JP2006174663A - 多重化インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各インバータにそれぞれ異なるパターンのスイッチ動作を行わせることにより、低損失と高性能を両立させる多重化インバータ装置において、インバータ回路や冷却設備などの設計・製作や品質管理を共通化することにより、省力化や高信頼度化を図ることをその所期課題とするものである。
【解決手段】スイッチ動作によって矩形波状の電圧を出力する複数の電源回路４、５、６と、前記各電源回路４、５、６のスイッチ動作パターンを互いに異なるようにそれぞれ設定するとともに、それら各電源回路４、５、６の出力電圧を合成し、所定波形の交流電圧Ｖ_ＯＵＴを生成する制御部９１とを備え、前記制御部９１が、前記各電源回路４、５、６を、それぞれの単位時間当たりのスイッチ動作回数の平均値が略同一となるように制御するものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、インバータを複数用いて構成される多重化インバータ装置に関するものである。

従来、インバータを複数用いてそれらインバータの出力電圧を合成し、所定波形の交流電圧とする多重化インバータ装置では、各インバータにそれぞれ異なるパターンのスイッチ動作を行わせることにより、低損失と高性能を両立することができる。この多重化インバータ装置としては例えば、特許文献１に示すようにＰＷＭインバータと矩形波インバータとの異なるインバータを組み合わせたものがあるが、以下のような問題点がある。

まず、ＰＷＭ制御されるインバータ及び矩形波制御されるインバータそれぞれに対して、別個のインバータ回路および制御が必要となる。

さらに、ＰＷＭ制御されるインバータでは、その制御によるスイッチ回数が多いので発熱が著しく大きくなってしまうことである。インバータ毎の発熱量に差があると、それぞれに異なる冷却設備を用いる必要がある。

当然ながら、それぞれのインバータ回路や冷却設備などについて別個に、設計、製作、品質管理が必要であり、多大な労力を要する。
特開平９−５６０７３

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決すべくなされたものであり、低損失と高性能を両立しつつも、インバータ回路や冷却設備などの設計・製作や品質管理を共通化することにより、省力化や高信頼度化を図ることをその所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る多重化インバータ装置は、スイッチ動作によって矩形波状の電圧を出力する複数の電源回路と、前記各電源回路のスイッチ動作パターンを互いに異なるようにそれぞれ設定するとともに、それら各電源回路の出力電圧を合成し、所定波形の交流電圧を生成する制御部とを備え、前記各電源回路が同一であり、かつ前記制御部が、それぞれの単位時間当たりのスイッチ動作回数の平均値が略同一となるように制御するものであることを特徴とする。

このようなものであれば、各電源回路が同一であり、その単位時間当たりのスイッチ動作回数の平均値が略同一となるように制御しているので、エネルギ損失を平均化することができる。その結果、インバータ回路や冷却設備などの設計・製作や品質管理を共通化でき、省力化や高信頼度化が可能となる。

本発明の効果を一層向上して、エネルギ損失（発熱）を平均化するためには、前記制御部が、交流電圧１周期分のスイッチ動作パターンを設定し、前記１周期毎に前記スイッチ動作パターンを変えていくものであることが望ましい。

具体的な実施の態様としては、前記制御部が、交流電圧１周期分のスイッチ動作パターンを電源回路数分設定し、それらスイッチ動作パターンの各電源回路に対する割り当てを１周期毎に順次切り替えていくものが考えられる。

さらにエネルギ損失の平均化という効果をより確実に実現するためには、前記制御部が、前記いずれか１つの電源回路の温度が所定値を超えた場合には例外的に、当該電源回路のスイッチ動作回数を、他の電源回路に優先して減ずるように、前記スイッチ動作パターンを割り当てるものであることが望ましい。

このように本発明によれば、エネルギ損失（発熱）を平均化することができる。これにより、インバータ回路や冷却設備などの設計・製作や品質管理を共通化でき、省力化や高信頼度化が可能となる。

以下に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る多重化インバータ装置１は、図１に示すように、電力系統２にトランス３を介して接続されて、交流電圧Ｖ_ＯＵＴを出力することにより、電力系統に有効電力および無効電力を供給するためのものである。

この多重化インバータ装置１は、スイッチ回路４１、５１、６１と、それに接続されて当該スイッチ回路４１、５１、６１に直流電圧を出力する直流電源４２、５２、６２とからなる電源回路４、５、６を３つ直列に接続することにより構成している。

各部を詳述する。

スイッチ回路４１、５１、６１は、スイッチング素子４１１、５１１、６１１とそれに逆並列されたダイオード４１２、５１２、６１２から構成した単相フルブリッジインバータであり、直流電源４２、５２、６２に接続して、その直流電源４２、５２、６２の直流電圧を交流電圧に変換して電力系統に出力するものである。

直流電源４２、５２、６２は、本実施形態では例えば鉛電池のようなバッテリーを用いている。

しかして本実施形態では、上記構成に加えて、電力系統２の電圧を測定するための系統電圧測定手段７と、スイッチ回路４１、５１、６１を冷却するための図示しない冷却フィンの温度を測定する温度測定手段８と、出力する交流電圧Ｖ_ＯＵＴを制御するための制御装置９を備えるようにしている。

系統電圧測定手段７は、電力系統２の交流電圧の波高値および位相を計測して、その系統電圧測定データを制御装置９に出力するものである。

温度測定手段８は、スイッチ回路４１、５１、６１を構成している半導体スイッチ素子４１１、５１１、６１１のスイッチ損失による発熱を冷却するための冷却フィンの温度を測定するためのものである。

制御装置９は、図２に示すように、その機器構成はＣＰＵ９０１、メモリ９０２、入出力インターフェイス９０３等を備えた汎用乃至専用のコンピュータであり、前記メモリ９０２の所定領域に記憶させた所定プログラムにしたがってＣＰＵ９０１、周辺機器等を協働させることにより、図２に示すように、制御部９１等としての機能を発揮する。

制御部９１は、図３に示すようにスイッチ動作パターンデータ格納部Ｄ１、取得部９１１、割り当て部９１２、基準値データ格納部Ｄ２及び比較部９１３としての機能を有している。

これら各部を以下に詳述する。

スイッチ動作パターンデータ格納部Ｄ１は、オペレータが予め入力装置１０により入力したスイッチ動作パターンを示すデータを格納するものである。ここで、スイッチ動作パターンとは、所望の交流電圧Ｖ_ＯＵＴの１周期分を出力するために、各電源回路４、５、６が出力すべき複数の異なる矩形波状の電圧を出力するスイッチ動作のパターンを設定するものである。このスイッチ動作パターンにより矩形波状の電圧のパルス幅、位相等が決定される。

具体的には、図４に示すように、例えば３つの電源回路４、５、６を用いた場合には、図４の（ア）に示す波形の交流電圧Ｖ_ＯＵＴを合成するために必要な矩形波状の電圧は、１周期単位で図４の（イ）（ウ）（エ）の３つの波形の電圧を合成することにより出力することができる。

取得部９１１は、系統電圧測定手段７より入力される系統電圧測定データ、およびあらかじめ入力された有効電力および無効電力の供給パターンに応じて出力する交流電圧Ｖ_ＯＵＴを演算し、さらに交流電圧Ｖ_ＯＵＴに応じた電源回路４、５、６のスイッチ動作パターンをスイッチ動作パターン格納部Ｄ１から取得して、その取得したスイッチ動作パターンデータを割り当て部９１２に出力するものである。

割り当て部９１２は、前記取得部９１１が取得したスイッチ動作パターンを各電源回路４、５、６に割り当て、さらにエネルギ損失が１つの電源回路４、５、６に偏在しないように、交流電圧Ｖ_ＯＵＴの１周期毎にその割り当てを順次切り替えていくものである。なお、スイッチ動作パターンの割り当てを切り替える周期は２周期以上毎であっても良い。その上割り当て部９１２は、後述する比較部９１３からの比較結果データを受信して、基準値を超えている電源回路４、５、６があるならば、例外的にその電源回路４、５、６のスイッチ動作回数を優先的に減ずるように前記スイッチ動作パターンを割り当て直す。

具体的には、以下のようにスイッチ動作パターンを切り替える。

所望の交流出力電圧Ｖ_ＯＵＴを合成するために各電源回路４、５、６から出力する必要のある矩形波状の電圧は図４に示すＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３である。これら電圧Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３を出力するためのスイッチ動作パターンは、Ｖ_１の電圧を出力するスイッチ動作パターンＳＰ１、Ｖ_２の電圧を出力するスイッチ動作パターンＳＰ２、Ｖ_３の電圧を出力するスイッチ動作パターンＳＰ３である。これらスイッチ動作パターンＳＰ１、ＳＰ２、ＳＰ３を交流電圧Ｖ_ＯＵＴの１周期毎に所定の順序に従って、各電源回路４、５、６に順番に行わせるように制御する。

例えば、スイッチ動作パターンＳＰ１に着目すれば、そのスイッチ動作パターンＳＰ１を行うスイッチ回路４１、５１、６１が交流電圧Ｖ_ＯＵＴの１周期毎に、４１→５１→６１→４１→５１→・・・、と順次切り替わっていくように制御する。あるいは、スイッチ回路４１に着目すれば、そのスイッチ回路４１が交流電圧Ｖ_ＯＵＴの１周期毎に行うスイッチ動作パターンは、ＳＰ１→ＳＰ２→ＳＰ３→ＳＰ１→ＳＰ２→・・・、と切り替わっていくようにそれぞれの電源回路を制御する。つまり、３つの電源回路４、５、６を用いた場合には、交流電圧Ｖ_ＯＵＴを３周期分出力した時点で、スイッチ回路４１、５１、６１のスイッチ回数が同じとなる。

なお、前記冷却フィンの温度が基準値を超えている電源回路が存在する場合には、割り当て部９１２は、その電源回路のスイッチ動作パターンが、スイッチ回数の相対的に少ないスイッチ動作パターンを繰り返すように制御する。

基準値データ格納部Ｄ２は、例外的にスイッチ動作パターンの割り当てを変更する基準となる冷却フィンの温度の基準値（基準温度）を示す基準値データを格納している。これらの基準値データはオペレータが入力手段１０により入力する。

比較部９１３は、温度測定手段８から温度測定データを受信して、当該温度測定データにより特定される各冷却フィンの温度と予め設定されている基準温度とを比較する。そして、その比較の結果を示す比較結果データを割り当て部９１２に出力する。

次にこのように構成した多重化インバータ装置１の動作について述べる。

まず割り当て部９１２が、電源回路４、５、６に称呼番号（本実施形態では ｊ＝１，２，３）を割り振る（ステップＳ１）。

そして、取得部９１１は、図示しない外部装置より入力される装置１の出力電圧指令に応じて、その電源回路４、５、６のスイッチ動作パターンをスイッチ動作パターン格納部Ｄ１から取得して、その取得したスイッチ動作パターンデータを割り当て部９１２に出力する（ステップＳ２）。さらに割り当て部９１２は、スイッチ動作パターン毎のスイッチング回数が少ない順にスイッチ動作パターン番号を割り当てる（ステップＳ３）。そして、スイッチ回路４１、５１、６１にスイッチ動作パターンを行わせる（ステップＳ４）。

その後、温度測定手段８が冷却フィンの温度を測定し、その測定データを比較部９１３に出力する（ステップＳ５）。

その出力される温度測定データを比較部９１３が受信して（ステップＳ６）、基準値データとの比較を行い、比較結果データを割り当て部９１２に出力する（ステップＳ７）。

比較結果データを受信した割り当て部９１２は、その比較結果データに基づいて、測定値が基準値を超えている電源回路４、５、６のスイッチ回数を優先的に減ずように、スイッチ動作パターンを変更する（ステップＳ９）。

このように構成した本実施形態に係る多重化インバータ装置１によれば、同一の電源回路４、５、６を用い、さらに各電源回路４、５、６を構成するスイッチ回路４１、５１、６１のスイッチ動作パターンを交流電圧１周期毎に順次切り替えているので、交流電圧Ｖ_ＯＵＴを３周期分を出力した時点で、スイッチ回路４１、５１、６１でのスイッチ損失が同じとなる。したがって、インバータ回路や冷却設備などの設計・製作や品質管理を共通化することにより、省力化や高信頼度化を図ることができるようになる。

さらに、装置１の起動中は、温度測定手段８により冷却フィンの温度を監視しており、例えば擾乱により一部の電源回路４、５、６の温度上昇あるいは過度のエネルギ出力が生じても、制御部９１がその不具合を解消するようにスイッチ動作パターンを変更するので、より一層本装置１の効果を高めることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では多重化インバータ装置を３つの電源回路を用いて構成したが、もちろん２つの電源回路あるいは４つ以上の電源回路を用いて構成するようにしても良い。

さらに、前記実施形態では、単相インバータを用いたが、三相インバータを用いるようにしても良い。

さらにスイッチ動作パターンデータとは数値データとは限らず、例えばプログラムや制御回路でもよい。

さらに例えば、直流電源として、整流器出力、分散電源、コンデンサなどでも良い。

直流電源を共通とし、インバータ出力を変圧器巻線で合成するようにしても良い。

負荷は、例えば電動機のような機器でも良い。

その他、前記実施形態を含む前記した各構成を適宜組み合わせるようにしてもよく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

本発明の一実施形態における多重化インバータ装置を示す模式的全体図。 同実施形態における制御装置の機器構成図。 同実施形態における制御部の機能構成図。 同実施形態における所望の交流電圧を出力するための各電源回路のスイッチ動作パターンを示す図。 同実施形態における多重化インバータ装置の動作を示すフローチャート。

符号の説明

１・・・多重化インバータ装置
４、５、６・・・電源回路
９１・・・制御部
４１、５１、６１・・・スイッチ回路
４２、５２、６２・・・直流電源

Claims (4)

1. スイッチ動作によって矩形波状の電圧を出力する複数の電源回路と、
   前記各電源回路のスイッチ動作パターンを互いに異なるようにそれぞれ設定するとともに、それら各電源回路の出力電圧を合成し、所定波形の交流電圧を生成する制御部とを備え、
   前記各電源回路が同一であり、かつ前記制御部が、それぞれの単位時間当たりのスイッチ動作回数の平均値が略同一となるように制御するものである多重化インバータ装置。
2. 前記制御部が、交流電圧１周期分のスイッチ動作パターンを設定し、前記１周期毎に前記スイッチ動作パターンを変えていくものである請求項１記載の多重化インバータ装置。
3. 前記制御部が、交流電圧１周期分のスイッチ動作パターンを電源回路数分設定し、それらスイッチ動作パターンの各電源回路に対する割り当てを１周期毎に順次切り替えていくものである請求項１記載の多重化インバータ装置。
4. 前記制御部が、前記いずれか１つの電源回路の温度が基準値を超えた場合には例外的に、当該電源回路のスイッチ動作回数を、他の電源回路に優先して減ずるように、前記スイッチ動作パターンを割り当てるものである請求項１、２又は３記載の多重化インバータ装置。