(57)【要約】      （修正有）【課題】電力回生機能を持たない多重インバータで駆動する交流電動機の高速回転時、低速回転時の何れの場合にも、交流電動機を減速させるための所定の制動トルクを発生させると共に、省エネルギー化及びコストの低減を可能にする電力変換装置を提供する。【解決手段】系統電源から複数の電源電圧を生成する多巻線変圧器４と、電源電圧から単相電圧を生成する単相インバータユニットを複数台直列に接続した複数台の多重インバータ１〜３と、を備え、これらの多重インバータ１〜３により交流電動機５を駆動するための電力変換装置において、交流電動機５と系統電源との間に、降圧変圧器７を介して電力回生装置９を接続する。また、必要に応じて、多重インバータ１〜３の非出力側の端子と系統電源との間に、別の電力回生装置１２を接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
系統電源から複数の電源電圧を生成する多巻線変圧器と、前記電源電圧から単相電圧を生成する単相インバータユニットを複数台直列に接続した複数台の多重インバータと、を備え、前記複数台の多重インバータにより交流電動機を駆動するための電力変換装置であって、前記多重インバータが前記系統電源への電力回生機能を持たない電力変換装置において、
前記交流電動機と前記系統電源との間に、降圧変圧器を介して電力回生装置を接続したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載した電力変換装置において、
前記多重インバータの非出力側の端子と前記系統電源との間に、別の電力回生装置を接続したことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多重インバータからなる電力変換装置に関する。特に本発明は、電力回生機能を持たない単相インバータユニットを複数台、直列に接続してなる多重インバータによって交流電動機を駆動する場合に、交流電動機の停止または減速を電気的に補助する機能を備えた電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
定格電圧が３．３［ｋＶ］や６．６［ｋＶ］等の多相交流電動機を可変速駆動する高圧大容量の電力変換装置として、複数台の単相インバータユニットの出力側を直列に接続して一相分の多重インバータを構成し、この多重インバータを相数分用いて多相交流電動機を駆動するものが知られている。
【０００３】
図４は、この種の電力変換装置の構成図である。
図４において、１，２，３は多重インバータであり、それぞれ、単相インバータユニット１１，１２、単相インバータユニット２１，２２、単相インバータユニット３１，３２によって構成されている。例えば、多重インバータ１は、二つの単相インバータユニット１１，１２の各一端を直列に接続すると共に、一方の単相インバータユニット１１の出力側の他端を負荷装置としての三相交流電動機５に接続し、かつ、他方の単相インバータユニット１２の出力側の他端を共通接続点（多重インバータの中性点）Ｎ０に接続して構成される。上述した単相インバータユニット１１，１２の接続状態は、他の多重インバータ２，３における単相インバータユニット２１，２２及び３１，３２についても同様である。
なお、多重インバータ１〜３の構成はあくまで一例を示したものであり、１台の多重インバータが３台以上の単相インバータユニットを直接に接続して構成される場合もある。
【０００４】
ここで、多重インバータ内で複数台の単相インバータユニットを直列接続するためには、個々の単相インバータユニットの入力側を電気的に絶縁する必要がある。このため、単相インバータユニット１１，１２，２１，２２，３１，３２の入力側は、多巻線変圧器４の二次巻線４ｂにそれぞれ接続されている。なお、多巻線変圧器４の一次巻線４ａは、図示されていない三相交流電源（系統電源）に接続されており、複数の二次巻線４ｂから単相の電源電圧を生成するものである。
【０００５】
図５は、例えば図４における単相インバータユニット１１の構成例を示している。なお、他の単相インバータユニット１２，２１，２２，３１，３２の構成も同一である。
単相インバータユニット１１は、三相交流電力を直流電力に変換するダイオード整流器１０１と、直流電力を単相交流電力に変換するＩＧＢＴインバータ１０２と、直流中間回路に接続されて直流電圧を平滑するコンデンサ１０３とから構成されている。
【０００６】
図５に示す単相インバータユニット１１は、交流−直流変換用にダイオード整流器１０１を用いているため、直流中間回路からダイオード整流器１０１の系統電源側（多巻線変圧器４の二次巻線４ｂ側）に電力回生することはできない。従って、仮にＩＧＢＴインバータ１０２が単相交流側から直流中間回路側に電力回生するならば、直流中間回路の電圧が異常に上昇し、最悪の場合には、単相インバータユニット１１が過電圧により破壊されることになる。
【０００７】
一般に、交流電動機を電気的な手段により急速に減速させようとするとき、交流電動機を発電機動作させて電力回生することが行われる。しかし、前述したように、単相インバータユニットにダイオード整流器を使用している場合には、単相インバータユニットを介して系統電源側に電力回生することはできない。
このように電力回生ができない場合には、交流電動機の減速に非常に長い時間を必要とするので、所望の加減速特性が得られないという問題が生じる。
そこで、特許文献１に開示されるモジュラー型多相可調節電源では、単相インバータユニット内のダイオード整流器に代えて電力回生が可能なＩＧＢＴを使用した電力変換器を使用することにより、系統電源に電力を回生可能としている。
【０００８】
一方、負荷トルクによってある程度の減速効果が得られる用途では、補助的な電力回生機能、または制動抵抗による電力消費機能を付加するだけで十分な場合もある。このような機能を備えた電力変換装置としては、特許文献２〜特許文献５に記載された従来技術が知られている。
【０００９】
すなわち、特許文献２に示されるインバータ装置では、多重インバータに直列に三相インバータを接続し、この三相インバータ内に直流電圧検出回路及び放電回路を設けている。そして、このインバータ装置は、電力回生時における直流電圧の上昇を直流電圧検出回路により検出し、回生電力を放電回路内の抵抗によって消費させている。
また、特許文献３には、特定の単相インバータユニットや、多重インバータに直列に接続された三相インバータに回生電力の消費機能を持たせた多重電力変換装置が示されている。
【００１０】
特許文献４には、多重電力変換器の中性点と誘導電動機の中性点との間に抵抗を接続し、多重電力変換器の出力電圧零相成分を制御することにより、回生電力を前記抵抗によって消費させる技術が記載されている。また、この特許文献４には、中性点の取り出しが困難な場合に、誘導電動機の入力側に接続した降圧変圧器から中性点を取り出すことも開示されている。
更に特許文献４には、前記抵抗に代えて回生電力変換器を接続し、この回生電力変換器により、電力を系統電源側へ回生する技術も開示されている。
【００１１】
また、特許文献５には、図６に示す電力変換装置が開示されている。図６において、図４と同一の構成部品には同一の番号を付してある。
図６において、多重インバータ１，２，３の出力側に接続された交流電動機５の入力端子５ｕ，５ｖ，５ｗには、スイッチ６１及び抵抗器６２からなる電力消費回路６が接続されている。上記スイッチ６１をオンすることにより、入力端子５ｕ，５ｖ，５ｗにはスター結線された抵抗器６２の各一端がそれぞれ接続される。このスイッチ６１は通常はオフしており、交流電動機５を減速する場合（制動トルクを発生させる場合）にオンするものである。
【００１２】
すなわち、スイッチ６１がオンすると、その入力端子間に電圧が生じていれば、抵抗器６２に電流が流れて電力が消費される。この消費電力は、多重インバータ１〜３だけから、または交流電動機５だけから供給することができると共に、多重インバータ１〜３及び交流電動機５の両方から供給することも可能である。次に、これらの各ケースについて具体的に説明する。
【００１３】
抵抗器６２により所定の電力が消費されるケースには、上述した三つのケースがある。
ケース１は、交流電動機５が無負荷運転しているケースであり、この場合には、抵抗器６２による消費電力がすべて多重インバータ１〜３から供給される。ケース２は、交流電動機５が発電機動作して抵抗器６２の消費電力と等しい電力を出力しているケースであり、この場合には、抵抗器６２による消費電力がすべて交流電動機５から供給される。ケース３は、交流電動機５による発電電力が抵抗器６２による消費電力より少ないケースであり、この場合には、抵抗器６２による消費電力が多重インバータ１〜３及び交流電動機５の両方から供給される。
【００１４】
上記ケース２，ケース３の場合、交流電動機５は自身の発電電力によって減速する。従って、スイッチ６１をオンして抵抗器６２にて電力を消費することにより、交流電動機５の発電電力がケース２，ケース３の条件を満たす減速レートであれば、多重インバータ１〜３側に電力を回生せずに交流電動機５を減速することができる。つまりこの場合は、前述したような単相インバータユニットの過電圧破壊を生じることはない。
【００１５】
この従来技術では、上記ケース２が、多重インバータ１〜３に電力回生することなく最も大きな制動トルクを発生させる条件となる。すなわち、抵抗器６２による消費電力がすべて交流電動機５の発電電力によって賄われる場合に、最も大きな制動トルクを得ることができる。
【００１６】
通常、抵抗器６２の消費電力は電圧の２乗に比例する。一方、交流電動機５の磁束を一定に保つためには、交流電動機５の端子電圧Ｖと周波数ｆとをほぼ比例させる必要があり、よく知られているＶ／ｆ一定制御が一般的に利用されている。従って、このＶ／ｆ一定制御を前提にすると、抵抗器６２による消費電力は周波数ｆの２乗に比例する。これらのことから、周波数ｆと回転速度とがほぼ比例する交流電動機では、図７の実線で示すように、抵抗器６２による消費電力は回転速度の２乗にほぼ比例する。
一方、制動トルクの上限は消費電力を電動機の回転角速度により除算して求めることができるから、その特性は、図７の破線に示すように速度に比例することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００１−１０３７６６号公報（段落［００１８］〜［００２６］、図１、図２等）
【特許文献２】特開２０００−５０６４３号公報（段落［００３１］〜［００３５］、図７等）
【特許文献３】特開２００１−２３８４５５号公報（段落［０００６］〜［０００９］、図１、図４等）
【特許文献４】特開２００５−３３９０３号公報（段落［０００９］〜［００２２］、図１，図４，図５等）
【特許文献５】特開２０００−５０６３６号公報（段落［００５２］〜［００５７］、図８等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
特許文献１に係る従来技術によれば、交流電動機を急減速することは可能である。しかし、電動機を減速させるための制動トルクとして必ずしも大トルクを要求されない用途では、過剰仕様となって装置が大形化・高コスト化する。
特許文献２，特許文献３に係る従来技術では、高速時に交流電動機の磁束を大きく弱めるために、制御の安定性が悪くなる。
特許文献４に係る従来技術では、中性点を引き出せない交流電動機には適用不可能である。また、降圧変圧器を使用して等価的な中性点を生成する場合には、この降圧変圧器に零相電流が流れるため、降圧トランスが大容量化する。
また、特許文献２〜特許文献４に係る従来技術には、交流電動機の高速回転時における制動トルクが小さいという共通の欠点もある。
【００１９】
図６，図７に示した特許文献５に係る従来技術では、図７から明らかなように、交流電動機の高速回転時に大きな制動トルクを得ることができるが、低速回転時には制動トルクが小さくなる。
例えば、交流電動機の定格速度において定格の１０％の制動トルクを得ようとする場合には、図６の抵抗器６２に流れる電流は定格電流の１０％となる。この場合、電力消費回路６内のスイッチ６１としては、機械的なスイッチやＧＴＯ，ＩＧＢＴ等の半導体スイッチを使用可能であるが、高圧・小電流の特殊仕様が要求されるため、高コスト化の原因となる。
【００２０】
そこで、本発明の目的は、電力回生機能を持たない多重インバータからなる電力変換装置において、交流電動機の高速回転時、低速回転時の何れの場合にも、交流電動機を減速させるための所定の制動トルクを発生させることにある。
また、本発明の他の目的は、省エネルギー化及びコストの低減を可能にした電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、系統電源から複数の電源電圧を生成する多巻線変圧器と、前記電源電圧から単相電圧を生成する単相インバータユニットを複数台直列に接続した複数台の多重インバータと、を備え、前記複数台の多重インバータにより交流電動機を駆動するための電力変換装置であって、前記多重インバータが前記系統電源への電力回生機能を持たない電力変換装置において、
前記交流電動機と前記系統電源との間に、降圧変圧器を介して電力回生装置を接続したことを特徴とする。
【００２２】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電力変換装置において、前記多重インバータの非出力側の端子と前記系統電源との間に、別の電力回生装置を接続したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１に係る発明によれば、電力回生装置により交流電動機の発電電力を消費させて交流電動機を減速させる制動トルクを発生させることができる。
請求項２に係る発明によれば、交流電動機の全速度範囲にわたり、多重インバータを介して電力回生することなく交流電動機を減速させる制動トルクを発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態の構成図である。
【図２】図１における電力回生装置の構成図である。
【図３】本発明の第２実施形態の構成図である。
【図４】電力変換装置の従来技術を示す構成図である。
【図５】図４における単相インバータの構成図である。
【図６】特許文献５に記載された従来技術の構成図である。
【図７】図６に示した従来技術における、交流電動機の回転速度と、消費電力及び制動トルク上限値との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す構成図であり、請求項１に係る発明に相当する。図１において、図４と同一の構成部品には同一の番号を付してある。
【００２６】
図１において、前記同様に多重インバータ１，２，３は、それぞれ、単相インバータユニット１１，１２、単相インバータユニット２１，２２、単相インバータユニット３１，３２によって構成されている。例えば、多重インバータ１は、二つの単相インバータユニット１１，１２の出力側の一端を直列に接続すると共に、一方の単相インバータユニット１１の出力側の他端を三相交流電動機５に接続し、かつ、他方の単相インバータユニット１２の出力側の他端を中性点Ｎ０に接続して構成される。上述した単相インバータユニット１１，１２の接続状態は、他の多重インバータ２，３における単相インバータユニット２１，２２、及び３１，３２についても同様である。ここで、交流電動機５は、中性点が引き出されていないものとする。
なお、個々の多重インバータ１，２，３を構成する単相インバータユニットの台数は３台以上であっても良い。
【００２７】
単相インバータユニット１１，１２，２１，２２，３１，３２の入力側は、多巻線変圧器４の複数の二次巻線４ｂに接続されている。多巻線変圧器４の一次巻線４ａは、図示されていない三相交流電源（系統電源）に接続されている。多巻線変圧器４は、複数の二次巻線４ｂから単相の電源電圧をそれぞれ生成するものである。
ここで、単相インバータユニット１１，１２，２１，２２，３１，３２は、例えば前述した図５のように、ダイオード整流器１０１及びＩＧＢＴインバータ１０２によって構成されており、系統電源側へ電力を回生する機能を備えていない。
【００２８】
多重インバータ１〜３に接続された交流電動機５の入力端子５ｕ，５ｖ，５ｗには、降圧変圧器７を介して電力回生装置９が接続されている。このように、入力端子５ｕ，５ｖ，５ｗと電力回生装置９との間には降圧変圧器７が接続されているので、電力回生装置９としては、例えば交流電圧の定格が４４０［Ｖ］級の標準的な電力変換器を使用することができる。この電力回生装置９は、電力変換ユニット９０及び変圧器９４から構成されている。
【００２９】
図２は、電力回生装置９の構成例を示している。図２において、電力変換ユニット９０は一般に知られているものであり、交流−直流−交流変換を行うための電力変換器９１，９２と、直流中間回路のコンデンサ９３とからなっている。この実施形態では、交流電動機５の減速時に電力回生装置９を作動させることで、入力端子５ｕ，５ｖ，５ｗから吸収した電力を系統電源側に回生でき、制動トルクを得ることができる。
【００３０】
次に、図３は本発明の第２実施形態を示しており、請求項２に係る発明に相当する。
この実施形態が図１，図２の第１実施形態と異なる部分は、多重インバータ１〜３の非出力側と系統電源との間に電力回生装置１２が追加されていることである。
電力回生装置１２は、図１，図２に示した電力回生装置９と同様に、直流中間回路を有する電力変換ユニット１２０と、この電力変換ユニット１２０と系統電源との間に接続された変圧器１２４とから構成されている。なお、電力変換ユニット１２０の構成は図２の電力変換ユニット９０と同様であり、２台の電力変換器（図２の電力変換器９１，９２に相当）及びコンデンサ（同じくコンデンサ９３に相当）からなるものとする。
【００３１】
ここで、電力回生装置１２の仕様上の特徴について説明する。
電力変換ユニット１２０内の２台の電力変換器として、交流電圧の定格が標準的な４４０［Ｖ］のものを使用すると仮定する。また、交流電動機５は、定格電圧が３．３［ｋＶ］の誘導電動機であると仮定する。誘導電動機の一般的な励磁電流は電動機定格電流の３０［％］弱程度なので、減速時の電流は電動機定格電流の３０［％］であるとする。
【００３２】
このとき、電力回生装置１２が回生可能な電力は、交流電動機５の定格電圧に対する電力変換ユニット１２０内の電力変換器の定格電圧の比が１３．３［％］（＝４４０／３３００）であり、減速時の電流の定格電流に対する比が３０［％］であるため、これらの１３．３［％］と３０［％］とを乗じれば、定格容量の４［％］となる。
いま、交流電動機５が定格速度で運転されていれば、定格トルクの４［％］の制動トルクが得られるが、交流電動機５が定格速度の５０［％］速度で運転されていれば、速度に反比例して定格トルクの８［％］の制動トルクを得ることができる。
【００３３】
従って、本実施形態では、特に高速時に大きな制動トルクが得られる電力回生装置９と、低速時に大きな制動トルクが得られる電力回生装置１２とを組み合わせることにより、電力回生装置９，１２の構成要素として標準的な低電圧仕様の電力変換器を使用し、全速度範囲にわたって十分な制動トルクを得ることができる。
【００３４】
なお、電力回生装置９に代えて、スイッチや抵抗器からなる構成簡単な電力消費回路を用いても良い。この場合、電力回生装置１２のみによって電力が回生されるため、省エネルギー効果は少なくなるが、全速度範囲において十分な制動トルクが得られるという効果は維持される。
【符号の説明】
【００３５】
１，２，３：多重インバータ
１１，１２，２１，２２，３１，３２：単相インバータユニット
４：多巻線変圧器
４ａ：一次巻線
４ｂ：二次巻線
５：三相交流電動機
５ｕ，５ｖ，５ｗ：入力端子
７：降圧変圧器
９，１２：電力回生装置
９０，１２０：電力変換ユニット
９１，９２：電力変換器
９３：コンデンサ
９４，１２４：変圧器
Ｎ０：中性点
【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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