(57)【要約】【課題】  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ＰＷＭインバータ装置において、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インバータ装置を提供する。【解決手段】  高出力電圧領域を制御するＰＷＭモードとして、非同期ＰＷＭモードの一種である非同期過変調モード１と同期ＰＷＭモード２の２種類を備え、出力電圧の基本周波数と出力電圧指令とに応じて一方のパルスパターンを選択する手段３を備える。基本周波数が所定値より低いときは、同期ＰＷＭモードのパルスパターンＳ2を選択し、通常加速減速時の出力電圧を安定させる。基本周波数が所定値より高いときは、非同期過変調モードのパルスパターンＳ1を選択し、ＰＷＭモードの切り換えを無くし、出力電流に跳ねが発生することを防止する。【選択図】  図１
2005137197.tif 000002
【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交流電圧に変換するＰＷＭインバータを含むＰ
ＷＭインバータ装置において、
低出力電圧領域では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
モードとなり、高出力電圧領域では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なる非同期ＰＷＭモードパルスパターン発生手段
と、
高出力電圧領域で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モードとなる同期ＰＷＭモードパルスパターン発生手段と、
所定の出力電圧指令の範囲における出力電圧基本波の周波数と出力電圧指令と
に応じ、前記出力電圧基本波の周波数が低い場合には、前記非同期バイポーラ変
調モードと前記同期ＰＷＭモードのパルスパターンを選択し、前記出力電圧基本
波の周波数が高い場合には、前記非同期バイポーラ変調モードと前記非同期過変
調モードのパルスパターンを選択し、前記ＰＷＭインバータを遷移させるパルス
パターン選択手段とを備えたことを特徴とするＰＷＭインバータ装置。
【請求項２】
パルス幅変調により直流電圧を交流電圧に変換するＰＷＭインバータを含むＰ
ＷＭインバータ装置において、
低出力電圧領域では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
モードとなり、高出力電圧領域では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なる非同期ＰＷＭモードパルスパターン発生手段
と、
高出力電圧領域で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モードとなる同期ＰＷＭモードパルスパターン発生手段と、
電圧利用率最大となる運転領域で出力電圧パルス波形を基本波と同じ極性の１
８０°通電にする１パルスモードパルスパターン発生手段と、
所定の出力電圧指令の範囲における出力電圧基本波の周波数と出力電圧指令と
に応じ、前記出力電圧基本波の周波数が低い場合には、前記非同期バイポーラ変
調モードと前記同期ＰＷＭモードと前記１パルスモードのパルスパターンを選択
し、前記出力電圧基本波の周波数が高い場合には、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と前記１パルスモードのパルスパターンを選択し、
前記ＰＷＭインバータを遷移させるパルスパターン選択手段とを備えたことを特
徴とするＰＷＭインバータ装置。
【請求項３】
パルス幅変調により直流電圧を交流電圧に変換するＰＷＭインバータを含むＰ
ＷＭインバータ装置の制御方法において、
出力電圧を制御するためのＰＷＭモードとして、出力電圧のパルスパターンが
変化するタイミングを出力電圧の基本波位相とは独立に設定し、
低出力電圧領域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
ードと、高出力電圧領域で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て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、高出力電圧領域で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モードとを備え、
所定の高出力電圧指令の範囲における出力電圧基本波の周波数と出力電圧指令
とに応じ、前記出力電圧基本波の周波数が低い場合には、前記非同期バイポーラ
変調モードと前記同期ＰＷＭモードのパルスパターンを選択し、前記出力電圧基
本波の周波数が高い場合には、前記非同期バイポーラ変調モードと前記非同期過
変調モードのパルスパターンを選択し、前記ＰＷＭインバータを遷移させること
を特徴とするＰＷＭインバータ装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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
れを無くする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術として、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（特許文献１を参照）があ
る。また、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（特許文献２を参照）がある。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２２７０８５号公報
【特許文献２】特開平９−２６１９６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
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。
【０００５】
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
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。
【０００６】
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Ｐ
ＷＭ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。
【０００７】
本発明の課題は、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にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、パルス幅変調により直流電圧を交流電圧に変換す
るＰＷＭインバータを含むＰＷＭインバータ装置において、低出力電圧領域では
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となり高出力電
圧領域では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
ードとなる非同期ＰＷＭモードパルスパターン発生手段と、高出力電圧領域で出
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
モードとなる同期ＰＷＭモードパルスパターン発生手段と、所定の出力電圧指令
の範囲における出力電圧基本波の周波数と出力電圧指令とに応じて非同期バイポ
ーラ変調モードと同期ＰＷＭモードまたは非同期過変調モードとのいずれかのパ
ルスパターンを選択しＰＷＭインバータを遷移させるパルスパターン選択手段と
を備えたＰＷＭインバータ装置を提案する。
【０００９】
また、パルス幅変調により直流電圧を交流電圧に変換するＰＷＭインバータを
含むＰＷＭインバータ装置において、低出力電圧領域では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となり高出力電圧領域では出力電圧基
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なる非同期ＰＷ
Ｍモードパルスパターン発生手段と、高出力電圧領域で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モードとなる同期ＰＷ
Ｍモードパルスパターン発生手段と、電圧利用率最大となる運転領域で出力電圧
パルス波形を基本波と同じ極性の１８０°通電にする１パルスモードパルスパタ
ーン発生手段と、所定の出力電圧指令の範囲における出力電圧基本波の周波数と
出力電圧指令とに応じて非同期バイポーラ変調モードまたは１パルスモードと同
期ＰＷＭモードまたは非同期過変調モードとのいずれかのパルスパターンを選択
しＰＷＭインバータを遷移させるパルスパターン選択手段とを備えたＰＷＭイン
バータ装置を提案する。
【００１０】
さらに、パルス幅変調により直流電圧を交流電圧に変換するＰＷＭインバータ
を含むＰＷＭインバータ装置の制御方法において、出力電圧を制御するためのＰ
ＷＭモードとして、出力電圧のパルスパターンが変化するタイミングを出力電圧
の基本波位相とは独立に設定し、低出力電圧領域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と、高出力電圧領域で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て幅の広
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、高出力電圧領域で出力
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
ードとを備え、所定の高出力電圧指令の範囲における出力電圧基本波の周波数と
出力電圧指令とに応じて非同期バイポーラ変調モードから同期ＰＷＭモードおよ
び非同期過変調モードのいずれかのパルスパターンを選択しＰＷＭインバータを
遷移させるＰＷＭインバータ装置の制御方法を提案する。
【発明の効果】
【００１１】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、図１ないし図８を参照して、本発明によるＰＷＭインバータ装置の最良
の形態を説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明によるＰＷＭインバータ装置の実施例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。
【００１４】
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ＰＷ
Ｍ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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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ＰＷ
Ｍ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。
【００１９】
図１の実施例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Ｖ
c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。
実施例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。
【実施例２】
【００２０】
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例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。
【００２１】
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。
【００２２】
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ＰＷ
Ｍ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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
本実施例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。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、高出力電圧領域を制御するＰＷＭモードとして、同期ＰＷＭモード
と非同期ＰＷＭモードの一種である非同期過変調モードとの二種類を備え、出力
電圧の基本波周波数と出力電圧指令とに応じて一方のパルスパターンを選択する
手段を備える。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または電圧利用率最大となる運転領域の１パルスモード
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または電圧利用率最大となる運転領域の１パルスモードのパ
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し、ＰＷＭモードの
切り換えを無くし、出力電流に跳ねが発生することを防止する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明によるＰＷＭインバータ装置の実施例１の構成を示す図
【図２】ＰＷＭインバータの出力電圧の基本波周波数と出力電圧指令の関係図
【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
【図４】同期ＰＷＭモードのパルスパターンの一例を示す図
【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の混在図
【図６】本発明によるＰＷＭインバータ装置の実施例２の構成を示す図
【図７】運転状態に応じて選択すべきＰＷＭモードを示す図
【図８】パルスパターン選択手段のアルゴリズムの一例を示すＰＡＤ図
【符号の説明】
【００２８】
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】
2005137197.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005137197.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005137197.tif 000007
【図６】
2005137197.tif 000008
【図７】
2005137197.tif 000009
【図８】
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