JP5247282B2 - Power converter - Google Patents
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Description
この発明は、スイッチング素子をオンオフ制御することにより直流/交流間で電力の変換を行う第1および第2の電力変換器の各交流側を直列に接続してなる電力変換装置に係り、特に、その電圧切換時の電圧波形を改善する技術に関するものである。 The present invention relates to a power conversion device formed by connecting in series each AC side of first and second power converters that perform power conversion between DC and AC by controlling on / off of a switching element. The present invention relates to a technique for improving a voltage waveform at the time of voltage switching.
従来の電力変換装置は、第1の電力変換器としての、例えば、3相インバータと、この3相インバータの各相出力に直列に接続された、第2の電力変換器としての単相インバータとから成る電力変換装置であり、3相インバータの出力電圧波形が正弦波とずれている差分を単相インバータで供給することで、総合としては正弦波の出力電圧波形を得ている(例えば、特許文献1参照)。 A conventional power converter includes, for example, a three-phase inverter as a first power converter, and a single-phase inverter as a second power converter connected in series to each phase output of the three-phase inverter. The power converter is composed of a single-phase inverter that supplies a difference in which the output voltage waveform of the three-phase inverter deviates from the sine wave, and as a whole, a sine wave output voltage waveform is obtained (for example, a patent) Reference 1).
従来の電力変換装置として、いわゆる、2レベルインバータを例にとって説明すると、上アームと下アームとのスイッチング素子が交互にオンする。しかし、例えば、上アームのスイッチング素子をオフに切り換える駆動信号と下アームのスイッチング素子をオンに切り換える駆動信号とが同時に制御装置から出力されたとしても、ゲートドライブ回路やスイッチング素子に遅れがあり、遅れの量がオンの場合とオフの場合に異なるので上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とが同時に切り換わらない。 As an example of a conventional power conversion device, a so-called two-level inverter will be described. The switching elements of the upper arm and the lower arm are alternately turned on. However, for example, even if the drive signal for switching off the switching element of the upper arm and the drive signal for switching on the switching element of the lower arm are simultaneously output from the control device, there is a delay in the gate drive circuit and the switching element, Since the amount of delay differs between when the signal is on and when it is off, the switching element of the upper arm and the switching element of the lower arm are not switched simultaneously.
従って、例えば、3相インバータの出力電圧を上昇させるタイミングで単相インバータの出力電圧を下降させるよう両インバータに同時に駆動信号を送出した場合、実際に、3相インバータの出力電圧が上昇するタイミングと単相インバータの出力電圧が下降するタイミングとに種々の条件によりずれが生じうる。このように、両インバータの出力電圧の電圧変化タイミングにずれが発生すると、両者の出力電圧を加算し負荷に供給される電圧は、この電圧切り換えタイミングでサージ状の電圧を発生することになり、電磁ノイズが発生して周囲の機器に悪影響を及ぼしたり、負荷の鉄損を増大させる等の種々の弊害をもたらすことになる。 Therefore, for example, when a drive signal is sent simultaneously to both inverters to decrease the output voltage of the single-phase inverter at the timing of increasing the output voltage of the three-phase inverter, the timing at which the output voltage of the three-phase inverter actually increases There may be a difference depending on various conditions on the timing when the output voltage of the single-phase inverter drops. Thus, when a deviation occurs in the voltage change timing of the output voltage of both inverters, the voltage that is added to both outputs and supplied to the load generates a surge-like voltage at this voltage switching timing. Electromagnetic noise is generated, which adversely affects surrounding equipment and causes various adverse effects such as increasing the iron loss of the load.
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、各相で複数のインバータを直列接続した電力変換装置において、直列に接続されたインバータの電圧が切り換わるタイミングを揃えて、サージ電圧を抑制した電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention was made to solve the above-described problems, and in a power conversion device in which a plurality of inverters are connected in series in each phase, the timing at which the voltages of the inverters connected in series are switched. An object is to provide a power converter that suppresses surge voltage.
この発明に係る電力変換装置は、スイッチング素子をオンオフ制御することにより直流/交流間で電力の変換を行う第1および第2の電力変換器の各交流側を直列に接続してなる電力変換装置であって、
第1の電力変換器のスイッチング素子を駆動する第1の駆動信号と第2の電力変換器のスイッチング素子を駆動する第2の駆動信号とを作成する駆動信号生成回路を備えた電力変換装置において、
第1の電力変換器の交流出力電圧を上昇または下降させるタイミングで第2の電力変換器の交流出力電圧を下降または上昇させるため、第1および第2の駆動信号として作成された第1および第2の指令駆動信号に対し、第1の電力変換器の交流出力電圧が実際に上昇または下降する電圧変化タイミングと第2の電力変換器の交流出力電圧が実際に下降または上昇する電圧変化タイミングとが同一の同期電圧変化タイミングとなるよう第1および第2の指令駆動信号を補正して第1および第2の補正駆動信号を出力する駆動信号補正手段を備え、
駆動信号生成回路は、交流電圧指令に基づきPWM(パルス幅変調)制御で第1の駆動信号を作成し、交流電圧指令と第1の電力変換器の交流出力電圧との偏差である偏差指令に基づきPWM制御で第2の駆動信号を作成するものであり、
交流電圧指令を所定時間進める進み時間設定回路を設け、
駆動信号補正手段は、第1および第2の電力変換器に設定された短絡防止時間と、第1および第2の電力変換器のスイッチング素子におけるオンオフ駆動信号入力時からオンオフ動作出力時までのオンオフ遅延時間と、第1および第2の電力変換器の交流側電流の向きとに基づき、第1および第2の指令駆動信号に基づく電圧変化タイミングが同期電圧変化タイミングと一致するよう、第1および第2の補正駆動信号を、第1および第2の指令駆動信号を所定の補正時間量だけ遅らせたものとしたものである。
A power converter according to the present invention is formed by connecting in series each AC side of first and second power converters that perform power conversion between DC and AC by controlling on / off of switching elements. Because
In a power converter including a drive signal generation circuit that generates a first drive signal for driving a switching element of a first power converter and a second drive signal for driving a switching element of a second power converter ,
In order to decrease or increase the AC output voltage of the second power converter at the timing of increasing or decreasing the AC output voltage of the first power converter, the first and second drive signals created as the first and second drive signals are used. Voltage change timing at which the AC output voltage of the first power converter actually rises or falls with respect to the command drive signal of 2, and voltage change timing at which the AC output voltage of the second power converter actually falls or rises. Drive signal correction means for correcting the first and second command drive signals to output the first and second corrected drive signals so as to have the same synchronous voltage change timing,
The drive signal generation circuit generates a first drive signal by PWM (pulse width modulation) control based on the AC voltage command, and generates a deviation command that is a deviation between the AC voltage command and the AC output voltage of the first power converter. Based on this, the second drive signal is created by PWM control.
A lead time setting circuit is provided to advance the AC voltage command for a predetermined time,
The drive signal correcting means includes a short-circuit prevention time set in the first and second power converters, and an on / off state from the on / off drive signal input to the on / off operation output in the switching elements of the first and second power converters. Based on the delay time and the direction of the AC side current of the first and second power converters, the first and second voltage drive timings based on the first and second command drive signals are matched with the synchronous voltage change timing. The second correction drive signal is obtained by delaying the first and second command drive signals by a predetermined correction time amount .
以上のように、この発明に係る電力変換装置では、駆動信号補正手段を備えて、第1および第2の指令駆動信号を補正して第1および第2の補正駆動信号を出力するようにしたので、第1の電力変換器の交流出力電圧が実際に上昇または下降する電圧変化タイミングと第2の電力変換器の交流出力電圧が実際に下降または上昇する電圧変化タイミングとが同一の同期電圧変化タイミングとなり、電圧切り換え時に発生するサージ電圧が抑制される。
更に、第1および第2の電力変換器が出力する電圧は、本来出力すべき電圧の位相、タイミングに一致する。
As described above, in the power conversion device according to the present invention, the drive signal correction means is provided to correct the first and second command drive signals and output the first and second corrected drive signals. Therefore, the voltage change timing at which the AC output voltage of the first power converter actually rises or falls and the voltage change timing at which the AC output voltage of the second power converter actually falls or rises are the same synchronous voltage change The surge voltage that occurs at the time of voltage switching is suppressed.
Furthermore, the voltage output from the first and second power converters matches the phase and timing of the voltage to be output.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1における電力変換装置の全体構成を示す図である。図に示すように、電力変換装置の主回路構成としては、第1の電力変換器である3相インバータ1の交流側の各相出力線に、第2の電力変換器である単相インバータ2の交流側が直列に接続される。単相インバータ2の交流側は、その片方を3相インバータ1に、残る片方を負荷3にそれぞれ接続する。図1では省略しているが、3相インバータ1は直流電圧源を備え、そこから電力の供給を受けるものとする。単相インバータ2は、直流側に直流電圧源を備えそこから電力の供給を受ける構成でも、電力は3相インバータ1から供給を受け単相インバータ2の直流電圧を制御することによって維持する構成でもよい。
1 is a diagram showing an overall configuration of a power conversion device according to
3相インバータ1は、図2に示すようなスイッチング素子12a〜12fと逆並列に接続されたダイオード13a〜13fおよび直流回路としてのコンデンサ11から成る2レベルインバータである。
単相インバータ2は、図3に示すようなスイッチング素子18a〜18d、ダイオード19a〜19d、およびコンデンサ20から構成される単相フルブリッジの2レベルインバータである。
The three-
The single-
次に、実施の形態1の電力変換装置における制御動作を説明する訳であるが、その理解を容易とするため、先ず、従来装置における制御動作と、課題の欄で既述した従来装置における問題点について詳細に説明することとする。 Next, the control operation in the power conversion device according to the first embodiment will be described. To facilitate the understanding, first, the control operation in the conventional device and the problem in the conventional device already described in the problem column are described. The point will be described in detail.
図4は、その従来の電力変換装置の全体構成を示すもので、その主回路構成の部分は、本願発明の図1に示した内容と同様である。
図4の負荷制御回路4は、負荷3を制御するための回路で、電力変換装置が出力する電圧の指令(交流電圧指令)を出力する。これを駆動信号生成回路5に入力する。
FIG. 4 shows the overall configuration of the conventional power converter, and the main circuit configuration is the same as that shown in FIG. 1 of the present invention.
The
駆動信号生成回路5の内部を、図5に示す。負荷制御回路4からの交流電圧指令を図6(a)とすると3相インバータPWM回路30では、図6(b)に示すように、PWM(パルス幅変調)された電圧を演算、減算器31に出力する。
減算器31では、負荷制御回路4が出力する交流電圧指令と、3相インバータ1のPWM回路30が出力するPWMされた電圧波形との減算を行い偏差指令を作成する。この結果求められる波形は、図6(c)に示すようになる。この波形は、3相インバータ1の理想的な電圧である交流電圧指令から、実際に出力している電圧を減算しているので、3相インバータ1が出力している電圧のうち、余剰な高調波電圧を正負反転させたものである。よって、この電圧波形を指令として単相インバータ2から電圧を出力すると、3相インバータ1が出力する余剰な高調波電圧を打ち消すように単相インバータ2が動作するので、負荷3の電圧高調波を低減できる。
The inside of the drive
The
また、図6(b)の波形は、3相インバータ1の直流電圧の仮想中性点から見た場合の電圧波形であり、この電圧波形が含む零相電圧は線間電圧には影響を与えないので負荷3の電圧には影響を与えないことが知られている。零相電圧を含む図6(b)の波形から演算した図6(c)の波形も零相電圧を含んでおり、この零相電圧を変更しても負荷3には影響がない。よって、例えば、図6(c)の波形から零相電圧を0にすると、図6(d)の波形が得られる。このように零相電圧を操作することで単相インバータ2の電圧指令の振幅を小さくすることができる。
図6(d)をPWMすると、図6(e)に示すような波形となる。負荷3の相電圧は、3相インバータ1と単相インバータ2との電圧を加算して零相電圧を除いたものであり、図6(f)に示す波形となる。
The waveform in FIG. 6B is a voltage waveform when viewed from the virtual neutral point of the DC voltage of the three-
When PWM is applied to FIG. 6D, a waveform as shown in FIG. 6E is obtained. The phase voltage of the
ここでは、例として、零相電圧操作回路32では零相電圧を0としたが、零相電圧を、例えば、3次高調波電圧として電圧指令の振幅を下げる方法など他の方法を用いることもでき、あるいは、零相電圧操作回路32を省略して零相電圧を操作しなくても本発明には影響がない。従って、後段でも触れるように、特許文献1のような零相電圧を操作していない電力変換装置にも適用できる。また、3相インバータ1が単相インバータで、電力変換装置が単相負荷に接続される場合でも零相電圧操作回路32を省略すれば、単相構成の電力変換装置に適用できるものである。
Here, as an example, the zero-phase
ここで、図6(b)と、(c)または(d)とを比較すると明らかなように、3相インバータ1がスイッチングすると単相インバータ2の電圧指令が大きく変動する。即ち、3相インバータ1が出力する高調波電圧を打ち消すために、3相インバータ1の出力電圧が切り換わる時には、単相インバータ2も同時に3相インバータ1と逆方向に出力電圧を切り換える、具体的には、3相インバータ1の出力電圧を上昇させるタイミングで単相インバータ2の出力電圧を下降させる、または、3相インバータ1の出力電圧を下降させるタイミングで単相インバータ2の出力電圧を上昇させる必要があることを意味している。
Here, as apparent from a comparison between FIG. 6B and FIG. 6C or FIG. 6D, when the three-
ここで、一般的な2レベルインバータにおけるスイッチング時の動作について説明する。
2レベルインバータの場合、上アームと下アームとのスイッチング素子が交互にオンする。しかし、例えば、上アームのスイッチング素子をオフに切り換える駆動信号と下アームのスイッチング素子をオンに切り換える駆動信号とが同時に制御装置から出力されたとしても、ゲートドライブ回路やスイッチング素子に遅れがあり、遅れの量がオンの場合とオフの場合に異なるので上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とが同時に切り換わらない。このときに両方のスイッチング素子が同時にオン状態になると直流回路が短絡してしまうため、通常オンの信号を数マイクロ秒遅れさせて上アームと下アームとのスイッチング素子が両方ともオフとなる期間を作る。これを短絡防止時間と呼ぶ。
Here, the operation at the time of switching in a general two-level inverter will be described.
In the case of a two-level inverter, the switching elements of the upper arm and the lower arm are turned on alternately. However, for example, even if the drive signal for switching off the switching element of the upper arm and the drive signal for switching on the switching element of the lower arm are simultaneously output from the control device, there is a delay in the gate drive circuit and the switching element, Since the amount of delay differs between when the signal is on and when it is off, the switching element of the upper arm and the switching element of the lower arm are not switched simultaneously. At this time, if both switching elements are turned on at the same time, the DC circuit is short-circuited. Therefore, a period in which both the upper arm and lower arm switching elements are turned off by delaying the normally on signal by several microseconds. create. This is called a short circuit prevention time.
この短絡防止時間などの遅れを考慮して一般的な2レベルインバータで制御回路が出力する駆動信号と、実際の出力電圧の関係を表したのが図7である。以下では短絡防止時間をTd、駆動信号生成回路5が駆動信号をオンにしてから実際にスイッチング素子がオンするまでの遅延時間をT1、駆動信号生成回路5が駆動信号をオフにしてから実際に素子がオフするまでの遅延時間をT2とする。
FIG. 7 shows the relationship between the drive signal output by the control circuit with a general two-level inverter and the actual output voltage in consideration of the delay such as the short-circuit prevention time. In the following, the short-circuit prevention time is Td, the delay time from when the drive
駆動信号生成回路5が出力する駆動信号は、上アームのスイッチング素子がオンからオフに切り換わる信号を出した後、図7のように設定されたTdの分遅れて下アームのスイッチング素子をオンにする信号が出力される。ここで、上アームのスイッチング素子がオンしている間は、スイッチング素子のコレクタ、エミッタ間の電圧は素子の特性によって決まる数ボルトの電圧になる。ここでは、これを0ボルトと見なしても差し支えないので、以下ではスイッチング素子がオンの場合の電圧は0ボルトとして扱う。
上アームのスイッチング素子がオンの間はスイッチング素子のコレクタ、エミッタ間電圧VCEは0である。制御回路から出力する駆動信号がオフに切り換わるとT2遅れてスイッチング素子がオフになる。また、上アームのスイッチング素子がオフになる駆動信号が出てから下アームのスイッチング素子がオンになる駆動信号が出るまでにTdの遅れがあり、さらに、下アームのスイッチング素子がオンするまでT1の遅れがあるので、上アームのスイッチング素子がオフする駆動信号が出力されてから(Td+T1)遅れてオンする。
The drive signal output from the drive
While the upper arm switching element is on, the collector-emitter voltage V CE of the switching element is zero. When the drive signal output from the control circuit is switched off, the switching element is turned off with a delay of T2. Further, there is a delay of Td from when the drive signal for turning off the switching element of the upper arm is output until the drive signal for turning on the switching element of the lower arm is output, and further, T1 until the switching element of the lower arm is turned on. Therefore, the switch is turned on with a delay of (Td + T1) after the drive signal for turning off the switching element of the upper arm is output.
また、スイッチング素子がオフするときに、電流がスイッチング素子とダイオードとのいずれに流れているかで動作が異なる。電流が流れているのがスイッチング素子であれば、スイッチング素子がオフすると即座に反対側のアームのダイオードに電流が転流する。よって、スイッチング素子がオフするとVCEは2レベルインバータの直流電圧となる。スイッチング素子がオフするときに電流が流れているのがダイオードならば、スイッチング素子がオフしてもダイオードに電流が流れ続け、反対側のスイッチング素子がオンするまで転流しない。よって、スイッチング素子がオフしても下アームのスイッチング素子がオンするまで上アームのスイッチング素子のVCEは0のままとなる。よって、駆動信号は同じであっても電流の方向によって、各スイッチング素子のVCEは異なり、電流の向きが負荷に向かって正の方向であれば、図7(b)(c)に実線で示すVCEとなり、電流が負荷に向かって負の方向では、破線で示すVCEとなる。即ち、インバータの相電圧も電流の方向によって変化し、電流が負荷に向かって正ならば、図7(d)の実線の電圧波形となり、電流が負荷に向かって負ならば破線の電圧波形となる。
以上のように、実際の電圧波形は、Td、T1、T2があるため、駆動信号のオン・オフとはタイミングがずれる上に、さらに電流の方向によって異なる電圧となる。
Further, when the switching element is turned off, the operation is different depending on which of the switching element and the diode a current flows. If the current is flowing through the switching element, the current is commutated to the diode on the opposite arm as soon as the switching element is turned off. Therefore, when the switching element is turned off, V CE becomes the DC voltage of the two-level inverter. If the current is flowing through the diode when the switching element is turned off, the current continues to flow through the diode even when the switching element is turned off, and does not commutate until the opposite switching element is turned on. Therefore, even if the switching element is turned off, V CE of the upper arm switching element remains 0 until the lower arm switching element is turned on. Therefore, even if the drive signal is the same, the VCE of each switching element differs depending on the direction of the current. If the direction of the current is a positive direction toward the load, a solid line in FIGS. V CE becomes indicated, in the negative direction current toward the load, the V CE shown by a broken line. That is, the phase voltage of the inverter also changes depending on the direction of the current. If the current is positive toward the load, the voltage waveform is a solid line in FIG. 7D. If the current is negative toward the load, the voltage waveform is a broken line. Become.
As described above, since the actual voltage waveform includes Td, T1, and T2, the timing differs from the on / off timing of the drive signal, and the voltage further varies depending on the current direction.
従来の電力変換装置では、複数のインバータが直列に接続されているが、まず、各インバータのスイッチング時の動作について説明する。
図8は、3相インバータ1が図2の回路であるとした場合の、1相の電流経路を表している。図2の回路の直流電圧をEmとし、この直流回路の仮想中性点から3相インバータ1が交流側に出力する電圧を見ると、出力電圧は、Em/2または−Em/2のいずれかとなる。
3相インバータ1が出力する電流が負荷に向かって正の方向であるとすると、3相インバータ1の出力電圧がEm/2である場合は、図8(a)の太線で示す経路で矢印の方向に電流が流れる。即ち、上アームのスイッチング素子12aに電流が流れる。一方、図8(a)からスイッチングしてスイッチング素子12aがオフ、12bがオンすると3相インバータ1の出力電圧が−Em/2に切り換わり、図8(b)に太線で示す経路で電流が流れるので、下アームのダイオード13bに電流が流れる。
In a conventional power converter, a plurality of inverters are connected in series. First, the operation of each inverter during switching will be described.
FIG. 8 shows a one-phase current path when the three-
If the current output from the three-
図9は、単相インバータ2が図3の回路構成のものであり、3相インバータ1から負荷3に向かって正の方向に電流が流れている場合の電流経路を示している。この場合の電流経路は、ダイオード19aからコンデンサ20、ダイオード19dを経て負荷3へ電流が流れる図9(a)と、スイッチング素子18bからコンデンサ20、スイッチング素子18cを経て負荷3へ電流が流れる図9(b)と、ダイオード19a、スイッチング素子18cを経て負荷3へ電流が流れる図9(c)と、スイッチング素子18b、ダイオード19dを経て電流が流れる図9(d)の4つの電流経路がある。また、電圧の方向は、3相インバータ1から負荷3へ向かう方向を正とし、単相インバータ2の直流電圧をEsとすると、単相インバータ2が出力する電圧はEs、0、−Esの3つである。図9では、出力電圧がEsの場合は(b)、出力電圧が0の場合は(c)および(d)、出力電圧が−Esの場合は(a)である。
FIG. 9 shows a current path when the single-
電流が負荷3に向かって正方向に流れているときに、3相インバータ1がスイッチングして出力電圧がEm/2から−Em/2に下がる方向に切り換わる場合は、図8(a)から(b)に切り換わる。このとき、前記のように同じ相の単相インバータ2は、3相インバータ1とは逆に電圧が上がる方向に切り換わる。即ち、出力電圧が−Esから0またはEsに切り換わる場合と、0からEsに切り換わる場合がある。出力電圧が−Esから0に切り換わる場合は、図9(a)から(c)または(d)に切り換わり、出力電圧が−EsからEsに切り換わる場合は、図9(a)から(b)に切り換わる。出力電圧が0からEsに切り換わるのは、図9(c)から(b)に切り換わる場合と(d)から(b)に切り換わる場合の2ケースである。
よって、3相インバータ1でスイッチング素子12aからダイオード13bに電流が転流すると、単相インバータ2ではダイオード19a〜19dのいずれかから反対側のアームにあるスイッチング素子18a〜18dに電流が転流する。
When the current is flowing in the positive direction toward the
Therefore, when the current commutates from the switching
このときに生じる電圧が切り換わるタイミングのずれについて説明する。
3相インバータ1の短絡防止時間をTdm、駆動信号生成回路5が駆動信号をオンにしてから実際にスイッチング素子がオンするまでの遅延時間をT1m、駆動信号生成回路5が駆動信号をオフにしてから実際に素子がオフするまでの遅延時間をT2mとする。また、単相インバータ2については、その短絡防止時間をTds、駆動信号生成回路5が駆動信号をオンにしてから実際にスイッチング素子がオンするまでの遅延時間をT1s、駆動信号生成回路5が駆動信号をオフにしてから実際に素子がオフするまでの遅延時間をT2sとする。
A shift in timing at which the voltage generated at this time is switched will be described.
The short-circuit prevention time of the three-
例として、3相インバータ1が図8(a)から(b)、単相インバータ2が図9(a)から(b)に切り換わる場合について考える。
駆動信号生成回路5は、3相インバータ1のスイッチング素子12aがオフする信号を出力すると同時に単相インバータ2のスイッチング素子18a、18dがオフする信号を出力する。その後、駆動信号生成回路5は、3相インバータ1、単相インバータ2のオフするアームと反対側のアームのスイッチング素子をオンする指令を出すが、3相インバータ1はTdm、単相インバータ2はTds遅れてオンする信号を出す。
As an example, consider a case where the three-
The drive
電流が負荷3に向かって正の方向であれば、3相インバータ1は、図8(a)から(b)に切り換わるので、スイッチング素子12aからダイオード13bへの転流である。図7で説明したように、3相インバータ1の相電圧の切り換えは、駆動信号生成回路5がスイッチング素子12aをオフする信号を出してからT2m後に切り換わるので、図10(c)の実線のように切り換わる。単相インバータ2は、図9(a)から(b)に切り換わるので、負荷3側のアームではダイオード19dからスイッチング素子18cへの転流が生じ、3相インバータ1側のアームではダイオード19aからスイッチング素子18bに転流が生じる。よって単相インバータ2では、駆動信号生成回路5がスイッチング素子18a、18dがオフする信号を出してから(Tds+T1s)後に切り換わり、図10(d)の実線のようになる。図10(c)に実線で示した3相インバータ1の相電圧と図10(d)に実線で示した単相インバータ2の相電圧を加算すると図10(e)の実線のようになる。
If the current is in the positive direction toward the
図10(e)では、3相インバータ1の相電圧が切り換わったタイミングで負の方向に電圧が大きく振れた後、単相インバータ2がスイッチングすることで電圧の絶対値が小さくなっているが、このサージ電圧は3相インバータ1と単相インバータ2の電圧が同時に変わっていたら生じないはずの電圧である。
また、図10(c)(d)(e)の破線は、電流が負荷3に向かって負の方向に流れている場合の電圧波形である。この場合は、図10(e)の合成相電圧では正の方向にサージ電圧が生じる。
また、単相インバータ2の電圧切り換えが他のパターンでも、同様にダイオードから反対側アームのスイッチング素子への転流なので単相インバータ2の電圧切り換えが(Tds+T1s)遅れる。よって、3相インバータ1と単相インバータ2との電圧切り換えにタイミングのずれが発生し、電圧の変化幅は異なるが電流の方向が同じなら上記のタイミングは図9(a)から(b)に切り換わる場合と同じである。
また、3相インバータ1の電圧が逆に切り換わる場合も、同様に3相インバータ1と単相インバータ2との電圧が切り換わるタイミングのずれが生じる。
In FIG. 10 (e), the absolute value of the voltage is reduced by switching the single-
Also, the broken lines in FIGS. 10C, 10 </ b> D, and 10 </ b> E are voltage waveforms when current flows in the negative direction toward the
Further, even when the voltage switching of the single-
Similarly, when the voltage of the three-
この3相インバータ1と単相インバータ2との電圧が切り換わるタイミングのずれが存在すると、図6は図11に示すようになる。特に、負荷3の電圧は図11(f)のようにサージ電圧が乗った電圧波形となる。
If there is a timing shift when the voltages of the three-
図12は、電圧が急峻な変化をした場合の電圧波形の例である。単相インバータ2と負荷3を接続するケーブルの単相インバータ2側の電圧が図12(a)のようなものであっても、ケーブルのインダクタンスや対地間の浮遊容量などにより負荷3の電圧は図12(b)に示すような電圧波形となることがある。図12(b)の電圧変化のピークは図12(a)のスイッチングで変化する電圧の最大2倍にも達し、負荷3に必要な絶縁耐量が大きくなる。また、このように電圧が急峻に変化することにより高調波電流が流れると、電磁ノイズの原因となり周囲の機器に悪影響を及ぼしたり、負荷の鉄損を増大させたりする原因となる。
FIG. 12 is an example of a voltage waveform when the voltage changes sharply. Even if the voltage on the single-
以上、従来装置における制御動作とそれに伴う問題点について説明したが、その内容と対比する形で、以下、本願発明の実施の形態1における電力変換装置について説明する。
図1に戻り、単相インバータ2、負荷3間あるいは3相インバータ1、単相インバータ2間に電流センサ40を設け、計測した電流値を駆動信号生成回路5Aに入力する。
駆動信号生成回路5Aは、図13に示すように、PWMパターン記憶回路46で構成する。
PWMパターン記憶回路46は、電圧切換動作の種別毎に、3相インバータ1や単相インバータ2のスイッチング素子をオンオフするための駆動信号のパターンを記憶しておき、負荷制御回路4からの電圧指令値と電流センサ40で計測した電流に応じて、記憶しているパターンから最適なパターンを出力する。
The control operation in the conventional apparatus and the problems associated therewith have been described above. The power conversion apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described below in comparison with the contents.
Returning to FIG. 1, a
The drive
The PWM
換言すると、PWMパターン記憶回路46は、3相インバータ1の交流出力電圧を上昇または下降させるタイミングで単相インバータ2の交流出力電圧を下降または上昇させるため、それぞれ第1および第2の駆動信号として作成された第1および第2の指令駆動信号に対し、3相インバータ1の交流出力電圧が実際に上昇または下降する電圧変化タイミングと単相インバータ2の交流出力電圧が実際に下降または上昇する電圧変化タイミングとが同一の同期電圧変化タイミングとなるようそれぞれ第1および第2の指令駆動信号を補正して第1および第2の補正駆動信号を出力する駆動信号補正手段であって、電圧切換動作の種別毎に予め記憶された第1および第2の指令駆動信号に対応する第1および第2の補正駆動信号を読み出すようにしたものと言える。
In other words, the PWM
以下、これら第1および第2の指令駆動信号から第1および第2の補正駆動信号を作成する要領について説明する。
図14は、負荷3に向かって電流が正の方向に流れている場合の駆動信号生成回路5Aの出力と3相インバータ1の相電圧、単相インバータ2の相電圧および3相インバータ1と単相インバータ2の相電圧を合わせた相電圧波形を示すものである。実線が、本実施の形態1のパルス補正を行った場合の各波形であり、上述した第1および第2の補正駆動信号に相当する。破線は、補正を行わない場合の波形で、上述の第1および第2の指令駆動信号に相当する。補正を行っていない場合は、先の図10の実線と同じである。
Hereinafter, a procedure for creating the first and second corrected drive signals from the first and second command drive signals will be described.
FIG. 14 shows the output of the drive
図14(a)の破線のように、3相インバータ1の上アームのスイッチング素子12aをオフする信号が出力され、同時に、図14(b)の破線のように、単相インバータ2のスイッチング素子18a、18dをオフする信号を出力する。このタイミングが3相インバータ1と単相インバータ2の相電圧切り換えの理想的なタイミングである。よって、3相インバータ1、単相インバータ2の相電圧切り換えのタイミングが理想のタイミングに揃うように、駆動信号生成回路5Aが出力する駆動信号を早める。
負荷3に向かって正の方向に電流が流れていて、3相インバータ1の上アームのスイッチング素子12aがオフする場合は、相電圧切り換えのタイミングがT2m遅れるので、それを見越して、図14(a)に実線で示すように、スイッチング素子オフの信号をT2m早めて出力する。一方、単相インバータ2の相電圧切り換えのタイミングは、(Tds+T1s)遅れるので、図14(b)に実線で示すように、(Tds+T1s)早めてスイッチング素子18a、18dオフの信号を出力する。これにより実際の電圧切り換えのタイミングが、理想的なタイミングになる。よって、3相インバータ1、単相インバータ2の相電圧切り換えのタイミングが揃い、同時に、電圧が切り換わるので、3相インバータ1と単相インバータ2とを合わせた相電圧にサージ電圧が生じず、負荷3の電圧にもサージ電圧が生じない。
A signal for turning off the
When a current flows in the positive direction toward the
電流が負の場合は、図15の破線のように、3相インバータ1の上アームのスイッチング素子12aの駆動信号がオフになってから(Tdm+T1m)遅れて3相インバータ1の相電圧が切り換わり、単相インバータ2は、スイッチング素子18a、18dの駆動信号がオフになってからT2s遅れで切り換わる。よって、図15(a)の実線で示すように、スイッチング素子12aの駆動信号がオフするタイミングを(Tdm+T1m)早めることで3相インバータ1の相電圧が切り換わるタイミングを理想的なタイミングに補正することができる。単相インバータ2は、図15(b)の実線のように、スイッチング素子18a、18dの駆動信号がオフになるタイミングをT2s早めることで、単相インバータ2の相電圧が切り換わるタイミングを理想的なタイミングに合わせることができる。
When the current is negative, the phase voltage of the three-
ここで挙げた例だけでなく、3相インバータ1が、先の図8(b)から(a)に切り換わる場合や、単相インバータ2のパターンが、先の図9(a)から(c)に切り換わる場合、電流の向きが異なる場合でも同様の手法で駆動信号の補正ができる。
In addition to the example given here, the case where the three-
このような構成とすれば、3相インバータ1、単相インバータ2の相電圧切り換えのタイミングが揃い、同時に電圧が切り換わるので3相インバータ1と単相インバータ2とを合わせた相電圧の、各インバータの短絡防止時間、ゲート回路の特性やスイッチング素子の特性に起因するサージ電圧を小さくできる。よって、負荷3の電圧もサージ電圧が小さくなり、また、サージ電圧以外の全体的な出力電圧の歪みも小さくすることができる。
With such a configuration, the phase voltage switching timings of the three-
以上の結果、電磁ノイズを低減させるための特別の対策が不要となって装置が小型化し、また、鉄損等の損失が低減して装置としての寿命も増大するという効果を奏する。 As a result, special measures for reducing electromagnetic noise are not required, and the apparatus is miniaturized. Further, losses such as iron loss are reduced, and the lifetime of the apparatus is increased.
実施の形態2.
駆動信号を早めることにより、電圧切り換えのタイミングを理想のタイミングに合わせることは先の実施の形態1と同じであるが、実施の形態1とは異なる駆動信号補正手段の例を、実施の形態2として以下に説明する。
図16は、この発明の実施の形態2における電力変換装置の全体構成を示す図である。図17は、図16の駆動信号生成回路5Bの内部構成を示す図である。
図17は、先の図5の駆動信号生成回路5に、パルス補正回路44とパルス補正回路45とを追加し、パルス補正回路44には3相インバータPWM回路30が出力する駆動信号と電流センサ40で計測する電流値とを入力するようにしたものである。また、パルス補正回路45には、単相インバータPWM回路33が出力する駆動信号と電流センサ40で計測する電流値とを入力する。
The timing for switching the voltage to the ideal timing by advancing the drive signal is the same as in the first embodiment, but an example of drive signal correction means different from the first embodiment is described in the second embodiment. Will be described below.
FIG. 16 is a diagram showing an overall configuration of the power conversion device according to
In FIG. 17, a
パルス補正回路44およびパルス補正回路45は、少なくとも駆動信号を早める補正量の最大値以上に駆動信号を遅延させるとともに電流の方向を判定し、先の実施の形態1において図14、図15を用いて説明した駆動信号の補正と実質的に同様の処理を行う。
パルス補正回路44、パルス補正回路45で遅延させている時間内では、駆動信号を修正して早めることが可能であるので、図14、図15で示したと同様の補正が可能となるわけである。また、パルス補正回路44、45で遅延させる時間は等しいものとする。
The
Within the time delayed by the
図18は、図16の負荷制御回路52の内部構成を示す図である。この負荷制御回路52は、後段のパルス補正回路44、45で遅延させる時間分を、交流電圧指令を進めることで補償する進み時間設定回路として機能するものである。
負荷制御回路52中の負荷制御回路4Aは、先の図4の負荷制御回路4の交流電圧指令を演算するために用いる出力電圧の角周波数と位相を出力するようにしたものである。進み時間設定値と負荷制御回路4Aが出力した角周波数とを乗算器50で乗算し、進み時間設定値で設定されている時間で回転する位相を求める。これを加算器51で負荷制御回路4Aが出力する位相に加算する。これは、進み時間設定値で設定した時間の分、未来の位相を求めていることになる。加算器51の出力を負荷制御回路4Aに入力する。負荷制御回路4Aでは、負荷制御の演算は先の負荷制御回路4と同じ現在の位相で行うが、出力する電圧指令の位相は、加算器51が出力する進み時間設定値だけ未来の位相での値を演算して出力する。この進み時間設定値は、パルス補正回路44、45で遅延させる時間と同じにする。
FIG. 18 is a diagram showing an internal configuration of the
The load control circuit 4A in the
このようにすると、図18の加算器51で加算して進めた位相の分、パルス補正回路44、45で遅延させて位相を遅らせるので、3相インバータ1、単相インバータ2が出力する電圧は本来出力すべき位相、タイミングに一致する。
従って、3相インバータ1と単相インバータ2との電圧切り換えのタイミングが揃い、3相インバータ1と単相インバータ2とを合わせた相電圧の、各インバータの短絡防止時間、ゲート回路の特性やスイッチング素子の特性に起因するサージ電圧を抑制できる。
また、実施の形態1のように、あらかじめ電圧指令や電流の向きに合わせて駆動信号のパターンを大量に演算、記憶する必要がないので、構成が簡便となる。
In this way, the phase that is added by the
Therefore, the timing of voltage switching between the three-
In addition, unlike the first embodiment, it is not necessary to calculate and store a large number of drive signal patterns in advance in accordance with the direction of the voltage command or current, so that the configuration becomes simple.
なお、負荷制御回路52で、進み時間設定値分だけ未来の位相の電圧指令を出力するのは、パルス補正回路44、45が遅延作用を持ち、それによって生じる制御の誤差を補償するためであるが、角周波数が小さいなどの理由でこの誤差が充分に小さく問題にならない場合には、位相の補償を省略して図4の負荷制御回路4をそのまま用いて構成を更に簡単にしてもよい。
The reason why the
実施の形態3.
本実施の形態3では、まずパルス(駆動信号)を補正する他の方法について説明する。
図19は、電流が負荷3に向かって正の方向に流れていて、3相インバータ1が、先の図8(a)から(b)、単相インバータ2が、先の図9(a)から(b)に切り換わるときの波形を示し、破線は補正を行わない場合で、実線は本実施の形態3の補正を行った場合である。
本実施の形態3では、電流が負荷3に向かって正の方向に流れている場合は、図19(a)のように、後述する駆動信号生成回路5Bが出力する3相インバータ1のスイッチング素子12aをオフさせる駆動信号を(Tds+T1s−T2m)遅れさせて出力する。単相インバータ2のスイッチング素子18a、18dをオフさせる指令はそのままのタイミングで出力する。
In the third embodiment, first, another method for correcting a pulse (drive signal) will be described.
In FIG. 19, the current flows in the positive direction toward the
In the third embodiment, when the current is flowing in the positive direction toward the
即ち、この実施の形態3では、3相インバータ1と単相インバータ2とのいずれか、その駆動信号の変化タイミングに対して交流出力電圧の電圧変化タイミングがより遅くなる方の電圧変化タイミングが、上述した同期電圧変化タイミングと一致するよう駆動信号を補正するもので、ここでは、単相インバータ2での電圧変化タイミングがより遅いので、その駆動信号は補正せず(補正量が零)、3相インバータ1の駆動信号を補正している。
That is, in the third embodiment, the voltage change timing at which the voltage change timing of the AC output voltage is slower than the drive signal change timing of either the three-
結果として、図19(c)に示すように、3相インバータ1の相電圧が切り換わるタイミングを、単相インバータ2の相電圧が切り換わるタイミングに揃えることができる。これにより、3相インバータ1と単相インバータ2とを合わせた相電圧のサージ電圧を抑制できる。よって、負荷3の電圧のサージ電圧を抑制することができる。
As a result, as shown in FIG. 19C, the timing at which the phase voltage of the three-
また、以上の方法は、(Tds+T1s−T2m)が正の値であることを想定しているが、(Tds+T1s−T2m)が負の場合は、3相インバータ1への駆動信号のタイミングを補正せず、単相インバータ2への駆動信号のタイミングを−(Tds+T1s−T2m)遅れさせれば、単相インバータ2の相電圧が切り換わるタイミングを、3相インバータ1の相電圧が切り換わるタイミングに合わせることができ、同様に、負荷3の電圧のサージ電圧を抑制できる。
The above method assumes that (Tds + T1s−T2m) is a positive value, but if (Tds + T1s−T2m) is negative, correct the timing of the drive signal to the three-
電流が負荷3に向かって負の方向に流れている場合は、図20のように、駆動信号生成回路5Bが出力する単相インバータ2のスイッチング素子18a、18dをオフさせる指令を(Tdm+T1m−T2s)遅れさせて出力する。3相インバータ1のスイッチング素子12aをオフさせる指令は従来通りのタイミングで出力する。この補正により、単相インバータ2の相電圧が切り換わるタイミングを、図20(d)のように、3相インバータ1の電圧が切り換わるタイミングに合わせることができる。よって、図20(e)のように、3相インバータ1と単相インバータ2とを合わせた相電圧のサージ電圧を抑制でき、負荷3の電圧のサージ電圧を抑制することができる。
When the current is flowing in the negative direction toward the
また、以上の方法は、(Tdm+T1m−T2s)が正の値であることを想定しているが、(Tdm+T1m−T2s)が負の場合は、単相インバータ2への信号のタイミングを従来通りにして、3相インバータ1への信号のタイミングを−(Tds+T1s−T2m)遅れさせれば、3相インバータ1の相電圧が切り換わるタイミングを、単相インバータ2の相電圧が切り換わるタイミングに合わせることができ、負荷3の電圧のサージ電圧を抑制することができる。
Further, the above method assumes that (Tdm + T1m−T2s) is a positive value, but when (Tdm + T1m−T2s) is negative, the timing of the signal to the single-
また、ここで挙げた例だけでなく、3相インバータ1が、先の図8(b)から(a)に切り換わる場合や、単相インバータ2のパターンが、先の図9(a)から(c)に切り換わる場合、電流の向きが異なる場合でも同様の補正ができる。
In addition to the example given here, the case where the three-
本実施の形態3では、先の図1のように、単相インバータ2、負荷3間あるいは3相インバータ1、単相インバータ2間に電流センサ40を設け、計測した電流値を駆動信号生成回路5Bに入力する。そして、この駆動信号生成回路5Bは、例えば、図21に示すような構成とする。先の図5の駆動信号生成回路5と違う点は、3相インバータPWM回路30とTd生成回路70との間にパルス補正回路41を設け、パルス補正回路43を3相インバータPWM回路30と減算器31との間に設けたことである。
In the third embodiment, as shown in FIG. 1, a
電流センサ40で測定した電流値に応じて、パルス補正回路41は、3相インバータPWM回路30が出力する駆動信号を先の図19、20で説明した要領で補正を行う。パルス補正回路43は、電流センサ40で測定した電流の向きに応じて単相インバータ2の電圧指令演算に用いる3相インバータ1の相電圧が切り換わるタイミングをずらすことで、単相インバータ2の電圧指令が切り換わるタイミングをずらし、単相インバータ2のスイッチング素子を駆動する駆動信号のタイミングをずらすことができる。このようにして、3相インバータ1と単相インバータ2との電圧が切り換わる瞬間を揃えることができる。
In accordance with the current value measured by the
単相インバータ2の駆動信号を補正するために3相インバータPWM回路30の出力を補正するのは、零相電圧操作回路32によっては交流電圧指令に図6(d)に示すように、他の相のスイッチングによる変化分があるので、単相インバータPWM回路33とTd生成回路71との間で補正を行う演算が増加するためである。従って、零相電圧操作回路32を省略してある場合は、単相インバータPWM回路33とTd生成回路71との間に補正回路を入れて演算を行うことは容易である。零相電圧操作回路32があっても、3相インバータ1のどの相がスイッチングして交流電圧指令が変化しているのかを判断する演算を行うことで単相インバータPWM回路33とTd生成回路71との間でパルス補正を行うことができる。
In order to correct the drive signal of the single-
このような構成とすることで、あらかじめ駆動信号のパターンを網羅的に演算して記憶させることなく、各インバータの短絡防止時間、ゲート回路の特性やスイッチング素子の特性に起因する負荷3のサージ電圧を抑制することができる。また、信号を遅延させることも必要がないので制御応答を高速にすることが可能である。
By adopting such a configuration, the surge voltage of the
実施の形態4.
本実施の形態4は、3相インバータ1自体に先のものとは異なる構成のものも適用し得ることを示すものである。即ち、3相インバータ1が、図22に示す、3相の3レベルインバータであっても、先の実施の形態1〜3と同様の方法により、3相インバータ1と単相インバータ2との電圧切り換えのずれを補正して電圧サージを抑制できる。
The fourth embodiment shows that a three-
負荷3に向かって正の方向に電流が流れている場合としては、3相3レベルインバータ1には、図23のスイッチング素子16a、16bを通じて電流が単相インバータ2の方へ電流が流れている場合と、図24のダイオード15a、スイッチング素子16bを通じて電流が単相インバータ2の方向へ電流が流れていく場合と、図25のダイオード17d、17cを通じて単相インバータ2の方向へ電流が流れていく場合との3つのいずれかである。また、3相インバータ1の直流電圧をEmとしコンデンサ14a、14bの電圧が同じEm/2とすると、3相3レベルインバータ1の出力電圧は、図23の場合はEm/2、図24の場合は0、図25の場合は−Em/2である。よって、3相3レベルインバータ1の相電圧が下がる方向に切り換わる場合は、図23から図24、図24から図25、図23から図25のいずれかである。図23から図24の場合は、スイッチング素子16aからダイオード15aに転流が起こる。図24から図25の場合は、ダイオード15a、スイッチング素子16bから、ダイオード17d、17cに転流が起こる。図23から図25の場合は、スイッチング素子16a、16bからダイオード17d、17cに転流が起こる。
As a case where a current flows in the positive direction toward the
いずれの場合もスイッチング素子からダイオードへの転流が生じることは、先の図8で説明した2レベルインバータの場合と同じである。よって、3相インバータ1と単相インバータ2との電圧切り換えのタイミングのずれは、3相インバータ1が2レベルの場合と同じである。また、電圧の極性や、電流の向きが異なる場合についても同様である。よって、先の実施の形態1〜3と同じ手法を用いて3相インバータ1と単相インバータ2との電圧切り換えのずれを補正できる。
In either case, commutation from the switching element to the diode occurs as in the case of the two-level inverter described with reference to FIG. Therefore, the difference in timing of voltage switching between the three-
このように、3相インバータ1に2レベルインバータではなく、より電圧指令との誤差が小さいが構成が複雑な3レベルインバータを用いた場合でも、各インバータの短絡防止時間、ゲート回路の特性やスイッチング素子の特性に起因する負荷3のサージ電圧を抑制できる。
Thus, even when a 3-level inverter is used instead of a 2-level inverter instead of a 2-level inverter but having a smaller error with the voltage command, the short-circuit prevention time of each inverter, the characteristics of the gate circuit and switching The surge voltage of the
実施の形態5.
本実施の形態5は、単相インバータ2自体に先のものとは異なる構成のものも適用し得ることを示すものである。即ち、単相インバータ2が、図26に示すような2レベルハーフブリッジの回路のものであっても先の実施の形態1〜3と同様の方法により、3相インバータ1と単相インバータ2との電圧切り換えのずれを補正して電圧サージを抑制できる。
The fifth embodiment shows that a single-
負荷3に向かって正の方向に電流が流れる場合としては、図27(a)のコンデンサ21a、スイッチング素子22aを通じて電流が流れる場合と、図27(b)の電流がコンデンサ21b、ダイオード23bを通じて電流が流れる場合との2つのパターンがある。コンデンサ21a、21bの電圧は、同じでEs/2とすると、図27(a)の場合、出力電圧はEs/2となり、図27(b)の場合、出力電圧は−Es/2となる。3相インバータ1の電圧が下がる方向に切り換わり、単相インバータ2の電圧が上がる方向に切り換わる場合は、図27(b)から図27(a)に切り換わるので、ダイオード23bからスイッチング素子22aに転流する。ダイオードからスイッチング素子への転流であることは、先の図9で説明した2レベルフルブリッジの回路の場合と同じである。
The current flows in the positive direction toward the
よって、3相インバータ1と単相インバータ2との電圧切り換えのずれは、単相インバータ2が2レベルフルブリッジの回路の場合と同じである。また、電圧が極性や、電流の向きが異なる場合についても2レベルフルブリッジの回路と同様である。よって、先の実施の形態1〜3と同じ手法を用いて3相インバータ1と単相インバータ2との電圧切り換えのずれを補正できる。
Therefore, the difference in voltage switching between the three-
このように、単相インバータ2が2レベルフルブリッジ回路ではなく、構成要素が少ない2レベルハーフブリッジ回路であっても、各インバータの短絡防止時間、ゲート回路の特性やスイッチング素子の特性に起因する負荷3のサージ電圧を抑制することができる。
Thus, even if the single-
実施の形態6.
更に、単相インバータ2が、図28に示すような、3レベルフルブリッジのインバータであっても、先の実施の形態1〜3と同様の方法により、3相インバータ1と単相インバータ2との電圧切り換えのタイミングずれを補正して電圧サージを抑制できる。
Furthermore, even if the single-
図28の回路で負荷3に向かって正の方向に電流が流れている場合としては、図29のように、ダイオード25b、25a、スイッチング素子24e、24fを通じて流れる場合と、図30のように、スイッチング素子24c、ダイオード26b、ダイオード26c、スイッチング素子24fを通じて流れる場合と、図31のように、スイッチング素子24c、スイッチング素子24d、ダイオード25h、ダイオード25gを通じて電流が流れる場合と、図32のように、スイッチング素子24c、24d、コンデンサ27b、27a、スイッチング素子24e、24fを通じて電流が流れる場合と、図33のように、スイッチング素子24c、ダイオード26b、コンデンサ27a、スイッチング素子24e、24fを通じて電流が流れる場合と、図34のように、スイッチング素子24c、24d、コンデンサ27b、ダイオード26c、スイッチング素子24fを通じて電流が流れる場合と、図35のように、ダイオード25b、25a、コンデンサ27a、ダイオード26c、スイッチング素子24fを通じて電流が流れる場合と、図36のように、スイッチング素子24c、ダイオード26b、コンデンサ27b、ダイオード25h、25gを通じて電流が流れる場合と、図37のように、ダイオード25b、ダイオード25a、コンデンサ27a、27b、ダイオード25h、25gを通じて電流が流れる場合とがある。
In the circuit of FIG. 28, when the current flows in the positive direction toward the
コンデンサ27a、27bの電圧は同じでEs/2とすると、単相インバータ2の出力電圧は、図29、30、31の場合は0、図32の場合はEs、図33、34の場合はEs/2、図35、36の場合は−Es/2、図37の場合は−Esとなる。
Assuming that the voltages of the
3相インバータ1の電圧が下がる方向にスイッチングすると、3相インバータ1の出力電圧は指令に対して電圧が高すぎる状態から低すぎる状態に移行する。よって、単相インバータ2の出力電圧は、3相インバータ1と単相インバータ2との合成電圧を下げる電圧から、合成電圧を上げる電圧に移行する。そのため単相インバータ2の出力電圧は−EsからEs、Es/2、0に切り換わる場合と、−Es/2からEs、Es/2、0に切り換わる場合と、0からEs、Es/2に切り換わる場合とがある。それぞれの詳細な説明は省略するが、ほとんどの場合はダイオードからスイッチング素子に転流するパターンである。このパターンは単相インバータ2が2レベルフルブリッジの回路の場合とタイミングのずれが同じなので、先の実施の形態1〜3の手法をそのまま適用できる。
When switching is performed so that the voltage of the three-
例外的なパターンは、図35から図31に切り換わる場合である。
図35から図31に切り換わる場合は、ダイオード25b、25aからスイッチング素子24c、24dに転流し、ダイオード26c、スイッチング素子24fからダイオード25h、25gに転流する。この時の3相インバータ1および単相インバータ2の駆動信号および3相インバータ1、単相インバータ2の電圧切り換わりのタイミングは図38に示すようになる。3相インバータ1では、スイッチング素子12aがオフする駆動信号がオフになって図38(c)に実線で示すように、T2m後に電圧が切り換わる。
An exceptional pattern is the case of switching from FIG. 35 to FIG.
When switching from FIG. 35 to FIG. 31, the
単相インバータ2では、コンデンサ27a、27bより3相インバータ1側の回路では、転流はスイッチング素子24c、24dがオンするまで転流しない。単相インバータ2の3相インバータ1側の入力端子からコンデンサ27a、27bの間の直流電圧中性点までの電圧を単相インバータ2の3相インバータ1側電圧とすると、図38(d)の実線のように、スイッチング素子24a、24bの駆動信号がオフになってから(Tds+T1s)後に電圧が切り換わる。
一方、コンデンサ27a、27bより負荷3側では、スイッチング素子24fがオフするとダイオード25h、25gに転流する。直流電圧中性点から負荷3側の出力端子までの電圧を単相インバータ2の負荷3側電圧とすると、図38(e)で実線で示すようにT2s後に電圧が切り換わる。よって、単相インバータ2の電圧は、図38(d)(e)を合わせた電圧となり、図38(f)の実線のようになる。これを図38(c)の3相インバータ1の相電圧と合わせると、図38(g)の実線のようになる。
また、電流の方向が逆の場合は、図38に破線で示すような波形となる。
In the single-
On the other hand, on the
Further, when the direction of the current is opposite, the waveform is as shown by a broken line in FIG.
以上のように、駆動信号を同時にオフにすると3相インバータ1と単相インバータ2との電圧切り換わりが3回に分かれるが、以下に示すように、各素子の駆動信号を補正することで電圧切り換わりのタイミングを揃えることができる。
As described above, when the drive signal is simultaneously turned off, the voltage switching between the three-
電流が正の場合は、図39(a)のように、スイッチング素子12a、12bの駆動信号をT2m早めて、図39(b)のように、スイッチング素子24a、24b、24c、24dの駆動信号は(Tds+T1s)早めて、スイッチング素子24f、24hの駆動信号はT2s早めることで3相インバータ1、単相インバータ2の電圧切り換わりのタイミングを揃えることができ、負荷3のサージ電圧を抑えることができる。
When the current is positive, the drive signals for the
電流が負の場合も、図40(a)のように、スイッチング素子12a、12bの駆動信号を(Tdm+T1m)早めて、図40(b)のように、スイッチング素子24a、24b、24c、24dの駆動信号はT2s早めて、スイッチング素子24f、24hの駆動信号は(Tds+T1s)早めることで、3相インバータ1、単相インバータ2の電圧切り換わりのタイミングを揃えることができ、負荷3のサージ電圧を抑えることができる。
Even when the current is negative, the drive signals of the
これは、先の実施の形態1および2の応用であり、制御回路におけるパルス補正のアルゴリズムを変更することで実現可能である。
また、先の実施の形態3のように、駆動信号を遅れさせる補正ならば、3相インバータ1および単相インバータ2における電圧切り換えのタイミングずれのうち一番遅いものに合わせるよう補正すればよい。よって、実施の形態3の制御回路におけるパルス補正のアルゴリズムを変更することで実現可能である。
This is an application of the first and second embodiments, and can be realized by changing the pulse correction algorithm in the control circuit.
Further, as in the case of the third embodiment, if the driving signal is delayed, the correction may be made to match the latest one of the voltage switching timing shifts in the three-
以上のように、単相インバータ2が2レベルインバータよりも交流電圧指令との誤差が小さい電圧を出力できるが構成が複雑な3レベルフルブリッジの回路を用いた場合でも、各インバータの短絡防止時間、ゲート回路の特性やスイッチング素子の特性に起因する負荷3のサージ電圧を抑制できる。
以上の実施の形態4〜6では、3相インバータ1か単相インバータ2のいずれかが、実施の形態1〜3の説明で用いた回路と異なる場合について説明したが、更に、3相インバータ1が図22の3レベルインバータ、単相インバータ2が図28の3レベルインバータなど、どの組み合わせでも可能であり、同様の手法で負荷3のサージ電圧を抑制することができる。
As described above, the single-
In the above fourth to sixth embodiments, the case where either the three-
実施の形態7.
先の実施の形態1〜6では、単相インバータ2は各相1台の例について説明しているが、単相インバータ2は、図41に示すように、複数の単相インバータの交流側を直列に接続したものでもよい。このような構成であっても、実施の形態1〜6と同様の方法を用いて負荷3のサージ電圧を抑制できる。
図41、図42は、先の実施の形態2と同じ手法を用いることを想定した図であるが、駆動信号生成回路82は、図42のようにして、単相インバータPWM回路90により単相インバータ80、81の駆動信号を生成する。パルス補正回路91、92は、先の実施の形態2のパルス補正回路45と同じ手法の動作でよい。単相インバータ80、81は同じ回路でも、例えば、単相インバータ80が2レベルインバータ、単相インバータ81が3レベルインバータといった異なる回路の組み合わせや、単相インバータ80、81の直流電圧が異なる組み合わせでも構わない。
In the first to sixth embodiments described above, the single-
41 and 42 are diagrams assuming that the same technique as that of the second embodiment is used. The drive
実施の形態8.
また、3相インバータ1を単相インバータとして単相の負荷に用いる構成でも、先の実施の形態1〜6で説明した補正方法が適用できる。図43は、負荷103が単相負荷である場合であるが、ここで、3相インバータ1を単相インバータ100に変更し、単相インバータ102を1台用いた構成としている。単相インバータ100は、図44の2レベルフルブリッジインバータ、図45の2レベルハーフブリッジインバータ、図46の3レベルフルブリッジインバータ、図47の3レベルハーフブリッジインバータ等、どれでもよい。単相インバータ102に関しても先の実施の形態1〜6で説明したどの回路でもよい。補正の方法も実施の形態1〜6で説明したどの方法でもよい。例えば、実施の形態2と同じ方法なら、図48のような構成となる。図48は、先の図17を単相の電力変換装置に対応させただけの構成であり、単相なので零相電圧操作回路32は省略している。他の実施の形態1、3〜5であっても容易に単相の電力変換装置に対応させた構成とできる。このように単相の電力変換装置であっても実施の形態1〜6と同様の効果が得られる。
Embodiment 8 FIG.
Further, the correction method described in the first to sixth embodiments can also be applied to a configuration in which the three-
実施の形態9.
また、先の実施の形態1〜6は、直流電力を交流電力に変換して負荷へ供給するインバータとしての用途について説明を行ったが、負荷の代わりに交流電力系統を接続し、交流電力を直流電力に変換するコンバータとして用いることも可能である。
Embodiment 9 FIG.
Moreover, although previous Embodiment 1-6 demonstrated the use as an inverter which converts direct-current power into alternating current power and supplies it to a load, an alternating current power system was connected instead of load, and alternating current power was supplied. It can also be used as a converter for converting to DC power.
1 3相インバータ、2,80,81,100,102 単相インバータ、3 負荷、4,4A,52 負荷制御回路、5,5A,5B 駆動信号生成回路、
6,7,83,84 ゲートドライブ回路、
11,14a,14b,20,21a,21b,27a,27b コンデンサ、
12a〜12f,16a〜16l,18a〜18d,22a,22b,24a〜24h スイッチング素子、
30 3相インバータPWM回路、
33,90,110,112 単相インバータPWM回路、40,104 電流センサ、41,43〜45,91,92,113,114 パルス補正回路、
46 PWMパターン記憶回路、
70,71,93,94,115,116 Td生成回路。
1 three-phase inverter, 2, 80, 81, 100, 102 single-phase inverter, 3 loads, 4, 4A, 52 load control circuit, 5, 5A, 5B drive signal generation circuit,
6, 7, 83, 84 Gate drive circuit,
11, 14a, 14b, 20, 21a, 21b, 27a, 27b capacitors,
12a-12f, 16a-16l, 18a-18d, 22a, 22b, 24a-24h switching elements,
30 3-phase inverter PWM circuit,
33, 90, 110, 112 Single-phase inverter PWM circuit, 40, 104 current sensor, 41, 43 to 45, 91, 92, 113, 114 pulse correction circuit,
46 PWM pattern storage circuit,
70, 71, 93, 94, 115, 116 Td generation circuit.
Claims (5)
上記第1の電力変換器のスイッチング素子を駆動する第1の駆動信号と上記第2の電力変換器のスイッチング素子を駆動する第2の駆動信号とを作成する駆動信号生成回路を備えた電力変換装置において、
上記第1の電力変換器の交流出力電圧を上昇または下降させるタイミングで上記第2の電力変換器の交流出力電圧を下降または上昇させるため、上記第1および第2の駆動信号として作成された第1および第2の指令駆動信号に対し、上記第1の電力変換器の交流出力電圧が実際に上昇または下降する電圧変化タイミングと上記第2の電力変換器の交流出力電圧が実際に下降または上昇する電圧変化タイミングとが同一の同期電圧変化タイミングとなるよう上記第1および第2の指令駆動信号を補正して第1および第2の補正駆動信号を出力する駆動信号補正手段を備え、
上記駆動信号生成回路は、交流電圧指令に基づきPWM(パルス幅変調)制御で上記第1の駆動信号を作成し、上記交流電圧指令と上記第1の電力変換器の交流出力電圧との偏差である偏差指令に基づきPWM制御で上記第2の駆動信号を作成するものであり、
上記交流電圧指令を所定時間進める進み時間設定回路を設け、
上記駆動信号補正手段は、上記第1および第2の電力変換器に設定された短絡防止時間と、上記第1および第2の電力変換器のスイッチング素子におけるオンオフ駆動信号入力時からオンオフ動作出力時までのオンオフ遅延時間と、上記第1および第2の電力変換器の交流側電流の向きとに基づき、上記第1および第2の指令駆動信号に基づく電圧変化タイミングが上記同期電圧変化タイミングと一致するよう、上記第1および第2の補正駆動信号を、上記第1および第2の指令駆動信号を所定の補正時間量だけ遅らせたものとすることを特徴とする電力変換装置。 A power conversion device in which the alternating current sides of the first and second power converters that perform power conversion between direct current and alternating current by controlling on and off of the switching elements are connected in series,
Power conversion comprising a drive signal generation circuit for creating a first drive signal for driving the switching element of the first power converter and a second drive signal for driving the switching element of the second power converter In the device
In order to decrease or increase the AC output voltage of the second power converter at the timing of increasing or decreasing the AC output voltage of the first power converter, the first and second drive signals created as the first and second drive signals are generated. The voltage change timing at which the AC output voltage of the first power converter actually increases or decreases and the AC output voltage of the second power converter actually decreases or increases with respect to the first and second command drive signals. Drive signal correcting means for correcting the first and second command drive signals and outputting the first and second corrected drive signals so that the voltage change timing to be the same synchronous voltage change timing ,
The drive signal generation circuit creates the first drive signal by PWM (pulse width modulation) control based on the AC voltage command, and calculates a deviation between the AC voltage command and the AC output voltage of the first power converter. The second drive signal is created by PWM control based on a certain deviation command,
A lead time setting circuit for advancing the AC voltage command for a predetermined time;
The drive signal correction means includes a short-circuit prevention time set in the first and second power converters, and an on / off operation output from an on / off drive signal input to the switching elements of the first and second power converters. The voltage change timing based on the first and second command drive signals is coincident with the synchronous voltage change timing based on the on / off delay time until and the direction of the AC side current of the first and second power converters Thus, the first and second correction drive signals are obtained by delaying the first and second command drive signals by a predetermined correction time amount .
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