JP2018057157A - Electric power conversion system - Google Patents

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正宏 菅原
Masahiro Sugawara
正宏 菅原
勝己 鳥越
Katsumi Torigoe
勝己 鳥越
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electric power conversion system which prevents mutual intervention between a neutral point potential variation inhibitory control and a conduction balance control to be capable of securing conduction balance while suppressing variation in the neutral point potential.SOLUTION: An electric power conversion system comprises: a voltage command calculation unit which calculates a voltage command value to a three level inverter on the basis of an input from outside; a conduction balance control unit which adds a bias value while switching the positive/negative polarity in prescribed cycles set to the voltage command value on the basis of an input from outside; a PWM generation unit which generates a gate signal to the switching element of the three level inverter by use of the voltage command value to which the bias value is added; a voltage detection unit which detects voltages of a positive electrode side capacitor and a negative electrode side capacitor as the positive electrode side voltage and the negative electrode side voltage; and a dead time setting unit which sets, on the basis of the potential difference between the positive electrode side voltage and the negative electrode side voltage, a dead time of the switching element with respect to the gate signal generated by the PWM generation unit to reduce the potential difference.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

この発明は、3レベルインバータを用いた電力変換装置に関する。   The present invention relates to a power conversion device using a three-level inverter.

従来から、ゼロとプラス側との間で変化する三角波およびゼロとマイナス側との間で変化する三角波である2つの搬送波と、電圧指令値とを比較し、比較結果の大小関係に基づいて、スイッチング素子をオンまたはオフするためのゲート信号を生成し、ゲート信号に応じて3レベルインバータを制御する電力変換装置が知られている。   Conventionally, two carrier waves, which are a triangular wave that changes between zero and the plus side and a triangular wave that changes between zero and the minus side, are compared with the voltage command value, and based on the magnitude relationship of the comparison results, There is known a power conversion device that generates a gate signal for turning on or off a switching element and controls a three-level inverter in accordance with the gate signal.

また、3レベルインバータを用いた電力変換装置において、直流電源の中性点電位の変動を抑制するために、電圧指令値に加算される中性点バイアス電圧を算出する中性点電位変動抑制制御部と、中性点バイアス電圧の極性を判定し、極性信号を出力する極性判定部と、ゲート信号があらかじめ設定された最小オンパルス幅を確保するために、中性点バイアス電圧が加算された電圧指令値に対して加算される値であり、極性信号に基づいて正負が決定されたオンパルスバイアス電圧を算出する最小オンパルス制御部と、を備えることで、中性点バイアス電圧とオンパルスバイアス電圧とが互いに干渉することを抑制することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。   In addition, in a power converter using a three-level inverter, neutral point potential fluctuation suppression control for calculating a neutral point bias voltage to be added to the voltage command value in order to suppress fluctuations in the neutral point potential of the DC power supply. A polarity determination unit that determines the polarity of the neutral point bias voltage and outputs a polarity signal, and a voltage obtained by adding a neutral point bias voltage in order to ensure a predetermined minimum on-pulse width for the gate signal The neutral point bias voltage and the on-pulse bias voltage are provided with a minimum on-pulse control unit that calculates an on-pulse bias voltage that is a value that is added to the command value and is determined based on the polarity signal. Has been proposed to suppress interference with each other (see, for example, Patent Document 1).

ここで、3レベルインバータにおいて、電圧指令値を定格直流電圧で規格化した変調率が0.5以下となった場合には、外側に配置されたP/N側素子の通流率に比べて、内側に配置された中性点側素子の通流率が大きくなる。   Here, in the three-level inverter, when the modulation rate obtained by standardizing the voltage command value with the rated DC voltage is 0.5 or less, compared to the conduction rate of the P / N side element arranged on the outside. Further, the flow rate of the neutral point side element arranged on the inner side is increased.

そのため、例えばV/F制御において、変調率が低い場合である低周波運転時には、中性点側素子に電流が集中し、インバータ装置として低周波領域で十分な電流を流すことができず、装置容量の低減率を大きくせざるを得ないという問題があった。そこで、低周波運転時における中性点側素子の通流率を改善する方法として、通流バランス制御が提案されている(例えば、特許文献2参照)。   For this reason, for example, in V / F control, during low frequency operation where the modulation factor is low, current concentrates on the neutral point side element, and sufficient current cannot flow in the low frequency region as an inverter device. There was a problem that the reduction rate of the capacity had to be increased. Therefore, flow balance control has been proposed as a method for improving the flow rate of the neutral point side element during low-frequency operation (see, for example, Patent Document 2).

通流バランス制御では、インバータの出力周波数に応じて、周波数が低いとき、すなわち変調率が小さいときほど振幅が大きくなる矩形波パルスを電圧指令値に加算することで、低周波運転時における中性点側素子の通流率とP/N側素子の通流率とを近づけて、通流バランスを確保している。   In the current balance control, a neutral wave during low frequency operation is added by adding a rectangular wave pulse whose amplitude increases as the frequency is low, that is, as the modulation rate is small, to the voltage command value according to the output frequency of the inverter. The flow rate of the point side element and the flow rate of the P / N side element are made close to ensure a flow balance.

特開2013−110815号公報JP 2013-110815 A 特開2006−14532号公報JP 2006-14532 A

しかしながら、特許文献1の課題において、通流バランス制御を適用した場合であっても、中性点電位変動抑制制御および通流バランス制御が、ともに電圧指令値に対してバイアス値を加算する方法であることから、これらのバイアス値が互いに干渉してしまい、中性点電位が変動するとともに、制御が不安定になるという問題がある。   However, even if the current balance control is applied in the problem of Patent Document 1, the neutral point potential fluctuation suppression control and the current balance control are both methods in which a bias value is added to the voltage command value. Therefore, there are problems that these bias values interfere with each other, the neutral point potential fluctuates, and the control becomes unstable.

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、中性点電位変動抑制制御と通流バランス制御との相互干渉を防止して、中性点電位の変動を抑制するとともに、通流バランスを確保することができる電力変換装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and prevents neutral point potential fluctuations by preventing mutual interference between neutral point potential fluctuation suppression control and flow balance control. At the same time, an object is to obtain a power conversion device capable of ensuring a flow balance.

この発明に係る電力変換装置は、直流電源の正極側と負極側との間に互いに直列に接続され、接続点を中性点とする正極側コンデンサおよび負極側コンデンサを有し、直流電源からの直流電力を交流電力に変換してモータに供給する3レベルインバータと、外部からの周波数指令または速度指令に基づいて、3レベルインバータに対する電圧指令値を演算する電圧指令演算部と、外部からの周波数指令または速度指令に基づいて、電圧指令値にあらかじめ設定された周期で正負の極性を切り替えながらバイアス値を加算する通流バランス制御部と、バイアス値が加算された電圧指令値に基づいて、3レベルインバータのスイッチング素子に対するゲート信号を生成するPWM生成部と、正極側コンデンサおよび負極側コンデンサの電圧を正極側電圧および負極側電圧として検出する電圧検出部と、正極側電圧と負極側電圧との電位差に基づいて、電位差が小さくなるように、PWM生成部で生成されたゲート信号について、スイッチング素子のデッドタイムを設定するデッドタイム設定部とを備えたものである。   The power conversion device according to the present invention includes a positive-side capacitor and a negative-side capacitor that are connected in series between a positive electrode side and a negative electrode side of a DC power source and that have a connection point as a neutral point. A three-level inverter that converts DC power to AC power and supplies it to the motor, a voltage command calculation unit that calculates a voltage command value for the three-level inverter based on an external frequency command or speed command, and an external frequency Based on the command or speed command, a current balance control unit that adds a bias value while switching between positive and negative polarities at a preset period to the voltage command value, and 3 based on the voltage command value to which the bias value is added PWM generator that generates a gate signal for the switching element of the level inverter, and positive and negative capacitors The switching element dead time for the gate signal generated by the PWM generator so that the potential difference is reduced based on the potential difference between the positive voltage and the negative voltage, and the voltage detector that detects the voltage and the negative voltage. And a dead time setting unit for setting.

この発明に係る電力変換装置によれば、外部からの周波数指令または速度指令に基づいて、3レベルインバータに対する電圧指令値を演算する電圧指令演算部と、外部からの周波数指令または速度指令に基づいて、電圧指令値にあらかじめ設定された周期で正負の極性を切り替えながらバイアス値を加算する通流バランス制御部と、バイアス値が加算された電圧指令値に基づいて、3レベルインバータのスイッチング素子に対するゲート信号を生成するPWM生成部と、正極側コンデンサおよび負極側コンデンサの電圧を正極側電圧および負極側電圧として検出する電圧検出部と、正極側電圧と負極側電圧との電位差に基づいて、電位差が小さくなるように、PWM生成部で生成されたゲート信号について、スイッチング素子のデッドタイムを設定するデッドタイム設定部とを備えている。
そのため、中性点電位変動抑制制御と通流バランス制御との相互干渉を防止して、中性点電位の変動を抑制するとともに、通流バランスを確保することができる。
According to the power converter of the present invention, based on an external frequency command or speed command, a voltage command calculation unit that calculates a voltage command value for the three-level inverter, and on the basis of an external frequency command or speed command A current balance control unit that adds a bias value while switching between positive and negative polarities at a preset period to a voltage command value, and a gate for a switching element of a three-level inverter based on the voltage command value to which the bias value is added Based on the potential difference between the positive voltage and negative voltage, the PWM generator that generates the signal, the voltage detector that detects the voltages of the positive and negative capacitors as the positive and negative voltages, For the gate signal generated by the PWM generator, the dead time of the switching element And a dead time setting unit for setting.
Therefore, it is possible to prevent the neutral point potential fluctuation suppression control and the flow balance control from interfering with each other, thereby suppressing the fluctuation of the neutral point potential and ensuring the flow balance.

この発明の実施の形態1に係る電力変換装置の3レベルインバータを、直流電源およびモータとともに示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the 3 level inverter of the power converter device which concerns on Embodiment 1 of this invention with a DC power supply and a motor. この発明の実施の形態1に係る電力変換装置の制御部を示すブロック構成図である。It is a block block diagram which shows the control part of the power converter device which concerns on Embodiment 1 of this invention. (a)〜(d)は、図1に示した3レベルインバータの一相分の回路動作モードを示す説明図である。(A)-(d) is explanatory drawing which shows the circuit operation mode for one phase of the 3 level inverter shown in FIG. 図2に示した中性点電位変動抑制制御部を示すブロック構成図である。It is a block block diagram which shows the neutral point electric potential fluctuation suppression control part shown in FIG. 図2に示したデッドタイム生成部を示すブロック構成図である。It is a block block diagram which shows the dead time production | generation part shown in FIG. 従来の中性点電位変動抑制制御と通流バランス制御とを同時に適用した電力変換装置におけるデッドタイムのシミュレーション結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result of the dead time in the power converter device which applied the neutral point potential fluctuation | variation control and the current balance control simultaneously in the past. この発明の実施の形態1に係る中性点電位変動抑制制御と通流バランス制御とを同時に適用した電力変換装置におけるデッドタイムのシミュレーション結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result of the dead time in the power converter device which applied simultaneously neutral point potential fluctuation | variation suppression control and flow balance control which concern on Embodiment 1 of this invention. 従来の中性点電位変動抑制制御と通流バランス制御とを同時に適用した電力変換装置における電位差のシミュレーション結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result of the electrical potential difference in the power converter device which applied the neutral point electric potential fluctuation | variation suppression control and conventional flow balance control simultaneously. この発明の実施の形態1に係る中性点電位変動抑制制御と通流バランス制御とを同時に適用した電力変換装置における電位差のシミュレーション結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result of the electric potential difference in the power converter device which applied simultaneously neutral point electric potential fluctuation | variation suppression control and flow balance control which concern on Embodiment 1 of this invention.

以下、この発明に係る電力変換装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of a power conversion device according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts will be described with the same reference numerals.

まず、実施の形態の説明に先立って、この発明に係る電力変換装置の概要について説明する。この発明の電力変換装置は、3レベルインバータの正極側コンデンサおよび負極側コンデンサの直流電圧を検出し、これらの電位差に応じて、中性点電位の変動を抑制するように、通常は固定値であるインバータのスイッチング素子のデッドタイムを変化させるものである。   First, prior to description of the embodiments, an outline of a power conversion device according to the present invention will be described. The power conversion device of the present invention detects a DC voltage of the positive side capacitor and the negative side capacitor of the three-level inverter, and normally suppresses fluctuations in the neutral point potential according to the potential difference between them. The dead time of the switching element of a certain inverter is changed.

具体的には、直流電圧をフィードバックし、直流電圧がバランスするようにPI制御を実施する。このとき、PI制御器の出力は、デッドタイムの補正量となるので、直流電圧のアンバランス度合に応じて、デッドタイムを変化させる。これを、三相のそれぞれについて、個別に実行する。   Specifically, the DC voltage is fed back, and PI control is performed so that the DC voltage is balanced. At this time, since the output of the PI controller becomes a dead time correction amount, the dead time is changed in accordance with the degree of imbalance of the DC voltage. This is performed individually for each of the three phases.

このように、インバータのスイッチング素子のデッドタイムを変化させる中性点電位変動抑制制御を採用することで、中性点電位変動抑制制御と通流バランス制御とを両立させることができる。   Thus, by adopting neutral point potential fluctuation suppression control that changes the dead time of the switching element of the inverter, it is possible to achieve both neutral point potential fluctuation suppression control and flow balance control.

また、中性点電位の変動を抑制することにより、直流電圧のアンバランスが改善されるので、コンデンサの耐圧や静電容量を必要以上に大きくすることなく、装置を小型化することができる。また、低周波運転時において、中性点側素子に電流が集中することがないので、装置容量の低減率を小さくすることができ、装置を小型化することができる。なお、この発明に係る電力変換装置は、V/F制御、ベクトル制御等、制御種類によらず適用することができる。   Moreover, since the imbalance of the DC voltage is improved by suppressing the fluctuation of the neutral point potential, the apparatus can be miniaturized without increasing the withstand voltage and the capacitance of the capacitor more than necessary. In addition, since current does not concentrate on the neutral point side element during low frequency operation, the reduction rate of the device capacity can be reduced and the device can be downsized. The power converter according to the present invention can be applied regardless of the control type, such as V / F control and vector control.

実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置の3レベルインバータを、直流電源およびモータとともに示す回路図である。図1において、3レベルインバータ10は、中性点が接地された直流電源1とモータ2とに接続されている。
Embodiment 1 FIG.
1 is a circuit diagram showing a three-level inverter of a power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention, together with a DC power supply and a motor. In FIG. 1, a three-level inverter 10 is connected to a DC power source 1 and a motor 2 whose neutral points are grounded.

3レベルインバータ10は、直流電源1の正極側と負極側との間に互いに直列に接続され、接続点を中性点とする正極側コンデンサ11および負極側コンデンサ12と、一相あたり4個のスイッチング素子Q1〜Q4で構成された三相分3レベルインバータとを備え、直流電源1からの直流電力を交流電力に変換してモータ2に供給する。   The three-level inverter 10 is connected in series between the positive electrode side and the negative electrode side of the DC power source 1, and includes a positive electrode capacitor 11 and a negative electrode capacitor 12 having a connection point as a neutral point, and four capacitors per phase. A three-phase three-level inverter composed of switching elements Q1 to Q4 is provided, and DC power from the DC power source 1 is converted into AC power and supplied to the motor 2.

ここで、3レベルインバータの一相分13を構成する4個のスイッチング素子は、中性点に双方向スイッチとして接続された2個の中性点素子Q3、Q4と、直流電源1の正極側と負極側との間に互いに直列に接続された正極側素子Q1および負極側素子Q2とを有し、これにより3レベルインバータを実現している。   Here, the four switching elements constituting one phase 13 of the three-level inverter include two neutral point elements Q3 and Q4 connected as a bidirectional switch to the neutral point, and the positive side of the DC power source 1. The positive electrode element Q1 and the negative electrode element Q2 connected in series with each other between the negative electrode side and the negative electrode side, thereby realizing a three-level inverter.

また、3レベルインバータ10には、正極側コンデンサ11および負極側コンデンサ12の電圧を正極側電圧Vc1および負極側電圧Vc2としてそれぞれ検出する電圧センサ14、15が設けられている。   Further, the three-level inverter 10 is provided with voltage sensors 14 and 15 for detecting the voltages of the positive side capacitor 11 and the negative side capacitor 12 as the positive side voltage Vc1 and the negative side voltage Vc2, respectively.

図2は、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置の制御部を示すブロック構成図である。図2において、この制御部は、V/F制御部20、通流バランス制御部30、台形波変調回路40、PWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)生成部50、中性点電位変動抑制制御部60およびデッドタイム生成部70から構成されている。   FIG. 2 is a block configuration diagram showing a control unit of the power conversion apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 2, this control unit includes a V / F control unit 20, a flow balance control unit 30, a trapezoidal wave modulation circuit 40, a PWM (Pulse Width Modulation) generation unit 50, and neutral point potential fluctuation suppression control. Unit 60 and dead time generation unit 70.

V/F制御部20は、一般的なインバータ駆動でのモータ可変速制御を実現するものであり、モータ2の回転速度に応じた周波数指令f*を用いて、通流バランス制御後の電圧指令値Vuu*、Vvv*、Vww*を出力する。また、V/F制御部20は、V/Fパターン21、積分器22、三相sinテーブル23および加算器24を有している。   The V / F control unit 20 realizes a general motor variable speed control by inverter driving, and uses a frequency command f * corresponding to the rotation speed of the motor 2 to perform a voltage command after the flow balance control. The values Vuu *, Vvv *, Vww * are output. The V / F control unit 20 includes a V / F pattern 21, an integrator 22, a three-phase sin table 23, and an adder 24.

V/Fパターン21は、周波数fと変調率aとの関係を記憶しており、入力された周波数指令f*に対して、変調率aを出力する。ここで、V/F制御では、周波数fと変調率aとは比例の関係にあり、周波数fが低い場合には、変調率aも低くなる。積分器22は、周波数指令f*を積算して、位相角θを演算する。   The V / F pattern 21 stores the relationship between the frequency f and the modulation factor a, and outputs the modulation factor a in response to the input frequency command f *. Here, in the V / F control, the frequency f and the modulation factor a are in a proportional relationship, and when the frequency f is low, the modulation factor a is also low. The integrator 22 integrates the frequency command f * and calculates the phase angle θ.

三相sinテーブル23は、変調率aおよび位相角θと、電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*との関係を記憶しており、入力された変調率aおよび位相角θに対して、三相の電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*を出力する。   The three-phase sin table 23 stores the relationship between the modulation factor a and the phase angle θ and the voltage command values Vu *, Vv *, and Vw *. For the input modulation factor a and the phase angle θ, Three-phase voltage command values Vu *, Vv *, Vw * are output.

加算器24は、三相sinテーブル23から出力された電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*に、通流バランス制御部30から出力されたパルス状のバイアスを加算して、通流バランス制御後の電圧指令値Vuu*、Vvv*、Vww*を出力する。   The adder 24 adds the pulse-shaped bias output from the flow balance control unit 30 to the voltage command values Vu *, Vv *, Vw * output from the three-phase sin table 23, thereby performing flow balance control. The subsequent voltage command values Vuu *, Vvv *, and Vww * are output.

通流バランス制御部30は、周波数指令f*を用いて、電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*に加算されるパルス状のバイアスを生成する。また、通流バランス制御部30は、バイアスパターン31と乗算器32とを有している。   The flow balance control unit 30 generates a pulse-like bias to be added to the voltage command values Vu *, Vv *, and Vw * using the frequency command f *. Further, the flow balance control unit 30 includes a bias pattern 31 and a multiplier 32.

バイアスパターン31は、周波数fとバイアス値との関係を記憶しており、入力された周波数指令f*に対して、バイアス値を出力する。ここで、周波数fとバイアス値とは反比例の関係にあり、周波数fが低い場合には、バイアス値が高くなる。乗算器32は、バイアスパターン31から出力されたバイアス値に、あらかじめ設定された周期で+側と−側とに振動する矩形波パルスを乗算して、パルス状のバイアスを生成する。   The bias pattern 31 stores the relationship between the frequency f and the bias value, and outputs a bias value in response to the input frequency command f *. Here, the frequency f and the bias value are in an inversely proportional relationship, and when the frequency f is low, the bias value becomes high. The multiplier 32 multiplies the bias value output from the bias pattern 31 by a rectangular wave pulse that vibrates on the + side and the − side at a preset period to generate a pulse-like bias.

台形波変調回路40は、V/F制御部20から出力された通流バランス制御後の電圧指令値Vuu*、Vvv*、Vww*に対して、正弦波のピーク部分を一定値にカットするよう変形して、台形波変調後の電圧指令値Vuuu*、Vvvv*、Vwww*を出力する。   The trapezoidal wave modulation circuit 40 cuts the peak portion of the sine wave to a constant value with respect to the voltage command values Vuu *, Vvv *, and Vww * after the flow balance control output from the V / F control unit 20. The voltage command values Vuuu *, Vvvv *, and Vwww * after the trapezoidal wave modulation are output after being deformed.

また、台形波変調回路40は、三相それぞれの入力部にリミット回路41を有し、各相のリミット回路出力から元の信号を減算した値と、他の二相分のリミット回路出力からそれぞれ元の信号を減算した値とを加算した値に、元の信号を加算するように構成されている。これにより、ある相がリミット回路41にかかったとき、他の二相は線間電圧が変化しないように補正される。   The trapezoidal wave modulation circuit 40 has a limit circuit 41 at each of the three-phase input units, and the value obtained by subtracting the original signal from the limit circuit output of each phase and the limit circuit output for the other two phases, respectively. The original signal is added to the value obtained by adding the value obtained by subtracting the original signal. Thereby, when a certain phase is applied to the limit circuit 41, the other two phases are corrected so that the line voltage does not change.

PWM生成部50は、台形波変調後の電圧指令値Vuuu*、Vvvv*、Vwww*に基づいて、3レベルインバータ10のゲート信号を生成する。ここで、PWM生成部50は、ゼロとプラス側との間で変化する三角波およびゼロとマイナス側との間で変化する三角波である2つの搬送波と、電圧指令値とを比較し、比較結果に基づいて、スイッチング素子Q1〜Q4をオンまたはオフするためのゲート信号を生成する。   The PWM generation unit 50 generates a gate signal for the three-level inverter 10 based on the voltage command values Vuu *, Vvvv *, and Vwww * after the trapezoidal wave modulation. Here, the PWM generation unit 50 compares the voltage command value with two carrier waves that are a triangular wave that changes between zero and the positive side and a triangular wave that changes between the zero and the negative side. Based on this, a gate signal for turning on or off switching elements Q1-Q4 is generated.

ここで、一般的なPWM生成部の動作は、例えば特許文献2等に記載されているので、説明を省略する。なお、PWM生成部50から出力されるゲート信号には、デッドタイムTdが含まれていないものとする。また、中性点電位変動抑制制御部60およびデッドタイム生成部70は、3レベルインバータ10を構成する12個のスイッチング素子のデッドタイムTdを変化させることにより、中性点電位の変動を抑制する。   Here, since the operation of a general PWM generation unit is described in, for example, Patent Document 2 and the like, description thereof is omitted. Note that the gate signal output from the PWM generator 50 does not include the dead time Td. Further, the neutral point potential fluctuation suppression control unit 60 and the dead time generation unit 70 suppress the fluctuation of the neutral point potential by changing the dead time Td of the twelve switching elements constituting the three-level inverter 10. .

以下、図3(a)〜図3(d)を参照しながら、3レベルインバータ10のスイッチング素子Q1〜Q4のデッドタイムTdを変化させることにより、中性点電位の変動を抑制する方法について説明する。図3(a)〜(d)は、図1に示した3レベルインバータの一相分の回路動作特性を示す説明図である。説明をわかりやすくするため、一相分にのみ着目するが、実際の制御は3相全て動作する。   Hereinafter, with reference to FIGS. 3A to 3D, a method for suppressing the fluctuation of the neutral point potential by changing the dead time Td of the switching elements Q1 to Q4 of the three-level inverter 10 will be described. To do. FIGS. 3A to 3D are explanatory diagrams showing circuit operation characteristics for one phase of the three-level inverter shown in FIG. In order to make the explanation easy to understand, attention is paid to only one phase, but the actual control operates in all three phases.

まず、図3(a)は、3レベルインバータ10の出力電流(中性点電流)>0、かつスイッチング素子Q1およびQ3がスイッチングしている状態(電圧指令>0)を示している。また、図3(a)において、実線はスイッチング素子Q1がオン状態の電流経路を示し、点線はデッドタイム期間中の電流経路を示している。   First, FIG. 3A shows a state where the output current (neutral point current) of the three-level inverter 10> 0 and the switching elements Q1 and Q3 are switched (voltage command> 0). In FIG. 3A, a solid line indicates a current path in which the switching element Q1 is on, and a dotted line indicates a current path during a dead time period.

なお、デッドタイム期間中は、スイッチング素子Q1およびQ3がともにオフ状態で、スイッチング素子Q4が常時オン状態であることから、ダイオードD3およびスイッチング素子Q4を通って電流が流れる。   Note that, during the dead time period, both the switching elements Q1 and Q3 are in the off state, and the switching element Q4 is always in the on state, so that a current flows through the diode D3 and the switching element Q4.

また、図3(b)は、3レベルインバータ10の出力電流<0、かつスイッチング素子Q1およびQ3がスイッチングしている状態(電圧指令>0)を示している。また、図3(b)において、実線はスイッチング素子Q3がオン状態の電流経路を示し、点線はデッドタイム期間中の電流経路を示している。なお、デッドタイム期間中は、スイッチング素子Q1およびQ3がともにオフ状態であることから、ダイオードD1を通って電流が流れる。   FIG. 3B shows a state where the output current of the three-level inverter 10 <0 and the switching elements Q1 and Q3 are switched (voltage command> 0). In FIG. 3B, a solid line indicates a current path in which the switching element Q3 is on, and a dotted line indicates a current path during the dead time period. Note that during the dead time period, since both the switching elements Q1 and Q3 are in the off state, a current flows through the diode D1.

また、図3(c)は、3レベルインバータ10の出力電流>0、かつスイッチング素子Q2およびQ4がスイッチングしている状態(電圧指令<0)を示している。また、図3(c)において、実線はスイッチング素子Q4がオン状態の電流経路を示し、点線はデッドタイム期間中の電流経路を示している。なお、デッドタイム期間中は、スイッチング素子Q2およびQ4がともにオフ状態であることから、ダイオードD2を通って電流が流れる。   FIG. 3C shows a state where the output current of the three-level inverter 10> 0 and the switching elements Q2 and Q4 are switched (voltage command <0). In FIG. 3C, a solid line indicates a current path in which the switching element Q4 is turned on, and a dotted line indicates a current path during the dead time period. During the dead time period, since both switching elements Q2 and Q4 are in the off state, a current flows through diode D2.

また、図3(d)は、3レベルインバータ10の出力電流<0、かつスイッチング素子Q2およびQ4がスイッチングしている状態(電圧指令>0)を示している。また、図3(d)において、実線はスイッチング素子Q2がオン状態の電流経路を示し、点線はデッドタイム期間中の電流経路を示している。   FIG. 3D shows a state where the output current of the three-level inverter 10 <0 and the switching elements Q2 and Q4 are switched (voltage command> 0). In FIG. 3D, a solid line indicates a current path in which the switching element Q2 is on, and a dotted line indicates a current path during the dead time period.

なお、デッドタイム期間中は、スイッチング素子Q2およびQ4がともにオフ状態で、スイッチング素子Q3が常時オン状態であることから、ダイオードD4およびスイッチング素子Q3を通って電流が流れる。   During the dead time, both switching elements Q2 and Q4 are in the off state and switching element Q3 is always in the on state, so that a current flows through diode D4 and switching element Q3.

ここで、図3(a)および図3(b)より、スイッチング素子Q1およびQ3のデッドタイム期間中は、負極側コンデンサ12から放電するか、または正極側コンデンサ11に充電することが分かる。つまり、この場合には、正極側コンデンサ11の正極側電圧Vc1が大きくなり、負極側コンデンサ12の負極側電圧Vc2が小さくなることが分かる。   Here, it can be seen from FIG. 3A and FIG. 3B that the negative-side capacitor 12 is discharged or the positive-side capacitor 11 is charged during the dead time period of the switching elements Q1 and Q3. That is, in this case, it can be seen that the positive side voltage Vc1 of the positive side capacitor 11 is increased and the negative side voltage Vc2 of the negative side capacitor 12 is decreased.

また、図3(c)および図3(d)より、スイッチング素子Q2およびQ4のデッドタイム期間中は、負極側コンデンサ12に充電することが分かる。つまり、この場合には、負極側コンデンサ12の負極側電圧Vc2が大きくなり、正極側コンデンサ11の正極側電圧Vc1が小さくなることが分かる。   3C and 3D show that the negative capacitor 12 is charged during the dead time period of the switching elements Q2 and Q4. That is, in this case, it can be seen that the negative electrode side voltage Vc2 of the negative electrode side capacitor 12 increases and the positive electrode side voltage Vc1 of the positive electrode side capacitor 11 decreases.

そこで、上述した回路動作特性を考慮して、中性点電位変動抑制制御部60およびデッドタイム生成部70により、以下の条件を満たす制御系を構成する。
正極側電圧Vc1<負極側電圧Vc2:スイッチング素子Q1およびQ3のデッドタイムTdを長くし、スイッチング素子Q2およびQ4のデッドタイムTdを短くする。
正極側電圧Vc1>負極側電圧Vc2:スイッチング素子Q1およびQ3のデッドタイムTdを短くし、スイッチング素子Q2およびQ4のデッドタイムTdを長くする。
In view of the above-described circuit operation characteristics, the neutral point potential fluctuation suppression control unit 60 and the dead time generation unit 70 constitute a control system that satisfies the following conditions.
Positive side voltage Vc1 <negative side voltage Vc2: The dead time Td of the switching elements Q1 and Q3 is lengthened, and the dead time Td of the switching elements Q2 and Q4 is shortened.
Positive side voltage Vc1> Negative side voltage Vc2: Dead time Td of switching elements Q1 and Q3 is shortened, and dead time Td of switching elements Q2 and Q4 is lengthened.

以下、図4および図5を参照しながら、中性点電位変動抑制制御部60およびデッドタイム生成部70の詳細な構成について説明する。図4は、図2に示した中性点電位変動抑制制御部を示すブロック構成図であり、図5は、図2に示したデッドタイム生成部を示すブロック構成図である。   Hereinafter, the detailed configuration of the neutral point potential fluctuation suppression control unit 60 and the dead time generation unit 70 will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG. 4 is a block configuration diagram showing the neutral point potential fluctuation suppression control unit shown in FIG. 2, and FIG. 5 is a block configuration diagram showing the dead time generation unit shown in FIG.

図4において、中性点電位変動抑制制御部60は、減算器61、PI制御器62、上下限リミッタ63、加算器64、上下限リミッタ65、減算器66、反転回路67および上下限リミッタ68を有している。   In FIG. 4, the neutral point potential fluctuation suppression control unit 60 includes a subtractor 61, a PI controller 62, an upper / lower limiter 63, an adder 64, an upper / lower limiter 65, a subtractor 66, an inverting circuit 67, and an upper / lower limiter 68. have.

減算器61は、正極側電圧Vc1と負極側電圧Vc2との偏差ΔVを演算する。PI制御器62は、偏差ΔVが零になるようPI制御を実行し、偏差ΔVにあらかじめ設定された係数Kを乗算してデッドタイムTdの変化量を演算する。上下限リミッタ63は、デッドタイムTdの変化量があらかじめ設定された範囲内に収まるよう、上下限値を制限する。   The subtractor 61 calculates a deviation ΔV between the positive side voltage Vc1 and the negative side voltage Vc2. The PI controller 62 executes PI control so that the deviation ΔV becomes zero, and calculates the amount of change in the dead time Td by multiplying the deviation ΔV by a preset coefficient K. The upper / lower limiter 63 limits the upper / lower limit value so that the amount of change in the dead time Td falls within a preset range.

加算器64は、上下限値を制限されたデッドタイムTdの変化量と、デッドタイムTdの初期値(通常3〜5μsec)とを加算する。上下限リミッタ65は、加算器64からの出力があらかじめ設定された範囲内に収まるよう、上下限値を制限して、N側Tdバイアス値として出力する。なお、N側Tdバイアス値は、スイッチング素子Q2およびQ4のデッドタイムTdを変化させるために用いられる。   The adder 64 adds the amount of change in the dead time Td whose upper and lower limits are limited and the initial value of the dead time Td (usually 3 to 5 μsec). The upper / lower limiter 65 limits the upper / lower limit value so that the output from the adder 64 falls within a preset range, and outputs it as an N-side Td bias value. The N-side Td bias value is used to change the dead time Td of the switching elements Q2 and Q4.

減算器66は、上下限値を制限されたデッドタイムTdの変化量から、デッドタイムTdの初期値を減算する。反転回路67は、減算器66からの出力に、−1を掛けて符号を反転させる。上下限リミッタ68は、反転回路67からの出力があらかじめ設定された範囲内に収まるよう、上下限値を制限して、P側Tdバイアス値として出力する。なお、P側Tdバイアス値は、スイッチング素子Q1およびQ3のデッドタイムTdを変化させるために用いられる。   The subtractor 66 subtracts the initial value of the dead time Td from the change amount of the dead time Td whose upper and lower limit values are limited. The inversion circuit 67 inverts the sign by multiplying the output from the subtractor 66 by -1. The upper / lower limiter 68 limits the upper / lower limit value so that the output from the inverting circuit 67 falls within a preset range, and outputs the result as a P-side Td bias value. The P-side Td bias value is used to change the dead time Td of the switching elements Q1 and Q3.

ここで、PI制御器62は、偏差ΔVに応じて、デッドタイム補正量を計算する。例えばある偏差ΔVの場合に、PI制御器62の出力が1μsecであるとし、デッドタイムTdの初期値が5μsecであるとすると、N側Tdバイアス値は6μsecとなり、P側Tdバイアス値は4μsecとなる。なお、上下限リミッタ63、65、68が設けられているのは、デッドタイムTdの変化量が極端に大きい場合や極端に小さい場合に、デッドタイムの可変範囲を制限するためである。   Here, the PI controller 62 calculates a dead time correction amount according to the deviation ΔV. For example, when the output of the PI controller 62 is 1 μsec and the initial value of the dead time Td is 5 μsec in the case of a certain deviation ΔV, the N-side Td bias value is 6 μsec and the P-side Td bias value is 4 μsec. Become. The upper and lower limiters 63, 65, and 68 are provided to limit the variable range of the dead time when the amount of change in the dead time Td is extremely large or extremely small.

図5において、デッドタイム生成部70には、PWM生成部50からスイッチング素子Q1〜Q4に対するデッドタイムTdを含まないゲート信号が入力される。ここで、デッドタイム生成部70は、スイッチング素子Q1〜Q4それぞれについて同等の回路が設けられているので、ここでは、Q1ゲート信号について説明する。   In FIG. 5, the dead time generation unit 70 receives a gate signal that does not include the dead time Td for the switching elements Q <b> 1 to Q <b> 4 from the PWM generation unit 50. Here, since the dead time generation unit 70 is provided with an equivalent circuit for each of the switching elements Q1 to Q4, the Q1 gate signal will be described here.

デッドタイム生成部70は、積分器71、NOT回路72、コンパレータ73およびAND回路74を有している。積分器71は、演算周期毎に1ずつカウントアップした値を出力する。NOT回路72は、入力側のQ1ゲート信号がオフになった場合に、積分器71のカウント値をリセットする。   The dead time generation unit 70 includes an integrator 71, a NOT circuit 72, a comparator 73, and an AND circuit 74. The integrator 71 outputs a value counted up by one for each calculation cycle. The NOT circuit 72 resets the count value of the integrator 71 when the Q1 gate signal on the input side is turned off.

コンパレータ73は、積分器71からの出力がP側Tdバイアス値よりも大きくなった場合に、オンとなる信号を出力する。AND回路74は、デッドタイムTdを含まないQ1ゲート信号とコンパレータ73から出力されたデッドタイムTdを含む信号との論理積をとって、デッドタイムTdを含むQ1ゲート信号を出力する。   The comparator 73 outputs a signal that is turned on when the output from the integrator 71 becomes larger than the P-side Td bias value. The AND circuit 74 calculates the logical product of the Q1 gate signal not including the dead time Td and the signal including the dead time Td output from the comparator 73, and outputs a Q1 gate signal including the dead time Td.

ここで、P側Tdバイアス値が4μsecである場合には、AND回路74から出力されるQ1ゲート信号およびQ3ゲート信号のデッドタイムTdが4μsecとなるので、5μsecであるデッドタイムTdの初期値よりも短くなっていることが分かる。   Here, when the P-side Td bias value is 4 μsec, the dead time Td of the Q1 gate signal and the Q3 gate signal output from the AND circuit 74 is 4 μsec, and therefore, from the initial value of the dead time Td that is 5 μsec. It can be seen that the length is shortened.

また、同様にして、N側Tdバイアス値が6μsecである場合には、AND回路74から出力されるQ2ゲート信号およびQ4ゲート信号のデッドタイムTdが6μsecとなるので、5μsecであるデッドタイムTdの初期値よりも長くなっていることが分かる。   Similarly, when the N-side Td bias value is 6 μsec, the dead time Td of the Q2 gate signal and Q4 gate signal output from the AND circuit 74 is 6 μsec, so that the dead time Td of 5 μsec is obtained. It can be seen that it is longer than the initial value.

すなわち、例えば正極側電圧Vc1と負極側電圧Vc2との偏差ΔVがあり、正極側電圧Vc1>負極側電圧Vc2となっている場合には、スイッチング素子Q1およびQ3のデッドタイムTdを短くして、スイッチング素子Q2およびQ4のデッドタイムTdを長くすることで、偏差ΔVが零に近づくことが分かる。   That is, for example, when there is a deviation ΔV between the positive side voltage Vc1 and the negative side voltage Vc2, and the positive side voltage Vc1> the negative side voltage Vc2, the dead time Td of the switching elements Q1 and Q3 is shortened, It can be seen that the deviation ΔV approaches zero by increasing the dead time Td of the switching elements Q2 and Q4.

次に、図6〜図9を参照しながら、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置のシミュレーション結果について、特許文献に示した従来の中性点電位変動抑制制御と通流バランス制御とを同時に適用したものと、この発明の実施の形態1に係る中性点電位変動抑制制御と通流バランス制御とを同時に適用したものとを比較して説明する。   Next, the simulation results of the power conversion device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Will be described in comparison with the case where the neutral point potential fluctuation suppression control and the flow balance control according to the first embodiment of the present invention are simultaneously applied.

図6は、従来の中性点電位変動抑制制御と通流バランス制御とを同時に適用した電力変換装置におけるデッドタイムのシミュレーション結果を示す説明図である。また、図7は、この発明の実施の形態1に係る中性点電位変動抑制制御と通流バランス制御とを同時に適用した電力変換装置におけるデッドタイムのシミュレーション結果を示す説明図である。   FIG. 6 is an explanatory diagram showing a simulation result of dead time in the power conversion device to which the neutral point potential fluctuation suppression control and the flow balance control are applied at the same time. Moreover, FIG. 7 is explanatory drawing which shows the simulation result of the dead time in the power converter device which applied simultaneously the neutral point potential fluctuation | variation suppression control and conduction | electrical_flow balance control which concern on Embodiment 1 of this invention.

図6および図7において、従来の中性点電位変動抑制制御と通流バランス制御とを同時に適用した電力変換装置では、P側Tdの時間とN側Tdの時間とがほぼ同じであることが分かる。これに対して、この発明の実施の形態1に係る中性点電位変動抑制制御と通流バランス制御とを同時に適用した電力変換装置では、P側Tdバイアス値がN側Tdバイアス値よりも大きくなるように制御することで、N側Tdの時間よりも、P側Tdの時間のほうが長くなっていることが分かる。   6 and 7, in the power conversion device to which the neutral point potential fluctuation suppression control and the current balance control are applied at the same time, the time of the P-side Td and the time of the N-side Td are almost the same. I understand. On the other hand, in the power conversion device to which neutral point potential fluctuation suppression control and conduction balance control according to Embodiment 1 of the present invention are applied simultaneously, the P-side Td bias value is larger than the N-side Td bias value. It can be seen that the time for the P-side Td is longer than the time for the N-side Td.

図8は、従来の中性点電位変動抑制制御と通流バランス制御とを同時に適用した電力変換装置における電位差のシミュレーション結果を示す説明図である。また、図9は、この発明の実施の形態1に係る中性点電位変動抑制制御と通流バランス制御とを同時に適用した電力変換装置における電位差のシミュレーション結果を示す説明図である。   FIG. 8 is an explanatory diagram showing a simulation result of a potential difference in a power conversion device to which conventional neutral point potential fluctuation suppression control and flow balance control are applied simultaneously. FIG. 9 is an explanatory diagram showing a simulation result of a potential difference in the power conversion device to which the neutral point potential fluctuation suppression control and the flow balance control according to the first embodiment of the present invention are simultaneously applied.

図8および図9において、従来の中性点電位変動抑制制御と通流バランス制御とを同時に適用した電力変換装置では、正極側電圧Vc1と負極側電圧Vc2との偏差ΔVがバランスしていないことが分かる。これは、中性点電位変動抑制制御と通流バランス制御とが相互干渉しているためである。これに対して、この発明の実施の形態1に係る中性点電位変動抑制制御と通流バランス制御とを同時に適用した電力変換装置では、正極側電圧Vc1と負極側電圧Vc2との電差ΔVがバランスしていることが分かる。   In FIG. 8 and FIG. 9, in the power conversion device to which the neutral point potential fluctuation suppression control and the current balance control at the same time are applied simultaneously, the deviation ΔV between the positive side voltage Vc1 and the negative side voltage Vc2 is not balanced. I understand. This is because the neutral point potential fluctuation suppression control and the flow balance control interfere with each other. On the other hand, in the power conversion device to which the neutral point potential fluctuation suppression control and the current balance control according to the first embodiment of the present invention are simultaneously applied, the electric difference ΔV between the positive side voltage Vc1 and the negative side voltage Vc2. Can be seen to be balanced.

以上のように、実施の形態1によれば、外部からの周波数指令または速度指令に基づいて、3レベルインバータに対する電圧指令値を演算する電圧指令演算部と、外部からの周波数指令または速度指令に基づいて、電圧指令値にあらかじめ設定された周期で正負の極性を切り替えながらバイアス値を加算する通流バランス制御部と、バイアス値が加算された電圧指令値に基づいて、3レベルインバータのスイッチング素子に対するゲート信号を生成するPWM生成部と、正極側コンデンサおよび負極側コンデンサの電圧を正極側電圧および負極側電圧として検出する電圧検出部と、正極側電圧と負極側電圧との電位差に基づいて、電位差が小さくなるように、PWM生成部で生成されたゲート信号について、スイッチング素子のデッドタイムを設定するデッドタイム設定部とを備えている。
そのため、中性点電位変動抑制制御と通流バランス制御との相互干渉を防止して、中性点電位の変動を抑制するとともに、通流バランスを確保することができる。
As described above, according to the first embodiment, a voltage command calculation unit that calculates a voltage command value for a three-level inverter based on an external frequency command or speed command, and an external frequency command or speed command. Based on the current balance control unit for adding a bias value while switching between positive and negative polarities in a cycle set in advance to the voltage command value, and a switching element of the three-level inverter based on the voltage command value to which the bias value is added Based on the potential difference between the positive side voltage and the negative side voltage, the PWM generation unit that generates the gate signal for the voltage, the voltage detection unit that detects the voltage of the positive side capacitor and the negative side capacitor as the positive side voltage and the negative side voltage, The dead time of the switching element for the gate signal generated by the PWM generator so that the potential difference is small And a dead time setting unit for setting.
Therefore, it is possible to prevent the neutral point potential fluctuation suppression control and the flow balance control from interfering with each other, thereby suppressing the fluctuation of the neutral point potential and ensuring the flow balance.

1 直流電源、2 モータ、10 3レベルインバータ、11 正極側コンデンサ、12 負極側コンデンサ、13 3レベルインバータ一相分、14、15 電圧センサ(電圧検出部)、20 V/F制御部(電圧指令演算部)、21 V/Fパターン、22 積分器、23 三相sinテーブル、24 加算器、30 通流バランス制御部、31 バイアスパターン、32 乗算器、40 台形波変調回路、41 リミット回路、50 生成部、60 中性点電位変動抑制制御部(デッドタイム設定部)、61 減算器、62 PI制御器、63 上下限リミッタ、64 加算器、65 上下限リミッタ、66 減算器、67 反転回路、68 上下限リミッタ、70 デッドタイム生成部(デッドタイム設定部)、71 積分器、72 NOT回路、73 コンパレータ、74 AND回路。   1 DC power supply, 2 motor, 10 3-level inverter, 11 positive-side capacitor, 12 negative-side capacitor, 13 3-level inverter for one phase, 14, 15 voltage sensor (voltage detection unit), 20 V / F control unit (voltage command Arithmetic unit), 21 V / F pattern, 22 integrator, 23 three-phase sin table, 24 adder, 30 current balance control unit, 31 bias pattern, 32 multiplier, 40 trapezoidal wave modulation circuit, 41 limit circuit, 50 Generator, 60 neutral point potential fluctuation suppression control unit (dead time setting unit), 61 subtractor, 62 PI controller, 63 upper / lower limiter, 64 adder, 65 upper / lower limiter, 66 subtractor, 67 inverting circuit, 68 Upper / Lower Limiter, 70 Dead Time Generation Unit (Dead Time Setting Unit), 71 Integrator, 72 NOT Circuit, 73 Comparator, 74 AND circuit.

Claims (2)

直流電源の正極側と負極側との間に互いに直列に接続され、接続点を中性点とする正極側コンデンサおよび負極側コンデンサを有し、前記直流電源からの直流電力を交流電力に変換してモータに供給する3レベルインバータと、
外部からの周波数指令または速度指令に基づいて、前記3レベルインバータに対する電圧指令値を演算する電圧指令演算部と、
前記外部からの周波数指令または速度指令に基づいて、前記電圧指令値にあらかじめ設定された周期で正負の極性を切り替えながらバイアス値を加算する通流バランス制御部と、
前記バイアス値が加算された前記電圧指令値に基づいて、前記3レベルインバータのスイッチング素子に対するゲート信号を生成するPWM生成部と、
前記正極側コンデンサおよび前記負極側コンデンサの電圧を正極側電圧および負極側電圧として検出する電圧検出部と、
前記正極側電圧と前記負極側電圧との電位差に基づいて、前記電位差が小さくなるように、前記PWM生成部で生成された前記ゲート信号について、前記スイッチング素子のデッドタイムを設定するデッドタイム設定部と、
を備えた電力変換装置。
Connected in series between the positive electrode side and negative electrode side of the DC power source, and has a positive electrode side capacitor and a negative electrode side capacitor with the connection point as a neutral point, and converts DC power from the DC power source into AC power A three-level inverter that supplies the motor with
A voltage command calculation unit that calculates a voltage command value for the three-level inverter based on an external frequency command or speed command;
Based on the frequency command or speed command from the outside, a current balance control unit that adds a bias value while switching between positive and negative polarity at a preset period to the voltage command value,
A PWM generator that generates a gate signal for the switching element of the three-level inverter based on the voltage command value to which the bias value is added;
A voltage detection unit for detecting voltages of the positive side capacitor and the negative side capacitor as a positive side voltage and a negative side voltage;
A dead time setting unit that sets a dead time of the switching element for the gate signal generated by the PWM generation unit so that the potential difference is reduced based on a potential difference between the positive voltage and the negative voltage. When,
The power converter provided with.
前記デッドタイム設定部は、前記3レベルインバータの各相について、前記スイッチング素子のデッドタイムを設定する
請求項1に記載の電力変換装置。
The power conversion device according to claim 1, wherein the dead time setting unit sets a dead time of the switching element for each phase of the three-level inverter.
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