JPH0736704B2

JPH0736704B2 - 電力変換器の制御装置

Info

Publication number: JPH0736704B2
Application number: JP62171007A
Authority: JP
Inventors: 博美稲葉; 中村　　清; 武喜安藤; 俊明黒沢; 吉男坂井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-07-10
Filing date: 1987-07-10
Publication date: 1995-04-19
Anticipated expiration: 2010-04-19
Also published as: JPS6416263A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は電力変換器の制御装置に係り、特に主スイツチ
素子の消弧遅れ時間による影響の少ない電力変換器の制
御装置に関する。

〔従来の技術〕

複数のトランジスタあるいはゲートターンオフサイリス
タ（GTO）によつて構成される電力変換器をパルス幅変
調制御することによつてトルクリプル，騒音などを低減
する方式が各方面で進んでいる。しかし、ここで問題と
なるのが上記スイツチング素子の消弧遅れに対する電力
変換器の保護アルゴリズム（電流形変換器では転流時に
回路がオープンにならないようにするため、パルスパタ
ーン上でパルスをオーバーラツプするのが一般的であ
る。）に伴うトルクリプルなどの不具合の発生である。

この点に関しては昭和60年電気学会全国大会発表の論文
501“電流形インバータの出力波形解析”上田茂太ほか
３名などにふられている方式の提案があるが、オーバー
ラツプについての検討はなされていない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は主にスイツチング素子の消弧遅れに伴う
悪影響が生ずるという欠点があった。

本発明の目時は上記従来技術の問題点に対処し、スイツ
チング素子の消弧遅れ時間による悪影響を最小限度に制
御する機能を有する電力変換器の制御装置を提供するに
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、電力変換器の動作状況に応じて変化する主ス
イッチング素子の消弧遅れ時間に関係する情報を検出す
る手段と、上記消弧遅れ時間に関係する情報に基づき上
記主スイッチング素子の消弧遅れ時間を判定する手段
と、上記スイッチング素子の相間転流時に消弧すべきス
イッチング素子に与えるOFF指令と点弧すべきスイッチ
ング素子に与えるON指令との間に時間間隔（以下の説明
では、これを非オーバーラップ期間とよぶことにす
る。）を挿入する手段と、この時間間隔を上記主スイッ
チング素子の上記消弧遅れ時間判定値よりやや短い時間
となるように可変制御する手段を備えることを特徴とす
る。

〔作用〕

このように構成することによつて、電力変換器の動作状
況に応じて変化する主スイッチング素子の消弧遅れ時間
に関係する情報例えば電力変換器の直流電流値に応じて
主スイッチング素子の消弧遅れ時間を求め、これよりや
や短い時間間隔をもって相間転流する主スイッチング素
子をOFF,ONするため、転流重なり期間を限界まで短縮で
きる。

以下、本発明による電流形インバータの制御装置につい
て、図示の実施例により詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例で、図において、１は直流電
源、２は周波数指令ω_１＊の入力端子、３は位相指令θ
＊の入力端子、４は直流リアクトル、５は主スイツチン
グ回路、51〜56はスイツチング用の半導体素子となるト
ランジスタ、６は過電圧抑制用のコンデンサ、７はイン
バータの負荷となる誘導電動機、８はPWM制御パルスの
信号線、10は制御用のワンチツプマイクロコンピユータ
（以下、単にマイコンという）である。

また、マイコン10は、制御用の各種指令を取り込むため
の入力ポート101、内部バス102、プログラムやパルス幅
データテーブル等を格納するROM103、一時記憶やレジス
タとして用いられるRAM104、演算等を実行するALU105、
出力ポート106に所定のパルスパターン（事象）を出力
するために必要な事象の設定を行う事象設定レジスタ10
7、この事象をいつイネーブルにするかの時刻設定を行
う時刻設定レジスタ108、これら両設定レジスタ107,108
の内容を連結し保持する保持レジスタ109、この保持レ
ジスタ109に設定されたいく組かの設定データが順次、
サイクリツクに格納される連想メモリ110、実際の時刻
を出力するタイマ111、このタイマ111による時刻と連想
メモリ110内の設定時刻内容とを比較し、これらが一致
したときに出力を発生する比較部112、この比較部112か
らのトリガを受け設定された事項を出力ポート106に出
力制御する実行コントローラ113などで構成される。11
は直流電流の検出器で、この情報はスイツチ素子の消弧
遅れ時間の推定に用いるものである。

次にこの実施例の動作について説明する。

第３図は出力ポート106に発生させる事象、つまりパル
スパターンを求める事象算出処理プログラムF1000の概
略フローチヤートである。まずF1100で周波数指令ω_１
＊，位相指令θ＊を入力ポート101から読み取る。勿論
このω_１＊とθ＊もワンチツプマイコン10の内部で計算
する場合には、このF1100でのポート読み取りは不要と
なる。次にこの周波数指令ω_１＊を一定時間Δt₁ごとに
積分し、位相指令θ＊と加算して総合位相θ_Ｔを処理F1
200で求める。次に電気角360゜を60゜ごとに分けた６つ
のモードのうち、今回求めた総合位相θ_Ｔではどのモー
ドでのパルスパターンを出力すればよいか、つまり総合
位相θ_Ｔに応じて出力事象をF1300の処理で求める。な
お、総合位相θ_Ｔと６つのモードとの関係は後に詳述す
る。さらに最後に割込みインターバルΔt₁間にパルスパ
ターンを変化させるまでの時間ｔ_Enを総合位相θ_Ｔによ
るデータテーブルの参照によつて求めておく処理をF140
0で行う。

従つて、この処理によつて２つのレジスタ107と108に設
定する事象内容と事象変化時刻の２項目が求まつたこと
になる。ただし、ここで求めた事象変化時刻にはまだス
イツチング素子の遅れ時間を考慮した非オーバーラツプ
可変設定処理は行つていないデータである。考慮した値
の算出は後で詳細に述べる。

次に、このようにして求めておいた２つの項目を出力ポ
ート制御用の連想メモリ110に設定する処理F2000を第４
図に示す。

まずF2100で６個のトランジスタに必要な事象設定と時
間設定が完了したかどうかを判断し、NOであればF2200
で該当する事象設定を行い、F2300で事象変化の時間設
定を行い処理を終る。

次にこれら２つの処理F1000とF2000がどのような時間経
過で起動されるかを第５図に示す。

事象設定処理F2000はΔt₁ごとに生じるタイマ割込み200
0に同期して起動される。一方事象算出処理F1000はタイ
マ割込み2000に先立つて生じる第２のタイマ割込み1000
によつて起動され、F2000起動前に事象算出処理を完了
させる。事象算出処理F1000を事象設定処理F2000の直前
で完了させるようにしたのは最新データをF2000で使え
るようにしたためである。勿論タイマ割込み間隔分のむ
だ時間要素が入つてもよい場合には、F2000に引き続い
てF1000を行えばよい。その場合には割込み判定に要す
る時間が短くなるので割込み間隔Δt₁を短く設定でき、
変換装置の高周波化が可能となる。

従つて、の実施例によれば、所定事象と時刻の設定が終
れば、マイコン10内の連想メモリ110が出力ポート制御
を引き受けるので、主プロセツサ部は出力処理から解放
される。

次に第６図を用いて処理F1300のパルスパターンの決定
について説明する。

この実施例におけるインバータ制御の場合には、電気角
60゜ごとにパルスパターンを変化させ、360゜で一巡す
る６組のモードをくり返すようにしている。そこで60゜
を区間とする６組のモードM1〜M6を総合位相θ_Ｔで選択
するようにした。そのフローチヤートが第６図である。
なお、位相θ_Ｔが０゜〜360゜以外の領域に出た場合に
は360゜を加減算して領域内にθ_Ｔを引きもどす領域チ
エツクをF1300の先頭で行つておく。

次に第７図にモードM1〜M6のそれぞれの場合で、期間Δ
t₁の間、常時点弧させておくトランジスタ，事象発生ま
での間点弧させ、その後、消弧させるトランジスタ，事
象発生までの間、消弧させておき、その後、点弧させる
トランジスタの各組合わせを示す。この表の中でたとえ
ばモード１を例にとればスイツチ素子53と51の間,51と5
2の間,52と53の間にスイツチ素子消弧遅れに応じた可変
非オーバーラツプ期間がそう入されることになる。従つ
て位相θ_Ｔがわかればモードがわかり、消点弧させるべ
きトランジスタが特定できることになり、この時点（F1
300の処理が終つた時点）でまだわからないのは、いつ
時点弧を行うかということだけになる。

ここで点弧についてはたとえば事象設定の際にレジスタ
に“1"を、消弧については“0"を設定するという具合に
それぞれのトランジスタに出力指定を行うことを意味す
る。

第８図では事象を変化させる時間の規準値を求める処理
（第３図のF1400）について説明する。この実施例では
位相θ_Ｔに応じてsinθ_Ｔと120゜位相ずれのあるsin
（θ_Ｔ−120゜）,sin（θ_Ｔ−240゜）の波高値の比に割
込み間隔Δt₁を分配する方式を用いた。つまり第１およ
び第２の事象発生（パルスパターンを変化させること）
までの時間ｔ_E1n,t_E2nを位相θ_Ｔの関数として下式で求
めたテーブル化しておき、位相θ_Ｔで検索するのであ
る。

ｔ_E1n＝Δt₁sin（θ_Ｔ−240゜），ｔ_E2n＝ｔ_E1n＋Δt₁・sinθ_Ｔなお、この実施例では、インバータは単に波形を正弦波
するためのスイツチとして動作するだけでよいのでデー
タテーブルの加工は不要である。

次に一例として事象を変化させるまでの規準時間とスイ
ツチング素子の遅れ時間から具体的に非オーバーラツプ
期間を求める手順を第９図に示す。F3100で出力値であ
る直流電流の大きさをマイコンにとり込み、F3200で第1
0図に示すような特性（具体的には電流値に対して遅れ
時間をテーブル化しておき、これを電流値で検索するこ
とになる。）から遅れ時間を求め、F3300で可変非オー
バーラツプ期間Δ_１を算出する。なおここでは点弧遅れ
について消弧遅れ時間よりも短かいので省略したが、こ
れが無視できない場合には加算する必要がある。

第11図に先に求めた可変非オーバーラツプ期間がどのよ
うにパルスパターン中に反映されるか、トランジスタ51
〜56に与えられるポート出力信号S51〜S56を例にとつて
示す。モード１〜モード６全体と、モード１の一部の拡
大図をあわせて示した。この拡大図からわかるように第
１の事象発生までの時間ｔ_E1n，第２の事象発生までの
時間ｔ_E2nの前後に所定時間Δ1/2を設定して、OFF信号
とON信号との間にΔ_１の非オーバーラツプを設定してい
る。この非オーバーラツプ期間は主半導体素子の消弧遅
れ時間にできるだけ近い時間に設定するので、素子がオ
ーバーラツプして点弧することによつて生じるトルクリ
プルを最小限にとどめることができ、かつ回路がオープ
ンとなる期間は存在しないので過電圧が生じる不具合は
ない。

次に、それではその図のモード１のはじめの部分を例に
とつて具体化した事象設定処理のフローチヤートを第12
図に示す。なお、前述のように、第４図では概略説明の
ためループ構成で説明したが、実際には第12図に示すよ
うに直列的に流れる処理としている。

この第12図のフローチヤートは第11図の時点t₀からt₀＋
Δt₁までの１つのタイマ割込み期間用の事象設定処理を
示したもので、まず、時点t₀で割込が生じると、F2410
でこのモード１では常時点弧するトランジスタ55（第７
図参照）と第１の事象発生までの間点弧するトランジス
タ53に非オーバーラツプ期間の1/2（＝Δ₁/2）の時間が
経過したら点弧信号が発生するように事象セツトと時刻
セツトをそれぞれのトランジスタについて２組のセツト
を行う。すなわち、トランジスタ55と53に対応するポー
ト３と５に“1"を発生するよう事象セツトを行い、次に
時刻セツトとして今の時刻t₀に所定時間Δ1/2を加えて
所定レジスタにセツトする。これによつて事象と時刻が
連想メモリ110にセツトされ、以後、スケジユール的に
Δ₁/₂経過後、トランジスタ55と53に“1"信号が出力さ
れることになる。

F2420では位相指令θ＊の急変等で動作モードが前回と
変わつたことを想定して、このモードでは消弧状態にあ
るべきトランジスタの消弧確認処理を行う。処理はF241
0と同様連想メモリ110を用いるが、ここでは事象か消弧
であるのでポート1,2,4,6に“0"を発生するよう事象セ
ツトを行う。

次に時点t₀＋ｔ_E1n−Δ₁/₂でトランジスタ53が消弧する
ようなスケジユール処理をF2430で行う。事象はポート
３に“0"出力であり、時刻はt₀＋ｔ_E1n−Δ₁/₂をセツト
する。この時点で同一タイマ割込み内で１つの出力ポー
トについて複数の事象が時刻をへだててスケジユールさ
れたことになる。

さらにF2440ではトランジスタ53の消弧に代わつてトラ
ンジスタ51の点弧スケジユール設定が行われる。

なおここではトランジスタ53の記弧とトランジスタ51の
点弧をΔ_１の非オーバーラツプ期間をとつて設定した
が、トランジスタの消弧遅れ時間に設定しているので過
電圧の発生の不具合はない。

次に、第２の事象発生点t₀＋ｔ_E2nの手前t₀＋ｔ_E2n−Δ
₁/₂でトランジスタ51を消弧するスケジユール（F245
0）,t₀＋ｔ_E2n＋_１Δ₁/₂でトランジスタ52を点弧するス
ケジユール（F2460）を引きつづいて行い、t₀＋Δt₁−
Δ₁/₂でトランジスタ52を消弧するスケジユール（F247
0）を行つて全スケジユールを終る。

このように、以上の実施例では、位相θ_Ｔの算出、θ_Ｔ
に基づいて消点弧すべきトランジスタを決定し、さらに
θ_Ｔによつて消点弧する時間を決定し、最後に消点弧す
べきトランジスタとその時刻を対にしてスケジユールを
組むという処理を所定時間Δt₁ごとに行うマイクプロセ
ツサ方式を用いてトランジスタ転流時の非オーバーラツ
プ設定を実現したが、従来のアナログ回路方式において
も本発明で提案している非オーバーラツプ制御は実現す
ることができる。

さらに、ここではパルスパターンの算出方法として３本
の正弦波曲線の波高値の比に所定区間Δt₁を接分する方
式を例にとつたが、通常の台形波変調方式に適用しても
発明の本質は損われない。

また、実施例としてインバータの制御に適用した場合を
例にとつて説明したので本実施例の効果としては転流時
の主半導体のオーバーラツプに伴うトルクリプル低減に
有効であり、インバータの負荷としてギヤード電動機を
用いたような場合には騒音低減にも効果がある。

コンバータの制御に適用した場合にはやはり、オーバー
ラツプの影響が低減できるので高調波電流も低減できる
効果がある。

〔本発明の効果〕

本発明によればスイツチング素子の消弧遅れ期間に対す
る、短絡防止期間や開路防止期間の設定を限界まで短縮
することができるので、トルクリプル低減や高調波電流
低減の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す全体構成図、第２図は
電流形インバータ装置の一例を示す回路図、第３図は事
象算出処理を示すフローチヤート、第４図は事象設定処
理を示すフローチヤート、第５図は割込みタイミングの
説明図、第６図はモード選択処理を示すフローチヤー
ト、第７図はモードの説明図、第８図は時間設定の説明
図、第９図は非オーバーラツプ期間算出処理を示すフロ
ーチヤート、第10図はスイツチング素子の消弧遅れと素
子電流の関係を示した図、第11図はPWM制御パルスの一
例を示すタイムチヤート、第12図は事象設定処理を示す
フローチヤートである。４……直流リアクトル、５……主スイツチング回路、10
……マイコン、51〜56……トランジスタ、101……入力
ポート、102……内部パス、103……ROM、104……RAM、1
05……ALU、106……出力ポート、107……事象設定レジ
スタ、108……時刻設定レジスタ、109……保持レジス
タ、110……連想メモリ、111……タイマ、112……比較
部、113……実行コントローラ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者黒沢俊明茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者坂井吉男茨城県勝田市市毛1070番地株式会社日立製作所水戸工場内 (56)参考文献特開昭62−2867（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−25882（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−203568（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の主スイッチング素子によって構成さ
れる電流形の電力変換器、この電力変換器をパルス幅制
御するPWM制御装置を備えたものにおいて、上記PWM制御装置は、上記電力変換器の動作状況に応じて変化する上記主スイ
ッチング素子の消弧遅れ時間に関係する情報を検出する
手段と、上記消弧遅れ時間に関係する情報に基づき、上記主スイ
ッチング素子の消弧遅れ時間を判定する手段と、上記スイッチング素子の相間転流時に、消弧すべきスイ
ッチング素子に与えるOFF指令と点弧すべきスイッチン
グ素子に与えるON指令との間に時間間隔を挿入する手段
と、この時間間隔を、上記主スイッチング素子の上記消弧遅
れ時間判定値よりやや短い時間となるように可変制御す
る手段を備えたことを特徴とする電力変換器の制御装置。
【請求項２】上記消弧遅れ時間に関係する情報として上
記電力変換器の出力値を用いることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の電力変換器の制御装置。