JP4123082B2 - Multiple power converter - Google Patents
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Description
【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。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a multiple power conversion device for performing a braking operation of a multiphase load device such as an induction motor or a synchronous motor, and in particular, a multiple power adding a function of consuming regenerative power of a load device with a resistor or regenerating to a power source. The present invention relates to a power conversion device.
[0002]
[Prior art]
In variable speed operation of a high voltage (3/6 kV) motor, a multiple power converter in which single-phase cell inverters are connected in series is used to increase the capacity of the inverter and improve the output waveform. As shown in FIG. 10, the prior art multiple power converter has n single-
[0003]
In the multiple power converter shown in FIG. 10, since the single-
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-103766
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of such a multiple power conversion device with a regenerative function, the number of IGBT elements is more than twice that of a non-regenerative multiple power conversion device using a diode rectifier, or the number of parts is increased. The size and complexity of the phase cell inverter are increased.
[0006]
An object of the present invention is to provide a multiple power conversion device that is small in size and low in cost and capable of performing regenerative operation or arbitrary deceleration operation of an induction motor.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The multiple power conversion device of the present invention is a multiple power conversion for one phase by serially connecting n (n is a natural number) non-regenerative type single-phase cell inverters that convert AC from an AC power source into variable voltage and variable frequency. A multipoint power converter is used, and a plurality of multiple power converters for one phase are used. And connecting the power source through the converter to control the zero-phase component of the output voltage of the multiple power converter so that regenerative power is consumed by the resistor or regenerated to the power source side.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The details of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0009]
(Example 1)
The multiple power conversion device of the present embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 1, a three-phase AC voltage from an
[0010]
The present invention can be applied not only to an induction motor but also to a synchronous motor as a multiphase load device. Hereinafter, a case where an induction motor is used as a load will be described as an example. In this embodiment, an IGBT is described as an example of a power semiconductor switching element, but a power MOSFET, J-FET, or bipolar transistor may be used. Moreover, although the case where the
[0011]
The
[0012]
The controller unit 4 controls the
[0013]
A specific control method will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3, the controller unit 4 includes a regenerative
[0014]
P = 3 × (V d × I d + V q × I q ) (Equation 1)
In Equation (1), P is a regenerative power calculation value, subscripts d and q of voltage V and current I are values where d is a motor magnetic flux direction component and q is a component perpendicular thereto.
[0015]
The zero-phase current
[0016]
I * = √ (P / R) (Equation 2)
In Equation (2), I * is a zero-phase current command value, and R is a resistance value of the
[0017]
The zero-phase voltage
[0018]
In this way, the voltage of the
[0019]
The zero-phase voltage command value is given, for example, as a frequency (third harmonic) component or a DC voltage that is three times the output voltage frequency of the power converter, and its magnitude is controlled according to the zero-phase voltage command value.
[0020]
Further, in this embodiment, the regenerative power decreases as the rotation speed of the
[0021]
(Example 2)
This embodiment will be described with reference to FIG. The difference between the present embodiment and the first embodiment will be described. In the present embodiment, a neutral
[0022]
The operation at the time of regeneration of the multiple power conversion device of this embodiment is the same as that of the first embodiment. In this embodiment, even if the neutral point cannot be easily taken out by an existing motor or the like, it is only necessary to arrange the neutral point taking-out
[0023]
(Example 3)
This embodiment will be described with reference to FIG. The difference between the present embodiment and the first embodiment will be described. In this embodiment, as shown in FIG. 5, the anti-load side terminals of the three-
[0024]
When regenerative power is generated from the
[0025]
During non-regeneration, the capacitor voltage of the smoothing
[0026]
In this embodiment, the regenerative power can be regenerated to the power source side, and the power is regenerated based on the zero-phase current command value as in the first embodiment, so that the load motor can be quickly decelerated to a desired speed or stopped. Can be made.
[0027]
In the present embodiment, the amount of heat generated during regeneration can be reduced, and the
[0028]
Example 4
This embodiment will be described with reference to FIG. The difference between the present embodiment and the third embodiment will be described. In this embodiment, as shown in FIG. 6, a neutral
[0029]
In this embodiment, even if the neutral point cannot be easily taken out by an existing motor or the like, it is only necessary to arrange the neutral point taking-out
[0030]
(Example 5)
This embodiment will be described with reference to FIG. The difference between the present embodiment and the first embodiment will be described. In the present embodiment, as shown in FIG. 7, a
[0031]
In this embodiment, when regenerative power is generated from the
[0032]
In the present embodiment, similar to the third and fourth embodiments, the regenerative power can be regenerated to the
[0033]
(Example 6)
This embodiment will be described with reference to FIG. The difference between the present embodiment and the fifth embodiment will be described. In the present embodiment, as shown in FIG. 8, the anti-load side terminals of the three-
[0034]
At the time of non-regeneration, the
[0035]
Note that the
[0036]
(Example 7)
This embodiment will be described with reference to FIG. The difference between the present embodiment and the fifth embodiment will be described. As shown in FIG. 9, the power conversion device of the present embodiment connects the anti-load side terminals of the three-
[0037]
At the time of non-regeneration, all the
[0038]
In this embodiment, neutral point extraction of the induction motor is not necessary. Instead of the
[0039]
【The invention's effect】
According to the present invention, in a non-regenerative type power converter, the braking and deceleration of the motor can be performed at a small size and at a low cost by consuming the regenerative power of a multiphase load device such as an induction motor or a synchronous motor with resistance or regenerating to a power source. Can be done quickly.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a power conversion apparatus according to a first embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a single-phase cell inverter of the power converter according to the first embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a controller unit of the power converter according to the first embodiment.
FIG. 4 is a configuration diagram of a power conversion device according to a second embodiment.
FIG. 5 is a configuration diagram of a power conversion apparatus according to a third embodiment.
FIG. 6 is a configuration diagram of a power conversion device according to a fourth embodiment.
FIG. 7 is a configuration diagram of a power conversion device according to a fifth embodiment.
FIG. 8 is a configuration diagram of a power conversion device according to a sixth embodiment.
FIG. 9 is a configuration diagram of a power conversion device according to a seventh embodiment.
FIG. 10 is a configuration diagram of a conventional power converter.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (13)
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。Multiple power conversion apparatus comprising a plurality of multiple power converters in which n (n is a natural number) series-connected non-regenerative type single-phase cell inverters that convert power from an AC power source into variable voltage and variable frequency multi-phase AC In
A multiplex power characterized by comprising a regenerative power absorption unit having one end connected to a neutral point where the anti-load sides of the multiplex power converter are connected to each other and the other end connected to a neutral point of the polyphase load device. Power conversion device.
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。Multiple power conversion apparatus comprising a plurality of multiple power converters in which n (n is a natural number) series-connected non-regenerative type single-phase cell inverters that convert power from an AC power source into variable voltage and variable frequency multi-phase AC In
One end is connected to a neutral point where the opposite load sides of the multiple power converter are connected to each other, and the other end is connected to the neutral point of the neutral point extraction transformer arranged on the load side of the multiple power converter. A multiple power conversion device comprising a regenerative power absorption unit.
る多重電力変換装置。The multiple power conversion device according to claim 9, wherein the regenerative power converter includes a diode rectifier, a smoothing capacitor, and an inverter unit.
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、
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。 Multiple power conversion apparatus comprising a plurality of multiple power converters in which n (n is a natural number) series-connected non-regenerative type single-phase cell inverters that convert power from an AC power source into variable voltage and variable frequency multi-phase AC In
A regenerative power absorption unit connected to each anti-load side of the multiple power converters,
The regenerative power absorption unit includes a resistor having one end connected to each output terminal on the opposite load side and the other end connected to each other.
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