JP3909685B2 - マルチレベルｐｗｍインバータ制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ等の可変速駆動や系統連係をおこなうマルチレベルＰＷＭインバータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２に示すマルチレベルＰＷＭインバータ制御装置において、５はコントローラ、６は直流電源、１１と１２は平滑コンデンサ、１０１〜１１２はスイッチ素子としてのＩＧＢＴトランジスタ、２０１〜２１２はフリーホイールダイオード、３０１から３０６は中間レベル出力用クランプダイオードを示している。
ＩＧＢＴトランジスタと逆並列接続されたフリーホイールダイオードとからなるスイッチを４個直列接続してなる組を1相として、上側よりＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４とすると、上側２つのスイッチ、Ｓ１とＳ２がＯＮしている状態を直流母線電圧の正母線電圧を出力する＋Ｅ状態、真中２つのスイッチ、Ｓ２とＳ３がＯＮしている状態を中性点電圧を出力する０状態、下側２つのスイッチ、Ｓ３、Ｓ４がＯＮしている状態を直流母線の負母線電圧を出力する−Ｅ状態となり、それらを組み合わせる事によって、出力電圧を制御する。この際の各相のスイッチングパターンを示したものが図１０である。各相の出力電圧をＶ１、Ｖ２、Ｖ３とし、この合計値を示したものがＶ₁₂₃であるが、Ｖ₁₂₃の電圧変動により出力ケーブルとアース間の浮遊容量を介してアースに流れる漏れ電流が発生する。
特に近年、ＰＷＭインバータ制御装置から放出されるノイズ低減の為に出力ケーブル線にシールドケーブル線を適用するケースが増加しており、その場合、前記理由で大きな漏れ電流が発生するという問題がある。
このような漏れ電流を抑制するためには、コモンモードチョークやアクティブフィルタを用いる必要が生じており、ＰＷＭインバータ制御装置を含む全体装置の小型化・低コスト化の妨げとなっていた。
【０００３】
このような課題に対する従来技術例として、特開平１０−２３７６０に開示されているようなものが挙げられる。この従来技術の構成を示したものが図１１および図１２である。
前記従来技術は、３相正弦波電圧ベクトルの３相合計和が常に零であることに着目し、ＰＷＭ変換出力電圧においても３相合計和を零、いいかえれば中性点電圧とすることが可能であることを示し、そのようなゲート信号を作り出す具体的方法を示したものである。これによって各相出力電圧の３相合計和を常に零、いいかえれば中性点電圧に固定し、漏れ電流の発生を抑制することを可能としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来例のごとく各相出力電圧の３相合計和を零電圧、すなわち中性点電圧に固定した場合、ＰＷＭインバータ制御装置の最大出力電圧がＡＣ入力電圧の√３／２に制限されるという課題がある。
一般的なＰＷＭインバータ制御装置では、各相出力電圧に３倍高調波電圧を重畳して同相モードで３相出力電圧を変動させ、これによってＡＣ入力電圧と同じ電圧出力を可能としている。しかし前記従来の構成ではＰＷＭ変換出力電圧の３相和を零とする為、前記同相モードで３相出力電圧を上下変動させることができず、従ってＰＷＭインバータ制御装置の最大出力電圧が制限されてしまうのである。
またマルチレベルＰＷＭインバータ制御装置では中性点を基準として上段側と下段側とに２つの直流電圧を備えているが、インバータ動作中に前記２つの直流電圧バランスがくずれることがあり、そのような場合にも３相出力電圧を同相モードで上下変動させ、くずれた電圧バランスの是正を図っている。
従って前記従来例では、このような電圧バランス是正動作を行うことができないという課題もある。
またスイッチング回数が増加し、スイッチロスが増加するという課題もある。
そこで本発明は、インバータ出力電圧に制限がなく、２つの直流電圧バランスの是正を行うこともでき、スイッチング回数の増加も伴なわずに、インバータ出力電圧の３相和の変動を抑えて漏れ電流を抑制することのできるマルチレベルＰＷＭインバータ制御装置の提供を目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため請求項１記載の本発明では、正母線と負母線と中性線とを有し、スイッチング素子と逆並列接続した整流素子とからなるスイッチを前記正母線と前記負母線間に４個直列接続し、前記直列接続された４つのスイッチング素子のうち、上側から第１番目と第２番目のスイッチとの接続点と前記中性線との間に整流素子を電流が中性線から前記スイッチの接続点に流れる方向に接続し、前記直列接続された４つのスイッチのうち、上側から第３番目と第４番目のスイッチとの接続点と前記中性線との間に整流素子を電流が前記スイッチの接続点から中性線に流れる方向に接続し、前記上側から第２番目と第３番目のスイッチの接続点を出力端子とするスイッチ素子構成群であり、前記出力端子は前記直列接続された４つのスイッチのうち上側から第１番目と第２番目のスイッチをＯＮして前記正母線の電圧を出力する第１の状態と、上側から第２番目と第３番目のスイッチをＯＮして前記中性線の電圧を出力する第２の状態と、上側から第３番目と第４番目のスイッチをＯＮして前記負母線の電圧を出力する第３の状態との３つの出力状態を備える前記スイッチ素子構成群を前記正母線と負母線と中性線とに第１、第２のスイッチ素子構成群として２個並列接続し、前記第１、第２のスイッチ素子構成群の前記各出力端子から負荷に電力供給するよう構成したマルチレベルＰＷＭインバータ制御装置において、
前記正母線と負母線と中性線とに並列接続する第３のスイッチ素子構成群を備え、前記第３のスイッチ素子構成群の出力端子には負荷に接続しないケーブル線が接続され、かつ前記出力端子は前記第１、第２、第３の出力状態のうち、前記第１、第２のスイッチ素子構成群の出力端子電圧との合計平均値が前記中間線電圧に最も近くなる状態を選択して出力することを特徴としている。
前記第１の状態における出力電圧を＋Ｅ、前記第２の状態における出力電圧を０、前記第３の状態における出力電圧を−Ｅとすると、前記第１、第２のスイッチ素子構成群の各出力端子電圧の組み合わせは、
（＋Ｅ、 ０）、（＋Ｅ、−Ｅ）
（ ０、＋Ｅ）、（ ０、−Ｅ）
（−Ｅ、＋Ｅ）、（−Ｅ、 ０）
という負荷に電力供給する状態と、電力供給のない還流モードである（＋Ｅ、＋Ｅ）、（０、０）、（−Ｅ、−Ｅ）となる。
前記第３のスイッチ素子構成群の出力端子には、負荷に接続されないケーブル線が接続されており、前記ケーブル線は負荷に接続された他の２つのケーブル線とともに束線され、負荷機器近傍において絶縁した上で設置されている。
前記第１、第２のスイッチ素子構成群の出力端子電圧の和の変動を抑制する為に、第３のスイッチ素子構成群の出力端子は前記第１、第２のスイッチ素子構成群の出力端子電圧との合計平均値が前記中間線電圧に最も近くなる状態を選択して出力する。例えば前記（＋Ｅ、 ０）では−Ｅ、（＋Ｅ、−Ｅ）では０、（ ０、＋Ｅ）では−Ｅ、（ ０、−Ｅ）では＋Ｅ、（−Ｅ、＋Ｅ）では０、（−Ｅ、０）では＋Ｅ，（＋Ｅ、＋Ｅ）では−Ｅ、（０、０）では０、（−Ｅ、−Ｅ）では＋Ｅを選択し出力する。
このようにすることで、出力電圧の合計を±Ｅの変動幅まで低減でき、漏れ電流の低減が図られる。
【０００６】
また請求項２記載の本発明では請求項１記載のマルチレベルＰＷＭインバータ制御装置において、前記第１のスイッチ素子構成群の出力端子と前記第２のスイッチ素子構成群の出力端子とが同時に前記第１の状態となること、および同時に前記第３の状態となることがないことを特徴としている。
請求項１記載の発明では還流モードでの出力状態（＋Ｅ、＋Ｅ）、（０、０）、（−Ｅ、−Ｅ）に特に制約を加えていないが、本発明では３つの還流モード出力のうち（＋Ｅ、＋Ｅ）、（−Ｅ、−Ｅ）の２つを禁止したものである。
これによって、前記第１、第２のスイッチ素子構成群の出力端子電圧との合計平均値が中性点電圧に固定されるような前記第３のスイッチ素子構成群の出力端子状態を選択することが可能となる。この結果、漏れ電流の発生を完全に抑制することが可能となる。
【０００７】
また請求項３記載の本発明では、正母線と負母線と中性線とを有し、スイッチング素子と逆並列接続した整流素子とからなるスイッチを前記正母線と前記負母線間に４個直列接続し、前記直列接続された４つのスイッチのうち、上側から第１番目と第２番目のスイッチとの接続点と前記中性線との間に整流素子を電流が中性線から前記スイッチの接続点に流れる方向に接続し、前記直列接続された４つのスイッチのうち、上側から第３番目と第４番目のスイッチとの接続点と前記中性線との間に整流素子を電流が前記スイッチの接続点から中性線に流れる方向に接続し、前記上側から第２番目と第３番目のスイッチの接続点を出力端子とするスイッチ素子構成群であり、前記出力端子は前記直列接続された４つのスイッチのうち上側から第１番目と第２番目のスイッチをＯＮして前記正母線の電圧を出力する第１の状態と、上側から第２番目と第３番目のスイッチをＯＮして前記中性線の電圧を出力する第２の状態と、上側から第３番目と第４番目のスイッチをＯＮして前記負母線の電圧を出力する第３の状態との３つの出力状態を備える前記スイッチ素子構成群を前記正母線と負母線と中性線とに第４、第５、第６のスイッチ素子構成群として３個並列接続し、前記第４、第５、第６のスイッチ素子構成群の前記出力端子から負荷に電力供給するよう構成したマルチレベルＰＷＭインバータ制御装置において、
前記正母線と負母線と中性線とに並列接続する第７のスイッチ素子構成群を備え、前記第７のスイッチ素子構成群の出力端子には負荷に接続しないケーブル線が接続され、前記第７のスイッチ素子構成群の出力端子は前記第１、第２、第３の出力状態のうち、前記第４、第５、第６のスイッチ素子構成群の出力端子電圧との合計平均値が前記中間線電圧に最も近くなる状態を選択して出力することを特徴としている。
これは請求項１記載の発明に対して負荷に電力供給する出力相数を３相にしたものであるが、その動作原理は請求項１記載の場合と同様である。
【０００８】
また請求項４記載の本発明は請求項３記載のマルチレベルＰＷＭインバータ制御装置において、前記第４のスイッチ素子構成群の出力端子と前記第５のスイッチ素子構成群の出力端子と前記第６のスイッチ素子構成群の出力端子とが同時に前記第１の状態となること、および同時に前記第３の状態となることがないことを特徴としている。
これは請求項３記載の発明に対し、前記第４、第５、第６のスイッチ素子構成群の出力端子が全て還流モード出力になる（＋Ｅ，＋Ｅ，＋Ｅ）、（０，０，０），（−Ｅ，−Ｅ，−Ｅ）の３つの状態のうち、（＋Ｅ，＋Ｅ，＋Ｅ）、（−Ｅ，−Ｅ，−Ｅ）の２つの状態となることを禁止したものである。
このようにすることで、出力電圧の合計値を±Ｅの変動幅まで低減でき、漏れ電流の低減が図られる。
【０００９】
【発明の実施形態】
本発明の第１の実施例を図１に示す。
図１中のマルチレベルＰＷＭインバータ制御装置１は、図２に示す構成になっており、マルチレベルＰＷＭインバータ制御装置１の２つの出力端子をモータ２に接続し、残り１つの出力端子には負荷に接続しない出力線４が接続され、出力線４はモータ２に接続した他の２つの出力線とともに束線され、モータ２の近くで絶縁された上で設置固定されている。
図２において、ＩＧＢＴトランジスタと逆並列接続されたフリーホイールダイオードとからなるスイッチを４個直列接続してなる組を1相として、上側スイッチよりＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４とすると、上側２つのＳ１とＳ２のＯＮしている状態が直流母線電圧の正母線電圧を出力する＋Ｅ状態、真中２つのＳ２とＳ３のＯＮしている状態が中性点電圧を出力する０状態、下側２つのＳ３、Ｓ４のＯＮしている状態が直流母線の負母線電圧を出力する−Ｅ状態となり、それらを組み合わせる事によって、出力電圧を制御する。３相出力を得る場合は、前記３つの組の出力を制御し任意の出力電圧を得るが、ここでは単相出力電圧を得るため、図１に示すように第１、第２組の相出力端子を負荷であるモータ２に接続している。
そしてモータ２に接続されない第３の組は、第１、第２組の電圧を打ち消すようスイッチング動作を行い、出力線４を他の２つの出力線と束線して接続機器近傍まで設置する事によって、接続線の電圧和の平均値を中性点電圧に近づけ、もしくは中性点電圧と一致させ、漏れ電流を抑制している。
図３は、前記第１、第２、第３の各組相出力端子のスイッチングパターンを示したものである。
図３においてＶ１、Ｖ２，Ｖ３は前記第１、第２、第３の各組相出力端子電圧を示したものであり、Ｖ１２は第２の出力端子から見た第１の出力端子電圧、Ｖ₁₂₃は前記３つの出力端子電圧の合計値を示したものである。
【００１０】
次に本発明の第２の実施例について説明する。第２の実施例の構成は前記第１の実施例で示した図１の構成と同じであるが、第２の実施例では前記第１、第２の各組出力端子に関し、同時に＋Ｅ状態や−Ｅ状態になることがないという制約が加わっている。
この制約が加わった状態での前記第１、第２、第３の各組相出力端子のスイッチングパターンを示したものが図４である。
前記制約が加わることで前記第３の組の出力端子のスイッチング動作により、前記第１、第２の組の電圧を完全に打ち消すことができ、接続線の電圧和の平均値を中性点電圧と一致させ、漏れ電流をさらに抑制している。
【００１１】
次に本発明の第３の実施例について説明する。図５は第３の実施例での全体構成を示したものであり、図６は第３の実施例におけるマルチレベルＰＷＭインバータ制御装置を示したものである。
第３の実施例では３相モータ１２を負荷とする為、マルチレベルＰＭＷインバータ制御装置１１の出力端子は４個となる。
前記４個の出力端子のうち３個はモータ１２に接続され、モータ１２に接続されない出力端子がモータ１２に接続された３つの出力端子電圧を打ち消すようスイッチングを行い、出力線の電圧和の平均値を中性点電圧に近づけ、もしくは中性点電圧と一致させ、漏れ電流を抑制している。
図７は、前記４組の出力端子のスイッチングパターンを示したものある。図７においてＶ１、Ｖ２，Ｖ３はモータに接続された３つの出力端子電圧を示したもの、Ｖ４はモータに接続されない出力端子電圧を示したもの、Ｖ₁₂₃₄で示した実線波形は前記４つの出力端子電圧の合計値を示したもの、Ｖ₁₂₃₄で示した点線波形はＶ１、Ｖ２，Ｖ３との合計値を示したものである。
【００１２】
次に本発明の第４の実施例について説明する。第４の実施例は前記第３の実施例で示した図５の構成と同じであるが、モータ１２に接続された３つの各相出力端子に関し、同時に＋Ｅ状態や−Ｅ状態になることがないという制約が加わっている。
この制約が加わった状態での各組出力端子のスイッチングパターンを示したものが図８である。
モータ１２に接続された３つの各相出力端子が同時に＋Ｅ状態や−Ｅ状態になることがないという制約は、この第４の実施例では３つの出力端子の出力電圧を同相モードで同時変動させることで実現している。図８の各スイッチングパターンは、図７に示すＶ１，Ｖ２，Ｖ３の出力電圧を同相モードで−Ｅ側に所定電圧分移動させて得ているが、線間電圧では図７と図８とは同じとなっている。
前記制約が加わることでモータ１２に接続されない出力端子のスイッチング動作により、前記第３の実施例に比べて出力線の電圧和の平均値を中性点電圧にさらに近づけることができ、漏れ電流をさらに抑制できることとなる。
【００１３】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、マルチレベルＰＷＭインバータ制御装置において、制御装置動作に伴う漏れ電流の発生を抑制して機器の動作を安全に行い、他の機器へも悪影響を及ぼさない様に安全な電力供給を行うことができ、またその為にコモンモードチョークコイルやアクティブフィルタ等の高価かつ大形の装置を必要とせず、さらにはインバータ出力電圧に制限がなく、２つの直流電圧バランスの是正を行うこともでき、スイッチング回数の増加も伴なわないという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１、第２の実施例の全体構成を示したもの。
【図２】本発明の第１、第２の実施例におけるマルチレベルＰＷＭインバータ制御装置の構成を示したもの。
【図３】本発明の第１の実施例における各出力端子のスイッチングパターン動作を示したもの。
【図４】本発明の第２の実施例における各出力端子のスイッチングパターン動作を示したもの。
【図５】本発明の第３、第４の実施例の全体構成を示したもの。
【図６】本発明の第３、第４の実施例におけるマルチレベルＰＷＭインバータ制御装置の構成を示したもの。
【図７】本発明の第３の実施例における各出力端子のスイッチングパターン動作を示したもの。
【図８】本発明の第４の実施例における各出力端子のスイッチングパターン動作を示したもの。
【図９】従来における一般実施例の全体構成を示したもの。
【図１０】従来における一般実施例の各出力端子のスイッチングパターン動作を示したもの。
【図１１】従来技術としての特開平１０−２３７６０による構成例を示したもの
【図１２】図１１に示す構成例での実施フローを示したもの
【符号の説明】
１、１１ マルチレベルＰＷＭインバータ制御装置
２、１２ モータ
３ 浮遊容量
４ 負荷に接続しない出力線
５ コントローラ
６ 直流電源
１０１〜１１６ ＩＧＢＴトランジスタ
２０１〜２１６ フリーホイールダイオード
３０１〜３０８ クランプダイオード
４０１ 商用電源
４０２ 整流ダイオードモジュール
４０３、４０４ 平滑コンデンサ
４０５ 電圧型ＰＷＭ変換器
４０６ 誘導電動機
４０７ ＰＷＭ制御回路
５０１〜５０４ ＩＧＢＴトランジスタ
５０５〜５０８ フリーホイールダイオード
５０９，５１０ クランプダイオード

Claims (4)

1. 正母線と負母線と中性線とを有し、前記正母線の電圧を出力する第１の状態と、前記中性線の電圧を出力する第２の状態と、前記負母線の電圧を出力する第３の状態との３つの出力状態が可能な出力端子を３個備えたマルチレベルＰＷＭインバータ制御装置において、
   負荷に接続されない出力端子であって、前記第１、第２、第３の出力状態のうち、負荷に接続された２個の出力端子電圧との合計平均値が前記中性線電圧に最も近くなる状態を選択して出力する出力端子と、
   負荷に接続されない前記出力端子に接続され、かつ、前記２個の出力端子と負荷との間を接続するケーブル線とともに束線されるケーブル線を備えたことを特徴とするマルチレベルＰＷＭインバータ制御装置。
2. 前記負荷に接続された２個の出力端子電圧が同時に前記第１の状態となること、および同時に前記第３の状態となることがないことを特徴とする請求項１記載のマルチレベルＰＷＭインバータ制御装置。
3. 正母線と負母線と中性線とを有し、前記正母線の電圧を出力する第１の状態と、前記中性線の電圧を出力する第２の状態と、前記負母線の電圧を出力する第３の状態との３つの出力状態が可能な出力端子を４個備えたマルチレベルＰＷＭインバータ制御装置において、
   負荷に接続されない出力端子であって、前記第１、第２、第３の出力状態のうち、負荷に接続された３個の出力端子電圧との合計平均値が前記中性線電圧に最も近くなる状態を選択して出力する出力端子と、
   負荷に接続されない前記出力端子に接続され、かつ、前記３個の出力端子と負荷との間を接続するケーブル線とともに束線されるケーブル線を備えたことを特徴とするマルチレベルＰＷＭインバータ制御装置。
4. 前記負荷に接続された３個の出力端子電圧が同時に前記第１の状態となること、および同時に前記第３の状態となることがないことを特徴とする請求項３記載のマルチレベルＰＷＭインバータ制御装置。

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