JP6868927B1

JP6868927B1 - 三相インバータの３パルスｐｗｍ制御法

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Publication number: JP6868927B1
Application number: JP2020210675A
Authority: JP
Inventors: 西徳生大
Original assignee: 大西徳生
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2040-12-18
Also published as: JP2022097219A

Abstract

【課題】三相インバータの３パルスＰＷＭ制御法を提供する。【解決手段】三相インバータの出力波の基本周波数の方形波信号と基本波と同期した２倍の周波数の三角波を搬送波として、基本波成分の大きさを制御する基準入力信号との比較した信号の二つの信号を入力とする排他的論理和信号を１相分のＰＷＭスイッチング信号として発生させ、残りの２相についても同様の構成で１２０度ずつ位相差を有するＰＷＭスイッチング信号を発生させることにより各相単位で３パルスＰＷＭ制御を可能とする。【選択図】図２

Description

本発明は、三相インバータにおいて、高速スイッチングに制約を伴うスイッチ素子を用いる場合や、基本波周波数が高い場合など、基本波出力に対してスイッチング可能な回数に制約を伴う場合のＰＷＭ制御法に関する技術である。

三相インバータのスイッチング素子としてＧＴＯのような低速のスイッチング素子を用いる場合は、インバータの基本波出力が高くなるとスイッチング周波数が高くなるので、基本波周波の上昇に伴い、ＰＷＭスイッチングのパルス数を切り換える手法が電気鉄道のインバータ制御などで用いられてきた。

この場合において出力できる三相の出力波形は３パルスＰＷＭであり、限られたスイッチング回数で正負波形および三相間の対称性を維持しながら制御しなければならないため、３パルスの特殊なケースで生じる課題を克服するＰＷＭ制御手法が検討されてきた。

最近では、電気自動車の普及とともに電動機の駆動電源として三相インバータが用いられていて低速ではトルク脈動の低減や応答特性の観点から多パルスＰＷＭ制御が用いられるが、高速回転領域においてはインバータの出力波形の低次調波成分によるトルク脈動の影響は少なくなるので、スイッチング損失を限りなく低減させるために１パルス方形波出力が用いられている。

しかしながら、１パルス方形波の出力電圧の制御ができないので、位相を付加制御することにより、高速領域までの速度制御を実現しているため制御システムが複雑化している。

一方で、近年のスイッチング素子の著しい発達により、従来とは比較できないほど低損失でＰＷＭスイッチング制御が行えるようになっており、１パルス方形波の低次高調波成分による電流波形ひずみとの兼ね合いも考えると、高速回転領域においても基本波出力制御には３パルスＰＷＭ制御を活用し、最大出力時に１パルス方形波と連続的に制御するのが更なる特性改善につながるものと思われる。

また、容量の大きな分野においては、基本波成分の制御には１パルス方形波では高速回転領域でない限り制御特性に問題を生じるので、数パルスであってもスイッチング回数はできるだけ抑制した効果的なＰＷＭ制御手法の開発が望まれている。

さらに、三相インバータの基本波周波数が比較的高く、出力波形に多少の高調波成分が含まれていてもフィルタによって低次の調波成分は比較的容易に低減できる応用分野においては、大きさのみが制御できるスイッチング回数を低減したＰＷＭ制御手法の開発が望まれる。

以上により、三相インバータの３パルスＰＷＭ制御手法は古くからの課題であるが、スイッチング素子の発達とパワーエレクトロニクスの応用分野の拡大ない伴い、低次調波成分の発生を抑制しながら基本波出力の大きさを制御できるより良いＰＷＭ制御手法の開発が期待される。

矢野、内田著、「パワーエレクトロニクス」、丸善株式会社、pp.144-pp.146、2000. 特開平４−６７７８０号特開昭５８−１８２４８０号特開平５−２８４７５１号

（非特許文献１）では、ＰＷＭインバータの制御技術のうち、出力基本波に対してスイッチング周波数をあまり高くできない場合は、搬送波の周波数は基本波周波数の整数倍に選ぶ同期ＰＷＭ制御が用いられるとされている。

（特許文献１）では、出力周波数が低周波から高周波まで制御されるのに対し、ＰＷＭ制御波形のパルス数を３から整数倍で段階的に増やしていくときの出力電圧のステップ的な変化を無くす制御手法が提案されている。

（特許文献２）および（特許文献３）では、３パルス波形を発生させるとき、搬送三角波と基準入力との比較による信号をパルス分配してＰＷＭスイッチング信号を得る一般的な手法が用いられ、三相インバータを働かせるときに制御上の問題や素子のスイッチング特性のばらつきなどによってＰＷＭ波形の対称性が崩れることを抑制する制御手法が提案されている。

これらの特許文献は、いずれも従来からの３パルスＰＷＭ制御手法による一括制御をベースにしているため、各相制御に対しての課題がある。

三相インバータの出力波形の任意のタイミングで出力パルス幅を制御しようとすると、三相間での出力波形の対称性を保つことができないので、３パルスＰＷＭ制御においても三相出力のパルス幅制御には、限られたタイミングでしか制御することができない点が基本的な課題がある。

三相インバータの３パルスＰＷＭ制御法として、一般には出力波の基本波と同期した６倍の周波数の三角波が各相共通の搬送波として用いられ、基本波成分の大きさを制御する基準入力信号との比較した出力をパルス分配器にかけて三相一括して３パルスのＰＷＭ制御信号を発生させている。

このため、三相インバータを働かせるうえで、三相ＰＷＭスイッチング制御動作にばらつきがあると、出力波形の対称性法が崩れ、波形ひずみや直流成分を発生し、変圧器が接続されている場合などでは直流偏磁の問題などを招くので、(特許文献３)にみられるような何らかの対策を付加する必要があり、ＰＷＭ制御が複雑化する課題がある。

また、三相インバータに接続される負荷が不平衡の場合、多パルスＰＷＭ制御法では三相電流の瞬時値制御を行うことができるが、３パルスＰＷＭ制御では適用することはできない。

これまでの３パルスＰＷＭ制御では、三相一括ＰＷＭ制御によっており、(特許文献３)のなどの波形補償制御で大幅な出力制御には対応できない。

このため、各相単位で出力波形の大幅な出力制御ができる３パルスＰＷＭ制御をどのように実現するかが課題となる。

本発明では、出力周波数の方形波信号と基本波と同期した２倍の周波数の三角波を搬送波として、基本波成分の大きさを制御する基準入力信号との比較した信号の二つの信号を入力とする排他的論理和信号を１相分のＰＷＭスイッチング信号として発生させ、残りの２相についても同様の構成で１２０度ずつ位相差を有するＰＷＭスイッチング信号を発生させる手段をとることにより各相単位で３パルスＰＷＭ制御を可能とする。

図１は、本発明で対象とする三相電圧形インバータの主回路構成であり、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ３に対し、３パルスＰＷＭ制御する手法を各相単位で制御するものである。

本発明の３パルスＰＷＭ制御する手法では、各相単位で制御するために、３組の搬送波用三角波に対し、各相単位で出力の大きさを制御する各相の３組の基準入力と比較し、スイッチングタイミングを決定する。

本発明の３パルスＰＷＭ制御する手法では、三角波比較基準入力ｘの大きさが、a) 三角波振幅の２/３以上のときと、b)三角波振幅の２/３以下のときの２ケースに分かれる。

以下では、本発明による３パルスＰＷＭ制御の説明において前者をa) Ａ−Ｔｙｐｅ、後者を b) Ｂ−Ｔｙｐｅと呼び区別することとする。

図２は、a) Ａ−Ｔｙｐｅにおける３パルスＰＷＭ制御原理を示しており、三相（a,b,c相）制御に対する各三角波をfa,fb,fcとおくと、三角波faに対してfbは、遅れ位相差１２０度のある三角波で基本周波数の２倍であることから、a、ｂ、ｃ各相の基本波に対してはfbは進み位相差１２０度のある三角波、fcは遅れ位相差１２０度のある三角波となる。

そして、これら三角波と比較する基準入力ｘをｘ＝ｘａ＝ｘｂ＝ｘｃと三相共に同じとし，a) Ａ−Ｔｙｐｅ(ｘ＞ｘｏ)のときのタイミングチャートを示している。

さて、インバータの出力周波数に対して２倍の周波数の三角波信号faと基準入力信号ｘとの比較により、パルス信号qaが得られるが、これと出力周波数と同期する方形波信号gaとの排他的論理和をとることにより、a 相のＰＷＭスイッチング信号paが得られる。

次に、ｂ相のＰＷＭスイッチング信号pbは同様にして、a 相のＰＷＭスイッチング信号paに対して１２０度の位相差信号として発生させることができる。

また、c相のＰＷＭスイッチング信号ｐcも同様にして、ｂ相のＰＷＭスイッチング信号pbに対して１２０度の位相差信号として発生させることができる。

そして、このときの出力電圧波形はこれらスイッチング信号に差に比例した波形となり、a相、ｂ相信号を三相電圧形インバータのスイッチング信号とすると、同図に示すように正負対称の３パルスＰＷＭ制御波形となる。

この３パルスＰＷＭ波形の大きさは、１２０度通電期間Ｔ_Dにおける二つの零電圧期間Toによって制御することができる。

３パルスＰＷＭ波形の零電圧期間Toは、基準入力ｘが大きくなると広がり、１になると120度幅の方形波となり、ｘが小さくなると狭ばり、x=xo (2/3)になると中央と両サイドのパルス幅はなくなり零電圧となる。

次に、図３は、b) Ｂ−Ｔｙｐｅにおける３パルスＰＷＭ制御原理を示しており、a) Ａ−Ｔｙｐｅの場合と同様であるが、三角波fa,fb,fcと比較する共通の基準入力ｘがb) Ｂ−Ｔｙｐｅ(ｘ<ｘｏ)のときのタイミングチャートを示している。

この場合に得られる３パルスＰＷＭ制御の線間電圧波形euvは、図示するように三相方形波インバータ波形の１２０度区間T_Dの両サイドにパルスが発生し、基準入力ｘの大きさによって３パルスＰＷＭ波形の大きさが制御できる。

b) Ｂ−Ｔｙｐｅの場合は、基準入力x が小さくなると３パルスＰＷＭ波形の両サイドパルスの零電圧期間Txは小さくなり、中央パルス幅Tyが広くなり、０になると１２０度幅の方形波となり、xが大きくなると３パルス幅は狭くなり、ｘがｘｏ (＝２/３)になるとＰＷＭ制御のパルス幅はなくなり出力は零電圧となる。

ここで、a) Ａ−Ｔｙｐｅとb) Ｂ−Ｔｙｐｅで制御された線間電圧波形を見ると、３パルスＰＷＭ制御の波形は基準入力によって制御でき、基準入力xを１の場合から小さくすると、Ｘ＝２／３のときに出力パルスは出なくなるが、それより小さくなるとパルス幅は広がり、再び１２０度幅の方形波となることが分かる。

そして、a) Ａ−Ｔｙｐｅ制御における線間出力電圧euvの波形に対してb) B−Ｔｙｐｅ制御における線間出力電圧euvの波形は符号が反転する。

図４は本発明による３パルスＰＷＭ制御における基準入力変化に対する線間出力電圧の基本波成分の最大値に対する変化割合を示した制御特性である。

また、図５は基準入力変化に対する特定の時点での基本波成分の大きさの変化割合を符号変化も含めた制御特性であり、+100%から-100%まで連続的に３パルスＰＷＭ制御できることを示している。

図６に示す３パルスＰＷＭ制御波形の(1)と(2)のスイッチング区間における三相ＰＷＭ波形時の電圧形インバータにおけるスイッチング状態図を図７に示す。

区間(1)における三相電圧形インバータのスイッチング状態は、Ｓ１：オン、Ｓ２：オフ、Ｓ３：オンであり、Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６はこれらと逆となり、区間(2)では、Ｓ１：オフ、Ｓ２：オフ、Ｓ３：オンで、Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６はこれらと逆となる。

図８は、３パルスＰＷＭ制御波形を出力するときの三相電圧形インバータの線間出力電圧波形に対する６個のスイッチング素子のスイッチング信号を示している。

本発明の３パルスＰＷＭ制御では、各相に対する三角波と基準入力の比較制御によっているため、基準入力によって各相独立のＰＷＭ制御が可能であり、基準入力が同じときに上述した３パルスＰＷＭ制御波形となるが、基準入力を変えることにより相毎にＰＷＭ制御ができる。

これまでは、三相電圧形インバータに適用して説明したが、三相インバータには電圧形インバータと電流形インバータがあり、本発明の３パルスＰＷＭ制御は電流形インバータにも容易に適用することができる。

図９は、三相電流形インバータの主回路構成例を示しており、本発明の３パルスＰＷＭ制御手法は電流形を構成する６個のスイッチング素子に対して電圧形と同様に適用することができる。

図１０は、本発明により発生した３パルスＰＷＭ制御波形であり、区間(1)および区間(2)における三相電流形インバータの通流経路を示したのが、図１１である。

電流形インバータでは、如何なるＰＷＭ制御区間においても一定の直流電流の経路を確保する必要があるが、ＰＷＭ制御の全ての区間においても電流経路が確保できることが確認できる。

図１２は、本発明の３パルスＰＷＭ制御波形に対する電流形インバータの６個の各スイッチング素子に与えるスイッチング信号を示している。

本発明の３パルスＰＷＭ制御では、従来の制御手法と異なり、３組の搬送三角波と基準入力で各相独立に制御できる特徴があり、任意の三相負荷制御が可能である。

本発明の３パルスＰＷＭ制御は、ＰＷＭ制御基準入力の制御範囲によってa) Ａ−Ｔｙｐｅとb) Ｂ−Ｔｙｐｅの二種の３パルスＰＷＭ制御パターンを発生することができる。

本発明の３パルスＰＷＭ制御は、ＰＷＭ制御波形の大きさは搬送三角波に対する比較基準入力によって連続的に制御することができる。

本発明の３パルスＰＷＭ制御は、三相電圧形インバータだけでなく三相電流形インバータにも適用することができるだけでなく、３パルスＰＷＭ制御は三相整流電源にも適用することができるなど、幅広い応用が期待できる。

三相電圧形インバータ回路Ａ−Ｔｙｐｅ３パルスＰＷＭ制御法Ｂ−Ｔｙｐｅ３パルスＰＷＭ制御法基準入力変化に対する３パルスＰＷＭ制御の出力制御特性基準入力変化に対する３パルスＰＷＭ制御の正負出力制御特性三相電圧形インバータの３パルスＰＷＭパターン３パルスＰＷＭパターンの動作区間に対する電圧形インバータのスイッチ回路状態３パルスＰＷＭパターンに対する三相電圧形インバータのスイッチング信号三相電流形インバータ回路三相電流形インバータの３パルスＰＷＭパターン３パルスＰＷＭパターンの動作区間に対する電流形インバータのスイッチ回路状態３パルスＰＷＭパターンに対する三相電流形インバータのスイッチング信号３パルスＰＷＭ制御三相電圧形インバータの負荷電流制御システム３パルスＰＷＭ制御三相電流形インバータの負荷電圧制御システム３パルスＰＷＭ制御三相電圧形インバータの共振負荷電流制御システムＡ−Ｔｙｐｅ領域（ｘ＝０．９）領域における３パルスＰＷＭスイッチング動作波形境界領域（Ｘ＝２／３）における領域における３パルスＰＷＭスイッチング動作波形Ｂ−Ｔｙｐｅ領域（ｘ＝０．３）における３パルスＰＷＭスイッチング動作波形最大出力時（Ｘ＝１．０）の３パルスＰＷＭ制御三相電圧形インバータの動作波形Ａ−Ｔｙｐｅ領域（ｘ＝０．９）領域における３パルスＰＷＭ制御動作波形Ｂ−Ｔｙｐｅ領域（ｘ＝０．１）領域における３パルスＰＷＭ制御動作波形Ｂ−Ｔｙｐｅ領域（ｘ＝０．１）領域における動作波形の周波数スペクトル同じ電流基準（Ｉｒ＝１００Ａ）における電流制御システムの動作波形電流基準を１相のみ低減時の電流制御システムの動作波形負荷インピーダンスを１相のみ変化時の電流制御システムの動作波形

図１３は、三相電流を検出して三相電流の基準値と大きさが一致するようにPI電流調節器を通して各相の三角波比較基準入力ｘを発生させることにより、３パルスＰＷＭ波形を制御することで三相電流の大きさを制御するシステム構成を示している。

本発明の３パルスＰＷＭ制御は、以上のように基準入力を変えてパルス幅制御することにより、出力波形の大きさを制御することができる。

電流形インバータでは、通常負荷インダクタンスを含むため、出力端にキャパシタが接続され、キャパシタフィルタの両端に表れる出力端子間電圧の大きさを３パルスＰＷＭ制御により制御することとなる。

図１４は、３パルスＰＷＭ制御による三相電圧制御システムを示しており、三相負荷端子電圧を検出して三相電圧の基準値と大きさが一致するようにPI電圧調節器を通して各相の三角波比較基準入力ｘを発生させ３パルスＰＷＭ波形を制御することで三相負荷電圧の大きさを制御する構成となっている。

本発明による３パルスＰＷＭ制御は、三相整流回路部にも三相電流形インバータの電流パルス幅制御が容易に適用することができる。

以上のように、本発明による３パルスＰＷＭ制御法は電圧形、電流形を問わず、三相インバータ構成の電力変換器におけるＰＷＭ波形の大きさを連続的制御できる手法として様々な分野への適用が期待できる。

以下に、本発明による３パルスＰＷＭ制御法を三相電圧形インバータに適用した図１５に示す共振負荷電流制御システムに対して、ＰＷＭスイッチング動作波形と電圧形インバータの出力制御動作波形を実施例として示す。

以下のシミュレーション解析における動作条件としては、電圧形インバータの直流電圧Ｅｄ＝３００Ｖ，インバータの基本波周波数は１ｋＨｚ，３組の搬送三角波の周波数は基本波周波数の２倍の２ｋＨｚとし、共振負荷回路定数はＲ＝１オーム、Ｌ＝２００ｕＨ，Ｃ＝１２６ｕＦとした。

なお、本発明の３パルスＰＷＭ制御は、低次調波成分の発生を抑えた出力波形制御法で基本波出力の大きさを制御するものであり、共振回路のフィルタ効果で容易に三相正弦波電流の大きさが制御できることを確認するため、実施例として図示するＬＣＲ共振回路を用いた。

本発明の３パルスＰＷＭ制御によるＰＷＭスイッチング動作を確認するために、基準入力ｘが大きいＡ−Ｔｙｐｅ領域（ｘ＝０．９）と境界領域（Ｘ＝２／３）および小さいＢ−Ｔｙｐｅ領域（ｘ＝０．３）におけるスイッチング動作波形を図１６〜１８に示す。

Ａ−Ｔｙｐｅ領域（ｘ＝０．９）動作を示す図１６は原理波形図２、Ｂ−Ｔｙｐｅ領域（ｘ＝０．３）動作を示す図１８は原理波形図３に対応するものであり、ＰＷＭ制御システムが原理道理のスイッチング信号が発生できていることが分かる。

図１７は、境界領域（Ｘ＝２／３）におけるスイッチング動作波形を示しており、出力電圧euvのパルス幅はほぼなくなり、出力電圧は零まで制御できることが分かる。

なお、図１６〜１８における電圧euNは三相負荷の中性点に対する相電圧波形、euRは抵抗負荷両端の電圧波形を示しており、共振動作状態にあるため３パルスＰＷＭ制御に寄っているが正弦波電流波形となっていることが分かる。

本発明の３パルスＰＷＭ制御によるＰＷＭスイッチング制御による出力電圧電流波形を方形波出力動作に対し、Ａ−Ｔｙｐｅ領域（ｘ＝０．９）動作およびＢ−Ｔｙｐｅ領域（ｘ＝０．３）における動作波形を図１９〜２０に示す。

図１９は、Ａ−Ｔｙｐｅ制御領域の最大出力時の動作波形として基準入力を１と設定したときのシミュレーション結果であり、基準入力を０としたときも同様の波形となる。

図２０は、Ａ−Ｔｙｐｅ領域（ｘ＝０．９）におけるＰＷＭ制御による線間電圧波形と相電圧波形および負荷電流波形を示している。

図２１は、Ａ−Ｔｙｐｅ領域（ｘ＝０．９）におけるＰＷＭ制御による線間電圧波形と相電圧波形および負荷電流波形を示している。

図２２は、このＰＷＭ制御動作時の各動作波形に対する周波数スペクトルを示しており、３パルスＰＷＭ制御で十分に低次調波成分が除去できていることが分かる。

以上のシミュレーション結果は基本動作確認のため基準入力を独立に設定した結果を示しており、電流基準値を与え電流制御ループを働かせることにより負荷電流振幅が基準値と一致制御できる。

図２３は、図１３に示した三相電圧形インバータによる出力電流制御システムにおいて、三相電流の基準値Iurを１００Ａに設定したときの動作波形であり、電流制御基準に応じて各出力電流波形の波形および大きさが同じに制御できていることが確認できる。

図２４は、三相電流の基準値Iurを５０Ａ，他の相の電流基準値Ivr,Iwrを１００Ａに設定したときの動作波形であり、電流制御基準に応じて各出力電流波形の大きさが制御できていることが確認できる。

図２５は、三相電流の大きさの基準値をいずれも１００Ａと一定として、三相負荷の１相のみ
負荷インピーダンスを２０％大きくしたときの動作波形を示しており、不平衡負荷が接続されても制御可能範囲であれば基準値に一致した大きさの三相平衡電流に制御できることが確認できる。

１００ … インバータ直流電源
２００ … 三相インバータ
３００ … 三相負荷回路
３１０ … 三相負荷回路のフィルタ回路部
３２０ … 三相実負荷回路
４００ … ＰＷＭ制御システム部
４１０ … 負荷電流検出部
４２０ … 基準値と検出値との比較制御調節器部
４３０ …ＰＷＭ制御信号発生部

Claims

三相電圧形インバータの出力波形の基本波周波数の方形波信号と前記基本波周波数の2倍の周波数の三角波の搬送波信号と前記出力波形の基本波の大きさを制御するための基準入力信号とを比較することにより得られる信号の二つの信号を入力といて排他的論理和をとることにより１相分のＰＷＭスイッチング信号を発生させ、残りの２相についても同様の構成で前記基本波に対して１２０度ずつ位相差を有するPWMスイッチング信号を発生させ、各相の電圧の大きさが前記基準入力信号の大きさにより制御できることを特徴とする三相インバータの３パルスPWM制御法。
請求項１記載の３パルスPWM制御法において、前記基準入力信号を前記三角波振幅の2/3から１倍までの大きさの間で比較し、ＰＷＭ制御することにより、前期基本波出力の大きさを０から１００％まで制御できることを特徴とする三相インバータの３パルスPWM制御法。
請求項１記載の３パルスPWM制御法において、前記基準入力信号を前記三角波振幅の０から2/3 倍までの大きさの間で比較し、ＰＷＭ制御することにより、前期基本波出力の大きさを１００％から０％まで制御できることを特徴とする三相インバータの３パルスPWM制御法。
請求項１から３記載の３パルスPWM制御法において、負荷電流の大きさが基準電流と一致するように電流制御部を通して各相単位で前記基準入力信号を得て前記PWMスイッチング信号を得ることにより前記三相電圧形インバータの各相の負荷電流の大きさを制御することを特徴とする三相インバータの３パルスPWM制御法
請求項１から４記載の３パルスPWM制御法で発生する前記三相電圧形インバータのPWM制御三相線間出力電圧波形を三相電流形インバータの三相電流波形としてPWMスイッチング信号を発生させることを特徴とする三相インバータの３パルスPWM制御法。
請求項５記載の３パルスPWM制御法において、出力端子にキャパシタを接続し、その端子電圧の大きさが基準電圧と一致するように電圧制御部を通して各相単位で前期基準入力信号を得てPWMスイッチング信号を得ることにより前記三相電流形インバータの負荷端子電圧の大きさを制御することを特徴とする三相インバータの３パルスPWM制御法。