博士論文 (Doctoral dissertation)doctoral thesi

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K. R. M. Nimal Ratnayake

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氏名 (本籍) K.R.M.Nimal Ratnayake(スリランカ)学 位 の 種 類 博 士(工学)学位記号番号 甲 第 153 号学位授与年月 日 平成13年3月 24 自専 攻 電子情報システム工学専攻学位論 文題 目 NovelPWM Techniques and Topologies for肌11ti-LevelInverters(多レベルインバータ用のPWMパターンと回路方式に関する研究)学位論文審査委員 (主査) 教 授 内 藤 治 夫(副査) 教 授 阪 上 幸 男 教 授 渡 遵 貞 司助教授 王 道 洪論文内容の要旨Thisthesishasproposedandinvestigatedtwonewmulti-1evelPWMpattemsandonetopolqgythatenhancetheperformanCeOfmulti-1cvelinverters.The丘柑tPWMpattemproposedinthisthesisistoreduc6thecom皿On-JnOdevoltageOfthethree-1evelvoltagesourceinverter.Itusesonレsevenvolt喝eVeCtOrSOutOfthe-19vectors ofgeneralthree-1evelPWM pattcms･Thesesevenvoltage vectorsinherendygeneratezerocommon･mOdevoltageattheloadneutral･Itisknownthatthccommon-mOdeVOltageofthevoltagesotminvertersgeneratecommon-mOdectm血(alsokn0wnaSZerOSequenCe Ctmnt);thezerosequencecⅦTentmayCauSema仏mctioningoftheresidualcu汀ent-Operatedcircuitbreakersaswe11aszerosequenceprotectiveequipmentintheutility･Ithas becnreportedthatthe common-mOde currentmay also causeElectroMagnetichterferencc(EMI).Therefore,theproposedPWMpattemwouldbeusefu1inapracticalmd正一1evel血Ⅳe血r.Amongthe typicalproblems related tothe multi1eveltopology;the neutralpointvoltagefluctuationhasdrmmuchattentionoftheresearChers.ThesecondcanierPWMSChemeproposedin血isthesisistoal1eviateth¢neutralpoIntVOltagefluctuationsofthethree-1evelinverter･TLeproposedscheznehasbeenderivedfromthemulti-levelsinusoidalC如erPWMschemebyintroducingthirdhartnonicofthereferenceslgnals.Thissignalhasappropriatephaseshi負andmagnitudewlthrespecttothereferenceslgnals.Byconb'011ingthesetwoparameterSbhaseshiftandmagmitude),theneutralpointvoltagefluctuationcanbereduced.Itis noteworthythatthis pnnciple maybe adoptedto reducethevoltageー84-uhbalancethatexistsinthre6-1evelStaticV如Compensators(SVC)aswell･The丘velevelinvertertopoIogyproposedinthis thesiscombinesatwo-1evelinvertera皿andathrec-1evelinvcrtcrlSincethenewcircuitusesonly14activeswitchesand20diodesincludingantlParallel丘eewheclingdiodes,muChsmallcrdcvicccountCOmParedto也¢nOrnalfive-1evelimrter,ddscimitiscost一曲tivcandreliabl0.Thenainissuesimsdgatcdinthisthesiscanbestmarizedas,(1)comon･mOdecurrentsuppressionteclmiqucs,thatarcsuit曲1eformulti-1eveli皿Ⅴ鵬rbasdmobr血ve5.(2)A simpIccarrierPWM scheme,Whichal1eviatesthc neub･alpointvoltagefluctuationproblemofthethrcclevclhverter.(3)Anovelhybrid丘vc-1evelinvertertopology(withlowdevicccotmt)･LaboratoryprototypesarefhbricatedtoverifythepcrfornanCCOftheproposedreductionteclmiques.Thisstudyindicates鮎needforfurtherR&Dactivitiesintheareaofnewmoduladontedhniquestoaddresstheissuesrclatedtothcmiti-1evelinverterl論文審査結果の要旨この論文では多レベルインバータの特性を向上させるために二つの制御方式と一つの新しい回路方式を提案し､シミュレーションと実験によりその有効性を確認している｡多レベルインバータにおけるコモンヰード中性点電圧はコモンモード電流を発生させ､モータと接続する制御装置や機器類の故障原因になる｡また､コモンモード電流は最近問題視されている電磁障害も発生する｡そのため､コモンモード中性点電圧の低減対策が求められている｡提案制御方式の一つ目は3レベルインバータのコモンモード電圧を抑えるための方式である｡この制御方式では従来のPWM制御方式に用いた19個ベクトルのうち負荷中性点でコモンモード電圧を発生しない7個ベクトルのみを利用することで実現されている｡シミュレーションでは従来制御方式に比べ､提案制御方式は利用したベクトルの数が少ないにもかかわらず､中性点コモンモード電圧を大幅に低減できる一方､電圧の制御の観点からも従来の方式と同程度の性能を有する｡検証実験もこの結果を確認している｡更に､検証実験では従来方式に比べ提案方式は小さなコモンモードフィルタを使用しても､中性点コモンモード電圧を完全に抑えることができることを確認している｡一方､3レベルインバータにおける中性点電位変動はインバータ入力側にある2つのコンデンサに電圧の不平衡を生じ､半導体スイッチデバイスに大きな-85-ストレスを引き起こしてしまう｡そのためヾ この中性点電位変動を抑える必要がある｡提案制御方式の二つ目はこの中性点電位変動を抑えるためのものである｡本制御方式では従来PWMに用いた多レベル正弦波キャリヤに3次高調波信号を注入し､この正弦波キャリヤを変調させることにより､新しいキャリヤ波を作り出す｡提案制御方式はこの新しいキャリヤ波を持って3レベルインバータの出力電圧を制御する｡基準波に対してキャリヤ波は一定割合の振幅と位相差を設けており､この振幅と位相差を調整することにより3レベルインバータにおける中性点電位変動を抑える｡シミュレーションと検証実験により本提案制御方式は従来制御方式に比べ3レベルインバータにおける中性点電位変動を大幅に低減できることを確認している｡従来の5レベルインバータは耐電圧､高調波の観点から優れているが､必要とされる部品(主スイッチ24､ダイオード42)が多い｡提案5レベルインバータ回路は従来の2レベルインバータと3レベルインバータを組み合わせることにより必要とされる主スイッチの数が14､ダイオードの数が20になっており､従来5レベルインバータに比べ､部品数を大幅に低減できた｡また､この回路の制御方式に選択高調波消去法を用いることにより､定次高調波を除去すると共に高いバス電圧利用率も得ることができた｡シミュレーションにより､本提案回路と制御方式の有効性を確認している｡以上の成果は､すでに日本電気学会産業応用部分誌､パワーエレクトロニクスに関する国際会議に6報にわたり報告されている｡従って､申請者の博士研究成果として十分に評価できるものと判定する｡最終試験結果の要旨公聴会後に､学位論文に関連する口頭試問を行い､これを最終試験に変え､合格と判定した｡-86-

Novel PWM Techniques and Topologies for Multi-Level Inverters

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Novel PWM Techniques and Topologies for Multi-Level Inverters

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