JP3412067B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は電力変換装置に係
り、特に交流を直流に変換する中性点クランプ式電力変
換器の直流電圧の制御に関する。 【０００２】 【従来の技術】一般によく知られている中性点クランプ
式コンバータ（以下３レベルコンバータ）と制御装置の
構成を図８に示す。 【０００３】この装置は、交流電源１と、この交流電源
に接続されたリアクトル２と、３レベルコンバータ３
と、互いに直列接続された平滑コンデンサＣｐ，Ｃｎ
と、この平滑コンデンサＣｐ，Ｃｎを直列電源とする負
荷４と、リアクトル２に流れる交流電流ｉｓ１を検出す
る電流検出器８３と、平滑コンデンサＣｐ，Ｃｎの各電
圧Ｖｐ，Ｖｎを検出する直流電圧検出器８１，８２と、
この検出された電圧ＶｐとＶｎを加算する加算器９０
と、加算器９０によって得られたＶｐとＶｎの和Ｖｄを
直流電圧指令値Ｖｄ*から減算する減算器９１と、減算
器９１より得られた偏差を零とするために必要な電力を
得られるよう交流電流の実効値指令Ｉｓ１*を発生する
直流電圧制御器ＡＶＲ１と、直流電圧制御器ＡＶＲ１よ
り得られた実効値指令Ｉｓ１*に交流電源１に同期した
基準正弦波sinθを乗じて交流電流の瞬時指令ｉｓ１*を
出力する乗算器９２と、この交流電流の瞬時指令ｉｓ１
*から電流検出器により検出されたリアクトル２に流れ
る交流電流ｉｓ１を減ずる減算器９３と、ｉｓ１*とｉ
ｓ１が一致するようコンバータ３を動作させるパルスの
基準となるコンバータ電圧指令ｖｃ０を発生する交流電
流制御器ＡＣＲ１と、出力されたコンバータ電圧指令ｖ
ｃ０を１／２倍する増幅器９４と、増幅器９４の出力ｖ
ｃ０／２をもとに３レベルコンバータ３のＡ相に与える
ＰＷＭパルスを発生するＰＷＭパルス発生器９５と、増
幅器９４の出力ｖｃ０／２をもとに３レベルコンバータ
３のＢ相に与えるＰＷＭパルスを発生するＰＷＭパルス
発生器９６とによって構成されている。 【０００４】また、３レベルコンバータ３は、ＩＧＢＴ
等のスイッチング素子とこれに逆並列に接続したダイオ
ード等の半導体素子で構成される半導体スイッチＳａ１
〜Ｓａ４，Ｓｂ１〜Ｓｂ４により構成されている。 【０００５】これら上述の構成により平滑コンデンサＣ
ｐ，Ｃｎの直流電圧Ｖｐ，Ｖｎの和である直流電圧Ｖｄ
を一定に制御するとともに交流電流の力率を力行時１，
回生時−１に制御するものである。 【０００６】しかしながら、平滑コンデンサＣｐ，Ｃｎ
の容量にばらつきがあったり、負荷の大きさが異なった
り、スイッチング素子のスイッチングタイミングにばら
つきがあったりすると、コンデンサ電圧ＶｐとＶｎの和
Ｖｄが一定であっても、コンデンサ電圧Ｖｐ，Ｖｎの大
きさは同一とならない。 【０００７】このように、直流電圧のバランスが崩れて
くると、コンバータを構成する各素子に印加される電圧
が大きくなったり、小さくなったりして素子の耐圧を脅
かすようになる。 【０００８】この課題を解決する従来技術として、特開
平6−233537 号公報に記載されているものがある。これ
は、上側コンデンサＣｐの電圧Ｖｐと下側コンデンサＣ
ｎの電圧Ｖｎをそれぞれ検出し、コンデンサ電圧Ｖｐと
Ｖｎの和電圧を一定に制御するとともに、コンデンサ電
圧ＶｐとＶｎの和と差を取り、和電圧と差電圧を制御す
る制御回路をそれぞれ設け、これらの制御回路の出力の
和に基づいて３レベルコンバータを制御することでコン
デンサ電圧ＶｐとＶｎの和がほぼ一定かつコンデンサ電
圧ＶｐとＶｎが同一となるように制御している。 【０００９】 【発明が解決しようとする課題】特開平6−233537号公
報に記載された上述の従来技術におけるコンデンサ電圧
ＶｐとＶｎの差電圧の制御は、コンデンサ電圧ＶｐとＶ
ｎの和電圧の制御が確立したのち、和電圧制御では制御
しきれなかったコンデンサ電圧ＶｐとＶｎの偏差分を差
電圧制御によって補助的に制御しており、差電圧の制御
は、和電圧の制御に対し優先度の低い制御である。その
ため差電圧制御の制御応答は、和電圧の制御応答よりも
明らかに遅い制御である。このため、定常的には、和電
圧の制御および差電圧の制御は、それぞれの設定値を満
足するように動作するが、差電圧制御の応答が遅いた
め、負荷，交流電源電圧等が急変するなどの過渡時、特
にＶｐとＶｎの差電圧に多大な影響を与える過渡時に
は、差電圧の制御が設定値となるまでに時間がかかるば
かりか、コンバータを構成している半導体素子に印加さ
れる電圧が大きくなり素子を破壊することが考えられ
る。 【００１０】一方、上述したような現象を回避する方法
として、ゲインをあげるなどして差電圧制御の制御応答
をあげる方法が考えられるが、差電圧制御の制御応答を
あげると和電圧制御と干渉し、ハンチングを起こすこと
が考えられる。 【００１１】そこで、本発明の目的は上述の課題を解決
し、全体の直流電圧をほぼ一定に制御するとともに２つ
の平滑コンデンサに印加される電圧が等しくなるように
し、かつ、負荷急変等に対してより制御応答性の良い電
力変換装置を提供することにある。 【００１２】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、中性点クランプ式コンバータにおいて、第１及び第
２の直流電圧検出手段によって検出した第１及び第２の
平滑コンデンサの各々の直流電圧が各々の指令電圧と一
致するよう制御する第１及び第２の直流電圧制御手段
と、第１及び第２の直流電圧制御手段の出力の和をもと
に交流電源に接続されたリアクトルに流れるリアクトル
電流を制御する交流電流制御手段と、この交流電流制御
手段の出力を第１及び第２の直流電圧制御手段の出力の
差によって補正し、当該補正された信号により中性点ク
ランプ式コンバータをＰＷＭ制御するＰＷＭ制御手段と
を備える。 【００１３】これにより、第１及び第２の平滑コンデン
サの各々の直流電圧は個別に各々の指令電圧に一致する
ように制御される。従って、第１及び第２の平滑コンデ
ンサの電圧指令値を同一の値に設定すれば、第１及び第
２のコンデンサ電圧の和電圧は一定に制御され、かつ第
１及び第２のコンデンサ電圧の差電圧が０となるように
制御される。 【００１４】また、第１及び第２の平滑コンデンサ電圧
は個別に制御され、第１及び第２のコンデンサ電圧の和
電圧と差電圧の制御とに分けて制御していないので、差
電圧の制御応答が遅くなるということもない。 【００１５】 【発明の実施の形態】本発明の実施例を説明する前に本
発明の原理について図４〜図８を用いて説明する。 【００１６】図４は、図８における３レベルコンバータ
のＡ相の電圧指令ｖｃａ，Ｂ相の電圧指令ｖｃｂと、半
導体スイッチＳａ１〜４，Ｓｂ１〜４のスイッチング状
態との関係を示したものである。 【００１７】Ａ相においては、電圧指令ｖｃａが正の場
合に半導体スイッチＳａ１とＳａ２がオンとなり、電圧
指令ｖｃａが負の場合に半導体スイッチＳａ３とＳａ４
がそれぞれオンになっている。一方、Ｂ相においては電
圧指令ｖｃｂが正の場合に、半導体スイッチＳｂ３とＳ
ｂ４がオンとなり、電圧指令ｖｃｂが負の場合に半導体
スイッチＳｂ１とＳｂ２がそれぞれオンになっている。 【００１８】ここで、半導体スイッチＳａ１，Ｓａ２が
オンすると交流電流ｉｓが半導体スイッチＳａ１および
Ｓａ２を介して平滑コンデンサＣｐに流れ込むことに注
目する。このとき半導体スイッチｓａ１とＳａ２がオン
することによってＡ相が発生する電圧は図４中領域４０
１における電圧と等しく、領域４０１における電圧と電
流ｉｓとの積がＡ相を介して平滑コンデンサＣｐに流れ
込む電力である。また、半導体スイッチＳｂ１とＳｂ２
がオンすることによって交流電流ｉｓが半導体スイッチ
Ｓｂ１およびＳｂ２を介して平滑コンデンサＣｐ流れ込
む。このとき、半導体スイッチＳｂ１とＳｂ２がオンす
ることによってＢ相が発生する電圧は、図４中領域４０
４における電圧と等しく、領域４０４における電圧と電
流ｉｓとの積がＢ相を介して平滑コンデンサＣｐに流れ
込む電力である。つまり、平滑コンデンサＣｐに流れ込
む電力は、Ａ相の電圧指令ｖｃａの正の電圧およびＢ相
の電圧指令ｖｃｂの負の電圧および交流電流ｉｓによっ
て決定することが分かる。平滑コンデンサＣｎについて
も同様のことが言える。半導体スイッチＳａ３，Ｓａ４
がオンすることによって交流電流ｉｓが半導体スイッチ
Ｓａ３およびＳa4を介して平滑コンデンサＣｎに流れ込
こみ、半導体スイッチＳａ３とＳａ４がオンすることに
よってＡ相が発生する電圧は図４中領域４０２における
電圧と等しく、領域４０２における電圧と電流ｉｓとの
積がＡ相を介して平滑コンデンサＣｎに流れ込む電力と
なる。また半導体スイッチＳｂ３とＳｂ４がオンするこ
とによって交流電流ｉｓが半導体スイッチＳｂ３とＳｂ
４を介して平滑コンデンサＣｎ流れ込こみ、半導体スイ
ッチＳｂ３とＳｂ４がオンすることによってＢ相が発生
する電圧は、図４中領域４０３における電圧と等しく、
領域４０３における電圧と電流ｉｓとの積がＢ相を介し
て平滑コンデンサＣｎに流れ込む電力となる。つまり、
平滑コンデンサＣｎに流れ込む電力は、Ａ相の電圧指令
ｖｃａの負の電圧（領域４０２における電圧）およびＢ
相の電圧指令ｖｃｂの正の電圧（領域４０３における電
圧）および交流電流ｉｓによって決定することが分か
る。 【００１９】以上より、平滑コンデンサＣｐの電圧Ｖｐ
を制御するためには電圧指令ｖｃａの正の電圧（領域４
０１における電圧）とｖｃｂの負の電圧（領域４０４に
おける電圧）を合成した電圧指令ｖｃｐを、平滑コンデ
ンサＣｎの電圧Ｖｎを制御するには電圧指令ｖｃａの負
の電圧（領域４０２における電圧）とｖｃｂの正の電圧
（領域４０３における電圧）を合成した電圧指令ｖｃｎ
をそれぞれ個別に制御してやればよいことになる。 【００２０】尚、交流電流ｉｓは交流電源電圧ｅｓと同
相であり、これらの実効値をそれぞれＩｓ，Ｅｓ、図８
において説明したコンバータ電圧指令ｖｃ０／２の実効
値をＶｃ０／２とし、以降瞬時値を小文字で、実効値を
初めの文字を大文字で表現することとする。 【００２１】ここで、Ｖｃ０／２とＥｓとの位相がθで
あり、ＶｃｐとＶｃｎがそれぞれＶｃ０／２である場合
を考える。このとき、Ｖｃｐ＝Ｖｃｎ＝Ｖｃ０／２であ
るから、平滑コンデンサＣｐおよびＣｎには、それぞれ
Ｖｃ０／２×Ｉｓ×cosθの電力が流れる。ここで、Ｖ
ｃｐにおいて、電圧指令Ｖｃ０／２にＶｃ０と同相成分
ΔＶｃ０を加ると、平滑コンデンサＣｐに流れ込む電力
はＶｃ０／２×Ｉｓ×cosθ から（Ｖｃ０／２＋ΔＶｃ
０）×Ｉｓに増加し、逆にＶｃ０／２からＶｃ０と同相
成分ΔＶｃ０を減じれば、平滑コンデンサＣｐに流れ込
む電力量は（Ｖｃ０／２−ΔＶｃ０）×Ｉｓに減少する
ことになる。Ｖｃｎについても同様であり、ΔＶｃ０を
足し引きすることによって、平滑コンデンサＣｎに流れ
込む電力量を操作できることが分かる。 【００２２】以上より、Ａ相電圧指令の正の電圧（図４
中領域４０１）とＢ相電圧指令の負の電圧（図４中領域
４０４）を操作することによって、平滑コンデンサＣｐ
の電圧Ｖｐを、Ａ相電圧指令の負の電圧（図４中領域４
０２）とＢ相電圧指令の正電圧（図４中領域４０３）に
よって、平滑コンデンサＣｎ電圧Ｖｎをそれぞれ制御で
きることが分かる。 【００２３】そこで、平滑コンデンサＣｐとＣｎの電圧
ＶｐとＶｎを個別に制御するために、コンデンサ電圧Ｖ
ｐとＶｎを独立に制御するための電圧制御手段を各々設
ける。これらの発生する交流電流実効値指令Ｉｐ＊とＩ
ｎ＊に交流電源電圧ｅｓの実効値Ｅｓを乗じるとコンデ
ンサＣｐ，Ｃｎの電圧Ｖｐ，Ｖｎをそれぞれ指令値Ｖｐ
＊，Ｖｎ＊に一致させるために必要な電力Ｐｐ＝Ｅｓ×
Ｉｐ＊（平滑コンデンサＣｐの電力)とＰｎ＝Ｅｓ×Ｉ
ｎ＊(平滑コンデンサＣｎの電力）が得られる。しかし
ながら、交流電流Ｉｓは一つであり、２つの交流電流実
効値指令Ｉｐ＊，Ｉｎ＊を同時に流すことはできない。
そこで、以下に示すような操作を考える。 【００２４】スイッチング素子，リアクトル，配線の抵
抗分によって発生する損失を無視すれば、平滑コンデン
サＣｐに流れ込む電力と平滑コンデンサＣｎに流れ込む
電力の和と、交流電源１から流れ出す電力は等しい。こ
れより、交流電源１から３レベルコンバータが得るべき
電力は、Ｅｓ×(Ｉｐ＊＋Ｉｎ＊)となるので、Ｉｓ＊＝
Ｉｐ＊＋Ｉｎ＊なる交流電流実効指令で３レベルコンバ
ータを動作させる必要がある。そこで、図８に示したも
のと同様の方式によって、Ｉｓ＊＝Ｉｐ＊＋Ｉｎ＊なる
交流電流実効値指令Ｉｓ＊に交流電源ｅｓに同期した正
弦波を乗じ、交流電源と同相の交流電流瞬時指令ｉｓ＊
を得て交流電流制御手段ＡＣＲによって交流電流ｉｓが
ｉｓ＝ｉｓ＊となるコンバータ電圧指令ｖｃ０を発生す
る。 【００２５】コンバータ電圧指令ｖｃ０をもとに、図４
のように前記３レベルコンバータを動作させると平滑コ
ンデンサＣｐ，Ｃｎの電圧Ｖｐ，ＶｎをそれぞれＶｐ
＊，Ｖｎ＊に一致させるために必要な電力がそれぞれＥ
ｓ×Ｉｐ＊およびＥｓ×Ｉn*であるのに対し、各々ｖｃ
０／２×Ｉｓ＊×cosθ の電力が平滑コンデンサＣｐお
よびＣｎに流れ込むことになる。θは、直流電源電圧Ｅ
ｓとコンバータ電圧指令の実効値Ｖｃ０の位相であり、
Ｖｃ０×cosθ ＝Ｅｓの関係がある。 【００２６】ここで、電圧指令ｖｃｐ，電圧指令ｖｃｎ
について、平滑コンデンサＣｐおよびＣｎに流れ込む電
力量がＥｓ×Ｉｐ＊およびＥｓ×Ｉｎ＊に一致するコン
バータ電圧指令ｖｃｐおよびｖｃｎの発生を考える。平
滑コンデンサＣｐの電圧Ｖｐを指令値Ｖｐ＊に制御する
ために必要な電力量は、Ｐｐ＝Ｅｓ×Ｉｐ＊＝Ｖｃ０×
Ｉｐ＊×cosθであるから電圧指令の実効値Ｖｃ０と同
相で、Ｖｃｐ×cosθ×Ｉｓ＊＝Ｖｃ０×cosθ ×Ｉｐ
＊なる電圧指令の実効値Ｖｃｐを発生すればよい。つま
り、ｖｃｐ＝ｖｃ０×Ｉｐ＊／Ｉｓ＊なる電圧を発生す
ればコンデンサＣｐの電圧ＶｐをＶｐ＊に一致させるこ
とができ、同様にｖｃｎ＝ｖｃ０×Ｉn*／Ｉｓ＊なる電
圧を発生すればコンデンサＣｎの電圧ＶｎをＶｎ＊に一
致させることができる。 【００２７】次に、平滑コンデンサＣｐの電圧Ｖｐと半
導体スイッチＳａ１,Ｓａ２,Ｓｂ１およびＳｂ２の電圧
指令値ｖｃｐと半導体スイッチＳａ３，Ｓａ４，Ｓｂ３
およびＳｂ４の電圧指令値ｖｃｎからＡ相およびＢ相に
与えるｖｃａおよびｖｃｂを再構成することを考える。 【００２８】図５は電圧指令ｖｃｐ，ｖｃｎ，ｖｃａお
よびｖｃｂの関係を示すものである。 【００２９】Ａ相における電圧指令ｖｃａ（領域５０
１，５０２における電圧）は、電圧指令ｖｃｐのうち半
導体スイッチＳａ１，Ｓａ２のスイッチングに関わる電
圧指令（領域５０１）および電圧指令ｖｃｎのうち半導
体スイッチＳａ３，Ｓａ４のスイッチングに関わる電圧
指令（領域５０２）を合成した電圧指令である。一方、
Ｂ相における電圧指令ｖｃｂ（領域５０３，５０４にお
ける電圧）は、電圧指令ｖｃｎのうち半導体スイッチＳ
ｂ１，Ｓｂ２のスイッチングに関わる電圧指令（領域５
０４）および電圧指令ｖｃｎのうち半導体スイッチＳｂ
３，Ｓｂ４のスイッチングに関わる電圧指令（領域５０
３）を合成した電圧指令である。電圧指令ｖｃａおよび
ｖｃｂは、各々正の期間と負の期間で振幅が異なる電圧
指令となることが分かる。 【００３０】ここで、電圧指令の発生を簡単にすること
を考える。先に述べた交流電流制御器ＡＣＲの出力を電
圧指令ｖｃｐおよびｖｃｎに均等に分配した場合、図４
と同様にｖｃｐ＝ｖｃｎ＝ｖｃ０／２となる。コンデン
サＣｐ，Ｃｎの電圧Ｖｐ，Ｖｎを個別に制御するために
はｖｃｐはｖｃｐ＝ｖｃ０×Ｉｐ＊／Ｉｓ＊であり、ｖ
ｃｐ＝ｖｃ０／２＋ΔｖｃｐとなるΔｖｃｐを考える
と、Δｖｃｐ＝ｖｃ０×Ｉｐ＊／Ｉｓ＊−ｖｃ０／２と
なり、これを整理するとΔｖｃｐ＝ｖｃ０／２×（Ｉｐ
＊−Ｉｎ＊）／Ｉｓ＊が得られる。電圧指令ｖｃｎにつ
いても同様にｖｃｎ＝ｖｃ０／２−ΔｖｃｎとなるΔｖ
ｃｎを考えるとΔｖｃｎ＝ｖｃ０／２×（Ｉｐ＊−Ｉｎ
＊）／Ｉｓ＊となり、ΔｖｃｐとΔｖｃｎは一致する。
そこでΔｖｃ０＝ｖｃ０／２×（Ｉｐ＊−Ｉｎ＊）／Ｉ
ｓ＊と定義すれば、ｖｃｐ＝ｖｃ０／２＋Δｖｃ０，ｖ
ｃｎ＝ｖｃ０／２−Δｖｃ０と表すことができる。 【００３１】図６に、電圧指令ｖｃｐとｖｃｎをｖｃ０
／２およびΔｖｃ０によって表現した場合の電圧指令ｖ
ｃｐ，ｖｃｎ，ｖｃａおよびｖｃｂの関係を示す。各々
正の期間と負の期間で振幅が異なる電圧指令ｖｃａ，ｖ
ｃｂとなることは図５と同じであるが、電圧指令ｖｃａ
は、ｖｃ０／２の絶対値に(Ｉｐ＊−Ｉｎ＊)／Ｉｓ＊を
乗じた電圧指令にｖｃ０／２を加えた電圧指令と、ま
た、電圧指令ｖｃｂは、ｖｃ０／２の絶対値に(Ｉｐ＊
−Ｉｎ＊)／Ｉｓ＊を乗じた電圧指令をｖｃ０／２から
減じた電圧指令と等価となる。 【００３２】すなわち、ｖｃ０／２の絶対値に(Ｉｐ＊
−Ｉｎ＊)／Ｉｓ＊を乗じた電圧指令を算出し、この算
出した電圧指令をｖｃ０／２に加算して得た電圧指令を
Ａ相の電圧指令とし、ｖｃ０／２からその算出した電圧
指令を減じて得た電圧指令をＢ相電圧指令とすること
で、ＶｐおよびＶｎをそれぞれの指令値Ｖｐ＊およびＶ
n*に一致させることができる。 【００３３】ここで、Δｖｃ０は、ｖｃ０／２に係数
(Ｉｐ＊−Ｉｎ＊)／Ｉｓ＊を乗じたものであるが、有効
電力の観点から見れば、基本波の実効値がｖｃ０／２の
実効値と等しい方形波電圧に係数(Ｉｐ＊−Ｉｎ＊)／Ｉ
ｓ＊を乗じた場合でも同様の有効電力が得られることが
できる。そこで、基本波の実効値がｖｃ０／２の実効値
すなわちＶｃ０／２／√２である方形波電圧ｖｃｓを考
える。振幅が１である方形波の基本波の実効値は、２／
πであるから、振幅がＶｃ０×π／４／√２である方形
波ｖｃｓが、ｖｃ０／２と同じ基本波実効値を有する。 【００３４】図７に、方形波ｖｃｓに係数(Ｉｐ＊−Ｉ
ｎ＊)／Ｉｓ＊を乗じた電圧によって電圧指令ｖｃｐお
よびｖｃｎを表した場合の波形およびこのときのｖｃｐ
およびｖｃｎからｖｃａおよびｖｃｎを再構成した場合
の波形を示す。この図においてＡ相電圧指令ｖｃａ（領
域７０１，７０２における電圧）は、電圧指令ｖｃ０／
２にｖｃｓの振幅に相当する直流分Ｖｃｓに(Ｉｐ＊−
Ｉｎ＊)／Ｉｓ＊を乗じた電圧指令を加えた場合と等価
な電圧指令に、また、Ｂ相電圧指令ｖｃｂ（領域７０
３，７０４における電圧）は電圧指令ｖｃ０／２からｖ
ｃｓの振幅に相当する直流分Ｖｃａに(Ｉｐ＊−Ｉｎ＊)
／Ｉｓ＊を乗じた電圧指令を減じた場合と等価な電圧指
令となっている。 【００３５】すなわち、ｖｃｓの振幅に相当する直流分
Ｖｃｓに(Ｉｐ＊−Ｉｎ＊)／Ｉｓ＊を乗じた電圧指令を
算出し、この算出した電圧指令をｖｃ０／２に加算して
得た電圧指令をＡ相の電圧指令とし、ｖｃ０／２からそ
の算出した電圧指令を減じて得た電圧指令をＢ相電圧指
令とすることで、ＶｐおよびＶｎをそれぞれの指令値Ｖ
ｐ＊およびＶｎ＊に一致させることができる。 【００３６】次に、本発明の実施例について説明する。 【００３７】図１は本発明の第１の実施例を示すもので
ある。図１において、図８と同一の動作をする構成要素
については、同一の番号を付けてある。平滑コンデンサ
ＣｐおよびＣｎの直流電圧指令値Ｖｐ＊およびＶｎ＊か
ら、減算器３０および３１によって直流電圧検出器８１
および８２によって検出した前記２つの平滑コンデンサ
Ｃｐ，Ｃｎの各々の直流電圧ＶｐおよびＶｎを減じ、減
算器３０および３１の出力を直流電圧制御器ＡＶＲｐお
よびＡＶＲｎに入力する。直流電圧制御器AVRpおよびＡ
ＶＲｎは平滑コンデンサＣｐおよびＣｎの電圧をそれぞ
れ指令値に一致させるために必要となる交流電流の実効
値指令Ｉｐ＊およびＩｎ＊を発生する。（これらに交流
電源１の電圧Ｅｓを乗じると、平滑コンデンサＣｐおよ
びＣｎの電圧ＶｐおよびＶｎをそれぞれの指令値Ｖｐ＊
およびＶｎ＊に一致させるために平滑コンデンサＣｐお
よびＣｎに流し込む必要がある電力量となり、それぞれ
の電力量をＰｐおよびＰｎとするとＰｐ＝Ｅｓ×Ｉｐ
＊，Ｐｎ＝Ｅｓ×Ｉｎ＊と表される。） さらに、直流電圧制御器ＡＶＲｐおよびＡＶＲｎの出力
Ｉｐ＊およびＩｎ＊を加算器３２によって加算すること
で交流電流実効値指令Ｉｓ＊を求め、この交流電流実効
値指令Ｉｓ＊に前記交流電源１に同期した基準正弦波si
nθ を乗算器９２によって乗じ交流電流瞬時指令ｉｓ＊
を得て、交流電流瞬時値ｉｓ＊から電流検出器８３によ
って検出された前記リアクトル２に流れる交流電流ｉｓ
を減算器９３によって減じ、減算器９３の出力を交流電
流制御器ＡＣＲに入力する。交流電流制御器ＡＣＲは、
交流電流ｉｓがｉｓ＝ｉｓ＊となるために３レベルコン
バータ３が出力すべき線間電圧ｖｃ０を出力する。この
出力すべき線間電圧ｖc0を増幅器３３によって１／２倍
し、ｖｃ０／２を得る。また、直流電圧制御器ＡＶＲｐ
の出力Ｉｐ＊から直流電圧制御器ＡＶＲｎの出力Ｉｎ＊
を減算器３４によって減じ、減算器３４の出力を除算器
３５によって加算器３２の出力である交流電流指令Ｉｓ
＊によって除算し、乗算器３７によって除算器３５の出
力と、絶対値算出器ＡＢＳ３６に増幅器３３の出力であ
るｖｃ０／２を入力し得たｖｃ０／２の絶対値ＡＢＳ
（ｖｃ０／２）を乗じ、ＡＢＳ(ｖｃ０／２)×（Ｉｐ＊
−Ｉｎ＊）／Ｉｓ＊を得る。さらに、加算器３８によっ
て増幅器３３の出力であるｖｃ０／２に乗算器３７の出
力であるＡＢＳ(ｖｃ０／２)×(Ｉｐ＊−Ｉｎ＊)／Ｉｓ
＊を加算することによって３レベルコンバータのコンバ
ータ３のＡ相の電圧指令を得るとともに、減算器３９に
よって増幅器３３の出力であるｖｃ０／２から乗算器３
７の出力であるＡＢＳ(ｖｃ０／２)×(Ｉｐ＊−Ｉｎ＊)
／Ｉｓ＊を減じることによって３レベルコンバータ３の
Ｂ相の電圧指令を得て、これらの電圧指令をＰＷＭパル
ス発生器９５，９６に入力する。Ａ相指令電圧およびＢ
相指令電圧を基にＰＷＭパルス発生器９５，９６はＰＷ
Ｍパルスを出力し、この出力により３レベルコンバータ
Ａ相を構成する半導体スイッチＳａ１〜Ｓａ４およびＢ
相を構成する半導体スイッチＳｂ１〜Ｓｂ４をスイッチ
ングさせることによって、３レベルコンバータ３のＡ相
およびＢ相は、指令値と一致した交流電圧をそれぞれ発
生する。 【００３８】このときの３レベルコンバータ３のＡ相お
よびＢ相の出力電圧は、図６に示した電圧と一致してお
り、先に述べたように、平滑コンデンサＣｐに流れ込む
電力を決定する電圧ｖｃｐは図６中の領域６０１におけ
る電圧と領域６０４における電圧を合成した波形とな
り、Ｖｃｐ＝Ｖｃ０／２＋Ｖｃ０／２×(Ｉｐ＊−Ｉn*)
／Ｉｓ＊と表される。一方、平滑コンデンサＣｎに流れ
込む電力を決定する電圧ｖｃｎは領域６０２における電
圧と領域６０３における電圧を合成した波形となり、Ｖ
ｃｎ＝Ｖｃ０／２−Ｖｃ０／２×(Ｉｐ＊−Ｉｎ＊)／Ｉ
ｓ＊と表される。このときの電流はＩｓ＊であり交流電
源電圧Ｅｓに対して力行時は力率１つまり位相０°、回
生時は力率−１つまり位相１８０°に制御されているの
で、ＶcpおよびＶｃｎ（ＶｃｐとＶｃｎは同位相）と交
流電源電圧Ｅｓとの位相をθとすると、平滑コンデンサ
Ｃｐに流れ込む電力は、Ｐｐ＝Ｖｃｐ×cosθ×Ｉｓ＝
（Ｖｃ０／２＋Ｖｃ０／２×(Ｉｐ＊−Ｉｎ＊)／Ｉｓ
＊)×Ｉｓ×cosθとなり、Ｉｓ＊＝Ｉｐ＊＋Ｉｎ＊であ
ることを利用し、これを整理すると平滑コンデンサＣｐ
に流れ込む電力は、Ｐｐ＝Ｅｓ×Ｉｐ＊となり、平滑コ
ンデンサＣｐの電圧Ｖｐを指令値Ｖｐ＊に制御できる。 【００３９】同様に平滑コンデンサＣｎに流れ込む電力
Ｐｎは＝Ｖｃｎ×cosθ×Ｉｓ＝ （Ｖｃ０／２−Ｖｃ
０／２×(Ｉｐ＊−Ｉｎ＊)／Ｉｓ＊)×Ｉｓ×cosθであ
り、これをＰｐの場合と同様に整理するとＰｎ＝Ｅｓ×
Ｉｎ＊となり、平滑コンデンサＣｎの電圧Ｖｎを指令値
Ｖｎ＊に制御できる。 【００４０】故に、図１に示した実施例のような３レベ
ルコンバータの制御系を構成することによって、平滑コ
ンデンサＣｐおよびＣｎに流れ込む電力を各々個別に制
御することが可能となり、平滑コンデンサＣｐおよびＣ
ｎの電圧ＶｐおよびＶｎをそれぞれの指令値Ｖｐ＊およ
びＶｎ＊に個別に制御することが可能となる。 【００４１】ところで、図１の実施例では(Ｉｐ＊−Ｉ
ｎ＊)／Ｉｓ＊といった変数が存在しており、図１で示
した実施例の制御をマイコン等を用いてデジタルで実現
しようとした場合、除算を行う必要があり、計算時間が
長くなる。また、交流電流実効値指令Ｉｓ＊が零付近の
場合にオーバーフローすることが考えられる。 【００４２】図２は、除算を行うことなくＶｐおよびＶ
ｎを個別に制御する第２の実施例を示すものである。 【００４３】図２において、図１で示した実施例と同一
の機能を有する要素については、同一の番号ないしは記
号を付けてある。この実施例では、加算器３２の出力で
あるＩｓ＊＝Ｉｐ＊＋Ｉｎ＊の極性を判別する極性判別
器Ｓ４２に入力し、Ｉｓ＊≧０の場合は１、Ｉｓ＊＜０
の場合は−１なる出力を得て、乗算器４０によって、極
性判別器Ｓ４２の出力と減算器３４の出力であるＩｐ＊
−Ｉｎ＊を乗じる。図１の実施例ではＩｓ＊で除算をし
ており、Ｉｓ＊の極性が補正電圧Δｖｃ０に反映されて
いるが、本実施例においてもＩｓ＊の極性をΔｖｃ０に
反映する必要があるため、上述の機能を設けてある。 【００４４】さらに乗算器４１によって乗算器４０の出
力と絶対値算出器３６の出力を乗じ得た信号をゲイン調
節器４３に入力し、ゲイン調節器４３の出力をコンバー
タ出力電圧指令修正電圧Δｖｃ０とする。ゲイン調節器
４３のゲインをＫとすると、この時のΔｖｃ０は、Δｖ
ｃ０＝ＡＢＳ(ｖｃ０／２)×(Ｉｐ＊−Ｉｎ＊)×Ｓ(Ｉ
ｓ＊の極性)×Ｋとなり、図１で示した修正量Δｖｃ０
＝ｖｃ０／２×(Ｉｐ＊−Ｉｎ＊)／Ｉｓ＊と異なるた
め、Ｉｓ＊によって、図１の実施例の場合と過渡応答が
変わるが（Ｋの大きさにもよるが、Ｉｓ＊が小さい場合
には、図２で示した実施例の方が応答が早く、Ｉｓ＊が
大きい場合には図１で示した実施例の方が応答が早くな
る）、図１の実施例と同様に平滑コンデンサＣｐおよび
Ｃｎの電圧をＶｐおよびＶｎをそれぞれの指令値Ｖｐ＊
およびＶｎ＊に一致させることができる。 【００４５】図３に本発明の第３の実施例を示す。 【００４６】図１と図２に示した実施例では、Ａ相およ
びＢ相に与える修正電圧指令Δｖc0は、電流制御器ＡＣ
Ｒの出力ｖｃ０／２の絶対値に（Ｉｐ＊−Ｉｎ＊）／Ｉ
ｓ＊又は（Ｉｐ＊−Ｉｎ＊）×Ｓ（Ｉｓ＊の極性）×Ｋ
を乗じた電圧成分であったが、発明の原理で（図７にお
いて）説明したように修正電圧指令は直流分でもよい。
そこで、図３で示す実施例では、ｖｃ０／２の絶対値に
代わり、直流分を補償分とする。図３において、図１と
図２で示した実施例と同一の機能を有する要素について
は、同一の番号ないしは記号を付けてある。図３の実施
例では、加算器３２の出力であるＩｓ＊＝Ｉｐ＊＋Ｉｎ
＊を極性を判別する極性判別器Ｓ４２に入力し、Ｉｓ＊
≧０の場合に１、Ｉｓ＊＜０の場合に−１なる出力を得
て、乗算器４０によって、極性判別器Ｓ４２の出力と減
算器３４の出力であるＩｐ＊−Ｉｎ＊を乗じ得た信号を
ゲイン調節器Ｋ３に入力し、ゲイン調節器４４の出力を
コンバータ出力電圧指令修正電圧Δｖｃ０とする。 【００４７】ゲイン調節器４４のゲインをＫ３とする
と、この時のΔｖｃ０は、Δｖｃ０＝(Ｉｐ＊−Ｉｎ＊)
×Ｓ(Ｉｓ＊の極性)×Ｋ３となる。図２におけるΔｖｃ
０は、Δｖｃ０＝ＡＢＳ(ｖｃ０／２)×(Ｉｐ＊−Ｉｎ
＊)×Ｓ(Ｉｓ＊の極性）×Ｋであるから、ゲインＫ３を
適当に設定すれば、図２で示した実施例と同様の効果が
得られる。すなわち、図１で示した実施例の場合と過渡
応答が変わるが、図１の実施例と同様に平滑コンデンサ
ＣｐおよびＣｎの電圧をＶｐおよびＶｎをそれぞれの指
令値Ｖｐ＊およびＶｎ＊に一致させることができる。 【００４８】以上実施例においては、単相の中性点クラ
ンプ方式電力変換器（３レベルコンバータ）について述
べたが、三相の中性点クランプ方式電力変換器（３レベ
ルコンバータ）にも適用できる。 【００４９】また、第１から第３の実施例を示す図１〜
図３には図示していないが、変圧器を介して交流電源１
からコンバータに電力を供給する構成においては、コン
バータを構成するスイッチング特性（ターンオン，ター
ンオフ）のばらつき等により、コンバータ交流側に直流
成分が発生し、しいては変圧器に直流偏磁が発生する場
合がある。本発明は、別々にコンデンサ電圧を制御して
いるため、偏磁量に応じて電圧指令値を設定することが
でき（Ｖｐ＊≠Ｖｎ＊）、これにより変圧器に偏磁が発
生した場合でも容易に対処できるという効果を得る。 【００５０】 【発明の効果】本発明によれば、第１及び第２の平滑コ
ンデンサの電圧指令値を同一の値に設定することで、第
１及び第２のコンデンサの電圧を同一に保つことがで
き、安定した直流電源を中性点クランプ式インバータ等
の負荷に供給することができる。また、本発明によれ
ば、第１及び第２の平滑コンデンサ電圧は個別に制御さ
れるので、負荷の急変などに対する応答性をより向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の第１の実施例を示す図である。 【図２】本発明の第２の実施例を示す図である。 【図３】本発明の第３の実施例を示す図である。 【図４】３レベルコンバータの相電圧指令とＰＷＭパル
スとの関係を示した図である。 【図５】本発明によって発生する３レベルコンバータの
相電圧指令を示した図である。 【図６】本発明によって発生する３レベルコンバータの
相電圧指令を示した図である。 【図７】本発明によって発生する３レベルコンバータの
相電圧指令を示した図である。 【図８】従来の３レベルコンバータの制御系の構成を示
す図である。 【符号の説明】 １…交流電源、２…リアクトル、３…中性点クランプ式
電力変換器（３レベルコンバータ）、４…負荷、Ｃｐ,
Ｃｎ…平滑コンデンサ、Ｓａ１〜Ｓａ４,Ｓｂ１〜Ｓｂ
４…半導体スイッチ、Ｄａ１，Ｄａ２，Ｄｂ１，Ｄｂ２
…ダイオード、ＡＣＲ…交流電流制御器、ＡＶＲｐ，Ａ
ＶＲｎ，ＡＶＲ…直流電圧制御器、３０，３１，３２，
３８…加算器、３３…増幅器、３４，３９，９３…減算
器、３５…除算器、３６…絶対値算出器、３７，４０，
４１，９２…乗算器、４２…極性判別器、４３，４４…
ゲイン調節器、８１，８２，８４…電圧検出器、８３…
電流検出器、９５，９６…ＰＷＭパルス発生装置。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−317663（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−74766（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−191656（ＪＰ，Ａ) 国際公開97／025766（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02M 7/219

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 交流側が交流電源にリアクトルを介して
   接続され、交流を直流に変換する中性点クランプ式コン
   バータと、前記中性点クランプ式コンバータの直流側に
   直列接続され、該直列接続点が中性点に接続される第１
   及び第２の平滑コンデンサと、前記第１及び第２の平滑
   コンデンサを直流電源とする負荷と、前記第１及び第２
   の平滑コンデンサの電圧を各々検出する第１及び第２の
   直流電圧検出手段とを備え、前記第１及び第２の直流電
   圧検出手段により検出された電圧に基づいて前記第１及
   び第２の平滑コンデンサの各電圧が等しくなるように前
   記中性点クランプ式コンバータをＰＷＭ制御する電力変
   換装置において、 前記第１及び第２の直流電圧検出手段によって検出した
   前記第１及び第２の平滑コンデンサの各々の直流電圧が
   各々の指令電圧と一致するよう制御する第１及び第２の
   直流電圧制御手段と、前記第１及び第２の直流電圧制御
   手段の出力の和をもとに前記リアクトルに流れるリアク
   トル電流を制御する交流電流制御手段と、前記交流電流
   制御手段の出力を前記第１及び第２の直流電圧制御手段
   の出力の差によって補正し、当該補正された信号により
   前記コンバータをＰＷＭ制御するＰＷＭ制御手段とを備
   えた電力変換装置。