JP2814837B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
直流に変換する電力変換装置の改良に関し、特に、電力
変換装置の出力電圧の制御に関する。
(架線電圧)を直列接続されたコンデンサで2つの直流
電圧に分圧することにより、高電位,中間電位及び低電
位の3つの電圧レベルを作り、主回路スイッチング素子
のオン・オフ動作により、これら3レベルの電圧をイン
バータ出力端子に選択的に導出するものであり、次のよ
うな特長を備えている。
増加することにより、見かけ上のスイッチング周波数が
高められ、歪の少ない出力を得られる。素子に印加され
る電圧が2レベルに比べて約半減するため、比較的低耐
圧のスイッチング素子を使える。素子印加電圧の減少に
伴い、素子まわりの発生損失を低減できる等である。と
ころで、上記3レベルインバータの出力電圧パルスの発
生制御法として、以下のような方式がある。
レベル ピーダブリュエム ストラテジーズ「New De
velopments of 3−Level PWM Strategies」(EPE’
89Record,1989)の412頁、図1にはダイポー
ラ変調(出力電圧の半周期内にパルスをゼロ電圧を介し
て正負交互に出力することにより出力電圧を表現)と呼
ばれる変調方式,ユニポーラ変調(出力電圧の半周期中
に単一極性のパルスを出力することにより出力電圧を表
現)と呼ばれる変調方式及び上記ダイポーラ変調とユニ
ポーラ変調を1周期中に混在させる変調方式(以下、本
明細書では、部分ダイポーラ変調と称する)が提案され
ている。
パワー コンバーターズ:アン エクステンション オ
ブ ザ サブハーモニック メソッド「PWM Systems
inPower Converters:An Extension of the “Subharm
onic”method」(IEEE Trasaction on Industrial Elec
toronics and Control Instrumentation,Vol.IECI−
28,No.4,November 1981)の316頁、図2
(b)には出力電圧の半周期が複数の単一極性のパルス
で構成され、この中央部分からパルス間のスリットを埋
めるようにパルス数を減少させることにより出力電圧を
表現する変調方式(以下、本明細書では過変調と称す
る)が提案されている。
ベル プリカルキュレイティド モデュレーションズ
「Study of 2 and 3−Level Precalculated Modulati
ons」(EPE’91 Record,1991)の411頁、
図16には、0から100%まで出力電圧をカバーする
ための出力電圧パルス発生制御方法が提案されている。
ような用途に3レベルインバータを用いる場合、広範囲
にわたる速度制御を実現するため、ゼロ電圧から電圧利
用率が100%に達する最大電圧(出力電圧の半周期内
に単一のパルスしか存在しない電圧領域であり、以下、
1パルスと呼ぶ)まで、インバータ出力電圧の基本波を
連続に、かつ、インバータ出力電圧の高調波をスムーズ
に制御できることが要求される。
含む微小電圧が制御可能なダイポーラ変調、中速領域
(中電圧)をカバーするユニポーラ変調手段、最大電圧
をカバーする1パルスまでを切り換えているので、ゼロ
電圧から最大電圧を出力することができ、基本波の連続
性も保ちうるが、ユニポーラ変調と1パルスとの切換え
時に出力電圧の高調波が不連続になり、周波数の急激で
大きな変化による騒音が発生するという問題があった。
では、ゼロ電圧から最大電圧を表現することができない
という問題があった。
圧の基本波を連続制御させるため、基本波の位相及び電
圧に対応したパルスデータをメモリに記憶させ、このデ
ータに基づいて各変調に対応したパルス列を出力するも
のであるので制御が複雑である。さらに、上記従来技術
(3)は、ユニポーラ変調において、基本波の半周期に
存在するパルスの数を切換える変調方式であるので、制
御の複雑化を招くという問題がある。
ス数を切換えるときに不快な不連続音が発生するという
問題があった。
力電圧をゼロから最大まで制御可能で、インバータ出力
電圧を連続かつスムーズに行える3レベルのパルス発生
制御を実現することにある。
を搭載した電気車において、不連続音を防止することに
ある。
ベルの電位を有する交流相電圧に変換する電力変換器
と、この電力変換器により駆動される電動機を備えた電
力変換装置において、この電力変換器の出力相電圧の基
本波の半周期が正負のパルス間に零電位を有するパルス
列によって表現された出力パルスの列を前記電力変換器
の相に発生させるダイポーラ変調モードと、前記電力変
換器の出力相電圧の基本波の半周期が複数の単一極性の
パルス列によって表現された出力パルスの列を前記電力
変換器の相に発生させるユニポーラ変調モードと、前記
電力変換器の出力相電圧の基本波の半周期が、複数の単
一極性のパルス列の中央部からパルス間のスリットを埋
めるようにパルス数を減少させることによって表現され
た出力パルスの列を前記電力変換器の相に発生させる過
変調モードと、前記電力変換器の出力相電圧の基本波の
半周期が同一極性の1つのパルスによって表現された出
力パルスを前記電力変換器の相に発生させる1パルスモ
ードとを有し、これらモード間を移行させる手段を備え
たことにより達成される。
波数の交流を出力するインバータと、このインバータに
より駆動される誘導電動機とを備えた電気車の制御装置
において、前記インバータの出力電圧の基本波の半周期
内のパルス数が複数である全ての領域で、前記インバー
タのスイッチング周波数を連続的に変化させる制御手段
を備えたことにより達成される。
数指令や出力電圧指令等の出力電圧関連情報に応じて、
主に低電圧制御用としてダイポーラ変調,中間的な出力
電圧の制御用にユニポーラ変調,ユニポーラ変調と1パ
ルスの間をカバーする高い出力電圧の制御用に過変調を
用いたため、出力電圧がゼロから最大まで連続的に移行
することができるようになる。
数である全ての領域で、前記インバータのスイッチング
周波数を連続的に変化させる制御手段を備えたため、出
力電圧の高調波がほぼ連続的に変化するので、不連続な
音質の変化が減少する。
を用いて説明した後、一実施例を図1及び図4から図1
3を用いて説明する。
もいう)は、直流電源電圧(電気車の場合は架線電圧)
を直列接続されたコンデンサで2つの直流電圧に分圧す
ることにより、高電位,中間電位及び低電位の3つの電
圧レベルを作り、主回路スイッチング素子のオン・オフ
動作により、これら3レベルの電圧をインバータ出力端
子に選択的に導出するものである。
車に適用した場合の基本構成(3相の場合)を図1に示
す。
架線(電車線)、50は直流リアクトル、51及び52
は直流電圧源4の電圧から中間電位点O(以下、中性点
と呼ぶ)を作り出すため分割配置したクランプコンデン
サである。7a,7b及び7cは自己消弧可能なスイッ
チング素子より構成され、このスイッチング素子に与え
るゲート信号に応じて高電位点電圧(P点電圧),中性
点電圧(O点電圧)及び低電位点電圧(N点電圧)を選
択的に出力するスイッチングユニットである。この例で
は、スイッチングユニット7aは70から73の自己消
弧可能なスイッチング素子(ここではIGBTとした
が、GTO,トランジスタ等でも良い),74から77
の還流用整流素子,78及び79の補助整流素子より構
成する。また、負荷は誘導電動機6の場合を示した。ス
イッチングユニット7b及び7cも、7aと同様の構成
である。
ト7aを例にとり、その基本的な動作を表1を用いて説
明する。
および52の電圧vcp,vcnは完全平滑でEd/2に分
圧された直流電圧とし、中性点(0点)は仮想的に接地
されているものとする。また、ことわりのない限り、出
力電圧はインバータ出力相電圧を指すものとする。
ッチング素子70から73は、表1に示すように3通り
の導通パターンに従いオン・オフ動作する。すなわち、
直流側のP点電位を出力する出力モードPでは、70,
71がオン,72,73がオフで、出力電圧はEd/2
となり、中性点電位を出力する出力モードOでは、7
1,72がオン,70,73がオフで、出力電圧として
ゼロ電位が出力され、N点電位を出力する出力モードN
では、70,71がオフ,72,73がオンで、出力電
圧は−Ed/2となる。
分(スイッチングユニットとクランプコンデンサ)の等
価回路を示した。スイッチングユニットは、等価的に3
方向の切り換えスイッチと見なせる。ここで、素子の導
通状態を1,0の2値で表わすスイッチング関数Sp,
Snを用いると、 出力モードPのとき Sp=1,Sn=0 出力モードOのとき Sp=0,Sn=0 出力モードNのとき Sp=0,Sn=1 と表現できる。このとき、スイッチング関数Sp,Sn
と、スイッチング素子70,71,72,73に与える
ゲート信号Gpu,Gpx,Gnx,Gnu(オフ信号を0,オ
ン信号を1とする)の関係は、次式で表せる。
Sp,Snを用意することにより、スイッチング素子の
導通状態を決定することができる。このスイッチング関
数Sp,Snは、パルス幅変調(PWM)制御により、
出力電圧euが正弦波状になるように決定される。
は、特開昭51−47848 号公報,特開昭56−74088 号公報
などに記載されている。
圧で、可変電圧可変周波数(VVVF)領域から定電圧可変
周波数(CVVF)領域に亘る広範囲の速度制御を行う
場合、図2の実線で示すような出力電圧特性が要求され
る。すなわち、低速度領域ではインバータ周波数にほぼ
比例して出力電圧を調整(この領域をVVVF制御領域
と呼ぶ)することにより、電動機内の磁束をほぼ一定に
保ち、所定のトルクを確保し、また、高速度領域ではイ
ンバータの最大出力電圧を維持したまま引き続きインバ
ータ周波数を上昇(この領域をCVVF制御領域と呼
ぶ)させることにより、限られた電圧で電圧利用率を最
大として高速運転を実現するものである。しかしなが
ら、従来から知られているユニポーラ変調方式では、イ
ンバータ周波数が低く、微小な出力電圧の制御が要求さ
れる領域(VVVF制御領域の起点付近)では、スイッ
チング素子の最小オン時間によって定まる最小出力パル
ス幅よりも小さな電圧パルスを実現することができず、
図2の破線で示すように、指令より大きな電圧を出力し
てしまうことになる。
が全てスイッチング素子の最小オン時間Tonにより定ま
る最小パルス幅である場合を考えると、このときの出力
電圧実効値Eは
できない。ここで、Emaxは180゜通流の方形波電圧
の実効値であり、
力電圧もほぼこのEmaxに一致する。上記(数2)によ
れば、Fc=500kHz,Ton=100μsのとき、
E=0.1Emax であり、この場合、最大出力電圧Emax
の10%以下の電圧は制御できないことになる。そのた
め、ユニポーラ変調だけでは制御可能な出力電圧の下限
値が制限され、連続的な電圧制御が困難であるという問
題があった。
(ダイポーラモード)が有効であるが、従来技術では、
このダイポーラ変調からユニポーラ変調(ユニポーラモ
ード)に移行する際に注意が必要であった。
圧Eは、理想的な正弦波変調の限界点(変調率A=1)
で
Toffを考慮した場合には、
f=200μsのとき、E=0.707Emaxであり、この場合
には、最大出力電圧Emax の約70%までしかカバーで
きないことになる。この時、1パルスモードのパルス幅
を調整できないとすると、基本波が不連続となり、ま
た、1パルスモードのパルス幅が調整可能とすると、パ
ルスの幅を小さくして連続性を保とうとするため、今度
は、高調波の連続性が失われてしまう。
考えられるが、パルス発生制御の容易さ,ユニポーラ変
調との整合性,出力電圧に含まれる高調波の連続性等の
観点から過変調(過変調モード)が最も効果的であると
いえる。過変調領域では、出力電圧半周期の電圧パルス
列の中央部分(基本波瞬時値のピーク付近)におけるパ
ルス間の狭幅スリットを徐々に埋めることにより、出力
電圧を1パルス付近まで拡大することを可能としてい
る。
めて大きい領域では、出力電圧の半周期に1つのパルス
しか存在しない、いわゆる1パルスモードに移行し、こ
のときの出力電圧はほぼEmax に達する。しかしなが
ら、このままでは過変調から1パルス、あるいは1パル
スから過変調への移行タイミングは、変調率やキャリア
周波数に依存するため、このタイミングを任意に設定で
きず、この間にヒステリシスを設けると、基本波電圧の
連続性が損なわれる。
はないパルス幅制御(つまり、変調率を無限大としない
1パルスモードの作りかた)による電圧制御が可能な1
パルス制御に移行させる。これにより、過変調と1パル
ス制御の間で、所定のタイミングでの移行を可能とし、
基本波電圧の連続的な移行が実現される。
により、要求される出力電圧に対応したパルスモードを
選択しながら、ゼロ電圧から最大電圧まで連続的にしか
も高精度で安定した出力電圧を得る。
6を図示のようにV/F=一定で制御すると、起動時か
らF1までダイポーラ変調を用い、インバータ周波数が
F1に達した時点でユニポーラ変調領域に移行し、F2
で過変調領域、さらにF3で1パルス領域に順次移行さ
せる。
て実現を可能とした変調波の一例を図3に示す。
波aは、上位の電流制御手段からのインバータ周波数指
令Fi*と出力電圧指令E*に基づいて、次式より作成
する。
(0≦A≦1)は次式で与えられる。
ニポーラ変調とも全く同一であり、過変調では後で説明
するように変調率Aの算出方法が異なる以外は、やはり
同じである。
続的に移行できるようにするため、ここでは、次式に示
す正負バイアス変調波abp,abnを設ける。
がそのまま正側変調波apと負側変調波anとなる。
の作成を簡便化するため、ap,anとも正となるよう
に設定している。最終的に、出力電圧のパルス幅は、a
p,anの大きさに比例して設定され、ダイポーラ変調
の場合には、正負パルスをほぼ180゜ずつずらして制
御する。
nは
きるほど小さい場合には、ap,anの瞬時値が1以上
のとき最大のパルスを出力する(後述の過変調)。
いて極めて重要であることがわかる。Bの値によりダイ
ポーラ変調領域とユニポーラ変調領域との移行制御が実
現され、 (a)A/2≦B<0.5のとき ダイポーラ変調 (b)B=0 のとき ユニポーラ変調 となる。
まで高め、出力電圧の半周期の中央部分のパルス間のス
リット(ゼロ電圧出力期間)を抑制して、出力電圧を向
上させる。
モードから1パルスモードに移行する。この動作につい
ては、以下の実施例の中で説明する。
変調及び過変調を統一した電圧指令に基づいて実現し、
最大出力となる1パルスまでの連続移行制御が可能とな
る。以下、上記考え方を実現する一実施例の構成を説明
する。
御して、3レベルの電位を有する交流電圧を出力するパ
ルス幅変調装置の例である。
移行制御情報に従ってダイポーラ変調波形、あるいはユ
ニポーラ変調波形、あるいは過変調波形を出力する多パ
ルス発生手段、2は出力電圧関連情報に従って1パルス
波形を出力(1パルスモード)する1パルス発生手段、3
は各PWMモードを連続的に移行させる移行制御手段で
ある。移行制御手段3の出力であるゲート信号は、図示
しないゲートアンプを介して各相のスイッチングユニッ
ト内のスイッチング素子に与えられ、オン・オフ制御さ
れる。これら多パルス発生手段1,1パルス発生手段
2、及び移行制御手段3から構成されるパルス幅変調手
段が本発明の特徴部分である。
り込まれる出力電圧関連情報は、上位の電流制御手段8
から与えられる。この電流制御手段8は、電流指令から
電流調節手段81によって誘導電動機6のすべり周波数
指令Fs*を作成(電流指令値と実電動機電流との偏差に
よる)し、誘導電動機6に取り付けられた回転周波数検
出手段61によって検出された誘導電動機の回転周波数
Frと前記Fs*とを加えてインバータ周波数指令Fi*
を作成する。
の直流電圧Ed(PN間電圧で、クランプコンデンサ電
圧の和vcp+vcnに等しい)に基づいて、出力電圧設定
手段82は出力電圧指令E*を作成する。
場合(Ed=Ed1)には傾きを大きく、Edが高い場合
(Ed=Ed3)には傾きを小さく設定し、常に出力電圧
が要求通りとなるようにして、図2に示した出力電圧特
性を実現するものである。これら電流制御手段は、出力
電圧の瞬時値を出力するものであっても良い。
て、図4から図11を用いて詳細に説明する。
す。ここで、多パルス発生手段1は、基本変調波発生手
段11,バイアス重畳手段12,正負分配手段13,基
準信号発生手段14、及びパルス発生手段15から構成
される。
情報として受け取ったインバータ周波数指令Fi*を位
相演算手段112によって時間積分することにより位相
θを求め、このθにおける正弦値sinθ を求める。一
方、出力電圧関連情報の1つである電圧指令E* から
振幅設定手段111により基本変調波の振幅A(変調
率)を演算出力し、1/2したのちsinθ と掛け合わせ
て振幅が1/2の瞬時の基本変調波a/2を作成して出力
する。バイアス重畳手段12は、このa/2に移行制御
手段3の多パルス移行制御手段31からのバイアスBを
加算及び減算し、2本の正負バイアス変調波abp及びa
bnを作成して出力する。
との間の連続的移行はバイアスBの設定による。図5
に、このバイアスBを設定することにより行うダイポー
ラ/ユニポーラ移行制御手段311の構成例を示す。ダ
イポーラ/ユニポーラ移行制御手段311は、出力電圧
指令E*を311aで4/π倍することにより変調率A
を求め、バイアス発生手段311bでこの変調率Aに応
じたバイアスBを決定する。すなわち、変調率Aが小さ
く微小な出力電圧が要求されるところではB=Bo(た
だし、Bo≧A/2)に設定し、A=A1に達したとこ
ろでB=0とする。A=A1のときの出力電圧が式
(2)に示される電圧よりも大きくなるようにA1をあ
らかじめ決めておけば、ゼロを含む微小電圧からの電圧
制御が可能となる。
bnを、正負分配手段13によって、abp,abnのうち正
の部分はapに、abp,abnのうち負の部分はanに分
配・合成することにより、ダイポーラ変調からユニポー
ラ変調にかけての出力電圧基本波成分の連続性を維持し
た正負変調波ap,anが作成される。
ルス発生手段15は、パルス発生周期が2Toのスイッ
チング関数Sp,Snを生成する。基準信号発生手段1
4が、スイッチング周波数指令Fsw*に従い、パルス発
生周期Toを定める。ここで、Fsw*とToの関係は次
式で表せる。
6を用いて説明する。
151は、ap,an,aoff ,To(an,aoffに
ついては後述する)に基づいて、Spの立上がりタイミ
ングTpup、及びSnの立下がりタイミングTndnを次式
より求める(処理1)。
グTpdn 及びSnの立上がりのタイミングTnupを処理
1と同様に求める(処理2)。
より、スイッチング関数Sp,Snが作成される。
子の最小オン時間Ton及び最小オフ時間Toffから定ま
る値であり、
例)に示すように、オンパルス幅Twon、及びオフパル
ス幅Twoffは
こで、オンパルス幅Twon がスイッチング素子によって
定められた最小オン時間Ton以下とならないように、ま
た、オフパルス幅Twoffがスイッチング素子によって定
められた最小オフ時間Toff 以下とならないように、図
8の実線で示す特性とする。これを実現するため、図6
のパルスタイミング設定手段151の機能を付加した。
これによって発生する出力電圧基本波成分の不連続は極
めて小さいため、無視しても差し支えない。
続が無視できる範囲内においては可変可能であり、ユニ
ポーラ変調から過変調への移行タイミングとして、ユニ
ポーラ/過変調移行制御手段312から与えている。も
し、aoff を一定に設定した場合には、パルス発生をよ
り簡略化できる。
1が自動的にユニポーラから過変調に移行させるのでa
off を出力するユニポーラ/過変調移行制御手段312
を設ける必要がない。
Toの基準信号を発生し、これに同期して上記Tpup,
TndnまたはTpdn,Tnupを基に、Sp,Snをセット
する。過変調時のスイッチング関数の一例を図9に示
す。apの瞬時値Apがaoffを越えるとスイッチング
関数Spのパルス間のスリット(図9(c)のハッチン
グ部分)を埋める。この埋められたスリット幅はスイッ
チング素子の最小オフ時間Toff よりも小さく、1〜2
個程度ずつ徐々になくなるため、出力電圧の基本波には
ほとんど影響を与えない。
ウェアで実現する場合のフローチャートを図10に示
す。
期の中央部分のパルス間のスリットを埋めることにより
最大電圧状態を維持し、変調波のゼロクロス近傍のみで
PWM制御を行っている。そのため、この領域では変調率
Aと実際に出力される出力電圧が非線形となり、変調率
Aを直線的に増加させても、出力電圧はこれに追従して
直線的に増加しない。
とにより、過変調時の出力電圧の線形化を図る。すなわ
ち、PWM制御部分でのスイッチング周波数が十分に高
いものとすれば、出力電圧の基本波実効値Eと変調率A
の関係は次式で表せる。
Aの関係を算出しておき、図11に示す振幅設定手段1
11を構成することにより、出力電圧をE*に対して直
線的に調整できる。その結果、特に1パルスに近い高電
圧域での電圧制御性を向上できる。
御手段3の切り換えスイッチ32の働きにより、過変調
モードから1パルスモードに移行する。切り換えスイッ
チ32は、多パルス移行制御手段31の出力の1つであ
るSPMが SPM=0のとき 多パルス側 SPM=1のとき 1パルス側 に切り換えられる。図12に、1パルス/多パルス切り
換え制御手段313の一例を示す。この例では、電圧指
令E*がE1Pを越えたとき多パルスモードから1パルス
モードへ移行させ、E*がEMPより小さくなったとき1
パルスモードから多パルスモードへ移行させるようにヒ
ステリシスを設けている。これにより、不用意なPWM
モードの移行を抑制し、過渡変動の少ない安定した出力
電圧が得られるようにしている。
1、及びパルス発生手段22から構成される。位相演算
手段21の動作は111と全く同じでよく、21を省略
して111の出力を利用してもよい。
す。3レベルPWMでは2レベルPWMと異なり、1パ
ルス制御時にパルス幅の制御により出力電圧の調整が行
える。そこで、電圧指令E*から、パルスの立ち上がり
のタイミング位相α、及び立ち下がりのタイミング位相
βを
てセットし、Sp,Snを作成,出力することにより、
1パルス波形を実現する。
変調及び過変調を統一した電圧指令に基づいて実現し、
最大出力となる1パルスまでの連続移行制御が可能とな
る。本実施例では、出力電圧をゼロ電圧から最大電圧ま
で連続的かつスムーズに調整することが可能となり、さ
らに、高精度で安定した出力電圧を提供できる効果があ
る。
は、上記多パルス発生手段の出力パルス列をインバータ
周波数と非同期で発生させ、1パルス発生手段の出力パ
ルスをインバータ周波数と同期させて制御している。
を採用している前述した従来技術では、第1に位相の管
理のための制御が複雑、第2に何らかの制御の要請から
出力電圧指令を正弦波から歪ませる必要がある場合(図
1において、インバータ周波数Fi*や出力電圧指令E
*が電気車制御上の要請により調整されている場合等)
出力電圧指令を忠実に再現できないという問題がある。
ータ周波数の整数倍のパルスを出力させるため、各パル
スモード毎に位相と発生パルスの関係を有するテーブル
を備え、パルスモードとインバータ周波数から得られる
位相とからパルス発生位相を読み出して出力するように
している。この、位相の管理に要する計算量やパルスモ
ードごとのメモリは膨大なものとなり、制御の複雑化を
招いてしまう。
同期式は、90°分のパルスデータをもっているが、デ
ータは出力電圧が正弦波になるよう作成されているの
で、出力電圧を指令通りに正確に表現しえないという問
題がある。
おけるパルスの発生をインバータ周波数とは非同期にす
ることによりこれらの解決を図った。
の発生のためにインバータ周波数に拘束されずに独立し
てパルスを発生させることができる。つまり、図4にお
いて、スイッチング周波数指令Fsw*をインバータ周波
数指令Fi*とは独立に設定することができる(図4、
基準発生14はインバータ周波数に独立している)。こ
のため、パルス発生のための複雑な制御手続きを要しな
く、制御を簡略化することができる。
あると、位相毎にデータを持つ必要がなくなり、瞬時の
電圧指令に相当するパルスを出力することができるよう
になったので、歪正弦波であっても忠実に表現すること
ができる。また、上記したように位相演算等に関する制
御が簡略した分、逐次電圧指令に相当したパルスを出力
するための演算を行うことができるようになり、演算周
期を短くすることができるのでさらに、忠実度を増すこ
とができる。
波数がインバータ周波数に依存しないため、スイッチン
グ周波数の変化を最小限にすることができ、同期式にみ
られるパルスモード切換え前後における、音質の変化
(異音,不快音)を最小限にすることができるという効
果もある。
例にとって説明したが、2レベルインバータや3レベル
以上の多レベルインバータにおいても同様である。
グを行うGTOサイリスタのようなスイッチング素子の
場合は、出力電圧高調波の内、スイッチング周波数に依
存して発生する側帯波成分とインバータ周波数の基本波
成分との干渉が発生することがある。これを避けるた
め、多パルス発生手段のPWMモードの内、ダイポーラ
変調モードとユニポーラ変調モードをインバータ周波数
に対して非同期とし、過変調モード,1パルスモードを
同期とする(図14)。
時においてもより安定した電圧を供給可能となる。
示す。図15には多パルス移行制御手段31のみを示し
た。これは、4種のPWMモードをインバータ周波数指
令Fi*と電圧指令E*の両方に依存して移行させるも
のである。すなわち、Fi*<F1かつE*<E1のとき
ダイポーラ変調、Fi*≧F1かつE1≦E*<E2の
ときユニポーラ変調、E2≦E*<E3のとき過変調、
E*≧E3のとき1パルスとする。これにより、例えば
回生起動時や再力行時のように、周波数が高い高速域で
出力電圧をソフトスタートする場合においても、ダイポ
ーラ変調→ユニポーラ変調→過変調→1パルスという移
行条件が満足され、安定した電圧立ち上げが可能とな
る。また、低周波領域で常にダイポーラ変調制御となる
ため、ユニポーラ変調の場合のような特定スイッチング
素子への電流集中を回避できる。
うに、ダイポーラ変調とユニポーラ変調の間に、両変調
波形が混在する部分ダイポーラ変調を導入すれば、さら
に、出力電圧とスイッチング周波数のスムーズさを増す
ことができる。
図17において、(ロ)以外は図3と全く同じである。
以下、この部分ダイポーラについて説明する。
イアスBがダイポーラ変調でもユニポーラ変調でもない
範囲(0<B<A/2)に設定されたとしても、基本変
調波の要求通りの電圧を過不足なく再現することが可能
である。この場合、出力電圧のピーク付近はユニポーラ
変調で、すそ野はダイポーラ変調である部分ダイポーラ
変調となる。このときの正側変調波ap及び負側変調波
anは
に一致し、出力電圧基本波の瞬時値の連続性も維持され
ることがわかる。
ってバイアスBを徐々に減少させれば、ダイポーラ変調
からユニポーラ変調まで部分ダイポーラ変調を介して連
続的に移行できる。当然ながら、その逆も可能である。
例を図18に示す。図18の実線で示したようにバイア
スBを設定すれば、0≦A≦A1の領域ではダイポーラ
変調、A1<A<A2の領域では部分ダイポーラ変調、
A≧A2の領域ではユニポーラ変調となる。この場合、
ダイポーラ変調とユニポーラ変調の切り換え時に電動機
からの異音が生じないため、装置の低騒音化に有効であ
る。
領域毎にPWMモードを管理できる。図19は、多パル
ス移行制御手段31のみを示した。これは、5種のPW
Mモードをインバータ周波数指令Fi*と電圧指令E*
の両方に依存して移行させるものである。すなわち、F
i*<FoかつE*<Eoのときダイポーラ変調、Fo
≦Fi*<F1かつEo≦E*<E1のとき部分ダイポ
ーラ変調、Fi*≧F1かつE1≦E*<E2のときユ
ニポーラ変調、E2≦E*<E3のとき過変調、E*≧
E3のとき1パルスとする。これにより、例えば回生起
動時や再力行時のように、周波数が高い高速域で出力電
圧をソフトスタートする場合においても、ダイポーラ変
調→部分ダイポーラ変調→ユニポーラ変調→過変調→1
パルスという移行条件が満足され、安定した電圧立ち上
げが可能となる。また、空転再粘着時においても回生起
動時と同様の効果が挙げられる。さらに、いかなる運転
状態においても、パルスモード切換え時の電動機からの
異音の発生を最小限に止められる効果がある。
いられるインバータでは、インバータ周波数Fi*の可
変範囲は0〜300Hz程度である。出力電圧が最大と
なるインバータ周波数Fcvは、インバータ周波数可変上
限の1/5〜1/3で、Fcvの上限は約100Hz程度
である。非同期でパルスを発生する際に、スイッチング
周波数周りに発生する高調波と、インバータ周波数の基
本波との干渉による出力電流の変動を避けるには、Fcv
の10倍程度のスイッチング周波数、つまり1kHz以
上のスイッチング周波数が必要となる。
スイッチング周波数の変動を最小限に押さえることが効
果的であり、過変調の導入により、多パルス領域でのス
イッチング周波数の変動を1〜2Fi以内にすることが
できる。
れば、上記パルス幅変調手段の一部または全てをプログ
ラム化して、ソフトウェア的に実現することも可能であ
る。図21に、図4のパルス幅変調手段におけるパルス
の立ち上げ,立ち下げタイミングの演算までをソフトウ
ェアで実現するためのフローチャートの一例を示す。以
上は全て誘導電動機負荷の場合を例にとって説明した
が、これに限らず他の交流電動機においても同様の効果
が期待できる。また、以上は全てインバータを対象とし
た説明であったが、これらのインバータの出力端子をリ
アクタンス要素を介して交流電源と接続し、交流を直流
に変換する自励式コンバータとして動作させることも可
能である。この場合も、インバータの場合と同様の効果
が期待できる。
ついて述べたが、本発明の考え方は3レベル以上の多レ
ベルインバータにおいても対応可能である。
を、ゼロ電圧から最大電圧まで連続的かつスムーズに調
整することが可能となる。また、パルス発生制御系を簡
略化するという効果がある。
車を提供することができる。
図。
の変調波の説明図。
示す図。
例を示す図。
段のフローチャートを示す図。
す図。
とPWMモードの関係図。
構成図。
係を説明する図。
ーチャートを示す図。
行制御手段、4…直流架線、6…誘導電動機、7a,7
b,7c…スイッチングユニット、8…電流制御手段、
11…基本変調波発生手段、12…バイアス重畳手段、
13…正負分配手段、14…基準信号発生手段、15…
パルス発生手段、21…位相演算手段、22…パルス発
生手段、31…多パルス移行制御手段、32…切り換え
スイッチ、50…直流リアクトル、51,52…クラン
プコンデンサ、61…回転周波数検出手段。
Claims (14)
- 【請求項1】複数のスイッチング素子のスイッチング制
御により直流を3レベルの電位を有する交流相電圧に変
換する電力変換器と、該変換器のスイッチング素子を制
御する制御装置を備えた電力変換装置において、 この電力変換器の出力相電圧の基本波の半周期に正負の
パルスと該パルス間に零電位を有するパルス列を前記電
力変換器の相に発生させるダイポーラ変調モードと、前
記電力変換器の出力相電圧の基本波の半周期に複数の単
一極性のパルス列を前記電力変換器の相に発生させるユ
ニポーラ変調モードと、前記電力変換器の出力相電圧の
基本波の半周期で複数の単一極性のパルス列の中央部か
らパルス間のスリットを埋めるようにパルス数を減少さ
せたパルス列を前記電力変換器の相に発生させる過変調
モードとを有し、これらモード間を移行させる手段を備
えたことを特徴とする電力変換装置。 - 【請求項2】請求項1において、前記3つの変調モード
の出力パルスは、前記電力変換器が出力する電圧の基本
波と非同期で発生されることを特徴とする電力変換装
置。 - 【請求項3】請求項1において、前記モード間の移行
は、前記ダイポーラ変調モード,前記ユニポーラ変調モ
ード,前記過変調モードの順に可逆的に行われるように
したことを特徴とする電力変換装置。 - 【請求項4】請求項3において、前記ダイポーラ変調モ
ードと前記ユニポーラ変調モード間の移行が前記インバ
ータの出力相電圧の正側パルス列および負側パルス列を
制御する各々の変調波に加えるバイアスを制御すること
によって行われ、前記ユニポーラ変調モードと前記過変
調モード間の移行が前記インバータ出力相電圧の正側パ
ルス列と負側パルス列を制御する変調波の大きさに応じ
て行われるようにしたことを特徴とする電力変換装置。 - 【請求項5】複数のスイッチング素子のスイッチング制
御により直流を3レベルの電位を有する交流相電圧に変
換する電力変換器と、該変換器のスイッチング素子を制
御する制御装置を備えた電力変換装置において、 前記電力変換器の出力相電圧の基本波の半周期に複数の
単一極性のパルス列を前記電力変換器の相に発生させる
ユニポーラ変調モードと、前記電力変換器の出力相電圧
の基本波の半周期で複数の単一極性のパルス列の中央部
からパルス間のスリットを埋めるようにパルス数を減少
させたパルス列を前記電力変換器の相に発生させる過変
調モードと、前記電力変換器の出力相電圧の基本波の半
周期に同一極性の1つのパルスを前記電力変換器の相に
発生させる1パルスモードとを有し、これらモード間を
移行させる手段を備えたことを特徴とする電力変換装
置。 - 【請求項6】複数のスイッチング素子のスイッチング制
御により直流を3レベルの電位を有する交流相電圧に変
換する電力変換器と、該変換器のスイッチング素子を制
御する制御装置を備えた電力変換装置において、 この電力変換器の出力相電圧の基本波の半周期に正負の
パルスと該パルス間に零電位を有するパルス列を前記電
力変換器の相に発生させるダイポーラ変調モードと、前
記電力変換器の出力相電圧の基本波の半周期に複数の単
一極性のパルス列を前記電力変換器の相に発生させるユ
ニポーラ変調モードと、前記電力変換器の出力相電圧の
基本波の半周期で複数の単一極性のパルス列の中央部か
らパルス間のスリットを埋めるようにパルス数を減少さ
せたパルス列を前記電力変換器の相に発生させる過変調
モードと、前記電力変換器の出力相電圧の基本波の半周
期に同一極性の1つのパルスを前記電力変換器の相に発
生させる1パルスモードとを有し、これらモード間を移
行させる手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。 - 【請求項7】請求項6において、前記ダイポーラ変調モ
ードと前記ユニポーラ変調モードにおける前記電力変換
器の出力パルスは、前記電力変換器が出力する電圧の基
本波と非同期で発生され、前記過変調モードと前記1パ
ルスモードにおける前記電力変換器の出力パルスは、前
記電力変換器が出力する電圧の基本波と同期して発生さ
れるようにしたことを特徴とする電力変換装置。 - 【請求項8】請求項6において、前記ダイポーラ変調モ
ードと前記ユニポーラ変調モードと前記過変調モードに
おける前記電力変換器の出力パルスは、前記電力変換器
が出力する電圧の基本波と非同期で発生され、前記1パ
ルスモードにおける前記電力変換器の出力パルスは、前
記電力変換器が出力する電圧の基本波と同期して発生さ
れるようにしたことを特徴とする電力変換装置。 - 【請求項9】請求項6において、前記電力変換器の出力
相電圧の基本波の半周期で前記ダイポーラ変調モードと
前記ユニポーラ変調モードで得られる両変調波形が混在
するパルス列を前記電力変換器の相に発生させる部分ダ
イポーラ変調モードを有し、これらモード間を移行させ
る手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。 - 【請求項10】請求項6において、前記モード間の移行
は、前記ダイポーラ変調モード,前記ユニポーラ変調モ
ード,前記過変調モード,1パルスモードの順に可逆的
に行われるようにしたことを特徴とする電力変換装置。 - 【請求項11】請求項9において、前記モード間の移行
は、前記ダイポーラ変調モード,前記部分ダイポーラ変
調モード,前記ユニポーラ変調モード,前記過変調モー
ド、1パルスモードの順に可逆的に行われるようにした
ことを特徴とする電力変換装置。 - 【請求項12】請求項10において、前記ダイポーラ変
調モードと前記ユニポーラ変調モード間の移行が前記イ
ンバータの出力相電圧の正側パルス列および負側パルス
列を制御する各々の変調波に加えるバイアスを制御する
ことによって行われ、前記ユニポーラ変調モードと前記
過変調モード間の移行が前記インバータ出力相電圧の正
側パルス列と負側パルス列を制御する変調波の大きさに
応じて行われるようにしたことを特徴とする電力変換装
置。 - 【請求項13】請求項10において、前記ダイポーラ変
調モードと前記ユニポーラ変調モード間の移行は、前記
電力変換器の出力周波数と出力電圧に応じて、前記ユニ
ポーラ変調モードと前記過変調モード間の移行は、前記
電力変換器の出力電圧に応じて行わせることを特徴とす
る電力変換装置。 - 【請求項14】可変電圧可変周波数の交流を出力する電
力変換装置と、該電力変換装置により駆動される誘導電
動機とを備えた電気車の制御装置において、 前記電力変換装置が請求項1乃至13記載の何れかより
なることを特徴とする電気車の制御装置。
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