JP3618875B2 - パルス幅変調制御電力変換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三相交流を直流にまたは直流電源を三相交流にパルス幅変調制御変換を行うパルス幅変調制御電力変換器に、関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２は従来技術の理解を容易にするための三相インバータ，コンバータの一般的な交流制御系を示すものであって、１はパルス幅変調制御変換器（以下単に変換器という）、２は交流回路、３は交流制御器、４は三角波変調比較器である。すなわち、変換器１はスイッチング素子で構成されるインバータまたはコンバータであって、また、交流回路２がインバータの場合に変換器１に接続される電動機等の誘導負荷になり、コンバータの場合には変換器１と接続する三相リアクトルと電源回路になる。
交流制御器３は、制御量ＡＶを与えられる制御指令値＊ＡＶに一致するように、その制御誤差ｅを制御部分で増幅して三相の制御入力指令信号を出力する。
ここで、ｕ１ ，ｕ２ ，ｕ３ は交流制御入力指令値である。
三角波変調比較器４は、与えられた比較指令値ｖ１ ，ｖ２ ，ｖ３ をパルス幅変調し、変換器１を構成するスイッチング素子の開閉信号を出力することによって、変換器１を制御する目的を果たす。
【０００３】
そして、三角波変調比較器４に与える比較指令値ｖ１ ，ｖ２ ，ｖ３ の生成法は、代表的に２種類の方法がある。
第１には、最も簡単に交流制御器３の出力値を直接的に比較指令値とする方法である。
第２には、交流制御器３の出力値にその三倍の周波数をもつ補償値を重畳して比較指令値を得る方法である。
【０００４】
さらには、その補償値を得る生成方法は、つぎの手順で求められる。
（ステップ１）：交流制御器出力の交流制御入力指令値の振幅と位相角を求める。
その交流制御入力指令値ｕ１ ，ｕ２ ，ｕ３ の信号は、三相の対称した正弦波なため、式（１）のようにのように表せる。
ただし、Ｕ，θは各々正弦波信号の振幅値と位相角を表し、添字の１ ，２ ，３ は各相の番号である。
かように（ステップ１）では、交流制御入力指令値ｕ１ ，ｕ２ ，ｕ３ の瞬時値から、振幅値Ｕおよび位相角θを得る。
【０００５】
【数１】

【０００６】
（ステップ２）：位相角θの三倍の余弦値（ ｃｏｓ３θ）を、（３θ）を索引にして、三角関数テ−ブルから検出する。
（ステップ３）：重畳するための補償信号を、（ステップ１）で求められた基本波の振幅値Ｕと（ステップ２）で求められた三倍調波の余弦値（ ｃｏｓ３θ）との積（Ｕ ｃｏｓ３θ）に、比例した値とする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種の従来技術においては、第１の方法では変調率が１以下しか得られず、インバータの場合は高い出力が得られない。また、コンバータの場合は出力直流電圧値を高く設定しなければならない。さらには、交流波形のひずみ率が高いことは周知である。
第２の方法は、第１の方法の改善策として提案されているものの、前述した如くに補償信号の計算は複雑である。
特に、手順の（ステップ１）で振幅値Ｕを求めるとき、平方根演算，位相角θを求めるのに逆三角関数演算を必要とするため、実現が難しい。
また、（ステップ２）を実現するためには、予め三角関数テーブルを作っておく必要があって、経済的ではない。
【０００８】
しかして本発明の目的とするところは、交流制御器出力に補償信号が重畳された比較指令値を簡便かつ直接的に得るようにしたパルス幅変調制御電力変換器を提供する、ことにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述したような点に鑑みなされてものであって、つぎの如くに構成したものである。すなわち、
パルス幅変調制御される三相交流電源から供給される交流を直流にまたは直流電源から供給される直流を三相交流に変換する変換器と、制御量と制御指令値とを比較しその差を増幅して交流制御入力指令値（ｕ１ ，ｕ２ ，ｕ３ ）を出力する交流制御器と、与えられた比較指令値（ｖ１ ，ｖ２ ，ｖ３ ）をパルス幅変調して変換器のスイッチング素子の開閉信号を出力する三角波変調比較器とを備えて成るパルス幅変調制御電力変換器において、
交流制御入力指令値（ｕ１ ，ｕ２ ，ｕ３ ）の積をその自乗和で除算した値に比例した補償値（ｕ０ ）を求めかつ補償値（ｕ０ ）を交流制御入力指令値（ｕ１ ，ｕ２ ，ｕ３ ）それぞれに重畳した比較指令値（ｖ１１，ｖ２１，ｖ３１）を発生する三倍調波重畳機能部を、
具備して構成したものである。
【００１０】
かかる解決手段より、つぎの如き作用効果を奏し得る。
一般に、三角波変調比較器に入力する三つの比較指令値に同じ量の信号を重畳しても、制御効果が変わらないことが知られている。
ここで、その重畳する量を交流制御入力指令値の三倍周波数をもつものとすると、変調率が１以上に上げることができ、また、ひずみ率を下げる効果もある。特に、その三倍調波の振幅を、基本制御入力信号の振幅の６分の１にすると変調率が最大に１．１５まで上げられ、４分の１にするとひずみ率を最小に抑えることができる。
そして、前述の三倍調波重畳機能部を用いることにより、三倍調波の補償値を複雑な演算をすることなく生成でき、かつ三角波変調比較器に与える比較指令値を格別に得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
具体的には、特に、
制御量と制御指令値とを比較しその差を増幅して交流制御入力指令値を得る交流制御器と、交流制御入力指令値それぞれに補償値を重畳した比較指令値を得る三倍調波重畳機能部と、比較指令値をパルス幅変調して変換器のスイッチング素子の開閉信号を出力する三角波変調比較器とを備えて成り、
その三倍調波重畳機能部は交流制御入力指令値の積を交流制御入力指令値の自乗和で除算した値に比例した補償値を求めるようにしたものである。
さらに、本発明を図面を参照して、詳細説明する。
【００１２】
【実施例】
図１は本発明の説明のため図２に類して示したものであって、５は三倍調波重畳機能部である。
すなわち、三倍調波重畳機能部５が設けられてなり、交流制御器３出力の交流制御入力値ｕ１ ，ｕ２ ，ｕ３ を得て比較指令値ｖ１１，ｖ２１，ｖ３１を信号発生し得るものである。
その三倍調波重畳機能部５においては、後述する如く、交流制御入力指令値ｕ１ ，ｕ２ ，ｕ３ の積Ａをその自乗和Ｂで除算して得られる値に比例した三倍調波補償値ｕ０ を補償信号として、交流制御入力指令値ｕ１ ，ｕ２ ，ｕ３ それぞれに三倍調波補償値ｕ０ を重畳して得た比較指令値（ｖ１１＝ｕ１ −ｕ０ ，ｖ２１＝ｕ２ −ｕ０ ，ｖ３１＝ｕ３ −ｕ０ ）を与えるものであって、これより、変調率１以上にすることが可能でかつ波形ひずみ率が低いパルス幅変調制御信号が発生され、よって、変換器１を構成するスイッチング素子の開閉動作を制御し得るものである。
これを、さらに説明する。
【００１３】
まず、ゲインＫを除いた部分を計算してみる。
交流制御器出力の交流制御入力指令値（ｕ１ ，ｕ２ ，ｕ３ ）を得て、ここで、その積Ａを自乗和Ｂで除算するに、式（１）より式（２）の如くである。
さらに、式（２）の分子部分は式（３）となり、式（２）の分母部分は式（４）となる。
故に式（２）は式（５）となって、これは、丁度振幅値が基本波の６分の１になる３倍調波、となる。
【００１４】
【数２】

【数３】

【００１５】
よって、三倍調波重畳機能部５を効用することにより、制御性能を劣化せずに変調率とひずみ率を改善することができる。
特に、三倍調波重畳機能部５のゲインＫを、最大変調率を得るために（Ｋ＝１）にし、また最小ひずみ率を得るためには（Ｋ＝１．５ ）にすればよい。
【００１６】
本発明はあらゆる変換器すなわち三相コンバータ，インバータに適用できる。
つぎに、一例として最大変調率を得るための三倍調波重畳機能部５の演算手順を示す。なおこの場合、ゲインが（Ｋ＝１）なので最も簡単になる。
（ステップ１）：交流制御ループからの交流制御入力指令値ｕ１ ，ｕ２ ，ｕ３ を入力する。
（ステップ２）：三つの入力（ｕ１ ，ｕ２ ，ｕ３ ）の積Ａを求める。
（ステップ３）：三つの入力（ｕ１ ，ｕ２ ，ｕ３ ）の自乗和Ｂを求める。
（ステップ４）：（ステップ２）で求められた積Ａを（ステップ３）で求められた自乗和Ｂでで割算し、三倍調波補償値ｕ０ を得る。
（ステップ５）：（ステップ４）で得た三倍調波補償値ｕ０ を、元の交流制御入力指令値ｕ１ ，ｕ２ ，ｕ３ に、重畳（ｕ１ −ｕ０ ，ｕ２ −ｕ０ ｕ３ −ｕ０ ）して比較指令値ｖ１１，ｖ２１，ｖ３１を得る。
（ステップ６）：（ステップ５）で得られた比較指令値ｖ１１，ｖ２１，ｖ３１を、三角波変調比較器４へ出力する。
【００１７】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、つぎの効果を得ることができる。
（イ） 複雑な演算を必要とせず三角関数テーブルも設けずに、交流制御入力指令値の三倍調波補償値信号を、直接的にかつ簡単に生成できる。
（ロ） その三倍調波補償値を元の交流制御入力指令値に重畳して三角波変調比較器に信号送出し、ひずみ率と変調率とも改善することができる。
（ハ） 変調率を上げることによりインバータの最大出力を上げることができ、コンバータの出力直流電圧を低く設定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の説明のため示した系統ブロック図である。
【図２】図２は従来技術の説明のため示した系統ブロック図である。
【符号の説明】
１ パルス幅変調制御電力変換器（変換器）
２ 交流回路
３ 交流制御器
４ 三角波変調比較器
５ 三倍調波重畳機能部
＊ＡＶ 制御指令値
ＡＶ 制御量
ｅ 制御誤差
ｕ１ 交流制御入力指令値
ｖ１ 比較指令値
ｕ０ 三倍調波補償値
ｖ１１ 比較指令値

Claims (1)

1. パルス幅変調制御される三相交流電源から供給される交流を直流にまたは直流電源から供給される直流を三相交流に変換するパルス幅変調制御電力変換器１と、制御量と制御指令値とを比較しその差を増幅して交流制御入力指令値を出力する交流制御器３と、該交流制御入力指令値にその三倍調波信号を重畳するようにした三倍調波重畳機能部５を具備し、その出力である比較指令値をパルス幅変調して前記パルス幅変調制御変換器を構成するスイッチング素子の開閉信号を出力する三角波変調比較器４とを備えて成るパルス幅変調制御電力変換器において、
   前記三倍調波重畳機能部５は、前記各相の交流制御入力指令値の積をそれらの自乗和で除算した値に比例した補償値ｕ０を求めかつ該補償値を前記交流制御入力指令値それぞれに重畳した前記比較指令値を発生するように構成したことを特徴とするパルス幅変調制御電力変換器。

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