(57)【要約】【課題】故障した単位インバータの出力をバイパスし、比較的簡単に残りの単位インバータで運転継続する。【解決手段】各単位インバータ３は、出力を短絡するバイパス手段３４を持ち、電圧制御手段５からの電圧指令に応じて出力電圧が制御される。電圧制御手段５は、周波数指令と、磁束基準発生手段５１からの磁束基準に基づいて電圧基準を演算する電圧基準演算手段５２と、バイパス手段３４が動作している単位インバータの数に応じて相毎に電圧リミット値を演算する電圧リミット値演算手段５３と、電圧基準演算手段５２によって得られた各相の電圧基準を電圧リミット値演算手段５３の電圧リミット値で制限する電圧リミット手段５４と、電圧リミット手段５４の各相の出力を加算する加算手段５５と、電圧基準演算手段５２によって得られた各相の電圧基準に対して加算手段５５の出力を加算補正して電圧指令を得る加算手段５６とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１台の単位インバータの単相交流出力を直列接続して各相を構成することにより多相交流電力を多相交流電動機に供給する電力変換装置において、
各々の前記単位インバータは、
その出力を短絡するバイパス手段を有するとともに、電圧制御手段から与えられる瞬時の電圧指令に応じてその瞬時出力電圧が制御され、
前記電圧制御手段は、
前記交流電動機を駆動するための周波数指令と、磁束基準発生手段から得られる磁束基準に基づいて前記交流電動機駆動用の電圧基準を演算する電圧基準演算手段と、
前記単位インバータのうち、前記バイパス手段が動作している単位インバータの数に応じて相毎に電圧リミット値を演算する電圧リミット値演算手段と、
前記電圧基準演算手段によって得られた各相の電圧基準を前記電圧リミット値演算手段で求められた各相の電圧リミット値で制限する電圧リミット手段と、
前記電圧リミット手段の各相の出力を加算する第１の加算手段と、
前記電圧基準演算手段によって得られた各相の電圧基準の各々に対して前記第１の加算手段の出力を加算補正して前記瞬時の電圧指令を得る第２の加算手段と
を具備したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記電圧基準演算手段は、
前記磁束基準に従った磁束を前記交流電動機が発生可能で且つ前記周波数比例に略比例した電圧基準を演算出力するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記磁束基準発生手段は、
前記交流電動機に与える負荷電力が所定値より小さいとき、前記磁束基準を当該負荷電力に比例して減少させるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記磁束基準発生手段は、
前記交流電動機に与える各相の負荷電力のうち最小値が所定値より小さいとき、前記磁束基準を当該最小値に比例して減少させるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記磁束基準発生手段が与える前記磁束基準の最小値は、
前記各相の電圧リミット値のうち最小値を元の電圧リミット値で除算した電圧リミット低減比に定格時の磁束基準を乗じて得るようにしたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力変換装置に係り、特に複数の単位インバータの単相出力を直列接続した相電圧を３相有し、電動機等の負荷を駆動する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
１台以上の単位インバータの単相出力を直列接続した相電圧を３相有し、電動機等の負荷を駆動する電力変換装置は、装置の大容量化、高電圧化を目的とし、また、出力波形を改善するために用いられる。この電力変換装置おいて、単位インバータが故障したときに当該単位インバータの出力をバイパスし、残りの単位インバータの利用効率を高めた状態で運転継続することが望まれる。残りの単位インバータの利用効率を高めるということは、故障した単位インバータに見合う他の２相の単位インバータの出力をバイパスすることなく、故障した単位インバータ以外の単位インバータの出力電圧も有効利用して電圧利用率を向上させるという意味である。
【０００３】
この要求に対し、相電圧の出力最大値を制限した状態で、各相の位相差を１２０°からずらすことによって線間電圧の位相差を１２０°に保つ方法や、各相の最大値および最小値から電圧を補正する方法が知られている（特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−６０１４２号公報（全体）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示されている従来の線間の最大電圧を出力する方法は、相の電圧位相差を１２０°からずらすことによって線間電圧の位相差を１２０°に保ち、３相平衡電力を供給する。しかしながら、相電圧を１２０°からずらして線間電圧の位相差１２０°を保持するためには複雑な演算が必要となり制御回路が複雑となる。更にこの方法では相電流も１２０°の位相差を持つことになるが、軽負荷の場合などで相電圧と相電流の関係が通常の０°から９０°の範囲から外れる場合がある。この場合は相電力として回生状態となる恐れがあり、単位インバータが回生機能を持たない場合には過電圧異常などの問題が生じる。
【０００６】
そこで本発明の第１の目的は、１台以上の単位インバータを直列接続した相電圧を三相持ち、電動機等の負荷を駆動する電力変換装置において、単位インバータが故障したとき当該単位インバータの出力をバイパスし、残りの単位インバータの利用効率を高めて運転継続するための比較的簡単な制御回路を有する電力変換装置を提供することである。
【０００７】
また本発明の第２の目的は、各相電力が回生とならないように残りの単位インバータで運転継続できる電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記第１の目的を達成するため、本発明の電力変換装置は、少なくとも１台の単位インバータの単相交流出力を直列接続して各相を構成することにより多相交流電力を多相交流電動機に供給する電力変換装置において、各々の前記単位インバータは、その出力を短絡するバイパス手段を有するとともに、電圧制御手段から与えられる瞬時の電圧指令に応じてその瞬時出力電圧が制御され、前記電圧制御手段は、前記交流電動機を駆動するための周波数指令と、磁束基準発生手段から得られる磁束基準に基づいて前記交流電動機駆動用の電圧基準を演算する電圧基準演算手段と、前記単位インバータのうち、前記バイパス手段が動作している単位インバータの数に応じて相毎に電圧リミット値を演算する電圧リミット値演算手段と、前記電圧基準演算手段によって得られた各相の電圧基準を前記電圧リミット値演算手段で求められた各相の電圧リミット値で制限する電圧リミット手段と、前記電圧リミット手段の各相の出力を加算する第１の加算手段と、前記電圧基準演算手段によって得られた各相の電圧基準の各々に対して前記第１の加算手段の出力を加算補正して前記瞬時の電圧指令を得る第２の加算手段とを具備したことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、１台以上の単位インバータを直列接続した相電圧を三相持ち、電動機等の負荷を駆動する電力変換装置において、単位インバータが故障したとき当該単位インバータの出力をバイパスし、残りの単位インバータの利用効率を高めて運転継続するための比較的簡単な制御回路を有する電力変換装置を提供可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１に係る電力変換装置のブロック構成図。
【図２】本発明の電力変換装置における単位インバータの内部構成図。
【図３】実施例１における電圧制御回路の内部構成図。
【図４】実施例１における単位インバータの故障前後の電圧ベクトル概念図。
【図５】本発明の電力変換装置における電圧波形例。
【図６】本発明の実施例２に係る電力変換装置のブロック構成図。
【図７】実施例２における電圧制御回路の励磁基準回路の特性図。
【図８】本発明の実施例１における電圧、電力波形例。
【図９】本発明の実施例２における電圧、電力波形例。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る電力変換装置の実施例について、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１２】
以下、本発明の実施例１に係る電力変換装置を図１乃至図５を参照して説明する。
【００１３】
図１は本発明の実施例１に係る電力変換装置のブロック構成図である。３相電源１から２次側に複数の巻線を持った変圧器２に３相交流電力を供給する。変圧器２の複数の２次巻線からの３相交流電力を夫々単位インバータ３（３Ｕ１、３Ｕ２、３Ｕ３、３Ｖ１、３Ｖ２、３Ｖ３、３Ｗ１、３Ｗ２、３Ｗ３）へ供給する。単位インバータ３Ｕ１、３Ｕ２、３Ｕ３の単相出力、単位インバータ３Ｖ１、３Ｖ２、３Ｖ３の単相出力、並びに単位インバータ３Ｗ１、３Ｗ２、３Ｗ３の単相出力は夫々直列に接続されてＵ相、Ｖ相及びＷ相の相電圧を形成し、これらの直列接続体の一方を中性点として互いに接続し、他方を３相の交流電動機４の３相入力端子に接続することにより、交流電動機４に３相交流電力を供給する。
【００１４】
その詳細を後述する電圧制御回路５においては、交流電動機４の速度が所定の速度となるように出力電圧基準Ｖu、Ｖv、Ｖwを決定し、これをＰＷＭ制御回路６に出力する。ＰＷＭ制御回路６は出力電圧基準に対応した出力電圧Ｖu、Ｖv、Ｖwを発生するように各単位インバータを構成するスイッチング素子に与えるゲート信号を発生し、これらのスイッチング素子をオン・オフ制御する。
図２は図１に示した単位インバータ３の内部構成図である。変圧器２の２次巻線からの交流電力をダイオード整流回路３１及び直流平滑コンデンサ３３によって直流電力に変換し、さらに単相インバータ回路３２で任意の周波数、電圧を持った単相交流に変換する。単相インバータ回路３２は各々スイッチング素子を有する正側アームＵ、Ｖ及び負側アームＸ、Ｙをブリッジ接続して構成される。各々の単位インバータの出力には、出力短絡回路３４が設けられている。この出力短絡回路３４は、単位インバータ３が故障したとき等に、当該単位インバータの動作を停止し、当該出力短絡回路３４をオンすることにより当該単位インバータの出力をバイパスして装置を運転するために用いられる。
【００１５】
図３は図１の電圧制御回路５の内部構成図である。この電圧制御回路５は、交流電動機４を駆動するために、外部から与えられる周波数基準ｆと磁束基準発生回路５１で設定される磁束基準φとを電圧基準演算器５２に入力することによって、例えば交流電動機４が磁束基準φに相当する磁束を発生可能で、且つ周波数基準ｆにほぼ比例する電圧振幅Ｖ*を演算によって求める。そして各相の瞬時の出力電圧基準Ｖｕ１、Ｖｖ１、Ｖｗ１は夫々以下の（１）、（２）、（３）式により演算で求めることができる。ここでｔは時刻を表す。
【００１６】
Ｖｕ１＝Ｖ*×ｓｉｎ（２π×ｆ×ｔ）          ・・・（１）
Ｖｖ１＝Ｖ*×ｓｉｎ（２π×ｆ×ｔ＋２π／３）・・・（２）
Ｖｗ１＝Ｖ*×ｓｉｎ（２π×ｆ×ｔ−２π／３）・・・（３）
また、図示しない各単位インバータ（セルとも言う。）の故障検出部から得られる各相の故障セル数を入力とする電圧リミット値演算回路５３は、各相の故障セル数から（４）式により各相の出力電圧リミット値を演算し、出力電圧リミット回路５４において各相の出力電圧基準のリミット処理を行う。ここで、元の電圧リミット値とは、各相の全ての単位インバータが健全であるときの電圧リミット値のことである。
【００１７】
電圧リミット値＝元の電圧リミット値×
健全単位インバータ数／元の単位インバータ数  ・・・（４）
各相のリミット処理された電圧の３相分を加算器５５によって加算し、この３相分の加算値を電圧補正量として加算器５６によって元の電圧基準Ｖｕ１、Ｖｖ１、Ｖｗ１に加算して最終の電圧基準（電圧指令）Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを出力する。
【００１８】
以下、図４及び図５も参照してこの実施例１の動作を説明する。
【００１９】
図４にＶ相の単位インバータの１つがバイパスされているケースの各相の出力可能電圧ベクトルの概念図を示す。図４（ａ）は故障前の電圧ベクトルであり、各相共３台の単位インバータの単相交流出力を直列接続している。そして互いに１２０°位相のずれた装置としての相電圧が得られている。
【００２０】
図４（ｂ）にはＶ相の単位インバータの１つ、例えば図１における単位インバータ３Ｖ３が故障してバイパス状態となったときのベクトル図を示す。同図に示したようにＶ相の相電圧は元の相電圧の２／３しか出力できない。従って（４）式に従った電圧リミット値すなわち電圧リミット値演算回路５３の出力は、Ｖ相のみが元の電圧リミット値の２／３となる。
【００２１】
次にこの状態における図３の電圧制御回路５の動作について考える。元の電圧基準Ｖｕ１、Ｖｖ１、Ｖｗ１が何れも元の電圧リミット値の２／３以内の大きさのときは、出力電圧リミット回路５４のリミットにはかからないので、出力電圧リミット回路５４の出力は元の電圧基準Ｖｕ１、Ｖｖ１、Ｖｗ１そのものとなる。従って加算器５５の出力はゼロとなり、加算器５６による補正は行なわれない。
【００２２】
これに対して、元の電圧基準Ｖｕ１、Ｖｖ１、Ｖｗ１が何れも元の電圧リミット値の２／３を超える大きさとなったとき、出力電圧リミット回路５４において、３つの電圧基準のうちＶｖ１のみにリミットがかかり、正弦波のピークがカットされた波形となる。このとき加算器５５の出力は、元正弦波の電圧基準Ｖｖ１の正側のピークがカットされたとき、
カットされた部分が負となり、逆に負側のピークがカットされたとき、カットされた部分が正となるような波形となる。
【００２３】
図５は上記の状態における各部の電圧波形を示したものである。図５（ａ）にはＵ相、Ｖ相及びＷ相の相電圧すなわち図３における補正された電圧基準（電圧指令）Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを示す。図示したようにＶ相の相電圧すなわち補正された電圧基準Ｖｖはリミット値でピークカットされた電圧となっており、他のＵ相、Ｗ相の相電圧はＶ相のピークカット分が加算器５６によって加算され若干歪んだ波形となる。
【００２４】
これに対して、図５（ｂ）はＵＶ間、ＶＷ間及びＷＵ間の線間電圧を示す。図示したように線間電圧は互いに１２０°位相のずれた正弦波が確保される。これは、加算器５６では各相に対して同一の補正指令を与えているため、相電圧は変化しても線間電圧は加算器５６の入出力間で変化しない構成となっているためである。
【００２５】
以上述べた実施例１の手法により、任意の単位インバータが故障したとき当該単位インバータの出力をバイパスし、残りの単位インバータの利用効率を高めて運転継続することが可能となる。バイパスする単位インバータは複数台であっても良く、またある相の全ての単位インバータをバイパスした場合であっても同じ補正の考え方で良い。これは各相の単位インバータの直列数が１であってもこの実施例１は適用可能であることを示している。
【００２６】
また、図１の電力変換装置及び交流電動機は何れも３相となっているが、３相に限らず多相であっても良いことは明らかである。
【実施例２】
【００２７】
図６は本発明の実施例２に係る電力変換装置における電圧制御回路５Ａの内部構成図である。この実施例２の各部について、図３の本発明の実施例１に係る電力変換装置における電圧制御回路５の内部構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、磁束基準発生回路５１Ａの出力である磁束基準φを負荷量（負荷率または負荷電力）の関数とすると共に、各相の電圧リミット値演算回路５３の出力から最小値を求める最小値演算回路５７を設け、この最小値演算回路５７の出力に応じて磁束基準回路５１Ａが、負荷量がゼロのときの磁束基準φを決めるように構成した点である。
【００２８】
図７に磁束基準発生回路５１Ａの特性の一例を示す。図７に示したように、予め決められた負荷率より負荷量が少ないとき、徐々に磁束基準φを下げるようにする。予め決められた負荷率とは、例えば図示したように所定の力率において無負荷励磁電流相当の大きさの電流が流れたときの負荷率とする。通常、磁束基準を下げるとこれに比例して電圧が低下し有効電流は増加するが、本実施例では負荷率が低い場合のみ磁束基準を下げるためそのような影響はない。
【００２９】
また、最小値回路５７は、各相の電圧リミット値の最小値を磁束基準発生回路５１Ａに出力する。磁束基準発生回路５１Ａは負荷量と電圧リミットの最小値を元に磁束基準φを決定する。
【００３０】
尚、この実施例２における負荷率は、例えば各相電圧と相電流の瞬時値を掛け合わせたものを３相分合算して求めれば良い。
【００３１】
以下、図８及び図９も参照してこの実施例２の動作を説明する。
【００３２】
図８は、実施例１による電力変換装置が図５（ａ）の相電圧を出力しているときの各相の瞬時電力を示す波形であり、図８（ａ）は力率が１のときの波形、図８（ｂ）は力率が０のときの波形である。図示したように力率が１の場合は全相の平均電力は正であり、力行動作となる。一方、力率が０の場合、Ｕ相の平均電力は０を下回り、回生動作となっていることが分かる。
【００３３】
このような場合すなわち力率が悪く負荷率が低い場合、本実施例の図７の特性を有する磁束基準発生回路５１Ａによって磁束基準φを下げ、従って電圧を下げて３相平衡電圧とすることによって回生動作を防止することが可能となる。図９はこのときの各部の波形を示したものであり、図９（ａ）は相電圧、図（ｂ）は線間電圧、図９（ｃ）は各相の電力波形である。
【００３４】
本実施例によれば、交流電動機に与える負荷電力が低い場合、磁束基準φを下げることによって出力電圧を下げ、各相の電圧リミットが動作しない領域で運転することが可能となる。また、もともと電圧リミットが動作しない速度・電圧領域においては出力電圧に影響を与えることがない。
【００３５】
尚この実施例２においては、全体の負荷率が予め決められた負荷率以下となったとき磁束基準を低減させるようにしたが、各相の出力電力の最小値が所定の値以下となったとき、磁束基準を低減させても同様の効果が得られることは明らかである。
【符号の説明】
【００３６】
１  ３相電源
２  変圧器
３、３Ｕ１、・・・、３Ｗ１  単位インバータ
４  交流電動機
５、５Ａ  電圧制御回路
６  ＰＷＭ制御回路
３１  ダイオード整流回路
３２  単相インバータ回路
３３  直流平滑コンデンサ
３４  出力短絡回路
５１  磁束基準回路
５２  電圧基準演算器
５３  電圧リミット値演算回路
５４  出力電圧リミット回路
５５  最小値回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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