JP2010206931A - Method and device for control of three-level inverter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インバータの各相の出力電圧が三つのレベルを持つ3レベルインバータの制御方法及び制御装置に関する。 The present invention relates to a control method and a control device for a three-level inverter in which the output voltage of each phase of the inverter has three levels.
図4は、一般的な3レベルインバータ(NPC(Neutral Point Clamped Inverter)インバータ)の回路構成図である。
図4において、B1,B2は直流電源、UA〜WDは半導体スイッチとしてのIGBT、D1〜D6はダイオード、U,V,Wはインバータの三相出力端子、Mは三相交流電動機等の負荷、Nはその固定子巻線の中性点、NPは直流中点である。
FIG. 4 is a circuit configuration diagram of a general three-level inverter (NPC (Neutral Point Clamped Inverter) inverter).
In FIG. 4, B 1, B 2 is a DC power supply, U A to W-D are IGBT as a semiconductor switch, D 1 to D 6 are diodes, U, V, W are three-phase output terminal of the inverter, M is a three-phase load such as an AC motor, N is the neutral point of the stator winding, the N P is a DC midpoint.
3レベルインバータの出力電圧の制御方法については、例えば特許文献1や非特許文献1に記載されており、以下簡単に説明する。
The method for controlling the output voltage of the three-level inverter is described in, for example,
図5は、3レベルインバータの動作波形図である。
図5において、最上段の波形は、変調信号としての正弦波状の各相出力電圧指令vREFU,vREFV,vREFW及びキャリア三角波THIGH,TLOWを示しており、出力電圧指令とキャリア三角波とを比較することにより、インバータを構成する各IGBT UA〜WDの駆動信号を生成する。これらの駆動信号に基づいて各IGBTをスイッチングすることにより、例えば、図示するようなU相出力電圧vU,U−V線間電圧vUVを得ている。
FIG. 5 is an operation waveform diagram of the three-level inverter.
In FIG. 5, the uppermost waveform shows sinusoidal phase output voltage commands v REFU , v REFV , v REFW and carrier triangular waves T HIGH , T LOW as modulation signals, and the output voltage command, carrier triangular wave, by comparing, for generating a driving signal of each IGBT U a to W-D that constitute the inverter. By switching each IGBT based on these drive signals, for example, U-phase output voltage v U and U-V line voltage v UV as shown in the figure are obtained.
ここで、表1は、各スイッチのオンオフ条件をまとめたものである。なお、表1において、IGBTAは図4におけるIGBT UA,VA,WAを、IGBTBは同じくIGBT UB,VB,WBを、IGBTCは同じくIGBT UC,VC,WCを、IGBTDは同じくIGBT UD,VD,WDをそれぞれ示している。 Here, Table 1 summarizes the on / off conditions of each switch. In Table 1, IGBT A is IGBT U A in FIG. 4, V A, the W A, IGBT B is also IGBT U B, V B, the W B, IGBT C is also IGBT U C, V C, W the C, IGBT D are also shown IGBT U D, V D, W D , respectively.
図4において、例えば、U相について考えると、一番上のIGBT UAは、図5の電圧指令vREFUが上側の三角波THIGHよりも大きいときにオン、それ以外でオフする。二番目のIGBT UBは、vREFUが下側の三角波TLOWよりも大きいときにオンし、それ以外でオフする。三番目のIGBT UCは、vREFUが上側の三角波THIGHよりも小さいときにオンし、それ以外はオフする。四番目のUGBT UDは、vREFUが下側の三角波TLOWよりも小さいときにオンし、それ以外でオフする。
上記の動作は、他のV相、W相も同様である。
In FIG. 4, for example, considering the U phase, the top IGBT U A is turned on when the voltage command v REFU in FIG. 5 is larger than the upper triangular wave T HIGH , and turned off otherwise. The second IGBT U B turns on when v REFU is larger than the lower triangular wave T LOW , and turns off otherwise. The third IGBT U C is, v REFU is turned on when less than the upper triangular wave T HIGH, otherwise off. The fourth UGBT U D is turned on when v REFU is smaller than the lower triangular wave T LOW , and turned off otherwise.
The above operation is the same for the other V and W phases.
図5における2段目の波形vUは直流中点NPを基準として出力U相の電圧を観測した波形、3段目の波形vUVは出力端子U−V間の線間電圧波形、また、4段目の波形vCOMは直流中点NPを基準として負荷Mの中性点Nを観測した電圧(後述するコモンモード電圧)の波形である。
特に、2段目の波形vU、3段目の波形vUVからわかるように、前述した制御方法に基づいて各IGBTをスイッチングすることにより、各相について直流電圧を正弦波状の交流電圧に変換することができ、その大きさ、周波数を制御することが可能である。
5 the second stage of the waveform at v U A waveform observed voltage of the output U-phase, based on the DC midpoint N P, 3-stage waveform v UV is line voltage waveform across the output terminals UV addition, the waveform v COM fourth stage is a waveform of the DC midpoint N P voltage was observed neutral point N of the load M as a reference (the common mode voltage to be described later).
In particular, as can be seen from the waveform v U at the second stage and the waveform v UV at the third stage, the DC voltage is converted into a sinusoidal AC voltage for each phase by switching each IGBT based on the control method described above. And its size and frequency can be controlled.
さて、半導体スイッチのオンオフにより出力電圧を調整する電力変換器は、スイッチングに伴って他の機器の誤動作を誘発するコモンモード電圧を発生することが知られている。
本発明に係る3レベルインバータも例外ではなく、図4における直流中点NPを基準として負荷Mの中性点Nを観測した電圧であるコモンモード電圧vCOMは、以下の数式1により計算することができる。
Now, it is known that a power converter that adjusts an output voltage by turning on and off a semiconductor switch generates a common mode voltage that induces a malfunction of another device with switching.
3-level inverter according to the present invention is no exception, the common mode voltage v COM is a voltage obtained by observing the neutral point N of the load M based on the DC midpoint N P in FIG. 4 is calculated by the following
[数1]
vCOM=(vu+vv+vw)/3
[Equation 1]
v COM = (v u + v v + v w ) / 3
例えば、図4において、U相がEd/2を出力し、V相,W相が0を出力している場合、すなわち、IGBT UA,IGBT UB,IGBT VB,IGBT VC,IGBT WB,IGBT WCがオンし、他のスイッチがオフしている場合を考えると、数式2によりコモンモード電圧vCOMを計算することができる。
For example, in FIG. 4, when the U phase outputs E d / 2 and the V phase and
[数2]
vCOM=(Ed/2+0+0)/3=Ed/6
[Equation 2]
v COM = (E d / 2 + 0 + 0) / 3 = E d / 6
上記のコモンモード電圧vCOMの波形を、図5の上から4段目に示す。このように、電力変換器においては、コモンモード電圧が原理的に発生するものであり、このコモンモード電圧により負荷の浮遊容量を介して大地に高周波のコモンモード電流が流れ、これがノイズとして他の機器に流入することによって他の機器の誤動作を誘発する。
上記問題を解決するため、従来では、電力変換器の出力側にコモンモード電流の高周波成分の抑制に効果的な零相リアクトルを設置する等の対応策を採っているが、この零相リアクトルが装置の体積低減やコスト低減の妨げとなっていた。
The waveform of the common mode voltage v COM is shown in the fourth stage from the top in FIG. As described above, in the power converter, a common mode voltage is generated in principle, and this common mode voltage causes a high frequency common mode current to flow to the ground via the stray capacitance of the load, which is another noise. Inflowing into the device induces malfunction of other devices.
In order to solve the above problem, conventionally, countermeasures such as installing a zero-phase reactor effective for suppressing the high-frequency component of the common mode current on the output side of the power converter have been taken. This has hindered volume reduction and cost reduction of the apparatus.
そこで、本発明の解決課題は、コモンモード電圧を抑制して零相リアクトルを不要とし、または零相リアクトルのインダクタンス値の低減を可能にして装置の小型化、低価格化を可能にした3レベルインバータの制御方法及び制御装置を提供することにある。 Accordingly, the problem to be solved by the present invention is that the common mode voltage is suppressed to eliminate the need for the zero-phase reactor, or the inductance value of the zero-phase reactor can be reduced to reduce the size and cost of the device. An object of the present invention is to provide an inverter control method and control apparatus.
上記課題を解決するため、請求項1に係る3レベルインバータの制御方法は、直流電源に接続された三相インバータの各相の半導体スイッチをオンオフさせて各相から直流高電圧、中電圧、低電圧の三つのレベルの直流電圧を所定の時間比率でそれぞれ出力し、三相交流電圧指令通りの三相交流電圧を出力する3レベルインバータにおいて、
各相の半導体スイッチのスイッチ状態として、直流高電圧、中電圧、または低電圧を出力している状態をそれぞれ1,0,−1と表現し、各相のスイッチ状態に対応する前記インバータの三相出力電圧を出力電圧ベクトルとして表現すると共に、
前記インバータの三相交流電圧指令を二相交流に座標変換して得た電圧指令ベクトルに対して距離が近く、かつ、各相の前記スイッチ状態を三相分加算した結果の絶対値が1以下となるような前記出力電圧ベクトルを三つ選択し、
選択した三つの出力電圧ベクトルの中で、ある出力電圧ベクトルから他の出力電圧ベクトルに遷移する際に、前記スイッチ状態が二相以上で同時に変化しないように出力電圧ベクトルを遷移させ、かつ、選択した三つの出力電圧ベクトルの合成ベクトルが前記電圧指令ベクトルに一致するように各出力電圧ベクトルの時間比率を調整するものである。
In order to solve the above-mentioned problem, a control method for a three-level inverter according to
As the switch state of each phase of the semiconductor switch, a state in which a DC high voltage, medium voltage, or low voltage is output is expressed as 1, 0, −1, respectively. While expressing the phase output voltage as an output voltage vector,
The distance is close to the voltage command vector obtained by converting the three-phase AC voltage command of the inverter to two-phase AC, and the absolute value of the result of adding the switch states of each phase for three phases is 1 or less. Select three such output voltage vectors such that
When transitioning from one output voltage vector to another, among the three selected output voltage vectors, the output voltage vector is transitioned and selected so that the switch state does not change simultaneously in two or more phases. The time ratio of each output voltage vector is adjusted so that the combined vector of the three output voltage vectors matches the voltage command vector.
請求項2に係る制御装置は、直流電源に接続された三相インバータの各相の半導体スイッチをオンオフさせて各相から直流高電圧、中電圧、低電圧の三つのレベルの直流電圧を所定の時間比率でそれぞれ出力し、三相交流電圧指令通りの三相交流電圧を出力する3レベルインバータにおいて、
各相の半導体スイッチのスイッチ状態として、直流高電圧、中電圧、または低電圧を出力している状態をそれぞれ1,0,−1と表現し、各相のスイッチ状態に対応する前記インバータの三相出力電圧を出力電圧ベクトルとして表現した時に、
インバータの三相交流電圧指令を二相交流に座標変換して得た電圧指令ベクトルの先端が位置する領域を判別する電圧指令ベクトル領域判別手段と、
前記領域を囲むベクトルであって、各相の前記スイッチ状態を三相分加算した結果の絶対値が1以下となるような前記出力電圧ベクトルを三つ選択する電圧ベクトル選択手段と、
この選択手段により選択された三つの出力電圧ベクトルの合成ベクトルが前記電圧指令ベクトルに一致するように各出力電圧ベクトルを出力させる時間比率を計算する選択ベクトル出力時間比率計算手段と、
前記三つの出力電圧ベクトルの中で、ある出力電圧ベクトルから他の出力電圧ベクトルに遷移する際に前記スイッチ状態が二相以上で同時に変化しないように出力電圧ベクトルの出力順序を決定する選択ベクトル出力順序決定手段と、
前記三つの出力電圧ベクトルを前記時間比率及び出力順序に従って出力する電圧ベクトル出力手段と、
この出力手段の出力に基づいて前記半導体スイッチの駆動信号を生成するデコード手段と、を備えたものである。
The control device according to
As the switch state of each phase of the semiconductor switch, a state in which a DC high voltage, medium voltage, or low voltage is output is expressed as 1, 0, −1, respectively. When the phase output voltage is expressed as an output voltage vector,
Voltage command vector region discriminating means for discriminating a region where the tip of the voltage command vector obtained by converting the three-phase AC voltage command of the inverter into a two-phase AC coordinate is located;
Voltage vector selection means for selecting three of the output voltage vectors that are vectors surrounding the region, and whose absolute value as a result of adding the switch states of each phase for three phases is 1 or less;
Selection vector output time ratio calculation means for calculating a time ratio for outputting each output voltage vector so that a combined vector of the three output voltage vectors selected by the selection means matches the voltage command vector;
A selection vector output that determines the output order of the output voltage vectors so that the switch state does not change simultaneously in two or more phases when transitioning from one output voltage vector to another output voltage vector among the three output voltage vectors Order determination means;
Voltage vector output means for outputting the three output voltage vectors according to the time ratio and output order;
Decoding means for generating a drive signal for the semiconductor switch based on the output of the output means.
本発明によれば、スイッチング回数を必要以上に増加させずに制御周期内の出力電圧の平均値が電圧指令と等しくなるように半導体スイッチを制御することができ、同時に、コモンモード電圧の最大値を抑制することができる。これにより、コモンモードノイズの発生を抑制し、コモンモード高周波電流を抑制するための零相リアクトルを不要にすることができ、あるいは、零相リアクトルを使用するとしてもそのインダクタンス値を低減させることができる。従って、制御装置の小型化、低コスト化が可能となる。 According to the present invention, the semiconductor switch can be controlled so that the average value of the output voltage within the control period becomes equal to the voltage command without increasing the number of switching more than necessary, and at the same time, the maximum value of the common mode voltage. Can be suppressed. As a result, it is possible to suppress the occurrence of common mode noise and eliminate the need for a zero-phase reactor for suppressing common-mode high-frequency current, or to reduce the inductance value even if a zero-phase reactor is used. it can. Therefore, the control device can be reduced in size and cost.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図6は、三相交流を二相交流に座標変換したα−β軸座標上に、3レベルインバータの三相出力電圧をスイッチのオンオフ状態に応じてベクトル表現した空間ベクトル図である。本実施形態では、この空間ベクトル図に基づいて3レベルインバータを制御する。
以下、この図6を参照しながら説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, FIG. 6 is a space vector diagram in which the three-phase output voltage of the three-level inverter is vector-represented according to the on / off state of the switch on the α-β axis coordinates obtained by converting the three-phase alternating current into the two-phase alternating current. In the present embodiment, the three-level inverter is controlled based on this space vector diagram.
Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.
図6において、α軸及びβ軸は、相電圧瞬時値を2Ed/3(Edは3レベルインバータの直流電圧)で規格化している(図6における1.0は2Ed/3に相当する)。図中のv1〜v18は、3レベルインバータが出力可能な電圧ベクトルの名称であり、全部で18種類となる。これらの電圧ベクトルv1〜v18は、α−β軸座標の原点を基点として各電圧ベクトルの先端位置に符号v1〜v18を配置してある。
In FIG. 6, the α axis and the β axis normalize the phase voltage instantaneous value with 2E d / 3 (E d is the DC voltage of the three-level inverter) (1.0 in FIG. 6 corresponds to 2E d / 3). To do). In the figure, v 1 to v 18 are names of voltage vectors that can be output by the three-level inverter, and there are 18 types in total. These
また、電圧ベクトルv1〜v18の下にそれぞれ記載した(u,v,w)(但し、u,v,wは、それぞれ1または0または−1の値)は、3レベルインバータのU,V,W各相のスイッチの状態を表したものである。図4に示した回路構成の場合、例えばU相について、IGBT UA,IGBT UBがオンすることによりEd/2を出力していれば、(u,v,w)の「u」を「1」と表現する。IGBT UB,IGB UCがオンすることにより0を出力していれば、(u,v,w)の「u」を「0」と表現する。また、IGBT UC,IGBT UDがオンすることにより−Ed/2を出力していれば、(u,v,w)の「u」を「−1」と表現する。
このようなスイッチ状態は、電圧ベクトルv1〜v18の種類によっては複数あり得る。
Further, (u, v, w) (where u, v, w are values of 1 or 0 or −1, respectively) described under the voltage vectors v 1 to v 18 are U, 3 of the three-level inverter. It shows the state of the switch of each phase of V and W. For the circuit configuration shown in FIG. 4, for example U-phase, IGBT U A, if the output E d / 2 by IGBT U B is turned on, the "u" in the (u, v, w) Expressed as “1”. If 0 is output when the IGBT U B and the IGBT U C are turned on, “u” in (u, v, w) is expressed as “0”. Further, IGBT U C, if the output -E d / 2 by IGBT U D is turned on, is expressed as "-1" and "u" in the (u, v, w).
There may be a plurality of such switch states depending on the types of the voltage vectors v 1 to v 18 .
いま、3レベルインバータが、U,V相に0を出力し、W相に−Ed/2を出力している状態を考えると、この時の電圧ベクトルはv2となり、また、スイッチ状態で考えると(0,0,−1)となる。
一方、3レベルインバータが出力可能な電圧ベクトルの先端が位置する領域は、電圧ベクトルv1〜v18の位置に基づいてS1〜S24に分割することができる。
Considering the state in which the 3-
On the other hand, the region where the tip of the voltage vector that can be output by the three-level inverter is located can be divided into S 1 to S 24 based on the position of the voltage vectors v 1 to v 18 .
先ず、本実施形態では、コモンモード電圧の最大値を低減するという目的のもとで、スイッチ状態として、禁止とする状態を設ける。
例えば、電圧ベクトルv2であれば、図4に示したように、スイッチ状態としては(0,0,−1)と(1,1,0)との二通りが考えられる。
ここで、スイッチ状態が(1,1,0)の場合、直流電圧をEdとすると、前述した数式1により、コモンモード電圧は、vCOM=(Ed/2+Ed/2+0)/3=Ed/3となる。これに対し、(0,0,−1)の場合のコモンモード電圧は、vCOM=(0+0−Ed/2)/3=−Ed/6となり、絶対値で考えると、スイッチ状態として(0,0,−1)を選択した方がコモンモード電圧を小さくすることができる。
First, in the present embodiment, for the purpose of reducing the maximum value of the common mode voltage, a prohibited state is provided as a switch state.
For example, in the case of the voltage vector v2, as shown in FIG. 4, there are two possible switch states: (0, 0, −1) and (1, 1, 0).
Here, when the switch state is (1, 1, 0), when the direct-current voltage is E d , the common mode voltage is v COM = (E d / 2 + E d / 2 + 0) / 3 = E d / 3. On the other hand, the common mode voltage in the case of (0, 0, −1) is v COM = (0 + 0−E d / 2) / 3 = −E d / 6. Selecting (0, 0, -1) can reduce the common mode voltage.
このことから、本実施形態では、各相のスイッチ状態を三相分加算した結果の絶対値が少なくとも1以下となるようなスイッチ状態のみを許可し、他のスイッチ状態は禁止することとする。 For this reason, in this embodiment, only the switch state in which the absolute value of the result obtained by adding the switch states of each phase for three phases is at least 1 or less is permitted, and the other switch states are prohibited.
上記の禁止条件を踏まえた上で、具体的な制御方法について説明する。
一例として、三相交流電圧指令を二相交流に座標変換して得られた電圧指令ベクトルvREFすなわち(vREFα,vREFβ)の先端が領域S9にある場合につき説明する。
先ず、3レベルインバータが出力するべき電圧ベクトルを三つ選択する。電圧指令ベクトルvREFの先端が領域S9に位置しているので、スイッチングによる高次高周波成分の低減を目的として、電圧指令ベクトルvREFに近いベクトルを選択するべく、図6において領域S9を囲むベクトルv2,v8,v9を選択し、これらのベクトルv2,v8,v9を時間的に分割して出力することを考える。
A specific control method will be described based on the above prohibition conditions.
As an example, the case where the tip of the voltage command vector v REF obtained by converting the three-phase AC voltage command into the two-phase AC, that is, (v REFα , v REFβ ) is in the region S 9 will be described.
First, three voltage vectors to be output by the three-level inverter are selected. Since the tip of the voltage command vector v REF are located in the region S 9, for the purpose of reducing the high-order high frequency components due to the switching, in order to select the vector close to the voltage command vector v REF, the
次いで、選択したベクトルv2,v8,v9を、ある一定の制御周期Tの間に出力する時間比率Dを計算する。すなわち、各ベクトルv2,v8,v9を出力する時間比率を調整し、それらの合成ベクトルが電圧指令ベクトルvREFと一致すれば良いから、ベクトルv2を(v2α,v2β)、ベクトルv8を(v8α,v8β)、ベクトルv9を(v9α,v9β)とし、また各ベクトルv2,v8,v9を一定時間内に出力する時間比率をそれぞれD2,D8,D9とすると、以下の数式3が成り立てば良い。
Next, a time ratio D for outputting the selected vectors v 2 , v 8 , v 9 during a certain control period T is calculated. That is, the time ratio of outputting each vector v 2 , v 8 , v 9 is adjusted, and the resultant vector only needs to match the voltage command vector v REF , so that the vector v 2 is (v 2α , v 2β ), The vector v 8 is (v 8α , v 8β ), the vector v 9 is (v 9α , v 9β ), and the time ratios for outputting the vectors v 2 , v 8 , v 9 within a certain time are D 2 , Assuming D 8 and D 9 , the following
数式3より、数式4が導かれる。
From
次に、スイッチング損失の低減を目的として、少なくとも二相以上のスイッチ状態が同時に変化しないように、電圧ベクトルを出力する順序を決定する。例えば、上記の例において、ベクトルv2から他の電圧ベクトルに遷移することを考えると、ベクトルv8またはv9のどちらかに遷移することが考えられる。
ここで、ベクトルv2を実現するスイッチ状態は、コモンモード電圧の低減を目的として(0,0,−1)であり、また、ベクトルv9のスイッチ状態は、(1,1,−1)、ベクトルv8のスイッチ状態は(1,0,−1)である。
Next, for the purpose of reducing the switching loss, the order in which the voltage vectors are output is determined so that the switch states of at least two phases do not change simultaneously. For example, in the above example, considering transition from the vector v 2 to another voltage vector, transition to either the vector v 8 or v 9 can be considered.
Here, the switch state realizing the vector v 2 is (0, 0, −1) for the purpose of reducing the common mode voltage, and the switch state of the vector v 9 is (1, 1, −1). , switch state vector v 8 is (1, 0, -1).
いま、ベクトルv2からベクトルv9に遷移した場合、スイッチ状態は、U相及びV相で「0」から「1」へと変化し、これは、U相及びV相の二相でスイッチング損失が発生することを意味する。
一方、ベクトルv2からベクトルv8に遷移する場合は、U相のみが「0」から「1」へと変化するので、U相のみでスイッチング損失が発生することを意味する。
Now, when a transition is made from the vector v 2 to the vector v 9 , the switch state changes from “0” to “1” in the U phase and the V phase, which is a switching loss in the two phases of the U phase and the V phase. Means that
On the other hand, when the vector v 2 changes to the vector v 8 , only the U phase changes from “0” to “1”, which means that switching loss occurs only in the U phase.
従って、この例において、ベクトルv2の次に遷移するべきベクトルは、スイッチング損失の点で有利なベクトルv8であることが決定される。なお、ベクトルv8を出力した後は、三つのベクトルのうちで未だ出力されていない残りのベクトルv9を出力すればよい。ベクトルv8からベクトルv9へ遷移する際には、V相のみが「0」から「1」へと変化するため、V相のみでスイッチング損失が発生する。 Therefore, in this example, it is determined that the vector to be transferred next to the vector v 2 is the vector v 8 which is advantageous in terms of switching loss. Incidentally, after outputting the vector v 8, may output the remaining vector v 9 which has not yet been output among the three vectors. At the time of transition from the vector v 8 to the vector v 9 , only the V phase changes from “0” to “1”, so that a switching loss occurs only in the V phase.
以上をまとめれば、ある一定の制御周期Tの間に、ベクトルv2→v8→v9の順序で、先に計算した時間比率D2,D8,D9で各ベクトルv2,v8,v9を出力すればよい。
また、次の制御周期においても、上述した制御と同様なことを繰り返せばよいが、この制御周期に出力した最後の電圧ベクトルがv9であるため、次の制御周期において最初にv2を選択するとv9→v2という遷移が起こり、U相及びV相の二相でスイッチング損失が発生してしまう。従って、スイッチング損失を低減する目的から、次の制御周期では、今回の制御周期とは逆に、v9→v8→v2の順序で出力するようにする。すなわち、前回の制御周期の最後に出力したベクトルに応じて、ベクトルを発生する順序を決めることが必要である。
To summarize the above, during a certain control period T, the vector v 2 → v 8 → v in the order of 9, the
The selection also in the next control cycle, but may be repeated that similar to the control described above, since the end of the voltage vector outputted in the control cycle is v 9, the first v 2 in the next control cycle Then, a transition of v 9 → v 2 occurs, and switching loss occurs in two phases of the U phase and the V phase. Therefore, for the purpose of reducing the switching loss, in the next control cycle, output is performed in the order of v 9 → v 8 → v 2 , contrary to the current control cycle. That is, it is necessary to determine the order in which vectors are generated according to the vector output at the end of the previous control cycle.
図3は、本実施形態により3レベルインバータを動作させた場合の波形例を示している。
本実施形態によれば、必要以上にスイッチング回数を増加させることなく、制御周期T内の出力電圧の平均値が電圧指令と等しくなるように制御することができる。また、図示する如く、コモンモード電圧の最大値の絶対値がEd/6に抑制されるので、コモンモードノイズの発生を防ぎ、コモンモード高周波電流を抑制するための零相リアクトルを不要とし、または、そのインダクタンス値を減少させることができる。
FIG. 3 shows a waveform example when the three-level inverter is operated according to the present embodiment.
According to this embodiment, it is possible to control the average value of the output voltage within the control cycle T to be equal to the voltage command without increasing the number of switching more than necessary. Further, as shown in the figure, since the absolute value of the maximum value of the common mode voltage is suppressed to E d / 6, the generation of common mode noise is prevented, and a zero-phase reactor for suppressing the common mode high frequency current is unnecessary, Alternatively, the inductance value can be reduced.
図2は、本実施形態における電圧ベクトルとスイッチ状態、及び電圧ベクトルの遷移可能経路を示した空間ベクトル図である。一つの電圧ベクトルを実現するスイッチ状態が複数存在する場合には、禁止状態のスイッチ状態を取り消し線で表現している。
また、図2では、二相以上の同時スイッチングが発生しないベクトルの遷移経路を太線で結び、それ以外を細線で結んである。例えば、前述の例では、ベクトルv2とベクトルv9との間の遷移により二相でスイッチング損失が発生するので、これらのベクトルv2,v9の間を細線で結んである。
FIG. 2 is a space vector diagram showing voltage vectors, switch states, and voltage vector transitionable paths in the present embodiment. When there are a plurality of switch states that realize one voltage vector, the prohibited switch state is expressed by a strikethrough.
In FIG. 2, vector transition paths in which simultaneous switching of two or more phases does not occur are connected by bold lines, and the other paths are connected by thin lines. For example, in the above-described example, switching loss occurs in two phases due to the transition between the vector v 2 and the vector v 9, and therefore, the vectors v 2 and v 9 are connected by a thin line.
次に、図1は、本実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。この機能ブロックは、図4に示した3レベルインバータのIGBT UA〜WDに対するゲート信号を生成するための演算処理装置等のハードウェア及びプログラムによって実現される。 Next, FIG. 1 is a functional block diagram of the control device according to the present embodiment. This functional block is realized by hardware and a program such as an arithmetic processing unit for generating a gate signal for the IGBTs U A to W D of the three-level inverter shown in FIG.
図1において、電圧指令ベクトル領域判別手段10は、電圧指令ベクトルvREFすなわち(vREFα,vREFβ)の先端が、前記空間ベクトルの領域S1〜S24のうち、どの領域にあるかを判別して出力する。
電圧ベクトル選択手段20では、判別手段10によって判別した領域に近い電圧ベクトル(当該領域を包囲する電圧ベクトル)を、v1〜v18の中から三つ選択する。その際、コモンモード電圧の最大値を低減するため、前述した如く、例えば電圧ベクトルv2であれば、スイッチ状態(1,1,0)が禁止され、(0,0,−1)が選択される。
In FIG. 1, the voltage command vector region discriminating means 10 discriminates in which of the space vector regions S 1 to S 24 the tip of the voltage command vector v REF, that is, (v REFα , v REFβ ) is located. And output.
The voltage
選択ベクトル出力時間比率計算手段30では、選択した三つの電圧ベクトル及び電圧指令ベクトルに基づき、各電圧ベクトルを出力する時間比率D1〜D3を計算する。
同時に、電圧ベクトル出力順序決定手段40では、今回の制御周期Tにおいて、あるベクトルから次のベクトルに遷移する際に二相以上でスイッチング損失が発生しないように、三つのベクトルを出力する順序を決める。例えば、電圧指令ベクトルvREFの先端が領域S9に位置し、出力電圧ベクトルとして三つのベクトルv2,v8,v9が選択された場合においては、出力順序としてベクトルv2→v8→v9を決定する。また、電圧ベクトル出力順序決定手段40では、前述したように、各制御周期Tの最後に出力されたベクトルに基づき、次の制御周期の当初にスイッチング損失が発生しないように、必要に応じてベクトルの出力順序を入れ替える処理を行う。
The selection vector output time ratio calculation means 30 calculates time ratios D 1 to D 3 for outputting each voltage vector based on the selected three voltage vectors and voltage command vector.
At the same time, the voltage vector output order determination means 40 determines the order in which the three vectors are output in the current control cycle T so that switching loss does not occur in two or more phases when transitioning from one vector to the next vector. . For example, when the tip of the voltage command vector v REF is located in the region S 9 and three vectors v 2 , v 8 , v 9 are selected as output voltage vectors, the vector v 2 → v 8 → v to determine the 9. In addition, as described above, the voltage vector output
電圧ベクトル出力手段50では、電圧ベクトルの名称に相当する数値1〜18から三つの電圧ベクトルに相当する数値を選択し、これらの数値を、各ベクトルの時間比率D1〜D3及び出力順序に従って出力する。
デコード手段60では、上記三つの数値から、3レベルインバータの各相のスイッチ状態をデコードし、各IGBT UA〜IGBT WDの駆動信号を生成する。これらの駆動信号は3レベルインバータを構成するIGBTのゲートに伝送され、3レベルインバータがスイッチングすることになる。
これにより、三相交流電圧指令通りの三相交流電圧が出力されるものである。
In the voltage vector output means 50, numerical values corresponding to three voltage vectors are selected from
The decoding means 60, the above three numerical values to decode each phase of the switch state of the three-level inverter, generates a drive signal of each IGBT U A ~IGBT W D. These drive signals are transmitted to the gate of the IGBT constituting the three-level inverter, and the three-level inverter is switched.
Thereby, the three-phase AC voltage according to the three-phase AC voltage command is output.
10:電圧指令ベクトル領域判別手段
20:電圧ベクトル選択手段
30:選択ベクトル出力時間比率計算手段
40:選択ベクトル出力順序決定手段
50:電圧ベクトル出力手段
60:デコード手段
UA〜WD:IGBT
B1,B2:直流電源
D1〜D6:ダイオード
M:負荷
N:中性点
NP:直流中点
U,V,W:出力端子
10: Voltage command vector area discriminating means 20: Voltage vector selecting means 30: Selected vector output time ratio calculating means 40: Selected vector output order determining means 50: Voltage vector output means 60: Decoding means U A to W D : IGBT
B 1, B 2: DC power source D 1 to D 6: Diode M: Load N: neutral point N P: DC midpoint U, V, W: Output terminal
Claims (2)
各相の半導体スイッチのスイッチ状態として、直流高電圧、中電圧、または低電圧を出力している状態をそれぞれ1,0,−1と表現し、各相のスイッチ状態に対応する前記インバータの三相出力電圧を出力電圧ベクトルとして表現すると共に、
前記インバータの三相交流電圧指令を二相交流に座標変換して得た電圧指令ベクトルに対して距離が近く、かつ、各相の前記スイッチ状態を三相分加算した結果の絶対値が1以下となるような前記出力電圧ベクトルを三つ選択し、
選択した三つの出力電圧ベクトルの中で、ある出力電圧ベクトルから他の出力電圧ベクトルに遷移する際に、前記スイッチ状態が二相以上で同時に変化しないように出力電圧ベクトルを遷移させ、かつ、選択した三つの出力電圧ベクトルの合成ベクトルが前記電圧指令ベクトルに一致するように各出力電圧ベクトルの時間比率を調整することを特徴とする3レベルインバータの制御方法。 The three-phase inverter connected to the DC power supply is turned on and off, and the three phases of DC high voltage, medium voltage, and low voltage are output from each phase at a predetermined time ratio. In a three-level inverter that outputs a three-phase AC voltage according to the AC voltage command,
As the switch state of each phase of the semiconductor switch, a state in which a DC high voltage, medium voltage, or low voltage is output is expressed as 1, 0, −1, respectively. While expressing the phase output voltage as an output voltage vector,
The distance is close to the voltage command vector obtained by converting the three-phase AC voltage command of the inverter to two-phase AC, and the absolute value of the result of adding the switch states of each phase for three phases is 1 or less. Select three such output voltage vectors such that
When transitioning from one output voltage vector to another, among the three selected output voltage vectors, the output voltage vector is transitioned and selected so that the switch state does not change simultaneously in two or more phases. A control method for a three-level inverter, characterized in that a time ratio of each output voltage vector is adjusted so that a combined vector of the three output voltage vectors coincides with the voltage command vector.
各相の半導体スイッチのスイッチ状態として、直流高電圧、中電圧、または低電圧を出力している状態をそれぞれ1,0,−1と表現し、各相のスイッチ状態に対応する前記インバータの三相出力電圧を出力電圧ベクトルとして表現した時に、
インバータの三相交流電圧指令を二相交流に座標変換して得た電圧指令ベクトルの先端が位置する領域を判別する電圧指令ベクトル領域判別手段と、
前記領域を囲むベクトルであって、各相の前記スイッチ状態を三相分加算した結果の絶対値が1以下となるような前記出力電圧ベクトルを三つ選択する電圧ベクトル選択手段と、
この選択手段により選択された三つの出力電圧ベクトルの合成ベクトルが前記電圧指令ベクトルに一致するように各出力電圧ベクトルを出力させる時間比率を計算する選択ベクトル出力時間比率計算手段と、
前記三つの出力電圧ベクトルの中で、ある出力電圧ベクトルから他の出力電圧ベクトルに遷移する際に前記スイッチ状態が二相以上で同時に変化しないように出力電圧ベクトルの出力順序を決定する選択ベクトル出力順序決定手段と、
前記三つの出力電圧ベクトルを前記時間比率及び出力順序に従って出力する電圧ベクトル出力手段と、
この出力手段の出力に基づいて前記半導体スイッチの駆動信号を生成するデコード手段と、
を備えたことを特徴とする3レベルインバータの制御装置。
The three-phase inverter connected to the DC power supply is turned on and off, and the three phases of DC high voltage, medium voltage, and low voltage are output from each phase at a predetermined time ratio. In a three-level inverter that outputs a three-phase AC voltage according to the AC voltage command,
As the switch state of each phase of the semiconductor switch, a state in which a DC high voltage, medium voltage, or low voltage is output is expressed as 1, 0, −1, respectively. When the phase output voltage is expressed as an output voltage vector,
Voltage command vector region discriminating means for discriminating a region where the tip of the voltage command vector obtained by converting the three-phase AC voltage command of the inverter into a two-phase AC coordinate is located;
Voltage vector selection means for selecting three of the output voltage vectors that are vectors surrounding the region, and whose absolute value as a result of adding the switch states of each phase for three phases is 1 or less;
Selection vector output time ratio calculation means for calculating a time ratio for outputting each output voltage vector so that a combined vector of the three output voltage vectors selected by the selection means matches the voltage command vector;
A selection vector output that determines the output order of the output voltage vectors so that the switch state does not change simultaneously in two or more phases when transitioning from one output voltage vector to another output voltage vector among the three output voltage vectors Order determination means;
Voltage vector output means for outputting the three output voltage vectors according to the time ratio and output order;
Decoding means for generating a drive signal for the semiconductor switch based on the output of the output means;
A control device for a three-level inverter.
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