JP2014200169A - 高圧インバータシステム - Google Patents

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JP2014200169A JP2014049862A JP2014049862A JP2014200169A JP 2014200169 A JP2014200169 A JP 2014200169A JP 2014049862 A JP2014049862 A JP 2014049862A JP 2014049862 A JP2014049862 A JP 2014049862A JP 2014200169 A JP2014200169 A JP 2014200169A
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Abstract

【課題】効果的かつ安定した動作が保証された単位電力セルを備える高圧インバータシステムを提供すること。
【解決手段】本発明のシステムのインバータは、故障が生じた場合、インバータ部の出力端を短絡するように構成される制御部と、制御部に電源を供給するように構成される供給部と、入力端を介して供給されるＡＣ電圧を整流して供給部に供給するように構成される補助整流部とを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、高圧インバータシステムに関するものである。
最近、マルチレベルインバータが高圧大容量インバータシステムのためのトポロジとして関心が増大している。電力産業における、柔軟交流送電システム（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ＡＣ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ、ＦＡＣＴＳ）のような効率的かつ柔軟な電力系統の運用を図るための高圧電力機器の開発要求に応じて、高圧インバータが開発された。マルチレベル高圧インバータとしては、ダイオードクランプインバータ、カスケードＨブリッジインバータ、及びフライングキャパシタインバータなどがある。この中でカスケードＨブリッジインバータは、低圧Ｈブリッジを直列に接続して、独立したＤＣリンク部を有する単位セルで構成され、各セルの電圧の和と総出力電圧の大きさとが同じであり、単位電力セル数に応じて出力電圧を変化できるため、広く利用されている。
本発明が解決しようとする技術的課題は、本発明はより効果的でかつ安定した動作が保証された単位電力セルを備えた高圧インバータを提供することである。
上記のような技術的課題を解決するために、本発明の一実施形態のインバータは、入力端を介して供給されるＡＣ電圧をＤＣ電圧に整流する第１整流部と、整流部によって整流されたＤＣ電圧を平滑化する平滑部と、平滑部によって平滑化されたＤＣ電圧を所定のＡＣ電圧に変換して出力端を介して電動機に出力するインバータ部と、故障が生じた場合、インバータ部の出力端を短絡する制御部と、制御部に電源を供給する供給部と、入力端を介して供給されるＡＣ電圧を整流して供給部に供給する補助整流部とを含むことができる。
本発明の一実施形態において、インバータは、初期駆動時に平滑部のコンデンサを充電する初期充電部を更に含んでもよい。
本発明の一実施形態において、補助整流部は、入力端を介して供給されるＡＣ電圧を整流して供給部に供給する第２整流部と、平滑部の電圧を供給部に供給する提供部とを含んでもよい。
本発明の一実施形態において、補助整流部は、第２整流部と供給部との間に配置されて、供給部への突入電流を制限する抵抗を更に含んでもよい。
本発明の一実施形態において、提供部は、第２整流部から供給部に供給される電圧が平滑部に供給されることを防ぐことができる。
本発明の一実施形態において、提供部は、平滑部と供給部とを接続する少なくとも二つのダイオードを含み、二つのダイオードは、逆方向に配置されてもよい。
本発明の一実施形態において、供給部は、初期駆動時に第２整流部から電圧の供給を受けることができ、正常稼働時に平滑部から電圧の供給を受けることができ、異常稼動時に第２整流部から電圧の供給を受けることができる。
本発明の一実施形態において、制御部は、供給部によって電源の供給を受けて、インバータ部の出力端を短絡する。
また、上記のような技術的課題を解決するために、３相の電圧を受信する電動機と、３相の電圧を電動機に印加する高圧インバータとを含む本発明のシステムは、インバータが複数に直列接続されて高圧インバータの各相電圧を出力し、インバータは、入力端を介して供給されるＡＣ電圧をＤＣ電圧に整流する第１整流部と、整流部によって整流されたＤＣ電圧を平滑化する平滑部と、平滑部によって平滑化されたＤＣ電圧を所定のＡＣ電圧に変換して出力端を介して電動機に出力するインバータ部と、故障が生じた場合、インバータ部の出力端を短絡する制御部と、制御部に電源を供給する供給部と、入力端を介して供給されるＡＣ電圧を整流して供給部に供給する補助整流部とを含み、補助整流部は、入力端を介して供給されるＡＣ電圧を整流して供給部に供給する第２整流部と、平滑部の電圧を供給部に供給する提供部とを更に含むことができる。
本発明は直列接続Ｈブリッジ方式の高圧インバータに適用され、入力端焼損と同じ電源動作不能に対してもセルバイパス機能が可能になるようにして、インバータの機能向上が期待できる。
本発明の一実施形態の高圧インバータシステムの構成図である。 一般的な単位電力セルの詳細構成図である。 本発明の一実施形態の高圧インバータの単位電力セルの構成図である。 図３の単位電力セルの動作を説明するための一例示図である。 図３の単位電力セルの動作を説明するための一例示図である。 図３の単位電力セルの動作を説明するための一例示図である。 単位電力セルに入力端焼損発生前後のＳＭＰＳ入力電圧波形と、平滑部の直流端コンデンサに印加される電圧波形とを示した図面である。
本発明は多様な変更を加えることができ、種々の実施形態を有するが、特定実施形態を図面に例示して詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるいずれの変更、均等物乃至代替物も含むものと理解されなければならない。
本発明は、直列接続Ｈブリッジ方式の高圧インバータシステムにおいて、ヒューズ溶断（Ｆｕｓｅ Ｏｐｅｎ）、ＳＣＲ焼損のようなインバータシステムの故障がある場合にも、バイパスが可能になるようにする機能を有する単位電力セルを提供する。
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい一実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態の高圧インバータシステムの構成図である。
図面に示したように、本発明の高圧インバータ１は、複数の単位電力セルＵ１〜Ｕ６、Ｖ１〜Ｖ６、Ｗ１〜Ｗ６が各出力相別に直結接続されて構成される。本発明の説明においては、一つの相の出力電圧を電動機２に供給するための６個の単位電力セルが直列接続されている。しかし、接続された単位電力セルの数は例示的なものであり、本発明がこれに限定されるものではない。
単位電力セルＵ１〜Ｕ６が１番目の相の出力電圧を供給し、単位電力セルＶ１〜Ｖ６が２番目の相の出力電圧を供給し、インバータＷ１〜Ｗ６が３番目の相の出力電圧を電動機２に供給することができる。電動機２は、インバータ１に供給される３相の電圧によって駆動される。
図２は、一般的な単位電力セルの詳細構成図である。
図面に示したように、単位電力セルは、一つの単相インバータを意味し、整流部２０、平滑部３０、及びインバータ部４０を含む。さらに、初期充電部１０、スイッチングモード電源（ＳＭＰＳ）５０、及び制御部６０を含む。
ＳＭＰＳ５０は、スイッチング回路を利用して制御部６０に電力を供給する。制御部６０は、電磁接触器（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｎｔａｃｔｏｒ、ＭＣ）７０の状態に応じて単位電力セルの動作を制御することができる。具体的に単位電力セルに故障が生じたとき、制御部６０は、ＭＣ７０の接点を閉じ、それによって故障した単位電力セルの出力は短絡状態となる。
前述したように、直列接続Ｈブリッジ方式の高圧インバータシステムは、単相インバータを直列に接続した構成であるため、直列接続された単位電力セル中のある単位電力セルが故障した場合、該当単位電力セルの出力を短絡させるバイパス機能を実行して連続運転が可能となる。
しかし、図２のような単位電力セルは、ヒューズ８０が溶断するなどインバータ入力端に故障が生じた場合、平滑部３０のコンデンサの電圧が放電されてＳＭＰＳ５０は動作しない。すると、ＳＭＰＳ５０から電源の供給を受けることができない制御部６０は、ＭＣ７０の接点を開閉させることができず、結果的にバイパス機能は動作しない。また、トランス（ＴＲ）９０の入力側がヒューズ８０後方に結線されているため、ヒューズが溶断した場合、ＭＣ７０に電源が供給できない問題がある。
本発明では、補助整流部を備えて、入力端故障時にもバイパス機能を行うことができるインバータを提案する。すなわち、本発明の直列接続Ｈブリッジ方式の高圧インバータシステムでは、ヒューズ溶断などのインバータ入力端の故障が生じてもセルバイパスが可能となる。
図３は、本発明の一実施形態の高圧インバータの単位電力セルの構成図であり、図４Ａ乃至図４Ｃは、図３の単位電力セルの動作を説明するための一例示図である。
本発明の単位電力セルは、図１のように高圧インバータシステムを構成する。図面に示したように、本発明の一実施形態の高圧インバータの単位電力セルは、整流部２０、平滑部３０、インバータ部４０、及び補助整流部９５を含むことができる。また、単位電力セルは、初期充電部１０、ＳＭＰＳ５０、及び制御部６０を更に含んでもよい。
ＳＭＰＳ５０は、スイッチング回路を利用して、制御部６０に電力を供給し、ＳＭＰＳ５０から供給される電力によって、制御部６０は、インバータ部４０の出力端のＭＣ７０の接点の短絡を制御することができる。
整流部２０は、入力されるＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換する。このため、６個のダイオードが二つずつペアを組んで直列接続されており、各々３相の入力電圧を共通接続されたノードで受電する。平滑部３０は、整流部２０から供給されるＤＣ形態の電圧を平滑化するためにコンデンサを備える。
インバータ部４０は、複数のスイッチ部を備えて、平滑部３０で平滑化された電圧をスイッチング動作によって所定の値を有するＡＣ電圧に変換する。本発明の説明では、４個のスイッチ部を例示的に図示したが、本発明がこれに限定されるものではなく、場合によって多様な形態でスイッチ部を配置することができる。
制御部６０は、インバータ部４０が出力のＭＣ７０の状態に応じて単位電力セルの動作を制御することができる。具体的には、単位電力セルから故障が生じた場合、制御部６０は、ＭＣ７０の接点を閉じる動作を行い、それによって故障した単位電力セルの出力は短絡状態となる。
補助整流部９５は、６個の整流ダイオードＤ１〜Ｄ６、２個のブロッキングダイオードＤ７、Ｄ８、及び突入電流制限抵抗（Ｒ）を含むことができる。６個の整流ダイオードＤ１〜Ｄ６は、整流部２０と同様に６個のダイオードが二つずつペアを組んで直列接続されており、各々３相の入力電圧を共通接続されたノードで受電する。２個のブロッキングダイオードＤ７、Ｄ８は、平滑部３０の二つのノードと補助整流部９５とを接続することができる。また、突入電流制限抵抗Ｒは、整流ダイオードＤ１〜Ｄ６とＳＭＰＳ５０との間に配置されてもよい。補助整流部９５の６個の整流ダイオードＤ１〜Ｄ６は、３相交流電圧を直流電圧に整流してＳＭＰＳ５０に供給する。ＳＭＰＳ５０は、前述した通り、スイッチング回路を利用して制御部６０に電源を供給する。
２個のブロッキングダイオードＤ７、Ｄ８は、平滑部３０の直流端コンデンサの電圧をＳＭＰＳ５０に供給し、整流ダイオードＤ１〜Ｄ６からＳＭＰＳ５０に入力される入力電圧が、平滑部３０の直流端コンデンサに流れることを防ぐことができる。すなわち、ダイオードＤ７、Ｄ８は、平滑部３０とＳＭＰＳ５０の入力端との間に接続されて、Ｄ７とＤ８とは逆方向に配置されてもよい。また、突入電流制限抵抗Ｒは、整流ダイオードＤ１〜Ｄ６とＳＭＰＳ５０との間に配置されて、ＳＭＰＳ５０に電圧が投入される場合、過度な突入電流によって損傷することを防ぐためのものである。
図４Ａ乃至図４Ｃは、補助整流部９５の動作を状況別に説明しているが、特に単位電力セルの電圧供給の流れを示している。
電源電圧が供給されると、図４Ａに示したように、インバータ入力電圧は、初期充電部１０を経て平滑部３０の直流端コンデンサを充電し、ＳＭＰＳ５０は、補助整流部９５を介して電圧の供給を受ける（図４ＡのＰ参照）。
所定の初期充電時間が経過すると、図４Ｂに示したように平滑部３０の直流端コンデンサは、整流部２０を介して電圧の供給を受けて、ＳＭＰＳ５０は相対的に平滑部３０の直流端コンデンサから電圧の供給を受ける（図４ＢのＱ参照）。
入力端焼損などの単位電力セルに故障が生じたとき、平滑部３０の直流端コンデンサは徐々に放電し、ＳＭＰＳ５０は、電位差によって補助整流部９５を介して電圧の供給を受ける（図４ＣのＲ参照）。
このように、継続的に電圧の供給を受けることになるＳＭＰＳ５０によって、制御部６０はＭＣ７０の接点を閉じることができ、それによって故障した単位電力セルの出力は、短絡状態になる。このため、単位電力セルに入力端故障が生じても、ＳＭＰＳ５０は正常動作して、制御部６０は電源の供給を受けてバイパス動作を行うことができる。
図５は、単位電力セルに入力端焼損発生前後のＳＭＰＳ５０入力電圧波形と、平滑部３０の直流端コンデンサに印加される電圧波形とを示した図面である。
図面に示したように、ヒューズ８０が溶断した後、インバータ単位電力セルの平滑部３０の直流端コンデンサに印加された電圧は放電されるが、ＳＭＰＳ５０の入力電圧は、補助整流部９５を介して継続的に供給されることが確認できる。
このように、本発明の単位電力セルは、直列接続Ｈブリッジ方式の高圧インバータに適用することができ、入力端焼損のような入力電源が正常に単位電力セルの内部整流回路に供給されない場合も、セルバイパス機能が可能である。したがって、本発明の単位電力セルを適用した直列接続Ｈブリッジ方式の高圧インバータは、動作安定性の向上を期待することができる。
以上、代表的な実施形態に関して本発明を詳細に説明したが、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者は、上述した実施形態に対して本発明の範囲から逸脱しない限り多様な変形が可能であることを理解できるであろう。したがって、本発明の権利範囲は、説明された実施形態に限定してはならず、後述する特許請求範囲だけでなく、この特許請求範囲の均等物などによって定めなければならない。
１ 高圧インバータ
２ 電動機
２０ 整流部
３０ 平滑部
４０ インバータ部
１０ 初期充電部
５０ ＳＭＰＳ
６０ 制御部
７０ ＭＣ
８０ ヒューズ
９０ トランス
９５ 補助整流部

Claims (10)

  1. 入力端を介して供給されるＡＣ電圧をＤＣ電圧に整流する第１整流部と、
    前記第１整流部によって整流されたＤＣ電圧を平滑化する平滑部と、
    前記平滑部によって平滑化されたＤＣ電圧を、所定のＡＣ電圧に変換して出力端を介して電動機に出力するインバータ部と、
    故障が生じた場合、前記インバータ部の出力端を短絡する制御部と、
    前記制御部に電源を供給する供給部と、
    前記入力端を介して供給されるＡＣ電圧を整流して前記供給部に供給する補助整流部と、を備えるインバータ。
  2. 初期駆動時に前記平滑部のコンデンサを充電する初期充電部を更に備える、請求項１に記載のインバータ。
  3. 前記補助整流部は、
    入力端を介して供給されるＡＣ電圧を整流して前記供給部に供給する第２整流部と、
    前記平滑部の電圧を前記供給部に供給する提供部とを備える、請求項１又は２に記載のインバータ。
  4. 前記補助整流部は、
    前記第２整流部と前記供給部との間に配置されて、前記供給部への突入電流を制限する抵抗を更に備える、請求項３に記載のインバータ。
  5. 前記提供部は、
    前記第２整流部から前記供給部に供給される電圧が前記平滑部に供給されることを防ぐ、請求項３又は４に記載のインバータ。
  6. 前記提供部は、
    前記平滑部と前記供給部とを接続する少なくとも二つのダイオードを含み、前記二つのダイオードは逆方向に配置される、請求項３乃至５のうちいずれか一項に記載のインバータ。
  7. 前記供給部は、初期駆動時に前記第２整流部から電圧の供給を受ける、請求項３乃至６のうちいずれか一項に記載のインバータ。
  8. 前記供給部は、正常稼働時に前記平滑部から電圧の供給を受ける、請求項３乃至６のうちいずれか一項に記載のインバータ。
  9. 前記供給部は、異常稼動時に前記第２整流部から電圧の供給を受ける、請求項３乃６のうちいずれか一項に記載のインバータ。
  10. 前記制御部は、前記供給部から電力の供給を受けて、前記インバータ部の出力端を短絡する、請求項９に記載のインバータ。
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