(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された直流コンデンサの中性点と多相負荷の中性点を接続した直流電源を有する多相中性点付きPWM変換装置の制御回路において、前記中性点間を流れる零相実電流値を出力する手段と、該零相実電流値と零相電流指令が一致するように零相分電圧指令を出力する手段と、該零相分電圧指令と前記多相負荷の電力を制御する各相電力分電圧指令を加算して前記多相中性点付きPWM変換装置の各相電圧指令を出力する手段を有する事を特徴とする多相中性点付きPWM変換装置の制御回路。
【請求項２】
前記直流コンデンサの中性点電圧と前記直流電源電圧、及び前記多相中性点付きPWM変換装置の各相電圧指令を入力して、PWM変換装置のスイッチング素子のオンからオフとオフからオンとで異なる演算式により前記直流コンデンサの中性点電圧の変動を補正したゲート時間を出力する手段を有する事を特徴とする請求項１記載の多相中性点付きPWM変換装置の制御回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多相負荷より電力を授受するために、直列に接続された直流コンデンサの中性点と多相負荷の中性点を接続した直流電源を有する多相中性点接続式PWM変換装置の制御回路に係わり、特に、多相各相に同一の値を有する電流（以下、零相電流と称する）を流すための零相電流制御機能を追加した多相中性点接続式PWM変換装置の制御回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のPWM変換装置のコンバータへの適用においては、文献{村井他：「誘導集電装置を利用したアクティブ磁気ダンパ」電気学会論文誌D、１１９巻11号、平成11年}に記載されているように、「磁気ダンピングを実現するための３相U、V、W相の集電コイルに集電電流及び零相電流を通電する方法」は、現在のところ、開発されていない。
又、インバータへの適用においては、3相で構成されるHSST等の常伝導リニアモータにおける主回路は、推進力を得るためのコイルと推進用PWM変換器があると共に、吸引力を得るためのコイルと吸引用PWM変換器とで構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、コンバータへの適用においては、磁気ダンピングを実現するための3相U、V、Wの集電コイルに集電電流及び零相電流を通電するコンバータ主回路構成及び制御方法が無いという問題があった。
又、インバータへの適用においては、3相で構成されるHSST等の常伝導リニアモータにおいて、推進力と吸引力を得るために、インバータ主回路及び制御回路を別々に構成していたという問題があった。
本発明は上述した点に鑑みて創案されたものであって、その目的とするところは、コンバータへの適用においては、3相U、V、Wの集電コイルに集電電流及び零相電流を通電する主回路構成及び制御手段を、インバータへの適用においては、推進力と吸引力を得るために、1組の3相コイル及び1台のPWM変換器で構成する手段及びその制御手段を提供することにある。
さらに、コンバータ及びインバータにおいて、3相にこだわる事無く、４相等の他の多相に対しても適用できる主回路構成及びその制御手段を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明では、先ず、電力の授受に関係しない電流制御を容易にするために、多相負荷の中性点と、多相中性点付きPWM変換装置の直列に接続された直流コンデンサの中性点を接続する、中性点接続PWM変換装置システム構成とした。
【０００５】
以下は、特にこだわらない限り、3相により説明する。
コンバータにおいて、3相負荷より、３相中性点付きPWM変換装置により電力を入力する時、各相電流は入力電力に関係する周波数成分と関係しない周波数成分とに分けられる。この入力電力に関係する周波数成分の3相電流の和は、瞬時瞬時零になる。又、この多相中性点付きPWM変換装置と多相負荷の中性点間を流れる中性点電流をI０Xとすると、3相各相に流れる上記周波数成分以外の入力電力に関係しない電流I０はI０＝I０X/３で表される。
【０００６】
同様に、インバータにおいて、3相負荷にトルク等の電力を出力する時、トルク等に関係する周波数成分の3相電流の和は零になるので、３相各相に流れる上記周波数成分以外の出力電力に関係しない電流I０はI０＝I０ｘ/３で表される。
この関係は、3相以外の、例えば4相においては、各相の電力に関係する周波数成分の位相が９０°異なるために、同様にI０＝I０ｘ/４で表される。
本発明では、上記3相各相に同一値として流れる、電力の授受に関係しない電流を零相電流と称して制御する。
この零相電流I０は、コンバータにおいては、磁気ダンピングを実現するための電流であり、インバータにおいては、HSST等の常伝導リニアモータにおける吸引力を得るための電流である。
【０００７】
さらに、上記3相負荷に流れる電力の授受に関係しない電流、すなわち零相電流I０がそれぞれ３相負荷に流れると、上記3相負荷の抵抗値をRｓ、インダクタンス値をLs、微分演算子をPとすると、上記抵抗値Rs及びインダクタンス値Lsでの零相電圧降下V０は、次に示す(１)式で示される。この零相電圧降下V０を補償するように、３相中性点付きPWM変換装置の電圧制御を行えば、各相に零相電流I０を流す事ができる。
【０００８】
【数１】
0004582933.tif 000002
【０００９】
しかしながら、この３相中性点付きPWM変換装置においては、3相負荷の中性点と、直列に接続された上下直流コンデンサの中性点間に低周波零相電流I０を流すと、上下直流コンデンサの中性点電圧が変動し、直流電圧Vdの半分の値を使用する従来のゲートタイミング導出方法では、指令通りの零相電流が流せない。このような電圧変動があっても、指令通りの零相電流を流す方法を、図２に示す搬送波Esと変調波Vc*により説明する。図２（a）は搬送波の三角波が立下りの時、（b）は三角波が立上がりの時の、それぞれ変調波Vc*と搬送波である三角波Esの関係図である。
【００１０】
図２（a）の搬送波の三角波Esが立下り時において、変調波Vc*、直流電圧Vd、直流コンデンサの中性点電圧Ｖｄｎ、サンプリング時間Ｔｓ、及びPWM変換装置の上側スイッチング素子がオフからオンするゲート時刻Ｔｇ１の間には、次に示す(２)式の如き関係がある。従って、PWM変換装置の上側スイッチング素子がオフからオンするゲート時刻Ｔｇ１は、次に示す(３)式のように求められる。
【００１１】
【数２】
0004582933.tif 000003
【００１２】
同様に、図２（ｂ）の搬送波の三角波Esが立上がり時において、PWM変換装置の上側スイッチング素子がオンからオフするゲート時刻Ｔｇ２は、次に示す(４)式で表される。
【００１３】
【数３】
0004582933.tif 000004
【００１４】
本発明は、このようにI０＝I０ｘ/３で表される零相電流I０を検出して、零相電流指令I０＊との偏差増幅値である零相電圧指令V0*と、3相負荷電力の授受を制御するための３相電圧指令を加算して、３相PWM変換器の電圧指令となし、直流コンデンサの中性点電圧Ｖｄｎの変動を考慮して、前記電圧指令により各相スイッチング素子のゲート信号を生成し、３相PWM変換器の出力端子電圧をパルス幅変調によって制御するものである。
【００１５】
本発明は上記原理に基づき、前述の課題を解決するものであり、その目的を達成するための手段は、
１）請求項１において、
直列に接続された直流コンデンサの中性点と多相負荷の中性点を接続した直流電源を有する多相中性点付きPWM変換装置の制御回路を、前記中性点間を流れる零相実電流値を出力する手段と、該零相実電流値と零相電流指令が一致するように零相分電圧指令を出力する手段と、該零相分電圧指令と前記多相負荷の電力を制御する各相電力分電圧指令を加算して前記多相中性点付きPWM変換装置の各相電圧指令を出力する手段により構成する。
【００１６】
２）請求項２において、
多相中性点付きPWM変換装置の制御回路を、前記直流コンデンサの中点電圧と前記直流電源電圧、及び前記多相中性点付きPWM変換装置の各相電圧指令を入力して、PWM変換装置のスイッチング素子のオンからオフとオフからオンとで異なる演算式により前記直流コンデンサの中点電圧の変動を補正したゲート時間を出力する手段により構成する。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳述する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の多相中性点付きPWM変換装置の制御回路における主回路構成を示すブロック図であり、3相の場合を示す。
同図において、１は３相負荷の誘起電圧源、２は3相負荷の電源インダクタンス、３は交流電流検出器、４は3相PWM変換器、５１及び５２はそれぞれ＋側直流コンデンサ及びー側直流コンデンサ、６は直流電源、７は中性点電流検出器を表す。
以下、図1について説明する。
３相PWM変換器４は、逆並列に接続されたダイオードを有する上下スイッチング素子3組をブリッジ状に接続して構成され、その直流部は直流電源６に直列に接続される。この直流電源６に並列に、直列に接続された＋側直流コンデンサ５１及びー側直流コンデンサ５２が接続される。３相PWM変換器４の交流部はそれぞれ電源インダクタンス２に接続される。交流電流検出器３は、それぞれ３相負荷の誘起電圧源１の各相実電流値Iu、Iv、Iwを検出する。
【００１８】
3相負荷の誘起電圧源１の中性点N1は、直列に接続された＋側直流コンデンサ５１及びー側直流コンデンサ５２の中性点N2と接続される。中性点電流検出器７は、3相各相に流れる零相電流の合計値である中性点電流I０Xを検出する。この誘起電圧源１は、直流電源６に電力を集電するコンバータ動作をする時は誘起電圧源として動作し、又、直流電源６より電力を出力して、HSST等の常伝導リニアモータを駆動するインバータ動作をする時は、負荷の逆起電力として動作する。
又、4相においては、逆並列に接続されたダイオードを有する上下スイッチング素子４組をブリッジ状に接続して構成される４相PWM変換器、4個の交流電流検出器、1個の中性点電流検出器、及び4相負荷により構成し、4相負荷の中性点と4相PWM変換器の直流コンデンサ中性点を接続すれば良く、他の多相においても同様である。
【００１９】
図３は本発明の多相中性点付きPWM変換装置の制御回路における制御回路構成例を示すブロック図である。同図において、１０１は零相電流検出回路、１０２は減算器、１０３は演算増幅器、１０４は加算器、１０５はゲート発生回路を表す。以下、図３について、特に3相の場合を説明する。零相電流検出回路１０１は、中性点電流I０Xを検出し、式I０＝I０ｘ/３に基づいて各相の零相実電流値I０を検出し、減算器１０２に出力する。
【００２０】
減算器１０２は別に生成される零相電流指令I０＊と零相実電流値I０を入力して、その偏差である零相電流偏差値ΔI０を偏差増幅器１０３により、偏差増幅して零相電圧指令V０＊として、加算器１０４に出力する。加算器１０４は零相分電圧指令V０＊と、別に生成される３相負荷の電力を制御する３相各相電力分電圧指令Vm*を加算して、３相PWM変換器の各相電圧指令Vc*をゲート発生回路１０５に出力する。
【００２１】
ゲート発生回路１０５は、３相PWM変換器の各相電圧指令Vc*を入力して、（２）式、又は（３）式により中性点電圧変動を補正した各相のゲート信号Gを3相PWM変換器４に出力する。
このような中性点電圧変動を補正したゲート信号Gにより制御される３相PWM変換器４により、各相電圧指令Vc*通りの電力及び零相電流が制御される。
上記の「別に生成される３相各相負荷の電力を制御する３相各相電力分電圧指令Vm*」とは、例えば、コンバータであれば、3相PWM変換器４に入力する電力制御のために別に生成される電力分電圧指令、インバータであれば、3相PWM変換器４が出力する電力制御のために別に生成される電力分電圧指令のことである。
これは3相PWM変換器４にとってはエネルギーの流れる方向が逆となるだけであり、同一の3相PWM変換器４で構成できる。
又、4相においては、中性点電流I０ｘを零相電流検出回路１０１に入力し、
式、I０＝I０X/４に基づいて各相の零相実電流値I０を検出すれば良く、他の多相においても同様である。
【００２２】
以上の説明では、本発明の制御装置は、多相電源又は負荷がバランスしている事が必要であるように記述してきたが、電源インダクタンスがアンバランスであっても、各相の電源インダクタンスの抵抗値Rs及びインダクタンス値Lsに比例させて、各相の零相電圧指令を制御すれば、各相の零相電流を任意に制御させる事ができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、多相への適用を3相の場合により詳述したように、3相電源及び負荷に対して、電力の授受に関係しない零相電流制御を容易にするために、本発明においては、３相PWM変換装置の直列に接続された直流コンデンサの中性点と３相負荷の中性点を接続したものである。
さらに、上記３相PWM変換装置のコンバータへの適用においては、集電コイルに集電電流及び零相電流を通電する制御手段を、インバータへの適用においては、推進力と吸引力を得るための制御手段を提供するために、(１)式で表される零相電流I０を制御するための零相電圧指令と、上記3相各相電力分電圧指令を加算して、３相PWM変換装置の電圧指令となし、３相PWM変換装置のスイッチング素子のオンからオフとオフからオンとで異なる演算式により前記直流コンデンサの中点電圧の変動を補正したゲート時間を出力し、３相PWM変換器の出力端子電圧をパルス幅変調によって制御するものであり、零相電流指令に追従した零相電流制御、及び電力制御を容易に行う事ができるため、実用上、極めて有用性の高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多相中性点付きPWM変換装置の主回路構成を示すブロック図である。
【図２】        本発明の多相中性点付きPWM変換装置の制御回路における搬送波Esと変調波Vc*との関係を示す説明図である。
【図３】        本発明の多相中性点付きPWM変換装置の制御回路における制御回路構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１                      ３相負荷の誘起電圧源
２                      3相負荷の電源インダクタンス
３                      交流電流検出器
４                      3相PWM変換器
５１、５２              ＋側直流コンデンサ及びー側直流コンデンサ
６                      直流電源
７                      中性点電流検出器
１０１                  零相電流検出回路
１０２                  減算器
１０３                  偏差増幅器
１０４                  加算器
１０５                  ゲート発生回路
【図１】
0004582933.tif 000005
【図２】
0004582933.tif 000006
【図３】
0004582933.tif 000007