JP4707740B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電気車用の電力変換装置(インバータ装置)に関するものであり、特に、電気車をインバータ変調方式にて駆動する場合の高調波電流に起因する6次の高調波騒音(以下「6次高調波騒音」という)を効果的に低減することができる電力変換装置に関するものである。
従来、電気車を駆動するための典型的なインバータ変調方式を開示した文献として、例えば下記非特許文献1などがある。この非特許文献1に開示されたインバータ変調方式では、インバータ周波数が小さいときは多パルスの非同期変調を用い、インバータ周波数が大きくなると3パルスの同期変調を用い、さらに出力電圧が終端電圧(定格出力:100%)に達した以降は1パルスの同期変調を用いるようにした制御方式が開示されている。
「インバータ制御電車概論」 飯田秀樹、加我敦著、電気車研究会
ここで、上述した従来のインバータ変調方式では、特に、出力電圧が終端電圧の前後にあるときに用いられる3パルスおよび1パルスによる同期変調時に、電流波形に含まれる5次および7次の高調波電流に起因して発生する6次の周波数に相当するトルクリップル成分が車体の構造物と共振することがあり、この共振によって大きな騒音が発生する場合があるという問題点があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、インバータ周波数の6次の周波数に相当するトルクリップル成分を抑制することにより、このトルクリップル成分に起因して発生する6次高調波騒音を低減することができる電力変換装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力変換装置は、入力された直流電圧または交流電圧を直流電圧に変換する入力回路部と、前記入力回路部からの直流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータ部と、前記インバータ部に具備されるスイッチング素子をスイッチ制御するためのPWM波形を生成出力するPWM波形生成部と、を備えた電力変換装置であって、前記交流電動機を3パルスモードで駆動する際に、前記PWM波形生成部が出力するPWM波形におけるインバータ周波数の1/2周期内に含まれる3つのパルスを、その生成順にそれぞれ第1パルス、第2パルス、第3パルスとし、該第1パルスのパルス幅をTp、該第2パルスのパルス幅の1/2(パルス半値幅)をTq、該第3パルスのパルス幅をTr、前記インバータ周波数の周期をTとするとき、前記第1パルスのパルス幅Tpと、前記第2パルスのパルス半値幅Tqと、前記第3パルスのパルス幅Trと、前記インバータ周波数の周期Tとの間で、Tq≧T/8、かつ、Tp≦Tq/2、かつ、Tr≦Tq/2の関係を満足するように設定されていることを特徴とする。
本発明にかかる電力変換装置によれば、交流電動機を3パルスモードで駆動する際に、交流電動機を駆動するインバータ部を制御するためのPWM波形におけるインバータ周波数の1/2周期内に含まれる3つのパルスを、その生成順にそれぞれ第1パルス、第2パルス、第3パルスとし、第1パルスのパルス幅をTp、第2パルスのパルス幅の1/2(パルス半値幅)をTq、第3パルスのパルス幅をTr、インバータ周波数の周期をTとするときに、第1パルスのパルス幅Tpと、第2パルスのパルス半値幅Tqと、第3パルスのパルス幅Trと、インバータ周波数の周期Tとの間で、Tq≧T/8、かつ、Tp≦Tq/2、かつ、Tr≦Tq/2の関係を満足するように設定したので、インバータ周波数の6次の周波数に相当するトルクリップル成分を抑制することができ、このトルクリップル成分に起因して発生する6次高調波騒音を低減することができるという効果を奏する。
1 電力変換装置
2 入力回路
3 インバータ部
4a,5a,6a,4b,5b,6b スイッチング素子
7 PWM波形生成部
8 モータ
10 架線
11 集電装置
12 レール
13 車輪
2 入力回路
3 インバータ部
4a,5a,6a,4b,5b,6b スイッチング素子
7 PWM波形生成部
8 モータ
10 架線
11 集電装置
12 レール
13 車輪
以下に、本発明の好適な実施にかかる電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。
(電力変換装置の構成)
図1は、本発明の好適な実施の形態にかかる電力変換装置の構成例を示す図である。同図において、本実施の形態にかかる電力変換装置1は、少なくともスイッチ、フィルタコンデンサ、フィルタリアクトルを含む入力回路2、スイッチング素子4a,5a,6a,4b,5b,6bを具備し、電気車を駆動するための少なくとも1台以上のモータ8を接続してなるインバータ部3、およびインバータ部3をスイッチ制御するためのPWM波形を生成して出力するPWM波形生成部7を備えて構成される。なお、インバータ部3に接続されるモータ8としては、誘導電動機や同期電動機が好適である。
図1は、本発明の好適な実施の形態にかかる電力変換装置の構成例を示す図である。同図において、本実施の形態にかかる電力変換装置1は、少なくともスイッチ、フィルタコンデンサ、フィルタリアクトルを含む入力回路2、スイッチング素子4a,5a,6a,4b,5b,6bを具備し、電気車を駆動するための少なくとも1台以上のモータ8を接続してなるインバータ部3、およびインバータ部3をスイッチ制御するためのPWM波形を生成して出力するPWM波形生成部7を備えて構成される。なお、インバータ部3に接続されるモータ8としては、誘導電動機や同期電動機が好適である。
また、図1において、入力回路2の一端は集電装置11を介して架線10に接続され、他端は車輪13を介して大地電位であるレール12に接続されている。架線10から供給される直流電力または交流電力は、集電装置11を介して入力回路2の一端に入力されるとともに、入力回路2の出力端に生じた電力がインバータ部3に入力される。
インバータ部3は、スイッチング素子4a,5a,6aで構成される正側アーム(例えばU相では4a)と、スイッチング素子4b,5b,6bで構成される負側アーム(例えばU相では4b)とがそれぞれ直列に接続されたレグを有している。すなわち、インバータ部3には、3組(U相分、V相分、W相分)のレグを有する三相ブリッジ回路が構成されている。なお、スイッチング素子4a,5a,6a,4b,5b,6bとしては、逆並列ダイオードが内蔵されたIGBT素子やIPM素子が好適である。
インバータ部3は、PWM波形生成部7から出力されるスイッチング信号(PWM波形)に基づいてスイッチング素子4a,5a,6a,4b,5b,6bをPWM制御することにより、入力回路2から入力された直流電圧を所望の交流電圧に変換して出力する。なお、図1の例では、レグ数が3(3相)である場合の構成例を示しているが、このレグ数に限定されるものではない。
(従来技術によるスイッチング波形)
図2は、従来技術にかかる3パルスモード(以下「従来型3パルスモード」という)時に生成されるスイッチング波形(線間電圧波形)を示す図である。すなわち、同図に示す電圧波形は、インバータ部3のU相−V相間、V相−W相間、またはW相−U相間の何れか一つの線間電圧波形を代表として示したものである。
図2は、従来技術にかかる3パルスモード(以下「従来型3パルスモード」という)時に生成されるスイッチング波形(線間電圧波形)を示す図である。すなわち、同図に示す電圧波形は、インバータ部3のU相−V相間、V相−W相間、またはW相−U相間の何れか一つの線間電圧波形を代表として示したものである。
図2において、従来型3パルスモードにおける線間電圧波形では、インバータ周波数の1/2周期(T/2)の区間内に、パルス幅T1,T2,T3の3つのパルス(以下、便宜上「第1パルス」、「第2パルス」および「第3パルス」と称する)が生成されており、これらのパルス間には、T1<T2,T3<T2の関係がある。また、第1パルスと第3パルスとの間では、波形の対称性の観点からT1=T3と設定するのが一般的である。なお、従来型3パルスモードにおける電流特性およびトルク特性については、後述する。
(本実施の形態によるスイッチング波形)
図3は、本発明の好適な実施の形態にかかる電力変換装置に適用される改善された3パルスモード(以下「改善型3パルスモード」という)時に生成されるスイッチング波形(線間電圧波形)を示す図である。なお、図3に示す波形図では、インバータ周波数の1/2周期(T/2)の区間を2分する1/4周期(T/4)の区間に区分して示している。
図3は、本発明の好適な実施の形態にかかる電力変換装置に適用される改善された3パルスモード(以下「改善型3パルスモード」という)時に生成されるスイッチング波形(線間電圧波形)を示す図である。なお、図3に示す波形図では、インバータ周波数の1/2周期(T/2)の区間を2分する1/4周期(T/4)の区間に区分して示している。
図3に示す、改善型3パルスモードによるスイッチング波形(線間電圧波形)では、あるインバータ周波数の1/4周期の区間において、パルス休止期間Ta,Tcを前後に挟むパルス幅Tbのパルスと、パルス休止期間Tc後のパルス幅Tdのパルスとが出力されるとともに、これらのパルス群がつぎの1/4周期の区間で左右対称形状に折り返されるように形成され、さらにつぎの1/2周期の区間で、直前に出力された1/2周期のパルス群が点対称形状に繰り返されるように形成されている。すなわち、本実施の形態にかかる改善型3パルスモードでは、パルス幅Tbの第1パルス、パルス幅2Tdの第2パルス、およびパルス幅Tbの第3パルス、による3つのパルスによるスイッチング波形(線間電圧波形)が出力される。
なお、改善型3パルスモードにおいても、波形の対称性の観点から図3に示すように、第1パルスと第3パルスの各パルス幅を同一に設定しているが、後述する関係式を満足する範囲内であれば、これらのパルス幅同士が異なる値に設定されていても構わない。
つぎに、図3に示した改善型3パルスモードを特徴づけるパルス休止期間Ta,Tcおよびパルス幅Tb,Td間の関係について説明する。
まず、パルス幅Td、パルス幅Tbおよびインバータ周波数の周期Tとの間には、以下の関係を満足することが好ましい。
Td≧T/8 …(1)
Tb≦Td/2 …(2)
Td≧T/8 …(1)
Tb≦Td/2 …(2)
また、パルス幅Tdは、改善型3パルスモードを形成する条件として、次の不等式を満足する必要がある。
Td<T/4−Tb …(3)
Td<T/4−Tb …(3)
上記(1)〜(3)式によって、以下の関係式が導かれる。
T/8≦Td<T/4−Tb …(4)
T/8≦Td<T/4−Tb …(4)
以下に幾つかの典型的な例を示す。例えば上記(2)式を満足するTbとして、Tb=T/12に設定すれば、上記(4)式は、次式のように変換される。
T/8≦Td<T/6 …(5)
したがって、(5)式を満足するTdとして、例えばTd=T/8、あるいはTd=T/7などの値を選択することができる。
T/8≦Td<T/6 …(5)
したがって、(5)式を満足するTdとして、例えばTd=T/8、あるいはTd=T/7などの値を選択することができる。
また、例えば上記(2)式を満足するTbとして、Tb=T/20に設定すれば、上記(4)式は、次式のように変換される。
T/8≦Td<T/5 …(6)
この場合であれば、例えばTd=T/6などの値も選択することが可能となる。
T/8≦Td<T/5 …(6)
この場合であれば、例えばTd=T/6などの値も選択することが可能となる。
(電力変換装置の動作)
つぎに、本実施の形態にかかる電力変換装置の動作について図1および図3を参照して説明する。図1において、架線1から供給される直流電力または交流電力は、集電装置11を介して入力回路2に入力されるとともに、入力回路2の出力端に生じた直流電力がインバータ部3に入力される。このとき、インバータ部3を構成する各スイッチング素子4a,5a,6a,4b,5b,6bには、PWM波形生成部7が生成した所定のスイッチング信号が入力され、インバータ部3の出力端である各相間(U相−V相間、V相−W相間、W相−U相間)には線間電圧が現れてモータ8に印加される。
つぎに、本実施の形態にかかる電力変換装置の動作について図1および図3を参照して説明する。図1において、架線1から供給される直流電力または交流電力は、集電装置11を介して入力回路2に入力されるとともに、入力回路2の出力端に生じた直流電力がインバータ部3に入力される。このとき、インバータ部3を構成する各スイッチング素子4a,5a,6a,4b,5b,6bには、PWM波形生成部7が生成した所定のスイッチング信号が入力され、インバータ部3の出力端である各相間(U相−V相間、V相−W相間、W相−U相間)には線間電圧が現れてモータ8に印加される。
ここで、従来のインバータ制御では、インバータ周波数が小さいときには多パルスの非同期変調を行い、インバータ周波数が大きくなると3パルスの同期変調を行い、さらに出力電圧が終端電圧に達すると1パルスの同期変調を行うようにしていた。
一方、本実施の形態によるインバータ制御では、インバータ周波数が小さいときには多パルスの非同期変調を用いるが、インバータ周波数が大きくなると上記図3に示すような改善型3パルスモードによって生成されたPWM波形を用いるようにする。なお、この改善型3パルスモードによるPWM波形は、PWM波形生成部7によって生成される。さらに、本実施の形態によるインバータ制御では、従来では用いられていた1パルスモードは使用しない。すなわち、本実施の形態によるインバータ制御では、出力電圧が終端電圧に達した以降も、改善型3パルスモードによるPWM波形を用いた制御を行う。
なお、本実施の形態によるインバータ制御では、1パルスモードを使用しないこととしているので、例えば、3パルスモードと1パルスモードとの切替時に発生するトルク変動を考慮する必要がなくなるという利点が得られる。
また、従来のインバータ制御では、出力電圧が終端電圧(定格出力)に達した以降では、1パルスモードによる制御を行っていたので、PWM波形の変更を行うことができず、柔軟な運転制御を行うことが不可能であった。一方、本実施の形態によるインバータ制御では、PWM波形の変更を行うことができる改善型3パルスモードを継続的に使用することができるので、出力電圧が終端電圧に達した以降においても、柔軟な運転制御を行うことができるという利点が得られる。
つぎに、本実施の形態の電力変換装置による効果について図4〜図7の各図面を参照して説明する。図4は、従来型3パルスモードと比較した改善型3パルスモードによる高調波電流の低減効果を示す図であり、図5は、従来型3パルスモードと比較した改善型3パルスモードによる高調波トルク成分の低減効果を示す図であり、図6は、1パルスモードと比較した改善型3パルスモードによる高調波電流の低減効果を示す図であり、図7は、1パルスモードと比較した改善型3パルスモードによる高調波トルク成分の低減効果を示す図である。
上述のように、あるいは公知の事実としても知られているように、3パルスおよび1パルスの同期変調時において使用されるPWM波形には、インバータ周波数を基本周波数(1次)とするときの5次および7次の高調波電流が含まれている。また、これらの5次および7次の高調波電流に起因して基本周波数の6次に相当するトルクリップル成分が発生する。
例えば、図4の左方部の図に示すように、従来型3パルスモードでは、基本波を100%とするときに30%強の5次高調波電流と、約20%の7次高調波電流が発生し、また、図5の左方部の図に示すように、基本波を0dBとするときに−12dB前後の6次トルクリップル成分が発生している。
一方、本実施の形態による改善型3パルスモードでは、図4の右方部の図に示すように、5次高調波電流および7次高調波電流は、それぞれ15%弱および10%弱と低減されている。その結果、図5の右方部の図に示すように、6次トルクリップル成分は約−25dBに低減されており、従来と比較して約−13dB(約1/20)の大きさに低減されている。
また、図6の左方部の図に示すように、1パルスモードでは、基本波を100%とするときに40%強の5次高調波電流と、20%強の7次高調波電流が発生し、また、図7の左方部の図に示すように、基本波を0dBとするときに−12dB前後の6次トルクリップル成分が生じている。つまり、本実施の形態による改善型3パルスモードを1パルモードと比較した場合でも、6次トルクリップル成分は、約−13dB(約1/20)の大きさに低減されていることになる。
以上説明したように、本実施の形態の電力変換装置では、インバータ周波数が小さいときは多パルスの非同期変調を行い、インバータ周波数が大きくなるに従い、従来型3パルスモードによるPWM波形の時間配分を変更した改善型3パルスモードによるPWM波形を適用するようにしているので、インバータ周波数の6次の周波数に相当するトルクリップル成分を抑制することができ、このトルクリップル成分に起因して発生する6次高調波騒音を低減することが可能となる。
また、本実施の形態の電力変換装置では、1パルスモードを使用していないので、3パルスモードと1パルスモードとの切替時に発生するトルク変動を考慮した制御を行う必要がなくなり、制御構成あるいは制御態様を簡素化することができるという効果が得られる。
以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、インバータ周波数の6次の周波数に相当するトルクリップル成分に起因して発生する6次高調波騒音を低減することができる発明として有用である。
Claims (3)
- 入力された直流電圧または交流電圧を直流電圧に変換する入力回路部と、前記入力回路部からの直流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータ部と、前記インバータ部に具備されるスイッチング素子をスイッチ制御するためのPWM波形を生成出力するPWM波形生成部と、を備えた電力変換装置であって、
前記交流電動機を3パルスモードで駆動する際に、前記PWM波形生成部が出力するPWM波形におけるインバータ周波数の1/2周期内に含まれる3つのパルスを、その生成順にそれぞれ第1パルス、第2パルス、第3パルスとし、該第1パルスのパルス幅をTp、該第2パルスのパルス幅の1/2(パルス半値幅)をTq、該第3パルスのパルス幅をTr、前記インバータ周波数の周期をTとするとき、前記第1パルスのパルス幅Tpと、前記第2パルスのパルス半値幅Tqと、前記第3パルスのパルス幅Trと、前記インバータ周波数の周期Tとの間で、
Tq≧T/8、かつ、Tp≦Tq/2、かつ、Tr≦Tq/2
の関係を満足するように設定されていることを特徴とする電力変換装置。 - 前記第1パルスのパルス幅Tpと、前記第3パルスのパルス幅Trとが、
Tp=Tr
となるように設定されていることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記インバータ部の出力電圧が終端電圧に達した以降においても、前記交流電動機を3パルスモードで駆動することを特徴とする請求項1または2に記載の電力変換装置。
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