JP5408327B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、任意の周波数および振幅の単相交流電圧に変換して出力するそれぞれの単位インバータの出力端を直列多段接続してなる電力変換装置に関する。

図７は、この種の電力変換装置を３組用いて三相インバータを形成したときの従来例を示す回路構成図である。
この図において、１０は１個の二次巻線若しくは複数個の互いに絶縁された二次巻線を有する１台または複数台の変圧器からなる変圧器回路である。また、１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３は図８に示す回路構成の単位インバータである。さらに、４０は単位インバータを直列多段接続した電力変換装置全体を制御する制御装置であり、単位インバータ１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３それぞれを所望の状態に制御する電圧指令又はＰＷＭパルス指令を発生する制御装置である。

図７に示した回路構成では、単位インバータ１１，２１，３１それぞれの出力の１端を互いに接続すると共に、単位インバータ１１〜１３それぞれの出力端を直列多段接続して三相インバータのＵ相を形成している。また、単位インバータ２１〜２３それぞれの出力端を直列多段接続して三相インバータのＶ相を形成している。さらに、単位インバータ３１〜３３それぞれの出力端を直列多段接続して三相インバータのＷ相を形成している。

また、図７に示した変圧器回路１０としては、１組の二次巻線を有する三相変圧器９台による構成、３組の互いに絶縁された二次巻線を有する三相変圧器３台による構成、９組の互いに絶縁された二次巻線を有する三相変圧器１台による構成などが用いられる。

図８は、図７に示した単位インバータの回路構成図である。
この単位インバータの主回路はダイオードを三相ブリッジ接続した整流回路ＲＣと、この整流回路ＲＣの出力電圧を平滑するコンデンサＣと自己消弧形半導体素子としてのＩＧＢＴＱ１〜Ｑ４およびダイオードＤ１〜Ｄ４の逆並列回路を単相ブリッジ接続してなるインバータ回路ＩＮＶとから形成されている。

また、この単位インバータは図７に示した制御装置４０からの電圧指令又はＰＷＭパルス指令に基づいたＰＷＭ演算若しくは分配演算を行う制御回路ＣＴＲを備えている。この制御回路ＣＴＲによりＩＧＢＴＱ１〜Ｑ４それぞれへの駆動信号を生成している。これらの駆動信号はゲート駆動回路ＧＤＵによりＩＧＢＴＱ１〜Ｑ４それぞれへのオン・オフ信号に変換される。

すなわち、この単位インバータでは前記オン・オフ信号に基づくインバータ回路ＩＮＶのスイッチング動作により、所望の周波数および振幅の単相交流電圧に変換される。
図９は、図８に示した回路構成の単位インバータの組立構造の概念を示す模式的外形図であり、（イ）はその平面図、（ロ）は正面図である。

この図において、ＣＴＲ，ＲＣ，ＩＮＶ等の記号，名称は、図８に示したものと同じである。図示のように単位インバータは、前面側から整流回路ＲＣ、インバータ回路ＩＮＶ、ゲート駆動回路ＧＤＵの順に配置されている。また、整流回路ＲＣ，インバータ回路ＩＮＶを形成する半導体素子は図示の冷却フィン上に搭載されている。さらに、単位インバータの前面側の中央には、図７に示した変圧器回路１０から受電する交流入力端子１０１が設けられ、交流入力端子１０１の両側には、図８に示した「出力１」、「出力２」としての第１の出力端子１０２、第２の出力端子１０３がそれぞれ設けられている。また、インバータ回路ＩＮＶと出力端子１０２，出力端子１０３とはそれぞれ第１の配線１０２ａ，第２の配線１０３ａにより接続されている。

この図からも明らかなように、この単位インバータを盤内に設置した状態で保守・点検が行えるように、交流入力端子１０１，第１の出力端子１０２，第２の出力端子１０３などの外部への接続端子類は全て前面配置にしている。

また、この出願の発明に関連する先行技術文献としては、下記のものがある。
特開２０００−９２８５５号公報（段落０００６〜０００８、図１４〜１８）

図１０は、図７に示した三相インバータにおいて、図８，９に示した構成の単位インバータを単位インバータ１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３として用いたときの盤内の部分配置図である。この図に示すように単位インバータは、それぞれ各相毎に盤内で縦方向に配置され、各単位インバータの出力端子１０２と出力端子１０３とをブスバー等の導体２０１，２０２，２０３により接続している。

この図からも明らかなように、単位インバータ１１の出力端子１０２と単位インバータ１２の出力端子１０３との間を接続する導体２０２、単位インバータ１２の出力端子１０２と単位インバータ１３の出力端子１０３との間を接続する導体２０２、単位インバータ２１の出力端子１０２と単位インバータ２２の出力端子１０３との間を接続する導体２０２などが左右方向に渡っている。従って、その配線長が長くなり、その結果、配線材料のコストアップおよび製造工数アップという問題点があった。

この発明の目的は、単位インバータの出力端を直列多段接続してなる電力変換装置において、その直列数に無関係に単位インバータ間の配線をより短くできる電力変換装置を提供することにある。

この第１の発明は、第１と第２の出力端子を備える複数の単位インバータのそれぞれの出力端を直列多段接続してなる電力変換装置であって、多段直列接続され電気的に隣接する２つの単位インバータがそれぞれの第１の出力端子同士で接続される場合、これら２つの単位インバータそれぞれの第１の出力端子を基準としてそれぞれの第２の出力端子から出力される単相交流電圧を、２つの単位インバータ間で、基本波周波数が同一かつ基本波位相が逆極性となるように発生し、多段直列接続され電気的に隣接する２つの単位インバータがそれぞれの第２の出力端子同士で接続される場合、これら２つの単位インバータそれぞれの第２の出力端子を基準としてそれぞれの第１の出力端子から出力される単相交流電圧を、２つの単位インバータ間で、基本波周波数が同一かつ基本波位相が逆極性となるように発生する、ことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明に係る電力変換装置において、各単位インバータが２レベルの単相インバータであることを特徴とする。
また、第３の発明は、第１の発明に係る電力変換装置において、各単位インバータが３レベルの単相インバータであることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１〜第３の発明のいずれか１つの発明に係る電力変換装置において、各単位インバータが備える第１と第２の出力端子は、それぞれの同一面に配置されていることを特徴とする。

また、第５の発明は、第１〜第４の発明のいずれか１つの発明に係る電力変換装置において、多段直列接続され電気的に隣接する２つの単位インバータがそれぞれの第１の出力端子同士で接続される場合、および多段直列接続され電気的に隣接する２つの単位インバータがそれぞれの第２の出力端子同士で接続される場合、これら２つの単位インバータ間を接続する配線が、直線形状であることを特徴とする。

また、第６の発明は、第１〜第５の発明のうちいずれか１つの発明に係る電力変換装置を３組用いて形成された３相の電力変換装置であることを特徴とする。
さらに、第７の発明は、第１〜第５の発明のうちいずれか１つの発明に係る電力変換装置を複数組用いて形成された多相の電力変換装置であることを特徴とする。

この発明によれば、前記単位インバータの出力端を直列多段接続するときに、該単位インバータそれぞれの出力電圧極性が切換えられる機能を有することにより、それぞれの単位インバータ間の配線をより短くすることができる。その結果、前記電力変換装置の配線材料のコストダウンおよび製造工数低減が可能になる。

この発明の第１の実施の形態を示す三相インバータの回路構成図 図１の部分配置図 この発明の第１の実施例を示す図１の部分回路構成図 この発明の第２の実施例を示す図１の部分回路構成図 この発明の第２の実施の形態を示す三相インバータの回路構成図 図５の部分回路構成図 従来例を示す三相インバータの回路構成図 図７の部分回路構成図 図８の模式的組立図 図７の部分配置図

図１は、この発明の第１の実施の形態を示す回路構成図であり、この発明の電力変換装置を３組用いて三相インバータを形成したときの回路構成図である。
この図においては、単位インバータ１１と単位インバータ１２との間を接続する配線経路、単位インバータ１２と単位インバータ１３との間を接続する配線経路、単位インバータ２１と単位インバータ２２との間を接続する配線経路などが、図７に示した従来例構成とは異なっている。また、制御装置４０に代えて、制御装置５０若しくは制御装置５７の何れかを備えている。

図２は、図１に示した三相インバータにおいて、図８，９に示した構成の単位インバータを単位インバータ１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３として用いたときの盤内の部分配置図である。この図では、単位インバータ１２，２２，３２の出力電圧の極性を、他の単位インバータとは逆になるように、出力電圧極性を切換えている。そして、単位インバータ１１の出力端子１０２と単位インバータ１２の出力端子１０２とが導体２０４で接続され、単位インバータ１２の出力端子１０３と単位インバータ１３の出力端子１０３とが導体２０４で接続されている。また単位インバータ２１の出力端子１０２と単位インバータ２２の出力端子１０２とが導体２０４で接続され、単位インバータ２２の出力端子１０３と単位インバータ２３の出力端子１０３とが導体２０４で接続されている。さらに、単位インバータ３１の出力端子１０２と単位インバータ３２の出力端子１０２とが導体２０４で接続され、単位インバータ３２の出力端子１０３と単位インバータ３３の出力端子１０３とが導体２０４で接続されている。

この図からも明らかなように単位インバータ１１と単位インバータ１２との間を接続する導体２０４、単位インバータ１２と単位インバータ１３との間を接続する導体２０４、単位インバータ２１と単位インバータ２２との間を接続する導体２０４などが、図１０に示した導体２０２に比して、より短くなっている。すなわち、導体２０４は、上下に配置された単位インバータの出力端子１０２または１０３を直線的に結ぶ長さがあれば良いので、図１０に示した導体２０２に比して、単位インバータの略横幅分の長さを短くすることができる。

図３は、この発明の第１の実施例としての図１に示した制御装置５０の詳細回路構成図である。この図は制御装置５０から単位インバータを単位インバータ１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３へは先述の電圧指令を送出するときの回路構成図である。

また図３は、図１で示した三相インバータにＶ／ｆ（電圧／周波数）比一定制御を行わせるときの回路構成であり、５１は三相インバータの出力周波数を設定する周波数設定器である。５２は周波数設定器５１で設定された周波数でその振幅が一定の基準三相正弦波を発生する三相正弦波発生器である。５３，５４，５５は三相正弦波発生器５２が出力するＵ相，Ｖ相，Ｗ相の基準正弦波に周波数設定器５１で設定された周波数に比例した値を乗算演算してなる各相の電圧指令値を生成する乗算器である。

図１に示した三相インバータの回路構成からも明らかなように、単位インバータ１１〜１３それぞれの出力端子間の接続経路をより短くしつつ、単位インバータ１１〜１３それぞれの出力電圧が互いに加算されるようにするために、単位インバータ１２の出力電圧の極性を単位インバータ１１，１３とは逆にする必要がある。また、単位インバータ２１〜２３および単位インバータ３１〜３３についても同様である。

従って、図３に示した極性設定器，乗算器からなる切換回路５６ａ〜５６ｉで形成される極性選択器５６では、乗算器５３の出力であるＵ相電圧設定値と同位相の設定値を単位インバータ１１，１３へ送出し、Ｕ相電圧設定値と逆位相の設定値を単位インバータ１２へ送出している。同様に、乗算器５４の出力であるＶ相電圧設定値と同位相の設定値を単位インバータ２１，２３へ送出し、Ｖ相電圧設定値と逆位相の設定値を単位インバータ２２へ送出している。また、乗算器５５の出力であるＷ相電圧設定値と同位相の設定値を単位インバータ３１，３３へ送出し、Ｗ相電圧設定値と逆位相の設定値を単位インバータ３２へ送出している。

図４は、この発明の第２の実施例としての図１に示した制御装置５７の詳細回路構成図であり、図３に示した制御装置５０と同一機能を有する構成要素には同一符号を付している。さらに、この図は制御装置５７から単位インバータ１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３へは先述のＰＷＭパルス指令を送出するときの回路構成図である。

すなわち、図４に示す制御装置５７では、乗算器５３〜５５からの前記各相の電圧設定値と、例えば三角波状のキャリア周波数とのＰＷＭ演算を行い、この演算結果を各単位インバータへのＰＷＭパルス指令として出力するＰＷＭ演算回路５８を備えている。

図１に示した三相インバータでは、上述のように単位インバータ１１〜１３それぞれの出力端子間の接続経路をより短くしつつ、単位インバータ１１〜１３それぞれの出力電圧が互いに加算されるようにするために、単位インバータ１２の出力電圧の極性を単位インバータ１１，１３とは逆にする必要がある。また、単位インバータ２１〜２３および単位インバータ３１〜３３についても同様である。

従って、図４に示した切替スイッチ５９ａ〜５９ｉからなる極性切替器５９と、バッファ素子６０ａ，６０ｃ，６０ｅ，６０ｇ，６０ｉ，６０ｋ，６０ｍ，６０ｏ，６０ｑおよび切替手段６０ｂ，６０ｄ，６０ｆ，６０ｈ，６０ｊ，６０ｌ，６０ｎ，６０ｐ，６０ｒからなる極性演算器６０とにより、ＰＷＭ演算回路５８の出力であるＵ相電圧指令と同極性の指令は前記バッファ素子を介して単位インバータ１１，１３へ送出し、Ｕ相電圧指令とは逆極性になるように単位インバータ内の各ＩＧＢＴへの分配を切替えて、例えば、前記切替手段によりＩＧＢＴのＱ１とＱ２のパルス指令を切替えると共にＩＧＢＴのＱ３とＱ４のパルス指令を切替えて、単位インバータ１２へ送出している。

同様に、ＰＷＭ演算回路５８の出力であるＶ相電圧指令と同極性の指令を単位インバータ２１，２３へ送出し、Ｖ相電圧指令とは逆極性になるようにパルス指令を切替えて単位インバータ２２へ送出している。また、ＰＷＭ演算回路５８の出力であるＷ相電圧指令と同極性の指令を単位インバータ３１，３３へ送出し、Ｗ相パルス指令とは逆極性になるようにパルス指令を切替えて単位インバータ３２へ送出している。

なお、図１に示したこの発明の回路構成では、例えば、単位インバータ１２の出力電圧の極性を単位インバータ１１，１３とは逆にしたときの構成であるが、図３または図４に示した回路構成の制御装置を用いることにより、単位インバータ１１〜１３それぞれの出力端子間の接続経路をより短くするために、単位インバータ１１〜１３の間でのそれぞれの出力電圧の極性関係は任意に設定できる。また、単位インバータ２１〜２３および単位インバータ３１〜３３についても同様である。

図５は、この発明の第２の実施の形態を示す回路構成図であり、この発明の電力変換装置を３組用いて三相インバータを形成したときの回路構成図である。
この図においては、図１に示した単位インバータ１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３に代えて、単位インバータ６１〜６３，７１〜７３，８１〜８３を備え、また、制御装置５０，５７に代えて、図７に示した従来の制御装置４０を備えている。

図６は、図５に示した単位インバータの回路構成図である。
この単位インバータの主回路はダイオードを三相ブリッジ接続した整流回路ＲＣと、この整流回路ＲＣの出力電圧を平滑するコンデンサＣと自己消弧形半導体素子としてのＩＧＢＴＱ１〜Ｑ４およびダイオードＤ１〜Ｄ４の逆並列回路を単相ブリッジ接続してなるインバータ回路ＩＮＶとから形成されている。

また、この単位インバータは図５に示した制御装置４０からの電圧指令又はＰＷＭパルス指令に基づいたＰＷＭ演算若しくは分配演算を行いつつ、入力される指令の極性を選択する切換指令が入力される機能が付加された制御回路ＣＴＲａを備えている。この制御回路ＣＴＲａによりＩＧＢＴＱ１〜Ｑ４それぞれへの駆動信号を生成している。これらの駆動信号はゲート駆動回路ＧＤＵによりＩＧＢＴＱ１〜Ｑ４それぞれへのオン・オフ信号に変換される。

すなわち、この単位インバータでは前記オン・オフ信号に基づくインバータ回路ＩＮＶのスイッチング動作により、所望の周波数および振幅の単相交流電圧に変換される。
なお、図６に示した回路構成の単位インバータの組立構造は、図９に示した従来の外形図とほぼ同じである。

図５に示した三相インバータの回路構成からも明らかなように、単位インバータ６１〜６３それぞれの出力端子間の接続経路をより短くしつつ、単位インバータ６１〜６３それぞれの出力電圧が互いに加算されるようにするために、単位インバータ６２の出力電圧の極性を単位インバータ６１，６３とは逆にする必要がある。また、単位インバータ７１〜７３および単位インバータ８１〜８３についても同様である。

すなわち単位インバータ６２ではその制御回路ＣＴＲａにより、図３に示した極性選択器５６又は図４に示した極性切替器５９および極性演算器６０と同様の構成要素である切換回路若しくはＩＧＢＴへのＰＷＭパルス分配の切替手段を用いて、電圧指令に対する極性の設定変更が必要である。また、単位インバータ７２および単位インバータ８２についても同様の設定変更が必要である。

従って、制御装置４０は図３に示した制御装置５０における極性選択器５６を省略した回路構成、または、図４に示した制御装置５７における極性切替器５９と極性演算器６０とを省略した回路構成である。

なお、図５に示したこの発明の回路構成では、単位インバータ６２の出力電圧の極性を単位インバータ６１，６３とは逆にしたときの構成であるが、図６に示した回路構成の単位インバータを用いることにより、単位インバータ６１〜６３それぞれの出力端子間の接続経路をより短くするために、単位インバータ６１〜６３の間でのそれぞれの出力電圧の極性関係は任意に設定できる。また、単位インバータ７１〜７３および単位インバータ８１〜８３についても同様である。

さらに、上述の第１，第２の実施の形態では、単位インバータとして２レベルの単相インバータを用いた回路構成で説明を行ったが、例えば，少ない単位インバータの台数でより高電圧を出力するために３レベルの単相インバータを用いたときにも、この発明の手段を用いることで、配線材料のコストダウンおよび製造工数低減が可能になる。

１０…変圧器回路、１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３…単位インバータ、４０，５０，５７…制御装置、６１〜６３，７１〜７３，８１〜８３…単位インバータ、１０２，１０３…出力端子、２０１〜２０４…導体。

Claims (7)

1. 第１と第２の出力端子を備える複数の単位インバータのそれぞれの出力端を直列多段接続してなる電力変換装置であって、
   前記多段直列接続され電気的に隣接する２つの単位インバータがそれぞれの第１の出力端子同士で接続される場合、前記２つの単位インバータそれぞれの第１の出力端子を基準としてそれぞれの第２の出力端子から出力される単相交流電圧を、前記２つの単位インバータ間で、基本波周波数が同一かつ基本波位相が逆極性となるように発生し、
   前記多段直列接続され電気的に隣接する２つの単位インバータがそれぞれの第２の出力端子同士で接続される場合、前記２つの単位インバータそれぞれの第２の出力端子を基準としてそれぞれの第１の出力端子から出力される単相交流電圧を、前記２つの単位インバータ間で、基本波周波数が同一かつ基本波位相が逆極性となるように発生する、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記単位インバータは、２レベルの単相インバータであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記単位インバータは、３レベルの単相インバータであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記単位インバータが備える第１と第２の出力端子は、各単位インバータの同一面に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記多段直列接続され電気的に隣接する２つの単位インバータがそれぞれの第１の出力端子同士で接続される場合、および前記多段直列接続され電気的に隣接する２つの単位インバータがそれぞれの第２の出力端子同士で接続される場合、これら２つの単位インバータ間を接続する配線が、直線形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電力変換装置を３組用いてなることを特徴とする三相の電力変換装置。
7. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電力変換装置を複数組用いてなることを特徴とする多相の電力変換装置。

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