(57)【要約】【課題】セル多重インバータのＰＷＭ御方式において、出力電圧実効値の低下を抑制しつつ出力電圧の高周波化を図る。【解決手段】電力変換装置１は、負荷に接続される三相の各相に単相インバータからなるセルがＮ（Ｎ≧２）個の段数で直列接続されるセル多重インバータ４と、２Ｎ個の搬送波と前記各相の電圧指令との比較に基づき前記単相インバータのスイッチングデバイスをオンオフ制御するインバータ制御部５とを備える。インバータ制御部５は、最大ピーク電圧Ｖｐを算出し、前記負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ≧最大ピーク電圧Ｖｐの場合に前記電圧指令の変化率の制限を実行しない一方で、前記負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ＜最大ピーク電圧Ｖｐの場合に前記電圧指令の変化率の制限を実行させる。【選択図】図１
2020156234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相の各相に単相インバータからなるセルがＮ（Ｎ≧２）個の段数で直列接続されるセル多重インバータと、
前記各相の２Ｎ個の搬送波と前記各相の電圧指令との比較に基づき前記単相インバータのスイッチングデバイスをオンオフ制御するインバータ制御部と
を備え、
前記インバータ制御部は、以下の式（１）及び式（２）の演算により最大ピーク電圧Ｖｐを算出し、
Ｖｉｓｏ＝Ｅ×Ｎ＋（ＸＥ−Ｅ）  …（１）
Ｖｐ＝（Ｎｂ−Ｎａ）×ＸＥ＋Ｎａ×Ｅ  …（２）
Ｖｉｓｏ：セル多重インバータに接続される負荷または出力フィルタの絶縁耐圧
Ｖｐ：最大ピーク電圧
Ｅ：セルの直流電圧
Ｎ：セルの直列段数（Ｎ≧２）
Ｘ：サージ係数
Ｎａ：レベル変化前の相電圧に相当するセルの段数
Ｎｂ：レベル変化後の相電圧に相当するセルの段数
前記負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ≧最大ピーク電圧Ｖｐの場合に前記電圧指令の変化率の制限を実行しない一方で、
前記負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ＜最大ピーク電圧Ｖｐの場合に前記電圧指令の変化率の傾きを低減させる制限を実行させること
を特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記サージ係数は１以上の固定値であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記セル多重インバータの運転時に線間電圧に重畳される１段分のサージ電圧を検出する出力電圧検出装置をさらに備え、
前記インバータ制御部は、前記サージ電圧に基づき式（２）のサージ係数Ｘを設定すること
を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
三相の各相に単相インバータからなるセルがＮ（Ｎ≧２）個の段数で直列接続されるセル多重インバータと、
前記各相の２Ｎ個の搬送波と前記各相の電圧指令との比較に基づき前記単相インバータのスイッチングデバイスをオンオフ制御するインバータ制御部と
を備え、
前記インバータ制御部は、以下の式（１）及び式（２）の演算により最大ピーク電圧Ｖｐを算出し、
Ｖｉｓｏ＝Ｅ×Ｎ＋（ＸＥ−Ｅ）  …（１）
Ｖｐ＝（Ｎｂ−Ｎａ）×ＸＥ＋Ｎａ×Ｅ  …（２）
Ｖｉｓｏ：セル多重インバータに接続される負荷または出力フィルタの絶縁耐圧
Ｖｐ：最大ピーク電圧
Ｅ：セルの直流電圧
Ｎ：セルの直列段数（Ｎ≧２）
Ｘ：サージ係数
Ｎａ：レベル変化前の相電圧に相当するセルの段数
Ｎｂ：レベル変化後の相電圧に相当するセルの段数
前記負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ＜最大ピーク電圧Ｖｐの場合に前記電圧指令の変化率の傾きを低減させる制限を実行させる一方で、
前記負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ≧最大ピーク電圧Ｖｐの場合に所定の遷移パターングループ毎に前記電圧指令の変化率制限の設定及び不設定を行うことを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
前記所定の遷移パターングループは、セル段数：Ｎ＝６、サージ係数：Ｘ＝２と仮定して、多段変化後のピーク電圧が７Ｅ（Ｖｉｓｏ）以下となる下記の表３に対応した（１）から（８）の条件のグループであること
を特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
【表３】
2020156234.tif 000007
（１）表３において、最大ピーク電圧Ｖｐが０となる条件
Ｎａ→Ｎｂ（ＮａからＮｂへの遷移。以下、同じ。）：６→３、４→２、２→１、０→０、−２→−１、−４→−２、−６→−３
（２）表３において、最大ピーク電圧Ｖｐが−Ｅ／Ｅとなる条件
Ｎａ→Ｎｂ：５→３、５→２、３→２、３→１、１→１、１→０、−１→０、−１→−１、−３→−１、−３→−２、−５→−２、−５→−３
（３）表３において、最大ピーク電圧Ｖｐが−２Ｅ／２Ｅとなる条件
Ｎａ→Ｎｂ：６→４、６→２、４→３、４→１、２→２、２→０、０→１、０→−１、−２→０、−２→２、−４→−１、−４→−３、−６→−２、−６→−４
（４）表３において、最大ピーク電圧Ｖｐが−３Ｅ／３Ｅとなる条件
Ｎａ→Ｎｂ：５→４、５→１、３→３、３→０、１→２、１→−１、−１→１、−１→−２、−３→０、−３→−３、−５→−１、−５→−４
（５）表３において、最大ピーク電圧Ｖｐが−４Ｅ／４Ｅとなる条件
Ｎａ→Ｎｂ：６→５、６→１、４→４、４→０、２→３、２→−１、０→２、０→−２、−２→−３、−２→１、−４→０、−４→−４、−６→−１、−６→−５
（６）表３において、最大ピーク電圧Ｖｐが−５Ｅ／５Ｅとなる条件
Ｎａ→Ｎｂ：５→５、５→０、３→４、３→−１、１→３、１→−２、−１→２、−１→−３、−３→１、−３→−４、−５→０、−５→−５
（７）表３において、最大ピーク電圧Ｖｐが−６Ｅ／６Ｅとなる条件
Ｎａ→Ｎｂ：６→６、６→０、４→５、４→−１、２→４、２→−２、０→３、０→−３、−２→２、−２→−４、−４→１、−４→−５、−６→０、−６→−６
（８）表３において、最大ピーク電圧Ｖｐが−７Ｅ／７Ｅとなる条件
Ｎａ→Ｎｂ：５→６、５→−１、３→５、３→−２、１→４、１→−３、−１→３、−１→−４、−３→２、−３→５、−５→１、−５→−６
【請求項６】
前記インバータ制御部は、前記セル多重インバータの出力電圧の実効値の計測値もしくは電圧指令の周波数指令値に基づき、前記負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ≧最大ピーク電圧Ｖｐである場合の前記遷移パターングループ毎に電圧指令の変化率制限の設定及び不設定を行うこと
を特徴とする請求項４または５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
三相の各相に単相インバータからなるセルがＮ（Ｎ≧２）個の段数で直列接続されるセル多重インバータを備えた電力変換装置の電圧制御方法であって、
以下の式（１）及び式（２）の演算により最大ピーク電圧Ｖｐを算出するステップと、
Ｖｉｓｏ＝Ｅ×Ｎ＋（ＸＥ−Ｅ）  …（１）
Ｖｐ＝（Ｎｂ−Ｎａ）×ＸＥ＋Ｎａ×Ｅ  …（２）
Ｖｉｓｏ：前記セル多重インバータに接続される負荷または出力フィルタの絶縁耐圧
Ｖｐ：最大ピーク電圧
Ｅ：セルの直流電圧
Ｎ：セルの直列段数（Ｎ≧２）
Ｘ：サージ係数
Ｎａ：相電圧の変化前のセルの段数
Ｎｂ：相電圧の変化後のセルの段数
前記負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ≧最大ピーク電圧Ｖｐの場合に前記各相の電圧指令の変化率の制限を行なわない一方で、前記負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ＜最大ピーク電圧Ｖｐの場合に前記電圧指令の変化率の制限を行うステップと
を有することを特徴とする電力変換装置の電圧制御方法。
【請求項８】
三相の各相に単相インバータからなるセルがＮ（Ｎ≧２）個の段数で直列接続されるセル多重インバータを備えた電力変換装置の電圧制御方法であって、
以下の式（１）及び式（２）の演算により最大ピーク電圧Ｖｐを算出するステップと、
Ｖｉｓｏ＝Ｅ×Ｎ＋（ＸＥ−Ｅ）  …（１）
Ｖｐ＝（Ｎｂ−Ｎａ）×ＸＥ＋Ｎａ×Ｅ  …（２）
Ｖｉｓｏ：セル多重インバータに接続される負荷または出力フィルタの絶縁耐圧
Ｖｐ：最大ピーク電圧
Ｅ：セルの直流電圧
Ｎ：セルの直列段数（Ｎ≧２）
Ｘ：サージ係数
Ｎａ：レベル変化前の相電圧に相当するセルの段数
Ｎｂ：レベル変化後の相電圧に相当するセルの段数
前記負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ＜最大ピーク電圧Ｖｐの場合に前記電圧指令の変化率の傾きを低減させる制限を実行させる一方で、前記負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ≧最大ピーク電圧Ｖｐの場合に所定の遷移パターングループ毎に前記各相の電圧指令の変化率制限の設定及び不設定を行うステップと
を有することを特徴とする電力変換装置の電圧制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直列式のセル多重インバータのスイッチングを制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
直列セル多重インバータは、単相インバータ（以下、セル）を直列に接続した方式であり、直列セル数を増加させることでＩＧＢＴ単体の耐圧を増加させることなく高電圧化することができる（特許文献１〜６）。
【０００３】
図１に示されたセル多重インバータ４は、直列セル多重インバータの一態様であり、出力電圧を多レベル化でき、各相Ｎ個のセル１１，１２，…，１Ｎを直列に接続し、三相出力を構成した場合多レベルの階段状となっている。
【０００４】
図１の拡大図に示されたように、各セルの直流電圧はＥである。オフセットの異なる複数の搬送波（以下、キャリア）と電圧指令との比較に基づいてセル１１，１２，…，１Ｎ内の例えばＩＧＢＴ等のスイッチングデバイスＳＷ−Ｕ，ＳＷ−Ｖ，ＳＷ−Ｘ，ＳＷ−Ｙをオンオフさせることにより、セル１１，１２，…，１Ｎはパルス状の電圧を出力する。そして、セル１１，１２，…，１Ｎの出力電圧を重畳することにより、セル多重インバータ４の相電圧が生成される。例えば、Ｕ１，Ｕ２，…，ＵＮの出力電圧を重畳して、セル多重インバータ４のＵ相の相電圧を生成する。尚、この時のキャリアは相毎にセル段数Ｎの２倍必要となる。
【０００５】
セル段数Ｎ＝２の場合の相電圧指令Ｖ＊とキャリアの波形例を図１０に示した（特許文献４）。相電圧指令Ｖ＊は以下の表１の電圧指令と個々のキャリアとの大小関係により決定される。
【０００６】
【表１】
2020156234.tif 000003
【０００７】
図１０にはキャリアが４つ開示され、同図の上段からキャリア１，キャリア２，キャリア３，キャリア４と称する。
【０００８】
相電圧指令＝＋２Ｅのとき、直列接続しているセル１１とセル１２の電圧は、共に＋Ｅを出力するように、セル１１，１２のスイッチングデバイスＳＷ−Ｕ，ＳＷ−Ｖ，ＳＷ−Ｘ，ＳＷ−Ｙをオンオフさせる。
【０００９】
相電圧指令＝＋Ｅのとき、直列接続しているセル１１とセル１２の電圧の一方が＋Ｅ、他方が０出力するように、セル１１，１２のスイッチングデバイスＳＷ−Ｕ，ＳＷ−Ｖ，ＳＷ−Ｘ，ＳＷ−Ｙをオンオフさせる。
【００１０】
相電圧指令＝＋０のとき、直列接続しているセル１１とセル１２の電圧は、共に０出力するように、セル１１，１２のスイッチングデバイスＳＷ−Ｕ，ＳＷ−Ｖ，ＳＷ−Ｘ，ＳＷ−Ｙをオンオフさせる。
【００１１】
相電圧指令＝−Ｅのとき、直列接続しているセル１１とセル１２の電圧の一方が−Ｅ、他方が０出力するように、セル１１，１２のスイッチングデバイスＳＷ−Ｕ，ＳＷ−Ｖ，ＳＷ−Ｘ，ＳＷ−Ｙをオンオフさせる。
【００１２】
相電圧指令＝−２Ｅのとき、直列接続しているセル１１とセル１２の電圧は共に−Ｅを出力するように、セル１１，１２のスイッチングデバイスＳＷ−Ｕ，ＳＷ−Ｖ，ＳＷ−Ｘ，ＳＷ−Ｙをオンオフさせる。
【００１３】
また、セル１１，１２の出力電圧とセル１１，１２のスイッチングデバイスＳＷ−Ｕ，ＳＷ−Ｖ，ＳＷ−Ｘ，ＳＷ−Ｙのスイッチングパターンは、以下の表２となる。
【００１４】
【表２】
2020156234.tif 000004
【００１５】
セル段数Ｎ≧３の場合でも、同様の方法で各セルのスイッチングデバイスＳＷ−Ｕ，ＳＷ−Ｖ，ＳＷ−Ｘ，ＳＷ−Ｙのオンオフ信号を生成する。
【００１６】
図２及び図３にセルを６段にした場合の相電圧及び線間電圧の波形を示す。この場合、セル１１〜１６の出力電圧は＋Ｅまたは０または−Ｅであるため、相電圧では＋６Ｅ，＋５Ｅ，＋４Ｅ，＋３Ｅ，＋２Ｅ，＋Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅ，−３Ｅ，−４Ｅ，−５Ｅ，−６Ｅの１３段２×６＝１２段、線間電圧では＋１２Ｅ，＋１１Ｅ，…，＋Ｅ，０，−Ｅ，…，−１１Ｅ，−１２Ｅの２５段となり、必要なキャリアは１２となる。
【００１７】
セル多重インバータ４の各セルのスイッチングデバイスのオンオフ信号を定めるＰＷＭ制御方式としては、ＰＤ方式やＶＣＤ方式、ＣＦＳ方式が各文献にて紹介されている。これらの制御方法は厳密には異なるが、前記キャリアと出力電圧指令を比較することで多レベルのＰＷＭ波形を出力する。
【００１８】
インバータはその高速なスイッチングおよび回路上の微小なインダクタンスにより、インバータ出力に接続する負荷（モータ等）に図４に示したサージ電圧（ΔＶ）が発生する。このインダクタンスはインバータ内部の主回路や出力部に接続されるケーブルに依るものである。通常の３レベルインバータではその最大サージ電圧を出力電圧Ｅ（セル１段分の直流電圧）の１倍として設計することが多い。図４の事例では最大サージ電圧が１倍の波形例となる。
【００１９】
直列セル多重インバータは、その特性から、セル２段分以上の直流電圧のレベル変化（以下、多段変化）が生じるケースがある。ある段のセルのスイッチング（スイッチングデバイスのオンオフ）によって１段分のサージ電圧（図４のΔＶ）が出力されている最中（図４のサージ電圧が２Ｅ→Ｅに減衰している最中）に次の段のセルがスイッチングする。これにより、相電圧はセル２段分のレベル変化となり、２段分のサージ電圧が重畳される。そして、これが線間電圧のピーク付近で発生することにより過大なピーク電圧が発生する。
【００２０】
この多段変化の発生時のサージ電圧は高調波を大きくし、また、過大なピーク電圧はモータなどの負荷やインバータと負荷との間に備えられた出力フィルタの絶縁強度の劣化等の悪影響を及ぼすことがある。
【００２１】
前記の各ＰＷＭ制御方式では、多段変化を防止するような措置がなされている。
【００２２】
まず、図５のように制限を設けず電圧指令が急峻に上昇した場合、０Ｖ→２Ｅまで急峻な電圧が出力される。このとき、相電圧は２段分のレベル変化（以下、２段変化）が生じてしまい、過大なサージ電圧が出力される。
【００２３】
次に、図６のように電圧指令の変化率に傾きを設定すれば、次の段の電圧が出力されるまでの遅延時間が確保される。この場合、ある程度の時間（例えば、図６のＴ）を経て、次段のセルがスイッチングするので、相電圧での２段変化は生じない。但し、相電圧の２段変化を防止しても、原理上、線間電圧では２段変化まで許容してしまうことになるが、３段変化以上の多段変化は線間電圧には発生しない。即ちサージ電圧を最小限に抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】特開２０１７−１３５７６４号公報
【特許文献２】特開２００６−１０９６８８号公報
【特許文献３】特開２００１−８６７６６号公報
【特許文献４】特開２００２−５８２５７号公報
【特許文献５】特開２０１５−２６３９号公報
【特許文献６】特開２０１４−７８５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
これらの方式は電圧指令の変化率を制限することで対策しており、この変化率の傾きが小さい（例えばキャリア周波数の変化率に近い）場合、変化率補正後の電圧指令が元の電圧指令より小さくなり（図６の電圧指令の斜線部）、結果として出力電圧の実効値が小さく出力してしまう。図６の出力相電圧の斜線部は、変化率制限により出力されなかった電圧である。
【００２６】
したがって、図７のように２段変化を防止する電圧指令変化率制限を設け、２段変化を防止しつつも、その補正後の電圧指令が限りなく元の電圧指令に近くなるように設定することが望ましい。
【００２７】
しかしながら、セル多重インバータの出力電圧が高周波化した場合（例えば、２００Ｈｚ以上）、出力電圧の実効値に対する図６及び図７の斜線部分で示した影響が大きくなり、電圧指令の変化率の制限だけでは出力電圧の実効値の低下が無視できなくなる。
【００２８】
本発明は、上記の事情を鑑み、セル多重インバータのＰＷＭ御方式において、出力電圧実効値の低下を抑制しつつ出力電圧の高周波化を図ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
そこで、本発明の一態様は、電力変換装置であって、三相の各相に単相インバータからなるセルがＮ（Ｎ≧２）個の段数で直列接続されるセル多重インバータと、前記各相の２Ｎ個の搬送波と前記各相の電圧指令との比較に基づき前記単相インバータのスイッチングデバイスをオンオフ制御するインバータ制御部とを備え、
前記インバータ制御部は、以下の式（１）及び式（２）の演算により最大ピーク電圧Ｖｐを算出し、
Ｖｉｓｏ＝Ｅ×Ｎ＋（ＸＥ−Ｅ）  …（１）
Ｖｐ＝（Ｎｂ−Ｎａ）×ＸＥ＋Ｎａ×Ｅ  …（２）
Ｖｉｓｏ：セル多重インバータに接続される負荷または出力フィルタの絶縁耐圧
Ｖｐ：最大ピーク電圧
Ｅ：セルの直流電圧
Ｎ：セルの直列段数（Ｎ≧２）
Ｘ：サージ係数
Ｎａ：レベル変化前の相電圧に相当するセルの段数
Ｎｂ：レベル変化後の相電圧に相当するセルの段数
前記負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ≧最大ピーク電圧Ｖｐの場合に前記電圧指令の変化率の制限を実行しない一方で、前記負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ＜最大ピーク電圧Ｖｐの場合に前記電圧指令の変化率の傾きを低減させる制限を実行させる。
【００３０】
本発明の一態様は、前記電力変換装置において、前記サージ係数は１以上の固定値である。
【００３１】
本発明の一態様は、前記電力変換装置において、前記セル多重インバータの運転時に線間電圧に重畳される１段分のサージ電圧を検出する出力電圧検出装置をさらに備え、前記インバータ制御部は、前記サージ電圧に基づき式（２）のサージ係数Ｘを設定する。
【００３２】
本発明の一態様は、電力変換装置であって、三相の各相に単相インバータからなるセルがＮ（Ｎ≧２）個の段数で直列接続されるセル多重インバータと、前記各相の２Ｎ個の搬送波と前記各相の電圧指令との比較に基づき前記単相インバータのスイッチングデバイスをオンオフ制御するインバータ制御部とを備え、前記インバータ制御部は、以下の式（１）及び式（２）の演算により最大ピーク電圧Ｖｐを算出し、
Ｖｉｓｏ＝Ｅ×Ｎ＋（ＸＥ−Ｅ）  …（１）
Ｖｐ＝（Ｎｂ−Ｎａ）×ＸＥ＋Ｎａ×Ｅ  …（２）
Ｖｉｓｏ：セル多重インバータに接続される負荷または出力フィルタの絶縁耐圧
Ｖｐ：最大ピーク電圧
Ｅ：セルの直流電圧
Ｎ：セルの直列段数（Ｎ≧２）
Ｘ：サージ係数
Ｎａ：レベル変化前の相電圧に相当するセルの段数
Ｎｂ：レベル変化後の相電圧に相当するセルの段数
前記負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ＜最大ピーク電圧Ｖｐの場合に前記電圧指令の変化率の傾きを低減させる制限を実行させる一方で、前記負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ≧最大ピーク電圧Ｖｐの場合に所定の遷移パターングループ毎に前記電圧指令の変化率制限の設定及び不設定を行う。
【００３３】
本発明の一態様は、前記電力変換装置において、前記遷移パターングループは、セル段数：Ｎ＝６、サージ係数：Ｘ＝２と仮定して、多段変化後のピーク電圧が７Ｅ（Ｖｉｓｏ）以下となる下記の表３に対応した（１）から（８）の条件のグループである。
【００３４】
【表３】
2020156234.tif 000005
【００３５】
（１）表３において、最大ピーク電圧Ｖｐが０となる条件
Ｎａ→Ｎｂ（ＮａからＮｂへの遷移。以下、同じ。）：６→３、４→２、２→１、０→０、−２→−１、−４→−２、−６→−３
（２）表３において、最大ピーク電圧Ｖｐが−Ｅ／Ｅとなる条件
Ｎａ→Ｎｂ：５→３、５→２、３→２、３→１、１→１、１→０、−１→０、−１→−１、−３→−１、−３→−２、−５→−２、−５→−３
（３）表３において、最大ピーク電圧Ｖｐが−２Ｅ／２Ｅとなる条件
Ｎａ→Ｎｂ：６→４、６→２、４→３、４→１、２→２、２→０、０→１、０→−１、−２→０、−２→２、−４→−１、−４→−３、−６→−２、−６→−４
（４）表３において、最大ピーク電圧Ｖｐが−３Ｅ／３Ｅとなる条件
Ｎａ→Ｎｂ：５→４、５→１、３→３、３→０、１→２、１→−１、−１→１、−１→−２、−３→０、−３→−３、−５→−１、−５→−４
（５）表３において、最大ピーク電圧Ｖｐが−４Ｅ／４Ｅとなる条件
Ｎａ→Ｎｂ：６→５、６→１、４→４、４→０、２→３、２→−１、０→２、０→−２、−２→−３、−２→１、−４→０、−４→−４、−６→−１、−６→−５
（６）表３において、最大ピーク電圧Ｖｐが−５Ｅ／５Ｅとなる条件
Ｎａ→Ｎｂ：５→５、５→０、３→４、３→−１、１→３、１→−２、−１→２、−１→−３、−３→１、−３→−４、−５→０、−５→−５
（７）表３において、最大ピーク電圧Ｖｐが−６Ｅ／６Ｅとなる条件
Ｎａ→Ｎｂ：６→６、６→０、４→５、４→−１、２→４、２→−２、０→３、０→−３、−２→２、−２→−４、−４→１、−４→−５、−６→０、−６→−６
（８）表３において、最大ピーク電圧Ｖｐが−７Ｅ／７Ｅとなる条件
Ｎａ→Ｎｂ：５→６、５→−１、３→５、３→−２、１→４、１→−３、−１→３、−１→−４、−３→２、−３→５、−５→１、−５→−６
本発明の一態様は、前記電力変換装置において、前記インバータ制御部は、前記セル多重インバータの出力電圧の実効値の計測値もしくは電圧指令の周波数指令値に基づき、前記負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ≧最大ピーク電圧Ｖｐである場合の前記遷移パターングループ毎に電圧指令の変化率制限の設定及び不設定を行う。
【００３６】
本発明の一態様は、三相の各相に単相インバータからなるセルがＮ（Ｎ≧２）個の段数で直列接続されるセル多重インバータを備えた電力変換装置の電圧制御方法であって、
以下の式（１）及び式（２）の演算により最大ピーク電圧Ｖｐを算出するステップと、
Ｖｉｓｏ＝Ｅ×Ｎ＋（ＸＥ−Ｅ）  …（１）
Ｖｐ＝（Ｎｂ−Ｎａ）×ＸＥ＋Ｎａ×Ｅ  …（２）
Ｖｉｓｏ：前記セル多重インバータに接続される負荷または出力フィルタの絶縁耐圧
Ｖｐ：最大ピーク電圧
Ｅ：セルの直流電圧
Ｎ：セルの直列段数（Ｎ≧２）
Ｘ：サージ係数
Ｎａ：相電圧の変化前のセルの段数
Ｎｂ：相電圧の変化後のセルの段数
前記負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ≧最大ピーク電圧Ｖｐの場合に前記各相の電圧指令の変化率の制限を行なわない一方で、前記負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ＜最大ピーク電圧Ｖｐの場合に前記電圧指令の変化率の制限を行うステップを有する。
【００３７】
本発明の一態様は、三相の各相に単相インバータからなるセルがＮ（Ｎ≧２）個の段数で直列接続されるセル多重インバータを備えた電力変換装置の電圧制御方法であって、
以下の式（１）及び式（２）の演算により最大ピーク電圧Ｖｐを算出するステップと、
Ｖｉｓｏ＝Ｅ×Ｎ＋（ＸＥ−Ｅ）  …（１）
Ｖｐ＝（Ｎｂ−Ｎａ）×ＸＥ＋Ｎａ×Ｅ  …（２）
Ｖｉｓｏ：セル多重インバータに接続される負荷または出力フィルタの絶縁耐圧
Ｖｐ：最大ピーク電圧
Ｅ：セルの直流電圧
Ｎ：セルの直列段数（Ｎ≧２）
Ｘ：サージ係数
Ｎａ：レベル変化前の相電圧に相当するセルの段数
Ｎｂ：レベル変化後の相電圧に相当するセルの段数
前記負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ＜最大ピーク電圧Ｖｐの場合に前記電圧指令の変化率の傾きを低減させる制限を実行させる一方で、前記負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ≧最大ピーク電圧Ｖｐの場合に所定の遷移パターングループ毎に前記各相の電圧指令の変化率制限の設定及び不設定を行うステップを有する。
【発明の効果】
【００３８】
以上の本発明によれば、セル多重インバータのＰＷＭ御方式において、出力電圧実効値の低下を抑制しつつ出力電圧の高周波化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態１である電力変換装置の回路図。
【図２】セル段数が６段である場合の相電圧の波形図。
【図３】セル段数が６段である場合の線間電圧の波形図。
【図４】セル段数が１段である場合のサージ電圧の波形図。
【図５】変化率制限なしの場合の電圧指令及び出力相電圧の波形図。
【図６】変化率制限あり（傾き小）の場合の電圧指令及び出力相電圧の波形図。
【図７】変化率制限あり（傾き大）の場合の電圧指令及び出力相電圧の波形図。
【図８】負荷のサージ電圧の波形図。
【図９】本発明の実施形態２である電圧変換装置の回路図。
【図１０】セル段数Ｎ＝２の場合の相電圧指令Ｖ＊とキャリアの波形例。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００４１】
［実施形態１］
（概要）
電力変換装置は従来から全ての多段変化を防止するために電圧指令に変化率が設けられている。特に、図１の本実施形態の電力変換装置は、セル多重インバータの段数と、セル多重インバータに接続する負荷の絶縁性能を考慮し、電圧に変化率指令を設ける場合と設けない場合を判断し、高周波動作時でも電圧実効値を最大にできる電圧指令を最適化する。
【００４２】
すなわち、所定のセル段数の遷移では図５に示された変化率制限を設けない電圧指令とし、所定のセル段数の遷移では図７に示された変化率制限を設ける電圧指令とする。
【００４３】
図４に示されたように、サージ電圧はセル段分の１倍の電圧が重畳されて負荷に入力される可能性を加味して設計していることが多い。また、セル多重インバータ４のサージ電圧がインバータ出力に接続される負荷の絶縁に影響を与えるのはその電圧のピークであり、これが負荷の絶縁に影響を与えないようなスイッチングを行うセル段数遷移が判断される。
【００４４】
電力変換装置１は、交流電源２に接続される多重変圧器３と、この多重変圧器３に接続されるセル多重インバータ４と、このセル多重インバータ４を制御するインバータ制御部５とを備える。
【００４５】
セル多重インバータ４は、三相の各相に単相インバータからなるセルをＮ（Ｎ≧２）個の段数で直列接続させている。
【００４６】
インバータ制御部５は、２Ｎ個の搬送波と前記各相の電圧指令との比較に基づき前記単相インバータのスイッチングデバイスをオンオフ制御する。特に、本実施形態においては、以下の式（１）及び式（２）の演算により最大ピーク電圧Ｖｐを算出する。
Ｖｉｓｏ＝Ｅ×Ｎ＋（ＸＥ−Ｅ）  …（１）
Ｖｐ＝（Ｎｂ−Ｎａ）×ＸＥ＋Ｎａ×Ｅ  …（２）
Ｖｉｓｏ：前記セル多重インバータに接続される負荷の絶縁耐圧
Ｖｐ：最大ピーク電圧
Ｅ：セルの直流電圧
Ｎ：セルの直列段数（Ｎ≧２）
Ｘ：サージ係数（１以上の固定値）
Ｎａ：レベル変化前の相電圧に相当するセルの段数
Ｎｂ：レベル変化後の相電圧に相当するセルの段数
レベル変化前の相電圧＝Ｅのとき、Ｎａ＝１となる。レベル変化前の相電圧＝２Ｅのとき、Ｎａ＝２となる。他の相電圧についても同様である。
【００４７】
同様に、レベル変化後の相電圧＝Ｅのとき、Ｎｂ＝１となる。レベル変化後の相電圧＝２Ｅのとき、Ｎｂ＝２となる。他の相電圧についても同様である。
【００４８】
そして、インバータ制御部５は、負荷（例えば、図９の三相モータＭ）の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ≧最大ピーク電圧Ｖｐの場合に、図５のように前記電圧指令の変化率の制限を実行させない方法に基づいて生成するゲート信号を制御信号としてセル多重インバータ４に出力する。一方、前記負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏ＜最大ピーク電圧Ｖｐの場合に、図６及び図７のように前記電圧指令の変化率制限を実行させる方法に基づいて生成するゲート信号を制御信号としてセル多重インバータ４に出力する。
【００４９】
以上のように、絶縁耐圧Ｖｉｓｏ≧最大ピーク電圧Ｖｐとなる条件の多段変化は許可し、絶縁耐圧Ｖｉｓｏ＜最大ピーク電圧Ｖｐとなる多段変化を不許可とすれば、出力電圧の実効値の低下を抑制しつつ、高周波化することが可能となる。
【００５０】
図８は、相電圧が正方向である半周期の電圧波形を示している。表３は、Ｎ＝６段でサージ係数Ｘ＝２の場合での、式（２）に基づき算出した相電圧の最大ピーク電圧Ｖｐである。ここで、式（１）よりＶｉｓｏが７Ｅ（サージ係数Ｘ＝２）と仮定すると、相電圧の最大ピーク電圧Ｖｐが±７Ｅ以下となる多段変化の遷移パターンは８４パターンである。これらの８４パターンでは、図６に示すような電圧指令の変化率制限を設けないようにする。そして、残りのパターン（表３の点描で示したセルのパターン）の時には、電圧指令の変化率制限を設けるようにする。
【００５１】
【表３】
2020156234.tif 000006
【００５２】
電圧指令の変化率制限の設定・不設定の条件は、対象物（負荷や出力フィルタ）の絶縁性能とレベル変化前後の相電圧に相当する段数（式（２）のＮａ，Ｎｂ）を把握しておく必要がある。
【００５３】
前者はパラメータ入力等でインバータ制御部５に設定でき、後者はセルごとに割り当てられたキャリアと電圧指令の比較により判断できるので、電圧指令の演算にこの条件を加味することで実現が可能となる。また、本実施形態においては、Ｖｉｓｏは式（１）に依らずに、対象物の仕様に定められている値を適用してもよい。
【００５４】
以上のように、本実施形態によれば、セル多重インバータで２段変化を不許可としているために設けていた電圧指令の傾きを、セル多重インバータのスイッチングパターンから許容できないサージ電圧が出力されてしまうパターンのみに設ける。したがって、電圧指令の変化率制限を行わないため電圧低減がおこらない図５のような遷移パターンもあるため、出力電圧実効値の低下を抑制できる。よって、セル多重インバータの出力電圧の高周波化を実現できる。
【００５５】
［実施形態２］
（概要）
セル多重インバータ４のサージ電圧のパルス幅やその大きさは出力部のケーブルや配線長に依存することから、社内の設備で行った社内試験時に問題が無くてもケーブルや配線長が異なる現地調整試験時にサージ電圧の変化によって実際の最大ピーク電圧が負荷の絶縁耐圧Ｖｉｓｏを超過することが考えられる。このことは、負荷の絶縁劣化の面で好ましくない。
【００５６】
そこで、図９に示された本実施形態の電力変換装置１は、実施形態１の態様において、セル多重インバータ４に三相ケーブル７を介して接続された三相モータＭの入力端の出力電圧を計測する出力電圧検出装置６を実装する。そして、この出力電圧に基づくサージ係数Ｘを式（２）に供する。このサージ係数Ｘの適正化によって、現地での負荷などの絶縁劣化を確実に抑制しつつ、出力電圧実効値の低下を抑制する。
【００５７】
出力電圧検出装置６は、セル多重インバータ４の運転時に３相各々の線間電圧に重畳される１段分のサージ電圧を検出する絶縁アンプ６１と、前記線間電圧をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡＤコンバータ６２と、前記デジタル信号の送信を制御するＰＬＤ（プログラマブルロジックデバイス）６３とを備える。前記デジタル信号は光通信装置６４からインバータ制御部５の光通信装置５１に出力する。
【００５８】
インバータ制御部５のＣＰＵ５２は、光通信装置５１を介して出力電圧検出装置６から受けた前記線間電圧の計測値に基づき式（２）に適用するサージ係数Ｘを算出する。より具体的には、３相の線間出力電圧波形を短いサンプリング周期で計測し、これらのサンプリング波形に基づいて１段分のサージ電圧（図４のΔＶ）を算出する。そして、このサージ電圧に基づき、サージ係数Ｘを定めて、式（２）に代入する。ここでサージ係数Ｘは、例えば図４では、Ｘ＝（Ｅ＋ΔＶ）／Ｅ  より算出する。その後の処理は実施形態１と同じとなる。１段分のサージ電圧（図４のΔＶ）の大きさは、相電圧と線間電圧で変わらないので、線間電圧計測値から式（２）に適用するサージ係数Ｘを算出できる。
【００５９】
また、前記サージ電圧の計測は、現地調整試験時の最初の１回のみで行ってもよいし、セル多重インバータ４の現地運転後に定期的に測定し（例：１日１回）、サージ係数Ｘを更新してもよい。後者の方法であれば、ケーブルや負荷などの経年変化に起因するサージ電圧の経年変化にも対応できる。尚、出力電圧検出装置６は、３相各々の線間電圧を計測しているが、各線間電圧の１段分のサージ電圧にはほとんど差はないとみなすのであれば、代表の１相の線間電圧を計測してもよい。
【００６０】
以上のように、本実施形態によれば、出力電圧を直接計測することで、実際のケーブルや配線長に依るサージ電圧の大きさを把握できるので、電圧指令の変化率制限の設定及び不設定をより適切な範囲で行うことができる。
【００６１】
例えば、実際のサージ電圧がセルの直流電圧Ｅに対して、０．５Ｅであったと仮定すると、サージ係数Ｘ＝（Ｅ＋０．５Ｅ）／Ｅ＝１．５が算出される。さらにこのサージ係数を代入した式（２）を用いてテーブルを作成することにより実施形態１で述べた電圧指令に変化率制限を設けなくともよい８４種類の遷移パターンが更に多くなる。したがって、実施形態１よりも出力電圧実効値の低下を抑制でき、さらに、高周波で運転できる。
【００６２】
［実施形態３］
（概要）
表３の白部分で示した遷移パターン時には、電圧指令の変化率制限が設定されないため、サージ電圧は発生することになる。但し、このときのサージ電圧のピーク値はモータやフィルタの絶縁劣化には影響しないレベルである。
【００６３】
これらの遷移パターン時にサージ電圧があると、サージ電圧が全く発生しない運転条件（すなわち、全遷移パターンで電圧指令の変化率制限を設定する条件）と比較して、インバータ出力電流の高調波電流が増加することになる。そして、高調波電流の増加により、ノイズ発生量が増え、インバータおよび周囲の装置の誤動作を誘引する。また、モータの鉄損が増加し、モータが発熱しやすくなる。これらの観点から、サージ電圧が発生する遷移パターン（すなわち、電圧指令の変化率制限を設定しない遷移パターン）は、少ないほうが望ましい。
【００６４】
そこで、本実施形態のインバータ制御部５は、高調波によるノイズや鉄損の影響により、装置の誤動作や発熱による故障を引き起こす可能性を最小限にするため、電圧指令の変化率制限を設定しない遷移パターンを選択可能する。これにより、段階的に電圧指令の変化率制限の設定を解除する。
【００６５】
（本実施形態の制御方式）
以下に本実施形態における具体的な電圧指令の変化率制限の設定及び不設定の選択例を示す。実施形態１の表３において、セル段数：Ｎ＝６、サージ係数：Ｘ＝２と仮定して、多段変化後のピーク電圧が７Ｅ（Ｖｉｓｏ）以下となる所定の遷移パターングループ（表３の白部分）は、例えば、下記の（１）から（８）の条件の遷移パターングループに分けることができる。
（１）表３において、ピーク電圧が０となる条件
Ｎａ→Ｎｂ（ＮａからＮｂへの遷移。以下、同じ。）：６→３、４→２、２→１、０→０、−２→−１、−４→−２、−６→−３
（２）表３において、ピーク電圧が−Ｅ／Ｅとなる条件
Ｎａ→Ｎｂ：５→３、５→２、３→２、３→１、１→１、１→０、−１→０、−１→−１、−３→−１、−３→−２、−５→−２、−５→−３
（３）表３において、ピーク電圧が−２Ｅ／２Ｅとなる条件
Ｎａ→Ｎｂ：６→４、６→２、４→３、４→１、２→２、２→０、０→１、０→−１、−２→０、−２→−２、−４→−１、−４→−３、−６→−２、−６→−４
（４）表３において、ピーク電圧が−３Ｅ／３Ｅとなる条件
Ｎａ→Ｎｂ：５→４、５→１、３→３、３→０、１→２、１→−１、−１→１、−１→−２、−３→０、−３→−３、−５→−１、−５→−４
（５）表３において、ピーク電圧が−４Ｅ／４Ｅとなる条件
Ｎａ→Ｎｂ：６→５、６→１、４→４、４→０、２→３、２→−１、０→２、０→−２、−２→−３、−２→１、−４→０、−４→−４、−６→−１、−６→−５
（６）表３において、ピーク電圧が−５Ｅ／５Ｅとなる条件
Ｎａ→Ｎｂ：５→５、５→０、３→４、３→−１、１→３、１→−２、−１→２、−１→−３、−３→１、−３→−４、−５→０、−５→−５
（７）表３において、ピーク電圧が−６Ｅ／６Ｅとなる条件
Ｎａ→Ｎｂ：６→６、６→０、４→５、４→−１、２→４、２→−２、０→３、０→−３、−２→２、−２→−４、−４→１、−４→−５、−６→０、−６→−６
（８）表３において、ピーク電圧が−７Ｅ／７Ｅとなる条件は、
Ｎａ→Ｎｂ：５→６、５→−１、３→５、３→−２、１→４、１→−３、−１→３、−１→−４、−３→２、−３→−５、−５→１、−５→−６
以上の（１）〜（８）の遷移パターングループ毎に段階的に電圧指令の変化率制限の設定及び不設定を選択するようにすれば、最小限の高調波に抑えつつ、出力電圧の実効値の低減を抑制できる。
【００６６】
以上のように、多段変化した際のピーク電圧の大きさ毎にグループが分けられる。また、セル多重インバータの出力電圧を高周波化させるにつれ、式（１）及び式（２）の演算により、そのピーク電圧の低い多段変化のグループから徐々に多段変化を電圧指令の変化率制限が解除される（（１）→（８）の順に電圧指令の変化率制限が解除される）。
【００６７】
電圧指令の変化率制限を解除するグループ順は、（１）→（８）にかぎらなくともよい。また、複数のグループで同時に電圧指令の変化率制限を解除してもよい（例えば：（１）（２）→（３）（４）→（５）（６）（７）（８））。
【００６８】
さらに、グループの分け方をピーク電圧計算値によるものに限らなくともよい。例えば、「Ｎａ：レベル変化前の相電圧に相当するセルの段数」にてグループ分けしてもよい。
【００６９】
尚、表３の点描で示した遷移パターンについては、実施形態１と同様、常時電圧指令の変化率制限を設定する。
【００７０】
以上のように、本実施形態によれば、上述の（１）〜（８）に示された前記電圧指令の変化率制限を設定しない遷移パターンを選択可能とする。特に、セル多重インバータにて電圧指令の変化率制限を解除することで起こる高調波によるノイズや発熱の問題に対して、グループ別に徐々に電圧指令の変化率制限を解除していくことで、出力電圧実効値の低下を抑制しつつ、高調波電流を最小限とすることができる。よって、セル多重インバータの出力電圧の高周波化を実現できる。
【００７１】
［実施形態４］
本実施形態の電力変換装置は、実施形態３の態様において、実施形態２と同様に、図９に示したような、セル多重インバータ４に三相ケーブル７を介して接続された三相モータＭの入力端の出力電圧を計測する出力電圧検出装置６を実装させるとよい。
【００７２】
出力電圧検出装置６は、実施形態２と同様に、部品点数を減らすために、代表の１相の線間電圧の実効値を計測する構成を採ってもよい。
【００７３】
本態様において、低周波数の初期状態では全遷移パターンに電圧指令の変化率制限を設けておく。ここから周波数を上げていくと、出力電圧の実効値に対する図６及び図７の斜線部分で示した影響が大きくなり、電圧実効値が徐々に低下する。
【００７４】
ここで、図９のインバータ制御部５は、出力電圧検出装置６で得られた電圧実効値の検出値に基づき、電圧指令の変化率制限を解除する実施形態３のグループ（１）〜（８）のいずれかを選定する。これにより、セル多重インバータ４に対する段階的に電圧指令の変化率制限を設けない遷移パターンを増やしていく。以下に定格電圧１００Ｖのセル多重インバータ４を制御するインバータ制御部５の動作例を示した。
９８Ｖ≦電圧の実効値計測値＜９９Ｖ：グループ（１）（２）を選定
９７Ｖ≦電圧の実効値計測値＜９８Ｖ：グループ（１）（２）（３）を選定
また、出力電圧検出装置６において検出される電圧の実効値の代わりに、キャリアとの比較を行う電圧指令の周波数指令値を計測し、この周波数指令値に基づき電圧指令の変化率制限を解除するグループ（１）〜（８）のいずれかを選定するようにしてもよい。
【００７５】
低周波数の初期状態では全遷移パターンに電圧指令の変化率制限を設けておく。ここから周波数を上げていくと、電圧実効値が徐々に低下する。
【００７６】
ここで、図９のインバータ制御部５は、予め作成したテーブルより一定の周波数を超える毎に、電圧指令の変化率制限を解除するグループを選定し、段階的に電圧指令の変化率制限を設けない遷移パターンを増やしていく。
【００７７】
以下に前記周波数指令値に基づきセル多重インバータ４を制御するインバータ制御部５の動作例を示した。
【００７８】
２００Ｈｚ≦電圧指令の周波数指令値＜２５０Ｈｚ：グループ（１）（２）を選定
２５０Ｈｚ≦電圧指令の周波数指令値＜３００Ｈｚ：グループ（１）（２）（３）を選定
以上のように、本実施形態によれば、電圧指令の変化率制限の設定及び不設定をより適切な範囲で行うことができ、実施形態３の効果をさらに高めることができる。
【符号の説明】
【００７９】
１…電力変換装置
２…交流電源
３…多重変圧器
４…セル多重インバータ
５…インバータ制御部
６…出力電圧検出装置
【図１】
2020156234.tif 000008
【図２】
2020156234.tif 000009
【図３】
2020156234.tif 000010
【図４】
2020156234.tif 000011
【図５】
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【図６】
2020156234.tif 000013
【図７】
2020156234.tif 000014
【図８】
2020156234.tif 000015
【図９】
2020156234.tif 000016
【図１０】
2020156234.tif 000017