JP2004248389A

JP2004248389A - 電力変換装置

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Publication number: JP2004248389A
Application number: JP2003034684A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Takaoka; 秀幸高岡
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-13
Also published as: JP4328544B2

Abstract

【課題】単相インバータ間の直流電圧不均衡発生時にインバータ出力相電圧の不均衡を抑制することが可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】２次巻線を複数個有する入力変圧器１と、この２次巻線に１対１で接続される単位整流器Ｒを複数台直列接続して成る３組の整流回路２ａ、２ｂ及び２ｃと、この整流回路２ａ、２ｂ及び２ｃの夫々の直流出力電圧を交流電圧に変換し、各相を構成する単相インバータ４ａ、４ｂ及び４ｃをＹ接続して成る３相インバータ装置と、夫々の単相インバータ４ａ、４ｂ及び４ｃの出力電圧を制御する制御回路とで構成し、この制御回路は、単相インバータ４ａ、４ｂ及び４ｃの直流電圧の不均衡に起因する前記３相インバータ装置の出力相電圧の不均衡を抑制するような補正手段を備えるようにする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換装置に係り、特に各相間の電圧不均衡を補正するようにした単位インバータ方式の電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
三相電力を出力する電力変換装置において、電力変換装置の大容量化、高電圧化を目的とし、また、出力波形を改善するために、例えば特許文献１に示すような電力変換装置が知られている。この電力変換装置は、三相電源から２次側に複数の巻線を持った変圧器を介して三相交流電力を複数台の単位インバータへ供給する。単位インバータは３グループに分割され、各グループの単位インバータの出力は夫々直列に接続され、そのグループ同志の一方を中性点として接続し、その他方を夫々３相の交流電動機の各相に接続することにより、交流電動機に三相交流電力を供給している。
【０００３】
尚、前述の単位インバータの主回路は、変圧器の２次巻線からの電力を整流回路及び直流平滑コンデンサで直流電力に変換し、単相インバータ回路で任意の周波数、電圧を持った電力に変換するよう構成されている。
【０００４】
このような単位インバータ方式の電力変換装置において、整流回路側だけを直列多重接続し、単位インバータは単一の大容量の単相インバータとした構成とすることも考えられる（例えば特許文献２参照。）。この場合、単相インバータは高圧インバータとなることが多いが、近年のパワーデバイス技術の進歩により、高圧インバータは比較的容易に実現できるようになってきている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１２２９４３号公報（第１４頁、図１）
【０００６】
【特許文献２】
特許第３１７１５５１号公報（第８−９頁、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、整流回路側だけを直列多重接続し、単位インバータは大容量の単相インバータ３台を用いた電力変換装置を使用する場合、多重直列接続した整流回路の素子の一部が損傷した時などに生じる単相インバータ間の直流電圧不均衡により、直流電圧の不均衡がそのまま変換装置出力の相電圧不均衡となって現れてしまうという問題点があった。
【０００８】
このような相電圧の不均衡は、負荷となる交流電動機に不均衡電流を生じ、損失の増大やトルク脈動の増大を招く恐れがある。
【０００９】
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、単相インバータ間の直流電圧不均衡発生時にインバータ装置の出力相電圧の不均衡を抑制することが可能な電力変換装置を提供する事を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の発明は、２次巻線を複数個有する入力変圧器と、前記２次巻線に１対１で接続される単位整流器を複数台直列接続して成る３組の整流回路と、前記整流回路の夫々の直流出力電圧を交流電圧に変換し、各相を構成する３台の単相インバータをＹ接続して成る３相インバータ装置と、前記夫々の単相インバータの出力電圧を制御する制御回路とから構成され、前記制御回路は、前記単相インバータの直流電圧の不均衡に起因する前記３相インバータ装置の相電圧の不均衡を夫々抑制する補正手段を有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第２の発明は、２次巻線を複数個有する入力変圧器と、前記２次巻線に１対１で接続される単位整流器を複数台直列接続して成る３組の中性点を有する３レベル整流回路と、この３レベル整流回路の夫々の直流出力電圧を交流電圧に変換し、各相を構成する３台の単相３レベルインバータをＹ接続して成る３相インバータ装置と、前記単相３レベルインバータの出力電圧を夫々制御する制御回路とから構成され、前記制御回路は、前記単相３レベルインバータの正側及び負側の直流電圧の不均衡に起因する前記３相インバータ装置の出力電圧の不均衡を夫々抑制する補正手段を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、単相インバータ間の直流電圧不均衡発生時にインバータ装置の出力相電圧の不均衡を抑制することが可能な電力変換装置を提供することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下に、本発明による電力変換装置の第１の実施の形態を図１を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る電力変換装置の構成図である。
【００１４】
入力変圧器１は複数個の２次巻線を有し、夫々の２次巻線はヒューズＦを介して整流器Ｒに接続されている。これら複数台の整流器Ｒは３グループに分割され、各グループに属する複数台の整流器Ｒの直流出力は夫々直列に接続され、整流回路２ａ、２ｂ及び２ｃを形成している。整流回路２ａ、２ｂ及び２ｃの直流出力は単相インバータ４ａ、４ｂ及び４ｃに夫々接続され、所望の周波数、電圧の交流を得ている。これらの単相インバータ４ａ、４ｂ及び４ｃの出力はＹ接続され、中性点を持つ３相インバータ装置を形成すると共に、リアクトルＬを介して交流電動機Ｍに３相電力を供給している。
【００１５】
以上が図１の主回路構成である。以下制御回路の構成について説明する。尚、図１では、本発明に直接関係する電圧制御回路部分を中心に描いてあり、その他の制御回路は省略されている。
【００１６】
整流回路２ａ、２ｂ及び２ｃの直流出力は、直流出力線路間に接続した直流電圧検出回路３ａ、３ｂ及び３ｃで夫々検出される。この検出値は最大値検出回路５に入力され、最大値を得る。この得られた最大値を係数演算器６ａ、６ｂ及び６ｃに入力し、この係数演算器６ａ、６ｂ及び６ｃでは、この最大値を前述の直流電圧検出回路３ａ、３ｂ及び３ｃの検出値で夫々除算する。更に、これらの演算で得られた値を乗算器７ａ、７ｂ及び７ｃに入力し、単相インバータ４ａ、４ｂ及び４ｃの電圧指令値Ｖ＊ｕ、Ｖ＊ｖ及びＶ＊ｗと夫々乗算される。このようにして得られた各補正電圧指令値をＰＷＭ制御器８ａ、８ｂ及び８ｃに入力し、単相インバータ４ａ、４ｂ及び４ｃの主回路デバイスのゲート制御信号に変換する。
【００１７】
次に、以上の構成における図１の動作について説明する。
【００１８】
入力変圧器１の複数個の２次巻線から得られる交流を整流器Ｒで整流し、これを直列に接続した整流回路２ａ、２ｂ及び２ｃの各直流出力電圧は、通常時には同一となる様になっている。すなわち、各単相インバータ４ａ、４ｂ及び４ｃの直流電圧が全て同一値Ｖ０で平衡状態が保たれている場合は、係数演算器６ａ、６ｂ及び６ｃの出力は１となり、この時の補正電圧指令値は各相の電圧指令値と等しくなる。
【００１９】
この状態から、例えば、Ｕ相用単相インバータ４ａの直流電圧のみがＶ１まで低下した事象を想定すると、最大値選択回路５の出力はＶ０、係数演算器６ａ、６ｂ及び６ｃの出力は夫々、６ａがＶ０／Ｖ１、６ｂ及び６ｃが１となる。これらの出力が各相の電圧指令値Ｖ＊ｕ、Ｖ＊ｖ及びＶ＊ｗに夫々乗じられる結果、最終的な補正電圧指令値はＵ相用だけが直流電圧の逆比で補正され、ＰＷＭ制御器８ａにより単相インバータ４ａの出力をＶ０／Ｖ１倍するようなゲートパルスがＵ相用単相インバータ４ａに与えられ、この結果３相出力電圧は平衡化される。
【００２０】
このようにして、単相インバータ間の直流電圧不均衡発生時にインバータ装置の出力相電圧の不均衡を抑制することが可能な電力変換装置を提供することができる。
【００２１】
（第２の実施の形態）
図２は本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置の構成図である。この第２の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第２の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、直流電圧検出回路３ａ、３ｂ及び３ｃの出力にローパスフィルタ１０ａ、１０ｂ及び１０ｃを夫々挿入している点、及び係数演算器６ａ、６ｂ及び６ｃの出力にリミッタ９ａ、９ｂ及び９ｃを夫々挿入している点である。
【００２２】
直流電圧には電源周波数の６倍調波及び単相インバータ出力周波数の４倍調波の高周波リプル電圧が重畳されるため、ローパスフィルタ１０ａ、１０ｂ及び１０ｃの挿入により前記リプル電圧は除去される。このように構成することにより最大値選択回路５並びに係数演算器６ａ、６ｂ及び６ｃの動作精度を向上させることができる。
【００２３】
また不平衡が増大した際に、補正電圧指令値が単相インバータ４ａ、４ｂ及び４ｃの電圧制御範囲を逸脱しないようにリミッタ９ａ、９ｂ及び９ｃによって上限値を設けたので、電力変換装置に安定した動作を行なわせることができる。
【００２４】
このようにすれば、単相インバータ間の直流電圧不均衡発生時にインバータ出力相電圧の不均衡を抑制することが可能な安定度の高い電力変換装置を提供することができる。
【００２５】
（第３の実施の形態）
図３は本発明の第３の実施の形態に係る電力変換装置の構成図である。この第３の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第３の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、単相インバータ４ａ、４ｂ及び４ｃが、直流中性点電圧を利用した３レベル方式となっている点である。この図３に示したように、整流回路２ａ、２ｂ及び２ｃ側に中性点を設けない場合には、図１の第１の実施の形態と同様の電圧制御回路の構成を適用することができる。
【００２６】
このようにして、３レベル単相インバータ間の直流電圧不均衡発生時にインバータ装置の出力相電圧の不均衡を抑制することが可能な電力変換装置を提供することができる。
【００２７】
（第４の実施の形態）
図４は本発明の第４の実施の形態に係る電力変換装置の構成図である。この第４の実施の形態の各部について、図２の第２の実施の形態に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第４の実施の形態が、第２の実施の形態と異なる点は、単相インバータ４ａ、４ｂ及び４ｃが、直流中性点電圧を利用した３レベル方式となっている点である。
【００２８】
このようにすれば、第２の実施の形態と同様、ローパスフィルタ１０ａ、１０ｂ及び１０ｃにより、高周波成分を除去し、且つリミッタ９ａ、９ｂ及び９ｃにより電圧制御の安定性を確保しているので、３レベル単相インバータ間の直流電圧不均衡発生時にインバータ装置の出力相電圧の不均衡を抑制することが可能な安定度の高い電力変換装置を提供することができる。
【００２９】
（第５の実施の形態）
図５は本発明の第５の実施の形態に係る電力変換装置の構成図である。この第５の実施の形態の各部について、図３の第３の実施の形態に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第５の実施の形態が、第３の実施の形態と異なる点は、整流回路２ａ、２ｂ及び２ｃの夫々の中性点と単相インバータ４ａ、４ｂ及び４ｃの中性点が接続されている点、また直流電圧検出器３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ及び３ｆと、係数演算器６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ及び６ｆと、乗算器７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ及び７ｆとを単相インバータ４ａ、４ｂ及び４ｃの正側直流及び負側直流用に独立に備えている点、更に３相電圧指令Ｖ＊ｕ、Ｖ＊ｖ及びＶ＊ｗを正側と負側に分離するための正値通過フィルタ１１ａ、１１ｂ及び１１ｃ、並びに負値通過フィルタ１２ａ、１２ｂ及び１２ｃを備えている点である。
【００３０】
このように、整流器Ｒと３レベル単相インバータ４ａ、４ｂ及び４ｃの中性点が接続されている場合、単相インバータ４ａ、４ｂ及び４ｃの正側直流電圧と負側直流電圧の不平衡も補正対象とし、相電圧基準の正側と負側に独立の係数を乗じる構成として３相インバータ装置の出力電圧を平衡化することが可能となる。
【００３１】
このようにすれば、３レベル単相インバータ間の直流電圧不均衡発生時にインバータ装置の出力相電圧の不均衡を正側と負側を独立に抑制することが可能な電力変換装置を提供することができる。
【００３２】
（第６の実施の形態）
図６は本発明の第６の実施の形態に係る電力変換装置の構成図である。この第６の実施の形態の各部について、図５の第５の実施の形態に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第６の実施の形態が、第５の実施の形態と異なる点は、直流電圧検出回路３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ及び３ｆの出力にローパスフィルタ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ及び１０ｆを夫々挿入した点、また係数演算器６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ及び６ｆの出力にリミッタ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ及び９ｃを夫々挿入した点である。
【００３３】
直流電圧には電源周波数の６倍調波及び単相インバータ出力周波数の４倍調波のリプル電圧が重畳されるため、第２の実施の形態と同様に、ローパスフィルタ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ及び１０ｆの挿入により前記リプル電圧を除去する。このように構成すれば最大値選択回路５あるいは係数演算器６ａ、６ｂ及び６ｃの動作精度を向上させることができる。
【００３４】
また不平衡が増大した際に補正出力が単相インバータ４ａ、４ｂ及び４ｃの電圧制御範囲を逸脱しないようリミッタ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ及び９ｆにより上限値を設けることにより電力変換装置の安定動作を得ることができる。
【００３５】
異常の実施の形態によれば、３レベル単相インバータ間の直流電圧不均衡発生時にインバータ装置の出力相電圧の不均衡を正側と負側を独立に抑制することが可能な安定度の高い電力変換装置を提供することができる。
【００３６】
尚、以上の説明では、インバータ装置の出力電圧と出力周波数の関連については言及していないが、本発明の電力変換装置は、通常のいわゆるＶ／Ｆ一定制御、また励磁電流とトルク電流を独立して制御するベクトル制御やセンサレスベクトル制御にも適用可能であることは勿論である。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば単相インバータ間の直流電圧不均衡発生時にインバータ出力相電圧の不均衡を抑制することが可能な電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電力変換装置の構成図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置の構成図。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る電力変換装置の構成図。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る電力変換装置の構成図。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係る電力変換装置の構成図。
【図６】本発明の第６の実施の形態に係る電力変換装置の構成図。
【符号の説明】
１入力変圧器
２ａ、２ｂ、２ｃ整流回路
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ直流電圧検出回路
４ａ、４ｂ、４ｃインバータ
５最大値選択回路
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ係数演算器
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ乗算器
８ａ、８ｂ、８ｃＰＷＭ制御器
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆリミッタ
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆローパスフィルタ
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ正値通過フィルタ
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ負値通過フィルタ

Claims

２次巻線を複数個有する入力変圧器と、
前記２次巻線に１対１で接続される単位整流器を複数台直列接続して成る３組の整流回路と、
前記整流回路の夫々の直流出力電圧を交流電圧に変換し、各相を構成する３台の単相インバータをＹ接続して成る３相インバータ装置と、
前記夫々の単相インバータの出力電圧を制御する制御回路と
から構成され、
前記制御回路は、前記単相インバータの直流電圧の不均衡に起因する前記３相インバータ装置の相電圧の不均衡を夫々抑制する補正手段を有することを特徴とする電力変換装置。
前記補正手段は、
前記３台の単位インバータの直流電圧を夫々検出する第１の手段と、
この検出された直流電圧の最大値を選択する第２の手段と、
この最大値を前記第１の手段の出力で除して夫々係数を演算する第３の手段と、
この第３の手段の出力と各相の電圧指令値を乗じて前記各単相インバータへの補正電圧指令値を夫々出力する第４の手段とを
備えたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記補正手段は、
前記３台の単位インバータの直流電圧を夫々検出する第１の手段と、
この第１の手段の出力に含まれる高周波数成分を夫々除去する第２の手段と、
この第２の手段の出力の最大値を選択する第３の手段と、
この第３の手段の出力を前記第２の手段の出力で除して夫々係数を演算する第４の手段と、
この第４の手段の出力の上限値を夫々制限する第５の手段と、
この第５の手段の出力と各相の電圧指令値を乗じて前記各単相インバータへの補正電圧指令値を夫々出力する第６の手段とを
備えたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記単相インバータは、中性点を有する３レベル方式であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか一項に記載の電力変換装置。
２次巻線を複数個有する入力変圧器と、
前記２次巻線に１対１で接続される単位整流器を複数台直列接続して成る３組の中性点を有する３レベル整流回路と、
この３レベル整流回路の夫々の直流出力電圧を交流電圧に変換し、各相を構成する３台の単相３レベルインバータをＹ接続して成る３相インバータ装置と、
前記単相３レベルインバータの出力電圧を夫々制御する制御回路と
から構成され、
前記制御回路は、前記単相３レベルインバータの正側及び負側の直流電圧の不均衡に起因する前記３相インバータ装置の出力電圧の不均衡を夫々抑制する補正手段を有することを特徴とする電力変換装置。
前記補正手段は、
前記３レベルインバータの正側及び負側直流電圧を夫々検出する第１の手段と、
この第１の手段の出力の最大値を選択する第２の手段と、
この第２の手段の出力を前記第１の手段の出力で除して夫々係数を演算する第３の手段と、
各相の電圧指令値の正値を抽出する第４の手段と、
各相の電圧指令値の負値を抽出する第５の手段と、
前記第３の手段の出力と前記第４の手段の出力の積、及び前記第３の手段の出力と前記第５の手段の出力の積を加算して前記各３レベル単相インバータへの補正電圧指令値を夫々出力する第６の手段とを
備えたことを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
前記補正手段は、
前記３レベルインバータの正側及び負側直流電圧を夫々検出する第１の手段と、
この第１の手段の出力の高周波数成分を夫々除去する第２の手段と、
この第２の手段の出力の最大値を選択する第３の手段と、
この第３の手段の出力を前記第２の手段の出力で除して夫々係数を演算する第４の手段と、
この第４の手段の出力の上限値を制限する第５の手段と、
各相の電圧指令値の正値を抽出する第６の手段と、
各相の電圧指令値の負値を抽出する第７の手段と、
前記第４の手段の出力と前記第６の手段の出力の積、及び前記第４の手段の出力と前記第７の手段の出力の積を加算して前記各３レベルインバータへの補正電圧指令値を夫々出力する第８の手段とを
備えたことを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。