JPH07123724A - 多重インバータ装置および位相配列方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】多重インバータ装置の直流回路で、スイッチン
グリプル電流が各単位インバータの直流回路のコンデン
サと配線のインダクタンスとによる共振を起こすのを抑
制する。 【構成】各単位インバータ２ａ〜２ｄが有しているコン
デンサ３ａ〜３ｄと各単位インバータ２ａ〜２ｄの直流
回路を接続する配線との間に抵抗６ａ〜６ｄを挿入し、
または、コンデンサ３ａ〜３ｄと直列に抵抗７ａ〜７ｄ
を挿入して、共振回路のＱ値を小さくする構成、あるい
は、各単位インバータ２ａ〜２ｄの配列順序により、ス
イッチングリプル電流を相殺する構成。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、直流入力側にコンデ
ンサが並列接続された単位インバータを１つの直流直流
電源に対して複数台並列に接続して構成する多重インバ
ータ装置および多重インバータ装置の位相配列方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来の多重インバータの構成例を図１０
に示す。同図において、直流電源１より単位インバータ
２ａ〜２ｄに直流が給電され、単位インバータ２ａ〜２
ｄの直流回路には平滑用のコンデンサ３ａ〜３ｄがそれ
ぞれ接続されている。また、各単位インバータ２ａ〜２
ｄは適当な位相差を持ち、単位インバータ２ａ〜２ｄの
出力側にはインバータトランス４ａ〜４ｄがそれぞれ接
続され、インバータトランス４ａ〜４ｄの二次側でベク
トル合成することで低歪みの波形を負荷５に出力する。

【０００３】単位インバータ２ａ〜２ｄはＧＴＯ（ゲー
トターンオフ）サイリスタ等の電力用半導体デバイス
を、三相ブリッジ結線にし、スイッチング回数を少なく
することでスイッチング損失を抑え、交流出力側の高調
波も抑制している。また、単位インバータ２ａ〜２ｄの
直流回路側では、前記電力用半導体デバイスのスイッチ
ング動作に伴い、図１０に示すスイッチングリプル電流
Ｉｒ１〜Ｉｒ４が流れる。このスイッチングリプル電流
Ｉｒ１〜Ｉｒ４はインバータの出力周波数の６倍の周波
数成分を持ち、等間隔の位相差になり、コンデンサ３ａ
〜３ｄから供給される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】各単位インバータのコ
ンデンサに流れるスイッチングリプル電流は、多重イン
バータ装置を構成する各単位インバータ間が位相差を有
しているので、直流電源と各単位インバータの直流回路
の間を接続する配線にも横流として流れる。各単位イン
バータの前記配線のインダクタンス値と各単位インバー
タのコンデンサの容量によって決まる共振周波数が前記
スイッチングリプル電流の周波数に近い場合、前記コン
デンサのスイッチングリプル電流に前記横流が重畳さ
れ、その結果、前記コンデンサが有するリプル電流許容
値を越える恐れがあり、前記コンデンサの寿命に影響を
与えたり、前記配線の温度上昇が問題となる。

【０００５】この発明の目的は、多重インバータ装置の
直流回路で、前記スイッチングリプル電流が各単位イン
バータの直流回路のコンデンサと配線のインダクタンス
とにより共振現象を起こす場合の、共振電流を抑制する
ことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の問題点を解決する
ために、第１の発明では、直流入力側にコンデンサが並
列接続された単位インバータを、１つの直流直流電源に
対して複数台並列に接続して構成する多重インバータ装
置において、前記単位インバータと前記直流電源とをダ
ンピング抵抗を介して接続してなることと、第２の発明
では、直流入力側にコンデンサが並列接続された単位イ
ンバータを、１つの直流直流電源に対して複数台並列に
接続して構成する多重インバータ装置において、前記単
位インバータに接続されているコンデンサに対して直列
にダンピング抵抗を挿入してなることと、第３の発明で
は、前記各単位インバータの直流電源に対する接続順序
と各単位インバータの交流出力位相値との対応条件を変
化させ、前記単位インバータのスイッチングによって前
記コンデンサを流れるスイッチングリプル電流の最大値
が最も小さな値をとるときの位相値を前記多重インバー
タ装置に対する位相配列とすることとを手段としてい
る。

【０００７】

【作用】第１の発明では、多重インバータ装置の単位イ
ンバータの直流回路において、各単位インバータが有し
ているコンデンサと、各単位インバータを接続する配線
との間に抵抗を挿入したことにより、共振回路のＱ値を
小さくでき、コンデンサに流れるスイッチングリプル電
流と横流が抑制される。

【０００８】第２の発明では、多重インバータ装置の単
位インバータの直流回路において、各単位インバータが
有しているコンデンサと直列に抵抗を挿入したことによ
り、共振回路のＱ値を小さくでき、コンデンサに流れる
スイッチングリプル電流と横流が抑制される。第３の発
明では、多重インバータ装置において、位相の異なる各
単位インバータの配列順序を最適な位相差順序で設置す
ることにより、各単位インバータのスイッチングリプル
電流がその位相差関係によって互いに相殺され、直流電
源と各単位インバータの直流回路を接続する配線間の横
流とコンデンサに流れるスイッチングリプル電流とが抑
制される。

【０００９】

【実施例】図１は第１の発明の実施例を示し、単位イン
バータ４台による多重インバータ装置の構成図である。
以下の図において、図１０と同一機能を有するものには
同一符号を付して説明を省略し、異なる機能を中心に説
明する。すなわち図１において、電力用半導体デバイス
を三相ブリッジ結線にした各単位インバータ２ａ〜２ｄ
はそれぞれのインバータトランス４ａ〜４ｄに対して等
間隔に位相のずれた波形で出力する。その結果、各コン
デンサ３ａ〜３ｄと対応する各単位インバータ２ａ〜２
ｄの間でやり取りするスイッチングリプル電流もそれぞ
れの単位インバータに対応して位相がずれている。

【００１０】従って、各単位インバータ２ａ〜２ｄは直
流電源１から見て、周波数６ｆ（ｆ；交流出力周波
数）、位相差６φ（φ；交流出力位相差）の４個の電流
源と見做すことができる。図２に、図１に示す直流電源
１を省略した、この発明の第１の実施例の等価回路を示
す。同図においてＬ１〜Ｌ３は直流回路の配線のインダ
クタンスを示し、Ｌ１〜Ｌ３のインダクタンス値と、コ
ンデンサ３ａ〜３ｄの容量との共振周波数がスイッチン
グリプル周波数に近い値であれば直流回路に共振電流が
流れるが、直流電源と各単位インバータの直流回路を接
続する配線中に、共振回路のダンピングを目的として、
図１に示す、抵抗６ａ〜６ｄを挿入することで、ある単
位インバータから他の単位インバータへ流れる共振電流
が抑制され、その結果、各単位インバータのコンデンサ
に流れるスイッチングリプル電流も抑えられる。

【００１１】図３は第２の発明の実施例を示し、電力用
半導体デバイスを三相ブリッジ結線にした単位インバー
タ４台による多重インバータ装置の構成図である。第１
の実施例と同様に、各単位インバータ２ａ〜２ｄを電流
源と見做した等価回路を図４に示す。同図においてＬ１
〜Ｌ３は直流回路の配線のインダクタンスを示し、Ｌ１
〜Ｌ３のインダクタンス値と、コンデンサ３ａ〜３ｄの
容量との共振周波数がスイッチングリプル周波数に近い
値であれば直流回路に共振電流が流れるが、図３に示す
抵抗７ａ〜７ｄが共振回路のダンピングの作用をし、あ
る単位インバータから他の単位インバータへ流れる共振
電流が抑制され、その結果、各単位インバータのコンデ
ンサに流れるスイッチングリプル電流も抑えられる。

【００１２】次に、第３の発明の実施例を説明する。こ
の実施例では電力用半導体デバイスを三相ブリッジ結線
にした単位インバータ４台による多重インバータ装置の
位相差順序の最適化について示す。すなわち、互いに出
力波形の位相が異なる４個の単位インバータの配列順序
を最適化することでコンテンサのスイッチングリプル電
流と横流を抑制する方法について説明する。

【００１３】図５は、単位インバータ４台による多重イ
ンバータ装置の直流回路の等価回路を示し、各単位イン
バータの直流回路に設置されたコンデンサの容量をＣと
し、直流電源と各単位インバータの直流回路間の配線の
インダクタンス値をＬとしている。また、各単位インバ
ータが出力するスイッチングリプル電流は電流源Ｉｓ1
〜Ｉｓ4 （フェーザ）で等価的に置き換えられている。
これらの電流源Ｉｓ１〜Ｉｓ４は、図１および図３の単
位インバータ２ａ〜２ｄに対応するものと定義する。

【００１４】各単位インバータが出力するスイッチング
リプル電流は高調波を含んでいるが、その基本波のみの
正弦波と見做し、従って、ここでは各単位インバータ間
は実効値が等しく、位相が等間隔にずれているとする。
以下、節点解析法により、コンテンサのスイッチングリ
プル電流と直流電源と各単位インバータの直流回路を接
続する配線間の横流を求める。

【００１５】まず、節点〔１〕〜〔４〕を図５のように
定め、各節点の電圧をｅ１〜ｅ４（フェーザ）とする。
また各枝電流Ｊ１〜Ｊ７（フェーザ）とそれらの基準方
向を、図５に示す、矢印で示したように定める。節点行
列Ａ、枝電流ベクトルをＪとすれば、式（１）を得る。

【００１６】

【数１】

【００１７】各枝の電圧をＶ１〜Ｖ７（フェーザ）と
し、枝電圧ベクトルをＶとし、節点電圧ベクトルをｅと
すれば、式（２）を得る。

【００１８】

【数２】

【００１９】次にアドミッタンス行列をＹｂ、電流源ベ
クトルをＪｓとおけば、式（３）が成り立つ。

【００２０】

【数３】

【００２１】式（３）の両辺に節点行列Ａを掛けて、式
（２）に代入すれば、式（４）を得る。

【００２２】

【数４】

【００２３】これらをまとめて、節点方程式（５）を得
る。

【００２４】

【数５】

【００２５】節点アドミッタンス行列Ｙｎを求めると、
式（６）のようになる。

【００２６】

【数６】

【００２７】電流源ベクトルＩｓは、式（７）で与えら
れる。

【００２８】

【数７】

【００２９】従って、節点方程式（５）は、式（８）の
ように表される。

【００３０】

【数８】

【００３１】節点電圧ｅ１〜ｅ４をクラーメルの公式で
解くために必要な行列式を式（９）〜（１３）で算出す
る。

【００３２】

【数９】

【００３３】

【数１０】

【００３４】

【数１１】

【００３５】

【数１２】

【００３６】

【数１３】

【００３７】ここで図５に示す等価回路の回路条件とし
て、例えば、 コンデンサ容量 Ｃ＝３０，０００μＦ 配線インダクタンス値 Ｌ＝２．０ μＨ が与えられているものとする。また、各単位インバータ
の スイッチングリプル電流の角周波数 ω＝２π×３６０
〔ｒａｄ／ｓ〕 とする。

【００３８】これらの条件で、節点方程式（８）の節点
電圧ｅ１〜ｅ４をクラーメルの公式を用いて計算し、式
（１４）〜（１７）を得る。節点電圧ｅ１〜ｅ４は電流
源Ｉｓ１〜Ｉｓ４の一次結合として表される。

【００３９】

【数１４】

【００４０】

【数１５】

【００４１】

【数１６】

【００４２】

【数１７】

【００４３】式（２）より、各コンデンサにかかる電圧
Ｖ１〜Ｖ４は、それぞれ節点電圧ｅ１〜ｅ４に等しいこ
とを考慮すると、図５の各コンデンサＣ１〜Ｃ４を流れ
るスイッチングリプル電流Ｉｃ１〜Ｉｃ４は式（１８）
〜（２１）になる。

【００４４】

【数１８】

【００４５】

【数１９】

【００４６】

【数２０】

【００４７】

【数２１】

【００４８】一般に、Ｎ台の三相ブリッジ結線の単位イ
ンバータによる多重インバータ装置の場合、各単位イン
バータの電圧利用率を最大にするため、各単位インバー
タの出力の位相は（６０／Ｎ）°ｅｌ（電気角）ずつず
らすのが普通である。すなわち、４台の単位インバータ
による多重インバータ装置の場合の各単位インバータの
位相差は１５°ｅｌである。この場合、各単位インバー
タのスイッチングリプル電流の周波数は出力周波数の６
倍であるから、それらお互いの位相差も６倍となり、１
５×６＝９０°ｅｌずつずれている。交流出力の位相を
基準にして、各単位インバータの出力の位相はそれぞ
れ、−２２．５°ｅｌ，−７．５°ｅｌ，＋７．５°ｅ
ｌ，＋２２．５°ｅｌのいずれかであり、スイッチング
リプル電流の位相はその６倍で、−１３５°ｅｌ，−４
５°ｅｌ，＋４５°ｅｌ，＋１３５°ｅｌのいずれかで
ある。よって、図５に示す、各単位インバータの等価電
流源Ｉｓ１〜Ｉｓ４は大きさが等しく、位相が９０°ｅ
ｌずつずれた４つの電流ベクトルと見做すことができ
る。

【００４９】４つのコンデンサを流れるスイッチングリ
プル電流Ｉｃ１〜Ｉｃ４は式（１８）〜（２１）で示さ
れるようにバランスしていない。各単位インバータの等
価電流源Ｉｓ１〜Ｉｓ４と位相値（−１３５°ｅｌ，−
４５°ｅｌ，＋４５°ｅｌ，＋１３５°ｅｌ）との対応
条件を変えながら、各場合のコンデンサのスイッチング
リプル電流の最大値どうしを比較して、それが一番小さ
い位相条件が各単位インバータの最適な位相条件である
といえる。

【００５０】４つの電流ベクトルは１８０°ｅｌ毎に位
相のずれた２対のベクトルに分割して考えられる。即
ち、１８０°ｅｌずれたベクトルどうしが互いに相殺し
あって、極力小さくなるような各単位インバータの位相
差順序を選択すればよい。各単位インバータの等価電流
源Ｉｓ１〜Ｉｓ４のうち、Ｉｓ１とＩｓ２の位相差が１
８０°ｅｌでかつ、Ｉｓ３とＩｓ４の位相差が１８０°
ｅｌのときが互いのベクトルどうしの相殺効果が最も大
きく、コンデンサのスイッチングリプル電流が最も小さ
く抑えられる位相差条件である。このときの電流源Ｉｓ
１〜Ｉｓ４とコンデンサのスイッチングリプル電流Ｉｃ
１〜Ｉｃ４の関係を図６に示す。この図で４つの電流源
Ｉｓ１〜Ｉｓ４の位相関係を進み→遅れの順に書くと、
Ｉｓ１→Ｉｓ３→Ｉｓ２→Ｉｓ４となる。これと前述し
たスイッチングリプル電流の位相差＋１３５°ｅｌ→＋
４５°ｅｌ→−４５°ｅｌ→−１３５°ｅｌの対応か
ら、交流出力に対する スイッチングリプル電流等価電流源Ｉｓ１の位相は ＋
１３５°ｅｌ スイッチングリプル電流等価電流源Ｉｓ２の位相は
−４５°ｅｌ スイッチングリプル電流等価電流源Ｉｓ３の位相は
＋４５°ｅｌ スイッチングリプル電流等価電流源Ｉｓ４の位相は −
１３５°ｅｌ であり、また、 Ｉｓ１に対応する単位インバータの出力の位相は ＋２
２．５°ｅｌ Ｉｓ２に対応する単位インバータの出力の位相は −
７．５°ｅｌ Ｉｓ３に対応する単位インバータの出力の位相は ＋
７．５°ｅｌ Ｉｓ４に対応する単位インバータの出力の位相は −２
２．５°ｅｌ であり、図７にこれら単位インバータの位相差条件の関
係をしめす。

【００５１】比較のために、コンデンサのスイッチング
リプル電流が最も大きくなってしまう位相差条件を示し
ておく。各単位インバータの等価電流源Ｉｓ１〜Ｉｓ４
のうち、Ｉｓ１とＩｓ４の位相差が１８０°ｅｌでか
つ、Ｉｓ２とＩｓ３の位相差が１８０°ｅｌのときが互
いのベクトルどうしの相殺効果が最も悪く、コンデンサ
のスイッチングリプル電流が最も大きくなってしまう位
相差条件である。このときの電流源Ｉｓ１〜Ｉｓ４とコ
ンデンサのスイッチングリプル電流Ｉｃ１〜Ｉｃ４の関
係を図８に示す。この図で４つの電流源Ｉｓ１〜Ｉｓ４
の位相関係を進み→遅れの順に書くと、Ｉｓ１→Ｉｓ２
→Ｉｓ３→Ｉｓ４となる。これと前述したスイッチング
リプル電流の位相差＋１３５°ｅｌ→＋４５°ｅｌ→−
４５°ｅｌ→−１３５°ｅｌの対応から、交流出力に対
する スイッチングリプル電流等価電流源Ｉｓ１の位相は ＋
１３５°ｅｌ スイッチングリプル電流等価電流源Ｉｓ２の位相は
＋４５°ｅｌ スイッチングリプル電流等価電流源Ｉｓ３の位相は −
１３５°ｅｌ スイッチングリプル電流等価電流源Ｉｓ４の位相は
−４５°ｅｌ であり、また、 Ｉｓ１に対応する単位インバータの出力の位相は ＋２
２．５°ｅｌ Ｉｓ２に対応する単位インバータの出力の位相は ＋
７．５°ｅｌ Ｉｓ３に対応する単位インバータの出力の位相は −２
２．５°ｅｌ Ｉｓ４に対応する単位インバータの出力の位相は −
７．５°ｅｌ であり、図９にこれら単位インバータの位相差条件の関
係をしめす。

【００５２】以上、述べてきたように４台の三相ブリッ
ジ結線の単位インバータによる多重インバータ装置で
は、各単位インバータの出力の位相差条件を、図７に示
すように、端から＋２２．５°ｅｌ，−７．５°ｅｌ，
＋７．５°ｅｌ，−２２．５°ｅｌの順にすることで、
コンデンサのスイッチングリプル電流を最小化すること
ができる。この場合、同時に多重間の横流も最小とな
る。

【００５３】配線インダクタンスＬの値とコンデンサＣ
の値が変わっても上述の方法で最適な位相差条件が求め
られる。また、４台以上の多重数の多重インバータ装置
についても、与えられた配線インダクタンスＬとコンデ
ンサＣに対する最適な位相差条件を決定することが可能
である。

【００５４】

【発明の効果】第１の発明では、多重インバータ装置の
単位インバータの直流回路において、各単位インバータ
が有しているコンデンサと、各単位インバータを接続す
る配線との間に抵抗を挿入したことにより、共振回路の
Ｑ値を小さくでき、コンデンサに流れるスイッチングリ
プル電流と横流が抑制される。このため、コンデンサの
劣化を防ぎ、また、配線の温度上昇も低く抑えられる。

【００５５】第２の発明では、多重インバータ装置の単
位インバータの直流回路において、各単位インバータが
有しているコンデンサと直列に抵抗を挿入したことによ
り、共振回路のＱ値を小さくでき、コンデンサに流れる
スイッチングリプル電流と横流が抑制される。このた
め、コンデンサの劣化を防ぎ、また、配線の温度上昇も
低く抑えられる。また、直流回路に直流電流が存在する
場合にも回路損失を低く抑えられる。

【００５６】第３の発明では、多重インバータ装置にお
いて、位相の異なる各単位インバータの配列順序を最適
な位相差順序で設置することにより、各単位インバータ
のスイッチングリプル電流がその位相差関係によって互
いに相殺され、直流電源と各単位インバータの直流回路
を接続する配線間の横流とコンデンサに流れるスイッチ
ングリプル電流とが最小化される。このため、コンデン
サの劣化を防ぎ、また、配線の温度上昇も低く抑えられ
る。さらに、ダンピング抵抗を必要としない方法なの
で、回路損失が低く抑えられ、かつコストも安くでき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明の実施例を示す多重インバータ装置
の構成図

【図２】図１に示す、多重インバータ装置の直流回路の
等価回路図

【図３】第２の発明の実施例を示す多重インバータ装置
の構成図

【図４】図３に示す、多重インバータ装置の直流回路の
等価回路図

【図５】第３の発明の実施例を説明するための多重イン
バータ装置の直流回路の等価回路図

【図６】第３の発明の実施例を示すスイッチングリプル
電流のベクトル図

【図７】図６に示す、第３の発明の実施例を示す多重イ
ンバータ装置の構成図

【図８】図９に示す、第３の発明の実施例を説明するた
めのスイッチングリプル電流のベクトル図

【図９】第３の発明の実施例を説明するための多重イン
バータ装置の構成図

【図１０】従来例を示す多重インバータ装置の構成図

【符号の説明】

１…直流電源、２ａ〜２ｄ…単位インバータ、３ａ〜３
ｄ…コンデンサ、４ａ〜４ｄ…インバータトランス、５
…負荷、６ａ〜６ｄ，７ａ〜７ｄ…抵抗、Ｌ１〜Ｌ３…
配線インダクタンス。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直流入力側にコンデンサが並列接続された
   単位インバータを、１つの直流直流電源に対して複数台
   並列に接続して構成する多重インバータ装置において、
   前記単位インバータと前記直流電源とをダンピング抵抗
   を介して接続したことを特徴とする多重インバータ装
   置。
2. 【請求項２】直流入力側にコンデンサが並列接続された
   単位インバータを、１つの直流直流電源に対して複数台
   並列に接続して構成する多重インバータ装置において、
   前記単位インバータに接続されているコンデンサに対し
   て直列にダンピング抵抗を挿入したことを特徴とする多
   重インバータ装置。
3. 【請求項３】直流入力側にコンデンサが並列接続された
   単位インバータが、１つの直流電源に対して複数台並列
   に接続されている多重インバータ装置に対する位相配列
   方法において、前記各単位インバータの直流電源に対す
   る接続順序と各単位インバータの交流出力位相値との対
   応条件を変化させ、前記単位インバータのスイッチング
   によって前記コンデンサを流れるスイッチングリプル電
   流の最大値が最も小さな値をとるときの位相値を前記多
   重インバータ装置に対する位相配列とすることを特徴と
   する多重インバータ装置に対する位相配列方法。