(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２台以上の多レベルインバータを出力変圧器を用いて構成した多重インバータ装置の瞬時空間ベクトル制御方式の制御装置において、前記各構成インバータの瞬時空間ベクトル上の目標電圧ベクトルを振幅と周波数が同一で且つそのなす角度が相互に２４０度又は１２０度異るようにしたことを特徴とする多重インバータ装置の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多レベルインバータを出力変圧器を用いて構成した多重インバータ装置であって、超電導磁気浮上式鉄道用リニア・シンクロナス・モータ（ＬＳＭ）の駆動用電源として用いられる多重インバータ装置を瞬時空間ベクトル制御方式で制御する制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
３レベルや５レベル等の多レベルインバータは電気鉄道や一般産業の分野でモータの駆動電源に従来から採用されている。そして、これら多レベルインバータは瞬時空間ベクトル理論に基づいて制御されるのが一般的である。瞬時空間ベクトル制御方式を適用すると、多レベルインバータのスイッチング損失と高調波成分が共に低減できるからである。
【０００３】
従来の瞬時空間ベクトル制御方式で制御される三相５レベルインバータ装置をブロック図で示した図１１において、コンバータ４０の５個の直流電圧端子Ｐ１、Ｐ２、０、Ｎ１、Ｎ２に夫々の入力端子が接続されたＵ相スイッチング素子群３１、Ｖ相スイッチング素子群３２、Ｗ相スイッチング素子群３３からなる三相５レベルインバータ装置３０は、瞬時空間ベクトル制御方式を採用した制御装置によって制御されて直流電圧を交流電圧に変換し、負荷６０に三相交流電力を供給する。負荷６０は、例えば、ＬＳＭのＵ相巻線ＬＵ、Ｖ相巻線ＬＶ、Ｗ相巻線ＬＷからなる三相巻線である。
【０００４】
前記制御装置は制御部１０とゲート信号発生部２０とから構成されている。制御部１０は、目標電圧ベクトルｖ０の座標計算を行ってＸ軸ベクトル成分ｖ０ｘとＹ軸ベクトル成分ｖ０ｙを夫々出力する目標電圧ベクトルの座標計算手段１１と、これら目標電圧ベクトルのＸ軸ベクトル成分ｖ０ｘとＹ軸ベクトル成分ｖ０ｙに座標情報記憶部１３からの座標情報を適用して最短制御ポイントの計算を行う最短制御ポイントの計算手段１２と、最短制御ポイントの計算手段１２で得られた最短制御ポイントにスイッチング情報記憶部１５からのスイッチング情報を適用してスイッチングパターンを決定するスイッチングパターンの決定手段１４とから構成されている。ゲート信号発生部２０は、制御部１０が決定したスイッチングパターン情報に基づいて、三相５レベルインバータ装置３０のＵ相スイッチング素子群３１、Ｖ相スイッチング素子群３２、Ｗ相スイッチング素子群３３に与えるゲート信号ＧＵ、ＧＶ、ＧＷを発生する。
【０００５】
前記制御ポイント、即ち瞬時空間ベクトル上でインバータを構成するスイッチング素子のオン・オフの選択の数は、理論的には５３＝１２５通り存在するが、図５に示す如く実際は６１通り存在する。これは、三相出力によって同じベクトルになるものが６４通りあるからである。最短制御ポイントの選択条件としては、例えば、空間ベクトル上を移動する目標ベクトルの軌跡に最も近い制御ポイントが選択されるものとされている。スイッチングパターンの決定条件としては、例えば、同一制御ポイントで複数のスイッチングパターンが存在する場合には三相の素子のスイッチング回数が最小になるようなスイッチングパターンが選択されるものとされている。
【０００６】
ところで、ＬＳＭの駆動電源は、システムの大容量化、低高調波化を図るために、単独でなく多重化されて用いられる。そこで、図１１の従来の瞬時空間ベクトル制御方式で制御される三相５レベルインバータ装置を多重化したシステム、即ち２台の三相５レベルインバータを多重化し瞬時空間ベクトル制御方式で制御されるインバータ装置が、この駆動電源として利用することが考えられた。このような多重インバータ装置に瞬時空間ベクトル制御方式を適用した場合、確かに変換効率の向上が図れる。しかしながら、図１０に示す如く、出力高調波が増加するので、これを低減する必要がある。特に、零相成分の高調波は通信障害を引き起こす可能性があるため、これは可能な限り低減しなければならない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、特にＬＳＭの駆動用電源として用いられる多レベルインバータを出力変圧器を用いて構成した多重インバータ装置を瞬時空間ベクトル制御方式で制御する制御装置において、零相成分の高調波を抑制すると同時に、出力変圧器に直流電圧が加わることを抑制するようにした制御装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
２台以上の多レベルインバータを出力変圧器を用いて構成した多重インバータ装置の瞬時空間ベクトル制御方式の制御装置において、前記各構成インバータの瞬時空間ベクトル上の目標電圧ベクトルを振幅と周波数が同一で且つそのなす角度が相互に２４０度又は１２０度異るようにした。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る瞬時空間ベクトル制御方式で制御される多重インバータ装置をブロック図で示した図１において、コンバータ４０の５レベルの直流電圧端子Ｐ１、Ｐ２、０、Ｎ１、Ｎ２に夫々の入力端子が接続されたＵ相スイッチング素子群３１Ａ、Ｖ相スイッチング素子群３２Ａ、Ｗ相スイッチング素子群３３Ａからなる三相５レベルの第１多レベルインバータ３０Ａと、コンバータ４０の５レベルの直流電圧端子Ｐ１、Ｐ２、０、Ｎ１、Ｎ２に夫々の入力端子が接続されたＵ相スイッチング素子群３１Ｂ、Ｖ相スイッチング素子群３２Ｂ、Ｗ相スイッチング素子群３３Ｂからなる三相５レベルの第２多レベルインバータ３０Ｂとからなるインバータ装置３０は、瞬時空間ベクトル制御方式を採用した制御装置によって制御されて直流電圧を交流電圧に変換し、負荷６０に三相交流電流を供給する。負荷６０は、例えば、ＬＳＭのＵ相巻線ＬＵ、Ｖ相巻線ＬＶ、Ｗ相巻線ＬＷからなる三相巻線である。
【００１０】
Ｕ相スイッチング素子群３１Ａ、Ｖ相スイッチング素子群３２Ａ、Ｗ相スイッチング素子群３３Ａからなる三相５レベルの第１多レベルインバータ３０Ａにおいて、Ｕ相スイッチング素子群３１Ａは、図２に示す如く、直流電圧端子Ｐ１と出力端子ＺＵ１との間に接続された４個のスイッチング素子ＳＵ１、ＳＵ２、ＳＵ３、ＳＵ４の直列回路、出力端子ＺＵ１と直流電圧端子Ｎ１との間に接続された４個のスイッチング素子ＳＵ５、ＳＵ６、ＳＵ７、ＳＵ８の直列回路、及び６個のダイオードＤＵ１１、ＤＵ２１、ＤＵ３１、ＤＵ４１、ＤＵ５１、ＤＵ６１が含まれている。スイッチング素子は、上から下に向かってのみ電流を流すことができる一方向性のものである。
【００１１】
ダイオードＤＵ１１は直流電圧端子Ｐ２とスイッチング素子ＳＵ１とＳＵ２の接続点との間に、ダイオードＤＵ２１は中性端子０とスイッチング素子ＳＵ２とＳＵ３の接続点との間に、ダイオードＤＵ３１は直流電圧端子Ｎ２とスイッチング素子ＳＵ３とＳＵ４の接続点との間に、ダイオードＤＵ４１は直流電圧端子Ｐ２とスイッチング素子ＳＵ５とＳＵ６の接続点との間に、ダイオードＤＵ５１は中性端子０とスイッチング素子ＳＵ６とＳＵ７の接続点との間に、ダイオードＤＵ６１は直流電圧端子Ｎ２とスイッチング素子ＳＵ７とＳＵ８の接続点との間に、図示の極性で夫々接続されている。Ｕ相スイッチング素子群３１Ａには更に８個の還流ダイオードＤＵ１２、ＤＵ２２、ＤＵ３２、ＤＵ４２、ＤＵ５２、ＤＵ６２、ＤＵ７２、ＤＵ８２が含まれている。そして、これら還流ダイオードは、８個のスイッチング素子ＳＵ１、ＳＵ２、ＳＵ３、ＳＵ４、ＳＵ５、ＳＵ６、ＳＵ７、ＳＵ８に夫々逆並列に接続されている。これらのスイッチング素子は同一特性のものが選ばれており、またこれらのダイオードも特性を揃えてある。なお、スイッチング素子は、ＧＴＯサイリスタ、ＩＧＢＴ、ＩＧＣＴ等の自己消孤機能を有する半導体スイッチング素子である。
【００１２】
また、三相５レベルの第１多レベルインバータ３０ＡのＶ相スイッチング素子群３２Ａ及びＷ相スイッチング素子群３３Ａは、Ｕ相スイッチング素子群３１Ａと同様に、８個の自己消孤機能を有する半導体スイッチング素子と１４個のダイオードとから構成されている。
【００１３】
図示しないが、Ｕ相スイッチング素子群３１Ｂ、Ｖ相スイッチング素子群３２Ｂ、Ｗ相スイッチング素子群３３Ｂからなる三相５レベルの第２多レベルインバータ３０Ｂは、図２の三相５レベルの第１多レベルインバータ３０Ａと同様に構成されている。
【００１４】
図１において、本発明に係る制御装置は、制御部１０とゲート信号発生部２０とから構成されている。制御部１０は、多重インバータ装置の目標電圧ベクトルｖに所定の演算を施して各構成インバータの目標電圧ベクトルｖ１とｖ２を出力する目標電圧ベクトルの座標計算手段１１と、各構成インバータの目標電圧ベクトルｖ１とｖ２に座標情報記憶部１３からの座標情報を適用して夫々の最短制御ポイントの計算を行う最短制御ポイントの計算手段１２と、最短制御ポイントの計算手段１２で得られた夫々の最短制御ポイントにスイッチング情報記憶部１５からのスイッチング情報を適用してスイッチングパターンを決定するスイッチングパターンの決定手段１４とから構成されている。
【００１５】
瞬時空間ベクトル上で、インバータ全体の目標電圧ベクトル、即ち多重インバータ装置の目標電圧ベクトルｖ、第１多レベルインバータ３０Ａの目標電圧ベクトルｖ１、第２多レベルインバータ３０Ｂの目標電圧ベクトルｖ２は、図５、図６、及び図７に示す関係にある。図５から明らかな如く、多重インバータ装置の目標電圧ベクトルｖは、第１多レベルインバータ３０Ａの目標電圧ベクトルｖ１と第２多レベルインバータ３０Ｂの目標電圧ベクトルｖ２とがなす角度φが１８０度のときに最大となる。このときの零相高調波の振幅は、図１０に示す如く、３次高調波、９次高調波、１５次高調波の順に概ね小さくなっているが、いずれも大きい。なお、図１０において、横軸は多重インバータ装置の目標電圧値（Ｖ）、縦軸は高調波の振幅値（Ｖ）を夫々示す。
【００１６】
そこで、第１多レベルインバータ３０Ａの目標電圧ベクトルｖ１と第２多レベルインバータ３０Ｂの目標電圧ベクトルｖ２の周波数と振幅値を同じにし、且つ、そのなす角度φを変化させて、多重インバータ装置の零相分の振幅値がどのように変化するかを調べた結果は、図８の如くとなった。即ち、図８において、横軸はインバータ間位相差（度）を、縦軸は多重インバータ装置の零相分の振幅値（Ｖ）を夫々示す。図８から明らかな如く、インバータ間位相差が６０度のときが零相分の振幅値が最小になっている。従って、目標電圧ベクトルｖ１と目標電圧ベクトルｖ２とがなす角度φを、２４０度（φ＝１８０＋６０）又は１２０度（φ＝１８０−６０）とすることによって、瞬時空間ベクトル制御方式で制御された多重インバータ装置において、零相分の振幅値が抑制できることがわかった。
【００１７】
目標電圧ベクトルの座標計算手段１１は、図４のブロック図に示す如く、第１演算部１１ａ、第２演算部１１ｂ、及び第３演算部１１ｃとから構成され、多重インバータ装置の目標電圧ベクトルｖに所定の演算を施して各構成インバータの目標電圧ベクトルｖ１とｖ２を出力する。第１演算部１１ａは数１式の演算を行う演算部、第２演算部１１ｂは数２式の演算を行う演算部、第３演算部１１ｃは数３式の演算を行う演算部である。数１式、数２式、数３式は以下に示す通りである。
【００１８】
多重インバータ装置の目標電圧ベクトルｖは、Ｘ軸ベクトル成分ｖｘとＹ軸ベクトル成分ｖｙとによって数１式の通りに表される。
【数１】
0003610277.tif 000002
【００１９】
また、第１多レベルインバータ３０Ａの目標電圧ベクトルｖ１は、目標電圧ベクトルｖのＸ軸ベクトル成分ｖｘとＹ軸ベクトル成分ｖｙ、及び目標電圧ベクトルｖ１と目標電圧ベクトルｖ２とがなす角度φとによって数２式の如く表される。なお、ｖ１ｘとｖ１ｙは、目標電圧ベクトルｖ１の夫々Ｘ軸ベクトル成分とＹ軸ベクトル成分である。
【数２】
0003610277.tif 000003
【００２０】
更に、第２多レベルインバータ３０Ｂの目標電圧ベクトルｖ２は、目標電圧ベクトルｖのＸ軸ベクトル成分ｖｘとＹ軸ベクトル成分ｖｙ、及び目標電圧ベクトルｖ１と目標電圧ベクトルｖ２とがなす角度φとによって数３式の如く表される。なお、ｖ２ｘとｖ２ｙは、目標電圧ベクトルｖ２の夫々Ｘ軸ベクトル成分とＹ軸ベクトル成分である。
【数３】
0003610277.tif 000004
【００２１】
図３において、第１多レベルインバータ用の最短制御ポイントの計算手段１２Ａは、Ｘ軸ベクトル成分ｖ１ｘとＹ軸ベクトル成分ｖ１ｙに座標情報記憶部１３からの座標情報を適用して計算し、第１多レベルインバータ用の最短制御ポイントを選択する。また、第２多レベルインバータ用の最短制御ポイントの計算手段１２Ｂは、Ｘ軸ベクトル成分ｖ２ｘとＹ軸ベクトル成分ｖ２ｙに座標情報記憶部１３からの座標情報を適用して計算し、第２多レベルインバータ用の最短制御ポイントを選択する。本発明の実施形態における最短制御ポイントの選択条件としては、例えば、空間ベクトル上を移動する目標ベクトルの軌跡に最も近い制御ポイントが選択されるものとした。
【００２２】
同じく図３において、第１多レベルインバータ用のスイッチングパターンの決定手段１４Ａは、第１多レベルインバータ用の最短制御ポイントの計算手段１２Ａが選択した最短制御ポイントにスイッチング情報記憶部１５からのスイッチング情報を適用して第１多レベルインバータ用のスイッチングパターンを決定する。また、第２多レベルインバータ用のスイッチングパターンの決定手段１４Ｂは、第２多レベルインバータ用の最短制御ポイントの計算手段１２Ｂが選択した最短制御ポイントにスイッチング情報記憶部１５からのスイッチング情報を適用して第２多レベルインバータ用のスイッチングパターンを決定する。
【００２３】
【表１】
0003610277.tif 000005
【００２４】
本発明の一実施形態において、スイッチングパターンは表１〜表５の５通りがあるが、スイッチングパターンの決定条件としては、出力変圧器５０に直流電圧が加わることを抑制することが可能な表１を適用することとした。
【００２５】
なお、これらの表において、左欄は制御ポイントを示す。また、右欄はレベルの組合せ、即ち５種類の直流電圧レベルＰ１、Ｐ２、０、Ｎ２、Ｎ１に夫々対応する５レベル、＋２、＋１、０、−１、−２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の出力レベルの組合せを示す。
【００２６】
【表２】
0003610277.tif 000006
【００２７】
【表３】
0003610277.tif 000007
【００２８】
【表４】
0003610277.tif 000008
【００２９】
【表５】
0003610277.tif 000009
【００３０】
ゲート信号発生部２０は、制御部１０が決定したスイッチングパターン情報に基づいて、三相５レベルの第１多レベルインバータ３０ＡのＵ相スイッチング素子群３１Ａ、Ｖ相スイッチング素子群３２Ａ、Ｗ相スイッチング素子群３３Ａに与えるゲート信号ＧＵ１、ＧＶ１、ＧＷ１と、三相５レベルの第２多レベルインバータ３０ＢのＵ相スイッチング素子群３１Ｂ、Ｖ相スイッチング素子群３２Ｂ、Ｗ相スイッチング素子群３３Ｂに与えるゲート信号ＧＵ２、ＧＶ２、ＧＷ２を発生する。
【００３１】
２台の多レベルインバータを出力変圧器を用いて構成した多重インバータ装置に、前記各構成インバータの瞬時空間ベクトル上の目標電圧ベクトルを振幅と周波数が同一で且つそのなす角度φが相互に２４０度又は１２０度異るようにして、瞬時空間ベクトル制御方式で制御した結果、図９に示す如く、零相高調波を大幅に抑制することができた。即ち、横軸が多重インバータ装置の目標電圧値（Ｖ）、縦軸が高調波の振幅値（Ｖ）を夫々示す図９を、角度φが１８０度のときの図１０と比較すると一目瞭然に、３次高調波、９次高調波、１５次高調波のいずれも大幅に減少させることができた。なお、図１又は図２において、コンバータ４０の直流電圧端子間の直流電圧は２Ｖに設定した。
【００３２】
また、上述した通り、制御部１０が決定したスイッチングパターンは表１に示すスイッチングパターンである。表１に示すスイッチングパターンを用いる瞬時空間ベクトル制御を採用したことによって、制御部１０は、ゲート信号発生部２０を介して２台の多レベルインバータ３０Ａと３０Ｂを適切に制御し、このため出力変圧器５０には直流電圧成分が生じなくなり、飽和、偏磁を抑制することができた。
【００３３】
以上、本発明を２台の５レベルインバータを出力変圧器を用いて構成した多重インバータ装置に適用した実施形態について詳細に説明したが、５レベル３レベル又は他のレベルの多レベルインバータで構成された多重インバータ装置であってもかまわない。２台の多レベルインバータに１台の共通のコンバータ４０で電力を供給しているが、夫々のコンバータで供給するようにしてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明により、２台以上の多レベルインバータを出力変圧器を用いて構成した多重インバータ装置の零相高調波を抑制すると共に、出力変圧器の飽和、偏磁を抑制することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る瞬時空間ベクトル制御方式を用いた制御装置が適用された多重インバータ装置の実施形態を示したブロック図である。
【図２】インバータの一実施形態の回路図である。
【図３】本発明に係る瞬時空間ベクトル制御方式を用いた制御装置の機能ブロック図である。
【図４】目標電圧ベクトルの座標計算手段の機能ブロック図である。
【図５】５レベルインバータの瞬時空間ベクトル図である。
【図６】目標電圧ベクトルｖ、目標電圧ベクトルｖ１、目標電圧ベクトルｖ２の関係を示す図である。
【図７】Ｘ軸とＹ軸と、目標電圧ベクトルｖ、目標電圧ベクトルｖ１、目標電圧ベクトルｖ２の関係を示す図である。
【図８】目標電圧ベクトルｖ１と目標電圧ベクトルｖ２のなす角度φによって、多重インバータ装置の高調波の零相分の振幅値がどのように変化するかを示した図である。
【図９】目標電圧ベクトルｖ１と目標電圧ベクトルｖ２のなす角度φが２４０度の場合の多重インバータ装置の高調波の零相分の振幅値を示した図である。
【図１０】目標電圧ベクトルｖ１と目標電圧ベクトルｖ２のなす角度φが１８０度の場合の多重インバータ装置の高調波の零相分の振幅値を示した図である。
【図１１】従来の瞬時空間ベクトル制御方式を用いた制御装置が適用されたインバータ装置のブロック図である。
【符号の説明】
１０  制御部
１１  目標電圧ベクトルの座標計算手段
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ  演算部
１２、１２Ａ、１２Ｂ  最短制御ポイントの計算手段
１３  座標情報記憶部
１４、１４Ａ、１４Ｂ  スイッチングパターンの決定手段
１５  スイッチング情報記憶部
２０  ゲート信号発生部
３０  インバータ装置
３０Ａ、３０Ｂ  多レベルインバータ
３１Ａ、３１Ｂ、３２Ａ、３２Ｂ、３３Ａ、３３Ｂ  スイッチング素子群
４０  コンバータ
５０出力変圧器
６０  負荷
ＳＵ１〜ＳＵ８  スイッチング素子
ＤＵ１１〜ＤＵ６１、ＤＵ１２〜ＤＵ８２  ダイオード
【図１】
0003610277.tif 000010
【図２】
0003610277.tif 000011
【図３】
0003610277.tif 000012
【図４】
0003610277.tif 000013
【図５】
0003610277.tif 000014
【図６】
0003610277.tif 000015
【図７】
0003610277.tif 000016
【図８】
0003610277.tif 000017
【図９】
0003610277.tif 000018
【図１０】
0003610277.tif 000019
【図１１】
0003610277.tif 000020