JP2013085453A - 回生型高圧インバータ - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、従来の直列型H−ブリッジ高圧インバータに回生運転が可能な能動整流部を有する回生型単位電力セルを混合して、部分的な回生運転ができるようにする部分回生型高圧インバータを提供する。
【解決手段】本発明によるインバータは、直列型H−ブリッジ高圧インバータの単位電力セルの入力端構造を変更して回生運転が可能にし、制動抵抗(dynamic braking resistor)を要しないため、DCリンクキャパシタのサイズを従来の高圧インバータより減らすことができる。
【選択図】図3

Description

本発明は、回生型高圧インバータに関し、より詳細には直列型H−ブリッジ(Cascaded H−bridge)方式の回生型高圧インバータに関するものである。
一般に、高圧インバータ(medium−voltage inverter)とは、線間電圧実効値が600V以上の入力電源を有するインバータであり、ファン(fan)、ポンプ(pump)、圧縮機(compressor)等の応用分野において主に使われる。このような応用分野においては、可変速(variable speed)運転が頻繁に発生するが、急加速(fast acceleration)や急減速(fast deceleration)が必要な場合、回生運転(regenerating operation)が生じる。
図1は、従来の直列型H−ブリッジ高圧インバータの構造図であり、3段の単位電力セル(power cell)で構成されたものを示す。
従来の高圧インバータ100は、入力電源部200から電源を受信して電動機300に三相(3 phase)電源を供給する。入力電源部200は、線間電圧実効値が600V以上の三相電圧を高圧インバータ100に提供する。電動機300は、高圧の三相電動機であり、誘導電動機(induction machine)または同期電動機(synchronous machine)であってもよい。
移相変圧器110は、入力電源部200と高圧インバータ100との間の電気的絶縁(galvanic isolation)を提供し、入力端の高調波(harmonics)を低減し、各単位電力セル120に適切な入力三相電源を提供する。
単位電力セル120は、移相変圧器110から電源の供給を受けて、電動機300に相電圧(phase voltage)を出力するが、各単位電力セル120はグループからなる。図1の場合、A1、A2、A3は、出力電圧が直列連結されて電動機300のa相電圧を合成(synthesize)し、B1、B2、B3は、電動機300のb相電圧を、C1、C2、C3は、電動機300のc相電圧を合成する。合成されたb相電圧とa相電圧は、120°の位相差を有し、c相とb相の電圧も120°の位相差を有する。
図2は、図1の単位電力セルの構成図である。
図面に示したように、単位電力セル120は、三相ダイオード整流部121、DCリンクキャパシタ122及びインバータ123で構成される。
三相ダイオード整流部121は、移相変圧器110の出力電圧を入力として、3相電圧を整流した直流(DC)を出力する。
DCリンクキャパシタ122は、三相ダイオード整流部121の入力電源を保存する。
インバータ123は、単相フルブリッジインバータ(single phase full bridge inverter)であり、DCリンクキャパシタ122から受信した電圧で、スイッチング素子(123a〜123d)のスイッチングを介して出力電圧を合成する。
図1及び図2のシステムについて説明すると以下の通りである。
位相置換変圧器110は、単位電力セル120の要求に合わせて高圧の入力電源の位相と大きさを変換する。位相置換変圧器110の出力電圧は、各々単位電力セル120の入力電源となり、図2の三相ダイオード整流部121を介して直流に変換される。DCリンクキャパシタ122は、三相ダイオード整流部121の出力電圧を一定に維持させる。
単相フルブリッジインバータ123は、DCリンクキャパシタ122の電圧から交流(AC)の出力電圧を合成する。仮にDCリンクキャパシタ122の電圧が「E」と定義される場合、インバータ123の出力電圧はスイッチング状態に応じて「E」、「0」、「−E」の3段階となる。
例えば、123a及び123dが導通する場合、出力電圧が「E」となり、123bと123cが導通する場合、出力電圧が「−E」となり、123aと123cまたは123bと123dが導通する場合、出力電圧は「0」が合成される。
図1の単位電力セル構造において、A1、A2、A3とB1、B2、B3及びC1、C2、C3は、出力電圧が全部直列連結されているため、直列連結された出力相電圧は「3E」、「2E」、「E」、「0」、「−E」、「−2E」、「−3E」の7段階で合成される。このように合成された出力相電圧から電動機300の出力線間電圧は「6E」、「5E」、「4E」、「3E」、「2E」、「E」、「0」、「−E」、「−2E」、「−3E」、「−4E」、「−5E」、「−6E」の13段階で合成される。
これを一般的に表示すると以下の通りである。
Figure 2013085453
Figure 2013085453
ここで、mは出力相電圧のレベル数であり、Hは電動機300の一つの相当り設置された単位電力セル120の数であり、pは出力線間電圧のレベル数である。
一方、各単位電力セル120の出力は、単相フルブリッジインバータの出力であるため、DCリンクの電源は、電圧脈動(ripple)を有している。まず、各セルの出力電圧と出力電流を次のように定義する。
Figure 2013085453
Figure 2013085453
この時、φは負荷角であり、ωは運転周波数であり、tは時間、V0とI0は出力電圧と出力電流の実効値(rms value)である。式(3)と式(4)から、単位電力セル120の出力電力は以下のように求められる。
Figure 2013085453
前記式(5)から確認できるように、単位電力セル120の出力電力は、直流成分のV00cosφと交流成分のV00cos(2ωt−φ)に分かれており、交流成分は運転周波数の2倍に該当する脈動を有していることがわかる。これから、DCリンクに流れる電流は、下記のように求められる。
Figure 2013085453
式(5)と式(6)から、DCリンクには運転周波数の2倍に該当する脈動が発生していることが分かる。
前記のような従来の直列型H−ブリッジ高圧インバータでは、単位電力セルの入力端がダイオード整流部で構成されているため、回生運転が不可能で電動機の急加速または急減速が難しくなる問題がある。
従って、電動機の減速運転時、減速運転時間が長くなる短所があり、すべての単位電力セルのDCリンクキャパシタのキャパシタンスが大きくなるべきであり、全体システムの体積が増加する問題がある。
本発明の目的は、従来の直列型H−ブリッジ高圧インバータに回生運転が可能な能動整流部を有する回生型単位電力セルを混合して、部分的な回生運転を可能にする部分回生型高圧インバータを提供することである。
前記のような技術的課題を解決するため、本発明の回生型高圧インバータは、直列連結された3つのグループが各々電動機に相電圧を伝達するように構成される複数の電力セル、入力電源部と前記電力セルとの間に連結されて、三相の入力電源の高調波を低減する複数の入力フィルタ、及び前記入力電源部と前記電力セルとの間に連結されて、前記電力セルへ入力される電圧をスイッチングする複数のスイッチング信号生成部を含む。
本発明の一実施形態において、前記入力電源部から入力される入力電源を電気的に絶縁して前記複数の電力セルに各々提供する移相変圧器をさらに含むことが好ましい。
本発明の一実施形態において、前記入力フィルタは、入力電源を受信する3つの入力端を備え、前記入力端と各々連結されるインダクタ、及び前記インダクタとデルタ結線を成して連結されるキャパシタを含むことが好ましい。
本発明の一実施形態において、前記入力フィルタは、前記インダクタの各々に並列連結されて、入力電源の共振を除去する抵抗をさらに含むことが好ましい。
本発明の一実施形態において、前記電力セルは、前記入力フィルタの出力電圧を受信して、出力電圧を整流した直流電圧を出力する能動整流部、前記 直流電圧を保存するDCリンクキャパシタ、及び前記保存された直流電圧から出力電圧を合成するインバータ部を含むことが好ましい。
本発明の一実施形態において、前記能動整流部は、各相電圧に対して各々並列連結される複数のスイッチを含むことが好ましい。
本発明の一実施形態において、前記スイッチング信号生成部は、前記複数のスイッチを制御して、前記電力セルと前記入力電源部を瞬時的に連結することが好ましい。
本発明の一実施形態において、前記スイッチは、並列連結されるトランジスタとダイオードを含むことが好ましい。
本発明の一実施形態において、前記スイッチング信号生成部は、前記入力電源部から入力される入力電源から線間電圧を測定して、測定された線間電圧から電源角を抽出して、前記電力セルへ入力される電圧をスイッチングすることが好ましい。
本発明は、直列型H−ブリッジ高圧インバータの単位電力セルの入力端構造を変更して回生運転を可能にし、制動抵抗(dynamic braking resistor)を要しないため、DCリンクキャパシタのサイズを従来の高圧インバータより減らすことができる。
従来の直列型H−ブリッジ高圧インバータの構造図である。 図1の単位電力セルの構成図である。 本発明に係る回生型高圧インバータの一実施形態の構成図である。 図3の入力フィルタの一実施形態の詳細構造図である。 図3の入力フィルタの他の実施形態の詳細構造図である。 図3の電力セルの一実施形態の詳細構成図である。 図3において一つの電力セルに連結される入力フィルタとスイッチング信号生成部を示した図である。 図3のスイッチング信号生成部が生成するスイッチング信号とこれによる能動整流部のスイッチングを説明するための一例示図である。
本発明は、多様な変更を加えることができ、多様な実施形態を有し、特定実施形態を図面に例示して詳細に説明する。
しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物または代替物を含むものと理解しなければならない。
第1、第2等の序数を含む用語は、多様な構成要素を説明するために使われるが、前記構成要素は前記用語によって限定されない。
前記用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的にだけ使われる。例えば、本発明の権利範囲を逸脱しない限り、第2構成要素は第1構成要素に命名でき、同様に第1構成要素も第2構成要素に命名できる。
ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いる、または「接続されて」いると記述する時には、その他の構成要素に直接的に連結されていたり、または接続されていてもよいが、その中間に他の構成要素が存在してもよいことを理解しなければならない。一方、ある構成要素が、他の構成要素に「直接連結されて」いる、または「直接接続されて」いると記述する時には、その中間に他の構成要素が存在しないことを理解しなければならない。
本願で使われた用語は、単に特定の実施形態を説明するために使われたものであって、本発明を限定する意図はない。単数の表現は文脈上明白に異なることを意味しない限り、複数の表現を含む。
本願において、「含む」または「有する」等の用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定するものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたもの等の存在または付加可能性を予め排除しないものと理解しなければならない。
さらに、本願に添付された図面は、説明の便宜のために、拡大または縮小して示されたものと理解しなければならない。
本発明について添付図を参照して詳細に説明し、図面の符号に関係なく同一または対応する構成要素は、同一参照符号を付け、これに関する重複説明は省略する。
図3は、本発明に係る回生型高圧インバータの一実施形態の構成図であり、直列型H−ブリッジ方式の高圧インバータを例として説明する図面である。また、本発明のインバータにおいては、3段の単位電力セル(power cell)で構成された場合を例として示したが、これに限定されるのではなく、必要に応じて単位電力セルの数の変更が可能であることは、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者には自明である。
本発明の高圧インバータ10は、入力電源部20から線間電圧実効値が600V以上の電圧の入力を受けて電動機30に三相電源を供給するためのものであり、電動機30は、好ましくは誘導電動機または、同期電動機である。但し、これに限定されない。
図面に示したように、本発明の高圧インバータ10は、移相変圧器11、複数の入力フィルタ12、複数のスイッチング信号生成部13及び複数の電力セル14を含む。図3の一例では、3段の単位電力セルを構成した場合であり、三相電圧を電動機30に提供する電力セル14は総9個が使われ、入力フィルタ12とスイッチング信号生成部13は、各々の電力セル14に連結されるもので、本発明の高圧インバータの説明では各々9個で構成される。但し、これは電力セル14の数に応じて変わることは自明である。
また、便宜のために、スイッチング信号生成部13は、A1に信号を伝達する一つだけ示したが、これに限るのではなく、各々の電力セルに対して1:1で備えられるものである。
移相変圧器(phase shift transformer)11は、入力電源部20と高圧インバータ10との間の電気的絶縁を提供し、入力電源の高調波を低減し、各電力セル14に三相電源を提供する。
入力フィルタ12は、入力電源の高調波を低減する。図4及び図5は、各々図3の入力フィルタの一実施形態の詳細構造図である。
図4を参照すると、入力フィルタ12は、移相変圧器11の2次側三相出力と各々直列連結される(これのために、入力フィルタ12は3つの入力端を有する)インダクタ41a〜41cと、インダクタ41a〜41cとデルタ結線を成して連結されるキャパシタ42a〜42cを含む。
また、図5は、入力フィルタの他の実施形態であり、図5を参照すると、入力フィルタ12は、移相変圧器11の2次側三相出力と各々直列連結される(これのために、入力フィルタ12は3つの入力端を有する)インダクタ51a〜51cと、インダクタ51a〜51cとデルタ結線を成して連結されるキャパシタ52a〜52c、及びインダクタ51a〜51cに並列に各々連結されるダンピング抵抗53a〜53cを含む。
ダンピング抵抗53a〜53cは、入力電圧に共振現象が生じる場合、これを除去する。
単位電力セル14は、電動機30の相電圧を出力するが、各単位電力セル14は、直列連結された3つのグループからなる。図3の例において、A1、A2、A3は、出力電圧が直列連結されて電動機30のa相電圧を合成し、B1、B2、B3は、出力電圧が直列連結されて電動機30のb相電圧を合成し、C1、C2、C3は、出力電圧が直列連結されて電動機30のc相電圧を合成する。合成されたb相電圧とa相電圧は、120°の位相差を有し、c相とb相電圧も120°の位相差を有する。
図6は、図3の電力セルの一実施形態の詳細構成図であり、複数の電力セル14は、全部同じ構造で構成される。
図面に示したように、本発明の電力セル14は、能動整流部61、DCリンクキャパシタ62及びインバータ部63を含む。
能動整流部61の入力は、図3の入力フィルタ12の出力電圧であり、それに対して、三相電圧を整流した直流を出力する。能動整流部61は、図面のように、6つのトランジスタスイッチ(「スイッチ」という)61a〜61fで構成され、この時、トランジスタは、好ましくは絶縁ゲート両極性トランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor、IGBT)である。
DCリンクキャパシタ62は、能動整流部61の入力電源を保存する。
インバータ部63は、好ましくは単相フルブリッジインバータであり、図示しなかった制御部の制御によって、DCリンクの電圧から出力電圧を合成する。インバータ部63は、4つのスイッチ63a〜63dで構成され、各々のスイッチは、トランジスタとダイオードを並列連結したものである。
以下に、図3の回路について、図1の回路との違いを重点的に詳細に説明する。
まず、図4または図5のように構成される図3の入力フィルタ12は、移相変圧器11の出力を受信するが、入力フィルタ12のインダクタ(41a〜41cまたは51a〜51c)のインダクタンスは、移相変圧器11の漏洩インダクタンスより十分大きい値である。
Figure 2013085453
この時、Lfilterは、入力フィルタ12のインダクタ41a〜41cまたは 51a〜51cのインダクタンスであり、Lleakage_2ndは、移相変圧器11の漏洩インダクタンスを2次側に換算したものである。また、図4または図5のキャパシタ42a〜42cまたは52a〜52cのキャパシタンスは、下記式から求められる。
Figure 2013085453
ここで、ωcは、入力フィルタ12の遮断周波数であり、入力電源周波数の6倍より大きい値を有する。
Figure 2013085453
ここで、ωsourceは入力電源周波数である。
一方、図5のダンピング抵抗53a〜53cについて、最大減衰(maximum damping)を有する抵抗は下記の通りである。
Figure 2013085453
入力フィルタ12で測定した入力線間電圧は、図6の能動整流部61のスイッチングを決めるが、この時、電圧の測定位置は、移相変圧器11と入力フィルタ12との間である。
図7は、図3において一つの電力セルに連結される入力フィルタとスイッチング信号生成部を示した図面である。
スイッチング信号生成部13は、能動整流部61のスイッチング信号を生成する。つまり、スイッチング信号生成部13は、入力フィルタ12に入力される三相電圧から入力線間電圧を測定し、測定された線間電圧から入力電源角を抽出して、能動整流部61に6つのスイッチ61a〜61fのトランジスタにゲーティング信号、つまり、スイッチング信号を伝達する。
図8は、入力線間電圧により図3のスイッチング信号生成部が生成するスイッチング信号を説明するための一つの例示図である。
図8において、「Vab」はab線間電圧、「Vbc」はbc線間電圧、「Vca」はca線間電圧を示し、スイッチング信号生成部13は、能動整流部61の61a〜61fスイッチに対するオン/オフ信号を各スイッチ61a〜61fのトランジスタに伝達する。
図面に示したように、能動整流部61のスイッチングは、入力電源の周波数と同じスイッチング周波数を有することが分かる。
つまり、入力電源角ωtが0からπ/3においては図6の61dと61eスイッチがオンとなり、π/3から2π/3において61aと61dスイッチがオンとなり、2π/3からπにおいて61aと61fスイッチがオンとなる。
また、πから4π/3においては61cと61fスイッチがオンとなり、4π/3から5π/3においては61bと61cスイッチがオンとなり、5π/3から2πにおいては61bと61eスイッチがオンとなる。
このようなスイッチングパターンは、入力電源角の変動により2π毎に周期的に繰り返す。これにより、能動整流部61を含む電力セル14は、両方向電力伝達が可能となる。
図8では入力線間電圧に対する能動整流部61のスイッチングを図示したが、入力相電圧を測定しても同様な動作ができる。これを下記で説明する。
次は、入力線間電圧と入力相電圧の関係を示したものである。
Figure 2013085453
Figure 2013085453
Figure 2013085453
式(11)〜式(13)において、Eaは入力a相電圧、Ebは入力b相電圧、Ecは入力c相電圧を意味し、線間電圧から相電圧を求められるため、図8のスイッチングは相電圧に対しても適用できるといえる。
このようなスイッチング信号生成部13のスイッチングによって、能動整流部61は図2のダイオード整流部21のダイオードが動作する時点と同一時点でスイッチ61a〜61fが動作するため、これによって移相変圧器11と電力セル14が電気的に瞬時的に連結されて、回生運転が可能となる。
図8のスイッチングを介して移相変圧器11と電力セル14が連結される場合、下記の関係を有する。
まず、電動機30のa相の出力電圧と電流を式(14)と式(15)で各々定義し、b相及びc相に対しても出力電圧と電流を式(16)〜式(19)で定義することができる。
Figure 2013085453
Figure 2013085453
Figure 2013085453
Figure 2013085453
Figure 2013085453
Figure 2013085453
この時、φは負荷角、ωは運転周波数、tは時間、V0及びI0は出力電圧と出力電流の実効値である。
式(14)と式(15)から、電動機30のa相で発生した電力を式(20)のように求められ、同様に、b相とc相で発生した電力を式(21)及び式(22)のように求められる。
Figure 2013085453
Figure 2013085453
Figure 2013085453
従って、全体電力の大きさは、下記のように直流成分にだけ現れる。
Figure 2013085453
即ち、前記式(23)のように、本発明の能動整流部61によると、移相変圧器11と電力セル14が、瞬時的に連結されながら系統では一定電力が出力されるため、単位電力セル14のDCリンクキャパシタのサイズを従来の高圧インバータに比べて減らすことができる。
図1及び図2のような従来のダイオード整流部を有する単位電力セルは、式(20)〜式(22)のように、各々の単位電力セルで出力される電力が、運転周波数の2倍に該当する脈動を有する。このような脈動の影響を減らすためには、単位電力セルのDCリンクキャパシタが大きくならなければならないとの短所があった。
しかし、本発明の能動整流部61を含む電力セル14は、入力端と出力端を瞬時的に連結するため、脈動電力が各々の単位電力セルのDCリンクキャパシタに集中せず、三相電力の合計は、式(23)のように直流成分だけが存在するため、各電力セル14のDCリンクキャパシタ62のサイズを減らすことができる。
以上から、代表的な実施形態をもって本発明について詳細に説明したが、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者は、前述した実施形態に対して本発明の範疇から逸脱しない限り、多様な変形が可能であることを理解しなければならない。従って、本発明の権利範囲は、説明された実施形態に限って定まってはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求範囲と均等物等によって定められるべきである。
10、100 高圧インバータ
20、200 入力電源部
30、300 電動機
11、110 移相変圧器
12 入力フィルタ
120 単位電力セル
121 三相ダイオード整流部
122 DCリンクキャパシタ
123 インバータ
13 スイッチング信号生成部
14 電力セル
61 能動整流部
62 DCリンクキャパシタ
63 インバータ部

Claims (9)

  1. 直列連結された3つのグループが、各々電動機に相電圧を伝達するように構成される複数の電力セル、
    入力電源部と前記電力セルとの間に連結されて、三相の入力電源の高調波を低減する複数の入力フィルタ、及び
    前記入力電源部と前記電力セルとの間に連結されて、前記電力セルへ入力される電圧をスイッチングする複数のスイッチング信号生成部を含むことを特徴とする、回生型高圧インバータ。
  2. 前記入力電源部から入力される 入力電源を電気的に絶縁して前記複数の電力セルに各々提供する移相変圧器をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の回生型高圧インバータ。
  3. 前記入力フィルタは、入力電源を受信する3つの入力端を備え、
    前記入力端と各々連結されるインダクタ、及び
    前記インダクタとデルタ結線を成して連結されるキャパシタを含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の回生型高圧インバータ。
  4. 前記入力フィルタは、
    前記インダクタの各々に並列連結されて、入力電源の共振を除去する抵抗をさらに含むことを特徴とする、請求項3に記載の回生型高圧インバータ。
  5. 前記電力セルは、
    前記入力フィルタの出力電圧を受信して、出力電圧を整流した直流電圧を出力する能動整流部、
    前記直流電圧を保存するDCリンクキャパシタ、及び
    前記保存された直流電圧から出力電圧を合成するインバータ部を含むことを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の回生型高圧インバータ。
  6. 前記能動整流部は、
    各相電圧に対して各々並列連結される複数のスイッチを含むことを特徴とする、請求項5に記載の回生型高圧インバータ。
  7. 前記スイッチング信号生成部は、
    前記複数のスイッチを制御して、前記電力セルと前記入力電源部を瞬時的に連結することを特徴とする、請求項6に記載の回生型高圧インバータ。
  8. 前記スイッチは、
    並列連結されるトランジスタとダイオードを含むことを特徴とする、請求項6または7に記載の回生型高圧インバータ。
  9. 前記スイッチング信号生成部は、
    前記入力電源部から入力される入力電源から線間電圧を測定し、測定された線間電圧から電源角を抽出して、前記電力セルへ入力される電圧をスイッチングすることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の回生型高圧インバータ。
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