JP2007116891A - 可変速度大電力機械用の電力変換器の方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力源からの電力を変換する方法および装置を提供すること。
【解決手段】実施形態の一例では、本方法は、電力源に結合された複数のトランスおよび開閉器ユニット（１２）を制御するステップと、並列に接続された複数の変換器ユニット（２２、２４、２６、２８）を制御するステップとを含む。各変換器ユニットは、トランスおよび開閉器ユニットのそれぞれ１つに結合されて個々のスレッド（１４、１６、１８、２０）を形成する。トランスおよび開閉器ユニットと、電力変換器は、それぞれの個々のスレッド用のキャリア波形が１キャリアサイクル全体にわたって互いの間にインタリーブされるように制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は一般に電力変換器に関し、より詳細にはきわめて大電力で比較的高い周波数における、電気機械の可変速度動作を可能にする電力変換器に関する。

通常、大電流および高電圧（大電流および高電圧とは通常２００アンペアおよび５００ボルトを超える）を扱うことができる半導体スイッチは、温度制限条件により高周波（高周波とは通常５０００ヘルツを超える）でスイッチングすることができない。その結果、大電力変換器によって処理された電力の高調波成分が大きく、通常、電力信号を電気機械または電力網に印加する前に大幅なフィルタリングを行わなければならない。このようなフィルタリングは追加のコストが生じ、このような変換器の効率に悪影響を与える。
米国特許第５，６２１，６２８号公報 米国特許第５，７４２，４９３号公報 米国特許第６，８５８，９９７号公報

一応用例として、通常、大電力はモータ駆動部によって必要になる。しかしモータ駆動部においては、モータに印加された電力中の高調波成分となり得るトルクリップルが駆動部によって発生され得る。さらに、電力網に注入されたノイズによって、モータに印加された電力中にさらなる悪化を生じ得る。このような高調波成分およびノイズは、低周波疲労に敏感な様々な構成要素の劣化をもたらし得る。

１つの知られている変換器構成は、電圧レベルを増加させ、電圧波形により多くのレベルを追加することによって電力品質を改善するために、直列に接続された複数の単相変換器モジュールを含む。このタイプの構成は、一般に直列積層型変換器と呼ばれる。しかしこのような直列積層型変換器では、高調波成分もモジュールからモジュールへ直列で通過し、通常、得られた電力信号を電気機械または電力網に印加する前に大幅なフィルタリングがなされる。

一態様では、電力源からの電力を変換する方法が提供される。この方法は、電力源に結合された複数のトランスおよび開閉器ユニットを制御するステップと、並列に接続された複数の変換器ユニットを制御するステップとを含む。各変換器ユニットは、トランスおよび開閉器ユニットのそれぞれ１つに結合されて個々のスレッドを形成する。トランスおよび開閉器ユニットと、電力変換器は、それぞれの個々のスレッド用のキャリア波形が１キャリアサイクル全体にわたって互いの間にインタリーブされるように制御される。

他の態様では、電力変換器システムが提供される。システムは、複数の電力網側トランスおよび開閉器ユニットと、複数の変換器ユニットとを含む。変換器ユニットの各々は、トランスおよび開閉器ユニットのそれぞれ１つに結合される。各変換器ユニットは、インバータを含む。システムは、トランスおよび開閉器ユニットと、変換器ユニットに結合されたマスタコントローラとをさらに含む。それぞれの結合されたトランスおよび開閉器ユニットと、変換器ユニット対はスレッドを形成する。マスタコントローラは、スレッドからのキャリア波形信号のインタリーブを制御するように構成される。

さらに他の態様では、電力変換器システム用のマスタコントローラが提供される。電力変換器システムは、複数の電力網側トランスおよび開閉器ユニットと、複数の変換器ユニットとを含む。変換器ユニットの各々は、トランスおよび開閉器ユニットのそれぞれ１つに結合されるように構成される。それぞれの結合されたトランスおよび開閉器ユニットと、変換器ユニットの対はスレッドを形成する。マスタコントローラは、各スレッド用のキャリア波形信号が１キャリアサイクル全体にわたって互いの間に均等にインタリーブされるように、スレッドからのキャリア波形信号のインタリーブを制御するように構成されたプロセッサを含む。

本明細書では、電力変換器の特定の実施形態を説明する。このような特定の実施形態は例としてのみ説明され、さらなる電力変換器構成が可能である。一般に、本明細書で説明する電力変換器構成は、差動モードリアクトル、または差動モードリアクトルと同相モードリアクトルの組合せを通して機械側で並列に接続された、背中合わせの電力変換器の複数のスレッドを含む。機械は、１つの３相巻線、または複数の３相巻線をもつことができる。電力網側では、変換器は絶縁トランスを通して接続される。個々の変換器は、選択された周波数でスイッチングされる。個々のスレッド間でスイッチングパターンをインタリーブすることによって、機械側および電力網側の両方で、高い電力品質出力を得ることができる。

図１は、電力変換器システム１０の一実施形態の概略図である。変換器システムは、電力網側トランスおよび開閉器ユニット１２を含み、図１に示された実施形態では、これらは４つの並列スレッド１４、１６、１８、および２０を形成する。トランスおよび開閉器ユニット１２は、当技術分野でよく知られており、たとえばＡＢＢ、Ａｌｓｔｏｍ、Ｓｉｅｍｅｎｓ、および／またはＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから市販されている。

各スレッド１４、１６、１８、および２０はまた、直列接続された差動モードリアクトル３０、３２、３４、および３６、ならびに同相モードリアクトル３８、４０、４２、および４４に結合されたスレッドコントローラ２２、２４、２６、および２８（本明細書では変換器ユニットと呼ぶこともある）を含む。代替実施形態では、スレッドコントローラ２２、２４、２６、および２８は、同相モードリアクトル３８、４０、４２、および４４には結合されない。

スレッドコントローラまたは変換器ユニット２２、２４、２６、および２８は、当技術分野でよく知られており、たとえばＡＢＢ、Ａｌｓｔｏｍ、Ｓｉｅｍｅｎｓ、および／またはＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから市販されている。

各スレッドコントローラ２２、２４、２６、および２８は、インバータを含む。各スレッド１４、１６、１８、および２０は、複数の３相巻線を有する同期機である機械４６の３相機械巻線の個々の組に結合される。機械４６は、代替として、複数の３相巻線を有する非同期機でもよい。図１において、機械巻線の中立点は、絶縁されるものとして示されている。しかし中立巻線は、互いに接続されるがグラウンドから分離される、あるいは互いに接続されかつグラウンドに接続されてもよい。

マスタコントローラ４８は、ユニット１２と、各スレッドコントローラ２２、２４、２６、および２８に結合される。この実施形態の例におけるマスタコントローラ４８は、制御アプリケーションを実行するようにプログラムされたプロセッサベースのコンピュータである。もちろんマスタコントローラ４８は、多くの異なる構成を有することができ、コンピュータであることに限定されない。たとえばマスタコントローラは、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ、特定用途半導体集積回路、またはその他のプログラマブル回路とすることができる。したがって本明細書で使用する、プロセッサという用語は、当技術分野でコンピュータと呼ばれる集積回路だけに限定されず、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ、特定用途半導体集積回路、およびその他のプログラマブル回路を広く指し、これらの用語は本明細書では同義的に使用される。

マスタコントローラ４８は、制御可能な機械パラメータを直接調節し、適切な基準をスレッドコントローラ２２、２４、２６、および２８と通信する。マスタコントローラ４８はまた、スレッドコントローラ２２、２４、２６、および２８の動作を同期させる。それぞれの個々のスレッドコントローラ２２、２４、２６、および２８は、個々のスレッド１４、１６、１８、および２０の差動モードおよび同相モード電流を調節し、インバータのスイッチング状態を制御するための最終基準を発生する。

動作時においては、マスタコントローラ４８と、各スレッドコントローラ２２、２４、２６、および２８は、スレッド１４、１６、１８、および２０のインタリーブを制御する。より詳細には、個々のスレッド１４、１６、１８、および２０用のキャリア波形は、１キャリアサイクル全体にわたって互いの間に均等にインタリーブされる。たとえば、４つのスレッドに対して各キャリアは、隣接スレッド中のキャリアから（キャリアサイクルに対して）９０°または４５°だけ離される。これにより、次式に等しい実効スイッチング周波数が得られる。ただしｎはシステム中のレベル数に等しい。

２×（スレッド数）×（ｎ−１）
一般に、位相シフトは０〜１８０°の間とすることができ、それによって機械電流の高調波スペクトルに様々な影響を与える。最適な位相シフトはまた、システム中で使用されるスレッドの数に依存する。スレッドを並列にもつことにより、ＤＣリンクおよび／または電力網側トランスの接続に応じて、スレッド間に差動モード電圧、あるいはスレッド間に差動モードおよび同相モード電圧の両方を生じる。それによって生じる差動モードおよび同相モード電流は、もしあれば、リアクトルの選択および制御アルゴリズムによって制限される。

システムは、各スレッドがその個々の電流を制御するように設計することができる。スレッド間の差動および同相モード電圧の影響を最小化するのを容易にするために、実際のクロス電流（スレッドの間で流れ、負荷に流れ込まない電流）を測定し、小さな電圧補正を個々のスレッド電流コントローラの出力に加えることによってそれらをゼロに調節する追加のレギュレータを、追加することができる。他の実施形態では、負荷電流を直接調節するマスタコントローラを用いることができる。次いでこのコントローラの出力は、それぞれのスレッドに送られ、スレッドクロス電流レギュレータの電圧補正が加えられ、その結果が電圧制御での電圧コマンドとして用いられる。これらの制御方法のいずれも、本明細書で説明するハードウェア構成に使用することができる。

図２は、電力変換器システム６０の他の実施形態の概略図である。変換器システムは、電力網側トランスおよび開閉器ユニット６２を含み、図２に示された実施形態では、これらは４つの並列スレッド６４、６６、６８、および７０を有する。各スレッド６４、６６、６８、および７０はまた、直列接続された差動モードリアクトル８０、８２、８４、および８６、ならびに同相モードリアクトル８８、９０、９２、および９４に結合されたスレッドコントローラ７２、７４、７６、および７８（本明細書では変換器ユニットと呼ぶこともある）を含む。各スレッドコントローラ７２、７４、７６、および７８は、インバータを含む。各スレッド６４、６６、６８、および７０は、複数の３相巻線を有する同期機である機械９６の３相機械巻線の個々の組に結合される。機械９６は、代替として、複数の３相巻線を有する非同期機でもよい。図２において、機械巻線の中立点は、絶縁されるものとして示されている。しかし中立巻線は、互いに接続されるがグラウンドから分離される、あるいは互いに接続されかつグラウンドに接続されてもよい。より具体的には、それぞれの実施形態において各スレッドは、同相モードリアクトルとそれぞれの開閉器ユニットの間に結合された各構成要素を含む。

マスタコントローラ９８は、ユニット６２と、各スレッドコントローラ７２、７４、７６、および７８に結合される。マスタコントローラ９８は、制御可能な機械パラメータを直接調節し、適切な基準をスレッドコントローラ７２、７４、７６、および７８と通信する。マスタコントローラ９８はまた、スレッドコントローラ７２、７４、７６、および７８の動作を同期させる。それぞれの個々のスレッドコントローラ７２、７４、７６、および７８は、個々のスレッド６４、６６、６８、および７０の差動モードおよび同相モード電流を調節し、インバータのスイッチング状態を制御するための最終基準を発生する。

システム６０の動作は、システム６０ではキャリアでの位相シフトに加えて、基本波基準電圧もまた、適当な位相角だけ位相シフトされることを除いて、図１に示されるシステムの動作と同様である。位相シフトは、３相グループの数と、機械内で用いられる特定の巻線の分布に依存する。システム６０の例示的実施形態において、完全な正弦波励起のもとであっても追加の損失および不均一トルクをもたらす、非正弦ＢＥＭＦ（逆起電力）を生じる機械空隙内の不均一な磁界分布の影響を最小にするために、特定の巻線が選択される。一実施形態では、バランスのとれたシステムとするために、３相は、電気角６０°ごとに繰り返す。他の実施形態では、２つの３相グループを有する６相に対して、３相グループのそれぞれの間で３０°ずらせることにより、繰り返し率を２倍にし、３０°ごとの繰り返しを得ることが可能になる。

図３は、電力変換器システム１１０のさらに他の実施形態の概略図である。変換器システム１１０は、電力網側トランスおよび開閉器ユニット１１２を含み、図３に示された実施形態では、これらは４つの並列スレッド１１４、１１６、１１８、および１２０を有する。各スレッド１１４、１１６、１１８、および１２０はまた、直列接続された差動モードリアクトル１３０、１３２、１３４、および１３６、ならびに同相モードリアクトル１３８、１４０、１４２、および１４４に結合された、変換器ユニット１２２、１２４、１２６、および１２８を含む。各スレッド１１４、１１６、１１８、および１２０は、３相同期機である機械１４６の３相機械巻線に結合される。機械１４６は、代替として、３相非同期機でもよい。図３において、機械巻線の中立点は、絶縁されるものとして示されている。しかし中立点はグラウンドに接続されてもよい。

マスタコントローラ１４８は、各スレッドコントローラ１２２、１２４、１２６、および１２８に結合される。マスタコントローラ１４８は、制御可能な機械パラメータを直接調節し、適切な基準をスレッドコントローラ１２２、１２４、１２６、および１２８と通信する。マスタコントローラ１４８はまた、スレッドコントローラ１２２、１２４、１２６、および１２８の動作を同期させる。それぞれの個々のスレッドコントローラ１２２、１２４、１２６、および１２８は、個々のスレッド１１４、１１６、１１８、および１２０の差動モードおよび同相モード電流を調節し、インバータのスイッチング状態を制御するための最終基準を発生する。

システム１１０の動作は、システム１１０ではキャリアでの位相シフトに加えて、基本波基準電圧もまた、適当な位相角だけ位相シフトされることを除いて、図１に示されるシステムの動作と同様である。これによって各３相グループに対して位相シフトされたキャリアによって３相機械電流中の高調波の打ち消しをもたらし、また位相シフトされた基本波によって空隙中での高調波の打ち消しをもたらす。したがって、位相シフトされた基本波を追加することによって、低い周波数を効果的に打ち消すために繰り返し率を増加させることが容易になる。

上述の変換器システムは、非常に大電力の変換器（すなわち数百ＫＷを超える範囲で動作する電力変換器）の出力電力品質の改善を容易にする。このような電力品質は、いくつかの変換器ユニットの間でスイッチング事象をインタリーブし、それにより、負荷から見た実効スイッチング周波数がユニットの数を倍数として改善されることによって得られる。高められた「実効」スイッチング周波数により、低い出力電流リップルが得られ、電気機械の場合は低いトルクリップルが得られる。このシステムはまた、いくつかのユニットを並列化することによって電力レベルの改善を容易にし、１つまたは複数のスレッドが故障して動作から外された緊急状態で動作できるようにすることにより、動作するために高い可用性を必要とする機械に対して冗長性をもたらす。その場合、システムは低い電力およびトルク品質で動作することになるが、全体の動作を中断する必要はなくなる。

さらに、このようなシステム構成により、機械中の電流および電圧ストレス（ｄｖ／ｄｔ）を低減することが容易になる。機械端子における高い電力品質は、過電圧および大きなｄｖ／ｄｔの両方による機械絶縁体中の応力を低減する。このような構成はまた、個々の変換器ユニットが高い実効システムスイッチング周波数を保ちながら、比較的低いスイッチング周波数で動作できるので、機械中のベアリング電流の低減、および変換器ユニット中のスイッチング損失の低減をもたらす。さらに、このような構成は、インタリーブされた実効電圧が小さいｄｖ／ｄｔ、およびより小さい振幅の電圧ステップを有するので、長いケーブルに対する共振の低減を容易にする。

以上、様々な特定の実施形態に関して本発明を説明したが、当業者には特許請求の範囲の趣旨および範囲内での変更によって、本発明を実施することができることが理解されよう。

電力変換器システムの一実施形態の概略図である。 電力変換器システムの他の実施形態の概略図である。 電力変換器システムのさらに他の実施形態の概略図である。

符号の説明

１０ 電力変換器システム
１２ トランスおよび開閉器ユニット
１４、１６、１８、２０ スレッド
２２、２４、２６、２８ スレッドコントローラまたは変換器ユニット
３０、３２、３４、３６ 差動モードリアクトル
３８、４０、４２、４４ 同相モードリアクトル
４６ 機械
４８ マスタコントローラ
６０ 電力変換器システム
６２ トランスおよび開閉器ユニット
６４、６６、６８、７０ スレッド
７２、７４、７６、７８ スレッドコントローラまたは変換器ユニット
８０、８２、８４、８６ 差動モードリアクトル
８８、９０、９２、９４ 同相モードリアクトル
９６ 機械
９８ マスタコントローラ
１１０ 電力変換器システム
１１２ トランスおよび開閉器ユニット
１１４、１１６、１１８、１２０ スレッド
１２２、１２４、１２６、１２８ スレッドコントローラまたは変換器ユニット
１３０、１３２、１３４、１３６ 差動モードリアクトル
１３８、１４０、１４２、１４４ 同相モードリアクトル
１４６ 機械
１４８ マスタコントローラ

Claims (10)

1. 複数の電力網側トランスおよび開閉器ユニット（１２）と、
   各々が前記トランスおよび開閉器ユニットのそれぞれ１つに結合され、それぞれがインバータを含む、複数の変換器ユニット（２２、２４、２６、２８）と、
   前記トランスおよび開閉器ユニットと前記変換器ユニットとに結合されたマスタコントローラ（４８）と、を含み、
   前記トランスおよび開閉器ユニットと前記変換器ユニットとが結合された対のそれぞれがスレッド（１４、１６、１８、２０）を含み、
   前記マスタコントローラ（４８）が、前記スレッドからのキャリア波形信号のインタリーブを制御するように構成されている、電力変換器システム（１０）。
2. 前記変換器ユニット（２２、２４、２６、２８）に結合された、差動モードリアクトル（３０、３２、３４、３６）、および同相モードリアクトル（３８、４０、４２、４４）の少なくとも１つをさらに含む、請求項１記載のシステム（１０）。
3. 前記変換器ユニット（２２、２４、２６、２８）が、インバータを含む、請求項１記載のシステム（１０）。
4. 前記変換器ユニット（２２、２４、２６、２８）が、機械の３相機械巻線に結合される、請求項１記載のシステム（１０）。
5. 前記マスタコントローラ(４８）が、プロセッサを含む、請求項１記載のシステム（１０）。
6. 前記スレッド（１４、１６、１８、２０）用の各キャリア波形信号が、１キャリアサイクル全体にわたって互いの間に均等にインタリーブされる、請求項１記載のシステム（１０）。
7. ４つのスレッド（１４、１６、１８、２０）を含み、前記マスタコントローラ（４８）が前記スレッドのインタリーブを制御し、それにより各キャリア波形が、隣接スレッド中のキャリアから、１キャリアサイクルに対して、９０°および４５°の少なくとも１つだけ離される、請求項６記載のシステム（１０）。
8. 前記変換器システムが
   ２×（スレッド数）×（ｎ−１）
   に等しい実効スイッチング周波数で動作し、ただしｎはシステム中のレベル数に等しい、請求項７記載のシステム（１０）。
9. 複数の電力網側トランスおよび開閉器ユニット（１２）と、各々がトランスおよび開閉器ユニットのそれぞれ１つに結合されるように構成された、複数の変換器ユニット（２２、２４、２６、２８）とを含み、前記トランスおよび開閉器ユニットと前記変換器ユニットとが結合された対のそれぞれがスレッド（１４、１６、１８、２０）を含む電力変換器システム（１０）用のマスタコントローラ（４８）であって、前記スレッドからのキャリア波形信号のインタリーブを制御するように構成されたプロセッサを含み、それにより前記スレッド用のキャリア波形信号が、１キャリアサイクル全体にわたって互いの間に均等にインタリーブされる、マスタコントローラ。
10. 前記システム（１０）が、４つのスレッド（１４、１６、１８、２０）を含み、前記マスタコントローラが前記スレッドのインタリーブを制御し、それにより各キャリア波形が、隣接スレッド中のキャリアから、１キャリアサイクルに対して、９０°および４５°の少なくとも１つだけ離される、請求項９記載のマスタコントローラ（４８）。

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