JP6131360B1 - Power converter - Google Patents
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Abstract
【課題】中性点電位の変動を抑制することができる電力変換装置を提供する。【解決手段】直流電源1の正極側と負極側との間に互いに直列に接続され、接続点を中性点とする正極側コンデンサ11および負極側コンデンサ12を有し、直流電源からの直流電力を交流電力に変換してモータに供給する3レベルインバータ10と、モータに流れる電流を出力電流として検出する電流検出部16と、モータの回転数をモータ回転数として検出する回転数検出部17と、出力電流およびモータ回転数を用いて、3レベルインバータに対する出力電圧指令値を演算する電圧指令演算部と、正極側コンデンサおよび負極側コンデンサの電圧を正極側電圧および負極側電圧として検出する電圧検出部14と、正極側電圧と負極側電圧との電位差、出力電流の極性および出力電圧指令値の極性に基づいて、電位差が小さくなるように、出力電圧指令値を補償する中性点電位制御部と、を備える。【選択図】図1A power converter capable of suppressing fluctuations in neutral point potential is provided. A DC power source includes a positive electrode side capacitor and a negative electrode side capacitor that are connected in series between a positive electrode side and a negative electrode side of a DC power source and have a connection point as a neutral point. Level inverter 10 that converts AC power into AC power and supplies it to the motor, a current detector 16 that detects the current flowing through the motor as an output current, and a rotational speed detector 17 that detects the rotational speed of the motor as the motor rotational speed, A voltage command calculation unit that calculates an output voltage command value for the three-level inverter using the output current and the motor rotation speed, and voltage detection that detects the voltages of the positive side capacitor and the negative side capacitor as the positive side voltage and the negative side voltage Based on the potential difference between the positive electrode side voltage and the negative side voltage, the polarity of the output current, and the polarity of the output voltage command value, the potential difference is reduced. And a neutral point potential control unit for compensating an output voltage command value. [Selection] Figure 1
Description
この発明は、3レベルインバータを用いた電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device using a three-level inverter.
従来から、ゼロとプラス側との間で変化する三角波およびゼロとマイナス側との間で変化する三角波である2つの搬送波と、出力電圧指令値である変調波とを比較し、比較結果の大小関係に基づいて、スイッチング素子をオンまたはオフするためのゲート信号を生成し、ゲート信号に応じて3レベルインバータを制御する電力変換装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, two carrier waves, which are a triangular wave that changes between zero and the positive side and a triangular wave that changes between zero and the negative side, are compared with the modulated wave that is the output voltage command value. A power conversion device that generates a gate signal for turning on or off a switching element based on the relationship and controls a three-level inverter according to the gate signal is known (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
すなわち、3相3レベルインバータで中性点電位を出力する場合には、スイッチング素子のスイッチング状態により、正極側コンデンサが充電される期間と負極側コンデンサが充電される期間とがあり、中性点電位が出力周波数の3倍周波数で変化することが知られている。
However, the prior art has the following problems.
That is, when a neutral point potential is output by a three-phase three-level inverter, there are a period during which the positive-side capacitor is charged and a period during which the negative-side capacitor is charged depending on the switching state of the switching element. It is known that the potential changes at a frequency three times the output frequency.
なお、中性点電位が変動すると、各スイッチング素子およびコンデンサの電圧負担が不平衡となり、コンデンサの過電圧破壊を引き起こす恐れがある。また、モータ負荷の場合、中性点電位が変動することにより、出力電圧の振幅に誤差が生じるため、出力電流が歪み、トルクの脈動が増大する恐れがある。 When the neutral point potential fluctuates, the voltage burden on each switching element and the capacitor becomes unbalanced, which may cause overvoltage breakdown of the capacitor. Further, in the case of a motor load, an error occurs in the amplitude of the output voltage due to fluctuations in the neutral point potential, so that the output current may be distorted and torque pulsation may increase.
ここで、過電圧破壊を防止するためには、コンデンサの耐圧を大きくする必要がある。また、中性点電位の変動を抑制するためには、コンデンサの静電容量を大きくする必要がある。これらは、コンデンサの体積が増えて装置が大型化し、装置のコストが高くなるという問題がある。 Here, in order to prevent overvoltage breakdown, it is necessary to increase the breakdown voltage of the capacitor. Moreover, in order to suppress the fluctuation of the neutral point potential, it is necessary to increase the capacitance of the capacitor. These have the problem that the volume of the capacitor increases, the size of the device increases, and the cost of the device increases.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、中性点電位の変動を抑制することができる電力変換装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a power conversion device that can suppress fluctuations in neutral point potential.
この発明に係る電力変換装置は、直流電源の正極側と負極側との間に互いに直列に接続され、接続点を中性点とする正極側コンデンサおよび負極側コンデンサを有し、直流電源からの直流電力を交流電力に変換してモータに供給する3レベルインバータと、モータに流れる電流を出力電流として検出する電流検出部と、モータの回転数をモータ回転数として検出する回転数検出部と、出力電流およびモータ回転数を用いて、3レベルインバータに対する出力電圧指令値を演算する電圧指令演算部と、正極側コンデンサおよび負極側コンデンサの電圧を正極側電圧および負極側電圧として検出する電圧検出部と、正極側電圧と負極側電圧との電位差、出力電流の極性および出力電圧指令値の極性に基づいて、電位差が小さくなるように、出力電圧指令値を補償する中性点電位制御部と、補償後の出力電圧指令値に基づいて、3レベルインバータのゲート信号を生成するPWM生成部と、を備え、中性点電位制御部は、3レベルインバータの各相について、出力電圧指令値を補償するものである。 The power conversion device according to the present invention includes a positive-side capacitor and a negative-side capacitor that are connected in series between a positive electrode side and a negative electrode side of a DC power source and that have a connection point as a neutral point. A three-level inverter that converts DC power into AC power and supplies it to the motor, a current detector that detects the current flowing through the motor as an output current, a rotational speed detector that detects the rotational speed of the motor as a motor rotational speed, A voltage command calculation unit that calculates an output voltage command value for the three-level inverter using the output current and the motor rotation speed, and a voltage detection unit that detects the voltages of the positive side capacitor and the negative side capacitor as the positive side voltage and the negative side voltage Output voltage so as to reduce the potential difference based on the potential difference between the positive side voltage and the negative side voltage, the polarity of the output current, and the polarity of the output voltage command value. And the neutral point potential control unit for compensating the command value, based on the output voltage command value after compensation, a PWM generating unit for generating a gate signal of the 3-level inverter, comprising a neutral point potential control unit, 3 The output voltage command value is compensated for each phase of the level inverter .
この発明に係る電力変換装置によれば、中性点電位制御部は、接続点を中性点として互いに直列に接続された正極側コンデンサおよび負極側コンデンサにおける正極側電圧と負極側電圧との電位差、3レベルインバータの出力電流の極性、および3レベルインバータに対する出力電圧指令値の極性に基づいて、正極側電圧と負極側電圧との電位差が小さくなるように、出力電圧指令値を補償する。
そのため、中性点電位の変動を抑制することができる。
According to the power conversion device of the present invention, the neutral point potential control unit is configured such that the potential difference between the positive side voltage and the negative side voltage in the positive side capacitor and the negative side capacitor connected in series with each other as the neutral point. Based on the polarity of the output current of the three-level inverter and the polarity of the output voltage command value for the three-level inverter, the output voltage command value is compensated so that the potential difference between the positive side voltage and the negative side voltage becomes small.
Therefore, fluctuations in the neutral point potential can be suppressed.
以下、この発明に係る電力変換装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of a power conversion device according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts will be described with the same reference numerals.
まず、実施の形態の説明に先立って、この発明に係る電力変換装置の概要について説明する。この発明の電力変換装置は、3レベルインバータに出力される出力電圧指令値の極性および3レベルインバータの出力電流(中性点電流)の極性から、中性点電位の変動を抑制するように、各相の出力電圧指令値を補償するものである。 First, prior to description of the embodiments, an outline of a power conversion device according to the present invention will be described. From the polarity of the output voltage command value output to the three-level inverter and the polarity of the output current (neutral point current) of the three-level inverter, the power conversion device of the present invention suppresses fluctuations in the neutral point potential. It compensates the output voltage command value of each phase.
言い換えると、中性点電位の変動を抑制するように、中性点電流を制御するものである。中性点電流の制御は、3レベルインバータの正極側コンデンサおよび負極側コンデンサの電圧を検出し、電位差の状態に応じて、中性点電流を増減させる方針に基づき、中性点電位の変動を抑制するように実行される。 In other words, the neutral point current is controlled so as to suppress the fluctuation of the neutral point potential. Neutral point current control is based on the policy of detecting the voltages of the positive and negative capacitors of the 3-level inverter and increasing or decreasing the neutral point current according to the potential difference. It is executed to suppress.
具体的には、中性点電流を増減させる方針に基づいて、中性点素子並びに正極側および負極側素子のオン時間を調整する。このとき、中性点素子並びに正極側および負極側素子のオン時間を調整するために、出力電圧指令値を補償する。これを3相のそれぞれについて、個別に実行する。 Specifically, the on-time of the neutral point element and the positive electrode side and negative electrode side elements is adjusted based on a policy of increasing or decreasing the neutral point current. At this time, the output voltage command value is compensated in order to adjust the on-time of the neutral point element and the positive electrode side and negative electrode side elements. This is performed individually for each of the three phases.
これにより、中性点電位の変動が抑制され、電圧負担の不平衡が改善されるので、コンデンサの耐圧や静電容量を不要に大きくする必要がなく、コストを低減するとともに、装置を小型化することができる。また、3レベルインバータの出力電圧歪みも改善され、モータのトルクリプル等を抑制することができるので、インバータの制御性能向上に繋がる。なお、出力電圧指令値を補償することから、V/F制御、ベクトル制御等、制御種類によらず適用することができる。 As a result, fluctuations in the neutral point potential are suppressed and voltage imbalance is improved, so there is no need to unnecessarily increase the withstand voltage and capacitance of the capacitor, reducing costs and downsizing the device. can do. Further, the output voltage distortion of the three-level inverter is also improved, and the torque ripple of the motor can be suppressed, which leads to improvement of the inverter control performance. Since the output voltage command value is compensated, it can be applied regardless of the control type, such as V / F control and vector control.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置の3レベルインバータを、直流電源およびモータとともに示す回路図である。図1において、3レベルインバータ10は、中性点が接地された直流電源1とモータ2とに接続されている。
1 is a circuit diagram showing a three-level inverter of a power conversion device according to
3レベルインバータ10は、直流電源1の正極側と負極側との間に互いに直列に接続され、接続点を中性点とする正極側コンデンサ11および負極側コンデンサ12と、1相あたり4個のスイッチング素子Q1〜Q4で構成された3相分のアーム13とを備え、直流電源1からの直流電力を交流電力に変換してモータ2に供給する。
The three-
ここで、1相分のアーム13を構成する4個のスイッチング素子は、中性点に双方向スイッチとして接続された2個の中性点素子Q3、Q4と、直流電源1の正極側と負極側との間に互いに直列に接続された正極側素子Q1および負極側素子Q2とを有し、これにより3レベルを実現している。
Here, the four switching elements constituting the
また、3レベルインバータ10には、正極側コンデンサ11および負極側コンデンサ12の電圧を正極側電圧Vc1および負極側電圧Vc2としてそれぞれ検出する電圧センサ14、15が設けられている。また、3レベルインバータ10には、モータ2に流れる電流を出力電流として検出する電流センサ16と、モータ2の回転数をモータ回転数として検出する回転数センサ17とが設けられている。
The three-
図2は、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置の制御部を示すブロック構成図である。図2において、この制御部は、ベクトル制御部20、中性点電位制御部30およびPWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)生成部40から構成されている。
FIG. 2 is a block configuration diagram showing a control unit of the power conversion apparatus according to
ベクトル制御部20は、電流センサ16で検出された出力電流、回転数センサ17で検出されたモータ回転数、並びに上位制御系から入力されるモータ回転数指令値およびd軸電流指令値を用いて、3レベルインバータ10に対する出力電圧指令値を演算する。また、ベクトル制御部20は、速度制御器21、電源周波数演算部22、3相/dq軸座標変換部23、電流制御器24、25およびdq軸/3相座標変換部26を有している。
The
速度制御器21は、上位制御系から入力されるモータ回転数指令値Wr*と回転数センサ17で検出されたモータ回転数Wrとの偏差が零になるように、PI制御等でq軸電流指令値Iq*を生成する。
The
電源周波数演算部22は、上位制御系から入力されるd軸電流指令値Id*、q軸電流指令値Iq*、モータ回転数Wrおよび二次時定数τr(モータ定数)に基づいて、dq軸/3相座標変換で必要になる位相角θを演算する。 The power supply frequency calculation unit 22 generates a dq axis based on the d-axis current command value Id *, the q-axis current command value Iq *, the motor rotation speed Wr, and the secondary time constant τr (motor constant) input from the host control system. / A phase angle θ required for three-phase coordinate conversion is calculated.
3相/dq軸座標変換部23は、電源周波数演算部22で演算された位相角θを用いて、電流センサ16で検出された出力電流Iu、Iv、Iwを座標変換し、d軸電流検出値Idおよびq軸電流検出値Iqを出力する。
The three-phase / dq-axis
電流制御器24は、d軸電流指令値Id*とd軸電流検出値Idとの偏差が零となるよう、PI制御等でd軸電圧指令値Vd*を生成する。また、電流制御器25は、q軸電流指令値Iq*とq軸電流検出値Iqとの偏差が零となるよう、PI制御等でq軸電圧指令値Vq*を生成する。
The
dq軸/3相座標変換部26は、電源周波数演算部22で演算された位相角θを用いて、電流制御器24からのd軸電圧指令値Vd*および電流制御器25からのq軸電圧指令値Vq*を座標変換し、3相の出力電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*を出力する。
The dq-axis / 3-phase
中性点電位制御部30は、極性判別部31、極性判別部32および電圧指令補償演算部33を有している。極性判別部31は、出力電流Iu、Iv、Iwの各相について、値が正であるか負であるかを判別する。極性判別部32は、出力電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*の各相について、値が正であるか負であるかを判別する。
The neutral point
電圧指令補償演算部33は、正極側電圧Vc1と負極側電圧Vc2との電位差ΔV、直流電源1の電圧Ed/2、出力電流Iu、Iv、Iwの極性、および出力電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*の極性に基づいて、電位差ΔVが小さくなるように、出力電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*を補償し、補償後の出力電圧指令値Vuu*、Vvv*、Vww*を出力する。なお、電圧指令補償演算部33の詳細な制御については、後述する。
The voltage command
PWM生成部40は、補償後の出力電圧指令値Vuu*、Vvv*、Vww*に基づいて、3レベルインバータ10のゲート信号を生成する。ここで、PWM生成部40は、ゼロとプラス側との間で変化する三角波およびゼロとマイナス側との間で変化する三角波である2つのキャリアと、出力電圧指令値を定格直流電圧Ed/2で規格化した変調率aとを比較し、比較結果に基づいて、スイッチング素子Q1〜Q4をオンまたはオフするためのゲート信号を生成する。
The
図3は、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置のPWM生成部の動作を説明するためのタイミングチャートである。図3では、キャリアと変調率aとの関係、スイッチング素子Q1〜Q4の動作およびこのときの3レベルインバータ10からの出力電圧(相電圧)を、u相について示している。
FIG. 3 is a timing chart for explaining the operation of the PWM generator of the power conversion apparatus according to
図3において、変調率aが正である場合には、変調率aがキャリアよりも大きいときに、スイッチング素子Q1がオンし、スイッチング素子Q3がオフする。このとき、スイッチング素子Q4は、常時オン状態である。 In Figure 3, when the modulation factor a is positive, when the modulation factor a is larger than the carrier, the switching element Q 1 is turned on, the switching element Q 3 is turned off. At this time, the switching element Q 4 are a normally on.
これに対して、変調率aが負である場合には、変調率aがキャリアよりも小さいときに、スイッチング素子Q2がオンし、スイッチング素子Q4がオフする。このとき、スイッチング素子Q3は、常時オン状態である。 In contrast, when the modulation factor a is negative, when the modulation factor a is less than the carrier, the switching element Q 2 is turned on, the switching element Q 4 is turned off. At this time, the switching element Q 3 are always in the ON state.
続いて、図4、5を参照しながら、電圧指令補償演算部33の詳細な制御について説明する。図4(a)、(b)は、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置の中性点電位制御部の動作を説明するためのタイミングチャートである。また、図5(a)〜(d)は、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置の中性点電位制御部の動作を説明するための別のタイミングチャートである。
Next, detailed control of the voltage command
最初に、電圧指令補償式の導出について説明する。以下、3レベルインバータ10のu相、v相、w相をまとめてu,v,wと記載する。
First, derivation of the voltage command compensation formula will be described. Hereinafter, the u phase, the v phase, and the w phase of the three-
まず、正極側電圧Vc1と負極側電圧Vc2との電位差ΔV≠0である場合、スイッチング素子Q1〜Q4の状態に応じて、3レベルインバータ10からの出力電圧は、以下の3つに分けられる。
First, when the potential difference ΔV ≠ 0 between the positive electrode side voltage V c1 and the negative electrode side voltage V c2 , the output voltage from the three-
状態1:Eu,v,w=Ed/2 (1)
状態2:Eu,v,w=−Ed/2 (2)
状態3:Eu,v,w=ΔV (3)
State 1: E u, v, w = Ed / 2 (1)
State 2: E u, v, w = −Ed / 2 (2)
State 3: E u, v, w = ΔV (3)
ここで、U相における状態1、状態2、状態3について説明する。状態1は、正極側のスイッチング素子Q1のみがオンしている状態を示し、状態2は、負極側のスイッチング素子Q2のみがオンしている状態を示し、状態3は、中性点のスイッチング素子Q3、Q4のみがオンしている状態を示している。V相、W相に関しても、各相のQ1、Q2、Q3、Q4に対応するスイッチング素子がオンしている状態を、状態1、状態2、状態3で示している。
Here,
また、図1より、Ed/2−Vc1−ΔV=0、ΔV−Vc2+Ed/2=0が成立することから、正極側電圧Vc1と負極側電圧Vc2との電位差ΔVは、次式(4)で表される。 Further, from FIG. 1, since Ed / 2−V c1 −ΔV = 0 and ΔV−V c2 + Ed / 2 = 0, the potential difference ΔV between the positive side voltage V c1 and the negative side voltage V c2 is It is represented by Formula (4).
式(4)より、ΔV≠0の場合において、出力電圧指令値Vu,v,w*通りの出力電圧Eu,v,wを出力するために、変調率aをどのように制御すればよいか考える。言い換えると、スイッチング素子のデューティー比、オン時間をどのように制御するかを考える。 From equation (4), when ΔV ≠ 0, in order to output the output voltage command values V u, v, w * output voltages E u, v, w , how is the modulation factor a controlled? Think about it. In other words, consider how to control the duty ratio and on-time of the switching element.
まず、図4(a)に示された、変調率a>0(Vu,v,w*>0)の場合について考える。なお、上述したように、変調率aは、出力電圧指令値Vu,v,w*を規格化したものであることから、出力電圧指令値Vu,v,w*と同義と考えることができる。また、図4(a)では、変調率aの周期に対し、キャリア周期Tは非常に短いことから、変調率aは直線として扱うことができる。 First, consider the case of modulation rate a> 0 (V u, v, w ** 0) shown in FIG. As described above, the modulation factor a, the output voltage instruction value V u, v, since it is obtained by normalizing the w *, the output voltage command value V u, v, be considered to w * synonymous it can. In FIG. 4A, since the carrier period T is very short with respect to the period of the modulation factor a, the modulation factor a can be treated as a straight line.
図4(a)より、1キャリア周期Tの出力電圧Eu,v,wの平均値Eaveu,v,wは、状態1のEu,v,w=Ed/2と状態3のEu,v,w=ΔVとを組み合わせた値として、次式で表される。なお、この式において、T1/Tは、変調率aを直線として扱っていることから、aに置き換えることができる。
Fig. 4 (a), the output voltage E u of 1 carrier period T, v, the average value Eave u of w, v, w are, E u of state 1, v, w = Ed / 2 and
続いて、この式において、Eaveu,v,w=Vu,v,w*とするために、平均値Eaveu,v,wを出力電圧指令値Vu,v,w*に置き換え、変調率aについて解くと、次式が得られる。 Subsequently, in this formula, in order to set Eave u, v, w = V u, v, w *, the average value Eave u, v, w is replaced with the output voltage command value V u, v, w *, and the modulation is performed. Solving for rate a yields:
式(5)において、ΔV>0である場合には、第2項が常に正の値になることから、変調率aは、小さくなる方向に補正される。これに対して、変調率aを大きくしたいときには、式(5)の第2項の制御量だけ出力電圧指令値を補償することとし、次式(5)’が得られる。 In equation (5), when ΔV> 0, the second term is always a positive value, and therefore the modulation factor a is corrected in a decreasing direction. On the other hand, when it is desired to increase the modulation factor a, the output voltage command value is compensated by the control amount of the second term of the equation (5), and the following equation (5) 'is obtained.
次に、図4(b)に示された、変調率a<0(Vu,v,w*<0)の場合について考える。なお、上述したように、変調率aは、出力電圧指令値Vu,v,w*を規格化したものであることから、出力電圧指令値Vu,v,w*と同義と考えることができる。また、図4(b)では、変調率aの周期に対し、キャリア周期Tは非常に短いことから、変調率aは直線として扱うことができる。 Next, consider the case of modulation rate a <0 (V u, v, w ** 0) shown in FIG. As described above, the modulation factor a, the output voltage instruction value V u, v, since it is obtained by normalizing the w *, the output voltage command value V u, v, be considered to w * synonymous it can. In FIG. 4B, since the carrier period T is very short with respect to the period of the modulation factor a, the modulation factor a can be treated as a straight line.
図4(b)より、1キャリア周期Tの出力電圧Eu,v,wの平均値Eaveu,v,wは、状態2のEu,v,w=−Ed/2と状態3のEu,v,w=ΔVとを組み合わせた値として、次式で表される。なお、この式において、−T2/Tは、変調率aを直線として扱っていることから、aに置き換えることができる。
From FIG. 4B , the average values Eave u, v, w of the output voltages E u, v, w in one carrier period T are E u, v, w = −Ed / 2 in
続いて、この式において、Eaveu,v,w=Vu,v,w*とするために、平均値Eaveu,v,wを出力電圧指令値Vu,v,w*に置き換え、変調率aについて解くと、次式が得られる。 Subsequently, in this formula, in order to set Eave u, v, w = V u, v, w *, the average value Eave u, v, w is replaced with the output voltage command value V u, v, w *, and the modulation is performed. Solving for rate a yields:
さらに、この式を展開すると、次式(6)が得られる。 Furthermore, when this equation is expanded, the following equation (6) is obtained.
式(6)において、ΔV>0である場合には、第2項が常に正の値になることから、変調率aは、小さくなる方向に補正される。これに対して、変調率aを大きくしたいときには、式(6)の第2項の制御量だけ出力電圧指令値を補償することとし、次式(6)’が得られる。 In Expression (6), when ΔV> 0, the second term is always a positive value, and thus the modulation factor a is corrected in a decreasing direction. On the other hand, when it is desired to increase the modulation factor a, the output voltage command value is compensated by the control amount of the second term of the equation (6), and the following equation (6) 'is obtained.
すなわち、式(5)、式(5)’、式(6)または式(6)’のように変調率aを補正すれば、出力電圧指令値Vu,v,w*通りの出力電圧Eu,v,wが得られる。 That is, if the modulation factor a is corrected as shown in Equation (5), Equation (5) ′, Equation (6), or Equation (6) ′, the output voltage E according to the output voltage command value V u, v, w *. u, v, w are obtained.
次に、中性点電位制御の制御方針について説明する。
まず、図1より、正極側コンデンサ11を流れる電流i、および負極側コンデンサ12を流れる電流i−inについて、次式(7)および次式(8)が成立する。
Next, a control policy for neutral point potential control will be described.
First, from FIG. 1, the current flowing through the positive capacitor 11 i, and the current i-i n flowing through the negative
また、式(4)、式(7)および式(8)から、次式(9)が得られる。 Moreover, following Formula (9) is obtained from Formula (4), Formula (7), and Formula (8).
この式(9)より、中性点を流れる中性点電流in>0のとき、ΔVは減少し、in<0のとき、ΔVは増加することが分かる。 From this equation (9), it can be seen that ΔV decreases when the neutral point current i n > 0 flowing through the neutral point, and ΔV increases when i n <0.
また、3レベルインバータ10からの出力電流については、図1より次式(10)〜(13)が成り立つ。
As for the output current from the three-
isu=isu’+inu+isu” (10)
isv=isv’+inv+isv” (11)
isw=isw’+inw+isw” (12)
in=inu+inv+inw (13)
i su = i su ′ + i nu + i su ″ (10)
i sv = i sv ′ + i nv + i sv ″ (11)
i sw = i sw '+ i nw + i sw ″ (12)
i n = i nu + i nv + i nw (13)
ここで、図5(a)〜(d)に、変調率a>0およびa<0のそれぞれの場合において、出力電流isu>0またはisu<0であるときの出力電流波形を、u相について示す。図5(a)〜(d)において、キャリア周期Tは非常に短いことから、モータ2のインダクタンスの作用により、この期間においては、どのスイッチング素子に電流が流れたとしても、ほぼ一定の電流が流れるものと考えられる。
Here, in FIGS. 5A to 5D, the output current waveforms when the output current i su > 0 or i su <0 in each of the modulation rates a> 0 and a <0 are shown as u. The phase is shown. 5 (a) to 5 (d), since the carrier period T is very short, an almost constant current is applied to any switching element during this period due to the action of the inductance of the
続いて、図5(a)〜(d)において、中性点電流inuが流れている期間に着目して、式(13)を、キャリア周期Tの間で積分すると、中性点電流inについて、次式(14)が得られる。 Subsequently, in FIGS. 5A to 5D, focusing on the period during which the neutral point current i nu flows, when the equation (13) is integrated during the carrier period T, the neutral point current i For n , the following equation (14) is obtained.
式(14)において、中性点素子Q3、Q4のオン時間は、次式(15)および次式(16)で表される。 In the equation (14), the on-times of the neutral point elements Q 3 and Q 4 are expressed by the following equations (15) and (16).
a>0のとき、Tu=T−T1u、Tv=T−T1v、Tw=T−T1w (15)
a<0のとき、Tu=T−T2u、Tv=T−T2v、Tw=T−T2w (16)
When a> 0, T u = T−T 1u , T v = T−T 1v , T w = T−T 1w (15)
When a <0, T u = T−T 2u , T v = T−T 2v , T w = T−T 2w (16)
ただし、式(15)、(16)では、図5(a)〜(d)における各相のT1およびT2を、それぞれT1u、T1v、T1wとT2u、T2v、T2wで表している。 However, in the formulas (15) and (16), T 1 and T 2 of each phase in FIGS. 5A to 5D are respectively expressed as T 1u , T 1v , T 1w and T 2u , T 2v , T 2w. It is represented by
ここで、式(14)より、各相の中性点電流inuは、中性点素子Q3、Q4がオンしている期間の出力電流と等しいことが分かる。そこで、以上の関係式に基づいて、コンデンサの中性点電位制御の制御方針を以下のように定める。 Here, it can be seen from the equation (14) that the neutral point current i nu of each phase is equal to the output current during the period when the neutral point elements Q 3 and Q 4 are on. Therefore, based on the above relational expression, the control policy for neutral point potential control of the capacitor is determined as follows.
方針1:電位差ΔV=(Vc2−Vc1)/2>0の場合、正極側電圧Vc1を増加させ、負極側電圧Vc2を減少させる。
このとき、式(9)より、基本的に中性点電流in>0ならよいが、中性点電流in>0のとき、中性点電流inをさらに増加させる。また、中性点電流in<0のとき、中性点電流inを増加させ、徐々に正になるようにする。
Policy 1: When the potential difference ΔV = (V c2 −V c1 ) / 2> 0, the positive side voltage V c1 is increased and the negative side voltage V c2 is decreased.
At this time, the neutral point current i n > 0 basically suffices from the equation (9), but when the neutral point current i n > 0, the neutral point current i n is further increased. Further, when the neutral point current i n <0, the neutral point current i n is increased so as to gradually become positive.
方針2:電位差ΔV=(Vc2−Vc1)/2<0のとき、負極側電圧Vc2を増加させ、正極側電圧Vc1を減少させる。
このとき、式(9)より、基本的に中性点電流in<0ならよいが、中性点電流in<0のとき、中性点電流inをさらに減少させる。また、中性点電流in>0のとき、中性点電流inを減少させ、徐々に負になるようにする。
Policy 2: When the potential difference ΔV = (V c2 −V c1 ) / 2 <0, the negative side voltage V c2 is increased and the positive side voltage V c1 is decreased.
At this time, from the equation (9), it is basically sufficient that the neutral point current i n <0, but when the neutral point current i n <0, the neutral point current i n is further reduced. Further, when the neutral point current i n > 0, the neutral point current i n is decreased and gradually becomes negative.
方針3:方針1、2に基づいて、変調率aを補正する場合には、指令した電圧を生じるように求めた式(5)、式(5)’、式(6)または式(6)’の解を適用する。すなわち、式(5)、式(5)’、式(6)または式(6)’の補償を、中性点の電位が0になるように行う。
Policy 3: When the modulation factor a is corrected based on the
次に、電圧指令補償演算部33の具体的な制御手法を以下に示す。ここで、図1において、中性点電流inは、負極側コンデンサ12からの放電方向を正とする。したがって、負極側コンデンサ12の負極側電圧Vc2が高ければ、(ΔV>0ならば)中性点電流inを大きくする(方針1)。また、正極側コンデンサ11の正極側電圧Vc1が高ければ、(ΔV<0ならば)中性点電流inを小さくする(方針II)。
Next, a specific control method of the voltage command
ここで、正極側電圧Vc1と負極側電圧Vc2との電位差ΔV、直流電源1の電圧Ed/2、出力電流Iu、Iv、Iwの極性、および出力電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*の極性により、電圧指令補償演算部33の動作パターンを、以下の8つに場合分けすることができる。電圧指令補償演算部33は、各動作パターンについて、下記のように適切な電圧補償式を適用することで、中性点電位の変動を抑制する。
Here, the potential difference ΔV between the positive side voltage V c1 and the negative side voltage V c2 , the voltage Ed / 2 of the
動作パターン1:電圧指令値>0、ΔV>0(Vc2>Vc1)、出力電流>0の場合
中性点電流inを大きくするために、中性点素子Q3、Q4のオン時間を長くする。これにより、変調率aを下げる。このとき、式(5)を電圧指令補償式として適用する。
Operation Pattern 1: Voltage command value> 0, ΔV> 0 (V c2> V c1), in order to increase the neutral point current i n the case of the output current> 0, on the
動作パターン2:電圧指令値>0、ΔV>0(Vc2>Vc1)、出力電流<0の場合
中性点電流inを大きくするために、中性点素子Q3、Q4のオン時間を短くする。これにより、変調率aを上げる。このとき、式(5)’を電圧指令補償式として適用する。
Operation Pattern 2: Voltage command value> 0, ΔV> 0 (V c2> V c1), in order to increase the neutral point current i n the case of the output current <0, on the
動作パターン3:電圧指令値>0、ΔV<0(Vc2<Vc1)、出力電流>0の場合
中性点電流inを小さくするために、中性点素子Q3、Q4のオン時間を短くする。これにより、変調率aを上げる。このとき、式(5)を電圧指令補償式として適用する。
Operation Pattern 3: voltage command value> 0, ΔV <0 (V c2 <V c1), the output current> in order to reduce the neutral point current i n the case of 0, on the
動作パターン4:電圧指令値>0、ΔV<0(Vc2<Vc1)、出力電流<0の場合
中性点電流inを小さくするために、中性点素子Q3、Q4のオン時間を長くする。これにより、変調率aを下げる。このとき、式(5)’を電圧指令補償式として適用する。
Operation pattern 4: Voltage command value> 0, ΔV <0 (V c2 <V c1), if the output current <0 in order to reduce the neutral point current i n, the
動作パターン5:電圧指令値<0、ΔV>0(Vc2>Vc1)、出力電流<0の場合
中性点電流inを大きくするために、中性点素子Q3、Q4のオン時間を短くする。これにより、変調率aを下げる。このとき、式(6)を電圧指令補償式として適用する。
Operation Pattern 5: Voltage command value <0, ΔV> 0 (V c2> V c1), in order to increase the neutral point current i n the case of the output current <0, on the
動作パターン6:電圧指令値<0、ΔV>0(Vc2>Vc1)、出力電流>0の場合
中性点電流inを大きくするために、中性点素子Q3、Q4のオン時間を長くする。これにより、変調率aを上げる。このとき、式(6)’を電圧指令補償式として適用する。
Operation Pattern 6: Voltage command value <0, ΔV> 0 (V c2> V c1), in order to increase the neutral point current i n the case of the output current> 0, on the
動作パターン7:電圧指令値<0、ΔV<0(Vc2<Vc1)、出力電流<0の場合
中性点電流inを小さくするために、中性点素子Q3、Q4のオン時間を長くする。これにより、変調率aを上げる。このとき、式(6)を電圧指令補償式として適用する。
Operation Pattern 7: voltage command value <0, ΔV <0 (V c2 <V c1), if the output current <0 in order to reduce the neutral point current i n, the
動作パターン8:電圧指令値<0、ΔV<0(Vc2<Vc1)、出力電流>0の場合
中性点電流inを小さくするために、中性点素子Q3、Q4のオン時間を短くする。これにより、変調率aを下げる。このとき、式(6)’を電圧指令補償式として適用する。
Operation Pattern 8: voltage command value <0, ΔV <0 (V c2 <V c1), in order to reduce the neutral point current i n the case of the output current> 0, on the
次に、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置のシミュレーション結果について、中性点電位の変動を抑制しない場合のシミュレーション結果と比較して説明する。図6は、中性点電位の変動を抑制しない場合のシミュレーション結果を示す説明図である。図7は、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置のシミュレーション結果を示す説明図である。
Next, the simulation result of the power conversion device according to
図6、7において、中性点電位の変動を抑制しない場合には、モータ回転数指令値Wr*が変動したときに、正極側電圧Vc1と負極側電圧Vc2との電位差ΔVが次第に大きくなっていくのに対して、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置を用いることにより、電位差ΔVが零に収束していることが分かる。 6 and 7, when the fluctuation of the neutral point potential is not suppressed, the potential difference ΔV between the positive side voltage V c1 and the negative side voltage V c2 gradually increases when the motor rotation speed command value Wr * changes. On the other hand, it can be seen that the potential difference ΔV converges to zero by using the power conversion device according to the first embodiment of the present invention.
図8は、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置のシミュレーション結果を示す拡大図である。図8では、図7に示したシミュレーション結果の時間軸を拡大して、出力電流Iuの1周期分を示している。
FIG. 8 is an enlarged view showing a simulation result of the power conversion device according to
図8において、期間aは、Vu*>0、Iu<0、ΔV>0であり、Vu*に対し、Vuu*を大きく補正するものであり、上述した動作パターン2に対応する。期間b、eは、Vu*>0、Iu<0、ΔV<0であり、Vu*に対し、Vuu*を小さく補正するものであり、上述した動作パターン4に対応する。
8, the period a is, V u *> 0, I u <0, a [Delta] V> 0, with respect to V u *, is intended to increase correct V uu *, corresponding to the
また、期間cは、Vu*>0、Iu>0、ΔV<0であり、Vu*に対し、Vuu*を大きく補正するものであり、上述した動作パターン3に対応する。期間dは、Vu*>0、Iu>0、ΔV>0であり、Vu*に対し、Vuu*を小さく補正するものであり、上述した動作パターン1に対応する。
The period c is V u *> 0, I u > 0, and ΔV <0, and greatly corrects V uu * with respect to V u *, and corresponds to the
また、期間fは、Vu*<0、Iu>0、ΔV<0であり、Vu*に対し、Vuu*を小さく補正するものであり、上述した動作パターン8に対応する。期間gは、Vu*<0、Iu>0、ΔV>0であり、Vu*に対し、Vuu*を大きく補正するものである、上述した動作パターン6に対応する。
A period f is, V u * <0, I u> 0, a [Delta] V <0, to V u *, is intended to correct small V uu *, corresponding to the operation pattern 8 described above. The period g is V u * <0, I u > 0, ΔV> 0, and corresponds to the above-described
また、期間h、jは、Vu*<0、Iu<0、ΔV>0であり、Vu*に対し、Vuu*を小さく補正するものであり、上述した動作パターン5に対応する。期間iは、Vu*<0、Iu<0、ΔV<0であり、Vu*に対し、Vuu*を大きく補正するものであり、上述した動作パターン7に対応する。
A period h, j is, V u * <0, I u <0, a [Delta] V> 0, with respect to V u *, is intended to correct small V uu *, corresponding to the
以上のように、実施の形態1によれば、中性点電位制御部は、接続点を中性点として互いに直列に接続された正極側コンデンサおよび負極側コンデンサにおける正極側電圧と負極側電圧との電位差、3レベルインバータの出力電流の極性、および3レベルインバータに対する出力電圧指令値の極性に基づいて、正極側電圧と負極側電圧との電位差が小さくなるように、出力電圧指令値を補償する。また、上記電圧指令値の補償をU相、V相、W相の各相で個別に実施する。
そのため、中性点電位の変動を抑制することができる。
また、2レベルインバータと比較して、3レベルインバータは出力電圧のdv/dtが半分となる。そのため、3レベルインバータを用いることにより、モータ端子に発生するマイクロサージ電圧を抑制することができる。
As described above, according to the first embodiment, the neutral point potential control unit includes the positive-side voltage and the negative-side voltage in the positive-side capacitor and the negative-side capacitor that are connected in series with each other as the neutral point. The output voltage command value is compensated so as to reduce the potential difference between the positive side voltage and the negative side voltage based on the potential difference between the three level inverters and the polarity of the output voltage command value for the three level inverter. . Further, the compensation of the voltage command value is performed individually for each of the U phase, the V phase, and the W phase.
Therefore, fluctuations in the neutral point potential can be suppressed.
Compared with the two-level inverter, the three-level inverter halves the output voltage dv / dt. Therefore, the microsurge voltage generated at the motor terminal can be suppressed by using the three-level inverter.
1 直流電源、2 モータ、10 3レベルインバータ、11 正極側コンデンサ、12 負極側コンデンサ、13 アーム、14 電圧センサ(電圧検出部)、16 電流センサ(電流検出部)、17 回転数センサ(回転数検出部)、20 ベクトル制御部(電圧指令演算部)、21 速度制御器、22 電源周波数演算部、23 3相/dq軸座標変換部、24 電流制御器、25 電流制御器、26 dq軸/3相座標変換部、30 中性点電位制御部、31 極性判別部、32 極性判別部、33 電圧指令補償演算部、40 生成部。 1 DC power supply, 2 motor, 10 3-level inverter, 11 positive side capacitor, 12 negative side capacitor, 13 arm, 14 voltage sensor (voltage detection unit), 16 current sensor (current detection unit), 17 rotation speed sensor (rotation speed) Detection unit), 20 vector control unit (voltage command calculation unit), 21 speed controller, 22 power supply frequency calculation unit, 23 3-phase / dq axis coordinate conversion unit, 24 current controller, 25 current controller, 26 dq axis / 3-phase coordinate conversion unit, 30 neutral point potential control unit, 31 polarity determination unit, 32 polarity determination unit, 33 voltage command compensation calculation unit, 40 generation unit.
Claims (1)
前記モータに流れる電流を出力電流として検出する電流検出部と、
前記モータの回転数をモータ回転数として検出する回転数検出部と、
前記出力電流および前記モータ回転数を用いて、前記3レベルインバータに対する出力電圧指令値を演算する電圧指令演算部と、
前記正極側コンデンサおよび前記負極側コンデンサの電圧を正極側電圧および負極側電圧として検出する電圧検出部と、
前記正極側電圧と前記負極側電圧との電位差、前記出力電流の極性および前記出力電圧指令値の極性に基づいて、前記電位差が小さくなるように、前記出力電圧指令値を補償する中性点電位制御部と、
補償後の前記出力電圧指令値に基づいて、前記3レベルインバータのゲート信号を生成するPWM生成部と、
を備え、
前記中性点電位制御部は、前記3レベルインバータの各相について、前記出力電圧指令値を補償する
電力変換装置。 Connected in series between the positive electrode side and negative electrode side of the DC power source, and has a positive electrode side capacitor and a negative electrode side capacitor with the connection point as a neutral point, and converts DC power from the DC power source into AC power A three-level inverter that supplies the motor with
A current detector that detects the current flowing through the motor as an output current;
A rotational speed detector for detecting the rotational speed of the motor as a motor rotational speed;
A voltage command calculation unit that calculates an output voltage command value for the three-level inverter using the output current and the motor rotation speed;
A voltage detection unit for detecting voltages of the positive side capacitor and the negative side capacitor as a positive side voltage and a negative side voltage;
Based on the potential difference between the positive side voltage and the negative side voltage, the polarity of the output current, and the polarity of the output voltage command value, a neutral point potential that compensates the output voltage command value so that the potential difference becomes small A control unit;
A PWM generator that generates a gate signal of the three-level inverter based on the output voltage command value after compensation;
Equipped with a,
The neutral point potential control unit compensates the output voltage command value for each phase of the three-level inverter .
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