JP2005295776A - Pwm inverter control method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、三相ブリッジ回路の各アームのうち1アームのオン・オフ状態を固定しておき、残りの2アームのみをPWM制御する2アーム変調方式を用いてなるPWMインバータの制御方法に関する。 The present invention relates to a PWM inverter control method using a two-arm modulation system in which one arm of a three-phase bridge circuit is fixed in an on / off state and only the remaining two arms are PWM-controlled.
図8は、この種のPWMインバータの従来例動作を説明するPWMインバータの出力波形図であり、この図において、図示の相電圧vU ,vV ,vW それぞれに対し、例えば、図示の線間電圧vUVは正弦波状になることが知られている。また、このPWMインバータで可変速駆動される誘導電動機での力率角は負荷率により約25°〜約50°(電気角)の範囲で変化することも知られているが、図8では、相電圧vU と相電流iU との力率角、すなわち、位相角が約30°(電気角)のときを示している。 FIG. 8 is an output waveform diagram of a PWM inverter for explaining the operation of a conventional example of this type of PWM inverter. In this figure, for example, for the phase voltages v U , v V , and v W shown in FIG. It is known that the inter-voltage v UV is sinusoidal. Further, it is also known that the power factor angle in the induction motor driven at a variable speed by the PWM inverter changes in the range of about 25 ° to about 50 ° (electrical angle) depending on the load factor. It shows the power factor angle between the phase voltage v U and the phase current i U , that is, when the phase angle is about 30 ° (electrical angle).
このPWMインバータの主回路を構成する半導体スイッチング素子のスイッチング損失は、該素子のオン・オフ時の電圧および電流の大きさで決まり、それぞれが大きい程、前記スイッチング損失も増大することが知られている。 The switching loss of the semiconductor switching element constituting the main circuit of the PWM inverter is determined by the magnitude of the voltage and current when the element is turned on and off, and it is known that the switching loss increases as each increases. Yes.
図9は、図8における相電流iU と相電圧vU を指令する電圧指令値eU ** と三角波状の搬送波との関係を説明する波形図であり、この図からも明らかなように、従来は相電圧vU の波高値を中心に±30°(電気角)の区間に2アーム変調方式におけるオン・オフ状態を固定する期間を発生させるようにしているが、その結果、相電流iU の波高値と前記オン・オフ状態の区間とにずれが生じ、例えば、図9に示すU相のPWM制御結果としてのPWMu* において、相電流iU が大きな値の位置でも前記半導体スイッチング素子のスイッチング動作が行われ、従って、該素子のスイッチング損失が増大するという問題点があった。なお、図9の動作波形例では、その動作を理解し易くするために、前記搬送波の周波数をPWMインバータが出力する基本波周波数の9倍の例を示しているが、一般的に、前記搬送波は前記基本波周波数の30〜数100倍に設定されることから、前記スイッチング損失の増大も無視できない値となり、その結果、PWMインバータ全体を大きくし、価格上昇を招いていた。 FIG. 9 is a waveform diagram for explaining the relationship between the voltage command value e U ** for instructing the phase current i U and the phase voltage v U in FIG. 8 and a triangular wave-shaped carrier wave. Conventionally, a period for fixing the on / off state in the two-arm modulation system is generated in the interval of ± 30 ° (electrical angle) around the peak value of the phase voltage v U , but as a result, the phase current i U lag behind the peak value and the oN-oFF state section of, for example, the semiconductor switching in position in PWMu *, the phase current i U is a large value as a PWM control result of the U-phase shown in FIG. 9 There is a problem that the switching operation of the element is performed, and therefore, the switching loss of the element increases. In the example of the operation waveform of FIG. 9, in order to facilitate understanding of the operation, an example in which the frequency of the carrier wave is nine times the fundamental frequency output from the PWM inverter is shown. Is set to 30 to several hundred times the fundamental frequency, the increase in the switching loss is a value that cannot be ignored. As a result, the entire PWM inverter is enlarged and the price is increased.
上記問題点を解決するPWMインバータの制御方法として、下記特許文献1に記載されているように、負荷力率に応じてPWMインバータの内部損失をより少なくする制御方法が提案されている。
上記特許文献1に開示されている制御方法では、PWMインバータが出力する電圧と電流から直接的にその位相角を検出するようにしているが、この検出に手間がかかり、特にマイコン制御を用いてなるPWMインバータの場合、該PWMインバータ全体の回路構成を複雑にし、価格上昇の要因となっていた。
In the control method disclosed in
この発明の目的は、上記問題点を解決し、マイコン制御を用いてなるPWMインバータに好適な制御方法を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above problems and provide a control method suitable for a PWM inverter using microcomputer control.
この第1の発明は、三相ブリッジ回路の各アームのうち1アームのオン・オフ状態を固定しておき、残りの2アームのみをPWM制御する2アーム変調方式を用いてなるPWMインバータの制御方法において、
前記PWMインバータが出力する周波数と電圧と電流とから該PWMインバータの前記電圧と電流の位相角を検出し、この検出した位相角から電気角で90°遅れた位置が前記オン・オフ状態を固定した区間のほぼ中心となるように制御することを特徴とする。
The first invention controls a PWM inverter using a two-arm modulation system in which one arm of a three-phase bridge circuit is fixed in an on / off state and only the remaining two arms are PWM-controlled. In the method
The phase angle of the voltage and current of the PWM inverter is detected from the frequency, voltage, and current output from the PWM inverter, and the on / off state is fixed at a position delayed by 90 ° in electrical angle from the detected phase angle. It is characterized by controlling so that it becomes substantially the center of the section.
また第2の発明は、三相ブリッジ回路の各アームのうち1アームのオン・オフ状態を固定しておき、残りの2アームのみをPWM制御する2アーム変調方式を用いてなるPWMインバータの制御方法において、
前記PWMインバータに指令される周波数指令値と電圧指令値と該PWMインバータが出力する電流とから該PWMインバータが出力する電圧と電流の位相角を推定演算し、この演算した位相角から電気角で90°遅れた位置が前記オン・オフ状態を固定した区間のほぼ中心となるように制御することを特徴とする。
Further, the second invention controls a PWM inverter using a two-arm modulation system in which one arm of the three-phase bridge circuit is fixed in an on / off state and only the remaining two arms are PWM-controlled. In the method
The phase angle of the voltage and current output from the PWM inverter is estimated and calculated from the frequency command value and voltage command value commanded to the PWM inverter and the current output from the PWM inverter, and the electrical angle is calculated from the calculated phase angle. Control is performed so that the position delayed by 90 ° is approximately the center of the section in which the on / off state is fixed.
この発明は、PWMインバータの出力電圧や出力電流を、周知の技術を用いて直交座標系に分解すれば、その位相角が容易に求められることに着目してなされたものであり、その結果、この発明のPWMインバータの制御方法に用いることにより、そのスイッチング損失を低減することが可能になり、従って、該PWMインバータの電流容量を大きくすることができるので、このPWMインバータ全体をより安価に製作することができる。 This invention was made by paying attention to the fact that the phase angle can be easily obtained if the output voltage or output current of the PWM inverter is decomposed into a rectangular coordinate system using a known technique. By using the PWM inverter control method of the present invention, it becomes possible to reduce the switching loss, and therefore the current capacity of the PWM inverter can be increased, so that the entire PWM inverter can be manufactured at a lower cost. can do.
図1は、この発明の第1の実施例を示すPWMインバータの回路構成図であり、この図において、1は図示の如くIGBTとダイオードの逆並列回路を三相ブリッジ接続してなる主回路を有するPWMインバータ、2はPWMインバータ1の負荷として、PWMインバータ1により可変速駆動される誘導電動機などの交流電動機、10はPWMインバータ1を制御する制御装置である。
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a PWM inverter showing a first embodiment of the present invention. In this figure,
この制御装置10において、11は外部から指令される周波数指令値としての交流電動機2の一次周波数指令値ω1 *から交流電動機2のトルク成分の一次電圧指令値v1q * を導出するV/ω1 変換器、12は前記一次電圧指令値v1q * と交流電動機2の励磁成分の一次電圧指令値v1d * とに基づく極座標変換を行い、交流電動機2の一次電圧ベクトルの大きさ|V1 *|とその偏角δ* とを出力する極座標変換器、13は前記一次電圧ベクトルの大きさ|V1 *|とその偏角δ* とから正弦波状の三相の電圧指令値eU *,eV *,eW *それぞれを導出し、これらの電圧指令値と加算演算器23から得られる位相角φとから、後述の方法により、2アーム変調方式の三相の電圧指令値eU ** ,eV ** ,eW ** それぞれを導出する変調波発生器、15は搬送波発生器14が出力する搬送波と前記電圧指令値eU ** ,eV ** ,eW ** それぞれとに基づくPWM制御を行い、その演算結果をPWMインバータ1の前記主回路への駆動信号として出力する変調器、17はPWMインバータ1から交流電動機2への各相の電流を検出する電流検出器、18は電流検出器17のそれぞれの検出値に対して前記一次周波数指令値ω1 *を積分器16での積分演算してなる角度値に基づくベクトル回転を行い、交流電動機2のd軸成分の一次電流i1dとq軸成分の一次電流i1qとに分解するベクトル回転器、19はtan-1(i1q/i1d)を演算し、その結果をψ(電気角)として出力する関数演算器、20はPWMインバータ1から交流電動機2へ印加される各相の電圧を検出する電圧検出器、21は電圧検出器20のそれぞれの検出値に対して積分器16からの前記角度値に基づくベクトル回転を行い、交流電動機2のd軸成分の一次電圧v1dとq軸成分の一次電圧v1qとに分解するベクトル回転器、22はtan-1(v1q/v1d)を演算し、その結果をδ(電気角)として出力する関数演算器、23は前記ψから前記δを減算し、その結果を前記位相角φ(電気角)として出力する加算演算器である。
In this
図1に示したPWMインバータ1と制御装置10によるこの発明の動作を、図2〜図6を参照しつつ、以下に説明する。
The operation of the present invention by the
変調波発生器13では、先ず、加算演算器23から得られたPWMインバータ1の出力電圧と出力電流の位相角φに基づいて、PWMインバータ1の前記主回路の前記オン・オフ状態を固定したそれぞれ区間と各相の前記出力電流それぞれの波高値の±30°(電気角)の区間とをほぼ一致させるための補正値φ’を、図2に示す特性式の如く、演算しているが、このとき、前記位相角φが30°未満または150°を越えるときには、2アーム変調方式で所望の前記出力電圧を得るために、前記補正量φ’に制限を行っている。
In the modulation wave generator 13, first, the on / off state of the main circuit of the
次に、変調波発生器13では、正弦波状の三相の電圧指令値eU *,eV *,eW *それぞれから、2アーム変調方式の三相の電圧指令値eU ** ,eV ** ,eW ** それぞれを導出するために、図3に示すフローチャートに従い、先述の一次周波数指令値ω1 *に対応した時々刻々の電気角θの推移に基づいて、モード1〜モード6(図4参照)の処理を行っている。 Next, in the modulation wave generator 13, a three-phase voltage command value e U ** , e of the two-arm modulation system is obtained from each of the sinusoidal three-phase voltage command values e U * , e V * , e W *. V **, to derive the respective e W **, in accordance with a flow chart shown in FIG. 3, on the basis of transition of the electrical angle θ momentary corresponding to the foregoing primary frequency command value omega 1 *, modes 1 6 (see FIG. 4) is performed.
図5は、PWMインバータ1の出力電圧と出力電流の位相角φが約30°(電気角)のときに、上述の処理演算により得られた三相の電圧指令値eU ** ,eV ** ,eW ** に基づいて、PWMインバータ1が出力する相電圧vU ,vV ,vW それぞれに対し、例えば、図示の線間電圧vUVは、図8に示した従来例と同様に、正弦波状になることを示した波形図である。
FIG. 5 shows three-phase voltage command values e U ** and e V obtained by the above processing calculation when the phase angle φ of the output voltage and output current of the
図6(イ)は、この発明によるPWMインバータの制御方法として、図5に示した相電流iU と相電圧vU を指令する電圧指令値eU ** と三角波状の搬送波との関係を説明する波形図であり、この図からも明らかなように、電圧指令値eU ** におけるオン・オフ状態を固定する期間と相電流iU の波高値の±30°の区間とがほぼ一致していることから、U相のPWM制御結果としてのPWMu* においても、相電流iU が大きな値の位置では前記半導体スイッチング素子のスイッチング動作が回避されている。 FIG. 6A shows a relationship between the voltage command value e U ** for instructing the phase current i U and the phase voltage v U shown in FIG. 5 and the triangular wave carrier as a PWM inverter control method according to the present invention. FIG. 6 is a waveform diagram for explanation, and as is clear from this figure, the period during which the on / off state of the voltage command value e U ** is fixed is substantially equal to the interval of ± 30 ° of the peak value of the phase current i U. Therefore, also in PWMu * as the U-phase PWM control result, the switching operation of the semiconductor switching element is avoided at the position where the phase current i U is a large value.
一方、図6(ロ)に示す従来のPWMインバータの制御方法では、電圧指令値eU ** におけるオン・オフ状態を固定する期間と相電流iU の波高値の±30°の区間とにずれが生じており、その結果、U相のPWM制御結果としてのPWMu* において、相電流iU が大きな値の位置でも前記半導体スイッチング素子のスイッチング動作が行われている。 On the other hand, in the conventional PWM inverter control method shown in FIG. 6 (b), the on / off state is fixed in the voltage command value e U ** and the interval of ± 30 ° of the peak value of the phase current i U. shift has occurred, resulting in PWMu * as a PWM control result of the U-phase, the switching operation of the semiconductor switching element is also the phase current i U is at the position of a large value is performed.
なお、図6(イ),(ロ)の動作波形例では、その動作を理解し易くするために、前記搬送波の周波数をPWMインバータが出力する基本波周波数の9倍の例を示しているが、一般的に、前記搬送波は前記基本波周波数の30〜数100倍に設定されることから、この発明のPWMインバータの制御方法による前記スイッチング損失の低減効果が大きいことは明らかである。 In the operation waveform examples in FIGS. 6A and 6B, in order to facilitate understanding of the operation, an example in which the frequency of the carrier wave is nine times the fundamental frequency output from the PWM inverter is shown. In general, since the carrier wave is set to 30 to several hundred times the fundamental frequency, it is clear that the switching loss reduction effect by the PWM inverter control method of the present invention is large.
図7は、この発明の第2の実施例を示すPWMインバータの回路構成図であり、この図において、図1の回路構成と同一機能を有するものには同一符号を付している。 FIG. 7 is a circuit configuration diagram of a PWM inverter showing a second embodiment of the present invention. In this figure, components having the same functions as those of the circuit configuration of FIG.
すなわち、この制御装置10aでは、制御装置10における電圧検出器20,ベクトル回転器21,関数演算器22が省略され、従って、座標変換器12からの偏角δ* と関数演算器19からの前記ψとの減算演算を加算演算器23aに行わせることにより、前記位相角φを推定演算している。
That is, in this
1…PWMインバータ、2…交流電動機、10,10a…制御装置、11…V/ω1 変換器、12…極座標変換器、13…変調波発生器、14…搬送波発生器、15…変調器、16…積分器、17…電流検出器、18…ベクトル回転器、19…関数演算器、20…電圧検出器、21…ベクトル回転器、22…関数演算器、23,23a…加算演算器。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記PWMインバータが出力する周波数と電圧と電流とから該PWMインバータの前記電圧と電流の位相角を検出し、この検出した位相角から電気角で90°遅れた位置が前記オン・オフ状態を固定した区間のほぼ中心となるように制御することを特徴とするPWMインバータの制御方法。 In the control method of the PWM inverter using the two-arm modulation method in which one arm of the three-phase bridge circuit is fixed in the on / off state and only the remaining two arms are PWM-controlled.
The phase angle of the voltage and current of the PWM inverter is detected from the frequency, voltage, and current output from the PWM inverter, and the on / off state is fixed at a position delayed by 90 ° in electrical angle from the detected phase angle. A control method for a PWM inverter, characterized in that the control is performed so as to be substantially at the center of the section.
前記PWMインバータに指令される周波数指令値と電圧指令値と該PWMインバータが出力する電流とから該PWMインバータの出力する電圧と電流の位相角を推定演算し、この演算した位相角から電気角で90°遅れた位置が前記オン・オフ状態を固定した区間のほぼ中心となるように制御することを特徴とするPWMインバータの制御方法。
In the control method of the PWM inverter using the two-arm modulation method in which one arm of the three-phase bridge circuit is fixed in the on / off state and only the remaining two arms are PWM-controlled.
The phase angle of the voltage and current output from the PWM inverter is estimated and calculated from the frequency command value and voltage command value commanded to the PWM inverter and the current output from the PWM inverter, and the electrical angle is calculated from the calculated phase angle. A control method for a PWM inverter, wherein control is performed so that a position delayed by 90 ° is substantially the center of a section in which the on / off state is fixed.
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