(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス幅変調により直流電圧を制御して交流電圧に変換して該交流電圧を電動機に出力して該電動機を加減速制御するＰＷＭインバータ装置において、
低出力電圧領域で出力電圧基本波の位相とは無関係に出力電圧基本波の半周期内に両極性複数のパルスを出力する非同期バイポーラ変調モードと、
前記低出力電圧領域より大きい領域で出力電圧基本波の位相とは無関係に出力電圧基本波の半周期内に両極性複数のパルスを出力するモードであって、出力電圧基本波のピーク近傍で基本波と同じ極性で基本波ゼロクロス近傍の電圧パルスに比べ幅の広い電圧パルスパターンを出力する非同期過変調モードと、
前記低出力電圧領域より大きい領域で出力電圧基本波の位相と関係し、出力電圧基本波の半周期内に両極性複数のパルスを出力するモードであって、該出力電圧基本波の所定の位相で出力電圧のパルスパターンを変化させる同期ＰＷＭモードと、
前記非同期バイポーラ変調モードの領域内で予め定めた出力電圧基本波の周波数を境界値として、該境界値より小さいところで再力行が開始され、電動機を加速する場合には、前記非同期バイポーラ変調モードと前記同期ＰＷＭモードを選択し、前記境界値より大きいところで再力行が開始され、電動機を加速する場合には、前記非同期バイポーラ変調モードと前記非同期過変調モードを選択するパルスパターン選択手段を備えたことを特徴とするＰＷＭインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス幅変調(ＰＷＭ)により直流電圧を交流電圧に変換するＰＷＭインバータ装置に係り、特に、高速での再力行時などの過渡時にも出力電流の乱れを無くする手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平7-227085号公報には、非同期バイポーラ変調モードと非同期過変調モードとの組合せにより出力電圧を制御するＰＷＭインバータ装置が記載されている。
【０００３】
特開平9-261966号公報には、非同期ＰＷＭモードと同期ＰＷＭモードとの組合せにより出力電圧を制御するＰＷＭインバータ装置が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
車両の駆動に用いられるＰＷＭインバータ装置においては、加速中または減速中にモータが発生するトルクを一定とするため、図２に示すように、出力電圧の基本波周波数Ｆinvと出力電圧指令Ｖcとの比を一定に保つ制御が、一般的である。制御する出力電圧の範囲は、０から電圧利用率最大となる電圧までの全範囲であり、この制御を実現するために、複数のＰＷＭモードを組合せて制御する。このような制御方法の例として上記従来技術がある。
【０００５】
低出力電圧領域では、出力電圧０まで連続に制御可能とするために、電圧パルスの出力タイミングが出力電圧基本波の位相に依存しない非同期ＰＷＭモードを用い、また電圧利用率最大となる運転領域では、出力電圧パルス波形を基本波と同じ極性の１８０°通電にする１パルスモードにより制御している。
【０００６】
特開平7-227085号では、１パルスモードを除き、全て非同期ＰＷＭモードによる制御を実行している。この方式では、電圧パルスの出力周期が出力電圧基本波の周期に比べて充分短い場合、すなわち、出力電圧基本波の一周期あたりに含まれる電圧パルスの数が充分多い場合には、インバータの出力電流の乱れが少ない安定した制御を実行できる。
【０００７】
しかし、出力電圧指令が大きく出力電圧基本波の周波数が高い高出力電圧領域では、出力電圧基本波の一周期あたりに含まれる電圧パルスの数が少なくなり、このとき電圧パルスの出力タイミングと出力電圧基本波の位相とが非同期なので、インバータの出力電圧に低周波の脈動が定常的に発生し、安定した制御ができなくなる。
【０００８】
特開平9-261966号では、高出力電圧領域において同期ＰＷＭ制御を導入しているため、インバータの出力電流に定常的には脈動が入らず安定するが、低出力電圧領域を制御する非同期ＰＷＭモードと高出力電圧領域を制御する同期ＰＷＭモードの間を遷移させなければならない。遷移期間においては、非同期ＰＷＭモードの電圧パルス波形と同期ＰＷＭモードの電圧パルス波形とが混在するため、遷移の瞬間にインバータの出力電流波形が多少乱れる。この乱れは、通常の加速中または減速中には問題ないレベルであるが、高速で再力行する場合など短時間に遷移期間を通過する場合に、電流が大きく跳ね、ときには過電流に至ることがある。
【０００９】
本発明の目的は、全運転領域で出力電流に定常的な脈動を発生させず、高速での再力行時などの過渡時にも出力電流を乱さない手段を備えたＰＷＭインバータ装置およびその制御方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、パルス幅変調により直流電圧を制御して交流電圧に変換して該交流電圧を電動機に出力して該電動機を加減速制御するＰＷＭインバータ装置において、
【００１１】
低出力電圧領域で出力電圧基本波の位相とは無関係に出力電圧基本波の半周期内に両極性複数のパルスを出力する非同期バイポーラ変調モードと、前記低出力電圧領域より大きい領域で出力電圧基本波の位相とは無関係に出力電圧基本波の半周期内に両極性複数のパルスを出力するモードであって、出力電圧基本波のピーク近傍で基本波と同じ極性で基本波ゼロクロス近傍の電圧パルスに比べ幅の広い電圧パルスパターンを出力する非同期過変調モードと、
【００１２】
前記低出力電圧領域より大きい領域で出力電圧基本波の位相と関係し、出力電圧基本波の半周期内に両極性複数のパルスを出力するモードであって、該出力電圧基本波の所定の位相で出力電圧のパルスパターンを変化させる同期ＰＷＭモードと、
【００１３】
前記非同期バイポーラ変調モードの領域内で予め定めた出力電圧基本波の周波数を境界値として、該境界値より小さいところで再力行が開始され、電動機を加速する場合には、前記非同期バイポーラ変調モードと前記同期ＰＷＭモードを選択し、前記境界値より大きいところで再力行が開始され、電動機を加速する場合には、前記非同期バイポーラ変調モードと前記非同期過変調モードを選択するパルスパターン選択手段を備えたＰＷＭインバータ装置を提案する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、図１ないし図８を参照して、本発明によるＰＷＭインバータ装置の実施形態を説明する。
【００１５】
【実施形態１】
図１は本発明によるＰＷＭインバータ装置の実施形態１の系統構成を示すブロック図である。非同期ＰＷＭモードのパルスパターン発生手段１と同期ＰＷＭモードのパルスパターン発生手段２とは、出力電圧の基本波周波数Ｆinvと出力電圧指令Ｖcに応じて、パルスパターンＳ1とパルスパターンＳ2とを発生する。パルスパターン選択手段３は、出力電圧の基本波周波数Ｆinvに応じて、パルスパターンＳ1とパルスパターンＳ2のうち一方を選択して、スイッチングパターンＳとする。インバータ４は、スイッチングパターンＳに従った電圧パルスで誘導電動機５を駆動する。
【００１６】
インバータ装置の応用のひとつとして誘導電動機と組合せて車両の駆動に用いる場合、加速中または減速中に誘導電動機が発生するトルクを一定に保つため、一般的に図２に示すように、出力電圧の基本波周波数Ｆinvと出力電圧指令Ｖcとの比がほぼ一定になるように制御する。制御する出力電圧の範囲は、０から電圧利用率最大となる電圧までの全範囲であり、これを実現するために、複数のＰＷＭモードを組合せる。低出力電圧領域では出力電圧０まで連続制御可能とするために、電圧パルスの出力タイミングが出力電圧基本波の位相に依存しない非同期ＰＷＭモードの一種で、両極性パルスにより電圧を制御する非同期バイポーラ変調モードを用い、また電圧利用率最大となる運転領域では出力電圧パルス波形を基本波と同じ極性の１８０°通電にする１パルスモードを用いる制御が従来からなされている。非同期バイポーラ変調モードと１パルスモードとの間には、非同期過変調モードを用いる方法や５パルスモード,３パルスモードなどの同期ＰＷＭモードを用いる方法が公知である。
【００１７】
従来技術の項に挙げた特開平7-227085号では、非同期バイポーラ変調モードと１パルスモードの間に非同期過変調モードを介在させる方法が述べられている。非同期過変調モードとは、図３に三角波比較ＰＷＭにより過変調モードのパルスパターンを発生する場合の一相分について示すように、出力電圧基本波のピーク近傍を、基本波と同じ極性で基本波ゼロクロス近傍の電圧パルスに比べ幅の広い電圧パルスパターンとしたＰＷＭモードであり、非同期ＰＷＭモードの一種である。非同期バイポーラ変調のパルスパターンから基本波のピークに当たる部分のパルスを間引いた形のパルスパターンであるため、非同期バイポーラ変調モードから非同期過変調モードには連続的に遷移できる。
【００１８】
この方式では、電圧パルスの出力周期が出力電圧基本波の周期に比べて充分短い場合、すなわち、出力電圧基本波の一周期あたりに含まれる電圧パルスの数が充分多い場合には、インバータの出力電流の乱れが少ない安定した制御を実行できる。  しかし、出力電圧指令が大きく出力電圧基本波の周波数が高い高出力電圧領域のように、出力電圧基本波の一周期あたりに含まれる電圧パルスの数が少なくなる運転条件下では、電圧パルスの出力タイミングと出力電圧基本波の位相とが非同期であるため、インバータの出力電圧に低周波の脈動が定常的に発生し、安定した制御ができなくなる。
【００１９】
一方、特開平9-261966号では、高出力電圧領域を制御するために、同期ＰＷＭモードを用いている。同期ＰＷＭモードは、パルスパターンと出力電圧基本波の位相とが同期したパルスパターン発生方法である。同期ＰＷＭモードのパルスパターンの一例を図４に示す。同期ＰＷＭモードでは、定常的に脈動のない安定した電流が得られるが、低出力電圧領域を制御する非同期バイポーラ変調モードとは、パルスパターンが大きく異なるため、非同期バイポーラ変調と同期ＰＷＭモードとの間には、必ず遷移期間が存在する。
【００２０】
遷移期間においては、図５に示すように、非同期ＰＷＭモードおよび同期ＰＷＭモードの電圧パルス波形が混在するため、遷移の瞬間にインバータの出力電流波形が多少乱れる。この乱れは、通常の加速中または減速中にはそれほど大きくないが、高速で再力行する場合など短時間に遷移期間を通過する場合には、大きく電流が跳ね、ときには過電流に至ることがある。
【００２１】
図１の実施形態１は、低出力電圧領域を制御する非同期バイポーラ変調モードに対して、非同期過変調モードと同期ＰＷＭモードの双方を備え、出力電圧指令Ｖcが所定の範囲にある場合に出力電圧の基本波周波数を参照して一方を選択する。実施形態１において、出力電圧の基本波周波数Ｆinvが境界値Ｆmより小さい場合は、定常的に安定した電流を得るために同期ＰＷＭモードのパルスパターンＳ2を選択する。一方、再力行時などＦinvがＦmより大きい場合には、過変調モードのパルスパターンＳ1を選択することにより、ＰＷＭモード切り換えを無くし、電流の跳ねのない起動を実現できる。
【００２２】
【実施形態２】
図６は、非同期バイポーラ変調モードのパルスパターン発生手段と１パルスモードのパルスパターン発生手段とを含む実施形態２の系統構成を示すブロック図である。非同期ＰＷＭモードパルスパターン発生手段６は、非同期バイポーラ変調モードと非同期過変調モードとに共通のパルスパターン発生手段であり、出力電圧指令Ｖcが低いときは非同期バイポーラ変調モードのパルスパターンを発生し、高いときは非同期過変調モードのパルスパターンを発生する。パルスパターン選択手段３では、図７に示すマッピングに従い、運転状態に応じたＰＷＭモードを選択する。図７ではＰＷＭモードの境界電圧Ｖc1,Ｖc2を一定値としているが、出力電圧の基本波周波数Ｆinvに応じて、これらを可変にしてもよい。また、同期ＰＷＭモードの低電圧領域の一部に非同期過変調モードで制御する領域を入れてもよい。
【００２３】
ここで、出力電圧の基本波周波数Ｆinvが境界値Ｆm近傍にある場合、非同期過変調モードと同期ＰＷＭモードとの間を行ったり来たりすることが起こり得る。このような状態では、両モードのパルスパターンが混在することになり、脈動のない安定した電流は得られない。
【００２４】
そこで、図６のパルスパターン選択手段３は、非同期過変調モードと同期ＰＷＭモードとの間で相互に遷移することを禁止し、Ｖc＜Ｖc1またはＶc＞Ｖc2の状態では、非同期バイポーラ変調モードまたは１パルスモードを通ってのみ非同期過変調モードと同期ＰＷＭモードとの間を遷移できるようにする。
【００２５】
図８は、図６のパルスパターン選択手段３をソフトウェアで実現する場合のアルゴリズムの一例を示すＰＡＤ(Problem Analysis Diagram)である。一定時間経過毎に図８の処理を実行し、前回選択したＰＷＭモードに応じて場合分けする。
【００２６】
前回非同期バイポーラ変調モードまたは１パルスモードを選択した場合は、出力電圧指令Ｖcを参照して、Ｖc1≦Ｖc≦Ｖc2の範囲に入ったときには、出力電圧の基本波周波数Ｆinvと境界周波数Ｆmとを比較して、非同期過変調モードと同期ＰＷＭモードのいずれを選択すべきかを決める。前回非同期過変調モードまたは同期ＰＷＭモードを選択した場合は、出力電圧指令ＶcとＶc1およびＶc2とを比較し、非同期バイポーラ変調モードまたは１パルスモードへの遷移の可否を判定する。遷移しない場合、すなわち、Ｖc1≦Ｖc≦Ｖc2であるときは、前回のＰＷＭモードをそのまま選択する。
【００２７】
本実施形態２によれば、複数のＰＷＭモードの組合せにより出力電圧０から電圧利用率最大となる出力電圧領域までを連続制御する機能を持つＰＷＭインバータ装置において、全運転領域で出力電流に定常的な脈動を発生させず、高速での再力行時などの過渡時にも出力電流が乱れないＰＷＭインバータ装置の制御を実現できる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、複数のＰＷＭモードの組合せにより出力電圧０から電圧利用率最大となる出力電圧領域までを連続制御する機能を持つＰＷＭインバータ装置において、基本波周波数が所定値よりも低いときは、低出力電圧領域の非同期バイポーラ変調モードのパルスパターンから同期ＰＷＭモードのパルスパターンに遷移する方式を選択し、通常加減速時の出力電流を安定させる一方、基本波周波数が所定値よりも大きいときは、低出力電圧領域の非同期バイポーラ変調モードのパルスパターンから非同期過変調モードに遷移する方式を選択するので、全運転領域で出力電流に定常的な脈動を発生させず、高速での再力行時などの過渡時にも出力電流が乱れないＰＷＭインバータ装置の制御を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＰＷＭインバータ装置の実施形態１の構成を示す図である。
【図２】ＰＷＭインバータ装置における出力電圧の基本波周波数と出力電圧指令との関係の一例を示す図である。
【図３】非同期過変調モードのパルスパターンの一例を示す図である。
【図４】同期ＰＷＭモードのパルスパターンの一例を示す図である。
【図５】非同期過変調モードと同期ＰＷＭモードのパルスパターンが混在する一例を示す図である。
【図６】本発明によるＰＷＭインバータ装置の実施形態２の構成を示す図である。
【図７】運転状態に応じて選択すべきＰＷＭモードを示す図である。
【図８】パルスパターン選択手段をソフトウェアにより実現する場合のアルゴリズムの一例を示すＰＡＤ(Problem Analysis Diagram)である。
【符号の説明】
１  非同期過変調モードパルスパターン発生手段
２  同期ＰＷＭモードパルスパターン発生手段
３  パルスパターン選択手段
４  ＰＷＭインバータ
５  誘導電動機
６  非同期ＰＷＭモードパルスパターン発生手段
７  １パルスモードパルスパターン発生手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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