JP2007274829A - 多重インバータの制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 偶数台の単位インバータの出力変圧器をスター結線して多重化した多重インバータにおいて、出力電圧に含まれる零相成分の高調波を抑制すること。
【解決手段】 単位インバータ３１，３２，３３，３４は、出力変圧器Ｔ_ｕ１〜Ｔ_ｕ４，Ｔ_ｖ１〜Ｔ_ｖ４，Ｔ_ｗ１〜Ｔ_ｗ４をスター結線して多重化されている。第１インバータ群を構成する単位インバータ３１と３２は、その出力電圧の基本波の位相差が６０度になるように、ゲート信号発生部２０により駆動される。第２インバータ群を構成する単位インバータ３３と３４も、その出力電圧の基本波の位相差が６０度になるように、ゲート信号発生部２０により駆動される。ゲート信号発生部２０は、制御部１０によりワンパルス制御、又はパルス幅変調制御が施され、単位インバータ３１，３２，３３，３４を構成する半導体スイッチにゲート信号を与える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主としてリニアシンクロナスモータ（以下ＬＳＭと呼ぶ）に駆動電力を供給する電力変換装置を構成する多重インバータの制御システムに関する。

超電導磁気浮上式鉄道の駆動方式として採用されている地上一次リニア・シンクロナス・モータ（ＬＳＭ）方式においては、地上に大容量の可変電圧・可変周波数（ＶＶＶＦ）の電源が必要であることから、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御を用いた電圧型のインバータが採用されてきた。従来、インバータを構成するスイッチング素子としてＧＴＯサイリスタを用いたＬＳＭ駆動用インバータは、素子を安定に動作させる必要から直流電圧の利用率が８０％程度に抑えられていた。このため、前記の従来のインバータは変換効率が未だ低いという問題があった。

一方、電機子コイル（推進コイル）とき電用ケーブルで構成されるき電回路は、分布定数負荷としての特性を有することから、インバータが出力する高調波によって共振が生じたり、高調波が大地に漏洩することで通信線路に誘導障害を与えたりする可能性がある。
特に、零相成分の高調波については、回路の共振周波数と一致し易いことに加え、大地を帰路として流出入するため通信誘導障害を起こし易い。
そこで、ＬＳＭ駆動用インバータの出力部に出力フィルタが挿入されているが、き電長が伸びた場合や一般の電気鉄道と同様に延長き電等が行われた場合には、対応できないという問題がある。

従来、多重インバータの高調波低減は、主にキャリア信号の位相をインバータの多重化数Ｎに合わせてπ／Ｎづつずらし、等価変調周波数を高くすることで行ってきた。この方法によれば、インバータの出力電圧に現れる高調波は多重化数Ｎに比例して高くなり、インバータの負荷回路が誘導性成分であれば、電流に含まれる高調波は低減する。しかしながら、零相成分の高調波の低減は行えず、他の複雑な制御方法を加える必要があった。

特開２００１−２６８９３６号公報（特許文献１）には、インバータ間の位相を６０度ずらすことによって零相高調波を低減した多重インバータ装置の瞬時空間ベクトル制御方式が開示されている。しかしながら、三相を一括して制御する多重インバータ装置の瞬時空間ベクトル制御方式において、インバータ間に６０度の位相差を持たせるには、制御システムの構成が複雑になると同時に、出力電圧振幅値を連続的に制御することができないため、場合によっては、頻繁にスイッチングデバイスがオン・オフを繰り返し、線間電圧高調波の増加、制御の不安定性の増加等が発生するという問題があった。
特開２００１−２６８９３６号公報

本発明が解決しようとする課題は、偶数台の単位インバータの出力変圧器をスター結線して多重化した多重インバータにおいて、瞬時空間ベクトル制御方式などの複雑な制御システムを用いないで、出力電圧に含まれる零相成分の高調波を抑制することである。

上記課題を解決するために、偶数台の単位インバータの出力変圧器をスター結線して多重化した多重インバータにおいて、前記偶数台の単位インバータを２台ずつのインバータ群にグループ分けし、各インバータ群を構成する２台の単位インバータの出力電圧の基本波の位相差が６０度となるように各単位インバータを制御するようにした。

本発明により、偶数台の単位インバータの出力変圧器をスター結線して多重化した多重インバータにおいて、瞬時空間ベクトル制御方式などの複雑な制御システムを用いないで、出力電圧に含まれる零相成分の高調波を抑制することができた。

本発明は、偶数台の単位インバータの出力変圧器をスター結線して多重化し、駆動電力をＬＳＭに供給する多重インバータにおいて、前記偶数台の単位インバータを２台ずつのインバータ群にグループ分けし、各インバータ群を構成する２台の単位インバータの出力電圧の基本波の位相差が６０度となるように各単位インバータを制御するようにしたことを特徴とする多重インバータの制御システムである。

本発明の実施例１は、図１に示す如く、三相コイルＬ_u ,Ｌ_{v ,}Ｌ_w で示すＬＳＭ５０に、任意の周波数と振幅値を持った交流電流を供給する４多重インバータ３０の制御システムである。４多重インバータ３０は、単位インバータ３１、単位インバータ３２、単位インバータ３３及び単位インバータ３４の出力変圧器をスター結線して多重化したインバータであって、コンバータ４０の直流出力電圧Ｖ_ＤＣを所定の三相交流に変換するものである。コンバータ４０は、電力会社から受電した三相交流を直流に変換する。

スター結線されたＬＳＭ５０の三相コイルＬ_u ,Ｌ_{v ,}Ｌ_w は、４多重インバータ３０のスター結線された出力トランスの対応する相の一端にそれぞれ接続されている。

即ち、４多重インバータ３０のＵ相の出力トランスは、単位インバータ３１のＵ相の出力トランスＴ_ｕ１、単位インバータ３２のＵ相の出力トランスＴ_ｕ２、単位インバータ３３のU相の出力トランスＴ_ｕ３、単位インバータ３４のＵ相の出力トランスＴ_ｕ４を直列に接続したもので、一端は接地され、他端はＬＳＭ５０のコイルＬ_uの一端に接続されている。

また、４多重インバータ３０のＶ相の出力トランスは、単位インバータ３１のＶ相の出力トランスＴ_ｖ１、単位インバータ３２のＶ相の出力トランスＴ_ｖ２、単位インバータ３３のＶ相の出力トランスＴ_ｖ３、単位インバータ３４のＶ相の出力トランスＴ_ｖ４を直列に接続したもので、一端は接地され、他端はＬＳＭ５０のコイルＬ_ｖの一端に接続されている。

更に、４多重インバータ３０のＷ相の出力トランスは、単位インバータ３１のＷ相の出力トランスＴ_ｗ１、単位インバータ３２のＷ相の出力トランスＴ_ｗ２、単位インバータ３３のＷ相の出力トランスＴ_ｗ３、単位インバータ３４のＷ相の出力トランスＴ_ｗ４を直列に接続したもので、一端は接地され、他端はＬＳＭ５０のコイルＬ_ｗの一端に接続されている。

単位インバータ３１は、それぞれ４個の半導体スイッチをブリッジ状に接続して構成したU相スイッチ回路Ｕ１、Ｖ相スイッチ回路Ｖ１、Ｗ相スイッチ回路Ｗ１の３つの半導体スイッチ回路で構成されている。Ｕ相スイッチ回路Ｕ１、Ｖ相スイッチ回路Ｖ１、Ｗ相スイッチ回路Ｗ１を構成する半導体スイッチ回路は、ゲート信号発生部２０から各ゲートに与えられたゲート信号に対応してオン・オフ動作を行い、単位インバータ３１の入力端子に印加された直流電圧Ｖ_ＤＣを三相交流電圧に変換し、Ｕ相の出力トランスＴ_ｕ１、Ｖ相の出力トランスＴ_ｖ１、及び、Ｗ相の出力トランスＴ_ｗ１に三相交流電圧を発生させる。

単位インバータ３２は、それぞれ４個の半導体スイッチをブリッジ状に接続して構成したＵ相スイッチ回路Ｕ２、Ｖ相スイッチ回路Ｖ２、Ｗ相スイッチ回路Ｗ２の３つの半導体スイッチ回路で構成されている。Ｕ相スイッチ回路Ｕ２、Ｖ相スイッチ回路Ｖ２、Ｗ相スイッチ回路Ｗ２を構成する半導体スイッチ回路は、ゲート信号発生部２０から各ゲートに与えられたゲート信号に対応してオン・オフ動作を行い、単位インバータ３２の入力端子に印加された直流電圧Ｖ_ＤＣを三相交流電圧に変換し、Ｕ相の出力トランスＴ_ｕ２、Ｖ相の出力トランスＴ_ｖ２、及び、Ｗ相の出力トランスＴ_ｗ２に三相交流電圧を発生させる。

単位インバータ３３は、それぞれ４個の半導体スイッチをブリッジ状に接続して構成したＵ相スイッチ回路Ｕ３、Ｖ相スイッチ回路Ｖ３、Ｗ相スイッチ回路Ｗ３の３つの半導体スイッチ回路で構成されている。Ｕ相スイッチ回路Ｕ３、Ｖ相スイッチ回路Ｖ３、Ｗ相スイッチ回路Ｗ３を構成する半導体スイッチ回路は、ゲート信号発生部２０から各ゲートに与えられたゲート信号に対応してオン・オフ動作を行い、単位インバータ３３の入力端子に印加された直流電圧Ｖ_ＤＣを三相交流電圧に変換し、Ｕ相の出力トランスＴ_ｕ３、Ｖ相の出力トランスＴ_ｖ３、及び、Ｗ相の出力トランスＴ_ｗ３に三相交流電圧を発生させる。

単位インバータ３４は、それぞれ４個の半導体スイッチをブリッジ状に接続して構成したＵ相スイッチ回路Ｕ４、Ｖ相スイッチ回路Ｖ４、Ｗ相スイッチ回路Ｗ４の３つの半導体スイッチ回路で構成されている。Ｕ相スイッチ回路Ｕ４、Ｖ相スイッチ回路Ｖ４、Ｗ相スイッチ回路Ｗ４を構成する半導体スイッチ回路は、ゲート信号発生部２０から各ゲートに与えられたゲート信号に対応してオン・オフ動作を行い、単位インバータ３４の入力端子に印加された直流電圧Ｖ_ＤＣを三相交流電圧に変換し、Ｕ相の出力トランスＴ_ｕ４、Ｖ相の出力トランスＴ_ｖ４、及び、Ｗ相の出力トランスＴ_ｗ４に三相交流電圧を発生させる。

制御部１０は、ゲート信号発生部２０を制御する。即ち、制御部１０の制御によって、ゲート信号発生部２０が発生するゲート信号の波形や位相が決定される。本発明において、各単位インバータの直流／交流変換機能は従来と同じである。
即ち、単位インバータ３１において、ゲート信号発生部２０からU相スイッチ回路Ｕ１、Ｖ相スイッチ回路Ｖ１、Ｗ相スイッチ回路Ｗ１に与えられるゲート信号の位相の関係は従来と同じである。また、単位インバータ３２においても、ゲート信号発生部２０からＵ相スイッチ回路Ｕ２、Ｖ相スイッチ回路Ｖ２、Ｗ相スイッチ回路Ｗ２に与えられるゲート信号の位相の関係は従来と同じである。また、単位インバータ３３においても、ゲート信号発生部２０からＵ相スイッチ回路Ｕ３、Ｖ相スイッチ回路Ｖ３、Ｗ相スイッチ回路Ｗ３に与えられるゲート信号の位相の関係は従来と同じである。更に、単位インバータ３４においても、ゲート信号発生部２０からＵ相スイッチ回路Ｕ４、Ｖ相スイッチ回路Ｖ４、Ｗ相スイッチ回路Ｗ４に与えられるゲート信号の位相の関係は従来と同じである。

本発明の実施例１は、４台の単位インバータ３１、３２、３３、及び３４の出力変圧器をスター結線して多重化した４多重インバータにおいて、単位インバータ３１と３２を第１インバータ群、単位インバータ３３と３４を第２インバータ群とグループ分けし、各インバータ群を構成する２台の単位インバータの出力電圧の基本波の位相差が６０度となるように各単位インバータのゲートを制御するようにした多重インバータの制御システムである。

各インバータ群を構成する２台の単位インバータの出力電圧の基本波の位相差が６０度となるとは、具体的には次の通りである。即ち、第１インバータ群については、単位インバータ３１のＵ相の出力トランスＴ_ｕ１に発生する出力電圧と単位インバータ３２のＵ相の出力トランスＴ_ｕ２に発生する出力電圧の基本波の位相差が６０度であり、また、単位インバータ３１のＶ相の出力トランスＴ_ｖ１に発生する出力電圧と単位インバータ３２のＶ相の出力トランスＴ_ｖ２に発生する出力電圧の基本波の位相差が６０度であり、単位インバータ３１のＷ相の出力トランスＴ_ｗ１に発生する出力電圧と単位インバータ３２のＷ相の出力トランスＴ_ｗ２に発生する出力電圧の基本波の位相差が６０度であるということである。

また、第２インバータ群については、単位インバータ３３のＵ相の出力トランスT_ｕ３に発生する出力電圧と単位インバータ３２のＵ相の出力トランスＴ_ｕ４に発生する出力電圧の基本波の位相差が６０度であり、また、単位インバータ３３のＶ相の出力トランスＴ_ｖ３に発生する出力電圧と単位インバータ３４のＶ相の出力トランスＴ_ｖ４に発生する出力電圧の基本波の位相差が６０度であり、単位インバータ３３のＷ相の出力トランスＴ_ｗ３に発生する出力電圧と単位インバータ３４のＷ相の出力トランスＴ_ｗ４に発生する出力電圧の基本波の位相差が６０度であるということである。

第１インバータ群を構成する２台の単位インバータ３１と３２の出力電圧の基本波の位相差が６０度となるように制御するのは、単位インバータ３１と３２の構成スイッチに与えられるゲート信号の波形と位相を調節することによって行う。即ち、単位インバータ３１のＵ相スイッチ回路Ｕ１と単位インバータ３２のＵ相スイッチ回路Ｕ２に与えるゲート信号に６０度の位相差を持たせ、単位インバータ３１のＶ相スイッチ回路Ｖ１と単位インバータ３２のＶ相スイッチ回路Ｖ２に与えるゲート信号に６０度の位相差を持たせ、及び、単位インバータ３１のＷ相スイッチ回路Ｗ１と単位インバータ３２のＷ相スイッチ回路Ｗ２に与えるゲート信号に６０度の位相差を持たせることによって行う。

同様に、第２ンバータ群を構成する２台の単位インバータ３３と３４の出力電圧の基本波の位相差が６０度となるように制御するのは、単位インバータ３３と３４の構成スイッチに与えられるゲート信号の波形と位相を調節することによって行う。即ち、単位インバータ３３のＵ相スイッチ回路U３と単位インバータ３４のＵ相スイッチ回路Ｕ４に与えるゲート信号に６０度の位相差を持たせ、単位インバータ３３のＶ相スイッチ回路Ｖ３と単位インバータ３４のＶ相スイッチ回路Ｖ４に与えるゲート信号に６０度の位相差を持たせ、及び、単位インバータ３３のＷ相スイッチ回路Ｗ３と単位インバータ３３のＷ相スイッチ回路Ｗ４に与えるゲート信号に６０度の位相差を持たせることによって行う。

上述の如く、第１インバータ群を構成する単位インバータ３１と単位インバータ３２の出力電圧の位相差が６０度となるように、単位インバータ３１と単位インバータ３２のゲートを制御し、同時に、第２インバータ群を構成する単位インバータ３３と単位インバータ３４の出力電圧の位相差が６０度となるように、単位インバータ３３と単位インバータ３４のゲートを制御することによって、多重インバータ３０の出力電圧中に含まれる零相高調波、即ち、通信誘導障害の要因となる高調波が低減される。

以下、インバータ群を構成する２台の単位インバータの出力電圧の基本波の位相差が６０度となるように各単位インバータを制御することによって零相高調波が抑制される理由を詳細に説明する。

先ず、制御部１０により、パルス幅変調制御を完全に停止し、出力周波数に同期させて正負の矩形電圧を出力するワンパルス制御を行う場合には、その出力電圧ｖ_ｏは数式１で表され、直流電圧２Ｖ_ＤＣを上回る電圧を出力することが可能である。

但しＶ_ＤＣは直流電圧、ω_ｏは出力角周波数（ω_ｏ＝２πｆ_ｏ）、ｆ_ｏは出力周波数、φ_ｉは位相差、ηは電圧増加率、ａ_Ｌは直流電圧の利用率（最大変調率│ａ_Ｌ│<１．０>）である。

零相高調波が低減は、図１に示す如く、単位インバータを多重化して構成されたＬＳＭ駆動用の多重インバータ３０において、単位インバータ間の出力電圧の基本波の位相を最適化することで実現したものである。多重化は偶数多重（２多重）とし、単位インバータ１の出力電圧と単位インバータ２の出力電圧の位相差を図２に示すように変化させた場合の高調波を計算すると以下の如くになる。なお、単位インバータ１と単位インバータ２は、図１の多重インバータ３０の第１インバータ群においては単位インバータ３１と単位インバータ３２に相当し、第２インバータ群においては単位インバータ３３と単位インバータ３４に相当する。

多重化をＭとした場合の１相（ｊ相）の全電圧ｖ_ｏｊは数式２で表すことができる。全電圧圧ｖ_ｏｊのｎ次高調波成分の振幅値Ｖ_ｏｎは数式３となり、そのうちｎ＝３（２ｋ−１）が零相成分（ｋ＝１，２，３・・・）である。零相成分の高調波の実効値Ｖ_ｏｚは数式３で表わすことができ、Ｖ_ｏｚ＝０となる場合には零相電圧は発生しない。

ここで、偶数多重（２多重）の場合はφ_１＝０とし、φ_２を０〜１８０度で変化させ、それぞれ数式３と数式４を基に零相成分の高調波を計算する。
偶数多重時の結果は図４に示す如くとなる。偶数多重の場合は２台の単位インバータ間の出力電圧の位相差φ_２が６０度のとき、零相成分の高調波が完全に抑制される。
以上のことから、ワンパルス制御を行う場合、零相成分の高調波を抑制するには、偶数台で多重化し、かつ任意の２台の出力電圧位相を６０度にすればよいことが分かる。

次に、対称成分（線間電圧）の高調波の低減について説明する。
ここで、多重化数は零相成分の高調波が完全に抑制可能な偶数多重（４多重）とし、図１に示す通り４台の単位インバータをそれぞれ第１インバータ群、第２インバータ群とに分け、図５に示す如く同一群内の単位インバータ間の電圧の位相差を６０°とするとともに、第１インバータ群、第２インバータ群の単位インバータの出力電圧の基本波の位相を変化させて線間電圧高調波の実効値を算出する。

線間電圧は数式５で表すことができる。このとき、基本波を除く対称成分の高調波の実効値は数式６で表すことができる。

数式６に従って、線間電圧高調波の実効値を計算すると、高調波の実効値が最小となるのはφ_３が３２度のときで、線間電圧高調波の実効値は最大で０．９９（ｐ．ｕ．）程度となる。

図６は４多重インバータの基本波電圧ベクトルを示す図である。４多重インバータの出力電圧に位相差を持たせることは、図６から推測できる通り、出力電圧の低下につながる。同一インバータ群の２台の単位インバータ間の出力電圧の基本波の位相差が６０度で、且つ異なるインバータ群の単位インバータ間の位相差φ_３が変化した場合のインバータ全体の出力電圧は少しづつ低下する。しかしながら、各インバータ群で６０度の位相差を持たせ、更に２つのインバータ群間の位相差φ_３を３２度としても、４．２（ｐ．ｕ．）程度の出力電圧が得られる。４台の単位インバータ間で全く位相差が無い場合の出力電圧４×４／π（ｐ．ｕ．）と比較した場合、低下した割合は１７％程度である。

このように、偶数台のインバータを図１の如く構成したＬＭＳ駆動用の多重インバータ３０にワンパルス制御を導入することで、直流電圧の利用率の改善が図れ、しかも４台以上の偶数台で多重化すると、零相成分の高調波を抑制しながら、対称成分の高調波についても低減できる。

次に、図１の多重インバータ３０にパルス幅変調制御を適用した多重インバータの制御システムについて説明する。制御部１０により、パルス幅変調制御を行う場合、１つのインバータ群を構成する２台のインバータのキャリア信号を同位相にし、変調信号の位相のみ６０度ずらすことで、零相成分の高調波を完全に除去することができる。即ち、図７に示す如く、４台の三相ブリッジインバータで構成された４多重インバータにおいて、第１インバータ群の単位インバータ１と単位インバータ２のキャリア信号を同位相にし、変調信号の位相のみ６０度ずらす。同様に、第２インバータ群の単位インバータ３と単位インバータ４のキャリア信号を同位相にし、変調信号の位相のみ６０度ずらすのである。

この制御方法によれば、出力電圧基本波の振幅値は１３．４％程度低減し、等価変調周波数も１／２に低下するが、零相成分の高調波は完全に除去することが出来た。なお、上記の単位インバータ１，２，３及び４は、図１の多重インバータ３０の単位インバータ３１，３２，３３及び３４に対応する。

以上、４台の単位インバータで構成された偶数多重インバータに適用された実施例１について詳細に説明したが、本発明は実施例１に限定されるものではなく、その特許請求の範囲において様々に変形して実施することができることは勿論である。

本発明の実施例１の４多重インバータの回路構成図である。 ワンパルス制御時の出力電圧波形図である。 偶数多重インバータの出力電圧波形図である。 偶数多重インバータの零相高調波実効値を示す図である。 ４多重インバータの出力電圧位相を示す図である。 ４多重インバータの出力電圧位相の出力電圧基本波のベクトルを示す図である。 ４多重インバータをパルス幅変調制御により駆動した場合の零相高調波の低減を説明するための波形図である。

符号の説明

１０ 制御部
２０ ゲート信号発生部
３０ 多重インバータ
３１，３２，３３，３４ 単位インバータ
４０ コンバータ
５０ ＬＳＭ
Ｌ_u, Ｌ_{v ,} Ｌ_w ＬＳＭの三相コイル
Ｕ１〜Ｕ４ Ｕ相スイッチ回路
Ｖ１〜Ｖ４ Ｖ相スイッチ回路
Ｗ１〜Ｗ４ U相スイッチ回路
Ｔ_ｕ１〜Ｔ_ｕ４，Ｔ_ｖ１〜Ｔ_ｖ４，Ｔ_ｗ１〜Ｔ_ｗ４ 出力変圧器

Claims (3)

1. 偶数台の単位インバータの出力変圧器をスター結線して多重化した多重インバータにおいて、前記偶数台の単位インバータを２台ずつのインバータ群にグループ分けし、各インバータ群を構成する２台の単位インバータの出力電圧の基本波の位相差が６０度となるように各単位インバータを制御するようにしたことを特徴とする多重インバータの制御システム。
2. 各単位インバータの制御は、ワンパルス制御であることを特徴とする請求項１の多重インバータの制御システム。
3. 各単位インバータの制御は、パルス幅変調制御であることを特徴とする請求項１の多重インバータの制御システム。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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