JP6027060B2 - マルチレベルインバータ - Google Patents

Description

本発明は、マルチレベルインバータに関するものである。

電力産業において、フレキシブル交流送電システム（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ＡＣ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ；ＦＡＣＴＳ）のような、効率的でかつフレキシブルな電力系統の運用及び構成を図るための高圧電力機器の開発要件に応じて、高圧大容量のマルチレベルインバータが出現しており、最近のマルチレベルインバータは、高圧大容量のインバータシステムのためのトポロジーとして関心が増してきている。

このようなマルチレベルインバータは、大きく三つの種類があるが、ダイオードクランプインバータ、カスケードＨ−ブリッジ（ｃａｓｃａｄｅｄ Ｈ−ｂｒｉｄｇｅ）インバータ、及びフライングキャパシタインバータが、それである。

このうち、カスケードＨ−ブリッジインバータは、低圧Ｈ−ブリッジインバータを直列に接続して、独立したＤＣリンクを有する単位セルで構成され、各セルの電圧の和と総出力電圧の大きさが同じであり、セルの数に応じて出力電圧を可変することができる。このようなカスケードＨ−ブリッジインバータの最大の欠点は、独立したＤＣリンク電源を供給しなければならないということである。

図１は、従来のカスケードＨ−ブリッジインバータを概略的に説明するための構成図である。

図１に示すように、従来のカスケードＨ−ブリッジインバータは、マスターコントローラ１３０と、複数のセル１２０内のセルコントローラ（図示せず）とによって制御が行われ、マスターコントローラ１３０のセルコントローラは、高速リンクで連結されており、これを用いてデータを送受信する。

マスターコントローラ１３０は、電動機の速度とインバータの出力電流を受信し、電動機の速度及び電流制御を行い、３相の電圧基準を各相別に同期を合わせて、セルコントローラに送信する。

セルコントローラは、各セル１２０のＤＣリンク電圧と、マスターコントローラ１３０から受信される電圧の基準を用いて、パルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を生成する。

このような従来のカスケードＨ−ブリッジインバータにおいて、マスターコントローラ１３０は、電動機２００の安全な加減速のために各相の電流を電動機２００から検出し、このために、電流センサ１４０が配置される。

従来、電動機２００に用いられる電流センサ１４０は、最終の絶縁電圧の大きさが電動機２００の電圧と等しく、電流センサ１４０の検出長さが非常に長くなるため、電圧型電流センサが用いられず、電流型電流センサが使用される。これは、電流型電流センサがノイズに、より強いからである。

つまり、事前電圧及び電流条件によって検出電流センサの選択に制約を受けることになり、また、各相の電流を検出する素子が１つのみ配置されるため、ハードウェア的な障害がある場合、対応可能な方法が無いという問題点がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、直列に接続されているセルに同じ電流を提供し、各セルで電流を検出し、汎用の電流検出素子を用いて、マルチレベルインバータの電流を検出する、マルチレベルインバータを提供することである。

また、本発明が解決しようとするもう一つの技術的課題は、電圧及び電流の条件やノイズへの制約に関係なく、電流検出素子を適用することができるマルチレベルインバータを提供することである。

上記のような技術的課題を解決するために、１つの相の構成する複数の単位電力セルが直列に接続され、３相の電圧を電動機に出力する本発明の一実施形態のマルチレベルインバータは、前記複数の単位電力セルの出力電圧を検出する複数の電流センサを含む。

本発明の一実施形態において、前記複数の単位電力セルの出力電流を受信し、前記単位電力セルに電圧基準情報を送信するマスター制御部をさらに含む。

本発明の一実施形態では、前記単位電力セルは、入力されるＡＣ電圧をＤＣ電圧に整流する整流部と、前記整流部の出力電圧を平滑するＤＣリンクコンデンサと、前記マスター制御部から受信した電圧基準情報に基づいて、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成するセル制御部と、前記セル制御部のＰＷＭ信号により、ＤＣリンクコンデンサのＤＣ電圧を電動機に出力するＡＣ電圧に変換するインバータ部と、及び前記インバータ部の出力電流を検出する前記電流センサと、を含む。

本発明の一実施形態において、前記インバータ部は、複数の半導体素子を含み、前記電流センサは、前記複数の半導体素子から出力される電流を検出する。

本発明の一実施形態において、前記電流センサは、前記インバータ部の出力電流を検出し、前記マスター制御部に提供する。

上記のような本発明は、システムを構成する場合、ハードウェア的な障害が発生しても、設定した性能を同一に出力するようにして、システムの信頼性を向上させることができ、別の設定変更を必要とすることがないため、システムのメンテナンスコストを減らすことができる。

また、セル別に電流を検出し、電圧に対して安全して電流を検出することができ、より正確な値を検出する効果がある。

従来のカスケードＨ−ブリッジインバータを概略的に説明するための構成図である。 本発明の一実施形態に係るマルチレベルインバータの構成図である。 図２の各セルの詳細構成図である。

本発明は、様々な変更を加えることができ、様々な実施形態を有することができるところ、特定の実施形態を図面に例示して、詳細な説明において詳細に説明する。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更、均等物ないし代替物を含むものと理解されるべきである。

以下、添付した図面を参照して、本発明による好適な一実施形態を詳細に説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係るマルチレベルインバータの構成図である。

本発明で説明するマルチレベルインバータは、例えば、カスケードＨ−ブリッジインバータを挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、様々な方式のインバータに提供することができる。

図２に示すように、本発明のマルチレベルインバータ１０は、電動機２０を制御するためのものであり、マスター制御部１１、複数の単位電力セル（以下、「セル」という。）１２及び位相シフト変圧器（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）１３を含む。

位相シフト変圧器１３は、各セル１２に独立した電源を供給する。この構成については、本発明と直接関連がないため、詳細な説明は省略する。

複数のセル１２は、Ｕ相を構成するセルＵ１，Ｕ２，．．．，Ｕｎ、Ｖ相を構成するセルＶ１，Ｖ２，．．．，Ｖｎ、及び、Ｗ相を構成するセルＷ１，Ｗ２，．．．，Ｗｎを含み、それぞれの相電圧を提供するために構成されているセルが直列に接続されており、これらの出力の和が電動機２０の駆動のためのマルチレベルの出力電圧になり得る。１つの相を構成するセルの数は、出力電圧によって決められる。

図３は、図２の各セルの詳細構成図である。複数のセルの構成は同一であるため、１つのセルのみを示すことにする。

図３に示すように、本発明の単位電力セル１２は、整流部３１、ＤＣリンクコンデンサ３２、インバータ部３３、電流センサ３４、及びセル制御部３５を含む。

整流部３１は、位相シフト変圧器１３から入力されるＡＣ電圧をＤＣ電圧に整流し、ＤＣリンクコンデンサ３２は、整流部３１から入力されるＤＣ電圧を平滑する。整流部３１は、複数のダイオードで構成されてもよい。

インバータ部３３は、セル制御部３５のＰＷＭ制御により、電動機２０に出力するＡＣ電圧を生成して出力し、複数の半導体素子（例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＩＧＢＴ）で構成してもよい。

電流センサ３４は、インバータ部３３の複数の半導体素子から出力される電流を検出して、マスター制御部１１に提供することができる。

図２のマスター制御部１１は、複数のセル１２と独立して構成されるように示されているが、これは簡単のためであって、マスター制御部１１と、複数のセル１２のセル制御部３５は、絶縁及びノイズ低減のために光通信を介して連結することができる。

マスター制御部１１は、複数のセルから出力電圧を受信して、再びセル１２に電圧基準情報を送信する。それぞれのセル１２は、ＤＣリンク電圧に該当する出力電圧を負荷である電動機２０に印加するが、電圧基準情報に基づいてパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成し、これによって、電動機２０に印可される周波数を可変して起動トルクを得ると同時に、電動機の速度を制御することができる。

本発明のマルチレベルインバータ１０は、電動機２０に入力される相電圧を構成する複数のセル１２にそれぞれ電流センサ３４を配置し、複数のセル１２のインバータ部３３の出力電流を検出する。

このような構成により、各セルでは、全マルチレベルインバータ１０に比べてノイズレベルが低いため、電圧型電流センサを用いることができ、電流検出をセル１２で行うため、検出距離が短く、電源供給が円滑である。また、各セル１２別に過電流保護が可能であるため、より信頼性の高いシステムを構築することができる。

また、各相でセル１２に流れる電流は同一であるため、一つのセルが動作しない場合も、連続的に電流検出が可能であり、セル１２の電流情報をマスター制御部１１に送信するため、マスター制御部１１は、セル制御部３５に、より正確な制御情報を送信することができる。

また、インバータ単位の電流センサに比べると、汎用の電圧型電流センサを用いることができるため、従来の電流型大容量の電流センサに比べてコストを節減することができ、電流センサに対する絶縁耐圧がセル電圧に限定されるため、追加の絶縁補強が求められない。

以上、本発明に係る実施形態を説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当該分野において通常の知識を有する者であれば、これから様々な変形及び均等な範囲の実施形態が可能であることを理解することができる。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、次の特許請求の範囲によって定めなければならない。

１０ マルチレベルインバータ
２０ 電動機
１１ マスター制御部
３４ 電流センサ
３５ セル制御部

Claims (1)

1. １つの相の構成する複数の単位電力セルが直列に接続され、３相の電圧を電動機に出力するマルチレベルインバータであって、
   前記複数の単位電力セルにそれぞれ配置され、前記複数の単位電力セルの出力電流をそれぞれ検出する複数の電流センサ、及び、
   前記複数の単位電力セルの出力電流を受信し、前記単位電力セルに電圧基準情報を送信するマスター制御部を含み、
   前記複数の単位電力セルの各々は、
   入力されるＡＣ電圧をＤＣ電圧に整流する整流部、
   前記整流部の出力電圧を平滑するＤＣリンクコンデンサ、
   パルス幅変調（ＰＷＭ）信号により、前記ＤＣリンクコンデンサのＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換して電動機に出力し、２つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が直列に連結される第１変換部及び他の２つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタが直列に連結され前記第１変換部と並列に連結される第２変換部を具備するインバータ部、
   前記第１変換部の第１出力端に配置され、前記第１出力端の出力電流を検出して前記マスター制御部に出力する第１電流センサ、
   前記第２変換部の第２出力端に配置され、前記第２出力端の出力電流を検出して前記マスター制御部に出力する第２電流センサ、及び、
   前記マスター制御部から受信した前記電圧基準情報に応じて、前記パルス幅変調信号を生成するセル制御部を含み、
   前記マスター制御部と前記セル制御部は、光通信を介して連結され、
   前記第１電流センサ及び前記第２電流センサは、電圧型電流センサを含み、
   前記第１電流センサ及び前記第２電流センサは、前記複数の電流センサに含まれることを特徴とするマルチレベルインバータ。

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