JP2021083241A

JP2021083241A - 電力変換装置

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Publication number: JP2021083241A
Application number: JP2019210082A
Authority: JP
Inventors: 悠貴中島; Yuki Nakajima
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2039-11-21
Also published as: JP7318850B2

Abstract

【課題】高周波スペクトルと低減し、誘導障害の発生の抑制を図る。【解決手段】本発明に係る電力変換装置は、キャリアと信号波との比較によって生成された信号でスイッチング素子のスイッチングにより直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、乱数を出力する乱数発生器と、基準となる周波数を出力する基準周波数生成器と、キャリア周波数の変化幅を制限する変化幅制限器とを備え、基準周波数発生器で生成される基準となるキャリア周波数と、乱数発生器で生成された乱数とを加算したキャリア周波数を変動幅制限器により、キャリア周波数の変動幅を制限することで、キャリア周波数を決定する。【選択図】図２

Description

本発明は、スイッチング素子のスイッチングにより直流電力を交流電力に変換する電力変換装置の制御方法に関する。

従来、電気車用の誘導電動機を駆動する電力変換装置の制御方法として、車両が低速で走行している際には、非同期制御を行い、車両が高速で走行している際には、同期制御を行うという方法が用いられることが多い。

図５は一般的な電力変換装置３０の構成例を示す図である。

図５に示す電力変換装置３０は、リアクトル１２と、コンデンサ１３と、電力変換器１４と、キャリア周波数生成部３５と、キャリア生成部１６と、制御指令部１７と、ＰＷＭ信号生成部１８とを備える。

リアクトル１２とコンデンサ１３とは、直流電源１１の正極と負極との間に、直列に接続されている。電力変換器１４は、コンデンサ１３に並列に接続されている。電力変換器１４は、スイッチング素子を備えており、スイッチング素子のスイッチングにより、直流電源１１からの直流電力を交流電力に変換して、誘導電動機であるモータ１に供給する。電力変換器１４のスイッチング素子のオン・オフの切り替え方法としては、キャリアと制御指令との比較に応じてパルス幅が異なるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号（制御信号）により、スイッチング素子を制御するＰＷＭ方式で制御する方法がある。

キャリア周波数生成部３５は、キャリアの周波数（キャリア周波数）を生成し、キャリア生成部１６に出力する。キャリア生成部１６は、キャリア周波数生成部３５から出力されたキャリア周波数を周波数とする三角波などをキャリアとして生成し、ＰＷＭ信号生成部１８に出力する。制御指令部１７は、制御指令を生成し、ＰＷＭ信号生成部１８に出力する。ＰＷＭ信号生成部１８は、キャリア生成部１６から出力されたキャリアと、制御指令部１７から出力された制御指令との比較により、電力変換器１４のスイッチング素子のスイッチングを制御するＰＷＭ制御信号を生成する。このＰＷＭ制御信号を用いて、電力変換器１４のスイッチング素子のスイッチングを制御することで、直流電力を交流電力に変換することができる。

非同期制御時にＰＷＭ方式を用いた場合、キャリア周波数生成部３５で生成されるキャリア周波数が一定であると、リアクトル１２に流れる電流に含まれる周波数成分のうち、キャリア周波数に起因した特定の周波数スペクトルが高くなり、信号などの通信障害をもたらす誘導障害が発生する恐れがある。

そこで、特許文献１には、２つの乱数発生器を用いて、高周波スペクトルを低減する技術が開示されている。図６は、特許文献１に開示されている技術を適用した場合の、キャリア周波数生成部３５の構成例を示す図である。

図６に示すキャリア周波数生成部３５は、乱数発生器３５１、３５３と、タイマ３５２と、周期発生器３５４と、加算器３５５とを備える。

乱数発生器３５１（第１の乱数発生器）は、乱数に基づき、キャリア周波数の継続時間を所定の範囲でランダムに決定し、決定した継続時間をタイマ３５２に設定する。

タイマ３５２は、乱数発生器３５１により設定された継続時間が満了すると、乱数発生器３５３に通知を行う。

乱数発生器３５３（第２の乱数発生器）は、タイマ３５２から通知が行われると、乱数に基づき、キャリア周波数を所定の範囲でランダムに変化（増減）させる周波数信号を生成し、加算器３５５に出力する。

周期発生器３５４は、キャリア周波数の基準である基準キャリア周波数を中心に、所定周期で変化する周波数を生成し、加算器３５４に出力する。

加算器３５５は、基準となるキャリア周波数である基準キャリア周波数に乱数発生器３５３から出力された周波数信号を加算した周波数を、キャリア周波数としてキャリア生成器１６に出力する。

特開２０１９−１６１９００号公報

特許文献１に開示されている技術は、高周波スペクトルを低減し、誘導障害の発生を抑制することを目的としたものであるが、電磁騒音の低減については考慮されていない。

また、乱数発生器を用いて、キャリア周波数を算出する場合、キャリア周波数の変動幅が大きくなると、リアクトルとコンデンサの共振周波数付近のスペクトルが上昇するという問題もシミュレーションからわかっている。

上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、高周波スペクトルを低減し、誘導障害の発生を抑制すること、電動機から生じる電磁騒音を低減することができることとともに、リアクトルとコンデンサの共振周波数のスペクトルを低減することができる電力変換装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明に係る電力変換装置は、スイッチング素子のスイッチングにより直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、キャリアと信号波との比較によって生成された信号でスイッチング素子のスイッチングにより直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、キャリアの周波数であるキャリア周波数を生成するキャリア周波数生成部と、前記キャリア周波数生成部により生成されたキャリア周波数のキャリアを生成するキャリア生成部と、前記キャリア生成部により生成されたキャリアとの比較を行う指令値を生成する制御指令部と、前記キャリアと前記指令値との比較により前記スイッチング素子のスイッチング信号を生成するＰＷＭ信号生成部とを備え、
前記キャリア周波数生成部は、乱数に基づき乱数を生成する乱数発生器と、基準となる周波数を生成する基準周波数生成器と、キャリア周波数の変化幅を制限する変化幅制限器とを備え、基準周波数発生器で生成される基準となるキャリア周波数と、乱数発生器で生成された乱数とを加算した目的となるキャリア周波数を変動幅制限器により、キャリア周波数の変動幅を制限することで、キャリア周波数を決定する。

また、本発明に係る電力変換装置において、基準となるキャリア周波数生成器は、信号波の基本波周波数変化もしくは、時間変化に応じて、周波数を決定する。

また、本発明に係る電力変換装置は、該変動幅制限器に、乱数発生器と、タイマが接続され、乱数発生器において、乱数に基づくキャリア周波数の継続時間を所定の範囲でランダムに決定し、乱数発生器により決定された継続時間が経過するごとにキャリア周波数信号を生成し決定する。

本発明に係る電力変換装置によれば、誘導機から生じる電磁騒音を低減することができるとともに、キャリア周波数に起因する高周波スペクトルを低減することができる。また、リアクトルとコンデンサの共振周波数付近のスペクトルを低減することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の構成例を示す図である。図１に示すキャリア周波数生成部の構成例を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の構成例を示す図である。図３に示すキャリア周波数生成部の構成例を示す図である。従来の電力変換装置の構成例を示す図である。図５に示すキャリア周波数生成部の構成例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、共通の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る電力変換装置１０の構成例を示す図である。
図１に示す電力変換装置１０は直流電力を交流電力に変換するものであり、図５に示す電力変換装置３０と比較して、キャリア周波数生成部３５をキャリア周波数生成部１５に変更した点が異なる。すなわち、本発明に係る電力変換装置１０はリアクトル１２とコンデンサ１３と、電力変換器１４と、キャリア周波数生成部１５と、キャリア生成部１６と、御指令部１７とＰＷＭ信号生成部１８とを備える。

キャリア周波数生成部１５は、キャリア周波数を生成し、キャリア生成部１６に出力する。ここで、キャリア周波数生成部１５は、乱数に基づきキャリア周波数をランダムに変化させる。

図２は、キャリア周波数生成部１５の構成例を示す図である。

キャリア周波数生成部１５は、乱数発生器１５１と、基準周波数生成器１５２と、加算器１５３と、変化幅制限器１５４とを備える。

乱数発生器１５１は乱数に基づき、キャリア周波数を所定の範囲でランダムに変化（増減）させる周波数信号を生成し、加算器１５３に出力する。

基準周波数生成器１５２は、キャリア周波数の基準となる周波数を生成し、加算器１５３に出力する。

加算器１５３は、基準周波数生成器１５２から出力された基準周波数に、乱数発生器１５１から出力された周波数信号を加算した周波数を、目的となるキャリア周波数ｆｓｎとして変化幅制限器１５４に出力する。

変化幅制限器１５４は、加算器１５３から出力された目的となるキャリア周波数ｆｓｎと、現在のキャリア周波数ｆｓとを比較し、キャリア周波数の変化幅を制限する。変化幅を制限された周波数を、キャリア周波数ｆｓとしてキャリア生成部１６に出力する。

変化幅制限器１５４において、入力された目的となるキャリア周波数ｆｓｎと、現在のキャリア周波数ｆｓとの差が、所定値より小さい場合には、目的となるキャリア周波数ｆｓｎをそのままキャリア周波数ｆｓとして出力する。

入力された目的となるキャリア周波数ｆｓｎと、現在のキャリア周波数ｆｓとの差が、所定値より大きい場合には、現在のキャリア周波数ｆｓに所定値を加算することでキャリア周波数ｆｓを算出し、出力する。さらに、次のキャリア周波数算出時には、再度目的となるキャリア周波数ｆｓｎと現在のキャリア周波数ｆｓとの差を求め、所定値より小さい場合には、ｆｓｎをキャリア周波数ｆｓとして出力し、差が所定値より大きい場合には、ｆｓに所定値を加算することで、キャリア周波数を算出する。このように、算出するキャリア周波数が目的となるキャリア周波数ｆｓｎになるまで、キャリア周波数の変化幅制限を行う。

基準周波数生成器１５２は、一定となる基準周波数を出力するほか、電力変換器の基本波周波数とともに変化するもの、時間とともに変化するものが考えられる。

また、変化幅制限器１５４で制限される所定値は、乱数発生器をもう一つ追加することで、乱数により所定値を変更することも考えられるほか、一定割合で変化させることも考えられる。

上記のように、キャリア周波数を生成することで、キャリア周波数に急激な変動が無くなる。これにより、リアクトルとコンデンサの共振周波数のスペクトルを低減することが可能である。

また、キャリア周波数が乱数により変動する際に、特定の周期を持たないため、耳障りな電磁騒音の発生を抑えることが可能である。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置２０の構成例を示す図である。本実施形態に係る電力変換装置２０は第１の実施形態に係る電力変換装置１０と比較して、キャリア周波数生成部１５をキャリア周波数生成部２５に変更した点が異なる。そのため、以下ではキャリア周波数生成部２５について説明する。

図４はキャリア周波数生成部２５の構成例を示す図である。

図４に示すキャリア周波数生成部２５は、乱数発生器１５１、２５５と、基準周波数生成器１５２と、加算器１５３と、変化幅制限器１５４と、タイマ２５６とを備える。

乱数発生器２５５は、乱数に基づき、キャリア周波数の継続時間を所定の範囲でランダムに決定し、決定した継続時間をタイマ２５６に設定する。

タイマ２５６は、乱数発生器２５５により設定された継続時間が満了すると、変化幅制限器１５４に通知を行う。

変化幅制限器１５４は、タイマ２５６からの通知を受け取るとキャリア周波数ｆｓを算出し、キャリア生成部１６に出力する。

以上のように、キャリア周波数を生成することで、高周波スペクトルを低減しつつ、電磁騒音を低減することが可能である。また、キャリア周波数の変化に変化幅制限を行うことで、キャリア周波数が急変することが無くなり、リアクトルとコンデンサの共振周波数付近のスペクトルが上昇することを抑えることが可能となる。

本発明の二つの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。

１モータ
１０電力変換装置
１１直流電源
１２リアクトル
１３コンデンサ
１４電力変換器
１５キャリア周波数生成部
１６キャリア生成部
１７制御指令
１８ＰＷＭ信号生成部
２５キャリア周波数生成部
３５キャリア周波数生成部
１５１乱数発生器
１５２基準周波数生成器
１５３加算器
１５４変化幅制限器
２５５乱数発生器
２５６タイマ
３５１乱数発生器
３５２タイマ
３５３乱数発生器
３５４周期発生器
３５５加算器

Claims

キャリアと信号波との比較によって生成された信号でスイッチング素子のスイッチングにより直流電力を交流電力に変更する電力変換装置において、
乱数を出力する乱数発生器と、基準となる周波数を出力する基準周波数発生器と、前記乱数発生器と前記基準周波数発生器との和を求め目標となるキャリア周波数を出力する加算器と、前記加算器の出力を現在のキャリア周波数の値を基に変化幅を制限しキャリア周波数を出力する変化幅制限器とを備えることを特徴とする電力変換装置。
請求項１記載の電力変換装置において、
前記変化幅制限器は、前記加算器の出力である目標となるキャリア周波数と現在のキャリア周波数の差が所定値を越える場合には差が所定値となるキャリア周波数を出力し、キャリア周波数算出時に、変化幅を制限された場合には、次のキャリア周波数算出時にも前記目標となるキャリア周波数を用いて、再度キャリア周波数を算出し、
前記差が所定値内に収まる場合には前記目標となるキャリア周波数をキャリア周波数として出力することを特徴とする電力変換装置。
請求項１および、請求項２記載の電力変換装置において、
前期基準周波数発生器は、前記信号波の基本波周波数の変化に応じて変化させることを特徴とする電力変換装置。
請求項１および、請求項２記載の電力変換装置において、
前期基準周波数発生器は、時間の変化に応じて変化させることを特徴とする電力変換装置。
請求項１から４記載の電力変換装置において、
前記キャリア周波数の継続時間をランダムに決定する乱数発生器をさらに備え、前記変化幅制限器は前記乱数発生器により決定された継続時間が経過するごとに、前記キャリア周波数を出力することを特徴とする電力変換装置。