JP4151575B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導電動機や同期電動機などの多相負荷装置の制動運転を行うための、回生機能を備えた電力変換装置に係わり、特に負荷装置の回生電力を蓄電手段に充放電する機能を備えた変換装置に関する。

高圧（３ｋＶ／６ｋＶ）電動機の可変速運転では、インバータの大容量化や出力波形改善のため、単相セルインバータを直列に接続した多重電力変換器が用いられている。従来技術の多重電力変換器は図１０に示すように、ダイオード整流器部２１と、平滑コンデンサ２２と、ＩＧＢＴ部２３とを備えた単相セルインバータ１１１、１１２、１１ｎを、ｎ個直列多重接続した電力変換器１１、１２、１３を出力相の数だけ有する。交流電源１からの一定周波数の電圧を電源トランス２を介し、各相の電力変換器１１、１２、１３で任意の周波数で任意の大きさの電圧に変換し、負荷の誘導電動機３に印加する。ここで、負荷に接続された多重電力変換器の端子を負荷側、負荷から最も遠い端子を反負荷側と定める。図１０に示すように、反負荷側は互いに接続され、中性点を形成している。

図１０に示す多重電力変換器では単相セルインバータ１１１、１１２、１１ｎがダイオード整流器を用いるため、負荷側からのエネルギーを回生できない。そこで、ダイオード整流器をＩＧＢＴ素子で置き換え、エネルギーの回生ができる多重電力変換装置が特許文献１に開示されている。

特開２００１−１０３７６６号公報

しかし、このような回生機能付の電力変換装置の場合、ダイオード整流器を用いた非回生電力変換装置に比べ、ＩＧＢＴ素子の数が２倍以上必要となったり、部品数の増加に伴う単相セルインバータの大型化や複雑化が生じる。

本発明の目的は、電動機の回生運転や、電動機の制動減速が速やかにできる非回生型電力変換器を備えた電力変換装置を提供することである。

本発明の電力変換装置は、交流電源からの交流を可変電圧、可変周波数に変換する非回生型の単相セルインバータをｎ個（ｎは２以上の自然数）直列接続もしくは１個により一相分の電力変換器を構成し、この一相分の電力変換器を複数台用い、電力変換器の反負荷側を互いに接続した中性点と前記多相負荷装置の中性点を蓄電器を介して接続し、前記電力変換装置の出力電圧零相成分（直流）を制御して、回生電力を蓄電器に充電し、非回生時には電動機側に放電する。また、蓄電器と並列に電池の劣化状態を測定する電池劣化測定部を設け、蓄電器の内部インピーダンス、温度、充放電回数、充電電荷量、放電電荷量の少なくとも一つを測定し、劣化状態を判定する。

本発明によれば、非回生型電力変換器において、誘導電動機や同期電動機などの多相負荷装置の回生電力を蓄電器を用いて充放電することにより、電動機の制動減速が速やかにできる。

以下本発明の詳細を図面を用いながら説明する。

本実施例の電力変換装置について図１を用いて説明する。図１において、交流電源１からの三相交流電圧を電源トランス２で変圧し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電力変換器１１、１２、１３を介して、負荷の誘導電動機３に任意の周波数、大きさの多相交流電圧を印加する。

なお、本実施例は多相負荷装置として、誘導電動機だけでなく、同期電動機にも適用可能であるが、以下誘導電動機を負荷にした場合を例に説明する。また、本実施例では、電力半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴを例に説明するが、パワーＭＯＳＦＥＴや、Ｊ−ＦＥＴ、バイポーラトランジスタを用いても良い。本実施例では、複数個の非回生型単相セルインバータを直列接続した電力変換器１１、１２、１３の場合を例に説明するが、本願発明は非回生型単相セルインバータが１個の場合にも同様に適用できる。

電力変換器１１、１２、１３は、ｎ個（ｎは１以上の自然数）の単相セルインバータ１１１、１１２、１１ｎを有し、各単相セルインバータ１１１、１１２、１１ｎは図２で示すようにダイオード整流器部２１と、平滑コンデンサ２２と、ＩＧＢＴ部２３とを備えた非回生電力変換器である。図１ではＵ相の電力変換器１１を詳細に示すが、Ｖ相の電力変換器１２、Ｗ相の電力変換器１３もＵ相の電力変換器１１と構造は同じであり、共に電源トランス２から電圧を入力し（接続線は省略）、誘導電動機３へ高電圧を印加する。

コントローラ部４によって各単相セルインバータ１１１、１１２、１１ｎのＩＧＢＴ部２３を制御し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各電力変換器１１、１２、１３の出力電圧を制御する。本実施例では、三相の電力変換器１１、１２、１３の反負荷側の端子を互いに接続し、接続された中性点（電力変換器側の中性点５０と略す。）を、蓄電器部として二次電池
３１を介して誘導電動機３の電動機側中性点３０と接続する。

コントローラ部４では、図３に示すように交流電圧指令Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^* に、零相電圧指令演算部３４で演算した電動機零相電圧Ｖ３の指令値である零相電圧指令Ｖ３^* を加え、ゲートパルス生成部３５でゲートパルスを作成し、各単相セルインバータ１１１、１１２、１１ｎを制御する。

二次電池３１を充放電する際、零相電圧指令Ｖ３^* に直流電圧成分を与えることで、脈動の無い安定した電力をやり取りすることが可能となる。例えば、減速時は電動機零相電圧Ｖ３＞二次電池電圧ＶＢと制御して二次電池３１を充電し、一定速時や加速時には電動機零相電圧Ｖ３＜二次電池電圧ＶＢと制御して二次電池３１を放電させる。

また、本実施例では二次電池３１と並列に電池劣化測定部３２を設ける。電池劣化測定部３２では、二次電池３１の内部インピーダンス、温度、充放電回数、充電電荷量、放電電荷量の少なくとも一つを測定し、それが予め設定した所定値より大きくなっていれば、あるいは所定の範囲を外れていれば、二次電池３１が劣化状態にあると判断し、表示部３３にその旨表示する。

本実施例では二次電池（例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池、鉛蓄電池、ニッケルカドミニウム電池）を用いた場合で説明するが、この他にも電気二重層キャパシタ等の充放電可能な蓄電器であればよい。二次電池３１の容量は、回生に必要な最小限の容量のものを設置すればよく、本実施例では、小型・低コストで電動機を素早く所望の速度に減速させたり停止させることができ、さらに電池の劣化状態を判断して、電池交換の時期をユーザに知らせることができる。

また、本実施例の電力変換装置は電動機の駆動電圧に特に制限はないが、３ｋＶ〜６ｋＶとの高電圧で駆動する電動機の可変速運転に好適である。

本実施例について図４を用いて説明する。本実施例が実施例１と異なる部分について述べる。本実施例では電力変換器１１、１２、１３の負荷側出力端子に、中性点取出し用トランス３６を図４に示すように配置する。本実施例の中性点取出し用トランス３６は、電力変換器１１、１２、１３の個数に対応する数の巻線を備え、各巻線の一端を電力変換器１１、１２、１３の負荷側出力端子に接続し、各巻線の他端を共通に接続しトランスの中性点（トランス側の中性点４０と略す。）を取り出してある。このようにして取出したトランス側の中性点４０と、電力変換器側の中性点５０とを、二次電池３１を介して接続する。これ以外は実施例１と同様である。

本実施例の電力変換装置の回生時の動作は実施例１と同様である。本実施例では既設の電動機などで中性点が容易に取出せない場合であっても、中性点取出し用トランス３６を変換器の出力側に接続するだけで済み、実施例１と同様に二次電池３１の容量を必要回生電力に見合う値にして、二次電池３１を小型にできる。

本実施例について図５を用いて説明する。本実施例が実施例１、２と異なる部分について述べる。本実施例では、図５に示すように三相の電力変換器１１、１２、１３の反負荷側端子を互いに接続し、その接続中性点である電力変換器側の中性点５０と実施例１または実施例２に示した誘導電動機３の電動機側中性点３０との間に、二次電池３１と半導体素子４１、ダイオード４２を接続する。半導体素子４１はＩＧＢＴ、ＧＴＯ、サイリスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ等の電力半導体スイッチング素子を用いることができる。

本実施例では零相電圧指令Ｖ３^* を、例えば直流電圧として与える。電動機零相電圧Ｖ３＞二次電池電圧ＶＢの場合は、二次電池３１は充電状態になる。また、一定速時や加速時に放電が必要な場合には、電動機零相電圧Ｖ３＜二次電池電圧ＶＢとなるように零相電圧指令Ｖ３^* を制御し、またコントローラ部４からの信号に従い、半導体素子４１を制御して二次電池３１を放電させる。

本実施例では、実施例１や実施例２と同様に、二次電池３１の容量を必要な回生電力に見合う値にして、二次電池３１を小型にすることができ、また半導体素子４１が一つで済むため、少ない部品数の小型の装置で電動機を素早く所望の速度に減速させたり停止させることができる。また本実施例では実施例１、２と同様に電池劣化測定部３２を設けて、二次電池３１の劣化状態を判断し、電池交換の時期をユーザに知らせることもできる。

本実施例について図６を用いて説明する。本実施例が実施例３と異なる部分について述べる。本実施例では、図６に示すように、電力変換器側の中性点５０と電動機側中性点３０との間に、二次電池３１と２つの半導体素子４１ａ、４１ｂと２つの互いに逆向きなダイオード４２ａ、４２ｂとを接続する。

本実施例では、図６と同じ半導体素子４１ａ、４１ｂとダイオード４２ａ、４２ｂとの組み合わせでなくとも、半導体素子を組み合わせた双方向回路であればよい。

本実施例では、一定速時や加速時に、二次電池３１の放電、充電を行わない場合は半導体素子４１を２つともオフ（開）に制御する。また、回生時には、半導体素子４１ａをオフ（開）、半導体素子４１ｂをオン（閉）にし、二次電池３１を充電する。

一定速時や加速時に、二次電池３１の放電を行う場合は、半導体素子４１ａをオン（閉）、半導体素子４１ｂをオフ（開）に制御する。一定速時や加速時に、二次電池３１の放電を行う際は、半導体素子４１ａをオン（閉）、半導体素子４１ｂをオフ（開）に制御する。

本実施例では、電動機零相電圧Ｖ３＞二次電池電圧ＶＢであっても、充電させるか否かをスイッチで制御することができるので、回生状態以外で電動機零相電圧Ｖ３＞二次電池電圧ＶＢとする必要がある場合（例えば、高速運転時に電圧利用率を上げる場合。）でも、充電せずに電動機の制御を行うことができる。

本実施例について図７を用いて説明する。本実施例が実施例３と異なる部分について述べる。本実施例では、図７に示すように、電力変換器側の中性点５０と電動機側中性点３０との間に、二次電池３１とスイッチ部４３とを接続する。

スイッチ部４３は電力半導体スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ）とダイオードとを備え、コントローラ部４の信号によって制御される。電力半導体スイッチング素子は二次電池３１の極性に応じて、図７に示すように２個配置し、ダイオードは４個配置する。

本実施例ではダイオード整流作用を持つため、零相電圧指令Ｖ３^* は直流電圧に加え、通常電圧利用率を高めるために用いられる電力変換器の出力電圧周波数の３倍の周波数（３次調波）成分とできる。ただし、電動機中性点電圧＞電力変換器中性点電圧である必要があり、回生電力は直流成分で定まる。

本実施例では、実施例３と同様に二次電池３１の容量を必要な回生電力に見合う値にして、二次電池３１を小型にすることができ、また、電力変換器側の中性点５０と電動機側中性点３０との間にスイッチ部４３を接続することにより、電動機零相電圧Ｖ３に３次調波成分も加えることができ、充放電中も基本波電圧の電圧利用率が高い状態で運転が可能である。

本実施例について図８を用いて説明する。本実施例が実施例５と異なる部分について述べる。本実施例では、図８に示すように、４つの電力半導体スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ）と４つのダイオードにより構成されるスイッチ部４４を、電力変換器側の中性点５０と電動機側中性点３０との間に備える。本実施例では零相電圧指令Ｖ３^* は直流成分を含んでいても、交流成分のみであっても良い。つまり、電動機中性点電圧と電力変換器中性点電圧の大小に依らず、回生電力のやり取り（充放電）が可能である。

本実施例では、実施例３と同様に二次電池３１の容量を必要な回生電力に見合う値にして、二次電池３１を小型にすることができ、また、電力変換器側の中性点５０と電動機側中性点３０との間にスイッチ部４４を接続したので、電動機零相電圧Ｖ３を３次調波成分のみとすることができ、電動機零相電圧Ｖ３の直流成分の制御が不要で、充放電中も電圧利用率が高い状態で運転が可能である。

本実施例について図９を用いて説明する。本実施例が実施例１から実施例５までと異なる部分について述べる。本実施例では、図９に示すように二次電池３１に接続した電池電圧測定部３７により、二次電池電圧ＶＢを測定する。この測定した二次電池電圧ＶＢをコントローラ部４に送り、コントローラ部４で二次電池３１の充電状態を判断し、例えば過充電を防止する様に半導体素子４１を制御する。このように、本実施例では二次電池３１の充放電のタイミングを適切に判断できる。

なお、本実施例では、半導体素子４１を制御しているが、制御する対象はこれに限られず、図３で示した零相電圧指令Ｖ３^* や、図６で示した半導体素子４１ａ、４１ｂや、図７で示したスイッチ部４３や、図８で示したスイッチ部４４を制御するようにしても、同様に二次電池３１の充放電のタイミングを適切に判断できる。

実施例１の電力変換装置の構成図である。 実施例１の電力変換器の単相セルインバータの説明図である。 実施例１の電力変換器のコントローラ部の説明図である。 実施例２の電力変換装置の構成図である。 実施例３の電力変換装置の構成図である。 実施例４の電力変換装置の構成図である。 実施例５の電力変換装置の構成図である。 実施例６の電力変換装置の構成図である。 実施例７の電力変換装置の構成図である。 従来技術の電力変換装置の構成図である。

符号の説明

１…交流電源、２…電源トランス、３…誘導電動機、４…コントローラ部、１１、１２、１３…電力変換器、２１…ダイオード整流器部、２２…平滑コンデンサ、２３…ＩＧＢＴ部、３０…電動機側中性点、３１…二次電池、３２…電池劣化測定部、３３…表示部、３４…零相電圧指令演算部、３５…ゲートパルス生成部、３６…中性点取出し用トランス、３７…電池電圧測定部、４０…トランス側の中性点、４１、４１ａ、４１ｂ…半導体素子、４２、４２ａ、４２ｂ…ダイオード、４３、４４…スイッチ部、５０…電力変換器側の中性点、１１１、１１２、１１ｎ…単相セルインバータ。

Claims (17)

1. 交流電源からの電力を可変電圧、可変周波数の多相交流に変換する、非回生型単相セルインバータを１個備えた電力変換器、あるいは、該非回生型単相セルインバータ複数個を直列に接続した電力変換器を、複数台備えた電力変換装置において、
   前記電力変換器の反負荷側を互いに接続した中性点に一端を接続し、前記多相負荷装置の中性点に他の一端を接続した充放電可能な蓄電器部を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、該電力変換装置の出力の零相電圧を制御して前記蓄電器部の充電または放電の少なくとも一方の電力を制御する制御部を備えることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、前記蓄電器部が充電または放電を行う際の前記零相電圧が直流成分を含むことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１に記載の電力変換装置において、前記電力変換器の反負荷側を互いに接続した中性点と、前記多相負荷装置の中性点との間に、ダイオードと半導体素子とを備えたスイッチ部を介して、前記蓄電器部を接続することを特徴とする電力変換装置。
5. 交流電源からの電力を可変電圧、可変周波数の多相交流に変換する、非回生型単相セルインバータを１個備えた電力変換器、あるいは、該非回生型単相セルインバータ複数個を直列に接続した電力変換器を、複数台備えた電力変換装置において、
   前記電力変換器の反負荷側を互いに接続した中性点に一端を接続し、前記電力変換器の負荷側に配置した中性点取出し用トランスの中性点に他の一端を接続した充放電可能な蓄電器部を備えることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項５に記載の電力変換装置において、該電力変換装置の出力の零相電圧を制御して前記蓄電器部の充電または放電の少なくとも一方の電力を制御する制御部を備えることを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項６に記載の電力変換装置において、前記蓄電器部が充電または放電を行う際の前記零相電圧が直流成分を含むことを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項５に記載の電力変換装置において、前記電力変換器の反負荷側を互いに接続した中性点と、前記中性点取出し用トランスの中性点との間に、ダイオードと半導体素子とを備えたスイッチ部を介して、前記蓄電器部を接続することを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記蓄電器部と並列に接続した電池劣化測定部と、該電池測定部の判定結果を表示する表示部とを備えていることを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項９に記載の電力変換装置において、
    前記電池劣化測定部は前記蓄電器の内部インピーダンス、温度、充放電回数、充電電荷量、放電電荷量の少なくとも一つを測定することを特徴とする電力変換装置。
11. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記蓄電器部と並列に接続した電池電圧測定部を備え、該電池電圧測定部が出力する測定値を基に零相電圧を制御することを特徴とする電力変換装置。
12. 請求項５に記載の電力変換装置において、
    前記蓄電器部と並列に接続した電池劣化測定部と、該電池測定部の判定結果を表示する表示部とを備えていることを特徴とする電力変換装置。
13. 請求項１２に記載の電力変換装置において、
    前記電池劣化測定部は前記蓄電器の内部インピーダンス、温度、充放電回数、充電電荷量、放電電荷量の少なくとも一つを測定することを特徴とする電力変換装置。
14. 請求項５に記載の電力変換装置において、
    前記蓄電器部と並列に接続した電池電圧測定部を備え、該電池電圧測定部が出力する測定値を基に零相電圧を制御することを特徴とする電力変換装置。
15. ３相交流電源からの電力を可変電圧、可変周波数の３相交流に変換する、非回生型単相セルインバータ複数個を直列に接続した電力変換器を、３台備えた電力変換装置において、
    前記電力変換器の反負荷側を互いに接続した中性点に一端を接続し、前記多相負荷装置の中性点に他の一端を接続した二次電池を備え、
    前記単相セルインバータが複数個のＩＧＢＴを半導体スイッチング素子として備えていることを特徴とする電力変換装置。
16. 交流電源からの電力を可変電圧、可変周波数の多相交流に変換する、非回生型単相セルインバータを１個備えた電力変換器、あるいは非回生型単相セルインバータ複数個を直列に接続した電力変換器を、複数台備えた電力変換装置において、
    該電力変換器の反負荷側を互いに接続した中性点と、前記多相負荷装置の中性点に対し、ダイオードと半導体素子で構成されたスイッチ部を介して、充放電可能な蓄電器部を接続し、
    該電力変換装置の出力の零相電圧を制御して前記蓄電器部の充電または放電の少なくとも一方の電力を制御する制御部を備え、
    前記蓄電器部と並列に接続した電池電圧測定部を備え、該電池電圧測定部が出力する測定値を基に零相電圧もしくは前記半導体素子の少なくとも一つを制御することを特徴とする電力変換装置。
17. 交流電源からの電力を可変電圧、可変周波数の多相交流に変換する、非回生型単相セルインバータを１個備えた電力変換器、あるいは非回生型単相セルインバータ複数個を直列に接続した電力変換器を、複数台備えた電力変換装置において、
    前記電力変換器の反負荷側を互いに接続した中性点と、前記電力変換器の負荷側に配置した中性点取出し用トランスの中性点との間に、ダイオードと半導体素子で構成されたスイッチ部を介して、充放電可能な蓄電器部を接続し、
    該電力変換装置の出力の零相電圧を制御して前記蓄電器部の充電または放電の少なくとも一方の電力を制御する制御部を備え、
    前記蓄電器部と並列に接続した電池電圧測定部を備え、該電池電圧測定部が出力する測定値を基に零相電圧もしくは前記半導体素子の少なくとも一つを制御することを特徴とする電力変換装置。

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