KR20190049878A - 전력 변환 장치 - Google Patents

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KR20190049878A
KR20190049878A KR1020197011168A KR20197011168A KR20190049878A KR 20190049878 A KR20190049878 A KR 20190049878A KR 1020197011168 A KR1020197011168 A KR 1020197011168A KR 20197011168 A KR20197011168 A KR 20197011168A KR 20190049878 A KR20190049878 A KR 20190049878A
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KR1020197011168A
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도시히데 나카노
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도시바 미쓰비시덴키 산교시스템 가부시키가이샤
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Abstract

전력 변환 장치(100)는, 3 레벨 컨버터(6)와, 인버터(3)와, 다이오드 정류기(2)와, 제어 장치(7)를 구비한다. 3 레벨 컨버터(6)는, 교류 전원(1)으로부터 교류 라인을 통하여 공급되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하도록 구성된다. 인버터(3)는, 3 레벨 컨버터(6)로부터 직류 정 모선(13), 직류 부 모선(14) 및 직류 중성점 모선(15)을 통하여 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하고, 부하(4)에 공급하도록 구성된다. 다이오드 정류기(2)는, 교류 라인과 직류 정 모선(13) 및 직류 부 모선(14) 사이에, 3 레벨 컨버터(6)와 병렬로 접속된다. 제어 장치(7)는, 인버터(3)에 공급하는 직류 전압이, 다이오드 정류기(2)로부터 출력되어야 할 직류 전압보다도 높은 기준 전압이 되도록 3 레벨 컨버터(6)를 제어하는 한편, 3 레벨 컨버터(6)의 고장 시에는 3 레벨 컨버터(6)를 게이트 블록킹하도록 구성된다.

Description

전력 변환 장치
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것이다.
일본 특허 공개 제2013-27990호 공보(특허문헌 1)에는, 모터와, 모터를 구동하는 구동 회로와, 정류부와, 콘덴서와, 브리지 회로와, 고조파 성분 억제부를 구비하는 사출 성형기가 개시된다. 정류부는, 교류 전원으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 구동 회로에 공급한다. 콘덴서는, 구동 회로와 정류부 사이에 마련된다. 브리지 회로는, 구동 회로와 정류부 사이의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하도록 구성된다. 고조파 성분 억제부는, 브리지 회로의 교류부측에 접속된다.
상기 사출 성형기에 있어서, 브리지 회로 및 고조파 성분 억제부는, 정류부에 병렬 접속되고, 모터에서 발생하는 회생 전력을 교류 전원에 공급하기 위한 회생 경로를 형성한다. 고조파 성분 억제부는 리액터를 갖는다.
일본 특허 공개 제2013-27990호 공보
상기 사출 성형기에 있어서는, 브리지 회로와 정류부가 병렬로 접속되어 있기 때문에, 브리지 회로를 구성하는 복수의 스위칭 소자를 온 오프하면, 정류부를 통하여 흐르는 전류의 환로가 브리지 회로에 형성된다. 이 전류는 순환 전류라고 부르고, 전력 손실의 원인으로 된다.
순환 전류를 억제하기 위해서, 특허문헌 1에서는, 콘덴서의 전압이 소정값 이상일 때, 모터의 전력을 회생하도록, 브리지 회로를 구성하는 복수의 스위칭 소자를 온 오프한다. 한편, 콘덴서의 전압이 소정값 미만일 때에는, 브리지 회로를 구성하는 복수의 스위칭 소자를 모두 오프한다.
그러나, 특허문헌 1에 기재되는 기술에서는, 정류부는 교류 전원으로부터 모터에 전력을 공급하기 위한 역행 경로를 형성하기 때문에, 부하의 역행 시에는, 정류부에서의 다이오드 정류에 보다 대량의 고조파 성분이 발생하고, 역률의 저하를 피할 수 없다.
고조파 성분 억제부 및 브리지 회로를 회생 경로뿐만 아니라, 역행 경로로 서도 사용하기 위해서는, 특허문헌 1에서의 방법을 대신할 순환 전류에 대한 대책이 필요해진다. 이 대책에 의하면, 고조파 성분 억제부의 리액터는, 고조파 성분을 억제하기 위하여 필요한 인덕턴스 값이 높아진다. 그 결과, 리액터가 대형으로 되어 버린다고 하는 과제가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 순환 전류를 억제할 수 있으며, 또한 소형화에 유리한 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 어떤 국면에 의하면, 전력 변환 장치는, 3 레벨 컨버터와, 인버터와, 2개의 콘덴서와, 다이오드 정류기와, 제어 장치를 구비한다. 3 레벨 컨버터는, 교류 전원으로부터 교류 라인을 통하여 공급되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하도록 구성된다. 인버터는, 3 레벨 컨버터로부터 직류 정 모선, 직류 부 모선 및 직류 중성점 모선을 통하여 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하고, 부하에 공급하도록 구성된다. 2개의 콘덴서는, 직류 정 모선과 직류 중성점 모선 사이, 직류 중성점 모선과 직류 부 모선 사이에 각각 접속된다. 다이오드 정류기는, 교류 라인과 직류 정 모선 및 직류 부 모선 사이에, 3 레벨 컨버터와 병렬로 접속된다. 제어 장치는, 인버터에 공급하는 직류 전압이, 다이오드 정류기로부터 출력되어야 할 직류 전압보다도 높은 기준 전압이 되도록 3 레벨 컨버터를 제어하는 한편, 3 레벨 컨버터의 고장 시에는 3 레벨 컨버터를 게이트 블록킹하도록 구성된다.
본 발명에 따르면, 순환 전류를 억제할 수 있으며, 또한 소형화에 유리한 전력 변환 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 전력 변환 장치의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 2는 제어 장치에 의한, 3 레벨 컨버터의 1상분의 PWM 제어를 설명하기 위한 신호 파형도이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태 2에 따른 전력 변환 장치의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태 2의 변형예에 따른 전력 변환 장치의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 5는 종래의 전력 변환 장치의 구성을 도시하는 회로도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 동일 또는 상당하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 그 설명을 반복하지 않는다.
먼저, 도 5를 사용하여, 종래의 전력 변환 장치의 구성과 그 과제에 대하여 설명한다. 이어서, 본 발명의 실시 형태에 따른 전력 변환 장치에 대하여 설명한다.
여기에서는, 종래의 전력 변환 장치의 과제를 설명하기 위해서, 특허문헌 1에 개시되는 전력 변환 장치를 예로 들어서 설명한다.
도 5는, 종래의 전력 변환 장치(110)의 구성을 도시하는 회로도이다. 도 5를 참조하여, 전력 변환 장치(110)는, 삼상 교류 전원(1)과 부하(4) 사이에 접속되어 있다. 부하(4)는 예를 들어 모터이며, 전력 변환 장치(110)로부터 공급되는 삼상 교류 전력에 의해 구동된다. 부하(4)는, 역행 운전 및 회생 운전을 교대로 행할 수 있다.
전력 변환 장치(110)는, 다이오드 정류기(2)와, 콘덴서 C0와, 인버터(3)와, 2 레벨 컨버터(8)와, 필터(5)와, 제어 장치(7)를 구비한다. 전력 변환 장치(110)는, 직류 정 모선(13), 직류 부 모선(14) 및 교류 라인(R상 라인 RL, S상 라인 SL, T상 라인 TL)을 더 구비한다.
다이오드 정류기(2)는, 삼상 교류 전원(1)으로부터 교류 라인 RL, SL, TL을 통하여 공급되는 삼상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하도록 구성된다. 다이오드 정류기(2)는, 다이오드 D1 내지 D6을 포함한다. 다이오드 D1의 애노드는 R상 라인 RL에 접속되고, 그 캐소드는 직류 정 모선(13)에 접속된다. 다이오드 D2의 캐소드는 R상 라인 RL에 접속되고, 그 애노드는 직류 부 모선(14)에 접속된다. 다이오드 D3의 애노드는 S상 라인 SL에 접속되고, 그 캐소드는 직류 정 모선(13)에 접속된다. 다이오드 D4의 캐소드는 S상 라인 SL에 접속되고, 그 애노드는 직류 부 모선(14)에 접속된다. 다이오드 D5의 애노드는 T상 라인 TL에 접속되고, 그 캐소드는 직류 정 모선(13)에 접속된다. 다이오드 D6의 캐소드는 T상 라인 TL에 접속되고, 그 애노드는 직류 부 모선(14)에 접속된다. 콘덴서 C0은, 직류 정 모선(13)과 직류 부 모선(14) 사이의 직류 전압을 평활화한다.
인버터(3)는, 다이오드 정류기(2)로부터 직류 정 모선(13) 및 직류 부 모선(14)을 통하여 공급되는 직류 전력을 삼상 교류 전력으로 변환한다. 인버터(3)에서 생성된 삼상 교류 전력은, 교류 라인(U상 라인 UL, V상 라인 VL, W상 라인 WL)을 통하여 부하(4)에 공급된다.
2 레벨 컨버터(8)는, 교류 라인 RL, SL, TL과 직류 정 모선(13) 및 직류 부 모선(14) 사이에, 다이오드 정류기(2)에 대하여 병렬로 접속되어 있다. 2 레벨 컨버터(8)는, 삼상 교류 전원(1)으로부터 공급되는 삼상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 직류 정 모선(13) 및 직류 부 모선(14)을 통하여 인버터(3)에 그 직류 전력을 공급한다.
인버터(3) 및 2 레벨 컨버터(8)는, 반도체 스위칭 소자를 포함하는 반도체 스위치에 의해 구성된다. 반도체 스위칭 소자로서, 예를 들어 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 사용된다. 또한, 반도체 스위칭 소자의 제어 방식으로서 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 채용한다.
2 레벨 컨버터(8)는, IGBT 소자 Q1r, Q2r, Q1s, Q2s, Q1t, Q2t 및 다이오드 D1r, D2r, D1s, D2s, D1t, D2t를 포함한다. 여기서, 2 레벨 컨버터(8)의 각 상 구성을 총괄적으로 설명하기 위해서, 부호 r, s, t를 통합하여 부호 「x」라고 나타낸다. IGBT 소자 Q1x의 이미터는 x상 라인 xL에 접속되고, 그 콜렉터는 직류 정 모선(13)에 접속된다. IGBT 소자 Q2x의 콜렉터는 x상 라인 xL에 접속되고, 그 이미터는 직류 부 모선(14)에 접속된다. 다이오드 D1x, D2x는, IGBT 소자 Q1x, Q2x에 각각 역병렬로 접속된다.
필터(5)는 교류 라인 RL, SL, TL과 2 레벨 컨버터(8) 사이에 마련되어 있다. 필터(5)는 교류 라인 RL, SL, TL의 각 상에 대하여 직렬로 삽입된 리액터를 적어도 포함한다. 필터(5)는, 예를 들어 교류 라인 RL, SL, TL의 각 상에 대하여 직렬로 삽입된 리액터가 콘덴서에 접속되는 LC 회로이다. 필터(5)는 고조파 성분 억제부를 구성한다.
제어 장치(7)는, 인버터(3) 및 2 레벨 컨버터(8)의 동작을 제어한다. 제어 장치(7)는, PWM 제어를 실행한다.
종래의 전력 변환 장치(110)에서는, 교류 라인 RL, SL, TL에 대하여 다이오드 정류기(2)와 2 레벨 컨버터(8)가 병렬로 접속되어 있다. 그 때문에, 2 레벨 컨버터(8)의 반도체 스위칭 소자를 온했을 때에, 도면 중에 화살표 k1로 나타내는 바와 같이, 교류 라인으로부터 다이오드 정류기(2)를 통하여 직류 모선에 흐르는 전류가 2 레벨 컨버터(8) 및 필터(5)를 통하여 교류 라인으로 되돌려지는 경로가 형성된다. 혹은, 도면 중에 화살표 k2로 나타내는 바와 같이, 교류 라인으로부터 필터(5) 및 2 레벨 컨버터(8)를 통하여 직류 모선에 흐르는 전류가 다이오드 정류기(2)를 통하여 교류 라인으로 되돌려지는 경로가 형성된다. 이 전류는 순환 전류라고 불리고, 전력 손실의 원인으로 된다.
종래 기술에서는, 순환 전류를 억제하기 위해서, 콘덴서 C0의 단자간 전압이 소정값 이상일 때, 부하(4)에서 발생된 전력을 회생하도록, 2 레벨 컨버터(8)의 반도체 스위칭 소자를 온 오프한다. 한편, 콘덴서 C0의 단자간 전압이 소정값 미만일 때에는, 2 레벨 컨버터(8)의 반도체 스위칭 소자를 모두 오프한다.
2 레벨 컨버터(8)의 반도체 스위칭 소자를 모두 오프하면, 각 반도체 스위칭 소자에 병렬 접속된 다이오드의 작용에 의해, 필터(5)의 2 레벨 컨버터(8)측의 3개의 단자의 전위는, 각 상에 흐르는 전류를 억제하도록, 직류 정 모선(13) 또는 직류 부 모선(14)의 전위로 변화된다. 이에 의해, 필터(5)에 흐르는 순환 전류가 억제된다.
즉, 종래 기술에 의하면, 부하(4)의 역행 운전 시에는, 2 레벨 컨버터(8)가 정지되기 때문에, 다이오드 정류기(2)에 의해 삼상 교류 전원(1)으로부터의 삼상 교류 전력이 직류 전력으로 변환된다. 또한, 부하(4)의 회생 운전 시에는, 2 레벨 컨버터(8)에 의해 직류 정 모선(13) 및 직류 부 모선(14)의 사이 직류 전력이 삼상 교류 전력으로 변환된다.
그러나, 종래 기술에서는, 다이오드 정류기(2)에 있어서 대량의 고조파 성분이 발생해 버리기 때문에, 역률의 저하를 피할 수 없다. 그래서, 부하(4)의 역행 운전 시에 있어서도, 2 레벨 컨버터(8)의 반도체 스위칭 소자를 온 오프시키려고 했을 경우, 종래 기술을 대신하는 순환 전류에 대한 대책으로서, 필터(5)에 있어서, 대량의 고조파 성분을 억제하기 위하여 필요한 인덕턴스 값이 높아진다. 그 결과, 리액터가 대형으로 되어 버린다고 하는 과제가 있다.
[실시 형태 1]
도 1은, 본 발명의 실시 형태 1에 따른 전력 변환 장치(100)의 구성을 도시하는 회로도이다. 도 1 및 도 5를 참조하여, 본 실시 형태 1에 따른 전력 변환 장치(100)는, 종래의 전력 변환 장치(110)에 있어서의 2 레벨 컨버터(8)를 3 레벨 컨버터(6)로 치환한 것이다. 즉, 3 레벨 컨버터(6)는, 교류 라인 RL, SL, TL과 직류 정 모선(13) 및 직류 부 모선(14) 사이에, 다이오드 정류기(2)에 대하여 병렬로 접속되어 있다. 3 레벨 컨버터(6)는, 삼상 교류 전원(1)으로부터 필터(5)를 통하여 공급되는 삼상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 직류 정 모선(13) 및 직류 부 모선(14)을 통하여 인버터(3)에 그 직류 전력을 공급한다.
필터(5)는, 콘덴서부(50) 및 리액터부(52)를 포함한다. 리액터부(52)는, 교류 라인 RL, SL, TL에 각각 직렬로 삽입되는 리액터(52r, 52s, 52t)를 포함한다. 콘덴서부(50)는, 교류 라인 RL, SL, TL에 각각 일단부가 접속되는 콘덴서(50r, 50s, 50t)를 포함한다. 또한, 필터(5)는, 교류 라인 RL, SL, TL 각각에 직렬로 리액터만이 삽입되는 구성이어도 된다.
3 레벨 컨버터(6)는, IGBT 소자 Q1r, Q2r, Q1s, Q2s, Q1t, Q2t, 다이오드 D1r, D2r, D1s, D2s, D1t, D2t 및 교류 스위치 S1 내지 S3을 포함한다. 3 레벨 컨버터(6)는, 도 5의 2 레벨 컨버터(8)에 교류 스위치 S1 내지 S3을 부가한 것이다. 교류 스위치 S1 내지 S3 각각은, IGBT 소자 Q3, Q4 및 다이오드 D3, D4를 포함한다. 여기서, 각 교류 스위치의 구성을 총괄적으로 설명하기 위해서, 부호 r, s, t를 통합하여 부호 「x」라고 나타낸다.
IGBT 소자 Q3의 소스는, IGBT 소자 Q1x와 IGBT 소자 Q2x의 접속점에 접속된다. IGBT 소자 Q4의 소스는, 콘덴서 C1, C2의 접속점인 중성점 N1에 접속된다. 중성점 N1에는 직류 중성점 모선(15)이 접속된다. IGBT 소자 Q3, Q4의 드레인은 서로 접속된다. 다이오드 D3, D4는, IGBT 소자 Q3, Q4에 각각 역병렬로 접속된다.
IGBT 소자 Q1x, Q2x, Q3, Q4 각각은, 제어 장치(7)에 의해 PWM 제어되고, 삼상 교류 전원(1)으로부터 공급되는 삼상 교류 전압에 동기하여 소정의 타이밍에 온 오프된다. 예를 들어, IGBT 소자 Q1r, Q1s, Q1t는, 삼상 교류 전압에 동기하여 순차 온 오프된다. IGBT 소자 Q1r, Q1s, Q1t가 온되어 있는 기간에는 각각 IGBT 소자 Q2r, Q2s, Q2t가 오프되고, IGBT 소자 Q1r, Q1s, Q1t가 오프되어 있는 기간에는 각각 IGBT 소자 Q2r, Q2s, Q2t가 온된다. 3 레벨 컨버터(6)는, 삼상 교류 전원(1)으로부터 필터(5)를 통하여 공급되는 삼상 교류 전압에 기초하여 정전압, 부전압 및 중성점 전압을 생성하고, 생성된 정전압, 부전압 및 중성점 전압을 각각 직류 정 모선(13), 직류 부 모선(14) 및 직류 중성점 모선(15)에 부여한다.
도 2는, 제어 장치(7)에 의한, 3 레벨 컨버터(6)의 1상분의 PWM 제어를 설명하기 위한 신호 파형도이다. IGBT 소자 Q1x 내지 Q4x의 게이트에는, 각각 게이트 신호 φ1 내지 φ4가 부여된다. 도 2에는, 전압 명령값 V*, 플러스측 삼각파 캐리어 신호 CA1, 마이너스측 삼각파 캐리어 신호 CA2 및 게이트 신호 φ1 내지 φ4의 파형을 나타내고 있다.
전압 명령값 V*는, 3 레벨 컨버터(6)이 출력해야 할 교류 전압의 명령값이다. 캐리어 신호 CA1, CA2의 주기 및 위상은 동일하다. 캐리어 신호 CA1, CA2의 주기는 전압 명령값 V*의 주기보다도 충분히 작다.
전압 명령값 V*와 캐리어 신호 CA1의 레벨의 고저가 비교된다. 전압 명령값 V*의 레벨이 캐리어 신호 CA1의 레벨보다도 높은 경우에는, 게이트 신호 φ1, φ3이 각각 H 레벨 및 L 레벨로 된다. 전압 명령값 V*의 레벨이 캐리어 신호 CA1의 레벨보다도 낮은 경우에는, 게이트 신호 φ1, φ3이 각각 L 레벨 및 H 레벨로 된다.
따라서, 전압 명령값 V*의 레벨이 플러스인 기간에는, 게이트 신호 φ1, φ3이 캐리어 신호 CA1에 동기하여 교대로 H 레벨로 되고, IGBT 소자 Q1x, Q3x가 교대로 온된다. 또한, 전압 명령값 V*의 레벨이 마이너스인 기간에는, 게이트 신호 φ1, φ3은 각각 L 레벨 및 H 레벨로 고정되고, IGBT 소자 Q1x가 오프 상태로 고정됨과 함께 IGBT 소자 Q3x가 온 상태로 고정된다.
전압 명령값 V*와 캐리어 신호 CA2의 레벨의 고저가 비교된다. 전압 명령값 V*의 레벨이 캐리어 신호 CA2의 레벨보다도 높은 경우에는, 게이트 신호φ2, φ4가 각각 L 레벨 및 H 레벨로 된다. 전압 명령값 V*의 레벨이 캐리어 신호 CA1의 레벨보다도 낮은 경우에는, 게이트 신호φ2, φ4가 각각 H 레벨 및 L 레벨로 된다.
따라서, 전압 명령값 V*의 레벨이 플러스인 기간에는, 게이트 신호φ2, φ4는 각각 L 레벨 및 H 레벨로 고정되고, IGBT 소자 Q2x가 오프 상태로 고정됨과 함께 IGBT 소자 Q4x가 온 상태로 고정된다. 또한, 전압 명령값 V*의 레벨이 마이너스인 기간에는, 게이트 신호φ2, φ4 및 캐리어 신호 CA2에 동기하여 교대로 H 레벨로 되고, IGBT 소자 Q2x, Q4x가 교대로 온된다.
이어서, 본 실시 형태 1에 따른 전력 변환 장치(100)의 동작에 대하여 설명한다.
전력 변환 장치(100)에서는, 제어 장치(7)는, 직류 정 모선(13) 및 직류 부 모선(14)의 사이 직류 전압이 기준 전압에 일치하도록, 3 레벨 컨버터(6)의 반도체 스위칭 소자의 온 오프를 제어하도록 구성된다.
여기서, 기준 전압은, 다이오드 정류기(2)가 출력해야 할 직류 전압보다도 높은 전압으로 설정된다. 예를 들어, 삼상 교류 전원(1)의 출력 교류 전압이 400V일 경우, 다이오드 정류기(2)의 출력 직류 전압은 약 566V로 된다. 이 경우, 기준 전압은 566V보다도 높은 전압이며, 예를 들어 700V로 설정된다.
이렇게 하면, 3 레벨 컨버터(6)가 정상적으로 동작하고 있을 때에는, 다이오드 정류기(2)에서는, 교류 입력 전압보다도 직류 출력 전압이 높은 상태가 되기 때문에, 정류 동작이 행하여지지 않는다. 따라서, 부하(4)의 역행 운전 시에는, 다이오드 정류기(2)가 정지되기 때문에, 3 레벨 컨버터(6)에 의해 삼상 교류 전원(1)으로부터의 삼상 교류 전력이 직류 전력으로 변환된다.
부하(4)의 회생 운전 시에는, 3 레벨 컨버터(6)에 의해 직류 정 모선(13) 및 직류 부 모선(14) 사이의 직류 전력이 삼상 교류 전력으로 변환된다. 즉, 본 실시 형태 1은, 부하(4)의 역행 운전 시에 3 레벨 컨버터(6)의 반도체 스위칭 소자를 온 오프하는 점에서, 역행 운전 시에 2 레벨 컨버터(8)의 반도체 스위칭 소자를 모두 오프하는 종래 기술(도 5 참조)과는 상이하다.
단, 본 실시 형태 1에서는, 3 레벨 컨버터(6)에 있어서 일부의 반도체 스위칭 소자에 이상이 발생된 경우에는, 3 레벨 컨버터(6)의 반도체 스위칭 소자를 모두 오프한다. 이에 의해, 다이오드 정류기(2)를 동작시켜서 인버터(3)에 직류 전력을 공급할 수 있다. 단, 인버터(3)에 공급되는 직류 전압은 기준 전압(예를 들어 700V)보다도 낮은 전압(예를 들어 566V)으로 된다.
여기서, 3 레벨 컨버터(6)의 반도체 스위칭 소자를 온 했을 경우에는, 도 5에 2 레벨 컨버터(8)와 마찬가지로, 교류 라인, 다이오드 정류기(2), 직류 정 모선(13), 직류 부 모선(14) 및 3 레벨 컨버터(6)를 경유하여 순환 전류가 흐르는 경로가 형성되게 된다.
그러나, 3 레벨 컨버터(6)는, 3값의 전압(정전압, 부전압 및 중성점 전압)을 출력할 수 있기 때문에, 2값의 전압(정전압 및 부전압)을 출력하는 2 레벨 컨버터(8)에 비교하여, 고조파 성분이 적다는 특징이 있다.
상세하게는, 3 레벨 컨버터(6)에 있어서의, 캐리어 신호 CA1, CA2의 반주기마다의 선간 출력 전압의 변화 폭은, 2 레벨 컨버터(8)의 변화 폭의 1/2로 된다. 또한, 3 레벨 컨버터(6)에서는, 1 캐리어 주기간에 네 반도체 스위칭 소자 중 둘은 1회씩 온 오프하지만, 나머지 둘이 스위칭하지 않는다. 따라서, 반도체 스위칭 소자 1개당 평균 스위칭 주파수는 캐리어 주파수의 1/2로 된다. 이에 비해, 2 레벨 컨버터(8)에서는, 반도체 스위칭 소자의 스위칭 주파수는 캐리어 주파수와 일치한다.
이상으로부터, 반도체 스위칭 소자 1개당 평균 스위칭 주파수가 동등할 경우, 3 레벨 컨버터(6)의 교류 출력 전압에 포함되는 고조파 성분은 등가적으로 2 레벨 컨버터(8)의 교류 출력 전압에 포함되는 고조파 성분의 1/4로 된다.
따라서, 본 실시 형태 1에서는, 삼상 교류 전원(1)으로부터의 삼상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 컨버터에 3 레벨 컨버터(6)를 채용한 것으로, 고조파 성분이 적다고 하는 특징에 의해, 반도체 스위칭 소자를 온 했을 때에 흐르는 순환 전류를 억제할 수 있다. 이에 의하면, 부하(4)의 역행 운전 시에 컨버터의 반도체 스위칭 소자를 모두 오프하는 것을 필요로 하지 않고, 순환 전류를 억제할 수 있다. 즉, 필터(5) 및 3 레벨 컨버터(6)를 회생 경로뿐만 아니라, 역행 경로로서도 사용할 수 있다. 따라서, 다이오드 정류기(2)를 역행 경로로 하는 종래 기술에 비하여, 역률을 개선할 수 있다.
또한, 본 실시 형태 1에서는, 고조파 성분이 적다고 하는 3 레벨 컨버터(6)의 특징에 의해, 필터(5)에 포함되는 리액터부(52)의 인덕턴스 값을 작게 할 수 있다. 이에 의해, 필터(5)를 소형화할 수 있다. 혹은, 고조파 성분이 전력 변환 장치(100)에 요구되는 허용 레벨보다도 작은 경우에는, 필터(5)를 마련할 필요를 없앨 수 있다.
[실시 형태 2]
도 3은, 본 발명의 실시 형태 2에 따른 전력 변환 장치(100)의 구성을 도시하는 회로도이다. 도 1 및 도 3을 참조하여, 본 실시 형태 2에 따른 전력 변환 장치(100)는, 도 1의 전력 변환 장치(100)에 있어서의 필터(5)를, 필터(9)로 치환한 것이다.
필터(9)는, 리액터(90, 91)를 포함한다. 리액터(90)는, 3 레벨 컨버터(6)와 직류 정 모선(13) 사이에 접속된다. 리액터(90)는, 직류 정 모선(13)에 직렬로 삽입되어 있다. 리액터(92)는, 3 레벨 컨버터(6)와 직류 부 모선(14) 사이에 접속된다. 리액터(92)는, 직류 부 모선(14)에 직렬로 삽입되어 있다.
리액터(90, 92)는 모두, 순환 전류가 흐르는 경로 상에 삽입되어 있다. 따라서, 도 1의 필터(5)의 리액터(52r, 52s, 52t)와 마찬가지로, 고조파 성분을 억제하는 기능을 행한다.
본 실시 형태 2에서는, 추가로, 3 레벨 컨버터(6)의 교류측에 마련되는 필터를, 3 레벨 컨버터(6)의 직류측에 마련함으로써, 필터에 포함되는 리액터의 개수를 줄일 수 있음과 함께, 콘덴서를 필요로 하지 않게 할 수 있다. 이에 의해, 필터를 소형화하는 것이 가능하게 된다.
또한, 리액터(90, 92)는, 순환 전류가 흐르는 경로 상에 삽입되어 있으면 되기 때문에, 예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이, 다이오드 정류기(2)와 직류 정 모선(13) 및 직류 부 모선(14) 사이에 필터(9)를 마련하는 것도 가능하다.
도 4에서는, 리액터(90)는, 다이오드 정류기(2)와 직류 정 모선(13) 사이에 접속된다. 리액터(90)는, 직류 정 모선(13)에 직렬로 삽입되어 있다. 리액터(92)는, 다이오드 정류기(2)와 직류 부 모선(14) 사이에 접속된다. 리액터(92)는 직류 부 모선(14)에 직렬로 삽입되어 있다.
또한, 도 3 및 도 4에 도시된 필터(9)의 설치 및 이에 의한 효과(필터의 소형화)는 도 5의 전력 변환 장치(110)에 대해서도 적용 가능한 점에 대하여 확인적으로 기재한다. 즉, 도 5의 전력 변환 장치(110)에 있어서도, 2 레벨 컨버터(8)의 교류측의 필터(5) 대신에, 2 레벨 컨버터(8)와 직류 정 모선(13) 및 직류 부 모선(14) 사이에 필터(9)를 마련할 수 있다. 그리고, 이에 의해 필터를 소형화할 수 있다.
금회 개시된 실시 형태는 예시이며, 상기 내용만으로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의해 나타내어지고, 청구범위와 균등의 의미 및 범위 내의 모든 변경이 포함될 것이 의도된다.
1: 삼상 교류 전원
2: 다이오드 정류기
3: 인버터
4: 부하
5: 필터
6: 3 레벨 컨버터
7: 제어 장치
8: 2 레벨 컨버터
13: 직류 정 모선
14: 직류 부 모선
15: 직류 중성점 모선
50: 콘덴서부
52: 리액터부
52r, 52s, 52t, 90, 92: 리액터
100, 110: 전력 변환 장치
C0, C1, C2, 50r, 50s, 50t: 콘덴서
RL, SL, TL: 교류 라인
Q1r, Q1s, Q1t, Q2r, Q2s, Q2t, Q3, Q4: IGBT 소자
D1r, D1s, D1t, D2r, D2s, D2t, D1d 내지 D6d, D3, D4: 다이오드

Claims (6)

  1. 교류 전원으로부터 교류 라인을 통하여 공급되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하도록 구성된 3 레벨 컨버터와,
    상기 3 레벨 컨버터로부터 직류 정 모선, 직류 부 모선 및 직류 중성점 모선을 통하여 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하고, 부하에 공급하도록 구성된 인버터와,
    상기 직류 정 모선과 상기 직류 중성점 모선 사이, 및 상기 직류 중성점 모선과 상기 직류 부 모선 사이에 각각 접속되는 2개의 콘덴서와,
    상기 교류 라인과 상기 직류 정 모선 및 상기 직류 부 모선 사이에, 상기 3 레벨 컨버터와 병렬로 접속되는 다이오드 정류기와,
    상기 인버터에 공급하는 직류 전압이, 상기 다이오드 정류기로부터 출력되어야 할 직류 전압보다도 높은 기준 전압이 되도록 상기 3 레벨 컨버터를 제어하는 한편, 상기 3 레벨 컨버터의 고장 시에는 상기 3 레벨 컨버터를 게이트 블록킹하도록 구성된 제어 장치를 구비하는, 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 교류 라인과 상기 3 레벨 컨버터 사이, 상기 3 레벨 컨버터와 상기 직류 정 모선 및 상기 직류 부 모선의 사이, 상기 다이오드 정류기와 상기 직류 정 모선 및 상기 직류 부 모선 사이 중 어느 것에 접속되는 필터를 더 구비하는, 전력 변환 장치.
  3. 교류 전원으로부터 교류 라인을 통하여 공급되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하도록 구성된 컨버터와,
    상기 컨버터로부터 직류 정 모선 및 직류 부 모선을 통하여 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하고, 부하에 공급하도록 구성된 인버터와,
    상기 직류 정 모선과 상기 직류 부 모선 사이에 접속되고, 상기 인버터에 공급하는 직류 전압을 평활화하는 평활 회로와,
    상기 교류 라인과 상기 직류 정 모선 및 상기 직류 부 모선 사이에, 상기 컨버터와 병렬로 접속되는 다이오드 정류기와,
    상기 인버터에 공급하는 직류 전압이, 상기 다이오드 정류기로부터 출력되어야 할 직류 전압보다도 높은 기준 전압이 되도록 상기 컨버터를 제어하는 한편, 상기 컨버터의 고장 시에는 상기 컨버터를 게이트 블록킹하도록 구성된 제어 장치와,
    상기 직류 정 모선 및 상기 직류 부 모선에 삽입되는 필터를 구비하는, 전력 변환 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 컨버터는 상기 교류 라인과 상기 직류 정 모선, 상기 직류 부 모선 및 직류 중성점 모선 사이에 마련된 3 레벨 컨버터이며,
    상기 평활 회로는, 상기 직류 정 모선과 상기 직류 중성점 모선 사이, 및 상기 직류 중성점 모선과 상기 직류 부 모선 사이에 각각 접속되는 2개의 콘덴서를 포함하는, 전력 변환 장치.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터는,
    상기 컨버터와 상기 직류 정 모선 사이에 접속되는 제1 리액터와,
    상기 컨버터와 상기 직류 부 모선 사이에 접속되는 제2 리액터를 포함하는, 전력 변환 장치.
  6. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터는,
    상기 다이오드 정류기와 상기 직류 정 모선 사이에 접속되는 제1 리액터와,
    상기 다이오드 정류기와 상기 직류 부 모선 사이에 접속되는 제2 리액터를 포함하는, 전력 변환 장치.
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