JP5324374B2 - 三相電流形電力変換器に対するパルスパターン生成構成 - Google Patents

三相電流形電力変換器に対するパルスパターン生成構成 Download PDF

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Description

本発明は、各相の上下アームが逆阻止形のスイッチング素子で構成され、かつ、パルス幅変調によって電力変換を行う三相電流形電力変換器に対してパルスパターンを生成するパルスパターン生成構成に関する。
各相の上下アームが逆阻止形のスイッチング素子で構成され、かつ、パルス幅変調によって電力変換を行う従来の三相電流形電力変換器において、三相電流形高力率整流器として利用した例が提案されている（下記非特許文献１）。
図８は、非特許文献１に記載の三相電流形電力変換システム１０の概略構成を示す回路図である。
図８に示す三相電流形電力変換システム１０は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各相Ｕ，Ｖ，Ｗの上下アーム（ＵP，ＵN），（ＶP，ＶN），（ＷP，ＷN）が逆阻止形のスイッチング素子で構成され、かつ、パルス幅変調によって電力変換を行う三相電流形電力変換器Ａと、電力変換器Ａの直流側回路１１と、電力変換器Ａの交流側回路１２と、電力変換システム１０全体の制御を司る制御部１３０とを備えている。
電力変換器Ａは、Ｕ相Ｕ、Ｖ相Ｖ及びＷ相Ｗのアーム対ＢU，ＢV，ＢWが三対並列に接続されている。Ｕ相Ｕ、Ｖ相Ｖ及びＷ相Ｗのアーム対ＢU，ＢV，ＢWでは、それぞれ、Ｕ相Ｕ、Ｖ相Ｖ及びＷ相Ｗの上アームＵP，ＶP，ＷP並びにＵ相Ｕ、Ｖ相Ｖ及びＷ相Ｗの下アームＵN，ＶN，ＷNが直列に接続されている。Ｕ相Ｕ、Ｖ相Ｖ及びＷ相Ｗの上アームＵP，ＶP，ＷP並びにＵ相Ｕ、Ｖ相Ｖ及びＷ相Ｗの下アームＵN，ＶN，ＷNは、いずれも、逆阻止形のスイッチング素子より成っている。
電力変換器Ａの交流側回路１２には、各アーム対ＢU，ＢV，ＢWの上アームＵP，ＶP，ＷPと下アームＵN，ＶN，ＷNとの間において、それぞれ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相ラインＵ，Ｖ，Ｗを介して三相電力系統Ｅと負荷Ｌｏａｄが接続されている。なお、本明細書でいう上アームとは直流側から三相電流形電力変換器に電流が流入する方のアーム群（ＵP，ＶP，ＷP）を指し、下アームとは三相電流形電力変換器から直流側に電流が流出する方のアーム群（ＵN，ＶN，ＷN）を指す。
Ｕ相Ｕ、Ｖ相Ｖ、Ｗ相Ｗの各ラインには、それぞれ、各ラインＵ，Ｖ，Ｗに対して並列接続されたキャパシタＣU，ＣV，ＣWとフィルタ回路Ｆが設けられている。
直流側回路１１は、入力側に直流電源Ｇが接続され、かつ、出力側に電力変換器Ａが接続されている。直流側回路１１には、直流電源Ｇの出力側で電力変換器Ａの入力側に直列に接続されるインダクタＬDが設けられている。
なお、図８において、符号ｉLは直流側の電流を示しており、符号ｉU，ｉV，ｉWはそれぞれ電力変換器ＡのＵ相Ｕ、Ｖ相Ｖ及びＷ相Ｗの交流側線電流を示している。また、符号ＩU，ＩV，ＩWはそれぞれ三相電力系統Ｅ側（負荷Ｌｏａｄ側）のＵ相Ｕ、Ｖ相Ｖ及びＷ相Ｗの交流側線電流を示している。これらのことは、後述する図９から図１１についても同様である。
そして、図８に示す電力変換器Ａは、制御部１３０の指示命令に従い、交流側から直流側へ高力率（力率略１００％）で電力変換する三相電流形高力率整流器（コンバータ）として利用されるようになっている。電力変換器Ａへのスイッチングパルスを容易に決定するという観点から、直流側回路１１には、インダクタＬDと電力変換器Ａとの間で直流電源Ｇに並列に接続されたダイオードＤFWがさらに設けられている。
ところで、図８に示すダイオードＤFWのような素子が設けられていない一般的な三相電流形電力変換システムにおいては、通常は、直流側の電流量と交流側の電流量とが異なることから、電力変換のためのスイッチング動作以外のときでも、直流側で電流を環流（短絡）させる環流経路を確保する必要があるため、電力変換のためのスイッチング動作以外のときに、環流経路を確保するための短絡パルスを生成するスイッチング動作がなされる。
この点に関し、図８に示す三相電流形電力変換システム１０では、インダクタＬDと電力変換器Ａとの間でダイオードＤFWが直流電源Ｇに並列に接続されているので、このダイオードＤFWによって、電力変換のためのスイッチング動作以外のときに、短絡パルスを生成しなくても環流経路αを確保することができる。すなわち、ダイオードＤFWは、直流側で電流を環流（短絡）させる環流経路を確保するための短絡素子としても機能する。
ところが、図８に示す三相電流形電力変換システム１０では、ダイオードＤFWが設けられているので、電力変換器Ａが、交流側から直流側へ高力率（力率略１００％）で電力変換する三相電流形高力率コンバータの利用に限定されてしまう。このため、電力変換器Ａを低力率の三相電流形コンバータや三相電流形インバータとして利用することができない。
電力変換器Ａを低力率の三相電流形コンバータや三相電流形インバータとして利用するためには、ダイオードＤFWを除去すればよいが、そうすると、電力変換のためのスイッチング動作以外のときに、環流経路を確保するための短絡パルスを生成するパルス幅変調（具体的には三相変調又は二相変調）によるスイッチング動作がなされることになる。
図９から図１１は、電力変換器Ａを三相電流形インバータとして利用する場合の三相電流形電力変換システム１０ａ〜１０ｃの概略構成を示す回路図である。図９は、三相電力系統Ｅと負荷Ｌｏａｄとをモータに置換えてモータＥを駆動する例の三相電流形電力変換システム１０ａを示しており、図１０は、電力変換器Ａを三相電流形インバータによるＳＶＧ（Static Var Generator）又はＡＰＦ（Active Power filter）として利用する例の三相電流形電力変換システム１０ｂを示しており、図１１は、系統連系運転を行う例の三相電流形電力変換システム１０ｃを示している。
また、図１２は、電力変換器ＡにおいてＵ相Ｕ、Ｖ相Ｖ及びＷ相Ｗの上アームＵP，ＶP，ＷPの何れか一つがオンとなり、かつ、Ｕ相Ｕ、Ｖ相Ｖ及びＷ相Ｗの下アームＵN，ＶN，ＷNの何れか一つがオンとなるオンアームの組み合わせ（スイッチング動作モードＭ１〜Ｍ９）に対する電流経路α１〜α９を示す表である。
なお、図８から図１２において、直流側の電流ｉLは電力変換器Ａへ流出する向きを正とし、図８においては、Ｕ相Ｕ、Ｖ相Ｖ及びＷ相Ｗの交流側線電流ｉU，ｉV，ｉWは三相電力系統Ｅから電力変換器Ａへ流入する向きを正とし、図９から図１２においては、Ｕ相Ｕ、Ｖ相Ｖ及びＷ相Ｗの交流側線電流ｉU，ｉV，ｉWは電力変換器ＡからモータＥまたは三相電力系統Ｅへ流出する向きを正としている。また、図１２の表中太枠部の動作モードＭ１，Ｍ５，Ｍ９において、電流経路α１，α５，α９は、直流側で電流を環流（短絡）させる環流経路を示している。
制御部１３ａ〜１３ｃは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１４と、記憶部１５とを備えている。記憶部１５は、ＲＯＭ（Read Only Memory）１５１及びＲＡＭ（Random Access Memory）１５２を含み、各種制御プログラムや必要な関数及びテーブルを記憶するようになっている。
制御部１３ａ〜１３ｃは、ＣＰＵ１４によって、スイッチング制御プログラムを記憶部１５から読み出し、該読み出したスイッチング制御プログラムを実行することで、三相電流形電力変換器Ａにおける各上下アーム（ＵP，ＵN），（ＶP，ＶN），（ＷP，ＷN）のスイッチング素子のスイッチング制御を行うように構成されている。
すなわち、図１２に示すように、第１動作モードＭ１においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＵ相Ｕの下アームＵNがオンすると、電流経路（環流経路）α１が形成され、第２動作モードＭ２においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＶ相Ｖの下アームＶNがオンすると、電流経路α２が形成され、第３動作モードＭ３においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＷ相Ｗの下アームＷNがオンすると、電流経路α３が形成される。
また、第４動作モードＭ４においてＶ相Ｖの上アームＶP及びＵ相Ｕの下アームＵNがオンすると、電流経路α４が形成され、第５動作モードＭ５においてＶ相Ｖの上アームＶP及びＶ相Ｖの下アームＶNがオンすると、電流経路（環流経路）α５が形成され、第６動作モードＭ６においてＶ相Ｖの上アームＶP及びＷ相Ｗの下アームＷNがオンすると、電流経路α６が形成される。
さらに、第７動作モードＭ７においてＷ相Ｗの上アームＷP及びＵ相Ｕの下アームＵNがオンすると、電流経路α７が形成され、第８動作モードＭ８においてＷ相Ｗの上アームＷP及びＶ相Ｖの下アームＶNがオンすると、電流経路α８が形成され、第９動作モードＭ９においてＷ相Ｗの上アームＷP及びＷ相Ｗの下アームＷNがオンすると、電流経路（環流経路）α９が形成される。
なお、第１、第５及び第９動作モードＭ１，Ｍ５，Ｍ９が短絡パルスＳＰ（後述する図１３及び図１４参照）を生成する短絡モードとされている。
図１３は、図９から図１１に示す三相電流形電力変換システム１０ａ〜１０ｃにおいて、制御部１３ａ〜１３ｃによって三相変調を行った場合での電力変換器Ａの各相Ｕ，Ｖ，Ｗにおける交流側線電流指令値ｉU *，ｉV *，ｉW *の時間的変化の一例と、図１２に示すスイッチング動作モードのパルスパターンと、交流側線電流ｉU，ｉV，ｉWとを対応させた図である。
また、図１４は、図９から図１１に示す三相電流形電力変換システム１０ａ〜１０ｃにおいて、制御部１３ａ〜１３ｃによって第１及び第２二相変調を行った場合での電力変換器Ａの各相Ｕ，Ｖ，Ｗにおける交流側線電流指令値ｉU *，ｉV *，ｉW *の時間的変化と、図１２に示すスイッチング動作モードのパルスパターンと、交流側線電流ｉU，ｉV，ｉWとを対応させた図である。図１４（ａ）は、第１二相変調の一例を示しており、図１４（ｂ）は、第２二相変調の一例を示している。
なお、図１３及び図１４において、符号βはスイッチング動作を制御するためのキャリア（三角波）を示している。符号ｉUV *，ｉVW *，ｉWU *はキャリアβと共に一変調周期Ｔに対する各相Ｕ，Ｖ，Ｗの交流側線電流ｉU，ｉV，ｉWが流れる時間の占める割合を決定するスイッチングパラメータを示している。スイッチングパラメータｉUV *とスイッチングパラメータｉWU *との間でＵ相Ｕの交流側線電流指令値ｉU *が決定され、スイッチングパラメータｉVW *とスイッチングパラメータｉUV *との間でＶ相Ｖの交流側線電流指令値ｉV *が決定され、スイッチングパラメータｉWU *とスイッチングパラメータｉVW *との間でＷ相Ｗの交流側線電流指令値ｉW *が決定される。また、符号Ｔは一変調周期を示している。一変調周期Ｔとしては、それには限定されないが、例えば、変換電力が１００ｋＷ以下の場合で１００μｓｅｃ以下、或いは、変換電力が１００ｋＷを超える場合で２００μｓｅｃ程度を例示できる。これらのことは、後述する図１から図３及び図５の場合についても同様である。
パルス幅変調の一変調周期の始点及び終点の位置は、任意に決定することができるが、図９から図１１に示す三相電流形電力変換システム１０ａ〜１０ｃにおいて、例えば、一変調周期Ｔの始点及び終点をキャリアβの振幅の最小位置とすると、次のスイッチング動作の制御が行われる。
ここでは、Ｕ相Ｕに流れる交流側線電流ｉUを正の電流とし、Ｖ相Ｖに流れる交流側線電流ｉV及びＷ相Ｗに流れる交流側線電流ｉWを負の電流とし、さらに、Ｕ相Ｕの交流側線電流指令値ｉU *の絶対値｜ｉU *｜が最大となる場合を例にとって説明する。
より具体的には、直流側の電流ｉLを２０Ａとし、一変調周期Ｔ内に流れるＵ相Ｕ、Ｖ相Ｖ及びＷ相Ｗの交流側線電流ｉU，ｉV，ｉWをそれぞれ１０Ａ、−７．５Ａ及び−２．５Ａとして、三相変調並びに第１及び第２二相変調を順に説明する。
［三相変調］
図１３に示す三相変調の一例では、一変調周期Ｔのうち、第１時間Ｔ１においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＵ相Ｕの下アームＵNが１／８周期オンされ（図１２の第１動作モードＭ１（短絡モード））、第３時間Ｔ３においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＷ相Ｗの下アームＷNが１／１６周期オンされ（図１２の第３動作モードＭ３）、第２時間Ｔ２においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＶ相Ｖの下アームＶNが３／１６周期オンされる（図１２の第２動作モードＭ２）。
次に、第１時間Ｔ１においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＵ相Ｕの下アームＵNが１／４周期オンされ（図１２の第１動作モードＭ１（短絡モード））、第２時間Ｔ２においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＶ相Ｖの下アームＶNが３／１６周期オンされ（図１２の第２動作モードＭ２）、第３時間Ｔ３においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＷ相Ｗの下アームＷNが１／１６周期オンされ（図１２の第３動作モードＭ３）、さらに、第１時間Ｔ１においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＵ相Ｕの下アームＵNが１／８周期オンされる（図１２の第１動作モードＭ１（短絡モード））。
すなわち、この三相変調の一例では、第１動作モードＭ１（短絡モード）において、第１時間Ｔ１として周期Ｔの１／２（＝１／８＋１／４＋１／８＝５０％）だけＵ相Ｕの上アームＵP及びＵ相Ｕの下アームＵNがオンされ、第２動作モードＭ２において、第２時間Ｔ２として周期Ｔの３／８（＝３／１６＋３／１６＝３７．５％）だけＵ相Ｕの上アームＵP及びＶ相Ｖの下アームＶNがオンされ、第３動作モードＭ３において、第３時間Ｔ３として周期Ｔの１／８（＝１／１６＋１／１６＝１２．５％）だけＵ相Ｕの上アームＵP及びＷ相Ｗの下アームＷNがオンされる。
［第１二相変調］
図１４（ａ）に示す第１二相変調の一例では、スイッチングパラメータｉUV *は、キャリアβの振幅の頂点位置Ｘに配置されており、スイッチングパラメータｉVW *，ｉWU *は、キャリアβの振幅の頂点位置Ｘを基準にして下側に配置されている。
図１４（ａ）に示すように、一変調周期Ｔのうち、第１時間Ｔ１においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＵ相Ｕの下アームＵNが１／４周期オンされ（図１２の第１動作モードＭ１（短絡モード））、第３時間Ｔ３においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＷ相Ｗの下アームＷNが１／１６周期オンされ（図１２の第３動作モードＭ３）、第２時間Ｔ２においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＶ相Ｖの下アームＶNが３／８周期オンされる（図１２の第２動作モードＭ２）。
次に、第３時間Ｔ３においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＷ相Ｗの下アームＷNが１／１６周期オンされ（図１２の第３動作モードＭ３）、さらに、第１時間Ｔ１においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＵ相Ｕの下アームＵNが１／４周期オンされる（図１２の第１動作モードＭ１（短絡モード））。
すなわち、この第１二相変調の一例では、第１動作モードＭ１（短絡モード）において、第１時間Ｔ１として周期Ｔの１／２（＝１／４＋１／４＝５０％）だけＵ相Ｕの上アームＵP及びＵ相Ｕの下アームＵNがオンされ、第２動作モードＭ２において、第２時間Ｔ２として周期Ｔの３／８（＝３７．５％）だけＵ相Ｕの上アームＵP及びＶ相Ｖの下アームＶNがオンされ、第３動作モードＭ３において、第３時間Ｔ３として周期Ｔの１／８（＝１／１６＋１／１６＝１２．５％）だけＵ相Ｕの上アームＵP及びＷ相Ｗの下アームＷNがオンされる。
［第２二相変調］
図１４（ｂ）に示す第２二相変調の一例では、スイッチングパラメータｉWU *は、キャリアβの振幅の谷位置Ｘに配置されており、スイッチングパラメータｉUV *，ｉVW *は、キャリアβの振幅の谷位置Ｘを基準にして上側に配置されている。
図１４（ｂ）に示すように、一変調周期Ｔのうち、第３時間Ｔ３においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＷ相Ｗの下アームＷNが１／１６周期オンされ（図１２の第３動作モードＭ３）、第２時間Ｔ２においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＶ相Ｖの下アームＶNが３／１６周期オンされ（図１２の第２動作モードＭ２）、第１時間Ｔ１においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＵ相Ｕの下アームＵNが１／２周期オンされる（図１２の第１動作モードＭ１（短絡モード））。
次に、第２時間Ｔ２においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＶ相Ｖの下アームＵNが３／１６周期オンされ（図１２の第２動作モードＭ２）、さらに、第３時間Ｔ３においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＷ相Ｗの下アームＷNが１／１６周期オンされる（図１２の第３動作モードＭ３）。
すなわち、この第２二相変調の一例では、第１動作モードＭ１（短絡モード）において、第１時間Ｔ１として周期Ｔの１／２（＝５０％）だけＵ相Ｕの上アームＵP及びＵ相Ｕの下アームＵNがオンされ、第２動作モードＭ２において、第２時間Ｔ２として周期Ｔの３／８（＝３／１６＋３／１６＝３７．５％）だけＵ相Ｕの上アームＵP及びＶ相Ｖの下アームＶNがオンされ、第３動作モードＭ３において、第３時間Ｔ３として周期Ｔの１／８（＝１／１６＋１／１６＝１２．５％）だけＵ相Ｕの上アームＵP及びＷ相Ｗの下アームＷNがオンされる。
これにより、三相変調並びに第１及び第２二相変調において、一変調周期Ｔ全体として、Ｕ相に１０Ａ（＝ｉL×（Ｔ２＋Ｔ３）／Ｔ）、Ｖ相に−７．５Ａ（＝−ｉL×Ｔ２／Ｔ）、Ｗ相に−２．５Ａ（＝−ｉL×Ｔ３／Ｔ）、環流経路α１に１０Ａ（＝ｉL×Ｔ１／Ｔ）の電流が流れる。
ところで、三相電流形電力変換器においては、スイッチング損失が増加する主たる要素として、転流の回数と、直流側の電流と、交流側の線間電圧の大きさとが関与する。ここで、転流とは、電流が流れるアームが別のアームに切り替わることをいい、図１３及び図１４においては、実行中のスイッチング動作モードが他のスイッチング動作モードに切り替わることに相当する。なお、これは図１から図３及び図５においても同様である。
すなわち、転流の回数が多くなれば、或いは／さらに、直流側の電流が大きくなれば、或いは／さらに、交流側の線間電圧のうち絶対値が最大となる線間の各相に対してスイッチング動作が行われると、それだけスイッチング損失が大きくなり、それに伴って電力変換効率が低下する。
［転流の回数について］
三相電流形電力変換システム１０ａ〜１０ｃにおいて、図１３に示すように、三相変調を行った場合には、スイッチング動作モードが、第１動作モードＭ１→第３動作モードＭ３→第２動作モードＭ２→第１動作モードＭ１→第２動作モードＭ２→第３動作モードＭ３→第１動作モードＭ１と切り替わり、転流回数が６回となる。
これに対し、図１４（ａ）に示すように、第１二相変調を行った場合には、スイッチング動作モードが、第１動作モードＭ１→第３動作モードＭ３→第２動作モードＭ２→第３動作モードＭ３→第１動作モードＭ１と切り替わる。また、図１４（ｂ）に示すように、第２二相変調を行った場合には、スイッチング動作モードが、第３動作モードＭ３→第２動作モードＭ２→第１動作モードＭ１→第２動作モードＭ２→第３動作モードＭ３と切り替わる。すなわち、第１及び第２二相変調の場合、何れにしても転流回数が４回となる。
従って、三相変調の場合に比べて第１及び第２二相変調の場合はスイッチング損失を低減させることができる。
［交流側の線間電圧について］
図１５は、Ｕ相Ｕの交流側線電流指令値ｉU *の絶対値｜ｉU *｜が最大となる場合において、スイッチング動作モードが切り替わることで転流が発生する転流モードに対する回路図と、スイッチング損失の計算式と、三相変調の場合に対象となる転流モードと、第１二相変調の場合に対象となる転流モードと、第２二相変調の場合に対象となる転流モードとを示す表である。
なお、図１５に示す表において、符号ＶUVはＵ相ＵとＶ相Ｖとの間の交流側線間電圧を示し、符号ＶVWはＶ相ＶとＷ相Ｗとの間の交流側線間電圧を示し、符号ＶWUはＷ相ＷとＵ相Ｕとの間の交流側線間電圧を示している。各線間電圧ＶUV，ＶVW，ＶWUは、矢印の向きを正としている。また、表の転流モードのうち、左側のＵＶ転流モードは第１動作モードＭ１と第２動作モードＭ２との間で転流する転流モードであり、中央のＶＷ転流モードは第２動作モードＭ２と第３動作モードＭ３との間で転流する転流モードであり、右側のＷＵ転流モードは第３動作モードＭ３と第１動作モードＭ１との間で転流する転流モードである。また、「○」印は変調対象を示している。これらのことは後述する図４についても同様である。
図１５に示すように、三相変調は、ＵＶ転流モード、ＶＷ転流モード及びＷＵ転流モードが変調対象とされ、第１二相変調は、ＶＷ転流モード及びＷＵ転流モードが変調対象とされ、第２二相変調は、ＵＶ転流モード及びＶＷ転流モードが変調対象とされる。
ここで、スイッチング損失はＵＶ転流モードで｜ＶUV｜×ｉLとなるので、交流側線間電圧ＶUVの絶対値｜ＶUV｜が最大のときに、ＵＶ転流モードを休止させる第１二相変調を行うことで、スイッチング損失の増大を回避することができる。また、スイッチング損失はＷＵ転流モードで｜ＶWU｜×ｉLとなるので、交流側線間電圧ＶWUの絶対値｜ＶWU｜が最大のときに、ＷＵ転流モードを休止させる第２二相変調を行うことで、スイッチング損失の増大を回避することができる。
一方、スイッチング損失はＶＷ転流モードで｜ＶVW｜×ｉLとなるが、電力変換器Ａの利用を高力率（力率略１００％）で電力変換する三相電流形高力率電力変換器に限定する場合には、交流側線間電圧ＶVWの絶対値｜ＶVW｜が最大となることを回避できることから、Ｖ相ＶとＷ相Ｗとの交流側線間電圧ＶVWによるスイッチング損失の増大は考慮しなくてもよい。
しかしながら、電力変換器Ａを低力率の三相電流形コンバータや三相電流形インバータとして利用する場合には、交流側線間電圧ＶVWの絶対値｜ＶVW｜が最大となることがあり、そうすると、ＶＷ転流モードの休止を行うことがない第１二相変調及び第２二相変調において、何れもＶＷ転流モードを実行せざるを得ないために、どうしてもスイッチング損失の増大が避けられない。
なお、ここでは、Ｕ相Ｕの交流側線電流指令値ｉU *の絶対値｜ｉU *｜が最大となる場合を例にとって説明したが、他の相Ｖ，Ｗの交流側線電流指令値ｉV *，ｉW *の絶対値｜ｉV *｜，｜ｉW *｜が最大となる場合も同様にして考えることができる。
本発明は、前記課題に鑑みなされたものであり、力率の大小に関わらずスイッチング損失を可及的に低減でき、これにより電力変換効率を向上させることができる三相電流形電力変換器に対するパルスパターン生成構成を提供することを目的とする。
本発明は、前記課題を解決するために、各相の上下アームが逆阻止形のスイッチング素子で構成され、かつ、パルス幅変調によって電力変換を行う三相電流形電力変換器に対するパルスパターン生成構成であって、前記三相電流形電力変換器の交流側線間電圧のうち絶対値が最大となる線間に含まれない線間電圧非最大相と、前記三相電流形電力変換器の交流側線電流指令値の絶対値が最大となる線電流指令値最大相とが一致する場合には、前記パルス幅変調の一変調周期内において、前記線電流指令値最大相以外の二相のスイッチングパルスを時間的に離隔するように離隔時間を空けて設け、かつ、前記線電流指令値最大相に対して、前記離隔時間に短絡パルスを配置する第１スイッチング制御を行う一方、前記線間電圧非最大相と、前記線電流指令値最大相とが一致しない場合には、前記パルス幅変調の一変調周期内において、前記線電流指令値最大相以外の二相のスイッチングパルスを時間的に隣接して設け、かつ、前記線間電圧非最大相、もしくは、前記線電流指令値最大相に対して、前記線間電圧非最大相のスイッチングパルスに時間的に隣接して短絡パルスを配置する第２スイッチング制御を行うことを特徴とする三相電流形電力変換器に対するパルスパターン生成構成を提供する。
本発明に係るパルスパターン生成構成において、例えば、Ｕ相Ｕの交流側線電流指令値の絶対値が最大となる場合において、Ｕ相の上アーム及びＵ相の下アームがオンする場合を第１動作モード、Ｕ相の上アーム及びＶ相の下アームがオンする場合を第２動作モード、Ｕ相の上アーム及びＷ相の下アームがオンする場合を第３動作モードとする。また、前記第１動作モードと前記第２動作モードとの間で転流する転流モードをＵＶ転流モード、前記第２動作モードと前記第３動作モードとの間で転流する転流モードをＶＷ転流モード、前記第３動作モードと前記第１動作モードとの間で転流する転流モードをＷＵ転流モードとする。
そうすると、Ｕ相とＶ相との交流側線間電圧の絶対値が最大となる場合には、前記第２スイッチング制御によって、前記ＵＶ転流モードを休止させる第１二相変調を行うことができる。また、Ｗ相とＵ相との交流側線間電圧の絶対値が最大となる場合には、前記第２スイッチング制御によって、前記ＷＵ転流モードを休止させる第２二相変調を行うことができる。
そして、Ｖ相とＷ相との交流側線間電圧の絶対値が最大となる場合においては、前記第１スイッチング制御によって、前記ＶＷ転流モードを休止させる第３二相変調を行うことができる。
なお、他のＶ相及びＷ相の交流側線電流指令値の絶対値が最大となる場合も同様にして考えることができる。
このように、本発明に係るパルスパターン生成構成によれば、二相変調を行うので、三相変調を行う場合に比べて、スイッチング回数（スイッチング損失）を低減させることができる。しかも、前記三相電流形電力変換器の交流側線間電圧のうち絶対値が最大となる線間の各相のスイッチング動作モードを休止させることができる。例えば、Ｕ相の交流側線電流指令値の絶対値が最大となる場合において、Ｖ相とＷ相との交流側線間電圧の絶対値が最大となると、前記第３二相変調を行うことで、前記ＶＷ転流モードを休止させることができる。従って、力率の大小に関わらずスイッチング損失を可及的に低減させることができる。
本発明に係るパルスパターン生成構成において、前記三相電流形電力変換器の交流側線電流指令値にゼロを含む場合には、前記短絡パルスを前記一変調周期の直前の前変調周期における最後のパルスと、前記一変調周期の直後の次変調周期における最初のパルスとのうち少なくとも一方と同一の相に配置することが好ましい。
この態様では、隣り合う変調周期の間で特異点を回避することができる上、該隣り合う変調周期の間で転送モードを切り替えることがないので、スイッチング回数（スイッチング損失）をさらに低減させることができる。
本発明に係るパルスパターン生成構成において、前記一変調周期内のパルスパターンを該一変調周期における中央時刻の時間軸を基準して線対称に配置することが好ましい。
この態様では、前記三相電流形電力変換器の交流側における線電流の波形のスイッチング周波数成分をスイッチング周波数周辺に集中させることができる。これにより、交流側に接続するフィルタ回路などの回路設計の容易化を実現することができる。
以上説明したように、本発明に係るパルスパターン生成構成によると、二相変調を行うので、三相変調を行う場合に比べて、スイッチング回数（スイッチング損失）を低減させることができる。しかも、前記三相電流形電力変換器の交流側線間電圧のうち絶対値が最大となる線間の各相のスイッチング動作モードを休止させることができる。例えば、Ｕ相の交流側線電流指令値の絶対値が最大となる場合において、Ｖ相とＷ相との交流側線間電圧の絶対値が最大となると、前記第３二相変調を行うことで、前記ＶＷ転流モードを休止させることができる。従って、力率の大小に関わらずスイッチング損失を可及的に低減させることができる。
図９から図１１に示す三相電流形電力変換システムにおいて、制御部によって本実施の形態に係る二相変調における第３二相変調を行った場合での交流側線電流指令値の時間的変化の一例と、図１２に示すスイッチング動作モードのパルスパターンと、交流側線電流とを対応させた図である。 図９から図１１に示す三相電流形電力変換システムにおいて、制御部によって本実施の形態に係る二相変調における第１二相変調を行った場合での交流側線電流指令値の時間的変化と、図１２に示すスイッチング動作モードのパルスパターンと、交流側線電流とを対応させた図であって、図（ａ）は、第１二相変調の他の例を示す図であり、図（ｂ）は、第１二相変調の一例を示す図である。 図９から図１１に示す三相電流形電力変換システムにおいて、制御部によって本実施の形態に係る二相変調における第２二相変調を行った場合での交流側線電流指令値の時間的変化と、図１２に示すスイッチング動作モードのパルスパターンと、交流側線電流とを対応させた図であって、図（ａ）は、第２二相変調の他の例を示す図であり、図（ｂ）は、第２二相変調の一例を示す図である。 Ｕ相の交流側線電流指令値の絶対値が最大となる場合において、スイッチング動作モードが切り替わることで転流が発生する転流モードに対する回路図と、スイッチング損失の計算式と、第１二相変調の場合に対象となる転流モードと、第３二相変調の場合に対象となる転流モードと、第２二相変調の場合に対象となる転流モードとを示す表である。 図９から図１１に示す三相電流形電力変換システムにおいて、制御部によって本実施の形態に係る二相変調を行った場合において交流側線電流指令値にゼロを含む場合での交流側線電流指令値の時間的変化の一例と、図１２に示すスイッチング動作モードのパルスパターンと、交流側線電流とを対応させた図である。 本実施の形態に係るスイッチング制御の一例のメインルーチンを示すフローチャートである。 図６に示すフローチャートにおけるパルス幅演算の一例のサブルーチンを示すフローチャートである。 非特許文献１に記載の三相電流形電力変換システムの概略構成を示す回路図である。 三相電流形電力変換器を三相電流形インバータとして利用する場合において、負荷をモータとしてモータを駆動する例の三相電流形電力変換システムを示す回路図である。 三相電流形電力変換器を三相電流形インバータとして利用する場合において、三相電流形電力変換器を三相電流形インバータによるＳＶＧ又はＡＰＦとして利用する例の三相電流形電力変換システムを示す回路図である。 三相電流形電力変換器を三相電流形インバータとして利用する場合において、系統連系運転を行う例の三相電流形電力変換システムを示す回路図である。 電力変換器においてＵ相、Ｖ相及びＷ相の上アームの何れか一つがオンとなり、かつ、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の下アームの何れか一つがオンとなるオンアームの組み合わせ（スイッチング動作モード）に対する電流経路を示す表である。 図９から図１１に示す三相電流形電力変換システムにおいて、制御部によって三相変調を行った場合での三相電流形電力変換器の各相における交流側線電流指令値の時間的変化の一例と、図１２に示すスイッチング動作モードのパルスパターンと、交流側線電流とを対応させた図である。 図９から図１１に示す三相電流形電力変換システムにおいて、制御部によって第１及び第２二相変調を行った場合での三相電流形電力変換器の各相における交流側線電流指令値の時間的変化と、図１２に示すスイッチング動作モードのパルスパターンと、交流側線電流とを対応させた図であって、図（ａ）は、第１二相変調の一例を示す図であり、図（ｂ）は、第２二相変調の一例を示す図である。 Ｕ相の交流側線電流指令値の絶対値が最大となる場合において、スイッチング動作モードが切り替わることで転流が発生する転流モードに対する回路図と、スイッチング損失の計算式と、三相変調の場合に対象となる転流モードと、第１二相変調の場合に対象となる転流モードと、第２二相変調の場合に対象となる転流モードとを示す表である。
以下、本発明の実施の形態について図９から図１１に示す三相電流形電力変換システム１０ａ〜１０ｃを取り挙げて添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
図９から図１１に示す三相電流形電力変換システム１０ａ〜１０ｃにおいて、制御部１３ａ〜１３ｃは、本発明の実施の形態に係るスイッチング制御プログラムによって、電力変換器Ａに対して第１から第３二相変調を行ってパルスパターンを生成する構成とされている。
すなわち、制御部１３ａ〜１３ｃは、電力変換器Ａの交流側線間電圧ＶUV，ＶVW，ＶWUのうち絶対値｜ＶUV｜，｜ＶVW｜，｜ＶWU｜が最大となる線間に含まれない線間電圧非最大相と、電力変換器Ａの交流側線電流指令値ｉU *，ｉV *，ｉW *の絶対値｜ｉU *｜，｜ｉV *｜，｜ｉW *｜が最大となる線電流指令値最大相とが一致する場合には、パルス幅変調の一変調周期Ｔ内において、前記線電流指令値最大相以外の二相のスイッチングパルスを時間的に離隔するように離隔時間を空けて設け、かつ、前記線電流指令値最大相に対して、離隔時間を埋めるように短絡パルスＳＰを配置する第１スイッチング制御を行う構成とされている。
一方、制御部１３ａ〜１３ｃは、前記線間電圧非最大相と、前記線電流指令値最大相とが一致しない場合には、パルス幅変調の一変調周期Ｔ内において、前記線電流指令値最大相以外の二相のスイッチングパルスを時間的に隣接（連続）して設け、かつ、前記線間電圧非最大相に対して、もしくは、前記線電流指令値最大相に対して、前記線間電圧非最大相のスイッチングパルスに時間的に隣接（連続）してスイッチングがオフ状態にある隣接オフ時間を埋めるように短絡パルスＳＰを配置する第２スイッチング制御を行う構成とされている。
なお、三相電流形電力変換システム１０ａ〜１０ｃは、ここでは、図９から図１１に示すように、直流側の電流ｉLを検出する直流側電流検出手段１７と、交流側線間電圧ＶUV，ＶVW，ＶWUを検出する線間電圧検出手段１８とを備えている。これにより、直流側の電流ｉLは直流側電流検出手段１７によって検出することができ、交流側線間電圧ＶUV，ＶVW，ＶWUは線間電圧検出手段１８によって検出することができる。
具体的には、Ｕ相Ｕに流れる交流側線電流ｉUを正の電流とし、Ｖ相Ｖに流れる交流側線電流ｉV及びＷ相Ｗに流れる交流側線電流ｉWを負の電流とし、さらに、Ｕ相Ｕの交流側線電流指令値ｉU *の絶対値｜ｉU *｜が最大となる場合を例にとって、図１から図５を参照しながら説明する。なお、第３二相変調では、交流側線間電圧ＶVWの絶対値｜ＶVW｜が最大となる場合を、第１二相変調では、交流側線間電圧ＶUVの絶対値｜ＶUV｜が最大となる場合を、第２二相変調では、交流側線間電圧ＶWUの絶対値｜ＶWU｜が最大となる場合を例にとって説明する。
以下の説明において、上下アーム（ＵP，ＵN），（ＶP，ＶN），（ＷP，ＷN）のうち、特に言及しないアームはオフ状態としている。
図１は、図９から図１１に示す三相電流形電力変換システム１０ａ〜１０ｃにおいて、制御部１３ａ〜１３ｃによって本実施の形態に係る二相変調における第３二相変調を行った場合での交流側線電流指令値ｉU *，ｉV *，ｉW *の時間的変化の一例と、図１２に示すスイッチング動作モードのパルスパターンと、交流側線電流ｉU，ｉV，ｉWとを対応させた図である。
図２は、図９から図１１に示す三相電流形電力変換システム１０ａ〜１０ｃにおいて、制御部１３ａ〜１３ｃによって本実施の形態に係る二相変調における第１二相変調を行った場合での交流側線電流指令値ｉU *，ｉV *，ｉW *の時間的変化と、図１２に示すスイッチング動作モードのパルスパターンと、交流側線電流ｉU，ｉV，ｉWとを対応させた図である。図２（ａ）は、第１二相変調の他の例を示しており、図２（ｂ）は、第１二相変調の一例を示している。なお、図２（ｂ）は、前述した図１４（ａ）に対応している。
図３は、図９から図１１に示す三相電流形電力変換システム１０ａ〜１０ｃにおいて、制御部１３ａ〜１３ｃによって本実施の形態に係る二相変調における第２二相変調を行った場合での交流側線電流指令値ｉU *，ｉV *，ｉW *の時間的変化と、図１２に示すスイッチング動作モードのパルスパターンと、交流側線電流ｉU，ｉV，ｉWとを対応させた図である。図３（ａ）は、第２二相変調の他の例を示しており、図３（ｂ）は、第２二相変調の一例を示している。なお、図３（ｂ）は、前述した図１４（ｂ）に対応している。
先ず第３二相変調について説明したあと第１二相変調及び第２二相変調を順に説明する。
図９から図１１に示す三相電流形電力変換システム１０ａ〜１０ｃにおいて、例えば、パルス幅変調の一変調周期Ｔの始点及び終点をキャリアβの振幅の最小位置とすると、次のスイッチング動作の制御が行われる。
なお，以下では、Ｕ相Ｕに流れる交流側線電流ｉUを正の電流とし、Ｖ相Ｖに流れる交流側線電流ｉV及びＷ相Ｗに流れる交流側線電流ｉWを負の電流とし、さらに、Ｕ相Ｕの交流側線電流指令値ｉU *の絶対値｜ｉU *｜が最大となる場合を例にとって説明する。より具体的には、直流側の電流ｉLを２０Ａとし、一変調周期Ｔ内に流れるＵ相Ｕ、Ｖ相Ｖ及びＷ相Ｗの交流側線電流ｉU，ｉV，ｉWをそれぞれ１０Ａ、−７．５Ａ及び−２．５Ａとして、第３二相変調並びに第１及び第２二相変調を順に説明する。
［第３二相変調］
（電圧ＶVWの絶対値｜ＶVW｜が最大の場合）
電圧ＶVWの絶対値｜ＶVW｜が最大の場合において、図１に示す第３二相変調の一例では、電圧ＶVWの絶対値｜ＶVW｜の線間（ここではＶ相及びＷ相）に含まれない線間電圧非最大相（ここではＵ相）と、交流側線電流指令値ｉU *，ｉV *，ｉW *の絶対値｜ｉU *｜，｜ｉV *｜，｜ｉW *｜が最大（ここでは｜ｉU *｜）となる線電流指令値最大相（ここではＵ相）とが一致している。
従って、第１スイッチング制御では、パルス幅変調の一変調周期Ｔ内において、線電流指令値最大相（ここではＵ相）以外の二相（ここではＶ相及びＷ相）のスイッチングパルス（ここではＰV，ＰW）を時間的に離隔するように離隔時間（第１時間Ｔ１）を空けて設け、かつ、線電流指令値最大相（ここではＵ相）に対して、離隔時間（第１時間Ｔ１）を埋めるように短絡パルスＳＰを配置する。
具体的には、一変調周期Ｔのうち、第３時間Ｔ３においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＷ相Ｗの下アームＷNが１／１６周期オンされ（図１２の第３動作モードＭ３）、離隔時間（第１時間Ｔ１）においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＵ相Ｕの下アームＵNが１／４周期オンされ（図１２の第１動作モードＭ１（短絡モード））、第２時間Ｔ２においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＶ相Ｖの下アームＶNが３／８周期オンされる（図１２の第２動作モードＭ２）。
次に、離隔時間（第１時間Ｔ１）においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＵ相Ｕの下アームＵNが１／４周期オンされ（図１２の第１動作モードＭ１（短絡モード））、第３時間Ｔ３においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＷ相Ｗの下アームＷNが１／１６周期オンされる（図１２の第３動作モードＭ３）。
［第１二相変調］
（電圧ＶUVの絶対値｜ＶUV｜が最大の場合）
電圧ＶUVの絶対値｜ＶUV｜が最大の場合において、図２に示す第１二相変調の例では、電圧ＶUVの絶対値｜ＶUV｜の線間（ここではＵ相及びＶ相）に含まれない線間電圧非最大相（ここではＷ相）と、線電流指令値最大相（ここではＵ相）とが一致していない。
従って、第２スイッチング制御では、パルス幅変調の一変調周期Ｔ内において、線電流指令値最大相（ここではＵ相）以外の二相（ここではＶ相及びＷ相）のスイッチングパルス（ここではＰV，ＰW）を時間的に隣接（連続）して設け、かつ、線間電圧非最大相（ここではＷ相：図２（ａ）参照）に対して、もしくは、線電流指令値最大相（ここではＵ相：図２（ｂ）参照）に対して、線間電圧非最大相（ここではＷ相）のスイッチングパルス（ここではＰW）に時間的に隣接（連続）してスイッチングがオフ状態にある隣接オフ時間（図２（ａ）で第９時間Ｔ９又は図２（ｂ）で第１時間Ｔ１）を埋めるように短絡パルスＳＰを配置する。
具体的には、図２（ａ）に示す例では、一変調周期Ｔのうち、隣接オフ時間（第９時間Ｔ９）においてＷ相Ｗの上アームＷP及びＷ相Ｗの下アームＷNが１／４周期オンされ（図１２の第９動作モードＭ９（短絡モード））、第３時間Ｔ３においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＷ相Ｗの下アームＷNが１／１６周期オンされ（図１２の第３動作モードＭ３）、第２時間Ｔ２においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＶ相Ｖの下アームＶNが３／８周期オンされる（図１２の第２動作モードＭ２）。
次に、第３時間Ｔ３においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＷ相Ｗの下アームＷNが１／１６周期オンされ（図１２の第３動作モードＭ３）、さらに、隣接オフ時間（第９時間Ｔ９）においてＷ相Ｗの上アームＷP及びＷ相Ｗの下アームＷNが１／４周期オンされる（図１２の第９動作モードＭ９（短絡モード））。
また、図２（ｂ）に示す例では、一変調周期Ｔのうち、隣接オフ時間（第１時間Ｔ１）においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＵ相Ｕの下アームＵNが１／４周期オンされ（図１２の第１動作モードＭ１（短絡モード））、第３時間Ｔ３においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＷ相Ｗの下アームＷNが１／１６周期オンされ（図１２の第３動作モードＭ３）、第２時間Ｔ２においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＶ相Ｖの下アームＶNが３／８周期オンされる（図１２の第２動作モードＭ２）。
次に、第３時間Ｔ３においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＷ相Ｗの下アームＷNが１／１６周期オンされ（図１２の第３動作モードＭ３）、さらに、隣接オフ時間（第１時間Ｔ１）においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＵ相Ｕの下アームＵNが１／４周期オンされる（図１２の第１動作モードＭ１（短絡モード））。
ここで、線間電圧非最大相（ここではＷ相）のスイッチングパルス（ここではＰW）は、パルス幅が極端に小さくなることがあるため、スイッチング制御が行われる過程で、線間電圧非最大相（ここではＷ相）のスイッチングパルス（ここではＰW）が認識されない恐れがある。そこで、線間電圧非最大相（ここではＷ相）に対して短絡パルスＳＰを配置することが好ましい。こうすることで、極端に小さいパルス幅のスイッチングパルスをなくすことができ、これにより、精度のよいスイッチング制御を実現することが可能となる。このことは、次の第２二相変調についても同様である。
［第２二相変調］
（電圧ＶWUの絶対値｜ＶWU｜が最大の場合）
電圧ＶWUの絶対値｜ＶWU｜が最大の場合において、図３に示す第２二相変調の例では、電圧ＶWUの絶対値｜ＶWU｜の線間（ここではＷ相及びＵ相）に含まれない線間電圧非最大相（ここではＶ相）と、線電流指令値最大相（ここではＵ相）とが一致していない。
従って、第２スイッチング制御では、パルス幅変調の一変調周期Ｔ内において、線電流指令値最大相（ここではＵ相）以外の二相（ここではＶ相及びＷ相）のスイッチングパルス（ここではＰV，ＰW）を時間的に隣接（連続）して設け、かつ、線間電圧非最大相（ここではＶ相：図３（ａ）参照）に対して、もしくは、線電流指令値最大相（ここではＵ相：図３（ｂ）参照）に対して、線間電圧非最大相（ここではＶ相）のスイッチングパルス（ここではＰV）に時間的に隣接（連続）してスイッチングがオフ状態にある隣接オフ時間（図３（ａ）で第５時間Ｔ５又は図３（ｂ）で第１時間Ｔ１）を埋めるように短絡パルスＳＰを配置する。
具体的には、図３（ａ）に示す例では、一変調周期Ｔのうち、第３時間Ｔ３においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＷ相Ｗの下アームＷNが１／１６周期オンされ（図１２の第３動作モードＭ３）、第２時間Ｔ２においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＶ相Ｖの下アームＶNが３／１６周期オンされ（図１２の第２動作モードＭ２）、隣接オフ時間（第５時間Ｔ５）においてＶ相Ｖの上アームＶP及びＶ相Ｖの下アームＶNが１／２周期オンされる（図１２の第５動作モードＭ５（短絡モード））。
次に、第２時間Ｔ２においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＶ相Ｖの下アームＵNが３／１６周期オンされ（図１２の第２動作モードＭ２）、さらに、第３時間Ｔ３においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＷ相Ｗの下アームＷNが１／１６周期オンされる（図１２の第３動作モードＭ３）。
また、図３（ｂ）に示す例では、一変調周期Ｔのうち、第３時間Ｔ３においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＷ相Ｗの下アームＷNが１／１６周期オンされ（図１２の第３動作モードＭ３）、第２時間Ｔ２においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＶ相Ｖの下アームＶNが３／１６周期オンされ（図１２の第２動作モードＭ２）、隣接オフ時間（第１時間Ｔ１）においてＵ相Ｕの上アームＵP及びＵ相Ｕの下アームＵNが１／２周期オンされる（図１２の第１動作モードＭ１（短絡モード））。以降は、図３（ａ）に示す例と同じであり、説明を省略する。
［転流の回数について］
図１に示すように、第３二相変調を行った場合には、スイッチング動作モードが、第３動作モードＭ３→第１動作モードＭ１→第２動作モードＭ２→第１動作モードＭ１→第３動作モードＭ３と切り替わる。すなわち、第３二相変調の場合、転流回数が４回となる。なお、第１及び第２二相変調の場合は、前述したとおり、何れも転流回数が４回となる。
従って、三相変調の場合に比べて第１から第３二相変調の場合はスイッチング損失を低減させることができる。
［交流側の線間電圧について］
図４は、Ｕ相Ｕの交流側線電流指令値ｉU *の絶対値｜ｉU *｜が最大となる場合において、スイッチング動作モードが切り替わることで転流が発生する転流モードに対する回路図と、スイッチング損失の計算式と、第１二相変調の場合に対象となる転流モードと、第３二相変調の場合に対象となる転流モードと、第２二相変調の場合に対象となる転流モードとを示す表である。
図４に示すように、第１二相変調は、ＶＷ転流モード及びＷＵ転流モードが変調対象とされ、第３二相変調は、ＵＶ転流モード及びＷＵ転流モードが変調対象とされ、第２二相変調は、ＵＶ転流モード及びＶＷ転流モードが変調対象とされる。
図４に示すように、Ｕ相Ｕの交流側線電流指令値ｉU *の絶対値｜ｉU *｜が最大となる場合には、Ｕ相ＵとＶ相Ｖとの交流側線間電圧ＶUVの絶対値｜ＶUV｜が最大となると、第２スイッチング制御によって、ＵＶ転流モードを休止させる第１二相変調を行うことができる。また、Ｗ相ＷとＵ相Ｕとの交流側線間電圧ＶWUの絶対値｜ＶWU｜が最大となると、第２スイッチング制御によって、ＷＵ転流モードを休止させる第２二相変調を行うことができる。
そして、Ｖ相ＶとＷ相Ｗとの交流側線間電圧ＶVWの絶対値｜ＶVW｜が最大となる場合においては、第１スイッチング制御によって、ＶＷ転流モードを休止させる第３二相変調を行うことができる。
なお、ここでは、Ｕ相Ｕの交流側線電流指令値ｉU *の絶対値｜ｉU *｜が最大となる場合を例にとって説明したが、他の相Ｖ，Ｗの交流側線電流指令値ｉV *，ｉW *の絶対値｜ｉV *｜，｜ｉW *｜が最大となる場合も同様にして考えることができる。
本発明の実施の形態に係る三相電流形電力変換システム１０ａ〜１０ｃによれば、二相変調を行うので、三相変調を行う場合に比べて、スイッチング回数（スイッチング損失）を低減させることができる。しかも、電力変換器Ａの交流側線間電圧ＶUV，ＶVW，ＶWUのうち絶対値｜ＶUV｜，｜ＶVW｜，｜ＶWU｜が最大となる線間の各相のスイッチング動作モードを休止させることができる。例えば、Ｕ相Ｕの交流側線電流指令値ｉU *の絶対値｜ｉU *｜が最大となる場合において、Ｖ相ＶとＷ相Ｗとの交流側線間電圧ＶVWの絶対値｜ＶVW｜が最大となると、第３二相変調を行うことで、ＶＷ転流モードを休止させることができる。従って、力率の大小に関わらずスイッチング損失を可及的に低減させることができる。
ところで、一変調周期Ｔ内のパルスパターンが中央時刻の時間軸γを基準して対称性を有していない場合には、電力変換器Ａの交流側における線電流ｉU，ｉV，ｉWの波形のスイッチング周波数成分が分散する。そうすると、考慮すべき周波数成分が増加してしまうため、フィルタ回路Ｆなどのスイッチング周波数成分を除去するための回路設計が複雑化する。この点、本実施の形態のように、一変調周期Ｔ内のパルスパターンを一変調周期Ｔにおける中央時刻の時間軸γを基準して線対称に配置している場合には、電力変換器Ａの交流側における線電流ｉU，ｉV，ｉWの波形のスイッチング周波数成分をスイッチング周波数周辺に集中させることができ、これにより、交流側に接続するフィルタ回路Ｆなどの回路設計の容易化を実現することが可能となる。
本実施の形態においては、制御部１３ａ〜１３ｃの記憶部１５には、交流側線電流指令値指令値ｉU *，ｉV *，ｉW *のテーブルが予め記憶されており、交流側線電流指令値ｉU *，ｉV *，ｉW *にゼロを含むタイミングが存在する場合がある。
図５は、図９から図１１に示す三相電流形電力変換システム１０ａ〜１０ｃにおいて、制御部１３ａ〜１３ｃによって本実施の形態に係る二相変調を行った場合において交流側線電流指令値ｉU *，ｉV *，ｉW *にゼロを含む場合での交流側線電流指令値ｉU *，ｉV *，ｉW *の時間的変化の一例と、図１２に示すスイッチング動作モードのパルスパターンと、交流側線電流ｉU，ｉV，ｉWとを対応させた図である。
図５に示すように、交流側線電流指令値ｉU *，ｉV *，ｉW *にゼロを含む場合には、電力変換のためにスイッチング動作される相が２相のみになり、短絡パルスＳＰが破線で示すように隣り合う変調周期の間で異なる位相に配置されると、転流回数が増加し、それだけスイッチング回数（スイッチング損失）が大きくなってしまうので、好ましくない。
そこで、短絡パルスＳＰを斜線で示すように一変調周期Ｔの直前の前変調周期における最後の短絡パルスＳＰと、一変調周期Ｔの直後の次変調周期における最初の短絡パルスＳＰとのうち少なくとも一方（ここでは双方）と同一の相に配置することが好ましい。こうすることで、隣り合う変調周期の間で特異点を回避することができる上、該隣り合う変調周期の間で転送モードを切り替えることがないので、スイッチング回数（スイッチング損失）をさらに低減させることができる。
次に、本実施のある一形態に係るスイッチング制御の動作例について説明する。図６は、本実施の形態に係るスイッチング制御の一例のメインルーチンを示すフローチャートであり、図７は、図６に示すフローチャートにおけるパルス幅演算の一例のサブルーチンを示すフローチャートである。
この制御例においても、Ｕ相Ｕの交流側線電流指令値ｉU *の絶対値｜ｉU *｜が最大となる場合であって、第３二相変調では、交流側線間電圧ＶVWの絶対値｜ＶVW｜が最大となる場合を、第１二相変調では、交流側線間電圧ＶUVの絶対値｜ＶUV｜が最大となる場合を、第２二相変調では、交流側線間電圧ＶWUの絶対値｜ＶWU｜が最大となる場合を例にとって説明する。
図６に示すメインルーチンでは、先ず、ステップＳ１で、図７に示すサブルーチンへ移行して、電力変換器Ａの各相Ｕ，Ｖ，Ｗにおける交流側線電流指令値ｉU *，ｉV *，ｉW *から各相のスイッチングパルスのパルス幅を演算する。
すなわち、図７に示すサブルーチンでは、先ず、各相Ｕ，Ｖ，Ｗの交流側線電流指令値ｉU *，ｉV *，ｉW *を計算し（ステップＳ１ａ）、直流側電流検出手段１７にて直流側の電流ｉLを検出する（ステップＳ１ｂ）。
次に、交流側線電流指令値ｉU *，ｉV *，ｉW *の絶対値｜ｉU *｜，｜ｉV *｜，｜ｉW *｜及び直流側の電流ｉLの絶対値｜ｉL｜を算出して各相Ｕ，Ｖ，Ｗのパルス幅を演算する（ステップＳ１ｃ）。
なお、各相Ｕ，Ｖ，Ｗの交流側線電流指令値ｉU *，ｉV *，ｉW *のパルス幅をそれぞれＴU，ＴV，ＴWとすると、パルス幅ＴU，ＴV，ＴWは次式で求めることができる。
ＴU＝｜ｉU *｜／｜ｉL｜
ＴV＝｜ｉV *｜／｜ｉL｜
ＴW＝｜ｉW *｜／｜ｉL｜
また、パルス幅ＴU，ＴV，ＴWのうち、最大値［ＴU，ＴV，ＴW］MAX、中間値［ＴU，ＴV，ＴW］MID及び最小値［ＴU，ＴV，ＴW］MINをそれぞれＴMAX、ＴMID及びＴMINとすると、最大値ＴMAX、中間値ＴMID及び最小値ＴMINは、次の関係が成り立つ。
ＴMAX＝ＴMID＋ＴMIN
図６に示すメインルーチンに戻り、ステップＳ２では、線間電圧検出手段１８にて電力変換器Ａの交流側線間電圧ＶUV，ＶVW，ＶWUを検出する。
次に、交流側線間電圧ＶUV，ＶVW，ＶWUの絶対値｜ＶUV｜，｜ＶVW｜，｜ＶWU｜を算出して絶対値｜ＶUV｜，｜ＶVW｜，｜ＶWU｜が最大となる線間に含まれない線間電圧非最大相と、電力変換器Ａの交流側線電流指令値ｉU *，ｉV *，ｉW *の絶対値｜ｉU *｜，｜ｉV *｜，｜ｉW *｜が最大となる線電流指令値最大相とが一致するか、或いは、一致しないかを判断する（ステップＳ３）。
ステップＳ３で線間電圧非最大相と線電流指令値最大相とが一致すると判断した場合には（ステップＳ３：一致する）、ステップＳ４及びステップＳ５で第１スイッチング制御による第３二相変調を行う。
すなわち、第３二相変調（ここでは電圧ＶVWの絶対値｜ＶVW｜が最大の場合）において、ステップＳ４では、パルス幅変調の一変調周期Ｔ内において、線電流指令値最大相（ここではＵ相）以外の二相（ここではＶ相及びＷ相）のスイッチングパルス（ここではＰV，ＰW）を時間的に離隔し、ステップＳ５では、線電流指令値最大相（ここではＵ相：図１参照）に短絡パルスＳＰを配置する。
一方、ステップＳ３で線間電圧非最大相と線電流指令値最大相とが一致しないと判断した場合には（ステップＳ３：一致せず）、ステップＳ６及びステップＳ７で第２スイッチング制御による第１及び第２二相変調を行う。
すなわち、第１二相変調（ここでは電圧ＶUVの絶対値｜ＶUV｜が最大の場合）において、ステップＳ６では、パルス幅変調の一変調周期Ｔ内において、線電流指令値最大相（ここではＵ相）以外の二相（ここではＶ相及びＷ相）のスイッチングパルス（ここではＰV，ＰW）を時間的に隣接（連続）して設け、ステップＳ７では、線間電圧非最大相（ここではＷ相：図２（ａ）参照）、もしくは、線電流指令値最大相（ここではＵ相：図２（ｂ）参照）に短絡パルスＳＰを配置する。
また、第２二相変調（ここでは電圧ＶWUの絶対値｜ＶWU｜が最大の場合）において、ステップＳ６では、パルス幅変調の一変調周期Ｔ内において、線電流指令値最大相（ここではＵ相）以外の二相（ここではＶ相及びＷ相）のスイッチングパルス（ここではＰV，ＰW）を時間的に隣接（連続）して設け、ステップＳ７では、線間電圧非最大相（ここではＶ相：図３（ａ）参照）、もしくは、線電流指令値最大相（ここではＵ相：図３（ｂ）参照）に短絡パルスＳＰを配置する。
次に、交流側線電流指令値ｉU *，ｉV *，ｉW *にゼロを含むか、或いは、含まないかを判断する（ステップＳ８）。
ステップＳ８で交流側線電流指令値ｉU *，ｉV *，ｉW *にゼロを含むと判断した場合には（ステップＳ８：含む）、短絡パルスＳＰを一変調周期Ｔの直前の前変調周期における最後の短絡パルスＳＰと、一変調周期Ｔの直後の次変調周期における最初の短絡パルスＳＰとのうち少なくとも一方（ここでは双方）と同一の相に配置し（ステップＳ９）、ステップＳ１０へ移行する。
一方、ステップＳ８で交流側線電流指令値ｉU *，ｉV *，ｉW *にゼロを含まないと判断した場合には（ステップＳ８：含まない）、そのままステップＳ１０へ移行する。
次に、一変調周期Ｔ内のパルスパターンを一変調周期Ｔにおける中央時刻の時間軸γを基準して線対称に配置し（ステップＳ１０）、こうして生成されたパルスパターンを電力変換器Ａへ出力する（ステップＳ１１）。
そして、ステップＳ１２で処理終了か否かを判断し、処理が終了されない限り（ステップＳ１２：ＮＯ）、ステップＳ１〜ステップＳ１２の処理を繰り返す。
なお、本実施の形態のパルスパターン生成構成は、電力変換器Ａを三相電流形インバータとして利用する場合に適用したが、三相電流形コンバータとして利用する場合に適用してもよい。
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 三相電流形電力変換システム
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 制御部
Ａ 三相電流形インバータ（三相電流形電力変換器の一例）
ＰU Ｕ相のスイッチングパルス
ＰV Ｖ相のスイッチングパルス
ＰW Ｗ相のスイッチングパルス
ＳＰ 短絡パルス
Ｔ 一変調周期
Ｔ１ 離隔時間
ＵP Ｕ相の上アーム
ＶP Ｖ相の上アーム
ＷP Ｗ相の上アーム
ＵN Ｕ相の下アーム
ＶN Ｖ相の下アーム
ＷN Ｗ相の下アーム
Ｕ Ｕ相
Ｖ Ｖ相
Ｗ Ｗ相
ＶUV Ｕ相とＶ相との間の交流側線間電圧
ＶVW Ｖ相とＷ相との間の交流側線間電圧
ＶWU Ｗ相とＵ相との間の交流側線間電圧
ｉL 直流側の電流
ｉU * Ｕ相の交流側線電流指令値
ｉV * Ｖ相の交流側線電流指令値
ｉW * Ｗ相の交流側線電流指令値
γ 時間軸

Claims (3)

  1. 各相の上下アームが逆阻止形のスイッチング素子で構成され、かつ、パルス幅変調によって電力変換を行う三相電流形電力変換器に対するパルスパターン生成構成であって、
    前記三相電流形電力変換器の交流側線間電圧のうち絶対値が最大となる線間に含まれない線間電圧非最大相と、前記三相電流形電力変換器の交流側線電流指令値の絶対値が最大となる線電流指令値最大相とが一致する場合には、
    前記パルス幅変調の一変調周期内において、
    前記線電流指令値最大相以外の二相のスイッチングパルスを時間的に離隔するように離隔時間を空けて設け、かつ、前記線電流指令値最大相に対して、前記離隔時間に短絡パルスを配置する第１スイッチング制御を行う一方、
    前記線間電圧非最大相と、前記線電流指令値最大相とが一致しない場合には、
    前記パルス幅変調の一変調周期内において、
    前記線電流指令値最大相以外の二相のスイッチングパルスを時間的に隣接して設け、かつ、前記線間電圧非最大相、もしくは、前記線電流指令値最大相に対して、前記線間電圧非最大相のスイッチングパルスに時間的に隣接して短絡パルスを配置する第２スイッチング制御を行うことを特徴とする三相電流形電力変換器に対するパルスパターン生成構成。
  2. 請求項１に記載の三相電流形電力変換器に対するパルスパターン生成構成であって、
    前記三相電流形電力変換器の交流側線電流指令値にゼロを含む場合には、前記短絡パルスを前記一変調周期の直前の前変調周期における最後のパルスと、前記一変調周期の直後の次変調周期における最初のパルスとのうち少なくとも一方と同一の相に配置することを特徴とする三相電流形電力変換器に対するパルスパターン生成構成。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の三相電流形電力変換器に対するパルスパターン生成構成であって、
    前記一変調周期内のパルスパターンを該一変調周期における中央時刻の時間軸を基準して線対称に配置することを特徴とする三相電流形電力変換器に対するパルスパターン生成構成。
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