JP3463169B2 - Power converter - Google Patents

Power converter

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JP3463169B2
JP3463169B2 JP2001269782A JP2001269782A JP3463169B2 JP 3463169 B2 JP3463169 B2 JP 3463169B2 JP 2001269782 A JP2001269782 A JP 2001269782A JP 2001269782 A JP2001269782 A JP 2001269782A JP 3463169 B2 JP3463169 B2 JP 3463169B2
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鈴木  優人
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[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、PW
M(パルス幅変調)インバータの制御に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power converter for converting direct current into alternating current or alternating current into direct current, and more particularly to PW.
The present invention relates to control of an M (pulse width modulation) inverter.

【0002】[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。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。
[Prior Art] Electric Vehicle Research Society "Science of Electric Vehicles" 199
An example of an inverter modulation method is given in Fig. 1 on page 14 of the April 3 issue, "Evaluating Recent Inverter Control Technology". In an inverter for an electric railway vehicle, as shown in FIG. 2, when the output voltage fundamental frequency is low, control is performed to keep the ratio of the output voltage magnitude and the fundamental frequency constant (the region in which this control is performed is variable voltage). When the output voltage fundamental frequency rises and the output voltage reaches its maximum value, frequency control is performed while maintaining the maximum value voltage (the region where this control is performed is a constant voltage variable). We will call it the frequency domain). In the variable voltage variable frequency region, since the output voltage is adjusted 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 region, the one-pulse mode in which a half cycle of the output voltage is configured by a single pulse is used in order to maximize the voltage utilization rate and downsize the device.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】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。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。
A conventional inverter using a GTO thyristor as a switching element (hereinafter, referred to as
As shown in FIG. 3, the GTO inverter uses a multi-pulse mode of a pulse number switching method in which the number of pulses included in one cycle of the output voltage is switched and gradually reduced as the output voltage fundamental frequency increases. It was 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 tone color change of the magnetic noise occurs due to the switching of the number of pulses, which is annoying. Further, in the GTO inverter, between the output voltage in the 3-pulse mode and the 1-pulse mode in which three voltage pulses are included in a half cycle of the output voltage, the output voltage of about 10% depends on the limitation of the minimum off time of the GTO thyristor. There is a problem of jumping, and there is a problem that the torque generated by the electric motor fluctuates when switching between the 3-pulse mode and the 1-pulse mode.

【0004】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。
An object of the present invention is to prevent a large discontinuity in the switching frequency in a two-level inverter device which controls the magnitude of the output voltage from zero to the maximum voltage by a combination of the multi-pulse mode and the one-pulse mode, which is annoying. Eliminates the change in the timbre of magnetic noise, and multi-pulse mode 1
The purpose is to reduce the output voltage gap in the pulse mode and control the entire output voltage range almost continuously.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、複数の制御モード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電圧可変周波数の三相交流相
電圧に変換し、その相電圧として正負2値のパルスを出
力する2レベルの電力変換装置において、制御モードに
は、出力電圧基本波の半周期に複数の電圧パルスを出力
させるパルス幅変調制御モードと、出力電圧基本波の半
周期に単一の電圧パルスを出力させる1パルス制御モー
ドとの間に過変調制御モードを介在させ、過変調制御モ
ードは、出力電圧が大きくなるにしたがい出力電圧基本
波のピークから零クロスに向かって徐々に電圧パルスの
周期を長くすると共に、出力電圧基本波の周期とは非同
期にスイッチング制御することによってスイッチング周
波数を連続的に変化させ、出力周波数が大きくなるにし
たがいスイッチング周波数を徐々に下げていくようにす
る。
In order to solve the above problems, a plurality of switching elements are controlled by a plurality of control modes to convert a DC voltage into a three-phase AC phase voltage of a variable voltage and a variable frequency, and the phase voltage thereof is changed. In a two-level power converter that outputs positive and negative binary pulses as a control mode, the control mode includes a pulse width modulation control mode in which a plurality of voltage pulses are output in a half cycle of the output voltage fundamental wave, and a half of the output voltage fundamental wave. The overmodulation control mode is interposed between the 1-pulse control mode that outputs a single voltage pulse in a cycle, and the overmodulation control mode moves from the peak of the output voltage fundamental wave to the zero crossing as the output voltage increases. The switching frequency is continuously changed by gradually increasing the voltage pulse cycle and controlling the switching asynchronously with the cycle of the output voltage fundamental wave. It is allowed, so that gradually lowers the switching frequency in accordance with the output frequency is increased.

【0006】[0006]

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図1から図1
7を用いて説明する。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(パルス幅変調制御モード),高出力電圧領
域では過変調モード(過変調制御モード),最大出力電
圧域では1パルスモード(1パルス制御モード)で動作
する。ここで、多パルスモードは、バイポーラモードと
過変調モードを有する。図1は、本発明の一実施形態を
示す構成図であり、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。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,S
x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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
This will be described using 7. The PWM mode configuration of the inverter of the present invention is as shown in FIG. It operates in the bipolar mode (pulse width modulation control mode) in the low output voltage range, in the overmodulation mode (overmodulation control mode) in the high output voltage range, and in the 1 pulse mode (1 pulse control mode) in the maximum output voltage range. Here, the multi-pulse mode has a bipolar mode and an overmodulation mode. FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of the present invention, which is an example in which a voltage type two-level inverter is used as a control converter of an induction motor for driving an electric vehicle. In the figure, 6 is an induction motor, 5 is a two-level three-phase PWM inverter that drives the induction motor, 9 is a DC overhead wire that serves as a power source for the inverter, and 7 and 8 are a filter reactor and a capacitor on the DC input side of the inverter. The multi-pulse generation means 2, the 1-pulse generation means 3, and the PWM mode selection means 4 of FIG. 1 have the output voltage command E * of the inverter and the frequency command Fi * of each phase obtained by integrating the frequency command Fi * by the integrator 1. A control signal for the inverter is generated based on the phase θx of the output voltage fundamental wave (the subscript x is a general term for subscripts indicating the phase, that is, any one of u, v, and w phases). Of the control signals of the inverter, S1x, S2x, S
x is called a switching function and is defined as 1 when the positive arm of the inverter is on and 0 when the negative arm of the inverter is on.

【0007】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。
First, a method of generating a control signal for the inverter will be described. FIG. 5 shows an example (for one phase) of the multi-pulse generation 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 *. If carrier wave amplitude is 1, 0 ≦ A ≦ in bipolar mode
1, A> 1 in the overmodulation mode. In order to match the magnitude of the output voltage fundamental wave with the voltage command, E * and A are made to correspond by (Equation 1) in the bipolar mode and (Equation 2) in the overmodulation mode.

【数1】 [Equation 1]

【数2】 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。
[Equation 2] In the function y = sin (x) 22, the sin of the phase (equivalent to the phase of the modulating wave) θx of the output voltage fundamental wave is obtained. The product of this and the modulation factor A is the modulated wave ax. The modulated wave ax and the carrier frequency (equivalent to the switching frequency in the bipolar mode) Fc are given to the switching function calculating 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 it with the value of the modulated wave to generate a switching function. Further, the switching function may be obtained by calculation from the modulated wave ax and the pulse interval without using the triangular wave.

【0008】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。
An example of the waveform of the switching function in the bipolar mode and the overmodulation mode obtained by the triangular wave comparison is shown in FIGS. 6 and 7, respectively. 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 (hereinafter, generically referred to as an IGBT inverter), and a modulated wave is used in the multi-pulse mode. And the carrier wave 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 modulated wave 241 are not synchronized. Further, 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 is made between the carrier wave 245 and the modulated wave 244 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, for the sake of understanding, the method of obtaining the switching function by comparing the carrier wave and the modulation wave is shown, but the switching function can be obtained by calculation from the modulation wave ax and the pulse interval.

【0009】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1
0倍程度より高いことが望ましい。
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 modulated wave and the carrier wave are asynchronous, the carrier wave frequency needs to be sufficiently higher than the modulated wave frequency.
It is desirable to be higher than 0 times.

【0010】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。
FIG. 8 shows an example of the waveform of the switching function generated by the one-pulse generating means shown in FIG. The value of the switching function S2x is 1 when the sign of the fundamental wave 31 of the output voltage (the amplitude may be any value) is positive, and S when the sign is negative.
The value of 2x is 0.

【0011】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。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。
Next, the combination of the multi-pulse mode and the one-pulse mode for controlling the high output voltage range will be described. Proceedings of the 1st Annual Meeting of the Institute of Electrical Engineers of Japan, Applied Industry, No. 1
06 "Overmodulation control system of voltage type three-phase PWM inverter"
There is. According to this, the operation with the extremely large modulation rate in the overmodulation mode is the operation of the 6-step inverter, namely, 1
It is said to be in pulsed mode of operation. However, if the 1-pulse mode is realized by extending the overmodulation mode (the 1-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 1-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 are asynchronous (hereinafter referred to as asynchronous PWM), the modulated wave near the boundary between the overmodulation mode and the 1-pulse mode is affected by the turn-on and turn-off times of the element. The pulse near the zero cross may or may not come out. As a result, an imbalance occurs between the positive and negative output voltages, and a beat phenomenon occurs in which 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) has a uniform pulse interval near the zero cross of the modulation wave (equivalent to the output voltage fundamental wave). That is, it is divided into a portion where the pulse generation period is uniform (equal interval pulse) and a wide pulse portion centered on the peak of the modulation wave. Switching can occur. In this case, the load current of the inverter is disturbed,
The switching element may be destroyed or the torque generated by the motor may significantly change due to overcurrent.

【0012】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。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。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。
To solve these problems, the voltage for switching the overmodulation mode and the one-pulse mode (hereinafter referred to as transition voltage) and the phase of the output voltage fundamental wave for switching (hereinafter referred to as transition phase) Manage. First, the management of the transition voltage will be described. When the transition voltage is set and the overmodulation mode and the 1-pulse mode are switched with the transition voltage as the boundary, it is desirable that the set value of the transition voltage is as close to the output voltage of the 1-pulse mode as possible, that is, 100%. This is because the smaller the difference from the maximum value of the output voltage in the overmodulation mode, the smaller the fluctuation in the torque generated by the electric motor during switching. However, in asynchronous PWM, the width of each voltage pulse included in one cycle of the fundamental of the output voltage becomes different for each cycle, and as the output voltage approaches 100% in the overmodulation mode, the zero crossing of the fundamental of the output voltage occurs. When the number of pulses in the vicinity decreases, this effect becomes apparent and an imbalance occurs between the positive and negative of the output voltage, and a beat phenomenon occurs in the load current of the inverter. An example of this state is shown in FIG.

【0013】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。
FIG. 10 shows an example of the relationship between the average pulse number in the vicinity of the output voltage fundamental wave zero cross 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 equidistant pulses, the average pulse number is given by the formula shown in (Equation 3). The current pulsation rate is defined by (Equation 4).

【数3】 [Equation 3]

【数4】 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。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。
[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 voltage pulse in the vicinity of 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, means for calculating from these values may be provided.
It may be set in advance by calculation from the upper limit of the output voltage fundamental wave frequency Fi *.

【0014】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、同図(b)は、
図13に示すように、U相の出力電圧基本波の位相で9
0゜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。
Next, the 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 1-pulse mode, the transient changes in the load current of the inverter and the torque generated by the motor immediately after switching differ. An example of current fluctuation is shown in FIG. The same figure (a)
As shown in FIG. 12, when the three phases are collectively switched at 0 ° in the phase of the U-phase output voltage fundamental wave, a transient fluctuation in the current is observed immediately after the switching. On the other hand, FIG.
As shown in FIG. 13, the phase of the output voltage fundamental wave of the U phase is 9
This is a case where the three phases are collectively switched at 0 °, and there is almost no transient fluctuation of the current.

【0015】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。
FIG. 14 shows an example of the relationship between the phase of the output voltage fundamental wave (U phase reference) and the transient fluctuation of the current when the overmodulation mode is switched to the one-pulse mode in three phases at once.
Here, the current fluctuation rate is defined by (Equation 5).

【数5】 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。
[Equation 5] In FIG. 14, the current fluctuation rate increases every 60 ° in the phase of the output voltage fundamental wave. This is a case where the overmodulation mode and the 1-pulse mode are switched when any one of the three phases has equal-interval pulses in the overmodulation mode. Since the imbalance becomes large, the transient current fluctuation also becomes large.
Therefore, as shown in FIG. 15, by setting the transition phase in a portion where all the phases are wide pulses in the overmodulation mode, transient current and torque fluctuations can be suppressed.

【0016】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。
Here, in order to switch the overmodulation mode and the 1-pulse mode collectively for the three phases, there must be a section in which the output voltage of the overmodulation mode for all three phases is a wide pulse. For this purpose, the crossing point (U
Based on the phase of the phase-modulated wave, 30 °, 90 °, 150
(°, 210 °, 270 °, 330 °), the absolute value of the modulated wave must be greater than 1.0. Considering the case of 30 °, au = Asin 30 °> 1.0 from A> 2, and in the overmodulation mode, the correspondence between the modulation rate A and the output voltage E * is given by (Equation 2), so E *> 95. Must be 6%. Therefore, in order to switch overmodulation mode and 1-pulse mode in a three-phase package, the transition voltage is higher than 95.6%, and at least one voltage pulse is secured in the vicinity of the output voltage fundamental zero cross by overmodulation. Becomes

【0017】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。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。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。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θx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θ
c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。
FIG. 16 shows a configuration example of the PWM mode selection means 3 which realizes the management of the transition voltage and 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 which of the multi-pulse mode and the one-pulse mode should be selected. Here, the mode selection command Mc is obtained based on the output voltage command E *, but since the output voltage command E * uniquely corresponds to the modulation factor A, the modulation factor Ac corresponding to the transition voltage is previously set. The mode selection command Mc may be set in advance and the modulation ratio A may be compared to generate the mode selection command Mc. Further, in the variable voltage variable frequency region, the output voltage command and the output voltage fundamental wave frequency also uniquely correspond to each other. Therefore, the output voltage fundamental wave frequency Fic corresponding to the transition voltage is set in advance, and the frequency command Fi *
May be compared to generate the mode selection command Mc. The transitional phase management means 44 refers to Mc, compares the phase θx of the output voltage fundamental wave with the transitional phase θc set in the transitional phase setting means 43 when it is necessary to switch the modes, and θx is θ.
If it has reached c, the mode selection signal M is switched. The mode selection switches 45, 46, 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 to determine the switching function Sx.

【0018】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。
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 in the overmodulated wide pulse portion.
Therefore, at such a time point, the outputs of the multi-pulse generating means and the 1-pulse generating means are switched.

【0019】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。また、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。
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 to 2%, and the magnitude of the output voltage is changed from zero to the maximum voltage. Control almost continuously until
In addition, it is possible to configure a two-level inverter device that can smoothly switch between the multi-pulse mode and the one-pulse mode without changing the current or the torque generated by the electric motor. Further, 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. It is possible to eliminate a great change in tone color.

【0020】[0020]

【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。また、制御モードに過変調
モードを採用することにより、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。
INDUSTRIAL APPLICABILITY In an inverter device in which the magnitude of output voltage is controlled from zero to the maximum voltage by the combination of the multi-pulse mode and the one-pulse mode, it is possible to eliminate discontinuous change in magnetic noise and to reduce the entire output voltage range. Can be controlled almost continuously. Further, by adopting the overmodulation mode as the control mode, a two-level inverter device that can be smoothly switched without changing the current or the torque generated by the electric motor when switching between the multi-pulse mode and the one-pulse mode is configured. be able to.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施形態を示す構成図。FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of the present invention.

【図2】車輌用インバータの運転特性を示す図。FIG. 2 is a diagram showing operating characteristics of a vehicle inverter.

【図3】従来のインバータの変調方式の例を示す図。FIG. 3 is a diagram showing an example of a conventional inverter modulation method.

【図4】本発明によるインバ−タの運転特性を示す図。FIG. 4 is a diagram showing operating characteristics of the inverter according to the present invention.

【図5】多パルス発生手段の構成の一例を示す図。FIG. 5 is a diagram showing an example of a configuration of a multi-pulse generation means.

【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。
FIG. 6 is a diagram showing a modulated wave, a carrier wave, and a switching function in a bipolar mode.

【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。
FIG. 7 is a diagram showing a modulated wave in an overmodulation mode, a carrier wave, and a switching function.

【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。
FIG. 8 is a diagram showing a fundamental wave of an output voltage and a switching function in a 1-pulse mode.

【図9】ビート現象発生の様子を示す図。FIG. 9 is a diagram showing how a beat phenomenon occurs.

【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。
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the average pulse number near the output voltage fundamental wave zero crossing and the current pulsation.

【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。
FIG. 11 is a diagram showing that the state of transient current fluctuation immediately after mode switching differs depending on the transition phase.

【図12】図11(a)の切換えタイミングを示す図。FIG. 12 is a diagram showing the switching timing of FIG.

【図13】図11(b)の切換えタイミングを示す図。FIG. 13 is a diagram showing the switching timing of FIG. 11 (b).

【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。
FIG. 14 is a diagram showing a relationship between a transitional phase and a transient current fluctuation immediately after mode switching.

【図15】移行位相設定可能区間を示す図。FIG. 15 is a diagram showing transition phase settable sections.

【図16】PWMモード選択手段の構成の一例を示す
図。
FIG. 16 is a diagram showing an example of the configuration of PWM mode selection means.

【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。
FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the output voltage fundamental frequency and the switching frequency of the inverter in the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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
1 ... Integrator, 2 ... Multi-pulse generation means, 3 ... 1-pulse generation means, 4 ... PWM mode selection 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 → modulation wave amplitude reference conversion means, 22 ... Function y = sin
(x), 23 ... Switching frequency, 24 ... Switching function computing 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 selection 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 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 H02M 7/5387 H02P 7/63 Front page continuation (72) Inventor Mutsuhiro Terunuma 1070 Ige, Katsuta City, Ibaraki Prefecture Mito Plant, Hitachi, Ltd. (56) References JP-A-5-146160 (JP, A) JP-A-5-161364 (JP) , A) JP-A-3-32391 (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 H02M 7/5387 H02P 7/63

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】複数の制御モード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電圧可変周波数の三
相交流相電圧に変換し、その相電圧として正負2値のパ
ルスを出力する2レベルの電力変換装置において、 前記制御モードには、出力電圧基本波の半周期に複数の
電圧パルスを出力させるパルス幅変調制御モードと、出
力電圧基本波の半周期に単一の電圧パルスを出力させる
1パルス制御モードとの間に過変調制御モードを介在さ
せ、 該過変調制御モードは、出力電圧が大きくなるにしたが
い出力電圧基本波のピークから零クロスに向かって徐々
に電圧パルスの周期を長くすると共に、出力電圧基本波
の周期とは非同期にスイッチング制御することによって
スイッチング周波数を連続的に変化させ、出力周波数が
大きくなるにしたがいスイッチング周波数を徐々に下げ
ていくようにしたことを特徴とする電力変換装置。
1. A two-level control circuit that controls a plurality of switching elements in a plurality of control modes to convert a DC voltage into a three-phase AC phase voltage having a variable voltage and a variable frequency, and outputs positive and negative binary pulses as the phase voltage. In the power converter, in the control mode, a pulse width modulation control mode for outputting a plurality of voltage pulses in a half cycle of the output voltage fundamental wave, and a single voltage pulse in a half cycle of the output voltage fundamental wave 1 An overmodulation control mode is interposed between the pulse control mode and the overmodulation control mode, in which the cycle of the voltage pulse is gradually increased from the peak of the output voltage fundamental wave toward the zero cross as the output voltage increases. At the same time, the switching frequency is continuously changed by performing switching control asynchronously with the cycle of the output voltage fundamental wave, and the output frequency is increased. Power conversion device is characterized in that the outer switching frequency so gradually lowered.
【請求項2】複数の制御モード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電圧可変周波数の三
相交流相電圧に変換し、その相電圧として正負2値のパ
ルスを出力する2レベルの電力変換器と、該電力変換器
からの交流出力が供給され、電気車を駆動する電動機を
備えた電気車の制御装置において、 前記制御モードには、出力電圧基本波の半周期に複数の
電圧パルスを出力させるパルス幅変調制御モードと、出
力電圧基本波の半周期に単一の電圧パルスを出力させる
1パルス制御モードとの間に過変調制御モードを介在さ
せ、 該過変調制御モードは、出力電圧が大きくなるにしたが
い出力電圧基本波のピークから零クロスに向かって徐々
に電圧パルスの周期を長くすると共に、出力電圧基本波
の周期とは非同期にスイッチング制御することによって
スイッチング周波数を連続的に変化させ、出力周波数が
大きくなるにしたがいスイッチング周波数を徐々に下げ
ていくようにし、 前記電気車を低速域から高速域まで運転するとき、前記
パルス幅変調制御モードと、前記過変調制御モードと、
前記1パルス制御モードとを順次移行させることを特徴
とする電気車の制御装置。
2. A plurality of switching elements are controlled in a plurality of control modes to convert a direct current voltage into a three-phase alternating current phase voltage having a variable voltage and a variable frequency, and a positive and negative binary pulse is output as the phase voltage. In a control device for an electric vehicle, which is provided with an electric power converter and an AC output from the electric power converter, and includes an electric motor for driving the electric vehicle, the control mode includes a plurality of voltages in a half cycle of an output voltage fundamental wave. An overmodulation control mode is interposed between a pulse width modulation control mode for outputting a pulse and a one-pulse control mode for outputting a single voltage pulse in a half cycle of an output voltage fundamental wave. As the output voltage increases, the cycle of the voltage pulse is gradually lengthened from the peak of the output voltage fundamental wave toward the zero crossing, and the switching voltage is switched asynchronously with the cycle of the output voltage fundamental wave. The switching frequency is continuously changed by controlling so that the switching frequency is gradually decreased as the output frequency increases, and when the electric vehicle is driven from the low speed range to the high speed range, the pulse width modulation control is performed. Mode, the overmodulation control mode,
A control device for an electric vehicle, wherein the one-pulse control mode is sequentially shifted.
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