JPH10323055A

JPH10323055A - 電力変換装置

Info

Publication number: JPH10323055A
Application number: JP10118157A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Nakada; 仲田　　清; Tokunosuke Tanamachi; 棚町　　徳之助; Kiyoshi Nakamura; 中村　　清; Mutsuhiro Terunuma; 照沼　　睦弘; Masahito Suzuki; 鈴木　　優人; Yoshio Tsutsui; 筒井　　義雄; Eiichi Toyoda; 豊田　　瑛一
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 1998-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は３レベルインバータに関し、出力電圧
をゼロから最大まで連続かつスムーズに制御可能な３レ
ベルＰＷＭ制御を備えた電力変換装置を提供することを
目的とする。【解決手段】ダイポーラ変調，ユニポーラ変調及び過変
調から成る多パルス発生手段と、１パルス発生手段を備
え、多変調領域間の移行を制御する手段を設ける。【効果】ゼロから最大電圧まで連続かつスムーズに、出
力電圧を安定して供給できる。また、パルスモード移行
時の異音の発生を抑制し、低騒音化が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は直流を交流または交
流を直流に変換する電力変換装置の改良に関し、特に、
電力変換装置の出力電圧の制御に関する。

【０００２】

【従来の技術】３レベルインバータは、直流電源電圧
（架線電圧）を直列接続されたコンデンサで２つの直流
電圧に分圧することにより、高電位，中間電位及び低電
位の３つの電圧レベルを作り、主回路スイッチング素子
のオン・オフ動作により、これら３レベルの電圧をイン
バータ出力端子に選択的に導出するものであり、次のよ
うな特徴を備えている。

【０００３】すなわち、出力電圧パルスのステップ数が
増加することにより、見かけ上のスイッチング周波数が
高められ、歪の少ない出力を得られる。素子に印加され
る電圧が２レベルに比べて約半減するため、比較的低耐
圧のスイッチング素子を使える。素子印加電圧の減少に
伴い、素子まわりの発生損失を低減できる等である。と
ころで、上記３レベルインバータの出力電圧パルスの発
生制御法として、以下のような方式がある。

【０００４】（１）ニューデベロップメンツオブ
３レベルピーダブリュエムストラテジーズ「New
Developments of ３−Level PWM Strategies」(ＥＰＥ’
８９Record，１９８９）の４１２頁、図１にはダイポー
ラ変調（出力電圧の半周期内にパルスをゼロ電圧を介し
て正負交互に出力することにより出力電圧を表現）と呼
ばれる変調方式，ユニポーラ変調（出力電圧の半周期中
に単一極性のパルスを出力することにより出力電圧を表
現）と呼ばれる変調方式及び上記ダイポーラ変調とユニ
ポーラ変調を１周期中に混在させる変調方式（以下、本
明細書では、部分ダイポーラ変調と称する）が提案され
ている。

【０００５】（２）ピーダブリュエムシステムイン
パワーコンバーターズ：アンエクステンション
オブザサブハーモニックメソッド「PWM Systems
in Power Converters：An Extension of the“Subharm
onic”method」(IEEETrasaction on Industrial Elector
onics and Control Instrumentation，Vol.ＩＥＣＩ−
２８，No.４，November １９８１)の３１６頁、図２
（ｂ）には出力電圧の半周期が複数の単一極性のパルス
で構成され、この中央部分からパルス間のスリットを埋
めるようにパルス数を減少させることにより出力電圧を
表現する変調方式（以下、本明細書では過変調と称す
る）が提案されている。

【０００６】（３）スタディオブ２アンド３
レベルプリカルキュレイティドモデュレーションズ
「Study of ２ and ３−Level Precalculated Modulati
ons」（ＥＰＥ’９１ Record，１９９１）の４１１
頁、図１６には、０から１００％まで出力電圧をカバー
するための出力電圧パルス発生制御方法が提案されてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、鉄道車両の
ような用途に３レベルインバータを用いる場合、広範囲
にわたる速度制御を実現するため、ゼロ電圧から電圧利
用率が１００％に達する最大電圧（出力電圧の半周期内
に単一のパルスしか存在しない電圧領域であり、以下、
１パルスと呼ぶ）まで、インバータ出力電圧の基本波を
連続に、かつ、インバータ出力電圧の高調波をスムーズ
に制御できることが要求される。

【０００８】ところで、上記従来技術（１）は、ゼロを
含む微小電圧が制御可能なダイポーラ変調，中速領域
（中電圧）をカバーするユニポーラ変調手段、最大電圧
をカバーする１パルスまでを切換えているので、ゼロ電
圧から最大電圧を出力することができ、基本波の連続性
も保ちうるが、ユニポーラ変調と１パルスとの切換え時
に出力電圧の高調波が不連続になり、周波数の急激で大
きな変化による騒音が発生するという問題があった。

【０００９】また、上記従来技術（２）に示された技術
では、ゼロ電圧から最大電圧を表現することができない
という問題があった。

【００１０】ところで、上記従来技術（１）は、出力電
圧の基本波を連続制御させるため、基本波の位相及び電
圧に対応したパルスデータをメモリに記憶させ、このデ
ータに基づいて各変調に対応したパルス列を出力するも
のであるので制御が複雑である。さらに、上記従来技術
（３）は、ユニポーラ変調において、基本波の半周期に
存在するパルスの数を切換える変調方式であるので、制
御の複雑化を招くという問題がある。

【００１１】さらに、上記従来技術は、変調方式やパル
ス数を切換えるときに不快な不連続音が発生するという
問題があった。

【００１２】本発明の目的は、３レベルインバータの出
力電圧をゼロから最大まで制御可能で、インバータ出力
電圧を連続かつスムーズに行える３レベルのパルス発生
制御を実現することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的は、複数のスイ
ッチング素子を制御して直流より３レベルの電位を有す
る交流相電圧に変換する電力変換器であって、この電力
変換器の出力相電圧の基本波の半周期に正負のパルス列
と該パルス間に零電位を有するパルス列を前記電力変換
器の相に発生させるダイポーラ変調モードのパルス発生
手段を備えた電力変換装置において、前記パルス発生手
段は、マイクロコンピュータの処理により行い、第１の
割込処理で前記電力変換器における正側のスイッチング
素子のパルスの立上げのタイミングと負側のスイッチン
グ素子のパルスの立下げのタイミングを演算し、第２の
割込処理で前記電力変換器における正側のスイッチング
素子のパルスの立下げのタイミングと負側のスイッチン
グ素子のパルスの立上げのタイミングを演算し、これら
第１と第２の演算処理を交互に行わせるようにしたこと
より達成される。

【００１４】上記パルス発生手段によれば、同一の演算
処理の中で正側と負側のスイッチング素子を立上げるパ
ルスパターンのラップがなくなり、特に低速時における
出力電圧を連続的にかつスムース制御できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の概要を表１及び図
１から図３を用いて説明した後、一実施例を図１及び図
４から図１３を用いて説明する。

【００１６】３レベルインバータ（ＮＰＣインバータと
もいう）は、直流電源電圧（電気車の場合は架線電圧）
を直列接続されたコンデンサで２つの直流電圧に分圧す
ることにより、高電位，中間電位及び低電位の３つの電
圧レベルを作り、主回路スイッチング素子のオン・オフ
動作により、これら３レベルの電圧をインバータ出力端
子に選択的に導出するものである。

【００１７】この主回路構成の一例として、鉄道用電気
車に適用した場合の基本構成（３相の場合）を図１に示
す。

【００１８】図１において、４は直流電圧源である直流
架線（電車線）、５０は直流リアクトル、５１及び５２
は直流電圧源４の電圧から中間電位点Ｏ（以下、中性点
と呼ぶ）を作り出すため分割配置したクランプコンデン
サである。７ａ，７ｂ及び７ｃは自己消弧可能なスイッ
チング素子より構成され、このスイッチング素子に与え
るゲート信号に応じて高電位点電圧（Ｐ点電圧），中性
点電圧（Ｏ点電圧）及び低電位点電圧（Ｎ点電圧）を選
択的に出力するスイッチングユニットである。この例で
は、スイッチングユニット７ａは７０から７３の自己消
弧可能なスイッチング素子（ここではＩＧＢＴとした
が、ＧＴＯ，トランジスタ等でも良い）、７４から７７
の還流用整流素子、７８及び７９の補助整流素子より構
成する。また、負荷は誘導電動機６の場合を示した。ス
イッチングユニット７ｂ及び７ｃも、７ａと同様の構成
である。

【００１９】ここではまず、Ｕ相のスイッチングユニッ
ト７ａを例にとり、その基本的な動作を表１を用いて説
明する。

【００２０】

【表１】

【００２１】なお、以下では、クランプコンデンサ５１
および５２の電圧ｖcp，ｖcnは完全平滑でＥｄ／２に分
圧された直流電圧とし、中性点（０点）は仮想的に接地
されているものとする。また、ことわりのない限り、出
力電圧はインバータ出力相電圧を指すものとする。

【００２２】スイッチングユニット７ａを構成するスイ
ッチング素子７０から７３は、表１に示すように３通り
の導通パターンに従いオン・オフ動作する。すなわち、
直流側のＰ点電位を出力する出力モードＰでは、７０，
７１がオン，７２，７３がオフで、出力電圧はＥｄ／２
となり、中性点電位を出力する出力モードＯでは、７
１，７２がオン，７０，７３がオフで、出力電圧として
ゼロ電位が出力され、Ｎ点電位を出力する出力モードＮ
では、７０，７１がオフ，７２，７３がオンで、出力電
圧は−Ｅｄ／２となる。

【００２３】表１中に各出力モードにおける主回路１相
分（スイッチングユニットとクランプコンデンサ）の等
価回路を示した。スイッチングユニットは、等価的に３
方向の切換えスイッチと見なせる。ここで、素子の導通
状態を１，０の２値で表わすスイッチング関数Ｓｐ，Ｓ
ｎを用いると、出力モードＰのときＳｐ＝１，Ｓｎ＝０出力モードＯのときＳｐ＝０，Ｓｎ＝０出力モードＮのときＳｐ＝０，Ｓｎ＝１と表現できる。このとき、スイッチング関数Ｓｐ，Ｓｎ
と、スイッチング素子７０，７１，７２，７３に与える
ゲート信号Ｇpu，Ｇpx，Ｇnx，Ｇnu（オフ信号を０，オ
ン信号を１とする）の関係は、次式で表せる。

【００２４】

【数１】

【００２５】従って、各相毎に２つのスイッチング関数
Ｓｐ，Ｓｎを用意することにより、スイッチング素子の
導通状態を決定することができる。このスイッチング関
数Ｓｐ，Ｓｎは、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御により、
出力電圧ｅｕが正弦波状になるように決定される。

【００２６】なお、３レベルインバータの主回路の詳細
は、特開昭51−47848 号公報，特開昭56−74088 号公報
などに記載されている。

【００２７】ところで、電気車のように限られた電源電
圧で、可変電圧可変周波数（VVVF）領域から定電圧可変
周波数（ＣＶＶＦ）領域に亘る広範囲の速度制御を行う
場合、図２の実線で示すような出力電圧特性が要求され
る。すなわち、低速度領域ではインバータ周波数にほぼ
比例して出力電圧を調整（この領域をＶＶＶＦ制御領域
と呼ぶ）することにより、電動機内の磁束をほぼ一定に
保ち、所定のトルクを確保し、また、高速度領域ではイ
ンバータの最大出力電圧を維持したまま引き続きインバ
ータ周波数を上昇（この領域をＣＶＶＦ制御領域と呼
ぶ）させることにより、限られた電圧で電圧利用率を最
大として高速運転を実現するものである。しかしなが
ら、従来から知られているユニポーラ変調方式では、イ
ンバータ周波数が低く、微小な出力電圧の制御が要求さ
れる領域（ＶＶＶＦ制御領域の起点付近）では、スイッ
チング素子の最小オン時間によって定まる最小出力パル
ス幅よりも小さな電圧パルスを実現することができず、
図２の破線で示すように、指令より大きな電圧を出力し
てしまうことになる。

【００２８】例えば、インバータ出力電圧の電圧パルス
が全てスイッチング素子の最小オン時間Ｔｏｎにより定
まる最小パルス幅である場合を考えると、このときの出
力電圧実効値Ｅは

【００２９】

【数２】Ｅ≒２ＦｃＴonＥｍａｘここに、Ｆｃ：キャリア周波数 …（数２）で与えられ、これよりも小さな電圧は制御できない。こ
こで、Ｅｍａｘは１８０゜通流の方形波電圧の実効値
であり、

【００３０】

【数３】

【００３１】で与えられ、３レベルインバータの最大出
力電圧もほぼこのＥmax に一致する。上記（数２）によ
れば、Ｆｃ＝５００ｋＨｚ，Ｔon＝１００μｓのとき、
Ｅ＝０.１Ｅmaxであり、この場合、最大出力電圧Ｅmax
の１０％以下の電圧は制御できないことになる。そのた
め、ユニポーラ変調だけでは制御可能な出力電圧の下限
値が制限され、連続的な電圧制御が困難であるという問
題があった。

【００３２】これを解決するためにはダイポーラ変調
（ダイポーラモード）が有効であるが、従来技術では、
このダイポーラ変調からユニポーラ変調（ユニポーラモ
ード）に移行する際に注意が必要であった。

【００３３】一方、ユニポーラ変調で出力し得る最大電
圧Ｅは、理想的な正弦波変調の限界点（変調率Ａ＝１）
で

【００３４】

【数４】Ｅ＝(π／４)Ｅmax≒０.７８５Ｅmax …（数４）であり、スイッチング素子の最小オフ時間Ｔoffを考慮
した場合には、

【００３５】

【数５】Ｅ≒(π／４)(１−ＦｃＴoff)Ｅｍａｘここに、Ｆｃ：キャリア周波数 …（数５）となる。例えば、Ｆｃ＝５００Ｈｚ，Ｔｏｆｆ＝２００
μｓのとき、Ｅ＝０.７０７Ｅmax であり、この場合に
は、最大出力電圧Ｅmax の約７０％までしかカバーでき
ないことになる。この時、１パルスモードのパルス幅を
調整できないとすると、基本波が不連続となり、また、
１パルスモードのパルス幅が調整可能とすると、パルス
の幅を小さくして連続性を保とうとするため、今度は、
高調波の連続性が失われてしまう。

【００３６】この電圧範囲をカバーする変調方式は種々
考えられるが、パルス発生制御の容易さ，ユニポーラ変
調との整合性，出力電圧に含まれる高調波の連続性等の
観点から過変調（過変調モード）が最も効果的であると
いえる。過変調領域では、出力電圧半周期の電圧パルス
列の中央部分（基本波瞬時値のピーク付近）におけるパ
ルス間の狭幅スリットを徐々に埋めることにより、出力
電圧を１パルス付近まで拡大することを可能としてい
る。

【００３７】過変調制御の極限、すなわち、変調率が極
めて大きい領域では、出力電圧の半周期に１つのパルス
しか存在しない、いわゆる１パルスモードに移行し、こ
のときの出力電圧はほぼＥmax に達する。しかしなが
ら、このままでは過変調から１パルス、あるいは１パル
スから過変調への移行タイミングは、変調率やキャリア
周波数に依存するため、このタイミングを任意に設定で
きず、この間にヒステリシスを設けると、基本波電圧の
連続性が損なわれる。

【００３８】そこで、過変調制御から、過変調の延長で
はないパルス幅制御（つまり、変調率を無限大としない
１パルスモードの作りかた）による電圧制御が可能な１
パルス制御に移行させる。これにより、過変調と１パル
ス制御の間で、所定のタイミングでの移行を可能とし、
基本波電圧の連続的な移行が実現される。

【００３９】これら一連の移行制御を連続的に行うこと
により、要求される出力電圧に対応したパルスモードを
選択しながら、ゼロ電圧から最大電圧まで連続的にしか
も高精度で安定した出力電圧を得る。

【００４０】すなわち、図２に示すように、誘導電動機
６を図示のようにＶ／Ｆ＝一定で制御すると、起動時か
らＦ１までダイポーラ変調を用い、インバータ周波数が
Ｆ１に達した時点でユニポーラ変調領域に移行し、Ｆ２
で過変調領域、さらにＦ３で１パルス領域に順次移行さ
せる。

【００４１】以上の考えを、統一した電圧指令に基づい
て実現を可能とした変調波の一例を図３に示す。

【００４２】出力電圧の基本波成分に比例した基本変調
波ａは、上位の電流制御手段からのインバータ周波数指
令Ｆｉ＊と出力電圧指令Ｅ＊に基づいて、次式より作成
する。

【００４３】

【数６】ａ＝Ａsinθ ここに、Ａ：変調率，ｔ：時間，θ：位相（＝２πＦｉ＊ｔ） …（数６）ここで、正弦波変調領域における変調率Ａ(０≦Ａ≦１)
は次式で与えられる。

【００４４】

【数７】

【００４５】この基本変調波ａは、ダイポーラ変調，ユ
ニポーラ変調とも全く同一であり、過変調では後で説明
するように変調率Ａの算出方法が異なる以外は、やはり
同じである。

【００４６】ダイポーラ変調とユニポーラ変調の間を連
続的に移行できるようにするため、ここでは、次式に示
す正負バイアス変調波ａbp，ａbnを設ける。

【００４７】

【数８】

【００４８】ダイポーラ変調制御では、上記ａbp，ａbn
がそのまま正側変調波ａｐと負側変調波ａｎとなる。

【００４９】

【数９】

【００５０】なお、ここではスイッチング関数Ｓｐ，Ｓ
ｎの作成を簡便化するため、ａｐ，ａｎとも正となるよ
うに設定している。最終的に、出力電圧のパルス幅は、
ａｐ，ａｎの大きさに比例して設定され、ダイポーラ変
調の場合には、正負パルスをほぼ１８０゜ずつずらして
制御する。

【００５１】ユニポーラ変調では、正負変調波ａｐ，ａ
ｎは

【００５２】

【数１０】

【００５３】

【数１１】

【００５４】で与えられる。

【００５５】スイッチング素子の最小オフ時間が無視で
きるほど小さい場合には、ａｐ，ａｎの瞬時値が１以上
のとき最大のパルスを出力する（後述の過変調）。

【００５６】ここで、バイアスＢの設定は移行制御にお
いて極めて重要であることがわかる。Ｂの値によりダイ
ポーラ変調領域とユニポーラ変調領域との移行制御が実
現され、 (a）Ａ／２≦Ｂ＜０.５のときダイポーラ変調 (b）Ｂ＝０のときユニポーラ変調となる。

【００５７】一方、過変調制御では、変調率Ａを１以上
まで高め、出力電圧の半周期の中央部分のパルス間のス
リット（ゼロ電圧出力期間）を抑制して、出力電圧を向
上させる。

【００５８】さらに電圧指令を高めた場合には、過変調
モードから１パルスモードに移行する。この動作につい
ては、以下の実施例の中で説明する。

【００５９】このように、ダイポーラ変調，ユニポーラ
変調及び過変調を統一した電圧指令に基づいて実現し、
最大出力となる１パルスまでの連続移行制御が可能とな
る。以下、上記考え方を実現する一実施例の構成を説明
する。

【００６０】図１は、前述のスイッチングユニットを制
御して、３レベルの電位を有する交流電圧を出力するパ
ルス幅変調装置の例である。

【００６１】図１において、１は出力電圧関連情報及び
移行制御情報に従ってダイポーラ変調波形、あるいはユ
ニポーラ変調波形、あるいは過変調波形を出力する多パ
ルス発生手段、２は出力電圧関連情報に従って１パルス
波形を出力(１パルスモード)する１パルス発生手段、３
は各ＰＷＭモードを連続的に移行させる移行制御手段で
ある。移行制御手段３の出力であるゲート信号は、図示
しないゲートアンプを介して各相のスイッチングユニッ
ト内のスイッチング素子に与えられ、オン・オフ制御さ
れる。これら多パルス発生手段１，１パルス発生手段
２、及び移行制御手段３から構成されるパルス幅変調手
段が本発明の特徴部分である。

【００６２】なお、この例では、パルス幅変調手段に取
り込まれる出力電圧関連情報は、上位の電流制御手段８
から与えられる。この電流制御手段８は、電流指令から
電流調節手段８１によって誘導電動機６のすべり周波数
指令Ｆｓ＊を作成（電流指令値と実電動機電流との偏差
による）し、誘導電動機６に取り付けられた回転周波数
検出手段６１によって検出された誘導電動機の回転周波
数Ｆｒと前記Ｆｓ＊とを加えてインバータ周波数指令Ｆ
ｉ＊を作成する。

【００６３】さらに、このＦｉ＊と３レベルインバータ
の直流電圧Ｅｄ（ＰＮ間電圧で、クランプコンデンサ電
圧の和ｖcp＋ｖcnに等しい）に基づいて、出力電圧設定
手段８２は出力電圧指令Ｅ＊を作成する。

【００６４】この出力電圧設定手段８２は、Ｅｄが低い
場合（Ｅｄ＝Ｅd1）には傾きを大きく、Ｅｄが高い場合
（Ｅｄ＝Ｅd3）には傾きを小さく設定し、常に出力電圧
が要求通りとなるようにして、図２に示した出力電圧特
性を実現するものである。これら電流制御手段は、出力
電圧の瞬時値を出力するものであっても良い。

【００６５】上記パルス幅変調手段の構成と動作につい
て、図４から図１１を用いて詳細に説明する。

【００６６】図４にパルス幅変調手段の全体構成例を示
す。ここで、多パルス発生手段１は、基本変調波発生手
段１１，バイアス重畳手段１２，正負分配手段１３，基
準信号発生手段１４、及びパルス発生手段１５から構成
される。

【００６７】基本変調波発生手段１１は、出力電圧関連
情報として受け取ったインバータ周波数指令Ｆｉ＊を位
相演算手段１１２によって時間積分することにより位相
θを求め、このθにおける正弦値sinθ を求める。一
方、出力電圧関連情報の１つである電圧指令Ｅ＊から振
幅設定手段１１１により基本変調波の振幅Ａ（変調率）
を演算出力し、１／２したのちsinθ と掛け合わせて振
幅が１／２の瞬時の基本変調波ａ／２を作成して出力す
る。バイアス重畳手段１２は、このａ／２に移行制御手
段３の多パルス移行制御手段３１からのバイアスＢを加
算及び減算し、２本の正負バイアス変調波ａbp及びａbn
を作成して出力する。

【００６８】ここで、ダイポーラ変調とユニポーラ変調
との間の連続的移行はバイアスＢの設定による。図５
に、このバイアスＢを設定することにより行うダイポー
ラ／ユニポーラ移行制御手段３１１の構成例を示す。ダ
イポーラ／ユニポーラ移行制御手段３１１は、出力電圧
指令Ｅ＊を３１１ａで４／π倍することにより変調率Ａ
を求め、バイアス発生手段３１１ｂでこの変調率Ａに応
じたバイアスＢを決定する。すなわち、変調率Ａが小さ
く微小な出力電圧が要求されるところではＢ＝Ｂｏ（た
だし、Ｂｏ≧Ａ／２）に設定し、Ａ＝Ａ１に達したとこ
ろでＢ＝０とする。Ａ＝Ａ１のときの出力電圧が式（数
２）に示される電圧よりも大きくなるようにＡ１をあら
かじめ決めておけば、ゼロを含む微小電圧からの電圧制
御が可能となる。

【００６９】さらに、上記正負バイアス変調波ａbp，ａ
bnを、正負分配手段１３によって、ａbp，ａbnのうち正
の部分はａｐに、ａbp，ａbnのうち負の部分はａｎに分
配・合成することにより、ダイポーラ変調からユニポー
ラ変調にかけての出力電圧基本波成分の連続性を維持し
た正負変調波ａｐ，ａｎが作成される。

【００７０】この正負変調波ａｐ，ａｎに基づいて、パ
ルス発生手段１５は、パルス発生周期が２Ｔｏのスイッ
チング関数Ｓｐ，Ｓｎを生成する。基準信号発生手段１
４が、スイッチング周波数指令Ｆsw＊に従い、パルス発
生周期Ｔｏを定める。ここで、Ｆsw＊とＴｏの関係は次
式で表せる。

【００７１】

【数１２】Ｔｏ＝１／(２Ｆsw＊) …（数１２）パルス発生手段１５のパルス発生動作を図６を用いて説
明する。

【００７２】図６において、パルスタイミング設定手段
１５１は、ａｐ，ａｎ，ａoff ，Ｔｏ（ａｎ，ａoff に
ついては後述する）に基づいて、Ｓｐの立上がりタイミ
ングＴpup、及びＳｎの立下がりタイミングＴndnを次式
より求める（処理１）。

【００７３】

【数１３】

【００７４】

【数１４】

【００７５】次の周期では、Ｓｐの立下がりのタイミン
グＴpdn 及びＳｎの立上がりのタイミングＴnup を処理
１と同様に求める（処理２）。

【００７６】

【数１５】

【００７７】

【数１６】

【００７８】上記の処理１と処理２を交互に行うことに
より、スイッチング関数Ｓｐ，Ｓｎが作成される。

【００７９】ここで、ａon，ａoff は、スイッチング素
子の最小オン時間Ｔon及び最小オフ時間Ｔoffから定ま
る値であり、

【００８０】

【数１７】

【００８１】で与えられる。すなわち、図７（Ｓｐの
例）に示すように、オンパルス幅Ｔwon、及びオフパル
ス幅Ｔwoffは

【００８２】

【数１８】

【００８３】となり、図８の破線で示す特性を持つ。こ
こで、オンパルス幅Ｔwon がスイッチング素子によって
定められた最小オン時間Ｔon以下とならないように、ま
た、オフパルス幅Ｔwoffがスイッチング素子によって定
められた最小オフ時間Ｔoff 以下とならないように、図
８の実線で示す特性とする。これを実現するため、図６
のパルスタイミング設定手段１５１の機能を付加した。
これによって発生する出力電圧基本波成分の不連続は極
めて小さいため、無視しても差し支えない。

【００８４】なお、ａoff は出力電圧基本波成分の不連
続が無視できる範囲内においては可変可能であり、ユニ
ポーラ変調から過変調への移行タイミングとして、ユニ
ポーラ／過変調移行制御手段３１２から与えている。も
し、ａoff を一定に設定した場合には、パルス発生をよ
り簡略化できる。

【００８５】すなわち、パルスタイミング設定手段１５
１が自動的にユニポーラから過変調に移行させるのでａ
off を出力するユニポーラ／過変調移行制御手段３１２
を設ける必要がない。

【００８６】スイッチング関数発生手段１５２は、周期
Ｔｏの基準信号を発生し、これに同期して上記Ｔpup，
ＴndnまたはＴpdn，Ｔnupを基に、Ｓｐ，Ｓｎをセット
する。過変調時のスイッチング関数の一例を図９に示
す。ａｐの瞬時値Ａｐがａｏｆｆを越えるとスイッチン
グ関数Ｓｐのパルス間のスリット（図９（ｃ）のハッチ
ング部分）を埋める。この埋められたスリット幅はスイ
ッチング素子の最小オフ時間Ｔｏｆｆよりも小さく、
１〜２個程度ずつ徐々になくなるため、出力電圧の基本
波にはほとんど影響を与えない。

【００８７】パルスタイミング設定手段１５１をソフト
ウェアで実現する場合のフローチャートを図１０に示
す。

【００８８】ところで、過変調制御では、出力電圧半周
期の中央部分のパルス間のスリットを埋めることにより
最大電圧状態を維持し、変調波のゼロクロス近傍のみで
PWM制御を行っている。そのため、この領域では変調率
Ａと実際に出力される出力電圧が非線形となり、変調率
Ａを直線的に増加させても、出力電圧はこれに追従して
直線的に増加しない。

【００８９】そこで、変調率Ａの設定を非線形化するこ
とにより、過変調時の出力電圧の線形化を図る。すなわ
ち、ＰＷＭ制御部分でのスイッチング周波数が十分に高
いものとすれば、出力電圧の基本波実効値Ｅと変調率Ａ
の関係は次式で表せる。

【００９０】

【数１９】

【００９１】従って、上式の関係からあらかじめＥ＊と
Ａの関係を算出しておき、図１１に示す振幅設定手段１
１１を構成することにより、出力電圧をＥ＊に対して直
線的に調整できる。その結果、特に１パルスに近い高電
圧域での電圧制御性を向上できる。

【００９２】さらに電圧指令を高めた場合には、移行制
御手段３の切換えスイッチ３２の働きにより、過変調モ
ードから１パルスモードに移行する。切換えスイッチ３
２は、多パルス移行制御手段３１の出力の１つであるＳ
_PMがＳ_PM＝０のとき多パルス側Ｓ_PM＝１のとき１パルス側に切換えられる。図１２に、１パルス／多パルス切換え
制御手段３１３の一例を示す。この例では、電圧指令Ｅ
＊がＥ1Pを越えたとき多パルスモードから１パルスモー
ドへ移行させ、Ｅ＊がＥMPより小さくなったとき１パル
スモードから多パルスモードへ移行させるようにヒステ
リシスを設けている。これにより、不用意なＰＷＭモー
ドの移行を抑制し、過渡変動の少ない安定した出力電圧
が得られるようにしている。

【００９３】１パルス発生手段２は、位相演算手段２
１、及びパルス発生手段２２から構成される。位相演算
手段２１の動作は１１１と全く同じでよく、２１を省略
して１１１の出力を利用してもよい。

【００９４】パルス発生手段２２の構成例を図１１に示
す。３レベルＰＷＭでは２レベルＰＷＭと異なり、１パ
ルス制御時にパルス幅の制御により出力電圧の調整が行
える。そこで、電圧指令Ｅ＊から、パルスの立ち上がり
のタイミング位相α、及び立ち下がりのタイミング位相
βを

【００９５】

【数２０】

【００９６】で求める。このα，βを位相θを基準にし
てセットし、Ｓｐ，Ｓｎを作成，出力することにより、
１パルス波形を実現する。

【００９７】このように、ダイポーラ変調，ユニポーラ
変調及び過変調を統一した電圧指令に基づいて実現し、
最大出力となる１パルスまでの連続移行制御が可能とな
る。本実施例では、出力電圧をゼロ電圧から最大電圧ま
で連続的かつスムーズに調整することが可能となり、さ
らに、高精度で安定した出力電圧を提供できる効果があ
る。

【００９８】ところで、図４に示した第１の実施例で
は、上記多パルス発生手段の出力パルス列をインバータ
周波数と非同期で発生させ、１パルス発生手段の出力パ
ルスをインバータ周波数と同期させて制御している。

【００９９】この理由は、多パルス領域において同期式
を採用している前述した従来技術では、第１に位相の管
理のための制御が複雑、第２に何らかの制御の要請から
出力電圧指令を正弦波から歪ませる必要がある場合（図
１において、インバータ周波数Ｆｉ＊や出力電圧指令Ｅ
＊が電気車制御上の要請により調整されている場合等）
出力電圧指令を忠実に再現できないという問題がある。

【０１００】つまり、第１の問題は、同期式は、インバ
ータ周波数の整数倍のパルスを出力させるため、各パル
スモード毎に位相と発生パルスの関係を有するテーブル
を備え、パルスモードとインバータ周波数から得られる
位相とからパルス発生位相を読み出して出力するように
している。この位相の管理に要する計算量やパルスモー
ドごとのメモリは膨大なものとなり、制御の複雑化を招
いてしまう。

【０１０１】また、第２の問題は、従来技術に示された
同期式は、９０°分のパルスデータをもっているが、デ
ータは出力電圧が正弦波になるよう作成されているの
で、出力電圧を指令通りに正確に表現しえないという問
題がある。

【０１０２】そこで、本実施例では、多パルスモードに
おけるパルスの発生をインバータ周波数とは非同期にす
ることによりこれらの解決を図った。

【０１０３】すなわち、第１の問題に対しては、パルス
の発生のためにインバータ周波数に拘束されずに独立し
てパルスを発生させることができる。つまり、図４にお
いて、スイッチング周波数指令Ｆsw＊をインバータ周波
数指令Ｆｉ＊とは独立に設定することができる（図４、
基準発生１４はインバータ周波数に独立している）。こ
のため、パルス発生のための複雑な制御手続きを要しな
く、制御を簡略化することができる。

【０１０４】また、第２の問題に対しては、非同期式で
あると、位相毎にデータを持つ必要がなくなり、瞬時の
電圧指令に相当するパルスを出力することができるよう
になったので、歪正弦波であっても忠実に表現すること
ができる。また、上記したように位相演算等に関する制
御が簡略した分、逐次電圧指令に相当したパルスを出力
するための演算を行うことができるようになり、演算周
期を短くすることができるのでさらに、忠実度を増すこ
とができる。

【０１０５】また、非同期式にすると、スイッチング周
波数がインバータ周波数に依存しないため、スイッチン
グ周波数の変化を最小限にすることができ、同期式にみ
られるパルスモード切換え前後における、音質の変化
（異音，不快音）を最小限にすることができるという効
果もある。

【０１０６】また、上記実施例は３レベルインバータを
例にとって説明したが、２レベルインバータや３レベル
以上の多レベルインバータにおいても同様である。

【０１０７】ところで、比較的低い周波数でスイッチン
グを行うＧＴＯサイリスタのようなスイッチング素子の
場合は、出力電圧高調波の内、スイッチング周波数に依
存して発生する側帯波成分とインバータ周波数の基本波
成分との干渉が発生することがある。これを避けるた
め、多パルス発生手段のＰＷＭモードの内、ダイポーラ
変調モードとユニポーラ変調モードをインバータ周波数
に対して非同期とし、過変調モード，１パルスモードを
同期とする（図１４）。

【０１０８】このような構成とすることにより、過変調
時においてもより安定した電圧を供給可能となる。

【０１０９】図１５に多パルス移行制御の他の実施例を
示す。図１５には多パルス移行制御手段３１のみを示し
た。これは、４種のＰＷＭモードをインバータ周波数指
令Ｆｉ＊と電圧指令Ｅ＊の両方に依存して移行させるも
のである。すなわち、Ｆi*＜Ｆ１かつＥ＊＜Ｅ１のとき
ダイポーラ変調、Ｆｉ＊≧Ｆ１かつＥ１≦Ｅ＊＜Ｅ２の
ときユニポーラ変調、Ｅ２≦Ｅ＊＜Ｅ３のとき過変調、
Ｅ＊≧Ｅ３のとき１パルスとする。これにより、例えば
回生起動時や再力行時のように、周波数が高い高速域で
出力電圧をソフトスタートする場合においても、ダイポ
ーラ変調→ユニポーラ変調→過変調→１パルスという移
行条件が満足され、安定した電圧立ち上げが可能とな
る。また、低周波領域で常にダイポーラ変調制御となる
ため、ユニポーラ変調の場合のような特定スイッチング
素子への電流集中を回避できる。

【０１１０】次に第２の実施例について説明する。

【０１１１】第１の実施例を拡張して、図１６に示すよ
うに、ダイポーラ変調とユニポーラ変調の間に、両変調
波形が混在する部分ダイポーラ変調を導入すれば、さら
に、出力電圧とスイッチング周波数のスムーズさを増す
ことができる。

【０１１２】出力電圧指令波形の一例を図１７に示す。
図１７において、（ロ）以外は図３と全く同じである。
以下、この部分ダイポーラについて説明する。

【０１１３】バイアス重畳と正負分配の効果により、バ
イアスＢがダイポーラ変調でもユニポーラ変調でもない
範囲（０＜Ｂ＜Ａ／２）に設定されたとしても、基本変
調波の要求通りの電圧を過不足なく再現することが可能
である。この場合、出力電圧のピーク付近はユニポーラ
変調で、すそ野はダイポーラ変調である部分ダイポーラ
変調となる。このときの正側変調波ａｐ及び負側変調波
ａｎは

【０１１４】

【数２１】

【０１１５】

【数２２】

【０１１６】となる。（ａｐ−ａｎ）が常に基本変調波
ａに一致し、出力電圧基本波の瞬時値の連続性も維持さ
れることがわかる。

【０１１７】上記性質を利用して、変調率Ａの増加に従
ってバイアスＢを徐々に減少させれば、ダイポーラ変調
からユニポーラ変調まで部分ダイポーラ変調を介して連
続的に移行できる。当然ながら、その逆も可能である。

【０１１８】ダイポーラ／ユニポーラ移行制御手段の一
例を図１８に示す。図１８の実線で示したようにバイア
スＢを設定すれば、０≦Ａ≦Ａ１の領域ではダイポーラ
変調、Ａ１＜Ａ＜Ａ２の領域では部分ダイポーラ変調、
Ａ≧Ａ２の領域ではユニポーラ変調となる。この場合、
ダイポーラ変調とユニポーラ変調の切換え時に電動機か
らの異音が生じないため、装置の低騒音化に有効であ
る。

【０１１９】図１８を応用すると、図１９に示すように
領域毎にＰＷＭモードを管理できる。図１９は、多パル
ス移行制御手段３１のみを示した。これは、５種のＰＷ
Ｍモードをインバータ周波数指令Ｆｉ＊と電圧指令Ｅ＊
の両方に依存して移行させるものである。すなわち、Ｆ
ｉ＊＜ＦｏかつＥ＊＜Ｅｏのときダイポーラ変調、Ｆｏ
≦Ｆｉ＊＜Ｆ１かつＥｏ≦Ｅ＊＜Ｅ１のとき部分ダイポ
ーラ変調、Ｆｉ＊≧Ｆ１かつＥ１≦Ｅ＊＜Ｅ２のときユ
ニポーラ変調、Ｅ２≦Ｅ＊＜Ｅ３のとき過変調、Ｅ＊≧
Ｅ３のとき１パルスとする。これにより、例えば回生起
動時や再力行時のように、周波数が高い高速域で出力電
圧をソフトスタートする場合においても、ダイポーラ変
調→部分ダイポーラ変調→ユニポーラ変調→過変調→１
パルスという移行条件が満足され、安定した電圧立ち上
げが可能となる。また、空転再粘着時においても回生起
動時と同様の効果が挙げられる。さらに、いかなる運転
状態においても、パルスモード切換え時の電動機からの
異音の発生を最小限に止められる効果がある。

【０１２０】ところで、鉄道車両用電気車制御装置に用
いられるインバータでは、インバータ周波数Ｆｉ＊の可
変範囲は０〜３００Ｈｚ程度である。出力電圧が最大と
なるインバータ周波数Ｆcvは、インバータ周波数可変上
限の１／５〜１／３で、Ｆcvの上限は約１００Ｈｚ程度
である。非同期でパルスを発生する際に、スイッチング
周波数周りに発生する高調波と、インバータ周波数の基
本波との干渉による出力電流の変動を避けるには、Ｆcv
の１０倍程度のスイッチング周波数、つまり１ｋＨｚ以
上のスイッチング周波数が必要となる。

【０１２１】さらに、騒音（前述の異音等）低減には、
スイッチング周波数の変動を最小限に押さえることが効
果的であり、過変調の導入により、多パルス領域でのス
イッチング周波数の変動を１〜２Ｆｉ以内にすることが
できる。

【０１２２】当然ながら、マイクロプロセッサ等を用い
れば、上記パルス幅変調手段の一部または全てをプログ
ラム化して、ソフトウェア的に実現することも可能であ
る。図２１に、図４のパルス幅変調手段におけるパルス
の立ち上げ，立ち下げタイミングの演算までをソフトウ
ェアで実現するためのフローチャートの一例を示す。以
上は全て誘導電動機負荷の場合を例にとって説明した
が、これに限らず他の交流電動機においても同様の効果
が期待できる。また、以上は全てインバータを対象とし
た説明であったが、これらのインバータの出力端子をリ
アクタンス要素を介して交流電源と接続し、交流を直流
に変換する自励式コンバータとして動作させることも可
能である。この場合も、インバータの場合と同様の効果
が期待できる。

【０１２３】なお、以上は３レベルインバータの場合に
ついて述べたが、本発明の考え方は３レベル以上の多レ
ベルインバータにおいても対応可能である。

【０１２４】

【発明の効果】本発明によれば、インバータ出力電圧
を、ゼロ電圧から最大電圧まで連続的かつスムーズに調
整することが可能となる。また、パルス発生制御系を簡
略化するという効果がある。

【０１２５】さらに、電気車に適用すると低騒音な電気
車を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図。

【図２】出力電圧特性とＰＷＭモードの関係を説明する
図。

【図３】多パルス領域でのＰＷＭモード連続移行のため
の変調波の説明図。

【図４】図１の構成の詳細説明図。

【図５】ダイポーラ／ユニポーラ移行制御手段の一例を
示す図。

【図６】多パルス発生手段におけるパルス発生手段の一
例を示す図。

【図７】オン・オフパルス幅の関係を示す波形図。

【図８】オン・オフパルス幅の特性を示す図。

【図９】過変調波形の一例を示す図。

【図１０】ソフトウェアによるパルスタイミング設定手
段のフローチャートを示す図。

【図１１】振幅設定手段の一構成例を示す図。

【図１２】多パルス／１パルス切換制御手段の一例を示
す図。

【図１３】１パルス発生手段の一例を示す図。

【図１４】他の実施例の一構成例を示す図。

【図１５】移行制御手段の一例を示す図。

【図１６】他のＰＷＭモードを含む場合の出力電圧特性
とＰＷＭモードの関係図。

【図１７】他のＰＷＭモードの変調波を説明する図。

【図１８】他のＰＷＭモードを実現する移行制御手段の
構成図。

【図１９】移行制御手段の一例を示す図。

【図２０】インバータ周波数とスイッチング周波数の関
係を説明する図。

【図２１】ソフトウェアによるパルス幅変調手段のフロ
ーチャートを示す図。

【符号の説明】

１…多パルス発生手段、２…１パルス発生手段、３…移
行制御手段、４…直流架線、６…誘導電動機、７ａ，７
ｂ，７ｃ…スイッチングユニット、８…電流制御手段、
１１…基本変調波発生手段、１２…バイアス重畳手段、
１３…正負分配手段、１４…基準信号発生手段、１５…
パルス発生手段、２１…位相演算手段、２２…パルス発
生手段、３１…多パルス移行制御手段、３２…切換えス
イッチ、５０…直流リアクトル、５１，５２…クランプ
コンデンサ、６１…回転周波数検出手段。

フロントページの続き (72)発明者照沼睦弘茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者鈴木優人茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者筒井義雄茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者豊田瑛一茨城県ひたちなか市市毛1070番地株式会社日立製作所水戸工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のスイッチング素子を制御して直流よ
り３レベルの電位を有する交流相電圧に変換する電力変
換器であって、この電力変換器の出力相電圧の基本波の
半周期に正負のパルス列と該パルス間に零電位を有する
パルス列を前記電力変換器の相に発生させるダイポーラ
変調モードのパルス発生手段を備えた電力変換装置にお
いて、前記パルス発生手段は、マイクロコンピュータの処理に
より行い、第１の割込処理で前記電力変換器における正
側のスイッチング素子のパルスの立上げのタイミングと
負側のスイッチング素子のパルスの立下げのタイミング
を演算し、第２の割込処理で前記電力変換器における正
側のスイッチング素子のパルスの立下げのタイミングと
負側のスイッチング素子のパルスの立上げのタイミング
を演算し、これら第１と第２の演算処理を交互に行わせ
るようにしたことを特徴とする電力変換装置。