JPH0614557A

JPH0614557A - Ｐｗｍインバータの変調方式

Info

Publication number: JPH0614557A
Application number: JP4164840A
Authority: JP
Inventors: Takashi Koga; 高志古賀; Hideki Hayashi; 秀喜林
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 1992-06-23
Filing date: 1992-06-23
Publication date: 1994-01-21
Anticipated expiration: 2016-11-12
Also published as: JP3229019B2

Abstract

(57)【要約】【目的】人間が聞いた場合の不快感を少なくすること
により、等価的にＰＷＭインバータを低騒音化するこ
と。【構成】乱数発生器１１、１２および発振器１３等か
らなる搬送波信号発生手段１０は搬送波ｅs の周波数
を、その周波数もしくはその周波数の所定周波数からの
変動のパワー・スペクトル密度が搬送波周波数の逆関数
となるように変動させる。搬送波信号発生手段１０が出
力する搬送波信号は変調回路８に与えられ、信号波ｅo
を変調し、インバータのスイッチング素子を駆動する。
搬送波周波数に上記のようにして「１／ｆゆらぎ」を与
えたので、ＰＷＭインバータが発生する騒音の不快感を
減少させ、等価的に低騒音化することができる。また、
搬送波周波数の持続時間のパワー・スペクトル密度を上
記持続時間の関数となるように変動させ、「１／ｆゆら
ぎ」をもつ搬送波を発生することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、モータ駆動装置あるい
は交流電源装置などに使用される、直流電源より交流出
力を得るＰＷＭインバータの変調方式に関し、特に本発
明は、耳障りな騒音の発生を等価的に減少させ、人間が
聞いた場合の不快感をなくすことができるＰＷＭインバ
ータの変調方式に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は従来から使用されているＰＷＭイ
ンバータの構成を示す図である。本発明は、インバータ
の主回路構成に特に依存せず、フルブリッジ、電流形、
多相インバータなど種々のインバータに適用できるもの
であり、同図には簡単にするためその一例として、周知
な単相ハーフ・ブリッジ電圧形インバータが示されてい
る。

【０００３】同図において、１，２は直流電源、３，４
はインバータの主回路を構成するトランジスタ、５，６
はダイオード、７は負荷、８はトランジスタ３，４の駆
動信号を発生する変調回路であり、変調回路８はトラン
ジスタ３，４を交互に開閉して、直流電源１，２の直流
出力を交流信号に変換して負荷７に供給する。図７は図
６に示すＰＷＭインバータの各部の波形を示す図であ
る。図６の変調回路８は、図７（イ）に示す信号波ｅo
と搬送波ｅs とを比較するコンパレータを持ち、搬送波
ｅs と信号波ｅo の大きさを比較して同図（ロ）に示す
ように、図６のＰＷＭインバータのトランジスタ３，４
を駆動する信号Ｑおよび信号Ｑの反転信号を出力する。

【０００４】上記駆動信号Ｑおよび信号Ｑの反転信号が
ＰＷＭインバータのトランジスタ３，４に与えられ、ト
ランジスタ３，４が駆動されると、負荷７には図７
（ロ）に示す波形と同様な波形を持つ電圧ｖuvが印加さ
れ、その基本波は図７（イ）に示す信号波ｅo とほぼ同
形となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図６に示すＰＷＭイン
バータのトランジスタ３，４は上記のように駆動信号Ｑ
および信号Ｑの反転信号により駆動されるが、信号Ｑの
周波数が可聴周波数領域になるとＰＷＭインバータ装
置、負荷７あるいは電力伝送線路などから騒音を発生
し、非常に耳障りとなる。

【０００６】一般に、信号Ｑの周波数、すなわち、搬送
波ｅs の周波数は信号波ｅo の周波数の数倍から数十倍
に選ばれることが多く、例えば信号波ｅo の周波数を５
０Ｈｚとすると、搬送波ｅs の周波数は数百Ｈｚから数
ｋＨｚの帯域となり、可聴周波数領域となるため騒音の
原因となる。最近では、搬送波ｅs の周波数を２０ｋＨ
ｚ以上の可聴周波数領域外とする高周波スイッチングを
行い、無騒音とすることも行われているが、トランジス
タやこれに代わる各種サイリスタに高価な高速素子を使
用する必要があり、また、開閉時に発生するスイッチン
グ損失も膨大なものとなるので、大出力装置では必ずし
も実用的であるとはいい難い。

【０００７】また、従来のＰＷＭインバータの搬送波ｅ
s の周波数は非同期式では信号波ｅo の周波数にかかわ
らず一定であり、同期式では信号波ｅo の周波数に応じ
て搬送波ｅs と信号波ｅo の周波数比を数倍程度に切り
換え搬送波ｅs の周波数が大幅に変動しないようにする
のが一般的であるが、いずれにしろ、長時間に渡り搬送
波ｅs の周波数、すなわち、騒音源となる周波数がほぼ
一定となるため、非常に耳障りとなっている。

【０００８】そこで、搬送波ｅs の周波数を一定ではな
くランダムに変化させ、騒音のレベルそのものは変わら
ないものの、人間が聞いた感じではあまり気にならない
ようにすることも一部で試みられている。しかしなが
ら、この方式においても、一定周波数の雑音はなくなる
ものの、いわゆる騒音は白色雑音となり、多人数のモニ
タによるテストの結果でも、充分な効果があるとはいい
難い。

【０００９】本発明は上記した従来技術の問題点に鑑み
なされたものであって、音圧レベルで測定した騒音の大
きさは低減できなくとも、人間が聞いた場合の不快感を
少なくすることにより、等価的に低騒音化することがで
きるＰＷＭインバータの変調方式を提供することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理図で
ある。上記課題を解決するため、本発明の請求項１の発
明においては、図１に示すように、乱数発生器１１、１
２および発振器１３等からなる搬送波信号発生手段１０
を設け、搬送波信号発生手段１０により、搬送波ｅs の
周波数を、その周波数もしくはその周波数の所定周波数
からの変動のパワー・スペクトル密度が搬送波周波数の
逆関数となるように変動させ、その搬送波信号を変調回
路８に与えて、ＰＷＭインバータへの駆動信号を得るよ
うに構成したものである。

【００１１】本発明の請求項２の発明は、請求項１の発
明において、搬送波周波数が所定値を維持する持続時間
のパワー・スペクトル密度を上記持続時間の関数となる
ように変動させるようにしたものである。

【００１２】

【作用】図２は時間ｔに対する搬送波の周波数ｆs の変
動の一例を示した図である。ここで、同図の搬送波の周
波数ｆs の波形を時間ｔの関数としてｆs(t)と表すと、
ｆs(t)のフーリェ展開したものは、次式（１）で表すこ
とができる。

【００１３】

【数１】ここで、ωはｆs(t)の基本波角周波数である。上記
（１）式において、次式（２）はｆs(t)の角周波数ｎω
の大きさの成分を表すものと考えられるから、これをパ
ワーと呼ぶとすると、各ｎに対するパワーが定義され
る。

【００１４】

【数２】ａ_n ²＋ｂ_n ² （２）上記ｎに対するパワーを、両対数目盛りのグラフにプロ
ットすると、例えば、図３のようなグラフを得ることが
できる。そして、上記ｆs(t)のパワーが図３に示すよう
に、その傾斜が−１になったとすると、そのパワーは
ｎ、すなわち、ｆs(t)の周波数成分の逆数となる。これ
を１／ｆ関数と呼ぶ。

【００１５】上記１／ｆ関数となる信号は、その周波数
の低い成分はパワー、すなわち、振幅が大きく、また、
周波数の高い成分は振幅が小さいことを表しており、こ
のような信号は「１／ｆゆらぎ」として知られている。
なお、パワーの傾斜が−１より急な場合、例えば１／ｆ
²の場合には、周波数の変化の度合いが緩やかで急激な
変動をしないと言え、また、逆にパワーの傾斜が−１よ
りなだらかな場合には１／ｆゆらぎに比べて唐突な変化
を起こすと言える。

【００１６】一般に人間にとって生理的に快感を起こさ
せるものには「１／ｆゆらぎ」を持つものが多いことが
経験的に知られており、例えば、ベートーベンやブラー
ムスの作曲した音楽の音の高さの変動のパワー・スペク
トル密度を求めると、上記「１／ｆゆらぎ」を持ってお
り、気持ちの良いねむけを生じさせる。また、電車の揺
れのパワー・スペクトル密度も「１／ｆゆらぎ」をもっ
ている。（講談社発行、武者利光著「ゆらぎの世界」参
照）従って、ＰＷＭインバータが発生する騒音について
も、このような「１／ｆゆらぎ」を持たせることによ
り、不快感を和らげることができる。

【００１７】本発明の請求項１の発明は、上記の考え方
に基づき、ＰＷＭインバータの変調方式において、搬送
波ｅs の周波数を、その周波数もしくはその周波数の所
定周波数からの変動のパワー・スペクトル密度が搬送波
周波数の逆関数となるように変動させることにより、Ｐ
ＷＭインバータが発生する騒音に「１／ｆゆらぎ」を持
たせ、音圧レベルで測定したＰＷＭインバータの騒音の
大きさは低減できなくとも、人間が聞いた場合の不快感
を少なくするようにしたものである。

【００１８】ところで、図２は「１／ｆゆらぎ」を持つ
ｆs の時間的変化を示す一例として示したが、ＰＷＭイ
ンバータにおける搬送波ｅs の波形は、一般に図７の従
来例に示したように、三角波やのこぎり波であり、例え
ば、三角波やのこぎり波のピーク点から次のピーク点ま
での時間の逆数を搬送波ｅs の周波数ｆs とすると、ｆ
s を図２に示したように連続的に変化させることは比較
的難しく、現実には、段階的な変化とする方が実現し易
い。

【００１９】本発明の請求項２の発明は、上記のような
考え方に基づき、搬送波ｅs の周波数ｆs を段階的に変
化させることにより、「１／ｆゆらぎ」を持つ搬送波ｅ
s を得るようにしたものであり、「１／ｆゆらぎ」を持
つ搬送波ｅs を比較的容易に発生させることができる。

【００２０】

【実施例】図４は本発明の１実施例を示す図であり、本
実施例は基準となる平均的な搬送波の周波数ｆo と実際
の搬送波ｅs の周波数ｆs の差ｆo −ｆs に「１／ｆゆ
らぎ」を持たせた実施例を示している。すなわち、イン
バータのチョッピング周波数となる搬送波ｅs の周波数
はあまり低くなると信号波ｅo に対する出力波形の忠実
度が悪くなり、また、あまり高くなるとスイッチング素
子の速度が追いつかなくなり動作不能となったり、スイ
ッチング損失の増加をもたらすことになり、上記周波数
は上下に限界がある。

【００２１】よって、搬送波ｅs の周波数ｆs そのもの
に「１／ｆゆらぎ」を持たせることよりも、基準となる
平均的な搬送波ｅs の周波数ｆo からの差ｆo −ｆs に
「１／ｆゆらぎ」を持たせるた方がより実用的である。
本実施例は上記観点に基づき、上記ｆo −ｆs に「１／
ｆゆらぎ」を持たせ実施例を示したものである。

【００２２】同図において、２１は乱数発生器であり、
乱数発生器２１は乱数Ｔn を発生する。なお、乱数発生
器２１は完全にランダムな数値を発生するものではな
く、前述したように「１／ｆゆらぎ」を持つ乱数を発生
する。２２はタイマであり、乱数発生器２１が出力する
乱数Ｔn によりそのタイマ設定値が設定され、タイマに
設定された時間が経過すると乱数発生器２３の発生する
乱数の値は切り換えられる。

【００２３】２３は乱数発生器２１と同様、「１／ｆゆ
らぎ」を持つ乱数を発生する乱数発生器であり、上記し
たように、ＰＷＭインバータのスイッチング素子を駆動
するに適した所定の範囲の周波数信号±Δｆn を出力す
る。２４は加算器であり、搬送波の中心周波数ｆo と乱
数発生器２３が出力する周波数信号±Δｆn を加算して
搬送波の周波数信号ｆs を出力する。

【００２４】２５は三角波発生器であり、三角波発生器
２５は加算器２４が発生する周波数信号ｆs に応じた周
期を持つ三角波を発生する。８は従来例において示した
変調回路であり、コンパレータ８ａから構成され、コン
パレータ８ａは三角波発生器２５が発生する周期１／ｆ
s の搬送波ｅs と信号波ｅo を比較してインバータのス
イッチング素子を駆動するＰＷＭ信号を出力する。

【００２５】図５は図４に示した実施例における搬送波
ｅs の周波数ｆs を示した図であり、同図において、横
軸は時間、縦軸は搬送波ｅs の周波数ｆs 、また、ｆo
は上記した搬送波の中心周波数、Ｔ1 ないしＴ5 は乱数
発生器２１の出力、Δｆ1 ないしΔｆ5 は乱数発生器２
３の出力を示している。次に図４，図５により、本実施
例の動作を説明する。

【００２６】乱数発生器２１は図５に示すように、ま
ず、乱数Ｔ1 を発生して、タイマ２２を時間Ｔ1 に設定
する。一方、乱数発生器２３は図５に示す「１／ｆゆら
ぎ」を持つ周波数Δｆ1 に対応した信号を発生して加算
器２４に与える。加算器２４は周期信号Δｆ1 と基準と
なる平均的な搬送波ｅs の周波数ｆo とを加算してｆo
＋Δｆ1 を求めて三角波発生器２５に与える。

【００２７】三角波発生器２５は加算器２４が出力する
上記ｆo ＋Δｆ1 に対応した周期の搬送波ｅs を発生
し、変調器８のコンパレータ８ａに与える。コンパレー
タ８ａは三角波発生器２５が出力する搬送波ｅs と信号
波ｅo を比較し、信号波ｅo を周波数ｆs の搬送波ｅs
により変調しＰＷＭ信号を出力する。タイマ２２に設定
された時間Ｔ1 が経過すると、タイマ２２は乱数発生器
２３に切り換え信号を出力する。乱数発生器２３はタイ
マ２２より切り換え信号が与えられると、乱数を切り換
え、図５に示す周波数Δｆ2 に対応した信号を発生して
加算器２４に与える。その結果、三角波発生器２５はｆ
o ＋Δｆ2 に対応した周期の搬送波ｅs を発生し、変調
器８は上記と同様、信号波ｅo を周波数ｆs の搬送波ｅ
s により変調しＰＷＭ信号を出力する。

【００２８】一方、タイマ２２は乱数発生器２１が発生
する乱数Ｔ2 により、時間Ｔ2 に設定され、時間Ｔ2
後、再び上記と同様、乱数発生器２３に切り換え信号を
出力する。以下、同様にして、図５に示すように、乱数
発生器２１が出力するＴ1 ないしＴn 時間ごとに乱数発
生器２３が出力する周期信号±Δｆn は切り換わり、三
角波発生器２５は上記ｆo ±Δｆn に対応した周波数ｆ
s の搬送波ｅs を発生する。

【００２９】以上のように、ＰＷＭインバータが発生す
る騒音のもととなるチョッピング周波数を定める搬送波
ｅs の周波数変動およびその継続時間に前記した「１／
ｆゆらぎ」を持たせることにより、ＰＷＭインバータが
発生する騒音の不快感を減少させることができる。な
お、上記した乱数発生器２１が出力するＴ1 ないしＴn
時間はかなり自由に選定することができ、例えば、上記
実施例に示したように搬送波ｅs の周期を毎サイクル変
化させることもできるし、また、同一周期の搬送波を数
サイクル連続して出力することもできる。

【００３０】また、上記実施例においては、搬送波周波
数ｆs の変動分に「１／ｆゆらぎ」を持たせる実施例を
示したが、本発明は上記実施例に限定されるものではな
く、搬送波周波数ｆs 自体に「１／ｆゆらぎ」を持たせ
ることにより同様の効果を得ることができることは言う
までもない。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明においては、ＰＷＭインバータの搬送波周波数を
操作し、発生する騒音に「１／ｆゆらぎ」を持たせるよ
うにしたので、音圧レベルで測定した騒音の大きさは低
減できなくとも、人間が聞いた場合の不快感を少なくす
ることができ、高価な防音装置や回路素子を用いること
なく、等価的に低騒音化することができ、その実用上の
効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理図である。

【図２】搬送波周波数の時間的変化を示す図である。

【図３】図２に示した搬送波周波数のパワー・スペクト
ル密度を示す図である。

【図４】本発明の実施例を示す図である。

【図５】実施例における不連続な搬送波周波数変化を示
す図である。

【図６】従来のＰＷＭインバータを示す図である。

【図７】従来のＰＷＭインバータ装置の各部波形を示す
図である。

【符号の説明】

１，２直流電源３，４インバータの主回路を構
成するトランジスタ５，６ダイオード７負荷、８変調回路８ａコンパレータ１０搬送波信号発生手段１１，１２，２１，２３乱数発生器１３発振器２２タイマ２４加算器２５三角波発生器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スイッチングの基準となる搬送波のパル
ス幅を、インバータの出力波形の基準となる信号波で変
調して、インバータを構成するスイッチング素子の駆動
信号を得るＰＷＭインバータの変調方式において、搬送波周波数もしくは搬送波周波数の所定周波数からの
変動のパワー・スペクトル密度を、搬送波の周波数の逆
関数となるように変動させることを特徴とするＰＷＭイ
ンバータの変調方式。
【請求項２】搬送波周波数が所定値を維持する持続時
間のパワー・スペクトル密度を上記持続時間の関数とな
るように変動させることを特徴とする請求項１のＰＷＭ
インバータの変調方式。