JP5805118B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
複数の低電圧インバータユニットを多段接続して、高電圧出力する電力変換装置において、各インバータユニット内に限流抵抗とスイッチを設けて、開閉器投入時に限流抵抗を介して平滑コンデンサを充電する方式がある。しかし、ユニット毎に限流抵抗とスイッチが必要で、スイッチの開閉制御も必要であるため部品点数が増え、小型化できないとの問題があった。
実施の形態1は、1台のインバータユニットの平滑コンデンサを初期充電回路で充電し、他のインバータユニットの平滑コンデンサは、初期充電したインバータユニットのインバータ回路側から負荷を介して充電する構成とした電力変換装置に関するものである。
図1において、全体システムは電力変換装置1、第1交流電源2、負荷である電動機3、および第2交流電源4で構成される。電力変換装置1は、第1交流電源2から交流電力を受け、これを負荷に要求される高電圧に変換して、負荷である電動機3に供給する。実施の形態1においては、電力変換装置1は3相の電力変換装置を想定している。また、負荷としては三相電動機を想定しており、以下の説明では負荷を電動機3とする。
主回路部は、開閉器11と、主電源トランス12と、インバータユニット20U1、20U2、20V1、20V2、20W1、20W2(以降、インバータユニット全体をいう場合は、インバータユニット20U1〜20W2と記載する)とから構成される。
初期充電回路部は、初期充電用スイッチ31と、初期充電用トランス32と、初期充電用整流回路33とから構成される。
そして、インバータユニット20U1を代表として記載しているように、各インバータユニット20U1〜20W2は、整流回路21と、スイッチング素子より成るインバータ回路22と、平滑コンデンサ23と、抵抗器24とから構成される。整流回路21とインバータ回路22は、平滑コンデンサ23および抵抗器24を介してお互いに直流部で接続されている。
なお、電動機3がこの発明における負荷である。また、初期充電回路部がこの発明における初期充電する回路である。
主電源トランス12は、開閉器11を介して第1交流電源2に接続されている。主電源トランス12は複数の2次巻線を有しており、各々の2次巻線は各インバータユニット20U1、20U2、20V1、20V2、20W1、20W2の入力端子に接続されている。また、インバータユニット20U2の出力端子U、インバータユニット20V2の出力端子V、およびインバータユニット20W2の出力端子Wは、それぞれ電動機3のU、V、W端子に接続されている。
なお、第2交流電源4は、第1交流電源2よりも低電圧であることを想定しているため、初期充電用トランス32、初期充電用整流回路33に低電圧仕様の部品を使用可能である。
また、実施の形態1では、第1交流電源2と第2交流電源4とが別電源としているが、同一電源であってもよい。
初期充電用トランス32は、初期充電用スイッチ31を介して第2交流電源4に接続されている。
まずインバータユニット20U1に対して、初期充電用スイッチ31をオンとして、電力変換装置1の制御電源などの別系統の第2交流電源4から初期充電用トランス32を介して充電を行う。1台のインバータユニットは低電圧であるため、初期充電用トランス32および初期充電用整流回路33は、低電圧仕様の部品を使用でき、コストを削減できる。
このため、FWDが導通されない電圧まで充電がされたら、以下の方法で各インバータユニットの平滑コンデンサ23を充電する。
なお、図2(a)、(b)において、バイパス時の電流が流れる経路を太い実線で示している。
また、実施の形態1では、インバータユニットの直列数を1相あたり2台直列としているが、1相あたり1台でもよく、3台以上のインバータユニットを直列としてもよい。
実施の形態1では、3相の電力変換装置について説明したが、2相あるいは4相以上であってもよい。
なお、実施の形態1では、電力変換装置1の中性点を接地する構成としている。もし、電力変換装置の中性点を接地しない場合は、高圧絶縁仕様の初期充電用トランスを使用する。
また、インバータユニットを電流制限してインバータ出力させることで、初期充電用トランスなどの電流容量を大きくする必要がない。このため、初期充電回路の部品を高電流仕様とする必要がなく、コスト低減を図ることができる。
さらに、インバータユニットのインバータ回路側から充電するので、整流回路の回路構成には依存せず、種々の整流回路方式を使用できる。
実施の形態2の電力変換装置は、実施の形態1の電力変換装置1の各インバータユニットの出力をバイパスするために、バイパススイッチを設ける構成としたものである。
なお、図3において、図1と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
実施の形態3の電力変換装置200は、実施の形態1の電力変換装置1の各インバータユニットのインバータ回路を2レベルから3レベルインバータとしたものである。
以下、実施の形態3の電力変換装置200の構成、動作について、電力変換装置200の回路構成図である図4およびバイパス動作の説明図である図5に基づいて差異を中心に説明する。
なお、図4において、図1と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
図5(a)は、交流端子側のスイッチング素子のみをオンした場合である。図5(b)は、上側アームのスイッチング素子のみをオンした場合である。図5(c)は、下側アームのスイッチング素子のみをオンした場合である。
なお、図5(a)、(b)、(c)において、バイパス時の電流が流れる経路を太い実線で示している。
実施の形態4の電力変換装置は、各相のインバータユニットを3台以上直列に接続し、2台以上のインバータユニットに初期充電回路を設ける構成としたものである。
以下、実施の形態4の電力変換装置の構成、動作について、電力変換装置300の主要部の回路構成図である図6および初期充電動作フロー図である図7、8に基づいて差異を中心に説明する。
なお、図6では、実施の形態1の図1における主電源トランス12よりも上位側の回路を省略し、初期充電に関連する回路部分のみを記載している。
また、各インバータユニットの構成は、実施の形態1の図1のインバータユニット20U1と同様であるとして、説明する。
実施の形態4の具体例として、図6では、インバータユニット20U1、20U2、20U3、20V1、20V2、20V3、20W1、20W2、20W3の内、インバータユニット20U1、20U2の2台に初期充電回路を備える構成例を示している。
ここで、初期充電回路は、初期充電用スイッチ31と、初期充電用トランス32および35と、初期充電用整流回路33および36とから構成される。初期充電用トランス32、35は、初期充電用スイッチ31を介して第2交流電源4に接続されている。
したがって、制御電源は、幅広い入力(14.3%〜100%)に対して安定した出力を得る必要があるため、設計が困難であったり、最適設計ができずに損失が増大したり、大型になる可能性がある。
初期充電が開始される(S1)と、初期充電用スイッチ31をオンにする(S2)。
次に、インバータユニット20U1および20U2の平滑コンデンサ23の電圧が定格電圧まで充電済みか確認する(S3)。確認結果がNOであれば、一時ホールド後、元に戻り再度確認する。
確認結果がYESであれば、次に進み、インバータユニット20U1および20U2が電流制御を開始して、電動機3を経由して他のインバータユニットの平滑コンデンサ23の充電を開始する(S4)。
確認結果がYESであれば、次に進み、インバータユニット20U3の出力をバイパスする(S6)。
次に、インバータユニット20V1〜V3および20W1〜3の平滑コンデンサ23の電圧が所定電圧まで充電済みか確認する(S7)。確認結果がNOであれば、一時ホールド後、元に戻り再度確認する。
確認結果がYESであれば、次に進み、インバータユニット20U3、20V2〜3、20W2〜3の出力をバイパスする(S8)。
次に、インバータユニット20V1、20W1を充電する(S9)。
確認結果がYESであれば、次に進み、インバータユニット20U3、20V1、20V3、20W1、20W3の出力をバイパスする(S11)。
次に、インバータユニット20V2、20W2を充電する(S12)。
次に、インバータユニット20V2および20W2の平滑コンデンサ23の電圧が定格電圧に到達したか確認する(S13)。確認結果がNOであれば、一時ホールド後、元に戻り再度確認する。
確認結果がYESであれば、次に進み、インバータユニット20U3、20V1〜2、20W1〜2の出力をバイパスする(S14)。
次に、インバータユニット20V3、20W3を充電する(S15)。
確認結果がYESであれば、次に進み、インバータユニット20V1〜3、20W1〜3の出力をバイパスする(S17)。
次に、インバータユニット20U3を充電する(S18)。
次に、インバータユニット20U3の平滑コンデンサ23の電圧が定格電圧に到達したか確認する(S19)。確認結果がNOであれば、一時ホールド後、元に戻り再度確認する。
確認結果がYESであれば、全インバータユニットのインバータ回路のスイッチング素子をオフとし、初期充電用スイッチ31をオフとし(S20)、初期充電を終了する(S21)。
なお、インバータユニットの出力にバイパススイッチを設けて、スイッチ制御回路の電源を外部から供給する場合は、1相当たりのインバータユニットを3台以上直列に接続する構成であっても、初期充電回路を設けるインバータユニットは、1台とすることができる。
また、図6において、電力変換装置300の中性点を接地しているが、非接地とすることもできる。
また、上記説明した初期充電の動作フローにしたがって、初期充電を行うことで、バイパススイッチの制御電源を自インバータユニットの平滑コンデンサから生成することができ、さらに、回路構成を簡素化することができる。
4 第2交流電源、11 開閉器、12 主電源トランス、
20U1〜20W2,20U1〜20W3 インバータユニット、21 整流回路、
22 インバータ回路、23 平滑コンデンサ、24 抵抗器、
25 バイパススイッチ、31 初期充電用スイッチ、
32,35 初期充電用トランス、33,36 初期充電用整流回路、
34 スイッチ制御回路。
Claims (6)
- 直流電源部に平滑コンデンサを有する1相あたり1台以上のインバータユニットを直列接続して、負荷に高電圧出力する多相の電力変換装置において、
少なくとも1台の前記インバータユニットの前記平滑コンデンサを外部から初期充電する回路を備え、
少なくとも1台の前記インバータユニットの前記平滑コンデンサを外部から充電後、充電された前記インバータユニットからインバータ出力を行い、前記負荷を介して他の前記インバータユニットの前記平滑コンデンサを充電する構成とした電力変換装置。 - 前記外部から初期充電されたインバータユニットが他の前記インバータユニットの前記平滑コンデンサを充電する時、電流制御する構成とした請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記外部から初期充電されたインバータユニットが他の前記インバータユニットの前記平滑コンデンサを充電する時、充電される前記インバータユニットの出力をバイパスする構成とした請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。
- バイパス対象の前記インバータユニットのインバータ回路を構成するスイッチング素子をオンすることで、充電される前記インバータユニットの出力をバイパスする構成とした請求項3に記載の電力変換装置。
- バイパス対象の前記インバータユニットの出力に接続されたバイパススイッチをオンすることで、充電される前記インバータユニットの出力をバイパスする構成とした請求項3に記載の電力変換装置。
- 充電される前記インバータユニットの前記平滑コンデンサの電圧が定格電圧まで充電されていない状態で、一時的に前記インバータユニットの出力をバイパスし、他の充電される前記インバータユニットの前記平滑コンデンサが定格電圧まで充電された後に、前記バイパスを解除して、前記インバータユニットの前記平滑コンデンサの電圧を定格電圧まで充電する構成とした請求項3に記載の電力変換装置。
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