(57)【要約】【課題】  低周波領域での装置容量低減率を小さくすることが可能な３レベル電力変換装置を提供する。【解決手段】  直流電力を３相交流電力に変換する３レベル電力変換器３と、負荷を制御するための主制御手段７２と、この主制御手段から出力される２軸電圧基準を３相の出力電圧基準に変換する電圧基準変換手段７３と、前記出力電圧基準をキャリアと比較して前記３レベル電力変換器のゲート信号を生成するＰＷＭ変調手段７４とを備え、前記電圧基準変換手段は、前記２軸電圧基準を位相基準に基づいて３相の基本電圧基準に変換する座標変換手段と、この座標変換回路の出力である３相基本電圧基準に所定の周期で正負の極性を切り替えながらバイアス値を加算するバイアス加算手段と、前記３相基本電圧基準の各相の振幅を所定のリミット値で制限し、線間電圧に歪を生じさせないように他の相に補正を加えるようにした台形波変調手段とを有するように構成する。【選択図】  図１
2006014532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から供給される直流電力を３相交流電力に変換して電動機等の負荷に供給する３レベル電力変換器と、
前記電動機の速度等を制御するための主制御手段と、
この主制御手段から出力されるＤ軸電圧基準及びＱ軸電圧基準を３相の出力電圧基準に変換する電圧基準変換手段と、
前記出力電圧基準をキャリアと比較して前記３レベル電力変換器のゲート信号を生成するＰＷＭ変調手段とを備え、
前記電圧基準変換手段は、
前記Ｄ軸電圧基準及びＱ軸電圧基準を位相基準に基づいて３相の基本電圧基準に変換する
座標変換手段と、
この座標変換回路の出力である３相基本電圧基準に所定の周期で正負の極性を切り替えながらバイアス値を加算するバイアス加算手段と、
前記３相基本電圧基準の各相の振幅を所定のリミット値で制限し、線間電圧に歪を生じさせないように他の相に補正を加えるようにした台形波変調手段と
を有することを特徴とする３レベル電力変換装置。
【請求項２】
前記バイアス値は前記キャリアの振幅の８０％以上としたことを特徴とする請求項１に記載の３レベル電力変換装置。
【請求項３】
前記バイアス値を前記３レベル電力変換器の出力周波数の低下に応じて増加させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の３レベル電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は３レベル電力変換装置に係り、特に低周波領域の制御方式を改善したに３レベル電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、所謂ＰＷＭ（パルス幅変調）制御方式によって出力電圧を制御する電力変換装置、例えばインバータ装置は、その主回路にＩＧＢＴ等の自己消弧型素子を使用し、変調周期毎に所定期間だけオン状態となるパルス状の電圧を出力し、その平均電圧を制御している。インバータ装置が３レベルになると、正電圧、負電圧に加え、零電圧を出力するモードが加わり、２レベルのインバータ装置に比較して倍となる１アーム当り４個の自己消弧型素子のＰＷＭ制御を行う必要があるが、基本的な制御の考え方は変わらない。
【０００３】
３レベルインバータ装置において、その出力周波数が低く、従って出力電圧が低いとき、電圧基準と変調用キャリアとを比較してゲート制御用パルスを作る場合、そのパルスが自己消弧型素子の特性上許容できないパルス幅（以下最小オンパルス幅と言う。）以下となってしまうという問題があった。
【０００４】
この問題を解決するために所謂矩形ＰＷＭ方式が提案されている。この矩形ＰＷＭ方式は、３相電圧基準に所定のバイアス値を加算して零電圧付近でのＰＷＭ変調を避け、３相電圧基準の極性を同一極性として制御し、この極性を所定の周期で切り替えるものである。（例えば特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平５−２６８７７３号公報（第４−６頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示されている従来の方式は、所定のバイアス値、例えば３相電圧基準の最低値を加えるようにしているため、上記最小オンパルス幅以下の幅のパルスが生成されないようにし、且つこれを所定の周期で切換えて正側と負側の自己消弧型素子の通電率のバランスを計るようにしている。
【０００６】
然しながら、３レベルインバータ装置の正側、負側の各アームを構成する直流母線に接続される外側の自己消弧型素子と、負荷に接続される内側の自己消弧型素子との通電バランスについては考慮されておらず、結果として低周波領域において正側及び負側の内側の２つの自己消弧型素子に電流が集中し、インバータ装置として低周波領域で十分な電流を流すことができず、装置容量の低減率を大きくせざるを得ないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑み為されたもので、低周波領域での装置容量低減率を小さくすることが可能な３レベル電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の３レベル電力変換装置は、直流電源から供給される直流電力を３相交流電力に変換して電動機等の負荷に供給する３レベル電力変換器と、
前記電動機の速度等を制御するための主制御手段と、この主制御手段から出力されるＤ軸電圧基準及びＱ軸電圧基準を３相の出力電圧基準に変換する電圧基準変換手段と、前記出力電圧基準をキャリアと比較して前記３レベル電力変換器のゲート信号を生成するＰＷＭ変調手段とを備え、前記電圧基準変換手段は、前記Ｄ軸電圧基準及びＱ軸電圧基準を位相基準に基づいて３相の基本電圧基準に変換する座標変換手段と、この座標変換回路の出力である３相基本電圧基準に所定の周期で正負の極性を切り替えながらバイアス値を加算するバイアス加算手段と、前記３相基本電圧基準の各相の振幅を所定のリミット値で制限し、線間電圧に歪を生じさせないように他の相に補正を加えるようにした台形波変調手段とを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、自己消弧型素子の通電バランスを考慮したＰＷＭ変調を行うので、低周波領域での装置容量低減率を小さくすることが可能な３レベル電力変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明に係る３レベル電力変換装置の実施例１を図１乃至図４を参照して説明する。図１（ａ）は本発明の実施例１を示す回路構成図である。
【００１２】
直流電源１は３レベルの直流電圧を供給し、正側平滑コンデンサ２Ａ及び負側平滑コンデンサ２Ｂを介し直流電力を３レベル変換器３に供給する。３レベル変換器３はこの直流電力を３相交流電力に変換して電動機４を駆動する。電動機４にはその回転位相を検出する回転角検出器５が設けられており、また、入力電流検出のため電流検出器６が設けられている。尚、上記の回転角検出器５及び電流検出器６は省略することも可能である。
【００１３】
３レベル変換器３を構成する自己消弧型素子は制御部７からのゲート信号によりＰＷＭ制御されている。以下制御部７の構成を説明する。
【００１４】
回転角検出器５で検出された位相角は微分器７１により回転速度ωｒに変換され、与えられた速度基準ω＊と主制御器である電動機制御器７２で比較増幅されて電流基準となり、更にこの電流基準は、同様に電動機制御器７２で電流検出器６の出力と比較増幅されてｄ軸及びｑ軸の電圧基準ＥＤ＿Ｒ、ＥＱ＿Ｒを得る。これ等の２軸変換のために回転角検出器５で検出された位相角に基づく位相基準θ１が用いられる。ｄ軸電圧基準ＥＤ＿Ｒ及びｑ軸電圧基準ＥＱ＿Ｒは、電圧基準変換部７３により、３相電圧基準ＶＵ＿ＲＥＦ、ＶＶ＿ＲＥＦ及びＶＷ＿ＲＥＦに変換される。
【００１５】
電圧基準変換部７３の詳細回路構成を図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）に示した様にｄ軸電圧基準ＥＤ＿Ｒ及びｑ軸電圧基準ＥＱ＿Ｒは、上記位相基準θ１を用いて座標変換回路７３１によってまず３相基本電圧基準ＥＵ＿Ｒ、ＥＶ＿Ｒ及びＥＷ＿Ｒに変換される。
【００１６】
この３相基本電圧基準ＥＵ＿Ｒ、ＥＶ＿Ｒ及びＥＷ＿Ｒの夫々には、バイアス加算回路７３２によって得られるバイアス値が加算される。バイアス加算回路７３２は、基準バイアス値ＢＩＡＳをタイマによって一定の切り替え周期で正負に切換えたパルス状のバイアスを出力する。このようにして３相基本電圧基準ＥＵ＿Ｒ、ＥＶ＿Ｒ及びＥＷ＿Ｒの夫々にバイアスが加算された信号は台形波変調回路７３３により正弦波のピーク部分を一定値にカットするように変形されて、夫々３相出力電圧基準ＶＵ＿ＲＥＦ、ＶＶ＿ＲＥＦ及びＶＷ＿ＲＥＦに変換される。
【００１７】
台形波変調回路７３３は、３相夫々の入力部にリミット回路を持ち、各相のリミット回路出力から元の信号を減算した値と、他の２相分のリミット回路出力から各々の元の信号を減算した値とを加算した値に元の信号を加算するように構成されている。このようにして、ある相がリミット回路にかかったとき、他の２相は線間電圧が変化しないように補正を加えるようにしている。
【００１８】
以上のようにして得られた３相出力電圧基準ＶＵ＿ＲＥＦ、ＶＶ＿ＲＥＦＥＦ及びＶＷ＿ＲＥＦは、キャリア発生回路７５からのキャリアとＰＷＭ変調回路７４で比較され、その結果として３レベル変換器３を構成する自己消弧型素子のゲート信号が得られる。
【００１９】
図２は３レベル変換器３の１アーム分を示す内部構成図である。
【００２０】
図２に示したように１アームは自己消弧型素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４を直列接続して構成される。自己消弧型素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４には夫々フライホイールダイオードＤ１，Ｄ２、Ｄ３及びＤ４が逆並列に接続されている。また、自己消弧型素子Ｑ１とＱ２間の電位はクランプダイオードＤｐに、また自己消弧型素子Ｑ３とＱ４間の電位はクランプダイオードＤｎによって零電位にクランプされる構成となっている。
【００２１】
上記の構成において、自己消弧型素子Ｑ１及びＱ２がオン、自己消弧型素子Ｑ３及びＱ４がオフのとき出力端子には直流電圧＋Ｅｄが供給され、逆に自己消弧型素子Ｑ１及びＱ２がオフ、自己消弧型素子Ｑ３及びＱ４がオンのとき出力端子には直流電圧−Ｅｄが供給される。自己消弧型素子Ｑ１及びＱ４がオフ、自己消弧型素子Ｑ２及びＱ３がオンのとき出力端子電圧は零となる。
【００２２】
図３に本発明の３レベル電力変換装置によって得られる３相出力電圧基準の波形の一例を示す。図３の場合、バイアス値ＢＩＡＳはキャリア振幅の約５０％であり、また台形波変調回路７３３のリミット値はキャリア振幅から所定値を減算した値となっており、波形のピークを抑えるとともに、線間電圧が変化しないように他相を補正して最小オンパルス幅を確保するようにしている。
【００２３】
図４は図３に示した３相出力電圧基準をキャリアと比較し、各素子のゲートパルスを作成するＰＷＭ変調例であり、図３における期間Ｔの時間スケール分を示している。３相出力電圧基準ＶＶ＿ＲＥＦは正側及び負側のキャリアと比較され、ＶＶ＿ＲＥＦ＞正側キャリアのとき自己消弧型素子Ｑ１がオン、ＶＶ＿ＲＥＦ＜正側キャリアのとき自己消弧型素子Ｑ１がオフとなり、自己消弧型素子Ｑ３はその逆となる。同様に、ＶＶ＿ＲＥＦ＜負側キャリアのとき自己消弧型素子Ｑ４がオン、ＶＶ＿ＲＥＦ＞負側キャリアのとき自己消弧型素子Ｑ４がオフとなり、自己消弧型素子Ｑ２はその逆となる。
【００２４】
ここで、アームの外側の素子である自己消弧型素子Ｑ１及びＱ４とアームの内側の素子である自己消弧型素子Ｑ２及びＱ３の通電バランスについて考える。
【００２５】
図４から判るように、バイアス値ＢＩＡＳがキャリア振幅の５０％程度であっても、自己消弧型素子Ｑ２及びＱ３の通電率は、自己消弧型素子Ｑ１及びＱ４の通電率に比べかなり高く、負担が大きいことが判る。ここで、バイアス値ＢＩＡＳを図４の状態から更に小さくした場合を考えると、正バイアスの期間における自己消弧型素子Ｑ３の通電パルス幅及び負バイアス期間における自己消弧型素子Ｑ２の通電パルス幅が更に増え、自己消弧型素子Ｑ２及びＱ３は常時通電に近い状態になることが判る。これは、基準電圧が小さいとき、自己消弧型素子Ｑ２及びＱ３の両者がオンし、零電圧を出力する期間が増えるからに他ならない。
【００２６】
逆に、図４の状態からバイアス値ＢＩＡＳを更に大きくした場合を考えると、正バイアス期間における自己消弧型素子Ｑ３の通電パルス幅及び負バイアス期間における自己消弧型素子Ｑ２の通電パルス幅は小さくなり、自己消弧型素子Ｑ２及びＱ３の通電率は自己消弧型素子Ｑ１及びＱ４の通流率に近づいてくる。
【００２７】
以上説明したように矩形変調モードにおけるバイアス値を大きくしていけば、低周波、低電圧域における自己消弧型素子Ｑ２及びＱ３の通電率と自己消弧型素子Ｑ１及びＱ４の通流率はバランスしてくる。装置設計上インバータ容量の低減率即ち上記の通電率のアンバランスは１０％程度に抑えることが好ましい。このためには上記バイアス値のキャリア振幅に対する比率を９０％程度とすべきであるが、実用上は多少の通電率のアンバランスの増加を許容し、上記バイアス値のキャリア振幅に対する比率を８０％以上としておけば良い。
【実施例２】
【００２８】
図５は本発明の３レベル電力変換装置の実施例２を示す回路構成図である。この実施例２の各部について、図１（ｂ）の実施例１に係る３レベル電力変換装置の電圧基準変換回路の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、バイアス変更回路７３４を設け、回転速度ωｒまたは速度基準ωｒ＊の変化に従ってバイアス値が自動的に変更されるようにした点である。
【００２９】
前述の通り、自己消弧型素子Ｑ２及びＱ３の通電率と自己消弧型素子Ｑ１及びＱ４の通流率がアンバランスになるのは電圧が低い、即ち電動機４の回転速度ωｒが低いときである。従ってバイアス値を大きくして上記通電率のバランスを図るのは、回転速度ωｒが低いときに行うようにすれば良い。バイアス変更回路７３４の特性としては、回転速度ωｒの低下に応じて滑らかにバイアス値を大きくしても良いし、段階的に切換えるようにしても良い。また、ある速度以下でバイアス値がキャリア振幅の８０％以上になるように２段階で切換えるようにしても良い。尚、負荷が電動機でない場合の適用を考え、上記回転速度ωｒに代えて、３レベル変換器３の出力周波数を使用しても良い。
【００３０】
この実施例２によれば、高速或いは中速域において、必要以上にバイアス値を大きくすることによる電流リップルの増加等を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による３レベル電力変換装置の実施例１を示す回路構成図。
【図２】本発明による３レベル電力変換装置に用いられる３レベル電力変換器の回路構成図。
【図３】本発明による３レベル電力変換装置の出力電圧基準の一例を示す波形図。
【図４】本発明による３レベル電力変換装置のＰＷＭ変調の一例を示す波形図。
【図５】本発明による３レベル電力変換装置の実施例２を示す回路構成図。
【符号の説明】
【００３２】
１  直流電源
２Ａ、２Ｂ  平滑コンデンサ
３  ３レベル変換器
４  電動機
５  位相角検出器
６  電流検出器
７  制御部
７１  微分器
７２  電動機制御器
７３  電圧基準変換部
７４  ＰＷＭ変調回路
７５  キャリア発生回路
７３１  座標変換回路
７３２  バイアス加算回路
７３３  台形波変調回路
７３４  バイアス変更回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006014532.tif 000007