JP4826730B2

JP4826730B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP4826730B2
Application number: JP2005307597A
Authority: JP
Inventors: 克利山中
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2005-10-21
Filing date: 2005-10-21
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2025-10-21
Also published as: JP2007116856A

Description

本発明は、直流中間電圧をもたずに交流電源から直接任意の周波数へ変換可能なパルス幅変調（ＰＷＭ）制御をする電力変換装置に関する。

直接形交流電力変換装置は，図１６，図１７に示すような回路構成であり，交流電源の各相と出力側の各々の相の間を自己消弧能力を持つ双方向スイッチの回路構成で接続し，交流電源を直接任意の電圧・周波数に変換することが可能である。しかしスイッチに流れている電流を強制的にスイッチングするために，独自のスイッチングシーケンスが必要である。以後このスイッチングシーケンスを転流シーケンスと呼ぶ。ＰＷＭサイクロコンバータのスイッチングシーケンスには，特許文献１や特許文献２に開示されている。

直接形交流電力変換装置は，電解コンデンサなどのエネルギー蓄積素子を電圧源として利用しないため，直接形交流電力変換装置が歪み無く出力できる出力電圧の最大値は，入力交流電源の整流電圧最低値以下の電圧に制限されてしまう。従来は，直接形交流電力変換装置へ６ステップＰＷＭを適用し，出力電圧の基本波成分を増加させる方法が非特許文献１で提案されている。また，６ステップＰＷＭを適応した場合の入力電流や出力電圧の歪みに着目し，ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換の考え方を用いて入力と出力の変調率を分けて制御することで，これらの歪みを改善しつつ出力電圧の基本波成分を増加させる方法が非特許文献２で提案されている。
特開平１１−３４１８０７特開２０００−１３９０７６「ＡＭａｔｒｉｘＣｏｎｖｅｒｔｅｒｗｉｔｈＳｐａｃｅＶｅｃｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌＥｎａｂｌｉｎｇＯｖｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ」Ｊ．Ｍａｈｌｅｉｎ他，ＥＰＥ１９９９「ＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＡＣ−ＡＣＭａｔｒｉｘＣｏｎｖｅｒｔｅｒＡＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅ’ｓＰｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ」ＤｏｎｇｓｈｅｎｇＺｈｏｕｈ他，ＩＡＳ２００２

従来の６ステップＰＷＭを適応した直接形交流電力変換装置は，出力電圧ベクトルの最適化がなされていないので，出力電圧と入力電流の歪みが大きかった。また，ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換の考え方を用い６ステップＰＷＭを適応した直接形交流電力変換装置は，出力電圧が入力電圧の３値の電圧を取れないので出力電圧のＰＷＭパルス歪みが大きくなる問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり，出力電圧の基本波成分を増加させるとともに，出力電圧と入力電流の歪みを減少させ，電圧指令ベクトルの長さと出力電圧が直線の電力変換装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、３相交流電源の各相と３相出力の各相を接続する自己消弧能力をもつ双方向スイッチと、上位システムの指令を受けて電圧指令ベクトルを生成する電圧指令発生器と、前記電圧指令ベクトルの長さを制限した第２電圧指令ベクトルを生成する電圧ベクトル制限器と、前記第２電圧指令ベクトルからＰＷＭパルスを生成するＰＷＭ発生器と、前記ＰＷＭパルスを絶縁増幅して前記双方向スイッチを駆動する駆動回路とを有し、前記指令どおりに負荷を駆動する電力変換装置において、
前記電圧ベクトル制限器は、入力線間電圧振幅を所定倍した第１電圧設定値を１辺とする空間ベクトル六角形領域の外側へ前記電圧指令ベクトルが出る場合は，前記電圧指令ベクトルを前記空間ベクトル六角形領域内へ制限することを特徴とするものである。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の電力変換装置において前記電圧ベクトル制限器は、前記電圧指令ベクトルの長さを制限することにより、前記電圧指令ベクトルを前記空間ベクトル六角形領域内へ制限することを特徴とするものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の電力変換装置において前記電圧ベクトル制限器は、前記空間ベクトル六角形領域において、前記３相出力のうちいずれか１相が電源の最大電圧相に接続され前記３相出力の他の２相が前記電源の最小電圧相に接続されている状態であるベクトルをａベクトル、および前記３相出力のうちいずれか１相が前記電源の最小電圧相に接続され前記３相出力の他の２相が前記電源の最大電圧相に接続されている状態であるベクトルをｂベクトルとし、前記電圧指令ベクトルを、前記電圧指令の直近に存在するａベクトルとｂベクトルへの成分に分け、前記ａベクトル成分とｂベクトル成分とのうち短い方の成分を制限することにより、前記電圧指令ベクトルを前記空間ベクトル六角形領域内へ制限することを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電力変換装置において、前記電圧指令ベクトルと可変係数を乗算し新たな電圧指令ベクトルを生成する乗算器を備え、前記可変係数は前記出力電圧が前記電圧指令ベクトルに比例するようにあらかじめ設定されたことを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項４記載の電力変換装置において、前記可変係数は、実運転前に測定して定められることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項１記載の電力変換装置において、前記所定倍を略０．８６６としたものである。

請求項１、２、６に記載の発明によると，歪を減少させつつ出力電圧基本波の電圧を入力交流電源の整流電圧最小値よりも高くすることができる。
請求項３に記載の発明によると，歪を減少させつつ出力電圧基本波の電圧を入力交流電源の整流電圧最低値よりも高くすることができ，かつ出力電圧の歪を減らすことができる。
請求項４および５に記載の発明によると，電圧指令ベクトルの長さと，出力される電圧を比例させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は，本発明の電力変換装置の構成例を示す図である。図において，１は３相の電源，２は直接形電力変換装置の主回路，３は負荷（モータなど），４は直接形電力変換回路の制御回路である。また、４１は電圧指令発生器、４２は電圧ベクトル制限器、４３はＰＷＭ発生器、４４は駆動回路である。

３相の電源電圧と位相に関して，図１０に示すように中性点からみた最大電圧相をＰ、最小電圧相をＮ、中間電圧相をＭとして振り当てを行い，空間ベクトルの概念を利用すると，直接形電力変換回路の出力電圧空間ベクトルは図１１の一例のように書くことができる。通常は電力変換装置では、中性点電圧は直接観測不可能なので、図９のように３相電源の各相を同一抵抗値の抵抗をスター形に接続し、接続点電圧を仮想中性点電圧として用いたり、線間電圧から演算式によって相電圧を求めている（例えば、Ｒ相電圧ＥＲはＲ相とＳ相の線間電圧ＥＲＳとＴ相とＲ相の線間電圧ＥＴＲを用いてＥＲ＝（ＥＲＳ−ＥＴＲ）／（√３）として計算することができる。）。図１１のａベクトルは出力ＵＶＷ相のうちいずれか１相が電源ＲＳＴの最大電圧相Ｐに接続され、出力ＵＶＷ相の他の２相が電源ＲＳＴの最小電圧相に接続されている状態のベクトルであり、ｂベクトルは出力ＵＶＷ相のうちいずれか１相が電源ＲＳＴ相の最小電圧相に接続され、出力ＵＶＷ相の他の２相が電源ＲＳＴ相の最大電圧相Ｐに接続されている状態のベクトルである。例えばＵ相が最大電圧相Ｐに接続され、ＶＷ相が最小電圧相Ｎに接続されている場合はＰＮＮと表記し、ａベクトルである。同様に、ＮＰＮ、ＮＮＰはａベクトルである。さらに、ＰＰＮ、ＰＮＰ、ＮＰＰはｂベクトルである。また、１相または２相が中間電圧相Ｍに接続される場合は、中間電圧相Ｍとのベクトル表現を用いてａｐベクトルとａｎベクトルで表し、ａｐベクトルは出力ＵＶＷ相の１相が最大電圧相Ｐ、他の２相が中間電圧相Ｍに接続されている状態のベクトルであり、ａｎベクトルは出力ＵＶＷ相のうち１相が中間電圧相Ｍに、他の２相が最小電圧相Ｎに接続された状態のベクトルを表しており、ａ＝ａｐ＋ａｎ、ｂ＝ｂｐ＋ｂｎである。また、出力ＵＶＷ相のうち１相が最大電圧相Ｐに、１相が中間電圧相Ｍに、１相が最小電圧相Ｎに接続されている場合はｃｍベクトルで表している。また、出力ＵＶＷ相がすべて電源ＲＳＴの同一相に接続された場合は０電圧ベクトルで、最低電圧相に接続された場合はＮＮＮで電圧ベクトル０ｎ、中間電圧相に接続された場合はＭＭＭで電圧ベクトル０ｍ、最高電圧相に接続された場合はＰＰＰで電圧ベクトル０ｐと表現した。さらにａベクトル，ａｐベクトル，ａｎベクトル，ｂベクトル，ｂｐベクトル，ｂｎベクトルと分類された電圧ベクトルは入力電源の電圧状態によって長さが変動し，ｃベクトルと分類された電圧ベクトルは入力電源の電圧状態によって，長さと角度が変動する。電力変換装置が出力する電圧指令が電圧ベクトルで（θ，ｋ）であった場合，図１２に示されるように電圧指令のａベクトル成分Ｖａとｂベクトル成分Ｖｂを，ａベクトル，ａｐベクトル，ａｎベクトル，ｂベクトル，ｂｐベクトル，ｂｎベクトル，ｃベクトルおよびＯｐ，Ｏｍ，Ｏｎで分類された０電圧ベクトルの組み合わせによってＰＷＭ（パルス幅変調）にて出力する。ＰＷＭパルスパターンとしては図１３，１４で示すような１相を停止した２相変調とすることが一般的である。

ＰＷＭパルス幅は図１２に示すように，電圧指令のａベクトル成分Ｖａまたはｂベクトル成分Ｖｂに応じて出力されるので，電圧指令がａベクトルの角度近傍であれば，ｂベクトル成分Ｖｂに対応するＰＷＭパルスは狭くなり，電圧指令がｂベクトルの角度近傍であれば，ａベクトル成分Ｖａに対応するＰＷＭパルスが狭くなる。また，電圧指令が低い場合にはａベクトル成分Ｖａとｂベクトル成分Ｖｂに対応するＰＷＭパルスはともに狭くなる。実際に出力されるＰＷＭパルス幅は，入力電源の状態によってＯｐ，Ｏｎのどちらを利用するかに依存し，入力電源の相電圧絶対値が最大となる相の相電圧値が正の場合は図１３，負の場合は図１４のように変化する。図１３において、Ｕ、Ｖ、Ｗはそれぞれ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を表し、Ｅｐは３相電源のなかで最も高い電圧であり、Ｅｎは最も低い電圧であり、Ｅｍは中間の電圧を表している。また、Ｔｓはサンプリング周期（キャリア周期でもある）であり、この図の場合、１０の微小時間に分割されている。ＵＶＷ相が微小時間間隔でＥｐ、Ｅｎ、Ｅｍのどの電源相に接続されるかは電圧指令ベクトルにより決定される。例えば、Ｕ相はサンプリング時間すべてにわたりＥｐに接続されたままである。また、Ｖ相は最初の２微小時間はＥｐに、次の２微小時間はＥｍに、次の２微小時間はＥｎに、次の２微小時間はＥｍに、次の２微小時間はＥｐに接続されている。また、Ｗ相は最初の１微小時間はＥｐに、次の２微小時間はＥｍに、次の４微小時間はＥｎに、次の２微小時間はＥｍに、次の１微小時間はＥｐに接続されている。接続状態で表せば、最初はＰＰＰ、次にＰＰＭ、次にＰＭＭ、次にＰＭＮ、次にＰＮＮ、次もＰＮＮ、次はＰＭＮ、次はＰＰＭ、次はＰＰＰとなる。Ｕ相はＥｐに接続されたままで変調されていないので、２相変調となる。図４は同様にＷ相がＥｎに接続されたままの２相変調を表している。

図１７は電源側に電流形２レベルコンバータ、出力側に電圧形２レベルインバータで構成した電力変換装置の例であり、中間に直流電源が存在し、出力ＵＶＷ相は直流電源のプラス側（Ｅｐ）か、マイナス側（Ｅｎ）にしか接続することができず、いわゆる２レベルの電圧しかとることができない。また、図１６のマトリクスコンバータであっても３相電源の中間電圧相の接続することをしなければ、やはり、ＥｐとＥｎにしか接続できなくなり、これも２レベルの電圧しかとれないことになる。２レベルの電力変換器は３レベルの電力変換器に比べて波形歪みが大きいことはすでに公知である。

電圧指令ベクトルの先端が，図１５のように電圧空間ベクトルのａベクトルとｂベクトルをつなぐ辺の外に存在する場合，直接形交流電力変換装置は，電圧指令ベクトル通りの電圧を出力することができなくなり，電圧指令ベクトルと同じ角度をもち，ａベクトルとｂベクトルをつなぐ辺上で制限されたベクトル（θ，ｋ’）の電圧となってしまう。このため，電圧指令ベクトルがこのように長い場合は，電圧指令ベクトル通りの電圧が出なくなってしまう。

ａベクトル，ｂベクトルの長さは入力電源電圧によって変動し，Ｍに当たる入力相の電位とＮに当たる入力相の電位が等しい場合（図１８）とＭに当たる入力相の電位とＰに当たる入力相の電位が等しい場合（図１９）において最小となり（図１０のＴ１，Ｔ３．Ｔ５），Ｍにあたる入力相の電位が，Ｐにあたる入力相とＮに当たる入力相の電位の中間値になる場合（図２０）に最大となる（図１０のＴ２、Ｔ４）。最大値を１とすると最大：最小の比は１：（√３）／２（≒１：０．８６６）である。以下，最大値を１と正規化した値にて説明する。

本発明では，直接形電力変換回路の制御回路４において電圧指令ベクトルを，図２に示す，図２は図１１の６角形の一部で、Ｕ相の電圧ベクトルａとＷ相の電圧ベクトルｂと０電圧ベクトルを頂点とした三角形を切り出したものである。破線はａベクトル，ｂベクトルの電源位相の取りうる最小値の辺であり、電圧指令ベクトルを点線内になるように制限する。電圧ベクトル制限器は，図３の例に示すようなフローによって，電圧指令ベクトルを制限する。図３でのテーブル１は図４のように電圧指令ベクトルのａベクトルからのなす角θと制限値の対応テーブル１であり，テーブル１で求められる長さで制限することで，図２の破線の辺部分での制限が実現できる。

実施例１の電圧ベクトル制限器は，制御回路４において，ＣＰＵを利用したソフトウエアによって実現してもよいし，ゲートアレイなどのハードウェアロジック回路にて構成してもよい。また，テーブル１の値は，ａベクトル，ｂベクトルの最大値で正規化した値で示しているが，基準の取り方によって，その値は変わってもよい。

図５は第２の実施例の制限方法を示す図である。電力変換装置の回路構成としては図１と同じとなり，制御回路４内にある電圧ベクトル制限器の動作が実施例１と異なる。実施例２の電圧ベクトル制限器は図５の例で示すように，電圧指令ベクトルを，ａベクトル，ｂベクトル成分に分け，短いほうの成分から制限を行うよう動作する。図５の例では，電圧指令ベクトルがａベクトルに近い場合の例であり、電圧ベクトルａ成分はそのままにしておき、電圧ベクトルｂ成分を減少させ、電圧指令ベクトルが制限値内に入ったところを新たな電圧指令ベクトルとする。実施例２の電圧ベクトル制限器は，図６の例で示されるようなフローによって出力電圧ベクトルを制限する。実施例２の電圧ベクトル制限器は，制御回路４において，ＣＰＵを利用したソフトウエアによって実現してもよいし，ゲートアレイなどのハードウェアロジック回路にて構成してもよい。

図７は，本発明の第３の実施例における電力変換装置の構成例を示す図である。図において，１は３相の電源，２は直接形電力変換装置の主回路，３は負荷（モータなど），４は直接形電力変換回路の制御回路、４１は電圧指令発生器、４２は電圧ベクトル制限器、４３はＰＷＭパルス発生器、４４は駆動回路、４５は電圧ベクトル可変係数発生器、４６は乗算器である。第３の実施例では，制御回路４内部に，電圧ベクトル可変係数発生器と乗算器を備え，電圧指令発生器が出力する電圧指令ベクトルの長さに，電圧ベクトル可変係数発生器が発生する可変係数を乗算器で乗じたベクトルを電圧ベクトル制限器へ入力する。

電圧ベクトル可変係数発生器は，電圧指令ベクトルの長さと角度から，電圧指令ベクトルが電圧ベクトル制限器で制限されない範囲であれば，倍率１を出力し，制限される範囲であれば，その長さに応じて，倍率が大きくなるよう出力する。具体的には出力電圧指令ベクトルの長さが約０．８２４のときに，（√３）となるような倍率（≒（√３）／０．８２４）を出力する。電圧指令ベクトルの長さが３／４〜０．８２４の間は，１〜（√３）／０．８２４の範囲内の直線または曲線となるが，この間の電圧指令ベクトルの長さと実際に出力される基本波成分の振幅は，電圧ベクトル制限器や，電力変換装置の電源条件などによって変わるので，実運転に入る前に電圧指令ベクトルと出力電圧が比例するように実測して決定する方がよい。可変係数器が無い場合は，図８の実線のように電圧指令ベクトルの長さが長くなっても，出力される線間電圧の基本波成分は比例しては増加しない。それに対して、可変係数器を備えれば，電圧指令ベクトルと出力される線間電圧の基本波成分を図８のように比例させることができる。

本発明によれば出力電圧基本波の電圧を，歪を減少させつつ入力交流電源の整流電圧最低値よりも高くすることができ，かつ出力電圧の歪を減らすことができる。また，電圧指令ベクトルの長さと，出力電圧を比例させることができる，電圧利用率の向上ができるので，駆動システムの高性能化、低コスト化、小形化が実現できる。このことからモータ駆動や，系統電源の周波数・電圧変換する電力変換装置という用途にも適用できる。

本発明の第１および第２の実施例を示す電力変換装置のブロック図本発明第１の実施例の電圧ベクトル制限器の制限値を示す概念図本発明第１の実施例の電圧ベクトル制限器の動作例を示すフローチャート本発明第１の実施例の電圧ベクトル制限器による制限値を示すテーブル１本発明第２の実施例の電圧ベクトル制限器の制限値を示す概念図本発明第２の実施例の電圧ベクトル制限器の動作例を示すフローチャート本発明の第３実施例を示す電力変換装置のブロック図本発明の第３の実施例の電力変換装置と従来の電力変換装置の線間出力電圧の特性比較を示す図仮想中性点を説明する図入力電源の状態と空間ベクトル図の符号との対応を示す図空間ベクトル図電圧指令と空間ベクトルの対応を示す図ＰＷＭパルス例１を示す図ＰＷＭパルス例２を示す図電圧指令と空間ベクトルの対応を示す図その２直接形交流電力変換装置の回路構成を示す図その１電流形コンバータと電圧形インバータで構成した図Ｍに当たる入力相の電位とＮに当たる入力相の電位が等しい場合の空間ベクトル図の一部を示す図Ｍに当たる入力相の電位とＰに当たる入力相の電位が等しい場合の空間ベクトル図の一部を示す図Ｍにあたる入力相の電位が，Ｐにあたる入力相とＮに当たる入力相の電位の中間値になる場合の空間ベクトル図の一部を示す図

符号の説明

１系統電源
２パワー回路
３負荷装置
４制御回路
５上位システム
４１電圧指令発生器
４２電圧ベクトル制限器
４３ＰＷＭパルス発生器
４４駆動回路

Claims

３相交流電源の各相と３相出力の各相を接続する自己消弧能力をもつ双方向スイッチと、上位システムの指令を受けて電圧指令ベクトルを生成する電圧指令発生器と、前記電圧指令ベクトルの長さを制限した第２電圧指令ベクトルを生成する電圧ベクトル制限器と、前記第２電圧指令ベクトルからＰＷＭパルスを生成するＰＷＭ発生器と、前記ＰＷＭパルスを絶縁増幅して前記双方向スイッチを駆動する駆動回路とを有し、前記指令どおりに負荷を駆動する電力変換装置において、
前記電圧ベクトル制限器は、入力線間電圧振幅を所定倍した第１電圧設定値を１辺とする空間ベクトル六角形領域の外側へ前記電圧指令ベクトルが出る場合は，前記電圧指令ベクトルを前記空間ベクトル六角形領域内へ制限することを特徴とする電力変換装置。
前記電圧ベクトル制限器は、前記電圧指令ベクトルの長さを制限することにより、前記電圧指令ベクトルを前記空間ベクトル六角形領域内へ制限することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記電圧ベクトル制限器は、前記空間ベクトル六角形領域において、前記３相出力のうちいずれか１相が電源の最大電圧相に接続され前記３相出力の他の２相が前記電源の最小電圧相に接続されている状態であるベクトルをａベクトル、および前記３相出力のうちいずれか１相が前記電源の最小電圧相に接続され前記３相出力の他の２相が前記電源の最大電圧相に接続されている状態であるベクトルをｂベクトルとし、前記電圧指令ベクトルを、前記電圧指令の直近に存在するａベクトルとｂベクトルへの成分に分け、前記ａベクトル成分とｂベクトル成分とのうち短い方の成分を制限することにより、前記電圧指令ベクトルを前記空間ベクトル六角形領域内へ制限することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記電圧指令ベクトルと可変係数を乗算し新たな電圧指令ベクトルを生成する乗算器を備え、前記可変係数は前記出力電圧が前記電圧指令ベクトルに比例するようにあらかじめ設定されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記可変係数は、実運転前に測定して定められることを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。
前記所定倍は略０．８６６である請求項１記載の電力変換装置。