JP2000228883A - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置

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JP2000228883A
JP2000228883A JP11027345A JP2734599A JP2000228883A JP 2000228883 A JP2000228883 A JP 2000228883A JP 11027345 A JP11027345 A JP 11027345A JP 2734599 A JP2734599 A JP 2734599A JP 2000228883 A JP2000228883 A JP 2000228883A
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JP11027345A
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Kiyoaki Sasagawa
清明 笹川
Naoya Eguchi
直也 江口
Kiwamu Suzuki
究 鈴木
Arata Sakuma
新 佐久間
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 素子の定格によって出力電圧が制限されたり
素子の特性を揃える煩雑さに煩わされることなく、イン
バータの出力電圧を高電圧にする。 【解決手段】 変換ユニットU1を、共通の3相交流電
源に一次巻線が接続され、かつ一対の二次巻線を有する
入力トランスTr1と、前記一対の二次巻線に交流入力
側が接続されるダイオード整流器REC1と、この整流
器REC1の直流出力側に接続される平滑コンデンサC
1,C2と、これらの平滑コンデンサC1,C2に直流
入力側が接続される単相3レベルインバータINV1と
により構成する。3台の変換ユニットU1,U2,U3
を3相交流電源と交流電動機401との間に並列的に接
続し、インバータINV1〜INV3の出力端子を電動
機401に対しスター結線して3相交流電力を供給す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、3相交流電動機等
の負荷に3相交流電力を供給する産業用の電力変換装置
に関し、詳しくは、直流−交流変換器として単相3レベ
ルインバータを3台用いて構成される電力変換装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】電力変換装置のインバータに用いられる
スイッチング素子としては、装置の小型、軽量化等の目
的からIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)
等の半導体スイッチング素子が適用されている。特に、
近年のIGBTの性能向上、製造技術の発展により、高
耐圧、大電流のIGBTを用いた大容量電力変換装置が
実現されている。
【0003】図5は、3相の交流電圧を発生するインバ
ータの従来技術を示している。同図において、201は
入力の直流電源(電圧をEd2とする)、301,302
は平滑コンデンサ、151〜156はダイオード、40
1はインバータの負荷となる3相誘導電動機等の交流電
動機、101〜112は4個ずつ直列接続される半導体
スイッチング素子としてのIGBTである。素子102
と103、同106と107、同110と111のそれ
ぞれの相互接続点が、インバータのR相、S相、T相の
出力端子となる。なお、平滑コンデンサ301,302
の相互接続点、ダイオード151,152の相互接続
点、同153,154の相互接続点、同155,156
の相互接続点がすべて一括して接続されている。ここ
で、直流電源部の正極をP点、負極をN点、平滑コンデ
ンサ301,302の相互接続点を中性点(O点)とす
る。
【0004】図6は図5におけるR相のスイッチング状
態であり、通常の動作において(a)P点の電位を出力
する場合、(b)中性点(O点)の電位を出力する場
合、(c)N点の電位を出力する場合の何れかの状態と
なる。このように、図5の構成は1相当たりの出力電圧
として3個の電位を出力可能なことから、3レベルイン
バータ(3相3レベルインバータ)と呼ばれる。なお、
3レベルインバータの動作については、例えば特開昭5
6−744088号公報に記載されている。
【0005】次に、3レベルインバータの基本的な動作
について説明する。各相では、電圧出力の1周期中にお
いて、半周期づつ図6(a),(b),(c)の状態を
交互に繰り返す。そして、各相のスイッチング動作に1
20°の位相差を付けることで、3相の交流電圧を発生
することができる。このようにインバータを動作させた
時の電圧波形及びベクトル図を、図7に示す。図7
(a)はインバータの相電圧VR,VS,VTと線間電圧
(R−S端子間電圧)VRSの波形である。図において、
0は零電圧の出力期間である。このように零電位期間
を持つ相電圧の実効値VR(rms)は、数式1となる。
【0006】
【数1】 VR(rms)=(√2・Ed2/π)・cos(T0/2)
【0007】ここで、3相交流における線間電圧と相電
圧との関係を、図7(b)の電圧ベクトル図に示す。同
図における電圧ベクトルVR,VRSの位置関係と数式1
から、線間電圧の実効値VRS(rms)は数式2で表され
る。
【0008】
【数2】 VRS(rms)=(√6・Ed2/π)・cos(T0/2)
【0009】3レベルインバータには零電圧の出力期間
が存在するため、出力電圧の実効値がその影響で小さく
なる。しかし、通常の運転状態において零電圧の出力期
間が電圧の1周期に占める割合は非常に小さい。このよ
うな理由から、3レベルインバータの出力線間電圧は数
式3により近似できる。
【0010】
【数3】VRS(rms)=(√6/π)・Ed2
【0011】なお、数式3は、直流電圧をEd2とした時
の3相インバータにおける出力電圧の最大値を示してい
る。インバータの出力電圧を増加させるには、数式3の
関係を満足するように直流電圧を大きくしなければなら
ない。ここで、図6に示した3つのスイッチング状態か
ら明らかなように、スイッチング動作中に素子に印可さ
れる電圧は直流電源電圧Ed2の1/2となる。
【0012】図8は、出力電圧を増加させる従来技術と
しての、スイッチング素子を直列接続したインバータを
示している。この図は、各相の上下アームにスイッチン
グ素子をそれぞれ2個直列に接続した場合の従来技術で
ある。同図において、図5と同一の構成要素は同一番号
を付してある。この従来技術においても、素子102,
103の相互接続点、素子106,107の相互接続
点、素子110,111の相互接続点が、インバータの
R相、S相、T相の出力端子となる。
【0013】図9は、図8におけるR相のスイッチング
状態である。直流電源201の正側の2素子101,1
02をオン状態としてP点の電位を出力する(a)と、
直流電源201の負側の2素子103,104をオン状
態としてN点の電位を出力する(b)との何れか一方の
状態となる。なお、この図9では、説明のために直流電
源201を2個に分割し、それぞれの相互接続点をO点
とした。このO点は、P点とN点との中間電位点(仮想
中性点)である。
【0014】図10は、図9のように2個の素子を同時
にスイッチングさせてインバータ動作させた時の図8の
電圧波形を示しており、中間電位点0を基準とした各相
電圧VR,VS,VTと線間電圧(R−S端子間電圧)V
RSの波形である。この場合の線間電圧の実効値V
RS(rms)は数式4で与えられる。
【0015】
【数4】VRS(rms)=(√6/π)・Ed2
【0016】このように、図8のインバータにおいて
も、1素子に印加される電圧は直流電源電圧の1/2と
なり、素子の直列接続数だけ直流電圧を増加することが
可能になるので、数式4の関係から、インバータの出力
電圧最大値も増加させることができる。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】1)従来技術の3レベ
ルインバータに関して 前述したように、スイッチング動作中に素子に印可され
る電圧は直流電源電圧の1/2となり、この直流電圧値
は、インバータに使用される半導体スイッチング素子の
素子電圧に依存する。通常、半導体スイッチング素子で
は印加できる電圧の限界が定格電圧として規定されてお
り、この値を超えて使用した場合には素子が破壊される
危険がある。このため、直流電圧は素子の定格電圧より
も小さくしなければならないので、結果としてインバー
タの出力電圧が制限される。
【0018】2)素子の直列接続に関して 素子を直列接続する場合には、直列接続されている素子
を同時にオンまたはオフするため、これらの素子に特性
の違いがあるとスイッチング動作において電圧分担が不
均一となり、一方の素子に印加できる限界を超える電圧
が加わることによって素子の破壊を招くおそれがある。
このような問題を防ぐには、特性の良く揃った素子を選
別して使用するか、または駆動回路を素子特性に合わせ
て調整する等の特別な作業が必要となる。
【0019】上記1),2)に示すように、従来技術で
は、インバータの出力電圧を増加させるために種々の問
題を生じていた。そこで本発明は、半導体スイッチング
素子の定格電圧よって出力電圧が制限されたり、素子を
直列接続する際の素子の選別・調整の煩雑さに煩わされ
ることなく、所望の高電圧を出力可能な電力変換装置を
提供しようとするものである。
【0020】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、入力トランスにより電力変換装置を交
流電源と絶縁し、前記入力トランスの二次側を整流して
得た直流電圧を入力とする単相3レベルインバータを3
台用いて、それらの出力端子を負荷に対しスター結線す
ることにより3相出力を得るようにした。このように、
3台の単相3レベルインバータの交流入力部をトランス
によって絶縁しているため、単相3レベルインバータの
出力端子を直接接続しても、インバータ間で流れる電流
が発生しない。このため、インバータを簡単に多重化す
ることができ、その結果として、電力変換装置全体の出
力電圧値及び出力電圧レベル数の増加が可能になる。
【0021】すなわち、請求項1記載の発明は、入力ト
ランスを介して共通の交流電源と絶縁され、かつ前記入
力トランスの二次側の出力電圧を整流する直流電源部
と、この直流電源部から出力される直流電圧を入力とす
る単相3レベルインバータとを有する変換ユニットを前
記交流電源と負荷との間に3台並列的に接続すると共
に、これらの3台の単相3レベルインバータの各一方の
出力端子を共通接続し、かつ各他方の出力端子を負荷に
対しスター結線したものである。
【0022】請求項2記載の発明は、請求項1記載の電
力変換装置において、前記変換ユニットを、共通の3相
交流電源に一次巻線が接続され、かつ一対の二次巻線を
有する入力トランスと、前記一対の二次巻線に交流入力
側が接続されるダイオード整流器と、この整流器の直流
出力側に接続される平滑コンデンサ部と、この平滑コン
デンサ部に直流入力側が接続される単相3レベルインバ
ータとにより構成し、前記ダイオード整流器及び平滑コ
ンデンサ部により前記直流電源部を構成したものであ
る。
【0023】請求項3記載の発明は、請求項1記載の電
力変換装置において、前記変換ユニットを、共通の3相
交流電源に一次巻線が接続され、かつ二次巻線がスター
結線された入力トランスと、前記二次巻線に交流入力側
が接続されるダイオード整流器と、この整流器の直流出
力側に接続される平滑コンデンサ部と、この平滑コンデ
ンサ部に直流入力側が接続される単相3レベルインバー
タとにより構成し、前記ダイオード整流器及び平滑コン
デンサ部により前記直流電源部を構成すると共に、前記
入力トランスの二次巻線の中性点と前記直流電源部の中
性点とを接続したものである。
【0024】請求項4記載の発明は、請求項1記載の電
力変換装置において、前記入力トランスを、一次巻線が
共通の交流電源に接続され、かつ二次巻線がオープン巻
線により構成されたトランスにより構成すると共に、前
記変換ユニットを、前記二次巻線に交流入力側が接続さ
れる単相3レベルコンバータと、このコンバータの直流
出力側に接続される平滑コンデンサ部と、この平滑コン
デンサ部に直流入力側が接続される単相3レベルインバ
ータとにより構成し、前記単相3レベルコンバータ及び
平滑コンデンサ部により前記直流電源部を構成したもの
である。
【0025】
【発明の実施の形態】以下、図に沿って本発明の実施形
態を説明する。図1は、請求項1,2に相当する本発明
の第1実施形態の回路構成を示しており、この電力変換
装置は、共通の3相交流電源(図示せず)に接続された
同一構成の3台の変換ユニットU1〜U3から構成され
ている。各変換ユニット、例えばユニットU1は、3相
の入力トランスTr1と、直流電源部としてのダイオー
ド整流器REC1及び平滑コンデンサC1,C2と、単
相3レベルインバータINV1とから構成されており、
他の変換ユニットU2,U3も同様に、入力トランスT
r2、整流器REC2、コンデンサC3,C4、インバ
ータINV2、並びに、入力トランスTr3、整流器R
EC3、コンデンサC5,C6、インバータINV3か
ら構成されている。
【0026】以下、変換ユニットU1を例にとってその
内部構成を説明する。入力トランスTr1の一次巻線は
3相交流電源に接続され、一対の二次巻線の各3つの出
力端子(計6出力端子)は、整流器REC1の交流入力
側に接続されている。整流器REC1は、ダイオードD
1〜D4の直列回路、同D5〜D8の直列回路、D9〜
D12の直列回路を並列接続して構成されており、その
両端には平滑コンデンサC1,C2の直列回路が接続さ
れている。また、前記ダイオードの各直列回路を構成す
る上下各2個のダイオードの相互接続点がそれぞれ前記
入力トランスTr1の一対の二次巻線に接続されるとと
もに、前記ダイオードの各直列回路を構成する内側の2
個のダイオードの相互接続点が一括して平滑コンデンサ
C1,C2の相互接続点に接続されている。
【0027】単相3レベルインバータINV1は、相数
が異なる点以外は前述した図5と実質的に同一の構成で
ある。すなわち、ダイオードが逆並列接続されたIGB
TQ1〜Q4の直列回路と、この直列回路を構成する内
側の2個のIGBTの直列回路に並列接続されたダイオ
ードD13,D14の直列回路と、同様に構成されたI
GBT Q5〜Q8の直列回路とダイオードD15,D
16の直列回路とを備えている。そして、各ダイオード
直列回路内部の相互接続点が何れも平滑コンデンサC
1,C2の相互接続点に接続され、IGBT直列回路の
内側の2個のIGBT Q2,Q3の相互接続点が接地
されていると共に、IGBT Q6,Q7の相互接続点
がR相出力端子として交流電動機401に接続されてい
る。
【0028】前述のごとく、他の2台の変換ユニットU
2,U3も同様の構成であり、この実施形態において
は、何れも入力トランスとダイオード整流器と平滑コン
デンサと単相3レベルインバータとからなる変換ユニッ
トU1〜U3を3相交流電源に並列的に接続して3相イ
ンバータを構成し、これらの3台の変換ユニットU1〜
U3の出力端子(単相3レベルインバータINV1,I
NV2,INV3の出力端子)の一方を3相の交流電動
機401に対しスター結線し、他方を一括接続して接地
する点を特徴としている。
【0029】単相3レベルインバータINV1,INV
2,INV3の線間電圧は、従来技術の3相3レベルイ
ンバータの線間電圧と同じ波形になる。このため、単相
3レベルインバータINV1,INV2,INV3の出
力側をスター結線した場合の、出力側中性点を基準にし
た各相電圧と単相3レベルインバータの線間電圧は同じ
である。その動作波形を図2に示す。
【0030】図2において、VRは図1におけるスター
結線の中性点を基準にしたR相の相電圧、VSは同じく
S相の相電圧、VRSは線間電圧(R−S端子間電圧)で
ある。これらの波形と従来技術の3相3レベルインバー
タの出力電圧波形(図7)とを比較すると、図2におけ
る相電圧VR,VSと図7の3相3レベルインバータの線
間電圧VRSとは同じ波形になり、スター結線した場合の
図2の線間電圧VRSは、図7の線間電圧VRSよりも電圧
レベル数が増加して出力電圧も増加することがわかる。
このように出力電圧の電圧レベル数が増加して正弦波に
近くなることから、出力高調波の低減も可能となる。
【0031】上記第1実施形態のように、単相3レベル
インバータINV1,INV2,INV3の各一方の出
力端子を直接接続した場合には、負荷である交流電動機
401を介さずにインバータ間で電流が流れる可能性が
生じるが、交流入力部をトランスTr1,Tr2,Tr
3によって絶縁しているため、この電流は発生しない。
その結果、安定した3相交流出力が得られることにな
る。
【0032】図3は、本発明の第2実施形態を示してお
り、請求項3の実施形態に相当する。図1と異なる点
は、単相3レベルインバータINV1,INV2,IN
V3の入力部(入力トランス及びダイオード整流器)の
回路構成である。同図において、Tr11,Tr12,
Tr13はデルタ−スター結線の入力トランス、REC
11,REC12,REC13はダイオード整流器、D
R1〜DR6はそのダイオードであり、その他の構成要
素は図1と同一符号を付してある。この実施形態も、入
力トランス、ダイオード整流器、平滑コンデンサ、単相
3レベルインバータによって1台の変換ユニットが構成
されており、3台の変換ユニットU11,U12,U1
3が3相交流電源と交流電動機401との間に並列的に
接続される。単相3レベルインバータINV1,INV
2,INV3の出力端子を電動機401に対しスター結
線する点も第1実施形態と同様である。
【0033】この実施形態を図1と比較すると判るよう
に、入力トランスとダイオード整流器の構成が異なって
いる。3レベルインバータでは、インバータを安定に動
作させるため、インバータの直流電源部の中性点(例え
ば変換ユニットU11における、コンデンサC1,C2
の相互接続点)の電位変動を少なくすることが大切であ
る。
【0034】そこで、この実施形態では、入力トランス
Tr11,Tr12,Tr13の二次巻線をスター結線
にすることにより二次側にトランスの中性点を作り、そ
のトランスの中性点とインバータの直流電源部の中性点
とを接続するようにしたものである。これにより、中性
点の電位変動を抑制してその安定化を図ると共に、図1
と比較して入力トランスの巻線数やダイオード整流器を
構成するダイオードの個数を低減することが可能にな
る。なお、単相3レベルインバータINV1,INV
2,INV3の動作は、図1と同じであるため、説明を
省略する。
【0035】図4は、本発明の第3実施形態であり、請
求項4の実施形態に相当する。この実施形態も、単相3
レベルインバータINV1,INV2,INV3の入力
部(入力トランス及び整流器)の回路構成が図1と異な
っている。図4において、Tr40は二次巻線をオープ
ン巻線としてデルタ結線した入力トランス、CON1
1,CON12,CON13は単相3レベルコンバータ
であり、これらのコンバータCON11,CON12,
CON13は単相3レベルインバータINV1,INV
2,INV3と同一の構成である。
【0036】すなわち、一例として単相3レベルコンバ
ータCON11は、IGBT QS1〜QS8と、ダイ
オードDS1〜DS4とから構成されており、入力トラ
ンスTr40の二次巻線がIGBT QS2,QS3の
相互接続点とIGBT QS6,QS7の相互接続点と
に接続されている。また、ダイオードDS1,DS2の
相互接続点とダイオードDS3,DS4の相互接続点と
は一括して平滑コンデンサC1,C2の相互接続点に接
続されている。そして、コンバータCON11、インバ
ータINV1、コンデンサC1,C2により変換ユニッ
トU21が、コンバータCON12、インバータINV
2、コンデンサC3,C4により変換ユニットU22
が、コンバータCON13、インバータINV2、コン
デンサC5,C6により変換ユニットU23が構成され
ており、入力トランスTr40の二次側と負荷である交
流電動機401との間に各変換ユニットU21,U2
2,U23が並列的に接続されている。
【0037】この実施形態は、図1と比較すれば判るよ
うに、入力トランスTr40の構成と、整流器を単相3
レベルコンバータにした点が異なっている。このように
直流入力側に単相3レベルコンバータを用いてこれをP
WM制御することにより、入力電源部の高調波を低減す
ることができるとともに、交流電動機401のエネルギ
ーを電源に回生できる特徴がある。更に、単相3レベル
コンバータを採用するため、二次側をオープン巻線にし
た入力トランスTr40を適用でき、回路の簡素化に役
立つ。ここで、単相3レベルインバータの動作は図1と
同様であるため、説明を省略する。
【0038】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、単相3レ
ベルインバータを3台組合せた構成により、インバータ
の出力電圧を変圧器により昇圧する等の手段を用いなく
ても高い出力電圧を得ることができると共に、各相電圧
と線間電圧において出力できる電圧のレベル数が多くな
るため、高調波を低減できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態を示す回路図である。
【図2】図1の相電圧及び線間電圧の波形図である。
【図3】本発明の第2実施形態を示す回路図である。
【図4】本発明の第3実施形態を示す回路図である。
【図5】従来技術を示す回路図である。
【図6】図5におけるR相のスイッチング状態を示す図
である。
【図7】図5の動作を示す波形図及びベクトル図であ
る。
【図8】他の従来技術を示す回路図である。
【図9】図8におけるR相のスイッチング状態を示す図
である。
【図10】図8の動作を示す波形図である。
【符号の説明】
Tr1,Tr2,Tr3,Tr11,Tr12,Tr1
3,Tr40 入力トランス REC1,REC2,REC3,REC11,REC1
2,REC13 ダイオード整流器 INV1,INV2,INV3 単相3レベルインバー
タ U1,U2,U3,U11,U12,U13,U21,
U22,U23 変換ユニット D1〜D16,DR1〜DR6,DS1〜DS4 ダイ
オード C1〜C6 平滑コンデンサ Q1〜Q8,QS1〜QS8 IGBT CON11,CON12,CON13 単相3レベルコ
ンバータ 401 交流電動機
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 究 神奈川県川崎市川崎区田辺新田1番1号 富士電機株式会社内 (72)発明者 佐久間 新 神奈川県川崎市川崎区田辺新田1番1号 富士電機株式会社内 Fターム(参考) 5H007 AA06 BB01 BB06 CA01 CB02 CB04 CB05 CC04 CC23 EA02 5H576 BB05 BB10 CC05 DD02 DD04 HA04 HB02 HB05 HB10

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力トランスを介して共通の交流電源と
    絶縁され、かつ前記入力トランスの二次側の出力電圧を
    整流する直流電源部と、この直流電源部から出力される
    直流電圧を入力とする単相3レベルインバータとを有す
    る変換ユニットを前記交流電源と負荷との間に3台並列
    的に接続すると共に、これらの3台の単相3レベルイン
    バータの各一方の出力端子を共通接続し、かつ各他方の
    出力端子を負荷に対しスター結線したことを特徴とする
    電力変換装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の電力変換装置において、 前記変換ユニットを、共通の3相交流電源に一次巻線が
    接続され、かつ一対の二次巻線を有する入力トランス
    と、前記一対の二次巻線に交流入力側が接続されるダイ
    オード整流器と、この整流器の直流出力側に接続される
    平滑コンデンサ部と、この平滑コンデンサ部に直流入力
    側が接続される単相3レベルインバータとにより構成
    し、前記ダイオード整流器及び平滑コンデンサ部により
    前記直流電源部を構成したことを特徴とする電力変換装
    置。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の電力変換装置において、 前記変換ユニットを、共通の3相交流電源に一次巻線が
    接続され、かつ二次巻線がスター結線された入力トラン
    スと、前記二次巻線に交流入力側が接続されるダイオー
    ド整流器と、この整流器の直流出力側に接続される平滑
    コンデンサ部と、この平滑コンデンサ部に直流入力側が
    接続される単相3レベルインバータとにより構成し、前
    記ダイオード整流器及び平滑コンデンサ部により前記直
    流電源部を構成すると共に、前記入力トランスの二次巻
    線の中性点と前記直流電源部の中性点とを接続したこと
    を特徴とする電力変換装置。
  4. 【請求項4】 請求項1記載の電力変換装置において、 前記入力トランスを、一次巻線が共通の交流電源に接続
    され、かつ二次巻線がオープン巻線により構成されたト
    ランスにより構成すると共に、 前記変換ユニットを、前記二次巻線に交流入力側が接続
    される単相3レベルコンバータと、このコンバータの直
    流出力側に接続される平滑コンデンサ部と、この平滑コ
    ンデンサ部に直流入力側が接続される単相3レベルイン
    バータとにより構成し、前記単相3レベルコンバータ及
    び平滑コンデンサ部により前記直流電源部を構成したこ
    とを特徴とする電力変換装置。
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