JP4362565B2 - Pulse pattern generation method for three-phase current source converter circuit. - Google Patents

Pulse pattern generation method for three-phase current source converter circuit. Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、三相電流形コンバータ回路のパルスパターン発生法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図1に示されるような三相電流形コンバータ回路には、種々の利点からパルス幅変調方式(Pulse Width Modulation(PWM))が用いられている。従来のPWMパルスパターン発生法では、直流出力電圧が低い運転領域で幅の狭いオンおよびオフパルスが発生してしまうため、インターロック回路が保証するスイッチング素子の最小スイッチング時間の制限を受ける。このため、根葉保彦、瀬戸憲一による「三相PWM電流形コンバータのパルス分配法」(電気学会、電学論D、117巻10号、平成9年)においては、低直流出力電圧範囲で狭幅パルスを発生しないようにするため搬送波として二相三角波をそして変調波として2つの正弦波を用いた方法が三相回路用として提案されている。なお、単相電流形コンバータ回路でも同様の二相三角波を用いた方法が提案されている。
【0003】
ところで、PWMパルスパターンは、電源電圧位相、三相正弦波通流率指令値(従来の正弦波を用いる場合)、および制御周期によって決定される。そして、三相交流は通常、π/3の電源電圧周期を考えれば正負の関係を表すのに十分であり、以下ではa相電圧Va>b相電圧Vb>0、c相電圧Vc=−(Va+Vb)<0のπ/6の期間(以下「第1フェーズ期間」という。)と、それに続くb相電圧Vb>a相電圧Va>0、c相電圧Vc=−(Va+Vb)<0のπ/6の期間(以下「第2フェーズ期間」という。)を例にとって説明する。ここでは簡単のため、通流率指令値は力率1を実現するように電源電圧と同位相と仮定する。つまり、PWMパルスの発生に必要な情報は、電源電圧位相、三相正弦波通流率指令値(Da,Db,Dc)および制御周期Tのみである.
PWM電流形コンバータのパルス発生の制約条件は、正側(S1,S2,S3)および負側(S4,S5,S6)のスイッチング素子のいずれかが常にオンしていなければならないことである。したがって、オンオフモードは、導通する2つの素子番号の組合わせで表すことができる。
【0004】
図4は、搬送波として二相三角波をそして変調波として2つの正弦波を用いた上記提案のパルスパターン発生法の第1および第2のフェーズ期間において制御周期で循環するオンオフモードの移行順序を導通する2つの素子番号の組合わせで表した図であり、(a)は第1フェーズ期間を、(b)は第2フェーズ期間を示す。図4において、実線は力行運転を、破線は回生運転を、また一点鎖線は零出力運転を示している。ここで、零出力運転における導通するスイッチング素子の組合わせ、例えば(a)の(S3,S6)は図1に示される正側および負側の対となるスイッチング素子S3とS6が導通(オン)となる還流モードを示す。図4から上記提案された従来のパルスパターン発生法は、1制御周期における転流回数(ここでは、還流モードの発生回数に対応)が4回であることが分かる。
【0005】
上記提案された従来の方法(以下「従来方法」という。)でも、通流率が1に近い場合は、狭幅パルスが発生する。これを回避するため、リミタを設けて、ある一定以下の狭幅パルスが発生しないようにしている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来方法には次に述べるような課題を抱えている。
例えば、三相の場合、前述したように、転流回数が1制御周期に4回であり、スイッチング回数が最小化されていない。スイッチング損失は転流回数が増せば増大するので、スイッチング損失が最小化されたスイッチング回数の場合に比して大きい。搬送波の周波数は高いほうがコンバータ回路の動作特性に好ましいが、スイッチング損失の増大を招くため、搬送波の周波数を高く設定できない。
【0007】
通流率が1に近い場合や、前述のフェーズ期間移行時に狭幅パルスが発生しやすい。
二相の三角波搬送波と2つの正弦波変調波を必要としアナログ回路の構成も簡単ではない。
【0008】
アルゴリズムが比較的複雑で計算機制御に不向きである。
スイッチング素子にPWMパルスを印加する汎用のPWMボードが近年容易に入手可能となった。しかし、1制御周期内にスイッチング素子の導通期間が2回(例えば、図4の(S3,S6))生じる一方、汎用PWMボード単体ではそのような制御を想定していないので、従来方法を単にディジタル回路化するのは汎用PWMボードを容易に利用できることにはならない。
【0009】
搬送波振幅に対する正弦波変調波振幅比である変調率は1以下の値をとる。1に近い通流率のところで動作させるためには、正弦波変調波振幅を搬送波振幅近くにする必要があり、すなわち変調率を1近くにする必要がある。正弦波変調波振幅が搬送波振幅に近いところでは、非常に狭幅のパルスが発生し、あまり狭い幅のパルスが発生する場合には前述のリミタによりそのような狭いパルスの発生が制限される。そのため、変調波振幅を大きくすることができる上限があり、すなわち変調率に上限があり、この上限は最大変調率と呼ばれている。従来方法は、正弦波変調波振幅を搬送波振幅に近づけると狭幅のパルスが発生するので、最大変調率を高めることが難しかった。
【0010】
本発明は、上記欠点を克服した三相電流形コンバータ回路のパルスパターン発生法を提供することを課題とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、パルスによりオンオフされるスイッチング素子を有するアームが1相ごとに正側と負側の対になって接続されているブリッジを有する三相電流形コンバータ回路に用いられる本発明のパルス幅変調方式のパルスパターン発生方法は、制御周期の中で、前記の対になって接続されている1対のアームに含まれる1対のスイッチング素子を同時にオンする還流モード期間を有し、3つの当該還流モード期間が隣接相を移るように順次発生し、隣り同士の還流モード期間の間に相の異なる正側の1つのアームと負側の1つのアームにあるそれぞれのスイッチング素子をオンする通流期間を有し、かつ前記制御周期中に各スイッチング素子が1回だけオンするようにパルスパターンを発生することを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施形態を図面を参照して説明する。
図1に、本発明のパルスパターン発生法が適用される三相電流形コンバータ回路を示す。図1において、スイッチング素子S1〜S6は、模式的に表しているが、実際にはIGBT、GTO等のパルスによりオンオフされるいずれかのタイプのスイッチング素子である。なお、図示されないが、スイッチング素子S1〜S6には通常直列に電流の逆流を防止するためにダイオードが設けられている。図1において、10はスイッチング素子S1〜S6から構成される三相ブリッジ回路を示し、12は三相交流電源を示す。また、14は負荷を示し、この説明においては超伝導コイルである。16は、三相電流形コンバータ回路のスイッチング動作によって生じる高調波が三相交流電源12側に流出しないためのACフィルタである。
【0013】
発明の理解を容易にするため、従来の技術で述べたことを一部繰り返す。PWMパルスパターンは、電源電圧位相、三相変調波通流率指令値(本発明は変調波は正弦波に限定されない。)および制御周期によって決定される。三相交流は通常、π/3の電源電圧周期を考えれば正負の関係を表すのに十分であり、以下ではa相電圧Va>b相電圧Vb>0、c相電圧Vc=−(Va+Vb)<0のπ/6の期間、すなわち第1フェーズ期間と、それに続くb相電圧Vb>a相電圧Va>0、c相電圧Vc=−(Va+Vb)<0のπ/6の期間、すなわち第2フェーズ期間を例にとって説明する。ここでは簡単のため、通流率指令値は力率1を実現するように電源電圧と同位相と仮定しているが、指令値の位相を制御することで、任意の無効電流を流せる。つまり、PWMパルスの発生に必要な情報は、電源電圧位相、三相変調波通流率指令値(Da,Db,Dc)および制御周期Tのみである。PWM電流形コンバータのパルス発生の制約条件は、正側(S1,S2,S3)および負側(S4,S5,S6)のスイッチング素子のいずれかが常にオンしていなければならないことである。本発明のパルス発生法は、この条件下で、出力が零に近い領域で狭幅パルスを発生しない方法の中で1制御周期中に最小のスイッチング回数でオンオフモードを移行する順序を実現している。
【0014】
図2は、本発明のパルス発生法の一好適実施形態について第1および第2のフェーズ期間において制御周期で循環するオンオフモードの移行順序を導通する2つの素子番号の組合わせで表した図であり、(a)は第1フェーズ期間を、(b)は第2フェーズ期間を示す。図2において、実線は力行運転を、破線は回生運転を、また一点鎖線は零出力運転を示している。ここで、零出力運転における導通するスイッチング素子の組合わせ、例えば(a)の(S1,S4)は図1に示される正側および負側の対となるスイッチング素子S1とS4が導通(オン)となる還流モードを示す。1制御周期内での力行運転(又は回生運転)の2つのモード間に従来方法では2度の還流モードが介在する(図4参照)の対して、本発明ではただ1回の転流モードしか介在しないのが大きな特長である。図2から本発明のパルスパターン発生法は、1制御周期における転流回数(ここでは、還流モードの発生回数に対応)が最小の3回であり、図4に示される従来方法の4回に対して1回少ないことが分かる。
【0015】
なお、オンオフモード移行は図2中に示した矢印と逆の方向にも可能である。つまり、a,b相の大小関係によって移行方向を選択するとすれば、電源位相のπ/6毎に制御モードを切り替えれば良く、制御モードの総数は12になる。
【0016】
次に、パルス分配法について説明する。図2の(a)に示されるモード(S1,S6)および(S2,S6)のオン時間Ta,Tbは、それぞれa相通流率指令Da、b相通流率指令Dbから次式によって求める。
【0017】
【数1】
Ta=T×│Da│
Tb=T×│Db│
なお、c相のオン時間Tcは、a,b相のパルス幅Ta,Tbの和として自動的に所望の値となる。つまり、c相通流率指令Dcおよびパルス幅Tcはそれぞれ、a,b相の通流率指令Da,Dbおよびオン時間Ta,Tbとは次式の関係を有する。
【0018】
【数2】
│Dc│=│Da│+│Db│
Tc=T×│Dc│=T×(│Da│+│Db│)
したがって、制御周期Tのうちの残る期間Trは次式により表される。
【0019】
【数3】
Tr=T−(Ta+Tb)=T−Tc=T×(1−│Dc│)
この残る期間Trはすべて還流モードとなるが、この期間を3つの還流モード、すなわち図2の(a)に示されるモード(S1,S4),(S3,S6)および(S2,S5)に均等に分割する。すなわち、すべてのパルス幅Tfwは、次式で求まる値に設定する。
【0020】
【数4】
Tfw=Tr/3=T×(1−│Dc│)/3
なお、本発明は、3つの還流モードの期間を均等にするばかりでなく、所望ならば残る期間Trを任意の比率で配分できることは容易に理解できるであろう。
【0021】
このパルス分配法の様子を、図2の(a)の第1フェーズ期間について、慣習にならって鋸歯状波を用いて示すと図3のようになる。図3において、(a)は力行運転時のPWMスイッチングパターンを、(b)は零出力運転時のPWMスイッチングパターンを、(c)は回生運転時のPWMスイッチングパターンをそれぞれ示す。回生運転時にはDa,Dbは負となるので、その場合には図3の(c)に示すようにモードを(S3,S4),(S3,S5)に変更している。本発明の方法によれば、図3の(a)から(c)の素子オン期間を示す図から分かるように、すべての素子で1制御周期T内に一度だけオン期間が存在する。このことは、電算機がオンオフのタイミングさえ計算すれば、後の処理は専用のPWMボードで容易に実現できるので、本発明の方法がディジタル制御向きであることを意味している。
【0022】
三相電流形コンバータ回路の1制御周期内の転流回数が多いと直流出力電圧が低い領域あるいは高い領域で狭幅のパルスが生じ易くなる。前述のように、本発明は、出力電圧が零に近い領域では狭幅パルスを発生しない他の従来方法に比して1制御周期内の転流回数が3回と最も少ないので、直流出力電圧が低い領域では狭幅パルスは発生せず、また高い領域でも狭幅パルスを発生しにくい。こうして、直流出力電圧が低い領域でも狭幅パルスを発生しないスイッチング素子のオンオフモード移行を採用することにより、直流出力電圧ゼロも従来方法より容易に実現することが可能である。
【0023】
スイッチング損失は一般的に転流回数が多くなると大きくなる。本発明は、転流回数が3回と最小であるので、転流回数に起因するスイッチング損失を最も小さくすることができる。例えば、スイッチング損失が転流回数に比例するとすれば、本発明は後述するように搬送波を用いていないが、搬送波の概念を用いて表せば、搬送波の周波数を従来方法に比してその3分の4倍高く設定できる。あるいは、本発明は、1制御周期の長さを従来方法に比して4分の3短く設定することができる。
【0024】
本発明は、通流率を決定して1制御周期内の全還流モード期間の長さを決定し、次いで1制御周期内の3つの還流モード期間の長さは、得られた全還流モード期間の長さを任意に分配することができ、好適には均等に分配することができるので、スイッチング素子毎に最小スイッチング時間を設定するのではなく、三相電流形コンバータ全体のオンオフモードに対する最小維持時間を設定することができる。
【0025】
前述のとおり、本発明は、通流率指令値からPWMパルスパターンを発生する方法に関する。なお、通流率指令値の計算方法は、コンバータの制御系をどのように設計するかに依存し、一意に決まらない。しかし、制御系の設計方針が定まれば、既知の種々の通流率指令値の計算方法を用いて所望の出力電流に対応する通流率指令値が求められることは当業者には明らかであろう。本発明は、電流形コンバータに流入する線電流(図1において三相交流電源12側からACフィルタ16に流入する電流)が正弦波の場合だけでなく、線電流に振動がある場合その振動の抑制を考慮して求められる通流率指令値、あるいは線電流が正弦波以外の波形の場合その波形を考慮して求められる通流率指令値に対しても正弦波の場合と同様に前述した特長をもつPWMパルスパターンを発生することができる。
【0026】
また、本発明は、通流率を1に近づけた場合従来方法より1に近いところで狭幅パルスの発生が生じないが、それでもなお通流率を1に接近させた場合には、原理的には狭幅パルスが発生することになる。これを回避するため、通流率指令値を決定する上位のアルゴリズムの中で、三相通流率ベクトルの振幅が制限値を越えないようにリミタを設けることができる。その場合、本発明は、従来方法より一層1に近い通流率でリミタが作動するようリミタを設定することができる。
【0027】
なお、負荷については超伝導コイルを用いた場合について説明したが、本発明は他のタイプの負荷でもよく、負荷の種類に限定されるものではない。
【0028】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されているので次の通りの効果を奏する。
本発明は、転流回数が最小でありしかも各還流モード期間の長さが全還流モード期間を均等に配分することを含めて任意に配分して得ることができるので、同じ通流率に対して従来方法より幅広のパルスを発生させることができ、また出力電圧が低いあるいは高い領域でも従来方法に比して狭幅パルスを発生しない。したがって、本発明は正弦波変調波も搬送波も用いる必要がないが、直感的理解を容易にするため従来方法の概念である変調率を用いると、本発明によれば、三相電流形コンバータが狭幅パルスを発生しない限界動作を表す最大変調率を直流出力電圧が高い領域で改善できる。換言すると、本発明の三相電流形コンバータは、直流出力電圧が高い領域では変調波の振幅を高くすることが必要であるがこの振幅を高くしても狭幅のパルスが発生しないで動作させることができる。
【0029】
転流回数が3回と最小であるので、転流回数に起因するスイッチング損失を最小にすることができる。したがって、例えば、スイッチング損失が転流回数に比例するとすれば、本発明は搬送波を用いていないが、従来の搬送波の概念を用いて表せば、搬送波の周波数を従来方法に比してその3分の4倍高く設定できる。換言すれば、本発明は、1制御周期の長さを従来方法に比して4分の3短く設定することができる。
【0030】
本発明のPWMパルスパターンを決定するアルゴリズムは従来方法に比し簡単でありディジタル回路で実現し易くまた計算機制御に適している。そして、この容易なディジタル化と、スイッチング素子が1制御周期に1回だけしかオンされないこととから、汎用PWMボードの利用が容易となる。
【0031】
本発明は、三相電流形コンバータに流入する線電流が正弦波以外の波形の場合にも制御することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】三相電流形コンバータ回路の一例を示す図である。
【図2】図1に示される三相電流形コンバータ回路に適用される本発明のパルス発生法の一好適実施形態について第1および第2のフェーズ期間において制御周期で循環するオンオフモードの移行順序を導通する2つの素子番号の組合わせで表した図であり、(a)は第1フェーズ期間を、(b)は第2フェーズ期間を示す。
【図3】図2に示されるオンオフモードの移行順序に従ったPWMスイッチングパターンを示す図であり、(a)は力行運転時を、(b)は零出力運転時を、(c)は回生運転時をそれぞれ示す。
【図4】二相三角波を用いた従来のパルスパターン発生法について第1および第2のフェーズ期間において制御周期で循環するオンオフモードの移行順序を導通する2つの素子番号の組合わせで表した図であり、(a)は第1フェーズ期間を、(b)は第2フェーズ期間を示す。
【符号の説明】
10 三相ブリッジ回路
12 三相交流電源
14 超伝導コイル
16 ACフィルタ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a pulse pattern generation method for a three-phase current source converter circuit.
[0002]
[Prior art]
In the three-phase current source converter circuit as shown in FIG. 1, a pulse width modulation (PWM) is used for various advantages. In the conventional PWM pulse pattern generation method, narrow ON and OFF pulses are generated in the operation region where the DC output voltage is low, and therefore, the minimum switching time of the switching element guaranteed by the interlock circuit is limited. For this reason, the “pulse distribution method of a three-phase PWM current source converter” by Yasuhiko Neba and Kenichi Seto (The Institute of Electrical Engineers of Japan, Electrotechnical D, Vol. 117, No. 10, 1997) is narrow in the low DC output voltage range. In order not to generate a width pulse, a method using a two-phase triangular wave as a carrier wave and two sine waves as modulation waves has been proposed for a three-phase circuit. A similar method using a two-phase triangular wave has been proposed for a single-phase current source converter circuit.
[0003]
By the way, the PWM pulse pattern is determined by the power supply voltage phase, the three-phase sine wave conduction ratio command value (when a conventional sine wave is used), and the control cycle. The three-phase alternating current is usually sufficient to represent a positive / negative relationship in consideration of a power supply voltage cycle of π / 3. In the following, a-phase voltage Va> b-phase voltage Vb> 0, c-phase voltage Vc = − ( Va + Vb) <0/6 period (hereinafter referred to as “first phase period”), and subsequent b-phase voltage Vb> a-phase voltage Va> 0, c-phase voltage Vc = − (Va + Vb) <0 A period of / 6 (hereinafter referred to as “second phase period”) will be described as an example. Here, for simplicity, it is assumed that the conduction ratio command value is in phase with the power supply voltage so as to realize a power factor of 1. That is, the information necessary for generating the PWM pulse is only the power supply voltage phase, the three-phase sine wave conduction ratio command value (Da, Db, Dc), and the control period T.
A constraint condition for pulse generation in the PWM current source converter is that one of the switching elements on the positive side (S1, S2, S3) and the negative side (S4, S5, S6) must always be on. Therefore, the on / off mode can be expressed by a combination of two element numbers that are conducted.
[0004]
FIG. 4 shows the on-off mode transition sequence circulating in the control period in the first and second phase periods of the proposed pulse pattern generation method using a two-phase triangular wave as a carrier wave and two sine waves as modulation waves. It is the figure represented with the combination of two element numbers to perform, (a) shows a 1st phase period, (b) shows a 2nd phase period. In FIG. 4, the solid line indicates power running operation, the broken line indicates regenerative operation, and the alternate long and short dash line indicates zero output operation. Here, a combination of switching elements that conduct in zero output operation, for example, (a) (S3, S6), the switching elements S3 and S6 that are paired on the positive side and the negative side shown in FIG. The reflux mode is as follows. It can be seen from FIG. 4 that the proposed conventional pulse pattern generation method has 4 commutations in one control cycle (here, corresponding to the number of occurrences of the reflux mode).
[0005]
Even in the conventional method proposed above (hereinafter referred to as “conventional method”), when the conduction ratio is close to 1, narrow pulses are generated. In order to avoid this, a limiter is provided so that narrow pulses of a certain value or less are not generated.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional method has the following problems.
For example, in the case of three phases, as described above, the number of commutations is four in one control cycle, and the number of switching is not minimized. Since the switching loss increases as the number of commutations increases, the switching loss is larger than that when the switching loss is minimized. A higher carrier frequency is preferable for the operating characteristics of the converter circuit, but increases the switching loss, and therefore the carrier frequency cannot be set high.
[0007]
A narrow pulse is likely to be generated when the conduction rate is close to 1 or when the phase period is shifted to the above-described period.
Since a two-phase triangular wave carrier and two sine wave modulation waves are required, the configuration of the analog circuit is not simple.
[0008]
The algorithm is relatively complex and unsuitable for computer control.
In recent years, general-purpose PWM boards that apply PWM pulses to switching elements have become readily available. However, while the conduction period of the switching element occurs twice within one control cycle (for example, (S3, S6) in FIG. 4), the general-purpose PWM board alone does not assume such control. Making a digital circuit does not make it easy to use a general-purpose PWM board.
[0009]
The modulation factor, which is a sine wave modulation wave amplitude ratio to the carrier wave amplitude, takes a value of 1 or less. In order to operate at a flow rate close to 1, the amplitude of the sine wave modulation wave needs to be close to the carrier wave amplitude, that is, the modulation rate needs to be close to 1. When the amplitude of the sine wave modulation wave is close to the carrier wave amplitude, a very narrow pulse is generated. When a pulse having a very narrow width is generated, the generation of such a narrow pulse is limited by the limiter described above. Therefore, there is an upper limit that can increase the modulation wave amplitude, that is, there is an upper limit on the modulation rate, and this upper limit is called the maximum modulation rate. In the conventional method, since the narrow pulse is generated when the amplitude of the sine wave modulation wave is brought close to the carrier wave amplitude, it is difficult to increase the maximum modulation rate.
[0010]
An object of the present invention is to provide a pulse pattern generation method for a three-phase current source converter circuit that overcomes the above-mentioned drawbacks.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention is used in a three-phase current source converter circuit having a bridge in which arms having switching elements that are turned on and off by a pulse are connected in pairs in a positive side and a negative side for each phase. The pulse width generation method of the pulse width modulation system has a reflux mode period in which a pair of switching elements included in a pair of arms connected in a pair are simultaneously turned on in a control cycle. The three reflux mode periods are sequentially generated so as to move between adjacent phases, and the switching elements in one positive side arm and one negative side arm having different phases between adjacent reflux mode periods are provided. The pulse pattern is generated so that each switching element is turned on only once during the control period .
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a three-phase current source converter circuit to which the pulse pattern generation method of the present invention is applied. In FIG. 1, the switching elements S1 to S6 are schematically shown, but are actually any type of switching elements that are turned on and off by pulses such as IGBT and GTO. Although not shown, the switching elements S1 to S6 are usually provided with diodes in order to prevent backflow of current in series. In FIG. 1, 10 indicates a three-phase bridge circuit composed of switching elements S1 to S6, and 12 indicates a three-phase AC power source. Reference numeral 14 denotes a load, which is a superconducting coil in this description. Reference numeral 16 denotes an AC filter for preventing harmonics generated by the switching operation of the three-phase current source converter circuit from flowing out to the three-phase AC power source 12 side.
[0013]
In order to facilitate understanding of the invention, what has been described in the prior art is partially repeated. The PWM pulse pattern is determined by the power supply voltage phase, the three-phase modulation wave conduction ratio command value (in the present invention, the modulation wave is not limited to a sine wave) and the control period. A three-phase alternating current is usually sufficient to express a positive / negative relationship in consideration of a power supply voltage cycle of π / 3. In the following, a phase voltage Va> b phase voltage Vb> 0, c phase voltage Vc = − (Va + Vb) <0/6 period, i.e., first phase period, followed by b-phase voltage Vb> a-phase voltage Va> 0, c-phase voltage Vc =-(Va + Vb) <0, i.e., π / 6 period, i.e., A two-phase period will be described as an example. Here, for simplicity, it is assumed that the conduction ratio command value has the same phase as the power supply voltage so as to realize a power factor of 1, but an arbitrary reactive current can be flowed by controlling the phase of the command value. That is, the information necessary for generating the PWM pulse is only the power supply voltage phase, the three-phase modulation wave conduction ratio command value (Da, Db, Dc), and the control cycle T. A constraint condition for pulse generation in the PWM current source converter is that one of the switching elements on the positive side (S1, S2, S3) and the negative side (S4, S5, S6) must always be on. Under this condition, the pulse generation method of the present invention realizes the order of shifting the on / off mode with the minimum number of switching times in one control cycle in the method in which the narrow pulse is not generated in the region where the output is close to zero. Yes.
[0014]
FIG. 2 is a diagram showing a preferred embodiment of the pulse generation method of the present invention in which the transition sequence of the on / off mode that circulates in the control period in the first and second phase periods is represented by a combination of two element numbers that conduct. Yes, (a) shows the first phase period and (b) shows the second phase period. In FIG. 2, the solid line indicates power running operation, the broken line indicates regenerative operation, and the alternate long and short dash line indicates zero output operation. Here, a combination of switching elements that conducts in zero output operation, for example, (a) (S1, S4), the switching elements S1 and S4 that are paired on the positive side and the negative side shown in FIG. The reflux mode is as follows. In the conventional method, there are two reflux modes between two modes of power running operation (or regenerative operation) within one control cycle (see FIG. 4), whereas in the present invention, there is only one commutation mode. The main feature is that it does not intervene. From FIG. 2, the pulse pattern generation method of the present invention has the minimum number of commutations in one control cycle (here, corresponding to the number of occurrences of the reflux mode) of three times, which is four times that of the conventional method shown in FIG. It can be seen that it is less than once.
[0015]
It should be noted that the on / off mode can be shifted in the direction opposite to the arrow shown in FIG. That is, if the transition direction is selected according to the magnitude relationship between the a and b phases, the control mode may be switched every π / 6 of the power supply phase, and the total number of control modes is 12.
[0016]
Next, the pulse distribution method will be described. The on times Ta and Tb of the modes (S1, S6) and (S2, S6) shown in FIG. 2A are obtained from the a-phase conduction rate command Da and the b-phase conduction rate command Db by the following equations, respectively.
[0017]
[Expression 1]
Ta = T × │Da│
Tb = T × │Db│
The on-time Tc of the c phase automatically becomes a desired value as the sum of the pulse widths Ta and Tb of the a and b phases. That is, the c-phase conduction rate command Dc and the pulse width Tc have the following relationships with the a- and b-phase conduction rate commands Da and Db and the on-time Ta and Tb, respectively.
[0018]
[Expression 2]
│Dc│ = │Da│ + │Db│
Tc = T × | Dc | = T × (| Da | + | Db |)
Therefore, the remaining period Tr of the control cycle T is expressed by the following equation.
[0019]
[Equation 3]
Tr = T− (Ta + Tb) = T−Tc = T × (1− | Dc |)
All the remaining periods Tr are in the reflux mode, but this period is equivalent to the three reflux modes, that is, the modes (S1, S4), (S3, S6) and (S2, S5) shown in FIG. Divide into That is, all the pulse widths Tfw are set to values obtained by the following equation.
[0020]
[Expression 4]
Tfw = Tr / 3 = T × (1- | Dc |) / 3
It will be easily understood that the present invention not only equalizes the periods of the three reflux modes, but can distribute the remaining period Tr in any ratio if desired.
[0021]
The state of this pulse distribution method is shown in FIG. 3 by using a sawtooth wave according to the custom for the first phase period of FIG. 3A shows a PWM switching pattern during power running, FIG. 3B shows a PWM switching pattern during zero output operation, and FIG. 3C shows a PWM switching pattern during regenerative operation. Since Da and Db are negative during the regenerative operation, the mode is changed to (S3, S4), (S3, S5) as shown in FIG. According to the method of the present invention, as can be seen from FIGS. 3A to 3C showing the element ON periods, the ON period exists once in one control period T for all elements. This means that the method of the present invention is suitable for digital control because the subsequent processing can be easily realized by a dedicated PWM board as long as the computer is turned on / off.
[0022]
When the number of commutations within one control cycle of the three-phase current source converter circuit is large, a narrow pulse is likely to be generated in a region where the DC output voltage is low or high. As described above, in the present invention, the number of commutations in one control cycle is as few as three times compared to other conventional methods that do not generate narrow pulses in the region where the output voltage is close to zero. A narrow pulse is not generated in a low region, and it is difficult to generate a narrow pulse even in a high region. Thus, by adopting the on / off mode transition of the switching element that does not generate a narrow pulse even in a region where the DC output voltage is low, the DC output voltage of zero can be realized more easily than the conventional method.
[0023]
Switching loss generally increases as the number of commutations increases. In the present invention, since the number of commutations is the minimum of three, the switching loss due to the number of commutations can be minimized. For example, if the switching loss is proportional to the number of commutations, the present invention does not use a carrier wave as will be described later. However, if expressed using the concept of a carrier wave, the frequency of the carrier wave is 3 minutes compared to the conventional method. Can be set four times higher. Alternatively, in the present invention, the length of one control cycle can be set shorter by three quarters than the conventional method.
[0024]
The present invention determines the conduction rate to determine the length of the total reflux mode period within one control cycle, and then the length of the three reflux mode periods within one control cycle is determined by the total reflux mode period obtained. Can be distributed arbitrarily, and preferably evenly distributed, so that the minimum switching time is not set for each switching element, but the minimum maintenance for the on / off mode of the entire three-phase current source converter is maintained. You can set the time.
[0025]
As described above, the present invention relates to a method for generating a PWM pulse pattern from a conduction rate command value. The method for calculating the duty ratio command value depends on how the converter control system is designed and is not uniquely determined. However, it is obvious to those skilled in the art that once the design policy of the control system is determined, the conduction rate command value corresponding to the desired output current can be obtained using various known methods for calculating the conduction rate command value. I will. The present invention is not limited to the case where the line current flowing into the current source converter (current flowing into the AC filter 16 from the three-phase AC power supply 12 side in FIG. 1) is a sine wave. Similarly to the case of the sine wave, the conduction rate command value obtained in consideration of suppression or the conduction rate command value obtained in consideration of the waveform when the line current is a waveform other than a sine wave. A PWM pulse pattern with features can be generated.
[0026]
Further, in the present invention, when the conduction rate is close to 1, no narrow-width pulse is generated at a value closer to 1 than in the conventional method. Will generate a narrow pulse. In order to avoid this, a limiter can be provided so that the amplitude of the three-phase conduction vector does not exceed the limit value in the higher-order algorithm for determining the conduction ratio command value. In that case, according to the present invention, the limiter can be set so that the limiter operates at a flow rate closer to 1 than in the conventional method.
[0027]
In addition, although the case where the superconducting coil was used was demonstrated about load, this invention may be another type of load and is not limited to the kind of load.
[0028]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, the following effects can be obtained.
In the present invention, the number of commutations is the smallest and the length of each reflux mode period can be arbitrarily distributed including the uniform distribution of all the reflux mode periods. Thus, a wider pulse than the conventional method can be generated, and a narrow pulse is not generated even in a region where the output voltage is low or high compared to the conventional method. Therefore, the present invention does not require the use of a sinusoidal modulated wave or a carrier wave. However, in order to facilitate intuitive understanding, when the modulation rate that is the concept of the conventional method is used, according to the present invention, the three-phase current source converter is It is possible to improve the maximum modulation rate representing the limit operation without generating a narrow pulse in a region where the DC output voltage is high. In other words, the three-phase current source converter of the present invention needs to increase the amplitude of the modulation wave in a region where the DC output voltage is high, but it can be operated without generating a narrow pulse even if this amplitude is increased. be able to.
[0029]
Since the number of commutations is a minimum of three, the switching loss due to the number of commutations can be minimized. Therefore, for example, if the switching loss is proportional to the number of commutations, the present invention does not use a carrier wave, but if expressed using the concept of a conventional carrier wave, the frequency of the carrier wave is 3 minutes compared to the conventional method. Can be set four times higher. In other words, according to the present invention, the length of one control cycle can be set to be 3/4 shorter than that of the conventional method.
[0030]
The algorithm for determining the PWM pulse pattern of the present invention is simpler than the conventional method, is easy to implement with a digital circuit, and is suitable for computer control. Since the digitization is easy and the switching element is turned on only once in one control cycle, the general-purpose PWM board can be easily used.
[0031]
The present invention can also be controlled when the line current flowing into the three-phase current source converter has a waveform other than a sine wave.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an example of a three-phase current source converter circuit.
FIG. 2 shows a transition sequence of an on / off mode that circulates in a control period in the first and second phase periods for one preferred embodiment of the pulse generation method of the present invention applied to the three-phase current source converter circuit shown in FIG. (A) shows a first phase period, and (b) shows a second phase period.
3 is a diagram showing a PWM switching pattern in accordance with the on-off mode transition sequence shown in FIG. 2, wherein (a) is for powering operation, (b) is for zero output operation, and (c) is for regeneration. Each time is shown.
FIG. 4 is a diagram showing a conventional pulse pattern generation method using a two-phase triangular wave in a combination of two element numbers that conducts an on / off mode transition sequence that circulates in a control cycle in the first and second phase periods. (A) shows the first phase period and (b) shows the second phase period.
[Explanation of symbols]
10 Three-phase bridge circuit 12 Three-phase AC power supply 14 Superconducting coil 16 AC filter

Claims (2)

パルスによりオンオフされるスイッチング素子を有するアームが1相ごとに正側と負側の対になって接続されているブリッジを有する三相電流形コンバータ回路に用いられるパルス幅変調方式のパルスパターン発生方法において、
制御周期の中で、前記の対になって接続されている1対のアームに含まれる1対のスイッチング素子を同時にオンする還流モード期間を有し、3つの当該還流モード期間が隣接相を移るように順次発生し、隣り同士の還流モード期間の間に相の異なる正側の1つのアームと負側の1つのアームにあるそれぞれのスイッチング素子をオンする通流期間を有し、かつ前記制御周期中に各スイッチング素子が1回だけオンするようにパルスパターンを発生する方法。
Pulse pattern generation method of pulse width modulation method used in a three-phase current source converter circuit having a bridge in which arms having switching elements that are turned on and off by a pulse are connected in pairs in a positive side and a negative side for each phase In
In the control cycle, there is a reflux mode period in which a pair of switching elements included in the pair of arms connected in pairs are simultaneously turned on, and the three reflux mode periods shift between adjacent phases. And the control circuit has a conduction period for turning on each switching element in one positive arm and one negative arm in different phases between adjacent reflux mode periods, and the control A method of generating a pulse pattern so that each switching element is turned on only once during a period .
3つの還流モード期間が実質的に等しい請求項1記載の方法。  The method of claim 1, wherein the three reflux mode periods are substantially equal.
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