JP2011244557A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力回生機能を持たない多重インバータからなる電力変換装置において、交流電動機の高速回転時、低速回転時の何れの場合にも、交流電動機を減速させるための所定の制動トルクを発生させる。また、省エネルギー化及びコストの低減を可能にする。
【解決手段】本発明は、多巻線変圧器４と、単相インバータユニットを複数台直列に接続して構成され、かつ電力回生機能を持たない多重インバータ１〜３と、を備え、これらの多重インバータ１〜３により交流電動機５を駆動する電力変換装置に関する。交流電動機５の入力側に、降圧変圧器７を介して、スイッチ６１と、交流電動機５による発電電力を消費させるための抵抗器６２と、からなる電力消費回路６を接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、多重インバータからなる電力変換装置に関する。特に本発明は、電力回生機能を持たない単相インバータユニットを複数台、直列に接続してなる多重インバータによって交流電動機を駆動する場合に、交流電動機の停止または減速を電気的に補助する機能を備えた電力変換装置に関するものである。

定格電圧が３．３［ｋＶ］や６．６［ｋＶ］等の多相交流電動機を可変速駆動する高圧大容量の電力変換装置として、複数台の単相インバータユニットの出力側を直列に接続して一相分の多重インバータを構成し、この多重インバータを相数分用いて多相交流電動機を駆動するものが知られている。

図１３は、この種の電力変換装置の構成図である。
図１３において、１，２，３は多重インバータであり、それぞれ、単相インバータユニット１１，１２、単相インバータユニット２１，２２、単相インバータユニット３１，３２によって構成されている。例えば、多重インバータ１は、二つの単相インバータユニット１１，１２の各一端を直列に接続すると共に、一方の単相インバータユニット１１の出力側の他端を負荷装置としての三相交流電動機５に接続し、かつ、他方の単相インバータユニット１２の出力側の他端を共通接続点（多重インバータの中性点）Ｎ０に接続して構成される。上述した単相インバータユニット１１，１２の接続状態は、他の多重インバータ２，３における単相インバータユニット２１，２２及び３１，３２についても同様である。
なお、多重インバータ１〜３の構成はあくまで一例を示したものであり、１台の多重インバータが３台以上の単相インバータユニットを直接に接続して構成される場合もある。

ここで、多重インバータ内で複数台の単相インバータユニットを直列接続するためには、個々の単相インバータユニットの入力側を電気的に絶縁する必要がある。このため、単相インバータユニット１１，１２，２１，２２，３１，３２の入力側は、多巻線変圧器４の二次巻線４ｂにそれぞれ接続されている。なお、多巻線変圧器４の一次巻線４ａは、図示されていない三相交流電源（系統電源）に接続されており、複数の二次巻線４ｂから単相の電源電圧を生成するものである。

図１４は、例えば図１３における単相インバータユニット１１の構成例を示している。なお、他の単相インバータユニット１２，２１，２２，３１，３２の構成も同一である。
単相インバータユニット１１は、三相交流電力を直流電力に変換するダイオード整流器１０１と、直流電力を単相交流電力に変換するＩＧＢＴインバータ１０２と、直流中間回路に接続されて直流電圧を平滑するコンデンサ１０３とから構成されている。
図１４に示す単相インバータユニット１１は、交流−直流変換用にダイオード整流器１０１を用いているため、直流中間回路からダイオード整流器１０１の系統電源側（多巻線変圧器４の二次巻線４ｂ側）に電力回生することはできない。従って、仮にＩＧＢＴインバータ１０２が単相交流側から直流中間回路側に電力回生するならば、直流中間回路の電圧が異常に上昇し、最悪の場合には、単相インバータユニット１１が過電圧により破壊されることになる。

一般に、交流電動機を電気的な手段により急速に減速させようとするとき、交流電動機を発電機動作させて電力回生することが行われる。しかし、前述したように、単相インバータユニットにダイオード整流器を使用している場合には、単相インバータユニットを介して系統電源側に電力回生することはできない。
このように電力回生ができない場合には、交流電動機の減速に非常に長い時間を必要とするので、所望の加減速特性が得られないという問題が生じる。
そこで、特許文献１に開示されるモジュラー型多相可調節電源では、単相インバータユニット内のダイオード整流器に代えて電力回生が可能なＩＧＢＴを使用した電力変換器を使用することにより、系統電源に電力を回生可能としている。

一方、負荷トルクによってある程度の減速効果が得られる用途では、補助的な電力回生機能、または制動抵抗による電力消費機能を付加するだけで十分な場合もある。このような機能を備えた電力変換装置としては、特許文献２〜特許文献５に記載された従来技術が知られている。

すなわち、特許文献２に示されるインバータ装置では、多重インバータに直列に三相インバータを接続し、この三相インバータ内に直流電圧検出回路及び放電回路を設けている。そして、このインバータ装置は、電力回生時における直流電圧の上昇を直流電圧検出回路により検出し、回生電力を放電回路内の抵抗によって消費させている。
また、特許文献３には、特定の単相インバータユニットや、多重インバータに直列に接続された三相インバータに回生電力の消費機能を持たせた多重電力変換装置が示されている。

特許文献４には、多重電力変換器の中性点と誘導電動機の中性点との間に抵抗を接続し、多重電力変換器の出力電圧零相成分を制御することにより、回生電力を前記抵抗によって消費させる技術が記載されている。また、この特許文献４には、中性点の取り出しが困難な場合に、誘導電動機の入力側に接続した降圧変圧器から中性点を取り出すことも開示されている。
更に特許文献４には、前記抵抗に代えて回生電力変換器を接続し、この回生電力変換器により、電力を系統電源側へ回生する技術も開示されている。

また、特許文献５には、図１５に示す電力変換装置が開示されている。図１５において、図１３と同一の構成部品には同一の番号を付してある。
図１５において、多重インバータ１，２，３の出力側に接続された交流電動機５の入力端子５ｕ，５ｖ，５ｗには、スイッチ６１及び抵抗器６２からなる電力消費回路６が接続されている。上記スイッチ６１をオンすることにより、入力端子５ｕ，５ｖ，５ｗにはスター結線された抵抗器６２の各一端がそれぞれ接続される。このスイッチ６１は通常はオフしており、交流電動機５を減速する場合（制動トルクを発生させる場合）にオンするものである。

すなわち、スイッチ６１がオンすると、その入力端子間に電圧が生じていれば、抵抗器６２に電流が流れて電力が消費される。この消費電力は、多重インバータ１〜３だけから、または交流電動機５だけから供給することができると共に、多重インバータ１〜３及び交流電動機５の両方から供給することも可能である。次に、これらの各ケースについて具体的に説明する。

抵抗器６２により所定の電力が消費されるケースには、上述した三つのケースがある。
ケース１は、交流電動機５が無負荷運転しているケースであり、この場合には、抵抗器６２による消費電力がすべて多重インバータ１〜３から供給される。ケース２は、交流電動機５が発電機動作して抵抗器６２の消費電力と等しい電力を出力しているケースであり、この場合には、抵抗器６２による消費電力がすべて交流電動機５から供給される。ケース３は、交流電動機５による発電電力が抵抗器６２による消費電力より少ないケースであり、この場合には、抵抗器６２による消費電力が多重インバータ１〜３及び交流電動機５の両方から供給される。
上記ケース２，ケース３の場合、交流電動機５は自身の発電電力によって減速する。従って、スイッチ６１をオンして抵抗器６２にて電力を消費することにより、交流電動機５の発電電力がケース２，ケース３の条件を満たす減速レートであれば、多重インバータ１〜３側に電力を回生せずに交流電動機５を減速することができる。つまりこの場合は、前述したような単相インバータユニットの過電圧破壊を生じることはない。

この従来技術では、上記ケース２が、多重インバータ１〜３に電力回生することなく最も大きな制動トルクを発生させる条件となる。すなわち、抵抗器６２による消費電力がすべて交流電動機５の発電電力によって賄われる場合に、最も大きな制動トルクを得ることができる。
通常、抵抗器６２の消費電力は電圧の２乗に比例する。一方、交流電動機５の磁束を一定に保つためには、交流電動機５の端子電圧Ｖと周波数ｆとをほぼ比例させる必要があり、よく知られているＶ／ｆ一定制御が一般的に利用されている。従って、このＶ／ｆ一定制御を前提にすると、抵抗器６２による消費電力は周波数ｆの２乗に比例する。これらのことから、周波数ｆと回転速度とがほぼ比例する交流電動機では、図１６の実線で示すように、抵抗器６２による消費電力は回転速度の２乗にほぼ比例する。
一方、制動トルクの上限は消費電力を電動機の回転角速度により除算して求めることができるから、その特性は、図１６の破線に示すように速度に比例することになる。

特開２００１−１０３７６６号公報（段落［００１８］〜［００２６］、図１、図２等） 特開２０００−５０６４３号公報（段落［００３１］〜［００３５］、図７等） 特開２００１−２３８４５５号公報（段落［０００６］〜［０００９］、図１、図４等） 特開２００５−３３９０３号公報（段落［０００９］〜［００２２］、図１，図４，図５等） 特開２０００−５０６３６号公報（段落［００５２］〜［００５７］、図８等）

特許文献１に係る従来技術によれば、交流電動機を急減速することは可能である。しかし、電動機を減速させるための制動トルクとして必ずしも大トルクを要求されない用途では、過剰仕様となって装置が大形化・高コスト化する。
特許文献２，特許文献３に係る従来技術では、高速時に交流電動機の磁束を大きく弱めるために、制御の安定性が悪くなる。
特許文献４に係る従来技術では、中性点を引き出せない交流電動機には適用不可能である。また、降圧変圧器を使用して等価的な中性点を生成する場合には、この降圧変圧器に零相電流が流れるため、降圧トランスが大容量化する。
また、特許文献２〜特許文献４に係る従来技術には、交流電動機の高速回転時における制動トルクが小さいという共通の欠点もある。

図１５，図１６に示した特許文献５に係る従来技術では、図１６から明らかなように、交流電動機の高速回転時に大きな制動トルクを得ることができるが、低速回転時には制動トルクが小さくなる。
例えば、交流電動機の定格速度において定格の１０％の制動トルクを得ようとする場合には、図１５の抵抗器６２に流れる電流は定格電流の１０％となる。この場合、電力消費回路６内のスイッチ６１としては、機械的なスイッチやＧＴＯ，ＩＧＢＴ等の半導体スイッチを使用可能であるが、高圧・小電流の特殊仕様が要求されるため、高コスト化の原因となる。

そこで、本発明の目的は、電力回生機能を持たない多重インバータからなる電力変換装置において、交流電動機の高速回転時、低速回転時の何れの場合にも、交流電動機を減速させるための所定の制動トルクを発生させることにある。
また、本発明の他の目的は、省エネルギー化及びコストの低減を可能にした電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、系統電源から複数の電源電圧を生成する多巻線変圧器と、前記電源電圧から単相電圧を生成する単相インバータユニットを複数台直列に接続して構成され、かつ電力回生機能を持たない複数台の多重インバータと、を備え、これらの多重インバータにより交流電動機を駆動する電力変換装置を前提としている。そして、請求項１に係る発明は、交流電動機の入力側に、降圧変圧器を介して、スイッチと、このスイッチに直列に接続されて交流電動機による発電電力を消費させるための抵抗器と、からなる電力消費回路を接続したことを特徴としている。

また、請求項２に係る発明は、交流電動機の入力側に、請求項１と同様にスイッチと抵抗器とからなる電力消費回路を接続し、この電力消費回路の中性点と多重インバータの中性点とを接続したものである。

請求項３に係る発明は、交流電動機の入力側に、第１のスイッチと抵抗器とからなる電力消費回路を接続し、この電力消費回路の中性点と多重インバータの中性点とを、第２のスイッチを介して接続したものである。

請求項４に係る発明は、交流電動機と系統電源との間に、降圧変圧器を介して電力回生装置を接続したものである。

請求項５に係る発明は、多重インバータと交流電動機との間に、スイッチとこのスイッチに並列に接続された抵抗器とからなる電力消費回路を接続したものである。

なお、請求項６〜９に記載するように、上述した電力消費回路または電力回生装置を複数組み合わせて用いても良い。
また、本発明の電力消費回路におけるスイッチは、請求項１０に記載するように、ダイオード整流器と機械的スイッチまたは電力用半導体スイッチとを組み合わせて構成しても良い。

請求項１に係る発明によれば、交流電動機の発電動作時に、電力消費回路内のスイッチには降圧変圧器から低電圧が印加されるため、スイッチを高圧・小電流の特殊仕様とする必要がなく、電力消費回路として標準的な電圧・電流仕様の安価な回路を使用することができる。
請求項２に係る発明によれば、電力消費回路の中性点と多重インバータの中性点とを含む経路に零相電流が流れるので、電力消費回路による消費電力（零相電力）に相当する分だけ交流電動機の発電電力を増加させることができる。これにより、交流電動機の低速回転時を含む全速度範囲にわたって交流電動機を減速させる制動トルクを発生させることができる。

請求項３に係る発明によれば、交流電動機５の低速回転時に第１，第２のスイッチをオンすることにより、電力消費回路の中性点と多重インバータの中性点とを含む経路に零相電流を流して大きな制動トルクを得ることができる。
請求項４に係る発明によれば、請求項１の電力消費回路に代わる電力回生装置によって系統電源に電力を回生することができるため、省エネルギー性の高い電力変換装置を提供することができる。

請求項５に係る発明によれば、特に交流電動機の低速回転時に、電力消費回路により交流電動機の発電電力を消費させて交流電動機を減速させる制動トルクを発生させることができる。
請求項６〜９に係る発明によれば、交流電動機の全速度範囲にわたり、多重インバータを介して電力回生することなく交流電動機を減速させる制動トルクを発生させることができる。
また、請求項１０に係る発明によれば、電力消費回路内の電力用半導体スイッチをＰＷＭ（パルス幅変調）制御することにより、消費電力を制御することが可能である。

本発明の第１実施形態の構成図である。 本発明の第２実施形態の構成図である。 図２において、交流電動機の回転速度と、消費電力及び制動トルク上限値との関係を示す図である。 本発明の第３実施形態の構成図である。 本発明の第４実施形態の構成図である。 本発明の第５実施形態の構成図である。 図６における電力回生装置の構成図である。 本発明の第６実施形態の構成図である。 本発明の第７実施形態の構成図である。 本発明の第８実施形態の構成図である。 本発明の第９実施形態の構成図である。 本発明の第１０実施形態の構成図である。 電力変換装置の従来技術を示す構成図である。 図１３における単相インバータの構成図である。 特許文献５に記載された従来技術の構成図である。 図１５に示した従来技術における、交流電動機の回転速度と、消費電力及び制動トルク上限値との関係を示す図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す構成図であり、請求項１に係る発明に相当する。図１において、図１５と同一の構成部品には同一の番号を付してある。

図１において、前記同様に多重インバータ１，２，３は、それぞれ、単相インバータユニット１１，１２、単相インバータユニット２１，２２、単相インバータユニット３１，３２によって構成されている。例えば、多重インバータ１は、二つの単相インバータユニット１１，１２の出力側の一端を直列に接続すると共に、一方の単相インバータユニット１１の出力側の他端を三相交流電動機５に接続し、かつ、他方の単相インバータユニット１２の出力側の他端を中性点Ｎ０に接続して構成される。上述した単相インバータユニット１１，１２の接続状態は、他の多重インバータ２，３における単相インバータユニット２１，２２、及び３１，３２についても同様である。ここで、交流電動機５は、中性点が引き出されていないものとする。
なお、個々の多重インバータ１，２，３を構成する単相インバータユニットの台数は３台以上であっても良い。

単相インバータユニット１１，１２，２１，２２，３１，３２の入力側は、多巻線変圧器４の複数の二次巻線４ｂに接続されている。多巻線変圧器４の一次巻線４ａは、図示されていない三相交流電源（系統電源）に接続されている。多巻線変圧器４は、複数の二次巻線４ｂから単相の電源電圧をそれぞれ生成するものである。
ここで、単相インバータユニット１１，１２，２１，２２，３１，３２は、例えば前述した図１４のように、ダイオード整流器１０１及びＩＧＢＴインバータ１０２によって構成されており、系統電源側へ電力を回生する機能を備えていない。

多重インバータ１〜３に接続された交流電動機５の入力端子５ｕ，５ｖ，５ｗは、三相の降圧変圧器７を介して電力消費回路６に接続されている。なお、降圧変圧器７は、入力端子５ｕ，５ｖ，５ｗ側の電圧を降圧してスイッチ６１に印加するように作用する。電力消費回路６の構成は図１５に示したものと同一であり、降圧変圧器７に接続されるスイッチ６１と、スター結線された抵抗器６２とからなっている。
スイッチ６１は通常はオフしており、交流電動機５を減速する場合（制動トルクを発生させる場合）にオンするものである。

この実施形態における電力消費回路６の動作は、基本的に図１５と同様である。すなわち、交流電動機５を所定の減速レートで減速させる場合に、交流電動機５を発電機動作させると共にスイッチ６１をオンする。これにより、前述したケース２やケース３のように、交流電動機５の発電電力はすべて抵抗器６２によって消費されるので、多重インバータ１〜３を介して系統電源側に電力を回生することなく交流電動機５を減速することができる。従って、交流電動機５からの回生電力により、単相インバータユニット１１，１２，２１，２２，３１，３２の直流中間回路に過電圧が印加されるおそれがない。

特に、この実施形態では、制動トルクが小さくなる低速回転時にスイッチ６１に流れる電流が小さい場合でも、スイッチ６１には降圧変圧器７により降圧された低電圧が印加される。よって、この実施形態はスイッチ６１を高圧・小電流の特殊仕様とする必要がなく、電力消費回路６として標準的な電圧・電流仕様の安価な回路を使用することができる。

次に、図２は本発明の第２実施形態を示す構成図であり、請求項２に係る発明に相当する。
この第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、電力消費回路６の中性点Ｎ１（抵抗器６２の共通接続点）と、多重インバータ１〜３側の中性点Ｎ０とが接続されている点であり、その他の構成は第１実施形態と同一である。

この実施形態において、電力消費回路６内のスイッチ６１をオンした状態で多重インバータ１〜３が零相電圧を出力すると、零相電流は、多重インバータ１〜３→入力端子５ｕ，５ｖ，５ｗ→スイッチ６１→抵抗器６２→中性点Ｎ１→中性点Ｎ０→多重インバータ１〜３のループを流れる。第１実施形態において述べたように、交流電動機５は中性点が引き出されていないため、零相電流は交流電動機５に流れることはない。
この実施形態では前記ループを流れる零相電流により、電力消費回路６の抵抗器６２により電力が消費される。以下、この消費電力を零相電力という。

上記のように、零相電力は多重インバータ１〜３のみから供給される。このため、零相電力を除いた多重インバータ１〜３の出力電力は、多重インバータ１〜３が零相電圧を出力しない場合に比べて、零相電力に相当する分だけ少なくなる。従って、交流電動機５から見ると、零相電力に相当する分の発電電力（制動電力）を増加させることができる。一方、多重インバータ１〜３は電力回生を行わないため、交流電動機５の発電電力はすべて電力消費回路６の抵抗器６２によって消費されることになり、結果として大きな制動トルクを得ることができる。

ところで、多重インバータが高電圧を出力している場合には、出力電圧に上限があるので、更に零相電圧を出力することはできない。しかし、Ｖ／ｆ一定特性をもつ交流電動機を多重インバータにより駆動する場合には、交流電動機の回転速度が低下するほど端子電圧を低くして電圧余裕を大きくとる（言い換えれば、多重インバータが出力する零相電圧を高くする）ことができ、零相電力も大きくすることができる。
図３は、交流電動機５の回転速度と、電力消費回路６の消費電力（零相電力を含む）及び制動トルクの上限値との関係を示している。この図から明らかなように、図１６に示したトルク特性の欠点（低速時に制動トルクが小さくなる欠点）は、この第２実施形態により改善することが可能である。

次いで、図４は本発明の第３実施形態を示しており、請求項３に係る発明に相当する。
この第３実施形態が第２実施形態と異なる部分は、電力消費回路６の中性点Ｎ１と多重インバータ１〜３の中性点Ｎ０との間に、スイッチ８が接続されている点である。

前述したごとく、交流電動機５には零相電流が流れない。このため、良く知られているように、多重インバータの出力電圧に基本波の３倍周波数成分である零相電圧を重畳することにより、多重インバータが出力可能な基本波電圧を高めることができる。
スイッチ８は通常はオフされており、上記高調波成分としての零相電圧による零相電流が流れることはない。この状態で電力消費回路６内のスイッチ６１をオンすれば、図１５と同一の回路構成になって交流電動機５を制動させることができる。そして、交流電動機５が減速していき、更に大きな制動トルクを得たい場合には、スイッチ８をオンして零相電流が流れる経路を確保すれば良い。こうしてスイッチ８をオンした状態では、図２と同一の回路構成になるのは言うまでもない。

次に、図５は本発明の第４実施形態であり、第３実施形態の変形例に相当している。
この第４実施形態が第３実施形態と異なる部分は、電力消費回路６Ａ内の抵抗器６２ａ，６２ｂ同士の接続点にスイッチ８Ａが接続され、スイッチ８Ａの一方の端子を共通接続した接続点Ｎ２と多重インバータ１〜３の中性点Ｎ０とが接続されている点である。

上記構成において、スイッチ８Ａをオンすることにより、スイッチ８Ａがオフの時に比べて電力消費回路６Ａの抵抗値は小さくなる。このため、この実施形態は多重インバータ１〜３の出力電圧をスイッチ８Ａがオフの時に比べて高くすることができ、出力電圧が低下することによる対称成分（零相成分を除いた成分）による制動トルクの限界値の低下を抑制することができる。つまり、この実施形態では、スイッチ８Ａをオンさせることにより、図３に示した制動トルクの上限値を高く維持することができる。
また、この実施形態では、スイッチ８Ａをオンすれば零相抵抗も低下するので、同一の零相電圧のもとで、より多くの零相電力を電力消費回路６Ａにて消費させることができる。言い換えれば、この実施形態によれば小さな零相電圧で大きな制動トルクを得ることが可能になる。

次に、図６は本発明の第５実施形態を示しており、請求項４に係る発明に相当する。
この第５実施形態が第１実施形態と異なる部分は、図１の電力消費回路６に代えて、入力端子５ｕ，５ｖ，５ｗから吸収した電力を系統電源側に回生するための電力回生装置９が設けられている点である。

なお、入力端子５ｕ，５ｖ，５ｗと電力回生装置９との間には降圧変圧器７が接続されているので、電力回生装置９としては、例えば交流電圧の定格が４４０［Ｖ］級の標準的な電力変換器を使用することができる。この電力回生装置９は、電力変換ユニット９０及び変圧器９４から構成されている。
図７は、電力回生装置９の構成例を示している。図７において、電力変換ユニット９０は一般に知られているものであり、交流−直流−交流変換を行うための電力変換器９１，９２と、直流中間回路のコンデンサ９３とからなっている。この実施形態では、交流電動機５の減速時に電力回生装置９を作動させることで、入力端子５ｕ，５ｖ，５ｗから吸収した電力を系統電源側に回生でき、制動トルクを得ることができる。

図８は、本発明の第６実施形態を示しており、請求項５に係る発明に相当する。
この実施形態が第１実施形態と異なる部分は、図１における降圧変圧器７及び電力消費回路６に代えて、多重インバータ１〜３と交流電動機５の入力端子５ｕ，５ｖ，５ｗとの間に、電力消費回路１０が接続されている点である。

この電力消費回路１０は、通常はオンしているスイッチ１０２ｕ，１０２ｖ，１０２ｗと、各スイッチ１０２ｕ，１０２ｖ，１０２ｗにそれぞれ並列に接続された抵抗器１０１ｕ，１０１ｖ，１０１ｗとから構成されている。
交流電動機５の発電動作時にスイッチ１０２ｕ，１０２ｖ，１０２ｗをオフすることにより、交流電動機５による発電電力は多重インバータ１〜３側に回生されずに抵抗器１０１ｕ，１０１ｖ，１０１ｗによって消費され、所望の制動トルクを得ることができる。

図９は、本発明の第７実施形態を示しており、請求項６に係る発明に相当する。
この第７実施形態が第６実施形態と異なる部分は、図８の構成に図１５と同様の電力消費回路６を追加した点にある。すなわち、二つの電力消費回路６，１０を有する点である。

ところで、多重インバータ１〜３と交流電動機５との間に接続された電力消費回路１０は、交流電動機５の電流が一定であるとすると、一定の電力を消費する。このため、低速時には大きな制動トルクが得られるが、高速時には制動トルクが小さくなる。この特性を持つ電力消費回路１０と、高速時ほど大きな制動トルクが得られる電力消費回路６とを組み合わせることにより、両回路６，１０の欠点を補った電力消費特性を得ることができる。
なお、電力消費回路６は多重インバータ１〜３と電力消費回路１０との間に接続しても良い。また、第１実施形態のように、入力端子５ｕ，５ｖ，５ｗと電力消費回路６との間に降圧変圧器７を接続しても良い。

図１０は、本発明の第８実施形態を示しており、請求項７に係る発明に相当する。
この第８実施形態が第７実施形態と異なる部分は、図９における電力消費回路１０に代えて、多重インバータ１〜３の非出力側（非交流電動機５側）に電力消費回路１１が接続されていることである。

すなわち、単相インバータユニット１１，１２の直列回路の両端のうち非交流電動機５側の一端と、単相インバータユニット２１，２２の直列回路の両端のうち非交流電動機５側の一端と、単相インバータユニット３１，３２の直列回路の両端のうち非交流電動機５側の一端と、の間に、抵抗器１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃがそれぞれ接続されている。また、抵抗器１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃをそれぞれ短絡させるスイッチ１１２が設けられている。電力消費回路１１は、これらの抵抗器１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ及びスイッチ１１２によって構成されている。

この実施形態においては、スイッチ１１２がオンすることにより、多重インバータ１〜３の中性点Ｎ０が生成されるため、図１５と同一の回路構成になり、高速時ほど大きな制動トルクを得ることができる。
また、この実施形態では、スイッチ１１２がオフすることにより、多重インバータ１〜３の非出力側（非交流電動機５側）の端子相互間に抵抗器１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃが接続されるので、交流電動機５の発電電力が多重インバータ１〜３を介して抵抗器１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃにより消費される。
本実施形態の消費電力特性は第７実施形態と同様であるため、以下の説明を省略する。

図１１は、本発明の第９実施形態を示しており、請求項８に係る発明に相当する。
この実施形態が図６の第５実施形態と異なる部分は、多重インバータ１〜３の非出力側に電力回生装置１２が追加されていることである。
電力回生装置１２は、図６，図７に示した電力回生装置９と同様に、直流中間回路を有する電力変換ユニット１２０と変圧器１２４とから構成されており、変圧器１２４の電力変換ユニット１２０側が系統電源に接続されている。なお、電力変換ユニット１２０の構成は図７の電力変換ユニット９０と同様であり、２台の電力変換器（図７の電力変換器９１，９２に相当）及びコンデンサ（同じくコンデンサ９３に相当）からなるものとする。

ここで、電力回生装置１２の仕様上の特徴について説明する。
電力変換ユニット１２０内の２台の電力変換器として、交流電圧の定格が標準的な４４０［Ｖ］のものを使用すると仮定する。また、交流電動機５は、定格電圧が３．３［ｋＶ］の誘導電動機であると仮定する。誘導電動機の一般的な励磁電流は電動機定格電流の３０［％］弱程度なので、減速時の電流は電動機定格電流の３０［％］であるとする。

このとき、電力回生装置１２が回生可能な電力は、交流電動機５の定格電圧に対する電力変換ユニット１２０内の電力変換器の定格電圧の比が１３．３［％］（＝４４０／３３００）であり、減速時の電流の定格電流に対する比が３０［％］であるため、これらの１３．３［％］と３０［％］とを乗じれば、定格容量の４［％］となる。
いま、誘導電動機が定格速度で運転されていれば、定格トルクの４［％］の制動トルクが得られるが、誘導電動機が定格速度の５０［％］速度で運転されていれば、速度に反比例して定格トルクの８［％］の制動トルクを得ることができる。

従って、本実施形態では、特に高速時に大きな制動トルクが得られる電力回生装置９と、低速時に大きな制動トルクが得られる電力回生装置１２とを組み合わせることにより、電力回生装置９，１２の構成要素として標準的な低電圧仕様の電力変換器を使用し、全速度範囲にわたって十分な制動トルクを得ることができる。

なお、電力回生装置９に代えて、スイッチや抵抗器からなる構成簡単な電力消費回路を用いても良い。例えば、請求項９に係る発明のように、第１〜第４実施形態における電力消費回路と電力回生装置１２とを組み合わせても良い。
この場合、電力回生装置１２のみによって電力が回生されるため、省エネルギー効果は少なくなるが、全速度範囲において十分な制動トルクが得られるという効果は維持される。

次に、図１２は、本発明の第１０実施形態を示しており、請求項１０に係る発明に相当する。
この実施形態は、降圧変圧器７の二次側に接続された電力消費回路６Ｂと、多重インバータ１〜３の非出力側（非交流電動機５側）に接続された電力消費回路１１Ａとを備えており、これらの電力消費回路６Ｂ，１１Ａの構成に特徴がある。

すなわち、電力消費回路６Ｂは、三相ブリッジ接続されたダイオード整流器６３と、その直流側端子間に接続されたスイッチ６４と、ダイオード整流器６３の交流端子と降圧変圧器７との間に接続された抵抗器６５とからなっている。
一方、電力消費回路１１Ａは、多重インバータ１〜３の非出力側の端子間に接続された抵抗器１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃと、これらの抵抗器１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃの相互接続点が交流端子に接続されたダイオード整流器１１３と、その直流側端子間に接続されたスイッチ１１４とからなっている。
ここで、スイッチ６４，１１４には、図示するようにＩＧＢＴ等の電力用半導体スイッチを用いるほか、機械的スイッチを使用しても良い。

この実施形態において、スイッチ６４，１１４に電力用半導体スイッチを用いた場合には、交流電動機５の発電動作時にスイッチ６４，１１４をＰＷＭ制御してオン、オフさせることができる。これにより、電力消費回路６Ｂ内の抵抗器６５、及び電力消費回路１１Ａ内の抵抗器１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃによる消費電力をきめ細かく制御することが可能である。
なお、この第１０実施形態のように、電力消費回路内のスイッチとしてダイオード整流器と電力用半導体スイッチ（または機械的スイッチ）とを組み合わせて用いる着想は、他の実施形態における電力消費回路内のスイッチにも適用可能である。

１，２，３：多重インバータ
１１，１２，２１，２２，３１，３２：単相インバータユニット
４：多巻線変圧器
４ａ：一次巻線
４ｂ：二次巻線
５：三相交流電動機
５ｕ，５ｖ，５ｗ：入力端子
６，６Ａ，６Ｂ：電力消費回路
６１，６４：スイッチ
６２，６２ａ，６２ｂ，６５：抵抗器
６３：ダイオード整流器
７：降圧変圧器
８，８Ａ：スイッチ
９：電力回生装置
９０：電力変換ユニット
９１，９２：電力変換器
９３：コンデンサ
９４：変圧器
１０，１１，１１Ａ：電力消費回路
１０１ｕ，１０１ｖ，１０１ｗ，１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ：抵抗器
１０２ｕ，１０２ｖ，１０２ｗ，１１２，１１４：スイッチ
１１３：ダイオード整流器
１２：電力回生装置
１２０：電力変換ユニット
１２４：変圧器
Ｎ０，Ｎ１：中性点
Ｎ２：接続点

Claims (10)

1. 系統電源から複数の電源電圧を生成する多巻線変圧器と、前記電源電圧から単相電圧を生成する単相インバータユニットを複数台直列に接続した複数台の多重インバータと、を備え、前記複数台の多重インバータにより交流電動機を駆動するための電力変換装置であって、前記多重インバータが前記系統電源への電力回生機能を持たない電力変換装置において、
   前記交流電動機の入力側に、降圧変圧器を介して、
   スイッチと、このスイッチに直列に接続されて前記交流電動機による発電電力を消費させるための抵抗器と、からなる電力消費回路を接続したことを特徴とする電力変換装置。
2. 系統電源から複数の電源電圧を生成する多巻線変圧器と、前記電源電圧から単相電圧を生成する単相インバータユニットを複数台直列に接続した複数台の多重インバータと、を備え、前記複数台の多重インバータにより交流電動機を駆動するための電力変換装置であって、前記多重インバータが前記系統電源への電力回生機能を持たない電力変換装置において、
   前記交流電動機の入力側に、
   スイッチと、このスイッチに直列に接続されて前記交流電動機による発電電力を消費させるための抵抗器と、からなる電力消費回路を接続し、
   前記電力消費回路の中性点と、前記多重インバータの非出力側端子を一括接続した中性点と、を接続したことを特徴とする電力変換装置。
3. 系統電源から複数の電源電圧を生成する多巻線変圧器と、前記電源電圧から単相電圧を生成する単相インバータユニットを複数台直列に接続した複数台の多重インバータと、を備え、前記複数台の多重インバータにより交流電動機を駆動するための電力変換装置であって、前記多重インバータが前記系統電源への電力回生機能を持たない電力変換装置において、
   前記交流電動機の入力側に、
   第１のスイッチと、このスイッチに直列に接続されて前記交流電動機による発電電力を消費させるための抵抗器と、からなる電力消費回路を接続し、
   前記電力消費回路の中性点と、前記多重インバータの非出力側端子を一括接続した中性点と、を第２のスイッチを介して接続したことを特徴とする電力変換装置。
4. 系統電源から複数の電源電圧を生成する多巻線変圧器と、前記電源電圧から単相電圧を生成する単相インバータユニットを複数台直列に接続した複数台の多重インバータと、を備え、前記複数台の多重インバータにより交流電動機を駆動するための電力変換装置であって、前記多重インバータが前記系統電源への電力回生機能を持たない電力変換装置において、
   前記交流電動機と前記系統電源との間に、降圧変圧器を介して電力回生装置を接続したことを特徴とする電力変換装置。
5. 系統電源から複数の電源電圧を生成する多巻線変圧器と、前記電源電圧から単相電圧を生成する単相インバータユニットを複数台直列に接続した複数台の多重インバータと、を備え、前記複数台の多重インバータにより交流電動機を駆動するための電力変換装置であって、前記多重インバータが前記系統電源への電力回生機能を持たない電力変換装置において、
   前記多重インバータと前記交流電動機との間に、
   スイッチと、このスイッチに並列に接続されて前記交流電動機による発電電力を消費させるための抵抗器と、からなる電力消費回路を接続したことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１〜３のいずれか１項に記載した電力変換装置において、
   前記多重インバータと前記交流電動機との間に、
   スイッチと、このスイッチに並列に接続されて前記交流電動機による発電電力を消費させるための抵抗器と、からなる別の電力消費回路を接続したことを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１〜３のいずれか１項に記載した電力変換装置において、
   スイッチと、このスイッチのオフ時に前記多重インバータの非出力側の端子間に接続されて前記交流電動機による発電電力を消費させるための抵抗器と、からなる別の電力消費回路を備えたことを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項４に記載した電力変換装置において、
   前記多重インバータの非出力側の端子と前記系統電源との間に、別の電力回生装置を接続したことを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項１〜３のいずれか１項に記載した電力変換回路において、
   前記多重インバータの非出力側の端子と前記系統電源との間に、電力回生装置を接続したことを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項１〜３，５〜７，９のいずれか１項に記載した電力変換装置において、
    前記電力消費回路における前記スイッチを、
    ダイオード整流器と、機械的スイッチまたは電力用半導体スイッチと、を組み合わせて構成したことを特徴とする電力変換装置。

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