JP2002199738A - マルチレベルインバータ - Google Patents

マルチレベルインバータ

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Akio Suzuki
明夫 鈴木
Shigeo Konishi
茂雄 小西
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 マルチレベルインバータの出力の力率や運転
中,停止中の如何にかかわらず、直流電圧分担の不平衡
を抑制できるようにする。 【解決手段】 直流電圧を分担する直流コンデンサ
1 ,C2 とインバータとから構成される、例えば3レ
ベルインバータのC1 ,C2 と並列にスイッチング素子
DB1,DB2を接続し、かつ、このスイッチング素子
DB1,DB2の直列接続点と直流コンデンサC1 ,C
2 の直列接続点との間にリアクトルL1を接続し、スイ
ッチング素子DB1,DB2をスイッチングすること
で、直流コンデンサの電圧分担の平衡化を図る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、マルチレベルイ
ンバータ、特にマルチレベルインバータの直流回路の電
圧分担不平衡の抑制,または電圧分担の平衡化が可能な
マルチレベルインバータに関する。
【0002】
【従来の技術】従来例として、例えば電気学会半導体電
力変換研究会資料SPC−91−37として発表された
“NPCインバータの直流入力コンデンサ電圧の平衡化
制御”嶋村ほかの論文がある。図6にこの論文の制御回
路を示し、図7にその制御対象としての3レベルインバ
ータ(中性点クランプ形インバータまたはNPCインバ
ータとも言う)の例を示す。
【0003】まず、図7の3レベルインバータについて
簡単に説明する。これは、直流電源Esの電圧を分担す
る2つの直流コンデンサC1 ,C2 と、スイッチング素
子GU1〜GZ2およびクランプダイオードDU0〜DZ0を備
え、前記直流コンデンサ電圧を交流電圧に変換するイン
バータとから構成される。なお、DU1〜DZ2は各スイッ
チング素子GU1〜GZ2に逆並列接続された還流用ダイオ
ード、IMは誘導電動機を示す。
【0004】図6では、上記図7に示す直流コンデンサ
1 ,C2 の各端子電圧ED1,ED2からその差分SED
を作り、この差分SED を一次遅れフィルタFIに与え
て直流成分信号SEDIを作成する。また、これらの信号
SED ,SEDIから交流成分信号SEAIを作る。さら
に、有効・無効電力検出回路PQによって検出したイン
バータ出力有効電力PM1・無効電力QM1と、電流制御回
路CCからのインバータ出力周波数指令FI とに基づ
き、極性判別回路PDにより極性切替信号POL1 を作り
だす。
【0005】そして、上記SEDI,SEAIにそれぞれ補
償ゲインKDI,KAIを掛けた値を加算した値SBI1 を、
上記極性切替信号POL1 によって制御されるスイッチS
Wにより必要に応じて極性変換し、最終的な補正量S
BI2 を生成する。補正量SBI2はインバータ出力電圧指
令vUI1 * ,vVI1 * ,vWI1 * に加算され、最終的な
インバータ出力電圧指令vUI2 * ,vVI2 * ,vWI2 *
となり、この指令に基づいてインバータを制御すること
により、直流コンデンサ電圧ED1,ED2の不平衡を補正
(補償)する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来例では、 力率0では、補正量SBI2 をどれだけ増加しても中性
点電流の直流分が発生しないので、制御自体が無効とな
る。 直流電圧分担を制御するためにインバータ出力電圧指
令に補正を加えるため、インバータ出力電圧が歪む。 インバータ停止時には、直流電圧分担不平衡を抑制で
きない。などの問題がある。したがって、この発明の課
題は、インバータの力率やインバータ運転中,停止中に
関係なく、直流コンデンサの直流電圧分担の平衡化を図
ることにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、請求項1の発明では、直流電源の電圧を互いに
分担する複数の直流コンデンサと、スイッチング素子お
よびクランプダイオードを備え前記直流コンデンサの電
圧を交流電圧に変換するインバータとからなる3レベル
以上のマルチレベルインバータにおいて、前記複数の直
流コンデンサの2個ずつを対とする直流コンデンサ直列
回路と並列に2個の電圧分担用スイッチング素子の直列
回路を接続するとともに、前記直流コンデンサの直列接
続点と前記電圧分担用スイッチング素子の直列接続点と
の間にリアクトルを接続し、前記電圧分担用スイッチン
グ素子をスイッチングすることを特徴とする。この請求
項1の発明においては、4レベル以上のマルチレベルイ
ンバータでは、前記対として設けられる2個の電圧分担
用スイッチング素子を、1個とすることができる(請求
項2の発明)。
【0008】
【発明の実施の形態】図1はこの発明の第1の実施の形
態を示す主回路図、図2はその制御ブロック図である。
これは、直流電源は図示を省略されているが基本的には
図7と同様の3レベルインバータで、電源電圧を互いに
分配する2つ(一般にnレベルインバータではn−1
個)のコンデンサC1 ,C2 と、各相の上下アームにス
イッチ素子とダイオードとを逆並列接続した2つのスイ
ッチ回路をそれぞれ接続し、各上下アームの2つのスイ
ッチ回路の接続点どうしを第1,第2クランプダイオー
ドを介して互いに接続し、かつ、上記第1,第2コンデ
ンサC1 ,C2 に対して並列に第1,第2スイッチ回路
DB1,DB2を接続し、さらに第1,第2コンデンサ
1,C2 の直列接続点と第1,第2スイッチ回路DB
1,DB2の直列接続点との間にリアクトルL1を接続
して構成される。
【0009】このような構成において、直流コンデンサ
1 ,C2 のいずれか一方、例えばC1 の電圧EDC1
が上昇すると、直流コンデンサC1 と並列に接続された
スイッチング回路DB1がオンし、これにより直流コン
デンサC1 の電荷が放電され、電圧EDC1が低下す
る。このとき、放電された直流コンデンサC1 のエネル
ギーはリアクトルL1に蓄えられる。そして、スイッチ
ング回路DB1をオフすると、リアクトルL1に蓄えら
れエネルギーは、対向するスイッチング回路DB2のダ
イオードを還流して直流コンデンサC2 に充電され、直
流コンデンサC2の電圧EDC2が上昇し、これによ
り、直流コンデンサC1 ,C2 の電圧分担を均一にして
いる。
【0010】上記のような動作をするために図2に示す
制御回路では、まず、検出した直流コンデンサ電圧ED
C1,EDCの差分VCDを演算し、この差分VCDを
調節器DVR1に入力する。調節器DVR1の出力が飽
和しないように通流率制限手段(リミッタ)LIMIT
1を設け、その出力を比較器COMP1で例えばキャリ
ア三角波FCと比較し、この比較演算した信号PDB
1,PDB2により、スイッチング回路DB1,DB2
のスイッチ素子をスイッチングする。
【0011】図3はこの発明の第2の実施の形態を示す
主回路図である。これは4レベルインバータの例で、直
流コンデンサC1 ,C2 およびC3 に対し、スイッチン
グ素子およびクランプダイオードからなるインバータを
接続するとともに、上記第1,第2コンデンサC1 ,C
2 に対しては並列に第1,第2スイッチ回路DB1,D
B2を、また、上記第2,第3コンデンサC2 ,C3
対しては並列に第2,第3スイッチ回路DB3,DB4
を接続し、さらに、第1,第2コンデンサC1 ,C2
直列接続点と第1,第2スイッチ回路DB1,DB2の
直列接続点との間にはリアクトルL1、また、第2,第
3コンデンサC2 ,C3 の直列接続点と第2,第3スイ
ッチ回路DB3,DB4の直列接続点との間にはリアク
トルL2を接続して構成される。
【0012】いま、直列接続された直流コンデンサ
1 ,C2 およびC3 のうちの或る直流コンデンサ、例
えばC1 の電圧EDC1が上昇すると、直流コンデンサ
1 と並列に接続されたスイッチング回路DB1がオン
し、直流コンデンサC1 の電荷を放電し、電圧EDC1
を低下させる。このとき、放電された直流コンデンサC
1のエネルギーはリアクトルL1に蓄えられる。そし
て、スイッチング回路DB1をオフすると、リアクトル
L1に蓄えられエネルギーは、スイッチング回路DB2
のダイオードを還流して直流コンデンサC2 に充電さ
れ、直流コンデンサC2の電圧EDC2が上昇する。こ
のような動作を全ての直流コンデンサ間で行なうことに
より、各直流コンデンサC1 ,C2 およびC3 の電圧分
担を均一にしている。なお、制御回路は図2と同様なの
で、説明は省略する。
【0013】図4は図3の変形例を示す主回路図であ
る。図示のように、この回路は図3で直流コンデンサC
2 に並列接続された2個のスイッチング回路DB2,D
B3を、1個のスイッチング回路DB2で兼用した点が
特徴である。このような回路で、まず、直流コンデンサ
1 の電圧EDC1が上昇すると、直流コンデンサC1
と並列に接続されたスイッチング回路DB1がオンし、
直流コンデンサC1 の電荷を放電し、電圧EDC1を低
下させる。このとき、放電された直流コンデンサC1
エネルギーはリアクトルL1に蓄えられる。そして、ス
イッチング回路DB1をオフすると、リアクトルL1に
蓄えられエネルギーは、スイッチング回路DB2のダイ
オードを還流して直流コンデンサC2 に充電され、直流
コンデンサC2 の電圧EDC2が上昇する。
【0014】次に、直流コンデンサC2 の電圧EDC2
が上昇すると、直流コンデンサC2に並列に接続された
スイッチング回路DB2をオンし、直流コンデンサC2
の電荷を放電し、電圧EDC2を低下させる。このと
き、放電された直流コンデンサC2 のエネルギーは、リ
アクトルL1,L2に蓄えられる。そして、スイッチン
グ回路DB2をオフすると、リアクトルL1,L2に蓄
えられたエネルギーは、スイッチング回路DB1,DB
3の各ダイオードを還流して直流コンデンサC1,C3
に充電され、直流コンデンサC1 ,C3 の電圧EDC
1,EDC3が上昇する。直流コンデンサC3 の放電動
作はC1 のそれと同じなので、説明は省略する。
【0015】図5に図4の制御ブロック図を示す。図4
ではスイッチング回路DB2を共用しているため、各直
流コンデンサ電圧を独立して制御できない。そのため、
直流コンデンサC1 とC2 の直流電圧差差分EDC1,
2と、直流コンデンサC2 とC3 の直流電圧差差分ED
C2,3とを比較器COPM2で比較し、直流電圧差分
の大きい方を選択して優先的に制御する点が特徴である
が、その他は図2と全く同様なので、説明は省略する。
なお、以上では3,4レベルインバータの例について説
明したが、この発明は5レベル以上のものにも適用可能
なのは勿論である。
【0016】
【発明の効果】この発明によれば、インバータ出力電圧
に影響を与えることなく、また、インバータ出力の力率
に関係なく、さらにはインバータ運転中,停止中の如何
を問わず、マルチレベルインバータの直流電圧分担不平
衡を抑制することができるという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施の形態を示す主回路図で
ある。
【図2】図1の制御ブロック図である。
【図3】この発明の第2の実施の形態を示す主回路図で
ある。
【図4】図3の変形例を示す回路図である。
【図5】図4の制御ブロック図である。
【図6】従来例の制御ブロック図である。
【図7】図6の制御対象となる3レベルインバータ例を
示す回路図である。
【符号の説明】
DVR1…調節器、COMP1,COMP2…比較器、
LMIT1…通流率制限手段(リミッタ)、FC…三角
波キャリア、PDB1〜PDB4…スイッチング素子、
DB1〜DB4…オン信号。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直流電源の電圧を互いに分担する複数の
    直流コンデンサと、スイッチング素子およびクランプダ
    イオードを備え前記直流コンデンサの電圧を交流電圧に
    変換するインバータとからなる3レベル以上のマルチレ
    ベルインバータにおいて、 前記複数の直流コンデンサの2個ずつを対とする直流コ
    ンデンサ直列回路と並列に2個の電圧分担用スイッチン
    グ素子の直列回路を接続するとともに、前記直流コンデ
    ンサの直列接続点と前記電圧分担用スイッチング素子の
    直列接続点との間にリアクトルを接続し、前記電圧分担
    用スイッチング素子をスイッチングすることにより、前
    記直流コンデンサの電圧分担を平衡化することを特徴と
    するマルチレベルインバータ。
  2. 【請求項2】 4レベル以上のマルチレベルインバータ
    では、前記対として設けられる2個の電圧分担用スイッ
    チング素子を、1個とすることを特徴とする請求項1に
    記載のマルチレベルインバータ。
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