JP3903429B2

JP3903429B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP3903429B2
Application number: JP2002284618A
Authority: JP
Inventors: 行盛岸田; 昭弘鈴木; 明彦岩田; 正樹山田; 俊行藤井; 直樹森島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Central Japan Railway Co
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Central Japan Railway Co
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: JP2004120968A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力変換器に関し、特に滑らかな交流出力波形を得ることが可能なインバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電力変換装置で、単体で３値以上の電圧を出力できるマルチレベルインバータとしては３レベルインバータがある。この３レベルインバータは、ＰＷＭ制御をするインバータで、各相において常に隣接する２個のＧＴＯを導通状態とし、上の２つが導通して＋Ｅｄ／２が出力され、真ん中の２つが導通して０が、下の２つが導通して−Ｅｄ／２が出力される。特に、０出力時には出力相電圧が中性点に固定される。この結果、出力相電圧は３レベルの電圧が得られ、線間電圧は５値を得る（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
内藤治夫著「マルチレベルインバータ」オーム社発行、ＯＨＭ、１９９５年１０月、ｐ．４４−４９
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電力変換装置は、以上のように構成されてＰＷＭ制御にて出力電圧を調整しているため、出力端の電圧変化が大きく、高調波成分が多い。このため、通常、インバータの出力側に複雑で大容量の出力フィルタを用いており、このため装置が大型化すると共に、この出力フィルタの電圧降下分だけ３相インバータの皮相電力を増加しておく必要があった。また、３相インバータとして用いると３相電圧が不平衡になり、中性点非接地の場合は、ケーブルの漂遊のコンデンサを介して電流が流れ電磁波ノイズが発生する。また、中性点接地の場合も、アースを介して零相電流が流れることになり、電磁波ノイズが発生する。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、大容量の出力フィルタが必要となるＰＷＭ制御をせずに、滑らかな交流出力波形が信頼性良く得られる電力変換装置の構造を提供し、さらに３相電圧を平衡にして、中性点や漂遊のコンデンサを介して流れる電流を抑制して電磁波ノイズを低減することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る請求項１記載の電力変換装置は、直流電源からの直流電力を交流電力に変換する単相インバータの交流側を複数直列接続して単相多重変換器を構成し、該単相多重変換を３相結線して３相負荷に電力供給する。上記各相の単相多重変換器は、上記複数の単相インバータの中から選択された所定の組み合わせによる各発生電圧の総和により各相の出力電圧を階調制御するもので、第１〜第３の３つの単相多重変換器として用いる。そして、上記第１、第２の単相多重変換器の出力電圧をそれぞれ検出する手段と、検出された２つの出力電圧を加算し、該加算値を正負反転させた電圧値を算出する演算手段とを備え、上記第３の上記単相多重変換器は、該出力電圧が上記演算された電圧値となるように階調制御する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図について説明する。
図１はこの発明の実施の形態１による３相負荷駆動用の電力変換器の構成を示す図である。図に示すように、３相電力変換器全体は、各相がスター結線された３相インバータ装置２５により、制御装置５０を備えて３相負荷１９〜２１に電力供給するもので、それぞれの相は単相インバータであるＶaインバータ１、７、１３、Ｖbインバータ２、８、１４、Ｖcインバータ３、９、１５を直列接続された単相多重変換器から成る。各単相インバータ１〜３、７〜９、１３〜１５は、系統からトランスを通して引き込まれる交流電力を整流して直流電力に変換した後、その直流電力を平滑コンデンサで平滑し、該平滑コンデンサからの直流電力を交流電力に変換するものであるが、ここでは便宜上、直流電源４〜６、１０〜１２、１６〜１８とスイッチ群で構成されるインバータ部のみを図示する。なお、２２、２３はそれぞれ負荷側の中性点、電力変換装置側の中性点を示す。
また、各単相多重変換器の出力電圧を計測するＵ相、Ｖ相、Ｗ相電圧計測器４１〜４３を備え、各電圧計測器４１〜４３の出力信号である相電圧は制御装置５０に入力される。
【０００８】
各単相インバータ１〜３、７〜９、１３〜１５の構成は、図２にその拡大図を示すように、ダイオードを逆並列に接続した複数個のＩＧＢＴ等の自己消弧型半導体スイッチング素子３０〜３３で構成されるフルブリッジのインバータと電圧Ｅを出力する直流電源（４〜６、１０〜１２、１６〜１８）から構成される。自己消弧型半導体スイッチング素子３０〜３３はＩＧＢＴ以外にも、ＧＣＴ、ＧＴＯ、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等でも、また自己消弧機能がないサイリスタ等でも強制転流動作が可能であればよく、これらのスイッチング制御により単相インバータは、電圧Ｅ、-Ｅ、０を出力する。
【０００９】
また、このように構成される単相多重変換器の各単相インバータ（Ｖaインバータ、Ｖbインバータ、Ｖcインバータ）１〜３、７〜９、１３〜１５は、それぞれ直流電源４〜６、１０〜１２、１６〜１８の電圧Ｖa、Ｖb、Ｖcを電圧源として電圧を出力するが、Ｖa、Ｖb、Ｖcの関係は、それぞれ異なる値（Ｖa＜Ｖb＜Ｖc）で、１：２：４、１：３：４、１：３：５、１：３：６、１：３：７、１：３：８、１：３：９のいずれかの関係となる。それぞれの場合について、各単相インバータ１〜３、７〜９、１３〜１５の出力論理とそれらを直列接続した単相多重変換器の出力階調（電圧レベル）との関係を図３のＡ〜Ｇの論理表に示す。ここでは、Ａ表の場合について、以下に説明する。
Ｖa、Ｖb、Ｖcは、１：２：４の関係で、最小電圧値Ｖaの２^ｎ（ｎ＝０，１，２）の関係である。Ａ表に示すように、最下位ビット、中間ビット、最上位ビットの３つの単相インバータ１〜３、７〜９、１３〜１５の組み合わせにより、これらの発生電圧の総和で０〜７の８階調の出力電圧（絶対値）が得られる。正弦波出力階調を得るための各単相インバータ出力波形を、図４に示す。図に示すように、３つの単相インバータ（Ｖaインバータ、Ｖbインバータ、Ｖcインバータ）の発生電圧の組み合わせにより、非常に滑らかな出力電圧階調波形が得られていることがわかる。
【００１０】
各単相多重変換器を制御する制御装置５０は、図５に示すような、各単相インバータ（Ｖaインバータ、Ｖbインバータ、Ｖcインバータ）の発生電圧のオンオフを参照波５２に基づいて選択させる比較回路を備えて、各単相インバータ（Ｖaインバータ、Ｖbインバータ、Ｖcインバータ）に対して駆動信号を発生する。なお、５０、５１はコンパレータ、５３は上限基準値となる電源、５４は下限基準値となる電源である。この比較回路の動作について以下に説明する。
参照波５２の電圧が下限基準値５４から上限基準値５３の間に入った場合、各単相インバータのスイッチング素子３０〜３３のスイッチトリガに駆動信号が入力されて、該単相インバータは所定の電圧を出力する。
【００１１】
各単相インバータ（Ｖaインバータ、Ｖbインバータ、Ｖcインバータ）の発生電圧Ｖa、Ｖb、Ｖcが、１：２：４の関係で、これらの発生電圧の総和で０〜７の８階調の出力電圧（絶対値）が得られる場合、参照波５２の電圧レベルに対する単相多重変換器の階調出力と、各単相インバータ（Ｖaインバータ、Ｖbインバータ、Ｖcインバータ）の出力とを図６に示す。Ｖaの電圧レベルを１とするとき、例えば、参照波５２の電圧レベルが２．８であれば、Ｖaインバータは電圧レベル１で出力し、Ｖbインバータは電圧レベル２で出力し、Ｖcインバータは電圧を出力しない。このとき、単相多重変換器の階調出力は４レベルである。
【００１２】
このように参照波５２に基づいて、単相多重変換器の各単相インバータ（Ｖaインバータ、Ｖbインバータ、Ｖcインバータ）の出力は制御されて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の出力電圧は階調制御されるが、この実施の形態では、ある相（この場合Ｗ相）に対する参照波を、以下に示すように、他の２相の出力電圧に基づいて発生させる。
図１に示す３相インバータ装置２５のＵ相、Ｖ相のそれぞれの参照波に、Ｖu参照波＝Ｖ・sin(ω・t)、Ｖv参照波＝Ｖ・sin(ω・t−120/360・2π)を適用する。また、Ｕ相電圧計測器４１およびＶ相電圧計測器４２で、Ｕ相およびＶ相の単相多重変換器の出力電圧Ｖu、Ｖvの値を検出し、これらを加算した値（Ｖu＋Ｖv）を正負反転させて−（Ｖu＋Ｖv）を演算し、この電圧値をＷ相の参照波（Ｖw参照波）に適用する。これにより、Ｗ相の単相多重変換器の出力電圧は３相電圧合計が零になるように階調出力して、３相電圧は平衡となる。各相の出力電圧階調波形と３相電圧の合計とを図７に示す。
【００１３】
このように、Ｗ相の参照波（Ｖw参照波）に、Ｕ相およびＶ相の出力電圧Ｖu、Ｖvの値から演算される電圧値である−（Ｖu＋Ｖv）を用いて、３相電圧が平衡となるようにＷ相の出力電圧を階調制御する。このため、中性点２２、２３を接地しない場合も中性点電位の変動が防止でき、漂遊のキャパシタンスを介した零相電流を抑制して電磁波ノイズを低減できる。また、三相平衡回路であるので、単相インバータの直流電源に用いる平滑コンデンサにおける電圧のアンバランスが防止でき、スイッチング素子に必要な耐圧が低減できる。また、中性点２２、２３が直接接地、または抵抗を介して接地しているときも、負荷側中性点２２から電源側中性点２３へ大地を経由して流れる電流を抑制でき、電磁波ノイズが低減できる。
【００１４】
この実施の形態では、正弦波に近い出力電圧波形が、複数の単相インバータを直列接続して階調制御することで得られ、電力変換器の後段に設けられていた平滑用の出力フィルタをなくす、あるいは小さな容量にすることができ、低コスト化、小型化、簡略化が促進した電力変換器が得られると共に、３相電圧が平衡となるように制御でき、電磁波ノイズが低減できる信頼性の高い階調制御が実現できる。
【００１５】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を説明する。
上記実施の形態１では、各相の単相多重変換器を、３つの単相インバータの交流側を直列接続して構成したが、負荷１９〜２１と反対側の端に接続された単相インバータを３レベルインバータで構成しても良い。また、スター結線接続点側の各相分の単相インバータに替わって、コンデンサを共用とする３相３レベルインバータを設けても良く、上述した実施の形態１と同様に、ある相に対する参照波を他の２相の出力電圧に基づいて、３相電圧合計が零となるように設定することで、３相電圧が平衡となるように制御できる。３レベルインバータは、同じ電圧の２個のコンデンサを用いて３レベルの電圧出力を可能にするものであり、広く用いられており、このような３レベルインバータを単相インバータの組み合わせに用いることにより、安価な装置構成で多段階の階調制御による出力電圧が得られる。
図８には、３相３レベルインバータ２６の各相の出力側にそれぞれ１つの単相インバータであるマルチレベルインバータ２７、２８、２９を接続したものを示す。ここでは、３相３レベルインバータ２６の中性点２３および３相負荷１９〜２１の中性点２２をそれぞれ接地する場合を示す。
【００１６】
図８に示すように、３相３レベルインバータ２６に接続する単相インバータとして、各単相インバータ内に複数の直流電源を備えたマルチレベルインバータ２７、２８、２９を用いる。この場合、各マルチレベルインバータ２７、２８、２９は、それぞれ２個の直流電源とこれらの直流電源の電圧Ｖ１、Ｖ２を組み合わせて出力するための４個の切替スイッチとを備えて、例えば２個の直流電源の電圧比Ｖ１：Ｖ２が１：２のとき、切替スイッチの切替制御により０〜３の４階調の発生電圧（絶対値）が得られる。各マルチレベルインバータ２７、２８、２９が、それぞれ０〜３の４階調の電圧を出力するため、３相３レベルインバータ２６の発生電圧をさらに組み合わせることにより、多段階の階調制御ができる。例えば３相３レベルインバータ２６が各相で−７、０、７の電圧レベルの出力をすると、これらの発生電圧の総和で０〜１０の１１階調の出力電圧（絶対値）が得られ、非常に滑らかな出力電圧階調波形が得られる。
【００１７】
参照波の電圧レベルに対する全体の相電圧の階調出力と、３相３レベルインバータ２６の相電圧出力およびマルチレベルインバータ２７〜２９の２個の直流電源電圧（Ｖ１、Ｖ２）からの出力とを図９に示す。Ｖ１の電圧レベルを１とするとき、例えば、参照波の電圧レベルが３．８であれば、３レベルインバータ２６は電圧レベル７で出力し、マルチレベルインバータ２７〜２９の直流電源電圧Ｖ２は電圧レベル−２で出力し、直流電源電圧Ｖ１は電圧レベル−１で出力する。このとき、全体の相電圧の階調出力は４レベルである。図９において、マルチレベルインバータ２７〜２９の２個の直流電源電圧（Ｖ１、Ｖ２）からの出力を組み合わせて、マルチレベルインバータ２７〜２９の出力として表したものを図１０で示す。
【００１８】
このように参照波に基づいて、３相３レベルインバータ２６およびマルチレベルインバータ２７、２８、２９の出力は制御されて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の出力電圧は階調制御され、上述した実施の形態１と同様に、ある相に対する参照波を他の２相の出力電圧に基づいて、３相電圧合計が零となるように設定することで、３相電圧が平衡となるように制御できる。これにより電磁波ノイズが低減できる信頼性の高い階調制御が実現できる。
また、単相インバータ内に複数の直流電源を備えてインバータの発生電圧を階調制御するマルチレベルインバータ２７、２８、２９を用いることにより、単相インバータの数を低減でき、簡略な装置構成で出力電圧が多段階の階調制御が行える。
【００１９】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３を説明する。
上記実施の形態１では三相電圧を平衡にするために、特定相、例えばＷ相の出力電圧を調整するものを示したが、この実施の形態では、図１１に示すように、三相電圧を平衡にするために調整する特定相を所定の位相区間、例えば１２０°ごとに切り替える。
選択された特定相の参照波に、上記実施の形態１と同様に、他の２相の出力電圧を加算したものを正負反転させた電圧を用いて、３相電圧が平衡となるように先の特定相の出力電圧を階調制御する。この場合も３相電圧合計を零にすることができ、上記実施の形態１と同様の効果が得られると共に、各相負荷１９〜２１に入力される交流電力は時間平均あたりでバランスし、各相でスイッチング回数もほぼ等しくなる。このため、各相の素子を均等に用いることができ、３相電力変換器の信頼性が向上する。
【００２０】
なお、図１２で示すように、三相電圧を平衡にするために調整する特定相となる位相区間を、その特定相における出力電圧が単調増加、あるいは単調減少する区間となるように設定して特定相の切替を行うと、相電圧の増加のみまたは減少のみの切替で調整できるので、スイッチング素子のスイッチング回数が低減でき、素子の負担が低減できて、３相電力変換器の信頼性がさらに向上する。
【００２１】
実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４を説明する。
図１３はこの発明の実施の形態４による３相負荷駆動用の電力変換器の構成を示す図である。図に示すように、上記実施の形態２で示した電力変換器の３相負荷１９〜２１の中性点２２と接地点との間に単相インバータである調整インバータ８０を接続する。
上記実施の形態１〜３では、三相電圧を平衡にするために、特定相の出力電圧を調整したが、参照波に用いる理想波形と階調出力には誤差があるので、３相電圧合計値を確実に常に零にするのは困難である。このため、中性点２２から接地点に流れる電流を零にするために、３相電圧の不平衡電圧をキャンセルする電圧を調整インバータ８０から発生させる。これにより３相電圧合計値を零にできないときも、中性点２２から接地点に流れる電流を確実に零にでき、電磁波ノイズが低減でき、信頼性の高い階調制御が実現できる。
【００２２】
なお、３相電圧の合計値は、階調制御された各相出力電圧の和であるため、階調制御の最小単位である階調電圧の整数倍である。また、参照波の３相電圧合計値は０であるため、参照波と階調出力との誤差により発生する不平衡電圧の大きさは通常、最大１階調レベルである。このため、調整インバータ８０は、１階調レベルの発生電圧を出力するものでよい。各相の出力電圧階調波形と調整インバータ８０の出力波形８１とを図１４に示す。
【００２３】
なお、上記調整インバータ８０からの発生電圧により、中性点２２から接地点に流れる電流を零にする制御は、上記実施の形態１で示した複数の単相インバータを直列接続して単相多重変換器を構成した回路構成の３相電力変換器にも同様に適用できる。
【００２４】
実施の形態５．
上記実施の形態１で説明した単相多重変換器の階調制御は、各単相インバータ（Ｖaインバータ、Ｖbインバータ、Ｖcインバータ）の各直流電源電圧Ｖa、Ｖb、Ｖcを一定としたが、この実施の形態では直流電源の出力電圧を可変とする。
通常、各単相インバータ（Ｖaインバータ、Ｖbインバータ、Ｖcインバータ）内の直流電源は、交流電源からのトランスを介した交流電力を整流して直流電力に変換して電圧を出力するもので、この実施の形態では、例えばトランスの変圧比を可変とすることにより、直流電源の出力電圧を可変にする。
このため、直流電源の出力電圧を低減することで、各単相インバータ（Ｖaインバータ、Ｖbインバータ、Ｖcインバータ）の出力電圧を低減して、単相多重変換器にて低電圧域の電圧を出力できるため、図１５に示すように、低電圧域９１においても階調数を低減することなく、理想波形９３に近い滑らかな交流出力階調波形９５を得ることができる。なお、９０は最大出力電圧、９２、９４はそれぞれ最大出力電圧での理想波形、出力階調波形である。
【００２５】
この実施の形態においても、上記実施の形態１と同様に三相電圧を平衡にするために、特定相の出力電圧を調整して用いる。また、上記実施の形態４で示したように、調整インバータ８０を設けて中性点２２から接地点に流れる電流を零に制御しても良い。これにより、低電圧域においても、滑らかな交流出力階調波形が得られると共に、電磁波ノイズが低減でき、信頼性の高い階調制御が実現できる。
【００２６】
【発明の効果】
以上のようにこの発明に係る請求項１記載の電力変換装置は、直流電源からの直流電力を交流電力に変換する単相インバータの交流側を複数直列接続して単相多重変換器を構成し、該単相多重変換を３相結線して３相負荷に電力供給する。上記各相の単相多重変換器は、上記複数の単相インバータの中から選択された所定の組み合わせによる各発生電圧の総和により各相の出力電圧を階調制御するもので、第１〜第３の３つの単相多重変換器として用いる。そして、上記第１、第２の単相多重変換器の出力電圧をそれぞれ検出する手段と、検出された２つの出力電圧を加算し、該加算値を正負反転させた電圧値を算出する演算手段とを備え、上記第３の上記単相多重変換器は、該出力電圧が上記演算された電圧値となるように階調制御する。このため、低コスト化、小型化、簡略化が促進した電力変換器が得られると共に、３相電圧が平衡となるように制御でき、電磁波ノイズが低減できる信頼性の高い階調制御が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による電力変換器の構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による単相インバータの構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１による各単相インバータの出力論理と出力階調レベルとの関係を示す論理表である。
【図４】この発明の実施の形態１による各単相インバータと単相多重変換器とによる出力波形である。
【図５】この発明の実施の形態１による電力変換器における制御回路の構成図である。
【図６】この発明の実施の形態１による参照波の電圧レベルに対する単相多重変換器および各単相インバータの出力を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１による電力変換器の各相出力電圧と相電圧合計を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態２による電力変換器の構成図である。
【図９】この発明の実施の形態２による参照波の電圧レベルに対する各相出力および各インバータの出力を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態２による参照波の電圧レベルに対する各相出力および各インバータの出力を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態３による電力変換器の各相出力電圧と相電圧合計を示す図である。
【図１２】この発明の実施の形態３の別例による電力変換器の各相出力電圧と相電圧合計を示す図である。
【図１３】この発明の実施の形態４による電力変換器の構成図である。
【図１４】この発明の実施の形態４による電力変換器の各相出力電圧と調整インバータの出力電圧を示す図である。
【図１５】この発明の実施の形態５による電力変換器による階調制御を説明する図である。
【符号の説明】
１，７，１３Ｖaインバータ（単相インバータ）、
２，８，１４Ｖbインバータ（単相インバータ）、
３，９，１５Ｖcインバータ（単相インバータ）、
４，１０，１６直流電源Ｖa、５，１１，１７直流電源Ｖb、
６，１２，１８直流電源Ｖc、１９〜２１負荷、２２，２３中性点、
２５３相インバータ装置、２６３レベルインバータ、
２７〜２９マルチレベルインバータ、４１〜４３各相電圧計測器、
８０調整インバータ（単相インバータ）、
８１調整インバータ出力波形。

Claims

直流電源からの直流電力を交流電力に変換する単相インバータの交流側を複数直列接続して単相多重変換器を構成し、該単相多重変換を３相結線して３相負荷に電力供給する電力変換装置において、上記各相の単相多重変換器は、上記複数の単相インバータの中から選択された所定の組み合わせによる各発生電圧の総和により各相の出力電圧を階調制御するもので、第１〜第３の３つの単相多重変換器として用い、上記第１、第２の単相多重変換器の出力電圧をそれぞれ検出する手段と、検出された２つの出力電圧を加算し、該加算値を正負反転させた電圧値を算出する演算手段とを備え、上記第３の上記単相多重変換器は、該出力電圧が上記演算された電圧値となるように階調制御することを特徴とする電力変換装置。
上記各相の３つの単相多重変換器を、所定の位相区間で交替して互いに均等に上記第１〜第３の単相多重変換器として用いることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
上記各相の単相多重変換器の１つを連続して上記第３の単相多重変換器に用いる区間は、上記第３の単相多重変換器の出力電圧が単調増加あるいは単調減少する区間であることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
３相負荷の中性点と接地点との間に単相インバータを接続し、該単相インバータからの電圧発生により、上記３相負荷の中性点と接地点との間に流れる電流を零に制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電力変換装置。
上記各単相多重変換器が階調制御する最小単位の階調電圧を上記単相インバータから出力することを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。
上記直流電源の出力電圧を可変にして、上記各単相インバータの各発生電圧の大きさを可変とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電力変換装置。
上記各単相多重変換器内の１つあるいは複数の単相インバータに、複数の直流電源と、該複数の直流電源の中から出力電圧を選択出力する切替スイッチとを備え、選択出力された上記直流電源の各出力電圧の総和により上記単相インバータからの交流出力電圧を階調制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電力変換装置。
上記３相結線接続点側の各相分の単相インバータに替わって、コンデンサを共用とする多相３レベルインバータを設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の電力変換装置。