JP2008301640A - 直接高圧インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置構成の小型化および簡素化を図ることができる直接高圧インバータ装置を提供する。
【解決手段】高周波トランス１１により入力側と出力側が絶縁された双方向絶縁形コンバータ４０を有し、該高周波トランス１１の入力側および出力側に、交流−交流変換を直接行うマトリックスコンバータ３１，３２が接続された単相インバータを、三相各層毎に、例えば６段（単相インバータ１〜６）直列に接続し、位相検出トランス５０により検出した入力電圧の振幅によって各単相インバータ入力側のマトリックスコンバータ３１のスイッチングを制御して単相インバータ１〜６の直列接続数を制御する。Ｖ／Ｆ制御による出力電圧指令値、出力周波数指令値に対して単相インバータ出力側のマトリックスコンバータ３２のスイッチングを制御して単相インバータ１〜６の直列接続数と出力周波数を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、双方向絶縁形コンバータを使用した単相インバータを、複数個直列接続して高圧出力を得る直接高圧インバータ装置に関する。

単相インバータの出力を直列に接続して高電圧出力を得る直接高圧インバータ装置においては、各単相インバータの入力を絶縁する必要がある。この絶縁を行う方法としては、例えば特許文献１に記載のように、入力トランスの二次側出力を複数設けた多重トランスを使用することが一般的に行われている。

しかしこの方法では、入力トランスの寸法が大きいため装置全体が大型化してしまうという欠点があった。

そこで入力トランスを使用せずに絶縁する方法として、図７に示すように、高周波トランスを用いることでトランスを小型化し入力と出力を絶縁する方法がある。

図７において、１１は、入力巻線１１ａおよび出力巻線１１ｂを有した、双方向絶縁形コンバータ１０の高周波トランスである。

双方向絶縁形コンバータ１０の入力側回路は、スイッチング素子、例えばＩＧＢＴ１２ａ〜１２ｄをブリッジ接続した単相ＰＷＭコンバータ１３と、該コンバータ１３の正、負直流出力端間に接続された電解コンデンサ１４ａと、該電解コンデンサ１４ａに並列接続され、スイッチング素子、例えばＩＧＢＴ１２ｅ〜１２ｈをブリッジ接続した逆変換部１５とを備えて構成される。尚、１６ａ〜１６ｈはＩＧＢＴ１２ａ〜１２ｈに各々並列接続されたダイオードである。

また双方向絶縁形コンバータ１０の出力側回路は、スイッチング素子、例えばＩＧＢＴ１２ｉ〜１２ｌをブリッジ接続したコンバータ１７と、該コンバータ１７の正、負直流出力端間に接続された電解コンデンサ１４ｂと、該電解コンデンサ１４ｂに並列接続され、スイッチング素子、例えばＩＧＢＴ１２ｍ〜１２ｐをブリッジ接続した逆変換部１８とを備えて構成される。尚、１６ｉ〜１６ｐはＩＧＢＴ１２ｉ〜１２ｐに各々並列接続されたダイオードである。また、３３ａ，３３ｂは入力端を示し，３４ａ，３４ｂは出力端を各々示している。

図７のような単相インバータは、図８のように、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相に例えば６段（単相インバータ１〜６）ずつ直列接続されて、例えば３．３ｋｖの高圧三相交流電圧を出力する直接高圧インバータ装置が構成される。

図８において、直列接続された単相インバータ１〜６は各々図７に示す回路に構成され、単相インバータの出力側の、一端は負荷である例えばモータの一次巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに各々接続され、他端は中性点として接続され、接地抵抗２１を介して接地されている。またモータの一次巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの各他端はコンデンサ２２を介して接地されている。

尚図８において、Ｖ，Ｗ相は図示省略し、Ｕ相についての構成のみを図示しているが、Ｖ，Ｗ相についても、同様の単相インバータ１〜６を直列接続したものが設けられ、入力側と出力側に各々図示した破線部分に各々接続されるものである。

図８のように構成された装置は、単相インバータ１〜６に各々高周波トランスを用いているため小型化され、装置全体の寸法を小さくすることができる。また各単相インバータ１〜６により入力と出力を絶縁することにより入力トランスが不要となる。

図８の装置では、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の高圧電源（入力電圧３．３ＫＶ）が入力され、単相インバータ１〜６の各入力側のＩＧＢＴ（図７の逆変換部１５のＩＧＢＴ１２ｅ〜１２ｈ）をスイッチング制御（ＰＷＭ制御）して入力電圧の振幅により各単相インバータ（１〜６）の直列接続数を制御している。
特開２００２−３５４８３０号公報

図７、図８のように、双方向絶縁形コンバータ１０を使用した単相インバータ１〜６ではコンバータ入力と出力が直流回路となり、電解コンデンサ１４ａ，１４ｂおよび予備充電回路が必要となる。電解コンデンサ１４ａ，１４ｂは寿命品であるため定期的にメンテナンスを行う必要があり、交換の際に装置を停止しなければならず長期信頼性を維持するのが難しい。また、直流回路の電解コンデンサ１４ａ，１４ｂは大型となるため、単相インバータ１〜６が大型となる。

また図７、図８において、双方向絶縁形コンバータ１０の入力側の交流−直流変換用の単相ＰＷＭコンバータ１３はＩＧＢＴ１２ａ〜１２ｄを用いているため、制御プログラムを必要とするなど、装置構成が複雑化するという問題があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものでその目的は、装置構成の小型化および簡素化を図ることができる直接高圧インバータ装置を提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載の直接高圧インバータ装置は、高周波トランスにより入力側と出力側が絶縁された双方向絶縁形コンバータを有し、該高周波トランスの入力側および出力側の少なくとも何れか一方に、交流−交流変換を直接行う交流−交流直接変換装置が接続された単相インバータを備え、前記単相インバータを、三相各相毎に複数個直列に接続したことを特徴としている。

上記構成において、コンバータ入力電圧および／又は出力電圧を直流電圧に変換せず交流−交流直接変換装置、例えばマトリックスコンバータで直接ＡＣ−ＡＣ変換を行うことにより、直流回路が不要となる。

また請求項２に記載の直接高圧インバータ装置は、請求項１において、電源回生を行わない直接高圧インバータであって、前記直列接続された複数の単相インバータの、前記各高周波トランスの入力側には、ダイオードをブリッジ接続して構成され、交流入力を直流に変換する交流−直流変換部と、該交流−直流変換部の直流を交流に変換する直流−交流変換部とが各々接続され、前記各高周波トランスの出力側には前記交流−交流直接変換装置が各々接続されていることを特徴としている。

上記構成において、電源回生を行わない場合において、双方向絶縁形コンバータの出力側の直流回路が不要となるため、単相インバータを小型化することができる。

また請求項３に記載の直接高圧インバータ装置は、電源回生を行わない直接高圧インバータであって、高周波トランスにより入力側と出力側が絶縁された双方向絶縁形コンバータを有し、該高周波トランスの入力側に、ダイオードをブリッジ接続して構成され、交流入力を直流に変換する交流−直流変換部と、該交流−直流変換部の直流を交流に変換する直流−交流変換部とが各々接続された単相インバータを備え、前記単相インバータを、三相各相毎に複数個直列に接続したことを特徴としている。

上記構成において、電源回生を行わない場合において、双方向絶縁形コンバータの入力をダイオードブリッジで整流しているため、入力のＡＣ−ＤＣ変換用ＩＧＢＴが不要となり制御プログラムを削減することができる。

（１）請求項１に記載の発明によれば、双方向絶縁形コンバータを有する単相インバータにおいて、コンバータ入力電圧および／又は出力電圧を直流電圧に変換せず交流−交流直接変換装置、例えばマトリックスコンバータで直接ＡＣ−ＡＣ変換を行うことにより直流回路が不要となる。

直流回路が不要となることにより、電解コンデンサ、予備充電回路がなくなるため、単相インバータを小型化することができる。

また電解コンデンサをなくすことにより、電解コンデンサの寿命によるメンテナンス、および電解コンデンサの交換が不要となるため、装置の長期信頼性が確保できるとともに長寿命化することができる。
（２）また、請求項２に記載の発明によれば、電源回生を行わない場合において、双方向絶縁形コンバータの出力側の直流回路が不要となるため、単相インバータを小型化することができる。

ダイオードブリッジを使用しているため入力のＡＣ−ＤＣ変換用ＩＧＢＴが不要となり制御プログラムを削減することができる。
（３）また、請求項３に記載の発明によれば、電源回生を行わない場合において、双方向絶縁形コンバータの入力をダイオードブリッジで整流しているため、入力のＡＣ−ＤＣ変換用ＩＧＢＴが不要となり制御プログラムを削減することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。

図１は本発明の第１の実施形態例の直接高圧インバータ装置に用いられる単相インバータの構成を示し、図７と同一部分は同一符号をもって示している。図１において図７と異なる点は、高周波トランス１１の、入力側巻線１１ａに、交流を直接交流に変換するマトリックスコンバータ（交流−交流直接変換装置）３１を接続し、出力側巻線１１ｂに、交流を直接交流に変換するマトリックスコンバータ（交流−交流直接変換装置）３２を接続し、直流回路を不要とした双方向絶縁形コンバータ４０を構成した点にある。

前記マトリックスコンバータ３１は、ブリッジ接続された交流スイッチ（双方向スイッチ）３０ａ〜３０ｄと、ブリッジ接続された交流スイッチ（双方向スイッチ）３０ｅ〜３０ｈとを並列接続した回路を、入力端３３ａ，３３ｂと高周波トランス１１の入力側巻線１１ａの間に接続して構成されている。

前記マトリックスコンバータ３２は、ブリッジ接続された交流スイッチ（双方向スイッチ）３０ｉ〜３０ｌと、ブリッジ接続された交流スイッチ（双方向スイッチ）３０ｍ〜３０ｐとを並列接続した回路を、高周波トランス１１の出力側巻線１１ｂと出力端３４ａ，３４ｂの間に接続して構成されている。

前記交流スイッチ３０ａ〜３０ｐは、ＩＧＢＴおよびダイオードの逆並列体を２組直列接続するか、又は逆阻止ＩＧＢＴにより構成される。

図１のように高周波トランス１１およびマトリックスコンバータ３１，３２を備えた単相インバータは、図２のように、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相に例えば６段（単相インバータ１〜６）ずつ直列接続されて、例えば３．３ｋｖの高圧三相交流電圧を出力する直接高圧インバータ装置が構成される。

図２において図８と同一部分は同一符号をもって示しており、単相インバータ１〜６の出力側の、一端は、負荷である例えばモータの一次巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに各々接続され、他端は中性点として接続され、接地抵抗２１を介して接地されている。またモータの一次巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの各他端はコンデンサ２２を介して接地されている。

また、三相入力の相間には位相検出トランス５０が設けられ、入力電圧の振幅と位相を検出している。

尚図２において、Ｖ，Ｗ相は図示省略し、Ｕ相についての構成のみを図示しているが、Ｖ，Ｗ相についても、同様の単相インバータ１〜６を直列接続したものが設けられ、入力側と出力側に各々図示した破線部分に各々接続されるものである。

図１、図２のように構成された装置は、双方向絶縁形コンバータ４０の入力と出力にマトリックスコンバータ３１、３２を使用しており、直流回路が存在しないため、電解コンデンサおよびその予備充電回路が不要となり、装置を小型化することができる。

図１において、単相インバータの交流入力電圧をＰＷＭ制御で高周波の交流電圧に変換して高周波トランス１１に入力する。単相インバータ内の高周波トランス１１により、入力と出力の絶縁が行われる。そして前記トランス１１を高周波で使用することによりトランスの小型化が可能となる。高周波トランス１１の出力電圧はＰＷＭ制御で方形波のパルスに変換して単相インバータから出力する。

図２において、単相インバータ１台あたりの最大入力電圧は３．３ｋｖ×√２／６＝７８０Ｖとなる。位相検出トランス５０により検出した入力電圧の振幅によって各単相インバータ入力側のマトリックスコンバータ３１のスイッチングを制御して単相インバータ１〜６の直列接続数を制御する。単相インバータの最大出力電圧は最大入力電圧と同様に７８０Ｖとなる。Ｖ／Ｆ制御による出力電圧指令値、出力周波数指令値に対して単相インバータ出力側のマトリックスコンバータ３２のスイッチングを制御して単相インバータ１〜６の直列接続数と出力周波数を制御する。

次に本発明の第２の実施形態例を図３、図４とともに説明する。本実施例では、回生動作を必要としない場合において、高周波トランス１１の、出力側にのみマトリックスコンバータ３２を使用して、出力側の直流回路を不要とした双方向絶縁形コンバータ６０を構成した。前記コンバータ６０の入力側、すなわち入力端３３ａ，３３ｂと高周波トランス１１の入力側巻線１１ａの間には、ダイオード６１ａ〜６１ｄをブリッジ接続した整流回路６１と、該整流回路６１の正、負出力端間に接続された電解コンデンサ１４ａと、該電解コンデンサ１４ａに並列接続され、ＩＧＢＴ１２ｅ〜１２ｈをブリッジ接続した逆変換部１５とが接続されている。尚図３において、図７と同一部分は同一符号をもって示している。

図３のように構成された単相インバータにおいて、入力を整流回路６１のダイオードブリッジで整流して直流電圧に変換する。その直流電圧を、逆変換部１５においてＩＧＢＴのＰＷＭ制御により高周波の交流電圧に変換して高周波トランス１１に入力する。

高周波トランス１１の出力電圧は、マトリックスコンバータ３２によって、ＰＷＭ制御で方形波のパルスに変換して単相インバータから出力する。

図３のように高周波トランス１１、整流回路６１、電解コンデンサ１４ａ、逆変換部１５およびマトリックスコンバータ３２を備えた単相インバータは、図４のように、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相に例えば６段（単相インバータ１〜６）ずつ直列接続されて、例えば３．３ｋｖの高圧三相交流電圧を出力する直接高圧インバータ装置が構成される。

図４において図２と同一部分は同一符号をもって示しており、単相インバータ１〜６の出力側の、一端は、負荷である例えばモータの一次巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに各々接続され、他端は中性点として接続され、接地抵抗２１を介して接地されている。またモータの一次巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの各他端はコンデンサ２２を介して接地されている。

本実施例では、回生動作を行わないので、位相検出トランスは不要となる。

尚図４において、Ｖ，Ｗ相は図示省略し、Ｕ相についての構成のみを図示しているが、Ｖ，Ｗ相についても、同様の単相インバータ１〜６を直列接続したものが設けられ、入力側と出力側に各々図示した破線部分に各々接続されるものである。

図３、図４の装置において、単相インバータ１台あたりの最大入力電圧は３．３ｋｖ×√２／６＝７８０Ｖとなる。入力電圧をダイオード６１ａ〜６１ｄの整流によって直流電圧に変換する。その直流電圧を逆変換部１５のＩＧＢＴのＰＷＭ制御により高周波の交流電圧に変換して高周波トランス１１に入力する。

単相インバータの最大出力電圧は最大入力電圧と同様に７８０Ｖとなる。Ｖ／Ｆ制御による出力電圧指令値、出力周波数指令値に対して単相インバータ出力側のマトリックスコンバータ３２のスイッチングを制御して単相インバータ１〜６の直列接続数と出力周波数を制御する。

本実施例によれば、ダイオードブリッジ（整流回路６１）を用いているため、入力側の交流−直流変換用のＩＧＢＴが不要となり、制御プログラムを削減することができる。

次に本発明の第３の実施形態例を図５、図６とともに説明する。本実施例では、回生動作を必要としない場合において、図７の単相インバータの入力側に、単相ＰＷＭコンバータ１３に代えてダイオード６１ａ〜６１ｄをブリッジ接続した整流回路６１を使用した双方向絶縁形コンバータ７０を構成した。図５において図７と同一部分は同一符号をもって示している。

図５のように高周波トランス１１、整流回路６１、電解コンデンサ１４ａ、逆変換部１５、コンバータ１７および逆変換部１８を備えた単相インバータは、図６のように、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相に例えば６段（単相インバータ１〜６）ずつ直列接続されて、例えば３．３ｋｖの高圧三相交流電圧を出力する直接高圧インバータ装置が構成される。

図６において図４と同一部分は同一符号をもって示しており、単相インバータ１〜６の出力側の、一端は、負荷である例えばモータの一次巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに各々接続され、他端は中性点として接続され、接地抵抗２１を介して接地されている。またモータの一次巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの各他端はコンデンサ２２を介して接地されている。

本実施例では、回生動作を行わないので、位相検出トランスは不要となる。

尚図６において、Ｖ，Ｗ相は図示省略し、Ｕ相についての構成のみを図示しているが、Ｖ，Ｗ相についても、同様の単相インバータ１〜６を直列接続したものが設けられ、入力側と出力側に各々図示した破線部分に各々接続されるものである。

図５、図６の装置において、単相インバータ１台あたりの最大入力電圧は３．３ｋｖ×√２／６＝７８０Ｖとなる。入力電圧は整流回路６１のダイオード６１ａ〜６１ｄで直流電圧に変換する。この直流電圧を逆変換部１５においてＩＧＢＴのＰＷＭ制御により高周波の交流電圧に変換して高周波トランス１１に入力する。高周波トランス１１の出力電圧はコンバータ１７のＩＧＢＴのＰＷＭ制御により直流電圧に変換後、逆変換部１８によって方形波のパルス電圧に変換する。Ｖ／Ｆ制御による出力電圧指令値、出力周波数指令値に対して逆変換部１８のＩＧＢＴを制御して単相インバータ１〜６の直列接続数と出力周波数を制御する。

尚、本発明が適用される電圧は３．３ｋｖに限らず他の高電圧にも適用される。

本発明の第１の実施形態例における単相インバータの構成図。 本発明の第１の実施形態例における直接高圧インバータ装置の構成図。 本発明の第２の実施形態例における単相インバータの構成図。 本発明の第２の実施形態例における直接高圧インバータ装置の構成図。 本発明の第３の実施形態例における単相インバータの構成図。 本発明の第３の実施形態例における直接高圧インバータ装置の構成図。 従来の単相インバータの一例を示す構成図。 従来の直接高圧インバータ装置の一例を示す構成図。

符号の説明

１〜６…単相インバータ、１１…高周波トランス、１１ａ…１次側巻線、１１ｂ…２次側巻線、１２ａ〜１２ｐ…ＩＧＢＴ、１４ａ，１４ｂ…電解コンデンサ、１５，１８…逆変換部、１７…コンバータ、３０ａ〜３０ｐ…交流スイッチ、３１、３２…マトリックスコンバータ、４０，６０，７０…双方向絶縁形コンバータ、５０…位相検出トランス、６１…整流回路、６１ａ〜６１ｄ…ダイオード。

Claims (3)

1. 高周波トランスにより入力側と出力側が絶縁された双方向絶縁形コンバータを有し、該高周波トランスの入力側および出力側の少なくとも何れか一方に、交流−交流変換を直接行う交流−交流直接変換装置が接続された単相インバータを備え、
   前記単相インバータを、三相各相毎に複数個直列に接続したことを特徴とする直接高圧インバータ装置。
2. 電源回生を行わない直接高圧インバータであって、
   前記直列接続された複数の単相インバータの、前記各高周波トランスの入力側には、ダイオードをブリッジ接続して構成され、交流入力を直流に変換する交流−直流変換部と、該交流−直流変換部の直流を交流に変換する直流−交流変換部とが各々接続され、
   前記各高周波トランスの出力側には前記交流−交流直接変換装置が各々接続されていることを特徴とする請求項１に記載の直接高圧インバータ装置。
3. 電源回生を行わない直接高圧インバータであって、
   高周波トランスにより入力側と出力側が絶縁された双方向絶縁形コンバータを有し、該高周波トランスの入力側に、ダイオードをブリッジ接続して構成され、交流入力を直流に変換する交流−直流変換部と、該交流−直流変換部の直流を交流に変換する直流−交流変換部とが各々接続された単相インバータを備え、
   前記単相インバータを、三相各相毎に複数個直列に接続したことを特徴とする直接高圧インバータ装置。

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