JP4150211B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換装置に係り、特に単位インバータを複数台使用した保守性の良い電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
三相電力を出力する電力変換装置において、電力変換装置の大容量化、高電圧化を目的とし、また、出力波形を改善するために、例えば特開２０００−２０９８７０号公報に示す電力変換装置が知られている。この電力変換装置は、三相電源から２次側に複数の巻線を持った変圧器を介して三相交流電力を複数台の単位インバータへ供給する。単位インバータは３グループに分割され、各グループの単位インバータの出力は夫々直列に接続され、そのグループ同志の一方を中性点として接続し、その他方を夫々３相の誘導電動機の各相に接続することにより、誘導電動機に三相交流電力を供給している。
【０００３】
尚、前述の単位インバータの主回路は、変圧器の２次巻線からの電力を整流回路及び直流平滑コンデンサで直流電力に変換し、単相インバータ回路で任意の周波数、電圧を持った電力に変換するよう構成されている。
【０００４】
このような構成の電力変換装置では、夫々の単位インバータをユニット構成とし、装置が故障した場合に、故障した単位インバータをユニットごとに交換できるようにし、保守性を向上させている。
【０００５】
一般的に電力変換装置の出力電力の上限は、その電力変換装置を構成する電気部品や、電力変換装置の冷却方法により制約を受ける。電力変換装置の出力電力を大きくするためには個々の単位インバータが出力する電流を大きくすれば良い。このためには、ダイオード整流回路や単相インバータ回路を構成する半導体素子を複数個並列に接続し、直流平滑コンデンサの容量も大きくする。また、これに合せ半導体素子等を冷却する冷却フィンや冷却ファンも大きくし、大電流を流せるように配線の断面積も大きくするのが普通である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように単位インバータの容量を大容量化するようにした電力変換装置では、ユニット構成の単位インバータの寸法が大きくなり、また重量が重くなるために、単位インバータを交換する場合にユニット交換用に特別のリフターが必要となる場合や、保守に必要な作業面積が大きくなり、保守性が悪化するという問題があった。
また、部品を並列接続するような単位インバータ構成では、単位インバータを構成する部品数が多く、内部配線が複雑になるため、製造工数が大幅に増大するという問題があった。特に、半導体素子を並列接続する場合には、個々の素子に流れる電流を均等化する必要がある。このために、並列にした素子の互いの電気的特性を揃えたり、個々の素子への配線長を揃えたりするが、並列接続する数が増えるとこれらを実現することが非常に困難となる。
【０００７】
従って、本発明は上記問題点に鑑み為されたもので、単位インバータの容量を標準化し、この標準化されたインバータを複数台組み合わることにより容量の増大を可能とした、保守性の良い電力変換装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、各々巻線構成が同一の複数個の２次巻線を有する複数台の入力変圧器と、前記各２次巻線に夫々接続され、所望の周波数の単相交流電圧を出力する複数台の単位インバータと、前記夫々の単位インバータの出力に直列に接続されたインピーダンスとを備え、前記複数台の単位インバータを３グループに分割し、同一グループに属する複数台の単位インバータの出力を、前記インピーダンスを介して並列に接続して並列多重インバータを構成し、この並列多重インバータの出力をグループ毎に直列接続し、その一端を中性点として接続すると共に、他の一端から三相交流出力を得るようにしたことを特徴とする。
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、各々巻線構成が同一の複数個の２次巻線を有する複数台の入力変圧器と、前記各２次巻線に夫々接続され、所望の周波数の単相交流電圧を出力するものであって、各々の直流部分を互いに接続した複数台の単位インバータと、前記夫々の単位インバータの出力に直列に接続されたインピーダンスとを備え、前記複数台の単位インバータを３グループに分割し、同一グループに属する複数台の単位インバータの出力を、前記インピーダンスを介して並列に接続して並列多重インバータを構成し、この並列多重インバータの出力をグループ毎に直列接続し、その一端を中性点として接続すると共に、他の一端から三相交流出力を得るようにし、前記並列多重インバータを構成する単位インバータの直流部分を互いに接続したことを特徴とする。
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、２次巻線を１次巻線との位置関係が物理的に対称となる１対の２次巻線複数対で構成した複数台の入力変圧器と、前記２次巻線に夫々接続され、所望の周波数の単相交流電圧を出力する２台の単位インバータと、前記夫々の単位インバータの出力に直列に接続されたインピーダンスとを備え、前記複数台の単位インバータを３グループに分割し、同一グループに属する複数台の単位インバータの出力を、前記インピーダンスを介して並列に接続して並列多重インバータを構成し、この並列多重インバータの出力をグループ毎に直列接続し、その一端を中性点として接続すると共に、他の一端から三相交流出力を得るようにしたことを特徴とする。
また上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、２次巻線を１次巻線との位置関係が物理的に対称となる１対の２次巻線複数対で構成した複数台の入力変圧器と、前記２次巻線に夫々接続され、所望の周波数の単相交流電圧を出力する２台の単位インバータと、前記夫々の単位インバータの出力に直列に接続されたインピーダンスとを備え、前記複数台の単位インバータを３グループに分割し、同一グループに属する複数台の単位インバータの出力を、前記インピーダンスを介して並列に接続して並列多重インバータを構成し、この並列多重インバータの出力をグループ毎に直列接続し、その一端を中性点として接続すると共に、他の一端から三相交流出力を得るようにしたことを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、標準化されたインバータを複数台使用した保守性の良い電力変換装置を提供することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下に、本発明による電力変換装置の第１の実施の形態を図１及び図２を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る電力変換装置のブロック構成図である。
【００１３】
三相電源１から、２次側に夫々複数個の2次巻線２−１Ｕ、２−１Ｖ、２−１Ｗ・・・２−ｎＵ、２−ｎＶ、２−ｎＷを持った２組の変圧器２A及び２Bを介して、三相交流電力を複数台の単位インバータ３A、３Bへ供給する。変圧器２Ａに接続される複数台の単位インバータ３Ａの構成と、変圧器２Ｂに接続される複数台の単位インバータ３Ｂの構成は同一であるので、以下、変圧器２Ａ側の構成について説明する。変圧器２Ａの２次巻線２−１Ｕ、２−１Ｖ、２−１Ｗ・・・２−ｎＵ、２−ｎＶ、２−ｎＷに夫々接続された単位インバータ３Aは、U、V及びWの３グループに分割され、その単相出力はグループ毎に直列に接続され、その一端を中性点として接続し、その他端を２組の１次巻線を持つ３相の交流電動機４の片側の1次巻線に接続している。
【００１４】
ここで、ｎは任意の整数であり、図１はｎ＝３の例が示されている。また、
単位インバータ３Aの出力周波数は全て同一とし、直列に接続されるU、V及びWの各グループの単位インバータ３Aの出力は、同一位相となるようにし、グループ間の位相差は互いに１２０度となるようにする。
【００１５】
この構成で、変圧器２Aと複数台の単位インバータ３Aがいわゆる直列多重に接続された部分を電力変換器５A、変圧器２Bと複数台の単位インバータ３Bが直列多重に接続された部分を電力変換器５Bとする。
【００１６】
図２は図１の単位インバータ３A、３Bの回路図である。変圧器２の２次巻線からの電力を整流回路６及び直流平滑コンデンサ７で直流電力に変換し、さらに単相インバータ回路８で任意の周波数、電圧を持った単相電力に変換している。尚、図２の単位インバータ３A、３Bには、直流部に端子が記入してあるが、これは後述する本発明の第４の実施の形態で使用される。又、単位インバータの構成は、これに限定されるものではなく、単相電力を出力できるものであれば良い。
【００１７】
このような構成により、２組の１次巻線を持つ３相の交流電動機４の夫々の巻線には、単位インバータ３A、３Bの出力周波数と、単位インバータ３Ａ、３Ｂの直列数倍、すなわちｎ倍の出力電圧を持つ交流電力が加えられる。言い換えれば、電力変換器を構成する電力変換器５A及び５Bは夫々対応する交流電動機の１次巻線を介して交流電動機４を駆動する。
【００１８】
以上述べたように、本発明の第１の実施の形態においては、ユニットとして標準化された単位インバータ３Ａ、３Ｂのユニット内部の部品点数等を変更することなく、ユニットの数と変圧器の数を２倍にするとともに交流電動機の３相交流巻線の数を２倍に増加させることで、電力変換装置が出力する電力を２倍にすることができ、標準化されたインバータを複数台使用した保守性の良い電力変換装置を提供することができる。
【００１９】
また、本発明の第１の実施の形態では、２組の変圧器２A、２Bと複数台の単位インバータ３A、３Bとによる２組の電力変換器５Ａ、５Ｂにより２巻線構成の電動機４を駆動する説明を行ったが、これらの夫々をN組とし、Ｎ巻線構成の電動機を駆動することにより、N倍の出力を得るようにしても良い。
（第２の実施の形態）
図３は本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置のブロック構成図である。この第2の実施の形態の各部について、図１の第1の実施の形態に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第2の実施の形態が、第1の実施の形態と異なる点は、電力変換器５A及び５B夫々の３相出力をこの出力に直列に接続された３相リアクトル９を介して並列に接続して交流電動機４に３相の電力を供給している点である。３相リアクトル９は電力変換器５Aと５Bの相互干渉を防止するように作用し、また、電力変換器５A及び５Bの出力に含まれる高調波分が交流電動機４に流れ込みにくいように作用する。
【００２０】
このように、本発明の第２の実施の形態においても、ユニットとして標準化された単位インバータ３Ａ、３Ｂのユニット内部の部品点数等を変更することなく、ユニットの数を２倍にし、リアクトル９を追加することにより、電力変換装置が出力する電力を２倍にすることができ、標準化されたインバータを複数台使用した保守性の良い電力変換装置を提供することができる。
【００２１】
また、リアクトル９はインピーダンスを持った構成要素であれば良く、例えば２つの電力変換器５Ａ、５Ｂの３相出力を並列接続するための電線等でも良い。
【００２２】
（第３の実施の形態）
図４は本発明の第３の実施の形態に係る電力変換装置のブロック構成図である。この第３の実施の形態の各部について、図１の第1の実施の形態に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第3の実施の形態が第1の実施の形態と異なる点は、２組の変圧器２A,２Bと夫々に対応する複数台の単位インバータ３A,３Bのうち、任意の単位インバータ３Ａと単位インバータ３Ｂの出力をこれら単位インバータに直列に接続されたリアクトル９A、９Bを介して互いに並列に接続して並列多重インバータを形成し、更に、この並列多重インバータを複数台直列に接続して３相の各相を構成し、誘導電動機４に三相交流電力を供給している点である。この場合も、第１の実施の形態で説明したように、並列に接続するインバータ３Ａ、３Ｂの出力周波数及び位相を合わせ、直列に接続される３グループのインバータ３Ａ、３Ｂの周波数を合わせ、出力位相差は組毎に互いに１２０度となるようにする。
【００２３】
このような構成にすれば、本発明の第２の実施の形態と同様、交流電動機４は複数の巻線を必要としない。尚、リアクトル９Ａ、９Bは対応する単位インバータ３Ａと３Ｂを並列接続する場合の相互干渉を防止するように作用する。
【００２４】
上記説明において、並列接続する単位インバータ３Ａと単位インバータ３Ｂの選択は任意であると説明したが、インバータの負荷分担のバランスを考慮すると、変圧器２Ａ及び２Ｂを同一の巻線構成とし、同一の構成位置にある巻線に接続される単位インバータ３Ａと単位インバータ３Ｂとを互いに並列接続する方が良い。これは、複数の２次巻線を有する変圧器では、１次巻線と２次巻線の物理的な位置関係で２次巻線のインピーダンスが変化するが、このように構成することにより並列接続する２台の単位インバータの入力に接続される夫々の２次巻線のインピーダンスが略等しくなり、並列接続された２つの単位インバータの電力分担を均等化することができるからである。
【００２５】
本発明の第３の実施の形態においては、夫々の単位インバータ３A、３Bの出力の片側にリアクトルを設けているが、両側としても、又、他方の単位インバータの出力側のみに設けても良い。更に、リアクトルは配線のインピーダンス等で置き換えることも可能である。
【００２６】
このように構成することにより、電力変換装置の出力する電力を単位インバータ３A,３Bの並列数に比例して増加させることが可能となり、標準化されたインバータを複数台使用した保守性の良い電力変換装置を提供できる。
【００２７】
（第４の実施の形態）
図５は本発明の第４の実施の形態に係る電力変換装置のブロック構成図である。この第５の実施の形態の各部について、図４の第３の実施の形態に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第4の実施の形態が第3の実施の形態と異なる点は、図２に示すような直流部に端子を持った単位インバータ３A、３Ｂを用い、並列多重インバータを構成している単位インバータ３Ａ、３Ｂの直流部同士も互いに並列接続している点である。
本発明の第４の実施の形態においては、並列接続された単位インバータ３Ａ、３Ｂの直流電圧が等しくなるため、夫々の単位インバータ３Ａ，３Ｂを構成する単相インバータ回路８に流れる電流を均等化できる特徴がある。従って、このようにすれば単位インバータ３Ａ、３Ｂの本来の定格容量を最大限利用できる。
【００２８】
第４の実施の形態においても、第３の実施の形態と同様、電力変換装置の出力を単位インバータ３A,３Bの並列数に比例して増加させることが可能となり、標準のインバータを複数台使用した保守性の良い電力変換装置を提供できる。
【００２９】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態について図６及び図７を用いて説明する。図６は本発明の第５の実施の形態に係る電力変換装置のブロック構成図である。この第５の実施の形態の各部について、図４の第３の実施の形態に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第５の実施の形態が第３の実施の形態と異なる点は、入力変圧器２Ｃ，２Ｄ，及び２Ｅが夫々複数個の１対の２次巻線とこれに相対する１次巻線を有し、リアクトル９Ａ及び９Ｂを介して並列接続された単位インバータ３Ａ及び３Ｂの入力が夫々前記の１対の２次巻線に接続される構成となっている点である。変圧器２Ｃ、２Ｄ及び２Ｅの１次巻線は並列に接続され三相電源１に接続される。
【００３０】
図７に変圧器の１相分の１対の２次巻線とそれに相対する１次巻線の断面図を示す。鉄心１０に対し、これを覆うように１次巻線１１が巻かれ、更に２次巻線１２A、１２Bが１次巻線１１を覆うように巻かれている。このような１次と２次の巻線配置にすることにより、２つの２次巻線１２A、１２Bは１次巻線１１に対して物理的に対称に配置することが可能になり、１対の２次巻線のインピーダンスを略一致させることができる。
【００３１】
以上述べたように、並列接続される２台の単位インバータ３Ａ、３Ｂが接続される２次巻線のインピーダンスを等しくすることにより、並列接続された単位インバータ３Ａ、３Ｂ間の電力分担の均等化が可能となり、単位インバータ３Ａ、３Ｂの定格容量を最大限利用できる。
尚、以上述べた本発明の第１乃至第５の実施の形態では、変圧器を２組又は３組に分割しているが、これらの変圧器は鉄心、1次巻線を共通にし、一体化してもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、標準化された単位インバータを複数台使用して、電力変換装置の容量増大が可能となり、保守性の良い電力変換装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態に係る電力変換装置のブロック構成図。
【図２】 本発明の単位インバータの回路図。
【図３】 本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置のブロック構成図。
【図４】 本発明の第３の実施の形態に係る電力変換装置のブロック構成図。
【図５】 本発明の第４の実施の形態に係る電力変換装置のブロック構成図。
【図６】 本発明の第５の実施の形態に係る電力変換装置のブロック構成図。
【図７】 本発明の第５の実施の形態に係る入力変圧器の断面図。
【符号の説明】
１ 三相電源
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ 変圧器
２−１Ｕ、２−１Ｖ、２−１Ｗ、・・・２−ｎＵ、２−ｎＶ、２−ｎＷ 変圧器の２次巻線
３Ａ、３Ｂ 単位インバータ
４ 交流電動機
５Ａ、５Ｂ 電力変換器
６ 整流回路
７ 直流平滑コンデンサ
８ 単相インバータ回路
９、９A、９Ｂ リアクトル
１０ 鉄心
１１ １次巻線
１２A、１２B ２次巻線

Claims (4)

1. 各々巻線構成が同一の複数個の２次巻線を有する複数台の入力変圧器と、前記各２次巻線に夫々接続され、所望の周波数の単相交流電圧を出力する複数台の単位インバータと、前記夫々の単位インバータの出力に直列に接続されたインピーダンスとを備え、前記複数台の単位インバータを３グループに分割し、同一グループに属する複数台の単位インバータの出力を、前記インピーダンスを介して並列に接続して並列多重インバータを構成し、この並列多重インバータの出力をグループ毎に直列接続し、その一端を中性点として接続すると共に、他の一端から三相交流出力を得るようにしたことを特徴とする電力変換装置。
2. 各々巻線構成が同一の複数個の２次巻線を有する複数台の入力変圧器と、前記各２次巻線に夫々接続され、所望の周波数の単相交流電圧を出力するものであって、各々の直流部分を互いに接続した複数台の単位インバータと、前記夫々の単位インバータの出力に直列に接続されたインピーダンスとを備え、前記複数台の単位インバータを３グループに分割し、同一グループに属する複数台の単位インバータの出力を、前記インピーダンスを介して並列に接続して並列多重インバータを構成し、この並列多重インバータの出力をグループ毎に直列接続し、その一端を中性点として接続すると共に、他の一端から三相交流出力を得るようにし、前記並列多重インバータを構成する単位インバータの直流部分を互いに接続したことを特徴とする電力変換装置。
3. ２次巻線を１次巻線との位置関係が物理的に対称となる１対の２次巻線複数対で構成した複数台の入力変圧器と、前記２次巻線に夫々接続され、所望の周波数の単相交流電圧を出力する２台の単位インバータと、前記夫々の単位インバータの出力に直列に接続されたインピーダンスとを備え、前記複数台の単位インバータを３グループに分割し、同一グループに属する複数台の単位インバータの出力を、前記インピーダンスを介して並列に接続して並列多重インバータを構成し、この並列多重インバータの出力をグループ毎に直列接続し、その一端を中性点として接続すると共に、他の一端から三相交流出力を得るようにしたことを特徴とする電力変換装置。
4. ２次巻線を１次巻線との位置関係が物理的に対称となる１対の２次巻線複数対で構成した複数台の入力変圧器と、前記１対の２次巻線毎に夫々接続され、所望の周波数の単相交流電圧を出力するものであって、各々の直流部分を互いに接続した複数台の単位インバータと、前記夫々の単位インバータの出力に直列に接続されたインピーダンスとを備え、前記複数台の単位インバータを３グループに分割し、同一グループに属する複数台の単位インバータの出力を、前記インピーダンスを介して並列に接続して並列多重インバータを構成し、この並列多重インバータの出力をグループ毎に直列接続し、その一端を中性点として接続すると共に、他の一端から三相交流出力を得るようにし、前記並列多重インバータを構成する単位インバータの直流部分を互いに接続したことを特徴とする電力変換装置。

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