JP2019106799A - Power converter and rankine cycle system - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、回転機の駆動制御、電源装置などに用いられるマルチレベルインバータを用いた電力変換装置及びランキンサイクルシステムに関する。 The present disclosure relates to a power converter and a Rankine cycle system using a multilevel inverter used for drive control of a rotating machine, a power supply device, and the like.
従来のこの種の電力変換装置としては、1対の直列接続されたコンデンサで中性点を生成し、3レベルをスイッチングして出力する3レベルインバータが提案されていた(例えば、特許文献1参照)。図6は、特許文献1に記載された従来の電力変換装置の構成を示すものである。
As a conventional power converter of this type, a three-level inverter has been proposed that generates a neutral point with a pair of serially connected capacitors and switches and outputs three levels (for example, see Patent Document 1) ). FIG. 6 shows the configuration of the conventional power conversion device described in
図6に示すように、従来の電力変換装置は、正負の直流母線間に直列接続され中性点が第二線に接続される正側母線コンデンサ101、負側母線コンデンサ102および、正負の直流母線間に直列接続されるスイッチ素子103、104ならびに、スイッチ素子103、104の接続点と中性点105との間に接続されるリアクトル106を有するバランス回路107などを備える。この電力変換装置は、正側母線コンデンサ101と負側母線コンデンサ102との間の電圧差に応じてスイッチ素子103あるいは104のうちの何れか一方を動作させることで、電圧をバランスさせながらインバータ108を3レベル出力するように構成されている。
As shown in FIG. 6, in the conventional power converter, positive
特許文献1に示された従来の電力変換装置は、インバータの中性点電圧を固定するように制御して、レベル数増加によるコモンモード成分を低減することで漏れ電流を低減している。しかしながら、中性点を固定するように制御された電圧に基づくパルス幅変調によって出力電圧を制御すると、中性点電圧をスイッチングする期間が存在するために、主機側の漏れ電流抑制効果が限定的になると同時に、電力変換装置内部の補機側に対しては漏れ電流の低減効果を有しないという課題がある。
The conventional power conversion device disclosed in
従来の課題を解決するために、本開示は、直流電源から供給される直流電圧を用いて中間電圧を生成するコンバータ回路と、前記直流電源および前記コンバータ回路に接続され、前記直流電圧および前記中間電圧を入力して駆動し、少なくとも3つのレベルで制御されるマルチレベルインバータ回路と、前記コンバータ回路に接続され、前記中間電圧を入力して駆動するインバータ回路と、前記マルチレベルインバータ回路が所定の第1交流電圧を出力し且つ前記インバータ回路が所定の第2交流電圧を出力するように制御するとともに、前記中間電圧が前記インバータ回路に接続する負荷の指令電圧および前記インバータ回路の降下電圧を合計した設定電圧となるように制御する制御装置と、を備える電力変換装置を提供する。 In order to solve the conventional problems, the present disclosure relates to a converter circuit that generates an intermediate voltage using a DC voltage supplied from a DC power supply, and to the DC power supply and the converter circuit, which is connected to the DC voltage and the intermediate circuit. A multi-level inverter circuit driven by inputting a voltage and controlled at at least three levels, an inverter circuit connected to the converter circuit and driven by inputting the intermediate voltage, and a predetermined multi-level inverter circuit The first AC voltage is output and the inverter circuit is controlled to output a predetermined second AC voltage, and the intermediate voltage sums the command voltage of the load connected to the inverter circuit and the voltage drop of the inverter circuit. And a controller configured to control the set voltage.
本構成によって、コンバータ回路で生成した中間電圧は、補機側に相当するインバータ回路に接続する負荷の指令電圧およびインバータ回路の降下電圧を合計した電圧となるように制御され、マルチレベルインバータ回路は直流入力電圧と中間電圧とをスイッチングして出力電圧を生成すると同時に、中間電圧はインバータ回路の入力電圧として供給され
、インバータ回路の負荷に対して必要最低限の中間電圧で交流電圧を出力することができる。
With this configuration, the intermediate voltage generated by the converter circuit is controlled to be the sum of the command voltage of the load connected to the inverter circuit corresponding to the auxiliary device side and the voltage drop of the inverter circuit, and the multilevel inverter circuit At the same time as switching between a DC input voltage and an intermediate voltage to generate an output voltage, the intermediate voltage is supplied as an input voltage of the inverter circuit, and an AC voltage is outputted to the load of the inverter circuit with a minimum necessary intermediate voltage. Can.
本開示に係る技術によれば、マルチレベルインバータ回路はレベル数に応じた電圧変化率が抑制されるため、主機側の漏れ電流抑制ができると同時に、補機側のインバータ回路に接続された負荷は直流電圧よりも低い必要最低限の安定した中間電圧で駆動されることで漏れ電流の抑制を可能とすることができる。 According to the technology according to the present disclosure, since the voltage change rate according to the number of levels is suppressed in the multilevel inverter circuit, the leakage current can be suppressed on the main machine side, and the load connected to the inverter circuit on the auxiliary machine side It is possible to suppress the leakage current by driving with a minimum necessary stable intermediate voltage lower than the DC voltage.
<本発明者の検討に基づく知見>
特許文献1に示す従来の電力変換装置では、主機に相当するマルチレベルインバータ出力のコモンモード成分のみが低減される。すなわち、主機に相当する部分に接続された負荷における漏れ電流のみが低減される。しかし、この従来の電力変換装置内部の補機側に接続された負荷に対しては、漏れ電流の低減効果を有さないという課題があることを、本発明者は発見した。これに関して本発明者は、コンバータ回路で生成した中間電圧が、主機に相当するマルチレベルインバータ回路の中間電圧、及び、補機に相当するインバータ回路の入力電圧、の両方の電圧として併用されることに着目した。すなわち、マルチレベルインバータ回路に接続された負荷はレベル数に応じて電圧変化率が抑制されるが、同時に、インバータ回路に接続された負荷はマルチレベルインバータ回路の最大電圧よりも低い中間電圧で駆動することとなるため、インバータ回路に接続された負荷も電圧変化率が抑制される。したがって、マルチレベルインバータ回路による入出力電力及びインバータ回路による入出力電力の影響を受けて変動する中間電圧を、所望の設定電圧となるように制御することができれば、これら両方の負荷は、同時に電圧変化率が抑制され、漏れ電流を抑制することができる。
<Findings based on the study of the inventor>
In the conventional power conversion device shown in
更に、本発明者は、実際のインバータ回路においては一定の電圧降下が発生することに着目した。すなわち、前記所望の設定電圧を、インバータ回路の降下電圧を考慮して設定すれば、インバータ回路に接続する負荷の指令電圧を必要最低限の電圧に設定することができ、補機側の漏れ電流をさらに抑制することができる。 Furthermore, the inventor noted that a constant voltage drop occurs in an actual inverter circuit. That is, if the desired set voltage is set in consideration of the voltage drop of the inverter circuit, the command voltage of the load connected to the inverter circuit can be set to the minimum necessary voltage, and the leakage current on the accessory side Can be further suppressed.
以上を踏まえ、本発明者は、中間電圧を、インバータ回路に接続された負荷の指令電圧とインバータ回路の降下電圧とを合計した所望の設定電圧となるように制御してインバータ回路に供給することで、インバータ回路に接続された負荷を必要最低限の安定した電圧で駆動し、漏れ電流を低減することができる電力変換装置を検討した。 Based on the above, the inventor of the present invention controls the intermediate voltage so as to be a desired set voltage obtained by summing the command voltage of the load connected to the inverter circuit and the voltage drop of the inverter circuit, and supplies it to the inverter circuit. Then, the power converter which can drive the load connected to the inverter circuit with the necessary minimum stable voltage and reduce the leakage current was examined.
なお、本明細書における中間電圧とは、絶対値でみたときに、最大電圧よりも小さい任意の電圧のことを示す。例えば、最大電圧をVmax とすると、中間電圧は0よりも大きくVmax 未満の電圧のことを指す。典型的な例としては、中間電圧を0からVmax の範囲で、インバータ回路に接続する負荷の指令電圧とインバータ回路の降下電圧とを合計した電
圧とすることができる。
The term "intermediate voltage" as used herein refers to any voltage smaller than the maximum voltage as viewed in absolute value. For example, when the maximum voltage is Vmax, the intermediate voltage is a voltage greater than 0 and less than Vmax. As a typical example, the intermediate voltage can be a sum of the command voltage of the load connected to the inverter circuit and the voltage drop of the inverter circuit in the range of 0 to Vmax.
本開示の第1態様は、
直流電源から供給される直流電圧を用いて中間電圧を生成するコンバータ回路と、
前記直流電源および前記コンバータ回路に接続され、前記直流電圧および前記中間電圧を入力して駆動し、少なくとも3つのレベルで制御されるマルチレベルインバータ回路と、
前記コンバータ回路に接続され、前記中間電圧を入力して駆動するインバータ回路と、
前記マルチレベルインバータ回路が所定の第1交流電圧を出力し且つ前記インバータ回路が所定の第2交流電圧を出力するように制御するとともに、前記中間電圧が前記インバータ回路に接続する負荷の指令電圧および前記インバータ回路の降下電圧を合計した設定電圧となるように制御する制御装置と、
を備える電力変換装置を提供する。
The first aspect of the present disclosure is
A converter circuit that generates an intermediate voltage using a DC voltage supplied from a DC power supply,
A multi-level inverter circuit connected to the DC power supply and the converter circuit, driven by inputting the DC voltage and the intermediate voltage, and controlled at at least three levels;
An inverter circuit connected to the converter circuit to input and drive the intermediate voltage;
The multilevel inverter circuit outputs a predetermined first alternating voltage and the inverter circuit controls the inverter circuit to output a predetermined second alternating voltage, and the command voltage of the load connected to the inverter circuit by the intermediate voltage A control device that controls a set voltage obtained by summing the voltage drop of the inverter circuit;
To provide a power converter.
第1態様によれば、コンバータ回路で生成した中間電圧はインバータ回路に接続する負荷の指令電圧およびインバータ回路の降下電圧を合計した電圧となるように制御され、マルチレベルインバータ回路は直流入力電圧と中間電圧とをスイッチングして出力電圧を生成すると同時に、中間電圧はインバータ回路の入力電圧として供給される。これによりインバータ回路の負荷に対して必要最低限の中間電圧で交流電圧を出力することとなるため、マルチレベルインバータ回路は、レベル数に応じた電圧変化率の抑制による漏れ電流抑制ができると同時に、インバータ回路に接続された負荷は直流電圧よりも低い必要最低限の安定した中間電圧での駆動によって漏れ電流の抑制を可能とすることができる。 According to the first aspect, the intermediate voltage generated by the converter circuit is controlled to be a sum of the command voltage of the load connected to the inverter circuit and the voltage drop of the inverter circuit, and the multilevel inverter circuit The intermediate voltage is supplied as an input voltage of the inverter circuit while switching with the intermediate voltage to generate an output voltage. As a result, the AC voltage is output to the load of the inverter circuit with the minimum necessary intermediate voltage, so the multilevel inverter circuit can suppress leakage current by suppressing the rate of change in voltage according to the number of levels. The load connected to the inverter circuit can suppress the leakage current by driving with a minimum necessary stable intermediate voltage lower than the DC voltage.
本開示の第2態様は、第1態様に加え、
前記コンバータ回路は、
複数の前記中間電圧を生成し、
前記インバータ回路は、
前記複数の中間電圧のうちいずれかの電圧を入力して駆動する、
電力変換装置を提供する。
The second aspect of the present disclosure is in addition to the first aspect,
The converter circuit is
Generate a plurality of said intermediate voltages,
The inverter circuit is
Drive by inputting any one of the plurality of intermediate voltages,
To provide a power converter.
第2態様によれば、複数の中間電圧の中から適切な電圧が選択され、コンバータ回路の電圧調整幅を制限することができ、インバータ回路への電圧供給をより安定化することができる。 According to the second aspect, an appropriate voltage is selected from the plurality of intermediate voltages, the voltage adjustment range of the converter circuit can be limited, and the voltage supply to the inverter circuit can be further stabilized.
本開示の第3態様は、
第1態様または第2態様の電力変換装置と、
作動流体を圧送するポンプ、前記作動流体を加熱する蒸発器、前記作動流体を膨張させる膨張機、及び前記作動流体を凝縮させる凝縮器がこの順に環状に接続されたランキンサイクル流路と、前記ポンプに接続されたモータと、前記膨張機に接続されて第3交流電圧を生成し出力する発電機と、を備えるランキンサイクル装置と、
前記発電機から出力された前記第3交流電圧を入力して直流電圧に変換し、前記直流電圧を出力する電力供給装置と、
を有し、
前記電力供給装置は、
前記コンバータ回路及び前記マルチレベルインバータ回路に対して前記直流電圧を供給する前記直流電源として動作し、
前記インバータ回路は、
入力される前記中間電圧を前記第2交流電圧に変換し、前記第2交流電圧を前記モータに供給する、
ランキンサイクルシステムを提供する。
The third aspect of the present disclosure is
The power converter of the first aspect or the second aspect;
A pump for pumping a working fluid, an evaporator for heating the working fluid, an expander for expanding the working fluid, and a Rankine cycle flow path in which a condenser for condensing the working fluid is annularly connected in this order, the pump A Rankine cycle device comprising: a motor connected to the motor; and a generator connected to the expander to generate and output a third AC voltage.
A power supply device which receives the third alternating voltage output from the generator, converts it into a direct voltage, and outputs the direct voltage;
Have
The power supply device
Operates as the DC power supply that supplies the DC voltage to the converter circuit and the multilevel inverter circuit,
The inverter circuit is
Converting the input intermediate voltage into the second AC voltage and supplying the second AC voltage to the motor;
Provide Rankine cycle system.
第3態様によれば、コンバータ回路で生成した中間電圧は、マルチレベルインバータ回路の中間電圧、及びインバータ回路の入力電圧の両方の電圧として併用される。そして、マルチレベルインバータ回路に接続された、例えば商用電源などの負荷はレベル数に応じて電圧変化率が抑制され、同時に、インバータ回路に接続された負荷であるモータはインバータ回路の負荷に対して必要最低限の中間電圧で駆動することとなるため、これら両方の負荷は同時に電圧変化率が抑制され、漏れ電流を抑制することができる。 According to the third aspect, the intermediate voltage generated by the converter circuit is used as both the intermediate voltage of the multilevel inverter circuit and the input voltage of the inverter circuit. A load such as a commercial power source connected to the multilevel inverter circuit, for example, has a voltage change rate suppressed according to the number of levels, and at the same time, a motor connected to the inverter circuit is a load of the inverter circuit. Since these two loads are driven at the minimum necessary intermediate voltage, the voltage change rate is suppressed at the same time, and the leakage current can be suppressed.
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments.
(実施の形態1)
図1は、本開示の実施の形態1における電力変換装置1の構成図である。図1において、電力変換装置1は、マルチレベルインバータ回路2、中間電圧を生成するコンバータ回路3、中間電圧を入力して駆動するように接続したインバータ回路4、およびマルチレベルインバータ回路2とコンバータ回路3とインバータ回路4とを制御する制御装置5を備えている。電力変換装置1には直流電源が接続されている。直流電源は、コンバータ回路3及びマルチレベルインバータ回路2に対して直流電圧を供給する。なお、図1では、直流電源は、電力変換装置1の外部に配置されているが、電力変換装置1の内部に配置されていてもよい。
FIG. 1 is a configuration diagram of a
マルチレベルインバータ回路2は、3レベルとなっており、スイッチング素子6a〜6h(例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、あるいはMOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor))、ダイオード7a〜7dで構成されている。
コンデンサ8aは直流電圧の平滑用として配置され、コンデンサ8bは交流出力の波形整形用として配置され、さらに、コンデンサ8cは中間電圧の平滑用として配置されている。また、インダクタ9aおよび9bは、コンデンサ8bと共に交流出力の波形整形用として配置されている。
The
ここで、マルチレベルインバータ回路2の出力は、一般負荷に供給される。コンバータ回路3は、スイッチング素子6iおよび6jと、インダクタ9cとによって構成されている。インバータ回路4は、スイッチング素子6k〜6pで構成されており、負荷としてモータ10を接続している。
Here, the output of the
また、図1で制御装置5から伸びている矢印は、各回路に対する駆動信号とその信号数量とを示している。
Moreover, the arrow extended from the
図2A〜図2Cは、制御装置5に含まれる、第1制御部51、第2制御部52、及び第3制御部53のそれぞれの制御ブロックの一例を示す図である。制御装置5は、インバータ回路4による入出力電力とマルチレベルインバータ回路2による入出力電力との影響を受けて変動する中間電圧が所望の設定電圧となるようにコンバータ回路3を制御する。ここで、所望の設定電圧とはインバータ回路4に接続されたモータ10を駆動するための指令電圧およびインバータ回路4の降下電圧を合計した電圧となるように制御する。制御装置5は、図2Aに示す、インバータ回路4を制御する制御ブロックである第1制御部51と、図2Bに示す、マルチレベルインバータ回路2を制御する制御ブロックである第2制御部52と、図2Cに示す、コンバータ回路3を制御する制御ブロックである第3制御部53と、を有するように構成されている。
FIGS. 2A to 2C are diagrams showing examples of control blocks of the
図2Aの第1制御部51は、以下のように動作する。モータ10の指令回転数(rpm_ref)と実際の回転数(rpm_t)との偏差が比例積分制御器に入力され、q軸電流指令(Iq_ref)が演算される。演算されたq軸電流指令と実際のq軸電流(Iq_t)との偏差を演算して、演算した偏差に基づいてq軸電圧指令(Vq_ref)が演算される。また、d軸電圧指令(Vd_ref)はゼロが入力される。入力されたq軸電圧指令、d軸電圧指令は、2相/3相変換部にて3相変換され、変調信号生成部にてインバータ回路4の入力電圧である中間電圧の検出値(Vc_t)によって除算され、変調率が演算される。演算された変調率と搬送波(例えば、モータ10の回転周波数よりも充分に早い周期で動作する三角波)とを搬送波比較部にて比較することにより駆動信号を生成し、スイッチング素子6k〜6pをスイッチングする。
The
図2Bの第2制御部52は、以下のように動作する。出力の変調率指令(出力電圧指令をコンデンサ8aの電圧検出値で除算した結果)(m_ref)が入力される。入力された変調率指令は、搬送波(carry1)と比較した結果に応じてスイッチング素子6a、6cをそれぞれオン/オフ制御するように、判定信号をそれぞれドライバ回路(Dri)に入力する。また、入力された変調率指令は、搬送波(carry2)と比較した結果に応じてスイッチング素子6b、6dをそれぞれオン/オフ制御するように、判定信号をそれぞれドライバ回路(Dri)に入力する。さらに、入力された変調率指令の符号反転信号を生成して、反転した変調率指令と搬送波(carry1)を比較した結果に応じてスイッチング素子6e、6gをそれぞれオン/オフ制御するように、判定信号をそれぞれドライバ回路(Dri)に入力する。さらに、反転した変調率指令と搬送波(carry2)を比較した結果に応じてスイッチング素子6f、6hをそれぞれオン/オフ制御するように、判定信号をそれぞれドライバ回路(Dri)に入力する。各ドライバ回路は、判定信号に基づいて、対応するスイッチング素子それぞれに対してスイッチングを指示する駆動信号を出力する。
The
図2Cの第3制御部53は、以下のように動作する。インバータ回路4の出力の変調率生成におけるq軸電圧指令(Vq_ref)とd軸電圧指令(Vd_ref)とのそれぞれの平方の和の平方根を演算してベクトル和を生成する。最大値をコンデンサ8aの電圧検出値(Vpn_t)、最小値をゼロ電圧として制限器を通して指令電圧を制限する。制限した指令電圧に対して、インバータ回路4のスイッチング素子6k〜6pの電圧降下分(IGBTの場合はVce、MOSFETの場合はVdsに相当)の2倍電圧(Vdev)を加算し、コンデンサ8cの実際の電圧(Vc_t)との偏差を演算する。演算した偏差は比例積分制御器(PI)に入力され、充電電流指令値(Ic_ref)が演算される。演算された電流指令と実際の電流検出値(Ic_t)との偏差が比例積分制御器に入力されて指令電圧(Vc_ref)が演算され、コンデンサ8aの電圧検出値(Vpn_t)で除算することで充電側のスイッチング素子6iの変調率指令(m_pnc)が演算される。得られた変調率指令を搬送波(carry3)との比較結果によって、スイッチング素子6iを制御するように、判定信号をドライバ回路(Dri)に入力する。また、スイッチング素子6jは、コンデンサ8cの実際の電圧検出値(Vc_t)が指令電圧(Vc_ref)に対して高い場合にスイッチング素子6iの反転信号によってスイッチングするように、判定信号をドライバ回路(Dri)に入力する。各ドライバ回路は、判定信号に基づいて、対応するスイッチング素子それぞれに対してスイッチングを指示する駆動信号を出力する。このようにして、コンデンサ8cに対して充電を制御するスイッチング素子6i及びコンデンサ8cに対して放電を制御するスイッチング素子6jが、それぞれスイッチング制御され、コンバータ回路3で生成される中間電圧を、インバータ回路4に接続された負荷(本実施の形態の場合はモータ10に相当)の指令電圧、およびインバータ回路4の降下電圧を合計した電圧となるように制御することができる。
The
上記構成により、動作させた場合の各部の波形について図3に示す。(a)はコンデン
サ8bの電圧(すなわちマルチレベルインバータ回路2の出力電圧)およびマルチレベルインバータ回路2の出力電流の波形、(b)はコンデンサ8a、8dの電圧の波形、(c)はマルチレベルインバータ回路2の出力線間電圧の波形、(d)はモータ10の回転数変化の波形、(e)はモータ10の相電流の波形をそれぞれ示している。(b)と(d)に示す波形より、コンデンサ8dの電圧は、モータ10の回転数上昇と共にq軸電圧指令が上がるため、コンデンサ8dの電圧が上昇するように制御されている。(c)の波形より、マルチレベルインバータ回路2の出力線間電圧は一般負荷へ正弦波電圧を供給するように中間電圧の変動に応じた変調が行われている。また、(e)の波形より、モータ10では概ね正弦波状の相電流が通電されている。
The waveform of each part when it is made to operate | move by the said structure is shown in FIG. (A) shows the voltage of capacitor 8b (ie the output voltage of multilevel inverter circuit 2) and the waveform of the output current of
かかる構成によれば、コンバータ回路3で生成した電圧はマルチレベルインバータ回路2の中間電圧として供給されると同時に、インバータ回路4の駆動電圧として供給されており、中間電圧が生成されたことでマルチレベルインバータ回路2として複数レベルで出力電圧を生成することができる。同時に、中間電圧はインバータ回路4の出力電圧の指令値に対して、インバータ回路4の電圧降下分を加算した電圧に制御されることから、必要最小限の電圧でインバータ回路4を駆動することができる。
According to this configuration, the voltage generated by the
したがって、マルチレベルインバータ回路2に接続された負荷は、電圧利用率の低い電圧振幅の小さい場合に直流電源の電圧よりも低い中間電圧をスイッチングすることにより電圧変化を軽減することになる。同時に、インバータ回路4に接続された負荷(本実施の形態の場合、モータ10が該当)は、マルチレベルインバータ回路2に接続されたコンデンサ8aの電圧よりも低い電圧(コンデンサ8dの電圧)で駆動することとなる。このため、この電力変換装置に接続された2つの負荷に対する出力は、同時に電圧変化率が抑制され、それぞれの負荷における漏れ電流を抑制することができる。
Therefore, the load connected to the
なお、本実施の形態において、マルチレベルインバータ回路2は、3レベル構成としたが、その他のレベル数(例えば5レベルなど)であってもよい。
Although
また、マルチレベルインバータ回路2は、ダイオードクランプ方式の3レベルインバータ構成としたが、その他の構成(例えばRBIGBT(Reverse Blocking Insurated Gate Bipolar Transistor)を用いたNPC(Neutral Point Clamped)構成)としてもよい。
The
また、本実施の形態では、コンバータ回路3が図1のように1つの中間電圧を生成する例を示したが、図1記載のコンバータ回路3の構成を有する回路を複数設置し、制御装置5によってそれぞれ所望の中間電圧を生成するように適切に制御することにより、複数の中間電圧を生成することでコンデンサ8cの電圧変化幅を抑制して、より適した電圧に制御することもできる。この場合、インバータ回路4は、複数の中間電圧のうちいずれかの電圧を入力して駆動し、マルチレベルインバータ回路2は、中間電圧の生成数に応じてスイッチング素子6を直列に多段接続して駆動する。これにより、複数の中間電圧の中から、インバータ回路に接続された負荷に応じて適切な電圧を選択することができるとともに、マルチレベルインバータ回路2は、中間電圧の生成数に応じて多レベル化することができる。
Further, in the present embodiment, an example in which
さらに、図2A〜図2Cに、制御装置5の内部の各部の具体的な制御ブロックを示したが、本開示における一例であり、これに限定されるものではない。
Furthermore, although the concrete control block of each part inside
また、マルチレベルインバータ回路2、コンバータ回路3、およびインバータ回路4はMOSFETを使用したが、その他のパワーデバイス(例えばIGBT等)であってもよい。いずれもこれに限定されるものではない。
In addition, although the
(実施の形態2)
図4は、本開示の実施の形態2におけるランキンサイクルシステム21の構成図である。ランキンサイクルシステム21は、電力変換装置1とランキンサイクル装置11とを用いて構成される。なお、図4において、図1〜図3と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。図4は、一例として、工場において例えば燃焼ガスにより排出される排熱をランキンサイクル装置11に用いて発電を行う発電装置として動作するランキンサイクルシステム21を示す。
Second Embodiment
FIG. 4 is a block diagram of the
ランキンサイクル装置11は、ポンプ12と、ポンプ12を駆動する動力源としてのモータ10と、燃焼ガスの熱エネルギーを吸収する熱交換器としての蒸発器13と、作動流体を膨張させることによって作動流体の膨張エネルギーを回転動力に変換する膨張機14と、膨張機14に接続された発電機15と、膨張機14から吐出された作動流体を冷却水等と熱交換させることによって作動流体を冷却する凝縮器16と、開度の適宜変更を可能とし作動流体の流量を調整できるバイパス弁17と、膨張機14の入口温度を計測する温度センサ18と、で構成される。ポンプ12、蒸発器13、膨張機14、凝縮器16は複数の配管によってこの順に環状に接続されて、ランキンサイクル流路を構成している。バイパス弁17は膨張機14をバイパスする流路上に配置されている。また、電力変換装置1は、発電機15で発電された交流電力を直流電力に変換する三相コンバータ回路19を備える。三相コンバータ回路19は、この直流電力をコンデンサ8aに供給するように接続される。さらに、電力変換装置1は、三相コンバータ回路19からの直流電力出力に余剰分が発生した場合に、電力消費させるブレーキ回路20を備えている。また、ランキンサイクル装置11のモータ10は、電力変換装置1のインバータ回路4によって駆動される。制御装置5は、実施の形態1と同様に、インバータ回路4を制御する第1制御部51と、マルチレベルインバータ回路2を制御する第2制御部52と、コンバータ回路3を制御する第3制御部53と、を備えるとともに、本実施の形態においては、三相コンバータ回路19を制御する第4制御部54及びブレーキ回路20を制御する第5制御部55も有する。
The
実施の形態1では、電力変換装置1に直流電源を接続したが、本実施の形態2では、三相コンバータ回路19が、電力供給装置である直流電源として、コンバータ回路3及びマルチレベルインバータ回路2に対して直流電圧を供給する。なお、図4では、電力供給装置として動作する三相コンバータ回路19は、電力変換装置1の内部に配置されているが、電力変換装置1の外部に配置されていてもよい。同様に、図4では、ブレーキ回路20は、電力変換装置1の内部に配置されているが、電力変換装置1の外部に配置されていてもよい。
In the first embodiment, the DC power supply is connected to the
以下、上記構成における動作について説明する。始動時、別電源(例えば、図示した直流電源)から電力を受電する。その受電電力によってコンバータ回路3が中間電圧を生成するように動作し、モータ10を駆動するように制御する。
The operation in the above configuration will be described below. At start-up, power is received from a separate power source (e.g., the illustrated DC power source). The received power causes the
一方、膨張機14は、温度センサ18の指示値が所定の温度を超えるまで、停止を保持するように制御する。バイパス弁17は、温度センサ18の温度に基づいて、開度を制御する。これによって、バイパス弁17の経路の作動流体の流量が調整される。
On the other hand, the
始動後、蒸発器13による熱エネルギー吸収によって作動流体の温度が所定の温度条件となった場合に膨張機14の停止制御を解除し、始動すなわち発電を開始するように制御する。膨張機14の停止の保持は、三相コンバータ回路19にて制御される。三相コンバータ回路19の動作は、制御装置5によって制御される。
After start-up, when the temperature of the working fluid reaches a predetermined temperature condition due to thermal energy absorption by the
その後、発電電力が上昇し、インバータ回路4の必要電力を超えることで、コンデンサ8aの電圧が上昇する。これに対して、マルチレベルインバータ回路2がコンデンサ8aの電圧が概ね一定となるように動作することで、一般負荷に電力を出力する。
Thereafter, the generated power rises, and by exceeding the necessary power of the inverter circuit 4, the voltage of the
また、一般負荷が遮断、あるいは軽負荷へ変化した際に供給電圧が上昇して、マルチレベルインバータ回路2が出力抑制状態となった場合には、ブレーキ回路20がスイッチングを開始し、内部で消費するように動作する。ブレーキ回路20の動作は、制御装置5によって制御される。
Also, when the general load is interrupted or changed to a light load, the supply voltage rises and the output of the
上記構成により動作させた場合の各部の波形について図5に示す。図5では、始動後のコンデンサ8aの電圧が上昇して直流電源の電圧に安定してからの挙動を示している。(a)は一般負荷への出力電圧およびマルチレベルインバータ回路2からの出力電流の波形、(b)は発電機15からの発電電力の波形、(c)はコンデンサ8aおよび8cの電圧の波形、(d)はマルチレベルインバータ回路2の出力線間電圧の波形、(e)は発電機15のロータおよびポンプ12を駆動するモータ10の回転数変化の波形、(f)はモータ10の相電流の波形、(g)は発電機15の相電流の波形をそれぞれ示している。各部の波形より、(a)では、負荷への出力電圧、および出力電流が正弦波状に安定した出力となっている。(b)と(e)に示す波形より、発電機15の回転数上昇と共に発電電力が上昇していることが分かる。(c)の波形より、コンデンサ8cの電圧は、ポンプ12を駆動するモータ10の回転数上昇と共にq軸電圧指令が上がるため、電圧上昇するように制御されている。(d)の波形より、マルチレベルインバータ回路2の出力線間電圧は一般負荷へ正弦波電圧を供給するように中間電圧の変動に応じた変調が行われている。また、(f)、(g)の波形より、モータ10の相電流および発電機15の相電流は概ね正弦波状で通電されている。
The waveforms of the respective parts when operated by the above configuration are shown in FIG. FIG. 5 shows the behavior after the voltage of the
かかる構成によれば、コンバータ回路3で生成した電圧はマルチレベルインバータ回路2の中間電圧として供給されると同時に、インバータ回路4の駆動電圧として供給されており、中間電圧が生成されたことでマルチレベルインバータ回路2として複数レベルで出力電圧を生成することができる。同時に、中間電圧はインバータ回路4の出力電圧の指令値に対して、インバータ回路4の電圧降下分を加算した電圧に制御されることから、必要最小限の電圧でインバータ回路4を駆動することができる。
According to this configuration, the voltage generated by the
したがって、マルチレベルインバータ回路2に接続された負荷は、電圧利用率の低い電圧振幅の小さい場合に直流電源の電圧よりも低い中間電圧をスイッチングすることにより電圧変化を軽減することになる。同時に、インバータ回路4に接続された、ポンプ12を駆動するモータ10は、マルチレベルインバータ回路2に接続されたコンデンサ8aの電圧よりも低い電圧(コンデンサ8dの電圧)で駆動することとなる。このため、モータ10は必要最小限の低電圧で駆動され、電圧変化率の抑制に伴なって漏れ電流を抑制することができる。同様に、マルチレベルインバータ回路2に接続された一般負荷に対しても同様に複数レベルで出力電圧が生成されることによって電圧変化率が抑制され、一般負荷における漏れ電流を同時に抑制することができる。
Therefore, the load connected to the
特に、本実施の形態2のように、ポンプ12によって作動流体が液冷媒としてランキンサイクル流路を循環する場合であって、駆動するモータ10がポンプ12の内部に配置されている場合、液冷媒の充填量によってはモータ10の巻線は液冷媒に浸漬された状態となり得るため、液冷媒の誘電率によって寄生容量が大きくなり、漏れ電流が増大することがある。
In particular, in the case where the working fluid is circulated as a liquid refrigerant by the
本実施の形態によれば、この漏れ電流の増大を抑制するべく、ポンプ12を駆動するモータ10の必要最小限の低電圧で駆動することになるため、漏れ電流を抑制することがで
きる。また、同時に、この低電圧は、マルチレベルインバータ回路2の中間電圧としても供給されていることから一般負荷への出力電圧はマルチレベル化され、電圧変化率を低減することが可能となり、スイッチングによる漏れ電流を低減することができる。
According to the present embodiment, in order to suppress the increase in the leakage current, the
なお、本実施の形態のランキンサイクル装置11は、工場の燃焼ガスから排熱を回収するとしたが、これに限るものではない。ランキンサイクルにより熱を回収できる媒体であれば、工場の燃焼ガスでなくてもよい。
Although the
また、図4においては、ポンプ12の外部にモータ10を配置する状態を示したが、ポンプ12の筐体の内部にモータ10を配置してもよい。ポンプ機構とモータ機構とをあわせてポンプと称することもある。
Although FIG. 4 shows the state where the
また、図4においては、膨張機14の外部に発電機15を配置する状態を示したが、膨張機14の筐体の内部に発電機15を配置してもよい。膨張機構と発電機構とをあわせて膨張機と称することもある。
Moreover, although the state which arrange | positions the
さらに、図4においては、マルチレベルインバータ回路2の出力側に一般負荷を配置する一例を示したが、商用電源に接続して系統連系インバータとして動作する構成としてもよい。
Furthermore, although FIG. 4 shows an example in which the general load is arranged on the output side of the
また、マルチレベルインバータ回路2を系統連系インバータとする場合、始動時に別途直流電源を備えることなく、マルチレベルインバータ回路2をコンバータ動作させて、商用電源から受電する構成としてもよい。
Further, in the case where the
なお、本明細書において、所望の設定電圧とは、予め設定された電圧のことを意味する。この予め設定された電圧とは、特定の電圧値のみを指すだけでなく、予め設定された所定の範囲に含まれる任意の電圧(すなわち、予め設定された範囲の電圧)のことを意味することも含む。 In the present specification, the desired set voltage means a preset voltage. The preset voltage means not only pointing to a specific voltage value but also an arbitrary voltage (that is, a voltage in a preset range) included in a preset predetermined range. Also includes.
以上のように、本開示にかかる電力変換装置は、マルチレベルインバータ回路に接続された負荷はレベル数に応じて電圧変化率が抑制され、同時にインバータ回路に接続されたポンプ駆動用のモータは必要最小限の低電圧で駆動することとなるため、電力変換装置に接続された2つの負荷への出力は、同時に電圧変化率が抑制され、それぞれの負荷におけるスイッチングによる漏れ電流を抑制することができる。 As described above, in the power conversion device according to the present disclosure, the load connected to the multilevel inverter circuit suppresses the voltage change rate according to the number of levels, and at the same time a pump drive motor connected to the inverter circuit is necessary. Since it drives with the minimum low voltage, the voltage change rate is simultaneously suppressed at the output to two loads connected to the power conversion device, and the leakage current due to switching in each load can be suppressed. .
本開示にかかる電力変換装置は、マルチレベルインバータ回路を主機用電力変換器(例えば、大型送風機用のインバータ、あるいは電力系統に発電電力を出力するような系統連系インバータ)として使用し、インバータ回路を補機用としての負荷(例えば、接地容量の大きなモータなど)に接続するような用途に対して適用できる。 The power conversion device according to the present disclosure uses a multilevel inverter circuit as a power converter for a main unit (for example, an inverter for a large fan or a grid-connected inverter that outputs generated power to a power system). Can be applied to applications such as connecting to a load for accessories (for example, a motor with a large ground capacity).
1 電力変換装置
2 マルチレベルインバータ回路
3 コンバータ回路
4 インバータ回路
5 制御装置
6a スイッチング素子
6b スイッチング素子
6c スイッチング素子
6d スイッチング素子
6e スイッチング素子
6f スイッチング素子
6g スイッチング素子
6h スイッチング素子
6i スイッチング素子
6j スイッチング素子
6k スイッチング素子
6l スイッチング素子
6m スイッチング素子
6n スイッチング素子
6o スイッチング素子
6p スイッチング素子
7a ダイオード
7b ダイオード
7c ダイオード
7d ダイオード
8a コンデンサ
8b コンデンサ
8c コンデンサ
8d コンデンサ
9a インダクタ
9b インダクタ
9c インダクタ
10 モータ
11 ランキンサイクル装置
12 ポンプ
13 蒸発器
14 膨張機
15 発電機
16 凝縮器
17 バイパス弁
18 温度センサ
19 三相コンバータ回路
20 ブレーキ回路
21 ランキンサイクルシステム
51 第1制御部
52 第2制御部
53 第3制御部
54 第4制御部
55 第5制御部
101 正側母線コンデンサ
102 負側母線コンデンサ
103 スイッチ素子
104 スイッチ素子
105 中性点
106 リアクトル
107 バランス回路
108 インバータ
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記直流電源および前記コンバータ回路に接続され、前記直流電圧および前記中間電圧を入力して駆動し、少なくとも3つのレベルで制御されるマルチレベルインバータ回路と、
前記コンバータ回路に接続され、前記中間電圧を入力して駆動するインバータ回路と、
前記マルチレベルインバータ回路が所定の第1交流電圧を出力し且つ前記インバータ回路が所定の第2交流電圧を出力するように制御するとともに、前記中間電圧が前記インバータ回路に接続する負荷の指令電圧および前記インバータ回路の降下電圧を合計した設定電圧となるように制御する制御装置と、
を備える電力変換装置。 A converter circuit that generates an intermediate voltage using a DC voltage supplied from a DC power supply,
A multi-level inverter circuit connected to the DC power supply and the converter circuit, driven by inputting the DC voltage and the intermediate voltage, and controlled at at least three levels;
An inverter circuit connected to the converter circuit to input and drive the intermediate voltage;
The multilevel inverter circuit outputs a predetermined first alternating voltage and the inverter circuit controls the inverter circuit to output a predetermined second alternating voltage, and the command voltage of the load connected to the inverter circuit by the intermediate voltage A control device that controls a set voltage obtained by summing the voltage drop of the inverter circuit;
Power converter comprising:
複数の前記中間電圧を生成し、
前記インバータ回路は、
前記複数の中間電圧のうちいずれかの電圧を入力して駆動する、
請求項1に記載の電力変換装置。 The converter circuit is
Generate a plurality of said intermediate voltages,
The inverter circuit is
Drive by inputting any one of the plurality of intermediate voltages,
The power converter device according to claim 1.
作動流体を圧送するポンプ、前記作動流体を加熱する蒸発器、前記作動流体を膨張させる膨張機、及び前記作動流体を凝縮させる凝縮器がこの順に環状に接続されたランキンサイクル流路と、前記ポンプに接続されたモータと、前記膨張機に接続されて第3交流電圧を生成し出力する発電機と、を備えるランキンサイクル装置と、
前記発電機から出力された前記第3交流電圧を入力して直流電圧に変換し、前記直流電圧を出力する電力供給装置と、
を有し、
前記電力供給装置は、
前記コンバータ回路及び前記マルチレベルインバータ回路に対して前記直流電圧を供給する前記直流電源として動作し、
前記インバータ回路は、
入力される前記中間電圧を前記第2交流電圧に変換し、前記第2交流電圧を前記モータに供給する、
ランキンサイクルシステム。 A power converter according to claim 1 or 2;
A pump for pumping a working fluid, an evaporator for heating the working fluid, an expander for expanding the working fluid, and a Rankine cycle flow path in which a condenser for condensing the working fluid is annularly connected in this order, the pump A Rankine cycle device comprising: a motor connected to the motor; and a generator connected to the expander to generate and output a third AC voltage.
A power supply device which receives the third alternating voltage output from the generator, converts it into a direct voltage, and outputs the direct voltage;
Have
The power supply device
Operates as the DC power supply that supplies the DC voltage to the converter circuit and the multilevel inverter circuit,
The inverter circuit is
Converting the input intermediate voltage into the second AC voltage and supplying the second AC voltage to the motor;
Rankine cycle system.
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