(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力から直流電力に変換する３レベルコンバータ及び前記直流電力から交流電力に変換する３レベルインバータを備えた電力変換装置において、
前記３レベルコンバータの直流電力出力側に接続された平滑コンデンサと、
前記３レベルコンバータに入力される交流電力の基本出力の低次高調波を低減するためにパルスパターンが異なる複数の固定パルスパターンを個々に設定する複数の固定パルスパターン設定手段と、
前記固定パルスパターン設定手段で設定された固定パルスパターンを選択的に切り替えるパルスパターン切替手段と、
前記パルスパターン切替手段により切り替えられた固定パルスパターンをショクレスに切り替える固定パルスパターンのショックレス切替手段と、
前記ショックレス切替手段によって切り替えられた固定パルスパターンを前記３レベルコンバータに入力するために変調する固定パルスパターン変調手段と、
前記３レベルコンバータに入力される交流電力の交流入力電流を所定時間ごとに検知する電流検出手段と、
前記電流検出手段によって検出された交流電流と、別途設定された電流基準との偏差が最小となるような位相基準を前記固定パルスパターン変調手段に出力する電流制御手段と、
を備え、
前記固定パルスパターン変調手段は、
前記電流制御手段による制御結果に基づいて前記ショックレス切替手段によって設定されたパルスパターンで設定されたパルスを、前記３レベルコンバータを構成するスイッチング素子のゲートに与え、
前記ショックレス切替手段は、
固定パルスパターンのパルス数を切り替える際、基本波半周期において、幅の狭い付加パルスを、切り替え前の前記固定パルスパターンの両端に付加し、
前記付加パルスを付加する前と後で、前記交流電力の1次電圧基準の実効値が同様になるように、変更前の固定パルスのパルス幅を狭める演算をして設定したパルスパターンを出力することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記ショックレス切替手段は、
前記付加パルスを付加する際、当該付加パルスのパルス幅を変化させながら当該付加パルスのパルス幅が所定のパルス幅になるまで前記演算を繰り返すことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
交流電力から直流電力に変換する３レベルコンバータ及び前記直流電力から交流電力に変換する３レベルインバータを備えた電力変換装置において、
前記３レベルコンバータの直流電力出力側に接続された平滑コンデンサと、
前記３レベルインバータから出力される交流電力の基本出力の低次高調波を低減するためにパルスパターンが異なる複数の固定パルスパターンを個々に設定する複数の固定パルスパターン設定手段と、
前記固定パルスパターン設定手段で設定された固定パルスパターンを選択的に切り替えるパルスパターン切替手段と、
前記パルスパターン切替手段により切り替えられた固定パルスパターンをショクレスに切り替える固定パルスパターンのショックレス切替手段と、
前記ショックレス切替手段によって切り替えられた固定パルスパターンを前記３レベルインバータに入力するために変調する固定パルスパターン変調手段と、
前記３レベルインバータから出力される交流電力の交流出力電流を所定時間ごとに検知する電流検出手段と、
前記電流検出手段によって検出された交流電流と、電流基準との偏差が最小となるような位相基準を前記固定パルスパターン変調手段に出力する電流制御手段と、
を備え、
前記固定パルスパターン変調手段は、
前記電流制御手段による制御結果に基づいて前記ショックレス切替手段によって設定されたパルスパターンで設定されたパルスを、前記３レベルインバータを構成するスイッチング素子のゲートに与え、
前記ショックレス切替手段は、
固定パルスパターンのパルス数を切り替える際、基本波半周期において、幅の狭い付加パルスを切り替え前の前記固定パルスパターンの両端に付加し、
前記付加パルスを付加する前と後で、前記交流電力の1次電圧基準の実効値が同様になるように、変更前の固定パルスのパルス幅を狭める演算をして設定したパルスパターンを出力することを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
前記ショックレス切替手段は、
前記付加パルスを付加する際、当該付加パルスのパルス幅を変化させながら当該付加パル
スのパルス幅が所定のパルス幅になるまで前記演算を繰り返すことを特徴とする請求項３
記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、インバータ出力電圧の低次高調波を低減する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電力から交流電力への変換を行う電力変換装置として、３レベル電力変換装置が知られている。この３レベル電力変換装置は、直流側に２台の平滑コンデンサを直列接続し、直流電位を正、負及びゼロの３レベルとすることによって交流側の基本出力の高調波を低減する。そして更にＰＷＭ（パルス幅変調）制御を加えることによって、変調周波数を交流周波数より高く設定して低次の高調波を低減することが可能となる。
【０００３】
しかしながら、ＰＷＭ制御の変調周波数を高くすると、３レベル電力変換装置に使用されているスイッチング素子のスイッチング損失が増え、３レベル電力変換装置の変換効率が低下してしまう。このため、交流電圧に含まれる高調波成分を低減させるような固定パルスパターンによって３レベル電力変換装置を制御する提案が為されている（特許文献１、２参照）。出力電圧の基本波の半周期当たりのパルス数が、特許文献１では３パルス、特許文献２では５パルスの場合において電力変換装置における最適な固定パルスパターンを導出している。
【０００４】
特許文献１、２では、３レベルコンバータについて提案している。インバータも回路構成は同じであるので、同様に固定パルスパターンによって高調波を低減することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−７８３４６
【特許文献２】特開２０１１−１９３５８３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
コンバータは入力周波数が商用電源の周波数に固定されるが、インバータは出力周波数が電動機に入力する周波数として任意に制御できる。パルスパターンを用いた３レベル電力変換装置においては、出力の周波数が高くなるとそれぞれのパルスの幅が小さくなっていくため、ある出力周波数を境に出力パルス数を減らす必要がある。
【０００７】
特許文献１、２に記載された手法によれば、３レベル電力変換装置において出力電圧の基本波の半周期当たりのパルス数が３パルス、５パルスにおいて、それぞれ最適な固定パルスパターンが提案されている。しかしながら、３パルスから５パルス、または５パルスから３パルスといったパルス数の切り替え時に、出力電圧の位相基準でのパルスパターンが異なるためパルスが不連続となり、トルクショックが発生する。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、固定パルスパターンのパルス数切り替え時におけるトルクショックを防止するトルクショックレスによるパルスパターン移行が可能な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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、交流電力から直流電力に変換する３レベルコンバータ及び前記直流電力から交流電力に変換する３レベルインバータを備えた電力変換装置において、前記３レベルコンバータの直流電力出力側に接続された平滑コンデンサと、前記３レベルコンバータに入力される交流電力の基本出力の低次高調波を低減するためにパルスパターンが異なる複数の固定パルスパターンを個々に設定する複数の固定パルスパターン設定手段と、前記固定パルスパターン設定手段で設定された固定パルスパターンを選択的に切り替えるパルスパターン切替手段と、前記パルスパターン切替手段により切り替えられた固定パルスパターンをショクレスに切り替える固定パルスパターンのショックレス切替手段と、前記ショックレス切替手段によって切り替えられた固定パルスパターンを前記３レベルコンバータに入力するために変調する固定パルスパターン変調手段と、前記３レベルコンバータに入力される交流電力の交流入力電流を所定時間ごとに検知する電流検出手段と、前記電流検出手段によって検出された交流電流と、別途設定された電流基準との偏差が最小となるような位相基準を前記固定パルスパターン変調手段に出力する電流制御手段と、を備え、前記固定パルスパターン変調手段は、前記電流制御手段による制御結果に基づいて前記ショックレス切替手段によって設定されたパルスパターンで設定されたパルスを、前記３レベルコンバータを構成するスイッチング素子のゲートに与え、前記ショックレス切替手段は、固定パルスパターンのパルス数を切り替える際、基本波半周期において、幅の狭い付加パルスを、切り替え前の前記固定パルスパターンの両端に付加し、前記付加パルスを付加する前と後で、前記交流電力の1次電圧基準の実効値が同様になるように、変更前の固定パルスのパルス幅を狭める演算をして設定したパルスパターンを出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、固定パルスパターンのパルス数切り替え時における、トルクショックレスでのパルスパターン移行が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施例に係る電力変換装置の構成を示すブロック図。
【図２】電力変換装置を構成する３レベルコンバータの主要部分の回路図。
【図３】本発明を３レベルインバータに適用した場合の出力周波数とパルス数との関係を示すグラフ。
【図４】従来の、３パルス固定パターンと５パルス固定パターンの切り替えの動作を説明する図。
【図５】本実施例に係るパルス固定パターンと５パルス固定パターンの切り替えの動作を説明する図。
【図６】固定パルスパターンのショックレス切替手段による３レベルインバータのパルスパターン生成処理のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本実施例に係る電力変換装置１００の構成を示すブロック図である。図示した例は、３レベル電力変換装置の固定パルスパターンショックレス切り替のブロック図である。
【００１４】
電力変換装置１００は、交流電源１、入力変圧器２、３レベルコンバータ３、平滑コンデンサ４Ａ・４Ｂ、及び３レベルインバータ５、電流検出器（電流検出手段）６、コンバータ制御部（コンバータ制御手段）１０及びインバータ制御部（インバータ制御手段２０などで）構成される。
【００１５】
交流電源１から供給される交流電圧は入力変圧器２によって適切な電圧に変換され、３レベルコンバータ３に与えられる。
【００１６】
入力変圧器２は、例えば、高電圧[２ｋＶ]を商用電圧[１００Ｖ]に変換する。入力変圧器２は1次側と２次側のコイルで構成されていることから、２次側換算のコイルのインダクタンスＬ（Ｈ）及び２次側換算の抵抗Ｒ[Ω]を用いた等価回路を用いて表すことができる。図はこのようにして表現した場合を示す。
【００１７】
３レベルコンバータ３の交流入力電流は、電流検出器６によって検出される。検出された電流はフィードバック電流として電流制御器（電流制御手段）１５に与えられる。電流制御器１５は、このフィードバック電流と別途設定された電流基準との偏差が最小となるような位相基準を出力し、固定パルスパターン変調器（固定パルスパターン変調手段）１６に与える。固定パルスパターン変調器１６は、交流電源１の位相と上記位相基準の値だけ位相のずれた固定パルスパターンを発生し、３レベルコンバータ３を構成するスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４にゲートパルスを与える。固定パルスパターン変調器１６で使用する固定パルスパターンは、固定パルスパターン設定器によって与えられる構成となっている。
【００１８】
本実施例１では、固定パルスパターン設定器として、３パルス固定パルスパターン設定器（固定パルスパターン設定手段）１１及び５パルス固定パルスパターン設定器（固定パルスパターン設定手段）１２が設けられており、これらにより、最適な、３パルス固定パターン及び５パルス固定パターンが設定され、あらかじめ用意される。
【００１９】
パルスパターン切替器（パルスパターン切替手段）１３は、パルス数切り替え条件の演算結果に応じて３パルス固定パルスパターン設定器１１又は５パルス固定パルスパターン設定器１２を切り替える。パルスパターン切替器１３によって切り替えられたパルスパターンは、固定パルスパターンのショックレス切替手段（ショックレス切替手段）１４によって、当該パルスパターンを基本波周期の数サイクル間でさらに切り替える。
【００２０】
固定パルスパターンとは、同一の変調パターンを発生する方式であり、その基本周波数は交流電源１の周波数または負荷電動機の電気周波数と同期している。３相各相のパルスは互いに１２０°ずれた同一のパルスとし、図示するように各々のパルスはその１／４周期の波形が９０°を挟んで左右対称となる。また、３レベル変換器のための正側のパルスと負側のパルスは上下対称となる。従って１／４周期のパルスパターンが決定されれば全てのパルスパターンは決まる。
【００２１】
図２は、電力変換装置１００を構成する３レベルコンバータ３の主要部分の回路図である。３レベルコンバータ３は、Ｒ相、Ｓ相及びＴ相の３相を、各々を構成するスイッチングレグの並列回路で構成される。各々のスイッチングレグの構成は同一であり、その基本は、自己消弧型スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４で構成される直列回路である。各々のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４には夫々逆並列にフライホイールダイオードＤ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６が接続されている。そして各相のスイッチングレグの中間点に、入力変圧器２の対応する各相の２次出力が接続されている。
【００２２】
各相の正側アームの中点、また負側アームの中点には中性点から電流を流す方向にクランプダイオードＤ１、Ｄ２が夫々接続されている。
【００２３】
そして、スイッチングレグの正電位端と中性点の間に正側コンデンサ４Ａが、また、中性点とスイッチングレグの負電位端の間に負側コンデンサ４Ｂが接続されており、正電位、負電位及び中性点電位の３レベルを有する直流電圧を３レベルインバータ５に供給する。尚、通常、３レベルコンバータ３は、交流側から直流側への順方向の電力変換を行うが、自己消弧型スイッチング素子を使用した回路構成となっているので直流側から交流側への逆方向の電力変換も可能である。
【００２４】
図３は、本発明を３レベルインバータ５に適用した場合の出力周波数とパルス数との関係を示すグラフである。
【００２５】
本発明を３レベルインバータ５に適用する場合は、図１に示すコンバータ制御部１０と同様の構成を有するインバータ制御部２０が必要になる。コンバータ制御部１０にインバータ制御部２０の機能を持たせる構成にすることも可能である。以下、本発明を３レベルインバータ５に適用した場合に付いて説明する。
【００２６】
また、交流入力電流は、電流検出器７によって検出される。検出された電流は、フィードバック電流として電流制御器２５に与えられる。なお、図示した例は、電流検出器７を１相分のみ記入した場合を示す。
【００２７】
電流制御器２５は、このフィードバック電流と電流基準との偏差が最小となるように電圧基準を出力し、固定パルスパターン変調器２６に与える。
【００２８】
固定パルスパターン変調器２６は、与えられた電圧基準を出力するパルスパターンにて生成した電圧を電動機に与える。
【００２９】
固定パルスパターンは、基本波の周波数に同期したパルスパターンとなり、高調波成分は電動機の速度が大きくなるにつれて、同位相角基準における同パルスの時間幅が小さくなっていく。このため、３レベルインバータ５の出力周波数が高くなるに従い、パルス数を減らすことにより一定のパルス幅以上を維持する必要がある。以上のことを考慮し、所定の周波数までは、固定パルスパターンとして５パルス固定パターンが使用されるが、当該所定の周波数を超えた場合には、３パルス固定パターンが使用される。図はその状態を示す。
【００３０】
図４は、従来の、３パルス固定パターンと５パルス固定パターンの切り替えの動作を説明する図である。図４（１）は、３パルス固定パターンを示す図である。３パルス固定パターンは、基本波半周期（１８０°）間に３パルス固定パターンが出力される。図４（２）は、５パルス固定パターンを示す図である。５パルス固定パターンは、基本波半周期（１８０°）間に５パルス固定パターンが出力される。
【００３１】
図３に示すように、負荷側（例えば、電動機）に要求される周波数により３パルス固定パターンと５パルス固定パターンが切り替えられて使用される。従来は、図４（１）に示す３パルス固定パターンと図４（２）に示す５パルス固定パターンを切り替えて使用していた。
【００３２】
しかしながら、従来のパルスパターン切り替え手法では、パルスパターンの切り替わりのタイミングで、出力電圧の位相基準でのパルスパターンが異なるため、パルスが不連続となり、トルクショックが発生する。トルクショックは図４（１）又は（２）に示すパルスＡ〜Ｃ全てのパルスにおいて起こりうるが、パルスＣの不連続が最も大きな要因となる。
【００３３】
本発明においては、固定パルスパターンのパルス数切り替え時における、トルクショックレスでのパルスパターン移行のための制御手法を提案する。
【００３４】
図５は、本実施例に係る３パルス固定パターンと５パルス固定パターンの切り替えの動作を説明する図である。図５（１）は、図４（１）同様、３パルス固定パターンを示す図であるため、その説明を省く。図５（２）及び（３）は、５パルス固定パターンの変化の様子を示す図である。
【００３５】
以下、図５を参照して、図５（１）に示す３パルス固定パターンから図５（２）又は図５（３）に示す５パルス固定パターンを参照して、パルス切り替え方法を説明する。
【００３６】
初めに、基本波半周期において幅の狭いパルス（付加パルス）Ｃを両端に出力する（図５（２）のパルスＣ参照）。この際、パルスＢのパルス幅は固定としておき、パルスＡのパルス幅αは一次電圧基準の実効値がパルスパターン切り替え前と同様となるように演算し決定する。
【００３７】
パルスＣのパルス幅をゆっくりと変化させながら、パルスＣが所定のパルス幅となるまでこの演算を繰り返すことにより、ショックレスなパルスパターン切り替えを実施する。図５（３）は、このようにして、所定のパルス幅に到達した状態を示す。したがってこの場合、パルスＡのパルス幅αは、一次電圧基準の実効値がパルスパターン切り替え前と同様になるように演算して決定された結果、パルス幅αは当初より狭くなる。図５（３）はこのようにして３パルス固定パターンから５パルス固定パターンに切り替えられた状態を示す。
【００３８】
図６は、固定パルスパターンのショックレス切替手段１４による３レベルコンバータ３のパルスパターン生成処理（パルスパターン生成手段）のフローチャートである。なお、この処理は、固定パルスパターンのショックレス切り替え手段２４による３レベルインバータのパルスパターン生成処理のフローチャートと同様である。
【００３９】
このフローチャートでは出力周波数の基本波周期を１サイクルとしており、３パルス固定パターンと５パルス固定パターンとのパルスパターンの切り替えの手段について説明している。なお、本発明は３パルスと５パルスとの切り替えだけでなく、（２ｎ−１）パルスと（２ｎ＋１）パルスとの切り替えに適用できる。ｎは正の整数である。
【００４０】
３パルスと５パルスとの切り替え判定により、速度センサ（図示しない）により検出された電動機の速度が、３パルスと５パルスとの切り替え周波数以上であるか判別する（図６のステップＳ１）。なお、この判別には速度センサ（図示しない）により検出された電動機だけでなく、速度センサレスの電動機制御において得られた推定速度を用いることによっても達成できる。
【００４１】
３パルスと５パルスとの切り替えを実施するか否かの判定により（ステップＳ１）、切替実施と判定され（ステップＳ１のＹ）、電動機速度が３パルスと５パルスとの切り替え周波数以上であると判定された場合（ステップＳ２のＹ）、パルスパターンが３パルスであれば（ステップＳ３）、この速度領域において正常なパルス数であると判断し、パルスパターン生成処理を実施しない。
【００４２】
他方、ステップＳ３において、５パルスであれば（ステップＳ３のＮ）、基本波の半周期での両端のパルスＣの幅が半導体素子の耐えうる最小オンパルス幅であるかどうか判定を行う（ステップＳ４）。
【００４３】
ステップＳ４において、最小オンパルス幅であれば（ステップＳ４のＹ）、パルスＣを除去する（ステップＳ５）。他方、ステップＳ４において、最小オンパルス幅でなければ（ステップＳ４のＮ）、パルスＣからΔｄだけパルス幅を狭くさせる（ステップＳ６）。
【００４４】
３パルスと５パルスとの切り替えを実施するか否かの判定により（ステップＳ１）、切替実施と判定され（ステップＳ１のＹ）、電動機速度が３パルスと５パルスとの切り替え周波数未満であると判定された場合（ステップＳ２のＮ）、固定パルスパターンとして５パルスを用いる周波数領域でのパルスパターン生成処理を実施する。以下、具体的に説明する。
【００４５】
ステップＳ７において、３パルスであれば（ステップＳ７のＹ）、基本波の半周期での両端に、半導体素子の耐えうる最小オンパルス幅のパルスＣを出力させる(ステップＳ８)。３パルスでなければステップＳ７のＮ）、基本波の半周期での両端のパルスＣの幅が、所望のパルス幅ｄであるかどうか判別を行う。パルス幅がｄであれば、この速度領域において正常なパルス数であると判断する。パルスＣの幅がｄでなければ、パルスＣのパルス幅をΔｄだけ広くする（ステップＳ１０）。
【００４６】
上記の判別を実施した後、パルスＡのパルス幅αの演算を実施する。パルス幅αは、出力電圧基準の実効値がパルス幅切り替え前と同様になるように演算し決定する（ステップＳ１１）。決定されたパルスパターンによるパルス幅が３レベルインバータを構成するスイッチング素子のゲートに出力される（ステップＳ１１）。
【００４７】
この発明により、固定パルスパターンのパルス数切り替え時における、トルクショックレスでのパルスパターン移行が可能となる。
【符号の説明】
【００４８】
１  交流電源
２  入力変圧器
３  ３レベルコンバータ
４Ａ、４Ｂ  平滑コンデンサ
５  ３レベルインバータ
１０  コンバータ制御部
１１  ３パルス固定パルスパターン設定器
１２  ５パルス固定パルスパターン設定器
１３  パルスパターン切替器
１４  固定パルスパターンのショックレス切替手段
１５  電流制限器
１６  固定パルスパターン変調器
２０  インバータ制御部
２１  ３パルス固定パルスパターン設定器
２２  ５パルス固定パルスパターン設定器
２３  パルスパターン切替器
２４  固定パルスパターンのショックレス切替手段
２５  電流制限器
２６  固定パルスパターン変調器
【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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