JP2011055613A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のインバータを相間リアクトルで並列接続した電力変換装置において、装置をコストアップおよび大型化させることなく、インバータを１台で単独運転した時の相間リアクトルによる電圧降下を抑制し所望の電圧を出力する。
【解決手段】複数台のインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２各相の出力端が、それぞれ同一相同士で相間リアクトルにより接続された電力変換装置に、各インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２と相間リアクトルＬとを切り離す第１スイッチＳＷ１，ＳＷ２と、相間リアクトルＬの全入力端子間を短絡する第２スイッチＳＷ５と、を設ける。そして、インバータ１台（ＩＮＶ１）での単独運転時に、第１スイッチＳＷ２を開放して運転していないインバータＩＮＶ２を切り離すとともに、第２スイッチＳＷ５を投入して相間リアクトルＬの入力端子Ｌ１，Ｌ２間を短絡し、相間リアクトルＬにおけるインダクタンス成分を低減させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＷＭ変調方式を用いたインバータに係り、とくに、容量を増大するために２台以上の複数台のインバータを相間リアクトルで接続した電力変換装置に関する。

複数台のインバータを相間リアクトルで接続し、出力容量を増大する技術が従来から知られている（特許文献１，２）。

図８は、２台のインバータを相間リアクトルで接続した電力変換装置の一例を示す構成図である。実際に３相交流を出力する場合には、インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２はスイッチング素子をブリッジ接続した６アーム構成とすることが多いが、図８では簡素化した１つのブロックで表し、インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２の出力側も３相交流配線を単線図で表している。以下、本明細書では同様に図示する。直流電源１は２台のインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２に直流電力を供給しており、各インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２ではそれぞれＰＷＭ変調方式等を用いて交流電力に変換し、交流電圧を出力する。

２台のインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２の出力側は、相間リアクトルＬの入力端子Ｌ１，Ｌ２にそれぞれ接続され、相間リアクトルＬの出力端子Ｌ０には負荷２が接続されている。この構成は、２台のインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２から出力される電流が同一であれば、２つの電流成分により相間リアクトルＬに発生する鎖交磁束が互いに打ち消し合うため、インダクタンス成分が等価的にゼロとなる。つまり、インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２からの入力電流が同一であれば相間リアクトルＬにおいて電圧降下が生じないことが特徴である。

また、複数台のインバータを接続する相間リアクトルには、通常２入力１出力のものが使用されるが、２台以上の複数のインバータを相間リアクトルで接続し、出力容量をさらに増大させたインバータ装置が知られている（特許文献３）。

特開平０３−４９５６０号公報（第１図） 特開平０５−３０６６１号公報（段落［００２６］〜段落［００３４］，第１図） 特開平０９−３３１６８２号公報（段落［００２１］〜段落［００５９］，第１図〜第３図）

上記のような電力変換装置においては、複数台のインバータ（インバータＩＮＶ，ＩＮＶ２）を並列運転することにより出力容量を増大することができるが、さらにインバータ１台での単独運転を可能とすることが要求される。

例えば、出力容量増大のために２台のインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２を相間リアクトルＬで接続した電力変換装置（図９）において、１台のインバータＩＮＶ２が故障等により使用できない時には、電力変換装置の出力容量が低下した状態でも良いから、緊急対策としてもう1台のインバータＩＮＶ１のみで負荷２を稼動させたい場合がある。これは、負荷２の能力が低下した状態でも生産を継続したい場合等に要望されている。

このような場合には、故障した一方のインバータＩＮＶ２を相間リアクトルＬから切り離し、正常なインバータＩＮＶ１のみで運転することになる。そこで、通常、電力変換装置には、図９に示すようにインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２と相間リアクトルＬとの間にスイッチＳＷ１，ＳＷ２が設けられ、故障したインバータを相間リアクトルＬから切り離しできるように構成すればよい。

しかし、スイッチＳＷ１を投入，スイッチＳＷ２を開放とした場合には、相間リアクトルＬの入力端子Ｌ１側の巻線（以下、第１巻線と称する）にのみ電流が流れるため、相間リアクトルＬはインダクタンス成分を有することになる。その結果、このインダクタンス成分に起因する電圧降下によって、所望の出力電圧を負荷２に供給することができなくなる。

そこで、図９に示すように、相間リアクトルＬを短絡するスイッチＳＷ３，Ｓ４を設け、相間リアクトルＬの入出力間を短絡することにより電圧降下を抑制する等の対策が必要になる。インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２のどちらも運転側や停止側になる可能性があるため、相間リアクトルＬを短絡するスイッチＳＷ３，ＳＷ４は、入力端子Ｌ１側の第１巻線，入力端子Ｌ２側の巻線（以下、第２巻線と称する）の両方にそれぞれ設けなくてはならない。なお、運転する側のスイッチ（インバータＩＮＶ１を運転させる場合スイッチＳＷ３）のみを投入しても、スイッチＳＷ３，ＳＷ４を両方とも投入しても、相間リアクトルＬによる電圧降下を抑制することができる。

しかしながら、上記のような構成の場合、相間リアクトルＬによる電圧降下を抑制するためには、相間リアクトルＬの入出力間を短絡するスイッチが２点（スイッチＳＷ３，ＳＷ４）必要なため、部品コストによりコストアップに繋がるとともに、部品スペースにより装置が大型化してしまう。

以上示したようなことから、複数のインバータを相間リアクトルで並列接続した電力変換装置において、装置のコストアップおよび大型化を抑制して、インバータを１台で単独運転した時の相間リアクトルによる電圧降下を低減し、所望の電圧を出力することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み案出されたもので、少ないスイッチ数で相間リアクトルのインダクタンスを低減することにより、課題を解決している。

具体的に、本発明の電力変換装置は、複数台のインバータ各相の出力端が、それぞれ同一相同士で相間リアクトルにより接続され、その相間リアクトルの巻線中間点から各相出力電圧が得られる電力変換装置であって、各インバータと相間リアクトルとを切り離す第１スイッチと、相間リアクトルの全入力端子間を短絡する第２スイッチと、を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る電力変換装置の別の態様は、複数台のインバータ各相の出力端が、それぞれ同一相同士で相間リアクトルにより接続され、その相間リアクトルの巻線中間点から各相出力電圧が得られる電力変換装置であって、各インバータと相間リアクトルとを切り離す第１スイッチと、相間リアクトルから発生する磁束と鎖交する巻線と、この巻線の両端子間を短絡する第３スイッチと、を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る電力変換装置の別の態様は、複数台のインバータ各相の出力端が、それぞれ同一相同士で相間リアクトルにより接続され、その相間リアクトルの巻線中間点から各相出力電圧が得られる電力変換装置であって、各インバータと相間リアクトルとを切り離す第１スイッチと、相間リアクトルの１つの入力端子と出力端子間を短絡する第４スイッチを備えたことを特徴とする。

以上の説明で明らかなように、本発明によれば、短絡機能を有するスイッチを１回路または短絡機能を有するスイッチと巻線を一回路のみ追加するだけで、インバータを１台で単独運転した時の相間リアクトルにおけるインダクタンスを低減させることができ、相間リアクトルによる電圧降下を抑制し、所望の電圧を出力することが可能となる。その結果、従来のように入力端子Ｌ１側，入力端子Ｌ２側の両方に相間リアクトルＬの入出力間を短絡するスイッチを設けた場合と比較して、装置が大型化することや、コストアップとなることを抑制することができる。

実施形態１の電力変換装置の一例を示す構成図。 実施形態２の電力変換装置の一例を示す構成図。 相間リアクトルＬの等価回路。 相間リアクトルＬと第３巻線Ｌ´との等価回路。 相間リアクトルＬの第１巻線と第３巻線Ｌ´とをトランスとみなした場合の等価回路。 図５の等価回路において定常交流成分のみを想定した等価回路。 実施形態３の電力変換装置の一例を示す構成図。 ２台のインバータを相間リアクトルＬで接続した電力変換装置の一例を示す構成図。 インバータ１台での単独運転可能な電力変換装置の一例を示す構成図。

［実施形態１］
本実施形態１の電力変換装置の構成図を図１に示す。図８，図９と同様の構成の部分には同一符号を付して説明を省略する。符号１は直流電源を示し、通常この直流電源１には、商用電源等を整流し電解コンデンサ等を用いて平滑する直流電源回路等を使用することが多いが、本発明はこの部分に直接関係ないため直流電源１として簡素化して示す。この直流電源１は、２台のインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２に直流電力を供給しており、各インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２においてＰＷＭ変調方式等により交流電力に変換される。

また、符号ＳＷ１，ＳＷ２は、図９と同様にインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２と相間リアクトルＬとを切り離すためのスイッチ（以下、第１スイッチと称する）を示す。なお、実際の回路の場合には、インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２の直流電源１側にもスイッチを設けて切り離し可能としたほうが良いが、本発明には直接関係ないため省略する。

本実施形態１の電力変換装置は、インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２の切り離し用の第１スイッチＳＷ１，ＳＷ２の他に、相間リアクトルＬの入力端子Ｌ１，Ｌ２間を短絡するスイッチ（以下、第２スイッチＳＷ５と称する）が設けられる。そして、一方のインバータ（例えば、ＩＮＶ２）が故障等により使用できず、もう一方のインバータ（例えば、ＩＮＶ１）のみで負荷２を運転させる時には、第１スイッチＳＷ２を開放し、第２スイッチＳＷ５および第１スイッチＳＷ１を投入する。この第２スイッチＳＷ５を投入することにより、相間リアクトルＬの入力端子Ｌ１，Ｌ２間が短絡される。

このように、相間リアクトルＬの入力端子Ｌ１，Ｌ２間を短絡すると、相間リアクトルＬの２つの巻線（第１巻線と第２巻線）が並列に接続された回路となり、インバータ（例えば、ＩＮＶ１）から電流が出力されると、その分割された巻線にそれぞれ電流が流れる。その際、鎖交磁束が大きい方の巻線は、電圧降下が大きくなって電流が流れにくくなり、電圧降下が等しくなるように電流がバランスする。その結果、相間リアクトルＬの入力端子Ｌ１，Ｌ２への入力電流が等しくなり、鎖交磁束が相殺される。よって、インダクタンス成分が等価的にゼロとして動作し、相間リアクトルＬによる電圧降下を抑制することができる。

以上示したように、電力変換装置に相間リアクトルＬの入力端子Ｌ１，Ｌ２間を短絡する第２スイッチＳＷ５を設け、インバータを１台で単独運転した時にその第２スイッチＳＷ５を投入することにより、相間リアクトルＬのインダクタンスを低減して、相間リアクトルＬによる電圧降下を抑制し、所望の電圧を出力することが可能となる。

そのため、従来の回路にスイッチを１回路追加するだけで、インバータを１台で単独運転した時の相間リアクトルＬによる電圧降下を抑制することができる。その結果、従来のように入力端子Ｌ１側，入力端子Ｌ２側の両方に相間リアクトルＬを短絡するスイッチを設けた場合と比較して、装置が大型化することや、コストアップとなることを抑制することができる。

［実施形態２］
本実施形態２の電力変換装置の構成図を図２に示す。本実施形態２と実施形態１との相違点は、相間リアクトルＬの入力端子Ｌ１，Ｌ２間を短絡する第２スイッチＳＷ５の代わりに、相間リアクトルＬから発生する磁束と鎖交する巻線（例えば、相間リアクトルＬと共通の鉄心に設けられた巻線（以下、第３巻線と称する））Ｌ´と、その第３巻線Ｌ´の両端子間を短絡するスイッチ（以下、第３スイッチＳＷ６と称する）を設けた点である。

本実施形態２のように第３巻線Ｌ´と第３スイッチＳＷ６を追加した場合には、回路の動作が少し複雑になる。そこで、本実施形態２の動作原理を説明するために、変圧器のＴ型等価回路を使って説明する。

実施形態１で述べたように、相間リアクトルＬは２つの巻線を有していることから、トランスの一種であるとみなすことができる。そのため、相間リアクトルＬは、定常交流成分でみると、図３のような等価回路で表すことができる。図３の等価回路に示すように、相間リアクトルＬは、入力端子Ｌ１側の第１巻線における漏れインダクタンスｌ１，入力端子Ｌ２側の第２巻線における漏れインダクタンスｌ２，２つの巻線における相互（励磁）インダクタンスＭにより構成される。なお、厳密には相間リアクトルＬには抵抗成分が存在するが、ここでは無視する。また、通常、相間リアクトルＬは第１巻線，第２巻線における漏れインダクタンスｌ１，ｌ２が相互インダクタンスＭより大幅に小さくなるように設計される。

ここで、相間リアクトルＬに対して、その相間リアクトルＬから発生する磁束と鎖交する第３巻線Ｌ´を設けた回路について説明する。相間リアクトルＬと第３の巻線Ｌ´は、図４に示す等価回路で表すことができる。図４に示すように、図３の等価回路に対して、第３巻線Ｌ´における漏れインダクタンスｌ３と結合インダクタンスＭが追加される。

そして、インバータＩＮＶ２が故障し切り離されていると仮定して、入力端子Ｌ２側の第２巻線を無視し、相間リアクトルＬの第１巻線と第３巻線Ｌ´によるトランスを想定する。図５に、相間リアクトルＬの第１巻線と第３巻線Ｌ´をトランスと見なした場合の等価回路を示す。そして、図５に示すように、第３巻線Ｌ´側にはこのトランスの端子Ｌ３，Ｌ３０間を短絡する第３スイッチＳＷ６が設けられる。

この等価回路において、相間リアクトルＬの入力端子Ｌ１，出力端子Ｌ０間に電流が流れると、相互インダクタンスＭに発生する鎖交磁束Φの変化により第３巻線Ｌ´（第３スイッチＳＷ６の短絡回路）側に電圧が発生する。そして、第３スイッチＳＷ６の短絡回路のインピーダンス成分は、漏れインダクタンスｌ３だけであり小さいため、小さい電圧で大電流が流れる。このように短絡回路に電流が発生することにより、磁束Φは大きな磁束になることができず、相間リアクトルＬの第１巻線に鎖交する磁束Φの大きさが大きくならないため、相互インダクタンスＭが存在しないように動作する。すなわち、第３巻線Ｌ´を短絡すれば、相間リアクトルＬの第１巻線も短絡したような効果が得られる。

同じことをもっと分かり易くするため、図５の等価回路における定常電流成分のみを想定したＴ型等価回路（図６）を用いて本実施形態２の電力変換装置を説明する。

図６の等価回路では、第３スイッチＳＷ６を投入して、第３巻線Ｌ´の端子Ｌ３，Ｌ３０間を短絡すると、入力端子Ｌ１から出力端子Ｌ０に流れる電流は、相互インダクタンスＭの経路よりもインピーダンスの小さい矢印Ａの経路が支配的になる。つまり、入力端子Ｌ１と出力端子Ｌ０間のインダクタンスは、ほぼ漏れインダクタンスｌ１＋ｌ３にまで減少する。また、相互インダクタンスＭの鎖交磁束Φはほとんど発生しない。これにより、相間リアクトルＬ部分の電圧降下を大幅に抑制することができる。この第３巻線Ｌ´の短絡の効果は、巻線の極性は異なるが第１スイッチＳＷ１を開放してインバータＩＮＶ１を相間リアクトルＬから切り離し、インバータＩＮＶ２から相間リアクトルＬに電流を流した場合についても同様である。

以上示したように、本実施形態２のように電力変換装置を構成し、インバータを１台で単独運転した時に第３スイッチＳＷ６を投入することにより、相間リアクトルＬのインダクタンスを低減して、相間リアクトルＬによる電圧降下を抑制し、所望の電圧を出力することができる。

そのため、従来の回路に巻線とスイッチを１回路追加するだけでインバータを１台で単独運転した時の相間リアクトルによる電圧降下を抑制させることができる。その結果、従来のように入力端子Ｌ１側，入力端子Ｌ２側の両方に相間リアクトルＬを短絡するスイッチを設けた場合と比較して、装置が大型化することや、コストアップとなることを抑制することができる。

［実施形態３］
本実施形態３のインバータ装置の構成を図７に示す。本実施形態３と実施形態２との相違点は、第３巻線Ｌ´と第３スイッチＳＷ６の代わりに、入力端子Ｌ１と出力端子Ｌ０とを短絡するスイッチ（以下、第４スイッチＳＷ７と称する）を設けた点である。

本実施形態３は、実施形態２の原理をさらに応用して、実施形態２における第３巻線Ｌ´を既存の相間リアクトルＬの第１巻線で代用するものである。第３巻線Ｌ´を追加しなくとも相間リアクトルＬの片側の巻線を短絡することにより、短絡した側の巻線についてはインダクタンス成分がゼロとなり、もう一方の短絡されていない側の巻線についてはインダクタンス成分が漏れインダクタンスｌ２の２倍となる。

このような構成において、インバータＩＮＶ２が故障等により使用できず、インバータＩＮＶ１のみで負荷２を稼動させる場合には、第４スイッチＳＷ７を短絡することにより、従来技術と同様にインバータＩＮＶ１から出力された電流は第４スイッチＳＷ７を介して負荷２に出力されるため、相間リアクトルＬでの電圧降下を抑制することができる。

一方、インバータＩＮＶ１が故障等により使用できず、インバータＩＮＶ２のみで負荷２を稼動させる場合でも、第４スイッチＳＷ７を投入することにより、実施形態２と同様に、相間リアクトルＬの第２巻線に電流が流れると第１巻線に発生する磁束Φにより電圧が発生し、第１巻線と第４スイッチＳＷ７の短絡回路に大きな電流が流れる。このように短絡回路に大きな電流が流れることにより、相間リアクトルＬの第１巻線，第２巻線における磁束Φは大きくならないため相互インダクタンスＭが存在しないように動作する。すなわち、相間リアクトルＬの第１巻線を短絡すれば相間リアクトルＬの第２巻線も短絡したような効果が得られる。その結果、相間リアクトルＬを、第１巻線，第２巻線における漏れインダクタンスｌ１，ｌ２が小さくなるように設計すれば、相間リアクトルＬでの電圧降下を抑制することができる。

また、相間リアクトルＬの入力端子Ｌ１側の第１巻線ではなく、相間リアクトルＬの入力端子Ｌ２側の巻線を短絡しても同様の効果が得られる。

以上示したように、本実施形態３のように電力変換装置を構成し、インバータを1台で単独運転した時に第４スイッチＳＷ７を投入することにより、相間リアクトルＬのインダクタンスを低減して、相間リアクトルＬによる電圧降下を抑制し、所望の電圧を出力することができる。

そのため、従来の回路にスイッチを１回路追加するだけでインバータを１台で単独運転した時の相間リアクトルによる電圧降下を抑制させることができる。その結果、従来のように入力端子Ｌ１側，入力端子Ｌ２側の両方に相間リアクトルＬを短絡するスイッチを設けた場合と比較して、装置が大型化することや、コストアップとなることを抑制することができる。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

例えば、スイッチＳＷ１〜ＳＷ７には、遠隔操作可能な電磁接触器や手動によるナイフスイッチ，および端子台を短絡する配線等の様々な方法で構成できることは自明である。

ＩＮＶ１，ＩＮＶ２…インバータ
Ｌ…相間リアクトル
Ｌ０…相間リアクトルの出力端子
Ｌ１，Ｌ２…相間リアクトルの入力端子
Ｌ´…第３巻線
ＳＷ１，ＳＷ２…第１スイッチ
ＳＷ５…第２スイッチ
ＳＷ６…第３スイッチ
ＳＷ７…第４スイッチ

Claims (3)

1. 複数台のインバータ各相の出力端が、それぞれ同一相同士で相間リアクトルにより接続され、その相間リアクトルの巻線中間点から各相出力電圧が得られる電力変換装置であって、
   各インバータと相間リアクトルとを切り離す第１スイッチと、
   相間リアクトルの全入力端子間を短絡する第２スイッチと、を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 複数台のインバータ各相の出力端が、それぞれ同一相同士で相間リアクトルにより接続され、その相間リアクトルの巻線中間点から各相出力電圧が得られる電力変換装置であって、
   各インバータと相間リアクトルとを切り離す第１スイッチと、
   相間リアクトルから発生する磁束と鎖交する巻線と、
   この巻線の両端子間を短絡する第３スイッチと、を備えたことを特徴とする電力変換装置。
3. 複数台のインバータ各相の出力端が、それぞれ同一相同士で相間リアクトルにより接続され、その相間リアクトルの巻線中間点から各相出力電圧が得られる電力変換装置であって、
   各インバータと相間リアクトルとを切り離す第１スイッチと、
   相間リアクトルの１つの入力端子と出力端子間を短絡する第４スイッチを備えたことを特徴とする電力変換装置。

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