PWMインバータの制御方式について

質問

PWMインバータの制御方式は、同期変調と非同期変調があると聞きましたが、実際に採用しているのは非同期変調がほとんどだと思います。同期変調が採用されない理由や問題点を教えてください。

回答No.4

LCR707 · ベストアンサー

同期変調方式で、モータ電流半サイクルあたりのキャリアパルス数をＮとすると、Ｎはモータ電流周波数に逆比例します。つまり、低回転域ではＮが大きくなります。

　列車発車時のなめらかな速度上昇は、乗り心地に影響を与えるので重要です。しかし停止から時速数ｋｍまでのあいだの速度制御をなめらかにするには、大きなＮの値をたくさん用意し、しかも短時間で切り替えなければなりません。発車からわずか十数秒間の動作のためだけに、回路規模を何倍も大きくし、部品点数増加により故障率が増大することをも受入れるかどうかは、設計者の判断によります。

　低速領域を非同期変調で、高速域を同期変調で、というのは、折衷案のようにも見えますが、実際の運用にあたって、同期変調回路に故障が生じても、非同期変調回路が生きていれば、のろのろ運転ながら列車を動かす事ができ、危険回避できます。つまり二回路持つことはバックアップとしての意味もあるでしょう。もともとは、ＧＴＯのスイッチング速度が低速であることから生じたいろいろな技術的制約の中で、最もバランスの良い設計を追及したらこのようになった、ということではないかと思います。

お礼

ご連絡が遅くなりました。
ご丁寧な回答を頂きまして、有難う御座いました。前回の回答と併せて、よく理解ができました。

回答No.3

LCR707

補足説明、ありがとうございます。
　#2さんの参考ＵＲＬも拝見しました。鉄道車両用インバータですか。私の知らない世界ですね。
　知らないにもかかわらず、回答しようとしていますので、回路設計上の観点から見た、推測を交えた話になります。

　鉄道車両用モータは、高電圧大電流なので、これをスイッチングできる素子は限られます。現実にはゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）かＩＧＢＴでしょう。
　2800V耐圧、600AクラスのＧＴＯは、ターンオン時間、ターンオフ時間、テイル時間などを加えると、50μS位になります。１周期中のこれらの時間を1割にしようとすれば、スイッチング周波数は、2kHz位になります。実際はもっと低いかも知れません。どちらにせよ、もろに人間の可聴周波数範囲に入ります。
　また、車両用モータは、60Hz定格なのか、あるいは400Hz定格位の高周波モータなのか知りませんが、車両速度が変わると、モーター電流の周波数も変わりますので、非同期変調であれば、キャリア周波数との間でうなりを生じます。これは乗客にとって、うるさい騒音になるでしょうし、モーターにとっても、電磁力の変動ですから、好ましくないでしょう。そこで、モーター電流の周波数を基準にし、キャリア周波数はモーター電流周波数のＮ倍にして追従させれば、うなりは生じません。モーター電流周波数が高くなって、キャリア周波数が高くなりすぎれば、Ｎを減らし、キャリア周波数を下げます。このような同期変調の仕組みによって、うなりも無く、またキャリア周波数もある範囲におさまる制御ができます。（詳しくは#2さんの参考ＵＲＬを見てください）

　同期変調は、比較的複雑な制御ですから、アナログ回路だけでは実現できないでしょう。Ｎ分周カウンタが必要ですから、どうしてもデジタル混在回路になり、回路規模も大きくなります。むしろ、マイクロプロセッサによる制御にしたほうが回路も簡単になります。キャリア周波数が低いので、処理時間の問題も無いでしょう。

　ＩＧＢＴになると、上記ＧＴＯと同等クラスでも、スイッチング時間は1桁短くなります。従ってキャリア周波数も1桁上げることができ、可聴周波数範囲ぎりぎりになりますし、遮蔽による防音効果も大きくなります。また、モーター電流周波数との周波数差が大きいので、うなりの心配もあまり無いでしょう。従って、ＩＧＢＴによるインバータ回路で上記のような同期変調を行っているかどうかはわかりません。いわゆる非同期変調で充分という気もします。

　ところで、制御用マイクロプロセッサに内蔵されているＰＷＭ発生回路は、カウンタや大小比較器などからできています。システムクロックを分周したクロックでカウンタを動作させ、キャリア周波数を作ります。ＰＷＭとなるパルス幅のデータは、ハードウエア割込みや、ＤＭＡ転送によって与えます。普通はキャリア周波数を固定にし、パルス幅データの与え方やデータ自体を変えてモーター周波数を変えます。
　ここで、もし、システムクロックの分周比を変えれば、キャリアとモータの周波数比が一定の同期変調ができます。ただし、一般にシステムクロックの分周比はあまり大きくないので、なめらかな周波数変化は期待できません。また、ＰＷＭ回路自体、動作中にシステムクロックの分周比が変わることを想定していないかも知れません。つまり、最近の一般的なＰＷＭ発生回路は、非同期変調を前提にしているので、これで同期変調を行おうとすると、いろいろ複雑なことになりそうです。

　将来、ハイブリッドカーや電気自動車がもっと普及して、エンジン音ではなく、インバータのノイズの音色にこだわるマニアが増えたとしたら、そのインバータに同期変調が採用されるかも知れません。単なる空想ですが。

　以上、とりとめのない話になりました。いくらかでも参考になれば幸いです。

補足

大変ご丁寧な説明を頂きありがとうございました。また、ご連絡が遅くなり申し訳ありませんでした。
　上記の補足で近年主流になりつつあるＩＧＢＴでの非同期変調を採用している理由はわかりました。しかし、スイッチング周波数の遅いＧＴＯで、モータ起動時の初期から同期変調としない理由が今ひとつ理解できずにいます。モータ起動時から同期変調として、徐々にパルス数を減らす方法を採用せずに、モータ起動時のみ非同期変調で、ある周波数から同期変調としている理由がお判りでしたらお教え願います。

回答No.2

Ichitsubo

灘高校鉄道研究部のページですが非常に分かり安説明がありました。

同期変調、採用されていますよ。

参考URL：

http://kobe.cool.ne.jp/nadarail/train/colum011.html

回答No.1

LCR707

こんにちわ。
　「PWMインバータの制御方式における、同期変調と非同期変調」というのは、あいにく聞いた事がありません。
　何と何を同期させるのでしょうか。補足説明をお願い致します。

補足

補足が遅れて申し訳ありませんでした。
質問の文章が適切でなかったことをお詫び致します。
信号波と搬送波が同期、非同期と言うことです。