JP4277360B2 - 3レベルインバータの制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、3レベルインバータの制御装置に関し、詳しくは、PWM(パルス幅変調)制御における変調方式間の円滑な移行を可能にした制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図4は、3レベルインバータの主回路構成の一例である。
同図において、110は直流電源、101は正側コンデンサ、102は負側コンデンサ、81〜92は半導体スイッチング素子としての逆導通ゲートターンオフ(以下GTO)サイリスタ、93〜98は結合ダイオード、103は電動機である。
【0003】
3レベルインバータは、図4に示す主回路構成において、直列に接続された2個の直流入力コンデンサ101,102に加わる直流電圧をEdとすると、各相の出力電圧として+Ed/2,0(零電位),−Ed/2の3値を出力できるという特徴を持っている。このため、各相の出力電圧として+Ed/2,−Ed/2の2値を出力する2レベルインバータと比べて、出力電圧のレベル数が増加し、高調波を低減できるという長所を持っている。
このような3レベルインバータの主回路構成については、例えば、特開昭56−74088号公報に記載されている。
【0004】
3レベルインバータでは、主回路のスイッチング素子を動作させるPWM信号の発生方式として様々な方式があるが、代表的なものとしてユニポーラ変調とダイポーラ変調がある。
前者は、図10のように、出力相電圧の波形の1周期間において半周期間は零電位と正側電位(+Ed/2)とを繰り返すパルス列を出力し、残りの半周期間は零電位と負側電位(−Ed/2)とを繰り返すパルス列を出力することが特徴である。また、後者は、図9のように、出力相電圧の波形において正側電位(+Ed/2)と負側電位(−Ed/2)とを零電位を経由しながら交互に出力するパルス列からなることが特徴である。
【0005】
これらの変調方式に関する従来技術としては、「A NOVEL APPROACH TO THE GENERATION AND OPTIMIZATION OF THREE-REVEL PWM WAVE FORMS」(PESC '88 Record. April 1988、以下、文献1とする)の1255ページから1262ページに、3レベルインバータの高調波低減を目的として、ダイポーラ変調方式とユニポーラ変調方式とを出力電圧の大きさにより切り替えることが記述されている。
【0006】
前述した図9及び図10は、上記文献1に記載されているダイポーラ変調及びユニポーラ変調のPWM方式の原理図である。これらの図から明らかなように、文献1の従来技術においては、ダイポーラ変調とユニポーラ変調では搬送波と電圧指令との比較方法が異なるので、出力電圧の大きさに応じて両変調方式を切り替えるには複雑な回路が必要であり、特に搬送波と電圧指令の両方の位相を厳密に制御しなければならない。
【0007】
別の従来技術として、特開平5−344739号公報(以下、文献2とする)及び特開平6−30564号公報(以下、文献3とする)には、上述したダイポーラ変調、ユニポーラ変調を含む変調方式間の移行方法を示す記述がある。
これらのうち文献2では、ダイポーラ変調から部分ダイポーラ変調を経由してユニポーラ変調に移行する記述がある。ここで、部分ダイポーラ変調はユニポーラ変調とダイポーラ変調との特徴を併せ持つ変調方式であり、後述する図8(3)のように電圧指令の位相が0°及び180°付近では零電位を経由して正側と負側のパルス列を交互に出力し、その他の位相では、零電位と正側電位(+Ed/2)または零電位と負側電位(−Ed/2)を含むパルス列を連続して出力する。
【0008】
また、文献3に示された変調方式の説明図には、異なった2個の電圧指令をそれぞれ位相の異なる2個の搬送波と比較してPWM信号を発生する方法が示されている。更に、文献3に示されている方式では、複数の変調方式を切り替えながら電圧指令の振幅が搬送波の振幅を超えるモ−ド(過変調)を経由して1パルス(変調波1周期に1パルス)に移行する方式が示されている。
【0009】
以上に示した従来技術は、ダイポーラ変調から他の変調方式に移行することで出力電圧の低い領域から高い領域までを制御しようとするものであるが、従来技術の特開平7−194133号公報(以下、文献4とする)には、ダイポーラ変調により零電圧を含む低い電圧からある程度高い電圧まで連続的に電圧を制御する方法が紹介されている。
この従来技術を、図5〜図7を用いて説明する。図5は3レベルインバータの1相分(例えば図4におけるR相)の主回路とその制御ブロック図であり、図6及び図7はその制御方法を説明するための波形比較図である。
【0010】
まず、図6(1)に示す第1の電圧指令V*に対して、図5のバイアス量演算回路4から出力されたバイアス量Bを加算器65,66により減算または加算し、その出力を制限回路31,32及び補正量演算回路36,37へ導く。補正量演算回路36,37は補正量S1,S2を演算し、これらの補正量S1,S2を加算器67,68に入力して前記制限回路31,32の出力にそれぞれ加算することにより、第2、第3の電圧指令VA *,VB *が求められる。なお、9は制限値演算回路である。
【0011】
次に、VA *は比較器61に導かれて搬送波発振器52からの搬送波Cと比較され、この結果がGTOサイリスタ81のスイッチングを行うPWM信号P1となる。同様にVB *は比較器62に導かれて搬送波Cと比較され、この結果がGTOサイリスタ82のスイッチングを行うPWM信号P2となる。また、PWM信号P1及びP2はそれぞれ反転回路71,72に導かれ、これらの出力がGTOサイリスタ83,84のスイッチングを行うPWM信号P3,P4となる。
そして、他の相についても同様にPWM信号を求め、図4に示したGTOサイリスタ85〜92をスイッチングする。
【0012】
図6(3)はR相の出力電圧VRの波形である。一般に、インバータにおいて電圧指令V*は変調率指令λ*と電圧指令の波形を表す関数f(θ)との積で表され、例えば電圧指令の波形を数式1に示す正弦波とすれば、前記電圧指令V*は数式2のようになる。
【0013】
【数1】
f(θ)=sinθ
【0014】
【数2】
V*=λ*・sinθ
【0015】
図6(1)のように変調率指令λ*の大きさが0≦λ*≦(Lmax−B)の状態では、電圧指令V*の大きさは(Lmax−B)を超えることがない。この時、電圧指令V*にバイアス量Bを加算または減算した値は搬送波Cの振幅を超えることがないため、補正量S1=S2=0となり、図6において電圧指令V*に一定値のバイアス量Bを減算または加算したものがそのまま電圧指令VA *またはVB *となり、これらの関係は数式3、数式4のように表される。
【0016】
【数3】
VA *=V*−B
【0017】
【数4】
VB *=V*+B
【0018】
一方、図7(1)のように変調率指令λ*の大きさが(Lmax−B)を超える領域では、電圧指令V*にバイアス量Bを加算または減算して得られた値は図7(2)の斜線部▲1▼,▲4▼で制限値を超えてしまう。このような場合は、斜線部▲1▼,▲4▼では電圧指令が制限値を超えないように大きさを制限する。しかし、このままでは必要な出力電圧が得られなくなるので、VB *の斜線部▲1▼をVA *の斜線部▲2▼で不足分だけ補正(補正量:S1)し、電圧指令どおりの出力電圧を得るようにする。この時、VA *及びVB *は数式5、数式6で表される。
【0019】
【数5】
VA *=V*−B+S1
【0020】
【数6】
VB *=Lmax
【0021】
また、数式5の補正量S1は、数式7により表される。
【0022】
【数7】
S1=V*−(Lmax−B)
【0023】
ゆえに、電圧指令VA *は数式8のようになる。
【0024】
【数8】
VA *=2V*−Lmax
【0025】
同様に、図7(1)において制限値を超えている図7(2)のVA *の斜線部▲4▼は、電圧指令どおりの出力電圧が得られるようにVB *の斜線部▲3▼について補正(補正量:S2)を加える。
このとき、電圧指令のVA *,V*とVB *の関係は、数式9、数式10で示される。
【0026】
【数9】
VA *=−Lmax
【0027】
【数10】
VB *=V*+B−S2
【0028】
また、数式10における補正量S2は数式11により表される。
【0029】
【数11】
S2=V*+(Lmax−B)
【0030】
ゆえに、電圧指令VB *は数式12のようになる。
【0031】
【数12】
VB *=2V*+Lmax
【0032】
なお、上記以外の電圧指令V*の大きさが(Lmax−B)を超えない領域では、補正量S1=S2=0となり、この時、電圧指令VA *,VB *はそれぞれ前述の数式3、数式4で表される。
ここで、図5に示した補償量演算回路36,37は、電圧指令の大きさにより数式13または数式14のように補正量S1,S2を演算する。
【0033】
【数13】
【0034】
【数14】
【0035】
上述した従来技術では、出力電圧を零から最大値まで電圧指令に対し連続的に制御可能であるが、補正量S1,S2が大きくなると2個の電圧指令が重なり、2個の主回路素子(例えば、図4のR相ではGTOサイリスタ81と82、及び83と84)を同時にオンオフするPWM信号が発生する。
また、補正量S1,S2が更に大きくなると、制限値に固定されている電圧指令をもう一方の補正を受けた電圧指令が超えてしまい、3レベルインバータでは禁止されているスイッチング状態(例えば図4のR相ではGTOサイリスタ81及び84がオンする状態)となる。
【0036】
【発明が解決しようとする課題】
前記文献1の従来技術では、ダイポーラ変調とユニポーラ変調において、それぞれが電圧指令と搬送波との比較方式が異なった方式を用いているので、前述の如く、2つの変調方式を切り替えるには電圧指令及び搬送波の厳密な位相管理が必要となり、制御方式が複雑になる。
【0037】
また、前記文献2及び3の従来技術では、電圧指令と搬送波との比較方式は同一であるが、異なった2個の電圧指令を位相の異なる2個の搬送波と比較するため制御方式が複雑になるという問題がある。更に、変調方式間の移行時に電圧指令が搬送波の振幅(ピーク値)付近において発生するPWM信号のパルス幅について特に考慮されていないため、次のような別の問題がある。
【0038】
すなわち、一般に、インバータ装置では主回路動作上の制約から、スイッチング素子をオン(またはオフ)するPWM信号のパルス幅最小値が決められている。このパルス幅最小値より狭い幅のパルスを素子に与えると、素子は十分にオン(またはオフ)できなくなり、素子破壊を招く恐れがある。
また、従来技術では述べられていないが、通常、上述したような素子破壊を防止するために、パルス幅最小値より狭い幅のパルスが発生するような領域では、素子破壊を防ぐために別の手段によりパルス幅を最小値に固定するか、あるいはパルスが発生しないようにパルス幅を零としている。しかし、このようにパルス幅を固定すると、電圧指令に対して必要なパルス幅を得ることができないために出力電圧を制御できなくなるという別の不都合を生じる。
【0039】
更に、文献2に示された方法で1パルス変調を行うには、電圧指令と搬送波のそれぞれの位相を同期させるため、ここでも位相の厳密な管理が必要になるという問題もある。
【0040】
前記文献4の従来技術では、出力電圧の全領域をダイポーラ変調により実現しているので、上述したように制御装置が複雑になる問題やパルス幅最小値による問題は発生しない。しかし、前述のように3レベルインバータにおいて禁止されているスイッチング状態となり、素子破壊を起こす危険がある。また、同文献の方式ではそのまま1パルス変調に移行できないため、直流電圧に対してインバータが出力できる電圧が制限されるという問題がある。
【0041】
そこで本発明は、上述したような種々の問題点を解決し、制御方式の複雑化や出力電圧の制限等を招くことなく、安定して動作可能な3レベルインバータの制御装置を提供しようとするものである。
【0042】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明では単一の搬送波と2個の電圧指令を比較するPWM方式において、電圧指令に対して所定の制限値を設定する手段と、電圧指令やバイアス量を切り替える手段とを備えることで、3レベルインバータにおいて禁止されているスイッチング状態の発生を防止するとともに、変調方式間の移行をスムーズに行い、零電圧を含む低い出力電圧からインバータ出力電圧の最大値までを連続的かつ安定に出力させるものである。
【0043】
すなわち、請求項1記載の発明は、直流電源両端の正電位点及び負電位点とこれらの間の中性点との間に接続された直流入力コンデンサを有する直流電源回路を備え、第1〜第4の半導体スイッチング素子からなる3つの直列回路の両端が前記正電位点及び負電位点にそれぞれ接続されるとともに、第2及び第3の半導体スイッチング素子の相互接続点がインバータ出力端子にそれぞれ接続され、第1及び第2の半導体スイッチング素子の相互接続点と前記中性点との間に第1の結合ダイオードが接続され、第3及び第4の半導体スイッチング素子の相互接続点と前記中性点との間に第2の結合ダイオードが接続されてなる3レベルインバータの制御装置であって、第1の電圧指令にバイアス量を加減算して得た量に基づく第2、第3の電圧指令をそれぞれ単一の搬送波と比較することにより第1〜第4の半導体スイッチング素子に対するPWM信号を生成する制御装置において、
出力電圧の位相指令及び変調率指令に基づき、第1の電圧指令として、正弦波と、振幅が前記搬送波の振幅より大きい任意の一定値である矩形波と、を演算する電圧指令演算手段と、
この電圧指令演算手段から出力される前記正弦波と矩形波とを、変調率指令の大きさに応じて切り替える電圧指令切替手段と、
前記バイアス量を変調率指令の大きさに応じて変化させるバイアス量演算手段と、を備えたものである。
【0044】
請求項2記載の発明は、出力電圧の位相指令及び変調率指令に基づき、第1の電圧指令として、正弦波と、振幅が前記搬送波の振幅より大きい任意の一定値である矩形波と、を演算する電圧指令演算手段と、
この電圧指令演算手段から出力される前記正弦波と矩形波とを、インバータ周波数の大きさに応じて切り替える電圧指令切替手段と、
前記バイアス量をインバータ周波数の大きさに応じて変化させるバイアス量演算手段と、を備えたものである。
【0045】
請求項3記載の発明は、上記請求項1及び請求項2の発明の構成要素を併せ持つものであり、
出力電圧の位相指令及び変調率指令に基づき、第1の電圧指令として、正弦波と、振幅が前記搬送波の振幅より大きい任意の一定値である矩形波と、を演算する電圧指令演算手段と、
この電圧指令演算手段から出力される前記正弦波と矩形波とを、変調率指令及びインバータ周波数の大きさに応じて切り替える電圧指令切替手段と、
前記バイアス量を変調率指令及びインバータ周波数の大きさに応じて変化させるバイアス量演算手段と、を備えたものである。
【0046】
請求項4記載の発明は、出力電圧の位相指令及び変調率指令に基づいて第1の電圧指令を複数演算する電圧指令演算手段と、
この電圧指令演算手段から出力される複数の第1の電圧指令を変調率指令の大きさに応じて切り替える電圧指令切替手段と、
前記バイアス量を変調率指令の大きさに応じて変化させるバイアス量演算手段と、
搬送波の振幅を越えない制限値を変調率指令の大きさに応じて演算する制限値演算手段と、
第2、第3の電圧指令の一方が前記制限値を超えるときはその電圧指令を制限値に固定する制限手段と、
前記制限値を超えた一方の電圧指令から前記制限値を差し引いた値を補正量として他方の電圧指令に加算する手段と、
を備え、
前記第1の電圧指令が、1つの正弦波信号と、出力電圧の1周期当たりのパルス数が2よりも大きい互いに異なったパルス数を持つ2つの矩形波信号とからなる3つの電圧指令であることを特徴とする。
【0047】
請求項5記載の発明は、出力電圧の位相指令及び変調率指令に基づいて第1の電圧指令を複数演算する電圧指令演算手段と、
この電圧指令演算手段から出力される複数の第1の電圧指令をインバータ周波数の大きさに応じて切り替える電圧指令切替手段と、
前記バイアス量をインバータ周波数の大きさに応じて変化させるバイアス量演算手段と、
搬送波の振幅を越えない制限値をインバータ周波数の大きさに応じて演算する制限値演算手段と、
第2、第3の電圧指令の一方が前記制限値を超えるときはその電圧指令を制限値に固定する制限手段と、
前記制限値を超えた一方の電圧指令から前記制限値を差し引いた値を補正量として他方の電圧指令に加算する手段と、
を備え、
前記第1の電圧指令が、1つの正弦波信号と、出力電圧の1周期当たりのパルス数が2よりも大きい互いに異なったパルス数を持つ2つの矩形波信号とからなる3つの電圧指令であることを特徴とする。
【0048】
請求項6記載の発明は、出力電圧の位相指令及び変調率指令に基づいて第1の電圧指令を複数演算する電圧指令演算手段と、
この電圧指令演算手段から出力される複数の第1の電圧指令を変調率指令及びインバータ周波数の大きさに応じて切り替える電圧指令切替手段と、
前記バイアス量を変調率指令及びインバータ周波数の大きさに応じて変化させるバイアス量演算手段と、
搬送波の振幅を越えない制限値を変調率指令及びインバータ周波数の大きさに応じて演算する制限値演算手段と、
第2、第3の電圧指令の一方が前記制限値を超えるときはその電圧指令を制限値に固定する制限手段と、
前記制限値を超えた一方の電圧指令から前記制限値を差し引いた値を補正量として他方の電圧指令に加算する手段と、
を備え、
前記第1の電圧指令が、1つの正弦波信号と、出力電圧の1周期当たりのパルス数が2よりも大きい互いに異なったパルス数を持つ2つの矩形波信号とからなる3つの電圧指令であることを特徴とする。
【0050】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図1は本発明の第1実施形態を示す3レベルインバータの主回路1相分(図4のR相)の制御ブロック図であり、請求項1の実施形態に相当する。なお、図5と同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。
【0051】
図1において、1,2は第1の電圧指令V*の位相θ*と変調率指令λ*から2つの電圧指令の瞬時値を演算する電圧指令演算回路、3は変調率指令λ*の大きさにより電圧指令V*を切り替える電圧指令切替回路、4は変調率指令λ*からバイアス量Bを演算するバイアス量演算回路、33は第1の電圧指令V*からバイアス量Bを減算して得られた値を搬送波Cの負側の振幅に制限する制限回路、34は第1の電圧指令V*にバイアス量Bを加算して得られた値を搬送波Cの正側の振幅に制限する制限回路、52は搬送波Cを発生する搬送波発振器、61,62は第2、第3の電圧指令VA *,VB *と搬送波Cとを比較し、GTOサイリスタ81,82のスイッチングを行なうPWM信号P1,P2を演算する比較器、71,72は比較器61,62の出力がオンのときはオフ(オフの時はオン)に反転してGTOサイリスタ83,84のスイッチングを行うPWM信号P3,P4を演算する反転回路である。
【0052】
次に、この実施形態の動作について述べる。電圧指令の位相θ*により波形発生回路から出力された信号に変調率指令λ*を掛け合わせたものを演算回路1,2により生成し、切替回路3を介して電圧指令V*とし、これに加算器65,66でバイアス量Bを減算または加算する。このようにして得た電圧指令VA *とVB *をもとにしてPWM信号P1〜P4を発生する。
【0053】
いま、図6(1)のように変調率指令λ*が(Lmax−B)を超えない場合は、電圧指令VA *及びVB *は数式15、数式16で表される。ここでのバイアス量Bは搬送波Cの振幅を超えない任意の値であり、例えばB=0.5とすれば良い。
【0054】
【数15】
VA *= V*−B
【0055】
【数16】
VB *= V*+B
【0056】
この時、電圧指令を正弦波とすれば、V*は数式17となる。
【0057】
【数17】
V*= λ*・sinθ*
【0058】
次に、変調率指令λ*が徐々に増加してそのままでは電圧指令V*が(Lmax−B)を超えるようになると、この付近で問題となるパルスを発生してしまう。そこで、このような場合は電圧指令切替回路3が動作し、電圧指令V*を図8(1)の様に切り替えると同時に、バイアス量演算回路4の出力も変化する。ここで、同図の電圧指令V*は振幅をHとする矩形波であり、0°及び180°付近において零となる。また、零期間は変調率指令λ*の大きさにより決定される。
以上の関係を数式で表すと、数式18となる。
【0059】
【数18】
【0060】
数式18において、Hは搬送波Cの振幅より大きい任意の一定値であればよいので、例えば数式19で示すような値とすれば良い。
【0061】
【数19】
H=1.1
【0062】
また、Tは変調率指令λ*から、数式20のように決定される値である。
【0063】
【数20】
T=cos-1λ*
【0064】
また、バイアス量演算回路4の出力であるバイアス量Bは、変調率指令λ*の大きさに応じて数式21のように決定される。
【0065】
【数21】
【0066】
次に、電圧指令V*に対して加算器65,66によりバイアス量Bを減算または加算したのちに制限回路33,34を経て得られたVA *及びVB *は、図8(2)のようになり、それぞれ数式22、数式23で表される。
【0067】
【数22】
【0068】
【数23】
【0069】
次に、請求項2の実施形態に相当する本発明の第2実施形態を説明する。
図2は3レベルインバータ主回路1相分(図4のR相)の制御ブロック図である。図2において、5はインバータ周波数fINVにより電圧指令V*を切り替える電圧指令切替回路、6はインバータ周波数fINVからバイアス量Bを演算するバイアス量演算回路である。他の部分は図1と同様の記号を付して説明を省略する。
【0070】
一般に出力電圧及び出力周波数を可変するVVVFインバータでは、出力電圧が低く出力周波数が直流(周波数零)を含む低周波数領域から出力電圧が高く商用周波数を超える高周波数領域まで、インバータの出力電圧及び出力周波数を連続的に制御しなければならない。このためには、低周波数領域では搬送波の周波数を一定として電圧指令の周波数のみを変化させる非同期式PWMとし、高周波数領域では電圧指令の周波数と搬送波周波数との比率(変調比)を数式24のように一定とする同期式PWMが採用される。
【0071】
【数24】
fC=NN・fINV
【0072】
上記数式24において
fC:搬送波周波数
fINV:インバータ周波数
NN:インバータ周波数fINVと搬送波周波数fCとの比率(変調比)
【0073】
ここで、非同期式PWMと同期式PWMとの切替周波数は、非同期時の搬送波周波数がインバータ周波数の10倍を下回らない程度に設定されることが多い。これは、非同期式において搬送波周波数がインバータの出力周波数の10倍以下になると、インバータの出力電流に含まれる有害な高調波の影響が大きくなり、装置を安定に運転できなくなるという別の問題が起こるためである。
このような問題を防ぐために、適当な周波数において非同期式PWMと同期式PWMとを切り替えることが行われるが、この場合は前述のように制御方法が複雑になるという問題を生じる。
【0074】
以上の問題を解決するために、本実施形態では電圧指令切替回路5により、搬送波周波数fCがインバータ周波数fINVの10倍以上である場合には電圧指令を数式17で示す波形とし、搬送波周波数fCがインバータ周波数fINVの10倍程度になる付近で電圧指令を数式18で示す波形に切り替えることとした。ここで、数式17の電圧指令をV1 *、数式18の電圧指令をV2 *とすると、電圧指令切替回路5の出力は、インバータ周波数fINVに応じて数式25に示すようになる。
【0075】
【数25】
【0076】
また、電圧指令と同様にして、バイアス量演算回路6によりインバータ周波数fINVに応じてバイアス量Bを変更する。これらの関係を数式で示すと、数式26のようになる。
【0077】
【数26】
【0078】
数式25、数式26において、fasytosyは電圧指令及びバイアス量の切替周波数であり、搬送波周波数fCの10分の1程度に設定すればよい。
【0079】
次に、請求項3の実施形態に相当する本発明の第3実施形態を説明する。図3は3レベルインバータ主回路1相分(図4のR相)の制御ブロック図である。
図3において、7は変調率指令λ*とインバータ周波数fINVとに基づいて電圧指令V*を切り替える電圧指令切替回路、8は変調率指令λ*とインバータ周波数fINVとからバイアス量Bを演算するバイアス量演算回路である。
他の部分は、図1、図2と同様の記号を付して説明を省略する。
【0080】
この実施形態は、電圧指令V*及びバイアス量Bの演算方法として、図1の実施形態における変調率指令λ*から演算する方法と、図2の実施形態におけるインバータ周波数fINVから演算する方法とを併せ持つものであり、その動作は図1、図2の実施形態から容易に理解できるので、説明を省略する。
【0081】
次いで、請求項4の前提となる実施形態に相当する本発明の第4実施形態を説明する。図11は3レベルインバータ主回路1相分(図4のR相)の制御ブロック図であり、図1〜図3及び図5と同一の構成要素には同一符号を付してある。
【0082】
以下、図1〜図3と異なる部分を中心に説明すると、図11では、変調率指令λ*から搬送波の振幅を超えない制限値L1を演算する制限値演算回路9が設けられ、前記制限値L1は図5と同様に、電圧指令を制限する制限回路31,32と補正量演算回路36,37とに入力されている。
また、制限回路31の出力と補正量演算回路37から出力される補正量S2とは加算器67により加算され、その出力は電圧指令を三角波の負側の振幅に制限する制限回路40に入力され、その出力が電圧指令VA *として比較器61に入力される。
更に、制限回路32の出力と補正量演算回路36から出力される補正量S1とは加算器68により加算され、その出力は電圧指令を三角波の正側の振幅に制限する制限回路41に入力され、その出力が電圧指令VB *として比較器62に入力される。
以下の構成は図1〜図3の実施形態と同様である。
【0083】
次に、本実施形態の動作について述べる。図1の実施形態で述べたように、図6(1)のように変調率指令λ*が(Lmax−B)を超えない場合、電圧指令VA *及びVB *は前述の数式15,16で表される。
なお、制限値演算回路9の出力L1は、数式27のようにLmaxに固定しておく。
【0084】
【数27】
L1=Lmax
【0085】
変調率指令λ*の増加により電圧指令V*が(Lmax−B)を超える領域では、電圧指令V*にバイアス量Bを加算または減算して得られた値は図7(2)の斜線部▲1▼,▲4▼で制限値Lmaxを超えてしまう。このような場合は、斜線部▲1▼及び▲4▼の部分で電圧指令V*を制限値Lmaxに制限する。そして、不足した斜線部▲1▼をもう一方の電圧指令VA *で斜線部▲2▼のように補正(補正値S1)し、電圧指令通りの出力電圧を得る。この時、電圧指令VA *,VB *と補正量S1は以下の数式28〜30で表される。
【0086】
【数28】
VA *=V*−B+S1
【0087】
【数29】
VB *=Lmax
【0088】
【数30】
S1=V*+B−Lmax
【0089】
数式28、数式30から、電圧指令VA *は数式31のように整理される。
【0090】
【数31】
VA *=2V*−Lmax
【0091】
同様に制限値Lmaxを超えている斜線部▲4▼は、電圧指令通りの出力電圧を得るために斜線部▲3▼で補正(補正量:S2)を加える。この時、電圧指令VA *,VB *と補正量S2は数式32〜34で表される。
【0092】
【数32】
VA *=−Lmax
【0093】
【数33】
VB *=V*+B+S2
【0094】
【数34】
S2=V*−B+Lmax
数式33、数式34から、電圧指令VB *は数式35のように整理される。
【0095】
【数35】
VB *=2V*+Lmax
【0096】
上述した動作では、変調率指令λ*が大きくなるとやがて2個の電圧指令VA *,VB *が両方ともLmaxに近づき、やがては重なり合うことになる。このような場合は図1と同様に電圧指令切替回路3が動作して電圧指令V*を図8(1)のように切り替えると同時に、バイアス量演算回路4の出力も変化する。
電圧位相指令θ*の大きさに応じた電圧指令V*の大きさの関係は、数式18に示したとおりである。
なお、図8、数式18におけるHは搬送波の正側と負側の振幅の合計より大きい任意の一定値であれば良く、例えば数式36のような値にすれば良い。
【0097】
【数36】
H=2.1
【0098】
ここで、前述の数式17の電圧指令をV1 *、数式18の電圧指令をV2 *とすると、電圧指令切替回路3の出力は数式37のようになる。
【0099】
【数37】
【0100】
また、バイアス量演算回路4の出力であるバイアス量Bは、前述の数式21のように決定されると共に、制限値演算回路9の出力L1は、変調率指令λ*の大きさから数式38のように決定される。
【0101】
【数38】
【0102】
次に、電圧指令V*から加算器65によりバイアス量Bを減算した後に制限回路31、加算器67、制限回路40を経て得られた電圧指令はVA *となり、電圧指令V*に加算器66によりバイアス量Bを加算した後に制限回路32、加算器68、制限回路41を経て得られた電圧指令はVB *となる。これらの電圧指令VA *,VB *は、図8(2)に示した波形となる。また、補正量演算回路36,37の出力はS1=S2=0とする。この時、電圧指令VA *及びVB *はそれぞれ前述の数式22、数式23に示したとおりである。
【0103】
次いで、請求項5の前提となる実施形態に相当する本発明の第5実施形態について説明する。図12は3レベルインバータ主回路1相分(図4のR相)の制御ブロック図であり、図11と同一の構成要素には同一符号を付してある。
図12において、5は図2と同様にインバータ周波数fINVから電圧指令V*を切り替える電圧指令切替回路、6はインバータ周波数fINVからバイアス量Bを演算するバイアス量演算回路、10は変調率指令λ*から制限値L1を演算する制限回路である。他の部分の構成は図11と同様であるため説明を省略する。
【0104】
この第5実施形態は、図2と同様に、インバータ周波数fINVに応じて電圧指令V*の波形を数式25(言い換えれば数式17、数式18)により切り替え、また、インバータ周波数fINVに応じてバイアス量Bを数式26により切り替えるとともに、制限値L1についてもインバータ周波数fINVに応じて数式39により切り替えるものである。なお、数式39におけるfasytosyは数式25、数式26に示した切替周波数であり、非同期の搬送波周波数fCの10分の1程度に設定すればよい。
【0105】
【数39】
【0106】
次に、請求項6の前提となる実施形態に相当する本発明の第6実施形態を説明する。図13は3レベルインバータ主回路1相分(図4のR相)の制御ブロック図であり、図11、図12と同一の構成要素には同一符号を付してある。
図13において、7は図3と同様にインバータ周波数fINV及び変調率指令λ*から電圧指令V*を切り替える電圧指令切替回路、8はインバータ周波数fINV及び変調率指令λ*からバイアス量Bを演算するバイアス量演算回路、11は同じくインバータ周波数fINV及び変調率指令λ*から制限値L1を演算する制限回路である。他の部分の構成は図11、図12と同様であるため説明を省略する。
【0107】
この実施形態は、電圧指令V*、バイアス量B及び制限値L1の演算方法として、図11の実施形態における変調率指令λ*から演算する方法と、図12の実施形態におけるインバータ周波数fINVから演算する方法とを併せ持つものであり、その動作は図11、図12の実施形態から容易に理解できるので、説明を省略する。
【0108】
次に、請求項4の実施形態に相当する本発明の第7実施形態を説明する。図14は3レベルインバータ主回路1相分(図4のR相)の制御ブロック図であり、図11〜図13と同一の構成要素には同一符号を付してある。
図14において、2aは電圧の位相指令θ*及び変調率指令λ*から電圧指令の瞬時値を演算する電圧指令演算回路、3aは変調率指令λ*の大きさに応じて3個の電圧指令V1 *,V2 *,V3 *から一つを選択する電圧指令切替回路である。他の構成は図11と同一であり、図11の実施形態における電圧指令切替回路3を図14の3aに置き換えて3個の電圧指令V1 *,V2 *,V3 *から変調率指令λ*の大きさに応じて1個の電圧指令を選択するように構成してある。
【0109】
一般にインバータにおいてパルスの切替を行なう場合は、スイッチング損失の低減を目的として出力電圧または出力周波数の上昇に従ってパルス数を少なくすることが望ましい。また、図6や図7に示したような出力電圧の1周期当りのパルス数が多い状態から、図8のような1パルスに直接切り替えると、出力電圧に含まれる高調波成分が急激に変化するために、切替直後の電流やトルクが大きく変動することがある。この問題に対しては、切替時に図17に示すごとく1パルスよりもパルス数の多い状態を経由すれば、高調波成分による影響を低減することができる。
上記の理由により、ここでは電圧指令演算回路1,2,2aの各出力がそれぞれ数式40、数式41、数式42となるように設定して、図14の動作を説明する。
【0110】
【数40】
V1 *=λ*・sinθ
【0111】
【数41】
【0112】
【数42】
【0113】
数式40〜数式42に示した電圧指令V1 *,V2 *,V3 *は、数式43のように変調率指令λ*の大きさに応じて切り替えれば良い。また、数式43におけるL3は、数式44のような範囲の値とすれば良い。
【0114】
【数43】
【0115】
【数44】
Lmax−0.5≦L3≦1.0
【0116】
また、バイアス量演算回路4と制限値演算回路9の動作は図11と同様であり、それぞれ前述の数式21、数式38で表される。
【0117】
次に、請求項5の実施形態に相当する本発明の第8実施形態を説明する。図15は3レベルインバータ主回路1相分(図4のR相)の制御ブロック図であり、図11〜図14と同一の構成要素には同一符号を付してある。
図15において、5aはインバータ周波数fINVに応じて3個の電圧指令V1 *,V2 *,V3 *から一つを選択する電圧指令切替回路である。他の構成は図12と同一であり、図12の実施形態における電圧指令切替回路5を図15の5aに置き換えて3個の電圧指令V1 *,V2 *,V3 *からインバータ周波数fINVに応じて1個の電圧指令を選択するように構成してある。
【0118】
電圧指令切替回路5aに対する設定は前述の数式40〜数式42とすれば良く、これらの電圧指令V1 *,V2 *,V3 *は数式45のようにインバータ周波数fINVに応じて切り替えれば良い。
【0119】
【数45】
【0120】
数式45において、fmaxはインバータの最大周波数であり、f2は数式46のような範囲の値とすれば良い。
【0121】
【数46】
fasytosy≦f2≦fmax
【0122】
また、バイアス量演算回路6と制限値演算回路10の動作は、図12と同様にそれぞれ前記数式26、数式39で示される。
【0123】
最後に、請求項6の実施形態に相当する本発明の第9実施形態について説明する。図16は3レベルインバータ主回路1相分(図4のR相)の制御ブロック図であり、図11〜図15と同一の構成要素には同一符号を付してある。
図16において、7aはインバータ周波数fINV及び変調率指令λ*に応じて3個の電圧指令V1 *,V2 *,V3 *から一つを選択する電圧指令切替回路である。他の構成は図13と同一であり、図13の実施形態における電圧指令切替回路7を図16の7aに置き換えて3個の電圧指令V1 *,V2 *,V3 *からインバータ周波数fINV及び変調率指令λ*に応じて1個の電圧指令を選択するように構成してある。
【0124】
この実施形態は、電圧指令V*、バイアス量B及び制限値L1の演算方法として、図14の実施形態における変調率指令λ*から演算する方法と、図15の実施形態におけるインバータ周波数fINVから演算する方法とを併せ持つものであり、その動作は図14、図15の実施形態から容易に理解できるので、説明を省略する。
【0125】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、単一の搬送波と2個の電圧指令とを比較するPWM方式において、搬送波周波数を一定とし、電圧指令とバイアス量、制限値を適宜切り替えることにより、ダイポーラ変調から1パルスへの移行を複雑な制御回路を必要とすることなく、安全かつ円滑に行うことができる。
これにより、3レベルインバータの出力電圧を広範囲に制御することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態を示す3レベルインバータ1相分の主回路及び制御ブロック図である。
【図2】本発明の第2実施形態を示す3レベルインバータ1相分の主回路及び制御ブロック図である。
【図3】本発明の第3実施形態を示す3レベルインバータ1相分の主回路及び制御ブロック図である。
【図4】3レベルインバータの主回路構成例を示す回路図である。
【図5】従来技術の3レベルインバータ1相分の主回路及び制御ブロック図である。
【図6】従来技術の電圧指令等の波形図である。
【図7】従来技術の電圧指令等の波形図である。
【図8】本発明の実施形態における電圧指令等の波形図である。
【図9】従来技術のダイポーラ変調PWM方式の原理図である。
【図10】従来技術のユニポーラ変調PWM方式の原理図である。
【図11】本発明の第4実施形態を示す3レベルインバータ1相分の主回路及び制御ブロック図である。
【図12】本発明の第5実施形態を示す3レベルインバータ1相分の主回路及び制御ブロック図である。
【図13】本発明の第6実施形態を示す3レベルインバータ1相分の主回路及び制御ブロック図である。
【図14】本発明の第7実施形態を示す3レベルインバータ1相分の主回路及び制御ブロック図である。
【図15】本発明の第8実施形態を示す3レベルインバータ1相分の主回路及び制御ブロック図である。
【図16】本発明の第9実施形態を示す3レベルインバータ1相分の主回路及び制御ブロック図である。
【図17】本発明の実施形態における電圧指令等の波形図である。
【符号の説明】
1,2,2a……電圧指令演算回路
3,5,7,3a,5a,7a……電圧指令切替回路
4,6,8……バイアス量演算回路
9,10,11……制限値演算回路
31,32,33,34,40,41……制限回路
36,37……補正量演算回路
52……搬送波発振器
61,62……比較器
65,66,67,68……加算器
71,72……反転回路
81〜92……逆導通GTOサイリスタ
93〜98……ダイオード
101……正側コンデンサ
102……負側コンデンサ
103……電動機
110……直流電源
Claims (6)
- 直流電源両端の正電位点及び負電位点とこれらの間の中性点との間に接続された直流入力コンデンサを有する直流電源回路を備え、第1〜第4の半導体スイッチング素子からなる3つの直列回路の両端が前記正電位点及び負電位点にそれぞれ接続されるとともに、第2及び第3の半導体スイッチング素子の相互接続点がインバータ出力端子にそれぞれ接続され、第1及び第2の半導体スイッチング素子の相互接続点と前記中性点との間に第1の結合ダイオードが接続され、第3及び第4の半導体スイッチング素子の相互接続点と前記中性点との間に第2の結合ダイオードが接続されてなる3レベルインバータの制御装置であって、第1の電圧指令にバイアス量を加減算して得た量に基づく第2、第3の電圧指令をそれぞれ単一の搬送波と比較することにより第1〜第4の半導体スイッチング素子に対するPWM信号を生成する制御装置において、
出力電圧の位相指令及び変調率指令に基づき、第1の電圧指令として、正弦波と、振幅が前記搬送波の振幅より大きい任意の一定値である矩形波と、を演算する電圧指令演算手段と、
この電圧指令演算手段から出力される前記正弦波と矩形波とを、変調率指令の大きさに応じて切り替える電圧指令切替手段と、
前記バイアス量を変調率指令の大きさに応じて変化させるバイアス量演算手段と、
を備えたことを特徴とする3レベルインバータの制御装置。 - 直流電源両端の正電位点及び負電位点とこれらの間の中性点との間に接続された直流入力コンデンサを有する直流電源回路を備え、第1〜第4の半導体スイッチング素子からなる3つの直列回路の両端が前記正電位点及び負電位点にそれぞれ接続されるとともに、第2及び第3の半導体スイッチング素子の相互接続点がインバータ出力端子にそれぞれ接続され、第1及び第2の半導体スイッチング素子の相互接続点と前記中性点との間に第1の結合ダイオードが接続され、第3及び第4の半導体スイッチング素子の相互接続点と前記中性点との間に第2の結合ダイオードが接続されてなる3レベルインバータの制御装置であって、第1の電圧指令にバイアス量を加減算して得た量に基づく第2、第3の電圧指令をそれぞれ単一の搬送波と比較することにより第1〜第4の半導体スイッチング素子に対するPWM信号を生成する制御装置において、
出力電圧の位相指令及び変調率指令に基づき、第1の電圧指令として、正弦波と、振幅が前記搬送波の振幅より大きい任意の一定値である矩形波と、を演算する電圧指令演算手段と、
この電圧指令演算手段から出力される前記正弦波と矩形波とを、インバータ周波数の大きさに応じて切り替える電圧指令切替手段と、
前記バイアス量をインバータ周波数の大きさに応じて変化させるバイアス量演算手段と、
を備えたことを特徴とする3レベルインバータの制御装置。 - 直流電源両端の正電位点及び負電位点とこれらの間の中性点との間に接続された直流入力コンデンサを有する直流電源回路を備え、第1〜第4の半導体スイッチング素子からなる3つの直列回路の両端が前記正電位点及び負電位点にそれぞれ接続されるとともに、第2及び第3の半導体スイッチング素子の相互接続点がインバータ出力端子にそれぞれ接続され、第1及び第2の半導体スイッチング素子の相互接続点と前記中性点との間に第1の結合ダイオードが接続され、第3及び第4の半導体スイッチング素子の相互接続点と前記中性点との間に第2の結合ダイオードが接続されてなる3レベルインバータの制御装置であって、第1の電圧指令にバイアス量を加減算して得た量に基づく第2、第3の電圧指令をそれぞれ単一の搬送波と比較することにより第1〜第4の半導体スイッチング素子に対するPWM信号を生成する制御装置において、
出力電圧の位相指令及び変調率指令に基づき、第1の電圧指令として、正弦波と、振幅 が前記搬送波の振幅より大きい任意の一定値である矩形波と、を演算する電圧指令演算手段と、
この電圧指令演算手段から出力される前記正弦波と矩形波とを、変調率指令及びインバータ周波数の大きさに応じて切り替える電圧指令切替手段と、
前記バイアス量を変調率指令及びインバータ周波数の大きさに応じて変化させるバイアス量演算手段と、
を備えたことを特徴とする3レベルインバータの制御装置。 - 直流電源両端の正電位点及び負電位点とこれらの間の中性点との間に接続された直流入力コンデンサを有する直流電源回路を備え、第1〜第4の半導体スイッチング素子からなる3つの直列回路の両端が前記正電位点及び負電位点にそれぞれ接続されるとともに、第2及び第3の半導体スイッチング素子の相互接続点がインバータ出力端子にそれぞれ接続され、第1及び第2の半導体スイッチング素子の相互接続点と前記中性点との間に第1の結合ダイオードが接続され、第3及び第4の半導体スイッチング素子の相互接続点と前記中性点との間に第2の結合ダイオードが接続されてなる3レベルインバータの制御装置であって、第1の電圧指令にバイアス量を加減算して得た量に基づく第2、第3の電圧指令をそれぞれ単一の搬送波と比較することにより第1〜第4の半導体スイッチング素子に対するPWM信号を生成する制御装置において、
出力電圧の位相指令及び変調率指令に基づいて第1の電圧指令を複数演算する電圧指令演算手段と、
この電圧指令演算手段から出力される複数の第1の電圧指令を変調率指令の大きさに応じて切り替える電圧指令切替手段と、
前記バイアス量を変調率指令の大きさに応じて変化させるバイアス量演算手段と、
搬送波の振幅を越えない制限値を変調率指令の大きさに応じて演算する制限値演算手段と、
第2、第3の電圧指令の一方が前記制限値を超えるときはその電圧指令を制限値に固定する制限手段と、
前記制限値を超えた一方の電圧指令から前記制限値を差し引いた値を補正量として他方の電圧指令に加算する手段と、
を備え、
前記第1の電圧指令が、1つの正弦波信号と、出力電圧の1周期当たりのパルス数が2よりも大きい互いに異なったパルス数を持つ2つの矩形波信号とからなる3つの電圧指令であることを特徴とする3レベルインバータの制御装置。 - 直流電源両端の正電位点及び負電位点とこれらの間の中性点との間に接続された直流入力コンデンサを有する直流電源回路を備え、第1〜第4の半導体スイッチング素子からなる3つの直列回路の両端が前記正電位点及び負電位点にそれぞれ接続されるとともに、第2及び第3の半導体スイッチング素子の相互接続点がインバータ出力端子にそれぞれ接続され、第1及び第2の半導体スイッチング素子の相互接続点と前記中性点との間に第1の結合ダイオードが接続され、第3及び第4の半導体スイッチング素子の相互接続点と前記中性点との間に第2の結合ダイオードが接続されてなる3レベルインバータの制御装置であって、第1の電圧指令にバイアス量を加減算して得た量に基づく第2、第3の電圧指令をそれぞれ単一の搬送波と比較することにより第1〜第4の半導体スイッチング素子に対するPWM信号を生成する制御装置において、
出力電圧の位相指令及び変調率指令に基づいて第1の電圧指令を複数演算する電圧指令演算手段と、
この電圧指令演算手段から出力される複数の第1の電圧指令をインバータ周波数の大きさに応じて切り替える電圧指令切替手段と、
前記バイアス量をインバータ周波数の大きさに応じて変化させるバイアス量演算手段と、
搬送波の振幅を越えない制限値をインバータ周波数の大きさに応じて演算する制限値演算手段と、
第2、第3の電圧指令の一方が前記制限値を超えるときはその電圧指令を制限値に固定する制限手段と、
前記制限値を超えた一方の電圧指令から前記制限値を差し引いた値を補正量として他方の電圧指令に加算する手段と、
を備え、
前記第1の電圧指令が、1つの正弦波信号と、出力電圧の1周期当たりのパルス数が2よりも大きい互いに異なったパルス数を持つ2つの矩形波信号とからなる3つの電圧指令であることを特徴とする3レベルインバータの制御装置。 - 直流電源両端の正電位点及び負電位点とこれらの間の中性点との間に接続された直流入力コンデンサを有する直流電源回路を備え、第1〜第4の半導体スイッチング素子からなる3つの直列回路の両端が前記正電位点及び負電位点にそれぞれ接続されるとともに、第2及び第3の半導体スイッチング素子の相互接続点がインバータ出力端子にそれぞれ接続され、第1及び第2の半導体スイッチング素子の相互接続点と前記中性点との間に第1の結合ダイオードが接続され、第3及び第4の半導体スイッチング素子の相互接続点と前記中性点との間に第2の結合ダイオードが接続されてなる3レベルインバータの制御装置であって、第1の電圧指令にバイアス量を加減算して得た量に基づく第2、第3の電圧指令をそれぞれ単一の搬送波と比較することにより第1〜第4の半導体スイッチング素子に対するPWM信号を生成する制御装置において、
出力電圧の位相指令及び変調率指令に基づいて第1の電圧指令を複数演算する電圧指令演算手段と、
この電圧指令演算手段から出力される複数の第1の電圧指令を変調率指令及びインバータ周波数の大きさに応じて切り替える電圧指令切替手段と、
前記バイアス量を変調率指令及びインバータ周波数の大きさに応じて変化させるバイアス量演算手段と、
搬送波の振幅を越えない制限値を変調率指令及びインバータ周波数の大きさに応じて演算する制限値演算手段と、
第2、第3の電圧指令の一方が前記制限値を超えるときはその電圧指令を制限値に固定する制限手段と、
前記制限値を超えた一方の電圧指令から前記制限値を差し引いた値を補正量として他方の電圧指令に加算する手段と、
を備え、
前記第1の電圧指令が、1つの正弦波信号と、出力電圧の1周期当たりのパルス数が2よりも大きい互いに異なったパルス数を持つ2つの矩形波信号とからなる3つの電圧指令であることを特徴とする3レベルインバータの制御装置。
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