JP2020137231A - 電力変換装置、発電電動機の制御装置、および、電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力電流の乱れを抑制する。【解決手段】電力変換装置は、直流電源２からの直流電圧を用いて交流回転機１の３相巻線に対して電圧を印加する電力変換器４と、制御指令に基づいて３相巻線に対する電圧指令を演算し、電圧指令に基づいて印加電圧を演算し、印加電圧と搬送波信号とを比較することにより電力変換器４のスイッチング素子に対するオン／オフ信号を出力する制御部６とを備え、制御部６は、第１搬送波信号Ｃ１と、第１搬送波信号Ｃ１に対して１８０ｄｅｇ位相が異なる第２搬送波信号Ｃ２とを切り替えて使用し、制御部６は、印加電圧が搬送波信号の最大値と一致する、または、印加電圧が搬送波信号の最小値と一致するスイッチング停止相を切替対象相として、切替対象相に対して搬送波信号の切り替えを行う。【選択図】図１

Description

この発明は、交流回転機に電圧を印加する電力変換装置、発電電動機の制御装置、および、電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来の電力変換装置の一例として、例えば、特許文献１に記載のインバータ装置が挙げられる。特許文献１に記載された従来のインバータ装置は、複数のスイッチング素子を有するインバータと、インバータの各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを２相変調方式で制御する制御部とを備えて構成されている。当該制御部は、負荷の力率が閾値以上である場合に、２相変調制御における停止相以外の２相について、オン期間の中心地点またはオフ期間の中心地点を１８０度シフトさせる位相シフトを行う。また、当該制御部は、負荷の力率が閾値未満である場合、この位相シフトを行わない２相変調制御を行う。

国際公開第２０１４／０９７８０４号

上記の特許文献１に記載の従来のインバータ装置における制御方法（以下、従来の制御方法と称す）では、負荷の力率に応じて位相シフトを実施している。しかしながら、従来の制御方法においては、位相シフトしていない状態から１８０度位相シフトした状態へ切り替えるとき、または、１８０度位相シフトした状態から位相シフトしていない状態へ切り替えるときに、対象となる相のＤｕｔｙによっては、所望のＤｕｔｙが得られない場合がある。その場合には、所望のＤｕｔｙが得られない結果として、出力電流が乱れてしまう可能性があるという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、出力電流の乱れを抑制することが可能な、電力変換装置、発電電動機の制御装置、および、電動パワーステアリング装置を得ることを目的としている。

この発明は、交流回転機の３相巻線の各相に対応させて設けられたスイッチング素子を有し、直流電源からの直流電圧を用いて前記３相巻線に対して電圧を印加する電力変換器と、外部から入力される制御指令に基づいて前記３相巻線の各相に対する電圧指令を演算するとともに、前記電圧指令に基づいて前記３相巻線の各相に印加する印加電圧を演算し、各前記印加電圧と搬送波信号とを比較することにより前記スイッチング素子に対するオン／オフ信号を出力する制御部とを備え、前記制御部は、各前記印加電圧と比較する前記搬送波信号として、第１搬送波信号と、前記第１搬送波信号に対して１８０ｄｅｇ位相が異なる第２搬送波信号とを切り替えて使用し、前記印加電圧が前記搬送波信号の最大値と一致する、または、前記印加電圧が前記搬送波信号の最小値と一致する相を、切替対象相として、前記切替対象相に対して、前記搬送波信号の切り替えを行う、電力変換装置である。

この発明に係る電力変換装置、発電電動機の制御装置、および、電動パワーステアリング装置によれば、出力電流の乱れを抑制することができる。

この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示した構成図である。 従来の制御方法における高電位側スイッチング素子のオン／オフ波形を示した図である。 従来の制御方法における高電位側スイッチング素子のオン／オフ波形を示した図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたオフセット演算器によるオフセット電圧の演算処理の流れを示したフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置における力率角が０ｄｅｇの場合の電流波形および電圧波形を示した図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置における力率角が０ｄｅｇの場合の図４のフローチャートでオフセット電圧を演算した場合に設定されるスイッチング停止相を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置において、図６のようにスイッチング停止相が設定された場合の３相印加電圧の波形を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置における力率角が６０ｄｅｇの場合の電流波形および電圧波形を示した図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置における力率角が６０ｄｅｇの場合の図４のフローチャートでオフセット電圧を演算した場合に設定されるスイッチング停止相を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたオフセット演算器から出力される力率角６０ｄｅｇの場合の３相印加電圧の波形を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたオン／オフ信号発生器の動作を説明する図である。 図１１に対する比較例として、同一の搬送波信号を用いた場合のオン／オフ信号発生器の動作を示す図である。 オン／オフ信号生成で使用される搬送波信号の切り替えの一例を示した図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたオン／オフ信号発生器から出力される理想的なオン／オフ信号の波形を示した図である。 図１４に対する比較例として、オン／オフ信号の波形の一例を示した図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたオン／オフ信号発生器で使用される搬送波信号を示した図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたオン／オフ信号発生器で使用される搬送波信号の切り替え動作を示したフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたオフセット演算器から出力される３相印加電圧の波形の他の例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたオフセット演算器から出力される３相印加電圧の波形の他の例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたオフセット演算器から出力される３相印加電圧の波形の他の例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたオン／オフ信号発生器で使用される搬送波信号の切り替え動作を示したフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたオン／オフ信号発生器で使用される搬送波信号を示した図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたオン／オフ信号発生器から出力されるオン／オフ信号の波形を示した図である。 図２３に対する比較例として、オン／オフ信号の波形の一例を示した図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたオン／オフ信号発生器で使用される搬送波信号の一例を示した図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたオン／オフ信号発生器で使用される搬送波信号の一例を示した図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたオン／オフ信号発生器で使用される搬送波信号の一例を示した図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたオン／オフ信号発生器で使用される搬送波信号の一例を示した図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置を、車両用発電電動機に使用した場合の構成を示した図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置を、電動パワーステアリング装置用の電動機に使用した場合の構成を示した図である。

以下、この発明に係る電力変換装置、発電電動機の制御装置、および、電動パワーステアリング装置のそれぞれの実施の形態について、図に基づいて説明する。各図において、同一または相当する部材および部位については、同一符号を付して示し、重複する説明は省略する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の全体構成を示す図である。図１に示すように、本実施の形態１に係る電力変換装置は、電力変換器４、および、制御部６を備えている。また、必要に応じて、電力変換装置は、平滑コンデンサ３を備える。電力変換装置は、電源としての直流電源２に接続されている。また、電力変換装置には、負荷として、交流回転機１が接続されている。電力変換装置は、直流電源２からの直流電圧を交流電圧に変換して交流回転機１に供給する。また、図１に示すように、さらに、必要に応じて、電力変換装置は、交流回転機１の各相の巻線に流れる電流を検出する電流検出器５を備える。

本実施の形態１に係る電力変換装置は、搬送波信号の切り替えによって生じる出力電流の乱れを抑制する。これに対し、上記の特許文献１に記載の従来の制御方法においては、上述したように、搬送波信号を切り替える際に、出力電流が乱れてしまう可能性があるという問題点があった。従来の制御方法における当該問題点について、図２および図３を用いて説明する。

図２および図３は、従来の制御方法における高電位側スイッチング素子の３周期分のオン／オフ波形を示している。図２および図３において、横軸は時間である。

図２は、インバータの出力側に３相モータを接続した場合において、１相のＤｕｔｙを５０％で出力中に、タイミングＡで、位相シフトしていない状態から１８０ｄｅｇ位相シフトした状態に切り替えた際の高電位側スイッチング素子のオン／オフ波形を示している。図２においては、２周期目に、タイミングＡが含まれている。図２の２周期目に注目すると、タイミングＡにて１８０ｄｅｇ位相シフトしたことで、その後もオン状態が継続してしまっている。その結果、２周期目全体で、７５％の出力となっている。例えば、他の２相のＤｕｔｙが０％付近にある場合であれば、線間電圧が期待値の１．５倍程度になるため、所望の電流を得ることができない。

図３は、インバータの出力側に３相モータを接続した場合において、１相のＤｕｔｙを５０％で出力中に、タイミングＢで、１８０ｄｅｇ位相シフトした状態から位相シフトしていない状態へ切り替えた際の高電位側スイッチング素子のオン／オフ波形を示している。図３においては、２周期目に、タイミングＢが含まれている。図３の２周期目に注目すると、タイミングＢにて位相シフトを解除したことで、その後もオフ状態が継続してしまっている。その結果、２周期目全体で、２５％の出力となっている。例えば、他の２相のＤｕｔｙが１００％付近にある場合であれば、線間電圧が期待値の半分程度になるため、所望の電流を得ることができない。

また、モータの回転速度が零速から高くなると、力率は下がるのが一般的である。したがって、従来の制御方法では、モータが零速あるいは低速域で回転している場合には、位相シフトが行われることで、コンデンサ電流の低減効果を得ている。一方、モータが高速で回転している場合には、位相シフトが停止されるので、コンデンサ電流の低減効果を得ることができない。

上記のように、従来の制御方法においては、搬送波信号を切り替えるときに、所望のＤｕｔｙを得ることが出来ず、その結果、出力電流が乱れてしまうことがあった。これに対し、本実施の形態１では、このような出力電流の乱れを抑制する方法について説明する。

また、上記のように、従来の制御方法においては、モータが高速で回転している場合には、コンデンサ電流の低減効果を得ることができなかった。これに対し、本実施の形態１では、モータが高速で回転している場合においても、コンデンサ電流の低減効果が得られる方法についても説明する。

以下、図１に示す本実施の形態１に係る電力変換装置の各構成要素、交流回転機１、および、直流電源２について説明する。

交流回転機１は、回転子と固定子とを備えた３相交流回転機から構成されている。交流回転機１では、３相巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１が、固定子に納められている。３相交流回転機としては、例えば、永久磁石同期回転機、誘導回転機、同期リラクタンス回転機等が挙げられる。本実施の形態１においては、３相巻線を有する交流回転機であれば、いずれの回転機を交流回転機１として用いてもよい。

直流電源２は、電力変換器４に直流電圧Ｖｄｃを出力する。直流電源としては、バッテリー、ＤＣ−ＤＣコンバータ、ダイオード整流器、ＰＷＭ整流器等が挙げられるが、直流電圧を出力する機器であれば、いずれの機器も直流電源２として使用可能である。

平滑コンデンサ３は、直流電源２に並列に接続されている。すなわち、平滑コンデンサの一端は直流電源２の正極端子に接続され、平滑コンデンサ３の他端は直流電源２の負極端子に接続されている。したがって、平滑コンデンサ３は、直流電源２の２つの出力に電気的に接続されていると言える。平滑コンデンサ３は、母線電流Ｉｉｎｖ１の変動を抑制して安定した直流電流Ｉｃを生成する。ここでは細かく図示しないが、真のコンデンサ容量Ｃ以外に、実際には、等価直列抵抗Ｒｃ、および、リードインダクタンスＬｃが存在する。このように、平滑コンデンサ３を用いて、コンデンサのリプル電流を抑制することで、コンデンサの小型化を図ることができる。

電力変換器４は、上アームの高電位側スイッチング素子Ｓｕｐ１，Ｓｖｐ１，Ｓｗｐ１、および、下アームの低電位側スイッチング素子Ｓｕｎ１，Ｓｖｎ１，Ｓｗｎ１を有している。これらのスイッチング素子をまとめて呼ぶ場合には、スイッチング素子Ｓｕｐ１〜Ｓｗｎ１と呼ぶこととする。

電力変換器４には、制御部６から、オン／オフ信号Ｑｕｐ１，Ｑｕｎ１，Ｑｖｐ１，Ｑｖｎ１，Ｑｗｐ１，Ｑｗｎ１が入力される。以下、オン／オフ信号Ｑｕｐ１，Ｑｕｎ１，Ｑｖｐ１，Ｑｖｎ１，Ｑｗｐ１，Ｑｗｎ１をまとめて呼ぶ場合には、オン／オフ信号Ｑｕｐ１〜Ｑｗｎ１と呼ぶこととする。電力変換器４は、インバータである逆変換回路を用いて、オン／オフ信号Ｑｕｐ１〜Ｑｗｎ１に基づいて、スイッチング素子Ｓｕｐ１〜Ｓｗｎ１をオンオフする。電力変換器４は、これらのオンオフ動作により、直流電源２から入力される直流電圧Ｖｄｃを電力変換して、交流電圧を得る。電力変換器４は、当該交流電圧を、交流回転機１の３相巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１に印加し、電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１を通電させる。

ここで、オン／オフ信号Ｑｕｐ１，Ｑｕｎ１，Ｑｖｐ１，Ｑｖｎ１，Ｑｗｐ１，Ｑｗｎ１は、電力変換器４において、それぞれ、スイッチング素子Ｓｕｐ１，Ｓｕｎ１，Ｓｖｐ１，Ｓｖｎ１，Ｓｗｐ１，Ｓｗｎ１のオン／オフを切り替えるためのスイッチング信号である。以後、オン／オフ信号Ｑｕｐ１〜Ｑｗｎ１の値が１ならば、対応するスイッチング素子がオンされ、一方、オン／オフ信号Ｑｕｐ１〜Ｑｗｎ１の値が０ならば、対応するスイッチング素子がオフされるものとする。なお、半導体スイッチング素子Ｓｕｐ１〜Ｓｗｎ１は、半導体スイッチと、半導体スイッチに逆並列接続されたダイオードとから構成される。半導体スイッチとしては、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）パワートランジスタ等の半導体スイッチを用いる。

電流検出器５は、交流回転機１の３相巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１に流れる電流Ｉｕ１、電流Ｉｖ１および電流Ｉｗ１の値を、それぞれ、電流検出値Ｉｕ１ｓ，Ｉｖ１ｓ，Ｉｗ１ｓとして検出する。図１に示すように、交流回転機１の３相巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１と電力変換器４との間に電流検出器５を設けることで、電力変換器４のスイッチング素子の状態に拘らず常時電流を検出できるという効果を得ることができる。つまり、制御部６は、電流検出可否を考慮せずに、スイッチング素子のオン／オフを決定することが可能となる。そのため、交流回転機１の３相巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１と電力変換器４との間に電流検出器５を設けることは、本実施の形態１にとって好適である。

なお、電流検出器５は、図１の例に限定されない。電流検出器５は、例えば、電力変換器４の半導体スイッチング素子Ｓｕｎ１，Ｓｖｎ１，Ｓｗｎ１のそれぞれに対して直列に接続された電流検出用抵抗を備えた電流検出器であってもよい。その場合には、当該電流検出用抵抗を用いて、電流検出値Ｉｕ１ｓ，Ｉｖ１ｓ，Ｉｗ１ｓを検出する。あるいは、電流検出器５は、電力変換器４と平滑コンデンサ３との間に接続された電流検出用抵抗を備えた電流検出器であってもよい。その場合には、当該電流検出用抵抗を用いて、インバータ入力電流である母線電流Ｉｉｎｖ１を検出し、その検出値に基づいて、電流検出値Ｉｕ１ｓ，Ｉｖ１ｓ，Ｉｗ１ｓを求める。電流検出器５がこれらの構成の場合には、制御部６は、電流検出可否を考慮しつつ、半導体スイッチング素子Ｓｕｐ１〜Ｓｗｎ１のオン／オフを決定すればよい。

次に、制御部６について説明する。制御部６は、図１に示すように、電圧指令演算器７、オフセット演算器８、および、オン／オフ信号発生器９を備えている。制御部６のハードウェア構成について説明すると、制御部６は、例えば、演算処理を実行するマイクロコンピュータと、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）とから構成される。ＲＯＭには、プログラムデータ、固定値データ等のデータが記憶されている。また、ＲＡＭには、演算結果などの各種データが記憶される。ＲＡＭに格納されている各種データは、更新されて順次書き換えられる。制御部６は、マイクロコンピュータが、ＲＯＭに記憶されたプログラムデータを読み出して実行することにより、制御部６の電圧指令演算器７、オフセット演算器８、および、オン／オフ信号発生器９の各部の機能を実現する。以下、制御部６の各部について詳細に説明する。

電圧指令演算器７は、外部から入力される制御指令に基づいて、交流回転機１を駆動するための３相巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１に印加する電圧に関する３相電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１を演算し、オフセット演算器８へ出力する。３相電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１の演算方法の一例について、以下に説明する。まず、電圧指令演算器７に外部から入力される制御指令として、ここでは、交流回転機１に通電する電流を指令する電流指令を用いる。また、電圧指令演算器７には、電流検出器５によって検出された３相巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１の電流検出値Ｉｕ１ｓ，Ｉｖ１ｓ，Ｉｗ１ｓが入力される。電圧指令演算器７は、電流フィードバック制御を用いて、電流検出値Ｉｕ１ｓ，Ｉｖ１ｓ，Ｉｗ１ｓと電流指令との偏差を零とすべく、比例積分制御によって、３相電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１を演算する。このようなフィードバック制御方法は公知技術であるため、ここでは詳細な説明は省略する。なお、上記の説明においては、交流回転機１の制御指令として、交流回転機１に対する電流指令を用いる場合を例示したが、これに限定されない。例えば、交流回転機１をＶ／Ｆ（Ｖｏｌｔａｇｅ／Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）制御する場合、制御指令は、交流回転機１の速度指令値となる。また、交流回転機１の回転位置を制御する場合、制御指令は、交流回転機１の位置指令値となる。

オフセット演算器８は、電圧指令演算器７から出力された３相電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１から、オフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ１をそれぞれ減算し、３相印加電圧Ｖｕ１’，Ｖｖ１’，Ｖｗ１’を演算する。オフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ１は、オフセット演算器８によって演算される。図４に、オフセット演算器８がオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ１を演算する処理の流れを示すフローチャートを示す。

図４において、３相電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１のうちの最大の電圧指令をＶｍａｘとし、それに対応する相を電圧最大相とする。また、同様に、最小の電圧指令をＶｍｉｎとし、それに対応する相を電圧最小相とする。また、最大と最小との間の中間の電圧指令をＶｍｉｄとし、それに対応する相を電圧中間相とする。すなわち、３相電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１を大きい順に並べたときの電圧最大相の電圧指令をＶｍａｘ、電圧中間相の電圧指令をＶｍｉｄ、電圧最小相の電圧指令をＶｍｉｎとする。

このとき、図４に示すように、まず、オフセット演算器８は、ステップＳ１３０で、電流検出値Ｉｕ１ｓ，Ｉｖ１ｓ，Ｉｗ１ｓに基づいて、３相巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１を流れる電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１のうち、その絶対値が最大となる相を、電流絶対値最大相として選択する。そして、オフセット演算器８は、電流絶対値最大相が電圧最大相と一致しているか否かを判定する。電流絶対値最大相が電圧最大相であるならば、ステップＳ１３３に進み、そうでなければ、ステップＳ１３１に進む。

ステップＳ１３１では、オフセット演算器８は、電流絶対値最大相が電圧最小相と一致しているか否かを判定する。電流絶対値最大相が電圧最小相であるならば、ステップＳ１３４に進み、そうでなければ、ステップＳ１３２に進む。

ステップＳ１３２は、電流絶対値最大相が電圧中間相である場合を示す。そこで、オフセット演算器８は、電圧中間相の電圧指令Ｖｍｉｄが正の値であるか否かを判定する。電圧中間相の電圧指令Ｖｍｉｄが正の値であるならば、ステップＳ１３５に進み、そうでなければ、ステップＳ１３６に進む。

ステップＳ１３４およびステップＳ１３６では、オフセット演算器８は、オフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ１に、電圧最小相の電圧指令Ｖｍｉｎの値を設定する。

一方、ステップＳ１３３およびステップＳ１３５では、オフセット演算器８は、電圧最大相の電圧指令Ｖｍａｘと直流電源２の直流電圧Ｖｄｃとの差、すなわち、（Ｖｍａｘ−Ｖｄｃ）の値を求め、当該値（Ｖｍａｘ−Ｖｄｃ）をオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ１に設定する。

なお、上記のステップＳ１３０において、オフセット演算器８が、３相巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１を流れる電流Ｉｕ１ｓ，Ｉｖ１ｓ，Ｉｗ１ｓに基づいて電流絶対値最大相を選択すると説明したが、これに限定されない。オフセット演算器８は、制御指令から得られる３相巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１を流れる電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１に基づいて、電流絶対値最大相を選択してもよい。

次に、図５〜図１０を用いて、オフセット演算器８から出力される３相印加電圧Ｖｕ１’，Ｖｖ１’，Ｖｗ１’の波形について説明する。３相印加電圧Ｖｕ１’，Ｖｖ１’，Ｖｗ１’の波形は、電流位相と電圧位相との差である力率角によって変化する。以下に、詳細に説明する。

力率角が０ｄｅｇの場合には、電流波形および電圧波形は図５のようになる。図５の上段のグラフは電流位相に対する３相電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１の波形を示し、図５の下段のグラフは３相電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１の波形を示す。また、図５の上段のグラフおよび下段のグラフの横軸は共に位相を示す。図５の上段のグラフおよび下段のグラフにおいて、実線がＵ１相の波形、破線がＶ１相の波形、点線がＷ１相の波形をそれぞれ示している。

図５の上段のグラフに示されるように、電流絶対値最大相は、電流位相によって以下のように変化する。
電流位相：０ｄｅｇ以上から３０ｄｅｇ未満まで：Ｕ１相、
３０ｄｅｇ以上から９０ｄｅｇ未満まで：Ｗ１相、
９０ｄｅｇ以上から１５０ｄｅｇ未満まで：Ｖ１相、
１５０ｄｅｇ以上から２１０ｄｅｇ未満まで：Ｕ１相、
２１０ｄｅｇ以上から２７０ｄｅｇ未満まで：Ｗ１相、
２７０ｄｅｇ以上から３３０ｄｅｇ未満まで：Ｖ1相、
３３０ｄｅｇ以上から３６０ｄｅｇ未満まで：Ｕ１相。

また、図５の下段のグラフに示されるように、電圧最大相は、電流位相によって以下のように変化する。
電流位相：０ｄｅｇ以上から６０ｄｅｇ未満まで：Ｕ１相、
６０ｄｅｇ以上から１８０ｄｅｇ未満まで：Ｖ１相、
１８０ｄｅｇ以上から３００ｄｅｇ未満まで：Ｗ１相、
３００ｄｅｇ以上から３６０ｄｅｇ未満まで：Ｕ１相。

また、図５の下段のグラフに示されるように、電圧最小相は、電流位相によって以下のように変化する。
電流位相：０ｄｅｇ以上から１２０ｄｅｇ未満まで：Ｗ１相、
１２０ｄｅｇ以上から２４０ｄｅｇ未満まで：Ｕ１相、
２４０ｄｅｇ以上から３６０ｄｅｇ未満まで：Ｖ１相。

以上のことからわかるように、電流絶対値最大相は、電圧最大相および電圧最小相のうちのいずれか一方に一致する。

図４のフローチャートに従ってオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ１を決定すると、スイッチング停止相は、図６の表に示すように設定される。すなわち、スイッチング停止相と電流絶対値最大相は一致している。従って、スイッチング停止相は、電圧最大相および電圧最小相のうちのいずれか一方に一致する。

その結果、３相印加電圧Ｖｕ１’，Ｖｖ１’，Ｖｗ１’は、図７に示すように、６０ｄｅｇ毎にスイッチング停止相が切り替わる波形となる。図７のグラフにおいて、実線が印加電圧Ｖｕ１’の波形、破線が印加電圧Ｖｖ１’の波形、点線が印加電圧Ｖｗ１’の波形をそれぞれ示している。また、最大相を搬送波信号の最大値に設定する上べた二相変調と、最小相を搬送波信号の最小値に設定する下べた二相変調とが、６０ｄｅｇ毎に交互に切り替わる。力率角が０〜３０ｄｅｇ、１５０〜２１０ｄｅｇ、３３０〜３６０ｄｅｇの場合には、同様の印加電圧に設定することができる。

一方、力率角が６０ｄｅｇの場合には、電流波形および電圧波形は図８のようになる。図８の上段のグラフは電流位相に対する３相電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１の波形を示し、図８の下段のグラフは３相電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１の波形を示す。また、図８の上段のグラフおよび下段のグラフの横軸は共に位相を示す。図８の上段のグラフおよび下段のグラフにおいて、実線がＵ１相の波形、破線がＶ１相の波形、点線がＷ１相の波形をそれぞれ示している。

図８の上段のグラフに示されるように、電流絶対値最大相は、図５の上段のグラフと同様に、電流位相によって変化する。図５の場合と同じであるため、ここでは説明を省略する。

図８の下段のグラフに示されるように、電圧最大相は、電流位相によって以下のように変化する。
電流位相：０ｄｅｇ以上から１２０ｄｅｇ未満まで：Ｖ１相、
１２０ｄｅｇ以上から２４０ｄｅｇ未満まで：Ｗ１相、
２４０ｄｅｇ以上から３６０ｄｅｇ未満まで：Ｕ１相。

また、図８の下段のグラフに示されるように、電圧最小相は、電流位相によって以下のように変化する。
電流位相：０ｄｅｇ以上から６０ｄｅｇ未満まで：Ｗ１相、
６０ｄｅｇ以上から１８０ｄｅｇ未満まで：Ｕ１相、
１８０ｄｅｇ以上から３００ｄｅｇ未満まで：Ｖ１相、
３００ｄｅｇ以上から３６０ｄｅｇ未満まで：Ｗ１相。

また、図８の下段のグラフに示されるように、電圧中間相は、電流位相によって以下のように変化する。
電流位相：０ｄｅｇ以上から６０ｄｅｇ未満まで：Ｕ１相、
６０ｄｅｇ以上から１２０ｄｅｇ未満まで：Ｗ１相、
１２０ｄｅｇ以上から１８０ｄｅｇ未満まで：Ｖ１相、
１８０ｄｅｇ以上から２４０ｄｅｇ未満まで：Ｕ１相、
２４０ｄｅｇ以上から３００ｄｅｇ未満まで：Ｗ１相、
３００ｄｅｇ以上から３６０ｄｅｇ未満まで：Ｖ１相。

このように、力率角が６０ｄｅｇの場合は、力率角が０ｄｅｇの場合とは異なり、電流絶対値最大相が電圧中間相と一致する領域が、３０ｄｅｇ毎に発生する。

図４のフローチャートに従ってオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ１を決定すると、スイッチング停止相は、図９の表に示すように設定される。図９においても、スイッチング停止相は、電圧最大相および電圧最小相のうちのいずれか一方に一致する。

その結果、３相印加電圧Ｖｕ１’，Ｖｖ１’，Ｖｗ１’は、図１０に示すように、３０ｄｅｇ毎にスイッチング停止相が切り替わる波形となる。図１０のグラフにおいて、実線が印加電圧Ｖｕ１’の波形、破線が印加電圧Ｖｖ１’の波形、点線が印加電圧Ｖｗ１’の波形をそれぞれ示している。また、図４のステップＳ１３２の判定結果によってオフセット方向は６０ｄｅｇ毎に変化しており、上べた二相変調と下べた二相変調が６０ｄｅｇ毎に交互に切り替わる。

オン／オフ信号発生器９は、オフセット演算器８から出力される３相印加電圧Ｖｕ１’，Ｖｖ１’，Ｖｗ１’に基づいて、オン／オフ信号Ｑｕｐ１，Ｑｕｎ１，Ｑｖｐ１，Ｑｖｎ１，Ｑｗｐ１，Ｑｗｎ１を出力する。図１１は、図５に示すタイミングＣでのオン／オフ信号発生器９の動作説明図である。図１１において、Ｃ１は第１搬送波信号、Ｃ２は第２搬送波信号である。第１搬送波信号Ｃ１と第２搬送波信号Ｃ２とは、１８０ｄｅｇ位相が異なる。第１搬送波信号Ｃ１および第２搬送波信号Ｃ２は、共に、最小値が０で、最大値がＶｄｃで、周期がＴｃの三角波である。ここでは、第１搬送波信号Ｃ１および第２搬送波信号Ｃ２の一例として三角波を用いて説明するが、第１搬送波信号Ｃ１および第２搬送波信号Ｃ２は、のこぎり波等、三角波以外の他の形状であってもよい。また、その場合でも同様の効果が得られる。

オン／オフ信号発生器９は、第１搬送波信号Ｃ１と印加電圧Ｖｕ１’とを比較し、印加電圧Ｖｕ１’が第１搬送波信号Ｃ１の最大値と一致または第１搬送波信号Ｃ１よりも大きい場合は「Ｑｕｐ１＝１かつＱｕｎ１＝０」を出力し、印加電圧Ｖｕ１’が第１搬送波信号Ｃ１の最小値と一致または第１搬送波信号Ｃ１未満の場合は「Ｑｕｐ１＝０かつＱｕｎ１＝１」を出力する。

また、オン／オフ信号発生器９は、第１搬送波信号Ｃ１と印加電圧Ｖｖ１’とを比較し、印加電圧Ｖｖ１’が第１搬送波信号Ｃ１の最大値と一致または第１搬送波信号Ｃ１よりも大きい場合は「Ｑｖｐ１＝１かつＱｖｎ１＝０」を出力し、印加電圧Ｖｖ１’が第１搬送波信号Ｃ１の最小値と一致または第１搬送波信号Ｃ１未満の場合は「Ｑｖｐ１＝０かつＱｖｎ１＝１」を出力する。

また、オン／オフ信号発生器９は、第２搬送波信号Ｃ２と印加電圧Ｖｗ１’とを比較し、印加電圧Ｖｗ１’が第２搬送波信号Ｃ２の最大値と一致または第２搬送波信号Ｃ２よりも大きい場合は「Ｑｗｐ１＝１かつＱｗｎ１＝０」を出力し、印加電圧Ｖｗ１’が第２搬送波信号Ｃ２の最小値と一致または第２搬送波信号Ｃ２未満の場合は「Ｑｗｐ１＝０かつＱｗｎ１＝１」を出力する。

その結果、母線電流Ｉｉｎｖ１は、図１１に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２において−Ｉｗ１、時刻ｔ２〜ｔ３においてＩｕ１、時刻ｔ３〜ｔ５において−Ｉｖ１、時刻ｔ５〜ｔ６においてＩｕ１、時刻ｔ６〜ｔ７において−Ｉｗ１となり、いずれのタイミングにおいても力行電流が流れている。図１から分かるように、母線電流Ｉｉｎｖ１、直流電源２の出力電流Ｉｂ、および、平滑コンデンサ３の出力電流Ｉｃには、Ｉｉｎｖ１＝Ｉｂ＋Ｉｃの関係がある。また、直流電源２の出力電流Ｉｂは一定値Ｉｄｃを出力するため、コンデンサ電流Ｉｃは、出力電流Ｉｂに対して、Ｉｃ＝Ｉｉｎｖ１−Ｉｄｃの関係が成り立つ。一定値Ｉｄｃは、変調率ｋ、力率角θｉｖおよび電流実効値Ｉｒｍｓを用いて下式（１）で与えられる。変調率ｋは、線間電圧波高値が直流電圧Ｖｄｃとなるときを１とした値である。

変調率ｋが小さい場合にはＩｃの最大値の絶対値と最小値の絶対値を比較すると、最大値の絶対値の方が大きくなり、変調率ｋが大きい場合にはＩｃの最大値の絶対値と最小値の絶対値を比較すると、最小値の絶対値の方が大きくなる。平滑コンデンサ３のコンデンサ電流を小さくするためには、低変調率では、母線電流Ｉｉｎｖ１が、予め設定された閾値を超えるような大きな値になることを回避すればよく、高変調率では、母線電流Ｉｉｎｖ１が、零または負となることを回避すればよい。例えば、力率角０ｄｅｇの力行運転状態ではＩｎｉｎｖ１が０〜√３Ｉｒｍｓの範囲となるので、ＩｄｃがＩｎｉｎｖ１の振幅中央値になるには√３Ｉｒｍｓ／２であればよい。この場合、変調率ｋが１／√２の場合を基準として低変調率、高変調率ということとする。

なお、上記の図１１では、第２搬送波信号Ｃ２と印加電圧Ｖｗ１’とを比較してオン／オフ信号Ｑｗｐ１，Ｑｗｎ１を決定したが、以下では、図１２に示すように、第１搬送波信号Ｃ１と印加電圧Ｖｗ１’とを比較した場合の母線電流Ｉｉｎｖ１について説明する。Ｕ１相およびＶ１相のオン／オフ信号Ｑｕｐ１，Ｑｕｎ１，Ｑｖｐ１，Ｑｖｎ１は、図１１の場合と同様の動きとなるため、ここでは説明を省略する。一方、Ｗ１相のオン／オフ信号Ｑｗｐ１，Ｑｗｎ１は、図１１の場合と異なる。図１２では、オン／オフ信号発生器９が、第１搬送波信号Ｃ１と印加電圧Ｖｗ１’とを比較し、印加電圧Ｖｗ１’が第１搬送波信号Ｃ１の最大値と一致または第１搬送波信号Ｃ１よりも大きい場合は「Ｑｗｐ１＝１かつＱｗｎ１＝０」を出力し、印加電圧Ｖｗ１’が第１搬送波信号Ｃ１の最小値と一致または第１搬送波信号Ｃ１未満の場合には「Ｑｗｐ１＝０かつＱｗｎ１＝１」を出力する。

その結果、母線電流Ｉｉｎｖ１は、時刻ｔ１〜ｔ２において０、時刻ｔ２〜ｔ３において−Ｉｗ１、時刻ｔ３〜ｔ５においてＩｕ１、時刻ｔ５〜ｔ６において−Ｉｗ１、時刻ｔ６〜ｔ７において０となる。時刻ｔ１〜ｔ２および時刻ｔ６〜ｔ７においてＩｉｎｖ１＝０となるため、図１２は、図１１に比べて、コンデンサ電流が大きくなる。

従って、上記の図１１で示したように、スイッチング停止相以外の２相のうち、一方の相に対する搬送波信号として第１搬送波信号Ｃ１を使用し、もう一方の相に対する搬送波信号として第２搬送波信号Ｃ２を使用することで、コンデンサ電流を低減することができる。また、電気角１周期において、上べた二相変調または下べた二相変調とすることによりスイッチング回数を低減できるため、スイッチング損失による発熱を抑制する効果も得ることができる。

以下では、搬送波信号の選択方法について説明する。

図１３は、３相印加電圧Ｖｕ１’，Ｖｖ１’，Ｖｗ１’と比較する搬送波信号を、第１搬送波信号Ｃ１と第２搬送波信号Ｃ２のいずれにするかを示した図である。図１３において、搬送波信号の各欄における「１」は第１搬送波信号Ｃ１を選択したことを示し、「２」は第２搬送波信号Ｃ２を選択したことを示す。また、図１３において、ハッチング部分はスイッチング停止相を示しているので、いずれの搬送波信号を選択しても出力結果は変わらない。上述したように、コンデンサ電流を小さくするには、スイッチング停止相以外の２相が互いに異なる搬送波信号を使用すればよい。そのため、スイッチング停止相の変化に合わせて、搬送波信号を６０ｄｅｇ毎に切り替える場合、Ｖ１相であれば３０ｄｅｇで搬送波信号を切り替える必要がある。このとき、Ｖ１相は電圧中間相となっているため、スイッチング停止相ではない。

図１４は、理想的に搬送波信号が切り替わった場合のオン／オフ信号Ｑｕｐ１，Ｑｖｐ１，Ｑｗｐ１の変化を表したものである。Ｖ１相については、時刻ｔ１０〜ｔ１２では第１搬送波信号Ｃ１と比較し、時刻ｔ１２〜ｔ１４では第２搬送波信号Ｃ２と比較して、オン／オフ信号Ｑｖｐ１を生成している。印加電圧Ｖｖ１’の演算は、時刻ｔ１２より前のタイミングで終了するため、その時点で搬送波信号の切り替え要否は判明している。例えば、印加電圧Ｖｕ１’，Ｖｖ１’，Ｖｗ１’の演算が時刻ｔ１５で完了し、時刻ｔ１５の時点で、搬送波信号を切り替えた場合、本来、時刻ｔ１５で実施されるオン／オフ信号Ｑｖｐ１を０から１にする指示が実施できず、図１５のようなオン／オフ信号Ｑｖｐ１となる。すなわち、図１５では、時刻ｔ１５以降も、オン／オフ信号Ｑｖｐ１が０のままである。その結果、時刻ｔ１０〜ｔ１２で出力したいＶ１相の印加電圧Ｖｖ１’が出せず、３相電流が乱れる要因となる。これを回避して図１４のような理想的な波形を実現するには、搬送波信号の切り替えと印加電圧の反映を時刻ｔ１２で同期して実施する必要がある。

廉価なマイコンを用いた場合には同期してできる処理が限られるが、図１６の表に示すように搬送波信号を切り替えることで、搬送波信号の切り替えと印加電圧の反映を同期せずに実施できる。上記の図１３のように搬送波信号を設定すると、電圧中間相で搬送波信号の切り替えが必要となるが、図１６のように搬送波信号を設定することで、搬送波信号の切り替え頻度を下げられる。具体的には、図１６に示すように、Ｕ１相については、電流位相２１０〜３３０ｄｅｇで第１搬送波信号Ｃ１を使用し、電流位相３０〜１５０ｄｅｇで第２搬送波信号Ｃ２を選択する。また、Ｖ１相については、電流位相０〜９０ｄｅｇおよび電流位相３３０〜３６０ｄｅｇで第１搬送波信号Ｃ１を選択し、電流位相１５０〜２７０ｄｅｇで第２搬送波信号Ｃ２を選択する。また、Ｗ１相については、電流位相９０〜２１０ｄｅｇで第１搬送波信号Ｃ１を選択し、電流位相０〜３０ｄｅｇおよび電流位相２７０〜３６０ｄｅｇで第２搬送波信号Ｃ２を選択する。

すなわち、Ｕ１相、Ｖ１相、および、Ｗ１相の各相において、１２０ｄｅｇごとに第１搬送波信号Ｃ１と第２搬送波信号Ｃ２とを切り替え、第１搬送波信号Ｃ１の区間と第２搬送波信号Ｃ２の区間との間に、スイッチング停止相となる区間を挟む。スイッチング停止相では、搬送波信号１周期においてオンまたはオフのままとなるため、その間に搬送波信号を切り替えてもオン／オフ信号は変化しない。本実施の形態１では、図１６の左から右に変化する回転方向であれば、Ｕ１相は電流位相１５０〜２１０ｄｅｇで第１搬送波信号Ｃ１に切り替え、電流位相３３０〜３６０ｄｅｇまたは電流位相０〜３０ｄｅｇで第２搬送波信号Ｃ２に切り替える。また、Ｖ１相は、電流位相２７０〜３３０ｄｅｇで第１搬送波信号Ｃ１に切り替え、電流位相９０〜１５０ｄｅｇで第２搬送波信号Ｃ２に切り替える。また、Ｗ１相は、電流位相３０〜９０ｄｅｇで第１搬送波信号Ｃ１に切り替え、電流位相２１０〜２７０ｄｅｇで第２搬送波信号Ｃ２に切り替える。

図１６の表に示すように搬送波信号の切り替えを行うためには、例えば、図１７のようなフローチャートで切り替え処理を行うとよい。図１７では、まず、ステップＳ１４０で、電流絶対値最大相が電圧最大相であるかどうかを判定する。電流絶対値最大相が電圧最大相である場合はステップＳ１４２に進み、そうでなければ、ステップＳ１４１に進む。ステップＳ１４１では、電流絶対値最大相が電圧最小相であるかどうかを判定する。電流絶対値最大相が電圧最小相である場合にはステップＳ１４３に進み、そうでなければ、ステップＳ１４４に進む。ステップＳ１４２では、搬送波信号を第１搬送波信号Ｃ１から第２搬送波信号Ｃ２に切り替える。ステップＳ１４３では、搬送波信号を第２搬送波信号Ｃ２から第１搬送波信号Ｃ１に切り替える。ステップＳ１４４では、搬送波信号を切り替えずに現在の搬送波信号のまま、保持する。

つまり、スイッチング停止状態となるとき、印加電圧が搬送波信号の最大値と一致するとき、または、印加電圧が搬送波信号の最小値と一致するときに、使用する搬送波信号を切り替えることで、搬送波信号の切り替えによって生じる印加電圧の乱れを抑制することができる。なお、ここでは、図１４および図１５に示すように、第１搬送波信号Ｃ１を搬送波信号１周期において上に凸、第２搬送波信号Ｃ２を搬送波信号１周期において下に凸である三角波としたが、反対であっても同様の効果が得られることはいうまでもない。

交流回転機１の回転数が低い場合、図１６の搬送波信号が切り替わる領域間をハンチングする場合がある。例えば、図４のようなフローチャートで動作させた場合であれば、角度検出誤差または電流検出誤差などの影響によって電圧位相がずれることによって、ハンチングが生じる。この場合には、図１７のステップＳ１４２によって第２搬送波信号Ｃ２に切り替わった後で、再度、第１搬送波信号Ｃ１を選択したい領域に戻ることがある。そのため、ステップＳ１４０が連続Ｘ１回成立したときにステップＳ１４２を実施する、および、ステップＳ１４１が連続Ｘ２回成立したときにステップＳ１４３を実施するというように、搬送波信号の切り替えを遅延させる。ここで、Ｘ１およびＸ２の値は、予め適宜設定しておく。つまり、交流回転機１の回転数が、予め設定された回転数閾値以下の場合に、搬送波信号の切り替えを遅延させることによって、搬送波信号が切り替わる領域間のハンチングによる搬送波信号の切り替えミスを回避できる。このように、交流回転機１の回転数が回転数閾値以下の低回転数の場合には、搬送波信号の切り替えがハンチングする可能性があるが、予め設定された条件に基づく不感帯を設けて、切り替えを遅延させることで、ハンチングの発生を回避することができる。なお、ここでは、予め設定された条件として、「ステップＳ１４０が連続Ｘ１回成立」あるいは「ステップＳ１４１が連続Ｘ２回成立」という条件を例に挙げて説明したが、これに限定されない。予め設定された条件は、例えば、予め設定した時間が経過したときなど、他の条件としてもよい。

また、図４でＶｏｆｆｓｅｔ１を決定する二相変調では無く、搬送波信号を切り替えたい区間の一部において二相変調とする図１８に示すような印加電圧としてもよい。ここでは、ｎを整数として電流位相が６０ｎ±２［ｄｅｇ］の区間で二相変調としている。低回転であれば、搬送波信号１周期で変化する位相は小さい。しかしながら、回転数が増加すれば、搬送波信号１周期に変化する位相変化は大きくなる。そのため、二相変調区間の幅が小さい場合には、この区間を飛び越えてしまう。つまり、回転数に基づいて決定する区間幅ｋを用いて電流位相が６０ｎ±ｋ［ｄｅｇ］の区間で二相変調とすることで、他区間での他の変調方式を可能にできる。交流回転機の回転数をｆｍ［Ｈｚ］、極対数をＰｍとしたとき、下式（２）を満たすようにｋを定めればよい。

図１８に示すように、二相変調と正弦波変調とを組み合わせれば、中性点電圧の変動を抑制しつつ、コンデンサ電流の低減が可能である。また、図１９に示すように、下べた二相変調を基本とし一部区間において上べた二相変調としてもよく、あるいは、図２０に示すように、上べた二相変調を基本とし一部区間において下べた二相変調としてもよい。図１９および図２０の場合について説明する。これらの場合は、電流検出器５が、電力変換器４の半導体スイッチング素子Ｓｕｎ，Ｓｖｎ，Ｓｗｎのそれぞれに直列に電流検出用抵抗を設けて、電流検出値Ｉｕ１ｓ，Ｉｖ１ｓ，Ｉｗ１ｓを検出する方式の電流検出器のときに、特に有効である。電流検出器５が当該方式の場合に、電流検出可能領域を広げるためには、図１９に示すように、下べた二相変調を基本とし一部区間において上べた二相変調とする。あるいは、電流検出器５が当該方式の場合に、電流検出用抵抗での発熱を低減するためには、図２０に示すように、上べた二相変調を基本とし一部区間において下べた二相変調とする。つまり、電圧指令のうち最も小さい１相における印加電圧を搬送波信号の最小値に一致させる下べた二相変調の区間を、電気角１周期のうち各相に対して少なくとも１回設けるとともに、電圧指令のうち最も大きい１相における印加電圧を搬送波信号の最大値に一致させる上べた二相変調の区間を、電気角１周期のうち各相に対して少なくとも１回設ける。このように、各相において、搬送波信号１周期で、Ｄｕｔｙ１００％の上べたに設定できる区間と、Ｄｕｔｙ０％の下べたに設定できる区間とが、１８０ｄｅｇずれていることを利用することで、搬送波信号１周期において、第１搬送波信号Ｃ１と第２搬送波信号Ｃ２との切り替えをスムーズに実施できる。これにより、搬送波信号の切り替えによって生じる印加電圧の乱れを抑制することができる。制御部６のオフセット演算器８は、３相巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１を流れる電流位相および力率角に基づいて、上べた二相変調または下べた二相変調を選択して、３相印加電圧Ｖｕ１’，Ｖｖ’１，Ｖｗ１’を演算すればよい。このように、電流位相と力率角に応じて最適な変調方式を選択することで、母線電流Ｉｉｎｖ１のリプルを抑制することができる。

さらに、制御部６のオフセット演算器８は、３相巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１を流れる電流のうち絶対値が最大となる電流絶対値最大相が電圧最大相であるとき、上べた二相変調とするとともに、電流絶対値最大相が電圧最小相であるとき、下べた二相変調としてもよい。このように、電流絶対値最大相のスイッチングを停止することで、母線に、電流絶対値最大相の電流を流すことを回避でき、母線電流Ｉｉｎｖ１のリプルを抑制できる。さらに、制御部６のオフセット演算器８は、電流絶対値最大相が電圧中間相であるときに、電圧中間相の電圧指令が正の場合に上べた二相変調とするとともに、電圧中間相の電圧指令が０または負の場合に下べた二相変調としてもよい。このように、電流絶対値最大相が電圧中間相となる場合に、電圧中間相の電圧指令が正か負かによって二相変調の方向を決定することによって、母線電流Ｉｉｎｖ１のリプルをさらに抑制できる。

なお、交流回転機１の回転方向が一定の場合には、図１７に示すフローに従う判定でよいが、交流回転機１が両方向に回転する場合には、回転方向に応じて切り替え方を変える必要がある。例えば、図１６の右から左に変化する回転方向の場合について考える。このとき、Ｕ１相は、１５０〜２１０ｄｅｇの間で第２搬送波信号Ｃ２に切り替え、３３０〜３６０ｄｅｇの間、および、０〜３０ｄｅｇの間で第１搬送波信号Ｃ１に切り替える。Ｖ１相は、２７０〜３３０ｄｅｇの間で第２搬送波信号Ｃ２に切り替え、９０〜１５０ｄｅｇの間で第１搬送波信号Ｃ１に切り替える。Ｗ１相は、３０〜９０ｄｅｇの間で第２搬送波信号Ｃ２に切り替え、２１０〜２７０ｄｅｇの間で第１搬送波信号Ｃ１に切り替える。この場合には、例えば、図２１に示すフローチャートで切り替えを行うとよい。

図２１と図１７との違いについて説明する。図２１は、図１７のステップＳ１４２をステップＳ１４２ａに変更し、図１７のステップＳ１４３をステップＳ１４３ａに変更したものである。ステップＳ１４２ａでは、搬送波信号を第２搬送波信号Ｃ２から第１搬送波信号Ｃ１に切り替える。ステップＳ１４３ａでは、搬送波信号を第１搬送波信号Ｃ１から第２搬送波信号Ｃ２に切り替える。他のステップについては、図１７と同じであるため、ここではその説明を省略する。

以上の説明から分かるように、図１６の左から右に回転する場合には図１７のフローによって搬送波信号を決定し、図１６の右から左に回転する場合には図２１のフローによって搬送波信号を決定する。これにより、交流回転機１が両方向に回転する場合においても、交流回転機１が一方向に回転する場合と同様に、コンデンサ電流を低減することができる。なお、この場合においても、搬送波信号の切り替えミスを回避するために、交流回転機１の回転数が或る値以下の場合に、搬送波信号の切り替えを遅延させてもよい。また、回転方向が切り替わった後の電気角１周期の搬送波信号が所望の設定と異なるものとなることを許容すれば、回転方向に関係無く図１７または図２１のフローによって搬送波信号を決定してもよい。

力率角が６０ｄｅｇの場合には、搬送波信号は、図２２に示すように設定される。具体的には、Ｕ１相は、１８０〜２４０ｄｅｇおよび２７０〜３３０ｄｅｇで第１搬送波信号Ｃ１を選択し、０〜６０ｄｅｇおよび９０〜１５０ｄｅｇで第２搬送波信号Ｃ２を選択する。Ｖ１相は、３０〜９０ｄｅｇおよび３００〜３６０ｄｅｇで第１搬送波信号Ｃ１を選択し、１２０〜１８０ｄｅｇおよび２１０〜２７０ｄｅｇで第２搬送波信号Ｃ２を選択する。Ｗ１相は、６０〜１２０ｄｅｇおよび１５０〜２１０ｄｅｇで第１搬送波信号Ｃ１を選択し、０〜３０ｄｅｇ、２４０〜３００ｄｅｇおよび３３０〜３６０ｄｅｇで第２搬送波信号Ｃ２を選択する。すなわち、図２２に示すように、６０ｄｅｇごとに、３０ｄｅｇ分のスイッチング停止相となる区間を挟みながら、「Ｃ１」、「Ｃ１」、「Ｃ２」、「Ｃ２」、「Ｃ１」、「Ｃ１」、・・・の順に、搬送波信号の切り替えを行う。すなわち、一方の搬送波信号が２回連続して選択された後に、他方の搬送波信号が２回連続して選択される。また、スイッチング停止相では搬送波信号１周期においてオンまたはオフのままとなるため、その間に搬送波信号を切り替えてもオン／オフ信号は変化しない。本実施の形態１では、図２２の左から右に変化する回転方向であれば、Ｕ１相は、１５０〜１８０ｄｅｇで第１搬送波信号Ｃ１に切り替えられ、３３０〜３６０ｄｅｇで第２搬送波信号Ｃ２に切り替えられる。また、Ｖ１相は、２７０〜３００ｄｅｇで第１搬送波信号Ｃ１に切り替えられ、９０〜１２０ｄｅｇで第２搬送波信号Ｃ２に切り替えられる。また、Ｗ１相は３０〜６０ｄｅｇで第１搬送波信号Ｃ１に切り替えられ、２１０〜２４０ｄｅｇで第２搬送波信号Ｃ２に切り替えられる。

図２２では、スイッチング停止相以外の２相の搬送波信号を３０ｄｅｇ毎に同じになるようにしている。すなわち、例えば、図２２の６０〜９０ｄｅｇでは、Ｕ１相がスイッチング停止相で、スイッチング停止相以外のＶ１相およびＷ１相の搬送波信号は、共に、第１搬送波信号Ｃ１である。また、１２０ｄｅｇ〜１５０ｄｅｇでは、Ｗ１相がスイッチング停止相で、スイッチング停止相以外のＵ１相およびＶ１相の搬送波信号は、共に、第２搬送波信号Ｃ２である。図２２の場合の効果について説明する。電圧と電流の位相が６０ｄｅｇずれていることで、２相の搬送波信号が同じになる領域では、電流絶対値最大相が電圧中間相となっている。具体的には、Ｖ１相とＷ１相との搬送波信号が同じになる６０〜９０ｄｅｇでは、電流絶対値最大相および電圧中間相は共にＷ１相である。また、Ｕ１相とＶ１相との搬送波信号が同じになる１２０〜１５０ｄｅｇでは、電流絶対値最大相および電圧中間相は共にＶ１相である。このとき、図８のタイミングＤにおいて、Ｖ１相を第２搬送波信号Ｃ２と比較し、Ｗ１相を第１搬送波信号Ｃ１と比較して、オン／オフ信号を生成したときの出力波形を図２３に示し、Ｖ１相およびＷ１相をともに第２搬送波信号Ｃ２と比較してオン／オフ信号を生成したときの出力波形を図２４に示す。

図２３では、２相の搬送波信号を互いに異なるものにしており、母線電流Ｉｉｎｖ１は、Ｉｕ１、−Ｉｖ１および−Ｉｗ１の３種類となる。Ｉｕ１＜０、Ｉｖ１＜０、Ｉｗ１＞０なので、力行運転状態にも拘らず、Ｉｕ１および−Ｉｗ１が流れる間は、回生方向の電流が流れることになる。Ｗ１相は電流絶対値最大相であるから、コンデンサ電流が大きくなる。

一方、図２４では、２相の搬送波信号を同じものにしており、母線電流Ｉｉｎｖ１は、Ｉｕ１、−Ｉｖ１および０の３種類となる。Ｉｕ１が流れる間は、回生方向の電流が流れることになるが、Ｕ１相は電流絶対値最小相であるから、コンデンサ電流は、図２３より小さくできる。ここでは、１相のスイッチングが停止する二相変調で説明したため、搬送波信号を切り替える切替対象相をスイッチング停止相として説明したが、正弦波変調を含む他の変調方式であっても３相の搬送波信号を同じにすることで同様の効果を得られる。つまり、電流絶対値最大相が電圧中間相であるときには、印加電圧が搬送波信号の最大値と一致する、または、印加電圧が搬送波信号の最小値と一致する相以外の２相の印加電圧を、同一の搬送波信号と比較することによって、コンデンサ電流を低減できる。

上記の説明においては、図４、図１７、および、図２１のフローに示すように、電流絶対値最大相が、電圧最大相、電圧最小相、および、電圧中間相のいずれであるかに基づいて、オフセット電圧および搬送波信号を決定したが、この場合に限定されない。すなわち、電流位相または力率角に基づいて、オフセット電圧および搬送波信号を決定してもよい。例えば、力率角が１８０ｄｅｇでは、図１６に対してオフセット方向を逆にした図２５を用いる。また、力率角が２４０ｄｅｇでは、図２２に対してオフセット方向を逆にした図２６を用いる。また、力率角が１２０ｄｅｇでは図２２に対して設定相をずらした図２７を用いる。また、力率角が３００ｄｅｇでは、図２７に対してオフセット方向を逆にした図２８を用いる。また、上記以外の力率角の場合には、±３０ｄｅｇの範囲内となる力率角６０ｎｄｅｇの場合を示した図の切替表に対して、電圧位相のずれ分だけ搬送波信号の切り替え位相をずらせばよい。ここで、ｎは整数である。例えば、力率角１３５ｄｅｇの場合には、力率角１２０ｄｅｇの図２７に対して１５ｄｅｇ切り替え位相が変化する。

図２９は、本実施の形態１に係る電力変換装置を車両用発電電動機に使用する場合の構成を示す図である。電力変換装置の構成については、図１で説明した通りであるため、ここではその説明を省略する。図２９においては、交流回転機１が、内燃機関８０１とベルトを介して接続されている。交流回転機１および内燃機関８０１は、共に、車両に搭載されている。交流回転機１は、内燃機関８０１の補機として、図示しない駆動系部品を経由して、車両に設けられた車輪の駆動力を発生させるとともに、内燃機関８０１の回転を利用して発電を行う。内燃機関８０１の回転は一定方向となるため、交流回転機１が図２９の例のように使用される場合には、交流回転機１の回転方向が一定となることが多い。このように、交流回転機１の回転方向が決まっているため、図１６に示した切替表のように、搬送波信号を切り替えればよい。またその場合において、図１７または図２１のいずれかのフローチャートに従って、搬送波信号を決めればよい。本実施の形態１の電力変換装置を車両用発電電動機に用いることで、高頻度で実施される発電動作時のコンデンサ電流を低減しつつ、搬送波信号の切り替えによる電流乱れの発生を抑制することができる。その結果、車両を運転する運転者にとって不快な駆動力変動を抑制できるという従来に無い効果を得ることができる。

図３０は、本実施の形態１に係る電力変換装置を車両に設けられた電動パワーステアリング装置用の電動機に使用する場合の構成を示す図である。電力変換装置の構成については、図１で説明した通りであるため、ここではその説明を省略する。図３０においては、交流回転機１が、電動パワーステアリング装置に接続されている。車両の運転者は、ハンドル９０１を左右に回転させて、車両の前輪９０２の操舵を行う。トルク検出器９０３は、ステアリング系の操舵トルクＴｓを検出し、検出した操舵トルクＴｓを、制御指令生成部９０５に出力する。制御指令生成部９０５は、トルク検出器９０３と電力変換装置との間に設けられている。交流回転機１は、運転者の操舵を補助するアシストトルクを発生して、ギヤ９０４を介して付与する。制御指令生成部９０５は、トルク検出器９０３から出力された運転者の操舵トルクＴｓに基づいて、交流回転機１を所望の状態に制御するための制御指令を演算する。演算された制御指令は、制御部６の電圧指令演算器７に入力される。制御指令生成部９０５は、制御指令として、下式（３）により、トルク電流指令Ｉｑ＿ｔｇｔを演算する。

Ｉｑ＿ｔｇｔ ＝ ｋａ・Ｔｓ・・・（３）

ここで、ｋａは定数であるが、操舵トルクＴｓまたは車両の走行速度に応じて、ｋａの値を変動させるように設定してもよい。ここでは、上式（３）を用いてトルク電流指令Ｉｑ＿ｔｇｔを決定するが、その場合に限らず、操舵状況に応じた公知の補償制御に基づいてトルク電流指令Ｉｑ＿ｔｇｔを決定してもよい。運転者がハンドル９０１を回転させる方向は、両方向となっているため、回転方向に応じて、図１７および図２１のいずれかのフローチャートに従って搬送波信号を決めればよい。このように、本実施の形態１に係る電力変換装置を電動パワーステアリング装置用の電動機に用いることで、操舵時のコンデンサ電流を低減しつつ、搬送波信号の切り替えによる電流乱れの発生を抑制することができる。その結果、低回転から使用する電動パワーステアリング装置において、電流およびトルクの乱れにつながる電圧に乱れを抑制することで、車両を運転する運転者にとって不快なハンドル９０１を介して伝わる振動の抑制、および、車室内に伝わる騒音の低減を実現できるという従来に無い効果を得ることができる。

１ 交流回転機、２ 直流電源、３ 平滑コンデンサ、４ 電力変換器、５ 電流検出器、６ 制御部、７ 電圧指令演算器、８ オフセット演算器、９ オン／オフ信号発生器、８０１ 内燃機関、９０１ ハンドル、９０２ 前輪、９０３ トルク検出器、９０４ ギヤ、９０５ 制御指令生成部。

この発明は、交流回転機の３相巻線の各相に対応させて設けられたスイッチング素子を有し、直流電源からの直流電圧を用いて前記３相巻線に対して電圧を印加する電力変換器と、外部から入力される制御指令に基づいて前記３相巻線の各相に対する電圧指令を演算するとともに、前記電圧指令に基づいて前記３相巻線の各相に印加する印加電圧を演算し、各前記印加電圧と搬送波信号とを比較することにより前記スイッチング素子に対するオン／オフ信号を出力する制御部とを備え、前記制御部は、各前記印加電圧と比較する前記搬送波信号として、第１搬送波信号と、前記第１搬送波信号に対して１８０ｄｅｇ位相が異なる第２搬送波信号とを切り替えて使用し、前記印加電圧が前記搬送波信号の最大値と一致する、または、前記印加電圧が前記搬送波信号の最小値と一致する相を、切替対象相として、前記切替対象相に対して、前記搬送波信号の切り替えを行い、前記切替対象相以外の２相の前記印加電圧のうち、一方を前記第１搬送波信号と比較し、他方を前記第２搬送波信号と比較し、前記各相に対する前記電圧指令を大きい順に並べたときのそれぞれに対応する相を、順に、電圧最大相、電圧中間相、電圧最小相とし、前記３相巻線を流れる電流のうちで当該電流の絶対値が最大となる相を、電流絶対値最大相としたとき、前記電流絶対値最大相が前記電圧中間相に一致している場合に、前記切替対象相以外の前記２相の前記印加電圧を、前記第１搬送波信号および前記第２搬送波信号のいずれか一方の同一の搬送波信号と比較する、電力変換装置である。

Claims (13)

1. 交流回転機の３相巻線の各相に対応させて設けられたスイッチング素子を有し、直流電源からの直流電圧を用いて前記３相巻線に対して電圧を印加する電力変換器と、
   外部から入力される制御指令に基づいて前記３相巻線の各相に対する電圧指令を演算するとともに、前記電圧指令に基づいて前記３相巻線の各相に印加する印加電圧を演算し、各前記印加電圧と搬送波信号とを比較することにより前記スイッチング素子に対するオン／オフ信号を出力する制御部と
   を備え、
   前記制御部は、
   各前記印加電圧と比較する前記搬送波信号として、第１搬送波信号と、前記第１搬送波信号に対して１８０ｄｅｇ位相が異なる第２搬送波信号とを切り替えて使用し、
   前記印加電圧が前記搬送波信号の最大値と一致する、または、前記印加電圧が前記搬送波信号の最小値と一致する相を、切替対象相として、前記切替対象相に対して、前記搬送波信号の切り替えを行う、
   電力変換装置。
2. 前記制御部は、
   前記切替対象相以外の２相の前記印加電圧のうち、一方を前記第１搬送波信号と比較し、他方を前記第２搬送波信号と比較する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御部は、
   前記各相に対する前記電圧指令を大きい順に並べたときのそれぞれに対応する相を、順に、電圧最大相、電圧中間相、電圧最小相とし、
   前記３相巻線を流れる電流のうちで当該電流の絶対値が最大となる相を、電流絶対値最大相としたとき、
   前記電流絶対値最大相が前記電圧中間相に一致している場合に、
   前記切替対象相以外の前記２相の前記印加電圧を、前記第１搬送波信号および前記第２搬送波信号のいずれか一方の同一の搬送波信号と比較する、
   請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御部は、
   前記交流回転機の回転数が、予め設定された回転数閾値以下の場合に、
   前記搬送波信号の切り替えを予め設定された条件に従って遅延させる、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記制御部は、
   前記電圧指令が最も小さい電圧最小相における前記印加電圧を前記搬送波信号の最小値に一致させる下べた二相変調の区間を、前記搬送波信号の１周期の間に、前記各相に対して、少なくとも１回設けるとともに、
   前記電圧指令が最も大きい電圧最大相における前記印加電圧を前記搬送波信号の最大値に一致させる上べた二相変調の区間を、前記搬送波信号の１周期の間に、前記各相に対して、少なくとも１回設ける、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記制御部は、
   電気角１周期において、上べた二相変調または下べた二相変調のいずれかの変調方式によって前記印加電圧を演算する、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記制御部は、
   前記３相巻線を流れる電流位相および力率角に基づいて、上べた二相変調および下べた二相変調のうちのいずれか一方を選択して、選択した変調方式を用いて前記印加電圧を演算する、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 前記制御部は、
   前記各相に対する前記電圧指令を大きい順に並べたときのそれぞれに対応する相を、順に、電圧最大相、電圧中間相、電圧最小相としたとき、
   前記３相巻線を流れる電流のうちで当該電流の絶対値が最大となる電流絶対値最大相が前記電圧最大相であるとき、上べた二相変調とするとともに、
   前記電流絶対値最大相が前記電圧最小相であるとき、下べた二相変調とする、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
9. 前記制御部は、
   前記各相に対する前記電圧指令を大きい順に並べたときのそれぞれに対応する相を、順に、電圧最大相、電圧中間相、電圧最小相としたとき、
   前記３相巻線を流れる電流のうちで当該電流の絶対値が最大となる電流絶対値最大相が前記電圧中間相であるとき、
   前記電圧中間相の前記電圧指令が正のときに上べた二相変調とするとともに、
   前記電圧中間相の前記電圧指令が負のときに下べた二相変調とする、
   請求項８に記載の電力変換装置。
10. 前記電力変換器と前記３相巻線との間に設けられ、前記３相巻線を流れる電流を検出する電流検出器を備えた、
    請求項１から９までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
11. 前記直流電源の２つの出力に対して電気的に接続されたコンデンサを備えた、
    請求項１から１０までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
12. 請求項１から１１までのいずれか１項に記載の電力変換装置を備えた発電電動機の制御装置。
13. 請求項１から１１までのいずれか１項に記載の電力変換装置を備えた電動パワーステアリング装置。

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