(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２個のコンデンサを直列接続したコンデンサ接続体と、前記コンデンサ接続体の正極側電圧、負極側電圧、および前記２個のコンデンサの直列接続部である中性点電圧の３つの電圧出力が可能なインバータ部を備えた３レベルインバータ装置において、
前記中性点電圧が前記正極側電圧と負極側電圧間の中心電圧を含む所定の電圧区間内にある場合、前記電圧区間よりも高い場合、および前記電圧区間よりも低い場合のいずれの状態にあるかを検出し、該検出した状態を示す状態信号を出力する中性点電圧状態検出手段を備えたことを特徴とする３レベルインバータ装置。
【請求項２】
２個のコンデンサを直列接続したコンデンサ接続体と、前記コンデンサ接続体の正極側電圧、負極側電圧、および前記２個のコンデンサの直列接続部である中性点電圧の３つの電圧出力が可能なインバータ部と、前記中性点電圧を昇降制御する中性点電圧制御手段を備えた３レベルインバータ装置において、
前記中性点電圧が前記正極側電圧と負極側電圧間の中心電圧を含む所定の電圧区間内にある場合、前記電圧区間よりも高い場合、および前記電圧区間よりも低い場合のいずれの状態にあるかを検出し、該検出した状態を示す状態信号を前記中性点電圧制御手段に出力する中性点電圧状態検出手段を備え、
前記中性点電圧制御手段は前記状態信号に基づいて中性点電圧を昇降制御することを特徴とする３レベルインバータ装置。
【請求項３】
前記中性点電圧制御手段は、前記状態信号に基づいて中性点電圧が前記正極側電圧と負極側電圧間の中心電圧を含む所定の電圧区間よりも高い場合には前記中性点電圧を降圧制御し、中性点電圧が前記正極側電圧と負極側電圧間の中心電圧を含む所定の電圧区間よりも低い場合には前記中性点電圧を昇圧制御することを特徴とする請求項２記載の３レベルインバータ装置。
【請求項４】
前記中性点電圧状態検出手段が比較対象とする前記所定の電圧区間は、前記正極側電圧と負極側電圧間の中心電圧から第１の所定値を減算した電圧と、前記中心電圧に第２の所定値を加算した電圧との区間であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の３レベルインバータ装置。
【請求項５】
前記中性点電圧状態検出手段が用いる前記所定の電圧区間は、３レベルインバータ装置の出力周波数の３倍周波数による中性点電圧変動幅よりも大きく設定されたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の３レベルインバータ装置。
【請求項６】
前記中性点電圧制御手段は、線間出力電圧が同じでありかつ中性点電圧を上昇および下降できる出力電圧ベクトルの組において、どちらの出力電圧ベクトルを選択するかにより中性点電圧を昇降制御することを特徴とする請求項２または請求項３記載の３レベルインバータ装置。
【請求項７】
前記中性点電圧制御手段は、力行か回生かの動作状況に基づいて前記どちらのベクトルを選択するかを決定することを特徴とする請求項６記載の３レベルインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３レベルインバータ装置に関し、特には、その正母線と負母線との間に直列に接続された２つのコンデンサ間の中性点と負母線との間の電圧である中性点電圧の制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、３レベルインバータ装置の主回路構成を示す回路図である。図５に示すように、３レベルインバータ装置は、２つのコンデンサ７と、３相の出力端子と、１２個のスイッチング素子８と、１８個のダイオード９とから構成される。
【０００３】
このような３レベルインバータ装置では、スイッチング素子８1、８2をオンすると、各相の出力端子はＰ点に接続されている正母線に接続され、各相の出力相電圧はハイレベルとなり、スイッチング素子８2、８3をオンすると、各相の出力端子は中性点Ｃ点に接続され、各相の出力相電圧はハイレベルおよびローレベルの中間の中間レベル（中性点電圧）となり、スイッチング素子８3、８4をオンすると、各相の出力端子はＮ点に接続されている負母線に接続され、各相の出力相電圧はローレベルとなる。３レベルインバータ装置では、上述の３つのパターンを基本として各スイッチング素子８をスイッチングして３相の負荷を駆動するのが一般的である。
【０００４】
このような３レベルインバータ装置では、コンデンサ７の分圧によって中性点電圧が作られるが、この中性点電圧は負荷へ供給される電流に応じて変動する。中性点電圧が変動すると、コンデンサ７に過電圧がかかり、コンデンサ７の寿命低下・破壊が発生する恐れがある。そこで、３レベルインバータ装置では、中性点電圧を制御する中性点電圧制御装置を備えて、中性点電圧制御を行なっている。
【０００５】
図６は、３レベルインバータ装置における従来の中性点電圧制御装置の構成を示すブロック図である。図６に示すように、中性点電圧制御装置は、２つのアイソレーションアンプ６と、計算回路３とから構成される。
【０００６】
２つのアイソレーションアンプ６には、Ｐ点とＮ点との間の電圧、すなわち直流母線電圧の２分の１である第１の基準電圧Ｖref1と、Ｃ点とＮ点との間の電圧、すなわち中性点電圧ＶCNとがそれぞれに入力される。計算回路３は、２つのアイソレーションアンプ６の出力を入力し、中性点電圧ＶCNと第１の基準電圧Ｖref1とが一致するような中性点電圧制御指令を計算して出力している。中性点電圧制御指令とは、中性点電圧の値を上昇させたり、下降させたりするようなＰＷＭ（パルス幅変調）指令の出力パターンを作成するための指令である。
【０００７】
上述したように、中性点電圧制御装置では、計算回路３に中性点電圧ＶCNと、第１の基準電圧Ｖref1とを入力するために、絶縁回路である２つのアイソレーションアンプ６を必要としている。このような絶縁回路が必要なのは、計算回路３が一般的に、インバータの主回路とは別電源で駆動されるものだからである。
【０００８】
しかし、このようなアイソレーションアンプ６はアナログで広いリニア特性を有する高価な絶縁回路であるため、中性点電圧制御装置が高価になってしまうという問題があった。また、従来の中性点電圧制御装置では、計算回路３がアナログ信号に基づいて中性点電圧制御を行なっているため、ノイズ等の影響を受けやすいという問題があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来の３レベルインバータ装置における中性点電圧制御装置は、アナログで広いリニア特性を有する高価な絶縁回路が必要であるため、高価になってしまうという問題があった。また、アナログ信号に基づいて中性点電圧制御を行なっているため、ノイズ等の影響を受けやすいという問題があった。
【００１０】
本発明は、安価で、信頼性が高く高精度な３レベルインバータ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】
上記課題を解決するために、本発明の３レベルインバータ装置は、２個のコンデンサを直列接続したコンデンサ接続体と、前記コンデンサ接続体の正極側電圧、負極側電圧、および前記２個のコンデンサの直列接続部である中性点電圧の３つの電圧出力が可能なインバータ部を備えた３レベルインバータ装置において、前記中性点電圧が前記正極側電圧と負極側電圧間の中心電圧を含む所定の電圧区間内にある場合、前記電圧区間よりも高い場合、および前記電圧区間よりも低い場合のいずれの状態にあるかを検出し、該検出した状態を示す状態信号を出力する中性点電圧状態検出手段を備えたことを特徴とする。
また、本発明の別の３レベルインバータ装置は、２個のコンデンサを直列接続したコンデンサ接続体と、前記コンデンサ接続体の正極側電圧、負極側電圧、および前記２個のコンデンサの直列接続部である中性点電圧の３つの電圧出力が可能なインバータ部と、前記中性点電圧を昇降制御する中性点電圧制御手段を備えた３レベルインバータ装置において、前記中性点電圧が前記正極側電圧と負極側電圧間の中心電圧を含む所定の電圧区間内にある場合、前記電圧区間よりも高い場合、および前記電圧区間よりも低い場合のいずれの状態にあるかを検出し、該検出した状態を示す状態信号を前記中性点電圧制御手段に出力する中性点電圧状態検出手段を備え、前記中性点電圧制御手段は前記状態信号に基づいて中性点電圧を昇降制御することを特徴とする。
【００１２】
本発明では、中性点電圧と各基準電圧値との差を、アナログ信号からディジタル信号に変換することによって、広いリニア特性を有する高価な絶縁手段を用いることなく、安価なディジタル信号の絶縁手段を用いることができるため、装置全体を安価とすることができる。
【００１３】
また、本発明では、中性点電圧と各基準電圧値との差を、アナログ信号でなくディジタル信号で表現することによって、計算手段の入力に対するノイズの影響を低減化することができるため、装置の信頼性を高めて高精度な中性点電圧制御を行なうことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、全図において、同一の符号がつけられている構成要素は、すべて同一のものを示す。
【００１５】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態の中性点電圧制御装置について説明する。図１は、３レベルインバータ装置における本実施形態の中性点電圧制御装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態の中性点電圧制御装置は、減算器１と、２つの比較器２と、計算回路３と、絶縁回路１０から構成される。
【００１６】
減算器１は、中性点電圧ＶCNから第１の基準電圧Ｖref1を減算した値を出力する。第１の基準電圧値Ｖref1は、前述のようにＰ点とＮ点との間の電圧の２分の１の電圧値（１／２・ＶPN）である。
【００１７】
本実施形態の中性点電圧制御装置は、第１の基準電圧値Ｖref1の他に、第２の基準電圧値Ｖref2および第３の基準電圧値Ｖref3を用いる。第２の基準電圧値Ｖref2および第３の基準電圧値Ｖref3は、図２に示すように、それぞれ負の値と正の値となっている。
【００１８】
１つの比較器２は、減算器１の出力の値が第２の基準電圧値Ｖref2より小さい場合に、計算回路３に対し中性点電圧を上昇させるための信号をオンして出力する。また、もう１つの比較器２は、減算器１の出力の値が第３の基準電圧値Ｖref3より大きい場合に、計算回路３に対し中性点電圧ＶCNを下降させるための信号をオンして出力する。
【００１９】
２つの比較器２から出力される信号は、２ビットのディジタル信号として絶縁回路１０に入力され、計算回路３に入力される。この絶縁回路１０は、ディジタル信号を扱う回路であるため、広い範囲でのリニア特性等を有する必要がないため、図５に示すアイソレーションアンプ６より安価なものとすることができる。
【００２０】
計算回路３は、２つの比較器２の出力を入力して、２つの比較器２から信号が入力されていなければ中性点電圧をそのまま維持するようにし、中性点電圧を上昇させる信号が入力されれば、中性点電圧を上昇させるような中性点電圧制御指令を作成し、中性点電圧を下降させる信号が入力されれば中性点電圧を下降させるような中性点電圧制御指令を作成する。
【００２１】
以上述べたように、本実施形態の中性点電圧制御装置では、中性点電圧ＶCNと各基準電圧値との差をアナログ信号からディジタル信号に変換することによって、広いリニア特性を有する高価な絶縁回路を用いることなく、安価なディジタル信号の絶縁回路１０を用いることができるため、装置全体を安価とすることができる。
【００２２】
また、本実施形態の中性点電圧制御装置では、中性点電圧ＶCNと各基準電圧値との差を、アナログ信号でなくディジタル信号で処理することによって、計算回路３の入力に対するノイズの影響を低減化することができるため、装置の信頼性を高めて高精度な中性点電圧制御を行なうことができる。
【００２３】
また、本実施形態の中性点電圧制御装置では、第２の基準電圧値Ｖref2と第３の基準電圧値Ｖref3とをしきい値として不感帯を設けることによって、中性点電圧に含まれるレベルの小さいノイズに左右されることなく、中性点電圧制御を行なうことができる。さらに、本実施形態の中性点電圧制御装置では、第２の基準電圧値Ｖref2と第３の基準電圧値Ｖref3によるしきい値を、３レベルインバータ装置が出力する周波数の３倍の周波数で起こる中性点電圧変動よりも広く設定することが望ましい。こうすることによって、ノイズの影響を除去することができるとともに、通常の変動分、すなわち運転周波数の３倍周波数での変動分を無視することができるようになるため、制御の簡略化と高信頼性を実現できる。なお、計算回路３は、ソフトウエアで構成されているものであってもよいし、電気回路のようなハードウエアで構成されているものであってもよい。
【００２４】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態の中性点電圧制御装置について図３を参照して説明する。図３は、本実施形態の中性点電圧制御装置の構成を示すブロック図である。図３に示すように、本実施形態の中性点電圧制御装置は、２つの比較器２の代わりにコンパレータ４を備え、計算回路３の代わりに記憶装置５を備えている点が、第１の実施形態の中性点電圧制御装置と異なっている。
【００２５】
コンパレータ４は、中性点電圧ＶCNから第１の基準電圧Ｖref1を減算した値を入力し、減算器１の出力の値が第２の基準電圧値Ｖref2より小さい場合と、第２の基準電圧値Ｖref2以上第３の基準電圧値Ｖref3以下である場合と、第３の基準電圧値Ｖref3より大きい場合とで値が異なる３つの２ビットのディジタル信号を出力する。
【００２６】
記憶装置５には、そのディジタル信号の値とその値において出力されるべき中性点電圧制御指令との組のテーブルが、インバータの力行・回生の場合や、使用状況に応じたインバータの運転状況に応じて複数個記憶されている。記憶装置５は、各テーブルの中から現在の運転状況に応じたテーブルを選択し、そのテーブルを用いてディジタル信号に対応する中性点電圧制御指令を出力する。
【００２７】
表１に、各スイッチング状態と、中性点電圧の変化を示す。ここで、スイッチング状態は、図４に示すような、ベクトルを出力する際のスイッチングパターンであり、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順番で示してある。Ｐは、その相が正極側の点Ｐに接続されている状態であり、Ｎは、その相が負極側の点Ｎに接続されている状態であり、Ｏは、その相が中性点Ｃ点に接続されている状態である。
【００２８】
ここで、例えば、ａｐベクトル、ａｎベクトルは、図４を見ると明らかなように、出力する線間電圧としては等価であるが、スイッチング状態が違うため、例えば、力行時における中性点電圧の変化を考えると、ａｐベクトルの場合は上昇、ａｎベクトルの場合は下降と、それぞれ逆になる。また、力行、回生時によっても中性点電圧の変化は逆になる。このように、出力する線間電圧は同じでも、中性点電圧を上昇、下降することの出来る電圧ベクトルの組が存在するため、どちらのベクトルを選択するかによって、中性点電圧を制御することが出来る。本実施形態の中性点電圧制御装置では、これらの関係をテーブルとして記憶させておくことにより、中性点電圧の変動に対して、その変動を打ち消すパターンを選択することができる。
【００２９】
【表１】
0003695522.tif 000002
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、中性点電圧と各基準電圧値との差を、アナログ信号でなくディジタル信号で表現することによって、広いリニア特性を有する高価な絶縁手段を用いることなく、安価なディジタル信号での絶縁手段を用いることができるため、装置全体を安価とすることができる。
【００３１】
また、本発明によれば、中性点電圧と各基準電圧値との差を、アナログ信号でなくディジタル信号で処理することによって、計算手段への入力へのノイズの影響を低減化することができるため、装置の信頼性を高め高精度な３レベルインバータ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の中性点電圧制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の中性点電圧制御装置の動作を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の中性点電圧制御装置の構成を示すブロック図である。
【図４】３レベルインバータ装置のベクトル図である。
【図５】３レベルインバータ装置の主回路構成を示す回路図である。
【図６】従来の中性点電圧制御装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１    減算器
２    比較器
３    計算回路
４    コンパレータ
５    記憶装置
６    アイソレーションアンプ
７    コンデンサ
８1〜８4    スイッチング素子
９    ダイオード
１０  絶縁回路
【図１】
0003695522.tif 000003
【図２】
0003695522.tif 000004
【図３】
0003695522.tif 000005
【図４】
0003695522.tif 000006
【図５】
0003695522.tif 000007
【図６】
0003695522.tif 000008