JPH03107373A - 電力変換装置とその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は交流電動機を駆動する電力変換装置とその制御
方法及び電力変換装置を用いた駆動システムに関する。

〔従来の技術〕

従来、３相ブリツジ型インバータを用いた電力変換装置
は第８図に示す構成となっている。また第８図において
、インバータの電圧指令と搬送波及び３相の出力電圧の
うちＵ相と■相及びＵ−Ｖ線間電圧の波形を第９図に示
す。

第８図において、電圧指令手段５は、Ｕ、Ｖ。

Ｗ各相の電圧指令５０１，５０２，５０３を出力し、搬
送波発生手段７は前記電圧指令の基本波周期より十分短
かい周期の三角波状の波送波を出力する。比較器８−ａ
、　８−ｂ、　８−ｃでは前記各相の電圧指令５０１，
５０２，５０３と前記搬送波７０１とを比較し、得られ
た信号８０１　、８０２゜８０３をインバータ３の対応
する相の制御信号としてドライブ回路９ａ〜９ｆを経由
してインバータ３の各スイッチング素子をオン・オフさ
せ、前記電圧指令が搬送波より大きいときには、該当相
の出力電圧を正とし、小さいときには該当相の出力電圧
を負とする様に制御することにより、負荷に加わる電圧
を平均的に指令値に近づける。

前記従来技術によれば、電圧指令に応じた高調波成分が
小さい可変周波数可変振幅の電圧が得られる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、出力電圧の高調波成分を小さくするた
めに、各相の電圧指令５０１〜５０３が常に搬送波７０
１の振幅内にあることが必要である。このため出力電圧
の基本波成分を大きくできないという問題があった。ま
た、パルスパターンが不規則なため、電動機を負荷とし
た場合に、発生トルクの脈動が大きくなるという問題も
ある。

従来、出力電圧の基本波成分の最大値を大きくするため
の方法として、各相の電圧指令値に基本波の３倍の周波
数の正弦波を加えて電圧指令値に基本波の３倍の周波数
の正弦波を加えて電圧指令のピーク値を小さくする方法
がある。しかし、前記方法では電圧指令手段とは別に基
本波の３倍の周波数の正弦波を発生させるための正弦波
発生手段が必要となる。さらに、電圧指令の基本波成分
と３倍の周波数の正弦波を同期させる必要があり、瞬時
電圧制御を行う場合には制御回路が複雑になるという問
題がある。また前記３倍の周波数を基本波に加える方式
でも発生トルク脈動が大きくなるという問題がある。

本発明の目的は、出力電圧の高調波成分を増加させるこ
となく、簡単な制御回路で出力電圧の基本波成分を大き
くでき、しかも電動機駆動時のトルク脈動を小さな電力
変換装置を実現することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、３相の電圧指令の大小を比
較する比較器と、前記比較器で最大値と最小値を除いた
中間値を求め、前記中間値を２分の１倍した値を各相電
圧指令に加算する加算器を設け、前記加算器の出力を新
たに電圧指令値とすることにより達成される。

また、電圧指令として振幅指令と位相指令が与えられる
場合は、互に１２０’ずつ位相が異なる３相の正弦波状
の電圧指令に変換する変換手段を設け、前記変換手段で
変換した３相の電圧指令の大小を比較し、その中間値の
２分の１を変換した各相の電圧指令値に加算した結果を
新たな電圧指令値としすることによって上記目的を達成
できる。

〔作用〕

３相の電力変換器と負荷の間では、通常中性点を接続し
ないので、電圧指令の与え方を変化させても、線間電圧
さえ変化しなければ、負荷に加わる電圧は変化しない。

従って、各相の電圧指令に同じ値を加えて、電圧指令の
絶対値が最大となる相の電圧指令を小さくすることによ
り、負荷電圧を変化させることなく電圧指令のピーク値
を小さくすることができるため、電圧指令を大きくする
ことによって、出力電圧の基本波成分の最大値を大きく
することができる。

さらに、３相の瞬時電圧指令の最大値と最小値の絶対値
を常に等しくなるように変換し、前記変換した値を新た
な電圧指令値とすることによって。

線間電圧を変化させずに前記電圧指令値を小さくするこ
とができるため、従来方法に比べ電圧指令を大きくする
ことが可能となる。例えば、前記変換前の電圧指令が正
弦波の場合には、変換後の新たな電圧指令値の振幅は、
変換前の５／２倍となるため、出力電圧の基本波成分は
従来に比べ２７．５＠１．１５倍に大きくできる。

〔実施例〕

第１図に本発明第１の実施例を示す。

交流電源１の電力をコンバータ２によって直流に変換し
、この直流を三相ブリッジ型インバータ３により可変周
波数可変電圧の交流電力に変換して負荷４に供給する。

電圧指令手段５は正弦波状の３相瞬間電圧指令５０１〜
５０３を発生する。電圧指令比較手段６は、前記３相隣
時電圧指令５０１〜５０３を互いに大小比較し、それら
の中から最大値６０１と最小値６０２を除いた中間値６
０３を出力する。前記電圧指令の中間値６０３の２分の
１を電圧指令補正信号６０５とし、これを前記各相の瞬
時電圧指令５０１〜５０３の各々に加えた値を新たな電
圧指令６０６〜６０８とする。搬送波発生手段７より出
力される三角波状の搬送波７０１と、前記各相の新たな
電圧指令６０６〜６０８とを、それぞれ比較器８ａ〜８
ｃにより比較して、得られる信号をパルス幅変調信号と
して、ドライブ回路９ａ〜９ｆ’を通じて三相ブリッジ
型インバータ３の各スイッチング素子をオンオフさせる
ことにより負荷４に交流電力を供給する。

第２図に、第１図に示す本発明第１の実施例における各
部の波形を示す６第２図は、電圧指令手段５より出力さ
れる各相の電圧指令５０１〜５０３が、互いに位相が１
２０’ずつ異なる正弦波である場合について示したもの
である。

Ｕ、Ｖ、Ｗ各相の電圧指令５０１〜５０３をそれぞれＶ
Ｕ、Ｖｖ、Ｖｗとする。各相の電圧指令は通常零相分が
零、即ち、 Ｖυ＋Ｖｖ＋Ｖｗ＝Ｏ・・・（１） となるように得られる。例えばＶυ≧Ｖｖ≧Ｖｗである
場合について考えると、これらを互いに大小比較した中
間値はＶｖであり、電圧指令補正信号６０５をＶ、とす
ると、（１）式より となる。このとき、変換後の新たな各相電圧指令６０６
〜６０８をＶ　Ｕ／　　、　　Ｖｖ／　　、　　Ｖ豐り
れぞれを求めると、 とし、 そ となる。このとき、変換の前後で線間電圧は変化してい
ない。Ｖ　Ｕ’　ｐ　ＶＶ’　ＨＶｗ’　　の中での最
大値はＶυ′、最小値はＶｗ’であり、両者の絶対値は
等しい。ＶＵ、ＶＶ、ＶＷの大小関係が異なる場合につ
いても同様に変換後の新たな電圧指令Ｖｕ’ＶＶ’、Ｖ
Ｗ’の中の最大値と最小値の絶対値は等しくなる。

新たな電圧指令Ｖυ／　、　Ｖｖｌ　、　Ｖ、’　　は
第２図（ｃ）に示すような波形となり、その振幅は第２
図（ａ）に示す変換前の電圧指令Ｖυ、　Ｖｖｔ　Ｖｗ
の振幅より小さくなる。従って本実施例によれば、電圧
指令の振幅が搬送波の振幅を越えずに出力できる電圧の
基本波成分の最大値を従来よりも高くすることができる
。

さらに、搬送波−周期間のパルスパターンを詳細に見た
場合、搬送波周期の始めと終わりに等しい期間出力電圧
が零となり、規則正しいパルスパターンとなる。このた
め、電動機を駆動した場合に発生トルクの脈動を小さく
することができる。

第３図に、本発明第２の実施例を示す０本実施例は、電
圧指令手段５′の出力として位相指令５０４と振幅指令
５０５が得られる場合についての実施例である。

電圧指令変換手段１０において、前記位相指令５０４と
前記振幅指令５０５を３相の電圧指令６０６’　、６０
７’　、６０８’に変換する。位相モード判定手段１０
１は位相指令５０４を入力し、６０”ごとの位相モード
１０３を出力する。関数発生手段１０２は、３相の電圧
指令６０６′〜６０８′の中の最大値と最小値の絶対値
が等しくかつ各線間電圧が正弦波なるような関数１０６
〜１０８を、位相指令５０４と位相モード１０３より求
め、振幅指令５０５を乗することにより、３相の電圧指
令６０６′〜６０８′が得られる。第６図に位相指令と
位相モードおよび振幅指令に対する各相の電圧指令の関
係を示す・ 前記各相の電圧指令６０６′〜６０８′を、それぞれ比
較器８ａ〜８ｃにおいて搬波発生手段７により出力され
る三角波状の搬送波７０１と比較し、得られる信号をパ
ルス幅変調信号として、ドライブ回路９ａ〜９ｆ通じて
三相ブリッジ型インバータ３の各スイッチング素子をオ
ンオフさせることにより、負荷４に交流電力を供給する
。

本実施例によれば、電圧指令として位相指令と振幅指令
が得られる場合においても、出力電圧の基本波成分の最
大値を大きくすることができ、その際の演算処理を簡単
にすることができる。

第５図に本発明第３の実施例を示す。本実施例は、交流
電力を直流に変換する電力順変換装置に本発明を適用し
た例である。

三相ブリッジ型コンバータ３′は交流リアクトル２０を
介して交流電源１に接続され、交流電力を直流電力に変
換して負荷４′に供給する。

電圧制御器１２は直流電圧検出器より得られる検出値と
直流電圧指令との偏差によって働き、電流振幅指令１２
１を出力する。乗算器１５ａ〜１５ｃは電圧検出器１３
ａ〜１３ｃにより検出される各相の交流電圧信号と前記
電流振幅指令を乗算して、電圧と同位相の交流電流指令
を出力する。

電流制御器１４ａ〜１４ｃは電流検出器１６ａ〜１６ｃ
より得られる検出値と前記交流電流指令との偏差によっ
て働き、電圧指令５０１′〜５０３′を出力する。電圧
指令比較手段６は前記電圧指令５０１′〜５０３′を互
いに大小比較してその中での中間値６０３′を出力する
。得られた中間値６０３′の２分の１を前記電圧指令５
０１′〜５０３′に加え、その和をそれぞれ比較器８８
〜８ｃにおいて、搬送波発生手段７より出力される三角
波状の搬送波と比較し、得られる信号をパルス幅変調信
号としてドライブ回路９’　　ａ〜９’　　ｆを介して
三相ブリッジ型コンバータ３′の各スイッチング素子を
オンオフさせる。

本実施例によれば、交流側の入力電流を力率１てかつ正
弦波に１つつ直流側の出力電圧を制御する電力順変換装
置において、直流側の出力電圧を従来よりも低くまで制
御できるため、制御範囲が拡大し制御の安定性が向上す
る。

第５図に示す実施例は第１図に示すインバータを順変換
装置に適用したものであるが、第３図に示すインバータ
に適用しても、同様の効果が得られる。

さらに、本発明を順変換装置とインバータ装置の両者に
適用し、負荷の必要とする電力に応じて両者の電圧指令
を決定することにより変換装置全体の小型化を図ること
も可能となる。

第６図に本発明第４の実施例を示す。本実施例は、本発
明を多重インバータの制御に適用したものである。

三相ブリッジ型インバータ３ａと３ｂは、共に直流側は
並列接続され、交流側は相間リアクトル１６ａ〜１６ｃ
を介して接続されている。各相間リアクトルの中点を出
力端として負荷に接続されている。

電圧指令手段５は、正弦波状の３相の瞬時電圧指令５０
１〜５０３を発生する。電圧指令比較手段６は前記３相
の瞬時電圧指令５０１〜５０３を互いに大小比較し、そ
れらの中の中間値６０３を出力する。前記電圧指令の中
間値６０３の２分の１を電圧指令補正信号６０５として
、前記各相の電圧指令に加えた値を新たな電圧指令６０
６〜６０８とする。搬送波発生手段７は三角波状の搬送
波７０１とそれを反転した搬送波７０２を出力する。比
較器８８〜８ｃは新たな電圧指令６０６〜６０８を搬送
波７０１と比較して三相ブリッジ型インバータ３ａの各
スイッチング素子をオンオフさせる信号を作り、比較器
８ｄ〜８ｆは新たな電圧指令６０６〜６０８を搬送波７
０２と比較して三相ブリッジ型インバータ３ｂの各スイ
ッチング素子をオンオフさせる信号を作る。

第７図に、第６図に示す本発明第４の実施例における各
部の波形を示す。インバータ３ａのＵ相°出力電圧３０
１ａとインバータ３ｂのＵ相出力電圧３０１ｂでは搬送
波周波数成分の位相が異っているため、両者の合成出力
電圧３０１では搬送波周波数成分が低減されている。し
たがって負荷に流れる電流の高調波成分が低減されるの
で、電動機駆動に用いる場合には発生トルクの脈動を低
減することができる。

本実施例によれば、複数台のインバータを並列接続した
多重インバータにおいても、出力電圧の基本波成分の最
大値を大きくすることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、小さな電圧指令で従来方法と同じ大き
さの相間出力電圧を得ることができるため、電圧指令値
を従来方法に比べ大きく設定することが可能になり、電
圧の制御範囲を拡大できるという効果がある。

また、従来の出力電圧と同じ出力電圧を得るための入力
電圧を低くすることができるため、電力変換装置の素子
容量を小さくすることができ、さらに、装置で発生する
損失を小さくすることができる。

本発明を順変換装置に適用した場合は、出方する直流電
圧を従来より低くまで制御できるので、制御範囲を拡大
することができる。

さらに、本発明を順変換装置と逆変換装置の両者に適用
した電力変換装置とすると、入力の電圧電流および出力
の電圧電流の条件を従来とほぼ等しくした場合の中間回
路の直流電圧を従来より低くすることができるので、平
滑コンデンサ等の中間回路を小型化することができ、ま
た中間回路で発生する損失を低減できる効果がある。

さらに、本発明の電力変換装置を電動機の即動に適用し
た場合には、規則正しいパルスパターンを発生すること
ができるため、発生トルクの脈動を小さくでき、機械的
振動の発生を抑制できる。

従って機械の安定性を向上することができ、システム全
体の長寿命化を図ることができる他、騒音も低減でき効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の構成図、第２図は第１
の実施例における各部の波形を示す図、第３図は本発明
の第２の実施例の構成°図、第４図は第３図の実施例に
おける演算を説明する図、第５図は本発明の第３の実施
例の構成図、第６図は本発明の第４の実施例の構成図、
第７図は第４の実施例における各部の波形を示す図、第
８図は従来技術の構成図、第９図は従来技術における各
部の波形を示す図である。 １・・・交流電源、２・・・コンバータ、３・・・三相
ブリッジ型インバータ、４・・・負荷、５・・・電圧指
令手段、６・・・電圧指令比較手段、７・・・搬送波発
生手段、８・・・比較器、１０・・・電圧指令変更手段
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数のスイッチング素子をオンオフさせることによ
   り直流あるいは交流の電力を可変周波数可変電圧の電力
   に変換する３相の電力変換装置の制御方法において、各
   相の瞬時電圧指令値の中の最大値と最小値の絶対値が常
   に等しくなるように、前記各相の瞬時電圧指令値に等し
   い値を加えたものを新たな電圧指令とし、前記新たな電
   圧指令に従つて出力電力を制御することを特徴とする電
   力変換装置の制御方法。 ２、請求項第１項において、前記各相の瞬時電圧指令値
   に加える値は、前記各相の瞬時電圧指令値の中間値から
   求めるようにしたことを特徴とする電力変換装置の制御
   方法。 ３、複数のスイッチング素子をオンオフさせることによ
   り直流あるいは交流の電力を可変周波数可変電圧の電力
   に変換する３相の電力変換装置の制御方法において、各
   相の瞬時電圧指令値の中の最大値と最小値の和が常に一
   定に成るように、前記各相の瞬時電圧指令値に等しい値
   を加えたものを新たな電圧指令とし、前記新たな電圧指
   令に従つて出力電力を制御することを特徴とする電力変
   換装置の制御方法。 ４、請求項第３項において、前記各相の瞬時電圧指令値
   に加える値は、前記各相の瞬時電圧指令値の中間値から
   求めるようにしたことを特徴とする電力変換装置の制御
   方法。 ５、複数のスイッチング素子をオンオフさせることによ
   り直流あるいは交流の電力を可変周波数可変電圧の電力
   に変換する３相の電力変換装置の制御方法において、各
   相の瞬時電圧指令値を出力する電圧指令手段と、前記各
   相の瞬時電圧指令値を互いに大小比較して最大値と最小
   値を除いた中間値を出力する電圧指令比較手段を備え、
   前記各相の瞬時電圧指令値の各々に前記中間値の２分の
   １を加えた値を新たな電圧指令とし、これら新たな電圧
   指令に従つて出力電圧を制御することを特徴とする電力
   変換装置の制御方法。 ６、複数のスイッチング素子をオンオフさせることによ
   り直流あるいは交流の電力を可変周波数可変電圧の電力
   に変換する３相の電力変換装置において、電圧の振幅指
   令と位相指令を出力する電圧指令手段と、前記電圧の振
   幅指令と位相指令を各相の瞬時電圧指令値に変換する電
   圧指令変換手段と、前記各相の瞬時電圧指令値を互いに
   大小比較して最大値と最小値を除いた中間値を出力する
   電圧指令比較手段と、前記中間値を２分の１倍する増幅
   手段を備え、前記各相の瞬時電圧指令値の各々に前記増
   幅手段の出力を加えたものを新たな電圧指令とし、前記
   新たな電圧指令に従つて出力電圧を制御することを特徴
   とする電力変換装置。 ７、請求項第６項記載の電力変換装置において、前記電
   圧の振幅指令と前記位相指令から前記新たな電圧指令を
   得るための各手段を、１つあるいは複数の関数に変換し
   演算する関数演算手段に置き換えたことを特徴とする電
   力変換装置。 ８、請求項第７項記載の電力変換装置において、主回路
   は三相ブリッジ型インバータで構成し、３相の電圧指令
   の各々に等しい値を加えて得られた新たな電圧指令を変
   調波とし、三角波状の搬送波と前記変調波を比較して得
   られるパルスに応じてパルス幅変調することを特徴とす
   る電力変換装置。 ９、直流電源と前記直流電力を可変周波数可変電圧の電
   力に変換する電力変換装置において、主回路を複数の三
   相ブリッジ型インバータを並列リアクトルを介して接続
   した並列多重インバータ装置で構成し、前記インバータ
   装置を構成する複数のスイッチング素子をオンオフして
   任意の周波数の出力電力を得るため、電圧指令手段と前
   記電圧指令手段の三相の瞬時電圧指令を比較し、最大と
   最小の指令値を除いた中間の指令値を抽出する比較手段
   を設け前記比較手段の出力を２分の１倍する増幅器を介
   して前記電圧指令手段の各相の指令値に加えた値を新た
   な電圧指令値とし、前記新たな電圧指令値に基づいて前
   記スイッチング素子をオンオフ制御する構成としたこと
   を特徴とする電力変換装置。 １０、交流電源と、前記交流電源の電力を直流の電力に
   変換するコンバータと、前記コンバータによつて変換さ
   れた直流電力を可変周波数可変電圧の電力に変換する電
   力変換装置と、前記電力変換装置の出力電力によつて可
   変速駆動される交流電動機よりなる交流電動機駆動シス
   テムにおいて、前記電力変換装置の出力電力を得るため
   の三相電圧指令手段と、前記三相電圧指令手段の各相の
   瞬間電圧指令値を比較し中間値を出力する比較手段と、
   前記比較手段の出力を２分の１倍する増幅器と、前記三
   相電圧指令手段の出力に前記増幅器の出力を加算する加
   算器を備え、前記加算器の出力に基づいて前記電力変換
   装置の出力で電力を制御することを特徴とした交流電動
   機駆動システム。 １１、交流電源と、前記交流電源からの電力を直流電力
   に変換する電力変換装置の制御方法において、出力電圧
   指令と変換装置の出力電圧の検出値との偏差を求め、前
   記偏差を前記交流電源の各相の電圧を検出値に乗算して
   交流電流指令値を求め、前記交流電流指令値と前記交流
   電源の各相の電流の検出値の電流偏差を求め、前記電流
   偏差から各相ごとの電圧指令値を共め、前記各相ごとの
   電圧指令値のうち中間の指令値を取り出し、前記中間の
   指令値の２分の１の値を前記各相ごとの電圧指令値に加
   えた値を新たな電圧指令値として、搬送波と比較して、
   前記電力変換装置内のスイッチング素子のオンオフ信号
   を作成して制御することを特徴とする電力変換装置の制
   御方法。