JP2013110843A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１台の電力変換装置で、定格容量を低減することなく異なる電圧クラスを出力することが可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】交流電源１が１次巻線に接続され、３Ｋ（Ｋは２以上の整数）個の２次巻線を有する入力変圧器２と、前記２次巻線に１対１で接続され、所望の周波数の単相交流電圧を出力するＫ個の単位インバータ５を用いて各々３相の相電圧を出力するようにした３台の電力変換部３とで構成する。電力変換部３は、Ｋ個の単位インバータの出力を直列接続する直列接続モードと、Ｋ個の単位インバータの略半数の出力を直列接続した直列接続体同士を並列接続する並列接続モードに切り替えられるように構成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、定格出力電圧を変更することが可能な電力変換装置に関する。

従来から、多相の交流電力を出力する電力変換装置の一つとして、電力変換装置の大容量化、高電圧化を目的とし、また出力波形を改善するために、単相インバータの出力側を直列接続して各相を構成することにより多重化したものが知られている。

各種試験電源用、またその他一般産業用向け等の電力変換装置として、単相インバータの出力側を直列接続して各相を構成することにより多重化した装置が安定した運転ができるような提案がなされている（例えば特許文献１参照。）。

特開２００１−２６８９９９号公報（全体）

特許文献１に示された電力変換装置は高調波が少なく、例えば多相の交流電動機を介したファン、ポンプ、コンプレッサー等の試験用電源に多数使用されている。この時、電圧クラスが異なる交流電動機が存在する場合は電圧クラス毎に電力変換装置を準備する必要があり、試験設備のコストアップ、設置場所の確保が困難等の問題があった。また、単にコンバータ等の出力電圧制御によって可変電圧を得るようにすると、電流容量が一定となるため、低い電圧を出力したとき、電力変換装置の容量が低減してしまうという問題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、１台の電力変換装置で、定格容量を低減することなく異なる電圧クラスを出力することが可能な電力変換装置を得ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、交流電源が１次巻線に接続され、３Ｋ（Ｋは２以上の整数）個の２次巻線を有する入力変圧器と、前記２次巻線に１対１で接続され、所望の周波数の単相交流電圧を出力するＫ個の単位インバータを用いて各々３相の相電圧を出力するようにした３台の電力変換部とから成り、前記電力変換部は、前記Ｋ個の単位インバータの出力を直列接続する直列接続モードと前記Ｋ個の単位インバータの略半数の出力を直列接続した直列接続体同士を並列接続する並列接続モードに切り替えられるように構成されていることを特徴としている。

この発明によれば、１台の電力変換装置で、定格容量を低減することなく異なる電圧クラスを出力することが可能な電力変換装置を提供することが可能となる。

この発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図である。 電力変換装置各相に単相セルインバータ６個を持つPWMパターンの図である。 電力変換装置各相に単相セルインバータ３個を持つPWMパターンの図である。 この発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図である。 この発明の実施例３に係る電力変換装置の主要部分の回路構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

以下、本発明の実施例１に係る電力変換装置を図１乃至図３を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図である。交流電源１から入力変圧器２に高圧の３相交流電圧が供給される。入力変圧器２は各々複数個の絶縁された２次巻線を有する２次巻線群２Ｕ１、２Ｕ２、２Ｖ１、２Ｖ２、２Ｗ１、２Ｗ２を有しており、２次巻線群２Ｕ１、２Ｕ２からＵ相電力変換器３Ｕに、２次巻線群２Ｖ１、２Ｖ２からＶ相電力変換器３Ｖに、そして２次巻線群２Ｗ１、２Ｗ２からＷ相電力変換器３Ｗに交流電力が供給される。Ｕ相電力変換器３Ｕ、Ｖ相電力変換器３Ｖ、Ｗ相電力変換器３Ｗは各々所望の周波数で互いに１２０°位相のずれた単相の交流電圧を出力し、その一端を中性点として互いに接続し、他端は各々交流電動機４の各端子に接続する。すなわち、Ｕ相電力変換器３Ｕ、Ｖ相電力変換器３Ｖ、及びＷ相電力変換器３Ｗで３相の電力変換器を構成している。以下、Ｕ相電力変換器３Ｕの内部構成について説明する。尚、Ｖ相電力変換器３Ｖ及びＷ相電力変換器３Ｗの内部構成はＵ相電力変換器３Ｕと基本的に同一構成であるのでこれらの説明は省略する。

Ｕ相電力変換器３Ｕは単位インバータ５Ｕ１〜５Ｕ６を有している。これらの単位インバータは内部構成の図示は省略するが、３相入力―単相出力のインバータであり、通常は直流を介して交流―交流変換を行っている。単位インバータ５Ｕ１、５Ｕ２、５Ｕ３の各々には２次巻線群２Ｕ１の各々の２次巻線から給電され、これらの単相出力は図示するように直列に接続されている。同様に、単位インバータ５Ｕ４、５Ｕ５、５Ｕ６の各々には２次巻線群２Ｕ２の各々の２次巻線から給電され、これらの単相出力は図示するように直列に接続されている。単位インバータ５Ｕ１の出力の一端は他相の単位インバータ５Ｖ１、５Ｗ１の出力の一端と接続され、中性点を形成している。単位インバータ５Ｕ３の出力の一端と単位インバータ５Ｕ４の出力の一端とは開閉器６Ｕを介して接続されている。そして単位インバータ５Ｕ６の出力の一端は開閉器７Ｕを介して交流電動機４のＵ相端子に接続されている。

単位インバータ５Ｕ１の出力の一端（中性点）と単位インバータ５Ｕ４の出力の一端とは開閉器８Ｕを介して接続されている。そして、単位インバータ５Ｕ３の出力の一端は、開閉器９Ｕ及びバランスリアクトル１０Ｕを介して単位インバータ５Ｕ６の出力の一端に接続され、バランスリアクトル１０Ｕの中点は交流電動機４のＵ相端子に接続されている。 次に動作について説明する。単位インバータ５Ｕ１〜５Ｕ６、５Ｖ１〜５Ｖ６、５Ｗ１〜５Ｗ６を全て直列に繋いだ場合、すなわち図１において開閉器６Ｕ、６Ｖ、６Ｗ及び７Ｕ、７Ｖ、７ＷをＯＮにし、他の開閉器をＯＦＦにした場合は、従来の単位インバータ６個分の出力電圧を合算した電圧を出力する電力変換装置となる。この接続を直列接続モードと呼称する。

これに対し、開閉器６Ｕ、６Ｖ、６Ｗ及び７Ｕ、７Ｖ、７ＷをＯＦＦにし、開閉器８Ｕ、８Ｖ、８Ｗ及び９Ｕ、９Ｖ、９ＷをＯＮにした場合は、例えばＵ相においては単位インバータ５Ｕ１、５Ｕ２、５Ｕ３の直列接続体の合成出力と単位インバータ５Ｕ４、５Ｕ５、５Ｕ６の直列接続体の合成出力とは、バランスリアクトル１０Ｕを介して並列接続された状態となって交流電動機４のＵ相電圧を与える。Ｖ相、Ｗ相についても同様となる。この接続を並列接続モードと呼称する。この並列接続モードにおいては、前述の直列接続モードに対し、定格出力電圧が半分、定格出力電流が倍の電力変換装置を得ることが可能となる。

並列接続モードの場合、Ｕ相電力変換部３Ｕ、Ｖ相電力変換部３Ｖ及びＷ相電力変換部３Ｗの各々の直列接続体の出力側には、電流アンバランスを抑制するためのバランスリアクトル１０Ｕ、１０Ｖ及び１０Ｗを夫々設ける。但し、電流アンバランスが問題とならない場合にはこれらのバランスリアクトル１０Ｕ、１０Ｖ及び１０Ｗは省略することも可能である。

また図１においては、入力変圧器２の２次側を、例えばＵ相では、２次巻線群２Ｕ１と２次巻線群２Ｕ２に分け、３巻線を1つの群として位相変位を持たせ、直列接続モードにおいても並列接続モードにおいても同様の多相整流回路を成立させている。但し必ずしもこのようにする必要はなく、入力変圧器２の２次巻線の位相シフトは自由に選定することも可能である。

直列接続モードの場合のＰＷＭパターンの一例を図２に示す。図示するように、この例では、１２個の搬送波であるＰＷＭパターン用三角波２０を、プラス側及びマイナス側に同じ数だけシフトさせ、電圧基準正弦波３０との比較によって各々の単位インバータの単相インバータを構成するスイッチング素子のオンオフを制御する。並列接続モードの場合は、図３に示すように直列接続体の単位インバータの直列数である３の２倍の数の６個のＰＷＭパターン用三角波を、プラス側及びマイナス側に同じ数だけシフトさせて、電圧基準正弦波３１の比較を行うことによって各単位インバータの単相インバータを構成するスイッチング素子のオンオフを制御する。並列接続モードの場合は、並列回路となっているので、例えば単位インバータ５Ｕ１、５Ｕ２、５Ｕ３のスイッチングパターンと単位インバータ５Ｕ４、５Ｕ５、５Ｕ６のスイッチングパターンとは同一とすることが好ましい。このため、並列接続モードの場合は同じパターンのゲート信号を２組並列に送るようにＰＷＭパターンを図２の状態から図３の状態に切り替えるようにする。

図４は本発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、入力変圧器２Ａの各２次巻線群に属す２次巻線の個数を３個から２個に変更し、これに伴い各相の単位インバータの台数を６台から４台に変更した点である。

この実施例２の動作は実施例１の場合と全く同一である。実施例１においては、直列接続モードでは単位インバータ６台分を加算した相電圧を出力し、並列接続モードではこの半分の出力電圧となったが、この実施例２では、直列接続モードでは単位インバータ４台分を加算した相電圧を出力し、並列接続モードではこの半分の出力電圧となる。

この実施例２では実施例１に対して各相の単位インバータの数を減らす例を説明したが、逆に各相の単位インバータの数を増やす構成も明らかに成立する。従って、各相の単位インバータの数を適切に選定することによって、例えば６ｋＶ／３ｋＶ出力の電力変換装置や４ｋＶ／２ｋＶ出力の電力変換装置を得ることが可能となる。

図５は本発明の実施例３に係る電力変換装置の主要部分の回路構成図である。ここで主要部分とはＵ相電力変換部のことであり、その他の部分の図示は省略している。この実施例３の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電力変換装置のＵ相電力変換部の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、単位インバータ５Ｕ７、５Ｕ８及び５Ｕ９を追加し、単位インバータ６台構成から９台構成に変更した点、開閉器１１Ｕ、１２Ｕ、１３Ｕを追加することによって３組の単位インバータを並列接続可能な構成とした点、これに対応してバランスリアクトル１０Ｕをバランスリアクトル１０ＵＡ、１０ＵＢ、１０ＵＣの３台に変更した点である。

この実施例３において、Ｕ相で言えば、開閉器６Ｕ、７Ｕ及び１１ＵをＯＮにし、他の開閉器をＯＦＦにした場合は、従来の単位インバータ９個分の出力電圧を合算した電圧を出力する電力変換装置となる。図示を省略したが、Ｖ相、Ｗ相についても同様となる（直列接続モード）。

これに対し、開閉器６Ｕ、７Ｕ、１１ＵをＯＦＦにし、開閉器８Ｕ、９Ｕ、１２Ｕ、１３ＵをＯＮにした場合は、Ｕ相において単位インバータ５Ｕ１、５Ｕ２、５Ｕ３の直列接続体の合成出力、単位インバータ５Ｕ４、５Ｕ５、５Ｕ６の直列接続体の合成出力及び単位インバータ５Ｕ７、５Ｕ８、５Ｕ９の直列接続体の合成出力が、夫々バランスリアクトル１０ＵＡ、１０ＵＢ及び１０ＵＣを介して並列接続された状態となって交流電動機４のＵ相電圧を与える。図示を省略したが、Ｖ相、Ｗ相についても同様となる（並列接続モード）。

この実施例３の並列接続モードにおいては、直列接続モードに対し、定格出力電圧が３分の１、定格出力電流が３倍の電力変換装置を得ることが可能となる。

尚、並列接続モードの場合、電流アンバランスが問題とならない場合にはバランスリアクトルを省略可能であることは実施例１の場合と同様である。

以上本発明のいくつかの実施例を説明したが、これらの実施例は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、実施例１で単位インバータが１８台の場合、実施例２で単位インバータが１２台の場合を説明したが、単位インバータの数はＫを２以上の整数として任意の３Ｋ個であれば良い。Ｋ＝１の場合は直列接続体の直列数は１となる。尚、Ｋ＝３の場合のように各相の電力変換部の単位インバータ数が奇数となる場合は、並列接続モードにおける一方の直列接続体の単位インバータの台数を（Ｋ−１）台の２分の１とする。そして、他方の直列接続体の単位インバータの台数をこれより１台多い台数とすれば良い。尚、この場合には直列接続モードに対して並列接続モードの定格電圧が、Ｋ＝３のとき３分の１、Ｋ＝５のとき５分の２のように２分の１以下となってしまうので注意が必要である。

また、実施例３の場合は各相の電力変換部の単位インバータ数が３台以上でないと成立しないので、Ｋは３以上である必要がある。この場合も各相の電力変換部の単位インバータ数が３の倍数でない場合、並列接続モードにおける直列接続体の単位インバータの台数を適切に選定することによって３倍の電流容量を得ることが可能となるが、電圧が３分の１以下となってしまうので注意が必要である。

また、実施例３において、バランスリアクトル１０ＵＡ、１０ＵＢ及び１０ＵＣの各々を短絡する開閉器を設ければ、開閉器の切り替えによってバランスリアクトルの有無の切り替えを行うことができる。

更に、実施例３において、例えば開閉器８Ｕ、開閉器１１Ｕ及び開閉器７ＵをＯＮとし、他の開閉器をＯＦＦとすれば、電流容量は変わらないが、直列接続モードに対して定格電圧が３分の２の電力変換装置を得ることが可能となる。

また、実施例の電力変換装置の適用分野は交流電動機等の試験設備という説明を行ったがこれに限定されることはない。一般産業設備の交流電動機の駆動装置に適用する場合であっても、設備改造など周囲の条件が変化したとき、定格出力電圧を変えることが可能な電力変換装置はそのフレキシブルな機能を十分発揮できる。

１ 交流電源
２、２Ａ 入力変圧器
２Ｕ１、２Ｕ２、２Ｖ１、２Ｖ２、２Ｗ１、２Ｗ２、２ＡＵ１、２ＡＵ２、２ＡＶ１、２ＡＶ２、２ＡＷ１、２ＡＷ２ ２次巻線群
３Ｕ、３ＵＡ、３ＵＢ Ｕ相電力変換部
３Ｖ、３ＶＡ Ｖ相電力変換部
３Ｗ、３ＷＡ Ｗ相電力変換部
４ 交流電動機
５Ｕ１、５Ｕ２、５Ｕ３、５Ｕ４、５Ｕ５、５Ｕ６、５Ｕ７、５Ｕ８、５Ｕ９、５Ｖ１、５Ｖ２、５Ｖ３、５Ｖ４、５Ｖ５、５Ｖ６、５Ｗ１、５Ｗ２、５Ｗ３、５Ｗ４、５Ｗ５、５Ｗ６ 単位インバータ
６Ｕ、６Ｖ、６Ｗ 開閉器
７Ｕ、７Ｖ、７Ｗ 開閉器
８Ｕ、８Ｖ、８Ｗ 開閉器
９Ｕ、９Ｖ、９Ｗ 開閉器
１０Ｕ、１０Ｖ、１０Ｗ、１０ＵＡ、１０ＵＢ、１０ＵＣ バランスリアクトル
１１Ｕ、１１Ｖ、１１Ｗ 開閉器
１２Ｕ、１２Ｖ、１２Ｗ 開閉器
１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗ 開閉器
２０、２１ ＰＷＭパターン用三角波
３０、３１ 電圧基準正弦波

Claims (7)

1. 交流電源が１次巻線に接続され、３Ｋ（Ｋは２以上の整数）個の２次巻線を有する入力変圧器と、
   前記２次巻線に１対１で接続され、所望の周波数の単相交流電圧を出力するＫ個の単位インバータを用いて各々３相の相電圧を出力するようにした３台の電力変換部とから成り、
   前記電力変換部は、
   前記Ｋ個の単位インバータの出力を直列接続する直列接続モードと
   前記Ｋ個の単位インバータの略半数の出力を直列接続した直列接続体同士を並列接続する並列接続モードに切り替えられるように構成されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 交流電源が１次巻線に接続され、３Ｋ（Ｋは３以上の整数）個の２次巻線を有する入力変圧器と、
   前記２次巻線に１対１で接続され、所望の周波数の単相交流電圧を出力するＫ個の単位インバータを用いて各々３相の相電圧を出力するようにした３台の電力変換部とから成り、
   前記電力変換部は、
   前記Ｋ個の単位インバータの出力を直列接続する直列接続モードと
   前記Ｋ個の単位インバータの略３分の１の数の出力を直列接続した直列接続体同士を並列接続する並列接続モードに切り替えられるように構成されていることを特徴とする電力変換装置。
3. 前記並列接続モードにおいては、前記直列接続体の各々の出力側にバランスリアクトルを設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記並列接続モードにおいては、前記直列接続体の各々のゲートパターンが同一となるようにゲートパターンを切り替えるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記並列接続モードにおいては、各々の前記直列接続体の単位インバータの直列数の２倍の数の搬送波であるＰＷＭパターン用三角波を、プラス側及びマイナス側に同じ数だけシフトさせ、電圧基準正弦波と比較することによってＰＷＭ変調して、前記単位インバータをスイッチングさせるようにしたことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記入力変圧器の２次巻線は、前記直列接続体の単位インバータの直列数と同数の群を作り、その群毎に２次巻線間の位相をシフトさせて入力側の高調波を低減させるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記電力変換装置は交流電動機を試験するための電源装置であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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