JP6070430B2 - 直列多重インバータ制御装置の２段変化防止方法とその装置 - Google Patents

Description

本発明は、セル多重電圧形インバータの２段変化防止方法とその装置に係わり、特に、直列多重電圧形インバータ制御装置の２段変化防止手段を施したときにおけるキャリア周波数の上限値の緩和に関するものである。

インバータを構成する回路方式の一つとして、直列多重方式がある。直列多重方式は、従来の２レベルや３レベルなどのように直流リンク部が一つのインバータでなく、入力トランスで絶縁された複数の直流リンク部を持ち、セルユニットと呼ばれる単相インバータを多段に接続することで、接続した段数分の直流電圧の合計を出力することができる。

図１１は直列３段の例を示したものである。各セルユニットの直流リンク電圧をＶdc、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各セルユニットをそれぞれＵ１，Ｕ２，Ｕ３、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３、インバータの負荷をＬoadとし、Ｌoad端子電圧をＶu，Ｖv，Ｖwとすると、ＶuはＵ１，Ｕ２，Ｕ３の電圧の和になるので下式となる。
Ｖu＝Ｖu１＋Ｖu２＋Ｖu３
ここで、Ｖu１，Ｖu２，Ｖu３はＵ１，Ｕ２，Ｕ３の出力電圧である。

図１２にセルユニットの主回路構成例を示す。Ｕは上段と接続されるレグの上アームのスイッチング素子、Ｘは上段と接続されるレグの下アームのスイッチング素子、Ｖは下段と接続されるレグの上アームのスイッチング素子、Ｙは下段と接続されるレグの下アームのスイッチング素子である。

上記のように構成される直列多重方式のインバータをモータ端子電圧に発生するサージ電圧を抑制するために２段変化を防止し、かつセルユニットの利用率を均等にしながらパルス幅変調（以下ＰＷＭという）する方法として搬送波位相選択方式（以下ＣＰＳ方式という）が特許文献１により知られている。
ここで、２段変化とは単相インバータ１ユニットの直流リンク電圧Ｖdcの幅を１レベルとしたときの出力線間電圧に発生する2レベル分の変化のことである。

ＣＰＳ方式のような多段PWM制御において電圧指令が領域境界付近の場合、2段変化が発生する。本来、相電圧波形はキャリアの頂点に対して凹または凸型のパルスとなる。しかし、電圧指令が領域の境界（キャリア頂点）付近にある場合、デッドタイム等の遅延時間によりこれと異なる極小パルスを発生し、線間電圧では極短い間隔で連続的なパルス変化となり擬似的な2段変化が生じる。これを防止するためにキャリア境界付近に禁止帯を設け、禁止体内でのスイッチングを禁止している。デッドタイムは主回路の上下アームの短絡防止のためにゲート信号のON／OFFを切り替えるときに設けられる時間である。

次に、問題となる2段変化の発生原理について述べる。
PWM変調した電圧指令はパルスとして出力される。そのパルスの型には2つの型がある。デッドタイムを考えずに搬送波と指令値を比較した場合に得られる出力電圧のパルスの型について図１３に示す。搬送波は三角波を用いる。指令値が搬送波より大きい場合にはVdcを出力し小さい場合には０を出力することとする。V*は電圧指令を表している。

図１３（ａ）に示すように基準線を引くと基準線間隔で出力相電圧のパルスは凸型となっていることがわかる。図１３（ｂ）に示すように基準線を引くと基準線間隔で出力相電圧のパルスは凹型となっていることがわかる。つまり、基準線を定めたときに基準線間の搬送波の頂点が上向きであるか下向きであるかによって出力パルスの型は決まることがわかる。このパルスの型を踏まえて図１４に相電圧パルスの型と線間電圧の関係の例を示す。

図１４（ａ）に示してある領域とは、特許文献１で示すように指令電圧から判別する電圧領域の境界となるレベルで区切られた範囲を意味しており、単相インバータ1ユニットの直流リンク電圧Vdcの幅となる。VuはU相出力電圧、VvはV相出力電圧、VuvはU-V間線間出力電圧を示している。他の（ｂ）〜（ｈ）の図も（ａ）と同様に定義する。

（ａ），（ｂ）のようにパルスの型が同じ場合は線間電圧が1段変化となる。（ｃ）のように凸型と凹型の組み合わせで凸型パルスの中央の幅と凹型パルスの中央の幅が一致している状態では線間電圧で2段変化が生じる。また、（ｄ）のように凹凸パルスの幅が完全に一致しなくても似通った幅であれば連続的なパルス変化となり擬似的な2段変化が生じる（以下、疑似2段変化という）。したがって、パルス位相の型は線間電圧を形成する2相間で常に一致するようにしなければいけない。

（ｅ）の条件では相電圧は同じ凸型であるが凸部の幅の大小関係が2相間で切り替わるときに線間電圧のパルスの立ち上がり/立ち下がりの間隔が狭くなるときがある。この際、線間電圧で疑似2段変化が生じているのがわかる。（ｆ）（ｇ）（ｈ）は基本的にすべて凸型とし、基準線内の任意の場所でレベル領域移行による相電圧レベル変化を伴う過渡状態の例である。

（ｆ）は、U相電圧が凸の中央より左側で立ち上がり変化を起こした場合である。線間電圧を見ると、このモードでは2段変化を生じないことがわかる。一方、（ｇ）はU相電圧が凸の中央より右側で立ち上がり立変化を起こした場合であるが、V相電圧の立ち下がりタイミングと一致すると線間電圧で2段変化を生じている。（ｈ）は凸の中央より左側の立ち下がりが問題となることを示している。

すなわち、2相間でパルスの立ち上がりと立ち下がりタイミングが同時、もしくは近接する可能性自体をなくすことが2段変化を完全に防止する条件である。また電圧指令自体が２段変化以上の変化率で変化した場合は線間電圧も２段変化以上となることから圧指令自体が２段変化以上の変化率でないことも2段変化防止の条件となる。

特開２００６−１０９６８８

このような、セル多重方式のインバータに永久磁石同期電動機(以下、PMモータという)の制動停止方法として、特定の空間ベクトル軸上に単振動するような高周波電圧を加える方法を適用する。この際、他の制御方法と同じようにデッドタイムによる禁止帯処理の影響でキャリア周波数の上限が制限されてしまい、その結果として指令周波数が制限されてしまう。指令周波数は制動の自由度を向上させるためにはキャリア周波数の上限より高い周波数のほうが好ましい。

図１５はデッドタイムによる影響で発生する２段変化について示したものである。図１５に示すとおり、Ｕ２電圧が立ち下がってからＵ３電圧が立ち上がっていることでU相電圧凹型となり、これにより線間電圧U−Ｖが２段変化している。これは、Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３の各出力電圧はデッドタイムを考慮しているためで、電圧の立ち上がりのときに遅れが出てしまっている。この遅れの影響によりU相電圧は本来凸型パルスとなるはずが凹型のパルスとなってしまい、これに伴いＶ相電圧は凸型のパルスとなることからU相とV相でパルスの型が異なってしまうため、図１５に示すような擬似2段変化が発生する。

これを防止するために、キャリアの境界付近にスイッチングをしてはいけない領域（以下、禁止帯という）を設けることにより、デッドタイムによる２段変化及び擬似２段変化を防止する2段変化の発生を防止するものである。

図１６は禁止帯を設けたときの2段変化防止の例を示したものである。図１６は、直列３多重とし、出力される相電圧のレベル数７（０〜６）としたときのＵ相電圧の領域４と５の境界近辺を例として示し、Ｈfbの幅が禁止帯である。この禁止帯Ｈfbを設けることで、Ｕ２電圧が立ち下がるよりも先にＵ３電圧が立ち上がっていることが分り、これにより、Ｕ−Ｖ間電圧の2段変化の発生を防ぐことができる。

したがって、特許文献１では、この2段変化又は擬似2段変化を防止する手段が採られているが、デッドタイムによる禁止帯の回避量を考えるときに３相の電圧指令値を考慮しなければならないため、回避量が増えてしまい、その分キャリアの上限値もより制限されてしまう。PMモータの制動量の自由度を向上させるためにはキャリア周波数の上限値はより高周波の方が望ましい。

本発明の説明に先立って、禁止帯の設計について説明する。
単相インバータに使用するスイッチング素子をＩＧＢＴとした場合、ＩＧＢＴのスイッチングの遅れ時間には次の要素がある。ＩＧＢＴのデッドタイムとＩＧＢＴのゲートにスイッチのON／OFFの指令を実際に加えるゲート回路の遅延時間とＩＧＢＴのゲートにスイッチングの指令が加わってから実際にON／OFFするまでの時間が要素となる。よって、境界に対して片側分の禁止帯幅Ｈfbは以下の式で設定できる。
禁止帯幅[s] =ＩＧＢＴデッドタイム[s] + ゲート回路遅延[s] +ＩＧＢＴスイッチング遅延[s]
この禁止帯幅ＨfbにはU，V，W相のすべての相の電圧指令が入らないように生成する。３相すべてを禁止帯外に回避する方法を図１７に示す。図１７は一例であり、U，V，W相の関係は一意ではない。ここで、Ｂ１はV相の電圧指令値からE2までの距離、E1は下側の禁止帯縁、E2は上側の禁止帯縁とする。

図１７（ａ）は禁止帯回避前の状態を示す。この例ではU相電圧指令が禁止帯内で他のV，W相電圧指令が禁止帯外である。禁止帯外への回避は、次の手順で行われる。
（１）まずU相電圧指令を禁止帯の外に移動する。その際、U相の電圧指令値からE1までの距離とE2までの距離を比較し、E1までの距離の方が近いのでE1の方向に禁止帯回避する。このときの禁止帯の回避量はA1（＝u1−E1）となる。この回避量は他の相にも同時に行う。このため、U相電圧指令が禁止帯の外に移動したことによりV相電圧指令が禁止帯の内に入ってしまうが、W相の電圧指令は禁止帯の外である。この状態を示したものが図１７（ｂ）である。

（２）次に、V相を禁止帯の外に移動させる。移動させる方向は、V相電圧指令にE2の方向に回避量2Ｈfb を加え、U相電圧指令が再び禁止帯の内に入らないようにする。よって、U相の電圧指令値を図１７（ｂ）の状態のように移動させた禁止帯の縁E1ではなく、反対側の禁止帯の縁E2まで移動させるように回避量A2を選択し、A1+A2=2Ｈfbとする。これらの回避量を加えたことによりW相電圧指令が禁止帯の内に入ってしまう。この状態を示したものが図１７（ｃ）である。

（３）次に、W相電圧指令をE2までの距離の近い方向に禁止帯回避するようにする。図１７（ｃ）ではE1の方向に回避量を加える。このときはW相電圧指令を禁止帯の外に移動させるが、移動させたことによりU相電圧指令、V相電圧指令が再び禁止帯の内に入らないようにする必要がある。（ａ）の状態のV相電圧指令から遠くの禁止帯縁E1まで回避するようにすれば３相すべての電圧指令が禁止帯内に入ることはなくなる。この回避量をA３とする。

上記（１）〜（３）のように回避量を選択することにより図１７（ｄ）に示す状態となり禁止帯を回避することができる。
ここで、図１７の状態でW相電圧指令値に対して上下の禁止帯までの距離がどの程度あれば必ず禁止帯に入らないかを説明すると、上側までの距離は回避量A２以上、下側までの距離は回避量A３以上あれば禁止帯の内側に入らないことが分る。よってW相電圧指令値の領域の上下の禁止帯幅の距離はA２+A３あればW相電圧指令値が禁止帯の内側に入らないことが分る。Ａ３の値はＢ１＋２×Ｈfbとなる。

次にＡ2の値は2×Ｈfb−Ａ1となる。Ａ２+Ａ３は４×Ｈfb+Ｂ1−Ａ1となる。この式から回避量はＢ1とＡ1によって決定されることがわかる。次に、Ａ1とB1の関係を示す。U相の電圧指令値の回避量を加えたときにV相の電圧指令値が禁止帯内側に入る場合を考えるとＢ1≦Ａ1の関係がある。Ｂ1がＡ1よりも大きい場合は禁止帯の内側に入ることはないのは図２からも明白である。Ａ1はU相電圧指令値から近くの禁止帯の縁までの距離なので次の関係がある。０＜Ａ1＜Ｈfb。Ａ1とＢ1の関係から−Ｈfb＜Ｂ1−Ａ1＜０となる。これらのことからW相電圧指令値が禁止帯の内側に入らないための領域の上下の禁止帯幅の最大距離Ａ２+Ａ３は４×Ｈfbとなる。

図１８に三角波キャリアと禁止帯の関係を示す。ここで、Tはキャリア1周期の時間を示す。上記で説明したように各電圧領域での禁止帯間の距離は４×Ｈfb あれば禁止帯を回避できる。各電圧領域でキャリアの振幅に対して上下の電圧領域間の境界にそれぞれ禁止帯を設けることより、キャリアの振幅に対して禁止帯は２×Ｈfb あることがわかる。これらのことからキャリアの振幅が（２+４）×Ｈfb あればデッドタイム等の影響による2段変化を防止することができる。またキャリア周波数の上限を考える場合はキャリアの振幅は半周期で最小値から最大値まで変化するので、もう半周期も考慮する必要がある。よってキャリアの上限は(1)式で決まる。

上記のように、キャリアの振幅に対して禁止帯を設けることにより２段変化及び擬似２段変化を防止することは可能となるが、キャリア上限が(1)の式で決まり、制動の自由度を向上させるためには、キャリア周波数の上限制限の緩和が要望される。

そこで、本発明が目的とするとこは、禁止帯回避処理の回避量を軽減してキャリア周波数の上限の制限を緩和した直列多重インバータ制御装置を提供することにある。

本発明は、複数の単相インバータを多段に接続した直列多重インバータのＰＷＭ制御をＣＰＳ制御方式を用いて行うＰＷＭ制御装置であって、３相電圧指令を複数の電圧領域に区分し、領域間に禁止帯を設けてデットタイムの影響による２段変化発生を防止するＰＷＭ制御装置の２段変化発生を防止する方法において、
ＣＰＳ制御部とデットタイム生成部との間に禁止帯回避処理部を設け、
高周波制動時に、前記３相電圧指令のうち何れか２相の電圧指令値を等しく与え、禁止帯の回避処理を禁止帯回避処理部で行うことを特徴としたものである。

また、本発明は、等しい電圧指令値が与えられる何れか２相の電圧指令値の回転基準位相は、時間による変化がない一定であることを特徴としたものである。

本発明は、複数の単相インバータを多段に接続した直列多重インバータのＰＷＭ制御をＣＰＳ制御方式を用いて行うＰＷＭ制御装置であって、３相電圧指令を複数の電圧領域に区分し、領域間に禁止帯を設けてデットタイムの影響による２段変化発生を防止するＰＷＭ制御装置の２段変化発生を防止するものにおいて、
高周波制動時に、前記３相電圧指令のうち何れか２相の電圧指令値を等しく与えると共に、
キャリアフェイズセレクト制御部とデットタイム生成部との間に禁止帯回避処理部を設け、
禁止帯回避処理部は、相電圧指令値領域の上側Ｄi_-pと領域の下側Dｉ_-Nを算出する算出手段と、
算出された上側Ｄi_-pと下側Dｉ_-Nが予め定めた禁止帯の内外を判定し、禁止帯外の場合には回避量＝０とし、禁止帯内の場合には電圧のシフト量とシフト方向を判定する１回目の電圧シフト量演算手段と、
電圧シフト量演算手段により算出された電圧に基づき相電圧指令値領域の上側Ｄi_-pと領域の下側Dｉ_-Nを算出し、算出値が禁止帯の内外を判定して禁止帯外のときに回避量Ａ１とし、禁止帯内のときに電圧シフト量を選択して回避量Ａ２とする２回目の電圧シフト量演算手段
を備えたことを特徴としたものである。

また、本発明は、前記禁止帯回避処理部の出力側にゲート信号選択部を設け、ゲート信号選択部は、高周波制動の指令が入力された回数をカウントする機能と高周波制動指令の回数によりどの段数のセルを使用するかを禁止帯回避処理後のゲート指令との論理積を得ることで単相インバータの使用決定する機能を備えたことを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、キャリア周波数の上限値をより高くすることが可能となったことで指令周波数を高くすることができ、ＰＭモータ制動時の自由度の向上が可能となるものである。

本発明の実施形態を示すＣＰＳ方式によるＰＷＭ制御装置の部分図。 本発明の禁止帯回避処理のフローチャート。 回転座標変換を利用した３相交流電圧指令発生部の構成図。 座標の説明図。 禁止帯回避説明のための部分波形図。 各相電圧指令値と禁止帯縁及び境界までの距離の波形図。 ３多重方式時の領域と禁止帯の説明図。 禁止帯と境界までの距離の波形図。 電圧指令値が禁止帯内の場合の波形図。 ゲート信号選択部の構成図。 直列多重インバータの構成図。 単相インバータ（セルユニット）の構成図。 出力パルス波形図。 相電圧パルス型と線間電圧の波形図。 デッドタイムの影響による２段変化発生図。 禁止帯による２段変化防止図。 禁止帯回避説明図。 三角波キャリアと禁止帯の関係図。

本発明は、ＣＰＳ制御部とデットタイム生成部との間に禁止帯回避処理部を設け、高周波制動時に、前記３相電圧指令のうち何れか２相の電圧指令値を等しく与え、禁止帯の回避処理を禁止帯回避処理部で行うことで、禁止帯回避処理の回避量を軽減してキャリア周波数の上限の制限を緩和するもので、以下図に基づいて詳述する。

図１は、本発明が適用されるセル多重電圧形インバータ制御装置の部分図で、
１はＵ，Ｖ，Ｗの相電圧指令とキャリア周波数指令を発生するＣＰＵ、２は電圧領域を判定する電圧領域判定部で、相電圧指令に基づきＣＰＳ方式における電圧指令の領域とレベルが定義されて例えば領域０〜５に区分された各相の領域を判定する。３はキャリア信号生成部で、キャリア周波数指令に基づいてここでは６０度、９０度の位相差信号を生成してローテーション制御部４に出力する。ローテーション制御部４にはキャリアローテーションすべき組み合わせが定義されおり、ゲートステートの組み合わせが発生したときキャリアのローテーションを行い、キャリアフェイズセレクト（以下ＣＰＳという）制御部５に出力する。

１０が本発明による禁止帯回避処理部で、図２に示すような処理機能を有している。

図３は回転座標変換を利用した三相交流の電圧指令発生部において、高周波電圧を重畳する制動方式のブロック図である。この電圧指令発生部を用いて高周波制動を行うために、ｄ軸電圧指令Ｖd^*は電圧指令振幅ΔＶと各周波数ω_hを有する高周波正弦波ΔV・sin(ω_ht)を加え、q軸電圧指令には零電圧指令を加える。回転座標変換の基準位相を生成する角周波数指令については、零（ω*=０）のままとしておく。このように電圧指令を加えることで三相電圧指令値は下記のようになる。

固定座標系(α−β座標系)と回転座標系(ｄ−ｑ座標系)を図４のように定義する。ここで、θreはα−β座標系からd−q座標系の位相差である。図１の回転座標基準位相を零(θ=０)とすることはθreを零とすることと等価である。よって、d−q座標系とα−β座標系は一致する。α−β座標系から三相座標系へ変換すれば三相電圧指令を求めることができる。

それぞれの座標系での電圧を次のように定義する。Ｖdはd軸電圧、Ｖqはq軸電圧、Ｖαはα軸電圧、Ｖβはβ軸電圧、ＶuはU相電圧、ＶvはＶ相電圧、ＷwをW相電圧とし、^*がついているものは指令値とする。d軸電圧指令値とα電圧指令値、ｑ軸電圧指令値とβ軸電圧指令値は一致することは明白である。
α−β座標系の電圧指令値を三相座標系への電圧指令値の変換は、（２），（３）式で行われる。

重畳する相電圧指令値は（４）式となる。

V相電圧指令値とW相電圧指令値を等しくなる。

上記のような電圧指令値における禁止帯回避を考えると図５のようになる。
図５は、本発明による禁止帯回避処理部１０において電圧指令値を加えた場合の禁止帯回避方法の例を示したもので、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の関係は一意ではない。ここで、Ｂ1はＶ相、Ｗ相の電圧指令値からＥ2までの距離、Ｅ1は下側の禁止帯縁、Ｅ2は上側の禁止帯縁とする。

図５（ａ）は禁止帯回避前の状態で、この例ではＵ相電圧指令が禁止帯内で他のＶ，Ｗ相電圧指令が禁止帯外である。まず、Ｕ相を禁止帯の外に移動する。Ｕ相の電圧指令値からＥ1までの距離とＥ2までの距離ではＥ1までの距離のほうが近いのでＥ1の方向に禁止帯回避するようにしている。このときの禁止帯の回避量をＡ1とする。

次にＵ相が禁止帯の外に移動したことによりＶ相、Ｗ相が禁止帯の内に入ってしまう。この状態を図５（ｂ）に示す。このときはＶ相、Ｗ相を禁止帯の外に移動させる。移動させる方向は回避量を加えていないＶ相、Ｗ相電圧指令値からＥ1までの距離とＥ2までの距離の近い方向に禁止帯回避するようにする。図５（ｂ）ではＥ2の方向に回避量を加える。この移動をさせたことによりＵ相が再び禁止帯の内に入らないようにする必要がある。よって、Ｕ相の電圧指令値を図５（ｂ）の状態のように移動させた禁止帯の縁Ｅ1ではなく、反対側の禁止帯の縁Ｅ2まで移動させるように回避量Ａ2を選択する。
このように回避量を選択することにより図５（ｃ）に示す状態となり禁止帯を回避することができる。

ここで、図５の状態でＶ相、Ｗ相電圧指令値に対して上下の禁止帯までの距離がどの程度あれば必ず禁止帯に入らないかを示す。上側までの距離は回避量Ａ2以上、下側までの距離は回避量Ａ1以上あれば禁止帯の内側に入らないことが分る。よってＶ相、Ｗ相電圧指令値の領域の上下の禁止帯幅の距離はＡ1+Ａ2あればＶ相、Ｗ相電圧指令値が禁止帯の内側に入らないことが分る。Ａ2の値は２×Ｈfb−Ａ1となる。Ａ1+Ａ2は２×Ｈfbとなり、Ｖ相，Ｗ相電圧指令値が禁止帯の内側に入らないための領域の上下の禁止帯幅の最大距離Ａ1+Ａ2は２×Ｈfbとなることから、キャリアの上限は（５）式で決まる。

禁止帯回避処理を一般化した場合のフローチャートを示したものが図２で、以下に各ステップ（Ａ）〜（Ｆ）について説明する。

（１）．ステップ（Ａ）のＤi_-PとＤi_-Nの算出について
図６に各相電圧指令値と禁止帯縁及び境界までの距離の関係を、図７に３多重方式時の領域と禁止帯を示す。なお、図６，図７で、Ｄi_-P：i（＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）相電圧指令のある領域の上側の境界までの距離、Ｄi_-N ：i（＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）相電圧指令値のある領域の下側の境界までの距離、αi１：i(＝Ｕ，Ｖ，Ｗ)相の電圧指令値のある領域の近くの禁止帯縁までの距離、αi２：i(＝Ｕ，Ｖ，Ｗ)相の電圧指令値からαi１の距離にある禁止帯縁の禁止帯と接している禁止帯縁までの距離とする。
また、電圧指令値が属している領域をＦi、電圧指令値が属している領域の上側の領域をＦi_P、電圧指令値が属している領域の下側の領域をＦi_Nとする。

前述のように、1領域はセル1段分の電圧Ｖdcで定義されていることから、３多重の場合は領域の数は6つとなる。中間の境界である領域３と領域２の間の境界を値としては０とすると、領域５の上側は値としては３×Ｖdc、領域０の下側は値としては−３×Ｖdc の値となり、各境界の値は表1ように表せる。

よって、上記の表1のように境界の位置が決まる。ここで、各領域の上下の境界と表1の境界との関係を記す。
領域５と領域４の間の境界は、領域５の下側，領域４の上側に存在する。領域４と領域３の間の境界は、領域４の下側，領域３の上側に存在する。領域３と領域2の間の境界は、領域３の下側，領域２の上側に存在する。領域２と領域1の間の境界は、領域２の下側，領域１の上側に存在する。領域１と領域０の間の境界は、領域1の下側，領域０の上側に存在する。すなわち、各領域に対して境界は互いに接する上下に存在する。

これより、各電圧指令値の大きさから、まず電圧指令値が属している領域が分る。例として電圧指令値が２．５Ｖdc とすると、領域５の上側の境界よりも小さく、領域５と領域４の間の境界よりも大きいことから領域５に存在することは明白である。電圧指令値が属する領域が分れば上下の境界との位置と電圧指令値の値から距離を求めればよい。すなわち、（６），（７）式より、Ｄi_-PとＤi_-N が求まる。

ここで、ＢＯj_-p：電圧指令値が属する領域j(=０，１，２，３，４，５)の上側の境界の位置、ＢＯj_-N：電圧指令値が属する領域j(=０，１，２，３，４，５)の下側の境界の位置とする。

（２）．ステップ（Ｂ）の禁止帯内外判定について
まず、各電圧指令値の上下の境界までの距離の最小値を求める。ここで、最小値をDi_minとする。
各相の最小値をさらに比較し最小値を求める。この値をDminとする。この最小値DminとHfbを比較しDminの方が小さければDmin に選択したDi_min のi相は禁止帯に属していることがわかる。DminとHfbを比較しDminの方が大きければすべての相が禁止帯の外にあることは明白であり回避量は０となる。

（３）．ステップ（Ｃ）の電圧シフト量の演算について
Dmin に選択したDi_min のi相を禁止帯から回避する相として選択する。これは禁止帯の回避量は境界までの距離が短い方が大きくなるからである。図７と（８）式でこのことについて説明する。図８よりi相電圧指令値が禁止帯の中にあるときは境界までの距離が短い方が電圧指令値が属している領域の禁止帯縁Ｅ1までの距離が長いことがわかる。回避量Ａ1をαi1とした式で定量的に禁止帯までの距離を示すと(8)式となる。

これより禁止帯の回避量は境界までの距離が短い方が大きくなることがわかる。また、電圧指令値が属している領域の上側の禁止帯内の場合を例としているが下側の禁止帯内の場合でも同様である。

（４）．ステップ（Ｄ）のシフト方向判定について
ステップ（Ｄ）は回避量の補正の正負を判定する。
回避量が正となるのは、電圧指令値が属している領域(例として図７のＦi)の下側の禁止帯までの距離が短い場合である。この場合、下側の禁止帯縁までの移動の方が属している領域の下側の領域(例として図７のFi_N)の上側の禁止帯縁まで移動するよりも回避量が少なくて済む。よって下側の禁止帯縁の禁止帯まで移動させることを考えると回避量を正の値として加えることにより移動させることができる。

回避量が負となるのは、電圧指令値が属している領域(例として図７のFi)の上側の禁止帯までの距離が短い場合である。この場合は上側の禁止帯縁までの移動の方が属している領域の上側の領域(例として図７のFi_P)の下側の禁止帯縁まで移動するよりも回避量が少なくて済む。よって上側の禁止帯縁の禁止帯まで移動させることを考えると回避量を負の値として加えることにより移動させることができる。

これらの処理を行うことにより回避量の算定ができ、算出した回避量は各相の電圧指令値に加える。加えることにより他の相が禁止帯内に移動してしまう可能性があるが、この場合は禁止帯回避処理を再度行わなければならない。

（５）．ステップ（Ｅ）の禁止対外判定について
再度Ｄi__PとＤi__Nの算出を行う。この際のＤi__PとＤi__Nは（９），（１０）式で求まる。

ステップ(Ａ)の算出と異なる点は、回避量Ａ1を考慮している点にある。考慮することにより(Ａ)〜(Ｃ)までの禁止帯回避処理を行ったことにより禁止帯内に移動してしまった相が存在するかどうかを判定できる。この際に禁止帯内に電圧指令値が存在しなければ回避量はＡ1となる。

（６）．ステップ（Ｆ）の電圧シフト量の選択について
ステップ(Ｄ)の処理で禁止帯内に電圧指令値が存在していた場合には図３と図８に示す場合が考えられる。回避量Ａ1を加える前の電圧指令値が禁止帯の外にあり回避量Ａ1を加えることにより禁止帯の中に入ってしまう場合と回避量Ａ1を加える前の電圧指令値が禁止帯内にあり回避量Ａ1を加えても依然として禁止帯の中に存在する場合が図９である。図９の場合でも回避量Ａ2を選択することによりすべての相で禁止帯を回避できることがわかる。図５の場合は先にも示したので説明は省略する。

図５と図９の例は一例でありここでは回避量を加える前はＵ相電圧指令値が境界に近い例を示しているがＶ相，Ｗ相電圧指令値が境界に近い場合でも同様に考えることができる。これらを回避するには回避量Ａ1を加えていない電圧指令値にαi２を加えればすべての相が禁止帯の外に移動することがわかる。よって、αi２を回避量Ａ2として選択する。
この処理を行うことによりすべての相電圧指令値に対して禁止帯を回避することができる。

本実施例におけるセル多重電圧形インバータの例は３多重であることから、各段のゲート信号の選択が必要なる。図１０は多重段のゲート信号選択部１１を示したものである。ゲート信号選択部１１は、禁止帯回避処理部５とデットタイム生成部６間に挿入されてカウント機能１１ａと各相それぞれ６個のアンド回路１１ｂより構成されている。

カウント機能１１ａは、高周波制動の指令が入力された回数をカウントする機能である。アンド回路１１ｂは、高周波制動指令の回数によりどの段数のセルを使用するかを禁止帯回避処理後のゲート指令との論理積を得ることによりセルの使用を決定する。

この実施例２は、実施例１のd軸電圧指令値と、q軸電圧指令値、角周波数指令の与え方はそのままとして、回転基準位相に直接指令を与えるものである。角周波数指令を与えていないことにより回転基準位相は時間によって変化すること
はなく一定となる。この時の指令値はそれぞれ６０゜，１２０゜，１８０゜，２４０゜，３００゜と与える。このように回転基準位相に指令を加えると３相のうち２相分の電圧指令値が等しくなる。各指令値を与えたときの３相電圧指令値は（１１）式〜（１５）式となる。
位相差を６０゜としたときは

位相差を１２０゜としたときは

位相差を１８０゜としたときは

位相差を２４０゜としたときは

位相差を３００゜としたときは

上記のように回転基準位相の指令値を１２０゜，１８０゜，２４０゜，３００゜
と与えた場合に３相のうち２相分の電圧指令値が等しくなる。禁止帯の回避処理の方法は実施例1と同様に行えばキャリア周波数の上限を高くすることができる。

なお、上記各実施例においては制動電圧として多重をする場合についての説明であるが、制動電圧として多重をする必要の無い場合がある。制動電圧として多重不要のときには、図１２のＵ２，Ｕ３、Ｖ２，Ｖ３、Ｗ２，Ｗ３のスイッチング素子ＵとＹを連続的にオンし、図１１のＵ１，Ｖ１，Ｗ１をインバータ動作させることで対応する。

１… ＣＰＵ
２… 電圧領域判定部
３… キャリア信号生成部
４… ローテーション制御部
５… キャリアフェイズセレクト（ＣＰＳ）制御部
６… デットタイム生成部
１０… 禁止帯回避処理部
１１… ゲート信号選択部

Claims (4)

1. 複数の単相インバータを多段に接続した直列多重インバータのＰＷＭ制御をＣＰＳ制御方式を用いて行うＰＷＭ制御装置であって、３相電圧指令を複数の電圧領域に区分し、領域間に禁止帯を設けてデットタイムの影響による２段変化発生を防止するＰＷＭ制御装置の２段変化発生を防止する方法において、
   ＣＰＳ制御部とデットタイム生成部との間に禁止帯回避処理部を設け、
   高周波制動時に、前記３相電圧指令のうち何れか２相の電圧指令値を等しく与え、禁止帯の回避処理を禁止帯回避処理部で行うことを特徴とした直列多重インバータ制御装置の２段変化発生防止方法。
2. 前記等しい電圧指令値が与えられる何れか２相の電圧指令値の回転基準位相は、時間による変化がない一定であることを特徴とした請求項１記載の直列多重インバータ制御装置の２段変化発生防止方法。
3. 複数の単相インバータを多段に接続した直列多重インバータのＰＷＭ制御をＣＰＳ制御方式を用いて行うＰＷＭ制御装置であって、３相電圧指令を複数の電圧領域に区分し、領域間に禁止帯を設けてデットタイムの影響による２段変化発生を防止するＰＷＭ制御装置の２段変化発生を防止するものにおいて、
   高周波制動時に、前記３相電圧指令のうち何れか２相の電圧指令値を等しく与えると共に、
   キャリアフェイズセレクト制御部とデットタイム生成部との間に禁止帯回避処理部を設け、
   禁止帯回避処理部は、相電圧指令値領域の上側Ｄi_-pと領域の下側Dｉ_-Nを算出する算出手段と、
   算出された上側Ｄi_-pと下側Dｉ_-Nが予め定めた禁止帯の内外を判定し、禁止帯外の場合には回避量＝０とし、禁止帯内の場合には電圧のシフト量とシフト方向を判定する１回目の電圧シフト量演算手段と、
   電圧シフト量演算手段により算出された電圧に基づき相電圧指令値領域の上側Ｄi_-pと領域の下側Dｉ_-Nを算出し、算出値が禁止帯の内外を判定して禁止帯外のときに回避量Ａ１とし、禁止帯内のときに電圧シフト量を選択して回避量Ａ２とする２回目の電圧シフト量演算手段
   を備えたことを特徴とする直列多重インバータ制御装置の２段変化発生防止装置。
4. 前記禁止帯回避処理部の出力側にゲート信号選択部を設け、ゲート信号選択部は、高周波制動の指令が入力された回数をカウントする機能と高周波制動指令の回数によりどの段数のセルを使用するかを禁止帯回避処理後のゲート指令との論理積を得ることで単相インバータの使用決定する機能を備えたことを特徴とする請求項３記載の直列多重インバータ制御装置の２段変化発生防止装置。