JP2014100064A - コンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】電源側において簡単な低コストの給電回路を負荷側のモジュール形マルチレベルコンバータ（Ｍ２Ｃ）に結合したコンバータ、特に電圧中間回路形のコンバータを提供する。
【解決手段】本発明は、直流電圧側で互いに導電接続された電源側変換器（２）及び負荷側変換器（４）を備え、多相の負荷側変換器（４）の各相モジュール（８）の上側及び下側弁アーム（Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５、Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６）の夫々が少なくとも１つの２極サブシステム（１０）を有するコンバータに関する。本発明によれば、電源側変換器（２）として少なくとも１つの多相の他励変換器（１６）が設けられており、従来は必須と考えられていた中間回路コンデンサが省略されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、請求項１の前文に記載のコンバータに関する。

駆動技術、特に中電圧用の駆動技術においては、多数の様々の回路トポロジー及びパワー半導体素子が使用される。中電圧用の産業向電力変換器において通常使用される回路トポロジーは、サイリスタ技術では大まかに３つの回路カテゴリに分類される。即ち、電圧中間回路形コンバータと、電流中間回路形コンバータと、直接変換形コンバータとに分類される。更に、電圧中間回路形コンバータは、２つの下位カテゴリに、即ち三角結線コンバータと星形結線コンバータとに分類される。三角結線コンバータの典型的代表例は、１２パルスのダイオード整流器給電回路を有する３レベル中性点クランプ形（３Ｌ−ＮＰＣ）及び１２パルスのダイオード整流器給電回路を有する４レベルフライングキャパシタ形（４Ｌ−ＦＣ）である。星形結線の電圧中間回路形コンバータの典型的代表例は、セル毎に２レベルＨブリッジを有する直列接続形Ｈブリッジセルコンバータ（ＳＣ−ＨＢ（２Ｌ））及びセル毎に３レベルＨブリッジを有する直列接続形Ｈブリッジセルコンバータ（ＳＣ−ＨＢ（３Ｌ））である。三角結線に特徴的であるのは、半導体回路において同じ出力電圧の場合に星形結線に比べて高い電圧負担と同時に低い電流負担である。ＳＣ−ＨＢトポロジーを有するコンバータは、モジュール化によって中電圧領域においてさえも低減されたセル数において低阻止電圧の半導体素子スイッチの使用を可能にする。

上述の中電圧用コンバータの回路トポロジーの等価回路図は刊行物に開示され公知である（例えば、非特許文献１参照）。

直流電圧側で互いに導電接続されている電源側及び負荷側変換器を備えたコンバータにおいて、これらの変換器としてそれぞれ、モジュール形マルチレベルコンバータ（以下において、Ｍ２Ｃとも略称する）とも呼ばれるモジュール形式の多点変換器を使用することは公知である（例えば特許文献２参照）。Ｍ２Ｃトポロジーの電源側及び負荷側変換器を備えたこの種の電圧中間回路形コンバータは、前述の電圧中間回路形コンバータに比べると、中間回路コンデンサから構成される電圧中間回路をもはや持っていない。各弁アームおける使用されるサブシステムの個数によって相出力電圧の階段波形が決定される。

Max Beuerman、Marc Hiller及びDr.Rainer Sommer著、タイトル"Stromrichterschaltungen fuer Mittelspannung und deren Leistungshalbleiter fuer den Einsatz in Industriestromrictern（中電圧用の電力変換器回路とその産業向電力変換器への使用のためのパワー半導体素子）"、２００６年バートナウハイムでのETG専門会議で発行された論文集"Bauelement der Leistungselektronik und ihre Anwendung（パワーエレクトロニクス部品とその応用）"に掲載。 Rainer Marquardt、Anton Lesnicar und Juergen Hildinger著、"Modulares Stromrichterkonzept fuer Netzkupplungsanwendung bei hohen Spannung（高圧での電源接続用途のためのモジュール形式の変換器コンセプト）"、２００２年ETG専門会議の論文集に掲載。

本発明の課題は、Ｍ２Ｃトポロジーの負荷側変換器を有し、かつ簡単で低コストである電圧中間回路形コンバータを提供することにある。

この課題は、本発明によれば請求項１の特徴事項により解決される。

電源側変換器として少なくとも１つの多相の他励変換器を設けることで、Ｍ２Ｃトポロジーの負荷側変換器を有しかつ簡単な低コストの給電回路を有する電圧中間回路形コンバータが得られる。公知の電圧中間回路形コンバータに比べて、本発明によるコンバータは電圧中間回路内に中間回路コンデンサを持っていない。必ずしも低インダクタンスでなくてよい中間回路構成と、省略された中間回路コンデンサとによって、中間回路短絡が、従来のコンバータに比べれば、極めて非現実的となる。それによって、もはや低抵抗の中間回路短絡によって生じる短絡電流を配慮してコンバータ全体、特に電源側他励変換器の変換器弁を設計する必要がない。更に、本発明によるコンバータの電源側他励変換器の変換器弁の電流二乗時間積（ｉ2ｔ）要求は、ダイオード給電回路及び中間回路コンデンサによる従来の電圧中間回路形コンバータに比べて、明白に低減することができる。

本発明によるコンバータの有利な実施形態では、多相の他励変換器として多相のダイオード整流器が設けられている。従って、特に簡単な低コストの給電回路が得られる。

本発明によるコンバータの他の有利な実施形態では、多相の他励変換器として多相のサイリスタ整流器又は半制御形のブリッジが設けられる。従って、Ｍ２Ｃトポロジーの負荷側変換器のモジュールコンデンサが電源側サイリスタ整流器による直流電圧の立ち上げにより充電される。その結果、ダイオード給電回路の場合に必要な予備充電回路を省略することができる。更に、Ｍ２Ｃトポロジーの負荷側変換器から給電される負荷の始動領域では、この変換器を、全制御範囲内における小さい出力電圧において動作させることができる。Ｍ２Ｃトポロジーの変換器では、このＭ２Ｃトポロジーの変換器の２極サブシステムのモジュールコンデンサの蓄積エネルギー、即ち平均電圧が中間回路電圧に依存せず、かつ給電回路の実施形態に依存せずに調節可能である。

本発明によるコンバータの他の有利な実施形態では、多相の他励変換器として多相のサイリスタ可逆変換器が設けられる。それによって、多相のサイリスタ整流器を有する実施形態に比べると、負荷から電源系統へのエネルギー回生が可能になる。

電源側変換器及び負荷側変換器が共にＭ２Ｃトポロジーによって構成されている、公知のコンバータの回路図である。 本発明によるコンバータの回路図である。 本発明による６パルスのダイオードブリッジの回路図である。 本発明による６パルスのサイリスタブリッジの回路図である。 本発明による６パルスのサイリスタ可逆変換器の回路図である。 本発明によるコンバータの別の実施形態の回路図である。 本発明によるコンバータの更に別の実施形態の回路図である。

本発明の更なる説明のために、本発明によるコンバータの幾つかの実施形態を示す図面を参照する。

図１は、それぞれＭ２Ｃ形変換器として構成されている電源側変換器２及び負荷側変換器４を備えたコンバータ、特に電圧中間回路形コンバータの回路図を示す。この種のコンバータは前記非特許文献２から公知である。図示の実施形態では、コンバータの両変換器２及び４が３相に構成されている。従って、変換器２及び４はそれぞれ３つの相モジュール６又は８を有し、これらの相モジュールの直流電圧側は正の直流電圧母線Ｐ0と負の直流電圧母線Ｎ0とに導電接続されている。これらの直流電圧母線Ｐ0及びＮ0の間には詳しくは図示しない直流電圧が印加される。電源側変換器２及び負荷側変換器４の各相モジュール６又は８は、上側弁アームＴ１、Ｔ３、Ｔ５及び下側弁アームＴ２、Ｔ４、Ｔ６を有する。これらの弁アームＴ１〜Ｔ６の各々は、電気的に直列接続された多数の２極サブシステム１０を有する。図示の回路図において各弁アームＴ１〜Ｔ６は４つの２極サブシステム１０を有する。これらの２極サブシステム１０の実施例は、独国特許出願公開第１０１０３０３１号及び同第１０２００５０４１０８７号明細書に詳細に示され、それらの動作態様が説明されている。電源側変換器２と負荷側変換器４の１つの相モジュール１０の両変換器弁Ｔ１及びＴ２又はＴ３及びＴ４又はＴ５及びＴ６の各接続点が交流電圧側の接続端子Ｌ１又はＬ２又はＬ３を形成している。電源側変換器２の交流電圧側の接続端子Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３には電源変圧器１２の２次巻線が接続されていて、電源変圧器１２の１次巻線は詳しくは図示しない３相交流電源系統に接続されている。負荷側変換器４の交流電圧側の接続端子Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３には負荷、特に３相交流機１４が接続されている。

図２は本発明によるコンバータ、特に電圧中間回路形コンバータの原理回路図を示す。この本発明によるコンバータは、図１の公知のコンバータと、直流電圧側で電気的に直列接続された複数の多相の他励変換器１６が電源側変換器２として設けられている点で相違する。これらの他励変換器１６は、直流電圧側において並列に接続してもよいし、直並列に接続してもよい。給電回路として１つの他励変換器１６のみを設けてもよい。交流電圧側には他励変換器の個数に応じて２次巻線を有する１つの変圧器１８が設けられている。これら２次巻線同士はそれぞれ互いに予め定められた位相差角を有する。この位相差角をどのような大きさにするかは、直流電圧側で電気的に直列接続される他励変換器１６の個数に依存する。

図３は他励変換器１６の第１の実施形態を概略的に示す。これは６パルス形ダイオードブリッジ回路である。これら６パルス形ダイオードブリッジ回路の２つを直流電圧側で電気的に直列接続すると、１２パルス形の電源側変換器２が得られる。両６パルス形ダイオードブリッジ回路は、三角結線の２次巻線と星形結線の２次巻線とからなる標準変圧器により電源系統に接続される。３つの６パルス形ダイオードブリッジ回路を直流側で直列接続すると、電源側変換器２のための１８パルス形の回路が得られる。この電源側変換器２のパルス数が高いほど、高調波による交流電源系統の負担が少なくなる。この少ない系統負担を生じさせるためには、両６パルス形ダイオードブリッジのうちその都度一方の交流電圧側の電源電圧ＵＸ、ＶＸ、ＷＸが相手方に対して或る位相差角（例えば、１２パルス形の回路の場合には３０°の電気角）を持たなければならない。これは、例えば両２次巻線のうち一方が三角結線され、他方が星形結線されていることによって達成される。

他励変換器１６の第２の実施形態を図４に詳細に示す。この実施形態は６パルス形ブリッジ回路のサイリスタ整流器である。他励変換器１６のこの実施形態により、電源系統電圧に関係なく、中間回路電圧を予め定められた値に調整可能である。更に２極サブシステム１０のモジュールコンデンサを充電することができ、それによって個別の予備充電回路がもはや不要となる。このことは半制御形のサイリスタブリッジにも当てはまる。

負荷１４のエネルギーを電源系統に回生しようとする場合には、他励変換器１６として、図３による６パルス形ダイオードブリッジの代わりに、又は図４による６パルス形サイリスタブリッジの代わりに、図５によるサイリスタ可逆変換器が使用される。

図６は本発明によるコンバータの他の実施形態の回路図を示す。この実施形態は、更に別のＭ２Ｃトポロジーの負荷側変換器２０が設けられている点で、図２による実施形態とは相違する。この別の負荷側変換器２０は、第１の負荷側変換器４と同様に３相のＭ２Ｃ形の変換器として構成されている。直流電圧側において、この別の負荷側変換器２０は、コンバータの正の直流電圧母線Ｐ0及び負の直流電圧母線Ｎ0に導電接続されている。２つの負荷側変換器４及び２０と、少なくとも２つの電気的に直列接続された他励変換器１６からなる電源側変換器２とを備えたこのコンバータにより、同時に２つの負荷１４を互いに分離して制御できる。この電圧中間回路形コンバータでは中央の中間回路コンデンサがもはや存在しないので、コンバータのインダクタンス低減化構造に関する特別な要求は存在しない。更にその結果、直流電圧側で電気的に直列接続された少なくとも２つの他励変換器１６を有する電源側変換器２の設置された変換器設備容量が十分に利用される。

図７は本発明によるコンバータの更に別の実施形態の回路図を示す。この実施形態は、図２による実施形態と、コンバータユニット２２とコンバータユニット２４とが互いに組み合わされている点で相違する。コンバータユニット２２は図２によるコンバータに相当し、電源側変換器２が２つのみの他励変換器１６を有し、これら他励変換器１６が直流電圧側で電気的に直列接続されている。それに応じて電源変圧器２６は２つのみの２次巻線を有する。これらの両２次巻線の一方は星形結線され、これに対し他方の２次巻線は三角結線されている。その結果、１２パルス形の給電回路が得られる。コンバータユニット２４は図１によるコンバータに相当する。これらのコンバータユニット２２及び２４は並列運転される。この場合に、コンバータユニット２４は、コンバータユニット２２の電源側変換器２の高調波電流及びそれの無効電力を補償し得るように運転されるとよい。

直流電圧側で電気的に直列接続された少なくとも２つの他励変換器１６を有する電源側変換器２と、モジュール形マルチレベルコンバータ（Ｍ２Ｃ）として構成されている負荷側変換器４との組み合わせにより、下位カテゴリ「三角結線のコンバータ」での中電圧用の電圧中間回路形コンバータの公知の実施形態に比べると、少なくとも１つのコンデンサから構成される電圧中間回路をもはや持たない電圧中間回路形コンバータが得られる。下位カテゴリ「星形結線のコンバータ」での中電圧用の公知の電圧中間回路形コンバータに比べると、セルコンバータ用のＨブリッジの代わりに、今や２極サブシステム１０が使用され、同様に中電圧領域において低阻止電圧の半導体素子、特に１．７ｋＶの阻止電圧を有するＩＧＢＴが使用される。従って、変換器用途の標準変圧器２６を備えた簡単なダイオード給電回路及びエネルギー蓄積器なしの必ずしも低インダクタンスでない中間回路を低コストで負荷側のセルコンバータと結合した中電圧用の電圧中間回路コンバータが得られるので、三角結線及び星形結線の公知のコンバータの利点のみが効力を発揮する。

２ 電源側変換器、４ 負荷側変換器、６、８ 相モジュール、１０ サブシステム、１２ 電源変圧器、１４ ３相交流機、１６ 他励変換器、１８ 電源変圧器、２０ 負荷側変換器、２２、２４ コンバータユニット、２６ 変換器用標準変圧器、Ｐ0 正の直流電圧母線、Ｎ0 負の直流電圧母線、Ｌ１〜Ｌ３ 交流側接続端子、Ｔ１〜Ｔ３ 上側弁アーム、Ｔ４〜Ｔ６ 下側弁アーム、Ｕ、Ｖ、Ｗ 交流電源電圧

Claims (7)

1. 直流電圧側で互いに導電接続された電源側変換器（２）と多相の負荷側変換器（４）とを備えた、電圧中間回路形のコンバータにおいて、
   前記多相の負荷側変換器（４）として、各相モジュール（８）の上側アーム及び下側アーム（Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５；Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６）の各々が少なくとも１つの２極サブシステム（１０）を有するモジュール型マルチレベルコンバータ（Ｍ２Ｃ）を設けると共に、
   前記電源側変換器（２）として、ダイオード整流器またはサイリスタ整流器として構成されている、少なくとも１つの、多相の他励変換器（１６）を設けて、
   前記多相の負荷側変換器（４）と前記電源側変換器（２）とのいずれにおいても中間回路コンデンサを省略し、以て当該コンバータが中間回路コンデンサを全く有さないようにした
   ことを特徴とするコンバータ。
2. 請求項１記載のコンバータにおいて、
   前記他励変換器（１６）が、半制御形のサイリスタブリッジとして構成されている
   ことを特徴とするコンバータ。
3. 請求項１記載のコンバータにおいて、
   前記他励変換器（１６）が、サイリスタ可逆変換器として構成されている
   ことを特徴とするコンバータ。
4. 請求項１記載のコンバータにおいて、
   前記他励変換器（１６）が、前記直流電圧側で電気的に直列接続されたダイオード整流器とサイリスタ整流器とを含んでなる半制御形のブリッジとして設けられている
   ことを特徴とするコンバータ。
5. 請求項１から４の１つに記載のコンバータにおいて、
   前記多相の負荷側変換器（４）を第１の多相の負荷側変換器として備えていると共に、前記直流電圧側において前記電源側変換器と前記第１の多相の負荷側変換器（４）とに並列接続された、もう一つ別の第２の多相の負荷側変換器（２０）が、更に設けられている
   ことを特徴とするコンバータ。
6. 請求項１から５の１つに記載のコンバータにおいて、
   前記電源側変換器（２）が、電気的に直列接続された複数の前記多相の他励変換器（１６）を備えており、
   前記複数の多相の他励変換器（１６）のそれぞれは、交流電圧側に設けられている電源変圧器（１８）の低電圧側の変圧器巻線の端子に接続されている
   ことを特徴とする請求項１から５の１つに記載のコンバータ。
7. 請求項６記載のコンバータにおいて、
   前記低電圧側の変圧器巻線が、互いに予め定められた位相差角を有するように構成されている
   ことを特徴とするコンバータ。

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