JP2016059111A - セル多重電圧形インバータ - Google Patents

Abstract

【課題】多重形インバータでの過電圧、不足電圧発生時における故障停止の発生抑制が要望されている。【解決手段】各セルユニットの直流電圧を検出し、検出電圧と閾値を比較してセルユニット毎の出力判定信号をＣＰＳ制御部に出力する出力判定信号生成部を設ける。ＣＰＳ制御部は、出力判定信号が、検出電圧＞閾値のとき過電圧有りと判定し、力行動作には当該セルユニットがゼロスイッチング状態であれば当該セルユニットの出力をスイッチング状態にする。また、回生動作時には、当該セルユニットの出力電圧判定がゼロスイッチング状態であれば当該セルユニットのスイッチング状態は変化させず、ゼロスイッチング以外のときに当該セルユニットをゼロスイッチングに移行する。【選択図】 図２

Description

本発明は、セル多重電圧形インバータに係わり、特にインバータ各セルユニットの直流電圧の平衡制御を行うことにより、過電圧・不足電圧の防止装置に関するものである。

インバータを構成する回路方式の一つとして直列多重方式がある。直列多重方式は、従来の２レベルや３レベルなどのように直流リンク部が一つのインバータでなく、入力トランスで絶縁された複数の直流リンク部を持ち、セルユニットと呼ばれる単相インバータを多段に接続することで、接続した段数分の直流電圧の合計を出力することが出来る。

図８は直列３段３相の例を示したもので、各セルユニットの直流電圧をＶdc、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のセルユニットをそれぞれＵ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３、インバータの負荷をＬoadとし、Ｌoad端子電圧をＶu，Ｖv，Ｖwとすると、ＶuはＵ１，Ｕ２，Ｕ３の電圧の和になるので下式となる。
Ｖu＝Ｖu１＋Ｖu２＋Ｖu３
図９にセルユニットの主回路構成例を示す。Ｕは上段と接続されるレグの上アームのスイッチング素子、Ｘは上段と接続されるレグの下アームのスイッチング素子、Ｖは下段と接続されるレグの上アームのスイッチング素子、Ｙは下段と接続されるレグの下アームのスイッチング素子である。

インバータ装置においては、一般に過電圧や過電流を防止する機能が付加されている。例えば、特許文献１には、３相交流入力電圧を検出してそれぞれ直流入力電圧信号と直流出力電圧信号に変換し、この２つの信号を比較して減速レートの補正係数を求めて減速時の過電圧を防止することが記載されている。
また、特許文献２には、過電流を防止するためにセルユニット単位での電力変換動作を停止することが記載されている。これは、セルユニット毎に電流を検出し、検出値がある閾値を超えた場合に現在出力しているセルユニットと同じ組のセルユニットにスイッチングの状態を変更するよう制御するものである。なお、特許文献２には過電圧については触れられていない。

特開２００８−２７１７２８ 特開２０１２−２３１５９９

特許文献１には、過電圧を防止することについては記載されているが、その過電圧防止制御は各セルユニット個別の直流電圧を制御しているものではない。スイッチング素子には固体差があり、この固体差によって各セルユニットには直流電圧にバラツキが生じる。このため、あるセルユニットの直流電圧が閾値を超過すると過電圧発生として装置を停止させることになる。このことは、インバータの故障停止を頻繁に発生させることで信頼性を低下させることになる。
また、過電流防止に関する特許文献２では、ある閾値を超えたときにセルユニットの出力電圧の状態を変えることについての記述はあるが、その具体的手段については示されていない。

よって、本発明が目的とするところは、過電圧による停止を防止するセル多重電圧形インバータを提供することにある。

本発明は、複数のセルユニットを直列接続した３相インバータであって、ＣＰＳ制御方式を用いたＣＰＳ制御部を介して出力セル判定部によりセルユニットのスイッチングパターンを選択し、選択信号を各セルユニットのゲートに出力して各セルユニットを制御するものにおいて、
前記各セルユニットの直流電圧を検出し、検出電圧と予め設定された閾値を比較してセルユニット毎の出力判定信号を前記ＣＰＳ制御部に出力する出力判定信号生成部を設け、
ＣＰＳ制御部において、前記検出電圧と閾値との比較結果に応じて当該セルユニットの出力電圧判定がゼロスイッチング以外のときに、当該セルユニットをゼロスイッチングの状態に移行するよう制御することを特徴としたものである。

本発明のＣＰＳ制御部は、
前記出力判定信号生成部の出力判定信号が、検出電圧＞閾値のとき過電圧有りとして負荷が力行動作か回生動作かを判定し、
力行動作時には、当該セルユニットがゼロスイッチング状態であれば当該セルユニットの出力をスイッチング状態とし、
回生動作時には、当該セルユニットの出力電圧判定がゼロスイッチング状態であれば当該セルユニットのスイッチング状態は変化させず、ゼロスイッチング以外のときに当該セルユニットをゼロスイッチングに移行させることを特徴としたものである。

また、本発明のＣＰＳ制御部は、
前記出力判定信号生成部の出力判定信号が、検出電圧＜閾値のとき不足電圧有りとして負荷が力行動作か回生動作かを判定し、
回生動作時には、当該セルユニットがゼロスイッチング状態であれば当該セルユニットを出力のスイッチングの状態とし、
力行動作時には、当該セルユニットの出力電圧判定がゼロスイッチング状態であれば当該セルユニットのスイッチング状態は変化させず、ゼロスイッチング以外のときに当該セルユニットをゼロスイッチングに移行させることを特徴としたものである。

本発明の出力判定信号生成部は、各セルユニットの検出電圧と、予め過電圧防止制御判定値に設定された第１の閾値を比較し、各セルユニットの出力判定信号を出力する第１の比較部と、各セルユニットの検出電圧と、予め不足電圧防止制御判定値に設定された第２の閾値を比較し、各セルユニットの出力判定信号を出力する第２の比較部を備えたことを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、インバータに過電圧、もしくは不足電圧が発生した場合でもインバータの故障停止動作の抑制が可能となるため、インバータの信頼性が向上するものである。

本発明の実施形態を示すセルユニットと電圧検出回路図。 本発明の実施形態を示すＣＰＳ方式によるＰＷＭ制御装置の構成図。 出力判定信号生成部の構成図。 Ｕ相とＶ相のオン時における電流経路図。 Ｘ相とＹ相のオン時における電流経路図。 過電圧防止制御フローチャート。 不足電圧防止制御フローチャート。 セル多重電圧形インバータの構成図。 セルユニットの構成図。

本発明では、例えば直列３段３相の各セルユニットそれぞれに、図１で示すように電圧検出回路１０が設けられ、ａ，ｂ間の直流電圧を検出する。
図２は、本発明が適用されるセル多重電圧形インバータ制御装置の部分図で、１はＵ，Ｖ，Ｗの相電圧指令とキャリア周波数指令を発生するＣＰＵ、２は電圧領域を判定する電圧領域判定部で、後述の表２の電圧領域の情報をキャリアフェイズセレクト（搬送波位相選択方式で以下ＣＰＳという）制御部４に出力する。
このＣＰＳ制御部４は、相電圧指令に基づきＣＰＳ方式における電圧指令の領域とレベルが定義されて例えば６つの領域に区分された各相の領域を判定する。

３はキャリア信号生成部で、ＣＰＵ１からのキャリア周波数指令に基づく周波数の三角波キャリア信号を、３段の各セルユニットのＵ，Ｘ素子用、およびＶ，Ｙ素子用に各々生成して各相のＣＰＳ制御部４へそれぞれ入力する。ＣＰＳ制御部４では、各キャリア信号と電圧指令を比較した信号、および電圧領域判定部２からの電圧領域情報を入力してオン・オフ信号を生成し、出力セル判定部５へ入力する。

６はｑ軸電流演算部で、図８で示すインバータ出力電流Ｉu，Ｉv，Ｉwを検出し、ｑ軸電流を３相／２相変換手法を用いて演算し、出力セル判定部５へ入力する。８は負荷であるモータ速度検出器、９はモータ速度検出器８の検出値を用いてモータ速度を演算する速度検出処理部で、得られた速度検出値からモータの回転方向を判別し、その回転方向情報を、出力セル判定部５へ入力する。９はデットタイム生成部である。

電圧検出回路１０により検出された各セルユニットの直流電圧検出信号は、出力判定信号生成部１１に入力して過電圧もしくは不足電圧の有無が判定される。出力判定信号生成部１１は図３で示すように、第１の比較部１２と第２の比較部１３よりなり、比較部１２では予め設定された過電圧防止制御判定値が第１の閾値として入力され、直流電圧検出信号との比較演算が行われる。また、比較部１３では予め設定された不足電圧防止制御判定値が第２の閾値として入力され、直流電圧検出信号との比較演算が行われる。この比較演算は、各セルユニットそれぞれに行われることで、出力判定信号生成部１１からはＵ１〜Ｗ３までの過電圧判定信号９本と、不足電圧判定信号９本からの信号がそれぞれ出力セル判定部５に出力される。

出力判定信号生成部１１における過電圧防止時の動作としては、比較部１２において、直流電圧検出信号と第１の閾値を比較する。比較結果、検出値＞閾値の場合に比較部１２は論理１を出力する。論理１の信号はスイッチングをゼロスイッチングの状態にするための信号として使用する。
電圧検出回路１０で検出した値と予め設定しておく第１の閾値を出力セル判定部５に入力する。

出力判定信号生成部１１における不足電圧防止時の動作としては、比較部１３において、直流電圧検出信号と第２の閾値を比較する。検出値＜閾値の場合に比較部１３は論理１を出力する。論理１の信号はスイッチングをゼロスイッチングの状態にするための信号として使用する。
電圧検出回路１０で検出した値と予め設定しておく第２の閾値を出力セル判定部５に入力する。

ここで、セルユニット毎の出力電圧を考える。
セルユニットにおいて、素子ＵとＹがオンの時にはＥの電圧が出力され、素子ＶとＸがオンの時には−Ｅの電圧が出力される。素子ＵとＶ、素子ＸとＶがオンの時には電圧が出力されず、出力電圧＝０となる。この二通りの組み合わせは電圧が出力されないことからゼロスイッチングと呼ばれている。
各相セルユニットが３段の場合の多重型インバータの出力電圧における電圧パターンは表１のようになる。なお、表１はＵ相のみを示したもので、Ｖ，Ｗ相も同様のパターンを持つ。

相電圧としては表１の出力電圧が選択される。ここで、出力電圧が−２Ｖdc，
−Ｖdc，Ｖdc，２Ｖdcに注目すると、これら出力電圧の状態時には、Ｖu1，Ｖu２，Ｖu３の何れかのセルユニットがゼロスイッチングの状態となっている。
本発明では、出力判定信号生成部１１より出力された信号を用いてゼロスイッチングに移行するセルユニットを変更するものである。

セル多重形インバータの負荷であるモータを減速させると、回生動作となってエネルギーの流れがモータからインバータへと向きが変わる。その際、セルユニットの直流電圧Ｖdcが上昇して過電圧になりやすい。この時の過電圧防止について図４，５を用いて説明する。

図４で示すＵ相とＶ相、および図５で示すＸ相とＹ相の各素子がオンの場合におけるゼロスイッチング時での電流経路を考えると、電流の向きが矢印のように上段から下段に流れる向きが正で、下段から上段に流れる場合は負である。このように、ゼロスイッチングの状態ではセルユニットのコンデンサＣに電流が流れることがない。よって、モータ減速時などの回生動作にもコンデンサＣの電圧Ｖdcが変動しないゼロスイッチングの状態に移行すれば過電圧の発生が防止できる。

以下具体的に説明する。
（１）出力電圧の判定について
出力電圧の判定には、図２で示すＣＰＵ１からの電圧指令Ｖu^*，Ｖv^*，Ｖw^*の大きさを使用する。電圧指令の大きさが分れば表１の出力電圧を判定することができる。
電圧指令の大きさと出力電圧の関係は表２のようになる。ここでの電圧指令は正弦波形とし、電圧指令がインバータ定格電圧であるときの正弦波形の波高値を１００％基準とする。なお、ここでは可変可能なインバータの出力電圧において出力可能な最大電圧をインバータ定格電圧と呼ぶ。

表２のように、セルユニットが直列３段の場合には電圧指令に基づいて出力電圧の大きさを６段階（領域）に分割して考えることができる。また、各領域にはそれぞれ２種類の出力電圧がある。どちらの出力電圧を選択するかは、ＣＰＳ制御部４に入力されるキャリア信号と電圧指令との比較により決まる。例えば領域６では、電圧指令≧キャリア信号の場合に３Ｖdcが、電圧指令＜キャリア信号の場合に２Ｖdcが選択される。

出力電圧が分れば各セルユニットの電圧指令の更新を判定することができる。説明の簡易化のために領域を表２のように定義する。

（２）領域１の場合について
領域１の場合には電圧指令が−３Ｖdcもしくは−２Ｖdcとなる。−２Ｖdcの場合は表１に示す３種類の出力電圧パターンから１種類を選択すればよい。また、３種類のパターンでゼロスイッチングが何れかのセルユニットで発生する。電圧指令が−３Ｖdcの時には、全てのセルユニットで電圧を出力するようなスイッチングの状態となるが、−２Ｖdcの状態に移行する際に過電圧の閾値を超えたセルユニットを優先的に、その直流電圧を低下させるスイッチング状態にする。

例えば、力行運転状態において、Ｕ１セルユニットの直流電圧のみが閾値を超過した場合には、Ｕ２セルユニットを零スイッチングさせるパターンもしくはＵ３セルユニットを零スイッチングさせるパターンを選択する。Ｕ１セルユニットの直流電圧、およびＵ２セルユニットの直流電圧が閾値を超過した場合には、Ｕ３セルユニットを零スイッチングさせるパターンを選択する。これは、領域６の場合も同様に考えることができる。

（３）領域２，３，４，５の場合について
領域２，３，４，５の場合には電圧指令が変わる場合に閾値を超えたセルユニットを優先的に、その直流電圧を低下させるスイッチング状態にする。例として、回生状態ではゼロスイッチング状態に固定とし、閾値を超えていない他のセルユニットでスイッチング出力を行う。

出力セル判定部５では、電圧検出回路１０からの出力電圧の判定と出力判定信号生成部１１による出力判定信号の出力、およびＣＰＳ制御部４からの電圧指令とキャリア信号を比較した後の信号を使用してゼロスイッチング状態への移行セルユニットを判定し、デットタイム生成部９を経て最終的なゲート信号をゲート信号生成部において生成する。

図６は過電圧防止制御のフローチャートを示したものである。
ステップＳ１で電圧指令の大きさから領域を判定する。ステップＳ２では出力判定信号生成部１１でセルユニット毎の出力判定において、検出値＜閾値と判定されたとき、論理０が出力セル判定部５に入力される。論理０が入力されたときには過電圧無しとされて出力セル判定部５はＣＰＳ制御部４からの信号をそのまま使用する。一方、出力判定信号生成部１１において検出値＞閾値と判定されたときには過電圧有りと判定され、論理１が出力セル判定部５に入力されてステップＳ３の処理へ移行する。

Ｓ３で出力セル判定部５は、速度検出処理部７によるモータの回転方向情報とｑ軸電流演算部６からの入力信号より、力行動作／回生動作の判定を行う。モータの回転方向が正転のときｑ軸電流検出値Ｉqが正ならば力行動作、負ならば回生動作と判定する。回転方向が逆転の場合には、ｑ軸電流検出値Ｉqが負ならば力行動作、正ならば回生動作と判定する。
なお、回転方向の判定方法については、モータ速度検出器８の検出信号を用いるとは限らず、他の方法でもよい。

ステップＳ３での判定において力行動作と判定された場合、ステップＳ４でゼロスイッチング状態であれば、優先的に当該セルユニットの出力をゼロスイッチング以外の電圧を出力するスイッチング状態として直流電圧を下げる。
Ｓ３で回生動作と判定した場合にはＳ５の処理に移行する。

ステップＳ５では、当該セルユニットの出力電圧を判定し、当該セルユニットの出力状態がゼロスイッチングか否かを前回のゲート信号より判断する。既にゼロスイッチング状態であれば、Ｓ６でそのまま出力の状態は変化させず、他のスイッチングを行う。ゼロスイッチング以外の電圧を出力している状態であれば、Ｓ７でゼロスイッチングの状態に移行する。

この実施例によれば、過電圧の発生時におけるインバータの故障停止動作の抑制が可能となるものである。

図７は瞬低や急加速時等に、あるセルユニットにおいて不足電圧が発生する場合の不足電圧防止制御のためのフローチャートを示したものである。
ステップＳ１０で電圧指令の大きさから領域を判定する。ステップＳ１１では出力判定信号生成部１１でセルユニットごとの出力判定において、電圧検出値と第２の閾値との比較時に検出値＞閾値と判定されたとき、論理０が出力セル判定部５に入力される。論理０が入力されたときには不足電圧無しとされてＣＰＳ制御部４からの信号をそのまま使用する。

一方、出力判定信号生成部１１において検出値＜閾値と判定されたときには不足電圧有りと判定され、論理１が出力セル判定部５に入力されてステップＳ１２の処理へ移行する。Ｓ１２では、速度検出処理部７によるモータの回転方向情報とｑ軸電流演算部６からの入力信号より、力行動作／回生動作の判定を行う。モータの回転方向が正転のときｑ軸電流検出値Ｉqが正ならば力行動作、負ならば回生動作と判定する。回転方向が逆転の場合には、ｑ軸電流検出値Ｉqが負ならば力行動作、正ならば回生動作と判定する。

Ｓ１２で回生動作と判定した場合、Ｓ１３において当該セルユニットはゼロスイッチング以外の電圧を出力するスイッチング状態として直流電圧を上昇させる。ステップＳ１２での判定において力行動作と判定された場合、ステップＳ１４で、当該セルユニットの出力電圧を判定し、当該セルユニットの出力状態がゼロスイッチングか否かを前回のゲート信号より判断する。既にゼロスイッチング状態であれば、Ｓ１５においてそのままの出力状態として変化させず、他のスイッチングを行う。ゼロスイッチング以外の電圧を出力している状態であれば、Ｓ１６でゼロスイッチングの状態に移行する。

この実施例によれば、不足電圧の発生時におけるインバータの故障停止動作の抑制が可能となるものである。
なお、本発明においては、実施例１で示す過電圧抑制機能と、実施例２で示す不足電圧抑制機能を各別に設けてもよく、両方の機能を同時に持たせてもよいことは勿論で、両機能を同時に持たせた場合には過電圧と不足電圧の発生時におけるインバータの故障停止動作の抑制が同時に可能となる効果を発生する。
また、上記ではセルユニットの直列接続数を３とした場合について説明してきたが、本発明では、セルユニットの直列接続数は２以上である３相出力インバータに適用できるものである。

１… ＣＰＵ
２… 電圧領域判定部
３… キャリア信号生成部
４… キャリアフェイズセレクト制御部（ＣＰＳ制御部）
５… 出力セル判定部
６… ｑ軸電流演算部
７… 速度検出処理部
８… モータ速度検出部
９… デットタイム生成部
１０… 電圧検出部
１１… 出力判定信号生成部

Claims (4)

1. 複数のセルユニットを直列接続した３相インバータであって、ＣＰＳ制御方式を用いたＣＰＳ制御部を介して出力セル判定部によりセルユニットのスイッチングパターンを選択し、選択信号を各セルユニットのゲートに出力して各セルユニットを制御するものにおいて、
   前記各セルユニットの直流電圧を検出し、検出電圧と予め設定された閾値を比較してセルユニット毎の出力判定信号を前記ＣＰＳ制御部に出力する出力判定信号生成部を設け、
   ＣＰＳ制御部において、前記検出電圧と閾値との比較結果に応じて当該セルユニットの出力電圧判定がゼロスイッチング以外のときに、当該セルユニットをゼロスイッチングの状態に移行するよう制御することを特徴としたセル多重電圧形インバータ。
2. 前記ＣＰＳ制御部は、
   前記出力判定信号生成部の出力判定信号が、検出電圧＞閾値のとき過電圧有りとして負荷が力行動作か回生動作かを判定し、
   力行動作時には、当該セルユニットがゼロスイッチング状態であれば当該セルユニットを出力のスイッチング状態とし、
   回生動作時には、当該セルユニットの出力電圧判定がゼロスイッチング状態であれば当該セルユニットのスイッチング状態は変化させず、ゼロスイッチング以外のときに当該セルユニットをゼロスイッチングに移行させることを特徴とした請求項１記載のセル多重電圧形インバータ。
3. 前記ＣＰＳ制御部は、
   前記出力判定信号生成部の出力判定信号が、検出電圧＜閾値のとき不足電圧有りとして負荷が力行動作か回生動作かを判定し、
   回生動作時には、当該セルユニットがゼロスイッチング状態であれば当該セルユニットを出力のスイッチングの状態とし、
   力行動作時には、当該セルユニットの出力電圧判定がゼロスイッチング状態であれば当該セルユニットのスイッチング状態は変化させず、ゼロスイッチング以外のときに当該セルユニットをゼロスイッチングに移行させることを特徴とした請求項１記載のセル多重電圧形インバータ。
4. 前記出力判定信号生成部は、各セルユニットの検出電圧と、予め過電圧防止制御判定値に設定された第１の閾値を比較し、各セルユニットの出力判定信号を出力する第１の比較部と、各セルユニットの検出電圧と、予め不足電圧防止制御判定値に設定された第２の閾値を比較し、各セルユニットの出力判定信号を出力する第２の比較部を備えたことを特徴とした請求項１乃至３記載の何れか１項であるセル多重電圧形インバータ。

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