JP3413189B2 - Control device for pulse width modulation type inverter - Google Patents

Control device for pulse width modulation type inverter

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JP3413189B2
JP3413189B2 JP2002042707A JP2002042707A JP3413189B2 JP 3413189 B2 JP3413189 B2 JP 3413189B2 JP 2002042707 A JP2002042707 A JP 2002042707A JP 2002042707 A JP2002042707 A JP 2002042707A JP 3413189 B2 JP3413189 B2 JP 3413189B2
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【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、車両駆動用の電動
機を可変速制御するパルス幅変調式インバータの制御装
置に関する。 【0002】 【従来の技術】パルス幅変調方式(PWM)による可変
電圧・可変周波数(VVVF)インバータ制御により誘
導電動機を駆動する、いわゆるインバータ電車が実用化
されたが、最近では、電車のみならず機関車においても
インバータ駆動方式が主流になりつつある。現在の車両
駆動用のインバータシステムでは、2レベルの電圧をG
TOサイリスタを用いて制御する、いわゆる2レベルイ
ンバータがほとんどを占めている。しかしながら、2レ
ベルGTOインバータでは、スイッチング周波数の制約
などから、電動機で発生する電磁騒音が大きく、このた
め、騒音の低減や主回路素子を含めた装置の小形化など
が重要課題となっていた。これに対し、3レベルインバ
ータでは、出力電圧のステップ数が2レベルインバータ
より増加するため、見かけ上のスイッチング周波数が高
くなり、電磁騒音の低下が期待できること、また、主回
路素子への印加電圧は2レベルインバータに比べ約半分
となるため、低い耐圧素子の利用ができることなど、2
レベルインバータにおける課題を解決できる特徴を有し
ている。そのため、主回路素子に高耐圧IGBTを用い
た車両用の3レベルインバータシステムが開発され始め
ている。これは高周波のスイッチングが可能なIGBT
素子の採用により、3レベル化と相まって電磁騒音が大
幅に低減できるものと期待されている。3レベルインバ
ータのPWM制御としては、インバータの出力電圧の一
周期中に中間電圧を介して正と負のパルス列を交互に出
力するダイポーラ変調、インバータの出力電圧の半周期
毎に同一極性のパルス列を出力するユニポーラ変調、イ
ンバータの出力電圧の一周期中にダイポーラ変調とユニ
ポーラ変調とが混在する部分ダイポーラ変調、インバー
タの出力電圧の半周期間に出力電圧基本波と同じ極性の
単一パルスを出力する1パルス変調方式がよく知られて
いる。図6に、インバータ周波数と出力電圧の関係を示
すと共に、ダイポーラ変調、部分ダイポーラ変調、ユニ
ポーラ変調の各方式が適用される領域を表す。なお、1
パルス変調方式は、ユニポーラ変調領域が適用されるイ
ンバータ周波数より高い領域(図示せず)において適用
される。ユニポーラ変調は、変調方式として一般的であ
るが、ユニポーラ変調だけでは図6の点線Xで示すよう
に、主回路素子の最小オン時間の制約から、ゼロ電圧を
含む微小電圧を制御できない。そこで、微小電圧の制御
として、図6に示すようにインバータ周波数Fまで
は、ゼロ電圧を介して正負交互にパルスを出力するダイ
ポーラ変調を導入し、さらにダイポーラ変調とユニポー
ラ変調との移行時(つまりインバータ周波数Fとイン
バータ周波数Fの間)には、インバータ出力電流の変
動を抑えて滑らかに移行するよう、一周期中にダイポー
ラ変調とユニポーラ変調とが混在する部分ダイポーラ変
調を導入して、ゼロ電圧から出力電圧を連続に制御して
いる。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】しかし、ダイポーラ変
調は、主回路素子に対するスイッチング周波数がユニポ
ーラ変調の約2倍となるため、素子周りの損失が大き
い。特に、IGBTを採用する場合には、スイッチング
周波数は従来の2レベルインバータに比べ、1桁以上高
くとれることが可能になるため、無視できなくなる場合
がある。このため、ダイポーラ変調領域や、部分ダイポ
ーラ変調領域付近における動作時間が長い運転モードの
場合、特に、熱損失によって素子破壊を生ずる可能性が
ある。勿論、ユニポーラ変調領域における動作時間が長
い運転モードの場合も、熱損失によって素子破壊を生ず
る可能性もある。一般的には、1パルス変調を除くパル
ス幅変調における動作時間が長い運転モードの場合に、
熱損失によって素子破壊を生ずる可能性がある。 【0004】本発明の課題は、車両駆動用の電動機を可
変速制御するパルス幅変調式インバータであって、1パ
ルス変調制御を除くパルス幅変調制御においてインバー
タの動作時間が所定時間以上経過した場合には、スイッ
チング周波数を所定時間下げて素子損失を抑制するパル
ス幅変調方式インバータの制御装置を提供することにあ
る。 【0005】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、低速域ではパルス幅変調制御により、高速域は1パ
ルス制御により直流電源電圧から可周波数可変電圧の交
流を出力して車両駆動用の電動機を可変速制御するイン
バータの制御装置において、1パルス変調制御を除くパ
ルス幅変調制御によるインバータの動作時間を計測する
手段と、その動作時間が所定時間以上になった時点で、
所定時間だけインバータのスイッチング周波数を下げる
ようにパルス幅変調制御でインバータのスイッチング周
波数の設定に関わるサンプリング周期を変更する手段を
備える。 【0006】本発明では、1パルス変調を除くダイポー
ラ変調、部分ダイポーラ変調、ユニポーラ変調が長時間
持続するような運転モードの場合、1パルス変調を除く
パルス幅変調が長時間持続するような運転モードの場合
には、強制的にスイッチング周波数を下げることによ
り、スイッチングによる主回路素子の熱損失を抑制する
ことができる。 【0007】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて説明する。図1は、本発明のパルス幅変調方式イ
ンバータの制御装置を適用する車両駆動用の3レベルイ
ンバータ装置の主回路構成(3相U、V、Wの場合)を
示す。図1において、60は直流電圧源である電車線、
61、62は直流電圧源60の電圧から中間点N(以
下、中性点と呼ぶ。)を作り出すために分割(分圧)し
たコンデンサ、70〜73、80〜83、90〜93は
還流用の整流素子を備えた自己消弧可能なスイッチング
素子(この例ではIGBTとしたが、GTO、トランジ
スタ等でも良い。)、74、75、84、85、94及
び95はコンデンサの中性点電位を導出する補助整流素
子である。また、負荷は誘導電動機10の場合を示す。
それぞれの相毎に独立に動作可能であるスイッチングア
ーム7〜9の動作をスイッチングアーム7を例にとっ
て、その基本的な動作を説明する。コンデンサ61、6
2の電圧ed1、ed2を完全平滑な直流電圧源とし
て、ed1=ed2=Ed/2(Ed:全直流電圧)と
する。いま、スイッチング素子70〜73を図2の(表
1)に示すようにオン、オフ制御すると、交流出力端子
Uには、Ed/2、0、−Ed/2の3レベルの出力電
圧eを得る。Sp〜Sn及びSはスイッチング素子70
〜73の導通状態を1、0、−1で表現するスイッチン
グ関数であり、出力電圧eは e=Sp×ed1−Sn×ed2=S×Ed/2 (1) で表わされる。eは大きさがEd/2、0、−Ed/2
のパルス状電圧を組み合わせた波形となるが、一般に
は、eが正弦波に近づくようにSをパルス幅変調(PW
M)制御する。PMW制御装置は、Spと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。 【0008】次に、図3に、本発明を車両駆動用の3レ
ベルインバータ装置の制御に適用した一実施形態を示
す。図3において、カウンタ部1は、カウンタ動作信号
201により、アップもしくはダウンカウント動作を行
い、本実施形態ではカウンタ動作信号201が“1”で
アップカウント、“0”でダウンカウントする。アップ
カウントの場合、アップカウント設定部11で予め設定
されたカウント量112をカウントし、ダウンカウント
の場合、ダウンカウント設定部12で予め設定されたカ
ウント量113をカウントする。カウントリミット部2
は、カウンタ部1のカウント出力101をリミットし、
最低値はゼロ、最高値はインバータの動作環境を考慮
し、適切な値を選択する。比較器21は、カウントリミ
ット部2の出力102と、検知レベル設定部13で予め
設定した検知レベル信号114の比較を行い、検知信号
103を出力する。カウントリミット部2の出力102
が検知レベル信号114以上になれば“1”、そうでな
ければ“0”を出力する。タイムディレイ部3は、検知
信号103を入力し、スイッチング周波数低下検知信号
104を出力する。検知信号103が“1”になれば、
スイッチング周波数低下検知信号104も“1”にする
が、検知信号103が“0”に戻っても、カウンタ部1
がダウンカウントして、カウントリミット部2の出力1
02がゼロになるまでの時間以上のタイムディレイを設
けて、スイッチング周波数低下検知信号104を“0”
に戻すようにしている。タイマカウント部4は、スイッ
チング周波数低下検知信号104を入力し、スイッチン
グ周波数の設定に関わるサンプリング周期110を、所
定の値に変換するためのサンプリング変換信号105を
出力し、サンプリング周期を連続的に制御するためにタ
イマを設定する。カウンタ動作信号201について説明
する。出力電圧指令E*と、1パルス変調ではスイッチ
ング周波数を下げる必要がないので、1パルスの電圧指
令値を予め設定した指令値リミット部14のリミット出
力115とを比較器20で比較し、1パルス変調では
“1”、その他のダイポーラ、部分ダイポーラ、ユニポ
ーラ変調では“0”を出力202する。出力202はイ
ンバータ32で反転して、1パルス変調では出力203
は“0”になり、ANDゲート30の出力であるカウン
タ動作信号201は“0”となる。また、ANDゲート
30には、インバータの動作信号GSTを入力する。本
実施形態では、インバータ動作時にGST=“1”、停
止時に“0”である。更にANDゲート30には、スイ
ッチング周波数低下検知信号104をインバータ31で
反転した出力204も入力する。このためスイッチング
周波数低下検知信号104が出力されている間、カウン
タ動作信号201は“0”で、カウンタ部1はダウンカ
ウント動作を行う。位相演算部5は、インバータ周波数
指令Fi*から、インバータの出力電圧の基本波位相を
演算する。インバータ周波数指令Fi*は、図示してい
ないが、車輪に取り付けられた回転周波数検出器の出力
から、電動機の回転周波数を演算し、すべり周波数指令
と加算して求める。位相演算部5の出力106は、正弦
波演算部6で正弦波信号107に変換する。振幅設定部
7は、インバータの出力電圧指令E*から、所要のイン
バータの瞬時出力電圧を求める。出力電圧指令E*は、
前記のインバータ周波数指令Fi*及び、図示してない
が、フイルタコンデンサ電圧、電動機電流からV/F特
性が一定となるように求めた、インバータ出力電圧の指
令値である。振幅設定部7の出力108と正弦波信号1
07を乗算器22で乗算し、瞬時出力電圧信号301を
得る。バイアス設定部8は、振幅設定部7の出力108
に対して、瞬時出力電圧信号301に加減算を行い、ダ
イポーラ変調、部分ダイポーラ変調、ユニポーラ変調を
連続的に実現するためのバイアス量109を設定する。
瞬時出力電圧信号301とバイアス量109とを加算器
33で加算して正側瞬時出力電圧信号302、減算器3
4で減算して負側瞬時出力電圧信号303をそれぞれ得
る。サンプリング設定部9は、クロックTcからパルス
発生部10内に持つタイマへのサンプリング周期110
を設定する。タイマの種類にもよるが、通常のパルス作
成用のタイマとしては、パルスの立上りか立下りをサン
プリング周期毎に設定するため、スイッチング周波数F
swは、サンプリング周期をTsとすると、 Fsw=1/(2×Ts) (2) により表わすことができる。サンプリング変換部23
は、予め設定したサンプリング周期110をサンプリン
グ変換信号105の値に応じて、新しいサンプリング周
期111に設定する。パルス発生部10は、正側瞬時出
力電圧信号302、負側瞬時出力電圧信号303をそれ
ぞれ入力し、サンプリング周期111毎に所要の瞬時出
力電圧の時間量換算データに変換し、このデータを同じ
サンプリング周期111毎に起動されるタイマにセット
して、正側PWM信号500、負側PWM信号501を
得る。なお、図3においては、一相分のPWM信号につ
いて説明しており、さらにPWM信号500、501
は、図示していないパルス分配器により、3レベルイン
バータに対応した信号に処理される。 【0009】本実施形態の動作を説明する。いま、出力
電圧指令E*と、インバータ周波数指令Fi*が与えられ
ると、振幅設定部7の出力108と正弦波演算部6の正
弦波信号107を乗算器22で乗算し、瞬時出力電圧信
号301を出力する。一方、振幅設定部7の出力108
に対して、バイアス設定部8でダイポーラ変調、部分ダ
イポーラ変調、ユニポーラ変調を連続的に実現するため
のバイアス量109を設定する。ここで、バイアス量1
09と各変調の関係を図5(a)に示す。出力電圧指令
E*が低い値のとき、すなわち変調率Aが0〜Aの間
はバイアス量BをBに設定し、ダイポーラ変調を実現
する。出力電圧指令E*が中間の値のとき、すなわち変
調率AがA〜Aの間はバイアス量BをBから漸減
するように設定し、部分ダイポーラ変調を実現する。ま
た、出力電圧指令E*が高い値のとき、すなわち変調率
AがAより大きいときはバイアス量Bをゼロに設定
し、ユニポーラ変調を実現する。なお、出力電圧指令E
*が最大値のときは1パルス変調を実現する。続いて、
瞬時出力電圧信号301とバイアス量109とを加算器
33で加算して正側瞬時出力電圧信号302、減算器3
4で減算して負側瞬時出力電圧信号303を得、それぞ
れパルス発生部10に入力される。また、サンプリング
設定部9にクロックTcを入力し、サンプリング設定部
9から予め設定したサンプリング周期110が出力さ
れ、サンプリング変換部23を介して新しいサンプリン
グ周期111(後述する。)に設定され、パルス発生部
10に入力される。パルス発生部10では、正側瞬時出
力電圧信号302、負側瞬時出力電圧信号303をサン
プリング周期111毎に所要の瞬時出力電圧の時間量換
算データに変換し、このデータを同じサンプリング周期
111毎に起動されるタイマにセットして、正側PWM
信号500、負側PWM信号501を出力する。PWM
信号500、501は、図示していないパルス分配器に
より、3レベルインバータに対応した信号に処理され、
3レベルインバータ装置をPWM制御する。 【0010】次に、インバータの動作状態と新しいサン
プリング周期111により作成されるスイッチング周波
数Fswの関係を図4を用いて説明する。車両が停車し
ている状態から、インバータを起動(スタート)したタ
イミングをAとする。比較器20の出力202(1パル
ス検知)とスイッチング周波数低下検知信号104は
“0”、インバータ動作信号GSTは“1”であるか
ら、ANDゲート30の出力であるカウンタ動作信号2
01は“1”となり、カウンタ部1はアップカウント動
作を行い、出力102は一定量で増加する。この時の新
しいサンプリング周期111はサンプリング設定部9の
サンプリング周期110と同じ値であり、スイッチング
周波数は初期値のFsw1である。Bでインバータを停
止(ストップ)すると、ANDゲート30の出力は
“0”となり、カウンタ部1はダウンカウント動作とな
り、出力102は一定量で減少する。Cで再びインバー
タを起動させると、カウンタ部1はアップカウント動作
になり、出力102は再び一定量で増加する。Dで1パ
ルス変調に制御が移行する。1パルス変調ではスイッチ
ング周波数は、インバータ周波数と同値であるため、ス
イッチング損失の影響はない。そこで、1パルス変調領
域ではカウンタ部1をダウンカウント動作させる。Eで
1パルス変調から他の変調領域に移行する。まだインバ
ータは動作しているので、出力102は一定量で増加
し、Fで検知レベルに達する。検知レベル以上ではスイ
ッチング周波数低下検知信号104が“1”出力され
る。104が“1”になれば、ANDゲート30の出力
であるカウンタ動作信号201が“0”となり、直ちに
カウンタ部1はダウンカウント動作に入る。同時にタイ
マカウント部4では104が“1”になったことで、タ
イマをアップカウントして所定のリミット値まで、サン
プリング変換信号105を増加させる。サンプリング変
換部23は、サンプリング変換信号105の値に応じ
て、サンプリング周期110を新しいサンプリング周期
111に変換し、スイッチング周波数をFsw1からF
sw2に連続的に低下させる。スイッチング周波数低下
検知信号104はカウンタ部1が“0”クリアされるま
でに充分なタイムディレイTdをタイムディレイ部3で
設定している。Gでインバータを停止させ、Hで再び動
作させても、スイッチング周波数低下検知信号104は
“1”出力のままのため、スイッチング周波数はFsw
2に固定されている。Iでスイッチング周波数検知信号
104がTd経過後“0”に戻り、この時インバータが
動作しているので、カウンタ部1は再びアップカウント
動作を行う。またスイッチング周波数検知信号104が
“0”になったことで、タイマカウント部4では、タイ
マをダウンカウントしてゼロになるまで、サンプリング
変換信号105を減少させる。この結果、新しいサンプ
リング周期111はサンプリング周期110に戻り、ス
イッチング周波数はFsw2からFsw1に連続的に戻
る。Jで再びカウントリミット部2の出力102が検知
レベルに達する。この場合の動作はF〜Iの場合と同様
である。Kで1パルス変調に移行し、Mで1パルス変調
においてインバータを停止させた場合でも、スイッチン
グ周波数はFsw2に固定される。Nでスイッチング周
波数はFsw1に戻る。NはAの状態と同じである。こ
のように、本実施形態では、1パルス変調を除くダイポ
ーラ変調、部分ダイポーラ変調、ユニポーラ変調が長時
間持続するような運転モードの場合には、強制的にスイ
ッチング周波数を下げる。また、スイッチング周波数変
化時にも、スイッチング周波数をFsw1からFsw2
に連続的に低下させ、また、Fsw2からFsw1に連
続的に戻すので、出力電流の変動もなく、滑らかな制御
を行う。 【0011】次に、スイッチング損失Lを図5により説
明する。図5(a)は先に説明したようにバイアス量B
と各変調方式の関係を示し、図5(b)はサンプリング
周期Ts、図5(c)はスイッチング損失Lを示す。ダ
イポーラ変調及びユニポーラ変調時のサンプリング周期
を図5(b)に示すようにそれぞれTsoとしたとき、
ダイポーラ変調は主回路素子に対するスイッチング周波
数がユニポーラ変調の約2倍となるので、図5(c)に
示すようにスイッチング損失Lはほぼ線図Pに示す特性
L1を呈する。従って、このダイポーラ変調領域で長時
間インバータを動作するような運転モードであれば、素
子の熱損失が増加してしまう。一方、図5(b)に示す
ようにサンプリング周期をダイポーラ変調だけTs1に
上げて、スイッチング周波数をユニポーラ変調とほぼ同
じくすれば、、図5(c)に示すようにスイッチング損
失Lはほぼ線図Qに示す特性L0を呈する。従って、図
5(c)に示す斜線の素子の熱損失を軽減することにな
る。なお、部分ダイポーラ変調及びユニポーラ変調につ
いても、それぞれの領域で長時間インバータを動作する
ような運転モードであれば、同様に素子の熱損失が増加
する。そのため、同様に、サンプリング周期を上げてス
イッチング周波数を下げ、素子の熱損失を軽減する。従
って、本実施形態によれば、長時間インバータを動作す
るような運転モードのとき、強制的にスイッチング周波
数を下げることにより、スイッチングによる素子の熱損
失を抑制することができる。 【0012】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
1パルス変調を除くダイポーラ変調、部分ダイポーラ変
調、ユニポーラ変調が長時間持続するような運転モード
の場合には、強制的にスイッチング周波数を下げること
により、スイッチングによる主回路素子の熱損失を抑制
することができる。特に、ダイポーラ変調が長時間持続
するような低定速運転においては、有効である。また、
スイッチング周波数変化時にも、スイッチング周波数を
連続的に低下させ、また、元に戻すので、出力電流の変
動もなく、滑らかなインバータ制御を行うことができ
る。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a pulse width modulation type inverter control device for controlling a motor for driving a vehicle at a variable speed. [0002] A so-called inverter train, which drives an induction motor by controlling a variable voltage / variable frequency (VVVF) inverter by a pulse width modulation method (PWM), has been put into practical use. In the case of locomotives, the inverter drive system is becoming mainstream. In current inverter systems for driving vehicles, a two-level voltage is
A so-called two-level inverter controlled using a TO thyristor occupies most. However, in the two-level GTO inverter, electromagnetic noise generated by the electric motor is large due to the restriction of the switching frequency and the like. Therefore, reduction of the noise and downsizing of the device including the main circuit element have been important issues. On the other hand, in the three-level inverter, since the number of steps of the output voltage is larger than that of the two-level inverter, the apparent switching frequency is increased, and a reduction in electromagnetic noise can be expected. Further, the voltage applied to the main circuit element is Since it is about half that of a two-level inverter, a low withstand voltage element can be used.
It has features that can solve the problems in the level inverter. Therefore, a three-level inverter system for a vehicle using a high-voltage IGBT as a main circuit element has been developed. This is an IGBT capable of high frequency switching
It is expected that the adoption of the element can greatly reduce electromagnetic noise in combination with the three levels. The PWM control of the three-level inverter includes a bipolar modulation in which positive and negative pulse trains are alternately output via an intermediate voltage during one cycle of the output voltage of the inverter, and a pulse train of the same polarity every half cycle of the output voltage of the inverter. Unipolar modulation to be output, partial dipolar modulation in which dipolar modulation and unipolar modulation are mixed in one cycle of the output voltage of the inverter, and a single pulse having the same polarity as the output voltage fundamental wave is output during a half cycle of the output voltage of the inverter 1 Pulse modulation schemes are well known. FIG. 6 shows a relationship between the inverter frequency and the output voltage, and also shows a region to which each system of dipolar modulation, partial dipolar modulation, and unipolar modulation is applied. In addition, 1
The pulse modulation method is applied in a region (not shown) higher than the inverter frequency to which the unipolar modulation region is applied. Unipolar modulation is generally used as a modulation method. However, unipolar modulation alone cannot control a minute voltage including zero voltage due to the restriction on the minimum on-time of the main circuit element as shown by a dotted line X in FIG. Therefore, as the control of the minute voltage, until the inverter frequencies F 1 as shown in Figure 6, introduces a dipolar modulation for outputting a pulse alternately positive and negative through the zero voltage, further dipolar modulation and at the transition between the unipolar modulation ( the words between inverter frequencies F 1 and the inverter frequency F 2), so that a smooth transition by suppressing variation of the inverter output current, by introducing a partial dipolar modulation where the dipolar modulation and the unipolar modulation are mixed in one cycle , The output voltage is continuously controlled from zero voltage. [0003] However, in dipolar modulation, the switching frequency for the main circuit element is about twice that of unipolar modulation, so that loss around the element is large. In particular, when the IGBT is adopted, the switching frequency can be set to be higher by one digit or more than that of the conventional two-level inverter, and thus may not be ignored. For this reason, in the operation mode in which the operation time is long in the vicinity of the dipolar modulation region or the partial dipolar modulation region, there is a possibility that the element may be broken due to heat loss. Of course, in the operation mode in which the operation time is long in the unipolar modulation region, there is a possibility that the element may be destroyed due to the heat loss. Generally, in the case of the operation mode in which the operation time is long in the pulse width modulation except the one pulse modulation,
The device may be destroyed due to heat loss. [0004] It is an object of the present invention to provide a pulse width modulation type inverter for performing variable speed control of a motor for driving a vehicle, wherein the operation time of the inverter has exceeded a predetermined time in pulse width modulation control except one pulse modulation control. An object of the present invention is to provide a control device for a pulse width modulation type inverter that suppresses element loss by lowering a switching frequency for a predetermined time. In order to solve the above-mentioned problems, in order to solve the above problem, a pulse width modulation control is performed in a low speed range, and a variable frequency variable voltage AC is output from a DC power supply voltage in a high speed range by one pulse control. In an inverter control device that performs variable speed control of an electric motor for driving a vehicle, means for measuring an operation time of the inverter by pulse width modulation control excluding one pulse modulation control, and when the operation time exceeds a predetermined time,
Means are provided for changing a sampling period related to setting of the inverter switching frequency by pulse width modulation control so as to lower the inverter switching frequency by a predetermined time. According to the present invention, in an operation mode in which dipolar modulation, partial dipolar modulation, and unipolar modulation other than one-pulse modulation last for a long time, an operation mode in which pulse width modulation other than one-pulse modulation lasts for a long time. In this case, by forcibly reducing the switching frequency, heat loss of the main circuit element due to switching can be suppressed. Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a main circuit configuration (in the case of three phases U, V, W) of a three-level inverter device for driving a vehicle to which a control device for a pulse width modulation type inverter of the present invention is applied. In FIG. 1, 60 is a train line which is a DC voltage source,
61 and 62 are capacitors that are divided (divided) to generate an intermediate point N (hereinafter, referred to as a neutral point) from the voltage of the DC voltage source 60, and 70 to 73, 80 to 83, and 90 to 93 are for reflux. The self-extinguishing switching element (the IGBT is used in this example, but may be a GTO, a transistor, or the like) provided with the rectifier element described above, and 74, 75, 84, 85, 94, and 95 are the neutral point potentials of the capacitors. It is an auxiliary rectifying element to be derived. Also, the load shows the case of the induction motor 10.
The basic operation of the switching arms 7 to 9 that can be operated independently for each phase will be described by taking the switching arm 7 as an example. Capacitors 61 and 6
2, the voltages ed1 and ed2 are completely smooth DC voltage sources, and ed1 = ed2 = Ed / 2 (Ed: total DC voltage). Now, when the switching elements 70 to 73 are turned on and off as shown in FIG. 2 (Table 1), the three-level output voltage e of Ed / 2, 0, and -Ed / 2 is applied to the AC output terminal U. obtain. Sp to Sn and S are switching elements 70
This is a switching function that expresses the conduction state of 7373 as 1, 0, −1, and the output voltage e is represented by e = Sp × ed1-Sn × ed2 = S × Ed / 2 (1). e has a size of Ed / 2, 0, -Ed / 2
, The pulse width modulation (PW) so that e approaches a sine wave.
M) Control. The PMW control device can determine the conduction state of the switching element by preparing Sp and Sn. Next, FIG. 3 shows an embodiment in which the present invention is applied to control of a three-level inverter device for driving a vehicle. In FIG. 3, the counter unit 1 performs an up or down counting operation in response to a counter operation signal 201. In this embodiment, the counter unit 1 counts up when the counter operation signal 201 is "1" and counts down when the counter operation signal 201 is "0". In the case of up-counting, the up-count setting unit 11 counts a preset count amount 112, and in the case of down-counting, the down-count setting unit 12 counts a preset count amount 113. Count limit part 2
Limits the count output 101 of the counter unit 1,
The lowest value is zero, and the highest value is selected in consideration of the operating environment of the inverter. The comparator 21 compares the output 102 of the count limit unit 2 with a detection level signal 114 preset by the detection level setting unit 13 and outputs a detection signal 103. Output 102 of count limit unit 2
Is "1" if is equal to or higher than the detection level signal 114, and "0" otherwise. The time delay unit 3 receives the detection signal 103 and outputs a switching frequency drop detection signal 104. When the detection signal 103 becomes “1”,
The switching frequency drop detection signal 104 is also set to “1”, but even if the detection signal 103 returns to “0”, the counter unit 1
Counts down and the output 1 of the count limit unit 2
By providing a time delay equal to or longer than the time until 02 becomes zero, the switching frequency drop detection signal 104 is set to “0”.
To return to. The timer count unit 4 receives the switching frequency drop detection signal 104, outputs a sampling conversion signal 105 for converting a sampling period 110 related to setting of the switching frequency to a predetermined value, and continuously controls the sampling period. Set the timer to run. The counter operation signal 201 will be described. Since it is not necessary to reduce the switching frequency in the one-pulse modulation, the comparator 20 compares the output voltage command E * with the limit output 115 of the command value limit unit 14 in which the one-pulse voltage command value is set in advance. The output 202 outputs “1” for modulation, and “0” for other dipolar, partial dipolar, and unipolar modulation. The output 202 is inverted by the inverter 32, and the output 203 is output in one-pulse modulation.
Becomes "0", and the counter operation signal 201 output from the AND gate 30 becomes "0". Further, the operation signal GST of the inverter is input to the AND gate 30. In the present embodiment, GST = "1" when the inverter operates and "0" when the inverter stops. Further, an output 204 obtained by inverting the switching frequency drop detection signal 104 by the inverter 31 is also input to the AND gate 30. Therefore, while the switching frequency drop detection signal 104 is being output, the counter operation signal 201 is “0”, and the counter unit 1 performs a down-count operation. The phase calculator 5 calculates the fundamental phase of the output voltage of the inverter from the inverter frequency command Fi *. Although not shown, the inverter frequency command Fi * is obtained by calculating the rotation frequency of the electric motor from the output of the rotation frequency detector attached to the wheel, and adding the calculated rotation frequency to the slip frequency command. The output 106 of the phase calculator 5 is converted into a sine wave signal 107 by the sine wave calculator 6. The amplitude setting unit 7 obtains a required instantaneous output voltage of the inverter from the output voltage command E * of the inverter. The output voltage command E * is
A command value of the inverter output voltage determined from the inverter frequency command Fi * and a filter capacitor voltage and a motor current (not shown) so that the V / F characteristic is constant. Output 108 of amplitude setting unit 7 and sine wave signal 1
07 in the multiplier 22 to obtain an instantaneous output voltage signal 301. The bias setting unit 8 outputs the output 108 of the amplitude setting unit 7.
, An addition / subtraction is performed on the instantaneous output voltage signal 301, and a bias amount 109 for continuously realizing dipolar modulation, partial dipolar modulation, and unipolar modulation is set.
The instantaneous output voltage signal 301 and the bias amount 109 are added by the adder 33, and the positive-side instantaneous output voltage signal 302 and the subtractor 3
4 to obtain negative side instantaneous output voltage signals 303, respectively. The sampling setting unit 9 performs a sampling period 110 from the clock Tc to a timer included in the pulse generation unit 10.
Set. Although it depends on the type of the timer, as a normal pulse generation timer, the rising or falling of the pulse is set for each sampling cycle, so that the switching frequency F
sw can be represented by Fsw = 1 / (2 × Ts) (2) where Ts is the sampling period. Sampling converter 23
Sets a preset sampling period 110 to a new sampling period 111 according to the value of the sampling conversion signal 105. The pulse generator 10 receives the positive-side instantaneous output voltage signal 302 and the negative-side instantaneous output voltage signal 303 and converts them into required instantaneous output voltage time conversion data for each sampling period 111. A positive PWM signal 500 and a negative PWM signal 501 are obtained by setting the timer to be activated every period 111. Note that FIG. 3 illustrates a PWM signal for one phase, and furthermore, PWM signals 500 and 501.
Is processed into a signal corresponding to a three-level inverter by a pulse distributor (not shown). The operation of this embodiment will be described. Now, when the output voltage command E * and the inverter frequency command Fi * are given, the output 108 of the amplitude setting unit 7 and the sine wave signal 107 of the sine wave calculation unit 6 are multiplied by the multiplier 22 to obtain the instantaneous output voltage signal 301. Is output. On the other hand, the output 108 of the amplitude setting unit 7
In contrast, the bias setting unit 8 sets a bias amount 109 for continuously realizing dipolar modulation, partial dipolar modulation, and unipolar modulation. Here, the bias amount 1
FIG. 5 (a) shows the relationship between 09 and each modulation. When the output voltage command E * is low, i.e. the modulation factor A is between 0 to A 0 sets the bias amount B to B 0, realizing dipolar modulation. When the output voltage command E * has an intermediate value, that is, when the modulation factor A is between A 0 and A 1 , the bias amount B is set so as to gradually decrease from B 0 to realize partial dipolar modulation. Further, when the output voltage command E * is a high value, i.e. the modulation factor A is when greater than A 1 sets the bias amount B to zero, implementing the unipolar modulation. The output voltage command E
When * is the maximum value, one-pulse modulation is realized. continue,
The instantaneous output voltage signal 301 and the bias amount 109 are added by the adder 33, and the positive-side instantaneous output voltage signal 302 and the subtractor 3
4 to obtain a negative instantaneous output voltage signal 303, which is input to the pulse generator 10. Also, the clock Tc is input to the sampling setting unit 9, a preset sampling period 110 is output from the sampling setting unit 9, and a new sampling period 111 (described later) is set via the sampling conversion unit 23 to generate a pulse. Input to the unit 10. The pulse generator 10 converts the positive-side instantaneous output voltage signal 302 and the negative-side instantaneous output voltage signal 303 into required instantaneous output voltage time conversion data for each sampling period 111, and converts this data for each sampling period 111. Set the timer to be started and set the positive PWM
A signal 500 and a negative PWM signal 501 are output. PWM
The signals 500 and 501 are processed by a pulse distributor (not shown) into signals corresponding to a three-level inverter.
PWM control of the three-level inverter device. Next, the relationship between the operating state of the inverter and the switching frequency Fsw created by the new sampling period 111 will be described with reference to FIG. Let A be the timing at which the inverter is started (started) from the state where the vehicle is stopped. Since the output 202 (1 pulse detection) of the comparator 20 and the switching frequency drop detection signal 104 are “0” and the inverter operation signal GST is “1”, the counter operation signal 2 output from the AND gate 30 is output.
01 becomes "1", the counter unit 1 performs an up-count operation, and the output 102 increases by a fixed amount. The new sampling period 111 at this time has the same value as the sampling period 110 of the sampling setting unit 9, and the switching frequency is the initial value Fsw1. When the inverter is stopped (stopped) at B, the output of the AND gate 30 becomes "0", the counter section 1 performs a down-count operation, and the output 102 decreases by a fixed amount. When the inverter is started again at C, the counter unit 1 starts an up-count operation, and the output 102 increases again by a constant amount. At D, control shifts to one-pulse modulation. In the one-pulse modulation, the switching frequency has the same value as the inverter frequency, so there is no influence of the switching loss. Therefore, in the one-pulse modulation region, the counter unit 1 is operated to count down. E shifts from one-pulse modulation to another modulation area. Since the inverter is still operating, the output 102 increases by a certain amount and reaches the detection level at F. At a level higher than the detection level, the switching frequency drop detection signal 104 is output as “1”. When 104 becomes "1", the counter operation signal 201 which is the output of the AND gate 30 becomes "0", and the counter unit 1 immediately starts the down-count operation. At the same time, when the value of 104 becomes “1”, the timer count unit 4 counts up the timer and increases the sampling conversion signal 105 to a predetermined limit value. The sampling conversion unit 23 converts the sampling period 110 to a new sampling period 111 according to the value of the sampling conversion signal 105, and changes the switching frequency from Fsw1 to Fsw1.
It is continuously reduced to sw2. In the switching frequency drop detection signal 104, the time delay unit 3 sets a sufficient time delay Td until the counter unit 1 is cleared to "0". Even if the inverter is stopped at G and operated again at H, the switching frequency is Fsw because the switching frequency drop detection signal 104 remains "1".
It is fixed to 2. At I, the switching frequency detection signal 104 returns to "0" after the elapse of Td. At this time, since the inverter is operating, the counter unit 1 performs the up-counting operation again. Further, when the switching frequency detection signal 104 becomes “0”, the timer count unit 4 counts down the timer and decreases the sampling conversion signal 105 until it becomes zero. As a result, the new sampling period 111 returns to the sampling period 110, and the switching frequency continuously returns from Fsw2 to Fsw1. At J, the output 102 of the count limit unit 2 reaches the detection level again. The operation in this case is the same as in the case of FI. The switching frequency is fixed to Fsw2 even when the operation shifts to one-pulse modulation with K and the inverter is stopped in one-pulse modulation with M. At N, the switching frequency returns to Fsw1. N is the same as the state of A. As described above, in the present embodiment, the switching frequency is forcibly reduced in an operation mode in which dipolar modulation, partial dipolar modulation, and unipolar modulation other than one-pulse modulation last for a long time. Also, when the switching frequency changes, the switching frequency is changed from Fsw1 to Fsw2.
, And continuously returns from Fsw2 to Fsw1, so that the output current does not fluctuate and smooth control is performed. Next, the switching loss L will be described with reference to FIG. FIG. 5A shows the bias amount B as described above.
FIG. 5B shows the sampling period Ts, and FIG. 5C shows the switching loss L. When the sampling periods at the time of the dipolar modulation and the unipolar modulation are respectively Tso as shown in FIG.
In the dipolar modulation, the switching frequency with respect to the main circuit element is about twice that of the unipolar modulation. Therefore, the switching loss L substantially exhibits the characteristic L1 shown in the diagram P as shown in FIG. Therefore, in an operation mode in which the inverter operates in the dipolar modulation region for a long time, the heat loss of the element increases. On the other hand, if the sampling period is raised to Ts1 by dipolar modulation as shown in FIG. 5B and the switching frequency is made substantially the same as that of the unipolar modulation, the switching loss L becomes almost a diagram as shown in FIG. 5C. The characteristic L0 shown in Q is exhibited. Therefore, the heat loss of the hatched element shown in FIG. 5C is reduced. In the case of the partial dipolar modulation and the unipolar modulation, if the operation mode is such that the inverter is operated for a long time in each region, the heat loss of the element similarly increases. Therefore, similarly, the sampling frequency is increased to lower the switching frequency, and the heat loss of the element is reduced. Therefore, according to the present embodiment, in the operation mode in which the inverter is operated for a long time, by forcibly reducing the switching frequency, the heat loss of the element due to switching can be suppressed. As described above, according to the present invention,
In an operation mode in which dipolar modulation, partial dipolar modulation, and unipolar modulation other than one-pulse modulation last for a long time, forcibly lower the switching frequency to suppress heat loss of the main circuit elements due to switching. Can be. In particular, it is effective in a low constant speed operation in which the dipolar modulation is maintained for a long time. Also,
Even when the switching frequency changes, the switching frequency is continuously reduced and returned to the original value, so that the output current does not change and smooth inverter control can be performed.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明を適用する車両駆動用の3レベルインバ
ータ装置の主回路構成図 【図2】3レベルインバータの出力電圧を説明する表図 【図3】本発明の一実施例を示す制御ブロック図 【図4】インバータの動作とスイッチング周波数の関係
を示す図 【図5】ダイポーラ変調でのスイッチング損失を示す図 【図6】3レベルインバータの微小電圧の制御を説明す
る図 【符号の説明】 1…カウンタ部、3…タイムディレイ部、4…タイマカ
ウント部、9…サンプリング設定部、10…パルス発生
部、11…アップカウント設定部、12…ダウンカウン
ト設定部、13…検知レベル設定部、23…サンプリン
グ変換部、104…スイッチング周波数低下検知信号、
105…サンプリング変換信号、110…サンプリング
周期、111…新しいサンプリング周期、201…カウ
ンタ動作信号
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a main circuit configuration diagram of a three-level inverter device for driving a vehicle to which the present invention is applied; FIG. 2 is a table illustrating output voltages of the three-level inverter; FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the operation of the inverter and the switching frequency. FIG. 5 is a diagram showing the switching loss in dipolar modulation. FIG. 6 is a diagram showing the control of the minute voltage of the three-level inverter. [Description of Reference Codes] 1 ... Counter section, 3 ... Time delay section, 4 ... Timer count section, 9 ... Sampling setting section, 10 ... Pulse generation section, 11 ... Up count setting section, 12 ... Down count setting section , 13: detection level setting unit, 23: sampling conversion unit, 104: switching frequency drop detection signal,
105: sampling conversion signal, 110: sampling cycle, 111: new sampling cycle, 201: counter operation signal

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−344739(JP,A) 特開 平6−30564(JP,A) 特開 平5−146160(JP,A) 特開 平5−308704(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 7/48 Continuation of front page (56) References JP-A-5-344739 (JP, A) JP-A-6-30564 (JP, A) JP-A-5-146160 (JP, A) JP-A-5-308704 (JP) , A) (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H02M 7/48

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 低速域ではパルス幅変調制御により、高
速域は1パルス制御により直流電源電圧から可周波数可
変電圧の交流を出力して車両駆動用の電動機を可変速制
御するインバータの制御装置において、 前記1パルス変調制御を除く前記パルス幅変調制御によ
るインバータの動作時間を計測する手段と、その動作時
間が所定時間以上になった時点で、所定時間だけインバ
ータのスイッチング周波数を下げるように前記パルス幅
変調制御でインバータのスイッチング周波数の設定に関
わるサンプリング周期を変更する手段を備えることを特
徴とするパルス幅変調方式インバータの制御装置。
(57) [Claim 1] In a low-speed range, pulse width modulation control is performed, and in a high-speed range, one-pulse control is performed to output an AC of a variable frequency voltage from a DC power supply voltage to generate a motor for driving a vehicle. A control device for an inverter that performs variable-speed control, comprising: means for measuring an operation time of the inverter by the pulse width modulation control excluding the one-pulse modulation control; and an inverter for a predetermined time when the operation time becomes equal to or longer than a predetermined time. A means for changing a sampling period related to setting of a switching frequency of the inverter by the pulse width modulation control so as to lower a switching frequency of the inverter.
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