KR100650358B1 - 3레벨 중성점 클램프식 펄스 폭 변조 인버터 장치 및중성점 전압 제어 장치 - Google Patents

3레벨 중성점 클램프식 펄스 폭 변조 인버터 장치 및중성점 전압 제어 장치 Download PDF

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Abstract

양의 모선, 음의 모선, 중성선이 각각 3상의 상출력 단자에 접속되는 상태가 되는 3상 출력 전압의 시간의 계산치와 그 상태에서의 중성점 예측 전류치와의 곱인 제1의 계산치(ic)와, 양의 모선 또는 중성선에 3상의 상출력 단자 중 2개가 접속되고, 중성선 또는 음의 모선에 나머지 하나가 접속되는 상태 1 및 그 반대의 상태 2를 취득하는 3상 출력 전압의 시간의 계산치와 그 상태 1 및 2에서의 중성선 예측 전류치와의 곱인 제2 및 제3의 계산치(icx 및 icy)에 기초하여, 중성선에 흐르는 전류를 0 또는 3상 출력 전압의 중성선의 전위를 양의 모선과 음의 모선 전압의 정확히 중간이 되는 전압에 가까워지도록, PWM 주기중의 상태 1과 2의 시간 비율을 결정한다.

Description

3레벨 중성점 클램프식 펄스 폭 변조 인버터 장치 및 중성점 전압 제어 장치{THREE-LEVEL NEUTRAL POINT CLAMPING PWM INVERTER AND NEUTRAL POINT VOLTAGE CONTROLLER}
본 발명은, 모터를 가변속 구동하는 인버터, 서보 드라이브 등의 전력 변환 장치나, 계통 연계하는 전력 변환 장치의 하나인 3레벨 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치와, 그 3레벨 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치에 이용되고, 그 양의 모선(母線)과 음의 모선 사이에 직렬로 접속된 2개의 콘덴서 사이의 중성점과 음의 모선 사이의 전압인 중성점 전압을 제어하는 중성점 전압 제어 장치에 관한 것이다.
도 1은 3레벨 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치의 주 회로 구성을 나타내는 회로도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 3레벨 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치는 2개의 콘덴서(7), 3상의 출력 단자, 12개의 스위칭 소자(8) 및 18개의 다이오드(9)로 구성된다.
이와 같은 3레벨 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치에서는, 스위칭 소자(81, 82)를 온으로 하면, 각 상의 출력 단자는 P점에 접속되어 있는 양의 모선에 접속되고, 각 상의 출력 상(相) 전압은 하이 레벨이 된다. 스위칭 소자(82, 83)를 온으로 하면, 각 상의 출력단자는 중성점인 C점에 접속되고, 각 상의 출력 상 전압은 하이 레벨 및 로우 레벨의 중간인 중간 레벨(중성점 전압)이 된다. 스위칭 소자(83, 84)를 온하면, 각 상의 출력 단자는 N점에 접속되어 있는 음의 모선에 접속되고, 각 상의 출력 상 전압은 로우 레벨이 된다. 3레벨 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치에서는, 상술한 3개의 패턴을 기본으로 각 스위칭 소자(8)를 스위칭하여, 3상의 부하를 구동하는 것이 일반적이다.
이와 같은 3레벨 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치에서는, 콘덴서(7)의 분압에 의해서 중성점 전압이 얻어지지만, 이 중성점 전압은 부하에 공급되는 전류에 따라서 변동한다. 중성점 전압이 변동하면, 콘덴서(7)에 과전압이 걸려 콘덴서(7)의 수명 저하 ·파괴가 발생할 우려가 있다. 그래서, 3레벨 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치에서는, 중성점 전압의 변동을 억제하여 제어하기 위한 중성점 전압 제어를 행하고 있다.
종래, 상술한 바와 같은 구성의 중성점 클램프식 PWM 인버터의 중성점 전압 제어에서는, PWM 펄스 발생 방법으로서 다이폴라 변조, 유니폴라 변조를 이용하여, 전압 지령의 0상 전압의 증감에 의해서 중성선에 흐르는 전류를 제어하고 있었다.
한편, 일본국 특개평 5-292754호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 전압 벡터의 개념을 도입하여 PWM 제어를 행하는 경우에는, 부하 전력의 양음으로부터 중간 전압 벡터의 증감 방향을 결정하여 중성점 전압 제어를 행하는 방법이 일반적이다. 이와 같은 방법에는, 일본국 특개 2001-57784호 공보에 제안되어 있는 바와 같이, 중성선에 흐르는 전류의 방향에 의해서 보정 벡터의 발생 시간 비율을 세밀 하게 조정하는 방법 등이 있다.
이들 방법에서는, 도 2에 도시하는 바와 같은 12종류의 스위치 상태의 조에서, 출력 전압이 동일하지만 중성선의 전류 방향이 역이 되는 쌍의 스위치 상태의 비율을 조절함으로써, 중성점 전압의 변동을 억제하고 있다.
또한, 일본국 특개 2001-61283호 공보에 제안되어 있는 바와 같이, 도 3에 도시하는 바와 같은, 중성점 전압을 어지럽히는 스위치 상태를 억제하는 방법 등도 있다. 또한, 중성점 클램프식 인버터가 취하는 스위치 상태를 출력 전압 벡터로서 나타내면 도 4와 같이 나타낼 수 있다.
도 5는 공간 전압 벡터의 개념을 이용하여 중성점 클램프식 PWM 인버터의 PWM 펄스를 계산하는 장치의 일례이다. 이 장치는, 벡터 시간 계산기(102), 벡터 시간 레지스터(103), PWM 펄스 패턴 설정기(104) 및 파라미터 설정기(105)를 구비하고 있다.
이 장치에서는, 인버터가 출력하는 출력 전압을, 도 4에 도시하는 바와 같은 공간 벡터량으로 한다. 벡터 시간 계산기(102)는 그 출력 전압 벡터(V)의 변조율(k) 및 위상(θ)을 부여하면, 출력 전압 벡터(V)의 영역을 PWM 펄스 패턴 설정기(104)에 출력하는 동시에, 도 4에 도시하는 27종류의 벡터를 선택하여, PWM 주기의 평균이 출력 전압 벡터(V)와 동일하게 되는 PWM 펄스로서, 순차적으로 출력되는 벡터열과 벡터의 출력 시간(T0∼T5)을 계산한다. 이들 벡터열과 벡터의 출력 시간(T0∼T5)은 벡터 시간 레지스터(103)에 기억되고, 기억된 벡터열과 출력 시간은 PWM 펄스 패턴 설정기(104)에 의해서 인버터 주 회로의 스위치 소자를 구동하는 펄스열(U1, U2, V1, V2, W1, W1)로 변환되며, 이들 펄스열에 의해서 인버터 주 회로의 스위치 소자가 온 ·오프되어 원하는 전압이 출력된다. 이 장치에서는, 파라미터 설정기(105)의 중성점 전압이나 부하 역률의 검출기로부터의 신호를 기초로, 보정 벡터의 발생 시간을 중성점 전압 변동이 감소하는 방향으로 PWM 펄스 패턴 설정기(104)가 조절된다.
또한, 일본국 특개평 9-37592호 공보에는, 3레벨 인버터의 출력 공간 벡터에서의 하나의 긴 벡터와 이것과 인접하는 중간 길이의 벡터 사이에 개재된 영역을 하나의 공간으로 하고, 이들 벡터에 의해서 형성되는 360°의 전체 공간을 12개의 구간으로 분할하여, 지령 벡터의 회전각에 의해서 지령 벡터의 12개의 구간에서의 구간 번호를 판별하는 동시에, 지령 벡터의 크기에 의해서 변조율을 계산하여, 변조율과 전류비에 의해서 3레벨 인버터의 분압 콘덴서의 중성점 전압의 변동을 억제하는 발신 방식 및 발신 순서를 결정하고, 이 발신 방식 및 발신 순서에 있어서의 구체적인 각 벡터의 출력 시간을 계산하여 3레벨 인버터를 PWM 제어하는, 3레벨 인버터의 PWM 제어 방법이 개시되어 있다.
상술한 바와 같이, 3상 중성점 클램프식 PWM 인버터에서는, 중성점 전압을 얻기 위해서, 주 회로의 양의 모선과 음의 모선 사이에 콘덴서를 짝수개 직접 접속하여, 양의 모선과 음의 모선의 정확히 중간의 전압이 되는 콘덴서의 단자로부터 중성선을 취출하여 이용하는 것이 일반적이다. 이 중성선은 PWM 인버터 출력 부하와 PWM 인버터의 스위치의 상태에 의해서, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이 접속된다. 중성선의 전압(중성점 전압)은 양의 모선 및 음의 모선으로부터 콘덴서를 충전하는 전류와, 접속된 부하로부터의 전류에 의해서 변동한다.
종래예에 있는 바와 같이, 도 3에 도시하는 스위치 상태(이 벡터를 여기서는 보정 벡터라 함)에서, 부하에 출력하는 선간(線間) 전압은 동일하지만, 중성선에 접속되는 부하의 상이 다른 스위치 상태의 조(도 2에서 이웃하는 스위치 상태를 1조로 한다)를 이용하여, 이 조의 스위치 상태가 발생되는 시간 비율을 조정함으로써 중성점 전위를 세밀하게 제어하는 것이 가능하다.
그러나, 도 2에 도시하는 스위치의 상태(이 벡터를 여기서는 중간 벡터라 함)에서는, 중성선에 접속되는 부하의 상(相) 전류와 이 스위치 상태가 발생되는 시간 비율에 의해서 중성점 전압이 변동하고, 이것을 보정하는 벡터가 존재하지 않기 때문에, 중간 벡터에서 야기된 중성점 전압 변동은 보정 벡터를 이용하여 보정될 필요가 있다.
그래서, 일본국 특개평 2-261063호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 변조율에 0상 전압을 가하고, 보정 벡터의 발생 시간을 조절하여 부하에 공급하는 선간 출력 전압을 바꾸지 않고 중성점 전압 변동을 제어하고 있다. 또, 일본국 특개평 5-292754호 공보나 일본국 특개 2001-57784호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 공간 전압 벡터의 개념을 이용하는 방법에서도, 출력되어야 하는 전압 벡터에 보정 벡터를 사용하도록 출력하고, 그 조의 스위치 상태의 발생 시간을 조절하여 중성점 전압을 컨트롤하고 있지만, 이들 방법에서는 중성점 전압 변동을 0에 가깝게 하기 때문에, 보정 벡터의 비율을 결정하는 방법이 최적이 아니고, 중성점 전압 변동 억제 효율이 불충분하였다.
또한, 일본국 특개평 9-37592호 공보에 기재된 방법에서는, 변조율과 전류비에 의해서, 미리 정해진 3레벨 인버터의 분압 콘덴서의 중성점 전위의 변동을 억제하는 발신 방식 및 발신 순서를 결정하고, 그 발신 방식 및 발신 순서에 있어서의 구체적인 각 벡터의 출력 시간을 계산하여 PWM 제어를 행하기 때문에, 중성점 전류를 0에 가깝게 하는 것은 가능하다. 그러나, 이 방법에서도, 중성점 전압 변동을 완전히 0으로 할 수는 없었다.
도 6은 중성점 전압의 레벨을 검출하여, 중성점 전압 변동을 억제하기 위한 중성점 전압 제어 지령을 출력하는, 종래의 중성점 전압 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 종래의 중성점 전압 제어 장치는 2개의 절연(isolation) 증폭기(6)와, 계산 회로(3)로 구성된다.
2개의 절연 증폭기(6)에는, P점과 N점 사이의 전압(VPN)(직류 모선 전압)의 2분의 1인 제1 기준 전압(Vref1)과, C점과 N점 사이의 전압, 즉 중성점 전압(VCN)이 각각에 입력된다. 계산 회로(3)는 2개의 절연 증폭기(6)의 출력을 입력하여, 중성점 전압(VCN)과 제1 기준 전압(Vref1)이 일치하도록 하는 중성점 전압 제어 지령을 계산하여 출력하고 있다. 중성점 전압 제어 지령이란, 중성점 전압의 값을 상승시키거나 하강시키는 PWM(펄스 폭 변조) 지령의 출력 패턴을 작성하기 위한 지령이다.
상술한 바와 같이, 중성점 전압 제어 장치에서는, 계산 회로(3)에 중성점 전압(VCN)과 제1 기준 전압(Vref1)을 입력하기 위해서, 절연 회로인 2개의 절연 증폭기(6)를 필요로 한다. 이와 같은 절연 회로가 필요한 것은, 일반적으로 계산 회로(3)가 인버터의 주 회로와는 다른 전원으로 구동되는 것이기 때문이다.
그러나, 이와 같은 절연 증폭기(6)는 아날로그로 넓은 선형 특성을 갖는 고가의 절연 회로이기 때문에, 중성점 전압 제어 장치가 고가가 된다는 문제가 있었다. 또, 종래의 중성점 전압 제어 장치에서는, 계산 회로(3)가 아날로그 신호에 기초하여 중성점 전압 제어를 행하고 있기 때문에, 노이즈 등의 영향을 받기 쉽다는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은, 중성점 전위 변동을 효율적으로 억제하여, 안전성의 향상, 출력 전압 품질의 향상을 도모할 수 있는 3상 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 3상 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치에서는, 우선, 양의 모선, 음의 모선, 중성선이 각각 3상의 상출력 단자에 접속되는 상태가 되는 3상 출력 전압의 시간의 계산치와 그 상태에서의 중성점 예측 전류치와의 곱인 제1의 계산치를 구한다. 또, 양의 모선 또는 중성선에 3상의 상출력 단자 중 2개가 접속되고, 중성선 또는 음의 모선에 나머지 하나가 접속되는 상태 1 및 그 반대의 상태 2를 취득하는 3상 출력 전압의 시간의 계산치와 그 상태 1 및 2에서의 중성선 예측 전류치의 곱인 제2 및 제3의 계산치를 구한다. 또한, 제1, 제2, 제3의 계산치에 기초하여, 중성선에 흐르는 전류를 0, 또는 3상 출력 전압의 중성선의 전위를 양의 모선과 음의 모선의 정확히 중간이 되는 전위에 가까워지도록, PWM 주기중의 상태 1과 2의 시간 비율을 결정한다.
이와 같이 하면, 중성점 전위 변동을 가능한 한 0, 또는 중성선의 전위를 양의 모선 전위와 음의 모선 전위 사이의 정확히 중간이 되는 전위에 가까워지게 함으로써 효율적으로 억제할 수 있게 되므로, 안전성의 향상, 출력 전압 품질의 향상을 도모할 수 있다.
또, 본 발명의 다른 목적은, 저렴한 값으로, 신뢰성이 높고 정밀도가 높은 중성점 전압 제어 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에서는, 중성점 전압의 값으로부터, 양의 모선과 음의 모선 사이의 전압의 2분의 1의 전압치인 제1 기준 전압치를 감산하고, 그 감산치가 음의 값인 제2 기준 전압치보다 작은 경우에, 중성점 전압을 상승시키기 위한 신호를 온으로 하고, 그 감산치가 양의 값인 제3 기준 전압치보다 큰 경우에, 중성점 전압을 하강시키기 위한 신호를 온으로 하여, 전술한 2개의 신호를 2비트의 디지털 신호로 절연 변환하고, 그 디지털 신호에 기초하여 중성점 전압 제어 지령을 계산하여 출력한다.
이와 같이 하면, 중성점 전압과 각 기준 전압치와의 차를 아날로그 신호가 아닌 디지털 신호로 표현함으로써, 넓은 선형 특성을 갖는 고가의 절연 수단을 이용하지 않고, 저렴한 디지털 신호로의 절연 수단을 이용할 수 있기 때문에, 장치 전체를 저렴한 값으로 할 수 있는 동시에, 중성점 전압과 각 기준 전압치와의 차를 아날로그 신호가 아닌 디지털 신호로 처리함으로써, 계산 수단에의 입력에 대한 노이즈 영향을 저감화할 수 있게 되므로, 장치의 신뢰성을 높여 정밀도가 높은 중성점 전압 제어 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 3레벨 인버터 장치의 주 회로 구성을 나타내는 회로도,
도 2는 3상 중성점 클램프식 인버터의 스위치 상태의 조의 예를 나타내는 도면,
도 3은 3상 중성점 클램프식 인버터의 스위치 상태의 다른 조의 예를 나타내는 도면,
도 4는 3상 중성점 클램프식 인버터의 출력 전압 공간 벡터도,
도 5는 종래의 PWM 펄스 연산 회로의 블록도,
도 6은 종래의 중성점 전압 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도,
도 7은 본 발명의 제1 실시형태의 3상 중성점 클램프식 인버터의 PWM 펄스 연산기의 구성을 나타내는 블록도,
도 8은 본 발명의 제2 실시형태의 중성점 전압 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도,
도 9는 본 발명의 제3 실시형태의 중성점 전압 제어 장치의 동작을 나타내는 도면,
도 10은 본 발명의 제3 실시형태의 중성점 전압 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 각 도면에서 동일 부호는 동일 구성 요소를 나타내고 있다.
제1 실시형태
다음에, 본 발명의 제1 실시형태의 3상 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치에 대해 도 7을 참조하여 설명한다. 도 7은 본 실시형태의 3상 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치에 적용되는 PWM 펄스 연산기의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태의 3상 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치는 중성점 전위 제어의 파라미터 계산기(101), 벡터 시간 계산기(102), 벡터 시간 레지스터(103) 및 PWM 패턴 설정기(104)를 구비하고 있다.
본 실시형태의 3상 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치가 출력 전압 벡터(V)를 출력하는 경우에는, 도 4에 도시하는 출력 전압 벡터(V)가 존재하는 영역(영역 1∼6)을 구성하는 벡터에 기초하여 PWM 펄스가 출력된다. 영역을 구성하는 벡터는 도 4와 같이 분류되는 것으로 하고, 벡터 시간 연산기(102)는 출력 전압 벡터(V)를 출력하기 위해서 각 분류된 벡터의 총 출력 시간으로서,
영전압 벡터의 총 출력 시간 : T0
xp, xn 벡터의 총 출력 시간 : T1
z 벡터의 총 출력 시간 : T2
yp, yn 벡터의 총 출력 시간 : T3
a 벡터의 총 출력 시간 : T4
b 벡터의 총 출력 시간 : T5
을 각각 계산한다. 그리고, 각 벡터의 출력에 따른 중성선의 전류를 각각,
z 벡터의 출력에 따른 중성선 전류 : ic
xp, xn 벡터의 출력에 따른 중성선 전류 : icx
yp, yn 벡터의 출력에 따른 중성선 전류 : icy
로 하고, UVW상의 부하 전류 순간값의 측정치를 각각 i(U), i(V), i(W)로 하면, 각 벡터가 그 영역에 있을 때의, i(phase1), i(phase2), i(phase3)는 표 2에 나타내는 바와 같이, 각각 i(U), i(V), i(W)로 변화하기 때문에, 각 중성선 전류는 이하의 식과 같이 계산할 수 있다. 여기서, phase1은 xp, xn 벡터의 출력시의 위상이고, phase2는 z 벡터의 출력시의 위상이며, phase3은 yp, yn 벡터의 출력시의 위상이다.
ic = i(phase2) ×T2
icx = i(phase1) ×T1
icy = i(phase3) ×T3
이와 같이 각 중성선 전류(ic, icx, icy)를 구하면, 중성점 전위 변동을 0에 가깝게 하기 위해서는, ic, icx, icy를 이용하여 중성선의 전류 변동을 0에 가까워지도록 xp, xn 및 yp, yn 벡터의 시간 비율을 결정하면 좋다.
각 벡터의 시간 비율의 구체적인 계산법의 일례를 이하에 설명한다.
PWM 패턴 설정기(105)는 일본국 특개 2001-57784호 공보에 기재되어 있는 바와 같이 중성점 전위 제어에 중성점 전위 제어 파라미터(α, α1, α2)를 이용한다. 이들 파라미터 상호 관계는 전압 벡터가 존재하는 영역과 상 전류와의 관계에 의해서,
i(phase1) ≥0이면 α1 = α
i(phase1) < 0이면 α1 = 1-α
i(phase3) ≥0이면 α2 = 1-α
i(phase3) < 0이면 α2 = α
(주 : 상 전류는 인버터로부터 모터로의 방향을 양으로 한다)
와 같이 변화한다.
phase1, phase2, phase3과, U, V, W상의 대응은 다음 표 1에 나타낸다.
(표 1)
상의 대응표
영역 phase1 phase2 phase3
1 U V W
2 V U W
3 V W U
4 W V U
5 W U V
6 U W V
그리고, xp, xn 벡터의 시간 배분을,
xp 벡터의 시간 : Txp = α1 ×T2
xn 벡터의 시간 : Txn = (1-α1) ×T2로 하고,
yp, yn 벡터의 시간 배분을,
yp 벡터의 시간 : Typ = α2 ×T3
yn 벡터의 시간 : Tyn = (1-α2) ×T3
으로 한다.
중성점 전위 제어 파라미터 계산기(106)에 의해서 중성점 전위 제어 파라미터(α)는,
α= α' + α'' (0 ≤α≤1)
와 같이 2개의 파라미터(α'와 α'')의 합으로 계산된다. 또, α는 0 이상, 1 이하로 제한되는 것으로 한다.
여기서, α'는,
D = γ/(2 ×β)
α' = D (ic≥0일 때)
α' = -D (ic<0일 때)
(α' 또한 -1 이상, 1 이하로 제한됨)
와 같이 계산된다.
α''는 α오프셋 조정 파라미터이고, 중성점 전위 이상시 등에 강제적으로 중성점 전위를 제어하는 것에 이용하는 것으로 하며, 통상은 0.5라고 한다.
또, β, γ는 이하의 (1)∼(4)에 나타내는 바와 같이 구해진다.
(1) |ic| < |icx| ≤|icy| 또는 |ic| < |icy| ≤|icx|인 경우에는, γ= ic, β= |icx| + |icy|로서 α'가 계산된다.
(2) |icx| ≤|ic| ≤|icy| 또는 |icx| ≤|icy| ≤|ic|인 경우에는, γ= |ic| - |icx|, β= |icy|로서 α'가 계산된다. 단, α1은 별도,
icx와 ic의 부호가 동일 부호인 경우에는,
α1 = 1에 고정으로 하고,
icx와 ic의 부호가 다른 부호인 경우에는,
α1 = 0에 고정으로 한다.
(3) |icy| ≤|ic| ≤|icx| 또는 |icy| ≤|icx| ≤|ic|인 경우에는, γ= |ic| - |icy|, β= |icx|로서 α'가 계산된다. 단, α2는 별도,
icx와 ic의 부호가 동일 부호인 경우에는,
α2 = 0에 고정으로 하고,
icy와 ic의 부호가 다른 부호인 경우에는,
α2 = 1에 고정으로 한다.
(4) |icx| + |icy| ≤|ic|인 경우,
icx와 ic의 부호가 동일 부호인 경우에는,
α1 = 1에 고정으로 하고,
icx와 ic의 부호가 다른 부호인 경우에는,
α1 = 0에 고정으로 하고,
icy와 ic의 부호가 동일 부호인 경우에는,
α2 = 0에 고정으로 하고,
icy와 ic의 부호가 다른 부호인 경우에는,
α2 = 1에 고정으로 한다.
이와 같이 중성점 전위 제어 파라미터(α)를 계산하면, xp, xn, yp, yn 벡터에 의해 흐르는 중성선 전류를 효율적으로 사용하여, z 벡터에 의해 흐르는 중성선 전류가 일으키는 중성점 전위 변동을 PWM 주기마다 가능한 한 0에 가깝게 하는 것이 가능해진다.
또한, 일본국 특개 2001-061283호 공보에 기재되어 있는 방법과 같이, z 벡 터의 발생을 억제하는 방법에서도, 상기의 계산으로 T2를 벡터의 발생을 억제한 후의 시간으로 하면, 상기 계산대로 중성점 전위 변동을 효율적으로 억제하는 것이 가능해진다.
본 실시형태의 3상 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치에서는, 인버터의 운전 조건에 의해서는, |icx| + |icy| ≤|ic|의 경우와 같이 ic가 커져서 PWM 주기중에 완전히 보상할 수 없는 경우의 것을 고려하여, 후속의 PWM 주기에서,
|icx| + |icy| ≥|ic|, |icx| ≥|ic|, |icy| ≥|ic|로 되었을 때에, 대부분 보상을 행하도록 한다.
이와 같이 하기 위해서, 본 실시형태의 3상 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치에서는, PWM 주기중에 z 벡터에 의해 흐르는 중성선 전류를 보상하지 않고, 현재까지 중성선에 흐른 전류의 적분치를 보상하도록 변경해도 좋다. 구체적으로는, ic를 다음의 식과 같이 1회전까지 흐른 중성선 전류의 시간 적분치(ic0)와 다음의 PWM 주기의 z 벡터에 의한 중성선 전류(i(phase2))와의 합을 이용하도록 변경한다.
ic = ic0 + i(phase2) ×T2
이와 같이 함으로써, 1주기에서는 완전히 억제되지 않았던 중성점 전위 변동을 억제하는 것이 가능해진다. 또, 중성선 전류의 시간 적분치(ic0)는 중성선에 구비된 전류 센서에 의해서 측정되어도 좋고, 중성선에 연결되는 상출력 전류로부터의 예측에 의해서 산출되어도 좋다.
직렬로 접속된 각각의 평활 콘덴서의 용량이 동일한 경우에는, 본 실시형태의 3상 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치와 같이, 중성점 전류를 0에 가깝게 함으 로써 중성점 전위 변동을 0으로 하고, 중성점 전위를 양의 모선과 음의 모선 전위의 정확히 중간의 전위(이 전위를 V0으로 한다)로 제어할 수 있지만, 경년 변화 등에 의해서 직렬로 접속된 각각의 콘덴서의 용량이 다르게 된 경우에는, 중성점 전류를 0에 가깝게 하는 것만으로는 중성점 전위를 양의 모선과 음의 모선 전위 사이의 정확히 중간이 되는 전위로 제어할 수 없게 된다.
그래서, 본 발명에서는, ic, icx, icy의 계산치로부터, 중성점 전류를 0에 가깝게 하지 않고, 역으로 중성점 전류를 증가시켜서 V0에 가까워지도록 제어할 수도 있다. 이 경우에는, 중성점 전위 제어 파라미터 계산기(101)가 중성점 전위의 레벨을 검출하도록 하여, 그 전위가 V0보다 높으면 ic, icx, icy의 계산치로부터 중성선 전류를 도 1의 화살표 방향으로 증가시키고, 전위가 V0보다 낮으면 중성선 전류를 도 1의 화살표 방향과 반대로 증가시키는 계산을 행하도록 하면 좋다.
제2 실시형태
본 발명의 제2의 중성점 전압 제어 장치에 대해서 설명한다. 도 8은 본 실시형태의 중성점 전압 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 8에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태의 중성점 전압 제어 장치는 감산기(1), 2개의 비교기(2), 계산 회로(3) 및 절연 회로(10)로 구성된다.
감산기(1)는 중성점 전압(VCN)으로부터 제1 기준 전압(Vref1)을 감산한 값을 출력한다. 제1 기준 전압치(Vref1)는 전술한 바와 같이 P점과 N점 사이의 전압의 2분의 1의 전압치(1/2 ·VPN)이다.
본 실시형태의 중성점 전압 제어 장치는, 제1 기준 전압치(Vref1) 외에, 제2 기준 전압치(Vref2) 및 제3 기준 전압치(Vref3)를 이용한다. 제2 기준 전압치(Vref2 ) 및 제3 기준 전압치(Vref3)는, 도 9에 도시하는 바와 같이, 각각 음의 값과 양의 값으로 되어 있다.
하나의 비교기(2)는 감산기(1)의 출력의 값이 제2 기준 전압치(Vref2)보다 작은 경우에, 계산 회로(3)에 대해서 중성점 전압을 상승시키기 위한 신호를 온으로 하여 출력한다. 또, 다른 하나의 비교기(2)는 감산기(1)의 출력의 값이 제3 기준 전압치(Vref3)보다 큰 경우에, 계산 회로(3)에 대해서 중성점 전압(VCN)을 하강시키기 위한 신호를 온으로 하여 출력한다.
2개의 비교기(2)로부터 출력되는 신호는 2비트의 디지털 신호로서 절연 회로(10)에 입력되어 계산 회로(3)에 입력된다. 절연 회로(10)는 디지털 신호를 취급하는 회로이므로, 넓은 범위에서의 선형 특성 등을 가질 필요가 없기 때문에, 도 2에 도시하는 절연 증폭기(6)보다 저렴한 것으로 할 수 있다.
계산 회로(3)는 2개의 비교기(2)의 출력을 입력하여, 2개의 비교기(2)로부터 신호가 입력되어 있지 않으면 중성점 전압을 그대로 유지하도록 하고, 중성점 전압을 상승시키는 신호가 입력되면, 중성점 전압을 상승시키는 중성점 전압 제어 지령을 작성하며, 중성점 전압을 하강시키는 신호가 입력되면 중성점 전압을 하강시키는 중성점 전압 제어 지령을 작성한다.
이상 서술한 바와 같이, 본 실시형태의 중성점 전압 제어 장치에서는, 중성 점 전압(VCN)과 각 기준 전압치와의 차를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환함으로써, 넓은 선형 특성을 갖는 고가의 절연 회로를 이용하지 않고, 저렴한 디지털 신호의 절연 회로(10)를 이용할 수 있기 때문에, 장치 전체를 저렴하게 할 수 있다.
또, 본 실시형태의 중성점 전압 제어 장치에서는, 중성점 전압(VCN)과 각 기준 전압치와의 차를 아날로그 신호가 아닌 디지털 신호로 처리함으로써, 계산 회로(3)의 입력에 대한 노이즈의 영향을 저감화할 수 있기 때문에, 장치의 신뢰성을 높여 정밀도가 높은 중성점 전압 제어를 행할 수 있다.
또, 본 실시형태의 중성점 전압 제어 장치에서는, 제2 기준 전압치(Vref2)와 제3 기준 전압치(Vref3)를 임계치로 하여 불감대를 설치함으로써, 중성점 전압에 포함되는 레벨이 낮은 노이즈에 좌우되지 않고, 중성점 전압 제어를 행할 수 있다. 또한, 본 실시형태의 중성점 전압 제어 장치에서는, 제2 기준 전압치(Vref2)와 제3 기준 전압치(Vref3)에 의한 임계치를 3레벨 인버터 장치가 출력하는 주파수의 3배의 주파수에서 일어나는 중성점 전압 변동보다 넓게 설정하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 노이즈의 영향을 제거할 수 있는 동시에, 통상의 변동분, 즉 운전 주파수의 3배 주파수에서의 변동분을 무시할 수 있게 되므로, 제어의 간략화와 높은 신뢰성을 실현할 수 있다. 또한, 계산 회로(3)는 소프트웨어로 구성되어 있는 것이어도 좋고, 전기 회로와 같은 하드웨어로 구성되어 있는 것이어도 좋다.
제3 실시형태
다음에, 본 발명의 제3 실시형태의 중성점 전압 제어 장치에 대해서 도 10을 참조하여 설명한다. 도 10은 본 실시형태의 중성점 전압 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 10에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태의 중성점 전압 제어 장치는 2개의 비교기(2) 대신에 비교기(4)를 구비하고, 계산 회로(3) 대신에 기억 장치(5)를 구비하고 있는 점이, 전술한 실시형태의 중성점 전압 제어 장치와 다르다.
비교기(4)는 중성점 전압(VCN)으로부터 제1 기준 전압(Vref1)을 감산한 값을 입력하여, 감산기(1)의 출력값이 제2 기준 전압치(Vref2)보다 작은 경우와, 제2 기준 전압치(Vref2) 이상 제3 기준 전압치(Vref3) 이하인 경우와, 제3 기준 전압치(Vref3 )보다 큰 경우로, 값이 다른 3개의 2비트의 디지털 신호를 출력한다.
기억 장치(5)에는 그 디지털 신호의 값과 그 값에서 출력되어야 하는 중성점 전압 제어 지령과의 조의 테이블이 인버터의 역행·회생인 경우나, 사용 상황에 따른 인버터의 운전 상황에 따라 여러 개 기억되어 있다. 기억 장치(5)는 각 테이블 중에서 현재의 운전 상황에 따른 테이블을 선택하고, 그 테이블을 이용하여 디지털 신호에 대응하는 중성점 전압 제어 지령을 출력한다.
표 2에 각 스위칭 상태와 중성점 전압의 변화를 나타낸다. 여기서, 스위칭 상태는, 도 4에 도시하는 바와 같은, 벡터를 출력할 때의 스위칭 패턴이고, 각각 U상, V상, W상의 순서로 나타내고 있다. P는 그 상이 양극 측의 점(P)에 접속되어 있는 상태이고, N은 그 상이 음극 측의 점(N)에 접속되어 있는 상태이며, 0은 그 상이 중성점 C점에 접속되어 있는 상태이다.
여기서, 예를 들면, ap 벡터, an 벡터는, 도 4를 보면 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 출력하는 선간 전압으로서는 등가이지만, 스위칭 상태가 다르기 때문에, 예를 들면, 역행시의 중성점 전압의 변화를 고려하면, ap 벡터의 경우에는 상승, an 벡터의 경우에는 하강으로, 각각 반대가 된다. 또한, 역행, 회생 시에 의해서도 중성점 전압의 변화는 역이 된다. 이와 같이, 출력하는 선간 전압은 동일해도, 중성점 전압을 상승, 하강시킬 수 있는 전압 벡터의 조가 존재하기 때문에, 어느 쪽의 벡터를 선택하는지에 따라 중성점 전압을 제어할 수 있다. 본 실시형태의 중성점 전압 제어 장치에서는, 이들의 관계를 테이블로서 기억시켜 둠으로써, 중성점 전압의 변동에 대해서 그 변동을 부정하는 패턴을 선택할 수 있다.
(표 2)
전압 벡터 스위칭 상태 중성점 전압의 변화
역행 회생
Op PPP 변화 없음 변화 없음
Oo OOO 변화 없음 변화 없음
On NNN 변화 없음 변화 없음
a PNN, NPN, NNP 변화 없음 변화 없음
b PPN, NPP, PNP 변화 없음 변화 없음
c PON, OPN, NPO, NOP, ONP, PNO 위상에 의함 위상에 의함
ap POO, OPO, OOP 상승 하강
bp PPO, OPP, POP 상승 하강
an ONN, NON, NNO 하강 상승
bn OON, NOO, ONO 하강 상승
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 중성점 전위 변동을 효율적으로 억제하여, 안전성의 향상, 출력 전압 품질의 향상을 도모할 수 있는 3상 중성점 클 램프식 PWM 인버터 장치를 제공할 수 있다.

Claims (11)

  1. 양의 모선(母線)과 음의 모선과 중성선을 갖고, 양의 모선과 상(相)전압 출력 단자 사이 및 음의 모선과 상출력 단자 사이에 각각 제1 및 제2의 스위치 소자, 및 제3 및 제4의 스위치 소자를 직렬 접속하는 동시에, 상기 제1과 상기 제2의 스위치 소자의 접속점 및 상기 제3과 상기 제4의 스위치 소자의 접속점을 각각 클램프 소자를 통해 상기 중성점과 접속된 중성점 클램프식 PWM 인버터를 3상분 설치한 3상 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치에 있어서,
    PWM 주기중에 상기 양의 모선, 상기 음의 모선, 상기 중성선이 각각 3상의 상기 상출력 단자에 접속되는 상태가 되는 3상 출력 전압의 시간의 계산치와, 그 상태에서의 상기 중성점에 흐른다고 예측되는 전류치를 곱한 제1의 계산치를 구하는 수단과,
    상기 양의 모선에 3상의 상기 상출력 단자 중 2개가 접속되고, 상기 중성선에 3상의 상기 상출력 단자 중 하나가 접속되는 제2의 상태 또는 상기 중성선에 3상의 상기 상출력 단자 중 2개가 접속되고, 상기 음의 모선에 3상의 상기 상출력 단자 중 하나가 접속되는 제3의 상태를 취득하는 3상 출력 전압의 시간의 계산치와, 그 상태에서의 상기 중성선에 흐른다고 예측되는 전류치를 곱한 제2의 계산치를 구하는 수단과,
    상기 양의 모선에 3상의 상기 상출력 단자 중 하나가 접속되고, 상기 중성선에 3상의 상기 상출력 단자 중 2개가 접속되는 제4의 상태 또는 상기 중성선에 3상 의 상기 상출력 단자 중 하나가 접속되고, 상기 음의 모선에 3상의 상기 상출력 단자 중 2개가 접속되는 제5의 상태를 취득하는 3상 출력 전압의 시간의 계산치와, 그 상태에서의 상기 중성선에 흐른다고 예측되는 전류치를 곱한 제3의 계산치를 구하는 수단과,
    상기 제1, 상기 제2, 상기 제3의 계산치에 기초하여 상기 중성선에 흐르는 전류를 0, 또는 상기 중성선의 전위를 상기 양의 모선 전위와 상기 음의 모선 전위 사이의 정확히 중간이 되는 전위에 가까워지도록, PWM 주기중의 상기 제2와 상기 제3, 상기 제4와 상기 제5의 상태의 비율을 결정하는 비율 결정 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 3상 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비율 결정 수단 대신에, 상기 제1의 계산치와 1주기 전의 PWM 주기까지 중성선에 흐른 전류의 적분치와의 합인 제4의 계산치를 구하고, 상기 제2, 상기 제3의 계산치에 기초하여 상기 제4의 계산치를 0, 또는 상기 제4의 계산치를 이용하여 상기 중성선의 전위를 상기 양의 모선 전위와 상기 음의 모선 전위 사이의 정확히 중간이 되는 전위에 가까워지도록, PWM 주기중의 상기 제2와 상기 제3, 상기 제4와 상기 제5의 상태의 비율을 결정하는 비율 결정 수단으로 한 것을 특징으로 하는 3상 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 양의 모선, 상기 음의 모선, 상기 중성선이, 각각 3상의 상기 상출력 단자에 접속되는 6개의 스위치 상태가 되는 3상 출력 전압의 시간 을 제1의 설정치 이하로 억제하고, 상기 제1의 설정치 이하로 억제된 것에 따른 출력 전압의 부족분을 3상의 상기 상출력 단자 각각이 상기 양의 모선 또는 상기 음의 모선에 접속되지만, 3상의 상기 상출력 단자가 3개 동시에 상기 양의 모선 또는 음의 모선에 접속되는 상태를 제외한 6개의 스위치 상태로 보충하는 3상 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치에서,
    상기 제1의 계산치를 구하는 수단 대신에, PWM 주기중에 상기 제1의 설정치 이하로 억제된 3상 출력 전압의 시간과 그 상태에서의 상기 중성선에 흐른다고 예측되는 전류치를 곱한 제1의 계산치를 구하는 수단으로 한 것을 특징으로 하는 3상 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 3상 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치에서, 중성선에 흐른다고 예측되는 전류치 대신에, 중성선에 흐르는 전류의 실측치를 이용하고, 비율 결정 수단에서는 상기 제1의 계산치와 1주기 전의 PWM 주기까지 중성선에 흐른 전류의 적분치와의 합인 제4의 계산치를 구하여 상기 제2, 상기 제3의 계산치에 기초하여 상기 제4의 계산치를 0, 또는 상기 제4의 계산치를 이용하여 상기 중성선의 전위를 상기 양의 모선 전위와 상기 음의 모선 전위 사이의 정확히 중간이 되는 전위에 가까워지도록, PWM 주기중의 상기 제2와 상기 제3, 상기 제4와 상기 제5의 상태의 비율을 결정하는 비율 결정 수단으로 한 것을 특징으로 하는 3상 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 내지 제3의 계산치를 구하는 수단에서의 상기 중성선에 흐른다고 예측되는 전류치를, 상기 중성선에 접속되는 상기 상출력 단자에 흐른다고 예상되는 전류치를 이용하여 계산하도록 한 것을 특징으로 하는 3상 중성점 클램프식 PWM 인버터 장치.
  6. 3레벨 인버터 장치의 양의 모선과 음의 모선 사이에 직렬로 접속된 2개의 콘덴서 사이의 중성점과 이 음의 모선과의 사이의 전압인 중성점 전압의 제어를 행하는 중성점 전압 제어 장치에 있어서,
    상기 중성점 전압의 값으로부터, 상기 양의 모선과 상기 음의 모선 사이의 전압의 2분의 1의 전압치인 제1 기준 전압치를 감산한 값을 출력하는 감산 수단과,
    상기 감산 수단으로부터 출력된 값이 음의 값인 제2 기준 전압치보다 작은 경우에, 상기 중성점 전압을 상승시키기 위한 신호를 온으로 하는 제1의 비교 수단과,
    상기 감산 수단으로부터 출력된 값이 양의 값인 제3 기준 전압치보다 큰 경우에, 상기 중성점 전압을 하강시키기 위한 신호를 온으로 하는 제2의 비교 수단과,
    상기 2개의 신호를 2비트의 디지털 신호로 절연 변환하는 절연 수단과,
    상기 디지털 신호에 기초하여 중성점 전압 제어 지령을 계산하여 출력하는 계산 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 중성점 전압 제어 장치.
  7. 3레벨 인버터 장치의 양의 모선과 음의 모선 사이에 직렬로 접속된 2개의 콘덴서 사이의 중성점과 이 음의 모선과의 사이의 전압인 중성점 전압의 제어를 행하는 중성점 전압 제어 장치에 있어서,
    상기 중성점 전압의 값으로부터, 상기 양의 모선과 상기 음의 모선 사이의 전압의 2분의 1의 전압치인 제1 기준 전압치를 감산한 값을 출력하는 감산 수단과,
    이 감산 수단으로부터 출력된 값이 음의 값인 제2 기준 전압치보다 작은 경우와, 이 감산 수단으로부터 출력된 값이 양의 값인 제3 기준 전압치보다 큰 경우와, 이 감산 수단으로부터 출력된 값이 상기 제2 기준 전압치 이상 상기 제3 기준 전압치 이하인 경우로, 값이 다른 2비트의 디지털 신호를 출력하는 비교기와,
    상기 디지털 신호를 절연하여 출력하는 절연 수단과,
    상기 디지털 신호에 기초하여 중성점 전압 제어 지령을 계산하여 출력하는 계산 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 중성점 전압 제어 장치.
  8. 3레벨 인버터 장치의 양의 모선과 음의 모선 사이에 직렬로 접속된 2개의 콘덴서 사이의 중성점과 이 음의 모선과의 사이의 전압인 중성점 전압의 제어를 행하는 중성점 전압 제어 장치에 있어서,
    상기 중성점 전압의 값으로부터, 상기 양의 모선과 상기 음의 모선 사이의 전압의 2분의 1의 전압치인 제1 기준 전압치를 감산한 값을 출력하는 감산 수단과,
    상기 감산 수단으로부터 출력된 값이 음의 값인 제2 기준 전압치보다 작은 경우에, 상기 중성점 전압을 상승시키기 위한 신호를 온으로 하는 제1의 비교 수단 과,
    상기 감산 수단으로부터 출력된 값이 양의 값인 제3 기준 전압치보다 큰 경우에, 상기 중성점 전압을 하강시키기 위한 신호를 온으로 하는 제2의 비교 수단과,
    상기 2개의 신호를 2비트의 디지털 신호로 절연 변환하는 절연 수단과,
    상기 디지털 신호의 값과 해당 값에서 출력되어야 하는 중성점 전압 제어 지령의 조의 테이블을 미리 기억해 두고, 상기 절연 수단으로부터 입력된 디지털 신호에 대응하는 중성점 전압 제어 지령을 상기 테이블로부터 구하여 출력하는 기억 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 중성점 전압 제어 장치.
  9. 3레벨 인버터 장치의 양의 모선과 음의 모선 사이에 직렬로 접속된 2개의 콘덴서 사이의 중성점과 이 음의 모선과의 사이의 전압인 중성점 전압의 제어를 행하는 중성점 전압 제어 장치에 있어서,
    상기 중성점 전압의 값으로부터, 상기 양의 모선과 상기 음의 모선 사이의 전압의 2분의 1의 전압치인 제1 기준 전압치를 감산한 값을 출력하는 감산 수단과,
    이 감산 수단으로부터 출력된 값이 음의 값인 제2 기준 전압치보다 작은 경우와, 이 감산 수단으로부터 출력된 값이 양의 값인 제3 기준 전압치보다 큰 경우와, 이 감산 수단으로부터 출력된 값이 상기 제2 기준 전압치 이상 상기 제3 기준 전압치 이하인 경우로, 값이 다른 2비트의 디지털 신호를 출력하는 비교기와,
    상기 디지털 신호를 절연하여 출력하는 절연 수단과,
    상기 디지털 신호의 값과 해당 값에서 출력되어야 하는 중성점 전압 제어 지령의 조의 테이블을 미리 기억해 두고, 상기 절연 수단으로부터 입력된 디지털 신호에 대응하는 중성점 전압 제어 지령을 상기 테이블로부터 구하여 출력하는 기억 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 중성점 전압 제어 장치.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 기억 수단은, 인버터의 운전 상황에 따른 상기 테이블을 다수 기억하고 있고, 상기 각 테이블 중에서 현재의 운전 상황에 따른 테이블을 선택하고, 이 테이블을 이용하여 상기 디지털 신호에 대응하는 중성점 전압 제어 지령을 출력하는 것을 특징으로 하는 중성점 전압 제어 장치.
  11. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 기준 전압치와 상기 제3 기준 전압치와의 차는, 상기 3레벨 인버터의 출력 주파수의 3배의 주파수에 있어서의 중성점 전압 변동의 진폭보다 커지도록 설정되는 것을 특징으로 하는 중성점 전압 제어 장치.
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