(57)【要約】【課題】誘導電動機の回生もしくは任意の減速運転が可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】本発明の多重電力変換装置は、交流電源からの交流を可変電圧，可変周波数に変換する非回生型の単相セルインバータを直列接続した一相分の多重電力変換器を複数台備え、多重電力変換器の反負荷側を互いに接続した中性点と前記多相負荷装置の中性点を抵抗あるいは回生電力変換器を介して接続し、前記多重電力変換装置の出力電圧零相成分を制御して、回生電力を前記抵抗で消費したり電源側へ回生する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源からの電力を可変電圧、可変周波数の多相交流に変換する、非回生型単相セルインバータをｎ個（ｎは自然数）直列接続した多重電力変換器を複数台備えた多重電力変換装置において、
前記多重電力変換器の反負荷側を互いに接続した中性点に一端を接続し、前記多相負荷装置の中性点に他の一端を接続した回生電力吸収部を備えることを特徴とする多重電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の多重電力変換装置において、該多重電力変換装置の出力の零相電圧を制御して前記回生電力吸収部が吸収する電力を制御する制御部を備えることを特徴とする多重電力変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載の多重電力変換装置において、前記回生電力吸収部が抵抗と、該抵抗に直列に接続したスイッチとを備えていることを特徴とする多重電力変換装置。
【請求項４】
請求項１に記載の多重電力変換装置において、前記回生電力吸収部が回生電力変換器であることを特徴とする多重電力変換装置。
【請求項５】
請求項４に記載の多重電力変換装置において、前記回生電力変換器が、ダイオード整流器と、平滑コンデンサと、インバータ部とを備えていることを特徴とする多重電力変換装置。
【請求項６】
交流電源からの電力を可変電圧、可変周波数の多相交流に変換する、非回生型単相セルインバータをｎ個（ｎは自然数）直列接続した多重電力変換器を複数台備えた多重電力変換装置において、
前記多重電力変換器の反負荷側を互いに接続した中性点に一端を接続し、前記多重電力変換器の負荷側に配置した中性点取出し用トランスの中性点に他の一端を接続した回生電力吸収部を備えることを特徴とする多重電力変換装置。
【請求項７】
請求項６に記載の多重電力変換装置において、該多重電力変換装置の出力の零相電圧を制御して前記回生電力吸収部が吸収する電力を制御する制御部を備えることを特徴とする多重電力変換装置。
【請求項８】
請求項６に記載の多重電力変換装置において、前記回生電力吸収部が抵抗と、該抵抗に直列に接続したスイッチとを備えていることを特徴とする多重電力変換装置。
【請求項９】
請求項６に記載の多重電力変換装置において、前記回生電力吸収部が回生電力変換器であることを特徴とする多重電力変換装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の多重電力変換装置において、前記回生電力変換器が、ダイオード整流器と、平滑コンデンサと、インバータ部とを備えていることを特徴とする多重電力変換装置。
【請求項１１】
交流電源からの電力を可変電圧、可変周波数の多相交流に変換する、非回生型単相セルインバータをｎ個（ｎは自然数）直列接続した多重電力変換器を複数台備えた多重電力変換装置において、
前記複数の多重電力変換器のそれぞれの反負荷側を接続した回生電力吸収部を備えることを特徴とする多重電力変換装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の多重電力変換装置において、該多重電力変換装置の出力の零相電圧を制御して前記回生電力吸収部が吸収する電力を制御する制御部を備えることを特徴とする多重電力変換装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載の多重電力変換装置において、前記回生電力吸収部が回生電力変換器であることを特徴とする多重電力変換装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の多重電力変換装置において、前記回生電力変換器が、ダイオード整流器と、平滑コンデンサと、インバータ部とを備えていることを特徴とする多重電力変換装置。
【請求項１５】
請求項１１に記載の多重電力変換装置において、前記回生電力吸収部が前記それぞれの反負荷側の出力端子に一端を接続し、該他端が互いに接続されている抵抗を備えることを特徴とする多重電力変換装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の多重電力変換装置において、前記反負荷側の出力端子間それぞれにスイッチが配置されていることを特徴とする多重電力変換装置。
【請求項１７】
請求項１５に記載の多重電力変換装置において、前記それぞれの抵抗にスイッチが並列に接続されていることを特徴とする多重電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導電動機や同期電動機などの多相負荷装置の制動運転を行うための多重電力変換装置に係わり、特に負荷装置の回生電力を抵抗で消費、または電源に回生する機能を付加した多重電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高圧（３／６ｋＶ）モータの可変速運転では、インバータの大容量化や出力波形改善のため、単相セルインバータを直列に接続した多重電力変換器が用いられている。従来技術の多重電力変換器は図１０に示すように、ダイオード整流器部２１と、平滑コンデンサ２２と、ＩＧＢＴ部２３とを備えた単相セルインバータ１１１、１１２、１１ｎを、ｎ個直列多重接続した電力変換器１１、１２、１３を各相の数だけ有する。交流電源１からの一定周波数の電圧を電源トランス２を介し、各相の電力変換器１１、１２、１３で任意の周波数任意の大きさの電圧に変換し、負荷の誘導電動機３に印加する。ここで、負荷に接続された多重電力変換器の端子を負荷側、負荷から最も遠い端子を反負荷側と定める。図１０に示すように、反負荷側は互いに中性点接続されている。
【０００３】
図１０に示す多重電力変換器では単相セルインバータ１１１、１１２、１１ｎがダイオード整流器を用いるため、負荷側からのエネルギーを回生できない。そこで、ダイオード整流器をＩＧＢＴ素子で置き換え、エネルギーの回生ができる多重電力変換装置が特許文献１に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１０３７６６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような回生機能付の多重電力変換装置の場合、ダイオード整流器を用いた非回生多重電力変換装置に比べ、ＩＧＢＴ素子の数が２倍以上必要となったり、部品数の増加に伴う単相セルインバータの大型化や複雑化が生じる。
【０００６】
本発明は、小型、低コストで、誘導電動機の回生運転もしくは任意の減速運転が可能な多重電力変換装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の多重電力変換装置は、交流電源からの交流を可変電圧、可変周波数に変換する非回生型の単相セルインバータをｎ個（ｎは自然数）直列接続して一相分の多重電力変換器を構成し、この一相分の多重電力変換器を複数台用い、多重電力変換器の反負荷側を互いに接続した中性点と前記多相負荷装置の中性点を抵抗あるいは回生電力変換器を介して接続し、前記多重電力変換装置の出力電圧零相成分を制御して、回生電力を前記抵抗で消費したり電源側へ回生する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の詳細を図面を用いながら説明する。
【０００９】
（実施例１）
本実施例の多重電力変換装置について図１を用いて説明する。図１において、交流電源１からの三相交流電圧を電源トランス２で変圧し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電力変換器１１、１２、１３を介して、負荷の誘導電動機３に任意の周波数、大きさの電圧を印加する。
【００１０】
なお、本発明は多相負荷装置として、誘導電動機だけでなく、同期電動機にも適用可能であるが、以下誘導電動機を負荷にした場合を例に説明する。本実施例では、電力半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴを例に説明するが、パワーＭＯＳＦＥＴや、Ｊ−ＦＥＴ、バイポーラトランジスタを用いても良い。また、電力変換器１１、１２、１３が複数個の非回生型単相セルインバータを直列接続した場合を例に説明するが、本願発明は非回生型単相セルインバータが１個の場合にも同様に適用できる。
【００１１】
電力変換器１１、１２、１３は、ｎ個（ｎは自然数）の単相セルインバータ１１１、１１２、１１ｎを有し、各単相セルインバータ１１１、１１２、１１ｎは図２で示すようにダイオード整流器部２１と、平滑コンデンサ２２と、ＩＧＢＴ部２３とを備えた非回生電力変換器である。図１ではＵ相の電力変換器１１を詳細に示すが、Ｖ相の電力変換器１２、Ｗ相の電力変換器１３もＵ相の電力変換器１１と構造は同じであり、共に電源トランス２から電圧を入力し（接続線は省略）、誘導電動機３へ高電圧を印加する。
【００１２】
コントローラ部４によって各単相セルインバータ１１１、１１２、１１ｎのＩＧＢＴ部２３を制御し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各電力変換器１１、１２、１３の出力電圧を制御する。本実施例では、三相の電力変換器１１、１２、１３の反負荷側の端子を互いに接続し、接続された中性点を、抵抗３１とスイッチ３２とを介して誘導電動機３の誘導電動機中性点３０と接続する。回生時にはコントローラ部４が、スイッチ３２をオンにし、抵抗３１で回生電力相当値を吸収し消費させるために必要な電流が流れるように、各電力変換器１１、１２、１３のスイッチング制御を行う。ここで、スイッチ３２は、例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、Ｊ−ＦＥＴ、バイポーラトランジスタのような電力半導体素子や、リレー等の機械接点スイッチを用いることができる。
【００１３】
具体的な制御方法を図３を用いて説明する。コントローラ部４は図３に示すように、回生電力演算部３３と、零相電流指令演算部３４と、零相電圧指令演算部３５と、ゲートパルス生成部３６とを備えている。回生電力演算部３３は、電圧、電流検出値を入力し、回生電力を（数１）式を用いて演算する。
【００１４】
Ｐ＝３×（Ｖｄ×Ｉｄ＋Ｖｑ×Ｉｑ）                            （数１）
（数１）式で、Ｐは回生電力演算値、電圧Ｖ、電流Ｉの添え字ｄ、ｑは、電動機磁束方向成分をｄ、それに垂直な成分をｑとした値である。
【００１５】
零相電流指令演算部３４は、回生電力を全て抵抗３１で消費するように、抵抗３１を流れる電流（≡零相電流）の指令値を（数２）式を用いて演算する。
【００１６】
Ｉ＊＝√（Ｐ／Ｒ）                                            （数２）
（数２）式で、Ｉ＊  は零相電流指令値、Ｒは抵抗３１の抵抗値である。
【００１７】
また零相電圧指令演算部３５は、三相電流ＩＵ、ＩＶ、ＩＷの和から求めた零相電流と零相電流指令値との偏差を入力し、零相電圧指令を生成する。この零相電圧指令を交流電圧指令ＶＵ＊、ＶＶ＊、ＶＷ＊  に加え、ゲートパルス生成部３６でＩＧＢＴ部２３を制御するゲートパルスを生成する。
【００１８】
このようにして抵抗３１の電圧を零相電圧指令値に比例して制御する。この時、零相電流は零相電流指令値に一致するよう制御され、回生電力を抵抗３１で全て消費する。このために、本実施例の多重電力変換装置では、負荷の電動機を素早く所望の速度に減速させたり停止させることができる。
【００１９】
零相電圧指令値は、例えば、電力変換器の出力電圧周波数の３倍の周波数（３次調波）成分や直流電圧として与えられるが、その大きさが零相電圧指令値に従い制御される。
【００２０】
また本実施例では誘導電動機３の回転速度の低下に伴い回生電力が低下し、零相電流が小さくなるため、抵抗消費電力を回生電力に見合う最小値にして、無用な電力消費を防止できるので、抵抗を小型にできる。
【００２１】
（実施例２）
本実施例について図４を用いて説明する。本実施例が実施例１と異なる部分について述べる。本実施例では電力変換器１１、１２、１３の負荷側出力端子に、中性点取出し用トランス３７を図４に示すように配置する。本実施例の中性点取出し用トランス３７は、電力変換器１１、１２、１３の個数に対応する数の巻線を備え、各巻線の一端を電力変換器１１、１２、１３の負荷側出力端子に接続し、各巻線の他端を共通に接続し中性点を取り出してある。このようにして取出した中性点と、三相の電力変換器１１、１２、１３の反負荷側の中性点とを、抵抗３１とスイッチ３２とを介して接続する。
【００２２】
本実施例の多重電力変換装置の回生時の動作は実施例１と同様である。本実施例では既設のモータなどで中性点が容易に取出せない場合であっても、中性点取出し用トランス３７を負荷と電力変換器１１、１２、１３との間に配置するだけで済み、実施例１と同様に抵抗消費電力を回生電力に見合う値にして、抵抗３１を小型にできる。
【００２３】
（実施例３）
本実施例について図５を用いて説明する。本実施例が実施例１と異なる部分について述べる。本実施例では、図５に示すように三相の電力変換器１１、１２、１３の反負荷側端子を互いに接続し、その接続中性点と誘導電動機３の誘導電動機中性点３０との間に、回生電力変換器４０を接続する。回生電力変換器４０はダイオード整流器部４１と、平滑コンデンサ４２と、ＩＧＢＴ部４３とを備える。
【００２４】
誘導電動機３から電力変換器１１、１２、１３側へ回生電力が発生した場合は、回生電力変換器４０を介して吸収した電力を電源トランス２側に回生する。本実施例でも実施例１と同様に、電力変換器１１、１２、１３の出力電圧の零相電圧を制御する。
【００２５】
また、非回生時は、回生電力変換器４０の平滑コンデンサ４２のコンデンサ電圧を、電力変換器１１、１２、１３と誘導電動機３の中性点電位差よりも高い値に設定して、回生電力変換器４０から電源トランス２側へ電流が流れないように制御する。
【００２６】
本実施例では回生電力を電源側へ回生することができ、また実施例１と同様に零相電流指令値に基づいて電力を回生するので、負荷の電動機を素早く所望の速度に減速させたり停止させることができる。
【００２７】
また、本実施例では、回生時の発熱量を小さくすることができ、回生電力変換器４０を小型化できる。なお、回生電力変換器４０は、図５に示すように一つで済むため、部品数や装置スペースを少なくすることができ、小型化できる。
【００２８】
（実施例４）
本実施例について図６を用いて説明する。本実施例が実施例３と異なる部分について述べる。本実施例では、図６に示すように電力変換器１１、１２、１３の負荷側出力端子に中性点取出し用トランス３７を配置する。中性点取出し用トランスの構成は実施例２と同様である。このようにして取出した中性点と、三相の電力変換器１１、１２、１３の反負荷側の中性点とに回生電力変換器４０を接続する。本実施例の多重電力変換装置の動作は実施例３の動作と同様である。
【００２９】
本実施例では既設のモータなどで中性点が容易に取出せない場合であっても、中性点取出し用トランス３７を負荷と電力変換器１１、１２、１３との間に配置するだけで済み、実施例３と同様に、部品数や装置スペースを少なくすることができ、小型化できる。
【００３０】
（実施例５）
本実施例について図７を用いて説明する。本実施例が実施例１と異なる部分について述べる。本実施例では、図７に示すように反負荷側の端子に回生電力変換器５０を設置する。回生電力変換器５０はダイオード整流器部５１と、スイッチ部５２と、放電阻止用ダイオード部５３と、平滑コンデンサ５４と、ＩＧＢＴ部５５とを備える。
【００３１】
本実施例では、誘導電動機３から電力変換器１１、１２、１３側へ回生電力が発生した場合、スイッチ部５２をオフ（非導通）とし、回生電力変換器５０を介して、電源トランス２に回生する。また回生時には、電力変換器１１、１２、１３の出力電圧制御により誘導電動機３からの回生電力を回生電力変換器５０側へ伝達する。なお、回生電力変換器５０のスイッチ部５２は、非回生時はオン（導通）とし、回生時にオフに制御され、このような動作ができる半導体素子であれば良く、例えば、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタなどを用いることができる。
【００３２】
本実施例では、実施例３、実施例４と同様に、回生時には回生電力を電源トランス２に回生することができ、また回生電力変換器５０は一つで済むため、部品数や装置スペースが少なく、小型化できる。
【００３３】
（実施例６）
本実施例について図８を用いて説明する。本実施例が実施例５と異なる部分について述べる。本実施例では、図８に示すように、三相の電力変換器１１、１２、１３の反負荷側端子を、スイッチ部６１を介して接続する。また三相の電力変換器１１、１２、１３の反負荷側端子に、回生電力変換器５６を配置する。回生電力変換器５６はダイオード整流器部５１と、平滑コンデンサ５４と、ＩＧＢＴ部５５とを備える。
【００３４】
非回生時はスイッチ部６１をオン（図８で各相の電力変換器に接続したスイッチを全てオン。）にしておく。誘導電動機３から回生電力が発生した際は、スイッチ部６１をオフ（図８で各相の電力変換器に接続したスイッチを全てオフ。）にし、電力変換器１１、１２、１３のスイッチング制御により、回生電力変換器５６に回生電力を伝達し、電源トランス２に回生する。
【００３５】
なお、スイッチ部６１は、非回生時はオン、回生時にオフの動作ができれば、例えば、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタなどの半導体素子や、リレーのような機械接点を用いることができる。本実施例では実施例５と同様に、回生時には回生電力を電源トランス２に回生することができ、また回生電力変換器５６は一つで済むため、部品数や装置スペースが少なく、小型化できる。
【００３６】
（実施例７）
本実施例について図９を用いて説明する。本実施例が実施例５と異なる部分について述べる。本実施例の電力変換装置は、図９に示すように、三相の電力変換器１１、１２、１３の反負荷側端子を、スイッチ部７１を介して接続し、さらに各相に抵抗７２ａ、７２ｂ、７２ｃを設置する。
【００３７】
非回生時には、スイッチ部７１は全てオンにしておく。回生時はスイッチ部７１を全てオフにし、電力変換器１１、１２、１３のスイッチング制御により、スイッチ部７１側に回生電力を伝達し、各相の抵抗７２ａ、７２ｂ、７２ｃで回生電力を消費させる。
【００３８】
本実施例では、誘導電動機の中性点取出しは不要である。またスイッチ部７１の代わりに、各抵抗に並列にスイッチを設けても良い。これらのスイッチは例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ、Ｊ−ＦＥＴ、バイポーラトランジスタなどの半導体素子や、リレーのような機械接点を用いることができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、非回生型電力変換器において、小型、低コストで、誘導電動機や同期電動機などの多相負荷装置の回生電力を抵抗で消費、あるいは電源に回生して、電動機の制動減速が速やかにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の電力変換装置の構成図である。
【図２】実施例１の電力変換器の単相セルインバータの説明図である。
【図３】実施例１の電力変換器のコントローラ部の説明図である。
【図４】実施例２の電力変換装置の構成図である。
【図５】実施例３の電力変換装置の構成図である。
【図６】実施例４の電力変換装置の構成図である。
【図７】実施例５の電力変換装置の構成図である。
【図８】実施例６の電力変換装置の構成図である。
【図９】実施例７の電力変換装置の構成図である。
【図１０】従来技術の電力変換装置の構成図である。
【符号の説明】
１…交流電源、２…電源トランス、３…誘導電動機、４…コントローラ部、１１、１２、１３…電力変換器、２１…ダイオード整流器部、２２、４２、５４…平滑コンデンサ、２３、４３、５５…ＩＧＢＴ部、３０…誘導電動機中性点、３１、７２ａ、７２ｂ、７２ｃ…抵抗、３２…スイッチ、３３…回生電力演算部、３４…零相電流指令演算部、３５…零相電圧指令演算部、３６…ゲートパルス生成部、３７…中性点取出し用トランス、４０、５０、５６…回生電力変換器、４１、５１…ダイオード整流器部、５２、６１、７１…スイッチ部、５３…放電阻止用ダイオード部、１１１、１１２、１１ｎ…単相セルインバータ。
【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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【図１０】
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