JP7068871B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング素子のスイッチングにより直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関する。

従来、電気車用の誘導電動機を駆動する電力変換装置の制御方法として、車両が低速で走行している際には、非同期制御を行い、車両が高速で走行している際には、同期制御を行うという方法が用いられることが多い。

図９は、一般的な電力変換装置３０の構成例を示す図である。

図９に示す電力変換装置３０は、リアクトル１２と、コンデンサ１３と、電力変換器１４と、キャリア周波数生成部３１と、キャリア生成部１６と、制御指令部１７と、ＰＷＭ信号生成部１８とを備える。

リアクトル１２とコンデンサ１３とは、直流電源１１の正極と負極との間に、直列に接続されている。電力変換器１４は、コンデンサ１３に並列に接続されている。電力変換器１４は、スイッチング素子を備えており、スイッチング素子のスイッチングにより、直流電源１１からの直流電力を交流電力に変換して、誘導電動機であるモータ１に供給する。電力変換器１４のスイッチング素子のオン・オフの切り替え方法としては、キャリアと制御指令との比較に応じてパルス幅が異なるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号（制御信号）により、スイッチング素子を制御するＰＷＭ方式で制御する方法がある。

キャリア周波数生成部３１は、キャリアの周波数（キャリア周波数）を生成し、キャリア生成部１６に出力する。キャリア生成部１６は、キャリア周波数生成部３１から出力されたキャリア周波数を周波数とする三角波などをキャリアとして生成し、ＰＷＭ信号生成部１８に出力する。制御指令部１７は、制御指令を生成し、ＰＷＭ信号生成部１８に出力する。ＰＷＭ信号生成部１８は、キャリア生成部１６から出力されたキャリアと、制御指令部１７から出力された制御指令との比較により、電力変換器１４のスイッチング素子のスイッチングを制御するＰＷＭ制御信号を生成する。このＰＷＭ制御信号を用いて、電力変換器１４のスイッチング素子のスイッチングを制御することで、直流電力を交流電力に変換することができる。

非同期制御時にＰＷＭ方式を用いた場合、キャリア周波数生成部３１で生成されるキャリア周波数が一定であると、キャリア周波数に起因した電磁騒音が発生し、騒音の原因となるおそれがある。

そこで、特許文献１には、２つの乱数発生器を用いて、騒音を抑制する技術が開示されている。図１０は、特許文献１に開示されている技術を適用した場合の、キャリア周波数生成部３１の構成例を示す図である。

図１０に示すキャリア周波数生成部３１は、乱数発生器３１１，３１３と、タイマ３１２と、加算器３１４とを備える。

乱数発生器３１１は、乱数に基づき、キャリア周波数の継続時間を所定の範囲でランダムに決定し、決定した継続時間をタイマ３１２に設定する。

タイマ３１２は、乱数発生器３１１により設定された継続時間が満了すると、乱数発生器３１３に通知を行う。

乱数発生器３１３は、タイマ３１２から通知が行われると、乱数に基づき、キャリア周波数を所定の範囲でランダムに変化（増減）させる周波数信号を生成し、加算器３１４に出力する。

加算器３１４は、基準となるキャリア周波数である基準キャリア周波数に乱数発生器３１３から出力された周波数信号を加算した周波数を、キャリア周波数としてキャリア生成部１６に出力する。

特開平６－１４５５７号公報

図９に示す電力変換装置３０においては、非同期制御時に、リアクトル１２に流れる電流に含まれる周波数成分のうち、キャリア周波数に起因した特定の周波数スペクトルが高くなり、信号などの通信に障害をもたらす誘導障害が発生するおそれがある。

図１１は、キャリア周波数生成部３１が生成するキャリア周波数を一定（７５０Ｈｚ）とした場合の、リアクトル１２に流れる直流電流のシミュレーション結果を高速フーリエ変換したスペクトル図である。図１１に示すように、１．５ｋＨｚに０．１Ａ程度のスペクトルが立っており、さらに高周波の範囲でもスペクトルが立っている。このことから、直流電流の中に高周波領域の電流が含まれていることが分かる。

特許文献１に開示されている技術は、電磁騒音の低減を目的としたものであり、上述したような高周波スペクトルの抑制については考慮されていない。

上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、高周波スペクトルを低減し、誘導障害の発生の抑制を図ることができる電力変換装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明に係る電力変換装置は、スイッチング素子のスイッチングにより直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、キャリアの周波数であるキャリア周波数を生成するキャリア周波数生成部と、前記キャリア周波数生成部により生成されたキャリア周波数のキャリアを生成するキャリア生成部と、前記キャリア生成部により生成されたキャリアと制御指令との比較により、前記スイッチング素子のスイッチングを制御する制御信号を生成する信号生成部とを備え、前記キャリア周波数生成部は、乱数に基づき、前記キャリア周波数を所定の範囲でランダムに増減させる周波数信号を生成する第１の乱数発生器と、前記キャリア周波数の基準である基準キャリア周波数を中心とし、所定の周期で変化する周波数を生成する周期発生器とを備え、前記周期発生器により生成された周波数に前記第１の乱数発生器により生成された周波数信号を加算した周波数を前記キャリア周波数として前記キャリア生成部に出力する。

また、本発明に係る電力変換装置において、前記キャリア周波数生成部は、乱数に基づき、前記キャリア周波数の継続時間を所定の範囲でランダムに決定する第２の乱数発生器をさらに備え、前記第１の乱数発生器は、前記第２の乱数発生器により決定された継続時間が経過するごとに、前記周波数信号を生成することが好ましい。

また、上記課題を解決するため、本発明に係る電力変換装置は、スイッチング素子のスイッチングにより直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、キャリアの周波数であるキャリア周波数を生成するキャリア周波数生成部と、前記キャリア周波数生成部により生成されたキャリア周波数のキャリアを生成するキャリア生成部と、前記キャリア生成部により生成されたキャリアと制御指令との比較により、前記スイッチング素子のスイッチングを制御する制御信号を生成する信号生成部とを備え、前記キャリア周波数生成部は、前記キャリア周波数の基準である基準キャリア周波数と現在のキャリア周波数との差に基づき、前記キャリア周波数を所定の範囲でランダムに増減させる周波数信号の範囲を決定する乱数範囲変更器と、前記乱数範囲変更器により決定された範囲内で、乱数に基づき、前記周波数信号を生成する第３の乱数発生器とを備え、前記現在のキャリア周波数に前記第３の乱数発生器により生成された周波数信号を加算した周波数を前記キャリア周波数として前記キャリア生成部に出力する。

また、本発明に係る電力変換装置において、前記キャリア周波数生成部は、乱数に基づき、前記キャリア周波数の継続時間を所定の範囲でランダムに決定する第４の乱数発生器をさらに備え、前記第３の乱数発生器は、前記第４の乱数発生器により決定された継続時間が経過するごとに、前記周波数信号を生成する。

本発明に係る電力変換装置によれば、高周波スペクトルを低減し、誘導障害の発生の抑制を図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の構成例を示す図である。 図１に示すキャリア周波数生成部の構成例を示す図である。 図１に示すキャリア周波数生成部が生成するキャリア周波数の一例を示す図である。 図１に示すリアクトルに流れる直流電流のシミュレーション結果を高速フーリエ変換したスペクトル図である。 本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の構成例を示す図である。 図５に示すキャリア周波数生成部の構成例を示す図である。 図５に示すキャリア周波数生成部が生成するキャリア周波数の一例を示す図である。 図５に示すリアクトルに流れる直流電流のシミュレーション結果を高速フーリエ変換したスペクトル図である。 従来の電力変換装置の構成例を示す図である。 図９に示すキャリア周波数生成部の構成例を示す図である。 図９に示すリアクトルに流れる直流電流のシミュレーション結果を高速フーリエ変換したスペクトル図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、共通の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置１０の構成例を示す図である。図１に示す電力変換装置１０は、直流電力を交流電力に変換するものであり、図９に示す電力変換装置３０と比較して、キャリア周波数生成部３１をキャリア周波数生成部１５に変更した点が異なる。すなわち、本実施形態に係る電力変換装置１０は、リアクトル１２と、コンデンサ１３と、電力変換器１４と、キャリア周波数生成部１５と、キャリア生成部１６と、制御指令部１７と、ＰＷＭ信号生成部１８（信号生成部）とを備える。

キャリア周波数生成部１５は、キャリア周波数を生成し、キャリア生成部１６に出力する。ここで、キャリア周波数生成部１５は、キャリア周波数の継続時間をランダムに決定し、決定した継続時間が経過するごとに、キャリア周波数をランダムに変化させる。

図２は、キャリア周波数生成部１５の構成例を示す図である。

図２に示すキャリア周波数生成部１５は、乱数発生器１５１，１５３と、タイマ１５２と、周期発生器１５４と、加算器１５５とを備える。

乱数発生器１５１（第２の乱数発生器）は、乱数に基づき、キャリア周波数の継続時間を所定の範囲でランダムに決定し、決定した継続時間をタイマ１５２に設定する。

タイマ１５２は、乱数発生器１５１により設定された継続時間が満了すると、乱数発生器１５３に通知を行う。

乱数発生器１５３（第１の乱数発生器）は、タイマ１５２から通知が行われると、乱数に基づき、キャリア周波数を所定の範囲でランダムに変化（増減）させる周波数信号を生成し、加算器１５５に出力する。

周期発生器１５４は、キャリア周波数の基準である基準キャリア周波数を中心に、所定の周期で変化する周波数を生成し、加算器１５５に出力する。

加算器１５５は、周期発生器１５４から出力された周波数に、乱数発生器１５３から出力された周波数信号を加算した周波数を、キャリア周波数としてキャリア生成部１６に出力する。

図３は、キャリア周波数生成部１５から出力されるキャリア周波数の一例を示す図である。図３においては、周期発生器１５４は、基準キャリア周波数を中心に、所定の周期を有する三角波状に周波数を変化させる例を示している。

図３に示すように、キャリア周波数は、巨視的に見ると、周期発生器１５４により生成される、基準キャリア周波数を中心とした所定の周期の三角波となり、微視的に見ると、乱数発生器１５３により生成される周波数信号に従い、増減する。すなわち、乱数発生器１５１が設定するキャリア周波数の継続時間は、周期発生器１５４が周波数を変化させる周期と比べて十分に小さい。また、乱数発生器１５３が生成する周波数信号によるキャリア周波数の変化量（増減）は、周期発生器１５４による周波数の変化量よりも小さい。

図４は、図３に示すキャリア周波数を用いた場合の、リアクトル１２に流れる直流電流のシミュレーション結果を高速フーリエ変換したスペクトル図である。

図４に示すように、本実施形態においては、一定のキャリア周波数を用いた場合（図１１）と比べて、１．５ｋＨｚに立つスペクトルが１０分の１程度まで抑制されていることが分かる。したがって、高周波スペクトルを低減し、誘導障害の発生の抑制を図ることができる。

上述した例では、周期発生器１５４は、基準キャリア周波数を中心に、三角波状に周波数を変化させる例を用いて説明したが、これに限られるものではない。周期発生器１５４は、例えば、正弦波状あるいはのこぎり波状に周波数を変化させてもよい。また、周期発生器１５４は、周波数を変化させる周期を変化させてもよい。この場合、乱数発生器を１つ追加し、周期発生器１５４は、その乱数発生器からの出力に応じて、周期を変化させることができる。

また、上述した例では、キャリア周波数の継続時間がランダムに変化する例を用いて説明したが、これに限られるものではなく、キャリア周波数の継続時間は一定でもあってもよい。したがって、乱数発生器１５１およびタイマ１５２は必須の構成ではない。キャリア周波数の継続時間が一定である場合、乱数発生器１５３は、所定の期間毎に周波数信号を生成する。

このように本実施形態においては、電力変換装置１０は、キャリア周波数を生成するキャリア周波数生成部１５と、キャリア周波数生成部１５により生成されたキャリア周波数のキャリアを生成するキャリア生成部１６と、キャリア生成部１６により生成されたキャリアと制御指令との比較により、電力変換器１４のスイッチング素子のスイッチングを制御するＰＷＭ制御信号（制御信号）を生成するＰＷＭ信号生成部１８とを備える。キャリア周波数生成部１５は、乱数に基づき、キャリア周波数を所定の範囲でランダムに増減させる周波数信号を生成する乱数発生器１５１と、基準キャリア周波数を中心とし、所定の周期で変化する周波数を生成する周期発生器１５４とを備え、周期発生器１５４により生成された周波数に乱数発生器１５１により生成された周波数信号を加算した周波数をキャリア周波数としてキャリア生成部１６に出力する。

基準キャリア周波数を中心に所定の周期で変化する周波数に、ランダムに増減する周波数信号を加えた周波数をキャリア周波数とすることで、キャリア周波数をランダムに変化させ、リアクトル１２に流れる直流電流のスペクトルを分散させることができる。そのため、高周波スペクトルを低減し、誘導障害の発生を抑制することができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置２０の構成例を示す図である。本実施形態に係る電力変換装置２０は、第１の実施形態に係る電力変換装置１０と比較して、キャリア周波数生成部１５をキャリア周波数生成部２１に変更した点が異なる。そのため、以下では、キャリア周波数生成部２１について説明する。

図６は、キャリア周波数生成部２１の構成例を示す図である。

図６に示すキャリア周波数生成部２１は、乱数発生器２１１，２１４と、タイマ２１２と、乱数範囲変更器２１３と、加算器２１５とを備える。

乱数発生器２１１（第４の乱数発生器）は、乱数に基づき、キャリア周波数の継続時間を所定の範囲でランダムに決定し、決定した継続時間をタイマ２１２に設定する。

タイマ２１２は、乱数発生器２１１により設定された継続時間が満了すると、乱数発生器２１４に通知を行う。

乱数範囲変更器２１３は、後述する加算器２１５から出力されるキャリア周波数（現在のキャリア周波数）と、基準キャリア周波数との差に基づき、キャリア周波数を変化（増減）させる周波数信号の範囲を変更し、乱数発生器２１４に設定する。

乱数発生器２１４（第３の乱数発生器）は、タイマ２１２から通知が行われると、乱数範囲変更器２１３により設定された範囲内で、乱数に基づき、キャリア周波数を所定の範囲でランダムに変化（増減）させる周波数信号を生成し、加算器１５５に出力する。

加算器２１５は、現在のキャリア周波数に、乱数発生器２１４から出力された周波数信号を加算した周波数を、キャリア周波数としてキャリア生成部１６および乱数範囲変更器２１３に出力する。

図７は、キャリア周波数生成部２１から出力されるキャリア周波数の一例を示す図である。図７においては、乱数範囲変更器２１３は、現在のキャリア周波数と、基準キャリア周波数との差が大きいほど、現在のキャリア周波数が基準キャリア周波数に近づくように、周波数信号の範囲（乱数の範囲）を狭める例を示している。

図８は、図７に示すキャリア周波数を用いた場合の、リアクトル１２に流れる直流電流のシミュレーション結果を高速フーリエ変換したスペクトル図である。

図８に示すように、本実施形態においては、一定のキャリア周波数を用いた場合（図１１）と比べて、１．５ｋＨｚに立つスペクトルが４分の１程度まで抑制されていることが分かる。したがって、高周波スペクトルを低減し、誘導障害の発生の抑制を図ることができる。

上述した例では、キャリア周波数の継続時間がランダムに変化する例を用いて説明したが、これに限られるものではなく、キャリア周波数の継続時間は一定でもあってもよい。したがって、乱数発生器２１１およびタイマ２１２は必須の構成ではない。キャリア周波数の継続時間が一定である場合、乱数発生器２１４は、所定の期間毎に周波数信号を生成する。

このように本実施形態においては、電力変換装置２０は、キャリア周波数を生成するキャリア周波数生成部２１と、キャリア周波数生成部２１により生成されたキャリア周波数のキャリアを生成するキャリア生成部１６と、キャリア生成部１６により生成されたキャリアと制御指令との比較により、電力変換器１４のスイッチング素子のスイッチングを制御するＰＷＭ制御信号（制御信号）を生成するＰＷＭ信号生成部１８とを備える。キャリア周波数生成部２１は、基準キャリア周波数と現在のキャリア周波数との差に基づき、キャリア周波数を所定の範囲でランダムに増減させる周波数信号の範囲を決定する乱数範囲変更器２１３と、乱数範囲変更器２１３により決定された範囲内で、乱数に基づき、周波数信号を生成する乱数発生器２１４とを備え、現在のキャリア周波数に乱数発生器２１４により生成された周波数信号を加算した周波数をキャリア周波数としてキャリア生成部１６に出力する。

基準キャリア周波数と現在のキャリア周波数との差に基づき周波数信号の範囲を決定し、その範囲内でランダムに増減する周波数信号を現在のキャリア周波数に加えた周波数を新たなキャリア周波数とすることで、キャリア周波数をランダムに変化させ、リアクトル１２に流れる直流電流のスペクトルを分散させることができる。そのため、高周波スペクトルを低減し、誘導障害の発生を抑制することができる。

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨および範囲内で、多くの変更および置換が可能であることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形および変更が可能である。例えば、実施形態の構成図に記載の複数の構成ブロックを１つに組み合わせたり、あるいは１つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。

１ モータ
１０ 電力変換装置
１１ 直流電源
１２ リアクトル
１３ コンデンサ
１４ 電力変換器
１５ キャリア周波数生成部
１６ キャリア生成部
１７ 制御指令部
１８ ＰＷＭ信号生成部
２１ キャリア周波数生成部
１５１ 乱数発生器（第２の乱数発生器）
１５２ タイマ
１５３ 乱数発生器（第１の乱数発生器）
１５４ 周期発生器
１５５ 加算器
２１１ 乱数発生器（第４の乱数発生器）
２１２ タイマ
２１３ 乱数範囲変更器
２１４ 乱数発生器（第３の乱数発生器）
２１５ 加算器

Claims (2)

1. スイッチング素子のスイッチングにより直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、
   キャリアの周波数であるキャリア周波数を生成するキャリア周波数生成部と、
   前記キャリア周波数生成部により生成されたキャリア周波数のキャリアを生成するキャリア生成部と、
   前記キャリア生成部により生成されたキャリアと制御指令との比較により、前記スイッチング素子のスイッチングを制御する制御信号を生成する信号生成部とを備え、
   前記キャリア周波数生成部は、
   前記キャリア周波数の基準である基準キャリア周波数と現在のキャリア周波数との差に基づき、前記キャリア周波数を所定の範囲でランダムに増減させる周波数信号の範囲を決定する乱数範囲変更器と、
   前記乱数範囲変更器により決定された範囲内で、乱数に基づき、前記周波数信号を生成する第３の乱数発生器とを備え、
   前記現在のキャリア周波数に前記第３の乱数発生器により生成された周波数信号を加算した周波数を前記キャリア周波数として前記キャリア生成部に出力することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記キャリア周波数生成部は、
   乱数に基づき、前記キャリア周波数の継続時間を所定の範囲でランダムに決定する第４の乱数発生器をさらに備え、
   前記第３の乱数発生器は、前記第４の乱数発生器により決定された継続時間が経過するごとに、前記周波数信号を生成することを特徴とする電力変換装置。

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