JP3411995B2 - Power converter - Google Patents

Power converter

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JP3411995B2
JP3411995B2 JP2000010263A JP2000010263A JP3411995B2 JP 3411995 B2 JP3411995 B2 JP 3411995B2 JP 2000010263 A JP2000010263 A JP 2000010263A JP 2000010263 A JP2000010263 A JP 2000010263A JP 3411995 B2 JP3411995 B2 JP 3411995B2
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pulse
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wave
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仲田  清
鈴木  優人
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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、直流を交流または
交流を直流に変換する電力変換装置に係り、特にPWM
(パルス幅変調)インバータの制御の技術に関する。 【0002】 【従来の技術】電気車研究会刊「電気車の科学」199
3年4月号記事,「最近のインバータ制御技術を評価す
る」の14ページ,図−1において、インバータの変調
方式の例が述べられている。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】電気鉄道用車輌のイン
バータでは、図2に示すように出力電圧基本波周波数が
低いときは出力電圧の大きさと基本波周波数の比を一定
に保つ制御を行い(この制御を行う領域を可変電圧可変
周波数領域と呼ぶことにする)、出力電圧基本波周波数
が上昇して出力電圧の大きさが最大になると、その最大
値電圧を保ちつつ周波数制御を行う(この制御を行う領
域を定電圧可変周波数領域と呼ぶことにする)。可変電
圧可変周波数領域ではパルス幅変調制御により出力電圧
を調整するため、出力電圧の半周期を複数の電圧パルス
で構成する多パルスモードを用いる。一方、定電圧可変
周波数領域では、電圧利用率を最大限まで高め装置を小
型化するため、出力電圧の半周期を単一のパルスで構成
する1パルスモードを用いる。 【0004】スイッチング素子としてGTOサイリスタ
を用いた従来のインバータ(以下、GTOインバータと
呼ぶ)では、図3に示すように、出力電圧基本波周波数
の上昇に伴い、その一周期に含まれるパルス数を切換え
て徐々に減少させるパルス数切換え方式の多パルスモー
ドを用いていた。これはGTOサイリスタのスイッチン
グ周波数の上限が数百Hzであるためである。この方式
ではパルス数切換えの際にスイッチング周波数が不連続
となるため、パルス数切換えに伴い磁気騒音の音色変化
が発生し、耳障りであるという問題があった。 【0005】また、GTOインバータにおいては、出力
電圧の半周期に三個の電圧パルスを含む3パルスモード
と1パルスモードの出力電圧の間には、GTOサイリス
タの最小オフ時間の制限に依存した10%程度の跳躍が
存在し、3パルスモードと1パルスモードの切換え時に
電動機の発生トルクに変動が生ずる問題があった。 【0006】本発明の課題は、多パルスモードと1パル
スモードの組合せにより出力電圧の大きさを零から最大
電圧まで制御する2レベルインバータ装置において、ス
イッチング周波数の大幅な不連続をなくして耳障りな磁
気騒音の音色変化をなくすと共に、多パルスモードと1
パルスモードの出力電圧のギャップを小さくし、出力電
圧の全域をほぼ連続に制御することにある。 【0007】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、正負2値の電圧パルスを出力する2レベルの三相電
力変換装置において、パルス幅変調における搬送波は変
調波とは非同期とし、搬送波の振幅を1としたとき、搬
送波の振幅と変調波の振幅の比である変調率が1を超
え、出力電圧としての交流相電圧が最大出力電圧の9
5.6%より大きく、かつ出力電圧基本波零クロス近傍
に少なくとも一個の電圧パルスを確保する値に達したこ
とを条件として、出力電圧基本波に同期し、その基本波
の半周期に単一の電圧パルスを出力する1パルスモード
の制御に三相分一括して切換えて複数のスイッチング素
子を制御する手段を備える。 【0008】 【発明の実施の形態】本発明の実施例を図1から図17
を用いて説明する。 【0009】本発明のインバータのPWMモードの構成
は図4のようになる。低出力電圧域ではバイポーラモー
ド,高出力電圧領域では過変調モード,最大出力電圧域
では1パルスモードで動作する。 【0010】図1は本発明の一実施例を示す構成図で、
電気車駆動用誘導電動機の制御用変換器として電圧型2
レベルインバータを用いた例である。同図において、6
は誘導電動機、5はそれを駆動する2レベル三相PWM
インバータ、9はインバータの電源となる直流架線、
7,8はインバータ直流入力側のフィルタリアクトル及
びコンデンサである。 【0011】図1の多パルス発生手段2,1パルス発生
手段3,PWMモード選択手段4はインバータの出力電
圧指令E* と、その周波数指令Fi* を積分器1で積分
することにより求めた各相の出力電圧基本波の位相θx
(添字xは相を表す添字を総称するものとする。即ち、
u,v,wのいずれかの相を表す。)に基づきインバー
タの制御信号を発生する。インバータの制御信号のう
ち、S1x,S2x,Sxをスイッチング関数と呼び、
インバータの正側アームがオンのとき1,負側アームが
オンのとき0と定義する。 【0012】まず、インバータの制御信号の発生方法に
ついて述べる。図1の多パルス発生手段2の一例(一相
分)を図5に示す。ここではバイポーラモードと過変調
モードのスイッチング関数を同一の手段で発生してい
る。出力電圧指令→変調率変換手段21では出力電圧指
令E* から変調率A、つまり変調波の振幅を求める。搬
送波振幅を1とすると、バイポーラモードでは0≦A≦
1、過変調モードではA>1である。出力電圧基本波の
大きさを電圧指令に一致させるためE* とAを、バイポ
ーラモードでは(数1)、過変調モードでは(数2)で
対応させる。 【0013】 【数1】 【0014】 【数2】 【0015】関数y=sin(x)22では出力電圧基本波
の位相(変調波の位相と等価)θxのsinを求める。こ
れに変調率Aを乗じたものが変調波axである。変調波
axと搬送波周波数(バイポーラモードのスイッチング
周波数と等価)Fcをスイッチング関数演算手段24に
与え、スイッチング関数S1xを求める。スイッチング
関数演算手段24では、振幅1,周波数Fcの三角波で
ある搬送波を発生し、それと変調波の値を比較してスイ
ッチング関数を発生する。また、三角波を用いずに変調
波axとパルス間隔から演算によりスイッチング関数を
求めてもよい。三角波比較により求めたバイポーラモー
ドと過変調モードによるスイッチング関数の波形の一例
を図6,図7にそれぞれ示す。本発明のインバータ装置
においては、IGBT,大容量パワートランジスタ等の
数kHzのスイッチングが可能なデバイスをスイッチン
グ素子として用い(ここでは総称して以下、IGBTイ
ンバータと呼ぶ)、多パルスモードにおいては変調波と
搬送波を非同期とする。図6に示すバイポーラモードに
おいては、0≦A≦1であるため、搬送波242とスイッ
チング関数243が対応し、また、搬送波242と変調
波241とが同期していない。さらに、図7に示す過変
調モードではA>1であるため、Aが1を越える部分で
は広幅パルスのスイッチング関数246が得られ、その
他の部分では搬送波245と変調波244との比較に従
ったスイッチング関数246が得られる。また、この過
変調モードにおいても搬送波245と変調波244とは
非同期で発生している。前記したように、図においては
理解のため搬送波と変調波との比較によりスイッチング
関数を得る方式を示したが、変調波axとパルス間隔か
ら演算によりスイッチング関数を求めることもできる。 【0016】これにより、スイッチング周波数はバイポ
ーラモードでは一定となり、また過変調モードでは次に
述べる1パルスモードでのスイッチング周波数に徐々に
近づけることができる。この多パルスモードでは、変調
波と搬送波が非同期であるため、搬送波周波数は変調波
周波数に比べ充分高くする必要があり、経験的には10
倍程度より高いことが望ましい。 【0017】図1の1パルス発生手段により発生するス
イッチング関数の波形の例を図8に示す。出力電圧の基
本波31(振幅はいくらでもよい)の符号が正のときは
スイッチング関数S2xの値は1、符号が負のときはS
2xの値は0とする。 【0018】次に、高出力電圧域の制御のために、多パ
ルスモードと1パルスモードを組合わせることについて
説明する。過変調方式について書かれた文献として、平
成3年電気学会産業応用部門全国大会講演論文集No.1
06「電圧型3相PWMインバータの過変調制御方式」
がある。これによると、過変調モードの変調率を極めて
大きくしたものが6ステップインバータの動作、即ち1
パルスモードの動作であると述べられている。しかしな
がら、1パルスモードを過変調モードの延長という形で
実現(変調率を極めて大きくすることにより1パルスモ
ードを実現)すると、以下のような不都合が生ずる。 【0019】第一に、過変調モードと1パルスモードが
切換わる点がスイッチング周波数に依存し、任意に設定
することができなくなる。第二に、過変調モードの変調
波と搬送波が非同期である場合(以下、非同期PWMと
呼ぶ)には、素子のターンオン,ターンオフ時間の影響
により過変調モードと1パルスモードの境界付近で変調
波零クロス近傍のパルスが出たり出なかったりする。結
果として出力電圧の正負間にアンバランスが生じ、イン
バータの負荷電流に低周波の脈動が重畳されるビート現
象が発生する。第三に、過変調モードは図7に示すよう
に、出力電圧波形(後述するスイッチング関数の波形と
等価)は変調波(出力電圧基本波と等価)零クロス近傍の
パルス間隔が均一となる、つまりパルス発生周期が均一
である部分(等間隔パルス)と、変調波ピークを中心と
する広幅パルスの部分に分けられ、過変調モードの等間
隔パルスの部分において過変調モードと1パルスモード
の切換えが起こり得る。この場合、インバータの負荷電
流が乱れ、過電流によるスイッチング素子の破壊や電動
機の発生トルクの著しい変動が発生することがある。 【0020】これらの問題を解決するには、過変調モー
ドと1パルスモードを切換える電圧(以下、移行電圧と
呼ぶ)と、出力電圧基本波のどの位相で切換えるか(以
下、移行位相と呼ぶ)を管理する。 【0021】まず、移行電圧の管理について説明する。
移行電圧を設定し、それを境界に過変調モードと1パル
スモードを切換える場合、移行電圧の設定値はできるだ
け1パルスモードの出力電圧、即ち100%に近い値で
あることが望ましい。過変調モードの出力電圧の最大値
との差が小さいほど、切換時の電動機の発生トルクの変
動が小さくなるからである。 【0022】しかしながら、非同期PWMでは、出力電
圧の基本波一周期に含まれる個々の電圧パルスの幅は各
周期毎に異なるものとなり、過変調モードで出力電圧が
100%に近づくにつれて、出力電圧基本波の零クロス近
傍のパルス数が減少するとこの影響が顕在化して出力電
圧の正負間にアンバランスが生じ、インバータの負荷電
流にビート現象が発生する。この様子の一例を図9に示
す。 【0023】図10は、出力電圧基本波零クロス近傍の
平均パルス数と、ビート現象による電流脈動の関係の一
例である。図7に示すように、変調波の絶対値が1.0
以下の部分が等間隔パルスに相当するので、平均パルス
数は(数3)に示す式で与えられる。また、電流脈動率
は(数4)で定義した。 【0024】 【数3】【0025】 【数4】 【0026】図10より、出力電圧基本波零クロス近傍
に少なくとも一個のパルスを確保しなければ、ビート現
象によるインバータの負荷電流の低周波脈動が極めて大
きくなる。 【0027】そこで、移行電圧の設定値は少なくとも一
個以上の電圧パルスを出力電圧基本波零クロス近傍に確
保するような値とする。この値は出力電圧基本波周波数
Fi*と多パルスモードの搬送波周波数Fcに依存するの
で、これらの値から演算により求める手段を設けてもよ
いし、また出力電圧基本波周波数Fi* の上限から予め
計算により求めて設定するのでもよい。 【0028】続いて、移行位相の管理について説明す
る。過変調モードと1パルスモードを切換える際の出力
電圧基本波の位相によって、切換え直後のインバータの
負荷電流や電動機の発生トルクの過渡的な変動の様子が
異なる。電流変動の一例を図11に示す。同図(a)
は、図12に示すように、U相の出力電圧基本波の位相
で0゜で三相一括して切換えた場合で、切換直後に電流
に過渡的な変動が見られる。これに対し(b)は図13に
示すようにU相の出力電圧基本波の位相で90゜で三相
一括して切換えた場合であり、電流の過渡的な変動は殆
どない。 【0029】図14は、過変調モードから1パルスモー
ドへ三相一括して切換える際の出力電圧基本波の位相
(U相基準)と過渡的な電流の変動の関係の例である。
ここで、電流変動率は(数5)で定義する。 【0030】 【数5】 【0031】図14では、出力電圧基本波の位相で60
゜毎に電流変動率が大きくなっている。これは三相のう
ちいずれかが過変調モードにおいて等間隔パルスのとき
に過変調モードと1パルスモードが切換わる場合であ
り、このときは両モードの混在による一時的な三相の出
力電圧の不平衡が大きくなるために過渡的な電流の変動
も大きくなる。従って図15に示すように、全ての相が
過変調モードにおいて広幅パルスとなる部分に移行位相
を設定することで、過渡的な電流やトルクの変動を抑制
できる。 【0032】ここで、三相一括して過変調モードと1パ
ルスモードを切換えるには、三相全てが過変調モードの
出力電圧が広幅パルスになる区間ができなければならな
い。このためには、三相のうち二相の変調波の交点(U
相変調波の位相を基準にして、30゜,90゜,150
゜,210゜,270゜,330゜)において、変調波
の絶対値が1.0 より大きくなければならない。30゜
の場合で考えるとして、au=Asin30゜>1.0より
A>2、過変調モードでは変調率Aと出力電圧E* の対
応は(数2)で与えられるので、E*>95.6%でなけ
ればならない。従って、三相一括で過変調モードと1パ
ルスモードを切換えるためには移行電圧は95.6 %よ
り大きく、かつ過変調で出力電圧基本波零クロス近傍に
少なくとも一個の電圧パルスを確保する値となる。 【0033】図16は、上記移行電圧,移行位相の管理
を実現するPWMモード選択手段3の構成例である。モ
ード選択指令発生手段32では、移行電圧手段31に設
定した移行電圧Ecと、電圧指令E* を比較し、多パル
スモードか1パルスモードのいずれを選択すべきかを表
すモード選択指令Mcを発生する。 【0034】ここでは出力電圧指令E* に基づきモード
選択指令Mcを求めることとしたが、出力電圧指令E*
は変調率Aと一義的に対応しているため、移行電圧に対
応する変調率Acを予め設定しておき、これと変調率A
を比較してモード選択指令Mcを発生するとしてもよ
い。 【0035】また、可変電圧可変周波数領域では出力電
圧指令と出力電圧基本波周波数も一義的に対応するの
で、移行電圧に対応する出力電圧基本波周波数Ficを
予め設定しておき、これと周波数指令Fi* を比較して
モード選択指令Mcを発生してもよい。 【0036】移行位相管理手段44ではMcを参照し、
モードの切換えが必要な場合は出力電圧基本波の位相θ
xと移行位相設定手段43に設定した移行位相θcを比
較し、θxがθcに達していればモード選択信号Mを切
換える。モード選択スイッチ45,46,47ではモー
ド選択信号Mに従って多パルス発生手段の出力S1xと
1パルス発生手段の出力S2xのいずれかを選択し、ス
イッチング関数Sxを決定する。 【0037】移行位相の管理については、次のような方
法によるものでもよい。各相の変調波の絶対値をとり、
三相全て1.0 より大きくなっていれば、その時点で全
ての相が過変調の広幅パルスの部分にあることになる。
従って、そのような時点で多パルス発生手段と1パルス
発生手段の出力を切換える。 【0038】以上により、多パルスモードと1パルスモ
ードの出力電圧のギャップを従来のGTOインバータで
の10%程度から1〜2%程度にまで小さくして、出力
電圧の大きさを零から最大電圧までほぼ連続に制御し、
また多パルスモードと1パルスモードの切換時において
電流や電動機の発生トルクの変動なくスムーズに切換え
を行うことのできる2レベルインバータ装置を構成する
ことができる。 【0039】本発明での出力電圧基本波周波数とスイッ
チング周波数の関係は図17のようになり、図3の従来
のインバータの変調方式のような大きな不連続は存在せ
ず、磁気騒音の不連続な音色変化をなくすことができ
る。 【0040】 【発明の効果】多パルスモードと1パルスモードの組合
せにより出力電圧の大きさを零から最大電圧まで制御す
るインバータ装置において、磁気騒音の不連続な変化を
なくすことができると共に、全出力電圧域をほぼ連続に
制御することが可能となる。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power converter for converting direct current to alternating current or alternating current to direct current, and more particularly, to a PWM.
(Pulse width modulation) The present invention relates to a technique for controlling an inverter. 2. Description of the Related Art "Electric Vehicle Science" published by Electric Vehicle Research Society, 199
An example of the modulation method of the inverter is described in FIG. 1, page 14 of the April 2013 issue, "Evaluating Recent Inverter Control Technologies", page 14. In an inverter for an electric railway vehicle, when the output voltage fundamental wave frequency is low as shown in FIG. 2, control for maintaining a constant ratio between the magnitude of the output voltage and the fundamental wave frequency is performed. (The area where this control is performed is referred to as a variable voltage variable frequency area). When the output voltage fundamental wave frequency rises and the output voltage reaches its maximum, frequency control is performed while maintaining the maximum voltage. (A region in which this control is performed is referred to as a constant voltage variable frequency region). In the variable voltage variable frequency region, in order to adjust the output voltage by pulse width modulation control, a multi-pulse mode in which a half cycle of the output voltage is composed of a plurality of voltage pulses is used. On the other hand, in the constant voltage variable frequency range, in order to maximize the voltage utilization rate and reduce the size of the device, a one-pulse mode in which a half cycle of the output voltage is constituted by a single pulse is used. In a conventional inverter using a GTO thyristor as a switching element (hereinafter referred to as a GTO inverter), as shown in FIG. 3, as the output voltage fundamental wave frequency increases, the number of pulses included in one cycle is reduced. A multi-pulse mode of a pulse number switching method in which the number is gradually reduced by switching is used. This is because the upper limit of the switching frequency of the GTO thyristor is several hundred Hz. In this method, since the switching frequency becomes discontinuous when the number of pulses is switched, there is a problem that the timbre of the magnetic noise occurs due to the switching of the number of pulses, which is annoying. In the GTO inverter, the output voltage in the three-pulse mode including three voltage pulses in a half cycle of the output voltage and the output voltage in the one-pulse mode depend on the limitation of the minimum off time of the GTO thyristor. %, There is a problem that the torque generated by the motor fluctuates when switching between the three-pulse mode and the one-pulse mode. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a two-level inverter device which controls the magnitude of an output voltage from zero to a maximum voltage by a combination of a multi-pulse mode and a one-pulse mode. Eliminates the change in timbre of magnetic noise, and has a multi-pulse mode and 1
An object of the present invention is to reduce the gap of the output voltage in the pulse mode and control the entire output voltage almost continuously. In order to solve the above-mentioned problems, in a two-level three-phase power converter that outputs positive and negative binary voltage pulses, a carrier in pulse width modulation is asynchronous with a modulation wave. Assuming that the amplitude of the carrier is 1, the modulation rate, which is the ratio of the amplitude of the carrier to the amplitude of the modulation wave, exceeds 1, and the AC phase voltage as the output voltage becomes 9 of the maximum output voltage.
Synchronous with the output voltage fundamental wave and a single cycle in a half cycle of the output voltage fundamental wave, provided that the value has reached a value that is larger than 5.6% and at least one voltage pulse is secured near the zero cross of the output voltage fundamental wave. Means for controlling a plurality of switching elements by simultaneously switching over three phases to control in a one-pulse mode for outputting a voltage pulse of FIG. 1 to FIG. 17 show an embodiment of the present invention.
This will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows the configuration of the inverter of the present invention in the PWM mode. It operates in the bipolar mode in the low output voltage range, the overmodulation mode in the high output voltage range, and the one-pulse mode in the maximum output voltage range. FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention.
Voltage type 2 as control converter for induction motor for electric car drive
This is an example using a level inverter. In FIG.
Is an induction motor, 5 is a two-level three-phase PWM that drives it
Inverter, 9 is a DC overhead wire that is a power supply for the inverter,
Reference numerals 7 and 8 denote filter reactors and capacitors on the inverter DC input side. The multi-pulse generating means 2, one-pulse generating means 3, and PWM mode selecting means 4 in FIG. 1 are obtained by integrating the output voltage command E * of the inverter and its frequency command Fi * by the integrator 1. Phase output voltage fundamental wave phase θx
(The subscript x is a general term for the subscript indicating the phase.
Represents any phase of u, v, w. ) To generate a control signal for the inverter. Of the control signals of the inverter, S1x, S2x, Sx are called switching functions,
It is defined as 1 when the positive arm of the inverter is on and 0 when the negative arm is on. First, a method of generating a control signal for the inverter will be described. FIG. 5 shows an example (one phase) of the multi-pulse generating means 2 of FIG. Here, the switching functions of the bipolar mode and the overmodulation mode are generated by the same means. The output voltage command → modulation rate conversion means 21 obtains the modulation rate A, that is, the amplitude of the modulated wave from the output voltage command E * . Assuming that the carrier amplitude is 1, 0 ≦ A ≦ in the bipolar mode.
1, A> 1 in overmodulation mode. In order to make the magnitude of the output voltage fundamental wave coincide with the voltage command, E * and A are made to correspond to each other by (Equation 1) in the bipolar mode and (Equation 2) in the overmodulation mode. ## EQU1 ## ## EQU2 ## In the function y = sin (x) 22, the sin of the output voltage fundamental wave phase (equivalent to the modulation wave phase) θx is obtained. A product obtained by multiplying this by the modulation factor A is a modulated wave ax. The modulation wave ax and the carrier frequency (equivalent to the switching frequency in the bipolar mode) Fc are supplied to the switching function calculation means 24 to obtain the switching function S1x. The switching function calculating means 24 generates a carrier wave, which is a triangular wave having an amplitude of 1 and a frequency Fc, and compares the carrier wave with the value of the modulated wave to generate a switching function. Alternatively, the switching function may be obtained by calculation from the modulated wave ax and the pulse interval without using a triangular wave. FIGS. 6 and 7 show examples of waveforms of the switching function in the bipolar mode and the overmodulation mode obtained by the triangular wave comparison. In the inverter device of the present invention, a device capable of switching at several kHz, such as an IGBT or a large-capacity power transistor, is used as a switching element (herein, collectively referred to as an IGBT inverter hereinafter). And the carrier are asynchronous. In the bipolar mode shown in FIG. 6, since 0 ≦ A ≦ 1, the carrier 242 corresponds to the switching function 243, and the carrier 242 and the modulation wave 241 are not synchronized. Furthermore, since A> 1 in the overmodulation mode shown in FIG. 7, a switching function 246 of a wide pulse is obtained in a portion where A exceeds 1, and a comparison between the carrier 245 and the modulated wave 244 is performed in other portions. A switching function 246 is obtained. Also in this overmodulation mode, the carrier wave 245 and the modulated wave 244 are generated asynchronously. As described above, in the figure, the method of obtaining the switching function by comparing the carrier wave and the modulated wave is shown for the sake of understanding, but the switching function can also be obtained by calculation from the modulated wave ax and the pulse interval. As a result, the switching frequency becomes constant in the bipolar mode, and can gradually approach the switching frequency in the one-pulse mode described below in the overmodulation mode. In this multi-pulse mode, since the modulation wave and the carrier are asynchronous, the carrier frequency needs to be sufficiently higher than the modulation wave frequency.
Desirably higher than about twice. FIG. 8 shows an example of the waveform of the switching function generated by the one-pulse generating means of FIG. The value of the switching function S2x is 1 when the sign of the fundamental wave 31 (the amplitude is arbitrary) of the output voltage is positive, and S when the sign is negative.
The value of 2x is 0. Next, a description will be given of a combination of the multi-pulse mode and the one-pulse mode for controlling the high output voltage range. As a document written on the overmodulation method, Proceedings of the 1991 IEEJ National Conference on Industrial Applications No.1
06 “Voltage-type three-phase PWM inverter overmodulation control method”
There is. According to this, the operation of the 6-step inverter, that is, the one in which the modulation rate of the overmodulation
It is stated that this is a pulse mode operation. However, when the one-pulse mode is realized by extending the overmodulation mode (the one-pulse mode is realized by making the modulation rate extremely large), the following inconvenience occurs. First, the point at which the overmodulation mode and the one-pulse mode are switched depends on the switching frequency and cannot be set arbitrarily. Second, when the modulated wave in the overmodulation mode and the carrier wave are asynchronous (hereinafter referred to as asynchronous PWM), the modulated wave near the boundary between the overmodulation mode and the one-pulse mode is affected by the turn-on and turn-off times of the element. A pulse near the zero cross may or may not appear. As a result, an imbalance occurs between the positive and negative of the output voltage, and a beat phenomenon occurs in which a low-frequency pulsation is superimposed on the load current of the inverter. Third, in the overmodulation mode, as shown in FIG. 7, the output voltage waveform (equivalent to the waveform of the switching function described later) is a modulated wave (equivalent to the output voltage fundamental wave) and the pulse interval near the zero cross becomes uniform. In other words, the pulse generation period is divided into a uniform pulse portion (equally-spaced pulse) and a wide pulse portion centered on the peak of the modulated wave. Can occur. In this case, the load current of the inverter may be disturbed, and the switching element may be destroyed due to the overcurrent or the generated torque of the motor may fluctuate significantly. To solve these problems, a voltage for switching between the overmodulation mode and the one-pulse mode (hereinafter, referred to as a transition voltage) and a phase of the output voltage fundamental wave (hereinafter, referred to as a transition phase). Manage. First, management of the transition voltage will be described.
When the transition voltage is set and the overmodulation mode and the one-pulse mode are switched on the basis of the transition voltage, it is desirable that the set value of the transition voltage be as close as possible to the output voltage of the one-pulse mode, that is, a value close to 100%. This is because the smaller the difference from the maximum value of the output voltage in the overmodulation mode, the smaller the fluctuation of the generated torque of the motor at the time of switching. However, in the asynchronous PWM, the width of each voltage pulse included in one cycle of the fundamental wave of the output voltage is different in each cycle, and the output voltage is changed in the overmodulation mode.
As the number approaches 100%, when the number of pulses near the zero cross of the output voltage fundamental wave decreases, this effect becomes apparent, an imbalance occurs between the positive and negative of the output voltage, and a beat phenomenon occurs in the load current of the inverter. FIG. 9 shows an example of this state. FIG. 10 shows an example of the relationship between the average number of pulses near the zero cross of the output voltage fundamental wave and the current pulsation due to the beat phenomenon. As shown in FIG. 7, the absolute value of the modulated wave is 1.0.
Since the following portions correspond to equally-spaced pulses, the average number of pulses is given by Expression (3). The current pulsation rate was defined by (Equation 4). [Equation 3] (Equation 4) From FIG. 10, if at least one pulse is not secured near the zero cross of the output voltage fundamental wave, the low frequency pulsation of the load current of the inverter due to the beat phenomenon becomes extremely large. Therefore, the set value of the transition voltage is set to a value that secures at least one or more voltage pulses near the output voltage fundamental wave zero cross. Since this value depends on the output voltage fundamental wave frequency Fi * and the carrier frequency Fc in the multi-pulse mode, a means for calculating these values by calculation may be provided, or the upper limit of the output voltage fundamental wave frequency Fi * may be used in advance. It may be set by calculation. Next, management of the transition phase will be described. Depending on the phase of the output voltage fundamental wave when switching between the overmodulation mode and the one-pulse mode, the state of the transient fluctuation of the load current of the inverter and the generated torque of the motor immediately after the switching differs. FIG. 11 shows an example of the current fluctuation. FIG.
FIG. 12 shows a case where all three phases are switched at 0 ° in the phase of the U-phase output voltage fundamental wave as shown in FIG. 12, and a transient fluctuation is observed in the current immediately after the switching. On the other hand, FIG. 13B shows a case where the three phases are switched at 90 ° with the phase of the U-phase output voltage fundamental wave as shown in FIG. 13, and there is almost no transient fluctuation of the current. FIG. 14 shows an example of the relationship between the phase of the output voltage fundamental wave (U-phase reference) and the transient current fluctuation when switching from the overmodulation mode to the one-pulse mode collectively in three phases.
Here, the current fluctuation rate is defined by (Equation 5). [Equation 5] In FIG. 14, the phase of the output voltage fundamental wave is 60
The current fluctuation rate increases for each ゜. This is a case where the overmodulation mode and the one-pulse mode are switched when any one of the three phases is an equally-modulated pulse in the overmodulation mode. Since the unbalance increases, the transient current fluctuation also increases. Therefore, as shown in FIG. 15, by setting the transition phase to a portion where all phases become wide pulses in the overmodulation mode, transient current and torque fluctuations can be suppressed. Here, in order to switch overmodulation mode and one-pulse mode collectively in three phases, there must be a section in which the output voltage of the overmodulation mode in all three phases becomes a wide pulse. For this purpose, the intersection (U
30 °, 90 °, 150 ° with respect to the phase of the phase modulated wave
{, 210}, 270 °, 330 °), the absolute value of the modulated wave must be greater than 1.0. Considering the case of 30 °, au = Asin30 ゜> 1.0, A> 2, and in the overmodulation mode, the correlation between the modulation factor A and the output voltage E * is given by (Equation 2), so E * > 95. Must be 6%. Therefore, in order to switch the overmodulation mode and the one-pulse mode at the same time in three phases, the transition voltage is larger than 95.6%, and a value for securing at least one voltage pulse near the zero crossing of the output voltage fundamental wave by overmodulation. Become. FIG. 16 shows an example of the configuration of the PWM mode selection means 3 for realizing the management of the transition voltage and the transition phase. The mode selection command generation means 32 compares the transition voltage Ec set in the transition voltage means 31 with the voltage command E * , and generates a mode selection command Mc indicating whether to select the multi-pulse mode or the one-pulse mode. . [0034] Although it was decided to determine the mode select command Mc based on the output voltage command E * in this case, the output voltage command E *
Corresponds uniquely to the modulation rate A, so that the modulation rate Ac corresponding to the transition voltage is set in advance, and this and the modulation rate A
May be compared to generate a mode selection command Mc. In the variable voltage variable frequency region, the output voltage command and the output voltage fundamental frequency also uniquely correspond to each other. Therefore, the output voltage fundamental wave frequency Fic corresponding to the transition voltage is set in advance, The mode selection command Mc may be generated by comparing Fi * . The transition phase management means 44 refers to Mc,
If mode switching is required, the phase θ of the output voltage fundamental wave
x is compared with the transition phase θc set in the transition phase setting means 43. If θx has reached θc, the mode selection signal M is switched. The mode selection switches 45, 46, and 47 select either the output S1x of the multi-pulse generation means or the output S2x of the one-pulse generation means according to the mode selection signal M, and determine the switching function Sx. The transition phase may be managed by the following method. Take the absolute value of the modulated wave of each phase,
If all three phases are greater than 1.0, then all phases are at the point of the overmodulated wide pulse.
Therefore, at such time, the output of the multi-pulse generating means and the output of the one-pulse generating means are switched. As described above, the gap between the output voltages in the multi-pulse mode and the one-pulse mode is reduced from about 10% in the conventional GTO inverter to about 1-2%, and the magnitude of the output voltage is reduced from zero to the maximum voltage. Control almost continuously until
Further, it is possible to configure a two-level inverter device that can smoothly perform switching without changing the current or the generated torque of the motor when switching between the multi-pulse mode and the one-pulse mode. The relationship between the output voltage fundamental wave frequency and the switching frequency in the present invention is as shown in FIG. 17, and there is no large discontinuity as in the conventional inverter modulation system of FIG. A great tone change can be eliminated. According to the inverter device which controls the magnitude of the output voltage from zero to the maximum voltage by the combination of the multi-pulse mode and the one-pulse mode, it is possible to eliminate the discontinuous change of the magnetic noise. The output voltage range can be controlled almost continuously.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の一実施例を示す構成図。 【図2】車輌用インバータの運転特性を示す図。 【図3】従来のインバータの変調方式の例を示す図。 【図4】本発明によるインバ−タの運転特性を示す図。 【図5】多パルス発生手段の構成の一例を示す図。 【図6】バイポーラモードの変調波,搬送波,スイッチ
ング関数を示す図。 【図7】過変調モードの変調波,搬送波,スイッチング
関数を示す図。 【図8】出力電圧の基本波と1パルスモードのスイッチ
ング関数を示す図。 【図9】ビート現象発生の様子を示す図。 【図10】出力電圧基本波零クロス近傍の平均パルス数
と電流脈動の関係を示す図。 【図11】モード切換え直後の過渡的な電流変動の様子
が移行位相により異なることを示す図。 【図12】図11(a)の切換えタイミングを示す図。 【図13】図11(b)の切換えタイミングを示す図。 【図14】移行位相とモード切換え直後の過渡的な電流
変動の関係を示す図。 【図15】移行位相設定可能区間を示す図。 【図16】PWMモード選択手段の構成の一例を示す
図。 【図17】本発明におけるインバータの出力電圧基本波
周波数とスイッチング周波数の関係を示す図。 【符号の説明】 1…積分器、2…多パルス発生手段、3…1パルス発生
手段、4…PWMモード選択手段、5…2レベル三相P
WMインバータ、6…誘導電動機、7…フィルタリアク
トル、8…平滑コンデンサ、9…直流架線、21…周波
数指令→変調波振幅基準変換手段、22…関数y=sin
(x)、23…スイッチング周波数、24…スイッチン
グ関数演算手段、241,244…変調波ax、24
2,245…搬送波c、243,246…スイッチング
関数S1x、31…出力電圧基本波、41…移行電圧設
定手段、42…モード選択指令発生手段、43…移行位
相設定手段、44…移行位相管理手段、45,46,4
7…モード選択スイッチ。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a configuration diagram showing one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing operating characteristics of a vehicle inverter. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a conventional inverter modulation method. FIG. 4 is a diagram showing operating characteristics of the inverter according to the present invention. FIG. 5 is a diagram showing an example of a configuration of a multi-pulse generation unit. FIG. 6 is a diagram showing a modulation wave, a carrier wave, and a switching function in a bipolar mode. FIG. 7 is a diagram showing a modulated wave, a carrier wave, and a switching function in an overmodulation mode. FIG. 8 is a diagram showing a fundamental function of an output voltage and a switching function in a one-pulse mode. FIG. 9 is a diagram showing how a beat phenomenon occurs. FIG. 10 is a diagram showing a relationship between an average number of pulses near an output voltage fundamental wave zero cross and current pulsation. FIG. 11 is a diagram showing that the state of transient current fluctuation immediately after mode switching differs depending on the transition phase. FIG. 12 is a diagram showing the switching timing of FIG. FIG. 13 is a diagram showing the switching timing of FIG. 11 (b). FIG. 14 is a diagram showing a relationship between a transition phase and a transient current fluctuation immediately after mode switching. FIG. 15 is a diagram showing a transition phase settable section. FIG. 16 is a diagram showing an example of a configuration of a PWM mode selection unit. FIG. 17 is a diagram showing a relationship between an output voltage fundamental wave frequency and a switching frequency of the inverter according to the present invention. [Description of Signs] 1 ... Integrator, 2 ... Multi-pulse generating means, 3 ... 1-pulse generating means, 4 ... PWM mode selecting means, 5 ... 2-level three-phase P
WM inverter, 6 induction motor, 7 filter reactor, 8 smoothing capacitor, 9 DC overhead wire, 21 frequency command → modulated wave amplitude reference conversion means, 22 function y = sin
(x), 23: switching frequency, 24: switching function calculating means, 241, 244: modulated wave ax, 24
2,245 carrier wave c, 243,246 switching function S1x, 31 output voltage fundamental wave, 41 transition voltage setting means, 42 mode selection command generating means, 43 transition phase setting means, 44 transition phase management means , 45, 46, 4
7 Mode switch.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 照沼 睦弘 茨城県勝田市市毛1070番地 株式会社 日立製作所 水戸工場内 (56)参考文献 特開 平5−146160(JP,A) 特開 平5−161364(JP,A) 特開 平3−32391(JP,A) 特開 平5−316735(JP,A) 特開 昭62−163589(JP,A) 特開 昭62−131791(JP,A) 特開 昭63−287372(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 7/48 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Mutsuhiro Terunuma 1070 Ma, Katsuta-shi, Ibaraki Pref. Mito Plant of Hitachi, Ltd. (56) References JP-A-5-146160 (JP, A) JP-A-5-146 161364 (JP, A) JP-A-3-32391 (JP, A) JP-A-5-316735 (JP, A) JP-A-62-163589 (JP, A) JP-A-62-131791 (JP, A) JP-A-63-287372 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H02M 7/48

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項1】三相各相の変調波に基づいてパルス幅変調
された信号により複数のスイッチング素子を制御して直
流電圧から可変周波数可変電圧の交流相電圧として正負
2値の電圧パルスを出力する2レベルの三相電力変換装
置において、 前記パルス幅変調における搬送波は前記変調波とは非同
期とし、前記搬送波の振幅を1としたとき、前記搬送波
の振幅と前記変調波の振幅の比である変調率が1を超
え、出力電圧としての前記交流相電圧が最大出力電圧の
95.6%より大きく、かつ出力電圧基本波零クロス近
傍に少なくとも一個の電圧パルスを確保する値に達した
ことを条件として、出力電圧基本波に同期し、その基本
波の半周期に単一の電圧パルスを出力する1パルスモー
ドの制御に三相分一括して切換えて前記複数のスイッチ
ング素子を制御する手段を備えたことを特徴とする電力
変換装置。
(57) [Claim 1] An AC phase voltage of a variable frequency variable voltage from a DC voltage by controlling a plurality of switching elements by a signal which is pulse width modulated based on a modulated wave of each of three phases. In a two-level three-phase power converter that outputs positive and negative binary voltage pulses, the carrier in the pulse width modulation is asynchronous with the modulated wave, and when the amplitude of the carrier is 1, the amplitude of the carrier is The modulation rate, which is the ratio of the amplitudes of the modulated waves, exceeds 1, the AC phase voltage as the output voltage is greater than 95.6% of the maximum output voltage, and at least one voltage pulse is near the output voltage fundamental wave zero crossing. Is synchronized with the output voltage fundamental wave, and is switched to the one-pulse mode control in which a single voltage pulse is output in a half cycle of the fundamental wave. Power conversion apparatus characterized by comprising means for controlling a plurality of switching elements.
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