パワーエレクトロニクス講義資料第15回 3相PWMインバータ（つづき

パワーエレクトロニクス講義資料
第15回 3相PWMインバータ（つづき）
担当：古橋武
[email protected]
1
11.3
1
0.5
p.170
PWM制御（3パルスPWM） vcomu
vcomv
vtri
vcomw
t
-0.5
-1
vu
vv
vw
VE
1
0
VE
0
VE
0
2
3
4
5
6
1
2
3
5
4
6
1
3
2
t
4
5
t
6
t
VE
vuv
vcomu > vtri のとき
Tr1 ，Tr2
vcomu < vtri のとき
Tr1 ，Tr2 vcomv > vtri のとき
Tr3 オン，Tr4 オフ
vcomv < vtri のとき
Tr3 オフ，Tr4 オン t
0
-VE
VE
vvw
t
0
-VE
VE
vwu
vcomw > vtri のとき
Tr5 オン，Tr6 オフ
vcomw < vtri のとき
Tr5 オフ，Tr6 オン t
0
-VE
2
図11.6 ３パルスPWM制御法の出力電圧波形 11.3
1
0.5
p.170
PWM制御（3パルスPWM） vcomu
vcomv
vtri
vcomw
vcomu > vtri のとき
t
Tr1
オン，Tr2 オフ vcomu < vtri のとき
Tr1
オフ，Tr2 オン t
-0.5
-1
vu
vv
vw
VE
1
0
VE
0
VE
0
2
3
4
5
6
1
2
3
5
4
6
1
3
2
4
5
t
6
t
VE
vuv
vcomv > vtri のとき
Tr3 オン，Tr4 オフ
vcomv < vtri のとき
Tr3 オフ，Tr4 オン t
0
-VE
VE
vvw
t
0
-VE
VE
vwu
vcomw > vtri のとき
Tr5 オン，Tr6 オフ
vcomw < vtri のとき
Tr5 オフ，Tr6 オン t
0
-VE
3
図11.6 ３パルスPWM制御法の出力電圧波形 1
0.5
vcomu
vcomv
vtri
vcomw
t
-0.5
-1
vu
vv
vw
VE
0
VE
0
VE
vuv
1
0
VE
0
2
3
4
5
6
1
2
3
5
4
6
1
3
2
t
4
5
t
6
vuv=vu - vv
t
t
-VE
VE
vvw
t
0
-VE
VE
vwu
t
0
-VE
4
図11.6 ３パルスPWM制御法の出力電圧波形 p.174
三相PWMインバータの実験回路 Tr1
D1
Tr2
D2
Tr3
D3
Tr4
D4
Tr5
D5
VE
vu
vv
Tr6
D6
vw
vuv
+
vcomu
vcomv
-
vtri
vPWMu
+
-
vcomw
vPWMv
+
-
vPWMw
vvw
vR
R = 2 [kΩ], L=150 [mH]
三相PWMインバータの回路 5
p.170
vcomu
1
0.5
0.1
vtri
p.174
vcomv
0.2
0.3
0.4
t[ms]
-0.5
-1
vu
[V]
6
4
2
6
4
2
[V]
6
4
2
-2
-4
-6
t[ms]
vv
vuv
0.1
0.2
0.3
0.4
0.2
0.3
0.4
t[ms]
vR
0.1
t[ms]
図11.6 ３パルスPWM制御法の出力電圧・電流波形スイッチング周波数 fsw = 15[kHz], R=2[kΩ], L150[mH], VE = 6[V]
6
p.175
vcomv
vcomu
1
vtri
0.5
t[ms]
0.2
-0.5
0.4
0.6
0.8
1
0.4
0.6
0.8
1
0.4
0.6
0.8
1
0.4
0.6
0.8
1
-1
vu
[V]
6
4
2
t[ms]
0.2
vv
6
4
2
6
4
2
-2
-4
-6
[V]
0.2
vuv
t[ms]
vR
0.2
図11.12 9パルスPWM制御法の出力電圧波形 t[ms]
参考　27パルスPWM制御 vcomu
vtri
1
0.5
0.5
1
1.5
2
2.5
3
1.5
2
2.5
3
t[ms]
3.5
-0.5
-1
6
vuv
4
vR
2
-2
0.5
1
t[ms]
3.5
-4
-6
8
vtri
vcomu
1
1
0.5
0.5
0.005
0.01
0.015
0.02
0.005
-0.5
-0.5
-1
-1
vuv
p.176
vcomu
vtri
0.01
0.015
0.02
0.01
0.015
0.02
vuv
1
1
0.005
0.01
0.015
0.005
0.02
-1
-1
1
0.8
0.6
0.4
基本波 1
0.8
第7高調波 11
17
19
0.2
0.6
23
⎛
基本波 ⎜⎜ 振幅 : 0.8
⎝
⎞
3
≈ 0.69 ⎟⎟
2
⎠
第7高調波 11
0.4
17 19
0.2
(a) 3パルス (b) 9パルス図11.13 出力線間電圧の高調波解析結果 9
非同期モード三角波のゼロクロス点と指令電圧の
ゼロクロス点が一致していない． vcomu
vtri
t
vuv
t
vcomu
vtri
t
vuv
t
vtri
三角波
vtriの周
波数は
指令電
圧vcom
の周波
数
vcomu
t
出力周波数
ｽｲｯﾁﾝｸﾞ周
波数 vuv
t
非同期モード三角波のゼロクロス点と指令電圧の
ゼロクロス点が一致していない． vcomu
vtri
t
vuv
三角波vtri
の周波数
は一定 t
vcomu
vtri
t
vuv
t
vtri
vcomu
t
vuv
t
指令電圧
vcomの周
波数のみ
可変出力周波数
増大
ｽｲｯﾁﾝｸﾞ周
波数一定同期モード vcomu
vtri
1
-1
vuv
VE
-VE
vtri
vcomu
1
-1
vuv
VE
-VE
vtri
vcomu
1
-1
VE
-VE
vuv
指令電圧v com の
周波数 fcomと三
角波vtriの繰返し
周波数ftriの
（この例では
出力周波数
1/9 )に保ってい
ｽｲｯﾁﾝｸﾞ周波数る． 12
同期モード vcomu
vtri
vcomu
1
-1
vuv
VE
-VE
vtri
vcomu
1
-1
vuv
VE
-VE
vtri
vcomu
1
-1
VE
-VE
vuv
指令電圧v com の
周波数 fcomと三
角波vtriの繰返し
周波数ftriの
比（ fcom / ftri )
を常に一定（この例では
出力周波数増大 1/9 )に保ってい
ｽｲｯﾁﾝｸﾞ周波数
る． 13
増大 vCE > 0, iC > 0の期間がある．ト
ランジスタ内の損失となる．
→スイッチング損失Elossという．
Trにおけるスイッチング損失
（実験波形例） vBE
RL
100[Ω]
VE
RB
100 [V]
D
iC
150
15
100
10
50
5
0
0
vBE
-5 0
100 [Ω]
0.5
1
1.5
2
1
1.5
2
t [µs]
-10
vCE
vBE
vCE
vCE [V]
[A]
1
Tr
2SC4507
400V, 5A
iC
0.5
t [µs]
0
0.5
ベースエミッタ間電圧
vBEが負となってもし
ばらくの間コレクタ電
流iCが流れ続けている． vCE > 0, iC > 0の期間がある．トランジ
スタ内の損失となる．→スイッチン
グ損失Elossという．
Trにおけるスイッチング損失
（実験波形例） Eloss = ∫ vCEiC dt [J]
vCE
RL
100[Ω]
VE
RB
100 [V]
D
iC
150
15
100
10
50
5
0
0
vBE
-5 0
100 [Ω]
0.5
1
1.5
2
1
1.5
2
t [µs]
-10
vCE
vBE
vCE
vBE [V]
[A]
1
Tr
2SC4507
400V, 5A
iC
0.5
t [µs]
0
0.5
ベースエミッタ間電圧
vBEが負となってもし
ばらくの間コレクタ電
流iCが流れ続けている．高速時におけ
る同期モード 1
-1
VE
スイッチング周波数fsw
が高くなる．
→スイッチング損失が
増大する．
Ploss = Eloss ×fsw [W]
-VE
1
-1
VE
-VE
→ 1
700系新幹線(1.5kHz)
-1
VE
指令電圧の周波数 fcomと三角波の繰返し
周波数ftriの比（ fcom /
ftri )を常に一定に保つ
（この例では 1/9 ) (a) 9パルス三角波の繰返
し周波数 ftriを
1/3に低減して，
-VE
(b) 3パルス 16
高速時におけ
る同期モード 1
-1
VE
スイッチング周波数fsw
が高くなる．
→スイッチング損失が
増大する．
Ploss = Eloss ×fsw [W]
-VE
1
-1
VE
-VE
→ fswには上限がある．
1
700系新幹線(1.5kHz)
-1
VE
指令電圧の周波数 fcomと三角波の繰返し
周波数ftriの比（ fcom /
ftri )を常に一定に保つ
（この例では 1/9 ) (a) 9パルス三角波の繰返
し周波数 ftriを
1/3に低減して，
fswを下げる． -VE
(b) 3パルス VE
-VE
17
(c) 1パルススイッチング周波数電車におけるパルスモード切替の例 9P
3P
1P
時速 PWMパルスモード切り替えの例 18
電車におけるパルスモード切替の例スイッチング周波数非同期モード同期モード fcom / ftri =1/9 fcom / ftri =1/3 fcom / ftri =1/1 9P
3P
1P
時速 PWMパルスモード切り替えの例 19
高速時における同期モード三角波と指令電圧のゼロクロス
点が常に一致するようにする．スイッチング周波数非同期モード 1
-1
VE
-VE
同期モード 1
-1
9P
VE
3P
1P
指令電圧の周波数 fcomと三角波の繰返し
周波数ftriの比（ fcom /
ftri )を常に一定に保つ
（この例では 1/9 ) -VE
(a) 9パルス時速 1
三角波の繰返し周波数
ftriを 1/3 に低減 -1
VE
-VE
(b) 3パルス VE
-VE
20
(c) 1パルス同期がとれないとどうなるか？正負非対称　毎周期で波形が異なる． 21
同期がとれないとどうなるか？正負非対称　毎周期で波形が異なる．モータの過
熱・振動・騒音 22
新幹線
http://ja.wikipedia.org/wiki/新幹線100系電車
100系（1985～）
設計最高速度：275 km/h
主電動機：直流直巻電動機
制御装置：サイリスタ位相制御ブレーキ方式：発電ブレーキ併用
http://ja.wikipedia.org/wiki/新幹線300系電車
300系(（1990～）設計最高速度 285 km/h
主電動機：かご形三相誘導電動機
制御装置： VVVFインバータ制御（ＧＴＯサイリスタ
素子）スイッチング周波数　420 [Hz]
ブレーキ方式：回生併用
新幹線で初のVVVFインバータ制御を採用。交流
モーターの採用により100系の直流モーターと比
較して出力は約30%アップしながら質量は約半分
になっており、車両全体の軽量化に寄与している。
また、VVVFインバータ制御を利用した回生ブレー
23
キも新幹線車両として初めて装備。
http://ja.wikipedia.org/wiki/新幹線N700系電車
http://ja.wikipedia.org/wiki/新幹線500系電車
500系（1992～）
設計最高速度 365km/h
主電動機：かご形三相誘導電動機制御装置：VVVFインバータ制御
（GTOサイリスタ素子）ブレーキ方式：回生併用
N700系(2005～)
主電動機かご形三相誘導電動機
制御装置 VVVFインバータ制御 (IGBT）
スイッチング周波数 1.5 [kHz] ブレーキ方式回生併用
・非同期期間
列車発車直後から
300系　約 5秒間
500系　約22秒間
N700系　約25秒間
・騒音レベル
N700系ではモータの騒音が小さい
24

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