JP2009195057A - 多重インバータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 任意の周波数および電圧の単相交流電圧に変換して出力する単位インバータの出力端を直列多段接続してなる各相インバータ３組により形成される多重インバータシステムに好適な制御装置を提供する。
【解決手段】 通常運転の状態（ステップＳ１１）として、零電圧を出力している単位インバータと、ＰＷＭ制御動作により所望の周波数および電圧の単相交流電圧を出力している単位インバータとがある状態中に、パルスオフ指令が発せられたときには（ステップＳ１２、分岐Ｙ）、ステップ１３に移り、電圧を出力中の単位インバータのみパルスオフ状態に移行し、ステップＳ１４では、ステップＳ１３の処理により発生した電圧が十分に減衰するまでの時間Ｔ１を設定し、この時間Ｔ１が経過すると、ステップＳ１５へ移って零電圧を出力していた単位インバータをパルスオフ状態に移行させることで、この多重インバータシステムの負荷の最大耐電圧を超える恐れのある電圧が該負荷に印加されることが解消され、その結果、前記負荷の損傷を防止できる。
【選択図】 図１

Description

この発明は互いに絶縁された二次巻線を備えた変圧器回路と、任意の周波数および電圧の単相交流電圧に変換して出力する単位インバータの出力端を直列多段接続してなる各相インバータ３組により形成される三相インバータと、この三相インバータを制御する制御装置とからなる多重インバータシステムに関する。

図４はこの種の多重インバータシステムの回路構成を示し、この図において、１０は後述の如く、１個の二次巻線若しくは複数個の互いに絶縁された二次巻線を有する１台または複数台の変圧器からなる変圧器回路、１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３は単位インバータ、４０または５０は単位インバータ１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３それぞれを所望の状態に制御する制御装置である。

図４に示した回路構成例では、単位インバータ１１，２１，３１それぞれの出力の１端を互いに接続すると共に、単位インバータ１１〜１３それぞれの出力端を直列多段接続して三相インバータのＵ相を形成し、また、単位インバータ２１〜２３それぞれの出力端を直列多段接続して三相インバータのＶ相を形成し、さらに、単位インバータ３１〜３３それぞれの出力端を直列多段接続して三相インバータのＷ相を形成している。

また、図４に示した変圧器回路１０としては、１組の二次巻線を有する三相変圧器９台による構成、３組の互いに絶縁された二次巻線を有する三相変圧器３台による構成、９組の互いに絶縁された二次巻線を有する三相変圧器１台による構成などが用いられる。

図５は、図４に示した単位インバータそれぞれの回路構成図であり、整流回路ＲＣとしては、この多重インバータシステムの製作仕様に基づいて、ダイオードを三相ブリッジ接続したもの（以下、ダイオードブリッジ整流回路と称する）、サイリスタを三相ブリッジ接続したもの（以下、サイリスタブリッジ整流回路と称する）、ＩＧＢＴなどの自己消弧形半導体素子とダイオードの逆並列回路を三相ブリッジ接続したもの（以下、ＰＷＭ整流回路と称する）などが用いられる。また、コンデンサＣは上述の整流回路ＲＣの出力電圧を平滑された直流電圧にするために用いられ、この平滑された直流電圧（電圧値Ｅ）は、自己消弧形半導体素子としてのＩＧＢＴＱ１〜Ｑ４およびダイオードＤ１〜Ｄ４の逆並列回路を単相ブリッジ接続してなるインバータ回路のスイッチング動作により、所望の周波数および電圧の単相交流電圧に変換される。

上述の変圧器回路１０、単位インバータ１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３、制御装置４０による従来の多重インバータシステムにおいて、端子Ｕ，Ｖ，Ｗから負荷に所望の三相交流電圧を与えるためには、第１の制御方法として、図５に示した整流回路ＲＣに前記サイリスタブリッジ整流回路を用いることによりコンデンサＣの両端電圧を可変にし、この可変直流電圧を単位インバータ１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３それぞれはスイッチング動作により所望の周波数の単相交流電圧に変換しつつ、三相インバータとして所望の電圧値の三相交流電圧に変換することが行われる（この制御方法は、ＰＡＭ（パルス振幅変調）制御とも称される）。

また第２の制御方法として、図５に示した整流回路ＲＣに前記ダイオードブリッジ整流回路またはＰＷＭ整流回路を用い、単位インバータ１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３それぞれはスイッチング動作としてのＰＷＭ（パルス幅変調）制御動作により所望の周波数および電圧の単相交流電圧に変換しつつ、三相インバータとして所望の電圧値の三相交流電圧に変換することが行われる。このとき、前記ＰＷＭ整流回路を用いることで、前記ダイオードブリッジ整流回路に比してより高い直流電圧を得ることができると共に、変圧器回路１０側から見た力率をほぼ「１．０」に整定することができる。
特開平１１−１２２９４３号公報

図４に示した変圧器回路１０、単位インバータ１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３、制御装置４０による従来の多重インバータシステムにおいて、この多重インバータシステムの負荷としての交流電動機がその定格電圧が異なった複数台のうちの１台を選択し、その都度切換えて使用されることがある。

このようなときには、先述の第１，第２の制御方法の他に、接続された交流電動機の定格電圧が前記多重インバータシステムの出力定格電圧の１／３〜２／３の範囲にある場合には、前記特許文献１にも開示されているように、制御装置４０により、例えば、単位インバータ１１，２１，３１それぞれは零電圧を出力し、単位インバータ１２，１３，２２，２３，３２，３３それぞれはＰＡＭ制御動作またはＰＷＭ制御動作により所望の周波数および電圧の単相交流電圧を出力することが行われる（以下、第３の制御方法と称する）。

同様に、接続された交流電動機の定格電圧が前記多重インバータシステムの出力定格電圧の１／３以下の範囲にある場合には、制御装置４０により、例えば、単位インバータ１１，１２，２１，２２，３１，３２それぞれは零電圧を出力し、単位インバータ１３，２３，３３それぞれはＰＡＭ制御動作またはＰＷＭ制御動作により所望の周波数および電圧の単相交流電圧を出力することが行われる（以下、第４の制御方法と称する）。

前記第３または第４の制御方法において、零電圧を出力する単位インバータは、図５に示すＱ１，Ｑ３オン状態でＱ２，Ｑ４オフ状態のときと、Ｑ１，Ｑ３オフ状態でＱ２，Ｑ４オン状態のときとを前記各相インバータの出力電圧極性変化に同期しつつ、交互に繰り返すこと、あるいは、Ｑ１，Ｑ３オン状態でＱ２，Ｑ４オフ状態またはＱ１，Ｑ３オフ状態でＱ２，Ｑ４オン状態に固定することで、その目的を達成することができる。

上述の従来の多重インバータシステムにおいて、前記第１から第４の制御制御方法のいずれかを用いた通常運転を終えて停止させるためには、単位インバータ１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３それぞれのパルスオフ操作が一斉に行われていた。

この一斉のパルスオフ操作に伴って、この多重インバータシステムの出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗのいずれかの端子間には最大値として「各単位インバータにおけるコンデンサＣの両端電圧（電圧値Ｅ）×直列多重接続数×２相分」の電圧が発生することが知られており、図４に示した回路構成では前記電圧は「６Ｅ」ボルトとなる。

すなわち、上述の第１から第４の制御方法のいずれかを用い、この多重インバータシステムの負荷としての交流電動機の定格電圧が前記多重インバータシステムの出力定格電圧の２／３以下の場合にも、前記一斉のパルスオフ操作に伴って、前記交流電動機の一次巻線間に最大「６Ｅ」ボルトの電圧が印加されることがあるので、また第３，第４の制御方法の場合には、単位インバータの直流電圧を下げることができず、この交流電動機の定格電圧（通常、「４Ｅ」ボルト以下）に対応した最大耐電圧を越える恐れがあった。

この発明の目的は、上述の問題点を解消できる多重インバータシステムを提供することにある。

この第１の発明は、１個の二次巻線若しくは複数個の互いに絶縁された二次巻線を有する１台または複数台の変圧器からなる変圧器回路と、該二次巻線それぞれからの入力交流電圧を任意の周波数および電圧の単相交流電圧に変換して出力するそれぞれの単位インバータの出力端を直列Ｎ（Ｎ＞１）段接続してなる各相インバータ３組により形成される三相インバータと、この三相インバータを所望の状態に制御する制御装置とからなる多重インバータシステムにおいて、
前記各相Ｍ（Ｍ＜Ｎ）台の単位インバータを制御することによって、前記多重インバータシステムの負荷に対して、該負荷の定格電圧までこの多重インバータシステムが出力可能なときには、前記制御装置により前記各相インバータを形成するそれぞれの単位インバータのうち、少なくとも１台は零電圧を出力し、残りは所望の周波数および電圧の単相交流電圧を出力する動作状態にし、
この動作状態で前記三相インバータが出力中に、この三相インバータにパルスオフ指令が発せられたときには、先ず、前記所望の電圧を出力中の単位インバータそれぞれを前記制御装置によりパルスオフさせ、このパルスオフ動作から所定の時間経過後、前記零電圧を出力中の単位インバータそれぞれを前記制御装置によりパルスオフさせることを特徴とする。

第２の発明は前記多重インバータシステムにおいて、
前記各相Ｍ（Ｍ＜Ｎ）台の単位インバータを制御することによって、前記多重インバータシステムの負荷に対して、該負荷の定格電圧までこの多重インバータシステムが出力可能なときには、前記制御装置により前記各相インバータを形成するそれぞれの単位インバータのうち、少なくとも１台は零電圧を出力し、残りは所望の周波数および電圧の単相交流電圧を出力する動作状態にし、
この動作状態で前記三相インバータが出力中に、この三相インバータにパルスオフ指令が発せられたときには、先ず、前記所望の電圧を出力中の単位インバータそれぞれを前記制御装置によりパルスオフさせ、このパルスオフ動作後の該三相インバータの出力電流を監視し、この出力電流が所定の値以下になった時点で前記零電圧を出力中の単位インバータそれぞれを前記制御装置によりパルスオフさせることを特徴とする。

第３の発明は前記第１または第２の発明の多重インバータシステムにおいて、
前記零電圧を出力する単位インバータを、前記各相Ｎ台の単位インバータの中から所定の時間ごとに切替えるようにしたことを特徴とする。

さらに、第４の発明は前記第１または第２の発明の多重インバータシステムにおいて、
前記零電圧を出力する単位インバータを、前記各相Ｎ台の単位インバータの中から予め選択しておくようにしたことを特徴とする。

この発明は、通常運転後の単位インバータそれぞれのパルスオフ時に多重インバータシステムの出力端子間に発生する電圧は、主として、この多重インバータシステムの負荷のインダクタンス分と単位インバータのフリーホイールダイオード（ＦＷＤ）動作に基づくものであり、従って、パルスオフから電流が零に減衰するまでの短時間に出力端子間に電圧が発生することに着目してなされたものである。

すなわち、前記多重インバータシステムが前記第３または第４の制御制御方法を用いた通常運転中に、この多重インバータシステムにパルスオフ指令が発せられたときには、先ず、所望の電圧を出力中の単位インバータそれぞれをパルスオフさせ、このパルスオフ動作後に所定の時間経過した時点または前記多重インバータシステムの出力電流が所定の値以下になった時点で零電圧を出力中の単位インバータそれぞれをパルスオフさせることにより、前記負荷の最大耐電圧を超える恐れのある電圧が該負荷に印加されることが解消され、その結果、前記負荷の損傷を防止できる。

この発明の第１の実施例として、図４に示した変圧器回路１０、単位インバータ１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３、制御装置５０による多重インバータシステムの負荷としての交流電動機がその定格電圧が異なった複数台のうちの１台をその都度切換えて使用され、この切換えに伴って接続された交流電動機の定格電圧が前記多重インバータシステムの出力定格電圧の１／３〜２／３の範囲にある場合について、図１に示す制御装置５０の動作フローチャートを参照しつつ、以下に説明をする。

先ず、ステップＳ１１の通常運転の状態として、制御装置５０により、例えば、単位インバータ１１，２１，３１それぞれは零電圧を出力し、単位インバータ１２，１３，２２，２３，３２，３３それぞれはＰＷＭ制御動作により所望の周波数および電圧の単相交流電圧を出力すること、すなわち、先述の第３の制御方法が行われている状態中に、パルスオフ指令が発せられたか否かを監視し（ステップＳ１２）、パルスオフ指令が発せられていないときには（分岐Ｎ）、ステップ１１に戻る。

ステップ１２でパルスオフ指令が発せられたことが検知されたときには（分岐Ｙ）、ステップ１３に移る。

ステップＳ１３では、単位インバータ１１，２１，３１それぞれは零電圧を出力している状態のまま、単位インバータ１２，１３，２２，２３，３２，３３それぞれがパルスオフ状態に移行する。

その結果、この多重インバータシステムの出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗのいずれかの端子間には最大値として「４Ｅ」ボルトの電圧が発生し、この電圧は先述の如く時間の経過とともに減衰する。

すなわち、ステップＳ１４では、ステップＳ１３の処理により発生した電圧が十分に減衰するまでの時間Ｔ１を設定し、この時間が経過するまで待ち（分岐Ｎ）、この時間Ｔ１が経過すると（分岐Ｙ）、ステップＳ１５へ移る。

ステップＳ１５では、零電圧を出力していた単位インバータ１１，２１，３１それぞれをパルスオフ状態に移行させる。

従って、この発明の多重インバータシステムでは、従来の多重インバータシステムにおける単位インバータ１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３それぞれのパルスオフ操作が一斉に行われていたことに起因して発生した電圧「６Ｅ」ボルトを、「４Ｅ」ボルトに抑え込むことができる。すなわち、前記負荷の最大耐電圧を超える恐れのある電圧が該負荷に印加されることが解消され、その結果、前記負荷の損傷を防止できる。

図２は、この発明の第２の実施例を示す多重インバータシステムの回路構成図であり、図４に示した回路構成と異なる点は、制御装置５０に代えて制御装置６０が備えられ、この多重インバータシステムの出力電流を検出する電流検出器６１が追加されている。

図２に示した多重インバータシステムの負荷としての交流電動機がその定格電圧が異なった複数台のうちの１台をその都度切換えて使用され、この切換えに伴って接続された交流電動機の定格電圧が前記多重インバータシステムの出力定格電圧の１／３以下の範囲にある場合について、図３に示す制御装置６０の動作フローチャートを参照しつつ、以下に説明をする。

先ず、ステップＳ２１の通常運転の状態として、制御装置６０により、例えば、単位インバータ１１，１２，２１，２２，３１，３２それぞれは零電圧を出力し、単位インバータ１３，２３，３３それぞれはＰＷＭ制御動作により所望の周波数および電圧の単相交流電圧を出力すること、すなわち、先述の第４の制御方法が行われている状態中に、パルスオフ指令が発せられたか否かを監視し（ステップＳ２２）、パルスオフ指令が発せられていないときには（分岐Ｎ）、ステップ２１に戻る。

ステップ２２でパルスオフ指令が発せられたことが検知されたときには（分岐Ｙ）、ステップ２３に移る。

ステップＳ２３では、単位インバータ１１，１２，２１，２２，３１，３２それぞれは零電圧を出力している状態のまま、単位インバータ１３，２３，３３それぞれがパルスオフ状態に移行する。

その結果、この多重インバータシステムの出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗのいずれかの端子間には最大値として「２Ｅ」ボルトの電圧が発生し、この電圧は先述の如く時間の経過とともに減衰する。

すなわち、ステップＳ２４では、ステップＳ２３の処理により発生した電圧が十分に減衰し、その結果、電流検出器６１の検出値も減少するのを待ち（分岐Ｎ）、この検出値が零あるいは所定の値以下、例えば、定格の１％以下になると（分岐Ｙ）、ステップＳ２５へ移る。

ステップＳ２５では、零電圧を出力していた単位インバータ１１，１２，２１，２２，３１，３２それぞれをパルスオフ状態に移行させる。

従って、この発明の多重インバータシステムでは、従来の多重インバータシステムにおける単位インバータ１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３それぞれのパルスオフ操作が一斉に行われていたことに起因して発生した電圧「６Ｅ」ボルトを、「２Ｅ」ボルトに抑え込むことができる。すなわち、前記負荷の最大耐電圧を超える恐れのある電圧が該負荷に印加されることが解消され、その結果、前記負荷の損傷を防止できる。

さらに、この発明の第１または第２の実施例を用いてなる多重インバータシステムによれば、この多重インバータシステムの負荷としての交流電動機がその定格電圧が異なった複数台のうちの１台を選択し、その都度切換えて使用される用途に対しても１台の多重インバータシステムで対応することができるので、価格，設置面積などの点でも有利である。

なお上述の第１または第２の実施例の説明では、所望の周波数および電圧の単相交流電圧を出力する単位インバータを固定した状態での説明であったが、前記各相３（Ｎ＝３）台の単位インバータの中からその都度任意に選択できるようにし、この選択動作を所定の時間ごとに繰り返すようにすることにより、各単位インバータの熱損失を平均化でき、その結果、各単位インバータの温度上昇値を均一化することができる。

この発明の第１の実施例を示す動作フローチャート この発明の第２の実施例を示す多重インバータシステムの回路構成図 図２の動作を説明するフローチャート 多重インバータシステムの回路構成図 単位インバータの回路構成図

符号の説明

１０…変圧器回路、１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３…単位インバータ、４０，５０，６０…制御装置、６１…電流検出器。

Claims (4)

1. １個の二次巻線若しくは複数個の互いに絶縁された二次巻線を有する１台または複数台の変圧器からなる変圧器回路と、該二次巻線それぞれからの入力交流電圧を任意の周波数および電圧の単相交流電圧に変換して出力するそれぞれの単位インバータの出力端を直列Ｎ（Ｎ＞１）段接続してなる各相インバータ３組により形成される三相インバータと、この三相インバータを所望の状態に制御する制御装置とからなる多重インバータシステムにおいて、
   前記各相Ｍ（Ｍ＜Ｎ）台の単位インバータを制御することによって、前記多重インバータシステムの負荷に対して、該負荷の定格電圧までこの多重インバータシステムが出力可能なときには、
   前記制御装置により前記各相インバータを形成するそれぞれの単位インバータのうち、少なくとも１台は零電圧を出力し、残りは所望の周波数および電圧の単相交流電圧を出力する動作状態にし、
   この動作状態で前記三相インバータが出力中に、この三相インバータにパルスオフ指令が発せられたときには、
   先ず、前記所望の電圧を出力中の単位インバータそれぞれを前記制御装置によりパルスオフさせ、このパルスオフ動作から所定の時間経過後、前記零電圧を出力中の単位インバータそれぞれを前記制御装置によりパルスオフさせることを特徴とする多重インバータシステム。
2. １個の二次巻線若しくは複数個の互いに絶縁された二次巻線を有する１台または複数台の変圧器からなる変圧器回路と、該二次巻線それぞれからの入力交流電圧を任意の周波数および電圧の単相交流電圧に変換して出力するそれぞれの単位インバータの出力端を直列Ｎ（Ｎ＞１）段接続してなる各相インバータ３組により形成される三相インバータと、この三相インバータを所望の状態に制御する制御装置とからなる多重インバータシステムにおいて、
   前記各相Ｍ（Ｍ＜Ｎ）台の単位インバータを制御することによって、前記多重インバータシステムの負荷に対して、該負荷の定格電圧までこの多重インバータシステムが出力可能なときには、
   前記制御装置により前記各相インバータを形成するそれぞれの単位インバータのうち、少なくとも１台は零電圧を出力し、残りは所望の周波数および電圧の単相交流電圧を出力する動作状態にし、
   この動作状態で前記三相インバータが出力中に、この三相インバータにパルスオフ指令が発せられたときには、
   先ず、前記所望の電圧を出力中の単位インバータそれぞれを前記制御装置によりパルスオフさせ、このパルスオフ動作後の該三相インバータの出力電流を監視し、この出力電流が所定の値以下になった時点で前記零電圧を出力中の単位インバータそれぞれを前記制御装置によりパルスオフさせることを特徴とする多重インバータシステム。
3. 請求項１または２に記載の多重インバータシステムにおいて、
   前記零電圧を出力する単位インバータを、前記各相Ｎ台の単位インバータの中から所定の時間ごとに切替えるようにしたことを特徴とする多重インバータシステム。
4. 請求項１または２に記載の多重インバータシステムにおいて、
   前記零電圧を出力する単位インバータを、前記各相Ｎ台の単位インバータの中から予め選択しておくようにしたことを特徴とする多重インバータシステム。

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