JPH09140165A - 電力変換器 - Google Patents

電力変換器

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JPH09140165A
JPH09140165A JP7298073A JP29807395A JPH09140165A JP H09140165 A JPH09140165 A JP H09140165A JP 7298073 A JP7298073 A JP 7298073A JP 29807395 A JP29807395 A JP 29807395A JP H09140165 A JPH09140165 A JP H09140165A
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JP
Japan
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carrier
frequency
power converter
signal
converter
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Application number
JP7298073A
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English (en)
Inventor
Satoru Ito
知 伊東
Satoshi Inarida
聡 稲荷田
Kiyoshi Nakamura
中村  清
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】高調波成分の振幅を低減し、かつ偏磁やビート
電流等の問題を発生しない電力変換器の実現。 【解決手段】キャリア周波数変調器91により、キャリ
ア基本周波数fc,キャリア周波数の変化幅Δfc,変
化周波数fmおよび位相φmと、位相信号θから、キャ
リア周波数fc′を周期的に変化させる。位相信号θと
キャリア周波数fc′から、キャリア位相信号発生器9
2でキャリア位相信号θcを発生し、これに基づきキャ
リア発生器802でキャリア信号ytを得る。変調波信
号ymとキャリア信号ytに基づき、PWM制御回路8
03によりパルス信号を発生し、コンバータ1を制御す
る。fmをコンバータ1の動作基本周波数の整数倍に設
定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、交流を直流に、あ
るいは直流を交流に変換する電力変換器に関わり、特に
鉄道車両用電力変換器に関する。
【0002】
【従来の技術】自己消弧能力を持つ半導体素子により構
成し、これをパルス幅変調(PWM)によりオン・オフ
制御する電力変換器、いわゆるPWM電力変換器では、
半導体素子のスイッチング周波数の倍数近くに比較的大
きな高調波成分が発生する。
【0003】特開平7−39005号公報では、この高調波成
分が問題とならないようなスイッチング周波数を選択す
る機能を有している。
【0004】また、特開昭58−89070 号公報では、出力
周波数とスイッチング周波数が整数倍の関係にならな
い、いわゆる非同期型PWMコンバータで、スイッチン
グ周波数を変化させることにより、高調波の振幅を低減
している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、第1の従来技
術では、スイッチング周波数を高くすると電力変換器の
損失が増加し、また低くするとリプル電流が増加する。
主回路設計の際にはこれらの最悪値にあわせる必要があ
り、装置の小形軽量化には不都合である。
【0006】また、第2の従来技術では、非同期PWM
のために交流出力に低次高調波成分が発生し、変圧器の
偏磁やビート電流の発生等の問題を発生する。
【0007】本発明の目的は、高調波成分の振幅を低減
し、かつ偏磁やビート電流等の問題を発生しない電力変
換器を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】電力変換器のスイッチン
グ周波数を周期的に変化させる手段を設ける。この変化
周波数は、電力変換器の動作基本周波数の整数倍とす
る。
【0009】低次高調波成分の発生を抑制し、かつ高次
高調波成分の振幅を低減することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を、交流
電気車に適用して示す図1により説明する。交流を直流
に変換する電力変換器1(以下、コンバータと称する)
の交流側は、変圧器2の低圧側巻線に接続され、さらに
その高圧側には交流電源3が接続される。また、主コン
バータ1の直流側にはコンデンサ4が、さらに負荷5が
接続される。負荷5は一般的には交流電動機を駆動する
インバータであるが、他の直流負荷であってもよい。
【0011】コンバータ1を制御する制御装置8は次の
ように構成される。すなわち、電圧検出器71により直
流電圧edを検出する。減算器81により直流電圧指令
値Ed*と直流電圧edの偏差を算出し、電圧制御器8
2により交流電流振幅指令Is*を算出する。電圧検出
器72により検出した交流電圧esから位相信号発生器
801により算出した位相信号θと位相指令値φ*を加
算器83で加算し、正弦波発生器84で基準正弦波を発
生し、乗算器85で交流電流振幅指令Is*と乗算を行
い、交流電流指令値is*を算出する。減算器86で交
流電流指令値is*と、電流検出器73により検出した
交流電流isとの偏差をとり、電流制御器87によっ
て、変圧器インピーダンスの電圧降下分の制御信号ye
tを得る。また、除算器88により、交流電圧esを直
流電圧edで除算し、交流電源電圧分の制御信号yes
を得る。減算器89により、制御信号yesからyet
を減算して変調波信号ymを求める。また、キャリア周
波数変調器91により、キャリア基本周波数fc,キャ
リア周波数の変化幅Δfc,変化周波数fmおよび位相
φmと、位相信号θから、キャリア周波数fc′を求め
る。位相信号θとキャリア周波数fc′から、キャリア
位相信号発生器92でキャリア位相信号θcを発生し、
これに基づきキャリア発生器802でキャリア信号yt
を得る。変調波信号ymとキャリア信号ytに基づき、
PWM制御回路803によりパルス信号を発生し、コン
バータ1を制御する。
【0012】次に、図1の実施例の動作を説明する。
【0013】図2はΔfcを0として、キャリア周波数
変調器91に本来の動作をさせず、従来の同期PWMと
同様の動作とした場合の各部波形図である。いま、キャ
リア周波数fc′は一定としているので、キャリア位相
θcは、交流電圧esに同期し、一定の割合で増加する
鋸状の波形となる。これに基づき、キャリア信号ytを
発生する。
【0014】当然ながらこの場合、キャリアの各周期は
等しい。また、同期PWMとしているのでキャリア周波
数は基本波周波数の整数倍であり、基本波1周期にはい
るキャリア周期の数は整数となり、また毎周期同じ波形
が出力される。この様にすると、非同期PWMで発生す
るような、低次高調波成分による変圧器の偏磁,ビート
電流等の問題を抑制することができる。
【0015】しかし、図3の周波数スペクトル図に示す
ように、キャリア周波数の倍数近くに高調波が発生する
が、キャリア周波数の倍数成分、およびそれにごく近い
周波数の成分の振幅が他に比べ大きく発生する。このた
め、信号系統に対する誘導障害,電力系統の他の機器に
おける発生熱増加などの問題が生じる。
【0016】ここで、単純にキャリア周波数を増加ある
いは低減しても、これら高調波成分の振幅はそれほど変
化せず、そのうえ電力変換器の損失あるいはリプル電流
の増加をまねくため、問題の解決にはならない。
【0017】このような問題を解決するため、キャリア
周波数変調器91を動作させた場合の波形を図4に示
す。
【0018】キャリア周波数変調器91により発生する
キャリア周波数fc′は数1のように表せる。ただし、
fcはキャリア基本周波数、Δfcはキャリア周波数の
変化幅、fmはキャリア周波数の変化周波数、φmはキ
ャリア周波数の変化位相、fiはコンバータの基本周波
数である。
【0019】
【数1】
【0020】図4には、fm=fi,φm=0の場合の
例を示す。キャリア周波数fc′は、キャリア基本周波
数fcのまわりで、振幅Δfcで変化する。このため、
位相信号θcも図示のように破線で示す元の直線のまわ
りで、周期的に変化し、これに基づき発生するキャリア
信号ytも、周期が連続的に変化する。これにより、図
5の周波数スペクトルのように、振幅の大きい成分の振
幅を低減できる。これと引き替えに、振幅が小さかった
高調波成分の振幅が増大し、高調波の全実効値はそれほ
ど変化しないが、高調波の振幅のレベルを低減すること
ができる。
【0021】キャリア周波数の変化周波数fmを、コン
バータ周波数fiの整数倍に設定することで、図4のよ
うにキャリア信号ytの各周期は変化するものの、電源
電圧esの周期で見ると毎周期同じキャリア信号が得ら
れる。このため、従来の同期PWMと同様に、低次高調
波成分の発生を防止し、変圧器の偏磁等の問題を抑制す
ることができる。
【0022】このように、図4にはfm=fi,φm=
0の場合を示した。主回路定数によっては、この条件で
は十分な高調波の低減効果が得られない場合や、低減す
べき成分が逆に増加する場合も考えられるが、そのよう
な場合にはfmおよびφmを適当な値に設定することに
より、図5のような高調波振幅低減効果を得ることがで
きる。
【0023】図6は本発明の第二の実施例である。図1
の実施例では、キャリアを用いてPWMを行う場合の例
を示したが、いわゆる、空間ベクトルPWMのように、
直接キャリア信号を用いないPWMも存在する。この様
な場合には、キャリア周波数変調器91の出力fc′を
スイッチング周波数の指令値としてPWM制御回路80
3に与える。これにより、図1の実施例と同様の効果を
得ることができる。図3および図5の高調波スペクトル
は、例として模式的に示したものであり、主回路定数や
PWM方式によっては、若干異なる高調波分布を呈する
ことがあるが、そのような場合も、本発明の効果を損な
うものではない。
【0024】以上では、単相電源で交流を直流に変換す
る電力変換器、いわゆる、単相PWMコンバータへの適用
例を説明したが、相数が三相など多相の場合、また直流
を交流に変換する電力変換器、いわゆるPWMインバー
タの場合にも、同様に適用可能であることは自明であ
る。
【0025】
【発明の効果】高次高調波成分により発生する誘導障害
等の発生を抑制できる。また低次高調波成分により発生
する変圧器の偏磁やビート電流等の発生も抑制可能であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示すブロック図。
【図2】図1で、Δfcを0として、従来の同期PWM
相当の動作をさせた場合の波形図。
【図3】図2の場合の周波数スペクトル図。
【図4】図1の実施例の動作を示す波形図。
【図5】図4の場合の周波数スペクトル図。
【図6】本発明の第二の実施例を示すブロック図。
【符号の説明】
1…コンバータ、2…変圧器、3…交流電源、4…フィ
ルタコンデンサ、5…負荷、8…コンバータ制御器、7
1,72…電圧検出器、73…電流検出器、81,8
6,89…減算器、82…電圧制御器、83…加算器、
84…正弦波発生器、85…乗算器、87…電流制御
器、88…除算器、91…キャリア周波数変調器、92
…キャリア位相信号発生器、801…位相信号発生器、
802…キャリア発生器、803…PWM制御回路。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】自己消弧能力を持つ素子で構成される電力
    変換器と、上記電力変換器の直流側に接続され、フィル
    タコンデンサを含む直流ステージ回路とで構成される電
    力変換装置において、 上記電力変換器のスイッチング周波数を周期的に変化さ
    せる手段を有することを特徴とする電力変換装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、上記電力変換器のスイ
    ッチング周波数を周期的に変化させる手段は、キャリア
    信号の周波数を周期的に変化させる手段である電力変換
    装置。
  3. 【請求項3】請求項1または2において、上記電力変換
    器のスイッチング周波数の変化周波数は、上記電力変換
    器の動作基本周波数の整数倍である電力変換装置。
JP7298073A 1995-11-16 1995-11-16 電力変換器 Pending JPH09140165A (ja)

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