JP3841254B2 - ３相中性点クランプ式ｐｗｍインバータ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータの可変速駆動をおこなうインバータ・サーボドライブ等の電力変換装置や系統連系する電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータ装置のＰＷＭパルス発生方法としては、特開平５−１４６１６０に示されているように振幅指令と搬送波を比較してパルスを出力するユニポーラ変調・ダイポーラ変調や、特開平５−２９２７５４のように空間ベクトルの考え方を用いて各ベクトルの発生時間を演算しＰＷＭパルスを発生する方式がある。図１０は３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータの出力電圧ベクトルを平面へ図示したベクトル図である。３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータの相出力端子が正母線へ接続されたスイッチ状態をＰ、負母線へ接続されたスイッチ状態をＮ、中性線へ接続されたスイッチ状態をＯとし、出力相のＵＶＷの順序で並べるとすれば、３相中性点クランプ式インバータが取り得る出力電圧ベクトルは図１０に示すような２７種類のスイッチ状態をとる。
【０００３】
ここで、説明の便宜上、図１０に示す３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータが取り得る２７種類のスイッチ状態を
零ベクトル
ＰＰＰ：Ｏｐ
ＯＯＯ：Ｏｏ
ＮＮＮ：Ｏｎ
ｘベクトル
ＰＯＯ，ＯＰＯ，ＯＯＰ：ｘｐ
ＯＮＮ，ＮＯＮ，ＮＮＯ：ｘｎ
ｙベクトル
ＰＰＯ，ＯＰＰ，ＰＯＰ：ｙｐ
ＯＯＮ，ＮＯＯ，ＯＮＯ：ｙｎ
ｚベクトル
ＰＯＮ，ＯＰＮ，ＮＰＯ，ＮＯＰ，ＯＮＰ：ｚ
ａベクトル
ＰＮＮ，ＮＰＮ，ＮＮＰ：ａ
ｂベクトル
ＰＰＮ，ＮＰＰ，ＰＮＰ：ｂ
とグループに分け、
零ベクトルとｘベクトル，ｙベクトルで囲まれた領域を１−１〜６−１
ｘベクトル，ａベクトル，ｚベクトルで囲まれた領域を１−２〜６−２
ｘベクトル，ｙベクトル，ｚベクトルで囲まれた領域を１−３〜６−３
ｙベクトル，ｂベクトル，ｚベクトルで囲まれた領域を１−４〜６−４
のように区分けする。
３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータが図１０に示す領域内のある電圧ベクトルＡを出力するには、その電圧ベクトルの先端に最も距離が近いスイッチ状態のベクトルを使って、それらのベクトルを順次発生させ、ある単位時間内のベクトルの合成値が電圧ベクトルＡと同じになるようにパルス幅変調（ＰＷＭ）を行い出力電圧を得る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータでは、図９のように中性点電圧を作るために主回路正母線Ｐと負母線間Ｎに平滑コンデンサ３，４を偶数個直列に接続し、正母線Ｐと負母線Ｎのちょうど中間の電圧となるコンデンサの端子０から中性線を取り出して利用するのが一般的である。図９において、１は三相交流電源、２は整流ダイオードブリッジ、６〜１１はクランプダイオード、１２〜２３は還流ダイオード、２４〜３５はＩＧＢＴ、３６〜３８は電流センサ、３９は負荷モータである。
前記の中性線０はＰＷＭインバータ出力負荷（負荷モータ３９）とＰＷＭインバータのスイッチの状態によって図７、図８のように接続される。中性線の電位（中性点電位）は正母線・負母線からコンデンサを充電する電流と接続された負荷からの電流によって変動する。
図７に示すスイッチ状態において、負荷へ出力する線間電圧は同じであるが、中性線へ接続される負荷の相が異なるスイッチ状態の組（図７で隣り合うスイッチ状態を一組とする）を利用し、この組のスイッチ状態が発生される時間比率を調節することで中性点電位を細かく制御することが可能である。
しかし、図８に示すスイッチの状態では、中性線に接続される負荷の相電流とこのスイッチ状態が発生される時間比率によって中性点電位が変動し、これを完全に補正するスイッチ状態が存在しないため、図８のスイッチ状態で引き起こされた中性点電位変動は図７のスイッチ状態を使って補正しなければならない。
【０００５】
そこで、従来は特開平２−２６１０６３号公報に示されているように変調率に零相電圧を加え、図７に示した組のスイッチ状態の発生時間を調節し負荷へ供給する線間出力電圧を変えずに中性点電位変動をコントロールしている。また空間ベクトル的な方法でも出力されるべき電圧ベクトルを図７に示したスイッチ状態の組を使用するように出力し、その組のスイッチ状態の発生時間を調節して中性点電位をコントロールしていた。
３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータでは、図８のスイッチ状態時の中性点電位変動が、図８より中性線に接続された負荷の相電流によって決まる。中性線に接続される負荷の相電流（負荷力率＝１のとき）を図１１に示すと、中性線に接続される負荷の相電流１１０の向きは出力電圧ベクトルが１２０度変化する間に必ず反転するため、この影響により中性点電位は出力周波数の３倍の周波数で変動するといった問題があった。
さらに、変調率がかなり大きい場合には図７に示すスイッチ状態よりも、図８に示すスイッチ状態の発生時間比率が大きくなり、変調率が約１．１５を超える過変調状態では、図７に示すスイッチ状態の発生時間比率が完全に零になって、図８に示すスイッチ状態によって起こる中性点電位の変動を抑制することができないという問題があった。
そこで本発明が解決しようとする課題は、３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータ装置の中性点電位変動を抑制し、さらに従来不可能であった過変調時の中性点電位の調整を可能とし、安全性の向上、出力電圧品質の向上を図ることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、
（１）正母線と負母線と中性線とを有し、前記正母線と相電圧出力端子間、並びに前記負母線と前記相出力端子間に、それぞれ第１及び第２のスイッチ素子、並びに第３及び第４のスイッチ素子を直列接続するとともに、前記第１と前記第２のスイッチ素子の接続点、及び前記第３と前記第４のスイッチ素子の接続点をそれぞれクランプ素子を介して前記中性線と接続された中性点クランプ式ＰＷＭインバータを３相分設けた３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータにおいて、前記正母線、前記負母線、前記中性線が、それぞれ３相の前記相出力端子に接続される６つのスイッチ状態となる３相出力電圧の時間を第１の設定値以下に抑制し、前記第１の設定値以下に抑制されたことに伴う出力電圧の不足分を、３相の前記相出力端子各々が前記正母線または前記負母線に接続される８つのスイッチ状態の中から３相の前記相出力端子が３つ同時に前記正母線または負母線に接続される２つのスイッチ状態を除く６つのスイッチ状態で補うことを特徴とする３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータ装置とする。
【０００７】
（２）前記（１）の３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータ装置において、前記第１の設定値以下に抑制される６つのスイッチ状態から、前記出力電圧の不足分を補う前記６つのスイッチ状態へ移行する際に前記中性点クランプ式ＰＷＭインバータの１相のみのスイッチ状態が変化することを特徴とする３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータ装置とする。
（３）前記（１）または（２）の３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータ装置において、前記第１の設定値を変調率の値によって変化させることを特徴とする３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータ装置とする。
（４）前記（１）または（２）の３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータ装置において、前記第１の設定値を中性線に流れる電流の方向又は出力電流の位相によって変化させることを特徴とする３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータ装置とする。
（５）前記（１）または（２）の３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータ装置において、前記第１の設定値を前記中性線の電圧値に応じて変化させることを特徴とする３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータ装置とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１〜図４は本発明のＰＷＭ出力パルス列の一例である。
図１〜図４ではＰＷＭ出力の周期を２×Ｔ、横軸を時系列とし左から右の順にパルスが出力されるとして図示している。
図１〜図３に示した例では出力する電圧ベクトルに近接した３ベクトルに、ｚベクトルが含まれた場合には、ｚベクトルから一相のだけのスイッチ状態の変化で移動でき、かつ近接した３ベクトルに含まれないａまたはｂベクトルも出力する。
１−３〜６−３領域（図１）
例１： ｙｐ→ｂ→ｚ→ｙｎ→ｘｎ→ａ→ｚ→ｘｐ→ｙｐ
１−２〜６−２領域（図２）
例２： ｘｐ→ｚ→ｂ→ｚ→ａ→ｘｎ，ｘｎ→ａ→ｚ→ｂ→ｚ→ｘｐ
例３： ｂ→ｚ→ｘｐ→ａ→ｘｎ，ｘｎ→ａ→ｘｐ→ｚ→ｂ
１−４〜６−４領域（図３）
例４： ｙｐ→ｂ→ｚ→ａ→ｚ→ｙｎ，ｙｎ→ｚ→ａ→ｂ→ｙｐ
例５： ｙｐ→ｂ→ｙｎ→ｚ→ａ，ａ→ｚ→ｙｎ→ｂ→ｙｐ
上記例には示していないが、上記例と逆順（右から左の順にＰＷＭパルスを出力）でも出力電圧の平均値は上記例と同じとなる。
【０００９】
前述のようなパルス列を出力するとき、各スイッチ状態の発生時間は出力する電圧ベクトルの変調率をｋ（図１０の六角形の内接円半径を１とする）、角度的に一番近いａベクトルからのなす角をθ、ＰＷＭ出力パルスの周期をＴとし、ｚベクトルの出力時間をＴ2とした場合には
１−３〜６−３領域では
零ベクトルの発生時間（Ｔ0）は Ｔ0＝０
ｘベクトルの発生時間（Ｔ1）は Ｔ1＝Ｔ{１−2ksinθ}
ｚベクトルの発生時間（Ｔ2）は Ｔ2＝Ｔ{2ksin(θ＋π/3)−１}以下且つ零以上の任意値
ｙベクトルの発生時間（Ｔ3）は Ｔ3＝Ｔ{１−2ksin(π/3−θ)}
ａベクトルの発生時間（Ｔ4）は Ｔ4＝[Ｔ{2ksin(θ+π/3)-1}−Ｔ2]/2
ｂベクトルの発生時間（Ｔ5）は Ｔ5＝[Ｔ{2ksin(θ'+π/3)-1}−Ｔ2]/2
１−２〜６−２領域では
零ベクトルの発生時間（Ｔ0）は Ｔ0＝０
ｘベクトルの発生時間（Ｔ1）は Ｔ1＝Ｔ{１−ksin(θ＋π/3)}
ｚベクトルの発生時間（Ｔ2）は Ｔ2＝2Ｔksinθ以下且つ零以上の任意値
ｙベクトルの発生時間（Ｔ3）は Ｔ3＝０
ａベクトルの発生時間（Ｔ4）は Ｔ4＝Ｔ(３^1/2kcosθ-1)−Ｔ2/2
ｂベクトルの発生時間（Ｔ5）は Ｔ5＝(2Ｔksinθ−Ｔ2)/2
１−４〜６−４領域では
零ベクトルの発生時間（Ｔ0）は Ｔ0＝０
ｘベクトルの発生時間（Ｔ1）は Ｔ1＝０
ｚベクトルの発生時間（Ｔ2）は Ｔ2＝2Ｔksin(π/3−θ)以下且つ零以上の任意値
ｙベクトルの発生時間（Ｔ3）は Ｔ3＝2Ｔ{１−ksin(θ＋π/3)}
ａベクトルの発生時間（Ｔ4）は Ｔ4＝{2ksin(π/3−θ)−Ｔ2}/2
ｂベクトルの発生時間（Ｔ5）は Ｔ5＝Ｔ(３^1/2kcos(π/3-θ)-1)-Ｔ2/2
のように示すことができる。
【００１０】
さらに１−３〜６−３領域では、
例６： ｙｐ→ｘｐ→ｚ→ａ→ｘｎ→ｙｎ，ｙｎ→ａ→ｚ→ｘｐ→ｙｐ
例７： ｘｐ→ｙｐ→ｂ→ｚ→ｙｎ→ｘｎ，ｘｎ→ｙｎ→ｚ→ｂ→ｙｐ→ｘｐ
と図４に示すようなパターンを取ることもでき、その場合の各スイッチ状態の発生時間は、
ｙｐ→ｘｐ→ｚ→ａ→ｘｎ→ｙｎの場合
零ベクトルの発生時間（Ｔ0）は Ｔ0＝０
ｘベクトルの発生時間（Ｔ1）は Ｔ1＝Ｔ{2−3ksinθ−３^1/2kcosθ}＋Ｔ2
ｚベクトルの発生時間（Ｔ2）は Ｔ2＝{2ksin(θ＋π/3)−1}以下且つ零以上の任意値
ｙベクトルの発生時間（Ｔ3）は Ｔ3＝Ｔ{2ksinθ}−Ｔ2
ａベクトルの発生時間（Ｔ4）は Ｔ4＝Ｔ{３^1/2kcosθ＋ksinθ−1}−Ｔ2
ｘｐ→ｙｐ→ｂ→ｚ→ｂｎ→ｘｎの場合
零ベクトルの発生時間（Ｔ0）は Ｔ0＝０
ｘベクトルの発生時間（Ｔ1）は Ｔ1＝Ｔ{３^1/2kcosθ−ksinθ}−Ｔ2
ｚベクトルの発生時間（Ｔ2）は Ｔ2＝{2ksin(θ＋π/3)−1}以下且つ零以上の任意値
ｙベクトルの発生時間（Ｔ3）は Ｔ3＝Ｔ{2−2・３^1/2kcosθ}＋Ｔ2
ｂベクトルの発生時間（Ｔ5）は Ｔ5＝Ｔ{ksinθ＋３^1/2kcosθ−1}−Ｔ2
のように示すことができる。
【００１１】
以上のようなＰＷＭ出力パルス列とすれば、図８に示したｚベクトルの発生時間（Ｔ2）を零以上の任意値に決定することができ、Ｔ2を短くすることでｚベクトルによる中性点電位の変動を抑制することができ、変調率が大きい場合（ｘ，ｙベクトルの発生時間が短くなる場合）に中性点電位を変動させるｚベクトルの発生時間を短くできるので出力周波数の３倍で変動する中性点電位変動を抑制することが可能である。
また、上記のような本発明のＰＷＭパルス列とすれば、ＰＷＭパルスの移行の際に１相のみのスイッチ状態しか変化しないので、出力線間電圧の変動幅が中性点電位とほぼ同じとなり負荷サージを抑制できる。なお、上記のＰＷＭパルス列は例であり、上記例以外でも本発明の特徴を満たすパルス列は存在する。
図５は本発明の一例を示すブロック図である。図中１０１はｚベクトル発生時間演算器１、１０２はｚベクトル発生時間上限設定器、１０３はＰＷＭ発生時間演算器、１０４は各ベクトル発生時間設定器、１０５はＰＷＭパターン発生器である。
ｚベクトルの発生時間は変調率によって大幅に変化するので、変調率が小さくｚベクトルの発生時間も小さい場合に、さらにｚベクトルの発生時間を短くするとｚベクトルおよびｚベクトルを補うために出力されるａまたはｂベクトルの両方の発生時間が微少となりスイッチ素子の応答性が遅い場合には正しいパルスが出力されず、出力電圧が不足することがある。そこで、図５に示すように、変調率に応じてＴ2の設定値を変化させるｚベクトル発生時間演算器１（１０１）を付加し、変調率に応じてＴ2の設定値を最適化し、ｚ，ａ，ｂベクトルの各発生が短くなり過ぎないように調節して出力電圧が不足しないような構成とする。
【００１２】
図６は本発明の一例を示すブロック図である。図中１０６はｚベクトル発生時間演算器２である。
ｚベクトルを発生させた時の中性点電位の変動方向は中性線に接続された相の負荷電流の向きで決定され、中性線に電流が流れ込むと中性点電位は高くなり、電流が流れ出ると中性点電位は低くなる。
図６のような構成の回路を用いて電圧ベクトルの変調率と位相、中性線に接続された負荷の相電流の方向を図９に示す電流センサ３６，３７，３８で測定し、その電流方向と中性点電位制御指令に応じてＴ2の時間設定をｚベクトル発生時間演算器２（１０６）で演算する。
【００１３】
中性点電位制御指令が
（１）中性点電位を上昇させる指令の場合には、
スイッチ状態と相電流の状態より中性線に電流が流れ込む時にはｚベクトルの発生時間比率を大きくし、それ以外ではｚベクトルの発生時間比率を小さくする。
（２）中性点電位を下降させる指令の場合には、
スイッチ状態と相電流の状態より中性線に電流が流れ出る時にはｚベクトルの発生時間比率を大きくし、それ以外ではｚベクトルの発生時間比率を小さくする。
（３）中性点電位を保持する指令の場合には
ｚベクトルの発生時間比率を一定値とする。
以上のようにすることで、中性点電位を所望の電位へ調節することが可能となる。変調率が１を超えるような過変調の状態では、従来使用していた中性点電位を調整することのできるｘ，ｙベクトルの発生時間がほとんどななくなり、中性点電位の調整が不可能であったが、図６に示すような回路構成でｚベクトルの発生時間を調整することで、過変調時でも中性点電位の調整が可能となる。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータ装置の中性点電位変動を抑制し、さらに従来不可能であった過変調時の中性点電位の調整が可能となり、安全性の向上、出力電圧品質の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のＰＷＭパルスパターンの一例を示すタイムチャートである。
【図２】 本発明のＰＷＭパルスパターンの一例を示すタイムチャートである。
【図３】 本発明のＰＷＭパルスパターンの一例を示すタイムチャートである。
【図４】 本発明のＰＷＭパルスパターンの一例を示すタイムチャートである。
【図５】 本発明のＰＷＭパルス発生回路の一例を示すブロック図である。
【図６】 本発明のＰＷＭパルス発生回路の一例を示すブロック図である。
【図７】 ３相中性点クランプ式インバータのスイッチ状態１における負荷との接続状態を示す説明図である。
【図８】 ３相中性点クランプ式インバータのスイッチ状態２における負荷との接続状態を示す説明図である。
【図９】 ３相中性点クランプ式インバータの回路構成図である。
【図１０】 ３相中性点クランプ式インバータの出力電圧空間ベクトル図である。
【図１１】 中性線に流れる電流の図（負荷力率＝１）である。
【符号の説明】
１ 三相交流電源
２ 整流ダイオードブリッジ
３，４ 平滑コンデンサ
６〜１１ クランプダイオード
１２〜２３ 還流ダイオード
２４〜３５ ＩＧＢＴ
３６〜３８ 電流センサ
３９ 負荷モータ
１０１ ｚベクトル発生時間演算器１
１０２ ｚベクトル発生時間上限設定器
１０３ ＰＷＭ発生時間演算器
１０４ 各ベクトル発生時間設定器
１０５ ＰＷＭパターン発生器
１０６ ｚベクトル発生時間演算器２
１０７ Ｕ相電流
１０８ Ｖ相電流
１０９ Ｗ相電流
１１０ ｚベクトル出力時に中性線に流れる電流

Claims (5)

1. 正母線と負母線と中性線とを有し、前記正母線と相電圧出力端子間並びに前記負母線と前記相出力端子間にそれぞれ第１及び第２のスイッチ素子、並びに第３及び第４のスイッチ素子を直列接続するとともに、前記第１と前記第２のスイッチ素子の接続点及び前記第３と前記第４のスイッチ素子の接続点をそれぞれクランプ素子を介して前記中性線と接続された中性点クランプ式ＰＷＭインバータを３相分設けた３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータにおいて、
   前記正母線、前記負母線、前記中性線が、それぞれ３相の前記相出力端子に接続される６つのスイッチ状態となる３相出力電圧の時間を第１の設定値以下に抑制し、前記第１の設定値以下に抑制されたことに伴う出力電圧の不足分を、３相の前記相出力端子各々が前記正母線または前記負母線に接続される８つのスイッチ状態の中から３相の前記相出力端子が３つ同時に前記正母線または負母線に接続される２つのスイッチ状態を除く６つのスイッチ状態で補うことを特徴とする３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータ装置。
2. 請求項１の３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータ装置において、前記第１の設定値以下に抑制される６つのスイッチ状態から、前記出力電圧の不足分を補う前記６つのスイッチ状態へ移行する際に前記中性点クランプ式ＰＷＭインバータの１相のみのスイッチ状態が変化することを特徴とする３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータ装置。
3. 請求項１または請求項２の３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータ装置において、前記第１の設定値を変調率の値によって変化させることを特徴とする３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータ装置。
4. 請求項１または請求項２の３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータ装置において、前記第１の設定値を中性線に流れる電流の方向又は出力電流の位相によって変化させることを特徴とする３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータ装置。
5. 請求項１または請求項２の３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータ装置において、前記第１の設定値を前記中性線の電圧値に応じて変化させることを特徴とする３相中性点クランプ式ＰＷＭインバータ装置。

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