JP2016171742A - インバータシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は別途のバイパススイッチを使わないでインバータ部のスイッチングを介してバイパスができるように制御する、インバータシステムを提供する。【解決手段】本発明のインバータシステムにおいて、NPC/Hブリッジ方式で配列されたU相とV相のスイッチング素子のうち、隣接して配置される4つのスイッチング素子をオン状態に切り替えて、直流端キャパシタから印加される電圧をバイパスすることができる。【選択図】図4

Description

本発明は、インバータシステムに関する。
高圧インバータ(medium voltage inverter)は、線間電圧の失効値が600V以上である入力電源を用いるインバータであり、定格電力容量は、数百kW〜数十MWまでで、ファン、ポンプ、圧縮機など応用分野に主に使用されている。このような高圧インバータとして、主に出力相電圧が3レベル以上の出力電圧を発生する直列型マルチ−レベルインバータ(cascaded multi−level inverter)が用いられている。マルチ−レベルインバータを構成する電力セルの数に応じて出力電圧レベルの大きさと数が決定され、各電力セルは絶縁された入力電圧を用いる。
直列型マルチ−レベルインバータは、複数の電力セルを直列連結して各相を構成し、インバータの3相の出力電圧は、各相を構成する電力セルの出力電圧の計によって決定される。各電力セルは、種々のトポロジーで構成されてもよい。
このように、電力セルを用いたマルチ−レベルインバータのモジュール化構造は、メンテナンスが容易で、いずれか一つの電力セルが故障状態になっても出力を減少させたまま運転するバイパス運転が可能である。バイパス運転時にはバイパススイッチを介して故障状態の電力セルの出力セルを短絡(short)させることによって該当電力セルを使用せず、残りの正常動作する電力セルを使用して高圧インバータが動作し続けるようにする。
しかし、故障が発生した電力セルが出力端にバイパススイッチを使用しない場合には、故障が発生した電力セルで使用する電力スイッチの逆並列ダイオードによる整流動作によって直流端電圧が上昇することになって、これにより直流端キャパシタの定格電圧を超えるので、電力セルが焼損してインバータの全体的な運転が不可能となる問題点がある。
本発明が解決しようとする技術的課題は、別のバイパススイッチを使用せずインバータ部のスイッチングを介してバイパスが可能となるように制御する、インバータシステム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に、複数の電力セルが直列連結されて電動機の相電圧を構成するインバータシステムにおいて、本発明の前記電力セルは、複数の電力セルが直列連結されて電動機の相電圧を構成するインバータシステムにおいて、前記電力セルは、印加される交流電圧を直流電圧に整流する整流部と、直流端キャパシタと、複数のスイッチング素子と複数のダイオードが中性点クランプ(NPC)/Hブリッジ方式で配置されて、前記直流端キャパシタの直流端電圧を前記複数のスイッチング素子各々のオンまたはオフによって所定電圧と周波数を有する交流電圧に合成するインバータ部と、前記複数のスイッチング素子のオンまたはオフを制御して、前記インバータ部が出力電圧をバイパスするように制御する制御部と、を含んでもよい。
本発明の一実施形態において、前記インバータ部は、U相を構成するように直列に連結される第1乃至第4スイッチング素子と、V相を構成するように直列連結される第5乃至第8スイッチング素子と、を含み、前記複数のダイオードによって、NPC/Hブリッジ方式を構成することができる。
本発明の一実施形態において、前記制御部は、前記第1、第2、第5及び第6スイッチング素子をオンにして前記直流端キャパシタから印加される出力電圧をバイパスすることができる。
本発明の一実施形態において、前記制御部は、前記第2、第3、第6及び第7スイッチング素子をオンにして前記直流端キャパシタから印加される出力電圧をバイパスすることができる。
本発明の一実施形態において、前記制御部は、前記第3、第4、第7及び第8スイッチング素子をオンにして前記直流端キャパシタから印加される出力電圧をバイパスすることができる。
本発明の一実施形態において、前記制御部は、前記電力セルに故障が発生したと判断した場合、前記複数のスイッチング素子の状態を確認して、故障が発生したスイッチング素子に応じてバイパス動作を行うように前記複数のスイッチング素子のうち一部をオン状態に切り替えることができる。
本発明の一実施形態において、前記制御部は、前記第3、第4、第7及び第8スイッチング素子のうちいずれか一つに故障が発生した場合、前記第1、第2、第5及び第6スイッチング素子をオンにして前記直流端キャパシタから印加される出力電圧をバイパスすることができる。
本発明の一実施形態において、前記制御部は、前記第1、第4、第5及び第8スイッチング素子のうちいずれか一つに故障が発生した場合、前記第2、第3、第6及び第7スイッチング素子をオンにして前記直流端キャパシタから印加される出力電圧をバイパスすることができる。
本発明の一実施形態において、前記制御部は、前記第1、第2、第5及び第6スイッチング素子のうちいずれか一つに故障が発生した場合、前記第3、第4、第7及び第8スイッチング素子をオンにして前記直流端キャパシタから印加される出力電圧をバイパスすることができる。
本発明は、セル制御部が電力セルで故障が感知したのを判断した場合、インバータ部のスイッチング素子のスイッチングを制御することによって電流をバイパスして、付加的なスイッチを使用しないので原価を削減する効果がある。
本発明が適用される高圧インバータシステムの一例示図である。 従来電力セルを示した構成図である。 図2のインバータ部の出力電圧の波形を示した例示図である。 本発明の一実施形態のインバータシステムの電力セルの細部構成図である。 表2の各モードに対する出力電流の経路を示した。 表2の各モードに対する出力電流の経路を示した。 表2の各モードに対する出力電流の経路を示した。 本発明のセル制御部がバイパスモードを決定してバイパス動作を行うことを説明するための一実施形態 フローチャートである。
本発明は多様な変更を加えることができ、様々な実施形態を持つことができ、特定実施形態を図面に例示して詳細な説明に詳細に説明する。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のではなくて、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されなければならない。
以下、添付図面を参照して本発明に係る好ましい一実施形態を詳細に説明する。
図1は、本発明が適用される高圧インバータシステムの一例示図で、直列型マルチ−レベルインバータシステムを示した。
図面に示したように、本発明が適用されるシステムにおいて、インバータ2は、3相電源部1から印加された線間電圧の失効値が600V以上である3相電源を変換して高圧の3相電動機3に提供するものである。この時3相電動機3は、誘導電動機(induction machine)または、同期電動機(synchronous machine)であってもよいが、その他の電動機であってもよい。
本発明のインバータ2は、位相置換変圧器10と複数の電力セル20を含んでもよい。
位相置換変圧器10は、電源部1から入力される電源を絶縁して、複数の電力セル20の要求に合わせて電圧の位相と大きさを変換して複数の電力セル20に提供することができる。このような位相置換を介して入力電流の全高調波歪率(total harmonic distortion、THD)を向上することができる。
複数の電力セル20は、位相置換変圧器10の出力電圧を受信して、高圧インバータ2の出力電圧は、各相に該当する電力セルの出力の計で合成(synthesize)される。
すなわち、図1の場合、インバータ2のa相の出力電圧は、直列連結された電力セル20a1及び20a2の出力電圧の計であり、b相の出力電圧は、直列連結された電力セル20b1及び20b2の出力電圧の計であり、c相の出力電圧は、直列連結された電力セル20c1及び20c2の出力電圧の計である。但し、説明を簡単にするために、2つの電力セルが直列連結される場合を例として図示したが、これに限定されず、インバータ2の出力電圧に応じて直列連結された電力セルの数が決定されてもよい。複数の電力セルは、同じ構造で構成されて、以下で本発明の説明時に電力セルの図面符号を「20」として説明する。
合成されたインバータ2の各々の出力相電圧の大きさは同じであるか、位相は120度差である。また、インバータ2を構成する電力セル20の数の増加と、種々のスイッチング方式によって電動機3に印加する出力電圧のTHDと電圧変化率(dv/dt)を改善できることは、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。
以下、従来バイパススイッチを有する電力セルの構成をひとまず調べた後、本発明に係る電力セルの構成を説明する。
図2は、従来電力セルを示した構成図である。
図面に示したように、従来電力セル200は、整流部210、直流端キャパシタ220、インバータ部230、バイパススイッチ240、及びセル制御部250で構成される。
整流部210は、6つのダイオードで構成される。整流された直流端電圧の大きさは、整流部210の入力電力と電力セル200の出力電力との差の関係から決定される。供給される入力電力が負荷で消費される出力電力より大きい場合には、直流端電圧が増加し、逆の場合には直流端電圧が減少する。直流端キャパシタ220は、入出力端の瞬時的な電力不均衡を解消するためのものである。
インバータ部230は、中性点クランプ(neutral−point clamped、NPC)方式とH−ブリッジ方式が混合したもので、直流端電圧から複数のスイッチング素子をオンオフして出力電圧を合成することができる。
セル制御部250は、電力セル毎に独立的に配置されるもので、インバータ部230の複数のスイッチング素子のスイッチング状態を決定するゲーティング信号(gating signal)を生成する。
バイパススイッチ240は、セル制御部250の制御によって、電力セル200の出力電圧をバイパスする。
このような構造の電力セル200で故障が発生すると、セル制御部250は、マスター制御部に故障信号を伝達して、バイパス信号をバイパススイッチ240に伝送して該当電力セル200の出力が短絡されるため、電動機3の運転に影響を及ぼさず、正常動作する電力セルを使用してインバータの連続的な運転が可能にする。
図2の電力セル200の出力電圧は、VuとVvの電圧差によって次の数式1のように決定される。
〔数式1〕
Figure 2016171742
この際、Vuvは電力セルの出力電圧で、VuとVvは、極(pole)電圧を示す。
U相スイッチのうちS11とS13、そしてS12とS14は互いに交互にオン/オフする相補的なスイッチング動作を行い、同様にV相のスイッチのうちS21とS23、そしてS22とS24が互いに相補的なスイッチング動作をする。スイッチング状態に応じて下記の表1のように電力セル200の極電圧と出力電圧が定義される。
Figure 2016171742
図3は、図2のインバータ部の出力電圧の波形を示したもので、IPD(In−Phase Disposition)変調を用いた例である。
電力セル200の両極の指令電圧Vm1とVm2は、周波数と大きさは同じで180度の位相差を有する。搬送波Vcr1とVcr2は、周波数と大きさが同じであるが、オフセットが異なる。Vcr1は、極電圧指令Vm1とVm2を比較して(S11、S13)と(S21、S23)のゲーティング信号を発生させて、Vcr2は、極電圧指令Vm1とVm2を比較して(S12、S14)と(S22、S24)のゲーティング信号を発生させる。
図3のインバータ部230のNPC/Hブリッジインバータは、表1のように3レベルの極電圧を用いるが、数式1を介して5レベルの電圧を出力する。各電圧レベルは、Vdcと同じである。
バイパス動作の場合には、バイパススイッチ240をオンさせて、電力セル200の出力端VuとVvを短絡する。出力端が短絡されるので、表1のスイッチング状態と関係なく常に0を出力して、セル制御部250はアーム短絡(arm short)を防止するために電力セル200のすべてのスイッチをオフする。
しかし、このような従来のインバータシステムでは、バイパス機能を実現するために高圧インバータを構成する電力セル毎に別のバイパススイッチを要求するため、製品の体積と費用が増加する問題点がある。
従って、本発明の一実施形態は、電力セルに別のバイパススイッチを使用せず、インバータ部23のスイッチング素子のスイッチングを制御してバイパスを実現する。
図4は、本発明の一実施形態のインバータシステムの電力セルの細部構成図である。
図面に示したように、本発明の電力セル20は、整流部21、直流端キャパシタ22、インバータ部23、及びセル制御部24を含んでもよい。
整流部21は、6つのダイオードで構成されて、位相置換変圧器10から各々入力される交流電圧を直流に整流することができる。整流された直流端電圧の大きさは、整流部21の入力電力と電力セル20の出力電力との差の関係から決定されてもよい。位相置換変圧器10から供給される入力電力が負荷で消費される出力電力より大きい場合には、直流端電圧が増加し、逆の場合には直流端電圧が減少する。
直流端キャパシタ22は、入出力端の瞬時的な電力不均衡を解消することができる。また、直流端キャパシタ22は、第1及び第2キャパシタ(C1、C2)が直列連結されて、各キャパシタ(C1、C2)に印加される電圧が直流端電圧に該当する。但し、これは例示的なもので、より多くのキャパシタが連結されて構成されてもよい。
インバータ部23は、NPC方式とH−ブリッジ方式が混合したもので、直流端キャパシタ22の直流端電圧から複数のスイッチング素子をオンオフして出力電圧を合成してもよい。
具体的には、本発明の一実施形態のインバータ部23は、第1スイッチング素子(S11)乃至第4スイッチング素子(S14)が直列に配置され、第5スイッチング素子(S21)乃至第8スイッチング素子24が直列に配置されてもよい。この時、第1乃至第4スイッチング素子(S11乃至S14)をU相スイッチング素子といい、第5乃至第8スイッチング素子(S21乃至S24)をV相スイッチング素子という。
第1乃至第8ダイオード(D11乃至D14、及びD21乃至D24)が各々のスイッチング素子に並列に配置されてもよい。また、第9及び第1Oダイオード(D15、D16)が直列連結されて、第2及び第3スイッチング素子(S12、S13)の連結と並列に連結され、その間のノード(P)が第1及び第2キャパシタ(C1、C2)の間のノード(N)と連結されてもよい。また、第11及び第12ダイオード(D25、D26)が直列連結されて、第6及び第7スイッチング素子(S22、S24)の連結と並列に連結され、その間のノード(Q)が第1及び第2キャパシタ(C1、C2)の間のノード(N)と連結されてもよい。すなわち、第1及び第2キャパシタ(C1、C2)の間のノード(N)、第9及び第1Oダイオード(D15、D16)の間のノード(P)及び第11及び第12ダイオード(D25、D26)の間のノード(Q)が各々連結されて、これをNPC方式という。
セル制御部24は、電力セル20毎に独立に配置されるもので、インバータ部23の複数のスイッチング素子のスイッチング状態を決定するゲーティング信号を生成することができる。
従来にはバイパススイッチ240を電力セル200の出力端に配置して、これを短絡させることによって出力電圧が常に0であり、電動機電流の経路を形成してバイパス運転を行ったが、本発明のセル制御部24は、負荷電流状態に関係なく0電圧を出力して、電動機電流の経路を形成することができる。
電力セルが常に0を出力するスイッチング状態を下記の表2のようにまとめることができる。
Figure 2016171742
すなわち、セル制御部24は、NPC/Hブリッジ方式で複数のスイッチング素子と複数のダイオードが配列されるインバータ部23において、U相及びV相スイッチング素子のうち隣接して配置される4つのスイッチング素子をオン状態に切り替えるものである。
具体的には、U相の2つのスイッチング素子と、V相の2つの連結されたスイッチング素子がオン状態に切り替えられ、この時、オン状態に切り替えられるU相及びV相のスイッチング素子は各々互いに対応する位置に配置される。
例えば、U相のうち第1及び第2スイッチング素子(S11、S12)がオンである場合、V相の第5及び第6スイッチング素子(S21、S22)がオンであれば、出力電圧は0であるだめ、バイパスを形成することができる。
図5乃至図7は、各々表2の各モードに対する出力電流の経路を示した図である。
図5は、表2のモード1に該当するもので、第1、第2、第5、第6スイッチング素子(S11、S12、S21及びS22)をオン状態にして、バイパス動作を行うことを示した。
電流が正(+)の方向である時、電流は、D12→D11→S21→S22の経路に沿って閉回路を形成してバイパスされる。これを実線で図示した。逆に電流が負(−)の方向である時、電流は、D22→D21→S11→S12の経路に沿って閉回路を形成してバイパスされる。これを点線で図示した。
図6は、表2のモード2に該当するもので、第2、第3、第6、第7スイッチング素子(S12、S13、S22及びS23)をオン状態にして、バイパス動作を行うことを示した。
電流が正の方向である時、電流は、S13→D16→D25→S22の経路に沿ってバイパスされる。これを実線で図示した。逆に電流が負の方向である時、電流は、S23→D26→D15→S12の経路に沿ってバイパスされる。これを点線で図示した。
また、図7は、表2のモード3に該当するもので、第3、第4、第7、第8スイッチング素子(S13、S14、S23、S24)をオン状態にして、バイパス動作を行うことを示した。
電流が正の方向である時、電流は、S13→S14→D24→D23の経路に沿ってバイパスされる。これを実線で図示した。逆に電流が負の方向である時、電流は、S23→S24→D14→D13の経路に沿ってバイパスされる。これを点線で図示した。
このように、本発明のセル制御部24は、スイッチング素子のオンオフを制御して、電流の方向に関係なく負荷電流が電力セル20の直流端電源に流れずインバータ部23の出力端を短絡させて、0の出力電圧を介して全体高圧インバータ運転に影響を及ぼさないバイパス動作を行うことができる。
図のようにNPC/Hブリッジインバータは、前記のように3つのバイパス可能なスイッチング状態を使用できるため、故障が発生したスイッチング素子の位置に応じて適切なバイパススイッチング状態を下記の表のように設定することができる。
Figure 2016171742
すなわち、前記表の通り、第3、第4、第7及び第8スイッチング素子(S13、S14、S23、S24)のうちいずれか一つ以上に故障が発生した場合に、第1、第2、第5、第6スイッチング素子(S11、S12、S21、S22)は、正常動作が可能であるため、バイパスモード1を用いて、バイパス動作を行うことができ、第1、第4、第5及び第8スイッチング素子(S11、S14、S21、S24)のうちいずれか一つ以上に故障が発生した場合に、第2、第3、第6、第7スイッチング素子(S12、S13、S22、S23)は、正常動作が可能であるため、バイパスモード2を用いてバイパス動作を行うことができる。また、第1、第2、第5、及び第6スイッチング素子(S11、S12、S21、S22)のうちいずれか一つ以上に故障が発生した場合には、第3、第4、第7及び第8スイッチング素子(S13、S14、S23、S24)は、正常動作が可能であるため、バイパスモード3を用いてバイパス動作を行うことがきるようになる。
図8は、本発明のセル制御部が、バイパスモードを決定してバイパス動作を行うことを説明するための一実施形態フローチャートである。
図面に示したように、セル制御部24は、電力セル20の故障が発生したと判断した場合(S80)、インバータ部23の各スイッチング素子の状態を確認して(S81)、スイッチング素子の故障に応じてモードを選択して(S82)バイパス動作をおこなうことができる (S83乃至S85)。
すなわち、セル制御部24は、第3、第4、第7及び第8スイッチング素子(S13、S14、S23、S24)のうちいずれか一つ以上に故障が発生した場合には、バイパスモード1を使ってバイパス動作を遂行し(S83)、第1、第4、第5及び第8スイッチング素子(S11、S14、S21、S24)のうちいずれか一つ以上に故障が発生した場合には、バイパスモード2を用いてバイパス動作を行い(S84)、第1、第2、第5、及び第6スイッチング素子(S11、S12、S21、S22)のうちいずれか一つ以上に故障が発生した場合には、バイパスモード3を用いてバイパス動作を行うことができる(S85)。
このように、本発明は、セル制御部24が電力セル20で故障を感知したことを判断した場合、インバータ部23のスイッチング素子のスイッチングを制御することによって電流をバイパスして、付加的なスイッチを使用しないので、原価を節減できる。
以上、本発明に係る実施形態が説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当分野で通常的な知識を有する者であれば、これから多様な変形及び均等な範囲の実施形態が可能である点を理解するであろう。従って、本発明の真の技術的保護範囲は、次の特許請求の範囲によって決まらなければならない。
1 3相電源部
2 インバータ
3 3相電動機
10 位相置換変圧器
20、200 電力セル
21,210 整流部
22,220 直流端キャパシタ
23,230 インバータ部
24、250 セル制御部
240 バイパススイッチ

Claims (8)

  1. 複数の電力セルが直列連結されて電動機の相電圧を構成するインバータシステムにおいて、
    前記電力セルは、
    印加される交流電圧を直流電圧に整流する整流部と、
    直流端キャパシタと、
    U相を構成するように直列連結される第1乃至第4スイッチング素子、及びV相を構成するように直列連結される第5乃至第8スイッチング素子を含み、前記スイッチ素子は、複数のダイオードによって中性点クランプ(NPC)/Hブリッジ方式で配置されて、前記直流端キャパシタの直流端電圧を前記複数のスイッチング素子各々のオンまたはオフによって所定電圧と周波数を有する交流電圧に合成するインバータ部と、
    前記複数のスイッチング素子のオンまたはオフを制御して、前記インバータ部が出力電圧をバイパスするように制御する制御部と、を含む、インバータシステム。
  2. 前記制御部は、
    前記第1、第2、第5及び第6スイッチング素子をオンにして前記直流端キャパシタから印加される出力電圧をバイパスする、請求項1に記載のインバータシステム。
  3. 前記制御部は、
    前記第2、第3、第6及び第7スイッチング素子をオンにして前記直流端キャパシタから印加される出力電圧をバイパスする、請求項1に記載のインバータシステム。
  4. 前記制御部は、
    前記第3、第4、第7及び第8スイッチング素子をオンにして前記直流端キャパシタから印加される出力電圧をバイパスする、請求項1に記載のインバータシステム。
  5. 前記制御部は、
    前記電力セルに故障が発生したと判断した場合、前記複数のスイッチング素子の状態を確認して、故障が発生したスイッチング素子に応じてバイパス動作を行うように前記複数のスイッチング素子のうち一部をオン状態に切り替える、請求項1に記載のインバータシステム。
  6. 前記制御部は、
    前記第3、第4、第7及び第8スイッチング素子のうちいずれか一つに故障が発生した場合、前記第1、第2、第5及び第6スイッチング素子をオンにして前記直流端キャパシタから印加される出力電圧をバイパスする、請求項5に記載のインバータシステム。
  7. 前記制御部は、
    前記第1、第4、第5及び第8スイッチング素子のうちいずれか一つに故障が発生した場合、前記第2、第3、第6及び第7スイッチング素子をオンにして前記直流端キャパシタから印加される出力電圧をバイパスする、請求項5に記載のインバータシステム。
  8. 前記制御部は、
    前記第1、第2、第5及び第6スイッチング素子のうちいずれか一つに故障が発生した場合、前記第3、第4、第7及び第8スイッチング素子をオンにして前記直流端キャパシタから印加される出力電圧をバイパスする、請求項5に記載のインバータシステム。
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