JP3609958B2

JP3609958B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP3609958B2
Application number: JP13573199A
Authority: JP
Inventors: 利明岡; 拓二下浦
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 1999-05-17
Filing date: 1999-05-17
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2019-05-17
Also published as: JP2000324845A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング素子を有するインバータの出力を２つ以上接続し、可変周波数、可変電圧の多相交流電力を得る電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の可変速制御される誘導電動機などの交流モータの制御装置として、図１１に示すＰＷＭ制御方式の電圧多重インバータ装置が知られている。
図１１に示した電圧多重インバータ装置は、２個の単相インバータ１１を直列に接続したものを１相とし、それを３組スター接続した構成のインバータから成りモータ１２を駆動する。
【０００３】
図１２は、単相インバータを示したものである。
図１２に示したように、単相インバータは、直流電源１５と単相ブリッジ逆変換器１６とで構成され、ＰＷＭ制御により所望の電圧と周波数の交流を供給する。
【０００４】
図１１に示す各単相インバータ１１の個々の素子のスイッチングは、例えば図１１に示したＵ１において、ＰＷＭ回路１４−１，２にて搬送波ａ及びこの搬送波ａを位相シフト回路１４−５により１８０゜シフトした搬送波ｂと、電圧基準Ｖｕｒｅｆとを比較し、この結果得られるゲートパルスｅ，ｆにより制御される。
【０００５】
また、多重インバータにおいて各々の単相インバータのスイッチング信号を得る方法として、「半導体電力変換回路」（電気学会発行／オーム社発売）の第１２５頁及び１２６頁や米国特許４，６７４，０２４号公報、米国特許５，６２５，５４５号公報に記載されているように、他の単相インバータに対し位相シフト回路１４−７を用い搬送波信号の位相をずらし、個々の単相インバータの各素子毎にＰＷＭ回路を設けゲートパルスを出力する制御回路１４を用いる方法が一般的に行われている。
【０００６】
図１３は、出力電圧波形を示したものである。
図１３によれば、２個の単相インバータの出力電圧Ｕ１とＵ２が交互にスイッチングして、１個の単相インバータの出力電圧波形に比べ、総合的に、より正弦波に近い波形が得られている。
尚、図１１では、１相当りに単相インバータが２つある例で説明したが、３つ以上においてはより向上した結果が得られることは明らかである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように構成された従来の多重インバータの制御方法では、スイッチング素子毎に、ＰＷＭ回路と位相シフト回路を追加する必要があり、多重化する場合、装置が大型化するため、経済的な問題がある。
【０００８】
また、一般に単相インバータでの多重運転では、あるひとつの単相インバータが故障した場合、前記単相インバータの出力を短絡しバイパス状態で、他の単相インバータだけで負荷に電力を供給することができる。しかし、制御回路において位相シフト回路をそのままの状態にし、１つの単相インバータだけをバイパス状態にすると、バイパス状態にした単相インバータの出力が出力電圧に反映されないことにより出力電圧の高調波は増加する。
【０００９】
従って、本発明では上記問題点を鑑み、装置の各素子に与えるＰＷＭ回路を簡略化し小型化すると共に、バイパス状態で運転した場合でも高調波を増加させない出力電圧波形を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、各々複数のスイッチング素子を有
するインバータの出力を２つ以上接続し、可変周波数、可変電圧の多相交流電力を得る電力変換装置において、前記各相のインバータのスイッチング素子のスイッチングを、各相毎に設けられ、搬送波位相を前記各インバータの各相で一致させる一つのパルス幅変調回路と、このパルス幅変調回路から出力されるゲートパルスを前記各インバータのどのスイッチング素子ヘ分配するかを決定する分配回路とにより制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に係る発明は、上記分配回路が、各インバータのスイッチング素子のスイッチングの発生順序と現在のスイッチングの状態を記憶し、上記スイッチング素子を順次切り替える手段を備えたことを特徴とする。
【００１２】
更に、請求項３に係る発明は、各々複数のスイッチング素子を有する単相インバータの出力を２つ以上直列接続し、可変周波数、可変電圧の多相交流電力を得る電力変換装置において、各相毎に設けられ、搬送波位相を前記各インバータの各相で一致させる一つのパルス幅変調回路と、単一の位相及び振幅の搬送波とパルス幅変調できるように電圧基準を変換する電圧基準変換回路と、各単相インバータ内スイッチング素子のスイッチングの発生順序と現在のスイッチングの状態を記憶し、出力電圧の変化により、前記出力電圧の変化と逆の方向にスイッチングしていた素子のうち、最も長い期間スイッチングしていなかった素子に対し前記パルス幅変調回路から出力されるゲートパルスを出力する分配回路とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る発明は、上記複数の単相インバータのうちのーつをバイパス状態として使用するため、上記バイパス状態の単相インバータを除く他の単相インバータヘゲートパルスを分配する回路を備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５に係る発明は、三相インバータを複数個接続し、可変周波数、可変電圧の多相交流電力を得る電力変換装置において、各相毎に設けられ、搬送波位相を前記各インバータの各相で一致させる一つのパルス幅変調回路と、単一の位相及び振幅の搬送波とパルス幅変調できるように電圧基準を変換する電圧基準変換回路と、前記各三相インバータのスイッチング素子のスイッチングの発生順序と現在のスイッチングの状態を記憶し、出力電圧の変化により、前記出力電圧の変化と逆の方向にスイッチングしていた素子のうち、最も長い期間スイッチングしていなかった素子に対して前記パルス幅変調回路から出力されるゲートパルスを出力する分配回路とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１６】
（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形態を示す回路図である。尚、図１に示す実施の形態の構成要素において、図１１と同一の構成要素については、同一番号をつけることによりその説明は省略する。図１１と異なる点は、個々のインバータのゲートパルス制御回路１４()、１では単一の搬送波と単一の比較回路でパルス幅変調制御できるように電圧基準を変換する電圧基準変換回路１８−１と、単一の搬送波と単一の比較回路からなるＰＷＭ回路１８−２と、分配回路１８−３で構成する制御回路１８で置き換えている点である。以下、説明はＵ相を代表して説明するがＶ，Ｗ相についても同様である。
【００１７】
電圧基準変換回路１８−１では電圧基準Ｖｕｒｅｆに対し、相の出力するべき電圧レベルを基に、単一の搬送波と単一の比較回路でＰＷＭ制御できるように電圧基準を変換し出力する。
【００１８】
図２及び図３は、相の出力の電圧レベルが−２から＋２の５レベルである多重インバータの出力の電圧レベルの対応と電圧基準の変換の概念を示している。ここで、電圧基準を−１から＋１に正規化して考えている。
【００１９】
図２は、変換前の電圧基準に対する搬送波Ｃ１乃至Ｃ４を示す。
図３に示すように、本実施の形態では、電圧基準と搬送波の相対的な関係を考慮し、搬送波の振幅が−１から＋１となるように電圧基準を変換する。例えば、図２に示すように、電圧基準が０から＋１／２の範囲にある場合、搬送波と電圧基準との関係から決定されるパルス幅を持った相電圧を得ることができる。同様のパルス幅を図３に示す単一の搬送波を用いて出力するために、以下のような変換を行う。
【００２０】
Ｅｕ＝（Ｖｕｒｅｆ−１／４）×４ ……… （１）
Ｅｕ：変換後のＵ相電圧基準
他の領域についても同様に以下のように変換する。
【００２１】
電圧基準が＋１／２から＋１の範囲にある場合、
Ｅｕ＝（Ｖｕｒｅｆ−３／４）×４ ……… （２）
電圧基準が−１／２から０の範囲にある場合、
Ｅｕ＝（Ｖｕｒｅｆ＋１／４）×４ ……… （３）
電圧基準が−１から−１／２の範囲にある場合、
Ｅｕ＝（Ｖｕｒｅｆ＋３／４）×４ ……… （４）
上記変換後の電圧基準は、ＰＷＭ回路１８−２にてＰＷＭ制御されゲートパルスを出力する。
【００２２】
分配回路１８−３では、次にスイッチングする素子ｍを決定し、この決定された素子にゲートパルスｐを出力し、他の素子に対しては前回のスイッチング状態を継続するようにゲートパルスを出力する。
【００２３】
次に、単相インバータを少なくとも２つ以上直列接続する多重インバータにおける分配回路１８−３の動作を詳細に述べる。
図４は、電力変換装置の分配回路１８−３の詳細図を示す。
【００２４】
まず、出力電圧レベル決定回路２０にて電圧基準から出力するべき相電圧の電圧レベルｌを、図２に示すように、電圧基準の大きさに応じて決定する。
次に、電圧レベルｌからスイッチング素子選択回路２１にて、次にスイッチングする素子ｍを決定する。スイッチング素子選択回路２１は、単相インバータ選択回路２２と、単相インバータ内素子選択回路２３からなる。
【００２５】
単相インバータ選択回路２２は、図５に示すように、単相インバータの出力しうる電圧レベル−１〜＋１までにそれぞれ、先入れ先出し方式のキュ−２４ａ，２４ｂ，２４ｃを用意する。各単相インバータは各出力状態から、どれかひとつのキューに属する。このとき、キュ−２４ａ，２４ｂ，２４ｃは電圧レベルが変化した順番も情報として持つ。
【００２６】
相の出力電圧レベルは、これらの単相インバータの出力の加算である。例えば、図５はレベル０のキュー２４ｂにはＵ１，Ｕ２が所属しており、先にＵ１がレベル０となっていたことを示している。また、相の出力電圧レベルは０であることを示す。
【００２７】
単相インバータ選択回路２２は出力電圧レベル決定回路２０から出力するべき相電圧の電圧レベルｌを受け取り、キューの状態から分かる現状のスイッチング前の出力電圧レベルと比較し、出力するぺき電圧レベルが高い場合は、キューの最小レベルの先頭の単相インバータの出力レベルを１つ上げ、相の出力電圧レベルを上げる。このようにして、スイッチングする単相インバータｑを決定する。
【００２８】
次に、単相インバータ内素子選択回路２３の動作を示す。
単相インバータ内素子選択回路２３では、単相インバータ選択回路２２で決定した電圧レベルを変化させる単相インバータｑに対して、スイッチングするべき素子を決定する。
【００２９】
図６に単相インバータの出力電圧レベルに対する各素子のスイッチング状態とその遷移を示す。数字は単相インバータの出力電圧レベルを示し、０内の＋，−は単相インバータ内の２つのアームの状態を表し、＋は上側の素子がオンし、−は下側の素子がオンしていることを表す。スイッチングの状態は２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄの４種類ある。単相インバータの出力電圧レベルを０とするスイッチングの状態は２６ａ，２６ｃの２種類ある。
【００３０】
本実施の形態では、素子のスイッチングを分散させるために、前回０レベルであったとき、どちらのスイッチング状態であったかをフラグで記憶しておき、次にスイッチングする素子を決定する。例えば、ＦＬＧ＝０でインバータの出力電圧レベルが＋１から０に変化する場合、次の状態が２６ｂとなるようにスイッチング素子を選択する。逆にＦＬＧ＝１だった場合は２６ｃとなるようにスイッチング素子を選択する。また、出力電圧レベルが−１から０となる場合も同様である。このようにして、スイッチング素子ｍを決定する。
【００３１】
また、選択されなかった素子に対しては、キュ−２４ａ，２４ｂ，２４ｃの状態から前回のスイッチング信号ｅ´，ｆ´，ｇ´，ｈ´を継続して出力する。
ゲートパルス割り振り回路２５は、スイッチング素子選択回路２１で選択された素子ｍに対して、ＰＷＭ回路１８−２から出力されるゲートパルスｐを出力し、他の素子に対してはスイッチング素子選択回路２１から出力される前回のスイッチング信号ｅ´，ｆ´，ｇ´，ｈ´を出力する。
【００３２】
このように第１の実施の形態では、各相毎に２つの単相インバータを直列接続した多重インバータにおいて、ひとつのＰＷＭ回路１８−２と、ゲートパルスを分配する分配回路１８−３を用いて制御でき、回路構成をコンパクトにできる。また、キュ−２４ａ，２４ｂ，２４ｃを用いて、出力電圧レベルの変化を実現できる単相インバータのうち、最も長い期間、出力状態の変化のなかった単相インバータをスイッチングさせる制御手法により各単相インバータのスイッチングを分散できるので、スイッチングロスのバランスを取ることができる。
【００３３】
以上の場合を説明した１相当りに単相インバータが２つ接続されたが、３つ以上の多重接続を行った場合、キュー２４ａ，２４ｂ，２４ｃに納める単相インバータの数を増やすことで同様の処理が行える。
【００３４】
従って、単相インバータを２つ以上接続する多重インバータの各素子の制御を、ひとつのＰＷＭ回路とゲートパルス分配回路を行うことができ、部品点数が少なくなるとともに、各素子のスイッチングロスのバランスを取ることができる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態について図７を用いて説明する。尚、主回路構成は図１と同様である。また、図７に示した実施の形態の構成要素において、図４と同一の構成要素については、同一番号をつけることによりその説明は省略する。
【００３６】
図４と異なる点は、単相インバータ選択回路２２に対し、キュー２４ａ，２４ｂ，２４ｃの初期化回路２７を追加している点である。
スイッチングを行う単相インバータはこのキューのレベル移動によって行うので、キューの中にその情報を含まなければ、スイッチング信号は送られず、バイパス状態可能となる。同様の方法で、同時に複数の単相インバータをバイパス運転することが可能である。
従って、１つ以上の単相インバータをバイパス運転することができ、ＰＷＭ回路変更等のハード変更が不要となる。
【００３７】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態について図８及び図９を用いて説明する。
尚、図８及び図９に示した実施の形態の構成要素において、図１及び図４と同一の構成要素については、同一番号をつけることによりその説明は省略する。
【００３８】
図８に示すように、電力変換装置は、２組の三相インバータをリアクトル２８ａ，２８ｂで結合した２重インバータである。
図１と異なる点は、主回路構成が単相インバータの直列接続から、三相インバータの並列接続となった点と制御回路１８においてゲートパルス信号線が異なる点である。
【００３９】
図４と異なる点は、スイッチング素子選択回路２１の構成が異なる点である。図９のスイッチング素子選択回路２１において、三相インバータに対しては、三相インバータスイッチング素子選択回路２９で各スイッチングを制御する。
【００４０】
単相インバータと同様、過去のスイッチング状態を記憶するため、三相インバータにも図１０に示すようなキューを考える。三相インバータでは、各相のアームは正または負の２つの状態のみを持ち、それぞれの状態でキュー３０ａ，３０ｂを用意する。三相インバータの各相の出力状態はこのキューのいずれかに納められる。相の出力電圧レベルは、これらの加算した平均値となる。
【００４１】
スイッチング素子選択回路２１は、出力電圧レベル決定回路２０から出力するべき相の出力電圧レベルｌを受け取り、上前記出力電圧レベルとキューの状態から決定される現状の出力電圧レベルとを比較する。出力するべき電圧レベルが高い場合は、負側のキュー３０ｂの先頭のインバータのスイッチングを正にし、相の出力電圧レベルを上げる。逆に出力するべき電圧レベルが低い場合は、正側のキュー３０ａの先頭のインバータのスイッチングを負にし、相の出力電圧レベルを下げる。このようにして、スイッチングする素子ｍを決定する。
【００４２】
このように第３の実施の形態では、２つの三相インバータを並列接続した多重インバータにおいて、ひとつのＰＷＭ回路１８−２と、ゲートパルスを分配する回路１８−３を用いて制御でき、回路構成をコンパクトにできる。また、キュー３０ａ，３０ｂを用いて、出力電圧レベルの変化を実現できる三相インバータのうち、最も過去にスイッチングした三相インバータをスイッチングさせる制御手法により各三相インバータのスイッチングを分散できる。以上三相インバータの２重化の場合を説明したが、３重化以上の多重化を行った場合、キュー３０ａ，３０ｂに納める三相インバータの数を増やすことで同様の処理が行える。
【００４３】
従って、三相インバータを２つ以上接続する多重インバータの各素子の制御を、ひとつのＰＷＭ回路とゲートパルス分配回路を行うことができ、部品点数が少なくなるとともに、各素子のスイッチングロスのバランスを取ることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、装置の各素子に与えるＰＷＭ回路を簡略化し小型化すると共に、バイパス状態で運転した場合でも高調波を増加させない出力電圧波形を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す概要構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態における変換前の電圧基準に対する出力電圧レベルと電圧基準を示す概略図。
【図３】本発明の第１の実施の形態における変換後の電圧基準に対する出力電圧レベルと電圧基準を示す概略図。
【図４】本発明の第１の実施の形態における単相インバータゲートパルス制御回路を示す概要構成図。
【図５】本発明の第１の実施の形態におけるスイッチングする単相インバータ決定のためのキューを示す概念図。
【図６】本発明の第１の実施の形態におけるスイッチングする素子決定のための状態遷移を示す概念図。
【図７】本発明の第２の実施の形態を示す概要構成図。
【図８】本発明の第３の実施の形態を示す概要構成図
【図９】本発明の第３の実施の形態における三相インバータゲートパルス制御回路を示す概要構成図。
【図１０】本発明の第３の実施の形態におけるスイッチングする三相インバータ決定のためのキューを示す概念図。
【図１１】従来の多重ＰＷＭ制御方式の多重インバータ装置を示す概要構成図。
【図１２】図１１に示した単相インバータを示す概要構成図。
【図１３】図１１に示した多重インバータの出力波形を示す波形図
【符号の説明】
１１…単相インバータ、１２…交流モータ、１４，１８…制御回路、１５…直流電源、１６…単相逆ブリッジ逆変換器、１８−１…電圧基準変換回路、１８−２…ＰＷＭ回路、１８−３…分配回路、２０…出力電圧レベル決定回路、２１…スイッチング素子選択回路、２２…単相インバータ選択回路、２３…単相インバータ内素子選択回路、２４ａ，２４ｂ，２４ｃ…単相インバータ用先入れ先出し方式のキュー、２５…ゲートパルス割り振り回路、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ…単相インバータスイッチング状態、２７…キュー初期化回路、２８ａ，２８ｂ…結合リアクトル、２９…三相インバータスイッチング素子選択回路、３０ａ，３０…三相インバータ用先入れ先出し方式のキュー。

Claims

各々複数のスイッチング素子を有するインバータの出力を２つ以上接続し、可変周波数、
可変電圧の多相交流電力を得る電力変換装置において、
前記各相のインバータのスイッチング素子のスイッチングを、各相毎に設けられ、搬送
波位相を前記各インバータの各相で一致させる一つのパルス幅変調回路と、
このパルス幅変調回路から出力されるゲートパルスを前記各インバータのどのスイッ
チング素子ヘ分配するかを決定する分配回路とにより制御する制御手段と、
を具備したことを特徴とする電力変換装置。
前記分配回路は、各インバータのスイッチング素子のスイッチングの発生順序と現在の
スイッチングの状態を記憶し、前記スイッチング素子を順次切り替える手段を具備したこ
とを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
各々複数のスイッチング素子を有する単相インバータの出力を２つ以上直列接続し、可
変周波数、可変電圧の多相交流電力を得る電力変換装置において、
各相毎に設けられ、搬送波位相を前記各インバータの各相で一致させる一つのパルス幅変
調回路と、
単一の位相及び振幅の搬送波とパルス幅変調できるように電圧基準を変換する電圧基準
変換回路と、
各単相インバータ内スイッチング素子のスイッチングの発生順序と現在のスイッチングの状態を記憶し、出力電圧の変化により、前記出力電圧の変化と逆の方向にスイッチングしていた素子のうち、最も長い期間スイッチングしていなかった素子に対し前記パルス幅変調回路から出力されるゲートパルスを出力する分配回路とを具備したことを特徴とする電力変換装置。
前記複数の単相インバータのうちのーつをバイパス状態として使用するため、前記バイパス状態の単相インバータを除く他の単相インバータヘゲートパルスを分配する回路を具備したことを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
三相インバータを複数個接続し、可変周波数、可変電圧の多相交流電力を得る電力変換装置において、
各相毎に設けられ、搬送波位相を前記各インバータの各相で一致させる一つのパルス幅変調回路と、
単一の位相及び振幅の搬送波とパルス幅変調できるように電圧基準を変換する電圧基準変換回路と、
前記各三相インバータのスイッチング素子のスイッチングの発生順序と現在のスイッチングの状態を記憶し、出力電圧の変化により、前記出力電圧の変化と逆の方向にスイッチングしていた素子のうち、最も長い期間スイッチングしていなかった素子に対して前記パルス幅変調回路から出力されるゲートパルスを出力する分配回路とを具備したことを特徴とする電力変換装置。