JP2023028253A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主電源の投入時に外部電源からの電圧をラップさせて印加することで主変圧器への励磁突入電流の抑制を行うラップ制御方式において、種々の外部電源に対して励磁突入電流を抑制可能なインバータ装置を提供することを目的とする。【解決手段】３相交流電源から所定の３相可変周波数電圧を生成するインバータ装置であって、外部からの３相交流電源の第１の電圧を１次側の３相１次巻線へ印加し２次側の３相２次巻線から所定の電圧を得る主変圧器と、主変圧器の３相２次巻線に接続され複数のインバータユニットからなるインバータ本体を有し、主変圧器は、第１の電圧を３相１次巻線へ印加する際に第１の電圧よりも低い第２の電圧を１次側にラップして印加するように、１次側に第３の３相巻線を設け、主変圧器は、第３の３相巻線のそれぞれの両端の接続端子を有する構成とする。【選択図】図７

Description

本発明は、高電圧出力を得るインバータ装置に係り、特に複数のインバータユニットを使用して高電圧出力を得るようにした多重インバータ装置に関する。

交流電動機を可変速運転して省電力を計るニーズは、産業機器を中心に普及してきている。特に小容量の低電圧交流電動機は汎用インバータ装置との組合せで省エネルギー運転が行なわれている。他方、大容量の高電圧交流電動機も可変速化して省エネルギー運転できるようにする目的で、高電圧を出力するインバータ装置も実用化されている。

このような高電圧を出力するインバータ装置の背景技術として特許文献１がある。特許文献１では、交流電源から所定の可変周波数電圧を生成するインバータ装置において、平滑コンデンサを有する複数のインバータユニットと、インバータ装置の入力側に設置される主変圧器を有し、主変圧器の一部をなすよう交流電源側に第３の巻線を設け、交流電源を第３の巻線を経由して複数のインバータユニットの各々の平滑コンデンサに印加して初期充電をするようにした構成が開示されている。

特開２００２－３４５２５８号公報

特許文献１は、インバータユニットにおける平滑コンデンサの初期充電を、低コストで、かつ電力効率を良く行える技術として、主電源とは別の電源で平滑コンデンサの初期充電を行う外部初充電方式を開示している。

一方で、交流電源から所定の可変周波数電圧を生成するインバータ装置において、複数のインバータユニットと、インバータ装置の入力側に設置される主変圧器を有し、主変圧器の一部をなすよう交流電源側に第３の巻線を設け、主変圧器への励磁突入電流の抑制を行う技術として、主変圧器の１次巻線への主電源の投入時に、外部電源からの電圧をラップさせて第３の巻線に印加するラップ制御が知られている。

よって、外部初充電方式で用いる別電源をラップ制御で用いる外部電源と兼用とすることで、部品追加無しで、励磁突入電流を抑制することが考えられる。

しかしながら、ラップ制御による励磁突入電流の抑制効果は、外部電源と主電源の位相差に依存し、位相差が大きいと、励磁突入電流が十分に抑制できないという課題がある。特にインバータ装置の製造メーカは、インバータ装置を用いるユーザの外部電源は管轄外となるので、外部電源を生成する変圧器の結線方式がインバータ装置の主変圧器の結線方式と同じであるとは限らず、それぞれの変圧器の結線方式の組合せによっては位相差が大きくなり、励磁突入電流を抑制できない可能性がある。

そこで、本発明は、上記課題に鑑み、主電源の投入時に外部電源からの電圧をラップさせて印加することで主変圧器への励磁突入電流の抑制を行うラップ制御方式において、種々の外部電源に対して励磁突入電流を抑制可能なインバータ装置を提供することを目的とする。

本発明は、その一例を挙げるならば、３相交流電源から所定の３相可変周波数電圧を生成するインバータ装置であって、外部からの３相交流電源の第１の電圧を１次側の３相１次巻線へ印加し２次側の３相２次巻線から所定の電圧を得る主変圧器と、主変圧器の３相２次巻線に接続され複数のインバータユニットからなるインバータ本体を有し、主変圧器は、第１の電圧を３相１次巻線へ印加する際に第１の電圧よりも低い第２の電圧を１次側にラップして印加するように、１次側に第３の３相巻線を設け、主変圧器は、第３の３相巻線のそれぞれの両端の接続端子を有する構成とする。

本発明によれば、主電源の投入時に外部電源からの電圧をラップさせて印加することで主変圧器への励磁突入電流の抑制を行うラップ制御方式において、種々の外部電源に対して励磁突入電流を抑制可能なインバータ装置を提供できる。

実施例におけるインバータ装置の構成図である。 実施例におけるインバータユニットの構成図である。 実施例における主変圧器への印加電圧のタイミングを説明する図である。 実施例における主変圧器への印加電圧の位相を説明する図である。 実施例における主変圧器の３相１次巻線と第３の３相巻線の結線方式がＹ△１である場合の説明図である。 実施例における主変圧器の３相１次巻線と第３の３相巻線の結線方式がＹ△１１である場合の説明図である。 実施例における主変圧器の３相１次巻線と第３の３相巻線の接続端子を説明する図である。 実施例における主変圧器の３相１次巻線と第３の３相巻線の接続端子の他の例を説明する図である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図１は本実施例におけるインバータ装置の構成図である。本実施例におけるインバータ装置は、３相交流電源から所定の３相可変周波数電圧を生成する。図１に示すように、インバータ装置５は、主として、外部からの３相交流電源１の第１の電圧を１次側の３相１次巻線３１へ印加し２次側の３相２次巻線３２から所定の電圧を得る主変圧器３と、主変圧器３の３相２次巻線３２に接続される複数のインバータユニット４１－４９からなるインバータ本体４を有している。

図１において、３相交流電源１は商用交流電源であって、その電力を主開閉器１１を介して主変圧器３の３相１次巻線３１に供給する。主変圧器３の３相２次巻線３２は複数個の３相巻線で構成され、それぞれの３相２次巻線３２がインバータ本体４の複数のインバータユニット４１－４９の交流入力端子に接続される。インバータ本体４では、３相交流電源１より供給される交流電力を可変周波数の３相交流電力に変換して、負荷である交流電動機９に電力供給を行なう。なお、図１は、３重の多重インバータの場合を示しているが、本実施例は３重に限定されるものではなく、任意のｎ重でもよい。

図２は本実施例におけるインバータユニット４１－４９の構成図である。図２において、インバータユニット４１－４９は、それぞれ、３相２次巻線３２が交流入力端子ｕ、ｖ、ｗに接続され、３相２次巻線３２からの３相交流電源１０３を各インバータユニット内の３相全波ダイオード整流器６１で直流電圧Ｖｄｃ１０５に変換し、その直流電圧Ｖｄｃ１０５を平滑コンデンサ６２で平滑する。平滑された直流電圧Ｖｄｃ１０５は各トランジスタインバータ６３で更に単相可変周波数電圧１０６に変換される。端子ａ、ｂが、それぞれのインバータユニットを接続する端子となる。

図１において、インバータユニット４１－４３は、それぞれの端子ａ、ｂが接続され、それぞれの単相可変周波数電圧１０６が直列接続加算され、ｕ相可変交流電圧を生成し、インバータユニット４４－４６は、それぞれの端子ａ、ｂが接続され、それぞれの単相可変周波数電圧１０６が直列接続加算され、ｖ相可変交流電圧を生成し、インバータユニット４７－４９は、それぞれの端子ａ、ｂが接続され、それぞれの単相可変周波数電圧１０６が直列接続加算され、ｗ相可変交流電圧を生成し、３相可変交流電圧１０４として出力され、例えば交流電動機９を駆動する。

図１において、各層に設置された変流器ＣＴと計器用変圧器ＰＴは、各層の層電流と層間電圧を検出し、制御回路５２は、検出した層電流と層間電圧をもとに、インバータユニット４１－４９の各トランジスタインバータ６３を駆動するゲートパルス５３を生成する。なお、５１は地絡検出回路である。

また、主変圧器３は、１次側に第３の３相巻線３３を設け、主変圧器３への励磁突入電流の抑制を行う技術として、第１の電圧を３相１次巻線３１へ印加する際に、第１の電圧よりも低い第２の電圧を第３の３相巻線３３にラップして印加する。ここで、第２の電圧は、外部電源として、３相交流電源１から低電圧用変圧器２により生成し、補助開閉器２１を介して第３の３相巻線３３に供給される。例えば、第１の電圧である３相交流電源１は、３相交流６６００Ｖであり、それよりも低い第２の電圧は、３相交流２００Ｖ～４４０Ｖである。

図３は、本実施例における主変圧器３への印加電圧のタイミングを説明する図である。図３において、インバータ装置の運転指令がＯＮになると、補助開閉器２１が閉じてＯＮとなり、低電圧用変圧器２により生成した、第１の電圧よりも低い第２の電圧が第３の３相巻線３３に印加される。そして、補助開閉器２１が閉じてＯＮとなっている期間とラップして主開閉器１１が閉じてＯＮとなり、３相交流電源１からの第１の電圧が３相１次巻線３１に印加される。

なお、前記第２の電圧を前記第３の巻線を経由して前記複数のインバータユニットの各々が有する平滑コンデンサに印加することで、平滑コンデンサの初期充電を、低コストで、かつ電力効率を良好に行える外部初充電方式と兼用することができる。図３において、補助開閉器２１が閉じてＯＮとなっている期間が平滑コンデンサの初期充電時間となり、例えば、約５秒となる。

ここで、主変圧器３への励磁突入電流の抑制を行う技術として、主変圧器３への主電源である高圧電源の投入時に低圧電源からの電圧をラップさせて印加するラップ制御は、特性上、低圧電源の位相と高圧電源の位相差によって、効果に差が表れる。例えば、位相差ゼロであれば、励磁突入電流は、定格電流の１倍程度であるが、位相差が±３０°で定格電流の２倍程度、位相差±６０°で定格電流の５倍程度となる。

図４は、本実施例における主変圧器への印加電圧の位相を説明する図である。図４において図１と同じ構成は同じ符号を付しその説明は省略する。図４において、低圧電源の位相である位相Ａは、低電圧用変圧器２の１次から２次の位相であり、例えば結線方式がデルタ－デルタ結線（以降、△△と表記する）であれば位相ずれはゼロであり、スター－デルタ結線（以降、Ｙ△と表記する）であれば３０°となる。一方、高圧電源の位相である位相Ｂは、主変圧器３の３相１次巻線３１から第３の３相巻線３３の位相である。

図５、図６は、主変圧器３の３相１次巻線３１と第３の３相巻線３３の結線方式を説明する図である。図５、図６において、左図がベクトル図、右図が結線図を示しており、太線が巻線を示し、それぞれの巻線の両端の結線の違いにより、種々の結線方式としている。図５は、結線方式がＹ△１である場合を示しており、図６は、結線方式がＹ△１１である場合を示している。図５に示すように、結線方式がＹ△１であれば位相Ｂは３０°、図６に示すように、結線方式がＹ△１１であれば位相Ｂは－３０°となる。なお図示しないが、結線方式がスター－スター結線（以降、ＹＹと表記する）であれば位相Ｂはゼロとなる。

よって、低圧電源の位相と高圧電源の位相差は、位相Ａ－位相Ｂとなる。なお、図４において、Ｒ２２は、外部初充電方式を適用する場合の、電流制限用抵抗器である。

ここで、低圧電源を生成する低電圧用変圧器２の結線方式がインバータ装置の主変圧器の３相１次巻線３１と第３の３相巻線３３の結線方式と同じであるとは限らない。特にインバータ装置５の製造メーカは、インバータ装置５を用いるユーザ側の低電圧用変圧器２は管轄外となるので、それぞれの変圧器の結線方式の組合せによっては位相差が大きくなり、励磁突入電流を抑制できない可能性がある。

そこで、本実施例では、インバータ装置側の主変圧器において、複数の結線方式が可能なように第３の３相巻線のそれぞれの巻線の両端の接続端子を有するように構成した。以下、本実施例の詳細について説明する。

図７は、本実施例における主変圧器の３相１次巻線３１と第３の３相巻線３３の接続端子を説明する図である。

図７において、主変圧器の接続端子は白丸で示していて、３相１次巻線３１用として、例えばＹ結線の１Ｕ、１Ｖ、１Ｗと、第３の３相巻線３３用として、３Ｕ１、３Ｖ１、３Ｗ１と３Ｕ２、３Ｖ２、３Ｗ２を有している。なお、３相２次巻線３２用の接続端子は省略している。すなわち、３相１次巻線３１用として、３相巻線を結線後の３相端子３つと、第３の３相巻線３３用として、３相巻線を未結線とし、３相巻線のそれぞれの両端の接続端子６つを設けた。

これにより、インバータ装置５を用いるユーザが、インバータ装置５を導入時に、低電圧用変圧器２の結線方式に対応して、主変圧器の第３の３相巻線３３の接続端子を外部接続線で接続することで所定の結線方式に接続することが可能となる。例えば、図７において、点線のように結線することで、３相１次巻線３１と第３の３相巻線３３をＹ△１結線とすることができる。また、破線のように結線することで、３相１次巻線３１と第３の３相巻線３３をＹ△１１結線とすることができる。また、１点鎖線のように結線することで、３相１次巻線３１と第３の３相巻線３３をＹＹ結線とすることができる。なお、図７において、３相１次巻線３１用としてＹ結線としたが、△結線でもよい。

このように、低電圧用変圧器２の結線方式に応じて、主変圧器の第３の３相巻線３３の結線方式を変えることができるため、３相１次巻線３１と第３の３相巻線３３の位相を任意に調整でき、低圧電源の位相と高圧電源の位相差は３０°以内に収めることができる。これにより、励磁突入電流は、定格電流の２倍程度以内に抑えることができる。

なお、インバータ装置５の製造メーカが、インバータ装置５を納めるユーザの低電圧用変圧器２の結線方式を確認して、その結線方式に応じて、主変圧器の第３の３相巻線３３の接続端子を外部接続線で接続してもよい。

図８は、本実施例における主変圧器の３相１次巻線３１と第３の３相巻線３３の接続端子の他の例を説明する図である。図８において図７と同じ構成は同じ符号を付しその説明は省略する。図８においては、図７の１つの巻線の両端の接続端子３Ｗ１と３Ｗ２の配置を上下逆に配置したものである。

図８においては、図７の場合に比べて、第３の３相巻線３３の接続端子を外部接続線で接続する際に、外部接続線を短くできる。なお、接続端子の配置や形状を、Ｕ、Ｖ、Ｗ巻線それぞれで工夫することで、誤配線しないような配置とすることも可能である。

以上のように、本実施例によれば、主電源の投入時に外部電源からの電圧をラップさせて印加することで主変圧器への励磁突入電流の抑制を行うラップ制御方式において、種々の外部電源に対して励磁突入電流を抑制可能なインバータ装置を提供できる。

以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例では、ラップ制御で用いる外部電源を、外部初充電方式で用いる別電源と兼用するとして説明したが、これに限定されるものではない。また、上記した実施例では、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１：３相交流電源、２：低電圧用変圧器、３：主変圧器、４：インバータ本体、５：インバータ装置、９：交流電動機、１１：主開閉器、２１：補助開閉器、２２：電流制限用抵抗器、３１：３相１次巻線、３２：３相２次巻線、３３：第３の３相巻線、４１－４９：インバータユニット、５２：制御回路、５３：ゲートパルス、６１：３相全波ダイオード整流器、６２：平滑コンデンサ、６３：トランジスタインバータ、１０３：３相交流電源、１０５：直流電圧Ｖｄｃ、１０６：単相可変周波数電圧

Claims (6)

1. ３相交流電源から所定の３相可変周波数電圧を生成するインバータ装置であって、
   外部からの３相交流電源の第１の電圧を１次側の３相１次巻線へ印加し２次側の３相２次巻線から所定の電圧を得る主変圧器と、
   前記主変圧器の前記３相２次巻線に接続され複数のインバータユニットからなるインバータ本体を有し、
   前記主変圧器は、前記第１の電圧を前記３相１次巻線へ印加する際に前記第１の電圧よりも低い第２の電圧を前記１次側にラップして印加するように、前記１次側に第３の３相巻線を設け、
   前記主変圧器は、前記第３の３相巻線のそれぞれの両端の接続端子を有することを特徴とするインバータ装置。
2. 請求項１に記載のインバータ装置であって、
   前記主変圧器は、前記第３の３相巻線が結線されていないことを特徴とするインバータ装置。
3. 請求項１に記載のインバータ装置であって、
   前記第２の電圧を前記第３の３相巻線を経由して前記複数のインバータユニットの各々が有する平滑コンデンサに印加して初期充電をするようにしたことを特徴とするインバータ装置。
4. 請求項１に記載のインバータ装置であって、
   前記３相１次巻線はスター結線であることを特徴とするインバータ装置。
5. 請求項１に記載のインバータ装置であって、
   前記第３の３相巻線のそれぞれの両端の接続端子を外部接続線で接続することで、所定の結線方式に接続することが可能であることを特徴とするインバータ装置。
6. 請求項５に記載のインバータ装置であって、
   前記３相１次巻線はスター結線であり、
   前記第３の３相巻線は、前記所定の結線方式として、デルタ１結線またはデルタ１１結線であることを特徴とするインバータ装置。

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