JP3677552B2 - Electric vehicle power converter - Google Patents

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Description

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の改良に関し、
特に、電気車の電力変換装置の出力電圧の制御に関する。
The present invention relates to an improvement of a power converter that converts direct current to alternating current or alternating current to direct current,
In particular, the present invention relates to control of the output voltage of a power converter for an electric vehicle .

3レベルインバータは、直流電源電圧(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、次のような特徴を備えている。
すなわち、出力電圧パルスのステップ数が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。
(1)ニュー デベロップメンツ オブ 3 レベル ピーダブリュエム ストラ テジーズ「New Developments of 3−Level PWM Strategies」(EPE’89Record,1989)の412頁、図1(非特許文献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。
(2)ピーダブリュエム システム イン 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 in Power Converters:An Extension of the“Subharmonic”method」(IEEE Trasaction on Industrial Electoronics and Control Instrumentation, Vol.IECI−28,No.4,November 1981)の316頁、図2(b)(非特許文献2)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。
(3)スタディ オブ 2 アンド 3 レベル 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 Modulations」(EPE’91 Record,1991)の411頁、図16(非特許文献3)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。
The three-level inverter generates three voltage levels of high potential, intermediate potential, and low potential by dividing the DC power supply voltage (overhead voltage) into two DC voltages with a series-connected capacitor. These three levels of voltages are selectively derived to the inverter output terminal by the on / off operation, and have the following characteristics.
That is, by increasing the number of steps of the output voltage pulse, the apparent switching frequency is increased and an output with less distortion can be obtained. Since the voltage applied to the element is halved compared to the two levels, a switching element having a relatively low breakdown voltage can be used. The loss generated around the element can be reduced as the applied voltage of the element decreases.
By the way, as a method for controlling generation of output voltage pulses of the three-level inverter, there are the following methods.
(1) New Developments of Three Levels, P4B Strategies “New Developments of 3-Level PWM Strategies” (EPE '89 Record, 1989), page 412, FIG. 1 (Non-Patent Document 1) shows dipolar modulation (output) Modulation method called unipolar modulation (by outputting a pulse of a single polarity during the half cycle of the output voltage), which expresses the output voltage by alternately outputting positive and negative pulses via a zero voltage within a half cycle of the voltage A modulation method called “representing output voltage” and a modulation method in which the dipolar modulation and the unipolar modulation are mixed in one cycle (hereinafter referred to as partial dipolar modulation) have been proposed.
(2) Pdw system in power converters: Unextension of the subharmonic method “PWM Systems in Power Converters: An Extension of the“ Subharmonic ”method of Instrumental Industr. -28, No. 4, November 1981), page 316, Fig. 2 (b) (non-patent document 2), the half cycle of the output voltage is composed of a plurality of single-polarity pulses. A modulation method that expresses the output voltage by reducing the number of pulses so as to fill the slits between them (hereinafter referred to as excessive Tone referred to as) has been proposed.
(3) Study of 2 and 3 Level Precalculated Modulations “Study of 2 and 3-Level Precalculated Modulations” (EPE '91 Record, 1991), page 411, FIG. 16 (Non-patent Document 3) An output voltage pulse generation control method for covering the output voltage from 0 to 100% has been proposed.

「New Developments of 3−Level PWM Strategies」(EPE’89Record,1989)の412頁、図1"New Developments of 3-Level PWM Strategies" (EPE'89 Record, 1989), page 412, FIG. 「PWM Systems in Power Converters:An Extension of the“Subharmonic”method」(IEEE Trasaction on Industrial Electoronics and Control Instrumentation, Vol.IECI−28,No.4,November 1981)の316頁、図2(b)“PWM Systems in Power Converters: An Extension of the“ Subharmonic ”method” (IEEE Transactions and Industrial Instruments, Vol. 3, Vol. 3, No. 3, Vol. 「Study of 2 and 3−Level Precalculated Modulations」(EPE’91 Record,1991)の411頁、図16Page 411 of "Study of 2 and 3-Level Precalculated Modulations" (EPE'91 Record, 1991), FIG.

ところで、例えば鉄道車両のような用途に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。
ところで、上記従来技術(1)は、ゼロを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。
また、上記従来技術(2)に示された技術では、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。
ところで、上記従来技術(1)は、出力電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。
さらに、上記従来技術は、変調方式やパル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。
本発明の課題は、3レベルインバータの出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し、3レベルインバータを電気車に搭載したときに発生する不連続音を防止することにある。
By the way, in the case of using a three-level inverter for an application such as a railway vehicle, in order to realize speed control over a wide range, the maximum voltage from which zero voltage reaches 100% (a single output voltage within a half cycle of the output voltage). It is required that the fundamental wave of the inverter output voltage can be continuously controlled and the harmonics of the inverter output voltage can be controlled smoothly until the voltage range where only the pulse exists, hereinafter referred to as one pulse.
By the way, in the above prior art (1), dipolar modulation that can control a minute voltage including zero, unipolar modulation means that covers a medium speed region (medium voltage), and 1 pulse that covers the maximum voltage are switched. The maximum voltage can be output from zero voltage, and the continuity of the fundamental wave can be maintained, but the harmonics of the output voltage become discontinuous when switching between unipolar modulation and one pulse, and noise due to sudden and large changes in frequency There was a problem that occurred.
Further, the technique shown in the above prior art (2) has a problem that the maximum voltage cannot be expressed from zero voltage.
In the prior art (1), in order to continuously control the fundamental wave of the output voltage, pulse data corresponding to the phase and voltage of the fundamental wave is stored in a memory, and a pulse train corresponding to each modulation is generated based on this data. Since it is an output, the control is complicated. Furthermore, since the prior art (3) is a modulation method that switches the number of pulses existing in a half cycle of the fundamental wave in unipolar modulation, there is a problem in that control is complicated.
Furthermore, the above-described prior art has a problem that an unpleasant discontinuous sound is generated when the modulation method and the number of pulses are switched.
The object of the present invention is to control the output voltage of the three-level inverter from zero to the maximum, realize three-level pulse generation control that can continuously and smoothly control the inverter output voltage, and mount the three-level inverter on an electric vehicle. It is to prevent the discontinuous sound that occurs.

上記課題を解決するために、複数のスイッチング素子のスイッチング制御によ
り直流を正、負、中間電圧である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、該電力変換器のスイッチング素子を制御し、該電力変換器の出力
側に接続されて電気車を駆動する交流電動機を加減速制御する制御装置とを備え
た電気車の電力変換装置において、電気車の低速での運転領域では、電力変換器
の出力電圧基本波の半周期内に、同一極性の複数の電圧パルスを連続して出力す
る第1の期間と、当該第1の期間の前後に正と負の電圧パルスを中間電圧を介し
て交互に出力する第2の期間とを有する第1パルス幅変調制御手段と、電気車の
低速での運転領域よりも高速運転領域では、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電力変換器の相に発生させる第2パルス幅
変調制御手段と、第1及び第2のパルス幅変調制御手段を運転領域に応じて移行
させる手段とを備えてなる
In order to solve the above problems, a power converter that converts a direct current into an AC phase voltage having a three-level potential that is a positive, negative, and intermediate voltage by switching control of a plurality of switching elements, and a switching element of the power converter controls, operating range of the power conversion device for an electric vehicle and a control device for acceleration and deceleration control the connected AC motor that drive the electric vehicle on the output side of the power converter, at a low speed of an electric vehicle In the power converter
Within a half cycle of the output voltage fundamental wave, multiple voltage pulses with the same polarity are output continuously.
A positive voltage pulse and a negative voltage pulse before and after the first period via an intermediate voltage.
First pulse width modulation control means having a second period of alternating output, and an electric vehicle
In the high-speed operation region than in the low-speed operation region, the fundamental wave of the output phase voltage of the power converter
Second pulse width for generating a plurality of single polarity pulse trains in the phase of the power converter in a half cycle
Shifts modulation control means and first and second pulse width modulation control means according to the operation region
Means .

本発明によれば、インバータ出力電圧を連続的かつスムーズに調整することが
でき、3レベルインバータによる交流電動機の可変速制御において、特に加減速
期間でのインバータ出力電圧の連続性が得られるので、不連続な騒音、異音を防
止することができ、低騒音な電気車を提供することができる。

According to the present invention, the inverter output voltage can be adjusted continuously and smoothly. In the variable speed control of an AC motor using a three-level inverter, in particular acceleration / deceleration
Inverter output voltage continuity over time can be obtained, preventing discontinuous noise and abnormal noise
An electric vehicle that can be stopped and that is low in noise can be provided.

以下、本発明の概要を表1及び図1から図3を用いて説明した後、実施例1を図1及び図4から図13を用い、実施例2を図14及び図15から図19を用いて説明する。
3レベルインバータ(NPCインバータともいう)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。
Hereinafter, the outline of the present invention will be described with reference to Table 1 and FIGS. 1 to 3, and then Example 1 will be described with reference to FIGS. 1 and 4 to 13, Example 2 will be described with reference to FIGS. 14 and 15 to 19. It explains using.
A three-level inverter (also referred to as an NPC inverter) divides a DC power supply voltage (in the case of an electric vehicle, an overhead wire voltage) into two DC voltages by a capacitor connected in series, thereby generating a high potential, an intermediate potential, and a low potential 3 One voltage level is created, and these three levels of voltages are selectively derived to the inverter output terminal by the on / off operation of the main circuit switching element.

この主回路構成の一例として、鉄道用電気車に適用した場合の基本構成(3相の場合)を図1に示す。
図1において、4は直流電圧源である直流架線(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。
As an example of the main circuit configuration, FIG. 1 shows a basic configuration (in the case of three phases) when applied to a railway electric vehicle.
In FIG. 1, 4 is a DC overhead line (train line) which is a DC voltage source, 50 is a DC reactor, 51 and 52 are for generating an intermediate potential point O (hereinafter referred to as a neutral point) from the voltage of the DC voltage source 4. This is a clamp capacitor that is divided. 7a, 7b and 7c are constituted by switching elements capable of self-extinguishing, and a high potential point voltage (P point voltage), a neutral point voltage (O point voltage) and a low potential point according to a gate signal applied to the switching element. This is a switching unit that selectively outputs a voltage (N-point voltage). In this example, the switching unit 7a has 70 to 73 self-extinguishing switching elements (in this case, IGBTs, but may be GTOs, transistors, etc.), 74 to 77 reflux rectifiers, and 78 and 79 auxiliary rectifiers. It consists of elements. Further, the load is shown for the induction motor 6. The switching units 7b and 7c have the same configuration as 7a.

ここではまず、U相のスイッチングユニット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。   Here, first, the basic operation of the U-phase switching unit 7a will be described with reference to Table 1.

Figure 0003677552

なお、以下では、クランプコンデンサ51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。
スイッチングユニット7aを構成するスイッチング素子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、71,72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。
表1中に各出力モードにおける主回路1相分(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。
Figure 0003677552

In the following description, it is assumed that the voltages vcp and vcn of the clamp capacitors 51 and 52 are DC voltages that are completely smooth and divided by Ed / 2, and the neutral point (0 point) is virtually grounded. Unless otherwise noted, the output voltage indicates the inverter output phase voltage.
As shown in Table 1, the switching elements 70 to 73 constituting the switching unit 7a are turned on / off according to three conduction patterns. That is, in the output mode P that outputs the P-point potential on the DC side, 70 and 71 are on, 72 and 73 are off, the output voltage is Ed / 2, and in the output mode O that outputs the neutral point potential, 71 , 72 are on, 70, 73 are off, a zero potential is output as an output voltage, and in an output mode N that outputs an N-point potential, 70, 71 are off, 72, 73 are on, and the output voltage is -Ed / 2.
Table 1 shows an equivalent circuit of one phase of the main circuit (switching unit and clamp capacitor) in each output mode. The switching unit can be equivalently regarded as a three-way changeover switch. Here, when switching functions Sp and Sn representing the conduction state of the element by binary values of 1 and 0 are used,
When output mode P: Sp = 1, Sn = 0
In the output mode O, Sp = 0, Sn = 0
When the output mode is N: Sp = 0, Sn = 1
Can be expressed as At this time, the relationship between the switching functions Sp, Sn and the gate signals Gpu, Gpx, Gnx, Gnu (off signal is 0 and on signal is 1) given to the switching elements 70, 71, 72, 73 is as follows. I can express.

Figure 0003677552
従って、各相毎に2つのスイッチング関数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。
なお、3レベルインバータの主回路の詳細は、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。
Figure 0003677552
Therefore, by preparing two switching functions Sp and Sn for each phase, the conduction state of the switching element can be determined. The switching functions Sp and Sn are determined so that the output voltage eu becomes sinusoidal by pulse width modulation (PWM) control.
Details of the main circuit of the three-level inverter are described in JP-A-51-47848, JP-A-56-74088, and the like.

ところで、電気車のように限られた電源電圧で、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。
例えば、インバータ出力電圧の電圧パルス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、
By the way, in the case of performing speed control over a wide range from the variable voltage variable frequency (VVVF) region to the constant voltage variable frequency (CVVF) region with a limited power supply voltage as in an electric vehicle, the output shown by the solid line in FIG. Voltage characteristics are required. That is, by adjusting the output voltage in proportion to the inverter frequency in the low speed region (this region is referred to as the VVVF control region), the magnetic flux in the motor is kept substantially constant, a predetermined torque is ensured, In the high-speed region, the inverter frequency is continuously increased while maintaining the maximum output voltage of the inverter (this region is called the CVVF control region), thereby realizing high-speed operation with the maximum voltage utilization rate with a limited voltage. is there.
However, in the conventionally known unipolar modulation method, the minimum output pulse determined by the minimum on-time of the switching element in a region where the inverter frequency is low and a minute output voltage control is required (near the starting point of the VVVF control region). A voltage pulse smaller than the width cannot be realized, and a voltage larger than the command is output as shown by a broken line in FIG.
For example, when considering the case where the voltage pulses of the inverter output voltage all have a minimum pulse width determined by the minimum on-time Ton of the switching element, the output voltage effective value E at this time is

Figure 0003677552
ここに、Fc:キャリア周波数
で与えられ、これよりも小さな電圧は制御できない。ここで、Emaxは180゜通流の方形波電圧の実効値であり、
Figure 0003677552
Here, Fc is given by the carrier frequency, and a voltage smaller than this cannot be controlled. Here, Emax is the effective value of the square wave voltage with 180 ° flow,

Figure 0003677552
で与えられ、3レベルインバータの最大出力電圧もほぼこの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。
Figure 0003677552
The maximum output voltage of the three-level inverter is almost equal to this Emax.
According to the above (Equation 2), when Fc = 500 kHz and Ton = 100 μs, E = 0.1Emax. In this case, a voltage of 10% or less of the maximum output voltage Emax cannot be controlled. For this reason, the lower limit value of the controllable output voltage is limited only by unipolar modulation, and there is a problem that continuous voltage control is difficult.

これを解決するためには、ダイポーラ変調(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。
一方、ユニポーラ変調で出力し得る最大電圧Eは、理想的な正弦波変調の限界点(変調率A=1)で
In order to solve this problem, dipolar modulation (dipolar mode) is effective. However, in the prior art, attention is required when shifting from this dipolar modulation to unipolar modulation (unipolar mode).
On the other hand, the maximum voltage E that can be output by unipolar modulation is the limit point of ideal sine wave modulation (modulation factor A = 1).

Figure 0003677552
であり、スイッチング素子の最小オフ時間Toffを考慮した場合には、
Figure 0003677552
In consideration of the minimum OFF time Toff of the switching element,

Figure 0003677552
ここに、Fc:キャリア周波数
となる。例えば、Fc=500Hz,Toff=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。
この電圧範囲をカバーする変調方式は種々考えられるが、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。
Figure 0003677552
Here, Fc is the carrier frequency. For example, when Fc = 500 Hz and Toff = 200 μs, E = 0.707 Emax. In this case, only about 70% of the maximum output voltage Emax can be covered. At this time, if the pulse width of the 1-pulse mode cannot be adjusted, the fundamental wave becomes discontinuous. If the pulse width of the 1-pulse mode can be adjusted, the pulse width is reduced to maintain continuity. This time, the continuity of the harmonics is lost.
Various modulation methods that cover this voltage range are conceivable, but overmodulation (overmodulation mode) is considered from the viewpoints of ease of pulse generation control, consistency with unipolar modulation, continuity of harmonics contained in the output voltage, etc. It can be said that it is the most effective. In the overmodulation region, it is possible to expand the output voltage to near one pulse by gradually filling the narrow slit between pulses in the middle part of the voltage pulse train of the output voltage half cycle (near the peak of the fundamental wave instantaneous value). It is said.

過変調制御の極限、すなわち、変調率が極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。
そこで、過変調制御から、過変調の延長で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。
In the limit of overmodulation control, that is, in a region where the modulation rate is extremely large, the mode shifts to a so-called one-pulse mode in which only one pulse exists in a half cycle of the output voltage, and the output voltage at this time reaches approximately Emax. However, as it is, the transition timing from overmodulation to one pulse or from one pulse to overmodulation depends on the modulation rate and the carrier frequency. Therefore, this timing cannot be arbitrarily set. Voltage continuity is impaired.
Therefore, the overmodulation control is shifted to one-pulse control capable of voltage control by pulse width control that is not an extension of overmodulation (that is, how to create a one-pulse mode in which the modulation rate is not infinite). This enables transition at a predetermined timing between overmodulation and one-pulse control, and realizes continuous transition of the fundamental voltage.

これら一連の移行制御を連続的に行うことにより、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。
すなわち、図2に示すように、誘導電動機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。
By continuously performing these series of transition controls, a stable and stable output voltage can be obtained continuously from zero voltage to the maximum voltage while selecting a pulse mode corresponding to the required output voltage.
That is, as shown in FIG. 2, when the induction motor 6 is controlled at V / F = constant as shown in the figure, dipolar modulation is used from the start to F1, and when the inverter frequency reaches F1, the unipolar modulation region is entered. Then, F2 is sequentially shifted to the overmodulation region, and further F3 is shifted to one pulse region.

以上の考えを、統一した電圧指令に基づいて実現を可能とした変調波の一例を図3に示す。
出力電圧の基本波成分に比例した基本変調波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。
FIG. 3 shows an example of a modulated wave that can realize the above idea based on a unified voltage command.
The fundamental modulation wave a proportional to the fundamental wave component of the output voltage is created from the following equation based on the inverter frequency command Fi * and the output voltage command E * from the higher-level current control means.

Figure 0003677552
ここに、A:変調率,t=時間,θ:位相(=2πFi*t)
ここで、正弦波変調領域における変調率A(0≦A≦1)は、次式で与えられる。
Figure 0003677552
Where A: modulation factor, t = time, θ: phase (= 2πFi * t)
Here, the modulation factor A (0 ≦ A ≦ 1) in the sine wave modulation region is given by the following equation.

Figure 0003677552
この基本変調波aは、ダイポーラ変調,ユ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。
Figure 0003677552
The fundamental modulation wave a is exactly the same for dipolar modulation and unipolar modulation, and is the same in overmodulation except that the calculation method of the modulation factor A is different as will be described later.

ダイポーラ変調とユニポーラ変調の間を連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。   In order to enable continuous transition between dipolar modulation and unipolar modulation, here, positive and negative bias modulated waves abp and abn shown in the following equations are provided.

Figure 0003677552
ダイポーラ変調制御では、上記abp,abnがそのまま正側変調波apと負側変調波anとなる。
Figure 0003677552
In the dipolar modulation control, the above abp and abn become the positive modulation wave ap and the negative modulation wave an as they are.

Figure 0003677552
なお、ここではスイッチング関数Sp,Sn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、ap,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。
Figure 0003677552
Here, in order to simplify the creation of the switching functions Sp and Sn, both ap and an are set to be positive. Finally, the pulse width of the output voltage is set in proportion to the magnitudes of ap and an, and in the case of dipolar modulation, control is performed by shifting the positive and negative pulses by approximately 180 °.

ユニポーラ変調では、正負変調波ap,anは、   In unipolar modulation, the positive and negative modulation waves ap, an are

Figure 0003677552
Figure 0003677552

Figure 0003677552
で与えられる。
スイッチング素子の最小オフ時間が無視で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)。
ここで、バイアスBの設定は移行制御にお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。
一方、過変調制御では、変調率Aを1以上まで高め、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。
さらに電圧指令を高めた場合には、過変調モードから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。
このように、ダイポーラ変調,ユニポーラ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。
Figure 0003677552
Given in.
When the minimum OFF time of the switching element is negligibly small, the maximum pulse is output when the instantaneous value of ap and an is 1 or more (overmodulation described later).
Here, it can be seen that the setting of the bias B is extremely important in the transition control. The transition control between the dipolar modulation region and the unipolar modulation region is realized by the value of B,
(A) When A / 2 ≦ B <0.5 Dipolar modulation (b) When B = 0 Unipolar modulation.
On the other hand, in the overmodulation control, the modulation factor A is increased to 1 or more, and a slit (zero voltage output period) between pulses in the central portion of the half cycle of the output voltage is suppressed to improve the output voltage.
When the voltage command is further increased, the overmodulation mode is shifted to the 1 pulse mode. This operation will be described in the following embodiments.
In this way, dipolar modulation, unipolar modulation, and overmodulation are realized based on a unified voltage command, and continuous transition control up to one pulse that becomes the maximum output becomes possible.

以下、上記考え方を実現する実施例1の構成を説明する。
図1は、前述のスイッチングユニットを制御して、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。
図1において、1は出力電圧関連情報及び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。
なお、この例では、パルス幅変調手段に取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。
さらに、このFi*と3レベルインバータの直流電圧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。
この出力電圧設定手段82は、Edが低い場合(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。
The configuration of the first embodiment that realizes the above concept will be described below.
FIG. 1 shows an example of a pulse width modulation device that controls the above-described switching unit and outputs an AC voltage having a three-level potential.
In FIG. 1, 1 is a multi-pulse generating means for outputting a dipolar modulation waveform, a unipolar modulation waveform, or an overmodulation waveform in accordance with output voltage related information and transition control information, and 2 outputs a 1 pulse waveform in accordance with output voltage related information (1 1-pulse generating means (pulse mode), and 3 is a transition control means for continuously shifting each PWM mode. The gate signal which is the output of the transition control means 3 is given to the switching element in the switching unit of each phase via a gate amplifier (not shown), and is turned on / off. The pulse width modulation means composed of the multi-pulse generation means 1, the 1-pulse generation means 2 and the transition control means 3 is a characteristic part of the present invention.
In this example, the output voltage related information taken into the pulse width modulation means is given from the higher-level current control means 8. The current control means 8 creates a slip frequency command Fs * of the induction motor 6 from the current command by the current adjustment means 81 (by the deviation between the current command value and the actual motor current), and the rotational frequency attached to the induction motor 6. The inverter frequency command Fi * is created by adding the rotation frequency Fr of the induction motor detected by the detecting means 61 and the Fs *.
Further, the output voltage setting means 82 creates an output voltage command E * based on this Fi * and the DC voltage Ed of the three-level inverter (a voltage between PNs and equal to the sum of the clamp capacitor voltages vcp + vcn).
The output voltage setting means 82 sets a large slope when Ed is low (Ed = Ed1) and a small slope when Ed is high (Ed = Ed3) so that the output voltage always becomes as required. Thus, the output voltage characteristic shown in FIG. 2 is realized. These current control means may output an instantaneous value of the output voltage.

上記パルス幅変調手段の構成と動作について、図4から図11を用いて詳細に説明する。
図4に、パルス幅変調手段の全体構成例を示す。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。
基本変調波発生手段11は、出力電圧関連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abnを作成して出力する。
The configuration and operation of the pulse width modulation means will be described in detail with reference to FIGS.
FIG. 4 shows an example of the overall configuration of the pulse width modulation means. Here, the multi-pulse generation unit 1 includes a fundamental modulation wave generation unit 11, a bias superimposition unit 12, a positive / negative distribution unit 13, a reference signal generation unit 14, and a pulse generation unit 15.
The fundamental modulation wave generating means 11 obtains the phase θ by time integrating the inverter frequency command Fi * received as the output voltage related information by the phase calculating means 112, and obtains the sine value sin θ at this θ. On the other hand, the amplitude setting means 111 calculates and outputs the amplitude A (modulation factor) of the fundamental modulation wave from the voltage command E *, which is one of the output voltage related information, and halves and then multiplies it by sin θ to obtain an amplitude of 1 / Two instantaneous basic modulation waves a / 2 are generated and output. The bias superimposing means 12 adds and subtracts the bias B from the multi-pulse transition control means 31 of the transition control means 3 to this a / 2 to create and output two positive and negative bias modulated waves abp and abn.

ここで、ダイポーラ変調とユニポーラ変調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。
さらに、上記正負バイアス変調波abp,abn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。
この正負変調波ap,anに基づいて、パルス発生手段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14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。
Here, the continuous transition between the dipolar modulation and the unipolar modulation depends on the setting of the bias B. FIG. 5 shows a configuration example of the dipolar / unipolar transition control means 311 performed by setting the bias B. The dipolar / unipolar transition control means 311 obtains the modulation rate A by multiplying the output voltage command E * by 4 / π by 311a, and the bias generation means 311b determines the bias B corresponding to the modulation rate A. That is, B = Bo (where Bo ≧ A / 2) is set where the modulation factor A is small and a minute output voltage is required, and B = 0 is set when A = A1 is reached. If A1 is determined in advance so that the output voltage when A = A1 is larger than the voltage shown in Expression (2), voltage control from a minute voltage including zero becomes possible.
Further, the positive and negative bias modulated waves abp and abn are distributed and synthesized by the positive / negative distribution means 13 to the positive part of abp and abn to ap and the negative part of abp and abn to an. The positive and negative modulation waves ap, an maintaining the continuity of the fundamental component of the output voltage from unipolar modulation to unipolar modulation are generated.
Based on the positive and negative modulation waves ap, an, the pulse generator 15 generates switching functions Sp, Sn having a pulse generation period of 2 To. The reference signal generation means 14 determines the pulse generation period To according to the switching frequency command Fsw *. Here, the relationship between Fsw * and To can be expressed by the following equation.

Figure 0003677552
Figure 0003677552

パルス発生手段15のパルス発生動作を図6を用いて説明する。
図6において、パルスタイミング設定手段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)。
The pulse generation operation of the pulse generation means 15 will be described with reference to FIG.
In FIG. 6, the pulse timing setting means 151 obtains the rising timing Tpup of Sp and the falling timing Tndn of Sn from the following equations based on ap, an, aoff, and To (an and aoff will be described later). Process 1).

Figure 0003677552
Figure 0003677552

Figure 0003677552
次の周期では、Spの立下がりのタイミング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)。
Figure 0003677552
In the next cycle, the fall timing Tpdn of Sp and the rise timing Tnup of Sn are obtained in the same manner as in process 1 (process 2).

Figure 0003677552
Figure 0003677552

Figure 0003677552
上記の処理1と処理2を交互に行うことにより、スイッチング関数Sp,Snが作成される。
ここで、aon,aoffは、スイッチング素子の最小オン時間Ton及び最小オフ時間Toffから定まる値であり、
Figure 0003677552
The switching functions Sp and Sn are created by alternately performing the processing 1 and the processing 2 described above.
Here, aon and aoff are values determined from the minimum on-time Ton and the minimum off-time Toff of the switching element,

Figure 0003677552
で与えられる。すなわち、図7(Spの例)に示すように、オンパルス幅Twon、及びオフパルス幅Twoffは、
Figure 0003677552
Given in. That is, as shown in FIG. 7 (example of Sp), the on-pulse width Twon and the off-pulse width Twoff are

Figure 0003677552
となり、図8の破線で示す特性を持つ。ここで、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。
Figure 0003677552
And has the characteristics shown by the broken line in FIG. Here, the solid line in FIG. 8 prevents the on-pulse width Twon from being equal to or less than the minimum on-time Ton determined by the switching element and the off-pulse width Twoff to be equal to or less than the minimum off-time Toff defined by the switching element. The characteristics shown are as follows. In order to realize this, the function of the pulse timing setting means 151 of FIG. 6 is added. Since the discontinuity of the fundamental component of the output voltage generated by this is extremely small, it can be ignored.

なお、aoffは出力電圧基本波成分の不連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。
すなわち、パルスタイミング設定手段151が自動的にユニポーラから過変調に移行させるのでaoff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。
スイッチング関数発生手段152は、周期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。
Note that aoff can be varied within a range in which the discontinuity of the fundamental component of the output voltage can be ignored, and is given from the unipolar / overmodulation transition control means 312 as the transition timing from unipolar modulation to overmodulation. If aoff is set constant, pulse generation can be simplified.
That is, since the pulse timing setting unit 151 automatically shifts from unipolar to overmodulation, it is not necessary to provide the unipolar / overmodulation shift control unit 312 that outputs aoff.
The switching function generating means 152 generates a reference signal having a period To and sets Sp and Sn based on the above Tpup, Tndn or Tpdn, Tnup in synchronization therewith.

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。   An example of the switching function during overmodulation is shown in FIG. When the instantaneous value Ap of ap exceeds aoff, the slits between the pulses of the switching function Sp (hatched portions in FIG. 9C) are filled. The buried slit width is smaller than the minimum OFF time Toff of the switching element, and gradually disappears by about 1 to 2 at a time.

パルスタイミング設定手段151をソフトウェアで実現する場合のフローチャートを図10に示す。
ところで、過変調制御では、出力電圧半周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。
そこで、変調率Aの設定を非線形化することにより、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。
FIG. 10 shows a flowchart when the pulse timing setting means 151 is realized by software.
By the way, in overmodulation control, the maximum voltage state is maintained by filling a slit between pulses in the central portion of the output voltage half cycle, and PWM control is performed only in the vicinity of the zero cross of the modulated wave. Therefore, in this region, the modulation factor A and the output voltage that is actually output are nonlinear, and even if the modulation factor A is increased linearly, the output voltage does not increase linearly following this.
Therefore, by linearizing the setting of the modulation factor A, the output voltage at the time of overmodulation is linearized. That is, if the switching frequency in the PWM control portion is sufficiently high, the relationship between the fundamental value E of the output voltage and the modulation factor A can be expressed by the following equation.

Figure 0003677552
従って、上式の関係からあらかじめE*とAの関係を算出しておき、図11に示す振幅設定手段111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。
Figure 0003677552
Therefore, the output voltage can be linearly adjusted with respect to E * by calculating the relationship between E * and A in advance from the relationship of the above equation and configuring the amplitude setting means 111 shown in FIG. As a result, it is possible to improve voltage controllability particularly in a high voltage range close to one pulse.

さらに電圧指令を高めた場合には、移行制御手段3の切換えスイッチ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
PM=0のとき 多パルス側
PM=1のとき 1パルス側
に切換えられる。図12に、1パルス/多パルス切換え制御手段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パルス発生手段2は、位相演算手段21、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。
When the voltage command is further increased, the overmodulation mode is shifted to the one-pulse mode by the action of the changeover switch 32 of the transition control means 3. Changeover switch 32, which is one S PM of the output of the multi-pulse transfer controlling means 31
Multi-pulse side when S PM = 0
When S PM = 1, it is switched to the 1 pulse side. FIG. 12 shows an example of the 1-pulse / multi-pulse switching control means 313. In this example, hysteresis is provided so that when the voltage command E * exceeds E1P, the multi-pulse mode is shifted to the 1-pulse mode, and when E * is smaller than EMP, the mode is shifted from the 1-pulse mode to the multi-pulse mode. Yes. This suppresses inadvertent PWM mode transition and obtains a stable output voltage with little transient fluctuation.
The one-pulse generating unit 2 includes a phase calculating unit 21 and a pulse generating unit 22. The operation of the phase calculation means 21 may be exactly the same as 111, and 21 may be omitted and the output of 111 may be used.

パルス発生手段22の構成例を図13に示す。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   A configuration example of the pulse generating means 22 is shown in FIG. Unlike the two-level PWM, the three-level PWM can adjust the output voltage by controlling the pulse width during one-pulse control. Therefore, from the voltage command E *, the rise timing phase α and the fall timing phase β of the pulse are calculated.

Figure 0003677552
で求める。このα,βを位相θを基準にしてセットし、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。
Figure 0003677552
Ask for. By setting α and β with reference to the phase θ, and creating and outputting Sp and Sn, a one-pulse waveform is realized.

このように、ダイポーラ変調,ユニポーラ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。
In this way, dipolar modulation, unipolar modulation, and overmodulation are realized based on a unified voltage command, and continuous transition control up to one pulse that becomes the maximum output becomes possible.
In this embodiment, the output voltage can be continuously and smoothly adjusted from the zero voltage to the maximum voltage, and there is an effect that it is possible to provide a highly accurate and stable output voltage.

ところで、図4に示した実施例1では、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。
この理由は、多パルス領域において同期式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。
つまり、第1の問題は、同期式は、インバ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。
また、第2の問題は、従来技術に示された同期式は、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。
In the first embodiment shown in FIG. 4, the output pulse train of the multi-pulse generator is generated asynchronously with the inverter frequency, and the output pulse of the one-pulse generator is controlled in synchronization with the inverter frequency.
The reason for this is that, in the above-described conventional technique that employs the synchronous system in the multi-pulse region, first, control for phase management is complicated, and second, the output voltage command is distorted from a sine wave due to some control request. When there is a need to correct the output voltage command (in FIG. 1, the inverter frequency Fi * and the output voltage command E * are adjusted according to the requirements for electric vehicle control), there is a problem that the output voltage command cannot be faithfully reproduced.
In other words, the first problem is that the synchronous type outputs a pulse that is an integer multiple of the inverter frequency, and therefore has a table having a relationship between the phase and the generated pulse for each pulse mode, and the phase obtained from the pulse mode and the inverter frequency. From this, the pulse generation phase is read out and output. The amount of calculation required for the management of the phase and the memory for each pulse mode become enormous, resulting in complicated control.
The second problem is that the synchronous type shown in the prior art has pulse data for 90 °, but the data is created so that the output voltage is a sine wave. There is a problem that it cannot be expressed accurately.

そこで、本実施例では、多パルスモードに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。
すなわち、第1の問題に対しては、パルス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。
また、第2の問題に対しては、非同期式であると、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。
また、非同期式にすると、スイッチング周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。
Therefore, in this embodiment, these solutions are achieved by making the generation of pulses in the multi-pulse mode asynchronous with the inverter frequency.
That is, for the first problem, the pulses can be generated independently without being constrained by the inverter frequency for generating the pulses. That is, in FIG. 4, the switching frequency command Fsw * can be set independently of the inverter frequency command Fi * (FIG. 4, the reference generation 14 is independent of the inverter frequency).
For this reason, a complicated control procedure for generating a pulse is not required, and the control can be simplified.
Also, for the second problem, the asynchronous method eliminates the need for data for each phase and can output a pulse corresponding to an instantaneous voltage command. Even so, it can be expressed faithfully. In addition, since the control related to the phase calculation and the like is simplified as described above, the calculation for outputting the pulse corresponding to the sequential voltage command can be performed, and the calculation cycle can be shortened. The degree can be increased.
In addition, since the switching frequency does not depend on the inverter frequency when the asynchronous method is used, the change in the switching frequency can be minimized, and the change in sound quality before and after the pulse mode switching (abnormal noise, unpleasant sound) seen in the synchronous method There is also an effect that can be minimized.

また、上記実施例は3レベルインバータを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。   Although the above embodiment has been described by taking a three-level inverter as an example, the same applies to a two-level inverter or a multi-level inverter having three or more levels.

ところで、比較的低い周波数でスイッチングを行う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)。
このような構成とすることにより、過変調時においてもより安定した電圧を供給可能となる。
図14は、本発明の実施例2を示す。
By the way, in the case of a switching element such as a GTO thyristor that performs switching at a relatively low frequency, interference between the sideband component generated depending on the switching frequency and the fundamental component of the inverter frequency is present in the output voltage harmonics. May occur. In order to avoid this, the dipolar modulation mode and the unipolar modulation mode are made asynchronous with respect to the inverter frequency in the PWM mode of the multi-pulse generating means, and the overmodulation mode and the one-pulse mode are made synchronous (FIG. 14).
With this configuration, a more stable voltage can be supplied even during overmodulation.
FIG. 14 shows a second embodiment of the present invention.

図15に、多パルス移行制御の一例を示す。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。   FIG. 15 shows an example of multipulse transition control. FIG. 15 shows only the multipulse transition control means 31. This shifts the four PWM modes depending on both the inverter frequency command Fi * and the voltage command E *. That is, dipolar modulation when Fi * <F1 and E * <E1, unipolar modulation when Fi * ≧ F1 and E1 ≦ E * <E2, overmodulation when E2 ≦ E * <E3, and 1 when E * ≧ E3. Pulse. As a result, even when the output voltage is soft-started in a high-speed region where the frequency is high, such as during regenerative start-up or repowering, the transition condition of dipolar modulation → unipolar modulation → overmodulation → one pulse is satisfied and stable. The voltage can be raised. In addition, since dipolar modulation control is always performed in a low frequency region, current concentration on a specific switching element as in unipolar modulation can be avoided.

次に、実施例2について説明する。
実施例1を拡張して、図16に示すように、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。
Next, Example 2 will be described.
If the first embodiment is expanded and partial dipolar modulation in which both modulation waveforms are mixed is introduced between dipolar modulation and unipolar modulation as shown in FIG. 16, the smoothness of the output voltage and the switching frequency is further increased. be able to.

出力電圧指令波形の一例を図17に示す。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。
バイアス重畳と正負分配の効果により、バイアス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、
An example of the output voltage command waveform is shown in FIG. 17 is exactly the same as FIG. 3 except for (B). Hereinafter, this partial dipolar will be described.
Due to the effect of bias superposition and positive / negative distribution, even if the bias B is set in a range where neither dipolar modulation nor unipolar modulation is set (0 <B <A / 2), the voltage as required by the fundamental modulation wave is reproduced without excess or deficiency. It is possible. In this case, the vicinity of the peak of the output voltage is unipolar modulation, and the base is partial dipolar modulation which is dipolar modulation. The positive side modulation wave ap and the negative side modulation wave an at this time are

Figure 0003677552
Figure 0003677552

Figure 0003677552
となる。(ap−an)が常に基本変調波a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。
上記性質を利用して、変調率Aの増加に従ってバイアス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。
Figure 0003677552
It becomes. It can be seen that (ap-an) always coincides with the fundamental modulation wave a, and the continuity of the instantaneous value of the output voltage fundamental wave is also maintained.
If the bias B is gradually decreased as the modulation factor A increases by using the above property, it is possible to continuously shift from dipolar modulation to unipolar modulation through partial dipolar modulation. Of course, the reverse is also possible.

ダイポーラ/ユニポーラ移行制御手段の一例を図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。   An example of the dipolar / unipolar transition control means is shown in FIG. If the bias B is set as shown by the solid line in FIG. 18, dipolar modulation is performed in the region of 0 ≦ A ≦ A1, partial dipolar modulation is performed in the region of A1 <A <A2, and unipolar modulation is performed in the region of A ≧ A2. In this case, no abnormal noise is generated from the electric motor when switching between dipolar modulation and unipolar modulation, which is effective in reducing the noise of the apparatus.

図18を応用すると、図19に示すように、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*<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。
When FIG. 18 is applied, the PWM mode can be managed for each region as shown in FIG. FIG. 19 shows only the multipulse transition control means 31.
This shifts the five PWM modes depending on both the inverter frequency command Fi * and the voltage command E *. That is, dipolar modulation when Fi * <Fo and E * <Eo, partial dipolar modulation when Fo ≦ Fi * <F1 and Eo ≦ E * <E1, and unipolar modulation when Fi * ≧ F1 and E1 ≦ E * <E2. , E2 ≦ E * <E3 is overmodulated, and E * ≧ E3 is one pulse. As a result, even when the output voltage is soft-started at a high speed with a high frequency, such as during regenerative start-up or repowering, the transition condition of dipolar modulation → partial dipolar modulation → unipolar modulation → overmodulation → one pulse is used. Satisfactory and stable voltage rise is possible. In addition, the same effect as that at the time of regenerative activation can be given at the time of re-adhesion. Furthermore, in any operating state, there is an effect that generation of abnormal noise from the motor at the time of pulse mode switching can be minimized.

図20に、インバータ周波数とスイッチング周波数の関係を示す。
ところで、鉄道車両用電気車制御装置に用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。
さらに、騒音(前述の異音等)低減には、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。
当然ながら、マイクロプロセッサ等を用いれば、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。
FIG. 20 shows the relationship between the inverter frequency and the switching frequency.
By the way, in the inverter used for the electric vehicle control apparatus for railway vehicles, the variable range of the inverter frequency Fi * is about 0 to 300 Hz. The inverter frequency Fcv at which the output voltage is maximum is 1/5 to 1/3 of the upper limit of the inverter frequency variable, and the upper limit of Fcv is about 100 Hz. In order to avoid fluctuations in the output current due to interference between the harmonics generated around the switching frequency and the fundamental frequency of the inverter frequency when generating pulses asynchronously, the switching frequency is about 10 times Fcv, that is, 1 kHz or more. A switching frequency is required.
Furthermore, to reduce noise (such as the above-mentioned abnormal noise), it is effective to minimize fluctuations in the switching frequency. By introducing overmodulation, fluctuations in the switching frequency in the multi-pulse region are within 1 to 2 Fi. Can be.
Of course, if a microprocessor or the like is used, a part or all of the pulse width modulation means can be programmed and realized by software.

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。
FIG. 21 shows an example of a flowchart for realizing by software the rise and fall timing calculations in the pulse width modulation means of FIG.
In the above description, the induction motor load is described as an example. However, the present invention is not limited to this. In addition, all the above explanations are for inverters, but the output terminals of these inverters can be connected to an AC power source via a reactance element to operate as a self-excited converter that converts AC to DC. is there. In this case, the same effect as that of the inverter can be expected.

なお、以上は3レベルインバータの場合について述べたが、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。   Although the above has described the case of a three-level inverter, the concept of the present invention can be applied to a multi-level inverter having three or more levels.

本発明は、インバータ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、また、パルス発生制御系を簡略化することができ、電気車に適用すると、低騒音な電気車を提供することができる。   The present invention makes it possible to continuously and smoothly adjust the inverter output voltage from zero voltage to the maximum voltage. Further, the pulse generation control system can be simplified. Car can be provided.

本発明の実施例1を示す構成図。The block diagram which shows Example 1 of this invention. 出力電圧特性とPWMモードの関係を説明する図。The figure explaining the relationship between an output voltage characteristic and PWM mode. 多パルス領域でのPWMモード連続移行のための変調波の説明図。Explanatory drawing of the modulation wave for PWM mode continuous transition in a multipulse area | region. 図1の構成の詳細説明図。FIG. 2 is a detailed explanatory diagram of the configuration of FIG. 1. ダイポーラ/ユニポーラ移行制御手段の一例を示す図。The figure which shows an example of a dipolar / unipolar transfer control means. 多パルス発生手段におけるパルス発生手段の一例を示す図。The figure which shows an example of the pulse generation means in a multipulse generation means. オン・オフパルス幅の関係を示す波形図。The wave form diagram which shows the relationship of on-off pulse width. オン・オフパルス幅の特性を示す図。The figure which shows the characteristic of an on-off pulse width. 過変調波形の一例を示す図。The figure which shows an example of an overmodulation waveform. ソフトウェアによるパルスタイミング設定手段のフローチャートを示す図。The figure which shows the flowchart of the pulse timing setting means by software. 振幅設定手段の一構成例を示す図。The figure which shows the example of 1 structure of an amplitude setting means. 多パルス/1パルス切換制御手段の一例を示す図。The figure which shows an example of a multi-pulse / 1 pulse switching control means. 1パルス発生手段の一例を示す図。The figure which shows an example of 1 pulse generation means. 本発明の実施例2の一構成例を示す図。The figure which shows the example of 1 structure of Example 2 of this invention. 移行制御手段の一例を示す図。The figure which shows an example of a transfer control means. 他のPWMモードを含む場合の出力電圧特性とPWMモードの関係図。The output voltage characteristic in the case of including another PWM mode and the relationship diagram of PWM mode. 他のPWMモードの変調波を説明する図。The figure explaining the modulation wave of other PWM modes. 他のPWMモードを実現する移行制御手段の構成図。The block diagram of the transfer control means which implement | achieves another PWM mode. 移行制御手段の一例を示す図。The figure which shows an example of a transfer control means. インバータ周波数とスイッチング周波数の関係を説明する図。The figure explaining the relationship between an inverter frequency and a switching frequency. ソフトウェアによるパルス幅変調手段のフローチャートを示す図。The figure which shows the flowchart of the pulse width modulation means by software.

符号の説明Explanation of symbols

1…多パルス発生手段、2…1パルス発生手段、3…移行制御手段、4…直流架線、6…誘導電動機、7a,7b,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

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Multi pulse generation means, 2 ... 1 pulse generation means, 3 ... Transition control means, 4 ... DC overhead wire, 6 ... Induction motor, 7a, 7b, 7c ... Switching unit, 8 ... Current control means, 11 ... Fundamental modulation wave Generating means, 12 ... bias superimposing means, 13 ... positive / negative distributing means, 14 ... reference signal generating means, 15 ... pulse generating means, 21 ... phase calculating means, 22 ... pulse generating means, 31 ... multi-pulse shift control means, 32 ... Changeover switch, 50 ... DC reactor, 51, 52 ... Clamp capacitor, 61 ... Rotational frequency detection means

Claims (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正、負、中間電圧で
ある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、該電力変換器
のスイッチング素子を制御し、該電力変換器の出力側に接続されて電気車を駆動
する交流電動機を加減速制御する制御装置とを備えた電気車の電力変換装置にお
いて、
前記電気車の低速での運転領域では、前記電力変換器の出力電圧基本波の半周
期内に、同一極性の複数の電圧パルスを連続して出力する第1の期間と、当該第
1の期間の前後に前記正と負の電圧パルスを前記中間電圧を介して交互に出力す
る第2の期間とを有する第1パルス幅変調制御手段と、
前記電気車の低速での運転領域よりも高速運転領域では、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
発生させる第2パルス幅変調制御手段と、
上記第1及び第2のパルス幅変調制御手段を運転領域に応じて移行させる手段

を備えたことを特徴とする電気車の電力変換装置。
A power converter that converts a direct current into an AC phase voltage having a three-level potential that is positive, negative, and intermediate voltage by switching control of a plurality of switching elements, and controls the switching element of the power converter, and the power converter Connected to the output side of an electric car
In an electric vehicle power conversion device comprising a control device for controlling acceleration / deceleration of an alternating current motor,
In the driving range of the electric vehicle at a low speed, a half cycle of the fundamental voltage of the output voltage of the power converter
A first period for continuously outputting a plurality of voltage pulses of the same polarity within the period;
The positive and negative voltage pulses are alternately output via the intermediate voltage before and after one period.
First pulse width modulation control means having a second period,
In the high-speed driving range than the low-speed driving range of the electric vehicle, the power converter
A plurality of single polarity pulse trains are applied to the phase of the power converter in the half cycle of the fundamental wave of the power phase voltage.
Second pulse width modulation control means for generating;
Means for shifting the first and second pulse width modulation control means according to the operation region
When
Power conversion device for an electric vehicle characterized by comprising a.
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