JP5512593B2 - 電力変換装置及びその運転方法 - Google Patents
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Description
m、n:整数
非同期PWM制御では三角波キャリアの周波数fcは一定となるため、側帯波成分fbは相電圧指令値の基本波周波数ftにより変化する。また、側帯波成分fbは相電圧指令値の基本波周波数ft近傍にも発生し、数Hz〜数十Hzの低次成分のモータ出力トルクリプル成分となる。このモータ出力トルクリプル成分が数十Hzといった低い機械系固有振動数と一致すると機械的振動が発生する。前記特許文献1ではこの現象を十分には抑制することはできない。
L:インダクタンス [H]
C:コンデンサ容量 [F]
上述したように、同期PWM制御ではパルス数の切替え時には、三角波キャリアの周波数fcが急峻に変化する。その後、相電圧指令値の基本波周波数ftの変化に伴い、三角波キャリアの周波数fcも変化するが、その過程において、キャリア周波数が式(2)に示した共振周波数fLCの近傍を通過することがある。その際、交流電動機の速度指令が加速、あるいは減速運転であれば、三角波キャリアの周波数fcは共振周波数fLCを通過するので問題とならないが、三角波キャリアの周波数fcが共振周波数fLCと一致する場合であって、前記速度指令が定速運転となる場合は、直流電圧に脈動が発生する。その結果、前記平滑コンデンサの破損や、モータ電流にリプルが発生する等の問題が生じる。
単相3レベル電力変換器201A、201Bを直列接続した5レベル電力変換器105U、単相3レベル電力変換器202A、202Bを直列接続した5レベル電力変換器105V、単相3レベル電力変換器203A、203Bを直列接続した5レベル電力変換器105Wによって前記直流電圧を任意の周波数、位相の交流へ変換し、交流電動機106へ供給し、該交流電動機を可変速制御する。
ゲートパルス信号発生器118では、前記U相、V相、および、W相の相電圧指令値VU *、VV *、VW *と、前記速度推定値^ωFBを用いて三角波キャリア発生器119より生成した異なるオフセット値を持つ同一波形の正側三角波キャリアCu、および負側三角波キャリアCdとの比較により、前記ゲートパルス信号GU_A、GU_B、GV_A、GV_B、GW_A、GW_Bを発生させ、前記単相3レベル電力変換器201A、201B、202A、202B、203A、203Bのスイッチング素子をオンオフ制御する。
−VU * )(Vの上に−を記すべきものを便宜上−Vで記した。)、前記正側三角波キャリアCu、前記負側三角波キャリアCdのキャリア波形を、比較器120UA、120UBにより大小比較することでPWM変調された前記ゲートパルス信号GU_A、GU_Bを発生する。同様に、前記V相、W相の相電圧指令値VV *、VW *と、その値に−1を乗算し、正負を逆転した相電圧指令値−VV *、−VW *と、前記正側三角波キャリアCu、前記負側三角波キャリアCdのキャリア波形を比較器120VA、120VB、120WA、120WBにおいて大小比較することでPWM変調された前記ゲートパルス信号GV_A、GV_B、GW_A、GW_Bを発生する。
そのため、前記相電圧指令値の基本波周波数ftに応じて、前記正側三角波キャリアCu、前記負側三角波キャリアCdの周波数fcが変動する同期PWM制御では、前記制御装置112内の制御周期t1は変動する。
前記単相3レベル電力変換器201Aの出力電圧が+Vdc、かつ前記単相3レベル電力変換器201Bの出力電圧が-Vdcの場合には、前記5レベル電力変換器105Uの出力電圧は+2Vdcとなる。前記単相3レベル電力変換器201Aの出力電圧が+Vdc、かつ前記単相3レベル電力変換器201Bの出力電圧が0の場合、あるいは、前記単相3レベル電力変換器201Aの出力電圧が0、かつ前記単相3レベル電力変換器201Bの出力電圧が-Vdcの場合には、前記5レベル電力変換器105Uの出力電圧は+Vdcとなる。前記単相3レベル電力変換器201Aの出力電圧が0、かつ前記単相3レベル電力変換器201Bの出力電圧が0の場合には、前記5レベル電力変換器105Uの出力電圧は0となる。前記単相3レベル電力変換器201Aの出力電圧が-Vdc、かつ前記単相3レベル電力変換器201Bの出力電圧が0の場合、あるいは、前記単相3レベル電力変換器201Aの出力電圧が0、かつ前記単相3レベル電力変換器201Bの出力電圧が+Vdcの場合には、前記5レベル電力変換器105Uの出力電圧は-Vdcとなる。前記単相3レベル電力変換器201Aの出力電圧が-Vdc、かつ前記単相3レベル電力変換器201Bの出力電圧が+Vdcの場合には、前記5レベル電力変換器105Uの出力電圧は-2Vdcとなる。
図9はパルス数が9の場合の概略図になるが、前記相電圧指令値の一周期間に含まれる三角波キャリアは任意となるため、これは全ての3の奇数倍の場合にも成り立つ。
(実施形態2)
(実施形態3)
(実施形態4)
(実施形態5)
(実施形態6)
実施形態5では、相電圧指令値を一つに設定し、異なるオフセット値を持つ同一波形の三角波キャリアを複数作成し、そのキャリア波形と前記相電圧指令値を比較することによりゲートパルス信号を出力する構成にて本発明の効果を示していたが、本実施形態のように、三角波キャリアを一つに設定し、各相毎に異なるオフセット値を持つ同一波形の相電圧指令値を複数作成し、キャリア波形と比較することにより、ゲートパルス信号を出力する構成においても、実施形態4、実施形態5と同様の効果を得ることが可能である。
(実施形態7)
(実施形態8)
(実施形態9)
(実施形態10)
この際、オフセット値は前記三角波キャリアC1 *の山と谷の距離とし、図28の場合では0.25となる。前記相電圧指令値VU *を図28のように、前記三角波キャリアの山と谷の距離となる0.25だけ上方向、あるいは下方向に移動することにより、調整後の相電圧指令値VUI *、VUII *、VUIII *、VUIV *と複数作成し、三角波キャリアのキャリア波形と比較する。
(実施形態11)
(実施形態12)
(実施形態13)
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、マルチレベル電力変換装置あるいは直列多重型電力変換装置等の複数の電力変換器をPWM制御し、その交流出力を組み合わせて出力する電力変換装置において、電力変換器を複数個接続することにより得られる相出力電圧の対称性を利用すること、およびPWM制御器に入力する三角波キャリアの位相を調整することにより、PWM変調器に入力する三角波のキャリア信号の周波数と前記相電圧指令の周波数の比を、3の奇数倍の外に、3の偶数倍、3の奇数倍および偶数倍を除く整数倍とすることができる。
102…変圧器
103U…U相整流ダイオード
103V…V相整流ダイオード
103W…W相整流ダイオード
104U…U相平滑コンデンサ
104V…V相平滑コンデンサ
104W…W相平滑コンデンサ
105U…U相5レベル電力変換器
105V…V相5レベル電力変換器
105W…W相5レベル電力変換器
201A…U相5レベル電力変換器内の単相3レベル電力変換器
201B…U相5レベル電力変換器内の単相3レベル電力変換器
202A…V相5レベル電力変換器内の単相3レベル電力変換器
202B…V相5レベル電力変換器内の単相3レベル電力変換器
203A…W相5レベル電力変換器内の単相3レベル電力変換器
203B…W相5レベル電力変換器内の単相3レベル電力変換器
106…交流電動機
107…出力電流検出器
108…出力電流検出値座標変換
109…出力電圧検出器
110…出力電圧検出値座標変換
111…速度指令生成部
112…制御装置
113…乗算器
114…速度制御器
115…電流制御器
116…推定演算器
117…出力電圧指令値座標変換
118…ゲートパルス信号発生器
119…三角波キャリア発生器
120UA…単相3レベル電力変換器201Aの比較器
120UB…単相3レベル電力変換器201Bの比較器
120VA…単相3レベル電力変換器202Aの比較器
120VB…単相3レベル電力変換器202Bの比較器
120WA…単相3レベル電力変換器203Aの比較器
120WB…単相3レベル電力変換器203Bの比較器
303…整流ダイオード
304…平滑コンデンサ
305U…U相3レベル電力変換器
305V…V相3レベル電力変換器
305W…W相3レベル電力変換器
121…U相多重型電力変換装置
122…V相多重型電力変換装置
123…W相多重型電力変換装置
124〜126…単相2レベル電力変換装置
131…V/F演算器
132…積分器
133…d軸電圧指令値生成部
401…相電圧指令値の軸
Claims (19)
- 交流電源電圧を直流電圧に変換し、変換された当該直流電圧を交流電圧に変換する電力変換器を複数備え、当該複数の電力変換器の交流出力を組み合わせて多レベルの多相交流電圧を出力する電力変換装置において、
三角波のキャリア信号と正弦波の相電圧指令値とを比較して前記複数の電力変換器をPWM制御するPWM変調器を備え、
前記PWM変調器は、入力する前記三角波のキャリア信号の周波数と前記相電圧指令値の周波数との比の値について、3の奇数倍の数の外に、3の偶数倍の数、当該3の奇数倍の数及び偶数倍の数を除く整数を含む値に設定し、かつ、交流電動機に印加する多相出力電圧の対称性を保つように前記複数の電力変換器の出力電圧を生成することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1記載の電力変換装置において、前記三角波のキャリア信号は、異なるオフセット値を持つ同一波形の2つの三角波キャリアを有し、前記複数の電力変換器は、前記相電圧指令値と前記2つの三角波キャリアとの比較に基づいて交流電動機に印加されるパルス幅変調電圧を制御するPWM変調部を有する単相3レベル電力変換器を2つ接続した5レベル電力変換器であり、
前記三角波のキャリア信号の周波数と前記相電圧指令値の基本波周波数との比率が前記3の偶数倍の場合では前記2つの三角波キャリアの位相が一致していることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項2記載の電力変換装置において、前記三角波のキャリア信号の周波数と前記相電圧指令値の基本波周波数との比率が前記3の偶数倍の場合では前記2つの三角波キャリアの谷又は山が前記相電圧指令値の位相0°である零点近傍にあることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項1記載の電力変換装置において、前記三角波のキャリア信号は、異なるオフセット値を持つ同一波形の2つの三角波キャリアを有し、前記複数の電力変換器は、前記相電圧指令値と前記2つの三角波キャリアとの比較に基づいて交流電動機に印加されるパルス幅変調電圧を制御するPWM変調部を有する単相3レベル電力変換器を2つ接続した5レベル電力変換器であり、
前記三角波のキャリア信号の周波数と前記相電圧指令値の基本波周波数との比率が前記3の倍数以外の前記整数の場合ではU相、V相、W相の各相それぞれに当該各相の相電圧指令値と比較するための異なるオフセット値を持つ同一の波形の2つの三角波キャリアを有し、当該各相毎の2つの三角波キャリアをそれぞれU相三角波キャリア、V相三角波キャリア、W相三角波キャリアとしたときの当該U相三角波キャリアと当該V相三角波キャリアと当該W相三角波キャリアとの位相差が互いに120°であることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1記載の電力変換装置において、前記相電圧指令値は、U相、V相、W相の各相毎に異なるオフセット値を持つ同一波形の2つの相電圧指令値を有し、前記複数の電力変換器は、前記各相毎の2つの相電圧指令値と前記三角波のキャリア信号との比較に基づいて交流電動機に印加されるパルス幅変調電圧を制御するPWM変調部を有する単相3レベル電力変換器を2つ接続した5レベル電力変換器であり、
前記三角波のキャリア信号の周波数と前記相電圧指令値の基本波周波数との比率が前記3の偶数倍の場合では前記各相毎の2つの相電圧指令値の位相が一致していることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1記載の電力変換装置において、前記相電圧指令値は、U相、V相、W相の各相毎に異なるオフセット値を持つ同一波形の2つの相電圧指令値を有し、前記複数の電力変換器は、前記各相毎の2つの相電圧指令値と前記三角波のキャリア信号との比較に基づいて交流電動機に印加されるパルス幅変調電圧を制御するPWM変調部を有する単相3レベル電力変換器を2つ接続した5レベル電力変換器であり、
前記三角波のキャリア信号の周波数と前記相電圧指令値の基本波周波数との比率が前記3の倍数以外の前記整数の場合ではU相、V相、W相の各相それぞれに当該各相の2つの相電圧指令値と比較するための同一の波形の三角波キャリアを有し、当該各相毎の三角波キャリアをそれぞれU相三角波キャリア、V相三角波キャリア、W相三角波キャリアとしたときの当該U相三角波キャリアと当該V相三角波キャリアと当該W相三角波キャリアとの位相差が互いに120°であることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1記載の電力変換装置において、前記三角波のキャリア信号は、異なるオフセット値を持つ同一波形の複数の三角波キャリアを有し、前記複数の電力変換器は、前記相電圧指令値と前記複数の三角波キャリアとの比較に基づいて交流電動機に印加されるパルス幅変調電圧を制御するPWM変調部を有するマルチレベル電力変換器であり、
前記三角波のキャリア信号の周波数と前記相電圧指令値の基本波周波数との比率を前記3の偶数倍としたことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1記載の電力変換装置において、前記三角波のキャリア信号は、異なるオフセット値を持つ同一波形の複数の三角波キャリアを有し、前記複数の電力変換器は、前記相電圧指令値と前記複数の三角波キャリアとの比較に基づいて交流電動機に印加されるパルス幅変調電圧を制御するPWM変調部を有するマルチレベル電力変換器であり、
前記三角波のキャリア信号の周波数と前記相電圧指令値の基本波周波数との比率が前記3の倍数以外の前記整数の場合ではU相、V相、W相の各相それぞれに当該各相の相電圧指令値と比較するための異なるオフセット値を持つ同一の波形の複数の三角波キャリアを有し、当該各相毎の複数の三角波キャリアをそれぞれU相三角波キャリア、V相三角波キャリア、W相三角波キャリアとしたときの当該U相三角波キャリアと当該V相三角波キャリアと当該W相三角波キャリアとの位相差が互いに120°であることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1記載の電力変換装置において、前記相電圧指令値は、U相、V相、W相の各相毎に異なるオフセット値を持つ同一波形の複数の相電圧指令値を有し、前記複数の電力変換器は、前記複数の相電圧指令値と前記三角波のキャリア信号との比較に基づいて交流電動機に印加されるパルス幅変調電圧を制御するPWM変調部を有するマルチレベル電力変換器であり、
前記三角波のキャリア信号の周波数と前記相電圧指令値の基本波周波数との比率を前記3の偶数倍としたことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1記載の電力変換装置において、前記相電圧指令値は、U相、V相、W相の各相毎に異なるオフセット値を持つ同一波形の複数の相電圧指令値を有し、前記複数の電力変換器は、前記複数の相電圧指令値と前記三角波のキャリア信号との比較に基づいて交流電動機に印加されるパルス幅変調電圧を制御するPWM変調部を有するマルチレベル電力変換器であり、
前記三角波のキャリア信号の周波数と前記相電圧指令値の基本波周波数との比率が前記3の倍数以外の前記整数の場合ではU相、V相、W相の各相それぞれに当該各相の複数の相電圧指令値と比較するための同一の波形の三角波キャリアを有し、当該各相毎の三角波キャリアをそれぞれU相三角波キャリア、V相三角波キャリア、W相三角波キャリアとしたときの当該U相三角波キャリアと当該V相三角波キャリアと当該W相三角波キャリアとの位相差が互いに120°であることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1記載の電力変換装置において、前記相電圧指令値は、U相、V相、W相の各相毎に異なるオフセット値を持つ同一波形の複数の相電圧指令値を有し、前記三角波のキャリア信号は、異なるオフセット値を持つ同一波形の複数の三角波キャリアを有し、前記複数の電力変換器は、前記複数の相電圧指令値と前記複数の三角波キャリアとの比較に基づいて交流電動機に印加されるパルス幅変調電圧を制御するPWM変調部を有するマルチレベル電力変換器であり、
前記三角波のキャリア信号の周波数と前記相電圧指令値の基本波周波数との比率を前記3の偶数倍としたことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1記載の電力変換装置において、前記相電圧指令値は、U相、V相、W相の各相毎に異なるオフセット値を持つ同一波形の複数の相電圧指令値を有し、前記三角波のキャリア信号は、異なるオフセット値を持つ同一波形の複数の三角波キャリアを有し、前記複数の電力変換器は、前記複数の相電圧指令値と前記複数の三角波キャリアとの比較に基づいて交流電動機に印加されるパルス幅変調電圧を制御するPWM変調部を有するマルチレベル電力変換器であり、
前記三角波のキャリア信号の周波数と前記相電圧指令値の基本波周波数との比率が前記3の倍数以外の前記整数の場合ではU相、V相、W相の各相それぞれに当該各相の複数の相電圧指令値と比較するための同一の波形の三角波キャリアを複数有し、当該各相毎の三角波キャリアをそれぞれU相三角波キャリア、V相三角波キャリア、W相三角波キャリアとしたときの当該U相三角波キャリアと当該V相三角波キャリアと当該W相三角波キャリアとの位相差が120°であることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1記載の電力変換装置において、前記三角波のキャリア信号は、異なるオフセット値を持つ同一波形の複数の三角波キャリアを有し、前記複数の電力変換器は、前記相電圧指令値と前記複数の三角波キャリアとの比較に基づいて交流電動機に印加されるパルス幅変調電圧を制御するPWM変調部を有すると共に、絶縁された複数の入力電源を持つ単相2レベル電力変換器を複数個接続したN相交流電動機(N:自然数)を駆動する直列多重型電力変換器であり、
前記三角波のキャリア信号の周波数と前記相電圧指令値の基本波周波数との比率を前記3の偶数倍としたことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1記載の電力変換装置において、前記三角波のキャリア信号は、異なるオフセット値を持つ同一波形の複数の三角波キャリアを有し、前記複数の電力変換器は、前記相電圧指令値と前記複数の三角波キャリアとの比較に基づいて交流電動機に印加されるパルス幅変調電圧を制御するPWM変調部を有すると共に、絶縁された複数の入力電源を持つ単相2レベル電力変換器を複数個接続したN相交流電動機(N:自然数)を駆動する直列多重型電力変換器であり、
前記三角波のキャリア信号の周波数と前記相電圧指令値の基本波周波数との比率が前記3の倍数以外の前記整数の場合ではU相、V相、W相の各相それぞれに当該各相の相電圧指令値と比較するための異なるオフセット値を持つ同一の波形の複数の三角波キャリアを有し、当該各相毎の複数の三角波キャリアをそれぞれU相三角波キャリア、V相三角波キャリア、W相三角波キャリアとしたときの当該U相三角波キャリアと当該V相三角波キャリアと当該W相三角波キャリアとの位相差が互いに120°であることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1記載の電力変換装置において、前記相電圧指令値は、U相、V相、W相の各相毎に異なるオフセット値を持つ同一波形の複数の相電圧指令値を有し、前記複数の電力変換器は、前記複数の相電圧指令値と前記三角波のキャリア信号との比較に基づいて交流電動機に印加されるパルス幅変調電圧を制御するPWM変調部を有すると共に、絶縁された複数の入力電源を持つ単相2レベル電力変換器を複数個接続したN相交流電動機(N:自然数)を駆動する直列多重型電力変換器であり、
前記三角波のキャリア信号の周波数と前記相電圧指令値の基本波周波数との比率を前記3の偶数倍としたことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1記載の電力変換装置において、前記相電圧指令値は、U相、V相、W相の各相毎に異なるオフセット値を持つ同一波形の複数の相電圧指令値を有し、前記複数の電力変換器は、前記複数の相電圧指令値と前記三角波のキャリア信号との比較に基づいて交流電動機に印加されるパルス幅変調電圧を制御するPWM変調部を有すると共に、絶縁された複数の入力電源を持つ単相2レベル電力変換器を複数個接続したN相交流電動機(N:自然数)を駆動する直列多重型電力変換器であり、
前記三角波のキャリア信号の周波数と前記相電圧指令値の基本波周波数との比率が前記3の倍数以外の前記整数の場合ではU相、V相、W相の各相それぞれに当該各相の複数の相電圧指令値と比較するための同一の波形の三角波キャリアを有し、当該各相毎の三角波キャリアをそれぞれU相三角波キャリア、V相三角波キャリア、W相三角波キャリアとしたときの当該U相三角波キャリアと当該V相三角波キャリアと当該W相三角波キャリアとの位相差が互いに120°であることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1記載の電力変換装置において、前記相電圧指令値は、U相、V相、W相の各相毎に異なるオフセット値を持つ同一波形の複数の相電圧指令値を有し、前記三角波のキャリア信号は、異なるオフセット値を持つ同一波形の複数の三角波キャリアを有し、前記複数の電力変換器は、前記複数の相電圧指令値と前記複数の三角波キャリアとの比較に基づいて交流電動機に印加されるパルス幅変調電圧を制御するPWM変調部を有すると共に、絶縁された複数の入力電源を持つ単相2レベル電力変換器を複数個接続したN相交流電動機(N:自然数)を駆動する直列多重型電力変換器であり、
前記三角波のキャリア信号の周波数と前記相電圧指令値の基本波周波数との比率を前記3の偶数倍としたことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1記載の電力変換装置において、前記相電圧指令値は、U相、V相、W相の各相毎に異なるオフセット値を持つ同一波形の複数の相電圧指令値を有し、前記三角波のキャリア信号は、異なるオフセット値を持つ同一波形の複数の三角波キャリアを有し、前記複数の電力変換器は、前記複数の相電圧指令値と前記複数の三角波キャリアとの比較に基づいて交流電動機に印加されるパルス幅変調電圧を制御するPWM変調部を有すると共に、絶縁された複数の入力電源を持つ単相2レベル電力変換器を複数個接続したN相交流電動機(N:自然数)を駆動する直列多重型電力変換器であり、
前記三角波のキャリア信号の周波数と前記相電圧指令値の基本波周波数との比率が前記3の倍数以外の前記整数の場合ではU相、V相、W相の各相それぞれに当該各相の複数の相電圧指令値と比較するための同一の波形の三角波キャリアを有し、当該各相毎の三角波キャリアをそれぞれU相三角波キャリア、V相三角波キャリア、W相三角波キャリアとしたときの当該U相三角波キャリアと当該V相三角波キャリアと当該W相三角波キャリアとの位相差が互いに120°であることを特徴とする電力変換装置。 - 交流電源電圧を直流電圧に変換し、変換された当該直流電圧を交流電圧に変換する電力変換器を複数備え、当該複数の電力変換器の交流出力を組み合わせて多レベルの多相交流電圧を出力する電力変換装置の運転方法において、
PWM変調器により三角波のキャリア信号と正弦波の相電圧指令値とを比較して前記複数の電力変換器をPWM制御するPWM制御ステップを有し、
前記PWM制御ステップでは、前記PWM変調器に入力する前記三角波のキャリア信号の周波数と前記相電圧指令値の周波数との比の値について、3の奇数倍の数の外に、3の偶数倍の数、当該3の奇数倍の数及び偶数倍の数を除く整数を含む値に設定し、かつ、交流電動機に印加する多相出力電圧の対称性を保つように前記複数の電力変換器の出力電圧を生成することを特徴とする電力変換装置の運転方法。
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