JPH08256483A - 中性点クランプ式pwm制御型電力変換器の制御装置 - Google Patents

中性点クランプ式pwm制御型電力変換器の制御装置

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JPH08256483A
JPH08256483A JP7057302A JP5730295A JPH08256483A JP H08256483 A JPH08256483 A JP H08256483A JP 7057302 A JP7057302 A JP 7057302A JP 5730295 A JP5730295 A JP 5730295A JP H08256483 A JPH08256483 A JP H08256483A
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JP
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phase
voltage
switching
power converter
control device
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JP7057302A
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Inventor
Kazuo Shimane
根 一 夫 嶋
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 スイッチング周波数を増加させることなく、
特定高調波を除去し、指令値に等しい基本波成分の電圧
を出力しうる制御装置の提供。 【構成】 交流電圧指令からその振幅を演算する振幅演
算部(2)と、電力変換器の出力電圧の特定の高調波を
低減するための各スイッチング素子のスイッチング角度
を各振幅毎に記憶しているパターンテーブル(4)と、
振幅演算部(2)によって演算された振幅に対応する各
スイッチング素子のスイッチング角度をテーブル(4)
から読出し、その角度に対応する正弦値または余弦値を
出力する変換部(3)と、この変換部(3)によって得
られた正弦値または余弦値を三相交流電圧指令と比較
し、その比較結果に従ってスイッチング素子のためのス
イッチングパターンを生成するパターン演算手段(5)
とを備えた制御装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、各相毎に電圧基準に応
じた電圧をPWM制御方式に従って出力する中性点クラ
ンプ式PWM制御型電力変換器の制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】まず中性点クランプ式電力変換器の一構
成例を、図13を参照して説明する。図13に示す中性
点クランプ式電力変換器50は三相ブリッジ型に構成さ
れており、各アームごとに直列接続の2個のスイッチン
グ素子、したがって交流各相毎に直列接続の4個のスイ
ッチング素子を備えている。すなわち、R相は4個のス
イッチング素子sr1 〜 sr4を、同様にS相はスイッチン
グ素子ss1 〜 ss4を、またT相はスイッチング素子st1
〜 st4を備えている。これらのスイッチング素子はゲー
トターンオフサイリスタ(GTO)やゲート絶縁型バイ
ポーラトランジスタ(IGBT)等の自己消弧型素子か
らなっている。また、これらの各スイッチング素子には
個々の素子毎に逆並列に接続されたダイオードD1,D
2,D3,D4からなるダイオード51を備えている。
各相毎に2個のダイオードDPおよびDNからなる中性
点クランプダイオード52が備えられている。クランプ
ダイオード52は各相毎に直列に接続され、正負両アー
ムの各2個のスイッチング素子の中間接続点間にダイオ
ード51と同一の極性にして接続される。電力変換器5
0の直流端子間には直列接続の2個のコンデンサCPお
よびCNからなる平滑コンデンサ53が接続され、その
中間接続点が各相の2個のダイオードDP,DNの中間
接続点にそれぞれ接続されている。電力変換器50の交
流端子は交流負荷(AC)54に接続され、直流端子は
直流負荷(DC)55に接続される。
【0003】各相の4個のスイッチング素子に点弧信号
として与えられるゲート信号をそれぞれ、R相について
は gr1〜gr4 、S相については gs1〜gs4 、W相につい
てはgt1〜gt4 とするが、図13にはR相のゲート信号
gr1〜gr4 しか示されていない。
【0004】次に三角波比較方式のパルス幅変調(PW
M)パターンを図14に示し、その発生原理について説
明する。電圧指令は実際は各相毎に正弦波信号で与えら
れるが、ここではR相およびS相の電圧指令Er および
Es のみを例示し、それに対応してR相およびS相並び
にR−S相間の各電圧のPWMパターンについて説明す
る。
【0005】R相電圧指令Er はそれぞれ同相の正負2
つの搬送三角波T1 ,T2 (図示の例では基本波電圧の
9倍の周波数を有する)と比較され、次のアルゴリズム
に従ってR相のスイッチング素子sr1 〜 sr4に供給する
PWMパターンを生成する。なお、三角波T1 はスイッ
チング素子sr1 ,sr3 のゲート信号gr1 ,gr3 の生成の
ために用いられ、三角波T2 はスイッチング素子sr2 ,
sr4 のゲート信号gr2,gr4 の生成のために用いられ
る。
【0006】 Er ≧T1 なら、 gr1:オン、 gr3:オフ …(1a) Er <T1 なら、 gr1:オフ、 gr3:オン …(1b) Er ≧T2 なら、 gr2:オン、 gr4:オフ …(1c) Er <T2 なら、 gr2:オフ、 gr4:オン …(1d) 式(1a)〜(1d)に従い、ゲート信号 gr1および g
r2のAND論理でR相電圧Vr の正側のPWMパターン
が決定され、ゲート信号 gr3および gr4のAND論理で
R相電圧Vr の負側のPWMパターンが決定される。ま
た、ゲート信号gr2および gr3のAND論理でVr =0
となる。すなわち、電力変換器50の直流端子電圧(す
なわち、直流負荷55の端子電圧)をVdcとすれば、次
のようになる。 gr1, gr2がオンのとき、Vr =+Vdc …(2a) gr2, gr3がオンのとき、Vr =0 …(2b) gr3, gr4がオンのとき、Vr =−Vdc …(2c) 同様にして、R相電圧Vr から、π2/3の位相差をも
ってS相の相電圧VsのPWMパターンが決定され、さ
らにVr −Vs =VrsとしてR−S相線間電圧Vrsが決
定される。
【0007】相電圧、たとえばR相電圧Vr は3レベル
(+1,0,−1)Vdcの階段状波形となり、線間電
圧、たとえばR−S相線間電圧Vrsは5レベル(+2,
+1,0,−1,−2)Vdcの階段状波形となる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】以上のPWM方式を電
力変換器に適用した場合、三角波T1 ,T2 の周波数を
Mf 、電力変換器50の出力電圧周波数をOf とする
と、式(3)に示す電圧高調波成分Hrmが発生する。 Hrm=k・Mf ±m・Of …(3) ただし、kが偶数なら、mは奇数 kが奇数なら、mは偶数である。
【0009】たとえば、Of =50Hz 、Mf =450
Hz とすると、図15(a)に線間電圧および同図
(b)に相電流として実波形を示し、図16(a)に線
間電圧および同図(b)に相電流の周波数分析結果を示
すように、PWM方式の電力変換器には、5次、7次、
11次、13次などの低次の高調波が発生するという問
題があった。
【0010】したがって本発明は、スイッチング周波数
すなわち搬送三角波の周波数を増加させることなく、特
定高調波を除去し、指令値に等しい基本波成分の電圧を
出力しうる中性点クランプ式PWM制御型電力変換器の
制御装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項1の発明は、各相毎に電圧基準に応じた交流電
圧をPWM制御方式に従って出力する中性点クランプ式
PWM制御型電力変換器の制御装置であって、与えられ
た三相交流電圧指令からその振幅を演算する振幅演算手
段と、電力変換器の出力電圧の特定の高調波を低減する
ための各スイッチング素子のスイッチング角度を各振幅
毎に記憶している記憶手段と、振幅演算手段によって演
算された振幅に対応する各スイッチング素子のスイッチ
ング角度を記憶手段から読出し、その角度に対応する正
弦値または余弦値を出力する変換手段と、この変換手段
によって得られた正弦値または余弦値を三相交流電圧指
令と比較し、その比較結果に従ってスイッチング素子の
ためのスイッチングパターンを生成するスイッチングパ
ターン演算手段とを備えたことを特徴とするものであ
る。
【0012】請求項2の発明は、請求項1に記載の制御
装置において、直交座標上のd軸電圧指令およびq軸電
圧指令を入力として座標変換により三相交流電圧指令を
生成する座標変換手段を備えたことを特徴とする。
【0013】請求項3の発明は、各相毎に電圧基準に応
じた交流電圧をPWM制御方式に従って出力する中性点
クランプ式PWM制御型電力変換器の制御装置であっ
て、直交座標上のd軸電圧指令およびq軸電圧指令を入
力としてその振幅および位相からなるベクトルに変換す
るベクトル演算手段と、電力変換器の出力電圧の特定の
高調波を低減するための各スイッチング素子のスイッチ
ング角度を各振幅値毎に記憶している記憶手段と、ベク
トル演算手段によって演算された振幅に対応する特定の
高調波を低減するためのスイッチング角度を記憶手段か
ら読出すスイッチング角読出し手段と、ベクトル演算手
段によって得られた位相に基づいて交流各相電圧の位相
を演算する位相演算手段と、この位相演算手段によって
得られた位相をスイッチング角読出し手段によって読出
されたスイッチング角度と比較し、その比較結果に従っ
てスイッチング素子のためのスイッチングパターンを生
成するスイッチングパターン演算手段とを備えたことを
特徴とする。
【0014】請求項4の発明は、請求項1ないし3のい
ずれかに記載の制御装置において、電力変換器のスイッ
チング素子の短絡防止用に設定された点弧信号に対する
デッドタイムの影響による電圧歪を除去するために、ス
イッチングパターン演算手段から出力されるパターン信
号のパルス幅を補正する補償制御手段を備えたことを特
徴とする。
【0015】請求項5の発明は、請求項4に記載の制御
装置において、補償制御手段は、各相の電圧指令と各相
の電流指令または各相の電流指令値の符号を検出する符
号検出手段と、この符号検出手段によって検出された符
号からパルスの立上がりまたは立下がりのタイミングを
調整するタイミング調整手段とからなっていることを特
徴とする。
【0016】請求項6の発明は、請求項4に記載の制御
装置において、補償制御手段は、各相の電圧指令と各相
の電流指令または各相の電流指令値の符号を検出する符
号検出手段と、この符号検出手段によって検出された符
号からパルスの立上がりおよび立下がりのタイミングを
同時に調整するタイミング調整手段とを備えていること
を特徴とする。
【0017】
【作用】請求項1ないし3の発明によれば、スイッチン
グ周波数に変更を加えたりすることなく、電力変換器の
出力電圧の特定の高調波を低減しつつ電圧指令に等しい
基本波電圧を出力することができる。
【0018】請求項4ないし6の発明によれば、電力変
換器にデッドタイムが存在する場合であっても、電力変
換器のデッドタイムの影響による電圧歪を除去し、理想
電圧に等しい出力電圧を確保することができる。
【0019】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明を実施例に
ついて詳細に説明する。
【0020】第1の実施例 図1および図2を参照して請求項1,2の発明の実施例
について説明する。図1はこの実施例による制御装置の
ブロック図であって、座標変換部1、振幅演算部2、正
弦値変換部3、パターンテーブル4、スイッチングパタ
ーン演算部5およびゲートパターン演算部6を備えてい
る。
【0021】座標変換部1は図示されていない設定指令
部から直流信号の形で与えられる直交座標(d−q軸座
標)上のd軸電圧指令Ed およびq軸電圧指令Eq を三
相電圧指令Er ,Es ,Et に変換し出力する。振幅演
算部2は座標変換部1から出力された三相電圧指令Er
,Es ,Et から次式に従って電圧振幅Ep を演算す
る。 Ep =(2/3)(Er 2 +Es 2 +Et 2 1/2 …(4) 正弦値変換部3は振幅演算部2によって算出された電圧
振幅Ep に基づいて、それに対応する特定の高調波を低
減するためのスイッチング角度群φをパターンテーブル
4から読み出し、それらの正弦値sin φ(=sin α,si
n β,…)を演算し出力する。
【0022】パターンテーブル4は、電圧振幅Ep の種
々の値に対応させて特定の高調波を低減するためのスイ
ッチング角度群φ(=α,β,γ,δ,ε,…)につい
て予め演算された結果を、電圧振幅Ep とそれに対応す
るスイッチング角度テーブルとして予め記憶しているも
のである。以下、最終的にパルス列として得たいR相の
出力電圧Vr (図2参照)を半周期区間でフーリエ変換
する。ここで電圧Vrは式(8)に示すパルス列であ
り、次の値をとる。なお、θは電圧Vr の位相角であ
る。 0≦θ<α ,π−α<θ≦2π のとき、Vr =0 …(5a) α≦θ<β ,π−β<θ≦π−α のとき、Vr =1 …(5b) β≦θ<γ ,π−γ<θ≦π−β のとき、Vr =0 …(5c) γ≦θ<δ ,π−δ<θ≦π−γ のとき、Vr =1 …(5d) δ≦θ<ε ,π−ε<θ≦π−δ のとき、Vr =0 …(5e) ε≦θ<π−ε のとき、Vr =1 …(5f) n次の高調波F(n)は、直流電圧をVdcとすれば、
(6)式で表すことができる。 F(n)={4Vdc/(nπ)}{ cos nα− cos nβ+ cos nγ − cos nδ+ cos nε} …(6) (ただし、 n=1,6k±1;k=1,2,…) このパルスパターンでは5つの角度を指定することがで
きることから、自由度を5つ持つことになる。この5つ
の自由度のうちの4つを高調波除去のために使用し、残
りの1つを基本波を発生するために使用する。この目的
を達成するために、次に示す2式を連立方程式としてそ
の解を求める。 F(1)=V1 …(7a) F(w)=F(x)=F(y)=F(z)=0 …(7b) ここでV1 は基本波の電圧値、F(w)〜F(z)はそ
れぞれ除去するw次〜z次の高調波成分の値である。
【0023】(7a),(7b)式の連立方程式の解を
α,β,γ,δ,εとしてパターンテーブル4に蓄え
る。
【0024】スイッチングパターン演算部5は、座標変
換部1によって得られた三相電圧指令Er ,Es ,Et
(これらをEx と総称し、x=r,s,tとする)およ
び正弦値変換部3によって得られた正弦値sin φとを比
較し、次のロジックに従い各相1対のスイッチングパタ
ーン信号grp ,grn ;gsp ,gsn ;gtp ,gtn を求め出
力する。なお、必要に応じて、これらのスイッチングパ
ターン信号を各相共通にgxp ,gxn (ただし、x=r,
s,t)と総称することもある。次のロジックはスイッ
チング角度群φとして5つのスイッチング角度を指定し
た場合について演算する例である。 0≦Ex <πの領域において: sin α<Ex <sin β のとき、gxp オン、gxn オフ …(8a) sin γ<Ex <sin δ のとき、gxp オン、gxn オフ …(8b) sin ε<Ex のとき、gxp オン、gxn オフ …(8c) 上記の期間以外のとき、 gxp オフ、gxn オフ …(8d) π≦Ex <2πの領域において: −sin α>Ex >−sin β のとき、gxn オン、gxp オフ …(9a) −sin γ>Ex >−sin δ のとき、gxn オン、gxp オフ …(9b) −sin ε>Ex のとき、gxn オン、gxp オフ …(9c) 上記の期間以外のとき、 gxn オフ、gxp オフ …(9d) 上記の演算は、x=r,s,tとして、R,S,T各相
電圧Er ,Es ,Etについて行う。
【0025】ゲートパターン演算部6はスイッチングパ
ターン演算部5によって求められたスイッチングパター
ン信号grp ,grn ;gsp ,gsn ;gtp ,gtn に基づいて
各相毎に4組のゲート信号gr1 〜gr4 ;gs1 〜gs4 ;gt
1 〜gt4 を次のロジックに従って生成し、それを電力変
換器5の各相4個のスイッチング素子に供給する。な
お、右辺において、オペランドの前に付した符号“N”
は反転(NOT)の意味を示すものとする。ここでも、
これらのゲート信号を各相共通に gx1〜gx4 (ただし、
x=r,s,t)と総称することがあるものとする(図
2参照)。 gx1=gxp …(10a) gx2=Ngxp …(10b) gx3=Ngxn …(10c) gx4=gxn …(10d) (x=r,s,t) 図2は以上述べた一連の過程に係る各信号の相互関係を
R相について示したものであり、最下段に最終的に得ら
れるR相の出力電圧Vr を示す。
【0026】以上述べた実施例によれば、パターンテー
ブル4の記憶内容に従い、スイッチング周波数に変更を
加えたりすることなく、電力変換器50の出力電圧の特
定の高調波を低減しつつ電圧指令Ed ,Eq に等しい基
本波電圧を出力することができる。
【0027】第2の実施例 図3および図4を参照して請求項3の発明の実施例につ
いて説明する。図3はこの実施例による制御装置のブロ
ック図であって、図1のものと同一ブロックには同一符
号を付している。この実施例は、図1の制御装置から座
標変換部1および振幅演算部2、正弦値変換部3および
スイッチングパターン演算部5を除去し、その代わりベ
クトル演算部11、位相演算部12、スイッチング角読
出し部13およびスイッチングパターン演算部15を新
たに設けたものに相当する。パターンテーブル4および
ゲートパターン演算部6には変わりがない。
【0028】ベクトル演算部11は直交座標上のd軸電
圧指令Ed およびq軸電圧指令Eq並びに電源電圧に同
期した位相角θ0 に基づいて、電圧振幅Ep およびベク
トル角θ0 +Δθを演算し出力する。ここで、Δθは次
式から導出される電圧ベクトル角である。 Δθ=tan -1(Eq /Ed ) …(11) スイッチング角読出し部13はベクトル演算部11によ
って算出された電圧振幅Ep に基づいて、それに対応す
る特定の高調波を低減するためのスイッチング角度群φ
をパターンテーブル4から読み出し、それらをスイッチ
ングパターン演算部15へ送出する。
【0029】位相演算部12は、ベクトル演算部11に
よって算出されたベクトル角θ0 +Δθを用いて各相の
電圧位相角θr ,θs ,θt を次式により演算する。 θr =θ0 +Δθ …(12a) θs =θ0 +Δθ−2π/3 …(12b) θt =θ0 +Δθ+2π/3 …(12c) スイッチング角読出し部13はベクトル演算部11によ
って算出された電圧振幅Ep に基づいて、それに対応す
る特定の高調波を低減するためのスイッチング角度群φ
(=α,β,γ,δ,ε…)をパターンテーブル4から
読み出し、それらをスイッチングパターン演算部15に
送出する(図4参照)。
【0030】スイッチングパターン演算部15は入力さ
れたスイッチング角度群φに基づき次のロジックに従っ
て各相1対のスイッチングパターン信号gxp ,gxn (gr
p ,grn ;gsp ,gsn ;gtp ,gtn )を演算し出力する
(図4参照)。ここでも、5つのスイッチング角度群θ
x (x=r,s,t)を指定した場合を例示する。 0≦θx <πの領域において: α<θx <β のとき、 gxp オン、gxn オフ …(13a) γ<θx <δ のとき、 gxp オン、gxn オフ …(13b) ε<θx <π−εのとき、gxp オン、gxn オフ …(13c) π−δ<θx <π−γのとき、gxp オン、gxn オフ …(13d) π−β<θx <π−αのとき、gxp オン、gxn オフ …(13e) 上記の期間以外のとき、 gxp オフ、gxn オフ …(13f) π≦θx <2πの領域において: π+α<θx <π+β のとき、gxn オン、gxp オフ …(14a) π+γ<θx <π+δ のとき、gxn オン、gxp オフ …(14b) π+ε<θx <2π−ε のとき、gxn オン、gxp オフ …(14c) 2π−δ<θx <2π−γのとき、gxn オン、gxp オフ …(14d) 2π−β<θx <2π−αのとき、gxn オン、gxp オフ …(14e) 上記の期間以外のとき、 gxn オフ、gxp オフ …(14f) 上記の演算は、x=r,s,tとして、R,S,T各相
電圧Er ,Es ,Etの位相角について行う。
【0031】ゲートパターン演算部6は、第1の実施例
の場合と同様に、スイッチングパターン演算部15によ
って求められたスイッチングパターン信号grp ,grn ;
gsp,gsn ;gtp ,gtn に基づいて各相毎に4組のゲー
ト信号gr1 〜gr4 ;gs1 〜gs4 ;gt1 〜gt4 を(10
a)〜(10d)式に従って生成し、それを電力変換器
50の各相4個のスイッチング素子に供給する。
【0032】図4は以上述べた一連の過程に係る各信号
の相互関係をR相について示したものであり、最下段に
最終的に得られるR相の出力電圧Vr を示す。この実施
例においても電力変換器50の出力電圧の特定の高調波
を低減しつつ電圧指令に等しい基本波電圧を出力するこ
とができる。
【0033】第3の実施例 第3の実施例の説明に先立って、その背景となる事象に
ついて説明しておく。図5(a)〜(e)は本発明を適
用する中性点クランプ式電力変換器のゲート信号と変換
器の動作モードについて説明するための説明図である。
各モードは電流の通流方向によりさらに2つのモードに
分けられる。また、電流方向については直流側から交流
側へ流れる電流方向を正とする。図にはR相のスイッチ
ング素子sr1 〜 sr4とそれらに対応するゲート信号gr1
〜 gr4のみを例示している。
【0034】(a)モード1:素子sr1 ,sr2 がオンの
状態 電流が正の場合には、直流正端子P+、素子sr1 ,sr2
、交流R相端子POのルートで電流が流れ、端子PO
の電圧は正端子P+の電圧(+Vdc)にクランプされ
る。電流が負の場合には、端子PO、ダイオードD2,
D1、端子P+のルートで電流が流れ、端子POの電圧
は正端子P+の電圧にクランプされる。
【0035】(b)モード2:素子sr1 ,sr3 がオフ、
素子sr2 がオンの状態 電流が正の場合には、直流中性点NP、ダイオードD
P、素子sr2 、交流端子POのルートで電流が流れ、端
子POの電圧は中性点NPの電圧(ゼロ電圧)にクラン
プされる。電流が負の場合には、端子PO、ダイオード
D2,D1、端子P+のルートで電流が流れ、端子PO
の電圧は正端子P+の電圧にクランプされる。
【0036】(c)モード3:素子sr2 ,sr3 がオンの
状態 電流が正の場合には、直流中性点NP、ダイオードD
P、素子sr2 、端子POのルートで電流が流れ、端子P
Oの電圧は中性点NPの電圧(ゼロ電圧)にクランプさ
れる。電流が負の場合には、端子PO、素子sr3 、ダイ
オードDN、端子NPのルートで電流が流れ、端子PO
の電圧は端子NPの電圧にクランプされる。
【0037】(d)モード4:素子sr2 ,sr4 がオフ、
素子sr3 がオンの状態 電流が正の場合には、直流負端子P−、ダイオードD
4,D3、端子POのルートで電流が流れ、端子POの
電圧は負端子P−の電圧(−Vdc)にクランプされる。
電流が負の場合には、端子PO、素子sr3 、ダイオード
DN、端子NPのルートで電流が流れ、端子POの電圧
は端子NPの電圧にクランプされる。
【0038】(e)モード5:素子sr3 ,sr4 がオンの
状態 電流が正の場合には、直流負端子P−、ダイオードD
4,D3、端子POのルートで電流が流れ、端子POの
電圧は負端子P−の電圧(−Vdc)にクランプされる。
電流が負の場合には、端子PO、素子sr3 ,sr4 、端子
P−のルートで電流が流れ、端子POの電圧は正端子P
−の電圧にクランプされる。
【0039】上記モード1〜5のうち、モード2とモー
ド4はデッドタイム期間である。モード2とモード4は
電流の方向によりクランプされる端子電圧が異なってく
る。これが出力電圧に歪を生ずる原因となる。
【0040】図6に請求項1〜3による第1および第2
の実施例に従って作成されたパルスパターンに上記デッ
ドタイムDが存在する場合の中性点クランプ式電力変換
器のゲート信号および出力電圧の一例を示す。デッドタ
イムD期間(信号gr1 〜 gr4の網掛け部)の電流の向き
により、理想電圧Vr に対し実際の出力電圧Vr ′は歪
んだ電圧波形をしている。歪電圧成分はdVr として示
す電圧波形となる。
【0041】次に図7を参照して請求項4の発明の実施
例について説明する。この実施例は上記デッドタイムに
よる歪電圧成分dVr を補償するために、第1の実施例
(図1)に対して、極性演算部21および補償値演算部
22によって各相毎の補償値dx(x=r,s,t)を
演算し、それにより、スイッチングパターン演算部5で
演算されたスイッチングパターン信号gxp ,gxn にパル
ス幅補正部23において補正を加えるようにしたもので
ある。つまり、この実施例は図6における歪電圧成分d
Vr を電圧指令および電流指令の極性比較によってデッ
ドタイムD期間として抽出演算し、それにより実際出力
電圧Vr ′を補正しそれを理想電圧Vrに等しくしよう
とするものである。
【0042】極性演算部21は座標変換部1によって求
められた各相電圧指令Er ,Es ,Et および別途与え
られる各相電流指令Ir ,Is ,It の極性を調べ、そ
の極性比較の結果を表す信号を出力する。なお、電流指
令Ir ,Is ,It の代わりに、各相の検出電流または
それに準ずる信号値をとることもできる。補償値演算部
22は極性演算部21によって求められた電圧・電流の
極性に応じて、図6における歪電圧成分dVr に対応す
る各相毎の補償値dxを演算する。パルス幅補正部23
はスイッチングパターン演算部5とゲートパターン演算
部6との間に介挿され、電力変換器50の実際の出力電
圧Vr ′を理想電圧Vr と等しくするように、スイッチ
ングパターン演算部5によって演算されたスイッチング
パターンgxp ,gxn のパルス幅を、補償値演算部23に
よって得られた補償値dxを用いて補償されたスイッチ
ングパターンgxp ′,gxn ′に補正する。ゲートパター
ン演算部6はその補償されたスイッチングパターンgxp
′,gxn ′に従ってデッドタイムDを考慮した各相の
ゲート信号 gx1〜gx4 を作る。
【0043】以上のようにして形成されたゲート信号 g
x1〜gx4 を用いて中性点クランプ式電力変換器を制御す
ることにより、スイッチング素子のデッドタイムの影響
を受けることなく、特定の高調波成分を除去する運転を
可能とすることができる。
【0044】第4の実施例 図8は請求項5の実施例を説明するための図である。図
8は請求項4にいうパルス幅補正機能の詳細を示したも
のである。同図(a),(b)は本発明による補正を加
えなかった場合の動作波形の一例を示すものである。同
図(a)は電圧指令Er も電流Ir も共に正である場合
の条件の一例を示すものである。網掛け部がデッドタイ
ム期間に相当し、この条件下では出力電圧が0(ゼロ)
にクランプされ、全体として出力電圧Vr ′は理想電圧
Vr より低くなる。同図(b)は電圧指令Er が正で、
電流Ir が負である場合の条件の一例を示すものであ
る。この条件下ではデッドタイム期間の出力電圧は+V
d にクランプされ、全体として出力電圧Vr ′は理想電
圧Vr より高くなる。
【0045】図8(a)の状態では実際の出力電圧Vr
′が理想電圧Vr より低くなることから、実際の出力
電圧Vr ′が理想電圧Vr に等しくなるようにスイッチ
ングパターンgxp ′のパルス幅をデッドタイム期間また
はそれに準ずる時間だけ増加させてやる。パルス幅を増
加させるには、スイッチングパターンgxp ′の立上がり
タイミングをパターンgxp と比較してそれよりも早めて
やればよい(同図(c)参照)。
【0046】図8(b)の状態では実際の出力電圧Vr
′が理想電圧Vr より高くなることから、同図(a)
の場合とは逆に、実際の出力電圧Vr ′が理想電圧Vr
に等しくなるようにスイッチングパターンgxp ′のパル
ス幅をデッドタイム期間またはそれに準ずる時間だけ減
少させる。パルス幅を減少させるには、スイッチングパ
ターンgxp ′の立下がりタイミングをパターンgxp と比
較してそれよりも早くしてやればよい(同図(d)参
照)。
【0047】図8(c)は、図8(a)で説明した現
象、すなわち実際の出力電圧Vr ′が理想電圧Vr より
低くなる、という現象を避けるために、スイッチングパ
ターンgxp ′の立上がりタイミングをパターンgxp と比
較してデッドタイム期間またはそれに準ずる時間だけ早
めてやる。これにより、実際の出力電圧Vr ′を理想電
圧Vr に等しくすることができる。
【0048】図8(d)は、図8(b)で説明した現
象、すなわち実際の出力電圧Vr ′が理想電圧Vr より
高くなる、という現象を避けるために、スイッチングパ
ターンgxp ′の立下がりタイミングをパターンgxp と比
較してデッドタイム期間またはそれに準ずる時間だけ早
めてやる。これにより、実際の出力電圧Vr ′を理想電
圧Vr に等しくすることができる。
【0049】以上の作用を実現すべく、図9に示すアル
ゴリズムを用いた制御を行う。電圧指令および電流指令
の極性を各相毎に調べ、その極性の組合わせに応じてパ
ルス幅の変更を行うのであるが、図9のフローにおいて
は、まず電流指令Ix の極性を調べ(ステップ31)、
次いで電圧指令Ex の極性を調べる(ステップ32,3
7)。電流指令Ix および電圧指令Ex の極性が同一、
つまり、共に「正」または共に「負」であれば、パルス
幅を広げるものとし(ステップ33,38)、パターン
gxp ′またはgxn ′の立上がりタイミングをパターンgx
p またはgxn と比較してデッドタイム期間またはそれに
準ずる時間だけ早める(ステップ34,39)。電流指
令Ix の極性と電圧指令Ex の極性とが互いに異なる場
合、すなわち電流指令Ix の極性が「正」であって電圧
指令Ex の極性が「負」、またはその逆に電流指令Ix
の極性が「負」であって電圧指令Ex の極性が「正」で
あれば、パルス幅を狭める(ステップ35,40)ため
に立下がりタイミングをパターンgxp またはgxn と比較
してデッドタイム期間またはそれに準ずる時間だけ早め
てやる(ステップ36,41)。
【0050】以上述べた実施例においては、スイッチン
グパターンの立上がりまたは立下がりのいずれか一方の
タイミングを変更し、実際の出力電圧Vr ′を理想電圧
Vrに等しくする実施例である。次に述べる第5の実施
例は、それとは異なり、スイッチングパターンの立上が
りおよび立下がりの両方のタイミングを変更する例を示
すものである。
【0051】第5の実施例 図10は請求項6の実施例によるアルゴリズムを示すも
のである。このアルゴリズムにおけるステップ51〜6
1から最下段の4ステップ54,56,59,61を除
いた部分は、図9のアルゴリズムにおけるステップ31
〜41から最下段の4ステップ34,36,39,41
を除いた部分と実質的に同一である。この実施例におい
ては、電流指令Ix および電圧指令Ex の極性が同一で
あれば、パルス幅を広げる(ステップ53,58)ため
に、パターンgxp ′またはgxn ′の立上がりタイミング
を主とし、それに加えて立下がりタイミングをもスイッ
チング素子のスイッチング状態を考慮して変更する(ス
テップ54,59)。電流指令Ix の極性と電圧指令E
x の極性とが互いに異なる場合は、パルス幅を狭める
(ステップ55,60)ために、パターンgxp ′または
gxn ′の立下がりタイミングを主とし、それに加えて立
上がりタイミングをもスイッチング素子のスイッチング
状態を考慮して変更する(ステップ56,61)。
【0052】この実施例においては、以上述べたように
スイッチングパターンgxp ′またはgxn ′の立上がりお
よび立下がりの両方のタイミングを変更することによっ
て実際の出力電圧Vr ′を理想電圧Vr に等しくするこ
とができる。
【0053】実施例の効果 以上の制御を実施することにより、図11および図12
から明らかなように中性点クランプ式電力変換器50の
特定の出力高調波を除去または低減することができる。
なお、図11(a),(b)は、図15(a),(b)
と同様に、搬送三角波の周波数Mf を450Hz 、電力
変換器50の出力周波数Of を50Hzとした場合の電
力変換器の出力線間電圧および相電流の波形をそれぞれ
示し、図12(a),(b)は、図16(a),(b)
と同様に、それぞれ線間電圧および相電流の周波数分析
結果を示すものである。図11および図12から明らか
なように、上記実施例によれば、中性点クランプ式電力
変換器の5次、7次、11次、13次などの比較的低次
の特定高調波を効果的に除去することができる。なお、
以上の説明においては特定高調波を除去するものとして
きたが、場合によっては完全除去までの効果は期待せず
とも、ある程度低減すればよい場合もありうる。そのよ
うな場合も本発明の考えを適用することができる。
【0054】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、中
性点クランプ式電力変換器においてスイッチング周波数
を増加したりことなく、予め準備した高調波除去のため
のパターンテーブルに基づいて特定の高調波成分を効果
的に除去ないし低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例による制御装置のブロッ
ク図。
【図2】本発明の第1の実施例によるゲート信号および
出力電圧波形の一例を説明するためのタイムチャート。
【図3】本発明の第2の実施例による制御装置のブロッ
ク図。
【図4】本発明の第2の実施例によるゲート信号および
出力電圧波形の一例を説明するためのタイムチャート。
【図5】本発明の対象とする中性点クランプ式電力変換
器のスイッチングモードの概念図。
【図6】請求項1および請求項2を用いた場合のPWM
パターンにデッドタイムの影響を付加した場合の一例を
示すタイムチャート。
【図7】請求項4の実施例であるデッドタイム補償方式
の制御装置のブロック図。
【図8】請求項5の実施例であるデッドタイム補償方式
を説明するための概念図。
【図9】請求項5の実施例であるデッドタイム補償方式
を説明するための制御フローチャート。
【図10】請求項6の実施例であるデッドタイム補償方
式を説明するための制御フローチャート。
【図11】本発明による電力変換器の出力線間電圧およ
び相電流の一例を示す波形図。
【図12】図11における線間電圧および相電流の周波
数分析結果を示す図。
【図13】本発明の適用対象の一例である3相3線式中
性点クランプ式電力変換器の結線図。
【図14】図5のスイッチングモードにおける従来のP
WMパターンの発生原理を説明するための図。
【図15】従来の制御装置による場合の電力変換器の出
力線間電圧および相電流の一例を示す波形図。
【図16】図15における線間電圧および相電流の周波
数分析結果を示す図。
【符号の説明】
1 座標変換部 2 振幅演算部 3 正弦値変換部 4 パターンテーブル 5 スイッチングパターン演算部 6 ゲートパターン演算部 11 ベクトル演算部 12 位相演算部 13 スイッチング角読出し部 15 スイッチングパターン演算部 21 極性演算部 22 補償値演算部 23 パルス幅補正部 50 中性点クランプ式電力変換器 51 ダイオード D1〜D4 ダイオード 52 中性点クランプダイオード DP,DN ダイオード 53 平滑コンデンサ CP,CN コンデンサ sr1 〜 sr4 R相スイッチング素子 ss1 〜 ss4 S相スイッチング素子 st1 〜 st4 T相スイッチング素子 54 交流負荷 55 直流負荷

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】各相毎に電圧基準に応じた交流電圧をPW
    M制御方式に従って出力する中性点クランプ式PWM制
    御型電力変換器の制御装置であって、 与えられた三相交流電圧指令からその振幅を演算する振
    幅演算手段と、前記電力変換器の出力電圧の特定の高調
    波を低減するための各スイッチング素子のスイッチング
    角度を各振幅毎に記憶している記憶手段と、前記振幅演
    算手段によって演算された振幅に対応する各スイッチン
    グ素子のスイッチング角度を前記記憶手段から読出し、
    その角度に対応する正弦値または余弦値を出力する変換
    手段と、この変換手段によって得られた正弦値または余
    弦値を前記三相交流電圧指令と比較し、その比較結果に
    従って前記スイッチング素子のためのスイッチングパタ
    ーンを生成するスイッチングパターン演算手段とを備え
    たことを特徴とする中性点クランプ式PWM制御型電力
    変換器の制御装置。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の制御装置において、直交
    座標上のd軸電圧指令およびq軸電圧指令を入力として
    座標変換により前記三相交流電圧指令を生成する座標変
    換手段を備えたことを特徴とする中性点クランプ式PW
    M制御型電力変換器の制御装置。
  3. 【請求項3】各相毎に電圧基準に応じた交流電圧をPW
    M制御方式に従って出力する中性点クランプ式PWM制
    御型電力変換器の制御装置であって、 直交座標上のd軸電圧指令およびq軸電圧指令を入力と
    してその振幅および位相からなるベクトルに変換するベ
    クトル演算手段と、前記電力変換器の出力電圧の特定の
    高調波を低減するための各スイッチング素子のスイッチ
    ング角度を各振幅値毎に記憶している記憶手段と、前記
    ベクトル演算手段によって演算された振幅に対応する特
    定の高調波を低減するためのスイッチング角度を前記記
    憶手段から読出すスイッチング角読出し手段と、前記ベ
    クトル演算手段によって得られた位相に基づいて交流各
    相電圧の位相を演算する位相演算手段と、この位相演算
    手段によって得られた位相を前記スイッチング角読出し
    手段によって読出されたスイッチング角度と比較し、そ
    の比較結果に従って前記スイッチング素子のためのスイ
    ッチングパターンを生成するスイッチングパターン演算
    手段とを備えたことを特徴とする中性点クランプ式PW
    M制御型電力変換器の制御装置。
  4. 【請求項4】請求項1ないし3のいずれかに記載の制御
    装置において、 前記電力変換器のスイッチング素子の短絡防止用に設定
    された点弧信号に対するデッドタイムの影響による電圧
    歪を除去するために、前記スイッチングパターン演算手
    段から出力されるパターン信号のパルス幅を補正する補
    償制御手段を備えたことを特徴とする中性点クランプ式
    PWM制御型電力変換器の制御装置。
  5. 【請求項5】請求項4に記載の制御装置において、前記
    補償制御手段は、各相の電圧指令と各相の電流指令また
    は各相の電流指令値の符号を検出する符号検出手段と、
    この符号検出手段によって検出された符号からパルスの
    立上がりまたは立下がりのタイミングを調整するタイミ
    ング調整手段とからなっていることを特徴とする中性点
    クランプ式PWM制御型電力変換器の制御装置。
  6. 【請求項6】請求項4に記載の制御装置において、前記
    補償制御手段は、各相の電圧指令と各相の電流指令また
    は各相の電流指令値の符号を検出する符号検出手段と、
    この符号検出手段によって検出された符号からパルスの
    立上がりおよび立下がりのタイミングを同時に調整する
    タイミング調整手段とを備えていることを特徴とする中
    性点クランプ式PWM制御型電力変換器の制御装置。
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