(57)【要約】【課題】低騒音化とスイッチ回数制限により低騒音化と省エネを両立できるＰＷＭインバータ制御方法を提供する。【解決手段】２レベルＰＷＭインバータの制御方法において、直列接続したスイッチング素子のスイッチングを、インバータの運転周波数が低い場合には、スイッチングによる騒音の周波数成分が集中しないようにスイッチ回数とタイミングを設定して任意の電圧を出力し、その際にスイッチ回数が少なくなり過ぎないようにスイッチ回数に下限を設定し、一方、インバータの運転周波数が上昇する場合には、スイッチ回数とタイミングの設定値を運転周波数と一定比率で上昇させるが、スイッチ回数がある設定値以上には上昇しないようにスイッチ回数の上限を設定して（２）、制限するものである。【選択図】　　　図１
2004023814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子と逆並列接続した整流素子からなるスイッチを２個直列に接続したものを２組以上複数組用いた構成で、前記直列接続したスイッチング素子のスイッチングを、各組毎に自由に変化させる機能を備えた２レベルＰＷＭ制御方式のＰＷＭインバータ制御方法において、
前記直列接続したスイッチング素子のスイッチングを、インバータの運転周波数が低い場合には、スイッチングによる騒音の周波数成分が集中しないようにスイッチ回数とタイミングを設定して任意の電圧を出力し、その際にスイッチ回数が少なくなり過ぎないようにスイッチ回数に下限を設定し、一方、インバータの運転周波数が上昇する場合には、前記スイッチ回数とタイミングの設定値を運転周波数と一定比率で上昇させるが、スイッチ回数がある設定値以上には上昇しないようにスイッチ回数の上限を設定して、制限することを特徴とするＰＷＭインバータ制御方法。
【請求項２】
スイッチング素子と逆並列接続した整流素子からなるスイッチを４個若しくはそれ以上の偶数個直列接続したものを２組以上複数個用いた構成で、前記直列接続したスイッチング素子のスイッチングを、各組毎に自由に変化させる機能を備え出力レベルに３レベル以上のＰＷＭパルスを出力するマルチレベルＰＷＭ制御方式のＰＷＭインバータ制御方法において、
前記直列接続したスイッチング素子のスイッチングを、インバータの運転周波数が低い場合には、スイッチングによる騒音の周波数成分が集中しないようにスイッチング回数とタイミングを設定して任意の電圧を出力し、その際にスイッチ回数が少なくなり過ぎないようにスイッチ回数に下限を設定し、一方、インバータの運転周波数が上昇する場合には、前記スイッチ回数とタイミングの設定値を運転周波数と一定比率で上昇させるが、スイッチ回数がある設定値以上には上昇しないようにスイッチ回数に上限を設定して、制限するすることを特徴とするＰＷＭインバータ制御方法。
【請求項３】
ＰＷＭインバータ制御方法において、前記スイッチ回数の上限値を、スイッチング素子より発生するスイッチングロスの時間平均がある設定値以下となるように設定することを特徴とする請求項１又は２記載のＰＷＭインバータ制御方法。
【請求項４】
ＰＷＭインバータ制御方法において、前記スイッチ回数の上限値を、ＰＷＭインバータの発熱をある設定値以下となるように設定することを特徴とする請求項１又は２記載のＰＷＭインバータ制御方法。
【請求項５】
ＰＷＭインバータ制御方法において、設定するスイッチ回数の周波数成分が、出力側に接続されるモータの共振周波数と等しくならないように、その周波数をスキップすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のＰＷＭインバータ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ等の可変速駆動や系統連係を行うＰＷＭインバータの低騒音化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は従来のＰＷＭインバータの構成図である。図１３において、１はコントローラ、２は低騒音化ＰＷＭ作成回路、４は電流検出回路、５は直流電源、１１は平滑コンデンサ、１０１〜１０６はスイッチング素子、２０１〜２０６はフリーホイールダイオードである。
以上の構成で、コントローラ１に指令と電流検出回路４から出力電流の検出値を入力する。コントローラ１はそれらの入力に応じて低騒音化ＰＷＭ作成回路２により、低騒音に特化したＰＷＭスイッチングパターンを作成し、スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦする指令を出力する。
ここで、低騒音に特化したＰＷＭスイッチングパターンについて説明すると、図１３に示す回路の出力する３相２レベルのＰＷＭパルスを空間ベクトル図で表すと図２のようになり、一般的なＰＷＭパルスパターンを示すと図３のようなパターンとなる。図２の空間ベクトル図上の記号、ａ、ｂ、Ｏｐ、Ｏｎベクトルは図３に示す各相のスイッチングパターンと対応し、Ｈは上側スイッチング素子がＯＮしている状態、Ｌは下側スイッチング素子がＯＮしている状態を示す。
ＰＷＭインバータは通常は、図３に示すようなパターンを出力しているが、更に、低騒音化ＰＷＭ作成回路２によりパルスパターンを組替えた、図４に示すような低騒音化パターンを出力する。この低騒音化パターンは、通常の図３のパターンと時間平均は等しく、パルスを分割して集中させたり分散させたりした、図４のようなパルスパターンを生成して、騒音の分散を図り、低騒音化を実現している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術では、通常のＰＷＭ方式は、どの相も均等にスイッチングを行っているので、騒音の発生する周波数が集中し、耳障りな騒音が発生している。しかし、低騒音化対策によりパルスパターンを複雑にすると、スイッチ回数が大幅に上昇してスイッチング素子のスイッチングロスが上昇し、発熱が大きくなる。これはインバータを安全に運転するという点では大きな問題であり、スイッチング素子の寿命にも影響を及ぼすという問題があった。
そこで、本発明は、各相のスイッチングを自由に設定できるＰＷＭ制御方法において、それらの騒音のピークを分散すると共に、スイッチング回数に下限値、上限値を設けてスイッチング・ロスを設定値以下に抑えることによって、低騒音対策と省エネ化を両立させることができるＰＷＭインバータ制御方法を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、スイッチング素子と逆並列接続した整流素子からなるスイッチを２個直列に接続したものを２組以上複数組用いた構成で、前記直列接続したスイッチング素子のスイッチングを、各組毎に自由に変化させる機能を備えた２レベルＰＷＭ制御方式のＰＷＭインバータ制御方法において、前記直列接続したスイッチング素子のスイッチングを、インバータの運転周波数が低い場合には、スイッチングによる騒音の周波数成分が集中しないようにスイッチ回数とタイミングを設定して任意の電圧を出力し、その際にスイッチ回数が少なくなり過ぎないようにスイッチ回数に下限を設定し、一方、インバータの運転周波数が上昇する場合には、前記スイッチ回数とタイミングの設定値を運転周波数と一定比率で上昇させるが、スイッチ回数がある設定値以上には上昇しないようにスイッチ回数の上限を設定して、制限することを特徴としている。
このＰＷＭインバータ制御方法では、各相のスイッチングを自由に設定できる２レベルのＰＷＭインバータ制御方法において、騒音のピークを分散させ、スイッチング回数に上限、下限値を設けて制限するので、耳障りな騒音を低減させスイッチングロスも抑えることができる。
【０００５】
また、請求項２記載の発明は、スイッチング素子と逆並列接続した整流素子からなるスイッチを４個若しくはそれ以上の偶数個直列接続したものを２組以上複数個用いた構成で、前記直列接続したスイッチング素子のスイッチングを、各組毎に自由に変化させる機能を備え出力レベルに３レベル以上のＰＷＭパルスを出力するマルチレベルＰＷＭ制御方式のＰＷＭインバータ制御方法において、前記直列接続したスイッチング素子のスイッチングを、インバータの運転周波数が低い場合には、スイッチングによる騒音の周波数成分が集中しないようにスイッチング回数とタイミングを設定して任意の電圧を出力し、その際にスイッチ回数が少なくなり過ぎないようにスイッチ回数に下限を設定し、一方、インバータの運転周波数が上昇する場合には、前記スイッチ回数とタイミングの設定値を運転周波数と一定比率で上昇させるが、スイッチ回数がある設定値以上には上昇しないようにスイッチ回数に上限を設定して、制限するすることを特徴としている。　このＰＷＭインバータ制御方法では、３レベルのＰＷＭインバータ制御方法において、騒音のピークを分散させ、スイッチング回数に上限、下限値を設けて制限するので、耳障りな騒音を低減させスイッチングロスも抑えることができる。
【０００６】
また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のＰＷＭインバータ制御方法において、前記スイッチ回数の上限値を、スイッチング素子より発生するスイッチングロスの時間平均がある設定値以下となるように設定することを特徴としている。
このＰＷＭインバータ制御方法では、スイッチ回数制限の上限値を、スイッチングロスの時間平均が設定値以下になるように設定するので、スイッチングロスを制御量として、スイッチ回数の上限値を決め制御することができる。
また、請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載のＰＷＭインバータ制御方法において、前記スイッチ回数の上限値を、ＰＷＭインバータの発熱をある設定値以下となるように設定することを特徴としている。
このＰＷＭインバータ制御方法では、スイッチ回数制限の上限値をインバータの発熱が設定値以下になるように設定するので、発熱量を制御量として、スイッチ回数の上限値を決め制御することができる。
また、請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項記載のＰＷＭインバータ制御方法において、設定するスイッチ回数の周波数成分が、出力側に接続されるモータの共振周波数と等しくならないように、その周波数をスキップすることを特徴としている。
このＰＷＭインバータ制御方法では、低騒音化を図り、スイッチ回数制限によりスイッチングロスを抑えると共に、モータの共振周波数帯の周波数スキップによって、制御系の振動を抑止し、機械音の発生も低減できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は第１の実施の形態に係るＰＷＭインバータ制御方法の回路例を示す図である。
図２は図１に示すインバータの空間ベクトルを示す図である。
図３は図１に示すインバータの通常のスイッチングパターンを示す図である。
図４は図３に示すパターンの低騒音化されたスイッチングパターンを示す図である。
図５は図１に示すインバータの低騒音化及びスイッチ回数制限を行ったスイッチングパターンを示す図である。
図６は図５に示すスイッチ回数制限を表すグラフを示す図である。
図７は図６に示すグラフのスキップ周波数帯を示す図である。
図１において、１はコントローラ、２は低騒音化ＰＷＭ作成回路、３はスイッチ回数制限回路、４は電流検出回路、５は直流電源、１１は平滑コンデンサ、１０１〜１０６はスイッチング素子、２０１〜２０６はフリーホイールダイオードである。
【０００８】
つぎに動作について説明する。
図１に示すような３相２レベルのＰＷＭインバータでは、コントローラ１から指令を入力すると、その指令値に応じて図２に示すような空間ベクトルを基に、図３に示すようなＰＷＭパルスパターンを作成する。図２の空間ベクトルの記号ａ、ｂ、Ｏｐ、Ｏｎは、図３に示す各相Ｕ、Ｖ、Ｗのスイッチングパターンと対応し、Ｈは上側スイッチング素子１０１、１０３、１０５がＯＮしている状態、Ｌは下側のスイッチング素子１０２、１０４、１０６がＯＮしている状態を示している。なおスイッチング素子「１０１、１０２」がＵ相、「１０３、１０４」がＶ相、「１０５、１０６」がＷ相に相当している。
このＰＷＭパルスパターンは次に、低騒音化ＰＷＭ作成回路２により低騒音化されたＰＷＭスイッチングパターンへと変更される。つまり図３の場合は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相共に均等にスイッチングを行っているために、ノイズ出力が特定の周波数に集中するが、図４の低騒音化パターンでは、出力される電圧の平均値は図３と同一に保ちながら、パターンを分割して組み替え、特定（耳障りな音声帯域内周波数等）の周波数を出力しないように周波数調整される。Ｕ相の例で説明すると、図３のＵ相の均等なパルスは、図４のＵ相ではパルス幅の異なる倍の数のパルスに組替えられているが、トータルの電圧の平均値は同一で周波数のみが組み替えによって音声帯域外になるように高い方へシフトし調整されている。これによって耳障りな音声帯域内等の騒音が分散・低減される。
こうして低騒音化されたスイッチングパターンは、次に、スイッチ回数制限回路３に入力し、設定されたスイッチ回数が満足されているかを判断する。スイッチ回数制限回路３ではスイッチング・ロスによる発熱を抑えるために設定したスイッチ回数以上にならないように制限を加えている。この制限は、ＰＷＭインバータの設計時にスイッチング素子（ＩＧＢＴ等）の特性より設定してもよいし、実際に使用している条件下での発熱量等を元に実測的に設定してもよく、特定の固定値としては設定していない。
【０００９】
ＰＷＭインバータでは、運転周波数が上昇すると同時にスイッチ回数も上昇するが、スイッチ回数制限回路３の判断でスイッチ回数が設定値を超えると、図６に示すように、回数制限機能が働きそれ以上のスイッチは制限される。
具体的には、スイッチ回数が設定値を超えると、低騒音化ＰＷＭ作成回路２において、時間平均のスイッチ回数は一定のままになるように、キャリヤ周期単位等でＰＷＭパターンの分割数を減少させたり、分散のさせ方を変更してスイッチ回数が低減するように調整している。
例えば、図５はスイッチ回数制限を行った低騒音化パターンであり、Ｔ１の期間は図４に示すパルスパターンと同じであるが、周期がＴ１からＴ２へと変化して運転周波数が上昇した場合、スイッチ回数の制限を受けてパルスを減少させている。この場合の、各制御期間毎のスイッチ回数は、Ｔ１期間が１１回で図４と同じであるが、Ｔ２期間の方は７回と低減されている。しかし全体の時間平均ではスイッチ回数はほぼ均等化され、スイッチング・ロスの時間平均が設定値以下に保たれ、スイッチング素子の発熱が抑えられる。
また、スイッチ回数が少なすぎても出力される電流に大きなリプルが発生し問題となるため、図６に示すように、スイッチ回数制限回路３でスイッチ回数の下限値を設け（これも特性値等より設定する）、それ以下のスイッチ回数にならないように制限を設ける。
【００１０】
更に、図７に示すように、負荷として接続されるモータの共振周波数と、出力するＰＷＭパルスパターンのスイッチ回数とが一致しないように、スイッチ回数制限回路３の処理として、スイッチ回数をスキップ処理する。
このように、共振周波数を出力しないようにスイッチ回数をスキップさせることで、振動が抑止され機械音の発生を抑えて、更に、安定した低騒音化を達成できる。
【００１１】
次に、本発明の第２の実施の形態について図を参照して説明する。
図８は第２の実施の形態に係るＰＷＭインバータの制御方法の回路例を示す図である。
図９は図８に示すインバータの空間ベクトルを示す図である。
図１０は図８に示すインバータの通常のスイッチング・パターンを示す図である。
図１１は図１０に示すパターンの低騒音化されたスイッチングパターンを示す図である。
図１２は図８に示すインバータの低騒音化及びスイッチ回数制限を行ったスイッチングパターンを示す図である。
図８は３相３レベル・インバータに適用した例であり、１はコントローラ、２は低騒音化ＰＷＭ作成回路、３はスイッチ回数制限回路、４は電流検出回路、５は直流電源、１２及び１３は平滑コンデンサ、１０７〜１１８はスイッチング素子（スイッチング素子１０７〜１１０がＵ相、１１１〜１１４がＶ相、１１５〜１１８がＷ相に相当）、２０１〜２０６はフリーホイールダイオード、３０１〜３０６は中間レベル出力用クランプダイオードである。
【００１２】
つぎに動作について説明する。
図８に示す３レベルＮＰＣインバータを用いる場合も、出力できるＰＷＭパルスを空間ベクトル図で表すと図９のようになり、これを使用した一般的なパルスパターンは図１０のようになる。空間ベクトルの各記号、ａ、ｂ、ａｐ、ａｎ、ｂｐ、ｂｎ、Ｏｐ、Ｏｎ、Ｏｏは、図１０に示す各相のスイッチングパターンと対応し、Ｈ、Ｏ、Ｌは、Ｈが上側スイッチング素子がＯＮしている状態、Ｏはコンデンサ分圧された中性点電圧を出力する真中２つのスイッチング素子がＯＮしている状態、Ｌは下側スイッチング素子がＯＮしている状態を示す。
通常は、図１０に示すような均等なパターンを出力しているが、低騒音化ＰＷＭ作成回路２により、図１１のような低騒音化されたＰＷＭスイッチパターンへと変更される。この低騒音化ＰＷＭパターンは、図１０に示す通常の均等パターンと電圧の時間平均は等しく、パルスを分割して集中させたり、分散させて図１１のような低騒音化パターンを生成し、騒音の分散化を図り、低騒音化を実現している。
次に、前実施の形態と同様に、スイッチングロスによる発熱を抑えるため設定したスイッチ回数以上にならないように、スイッチ回数制限回路３により、図６に示すような回数制限を設けて、図１１に示すような低騒音化パターンから、図１２に示すようなスイッチ回数制限パターンを生成する。図１２の例ではＴ１の期間は図１１と同じ回数であるが、運転周波数が上昇してスイッチ回数制限が働くＴ２期間ではスイッチ回数を減少させ、パルスの分割数が減らされている。
従って、それ以上運転周波数が上昇しても、ＰＷＭパターンの分割数を減少させたり、分散のさせ方を変更することにより、時間平均したスイッチ回数をそのままに保ち、スイッチングロスの上昇を防ぎ、安全に低騒音化を実現できる。
なお、第２の実施の形態でも図７に示すようなスキップ処理を行うようにしてもよい。
【００１３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、各相のスイッチングを自由に設定できるＰＷＭインバータ制御方法において、それらの騒音のピークを分散するよう、各相のスイッチパターンを組替え、低騒音化を図ると共に、スイッチング回数に下限値、上限値を設けてスイッチングロスを設定値以下に抑えることによって、低騒音と省エネ化を両立させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＰＷＭインバータ制御方法の回路例を示す図である。
【図２】図１に示すインバータの空間ベクトルを示す図である。
【図３】図１に示すインバータの通常のスイッチングパターンを示す図である。
【図４】図３に示すパターンの低騒音化されたスイッチングパターンを示す図である。
【図５】図１に示すインバータの低騒音化及びスイッチ回数制限を行ったスイッチングパターンを示す図である。
【図６】図５に示すスイッチ回数制限を表すグラフを示す図である。
【図７】図６に示すグラフのスキップ周波数帯を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係るＰＷＭインバータ制御方法の回路例を示す図である。
【図９】図８に示すインバータの空間ベクトルを示す図である。
【図１０】図８に示すインバータの通常のスイッチングパターンを示す図である。
【図１１】図１０に示すパターンの低騒音化されたスイッチング・パターンを示す図である。
【図１２】図８に示すインバータの低騒音化及びスイッチ回数制限を行ったスイッチングパターンを示す図である。
【図１３】従来のＰＷＭインバータ装置の回路例を示す図である。
【符号の説明】
１　コントローラ
２　低騒音化ＰＷＭ作成回路
３　スイッチ回数制限回路
４　電流検出回路
５　直流電源
１１　平滑コンデンサ
１２、１３　分圧コンデンサ
１０１〜１１８　スイッチング素子
２０１〜２１８　フリーホイールダイオード
３０１〜３０６　クランプダイオード
【図１】
2004023814.tif 000003
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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