JP6105523B2 - 高圧インバータの位相置換変圧器の位相角決定方法 - Google Patents
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Description
本発明は、高圧インバータの位相置換変圧器の位相角決定方法に関するものである。
一般に、マルチレベル高圧インバータ（ｍｕｌｔｉ−ｌｅｖｅｌ ｍｅｄｉｕｍ−ｖｏｌｔａｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）は、入力線間電圧の失効分が６００Ｖ以上のインバータであり、出力相電圧（ｐｈａｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ）は、複数の段階（ｍｕｌｔｉ−ｌｅｖｅｌ）を有する。
高圧インバータは、数百キロワット（ｋＷ）〜数十メガワット（ＭＷ）の大容量の電動機を駆動するために用いられて、ファン（ｆａｎ）、ポンプ（ｐｕｍｐ）、圧縮機（ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）、牽引（ｔｒａｃｔｉｏｎ）、昇降（ｈｏｉｓｔ）、コンベヤー（ｃｏｎｖｅｙｏｒ）のような分野で主に用いられる。
このようなマルチレベル高圧インバータは、入力端の相電流の高調波（ｈａｒｍｏｎｉｃ）低減のために、位相置換変圧器（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）を用いるが、位相置換変圧器の位相置換角は、単位電力セル（ｕｎｉｔ ｐｏｗｅｒ ｃｅｌｌ）の数によって決められ、単位電力セルの数が多いほど入力端の全高調波歪率（Ｔｏｔａｌ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ、ＴＨＤ）が改善される。しかし、単位電力セルの数が少ない場合には、入力相電流のＴＨＤが深刻化される問題点がある。
図１は一般的なマルチレベル高圧インバータの構成図で、直列型Ｈ−ブリッジ（ｃａｓｃａｄｅｄ Ｈ−ｂｒｉｄｇｅ）高圧インバータを示した図であり、図２は図１の単位電力セルの詳細構成図である。
このような一般的なマルチレベル高圧インバータ１００において、位相置換変圧器１１０は、高圧の入力電源を単位電力セル１２０の要求に合わせて電圧の位相と大きさを変換する。
位相置換変圧器１１０の出力電圧は、各々単位電力セル１２０の入力電源となって、図２で３相ダイオード整流器１２１を介して直流に変換される。
位相置換変圧器１１０の１次側をＮ1ターン（ｔｕｒｎ）のＹ結線で構成して、２次側をＮ2ターンのデルタ（Δ）結線で構成した後、付加（ｔｅｒｔｉａｒｙ）の結線をＮ3ターンで構成した場合、２次側位相置換角が１次側に対して陽の場合（Ｙ／Ｚ−１）の変圧器１１０の構造と位相図を図３Ａ及び図３Ｂに示した。
また、位相置換変圧器１１０の１次側をＮ1ターンのＹ結線で構成して、２次側をＮ2ターンのΔ結線で構成した後、付加の結線をＮ3ターンで構成した場合、２次側位相置換角が１次側に対して負の場合（Ｙ／Ｚ−２）の変圧器１１０の構造と位相図を図４Ａ及び図４Ｂに示した。
前述のとおり、位相置換変圧器１１０の位相置換角は、単位電力セル１２０の数によって決められて、単位電力セル１２０のＡｘ、Ｂｘ、Ｃｘは、各々同じ位相置換角を有する。
位相置換変圧器１１０の２次側出力は、単位電力セル１２０のダイオード整流器１２１の数と同じであるため、位相置換変圧器１１０の位相置換角は下記の通り決められる。
この時、αsecの単位は、[ｄｅｇｒｅｅ]である。Ｎsecは位相置換変圧器１１０の２次側出力数、または単位電力セル１２０の総数である。例えば、図１の場合、Ｎsecは９になってαsecは２０度となる。従って、全位相角は０度を基準に０度、２０度、−２０度に選定することができる。
もし、電動機一相当り２つの単位電力セルが備えられた場合、Ｎsecは６になってαsecは３０度となる。この場合には位相角は０度を基準に０度、３０度に選定することができる。
このような従来の位相置換変圧器１１０は、同じ位相角を有する２次側巻線を３対ずつ出力しているので、電動機一相当り単位電力セルが３つ以下の場合には電源側入力相電流のＴＨＤが低下する問題点がある。
これは、位相置換変圧器１１０の位相置換角を十分小さく選定できないため現れる現象で、従来の位相置換変圧器１１０の構造によっては電動機一相当り３つ以上の単位電力セルが接続される場合にだけ系統側入力相電流のＴＨＤが高調波規制を満足させることができる問題点がある。
本発明が解決しようとする技術的課題は、マルチレベル高圧インバータの電動機一相当り接続される単位電力セルが３つ以下の場合にも位相置換変圧器の１次側入力相電流の全高調波歪率（ＴＨＤ）を低減できる、高圧インバータの位相置換変圧器の位相角決定方法を提供することである。
前記のような技術的課題を解決するために、第１及び第２段で構成される複数の単位電力セルを含み、一つの前記段は３相の単位電力セルで構成され、前記複数の単位電力セルは、位相置換変圧器に各々接続される高圧インバータにおいて、本発明の位相置換変圧器の位相角を決める方法は、前記第１段の単位電力セルに対する任意の位相遷移角と位相角を選定する段階と、前記位相遷移角及び電動機の一相当り接続された単位電力セルの数を考慮して、位相角変位を決める段階と、前記位相角変位及び前記第１段の単位電力セルの位相角を利用して、前記第２段の単位電力セルの位相角を決める段階とを含んでもよい。
本発明の一実施形態において、決められた前記第２段の単位電力セルの位相角が、所定位相角を超える場合、位相角を調整する段階を含んでもよい。
本発明の一実施形態において、前記所定位相角は、最大３０度以内で決められる。
本発明の一実施形態において、前記位相角変位は、前記第１段の単位電力セルの位相遷移角を前記電動機の一相当り接続された単位電力セルの数で分けたものであってもよい。
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位相角は、各々の単位電力セルに対して個別的に決められてもよい。
本発明の一実施形態において、前記第２段の単位電力セルの位相角は、前記第１段の単位電力セルの位相角に前記位相角変移を足したものであってもよい。
本発明の一実施形態において、第３段の単位電力セルが、記位相置換変圧器にさらに接続されて、前記第３段の単位電力セルの位相角は、前記第１段の単位電力セルの位相角に前記位相角変移の二倍を足したものであってもよい。
前記のような本発明は、電動機一相当り単位電力セルの数が少ない場合にも、位相置換変圧器の１次側入力相電流のＴＨＤを低減する効果がある。
本発明は、多様な変更を加えることができて、種々の実施形態を有することができ、特定実施形態を図面に例示して詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるいずれの変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されなければならない。
以下、添付図面を参照して本発明に係る好ましい一実施形態を詳細に説明する。
図５は、本発明が適用されるマルチレベル高圧インバータの構成図であり、電動機３０一相当り２段の単位電力セルで構成された場合を示す。
図面に示したように、本発明の高圧インバータ１０は、位相置換変圧器１１と、複数の単位電力セル１２とを含む。
本発明が適用されるマルチレベル高圧インバータ１０は、入力電源２０から電動機３０に３相電源を供給する。電動機３０は、高圧の３相電動機であり、例えば誘導電動機、または動機電動機であってもよい。
位相置換変圧器１１は、入力電源２０と高圧インバータ１０との間の電気的絶縁（ｇａｌｖａｎｉｃ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）を提供して、入力端の高調波を低減して、各単位電力セル１２に適切な３相電源を提供する。
位相置換変圧器１１の位相置換角は、単位電力セル１２の数によって決められて、各単位電力セル１２に接続された位相置換変圧器１１の位相置換角は、各々異なる値である。
単位電力セル１２は、位相置換変圧器１１から電源の供給を受けて、電動機３０の相電圧を出力するが、各単位電力セル１２は、三つのグループで構成される。図５の例の場合、Ａ１とＡ２は直列接続されて電動機３０のａ相電圧を合成して、Ｂ１とＢ２は直列接続されて電動機のｂ相電圧を合成する。また、Ｃ１とＣ２は直列接続されてｃ相電圧を合成する。
合成されたｂ相電圧とａ相電圧は、１２０度の位相差を有し、ｃ相とｂ相電圧も１２０度の位相差を有する。
図６及び図７は、各々図５の単位電力セルの詳細構成図であり、図６は、インバータ部６３がフルブリッジインバータで構成された例で、図７は、インバータ部７３が単相ＮＰＣ（ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ Ｎｅｕｔｒａｌ Ｐｏｉｎｔ Ｃｌａｍｐｅｄ）インバータで構成された例である。
図６及び図７を参照すると、整流部６１、７１は、位相置換変圧器１１から受信される３相電源を整流して、直流端キャパシタ６２、７２は、これを平滑する。フルブリッジインバータ部６３からの出力電源は、５レベルで構成されて、単相ＮＰＣインバータ７３の出力電源も５レベルで構成されてもよい。これに関しては、本発明が属する技術分野において広く知られたおり、詳細な説明は省略する。
本発明の位相置換変圧器１１の位相角決定は、設計時本発明の方法にように行われる。以下では、図面を参照して位相置換変圧器の位相角を決めることについて説明する。
図８は、本発明の一実施形態の位相角決定方法を説明するためのフローチャートである。図面に示したように、本発明の方法は、第１段の単位電力セル１２であるＡ１、Ｂ１及びＣ１の位相角を任意に選定する（Ｓ１）。この時、位相置換角を２０度に選定して、Ａ１、Ｂ１及びＣ１の位相角を０度、２０度及び２０度に選定できる。但し、これは例示的なものであり、位相置換角がこれに限定されることなく、Ａ１、Ｂ１ Ｃ１の位相角の順序が変わってもよい。
次に、位相角の変位を決める（Ｓ２）。位相角変位は、電動機の一相当り接続された単位電力セルの数を考慮して、次の式によって決められる。
この時、Ｎsec_phaseは、電動機３０一相当り接続された単位電力セル１２の数である。図５の場合、Ｎsec_phaseは２であるから、Δαsecは１０度となる。これから、残りの単位電力セルＡｎ、Ｂｎ及びＣｎ（ｎは正の整数）の位相角は、変位を利用して次の通り決められる（Ｓ３）。説明の便宜のために、単位電力セルＡｎの位相角をＡｎという。Ｂｎ及びＣｎに対しても同様である。
この時、Ａｎ、Ｂｎ及びＣｎの位相角の絶対値が、例えば３０度を超える場合には（Ｓ４）、位相角を調整する（Ｓ５）。即ち、次の式のように位相角を調整してもよい。
即ち、Ａｎ、Ｂｎ及びＣｎの位相角の絶対値が最大３０度を超える場合には（Ｓ４）、位相角を調整して（Ｓ５）、調整された位相角を最終位相角として出力して、３０度を超えない場合にはＳ３で決められた位相角を最終位相角として出力することができる（Ｓ６）。
図５のような高圧インバータにおいて、本発明によって決められた位相角は、Ａ１は０度、Ａ２は１０度、Ｂ１は２０度、Ｂ２は３０度、Ｃ１は−２０度、Ｃ２は−１０度になってもよい。
また、図１のように一つの相当り接続された単位電力セルの数が３つの場合には、Ａ１は０度、Ａ２は６．７度、Ａ３は１３．４度、Ｂ１は２０度、Ｂ２は２６．７度、Ｂ３は−２６．７度、Ｃ１は−２０度、Ｃ２は−１３．４度、Ｃ３は−６．７になってもよい。
本発明の方法によって決められた位相角を適用して、全入力相電流は、ＴＨＤが改善できる。これを調べることにする。
図１を参照すると、位相置換変圧器１１０から電力セルＡ１、Ｂ１及びＣ１（１２０ａ、１２０ｄ、１２０ｇ）への出力電圧は、同じ位相を有し、電力セルＡ２、Ｂ２及びＣ２（１２０ｂ、１２０ｅ、１２０ｈ）への出力電圧が、同じ位相を有し、また、電力セルＡ３、Ｂ３及びＣ３（１２０ｃ、１２０ｆ、１２０ｉ）への出力電圧が、同じ位相を有することになる。
この場合、位相置換変圧器１１０の１次側ａ相電流の最も大きい高調波は、１７番目の高調波となる。ｂ相及びｃ相も１７番目の高調波が最も大きい高調波となる。
本発明が適用される高圧インバータの場合を説明する。
例えば、図５の電力セルＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ１に各々流れるａ相電流を定義すると、次の式（５）〜（１０）のようになる。
もし、１次側と２次側の変圧器１１のターン比（ｔｕｒｎ ｒａｔｉｏ）を１：ｍと仮定した時、位相置換変圧器１１の１次側に印加される電流は次の式（１１）〜（１６）のようになる。
これから、ａ相電流は次の式（１７）のとおりであり、基本波の他に３５番目の高調波が最も大きい高調波となる。
一般に、高調波の次数が上がればその大きさが減ることになるので、従来のインバータでは１７回目高調波が最も大きい高調波になるが、本発明によると、３５番目の高調波が最も大きい高調波になるので、ＴＨＤが改善されることがわかる。
本発明によると、高圧インバータの位相置換変圧器の位相角を全単位電力セルの数を考慮して設計することによって、入力相電流のＴＨＤを改善することができる。
以上、本発明に係る実施形態が説明されたが、これは例示的なものに過ぎなく、当分野において通常の知識を有する者であれば、これらから多様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であろう。従って、本発明の真の技術的保護範囲は、次の特許請求範囲によって決まらなければならない。
１０ 高圧インバータ
１１ 位相置換変圧器
１２ 単位電力セル
２０ 入力電源
３０ 電動機
１１ 位相置換変圧器
１２ 単位電力セル
２０ 入力電源
３０ 電動機
Claims (3)
- 第１及び第２段で構成される複数の単位電力セルを含み、一つの前記段は、３相の単位電力セルで構成され、前記複数の単位電力セルは、位相置換変圧器に各々接続される高圧インバータにおいて、前記位相置換変圧器の位相角を決める方法において、
前記第１段の単位電力セルに対する任意の位相遷移角と位相角を選定する段階と、
前記第１段の単位電力セルの位相遷移角を前記電動機の一相当り接続された単位電力セルの数に分けて、位相角変位を決める段階と、
前記位相角変位を前記第１段の単位電力セルの位相角に足して、前記第２段の単位電力セルの位相角を決める段階と、
決められた前記第２段の単位電力セルの位相角が３０度を超える場合、下記式を利用して前記３０度を超える第２段の単位電力セルの位相角を調整する段階と、を含むことを特徴とする、位相角決定方法。
- 前記複数の単位電力セルの位相角は、各々の単位電力セルに対して個別的に決められることを特徴とする、請求項１に記載の位相角決定方法。
- 第３段の単位電力セルが、前記位相置換変圧器にさらに接続されて、前記第３段の単位電力セルの位相角は、前記第１段の単位電力セルの位相角に前記位相角変移の二倍を足したものであることを特徴とする、請求項１または２に記載の位相角決定方法。
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