特定高調波消去（ＳＨＥ：Selected Harmonic Elimination）法が提案されている。具体的には、１パルスモードにおいては、５次高調波及び７次高調波が特に顕著に現れるが、５次高調波及び７次高調波を消去する「３パルスモード」が提案されている（例えば、非特許文献１）。また、ＳＨＥ法を用いることで、５次高調波を消去する「２パルスモード」の波形も導出できる。

図２に、「２パルスモード」におけるインバータ電圧波形を示し、図３に、「３パルスモード」におけるインバータ電圧波形を示す。図２（ａ），図３（ａ）は、相電圧波形であり、図２（ｂ），図３（ｂ）は、このときの相間電圧波形である。

F.G.TURNBULL、「Selected Harmonic Reduction in Static D-C-A-C Inverters」、IEEE Trans. Commun. Electron.、1964、vol.83、pp.374-378 FRANZ C.ZACH、HANS ERTL、「Efficiency Optimal Control for AC Drives with PWM Inverters」、IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS、1985、VOL.IA-21、NO.4、pp.987-1000

ところが、このＳＨＥ法では、特定の低次高調波の完全な消去が可能であるが、消去した次数以外の高調波は増加することが知られている。移動体の電気的推進装置として誘導電動機を用いる場合、最終的には、推進装置としての全体的な高効率が求められる。そのため、特定の低次高調波を必ずしも完全に消去する必要はない。

一方、インバータ電圧波形の高調波損失を正規化した値Ｐ_Ｈを最小化する波形を選択する方法が提案されている（例えば、非特許文献２）。具体的には、図２，図３に示したインバータ電圧波形において、スイッチ角α（α１，α２，・・）が、次式（１）で与えられる、正規化された高調波損失Ｐ_Ｈが最小となるように定められる波形である。

上式（１）において、「ｋ」は、高調波の次数であり、ｋ＝６ｉ±１（但し、ｉ＝１，２，・・・）、を満たす。また、「Ｗ」は、電動機定数であり、次式（２）で与えられる。

この式（２）から、５次高調波を消去する「２パルスモード（ｋ＝５）」では、スイッチ角α１＝１２°、が得られる。また、５次高調波及び７次高調波を消去する「３パルスモード（ｋ＝５，７）」では、スイッチ角α１＝１６°，α２＝２２°、が得られる。

しかしながら、上述の高調波損失を正規化した値Ｐ_Ｈを最小化する波形を選択する方法は、比較的出力電圧が低い場合を想定しており、基本波成分の出力電圧が最大化されていない。１パルスモードが用いられている高い電圧が必要とされる領域では、高調波損失を最小化すると同時に基本波成分の出力電圧を最大化した波形が必要とされる。以上、誘導電動機について説明したが、同期電動機についても同様なのは勿論である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電動機を駆動するインバータの出力電圧波形として、低次高調波を消去しつつ基本波成分の出力電圧の増大を図った電圧波形を生成することを目的としている。

上記課題を解決するための第１の形態は、
電動機に最大限の電圧を印加する最大電圧モード用のインバータ電圧波形を生成する波形生成方法であって、
前記インバータ電圧波形の高調波損失を正規化した値Ｐ_Ｈを、正規化した基本波電力で除した損失比率ｒ_Ｈが、０より大きく０．００２以下の条件を満たすスイッチ角のｎパルスモード（ｎは２以上の整数）の波形を、前記最大電圧モード用のインバータ電圧波形として生成する波形生成方法である。

また、他の形態として、
電動機に最大限の電圧を印加する最大電圧モード用のインバータ電圧波形を生成する波形生成装置であって、
前記インバータ電圧波形の高調波損失を正規化した値Ｐ_Ｈを、正規化した基本波電力で除した損失比率ｒ_Ｈが、０より大きく０．００２以下の条件を満たすスイッチ角のｎパルスモード（ｎは２以上の整数）の波形を、前記最大電圧モード用のインバータ電圧波形として生成する波形生成装置を構成しても良い。

この第１の形態等によれば、最大電圧モード用のインバータ電圧波形として、損失比率ｒ_Ｈが、０より大きく０．００２以下の条件を満たすスイッチ角のｎパルスモード（ｎは２以上の整数）の波形が生成される。詳細な原理は後述するが、この第１の形態等のインバータ電圧波形によれば、電動機に流れる電流に含まれる低次高調波を消去することができ、損失低減を図ることができる。また、損失比率ｒ_Ｈは、高調波損失を正規化した値Ｐ_Ｈを、正規化した基本波電力で除した値であり、高調波損失が同じであれば、基本波成分の大きい波形がインバータ電圧波形として生成されることになる。このため、電動機の高効率化を図ることができる。

この場合、第２の形態として、
前記損失比率ｒ_Ｈは、電動機力率から定まる電動機定数Ｗ（＝tan(arccos(力率))）を１とした場合の値である、
波形生成方法を構成することとしても良い。

第３の形態は、
電動機に最大限の電圧を印加する最大電圧モード用のインバータ電圧波形を生成する波形生成方法であって、
前記インバータ電圧波形の高調波損失を正規化した値Ｐ_Ｈを、正規化した基本波電力で除した損失比率ｒ_Ｈに、電動機力率から定まる電動機定数Ｗ（＝tan(arccos(力率))）を乗じた値が、０より大きく０．００２以下の条件を満たすスイッチ角のｎパルスモード（ｎは２以上の整数）の波形を、前記最大電圧モード用のインバータ電圧波形として生成する波形生成方法である。

また、他の形態として、
電動機に最大限の電圧を印加する最大電圧モード用のインバータ電圧波形を生成する波形生成装置であって、
前記インバータ電圧波形の高調波損失を正規化した値Ｐ_Ｈを、正規化した基本波電力で除した損失比率ｒ_Ｈに、電動機力率から定まる電動機定数Ｗ（＝tan(arccos(力率))）を乗じた値が、０より大きく０．００２以下の条件を満たすスイッチ角のｎパルスモード（ｎは２以上の整数）の波形を、前記最大電圧モード用のインバータ電圧波形として生成する波形生成装置を構成しても良い。

この第３の形態等によれば、最大電圧モード用のインバータ電圧波形として、損失比率ｒ_Ｈに電動機定数Ｗを乗じた値が、０より大きく０．００２以下の条件を満たすスイッチ角のｎパルスモード（ｎは２以上の整数）の波形が生成される。詳細な原理は後述するが、この第３の形態等のインバータ電圧波形によれば、電動機に流れる電流に含まれる低次高調波を消去することができ、損失低減を図ることができる。また、損失比率ｒ_Ｈは、高調波損失を正規化した値Ｐ_Ｈを、正規化した基本波電力で除した値であり、高調波損失が同じであれば、基本波成分の大きい波形がインバータ電圧波形として生成されることになる。このため、電動機の高効率化を図ることができる。

第４の形態として、第１〜３の何れかの形態の波形生成方法であって、
前記ｎパルスモードとして、２パルスモードの波形を生成する、
波形生成方法を構成しても良い。

また、第５の形態として、第１〜３の何れかの形態の波形生成方法であって、
前記ｎパルスモードとして、３パルスモードの波形を生成する、
波形生成方法を構成しても良い。

この場合、第６の形態として、
前記条件は、０より大きく０．００１以下である、
波形生成方法を構成しても良い。

この第６の形態によれば、３パルスモードの波形は、損失比率ｒ_Ｈ、或いは、損失比率ｒ_Ｈに電動機定数Ｗを乗じた値が満たすべき条件が、０より大きく０．００１以下となるスイッチ角の波形として生成される。

従来の１パルスモードでのインバータ電圧波形図。２パルスモードでのインバータ電圧波形図。３パルスモードでのインバータ電圧波形図。スイッチ角α１，α２と、損失比率ｒ_Ｈとの関係図。スイッチ角α１，α２と、電動機定数Ｗ×損失比率ｒ_Ｈとの関係図。スイッチ角α１，α２と、Ｗ＝１の場合のＷ×ｒ_Ｈとの関係図。電動機の発生損失のグラフ。電動機の高調波損失及び出力電圧基本波成分を示す図。ＥＯＣ法を適用した電気車の主回路図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

［原理］
先ず、本実施形態の原理となる、電動機の高効率化を最適とする制御方法（以下、「ＥＯＣ（Efficiency Optimal Control）法」という）におけるインバータ電圧波形について説明する。但し、電動機は三相誘導電動機とし、インバータは、三相交流電圧を電動機に出力（印加）することとする。

図１は、従来の１パルスモードでの電圧波形である。図１（ａ）は、インバータの出力電圧波形（相電圧波形）を示し、（ｂ）は、このときの相間電圧波形を示している。また、図２（ａ）は、本実施形態のＥＯＣを用いた２パルスモード（２パルスＥＯＣ）での電圧波形である。図２（ａ）は、インバータ電圧波形（相電圧波形）を示し、図２（ｂ）は、このときの相間電圧波形を示している。２パルスモードでは、スイッチ角α１を適切に設定することで、１つの高調波を消去することができる。また、図３（ａ）は、本実施形態のＥＯＣを用いた３パルスモード（３パルスＥＯＣ）での電圧波形である。図３（ａ）は、インバータ電圧波形（相電圧波形）を示し、図３（ｂ）は、このときの相間電圧波形を示している。３パルスモードでは、スイッチ角α１，α２を適切に設定することで、２つの高調波を消去することができる。なお、図１〜図３では、相電圧としてＵ相の電圧波形を示し、相間電圧としてＵ−Ｖ相間電圧波形を示している。

本実施形態のＥＯＣ法では、ｎパルスモード（ｎ＝２，３，・・・）において、インバータ電圧波形におけるスイッチ角α１〜αｎは、式（３）で与えられる損失比率ｒ_Ｈが最小となる値が最適値となる。

式（３）に示すように、損失比率ｒ_Ｈは、正規化された高調波損失Ｐ_Ｈを、正規化された基本波電力で除した値である。すなわち、基本波電力に対する高調波損失の比率を表しており、損失比率ｒ_Ｈを最小化することで効率を最大化できる。式（３）において、「ｋ」は、高調波の次数である。また、「Ｗ」は、電動機定数であり、上式（２）で与えられる。

図４は、３パルスモードにおけるスイッチ角α１，α２の算出結果であり、スイッチ角α１，α２に対する損失比率ｒ_Ｈをプロットした等値線図である。図４（ａ）は、力率が５３％の場合を示し、図４（ｂ）は、力率が８０％の場合を示している。

図４（ａ），（ｂ）を比較すると、力率が異なると、電動機定数Ｗが異なるために損失比率ｒ_Ｈは異なる。しかし、力率が異なっていても、損失比率ｒ_Ｈの分布を表す等値線図の形状はほぼ同じである。例えば、損失比率ｒ_Ｈが０より大きく０．００２以下の範囲でスイッチ角を定めれば一定の効果が得られることを示していると言える。そして、式（３）で定められる損失比率ｒ_Ｈが最小となるスイッチ角α１，α２はほぼ等しく、α１＝８．５，α２＝１３．８、付近の値となる。

また、図５は、３パルスモードにおける、スイッチ角α１，α２に対する、電動機定数Ｗ×損失比率ｒ_Ｈをプロットした等値線図であり、一般的な電動機の力率の範囲である５３％〜８０％の範囲で力率を変化させた場合の等値線図を重ねて示している。

図５によれば、力率が異なっていても、電動機定数Ｗ×損失比率ｒ_Ｈの分布を表す等値線図は、その値も形状もほぼ同じとなっている。すなわち、損失比率ｒ_Ｈに電動機定数Ｗを乗じた値が、少なくとも０より大きく０．００２以下の範囲においては、ほぼ同じ特性を示していると言える。実際、損失比率ｒ_Ｈを最小化するスイッチ角αは、何れの力率においてもほぼ同じ値であった。なお、電動機の力率を一定値とすると、式（３）から、電動機定数Ｗも一定値となり、従って、損失比率ｒ_Ｈが最小となるスイッチ角α１，α２と、Ｗ×ｒ_Ｈが最小値となるスイッチ角α１，α２とは同じとなる。

また、図５によれば次の論理が成り立つ。すなわち、電動機定数Ｗ×損失比率ｒ_Ｈの値は、電動機定数Ｗに依存しないことである。そこで、電動機定数Ｗを一定値、具体的には、Ｗ＝１、とすると電動機定数Ｗ×損失比率ｒ_Ｈの値は、次式（４）となる。これは、式（３）で与えられる損失比率ｒ_Ｈを、電動機定数Ｗ＝１、とした場合に相当する。

そして、図６は、Ｗ＝１の場合のＷ×ｒ_Ｈの値の分布を表す等値線図である。図５と比較すると、値もその分布の形状も、ほぼ同じである。従って、式（４）で求まる値が０より大きく０．００２以下の範囲でスイッチ角αを定めることとすればよい。このことは、電動機（より詳細にはその電動機の力率）が何れであっても、スイッチ角は一意に定めることができることを意味する。

また、図４，図５は「３パルスモード」の場合を示しているが、スイッチ角α１＝０、とした場合が「２パルスモード」に相当する。この場合、損失比率ｒ_Ｈを最小とするスイッチ角α２（２パルスモードにおけるスイッチ角α１に該当）は、α２＝９、となる。

続いて、本実施形態のＥＯＣ法による電動機の発生損失の低減について、説明する。図７は、電動機の発生損失を示すグラフである。図７では、従来の１パルスモードと、従来のＳＨＥ法による２パルスモード（２パルスＳＨＥ法）及び３パルスモード（３パルスＳＨＥ法）と、本実施形態のＥＯＣ法による２パルスモード（２パルスＥＯＣ法）及び３パルスモード（３パルスＥＯＣ法）とのそれぞれについて、電動機入力に対する発生損失の割合を示している。

図７によれば、従来の１パルスモードに対して、本実施形態のＥＯＣ法では損失の割合が減少している。つまり、本実施形態のＥＯＣ法では、従来の１パルスモードに比較して高効率化が図れていることがわかる。

また、従来のＳＨＥ法と本実施形態のＥＯＣ法とを比較すると、図７においては、ほぼ同じ効果が示されている。損失低減は、主に低次高調波の削減により達成されるため、入力に対する損失の割合を示した図７においては、ＳＨＥ法もＥＯＣ法も大差なく、何れも、損失の低減に有効であることが分かる。

図８は、電動機の高調波損失及び出力電圧基本波成分を示す図である。図８では、従来の１パルスモードと、従来のＳＨＥ法による２パルスモード（２パルスＳＨＥ法）及び３パルスモード（３パルスＳＨＥ法）と、本実施形態のＥＯＣ法による２パルスモード（２パルスＥＯＣ法）及び３パルスモード（３パルスＥＯＣ法）とのそれぞれにおける、出力電圧基本波成分、及び、電動機入力に対する高調波損失の割合（高調波損失／入力）を示している。

図８によれば、高調波損失は、２パルスモード及び３パルスモードともに、本実施形態のＥＯＣ法の方が、従来のＳＨＥ法より小さい。それに加えて、出力電圧基本波成分は、２パルスモード及び３パルスモードともに、本実施形態のＥＯＣ法の方が従来のＳＨＥ法よりも５％以上向上している。このように、本実施形態のＥＯＣ法では、従来のＳＨＥ法に比較して、より多くの基本波成分を含みながらより多くの高調波成分を低減しており、電動機全体の高効率化が図れている。

本実施形態のＥＯＣ法の特徴を最大限発揮するためには、損失比率ｒ_Ｈが最小となるスイッチ角αでインバータ電圧波形を生成することが望まれるが、制御上の精度の観点から、損失比率ｒ_Ｈが最小となるスイッチ角αとすることは困難である場合もある。その場合には、損失比率ｒ_Ｈに電動機定数Ｗを乗じた値、或いは、式（４）の値が０より大きく０．００２以下の範囲となるよう、より好適には、０より大きく０．００１以下の範囲となるよう、スイッチ角αを定めると良い。

［適用例］
続いて、本実施形態のＥＯＣ法の適用例として、電気車の駆動システムに適用した場合を説明する。図９は、本実施形態のＥＯＣ法を適用した電気車の主回路構成の概略図である。この電気車は、直流電化区間を走行する直流電気車であり、その主回路は、入力フィルタ回路２０と、インバータ３０と、電動機４０と、制御装置５０とを備えて構成される。

入力フィルタ回路２０は、フィルタリアクトル２２及びフィルタコンデンサ２４から成る。

インバータ３０は、３相のＶＶＶＦインバータであり、直流側に入力フィルタ回路２０が接続され、交流側に電動機４０が接続されている。そして、インバータ３０の直流側には、パンタグラフ１０によって集電された直流電力が入力フィルタ回路２０を介して供給され、直流側に印加された直流電圧を、制御装置５０から入力されるスイッチング信号に従って三相交流電圧に変換して、電動機４０に印加（出力）する。

電動機４０は、インバータ３０から交流電力が供給されることで車軸を回転駆動する主電動機（メインモータ）であり、例えば、三相誘導電動機で実現される。

制御装置５０は、ＣＰＵや各種メモリ（ＲＯＭやＲＡＭ等）から構成されるコンピュータや各種の電子回路等によって実現され、例えば、制御ボードとして実装されたり、或いは、インバータ３０を含めて一体的にインバータ装置として構成される。

また、制御装置５０は、インバータ３０に対する駆動指令を生成する駆動指令生成部６０を有する。この駆動指令生成部６０は、ｎパルス波形生成部６２と、ＰＷＭ波形生成部６４とを有し、入力される電圧指令に従って、インバータ３０を構成する各スイッチ素子を制御するスイッチング信号を、駆動指令として生成する。具体的には、入力される速度指令に従って、低速域では、ＰＷＭ波形生成部６４によって生成されたＰＷＭ波形に基づいてスイッチング信号を生成し、中高速域では、ｎパルス波形生成部６２によって生成されたｎパルス波形に基づいて、スイッチング信号を生成する。

ｎパルス波形生成部６２は、本実施形態のＥＯＣ法によるｎパルスモード（ｎ＝２，３，・・・）のインバータ電圧波形を生成する。すなわち、「２パルスモード（ｎ＝２）」で制御する場合には、図２（ａ）に示した相電圧波形であって、位相が互いに１２０°（２／３π）ずつずれた三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）の電圧波形を生成する。また、「３パルスモード（ｎ＝３）」で制御する場合には、図３（ａ）に示した相電圧波形であって、位相が互いに１２０°（２／３π）ずつずれた三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）の電圧波形を生成する。

このとき、スイッチ角α１〜αｎは、電動機４０の力率に応じて予め定められている。具体的には、図５において、「電動機定数Ｗ×損失比率ｒ_Ｈ」が所定値範囲となるスイッチ角αとする。例えば、３パルスモードでは、「電動機定数Ｗ×損失比率ｒ_Ｈ」が「０．００１以下」となる範囲のスイッチ角α１，α２とする。また、２パルスモードでは、「電動機定数Ｗ×損失比率ｒ_Ｈ」が「０．００２以下」となるスイッチ角α２とする。

ＰＷＭ波形生成部６４は、インバータ３０をＰＷＭ制御するためのＰＷＭ波形を生成する。

［作用・効果］
このように、本実施形態によれば、電動機をインバータ駆動する駆動システムにおいて、基本波成分を大きくしつつ高調波成分を可能な限り低減し、電動機全体の高効率化が図れるインバータ電圧波形を生成することができる。

［変形例］
なお、本発明の適用可能な実施形態は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。

（Ａ）適用車両
例えば、上述の実施形態では、本実施形態のＥＯＣ法の適用例として、電気車に適用した場合を説明したが、電気車に限らず、電気的推進装置として電動機が用いられる電気自動車等の自走式車両の何れにも適用可能である。

（Ｂ）電動機
また、上述の実施形態では、誘導電動機に適用した場合を説明したが、同期電動機にも同様に適用可能である。

（Ｃ）適用速度域
また、上述の電気車への適用例では、中高速域において本実施形態のＥＯＣ法を適用することにしたが、低速域等の他の速度域でも適用可能である。要は、従来の１パルスモードが適用されていた最大電圧モードであれば良く、速度には無関係である。

３０インバータ、４０電動機
５０制御装置
６０駆動指令生成部
６２ｎパルス波形生成部、６４ＰＷＭ波形生成部

Claims

電動機に最大限の電圧を印加する最大電圧モード用のインバータ電圧波形を生成する波形生成方法であって、
前記インバータ電圧波形の高調波損失を正規化した値Ｐ_Ｈを、正規化した基本波電力で除した損失比率ｒ_Ｈが、０より大きく０．００２以下の条件を満たすスイッチ角のｎパルスモード（ｎは２以上の整数）の波形を、前記最大電圧モード用のインバータ電圧波形として生成する波形生成方法。
前記損失比率ｒ_Ｈは、電動機力率から定まる電動機定数Ｗ（＝tan(arccos(力率))）を１とした場合の値である、
請求項１に記載の波形生成方法。
電動機に最大限の電圧を印加する最大電圧モード用のインバータ電圧波形を生成する波形生成方法であって、
前記インバータ電圧波形の高調波損失を正規化した値Ｐ_Ｈを、正規化した基本波電力で除した損失比率ｒ_Ｈに、電動機力率から定まる電動機定数Ｗ（＝tan(arccos(力率))）を乗じた値が、０より大きく０．００２以下の条件を満たすスイッチ角のｎパルスモード（ｎは２以上の整数）の波形を、前記最大電圧モード用のインバータ電圧波形として生成する波形生成方法。
前記ｎパルスモードとして、２パルスモードの波形を生成する、
請求項１〜３の何れか一項に記載の波形生成方法。
前記ｎパルスモードとして、３パルスモードの波形を生成する、
請求項１〜３の何れか一項に記載の波形生成方法。
前記条件は、０より大きく０．００１以下である、
請求項５に記載の波形生成方法。
電動機に最大限の電圧を印加する最大電圧モード用のインバータ電圧波形を生成する波形生成装置であって、
前記インバータ電圧波形の高調波損失を正規化した値Ｐ_Ｈを、正規化した基本波電力で除した損失比率ｒ_Ｈが、０より大きく０．００２以下の条件を満たすスイッチ角のｎパルスモード（ｎは２以上の整数）の波形を、前記最大電圧モード用のインバータ電圧波形として生成する波形生成装置。
電動機に最大限の電圧を印加する最大電圧モード用のインバータ電圧波形を生成する波形生成装置であって、
前記インバータ電圧波形の高調波損失を正規化した値Ｐ_Ｈを、正規化した基本波電力で除した損失比率ｒ_Ｈに、電動機力率から定まる電動機定数Ｗ（＝tan(arccos(力率))）を乗じた値が、０より大きく０．００２以下の条件を満たすスイッチ角のｎパルスモード（ｎは２以上の整数）の波形を、前記最大電圧モード用のインバータ電圧波形として生成する波形生成装置。