(57)【要約】【課題】中または高電圧マルチインバータシステムを提供する。【解決手段】中または高電圧マルチインバータシステムは、複数のインバータセルを位相ラインに含み、システムのサポートする電圧レベルを増大し、ＡＣ３相モータ等の高電圧負荷をサポートする。一構成では、２つの位相ラインで２個ずつと第３の位相ラインで１個との５個のセルを用いる。２個のセルをもつ位相ラインの一方では、第２のセルが逆の極性で直列接続され、第３のラインの位相と一致する位相を生成する。その位相ラインの他方のセルは異なる位相の出力を生成する。１以上のセルの出力極の短絡を可能とするために１以上の故障スイッチを含むことができ、それによりセル故障の場合にシステムの動作の継続を可能とする。例えば、２個のセルを有する２つの位相ラインの第２のセルに対してスイッチを使用して、それにより、これらのセルをセル故障の場合にスペアのセルとして使用可能とする。【選択図】図４
2007221987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相電力を供給する電圧システムであって、
前記システムにより供給される前記３相電力のそれぞれの位相ごとに１つの、３つの出力端子と、
前記出力端子のうちの第１の出力端子に直列で接続された第１および第２の単相インバータ・セルと、
前記出力端子のうちの第２の出力端子に直列で接続された第３および第４の単相インバータ・セルであって、前記第４のインバータ・セルが逆極性で前記第３のインバータ・セルに接続される、第３および第４のインバータ・セルと、
前記出力端子のうちの第３の出力端子に接続される第５の単相インバータ・セルと
を備えるシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、前記第１のインバータ・セルおよび前記第２のインバータ・セルが、第１の位相角を有する出力を生成し、前記第３のインバータ・セルが、前記第１の位相角と異なる第２の位相角を有する出力を生成し、前記第４のインバータ・セルおよび前記第５のインバータ・セルが、前記第１の位相角および前記第２の位相角と異なる第３の位相角を有する出力を生成する、システム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムであって、前記第１、第２、第３の位相角が、位相において１２０度だけ分離される、システム。
【請求項４】
請求項２に記載のシステムであって、前記インバータ・セルが、それぞれ、少なくとも２つの分離された３相入力を供給される、システム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムであって、前記インバータ・セルが、実質的に同じ出力電圧振幅を生成する、システム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムであって、前記インバータ・セルのそれぞれが、第１および第２の出力極を含む、システム。
【請求項７】
請求項６に記載のシステムであって、前記第１、第３、第５のインバータ・セルの第２の出力極が共に電気的に接続され、前記第３のインバータ・セルの第１の出力極が、前記第４のインバータ・セルの対応する第１の出力極に電気的に接続され、前記第１のインバータ・セルの第１の出力極が、前記第２のインバータ・セルの第２の出力極に結合される、システム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムであって、前記インバータ・セルのうちの１つのものの、２つの出力極を跨いで接続される少なくとも１つの故障スイッチを更に含むシステム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムであって、前記第２のインバータ・セルの前記出力極を跨いで結合される第１の故障スイッチと、前記第４のインバータ・セルの前記出力極を跨いで結合される第２の故障スイッチとを備えるシステム。
【請求項１０】
請求項１に記載のシステムであって、前記インバータ・セルが単相中性点クランプ・インバータ・セルである、システム。
【請求項１１】
請求項１に記載のシステムであって、前記第１、第２、第３、第４、第５のインバータ・セルだけが、前記出力端子へ電力を供給するシステム内のインバータ・セルである、システム。
【請求項１２】
請求項１に記載のシステムであって、前記インバータ・セルが、同じ５レベル・パルス幅変調（ＰＷＭ）波形を生成する、システム。
【請求項１３】
請求項１に記載のシステムであって、前記インバータ・セルが、同じ５レベル矩形波形を生成する、システム。
【請求項１４】
請求項１に記載のシステムであって、前記インバータ・セルに接続されるライン・トラップ・フィルタを更に備えるシステム。
【請求項１５】
３相電力を供給する電圧システムであって、
前記システムにより供給される前記３相電力のそれぞれの位相ごとに１つの、３つの出力端子と、
前記出力端子のうちの第１の出力端子に直列に接続された、第１の位相で出力を提供する第１および第２の単相中性点クランプ・インバータ・セルと、
前記出力端子のうちの第２の出力端子に直列に接続された第３および第４の単相中性点クランプ・インバータ・セルであって、前記第４のインバータ・セルが逆の極性で第３のインバータ・セルと接続され、前記第３のセルが、前記第１の位相と異なる第２の位相で出力を提供するものである、第３および第４のインバータ・セルと、
前記出力端子のうちの第３の出力端子に接続された第５の単相中性点クランプ・インバータ・セルと
を備え、前記第５のインバータ・セルおよび前記第４のインバータ・セルが、前記第１の位相および前記第２の位相と異なる第３の位相で出力電圧を提供し、前記第１の位相と、前記第２の位相と、前記第３の位相とは、位相が１２０度離れている、
システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のシステムであって、前記第２のインバータ・セルの出力極を跨いで形成された第１の故障スイッチと、前記第４のインバータ・セルの出力極を跨いで形成された第２の故障スイッチとを更に備え、それによって、前記第１のスイッチが閉じられたときに前記第２のインバータ・セルの前記出力極を電気的に接続し、前記第２のスイッチが閉じられたときに前記第４のインバータ・セルの前記出力極を電気的に接続する、システム。
【請求項１７】
請求項１５に記載のシステムであって、前記インバータ・セルが同じ電圧振幅を生成し、前記システムが、前記インバータ・セルの１または複数のものにおいて故障が発生した際に５セル・システムから３セル・システムへと変換されるように構成される、システム。
【請求項１８】
３相電圧システム故障回復の方法であって、
少なくとも５つのインバータ・セルを有する３相電圧システムの１または複数のインバータ・セルにおける故障を検出するステップと、
前記インバータ・セルのうちの２つのものの出力端子を短絡して、前記システムを３セル・システムに変換するために、２つ以上の故障スイッチを閉じるステップと
を備える方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法であって、前記システムが、第１の位相ラインにおいて第１および第２のセルを有し、第２の位相ラインにおいて第１および第２のセルを有し、第３の位相ライン内に１つのセルを有し、前記第２のセルが前記システムの出力端子に接続されるものであり、
前記第２のセルのうちの１つのものに対応する故障スイッチを閉じるステップであって、閉じられた前記スイッチが前記セルのうちの前記１つのものの２つの出力極を短絡する、ステップと、
故障した前記インバータ・セルが前記第１のセルのうちの１つのものである場合、故障した前記第１のセルを前記第２のセルのうちの１つのものと取り替えるステップと、
故障した前記インバータ・セルが前記第２のセルのうちの１つのものである場合、前記システムを５セル・システムではなく３セル・システムとして動作を継続させるステップと
を更に備える方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法であって、故障した前記インバータ・セルが前記第２のセルのうちの１つのものである場合、
故障した前記第２のセルを取り替えるステップと、
故障した前記第２のセルを取り替える前記ステップの後に、前記スイッチを開くステップと、
３セル・システムではなく５セル・システムとして動作を再開させるステップと
を更に備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で述べられるシステムおよび特徴は、一般に、より高い電圧をサポートするために複数の単相インバータを結合する改良型ｋ回路設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
１７５２年のベン・フランクリンによる歴史的な凧揚げ実験以前より、人は、電気を取り巻く多くの不思議を解き明かしている。今日、非常に小さなもの（例えば、ナノロボット）から非常に大きなもの（例えば、産業用駆動装置や他の高出力機械）に及ぶほぼすべての装置や機械は、動作するために電気を使用する。本願は、後者に関する。具体的には、本願は、一般に、３相ＡＣ（交流）モータなどのような中電圧モータおよび高電圧モータに関する。
【０００３】
今日の発電所は３相ＡＣ供給電力を生成し、その電気は、所与の応用分野に必要とされる特定のレベルおよびタイプの電力を提供するために、降圧および／または整流される。より大きなモータを駆動する場合、これは、インバータ・セルを使用して行われ得る。例えば、図１は、３相ＡＣモータを駆動するための構成例を示す。図に示されているように、３相電気は、地元の電力会社によって、変圧器１０１の入力側へ供給される。変圧器１０１の出力側は、２次巻線１０２ａ〜ｆを含むことができ、２次巻線１０２ａ〜ｆのそれぞれは、３つの電力セル１０３ａ〜ｃへ３相ＡＣ入力を提供する。幾つかの状況では、２次巻線の同じ対（例えば、１０２ａ〜ｂ）が、３つのセル１０３すべてへ入力を供給し得る。変圧器１０１は、電力セル１０３を電力源から分離するように働き、また、電圧レベルを昇圧もしくは降圧するために、および／または位相出力を調整するために、使用することもできる。
【０００４】
電力セル１０３ａ〜ｃは、２組の３相電力入力を受け取り、それぞれが２つの出力端子（例えば、ＵｏおよびＶｏ）を提供する。これらの端子の一方（Ｖｏ）は、他のセルにおける対応する端子に結合され、他方の端子（Ｕｏ）は、セルからの出力を、モータ１０４などのような３相負荷の位相入力へ与える。３つのセル１０３のこれらの出力は、振幅が同一であり、互いに位相が１２０度だけオフセットされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１の構成によってサポート可能な最も高い電力レベルは、電力セル１０３で使用される回路構成要素と、それらの様々な電圧定格によって決まる。定格の高い構成要素ほど、高い電圧レベルをサポートすることになるが、そのような構成要素はよりコストがかかり、また、幾つかの応用で必要とされる出力電圧は、その定格の最も高い構成要素を超える可能性すらある。従って、高い電力レベルのセルを必要としないことによりコストを最小限に抑えることができるであろう、より高い電力レベルの構成が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下の概要は、本明細書で述べられる特徴の多数について述べるが、本開示の範囲を限定することも、特許請求の範囲に対しての重要な特徴を同一のものとすることも、意図されていない。
【０００７】
本明細書で述べられているシステムおよび特徴は、一般に、より高い電圧をサポートするために複数の単相インバータを結合することができる改良型の回路設計に関する。幾つかの態様では、複数のインバータが、２つの分離された３相電力入力を受け取り、より高い電圧レベルをサポートするように所与の位相ラインに直列接続される。
【０００８】
幾つかの態様では、３相モータが、その位相入力ラインのそれぞれにおいて非同一の構成を有することができる。第１の入力ラインでは、２つの単極ＮＰＣインバータ・セルが直列接続されて、それらの電圧振幅が積み重なり、それらの位相が一致するようにする。その位相ラインの出力は、モータの第１の位相入力へ送られる。第３の入力ラインでは、一つのセルを使用して、第３の位相入力をモータへ供給する。
【０００９】
第２の入力ラインでは、２つのインバータ・セルをラインに配置することができるが、それらを逆の極性で接続して、対応する接続された出力極を有するようにし、そして、第２のセルの他方の出力が、第２の位相入力をモータへ供給するようにする。この第２のラインでは、第２のセルもまた、ライン内の第１のセルと異なる位相電圧を供給することができる。具体的には、第２のセルは、第３の入力ラインで使用される一つのセルの位相と一致する位相を供給することができる。幾つかの態様では、１２０度の相分離で３相電力を供給され、また、逆に接続された第２の位相ラインと相互接続される、５つの単相インバータを有する回路が、普通なら６インバータ構成によってサポートされるのと同じ６．６ｋＶ応用をサポートすることができる。
【００１０】
他の態様では、１または複数の故障スイッチ（ｆａｉｌｕｒｅ  ｓｗｉｔｃｈ）を、所与の位相ラインに複数のセルを有する回路構成に、追加することができる。故障スイッチは、１または複数のインバータ・セルの出力端子を跨いで閉じることができ、セルのうちの１つが故障した場合に閉じるようにすることができる。３つより多くのセルを有する構成でのセル故障時には、３セル構成になるように故障スイッチを閉じることによって、３セル・レベル（例えば、１位相ライン当たり１つのセル）で動作するように、回路を動的に再構成することができる。次いで、閉じられたスイッチによって端子同士が短絡されたセルは、除去する（故障している場合）ことも、また、別のセルと置換するためのスペアとして使用することも、できる。
【００１１】
更なる特徴については下記でより詳細に述べる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
３相インバータ単極Ｙ結線システムとも称することができる図１の構成を使用し、３相ＡＣモータ１０４を駆動することができる。単相中性点クランプ（ＮＰＣ）セルや６段（ｓｉｘ−ｓｔｅｐ）３レベル単相インバータ・セルなどのような、異なるタイプの電力セル１０３を使用することもできる。より高い出力電圧に対しては、単相ＮＰＣセルを使用することができる。
【００１３】
図２は、図１に示されている構成で使用することができる単極ＮＰＣインバータ・セルの例を示す。図２に示されているように、インバータ・セル２０１は、図１に示されている２次巻線１０２ａ〜ｂからのものなどのような、２組の３相ＡＣ入力電圧の供給を受けることができる。Ｕ、Ｖ、Ｗの入力位相は、１２０度などのように、ある位相角だけ分離することができ、その２群の分離した入力を、個別の整流器ブリッジ２０２ａ〜ｂ（ＲＥＣ１およびＲＥＣ２）へ供給することができる。整流器ブリッジは、受け取られた２つの分離したＡＣ電力をＤＣ（直流）電力へと変換する。
【００１４】
整流器ブリッジからのＤＣ出力は望ましくない電流リップルを含む可能性があり、平滑コンデンサ２０３ａ〜ｂ（Ｃ１およびＣ２）は、そのような望ましくないスパイクを除去することによってＤＣ電力を平滑にする。次いで、平滑化されたＤＣ電力はインバータ段へ供給され、インバータ段は、ＡＣ電力へ変換して戻すために、図のようにインバータ・トランジスタ２０４ａ〜ｈ（ＧＴＲ１Ａ、ＧＴＲ１Ｂ、ＧＴＲ２Ａ、ＧＴＲ２Ｂ、ＧＴＲ３Ａ、ＧＴＲ３Ｂ、ＧＴＲ４Ａ、ＧＴＲ４Ｂ）と、中性クランプ・ダイオード（ｎｅｕｔｒａｌ  ｃｌａｍｐ  ｄｉｏｄｅ）２０５ａ〜ｄ（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）と、フリーホイール・ダイオード２０６ａ〜ｈ（Ｄ１Ａ、Ｄ１Ｂ、Ｄ２Ａ、Ｄ２Ｂ、Ｄ３Ａ、Ｄ３Ｂ、Ｄ４Ａ、Ｄ４Ｂ）を含むことができる。この変換は、制御回路（図示せず）の制御を受けて行われ、その制御回路は、インバータ段の様々なトランジスタ２０４ａ〜ｈへ制御信号を供給して、所望の出力を得られるように、時間調整された順序でトランジスタをオン／オフする。図２Ａは、５レベル矩形波出力を生成するための、図２の構成で使用されるインバータ・トランジスタのためのオン／オフ・タイミング・シーケンスの一例であり、図２Ｂは、５レベルＰＷＭ出力を生成するために使用することができるオン／オフ・タイミング・シーケンスの一例である。参照されたように、Ｖ（Ｕｏ−Ｖｏ）は、端子２０７ａ（Ｕｏ）と２０７ｂ（Ｖｏ）との間の電圧であり、「ｅｄｃ」は、コンデンサ２０３ａ（Ｃ１）および２０３ｂ（Ｃ２）の電圧である。この出力は、図２におけるそれぞれのインバータ・セル２０１のその２つの極部から得られ、その２つの極は、第１の極２０７ａ（Ｕｏ）および第２の極２０７ｂ（Ｖｏ）として示されており、これらはセルの左極および右極とも称することができる。これらの極は、それらを区別するための好都合な方法として、互いに「反対」であると称することができるが、この「反対」という用語は、必ずしも極と極との間の電圧の振幅や位相角の差を指したり定義したりするものではない。
【００１５】
図２Ｃは、３相電源の入力高調波電流を低減するために使用することができる、セル２０１のためのオプションの構成例２５１を示す。図２Ｃの構成は図２のセル２０１と似ており、インバータ・トランジスタ２０４ａ〜ｈ（ＧＴＲ１Ａ、ＧＴＲ１Ｂ、ＧＴＲ２Ａ、ＧＴＲ２Ｂ、ＧＴＲ３Ａ、ＧＴＲ３Ｂ、ＧＴＲ４Ａ、ＧＴＲ４Ｂ）と、中性クランプ・ダイオード２０５ａ〜ｄ（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）と、フリーホイール・ダイオード２０６ａ〜ｈ（Ｄ１Ａ、Ｄ１Ｂ、Ｄ２Ａ、Ｄ２Ｂ、Ｄ３Ａ、Ｄ３Ｂ、Ｄ４Ａ、Ｄ４Ｂ）とが同じ構成で配置されている。しかし、図２Ｃの構成では、図２のように２つのブリッジのみを用いるのではなく、４つの整流器ブリッジ２５２ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２（ＲＥＣ１Ａ、ＲＥＣ１Ｂ、ＲＥＣ２Ａ、ＲＥＣ２Ｂ）を有する。これらの４つのブリッジには、４組の３相ＡＣ入力電圧として４群の分離した入力が与えられる。これらの電圧は、変圧器１０１の２次巻線１５２ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２によって提供されることができ、それらの電圧は、図のように１５度だけ位相を分離されている。そのような電圧を供給するために、変圧器１０１は、図１および図２で使用されている６つの巻線とは対照的に、１２個の３相の分離した巻線を含むことができる。
【００１６】
図３は、図２に示されているようなインバータを使用して、図１の構成よりも高い出力電圧レベルをサポートするために使用することができる構成例を示す。図３の構成では、６つの単相インバータが、３相ＡＣモータの位相ラインに、対で、接続、即ち、積み重ねられる。入力変圧器１０１は、１２個の分離された３相２次巻線を有し、２つの３相分離巻線が、それぞれの単相インバータに接続される。変圧器１０１の２次巻線の電圧は、各ラインごとに４つの巻線の間で１５度だけ位相を分離することができる。例えば、Ｕ相ライン用の２つの単相インバータ３０１ａおよび３０２ａ用の巻線１０２ａ１、１０２ｂ１、１０２ａ２、１０２ｂ２は、１５度だけ分離された位相を有するものとして示されている。モータのそれぞれの位相ラインは、直列に接続された２つのインバータを有する。位相ラインの第１のセル３０１ａ〜ｃ（ＳＰＩｕ１、ＳＰＩｖ１、ＳＰＩｗ１）は、それらのそれぞれの第２の極（Ｖｏ）などのような、それらの出力極の一つが、共に結合、即ち、短絡されている。
【００１７】
それぞれの第１のインバータの他方の出力極（Ｕｏ）は、位相ライン内の第２のインバータ３０２ａ〜ｃ（ＳＰＩｕ２、ＳＰＩｖ２、ＳＰＩｗ２）の、反対の出力極に結合され、位相が強め合って組み合わさる順方向極性接続（ｆｏｒｗａｒｄ  ｐｏｌａｒｉｔｙ  ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）を作る。例えば、図３のそれぞれの位相ラインに示されているように、位相ラインの第１のセル３０１は、それらの第１の出力極（Ｕｏ）が、位相ラインの第２のセル３０２の第２すなわち反対の出力極（Ｖｏ）に接続されている。この接続は、サポートされる位相ライン電圧レベルを効果的に２倍にする。なぜなら、２つのセルの電圧出力が互いに組み合わされ、そして、反対の極の接続により、２つのセルが同じ位相角で組み合わさることが可能になるからである。次いで、第２のインバータ３０２ａ〜ｃの残りの方の出力極（Ｕｏ）は、３相ＡＣモータ３０３の３相入力に接続される。この構成では、それぞれの位相ライン内の２つのインバータ・セルが、同じＡＣ電圧レベルと位相角を生成し、それにより、そのラインについての使用可能な電圧レベルを同じ位相で２倍にする。例えば、Ｕ相入力の２つのインバータ（３０１ａおよび３０２ａ、またはＳＰＩｕ１およびＳＰＩｕ２）のそれぞれは、３相ＡＣモータ３０３に対するＵ相入力と同じＡＣ電圧レベルおよび同じ位相を生成する。同様に、インバータ３０１ｂおよび３０２ｂ（ＳＰＩｖ１およびＳＰＩｖ２）のそれぞれは、Ｖ相入力と同じＡＣ電圧レベルおよび同じ位相を生成し、インバータ３０１ｃおよび３０２ｃ（ＳＰＩｗ１およびＳＰＩｗ２）は、Ｗ相入力と同じＡＣ電圧および位相を生成する。
【００１８】
図４は、図２の構成のように６個使用するのではなく、５個の同様の定格（例えば、同じ電圧レベル）のインバータ・セルを使用するブースタ電圧インバータ構成を示す。図４の構成では、３相ＡＣモータ４０３は、３相入力ラインから、それぞれの相について１つずつ、電力を受け取る。これらのラインのうちの２つは、それぞれ２つのインバータ・セルを使用し、第３のラインは、インバータ・セルを１つだけ有する。更に、第１の２つの位相ラインの２対のセルは、下記でより詳細に述べるように、図３に示されているものと異なって結合される。
【００１９】
この構成では、それぞれの位相入力ラインの第１のインバータ４０１ａ〜ｃ（ＳＰＩｕ１、ＳＰＩｖ１、ＳＰＩｗ１）は、変圧器１０１から２つの分離された３相入力を受け取る。これは、図３に示されている構成に非常に似ている。
【００２０】
セル４０１ａ（ＳＰＩｕ１）および４０２ａ（ＳＰＩｕ２）を有する第１の位相ラインもまた、図３における第１の位相ラインと同様の構成を有する。具体的には、第１のセル４０１ａは、一方の出力（Ｖｏ）が、第１の位相ラインの他のセル４０１ｂ、ｃの対応する出力と共通に結合され、他方の出力（Ｕｏ）が、第１の位相ラインの第２のセル４０２ａの反対の出力（第２の出力Ｖｏ）に結合され、第１の位相ラインのセル間で順方向極性接続を作る。例えば、２つのセル４０１ａ、４０２ａは共に、出力の共通の位相を供給する。第１の位相ラインの出力は第２のセル４０２ａ（ＳＰＩｕ２）によって提供され、第２のセル４０２ａは、その第１の出力（Ｕｏ）がモータ４０３の第１の位相入力（図４における端子Ｕ）に接続される。
【００２１】
第３の位相入力ラインは、セル４０１ｃ（ＳＰＩｗ１）１つのみを有する。セル４０１ｃは、第３の位相を有する電圧を生成し、セルの第１の出力（Ｕｏ）は、モータ４０３の第３の位相入力に結合される。
【００２２】
第２の位相入力ラインは、２つのセル４０１ｂおよび４０２ｂ（ＳＰＩｖ１およびＳＰＩｗ２）を有するが、その２つは、第１の位相ラインの２つとは異なって接続される。具体的には、そのラインの第２のセル４０２ｂ（ＳＰＩｗ２）は、逆極性で接続され、出力極（Ｕｏ）が、そのラインの第１のセル４０１ｂ（ＳＰＩｖ１）の対応する極（Ｕｏ）と結合される。更に、そのラインの第１のセル４０１ｂと同じ位相を有する出力電圧を生成するのではなく、そのラインの第２のセル４０２ｂは、第３の位相ライン（例えば、単一セル位相ライン、または図４におけるＷ相）の単一セル４０１ｃ（ＳＰＩｗ１）によって生成される位相を生成する。第２の位相ラインは、第２のセル４０２ｂの出力極（Ｖｏ）を介して出力を提供し、第２のセル４０２ｂの出力極は、３相モータ４０３の第２の位相入力ラインに接続される。
【００２３】
従って、図４の構成では、セル４０１ａおよび４０２ａ（ＳＰＩｕ１およびＳＰＩｕ２）は、互いに同じ位相で電圧を生成し、セル４０１ｂ（ＳＰＩｖ１）は、第２の位相（第１の位相、即ち４０１ａおよび４０２ａと１２０度異なる）で電圧を生成し、セル４０１ｃおよび４０２ｂ（ＳＰＩｗ１およびＳＰＩｗ２）は、第３の位相（第１の位相および第２の位相と１２０度異なる）で電圧を生成する。更に、これらのセルはすべて、同じ電圧振幅を生成する。この構成を使用すると、使用されるセル数が少ないため、図３における６セル構成に比べて何らかのコスト節約が可能になり、なおも、この構成は、図３の構成によってサポートされる６．６ｋＶ標準電圧レベルをサポートすることができる。これらの利点については、下記でより詳細に述べる。
【００２４】
図５は、図３に示されるシステムのためのベクトル構成を示す。図では、点Ｎｕは、それぞれの位相入力ラインの第１のセル（３０１ａ〜ｃ、またはＳＰＩｕ１、ＳＰＩｖ１、ＳＰＩｗ１）と接続される共通点である中性点を表し、Ｅｕ１、Ｅｖ１、Ｅｗ１、Ｅｕ２、Ｅｖ２、Ｅｗ２は、それぞれ、セル３０１ａ〜ｃおよび３０２ａ〜ｃのそれぞれ（例えば、ＳＰＩｕ１、ＳＰＩｖ１、ＳＰＩｗ１、ＳＰＩｕ２、ＳＰＩｖ２、ＳＰＩｗ２それぞれ）により出力される位相電圧ベクトルである。ベクトルＥｕ−ｖ、Ｅｖ−ｗ、Ｅｗ−ｕは、それぞれ端子Ｕ、Ｖ、Ｗ部での相間（ｐｈａｓｅ−ｔｏ−ｐｈａｓｅ）電圧ベクトルである。６つのセルすべてが同じ電圧振幅（「ｅ」と呼ばれる）を生成し、セル３０１ａ〜ｃおよび３０２ａ〜ｃによって生成される３相が互いに位相が１２０度ずれているときに、得られる相間出力電圧Ｅｕ−ｖ、Ｅｖ−ｗ、Ｅｗ−ｕは、個々のセル電圧ｅに（２×３１／２）を乗算したものである。例えば、インバータ・セル３０１および３０２が定格２．５ｋＶである場合、図３の構成は、［（２．５ｋ）×（２×３１／２）＝８．６ｋＶ］をサポートすることができる。
【００２５】
図１の構成においてこれらの同じインバータ・セルを使用すると、その電圧の半分、即ち、４．３ｋＶがサポートされることになる。従って、米国では、図１の構成は、定格２．５ｋＶのセルを使用して標準の４１６０Ｖシステムをサポートすることができ、一方、図３の構成は、定格２．５ｋＶのセルを使用して標準の６．６ｋＶシステムをサポートすることができる。
【００２６】
図６ａおよび図６ｂは、図４に示される構成に対するベクトル構成を示す。ここでは、Ｅｕ１、Ｅｖ１、Ｅｗ１、Ｅｕ２、Ｅｗ２が、それぞれ、図４に示されるセル４０１ａ〜ｃおよび４０２ａ〜ｂ（ＳＰＩｕ１、ＳＰＩｖ１、ＳＰＩｗ１、ＳＰＩｕ２、ＳＰＩｗ２）の出力電圧の位相電圧ベクトルである。Ｅ’ｕ−ｖ、Ｅ’ｖ−ｗ、Ｅ’ｗ−ｕは、図４における端子Ｕ、Ｖ、Ｗでの相間電圧についての電圧ベクトルであり、Ｎｘは、それぞれの位相ラインの第１のセル（セル４０１ａ〜ｃ、またはＳＰＩｕ１、ＳＰＩｖ１、ＳＰＩｗ１）の共通接続点である。これらの図で明らかなように、第３の位相ラインでセル４０１ｃ（ＳＰＩｗ１）だけを使用することにより、その位相ライン上で振幅が短縮され（例えば、ベクトルＥｗ１）、また、第２のラインの第２のセル４０２ｂ（ＳＰＩｗ２）の逆極性接続は、セルの出力（例えば、ベクトル「−Ｅｗ２」）が第１のセル４０１ｂ（ＳＰＩｖ１）の出力と組み合わされたときに、位相の逆転を引き起こす。図６ｂは、図６ａと同じベクトル関係を示すが、三角法表記が、図４の構成におけるサポート可能な電圧を示す。下記で述べるように、図４の構成が、セル４０１ａ〜ｃ間での１２０度の相分離と、同じタイプのセル（例えば、定格電圧がｅ）を使用する場合、図４の構成は、それぞれの個々のセルによってサポートされる電圧ｅに７１／２（即ち、２．６４５７）を乗算した相間電圧をサポートする。以下の計算でこれが実証され、その計算において、Ｕ−Ｖ、Ｖ−Ｗ、Ｗ−Ｕは、それぞれ、端子ＵとＶ、ＶとＷ、ＷとＵの間の相間電圧のベクトル長であり、Ｖ−Ｎｘは、端子Ｖと共通点Ｎｘの間の電圧のベクトル長である。
【００２７】
【数１】
2007221987.tif 000003
【００２８】
これらの計算で示されるように、図４の実施形態を使用して、個々のセルによって提供される電圧に７１／２を乗算した電圧レベルをサポートすることができる。上述のように同じ定格２．５ｋＶのセルが使用された場合、図４のシステムは、７１／２（２．５ｋＶ）、即ち、６．６１４ｋＶをサポートすることができる。従って、図４の構成は、図３に示されている６セルのシステムよりも１つ少ない数のセルを使用して、米国の標準６．６ｋＶ電圧をサポートすることができる。当然ながら、図４の構成はまた、４１６０Ｖ標準もサポートすることができる。
【００２９】
図７は、図４のシステムで使用されるセルの１または複数のものにおける故障に対処するために回路が追加される代替の構成を示す。図７の構成では、セル７０１ａ〜ｃおよび７０２ａ〜ｂ（ＳＰＩｕ１、ＳＰＩｖ１、ＳＰＩｗ１、ＳＰＩｕ２、ＳＰＩｗ２）は、図４で説明したセル４０１ａ〜ｃおよび４０２ａ〜ｂ（やはりＳＰＩｕ１、ＳＰＩｖ１、ＳＰＩｗ１、ＳＰＩｕ２、ＳＰＩｗ２）と同じとすることができ、第１の位相ラインにおける同じ直列接続されたセル７０１ａ、７０２ａ（ＳＰＩｕ１、ＳＰＩｕ２）と、第２の位相ラインにおける逆接続された（および異なる位相を供給する）セル７０２ｂ（ＳＰＩｗ２）と、第３の位相ラインにおける単一セル７０１ｃ（ＳＰＩｗ１）とを有する。図７はまた制御回路７０３（ＣＴＲ）も示し、制御回路７０３は、切替信号をセル７０１ａ〜ｃおよび７０２ａ〜ｂの様々なトランジスタへ送るＮＰＣインバータ制御回路とすることができる。制御回路７０３は、Ｕ相切替信号回路７０３ａと、Ｖ相切替信号回路７０３ｂと、Ｗ相切替信号回路７０３ｃとを含むことができ、そのそれぞれが、分離された切替信号を、それらの対応する位相でセルへ送ることができる。分離された切替信号は、制御回路７０３から様々なセルへの経路に沿って発生し得る有害な干渉の作用を回避する助けとなり得、例えば、使用することができるタイプの分離された切替信号としては光信号がある。切替信号は、様々なインバータ・トランジスタの状態を制御するために使用され、切替信号は、トランジスタ駆動回路７０８ａ〜ｃ（ＤＲｕ１、ＤＲｖ１、ＤＲｗ１）および７０９ａ〜ｂ（ＤＲｕ２およびＤＲｗ２）で、第１の分離された形式（例えば、光）から、トランジスタを制御するのに好適な第２の形式（例えば、電気駆動信号）へと変換することができる。例えば、Ｕ相切替信号回路７０３ａは、分離された切替信号をトランジスタ駆動回路７０８ａおよび７０９ａへ送ることができ、トランジスタ駆動回路は、これらの信号を電気駆動信号に変換し、その電気駆動信号を、Ｕ相でセル７０１ａおよび７０２ａへ供給することができる。同様に、Ｖ相切替信号回路７０３ｂは、分離された切替信号をトランジスタ駆動回路７０８ｂへ送り、トランジスタ駆動回路は、その切替信号を、Ｖ相でセル７０１ｂ用の電気駆動信号に変換し、また、Ｗ相切替信号回路７０３ｃは、分離された切替信号をトランジスタ駆動回路７０８ｃおよび７０９ｂへ送り、トランジスタ駆動回路は、その切替信号を、Ｗ相でセル７０１ｃおよび７０２ｂ用の電気駆動信号に変換する。
【００３０】
図４の構成の場合と同様に、第１の位相ラインのセル７０１ａおよび７０２ａ（ＳＰＩｕ１およびＳＰＩｕ２）は、互いに同じ電圧振幅および位相を生成することができ、また、異なる位相ラインに位置するがセル７０１ｃおよび７０２ｂ（ＳＰＩｗ１およびＳＰＩｗ２）は、互いに同じ電圧振幅および位相を生成することができる。図４の場合と同様に、第２のラインの第２のセル７０２ｂ（ＳＰＩｗ２）は、そのラインの第１のセルと逆極性で接続される。第３のセル７０１ｃ（ＳＰＩｗ１）は、第３の位相ラインで単独のものとすることができ、第３の位相（例えば、Ｗ相）で電圧を生成することができ、その電圧はモータの第３の位相ライン入力へ供給される。
【００３１】
図７はまた、幾つかの追加の構成要素を示す。リアクタ７０４（Ｌｕ、Ｌｖ、Ｌｗ）およびコンデンサ７０５（Ｃｕｖ、Ｃｖｗ、Ｃｗｕ）は、単相ＮＰＣセル７０１ａ〜ｃ、７０２ａ〜ｂで主トランジスタ・デバイスのＰＷＭスイッチングで発生する電圧変化（ｄＶ／ｄｔ）によって生成されるサージ電圧をトラップするためのライン・フィルタを形成することができる。また、接地コンデンサ７０６（Ｃｗｇ、Ｃｖｇ、Ｃｕｇ）は、３相出力電圧の中性点を接地電位で固定するために使用することができる。
【００３２】
１または複数のセルの故障に対処するために、図７の構成は故障スイッチ７０７（ＣＴＴ−Ｕ、ＣＴＴ−Ｖ）を含む。これらのスイッチは、ラインの２次セル７０２ａ〜ｂ（また、セル４０２ａ〜ｂ）などの、位相ラインにおける１または複数のセルを短絡するために或る位置に配される。それらのスイッチは、通常動作中は開いた状態に保たれ、システムの１または複数のセルが故障したときに閉じられる。異なる構成を使用することもできる。例えば、故障スイッチは、位相ラインの２次セルを跨いで配置することができ、セル故障時には、スイッチを閉じることによりそれらの２次セルが短絡して、図１に示されているものと同様の３セル構成へとシステムが変換される。２次セル（例えば、セル７０２ａ〜ｂ）を短絡することにより、これらのセルは、システムの動作を停止することなしに、除去することが可能となる。システムは、故障スイッチが閉じられたときには、低い容量で動作しなければならないが、システムを完全にシャットダウンするよりは好ましい。１次セル（例えば、セル７０１ａ〜ｃ）の１つで故障が発生した場合、短絡された２次セルを取り外して、故障した１次セルを取り替えるために使用することができる。このようにして、システムは、１次セルでの故障から迅速に回復することができ、故障したセルのための交換品を得るのに時間がかかろうとも、依然として動作することができる。
【００３３】
図７ａは、故障が発生したときの方法例を示す。ステップ７５０において、セル７０１ａ〜ｃ、７０２ａ〜ｂの１または複数のものにおける故障が検出される。故障に応答して、ステップ７５１において、故障スイッチが両方とも閉じられ、１または複数のセルの出力極を短絡する。これらのスイッチが閉じると、システムは、５セル・システムではなく３セル・システムとして動作することができる。次いで、ステップ７５２において、故障したセル（１または複数）が除去され、ステップ７５３において、その位相ラインの第１のセルのうちの１つまたは２つのもの（例えば、セル７０１ａ〜ｃ）が故障した場合には、セル７０２ａ〜ｂのうちの一方または両方が、それらの故障したセルと取り替えるためのスペアとして使用され、その結果として、システムは３セル・システムとして動作を継続することができる。
【００３４】
図８は、図７の構成によってサポートすることができる電圧出力範囲の一例を示す表である。図では、名称「ｅ１」および「ｅ２」は、それぞれ故障スイッチが閉じられたときおよび開かれたときの相間電圧をそれぞれ示す。上述のように、定格２．５ｋＶのセルが使用される場合、サポートされる相間電圧は、スイッチ７０７が閉じられたときには、３１／２ｅ、即ち、４．３ｋＶであり、スイッチ７０７が開かれたときには、本構成は、７１／２ｅ、即ち、６．６ｋＶの電圧をサポートする。また、図８の表は、セルの定格が６６０ｋＶＡであるときの許容可能な見かけの電力（ｋＶＡ）を示す。スイッチ７０７が閉じられたとき、計算によると３×６６０ｋＶＡ＝１９８０ｋＶＡとなり、スイッチ７０７が開いているとき、計算によると１９８０ｋＶＡ×（６．６ｋＶ／４．３ｋＶ）＝３０３９ｋＶＡとなる。
【００３５】
図９は、セル４０１ａ〜ｃ、４０２ａ〜ｂ（また、７０１ａ〜ｃ、７０２ａ〜ｂ）が、同じ５レベル矩形波形を生成するときの出力を示す波形の例を示す。図４における出力端子部での相間電圧Ｅ’ｕ−ｖ、Ｅ’ｖ−ｗ、Ｅ’ｗ−ｕは、図６におけるベクトル関係から以下のように計算される。
【００３６】
Ｅ’ｕ−ｖ＝Ｅｕ１＋Ｅｕ２−Ｅｖ１＋Ｅｗ２
Ｅ’ｖ−ｗ＝Ｅｖ１−Ｅｗ１−Ｅｗ２
Ｅ’ｗ−ｕ＝Ｅｗ１−Ｅｕ１−Ｅｕ２
【００３７】
図１０は、セル４０１ａ〜ｃ、４０２ａ〜ｂ（また７０１ａ〜ｃ、７０２ａ〜ｂ）が、同じ５レベルの単純なＰＷＭ波形を生成するときの波形の例を示す。相間ベクトル関係は、図９について述べたものと同様である。これらの波形は、図９の波よりも正弦波に近いが、依然として何らかの高調波歪みが含まれる。なぜなら、単相セルによって生成されるＰＷＭ波形は単純ＰＷＭ波形であり、正弦波変調された波形ではないからである。
【００３８】
本明細書で提供されている様々な計算は、本明細書で述べられている特徴的構成を使用するシステムで概算され得る或る程度の数学的精度を有する。例えば、インバータ・セルは、同じ電圧レベルを或る位相角で生成するものとして述べられているが、実質的に電圧および位相が述べられているものと同様である状態で、実際の値がわずかに変わることができるように、工学および製造の許容範囲により、実装時に達成される値を調整することができる。
【００３９】
上述の様々な特徴、諸例、および諸実施形態は、本願の範囲を制限することを意図したものではなく、望ましい場合には、多くの構成要素を分割したり、互いに組み合わせたり、部分的に結合させたりすることができる。従って、本特許の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、３相ＡＣモータがＹ結線で３つの単相インバータにより制御される構成例を示す。
【図２】図２は、図１の構成で使用することができる単相中性点クランプ・インバータ・セルを示す。
【図２ａ】図２ａおよび図２ｂ−１および図２ｂ−２は、図２の単相中性点インバータの典型的なトランジスタ切替パターンを示す表を示し、図２ａは、矩形波出力を生成するためのトランジスタの８つの切替モードの表を示す。
【図２ｂ−１】図２ａおよび図２ｂ−１および図２ｂ−２は、図２の単相中性点インバータの典型的なトランジスタ切替パターンを示す表を示し、図２ｂ−１は、ＰＷＭ波出力のための８つのトランジスタの切り替えの表を示す。
【図２ｂ−２】図２ａおよび図２ｂ−１および図２ｂ−２は、図２の単相中性点インバータの典型的なトランジスタ切替パターンを示す表を示し、図２ｂ−２は、ＰＷＭ波出力のための８つのトランジスタの切り替えの表を示す。
【図２ｃ】図２ｃは、単相中性点インバータ・セルを示し、この単相中性点インバータ・セルは、追加の整流器ブリッジと追加の変圧器巻線とを使用することにより入力高調波電流を低減することができる。
【図３】図３は、図１のシステムの可能な出力電圧を２倍にするために使用することができるマルチインバータ・システムを示す。
【図４】図４は、２つの追加の単相インバータ・セルを使用するブースタ電圧インバータ・システムを示す。
【図５】図５は、図３に示されるシステムの出力についてのベクトル構成を示す。
【図６】図６ａおよび図６ｂは、図４に示されるシステムの出力についてのベクトル構成を示す。
【図７】図７は、バックアップ回路を使用する、図４のシステムの代替の構成を示す。
【図７ａ】図７ａは、このバックアップ回路を使用する方法の例を示す。
【図８】図８は、図４および／または図７の構成を使用して達成できる電力出力レベルの例を示す表を示す。
【図９】図９は、矩形波単一セル出力を使用する、図４および／または図７の構成についての波形図の例を示す。
【図１０】図１０は、パルス幅変調（ＰＷＭ）セル出力を使用する、図４および／または図７の構成についての波形図の例を示す。
【図１】
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【図２】
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【図２ａ】
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【図２ｂ−１】
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【図２ｂ−２】
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【図２ｃ】
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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７ａ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
2007221987000001.pdf