JP2017135918A - インバータ装置、電動機駆動装置、及び電動機駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】動作電圧が異なる複数の負荷装置を低いコストで動作させることを可能とする。【解決手段】インバータ装置は、単相交流電圧を出力するセルインバータＣＩ１〜ＣＩ９を直列に多段接続した多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗと、多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗから伝送される交流電圧を出力する出力部１５０と、多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗがそれぞれ備える最後段セルインバータＣＩ９の出力を出力部１５０に伝送する伝送路Ｐｕ１、Ｐｖ１、Ｐｗ１と、多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗがそれぞれ備える非最後段セルインバータＣＩ１〜ＣＩ８のうちの少なくとも１つの出力を、後段に位置するセルインバータを迂回して、出力部１５０に伝送するバイパス１６１〜１６３と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、インバータ装置、電動機駆動装置、及び電動機駆動システムに関する。

負荷装置（例えば、電動機）に交流電圧を供給するインバータ装置が知られている。例えば、交流電動機を動作させる電動機駆動装置には、多くの場合、インバータ装置が使用される。

特開２０１５−８０２８３号公報

動作電圧が異なる複数の負荷装置を動作させるには、出力電圧が異なる複数のインバータ装置をシステム内部に配置するか、或いは、インバータ装置の出力側にインバータ装置の出力電圧を変圧するためのトランスを配置する必要がある。これらの場合、負荷装置を動作させるシステムは、システム全体としてコストが高いものとなる。

本発明が解決しようとする課題は、動作電圧が異なる複数の負荷装置を低いコストで動作させることを可能とすることである。

上記課題を解決するために、本発明の第１の観点に係るインバータ装置は、単相交流電圧を出力するセルインバータを直列に多段接続した多段接続インバータと、多段接続インバータから伝送される交流電圧を出力する出力部と、多段接続インバータの最後段セルインバータの出力を出力部に伝送する伝送路と、多段接続インバータが備える非最後段セルインバータのうちの少なくとも１つの出力を、後段に位置するセルインバータを迂回して、出力部に伝送するバイパスと、を備える。

また、上記課題を解決するために、本発明の第２の観点に係る電動機駆動装置は、電動機を駆動する交流電圧を出力する電動機駆動装置であって、単相交流電圧を出力するセルインバータを直列に多段接続した多段接続インバータと、多段接続インバータから伝送される交流電圧を出力する出力部と、多段接続インバータの最後段セルインバータの出力を出力部に伝送する伝送路と、多段接続インバータが備える非最後段セルインバータのうちの少なくとも１つの出力を、後段に位置するセルインバータを迂回して、出力部に伝送するバイパスと、を備える。

また、上記課題を解決するために、本発明の第３の観点に係る電動機駆動システムは、交流電源から供給される交流電圧を、電動機を駆動する交流電圧に変換する電動機駆動装置と、交流電源から供給される交流電圧を、電動機駆動装置を迂回して、電動機に伝送する第１のバイパスと、電動機に入力される交流電圧を、電動機駆動装置から出力される交流電圧と第１のバイパスを介して伝送される交流電圧のいずれかに切り替えるスイッチ部と、を備える。電動機駆動装置は、単相交流電圧を出力するセルインバータを直列に多段接続した多段接続インバータと、多段接続インバータから伝送される交流電圧を出力する出力部と、多段接続インバータの最後段セルインバータの出力を出力部に伝送する伝送路と、多段接続インバータが備える非最後段セルインバータのうちの少なくとも１つの出力を、後段に位置するセルインバータを迂回して、出力部に伝送する第２のバイパスと、を備える。

本発明によれば、動作電圧が異なる複数の負荷装置を低いコストで動作させることができる。

実施形態１の電動機駆動システムのブロック図である。 実施形態１のインバータ装置の回路図である。 図２に示す回路図から変圧器を取り除いたものである。 多段接続インバータの回路図である。 実施形態２の電動機駆動システムのブロック図である。 実施形態３のインバータ装置の回路図である。

以下、発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。なお、図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

（実施形態１）
図１は、本実施形態の電動機駆動システム１のブロック図である。電動機駆動システム１は、交流電源ＡＣと、伝送路Ｐｉｎと、電動機Ｍａ〜Ｍｃと、伝送路Ｐｏｕｔと、スイッチ部ＳＷａ〜ＳＷｃと、インバータ装置１００と、を備える。

交流電源ＡＣは、位相が互いに異なる３系統の単相交流電圧を供給する三相交流電源である。三相交流は、位相が互いに１２０°ずれた対称三相交流である。以下の説明では、対称三相交流を単に三相交流と呼ぶ。交流電源ＡＣは、例えば、事業所内の各設備に電力を供給する所内電源である。交流電源ＡＣは、商用の系統電源であってもよい。一例として、交流電源ＡＣは、事業所内に配置された発電機或いは変圧器である。交流電源ＡＣが出力する電圧は６００Ｖ以上の高圧、或いは７ｋＶ以上の特別高圧となっている。なお、以下の説明では、特別高圧を含め、６００Ｖ以上の交流電圧を単に高圧という。本実施形態では、交流電源ＡＣの出力電圧は１１ｋＶとするが、交流電源ＡＣの出力電圧は１１ｋＶに限定されない。交流電源ＡＣは、例えば、商用の送電系統から供給される特別高圧（例えば、１５４〜１８７ｋＶの電圧）を降圧して出力電圧を生成する。

伝送路Ｐｉｎは、三相交流電圧を伝送可能な送電線である。伝送路Ｐｉｎは、交流電源ＡＣが出力した三相交流電圧をインバータ装置１００に伝送する。

電動機Ｍａ〜Ｍｃは三相交流電動機である。電動機Ｍａ〜Ｍｃはインバータ装置１００によって駆動される。電動機Ｍａ〜Ｍｃの動作電圧（駆動電圧）は互いに異なっている。本実施形態では、一例として、電動機Ｍａ、Ｍｂ，Ｍｃの動作電圧は、それぞれ、１１ｋＶ、６．６ｋＶ、３．３ｋＶであるものとする。電動機Ｍａの動作電圧は、交流電源ＡＣの出力電圧と同じである。

伝送路Ｐｏｕｔは、三相交流電圧を伝送可能な送電線である。伝送路Ｐｏｕｔは、インバータ装置１００が出力した三相交流電圧を電動機Ｍａ〜Ｍｃに伝送する。伝送路Ｐｏｕｔは３つに分岐している。３つの岐は、それぞれ、三相交流電圧を伝送可能である。岐の端部には、それぞれ、電動機Ｍａ、電動機Ｍｂ、電動機Ｍｃが接続されている。

スイッチ部ＳＷａ〜ＳＷｃは、電動機Ｍａ〜Ｍｃの入力とインバータ装置１００の出力との接続を切断するためのスイッチである。スイッチ部ＳＷａ〜ＳＷｃは、それぞれ、第１のスイッチ部として機能する。スイッチ部ＳＷａ〜ＳＷｃは、それぞれ、伝送路Ｐｏｕｔの３つの岐の経路上に設けられている。スイッチ部ＳＷａ〜ＳＷｃは、インバータ装置１００が備える制御部１１０によって、若しくは、電動機駆動システム１が備える不図示の制御装置によって制御される。スイッチ部ＳＷａ〜ＳＷｃは、ユーザが手動で制御可能であってもよい。以下の説明では、一例として、スイッチ部ＳＷａ〜ＳＷｃは、インバータ装置１００の制御部１１０によって制御されるものとする。

インバータ装置１００は、交流電圧若しくは直流電圧をユーザ所望の電圧、周波数、位相の交流電圧に変換する装置である。本実施形態では、インバータ装置１００は、交流電源ＡＣから入力された三相交流電圧を、電動機Ｍａ〜Ｍｃを駆動するための三相交流電圧に変換する。インバータ装置１００は、電動機Ｍａ〜Ｍｃを駆動する電動機駆動装置として機能する。

インバータ装置１００は、制御部１１０と、変圧器（トランス）１２０と、多段接続インバータ１３０ｕ、１３０ｖ、１３０ｗと、スイッチ部１４０ｕ、１４０ｖ、１４０ｗと、出力部１５０と、を備える。

制御部１１０は、プロセッサ等の処理装置である。制御部１１０は、不図示のユーザインターフェース或いは通信インタフェースを介して取得したユーザの指示に基づいて、インバータ装置１００の各部を制御する。例えば、制御部１１０は、多段接続インバータ１３０ｕ、１３０ｖ、１３０ｗの内部に配置されているスイッチング素子にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を送信することで、多段接続インバータ１３０ｕ、１３０ｖ、１３０ｗの出力を制御する。また、制御部１１０は、スイッチ部１４０ｕ、１４０ｖ、１４０ｗを制御することで、インバータ装置１００の出力を制御する。さらに、制御部１１０は、スイッチ部ＳＷａ〜ＳＷｃを制御することで、電動機Ｍａ〜Ｍｃへの入力を制御する。

変圧器１２０は、交流電源ＡＣから入力された三相交流電圧を変圧する装置である。変圧器１２０は、多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗが備える複数のセルインバータそれぞれに三相交流電圧を出力する。

図２は、インバータ装置１００の回路図である。図２では、制御部１１０の図示は省略している。変圧器１２０は、伝送路Ｐｉｎと接続された一次巻線１２１と、一次巻線１２１と磁気的に結合した二次巻線群１２２と、を備える。二次巻線群１２２は、複数の二次巻線から構成される。図２の例では、二次巻線群１２２は、Ｓ１ｒ〜Ｓ９ｔの２７個の二次巻線から構成されている。

二次巻線Ｓ１ｒ〜Ｓ９ｔは、それぞれ、多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗが備える複数のセルインバータと伝送路を介して接続されている。具体的には、Ｓ１ｒ、Ｓ２ｒ、・・・・、Ｓ９ｒの９つの二次巻線は、多段接続インバータ１３０ｕが備える９つのセルインバータと接続されている。Ｓ１ｓ、Ｓ２ｓ、・・・・、Ｓ９ｓの９つの二次巻線は、多段接続インバータ１３０ｖが備える９つのセルインバータと接続されている。Ｓ１ｔ、Ｓ２ｔ、・・・・、Ｓ９ｔの９つの二次巻線は、多段接続インバータ１３０ｗが備える９つのセルインバータと接続されている。１つの二次巻線が１つのセルインバータに対応している。二次巻線とセルインバータとを接続する伝送路は、それぞれ、三相交流電圧を伝送可能な送電線である。

１３０ｕ〜１３０ｗの３つの多段接続インバータは、それぞれ、セルインバータが直列に多段接続されたインバータである。３つの多段接続インバータの最後段セルインバータＣＩ９からは、それぞれ、単相交流電圧が出力される。３つの最後段セルインバータＣＩ９の出力は、それぞれ、伝送線路Ｐｕ１〜Ｐｗ１を介してスイッチ部１４０ｕ〜１４０ｗと接続されている。３つの多段接続インバータの出力電圧の位相は、互いに１２０°ずれている。インバータ装置１００は、多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗの出力を、三相交流電圧として外部に出力する。

図３は、図２に示す回路図から変圧器１２０を取り除いたものである。図３では、変圧器１２０から多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗへ伸びる伝送路は省略している。多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗは中性点ＮでＹ結線されている。図４は、多段接続インバータの構成を示す図である。多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗの構成は、出力電圧の位相が互いに１２０°ずれている以外は同じである。図４では、代表として、多段接続インバータ１３０ｕの構成を示している。

多段接続インバータ１３０ｕは、ＣＩ１〜ＣＩ９の９つのセルインバータを備える。セルインバータＣＩ１〜ＣＩ９は、それぞれ出力ＯＵＴ１、ＯＵＴ２を備える。セルインバータＣＩ１〜ＣＩ９は、それぞれ、変圧器１２０から三相交流電圧が入力されている。具体的には、セルインバータＣＩ１、ＣＩ２、ＣＩ３、ＣＩ４、・・・、ＣＩ９ｕは、それぞれ、二次巻線Ｓ１ｕ、Ｓ２ｕ、Ｓ３ｕ、Ｓ４ｕ、・・・、Ｓ９ｕから三相交流電圧が入力されている。

セルインバータＣＩ１〜ＣＩ９の出力は直列に接続されている。すなわち、セルインバータＣＩ１の出力ＯＵＴ２はセルインバータＣＩ２の出力ＯＵＴ１と接続されており、セルインバータＣＩ２の出力ＯＵＴ２はセルインバータＣＩ３の出力ＯＵＴ１と接続されており、・・・・、セルインバータＣＩ８の出力ＯＵＴ２はセルインバータＣＩ９の出力ＯＵＴ１と接続されている。セルインバータＣＩ１の出力ＯＵＴ１は中性点Ｎに接続されており、セルインバータＣＩ９の出力ＯＵＴ２は伝送線路Ｐｕ１を介してスイッチ部１４０ｕと接続されている。

セルインバータＣＩ１〜ＣＩ９が直列に接続されることにより、セルインバータＣＩ１〜ＣＩ９の出力は重畳される。結果として最後段セルインバータＣＩ９からは高い電圧レベルの交流電圧が出力される。本実施形態では、最後段セルインバータＣＩ９の出力ＯＵＴ２からは１１ｋＶの単相交流電圧が出力される。

セルインバータは、入力された交流電圧或いは直流電圧を、ユーザ所望の電圧、周波数、位相の交流電圧に変換する電圧形のインバータである。セルインバータの出力は単相交流である。セルインバータは、単位インバータ、或いは単相インバータと呼ばれることもある。本実施形態のセルインバータＣＩ１〜ＣＩ９は、直流電圧ではなく、交流電圧をユーザ所望の交流電圧に変換する。本実施形態のセルインバータＣＩ１〜ＣＩ９は、１つあたり、およそ１．１〜１．５ｋＶの単相交流電圧を出力する。セルインバータＩ１〜ＣＩ９の構成は、セルインバータ毎に異なっていてもよいが、本実施形態では全て同じ構成であるものとする。

図４には、セルインバータＩ１〜ＣＩ９の代表として、セルインバータＣＩ３の構成を示している。セルインバータＣＩ３は、整流部１３１と、平滑部１３２と、インバータ部１３３と、を備える。

整流部１３１は、直列接続された２つのダイオード１３１ａを三本並列に接続した回路構成となっている。直列接続された２つのダイオード１３１ａの中間には、それぞれ、二次巻線Ｓ３ｕの三相の出力の１つが接続されている。また、平滑部１３２はコンデンサ１３２ａから構成されている。コンデンサ１３２ａは整流部１３１とインバータ部１３３の間に配置されている。また、インバータ部１３３は、直列接続された２つのスイッチング素子１３３ａを二本並列に接続した回路構成となっている。スイッチング素子１３３ａは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。スイッチング素子１３３ａそれぞれには、スイッチング素子１３３ａと平行に還流ダイオード１３３ｂが接続されている。スイッチング素子１３３ａは、制御部１１０によって制御される。２つのスイッチング素子１３３ａの間からは、出力ＯＵＴ１、出力ＯＵＴ２が取り出されている。

二次巻線Ｓ３ｕから入力された三相交流電圧は、整流部１３１で整流されて直流電圧に変換される。平滑部１３２は、整流された直流電圧を平滑する。その後、インバータ部１３３は、平滑された直流電圧をユーザ所望の単相交流電圧に変換する。単相交流電圧は、出力ＯＵＴ１、出力ＯＵＴ２からセルインバータＣＩ３の外部に出力される。

なお、図４に示したセルインバータの構成は、あくまで一例である。セルインバータには既知の様々な構成を採用可能である。例えば、スイッチング素子１３３ａは、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）、ＧＴＯ（Gate Turn Off Thyristor）等、ＩＧＢＴ以外の自己消弧素子であってもよい。

多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗには、図３に示すように、バイパス１６１〜１６３が接続されている。バイパス１６１は多段接続インバータ１３０ｕに接続されており、バイパス１６２は多段接続インバータ１３０ｖに接続されており、バイパス１６３は多段接続インバータ１３０ｗに接続されている。

バイパス１６１〜１６３は、非最後段セルインバータの出力を、後段に位置するセルインバータを迂回して、出力部１５０に伝送するための伝送路である。ここで非最後段セルインバータとは、最後段セルインバータＣＩ９の前段（出力部１５０とは反対側）にあるセルインバータのことである。図３の例であれば、セルインバータＣＩ１〜ＣＩ８のことである。また、後段に位置するセルインバータとは、該当のセルインバータより出力部１５０側に位置するセルインバータのことである。該当のセルインバータがセルインバータＣＩ３なのであれば、後段に位置するセルインバータはセルインバータＣＩ４〜ＣＩ９である。バイパス１６１〜１６３は、それぞれ、複数の伝送路を備える。複数の伝送路は、それぞれ、単相交流電圧を伝送可能である。

バイパス１６１はＰｕ２とＰｕ３の２つの伝送路を備える。伝送路Ｐｕ２はセルインバータＣＩ５の出力ＯＵＴ２とスイッチ部１４０ｕとを接続しており、伝送路Ｐｕ３はセルインバータＣＩ３の出力ＯＵＴ２とスイッチ部１４０ｕとを接続している。伝送路Ｐｕ２には、セルインバータＣＩ１〜ＣＩ５で重畳された単相交流電圧が出力される。本実施形態では、伝送路Ｐｕ２には、６．６ｋＶの単相交流電圧が出力される。また、伝送路Ｐｕ３には、セルインバータＣＩ１〜ＣＩ３で重畳された単相交流電圧が出力される。本実施形態では、伝送路Ｐｕ３には、３．３ｋＶの単相交流電圧が出力される。

同様に、バイパス１６２とバイパス１６３も２つの伝送路を備える。バイパス１６２はＰｖ３とＰｖ３の２つの伝送路を備えており、バイパス１６３はＰｗ２とＰｗ３の２つの伝送路を備えている。伝送路Ｐｖ２はセルインバータＣＩ５の出力ＯＵＴ２とスイッチ部１４０ｖとを接続しており、伝送路Ｐｖ３はセルインバータＣＩ３の出力ＯＵＴ２とスイッチ部１４０ｗとを接続している。また、伝送路Ｐｖ２はセルインバータＣＩ５の出力ＯＵＴ２とスイッチ部１４０ｖとを接続しており、伝送路Ｐｖ３はセルインバータＣＩ３の出力ＯＵＴ２とスイッチ部１４０ｗとを接続している。伝送路Ｐｖ２、Ｐｗ２には、セルインバータＣＩ１〜ＣＩ５で重畳された単相交流電圧が出力され、伝送路Ｐｖ３、Ｐｗ３には、セルインバータＣＩ１〜ＣＩ３で重畳された単相交流電圧が出力される。本実施形態では、伝送路Ｐｖ２、Ｐｗ２には、６．６ｋＶの単相交流電圧が出力され、伝送路Ｐｖ３、Ｐｗ３には、３．３ｋＶの単相交流電圧が出力される。

スイッチ部１４０ｕ〜１４０ｗは、出力部１５０に伝送する交流電圧を、多段接続インバータから出力される複数の単相交流電圧のいずれかに切り替えるためのスイッチである。スイッチ部１４０ｕ〜１４０ｗは、それぞれ、第２のスイッチ部として機能する。スイッチ部１４０ｕ〜１４０ｗは、それぞれ、内部に３つのスイッチを備える。これらのスイッチは、ユーザ或いは制御装置によって制御可能である。本実施形態では、スイッチ部１４０ｕ〜１４０ｗは、制御部１１０によって制御される。

スイッチ部１４０ｕは、制御部１１０の制御に従って、出力部１５０に伝送する交流電圧を多段接続インバータ１３０ｕから出力される３つの出力のいずれかに切り替える。また、スイッチ部１４０ｖは、制御部１１０の制御に従って、出力部１５０に伝送する交流電圧を多段接続インバータ１３０ｖから出力される３つの出力のいずれかに切り替える。また、スイッチ部１４０ｗは、制御部１１０の制御に従って、出力部１５０に伝送する交流電圧を多段接続インバータ１３０ｗから出力される３つの出力のいずれかに切り替える。

出力部１５０は、インバータ装置１００の出力インタフェースである。出力部１５０は、多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗから伝送される３系統の単相交流電圧を三相交流電圧としてインバータ装置１００の外部に出力する。出力部１５０から出力された三相交流電圧は、電動機Ｍａ〜Ｍｃのいずれかに伝送される。

次にこのような構成を有する電動機駆動システム１の動作について説明する。

伝送路Ｐｉｎを介してインバータ装置１００に三相交流電圧が入力されると、インバータ装置１００の制御部１１０は動作を開始する。まず、制御部１１０は、ユーザからの指示に基づいて、図１に示すスイッチ部ＳＷａ〜ＳＷｃを制御する。制御部１１０の動作は、３つある電動機のいずれを動作させるかで異なる。

電動機Ｍａを動作させる場合は、制御部１１０は、スイッチ部ＳＷｂ、ＳＷｃをＯＦＦにするとともに、スイッチ部ＳＷａをＯＮにする。これにより、インバータ装置１００の出力部１５０と電動機Ｍａとが接続される。電動機Ｍｂを動作させる場合は、制御部１１０は、スイッチ部ＳＷａ、ＳＷｃをＯＦＦにするとともに、スイッチ部ＳＷｂをＯＮにする。これにより、出力部１５０と電動機Ｍｂとが接続される。また、電動機Ｍｃを動作させる場合は、制御部１１０は、スイッチ部ＳＷａ、ＳＷｂをＯＦＦにするとともに、スイッチ部ＳＷｃをＯＮにする。これにより、出力部１５０と電動機Ｍｃとが接続される。

次に、制御部１１０は、多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗの制御を開始する。具体的には、制御部１１０は、多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗのセルインバータＣＩ１〜ＣＩ３が備えるスイッチング素子１３３ａのスイッチング制御を開始する。制御部１１０のスイッチング制御により、セルインバータＣＩ１〜ＣＩ９は、それぞれ、単相交流電圧を出力する。セルインバータＣＩ１〜ＣＩ９は直列に接続されているので、単相交流電圧は多段接続インバータの内部で重畳されて高圧の単相交流電圧となる。

重畳された単相交流電圧は伝送路を介してスイッチ部１４０ｕ〜１４０ｗに送信される。上述したように、多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗには、伝送路Ｐｕ１、Ｐｖ１、Ｐｗ１に加えて、バイパス１６１〜１６３が接続されている。そのため、多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗは、それぞれ、電圧レベルの異なる複数の単相交流電圧を出力する。具体的には、多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗは、それぞれ、１１ｋＶ、６．６ｋＶ、３．３ｋＶの単相交流電圧を出力する。

続いて、制御部１１０は、スイッチ部１４０ｕ〜１４０ｗとスイッチ部ＳＷａ〜ＳＷｃの制御を開始する。制御内容は、３つある電動機のいずれを動作させるかで異なる。

電動機Ｍａを動作させる場合、制御部１１０は、図３に示すスイッチ部１４０ｕ〜１４０ｗを制御して、バイパス１６１〜１６３（すなわち、伝送路Ｐｕ２、Ｐｖ２、Ｐｗ２、Ｐｕ３、Ｐｖ３、Ｐｗ３）と出力部１５０との接続を切断する。そして、制御部１１０は、伝送路Ｐｕ１、Ｐｖ１、Ｐｗ１と出力部１５０とを接続する。これにより、出力部１５０からは、１１ｋＶの三相交流電圧が出力される。電動機Ｍａは１１ｋＶの三相交流電圧を駆動電圧として動作を開始する。

電動機Ｍｂを動作させる場合、制御部１１０は、図３に示すスイッチ部１４０ｕ〜１４０ｗを制御して、伝送路Ｐｕ１、Ｐｖ１、Ｐｗ１、Ｐｕ３、Ｐｖ３、Ｐｗ３と出力部１５０との接続を切断する。そして、制御部１１０は、伝送路Ｐｕ２、Ｐｖ２、Ｐｗ２と出力部１５０とを接続する。これにより、出力部１５０からは、６．６ｋＶの三相交流電圧が出力される。電動機Ｍｂは６．６ｋＶの三相交流電圧を駆動電圧として動作を開始する。

電動機Ｍｃを動作させる場合、制御部１１０は、図３に示すスイッチ部１４０ｕ〜１４０ｗを制御して、伝送路Ｐｕ１、Ｐｖ１、Ｐｗ１、Ｐｕ２、Ｐｖ２、Ｐｗ２と出力部１５０との接続を切断する。そして、制御部１１０は、伝送路Ｐｕ３、Ｐｖ３、Ｐｗ３と出力部１５０とを接続する。これにより、出力部１５０からは、３．３ｋＶの三相交流電圧が出力される。電動機Ｍｃは３．３ｋＶの三相交流電圧を駆動電圧として動作を開始する。

本実施形態によれば、インバータ装置１００は、電力変換回路として多段接続インバータを備える。そして、多段接続インバータは、非最後段セルインバータの出力を、後段のセルインバータを迂回して出力部１５０に伝送するバイパスを備える。これにより、インバータ装置１００は電圧レベルの異なる複数の交流電圧を出力することが可能となるので、電動機駆動システム１は、駆動電圧が異なる複数の電動機を低いコストで動作させることができる。

例えば、インバータ装置１００が電圧レベルの異なる複数の交流電圧を出力できるので、ユーザは、電動機駆動システム１を構築するために、出力電圧が異なる複数のインバータ装置を用意する必要がない。また、インバータ装置一台で電動機駆動システム１を構築する場合であっても、ユーザは、インバータ装置の出力側にトランスを設置する必要がない。よって、ユーザは、低いコストで電動機駆動システム１を構築できる。

また、インバータ装置１００が電圧レベルの異なる複数の交流電圧を出力できるので、ユーザは、インバータ装置１００の出力側にトランスを設置する必要がない。そのため、システム構築者は、電動機駆動システム１の内部に、電力損失の原因となるトランスをあまり配置しなくてもよい、その結果として、電動機駆動システム１はシステム全体として電力損失が小さくなるので、ユーザは、低いランニングコストで電動機駆動システム１を動作させることができる。

また、ユーザは、電動機駆動システム１を構築するために、複数のインバータ装置を用意する必要がなく、また、インバータ装置１００の出力側にトランスを配置する必要もない。すなわち、電動機駆動システム１は、メンテナンスを必要とする機器が少ない。結果として、ユーザは、小さなメンテナンスコストで電動機駆動システム１を動作させることができる。また、機器が少ないので、電動機駆動システム１の設置スペースも小さくて済む。

（実施形態２）
実施形態１では、インバータ装置１００が電動機Ｍａに駆動電圧を供給した。しかしながら、電動機Ｍａの動作電圧は、交流電源ＡＣの出力電圧を同じであるので、場合によっては、交流電源ＡＣの出力電圧を、インバータ装置１００を介さず、そのまま電動機Ｍａに入力することも可能である。以下、実施形態２の電動機駆動システム１について説明する。

図５は、実施形態２の電動機駆動システム１を示す図である。電動機駆動システム１は、交流電源ＡＣと、伝送路Ｐｉｎと、バイパス１７０と、電動機Ｍａ〜Ｍｃと、伝送路Ｐｏｕｔと、スイッチ部ＳＷａ〜ＳＷｃと、インバータ装置１００と、を備える。バイパス１７０及びスイッチ部ＳＷａ以外の構成は実施形態１と同じである。

バイパス１７０は、交流電源ＡＣから供給される交流電圧を、インバータ装置１００（電動機駆動装置）を迂回して、電動機に伝送する伝送路である。バイパス１７０は第１のバイパスとして機能する。インバータ装置１００が備えるバイパス１６１〜１６３は第２のバイパスとして機能する。バイパス１７０は、三相交流電圧を伝送可能な送電線である。伝送路Ｐｉｎは、交流電源ＡＣが出力した三相交流電圧をスイッチ部ＳＷａに伝送する。

スイッチ部ＳＷａは、電動機Ｍａへ入力される三相交流電圧を切り替えるための、或いは遮断するためのスイッチである。スイッチ部ＳＷａは、電動機Ｍａへ入力される電圧を、インバータ装置１００から伝送される三相交流電圧、若しくは、交流電源ＡＣから伝送される三相交流電圧に切り替える。又は、スイッチ部ＳＷａは、電動機Ｍａへ入力される電圧を遮断する。スイッチ部ＳＷａは、インバータ装置１００が備える制御部１１０によって、若しくは、電動機駆動システム１が備える不図示の制御装置によって制御される。スイッチ部ＳＷａ〜ＳＷｃは、ユーザが手動で制御可能であってもよい。以下の説明では、スイッチ部ＳＷａは制御部１１０によって制御されるものとする。

次にこのような構成を有する電動機駆動システム１の動作について説明する。

伝送路Ｐｉｎを介してインバータ装置１００に三相交流電圧が入力されると、制御部１１０は動作を開始する。ユーザから電動機Ｍａの動作開始の開始が指示された場合、制御部１１０は、スイッチ部ＳＷｂ、ＳＷｃをＯＦＦにするとともに、スイッチ部ＳＷａの接続を伝送路Ｐｏｕｔ側にする。これにより、インバータ装置１００の出力部１５０と電動機Ｍａとが接続される。

また、制御部１１０は、図３に示すスイッチ部１４０ｕ〜１４０ｗを制御して、バイパス１６１〜１６３と出力部１５０との接続を切断するとともに、伝送路Ｐｕ１、Ｐｖ１、Ｐｗ１と出力部１５０とを接続する。これにより、出力部１５０からは、１１ｋＶの三相交流電圧が出力される。電動機Ｍａは１１ｋＶの三相交流電圧を駆動電圧として動作を開始する。

電動機Ｍａに三相交流電圧の出力が開始されてから予め設定された時間が経過すると、制御部１１０は、図５に示すスイッチ部ＳＷａの接続をバイパス１７０側にする。これにより、交流電源ＡＣと電動機Ｍａとが接続される。電動機Ｍａは、交流電源ＡＣから供給される１１ｋＶの三相交流電圧を駆動電圧として動作を継続する。

スイッチ部ＳＷａの接続がバイパス１７０側に切り替わった後、制御部１１０は、ユーザの指示に基づいて電動機Ｍｂ或いは電動機Ｍｃを動作させてもよい。制御部１１０が電動機Ｍｂ或いは電動機Ｍｃを動作させる方法は、実施形態１と同様である。

電動機は、通常、起動時に大きな電力を消費する。電動機Ｍａを交流電源ＡＣに直接接続して起動させた場合、交流電源ＡＣは電動機Ｍａによって一時的に大きな電力を供給しなければならない。この場合、交流電源ＡＣには大きな負荷がかかる。しかしながら、インバータは消費電力の急激な上昇を抑制する機能を有する。電動機の起動時に、インバータを介して電動機に電力を供給することにより、電動機の電力消費は緩やかになる。

本実施形態の電動機駆動システム１は、電動機Ｍａへ入力される電圧を、インバータ装置１００から伝送される三相交流電圧、又は、交流電源ＡＣから伝送される三相交流電圧に切り替え可能なスイッチ部ＳＷａを備えている。そのため、電動機駆動システム１は、電動機Ｍａの起動時にインバータ装置１００を介して電動機Ｍａに電力を供給することができるので、交流電源ＡＣにかかる負荷を小さくできる。

また、電動機駆動システム１は、電動機Ｍａの出力が安定した後、電動機Ｍａへ入力される電圧を交流電源ＡＣから伝送される交流電圧に切り替えることができる。交流電源ＡＣから電動機Ｍａに直接電力を供給することで、インバータ装置１００で電力損失が生じない。そのため、電動機駆動システム１は、ランニングコストを低くできる。

また、交流電源ＡＣから電動機Ｍａに直接電力を供給している最中は、インバータ装置１００がフリーになる。そのため、電動機駆動システム１は、電動機Ｍａを動作させている最中に、インバータ装置１００を使用して、電動機Ｍｂ若しくは電動機Ｍｂに駆動電圧を供給することも可能になる。

（実施形態３）
インバータ装置１００は、電圧レベルの異なる複数の交流電圧を出力可能である。インバータ装置１００には、過電圧もしくは過電流の出力が発生しないように、出力を監視するためのセンサーが設けられていてもよい。以下、実施形態３の電動機駆動システム１について説明する。なお、インバータ装置１００以外の構成は、実施形態１と同じであるので説明を省略する。

図６は、インバータ装置１００の回路図である。インバータ装置１００の構成は実施形態１と略同じであるが、伝送路にセンサーが設けられている点で実施形態１と異なっている。

インバータ装置１００は、１８１ｕ１〜１８１ｗ３の９つの電圧センサーと、１８２ｕ〜１８２ｗの３つの電流センサーを備える。

電圧センサー１８１ｕ１〜１８１ｗ３は、多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗの出力電圧を計測する電圧計である。電圧センサー１８１ｕ１〜１８１ｕ３の３つのセンサーは、それぞれ、伝送路Ｐｕ１〜Ｐｕ３に配置されている。電圧センサー１８１ｖ１〜１８１ｖ３の３つのセンサーは、それぞれ、伝送路Ｐｖ１〜Ｐｖ３に配置されている。電圧センサー１８１ｗ１〜１８１ｗ３の３つのセンサーは、それぞれ、伝送路Ｐｗ１〜Ｐｗ３に配置されている。電圧センサー１８１ｕ１〜１８１ｗ３は、接触式のセンサーであってもよいし、非接触式のセンサーであってもよい。電圧センサー１８１ｕ１〜１８１ｗ３は制御部１１０に接続されている。各伝送路の電圧は制御部１１０によって監視される。

電流センサー１８２ｕ〜１８２ｗは、多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗの出力電流を計測する電流計である。電流センサー１８２ｕは、スイッチ部１４０ｕと出力部１５０とを接続する伝送路に配置されている。電流センサー１８２ｖは、スイッチ部１４０ｖと出力部１５０とを接続する伝送路に配置されている。電流センサー１８２ｗは、スイッチ部１４０ｕと出力部１５０とを接続する伝送路に配置されている。電流センサー１８２ｕ〜１８２ｗは、接触式のセンサーであってもよいし、非接触式のセンサーであってもよい。電流センサー１８２ｕ〜１８２ｗは制御部１１０に接続されている。各伝送路の電流は制御部１１０によって監視される。

制御部１１０は、電圧センサー１８１ｕ１〜１８１ｗ３のいずれかで予め設定された電圧値以上の電圧が計測されたのを検知すると、スイッチ部１４０ｕ〜１４０ｗをＯＦＦにして、出力部１５０からの出力を停止する。また、制御部１１０は、電流センサー１８２ｕ〜１８２ｗのいずれかで予め設定された電流値以上の電流が計測されたのを検知すると、スイッチ部１４０ｕ〜１４０ｗをＯＦＦにして、出力部１５０からの出力を停止する。設定電圧レベル及び設定電流レベルは、伝送路毎に異なったものであってもよい。

本実施形態によれば、インバータ装置１００からの出力に過電圧、過電流が発生するのを少なくすることができる。

上述の各実施形態はそれぞれ一例を示したものであり、種々の変更及び応用が可能である。

例えば、上述の実施形態では、バイパス１６１〜１６３は、セルインバータＣＩ３、ＣＩ５の出力ＯＵＴ２と接続され、セルインバータＣＩ３、ＣＩ５の出力を、スイッチ部１４０ｕ〜１４０ｗを介して出力部１５０に伝送した。しかしながら、バイパス１６１〜１６３が伝送する交流電圧は、セルインバータＣＩ３、ＣＩ５の出力に限られない。他のセルインバータの出力であってもよい。

また、上述の実施形態では、多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗは、それぞれ、電圧レベルの異なる３つの交流電圧を出力するものとした。しかしながら、多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗは、それぞれ、３つより多くの交流電圧を出力するよう構成されていてもよいし、２つの交流電圧を出力するよう構成されていてもよい。多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗが出力する交流電圧の電圧レベルは、１１ｋＶ、６．６ｋＶ、３．３ｋＶに限られない。電圧レベルは、６９０Ｖ、１．２５ｋＶ、１０ｋＶ等他の高圧であってもよい。勿論、電圧レベルは、４６０Ｖ、５７５Ｖ等、６００Ｖより小さな電圧であってもよい。

また、上述の実施形態では、インバータ装置１００の出力部１５０は、電圧レベルが異なる複数の三相交流電圧のいずれかを出力するものとした。しかしながら、出力部１５０は、多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗが生成する複数の三相交流電圧を全て出力するよう構成されていてもよい。例えば、システム設計者は、図１に示すインバータ装置１００からスイッチ部１４０ｕ〜１４０ｗを取り除く。多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗの複数の出力は、直接、出力部１５０に接続される。出力部１５０は、１１ｋＶ、６．６ｋＶ、３．３ｋＶに対応する３組の出力端子を備える。そして、インバータ装置１００は、出力部１５０から１１ｋＶ、６．６ｋＶ、３．３ｋＶの３つの三相交流電圧を出力する。

また、上述の実施形態では、インバータ装置１００が出力する交流電圧は三相交流電圧であるものとしたが、インバータ装置１００が出力する交流電圧は単相交流電圧であってもよい。この場合、インバータ装置１００が備える多段接続インバータは１つであってもよい。

また、上述の実施形態では、インバータ装置１００は、変圧器１２０を備え、交流電源ＡＣから入力された三相交流電圧を、変圧器１２０を介して多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗに入力した。しかしながら、インバータ装置１００は必ずしも変圧器１２０を備えていなくてもよい。例えば、インバータ装置１００は、交流電源ＡＣから入力された三相交流電圧を分配する分配器を備え、分配器で分配しした三相交流電圧を、多段接続インバータ１３０ｕ〜１３０ｗの各セルインバータに入力してもよい。変圧器１２０での電力損失がなくなるので、インバータ装置１００のランニングコストが低くなる。

また、上述の実施形態では、インバータ装置１００が交流電圧を供給する負荷装置は電動機であるものとしたが、インバータ装置１００が交流電圧を供給する負荷装置は電動機に限られない。インバータ装置１００は、電動機以外の電気機器に交流電圧を供給してもよい。勿論、インバータ装置１００は、他のインバータ装置に交流電圧を供給してもよい。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この新規な実施形態は、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、変更を行うことが出来る。この実施形態やその変形は、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。

１…電動機駆動システム
１００…インバータ装置
１１０…制御部
１２０…変圧器
１２１…一次巻線
１２２…二次巻線群
Ｓ１ｒ〜Ｓ９ｔ…二次巻線
１３０ｕ、１３０ｖ、１３０ｗ…多段接続インバータ
１３１…整流部
１３１ａ…ダイオード
１３２…平滑部
１３２ａ…コンデンサ
１３３…インバータ部
１３３ａ…スイッチング素子
１３３ｂ…還流ダイオード
１４０ｕ、１４０ｖ、１４０ｗ…スイッチ部
１５０…出力部
１６１、１６２、１６３、１７０…バイパス
１８１ｕ１〜１８１ｗ３…電圧センサー
１８２ｕ、１８２ｖ、１８２ｗ…電流センサー

Claims (6)

1. 単相交流電圧を出力するセルインバータを直列に多段接続した多段接続インバータと、
   前記多段接続インバータから伝送される交流電圧を出力する出力部と、
   前記多段接続インバータの最後段セルインバータの出力を前記出力部に伝送する伝送路と、
   前記多段接続インバータが備える非最後段セルインバータのうちの少なくとも１つの出力を、後段に位置する前記セルインバータを迂回して、前記出力部に伝送するバイパスと、を備える、
   インバータ装置。
2. 前記伝送路及び前記バイパスに接続され、前記出力部の出力を、前記伝送路及び前記バイパスを介して伝送される複数の交流電圧のいずれかに切り替えるスイッチ部、を備える、
   請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記多段接続インバータの出力電圧或いは出力電流を計測するセンサーと、
   前記スイッチ部を制御する制御部と、を備え、
   前記スイッチ部は、前記多段接続インバータと前記出力部との接続を切断可能であり、
   前記制御部は、予め設定された値以上の前記出力電圧或いは前記出力電流が前記センサーで計測されたのを検知した場合に、前記スイッチ部を制御して、前記出力部からの出力を停止する、
   請求項２に記載のインバータ装置。
4. 出力電圧の位相が異なる複数の前記多段接続インバータを備える、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載のインバータ装置。
5. 電動機を駆動する交流電圧を出力する電動機駆動装置であって、
   単相交流電圧を出力するセルインバータを直列に多段接続した多段接続インバータと、
   前記多段接続インバータから伝送される交流電圧を出力する出力部と、
   前記多段接続インバータの最後段セルインバータの出力を前記出力部に伝送する伝送路と、
   前記多段接続インバータが備える非最後段セルインバータのうちの少なくとも１つの出力を、後段に位置する前記セルインバータを迂回して、前記出力部に伝送するバイパスと、を備える、
   電動機駆動装置。
6. 交流電源から供給される交流電圧を、電動機を駆動する交流電圧に変換する電動機駆動装置と、
   前記交流電源から供給される交流電圧を、前記電動機駆動装置を迂回して、前記電動機に伝送する第１のバイパスと、
   前記電動機に入力される交流電圧を、前記電動機駆動装置から出力される交流電圧と第１のバイパスを介して伝送される交流電圧のいずれかに切り替えるスイッチ部と、を備え、
   前記電動機駆動装置は、
   単相交流電圧を出力するセルインバータを直列に多段接続した多段接続インバータと、
   前記多段接続インバータから伝送される交流電圧を出力する出力部と、
   前記多段接続インバータの最後段セルインバータの出力を前記出力部に伝送する伝送路と、
   前記多段接続インバータが備える非最後段セルインバータのうちの少なくとも１つの出力を、後段に位置する前記セルインバータを迂回して、前記出力部に伝送する第２のバイパスと、を備える、
   電動機駆動システム。

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