JP3699975B2 - Pwmインバータ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス幅変調(PWM)により直流電圧を交流電圧に変換するPWMインバータ装置に係り、特に、高速での再力行時などの過渡時にも出力電流の乱れを無くする手段に関する。
【0002】
【従来の技術】
特開平7-227085号公報には、非同期バイポーラ変調モードと非同期過変調モードとの組合せにより出力電圧を制御するPWMインバータ装置が記載されている。
【0003】
特開平9-261966号公報には、非同期PWMモードと同期PWMモードとの組合せにより出力電圧を制御するPWMインバータ装置が記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
車両の駆動に用いられるPWMインバータ装置においては、加速中または減速中にモータが発生するトルクを一定とするため、図2に示すように、出力電圧の基本波周波数Finvと出力電圧指令Vcとの比を一定に保つ制御が、一般的である。制御する出力電圧の範囲は、0から電圧利用率最大となる電圧までの全範囲であり、この制御を実現するために、複数のPWMモードを組合せて制御する。このような制御方法の例として上記従来技術がある。
【0005】
低出力電圧領域では、出力電圧0まで連続に制御可能とするために、電圧パルスの出力タイミングが出力電圧基本波の位相に依存しない非同期PWMモードを用い、また電圧利用率最大となる運転領域では、出力電圧パルス波形を基本波と同じ極性の180°通電にする1パルスモードにより制御している。
【0006】
特開平7-227085号では、1パルスモードを除き、全て非同期PWMモードによる制御を実行している。この方式では、電圧パルスの出力周期が出力電圧基本波の周期に比べて充分短い場合、すなわち、出力電圧基本波の一周期あたりに含まれる電圧パルスの数が充分多い場合には、インバータの出力電流の乱れが少ない安定した制御を実行できる。
【0007】
しかし、出力電圧指令が大きく出力電圧基本波の周波数が高い高出力電圧領域では、出力電圧基本波の一周期あたりに含まれる電圧パルスの数が少なくなり、このとき電圧パルスの出力タイミングと出力電圧基本波の位相とが非同期なので、インバータの出力電圧に低周波の脈動が定常的に発生し、安定した制御ができなくなる。
【0008】
特開平9-261966号では、高出力電圧領域において同期PWM制御を導入しているため、インバータの出力電流に定常的には脈動が入らず安定するが、低出力電圧領域を制御する非同期PWMモードと高出力電圧領域を制御する同期PWMモードの間を遷移させなければならない。遷移期間においては、非同期PWMモードの電圧パルス波形と同期PWMモードの電圧パルス波形とが混在するため、遷移の瞬間にインバータの出力電流波形が多少乱れる。この乱れは、通常の加速中または減速中には問題ないレベルであるが、高速で再力行する場合など短時間に遷移期間を通過する場合に、電流が大きく跳ね、ときには過電流に至ることがある。
【0009】
本発明の目的は、全運転領域で出力電流に定常的な脈動を発生させず、高速での再力行時などの過渡時にも出力電流を乱さない手段を備えたPWMインバータ装置およびその制御方法を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、パルス幅変調により直流電圧を制御して交流電圧に変換して該交流電圧を電動機に出力して該電動機を加減速制御するPWMインバータ装置において、
【0011】
低出力電圧領域で出力電圧基本波の位相とは無関係に出力電圧基本波の半周期内に両極性複数のパルスを出力する非同期バイポーラ変調モードと、前記低出力電圧領域より大きい領域で出力電圧基本波の位相とは無関係に出力電圧基本波の半周期内に両極性複数のパルスを出力するモードであって、出力電圧基本波のピーク近傍で基本波と同じ極性で基本波ゼロクロス近傍の電圧パルスに比べ幅の広い電圧パルスパターンを出力する非同期過変調モードと、
【0012】
前記低出力電圧領域より大きい領域で出力電圧基本波の位相と関係し、出力電圧基本波の半周期内に両極性複数のパルスを出力するモードであって、該出力電圧基本波の所定の位相で出力電圧のパルスパターンを変化させる同期PWMモードと、
【0013】
前記非同期バイポーラ変調モードの領域内で予め定めた出力電圧基本波の周波数を境界値として、該境界値より小さいところで再力行が開始され、電動機を加速する場合には、前記非同期バイポーラ変調モードと前記同期PWMモードを選択し、前記境界値より大きいところで再力行が開始され、電動機を加速する場合には、前記非同期バイポーラ変調モードと前記非同期過変調モードを選択するパルスパターン選択手段を備えたPWMインバータ装置を提案する。
【0014】
【発明の実施の形態】
次に、図1ないし図8を参照して、本発明によるPWMインバータ装置の実施形態を説明する。
【0015】
【実施形態1】
図1は本発明によるPWMインバータ装置の実施形態1の系統構成を示すブロック図である。非同期PWMモードのパルスパターン発生手段1と同期PWMモードのパルスパターン発生手段2とは、出力電圧の基本波周波数Finvと出力電圧指令Vcに応じて、パルスパターンS1とパルスパターンS2とを発生する。パルスパターン選択手段3は、出力電圧の基本波周波数Finvに応じて、パルスパターンS1とパルスパターンS2のうち一方を選択して、スイッチングパターンSとする。インバータ4は、スイッチングパターンSに従った電圧パルスで誘導電動機5を駆動する。
【0016】
インバータ装置の応用のひとつとして誘導電動機と組合せて車両の駆動に用いる場合、加速中または減速中に誘導電動機が発生するトルクを一定に保つため、一般的に図2に示すように、出力電圧の基本波周波数Finvと出力電圧指令Vcとの比がほぼ一定になるように制御する。制御する出力電圧の範囲は、0から電圧利用率最大となる電圧までの全範囲であり、これを実現するために、複数のPWMモードを組合せる。低出力電圧領域では出力電圧0まで連続制御可能とするために、電圧パルスの出力タイミングが出力電圧基本波の位相に依存しない非同期PWMモードの一種で、両極性パルスにより電圧を制御する非同期バイポーラ変調モードを用い、また電圧利用率最大となる運転領域では出力電圧パルス波形を基本波と同じ極性の180°通電にする1パルスモードを用いる制御が従来からなされている。非同期バイポーラ変調モードと1パルスモードとの間には、非同期過変調モードを用いる方法や5パルスモード,3パルスモードなどの同期PWMモードを用いる方法が公知である。
【0017】
従来技術の項に挙げた特開平7-227085号では、非同期バイポーラ変調モードと1パルスモードの間に非同期過変調モードを介在させる方法が述べられている。非同期過変調モードとは、図3に三角波比較PWMにより過変調モードのパルスパターンを発生する場合の一相分について示すように、出力電圧基本波のピーク近傍を、基本波と同じ極性で基本波ゼロクロス近傍の電圧パルスに比べ幅の広い電圧パルスパターンとしたPWMモードであり、非同期PWMモードの一種である。非同期バイポーラ変調のパルスパターンから基本波のピークに当たる部分のパルスを間引いた形のパルスパターンであるため、非同期バイポーラ変調モードから非同期過変調モードには連続的に遷移できる。
【0018】
この方式では、電圧パルスの出力周期が出力電圧基本波の周期に比べて充分短い場合、すなわち、出力電圧基本波の一周期あたりに含まれる電圧パルスの数が充分多い場合には、インバータの出力電流の乱れが少ない安定した制御を実行できる。 しかし、出力電圧指令が大きく出力電圧基本波の周波数が高い高出力電圧領域のように、出力電圧基本波の一周期あたりに含まれる電圧パルスの数が少なくなる運転条件下では、電圧パルスの出力タイミングと出力電圧基本波の位相とが非同期であるため、インバータの出力電圧に低周波の脈動が定常的に発生し、安定した制御ができなくなる。
【0019】
一方、特開平9-261966号では、高出力電圧領域を制御するために、同期PWMモードを用いている。同期PWMモードは、パルスパターンと出力電圧基本波の位相とが同期したパルスパターン発生方法である。同期PWMモードのパルスパターンの一例を図4に示す。同期PWMモードでは、定常的に脈動のない安定した電流が得られるが、低出力電圧領域を制御する非同期バイポーラ変調モードとは、パルスパターンが大きく異なるため、非同期バイポーラ変調と同期PWMモードとの間には、必ず遷移期間が存在する。
【0020】
遷移期間においては、図5に示すように、非同期PWMモードおよび同期PWMモードの電圧パルス波形が混在するため、遷移の瞬間にインバータの出力電流波形が多少乱れる。この乱れは、通常の加速中または減速中にはそれほど大きくないが、高速で再力行する場合など短時間に遷移期間を通過する場合には、大きく電流が跳ね、ときには過電流に至ることがある。
【0021】
図1の実施形態1は、低出力電圧領域を制御する非同期バイポーラ変調モードに対して、非同期過変調モードと同期PWMモードの双方を備え、出力電圧指令Vcが所定の範囲にある場合に出力電圧の基本波周波数を参照して一方を選択する。実施形態1において、出力電圧の基本波周波数Finvが境界値Fmより小さい場合は、定常的に安定した電流を得るために同期PWMモードのパルスパターンS2を選択する。一方、再力行時などFinvがFmより大きい場合には、過変調モードのパルスパターンS1を選択することにより、PWMモード切り換えを無くし、電流の跳ねのない起動を実現できる。
【0022】
【実施形態2】
図6は、非同期バイポーラ変調モードのパルスパターン発生手段と1パルスモードのパルスパターン発生手段とを含む実施形態2の系統構成を示すブロック図である。非同期PWMモードパルスパターン発生手段6は、非同期バイポーラ変調モードと非同期過変調モードとに共通のパルスパターン発生手段であり、出力電圧指令Vcが低いときは非同期バイポーラ変調モードのパルスパターンを発生し、高いときは非同期過変調モードのパルスパターンを発生する。パルスパターン選択手段3では、図7に示すマッピングに従い、運転状態に応じたPWMモードを選択する。図7ではPWMモードの境界電圧Vc1,Vc2を一定値としているが、出力電圧の基本波周波数Finvに応じて、これらを可変にしてもよい。また、同期PWMモードの低電圧領域の一部に非同期過変調モードで制御する領域を入れてもよい。
【0023】
ここで、出力電圧の基本波周波数Finvが境界値Fm近傍にある場合、非同期過変調モードと同期PWMモードとの間を行ったり来たりすることが起こり得る。このような状態では、両モードのパルスパターンが混在することになり、脈動のない安定した電流は得られない。
【0024】
そこで、図6のパルスパターン選択手段3は、非同期過変調モードと同期PWMモードとの間で相互に遷移することを禁止し、Vc<Vc1またはVc>Vc2の状態では、非同期バイポーラ変調モードまたは1パルスモードを通ってのみ非同期過変調モードと同期PWMモードとの間を遷移できるようにする。
【0025】
図8は、図6のパルスパターン選択手段3をソフトウェアで実現する場合のアルゴリズムの一例を示すPAD(Problem Analysis Diagram)である。一定時間経過毎に図8の処理を実行し、前回選択したPWMモードに応じて場合分けする。
【0026】
前回非同期バイポーラ変調モードまたは1パルスモードを選択した場合は、出力電圧指令Vcを参照して、Vc1≦Vc≦Vc2の範囲に入ったときには、出力電圧の基本波周波数Finvと境界周波数Fmとを比較して、非同期過変調モードと同期PWMモードのいずれを選択すべきかを決める。前回非同期過変調モードまたは同期PWMモードを選択した場合は、出力電圧指令VcとVc1およびVc2とを比較し、非同期バイポーラ変調モードまたは1パルスモードへの遷移の可否を判定する。遷移しない場合、すなわち、Vc1≦Vc≦Vc2であるときは、前回のPWMモードをそのまま選択する。
【0027】
本実施形態2によれば、複数のPWMモードの組合せにより出力電圧0から電圧利用率最大となる出力電圧領域までを連続制御する機能を持つPWMインバータ装置において、全運転領域で出力電流に定常的な脈動を発生させず、高速での再力行時などの過渡時にも出力電流が乱れないPWMインバータ装置の制御を実現できる。
【0028】
【発明の効果】
本発明によれば、複数のPWMモードの組合せにより出力電圧0から電圧利用率最大となる出力電圧領域までを連続制御する機能を持つPWMインバータ装置において、基本波周波数が所定値よりも低いときは、低出力電圧領域の非同期バイポーラ変調モードのパルスパターンから同期PWMモードのパルスパターンに遷移する方式を選択し、通常加減速時の出力電流を安定させる一方、基本波周波数が所定値よりも大きいときは、低出力電圧領域の非同期バイポーラ変調モードのパルスパターンから非同期過変調モードに遷移する方式を選択するので、全運転領域で出力電流に定常的な脈動を発生させず、高速での再力行時などの過渡時にも出力電流が乱れないPWMインバータ装置の制御を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるPWMインバータ装置の実施形態1の構成を示す図である。
【図2】PWMインバータ装置における出力電圧の基本波周波数と出力電圧指令との関係の一例を示す図である。
【図3】非同期過変調モードのパルスパターンの一例を示す図である。
【図4】同期PWMモードのパルスパターンの一例を示す図である。
【図5】非同期過変調モードと同期PWMモードのパルスパターンが混在する一例を示す図である。
【図6】本発明によるPWMインバータ装置の実施形態2の構成を示す図である。
【図7】運転状態に応じて選択すべきPWMモードを示す図である。
【図8】パルスパターン選択手段をソフトウェアにより実現する場合のアルゴリズムの一例を示すPAD(Problem Analysis Diagram)である。
【符号の説明】
1 非同期過変調モードパルスパターン発生手段
2 同期PWMモードパルスパターン発生手段
3 パルスパターン選択手段
4 PWMインバータ
5 誘導電動機
6 非同期PWMモードパルスパターン発生手段
7 1パルスモードパルスパターン発生手段
Claims (1)
- パルス幅変調により直流電圧を制御して交流電圧に変換して該交流電圧を電動機に出力して該電動機を加減速制御するPWMインバータ装置において、
低出力電圧領域で出力電圧基本波の位相とは無関係に出力電圧基本波の半周期内に両極性複数のパルスを出力する非同期バイポーラ変調モードと、
前記低出力電圧領域より大きい領域で出力電圧基本波の位相とは無関係に出力電圧基本波の半周期内に両極性複数のパルスを出力するモードであって、出力電圧基本波のピーク近傍で基本波と同じ極性で基本波ゼロクロス近傍の電圧パルスに比べ幅の広い電圧パルスパターンを出力する非同期過変調モードと、
前記低出力電圧領域より大きい領域で出力電圧基本波の位相と関係し、出力電圧基本波の半周期内に両極性複数のパルスを出力するモードであって、該出力電圧基本波の所定の位相で出力電圧のパルスパターンを変化させる同期PWMモードと、
前記非同期バイポーラ変調モードの領域内で予め定めた出力電圧基本波の周波数を境界値として、該境界値より小さいところで再力行が開始され、電動機を加速する場合には、前記非同期バイポーラ変調モードと前記同期PWMモードを選択し、前記境界値より大きいところで再力行が開始され、電動機を加速する場合には、前記非同期バイポーラ変調モードと前記非同期過変調モードを選択するパルスパターン選択手段を備えたことを特徴とするPWMインバータ装置。
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