JP2004229493A - インバータ駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】 マルチインバータ駆動システムの構成を動的に変えるシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】 動作中に構成を変えることで、本発明のマルチインバータ・システムは、電力セルの故障中に全出力電力の半分よりも大きな電力を供給することができ、また、回生中に効率の良い制動トルクを供給することができる。インバータ駆動システムは、複数の単極インバータ・セルと、単極インバータ・セルを星形構成に接続するため、および単極インバータ・セルの接続構成を変えるための構成切換システムとを含む。一実施例では、構成切換システムは、負荷の動作中に、インバータ・システムの星形構成を環状構成に動的に変えるように構成される。他の実施例では、構成切換システムは、単極インバータ・セルの星形構成を動的に変えて多相インバータを形成するように構成される。
【選択図】 図４

Description

本発明は一般にインバータ駆動システムに関する。より詳細には、本発明は、変更可能な構成を有するインバータ駆動システムに関し、１つのインバータ・セルを損失した状態で駆動システムの継続動作を可能とし、また、効率の良い回生制動を実現する。

当技術分野では、電圧給電されるインバータは、一般に、その入力に直流電圧源を受け、単相または多相の交流電圧出力を供給する装置として知られている。直流電圧源は、商用電線または他の交流源から、整流器およびフィルタを通して得られることが多い。一般に、交流電圧出力は、負荷パラメータの影響を一般的に受けない調整された交流電圧である。そのような装置は、交流モータの駆動や、交流無停電電源装置（ＵＰＳ）への電力供給のような、様々な用途がある。マルチインバータ駆動システムは、交流誘導電動機のような、負荷へ３相電力を供給するために使用されることが多い。

このシステムは、様々な構成に接続することができ、様々な利点を実現する。例えば、多相出力を集合的に供給するために、単相インバータを星形構成または環状構成に構成することができる。３相星形構成は、Ｙ（ＷＹＥ）構成としても知られており、一般に、３相電力を集合的に供給するために共通中性点（ニュートラル）を共有する単相インバータを含む。３相環状構成は、デルタ構成としても知られており、一般に単相インバータを含み、それぞれの単相インバータは、３相電力を集合的に供給するための直列ループを形成するように、２個の隣接したインバータに接続される。多相インバータは、３相インバータのような多相電力を供給する単一のインバータであり、或る特定の利点を実現することもできる。

これらの構成の各々は、様々な状況で利点を実現することができる。例えば、多相インバータは、必要とする部品が少ないので、単相インバータの同等の構成よりも安価である。さらに、多相構成における単相インバータは、多相インバータよりも制御された出力を供給することができる。それに加えて、多相出力の供給に関しては、様々な状況に応じて星形構成または環状構成が好ましい。これらのシステムの各々も、これらのシステムの組合せも知られているが、特定の構成を有するインバータ・システムは、負荷の全ての動作段を駆動するために、または全ての状況に対応するために最適ではないかもしれない。従って、インバータ・システムは、動的に構成を変えて、様々な動作段階および様々な状況に対応することができるのが望ましい。

構成の変化が望ましいかもしれない１つの状況は、インバータ・セルの損失（破壊）である。一般に、マルチインバータ駆動システムは、インバータ電力セルが損失した場合、機能することができない。しかし、多相出力を供給するように構成された単相マルチインバータ・システムは、インバータ電力セルのうちの１つが動作可能でなくなったときに、低減された電力を負荷へ供給できることが知られている。例えば、図１は、単極マルチインバータ・システム１０を示し、この単極マルチインバータ・システム１０は、インバータ電力セルが故障したときに、低減した電力を供給するための、当技術分野で知られている故障関連回路を有する。システム１０は、高電圧３相電源１２、変圧器１４、６個の孤立した単極インバータ・セルＳＰＩ−Ｕ１〜ＳＰＩ−Ｗ２ １６、および３相交流誘導モータのような負荷１８を含む。電力セルの対、ＳＰＩ−Ｕ１とＵ２、ＳＰＩ−Ｖ１とＶ２、およびＳＰＩ−Ｗ１とＷ２のそれぞれは、各相の出力電力Ｕ、Ｖ、およびＷを供給するようにそれぞれに直列に接続されている。

図２は、単極インバータ・セル１６の１つの回路図である。図示のような各単極インバータ・セル１６は従来のフル・ブリッジ・３レベル・インバータであり、このインバータは、正、零および負のレベルの間を循環する交流電圧波を発生する。各インバータ１６の整流器ブリッジ（ＲＥＣ）２０は、変圧器１４から３相電力を受け取り、それを直流電力へと変換する。Ｃ２２は直流電圧平滑コンデンサであり、ＧＴＲ１からＧＴＲ２４は直流電力を交流電力へインバートするためのトランジスタである。モータ１８の減速中に生じる過剰電圧を消散するために、ブレーキ回路（制動回路）２６をそのような従来のシステム１０に付け加えることが多い。制動回路２６は、一般に、制動抵抗器ＤＢＲおよび制動トランジスタＧＴＲ５を含む。図３は、従来のシステム１０の３相インバータ回路を示す。バイパス回路ＣＴＴ−Ｕ１〜ＣＴＴ−Ｗ２ ２８を、各インバータ・セル１６と並列にシステム１０に付け加えて、必要に応じてセルをそれぞれバイパスすることができる。

システム１０の全電力動作中には、バイパス回路２８は開いており、インバータ・セルの整合対によって生成される通りに、全電圧の全電流が負荷１８へ加えられる。１つのセル、例えばＳＰＩ−Ｕ１が壊れたとき、バイパス回路ＣＴＴ−Ｕ１、ＣＴＴ−Ｖ１およびＣＴＴ−Ｗ１は閉じられる。そうすると、ＳＰＩ−Ｕ１、ＳＰＩ−Ｖ１およびＳＰＩ−Ｗ１はバイパスされ、ＳＰＩ−Ｕ２、ＳＰＩ−Ｖ２およびＳＰＩ−Ｗ２は、Ｙ構成のインバータ回路として、共同して低減された３相電力を供給する。しかし、この結果として構成されたインバータ回路は、完全動作に比べて、出力負荷に対して全電流で半分の電圧を供給するに過ぎない。従って、モータ１８のような負荷は、セルの故障中にインバータ・システム１０により継続して駆動されるかもしれないが、故障前に比べると、故障後には半分以下の電力である。さらに、６個すべての単極インバータ２８が対応する制動回路２６とともに使用される全制動に比較して、故障後には回生（制動）モードでＳＰＩ−Ｕ２、Ｖ２およびＷ２によって半分のみの制動トルクが得られる。

上述のような知られたシステムは、電力セルの故障中にモータ１８の継続動作を実現することができ、かつ効果的に制動トルクを供給することができる。しかし、この知られたシステムには問題がある。例えば、そのようなシステムは、３相電力を供給するために必要な電力セルの数の２倍の電力セルを必要とし得る。全電流で全電圧を供給する、各相に対しての単一電力セルと比べると、この冗長の電力セルがシステムの費用を増加させる。それに加えて、電力セルの故障時に、システム１０は、完全動作と比べると、負荷１８に対して半分以下の電力を供給するに過ぎない。そのような電力低減は、多くの状況で許容することができず、非効率的であり得る。また、トランジスタ切り替えの間の動的な電圧の共有は、直列に接続された３レベル・インバータ・セル１６では問題となり得る。そのような問題は、マルチレベル・インバータまたは中性点クランプ（ＮＰＣ）（ｎｅｕｔｒａｌ ｐｏｉｎｔ ｃｌａｍｐｅｄ）インバータで回避することができる。

さらに、そのような従来のシステムは、１つの電力セルが動作不能であるときには、回生のときに半分以下の制動トルクを供給する。これは、非効率的および／または危険である。従って、１つのセルが動作できないときに、制動を補助するために機械的な制動も必要であるかもしれず、この機械的制動が、回生中に吸収され得る電力を浪費する。また、電力セルごとに個別の制動回路を使用することは、効率が悪く、より多くの部品を必要とし、共通の制動回路を有するインバータ・システムよりも高価であり得る。

それゆえに、コストの増加およびセルの冗長による動的な電圧の共有の問題なしに、電力セルの故障中に出力電力の半分よりも大きな電力を供給することができ、さらに回生中により効率よく制動トルクを供給することができるマルチインバータ・システムが必要とされている。さらに、必要に応じて動的に構成を変えて、電力セルの破壊のような様々な状況において、または回生の制動において、性能の向上を実現することができるインバータ・システムが必要とされている。

上述の問題およびこの明細書を読むと明らかになる他の問題を克服するために、本発明の構成は、必要に応じて動的に構成を変えることができるマルチインバータ・システムを提供する。例えば、動作中に構成を変えることによって、マルチインバータ・システムは、電力セルの故障中に、セルの冗長によるコストの増加なしに、全出力電力の半分よりも大きな電力を供給することができ、また、回生中に効率の良い制動トルクを供給することができる。本発明の様々な態様の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および図を参照して明らかになるであろう。

本発明は、以下の図を参照して実施形態の以下の説明で詳細に説明する。

本発明の様々な態様は、様々な形態で具体化することができる。図４〜図６ｂを参照して、本発明の実施形態に従った３相インバータ・システム１１０を示す。インバータ・システム１１０は、一般に、３相電源１１２、変圧器１１４、および３個の単極中性点クランプ（ＮＰＣ）インバータ・セル１１６、１１８および１２０を含む。インバータ・セル１１６、１１８および１２０は、端子Ｕ１２１、Ｖ１２３およびＷ１２５を介して、３相交流誘導モータのような負荷１２２へ接続される。３相電源１１２はユーティリティ・ライン（商用電線）を含むことができ、この商用電線から、降圧または昇圧された３相電力が変圧器１１４を介して各インバータ・セル１１６、１１８および１２０へ供給される。

インバータ・システムの完全動作に対応する一つの構成（コンフィギュレーション）では（図４に示す）、インバータ・セル１１６、１１８および１２０は、３相星形（Ｙ）構成で負荷１２２へ接続される。Ｙ構成のインバータ・セルのうちの１つが故障した場合、一般に、３相負荷１２２を継続して駆動することはできない。しかし、環状Ｖ構成に構成された電力セル１１６、１１８および１２０のうちの２個だけで３相負荷１２２を駆動することは可能である。環状Ｖ構成は、一般に、３相環状（デルタ）結線であり、このデルタ結線では、各セルの第１の端子は、電気的に隣接したセルの反対の端子へ接続して、直列ループを形成する。ただし、故障したセルと隣接したセルの間の接続は切断される。

インバータ・システム１１０は、図４に示すようなＹ構成から、図６ａおよび図６ｂに示すような、故障セルをバイパスするように構成された環状構成へと変えることができる。図６ａおよび図６ｂに示す環状Ｖ構成では、結果として得られる３相電圧は、故障したセルをバイパスするときでも各端子Ｕ、ＶおよびＷへ供給することができる。ただし、図４の同等の平衡Ｙ構成で得られる電圧の１／（３^1/2）までの電圧である。図６ａおよび図６ｂに示すように、セル１１６、１１８および１２０のうちの任意の２個の動作可能なインバータ・セルを、環状Ｖ結線となるように接続して３相電力を負荷１２２へ供給することができる。

図５は、本発明の一実施形態に従ったＮＰＣインバータ・セル１１６、１１８および１２０の１つの回路図を示す。各ＮＰＣインバータ・セル１１６、１１８および１２０は、ゲート・ターン・オフ（ＧＴＯ）装置を使用する５レベル単層インバータである。関連する技術分野で知られているように、各インバータ１１６、１１８および１２０の整流器ブリッジ（ＲＥＣ）１２４は、変圧器１１４から３相電力を受け取り、それを直流電力へと変換する。Ｃ１Ａ１２６およびＣ１Ｂ１２８は、中間に形成される中性点１３０と直列に接続された直流電圧平滑コンデンサである。ＧＴＲ１Ａ〜ＧＴＲ４Ｂ １３２は、直流電力を交流電力にインバート（逆変換）するトランジスタである。Ｄ１〜Ｄ４ １３３は、中性点クランプ・ダイオードである。その出力電圧は、一般に、インバータのＧＴＯ装置（例えば、トランジスタ）の開閉（切り替え）点を決定するための当技術分野で知られているパルス幅変調（ＰＷＭ）技術により、制御される。例えば、セル１１６、１１８および１２０の各々は、交流波形出力を供給するようにＰＷＭ技術を使用して制御することができる８個のトランジスタ１３２に基づいて、２⁸すなわち２５６の切り替え状態を有する。

ＮＰＣインバータ・セル１１６、１１８および１２０は、図２に示す３レベル・インバータ・セル１６に優る利点を実現する。例えば、同様な部品を使用して、単一のＮＰＣインバータ・セルにおいて、トランジスタＧＴＲ１Ｂ、ＧＴＲ２Ａ、ＧＴＲ３ＢおよびＧＴＲ４Ａを、それぞれに整合されたトランジスタＧＴＲ１Ａ、ＧＴＲ２Ｂ、ＧＴＲ３ＡおよびＧＴＲ４Ｂと直列に接続する構成により、３レベル・インバータ・セル１６の１つと比較して、同じ入力で線間電圧を２倍にすることができる。トランジスタＧＴＲ１Ｂ、ＧＴＲ２Ａ、ＧＴＲ３ＢおよびＧＴＲ４Ａは、セル１６のＧＴＲ１、ＧＴＲ２、ＧＴＲ３およびＧＴＲ４と同様の主（メイン）インバータ装置として作用する。トランジスタＧＴＲ１Ａ、ＧＴＲ２Ｂ、ＧＴＲ３ＡおよびＧＴＲ４Ｂは、補助装置として作用するが、中性点クランプ・ダイオードＤ１〜Ｄ４を使用して出力電位を中性点１３０にクランプするのを助ける。従って、単極ＮＰＣインバータ・セル１１６、１１８および１２０は、３レベル・インバータ・セル１６に比べて、同じ電流で出力電圧を２倍とすることができる。従って、３個のＮＰＣインバータ・セルを有するインバータ・システム１１０は、６個の３レベル・インバータ・セルを有するインバータ・システム１０よりも簡素で、制御し易く、また、一般的に安価である。

さらに図５に示すように、オプションの制動回路１３４をインバータ・セル１１６、１１８および１２０のそれぞれに追加して、減速中に制動トルクを供給することができる。制動回路１３４は、中性点１３０のそれぞれの側にある制動トランジスタＧＴＲ５ＡおよびＧＴＲ５Ｂ １３８とそれぞれに直列に接続される制動抵抗器ＤＢＲ１ＡおよびＤＢＲ１Ｂ １３６を含むことができる。それぞれの制動トランジスタ１３８は、
直流バス電圧が回生モードで増加するときに、必要に応じてオンに切り替えて、過剰な電圧上昇を消散する。それぞれの制動回路１３４はまた、パワー・グリッド（電力配電網）へ電力を戻すこともできる。

図６ａを参照すると、インバータ・セル１１６、１１８および１２０は、構成切換システム１４０を介して相互に接続されている。切換システム１４０は、一般に、共通中性点接触器スイッチ・ユニットＣＴＴ−Ｎ１４２および星形／環状接触器スイッチＣＴＴ−Ｕ１４４、ＣＴＴ−Ｖ１４６およびＣＴＴ−Ｗ１４８を含む。ＣＴＴ−Ｎ１４２は、セル１１６、１１８および１２０の中性点端子Ｕ２ １２７、Ｖ２ １２９およびＷ２ １３１のそれぞれを互いに接続して、セル間の共通中性点を形成する。従って、ＣＴＴ−Ｎ１４２の接触器スイッチは、組として一緒に開に又は閉にして、共通中性点をイネーブル（使用可能）またはディスエーブル（使用不可能）にする。ＣＴＴ−Ｎ１４２のスイッチが閉じているとき、星形／環状スイッチ１４４、１４６および１４８は、好ましくは開いており、それによって、セル１１６、１１８および１２０は、共通中性点を有するＹ構成に接続される。

星形／環状接触器スイッチ１４４、１４６および１４８のそれぞれのものが、１つのセルの１つの端子、例えばＵ２ １２７、Ｖ２ １２９およびＷ２ １３１を、隣接するセルの反対の端子（例えば、Ｕ１ １２１、Ｖ１ １２３およびＷ１ １２５）に接続して、環状構成を形成する。星形／環状接触器スイッチ１４４、１４６および１４８の任意のものが閉じられるとき、共通中性点接触器スイッチ１４２は好ましくは開であり、また、その逆の動作も行われる。組合せでは、中性点スイッチ１４２と星形／環状スイッチ１４４、１４６および１４８が一緒に働いて、セル１１６、１１８および１２０の構成を、Ｙ構成と環状構成との間で切り換える。構成切換システムは、必要なときに、動作中に、インバータ・システムの星形構成を環状構成に動的に切り換えるように構成されている。

接続（結線）構成を切り換えることができることにより、利点が提供される。例えば、電力セルの破壊（損失）後に３相同期モータの動作を継続することができるようになる。これは、Ｙ構成のインバータ・システムでは、１相が使用できなくなったとき、一般に３相電力を負荷１２２へ供給することができないからである。従って、Ｙ結線された３電力セル・インバータ・システムでは１つの電力セルが壊れると、このインバータ・システムで駆動される３相誘導モータの動作が終了される。１つの相に問題があるときに環状構成へ切り換わることができるインバータ・システムは、環状Ｖ構成に接続された２つの動作可能な電力セルを使用して、３相誘導モータの動作を継続すること可能にする。出力電圧の変更や、システム制御の変更のような、構成を動的に切り換えることに関しての他の利点もある。

スイッチ１４２〜１４８の各々の位置は、構成制御回路（図示せず）により制御することができる。この構成制御回路は、様々な入力および論理状態に基づいてスイッチの開閉を行う当技術分野で知られているような論理制御回路である。構成制御回路（図示せず）は、トランジスタ１３２の切替（開閉）状態を制御するＰＷＭ制御回路（図示せず）の一部であってもよいし、または独立したユニットであってもよい。一実施形態では、構成制御回路（図示せず）への入力は、電力セル１１６、１１８および１２０の１つまたは複数のものから受け取られる故障信号１５０、１５２および１５４を含む。セルの故障を検出するためおよび故障信号を供給するための回路を含む本発明の実施形態は、後で図７に関連して述べる。１つよりも多くの電力セルが故障した場合、構成制御回路（図示せず）は、インバータ・システム１１０全体を停止するステップを行うことができる。１つのみの電力セルが故障した場合、構成制御回路（図示せず）は、スイッチ１４２〜１４８を調整してインバータ・システム１１０の電力セルの構成を変えることができる。

図６ｂは、本発明の実施形態に従った、各セル１１６〜１２０の動作状態に基づいた各スイッチ１４２〜１４８の位置を示す表である。全てのセルが動作しているとき、共通中性点接触器スイッチＣＴＴ−Ｎ１４２は好ましくは閉じられ、３個の星形／環状接触器スイッチ１４４、１４６および１４８の全ては好ましくは開かれ、それによって、セル１１６、１１８および１２０に共通中性点を与える。従って、３個の動作するセル１１６、１１８および１２０の全てがＹ構成に接続される。電力セル１１６、１１８および１２０の何れか１つが故障した場合、故障したセルの中性点端子と隣のセルの間にあるその星形／環状接触器スイッチが、共通中性点接触器スイッチ１４２とともに開く。

例えば、インバータ・システム１１０は、完全動作の平衡Ｙ構成で、端子Ｕ１２１、Ｖ１２３およびＷ１２５を介して負荷１２２へ３相電力を供給しているものとする。従って、共通中性点接触器スイッチ１４２は閉じられ、星形／環状スイッチ１４４、１４６および１４８は開かれている。さらに、電力セルＳＮＰ−Ｕ１１６が故障し始めたと仮定する。この故障で、故障信号ＦＬ−Ｕ１５０が生成されることになる。故障信号１５０を感知すると、制御ユニット（図示せず）は、共通中性点接触器スイッチ１４２を開き、電力セルＳＮＰ−Ｖ１１８およびＳＮＰ−Ｗ１２０に対応する星形／環状スイッチ１４６および１４８を閉じる。

従って、接続構成は図６ｂ、６ｅおよび６ｆに示すような環状Ｖ構成になり、結果として得られる端子電圧は端子Ｕ１２１、Ｖ１２３およびＷ１２５を介して負荷１２２へ供給される。しかし、結果として得られる端子電圧は、完全動作の平衡Ｙ構成で端子Ｕ、ＶおよびＷへ供給される電圧のほぼ１／（３^1/2）である。例えば、図６ｃ〜６ｆは、Ｙ構成とＶ構成の両方の場合の端子Ｕ、ＶおよびＷの間の相電圧を示す。Ｅは単相インバータ・セルの出力電圧を表す。Ｖ_u-vは、端子ＵとＶの間の電圧を表す。Ｙ構成では、Ｖ_u-v＝３^1/2Ｅであり、図示のＶ構成では、Ｖ_u-v＝Ｅである。従って、完全動作電圧の１／（３^1/2）が、環状Ｖ構成に関しては負荷１２２へ供給される。

図７を参照すると、本発明の他の実施形態に従った、インバータ・システム１１０のインバータ・セルの１つ（例えば、ＳＮＰ−Ｕ１１６）の回路図が示されており、故障信号（例えば、１５０）を生成するための回路を示している。故障信号の生成または制動回路に関係した態様を除いて、図７に示すインバータ・セル１１６は、図４に示すインバータ・セルと一般的に同じである。図示のように、整流器１２４に、交流入力端子Ｒｕ、ＳｕおよびＴｕ１６０が接続されている。入力端子１６０のそれぞれと整流器１２４の間に、入力交流線ヒューズ１６２があり、入力交流線ヒューズ１６２は対応する信号スイッチ１６４を有する。交流入力電流は、電力セル１１６の回路が故障したときに所定の定格を超えることがあり、ヒューズ１６２は、交流入力電流が所定の定格を超えたときに飛ぶように構成されている。例えば、整流器１２４の故障で、ヒューズ１６２の１つに過電流が流れ得る。ヒューズ１６２の１つが飛んだとき、対応する信号スイッチ１６４が開く。信号スイッチ１６４は直列に接続されているので、これらの何れか１つが開くと、論理信号変換回路ＯＣ１ １６６は開路を検出する。

また、図７に示すように、直流線ヒューズＦＰ１６８およびＦＮ１７０がそれぞれインバータ１１６の２つの出力端子に沿って接続されている。ヒューズ１６８および１７０のそれぞれは、互いに直列に接続された対応する信号スイッチ１７２、１７４を含む。整流器１２４およびコンデンサ１２６、１２８から来る直流バス電流は、電力セル１１６の回路が故障したときに所定の電流定格を超え得るものであり、ヒューズ１６８および１７０は、整流器１２４およびコンデンサ１２６、１２８から来る直流バス電流が所定の電流定格を超えたときに、飛ぶように構成されている。例えば、１つまたは複数のトランジスタ１３２またはダイオード１３３の故障で、ヒューズ１６８または１７０の１つに過電流が流れ得る。ヒューズ１６８または１７０の１つが飛んだとき、対応する信号スイッチ１７２、１７４が開く。信号スイッチ１７２および１７４は直列に接続されているので、それらの何れか１つが開くと、論理信号変換回路ＯＣ２ １７６は開路を検出する。

さらに、図７は、交流出力端子Ｕ１およびＵ２に接続された、出力電流を検出するための変流器ＣＴ１ １７８およびＣＴ２ １８０を示す。インバータ・セル１１６のパルス幅変調（ＰＷＭ）制御が不適切である場合のような、或る特定の状況において、出力電流は過剰である可能性がある。過電流検出回路ＯＣ３ １８２は変流器１７８および１８０に接続されて、変流器１７８および１８０の何れか１つを通じて測定された電流が所定のレベルを超えるかどうかを検出する。

ＯＣ１ １６６、ＯＣ２ １７６およびＯＣ３ １８２はそれぞれ「ＯＲ」論理回路１８４へ接続し、このＯＲ論理回路はリレー・コイルＦＬ−Ｕ１８６に接続する。動作中に、変換回路１６６、１７６の何れかが、そのヒューズが飛んだことを検出した場合、ヒューズが飛んだことを検出した変換回路は「ＯＲ」論理回路１８４へ信号を送る。同様に、検出回路１８２が過剰出力電流を検出すれば、それが「ＯＲ」論理回路１８４へ信号を送る。「ＯＲ」論理回路は、回路１６６、１７６または１８２の何れかからそのような信号を受け取ると、リレー・コイル１８６へ信号を送る。それに応答して、リレー・コイル１８６は、故障信号回路１９０の故障スイッチ１８８を閉じ、それによって電力ユニット１１６の故障を信号で伝える。その後、故障信号回路１９０に接続された論理制御ユニット（図示せず）は故障信号を感知し、適切に、インバータ・システム１１０をＹ構成から環状Ｖ構成へ変更する。

図８ａと図８ｂとは、本発明のさらに他の実施形態に従ったインバータ・システム１１０と、動作モードおよび制動モード中の追加の接触器スイッチの位置を示す表とを示す。制動回路および追加の接触器スイッチに関連した態様および採択を除いて、インバータ・システム１１０は前の実施形態と一般的に同じである。この実施形態に従った構成切換システム１４０（図６ａに示す）は、さらに、共通直流バス接触器スイッチ１４３および電圧検出器１４５を含む。

直流バス接触器スイッチ１４３が閉じられ、共通中性点接触器スイッチ１４２が開かれているとき、電力セル１１６、１１８および１２０は、単一の３相インバータ・セルを形成するように電気的に接続される。従って、インバータ・システム１１０は、共同して３相出力電圧を供給する星形または環状の構成の３個の個別の電力セルから、１つの３相インバータ電力セルへと効果的に変えることができる。３相電力セルとして、共通制動抵抗器１３７は、制動モード中に過剰電圧を消散することができる。従って、各電力セル（図４に示す）に制動回路１３４を備えるのではなく、この実施形態のインバータ・システム１１０は、単一の共通の制動抵抗器１３７を必要とするだけである。さらに、補助トランジスタＧＴＲ３Ａ、ＧＴＲ３Ｂ、ＧＴＲ４ＡおよびＧＴＲ４Ｂは、専用の制動抵抗器切り替え装置ではなくて、制動抵抗器１３７を通して過電圧の消散を制御するように切り換えられる。従って、要求される部品が少なくなり、インバータ・システムは簡素化される。

図８ａに示すように、直流バス接触器スイッチ１４３は、正スイッチの組１４７、中性点スイッチの組１４９、および負スイッチの組１５１を含む。正スイッチの組１４７は、閉じられたときに、各電力セル１１６、１１８および１２０の正の直流バス１５３を共に電気的に接続する。同様に、中性スイッチの組１４９は、閉じられたときに、各電力セル１１６、１１８および１２０の中性点１３０を共に電気的に接続する。同様に、負スイッチの組１５１は、閉じられたときに、各電力セル１１６、１１８および１２０の負の直流バス１５５を共に電気的に接続する。

図８ｂに示すように、インバータ・システム１１０の正常動作中に、共通中性点接触器スイッチ１４２は閉じられ、インバータ・セル１１６、１１８および１２０はＹ構成で接続される。インバータ・システム１１０により駆動されるモータ１２２が減速モードに変わるとき、最初にスイッチ１４２が開くのが好ましく、それからスイッチ１４３が閉じる。構成制御ユニット（図示せず）は、好ましくは、モータ１２２の減速を感知してその感知に基づいて、それぞれのスイッチに対して開いたり閉じたりするように指示する。しかし、構成制御ユニットは、モータ１２２を停止させる命令に応答することのような、他の理由のために、そのようにすることができる。スイッチ１４３が閉じるとき、各電力セル１１６、１１８および１２０のトランジスタＧＴＲ１Ａ、ＧＴＲ１Ｂ、ＧＴＲ２ＡおよびＧＴＲ２Ｂが共同して３相ＮＰＣ回路を形成する。減速中に、ＧＴＲ１Ａ、ＧＴＲ１Ｂ、ＧＴＲ２ＡおよびＧＴＲ２Ｂは、直流電流を再生（回生）するように切り換えられ、この直流電流は、電力配電網へ送り返すか、蓄積されるか、または消散され得る。電圧検出器１４５は、正スイッチの組１４７および負スイッチの組１５１に接続され、コンデンサＣ１ＡおよびＣ１Ｂの過電圧を検出する。過電圧が検出されたとき、トランジスタＧＴＲ３Ａ、ＧＴＲ３Ｂ、ＧＴＲ４ＡおよびＧＴＲ４Ｂは、共通中性点１３０および中性点スイッチの組１４９を介して抵抗器ＤＢＲ−Ｕ１３７を通してＣ１ＡおよびＣ１Ｂの電荷を消滅させるように、切り換えられる。従って、回生制動のために、図５のトランジスタ１３８のような追加の切替装置は必要でない。このことで、部品が節約され、従って、コストを低減することができる。

図９ａと図９ｂとは、本発明のさらに別の実施形態に従ったインバータ・システム１１０と、動作モードおよび制動モード中の接触器スイッチの位置を示す表とを示す。制動回路および追加の接触器スイッチに関連した態様および採択を除いて、インバータ・システム１１０は、図８ａおよび図８ｂに示す前の実施形態と一般的に同じである。この実施形態に従った構成切換システム１４０（図６ａに示す）は、さらに、抵抗器接触器スイッチ１６１および３個の制動抵抗器１６３、１６５および１６７を含む。制動抵抗器１６３、１６５および１６７は並列で動作して、図８ａのシステム１１０よりも大きな制動トルクを提供する。

図１０は、回生制動モードで動作する３相ＮＰＣインバータ・セルとして構成された図９ａのインバータ・システム１１０の等価回路を示す。簡単にするために、ＣＴＴ−Ｂ１６１およびＣＴＴ−Ｄ１４３の閉じたスイッチは図から除き、等価の部品を互いに接続して簡単に示している。図９ａのように、抵抗器１６３、１６５および１６７を通して過電圧を消散するために追加の切替装置は必要ではない。例えば、ＧＴＲ３Ａ−Ｕ、ＧＴＲ３Ｂ−Ｕ、ＧＴＲ４Ａ−ＵおよびＧＴＲ４Ｂ−Ｕの切り替え（開閉）が制御されて、コンデンサＣ１Ａ−ＵおよびＣ１Ｂ−Ｕの過電圧をＣ１Ａ−Ｖ、Ｃ１Ｂ−ＶおよびＣ１Ａ−Ｗ、Ｃ１Ｂ−Ｗと共に、抵抗器ＤＢＲ−Ｕ １６３を通して消費されるようにする。同様に、ＧＴＲ３Ａ−Ｖ、ＧＴＲ３Ｂ−Ｖ、ＧＴＲ４Ａ−ＶおよびＧＴＲ４Ｂ−Ｖの開閉が制御されて、コンデンサＣ１Ａ−ＶおよびＣ１Ｂ−Ｖの過電圧をＣ１Ａ−Ｕ、Ｃ１Ｂ−ＵおよびＣ１Ａ−Ｗ、Ｃ１Ｂ−Ｗと共に等しく抵抗器ＤＢＲ−Ｖ１６５を通して消費されるようにする。同様に、ＧＴＲ３Ａ−Ｗ、ＧＴＲ３Ｂ−Ｗ、ＧＴＲ４Ａ−ＷおよびＧＴＲ４Ｂ−Ｗの開閉が制御されて、コンデンサＣ１Ａ−ＷおよびＣ１Ｂ−Ｗの過電圧をＣ１Ａ−Ｕ、Ｃ１Ｂ−ＵおよびＣ１Ａ−Ｖ、Ｃ１Ｂ−Ｖと共に等しく抵抗器ＤＢＲ−Ｗ１６７を通して消費されるようする。

本発明を例示の実施形態に関連して説明したが、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく改造物をつくることができることは、認識および理解されるであろう。特に、本発明は、２相または４相のシステムのような様々な多相システムを含んだ様々な種類のインバータ・システムに適用される。さらに、本発明は、２レベルセルおよびＮＰＣセルのような様々な種類のインバータ・セルに適用可能である。それに加えて、インバータ・システムの構成は、電力セルの損失や回生制動のための状況以外にの状況に適応するように変更することができる。例えば、構成を、異なる電圧出力または電流出力を供給するように、または制御目的のために、動的に変更することができる。

図１は、インバータの電力セルが故障したときに低減された電力を供給するための当技術分野で知られている故障関連回路を有する単極マルチインバータ・システムを示す。 図２は、図１のインバータ・システムの単極インバータ・セルの１つを示す回路図である。 図３は、図１のインバータ・システムに対応する３相インバータ回路を示す。 図４は、本発明の一実施形態に従った３相インバータ・システムを示す。 図５は、図４のインバータ・システムと共に使用することができるインバータ・セルの１つを示す回路図である。 図６ａは、図４のインバータ・システムに対応する３相インバータ・システムの回路を示す。 図６ｂは、本発明の実施形態に従った、様々な電力セル故障モードに対応した図６ａのインバータ回路の接触器スイッチの位置を示す表である。 図６ｃは、図６ａのインバータ・システムのＹ構成を示す。 図６ｄは、図６ｃのＹ構成の端子電圧に対応するベクトルを示す。 図６ｅは、図６ａのインバータ・システムの環状Ｖ構成を示す。 図６ｆは、図６ｅの環状Ｖ構成の端子電圧に対応するベクトルを示す図である。 図７は、本発明の他の実施形態に従った故障信号を生成する回路を示す、図４のインバータ・システムのインバータ・セルの１つの回路図である。 図８ａは、単一制動抵抗器を有する３相インバータ・セルとして構成することができる、図４のインバータ・システムに基づいた本発明の実施形態を示す。 図８ｂは、本発明の実施形態に従った、動作モードおよび制動モード中の図８ａのインバータ・システムの接触器スイッチの位置を示す表である。 図９ａは、本発明の態様に従って並列に接続された複数の制動抵抗器を有する３相インバータ・セルとして構成することができる、図４のインバータ・システムに基づいた本発明の実施形態を示す。 図９ｂは、本発明の実施形態に従った、動作モードおよび制動モード中の図９ａのインバータ・システムの接触器スイッチの位置を示す表である。 図１０は、図９ａの等価回路を示す。

Claims (20)

1. 複数の接触器スイッチを介して互いに接続される複数の単極ＮＰＣインバータを備え、前記複数の接触器スイッチが前記単極ＮＰＣインバータを複数の構成に接続するように構成されているインバータ駆動システムを使用して、モータ負荷を駆動する方法であって、
   前記単極ＮＰＣインバータを星形構成に接続するように、前記接触器スイッチのいくつかを切り換えるステップと、
   前記星形構成の前記インバータ駆動システムを使用して前記モータ負荷を駆動するステップと、
   前記単極ＮＰＣインバータを第２の構成に接続するように前記接触器スイッチのいくつかを切り換えるステップと
   を備える方法。
2. 前記単極ＮＰＣインバータを第２の構成に接続するように前記接触器スイッチのいくつかを切り換える前記ステップに関して、前記第２の構成が環状Ｖ結線を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記単極ＮＰＣインバータを第２の構成に接続するように前記接触器スイッチのいくつかを切り換える前記ステップが、
   星形構成の前記インバータ駆動システムの１つの前記単極ＮＰＣインバータにおける故障を感知するステップと、
   前記星形構成の前記インバータ駆動システムの相間の共通中性点をディスエーブルにするように前記接触器スイッチのいくつかを切り換えるステップと、
   故障した前記インバータをバイパスする環状構成に前記単極ＮＰＣインバータを接続するように前記接触器スイッチのいくつかを切り換えるステップと
   を含む、
   請求項２に記載の方法。
4. 前記単極ＮＰＣインバータを第２の構成に接続するように前記接触器スイッチのいくつかを切り換える前記ステップに関して、前記第２の構成が、前記単極ＮＰＣインバータで形成された多相インバータを備える、請求項１に記載の方法。
5. 前記単極ＮＰＣインバータを第２の構成に接続するように前記接触器スイッチのいくつかを切り換える前記ステップが、
   前記モータの減速モードを検出するステップと、
   前記星形構成の前記インバータ駆動システムの相間の共通中性点をディスエーブルにするように前記接触器スイッチのいくつかを切り換えるステップと、
   多相インバータを形成するために前記単極ＮＰＣインバータの直流バスを互いに接続するように前記接触器スイッチのいくつかを切り換えるステップと
   を含む、
   請求項４に記載の方法。
6. 星形構成に接続された複数の単極インバータを備えるインバータ駆動システムを使用して、モータ負荷の回生制動を行う方法であって、
   前記モータ負荷の減速を検出するステップと、
   前記複数の単極インバータ間の接続を変えて多相インバータを形成するステップと、
   前記多相インバータを少なくとも１つの制動抵抗器に接続するステップと、
   前記少なくとも１つの制動抵抗器を通して前記多相インバータの過電圧を消散するステップと
   を備える方法。
7. 前記単極インバータ・セルが、主トランジスタおよび補助トランジスタを有するＮＰＣセルを備え、前記過電圧を消散する前記ステップが、
   前記多相インバータの直流バス間の過電圧を検出するステップと、
   前記少なくとも１つの抵抗器を通しての過電圧の消散を制御するように前記補助トランジスタのいくつかを切り換えるステップと
   を備える、
   請求項６に記載の方法。
8. 負荷に多相電力を供給するインバータ駆動システムであって、
   複数の単極インバータ・セルと、
   複数のスイッチを備える構成切換システムとを備え、前記複数のスイッチは、前記負荷へ多相電力を供給するために前記単極インバータ・セルを星形構成に接続するものであり、前記複数のスイッチは、前記単極インバータ・セルの間の接続を動的に変えて環状構成を形成するためのものである、
   インバータ駆動システム。
9. 前記単極インバータ・セルがＮＰＣインバータを備える、請求項８に記載のインバータ駆動システム。
10. 前記構成切換システムが、共通中性点を形成するように前記単極インバータ・セルの第２の端子を互いに接続する共通中性点接触器スイッチを備える、請求項８に記載のインバータ駆動システム。
11. 前記構成切換システムがさらに星形／環状接触器スイッチを備え、それぞれの星形／環状接触器スイッチが、前記単極インバータ・セルのうちの第１のセルの第１の端子を、前記単極インバータ・セルのうちの第２のセルの反対の第２の端子と接続するものであり、前記共通中性点接触器スイッチが閉じたときに前記星形／環状接触器スイッチが開かれて星形構成インバータ駆動システムを形成し、前記共通中性点接触器スイッチが開いたときに前記星形／環状接触器スイッチのうちの少なくともいくつかが閉じて環状構成インバータ駆動システムを形成するように構成される、請求項１０に記載のインバータ駆動システム。
12. 前記星形／環状接触器スイッチが、前記単極インバータ・セルのうちの２つの動作可能なものを前記単極インバータ・セルのうちの１つの動作不能なものと環状Ｖ構成に接続して、前記負荷へ３相電力を供給するように構成される、請求項１１に記載のインバータ駆動システム。
13. 前記構成切換システムが直流バス接触器スイッチを更に備え、この直流バス接触器スイッチが、
    各単極インバータ・セルの正の直流バスを互いに接続する正スイッチの組と、
    各単極インバータ・セルの負の直流バスを互いに接続する負スイッチの組と
    を備え、前記共通中性点接触器スイッチが閉じられ、前記正スイッチの組および前記負スイッチの組が開かれているときに、星形構成インバータ駆動システムが形成されるものであり、前記共通中性点接触器スイッチが開かれ、前記正スイッチの組および前記負スイッチの組が閉じられているときに、多相インバータが形成される、
    請求項１０に記載のインバータ駆動システム。
14. 前記直流バス接触器スイッチが、前記インバータ駆動システムに接続されたモータ負荷の減速中に閉じられて、前記モータ負荷の減速中に多相インバータを形成するように構成される、請求項１３に記載のインバータ駆動システム。
15. 前記単極インバータ・セルがＮＰＣインバータであり、前記直流バス接触器スイッチが各ＮＰＣセルの中性点を互いに接続する中性点スイッチの組を更に備える、請求項１３に記載のインバータ駆動システム。
16. インバータ・セルが動作不能になった場合に３相電力を負荷に継続して供給するように構成されたインバータ駆動システムであって、
    第１の端子および第２の端子を有する第１のＮＰＣインバータ・セルと、
    第１の端子および第２の端子を有する第２のＮＰＣインバータ・セルと、
    第１の端子および第２の端子を有する第３のＮＰＣインバータ・セルと、
    前記第１、第２および第３のＮＰＣインバータ・セルの前記第２の端子を互いに接続する共通中性点接触器スイッチの組と、
    前記第１のＮＰＣインバータ・セルの前記第２の端子を前記第２のＮＰＣインバータ・セルの前記第１の端子に接続する第１−第２セルの星形／環状接触器スイッチと、
    前記第２のＮＰＣインバータ・セルの前記第２の端子を前記第３のＮＰＣインバータ・セルの前記第１の端子に接続する第２−第３セルの星形／環状接触器スイッチと、
    前記第３のＮＰＣインバータ・セルの前記第２の端子を前記第１のＮＰＣインバータ・セルの前記第１の端子に接続する第３−第１セルの星形／環状接触器スイッチと
    を備え、前記共通中性点接触器スイッチが閉じられ、前記星形／環状接触器スイッチが開かれているときに、前記インバータ駆動システムがＹ構成に接続されるようにし、前記共通中性点接触器スイッチが開かれ、前記星形／環状接触器スイッチのうちの少なくとも２つが閉じられているときに、前記インバータ駆動システムが環状構成に接続されるわうに構成される、
    インバータ駆動システム。
17. 構成を、３相デルタまたは環状構成に構成された複数の単極インバータ・セルの構成から３相インバータ・セルの構成へと変えるようにするインバータ駆動システムであって、
    正の直流バス、負の直流バス、および中性点を有する第１のＮＰＣインバータ・セルと、
    正の直流バス、負の直流バス、および中性点を有する第２のＮＰＣインバータ・セルと、
    正の直流バス、負の直流バス、および中性点を有する第３のＮＰＣインバータ・セルと、
    前記ＮＰＣインバータ・セルの前記正の直流バスを互いに接続する正直流バス接触器スイッチの組と、
    前記ＮＰＣインバータ・セルの前記負の直流バスを互いに接続する負直流バス接触器スイッチの組と、
    前記ＮＰＣインバータ・セルの前記中性点を互いに接続する中性点接触器スイッチの組と
    を備え、前記中性点接触器スイッチの組および前記直流バス接触器スイッチの組が閉じられたときに、前記インバータ駆動システムが多相インバータとなるように構成される、
    インバータ駆動システム。
18. 一端がそれぞれのＮＰＣインバータ・セルの第２の端子に接続され、第２端が前記中性点接触器スイッチの組に接続される少なくとも１つの制動抵抗器と、
    前記ＮＰＣインバータ・セルの前記正の直流バスと前記負の直流バスの間に接続され、前記多相インバータの前記直流バスの過電圧を検出する電圧検出器と
    を更に備える請求項１７に記載のインバータ駆動システム。
19. 各ＮＰＣインバータ・セルが、複数の主トランジスタと複数の補助トランジスタとを更に備え、前記インバータ駆動システムが多相インバータとして構成され、かつ前記電圧検出器が過電圧を検出するときに、前記複数の補助トランジスタは、前記少なくとも１つの制動抵抗器を通しての前記直流バスにおける過電圧の消散を制御するようにオン・オフを切り替えるように構成される、請求項１８に記載のインバータ駆動システム。
20. 前記少なくとも１つの制動抵抗器が並列に接続された複数の制動抵抗器を備える、請求項１８に記載のインバータ駆動システム。

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