氏名　小笠原　悟司
学位の種類　工学博士
学位記番号　博乙第9号
学位授与の日付　平成2年3月26日
学位論文の題目　A Study of PWM Inverter-Fed AC Drives Based on the Space Vector Theory（空間ベクトル理論に基づくPWMインバータ給電交流機駆動に関する研究）
論文審査委員
　主査　教授　難波江　章
　副査　教授　石崎　彰
　副査　教授　高橋　勲
　副査　助教授　赤木　泰文
　副査　東京大学　教授　原島　文雄

• 論文目次
• 論文要旨

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Contents
Preface　p.iii
Acknowledgements　p.v
1.Introduction　p.1
1-1　Background　p.1
1-2　Aim of This Thesis　p.3
2.Space Vectors in Three-Phase Circuits　p.5
2-1　Instantaneous Current Vectors　p.5
2-1-1　Definition of new coordinate system　p.8
2-1-2　Nature of the coordinate transformation　p.13
2-2　Instantaneous Voltage Vectors　p.15
2-3　d-q Transformation and Derivative of Vectors　p.17
2-4　Voltage-Current Vector Equation of AC Machines　p.19
2-5　Instantaneous Torque Equation of AC Machine　p.22
3.A　Permanent-Magnet Synchronous Motor Servo System with Field-Weakening Control　p.24
3-1　Introduction　p.24
3-2　Field-Weakening Control　p.25
3-2-1　Voltage-Current Equation　p.25
3-2-2　Control Scheme　p.27
3-3　Novel Current Controlled PWM Inverter　p.29
3-4　AC Serve System　p.34
3-5　Armature Flux Linkage and Experimental Results　p.35
3-6　Conclusions　p.39
4.A　Compensation Scheme for Torque Transfer Function of Self-Controlled Synchronous Machines　p.40
4-1　Introduction　p.40
4-2　Equivalence between SM and DCM　p.42
4-3　Control Scheme　p.46
4-3-1　Total Flux Linkage of Armature Windings　p.46
4-3-2　Compensation for Torque Transfer Function　p.48
4-4　Discussion of Damper Windings　p.51
4-5　Experimental Results　p.53
4-6　Conclusions　p.61
5.The　Generalized Theory of Indirect Vector Control for AC Machines　p.62
5-1　Introduction　p.63
5-2　Mathematical Model of AC Machine　p.65
5-3　Control Theory　p.69
5-3-1　Control of Instantaneous Torque　p.69
5-3-2　Control of Field Current　p.71
5-3-3　Control Circuit　p.72
5-4　Analysis of Nonsalient-Pole AC Machines　p.74
5-4-1　Analysis of Induction Machine Operation in Steady States　p.74
5-4-2　Analysis of Synchronous Machines in Asynchronous Operation （Constant Instantaneous Torque Operation）　p.75
5-5　System Configuration and Experimental Results　p.79
5-6　Conclusions　p.84
6.A　Current-Controlled Voltage-Source PWM Inverters Providing both Low Harmonics and Quick Current Response　p.86
6-1　Introduction　p.86
6-2　Principle of Control Strategy　p.87
6-3　Control Scheme to Suppress Harmonic Current　p.91
6-3-1　Selection of Switching Mode　p.91
6-3-2　Detection of the Region to which e Belongs　p.94
6-4　Switching-Over to Quick Response Control Scheme　p.95
6-5　System Configuration　p.97
6-6　Experimental Results　p.98
6-6-1　Steady State　p.98
6-6-2　Transient States　p.102
6-7　Conclusions　p.102
7.A　Current Control Scheme for Parallel-Connected Voltage-Source PWM Inverters　p.104
7-1　Introduction　p.104
7-2　Principle of Control Strategy　p.106
7-3　Analysis of Parallel Inverters　p.108
7-4　Selection of a Switching Mode to Suppress Harmonic Currents　p.114
7-4-1　Selection of a Voltage Vectorυ（κ）　p.114
7-4-2　Selection of a Switching Pattern　p.116
7-4-3　Detection of the Region to which e Belongs　p.117
7-5　Switchover to the Control Scheme Providing Quick Current Response　p.119
7-6　System Configuration　p.119
7-7　Experimental Results　p.122
7-7-1　Steady State　p.122
7-7-2　Transient States　p.124
7-8　Conclusion　p.124
8.An　Asynchronous PWM Voltage-Source Inverter Selecting Optimal Switching Sequence　p.128
8-1　Introduction　p.128
8-2　Definition of Space Vectors　p.129
8-3　Maximum output Voltage of PWM Inverters　p.133
8-4　Fundamental and Harmonic Circuits　p.134
8-5　Analysis of Harmonic Currents　p.136
8-6　A Novel PWM Scheme　p.142
8-7　Design of a PWM Controller　p.146
8-8　Conclusion　p.150
9.Conclusion　p.153
9-1　Space Vector Theory　p.153
9-2　Indirect Vector Control　p.154
9-3　Current-Controlled PWM Inverters　p.155
9-4　PWM Scheme of Voltage Source Inverters　p.156
9-5　Future Prospect　p.156
Bibliography　p.164
List of Tables
2-1　Application scope of the space vectors.　p.17
3-1　The PM machine paramenters.　p.36
5-1　Machine constants.　p.81
6-1　Relationships between v（k） and （Su,Sv,Sw）　p.88
6-2　Selection of switching mode to suppress harmonic current.　p.93
6-3　Detection of e.　p.96
6-4　Selection of switching mode （quick current response system）.　p.96
6-5　Rating of permanent magnet synchronous motor.　p.99
7-1　Relationships between switching pattern and k.　p.109
7-2　Relationships between switching pattern and cross current vector.　p.111
7-3　Relationships between switching pattern and zero sequence current.　p.113
7-4　Detection of e.　p.118
7-5　Rating of Permanent magnet synchronous motor.　p.122
8-1　Calculationg conditions.　p.141
8-2　Simulation conditions.　p.146
List of Figures
2-1　3-phase loads.　p.6
2-2　Space of current vectors.　p.7
2-3　Current vector plane of non-grounded loads.　p.8
2-4　Definition of iα axis.　p.9
2-5　Definition of iβ axis.　p.11
2-6　New 2-D coordinate system.　p.12
2-7　Definition of voltage vectors.　p.15
2-8　d-q transformation.　p.18
2-9　An example of ac machine.　p.20
3-1　The plaser diagram of a PM motor.　p.27
3-2　The rotor structure of a PM motor.　p.28
3-3　A locus of the armature current phaser at the maximum output.　p.28
3-4　The characteristic of field weakening.　p.29
3-5　Conventional current controller.　p.30
3-6　The current control circuit.　p.31
3-7　The relationship between Δi and fsw.　p.32
3-8　Current response and spectrum.　p.33
3-9　The block diagram of the experimental system.　p.34
3-10　Vaq-iad curve.　p.36
3-11　The no-load characteristic.　p.37
3-12　The transient responses.　p.38
4-1　Slip-ring type motor.　p.43
4-2　Commutator type motor.　p.44
4-3　Vector diagram under steady-state condition.　p.47
4-4　Vector diagram under transient state conditions.　p.49
4-5　Proposed control system with compensation.　p.51
4-6　No-load saturation curve and short-circuit current curve.　p.54
4-7　Control circuit.　p.55
4-8　Flowchart of program.　p.57
4-9　Four-quadrant operation with field-weakening control.　p.58
4-10　Step variation of velocity command.　p.59
4-11　Step variation of load torque.　p.60
5-1　Feedforward vector control.　p.63
5-2　Feedback vector control.　p.64
5-3　Synchronous machine with damper windings.　p.66
5-4　Block diagram of synchronous machines.　p.70
5-5　Control circuit.　p.73
5-6　ws-iaT characterstic.　p.76
5-7　Steady-state vector diagram.　p.77
5-8　Analytical result.　p.78
5-9　Experimental result.　p.79
5-10　System Configuration.　p.80
5-11　Synchronous machine operation.　p.82
5-12　Induction machine operation.　p.83
5-13　Transient characteristic.　p.84
6-1　Voltage source inverter circuit.　p.87
6-2　Output voltage vectors.　p.89
6-3　Current deviation vector and that derivatives.　p.90
6-4　Principle of current control.　p.91
6-5　Region of current deviation vector（I,III,V）　p.92
6-6　Region of current deviation vector（II,IV,VI）　p.93
6-7　Switching frequency feedback circuit.　p.94
6-8　Hexagon to switching over two states.　p.97
6-9　Control circuit configuration.　p.98
6-10　Experimental ac servo system.　p.99
6-11　Comparison of harmonic current in steady state.　p.100
6-12　Comparison of noise levels.　p.101
6-13　Transient response characteristic.　p.103
7-1　A load of a voltage source inverter.　p.106
7-2　Parallel voltage source inverter.（dual voltage sources）　p.108
7-3　Output voltage vectors of the parallel inverter.　p.110
7-4　Definition of axes.　p.112
7-5　Case of single voltage source.　p.112
7-6　Selection of voltage vector（k1,k2,k3）　p.115
7-7　Selection of voltage vector（k4,k5,k6）　p.115
7-8　Cross current plane.　p.116
7-9　Detection of e.　p.118
7-10　Current controller to suppress harmonic surrent.　p.119
7-11　System configuration of proposed current controller.　p.120
7-12　Configuration of experimental system.　p.121
7-13　Experimental waveforms in steady states.　p.123
7-14　Waveform of line-to-line output voltage.　p.124
7-15　Transient responses.　p.125
7-16　Transient responses.　p.126
8-1　Voltage source inverter which drives an induction machine.　p.129
8-2　Definition of current vectors.　p.130
8-3　Definition of voltage vectors.　p.131
8-4　Inverter output voltage vectors defined by eq.（8-3）　p.132
8-5　Maximum output voltages.　p.133
8-6　Inverter output voltage vectors and 6 sectors.　p.136
8-7　Loci of harmonic current vector and switching patterns.　p.139
8-8　In case of...0137310...（optimized）　p.140
8-9　In case of conventional PWM scheme.　p.141
8-10　In case of...0137310...（ζ0/ζ0+ζγ＝1/2）　p.142
8-11　In case of...01310...　p.143
8-12　In case of...13731...　p.143
8-13　Combination of Figs.10,11,and 12.　p.144
8-14　Square of average harmonic surrent.　p.145
8-15　Simulation results of conventional PWM scheme.　p.147
8-16　Simulation results of novel PWM scheme.　p.148
8-17　Hardware part of the PWM modulator.　p.149
8-18　Experimental results of conventional PWM scheme.　p.151
8-19　Experimental results of novel PWM scheme.　p.152

　交流機は、1970年代始めからのベクトル制御の研究により、直流機と同等の瞬時トルクの制御が可能となった。直流機ではブラシ・整流子により機械的に整流を行っているのに対して、交流機の可変速駆動システムでは電気的に整流を行う周波数変換器が必要不可欠である。交流機は、交流機は、直流機に比べて大容量化や高速化が容易で、定期的保守も必要としない等の優れた特徴がある。しかも、今日のパワーエレクトロニクスの進歩により、高性能の半導体周波数変換装置が安価に得られるようになったことから、直流機駆動に代わって交流機駆動が広く用いられるようになってきている。特に、PWMインバータ給電の交流機駆動は、小中容量の駆動システムでは最も一般的な構成となっている。
　これらの技術の発展を理論面から支援してきたのが、空間ベクトル理論であったと考えられる。本論文の目的は、この空間ベクトル理論を適用することによりPWMインバータ給電の交流機駆動システムの高性能化である。第2章では、まず3相回路における空間ベクトルを従来の2次元的な表示から3次元的な表示に拡張し、その両者の関係と各々の適用範囲を理論的に論じた。さらに、ベクトル制御やPWMインバータの制御について論ずるために必要な空間ベクトル理論の数学的定義を明らかにした。
　一方、ベクトル制御の研究において、誘導機のベクトル制御については従来から非常に多くの研究が行われてきたが、同期機のベクトル制御については研究の例は少なかった。そこで本論文の前半では、主に同期機のベクトル制御について述べている。
　第3章では、永久磁石同期機のベクトル制御システムに対してd軸電流の電機子反作用を利用した界磁弱め制御を提案した。この界磁弱めの制御により、従来のd軸電流を零とする方式では運転不能であった高速回転まで運転領域を拡大することができる。また、従来からよく用いられてきたヒステリシスコンパレータ方式の電流制御形PWMインバータに、新たに中性点電位フィードバックとスイッチング周波数フィードバックループを追加することにより、電流制御性を改善できることを示した。
　第4章では、ダンパ巻線を有しない同期機のベクトル制御システムについて検討した。このような同期機においては、電機子電流と界磁電流の制御により瞬時トルクを制御しつつ電動機力率1の運転が可能である。しかし、界磁回路に比べてインダクタンスが非常に大きく、界磁電流を高速に制御するためには高電圧が必要となるため経済的でない。そこで、本章では界磁電流の制御遅れを電機子側から補償して、トルクの制御遅れをなくする新しい制御法を提案し、その有用性を実験により示した。
　ダンパ巻線付き同期機は、界磁によるトルク、誘導（ダンパ）によるトルク、リラクタンストルクの3種類のトルクを発生する一般化交流機と考えることができる。このことを平均トルクから説明した例は報告されていたが、統一的に瞬時トルクを理論的かつ実験的に論じた例はなかった。
　第5章では、従来の理論を交流機の間接形ベクトル制御の一般化理論へ拡張した。この一般化理論に基づき構成したダンパ巻線付き同期機のベクトル制御システムを用いて、同期機および誘導機運転時のみならず、これらの中間の過渡状態においても、瞬時トルクが制御できることを実験的に示した。
　交流機駆動システムにおいて、電流制御形インバータは、トルクの応答性やリップルの大きさなどのシステムの性能に大きな影響を与え、非常に重要である。
　第6章では、従来から用いられてきたヒステリシスコンパレータ方式と比較して、電流の応答は同等であるにもかかわらず、同じスイッチング周波数でも電流リップルが半分以下と非常に優れた新しい電流制御法を提案し、永久磁石同期機を用いた実験によりその効果を検証した。
　第7章では、第6章で提案した電流制御法を、2つの電圧形インバータを電流バランサにより並列接続した電力変換器に適用した。その結果、同一のスイッチング周波数においても、電流リップルを1/3以下に低減できることを実験的に示した。この並列多重電流制御形PWMインバータは、数百Hzという低いスイッチング周波数においても良好な電流制御性が得られることから、GTOサイリスタを用いた大容量交流機駆動にも適用可能であると考えられる。
　最後に第8章では、PWMインバータの高調波の新しい理論解析法を提案し、高調波電流はスイッチングシーケンスと出力電圧ベクトルにより変化することを示した。その結果として、高調波銅損を従来の38％にまで軽減できる新しいPWM制御法を提案し、誘導機を用いた実験によりその有用性を確認した。