JP2006320103A - Controller of series multiplex power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は複数台の単相電力変換器の交流出力端子を直列に接続して多レベルの電圧を発生可能な直列多重電力変換装置に係り、詳しくは、各単相電力変換器の消費電力を均等化するようにした電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a serial multiple power conversion device capable of generating a multi-level voltage by connecting AC output terminals of a plurality of single-phase power converters in series. Specifically, the power consumption of each single-phase power converter is calculated. The present invention relates to a power converter that is equalized.
図11は、従来の直列多重電力変換装置の主回路構成を示している。同図において、1は直列多重電力変換装置、11〜15は単相電力変換器としての単相インバータユニット、41〜45はそれぞれ各ユニット11〜15の直流電源(電池)、1Rは各ユニット11〜15の交流出力端子を直列接続してなるR相一相分の電力変換装置(以下、R相電力変換装置という)である。
同様に、1Sは単相インバータユニット21〜25からなるS相電力変換装置、1Tは単相インバータユニット31〜35からなるT相電力変換装置、51〜55及び61〜65は直流電源、8は交流電動機等の負荷である。
FIG. 11 shows a main circuit configuration of a conventional serial multiple power converter. In the figure, 1 is a serial multiple power converter, 11-15 is a single-phase inverter unit as a single-phase power converter, 41-45 are DC power supplies (batteries) of the units 11-15, and 1R is a
Similarly, 1S is an S-phase power conversion device composed of single-phase inverter units 21-25, 1T is a T-phase power conversion device composed of single-phase inverter units 31-35, 51-55 and 61-65 are DC power supplies, and 8 is It is a load such as an AC motor.
この直列多重電力変換装置1は、各相電力変換装置1R,1S,1Tの一方の出力端子を共通の中性点Oに接続し、他方の出力端子R,S,Tを負荷8に接続するスター結線として三相インバータを構成している。
このような構成における出力電圧のレベル数(電位の数)は、単相インバータユニットが単相2レベルインバータユニットである場合に1台当たり正、負、零の3個のレベルを出力可能なことから、直列接続される単相インバータユニットの台数をn台とすると、一相当たりのレベル数は最大で2n+1となる。従って、図11の直列多重電力変換装置1では単相インバータユニットの台数が各相につき5台であるため、一相当たりの最大レベル数は11レベルとなる。
In the serial
The number of levels (number of potentials) of the output voltage in such a configuration can output three levels of positive, negative, and zero per unit when the single-phase inverter unit is a single-phase two-level inverter unit. Therefore, if the number of single-phase inverter units connected in series is n, the maximum number of levels per phase is 2n + 1. Therefore, since the number of single-phase inverter units in the serial
次に、上記直列多重電力変換装置1を構成する単相インバータユニットの動作例を説明する。図12(a)は、1台分の単相インバータユニット(単相2レベルインバータユニット)とその直流電源を示しており、例えば、図11のR相電力変換装置1Rにおける最も中性点O側の単相インバータユニット11及び直流電源41を抜き出したものである。
Next, an operation example of the single-phase inverter unit constituting the series multiple
図12(a)において、Q1〜Q4はIGBT等の半導体スイッチング素子、Cは直流平滑コンデンサ、VEdは直流電圧の大きさを示している。また、11Gpはスイッチング素子Q1,Q2のスイッチング状態(素子のオン・オフ状態)を示すPWM信号であり、11Gp=1の時はQ1がオン(Q2はオフ)、11Gp=0の時はQ2がオン(Q1はオフ)である。同様に、11Gnはスイッチング素子Q3,Q4に対するPWM信号であり、11Gn=1の時はQ4がオン(Q3はオフ)、11Gn=0の時はQ4がオフ(Q3はオン)となる。PWM信号11Gp,11Gpの論理「1,0」は逆でも良く、要は、上下アームを短絡させずに、直流電源41と負荷8との間で何れかのスイッチング素子を介して電流経路が形成されるようにスイッチングできればよい。
なお、図12(b)は単相インバータユニットの他の例として、単相3レベルインバータユニットとその直流電源とを示した回路図であり、この単相3レベルインバータユニットについては、本発明の実施形態において説明することとする。
In FIG. 12A, Q1 to Q4 are semiconductor switching elements such as IGBT, C is a DC smoothing capacitor, and V Ed is the magnitude of the DC voltage. 11G p is a PWM signal indicating the switching state of the switching elements Q1 and Q2 (element on / off state). When 11G p = 1, Q1 is on (Q2 is off), and 11G p = 0. Q2 is on (Q1 is off). Similarly, 11G n is a PWM signal for the switching elements Q3 and Q4. When 11G n = 1, Q4 is on (Q3 is off), and when 11G n = 0, Q4 is off (Q3 is on). . The logic “1, 0” of the PWM signals 11G p and 11G p may be reversed. In short, the current path is connected between the
FIG. 12B is a circuit diagram showing a single-phase three-level inverter unit and its DC power supply as another example of the single-phase inverter unit. The single-phase three-level inverter unit is the same as that of the present invention. It will be described in the embodiment.
図13は、図12(a)に示した単相インバータユニットのスイッチング素子の導通期間を位相角θにより制御して電圧VR1を発生する様子を示している。図13から明らかなように、PWM信号11Gp,11Gnは何れも電気角π[rad]ごとに0,1を繰り返す波形となっている。ここで、位相角θを適当な値に設定すれば、PWM信号11Gp,11Gnの間に位相差が発生し、この結果が図12(a)における単相インバータユニット11の交流出力端子に電圧VR1として現れることになる。
FIG. 13 shows a state in which the voltage VR1 is generated by controlling the conduction period of the switching element of the single-phase inverter unit shown in FIG. 12A by the phase angle θ. As is apparent from FIG. 13, the PWM signals 11G p and 11G n have waveforms that repeat 0 and 1 for each electrical angle π [rad]. Here, if the phase angle θ is set to an appropriate value, a phase difference occurs between the PWM signals 11G p and 11G n , and this result is applied to the AC output terminal of the single-
図11のような構成では、一相当たり5台の単相インバータユニットを有するため、各ユニット内のスイッチング素子の導通期間を制御するには5種類の位相角(θ1,θ2,θ3,θ4,θ5)が必要となる。この例として、R相電力変換装置により正弦波状の電圧VRを発生する様子を図14に示す。 Since the configuration as shown in FIG. 11 has five single-phase inverter units per phase, five types of phase angles (θ 1 , θ 2 , θ 3) are used to control the conduction period of the switching elements in each unit. , Θ 4 , θ 5 ) are required. As this example illustrates how to generate a voltage V R of the sinusoidal by R-phase power converter in FIG. 14.
図14において、破線で示すVR *はR相電圧指令であり、この波形に沿って5台の単相インバータユニット11〜15にそれぞれ対応する5種類の位相角を決定すれば、出力相電圧VRとして正弦波状の電圧を発生することができる。
この様子を位相角θが0〜π/2[rad]の期間について説明すると、位相角0の時点で出力相電圧VR=0を出発点として位相角がθ1になると単相インバータユニット11が正側の電圧VR1=VEdを出力し、出力相電圧VR=+VEdとなる。次に、位相角がθ2になると単相インバータユニット12が正側の電圧VR2=VEdを出力し、出力相電圧VR=+2VEdとなる。
以後、位相角がθ3,θ4になると出力相電圧はVEdずつ増加し、位相角θ5に達するとVR=+5VEdとなる。このような手順で電圧を一周期にわたり変化させることで、各相出力電圧の大きさ及び周波数を制御することができる。
In FIG. 14, V R * indicated by a broken line is an R-phase voltage command. If five types of phase angles corresponding to the five single-
This state will be described for a period in which the phase angle θ is 0 to π / 2 [rad]. When the phase angle becomes θ 1 with the output phase voltage V R = 0 as the starting point at the time of the
Thereafter, when the phase angle becomes θ 3 and θ 4 , the output phase voltage increases by V Ed, and when the phase angle θ 5 is reached, V R = + 5V Ed . By changing the voltage over one cycle in such a procedure, the magnitude and frequency of each phase output voltage can be controlled.
次に、図15は図11におけるR相電力変換装置1Rの制御ブロック図を示している。
図15において、単相インバータユニット11〜15には個別のPWM信号11Gp,11Gn,12Gp,12Gn,13Gp,13Gn,14Gp,14Gn,15Gp,15Gnがそれぞれ入力されている。なお、各ユニット11〜15には図11に示したように直流電源がそれぞれ接続されているが、図15ではこれらの図示を省略してある。
Next, FIG. 15 shows a control block diagram of the R-
In FIG. 15, individual PWM signals 11G p , 11G n , 12G p , 12G n , 13G p , 13G n , 14G p , 14G n , 15G p , and 15G n are input to the single
図15における101はR相電圧指令演算手段であり、この演算手段101により決定された電圧指令に基づきR相PWM信号演算手段102が図13に示したような位相角θを演算し、これらの演算結果が各ユニット11〜15に対する個別のPWM信号11Gp,11Gn,12Gp,12Gn,13Gp,13Gn,14Gp,14Gn,15Gp,15Gnとして出力される。
ここで、上記R相PWM信号演算手段102における位相角の決定方法について説明する。
図14の電圧VRのように、θ1〜θ5の位相角でレベルが変化する出力電圧波形を数式で表すと、数式1のようなフーリエ級数となる。
Here, a method for determining the phase angle in the R-phase PWM signal calculation means 102 will be described.
As the voltage V R of FIG. 14, to represent the output voltage waveform whose level changes at phase angle theta 1 through? 5 in the formula, a Fourier series such as Formula 1.
数式1を展開して、高調波の大きさを示すフーリエ係数をVEdに対して基準化すると、数式2となる。 When Formula 1 is expanded and a Fourier coefficient indicating the magnitude of the harmonic is normalized with respect to V Ed , Formula 2 is obtained.
位相角θ1〜θ5の決定方法を方程式で表すために、5次、7次、11次、13次の高調波を除去する条件と係数Mにより電圧の大きさを決定する条件を加えると、数式3のような連立した超越方程式が成立する。
In order to express the method of determining the phase angles θ 1 to θ 5 by an equation, a condition for removing the fifth, seventh, eleventh, and thirteenth harmonics and a condition for determining the magnitude of the voltage by the coefficient M are added. A simultaneous transcendental equation such as
[数3]
cos(5θ1)+cos(5θ2)+cos(5θ3)+cos(5θ4)+cos(5θ5)=0
cos(7θ1)+cos(7θ2)+cos(7θ3)+cos(7θ4)+cos(7θ5)=0
cos(11θ1)+cos(11θ2)+cos(11θ3)+cos(11θ4)+cos(11θ5)=0
cos(13θ1)+cos(13θ2)+cos(13θ3)+cos(13θ4)+cos(13θ5)=0
cos(θ1)+cos(θ2)+cos(θ3)+cos(θ4)+cos(θ5)=5M
[Equation 3]
cos (5θ 1) + cos ( 5θ 2) + cos (5θ 3) + cos (5θ 4) + cos (5θ 5) = 0
cos (7θ 1) + cos ( 7θ 2) + cos (7θ 3) + cos (7θ 4) + cos (7θ 5) = 0
cos (11θ 1) + cos ( 11θ 2) + cos (11θ 3) + cos (11θ 4) + cos (11θ 5) = 0
cos (13θ 1) + cos ( 13θ 2) + cos (13θ 3) + cos (13θ 4) + cos (13θ 5) = 0
cos (θ 1 ) + cos (θ 2 ) + cos (θ 3 ) + cos (θ 4 ) + cos (θ 5 ) = 5M
一例として、M=0.8における位相角を求めると、θ1=6.57°、θ2=18.94°、θ3=27.18°、θ4=45.15°、θ5=62.24°となる。
以上のような直列多重電力変換装置の回路構成やPWM方式については、後述する非特許文献1、非特許文献2等に記載されている。
As an example, when the phase angle at M = 0.8 is obtained, θ 1 = 6.57 °, θ 2 = 18.94 °, θ 3 = 27.18 °, θ 4 = 45.15 °, θ 5 = 62.24 °.
The circuit configuration and PWM method of the above-described serial multiple power converter are described in
次に、図16は、図15に示したように5台の単相インバータユニット11〜15を直列接続したR相一相分の動作(R相電力変換装置1Rの動作)を電圧指令の複数周期にわたって表示した波形を示している。
図16において、VR1〜VR5は5台の単相インバータユニット11〜15の出力電圧であり、これらを合計した結果の相電圧波形がVRである。VR1〜VR5の波形に着目すれば明らかなように、ユニット11〜15の電圧出力期間にはアンバランスが生じており、負荷を接続して電流を流した場合にはユニット11〜15の相互間で消費電力がアンバランスになる。
このような問題の対策としては、非特許文献2に、電圧指令の半周期ごとに各インバータユニットのPWM信号を入れ替える方法が報告されている。
Next, FIG. 16 shows the operation for one phase of R phase (operation of R
In Figure 16, V R1 ~V R5 is a five output voltage of the single-
As a countermeasure for such a problem,
図17は、上述した消費電力のアンバランスを解決する対策として非特許文献2に報告されている方法を示す動作波形である。同図において、図16と同様にVR1〜VR5は5台の単相インバータユニット11〜15の出力電圧であり、これらを合計した結果の相電圧波形がVRである。
FIG. 17 is an operation waveform showing a method reported in
この動作では、最初の半周期はPWM信号を入れ替えることなく各単相インバータユニットは通常通りの電圧を出力する。次の半周期はPWM信号の入れ替えを行い、VR1の出力すべき電圧出力期間が最長の電圧をVR5として出力する。残りのVR2〜VR4はそれぞれVR3〜VR5として、出力すべき電圧を1個ずつシフトする。
このような操作を電圧指令の半周期ごとに繰り返すことにより、半周期ごとに着目すれば各ユニット11〜15の電圧出力期間には未だばらつきがあるものの、電圧指令の複数周期については各ユニット11〜15の電圧出力期間(導通期間)の合計を等しくでき、これによって各ユニット11〜15の消費電力を平均化することが一応可能となっている。
In this operation, each single-phase inverter unit outputs a normal voltage without replacing the PWM signal in the first half cycle. The next half cycle performs switching of the PWM signal, the output voltage output period for the V R1 outputs a maximum voltage as V R5. The remaining V R2 to V R4 are respectively set as V R3 to V R5 , and the voltage to be output is shifted one by one.
By repeating such an operation for each half cycle of the voltage command, if attention is paid to each half cycle, the voltage output periods of the
次に、図18は、図17のようなR相一相分のPWM方式を実現するための制御ブロック図を示しており、図15に対してPWM信号平均化演算手段103を追加した構成である。
図18において、(11Gp),(11Gn),(12Gp),(12Gn),(13Gp),(13Gn),(14Gp),(14Gn),(15Gp),(15Gn)はR相PWM信号演算手段102から出力されるPWM信号であり、これらの信号がPWM信号平均化演算手段103により図17に示した如く入れ替えられて平均化され、PWM信号11Gp,11Gn,12Gp,12Gn,13Gp,13Gn,14Gp,14Gn,15Gp,15Gnとして単相インバータユニット11〜15に与えられる。
Next, FIG. 18 shows a control block diagram for realizing the PWM system for one R phase as shown in FIG. 17, which is configured by adding a PWM signal averaging calculation means 103 to FIG. is there.
In FIG. 18, (11G p), ( 11G n), (12G p), (12G n), (13G p), (13G n), (14G p), (14G n), (15G p), ( 15G n ) is a PWM signal output from the R-phase PWM signal calculation means 102. These signals are replaced and averaged by the PWM signal averaging calculation means 103 as shown in FIG. 17, and the PWM signals 11G p , 11G n, 12G p, 12G n , 13G p, 13G n, 14G p, 14G n, 15G p, applied to single-
さて、一般的に直列多重電力変換装置は3.3[kV]、6.6[kV]など比較的高い電圧を出力可能であることから、数百[kW]〜数千[kW]に及ぶ大容量の交流電動機を負荷とすることが多い。すなわち、同じ容量負荷の場合には電力変換装置が給電する電圧を高くすることにより電流を小さくでき、その結果として損失を小さく、効率を良くすることが可能である。
上記のように高電圧を出力する用途に用いられる直列多重電力変換装置の直流電源回路としては、交流電源をトランスにより絶縁したダイオード整流器を介して直流電源電圧を供給する設備が必要となる。そして、この場合のトランスとしては、高調波を抑制する目的で出力電圧に位相差を設けた多重巻線トランスを使用することが多い。
Now, in general, a serial multiple power converter can output a relatively high voltage such as 3.3 [kV], 6.6 [kV], and therefore ranges from several hundred [kW] to several thousand [kW]. A large capacity AC motor is often used as a load. In other words, in the case of the same capacitive load, the current can be reduced by increasing the voltage supplied by the power converter, and as a result, the loss can be reduced and the efficiency can be improved.
As described above, the DC power supply circuit of the series multiple power converter used for the purpose of outputting a high voltage requires equipment for supplying the DC power supply voltage via a diode rectifier in which the AC power supply is insulated by a transformer. As the transformer in this case, a multi-winding transformer having a phase difference in the output voltage is often used for the purpose of suppressing harmonics.
図19は、上述した直流電源回路を備えた他の直列多重電力変換装置2の主回路構成図である。
図19において、5は交流電源、4は出力側に単相インバータユニットの総数に等しい巻線を有する多重巻線トランス、71〜75,81〜85,91〜95はR相、S相、T相の単相インバータユニット11〜15,21〜25,31〜35に対して個別に直流給電するためのダイオード整流器である(71C,72Cのように「C」を付したものは、対応するダイオード整流器のコネクタを示す)。これらのダイオード整流器は、例えば図20のようなブリッジ回路構成であり、ダイオード整流器の入力側は多重巻線トランス4によって交流電源5から絶縁されることになる。
以上のように直列多重電力変換装置の直流電源回路に多重巻線トランス及びダイオード整流器を使用し、多重巻線トランスの出力電圧に位相差を設ける構成については、非特許文献3等に記載されている。
FIG. 19 is a main circuit configuration diagram of another serial multiple
In FIG. 19, 5 is an AC power source, 4 is a multi-winding transformer having windings equal to the total number of single-phase inverter units on the output side, 71 to 75, 81 to 85, 91 to 95 are R phase, S phase, T It is a diode rectifier for individually supplying direct current to the single-
As described above, the configuration in which the multiple winding transformer and the diode rectifier are used in the DC power supply circuit of the series multiple power converter and the phase difference is provided in the output voltage of the multiple winding transformer is described in
一方、直列多重電力変換装置において、PWM信号を発生させる搬送波に同期した選択信号を生成し、この選択信号に基づきPWM信号を電圧指令の大きさに合わせて各インバータユニットに分配し、インバータユニット同士が交互にスイッチングするようにして電力分担を均等化させることにより、損失の集中や発熱を防止するようにした制御装置が、下記の特許文献1に記載されている。
On the other hand, in the serial multiple power converter, a selection signal synchronized with the carrier wave that generates the PWM signal is generated, and the PWM signal is distributed to each inverter unit according to the magnitude of the voltage command based on the selection signal.
図19に示したように多重巻線トランス4を使用した直列多重電力変換装置を、図18に示した如く各インバータユニットごとに電圧指令の複数周期にわたり電圧出力期間を平均化するPWM方式によって制御した場合、電圧指令の複数周期については各ユニット11〜15の消費電力を平均化することは可能であるが、電圧指令の半周期内では、各ユニット11〜15の電圧出力期間に差があるためそれらの消費電力は依然としてアンバランスである。
As shown in FIG. 19, the serial multiple power converter using the
次に、消費電力のアンバランスを更に明確にするために、図21,図22及び図23,図24を用いて詳しく説明する。
図21は、図16の動作方式において出力電圧を小さくした場合の波形例であり、R相出力電圧のレベル数が7の場合である。この図21では、電圧VR1〜VR3に示すように3台の単相インバータユニット11〜13だけが電圧を出力しており、残りの2台の単相インバータユニット14,15は電圧を出力しない(零電圧の)状態となって消費電力が発生していない。
この状態に非特許文献2の方式を適用して各ユニット間で出力電圧を入れ替えた時の波形が図22である。図22では、電圧指令の半周期ごとに零電圧を出力する単相インバータユニットが入れ替わっている。
Next, in order to further clarify power consumption imbalance, a detailed description will be given with reference to FIGS. 21, 22, 23, and 24. FIG.
FIG. 21 is an example of a waveform when the output voltage is reduced in the operation method of FIG. 16, and is the case where the number of levels of the R-phase output voltage is seven. In FIG. 21, only three single-
FIG. 22 shows a waveform when the method of
また、図23は、図16の動作方式において出力電圧を更に小さくした場合の波形例であり、R相出力電圧のレベル数が3の場合である。この場合には1台の単相インバータユニット11だけが電圧を出力しており、残りの4台の単相インバータユニット12〜15は零電圧出力となって消費電力が発生していない。なお、この状態に非特許文献2の方式を適用して各ユニット間で出力電圧を入れ替えると、図24の波形となる。
FIG. 23 is a waveform example when the output voltage is further reduced in the operation method of FIG. 16, and is the case where the number of levels of the R-phase output voltage is 3. In this case, only one single-
ここで、直列多重電力変換装置と多重巻線トランスとを組合せ、高調波を抑制する目的で出力電圧に位相差を設ける場合には、トランスの全ての巻線の消費電力が等しくなることが望ましい。しかしながら、電圧指令の半周期のような短い期間に、単相インバータユニットの電圧出力期間が相違することによって消費電力が各ユニット間でアンバランスになると、期待した高調波の抑制が困難になる恐れがある。また、電圧指令の一周期間における正側電圧の平均値と負側電圧の平均値とが異なると、直流電圧が発生することになる。
このような状態が長く続くと、多重巻線トランスには偏磁による異常が発生してトランスとしての動作が不可能になったり、一部の巻線が発熱して最悪の場合は焼損することもあり得る。
Here, when a series multiple power converter and a multiple winding transformer are combined and a phase difference is provided in the output voltage for the purpose of suppressing harmonics, it is desirable that the power consumption of all windings of the transformer be equal. . However, if the power output is unbalanced between the units due to the difference in the voltage output period of the single-phase inverter unit in a short period such as a half cycle of the voltage command, it is difficult to suppress the expected harmonics. There is. Further, if the average value of the positive side voltage and the average value of the negative side voltage during one cycle of the voltage command are different, a DC voltage is generated.
If such a state continues for a long time, abnormalities due to demagnetization occur in the multi-winding transformer and it becomes impossible to operate as a transformer, or some windings generate heat and burn out in the worst case. There is also a possibility.
なお、前述した特許文献1に記載された従来技術は、あくまで電池等の直流電源を使用する直列多重電力変換装置を開示しているに過ぎず、多重巻線トランスを備えた直流電源回路を用いる場合の単相インバータユニット相互間の消費電力のアンバランスや、これに起因する多重巻線トランスの発熱等を解決する手段は何ら開示されていない。
Note that the prior art described in
そこで本発明の解決課題は、高調波の抑制効果を損なうことなく複数の単相インバータユニットの間で消費電力を均等化し、安全かつ安定した動作を確保することにある。 Therefore, a problem to be solved by the present invention is to equalize power consumption among a plurality of single-phase inverter units without impairing the effect of suppressing harmonics, and to ensure safe and stable operation.
上記課題を解決するため、請求項1記載の発明は、直流電源回路に接続されたn(nは2以上の整数)台の単相電力変換器の交流出力端子を直列に接続して最大で2n+1個の電位、または、最大で4n+1個の電位を出力可能な直列多重電力変換装置において、
この直列多重電力変換装置に対する電圧指令に同期したPWM信号を演算する手段と、
前記PWM信号が変化するタイミングを前記n台の単相電力変換器の間で入れ替えてこれらの単相電力変換器の電圧出力期間を均等化する手段と、
を備えたものである。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
Means for calculating a PWM signal synchronized with a voltage command for the serial multiple power converter;
Means for equalizing the voltage output periods of these single-phase power converters by switching the timing at which the PWM signal changes between the n single-phase power converters;
It is equipped with.
請求項2に記載した発明は、請求項1において、前記電圧指令の半周期ごとに前記PWM信号を入れ替えるものである。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the PWM signal is replaced every half cycle of the voltage command.
請求項3に記載した発明は、直流電源回路に接続されたn(nは2以上の整数)台の単相電力変換器の交流出力端子を直列に接続して最大で2n+1個の電位、または、最大で4n+1個の電位を出力可能な直列多重電力変換装置において、
この直列多重電力変換装置に対する電圧指令に同期したPWM信号を演算する手段と、前記電圧指令を前記単相電力変換器の直列接続台数nに応じて複数区間に分割する分割演算手段と、この分割演算手段により分割した区間及び前記電圧指令の大きさに基づき前記PWM信号を前記n台の単相電力変換器の間で入れ替えてこれらの単相電力変換器の電圧出力期間を均等化する手段と、を備えたものである。
In the invention described in
Means for calculating a PWM signal synchronized with a voltage command for the series multiple power converter, division calculation means for dividing the voltage command into a plurality of sections according to the number n of serially connected single-phase power converters, and the division Means for equalizing the voltage output periods of these single-phase power converters by replacing the PWM signal among the n single-phase power converters based on the section divided by the calculation means and the magnitude of the voltage command; , With.
本発明によれば、PWM信号が変化するタイミングを、複数台の単相電力変換器の間で短い周期により入れ替えて電圧出力期間を均等化することにより、個々の単相電力変換器による電圧出力期間を均等化し、直流電源回路に設けられた多重巻線トランスの各巻線の消費電力を均等化することができる。このため、多重巻線トランスによる高調波の抑制効果を損なわずに、トランスの発熱や焼損がなく安全で安定した直列多重電力変換動作を行わせることができる。 According to the present invention, the voltage output by the individual single-phase power converters is made by replacing the timing at which the PWM signal changes with a short period between a plurality of single-phase power converters to equalize the voltage output period. The period can be equalized, and the power consumption of each winding of the multi-winding transformer provided in the DC power supply circuit can be equalized. For this reason, it is possible to perform a safe and stable series multiple power conversion operation without heat generation or burning of the transformer without impairing the harmonic suppression effect by the multiple winding transformer.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の第1実施形態におけるR相一相分(例えば図15、図18,図19等におけるR相電力変換装置)の制御ブロック図を示している。他のS相、T相の主回路及び制御ブロックの構成は何れも図1と同一である。
図1において、図15、図18と同一の構成要素には同一参照符号を付してあり、1RはR相電力変換装置、11〜15は交流出力端子が直列接続された単相インバータユニット、101はR相電圧指令演算手段、102はR相PWM信号演算手段である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a control block diagram of one phase of R phase (for example, the R phase power conversion device in FIGS. 15, 18, 19 and the like) in the first embodiment of the present invention. The configurations of the other S-phase and T-phase main circuits and control blocks are the same as those in FIG.
In FIG. 1, the same components as those in FIGS. 15 and 18 are denoted by the same reference numerals, 1R is a R-phase power converter, 11 to 15 are single-phase inverter units in which AC output terminals are connected in series, Reference numeral 101 denotes an R-phase voltage command calculation means, and
また、105は単相インバータユニット11〜15の電圧出力期間を均等にするために各ユニット11〜15に対するPWM信号(11Gp),(11Gn),(12Gp),(12Gn),(13Gp),(13Gn),(14Gp),(14Gn),(15Gp),(15Gn)を後述の如く電圧指令の半周期ごとに入れ替えるPWM信号均等化演算手段である。
なお、図示されていないが、上記単相インバータユニット11〜15の直流電源回路は、図19に示したように、交流電源5と、この交流電源5に接続された多重巻線トランス4と、この多重巻線トランス4の出力側の5個の巻線と前記5台の単相インバータユニット11〜15との間にそれぞれ接続された5台のダイオード整流器71〜75とを備え、前記5個の巻線の出力電圧に位相差を設けることにより高調波を抑制するように構成されている。ここで、多重巻線トランス4は、他のS相電力変換装置、T相電力変換装置の分も含めて、15個の巻線を有するものである。
Although not shown, the DC power supply circuit of the single-
図1の制御ブロックを電気回路やソフトウェアによる演算として実現したときの動作を、図2の波形図を用いて説明する。
図1の制御ブロック図は単相インバータユニットを5台使用した例であるが、図2では、理解を容易にするために、PWM信号均等化演算手段105を用いない場合にユニットとしての電圧出力期間(VR1の出力期間)が最も長い単相インバータユニット11と、電圧出力期間(VR5の出力期間)が最も短い単相インバータユニット15との間で、PWM信号が変化するタイミングを入れ替える様子を示している。
The operation when the control block of FIG. 1 is realized as an operation by an electric circuit or software will be described with reference to the waveform diagram of FIG.
The control block diagram of FIG. 1 is an example in which five single-phase inverter units are used. In FIG. 2, for ease of understanding, the voltage output as a unit when the PWM signal equalization calculation means 105 is not used. how to replace the longest single-phase inverter unit 11 (output period of V R1) period, between the shortest single-phase inverter unit 15 (output period of V R5) voltage output period, the timing at which the PWM signal changes Is shown.
図2において(A),(B)はそれぞれ単相インバータユニット15,11に対する波形であり、PWM信号均等化演算手段105を用いずにPWM信号(15Gp),(15Gn),(11Gp),(11Gn)をそのまま与えたときの単相インバータユニット15,11の出力電圧をそれぞれ(VR5),(VR1)として示してある。
一方、図2の(C),(D)は、PWM信号均等化演算手段105を用いて均等化演算を行い、単相インバータユニット15,11の間でPWM信号を入れ替えた結果の波形であり、15Gp,15Gn,11Gp,11Gnは入れ替え後のPWM信号、VR5,VR1は入れ替え後のPWM信号に基づいてスイッチングした結果の単相インバータユニット15,11の出力電圧である。
2, (A) and (B) are waveforms for the single-
On the other hand, (C) and (D) in FIG. 2 are waveforms obtained as a result of performing the equalization calculation using the PWM signal equalization calculation means 105 and exchanging the PWM signals between the single-
電圧指令の一周期(電気角で2π[rad])に対して1/4周期(π/2[rad])ずつ動作を説明すると、最初の0〜π/2[rad]の期間では、(A)と(C),(B)と(D)の間に何れも相違がなく同じ波形であり、θ1でVR1が+VEdを出力し、θ5でVR5も+VEdを出力する。
次に、π/2〜π[rad]の期間では、PWM信号均等化演算手段105による波形の入れ替えがあり、均等化前は、(A)においてπ−θ5[rad]のタイミングでVR5が+VEdから零に変化していたものを、均等化後は、(D)のようにVR1を+VEdから零に変化させる。同様に、π−θ1[rad]のタイミングでは、(B)においてVR1が+VEdから零に変化していたものを、均等化後は、(C)のようにVR5を+VEdから零に変化させる。
以後同様にして、直列接続された単相インバータユニットの相互間でPWM信号が変化するタイミングを入れ替えることにより、電圧指令一周期分の動作が終了する。
The operation will be described in increments of ¼ period (π / 2 [rad]) with respect to one period of the voltage command (electrical angle 2π [rad]). In the first period of 0 to π / 2 [rad], a) and (C), the same waveform without differences both between (B) and (D), V R1 outputs a + V Ed by θ 1, V R5 also outputs the + V Ed in theta 5 .
Next, in the period of π / 2 to π [rad], the waveform is replaced by the PWM signal
Thereafter, similarly, the operation for one cycle of the voltage command is completed by switching the timing at which the PWM signal changes between the single-phase inverter units connected in series.
図3は、上述したようなPWMパルス均等化演算を行った結果の単相インバータユニット11〜15の出力電圧VR1〜VR5と、これらの合計であるR相一相分の出力電圧VRの波形である。同図から明らかなように、全ての単相インバータユニット11〜15の電圧の出力期間が均等(特に、電圧指令の半周期内の電圧出力期間はすべてのユニット11〜15においてほぼ同一)になっており、図16や図17において単相インバータユニット11〜15の電圧出力期間が有していたアンバランスが解消されている。
このため、高調波を抑制するために多重巻線トランスを使用してその出力電圧に位相差を持たせた直列多重電力変換装置においても、トランスの全巻線の消費電力をほぼ等しくし、巻線の発熱や焼損事故を招くことなく所期の高調波抑制効果を得ることができる。
3, the output voltage V R1 ~V R5 single-
For this reason, even in a series multiple power converter that uses a multi-winding transformer to give a phase difference to the output voltage in order to suppress harmonics, the power consumption of all the windings of the transformer is made substantially equal. The desired harmonic suppression effect can be obtained without causing any heat generation or burning accident.
次に、図4は本発明の第2実施形態を示すR相一相分の制御ブロック図である。他のS相、T相の主回路及び制御ブロックの構成は何れも図4と同一である。
図4において、106は、R相電圧指令に基づいて、単相インバータユニットの台数n(つまり直列多重電力変換装置の多重数n)に応じた複数区間にPWM信号を分割するためにその区間を演算する分割区間演算手段、107はR相電圧指令の大きさと区間分割の演算結果からPWM信号を上記区間に均等に分配するPWM信号均等化演算手段であり、他の構成要素は図1と同様である。
このような制御ブロックを電気回路やソフトウェアによる演算として実現したときの動作について、図5〜図7の波形図を用いて以下に説明する。
Next, FIG. 4 is a control block diagram for one R phase showing the second embodiment of the present invention. The configurations of the other S-phase and T-phase main circuits and control blocks are the same as in FIG.
In FIG. 4,
The operation when such a control block is realized as an operation by an electric circuit or software will be described below with reference to the waveform diagrams of FIGS.
図5は、R相電圧指令の一周期中において、5台の単相インバータユニット11〜15のうち1台のみ(図示例では、PWM信号の均等化前におけるユニット11)が+VEdまたは−VEdの電圧を出力する時のように、出力電圧(レベル数=3)が小さい場合の例である。同図において、区間番号は、区間分割演算手段106によりR相電圧指令から分割区間を演算した結果、出力される値である。この場合は、インバータユニットが5台あるので、PWM信号をR相電圧指令の一周期に対して4倍の20個の区間に分割する例を示している。
FIG. 5 shows that only one of the five single-
PWM信号の均等化前は、区間0から9の間でインバータユニット11が+VEdの電圧を出力し、区間10から19の間で−VEdを出力するが、均等化後は、均等化演算により区間毎にPWM信号を入れ替えることで電圧を出力するインバータユニットを順次切り替える。
区間0では均等化前後の状態は同一であるが、区間0から区間1に移行すると、インバータユニット11の電圧VR1が零となり、代わりにインバータユニット12の電圧VR2が+VEdとなる。区間1から区間2に移行すると、インバータユニット12の電圧VR2が零となり、代わりにインバータユニット13の電圧VR3が+VEdとなる。
このようにして、区間0から区間9では各インバータユニットが順に+VEdの電圧を出力し、結果として一相分の出力電圧VRは均等化演算前と同じになる。同様にして、区間10から区間19においては各インバータユニット11〜15が順に−VEdの電圧を出力することで、結果として一相分の出力電圧VRは均等化演算前と同じになる。
Before the equalization of the PWM signal, the
Although the state of the front and rear sections equalization in 0 are the same, the process proceeds from the
In this way, the output voltage of each inverter unit in the
図6は、図5よりも大きな電圧(レベル数=7)を出力する例であり、R相電圧指令の一周期中において最大で3台のインバータユニット(図示例では、PWM信号の均等化前におけるユニット11〜13)が電圧を出力する様子を示している。
区間毎の動作を説明すると、区間0の状態では均等化前後の状態は同一であり、区間が0から1に移行する時のように一相分の出力電圧が+VEdの場合は、各インバータユニット11〜15が順に+VEdの電圧を出力する動作となる。次に、区間1から区間2に移行すると、最初は一相当たりの出力電圧の大きさが変わらないので、インバータユニット12の電圧VR2が零となり、代わりにインバータユニット13の電圧VR3が+VEdとなる。この状態から時間が経過すると、区間2の途中から一相当たりの出力電圧が+2VEdとなり、2台のインバータユニット13,14がそれぞれ+VEdの電圧を出力する状態となる。この場合は、インバータユニット13の電圧VR3が+VEdのままインバータユニット14の電圧VR4が+VEdとなることで、R相一相当たりの出力電圧を区間2の途中から+2VEdとする。
FIG. 6 is an example of outputting a voltage (number of levels = 7) larger than that in FIG. 5, and a maximum of three inverter units (in the illustrated example, before equalization of the PWM signal) in one cycle of the R-phase voltage command. The
The operation for each section will be described. In the state of
区間2から区間3に移行した時には、インバータユニット13の電圧VR3とインバータユニット14の電圧VR4とが同時に零となり、代わりにインバータユニット15の電圧VR5とインバータユニット11の電圧VR1とが同時に+VEdとなることで、R相一相当たりの出力電圧を+2VEdとする。
区間3から区間4に移行した時には、インバータユニット15による電圧VR5及びインバータユニット11による電圧VR1の出力から、インバータユニット12による電圧VR2及びインバータユニット13による電圧VR3の出力に切り替わることで、R相一相当たりの電圧を+2VEdに維持する。区間4では、途中でインバータユニット14の電圧VR4が+VEdとなることにより、3台のインバータユニット12〜14がそれぞれ+VEdの電圧を出力する状態となり、R相一相当たりの電圧が区間4の途中から+3VEdとなる。
区間4から区間5に移行した時には、区間4の途中で+VEdの電圧を出力したインバータユニット14の電圧VR4とインバータユニット12の電圧VR2とインバータユニット13の電圧VR3とが同時に零となり、代わりにインバータユニット15の電圧VR5及びインバータユニット11の電圧VR1が同時に+VEdとなることで、R相一相当たりの電圧を+3VEdとする。
When transitioning from
When moving from
When the
以後、区間5〜区間9はR相一相当たりの電圧が+3VEdから+VEdまで変化する場合の動作を示している。また、区間10〜区間19はR相一相当たりの電圧が−VEdから−3VEdの間で変化する場合の動作である。これらの区間についても、基本的な動作は区間0〜区間5と同一であるため、詳細な説明を省略する。
Thereafter,
図7は図6よりも更に大きな電圧(レベル数=11)を出力するためにR相電圧指令の一周期中において5台のインバータユニット11〜15が全て電圧を出力するような例であり、基本的な動作は図6と同様であるため、詳細な説明を省略する。
FIG. 7 is an example in which all of the five
更に、図8〜図10は、上述した図5〜図7の動作波形を複数周期にわたって示したものであり、図8は図5に、図9は図6に、図10は図7にそれぞれ相当する。
これらの図8〜図10を、図16,図17,図21〜図24と比較すると、本実施形態によれば、一相当たりの出力電圧の大小にかかわらず、各インバータユニット間で電圧出力期間が均等化されていることが明らかである。
Further, FIGS. 8 to 10 show the operation waveforms of FIGS. 5 to 7 described above over a plurality of periods. FIG. 8 is shown in FIG. 5, FIG. 9 is shown in FIG. Equivalent to.
8 to 10 are compared with FIGS. 16, 17, and 21 to 24, according to the present embodiment, the voltage output between the inverter units regardless of the magnitude of the output voltage per phase. It is clear that the periods are equalized.
なお、本発明の各実施形態における単相インバータユニット11〜15の構成としては、図12(a)に示した単相2レベルインバータユニットばかりでなく、図12(b)に示すような単相3レベルインバータユニット11’を用いることも可能である。単相3レベルインバータユニット11’は、直流平滑コンデンサC1,C2、半導体スイッチング素子Q1〜Q8及びダイオードD1〜D4から構成されており、このインバータユニット11’をn個直列に接続することにより、最大で4n+1個の電位を出力することができる。
In addition, as a structure of the single phase inverter units 11-15 in each embodiment of this invention, not only the
また、各実施形態における直流電源回路としては、図19に示したようにダイオード整流器を用いるだけでなく、電圧制御機能を有するサイリスタ整流器やIGBT等からなるPWM整流器を用いてもよい。 Further, as the DC power supply circuit in each embodiment, not only a diode rectifier as shown in FIG. 19 but also a thyristor rectifier having a voltage control function, a PWM rectifier including an IGBT or the like may be used.
1R:R相電力変換装置
1S:S相電力変換装置
1T:S相電力変換装置
2:直列多重電力変換装置
4:多重巻線トランス
5:交流電源
8:負荷
11〜15,21〜25,31〜35:単相インバータユニット(単相電力変換器)
71〜75,81〜85,91〜95:ダイオード整流器
101:R相電圧指令演算手段
102:R相PWM信号演算手段
105,107:PWM信号均等化演算手段
106:区間分割演算手段
DESCRIPTION OF
71-75, 81-85, 91-95: Diode rectifier 101: R-phase voltage command calculation means 102: R-phase PWM signal calculation means 105, 107: PWM signal equalization calculation means 106: Section division calculation means
Claims (3)
この直列多重電力変換装置に対する電圧指令に同期したPWM信号を演算する手段と、
前記PWM信号が変化するタイミングを前記n台の単相電力変換器の間で入れ替えてこれらの単相電力変換器の電圧出力期間を均等化する手段と、
を備えたことを特徴とする直列多重電力変換装置の制御装置。 Connect AC output terminals of n single-phase power converters connected to the DC power supply circuit in series to output a maximum of 2n + 1 potentials or a maximum of 4n + 1 potentials In a possible series multiple power converter,
Means for calculating a PWM signal synchronized with a voltage command for the serial multiple power converter;
Means for equalizing the voltage output periods of these single-phase power converters by switching the timing at which the PWM signal changes between the n single-phase power converters;
A control device for a serial multiple power conversion device.
前記電圧指令の半周期ごとに前記PWM信号を入れ替えることを特徴とする直列多重電力変換装置の制御装置。 In the control apparatus of the serial multiple power conversion device according to claim 1,
The control apparatus for a serial multiple power converter, wherein the PWM signal is switched every half cycle of the voltage command.
この直列多重電力変換装置に対する電圧指令に同期したPWM信号を演算する手段と、
前記電圧指令を前記単相電力変換器の直列接続台数nに応じて複数区間に分割する分割演算手段と、
この分割演算手段により分割した区間及び前記電圧指令の大きさに基づき前記PWM信号を前記n台の単相電力変換器の間で入れ替えてこれらの単相電力変換器の電圧出力期間を均等化する手段と、
を備えたことを特徴とする直列多重電力変換装置の制御装置。 Connect AC output terminals of n single-phase power converters connected to the DC power supply circuit in series to output a maximum of 2n + 1 potentials or a maximum of 4n + 1 potentials In a possible series multiple power converter,
Means for calculating a PWM signal synchronized with a voltage command for the serial multiple power converter;
Division calculation means for dividing the voltage command into a plurality of sections according to the number n of serially connected single-phase power converters;
The PWM signal is exchanged between the n single-phase power converters based on the section divided by the division calculation means and the magnitude of the voltage command to equalize the voltage output periods of these single-phase power converters. Means,
A control device for a serial multiple power conversion device.
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