CN1659776A

CN1659776A - Pwm逆变器控制装置和控制方法

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Publication number: CN1659776A
Application number: CN038135469A
Authority: CN
Inventors: 田中善之; 山中克利; 渡边英司
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2023-06-04
Also published as: JP3864307B2; TWI281310B; EP1533888A1; US7031172B2; KR20050008714A; US20060056211A1; EP1533888A4; CN100401629C; JP2004023809A; KR100726536B1; TW200402187A; WO2003107521A1

Abstract

本发明提供一种PWM逆变器控制装置和控制方法，在多电平PWM逆变器控制装置中，无需复杂的控制算法，安全地进行从正常动作向保护动作的切换，安全且平滑地进行从保护动作向正常动作的复原。在本发明中，当测得的电流值I大于等于第1基准值I₁而小于第2基准值I₂时，输出从000状态开始的零矢量，该000状态是指全部相输出中间电位的状态(步骤22)。当电流值I大于等于第2基准值I₂而小于第3基准值I₃时，在输出零矢量后进行使全部开关元件处于关断状态的基极阻断动作(步骤28)，当电流值I大于等于第3基准值I₃时，进行紧急停止(步骤29)。在进行基极阻断动作之后向正常动作复原时，在进行零矢量的输出动作之后进行向正常动作的复原。

Description

PWM逆变器控制装置和控制方法

技术领域

本发明涉及PWM逆变器控制装置，特别是涉及在正电平的直流母线电压与负电平的直流母线电压之间按每相串联连接了4个开关元件的多电平PWM逆变器控制装置。

背景技术

为了进行交流电动机的旋转速度的控制，广泛使用了PWM逆变器控制装置。在该PWM逆变器控制装置的输出电流因某种异常而增加的情况下，为了PWM逆变器控制装置的安全和作为负载而被连接的设备的安全，有必要进行输出电流的限制或保护动作。为了实现这样的保护动作，以往采用通过切断控制开关元件的通、断的选通信号来使全部开关元件处于关断状态以进行保护的基极阻断(base block)动作来确保安全。

在图4的流程图中示出在这样的现有PWM逆变器控制装置中、检测输出电流的异常以进行保护的动作。首先，检测输出电流，将其电流值定为I(步骤41)，将该电流值I与预先设定的基准值I_th进行比较(步骤42)。在步骤42中，当电流值I小于基准值I_th时，进行正常运转(步骤43)；当电流值I大于等于基准值I_th时，进行基极阻断动作(步骤44)。然后，当下一个控制周期到来时，采取同样的做法将电流值I与基准值I_th进行比较，继续基极阻断动作，直至电流值I变得小于基准值I_th为止。

根据这样的现有的PWM逆变器控制装置，在发生某种异常、输出电流增加的情况下，进行基极阻断动作以进行保护动作。但是，不仅提出了使输出电压在正、负2个电平之间切换的PWM逆变器控制装置，而且，还提出了以削减所发生的高次谐波分量为目的，使输出电压在正、中间电位、负3个电平之间切换的多电平PWM逆变器控制装置。

在多电平PWM逆变器控制装置中，在各开关元件的两端，仅施加直流电源一半的电压。因此，各开关元件的耐压仅为直流电源的电压的一半，如将直流电源的电压原样施加于两端，则会引起过电压击穿。而且，在这样的多电平PWM逆变器控制装置中，由于进行开关动作的开关元件数量多且结构复杂，所以在由基极阻断进行保护动作时发生了问题。该问题是指：在从正常动作切换为基极阻断动作时，再从基极阻断动作切换为正常动作时，各开关元件的动作定时发生偏移，由此对1个开关元件施加了正常情况的两倍以上的电压，引起了过电压击穿。

例如，当串联连接的4个开关元件之中的3个同时成为导通状态时，直流电源的电压便原样施加于剩下的1个开关元件上，造成了击穿。

为了防止这样的弊病，如特开平10-164854号公报中所述的那样，因电源短路或过电流而使开关元件击穿时，为了检测异常状态，防止因过电压造成开关元件的进一步的击穿，提出了使切断特定的开关元件的定时延迟的方法。

根据这样的使切断特定的开关元件的定时延迟的方法，有可能防止开关元件的击穿，对装置进行保护。但是，在想要安全地保护多电平PWM逆变器控制装置，同时实现向正常运转的平滑复原时，必须进行非常复杂的定时控制。

另外，当检测到的过电流等的异常为暂时的情形时，虽然要求从保护动作向正常动作的平滑复原，但在使开关元件全部关断的由基极阻断进行的保护方法及进而使切断特定的开关元件的定时延迟的保护方法中，却难以平滑地进行向正常动作的复原。

在上述现有的多电平PWM逆变器控制装置中，存在下述问题。

(1)在仅进行了由基极阻断执行的保护动作时，有可能在对开关元件施加过电压后造成击穿。

(2)在想要使切断特定的开关元件的定时延迟而又防止开关元件击穿时，控制算法变得复杂。

(3)在进行了使全部的开关元件处于关断状态的保护动作时，难以平滑地进行从保护动作向正常动作的复原。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多电平PWM逆变器控制装置，其在安全地从正常动作切换到保护动作，再从保护动作向正常运转复原时，能够用简单的算法实现可确保逆变器主体的安全、同时还可对作为负载而被连接的设备进行安全供电的保护动作。

为了达到上述目的，本发明的PWM逆变器控制装置，在正电平的直流母线电压与负电平的直流母线电压之间按每相串联连接了4个开关元件，具备：

电流检测电路，检测输出电流的电流值；以及

控制器，当用上述电流检测电路测得的电流值是大于等于预先设定的第1基准值而小于比上述第1基准值电平大的第2基准值的电平时，输出从全部相为O状态开始的零矢量，该O状态是指：从正电平的直流母线电压侧算起的第2和第3个开关元件导通而输出作为上述直流母线电压的正电平与负电平之间的电压的中间电位的状态；当上述电流值是大于等于上述第2基准值而小于比上述第2基准值电平大的第3基准值的电平时，在输出上述零矢量之后进行使全部的开关元件处于关断状态的基极阻断动作；当上述电流值大于等于上述第3基准值时，进行紧急停止。

根据本发明，在用电流检测电路测得的电流值I大于等于第1电流值时，在成为总是从OOO状态开始的零矢量状态后，进行基极阻断动作或紧急停止动作。因此，无论进行保护动作之前的开关元件的状态是P、N、O中的任何状态，电压变化都被抑制为直流电源一半的电压，开关元件不会因过电压而被击穿。

另外，由于P、N、O状态是正常动作时也使用的状态，所以有可能平滑地进行从PPP、OOO、NNN这样的零矢量的状态向正常动作的复原，可以无需复杂的算法而进行保护动作。

另外，在进行基极阻断动作之后向正常动作复原时，上述控制器也可以在进行零矢量的输出动作之后进行向正常动作的复原。

根据本发明，在从保护动作向正常动作复原时，由于必然要经过零矢量输出动作，所以在从保护动作向正常动作复原时，可防止开关元件因过电压而被击穿。

另外，本发明的PWM逆变器控制装置，在正电平的直流母线电压与负电平的直流母线电压之间按每相串联连接了4个开关元件，其特征在于，具备：

电流检测电路，检测输出电流的电流值；以及

控制器，当用上述电流检测电路测得的电流值是大于等于预先设定的基准值时，在输出使全部相处于O状态的零矢量之后，进行使全部开关元件成为关断状态的基极阻断动作，其中O状态是指：从正电平的直流母线电压侧算起的第2和第3个开关元件导通而输出作为上述直流母线电压的正电平与负电平之间的电压的中间电位的状态；当上述电流值小于上述基准值时，在输出使全部相成为上述O状态的零矢量之后复原到正常运转。

按照本发明，设定成：在从正常动作切换到基极阻断动作所执行的保护动作时，在从保护动作向正常动作复原时，必然从OOO状态开始的零矢量状态。因此，在从正常动作切换到保护动作时和从保护动作向正常动作复原时，可防止开关元件因过电压而被击穿。

进而，也可以使上述零矢量为如下的矢量：从OOO状态开始，在PPP状态和NNN状态之间必然是OOO状态；

其中OOO状态是指：全部相从正电平的直流母线电压侧算起的第2和第3个开关元件导通而输出作为上述直流母线电压的正电平与负电平之间的电压的中间电位的状态，

PPP状态是指：全部相从正电平的直流母线电压侧算起的第1和第2个开关元件导通而输出上述直流母线电压的正电平的状态，

NNN状态是指：全部相从正电平的直流母线电压侧算起的第3和第4个开关元件导通而输出上述直流母线电压的负电平的状态。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式的PWM逆变器控制装置的结构的框图。

图2是表示本发明的第1实施方式的PWM逆变器控制方法的流程图。

图3是表示本发明的第2实施方式的PWM逆变器控制方法的流程图。

图4是表示现有的PWM逆变器控制方法的流程图。

再有，图中的符号如下：1为控制器，2为电流检测电路，3为直流电源，41～44为步骤，11～12为分压电容器，101～112为开关元件，201～212为续流二极管，301～306为箝位二极管。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。

(第1实施方式)

本实施方式的PWM逆变器控制装置由控制器1、电流检测电路2、直流电源3、平滑电容器11、12、开关元件101～112、续流二极管201～212、中间电平输出用箝位二极管301～306构成。

控制器1通过控制输入到各开关元件101～112的栅极的选通信号来控制各开关元件101～112的通/断的定时。电流检测电路2用来测定来自PWM逆变器控制装置的输出电流的电流值。

在该PWM逆变器控制装置中，按每相串联连接了4个开关元件，例如在由4个开关元件101～104构成的电路中，当开关元件101、102导通时，输出正电压；当开关元件102、103导通时，输出中间电位；

当开关元件103、104导通时，输出负电压。

在以下的说明中，以开关元件101～112之中的串联连接的4个开关元件的组为1相，假定从上侧起为S1、S2、S3、S4，则以上侧2个开关元件S1和S2导通的状态作为输出直流母线电压的正电平的P状态，以正中间2个开关元件S2和S3导通的状态作为输出电容器分压后的中性点电压的O状态，以下侧2个开关元件S3、S4导通的状态作为输出直流母线电压的负电平的N状态而表现。

本实施方式中的控制器1在正常动作中通过使各相的状态分别成为P、N、O中的任一状态，控制对电动机的输出电压。而且，在本实施方式中，在控制器1进行保护动作时，通过控制各开关元件使之成为零矢量状态，来进行各开关元件的保护和所连接的设备的保护。在此处，所谓零矢量状态是指使各相的输出电压为相同电平的状态，以三相多电平PWM逆变器控制装置为例，按顺序记述各相的话，PPP、OOO、NNN的3种状态为零矢量状态。

图1所示的本实施方式的PWM逆变器控制装置仅在控制器1的控制算法方面有特点，其它的电路结构与现有的多电平PWM逆变器控制装置一样，故省略其详细的说明。

接着，参照图2的流程图，详细地说明本实施方式的多电平PWM逆变器控制装置的动作。

首先，用电流检测电路2检测输出电流，将其电流值定为I(步骤21)，控制器1将该电流值I与预先设定的第1基准值I₁进行比较(步骤22)。在步骤22中，当电流值I小于第1基准值I₁时，控制器1进行正常运转(步骤23)。在步骤22中，当电流值I大于等于第1基准值I₁时，控制器1中止正常动作，为安全起见切换为输出零矢量的动作。

在此处，对输出零矢量的动作进行说明，控制器1顺序切换输出PPP、OOO、NNN矢量，但设定为：在切换为输出零矢量的动作时，一定从OOO开始输出。这是因为：由于无法预测输出零矢量之前的脉冲图形，所以在切换为输出零矢量的动作时，在先输出PPP、NNN的情况下，施加在开关元件上的电压会发生急剧变化，并且开关元件的通、断定时有偏差，所以在最坏的状态下，会对1个开关元件施加全部电压，导致设备被破坏。

例如，在某相的4个开关元件的状态为P状态的情况下，作为保护动作使该相的开关元件的状态成为N状态时，由于电压从正电平变化到负电平，所以发生直流电源3的电压那么大的电压变动。另外，反之，在某相的4个开关元件的状态为N状态的情况下，作为保护动作使该相的开关元件的状态成为P状态时，由于电压从负电平变化到正电平，所以发生直流电源3的电压那么大的电压变动。与此相对，在某相的开关元件的状态为O状态的情况下，无论此前的状态为P、N、O中的任何状态，电压的变化即使为最大，也不过是直流电源3的一半的电压，即使开关元件的通/断定时有偏差，对1个开关元件也仅施加直流电源3的一半的电压。

另外，与在输出PPP的零矢量之后输出NNN的零矢量的情况相反的情况下，如以上说明过的那样，由于开关元件的通、断定时的偏差，有将全部电压施加在1个开关元件上的危险性，所以设定为在输出PPP、NNN的零矢量的前后输出OOO的零矢量更为安全。

接着，控制器1在步骤24中输出零矢量后，将检测到的输出电流值I与第2基准值I₂进行比较(步骤25)。在步骤25中，当电流值I小于第2基准值I₂时，继续零矢量的输出动作(步骤26)，返回到与第1比较值I₁进行比较的处理(步骤22)。在步骤22中，当电流值I小于第1基准值I₁时，复原到正常运转(步骤23)，而当电流值I大于等于第1基准值I₁时，继续输出零矢量的动作。从而，当电流值I大于等于第1基准值I₁而小于第2基准值I₂时，继续输出零矢量。

在将步骤25中的电流值I与第2基准值I₂进行比较时，当检测到的输出电流值I大于等于第2基准值I₂时，控制器1将电流值I与第3基准值I₃进行比较(步骤27)。在步骤27中，当电流值I小于第3基准值I₃时，控制器1进行使全部开关元件101～112的动作停止的基极阻断动作(步骤28)。然后，在步骤28的处理后，返回到将电流值I与第2比较值I₂进行比较的处理(步骤25)，进行与上述情况同样的处理，而当电流值I大于等于第2基准值I₂时，继续基极阻断动作。从而，当电流值I大于等于第2基准值I₂而小于第3基准值I₃时，控制器1继续基极阻断动作。

在将步骤27中的电流值I与第3基准值I₃进行比较时，当检测到的电流值I大于等于第3基准值I₃时，控制器1中止逆变器的动作作为最终的保护，发出在确认全部的安全后进行再启动的警告(步骤29)。

在上述的处理中，由基极阻断进行保护动作、从使全部开关元件101～112关断的状态向正常动作复原时，由于直接向正常动作复原，根据与设备连接的电动机等的状况，有发生冲击的可能性。因此，设定为：控制器1在进行了步骤28中的基极阻断动作后，不直接向正常动作复原，而必然经过输出步骤26的零矢量之后向正常动作复原。

再有，将上述第1基准值I₁设定为比额定电流值稍大的水平。也就是说，该第1基准值I₁是即使由于急剧加减速或负载的变动而超过额定电流值，但如果时间短尚可容许的水平。从而，控制器1在输出零矢量的同时，等待电流值I减少，如小于该第1基准值I₁，则返回到正常的动作。由于在正常运转时也输出P、N、O状态的矢量本身，且由于可将该动作作为正常运转的一部分，所以有可能从保护动作平滑地进行向正常运转的复原。

另外，第2基准值I₂是比第1基准值I₁大，但如果时间极短尚可容许的水平。电流值I成为大于等于第2基准值I₂的状态，是在进行超出设备的能力的动作时、或因负载的急剧变化而发生的。但是，由于有必要立即返回到额定电流值，所以控制器1不是无法使输出电流急剧下降的零矢量状态，而通过基极阻断进行保护动作。

进而，第3基准值I₃是比第2基准值I₂大的值，电流值I成为大于等于第3基准值I₃的状态是发生了某种异常的状态，由于必须在确认了安全之后进行复原，所以设备本身不自动复原。在此处用紧急停止表示该状态。

这样，之所以设定第1至第3基准值I₁～I₃并根据测得的电流值I的大小来切换保护动作的方法是为了：在轻度异常时，使其可立即复原到正常运转，而在重度异常时，为了确保安全，使其可立即停止动作。也就是说，是为了实现如下要求：在使与设备连接的负载运转的情况下，尽量不中断运转，在发生了某种事故时，安全地进行停止动作。

根据本实施方式的多电平PWM逆变器控制装置，当用电流检测电路2测得的电流值I大于等于第1基准值I₁时，总是在成为零矢量状态后，进行基极阻断动作或紧急停止动作。而且，在从正常动作变成零矢量状态时，首先设定成为OOO状态。因此，无论进行保护动作之前的开关元件的状态是P、N、O中的任何状态，电压变化都被抑制为直流电源3的一半的电压，开关元件不会因过电压而被击穿。

另外，由于P、N、O这样的状态是也可以在正常动作时使用的状态，所以有可能平滑地进行从PPP、OOO、NNN这样的零矢量状态向正常动作的复原，无需复杂的算法，即可进行保护动作。

进而，在从保护动作向正常动作复原时，由于必然经过零矢量输出动作，所以在从保护动作向正常动作复原时，可防止开关元件因过电压而被击穿。

(第2实施方式)

接着，说明本发明的第2实施方式的PWM逆变器控制装置。

由于本实施方式的PWM逆变器控制装置相对于图1所示的第1实施方式的PWM逆变器控制装置而言，只有控制器1的控制算法不同，所以在以下的说明中，参照图3的流程图，说明本实施方式的PWM逆变器控制装置的动作。

首先，用电流检测电路2检测输出电流，将其电流值定为I(步骤31)，控制器1将该电流值I与上述第2基准值I₂进行比较(步骤32)。在步骤32中，当电流值I小于第2基准值I₂时，控制器1进行正常运转(步骤33)。在步骤32中，当电流值I大于等于第2基准值I₂时，控制器1中止正常动作，为安全起见输出零矢量(步骤34)。在此处，也可使控制器1仅输出零矢量中的OOO矢量。然后，接着控制器1通过基极阻断执行保护动作(步骤35)。然后，再次将电流值I与第2基准值I₂进行比较(步骤36)，当电流值I大于等于第2基准值I₂时，继续基极阻断动作。在步骤36中，当电流值I小于第2基准值I₂时，控制器1在输出零矢量后(步骤37)，复原到正常运转(步骤33)。此处的零矢量也与步骤34一样，可仅输出零矢量中的OOO矢量。通过进行这样的处理，控制器1被设定为在从保护动作向正常动作复原之前必然经历输出零矢量的动作。

设想本实施方式应用于控制与功能少的结构简单的设备连接的电动机的情况下的多电平PWM逆变器控制装置。因此，在简单地检测出过电流的情况下，立即进行基极阻断动作，在从该基极阻断动作复原到正常运转时，在进行该基极阻断动作之前、之后，输出从OOO开始的零矢量。

在此处，在本实施方式中，也与上面说明过的第1实施方式一样，可设置第3基准值I₃作为最终的保护，进行使逆变器的动作紧急停止的动作作为最终的保护，或者累计基极阻断的动作时间，如动作持续了某一定期间以上，即可进行紧急停止。

虽然详细地并且参照特定的实施方式说明了本发明，但可在不脱离本发明的宗旨和范围的情况下进行各种变更或修正，这对业内人士是显而易见的。

本申请是根据2002年6月12日申请的日本专利申请(特愿2002-171256)的申请，此处取其内容作为参照。

如以上说明的那样，根据本发明，在多电平PWM逆变器控制装置中，能够得到如下的效果：无需复杂的控制算法，在从正常动作安全地切换到保护动作、再从保护动作向正常动作复原时，也可确保逆变器主体的安全，同时使平滑的复原成为可能，还可对作为负载而被连接的设备进行安全供电。

Claims

1.一种PWM逆变器控制装置，在正电平的直流母线电压与负电平的直流母线电压之间按每相串联连接了4个开关元件，具备：

电流检测电路，检测输出电流的电流值；以及

控制器，当用上述电流检测电路测得的电流值大于等于预先设定的第1基准值而小于比上述第1基准值大的第2基准值时，输出从全部相为0状态开始的零矢量，该0状态是指：从正电平的直流母线电压侧算起的第2和第3个开关元件导通而输出作为上述直流母线电压的正电平与负电平之间的电压的中间电位的状态；当上述电流值大于等于上述第2基准值而小于比上述第2基准值大的第3基准值时，在输出上述零矢量之后进行使全部的开关元件处于关断状态的基极阻断动作；当上述电流值大于等于上述第3基准值时，进行紧急停止。

2.如权利要求1所述的PWM逆变器控制装置，其特征在于：

上述控制器在进行基极阻断动作之后向正常动作复原时，在进行零矢量的输出动作之后进行向正常动作的复原。

3.一种PWM逆变器控制装置，在正电平的直流母线电压与负电平的直流母线电压之间按每相串联连接了4个开关元件，其特征在于，具备：

电流检测电路，检测输出电流的电流值；以及

控制器，当用上述电流检测电路测得的电流值是大于等于预先设定的基准值时，在输出使全部相处于0状态的零矢量之后，进行使全部开关元件成为关断状态的基极阻断动作，其中0状态是指：从正电平的直流母线电压侧算起的第2和第3个开关元件导通而输出作为上述直流母线电压的正电平与负电平之间的电压的中间电位的状态；当上述电流值小于上述基准值时，在输出使全部相成为上述0状态的零矢量之后复原到正常运转。

4.如权利要求1至3中的任一项所述的PWM逆变器控制装置，其特征在于：

上述零矢量为如下的矢量：全部相从000状态开始，在PPP状态和NNN状态之间必然是000状态；

其中000状态是指：全部相从正电平的直流母线电压侧算起的第2和第3个开关元件导通而输出作为上述直流母线电压的正电平与负电平之间的电压的中间电位的状态，

5.一种PWM逆变器控制方法，用于控制在正电平的直流母线电压与负电平的直流母线电压之间按每相串联连接了4个开关元件的PWM逆变器控制装置，其特征在于，具备下述步骤：

检测输出电流的电流值；

当上述电流值大于等于预先设定的第1基准值而小于比上述第1基准值大的第2基准值时，输出从全部相为0状态开始的零矢量，该0状态是指：从正电平的直流母线电压侧算起的第2和第3个开关元件导通而输出作为上述直流母线电压的正电平与负电平之间的电压的中间电位的状态；

当上述电流值大于等于上述第2基准值而小于比上述第2基准值大的第3基准值时，在输出上述零矢量之后进行使全部的开关元件处于关断状态的基极阻断动作；以及

当上述电流值大于等于上述第3基准值时，进行紧急停止。

6.如权利要求5所述的PWM逆变器控制方法，其特征在于：

在进行基极阻断动作之后向正常动作复原时，还包括在进行零矢量的输出动作之后进行向正常动作的复原的步骤。

7.一种PWM逆变器控制方法，用于控制在正电平的直流母线电压与负电平的直流母线电压之间按每相串联连接了4个开关元件的PWM逆变器控制装置，其特征在于，具备下述步骤：

检测输出电流的电流值；

当上述电流值大于等于预先设定的基准值时，输出使全部相成为0状态的零矢量，其中0状态是指：从正电平的直流母线电压侧算起的第2和第3开关元件导通而输出作为上述直流母线电压的正电平与负电平之间的电压的中间电位的状态；

在输出上述零矢量之后进行使全部开关元件成为关断状态的基极阻断动作；以及

当上述电流值小于上述基准值时，在输出使全部相成为上述0状态的零矢量之后复原到正常运转。

8.如权利要求5至7中的任一项所述的PWM逆变器控制方法，其特征在于：

上述零矢量是如下矢量：从000状态开始，在PPP状态与NNN状态之间必然是000状态，

其中，000状态是指：全部相从正电平的直流母线电压侧算起的第2和第3个开关元件导通而输出作为上述直流母线电压的正电平与负电平之间的电压的中间电位的状态，

PPP状态是指：全部相从正电平的直流母线电压侧算起的第1和第2开关元件导通而输出上述直流母线电压的正电平的状态，

NNN状态是指：全部相从正电平的直流母线电压侧算起的第3和第4开关元件导通而输出上述直流母线电压的负电平的状态。