JP2017017942A - Power conversion apparatus - Google Patents

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岩堀 道雄
Michio Iwabori
道雄 岩堀
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power conversion apparatus which supplies a line-to-line voltage with no distortion to a three-phase AC load by reducing a 3m-th harmonic wave component without using a complicated control block.SOLUTION: In the power conversion apparatus, bypass switches are connected between output terminals of single-phase output cells which are connected in series for each phase. When all the cells are sound, all the switches are turned off and an AC output voltage of each phase is controlled to be a first AC voltage for which the 3m-th harmonic wave component ((m) is a natural number) is superposed on a fundamental wave component. If a single-phase output cell belonging to a first phase circuit is broken down, a switch between the output terminals of that cell is turned on and when outputting a line-to-line voltage equal to or higher than a predetermined value, output voltages of second and third phase circuits are controlled to be a voltage for which the first AC voltage and a second AC voltage are added, a phase of at least one of the first and second AC voltages being different from that of the fundamental wave component, magnitudes of both the voltages being equal and a phase difference therebetween being an electric angle 60°.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、複数台の単相出力セルを用いて三相交流電圧を出力する電力変換装置に関するものである。   The present invention relates to a power converter that outputs a three-phase AC voltage using a plurality of single-phase output cells.

従来、複数台の単相出力セルの直列接続回路を三相分備えることにより高圧の三相交流を出力し、何れかの単相出力セルが故障した際に健全な単相出力セルを用いて運転を継続するようにした電力変換装置が、例えば特許文献1に記載されている。
図11は、特許文献1に記載された単相出力セルの回路構成図である。図11において、100は単相出力セル、110は三相交流電圧が入力される整流回路、120は直流中間回路のコンデンサ直列回路、130は半導体スイッチング素子Q〜Qからなる単相2レベルのインバータ回路、140はインバータ回路130の出力端子間をバイパス(短絡)させるバイパス回路、151,152は単相交流電圧の出力端子、200はインバータ回路130のスイッチング素子Q〜QをPWM制御によりオンオフするための制御回路である。
Conventionally, by providing a series connection circuit of multiple single-phase output cells for three phases, high-voltage three-phase alternating current is output, and when any single-phase output cell fails, a healthy single-phase output cell is used. For example, Patent Document 1 discloses a power conversion device that continues operation.
FIG. 11 is a circuit configuration diagram of a single-phase output cell described in Patent Document 1. In FIG. 11, 100 is a single-phase output cell, 110 is a rectifier circuit to which a three-phase AC voltage is input, 120 is a capacitor series circuit of a DC intermediate circuit, and 130 is a single-phase two-level circuit composed of semiconductor switching elements Q 1 to Q 4. the inverter circuit, 140 a bypass circuit for the inter-output terminal of the inverter circuit 130 is bypassed (shorted), 151 and 152 output terminals of the single-phase AC voltage, 200 PWM control the switching element Q 1 to Q 4 of the inverter circuit 130 It is a control circuit for turning on and off by.

図12は、上記単相出力セル100を複数台接続して構成された電力変換装置を示している。図12において、300は三相交流電源、400は電源変圧器であり、この電源変圧器400に接続されたA〜A,B〜B,C〜Cは、それぞれが前記単相出力セル100に相当している。以下では、単相出力セルの符号としてA〜A,B〜B,C〜Cを用いるものとする。 FIG. 12 shows a power converter configured by connecting a plurality of the single-phase output cells 100. In FIG. 12, 300 is a three-phase AC power source, and 400 is a power transformer, and A 1 to A 5 , B 1 to B 5 , and C 1 to C 5 connected to the power transformer 400 are respectively described above. This corresponds to the single-phase output cell 100. Hereinafter, it is assumed that using the A 1 ~A 5, B 1 ~B 5, C 1 ~C 5 as the sign of the single-phase output cell.

単相出力セルA〜Aの出力端子は、共通接続点Nと三相モータ等の負荷500の入力端子Aとの間に直列に接続され、同様に、単相出力セルB〜Bの出力端子、単相出力セルC〜Cの出力端子も共通接続点Nと入力端子B,Cとの間にそれぞれ直列に接続されている。
これにより、電力変換装置から負荷500に三相交流電圧が印加される。
The output terminals of the single-phase output cells A 1 to A 5 are connected in series between the common connection point N and the input terminal A of the load 500 such as a three-phase motor. Similarly, the single-phase output cells B 1 to B 5, the output terminals of the single-phase output cells C 1 to C 5 are also connected in series between the common connection point N and the input terminals B and C, respectively.
Thereby, a three-phase alternating voltage is applied to the load 500 from the power converter.

特許文献1には、例えばA相の単相出力セルA4,A5が故障した場合、単相出力セルA4,A5の出力端子間を図11のバイパス回路140により短絡したうえで、図13に示すように、各相の出力電圧の位相差を健全時の電気角120°ずつから132.5°,95°,132.5°にそれぞれずらすことにより、線間電圧VAC,VBA,VCBの位相差を120°に保つ技術が記載されている。なお、この技術を第1の従来技術という。 In Patent Document 1, for example, when the A-phase single-phase output cells A4 and A5 fail, the output terminals of the single-phase output cells A4 and A5 are short-circuited by the bypass circuit 140 of FIG. Thus, the line voltages V AC , V BA , V CB are obtained by shifting the phase difference of the output voltage of each phase from 120 ° electrical angle to 132.5 °, 95 °, 132.5 °, respectively. A technique for maintaining the phase difference of 120 ° at 120 ° is described. This technique is referred to as a first conventional technique.

すなわち、A相の単相出力セルA4,A5が故障した場合、他のB相、C相についてもそれぞれ二つの単相出力セル、例えばB4,B5,C4,C5の出力端子間を短絡すれば、線間電圧VAC,VBA,VCBの位相差を120°に維持することができるが(特許文献1の図4を参照)、各相の出力電圧及び線間電圧は大きく減少する。
一方、単相出力セルA4,A5が故障した場合に、他相の単相出力セルの出力端子間を短絡せずに各相の出力電圧の位相差を120°のままで運転した場合には、線間電圧VAC,VBA,VCBの位相差が120°からずれることになり(特許文献1の図3を参照)、負荷500に悪影響を与える。
このため、前述した第1の従来技術では、図13に示したごとく各相の出力電圧の位相差を120°からずらすことにより、線間電圧VAC,VBA,VCBの位相差を120°に維持しながら出力電圧の低下を極力抑え、電圧利用率が低下するのを防止している。
That is, when the A-phase single-phase output cells A4 and A5 fail, the other B-phase and C-phase can be short-circuited between the output terminals of two single-phase output cells, for example, B4, B5, C4, and C5. The phase differences among the line voltages V AC , V BA , and V CB can be maintained at 120 ° (see FIG. 4 of Patent Document 1), but the output voltage and line voltage of each phase are greatly reduced.
On the other hand, when the single-phase output cells A4 and A5 are out of order, when operating with the phase difference of the output voltage of each phase kept at 120 ° without short-circuiting the output terminals of the single-phase output cells of the other phases Therefore, the phase difference between the line voltages V AC , V BA , and V CB is shifted from 120 ° (see FIG. 3 of Patent Document 1), and the load 500 is adversely affected.
Therefore, in the first prior art described above, the phase difference between the line voltages V AC , V BA , and V CB is set to 120 by shifting the phase difference of the output voltage of each phase from 120 ° as shown in FIG. While maintaining at ° C, the output voltage drop is suppressed as much as possible to prevent the voltage utilization rate from falling.

また、特許文献1には、図14に示す制御ブロックを用いて第1の従来技術とほぼ同様の作用を実現できることが記載されている。この技術を、第2の従来技術という。
第2の従来技術では、図14に示すように、各相に対する正弦波電圧指令V ,V ,V に大きさを調整可能なゲインK,K,Kをそれぞれ乗じて電圧指令U ,U ,U を生成し、これらのうちの最大値、最小値を最大値選択手段601、最小値選択手段602によりそれぞれ選択する。そして、最大値と最小値との平均値を加算器603及び除算器604により求め、この平均値を加算器605〜607にて元の電圧指令U ,U ,U から減算することにより、PWM演算用の各相電圧指令E ,E ,E を生成する。
Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228561 describes that the operation similar to that of the first prior art can be realized using the control block shown in FIG. This technique is referred to as a second conventional technique.
In the second prior art, as shown in FIG. 14, gains K A , K B , and K C that can be adjusted in magnitude to sine wave voltage commands V A * , V B * , and V C * for each phase are respectively set. The voltage commands U A * , U B * , and U C * are generated by multiplication, and the maximum value and the minimum value are selected by the maximum value selection unit 601 and the minimum value selection unit 602, respectively. Then, an average value of the maximum value and the minimum value is obtained by the adder 603 and the divider 604, and this average value is subtracted from the original voltage commands U A * , U B * , U C * by the adders 605 to 607. By doing so, each phase voltage command E A * , E B * , E C * for PWM calculation is generated.

この従来技術においては、例えばA相において何台かの単相出力セルが故障してこれらの出力端子間を短絡する場合には、その故障した台数(言い換えればA相の健全な単相出力セルの台数)に応じてA相のゲインKのみを大きくする。これにより、U のピーク値はU ,U のピーク値に比べて大きくなり、最大値と最小値との平均値を元の電圧指令U ,U ,U から減算した結果、各相電圧指令E ,E ,E の位相差は120°からずれるが、ピーク値はほぼ等しくなる。
この時の各相の出力電圧のベクトル図は、図13と同様に、基点Nの位置が正三角形の中心から上にずれた状態となり、線間電圧VAC,VBA,VCBの位相差を120°に保つことができる。
In this prior art, for example, when several single-phase output cells in the A phase fail and the output terminals are short-circuited, the number of faults (in other words, a healthy single-phase output cell in the A phase) increasing only the gain K a of the a-phase depending on the number). As a result, the peak value of U A * becomes larger than the peak values of U B * and U C * , and the average value of the maximum value and the minimum value is used as the original voltage command U A * , U B * , U C. * the result of subtracting from, * phase voltage command E a, E B *, the phase difference E C * is deviated from 120 °, is substantially equal peak value.
The vector diagram of the output voltage of each phase at this time is in a state where the position of the base point N is shifted upward from the center of the equilateral triangle, as in FIG. 13, and the phase difference of the line voltages V AC , V BA , V CB Can be maintained at 120 °.

更に、特許文献2にも、ある相の直列接続された複数台の単相出力セルのうち、x台の単相出力セルが故障した場合にその出力端子間を短絡すると共に、他相の全ての単相出力セルの運転を継続し、図15に示すように、各相の出力電圧の位相差を元の電気角120°からずらしてθVU,θWV,θUWとする制御方法が記載されている。なお、図15において、N’は故障発生前に位相差が120°である時の各相出力電圧ベクトルの基点であり、Nは位相差をずらした後の各相出力電圧ベクトルの基点である。この技術を、第3の従来技術という。
この従来技術においても、故障発生相に合わせて他相でもx台の単相出力セルの出力端子間を短絡する場合に比べて、各相の出力電圧を増加させることができ、また、線間電圧の位相差を120°に保つことが可能である。
Furthermore, in Patent Document 2, when x single-phase output cells out of a plurality of single-phase output cells connected in series in a certain phase fail, the output terminals are short-circuited and all other phases are also connected. A control method is described in which the operation of the single-phase output cell is continued and the phase difference of the output voltage of each phase is shifted from the original electrical angle of 120 ° to be θ VU , θ WV , θ UW as shown in FIG. Has been. In FIG. 15, N ′ is the base point of each phase output voltage vector when the phase difference is 120 ° before the failure occurs, and N is the base point of each phase output voltage vector after the phase difference is shifted. . This technique is referred to as a third conventional technique.
Also in this prior art, the output voltage of each phase can be increased compared to the case where the output terminals of x single-phase output cells are short-circuited in the other phases in accordance with the failure occurrence phase. It is possible to keep the voltage phase difference at 120 °.

特開2000−60142号公報/特許第4553167号公報(段落[0005]〜[0007],[0013],[0020]、図1a,図1b,図5a,図7)Japanese Patent Laid-Open No. 2000-60142 / Patent No. 4553167 (paragraphs [0005] to [0007], [0013], [0020], FIG. 1a, FIG. 1b, FIG. 5a, FIG. 7) 特開2011−250534号公報/特許第5676919号(段落[0015]〜[0029]、図3〜図6等)Japanese Patent Laying-Open No. 2011-250534 / Japanese Patent No. 5676919 (paragraphs [0015] to [0029], FIGS. 3 to 6 etc.)

特許文献1,2等に記載された電力変換装置では、全ての単相出力セルが故障していない健全時に三相出力の線間電圧を大きくするため、数式1に示すように、相電圧に基本波成分だけでなく、第3m次調波成分(mは自然数)を重畳することがしばしば行われている。なお、数式1において、ωは基本波の角周波数、A1は基本波成分の振幅、A3mは第3m次調波成分の振幅、B1は基本波成分の位相、B3mは第3m次調波成分の位相を表し、θは三つの相で互いに120°ずれた値とする。

Figure 2017017942
In the power conversion devices described in Patent Literatures 1 and 2 and the like, in order to increase the line voltage of the three-phase output when all the single-phase output cells are healthy, In addition to the fundamental wave component, it is often performed to superimpose a third m-order harmonic component (m is a natural number). In Equation 1, ω is the angular frequency of the fundamental wave, A1 is the amplitude of the fundamental wave component, A3m is the amplitude of the third mth harmonic component, B1 is the phase of the fundamental wave component, and B3m is the third mth harmonic component. The phase represents the phase, and θ is a value shifted from each other by 120 ° in the three phases.
Figure 2017017942

この数式1の第3m次調波成分は、例えば、θ=0°とθ=120°の場合に、数式2に示すように等しくなる。このため、二つの相電圧を減算して得られる線間電圧には、第3m次調波成分が含まれない基本波成分だけを残すことができる。
[数式2]
A3m・sin{3m(ωt+B3m+120°)}=A3m・sin{3m(ωt+B3m+m×360°)}=A3m・sin{3m(ωt+B3m)}
The third m-order harmonic component of Equation 1 is equal as shown in Equation 2 when θ = 0 ° and θ = 120 °, for example. For this reason, only the fundamental wave component that does not include the third mth harmonic component can be left in the line voltage obtained by subtracting the two phase voltages.
[Formula 2]
A3m · sin {3m (ωt + B3m + 120 °)} = A3m · sin {3m (ωt + B3m + m × 360 °)} = A3m · sin {3m (ωt + B3m)}

しかし、第1の従来技術や第3の従来技術では、各相の出力電圧の位相差が120°ではなくなるため、相電圧に第3m次調波成分を重畳すると、数式2により説明したように第3m次調波成分を線間電圧で相殺することができなくなり、線間電圧にも第3m次調波成分が重畳して電圧歪みを生じるという問題点があった。   However, in the first prior art and the third prior art, the phase difference between the output voltages of the respective phases is not 120 °. Therefore, when the third m-order harmonic component is superimposed on the phase voltage, as described by Expression 2. The third m-order harmonic component cannot be canceled out by the line voltage, and there is a problem that the third m-order harmonic component is superimposed on the line voltage to cause voltage distortion.

また、第2の従来技術によれば、単位出力セルの健全時に図13の制御ブロックに従って制御することにより、結果として、数式1のような第3m次調波成分を相電圧に重畳することができると共に、負荷500に与える出力電圧を大きくすることが可能になる。
しかし、単相出力セルに故障が発生し、その出力端子間を短絡して他の単相出力セルによって運転を継続する場合には、特許文献1の段落[0028]に「……大体の場合において許容可能な、小さな歪みを持ちこむ。」と記載されているように、第1,第2の従来技術と同様に線間電圧で第3m次調波成分を打ち消すことができなくなり、負荷への供給電圧が歪んでしまう。
このため、特許文献1では、図16に示す制御ブロックを用いて、線間電圧に含まれる第3m次調波成分を打ち消している。なお、この図16において、608は除算器、609は積分器であり、その他の部分については図14と同一の符号を付してある。
Further, according to the second prior art, by controlling according to the control block of FIG. 13 when the unit output cell is healthy, as a result, it is possible to superimpose a third m-order harmonic component such as Equation 1 on the phase voltage. In addition, the output voltage applied to the load 500 can be increased.
However, when a failure occurs in a single-phase output cell and the output terminals are short-circuited and the operation is continued with another single-phase output cell, paragraph [0028] of Patent Document 1 states “... As in the first and second prior arts, it is impossible to cancel the third-order harmonic component with the line voltage and Supply voltage is distorted.
For this reason, in Patent Document 1, the third mth harmonic component included in the line voltage is canceled using the control block shown in FIG. In FIG. 16, reference numeral 608 denotes a divider, 609 denotes an integrator, and other portions are denoted by the same reference numerals as those in FIG.

図16の制御ブロックでは、積分器609を含むフィードバックループにより求めた値を正弦波電圧指令V ,V ,V から減算し、更にゲインK,K,Kをそれぞれ乗じて電圧指令U ,U ,U を生成するものであるが、図14に比べて複雑なフィードバック制御系を追加する必要があり、その調整も必要になるという問題があった。 In the control block of FIG. 16, the values obtained by the feedback loop including the integrator 609 are subtracted from the sine wave voltage commands V A * , V B * , and V C * , and the gains K A , K B , and K C are respectively obtained. The voltage commands U A * , U B * , and U C * are multiplied to generate a complicated feedback control system as compared with FIG. 14, and there is a problem that adjustment is required. It was.

そこで、本発明の解決課題は、相電圧に第3m次調波成分を重畳することにより基本波成分のみの時よりも大きい線間電圧を出力させる場合において、複雑な制御ブロックを必要とせずに、第3m次調波成分を低減して歪みのない線間電圧を出力可能とした電力変換装置を提供することにある。   Therefore, the problem to be solved by the present invention is that when a line voltage larger than the case of only the fundamental wave component is output by superimposing the third mth harmonic component on the phase voltage, a complicated control block is not required. An object of the present invention is to provide a power conversion device that can output a line voltage without distortion by reducing the third mth harmonic component.

本発明は、三つの相回路のうち、故障によって健全な単相出力セルの台数が最小となった相回路に合わせて、各相の出力電圧を基本波成分の位相が互いに120°ずれているバランスした電圧(第1の交流電圧)とし、このバランスした電圧以上の電圧については、故障した相回路以外の二つの相回路によるV結線相当の動作を行わせることによって三相の交流電圧(第2の交流電圧)を発生させ、電力変換装置全体として、これらの第1,第2の交流電圧を加算して出力させるという着想に基づいている。
このような電圧発生方法は、図13や図15のように、一つの相回路における各セルの出力電圧位相を全て等しくし、相回路の電圧ベクトルが一直線状になるように制御して出力電圧を最大化する従来技術とは、基本的に相違している。
本発明においては、三つの相回路(第1〜第3の相回路)により発生させるバランスした第1の交流電圧に関しては、相電圧として基本波成分に第3m次調波成分を重畳した場合でも、線間電圧に歪みを生じることなく、相電圧を基本波成分のみとする場合よりも大きな線間電圧を出力させることができる。また、故障した単相出力セルが属する相回路が出力可能な所定値以上の電圧を出力させる場合には、故障した単相出力セルが属する相回路以外の二つの相回路によりV結線相当の動作させた場合と同等の第2の交流電圧を加算するため、その加算した結果としても電圧歪みのない線間電圧を発生させることができる。
According to the present invention, the phase of the fundamental component of the output voltage of each phase is shifted by 120 ° to match the phase circuit in which the number of healthy single-phase output cells is minimized due to the failure among the three phase circuits. A balanced voltage (first AC voltage) is used, and for a voltage higher than the balanced voltage, a three-phase AC voltage (first AC voltage) is obtained by performing an operation equivalent to V connection by two phase circuits other than the failed phase circuit. 2), and the power converter as a whole is added to the first and second AC voltages to be output.
As shown in FIGS. 13 and 15, such a voltage generation method is such that the output voltage phase of each cell in one phase circuit is all made equal, and the voltage vector of the phase circuit is controlled to be in a straight line. This is fundamentally different from the conventional technology that maximizes.
In the present invention, regarding the balanced first AC voltage generated by the three phase circuits (first to third phase circuits), even when the third mth harmonic component is superimposed on the fundamental wave component as the phase voltage. Thus, it is possible to output a larger line voltage than when the phase voltage is only the fundamental wave component without causing distortion in the line voltage. In addition, when a voltage higher than a predetermined value that can be output by the phase circuit to which the failed single-phase output cell belongs is output, an operation equivalent to V connection is performed by two phase circuits other than the phase circuit to which the failed single-phase output cell belongs. Since the second AC voltage equivalent to the case of adding is added, a line voltage without voltage distortion can be generated as a result of the addition.

すなわち、請求項1に係る発明は、半導体スイッチング素子の動作により直流電圧を単相交流電圧に変換するN台(Nは2以上の自然数)の単相出力セルの交流出力端子を全て直列接続して一相分の相回路を構成し、三相分に相当する第1〜第3の前記相回路の各一端が共通接続され、かつ、各他端が三相交流負荷の入力端子にそれぞれ接続された電力変換装置であって、前記単相出力セルの出力端子間にバイパス用のスイッチがそれぞれ接続され、故障していない健全な前記単相出力セルの前記スイッチをオフすると共に、前記相回路の出力電圧が、基本波成分に第3m次調波成分(mは自然数)を重畳した第1の交流電圧となるように前記半導体スイッチング素子を制御可能とした電力変換装置において、
第1の相回路に属するL台(LはN未満の自然数)の単相出力セルが故障した時に、故障したL台の単相出力セルの出力端子間の前記スイッチを全てオンし、
前記第1の相回路が出力可能な電圧の所定値までは、前記第1〜第3の相回路から前記第1の交流電圧を出力させ、
前記所定値を超える電圧を前記第2,第3の相回路から出力させる場合には、
前記第2,第3の相回路の出力電圧が、
前記第1の交流電圧と、前記第1の交流電圧の基本波に対して少なくとも一方の位相が異なり、かつ両者の大きさが等しく、互いの位相差が電気角60°となる基本波成分を有する第2の交流電圧と、を加算した電圧となるように制御するものである。
That is, according to the first aspect of the present invention, all AC output terminals of N single-phase output cells (N is a natural number of 2 or more) for converting a DC voltage into a single-phase AC voltage by the operation of the semiconductor switching element are connected in series. The first to third phase circuits corresponding to three phases are connected in common and the other ends are connected to the input terminals of the three-phase AC load, respectively. In the power conversion apparatus, a bypass switch is connected between the output terminals of the single-phase output cell, the switch of the healthy single-phase output cell that is not faulty is turned off, and the phase circuit In the power conversion device in which the semiconductor switching element is controllable so that the output voltage becomes a first AC voltage in which a third m harmonic component (m is a natural number) is superimposed on a fundamental wave component,
When L single-phase output cells belonging to the first phase circuit (L is a natural number less than N) have failed, all the switches between the output terminals of the failed L single-phase output cells are turned on,
The first AC voltage is output from the first to third phase circuits up to a predetermined value of the voltage that can be output by the first phase circuit,
When outputting a voltage exceeding the predetermined value from the second and third phase circuits,
The output voltages of the second and third phase circuits are
A fundamental wave component in which at least one phase is different from the first alternating voltage and the fundamental wave of the first alternating voltage, the magnitudes of both are equal, and the phase difference between them is an electrical angle of 60 °. It controls so that it may become the voltage which added the 2nd alternating current voltage which has.

請求項2に係る発明は、請求項1に記載した電力変換装置において、前記第2の交流電圧として加算される基本波成分の電圧は、前記第1の相回路の交流出力電圧の基本波成分の位相を基準にして、前記第2の相回路では電気角で+150°の位相差を有し、前記第3の相回路では電気角で−150°の位相差を有することを特徴とする。
本発明では、第2,第3の相回路のV結線相当の動作により電圧を発生する際に、第1の相回路の交流出力電圧の基本波成分に対して±150°の位相差を設けることにより、第2の交流電圧を加算する前の三相がバランスした相電圧(第1の交流電圧)の基本波成分と、V結線相当の動作により発生する三相の相電圧との位相を一致させることができる。これにより、両者の位相を一致させない場合に比べて、第1,第2の交流電圧を加算した時の電圧を大きくすることができる。
The invention according to claim 2 is the power conversion device according to claim 1, wherein the voltage of the fundamental wave component added as the second AC voltage is the fundamental wave component of the AC output voltage of the first phase circuit. The second phase circuit has a phase difference of + 150 ° in terms of electrical angle, and the third phase circuit has a phase difference of −150 ° in terms of electrical angle with respect to the phase.
In the present invention, when the voltage is generated by the operation equivalent to the V connection of the second and third phase circuits, a phase difference of ± 150 ° is provided with respect to the fundamental wave component of the AC output voltage of the first phase circuit. Thus, the phase of the fundamental component of the phase voltage (first AC voltage) balanced between the three phases before adding the second AC voltage and the phase of the three-phase voltage generated by the operation equivalent to V connection Can be matched. Thereby, compared with the case where both phases do not correspond, the voltage when adding the 1st, 2nd alternating voltage can be enlarged.

請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載した電力変換装置において、前記所定値が、前記第1の相回路に属する全ての単相出力セルの健全時における最大出力電圧の{(N−L)/N}倍であることを特徴とする。
三相でバランスした電圧を発生できるのは、第1の相回路の最大出力電圧の{(N−L)/N}倍であるから、その電圧までは三相でバランスした電圧を発生させれば、{(N−L)/N}倍未満を所定値とする場合よりも出力電圧を大きくすることができる。
According to a third aspect of the present invention, in the power conversion device according to the first or second aspect, the predetermined value is a maximum output voltage {() when all the single-phase output cells belonging to the first phase circuit are healthy. N−L) / N} times.
The three-phase balanced voltage can be generated {(N−L) / N} times the maximum output voltage of the first phase circuit, so that the three-phase balanced voltage can be generated up to that voltage. For example, the output voltage can be made larger than when the predetermined value is less than {(N−L) / N}.

請求項4に係る発明は、半導体スイッチング素子の動作により直流電圧を単相交流電圧に変換するN台(Nは2以上の自然数)の単相出力セルの交流出力端子を全て直列接続して一相分の相回路を構成し、三相分に相当する第1〜第3の前記相回路の各一端が共通接続され、かつ、各他端が三相交流負荷の入力端子にそれぞれ接続された電力変換装置であって、
前記単相出力セルの出力端子間にバイパス用のスイッチがそれぞれ接続され、故障していない健全な前記単相出力セルの前記スイッチをオフすると共に、前記相回路の出力電圧が、基本波成分に第3m次調波成分(mは自然数)を重畳した第1の交流電圧となるように前記半導体スイッチング素子を制御可能とした電力変換装置において、
前記第1の相回路に属するL台(LはN未満の自然数)の単相出力セルと前記第2の相回路に属するL台(LはL未満の自然数)の単相出力セルとが故障した時に、故障した全ての単相出力セルの出力端子の前記スイッチをオンすると共に、単相出力セルが故障していない健全な第3の相回路におけるL台の単相出力セルの出力端子間の前記スイッチをオンし、
前記第1の相回路が出力可能な電圧の所定値までは、前記第1〜第3の相回路から前記第1の交流電圧を出力させ、
前記所定値を超える電圧を前記第2,第3の相回路から出力させる場合には、
前記第2の相回路及び前記第3の相回路の出力電圧が、
前記第1の交流電圧と、前記第1の交流電圧の基本波に対して少なくとも一方の位相が異なり、かつ両者の大きさが等しく、互いの位相差が電気角60°となる基本波成分としての第2の交流電圧と、を加算した電圧となるように制御するものである。
本発明においては、L台の単相出力セルが故障した第1の相回路以外の第2,第3の相回路により、(L−L)台の単相出力セルの出力電圧分によるV結線相当の動作が可能になり、電圧歪みのない線間電圧を発生させることができる。
In the invention according to claim 4, the AC output terminals of N single-phase output cells (N is a natural number of 2 or more) for converting a DC voltage into a single-phase AC voltage by the operation of the semiconductor switching element are all connected in series. A phase circuit for a phase is configured, and one end of each of the first to third phase circuits corresponding to three phases is commonly connected, and each other end is connected to an input terminal of a three-phase AC load. A power converter,
A bypass switch is connected between the output terminals of the single-phase output cell to turn off the switch of the healthy single-phase output cell that has not failed, and the output voltage of the phase circuit becomes a fundamental wave component. In the power conversion device in which the semiconductor switching element can be controlled so as to be a first AC voltage on which a third m-order harmonic component (m is a natural number) is superimposed,
L 1 unit (L 1 is a natural number less than N) single-phase output cells belonging to the first phase circuit and L 2 units (L 2 is a natural number less than L 1 ) single phase belonging to the second phase circuit When the output cell fails, the switches of the output terminals of all the failed single-phase output cells are turned on, and L 2 single-phase circuits in a healthy third phase circuit in which the single-phase output cell is not broken Turn on the switch between the output terminals of the output cells,
The first AC voltage is output from the first to third phase circuits up to a predetermined value of the voltage that can be output by the first phase circuit,
When outputting a voltage exceeding the predetermined value from the second and third phase circuits,
The output voltages of the second phase circuit and the third phase circuit are:
As a fundamental wave component in which at least one phase is different from the first alternating voltage and the fundamental wave of the first alternating voltage, the magnitude of both is equal, and the phase difference between them is an electrical angle of 60 °. The second AC voltage is controlled to be a voltage obtained by adding the second AC voltage.
In the present invention, the second than the first phase circuit single phase output cell of one L fails, the third phase circuit, (L 1 -L 2) base output voltage of the single-phase output cells Thus, an operation equivalent to V-connection is possible, and a line voltage without voltage distortion can be generated.

請求項5に係る発明は、請求項4に記載した電力変換装置において、前記第2の交流電圧として加算される基本波成分の電圧は、前記第1の相回路の交流出力電圧の基本波成分の位相を基準にして、他の一つの相回路では電気角で+150°の位相差を有し、残りの一つの相回路では電気角で−150°の位相差を有するものであり、これによって請求項2と同様の作用を得ることができる。   According to a fifth aspect of the present invention, in the power conversion device according to the fourth aspect, the fundamental wave component voltage added as the second alternating voltage is a fundamental wave component of the alternating current output voltage of the first phase circuit. The other one phase circuit has a phase difference of + 150 ° in electrical angle, and the other one phase circuit has a phase difference of −150 ° in electrical angle. An effect similar to that of the second aspect can be obtained.

請求項6に係る発明は、請求項4または請求項5に記載した電力変換装置において、前記所定値が、第1の相回路に属する全ての単相出力セルの健全時における最大出力電圧の{(N−L)/N}倍であることを特徴としており、これによって請求項3と同様の作用を得ることができる。 The invention according to claim 6 is the power conversion device according to claim 4 or claim 5, wherein the predetermined value is a maximum output voltage of all single-phase output cells belonging to the first phase circuit in a healthy state. (N−L 1 ) / N} times, so that the same effect as in the third aspect can be obtained.

本発明によれば、各相電圧に第3m次調波成分を重畳して基本波成分のみの時よりも大きい線間電圧を出力させる場合において、複雑な制御ブロックを必要とせずに、第3m次調波成分を低減して歪みのない線間電圧を出力させることができる。
このため、例えば負荷が三相交流モータである場合でも、その出力トルクに第3m次調波成分に起因するトルクリプルが発生することはない。従って、トルクリプルに伴う機械系の振動が発生するおそれもなく、機械系に対する悪影響や騒音等も低減することができる。
According to the present invention, in the case where a 3m-order harmonic component is superimposed on each phase voltage to output a larger line voltage than when only the fundamental wave component is used, the 3m It is possible to output a line voltage without distortion by reducing the second harmonic component.
For this reason, for example, even when the load is a three-phase AC motor, torque ripple due to the third mth harmonic component does not occur in the output torque. Therefore, there is no risk of mechanical system vibration accompanying torque ripple, and adverse effects on the mechanical system, noise, and the like can be reduced.

本発明の実施形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows embodiment of this invention. 本発明の実施形態における制御装置の構成図である。It is a block diagram of the control apparatus in embodiment of this invention. 本発明の実施形態の動作を説明するための電圧のベクトル図及び波形図である。It is the vector diagram and waveform diagram of voltage for demonstrating operation | movement of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の動作を説明するための電圧のベクトル図である。It is a vector diagram of a voltage for explaining operation of an embodiment of the present invention. 図4(b)に示した電圧ベクトルの要素を示すベクトル図である。It is a vector diagram which shows the element of the voltage vector shown in FIG.4 (b). 図4(b)に示した電圧ベクトルの他の要素を示すベクトル図である。It is a vector diagram which shows the other element of the voltage vector shown in FIG.4 (b). 本発明の実施形態の動作を説明するための電圧指令の波形図である。It is a wave form diagram of a voltage command for explaining operation of an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の動作を説明するための線間電圧の波形図である。It is a wave form chart of line voltage for explaining operation of an embodiment of the present invention. 本発明の他の施形態の動作を説明するための電圧のベクトル図である。It is a vector diagram of a voltage for explaining operation of other embodiments of the present invention. 本発明の更に他の実施形態の動作を説明するための電圧のベクトル図である。It is a voltage vector diagram for demonstrating operation | movement of further another embodiment of this invention. 特許文献1に記載された単相出力セルの構成図である。2 is a configuration diagram of a single-phase output cell described in Patent Document 1. FIG. 特許文献1に記載された電力変換装置の全体構成図である。It is a whole lineblock diagram of the power converter indicated in patent documents 1. 第1の従来技術の説明図である。It is explanatory drawing of a 1st prior art. 第2の従来技術を示す制御ブロック図である。It is a control block diagram which shows a 2nd prior art. 第3の従来技術の説明図である。It is explanatory drawing of a 3rd prior art. 特許文献1に記載された他の制御ブロック図である。It is another control block diagram described in Patent Document 1.

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、この実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。図1において、U1〜U4はU相の単相出力セルであり、その出力端子は、共通接続点Oと三相モータ等の負荷MのU相端子との間に直列に接続されている。同様に、V相の単相出力セルV1〜V4の出力端子は共通接続点Oと負荷MのV相端子との間に直列に接続され、W相の単相出力セルW1〜W4の出力端子は共通接続点Oと負荷MのW相端子との間に直列に接続されている。また、単相出力セルU1〜U4の出力端子間、同V1〜V4の出力端子間、同W1〜W4の出力端子間には、バイパス回路を構成する短絡用のスイッチSU1〜SU4,SV1〜SV4,SW1〜SW4がそれぞれ接続されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a power conversion device according to this embodiment. In FIG. 1, U1 to U4 are U-phase single-phase output cells, and their output terminals are connected in series between a common connection point O and a U-phase terminal of a load M such as a three-phase motor. Similarly, the output terminals of the V-phase single-phase output cells V1 to V4 are connected in series between the common connection point O and the V-phase terminal of the load M, and the output terminals of the W-phase single-phase output cells W1 to W4. Are connected in series between the common connection point O and the W-phase terminal of the load M. Further, short-circuit switches SU1 to SU4, SV1 to SV4 constituting a bypass circuit are provided between the output terminals of the single-phase output cells U1 to U4, between the output terminals of the same V1 to V4, and between the output terminals of the same W1 to W4. , SW1 to SW4 are connected to each other.

単相出力セルU1〜U4,V1〜V4,W1〜W4の構成は全て同一である。例えば、U相の単相出力セルU1について説明すると、IGBT等の半導体スイッチング素子Q〜Qからなるブリッジ回路を直流電源Bの両端に接続することにより、単相2レベルインバータが構成されている。
なお、各相において直列接続される単相出力セルの台数は、図示例に何ら限定されるものではない。
The configurations of the single-phase output cells U1 to U4, V1 to V4, and W1 to W4 are all the same. For example, to describe the single-phase output cell U1 of the U-phase, by connecting the bridge circuit composed of semiconductor switching elements Q 1 to Q 4 of the IGBT or the like to both ends of a DC power source B, a single-phase two-level inverter is configured Yes.
The number of single-phase output cells connected in series in each phase is not limited to the illustrated example.

図2は、この実施形態における制御装置の構成図であり、単相出力セルU1〜U4,V1〜V4,W1〜W4のスイッチング素子をオンオフ制御して負荷Mに所望の三相交流電圧を供給するためのものである。
図2において、セルバイパス指令部10には各単相出力セルの故障情報が入力されている。何れのセルも故障していない場合には、セルバイパス指令部10から全ての単相出力セルU1〜U4,V1〜V4,W1〜W4にオフ指令が与えられ、全てのスイッチSU1〜SU4,SV1〜SV4,SW1〜SW4が開放される。また、何れかの単相出力セルが故障した場合には、当該セルの出力端子間に接続されたスイッチを閉じて短絡させるためのオン指令が、セルバイパス指令部10から出力される。
FIG. 2 is a block diagram of the control device in this embodiment, and supplies the desired three-phase AC voltage to the load M by controlling on / off the switching elements of the single-phase output cells U1 to U4, V1 to V4, and W1 to W4. Is to do.
In FIG. 2, failure information of each single-phase output cell is input to the cell bypass command unit 10. If no cell has failed, the cell bypass command unit 10 gives an off command to all the single-phase output cells U1 to U4, V1 to V4, W1 to W4, and all the switches SU1 to SU4 and SV1. -SV4, SW1-SW4 are opened. Further, when any single-phase output cell fails, an on command for closing and short-circuiting the switch connected between the output terminals of the cell is output from the cell bypass command unit 10.

更に、セルバイパス指令部10からは、相電圧演算部20に対してセルバイパス情報が出力される。このセルバイパス情報は、故障によりバイパスされた単相出力セルを特定する情報であり、言い換えれば、何れのセルも故障していない場合には、バイパスされるセルがないことを示す情報を含んでいる。   Further, the cell bypass command unit 10 outputs cell bypass information to the phase voltage calculation unit 20. This cell bypass information is information that identifies a single-phase output cell that has been bypassed due to a failure. Yes.

図2における負荷電圧指令部40は、負荷Mに出力する三相交流電圧(線間電圧)の振幅指令V及び角周波数指令ωを出力する。
また、前記相電圧演算部20は、U相制御部30U、V相制御部30V、W相制御部30Wに対して、第1の交流電圧の振幅指令VU1 ,VV1 ,VW1 、角周波数指令ω、第2の交流電圧の振幅指令VU2 ,VV2 ,VW2 、角周波数指令ω、第1の交流電圧の基本波成分に対する第2の交流電圧の位相差指令αU2 ,αV2 ,αW2 を出力する。
The load voltage command unit 40 in FIG. 2 outputs the amplitude command V * and the angular frequency command ω * of the three-phase AC voltage (line voltage) output to the load M.
In addition, the phase voltage calculation unit 20 sends the first AC voltage amplitude commands V U1 * , V V1 * , V W1 * to the U-phase control unit 30U, the V-phase control unit 30V, and the W-phase control unit 30W . , Angular frequency command ω * , second AC voltage amplitude command V U2 * , V V2 * , V W2 * , angular frequency command ω * , second AC voltage position relative to fundamental component of first AC voltage Outputs phase difference commands α U2 * , α V2 * , α W2 * .

ここで、第1の交流電圧は、図3(a)の電圧ベクトル図に示すように、各相の位相差が120°となるような相電圧であり、例えば、図3(b)に示すごとく、基本波成分に第3m次調波成分(mは自然数)を重畳して得たほぼ台形波状の各相電圧指令に基づいている。この台形波の基本波成分は、波高値が同じ正弦波形に比べて、約1.155倍にできるという利点がある。なお、図3(a)におけるEは、各相の1台の単相出力セルによる出力電圧ベクトルを示す。
一方、第2の交流電圧は、基本波成分が正弦波状である各相電圧指令に基づいている。
本実施形態では、線間電圧を大きくするために、単相出力セルの健全時に所定の振幅指令VU1 ,VV1 ,VW1 及び角周波数指令ωに従って電力変換装置から第1の交流電圧を出力させることとし、第2の交流電圧については、振幅指令VU2 ,VV2 ,VW2 を全て“0”として第1の交流電圧への加算を不要としている。
Here, as shown in the voltage vector diagram of FIG. 3A, the first AC voltage is a phase voltage such that the phase difference of each phase is 120 °. For example, the first AC voltage is shown in FIG. As described above, each phase voltage command having a substantially trapezoidal waveform obtained by superimposing the third m-th harmonic component (m is a natural number) on the fundamental wave component is based. The fundamental wave component of the trapezoidal wave has an advantage that it can be about 1.155 times that of a sine waveform having the same peak value. In addition, E in Fig.3 (a) shows the output voltage vector by one single phase output cell of each phase.
On the other hand, the second AC voltage is based on each phase voltage command in which the fundamental wave component is sinusoidal.
In the present embodiment, in order to increase the line voltage, when the single-phase output cell is healthy, the first conversion is performed from the power converter according to the predetermined amplitude commands V U1 * , V V1 * , V W1 * and the angular frequency command ω * . An AC voltage is output, and for the second AC voltage, the amplitude commands V U2 * , V V2 * , and V W2 * are all set to “0”, and the addition to the first AC voltage is unnecessary.

U相制御部30Uは、U相電圧指令発生部31U,32U、加算器33U、PWM信号発生部34Uを備え、V相制御部30Vは、V相電圧指令発生部31V,32V、加算器33V、PWM信号発生部34Vを備え、W相制御部30Wは、W相電圧指令発生部31W,32W、加算器33W、PWM信号発生部34Wを備えている。   The U-phase control unit 30U includes U-phase voltage command generation units 31U and 32U, an adder 33U, and a PWM signal generation unit 34U. The V-phase control unit 30V includes V-phase voltage command generation units 31V and 32V, an adder 33V, The PWM signal generator 34V is provided, and the W-phase controller 30W includes W-phase voltage command generators 31W and 32W, an adder 33W, and a PWM signal generator 34W.

これらのうち、例えばU相制御部30Uでは、台形波を発生するU相電圧指令発生部31Uの出力と正弦波(基本波成分)を発生するU相電圧指令発生部32Uの出力とが加算器33Uにより加算され、最終的なU相電圧指令としてPWM信号発生部34Uに入力される。
他のV相制御部30V、W相制御部30Wについても、対象となる相回路が異なるだけであり、機能としてはU相制御部30Uと同様である。
Among these, for example, in the U-phase control unit 30U, the output of the U-phase voltage command generation unit 31U that generates a trapezoidal wave and the output of the U-phase voltage command generation unit 32U that generates a sine wave (fundamental wave component) are added. 33U is added and input to the PWM signal generator 34U as a final U-phase voltage command.
The other V-phase control unit 30V and W-phase control unit 30W are different from each other only in target phase circuits, and have the same functions as the U-phase control unit 30U.

前述したように、全ての単相出力セルが健全である時は、第2の交流電圧として加算する基本波成分は不要であるため、全相の振幅指令VU2 ,VV2 ,VW2 が“0”になり、U相電圧指令発生部32U、V相電圧指令発生部32V、W相電圧指令発生部32Wの出力も全て“0”になる。従って、PWM信号発生部34U,34V,34Wには、U相電圧指令発生部31U、V相電圧指令発生部31V、W相電圧指令発生部31Wが発生した図3(b)の台形波状の電圧指令(第1の交流電圧に対応)がそれぞれ入力される。 As described above, when all the single-phase output cells are healthy, the fundamental wave component to be added as the second AC voltage is unnecessary, and therefore, the amplitude commands V U2 * , V V2 * , V W2 for all phases are not necessary. * Becomes “0”, and the outputs of the U-phase voltage command generation unit 32U, the V-phase voltage command generation unit 32V, and the W-phase voltage command generation unit 32W all become “0”. Therefore, the PWM signal generators 34U, 34V, and 34W include the trapezoidal voltage of FIG. 3B generated by the U-phase voltage command generator 31U, the V-phase voltage command generator 31V, and the W-phase voltage command generator 31W. Each command (corresponding to the first AC voltage) is input.

PWM信号発生部34U,34V,34Wは、上記台形波状の電圧指令に基づいて単相出力セルU1〜U4,V1〜V4,W1〜W4の各スイッチング素子Q〜Qのゲート信号を発生する。これらのゲート信号を用いて各スイッチング素子Q〜Qを制御することにより、負荷Mに対して、図3(a)のごとく三相がバランスした交流電圧を供給することができる。 PWM signal generating unit 34U, 34V, 34 W is a single-phase output cell U1~U4 based on voltage command of the trapezoidal waveform, V1-V4, generates a gate signal of the switching elements Q 1 to Q 4 of W1~W4 . By controlling each of the switching elements Q 1 to Q 4 using these gate signals, an alternating voltage in which three phases are balanced can be supplied to the load M as shown in FIG.

次に、U相の1台の単相出力セル、例えば図1における単相出力セルU4だけが故障した場合(請求項1におけるL=1の場合)の動作を説明する。
この場合には、単相出力セルU4の故障情報が入力されたセルバイパス指令部10からスイッチSU4にオン指令が出力され、セルU4の出力端子間を短絡する。また、他のスイッチSU1〜SU3、SV1〜SV4、SW1〜SW4にはオフ指令を与え、これらの全てを開放する。また、セルバイパス指令部10は、単相出力セルU4の出力をバイパスさせる旨のセルバイパス情報を相電圧演算部20に出力する。
Next, the operation in the case where only one U-phase single-phase output cell, for example, the single-phase output cell U4 in FIG. 1 has failed (when L = 1 in claim 1) will be described.
In this case, an ON command is output to the switch SU4 from the cell bypass command unit 10 to which the failure information of the single-phase output cell U4 is input, and the output terminals of the cell U4 are short-circuited. Further, an off command is given to the other switches SU1 to SU3, SV1 to SV4, SW1 to SW4, and all of them are opened. In addition, the cell bypass command unit 10 outputs cell bypass information indicating that the output of the single-phase output cell U4 is bypassed to the phase voltage calculation unit 20.

相電圧演算部20は、上記セルバイパス情報と、負荷電圧指令部40から送られた線間電圧の振幅指令V及び角周波数指令ωとに基づき、例えば図4(a)または(b)に示す電圧ベクトルが得られるように、第1の交流電圧の振幅指令VU1 〜VW1 や基本波角周波数指令ω、V相,W相のV結線動作相当の第2の交流電圧の振幅指令VV2 ,VW2 、角周波数指令ω、及び、U相の第1の交流電圧の基本波成分に対する第2の交流電圧の位相差指令αV2 ,αW2 を演算して出力する。
この際、U相の単相出力セルU4の出力はバイパスされているので、U相に対する第2の交流電圧の振幅指令VU2 は、図4(a),(b)の何れの場合も“0”である。
The phase voltage calculator 20 is based on the cell bypass information and the line voltage amplitude command V * and the angular frequency command ω * sent from the load voltage command unit 40, for example, FIG. 4 (a) or (b). The second AC voltage corresponding to the amplitude command V U1 * to V W1 * of the first AC voltage, the fundamental wave angular frequency command ω * , and the V connection operation of the V phase and the W phase so that the voltage vector shown in FIG. Amplitude commands V V2 * , V W2 * , angular frequency command ω * , and second AC voltage phase difference commands α V2 * , α W2 * with respect to the fundamental wave component of the U-phase first AC voltage And output.
At this time, since the output of the U-phase single-phase output cell U4 is bypassed, the amplitude command V U2 * of the second AC voltage for the U-phase is the same in either case of FIGS. 4 (a) and 4 (b). “0”.

なお、図4(a)における電圧ベクトルVV’,WW’の大きさはE’で等しく、その位相差は60°であり、図4(b)における電圧ベクトルVV,WWの大きさはEで等しく、その位相差は60°である。
ここで、図4(a),(b)における電圧ベクトルVV’,WW’及びVV,WWは、故障したU相の単相出力セルU4に対応するV相の単相出力セルV4の出力電圧ベクトルの振幅及び位相角を、V相の他の単相出力セルV1〜V3の出力電圧ベクトルと異ならせ、かつ、U相の単相出力セルU4に対応するW相の単相出力セルW4の出力電圧ベクトルの振幅及び位相角を、W相の他の単相出力セルW1〜W3の出力電圧ベクトルと異ならせたものである。
Note that the magnitudes of the voltage vectors V a V ′ and W a W ′ in FIG. 4A are equal to E 2 ′, and the phase difference is 60 °, and the voltage vectors V a V, The magnitude of W a W is equal to E 2 and the phase difference is 60 °.
Here, the voltage vectors V a V ′ and W a W ′ and V a V and W a W in FIGS. 4A and 4B are the V-phase corresponding to the single-phase output cell U4 of the failed U-phase. The amplitude and phase angle of the output voltage vector of the single-phase output cell V4 are made different from the output voltage vectors of the other V-phase single-phase output cells V1 to V3, and the W corresponding to the U-phase single-phase output cell U4 The amplitude and phase angle of the output voltage vector of the single-phase output cell W4 of the phase are made different from the output voltage vectors of the other single-phase output cells W1 to W3 of the W phase.

図4(a)と図4(b)との相違点は、図4(a)の場合には、U相の第1の交流電圧の基本波成分を基準にした電圧ベクトルVV’,WW’の位相差指令αV2 ,αW2 が何れも±150°ではなく、図4(b)の場合には、電圧ベクトルVVの位相差指令αV2 が−150°、電圧ベクトルWWの位相差指令αW2 が+150°になっている点である。
この図4(b)の電圧ベクトルは、図5,図6に示す電圧ベクトルを加算した形になっている。すなわち、図5は、故障によって健全な単相出力セルの台数が最小(3台)となったU相に合わせて、全ての相の単相出力セルU1〜U3,V1〜V3,W1〜W3を動作させた場合に出力される電圧ベクトルを示し、図6は、V相の単相出力セルV4とW相の単相出力セルW4とによりV結線相当の動作をさせた状態の電圧ベクトルに相当している。
The difference between FIG. 4A and FIG. 4B is that, in the case of FIG. 4A, the voltage vector V a V ′, based on the fundamental component of the U-phase first AC voltage, The phase difference commands α V2 * and α W2 * of W a W ′ are not ± 150 °, and in the case of FIG. 4B, the phase difference command α V2 * of the voltage vector V a V is −150 °. The phase difference command α W2 * of the voltage vector W a W is + 150 °.
The voltage vector shown in FIG. 4B is obtained by adding the voltage vectors shown in FIGS. That is, FIG. 5 shows all phases of single-phase output cells U1 to U3, V1 to V3, and W1 to W3 in accordance with the U phase where the number of healthy single-phase output cells is minimized (three). FIG. 6 shows the voltage vector output when the V-phase single-phase output cell V4 and the W-phase single-phase output cell W4 are operated corresponding to the V-connection. It corresponds.

図5,図6によれば、何れも三相で電圧がバランスしているため、これらの電圧ベクトルを合成して得られる図4(b)においても、三相でバランスした線間電圧が出力されるようになり、歪みのない三相交流電圧を得ることができる。
なお、図4(a)の電圧ベクトルは、図6に示したV結線相当の電圧ベクトルが、若干回転している場合である。また、図6の相電圧相当と図5の相電圧とは三相とも電圧ベクトルの方向が一致しているので、図4(a),(b)において電圧の大きさがE=E’である時には、図4(a)よりも、図4(b)のように電圧ベクトルVVの位相差指令αV2 を−150°、電圧ベクトルWWの位相差指令αW2 を+150°とした場合の方が、線間電圧を大きくすることができる。この実施形態は、請求項2に係る発明に相当する。
According to FIGS. 5 and 6, since the voltages are balanced in three phases, the line voltage balanced in three phases is also output in FIG. 4B obtained by synthesizing these voltage vectors. As a result, a three-phase AC voltage without distortion can be obtained.
The voltage vector shown in FIG. 4A corresponds to the case where the voltage vector corresponding to the V connection shown in FIG. 6 is slightly rotated. Also, since the phase voltage equivalent in FIG. 6 and the phase voltage in FIG. 5 have the same voltage vector direction in all three phases, the magnitude of the voltage in FIGS. 4A and 4B is E 2 = E 2. 4A , the phase difference command α V2 * of the voltage vector V a V is set to −150 ° and the phase difference command α W2 * of the voltage vector W a W is set as shown in FIG. When the angle is + 150 °, the line voltage can be increased. This embodiment corresponds to the invention according to claim 2.

図7(a)は、図4(b)に示したような電圧ベクトルを実現する場合の、図2におけるU相電圧指令発生部31U,V相電圧指令発生部31V,W相電圧指令発生部31Wの出力波形(台形波指令)、及び、V相電圧指令発生部32V,W相電圧指令発生部32Wの出力波形(加算正弦波指令)を示している。また、図7(b)は、図2における各相の加算器34U,34V,34Wの出力波形(図7(a)の台形波指令及び加算正弦波指令を相ごとに加算した波形)を示している。
これらの波形は、線間電圧を最大にする場合の波形であり、各相について単相出力セルの直列接続数N=4の状態でU相の1台の単相出力セルが故障し、その出力端子間をバイパスさせていることから、図7(b)の波形では、U相電圧指令の波高値は、0.75[PU]であり、V相,W相の電圧指令の波高値である1.0[PU]の3/4になっている。
7A shows a U-phase voltage command generation unit 31U, a V-phase voltage command generation unit 31V, and a W-phase voltage command generation unit in FIG. 2 when the voltage vector as shown in FIG. 4B is realized. An output waveform (trapezoidal wave command) of 31 W and output waveforms (additional sine wave command) of the V-phase voltage command generation unit 32V and the W-phase voltage command generation unit 32W are shown. FIG. 7B shows the output waveform of each phase adder 34U, 34V, 34W in FIG. 2 (waveform obtained by adding the trapezoidal wave command and the addition sine wave command of FIG. 7A for each phase). ing.
These waveforms are waveforms when the line voltage is maximized, and one single-phase output cell of the U phase fails in the state where the number of single-phase output cells connected in series for each phase is N = 4. Since the output terminals are bypassed, in the waveform of FIG. 7B, the peak value of the U-phase voltage command is 0.75 [PU], which is the peak value of the V-phase and W-phase voltage commands. It is 3/4 of a certain 1.0 [PU].

また、図8は、図7の各相電圧指令によって得られる負荷Mの線間電圧を示す波形図である。この図8によれば、電圧波形に歪みがなく、その大きさは、全ての単相出力セルの健全時に比べて87.5%(=1.75/2.00)になっている。   FIG. 8 is a waveform diagram showing the line voltage of the load M obtained by each phase voltage command of FIG. According to FIG. 8, there is no distortion in the voltage waveform, and the magnitude thereof is 87.5% (= 1.75 / 2.00) as compared to when all the single-phase output cells are healthy.

更に、図9は、単相出力セルの直列接続数N=4で、U相の2台の単相出力セルが故障した場合(請求項1におけるL=2の場合)の電圧ベクトル図である。
例えば、U相の単相出力セルU1,U2が故障した場合には、図2におけるセルバイパス指令部10が各セルU1,U2のスイッチSU1,SU2を短絡するようにオン指令を出力すると共に、相電圧演算部20は、図9の電圧ベクトルに相当する各指令を発生する。すなわち、例えばV相の単相出力セルV1,V2による電圧ベクトルVVの位相差指令αV2 を−150°、W相の単相出力セルW1,W2による電圧ベクトルWWの位相差指令αW2 を+150°とする。
Further, FIG. 9 is a voltage vector diagram when the number of single-phase output cells connected in series N = 4 and when two U-phase single-phase output cells fail (when L = 2 in claim 1). .
For example, when the U-phase single-phase output cells U1 and U2 fail, the cell bypass command unit 10 in FIG. 2 outputs an ON command so as to short-circuit the switches SU1 and SU2 of the cells U1 and U2, The phase voltage calculator 20 generates each command corresponding to the voltage vector in FIG. That is, for example, the phase difference command α V2 * of the voltage vector V b V by the V-phase single-phase output cells V1 and V2 is −150 °, and the phase difference of the voltage vector W b W by the W-phase single-phase output cells W1 and W2 The command α W2 * is set to + 150 °.

また、図10は、単相出力セルの直列接続数N=4で、U相の単相出力セルが2台、V相の単相出力セルが1台故障した場合(請求項4におけるL=2,L=1の場合)の電圧ベクトル図である。この場合には、セルバイパス指令部10がU相及びV相の故障したセルのスイッチを短絡するようにオン指令を出力すると共に、相電圧演算部20は、図10の電圧ベクトルに相当する各指令を発生する。すなわち、例えばV相の健全な1台の単相出力セルによる電圧ベクトルVVの位相差指令αV2 を−150°、W相の1台の単相出力セルによる電圧ベクトルWWの位相差指令αW2 を+150°とする。
これらの実施形態は、請求項4〜6に係る発明に相当する。
FIG. 10 shows a case where the number of serially connected single-phase output cells is N = 4, two U-phase single-phase output cells and one V-phase single-phase output cell fail (L 1 in claim 4). = 2 and L 2 = 1). In this case, the cell bypass command unit 10 outputs an ON command so as to short-circuit the switches of the U-phase and V-phase failed cells, and the phase voltage calculation unit 20 corresponds to each voltage vector of FIG. Generate a command. That is, for example, the phase difference command α V2 * of the voltage vector V c V by one single V-phase output cell is −150 °, and the voltage vector W c W by one W-phase single-phase output cell is The phase difference command α W2 * is set to + 150 °.
These embodiments correspond to the inventions according to claims 4 to 6.

なお、図13に示した第1の従来技術では、単相出力セルの健全時の相電圧に第3m次調波成分を重畳することによって線間電圧を大きくしても、単相出力セルの故障によるバイパス時に線間電圧の電圧歪みを生じさせないためには、第3m次調波成分の重畳を中止する必要がある。
例えば、単相出力セルの健全時に、各相電圧波形が図3(b)のような台形波状であった場合、この波形を正弦波状に変えることにより、線間電圧の基本波成分は(1/1.155)倍に低下してしまう。この低下分を考慮すると、図12に示したような制御方法によりセルの直列接続数N=4で1台の単相出力セルが故障した場合には、健全時の79%までしか電圧を出力することができない。
これと同条件の場合、本発明では、図8の説明箇所でも述べたように、健全時の87.5%まで線間電圧を出力可能であるため、セルバイパス時の出力電圧範囲を図12の従来技術よりも拡大することができる。
ちなみに、前述した特許文献2では、健全時を含めて、第3m次調波成分を重畳することにより線間電圧を大きくすることについては特に言及されていない。
In the first conventional technique shown in FIG. 13, even if the line voltage is increased by superimposing the third mth harmonic component on the phase voltage of the single-phase output cell when it is healthy, the single-phase output cell In order not to cause voltage distortion of the line voltage during bypass due to a failure, it is necessary to stop the superimposition of the third mth harmonic component.
For example, when each phase voltage waveform has a trapezoidal waveform as shown in FIG. 3B when the single-phase output cell is healthy, the fundamental wave component of the line voltage is (1) by changing this waveform to a sine waveform. /1.155). Considering this drop, if one single-phase output cell fails with the number N of cells connected in series N = 4 by the control method shown in FIG. 12, the voltage is output only up to 79% of the normal state. Can not do it.
In the case of this same condition, in the present invention, as described in the explanation of FIG. 8, the line voltage can be output up to 87.5% in the normal state, so the output voltage range in the cell bypass is shown in FIG. The conventional technology can be expanded.
Incidentally, in the above-mentioned Patent Document 2, there is no particular mention of increasing the line voltage by superimposing the third m-order harmonic component, including when healthy.

本発明は、各種の三相交流負荷に対して高電圧を供給する交流電源装置等に利用することができる。   The present invention can be used for an AC power supply apparatus that supplies a high voltage to various three-phase AC loads.

〜Q:半導体スイッチング素子
B:直流電源
U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4:単相出力セル
SU1〜SU4,SV1〜SV4,SW1〜SW4:スイッチ(バイパス回路)
10:セルバイパス指令部
20:相電圧演算部
30U:U相制御部
30V:V相制御部
30W:W相制御部
31U,32U:U相電圧指令発生部
31V,32V:V相電圧指令発生部
31W,32W:W相電圧指令発生部
33U,33V,33W:加算器
34U:U相PWM信号発生部
34V:V相PWM信号発生部
34W:W相PWM信号発生部
40:負荷電圧指令部
Q 1 to Q 4 : Semiconductor switching element B: DC power supplies U1 to U4, V1 to V4, W1 to W4: Single-phase output cells SU1 to SU4, SV1 to SV4, SW1 to SW4: Switch (bypass circuit)
10: Cell bypass command unit 20: Phase voltage calculation unit 30U: U phase control unit 30V: V phase control unit 30W: W phase control unit 31U, 32U: U phase voltage command generation unit 31V, 32V: V phase voltage command generation unit 31W, 32W: W-phase voltage command generators 33U, 33V, 33W: Adder 34U: U-phase PWM signal generator 34V: V-phase PWM signal generator 34W: W-phase PWM signal generator 40: Load voltage command unit

Claims (6)

半導体スイッチング素子の動作により直流電圧を単相交流電圧に変換するN台(Nは2以上の自然数)の単相出力セルの交流出力端子を全て直列接続して一相分の相回路を構成し、三相分に相当する第1〜第3の前記相回路の各一端が共通接続され、かつ、各他端が三相交流負荷の入力端子にそれぞれ接続された電力変換装置であって、
前記単相出力セルの出力端子間にバイパス用のスイッチがそれぞれ接続され、故障していない健全な前記単相出力セルの前記スイッチをオフすると共に、前記相回路の出力電圧が、基本波成分に第3m次調波成分(mは自然数)を重畳した第1の交流電圧となるように前記半導体スイッチング素子を制御可能とした電力変換装置において、
第1の相回路に属するL台(LはN未満の自然数)の単相出力セルが故障した時に、故障したL台の単相出力セルの出力端子間の前記スイッチを全てオンし、
前記第1の相回路が出力可能な電圧の所定値までは、前記第1〜第3の相回路から前記第1の交流電圧を出力させ、
前記所定値を超える電圧を前記第2,第3の相回路から出力させる場合には、
前記第2,第3の相回路の出力電圧が、
前記第1の交流電圧と、前記第1の交流電圧の基本波に対して少なくとも一方の位相が異なり、かつ両者の大きさが等しく、互いの位相差が電気角60°となる基本波成分を有する第2の交流電圧と、を加算した電圧となるように制御することを特徴とする電力変換装置。
The AC output terminals of N single-phase output cells (N is a natural number of 2 or more) that converts DC voltage into single-phase AC voltage by the operation of the semiconductor switching element are connected in series to form a phase circuit for one phase. Each of the first to third phase circuits corresponding to the three-phase portion is commonly connected to each other, and the other ends are respectively connected to the input terminals of the three-phase AC load,
A bypass switch is connected between the output terminals of the single-phase output cell to turn off the switch of the healthy single-phase output cell that has not failed, and the output voltage of the phase circuit becomes a fundamental wave component. In the power conversion device in which the semiconductor switching element can be controlled so as to be a first AC voltage on which a third m-order harmonic component (m is a natural number) is superimposed,
When L single-phase output cells belonging to the first phase circuit (L is a natural number less than N) have failed, all the switches between the output terminals of the failed L single-phase output cells are turned on,
The first AC voltage is output from the first to third phase circuits up to a predetermined value of the voltage that can be output by the first phase circuit,
When outputting a voltage exceeding the predetermined value from the second and third phase circuits,
The output voltages of the second and third phase circuits are
A fundamental wave component in which at least one phase is different from the first alternating voltage and the fundamental wave of the first alternating voltage, the magnitudes of both are equal, and the phase difference between them is an electrical angle of 60 °. A power conversion device that is controlled so as to be a voltage obtained by adding the second AC voltage.
請求項1に記載した電力変換装置において、
前記第2の交流電圧として加算される基本波成分の電圧は、前記第1の相回路の交流出力電圧の基本波成分の位相を基準にして、前記第2の相回路では電気角で+150°の位相差を有し、前記第3の相回路では電気角で−150°の位相差を有することを特徴とする電力変換装置。
In the power converter device according to claim 1,
The voltage of the fundamental wave component added as the second AC voltage is + 150 ° in electrical angle in the second phase circuit with reference to the phase of the fundamental wave component of the AC output voltage of the first phase circuit. The power converter is characterized in that the third phase circuit has a phase difference of −150 ° in electrical angle.
請求項1または2に記載した電力変換装置において、
前記所定値が、前記第1の相回路に属する全ての単相出力セルの健全時における最大出力電圧の{(N−L)/N}倍であることを特徴とする電力変換装置。
In the power converter device according to claim 1 or 2,
The power converter according to claim 1, wherein the predetermined value is {(N−L) / N} times the maximum output voltage when all the single-phase output cells belonging to the first phase circuit are healthy.
半導体スイッチング素子の動作により直流電圧を単相交流電圧に変換するN台(Nは2以上の自然数)の単相出力セルの交流出力端子を全て直列接続して一相分の相回路を構成し、三相分に相当する第1〜第3の前記相回路の各一端が共通接続され、かつ、各他端が三相交流負荷の入力端子にそれぞれ接続された電力変換装置であって、
前記単相出力セルの出力端子間にバイパス用のスイッチがそれぞれ接続され、故障していない健全な前記単相出力セルの前記スイッチをオフすると共に、前記相回路の出力電圧が、基本波成分に第3m次調波成分(mは自然数)を重畳した第1の交流電圧となるように前記半導体スイッチング素子を制御可能とした電力変換装置において、
前記第1の相回路に属するL台(LはN未満の自然数)の単相出力セルと前記第2の相回路に属するL台(LはL未満の自然数)の単相出力セルとが故障した時に、故障した全ての単相出力セルの出力端子の前記スイッチをオンすると共に、単相出力セルが故障していない健全な第3の相回路におけるL台の単相出力セルの出力端子間の前記スイッチをオンし、
前記第1の相回路が出力可能な電圧の所定値までは、前記第1〜第3の相回路から前記第1の交流電圧を出力させ、
前記所定値を超える電圧を前記第2,第3の相回路から出力させる場合には、
前記第2の相回路及び前記第3の相回路の出力電圧が、
前記第1の交流電圧と、前記第1の交流電圧の基本波に対して少なくとも一方の位相が異なり、かつ両者の大きさが等しく、互いの位相差が電気角60°となる基本波成分としての第2の交流電圧と、を加算した電圧となるように制御することを特徴とする電力変換装置。
The AC output terminals of N single-phase output cells (N is a natural number of 2 or more) that converts DC voltage into single-phase AC voltage by the operation of the semiconductor switching element are connected in series to form a phase circuit for one phase. Each of the first to third phase circuits corresponding to the three-phase portion is commonly connected to each other, and the other ends are respectively connected to the input terminals of the three-phase AC load,
A bypass switch is connected between the output terminals of the single-phase output cell to turn off the switch of the healthy single-phase output cell that has not failed, and the output voltage of the phase circuit becomes a fundamental wave component. In the power conversion device in which the semiconductor switching element can be controlled so as to be a first AC voltage on which a third m-order harmonic component (m is a natural number) is superimposed,
L 1 unit (L 1 is a natural number less than N) single-phase output cells belonging to the first phase circuit and L 2 units (L 2 is a natural number less than L 1 ) single phase belonging to the second phase circuit When the output cell fails, the switches of the output terminals of all the failed single-phase output cells are turned on, and L 2 single-phase circuits in a healthy third phase circuit in which the single-phase output cell is not broken Turn on the switch between the output terminals of the output cells,
The first AC voltage is output from the first to third phase circuits up to a predetermined value of the voltage that can be output by the first phase circuit,
When outputting a voltage exceeding the predetermined value from the second and third phase circuits,
The output voltages of the second phase circuit and the third phase circuit are:
As a fundamental wave component in which at least one phase is different from the first alternating voltage and the fundamental wave of the first alternating voltage, the magnitude of both is equal, and the phase difference between them is an electrical angle of 60 °. And a second AC voltage. The power converter is controlled to be a voltage obtained by adding the second AC voltage.
請求項4に記載した電力変換装置において、
前記第2の交流電圧として加算される基本波成分の電圧は、前記第1の相回路の交流出力電圧の基本波成分の位相を基準にして、他の一つの相回路では電気角で+150°の位相差を有し、残りの一つの相回路では電気角で−150°の位相差を有することを特徴とする電力変換装置。
In the power converter device described in Claim 4,
The voltage of the fundamental wave component added as the second AC voltage is based on the phase of the fundamental wave component of the AC output voltage of the first phase circuit, and the electrical angle is + 150 ° in the other one phase circuit. A power converter characterized by having a phase difference of −150 ° in the remaining one phase circuit.
請求項4または請求項5に記載した電力変換装置において、
前記所定値が、第1の相回路に属する全ての単相出力セルの健全時における最大出力電圧の{(N−L)/N}倍であることを特徴とする電力変換装置。
In the power converter device according to claim 4 or 5,
The predetermined value is {(N−L 1 ) / N} times the maximum output voltage when all the single-phase output cells belonging to the first phase circuit are healthy.
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