JP3841254B2 - 3相中性点クランプ式pwmインバータ装置 - Google Patents
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Description
【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(31/2kcosθ-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(31/2kcos(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−31/2kcosθ}+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{31/2kcosθ+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{31/2kcosθ−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・31/2kcosθ}+T2
bベクトルの発生時間(T5)は T5=T{ksinθ+31/2kcosθ−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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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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