JP2020137385A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】同期制御時の過変調領域で高調波電流を低減する。【解決手段】電流指令生成部と、電圧指令生成部と、変調率計算部と、電圧位相・角周波数算出部と、ＰＷＭ信号生成部とを備え、ＰＷＭ信号生成部は変調率計算部で算出された変調率に応じて、高調波電流が最低となるパルス数のパルスモードを選択し、キャリアを生成するキャリア生成部と、パルスモードに応じた変調波を算出する変調波生成部と、キャリアと変調波とを比較し、ＰＷＭ信号を生成する比較器とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、スイッチング素子をパルス幅変調に基づく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８は一般的な電力変換装置の構成例を示す図である。

図８に示す電力変換装置はリアクトル３と、コンデンサ４と、電力変換器５と、電流検出器６と、電流指令生成部１１と、電圧指令生成部１２と、電圧位相・角周波数計算部１４と、ＰＷＭ信号生成部２５とを備える。電流検出器６は、交流モータ１の固定子電流を回転する直交座標であるｄｑ軸上の各成分のｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑに変換して出力する。前記ｄ軸は、交流モータ１が誘導電動機の場合に一般的に該モータの２次鎖交磁束ベクトルの方向に定義され、交流モータ１が永久磁石同期電動機の場合に一般的に該電動機の回転子の永久磁石のＮ極方向に定義される。

直流電源２を用いて交流モータ１を駆動するためには、直流電源２から供給される直流電力を、電力変換器５を用いて交流電力に変換する必要がある。
電力変換器５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２からの直流電力を交流電力に変換して、交流モータ１に供給する。電力変換器５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）制御信号により、スイッチング素子を制御するＰＷＭ方式で制御を行う方法がある。
電流指令生成部１１はトルク指令から電流指令を生成する。電圧指令生成部１２は電流指令生成部１１からの電流指令と電流検出器６からの電流値との偏差を用いて、ｄｑ軸の電圧指令を生成する。電圧位相・角周波数計算部は電圧指令生成部１２からの電圧指令を用いて電力変換器５から出力する電圧位相と角周波数を計算する。ＰＷＭ信号生成部２５は電圧指令生成部１２で生成された電圧指令と、電圧位相・角周波数計算部１４で計算された電圧位相と角周波数を用いて、三角波などのキャリアを用いて、ＰＷＭ信号を得る。ＰＷＭ信号生成部２５で生成されたＰＷＭ信号を用いて、電力変換器５のスイッチング素子をスイッチングすることにより、交流電力を得ることができる。

一般的に、電力変換器５から出力される出力電圧の周波数が閾値を超えると、非同期制御から９パルスや１５パルスなどの同期制御に切り替えを行う。その後、電気車の速度が上がり、電圧指令が上昇していくと、図９のように変調波の振幅がキャリアの振幅を超える過変調状態となる。過変調状態では、パルスに欠損が生じ最終的に１パルスの状態となる。このときの１パルスとは、一周期分の出力電圧を一つのパルスで生成する状態のことである。

上記のように、９パルスから過変調状態にすることで、１パルスとなった場合、１パルスに切り替わるときに出力電圧が急激に上昇する電圧ジャンプが発生する。また、１パルスでは一周期分の出力電圧を一つのパルスで生成することにより、高調波電流が高くなるという問題がある。

そこで、特許文献１では、９パルスから１パルスに切り替わるときに、２種類の３パルスを導入し、切り替えることで、電圧ジャンプの抑制を行っている。また、２種類の３パルスを切り替えるときに、パルス幅を調整することで高調波電流の低減を行っている。

特開平０４−１４００６６

解決しようとする問題点は、図９のように変調波の振幅がキャリアの振幅を超える過変調領域で、高調波電流による交流モータでの損失が大きくなることである。

特許文献１に開示されている技術は、電圧ジャンプを抑えることを目的としたものであり、高調波電流は２種類の３パルスの切り替え時のみ低減を行っている。

上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、
変調波の振幅がキャリアの振幅を超える過変調領域において、高調波電流を低減することにより、交流モータで発生する損失を低減す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、
スイッチング素子をパルス幅変調に基づく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、
少なくともトルク指令を用いて電流指令を生成する電流指令生成部と、
前記電流指令生成部で生成された電流指令から電圧指令を生成する電圧指令生成部と、
前記電圧指令生成部で生成された電圧指令から変調率を求める変調率計算部と、
前記電圧指令生成部で生成された電圧指令から電圧位相と角周波数を求める電圧位相・角周波数算出部と、
前記変調率計算部で算出された変調率と前記電圧位相・角周波数算出部で生成された電圧位相と角周波数からＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部とを備え、
前記ＰＷＭ信号生成部は、前記変調率計算部で算出された変調率と前記電圧位相・角周波数算出部で生成された角周波数とを用いて、変調率に応じて、パルス数が変わるパルスモードを変更し、パルスモードに応じたキャリア周波数を変更し、キャリアを生成するキャリア生成部と、
前記変調率計算部で算出された変調率と前記電圧位相・角周波数算出部で生成された電圧位相とを用いて、変調波割合算出テーブルを参照することで、変調波を算出する変調波生成部と、
前記キャリア生成部で生成されるキャリアと、前記変調波生成部で生成される変調波とを比較し、比較結果に応じて、ＰＷＭ信号を電力変換器へ出力する比較器とを備えることを特徴とする。

前期キャリア生成部は、
前記変調率計算部で算出される変調率に応じて、高調波電流が最低となるパルス数のパルスモードを選択するパルスモード選択器と、前記パルスモード選択器で選択されたパルスモードと、前記電圧位相・角周波数計算部から算出された角周波数とから、三角波などのキャリアと前記キャリアの波高値とを出力するキャリア生成器とを備えることを特徴とする。

前期変調波生成部は、
必要とされるパルス数に対し、パルス幅を任意に変更することで、変調率に対する高調波電流が最低となるパルス幅をあらかじめ算出し、前記パルス幅を出力するための変調波を、キャリアの波高値に対する割合に変換した変調波割合算出テーブルと、
前記変調波割合算出テーブルから算出される変調波の割合と、前記キャリア生成部で生成されるキャリア波高値から変調波を算出する変調波算出器とを備えることを特徴とする。

本発明に係る電力変換装置によれば、
過変調領域における高調波電流を低減することで、交流モータで発生する損失を低減することができる。

本発明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ＰＷＭ信号生成部の構成例の概略を示す図である。 図２に示すキャリア生成部の構成例を示す図である。 図２に示す変調波生成部の構成例を示す図である。 中性点から見た、Ｐ７パルスモード時の相電圧波形の一例を示す図である。 各パルスモードの変調率に対する高調波電流が、最低となる点を表した図である。 パルスモードを適応した場合と、パルスモードを適応してない場合において誘導モータを駆動した際のＵ相電流に含まれる高調波電流を比較した図である。 一般的な電力変更装置の構成例を示す図である。 ９パルスモード時の過変調状態を示す図である。

以下、本発明の一例を、図面を参照しながら説明する。なお、図８と同一部分については、同じ符号を付し、説明を省略する。また、キャリアは三角波を用いて、キャリアの傾きが一定であるものとし、キャリアの波高値を変更することで、キャリア周波数を変更できるものとする。また、非同期制御から同期制御へ切り替えた際の同期制御のパルスモードは９パルスモードとして説明を行う。

図１は本発明に係る電力変換装置の構成例を示した図である。図８に示す一般的な電力変換装置と比較して、ＰＷＭ信号生成部２５をＰＷＭ信号生成部１５に変更し、電圧指令生成部１２とＰＷＭ信号生成部１５の間に変調率計算部１３が追加された点が異なる。

変調率計算部１３は電圧指令生成部１２で生成された電圧指令から変調率αを計算する。ここで、変調率αは１パルスモード時の出力可能電圧を１とした場合の電圧指令から算出される出力電圧の割合である。
ＰＷＭ信号生成部１５は変調率計算部１３で計算された変調率αと電圧位相・角周波数算出部１４で計算された出力電圧位相と出力電圧角周波数からＰＷＭ信号を生成し、電力変換器５へ出力する。

図２はＰＷＭ信号生成部１５の構成例の概略を示した図である。

ＰＷＭ信号生成部１５は、キャリア生成部１５１と、変調波生成部１５２と比較器１５３とを備える。

キャリア生成部１５１は変調率計算部１３で計算される変調率αと、電圧位相・角周波数算出部１４で算出された角周波数とを用いて、キャリアの生成を行い、キャリアを比較器１５３へ出力する。

変調波生成部１５２は変調率計算部１３で計算される変調率αと、電圧位相・角周波数算出部１４で算出された電圧位相とを用いて、キャリアと比較を行う変調波の算出を行い、変調波を比較器１５３へ出力する。

比較器１５３はキャリア生成部１５１で生成されたキャリアと変調波生成部１５２で生成された変調波とを比較することで、ＰＷＭ信号を求め、電力変換器５へ出力する。

図３はキャリア生成部１５１の一例を示した図である。

キャリア生成部１５１はパルスモード選択器１５４とキャリア生成器１５５とを備える。

パルスモード選択器１５４は、変調率計算機１３で算出された変調率αに応じて、高調波電流が最低となるようにパルスモードの選択を行い、選択されたパルスモードを、キャリア生成器へ出力する。
但し、パルスモード選択器１５４のグラフについては３４項から５０項にて説明を行う。

キャリア生成器１５５はパルスモード選択器１５４で選択されたパルスモードと、電圧位相・角周波数計算部１４で計算された角周波数とを用いて、キャリアを生成し、比較器１５３へ出力するとともに、キャリアの波高値を算出し、変調波生成部１５２へ出力する。

図４は変調波生成部１５２の一例を示した図である。

変調波生成部１５２は、変調波割合算出テーブル１５６と変調波算出器１５７とを備える。

変調波割合算出テーブル１５６は、変調率計算部１３で計算される変調率αと、電圧位相・角周波数計算部１４で算出される電圧位相とを用いて、あらかじめ用意された変調波割合算出テーブルから、変調波をキャリアの波高値に対する割合として算出し、変調波算出器１５７へ出力する。変調波割合算出テーブルは変調率に応じて選択されるパルスモードに対して別々のテーブルが用意されている。図中には例として２種類を示している。
但し、テーブルの作成方法に関しては、３４項から５０項で説明を行う。

変調波算出器１５７は変調波割合算出テーブル１５６で算出された変調波の割合と、キャリア生成部１５１で算出されたキャリア波高値とを用いて、変調波を算出し、比較器１５３へ出力する。

以上のように、図を用いてトルク指令からＰＷＭ信号を生成する手順を説明してきた。以下に、パルスモード選択器１５４と変調波割合算出テーブル１５６で用いるパルスモードの切り替え点と変調波の割合の算出方法について説明を行う。

非同期制御から同期制御へ切り替えを行う際、同期制御では９つのパルスで制御を行う９パルスモードを用いることとする。そのため、高調波電流を低減するためには、９パルスモードと１パルスモードの間に多パルスを導入することで高調波電流の低減を行う。

９パルスと１パルスの間に導入が可能なパルス数としては、７パルス、５パルス、３パルスの３種類が考えられ、これら３種類について、０ベクトルが挿入されているか、０ベクトルが挿入されていないか、それぞれ２種類ずつが考えられ、計６種類のパルスモードが考えられる。

以下、０ベクトルが挿入されているパルスモードをそれぞれ、Ｐ７パルスモード、Ｐ５パルスモード、Ｐ３パルスモードとし、０ベクトルが挿入されていないパルスモードをそれぞれ、Ｎ７パルスモード、Ｎ５パルスモード、Ｎ３パルスモードとして説明を行う。

図５は中性点から見た、Ｐ７パルスモード時の相電圧波形の一例を示した図である。Ｐ７パルスモードでは図中のθ００７、θ０７１、θ０７２の３つの位相（パルス幅）を変化させることで、高調波電流が最低となるパルス幅の組み合わせを求める。また、Ｐ７パルスモードのθ００７が０となったときの波形はＮ５パルスモードとなる。

図５のような相電圧波形を、それぞれのパルスモードに対して作成する。各パルスモードにおいて、変数となる位相の数はＮ３パルスモードとＰ３パルスモードでは一つ、Ｎ５パルスモードとＰ５パルスモードでは二つ、Ｎ７パルスモードとＰ７パルスモードでは三つである。

高調波電流の算出には、図５をＵ相の電圧波形ｖｕとし、１２０度遅らせた波形をＶ相の電圧波形ｖｖ、２４０度遅らせた波形をＷ相の電圧波形ｖｗとして、式（１）を用いて３相合成波ｖを作成する。

（数１）

３相合成波ｖをＦＦＴ解析することで、各次の電圧の波高値を得ることができる。その波高値をそれぞれの次数で割り、その結果の２乗和平方根を計算することで、高調波電流の大きさを求める。但し、１パルスモードの高調波電流の大きさを１として、割合で算出する。同時に変調率αの導出も行う。
そして、変数となるパルス幅を変化させることで、算出された変調率に対する高調波電流の大きさを、同一の変調率内で高調波電流が最低値となるパルス幅を導き出す。

６種類のパルスモードに対して、上記の方法を用いて、変調率に応じた高調波電流が最低値となる値を示した図が図６である。

図６の黒の実線がＮ３パルスモード、黒の破線がＮ５パルスモード、黒の一点鎖線がＮ７パルスモード、灰色の破線がＰ５パルスモード、灰色の一点鎖線がＰ７パルスモードであり、灰色の点が９パルスモードを示している。また、Ｐ３パルスモードは９パルスモードより高調波電流が大きくなったため、ここでは省略をしている。また、９パルスモードは３次高調波を重畳した変調波を用いて、三角波比較した場合の高調波電流値となっている。

図６の高調波電流が最低値となるようにパルスモードを変更することで、過変調領域において高調波電流を低減することが可能となる。そのため、変調率αが０．８にて９パルスモードからＰ７パルスモードへ切り替え、その後、Ｎ７パルスモードに切り替えを行うことが望ましい。但し、変調率αが０．９８以上ではＮ７パルスモードとＮ５パルスモードでは高調波電流の大きさに差はほとんど無く、Ｎ７パルスモードはＮ５パルスモードよりスイッチング周波数が高いために、スイッチング損失が増えることとなる。そのため、変調率αが０．９８以上ではＮ７パルスモードからＮ５パルスモードへ切り替えることが望ましい。同様に、変調率αが０．９９以上ではＮ５パルスモードからＮ３パルスモードへ切り替えることが望ましい。

以上のことを踏まえると、過変調領域の高調波電流を低減するには、９パルスモード後、Ｐ７パルスモード、Ｎ７パルスモード、Ｎ５パルスモード、Ｎ３パルスモード、１パルスモードと切り替えることが理想となる。
図３のパルスモード選択器１５４には上記のように導き出されたパルスモードの切り替え点が設定されている。また、高調波電流が最低となったパルス幅の情報が図４の変調波割合算出テーブル１５６に設定されており、それぞれのパルスモードに対して、図５のように変更する位相の数だけテーブルが設定されている。Ｎ３パルスモードでは１種類、Ｎ５パルスモードでは２種類、Ｐ７パルスモードでは、３種類のテーブルが設定されている。

以上のように導き出されたパルスモードの切り替え方法を用いて、誘導モータの高調波電流の測定を行った。但し、測定時には、高調波電流低減が目的であるため、１パルスモードは用いず、Ｎ３パルスモードまでで切り替えを止め、パルスモード間の切り替えが複雑となる理由からＮ７を用いず、９パルスモード、Ｐ７パルスモード、Ｎ５パルスモード、Ｎ３パルスモードの順に切り替えを行う。

図７がパルスモードを導入した場合と９パルスモードから１パルスモードに移行するパルスモード未導入の場合との高調波電流を比較した図である。高調波電流の測定には、Ｕ相電流を測定し、その結果をＦＦＴ解析し、５次以降の高調波電流を２乗和平方根で計算し、パルスモードを導入した場合の最大変調率（０．９９９）時の高調波電流を１とし表している。

パルスモードが導入された場合、パルスモード未導入の場合と比べ、変調率０．８以上の領域において、高調波電流が大幅に低減できていることがわかる。

以上、９パルスモードと１パルスモードの間に７，５，３パルスモードを導入することについて、説明してきたが、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）などのワイドバンドギャップ持つ半導体素子を用いて、スイッチング損失を減らすことで、９パルスより多いパルス数となる１５パルスや２１パルスなどから切り替えることで、変調率０．８より低い領域で高調波電流を低減することも可能である。

以上のように、同期制御モードに移行後、過変調となる領域においてパルスモードを導入することで、高調波電流を低減することが可能となる。高調波電流が減ることで、交流モータで発生する損失を低減することが可能である。

本発明を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。

１ 交流モータ
２ 直流電源
３ リアクトル
４ コンデンサ
５ 電力変換器
６ 電流検出器

１１ 電流指令生成部
１２ 電圧指令生成部
１３ 変調率計算部
１４ 電圧位相・角周波数算出部
１５ ＰＷＭ信号生成部

１５１ キャリア生成部
１５２ 変調波生成部
１５３ 比較器
１５４ パルスモード選択器
１５５ キャリア生成器
１５６ 変調波割合算出テーブル
１５７ 変調波算出器

Claims (3)

1. スイッチング素子をパルス幅変調に基づく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、
   少なくともトルク指令を用いて電流指令を生成する電流指令生成部と、
   前記電流指令生成部で生成された電流指令から電圧指令を生成する電圧指令生成部と、
   前記電圧指令生成部で生成された電圧指令から変調率を求める変調率計算部と、
   前記電圧指令生成部で生成された電圧指令から電圧位相と角周波数を求める電圧位相・角周波数算出部と、
   前記変調率計算部で算出された変調率と前記電圧位相・角周波数算出部で生成された電圧位相と角周波数からＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部とを備え、
   前記ＰＷＭ信号生成部は、前記変調率計算部で算出された変調率と前記電圧位相・角周波数算出部で生成された角周波数とを用いて、変調率に応じて、パルス数が変わるパルスモードを変更し、パルスモードに応じたキャリア周波数を変更し、キャリアを生成するキャリア生成部と、
   前記変調率計算部で算出された変調率と前記電圧位相・角周波数算出部で生成された電圧位相とを用いて、変調率割合算出テーブルを参照することで、変調波を算出する変調波生成部と、
   前記キャリア生成部で生成されるキャリアと、前記変調波生成部で生成される変調波とを比較し、比較結果に応じて、ＰＷＭ信号を電力変換器へ出力する比較器とを備えることを特徴とする電力変換装置。
   
2. 請求項１に記載のキャリア生成部は、
   前記変調率計算部で算出される変調率に応じて、高調波電流が最低となるパルス数のパルスモードを選択するパルスモード選択器と、前記パルスモード選択器で選択されたパルスモードと、前記電圧位相・角周波数計算部から算出された角周波数とから、三角波などのキャリアと前記キャリアの波高値とを出力するキャリア生成器とを備えることを特徴とする。
   
3. 請求項１に記載の変調波生成部は、
   必要とされるパルス数に対し、パルス幅を任意に変更することで、変調率に対する高調波電流が最低となるパルス幅をあらかじめ算出し、前記パルス幅を出力するための変調波を、キャリアの波高値に対する割合に変換した変調波割合算出テーブルと、
   前記変調波割合算出テーブルから算出される変調波の割合と、前記キャリア生成部で生成されるキャリア波高値から変調波を算出する変調波算出器とを備えることを特徴とする。