(57)【要約】【課題】マルチレベルインバータの電圧指令値生成時にレベルスキップを防止した場合、出力電圧指令の周波数をキャリア周波数で規定される値以上に高くすることが出来ない。【解決手段】電圧指令制御装置の電圧指令生成部に変化率切替え機能を設ける。電圧指令生成部は、キャリア信号が増加する期間での電圧指令値（最終値）の増加変化率の制限値を、電圧指令値（最終値）の減少変化率の制限値より低い値とする。また、キャリア信号が減少する期間での電圧指令値（最終値）の増加変化率の制限値を、電圧指令値（最終値）の減少変化率の制限値より高い値として電圧指令値（最終値）を制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流制御器による電圧指令値（目標値）から離散電圧指令値（目標値）を生成し、離散電圧指令値（目標値）を変化率リミッタ機能と変化率切替え機能を有する電圧指令生成部に入力し、電圧指令生成部で生成された電圧指令値（最終値）をＰＷＭ制御器へ出力する電圧指令制御装置であって、電圧指令値（最終値）を生成する方法において、
前記電圧指令生成部は、キャリア信号が増加する期間での電圧指令値（最終値）の増加変化率の制限値を、キャリア信号が増加する期間での電圧指令値（最終値）の減少変化率の制限値より低い値とし、
キャリア信号が減少する期間での電圧指令値（最終値）の増加変化率の制限値を、キャリア信号が減少する期間での電圧指令値（最終値）の減少変化率の制限値より高い値として電圧指令値（最終値）を制御することを特徴とするマルチレベルインバータのＰＷＭ変調方法。
【請求項２】
前記キャリア信号が増加する期間の電圧指令値（最終値）の増加変化率の制限値を、キャリア信号の変化率と同じ値とし、
キャリア信号が減少する期間の電圧指令値（最終値）の減少変化率の制限値を、キャリア信号の変化率と同じ値として電圧指令値（最終値）を制御することを特徴とする請求項１記載のマルチレベルインバータのＰＷＭ変調方法。
【請求項３】
前記離散電圧指令値（目標値）を、禁止帯回避部を介して電圧指令生成部に入力し、禁止帯回避部ではキャリア信号が増加する期間ではキャリア信号の上部の禁止帯幅を、キャリア信号の下部の禁止帯幅より大きくし、
キャリア信号が減少する期間ではキャリア信号の下部の禁止帯幅を、キャリア信号の上部の禁止帯幅より大きくし、禁止帯の外に位置するように離散電圧指令値（目標値）を補正することを特徴とする請求項１又は２記載のマルチレベルインバータのＰＷＭ変調方法。
【請求項４】
キャリア信号が増加する期間では、キャリア信号の上部の禁止帯幅がキャリア信号の下部の禁止帯幅の２倍であり、
キャリア信号が減少する期間では、キャリア信号の下部の禁止帯幅がキャリア信号の上部の禁止帯幅の２倍であることを特徴とする請求項３記載のマルチレベルインバータのＰＷＭ変調方法。
【請求項５】
前記電圧指令生成部に、設定された禁止帯、電圧指令更新タイミング時点、およびキャリア信号頂点タイミング時点との間に禁止帯制限領域を有する特定領域変化率抑制機能を付加し、特定領域変化率抑制機能はキャリア信号頂点タイミング時点の前に電圧指令更新タイミング時点判断機能を有して電圧指令更新タイミングにおける電圧指令値（最終値）が、変化率制限適用対象の電圧指令範囲にあるか否かを判断し、
前記電圧指令値（最終値）が特定領域内に入ったとき特定領域変化率抑制機能によって電圧指令値（最終値）の変化率を、キャリア信号の傾きの所定倍に制限して電圧指令値（最終値）を補正することを特徴とする請求項３又は４記載のマルチレベルインバータのＰＷＭ変調方法。
【請求項６】
前記特定領域変化率抑制機能は、
電圧指令値（最終値）が変化率制限領域内に入ったとき、電圧指令値（最終値）の変化率をキャリア信号の変化率と等しくなるように電圧指令値（最終値）を補正することを特徴とする請求項５記載のマルチレベルインバータのＰＷＭ変調方法。
【請求項７】
前記特定領域変化率抑制機能は、
前記電圧指令更新タイミング時の電圧指令値（最終値）が変化率制限対象電圧指令範囲内の場合、電圧指令更新タイミングからキャリア信号頂点タイミングまでの期間の電圧指令値（最終値）の変化率をキャリア信号の変化率と一致させるように、電圧指令値（最終値）を補正することを特徴とする請求項３又は４記載のマルチレベルインバータのＰＷＭ変調方法。
【請求項８】
前記特定領域変化率抑制機能は、
電圧指令更新タイミング時の電圧指令値（最終値）が変化率制限対象電圧指令範囲内の場合、電圧指令更新タイミングからキャリア信号頂点タイミングまでの期間の電圧指令値（最終値）を直近のキャリアキャリア頂点を通過するように補正すること特徴とする請求項３又は４に記載のマルチレベルインバータのＰＷＭ変調方法。
【請求項９】
前記特定領域変化率抑制機能は、
電圧指令更新タイミング時の電圧指令値（最終値）が変化率制限対象電圧指令範囲内の場合、電圧指令更新タイミングからキャリア信号頂点タイミングまでの期間の電圧指令値（最終値）はキャリア信号上を移動するように補正することを特徴とする３又は４に記載のマルチレベルインバータのＰＷＭ変調方法。
【請求項１０】
電流制御器による電圧指令値（目標値）を離散化部に入力して離散電圧指令値（目標値）を生成し、離散電圧指令値（目標値）を変化率リミッタ機能を有する電圧指令生成部に入力し、電圧指令生成部で生成された電圧指令値（現在値）をＰＷＭ制御器へ出力するよう構成された電圧指令制御装置において、
前記電圧指令生成部に変化率切替え機能を設け、
変化率切替え機能は、キャリア信号の増加・減少に対応して前記離散電圧指令値（目標値）の増加変化率、および減少変化率の制限値を切替えることを特徴としたマルチレベルインバータのＰＷＭ変調の電圧指令制御装置。
【請求項１１】
前記離散化部と電圧指令生成部との間に禁止帯回避部を設け、且つ前記電圧指令生成部に特定領域変化率抑制機能を付加し、
特定領域変化率抑制機能で、電圧指令更新タイミングにおける電圧指令が変化率制限適用対象の電圧指令範囲にあるか否かを判断し、電圧指令値が設定された特定領域内に入ったとき、電圧指令値の変化率をキャリア信号の傾きの所定倍に制限することを特徴とする請求項１０記載のマルチレベルインバータのＰＷＭ変調の電圧指令制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチレベルインバータのＰＷＭ変調方法とその装置に係わり、特にキャリア周波数を上昇させる（スイッチング損失を増大させる）ことなく、出力電圧の変化率をより大きくすることを可能にしたＰＷＭ変調方法とその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
単相インバータを、一つ以上の単相セルインバータ端子を直列接続することによって構成し、それらを三相分用意してＹ結線する事で構成するマルチレベルインバータ（以下セル多重インバータという）は広く知られている。このセル多重インバータの出力端子に任意の線間電圧出力波形を出力するための、各セル多重インバータにおける半導体スイッチのスイッチングを制御するＰＷＭ方式は種々提案されている。
【０００３】
例えば、非特許文献１では、これらセル多重インバータの一般的なＰＷＭ手法とし、フェイズ・シフト方式（以下ＰＳ方式という）が挙げられている。これは、相インバータを構成する全てのセルにそれぞれ三角波キャリア信号を用意し、それらをセルの数で等間隔に配置することで、各セルインバータの出力パルス波形を均等にずらしてマルチレベルの相電圧を得る方式である。この方式では各セルインバータの動作が均等になるため、それぞれのセルインバータの運転負荷が均等になる事に特長がある。一方、この方式の問題点として、出力電圧に、単相セルインバータの直流電圧の２レベル分の電圧変化（以下レベルスキップという）が発生し、負荷を接続した際などにその接続端に発生するサージ電圧が大きくなったり、出力電圧に含まれる高調波が大きくなったりする問題が挙げられている。
【０００４】
また、同じく非特許文献１には、フェイズ・ディスポジション方式（以下ＰＤ方式という）が紹介されている。これは各セルインバータのキャリア信号を同周波数，同位相とし、それらに異なる直流電圧バイアスを加えて並べる方式である。これにより、ＰＳ方式で発生したレベルスキップは発生しなくなり、サージ電圧や高調波が抑制される。しかし、各インバータセルの負荷が均等にならない欠点を持つ。この２つの方式を踏まえて、それら欠点を解消する方式として、この非特許文献１および特許文献１では、電圧指令配分方式（以下ＶＣＤ方式という）を提案している。これは、ＰＤ方式のキャリア信号配置を用い、各セルインバータの動作が均等になるように電圧指令値を各インバータのキャリア信号へ切替ながら配分していくことで、レベルスキップを防止しながらセルの動作，負荷を均等化している。
【０００５】
非特許文献２および特許文献２でも、ＶＣＤ方式と同様にレベルスキップを防止しながら、各セルインバータの動作を均等化する方式として搬送配送選択方式（以下ＣＰＳ方式という）が提案されている。こちらはＰＳ方式のキャリア信号を用い、電圧指令の大きさにともなってすべてのキャリア信号の位相を、各セル間のキャリア信号位相のずれ量のさらに半分の位相ずらすことで、見かけ上のキャリア配置をＰＤ方式と同じになるように制御することでレベルスキップと動作の均等化制御を実現している。
【０００６】
特許文献３では、非特許文献１の手法と似ているが、ＰＤ方式で得られた各セルインバータのＰＷＭパルス信号を、各セルインバータが均等になるように振り分ける（循環するように切り替える）手法をとり、レベルスキップの防止および均等化を実現している。
【０００７】
これらＰＤ方式、ＶＣＤ方式、ＣＰＳ方式、特許文献３のすべての方式において、レベルスキップを防止する出力電圧を得るために共通しているのは、キャリア信号の配置と電圧指令値の関係である。すなわち、ＰＤ方式のキャリア配置と電圧指令の関係になればレベルスキップが防止できる。ここで電圧指令値の条件について付け加える。通常、インバータの電圧指令値は、電圧指令値の急な振動によるスイッチングの増加や不規則な電流リプルの発生、およびそれによる電流検出値の誤差の発生などを防ぐため、キャリア信号に同期して離散化される。
【０００８】
例えば、キャリア信号の頂点において電圧指令は更新される。この電圧指令値がサンプリングされ、更新された際に瞬時にキャリア信号２つ分をクロスする。すなわち、電圧レベル２つ分の電圧指令値の変化が発生すると、ＰＤ方式のキャリア配置においても２レベル以上の電圧変化が発生するため、レベルスキップが発生する。従って、レベルスキップを発生させないためには、離散化後の電圧指令に対してさらに電圧指令値が一定の変化率を持って変化するように制御する。この動作を図１４に示す。また、このときの電圧指令値の変化率はキャリア信号の変化率以下に制御されるのが一般的である。その理由を以下に述べる。
【０００９】
図１５はＰＤ方式のＰＷＭおよびそれによって発生する電圧パルスの波形を示している。２相の電圧指令Ａ，Ｂが同位相で直流バイアスの異なる二つのキャリア内に配置されている。このとき出力電圧Ａと出力電圧Ｂのキャリア信号１周期内のバルスの波形は同じ形状になっている。すなわち、初めのキャリア信号の半周期において、電圧パルスは双方とも増加（出力電圧ＡはＥ→２Ｅ，出力電圧Ｂは０→Ｅ）しており、次のキャリア信号の半周期において電圧パルスは双方とも減少している。結果として両者とも凸型のパルスが発生している。その結果、出力電圧ＡとＢの差分電圧（インバータの線間電圧に相当する）にはレベルスキップは発生していない。
【００１０】
一方、図１６においては、電圧指令Ｂがキャリアの後半半周期において時刻T4で増加し、電圧指令がキャリア信号を増加する方向にクロスしている。これにより、出力電圧Ｂには、キャリア信号の後半半周期の時刻T4において増加のパルスが発生しており、またそのタイミングは出力電圧Ａが減少するタイミングと一致している。この結果、時刻T4では出力電圧ＡとＢの差分電圧には単相インバータ２レベル分の電圧変化（２Ｅ→０）、すなわちレベルスキップが発生している。
【００１１】
以上から分かることは、レベルスキップは、二つの相電圧が同時に逆極性の電圧変化を起こしたときに発生する。電圧指令とキャリア信号の関係を見ると、基本的にキャリア信号が減少するときに発生する相電圧パルスは正方向に、増加するときに発生する相電圧パルスは負の方向になる。したがって、電圧指令の変化によってそれらとは逆のパルスを発生させないようにすることでレベルスキップが防止できる。
【００１２】
ここで、電圧指令値の変化率の最大値を、キャリア信号の変化率の３倍にした場合の電圧指令作成制御の動作を図１７に示す。離散化前の電圧指令値の変化率がキャリア信号の変化率よりも大きいため、離散化後の電圧指令値の変化は２レベル以上変化している部分がある。それに対して、キャリア信号の変化率よりも大きい制限を加える。変化率を制限しているため、同時に２レベルの変化は発生しない。したがって、この相電圧において２レベルの変化は発生しない。しかし、点線の円で囲んだ部分において、電圧指令はキャリア信号を増加しながらクロスする。これは、図１６における電圧指令Ｂがキャリア半周期の後半部分において、キャリア２をクロスする状況と同じである。したがって、もう１相のＰＷＭパルスのタイミングによっては、電圧指令の変化率をキャリア信号の変化率より大きくするとインバータ出力の線間電圧にレベルスキップが発生する可能性がある。
【００１３】
同じ電圧指令値の状況において、元々の電圧指令の変化率をキャリア信号の変化率より大きくし、また離散化後の電圧指令値の変化率をキャリア信号の変化率よりも小さく制限した場合のＰＷＭキャリア信号と電圧指令の関係を図１８に示す。この場合、離散化後に変化率制限を加えた電圧指令値は、レベルスキップを発生させるようなキャリア信号との交差は発生しない。しかし、電圧指令値に対して追従することができない。したがって、この離散化後に変化率制限を課した電圧指令値を用いてＰＷＭを行うと所望の電圧出力が出来ず、出力電圧の制限や、歪みが発生する。したがって、非特許文献１，２および特許文献１，２，３で提案されるレベルスキップを防止したマルチレベルＰＷＭ手法においては、電圧指令値の変化率はキャリア信号の変化率以下に抑制されるように制御を行う。
【００１４】
非特許文献２および特許文献２では、セルインバータのスイッチング素子が短絡することを防止するために、ゲート信号に挿入されるデッドタイムに対して、それによって発生するレベルスキップを防止するために、各電圧レベルの境界に図１９のように禁止帯を設置することを提案している。各相の電圧指令値がこの禁止帯内に侵入した場合、デッドタイムによるパルスの遅延によって図１５に示すようなキャリア周期と出力電圧パルスの関係にならず、レベルスキップが発生する可能性が指摘されている。そのため非特許文献２と特許文献２では、同じく図１９に示すように電圧指令値を更新するタイミングを、キャリア信号の頂点からデッドタイムの幅だけ早くし、また、そのようなパルスが発生しないような幅の禁止帯を各電圧レベル境界に設置し、その上で三相の電圧指令値全てがこの禁止帯の外に位置するように、各電圧指令それぞれに、もしくは一括のバイアス電圧を加えている。
【００１５】
図２０にレベルスキップを防止する従来のＰＷＭ手法における電圧指令作成部の構成を示す。
【００１６】
図２１にレベルスキップを防止する従来のＰＷＭ手法において、さらにデッドタイムによって発生するレベルスキップを防止する機能を追加した場合の電圧指令作成部の構成を示す。それぞれの詳細は各文献によって公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特許第３３１６８０１号
【特許文献２】特許第４６６５６０２号
【特許文献３】特許第４０９６５０２号
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】岩路他、「高圧ダイレクトインバータのＰＷＭ制御法」電気学会論文誌D,vol.121,No.4,pp.476-483,2001年
【非特許文献２】只野他、「デッドタイムの影響を考慮した高圧電動機直接駆動用多重ＰＷＭ制御法」電気学会論文誌D,vol.126,No.1,pp.1-9,2006年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
上記各文献のＰＷＭ変調方式では、何れの手法においても出力線間電圧に発生するレベルスキップを防止するために、電圧指令値の変化率をキャリア信号の変化率以下となるように制限してレベルスキップを防止している。これは言い換えれば、インバータの出力電圧の傾き（変化率）を制御することになる。したがって、出力電圧指令の周波数をキャリア周波数で規定される値以上に高くすることが出来ない。また、急な電圧変化への応答性もキャリア周波数によって制限される。キャリア周波数によって決まる規定値以上に出力電圧指令の周波数を高くした場合、出力電圧指令値どおりにインバータ出力電圧を発生させることが出来ずに歪みが発生し、また出力電圧の最大値が低下する。
【００２０】
逆に、最高出力周波数をするため、または応答性を高くするためにキャリア周波数を上昇させると、インバータ内の半導体スイッチのスイッチング回数が増加し、その結果スイッチング損失が増加する。それにより、インバータ効率の低下や冷却能力を向上させるための装置の巨大化などが発生する。
【００２１】
本発明が目的とするところは、キャリア周波数を上昇させる（スイッチング損失を増大させる）ことなく出力電圧の変化率をより大きくすることを可能にし、インバータ出力電圧のレベルスキップを防止する機能を維持しながら従来手法と比較して最高出力周波数や、応答性を高くすることができるマルチレベルインバータのＰＷＭ変調方法とその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、電流制御器による電圧指令値（目標値）から離散電圧指令値（目標値）を生成し、離散電圧指令値（目標値）を変化率リミッタ機能と変化率切替え機能を有する電圧指令生成部に入力し、電圧指令生成部で生成された電圧指令値（最終値）をＰＷＭ制御器へ出力する電圧指令制御装置であって、電圧指令値（最終値）を生成する方法において、
前記電圧指令生成部は、キャリア信号が増加する期間での電圧指令値（最終値）の増加変化率の制限値を、キャリア信号が増加する期間での電圧指令値（最終値）の減少変化率の制限値より低い値とし、
キャリア信号が減少する期間での電圧指令値（最終値）の増加変化率の制限値を、キャリア信号が減少する期間での電圧指令値（最終値）の減少変化率の制限値より高い値として電圧指令値（最終値）を制御するものである。
【００２３】
本発明の請求項２によれば、キャリア信号が増加する期間の電圧指令値（最終値）の増加変化率の制限値を、キャリア信号の変化率と同じ値とし、
キャリア信号が減少する期間の電圧指令値（最終値）の減少変化率の制限値を、キャリア信号の変化率と同じ値として電圧指令値（最終値）を制御するものである。
【００２４】
本発明の請求項３によれば、離散電圧指令値（目標値）を、禁止帯回避部を介して電圧指令生成部に入力し、禁止帯回避部ではキャリア信号が増加する期間ではキャリア信号の上部の禁止帯幅を、キャリア信号の下部の禁止帯幅より大きくし、
キャリア信号が減少する期間ではキャリア信号の下部の禁止帯幅を、キャリア信号の上部の禁止帯幅より大きくし、禁止帯の外に位置するように離散電圧指令値（目標値）を補正するものである。
【００２５】
本発明の請求項４によれば、キャリア信号が増加する期間では、キャリア信号の上部の禁止帯幅がキャリア信号の下部の禁止帯幅の２倍であり、
キャリア信号が減少する期間では、キャリア信号の下部の禁止帯幅がキャリア信号の上部の禁止帯幅の２倍としたものである。
【００２６】
本発明の請求項５によれば、電圧指令生成部に、設定された禁止帯、電圧指令更新タイミング時点、およびキャリア信号頂点タイミング時点との間に禁止帯制限領域を有する特定領域変化率抑制機能を付加し、特定領域変化率抑制機能はキャリア信号頂点タイミング時点の前に電圧指令更新タイミング時点判断機能を有して電圧指令更新タイミングにおける電圧指令値（最終値）が、変化率制限適用対象の電圧指令範囲にあるか否かを判断し、
前記電圧指令値（最終値）が特定領域内に入ったとき特定領域変化率抑制機能によって電圧指令値（最終値）の変化率を、キャリア信号の傾きの所定倍に制限して電圧指令値（最終値）を補正するものである。
【００２７】
本発明の請求項６によれば、特定領域変化率抑制機能は、
電圧指令値（最終値）が変化率制限領域内に入ったとき、電圧指令値（最終値）の変化率をキャリア信号の変化率と等しくなるように電圧指令値（最終値）を補正するものである。
【００２８】
本発明の請求項７によれば、特定領域変化率抑制機能は、
前記電圧指令更新タイミング時の電圧指令値（最終値）が変化率制限対象電圧指令範囲内の場合、電圧指令更新タイミングからキャリア信号頂点タイミングまでの期間の電圧指令値（最終値）の変化率をキャリア信号の変化率と一致させるように、電圧指令値（最終値）を補正するものである。
【００２９】
本発明の請求項８によれば、特定領域変化率抑制機能は、
電圧指令更新タイミング時の電圧指令値（最終値）が変化率制限対象電圧指令範囲内の場合、電圧指令更新タイミングからキャリア信号頂点タイミングまでの期間の電圧指令値（最終値）を直近のキャリアキャリア頂点を通過するように補正するものである。
【００３０】
本発明の請求項９によれば、特定領域変化率抑制機能は、
電圧指令更新タイミング時の電圧指令値（最終値）が変化率制限対象電圧指令範囲内の場合、電圧指令更新タイミングからキャリア信号頂点タイミングまでの期間の電圧指令値（最終値）はキャリア信号上を移動するように補正するものである。
【００３１】
本発明の請求項１０によれば、電流制御器による電圧指令値（目標値）を離散化部に入力して離散電圧指令値（目標値）を生成し、離散電圧指令値（目標値）を変化率リミッタ機能を有する電圧指令生成部に入力し、電圧指令生成部で生成された電圧指令値（現在値）をＰＷＭ制御器へ出力するよう構成された電圧指令制御装置において、
前記電圧指令生成部に変化率切替え機能を設け、
変化率切替え機能は、キャリア信号の増加・減少に対応して前記離散電圧指令値（目標値）の増加変化率、および減少変化率の制限値を切替えるものである。
【００３２】
本発明の請求項１１によれば、離散化部と電圧指令生成部との間に禁止帯回避部を設け、且つ前記電圧指令生成部に特定領域変化率抑制機能を付加し、
特定領域変化率抑制機能で、電圧指令更新タイミングにおける電圧指令が変化率制限適用対象の電圧指令範囲にあるか否かを判断し、電圧指令値が設定された特定領域内に入ったとき、電圧指令値の変化率をキャリア信号の傾きの所定倍に制限するものである。
【発明の効果】
【００３３】
以上のとおり、本発明によれば、キャリア周波数を上昇させることなく出力電圧の変化率をより大きくすることを可能にし、インバータ出力電圧のレベルスキップを防止する機能を維持しながら最高出力周波数や、応答性を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態を示す電圧指令制御装置の構成図。
【図２】電圧指令制御装置の動作波形図で、（ａ）は電圧指令増加時、（ｂ）は電圧指令減少時。
【図３】従来の電圧指令制御装置の動作波形図で、（ａ）は電圧指令増加時、（ｂ）は電圧指令減少時。
【図４】本発明の他の実施形態を示す電圧指令制御装置の構成図。
【図５】禁止帯幅設定の説明図。
【図６】禁止帯幅設定の説明図。
【図７】本発明の他の実施形態を示す電圧指令制御装置の構成図。
【図８】変化率制限領域の設定説明図。
【図９】変化率制限領域の設定説明図。
【図１０】変化率制限領域の設定説明図。
【図１１】変化率制限領域の設定説明図。
【図１２】変化率制限領域の設定説明図。
【図１３】変化率制限領域の設定説明図。
【図１４】離散化後の電圧指令値の説明図。
【図１５】ＰＷＭによる電圧パルス波形図。
【図１６】レベルスキップ発生説明図。
【図１７】キャリア信号の変化率に対応した電圧指令値状態図。
【図１８】キャリア信号の変化率に対応した電圧指令値状態図。
【図１９】電圧指令値更新タイミングの説明図。
【図２０】従来の電圧指令制御装置の構成図。
【図２１】従来の電圧指令制御装置の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明は、電圧指令制御装置の電圧指令生成部において、キャリア信号が増加する期間の電圧指令値（最終値）の増加変化率の制限値を、電圧指令値（最終値）の減少変化率の制限値より低い値とし、キャリア信号が減少する期間の電圧指令値（最終値）の増加変化率の制限値を、電圧指令値（最終値）の減少変化率の制限値より高い値として制御するもので、以下図に基づいて詳述する。
【実施例１】
【００３６】
図１は本発明によるＰＷＭ変調の電圧指令制御装置の構成図を示したものである。図示省略された制御対象となる負荷制御器からの指令を受け、電流制御器１は出力電圧指令（目標値）を作成し、離散化部２に出力する。３はキャリア信号作成器で、複数のマルチレベル用キャリア信号を生成して前記各文献に記載の各種ＰＷＭ制御方式を実現するＰＷＭ制御器へ出力して電圧指令値をパルス幅変調（ＰＷＭ）する。また、キャリア信号作成器３は、マルチレベル用キャリア信号の三角波の頂点に同期した電圧指令離散化トリガを生成して離散化部２に出力すると共に、キャリア信号の三角波の変化の極性（正負）を判別するキャリア変化極性信号を生成して電圧指令生成部４に出力する。離散化部２では、入力された離散化トリガのタイミングで電圧指令値をサンプリングし、且つ値を保持して離散電圧指令値（目標値）を生成して電圧指令生成部４に出力する。
【００３７】
電圧指令生成部４は、変化率リミッタ機能と変化率切替え機能を備え、入力された離散化電圧指令値（目標値）と入力される電圧指令値（最終値）を比較する。また、この電圧指令生成部４は、離散電圧指令値（目標値）との差分を小さくするように電圧指令値（最終値）を増加させて出力する。このとき、その増加率を指定した値にする。変化率リミッタ機能は、電圧指令値（最終値）を増加させる場合の変化率と、減少させる場合の変化率をそれぞれ指定できる機能を持ち、また、キャリア変化極性信号に伴って増加させる場合、および減少させる場合の変化率を変更（切替）する機能を持つ。例えば、キャリア変化極性信号がキャリア信号の増加を示している場合、電圧指令値（最終値）を増加させる変化率をキャリア信号の変化率と等しくし、減少させる場合の変化率をキャリア信号の変化率より大きく設定する。
【００３８】
以上のようなプロセスで、電圧指令生成部４によって生成された電圧指令値（最終値）をＰＷＭ制御器へ出力する。ＰＷＭ制御器での制御は、既に挙げた従来の各文献に記載のキャリア信号及び電圧指令によるＰＷＭ制御（ＰＤ方式、ＶＣＤ方式、ＣＰＤ方式等）に従って行う。
【００３９】
図１において離散化部２は、電流制御器１からの電圧指令目標値を、例えばＰＤ方式のキャリア配置におけるキャリア信号の頂点で離散化し、離散電圧指令値（目標値）を作成する。この指令値に基づいて電圧指令生成部４は、実際にＰＷＭを行うための電圧指令値を作成する。電圧指令生成部４による制御を図２に示す。
【００４０】
キャリア信号の増加，減少に伴って、電圧指令値（最終値）の増加変化率および減少変化率の制限を変更する。図２（ａ）で示す電圧指令値（目標値）の増加時では、キャリア信号が増加する期間において、電圧指令値（最終値）の増加変化率はキャリア変化率の1倍、すなわちキャリア信号の変化率と同じにし、減少する変化率を３倍に制限をするように設定している。図２（ｂ）で示す電圧指令値（目標値）の減少時のキャリア信号が減少する期間においては、増加変化率をキャリア変化率の３倍、減少変化率をキャリア信号の変化率の１倍に制限するように設定している。
【００４１】
一方，図３では、従来通り電圧指令値の変化率をキャリア信号の変化率の1倍、すなわち同等に制限した場合の電圧指令の波形である。電圧指令値（最終値）は、図２ではわずかな遅れをもって電圧指令値（目標値）に追従しているが、図３では、図３（ａ）で示す電圧指令値（最終値）の増加時および図３（ｂ）で示す電圧指令値（目標値）の減少時には、共に電圧指令値（目標値）と電圧指令値（最終値）との偏差が開き、電圧指令値通りの出力が実現できない。したがって、本発明の手法によれば、従来手法と比べて電圧の変化率をより大きくすることが可能となる。
【００４２】
また、変化率をキャリア信号の変化率以上に設定している区間では、変化率上昇に伴って従来と異なる相電圧波形になるが、レベルスキップが発生する他相とは異なる極性の電圧変化は発生しないため、出力線間電圧に２レベルの電圧変化は発生しない。このようにして得られた電圧指令最終値をＰＷＭ制御器に入力し、前記各文献で示されるようなマルチレベルのＰＷＭ制御を行うことで、マルチレベルインバータの出力電圧にレベルスキップを発生させることなく、出力電圧の傾（変化率）きを増加させることができる。
【００４３】
ここで、キャリア信号の変化率より大きくする電圧指令値（最終値）の変化率設定値は、より大きい任意の値とする。ただし、あまり大きくすると、相電圧に２レベルの変化若しくはそれに準ずる変化の電圧パルスが発生してしまうことになるため、そのようにならない適切な値にすることが望ましい。
【００４４】
以上、実施例１によれば、マルチレベルのＰＷＭ制御において、マルチレベルインバータの出力電圧にレベルスキップを発生させることなく、出力電圧の傾きを増加させることができる。これにより、キャリア周波数（スイッチング損失）を増加させることなく、出力周波数を高周波化できる。また、キャリア周波数を増加させることなく、出力電圧の指令値に対する応答性が向上でき、広い出力周波数範囲においてマルチレベルインバータを高効率、高応答運転が可能となる。
【００４５】
これらのことから、出力周波数や出力電圧応答を得るために必要なキャリア周波数を、従来方式に比べて相対的に低減することができて、マルチレベルインバータ内の半導体スイッチによるスイッチング損失の低減に繋がる。したがって、装置損失の上昇を抑制し、従来手法を適用した場合と比較して、小型・低コストの主回路構成が実現できる。
【実施例２】
【００４６】
図４は、実施例２による電圧指令制御装置を示したものである。図１で示す実施例１と同一、若しくは相当する部分に同一符号を付してその説明を省略する。すなわち、実施例２では離散化部２と電圧指令生成部４との間に、禁止帯回避部５を追加したものである。禁止帯回避部５は、禁止帯回避オフセット処理機能とオフセット量切替機能を備え、離散化部２からの三相分の離散電圧指令値（目標値）とキャリア信号作成器３からのキャリア変化極性信号を入力し、キャリア信号の増加、減少に伴って禁止帯幅を切り替える。さらに、禁止帯幅を切り替えた後の禁止帯回避処理済み電圧指令値（目標値）を、電圧指令生成部４に出力する。すなわち、禁止帯回避処理済み電圧指令値（目標値）は、三相全ての離散電圧指令値（目標値）を禁止帯の外に位置するように補正した値となる。
【００４７】
この実施例２では、電圧変化率の制御については実施例１と同様である。それに加えて、非特許文献２および特許文献２で提案されるデッドタイムによるレベルスキップ防止制御を追加している。デッドタイムによるレベルスキップを解消する禁止帯設定、および電圧更新タイミングの基本的な考え方は非特許文献２および特許文献２と同じである。ただし、電圧指令値に対する変化率を変更したことに対する禁止帯幅の変更が必要である。
【００４８】
図５は、増加変化率および減少変化率をそれぞれキャリア信号の２倍に設定したときの禁止帯幅を示している。電圧指令値の更新タイミングを、従来手法と同じようにキャリア信号の頂点からデッドタイムＴD分早めた時間としたとき、電圧指令がキャリア信号減少時に増加変化率２倍、キャリア信号増加時に減少変化率２倍とした場合には、図５で示すようにキャリア信号が増加している期間においてはレベル内の上部の禁止帯を２倍、減少している期間においてはレベル内の下部の禁止帯を２倍にする。
【００４９】
これにより、図６に示すように、電圧指令値の初期値がどの位置にあっても問題のある出力電圧パルスが発生しうるキャリア部分（図中キャリア信号の太線部）をクロスすることがなくなる（原理については非特許文献２、特許文献２参照）。従って、キャリア信号の増加／減少信号に合わせて禁止帯の設定を変更し、それに合わせて電圧指令にオフセットを加えることでデッドタイムが要因で発生するレベルスキップを防止することが可能になる。
【００５０】
したがって、この実施例によれば、実施例１での効果に加えて、デッドタイムが要因で発生するレベルスキップを防止することが可能になる。
【実施例３】
【００５１】
図７は、実施例３による電圧指令制御装置の構成図を示したものである。図１で示す実施例１との相違点は、離散化部２と電圧指令生成部４との間に、禁止帯回避部５ａを追加すると共に、電圧指令生成部４ａの機能として、変化率リミッタ機能と変化率切り替え機能の他に、更に特定領域変化率抑制機能を付加したものである。禁止帯回避部５ａにおいて、三相電圧指令に三相の離散電圧指令値（目標値）全てが禁止帯の外に脱出するオフセット量を加算する禁止帯回避のためのオフセット処理し、電圧指令生成部４ａの特定領域変化率抑制機能によってその後の電圧指令値（最終値）に対する変化率制限を、電圧指令値（最終値）が特定の領域に存在する、若しくは特定の領域を通過した際に変化率を抑制するように電圧指令値（最終値）を補正する。
【００５２】
図４で示す実施例２で、禁止帯の制御によるデッドタイムに起因するレベルスキップを防止する方法では、「禁止帯の幅が従来制御手法に対して増加する」という問題がある。禁止帯幅の増加は、出力電圧最大値の制限、コモンモード電位変動の増加などの問題を発生させ、また禁止帯幅が極端に大きくなると三相電圧指令に共通のオフセット量を加算したとき、三相電圧指令全てが禁止帯の外に脱出できない状態となって変調自体ができなくなる虞がある。
【００５３】
実施例３では、実施例２が有する課題を解消するものである。
電圧指令生成部４ａでは、実施例１，２で適用する変化率リミッタの制御に対して、さらなる変化率リミッタの制御を適用する。図８を用いて説明する。
【００５４】
電圧指令値の増加，減少の変化率の決定方式は実施例２と同じである。デッドタイムによってレベルスキップの発生する可能性のあるＰＷＭパルス発生を防止するため、各電圧レベルの上下境界には、設定したデッドタイムの長さに応じた幅の禁止帯を設ける。また同時に、電圧指令の更新タイミングは、設定する２種の電圧指令値の変化率のうち、変化率が小さい方の設定値をキャリア信号の１倍とした場合には、キャリア信号の頂点タイミングよりもデッドタイム分だけ早く設定する。
【００５５】
加えて、電圧指令更新タイミングからキャリア信号頂点タイミングの期間において、キャリア信号の頂点の内側に変化率制限領域（図８の濃色領域）を設定する。電圧指令値（最終値）がこの領域内に侵入したとき、電圧指令値（最終値）の変化率をキャリア信号の傾き（変化率）の１倍に制限する。例えば図８においては、電圧指令値（最終値）の増加側の変化率がキャリア信号の傾き（変化率）に対して２倍の領域において、電圧指令値（最終値）が変化率制限領域内の場合は１倍に制限している。これにより、制限後の電圧指令値Ｖ1*〜Ｖ4*が、レベルスキップが発生する可能性のあるキャリア信号との交差（電圧指令更新タイミングからキャリア信号頂点タイミングの間での交差）を生じなくなる。変化率制限領域は、図８，９で示すように、時間軸においては電圧指令更新タイミングからキャリア信号頂点タイミングの間に設定し、変調率の大きさの軸（縦軸）では電圧レベル境界から禁止帯幅までのキャリア信号内側の範囲に設定する。
【００５６】
この実施例によれば、実施例２と比較して禁止帯幅を狭くすることができる。これにより、ＰＷＭ変調における最高出力電圧の制限が緩和され、出力電圧をより大きくできる。また、ＰＷＭ変調における電圧誤差を小さくでき、更にはコモンモード電位の変動を低減できる。他は、実施例１，２と同様の効果を有するものである。
【実施例４】
【００５７】
図１０は、電圧指令生成部４ａにおける他の制御方法を示す波形図である。この実施例は、電圧指令値（最終値）が変化率制限領域内に存在するか、或いはしないかの判定を行うことによって変化率制限値を変更するものではなく、電圧指令更新タイミングにおける電圧指令値（最終値）が、変化率制限適用対象電圧指令範囲にあるかどうかの判定を行うものである。
【００５８】
変化率制限適用対象範囲内の場合には、電圧指令更新タイミングからキャリア信号頂点タイミングまでの期間において、電圧指令値（最終値）の変化率制限値を変更することでレベルスキップを発生させる可能性のあるキャリア信号と電圧指令値（最終値）の交差を防ぐ。変化率制限適用対象電圧指令範囲は、キャリア信号の変化率よりも倍率を高くした増加および減少変化率を適用した際に、レベルスキップを発生させる範囲に設定する。
【００５９】
図１１は変化率制限適用対象電圧指令範囲を通過後、電圧指令値Ｖ1*，Ｖ2*の変化率をキャリア信号の変化率と一致させるように補正した場合の図である。図１２は変化率制限適用対象電圧指令範囲を通過後、直近のキャリア信号頂点を通過するように電圧指令値Ｖ1*，Ｖ2*の変化率を補正した場合の図である。どちらもレベルスキップ発生を防止できる。
【００６０】
したがって、この実施例によれば、実施例３と同様な効果を有するものである。
【実施例５】
【００６１】
図１３は、実施例４と同様に変化率制限対象電圧指令範囲を設定し、電圧指令更新タイミング時に、この範囲内に存在する電圧指令Ｖ1*，Ｖ2*を電圧指令更新タイミングからキャリア信号頂点タイミングまでの間、キャリア信号上を移動するように制御した実施例である。この実施例ではキャリア信号上を移動するとき、直近のキャリア信号の頂点に達するまで、電圧指令値（最終値）の変化によってスイッチングが発生しないように設定する。これにより、レベルスキップ発生を防止できると共に、実施例３よりも変化率を制限することによる電圧指令値（最終値）の遅れを小さくできる。他は、実施例３と同様な効果を有するものである。
【００６２】
なお、上記各実施例では、セル多重インバータでの例について説明してきたが、セル多重インバータのみならず、通常のマルチレベルインバータにおいてもＰＤ方式を用いての変調が可能な構成であれば、ＰＷＭ制御部はそれぞれのインバータに適したものを用い、電圧指令値の制御部のみ本発明の制御方法を同様に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１…  電流制御器
２…  離散化部
３…  キャリア信号作成器
４（４ａ）…  電圧指令生成部
５（５ａ）…  禁止帯回避部
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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