JP3903439B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

この発明は、電力変換装置に関し、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。
従来の電力変換装置は、複数の半導体スイッチング素子を備えて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、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出力電圧を階調制御して負荷に電力供給する。また、半導体スイッチング素子の駆動信号発生部に遅延回路を設け、各単相インバータ毎に半導体スイッチング素子の駆動信号のオンオフタイミングを上記遅延回路により調整することにより該各単相インバータの発生電圧オンオフタイミングを調整して、単相多重変換器の出力電圧階調が変化する際に発生するスパイク電圧を抑制する(例えば、特許文献1参照)。
特開2004−120979号公報
ところで、複数の半導体スイッチング素子を備える各インバータは、出力切替時のアーム短絡防止のため、所定の短絡防止時間分、半導体スイッチング素子のスイッチングのタイミングをずらせる短絡防止遅延制御を行っている。
従来の電力変換装置は、以上のように、半導体スイッチング素子の駆動信号発生部に遅延回路を設けて各単相インバータの発生電圧切替タイミングを調整しているが、上述した短絡防止遅延制御を考慮した調整が為されておらず、各相電圧の階調切替時に上記短絡防止遅延制御に起因してスパイク電圧が発生することがあった。また、このスパイク電圧の発生により、浮遊容量や負荷中性点を介して電流が流れ電磁波ノイズの原因となるという問題点があった。
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、複数の単相インバータを直列接続して出力電圧を階調制御して負荷に電力供給する電力変換装置において、各単相インバータの発生電圧切替タイミングを短絡防止遅延制御を考慮して調整することで、スパイク電圧が信頼性よく効果的に抑制されて電磁波ノイズが低減された、信頼性の高い階調制御を実現することを目的とする。
この発明に係る電力変換装置は、複数の半導体スイッチング素子を備えて直流電源からの直流電力を交流電力に変換するインバータの交流側を複数直列接続して多重変換器を構成し負荷に電力供給する電力変換装置において、
重変換器は、複数の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出力電圧を階調制御するものであり、該階調制御の指令信号を入力として各半導体スイッチング素子への駆動信号を発生する駆動信号発生部に短絡防止遅延制御部と電圧切替最適化遅延制御部とを設け、
短絡防止遅延制御部は、各インバータ毎に複数の半導体スイッチング素子の短絡防止のための所定の短絡防止時間を設定して駆動信号のオンオフタイミングを遅延させて制御し、
電圧切替最適化遅延制御部は、所定のインバータの短絡防止遅延制御に起因した出力電圧切替タイミングの遅延情報を予測する出力電圧切替遅延予測手段、および該予測された遅延情報に基づいて所定のインバータと他の各インバータの出力電圧切り替えを同時点に行う最適遅延時間を決める最適化演算手段を備えて、他の各インバータの出力電圧切替タイミングを上記最適遅延時間、遅延させることにより、多重変換器の出力電圧階調が変化する際に発生するスパイク電圧を抑制するである。
この発明による電力変換装置によると、駆動信号発生部に短絡防止遅延制御部と電圧切替最適化遅延制御部とを設けて、短絡防止遅延制御と、該制御に起因した所定の単相インバータの出力電圧切替タイミングの遅延情報を予測して各単相インバータの出力電圧切替タイミングを最適遅延時間、遅延させて最適化する最適化遅延制御とにより、単相多重変換器の出力電圧階調が変化する際に発生するスパイク電圧を抑制する。これにより、スパイク電圧が信頼性よく効果的に抑制でき、浮遊容量や負荷中性点を介して流れる電流を抑制して電磁波ノイズが低減された、信頼性の高い階調制御が得られる。
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1について説明する。
図1は、この発明の実施の形態1による電力変換装置の構成を、3相負荷駆動用の3相インバータ装置について示した図である。
図に示すように、各相がスター結線された3相インバータ装置は、主制御回路10、高精度波形制御回路14からなる制御装置を備えて3相負荷回路7に電力供給するもので、それぞれの相は複数の単相インバータを直列接続された単相多重変換器から成る。この場合、スター結線接続点側の3相の単相インバータに、コンデンサ1aを共用とする3相3レベルインバータ3を用いる。3相3レベルインバータ3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4の交流側が直列に接続される。
3相3レベルインバータ3は、直流入力回路1において、3相全波整流回路2を介して交流電力を整流して直流電力に変換した後、その直流電力をコンデンサ1aで平滑し、該平滑コンデンサ1aからの直流電力を交流電力に変換する。同様に、マルチレベルインバータ4も直流入力回路5において、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5a、5bで平滑し、該平滑コンデンサ5a、5bからの直流電力を交流電力に変換する。
3相3レベルインバータ3およびマルチレベルインバータ4からの各相出力電圧は、フィルタ19および伝送ケーブル装置6を介して、負荷抵抗8および負荷インダクタンス9で構成される3相負荷回路7に供給される。ここでは、3相3レベルインバータ3の中性点45および3相荷回路7の中性点46をそれぞれ接地する場合を示す。
主制御回路10は、各相の出力電流をA/D変換器20を介して入力すると共に、インターフェースを介して参照波および起動/停止の指令を入力し、3相3レベルインバータ3および各相のマルチレベルインバータ4の各階調値を演算し、各相毎に、3レベルインバータ階調指令信号11、マルチレベルインバータ階調指令信号12、および電圧/電流極性(同極性または異極性)を示す電流極性信号13をそれぞれ出力する。この電流極性信号は、A/D変換器20を介して入力される出力電流の極性と、主制御回路10内で演算される各電圧階調値の極性とに基づいて決定するが、出力電圧を検出して求めても良い。
高精度波形制御回路14は、駆動信号発生部としてのゲート信号生成回路15と光発信器16、18とから成り、ゲート信号生成回路15は、主制御回路10からの3レベルインバータ階調指令信号11、マルチレベルインバータ階調指令信号12、および電流極性信号13を入力として、3相3レベルインバータ3および各相のマルチレベルインバータ4を駆動するゲート信号を生成し、光発信器16、18を介して出力する。このゲート信号生成回路15では、各インバータ3、4内のアーム短絡防止のための短絡防止遅延制御と、該短絡防止遅延制御による各インバータ3、4の出力電圧切替タイミングのずれを防止する電圧切替最適化遅延制御とがなされたゲート信号を生成する。
図2は、3相3レベルインバータ3およびマルチレベルインバータ4による主回路構成の詳細を示す図であり、図2に基づいて、主制御回路10での階調制御について以下に説明する。図に示すように、各インバータ3、4は、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を備えて構成される。自己消弧型半導体スイッチング素子は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い。
3相3レベルインバータ3の1相分の回路構成を図3(a)に示し、スイッチングパターンを図3(b)〜図3(d)に示す。また、マルチレベルインバータ4の回路構成を図4(a)に示し、スイッチングパターンを図4(b)〜図4(g)に示す。
3相3レベルインバータ3の直流電源である2つのコンデンサ1aの電圧を絶対単位系で7A.U.とし、マルチレベルインバータ4の直流電源である2つのコンデンサ5a、5bの電圧を1A.U.および2A.U.とする。
3相3レベルインバータ3では、図3に示すように、各相において、4個の半導体スイッチング素子S1〜S4のうち隣接する2個の半導体スイッチング素子を導通状態とし、真ん中の2つが導通して0A.U.が(図3(b)参照)、上の2つが導通して7A.U.が(図3(c)参照)、下の2つが導通して−7A.U.(図3(d)参照)が出力される。これにより、+7A.U.、0A.U.、−7A.U.の3レベルの電圧を出力する。
マルチレベルインバータ4は、図4に示すように、4個の半導体スイッチング素子SS1〜SS4から成るフルブリッジのインバータと、2個のコンデンサ5a、5bと、これらの電圧1A.U.および2A.U.を組み合わせて出力するための4個の切替スイッチSS5〜SS8とを備える。インバータSS1〜SS4の制御により0出力(図4(b)参照)、正極性出力(図4(c)参照)、負極性出力(図4(d)参照)が決定され、切替スイッチSS5〜SS8の制御により、1A.U.、2A.U.および3A.U.の発生電圧(図4(e)〜図4(g)参照)が得られる。これらを組み合わせて、+3A.U.、+2A.U.、+1A.U.、0A.U.、−1A.U.、−2A.U.、−3A.U.の7レベルの電圧を出力する。
このように、3相3レベルインバータ3およびマルチレベルインバータ4は、それぞれ3レベル、7レベルの多数階調の電圧を発生する。主制御回路10は、中央演算処理回路(CPU)を含んだ回路で、入力される参照波に基づいてU相、V相、W相の各相の出力したい電圧レベル(階調)を判断して、この階調に対する各3相3レベルインバータ3、単相マルチレベルインバータ4の各階調値を決定し、各インバータ3、4の状態のビット情報(各相5ビット)を演算して階調指令信号11、12として出力し、各インバータ3、4を階調制御する。これにより、3相3レベルインバータ3およびマルチレベルインバータ4の発生電圧の総和で、+10A.U.から−10A.U.までの合計21階調の出力電圧が得られ、図5に示すように、各相の単相多重変換器出力(相電圧)は、正弦波に近い非常に滑らかな出力電圧階調波形21が得られる。
22は、3相3レベルインバータ3の各相出力波形を、23はマルチレベルインバータ4の出力波形を示す。ここで、3相3レベルインバータ3の各相出力波形22に対応する主制御回路10からの3レベルインバータ階調指令信号11は、各相2ビットで、出力の有無と極性との指令となる。また、マルチレベルインバータ4の出力波形23に対応する主制御回路10からのマルチレベルインバータ階調指令信号12は、図5の指令信号に示すように、各相3ビットの指令となる。
なお、主制御回路10はソフトウェアにて所定の演算をするものとしたが、アナログ回路又はデジタル論理回路を用いて構成しても良い。
次に、主制御回路10からの出力を入力として、3相3レベルインバータ3およびマルチレベルインバータ4へ、3レベルインバータゲート信号32aおよびマルチレベルインバータゲート信号32bを出力するゲート信号生成部15について以下に詳細に説明する。なお、ゲート信号32(32a、32b)の生成は、各相毎に行っており、簡単のために、1相のみ、例えばU相の構成として以下に説明する。
図6に示すように、ゲート信号生成部15は、階調指令をゲートパルス信号に変換するゲートパルス生成論理回路52の前段に電圧切替最適化遅延制御論理回路51を備え、また、このゲートパルス生成論理回路52の後段に短絡防止遅延制御論理回路53を備える。主制御回路10は、3レベルインバータ階調指令信号11、マルチレベルインバータ階調指令信号12、および電流極性信号13をそれぞれ出力し、該出力を入力としてゲート信号生成部15にて生成された3レベルインバータゲート信号32aおよびマルチレベルインバータゲート信号32bは、光発信器16、18を介して高精度波形制御回路14から出力され、ドライバ回路54、55を介して各インバータ3、4の半導体スイッチング素子に送出されて各スイッチング素子を駆動する。
電圧切替最適化遅延制御論理回路51は、図示しない出力電圧切替遅延予測部と最適化演算部とを備えて、後段の短絡防止遅延制御論理回路53での短絡防止遅延制御に起因した3レベルインバータ3の出力電圧切替タイミングの遅延情報を予測して、マルチレベルインバータ4の出力電圧切替タイミングを最適遅延時間、遅延させて最適化した最適化階調指令信号30を出力する。ゲートパルス生成論理回路52は最適化階調指令信号30をゲート信号31に変換する。そして、短絡防止遅延制御論理回路53は、ゲートパルス生成論理回路52からのゲート信号31を入力として、各インバータ3、4内で出力切替時のアーム短絡防止のため、所定の短絡防止時間分、所定の半導体スイッチング素子へのゲート信号を遅らせる短絡防止遅延制御を行って、3レベルインバータゲート信号32aおよびマルチレベルインバータゲート信号32bを出力する。
短絡防止遅延制御論理回路53での短絡防止遅延制御および、該制御によるインバータの出力電圧切替タイミングの遅れについて、3レベルインバータ3を例にして以下に詳細に説明する。
3レベルインバータ3では、上述したように、4個の半導体スイッチング素子S1〜S4のうち隣接する2個の半導体スイッチング素子を導通状態とするが、例えば、図7に示すように、真ん中の2つが導通して0A.U.出力の状態から、上の2つが導通して7A.U.出力の状態に切り換える際、アーム短絡防止のため、次のように制御する。半導体スイッチング素子S3(以下、単にS3と称す)をオフした後、所定の短絡防止時間遅らせて、S1をオンする。
図7(a)に示すように、電流と電圧の向きが一致する場合、S3をオフした後、短絡防止時間t1経てS1をオンすることで0A.U.出力から7A.U.出力に切り替えると、実際、S1をオンした時点で7A.U.出力に切り替わり、出力電圧切替タイミングは短絡防止時間だけ遅延する。
一方、図7(b)に示すように、電流と電圧の向きが一致しない場合、同様にS3をオフした後、短絡防止時間t1経てS1をオンすることで0A.U.出力から7A.U.出力に切り替えるが、実際には、S3をオフした時点で7A.U.出力に切り替わり、出力電圧切替タイミングは短絡防止時間に拘わらず遅延しない。
短絡防止遅延制御論理回路53では、上記のように、3レベルインバータ3およびマルチレベルインバータ4において、アーム短絡防止のため、各インバータ3、4に所定の短絡防止時間を設定して、半導体スイッチング素子を駆動する所定のゲート信号を遅延させて発生する短絡防止遅延制御を行う。このとき、出力電圧レベルが7A.U.と大きい3レベルインバータ3に対する短絡防止時間t1は、比較的出力電圧レベルが小さいマルチレベルインバータ4に対する短絡防止時間t2よりも、充分長く設定される。
このような短絡防止遅延制御により、3レベルインバータ3およびマルチレベルインバータ4では、出力電圧切替タイミングが、上述したように、電圧/電流極性isd(同極性または異極性)によって、遅れたり、遅れなかったりする。
なお、この実施の形態では、制御を効果的に容易に行うため、単相多重変換器を構成するインバータ3、4のうち、発生電圧が大きく短絡防止時間が長い3レベルインバータ3についてのみ、短絡防止遅延制御による出力電圧切替タイミングの遅れを考慮して、電圧切替最適化遅延制御論理回路51においてマルチレベルインバータ4の出力電圧切替タイミングを遅らせる電圧切替最適化遅延制御を行う。
図8に、電圧/電流極性isdと、3レベルインバータ3の出力電圧切替タイミング(電圧立ち上がり)の遅れとの関係を示す。
図8(b)に示すA、B、C、Dの各位相における出力電圧の切替時に、図8(a)に示すように、電圧/電流極性isdによって切替タイミングの遅れが決まる。なお、図7(a)、図7(b)に示した場合について、図8(a)内の右端に(a)、(b)と表示した。
このように、短絡防止遅延制御により、3レベルインバータ3では出力電圧切替タイミングに遅れが発生し、そのままではマルチレベルインバータ4の出力電圧切替タイミングとズレが発生することになる。
次に、電圧切替最適化遅延制御論理回路51および該回路による最適化遅延制御について、以下に詳細に説明する。
電圧切替最適化遅延制御論理回路51は、上述したように、後段の短絡防止遅延制御論理回路53での短絡防止遅延制御に起因した3レベルインバータ3の出力電圧切替タイミングの遅延情報を予測してマルチレベルインバータ4の出力電圧切替タイミングを最適遅延時間、遅延させて最適化した最適化階調指令信号30を出力する。
図9は、短絡防止遅延制御に起因した3レベルインバータ3の出力電圧切替タイミングの遅延情報を予測する出力電圧切替遅延予測手段としての出力電圧切替遅延予測部の構成を示したものである。また、図10は、最適化演算手段としての最適遅延時間決定回路154にてマルチレベルインバータ4の最適化遅延時間を演算して、出力電圧切替タイミングを該最適遅延時間、遅延させて最適化する最適化演算部の構成を示したものである。
図9に示すように、出力電圧切替遅延予測部は、主制御回路10からの出力のうちU相に対するU相インバータ階調指令信号(U相3レベルインバータ階調指令信号11u、U相マルチレベルインバータ階調指令信号12u)およびU相電流極性信号13uを入力する。2ビットのU相3レベルインバータ階調指令信号11uをAU、BU、3ビットのU相マルチレベルインバータ階調指令信号12uをCU、DU、EUとする。また、U相3レベルインバータ階調指令信号11uおよびU相マルチレベルインバータ階調指令信号12uの3クロック前の信号を3つのDフリップフロップ回路153を用いて生成し、該3クロック前のU相3レベルインバータ階調指令信号11ua(A1U、B1U)、U相マルチレベルインバータ階調指令信号12ua(C1U、D1U、E1U)とする。なお、160はリセット信号、161はクロック信号である。
ビット情報変化検出回路153では、U相インバータ階調指令信号11u、12u(AU、BU、CU、DU、EU)と3クロック前のU相インバータ階調指令信号11ua、12ua(A1U、B1U、C1U、D1U、E1U)とを比較し、2種の信号が一致状態から異なる状態に変化するときを検出して、U相ビット情報変化信号163を単相多重変換器の出力電圧(U相電圧)における階調切替時の検出信号として出力する。ここで、階調切替時の検出の信頼性確保のために、3クロック前の信号を用いたが、確実に検出できれば3クロック前に限らず、直前近傍の信号であれば良い。
また、遅延情報選択回路152は、U相インバータ階調指令信号11u、12u(AU、BU、CU、DU、EU)と、3クロック前のU相インバータ階調指令信号11ua、12ua(A1U、B1U、C1U、D1U、E1U)と、U相の電圧/電流極性isdを示すU相電流極性信号13uとを入力として、予め設定されて記憶されている遅延記憶情報から、3レベルインバータ3の出力電圧切替タイミングの遅延情報(U相遅延情報)33uを抽出して出力する。
上記遅延記憶情報について以下に説明する。
上述したように、各インバータ3、4では、短絡防止遅延制御に起因して、電圧/電流極性isdにより出力電圧の切替タイミングに短絡防止時間分だけ遅れが発生するが、遅れ時間の大きい3レベルインバータ3の遅れについての情報を遅延記憶情報として保持する。
単相多重変換器の出力電圧(この場合U相電圧)の階調切替時に、3レベルインバータ3の出力電圧切替タイミングがどのように遅れるかは、U相インバータ階調指令信号11u、12u(AU、BU、CU、DU、EU)と、切替前(3クロック前)のU相インバータ階調指令信号11ua、12ua(A1U、B1U、C1U、D1U、E1U)と、U相電流極性信号13u(電圧/電流極性isd)とで予め決まっており、このため、これらの情報を遅延記憶情報として予め設定して記憶しておく。
U相電流極性信号13u(電圧/電流極性isd)が同極性の場合の遅延記憶情報を図11に、異極性の場合の遅延記憶情報を図12に示す。図に示すように、U相インバータ階調指令信号であるAU、BU、CU、DU、EUと、3クロック前のA1U、B1U、C1U、D1U、E1Uと、U相の電圧/電流極性isdと、その時点の3レベルインバータ3の出力電圧切替タイミングが遅れるか遅れないかの遅延情報を予め設定して記憶している。なお、図では、その時点の単相多重変換器の出力電圧階調値、各インバータ3、4の出力電圧階調値も記載した。
なお、単相多重変換器の出力電圧階調切替時で、その時点の3レベルインバータ3の出力電圧に変化がない時は、遅延情報0を設定する。また、AU、BU、CU、DU、EUと3クロック前のA1U、B1U、C1U、D1U、E1Uとが異なる場合、即ち、単相多重変換器の階調切替時の場合のみを表に示したが、2種の信号が一致する場合は、遅延情報0を設定する。
遅延情報選択回路152から出力されるU相遅延情報33uは、単相多重変換器の階調切替時には、図11、図12に示す遅延情報となり、該階調切替時以外は常時、遅延情報0となる。
このように、出力電圧切替遅延予測部では、ビット情報変化信号163を単相多重変換器の出力電圧における階調切替時の検出信号として出力すると共に、短絡防止遅延制御に起因した3レベルインバータ3の出力電圧切替タイミングの遅延情報33uを、予め設定して保持している遅延記憶情報から抽出して出力する。実際には短絡防止遅延制御は後段で行うものであるため、未制御である該短絡防止遅延制御に起因する遅延情報を予測して出力することになる。
最適化演算部は、図10に示すように、最適遅延時間決定回路154、カウンタ回路156および状態ビット切替回路157で構成される。なお、162はU相ビット情報変化信号163によるリセット信号である。
最適化演算部の最適遅延時間決定回路154は、遅延情報33uを入力すると共に、U相ビット情報変化信号163を入力してマルチレベルインバータ4に対する最適遅延時間を演算し、該最適遅延時間に対応するクロック信号のカウント数であるU相遅延カウント情報155を出力する。
最適遅延時間決定回路154における動作について、以下に説明する。
階調切替時の検出信号であるU相ビット情報変化信号163が最適遅延時間決定回路154に入力されると、その時点の遅延情報33uが「1:遅れる」場合、マルチレベルインバータ4の出力電圧切替タイミングを3レベルインバータ3の短絡防止時間分(t1)だけ遅らせるための演算を行う。即ち、最適遅延時間として、3レベルインバータ3の短絡防止時間t1を決定し、この短絡防止時間t1をクロック周期で除算し、対応するカウント数であるU相遅延カウント情報155を出力する。一方、U相ビット情報変化信号163が最適遅延時間決定回路154に入力された時点の遅延情報33uが「0:遅れない」場合は、最適遅延時間として0を決定し、対応するカウント数=0であるU相遅延カウント情報155を出力する。
このように最適遅延時間決定回路154では、U相ビット情報変化信号163が入力された時点の遅延情報33uを用いて、予測される3レベルインバータ3の出力電圧切替タイミングに、マルチレベルインバータ4の出力電圧切替タイミングがほぼ同期するように、マルチレベルインバータ4に対する最適遅延時間を決定して遅延カウント情報155を出力することになる。
カウンタ回路156では、U相遅延カウント情報155を入力として、U相ビット情報変化信号163によるリセット信号162を起点として指定されたカウント数までクロック信号161を数え、カウント終了時に出力信号であるイネーブル状態情報164を変化させる。状態ビット切替回路157では、主制御回路10からのU相インバータ階調指令信号11u、12uと、カウント回路156からのイネーブル状態情報164とが入力され、3レベルインバータ階調指令信号11uはすぐに出力されるが、マルチレベルインバータ階調指令信号12uは、イネーブル状態情報164が変化した時、出力される。このように、状態ビット切替回路157からは、U相インバータ階調指令信号11u、12uの切替タイミングを最適化した最適化階調指令信号30が出力される。
なお、最適遅延時間、および短絡防止時間は、階調制御における階調切替区間に対応する時間に比べて十分に短いものであり、階調制御は、最適遅延時間による最適化遅延制御および短絡防止時間による短絡防止遅延制御を、制御性良く併用できる。
以上が電圧切替最適化遅延制御論理回路51を説明したものであり、この後、最適化階調指令信号30は、上述したようにゲートパルス生成論理回路52に入力され、ゲート信号31に変換される(図6参照)。図13に、最適化階調指令信号30からゲート信号31に変換するゲートパルス生成論理表を示す。各相共通のため、最適化階調指令信号30を(A、B、C、D、E)と表し、2ビットの3レベルインバータ最適化階調指令信号(A、B)から3レベルインバータ3への4個の半導体スイッチング素子S1〜S4へのゲート信号31の生成について図13(a)に示す。また、3ビットのマルチレベルインバータ最適化階調指令信号(C、D、E)からマルチレベルインバータ4への8個の半導体スイッチング素子SS1〜SS8へのゲート信号31の生成について図13(b)に示す。
そして、上述したように、短絡防止遅延制御論理回路53は、ゲートパルス生成論理回路52からのゲート信号31を入力として、各インバータ3、4内で出力切替時のアーム短絡防止のため、所定の短絡防止時間分(3レベルインバータ3に対する短絡防止時間t1、マルチレベルインバータ4に対する短絡防止時間t2)、所定の半導体スイッチング素子へのゲート信号を遅らせる短絡防止遅延制御を行って、3レベルインバータゲート信号32aおよびマルチレベルインバータゲート信号32bを出力する(図6参照)。
この3レベルインバータゲート信号32aおよびマルチレベルインバータゲート信号32bに基づいて各インバータ3、4を駆動するが、単相多重変換器の出力電圧の階調切替時に、出力切替の対象となるインバータ3、4において出力電圧切替タイミングがほぼ同期するものとなる。
この実施の形態では、以上のように、インバータのアーム短絡を防止する短絡防止遅延制御だけでなく、該短絡防止遅延制御に起因した3レベルインバータ3の出力電圧切替タイミングの遅延情報を予測して、マルチレベルインバータ4の出力電圧切替タイミングを最適化するための最適遅延時間を演算し、各インバータ3、4の出力電圧切替タイミングをほぼ同期させる最適化遅延制御を行うようにした。
図14に示すように、単相多重変換器の出力電圧(全体出力電圧)と負荷電流が同極性のとき、3階調から4階調への階調切替時に3レベルインバータ3の出力電圧切替タイミングは短絡防止遅延制御により短絡防止時間(t1)遅れるが、そのとき、マルチレベルインバータ4の出力電圧切替タイミングを最適化遅延制御により上記短絡防止時間(t1)と同じだけ遅延させることにより、各インバータ3、4の出力電圧切替タイミングをほぼ同期させることができる。このため、電磁波ノイズの原因となるスパイク電圧を抑制することができる。
図15に比較例として、短絡防止遅延制御のみ行い、最適化遅延制御を行わない場合について示す。図に示すように、単相多重変換器の出力電圧が3階調から4階調へ切り替わる時、マルチレベルインバータ4が3レベルインバータ3よりも先に出力階調が切り替わるため、負方向に大きなスパイク電圧が発生することが判る。
以上のように、この実施の形態では、短絡防止遅延制御と最適化遅延制御とにより、出力電圧の階調切替時に各インバータ3、4の出力電圧切替タイミングをほぼ同期させることができ、スパイク電圧を信頼性よく効果的に抑制できる。このため、中性点や漂遊のコンデンサを介して流れる電流を抑制することができ、電磁波ノイズを低減することができる。
また、この実施の形態では、単相多重変換器の階調切替時を検出して、検出信号であるビット情報変化信号163の発生時点での3レベルインバータ出力電圧切替タイミングの予測遅延情報に基づいて、マルチレベルインバータ4の最適遅延時間を決定するため、階調切替時の状態に合致した制御が可能になる。
さらに、出力電圧切替タイミングの予測遅延情報を、予め設定して保持している遅延記憶情報から抽出して得るため、未制御である短絡防止遅延制御に起因する遅延情報を容易に信頼性よく予測できる。
さらにまた、最適化遅延制御では、クロック信号161をカウントするカウンタ回路156により、階調制御指令信号11、12を最適遅延時間に対応するカウント数だけ遅延させて出力するため、ゲート信号を微小な最適遅延時間だけ確実に遅延させることができ、信頼性の高い制御が行える。
また、この実施の形態では、発生電圧が最大の3レベルインバータ3のみ、短絡防止遅延制御に起因した遅延情報を予測して用いた。通常、発生電圧が大きいインバータでは、設定する短絡防止時間が長く、それによる遅延が大きくなると共に、出力電圧切替の頻度が少ないものである。このため、発生電圧が最大のインバータ3の遅延情報のみを用いることで、効率的で容易な制御が実現できる。
また、この実施の形態では、単相多重変換器をスター結線して3相負荷に電力供給し、スター結線接続点側の3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用いたため、各相の出力電圧のスパイク電圧が抑制でき、浮遊容量や負荷の中性点に流れる電流が抑制されて漏洩ノイズが低減でき、信頼性の高い階調制御が行える3相インバータ装置が安価な装置構成で得られる。
なお、上記実施の形態では、発生電圧が最大の3レベルインバータ3のみ、短絡防止遅延制御に起因した遅延情報を予測して用いた。これは、他方のマルチレベルインバータ4の短絡防止遅延制御による遅延時間を概0と見なして、このため、3レベルインバータ3の最適遅延時間を0として制御することと同じである。マルチレベルインバータ4の短絡防止遅延制御による遅延時間t2を考慮して、双方のインバータ3、4の遅延情報をそれぞれ予測して用いることもできる。
その場合、階調切替時に、遅延時間が大きい方の出力電圧切替タイミングに他方の切替タイミングを同期させるように、各単相インバータ3、4の最適遅延時間を決定すればよい。例えば、短絡防止遅延制御によりインバータ3、4の出力電圧切替タイミングが共に遅れるとき、マルチレベルインバータ4の出力電圧切替タイミングを遅延させる最適遅延時間を(t1−t2)とする。また、短絡防止遅延制御によりマルチレベルインバータ4の出力電圧切替タイミングのみが遅れるとき、3レベルインバータ3の出力電圧切替タイミングを遅延させる最適遅延時間をt2とする。これにより、出力電圧の階調切替時に各インバータ3、4の出力電圧切替タイミングを高精度に同期させることができ、スパイク電圧を信頼性よく確実に抑制できる。
また、上記実施の形態では、3レベルインバータ3とマルチレベルインバータ4とで単相多重変換器を構成したが、3つ以上の単相インバータで構成しても良い。その場合、発生電圧が最大である単相インバータのみ、短絡防止遅延制御による遅延情報を予測して用い、その他の単相インバータの出力電圧切替タイミングを最適化遅延制御により遅延させる。また、単相多重変換器を3つ以上の単相インバータで構成する場合、発生電圧が比較的大きい複数の単相インバータの遅延情報を用いても良く、その場合、その他の単相インバータは遅延時間を0と見なし、最適遅延時間を、各単相インバータの出力電圧切替タイミングがほぼ同期するように演算する。これらの場合も、上記実施の形態1と同様に、出力電圧の階調切替時に各インバータの出力電圧切替タイミングを、効率的な制御でほぼ同期させることができ、スパイク電圧を信頼性よく効果的に抑制できる。
また上記実施の形態1では、ゲート信号生成回路15を有する高精度波形制御回路14は、デジタル論理回路として説明したが、アナログ回路あるいはソフトウェアで動作する中央演算処理回路(CPU)であっても良い。
また、ゲート信号生成回路15において、電圧切替最適化遅延制御論理回路51をゲート信号生成回路15の前段に配し、情報量の少ない階調制御指令信号11、12の段階で最適化遅延制御を行ったが、電圧切替最適化遅延制御論理回路51をゲート信号生成回路15の後段に配し、各インバータ3、4の半導体スイッチング素子へのゲート信号に変換した後に最適化遅延制御を行っても良い。
実施の形態2.
上記実施の形態1では、単相多重変換器の出力電圧の各階調切替時に、各インバータ3、4の出力電圧切替タイミングを同期させるように最適化遅延制御したが、この実施の形態では、スパイク電圧発生の可能性がある場合に限って最適化遅延制御する。
出力電圧切替タイミングのズレによってスパイク電圧が発生する場合は、例えば3階調から4階調への階調切替時(図14参照)のように、発生電圧を上昇させる(0A.U.から+7A.U.)ように切り替えるインバータ3と、発生電圧を下降させる(+3A.U.から−3A.U.)ように切り替えるインバータ4との組み合わせで単相多重変換器の出力電圧階調を変化させる場合である。3個以上の単相インバータの組み合わせで単相多重変換器の出力電圧階調を変化させる際にも、出力電圧切替の電圧変化方向が互いに逆であるものを含む場合に、出力電圧切替タイミングのズレによってスパイク電圧が発生する。
このため、短絡防止遅延制御による遅延情報を予測して用いる所定の単相インバータ、例えば発生電圧が最大の第1の単相インバータの出力電圧切替時に、他の単相インバータ(第2の単相インバータ)が第1の単相インバータの電圧変化方向と逆方向の切替を行って、これらを含む出力電圧切替で単相多重変換器の階調切替が為されるときに、最適遅延時間を演算して最適化遅延制御を行うようにする。
上記制御により、スパイク電圧発生の可能性がある場合に限って効率的に最適化遅延制御が行え、容易で効率的な制御で、確実にスパイク電圧が抑制でき、スパイク電圧によって流れる電流も抑制できて、電磁波ノイズを低減することができる。
実施の形態3.
上記実施の形態1では、短絡防止遅延制御に起因した遅延情報に基づいて、最適遅延時間を各単相インバータの出力電圧切替タイミングがほぼ同期するように演算するものとした。この実施の形態では、各インバータでのスイッチング時間の違いを考慮して、即ち出力電圧切替時の過渡的電圧変化時間を考慮して最適遅延時間を調整するようにする。
単相多重変換器を構成する複数の単相インバータでは、スイッチング時間が異なり、このため出力電圧切替時の過渡的電圧変化時間が異なるものである。上記実施の形態1で示した3レベルインバータ3とマルチレベルインバータ4との組み合わせの場合、発生電圧の大きい3レベルインバータ3のスイッチング時間がマルチレベルインバータ4よりも十分に長い。
例えば、単相多重変換器の出力電圧が3階調から4階調への階調切替時を例にして図16を用いて以下に説明する。図16(a)に示すように、3レベルインバータ3は0A.U.から+7A.U.に電圧が変化するが、短絡防止遅延制御に起因してt1時間遅れて立ち上がり開始し、+7A.U.に到達するのにt0時間(過渡的電圧変化時間)要する。この階調切替時に、マルチレベルインバータ4は+3A.U.から−3A.U.に電圧が変化するが、このとき電圧切替最適化遅延制御論理回路51は、最適化演算部でのマルチレベルインバータ4の最適遅延時間を、短絡防止遅延制御に起因する遅延情報に基づいて演算されるt1時間を所定時間a(a≦t0)だけ長くなるように調整する。この場合、図16(b)に示すように、a=(t0)/2とした。
これにより、各単相インバータの出力電圧切替タイミングをより信頼性よく同期させることができる。スパイク電圧の抑制制御の精度が向上する。
なお、マルチレベルインバータ4は、電圧変化を段階的に変化させることが可能であるため、図16(c)に示すように、まず、(t1+(t0)/2)時間、遅延させて+3A.U.から0A.U.に変化させ、さらに(t0)/2時間、遅延させて0A.U.から−3A.U.に変化させても良く、さらに高精度にスパイク電圧の抑制制御が行える。
また、マルチレベルインバータ4の過渡的電圧変化時間も併せて考慮して各インバータ3、4の最適演算時間を演算しても良く、スパイク電圧の抑制制御が一層精度良く行える。
実施の形態4.
上記実施の形態1では、スター結線接続点側の3相の単相インバータに、コンデンサ1aを共用とする3相3レベルインバータ3を用い、3相3レベルインバータ3の各相にマルチレベルインバータ4を直列に接続したが、各相の単相多重変換器を、同種の回路構成でそれぞれ出力電圧が異なる複数個の単相インバータを直列接続して構成しても良い。
図17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装置としての3相インバータ装置101の主回路構成を示す図である。図に示すように、各相がスター結線された3相インバータ装置101により、制御装置108を備えて3相負荷105に電力供給するもので、それぞれの相は3個の単相インバータ102〜104が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102〜104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、直流電源となるコンデンサ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、106、107はそれぞれインバータ側中性点、負荷側中性点を示す。
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(1A.U.出力単相インバータ104、2A.U.出力単相インバータ103、4A.U.出力単相インバータ102)は、それぞれ直流電源を電圧源として電圧出力するが、電圧比(絶対値)は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。また、上記直流電源の電圧比は、1:2:4に限らず、1:3:4、1:3:5、1:3:6、1:3:7等でも良く、それぞれの場合について、各単相インバータ104〜102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18の論理表に示す。
制御装置108は、上記実施の形態1と同様に、主制御回路10および高精度波形制御回路14を備え、主制御回路10は、各単相インバータ102〜104の各階調値を演算する。また、高精度波形制御回路14では、ゲート信号生成回路15にて、各インバータ102〜104内のアーム短絡防止のための短絡防止遅延制御と、該短絡防止遅延制御による各単相インバータの出力電圧切替タイミングのずれを防止する電圧切替最適化遅延制御とがなされたゲート信号を生成する。
この場合、発生電圧が最大である4A.U.出力単相インバータ102の遅延情報を予め遅延記憶情報として設定して保持しておき、単相多重変換器の階調切替を検出するビット情報変化信号163が入力された時点の遅延情報33を上記遅延記憶情報から抽出して、予測される単相インバータ102の出力電圧切替タイミングに、他の単相インバータ103、104の出力電圧切替タイミングがほぼ同期するように、最適遅延時間を決定する。
例えば、図19に示すように、単相多重変換器の出力電圧が3階調から4階調へ切り替わる際、1A.U.出力単相インバータ104と2A.U.出力単相インバータ103とは、出力電圧をオンからオフへ切り替え、4A.U.出力単相インバータ102は出力電圧をオフからオンへ切り替える。このとき、4A.U.出力単相インバータ102の出力電圧切替タイミングが短絡防止遅延制御により短絡防止時間(t1)遅れるものとする。図19(a)に示すように、1A.U.出力単相インバータ104と2A.U.出力単相インバータ103の各出力電圧切替タイミングを最適化遅延制御により上記短絡防止時間(t1)と同じだけ遅延させることにより、各単相インバータ102〜104の出力電圧切替タイミングをほぼ同期させることができる。
図19(b)に比較例として、短絡防止遅延制御のみ行い、最適化遅延制御を行わない場合について示す。図に示すように、単相多重変換器の出力電圧が3階調から4階調へ切り替わる時、1A.U.出力単相インバータ104と2A.U.出力単相インバータ103とが4A.U.出力単相インバータ102よりも先に出力電圧が切り替わるため、負方向に大きなスパイク電圧が発生することが判る。
以上のように、この実施の形態においても、短絡防止遅延制御と最適化遅延制御とにより、出力電圧の階調切替時に各インバータ102〜104の出力電圧切替タイミングをほぼ同期させることができ、スパイク電圧を信頼性よく効果的に抑制できる。このため、中性点や漂遊のコンデンサを介して流れる電流を抑制することができ、電磁波ノイズを低減することができる。
なお、この実施の形態においても、上記実施の形態2、3を適用でき、スパイク電圧が発生する可能性のある場合に限って最適化遅延制御を効率的に行っても良く、また、出力電圧切替時の過渡的電圧変化時間を考慮して最適遅延時間を調整するようにしても良く、それぞれ上記実施の形態2、3と同様の効果が得られる。
この発明の実施の形態1による3相インバータ装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態1による3相インバータ装置の主回路構成を示す図である。 この発明の実施の形態1による3レベルインバータの動作を説明する図である。 この発明の実施の形態1によるマルチレベルインバータの動作を説明する図である。 この発明の実施の形態1による3相インバータ装置の各相出力電圧波形を示す図である。 この発明の実施の形態1による3相インバータ装置の制御回路を説明する図である。 この発明の実施の形態1による短絡防止遅延制御を説明する図である。 この発明の実施の形態1による短絡防止遅延制御における出力電圧切替タイミングの遅れと電圧/電流極性との関係を示す図である。 この発明の実施の形態1による出力電圧切替遅延予測部の構成を示す図である。 この発明の実施の形態1による最適化演算部の構成を示す図である。 この発明の実施の形態1による電圧切替最適化遅延制御論理回路が備える遅延記憶情報を示す図である。 この発明の実施の形態1による電圧切替最適化遅延制御論理回路が備える遅延記憶情報を示す図である。 この発明の実施の形態1による、階調指令信号からゲート信号への変換論理を示す図である。 この発明の実施の形態1による制御動作を説明する出力波形を示す図である。 この発明の実施の形態1の比較例による出力波形を示す図である。 この発明の実施の形態3による制御動作を説明する出力波形を示す図である。 この発明の実施の形態4による3相インバータ装置の主回路構成を示す図である。 この発明の実施の形態4による各相のインバータ出力論理と出力階調(電圧レベル)との関係を示した図である。 この発明の実施の形態4による制御動作を説明する出力波形を示す図である。
符号の説明
1 3相3レベルインバータの直流入力回路、1a コンデンサ、
3 3相3レベルインバータ、4 単相マルチレベルインバータ、
5 マルチレベルインバータの直流入力回路、7 負荷回路、10 主制御回路、
11 3レベルインバータ階調指令信号、
11u U相3レベルインバータ階調指令信号、
12 マルチレベルインバータ階調指令信号、
12u U相マルチレベルインバータ階調指令信号、
13 電圧/電流極性としての電流極性信号、
13u U相電圧/電流極性としてのU相電流極性信号、
15 駆動信号発生部としてのゲート信号生成回路、30 最適化階調指令信号、
32a 3レベルインバータゲート信号、32b マルチレベルインバータゲート信号、
33u U相遅延情報、51 電圧切替最適化遅延制御論理回路、
52 ゲートパルス生成論理回路、53 短絡防止遅延制御論理回路、
101 3相インバータ装置、102 4A.U.出力単相インバータ、
103 2A.U.出力単相インバータ、104 1A.U.出力単相インバータ、
105 負荷、108 制御装置、152 遅延情報選択回路、
153 階調切替時検出手段としてのビット情報変化検出回路、
154 最適遅延時間決定回路、155 U相遅延カウント情報、
156 カウント回路、161 クロック信号、
163 U相階調切替時検出信号としてのU相ビット情報変化信号、
t0 過渡的電圧変化時間、t1 短絡防止時間。

Claims (7)

  1. 複数の半導体スイッチング素子を備えて直流電源からの直流電力を交流電力に変換するインバータの交流側を複数直列接続して多重変換器を構成し負荷に電力供給する電力変換装置において、
    記多重変換器は、上記複数の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出力電圧を階調制御するものであり、該階調制御の指令信号を入力として上記各半導体スイッチング素子への駆動信号を発生する駆動信号発生部に短絡防止遅延制御部と電圧切替最適化遅延制御部とを設け、
    上記短絡防止遅延制御部は、上記各インバータ毎に複数の上記半導体スイッチング素子の短絡防止のための所定の短絡防止時間を設定して駆動信号のオンオフタイミングを遅延させて制御し、
    上記電圧切替最適化遅延制御部は、所定のインバータの上記短絡防止遅延制御に起因した出力電圧切替タイミングの遅延情報を予測する出力電圧切替遅延予測手段、および該予測された遅延情報に基づいて所定のインバータと他の各インバータの出力電圧切り替えを同時点に行う最適遅延時間を決める最適化演算手段を備えて、他の各インバータの出力電圧切替タイミングを上記最適遅延時間、遅延させることにより、記多重変換器の出力電圧階調が変化する際に発生するスパイク電圧を抑制することを特徴とする電力変換装置。
  2. 上記遅延情報を予測する所定のインバータは、上記多重変換器内で、発生電圧が最大の1つのインバータ、あるいは発生電圧が比較的大きい複数のインバータであることを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
  3. 上記遅延情報を予測する所定のインバータの出力電圧切替と、該出力電圧切替と電圧変化方向が互いに逆であるインバータの出力電圧切替とを含む複数のインバータの出力電圧切替により上記多重変換器の出力電圧階調を変化させる際に、上記電圧切替最適化遅延制御部は、最適化演算手段により最適遅延時間を演算して、各インバータの出力電圧切替タイミングを上記最適遅延時間、遅延させて制御することを特徴とする請求項1または2記載の電力変換装置。
  4. 上記最適遅延時間を演算する最適化演算手段は、出力電圧切替時の所定のインバータの過渡的電圧変化時間の長さにともない上記最適遅延時間を変更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。
  5. 記多重変換器の出力の電圧と電流の極性を検出する手段を有し、上記電圧切替最適化遅延制御部は、上記短絡防止遅延制御に起因した上記所定のインバータの出力電圧切替タイミングの遅延情報を上記電圧と電流の極性と関連づけて予め保持し、上記階調切替遅延予測手段は、上記階調制御指令信号から上記多重変換器における階調切替時を検出し、当該階調切替時における上記所定のインバータの出力電圧切替タイミングの遅延情報を、上記検出された電圧と電流の極性に基づいて上記保持された遅延情報から抽出して予測することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の電力変換装置。
  6. 上記電圧切替最適化遅延制御部は、クロック信号をカウントするカウンタ回路を備え、上記階調制御指令信号により上記電圧切替最適化遅延制御部に入力された信号を、上記最適遅延時間に対応するカウント数だけ遅延させて出力することで、上記各インバータの出力電圧切替タイミングを遅延制御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。
  7. 上記電力変換装置は、上記多重変換器を3個備えて3相スター結線し、3相負荷に電力供給するものとし、該スター結線接続点側の3相の各インバータは、コンデンサを共用とする3相3レベルインバータを構成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。
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