KR19990006545A - 전력 변환 장치 - Google Patents

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KR19990006545A
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사와 구니히코
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Abstract

본 발명은 전력 변환 장치내의 스위칭 아암의 수를 적게 하는 동시에, 입력측 리액터를 생략할 수 있게 하고, 장치 구성의 간략화가 가능하며, 소형화 및 저비용화를 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.
반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 전력 변환을 행하여 다상(multi-phase) 교류를 출력하는 전력 변환기(200)와, 이 전력 변환기(200)의 출력측에 접속된 교류 부하 회로(500)와, 이 교류 부하 회로(500)에 접속된 제로상(zero phase) 전원 장치(150)를 구비한다. 제로상 전원 장치(150)의 전압 및 전류가 전력 변환기(200)의 교류 출력측에서 교류 부하 회로(500)를 통해 보았을 때에 제로상 성분이 되도록 전력 변환기(200), 교류 부하 회로(500) 및 제로상 전원 장치(150)를 루프형으로 접속한다. 시간 분할에 의해 전력 변환기(200)가 교류 부하 회로(500)와의 사이에서 전력을 주고받고, 또한 제로상 전원 장치(150)와의 사이에서 제로상 전력을 주고받는다.

Description

전력 변환 장치
본 발명은 입력되는 교류를 직류로 변환하고 다시 원하는 교류로 변환하는 전력 변환 장치, 또는 입력되는 직류를 원하는 교류로 변환하는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
도 46은 이 종류의 전력 변환 장치의 제1 종래예를 도시하는 회로도로서 101은 단상 교류 전원, 102는 리액터, 201은 입력 전류를 고역율(高力率)의 정현파로 하기 위한 컨버터, 202는 직류 중간 회로의 평활 콘덴서, 231은 유도 전동기(501)를 가변속 구동하기 위한 3상 전압형 인버터이다. 또한 이 도면에서는 유도 전동기(501) 등가 회로로써 도시되어 있다.
도 46에 도시된 컨버터(201)에서는 교류 전원 전압을 리액터(102)를 통과시켜 반도체 스위치에 의해 단락함으로써, 입력 전류의 파형을 형성한다. 이 결과, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 동시에 입력 전류 파형을 정현파형으로 제어하고 있다. 한편, 인버터(231)는 IGBT 등의 자기 아아크 소멸형 반도체 스위칭 소자와 역병렬 다이오드로 이루어지는 3쌍의 상하 아암을 갖는 3상 전압형 PWM 인버터 등으로 구성되어 있다. 3상 전압형 PWM 인버터의 동작은 공지되어 있기 때문에 설명을 생략하지만, 6개의 아암의 도통 상태를 제어함으로써 3상의 각 선간 전압을 제어하기 위한 6가지의 스위칭 패턴과, 상아암 또는 하아암을 전부 도통시켜 3상의 각 선간 전압이 전부 0이 되는 소위 제로전압 벡터라고 칭해지는 2가지의 스위칭 패턴을 선택할 수 있도록 되어 있다.
이하의 종래예 회로의 설명에 있어서, 도 46과 동일 기능을 갖는 것에는 동일 부호를 붙이고 있다.
도 47은 이 종류의 전력 변환 장치의 제2의 종래예를 도시하는 회로도로서 103은 직류 전원, 204는 인버터(231)에 인가하는 전압을 제어하기 위한 1개의 상하 아암으로 이루어지는 컨버터(2상한 초퍼)이다.
이 종래예 회로에서는 직류 전원 전압을 리액터(102)를 통과시켜 반도체 스위치에 의해 단락함으로써, 리액터(102)에 에너지를 저장하고, 반도체 스위치를 오프함으로써 리액터(102)의 에너지를 직류 전원(103)으로부터 공급되는 에너지와 함께 평활 콘덴서(202)에 공급하고 있다. 이 결과, 평활 콘덴서(202)의 전압은 전원 전압보다도 높은 직류 전압이 된다.
도 46과 도 47에 도시된 전력 변환 장치에 있어서, 평활 콘덴서(202)의 용량을 충분히 크게 함으로써 컨버터(201) 또는 컨버터(204) 및 인버터(231)의 스위칭을 각각 독립하여 자유롭게 행할 수 있다.
도 48은 이 종류의 전력 변환 장치의 제3 종래예를 도시하는 회로도로서 104는 다이오드 브리지로 이루어지는 단상 전파 정류 회로, 205는 상아암이 다이오드만으로 이루어지는 컨버터이다.
도 48에 도시된 전력 변환 장치에 있어서, 교류 전원 전압은 전파 정류 회로(104)에 의해 전파 정류되어, 그 직류 전압을 리액터(102)를 통과시켜 반도체 스위치에 의해 단락함으로써 입력 전류의 파형을 형성한다. 이 결과, 교류로부터 직류를 얻는 동시에 입력 전류 파형을 정현파형으로 제어할 수 있다.
도 49는 이 종류의 전력 변환 장치의 제4 종래예를 도시하는 회로도로서 1996년(평성 8년) 전기학회 I.E.E.J에 게재된 논문 「715 DC액티브 필터 기능을 구비한 단상 PWM 컨버터의 콘덴서 용량 감소」에 기재한 회로도이다.
즉 도 49에 있어서, 101은 단상 교류 전원, 102는 리액터, 201은 컨버터, 231은 인버터, 401은 2상한 초퍼(chopper), 202는 직류 중간 회로에 설치된 평활 콘덴서, 403, 404는 각각 필터용의 리액터 및 콘덴서, 501은 유도 전동기이다.
이 회로의 상세한 동작 설명은 생략하지만, 기본 동작으로서는 컨버터(201)의 PWM 제어에 의해 교류 입력 전류 파형을 정현파로 유지하고, 입력 역율을 1로 제어하는 한편, 컨버터(201)의 직류 출력측에 생기는 전원 주파수의 2배의 주파수의 전력 리플을 흡수하기 때문에, 2상한 초퍼(401)에 의해 콘덴서(404)의 전압을 제어하여 에너지를 주고받고, 이것에 의해 평활 콘덴서(202)의 용량 감소를 도모하고 있다.
도 50은 이 종류의 전력 변환 장치의 제5 종래예를 도시하는 회로도로서 1993년(평성 5년) 전기학회 I.E.E.J 산업 응용 부문지(vol. 113-D, No. 9, p. 1106∼p. 1107)에 게재된 논문 「단상 PWM 컨버터의 직류 전압 맥동의 1억제책」에 기재한 회로도이다.
또한 도 51은 이 종류의 전력 변환 장치의 제6 종래예를 도시하는 회로도로서 1996년(평성 8년) 전기학회 I.E.E.J 산업 응용 부문 전국대회 예고집에 게재된 논문 「79 단상 전압형 PWM 컨버터의 직류 전력 맥동 감소 방식」에 기재한 회로도이다.
도 50, 도 51에 있어서, 도 50의 405는 직류 중간 회로에 접속된 직렬 공진 회로로서의 LC 필터, 도 51의 406은 리액터이다.
이들 회로의 상세한 동작 설명은 생략하지만, 기본적으로는 컨버터(201)의 직류 출력측에 생기는 전원 주파수의 2배의 주파수의 전력 리플을 동일한 공진 주파수를 갖는 도 50의 LC 필터(405)나 도 51의 리액터(406)에 의해 흡수하며, 이것에 의해 평활 콘덴서(202)의 용량을 감소하는 것이다.
도 46 내지 도 51에 도시된 종래예 회로에 있어서, 어느쪽의 경우에도, 컨버터(201, 204, 205)의 입력측에 스위칭에 의한 리플 흡수용의 리액터(102)가 필요하게 되기 때문에, 이것이 전력 변환 장치의 소형화나 저비용화의 방해가 되고 있다.
또한 도 49 내지 도 51에 도시된 종래예 회로에서는 전력 리플 흡수용으로 리액터(LC 필터(405)의 리액터, 리액터(406))가 사용되고 있기 때문에, 이것이 전력 변환 장치의 소형화나 저비용화의 방해가 되고 있다.
또한 도 49와 도 51에 도시된 종래예 회로에서는 직류 중간 회로에 상하 1아암(2상한 초퍼(401))을 부가할 필요가 있기 때문에, 전력 변환 장치의 소형화나 저비용화의 방해가 되고 있다. 또한 도 50에 도시된 종래예 회로에서는 LC 필터(405)의 콘덴서의 내압이 중간 직류 전압의 2배나 된다고 하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 상기의 문제점을 해소하여, 간단한 회로 구성으로 전력 변환 장치의 소형화 및 저비용화를 도모할 수 있게 한 전력 변환 장치를 제공하고자 하는 것이다.
도 1은 청구범위 제1항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 개념도.
도 2는 청구범위 제2항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 3은 도 2의 실시 형태의 정위상분 등가 회로.
도 4는 도 2의 실시 형태의 제로상 성분 등가 회로.
도 5는 도 2의 실시 형태의 제어 회로도.
도 6는 도 2의 실시 형태의 제어 회로도.
도 7은 청구범위 제3항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 8은 청구범위 제4항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 9는 청구범위 제8항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 10은 청구범위 제5항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 11은 도 10의 실시 형태의 제로상 성분 등가 회로.
도 12는 도 10의 실시 형태의 제어 회로도.
도 13은 도 10의 실시 형태의 제어 회로도.
도 14는 청구범위 제5항에 기재한 발명의 다른 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 15는 청구범위 제6항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 16은 도 15의 실시 형태의 제어 회로도.
도 17은 청구범위 제6항에 기재한 발명의 다른 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 18은 청구범위 제8항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 19는 청구범위 제9항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 20은 도 19의 실시 형태에 있어서의 출력부의 정위상분 등가 회로.
도 21은 도 19의 실시 형태에 있어서의 출력부의 제로상 성분 등가 회로.
도 22는 도 19의 실시 형태의 제어 회로도.
도 23은 도 19의 실시 형태의 제어 회로도.
도 24는 청구범위 제10항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 25는 도 24의 실시 형태의 제어 회로도.
도 26은 청구범위 제11항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 27은 청구범위 제13항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 28은 청구범위 제14항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 개념도.
도 29는 청구범위 제15항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 30은 도 29의 실시 형태의 정위상분 등가 회로.
도 31은 도 29의 실시 형태의 제로상 성분 등가 회로.
도 32는 도 29의 실시 형태의 제어 회로도.
도 33은 청구범위 제16항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 34는 도 33의 실시 형태의 제어 회로도.
도 35는 청구범위 제17항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 36은 청구범위 제18항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 37은 청구범위 제19항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 개념도.
도 38은 청구범위 제20항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 39는 도 38의 실시 형태의 정위상분 등가 회로.
도 40은 도 38의 실시 형태의 제로상 성분 등가 회로.
도 41은 도 38의 실시 형태의 제어 회로도.
도 42는 청구범위 제21항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 43은 도 42의 실시 형태의 제어 회로도.
도 44는 청구범위 제22항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 45는 청구범위 제24항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 46은 종래 기술을 도시하는 회로도.
도 47은 종래 기술을 도시하는 회로도.
도 48은 종래 기술을 도시하는 회로도.
도 49는 종래 기술을 도시하는 회로도.
도 50은 종래 기술을 도시하는 회로도.
도 51은 종래 기술을 도시하는 회로도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
101: 단상 교류 전원
102,502,504,603∼605: 리액터
103,120: 직류 전원
104,106: 전파 정류 회로
107: 3상 교류 전원
150: 제로상 전원 장치
200: 전력 변환기
201,204∼206: 컨버터
202: 평활 콘덴서
210, 211: 단상 전압형 인버터
211',231': 아암
231: 3상 전압형 인버터
301∼303,310,321∼323,328,344,353: 전류 제어기
304,329: 전압 제어기
305,324,342: 승산기
306∼309,325∼327,350,351: 비교기
341, 343, 347, 348, 349, 352: 가산기
345: 극성 반전기
346: 절대치 검출기
500: 교류 부하 회로
501: 3상 유도 전동기
550: 단상 회로
551: 단상 부하
601,602,C1,C2: 콘덴서
800, 801: 다이오드군
D1,D2,801,D21,D22: 다이오드
Tr1∼Tr8: 자기 아아크 소멸형 반도체 스위칭 소자
본 제1 발명은 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 전력 변환을 행하여 다상 교류를 출력하는 전력 변환기와, 이 전력 변환기의 출력측에 접속된 교류 부하 회로와, 이 교류 부하 회로에 접속된 제로상 전원 장치를 구비하고, 제로상 전원 장치의 전압 및 전류가 전력 변환기의 교류 출력측에서 교류 부하 회로를 통해 보았을 때에 제로상 성분이 되도록 전력 변환기, 교류 부하 회로 및 제로상 전원 장치를 루프형으로 접속하며, 시간 분할에 의해 전력 변환기가 교류 부하 회로와의 사이에서 전력을 주고받고, 또한 제로상 전원 장치와의 사이에서 제로상 전력을 주고받을 수 있는 전력 변환 장치로 한다.
제2 발명은 단상 교류 전압을 전력 변환기내의 전압형 인버터에 의해 다상 교류 전압으로 변환하여 다상 교류 전동기를 구동하는 전력 변환 장치에 있어서, 단상 교류 전원의 일단을 전동기의 성형 결선된 고정자 권선의 중성점(neutral point)에 접속하는 동시에, 단상 교류 전원의 타단을 인버터의 직류측에 2개 직렬로 접속된 반도체 스위칭 소자로 이루어지는 컨버터의 중점에 접속하고, 단상 교류 전원의 전압 및 전류가 인버터의 교류 출력측에서 전동기를 통해 보았을 때에 제로상 성분이 되도록 구성하며, 시간 분할에 의해 인버터가 전동기와의 사이에서 전력을 주고받고, 또한 인버터 및 컨버터가 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 단상 교류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 것을 특징으로 한다.
제3 발명은 단상 교류 전압을 전력 변환기내의 전압형 인버터에 의해 다상 교류 전압으로 변환하여 다상 교류 전동기를 구동하는 전력 변환 장치에 있어서, 단상 교류 전원의 일단을 전동기의 성형 결선된 고정자 권선의 중성점에 접속하는 동시에, 단상 교류 전원의 타단을 인버터의 직류측에 2개 직렬로 접속된 다이오드로 이루어지는 컨버터의 중점에 접속하고, 단상 교류 전원의 전압 및 전류가 인버터의 교류 출력측에서 전동기를 통해 보았을 때에 제로상 성분이 되도록 구성하며, 시간 분할에 의해 인버터가 전동기와의 사이에서 전력을 주고받고, 또한 인버터 및 컨버터가 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 단상 교류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 것을 특징으로 한다.
제4 발명은 단상 교류 전압을 전력 변환기내의 전압형 인버터에 의해 다상 교류 전압으로 변환하여 다상 교류 전동기를 구동하는 전력 변환 장치에 있어서, 단상 교류 전원의 일단을 전동기의 성형 결선된 고정자 권선의 중성점에 접속하는 동시에, 단상 교류 전원의 타단을 인버터의 직류측에 2개 직렬로 접속된 콘덴서로 이루어지는 컨버터의 중점에 접속하고, 단상 교류 전원의 전압 및 전류가 인버터의 교류 출력측에서 전동기를 통해 보았을 때에 제로상 성분이 되도록 구성하며, 시간 분할에 의해 인버터가 전동기와의 사이에서 전력을 주고받고, 또한 인버터 및 컨버터가 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 단상 교류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 것을 특징으로 한다.
제5 발명은 직류 전압을 전력 변환기내의 전압형 인버터에 의해 다상 교류 전압으로 변환하여 다상 교류 전동기를 구동하는 전력 변환 장치에 있어서, 직류 전원의 일단을 전동기의 성형 결선된 고정자 권선의 중성점에 접속하는 동시에, 직류 전원의 타단을 인버터의 직류측에 병렬 접속된 평활 콘덴서와 인버터와의 접속점의 한쪽에 접속하고, 직류 전원의 전압 및 전류가 인버터의 교류 출력측에서 전동기를 통해 보았을 때에 제로상 성분이 되도록 구성하며, 시간 분할에 의해 인버터가 전동기와의 사이에서 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 직류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 것을 특징으로 한다.
제6 발명은 교류 전원을 정류하여 얻은 직류 전압을 전력 변환기내의 전압형 인버터에 의해 다상 교류 전압으로 변환하여 다상 교류 전동기를 구동하는 전력 변환 장치에 있어서, 교류 전원에 접속된 정류 회로의 일단을 전동기의 성형 결선된 고정자 권선의 중성점에 접속하는 동시에, 정류 회로의 타단을 인버터의 직류측에 병렬 접속된 평활 콘덴서와 인버터와의 접속점의 한쪽에 접속하고, 교류 전원의 전압 및 전류가 인버터의 교류 출력측에서 전동기를 통해 보았을 때에 제로상 성분이 되도록 구성하며, 시간 분할에 의해 인버터가 전동기와의 사이에서 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 교류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 것을 특징으로 한다.
제7 발명은 상기 제2 내지 제6 발명의 전력 변환 장치에 있어서, 전동기의 중성점과 전원사이에 리액터를 삽입하고, 이 리액터의 철심으로서 전동기의 고정자 철심을 이용하는 것을 특징으로 한다.
제8 발명은 상기 제2 내지 제6 발명의 전력 변환 장치에 있어서, 인버터의 다상 출력측에는 전동기를 대신하여 중성점을 가지지 않은 교류 부하를 접속하고, 또한 상기 다상 출력측에 성형 결선된 리액터의 중성점을 전원 또는 정류 회로의 일단에 접속한 것을 특징으로 한다.
제9 발명은 단상 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터와, 상기 직류 전압을 다상 교류 전압으로 변환하여 다상 교류 전동기를 구동하는 전압형 인버터와, 직류 중간 회로에 접속된 평활 콘덴서를 갖는 전력 변환 장치에 있어서, 전동기의 성형 결선된 고정자 권선의 중성점과, 인버터와 평활 콘덴서와의 접속점의 한쪽과의 사이에 에너지 축적 요소로서의 리플 흡수용 콘덴서를 접속하는 동시에, 시간 분할에 의해 인버터가 전동기와의 사이에서 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 리플 흡수용 콘덴서와의 사이에서 제로상 전력을 주고받게하여 리플 흡수용 콘덴서의 직류 전압을 제어함으로써 직류 중간 회로의 전력 리플을 리플 흡수용 콘덴서에 의해 흡수하는 것을 특징으로 한다.
제10 발명은 단상 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터와, 상기 직류 전압을 다상 교류 전압으로 변환하여 다상 교류 전동기를 구동하는 전압형 인버터와, 직류 중간 회로에 접속된 평활 콘덴서를 갖는 전력 변환 장치에 있어서, 전동기의 성형 결선된 고정자 권선의 중성점과 인버터와 평활 콘덴서의 접속점의 한쪽과의 사이에 에너지 축적 요소로서의 공진용 콘덴서 및 공진용 리액터로 이루어지는 직렬 공진 회로를 접속하는 동시에, 시간 분할에 의해 인버터가 전동기와의 사이에서 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 직렬 공진 회로와의 사이에서 제로상 전력을 주고받게하여 직렬 공진 회로의 전압을 제어함으로써 직류 중간 회로의 전력 리플을 직렬 공진 회로에 의해 흡수하는 것을 특징으로 한다.
제11 발명은 단상 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터와, 상기 직류 전압을 다상 교류 전압으로 변환하여 다상 교류 전동기를 구동하는 전압형 인버터와, 직류 중간 회로에 접속된 평활 콘덴서를 갖는 전력 변환 장치에 있어서, 전동기의 성형 결선된 고정자 권선의 중성점과, 컨버터의 교류 입력 단자의 한쪽과의 사이에 에너지 축적 요소로서의 리플 흡수용 리액터를 접속하는 동시에, 시간 분할에 의해 인버터가 전동기와의 사이에서 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 리플 흡수용 리액터와의 사이에서 제로상 전력을 주고받게하여 리플 흡수용 리액터의 전류를 제어함으로써 직류 중간 회로의 전력 리플을 리플 흡수용 리액터에 의해 흡수하는 것을 특징으로 한다.
제12 발명은 상기 제9 내지 제11 발명의 전력 변환 장치에 있어서, 전동기의 중성점과 에너지 축적 요소사이에 리액터를 삽입하고, 이 리액터의 철심으로서 전동기의 고정자 철심을 이용하는 것을 특징으로 한다.
제13 발명은 상기 제9 내지 제11 발명의 전력 변환 장치에 있어서, 인버터의 다상 출력측에는 전동기를 대신하여 중성점을 가지지 않은 교류 부하를 접속하고, 또한 상기 다상 출력측에 성형 결선된 리액터의 중성점을 에너지 축적 요소의 일단에 접속한 것을 특징으로 한다.
제14 발명은 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류-교류 전력 변환을 행하여 단상 교류 전압을 출력하는 단상 전압형 인버터와, 이 인버터의 직류 입력 단자 사이에 접속된 평활 콘덴서와, 인버터의 교류 출력 단자 사이에 접속된 단상 회로와, 인버터의 교류 출력 단자 사이에 직렬 접속되고, 또한 상호의 접속점의 도중에서 극성이 반전하는 복수의 다이오드로 이루어지는 다이오드군과, 이 다이오드군 내부의 극성 반전점과 평활 콘덴서의 일단사이에 접속된 직류 전원을 구비하며, 시간 분할에 의해 상기 인버터가 단상 회로와의 사이에서 교류 전력을 주고받고, 또한 제로전압 벡터의 출력시에 다이오드군을 통해 직류 전원과의 사이에서 직류 전력을 주고받을 수 있는 전력 변환 장치로 한다.
제15 발명은 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류-교류 전력 변환을 행하여 단상 교류 전압을 출력하는 단상 전압형 인버터와, 이 인버터의 직류 입력 단자 사이에 접속된 평활 콘덴서와, 인버터의 교류 출력 단자 사이에 접속된 단상 부하와, 인버터의 교류 출력 단자 사이에 직렬 접속되고, 또한 상호 접속점의 도중에서 극성이 반전하는 2개의 다이오드로 이루어지는 다이오드군과, 이 다이오드군의 극성 반전점에 일단이 접속된 리액터와, 이 리액터의 타단과 평활 콘덴서의 일단사이에 접속된 직류 전원을 구비하며, 시간 분할에 의해 상기 인버터가 단상 부하와의 사이에서 교류 전력을 주고받고, 또한 제로전압 벡터의 출력시에 다이오드군을 통해 직류 전원과의 사이에서 직류 전력을 주고받을 수 있는 전력 변환 장치로 한다.
제16 발명은 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류-교류 전력 변환을 행하여 단상 교류 전압을 출력하는 단상 전압형 인버터와, 이 인버터의 직류 입력 단자 사이에 접속된 평활 콘덴서와, 인버터의 교류 출력 단자 사이에 제1 리액터를 통해 접속된 단상 교류 전원과, 이 단상 교류 전원의 양 단자 사이에 직렬 접속되고, 또한 상호 접속점의 도중에서 극성이 반전하는 2개의 다이오드로 이루어지는 다이오드군과, 이 다이오드군의 극성 반전점에 일단이 접속된 제2 리액터와, 제2 리액터의 타단과 평활 콘덴서의 일단사이에 접속된 직류 전원을 구비하며, 시간 분할에 의해 상기 인버터가 단상 교류 전원과의 사이에서 교류 전력을 주고받아 직류 전원의 전력을 회생하고, 또한 제로전압 벡터의 출력시에 다이오드군을 통해 직류 전원과의 사이에서 직류 전력을 주고받을 수 있는 전력 변환 장치로 한다.
제17 발명은 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류-교류 전력 변환을 행하여 단상 교류 전압을 출력하는 단상 전압형 인버터와, 이 인버터의 직류 입력 단자 사이에 접속된 평활 콘덴서와, 인버터의 한쪽 교류 출력 단자에 일단이 접속된 제1 리액터와, 인버터의 다른쪽 교류 출력 단자에 일단이 접속된 제2 리액터와, 이들 제1, 제2 리액터의 타단사이에 접속된 단상 교류 전원과, 단상 교류 전원의 양 단자 사이에 직렬 접속되고, 또한 상호 접속점의 도중에서 극성이 반전하는 2개의 다이오드로 이루어지는 다이오드군과 이 다이오드군의 극성 반전점과 평활 콘덴서의 일단사이에 접속된 직류 전원을 구비하며, 시간 분할에 의해 상기 인버터가 단상 교류 전원과의 사이에서 교류 전력을 주고받아 직류 전원의 전력을 회생하고, 또한 제로전압 벡터의 출력시에 다이오드군을 통해 직류 전원과의 사이에서 직류 전력을 주고받을 수 있는 전력 변환 장치로 한다.
제18 발명은 상기 제15 내지 제17 발명의 전력 변환 장치에 있어서, 상기 직류 전원을 교류 전원과 정류 회로를 조합하여 구성한 것을 특징으로 한다.
제19 발명은 직류 전원과, 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류 전원의 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급하는 전압형 인버터를 구비한 전력 변환 장치에 있어서, 동일 극성으로써 각 일단이 공통 접속된 복수의 다이오드로 이루어지는 제로상 통류 수단을 설치하여, 이 제로상 통류 수단을 직류 전원과 인버터의 각 위상 교류 출력 단자 사이에 접속하는 동시에, 시간 분할에 의해 인버터가 부하와의 사이에서 교류 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 제로상 통류 수단을 통해 직류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 것을 특징으로 한다.
제20 발명은 교류 전원 및 이 교류 전원에 접속된 정류 회로로 이루어지는 직류 전원과, 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류 전원의 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급하는 3상 전압형 인버터를 구비한 전력 변환 장치에 있어서, 애노드가 공통 접속된 3개의 다이오드로 이루어지는 제로상 통류 수단으로서의 제로상 바이패스 다이오드를 설치하여, 상기 애노드를 리액터를 통해 정류 회로의 양측 출력 단자에 접속하고, 상기 3개의 다이오드의 각 캐소드를 각각 인버터의 각 위상 교류 출력 단자에 접속하는 동시에, 정류 회로의 음측 출력 단자를 인버터의 직류 입력측의 평활 콘덴서의 음측 단자에 접속하며, 시간 분할에 의해 인버터가 부하와의 사이에서 교류 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 제로상 바이패스 다이오드를 통해 교류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 것을 특징으로 한다.
제21 발명은 교류 전원 및 이 교류 전원에 접속된 정류 회로로 이루어지는 직류 전원과 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류 전원의 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급하는 3상 전압형 인버터를 구비한 전력 변환 장치에 있어서, 캐소드가 공통 접속된 3개의 다이오드로 이루어지는 제로상 통류 수단으로서의 제로상 바이패스 다이오드를 설치하여, 상기 캐소드를 리액터를 통해 정류 회로의 음측 출력 단자에 접속하고, 상기 3개의 다이오드의 각 애노드를 각각 인버터의 각 위상 교류 출력 단자에 접속하는 동시에, 정류 회로의 양측 출력 단자를 인버터의 직류 입력측의 평활 콘덴서의 양측 단자에 접속하며, 시간 분할에 의해 인버터가 부하와의 사이에서 교류 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 제로상 바이패스 다이오드를 통해 교류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 것을 특징으로 한다.
제22 발명은 교류 전원 및 이 교류 전원에 리액터를 통해 접속된 정류 회로로 이루어지는 직류 전원과, 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류 전원의 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급하는 3상 전압형 인버터를 구비한 전력 변환 장치에 있어서, 애노드가 공통 접속된 3개의 다이오드로 이루어지는 제로상 통류 수단으로서의 제로상 바이패스 다이오드를 설치하여, 상기 애노드를 정류 회로의 양측 출력 단자에 접속하고, 상기 3개의 다이오드의 각 캐소드를 각각 인버터의 각 위상 교류 출력 단자에 접속하는 동시에, 정류 회로의 음측 출력 단자를 인버터의 직류 입력측의 평활 콘덴서의 음측 단자에 접속하며, 시간 분할에 의해 인버터가 부하와의 사이에서 교류 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 교류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 것을 특징으로 한다.
제23 발명은 교류 전원 및 이 교류 전원에 리액터를 통해 접속된 정류 회로로 이루어지는 직류 전원과, 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류 전원의 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급하는 3상 전압형 인버터를 구비한 전력 변환 장치에 있어서, 캐소드가 공통 접속된 3개의 다이오드로 이루어지는 제로상 통류 수단으로서의 제로상 바이패스 다이오드를 설치하여, 상기 캐소드를 정류 회로의 음측 출력 단자에 접속하고, 상기 3개의 다이오드의 각 애노드를 각각 인버터의 각 위상 교류 출력 단자에 접속하는 동시에, 정류 회로의 양측 출력 단자를 인버터의 직류 입력측의 평활 콘덴서의 양측 단자에 접속하며, 시간 분할에 의해 인버터가 부하와의 사이에서 교류 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 교류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 것을 특징으로 한다.
제24 발명은 직류 전원과 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류 전원의 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급하는 3상 전압형 인버터를 구비한 전력 변환 장치에 있어서, 애노드가 공통 접속된 3개의 다이오드로 이루어지는 제로상 통류 수단으로서의 제로상 바이패스 다이오드를 설치하여, 상기 애노드를 리액터를 통해 직류 전원의 양극에 접속하고, 상기 3개의 다이오드의 각 캐소드를 각각 인버터의 각 위상 교류 출력 단자에 접속하는 동시에, 직류 전원의 음극을 인버터의 직류 입력측의 평활 콘덴서의 음측 단자에 접속하며, 시간 분할에 의해 인버터가 부하와의 사이에서 교류 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 인버터가 직류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받아 인버터의 직류 전압을 제어하는 것을 특징으로 한다.
제25 발명은 직류 전원과 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류 전원의 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급하는 3상 전압형 인버터를 구비한 전력 변환 장치에 있어서, 캐소드가 공통 접속된 3개의 다이오드로 이루어지는 제로상 통류 수단으로서의 제로상 바이패스 다이오드를 설치하여, 상기 캐소드를 리액터를 통해 직류 전원의 음극에 접속하고, 상기 3개의 다이오드의 각 애노드를 각각 인버터의 각 위상 교류 출력 단자에 접속하는 동시에, 직류 전원의 양극을 인버터의 직류 입력측의 평활 콘덴서의 양측 단자에 접속하며, 시간 분할에 의해 인버터가 부하와의 사이에서 교류 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 인버터가 직류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받아 인버터의 직류 전압을 제어하는 것을 특징으로 한다.
제26 발명은 상기 제20, 제22 또는 제24 발명의 전력 변환 장치에 있어서, 각 위상 전압 지령치에 중첩되는 제로상 전압 지령치를 제로상 바이패스 다이오드의 애노드 전위 지령치로부터 각 위상 전압 지령치중의 최소치를 감한 값으로 한 것을 특징으로 한다.
제27 발명은 상기 제21, 제23 또는 제25 발명의 전력 변환 장치에 있어서, 각 위상 전압 지령치에 중첩되는 제로상 전압 지령치를 제로상 바이패스 다이오드의 캐소드 전위 지령치로부터 각 위상 전압 지령치중의 최대치를 감한 값으로 한 것을 특징으로 한다.
이 제1 내지 제8 발명에 따르면, 종래의 컨버터의 1아암을 인버터에 의해 대용시켜, 단상-다상 전력 변환기나 직류-다상 전력 변환기내의 반도체 스위칭 소자와 역병렬 다이오드 등의 수를 적게 하고, 또한 전력 변환 장치의 입력측의 리액터를 생략할 수 있게 하고 있다.
또한 제7 발명에 따르면, 전동기의 고정자 철심을 효율적으로 이용할 수 있고, 또 제8 발명에 따르면, 이 전력 변환 장치는 중성점을 가지지 않은 교류 부하로의 적용을 가능하게 하고 있다.
이 제9 내지 13의 발명에 따르면, 인버터의 제로전압 벡터 이용에 의한 제로상 전력의 제어에 의해 종래의 부가 아암을 삭감하고, 또한 평활 콘덴서의 용량을 감소하는 것을 가능하게 하고 있다.
또한 제12 발명에 따르면, 전력 리플 흡수용으로 종래 설치된 리액터를 전동기의 누설 인덕턴스에 의해 대용가능하게 하고, 또 제13 발명에 따르면, 이 전력 변환 장치는 중성점을 가지지 않은 교류 부하로의 적용이 가능하게 된다. 이 제14 내지 제18 발명에 따르면, 단상 전압형 인버터의 직류 전압을 소정치로 하기 위한 승압 초퍼 등의 직류-직류 컨버터를 인버터에 의해 대용시키고, 반도체 스위칭 소자나 그 구동 회로, 구동 전원 등을 삭감하고 있다.
또한 제19 내지 제23 발명 및 제26과 제27 발명에 따르면, 인버터에 제로전압 벡터를 출력시켜 제로상 전압을 제어함으로써 입력 전류 파형을 정현파형으로 제어하는 종래의 승압 초퍼 등의 컨버터를 인버터에 의해 대용가능하게 하고, 반도체 스위칭 소자나 그 구동 회로, 제어 전원 등을 삭감하고 있다.
또한 제24와 제25 발명에 따르면, 제로상 바이패스 다이오드에 의해 의사적으로 얻은 제로상 전압을 이용하여 직류 전원 전압을 아암의 추가없이 승압시키며, 승압 초퍼를 불필요하게 하고 있다.
이하에 설명하는 본 발명의 실시 형태에 있어서, 도 46 내지 도 51에 도시한 종래예 회로와 동일 기능을 갖는 것에는 동일 부호를 붙이고 있다.
도 1은 청구범위 제1항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 개념도이다.
도 1에 있어서, 150은 단상 교류 전원, 직류 전원, 또는 인덕턴스, 커패시턴스와 같이 부하에 공급하는 전기 에너지를 축적할 수 있는 수동 소자로 이루어지는 제로상 전원 장치, 200은 컨버터나 초퍼, 인버터 등으로 이루어지는 단상-다상 전력 변환기나 직류-다상 전력 변환기와 같이, 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 전력 변환을 행하고, 다상 교류 전력을 출력하는 전력 변환기, 500은 전력 변환기(200)와의 사이에서 교류 전력을 주고받는 교류 전동기, 트랜스, 또는 인덕턴스를 통한 교류 전원 등의 교류 부하 회로이다.
또한 전력 변환기(200), 교류 부하 회로(500) 및 제로상 전원 장치(150)는 제로상 전원 장치(150)의 전압 및 전류가 전력 변환기(200)의 교류 출력측에서 교류 부하 회로(500)를 통해 보았을 때에 제로상 성분이 되도록 루프형으로 접속하고 있다. 이러한 의미에서 전원 장치를 제로상 전원 장치(150)라고 부르기로 한다.
상기 구성에 있어서, 전력 변환기(200)와 교류 부하 회로(500) 사이의 교류 전력의 주고받음은 전력 변환기(200)내의 인버터의 선간 전압 및 선간을 흐르는 전류에 의한 전력의 제어에 따라 종래와 같이 행해진다.
한편, 전력 변환기(200)와 전원 장치(150)와의 사이에서는 전력 변환기(200)가 예컨대 인버터의 제로전압 벡터를 이용하여 제로상 전원 장치(150)의 제로상 전압, 제로상 전류를 제어함으로써 행한다.
즉, 전력 변환기(200)는 교류 부하 회로(500) 사이의 전력의 주고받음과 제로상 전원 장치(150) 사이의 제로상 전력의 주고받음을 시간 분할로 행하고, 제로상 전원 장치(150)와의 사이에서 제로상 전력을 주고받고 있을 때에는 전력 변환기(200)내의 인버터가 제로상 전원 장치(150) 사이의 전력 변환 동작을 행하는 컨버터 작용의 일부 또는 전부를 실행한다. 그 결과, 전력 변환기(200)내의 반도체 스위칭 소자나 다이오드로 이루어지는 아암 수를 감소시킬 수 있다.
또한 전력 변환기(200)에 있어서 필요로 되는 입력측의 리액터로서 예컨대 교류 전동기의 누설 리액턴스와 같이 교류 부하 회로(500)가 갖는 리액터를 이용할 수 있다. 이 때문에, 전용의 입력 리액터를 생략할 수 있도록 하여 장치의 소형화에 기여할 수 있다.
도 2는 청구범위 제2항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
도 2에 있어서, 상기 동일하게 202는 평활 콘덴서, 231은 IGBT 등의 자기 아아크 소멸형 반도체 스위칭 소자 Tr1 내지 Tr6과 각 스위칭 소자에 역병렬된 다이오드로 이루어지는 3상 전압형 인버터, 204는 자기 아아크 소멸형 반도체 스위칭 소자 Tr7, Tr8와 각 스위칭 소자에 역병렬된 다이오드로 이루어지는 상하 1아암의 컨버터, 501은 고정자 권선이 성형 접속된 3상 유도 전동기, 101은 유도 전동기(501)의 중성점에 일단이 접속되고, 타단이 컨버터(204)의 스위칭 소자 Tr7, Tr8의 중점(가상 중성점)에 접속된 단상 교류 전원이다.
본 실시 형태는 3상 전압형 인버터(231)의 제로전압 벡터에 착안한 것이다. 즉, 3상 전압형 인버터(231)에 있어서 제로전압 벡터를 출력하기 위해서는 상아암을 전부 도통시키는 경우와 하아암을 전부 도통시키는 경우의 2가지의 스위칭 패턴이 있으며, 본 실시 형태에서는 이 자유도를 이용하고 있다.
인버터(231)로부터 출력되는 제로상 전압은 선간 전압에는 나타나지 않기 때문에, 전동기 구동에는 영향을 미치지 않는다. 따라서, 정(正)위상분의 등가 회로는 도 3과 같이 되고, 전동기(501)의 구동에 대해서는 종래와 같은 인버터로서 동작하며, 인버터(231)의 선간 전압 및 선간을 흐르는 전류에 의한 전력의 제어에 따라 전동기(501)와의 사이에서 교류 전력을 주고받는다.
한편, 제로상 성분에 대해서 생각하면 도 4와 같이 되고, 도 3에 있어서의 인버터(231)의 3쌍의 아암은 마치 제로전압 벡터들의 비로 스위칭 동작하는 1개의 아암(231')으로 간주할 수 있다. 여기서 제로상 전압 벡터의 비율은 모든 하위 아암고 모든 상위 아암이 전도될 때 발생되는 제로상 전압 벡터의 비율을 의미한다. 즉, 도 46에 도시한 종래예 회로의 컨버터(201)의 1아암을 도 2의 인버터(231)에7 의해 제로상 전압을 제어함으로써 대용할 수 있다. 또한 전동기(501)는 누설 인덕턴스의 값을 갖는 리액터(502)라고 생각할 수 있다.
그리고, 도 4에 도시된 바와 같이 컨버터로서의 아암(204)을 별도 부가함으로써 이들 1쌍의 아암(231', 204)에 의해 도 46에 도시된 종래예 회로의 컨버터(201)와 등가인 회로 구성이 실현되고, 동일한 전력 변환 동작을 하는 것을 알 수 있다. 즉, 도 4의 1쌍의 아암(231', 204)으로 이루어지는 컨버터가 리액터(502)를 통해 단상 교류 전원(101)과의 사이에서 제로상 전력을 주고받는다.
따라서, 도 2에 도시된 회로에 의해 실질적으로 도 46에 도시된 종래예 회로와 동일한 단상-다상 전력 변환 회로를 실현할 수 있기 때문에, 반도체 스위칭 소자와 다이오드 등의 수의 감소나 컨버터의 입력측 리액터의 생략에 의해 회로 구성의 간략화, 소형화 및 저비용화가 가능하게 된다.
또한 교류 부하로서의 전동기는 3상 유도 전동기 이외의 다상 교류 전동기이어도 좋다.
도 2에 있어서의 인버터(231) 및 컨버터(204)는 모두 PWM 제어되지만, 그 PWM 펄스는 예컨대 도 5에 도시된 제어 회로에 의해 작성된다.
즉 도 5에 있어서, 직류 전압 지령 Vdc*과 직류 전압 검출치 Vdc와의 편차를 전압 제어기(304)에 입력하고, 그 출력에 전원 전압과 동상(同相)으로 크기가 1인 정현파 sinωst를 곱하여 제로상(입력) 전류 지령 io*을 얻는다.
또한 승산기(305)에 의해 1/3을 곱한 제로상 전류 지령 io*을, 전동기(501)를 구동하기 위한 전류 지령 ia*, ib*, ic*에 가산하고, 각 위상 전류 지령 iu*, iv*, iw*을 작성한다. 이들과 실제의 각 위상 전류 검출치 iu, iv, iw와의 편차를 구하고, 전류 제어기(301∼303)에 입력하여 그 출력을 비교기(306∼308)에 의해 삼각파와 비교하며, 각 위상 전류를 지령 iu*, iv*, iw*에 추종시키는 인버터(231)의 스위칭 소자(Tr1∼Tr6)에 대한 PWM 패턴을 얻는다.
이 때, 컨버터(204)에 대해서는 인버터(231)에 대한 각 위상의 전압 지령(전류 제어기(301∼303)의 출력)의 합으로부터 제로상 전압을 구하고, 이것을 비교기(309)에 의해 삼각파와 비교하여 스위칭 소자(Tr7, Tr8)에 대한 PWM 패턴을 구한다.
즉, 이 실시 형태에서는 인버터(231) 및 컨버터(204)를 PWM 펄스에 의해 시간 분할로 제어함으로써 도 3의 3상 전압형 인버터와 도 4의 풀 브리지형 단상 컨버터를 중합시킨 동작을 행하게 하는 것으로서 전자는 정위상 전류에 의한 선간 전압, 즉 선간을 흐르는 전류의 제어가 되고, 후자는 제로상 전류에 의한 단상 교류 전원(101)의 입력 전류의 제어가 된다.
도 6은 제어 회로의 다른 예를 도시하는 것이다. 도 5의 예에서는 전동기(501)의 전류 지령 ia*, ib*, ic*으로부터 PWM 펄스를 구하였지만, 도 6과 같이 전동기(501)에 인가하는 전압 지령 va*, Vb*, vc*로부터 PWM 펄스를 구할 수도 있다.
이 경우, 제로상 전류 지령 io*과 각 위상 전류로부터 구한 제로상 전류 io와의 편차를 전류 제어기(310)에 입력하여 제로상 전압 지령 vo*을 구하고, 이것을 전압 지령 va*, Vb*. Vc*에 가산한 결과를 비교기(306∼308)에 의해 삼각파와 비교하여 인버터(231)의 스위칭 소자(Tr1∼Tr6)에 대한 PWM 패턴을 얻는다.
또한 컨버터(204)에 대해서는 제로상 전압 지령 vo*을 비교기(309)에 의해 삼각파와 비교하여 스위칭 소자(Tr7, Tr8)에 대한 PWM 패턴을 구한다.
도 7은 청구범위 제3항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
도 7에 있어서는 컨버터(206)가 2개의 다이오드(D1, D2)의 직렬 회로에 의해 구성되고, 그 중점이 단상 교류 전원(101)의 일단에 접속되어 있다. 다른 구성에 대해서는 도 2와 동일하다.
이 실시 형태에 따르면, 컨버터(206)의 구성을 도 2보다도 간략화할 수 있는 반면, 전동기(501)로부터 단상 교류 전원(101)으로의 전력의 회생은 불가능해진다.
본 실시 형태의 동작도 도 2의 실시 형태와 거의 동일하며, 도 3의 3상 전압형 인버터와 그 1쌍의 아암분 및 도 7의 컨버터(206)로 이루어지는 혼합 브리지형 단상 컨버터를 겹치게 한 동작을 하여, 전자는 정위상 전류에 의한 선간 전압, 즉 선간을 흐르는 전류의 제어가 되고, 후자는 제로상 전류에 의한 단상 교류 전원(101)의 입력 전류의 제어가 된다.
도 8은 청구범위 4에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
도 8에 있어서는 컨버터(207)가 수동 소자로서의 2개의 콘덴서 C1, C2의 직렬 회로에 의해 구성되고, 그 중점을 단상 교류 전원(101)의 일단에 접속하고 있다.
이 실시 형태에 따르면, 컨버터(207)의 구성이 도 7보다도 더욱 간략화된다. 또한 전동기(501)로부터 단상 교류 전원(101)으로의 전력의 회생도 가능하게 되지만 최대 출력 전압은 평활 콘덴서(202)의 직류 전압의 1/2과 교류 전원 전압의 최대치와의 차가 된다.
본 실시 형태의 동작은 도 3의 3상 전압형 인버터와 그 1쌍의 아암분에 의한 하프 브리지형 단상 컨버터를 중합시킨 것으로 된다.
여기서, 도시하지 않지만, 도 2, 도 7, 도 8의 각 실시 형태에 있어서, 청구범위 제7항에 기재하는 바와 같이, 전동기(501)의 중성점과 단상 교류 전원(101) 사이에 리액터를 접속하고, 그 철심으로서 전동기(501)의 고정자 철심을 이용할 수도 있다.
도 9는 청구범위 제8항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
도 9의 회로는 도 2의 실시 형태를 기본으로 하여 전동기(501)의 중성점 대신에, 3상 전압형 인버터(231)의 각 위상 출력 단자에 성형 결선된 리액터(504)를 접속하고, 그 중성점을 단상 교류 전원(101)의 일단에 접속하고 있다.
이 실시 형태에 따르면, 중성점을 가지지 않은 교류 부하(503)에도 적용할 수 있고, 교류 부하(503)에 제로상 전류를 흐르게 하지 않고 도 2의 실시 형태와 동일하게 인버터의 구성의 일부를 컨버터에 공용할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또한 전체적인 동작이나 인버터(231), 컨버터(204)의 제어 방법은 도 2의 실시 형태와 동일하다.
이 실시 형태는 도 7과 도 8의 각 실시 형태에 있어서 전동기(501)를 제거한 구성에도 적용할 수 있다.
도 10은 청구범위 제5항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
도 10에 있어서, 유도 전동기(501)의 중성점은 직류 전원(103)의 양금에 접속되고, 그 음극은 3상 전압형 인버터(231)의 하아암과 평활 콘덴서(202)와의 접속점에 접속되어 있다. 이 접속 구성에 의해 직류 전원 전압은 인버터(231)의 교류 출력 단자에서 보면 제로상 전압이 된다.
이 실시 형태의 정위상분 등가 회로는 앞서 설명한 도 3과 동일하고, 전동기 구동에 대해서는 종래와 같은 3상 전압형 인버터로서 동작한다.
또한 제로상 성분 등가 회로는 도 11과 같이 된다. 즉, 3상 전압형 인버터(231)의 3쌍의 아암은 마치 제로전압 벡터의 비로 스위칭 동작하는 1쌍의 아암(231')으로 간주되고, 도 21에 도시된 컨버터(2상한 초퍼)(204)로서 작용하기 때문에 도 10의 인버터(231)에 의해 제로상 전압을 제어함으로써 컨버터(204)를 대용할 수 있다. 또한 전동기(501)는 누설 인덕턴스의 값을 갖는 리액터(502)로 생각할 수 있다.
따라서, 도 10의 회로는 도 11의 회로의 동작에 의해 직류 전원(103)과 콘덴서(202)와의 사이에서 제로상 전력을 주고받게 된다.
즉, 도 10에 도시하는 회로에 의해 도 21과 동일한 직류-다상 전력 변환 회로를 실현할 수 있고, 반도체 스위칭 소자 및 다이오드의 수의 감소, 2상한 초퍼의 입력측 리액터의 생략에 의해 회로 구성의 간략화, 소형화 및 저비용화를 달성할 수 있다.
이 실시 형태에서도, 교류 부하로서의 전동기는 3상 유도 전동기 이외의 다상 교류 전동기이어도 좋다.
도 12는 도 10의 실시 형태의 인버터(231)에 대한 PWM 펄스를 얻기 위한 제어 회로도이다.
도 12에 있어서, 직류 전압 지령 Vdc*과 직류 전압 검출치 Vdc와의 편차를 전압 제어기(304)에 입력하고, 그 출력으로부터 제로상(입력) 전류 지령 io*을 얻는다. 다른 구성은 도 5에 있어서의 컨버터(204)에 대한 PWM 펄스를 얻기 위한 부분을 제외하고 도 5와 동일하며, 최종적으로 인버터(231)의 스위칭 소자(Tr1∼Tr6)에 대한 PWM 펄스가 출력된다.
이 제어 회로에 의해 도 10의 실시 형태에서는 도 3의 3상 전압형 인버터와 도 11의 2상한 초퍼를 중합시킨 동작을 행하고, 전자는 정위상 전류에 의한 선간 전압, 즉 선간을 흐르는 전류의 제어가 되고, 후자는 제로상 전류에 의한 직류 전압의 제어가 된다.
도 13은 제어 회로의 다른 예로서 도 6과 동일하게 전동기(501)에 인가하는 전압 지령 va*, vb*, vc*로부터 PWM 펄스를 구하는 것이다.
도 14는 청구범위 제5항에 기재한 발명의 다른 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
도 14의 회로는 전동기(501)의 중성점을 직류 전원(103)의 음극에 접속하고, 그 양극을 3상 전압형 인버터(231)의 상아암과 평활 콘덴서(202)와의 접속점에 접속한 것이다.
이 실시 형태의 동작도 도 10과 동일하며, 3상 전압형 인버터와 2상한 초퍼를 중합시킨 동작이 된다.
도 15는 청구범위 제6항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
도 15의 회로는 도 10의 실시 형태에 있어서의 직류 전원(103)을 대신하여, 단상 교류 전원(101)과 다이오드 브리지에 의한 단상 전파 정류 회로(105)와의 조합을 이용한 것이다. 이 전원 구성은 도 14의 실시 형태에도 적용할 수 있다.
도 15의 실시 형태에 대한 제어 회로는 도 16과 같이 된다. 즉, 입력 전류를 정현파형으로 하기 위해, 전압 제어기(304)의 출력에 전원 전압과 동상으로 크기가 1인 정현파 sinωst의 절대치 ｜sinωst｜를 곱하여 제로상(입력) 전류 지령 io*을 얻는다. 기타는 도 12와 동일하다. 이 결과, 입력 전류를 정현파로 유지하면서 직류 전압을 소정의 값으로 제어할 수 있게 된다.
도 15의 실시 형태는 3상 전압형 인버터와 단상/단일 트랜지스터형 일석(一石) 정현파 컨버터를 중합시킨 동작이 된다.
도 17은 청구범위 제6항에 기재한 발명의 다른 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
이 실시 형태는 도 10의 실시 형태에 있어서의 직류 전원(103)을 대신하여, 3상 교류 전원(107)과 다이오드 브리지에 의한 3상 전파 정류 회로(106)와의 조합을 이용한 것이다. 이 전원 구성도 도 14의 실시 형태에 적용할 수 있다. 이 경우, 입력 전류를 고역율로 하기 위해서 전술한 도 13과 같은 제어 회로를 이용한다. 즉, 제로상 전류 io를 어떤 일정치로 제어함으로써 3상 교류 전원(107)의 전류 파형은 전기각으로 120°도통하는 사각형파가 된다. 따라서, 단상 교류 전원의 경우에 비하여 역율이 개선되고, 또한 입력 전류의 최대치도 작아지는 등의 이점이 있다.
또한 도시하지 않지만, 도 10, 도 14, 도 15 및 도 17의 각 실시 형태에 있어서, 청구범위 제7항에 기재하는 바와 같이 전동기(501)의 중성점과 직류 전원(교류 전원과 정류 회로의 조합을 포함함) 사이에 리액터를 접속하고, 그 철심에 전동기의 고정자 철심을 이용할 수도 있다.
도 18은 청구범위 제8항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
이 실시 형태는 도 10의 실시 형태를 기본으로 하여 전동기(501)의 중성점 대신에, 3상 전압형 인버터(231)의 각상 출력 단자에 성형 결선된 리액터(504)를 접속하고, 그 중성점을 직류 전원(103)의 양극에 접속한 것이다.
이 실시 형태는 중성점을 가지지 않은 교류 부하(503)에도 적용할 수 있으며, 교류 부하(503)에 제로상 전류를 흐르게 하지 않고 인버터(231)의 구성의 일부를 2상한 초퍼로 공용할 수 있다.
또한 이 실시 형태도 도 14, 도 15 및 도 17의 각 실시 형태에 있어서 전동기(501)를 제거한 구성에 적용할 수 있다.
도 19는 청구범위 제9항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
도면에 있어서, 101은 단상 교류 전원, 201은 IGBT 등의 자기 아아크 소멸형 반도체 스위칭 소자 및 역병렬 다이오드에 의해 단상 풀 브리지를 구성한 컨버터, 231은 동일한 자기 아아크 소멸형 반도체 스위칭 소자(Tr1∼Tr6)와 역병렬 다이오드로 이루어지는 3상 전압형 인버터, 202는 직류 중간 회로에 설치된 평활 콘덴서, 501은 3상 유도 전동기이다. 또한 102는 컨버터(201)의 스위칭에 따르는 리플 흡수용의 리액터이다.
또한 본 실시 형태에서는 전동기(501)의 고정자 권선의 중성점과 인버터(231)의 하아암과 평활 콘덴서(202)와의 접속점 사이에 에너지 축적 요소로서의 리플 흡수용 콘덴서(601)가 접속되어 있다.
본 실시 형태는 3상 전압형 인버터(231)의 제로전압 벡터에 착안한 것이다. 즉, 3상 전압형 인버터(231)에 있어서 제로전압 벡터를 출력하기 위해서는 상아암을 전부 도통시키는 경우와 하아암을 전부 도통시키는 경우의 2가지의 스위칭 패턴이 있고, 본 실시 형태에서는 이 자유도를 이용하고 있다.
인버터(231)로부터 출력되는 제로상 전압은 선간 전압에는 나타나지 않기 때문에 전동기 구동에는 영향을 미치지 않는다. 따라서, 출력부의 정위상분 등가 회로는 도 20과 같이 되고, 전동기(501)의 구동에 관해서는 종래와 같은 인버터로서 동작하며, 인버터(231)의 선간 전압 및 선간을 흐르는 전류에 의한 전력의 제어에 따라 전동기(501)와의 사이에서 교류 전력을 주고받는다.
한편, 제로상 성분에 대해서 생각하면 도 21과 같이 되고, 도 20에 있어서의 인버터(231)의 3쌍의 아암은 마치 제로전압 벡터들의 비로 스위칭 동작하는 1개의 아암(231')으로 간주할 수 있다. 또한 전동기(501)는 누설 인덕턴스의 값을 갖는 리액터(502)로 생각할 수 있다.
전력 리플 흡수용 콘덴서(601)의 전압은 인버터(231)의 교류 출력측에서 보면 제로상 전압이 되고, 전동기(501)(리액터(502))를 통해 인버터(231)와 콘덴서(601)와의 사이에서 제로상 전력을 주고받게함으로써 도 10의 종래 기술에 있어서 부가된 1쌍의 아암(2상한 초퍼(401))과 리액터(403) 및 콘덴서(404)와 같은 작용을 행할 수 있다. 이 때문에, 부가 아암 없이 평활 콘덴서(202)의 용량을 감소시킬 수 있다.
이와 같이, 도 19에 도시된 회로에 의해 인버터(231)와 콘덴서(601)와의 사이에서 제로상 전력을 주고받게함으로써 실질적으로 도 10과 등가인 단상-다상 전력 변환 회로가 실현되므로, 부가 아암이나 리액터의 삭감에 의한 회로 구성의 간략화, 소형화 및 저비용화가 가능하게 된다.
또한 부하로서의 교류 전동기는 3상 유도 전동기 이외의 다상 교류 전동기이어도 좋다.
도 19에 있어서의 단상 풀 브리지 컨버터(201)는 주지의 방법으로 입력 전류 파형이 정현파가 되도록 동작시킨다.
또한 3상 전압형 인버터(231)는 PWM 제어되지만, 그 PWM 펄스는 예컨대 도 22에 도시된 제어 회로에 의해 작성된다.
도 22에 있어서, 전력 리플을 흡수하기 위해서 콘덴서(601)에 흐르게 하는 전류 지령 즉 제로상 전류 지령 io*의 작성 방법은 예컨대 전술한 1996년(평성 8년) 전기학회 전국대회 예고집에 게재된 논문 「715 DC 액티브 필터 기능을 구비한 단상 PWM 컨버터의 콘덴서 용량 감소」에서 용이하게 유추할 수 있다.
이 제로상 전류 지령 io*에 승산기(324)에 의해 1/3을 곱한 값을 전동기(501)를 구동하기 위한 전류 지령 ia*, ib*, ic*에 가산하고, 각 위상 전류 지령 iu*, iv*, iw*을 작성한다. 이들과 실제의 각 위상 전류 검출치 iu*, iv*, iw와의 편차를 구하고, 전류 제어기(321∼323)에 입력하여 그 출력을 비교기(325∼327)에 의해 삼각파와 비교하며, 각 위상 전류를 지령 iu*, iv*, iw*에 추종시키는 인버터(231)의 스위칭 소자(Tr1∼Tr6)에 대한 PWM 패턴을 얻는다.
즉, 이 실시 형태에서는 인버터(231)를 PWM 펄스에 의해 시간 분할로 제어함으로써 도 49에 도시된 종래예 회로의 3상 전압형 인버터와 2상한 초퍼를 중합시킨 동작을 행하게 하는 것으로, 전자는 정위상 전류에 의한 선간 전압, 즉 선간을 흐르는 전류의 제어가 되고, 후자는 제로상 전류에 의한 콘덴서(601)의 입력 전류의 제어가 된다.
도 23은 제어 회로의 다른 예를 도시하는 것이다. 도 22의 예에서는 전동기(501)의 전류 지령 ia*, ib*, ic*로부터 PWM 펄스를 구하였지만, 도 23과 같이 전동기(501)에 인가하는 전압 지령 va*, vb*. vc*로부터 PWM 펄스를 구하는 것도 가능하다.
이 경우, 제로상 전류 지령 io*과 각 위상 전류로부터 구한 제로상 전류 io와의 편차를 전류 제어기(328)에 입력하여 제로상 전압 지령 vo*을 구하고, 이것을 전압 지령 va*vb*, vc*에 가산한 결과를 비교기(325∼327)에 의해 삼각파와 비교하여, 인버터(231)의 스위칭 소자(Tr1∼Tr6)에 대한 PWM 패턴을 얻는다.
인버터(231)의 스위칭에 따르는 콘덴서(601)의 입력 전류의 리플은 전동기(501)의 누설 인덕턴스(도 21에 있어서의 리액터(502))에 의해 평활하지만, 이것만으로는 부족할 경우에는 청구범위 제12항에 기재하는 바와 같이, 전동기(501)의 고정자 권선의 중성점과 콘덴서(601)와의 사이에, 전동기(501)의 고정자 철심을 공용한 리액터를 다시 접속하면 좋다.
상기 실시 형태에 있어서, 전력 리플 흡수용 콘덴서(601)는 전동기(501)의 중성점과, 인버터(231)의 상아암과 평활 콘덴서(202)의 접속점과의 사이에 접속하여도 좋다.
도 24는 청구범위 제10항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
이 실시 형태에서는 전동기(501)의 중성점과, 인버터(231)의 하아암과 평활 콘덴서(202)의 접속점과의 사이에, 공진용 리액터(603) 및 공진용 콘덴서(602)로 이루어지는 에너지 축적 요소로서의 직렬 공진 회로가 접속되어 있다. 또한 공진용 리액터(603)의 철심을 전동기(501)의 고정자 철심과 공용하여 일체화하면, 장치를 한층 소형화할 수 있다. 그 이외의 구성은 도 19의 실시 형태와 동일하다.
여기서 상기 직렬 공진 회로의 공진 주파수는 전원 주파수의 2배로 선택되고 있다. 이 실시 형태에 있어서, 상기 동일하게 단상 풀 브리지 컨버터(201)는 입력 전류 파형이 정현파가 되도록 동작시킨다.
또한 인버터(231)의 스위칭 소자(Tr1∼Tr6)에 대한 PWM 펄스는 도 25의 제어 회로에 의해 얻는다.
즉, 도 25에 도시된 바와 같이, 본 실시 형태에서는 제로상 전압 지령 vo*을 직접 부여하여 각 위상 전압으로부터 검출되는 제로상 전압 vo를 일정하게 유지하도록 제어한다. 329는 제로상 전압 지령 vo*과 제로상 전압 검출치 vo와의 편차가 입력되는 전압 제어기로서 그 출력을 전압 지령 va*, vb*, vc*에 가산한 결과를 비교기(325∼327)에 의해 삼각파와 비교하여, 인버터(231)의 스위칭 소자(Tr1∼Tr6)에 대한 PWM 패턴을 얻는다.
이 결과, 도 50의 종래예 회로에서는 공진용 콘덴서의 내압이 직류 중간 전압의 2배 이상 필요하지만, 본 실시 형태에서는 제로상 전압 지령 vo*에 의해 그 크기를 예컨대 직류 중간 전압의 1/2로 제어하면, 공진용 콘덴서(602)의 내압은 종래 기술의 1/2 정도로 좋아지고, 소형화 및 저가격화를 도모할 수 있다.
이미 밝혀진 바와 같이 이 실시 형태에서는 공진용 리액터(603)와 공진용 콘덴서(602)로 이루어지는 직렬 공진 회로가 도 11의 LC 필터(405)의 작용을 하며, 전원 주파수의 2배의 주파수의 전력 리플을 흡수한다.
또한 인버터(231)와 직렬 공진 회로와의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 원리는 도 19의 실시 형태와 동일하다.
상기 실시 형태에 있어서, 공진용 리액터(603) 및 공진용 콘덴서(602)로 이루어지는 직렬 공진 회로는 전동기(501)의 중성점과 인버터(231)의 상아암과 평활 콘덴서(202)의 접속점과의 사이에 접속하여도 좋다.
도 26은 청구범위 제11항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
이 실시 형태에서는 전동기(501)의 중성점과 컨버터(201)의 한쪽 교류 입력 단자(한쪽 상하 아암의 중점) 사이에 에너지 축적 요소로서의 리플 흡수용 리액터(604)가 접속되어 있다. 이 리액터(604)도 전동기(501)와 동일한 철심을 공용하고 일체화함으로써 소형화할 수 있다. 그 이외의 구성으로 상기 각 실시 형태와 동일한 구성 요소에는 동일 부호가 붙여져 있다.
본 실시 형태의 제어 방법으로서 상기 동일하게 단상 풀 브리지 컨버터(201)는 입력 전류 파형이 정현파가 되도록 동작시킨다.
또한 인버터(231)의 스위칭 소자(Tr1∼Tr6)에 대한 PWM 펄스는 도 25의 제어 회로에 의해 얻을 수 있다. 평활 콘덴서(202)의 용량을 감소시키기 위한 제로상 전압 지령 vo*의 작성 방법은 1996(평성 8년) 전기학회 산업 응용 부문 전국 대회 예고집에 게재된 논문 「79 단상 전압형 PWM 컨버터의 직류 전력 맥동 감소 방식」에서 용이하게 유추할 수 있다.
인버터(231)와 리액터(604)와의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 원리는 도 19의 실시 형태와 동일하며, 인버터(231)에 제로전압 벡터를 출력시켜 리액터(604)의 전류를 제어함으로써 도 51의 종래예 회로에서의 하나의 쌍의 아암(401)과 동일한 작용을 행할 수 있다. 따라서, 도 26의 회로는 실질적으로 도 51의 회로와 등가가 되고, 부가 아암의 삭감에 의한 장치의 소형화 및 저가격화가 가능해진다.
이 실시 형태에 있어서, 전력 리플 흡수용의 리액터(604)의 일단이 접속되는 지점은 컨버터(201)의 다른쪽 교류 입력 단자(다른쪽 상하 아암의 중점)라도 좋다.
도 27은 청구범위 제13항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
이 실시 형태는 도 19의 실시 형태를 기본으로서 전동기(501)의 중성점 대신에 인버터(231)의 각 위상 출력 단자에 성형 결선된 리액터(504)의 중성점을 콘덴서(601)의 일단에 접속한 것이다.
이 실시 형태에 따르면, 중성점을 가지지 않은 교류 부하(502)에도 적용할 수 있으며, 교류 부하(502)에 제로상 전류를 흐르게 하지 않고 도 19의 실시 형태와 동일하게 부가 아암을 생략하여 평활 콘덴서(202)의 용량 감소를 도모할 수 있다. 또한 전체적인 동작이나 인버터(231)의 제어 방법은 도 19의 실시 형태와 동일하다.
본 실시 형태는 도 24와 도 26의 각 실시 형태에 있어서 전동기(501)를 제거한 구성에도 적용할 수 있다.
상기 각 실시 형태에 있어서, 컨버터(201)로서 단상 풀 브리지 컨버터를 이용한 경우에 대해서 설명하였지만, 본 발명의 요점은 어디까지나 평활 콘덴서(202)의 용량 감소에 있기 때문에, 컨버터로서는 단상 혼합 브리지 컨버터 등을 이용한 경우에도 적용할 수 있다.
도 28은 청구범위 제14항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 개념도이다.
도 28에 있어서, 103은 직류 전원, 202는 평활 콘덴서, 210은 단상 전압형 인버터, 550은 인버터(210)와의 사이에서 교류 전력을 주고받는 단상 교류 전동기, 트랜스, 또는 인덕턴스를 통한 단상 교류 전원 등의 단상 회로이다.
또한 800은 복수의 다이오드를 내부의 접속점에서 극성이 반전하도록 직렬 접속하여 구성된 다이오드군으로서 이 다이오드군(800)의 양단이 인버터(210)의 교류 출력 단자에 접속되고, 다이오드군(800) 내부의 극성 반전점(가상 중성점)이 직류 전원(103)의 양극에 접속되어 있다.
또한 직류 전원(103)의 음극은 인버터(210)의 하아암과 평활 콘덴서(202) 접속점에 접속되어 있고, 인버터(210), 다이오드군(800) 및 직류 전원(103)은 직류 전원(103)의 전압 및 전류가 인버터(210)의 교류 출력 단자로부터 다이오드군(800)을 통해 보았을 때에 제로상 성분(크기가 같이 위상차가 없는 성분)이 되도록 루프형으로 접속되어 있다.
상기 구성에 있어서, 인버터(210)와 단상 회로(550) 사이의 교류 전력의 주고받음은 인버터(210)의 선간 전압 및 선간을 흐르는 전류(부하 전류)에 의한 전력의 제어에 따라 종래와 같이 행해진다. 즉, 단상 회로(550)가 교류 전동기 등의 단상 부하인 경우에는 교류 전력을 공급하여 단상 부하가 구동된다. 또한 단상 회로(550)가 리액터를 통한 단상 교류 전원인 경우, 직류 전원(103)의 직류 전력이 인버터(210)를 통해 교류 전력으로 변환되어 단상 교류 전원으로 회생된다.
한편, 인버터(210)와 직류 전원(103)과의 사이에서는 인버터(210)에 제로전압 벡터를 출력시켜 제로상 전압과 제로상 전류를 제어함으로써 직류 전력을 주고받게 만든다.
즉, 인버터(210)는 단상 회로(550) 사이의 교류 전력의 주고받음과 직류 전원(103) 사이의 직류 전력의 주고받음을 시간 분할로 행하고, 직류 전원(103)과의 사이에서 직류 전력을 주고받고 있을 때에는 인버터(210)가 직류-직류 변환 동작을 행하는 초퍼의 작용을 실행한다. 그 결과, 도 48에 도시된 바와 같은 직류-직류 컨버터(205)가 불필요해지고, 이 컨버터(205)를 구성하는 반도체 스위칭 소자나 그 구동 회로 등을 삭감할 수 있다.
도 29는 청구범위 제15항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
도 29에 있어서, 103은 직류 전원, 102는 리액터, 202는 평활 콘덴서, 211은 IGBT 등의 자기 아아크 소멸형 반도체 스위칭 소자(Tr1∼Tr4)와 각 스위칭 소자에 역병렬된 다이오드로 이루어지는 단상 전압형 인버터, 551은 인버터(211)의 교류 출력 단자에 접속된 단상 교류 전동기 등의 단상 부하, 801은 다이오드(D21, D22)가 역극성으로 직렬 접속되고, 또한 각 다이오드(D21, D22)의 캐소드가 인버터(211)의 교류 출력 단자에 접속되는 동시에 애노드(다이오드(D21, D22)의 상호 접속점으로서 극성 반전점이기도 함)가 리액터(102)의 일단에 접속된 다이오드군(801)이다.
여기서, 직류 전원(103)의 양극은 리액터(102)의 타단에 접속되고, 음극은 인버터(211)의 하아암과 평활 콘덴서(202)의 접속점에 접속되어 있다.
본 실시 형태는 단상 전압형 인버터(211)의 제로전압 벡터에 착안한 것이다. 즉, 단상 전압형 인버터(211)에 있어서 제로전압 벡터를 출력하기 위해서는 상아암을 전부 도통시키는 경우와 하아암을 전부 도통시키는 경우의 2가지의 스위칭 패턴이 있고, 본 실시 형태에서는 이 자유도를 이용하고 있다.
인버터(211)로부터 출력되는 제로상 전압은 선간 전압에는 나타나지 않기 때문에, 단상 부하(551)로의 교류 전력 공급에는 영향을 미치지 않는다. 따라서, 정위상분의 등가 회로는 도 30과 같이 되고, 단상 부하(551)로의 전력 공급에 관해서는 종래와 같은 인버터로서 동작하며, 인버터(211)의 선간 전압 및 선간을 흐르는 전류에 의한 전력의 제어에 따라 단상 부하(551)와의 사이에서 교류 전력을 주고받는다.
또한 직류 전원(103)의 전압은 인버터(211)의 교류 출력 단자로부터 다이오드군(801)의 다이오드(D21. D22)를 통해 보면 제로상 전압이 되고, 제로상 전류는 상기 접속에 의해 다이오드군(801)에 따라 바이패스되며, 단상 부하(551)에는 흐르지 않는다.
한편, 제로상 성분에 대해서 생각하면 도 31과 같이 되고, 도 30에 있어서의 인버터(211)의 2쌍의 아암은 마치 제로전압 벡터의 비로 스위칭 동작하는 1쌍의 아암(211')으로 간주할 수 있다. 즉, 도 48에 도시된 종래의 승압 초퍼(205)를 도 29의 인버터(211)에 의한 제로상 전압의 제어에 따라 대용할 수 있다. 또한 도 31에 있어서의 801'은 도 29의 다이오드군(801)을 등가적으로 나타낸 다이오드이다. 따라서, 인버터(211)의 스위칭 동작에 의해 제로전압 벡터를 출력시킴으로써 도 48의 승압 초퍼(205)와 동일한 동작이 가능하고, 직류 전원(103)과 콘덴서(202)와의 사이에서 직류 전력을 주고받을 수 있다.
즉, 도 29에 도시된 회로에 의해 실질적으로 도 48과 같은 직류-교류 전력 변환 장치를 실현할 수 있으므로, 승압 초퍼를 구성하는 반도체 스위칭 소자의 삭감에 의해 회로 구성의 간략화, 소형화 및 저비용화가 가능해진다.
도 29에 있어서의 인버터(211)는 PWM 제어되지만, 그 PWM 펄스는 예컨대 도 32에 도시된 제어 회로에 의해 작성된다.
즉 도 32에 있어서, 직류 전압 지령 Vdc*과 직류 전압 검출치 Vdc와의 편차를 가산기(341)에 의해 구하여 전압 제어기(342)에 입력하고, 제로상(입력) 전류 지령 io*을 얻는다. 또한 이 제로상 전류 지령 io*과 제로상 전류 검출치 io과의 편차를 가산기(343)에 의해 구하여 그 편차를 전류 제어기(344)에 입력한다.
한편, 인버터(211)의 출력전압 지령 vout*을 절대치 검출기(346)에 입력하여 그 절대치를 구하고, 이 절대치를 가산기(349)에 의해 전류 제어기(344)의 출력으로부터 감산하여 제로상 전압 지령 io*을 얻는다.
출력 전압 지령 vout*과 제로상 전압 지령 vo*을 가산기(347)에 의해 가산하고, 또한 극성 반전기(345)로써 출력 전압 지령 vout*의 극성을 반전시킨 신호와 제로상 전압 지령 vo*을 가산기(348)에 의해 가산한 후, 이들 가산 결과를 비교기(350, 351)에 의해 삼각파와 비교하여, 직류 전압 검출치 Vdc를 직류 전압 지령 Vdc*에 추종시키는 인버터(211)의 스위칭 소자(Tr1∼Tr4)에 대한 PWM 패턴을 얻는다.
본 실시 형태에 있어서, 직류 전원(103)의 양극을 인버터(211)의 상아암과 평활 콘덴서(202)의 접속점에 접속하는 경우에는 직류 전원(103)의 음극을 리액터(102)의 일단에 접속하고, 그 타단을 다이오드(D21, D22)의 캐소드끼리의 접속점(극성 반전점)에 접속하여 다이오드(D21, D22)의 애노드를 인버터(211)의 교류 출력 단자에 각각 접속하면 된다.
도 33은 청구범위 제16항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
이 실시 형태는 도 48의 종래 기술에 대응하고 있고, 인버터(211)로부터 출력된 교류 전력을 단상 교류 전원(101)으로 회생하는 경우의 것이다. 또한 그 이외의 구성 요소로 도 29의 실시 형태와 동일한 것에는 동일 번호가 붙여져 있다.
본 실시 형태에서는 회생 전류 파형을 정현파로 하기 위해서, 도 34에 도시된 제어 회로를 이용한다.
즉, 회생 전류 지령 ir*과 실제의 회생 전류 검출치 ir과의 편차를 가산기(352)에 의해 구하고, 이 편차를 전류 제어기(353)에 입력하여 출력 전압 지령 vout*을 얻는다. 이하의 제어 연산의 내용은 도 32와 동일하다.
본 실시 형태의 동작도 도 29의 실시 형태와 거의 동일하고, 인버터(211)에 제로전압 벡터를 출력시킴으로써 도 48에 있어서의 승압 초퍼(205)의 동작을 대용시키며, 직류 전원(103)과의 사이에서 직류 전력을 주고받는다. 이 때, 제로상 전류는 다이오드군(801)에 의해 바이패스되기 때문에, 단상 교류 전원(101)측으로 흐르는 일은 없다.
전력 회생시에는 정현파형의 전류 ir을 흐르게 하여 직류 전원(103)의 직류 전력을 인버터(211)를 통해 단상 교류 전원(101)으로 회생한다.
본 실시 형태에 있어서, 직류 전원(103)의 양극을 인버터(211)의 상아암과 평활 콘덴서(202)의 접속점에 접속하는 경우에는 직류 전원(103)의 음극을 리액터(102)의 일단에 접속하고, 그 타단을 다이오드(D21, D22)의 캐소드끼리의 접속점(극성 반전점)에 접속하여 다이오드(D21, D22)의 애노드를 단상 교류 전원(101)의 양단에 각각 접속하면 된다.
도 35는 청구범위 제17항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
이 실시 형태에서는 인버터(211)의 교류 출력 단자와 단상 교류 전원(101)의 양단 사이에 제1 리액터(553)와 제2 리액터(554)가 삽입되어 있다.
이 구성에 의하면, 도 29 또는 도 33의 실시 형태에 있어서의 직류 리액터(102)에 비하여 리액터(553, 554)를 흐르는 전류는 작게 끝나기 때문에, 리액터의 책무가 경감된다. 또한 제어 방법은 도 29 또는 도 33의 실시 형태와 동일하지만, 제로상 전류와 회생 전류의 지령을 구하기 위해서 리액터(553, 554)를 흐르는 전류를 검출하여, 정위상분과 제로상 성분으로 분리할 필요가 있다.
본 실시 형태에 있어서, 직류 전원(103)의 양극을 인버터(211)의 상아암과 평활 콘덴서(202)와의 접속점에 접속하는 경우에는 직류 전원(103)의 음극을 다이오드(D21, D22)의 캐소드끼리의 접속점(극성 반전점)에 접속하여 다이오드(D21, D22)의 애노드를 단상 교류 전원(101)의 양단에 각각 접속하면 된다.
도 36은 청구범위 제18항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
이 실시 형태는 도 29의 실시 형태에 있어서의 직류 전원(103)을 대신하여, 단상 교류 전원(101)과 다이오드 브리지로 이루어지는 단상 전파 정류 회로(104)와의 조합을 이용한 것이다.
본 실시 형태의 제어 회로로서 도 32에 있어서의 전압 제어기(342)의 출력에 교류 전원 전압과 동기한 정현파의 절대치를 곱함으로써 교류 입력 전류를 정현파형으로 제어할 수 있게 된다.
도시되어 있지 않지만, 3상 등의 다상 교류 전원과 전파 정류 회로를 조합하여 직류 전원으로 대체할 수도 있다.
본 실시 형태의 단상 또는 다상 교류 전원과 정류 회로의 조합은 도 29 이외에 도 33과 도 35의 실시 형태의 직류 전원(103)에도 적용할 수 있다.
도 37은 청구범위 제19항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 개념도이다.
도 37에 있어서, 101은 단상 또는 다상의 교류 전원, 104는 교류를 직류로 변환하는 전파 정류 회로 등의 정류 수단, 120은 교류 전원(101) 및 정류 수단(104)으로 이루어지는 직류 전원, 230은 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해서 전력 변환을 행하고, 교류 전압을 출력하는 예컨대 3상의 전압형 인버터, 500은 교류 전동기 등의 부하, 850은 정류 수단(104)의 직류 출력 단자와 전압형 인버터(230)의 교류 출력 단자 사이에 접속된 다이오드로 이루어지는 제로상 통류 수단이다.
여기서, 전압형 인버터(230)에 의한 제로전압 벡터의 출력시에는 정류 수단(104)(직류 전원(120))의 출력 전압은 인버터(230)의 교류 출력 단자(부하(500)의 입력 단자) 사이에 제로상 통류 수단(850)의 다이오드군이 개재되어 있는 것에 의해 말하자면 제로상 전압이 되고, 또한 제로상 전류는 제로상 통류 수단(850)의 다이오드군에 의해 바이패스되며, 부하(500)에는 흐르지 않는다.
이 때, 전압형 인버터(230)는 마치 제로전압 벡터의 비로 스위칭 동작하는 1쌍의 아암으로 간주할 수 있고, 도 48의 종래 기술에 나타낸 승압 초퍼(205)와 동일하게 동작한다. 이 때문에, 따로 승압 초퍼를 설치할 필요가 없어지고, 회로 전체로서 반도체 스위칭 소자의 수의 감소, 그 구동 회로나 구동 전원, 제어 회로 등의 생략이 가능해진다.
또한 전압형 인버터(230)가 단상 전압형 인버터인 경우에는 2쌍의 상아암 전부를 도통시키거나 2쌍의 하아암 전부를 도통시킴으로써 제로전압 벡터를 출력시킨다.
도 38은 청구범위 제20항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
도 38에 있어서, 도 48과 동일하게 101은 단상 교류 전원, 104는 다이오드 브리지로 이루어지는 단상 전파 정류 회로, 102는 리액터, 202는 평활 콘덴서, 231은 다이오드가 역병렬 접속된 반도체 스위칭 소자(Tr1∼Tr6)로 이루어지는 3상 전압형 인버터, 500은 3상 교류 전동기 등의 부하이다.
이 실시 형태에서는 도 48에 있어서의 승압 초퍼(205)가 설치되어 있지 않다. 그 대신에, 리액터(102)의 인버터(231)측의 일단과 인버터(231)의 3상 교류 출력 단자 U, V, W사이에, 각 위상마다 다이오드(D11, D12, D13)를 동일한 극성으로 병렬 접속(각 애노드를 리액터(102)에 공통 접속하고, 각 캐소드를 3상 교류 출력 단자 U, V, W에 접속)하여 이루어지는 제로상 통류 수단으로서의 제로상 바이패스 다이오드(851)가 설치되어 있다.
또한 본 실시 형태에서는 인버터(231)(평활 콘덴서(202))의 음측 단자가 정류 회로(104)의 음측 출력 단자에 접속되어 있다.
본 실시 형태는 3상 전압형 인버터(231)의 제로전압 벡터에 착안한 것이다. 즉, 3상 전압형 인버터(231)에 있어서 제로전압 벡터를 출력하기 위해서는 상아암을 전부 도통시키는 경우와 하아암을 전부 도통시키는 경우의 2가지의 스위칭 패턴이 있으며, 본 실시 형태에서는 이 자유도를 이용하고 있다.
인버터(231)로부터 출력되는 제로상 전압은 선간 전압에는 나타나지 않기 때문에, 부하(500)로의 전력 공급에는 영향을 미치지 않는다. 따라서, 정위상분의 등가 회로는 도 39와 같이 되고, 부하(500)로의 전력 공급에 관해서는 종래와 같은 인버터로서 동작하며, 인버터(231)의 선간 전압 및 선간을 흐르는 전류에 의한 전력의 제어에 의해 부하(500)와의 사이에서 교류 전력을 주고받는다.
한편, 제로상 성분에 대해서 생각하면 도 40과 같이 되고, 도 38에 있어서의 인버터(231)의 3쌍의 아암은 마치 제로전압 벡터의 비로 스위칭 동작하는 1쌍의 아암(231')으로 간주할 수 있다. 즉, 인버터(231)의 상아암의 스위칭 소자(Tr1, Tr3, Tr5) 전부, 또는 하아암의 스위칭 소자(Tr2, Tr4, Tr6) 전부를 온시켜 제로전압 벡터를 출력시킴으로써 도 48에 도시된 승압 초퍼(205)를 대용시키고 있다.
그리고, 이 인버터(231)에 의한 제로상 전압 제어 동작에 의해 종래와 동일하게 교류 전원(101)의 전류 파형을 전원 전압과 동기한 정현파형으로 제어할 수 있다. 또한 도 40의 제로상 성분 등가 회로에 있어서의 D10은 도 38의 제로상 바이패스 다이오드(851)를 등가적으로 나타낸 다이오드이다.
즉, 리액터(102)의 일단과 인버터(231)의 각 위상 교류 출력 단자 사이에 제로상 바이패스 다이오드(851)를 접속하고, 인버터(231)에 제로전압 벡터를 출력시켜 제로상 전압을 제어하면, 등가적으로 도 40의 회로가 구성된다. 이 때, 정류 회로(104)의 출력 전압은 부하(500)의 입력 단자 즉 인버터(231)의 각 위상 교류 출력 단자에서 보면 제로상 전압이 되고, 또한 도 40에 도시된 바와 같이, 제로상 전류 io는 다이오드 D10(제로상 바이패스 다이오드(851))에 의해 바이패스되어 부하(500)에는 흐르지 않게 된다.
이렇게 해서 인버터(231)에 의한 제로전압 벡터 출력시에, 단상 교류 전원(101)과 인버터(231)와의 사이에서 제로상 바이패스 다이오드(851)를 통해 제로상 전력을 주고받음으로써 종래의 승압 초퍼(205)와 동일한 동작을 행할 수 있기 때문에, 전력 변환 회로전체에서 보아 반도체 스위칭 소자 및 그 구동 회로 등을 삭감할 수 있다. 따라서, 회로 구성의 간략화, 소형화 및 저비용화가 가능해진다.
도 38에 있어서의 인버터(231)는 PWM 제어되지만, 그 PWM 펄스는 예컨대 도 41에 도시된 제어 회로에 의해 작성된다. 이 제어 회로는 청구범위 제26항에 기재한 발명의 실시 형태에 해당한다.
즉 도 41에 있어서, 직류 전압 지령치 vdc*과 직류 전압 검출치 vdc(도 38에 있어서의 평활 콘덴서(202)의 전압)와의 편차를 전압 제어기(361)에 입력하고, 그 출력에 전원 전압과 동상으로 크기가 1인 정현파의 절대치 ｜sinωst｜를 승산기(362)로써 곱하여 제로상(입력) 전류 지령치 io*을 얻는다.
또한 제로상 전류 지령치 io*과 제로상 전류 검출치 io와의 편차를 전류 제어기(363)에 입력하고, 후술하는 수식 2에 나타낸 바와 같이, 제어기(363)로부터 출력된 제로상 바이패스 다이오드(851)의 애노드 전위 지령치 van*과 최소치 회로(364)의 출력과의 편차를 제로상 전압 지령치 vo*로 한다. 또한 최소치 회로(364)는 각 위상 전압 지령치 va*, vb*, vc*중의 최소치를 출력하는 회로이다.
또한 제로상 전압 지령치 vo*은 각 위상 전압 지령치 va*, vb*, vc*로 각각 가산되어 비교기(365∼367)에 입력되고, 삼각파와 비교된다. 이들 비교기(365∼367)의 출력을 상하 아암으로 반전시킴으로써 인버터(231)의 스위칭 소자(Tr1∼Tr6)에 대한 PWM 패턴을 얻는다.
여기서, 제로상 바이패스 다이오드(851)의 애노드 전위 van은 인버터(231)의 하아암중 어느 하나의 스위칭 소자(Tr2, Tr4, Tr6)가 온하면 영이 된다. 1회의 스위칭 주기의 평균 전압을 생각하면, 애노드 전위 van은 U, V, W 위상의 각 스위칭 주기의 평균 전압중에서 가장 낮은 전위가 된다. 따라서, 애노드 전위 van은 각 위상의 선간 전압 지령치로부터 연산되는 각 위상 전압 지령치 va*, vb*, vc*와 제로상 전압 지령치 vo*에 기초하여 수학식 1에 의해 표시된다.
여기서, min(va*, vb*, vc*)은 va*, vb*, vc*중의 최소치를 나타내고, 상기 최소치 회로(364)의 출력이다.
따라서, 각 위상 전압 지령치 va*, vb*, vc*에 중첩되는 제로상 전압 지령치 vo*는 애노드 전위 지령치를 van*으로 하면, 수학식 2와 같이 된다.
도 42는 청구범위 제21항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
이 실시 형태에서는 정류 회로(104)의 양측 출력 단자와 평활 콘덴서의 양측 단자가 접속되어 있는 동시에, 정류 회로(104)의 음측 출력 단자에 리액터(102)의 일단이 접속되고, 그 타단과 인버터(231)의 교류 출력 단자 U, V, W사이에 제로상 바이패스 다이오드(852)가 접속되어 있다. 이것에 따라, 제로상 바이패스 다이오드(852)를 구성하는 다이오드(D11∼D13)의 극성이 도 38로 역전하고 있다.
이 실시 형태에 있어서도, 인버터(231)에 의한 제로전압 벡터 출력시에, 단상 교류 전원(101)과 인버터(231)와의 사이에서 제로상 바이패스 다이오드(852)를 통해 제로상 전력을 주고받음으로써 인버터(231)에 종래의 승압 초퍼와 동일한 동작을 행하게 하고, 승압 초퍼용 반도체 스위칭 소자 및 그 구동 회로 등을 생략할 수 있다.
도 43은 도 42의 인버터(231) 제어 회로로서 청구범위 제27항 발명의 실시 형태에 해당한다.
도 41과 다른 것은 도 43의 제어 회로에서는 전류 제어기(363)의 출력을 제로상 바이패스 다이오드(852)의 캐소드 전위 지령치 vkn*로 하고, 한편, 각 위상 전압 지령치 va*, vb*, vc*중의 최대치를 최대치 회로(368)가 출력하여, 양쪽의 편차를 제로상 전압 지령치 vo*으로 하고 있는 점이다.
이 경우, 제로상 바이패스 다이오드(852)의 캐소드 전위 vkn은 인버터(231)의 상아암중 어느 하나의 스위칭 소자(Tr1, Tr3, Tr5)가 온하면 E[V](인버터(231)의 직류 입력 전압)가 된다. 1회의 스위칭 주기의 평균 전압을 생각하면, 캐소드 전위 vkn은 U, V, W 위상의 각 스위칭 주기의 평균 전압중에서 가장 높은 전위가 된다. 따라서, 캐소드 전위 vkn은 각 위상의 선간 전압 지령치로부터 연산되는 각위상 전압 지령치 va*, vb*, vc*와 제로상 전압 지령치 vc*에 기초하여, 수학식 3에 의해 표시된다.
여기서, max(va*, vb*, vc*)는 va*, vb*, vc*중의 최대치를 나타내고, 상기 최대치 회로(368)의 출력이다.
따라서, 각 위상 전압 지령치 va*, vb*, vc*에 중첩되는 제로상 전압 지령치 vo*는 캐소드 전위 지령치를 vkn*으로 하면, 수학식 4와 같이 된다.
도 44는 청구범위 제22항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도이고, 도 38의 실시 형태에 있어서의 직류측의 리액터(102)를 교류측의 리액터(302)로 대체한 것이다.
이 실시 형태의 동작은 도 38과 동일하지만, 정류 회로(104), 제로상 바이패스 다이오드(851), 인버터(231) 및 평활 콘덴서(202) 등으로 이루어지는 주회로를 모듈화하여 장치 전체의 소형화를 도모할 수 있다.
본 실시 형태와 같이 리액터를 교류 전원(101)예에 접속하는 착상은 도 42의 실시 형태에도 적용할 수 있다. 즉, 도시하지 않지만, 도 42에 있어서의 직류측 리액터(102)를 대신하여, 교류 전원(101)과 정류 회로(104) 사이에 교류 리액터를 접속하여도 된다. 이 구성이 청구범위 제23항에 기재한 발명의 실시 형태에 해당한다.
또한 인버터(231)의 제어 회로로서는 도 41 또는 도 43의 제어 회로를 적용하면 된다.
도 45는 청구범위 제24항에 기재한 발명의 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
이 실시 형태는 도 38의 실시 형태에 있어서의 교류 전원(101) 및 정류 회로(104)의 조합을 직류 전원(103)으로 대체한 것이다.
본 실시 형태에서는 인버터(231)에 제로전압 벡터를 출력시켜 종래의 승압 초퍼와 동일한 동작을 행하게 함으로써 인버터(231)의 직류 링크 전압을 높게할 수 있으며, 이것에 의해 출력 전압 범위의 확대가 가능하다.
본 실시 형태와 같이 교류 전원 및 정류 회로의 조합 대신에 직류 전원(103)을 이용하는 착상은 도 42의 실시 형태에도 적용할 수 있으며, 그 예가 청구범위 제25항에 기재한 발명의 실시 형태에 해당한다.
여기서, 인버터(231)의 제어 회로로서는 도 41 또는 도 43의 제어 회로를 적용하면 된다.
또한 본 발명은 단상 전압형 인버터나 3상 이외의 다상 전압형 인버터를 구비한 전력 변환 회로에도 적용할 수 있다.
이 제1 내지 제8 발명에 따르면, 종래의 컨버터의 1아암을 인버터에 의해 대용시켜, 단상-다상 전력 변환기나 직류-다상 전력 변환기내의 반도체 스위칭 소자, 역병렬 다이오드 등의 수를 적게 하고, 또한 전력 변환 장치의 입력측의 리액터를 생략할 수 있게 하여 회로 구성의 간략화, 장치의 소형화 및 저비용화를 도모할 수 있다.
이것에 의해 종래보다도 소형이고 또한 염가로 고입력 역율의 전동기 등의 구동 장치를 실현할 수 있다.
또한 제7 발명에 따르면, 전동기의 고정자 철심을 효율적으로 이용할 수 있고, 또 제8 발명에 따르면, 이 전력 변환 장치는 중성점을 가지지 않은 교류 부하로의 적용을 가능하게 하고 있다,.
이 제9 내지 제13 발명에 따르면, 인버터의 제로전압 벡터 이용에 의한 제로상 전력의 제어에 따라 종래의 부가 아암을 삭감할 수 있으며, 회로 구성의 간략화에 의한 장치의 소형화 및 저비용화를 도모하면서 평활 콘덴서의 용량을 감소시킬 수 있다.
또한 제12 발명에 따르면, 전력 리플 흡수용으로 종래 설치된 리액터를 전동기의 누설 인덕턴스에 의해 대용할 수 있게 하고, 또 제13 발명에 따르면, 이 전력 변환 장치는 중성점을 가지지 않은 교류 부하로의 적용이 가능하게 되며, 이 점에서도 큰 효과가 있다.
이 제14 내지 제18 발명에 따르면, 단상 전압형 인버터의 직류 전압을 소정치로 하기 위한 승압 초퍼 등의 직류-직류 컨버터를 인버터에 의해 대용할 수 있다.
이 때문에, 장치 전체로서 반도체 스위칭 소자나 그 구동 회로, 구동 전원 등을 삭감할 수 있고, 회로 구성의 간략화, 장치의 소형화 및 저비용화를 도모할 수 있다.
또 제19 내지 제23 발명 및 제26, 제27 발명에 따르면, 인버터에 제로전압 벡터를 출력시켜 제로상 전압을 제어함으로써 입력 전류 파형을 정현파형으로 제어하는 종래의 승압 초퍼 등의 컨버터를 인버터에 의해 대용할 수 있고, 전력 변환 장치 전체의 반도체 스위칭 소자나 그 구동 회로, 제어 전원 등을 삭감하여 회로 구성의 간략화, 장치의 소형화, 저비용화 및 고입력 역율을 실현할 수 있다.
또한 제24, 제25 발명에 따르면, 제로상 바이패스 다이오드에 의해 의사적으로 얻은 제로상 전압을 이용하여 직류 전원 전압을 아암의 추가없이 승압할 수 있으며, 이 점에서도 승압 초퍼를 불필요하게 한다.

Claims (27)

  1. 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 전력 변환을 행하여 다상 교류를 출력하는 전력 변환기와, 이 전력 변환기의 출력 측에 접속된 교류 부하 회로와, 이 교류 부하 회로에 접속된 제로상 전원 장치를 구비하고,
    전력 변환기의 교류 출력 측으로부터 교류 부하 회로를 통하여 보았을 때 제로상 전원 장치의 전압 및 전류가 제로상 성분이 되도록 전력 변환기와 교류 부하 회로 및 제로상 전원 장치를 루프형으로 접속하며,
    시간 분할에 의해 전력 변환기가 교류 부하 회로와의 사이에서 전력을 주고받고, 또한 제로상 전원 장치와의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 단상 교류 전압을 전력 변환기 내의 전압형 인버터에 의해 다상 교류 전압으로 변환하여 다상 교류 전동기를 구동하는 전력 변환 장치에 있어서,
    단상 교류 전원의 일단을 전동기의 성형(星形) 결선된 고정자 권선의 중성점에 접속하고, 단상 교류 전원의 타단을 인버터의 직류 측에 2개 직렬로 접속된 반도체 스위칭 소자로 이루어지는 컨버터의 중점에 접속하여, 인버터의 교류 출력 측에서 전동기를 통해 보았을 때 단상 교류 전원의 전압 및 전류가 제로상 성분이 되도록 구성하며,
    시간 분할에 의해 인버터가 전동기와의 사이에서 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 인버터 및 컨버터가 단상 교류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 단상 교류 전압을 전력 변환기 내의 전압형 인버터에 의해 다상 교류 전압으로 변환하여 다상 교류 전동기를 구동하는 전력 변환 장치에 있어서,
    단상 교류 전원의 일단을 전동기의 성형 결선된 고정자 권선의 중성점에 접속하고, 단상 교류 전원의 타단을 인버터의 직류 측에 2개 직렬로 접속된 다이오드로 이루어지는 컨버터의 중점에 접속하여, 인버터의 교류 출력 측에서 전동기를 통해 보았을 때 단상 교류 전원의 전압 및 전류가 제로상 성분이 되도록 구성하며,
    시간 분할에 의해 인버터가 전동기와의 사이에서 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 인버터 및 컨버터가 단상 교류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 단상 교류 전압을 전력 변환기 내의 전압형 인버터에 의해 다상 교류 전압으로 변환하여 다상 교류 전동기를 구동하는 전력 변환 장치에 있어서,
    단상 교류 전원의 일단을 전동기의 성형 결선된 고정자 권선의 중성점에 접속하고, 단상 교류 전원의 타단을 인버터의 직류 측에 2개 직렬로 접속된 콘덴서로 이루어지는 컨버터의 중점에 접속하여, 인버터의 교류 출력 측에서 전동기를 통해 보았을 때 단상 교류 전원의 전압 및 전류가 제로상 성분이 되도록 구성하며,
    시간 분할에 의해 인버터가 전동기와의 사이에서 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 인버터 및 컨버터가 단상 교류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 직류 전압을 전력 변환기 내의 전압형 인버터에 의해 다상 교류 전압으로 변환하여 다상 교류 전동기를 구동하는 전력 변환 장치에 있어서,
    직류 전원의 일단을 전동기의 성형 결선된 고정자 권선의 중성점에 접속하고, 직류 전원의 타단을 인버터의 직류 측에 병렬 접속된 평활 콘덴서와 인버터와의 접속점의 한쪽에 접속하여, 인버터의 교류 출력 측에서 전동기를 통해 보았을 때 직류 전원의 전압 및 전류가 제로상 성분이 되도록 구성하며,
    시간 분할에 의해 인버터가 전동기와의 사이에서 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 직류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 교류 전원을 정류하여 얻은 직류 전압을 전력 변환기 내의 전압형 인버터에 의해 다상 교류 전압으로 변환하여 다상 교류 전동기를 구동하는 전력 변환 장치에 있어서,
    교류 전원에 접속된 정류회로의 일단을 전동기의 성형 결선된 고정자 권선의 중성점에 접속하고, 정류 회로의 타단을 인버터의 직류 측에 병렬 접속된 평활 콘덴서와 인버터와의 접속점의 한쪽에 접속하여, 인버터의 교류 출력 측에서 전동기를 통해 보았을 때 교류 전원의 전압 및 전류가 제로상 성분이 되도록 구성하며,
    시간 분할에 의해 인버터가 전동기와의 사이에서 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 교류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 전동기의 중성점과 전원 사이에 리액터를 삽입하고, 이 리액터의 철심으로서 전동기의 고정자 철심을 이용하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 인버터의 다상 출력 측에는 전동기를 대신하여 중성점을 가지지 않은 교류 부하를 접속하고, 또한 상기 다상 출력 측에 성형 결선된 리액터의 중성점을 전원 또는 정류 회로의 일단에 접속한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  9. 단상 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터와, 상기 직류 전압을 다상 교류 전압으로 변환하여 다상 교류 전동기를 구동하는 전압형 인버터와, 직류 중간 회로에 접속된 평활 콘덴서를 갖는 전력 변환 장치에 있어서,
    전동기의 성형 결선된 고정자 권선의 중성점과, 인버터와 평활 콘덴서의 접속점의 한쪽과의 사이에 에너지 축적 요소로서 리플 흡수용 콘덴서를 접속하고,
    시간 분할에 의해 인버터가 전동기와의 사이에서 전력을 주고받고 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 리플 흡수용 콘덴서와의 사이에서 제로상 전력을 주고받아 리플 흡수용 콘덴서의 직류 전압을 제어함으로써 직류 중간 회로의 전력 리플을 리플 흡수용 콘덴서에 의해 흡수하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  10. 단상 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터와, 상기 직류 전압을 다상 교류 전압으로 변환하여 다상 교류 전동기를 구동하는 전압형 인버터와, 직류 중간 회로에 접속된 평활 콘덴서를 갖는 전력 변환 장치에 있어서,
    전동기의 성형 결선된 고정자 권선의 중성점과 인버터와 평활 콘덴서의 접속점의 한쪽과의 사이에 에너지 축적 요소로서 공진용 콘덴서 및 공진용 리액터로 이루어지는 직렬 공진 회로를 접속하고,
    시간 분할에 의해 인버터가 전동기와의 사이에서 전력을 주고받고 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 직렬 공진 회로 사이에서 제로상 전력을 주고받아 직렬 공진 회로의 전압을 제어함으로써 직류 중간 회로의 전력 리플을 직렬 공진 회로에 의해 흡수하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  11. 단상 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터와, 상기 직류 전압을 다상 교류 전압으로 변환하여 다상 교류 전동기를 구동하는 전압형 인버터와, 직류 중간 회로에 접속된 평활 콘덴서를 갖는 전력 변환 장치에 있어서,
    전동기의 성형 결선된 고정자 권선의 중성점과 컨버터의 교류 입력 단자의 한쪽과의 사이에 에너지 축적 요소로서 리플 흡수용 리액터를 접속하고, 시간 분할에 의해 인버터가 전동기와의 사이에서 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 리플 흡수용 리액터와의 사이에서 제로상 전력을 주고받아 리플 흡수용 리액터의 전류를 제어함으로써 직류 중간 회로의 전력 리플을 리플 흡수용 리액터에 의해 흡수하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  12. 제9 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 전동기의 중성점과 에너지 축적 요소와의 사이에 리액터를 삽입하고, 상기 리액터의 철심으로서 전동기의 고정자 철심을 이용하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  13. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 인버터의 다상 출력 측에는 전동기를 대신하여 중성점을 가지지 않은 교류 부하를 접속하고, 또한 상기 다상 출력 측에 성형 결선된 리액터의 중성점을 에너지 축적 요소의 일단에 접속한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  14. 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류-교류 전력 변환을 행하여 단상 교류 전압을 출력하는 단상 전압형 인버터와, 이 인버터의 직류 입력 단자 사이에 접속된 평활 콘덴서와, 인버터의 교류 출력 단자 사이에 접속된 단상 회로와, 인버터의 교류 출력 단자 사이에 직렬 접속되고 또한 상호 접속점의 도중에서 극성이 반전하는 복수의 다이오드로 이루어지는 다이오드군과 이 다이오드군 내부의 극성 반전점과 평활 콘덴서의 일단 사이에 접속된 직류 전원을 구비하며,
    시간 분할에 의해 상기 인버터가 단상 회로와의 사이에서 교류 전력을 주고받고, 또한 제로전압 벡터의 출력시에 다이오드군을 통해 직류 전원과의 사이에서 직류 전력을 주고받는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  15. 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류-교류 전력 변환을 행하여 단상 교류 전압을 출력하는 단상 전압형 인버터와, 이 인버터의 직류 입력 단자 사이에 접속된 평활 콘덴서와, 인버터의 교류 출력 단자 사이에 접속된 단상 부하와, 인버터의 교류 출력 단자 사이에 직렬 접속되고 또한 상호 접속점의 도중에서 극성이 반전하는 2개의 다이오드로 이루어지는 다이오드군과, 이 다이오드군의 극성 반전점에 일단이 접속된 리액터와, 이 리액터의 타단과 평활 콘덴서의 일단 사이에 접속된 직류 전원을 구비하며,
    시간 분할에 의해 상기 인버터가 단상 부하와의 사이에서 교류 전력을 주고받고, 또한 제로전압 벡터의 출력시에 다이오드군을 통해 직류 전원과의 사이에서 직류 전력을 주고받는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  16. 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류-교류 전력 변환을 행하여 단상 교류 전압을 출력하는 단상 전압형 인버터와, 이 인버터의 직류 입력 단자 사이에 접속된 평활 콘덴서와, 인버터의 교류 출력 단자 사이에 제1 리액터를 통해 접속된 단상 교류 전원과, 이 단상 교류 전원의 양 단자 사이에 직렬 접속되고 또한 상호 접속점의 도중에서 극성이 반전하는 2개의 다이오드로 이루어지는 다이오드군과, 이 다이오드군의 극성 반전점에 일단이 접속된 제2 리액터와, 제2 리액터의 타단과 평활 콘덴서의 일단 사이에 접속된 직류 전원을 구비하며,
    시간 분할에 의해 상기 인버터가 단상 교류 전원과의 사이에서 교류 전력을 주고받아 직류 전원의 전력을 재생성하고, 또한 제로전압 벡터의 출력시에 다이오드군을 통해 직류 전원과의 사이에서 직류 전력을 주고받는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  17. 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류-교류 전력 변환을 행하여 단상 교류 전압을 출력하는 단상 전압형 인버터와, 이 인버터의 직류 입력 단자 사이에 접속된 평활 콘덴서와, 인버터의 한쪽 교류 출력 단자에 일단이 접속된 제1 리액터와, 인버터의 다른쪽 교류 출력 단자에 일단이 접속된 제2 리액터와, 이들 제1 및 제2 리액터의 타단 사이에 접속된 단상 교류 전원과, 단상 교류 전원의 양 단자 사이에 직렬 접속되고 또한 상호 접속점의 도중에서 극성이 반전하는 2개의 다이오드로 이루어지는 다이오드군과, 이 다이오드군의 극성 반전점과 평활 콘덴서의 일단 사이에 접속된 직류 전원을 구비하며,
    시간 분할에 의해 상기 인버터가 단상 교류 전원과의 사이에서 교류 전력을 주고받아 직류 전원의 전력을 재생성하고, 또한 제로전압 벡터의 출력시에 다이오드군을 통해 직류 전원과의 사이에서 직류 전력을 주고받는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 직류 전원을 교류 전원과 정류 회로를 조합하여 구성한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  19. 직류 전원과 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류 전원의 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급하는 전압형 인버터를 구비한 전력 변환 장치에 있어서,
    동일 극성으로서 각 일단은 공통 접속된 복수의 다이오드로 이루어지는 제로상 통류 수단을 설치하고, 이 제로상 통류 수단을 직류 전원과 인버터의 각 위상 교류 출력 단자 사이에 접속하며,
    시간 분할에 의해 인버터가 부하와의 사이에서 교류 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 제로상 통류 수단을 통해 직류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  20. 교류 전원 및 이 교류 전원에 접속된 정류 회로로 이루어지는 직류 전원과 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류 전원의 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급하는 3상 전압형 인버터를 구비한 전력 변환 장치에 있어서,
    애노드가 공통 접속된 3개의 다이오드로 이루어지는 제로상 통류 수단으로서 제로상 바이패스 다이오드를 설치하고, 상기 애노드를 리액터를 통해 정류 회로의 정(正)측 출력 단자에 접속하며, 상기 3개의 다이오드의 각 캐소드를 각각 인버터의 각 위상 교류 출력 단자에 접속하고,
    정류 회로의 부(負)측 출력 단자를 인버터의 직류 입력측의 평활 콘덴서의 부측 단자에 접속하며,
    시간 분할에 의해 인버터가 부하와의 사이에서 교류 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 제로상 바이패스 다이오드를 통해 교류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  21. 교류 전원 및 이 교류 전원에 접속된 정류 회로로 이루어지는 직류 전원과 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류 전원의 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급하는 3상 전압형 인버터를 구비한 전력 변환 장치에 있어서,
    캐소드가 공통 접속된 3개의 다이오드로 이루어지는 제로상 통류 수단으로서 제로상 바이패스 다이오드를 설치하고, 상기 캐소드를 리액터를 통해 정류 회로의 부측 출력 단자에 접속하며, 상기 3개의 다이오드의 각 애노드를 각각 인버터의 각 위상 교류 출력 단자에 접속하고,
    정류 회로의 정측 출력 단자를 인버터의 직류 입력측의 평활 콘덴서의 정측 단자에 접속하며,
    시간 분할에 의해 인버터가 부하와의 사이에서 교류 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 제로상 바이패스 다이오드를 통해 교류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  22. 교류 전원 및 이 교류 전원에 리액터를 통해 접속된 정류 회로로 이루어지는 직류 전원과 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류 전원의 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급하는 3상 전압형 인버터를 구비한 전력 변환 장치에 있어서,
    애노드가 공통 접속된 3개의 다이오드로 이루어지는 제로상 통류 수단으로서 제로상 바이패스 다이오드를 설치하고, 상기 애노드를 정류 회로의 정측 출력 단자에 접속하며, 상기 3개의 다이오드의 각 캐소드를 각각 인버터의 각 위상 교류 출력 단자에 접속하고,
    정류 회로의 부측 출력 단자를 인버터의 직류 입력측의 평활 콘덴서의 부측 단자에 접속하며,
    시간 분할에 의해 인버터가 부하와의 사이에서 교류 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 교류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  23. 교류 전원 및 이 교류 전원에 리액터를 통해 접속된 정류 회로로 이루어지는 직류 전원과, 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류 전원의 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급하는 3상 전압형 인버터를 구비한 전력 변환 장치에 있어서,
    캐소드가 공통 접속된 3개의 다이오드로 이루어지는 제로상 통류 수단으로서 제로상 바이패스 다이오드를 설치하고, 상기 캐소드를 정류 회로의 부측 출력 단자에 접속하며, 상기 3개의 다이오드의 각 애노드를 각각 인버터의 각 위상 교류 출력 단자에 접속하고,
    정류 회로의 정측 출력 단자를 인버터의 직류 입력측의 평활 콘덴서의 정측 단자에 접속하며,
    시간 분할에 의해 인버터가 부하와의 사이에서 교류 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 교류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  24. 직류 전원과, 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류 전원의 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급하는 3상 전압형 인버터를 구비한 전력 변환 장치에 있어서,
    애노드가 공통 접속된 3개의 다이오드로 이루어지는 제로상 통류 수단으로서 제로상 바이패스 다이오드를 설치하고, 상기 애노드를 리액터를 통해 직류 전원의 양극에 접속하며, 상기 3개의 다이오드의 각 캐소드를 각각 인버터의 각 위상 교류 출력 단자에 접속하며,
    직류 전원의 음극을 인버터의 직류 입력측의 평활 콘덴서의 부측 단자에 접속하고,
    시간 분할에 의해 인버터가 부하와의 사이에서 교류 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 인버터가 직류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받아 인버터의 직류 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  25. 직류 전원과 반도체 스위칭 소자의 동작에 의해 직류 전원의 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급하는 3상 전압형 인버터를 구비한 전력 변환 장치에 있어서,
    캐소드가 공통 접속된 3개의 다이오드로 이루어지는 제로상 통류 수단으로서 제로상 바이패스 다이오드를 설치하고, 상기 캐소드를 리액터를 통해 직류 전원의 음극에 접속하며, 상기 3개의 다이오드의 각 애노드를 각각 인버터의 각 위상 교류 출력 단자에 접속하며,
    직류 전원의 양극을 인버터의 직류 입력측의 평활 콘덴서의 정측 단자에 접속하고,
    시간 분할에 의해 인버터가 부하와의 사이에서 교류 전력을 주고받고, 또한 인버터에 의한 제로전압 벡터의 출력시에 인버터가 직류 전원과의 사이에서 제로상 전력을 주고받아 인버터의 직류 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  26. 제20항, 제22항 또는 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 각 위상 전압 지령값에 중첩되는 제로상 전압 지령값을, 제로상 바이패스 다이오드의 애노드 전위 지령값으로부터 각 위상 전압 지령값의 최소값을 감한 값으로 한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  27. 제21항, 제23항 또는 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 각 위상 전압 지령값에 중첩되는 제로상 전압 지령값을, 제로상 바이패스 다이오드의 캐소드 전위 지령값으로부터 각 위상 전압 지령값의 최대값을 감한 값으로 한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
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