JPS633656A - 電力変換装置の制御方法 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はパルス幅変調制御方式によりインバータ装置な
どを制御して交流の可変電圧・可変周波数の出力を得る
ようにした電力変換装置の制菌方法に関する。

（従来の技術） 電力変換装置の中で電圧形インバータは、その出力電圧
を可変する手段としてインバータ入力の直流電圧を可変
することにより行なう方法、いわゆるＲＡＭ制御、及び
直流電圧を一定にしておき、出力の電圧をパルス状に分
割してパルスの幅を可変することにより平均値的に出力
電圧を可変するようにしたパルス幅変調＆ｌＪ　ＷＪ（
Ｐ　”ｖＶＭ制類）が代表的である。しかしながら、Ｒ
Ａ　Ｍ制御は可変直流電源が必要なことから一般的には
その制御方式によって出力電流を正弦波に制御可能なＰ
　Ｗ　Ｍ　１ＩＩＩｌｉｔが用いられている。

このＰＷＭ制御の方法としては第５図に示すように、搬
送波Ｓｃと変調波ＳＭの差の極圧でパルスＳｐを作る方
式があり、第５図に示した搬送波Ｓｃに三角波、変調波
ＳＭに正弦波を用いたものを三角波比較正弦波と呼ばれ
ており、以下これについて述べる。この三角波比較正弦
波Ｐ　Ｗ　Ｍ制御は、比較的簡単な回路構成で実現可能
なことと、出力電流が正弦波になることから一般に広く
用いられている。

第５図に示したＰ　Ｗ　Ｍ　１ｔｉｌＩ　ｍは、搬送波
Ｓｃの周波数が変調波ＳＭの周波数の３倍となっており
、これを３パルスモードと呼ぶことにする。以下同様に
９パルスモード、１５パルスモ一ド等搬送波Ｓｃの周波
数が変調波ＳＭの周波数の何倍かで与えられる。また、
搬送波Ｓｃと変調波ＳＭの周波数比が常に一定の値をｉ
合、これを同期式のＰＷＭ制御と呼ぶことにする。

ところで、出力のパルス列、すなわち出力電圧を正弦波
の周波数成分に分割するとくフーリエ級数展開により）
基本波成分と高調波成分に分割され、パルス数が多いほ
ど低次の高調波が小さくなり、高次の高調波が大きくな
ることは明らかなことである。このことは、誘導性負荷
では高次の高調波に対してフィルター効果が大きくなる
ため、流れる電流は基本波に従い正弦波となり、高調波
によるリップル分は小さい。逆にパルス数が少ないと低
次の高調波が大きくなるため、誘導性負荷にはリップル
分を多く含んだ正弦波電流が流れる。

また、出力電圧を可変するために、出力のパルス幅を可
変するには搬送波と変調波の波高値の比を変えることに
より可能である。以下この波高値の比を変調率と呼ぶこ
とにする。

以上のことをまとめると、出力のパルス数が多いほどｍ
’Ｆｆｌ性負荷ではリップル電流の少ない正弦波電流が
得られる。このことは、リンプル電流を小さくするため
には搬送波の周波数を高くすることを意味し、パルスの
数を多くすればよいことになる。

一方、電力変換装置の主スイッチング素子はその性能上
からスイッチングの回数、すなわちスイッチング周波数
に上限がある。例えば主スイッチング素子にＧＴＯ（タ
ンオフサイリスタ）を用いた場合、ＧＴＯがオン、オフ
したときに生ずるスイッチング損失は、素子の温度定格
、装置全体の効率にとって大きな問題となる。このスイ
ッチング損失はスイッチング周波数に比例するため、で
きるだけスイッチング周波数を小さくする必要がある。

しかし、同期式ＰＷＭ♂ｌｌｆｆ０方式でのスイッチン
グ周波数は変調周波数と搬送波周波数の積で与えられる
ため、スイッチング損失を小さくするには搬送波周波数
を小さくしてパルス数を少なくしなければならない。

そこで、従来の電力変換装置ではＰ　Ｗ　Ｍ　ＩＩＩ　
１１１回路にインバータ出力の半サイクル中に占めるパ
ルス数がそれぞれ異なるパルス列にして構成された複数
組のパルスパターンを設け、これらのパルスパターンを
出力周波数帯によって切換えることによりスイッチング
周波数が上限値を越えないようにし、さらにパルス数を
減らすことにより生ずるリップル電流の増大から許容で
きるリップル電流値までパルス数を減じてスイッチング
損失による装置の効率を可能な限り上げていた。

このように従来では一般的にＰ’ｖＶＭυ１（財）を採
用するにあたり、複数のパルスパターンを有し、これら
を必要に応じて切換可能とし、またこのパルスパターン
の切換えは切換指令が出されると出力状態に関係なく任
意のタイミングで行なうようにしていた。第６図はパル
スパターンの切換をｆｌ。

ｆ２．ｆ３の出力周波数で行なっている様子を示すもの
である。この図からも分るように出力周波数ｆが大きく
なるに従ってパルス数の少ないパルスパターンに切換ら
れている。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、このように複数のパルスパターンを出力の状態
に関係なく任意のタイミングで切換えると、次のような
問題がある。すなわち、任意のｎａパルスパターンから
ｎｂパルスパターンに切換えるとき、それぞれの基本波
成分は同じでも各高調波成分は異なっている。従って、
任意のタイミングでパルスパターンを切換えると、高調
波成分は過渡現象を伴ってｎａパルスパターンでの高調
波電流からｎｂパルスパターンの高調波電流へ移行する
。この過渡現象を伴った高調波電流は基本波の電流に加
算されて大きな電流となる。特に電力変換装置の主スイ
ッチング素子にＧＴＯなど、転流時にしゃ断する電流に
υ１限がある場合にはパルスパターンの切換時に生ずる
過電流を考慮しなければならない。このため、装置の定
格容量を小さくして用いなければならないことがあり、
このような場合には変換装置容量を充分に活用すること
はできなかった。また負荷として誘導雷１Ｉｌｌ芸の場
合には切換時に生ずる過電流によりトルクショックが発
生し、駆動する数機にショックを与えることがあった。

そこで、本発明の目的はパルスパターンの切換時に発生
する過電流を抑制して経済的な容量で負荷にショックを
与えずに電力変換装置を運転することができる電力変換
装置の制御方法を提供するにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明はかかる目的を達成するため、周波数指令および
電圧指令に応じた周波数、電圧の基本波成分を有するパ
ルス幅変調信号（Ｐ　Ｗ　Ｍ信号）を、該信号の半サイ
クルが複数個のパルス列により構成された出力パターン
をｎパルスパターン（ｎは２以上の正の整数）としたと
き、ｎ１パルスパターン、ｎ２パルスパターン、ｎ３パ
ルスパターン、……の複数個のパルスパターンのいずれ
かのパルスパターンに切換えて出力するようにしたパル
ス幅変ｍ　ＩＩ　１１１回路を備え、且つこのパルス幅
変調制御回路から出力されるＰＷＭ信号により主スイッ
チング素子の通電幅を可変して該主スイッチング素子を
通して負荷に供給される出力電力や出力電流・電圧成分
を制胛する電力変換装置の制御方法において、前記いず
れか１つのパルスパターンのＰＷＭ信号から他の１つの
パルスパターンのＰＷＭ信号に切換えて負荷を運転する
に際して、各パルスパターンのＰＷＭ信号による負荷運
転時に発生する高調波電流成分の値が切換前後の各パル
スパターンで同じ値のタイミングのときに切換えること
を特徴としている。

（作用） 従って、このような制御方法にあっては切換前のパルス
パターンと切換後のパルスパターンの高調波電流が同じ
値の時に切換えることにより、切換前のパルスパターン
における電流と切換後のパルスパターンの電流が同じに
なり、切換前に流れていた電流に対する高調波電流によ
る過渡現象が発生しないので、パターンの切換時に生ず
る過電流を考慮する必要がなくなり、経済的な容量で負
荷にショックを与えずに電力変換装置を運転することが
できることになる。

（実施例） 本発明の一実施例を述べるにあたり、まず本発明による
電力変換装置の制御方法の考え方について説明する。

従来の電力変換装置の制御方法で問題が発生する原因と
しては、パルスパターンを切換えるとき高周波電流が連
続的に移行しないため、切換前のパルスパターンにより
流れていた高周波電流を初期条件とした過渡現象が生ず
るためにある。

そこで、切換前のパルスパターンでの高調波電流が切換
後のパルスパターンでの運転に対して影響を与えないよ
うにすればよい。そのためには切換前のパルスパターン
における電流と切換後のパルスパターンの電流が同じ値
であれば当然、今まで流れていた電流に対する過渡現象
は発生しない。

−般に電力変換装置の出力電流成分を分析すると基本波
成分と高調波成分に分けられるが、基本波成分は大きさ
と位相が連続するようにしているため同じであり、異な
るのは′８調波成分のみである。

従って、切換前のパルスパターンと切換後のパルスパタ
ーンの高調波電流が共に同じ値のときに切換えれば、今
まで流れていた電流に対する過渡現象は生じないことに
なる。

第３図は３パルスパターンでの出力相電圧Ｅａ。

出力電流１ａ及び５パルスパターンでの出力相電圧Ｅｂ
、出力電流１ｂを示すものである。この図から明らかな
ように各電流１ａ、Ｉｂは基本波の電流が同じで、高調
波電流成分のみが異なっている。即ち、第３図において
、ｔｌ　、ｔ２．ｔ３のタイミングにおけるｌａ及びＩ
ｂの値は同じである。従って、第３図に示すパルスパタ
ーンにおいては、ｔｌ、ｔ２．ｔ３のいずれか１点で切
換れば、過渡現象を伴うことなくパルスパターンを切換
えることができる。

第４図は第３図で示した電流１ａの高調波電流成分１ｈ
ａ及び電流１ｂの高調波電流成分１ｈｂを示すものであ
る。第３図におけるｔｌ　、　ｔ２　。

ｔ３は第４図でｔ、−、ｔ２−、ｔ３−として示してお
り、その値は零電流の値のときのタイミングとして示し
である。

以下に高調波電流が零のときにパルスパターンを切換だ
場合にその切換前後の高調波電流値が同じになることを
理論的に説明する。

今、電力変換装置の出力が３相交流で、負荷が３相平衡
しているものとすれば、２及び３の倍数の高調波は除く
ことができるため、電力変換装置が出す高調波電圧ｖｈ
は、 Ｖｈ　（６ｎ±１　）ＫＶ　（６ｎ±１）ｓｉｎｃｅ（
６ｎ±１））　・・・・・・（１）ｎ：１．２．３・・
・・・・ ＫＶ　（５ｎ±１）：高調波電圧の大きさの係数 ｅ：基本波の角度 即ち、５．．７，１１，１３．１７．１９・・・・・・
（６ｎ±１）次の高調波電圧で表わせる。高調波電圧に
よる電流は誘′Ｓ電動機等、誘導性の負荷を考えた場合
、インダクタンスに流れる電流とみなすごとができるた
め、高調波電流１ｈは次の（２）式で示される。

Ｉｈ＝、ｐ−１ｉ（６ｎ±１　）　ｃｏｓ　（ｅ　（６
ｎ＋１　））・・・・・・（２） ｎ：１．２，３．・・・・・・ Ｋｉ（６ｎ±１）：６ｎ±１次の高調波電流の大きさの
係数 （２）式において、パルスパターンが切替わると変わる
のはＫｉのみであり、 ｃｏｓ　（ｅ　（６ｎ±１））のコサイン波が加算され
た波形であることに変りない。従って、Ｋｉは任意に変
わるためＣＯ５（ｅ　（６ｎ±１））が零になるポイン
トがいかなるＫｉでもＩｈは零となり、すべてのパルス
パターンにおける同じ電流値になることを意味している
。

Ｃｏｓ　（ｅ　（５ｎ±１））が零になるためには、θ
（６ｎ±１）＝（２ｍ＋１）／２・π（ｍ：正の整数）
が満足される点となるが、基本波としての暗であるｅの
整数倍であることから、必ず基本波の零となる位相であ
る（２ｍ＋１）／２・πのｅで、高調波成分も零となる
。その他の位相においても零となるポイントはあるが、
いかなる高調波成分においても一義的に定まるポイント
は基本波の（２ｍ＋１）／２・πである。

以下上記のような原理に基く本発明の一実施例を第１図
を参照して説明する。

第１図は本発明による電力変換装置の制御方法を説明す
るためのブロック回路の構成例を示すものである。第１
図において、１は図示しない電力変換装置により運転さ
れる誘導電動酸の速度基準を発生する速度基準発生器、
２はこの速度基準発生器１の速度基準に応じた電圧基準
信号ＶＩを発生する電圧基準発生器、３は同じく速度基
準に応じた周波数基準信号ごを発生する周波数基準発生
器、４はこの周波数基ｔｌ！発生器３から出力される周
波数基準信号ｆ０に基いて正弦波信号ＳＭ−を発生する
単位正弦波発生器、１ｏはこの単位正弦波発生器４から
出力される正弦波信号ＳＭ′と電圧基準発生器２から出
力される電圧基準信号ゾとを乗算して変調波信号をＳＭ
を出力する乗算器、１１はこの乗算器１０から出力され
る変調波信号ＳＭと詳細を後述するスイッチング周波数
切換回路Ｆから出力される搬送波信号Ｓｃとを比較して
その差の極性でパルス列を出力する比較器である。−方
、Ｆは周波数基準信号ｆ″に応じて複数の搬送波を。

本例では周波数の異なる３つの搬送波を切換えて出力す
るスイッチング周波数切換回路で、このスイッチング周
波数切換回路Ｆは異なる周波数の搬送波信号を出力する
搬送波発生器８ａ、８ｂ。

８Ｃと、周波数基準発生器３から出力される周波数基準
信号ｆ０に基いて電力変換装置の運転範囲検出する運転
範囲検出器５と、単位正弦波発生器４から出力される正
弦波信号に基いてパルスパターンを切換えるためのタイ
ミング、ここでは第３図及び第４図により説明したよう
に出力相電圧の位相が１／２・πのときのタイミングを
検出するパターン切換タイミング検出器６と、運転範囲
検出器５で検出された運転範囲検出信号とパターン切換
タイミング検出器６により検出されたパターン切換タイ
ミング信号に基いて接触器９ａ、９ｂ。

９Ｃを入り切り駆動して搬送波発生器８ａ、８ｂ。

８Ｃから出力される搬送波信号を切換えて出力させる接
触器駆動器７とを備えている。

次に上記構成によるパルスパターン切換時の作用につい
て第２図を参照して説明する。第２図は３パルスパター
ンから５パルスパターンへ切換える例で、３相交流出力
の電圧形インバータにより３相負荷を駆動する場合の例
を示しており、ＥＲｌＥｓ、Ｅ工は各相の相電圧波形で
ある。同様にＶＲ、Ｖｓ　、ＶＴは各線間電圧である。

今、３パルスパターンにより電圧形インバータが運転さ
れているとき、運転範囲検出器５により基準信号発生器
３から出力される周波数基準信号ｆ”ｌ、：応じて運転
範囲が検出され、例えば５パルスパターンが選択される
と、その選択信号が接触器駆動器７に入力される。また
パターン切換タイミング検出器６により単位正弦波発生
器４から出力される正弦波が９０°になったことが検出
されると、そのときのタイミング切換検出信号が接触器
駆動器７に入力される。すると、この接触器駆動器７に
より該当する接触器９例えば接触器９ａを開いて接触器
９ｂを閉じると、搬送波発生器８ａの搬送波信号から搬
送波発生器８ｂの搬送波信号に切換られて出力され、比
較器１１に加えられる。

従って、比較器１１からは５パルスパターン構成のパル
ス列が出力され、図示しない電圧形インバータが運転さ
れる。ここで、第２図においてｔｏは３パルスパターン
から５パルスパターンへの切換指令が入った点で、１Ｒ
，１，，１Ｔはそれぞれの相が実際に切換ねった点であ
る。すなわち、切換指令によりタイミング１ｃから最初
の１／２・πの位相でそれぞれ各相が切換ねっている。

このように出力相電圧が１／２・πのときの位相は第３
図及び第４図で述べたように切換前の電流と切換後の電
流の高調波電流の値が共に零になっているタイミングな
ので、１．．１．．１工の各タイミングもやはり高調波
電流は零の値となっている。

従って、３パルスパターンから５パルスパターンに切換
えてもそのときの高調波電流成分による過渡現象が発生
しないので、過電流が流れるようなことがなくなる。こ
のことにより、電力変換装置としてパルスパターン切換
時に流れる過電流を考慮しなくてもよいので、装置を経
済的な容量とすることができ、さらに過電流が流れるこ
とにより発生する誘導Ｗａｌｌに与えるトルクショック
を抑１ｉＩＪすることができ、信頼性の向上を図ること
ができる。

なお、上記実施例ではパターン切換タイミング検出器６
により単位正弦波発生器４から出力される正弦波が９０
”になったことを検出する場合を述べたが、正弦波が２
７０°になったことを検出する場合でも前述と全く同様
である。要は基本波が零となる位相（２ｍ＋１）／２・
πのＯで高調波成分が必ず零になるので、そのときのタ
イミングでパルスパターンを切換れば過渡現象の発生を
なくすことができる。

また、上記実施例では誘導電ａｍを負荷として駆動する
場合について述べたが、本発明は誘導性負荷にのみ限ら
ず、他のどのような負荷であってもよく、また高調波電
流成分が零でなくても、切換前後の高調波電流成分が同
じ値であれば前述同様の効果を得ることができる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、周波数指令および電
圧指令に応じた周波数、電圧の基本波成分を有するパル
ス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を。

該信号の半サイクルが複数個のパルス列により構成され
た出力パターンをｎパルスパターン（ｎは２以上の正の
整数）としたとき、ｎ１パルスパターン、ｎ２パルスパ
ターン、ｎ３パルスパターン。

……の複数個のパルスパターンのいずれかのパルスパタ
ーンに切換えて出力するようにしたパルス幅変調制御回
路を備え、且つこのパルス幅変調制御回路から出力され
るＰＷＭ信号により主スイッチング素子の通電幅を可変
して該主スイッチング素子を通して負荷に供給される出
力電力や出力電流・電圧成分をＩＩＩ　ｔｌ］する電力
変換装置の制御方法において、前記いずれか１つのパル
スパターンのＰ　Ｗ　Ｍ信号から他の１つのパルスパタ
ーンのＰＷＭ信号に切換えて負荷を運転するに際して、
各パルスパターンのＰ　Ｗ　Ｍ信号による負荷運転時に
発生する高調波電流成分の値が切換前後の各パルスパタ
ーンで同じ値のタイミングのときに切換えるようにした
ので、パルスパターンの切換時に発生する過電流を抑制
して経済的な容量で負荷にショックを与えずに電力変換
装置を運転することができる電力変換装置の制御方法を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による電力変換装置の制御方法を説明す
るための一実施例を示すブロック回路構成図、第２図は
同実施例においてパルスパターンを切換えるタイミング
を説明するための３相各相に対応するパルス波形図、第
３図及び第４図は本発明の考え方としてパルスパターン
を切換えるときの出力電流及び高調波電流成分が同じ値
を示すタイミングを説明するための波形図、第５図はパ
ルスパターンを出力周波数帯により切換えることにより
得られることを説明するための図、第６図はＰＷＭ制御
におけるパルスパターン発生方法を説明するためのスイ
ッチング周波数と出力周波数との関係を示す図である。 １・・・・・・速度基準発生器、２・・・・・・電圧基
準発生器、３・・・・・・周波数Ｍ準発生器、４・・・
・・・単位正弦波発生器、６・・・・・・パターン切換
タイミング検出器、７・・・・・・接触器駆動器、８ａ
、８ｂ、８ｃ・・・・・・搬送波発生器、９ａ、９ｂ、
９ｃ・・・・・・接触器、１０・・・・・・乗算器、１
１・・・・・・比較器。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦Ｌ−−−−−〜
−＋＋　　　　　　ａ 第　１　図 第３図 １　１　　　　Ｉ　　　　１ ＋’＋　　　　　　　ｔ’２　　　　　　　ｔ’第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）周波数指令および電圧指令に応じた周波数、電圧
   の基本波成分を有するパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）
   を、該信号の半サイクルが複数個のパルス列により構成
   された出力パターンをｎパルスパターン（ｎは２以上の
   正の整数）としたとき、ｎ＿１パルスパターン、ｎ＿２
   パルスパターン、ｎ＿３パルスパターン、……の複数個
   のパルスパターンのいずれかのパルスパターンに切換え
   て出力するようにしたパルス幅変調制御回路を備え、且
   つこのパルス幅変調制御回路から出力されるＰＷＭ信号
   により主スイッチング素子の通電幅を可変して該主スイ
   ッチング素子を通して負荷に供給される出力電力や出力
   電流・電圧成分を制御する電力変換装置の制御方法にお
   いて、前記いずれか１つのパルスパターンのＰＷＭ信号
   から他の１つのパルスパターンのＰＷＭ信号に切換えて
   負荷を運転するに際して、各パルスパターンのＰＷＭ信
   号による負荷運転時に発生する高調波電流成分の値が切
   換前後の各パルスパターンで同じ値のタイミングのとき
   に切換えることを特徴とする電力変換装置の制御方法。
2. （２）高調波電流成分が同じ値のときのパルスパターン
   切換タイミングは主スイッチンング素子を通して負荷に
   供給される出力電圧の９０°あるいは２７０°の位相タ
   イミングとしたものである特許請求の範囲第１項記載の
   電力変換装置の制御方法。