JP2021175314A - 多相インバータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】出力の歪を効果的に抑制することのできる多相インバータシステムを提供することを目的とする。【解決手段】多相インバータシステム１は、複数の単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮ１、ＩＮ２、ＩＮ３と、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮ１、ＩＮ２、ＩＮ３における直流側の中性点Ｏを互いに接続する中性ラインＬと、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮ１、ＩＮ２、ＩＮ３を駆動して、それぞれ位相の異なる多相交流を生成する駆動回路２とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、多相インバータシステムに関するものである。

単相インバータとしては、スイッチング損失の低減やノイズ抑制等の観点から、単相ＮＰＣインバータが用いられる場合がある（例えば特許文献１）。

特許第６３０３９０８号公報

例えば船舶など、大出力のモータ駆動用途等では２レベルインバータよりも出力の歪が小さい単相ＮＰＣインバータの適用が考えられている。しかしながら、単相ＮＰＣインバータでは、中性点の電圧が変動して出力に歪が生じる場合がある。このような場合には、中性点の電圧変動を抑制するために大容量のコンデンサを用いる必要がある。大容量のコンデンサを用いる場合には、回路が増大化する。

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、出力の歪を効果的に抑制することのできる多相インバータシステムを提供することを目的とする。

本開示の第１態様は、複数の単相ＮＰＣインバータ回路と、各前記単相ＮＰＣインバータ回路における直流側の中性点を互いに接続する中性ラインと、各前記単相ＮＰＣインバータ回路を駆動して、それぞれ位相の異なる多相交流を生成する駆動回路と、を備える多相インバータシステムである。

本開示によれば、出力の歪を効果的に抑制することができるという効果を奏する。

本開示の一実施形態に係る多相インバータシステムの概略構成を示す図である。 本開示の一実施形態に係る単相ＮＰＣインバータ回路を示す図である。 本開示の一実施形態に係る単相ＮＰＣインバータ回路の電流及び電圧波形の一例を示した図である。 本開示の一実施形態に係る単相ＮＰＣインバータ回路の各出力を示す図である。 本開示の一実施形態に係るｎ相の場合の多相インバータシステムの構成例を示した図である。

以下に、本開示に係る多相インバータシステムの一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本開示の一実施形態に係る多相インバータシステム１の概略構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係る多相インバータシステム１は、複数の単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮ（ＩＮ１、ＩＮ２、ＩＮ３）と、中性ラインＬと、駆動回路２とを主な構成として備えている。なお、本実施形態では、三相交流を発生させる場合を説明するが、多相交流であれば同様に適用することができる。なお、以下の説明では、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮを区別して説明する場合にはＩＮ１、ＩＮ２、ＩＮ３の符号を付し、区別しない場合には単にＩＮを付して説明を行う。各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮはそれぞれ等しい回路構成である。

単相ＮＰＣインバータ回路（単相中性点クランプ式３レベルインバータ回路）ＩＮは、生成する多相交流の相数に対応して複数設けられている。本実施形態では、三相交流を発生させるため、単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮは３つ設けられている。すなわち、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮより、多相交流の各相に対応する交流電圧が出力される。本実施形態では、３つ設けられた各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮが後述する駆動回路２により制御されることで、三相交流が発生される。

そして、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮの出力は、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮの設置数に等しい相数の多相独立巻線３に接続されている。具体的には、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮの出力は、三相独立巻線（例えば電動機）３に接続されている。すなわち、三相独立巻線を構成する３つのコイル（三相コイルで）Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮの出力（２線）にそれぞれ独立して接続されており、それぞれ単相交流電圧（単相交流電流）が供給されている。このようにして、単相インバータ（単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮ）による多相駆動が行われる。

図１に示すように、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮは構成が等しい。具体的には、単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮは、コンデンサＣ１、Ｃ２と、インバータ部６ａ、６ｂとを備えている。

コンデンサＣ１、Ｃ２は、直流電源Ｅから供給される直流電圧を分圧している。具体的には、正極端子Ｐ及び負極端子Ｎの間の直流電圧を等分圧して、中性点Ｏを形成する。このため、図１に示すように単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮには２つのコンデンサＣ１、Ｃ２が設けられている。そしてコンデンサＣ１、Ｃ２の直列接続部が、中性点Ｏとなっている。コンデンサＣ１、Ｃ２の容量は等しく、中性点Ｏの電圧は、直流電圧の１／２（中間電位）となる。このようにして、単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮの直流側では、直流電圧の正極側電圧、負極側電圧、及び中性点電圧（中間電圧）とが形成される。そして、各電圧が後述するインバータ部６ａ、６ｂによって出力される。

インバータ部６ａ、６ｂは、単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮの出力（２線）に対応して、２つ設けられている。すなわち、インバータ部６ａ、６ｂは、正極端子Ｐ及び負極端子Ｎに接続されており、それぞれ異なる出力端子に出力をするこの２つのインバータ部６ａ、６ｂは、回路構成は互いに等しい。なお、図１に示すインバータ部６ａ、６ｂの構成は一例であり、他の構成を採用することとしてもよい。

具体的には、インバータ部６ａ、６ｂは、Ｉタイプである（Ｔタイプとしてもよい）。すなわち、インバータ部６ｂは、一端が正極端子Ｐに接続された第１スイッチング部Ｓ１と、一端が第１スイッチング部Ｓ１の他端に接続されており、他端が出力端子に接続された第２スイッチング部Ｓ２とを備えている。第１スイッチング部Ｓ１と第２スイッチング部Ｓ２は、上アームを構成する。第１スイッチング部Ｓ１と第２スイッチング部Ｓ２は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子により構成される。

インバータ部６ｂは、一端が第２スイッチング部Ｓ２の他端（出力端子）に接続された第３スイッチング部Ｓ３と、一端が第３スイッチング部Ｓ３の他端に接続されており、他端が負極端子Ｎに接続された第４スイッチング部Ｓ４とを備えている。第３スイッチング部Ｓ３と第４スイッチング部Ｓ４は、下アームを構成する。第３スイッチング部Ｓ３と第４スイッチング部Ｓ４は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子により構成される。

インバータ部６ｂは、第１スイッチング部Ｓ１及び第２スイッチング部Ｓ２の間と、中性点Ｏとの間に接続された第１クランプ部Ｄ１と、第３スイッチング部Ｓ３及び第４スイッチング部Ｓ４の間と、中性点Ｏとの間に接続された第２クランプ部Ｄ２とを備えている。第１クランプ部Ｄ１及び第２クランプ部Ｄ２は、整流素子（ダイオード）により構成される。すなわち、第１クランプ部Ｄ１は、アノード側が中性点Ｏに接続されており、カソード側が第１スイッチング部Ｓ１及び第２スイッチング部Ｓ２の間へ接続されている。第２クランプ部Ｄ２は、カソード側が中性点Ｏに接続されており、アノード側が第３スイッチング部Ｓ３及び第４スイッチング部Ｓ４の間へ接続されている。

なお、インバータ部６ａについても、インバータ部６ｂと同様に、第１スイッチング部Ｓ５と、第２スイッチング部Ｓ６と、第３スイッチング部Ｓ７と、第４スイッチング部Ｓ８と、第１クランプ部Ｄ３と、第２クランプ部Ｄ４とを備えている。

それぞれのインバータ部６ａ、６ｂから出力された電圧は変圧器８を介して、三相独立巻線（例えば電動機）３へ出力される。

中性ラインＬは、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮにおける直流側の中性点Ｏを互いに接続している。図１に示すように、３つの単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮを設けることとしている場合には、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮの中性点Ｏが中性ラインＬによって接続されている。すなわち、中性ラインＬは、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮの中性点Ｏの電位を一致させるラインである。なお、中性ラインＬが接続されることによって、単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮの間で電流の流通が発生する。

駆動回路２は、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮを駆動する回路である。具体的には、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮにおけるスイッチング部の導通状態を制御する。駆動回路２は、単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮから交流電圧を出力させるとともに、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮから出力される交流電圧の位相を異ならせる。すなわち、駆動回路２は、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮを制御することによって、それぞれ位相の異なる多相交流を生成する。本実施形態では三相交流を発生させているため、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮから出力される交流電圧の位相は、互いに１２０°異なる。

駆動回路２による各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮの駆動方法（ＰＷＭ制御方式）については限定されず、例えば、ユニポーラ変調、バイポーラ変調など、様々な方法を用いることができる。

駆動回路２は、例えば、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等のメモリ、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等を備えている。各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。

次に、単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮの電流及び電圧波形の状態を説明する。図２は、１つの単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮを示している。なお、図２は、ＳＴＡＴＣＯＭに適用した場合の例である。図３は、１つの単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮの電流及び電圧波形の一例（ｉａ、ｉｂ、ｉｃ、Ｖｐ、Ｖｎ、Ｖａ、Ｖｂ、及びＶ）を示した図である。すなわち、図２におけるｉａ、ｉｂ、ｉｃ、Ｖｐ、及びＶが、図３に示す各波形に対応している。

図３のＶとして表されるように、単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮからはＴ１を１周期とする正弦波が出力される。なお、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮの出力は図４に示すように三相交流を構成している。図４では、単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮ１の出力をＶ（ＩＮ１）と表し、単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮ２の出力をＶ（ＩＮ２）と表し、単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮ３の出力をＶ（ＩＮ３）と表している。すなわち、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮの出力は互いに１２０°異なっていて、３相交流となっている。

インバータ部６ａにおけるｉａは、半周期の間において、前半１／４周期の間に正の電流が流れ、後半１／４周期の間に負の電流が流れる。そして、その後の半周期は電流が流れない。

インバータ部６ｂにおけるｉｂは、半周期の間に電流が流れず、その後の半周期の間において、前半１／４周期の間に正の電流が流れ、後半１／４周期の間に負の電流が流れる。

これによって、ｉｃとしては、ｉａとｉｂの合成電流が流れる。すなわち、９０°周期で電流の向きが変わるため、コンデンサＣ１は９０°周期で充放電がされる。

すなわち、ｉｃは、出力の半分の周期（２倍の周波数）で正負の電流が流れる。この時、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮの出力は１２０°位相が異なっているため、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮにおけるｉｃの位相差も１２０°となっている。すなわち、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮの中性点Ｏが接続されることによって、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮにおけｉｃが互いに相殺して、合計が０となる。このため、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮの中性点Ｏが中性ラインＬにより接続されることによって、図３のＶｐとして示すように、コンデンサＣ１、Ｃ２の電圧変動が抑制され、すなわち中性点Ｏの電圧変動が抑制される。

中性点Ｏの電圧変動が抑制されるため、コンデンサＣ１、Ｃ２の容量を小さくしても出力への歪の影響が抑制される。

上記の例では三相交流を生成する場合について説明したが、多相交流（二相以上）であれば同様に実現することができる。図５は、ｎ相（ｎは２以上の整数）の場合の多相インバータシステム１の構成例を示した図である。

図５では、単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮがｎ個設けられている（ＩＮ１〜ＩＮｎ）。そして、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮの出力は、ｎ相独立巻線３ｎの各コイルに接続されている。そして、ｎ相交流が生成されるように、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮが制御されている。

図５のように単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮをｎ個設けた場合であっても、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮの中性点Ｏを互いに接続することによって、中性点Ｏの電圧の変動を抑制することが可能となる。また、相数を多くすることによって、単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮに故障が発生した場合であっても他の単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮの出力によってｎ相独立巻線（電動機）を駆動することができる場合がある。

以上説明したように、本実施形態に係る多相インバータシステムによれば、単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮにおける直流側の中性点Ｏが互いに接続されており、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮを駆動して、それぞれ位相の異なる多相交流が生成される。このため、各単相ＮＰＣインバータ回路ＩＮを流れる電流によって中性点Ｏの電位が平滑化される。すなわち、中性点Ｏの電位の変動が抑制され、出力の歪が抑制される。

中性点Ｏの電位変動は出力に影響を及ぼすため、変動を抑制するためにはコンデンサＣ１、Ｃ２の容量を大きくする必要がある。しかしながら、本実施形態では、中性点Ｏを接続することにより中性点Ｏの電位変動が抑制されるため、中性点Ｏを接続しない場合と比較して、使用するコンデンサＣ１、Ｃ２の容量を小さくすることができる。すなわち、コンデンサＣ１、Ｃ２の大容量化が抑制される。

本開示は、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々変形実施が可能である。

以上説明した各実施形態に記載の多相インバータシステムは例えば以下のように把握される。
本開示に係る多相インバータシステム（１）は、複数の単相ＮＰＣインバータ回路（ＩＮ）と、各前記単相ＮＰＣインバータ回路（ＩＮ）における直流側の中性点（Ｏ）を互いに接続する中性ライン（Ｌ）と、各前記単相ＮＰＣインバータ回路（ＩＮ）を駆動して、それぞれ位相の異なる多相交流を生成する駆動回路（２）と、を備える。

本開示に係る多相インバータシステム（１）によれば、単相ＮＰＣインバータ回路（ＩＮ）における直流側の中性点（Ｏ）が互いに接続されており、各単相ＮＰＣインバータ回路（ＩＮ）を駆動して、それぞれ位相の異なる多相交流が生成される。このため、各単相ＮＰＣインバータ回路（ＩＮ）を流れる電流によって中性点（Ｏ）の電位が平滑化される。すなわち、中性点（Ｏ）の電位の変動が抑制され、出力の歪が抑制される。

本開示に係る多相インバータシステム（１）は、前記中性点（Ｏ）は、前記単相ＮＰＣインバータ回路（ＩＮ）において、直流電源（Ｅ）の電圧を等分圧した中間電位となっていることとしてもよい。

本開示に係る多相インバータシステム（１）によれば、中性点（Ｏ）は、直流電源（Ｅ）の電圧を等分圧した中間電位となっているため、歪の発生が抑制される。

本開示に係る多相インバータシステム（１）は、前記単相ＮＰＣインバータ回路（ＩＮ）は、正極端子（Ｐ）及び負極端子（Ｎ）の間の直流電圧を等分圧して前記中性点（Ｏ）を形成する複数のコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）と、前記正極端子（Ｐ）及び前記負極端子（Ｎ）に接続されており、それぞれ異なる出力端子に出力をする２つのインバータ部（６ａ、６ｂ）と、を備え、前記インバータ部（６ａ、６ｂ）は、一端が前記正極端子（Ｐ）に接続された第１スイッチング部（Ｓ１）と、一端が前記第１スイッチング部（Ｓ１）の他端に接続されており、他端が出力端子に接続された第２スイッチング部（Ｓ２）と、一端が前記第２スイッチング部（Ｓ２）の他端に接続された第３スイッチング部（Ｓ２）と、一端が前記第３スイッチング部（Ｓ２）の他端に接続されており、他端が前記負極端子（Ｎ）に接続された第４スイッチング部（Ｓ４）と、前記第１スイッチング部（Ｓ１）及び前記第２スイッチング部（Ｓ２）の間と、前記中性点（Ｏ）との間に接続された第１クランプ部（Ｄ１）と、前記第３スイッチング部（Ｓ２）及び前記第４スイッチング部（Ｓ４）の間と、前記中性点（Ｏ）との間に接続された第２クランプ部（Ｄ２）と、を備えることとしてもよい。

本開示に係る多相インバータシステム（１）によれば、コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）により電源電圧が等分圧され、スイッチング部（第１スイッチング部（Ｓ１）、第２スイッチング部（Ｓ２）、第３スイッチング部（Ｓ３）、及び第４スイッチング部（Ｓ４））とクランプ部（第１クランプ部（Ｄ１）、及び第２クランプ部（Ｄ２））とを備えるインバータ部（６ａ、６ｂ）によってＤＣ−ＡＣ変換がされることで、単相ＮＰＣインバータ回路（ＩＮ）が構成される。

本開示に係る多相インバータシステム（１）は、各前記単相ＮＰＣインバータ回路（ＩＮ）の出力は、各前記単相ＮＰＣインバータ回路（ＩＮ）の設置数に等しい相数の多相独立巻線にそれぞれ接続されていることとしてもよい。

本開示に係る多相インバータシステム（１）によれば、各単相ＮＰＣインバータ回路（ＩＮ）の出力は、それぞれ多相独立巻線に接続されている。このため、例えば、電動機等を駆動することが可能となる。

本開示に係る多相インバータシステム（１）は、前記単相ＮＰＣインバータ回路（ＩＮ）は３つ設けられており、前記駆動回路（２）は、各前記単相ＮＰＣインバータ回路（ＩＮ）を制御して三相交流を生成することとしてもよい。

本開示に係る多相インバータシステム（１）によれば、３つの単相ＮＰＣインバータ回路（ＩＮ）が駆動回路（２）により駆動されることで三相交流が生成される。

１ ：多相インバータシステム
２ ：駆動回路
３ ：多相独立巻線
３ｎ ：ｎ相独立巻線
６ａ ：インバータ部
６ｂ ：インバータ部
８ ：変圧器
Ｃ１ ：コンデンサ
Ｃ２ ：コンデンサ
Ｄ１ ：第１クランプ部
Ｄ２ ：第２クランプ部
Ｅ ：直流電源
ＩＮ、ＩＮ１〜ＩＮ３：単相ＮＰＣインバータ回路
Ｌ ：中性ライン
Ｎ ：負極端子
Ｏ ：中性点
Ｐ ：正極端子
Ｓ１ ：第１スイッチング部
Ｓ２ ：第２スイッチング部
Ｓ３ ：第３スイッチング部
Ｓ４ ：第４スイッチング部

Claims (5)

1. 複数の単相ＮＰＣインバータ回路と、
   各前記単相ＮＰＣインバータ回路における直流側の中性点を互いに接続する中性ラインと、
   各前記単相ＮＰＣインバータ回路を駆動して、それぞれ位相の異なる多相交流を生成する駆動回路と、
   を備える多相インバータシステム。
2. 前記中性点は、前記単相ＮＰＣインバータ回路において、直流電源の電圧を等分圧した中間電位となっている請求項１に記載の多相インバータシステム。
3. 前記単相ＮＰＣインバータ回路は、
   正極端子及び負極端子の間の直流電圧を等分圧して前記中性点を形成する複数のコンデンサと、
   前記正極端子及び前記負極端子に接続されており、それぞれ異なる出力端子に出力をする２つのインバータ部と、
   を備え、
   前記インバータ部は、
   一端が前記正極端子に接続された第１スイッチング部と、
   一端が前記第１スイッチング部の他端に接続されており、他端が出力端子に接続された第２スイッチング部と、
   一端が前記第２スイッチング部の他端に接続された第３スイッチング部と、
   一端が前記第３スイッチング部の他端に接続されており、他端が前記負極端子に接続された第４スイッチング部と、
   前記第１スイッチング部及び前記第２スイッチング部の間と、前記中性点との間に接続された第１クランプ部と、
   前記第３スイッチング部及び前記第４スイッチング部の間と、前記中性点との間に接続された第２クランプ部と、
   を備える請求項１または２に記載の多相インバータシステム。
4. 各前記単相ＮＰＣインバータ回路の出力は、各前記単相ＮＰＣインバータ回路の設置数に等しい相数の多相独立巻線にそれぞれ接続されている請求項１から３のいずれか１項に記載の多相インバータシステム。
5. 前記単相ＮＰＣインバータ回路は３つ設けられており、
   前記駆動回路は、各前記単相ＮＰＣインバータ回路を制御して三相交流を生成する請求項１から４のいずれか１項に記載の多相インバータシステム。
   
   

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