CN1369133A - 中性点钳位式逆变器的中性点电位控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是提供可不损失相间输出电压的质量地、通过简单的相电流的测定或预测且与功率因数无关系地进行中性点电位控制的中性点钳位式逆变器的中性点电位控制方法的发明,根据三相中性点钳位式PWM逆变器的相输出端子连接于逆变器的正母线电压点、中性点以及负母线电压点中的哪一个的状态,用矢量表示逆变器的三相的输出状态,根据用逆变器输出的电压矢量的角度是夹在哪个矢量之间,使对应该矢量的特定矢量的产生时间比率变化并进行三相中性点钳位式PWM逆变器的中性点电压的稳定化。此外,正母线P、负母线N、中性线O分别连接于3相上述相输出端子的、构成6个切换状态的三相输出电压的时间抑制在第1设定值以下,且因抑制在上述第1设定值以下而出现的输出电压的不足部分,用从三相相输出端子分别连接于正母线P或负母线N的8个切换状态中除去3个三相相输出端子同时连接在正母线P或负母线N的2个切换状态后的6个切换状态来补充。

Description

中性点钳位式逆变器的中性点电位控制方法
技术领域
本发明涉及进行电机的可变速驱动或系统联锁的三相中性点钳位式逆变器等电力变换装置的中性点电位控制方法，以及进行电机的可变速驱动的逆变器·伺服激励等电力变换装置或系统联锁的电力变换装置。
背景技术
以往，作为三相中性点钳位式逆变器的中性点电位控制方法，一般采用如在专利公报2821168号“逆变器装置和交流电机驱动系统”所公开那样的，对指令电压施加零相电压从而进行控制的方法或通过使用空间电压矢量方式调整所输出的矢量的时间来控制中性点电位的方式。
图1所示是三相中性点钳位式逆变器的基本构成，图中，1是三相交流电源，2是整流元件，3、4是平滑电容，6～23是二极管，24～35是IGBT，36是电机。
图1中，如果设中性点电压(串接的逆变器的平滑电容的连接点O的电压)和负母线电压的电位差为Vcn，则中性点电位控制必须将Vcn控制在逆变器母线电压Vpn的1/2电压上。
在图1那样的三相中性点钳位式逆变器选择图2所示的输出矢量并控制Vcn时，可以利用于Vcn的控制的电压矢量只有xp(1)、xn(1)、xp(2)、xn(2)、xp(3)、xn(3)、yp(1)、yn(1)、yp(2)、yn(2)、yp(3)、yn(3)这12个矢量。输出该12个矢量时的负荷和逆变器的平滑电容的连接状态示于图3。
如果负荷电流流向图3所示的箭头方向，例如，在区域1的xp(1)和xn(1)的连接状态中，由于流入中性点的电流的朝向相反，故如图4那样，在U相的电流不变动程度的短少时间内产生xp(1)、xn(1)，Vcn在xp(1)产生时上升，在xn(1)产生时下降，如果xp(1)的产生时间Tp和xn(1)的产生时间Tn在时间上相等，则在xp(1)和xn(1)的总产生时间Tout(＝Tp+Tn)下的平均Vcn为一定的电压，如果Tp＞Tn则平均的Vcn上升。如果Tp＜Tn则平均的Vcn下降。
这样可知，通过调整图3中横向并列的矢量(xp(1)和xn(1)、yp(1)和yn(1)、xp(2)和xn(2)、yp(2)和yn(2)、xp(3)和xn(3)、yp(3)和yn(3))的产生时间比率，即可以控制Vcn。
在对指令电压施加零相电压的中性点电位控制中，通过施加正的零相电压延长xp(1)、xp(2)、xp(3)、yp(1)、yp(2)、yp(3)的产生时间比率，这与通过施加负的零相电压延长xn(1)、xn(2)、xn(3)、yn(1)、yn(2)、yn(3)的产生时间几乎是等价的。
在使用空间电压矢量的方式中，例如，如果设输出区域i(i＝1，2…，6)内的某电压矢量时的xp(j)、xn(j)矢量的总输出时间为Tx(i)，yp(k)、yn(k)矢量的总输出时间为Ty(i)，xp(j)的输出时间为Txp(j)，xn(j)的输出时间为Txn(j)，yp(k)的输出时间为Typ(k)，yn(k)的输出时间为Tyn(k)，则当定义如下式
Txp(j)＝αTx(i)
Txn(j)＝(1-α)Tx(i)
Typ(k)＝αTy(i)
Tyn(k)＝(1-α)Ty(i)
(即设i＝1时j＝1、k＝1且i＝2时j＝2、k＝1且i＝3时j＝2、k＝2且i＝4时j＝3、k＝2且i＝5时j＝3、k＝3且i＝6时j＝1、k＝3)这样地设定的α时，因为电动状态的情况是
如果增大α则Vcn上升，
如果减小α则Vcn下降，
此外，在再生状态时，
如果增大α则Vcn下降，
如果减小α则Vcn上升，
所以，可以通过调整α来控制中性点电位。
但是，在以往的对指令施加零相电压的中性点电位控制方法中，由于负荷功率因数在零附近不能进行中性点电位控制，所以，作为既解决该问题而又不影响负荷功率因数地进行中性点电位控制的方法，如特开平9-182455号公报那样，有作为零相电压重叠调制指令的偶数次成分的方法，但其存在在控制复杂的比例方面效果微弱的问题。
此外，也有如专利第2888104号公报那样地利用规定相的电流方向调节对应的中性点电位时间范围的方法，但其也有在多相逆变器中无法很好地进行相间输出电压的控制的问题。
因此，本发明要解决的第1个问题就是能够不损失相间输出电压品质地通过简单的相电流的测定或预测，与功率因数无关系地进行中性点电位控制，以及还能够抑制因负荷接地时的负荷电流失衡而导致的中性点电位变动，并由此提供可以提高逆变器的品质·稳定性·可靠性的三相中性点钳位式逆变器的中性点电位控制方法。
进而，作为以往三相中性点钳位式PWM逆变器装置的PWM脉冲产生方法，有如特开平5-146160所公开的那样，比较振幅指令和载波并输出脉冲的单极调制·偶极调制，或如特开平5-292754那样，根据空间矢量的思路计算各矢量的产生时间并产生PWM脉冲的方式。图5所示是在平面上图示三相中性点钳位式PWM逆变器的输出矢量的图。如果取三相中性点钳位式PWM逆变器的相输出端子连接到正母线的切换状态为P，连接到负母线的切换状态为N，连接到中性线的切换状态为O，并按输出相的UVW顺序并列的话，则三相中性点钳位式PWM逆变器能够取得的输出电压可以取如图5所示那样的27种切换状态。
这里，为了便于说明，将图5所示的三相中性点钳位式PWM逆变器能够取得的27种切换状态分成以下几组，即
零矢量
PPP：Op
OOO：Oo
NNN：Nn
x矢量
POO、OPO、OOP：xp
ONN、NON、NNO：xn
y矢量
PPO、OPP、POP：yp
OON、NOO、ONO：yn
z矢量
PON、OPN、NPO、NOP、ONP：z
a矢量
PNN、NPN、NNP：a
b矢量
PPN、NPP、PNP：b，
且如下面这样地划分区域为
用零矢量和x矢量、y矢量围成的区域为1-1～6-1
用x矢量、a矢量、z矢量围成的区域为1-2～6-2
用x矢量、y矢量、z矢量围成的区域为1-3～6-3
用y矢量、b矢量、z矢量围成的区域为1-4～6-4。
三相中性点钳位式PWM逆变器为了输出图5所示区域内的某个电压矢量A，使用距该电压矢量的顶端距离最近的切换状态的矢量，并依次产生这些矢量，使某一单位时间内的矢量合成值达到与电压矢量A一样地进行脉冲宽度调制(PWM)并得到输出电压。
在三相中性点钳位式PWM逆变器中，为了如图6所示的那样生成中性点电压，一般地是在主电路正母线P和负母线N之间串接偶数个平滑电容3、4，并从恰好达到正母线P和负母线N的中间电压的电容的端子0处取出中性线加以利用。在图6中，1是三相交流电源，2是二极管整流桥，6～11是钳位二极管，12～23是回流二极管，24～35是IGBT，36～38是电流传感器，39是负荷电机。
上述的中性线0如图7、图8所示的那样，通过PWM逆变器的切换状态与PWM逆变器输出负荷(负荷电机39)连接。中性线的电位(中性点电位)随着来自正母线·负母线的对电容进行充电的电流和来自所连接的负荷的电流而变动。
在图7所示的切换状态中，虽然输出到负荷的线间电压是一样的，但连接到中性线的负荷的相利用不同的切换状态组(在图7取相邻的切换状态为一组)，并通过调节该组切换状态产生的时间比率，可以精细地控制中性点电位。
但是，在图8所示的切换状态中，由于是用连接到中性线的负荷的相电流和该切换状态产生的时间比率来变动中性点电位，不存在可完全修正该变动的切换状态，故由图8的切换状态引起的中性点电位变动必须使用图7的切换状态进行修正。
因此，以往如特开平2-261063号公报所公开的那样，对调制率施加零相电压，调节图7所示的组的切换状态的产生时间且不改变供给负荷的相间输出电压地控制中性点电位变动。此外，即使是使用空间矢量的方法，也可以如使用图7所示的切换状态组那样地输出应该输出的电压矢量，调节该组的切换状态的产生时间从而控制中性点电位。
在三相中性点钳位式PWM逆变器中，图8的切换状态时的中性点电位变动是由图8中连接在中性线的负荷的相电流决定。连接在中性线的负荷的相电流(负荷功率因数＝1时)示于图9，由于连接在中性线的负荷的相电流110的朝向在输出电压矢量变化120度的过程中必然反转，所以，存在因该影响引起中性点电位以输出频率3倍的频率变动的问题。
进而，在调制率相当大时，与图7所示的切换状态相比，图8所示的切换状态的产生时间比率变大，在调制率超过约1.15的过调制状态下，图7所示的切换状态的产生时间比率完全为零，存在不能抑制由图8所示的切换状态引起的中性点电位变动的问题。
因此，作为本发明要解决的第2课题，是抑制三相中性点钳位式PWM逆变器装置的中性点电位变动，进而使以往不可能的过调制时的中性点电位的调整成为可能，谋求提高可靠性和提高输出电压的品质。
发明的公开
为了解决上述的第1课题，本发明的中性点钳位式逆变器的中性点电位控制方法，其特征在于：
(1)三相中性点钳位式逆变器的相输出端子以连接于上述逆变器正母线电压点的状态为P、以连接于上述逆变器的母线的中性点的状态为O、以连接于上述逆变器负母线电压点的状态为N，且上述逆变器的三相输出状态按U相V相W相的顺序，并如下面这样地将输出电压记载为空间矢量，即
形成POO的输出状态为矢量xp(1)；
形成ONN的输出状态为矢量xn(1)；
形成PPO的输出状态为矢量yp(1)；
形成OON的输出状态为矢量yn(1)；
形成OPO的输出状态为矢量xp(2)；
形成NON的输出状态为矢量xn(2)；
形成OPP的输出状态为矢量yp(2)；
形成NOO的输出状态为矢量yn(2)；
形成OOP的输出状态为矢量xp(3)；
形成NNO的输出状态为矢量xn(3)；
形成POP的输出状态为矢量yp(3)；
形成ONO的输出状态为矢量yn(3)，
则在上述的三相中性点钳位式逆变器中，
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量yp(3)和上述矢量yp(1)之间时，利用上述U相的电流方向可以使上述矢量xp(1)和上述矢量xn(1)的产生时间比率变化；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量yp(1)和上述矢量yp(2)之间时，利用上述V相的电流方向可以使上述矢量xp(2)和上述矢量xn(2)的产生时间比率变化；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量yp(2)和上述矢量yp(3)之间时，利用上述W相的电流方向可以使上述矢量xp(3)和上述矢量xn(3)的产生时间比率变化；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量xp(1)和上述矢量xp(2)之间时，利用上述W相的电流方向可以使上述矢量yp(1)和上述矢量yn(1)的产生时间比率变化；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量xp(2)和上述矢量xp(3)之间时，利用上述U相的电流方向可以使上述矢量yp(2)和上述矢量yn(2)的产生时间比率变化；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量xp(3)和上述矢量xp(1)之间时，利用上述V相的电流方向可以使上述矢量yp(3)和上述矢量yn(3)的产生时间比率变化，
从而进行上述三相中性点钳拉式逆变器的中性点电位的稳定化。
(2)三相中性点钳位式逆变器的相输出端子以连接于上述逆变器正母线电压点的状态为P、以连接于上述逆变器母线的中性点的状态为O、以连接于上述逆变器负母线电压点的状态为N，且上述逆变器的三相输出状态按U相V相W相的顺序，并如下面这样地将输出电压记载为空间矢量，即
形成POO的输出状态为矢量xp(1)；
形成ONN的输出状态为矢量xn(1)；
形成PPO的输出状态为矢量yp(1)；
形成OON的输出状态为矢量yn(1)；
形成OPO的输出状态为矢量xp(2)；
形成NON的输出状态为矢量xn(2)；
形成OPP的输出状态为矢量yp(2)；
形成NOO的输出状态为矢量yn(2)；
形成OOP的输出状态为矢量xp(3)；
形成NNO的输出状态为矢量xn(3)；
形成POP的输出状态为矢量yp(3)；
形成ONO的输出状态为矢量yn(3)，
则在上述的三相中性点钳位式逆变器中，
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量yp(3)和上述矢量yp(1)之间时，利用上述V相和上述W相的和的电流方向可以使上述矢量xp(1)和上述矢量xn(1)的产生时间比率变化；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量yp(1)和上述矢量yp(2)之间时，利用上述U相和上述W相的和的电流方向可以使上述矢量xp(2)和上述矢量xn(2)的产生时间比率变化；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量yp(2)和上述矢量yp(3)之间时，利用上述U相和上述V相的和的电流方向可以使上述矢量xp(3)和上述矢量xn(3)的产生时间比率变化；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量xp(1)和上述矢量xp(2)之间时，利用上述U相和上述V相的和的电流方向可以使上述矢量yp(1)和上述矢量yn(1)的产生时间比率变化；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量xp(2)和上述矢量xp(3)之间时，利用上述V相和上述W相的和的电流方向可以使上述矢量yp(2)和上述矢量yn(2)的产生时间比率变化；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量xp(3)和上述矢量xp(1)之间时，利用上述U相和上述W相的和的电流方向可以使上述矢量yp(3)和上述矢量yn(3)的产生时间比率变化，
从而进行上述三相中性点钳拉式逆变器的中性点电位的稳定化。
(3)三相中性点钳位式逆变器的相输出端子以连接于上述逆变器正母线电压点的状态为P、以连接于上述逆变器母线的中性点的状态为O、以连接于上述逆变器负母线电压点的状态为N，且上述逆变器的三相输出状态按U相V相W相的顺序，并如下面这样地将输出电压记载为空间矢量，即
形成POO的输出状态为矢量xp(1)；
形成ONN的输出状态为矢量xn(1)；
形成PPO的输出状态为矢量yp(1)；
形成OON的输出状态为矢量yn(1)；
形成OPO的输出状态为矢量xp(2)；
形成NON的输出状态为矢量xn(2)；
形成OPP的输出状态为矢量yp(2)；
形成NOO的输出状态为矢量yn(2)；
形成OOP的输出状态为矢量xp(3)；
形成NNO的输出状态为矢量xn(3)；
形成POP的输出状态为矢量yp(3)；
形成ONO的输出状态为矢量yn(3)，
则在上述的三相中性点钳位式逆变器中，
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量yp(3)和上述矢量yp(1)之间时，比较上述U相的电流Iu和上述V相Iv与上述W相Iw的电流之和，在Iu和Iv+Iw同符号的情况下，
如果|Iu|＜|Iv+Iw|则抑制上述矢量xp(1)的产生，
如果|Iu|＞|Iv+Iw|则抑制上述矢量xn(1)的产生；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量yp(1)和上述矢量yp(2)之间时，比较上述V相的电流Iv和上述U相Iu与上述W相Iw的电流之和，在Iv和Iu+Iw同符号的情况下，
如果|Iv|＜|Iu+Iw|则抑制上述矢量xp(2)的产生，
如果|Iv|＞|Iu+Iw|则抑制上述矢量xn(2)的产生；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量yp(2)和上述矢量yp(3)之间时，比较上述W相的电流Iw和上述U相Iu与上述V相Iv的电流之和，在Iw和Iu+Iv同符号的情况下，
如果|Iw|＜|Iu+Iv|则抑制上述矢量xp(3)的产生，
如果|Iw|＞|Iu+Iv|则抑制上述矢量xn(3)的产生；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量xp(1)和上述矢量xp(2)之间时，比较上述W相的电流Iw和上述U相Iu与上述V相Iv的电流之和，在Iw和Iu+Iv同符号的情况下，
如果|Iw|＜|Iu+Iv|则抑制上述矢量yn(1)的产生，
如果|Iw|＞|Iu+Iv|则抑制上述矢量yp(1)的产生；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量xp(2)和上述矢量xp(3)之间时，比较上述U相的电流Iu和上述V相Iv与上述W相Iw的电流之和，在Iu和Iv+Iw同符号的情况下，
如果|Iu|＜|Iv+Iw|则抑制上述矢量yn(2)的产生，
如果|Iu|＞|Iv+Iw|则抑制上述矢量yp(2)的产生；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量xp(3)和上述矢量xp(1)之间时，比较上述V相的电流Iv和上述U相Iu与上述W相Iw的电流之和，在Iv和Iu+Iw同符号的情况下，
如果|Iv|＜|Iu+Iw|则抑制上述矢量yn(3)的产生，
如果|Iv|＞|Iu+Iw|则抑制上述矢量yp(3)的产生，
从而进行上述三相中性点钳拉式逆变器的中性点电位的稳定化。
如果是上述(1)、(2)这样的三相中性点钳位式逆变器的中性点电位控制方法，则可以与负荷因数无关系地实现中性点电位控制，或只检测出负荷电流的方向，因此能简单地实现控制。此外，如果是(3)这样的三相中性点钳位式逆变器的中性点电位控制，则可以控制逆变器输出接地情况下的剧烈的中性点电位变动，提高可靠性。
为了解决上述的第2课题，本发明的三相中性点钳位式PWM逆变器装置：
(1)其具有三相的中性点钳拉式PWM逆变器，而该三相中性点钳拉式PWM逆变器具有正母线、负母线和中性线，且正母线和相电压输出端子间、以及负母线和相电压输出端子间分别串接有第1及第2开关元件以及第3及第4开关元件，同时，上述第1和上述第2开关元件的连接点以及上述第3和上述第4开关元件的连接点分别经由钳位元件与上述中性线相连接，其特征在于：上述正母线、上述负母线、上述中性线分别连接于3相上述相输出端子的、构成6个切换状态的三相输出电压的时间抑制在第1设定值以下，且因抑制在上述第1设定值以下而出现的输出电压的不足部分，用从三相的上述相输出端子分别连接于上述正母线或上述负母线的8个切换状态中，除去3个三相上述相输出端子同时连接在上述正母线或负母线上的2个切换状态后的6个切换状态来补充。
(2)在上述(1)的三相中性点钳位式PWM逆变器装置中，当从被抑制在上述第1设定值以下的6个切换状态移行到补充上述输出电压的不足部分的上述6个切换状态时，只变化上述中性点钳位式PWM逆变器的1相的切换状态。
(3)在上述(1)或者(2)的三相中性点钳位式PWM逆变器装置中，利用调制率的值使上述第1设定值变化。
(4)在上述(1)或者(2)的三相中性点钳位式PWM逆变器装置中，利用流经中性线的电流的方向或输出电流的相位来变化上述第1设定值。
(5)在上述(1)或者(2)的三相中性点钳位式PWM逆变器装置中，对应上述中性线的电压值来变化上述第1设定值。
图面的简单说明
图1所示是一般的三相中性点钳位式PWM逆变器的主电路图。
图2所示是三相中性点钳位式PWM逆变器的空间电压矢量的矢量图。
图3所示是可利用于三相中性点钳位式PWM逆变器的中性点电位控制的矢量产生时的逆变器平滑电容与负荷的连接状态图。
图4所示是产生了矢量xp(1)、xn(1)时的中性点电位变化的概念图。
图5所示是三相中性点钳位式PWM逆变器的输出电压空间矢量图。
图6所示是三相中性点钳位式PWM逆变器的电路构成图。
图7所示是在三相中性点钳位式PWM逆变器的切换状态1的与负荷的连接状态的说明图。
图8所示是在三相中性点钳位式PWM逆变器的切换状态2的与负荷的连接状态的说明图。
图9所示是流经中性线的电流图(负荷功率因数＝1)。
图10所示是本发明实施例1的追加控制框图。
图11所示是本发明实施例2的追加控制框图。
图12所示是本发明实施例3的追加控制框图。
图13～图16所示是表示本发明的PWM脉冲样本之一例的时序图。
图17以及图18所示是本发明的PWM脉冲产生电路之一例的方框图。
用于实施发明的最佳形态
下面参照图面对本发明的中性点钳位式逆变器的中性点电位控制方法的实施例进行说明。
本发明的第1实施例首先除在以往的中性点电位控制中利用的上述的α外，还预设2个称为α1、α2的参数，如果设输出区域i(i＝1、2、…、6)内的某个电压矢量时的xp(j)、xn(j)矢量的总输出时间为Tx(i)，yp(k)、yn(k)矢量的总输出时间为Ty(i)，xp(j)的输出时间为T xp(j)，xn(j)的输出时间为T xn(j)，yp(k)的输出时间为T yp(k)，yn(k)的输出时间为T yn(k)，则有如下述的转换关系：
Txp(j)＝α1·Tx(i)
Txn(j)＝(1-α1)·Tx(i)
Typ(k)＝α2·Ty(i)
Tyn(k)＝(1-α2)·Ty(i)
(这里设i＝1时j＝1、k＝1且i＝2时j＝2、k＝1且i＝3时j＝2、k＝2且i＝4时j＝3、k＝2且i＝5时j＝3、k＝3且i＝6时j＝1、k＝3)。
下面，预设称为X1、X2的参数，并如表1所示那样地设定X1、X2和相电流的对应，并让逆变器输出的相电流Iu、Iv、Iw(设电流从逆变器流到电机的情况为正)按照表1对应X1、X2，并如下面这样地α和α1、α2对应：
若X1≥0则α1＝α
若X1＜0则α1＝(1-α)
若X2≥0则α2＝(1-α)
若X2＜0则α2＝α
表1
区域 1  2  3  4  5  6
X1＝ Iu  Iv  Iv  Iw  Iw  Iu
X2＝ Iw  Iw  Iu  Iu  Iv  Iv
(注：相电流以逆变器→电机的朝向为正)
图10所示是实施例1的控制框图。
如果采用这样的做法，可以通过对相电流的正负的判断可整理流到中性点电流的电流方向，若与负荷功率因数无关系地加大α则Vcn上升，若减小α则Vcn下降的中性点电位成为可能。
本发明的第2实施例如表2所示的这样，是将在实施例1中只测定1相的电流方向变更为测定2相的电流值之和的方向。
表2
区域 1  2  3  4  5  6
X1＝ Iv+Iw  Iu+Iw  Iu+Iw  Iu+Iv  Iu+Iv  Iv+Iw
X2＝ Iu+Iv  Iu+Iv  Iv+Iw  Iv+Iw  Iu+Iw  Iu+Iw
(注：相电流以逆变器→电机的朝向为正)
图11所示是实施例2的控制框图。
本发明的第3实施例，在三相输出的逆变器情况下输出电流平衡时，如实施例1、实施例2这样，能够测定1相或者2相之和的电流方向，但在因负荷接地等造成输出电流不平衡时，将产生不能进行中性点电位控制等问题。因此，对实施例1、实施例2添加图12所示这样的控制模块，在输出电流失衡时调整α1、α2的值，选择并产生流向中性点的电流较少一方的矢量。采用这样的做法，可以抑制输出电流失衡时的中性点电位的变动。
此外，在实施例1、2、3中，虽然是实际地测定各相电流的方向地进行了说明，但各相电流的方向也可以使用根据逆变器应该输出的电流的指令值等导出并预测的值。
如上所述，使用本发明的中性点钳位式逆变器的中性点电位控制方法，则通过测定或预测负荷电流的方向之类的简单方法即可与功率因数无关系地进行中性点电位控制，能够显著地提高逆变器的稳定性·可靠性。此外，还可以抑制负荷接地时的负荷电流失衡引起的中性点电位变动，进一步提高可靠性。
下面，参照图面对本发明的三相中性点钳位式PWM逆变器装置的实施形态进行说明。
图13～图16是本发明的PWM输出脉冲序列的一例。
在图13～图16中，图示的是设PWM的输出周期为2×T，并以横轴为时间系列从左到右顺序地输出脉冲。
在图13～图15示出的例子中，当邻近输出的电压矢量的3个矢量中包含有z矢量时，可以从z矢量始以仅一相的切换状态的变化移动，并且还输出邻近的3个矢量中所不包含的a或者b矢量。
1-3～6-3区域(图13)
例1：yp→b→z→yn→xn→a→z→xp→yp
1-2～6-2区域(图14)
例2：xp→z→b→z→a→xn，xn→a→z→b→z→xp
例3：b→z→xp→a→xn，xn→a→xp→z→b
1-4～6-4区域(图15)
例4：yp→b→z→a→z→yn，yn→z→a→b→yp
例5：yp→b→yn→z→a，a→z→yn→b→yp
在上述例子中虽然没有示出，但即便是用与上述例子相反的顺序(从右到左顺序地输出PWM脉冲)其输出电压的平均值也可以达到与上述例子一样程度。
在输出上述这样的脉冲序列时，各切换状态的产生时间在设输出的电压矢量的调制率为k(设图5的六角形的内接圆半径为1)、由在角度上最接近的a矢量形成的角为θ、PWM输出脉冲的周期为T、z矢量的输出时间为T2时，可如下示出：
在1-3～6-3区域
零矢量的产生时间(T0)为T0＝0
x矢量的产生时间(T1)为T1＝T{1-2ksinθ}
z矢量的产生时间(T2)为T2＝T{2ksin(θ+π/3)-1}以下且零以上的任意值
y矢量的产生时间(T3)为T3＝T{1-2ksin(π/3-θ)}
a矢量的产生时间(T4)为T4＝[T{2ksin(θ+π/3)-1}-T2]/2
b矢量的产生时间(T5)为T5＝[T{2ksin(θ′+π/3)-1}-T2]/2
在1-2～6-2区域
零矢量的产生时间(T0)为T0＝0
x矢量的产生时间(T1)为T1＝T{1-k sin(θ+π/3)}
z矢量的产生时间(T2)为T2＝2T k sinθ以下且零以上的任意值
y矢量的产生时间(T3)为T3＝0
a矢量的产生时间(T4)为T4＝T(31/2k cosθ-1)-T2/2
b矢量的产生时间(T5)为T5＝(2T k sinθ-T2)/2
在1-4～6-4区域
零矢量的产生时间(T0)为T0＝0
x矢量的产生时间(T1)为T1＝0
z矢量的产生时间(T2)为T2＝2Tk sin(π/3-θ)以下且零以上的任意值
y矢量的产生时间(T3)为T3＝2T{1-k sin(θ+π/3)}
a矢量的产生时间(T4)为T4＝{2k sin(π/3-θ)-T2}/2
b矢量的产生时间(T5)为T5＝T(31/2k cos(π/3-θ)-1)-T2/2。
进而在1-3～6-3区域，如：
例6：yp→xp→z→a→xn→yn，yn→a→z→xp→yp
例7：xp→yp→b→z→yn→xn，xn→yn→z→b→yp→xp
那样取图16所示那样的样本，该情况下各切换状态的产生时间为
在yp→xp→z→a→xn→yn时，可如下面所示：
零矢量的产生时间(T0)为T0＝0
x矢量的产生时间(T1)为T1＝T{2-3ksinθ-31/2k cosθ}+T2
z矢量的产生时间(T2)为T2＝{2ksin(θ+π/3)-1}以下且零以上的任意值
y矢量的产生时间(T3)为T3＝T{2ksinθ}-T2
a矢量的产生时间(T4)为T4＝{31/2k cosθ+ksinθ-1}-T2
在xp→yp→b→z→yn→xn时，可如下面所示：
零矢量的产生时间(T0)为T0＝0
x矢量的产生时间(T1)为T1＝T{31/2k cosθ-ksinθ}-T2
z矢量的产生时间(T2)为T2＝{2ksin(θ+π/3)-1}以下且零以上的任意值
y矢量的产生时间(T3)为T3＝T{2-2·31/2k cosθ}+T2
b矢量的产生时间(T5)为T5＝T{k sinθ+31/2k cosθ-1}-T2。
如果采用以上这样的PWM输出脉冲序列，则可以将图8所示的z矢量的产生时间(T2)确定在零以上的任意值，通过缩短T2，可以抑制z矢量引起的中性点电位的变动，由于在调制率大时(x、y矢量的产生时间变短的情况)可以缩短使中性点电位变动的z矢量的产生时间，所以可以抑制以输出频率的3倍变动的中性点电位。
此外，如果采用以上这样的PWM输出脉冲序列，则因在PWM脉冲移行时只有1相的切换状态变化，故输出线间电压的变动幅度大致和中性点电位一样从而能够抑制负荷波动。还有，上述的PWM脉冲序列是一个例子，在上述例子之外也存在满足本发明特征的脉冲序列。
图17是本发明之一例的方框图。图中，101是z矢量产生时间计算器1，102是z矢量产生时间上限设定器，103是PWM产生时间计算器，104是各矢量产生时间设定器，105是PWM样本发生器。
由于z矢量的产生时间因调制率而大幅度地变化，所以在调制率小且z矢量的产生时间也小时，如果进一步缩短z矢量的产生时间，则z矢量以及用于补充z矢量而输出的a矢量或者b矢量二者的产生时间变得微小，因而在开关元件的响应特性缓慢时，有时将不能输出正确的脉冲，出现输出电压不足。因此，如图17所示的那样，根据调制率增加使T2的设定值变化的z矢量产生时间计算器1(101)，并根据调制率最佳化T2的设定值，并不使z、a、b矢量的各产生变得过短地进行调节从而不致于输出电压不足。
图18所示是本发明之一例的方框图。图中106是z矢量产生时间计算器2。
使z矢量产生时的中性点电位的变动方向通过连接在中性线的相的负荷电流的朝向来决定，如果电流流入中性线，则中性点电位变高，如果电流流出中性线，则中性点电位变低。
使用图18这样的构成的电路，用图6所示的电流传感器36、37、38测定电压矢量的调制率和相位以及连接在中性线的负荷的相电流的方向，并根据该电流方向和中性点控制指令用z矢量产生时间计算器2(106)来计算T2的时间设定。
中性点控制指令是：
(1)使中性点电位上升的指令时
根据切换状态和相电流的状态，在电路流入中性线时加大z矢量的产生时间比率，除此之外则减小z矢量的产生时间比率。
(2)使中性点电位降低的指令时
根据切换状态和相电流的状态，在电路流出中性线时加大z矢量的产生时间比率，除此之外则减小z矢量的产生时间比率。
(3)保持中性点电位的指令时
设z矢量的产生时间比率为一定值。
通过以上这样的做法，可以将中性点电位调节到所期望的电位。在调制率超过1这样的过调制状态中，由于可以调整以往使用的中性点电位的x、y矢量的产生时间几乎没有，因而不可能进行中性点电位的调整，但通过使用图18所示这样的电路构成来调整z矢量的产生时间，则即使在过调制时也可以进行中性点电位的调整。
如以上说明的这样，根据本发明，可以抑制三相中性点钳位式PWM逆变器装置的中性点电位变动，进而可以使以往不能进行的过调制时的中性点电位的调整成为可能，可谋求提高可靠性和提高输出电压的品质。
产业利用的可能性
本发明可适用于进行电机的可变速驱动的逆变器。

Claims (8)

1.一种中性点电位控制方法，其特征在于：设三相中性点钳位式逆变器的相输出端子连接于上述逆变器正母线电压点的状态为P、连接于上述逆变器的母线的中性点的状态为O、连接于上述逆变器的负母线电压点的状态为N，且上述逆变器的三相输出状态按U相V相W相的顺序，并如下所述将输出电压记载为空间矢量，即
形成POO的输出状态为矢量xp(1)；
形成ONN的输出状态为矢量xn(1)；
形成PPO的输出状态为矢量yp(1)；
形成OON的输出状态为矢量yn(1)；
形成OPO的输出状态为矢量xp(2)；
形成NON的输出状态为矢量xn(2)；
形成OPP的输出状态为矢量yp(2)；
形成NOO的输出状态为矢量yn(2)；
形成OOP的输出状态为矢量xp(3)；
形成NNO的输出状态为矢量xn(3)；
形成POP的输出状态为矢量yp(3)；
形成ONO的输出状态为矢量yn(3)，
则在上述的三相中性点钳位式逆变器中，
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量yp(3)和上述矢量yp(1)之间时，利用上述U相的电流方向可以使上述矢量xp(1)和上述矢量xn(1)的产生时间比率变化；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量yp(1)和上述矢量yp(2)之间时，利用上述V相的电流方向可以使上述矢量xp(2)和上述矢量xn(2)的产生时间比率变化；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量yp(2)和上述矢量yp(3)之间时，利用上述W相的电流方向可以使上述矢量xp(3)和上述矢量xn(3)的产生时间比率变化；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量xp(1)和上述矢量xp(2)之间时，利用上述W相的电流方向可以使上述矢量yp(1)和上述矢量yn(1)的产生时间比率变化；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量xp(2)和上述矢量xp(3)之间时，利用上述U相的电流方向可以使上述矢量yp(2)和上述矢量yn(2)的产生时间比率变化；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量xp(3)和上述矢量xp(1)之间时，利用上述V相的电流方向可以使上述矢量yp(3)和上述矢量yn(3)的产生时间比率变化，
从而进行上述三相中性点钳拉式逆变器的中性点电位的稳定化。
2.一种中性点电位控制方法，其特征在于：设三相中性点钳位式逆变器的相输出端子连接于上述逆变器正母线电压点的状态为P、连接于上述逆变器的母线的中性点的状态为O、连接于上述逆变器的负母线电压点的状态为N，且上述逆变器的三相输出状态按U相V相W相的顺序并如下所述将输出电压记载为空间矢量，即
形成POO的输出状态为矢量xp(1)；
形成ONN的输出状态为矢量xn(1)；
形成PPO的输出状态为矢量yp(1)；
形成OON的输出状态为矢量yn(1)；
形成OPO的输出状态为矢量xp(2)；
形成NON的输出状态为矢量xn(2)；
形成OPP的输出状态为矢量yp(2)；
形成NOO的输出状态为矢量yn(2)；
形成OOP的输出状态为矢量xp(3)；
形成NNO的输出状态为矢量xn(3)；
形成POP的输出状态为矢量yp(3)；
形成ONO的输出状态为矢量yn(3)，
则在上述的三相中性点钳位式逆变器中，
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量yp(3)和上述矢量yp(1)之间时，利用上述V相和上述W相的和的电流方向可以使上述矢量xp(1)和上述矢量xn(1)的产生时间比率变化；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量yp(1)和上述矢量yp(2)之间时，利用上述U相和上述W相的和的电流方向可以使上述矢量xp(2)和上述矢量xn(2)的产生时间比率变化；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量yp(2)和上述矢量yp(3)之间时，利用上述U相和上述V相的和的电流方向可以使上述矢量xp(3)和上述矢量xn(3)的产生时间比率变化；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量xp(1)和上述矢量xp(2)之间时，利用上述U相和上述V相的和的电流方向可以使上述矢量yp(1)和上述矢量yn(1)的产生时间比率变化；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量xp(2)和上述矢量xp(3)之间时，利用上述V相和上述W相的和的电流方向可以使上述矢量yp(2)和上述矢量yn(2)的产生时间比率变化；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量xp(3)和上述矢量xp(1)之间时，利用上述U相和上述W相的和的电流方向可以使上述矢量yp(3)和上述矢量yn(3)的产生时间比率变化，
从而进行上述三相中性点钳拉式逆变器的中性点电位的稳定化。
3.一种中性点电位控制方法，其特征在于：设三相中性点钳位式逆变器的相输出端子连接于上述逆变器正母线电压点的状态为P、连接于上述逆变器的母线的中性点的状态为O、连接于上述逆变器的负母线电压点的状态为N，且上述逆变器的三相输出状态按U相V相W相的顺序，并如下所述将输出电压记载为空间矢量，即
形成POO的输出状态为矢量xp(1)；
形成ONN的输出状态为矢量xn(1)；
形成PPO的输出状态为矢量yp(1)；
形成OON的输出状态为矢量yn(1)；
形成OPO的输出状态为矢量xp(2)；
形成NON的输出状态为矢量xn(2)；
形成OPP的输出状态为矢量yp(2)；
形成NOO的输出状态为矢量yn(2)；
形成OOP的输出状态为矢量xp(3)；
形成NNO的输出状态为矢量xn(3)；
形成POP的输出状态为矢量yp(3)；
形成ONO的输出状态为矢量yn(3)，
则在上述的三相中性点钳位式逆变器中，
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量yp(3)和上述矢量yp(1)之间时，比较上述U相的电流Iu和上述V相Iv与上述W相Iw的电流之和，在Iu和Iv+Iw同符号的情况下，
如果|Iu|＜|Iv+Iw|则抑制上述矢量xp(1)的产生，
如果|Iu|＞|Iv+Iw|则抑制上述矢量xn(1)的产生；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量yp(1)和上述矢量yp(2)之间时，比较上述V相的电流Iv和上述U相Iu与上述W相Iw的电流之和，在Iv和Iu+Iw同符号的情况下，
如果|Iv|＜|Iu+Iw|则抑制上述矢量xp(2)的产生，
如果|Iv|＞|Iu+Iw|则抑制上述矢量xn(2)的产生；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量yp(2)和上述矢量yp(3)之间时，比较上述W相的电流Iw和上述U相Iu与上述V相Iv的电流之和，在Iw和Iu+Iv同符号的情况下，
如果|Iw|＜|Iu+Iv|则抑制上述矢量xp(3)的产生，
如果|Iw|＞|Iu+Iv|则抑制上述矢量xn(3)的产生；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量xp(1)和上述矢量xp(2)之间时，比较上述W相的电流Iw和上述U相Iu与上述V相Iv的电流之和，在Iw和Iu+Iv同符号的情况下，
如果|Iw|＜|Iu+Iv|则抑制上述矢量yn(1)的产生，
如果|Iw|＞|Iu+Iv|则抑制上述矢量yp(1)的产生；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量xp(2)和上述矢量xp(3)之间时，比较上述U相的电流Iu和上述V相Iv与上述W相Iw的电流之和，在Iu和Iv+Iw同符号的情况下，
如果|Iu|＜|Iv+Iw|则抑制上述矢量yn(2)的产生，
如果|Iu|＞|Iv+Iw|则抑制上述矢量yp(2)的产生；
当由上述逆变器输出的电压矢量的角度夹在上述矢量xp(3)和上述矢量xp(1)之间时，比较上述V相的电流Iv和上述U相Iu与上述W相Iw的电流之和，在Iv和Iu+Iw同符号的情况下，
如果|Iv|＜|Iu+Iw|则抑制上述矢量yn(3)的产生，
如果|Iv|＞|Iu+Iw|则抑制上述矢量yp(3)的产生，
从而进行上述三相中性点钳拉式逆变器的中性点电位的稳定化。
4.一种三相中性点钳位式PWM逆变器装置，其具有三相的中性点钳拉式PWM逆变器，而该三相中性点钳拉式PWM逆变器具有正母线、负母线和中性线，且正母线和相电压输出端子间以及负母线和相电压输出端子间分别串接有第1及第2开关元件以及第3及第4开关元件，同时，上述第1和上述第2开关元件的连接点以及上述第3和上述第4开关元件的连接点分别经由钳位元件与上述中性线相连接，其特征在于：
将上述正母线、上述负母线、上述中性线分别被连接于3相的上述相输出端子的、构成6个切换状态的三相输出电压的时间抑制在第1设定值以下，且因抑制在上述第1设定值以下而出现的输出电压的不足部分，是用从三相的上述相输出端子分别连接于上述正母线或上述负母线的8个切换状态中除去3个三相上述相输出端子同时连接在上述正母线或负母线的2个切换状态后的6个切换状态来补充。
5.根据权利要求4所记述的三相中性点钳位式PWM逆变器装置，其特征在于：当从被抑制在上述第1设定值以下的6个切换状态移行到补充上述输出电压的不足部分的上述6个切换状态时，只变化上述中性点钳位式PWM逆变器的1相的切换状态。
6.根据权利要求4或5所记述的三相中性点钳位式PWM逆变器装置，其特征在于：根据调制率的值来使上述第1设定值变化。
7.根据权利要求4或5所记述的三相中性点钳位式PWM逆变器装置，其特征在于：根据流到中性线的电流的方向或输出电流的相位来使上述第1设定值变化。
8.根据权利要求4或5所记述的三相中性点钳位式PWM逆变器装置，其特征在于：根据上述中性线的电压值来使上述第1设定值变化。
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