JP2014226035A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】交流電圧出力指令の1周期において、上側電位となる位相角θ1を中心とする期間X1では、インバータ回路の直流入力正側端子電圧値を常時出力するようゲートパルス信号を固定し、下側電位となる位相角θ2を中心とする期間X2では、インバータ回路の直流入力負側端子電圧値を常時出力するようゲートパルス信号を固定し、位相角θ1と位相角θ2との間の期間から期間X1,X2を除いた期間Y1と期間X1との比率ならびに、位相角θ2と位相角θ1+360[deg]との間の期間から期間X1,X2を除いた期間Y2と期間X2との比率を、変調率指令もしくは交流電圧出力振幅指令値に基づいて設定したゲートパルス信号を出力する。
【選択図】 図7−1
Description
図1は、実施の形態1における電力変換装置の構成を示す図である。同図に示すように、実施の形態1の電力変換装置は、負荷である交流電動機1を駆動するための構成として、インバータ回路2、直流電圧源部3、搬送波生成部5、変調波生成部6および比較部7を有するスイッチング信号生成部4、変調率演算部8、変調モード選択部9、電圧検出部10ならびに、交流電圧指令生成部11を備えて構成される。
直流電圧入力の上電位がゲート信号として選択される。
(ii)変調波<搬送波である期間
直流電圧入力の下電位がゲート信号として選択される。
非同期PWM用搬送波生成部50aは、出力電圧位相角指令値θ*に依存しない搬送波、例えば周期1kHz一定、振幅1の三角波を演算出力しており、変調モード信号として、領域(1)の非同期PWMモードが入力された場合、搬送波選択部51での出力切り替えにより、搬送波生成部5の出力として出力される。
つぎに、本願の最大の特徴となる過変調PWMモードについて説明する。図5−1、図6−1および図7−1は、過変調PWM用搬送波生成部50bが出力する搬送波、および過変調PWM用変調波生成部60bが出力する変調波を、変調率PMFが0.9、0.93、0.97の場合について示したものである。
変調率PMF=π/(2√3)=0.9069を式(1.3)に代入すると、UVW相それぞれの変調波の波高値がほぼ1となる。すなわち、最大値「+1」、最小値「−1」の三角波である搬送波と比較して変調を行うことができる最大の変調率が0.9近傍となる。通常の三角波またはのこぎり波の搬送波と変調波とを比較して行うPWMより、高い変調率(高い出力電圧振幅)を得る変調手法が、いわゆる過変調と呼ばれる。そこで、本実施の形態1における過変調PWMモードの使用変調率範囲の下限値、すなわち表1におけるPMF_1を、次式のように設定する。
図6−1は、実施の形態1にて変調率PMF=0.93とした場合の、搬送波と変調波である。以下のように、期間X1,X2,Y1,Y2を、各相毎に定義した結果の図を示している。
PMF=PMF_1のときΔx=0[deg]
PMF=1.0のときΔx=90[deg](180[deg]通電、1パルスモード)
となる。
最後に、変調率が高い領域、例えば変調率0.97以上の場合に選択する3ダッシュパルスモードについて説明する。
実施の形態1は、図2に示す各変調モードの選択範囲の関係において、領域(2)の過変調PWMモードが選択される変調率範囲の下限値PMF_1を0.9069に設定し、この値より低い変調率の範囲では、領域(1)の非同期PWMモードが選択される実施の形態であった。これに対し、実施の形態2は、図9に示す領域(2)aのように、変調率PMFがPMF_1以下の領域において、この変調率PMFがPMF_0<PMF≦PMF_1を満たす領域を「過変調準備モード」として定義し、変調モード選択部9が変調率条件に応じた変調モードを判別し、搬送波生成部5および変調波生成部6に、変調モード信号として領域(2)aの過変調準備モード信号を出力する実施の形態である。本願における領域(2)aの過変調準備モード、領域(2)の過変調PWMモードおよび、領域(3)の3ダッシュパルスモードは、出力電圧位相角指令値θ*に同期したゲート信号を生成する、いわゆる同期PWM方式に基づいている。
実施の形態1,2では、変調波生成部6が算出する変調波として、式(1.3)に基づいた手法を示したが、式(1.2)に示した変調波に基づいた手法でも同様の構成が可能である。この場合には、通常の三角波キャリア比較で出力可能な変調率上限、すなわち領域(2)の過変調PWMモードが担うべき変調率範囲の下限値PMF_1が、実施の形態1,2より小さい値となる(下記表4を参照)ことに注意が必要である。
三相交流負荷に対するPWM技術として、インバータ回路の損失低減を主目的としたいわゆる二相変調と呼ばれる技術がある。これは、式(1.3)で述べた三次調波重畳と同様に、三相共通の電圧信号が各相電圧に重畳されても、線間電圧は不変となる三相交流電圧の特性を利用し、各相が交互にスイッチングを休止する期間を設ける技術である。
実施の形態1〜4では、何れのPWMモードにおいても、搬送波生成部5および変調波生成部6を設け、搬送波と変調波とを比較することによりゲート信号を得る形態であったが、搬送波と変調波との比較によらないPWM変調方法も広く知られている。特に、本願における領域(2)aの過変調準備モード、領域(2)の過変調PWMモードおよび、領域(3)の3ダッシュパルスモードは、出力電圧位相角指令値θ*に同期したゲート信号を生成する、いわゆる同期PWM方式に基づいており、各相がスイッチングすべき位相角と出力電圧位相角指令値θ*との関係は、変調率PMFによって一意に決定でき、あらかじめマップ化が可能である。
実施の形態5の電力変換装置では、スイッチング特性マップを用いてゲート信号を生成させるため、いわゆる同期PWMであれば、あらゆる変調手法が選択可能であった。例えば、領域(2)aの過変調準備モード用のスイッチング特性マップとして、インバータ回路2のPWM出力電圧から特定の次数の高調波を抑制または削除する制御を行う、いわゆる低次高調波削除PWM(詳細な内容は、上記特許文献5を参照)を用いることが可能であり、この形態を実施の形態6として説明する。
・PMF=PMF_xでは、Δx=0
・PMF=1(1パルスモード)では、Δx=90deg
と定義する。
実施の形態1〜6では、インバータ回路2が2レベルである場合について説明したが、インバータ回路2が、いわゆるマルチレベルである場合にも、同様の機能を構成することは可能である。
搬送波生成部5における非同期PWM用搬送波生成部50aは、電圧位相角指令値θ*とは非同期である上側素子用搬送波および下側素子用搬送波を出力する。
搬送波生成部5における過変調PWM用搬送波生成部50bは、電圧位相角指令値θ*と同期した上側素子用搬送波および下側素子用搬送波を出力する。
過変調PWM用搬送波生成部50bは、図16に示すように、0,90,180,270[deg]をそれぞれ中心とする期間Y2,X1,Y2,X1を定義(U相の場合)すると共に、変調率に応じたΔxを操作した上側素子用搬送波および下側素子用搬送波を出力する。
実施の形態1で説明した3ダッシュパルスモードと同様、やみくもに期間の短いスイッチングパルスを出力することはインバータ回路2の制約で不可能であるため、変調率が1近傍の領域(例えば0.95〜0.97を超えた領域)では、期間Y1,Y2のスイッチング回数を最小限にするモードとする。3レベルインバータの場合、例えば上記特許文献6に開示された技術を用いれば、パルス幅可変の1パルスを出力することが可能であり、これを2レベルインバータの場合の3ダッシュパルスモードの代わりに使用すれば、領域(2)における3レベル過変調モードからの円滑な遷移が可能となる。
Claims (9)
- 直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ回路と、
前記インバータ回路を駆動するためのゲート信号を前記インバータ回路に出力するスイッチング信号生成部とを備え、
前記スイッチング信号生成部は、
前記インバータ回路の変調率が第一の閾値以下の場合に、
前記インバータ回路がスイッチングを行う第一の期間と前記インバータ回路のスイッチングを休止する第二の期間とを有する過変調モードにおける前記ゲート信号を出力し、
前記インバータ回路の変調率が前記第一の閾値よりも大きい場合に、
同期3ダッシュパルスモードにおける前記ゲート信号を出力する、
電力変換装置。 - 前記スイッチング信号生成部は、搬送波信号を生成する搬送波生成部と変調波信号を生成する変調波生成部と前記搬送波信号と前記変調波信号とを比較し前記ゲート信号を出力する比較部とを有し、
前記過変調モードにおいて、前記搬送波信号と前記変調波信号とは同期している、
ことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。 - 前記スイッチング信号生成部は、
前記インバータ回路の変調率が前記第一の閾値よりも小さい第二の閾値以下の場合に、
非同期PWMモードにおける前記ゲート信号を出力し、
前記インバータ回路の変調率が前記第二の閾値よりも大きく、かつ前記第一の閾値以下の場合に、
前記過変調モードにおける前記ゲート信号を出力する、
ことを特徴とする請求項1又は2記載の電力変換装置。 - 前記スイッチング信号生成部は、
前記インバータ回路の変調率が前記第一の閾値よりも小さい第二の閾値以下の場合に、
非同期PWMモードにおける前記ゲート信号を出力し、
前記インバータ回路の変調率が前記第二の閾値よりも大きく、かつ前記第二の閾値よりも大きく前記第一の閾値よりも小さい第三の閾値以下の場合に、
前記搬送波信号と前記変調波信号とは同期している過変調準備モードにおける前記ゲート信号を出力する、
ことを特徴とする請求項2記載の電力変換装置。 - 前記インバータ回路の変調率について180deg通電した1パルスモード時の変調率PMFを1と定義した場合において、
前記第二の閾値は、π/{2×√(3)}よりも小さい値とする、
ことを特徴とする請求項3又は4記載の電力変換装置。 - 前記インバータ回路の変調率について180deg通電した1パルスモード時の変調率PMFを1と定義した場合において、
前記第二の閾値は、π/{2×√(3)}である、
ことを特徴とする請求項3又は4記載の電力変換装置。 - 前記過変調モードにおいて、
前記第一の期間は変調率が増加するに連れて短くなり、
前記第二の期間は変調率が増加するに連れて長くなる、
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項記載の電力変換装置。 - 前記第一の期間において前記ゲート信号に含まれるパルス数は一定である、
ことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項記載の電力変換装置。 - 前記インバータ回路の変調率が第一の閾値以下の場合、
前記インバータ回路の変調率と前記インバータ回路の出力電圧の周波数は、比例関係にある、
ことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項記載の電力変換装置。
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