JP6813074B1 - 電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】電流衝撃のないパルスパターン遷移を行うことができ、かつ、４レベル以上のマルチレベル電力変換器にも適用可能な電力変換システムを提供する。【解決手段】各変調率毎に位相情報に応じて指令電圧レベルを定めたパルスパターンが格納されたテーブルを参照し、指令変調率ｄおよび制御位相θに基づいてゲート信号ｇを生成する固定パルスパターン変調部２を備え、ゲート信号ｇに基づいて電力変換器３を駆動する電力変換システムにおいて、固定パルスパターン変調部２は、パルスパターン遷移時に、遷移後の適切なテーブル参照位置を探索し、遷移後のパルスパターンの指令電圧レベルＬへ追従させる。【選択図】図１

Description

本発明は、パルスパターンの情報が格納されたテーブルを参照してゲート信号を生成し、ゲート信号により電力変換器を駆動する電力変換システムに関する。

入力された三相交流電圧をレクティファイア（交流−直流変換器）で直流電圧に変換し、直流電圧をインバータによって所望の周波数，振幅の交流電圧として出力する電力変換システムを考える。

このような電力変換システムでは、電力変換器の出力について目標電圧をキャリア１周期で平均的に表現する三角波比較ＰＷＭが用いられることが多い。しかし、電圧出力の最適化を目標として三角波比較ＰＷＭ以外の変調法を用いる場合があり、固定パルスパターン方式がその一例である。この固定パルスパターン方式では、評価指標に対して最適なパルスパターンを事前導出してテーブル化し、そのテーブル通りにスイッチングを行う。

固定パルスパターン方式において、１種類のパルスパターンは単一の変調率しか表現できない。そのため、複数の変調率を用いて運転をする場合は、パルスパターンを動作中に切り替える必要がある。パルスパターンの遷移時には出力電圧が意図しない波形となり電流衝撃を生じる恐れがあるため、その遷移方法を工夫しなければならない。以下では、この動作中のパルスパターン遷移のことを単に遷移と呼ぶこともある。

固定パルスパターン方式におけるパルスパターン遷移法については、以下の特許文献１，２が開示されている。

特許文献１においては、２レベルインバータについて遷移時にスイッチングを行わない電圧位相を事前探索し、スイッチングが生じない位相でパルスパターンを切り替えるようにしている。

特許文献２においては、３レベル電力変換器について基本波１周期のパルス数が切り替わる遷移の場合に、基本波電圧の誤差が発生しないよう極小パルスを設置した上で、極小パルスを基本波１周期ごとに徐々に大きくすることでパルス数の増加を衝撃無しに行っている。パルス数を減少する遷移は、逆にパルスを徐々に小さくし、最終的に消去することで衝撃を無くしている。

特開２０１７−２０４９１８号公報 特許第６２７０６９６号

特許文献１，特許文献２は４レベル以上の電力変換器において、固定パルスパターン方式適用時の問題を解決できない。

特許文献１の問題点について述べる。４レベル以上のマルチレベル電力変換器においては、使用レベル数が変わるようなパルスパターン遷移時に、遷移前後で同じレベルを用いている電圧位相が存在しない可能性がある。その場合、パルスパターンを遷移できない問題が生じる。

また、パルスパターンごとに三次高調波成分に違いがある場合、三次高調波の成分が急に切り替わることによる衝撃が発生する恐れがあるが、特許文献１は遷移前後でスイッチングが生じなければ電圧位相に関わりなくパルスパターンを変更する制御であり、この衝撃について考慮していない。

特許文献２の問題点について述べる。４レベル以上のマルチレベル電力変換器においては、パルス数の増減がどのレベルで生じるかが一般に不定であり、また、パルスが増減するレベルがどのような電圧位相範囲であるかも一般に不定であるので、極小パルスの適切な生成位置が確定できなくなってしまう。

また、固定パルスパターンにおいては、主に三次高調波成分の違いからパルス数が同じでも大きくスイッチング位相が変化する場合がある。この遷移において、１〜２相だけが即座に遷移し、他の相が遅れて遷移後の波形に追従する可能性があるが、パルス数を変更する場合以外の適切な遷移法について特許文献２では議論していない。

以上示したようなことから、電流衝撃のないパルスパターン遷移を行うことができ、かつ、４レベル以上のマルチレベル電力変換器にも適用可能な電力変換システムを提供することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、各変調率毎に位相情報に応じて指令電圧レベルを定めたパルスパターンが格納されたテーブルを参照し、指令変調率および制御位相に基づいてゲート信号を生成する固定パルスパターン変調部を備え、前記ゲート信号に基づいて電力変換器を駆動する電力変換システムであって、前記固定パルスパターン変調部は、パルスパターン遷移時に、遷移後の適切なテーブル参照位置を探索し、遷移後のパルスパターンの指令電圧レベルへ追従させることを特徴とする。

また、その一態様として、前記固定パルスパターン変調部は、前記指令変調率に基づいて、遷移用テーブルインデックスを出力する遷移用インデックス探索部と、前記遷移用テーブルインデックスおよびテーブルインデックス前回値を入力し、遷移ありの場合は前記遷移用テーブルインデックスを、遷移なしの場合は前記テーブルインデックス前回値を、テーブルインデックスとして出力する遷移用スイッチと、前記テーブルインデックスと前記制御位相に基づいてテーブル比較を行い、ゲート信号を出力するテーブル比較部と、前記テーブルインデックスを１制御周期遅延させ、前記テーブルインデックス前回値として出力するバッファと、を備えたことを特徴とする。

また、その一態様として、前記テーブル比較部は、前記テーブルとして、各変調率毎にレベル変化する位相情報とレベル変化後の指令電圧レベル情報を有し、前記テーブルインデックスに基づいてテーブル値を読み出し、前記制御位相とテーブルの位相情報とを比較し、前記制御位相が前記テーブルの位相情報よりも大きければ前記指令電圧レベルを更新して前記テーブルの位相情報の参照位置を一つインクリメントし、前記制御位相が前記テーブルの位相情報以下であれば前記指令電圧レベルおよび前記テーブルの位相情報の参照位置を前回値のままとし、前記指令電圧レベルと同じ出力電圧レベルとなるように前記ゲート信号を生成し、前記ゲート信号と前記テーブルインデックスを出力することを特徴とする。

また、その一態様として、前記遷移用インデックス探索部は、前記指令変調率に最も近い変調率のパルスパターンを探索して変調率インデックスとし、各相において、遷移時の位相よりも大きいテーブルの位相情報のうち最小のものよりも一つ小さい位相情報を位相インデックスとし、前記変調率インデックスと各相の前記位相インデックスをまとめた前記遷移用テーブルインデックスを出力することを特徴とする。

また、他の態様として、前記パルスパターンの遷移タイミングを、前記制御位相の０ｒａｄ，π／３ｒａｄ，２π／３ｒａｄ，πｒａｄ，４π／３ｒａｄ，５π／３ｒａｄ近傍としたことを特徴とする。

また、その一態様として、前記固定パルスパターン変調部は、前記指令変調率に基づいて、遷移用テーブルインデックスを出力する遷移用インデックス探索部と、前記制御位相と制御位相前回値に基づいて遷移判定結果を出力する遷移判定部と、前記遷移用テーブルインデックスおよびテーブルインデックス前回値を入力し、前記遷移判定結果に基づいて遷移ありの場合は前記遷移用テーブルインデックスを、遷移なしの場合は前記テーブルインデックス前回値を、テーブルインデックスとして出力する遷移用スイッチと、前記テーブルインデックスと前記制御位相に基づいてテーブル比較を行い、ゲート信号を出力するテーブル比較部と、前記テーブルインデックスを１制御周期遅延させ、前記テーブルインデックス前回値として出力するバッファと、を備えたことを特徴とする。

また、その一態様として、前記テーブル比較部は、前記テーブルとして、各変調率毎にレベル変化する位相情報とレベル変化後の指令電圧レベル情報を有し、前記テーブルインデックスに基づいてテーブル値を読み出し、前記制御位相とテーブルの位相情報とを比較し、前記制御位相が前記テーブルの位相情報よりも大きければ前記指令電圧レベルを更新して前記テーブルの位相情報の参照位置を一つインクリメントし、前記制御位相が前記テーブルの位相情報以下であれば前記指令電圧レベルおよび前記テーブルの位相情報の参照位置を前回値のままとし、前記指令電圧レベルと同じ出力電圧レベルとなるように前記ゲート信号を生成し、前記ゲート信号と前記テーブルインデックスを出力することを特徴とする。

また、その一態様として、前記遷移用インデックス探索部は、前記指令変調率に最も近い変調率のパルスパターンを探索して変調率インデックスとし、各相において、遷移時の位相よりも大きいテーブルの位相情報のうち最小のものよりも一つ小さい位相情報を位相インデックスとし、前記変調率インデックスと各相の前記位相インデックスをまとめた前記遷移用テーブルインデックスを出力することを特徴とする。

また、前記遷移判定部は、前記制御位相と前記制御位相前回値の偏差の絶対値がπｒａｄ以上か否かを判定し、前記偏差がπｒａｄより大きければ前記遷移判定結果を遷移ありとし、前記偏差がπｒａｄ以下であれば、ある相の遷移時の位相の遷移候補をπ／３，２π／３，π，４π／３，５π／３とし、（制御位相−遷移候補）＊（制御位相前回値−遷移候補）が０よりも小さいか否かを判定し、何れか１つの遷移候補において（制御位相−遷移候補）＊（制御位相前回値−遷移候補）が０よりも小さければ前記遷移判定結果を遷移ありとし、全ての前記遷移候補において（制御位相−遷移候補）＊（制御位相前回値−遷移候補）が０以上であれば前記遷移判定結果を遷移なしとすることを特徴とする。

また、その一態様として、前記電力変換器は４レベル以上のマルチレベル電力変換器であることを特徴とする。

本発明によれば、電流衝撃のないパルスパターン遷移を行うことができ、かつ、４レベル以上のマルチレベル電力変換器にも適用可能な電力変換システムを提供することが可能となる。

実施形態１，２における電力変換システムを示す概略図。 実施形態１における固定パルスパターン変調部を示すブロック図。 実施形態１におけるテーブル比較部の処理を示すフローチャート。 パルスパターン例を示すタイムチャート。 実施形態１におけるテーブル比較部の動作を示す説明図。 （Ａ）の問題が生じるパルスパターン遷移例を示す図。 （Ｂ）の問題が生じるパルスパターン遷移例を示す図。 実施形態１における遷移用インデックス探索部を示すフローチャート。 実施形態１における（Ａ）の問題の解決例を示す図。 実施形態１における（Ｂ）の問題の解決例を示す図。 実施形態２における固定パルスパターン変調部を示すブロック図。 実施形態２における遷移判定部の処理を示すフローチャート。 π／２で遷移する場合の３次高調波の変動を示す説明図。 ２π／３で遷移する場合の３次高調波の変動を示す説明図。

以下、本願発明における電力変換システムの実施形態１，２を図１〜図１４に基づいて詳述する。

［実施形態１］
図１に本実施形態１におけるシステム構成図を示す。上位制御部１は固定パルスパターン変調部２より上流に存在する制御を示しており、例えば電力変換システムに操作盤操作量に基づく速度指令、及び、三相の検出電流が入力され、速度制御，電流制御を経て指令変調率と制御位相の指令の生成を行う。

上位制御部１から指令変調率，制御位相が出力された後は、それらの情報をもとに固定パルスパターン変調部２にてパルス変調を行う。固定パルスパターン変調部２においてはテーブルを参照してテーブル値と制御位相を比較してパルス生成を行うことになる。

使用するテーブルには事前に作成したパルスパターンの情報が格納されており、各変調率毎に位相情報に応じた指令電圧レベルが定められている。固定パルスパターン変調部２からはゲート信号が出力され、それによりインバータ（電力変換器）３が駆動される。インバータ３はモータ等の負荷４に接続されており、負荷４にはゲート信号に応じた電圧が印加される。

図１は固定パルスパターン方式による電力変換の代表的なシステム構成例であり、本実施形態１の適用対象はこれに限らない。例えば、電源に回生を行うコンバータ制御において、事前に導出したパルスパターンテーブルに基づいてスイッチングを行うような構成、モータ位相を検出して制御で用いる構成、単相の構成などでもよい。重要なのは、事前に作成したパルスパターンに関するテーブルを用いて、電力変換器を駆動することである。

図２に本実施形態１の固定パルスパターン変調部２の構成図を示す。遷移用インデックス探索部５は、指令変調率ｄを入力し、遷移用テーブルインデックスｉｄｘ’を出力する。

遷移用スイッチＳＷ１は、遷移用テーブルインデックスｉｄｘ’およびテーブル比較部６の前回出力であるテーブルインデックス前回値ｉｄｘ＿ｚを入力し、遷移判定によって遷移ありの場合は遷移用テーブルインデックスｉｄｘ’を、遷移なしの場合はテーブルインデックス前回値ｉｄｘ＿ｚを、テーブルインデックスｉｄｘとしてテーブル比較部６に出力する。

テーブル比較部６はテーブルインデックスｉｄｘの他に制御位相θも入力して、テーブル比較を行い、ゲート信号ｇを出力する。テーブル比較部６はバッファ７を介して１制御周期遅延させたテーブルインデックス前回値ｉｄｘ＿ｚを遷移用スイッチＳＷ１に出力する。このテーブルインデックス前回値ｉｄｘ＿ｚはテーブル比較部６の処理でインクリメントされる場合があり、テーブルインデックスｉｄｘと同じものとは限らない。

なお、テーブルインデックスｉｄｘは用いるテーブルの構成に基づいて定めることになるが、本実施形態１では、指令変調率ｄに近い変調率のパルスパターン（テーブル値）を指定するための変調率インデックスｄｉと、何番目の位相を参照するかの位相インデックスθｉの情報をもつ配列として扱う。

図２で重要なのは、指令変調率ｄをもとに遷移用テーブルインデックスｉｄｘ’を探索すること、および、遷移用テーブルインデックスｉｄｘ’を必ず採用するのではなく、遷移用テーブルインデックスｉｄｘ’とテーブルインデックス前回値ｉｄｘ＿ｚを切り替える機構を持つことであり、構成は図２に限らない。

例えば、遷移用テーブルインデックスｉｄｘ’に基づくテーブル比較とテーブルインデックス前回値ｉｄｘ＿ｚに基づくテーブル比較を並列して行い、２種類のゲート信号を遷移用スイッチＳＷ１に入力し、遷移判定によってどちらを採用するかを切り替える構成でもよい。

図３に本実施形態１におけるテーブル比較部６のフローチャートを示す。本実施形態１の対象はパルスパターンの遷移法、言い換えればテーブルの遷移法であり、テーブル比較の方法ではない。図３はこのことを踏まえ、テーブル比較法を簡潔に記述したものである。なお、ｄｉは変調率インデックス，θｉは位相インデックス，Ｔ_θは位相情報をもつテーブル，Ｔ_Lは指令電圧レベル情報をもつテーブルである。

図３はテーブル比較方法の一例にすぎない。入力されたインデックスを用いてテーブル値と制御位相を比較し、テーブルのパルスパターン通りの出力電圧となるようゲート信号を定める構成であれば異なる構成であってもよい。つまり、テーブル構成の考え方、テーブル値との比較分岐条件、指令電圧レベルあるいはゲート信号の更新方法は図３に限らない。

本実施形態１の意図する制御は、多様な固定パルスパターン方式のテーブル比較方法，テーブル構成で用いることが可能である。しかし、詳細な演算には違いが生じるため、作用・動作の説明のために以下のようなテーブルを用いるものと仮定する。なお、以下の「レベル変化」という表現について、電力変換器のスイッチングによって電圧レベルが変化するため、「レベル変化」を「スイッチング」と解釈してかまわないが、本実施形態１では主に「レベル変化」という表記を用いる。

テーブルはレベル変化する位相情報をもつテーブルＴ_θと、レベル変化後の指令電圧レベル情報をもつテーブルＴ_Lを用意する。テーブルＴ_θ，Ｔ_Lの２つのテーブルの各行が１つのパルスパターンに関する情報をもつ。行の違いはパルスパターンの変調率の違いを表す。また、両テーブルの各列は各レベル変化についての情報を示す。

例えば、図４のパルスパターンは表１のテーブルで表される。図４の変調率インデックスｄｉは１とおいた。表１のテーブルのｄｉ＝１について、テーブルＴ_θの各レベル変化の位相情報と同じ位置のテーブルＴ_Lの指令電圧レベル情報がそのレベル変化におけるレベル変化後の値になっている。

また、テーブルＴ_θの位相情報と制御位相θを比較してゲート信号を定めるテーブル比較法についても、作用・動作の説明のために図３のフローチャートに基づくものと仮定する。図３のフローチャートの動作を説明する。

１−１において、テーブルインデックスｉｄｘと制御位相θを入力する。１−２において、テーブル値（変調率インデックスｄｉ＝ｉｄｘ［１］，位相インデックスθｉ＝ｉｄｘ［２］）を読み込む。

１−３において、制御位相θとテーブルＴ_θ［ｄｉ，θｉ］の位相情報を比較する。制御位相θがテーブルＴ_θ［ｄｉ，θｉ］の位相情報よりも大きければ１−４へ移行し、制御位相θがテーブルＴ_θ［ｄｉ，θｉ］の位相情報以下であれば１−６へ移行する。

１−４において、指令電圧レベルＬをテーブルＴ_Lの指令電圧レベル情報に更新する（Ｌ＝Ｔ_L［ｄｉ，θｉ］）。そして、１−５において、テーブルＴ_θ，Ｔ_Lの参照位置を１つずらす（ｉｄｘ［２］＝＋＋θｉ）。すなわち、制御位相θがテーブルＴ_θ［ｄｉ，θｉ］の位相値よりも大きければ指令電圧レベルＬを更新し、制御位相θがテーブルＴ_θ［ｄｉ，θｉ］の位相情報以下であれば前回値のままとなる。

Ｓ１−６において、指令電圧レベルＬと同じ出力電圧レベルとなるようにゲート信号ｇを定める。Ｓ１−７において、ゲート信号ｇとテーブルインデックスｉｄｘを出力し、この制御周期での処理を終了する。

以上で、テーブル値に基づくパルスパターンを出力できる。なお、この動作はシステムに存在する各相でそれぞれ行うものとする。

図５にテーブル比較動作を示す。同じ変調率インデックスｄｉのテーブルＴ_θとテーブルＴ_Lを２行に並べて表記していることに注意されたい。

図５の左上は初期値を示しており、制御位相θ，指令電圧レベルＬはともに０から始まり、位相インデックスθｉは１から始まっている。図５の右上は一度目の更新である。テーブルＴ_θの１列目の値が０．２ｒａｄであり、制御位相θが０．２ｒａｄを越えたところで指令電圧レベルＬを更新し、レベル変化させる。位相インデックスθｉも参照位置をずらすためにインクリメントする。

図５の左下は一度目の更新から次の更新までの間であり、指令電圧レベルＬはホールドされる。図５の右下はこれまでの動作の繰り返しを示しており、指令電圧レベルＬを見るとテーブル設計したパルスパターンが出力されている。以上が本実施形態１におけるテーブル構成，テーブル比較法である。

上述したテーブル構成，テーブル比較法に基づいて、パルスパターン遷移法を検討する。パルスパターン遷移する際の目標は、電流衝撃を生じないことである。

電流衝撃を起こす原因は以下の２つである。
（Ａ）遷移時の位相において、遷移前パルスパターンで参照する位相インデックスθｉと遷移後パルスパターンで参照する位相インデックスθｉが異なる。
（Ｂ）遷移時の位相において、遷移前パルスパターンの指令電圧レベルＬと遷移後パルスパターンの指令電圧レベルＬが異なる。

（Ａ）については、テーブル参照位置の問題である。パルスパターンのテーブルはレベル変化順に並べられており、異なる指令変調率ｄのパルスパターンにおいては、同じ制御位相θでも異なるテーブル位置を参照している状況になりうる。遷移時にテーブル参照位置を遷移前のまま継承して用いてしまうと、遷移後のパルスパターンにおけるレベル変化が飛ばされてしまう恐れがある。つまり、意図しないパルスパターンを生成してしまい電流衝撃を生じる。

図６に（Ａ）の問題が生じる例を示す。図６では、０．３ｒａｄでテーブルが遷移する例を示している。遷移前のテーブルでは、０．２ｒａｄをすぎると４列目を参照位置とする。そして、０．３ｒａｄでテーブルが切り替わった際に参照位置が４列目のままだと、０．３ｒａｄの後にするべき０．４ｒａｄ，０．５ｒａｄのレベル変化が飛ばされてしまうことがわかる。

（Ｂ）の問題については、パルスパターン形の問題である。（Ａ）のように遷移時の位相において参照位置がずれるということ以外にも、パルスパターンの使用レベル数が変化する場合などに遷移前後で参照位置は変わらずとも出力すべきレベルが異なる可能性がある。これも、遷移時に参照位置と指令電圧レベルを継承する場合、意図しないパルスパターンを生成してしまい電流衝撃を生じる。

図７に（Ｂ）の問題が生じる例を示す。図７では、０．３ｒａｄでテーブルが遷移する例を示している。図７では、０．３ｒａｄでテーブルが切り替わった際の参照位置は適切である。しかし、テーブル遷移後、指令電圧レベルＬが＋３レベルであるべきところ、＋１レベルを指令してしまっている。

（Ａ），（Ｂ）の問題を解決するためには、以下の２つが必要となる。
（ア）テーブル遷移後の適切なテーブル参照位置を探索する機構。
（イ）テーブル遷移後のパルスパターンの指令電圧レベルＬへと追従する機構。

（ア），（イ）を踏まえた遷移機構が図２における遷移用インデックス探索部５であり、その動作は図８のフローチャートとなる。

ここで、図８の説明の前に図２の遷移用スイッチＳＷ１の動作について説明する。遷移用スイッチＳＷ１は遷移判定に基づいて採用するインデックスを変更する。これは例えば、遷移用テーブルインデックスｉｄｘ’の変調率インデックスｄｉとテーブルインデックス前回値ｉｄｘ＿ｚの変調率インデックスｄｉが異なる場合に遷移用テーブルインデックスｉｄｘ’を採用し、それ以外の場合はテーブルインデックス前回値ｉｄｘ＿ｚを採用するよう切り替えればよい。

また、ある相の位相が０ｒａｄである場合など、特定のタイミングで切り替えてもよい。切替のタイミングでの電圧位相を以下では遷移時の位相と呼ぶ。

図８のフローチャートの動作について説明する。基本動作は以下のようになる。
１．指令変調率ｄに最も近い変調率のパルスパターンを探索する（２−２）。
２．位相インデックスθｉの候補ｎを設定し、その位相インデックスθｉのテーブルの位相情報Ａ_n＝Ｔ_θ［ｄｉ，ｎ］と遷移時の位相Ａ_Xを比較する（２−５，２−６，２−８）。
３．テーブルの位相情報Ａ_nが遷移時の位相Ａ_Xを超えていれば、位相インデックスθｉｘを１つ巻き戻して採用する（２−９）。
４．採用後は探索終了フラグｆｏｕｎｄ＝１とし、採用インデックスの上書きを防止する（２−７，２−９）。

以上をシステムに存在する全ての相について行うことで、上記（ア），（イ）の機構を実現できる。

１．については適切な変調率インデックスｄｉの指定である。これについては、テーブルを用意している変調率範囲，テーブル間の変調率刻みなどに応じて、最も指令変調率ｄに近いパルスパターンを指定できるよう変調率インデックスｄｉを定める。

２．については適切なテーブル参照位置かどうかの分岐である。位相インデックスθｉの候補ｎはテーブルＴ_θの位相情報の中からが小さい順に指定するものとするが、全ての位相情報を候補とする必要はない。遷移時の位相Ａ_Xが予測できる場合は、その近傍の位相となるインデックスのみを探索することで、繰り返し演算の量を削減できる。

遷移時に参照すべきテーブル値とは、遷移時の位相Ａ_Xより大きいテーブル位相情報のうち、最小のものである。上記でテーブルＴ_θの位相情報の中から小さい順に候補ｎを指定するものとしたため、初めに遷移時の位相Ａ_Xを超えたテーブルの位相情報Ａ_nを採用すればよい。２−８ではテーブルの位相情報Ａ_nが遷移時の位相Ａ_Xを超えているかどうかで分岐している。この２．の処理により（ア）の機構が実現できる。

３．については（イ）を実現するための処理である。参照位置を合わせていても遷移後の指令電圧レベルＬが不適切になる問題（Ｂ）を先に述べた。位相インデックスθｉの候補ｎをそのまま採用するだけでは（Ｂ）の問題が生じるため対策を施す。

位相インデックスθｉを採用する場合には１つ小さいテーブル値を採用するよう巻き戻す処理を行う（θｉｘ＝ｎ−１）（２−９）。この処理を考えるために、遷移後のテーブルインデックスｉｄｘが採用された直後のテーブル比較に注目する。

遷移時の位相Ａ_Xよりもテーブルの位相情報Ａ_nが小さくなるよう位相インデックスθｉを採用したため、即座にレベル変化が行われる。このレベル変化後の指令電圧レベルＬが新しいパルスパターンにて遷移時に指令すべきレベルであるため、これで（イ）の機構が実現できたことになる。レベル変化後はインクリメントにより、２．で指定したインデックスに戻るため（ア）の機構を失うこともない。

４．は不適切な上書きの防止である。テーブルの位相情報の中から小さい順に候補ｎを指定するため、一度インデックスを採用した後、次回以降のループにおける位相インデックスθｉの候補ｎでも遷移時の位相Ａ_Xよりテーブルの位相情報Ａ_nが大きくなってしまう。このとき、対策なしでは参照位置が不適切なものに上書きされてしまう。これを避けるため、初めの採用時に探索終了フラグｆｏｕｎｄを１にし（２−９）、探索終了フラグｆｏｕｎｄが１のときはインデックスを採用できないようにする（２−７）。

なお、２．と３．の処理はテーブルＴ_θの位相情報の中から大きい順に候補ｎを指定し、テーブルの位相情報Ａ_nが遷移時の位相Ａ_Xを下回る初めのインデックスを巻き戻さずに採用することでも実現可能である。

以下、図８に基づいて、遷移用インデックス探索部５の処理を説明する。２−１において、指令変調率ｄを入力する。２−２において、指令変調率ｄと最も近い変調率を出力できる変調率インデックスｄｉを探索する。２−３において、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相のうち何れか１つをＸ相として選択する。２−４において、探索終了フラグｆｏｕｎｄを０とする。

２−５において、位相インデックスθｉの候補ｎを設定する。２−６において、その候補ｎのテーブルの位相情報を読み出し、Ａ_nとする（Ａ_n＝Ｔ_θ［ｄｉ，ｎ］）。２−７において、探索終了フラグｆｏｕｎｄが０か否かを判定する。探索終了フラグｆｏｕｎｄが０であれば２−８へ移行し、探索終了フラグｆｏｕｎｄが１であれば２−１０へ移行する。

２−８において、候補ｎのテーブルの位相情報Ａ_nがＸ相の遷移時の位相Ａ_Xより大きいか否かを判定する。候補ｎのテーブルの位相情報Ａ_nがＸ相の遷移時の位相Ａ_Xがより大きければ２−９へ移行し、候補ｎのテーブルの位相情報Ａ_nがＸ相の遷移時の位相Ａ_X以下であれば２−１０へ移行する。

２−９において、位相インデックスを１つ巻き戻し、１つ小さいテーブル値を採用する（θｉｘ＝ｎ−１）。また、探索終了フラグｆｏｕｎｄを１とする。２−１０において、位相インデックスθｉの全候補を探索したか否かを判定する。全候補探索した場合は２−１１へ移行し、全候補探索していない場合は２−５へ戻る。２−１１において、全相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）考慮したか否かを判定し、全相考慮した場合は２−１２へ移行し、全相考慮していない場合は２−３へ戻る。２−１２において、各相の位相インデックスθｉｘと変調率インデックスｄｉをまとめた遷移用テーブルインデックスｉｄｘ’を出力する。

図９，図１０にそれぞれ図６，図７にて本実施形態１を用いた場合の動作を示す。図９では０．３ｒａｄでテーブルが遷移する例を示している。図９では、遷移時の制御位相０．３ｒａｄを超えるテーブルの位相情報０．４ｒａｄの１つ前である０．１ｒａｄに参照位置が移動している。これにより、図６で失われていた０．４ｒａｄ，０．５ｒａｄのレベル変化が図９では行われている。

図１０では遷移時の制御位相０．３ｒａｄを超えるテーブルの位相情報０．７ｒａｄの１つ前である０．２ｒａｄに参照位置が移動している。これにより、図７にて遷移後の指令電圧レベルＬが新しいパルスパターンと食い違っていたが、図１０では遷移後に即座に追従している。

以上が、図８のフローチャートの動作の説明である。図８のフローチャートによって、（Ａ），（Ｂ）の問題による電流衝撃を解決できた。したがって、本実施形態１では図１のシステムにおいて図２の制御を行うことでパルスパターン遷移を適切に行うことができる。

ただし、本実施形態１の重要な点は遷移時の電流衝撃の減少のために以下に再掲する（ア），（イ）の機構を設けたことであり、同じ機構はテーブル構成，テーブル比較方法が異なったとしても実現可能である。
（ア）遷移後の適切なテーブル参照位置を探索する機構。
（イ）遷移後のパルスパターンの指令電圧レベルへと追従する機構。

つまり、（ア），（イ）の機構を設けていれば詳細な演算処理は図３，図８に限らない。

以上示したように、本実施形態１によれば、図２，図８に基づいて、遷移時の適切なテーブル参照位置を指定し、遷移後のパルスパターンの指令電圧レベルに追従することで電流衝撃のないパルスパターン遷移を達成した制御を行うことができる。

また、特許文献１，２に対しては、４レベル以上のマルチレベル電力変換器に適用可能であるという利点がある。

［実施形態２］
図１１に本実施形態２における固定パルスパターン変調部２の構成図を示す。遷移用インデックス探索部５は指令変調率ｄを入力し、遷移用テーブルインデックスｉｄｘ’を出力する。

遷移用スイッチＳＷ２は、遷移用テーブルインデックスｉｄｘ’およびテーブル比較部６の前回出力であるテーブルインデックス前回値ｉｄｘ＿ｚを入力し、遷移判定結果Ｓｅｌによってどちらか１つをテーブルインデックスｉｄｘとしてテーブル比較部６に出力する。

遷移判定部９は、制御位相θおよびバッファ８を介して１制御周期遅延させた制御位相前回値θ＿ｚに基づいて遷移判定結果Ｓｅｌを出力する。テーブル比較部６は制御位相θとテーブルインデックスｉｄｘに基づいて、テーブル比較を行い、ゲート信号ｇを出力する。テーブル比較部６はバッファ７を介して１制御周期遅延させたテーブルインデックス前回値ｉｄｘ＿ｚを遷移用スイッチＳＷ２に出力するが、これはテーブル比較部６の処理でインクリメントされる場合があり、入力されたテーブルインデックスｉｄｘと同じものとは限らない。

図１１は実施形態１の図２と同様、遷移用テーブルインデックスｉｄｘ’を必ず採用するのではなく、遷移用テーブルインデックスｉｄｘ’とテーブルインデックス前回値ｉｄｘ＿ｚを切り替える機構を持っていれば構成は図１１に限らない。

図１２に本実施形態２の遷移判定部９のフローチャートを示す。本実施形態２では、遷移判定について、パルスパターン設計に応じた遷移判定方法を検討する。

実施形態１においては、電流衝撃の原因として（Ａ），（Ｂ）を挙げた。本実施形態２ではさらに以下を追加する。

（Ｃ）遷移前パルスパターンと遷移後パルスパターンで３の倍数次の電圧高調波成分が異なる。

（Ｃ）は、パルスパターン設計法の問題である。三相のシステムにおいては、出力電圧の３の倍数次高調波成分は電流高調波として表れない。そのため、３の倍数次の電圧高調波を許容してパルスパターンを設計することがある。このときパルスパターンごとに、３の倍数次の電圧高調波成分の大きさが異なるため、それを考慮せず遷移を行うと、電流衝撃を生じやすくなる。

図１３にπ／２で遷移する場合の３次高調波の変動を示す。π／２は３次高調波がピークとなる位相であり、ここで遷移を行ってしまうと、電圧成分の変動が大きく電流衝撃を生じやすくなってしまう。

図１３を踏まえて、３次高調波が遷移の瞬間に大きく変化しない位相を考える。３次高調波については、振幅値に関わらずゼロクロスする位相は同じである。そのため、３次高調波がゼロクロスする位相で遷移すれば波形の急激な変動が少ないと考えられる。

図１４に２π／３で遷移する場合の３次高調波の変動を示す。２π／３では遷移前後の３次高調波振幅がともに０であり，３次高調波の急激な変化が生じていない。

このように、３次高調波がゼロクロスする位相、つまり、０ｒａｄ，π／３ｒａｄ，２π／３ｒａｄ，πｒａｄ，４π／３ｒａｄ，５π／３ｒａｄ近傍で遷移用テーブルインデックスｉｄｘ’を採用するよう遷移判定を行えば、（Ｃ）に起因する電流衝撃を防ぐことができる。

（Ｃ）では３の倍数次すべてを対象としていたが、３次高調波のゼロクロスする位相は３の倍数次の電圧高調波全てのゼロクロスする位相であるので、３より大きい３の倍数次高調波の問題が生じることはない。

以上を実現するための動作を検討する。図１１に示すように遷移判定部９に制御位相θと制御位相前回値θ＿ｚが入力される。そして、遷移判定部９では図１２のフローチャートに基づく処理が行われ、遷移判定結果Ｓｅｌが出力される。遷移判定結果Ｓｅｌは遷移用スイッチＳＷ２に入力され、Ｓｅｌ＝０ならばテーブルインデックス前回値ｉｄｘ＿ｚを採用し、Ｓｅｌ＝１ならば遷移用テーブルインデックスｉｄｘ’を採用する。つまり、Ｓｅｌ＝１のとき遷移処理が行われ、Ｓｅｌ＝０のとき遷移なしとする。

次に、図１２の動作について説明する。図１２は０ｒａｄ，π／３ｒａｄ，２π／３ｒａｄ，πｒａｄ，４π／３ｒａｄ，５π／３ｒａｄを越えた周期のみＳｅｌ＝１とするよう動作する。

３−１において、制御位相θ，制御位相前回値θ＿ｚを入力する。制御位相θは０＜θ＜２πの範囲で変化することを前提にしている。３−２では制御位相θと制御位相前回値θ＿ｚの差の絶対値がπｒａｄより大きいか否かを判定する。この判定は、制御位相θが０ｒａｄ付近から２πｒａｄ付近に、あるいはその逆方向に変化したことを検出する。通常θが積分されるときに１制御周期にπ以上増減することはないため、差がπｒａｄ以上ならば０ｒａｄまたは２πｒａｄを越えたとみなし、遷移を行う。３−２においてｙｅｓの場合は３−７へ移行してＳｅｌ＝１とする。

３−２でｎｏの場合は３−３へ移行する。３−３では制御位相θがＵ相位相の基準であるとして、遷移候補Ａ＿Ｕを０ｒａｄのみ除いたπ／３ｒａｄ，２π／３ｒａｄ，πｒａｄ，４π／３ｒａｄ，５π／３ｒａｄのうちから選択する。

その後、３−４にて遷移候補Ａ＿Ｕと制御位相θの大小関係が制御位相前回値θ＿ｚから変化したかどうかで分岐している。３−４では、（θ−Ａ＿Ｕ）＊（θ＿ｚ−Ａ＿Ｕ）が０よりも小さいか否かを判定し、０よりも小さい場合は３−７へ移行し、０以上の場合は３−５へ移行する。すなわち、演算結果が負ならば今回の制御位相θと制御位相前回値θ＿ｚで遷移候補Ａ＿Ｕをまたいだことになるためｙｅｓとして３−７へ移行し、Ｓｅｌ＝１とする。

３−５は全ての遷移候補について演算を行ったか否かを判断する。全ての候補で３−４がｎｏであれば遷移は行わないとして３−６へ移行しＳｅｌ＝０とする。３−６，３−７において、遷移判定結果Ｓｅｌを確定した後はそれを出力とし、図１１の遷移用スイッチＳＷ２に入力する。以上が、図１２のフローチャートの動作である。

図８の遷移用インデックス探索部５のフローチャートには変更はないが、遷移判定の位相から必然的に遷移時の位相Ａ_Xは０ｒａｄ，π／３ｒａｄ，２π／３ｒａｄ，πｒａｄ，４π／３ｒａｄ，５π／３ｒａｄのいずれかに限定されることになる。以上が本実施形態２の動作方法である。

ここまで、単相の動作のみを検討していたが、３相のシステムにおいて３次高調波のゼロクロスする位相は他の相においても３次高調波がゼロクロスする位相である。他の相を考慮したとしても遷移できる位相が増えること、あるいは減ることはない。

したがって、本実施形態２では図１１の制御を行い、かつ、遷移判定を０ｒａｄ，π／３ｒａｄ，２π／３ｒａｄ，πｒａｄ，４π／３ｒａｄ，５π／３ｒａｄとすることで、３の倍数次の電圧高調波がパルスパターンごとに変動する場合の適切なパルスパターン遷移を行うことができる。

以上示したように、本実施形態２によれば、図８，図１１，図１２に基づいて、遷移時の適切なテーブル参照位置を指定し、遷移後のパルスパターンの指令電圧レベルに追従させ、かつ、遷移タイミングを０ｒａｄ，π／３ｒａｄ，２π／３ｒａｄ，πｒａｄ，４π／３ｒａｄ，５π／３ｒａｄ近傍に限定することで、電流衝撃のないパルスパターン遷移、３の倍数次の電圧高調波がパルスパターンごとに変動するパルスパターン設計への対応を達成した制御を行うことができる。

また、特許文献１，２に対しては、４レベル以上のマルチレベル電力変換器に適用可能である、３の倍数次の電圧高調波がパルスパターンごとに変動することを考慮しているという利点がある。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

１…上位制御部
２…固定パルスパターン変調部
３…電力変換器（インバータ）
４…負荷
ＳＷ１，ＳＷ２…遷移用スイッチ
５…遷移用インデックス探索部
６…テーブル比較部
７，８…バッファ
９…遷移用判定部

Claims (8)

1. 各変調率毎に位相情報に応じて指令電圧レベルを定めたパルスパターンが格納されたテーブルを参照し、指令変調率および制御位相に基づいてゲート信号を生成する固定パルスパターン変調部を備え、前記ゲート信号に基づいて電力変換器を駆動する電力変換システムであって、
   前記固定パルスパターン変調部は、
   前記指令変調率に基づいて、遷移用テーブルインデックスを出力する遷移用インデックス探索部と、
   前記遷移用テーブルインデックスおよびテーブルインデックス前回値を入力し、遷移ありの場合は前記遷移用テーブルインデックスを、遷移なしの場合は前記テーブルインデックス前回値を、テーブルインデックスとして出力する遷移用スイッチと、
   前記テーブルインデックスと前記制御位相に基づいてテーブル比較を行い、ゲート信号を出力するテーブル比較部と、
   前記テーブルインデックスを１制御周期遅延させ、前記テーブルインデックス前回値として出力するバッファと、
   を備え、
   前記パルスパターンの遷移時に、遷移後の適切なテーブル参照位置を探索し、遷移後の前記パルスパターンの指令電圧レベルへ追従させることを特徴とする電力変換システム。
2. 前記テーブル比較部は、
   前記テーブルとして、各変調率毎にレベル変化する位相情報とレベル変化後の指令電圧レベル情報を有し、
   前記テーブルインデックスに基づいてテーブル値を読み出し、前記制御位相とテーブルの位相情報とを比較し、前記制御位相が前記テーブルの位相情報よりも大きければ前記指令電圧レベルを更新して前記テーブルの位相情報の参照位置を一つインクリメントし、前記制御位相が前記テーブルの位相情報以下であれば前記指令電圧レベルおよび前記テーブルの位相情報の参照位置を前回値のままとし、
   前記指令電圧レベルと同じ出力電圧レベルとなるように前記ゲート信号を生成し、前記ゲート信号と前記テーブルインデックスを出力することを特徴とする請求項１記載の電力変換システム。
3. 前記遷移用インデックス探索部は、
   前記指令変調率に最も近い変調率の前記パルスパターンを探索して変調率インデックスとし、
   前記電力変換器の各相において、遷移時の位相よりも大きいテーブルの位相情報のうち最小のものよりも一つ小さい位相情報を位相インデックスとし、
   前記変調率インデックスと前記電力変換器の各相の前記位相インデックスをまとめた前記遷移用テーブルインデックスを出力することを特徴とする請求項１または２記載の電力変換システム。
4. 各変調率毎に位相情報に応じて指令電圧レベルを定めたパルスパターンが格納されたテーブルを参照し、指令変調率および制御位相に基づいてゲート信号を生成する固定パルスパターン変調部を備え、前記ゲート信号に基づいて電力変換器を駆動する電力変換システムであって、
   前記固定パルスパターン変調部は、
   前記指令変調率に基づいて、遷移用テーブルインデックスを出力する遷移用インデックス探索部と、
   前記制御位相と制御位相前回値に基づいて遷移判定結果を出力する遷移判定部と、
   前記遷移用テーブルインデックスおよびテーブルインデックス前回値を入力し、前記遷移判定結果に基づいて遷移ありの場合は前記遷移用テーブルインデックスを、遷移なしの場合は前記テーブルインデックス前回値を、テーブルインデックスとして出力する遷移用スイッチと、
   前記テーブルインデックスと前記制御位相に基づいてテーブル比較を行い、ゲート信号を出力するテーブル比較部と、
   前記テーブルインデックスを１制御周期遅延させ、前記テーブルインデックス前回値として出力するバッファと、
   を備え、
   前記パルスパターンの遷移タイミングを、前記制御位相の０ｒａｄ，π／３ｒａｄ，２π／３ｒａｄ，πｒａｄ，４π／３ｒａｄ，５π／３ｒａｄ近傍とし、
   前記パルスパターンの遷移時に、遷移後の適切なテーブル参照位置を探索し、遷移後の前記パルスパターンの指令電圧レベルへ追従させることを特徴とする電力変換システム。
5. 前記テーブル比較部は、
   前記テーブルとして、各変調率毎にレベル変化する位相情報とレベル変化後の指令電圧レベル情報を有し、
   前記テーブルインデックスに基づいてテーブル値を読み出し、前記制御位相とテーブルの位相情報とを比較し、前記制御位相が前記テーブルの位相情報よりも大きければ前記指令電圧レベルを更新して前記テーブルの位相情報の参照位置を一つインクリメントし、前記制御位相が前記テーブルの位相情報以下であれば前記指令電圧レベルおよび前記テーブルの位相情報の参照位置を前回値のままとし、
   前記指令電圧レベルと同じ出力電圧レベルとなるように前記ゲート信号を生成し、前記ゲート信号と前記テーブルインデックスを出力することを特徴とする請求項４記載の電力変換システム。
6. 前記遷移用インデックス探索部は、
   前記指令変調率に最も近い変調率の前記パルスパターンを探索して変調率インデックスとし、
   前記電力変換器の各相において、遷移時の位相よりも大きいテーブルの位相情報のうち最小のものよりも一つ小さい位相情報を位相インデックスとし、
   前記変調率インデックスと前記電力変換器の各相の前記位相インデックスをまとめた前記遷移用テーブルインデックスを出力することを特徴とする請求項４または５記載の電力変換システム。
7. 前記遷移判定部は、
   前記制御位相と前記制御位相前回値の偏差の絶対値がπｒａｄ以上か否かを判定し、前記偏差がπｒａｄより大きければ前記遷移判定結果を遷移ありとし、
   前記偏差がπｒａｄ以下であれば、ある相の遷移時の位相の遷移候補をπ／３，２π／３，π，４π／３，５π／３とし、（制御位相−遷移候補）＊（制御位相前回値−遷移候補）が０よりも小さいか否かを判定し、何れか１つの遷移候補において（制御位相−遷移候補）＊（制御位相前回値−遷移候補）が０よりも小さければ前記遷移判定結果を遷移ありとし、全ての前記遷移候補において（制御位相−遷移候補）＊（制御位相前回値−遷移候補）が０以上であれば前記遷移判定結果を遷移なしとすることを特徴とする請求項４〜６のうち何れかに記載の電力変換システム。
8. 前記電力変換器は４レベル以上のマルチレベル電力変換器であることを特徴とする請求項１〜７のうち何れかに記載の電力変換システム。

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