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公開番号2020137385
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200831
出願番号2019032421
出願日20190226
発明の名称電力変換装置
出願人東洋電機製造株式会社
代理人
主分類H02M 7/48 20070101AFI20200803BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【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

特許請求の範囲【請求項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。
続きを表示(約 430 文字)【請求項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。
【請求項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。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
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。
続きを表示(約 4,900 文字)【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
図8は一般的な電力変換装置の構成例を示す図である。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
特開平04−140066
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【課題を解決するための手段】
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【発明の効果】
【0016】
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。
【図面の簡単な説明】
【0017】
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。
【発明を実施するための形態】
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
図3はキャリア生成部151の一例を示した図である。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
図4は変調波生成部152の一例を示した図である。
(【0031】以降は省略されています)

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