JP2023009353A

JP2023009353A - 三相インバータのマルチパルスｐｗｍ制御法

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Publication number: JP2023009353A
Application number: JP2021112531A
Authority: JP
Inventors: 西徳生大; Tokuo Onishi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-07-07
Filing date: 2021-07-07
Publication date: 2023-01-20

Abstract

【課題】三相インバータのマルチパルスＰＷＭ制御法を提供する。【解決手段】方法は、三相インバータの出力波の基本周波数の方形波信号と基本波と同期した偶数倍の周波数の三角波を搬送波として、基本波成分の大きさを制御する基準入力信号との比較した信号の二つの信号を入力とする排他的論理和信号を１相分のＰＷＭスイッチング信号として発生させる。残りの２相についても同様の構成で１２０度ずつ位相差を有するＰＷＭスイッチング信号を発生させることにより、数少ないパルス数でのマルチパルスＰＷＭ制御を可能とする。【選択図】図２

Description

本発明は、三相インバータにおいて、高速スイッチングに制約を伴うスイッチ素子を用いる場合や、基本波周波数が高い場合など、主に基本波出力に対してスイッチング可能な回数に制約を伴う場合のＰＷＭ制御法に関する技術である。

三相インバータのスイッチング素子としてＧＴＯのような低速のスイッチング素子を用いる場合は、インバータの基本波出力が高くなるとスイッチング周波数が高くなるので、基本波周波の上昇に伴い、ＰＷＭスイッチングのパルス数を切り換える手法が電気鉄道のインバータ制御などで用いられてきた。

この場合において出力できる三相の出力波形はマルチパルスＰＷＭであり、限られたスイッチング回数で正負波形および三相間の対称性を維持しながら制御しなければならないため、数パルスの特殊なケースで生じる課題を克服するＰＷＭ制御手法が検討されてきた。

最近では、電気自動車の普及とともに電動機の駆動電源として三相インバータが用いられていて低速ではトルク脈動の低減や応答特性の観点から多パルスＰＷＭ制御が用いられるが、高速回転領域においてはインバータの出力波形の低次調波成分によるトルク脈動の影響は少なくなるので、スイッチング損失を限りなく低減させるために１パルス方形波出力が用いられている。

しかしながら、１パルス方形波の出力電圧の制御ができないので、位相を付加制御することにより、高速領域までの速度制御を実現しているため制御システムが複雑化している。

一方で、近年のスイッチング素子の著しい発達により、従来とは比較できないほど低損失でＰＷＭスイッチング制御が行えるようになっており、１パルス方形波の低次高調波成分による電流波形ひずみとの兼ね合いも考えると、高速回転領域においても基本波出力制御には３パルスから５パルス程度のマルチパルスＰＷＭ制御を活用し、最大出力時に１パルス方形波と連続的に制御するのことにより更なる特性改善につながるものと思われる。

また、容量の大きな分野においては、基本波成分の制御には１パルス方形波では高速回転領域でない限り制御特性に問題を生じるので、数パルスであってもスイッチング回数はできるだけ抑制した効果的なＰＷＭ制御手法の開発が望まれている。

さらに、三相インバータの基本波周波数が比較的高く、出力波形に多少の高調波成分が含まれていてもフィルタによって低次の調波成分は比較的容易に低減できる応用分野においては、大きさのみが制御できるスイッチング回数を低減したＰＷＭ制御手法の開発が望まれる。

以上により、三相インバータのパルス数の比較的少ない数パルスＰＷＭ制御手法は古くからの課題であるが、スイッチング素子の発達とパワーエレクトロニクスの応用分野の拡大ない伴い、低次調波成分の発生を抑制しながら基本波出力の大きさを制御できるより良いＰＷＭ制御手法の開発が期待される。

矢野、内田著、「パワーエレクトロニクス」、丸善株式会社、pp.144-pp.146、2000. 特開平４－６７７８０号特開昭５８－１８２４８０号特開平５－２８４７５１号特許第６８６８９２７号

（非特許文献１）によると、ＰＷＭインバータの制御技術のうち、三角波比較ＰＷＭ制御では、出力基本波に対してスイッチング周波数をあまり高くできない場合は、搬送波の周波数は基本波周波数の整数倍に選ぶ同期ＰＷＭ制御が用いられるとされている。

また、三相インバータにおいては相間の対称性のために３の倍数であり、ＰＷＭ波形に偶数調波を含ませないためには搬送三角波と信号波の位相関係にも留意する必要があるとされている。

しかし、搬送波の周波数を３の倍数としても、正負波形や９０度に対しての対称性が必ずしも確保されず、マルチパルスＰＷＭ波形の発生させる場合は相間の対称性が保たれた波形出力が得られるのは整数倍が９で９パルス波形出力のときとなり、整数倍が６の場合は対称性を保った波形は出力できない。

（特許文献１）では、出力周波数が低周波から高周波まで制御されるのに対し、ＰＷＭ制御波形のパルス数を整数倍比で段階的に増やしていくときの出力電圧のステップ的な変化を無くす制御手法が提案されている。

（特許文献２）および（特許文献３）では、３パルス波形を発生させるとき、搬送三角波と基準入力との比較による信号をパルス分配してＰＷＭスイッチング信号を得る一般的な手法が用いられ、三相インバータを働かせるときに制御上の問題や素子のスイッチング特性のばらつきなど低によってＰＷＭ波形の対称性が崩れることを抑制する制御手法が提案されている。

これらの特許文献は、いずれも従来からの３パルスＰＷＭ制御手法による一括制御をベースにしているため、各相制御に対しての課題があった。

この課題に対して、（特許文献４）の３パルスＰＷＭ制御手法は、正負波形の対称性を確保しながら各相制御にも対応できるので、高速回転時の１パルス制御に代わる制御法としての応用や、スイッチング速度に制約のある素子を活用したときのスイッチング手法への応用など、ＰＷＭスイッチング制御のパルス数が限られた制御が求められる分野での応用が期待できる。

また、一般に用いられている三角波比較ＰＷＭ制御では、信号波の大きさを変え、変調度を変えることにより出力制御が行われるが、（特許文献４）のＰＷＭ制御手法は基準入力信号のレベルによっており、パルス数が少なくても相間の対称性が保たれ、低次高調波成分の発生を抑えたＰＷＭ制御波形出力を得ることができる。

しかし、（特許文献４）で発生制御できるパルス数は３パルスに限られているため、半周期５パルス以上のＰＷＭ制御はかけることができない。

三相インバータの用途によっては、基準入力信号のレベルによって基本波出力が制御でき、(特許文献４)による３パルスに限定することなく、５パルスからマルチパルスに至るまで相間の対称性を保つことができるＰＷＭ制御手法の開発が課題となると思われる。

また、(特許文献４)による３パルス制御と同様に、三相負荷が不平衡などの場合、負荷電流を同じ大きさに制御できる各相制御機能を有していることが課題となる。

本発明は、(特許文献４)による３パルスＰＷＭ制御手法を拡張して、マルチパルスのＰＷＭ制御出力が得られる制御手法に関するものである。

(特許文献４)による、３パルスＰＷＭ制御手法では、出力周波数の方形波信号と基本波と同期した２倍の周波数の三角波を搬送波として、基本波成分の大きさを制御する基準入力信号との比較した信号の二つの信号を入力とする排他的論理和信号を１相分のＰＷＭスイッチング信号として発生させ、残りの２相についても同様の構成で１２０度ずつ位相差を有するＰＷＭスイッチング信号を発生させる手段をとることにより各相単位で３パルスＰＷＭ制御を可能としている。

図１は、本発明で対象とするマルチパルス制御を適用する三相電圧形インバータの主回路構成であり、三相インバータ回路のスイッチング素子Ｓ１～Ｓ６のうちＳ１～Ｓ３あるいはＳ４～Ｓ６に対して対称性のあるマルチパルスＰＷＭ制御信号を発生する方法を以下に述べる。

図２は、マルチパルスＰＷＭ制御信号発生時の動作波形例として、５パルスＰＷＭ制御時の制御波形を示しており、この場合は各相単位で制御するために出力周波数の方形波信号と基本波と同期した４倍の周波数の三つの三角波を搬送波として、基本波成分の大きさを制御する基準入力信号との比較した信号の二つの信号を入力とする排他的論理和信号を１相分のＰＷＭスイッチング信号として発生させ、残りの２相についても同様の構成で１２０度ずつ位相差を有するＰＷＭスイッチング信号を発生させる手段をとることにより各相単位で５パルスＰＷＭ制御を可能としている。

同図において、基本波周波数の４倍の周波数の三角波faと基準入力信号ｘとの比較出力qaと、出力周波数の方形波信号gaとの排他的論理和の信号paを１相分のスイッチング信号S1を得て、他の相のスイッチング信号は三角波fb,fcと基準入力信号ｘとの比較出力から関係する相のスイッチング信号を発生することにより、５パルスＰＷＭ制御信号が得られる。

なお、（特許文献４）の場合と同様に、基準入力信号ｘがxoより高いか低いかによってＰＷＭ制御波形が異なり、同図は基準入力信号ｘが低いＢタイプのＰＷＭ制御動作波形を示している。

図３は、この５パルスＰＷＭ制御時の三相線間電圧波形（euv,evw,ewu）と三相スイッチング信号(S1,S2,S3)の波形を示している。

図４は、図３に示す５パルス三相電圧形ＰＷＭスイッチング波形（Ｂ）におけるスイッチング区間(1),(2)に対するスイッチ経路を示している。

図５は、基準入力信号ｘがxoより高いときのＡタイプのＰＷＭ制御動作波形を示しており、ＰＷＭ制御波形の対称性は保たれているが、Ｂタイプとは異なったＰＷＭ制御波形となっている。

マルチパルスＰＷＭ制御法として５パルスＰＷＭ制御法を例に示したが、（特許文献４）の３パルスＰＷＭ制御時は基本波の２倍の周波数の三つの三角波を搬送波を用い、９パルスＰＷＭ制御時は基本波の８倍の周波数の三角波を、１１パルスＰＷＭ制御時は基本波の１０倍の周波数の三角波を用い、基準入力信号ｘとの比較制御により必要とするマルチパルスＰＷＭ制御をかけることができる。

マルチパルスＰＷＭ制御法としては、一般には、(2n＋1)パルスＰＷＭ制御時は（2n）倍の周波数の三角波を用い、基準入力信号ｘとの比較制御により、三相ＰＷＭ制御波形の対称性を満たすケースにおいて、任意のマルチパルスＰＷＭ制御をかけることができる。

そして、三相マルチパルスＰＷＭ制御波形の対称性を満たすためには、三相ＰＷＭ制御に用いる三角波の相順をパルス数に対応して順、逆いずれかのうち適切な相順を選ぶことが必要である。

なお、三相マルチパルスＰＷＭ制御波形の対称性を満たさない場合でも、７パルスＰＷＭ制御の場合などは単相ＰＷＭ制御波形としては対称性を満たすケースがあることに留意しておきたい。

図６は、５パルスＰＷＭ制御における基本波出力制御特性を示しており、基準入力信号ｘがxoより高いときの低いときによって特性が異なるが、基準入力信号ｘによって５パルスＰＷＭ制御波形の基本波成分を制御することができることを示している。

５パルスＰＷＭ制御の場合は、(特許文献４)の３パルスＰＷＭ制御の場合とは異なり、基準入力信号ｘがxoに近くなるとＰＷＭ制御波形が大きくひずむため、基準入力信号ｘによる制御可能範囲は限定されるが、１２０度通流幅の基本波成分を１００％とすると約２０％程度までほぼ線形的に制御できることを示している。

基準入力信号ｘによるマルチパルスＰＷＭ制御による基本波制御特性はそれぞれ異なり、３パルスＰＷＭ制御の場合を除いて制御可能範囲は限定されるが、基準入力信号ｘのレベルによって基本波出力の大きさを制御することができる。

図７は、三相電流形インバータの主回路構成例を示しており、本発明のマルチパルスＰＷＭ制御手法は電流形を構成する６個のスイッチング素子に対して電圧形と同様に適用することができる。

図８は、本発明の５パルスＰＷＭ制御波形に対する電流形インバータの６個の各スイッチング素子に与えるスイッチング信号を示しており、区間(1)および区間(2)における三相電流形インバータの通流経路を示したのが図９である。

電流形インバータでは、如何なるＰＷＭ制御区間においても一定の直流電流の経路を確保する必要があるが、ＰＷＭ制御の全ての区間においても電流経路が確保できることが確認できる。

本発明のマルチパルスＰＷＭ制御では、従来の制御手法と異なり、３組の搬送三角波と基準入力で各相独立に制御できる特徴があり、任意の三相負荷制御が可能である。

本発明のマルチパルスＰＷＭ制御は、ＰＷＭ制御基準入力の制御範囲によってa) Ａタイプとb) Ｂタイプの二種の３パルスＰＷＭ制御パターンを発生することができ、マルチパルスＰＷＭ制御波形の大きさは搬送三角波に対する比較基準入力によって連続的に制御することができる。

本発明のマルチパルスＰＷＭ制御は、三相電圧形インバータだけでなく三相電流形インバータにも適用することができるだけでなく、マルチパルスＰＷＭ制御は三相整流電源にも適用することができるなど、幅広い応用が期待できる。

三相電圧形インバータ回路５パルス三相ＰＷＭ制御法（Ｂ）５パルス三相電圧形ＰＷＭスイッチング波形（Ｂ）５パルス三相電圧形ＰＷＭスイッチング波形（Ｂ）に対するスイッチ経路５パルス三相ＰＷＭスイッチング波形（Ａ）５パルス三相ＰＷＭスイッチング制御における基本波出力制御特性三相電流形インバータ回路５パルス三相電流形ＰＷＭスイッチング波形（Ｂ）５パルス三相電流形ＰＷＭスイッチング波形（Ｂ）に対するスイッチ経路マルチパルス三相ＰＷＭ制御電圧形インバータの負荷電流制御システムマルチパルス三相ＰＷＭ制御電圧形インバータの共振回路負荷電流制御システムマルチパルス三相ＰＷＭ制御電流形インバータの負荷電圧制御システムマルチパルス三相電流形ＰＷＭ制御のシミュレーション結果（３パルスＢタイプ）マルチパルス三相電流形ＰＷＭ制御のシミュレーション結果（３パルスＡタイプ）マルチパルス三相電流形ＰＷＭ制御のシミュレーション結果（５パルスＢタイプ）マルチパルス三相電流形ＰＷＭ制御のシミュレーション結果（５パルスＡタイプ）マルチパルス三相電流形ＰＷＭ制御のシミュレーション結果（９パルスＡタイプ）マルチパルス三相電流形ＰＷＭ制御のシミュレーション結果（１１パルスＡタイプ）マルチパルス三相ＰＷＭインバータの共振回路負荷電流制御特性（５パルスＢタイプ）マルチパルス三相ＰＷＭインバータの共振回路負荷電流制御特性（９パルスＡタイプ）

図１０は、マルチパルス三相ＰＷＭ制御電圧形インバータの負荷電流制御システムであり、三相負荷電流を検出して、それらの大きさ（実効値）が一定の基準入力と一致するように電流制御器を介して得られる各相の基準入力信号により三相負荷電流を制御するシステムを示している。

本発明によるマルチパルスＰＷＭ制御手法は、三相ＰＷＭ制御波形の対称性が保たれ、あまり大きな高調波を発生することなく基本波成分の大きさが容易に制御できることから、特に動作周波数が高い分野での三相負荷電流制御などへの応用に適しているものと思われる。

図１１は、本発明によるマルチパルスＰＷＭ制御電圧形インバータによる三相共振回路負荷電流制御システムを示している。

三相マルチパルスＰＷＭ制御インバータの動作周波数を三相負荷回路の共振周波数に等しく選び各相負荷電流を検出してその大きさが一定の基準値と一致するように電流比較制御器を通してマルチパルスＰＷＭ制御することにより、三相負荷電流の大きさを制御することができる。

なお、ＬＣ共振回路におけるリアクタンス電圧降下とキャパシタンス電圧降下が相殺するので、電圧形インバータの動作電圧を抵抗負荷での電圧降下に見合う低い電圧で動作させることが期待できる。

図１２は、マルチパルス三相ＰＷＭ制御電流形の負荷電圧制御システムであり、三相負荷端の電圧を検出して、それらの大きさが一定の基準入力と一致するように電圧制御器を介して得られる各相の基準入力信号により三相負荷電圧を制御するシステムを示している。

電流形インバータでは、出力端にフィルタ用キャパシタを接続することにより、大きなフィルタ効果のため、数パルスＰＷＭ制御によっても正弦波出力電圧が容易に得ることができる。

本発明によるマルチパルスＰＷＭ制御は、三相整流回路部にも三相電流形インバータの電流パルス幅制御が容易に適用することができる。

以上のように、本発明によるマルチパルスＰＷＭ制御法は電圧形、電流形を問わず、三相インバータ構成の電力変換器におけるＰＷＭ波形の大きさを連続的制御できる手法として様々な分野への適用が期待できる。

以下に、本発明による三相マルチパルスＰＷＭ制御動作波形のシミュレーション解析結果を実施例として示す。

以下のＰＷＭ制御波形のシミュレーション解析における動作条件としては、マルチパルスＰＷＭ制御インバータの基本波周波数は１ｋＨｚとした。

また、制御入力基準レベルｘ（０～１．０）の数値と共に示しているＲやＦは三相搬送三角波の相順を表しており、搬送三角波が１２０度づつ遅れる位相関係にあるときはＦ，１２０度づつ遅れる位相関係にあるときはＲを付けて示している。

図１３及び図１４は、３パルスＰＷＭ制御電圧形インバータの三相出力電圧波形と三相インバータのスイッチング素子Ｓ１～Ｓ３のＰＷＭ制御信号波形を示しており、搬送三角波との比較基準入力ｘがｘ＝０．１５のときの結果が図１３（Ｂタイプ）であり、ｘがｘ＝０．８５のときの結果が図１４（Ａタイプ）である。

図１５は、基準入力信号ｘがｘ＝０．１５（Ｂタイプ）で三相搬送三角波の順相順における５パルスＰＷＭ制御電圧形インバータの三相出力電圧波形と三相インバータのスイッチング素子Ｓ１～Ｓ３のＰＷＭ制御信号波形を示している。

図１６は、基準入力信号ｘがｘ＝０．８５（Ａタイプ）のときの５パルスＰＷＭ制御時の動作波形を示している。

次に、図１７，図１８はマルチパルスＰＷＭ制御動作波形例であり、図１７は９パルスＰＷＭ制御動作、図１８は１１パルスＰＷＭ制御動作波形を示している。

いずれも、基準入力信号ｘはｘ＝０．８５でＡタイプＰＷＭ制御動作波形であるが、９パルス動作では逆相順、１１パルス動作では順相順の搬送波三角波を用いた時のＰＷＭ制御動作波形である。

なお、搬送三角波の基本波に対する整数倍の周波数を高くして、相順を適切に選択することによって、さらにマルチパルスＰＷＭ制御動作波形を得ることができる。

マルチパルスＰＷＭ制御電圧形インバータの応用例として、図１１に示した負荷電流制御システムによる電流制御時のシミュレーション解析による動作波形例を図１９、図２０に示す。

なお、三相負荷の回路定数は、抵抗Ｒ＝０．１Ω、インダクタＬ＝２００ｕＨ、キャパシタＣ＝１２６．７ｕＦであり、ＬＣ直列共振周波数は1ｋＨｚ、インバータの直流電圧は５０Ｖ，
負荷電流の基準値を１５０Ａとした。

図１９は、５パルスＰＷＭ制御、図２０は９パルスＰＷＭ制御の動作波形であり、いずれも負荷電流の基準入力ｘが１に近いＡタイプ制御動作波形を示しており、高いＱの共振回路のため、三相負荷電流はほぼ正弦波で、各相電流の実効値は基準値に一致した１５０Ａに制御できていることが分かる。

１００ … インバータ直流電源
２００ … 三相インバータ
３００ … 三相負荷回路
３１０ … 三相負荷回路のフィルタ回路部
３２０ … 三相実負荷回路
４００ … ＰＷＭ制御システム部
４１０ … 負荷電圧(電流)実効値検出部
４２０ … 基準値と検出値との比較制御調節器部
４３０ … ＰＷＭ制御信号発生部

Claims

三相電圧形インバータの出力波形の基本波周波数の方形波信号と出力パルス数より１だけ少ない前記基本波周波数の偶数倍の周波数の搬送三角波信号と前記出力波形の基本波の大きさを制御する一定の基準入力信号とを比較することにより得られる信号との二つの信号を入力として排他的論理和をとることにより１相分のＰＷＭスイッチング信号を発生させ、残りの２相についても同様に前記基本波周波数の方形波信号と１２０度位相差のある方形波信号と前記出力パルス数に対応した周波数で１２０度の位相差のある搬送三角波信号と前記基準入力信号とを比較することにより得られる信号との排他的論理和をとることにより、互いに１２０度の位相差のある２組のＰＷＭスイッチング信号を発生させて、前記ＰＷＭスイッチング信号と合せて三相電圧形インバータのＰＷＭスイッチング信号とすることにより、三相ＰＷＭ制御波形の対称性を保ちながら、各相の電圧の大きさが前記基準入力信号の大きさにより制御できることを特徴とする三相インバータのマルチパルスＰＷＭ制御法。
請求項１記載の三相インバータのマルチパルスＰＷＭ制御法で発生する前記三相電圧形インバータのＰＷＭ制御三相線間出力電圧波形を三相電流形インバータの三相ＰＷＭ制御電流波形として三相電流形インバータの各スイッチング素子に対するＰＷＭスイッチング信号を発生させることを特徴とする三相インバータのマルチパルスＰＷＭ制御法。