JP6750957B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
図1は、第1の実施形態の電力変換装置1の一例を示す機能ブロック図である。
図1に示すように、電力変換装置1は、マルチレベル変換器20と、制御部21と、電圧幅演算部22と、キャリア生成部23と、ゲート信号生成部(24、25、26)とを備えている。
なお、単相インバータ11と、単相インバータ12と、単相インバータ13とは、同一の構成を有するため、これらを特に区別しない場合には、単相インバータ10として説明する。
図2は、本実施形態のマルチレベル変換器20の一例を示す回路図である。
単相インバータ11(第1の電力変換部の一例)は、コンデンサC1と、スイッチング素子(Q11、Q12、Q13、Q14)と、ダイオード(D11、D12、D13、D14)とを備える。
スイッチング素子(Q11、Q12、Q13、Q14)は、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。スイッチング素子Q11は、電源線L11とノードN11との間に接続され、ゲート端子に供給されるゲート信号G11に基づいて、オン状態とオフ状態とのスイッチングが制御される。また、スイッチング素子Q12は、ノードN11と電源線L12との間に接続され、ゲート端子に供給されるゲート信号G12に基づいて、オン状態とオフ状態とのスイッチングが制御される。
また、ダイオードD13は、スイッチング素子Q13と並列に接続され、アノード端子がノードN12に接続され、カソード端子が電源線L11に接続されている。また、ダイオードD14は、スイッチング素子Q14と並列に接続され、アノード端子が電源線L12に接続され、カソード端子がノードN12に接続されている。
また、マルチレベル変換器20は、ノードN11とノードN32との間の電圧を出力電圧Vallとして出力する。
図3は、本実施形態のマルチレベル変換器20の出力電圧の一例を示す図である。
図3(a)は、単相インバータ11の出力電圧Vinv1を示し、図3(b)は、単相インバータ12の出力電圧Vinv2を示している。また、図3(c)は、単相インバータ13の出力電圧Vinv3を示し、図3(d)は、マルチレベル変換器20の出力電圧Vallを示している。なお、図3に示すグラフはいずれも、縦軸が電圧を示し、横軸が時間を示している。
なお、時刻T2は、基本波のピーク位置を示しており、単相インバータ11は、例えば、正電圧の矩形波電圧の電圧幅θ1の中心と、時刻T2が一致するように、出力電圧Vinv1を出力する。
このように、所定の位相40°は、単相インバータ11の出力電圧Vinv1と、単相インバータ12の出力電圧Vinv2と、単相インバータ13の出力電圧Vinv3とを合成した出力電圧Vallをフーリエ級数展開した展開式(式(5))の3次高調波成分の係数が0になるように定められる。すなわち、所定の位相40°は、式(7)に示すように、所定の位相(δ/2)の3倍の余弦値が、(−1/2)と等しくなる条件を満たすように定められる。
また、キャリア生成部23は、制御部21から出力された制御信号SWに基づいて、上述したキャリア信号CA1と、キャリア信号CA2と、キャリア信号CA3との位相関係を入れ替える。すなわち、キャリア生成部23は、制御信号SWに基づいて、第1の位相と、第2の位相と、第3の位相とを入れ替えたキャリア信号CA1と、キャリア信号CA2と、キャリア信号CA3とを出力する。
まず、制御部21は、位相差δ(=40°)と、制御信号SWとをキャリア生成部23に出力する。キャリア生成部23は、位相差δ(=40°)と、制御信号SWとに基づいて、上述した第1の位相、第2の位相、及び第3の位相のキャリア信号(CA1、CA2、CA3)を生成する。キャリア生成部23は、例えば、第1の位相のキャリア信号CA1を生成し、生成したキャリア信号CA1をゲート信号生成部24に出力する。また、キャリア生成部23は、例えば、第2の位相のキャリア信号CA2を生成し、生成したキャリア信号CA2をゲート信号生成部25に出力する。また、キャリア生成部23は、例えば、第3の位相のキャリア信号CA3を生成し、生成したキャリア信号CA3をゲート信号生成部26に出力する。
マルチレベル変換器20は、単相インバータ11が出力する出力電圧Vinv1と、単相インバータ12が出力する出力電圧Vinv2と、単相インバータ13が出力する出力電圧Vinv3とを合成した出力電圧Vall(図3(d)参照)を出力する。
図4は、本実施形態の単相インバータ10の出力電圧と出力電流の一例を示す図である。
この図において、図4(a)に示す単相インバータ11の出力電圧Vinv1、図4(b)に示す単相インバータ12の出力電圧Vinv2、及び図4(c)に示す単相インバータ13の出力電圧Vinv3は、図3と同様である。また、図4(d)は、各単相インバータ10の出力電流iinvを示している。
この図において、図5(a)から図5(d)の各出力電圧は、図3(a)から図3(d)の各出力電圧と同様である。
また、単相インバータ12は、期間TR1において、出力電圧Vinv1より所定の位相(δ/2)進んだ第2の位相の出力電圧Vinv2を出力する。また、単相インバータ13は、期間TR1において、出力電圧Vinv1より所定の位相(δ/2)遅れた第3の位相の出力電圧Vinv3を出力する。
また、単相インバータ13は、期間TR2において、出力電圧Vinv2より所定の位相(δ/2)進んだ第2の位相の出力電圧Vinv3を出力する。また、単相インバータ11は、期間TR2において、出力電圧Vinv2より所定の位相(δ/2)遅れた第3の位相の出力電圧Vinv1を出力する。
また、単相インバータ11は、期間TR3において、出力電圧Vinv3より所定の位相(δ/2)進んだ第2の位相の出力電圧Vinv1を出力する。また、単相インバータ12は、期間TR3において、出力電圧Vinv3より所定の位相(δ/2)遅れた第3の位相の出力電圧Vinv2を出力する。
なお、期間TR3に次に位相関係を変更する場合に、制御部21は、期間TR1と同様の位相関係の状態を設定する制御信号SWを出力する。
これにより、本実施形態の電力変換装置1は、所望の出力電圧Vallに応じて、電圧幅(θ1)を適切に変更することができる。なお、本実施形態の電圧幅演算部22は、上述した式(10)に基づいて、指令値Vrefに応じた電圧幅(θ1)を算出するため、本実施形態の電力変換装置1は、指令値Vrefに対して電圧幅(θ1)を一意に決めることができる。また、本実施形態の電力変換装置1は、電圧幅(θ1)が不連続な値になることがなく、電圧幅(θ1)を0°から180°の間の値を自由に設定することが可能である。よって、本実施形態の電力変換装置1は、電圧幅(θ1)の変調の連続性を確保することができる。
これにより、本実施形態の電力変換装置1は、単相インバータ11と、単相インバータ12と、単相インバータ13とのスイッチングによる損失を均一化することができる。よって、本実施形態の電力変換装置1は、単相インバータ10の性能劣化の度合い、及び寿命を平均化することできる。
次に、第2の実施形態の電力変換装置1aについて説明する。
上述した第1の実施形態では、簡易な処理及び簡易な構成により3次高調波成分を低減する一例を説明したが、第2の実施形態では、簡易な処理及び簡易な構成により5次高調波成分を低減する一例について説明する。
図6に示すように、電力変換装置1aは、マルチレベル変換器20と、制御部21aと、電圧幅演算部22aと、キャリア生成部23と、ゲート信号生成部(24、25、26)とを備えている。
なお、この図において、図1と同一の構成は同一の符号を付与して、その説明を省略する。
このように、本実施形態では、所定の位相24°は、出力電圧Vallをフーリエ級数展開した展開式(式(5))の5次高調波成分の係数が0になるように定められる。すなわち、所定の位相24°は、式(12)に示すように、所定の位相(δ/2)の5倍の余弦値が、(−1/2)と等しくなる条件を満たすように定められる。
次に、図7を参照して、第3の実施形態の電力変換装置100について説明する。
第3の実施形態では、第1の実施形態の電力変換装置1を3台使用して、三相モータ40を駆動する場合の一例を説明する。
図7に示すように、電力変換装置100は、電力変換器(1A、1B、1C)を備えている。
電力変換器1A、電力変換器1B、及び電力変換器1Cは、例えば、上述した第1の実施形態の電力変換装置1と同一の構成である。電力変換器1Aと、電力変換器1Bと、及び電力変換器1Cとのそれぞれは、上述した直列に接続された3段の単相インバータ10(11、12、13)を備えている。電力変換器1Aは、U相の出力電圧を三相モータ40に供給し、電力変換器1Bは、V相の出力電圧を三相モータ40に供給し、電力変換器1Cは、W相の出力電圧を三相モータ40に供給する。なお、U相の出力電圧と、V相の出力電圧と、W相の出力電圧とは、互いに120°位相が異なっている。
これにより、本実施形態の電力変換装置100は、上述した電力変換装置1と同様に、3次高調波成分を“0”にすることができる。よって、本実施形態の電力変換装置100は、簡易な処理及び簡易な構成により高調波成分を低減することができる。
これにより、電力変換装置1(1a、100)は、簡易な処理によりn次高調波成分を低減することができる。また、電力変換装置1(1a、100)は、3段の単相インバータ10という簡易な構成によりn次高調波成分を低減することができる。
これにより、電力変換装置1(1a、100)は、用途に応じて、適切に高調波成分を低減することができる。
Claims (7)
- 直列接続された3つの電力変換部と、所定期間の正電圧期間と前記所定期間の負電圧期間を含む矩形波電圧を出力するように前記3つの電力変換部のそれぞれを制御する制御部と、を備え、前記3つの電力変換部が出力した各矩形波電圧を合成した出力電圧を出力する電力変換装置であって、
前記制御部は、
前記3つの電力変換部のうちの1つの電力変換部が出力する矩形波電圧に対し、残りの2つの電力変換部の一方が出力する矩形波電圧を、前記出力電圧をフーリエ級数展開した展開式のn(nは3以上の奇数)次高調波成分の係数が0となる位相だけ進め、前記残りの2つの電力変換部の他方が出力する矩形波電圧を、前記位相だけ遅らせ、
さらに前記3つの電力変換部の矩形波電圧の位相関係を所定の基準に基づいて入れ替える、
電力変換装置。 - 前記位相は、n倍の余弦値が(−1/2)と等しくなる条件を満たす位相である請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記nが3かつ前記位相が40度である請求項1又は請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記nが5かつ前記位相が24度である請求項1又は請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記nが3かつ前記位相が40度となるように前記3つの電力変換部が動作する状態と、
前記nが5かつ前記位相が24度となるように前記3つの電力変換部が動作する状態と、
を切り替え可能とする請求項1又は請求項2に記載の電力変換装置。 - 直列接続された3つの電力変換部と、所定期間の正電圧期間と前記所定期間の負電圧期間を含む矩形波電圧を出力するよう前記3つの電力変換部のそれぞれを制御する制御部と、を備え、前記3つの電力変換部が出力した各矩形波電圧を合成した出力電圧を出力する電力変換装置であって、
前記制御部は、
前記3つの電力変換部のうちの1つの電力変換部が出力する矩形波電圧に対し、残りの2つの電力変換部の一方が出力する矩形波電圧を、前記出力電圧をフーリエ級数展開した展開式の3次高調波成分の係数を0とするために位相を40度進め、そして他方が出力する矩形波電圧を、位相を40度遅らせた動作状態と、
前記3つの電力変換部のうちの1つの電力変換部が出力する矩形波電圧に対し、残りの2つの電力変換部の一方が出力する矩形波電圧を、前記出力電圧をフーリエ級数展開した展開式の5次高調波成分の係数を0とするために位相を24度進め、前記残りの2つの電力変換部の他方が出力する矩形波電圧を、位相を24度遅らせた動作状態と、
の間で切り替える、
電力変換装置。 - 直列接続された3つの電力変換部と、所定期間の正電圧期間と前記所定期間の負電圧期間を含む矩形波電圧を出力するよう前記3つの電力変換部のそれぞれを制御する制御部および期間変更部と、を備え、前記3つの電力変換部が出力した各矩形波電圧を合成した出力電圧を出力する電力変換装置であって、
前記制御部は、
前記3つの電力変換部のうちの1つの電力変換部が出力する矩形波電圧に対し、残りの2つの電力変換部の一方が出力する矩形波電圧を、前記出力電圧をフーリエ級数展開した展開式のn(nは3以上の奇数)次高調波成分の係数が0となる位相だけ進め、前記残りの2つの電力変換部の他方が出力する矩形波電圧を、前記位相だけ遅らせ、
前記期間変更部は、前記出力電圧の基本波電圧値と前記位相とに基づき、前記所定期間を変更する、
電力変換装置。
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