JP6068396B2 - マルチレベルインバータ - Google Patents

Description

本発明は、インバータに関し、より詳細には高圧インバータに関するものである。

高圧インバータは、一般に数百ｋＷ〜数十ＭＷの容量を持つ大容量の電動機を駆動するのに用いられ、ファン（ｆａｎ）、ポンプ（ｐｕｍｐ）、圧縮機（ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）、牽引（ｔｒａｃｔｉｏｎ）、昇降（ｈｏｉｓｔ）、コンベヤー（ｃｏｎｖｅｙｏｒ）のような分野で主に用いられる。マルチレベル高圧インバータ（ｍｕｌｔｉ−ｌｅｖｅｌ ｍｅｄｉｕｍ−ｖｏｌｔａｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）は、入力線間電圧失効値が６００Ｖ以上の入力電源を持つインバータで、出力相電圧（ｏｕｔｐｕｔ ｐｈａｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ）は複数の段階を有する。

通常の電圧型高圧インバータは、直列連結型Ｈ−ブリッジインバータ（Ｃａｓｃａｄｅｄ Ｈ−ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）を用いたり、これを変形した直列連結型ＮＰＣインバータ（Ｃａｓｃａｄｅｄ Ｎｅｕｔｒａｌ Ｐｏｉｎｔ Ｃｌａｍｐｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）を利用する。

最近使われ始めた直列連結型ＮＰＣインバータは、既存の直列連結型Ｈ−ブリッジインバータと比較してその体積が小さい点が大きなメリットとしてクローズアップされている。

直列連結型Ｈ−ブリッジインバータは、最も普遍的な高圧インバータ形態で、低圧単相インバータを組み合わせて高圧出力を出すように構成され、全体構成は入力端多巻線変圧器、単位電力セル、制御部などで構成される。

直列連結型Ｈ−ブリッジインバータは、複数の低圧単相インバータを含む単位電力セルを組み合わせて高圧インバータで用いる方法で、各相別に単位電力セルを直列連結と単位電力セルの出力を制御して高圧の３相電圧及び電力を出力する方式である。この直列連結型Ｈ−ブリッジインバータは、その特性上各単位電力セルの入力電源は、互いに絶縁されるべきであり、効率的な方法を適用することが容易ではない。

本発明は、各単位電力セルの入力電源は互いに効率よく絶縁される連結型Ｈ−ブリッジインバータを提供する。

本発明は、固定された周波数を持つＡＣ入力電源の入力を受けて、予定された位相を持つ電圧で出力する位相変圧器と、前記位相変圧器から提供する電圧の入力を受けて、予定された相を持つ電圧を出力するために直列連結された複数の単位電力セルと、を備え、前記位相変圧器は、前記複数の単位電力セル数に該当する位相遷移数を持つように具現されることを特徴とするマルチレベルインバータを提供する。

また、前記単位電力セルは、３相の出力のために各相当り３つの単位電力セルが直列連結され、前記位相変圧器は、９つの位相遷移数を持つようになって、位相値は互いに６０゜／９の差が生じるように構成されてもよい。

前記位相値は、−２７゜、−２０゜、−１３゜、−７゜、０゜、７゜、１３゜、２０゜、２７゜の形態を有してもよい。

また、前記単位電力セルは、出力電圧が、３０００Ｖ、３３００Ｖ、または４１５０Ｖのうち一つを提供するように構成されてもよい。

前記単位電力セルは、直列連結型Ｈ−ブリッジ高圧マルチレベルインバータの構造で配置されてもよい。

本発明によって、多巻線変圧器の位相遷移程度を各相別単位電力セルの数から全体単位電力セルの数を持つように多巻線変圧器の形態を変更して、比較的単位電力セルの数が少ない３０００Ｖ、３３００Ｖ、４１５０Ｖ直列連結型Ｈ−ブリッジ高圧マルチレベルインバータに適用して、既存３〜４％の入力電流ＴＨＤ特性を１〜２％に下げることができる。

本発明を説明するためのインバータ システムのブロック図である。 図１のインバータ システムを実現したボードを示した図面である。 図１のインバータの単位電力セルの回路図である。 図１に図示された変圧器を示した図面である。 本発明の実施形態に係る高圧インバータの３相３直列多巻線変圧器を示した図である。

以下、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が、本発明の技術的思想を容易に実施できる程度に詳細に説明するために、本発明の最も好ましい実施形態を添付図面を参照して説明する。

直列連結型Ｈ−ブリッジ高圧インバータは、複数の低圧単相インバータを含む単位電力セルを組み合わせて高圧インバータとして用いる方法であり、各相別に単位電力セルを直列連結と単位電力セルの出力を制御して、高圧の３相電圧及び電力を出力する方式である。この直列連結型Ｈ−ブリッジ高圧インバータの特性上、各単位電力セルの入力電源は、互いに絶縁されなければならず各々の変圧器巻線を適用することになるが、本発明は、この時用いる変圧器巻線に位相遷移形態を適用して、入力端電流のＴＨＤ（Ｔｏｔａｌ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を低減することができる。ＴＨＤは、出力電流成分から基本波を除いた他の周波数成分がどの位含まれているかに関するものである。

本発明は、直列連結型Ｈ−ブリッジ高圧インバータにおいて相当り３直列以下の多巻線変圧器を用いる場合、４〜５％の既存の入力電流ＴＨＤ値を１〜２％に下げるために適用される技術を提案する。

図１は、本発明を説明するためのマルチレベルインバータシステムのブロック図である。図２は、図１のマルチレベルインバータシステムを実現したボードを示した図である。

図１を参照すると、Ｈ−ｂｒｉｄｇｅマルチレベルインバータは、位相（Ｐｈａｓｅ）変圧器１０と、各々の単位電力セル２０、そして単位電力セルと情報をやり取りするマスター制御器３０を含む。位相変圧器１０は、分離独立した単位電力セル２０のＤＣ−Ｌｉｎｋ部に必要な相を持つ電圧を供給する。

各列をなす単位電力セル（Ｕ１／Ｕ２／Ｕ３／Ｕ４／Ｕ５／Ｕ６）は、一つの相を持つ信号を出力するように構成して、各々直列に連結されている。また、各々の単位電力セルに含まれた制御器（図示せず）は、マスター制御器３０と光ケーブルを介してデータをやり取りする。

図２は、マルチレベルインバータを実現したシステム構成を示すが、システムの制御器は、大きく主制御器であるマスター（ｍａｓｔｅｒ）制御器と各々単位電力セル制御器で構成される。マスター制御器と単位電力セル制御器は、光通信を介して信号をやり取りする。

マスター制御器３０は、瞬時停電、再始動、速度サーチ、非常停止、オートエネルギー保存（Ａｕｔｏ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓａｖｅ）、自己診断機能、Ｓ／Ｌ、オートチューニング、周波数リミット、Ｓｔａｌｌ防止など、主に加減速制御を担う。マスター制御器３０から単位電力セル制御器に出力電圧指令、同期信号、電動機過熱など、単位電力セル運転基本形式を光通信で送り、逆に単位電力セル制御器からマスター制御器３０に過電圧、不足電圧、過電流、Ａｒｍ短絡、地絡、フューズオープン、Ｈｅａｔ Ｓｉｎｋ過熱、Ｈ／Ｗ異常、単位電力セル出力結像、入力結像の情報を提供する。

図３は、図１のマルチレベルインバータの単位電力セルの回路図であり、単位電力セルを直列に連結したインバータ構成を示す。

図４は、図１に示された変圧器を示した図である。

図１乃至図４に示したように、マスター制御が各々の単位電力セル電圧を受けて再び単位電力セルに電圧レファレンス情報を与える。各々の単位電力セルは、ＤＣ−Ｌｉｎｋ電圧の受信を受けて、出力電圧を生成して負荷である電動機に印加する。単位電力セルから出力される電圧の周波数は可変されて、電動機のトルクと速度を制御する用途で用いられる。

直列連結型Ｈ−ブリッジ高圧インバータの入力電流ＴＨＤは、各層当り単位電力セルの数によって影響を受けて、３６パルスの整流特性を有する６直列多巻線変圧器の場合、入力電流ＴＨＤは、１〜２％を持って安定的に用いられるが、３直列多巻線変圧器は、１８パルス整流特性を見せて、４〜５％のＴＨＤを持つようになり、入力電流ＴＨＤ要求基準が高い発電所などに用い難い。既存の直列連結型Ｈ−ブリッジ高圧インバータに用いられる多巻線変圧器は、各相当り単位電力セルの数に該当する位相遷移数を有する。

本発明では、全体の単位電力セル数に該当する位相遷移数を持つように多巻線変圧器の形態を提案する。例えば、３直列の多巻線変圧器の位相遷移数は３つで、位相値は６０゜／３である−２０゜、０゜、２０゜値を持つが、本発明の形態は、９つの位相遷移数を持って、位相値は互いに６０゜／９の差が生じるように−２７゜、−２０゜、−１３゜、−７゜、０゜、７゜、１３゜、２０゜、２７゜の形態を示し、計５４パルスの整流特性を示し、それによって入力電流のＴＨＤ特性は１〜２％値を持つようになる。

図５は、本発明の実施形態に係る高圧インバータの３相３直列多巻線変圧器を示した図である。

直列連結型Ｈ−ブリッジ高圧インバータの多巻線変圧器が持つ位相遷移程度は、各相当り単位電力セルの数によって決められる。変圧器において、位相遷移が可能な−３０゜〜＋３０゜の角度を相当り単位電力セルの数に分けて決めることになり、３相３直列多巻線変圧器の場合、６０゜／３で、位相遷移値は−２０゜、０゜、２０゜の位相を持つようになり、これを直列連結型Ｈ−ブリッジ高圧インバータに適用する場合、１８パルスの整流特性を持つ整流器と同じ特性を示す。３相６直列の場合、−２０゜、−１０゜、０゜、１０゜、２０゜、３０゜の位相遷移を持つようになり、３６パルスの整流特性を示す。既存の多巻線変圧器は、各相当り単位電力セルの数に該当する位相遷移数を有している。

本実施形態に係る直列連結型Ｈ−ブリッジ高圧インバータの多巻線変圧器は、全体の単位電力セル数に該当する位相遷移数を持つように、多巻線変圧器の形態を有する。３直列の多巻線変圧器の位相遷移数は３つで、位相値は、６０゜／３である−２０゜、０゜、２０゜値を持つが、本発明の形態は、９つの位相遷移数を持つようになり、位相値は互いに６０゜／９の差が生じるように、−２７゜、−２０゜、−１３゜、−７゜、０゜、７゜、１３゜、２０゜、２７゜の形態を示し、計５４パルスの整流特性を示して、入力電流のＴＨＤ特性は、１〜２％値を持つようになる。

直列連結型Ｈ−ブリッジ高圧インバータは、高圧電源を各々の単位電力セルで整流して、ＤＣ電圧で保存して、各単位電力セルのＩＧＢＴ回路を介して交流出力に変える動作をする。ここで、入力電流は、整流回路の影響でパルス形態を持つようになる。

整流動作は、入力端変圧器を介して位相遷移された交流電圧を用いるので、各相別入力電流のパルス数は、一単位電力セルで３相整流した場合のパルス数である３（定数）＊２（電波整流回路特性）であり、位相遷移数が３つの場合は、計１８つのパルスを持つようになる。既存の方式通り３相全が同じ位相を有している場合、入力電流のパルス数は、１８個であるが、本発明で提案する方法を適用すれば、入力電圧の位相遷移数が９個になるので、３＊２＊９の５４パルスを持つようになり、整流回路の電流歪曲現象は減る。

今まで調べたように、本発明は、直列連結型Ｈ−ブリッジ高圧マルチレベルインバータは、３相３直列システムの場合、入力電流のＴＨＤ低減を目的に入力端多巻線変圧器を新しい形態で適用するものである。

直列連結型Ｈ−ブリッジ高圧インバータの入力電流ＴＨＤは、入力端多巻線変圧器の位相遷移数の影響を受けるが、既存の多巻線変圧器は、各相別単位電力セルの数の同じ位相遷移数を有している。多巻線変圧器の位相遷移程度を各相別単位電力セルの数から全体単位電力セルの数を持つように多巻線変圧器の形態を変更して、比較的単位電力セルの数が少ない３０００Ｖ、３３００Ｖ、４１５０Ｖ直列連結型Ｈ−ブリッジ高圧マルチレベルインバータに適用すると、既存３〜４％の入力電流ＴＨＤ特性を１〜２％に下げることができる。

以上、代表的な実施形態を通して本発明について詳細に説明したが、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者は、前述した実施形態に対し本発明の範囲から逸脱しない限り、多様な変形が可能であることを理解するのである。

従って、本発明の権利範囲は、説明された実施形態に限定されて定まってはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等物等によって定まらなければならない。

Claims (3)

1. 固定された周波数を持つＡＣ入力電源の入力を受けて、予定された位相を持つ電圧で出力する位相変圧器と、
   前記位相変圧器から提供する電圧の入力を受けて、予定された相を持つ電圧を出力するために直列連結された複数の単位電力セルと、を備えて、
   前記位相変圧器は、前記複数の単位電力セル数に該当する位相遷移数を持つように具現され、同じ相の単位電力セル間の位相差が「６０°／（前記複数の単位電力セルの全体数）」に該当するようになり、
   前記単位電力セルは、３相の出力のために各相当り３つの単位電力セルが直列連結され、前記位相変圧器は、９つの位相遷移数を持つようになることを特徴とする、マルチレベルインバータ。
2. 前記単位電力セルは、出力電圧が、３０００Ｖ、３３００Ｖ、または４１５０Ｖのうち一つを提供するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のマルチレベルインバータ。
3. 前記単位電力セルは、直列連結型Ｈ−ブリッジ高圧マルチレベルインバータの構造で配置されたことを特徴とする、請求項１または２に記載のマルチレベルインバータ。

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