JP2717913B2 - スイッチング周波数制御方法 - Google Patents

スイッチング周波数制御方法

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JP2717913B2
JP2717913B2 JP4359362A JP35936292A JP2717913B2 JP 2717913 B2 JP2717913 B2 JP 2717913B2 JP 4359362 A JP4359362 A JP 4359362A JP 35936292 A JP35936292 A JP 35936292A JP 2717913 B2 JP2717913 B2 JP 2717913B2
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一郎 宮下
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明はインバータのスイッチ
ング周波数をパルスモード切り替えにより制御する方法
に関するもので、特に高周波スイッチング状態から低周
波スイッチング状態に移行するときの電圧の急変および
これに伴うラッシュ電流を抑制し、かつ加速中の電動機
騒音の変動を軽減するスイッチング周波数制御方法を提
供するものである。
【0002】
【従来の技術】インバータを構成するスイッチング素子
の許容スイッチング周波数はその素子の性能と冷却装置
で決まる限界があるため、インバータの負荷が電動機の
場合には、始動および低周波域では高周波スイッチング
でPWM電圧制御を行い、中高速域ではPWMを伴わな
い定電圧制御に切り換える方式が実用化されている。こ
の定電圧制御状態においては、インバータの線間電圧の
半サイクルが無制御の1個のパルスとなるため、1パル
スモードと呼ばれる。
【0003】従来のインバータ制御方式におけるスイッ
チング周波数制御方法を図4により説明する。図4は従
来例のインバータ周波数Fiとスイッチング周波数Fs
wの関係の一例を示す。ここに、低周波でのPWMによ
るスイッチング周波数が充分に高いときは、スイッチン
グを決定するキャリア波はインバータ基本波の位相とは
無関係の非同期のものが用いられる。一般に、キャリア
と基本波とがどのような位相関係にあっても、インバー
タ半サイクルに含まれるキャリア波の数は、たかだか1
個の差異しかない。したがって、キャリアの周波数が充
分高いときは、キャリア波1個の差異はインバータの波
形歪には殆ど影響しないため、両波形の同期関係を拘束
する必要性がない。
【0004】しかるに、インバータ周波数が上昇しキャ
リア周波数に近づいてくると、インバータ半サイクルに
おけるキャリア波1個の差異は次第に影響力を強めてく
る。そこで、図示のようにインバータ周波数FiがFN
1に達すると、半サイクルにキャリア波がN1個含まれ
るように、キャリア周波数がインバータ周波数のN1倍
となるN1パルスモードに切り換える。パルスモードは
スイッチング周波数の上昇に伴って順次切り換えられ、
N1,N2,N3パルスモード等を経由して、1パルス
モードに至る。N1,N2,N3は波形の対称性から、
21,15,9,3等の数字がよく用いられる。ここに述べ
た方式は殆ど全ての電気車駆動用インバータのスイッチ
ング周波数制御に取り入れられている。
【0005】図4における破線は、インバータ出力電圧
の実効値の変化を示す。これから解かるように、PWM
領域では電圧はインバータ周波数にほぼ比例し、1パル
スモードでは一定電圧となる。なお1パルスモードは、
電圧波形は低次高調波を多量に含むが基本波の振幅は最
大となるため、電動機に最大限の電圧を印加すべく利用
される。もし1パルスモードを使用しないと、電圧が減
少する分だけ電動機およびインバータの電流が増加し装
置は大型化する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】インバータ周波数に応
じてパルスモード切り替えを行う従来のインバータは、
パルスモードを変更するときに電動機の磁気音が不連続
的に変化し、電気車にあっては乗客に不快感を与えるこ
とが指摘されている。
【0007】近年周波数特性の優れた素子が開発実用化
され、低周波におけるPWM制御モードでは従来より高
いスイッチング周波数が採用されるようになった。例え
ば、従来トランジスタにり1〜2kHZでスイッチング
されていたものが、IGBTを用いると10〜15kHZの
スイッチングが可能である。このような素子を採用した
インバータは、電流の高調波を提言できるばかりでな
く、キャリア周波数もインバータ周波数にくらべて充分
に高くできるので、従来のGTOを用いたインバータの
ように、キャリアを基本波に同期させる必要性がない。
すなわち、1パルスモードに至るまで基本波より充分高
い非同期PWMモードが使用できる。しかしながら、P
WM制御時のインバータ出力電圧の最大値は1パルスモ
ード時の基本波の(π/2√3)(約90%)しか出せな
いため、このままで1パルスモードに移行すると、約10
%インバータ出力電圧が急増しラッシュ電流が流れるこ
とになる。
【0008】
【課題を解決するための手段】図1および図2を用いた
説明する。図1は本発明を実施したときのインバータ基
本周波数に対するキャリア周波数特性を表す図である。
IGBT等の高速スイッチング素子を用いたインバータ
では、すでに述べたようにPWM領域でパルスモード切
り替えを行う必要がなく、非同期のキャリアでよい。ま
た、1パルスモードへの過渡状態では周波数に応じてパ
ルスモードを設定するのではなく、図2のようにある短
い時限τにてキャリア周波数を連続的に下げ、1パルス
モードに至らしめればよい。
【0009】図1の非同期キャリア周波数があまり高く
なく、まだ電動機から電磁音が聞こえる場合キャリア周
波数は一定である必要はなく、インバータ周波数ととも
に上昇するような特性とすることにより、キャリアによ
る電磁音が車両の加速感と一致する音響効果を持たせる
こと。あるいは、キャリア周波数を乱数表を用いて変調
することにより、電磁音周波数スペクトラムを分散させ
電磁音の聴感を変更する等々、公知技術と組み合わせて
使用し得る。
【0010】
【作用】電磁音は、非同期の高周波キャリアのときは殆
ど発生しないが、3,9のように低いパルスモードの場
合キャリア周波数は下がってしまうので発生する。しか
して本発明のよるものは、加速中パルスモード切り替え
がなく、不快な電磁音の変動を無くすることができる。
また、本発明では1パルスモードへの切り替えを短い時
限で終了させて電磁音変化も速やかに終了し、電圧ジャ
ンプは最小限に抑えられる。なお、3,9パルスモード
程度の低いパルスモードからの切り替えでも、スイッチ
ング素子で決まる最小パルス幅(IGBTでは5マイク
ロセカンド程度)に起因する電圧のジャンプ発生するが
殆ど問題にならない。例えばインバータ周波数50Hzに
おいて、3パルスモードから1パルスモードへ切り換え
る場合、線間電圧の半サイクルの周期は10ミリセカン
ド,電圧波形の切り込み数は2であるから、最小パルス
幅によるジャンプは10マイクロセカンドで、0.1 %であ
る。
【0011】
【実施例】以下、本発明を実施例図面に基づいて、さら
に詳細説明する。図3は本発明が適用された一実施例を
示すブロック図である。すなわち、PWMインバータへ
の電圧指令および周波数指令から、インバータ各素子へ
の通電信号の発生させるための機能を示している。
【0012】図3において、インバータへの周波数指令
F*とすると、周波数指令F*はブロック2の可変周波
数正弦波発生手段へ入力される。ブロック2は、指令さ
れた信号に比例する周波数をもつ一定振幅の三相正弦波
信号を発生する手段で、近年はROMメモリーに位相θ
とこれに対応するsinθのデータテーブルとを記憶さ
せておき、周波数指令F*に応じてこれを読みだす方式
がよく用いられる。ただし、情報の位相θはインバータ
の周波数指令F*を時間積分して得られる。
【0013】つぎに、インバータへの電圧指令をV*と
すると、電圧指令V*はブロック1の正弦波振幅増幅減
衰手段へ入力される。ブロック1は、指令された電圧指
令を正規化することにより、変調率α*(0≦α*≦
1)をつくる。変調率α*はブロック2に加えられ、ブ
ロック2は内部で発生した正弦波信号の振幅にα*を乗
じた三相正弦波信号V3*を発生する。三相正弦波信号
V3*はインバータが発生すべき各相電圧Vu*,Vv
*,Vw*を含む。
【0014】インバータへのキャリア周波数指令をFc
*とすると、キャリア周波数指令Fc*はブロック3の
定振幅三角波発生手段へ入力される。ブロック3は、入
力のFc*に比例した周波数をもつ一定振幅の三角波キ
ャリア信号Vc*を発生する。キャリア周波数は、すで
に述べたように一定値あるいはインバータ周波数ととも
に上昇するような特性,または乱数表を用いた変調波等
となし得る。そして、1パルスモードとするときは指令
値のFc*を前述の如くある短い時限で零に向けて減少
させる。
【0015】これと同時に、1パルスモード切替指令F
g*をブロック4のキャリア波制御手段に供給する。1
パルスモード切替指令Fg*の切替論理信号は(Fg=
1)のときPWMモードを、(Fg=0)のとき1パル
スモードをそれぞれ表すものとする。そして(Fg=
1)のときは、ブロック4出力はブロック3に三角波出
力のVc*をそのまま通過させるが、(Fg=0)に変
わると、図2のような時限後、これを阻止してブロック
3の出力を零値に制御する。
【0016】2系統の信号波形のV3*およびVc*は
ブロック5に印加される。ブロック5は比較手段で両信
号を比較し、(V3*>Vc*)のとき(Si=1)、
(V3*≦Vc*)のとき(Si=0)を出力する。た
だし、Siはブロック5出力のスイッチング信号で、三
相インバータの各相のスイッチング状態を指令する情報
であり、V3*の各相電圧に対応する3個のオン,オフ
信号からなる。特に、(Vc*=0)の場合は、電圧信
号のV*が正の半サイクルで(Si=1),負の半サイ
クルで(Si=0)となるため、PWMによるスリット
を含まない周波数のF*の三相矩形波信号(1パルスモ
ードの通電信号)が得られる。
【0017】なお、図3においては4個の指令信号V
*,F*,Fc*,Fg*等を発生する機能を持つ前段
の制御手段、およびスイッチング信号Siに基づく後段
の制御手段等は、本発明に直接的に係わるものでないた
め、種々の周知の方式のものであってもよいことは言う
までもない。また、高周波PWM制御の状態から1パル
スモードに移行するための、キャリア周波数を減少させ
る方法は前述の如く確定したパルスモードをとらず、時
間的に連続な関数を用いてもよいが、途中、9,3のよ
うな低い固定パルスモードを短い時限で段階的に経由す
るようにしてもよい。これに要する時限は、各段の微小
ジャンプによる電流の過渡現象が重なり合わない程度の
ようにすればよい。すなわち、数ミリセカンド〜数十ミ
リセカンド程度であってもよい。1パルスモードを除く
パルスモード間の移行においては、半サイクルのパルス
数は変わっても個々のパルス幅を制御することができる
ため、基本的に、(パルス幅×パルス数)がモード切り
替え前後で変わらないようにすれば、電圧ジャンプをほ
ぼ抑制することができるからである。
【0018】
【発明の効果】本発明によれば、インバータ駆動車両へ
高周波スイッチングを適用するとき問題となる1パルス
モード切り替え時のインバータ出力電圧ジャンプを軽減
させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の理解を容易にするため示したイ
ンバータ周波数とキャリア周波数特性を示す図である。
【図2】図2は図1とともに示したインバータ周波数と
キャリア周波数特性を示す図である。
【図3】図3は本発明が適用された一実施例を示すブロ
ック図である。
【図4】図4は従来例のインバータ周波数とスイッチン
グ周波数の関係を示すスイッチング周波数特性曲線図で
ある。
【符号の説明】
Fi インバータ周波数 Fsw スイッチング周波数 F* 周波数指令 V* 電圧指令 α* 変調率 V3* 三相正弦波信号 Fc* キャリア周波数指令 Vc* 三角波キャリア信号 Fg* 1パルスモード切替指令 Si スイッチング信号

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】所定のインバータ基本周波数を境界に非同
    期PWM制御から1パルス制御モードに切り替え制御を
    行うインバータ制御方法において、予め設定された時限
    でキャリア周波数を連続的に漸減したのち、1パルスモ
    ードに切り換えるようにしたことを特徴とするスイッチ
    ング周波数制御方法。
  2. 【請求項2】予め設定されたインバータ周波数または電
    圧範囲でキャリア周波数を漸減させたのち、1パルスモ
    ードに切り換えるようにした請求項1記載のスイッチン
    グ周波数制御方法。
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JP2011035977A (ja) * 2009-07-30 2011-02-17 Sinfonia Technology Co Ltd 電源装置
JP6171825B2 (ja) * 2013-10-15 2017-08-02 富士通株式会社 Dc/dcコンバータ

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS61167378A (ja) * 1985-01-18 1986-07-29 Mitsubishi Electric Corp 可変電圧・可変周波数三相インバ−タの制御方法
JPS61251477A (ja) * 1985-04-26 1986-11-08 Toshiba Corp 電力変換装置

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