JP2005328637A - 並列多重インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 故障したインバータを交流電動機から解列した後も、複数台並列運転時と同等のサージ電圧抑制効果が得られる並列多重インバータ装置を提供する。
【解決手段】 交流電動機２０駆動用の複数台の３相インバータ１A、１Bと、この３相インバータ１A、１Bの夫々の出力側に設けられたＬＣＲ型のｄＶ／ｄｔ抑制フィルタ２A、２Bと、このｄＶ／ｄｔ抑制フィルタの夫々の出力に一端を接続された第１のケーブル３A、３Bと、この第１のケーブルの他端に夫々接続された遮断器１０A、１０Bと、この夫々の遮断器１０A、１０Bの出力側の接続点と前記交流電動機２０とを接続する第２のケーブル３Cとで並列多重インバータ装置を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、交流電動機に印加されるサージ電圧の抑制方法を改良した並列多重インバータ装置に関する。

インバータで駆動される交流電動機の入力端子には、特にインバータと交流電動機を接続するケーブルが長い場合、インバータ出力電圧の急峻な電圧変化に起因したサージ電圧が印加されることがある。これはインバータ出力電圧の急峻な電圧変化によって、ケーブルのインダクタンス成分とキャパシタンス成分で共振や反射が励起されるためであり、条件によっては、インバータ出力電圧波高値の２倍程度のサージ電圧が交流電動機に印加される。

このサージ電圧によって、交流電動機側で絶縁破壊や巻線焼損が発生する恐れがあることは広く知られている。その対策として、インバータ出力にＬＣＲ型のｄＶ／ｄｔ抑制フィルタを接続することによって、交流電動機側のサージ電圧を抑制する方法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。

ところで、大容量交流電動機をインバータ駆動するためには大容量インバータが必要であるが、その実現方法の一つとして、複数台のインバータを並列接続して合計出力容量を増加させる方法がある。また、このように複数台のインバータを並列接続した場合、このうちの１台または複数台のインバータが故障した際にも、出力を低減して運転を継続することが要求される場合がある。例えば２並列接続構成の場合、故障した１台を交流電動機側から解列し、出力指令を１／２に低減する制御を行い運転を継続する（例えば特許文献２参照。）。
特開平６−３８５４３号公報（第２−３頁、図１） 特開２００２−１０６８４号公報（第３−６頁、図１）

例えば、インバータ２台を並列多重で構成し、インバータの出力側にｄＶ／ｄｔ抑制フィルタが必要で且つ１台のインバータが故障しても他の１台で運転を継続するシステムについて、そのｄＶ／ｄｔ抑制フィルタの定数の決め方について考える。ｄＶ／ｄｔ抑制フィルタのフィルタリアクトル、フィルタ抵抗及びフィルタコンデンサの各回路定数は、ケーブルの回路特性を考慮して決定するが、その決定に際しては以下の２通りの考え方がある。

ひとつは、２つのｄＶ／ｄｔ抑制フィルタの回路定数を、１並列分のケーブルの回路特性に合わせて決定する考え方である。この場合、例えば１台のインバータが故障して解列しても、健全なインバータに接続されるｄＶ／ｄｔ抑制フィルタによって必要なサージ電圧抑制効果が得られるため、健全なインバータによる運転継続が可能である。しかし、両者が健全で２並列運転されるときには、ｄＶ／ｄｔ抑制フィルタが並列接続されるため、必要以上のサージ電圧抑制効果が得られることになる。サージ電圧抑制効果が大きくなると、フィルタ抵抗の損失は増加する傾向を示す。したがって、必要以上のサージ電圧抑制効果は、フィルタ抵抗の損失増大という問題を引き起こしてしまう。

他のひとつは、ｄＶ／ｄｔ抑制フィルタが並列接続された状態の回路定数を、２並列分のケーブルの回路特性に合わせて決定する考え方である。この場合、両者が健全で２並列運転されるときには、適正なサージ電圧抑制効果が得られる。しかし、１台分のｄＶ／ｄｔ抑制フィルタでは、２並列分のケーブルに対して十分なサージ電圧抑制効果が得られないため、１台故障時の運転継続は許容できない。

なお、上記何れの考え方においても、並列接続数がさらに多い場合、その問題は一層深刻になる。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、出力側にｄＶ／ｄｔ抑制フィルタを有するインバータを複数台並列接続した並列多重インバータ装置において、故障したインバータを交流電動機から解列した後も、複数台並列運転時と同等のサージ電圧抑制効果が得られる並列多重インバータ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の並列多重インバータ装置は、交流電動機駆動用の複数台の３相インバータと、この３相インバータの夫々の出力側に設けられたＬＣＲ型のｄＶ／ｄｔ抑制フィルタと、このｄＶ／ｄｔ抑制フィルタの夫々の出力に一端を接続された第１のケーブルと、この第１のケーブルの他端に夫々接続された遮断器と、この夫々の遮断器の出力側の接続点と前記交流電動機とを接続する第２のケーブルとから成ることを特徴としている。

本発明によれば、故障したインバータを交流電動機から解列した後も、複数台並列運転時と同等のサージ電圧抑制効果が得られる並列多重インバータ装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、本発明に係る並列多重インバータ装置の実施例１を図１乃至図５を参照して説明する。図１は本発明の並列多重インバータ装置の実施例１を示す回路構成図である。

直流を３相交流に変換するインバータ１Ａ及び１Ｂの出力は夫々ｄＶ／ｄｔ抑制フィルタ２Ａ及び２Ｂ、ケーブル回路３Ａ及び３Ｂを介して、交流電動機２０を並列駆動している。ケーブル回路３Ａ及び３Ｂはある程度の距離を有するケーブルであるため、正確には分布定数回路となるが、簡易的にはＬＣＲ等価回路で表すことができ、線路抵抗Ｒｃ、線路インダクタンスＬｃ及び導体とシールド間のキャパシタンスＣｃで構成されている。ｄＶ／ｄｔ抑制フィルタ２Ａ及び２Ｂは、フィルタリアクトルＬｆとこれに並列に接続されたフィルタ抵抗ＲｆとフィルタコンデンサＣｆの直列回路とで構成されている。

ケーブル回路３Ａ及び３Ｂと交流電動機２０との間には遮断器１０Ａ及び１０Ｂが夫々設けられており、この遮断器１０Ａまたは遮断器１０Ｂを開放することにより、インバータ１Ａまたはインバータ１Ｂを交流電動機２０から解列可能な構成となっている。遮断器１０Ａ及び１０Ｂから交流電動機２０の間はケーブルで接続されているが、このケーブルはケーブル回路３Ａ及び３Ｂに比べて短いので、そのインピーダンスは無視するものとする。

インバータ１Ａ、１Ｂの内部構成例を図２に示す。図２（ａ）はパワーデバイスをブリッジ接続して構成した２レベル３相インバータの例であり、図２（ｂ）は、パワーデバイスを直列にしてブリッジ接続の１アームを構成し、各アームの直列回路の中点を中性点電圧にクランプして構成した３レベル３相インバータの例である。また、図２（Ｃ）に示すのは単相フルブリッジの単位インバータをスター結線した３相インバータの例である。

これらのインバータは一般的にＰＷＭ（パルス幅変調）方式で運転され、個々のパワーデバイスのスイッチング時には急峻な電圧変化を有するパルスを出力する。

図１に示した通り、遮断器１０Ａ、１０Ｂを交流電動機２０の近傍に位置するように構成することにより、３相インバータ１Ａまたは１Ｂで故障が発生した際、故障インバータ側の遮断器を開放すれば、ケーブル回路も含め、健全インバータ側への影響を遮断することができる。したがって、ｄＶ／ｄｔ抑制フィルタ２Ａ、２Ｂの回路定数の決定に際しては２並列分を考慮する必要はなく、１並列分のみを考慮すればよい。また、２並列運転時にも必要以上のサージ電圧抑制効果が得られることはなく、したがってフィルタ抵抗Ｒｆの損失が増大するという問題もない。

ここで、ｄＶ／ｄｔ抑制フィルタ２Ａ、２Ｂの回路定数の決定方法について説明する。まず、ケーブル回路の共振周波数ｆｃ［＝１／（２π×√（Ｌｃ×Ｃｃ））］とｄＶ／ｄｔ抑制フィルタの共振周波数ｆｆ［＝１／（２π×√（Ｌｆ×Ｃｆ））］が、ｆｃ＞ｆｆの関係になるようフィルタリアクトルＬｆとフィルタコンデンサＣｆを選定する。次に、フィルタリアクトルＬｆ、フィルタコンデンサＣｆ、フィルタ抵抗Ｒｆの直列回路の共振ダンピングと応答速度を考慮しながらフィルタ抵抗Ｒｆを選定する。さらに、インバータ出力電圧と同等のステップ状の電圧を入力したときに交流電動機２０に印加されるサージ電圧を、回路シミュレータなどを利用して評価する。そして、上記作業を試行錯誤的に繰り返しながら回路定数を決定する。

図３は上記方法で回路定数を決定したｄＶ／ｄｔ抑制フィルタの、ステップ応答のシミュレーション波形の一例である。図３（ａ）は本発明の実施例１におけるシミュレーション波形であり、１並列時も２並列時も同じサージ電圧抑制効果が得られている。また、図３（ｂ）は前述したように１並列運転時に回路定数を合わせたとき、２並列運転時に必要以上に過電圧を抑制するケースを示している。更に図３（ｃ）は前述したように２並列運転時に回路定数を合わせたとき、１並列運転時にサージ電圧抑制効果が不足するケースを示している。

以上説明したように、本発明で所期の効果を得るためには、遮断器１０Ａ及び１０Ｂを交流電動機２０の至近端に設置する必要がある。しかし、実プラントでは、スペース的な制約によって至近端に設置することが困難な場合もある。以下、遮断器１０Ａ及び１０Ｂと交流電動機２０の距離によってフィルタ効果がどのように変化するかについて検討する。

図４は遮断器から交流電動機までのケーブルを考慮した場合の回路構成図である。この図４の回路構成で、図１と同一部分は同一符号を付しその説明は省略する。この図４が図１と異なる点は、遮断器１０Ａ及び１０Ｂの出力側の接続点と交流電動機２０の間に無視できないインピーダンスを持ったケーブル回路３Ｃを設けた点である。

まず、ｄＶ／ｄｔ抑制フィルタ２Ａ及び２Ｂと交流電動機２０の距離を１００ｍ、また遮断器１０Ａおよび１０Ｂと交流電動機２０の距離が０ｍ、即ちケーブル回路３Ｃの回路定数がゼロとした場合の設計例について説明する。この設計例では、ｄＶ／ｄｔ抑制フィルタ２Ａと２Ｂの回路定数を、図５（ａ）に示すように、入力ステップ電圧に対するサージ電圧の倍率が１．２５となるように設計する。そして、ｄＶ／ｄｔ抑制フィルタ２Ａ、２Ｂの回路定数を上記のままにした状態で、遮断器設置位置を、交流電動機から２０ｍ、４０ｍ、６０ｍと離していったとき、即ちケーブル回路３Ｃの回路定数を増加させていったときを考える。この場合のサージ電圧の変化は図５（ｂ）に示すようになる。

遮断器１０Ａ、１０Ｂと交流電動機２０の距離が０ｍの場合は、１並列時も２並列時もサージ電圧倍率は所期の１．２５倍に抑えられている。遮断器１０Ａ、１０Ｂと交流電動機２０の距離を離していった場合、２並列時のサージ電圧倍率は１．２５以下に減少する傾向であり問題はない。しかし、１並列時においては距離に応じてサージ電圧倍率も増加する傾向となる。厳密には遮断器設置位置を、交流電動機から２０ｍ、４０ｍ、６０ｍと離していったとき、ｄＶ／ｄｔ抑制フィルタ２Ａ、２Ｂの回路定数の設計を変更すれば、上記の２並列時のサージ電圧倍率は低減されるが、これは安全サイドの余裕分と見る。

上記の状態で、サージ電圧倍率の設計値１．２５に対して１．３０を許容誤差範囲内と仮定する。このとき、遮断器１０Ａ、１０Ｂの出力側の接続点と交流電動機２０の距離が３０ｍ程度であれば上記範囲内になる。

上記の設計例では、３相インバータ１Ａ及び１Ｂの電圧の立ち上がりを１マイクロ秒オーダ、ケーブル長も極端に短くない場合を想定している。３相インバータ１Ａ及び１Ｂの電圧の立ち上がりが更に急峻でケーブル長が短い場合は、上記のサージ電圧倍率は遮断器の設置位置の影響をあまり受けない。しかしながら、上記の設計の値には実用上の一定の妥当性がある。したがって、ｄＶ／ｄｔ抑制フィルタ２Ａ、２Ｂと交流電動機２０の間の距離の０〜３０％の位置に遮断器１０A、１０Bを設置するようにすれば、実用上は問題ないということが言える。

以上説明したように、本発明における並列多重インバータ装置によれば、単位インバータごとにｄＶ／ｄｔ抑制フィルタの回路定数を決定し、その単位インバータを並列接続するので、並列数が増加してもｄＶ／ｄｔ抑制フィルタの回路定数を変更する必要がない。

また、故障した単位インバータを負荷の至近端で解列するので、健全な単位インバータによる運転継続を行った場合も、ｄＶ／ｄｔ抑制フィルタのサージ電圧抑制効果は変化しない。

このため、いかなる運転状態においても、サージ電圧抑制効果に過不足が発生したり、フィルタ抵抗Ｒｆの損失が増大したりする問題は発生せず、かつ交流電動機を安全に運転することができる。

図６は、本発明の実施例２を示す並列多重インバータ装置の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る並列多重インバータ装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、３相インバータ１Ａ、１Ｂ夫々に故障制御回路３０Ａ、３０Ｂを設け、何れかの３相インバータが故障したとき、スムースに単独運転に切換えられるように構成した点である。

図６において、例えば３相インバータ１Ａが故障した場合、故障制御回路３０Ａはその故障を自ら検出して遮断器１０Ａに開放指令を与える。そして、この故障信号を故障制御回路３０Ｂに与える。

故障制御回路３０Ａが３相インバータ１Ａの故障を検出してから遮断器１０Ａが開放するまでには一定の時間が必要であり、その期間は健全な３相インバータ１Ｂに対して外乱として影響を与えてしまう。最悪の場合、この外乱によって３相インバータ１Ｂに過電流が発生して故障に至る場合も考えられる。

このような事態を回避するため、故障制御回路３０Ｂが３相インバータ１Ａの故障を検出した時点で３相インバータ１Ｂの出力を一旦低減する。出力の低減方法としては、例えば３相インバータ１Ｂのスイッチングを一旦停止する方法や、図示していない制御装置でトルク電流と励磁電流を制御している場合には、トルク電流だけを低減する方法などがある。

上記方法によって３相インバータ１Ｂの出力を一旦低減し、遮断器１０Ａが開放するまでの一定時間が経過した後に再度出力を元に戻す。このような運転継続方法を適用することによって、故障前から故障後の運転状態切り替えをスムースに行うことができる。

尚上記は、３相インバータ１Ａまたは１Ｂが故障しても、故障制御回路３０Ａまたは３０Ｂが健全な場合に成立する。従って、３相インバータ１Ａが故障したとき、故障制御回路３０Ａが正常に動作できなくなるモードも考慮する必要がある場合は、３相インバータ１Ａの故障監視及び制御を故障制御回路３０Ｂ側で行うようにすれば良い。また、並列多重インバータ装置として別に共通の故障制御回路を設けるようにしても良い。

本発明の実施例１に係る並列多重インバータ装置の回路構成図。 ３相インバータの構成例を示す図。 本発明による効果を示すシミュレーション波形。 遮断器から交流電動機までのケーブルを考慮した回路構成図。 遮断器から交流電動機までのケーブルの長さによるサージ電圧倍率。 本発明の実施例２に係る並列多重インバータ装置の回路構成図。

符号の説明

１A、１B ３相インバータ
２A、２B ｄＶ／ｄｔ抑制フィルタ
３A、３B、３C ケーブル回路
１０A、１０B 遮断器
２０ 交流電動機
３０A、３０B 故障制御回路

Claims (5)

1. 交流電動機駆動用の複数台の３相インバータと、
   この３相インバータの夫々の出力側に設けられたＬＣＲ型のｄＶ／ｄｔ抑制フィルタと、
   このｄＶ／ｄｔ抑制フィルタの夫々の出力に一端を接続された第１のケーブルと、
   この第１のケーブルの他端に夫々接続された遮断器と、
   この夫々の遮断器の出力側の接続点と前記交流電動機とを接続する第２のケーブルと
   から成る並列多重インバータ装置。
2. 前記第１のケーブルの長さの前記第１のケーブルと前記第２のケーブルの長さの和に対する比を、
   前記複数台の３相インバータを全数並列運転したときの前記交流電動機に印加されるサージ電圧に対し、
   前記複数台の３相インバータのうち少なくとも１台を前記遮断器によって解列したときの前記交流電動機に印加されるサージ電圧の増加分が所定値を超えないように選定したことを特徴とする請求項１に記載の並列多重インバータ装置。
3. 前記第２のケーブルの長さの前記第１のケーブルと前記第２のケーブルの長さの和に対する比を３０％以下としたことを特徴とする請求項１に記載の並列多重インバータ装置。
4. 前記複数台の３相インバータのうち少なくとも１台が故障したとき、
   故障した前記３相インバータの出力側の前記遮断器を開放し、
   故障した前記３相インバータ除く前記３相インバータの運転を継続することを特徴とする請求項１に記載の並列多重インバータ装置。
5. 前記複数台の３相インバータのうち少なくとも１台が故障したとき、
   故障した前記３相インバータ除く前記３相インバータの出力を所定の期間低減するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の並列多重インバータ装置。
   
   

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