JP3341047B2 - 多レベル電力変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＰＷＭ制御により
直流電圧を多レベルの交流電圧パルスに変換する電力変
換器を少なくとも２台有し、各電力変換器は直流側同士
が複数直列接続されたフィルタコンデンサよりなる直流
ステージ回路を介して接続されてなる多レベル電力変換
装置（コンバータ・インバータシステム）に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高周波スイッチング素子の使用を
可能とし、かつ出力レベル数増加により高調波の低減が
可能な多レベル電力変換器が、普及し始めている。多レ
ベル電力変換器では、直流ステージの直列コンデンサの
中間電圧を一定に制御することが、指令通りの電圧を出
力するために重要である。

【０００３】例えば、特開平７−７５３４５号公報に
は、３レベルインバータの中性点電圧制御の方法が記載
されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらインバー
タの中性点電圧制御では、一般に出力周波数の高い領域
では１周期のパルス数が減少し、中性点電圧制御の効果
が弱くなると言う問題がある。

【０００５】本発明の目的は、コンバータ・インバータ
システムにおいて、全動作領域で中性点電圧制御を効果
的に実現することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】コンバータ側において中
性点電圧制御を行う手段、インバータ側において中性点
電圧制御を行う手段、およびこの中性点電圧制御を選択
する手段を設け、コンバータ側において中性点電圧制御
を行う手段とインバータ側において中性点電圧制御を行
う手段とをインバータのパルスモード信号、または、フ
ィルタコンデンサよりなる直流ステージの中間点電圧の
偏差信号、または、インバータの出力周波数の大きさに
相当する信号を用いて選択する。

【０００７】これによりインバータのパルス数が減少す
る高速領域でも、コンバータ側のパルス数は、常にほぼ
一定であるので、中性点電圧制御を効果的に行える。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を、交流
電気車に適用して示す図１により説明する。単相交流を
直流に変換する多レベル電力変換器１(以下、コンバー
タと称する)は、図２（ａ）に示すようにスイッチング
素子１１ａ〜１１ｈおよび整流素子１２ａ〜１２ｈから
成る３レベルコンバータを示している。コンバータ１の
交流側には、変圧器２を介して交流電源３が接続され
る。また、その直流側にはフィルタコンデンサ４１，４
２（以下、コンデンサと略称）を介して、直流を交流に
変換する電力変換器５（以下、インバータと称する）が
接続され、さらに電気車駆動用の誘導電動機６が接続さ
れる。また、コンバータからの直流を交流に変換する多
レベル電力変換器５（以下、インバータと称する）は、
図２（ｂ）に示すようにスイッチング素子５１ａ〜５１
ｌおよび整流素子５２ａ〜５２ｌ，５３ａ〜５３ｆから
なる３レベルインバータを示している。なお、図２のコ
ンバータ・インバータにおける主回路構成の詳細な説明
は、上記した特許公開公報に記載されているので省略す
る。

【０００９】電圧検出器７１および７２によりそれぞれ
検出した正側直流電圧ｅｄｐおよび負側直流電圧ｅｄｎ
から、加算器８１および減算器８２により、これらの和
である直流電圧ｅｄ、および差である直流電圧差分Δｅ
ｄを算出する。電圧検出器７３より検出した交流電圧ｅ
ｓ，電流検出器７４より検出した交流電流ｉｓ、および
直流電圧ｅｄを用いて、コンバータ制御回路８３は変調
波ｙｍｃを発生する。

【００１０】また、直流電圧差分Δｅｄから、コンバー
タ中性点電圧制御器８４により、変調波補正信号Δｙｍ
ｃを得る。変調波ｙｍｃおよび変調波補正信号Δｙｍｃ
を用いて、ＰＷＭ制御器８５によりパルス信号を発生
し、コンバータ１のスイッチング素子１１ａ〜１１ｈを
オン・オフ制御する。

【００１１】電流検出器より検出したインバータ電流ｉ
ｍｍ，速度検出器７６より検出した速度信号ｆｒ、およ
び直流電圧ｅｄを用いて、インバータ制御器８６は変調
波ｙｍｉおよびパルスモード信号ｍｏｄｅを発生する。
また、直流電圧差分Δｅｄから、インバータ中性点電圧
制御器８７により、変調波補正信号Δｙｍｉを得る。こ
の変調波ｙｍｉ，パルスモード信号ｍｏｄｅおよび変調
波補正信号Δｙｍｉを用いて、ＰＷＭ制御器８８により
パルス信号を発生し、インバータ５のスイッチング素子
５１ａ〜１１ｌをオン・オフ制御する。

【００１２】ゲートスタート信号発生器では、コンバー
タのゲートスタート信号Ｇｓｃおよびインバータのゲー
トスタート信号Ｇｓｉを発生する。コンバータのＰＷＭ
制御器８５およびインバータのＰＷＭ制御器８８は、そ
れぞれのゲートスタート信号が入力されたときのみパル
ス信号を発生し、コンバータ１，インバータ５をそれぞ
れ動作させる。中性点電圧制御選択器９０は、コンバー
タおよびインバータのゲートスタート信号Ｇｓｃおよび
Ｇｓｉと、パルスモード信号ｍｏｄｅから、コンバータ
およびインバータの中性点電圧制御動作信号Ｎｐｃおよ
びＮｐｉを発生する。コンバータの中性点電圧制御器８
４およびインバータの中性点電圧制御器８７は、それぞ
れの中性点電圧制御動作信号ＮｐｃおよびＮｐｉが入力
されたときのみ動作する。

【００１３】次に、図３を用いて、図１の実施例の動作
を説明する。

【００１４】直流ステージ回路の中性点が共通であるコ
ンバータ・インバータシステムにおいては、基本的には
コンバータかインバータのいずれか一方で中性点電圧制
御をすればよく、インバータの中性点電圧制御は、直流
電気車両で既に実用化されているので、これを流用すれ
ばよいと考えられていた。

【００１５】ところで、コンバータ・インバータシステ
ムにおいては、コンバータの動作により直流電圧ｅｄが
ある所定の値以上になってから、インバータを起動す
る。よって、図３のようにコンバータのゲートスタート
信号Ｇｓｃがハイになってしばらくした後、インバータ
のゲートスタート信号Ｇｓｉがハイになる。したがっ
て、この期間はコンバータのみがコンデンサ４１および
４２の充電動作をしており、インバータによる中性点電
圧制御は行うことができない。またインバータ５の起動
後はインバータの中性点電圧制御動作信号Ｎｐｉをハイ
にし、インバータ側で中性点電圧制御を行う。しかしな
がら、誘導電動機６の回転速度が上昇すると、インバー
タ出力の１周期におけるパルス数が減少する。中性点電
圧制御は、いずれも最終的にはインバータ５に与えるパ
ルスの立ち上がりあるいは立ち下がりをある量（時間）
だけ操作することで実現するため、同じ操作量であれ
ば、パルス数が少ないほど中性点電圧制御の効果が低減
することになる。また、操作量をいたずらに増加するこ
とは、電流の歪みなどの問題を生じる。従って、インバ
ータの中性点電圧制御だけでは十分な補償効果が得られ
ない場合が発生する。

【００１６】この様な問題を解決するために、コンバー
タ中性点電圧制御器８４を設け、前述のようにコンバー
タが動作し、インバータが起動していない場合には、コ
ンバータの中性点電圧制御動作信号Ｎｐｃをハイにし
て、コンバータ側で中性点電圧制御を行う。また、速度
が高く、インバータのパルス数が少ない領域でも、コン
バータの中性点電圧制御動作信号Ｎｐｃをハイにする。
図３では一般性のため、パルスモードを番号で記述し、
パルスモード１，パルスモード２，…の様に表してい
る。ここではパルスモードｎ以降が、パルス数が少な
く、インバータの中性点電圧制御のみでは十分な補償効
果が得られない領域であると仮定した。

【００１７】ここで、コンバータの中性点電圧制御動作
信号Ｎｐｃがハイである高速域では、インバータの中性
点電圧制御動作信号Ｎｐｉをローにし、インバータの中
性点電圧制御を行わないようにしているが、これはＰＷ
Ｍの方式や定数によっては、インバータの中性点電圧制
御が効果がなくなるだけでなく、逆に波形を歪ませた
り、中性点電圧の変動を助長したりする場合があるため
である。このような恐れがない場合には、図３の破線で
示したように、インバータの中性点電圧制御動作信号Ｎ
ｐｉをハイに保ち、インバータの中性点電圧制御器８７
を動作させ続けていても支障はない。

【００１８】さらに、インバータの中性点電圧制御動作
信号Ｎｐｉがハイの場合には、コンバータの中性点電圧
制御動作信号Ｎｐｃをローにしているが、これはコンバ
ータ側で中性点電圧制御を行うことで電源側に発生する
可能性がある高調波や直流偏差の発生の機会を、極力低
減するためである。やはりこちらも、この様な現象が問
題にならない場合には、コンバータの中性点電圧制御動
作信号Ｎｐｃをハイにし続けていても支障はない。

【００１９】また、コンバータで中性点電圧制御を行う
領域であるパルスモードは、１パルス，２パルスあるい
は３パルスなどの少数パルスモード，過変調モードなど
が考えられる。これらは、主回路諸元，ＰＷＭの変調方
式、またキャリア周波数などにより変わることは自明で
ある。

【００２０】図４は本発明の第２の実施例である。基本
的には図１の実施例と同様であるが、中性点電圧制御選
択器９０は、コンバータの中性点電圧制御動作信号Ｎｐ
ｃのみを出力し、インバータの中性点電圧制御器８７
は、インバータ動作中は常に動作している。上述の、コ
ンバータで中性点電圧制御を行う際にインバータの中性
点電圧制御を停止する必要がない場合の実施例である。
図１の実施例と効果は同じであるが、装置を若干簡略化
できる。

【００２１】図５は、本発明の第３の実施例である。中
性点電圧制御選択器９１では、インバータゲートスター
ト信号ＧｓｉをＮＯＴ回路９１１で反転し、ＡＮＤ回路
912で論理積をとる。リレー回路９１３は、直流電圧差
分Δｅｄがある敷居値を超えるとハイを出力する。ＯＲ
回路９１４でこれらの論理和をとって、コンバータ中性
点電圧制御動作信号Ｎｐｃとして出力する。また、これ
をＮＯＴ回路９１５で反転し、インバータ中性点電圧制
御動作信号Ｎｐｉとして出力する。

【００２２】この実施例では、インバータの起動前と、
インバータの起動後の直流電圧差分Δｅｄが大きい場合
にコンバータの中性点電圧制御器８４を動作させる。速
度に関わらず動作するので、装置のパラメータ変動，過
渡時の動作，事故時などにも良好な補償効果を得ること
ができる。また、図４の実施例同様、場合に応じてイン
バータ中性点電圧制御動作信号Ｎｐｉの出力を省略して
も良い。

【００２３】図６は、本発明の第４の実施例である。中
性点電圧制御選択器９２では、速度信号ｆｒをある特定
の速度Ｆｒ１と比較回路９２１で比較し、ＯＲ回路９１
４に出力する。他は図５の実施例と同様である。

【００２４】本実施例では、速度がＦｒ１以上となると
コンバータの中性点電圧制御器８４が動作する。このた
め、基本的には図１の実施例と同様の効果を得ることが
できる。また、図５の実施例同様、場合に応じてインバ
ータ中性点電圧制御動作信号Ｎｐｉの出力を省略しても
良い。

【００２５】図７は、本発明の第５の実施例である。中
性点電圧制御選択器９３では、インバータの変調波信号
ｙｍｉから、振幅算出器９３１で変調率Ｋを算出し、こ
れをある特定の変調率Ｋ１と比較回路９２１で比較し、
ＯＲ回路９１４に出力する。他は図５の実施例と同様で
ある。

【００２６】本実施例では、変調率がＫ１以上となると
コンバータの中性点電圧制御器８４が動作する。変調率
は、一般に１パルスモードに入るまでは速度ｆｒに比例
するように制御され、また１パルス領域では一定値とな
るため、基本的には図１の実施例と同様の効果を得るこ
とができる。また、図６の実施例同様、場合に応じてイ
ンバータ中性点電圧制御動作信号Ｎｐｉの出力を省略し
ても良い。

【００２７】以上では、３レベルコンバータ・インバー
タシステムを例にとり説明したが、他の多レベル変換器
においても同様の構成により、同様の効果が期待でき
る。

【００２８】

【発明の効果】コンバータ・インバータシステムの運転
状態に応じて、コンバータとインバータの中性点電圧制
御を組み合わせ、あるいは切り替えることにより、全動
作領域で中性点電圧制御を効果的に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例を示す構成図である。

【図２】図１の実施例の電力変換器の主回路構成を示す
図である。

【図３】図１の実施例の動作を示す図である。

【図４】本発明の第２の実施例を示す図である。

【図５】本発明の第３の実施例を示す図である。

【図６】本発明の第４の実施例を示す図である。

【図７】本発明の第５の実施例を示す図である。

【符号の説明】

１…コンバータ、１１ａ〜１１ｈ…スイッチング素子、
１２ａ〜１２ｈ，１３ａ〜１３ｄ…整流素子、２…変圧
器、３…交流電源、４１，４２…フィルタコンデンサ、
５…インバータ、５１ａ〜５１ｌ…スイッチング素子、
５２ａ〜５２ｌ，５３ａ〜５３ｆ…整流素子、６…誘導
電動機、７１〜７３…電圧検出器、７４，７５…電流検
出器、７６…速度検出器、８１…加算器、８２…減算
器、８３…コンバータ制御器、８４…コンバータ中性点
電圧制御器、８５，８８…ＰＷＭ制御器、８６…インバ
ータ制御器、８７…インバータ中性点電圧制御器、８９
…ゲートスタート信号発生器、９０〜９３…中性点電圧
制御選択器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堀江 哲 茨城県ひたちなか市市毛1070番地 株式 会社 日立製作所 水戸工場内 (72)発明者 中村 清 茨城県ひたちなか市市毛1070番地 株式 会社 日立製作所 水戸工場内 (56)参考文献 特開 平７−75345（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−250478（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−98548（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−319263（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−268771（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02M 7/48 H02M 7/5387 H02P 5/41 302

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数のスイッチング素子をＰＷＭ制御して
   正，負及び中間電圧を有する直流電圧から多レベルの交
   流電圧パルスに変換する多レベルＰＷＭ制御電力変換器
   を少なくとも２台有し、各電力変換器は直流側同士が
   正，負及び中間電圧を有するフィルタコンデンサよりな
   る直流ステージを介して接続され、その第１の電力変換
   器の交流側には一定周波数の交流電源が接続され、一方
   の第２の電力変換器の交流側は可変周波数可変電圧が出
   力されてその出力端には負荷が接続されてなる多レベル
   電力変換装置において、 前記直流ステージ回路の中間点電圧の制御を第１の多レ
   ベルの電力変換器で行う手段と、前記直流ステージ回路
   の中間点電圧の制御を第２の多レベルの電力変換器で行
   う手段と、前記第１の電力変換器による中間点電圧制御
   手段と前記第２の電力変換器による中間点電圧制御手段
   とを前記第２の電力変換器のパルスモード信号を用いて
   選択する選択手段とを備えたことを特徴とする多レベル
   電力変換装置。
2. 【請求項２】複数のスイッチング素子をＰＷＭ制御して
   正，負及び中間電圧を有する直流電圧から多レベルの交
   流電圧パルスに変換する多レベルＰＷＭ制御電力変換器
   を少なくとも２台有し、各電力変換器は直流側同士が
   正，負及び中間電圧を有するフィルタコンデンサよりな
   る直流ステージを介して接続され、その第１の電力変換
   器の交流側には一定周波数の交流電源が接続され、一方
   の第２の電力変換器の交流側は可変周波数可変電圧が出
   力されてその出力端には負荷が接続されてなる多レベル
   電力変換装置において、 前記直流ステージ回路の中間点電圧の制御を第１の多レ
   ベルの電力変換器で行う手段と、前記直流ステージ回路
   の中間点電圧の制御を第２の多レベルの電力変換器で行
   う手段と、前記第１の電力変換器による中間点電圧制御
   手段と前記第２の電力変換器による中間点電圧制御手段
   とを前記直流ステージ回路の中間点電圧の偏差信号を用
   いて選択する選択手段とを備えたことを特徴とする多レ
   ベル電力変換装置。
3. 【請求項３】複数のスイッチング素子をＰＷＭ制御して
   正，負及び中間電圧を有する直流電圧から多レベルの交
   流電圧パルスに変換する多レベルＰＷＭ制御電力変換器
   を少なくとも２台有し、各電力変換器は直流側同士が
   正，負及び中間電圧を有するフィルタコンデンサよりな
   る直流ステージを介して接続され、その第１の電力変換
   器の交流側には一定周波数の交流電源が接続され、一方
   の第２の電力変換器の交流側は可変周波数可変電圧が出
   力されてその出力端には負荷が接続されてなる多レベル
   電力変換装置において、 前記直流ステージ回路の中間点電圧の制御を第１の多レ
   ベルの電力変換器で行う手段と、前記直流ステージ回路
   の中間点電圧の制御を第２の多レベルの電力変換器で行
   う手段と、前記第１の電力変換器による中間点電圧制御
   手段と前記第２の電力変換器による中間点電圧制御手段
   とを前記第２の電力変換器の出力周波数の大きさに相当
   する信号を用いて選択する選択手段とを備えたことを特
   徴とする多レベル電力変換装置。