JP2014533487A - Ｈブリッジに基づく電力変換器 - Google Patents

Abstract

電力変換器が、ｄｃリンク段によって複数のＨブリッジ・インバータに結合されたアクティブ・フロント・エンド（ＡＦＥ）を含んでいる。ＡＦＥのみ若しくはＨブリッジ・インバータのみ、又はＡＦＥ及びＨブリッジ・インバータの両方に接続されたオープン巻線付き変圧器又は電気機械のような１又は複数の多相電磁エネルギ変換装置が、回生又は部分回生電力変換器を提供する。【選択図】図２

Description

本開示の主題は一般的には、電力変換器に関し、さらに具体的には、回生又は部分回生電力変換器を提供するために、オープン巻線付き多相変圧器及び／又はオープン巻線付き電気機械を制限でなく包含する１又は複数の多相電磁エネルギ変換装置（ＥＭＥＣＤ）に結合されたＨブリッジに基づく電力変換器トポロジィに関する。

可変周波数駆動（ＶＦＤ）応用に関連する電力変換器セル・トポロジィが注目を集め続けている。新たな電力変換器セル・トポロジィが絶えず導入されている。幾つかの公知の電力変換器セル・トポロジィは、Ｈブリッジ・コンバータ及び／又はＨブリッジ・インバータを採用している。

上述の電力セルの幾つかは、電動機のような負荷に接続されると、力行モードで動作しているときに入力源から電動機へ電力を与える。かかる電力セルを単方向セル又は二象限（２Ｑ）セルとも呼ぶ。このように呼ぶ理由は、速度とトルクとの四象限を考えると、セルの動作特性は、速度及びトルクの両方が正の象限（第一象限）にあるか、速度及びトルクの両方が負の象限（第三象限）にあるかの何れかでセルが動作するようなものとなるからである。

しかしながら、電動機速度を低下させる必要がある場合には、電動機からの電力を電力変換器セルによって吸収する必要がある。この動作モードを一般に回生モードと呼ぶ。かかる動作モードでは、回生セル又は四象限セルが必要とされる。

回生変換器は、３レベル出力電力変換段を含み得る。出力電力段は一般的には、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）のような電気的スイッチを含んでいる。他の有用なスイッチとしては、ＧＴＯ（ゲート・ターン・オフ・サイリスタ）、ＩＧＣＴ（集積ゲート転流型サイリスタ）、ＩＥＧＴ（注入促進型ゲート・トランジスタ）及びＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）がある。これらのスイッチは、例えば誘導電動機負荷電流を収容するための逆並列還流ダイオードと対にして用いられ得る。スイッチの各々を制御するために、制御器が一般的には用いられる。制御器は、例えばコンピュータ及び／又はディジタル信号プロセッサを含み得る。

Ｈブリッジを含む公知の回生電力変換器トポロジィは、動作可能なトポロジィを提供するために必要とされる能動スイッチの数が多くなるため、サイズ、費用及び信頼性についての制約と取り組み続けている。以上に鑑みて、公知の回生電力変換器セル・トポロジィよりも能動スイッチが少なくて済み、構成要素が少なく、信頼性が高く、費用が安価で、物理的サイズが小さい動作可能なトポロジィを提供する回生電力変換器セル構造を提供する必要がある。

電力変換器の実施形態の一例が、回生電力変換器を提供するために、
複数のＨブリッジ・コンバータを含む第一の区画と、
複数のＨブリッジ・インバータを含む第二の区画であって、各々のＨブリッジ・インバータが、対応するｄｃリンク段によって対応するＨブリッジ・コンバータに結合されており、各々のｄｃリンク段が他の全てのｄｃリンク段から絶縁されるようにしている、第二の区画と、
当該電力変換器に接続されたオープン巻線を含む多相電磁エネルギ変換装置（ＥＭＥＣＤ）と
を含んでいる。

また、電力変換器のもう一つの実施形態が、回生電力変換器を提供するために、
複数のＨブリッジ・コンバータを含む第一の区画と、
複数のＨブリッジ・インバータを含む第二の区画であって、各々のＨブリッジ・インバータが、対応するｄｃリンク段を介して対応するＨブリッジ・コンバータに結合されており、各々のｄｃリンク段が他の全てのｄｃリンク段から絶縁されるようにしている、第二の区画と、
オープン巻線付き多相電磁エネルギ変換装置（ＥＭＥＣＤ）であって、オープン巻線がＨブリッジ・インバータにのみ接続されている、多相電磁エネルギ変換装置と
を含んでいる。

さらにもう一つの実施形態によれば、電力変換器が、回生電力変換器を提供するために、
少なくとも一つの三相入力変換段を含む第一の区画と、
単一の共通ｄｃリンクによって第一の区画に結合された複数のＨブリッジ・インバータを含む第二の区画と、
Ｈブリッジ・インバータにのみ接続されたオープン巻線を含む多相電磁エネルギ変換装置（ＥＭＥＣＤ）と
を含んでいる。

さらにもう一つの実施形態によれば、電力変換器が、回生電力変換器を提供するために、
複数のＨブリッジ・コンバータを含む第一の区画と、
複数のＨブリッジ・インバータを含む第二の区画であって、第一の区画は単一の共通ｄｃリンク段によって当該第二の区画に結合されている、第二の区画と、
Ｈブリッジ・コンバータにのみ接続されたオープン巻線を含む第一の多相電磁変換装置（ＥＭＥＣＤ）と、
Ｈブリッジ・インバータにのみ接続されたオープン巻線を含む第二の多相ＥＭＥＣＤと
を含んでいる。

以上の本発明の特徴、観点及び利点、並びに他の特徴、観点及び利点は、添付図面と共に参照される以下の詳細な説明から明らかとなる。図面全体にわたり、類似の参照符号は類似の部材を表わす。
当技術分野で公知の回生電力変換器セル・トポロジィを示す簡略図である。 一実施形態による回生変換器を示す図である。 もう一つの実施形態による回生変換器を示す図である。 一実施形態による回生変換器を示す図である。 もう一つの実施形態による回生変換器を示す図である。 さらにもう一つの実施形態による回生変換器を示す図である。 さらにもう一つの実施形態による部分回生変換器を示す図である。

上に示す図面は代替的な各実施形態を示しているが、本発明の他の実施形態も思量され、このことについて以下の議論に記載する。全ての場合において、本開示は本発明の図示された実施形態を表現のために提示しており、制限のためではない。当業者には、本発明の原理の範囲及び要旨に含まれる他の多くの改変及び実施形態が想到されよう。

図１は、当技術分野で公知の回生変換器トポロジィ１０を示す簡略図である。図から分かるように、変換器１０は、相毎に多部品点数のアクティブ・フロント・エンド（ＡＦＥ）コンバータ１２を用いており、この理由は、１又は複数の従来の三相変圧器１６と接続するためにコンバータ１２において九つの相接続１４及びコンバータ位相レッグ（phase leg）の利用を必要とするからである。図面は全体にわたり、分かり易くするために単一線接続に短い斜線を交差させて単純化されている。これらの短い斜線を用いて、単一線の図によって表わされている実際の接続線の本数を示す。

また、変換器１０は、対応するｄｃリンク１９を介して対応するＡＦＥコンバータ１２に各々結合された複数のＨブリッジ・インバータ１８を用いていることが分かる。三つの相の各々のＨブリッジ・インバータ１８の一つの出力が一般的には、各々の他のＨブリッジ・インバータ１８の対応する出力に接続される。次いで、各々の他のＨブリッジ・インバータ出力は、対応する機械相に接続される。従って、短絡条件を回避するためには各々のｄｃリンク１９が他の全てのｄｃリンク１９から絶縁されていなければならない。

ｄｃリンク１９は出力側２０で出力Ｈブリッジ・インバータ１８を介して（間接的に）既に接続されているので、グリッド側２２ではＨブリッジを用いた同じアプローチを用いることができない。発明者等は、図２に関して本書に記載されているもののように、Ｈブリッジ・コンバータと共に絶縁二次相巻線（オープン巻線）付き三相変圧器を変換器の入力（グリッド）側で用いれば、各々のｄｃリンクを他の全てのｄｃリンクから絶縁して短絡状態を回避し得ることを認めた。従って、三つの相は、変換器の各区画１２、１８又は１９の何れか一つのみにおいて共に接続され得るか、又は何れにおいても接続されないことが認められよう。

図２は、一実施形態による回生変換器３０を示す。変換器３０のトポロジィは、通常の機械接続の利用を許すので有利である。変換器３０は、複数の能動型Ｈブリッジ・コンバータ３２を用いていることが分かる。各々のＨブリッジ・コンバータ３２が、対応するｄｃリンク１９を介して対応するＨブリッジ・インバータ１８に結合されている。変換器３０のＨブリッジ・コンバータ３２はまた、オープン（絶縁）二次巻線３８付き三相変圧器３６のオープン二次巻線接続３４の対応する対に各々結合されている。変換器３０では、アクティブ・フロント・エンドでの能動型構成要素が少なくて済み、またグリッド変圧器３６を変換器３０のアクティブ・フロント・エンドに接続する接続も少なくて済むので有利である。

変圧器３６の設計に依存して、グリッド側Ｈブリッジの制御のために一定の自由度が生ずる。明確に述べると、変圧器３６の一次側がデルタ接続されているときには、グリッドに影響を及ぼすことなくコモン・モード電流をＨブリッジの相電流に注入することができる。変圧器の一次がスター接続されているときには、グリッドに影響を及ぼすことなくコモン・モード電圧をＨブリッジの相電圧に注入することができる。両自由度とも、相同士の間の電力均衡を制御するために用いられて、例えばｄｃリンク電圧リプルを減少させたり長期ドリフトを減少させたりすることができる。

図３は、もう一つの実施形態による回生変換器４０を示す。変換器４０のトポロジィは変換器３０のトポロジィと類似しているが、変換器４０は、当該変換器４０の機械側にオープン巻線付き機械４２を用いている点が異なる。機械４２は、ｄｃリンク１９同士の間に所要の絶縁を提供しており、従来の三相変圧器４４をＨブリッジ・コンバータ３２に接続することにより他の方法であれば生じたであろう短絡状態を回避する。Ｈブリッジ・コンバータ３２は、回生変換器４０のアクティブ・フロント・エンドのための入力変換段を提供するように構成されている。

図４は、一実施形態による回生変換器５０を示す。変換器５０は一つの三相入力変換段１２を含んでおり、この入力変換段１２は、入力において従来の三相変圧器４４の二次巻線の三つの相に結合され、出力において共通ｄｃリンク５２に結合されている。共通ｄｃリンク５２は、三相入力変換段１２を三つのＨブリッジ・インバータ１８に結合し、これらのＨブリッジ・インバータ１８は出力において変換器５０の機械側のオープン巻線付き三相機械４２に接続されている。

図５は、もう一つの実施形態による回生変換器６０を示す。変換器６０は、三つのＨブリッジ・コンバータ３２を含むアクティブ・フロント・エンド（ＡＦＥ）を含んでおり、ＡＦＥは、入力においてオープン二次巻線３８付き三相変圧器３６の六つの相端子３４に結合され、出力において共通ｄｃリンク５２に結合されている。共通ｄｃリンク５２は、三つのＨブリッジ・コンバータ３２を、三つのＨブリッジ・インバータ１８を含むＨブリッジ・インバータ段に結合しており、三つのＨブリッジ・インバータ１８は、出力において変換器６０の機械側のオープン巻線付き三相機械４２に接続されている。

図６は、さらにもう一つの実施形態による回生変換器７０を示す。変換器７０は、複数の三相入力変換段１２を含むアクティブ・フロント・エンドを含んでいる。各々の入力変換段１２が、入力／グリッド側において対応する従来の三相変圧器１６の三つの二次巻線相に結合され、出力において共通ｄｃリンク５２に結合されている。共通ｄｃリンク５２は、複数の３レベル入力変換段１２を複数のＨブリッジ・インバータ１８に結合しており、複数のＨブリッジ・インバータ１８は、出力において変換器７０の出力／機械側のオープン巻線付き三相機械４２に結合されている。

図７は、さらにもう一つの実施形態による部分回生変換器８０を示す。変換器８０は、三相入力変換区画１２と一対のダイオード整流器コンバータ区画８２とを含むアクティブ・フロント・エンドを含んでいる。アクティブ・フロント・エンドの各々の区画１２、８２が、入力／グリッド側において対応する従来の三相変圧器８４の三つの二次巻線相に結合され、出力において共通ｄｃリンク５２に結合されている。共通ｄｃリンク５２は、アクティブ・フロント・エンドの各々の区画を複数のＨブリッジ・インバータ１８に結合しており、複数のＨブリッジ・インバータ１８は、出力において変換器８０の出力／機械側のオープン巻線付き三相機械４２に接続されている。

まとめの説明として述べると、様々な変換器トポロジィが記載された。好適実施形態は、３レベル中性点クランプ式Ｈブリッジに基づく三相対三相アクティブ・フロント・エンド・コンバータ・トポロジィと、三つの相の各々のための逆変換段とを含んでいる。一実施形態によれば、出力電圧は、望まれる正弦波形を発生するために、複数例えば五つの独立の電圧レベルを用いて合成される。望まれる電圧レベルが、図２に示すもののような各々のＨブリッジ・インバータ又はＨブリッジ・インバータの組のためのローカルな制御器によって生成され得る。ローカルな制御器自体は、やはり図２に示すもののような中央制御器から制御され得る。これらの相ブリッジの各々のｄｃリンクは、本書に記載されているように互いの間で絶縁されている。一観点によれば、オープン（絶縁）二次巻線付き変圧器を入力に用いることができ、これによりＨブリッジを用いた他の公知の回生変換器トポロジィよりも単純なトポロジィを提供する。本書に記載されている原理を用いた回生変換器トポロジィは、出力される電圧及び電流について四象限動作を提供し、同種の最も近い公知のトポロジィの３分の２以下の数のアクティブ・フロント・エンド構成要素を用いるため有利である。さらに、絶縁されたｄｃリンクの各々にわたる能動型電力潮流制御の幾つかの実施形態は、ｄｃリンク・キャパシタの必要数を減少させることができる。

本書では発明の幾つかの特徴のみを図示して説明したが、当業者には多くの改変及び変形が想到されよう。例えば電力変換器業者は、本書に図示された様々な変圧器一次巻線及び二次巻線構成は例示のためのものに過ぎず、他の数及び構成の二次巻線が可能であることを容易に認められよう。従って、特許請求の範囲は、発明の要旨に含まれるような全ての改変及び変形を網羅するものと理解されたい。

図面は例えば、三相ブリッジ及びＨブリッジに用いられる３レベル中性点クランプ式（ＮＰＣ）トポロジィを示している。しかしながら、本書に記載されている原理は、三相ブリッジ又はＨブリッジを構築するための２レベル位相レッグ又は他の多レベル・トポロジィを用いて適用されることもできる。さらに、図面は各々の側において相毎に単一のＨブリッジのみを示しているが、本書に記載されている原理は、側毎に及び相毎に多数のＨブリッジについても適用され得る。また、トポロジィは三相系について示されているが、他の多相系についても容易に適用され得る。グリッド側に標準的な変圧器を示している実施形態は、グリッド電圧が変換器電圧定格に合っているときには変圧器を用いないでも動作し得る。

１０：回生変換器トポロジィ（従来技術）
１２：アクティブ・フロント・エンド（ＡＦＥ）コンバータ
１４：相接続
１６：三相変圧器
１８：Ｈブリッジ・インバータ
１９：ｄｃリンク
２０：出力側
２２：グリッド側
３０、４０、５０、６０、７０、８０：回生変換器
３２：Ｈブリッジ・コンバータ
３４：オープン二次巻線接続
３６、４４、８４：三相変圧器
３８：オープン二次巻線
４２：オープン巻線付き機械
５２：共通ｄｃリンク
８２：ダイオード整流器コンバータ区画

Claims (21)

1. 回生電力変換器を提供するために、
   アクティブ・フロント・エンド（ＡＦＥ）を含む第一の区画と、
   複数のＨブリッジ・インバータを含む第二の区画であって、前記複数のＨブリッジ・インバータはｄｃリンク段を介して前記ＡＦＥに結合されている、第二の区画と、
   前記ＡＦＥのみ又は前記Ｈブリッジ・インバータのみに接続されたオープン巻線を含む第一の多相電磁エネルギ変換装置（ＥＭＥＣＤ）と
   を備えた電力変換器。
2. 前記第一の多相ＥＭＥＣＤはオープン二次巻線付き変圧器である、請求項１に記載の電力変換器。
3. 前記ＡＦＥは複数のＨブリッジ・コンバータを含んでいる、請求項１に記載の電力変換器。
4. 少なくとも一つのＨブリッジ・コンバータが３レベル中性点クランプ式Ｈブリッジを含んでいる、請求項３に記載の電力変換器。
5. 前記ｄｃリンク段は複数のｄｃリンク・キャパシタ区画を含んでおり、各々のｄｃリンク・キャパシタ区画が他の全てのｄｃリンク・キャパシタ区画から絶縁されている、請求項１に記載の電力変換器。
6. 前記ｄｃリンク段は、前記ＡＦＥ及び前記複数のＨブリッジ・インバータの両方に共通の単一のｄｃリンク・キャパシタ区画から成っている、請求項１に記載の電力変換器。
7. 前記ＡＦＥは単一の多相入力変換段から成っている、請求項１に記載の電力変換器。
8. 前記ＡＦＥは複数の多相入力変換段を含んでいる、請求項１に記載の電力変換器。
9. 前記ＡＦＥは、少なくとも一つの多相入力コンバータ段と、１又は複数の多相ダイオード整流器コンバータ段とを含んでいる、請求項１に記載の電力変換器。
10. オープン巻線を含む第二の多相ＥＭＥＣＤをさらに含んでおり、回生電力変換器を提供するために、前記第二の多相ＥＭＥＣＤオープン巻線は、前記第一の多相ＥＭＥＣＤオープン巻線が前記Ｈブリッジ・インバータに接続されているときには前記ＡＦＥにのみ接続され、さらに、前記第二の多相ＥＭＥＣＤオープン巻線は、前記第一の多相ＥＭＥＣＤオープン巻線が前記ＡＦＥに接続されているときには前記Ｈブリッジ・インバータにのみ接続される、請求項１に記載の電力変換器。
11. 前記ｄｃリンク段は、前記ＡＦＥ及び前記複数のＨブリッジ・インバータの両方に共通の単一のｄｃリンク・キャパシタ区画から成っている、請求項１０に記載の電力変換器。
12. 少なくとも一つの多相ＥＭＥＣＤがオープン二次巻線付き変圧器である、請求項１０に記載の電力変換器。
13. 前記ＡＦＥは複数のＨブリッジ・コンバータを含んでいる、請求項１０に記載の電力変換器。
14. 少なくとも一つのＨブリッジ・コンバータが３レベル中性点クランプ式Ｈブリッジを含んでいる、請求項１３に記載の電力変換器。
15. 回生電力変換器を提供するために、
    複数のＨブリッジ・コンバータを含む第一の区画と、
    複数のＨブリッジ・インバータを含む第二の区画であって、各々のＨブリッジ・インバータが、対応するｄｃリンク段により対応するＨブリッジ・コンバータに結合されており、各々のｄｃリンク段が他の全てのｄｃリンク段から絶縁されるようにしている、第二の区画と、
    当該電力変換器に接続されたオープン巻線を含む多相電磁エネルギ変換装置（ＥＭＥＣＤ）と
    を備えた電力変換器。
16. 前記多相ＥＭＥＣＤは、前記Ｈブリッジ・コンバータにのみ接続されたオープン二次巻線付き変圧器である、請求項１５に記載の電力変換器。
17. 前記多相ＥＭＥＣＤは、前記Ｈブリッジ・インバータにのみ接続されたオープン巻線付き機械である、請求項１５に記載の電力変換器。
18. 少なくとも一つのＨブリッジ・コンバータが３レベル中性点クランプ式Ｈブリッジを含んでいる、請求項１５に記載の電力変換器。
19. 前記ＥＭＥＣＤの内部のコモン・モード電圧又は電流における自由度を用いて前記ｄｃリンク同士の間の電力潮流を制御する、請求項１５に記載の電力変換器。
20. 回生電力変換器を提供するために、
    少なくとも一つの多相入力変換段を含む第一の区画と、
    単一の共通ｄｃリンクにより前記第一の区画に結合された複数のＨブリッジ・インバータを含む第二の区画と、
    前記Ｈブリッジ・インバータにのみ接続されたオープン巻線を含む多相電磁エネルギ変換装置（ＥＭＥＣＤ）と
    を備えた電力変換器。
21. 回生電力変換器を提供するために、
    複数のＨブリッジ・コンバータを含む第一の区画と、
    複数のＨブリッジ・インバータを含む第二の区画であって、第一の区画は単一の共通ｄｃリンク段により当該第二の区画に結合されている、第二の区画と、
    前記Ｈブリッジ・コンバータにのみ接続されたオープン巻線を含む第一の多相電磁変換装置（ＥＭＥＣＤ）と、
    前記Ｈブリッジ・インバータにのみ接続されたオープン巻線を含む第二の多相ＥＭＥＣＤと
    を備えた電力変換器。