JPH03502399A - 平衡変圧器を有した三相インバータの電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 血圧４を　した三相インバータの一゛。

１左上上 本発明は、減少された重量を有した不平衡負荷を持っ三相インバータ電源に関す るものである。特に、本発明は、電源から負荷に走る中性線を持たない前述の型 の電源に関するものである。

ＩＬｊＬ孜屑 第１図は、それぞれ二次巻線１８．２０及び２２に磁気的に結合された第１、第 ２及び第３の一次巻線１２．１４及び１６を有する三相単巻変圧器１０を示して いる。

二次巻線１８．２０及び２２は、デルタ結線もしくは三角結線された三次内（ｉ ｎ　ａ　ｄｅｌｔａ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｔｅｒｔｉａｒｙ）にあり、かかる 三角結線三次は正常な平衡動作下では空いているが、相出力２４．２６及び２８ に接続される電気負荷（図示せず）に欠陥もしくは不平衡負荷状況が存在する場 合には電流の流れを含む。相入力は端子３ｏ、３２及び３４に与えられる。

第２Ａ図及び第２Ｂ図は、相互結合される星形接地変圧器として知られている、 相入力及び出力３ｏ、３２及び３４と接地とに接続される巻＆１１３．１５及び １７を有した、それぞれ三相単巻変圧器及び千鳥変圧器を示している。第２Ａ図 において、巻線１３．１５及び１７の各々は、第１の方向に巻かれた第１の部分 １９と、反対方向に巻かれた第２の部分２１とを有する。第２Ｂ図において、巻 線１３．１５及び１７の各々は、同じ方向に巻かれた第１の部分１９及び第２の 部分２１を有する。

第２Ａ図及び第２Ｂ図において、巻線１３．１５及び１７は、変圧器が不平衡負 荷（図示せず）に接続されたとき、中性電流を３つの等しい部分に配分するよう 働く。

米国特許第４，６１７，６２２号明細書には、ＤＣもしくは直流電位の基準点間 に接続された３対のスイッチを有する三相インバータが開示されている。該スイ ッチは、三相のＡＣもしくは交流出力を生成するよう切り換えられる。該三相出 力はろ渡される。ろ波された出力は、中性点形成変圧器に接続される。

スイッチング・マトリクスを有した電源がウェスチングハウス・エレクトリック ・コーポレーションにより開発されてきた。スイッチング・マトリクスは、該ス イッチング・マトリクスに結合されるＤＣもしくは直流電位を切り換えて所望の 基本周波数において階段状波形を創成し、三相交流を生成する０本発明の第３図 を参照すると、ウェスチングハウスの従来の形態は、フィルタ及び中性点形成変 圧器はに接続される三相出力を供給するよ不平衡負荷に対し、電流は、導通して いるスイッチＱ１、Ｑ２及びＱコの１つから、負荷、中性線を介して流れ、導通 しているツイツチに接続されていないスイッチ「、源に流れるよう電流を戻すた めの第４の配線を用いていない。

米国特許第３，７７５，６６３号明細書には、中性端子を有したインバータに関 し、負荷が不平衡の場合に該中性端子を正しい電位に維持する際に問題が存在し ていたということが示されている。この米国特許明細書にはさらに、三相出力端 子を有したインバータが、例えばインバータ側の三角結線及び負荷側のＹ結線に 接続される多相出力変圧器を用いたということが開示されている。これは、不平 衡負荷により妨害されない中性変圧器端子を作る。

この米国特許明細書にはさらに、三相出力電流を出力するためにインバータの各 相のパルス幅変調を用いることが開示されている。各インバータの相は、２つの 基準電位間に接続された一対のスイッチがら成り、２つの基準電位は、該基準電 位の一方がらろ波される相出力を通して電流を導通するために閉じられるよう交 互にパルス幅変調され、基本的な所望の相出力よりも高い周波数成分を除去する 。さらに、該インバータの構成は、負荷に与えられるべき電位がインバータのス イッチにより完全に切り換えられなければならないということを必要とする。

もし高い電位が負荷に要求されたならば、スイッチは、損傷もしくは故障を引き 起こし得るこの高い電位を切り換えることが必要である。

本発明の譲受人に譲渡された米国特許第４，５６４，８９５号明細書には、イン バータを中性点に接続する双方向スイッチが開示されている。

１９７８年１２月　３日に出願され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願 連続番号第１２８，４４４号には、中性点が、高周波の調波をインバータの中性 点に分路するように働くフィルタにより形成され、基本周波数によって限定され る包路線が中性点を有する三相負荷に与えられる、中性点を有するＤＣ−ＡＣイ ンバータが開示されている。インバータは第１、第２及び第３のスイッチング回 路を有しており、それらスイッチング回路の各々は第１及び第２のスイッチを有 した直列回路を有し、第１のスイッチの少なくとも１つ及び第２のスイッチの少 なくとも１つは、不平衡負荷を駆動する際のインバータの動作中、オン状態にあ り、ＬＣ回路から不平衡負荷にそして第４の配線を用いることなく不平衡負荷か らＬＣ回路に戻すよう電流を流すのを許容する。

航空機の機体において、発電機から負荷へ三相及び中性線である第４の配線を走 らせることは慣行されてきたことである。三相負荷が実質的に不平衡であるとき 相当の中性電流の流れを許容するよう大きな直径を必要とするので、第４の配線 によりかなりの重量が追加される。

この第４の配線は重量の不利益を意味する。

ｌ乳り■ｊ 本発明は、インバータ及び負荷間を走る中性線は除去して、不平衡負荷に接続す るための減少した重量を有する中性線を持った多相インバータ電源を提供するも のである。さらに、本発明は、航空機機体において特に重要であるインバータ・ スイッチ及び負荷間の中性線の除去の重量節減を達成しつつ、昇圧された出力を 有する変圧器を用いる際にインバータ・スイッチを横切って切り換えられる電圧 を減少する。を源からの相出力の各々は、基本波よりも高いリアル周波数成分を 除去するフィルタに接続される。該フィルタは、多相不平衡負荷における不平衡 電流の流れを導通させるための中性点もしくは中性線を形成して、インバータと 負荷との間に走る中性線を除去する。フィルタからのそれぞれの相出力はＹ構成 の一次巻線を有する変圧器に接続される。二次の三角巻線は、別々の一次巻線に 接続される相をそれぞれ有する三相の不平衡負荷における不平衡電流の流れを最 小にするための平衡巻線として働く。代替的には、変圧器は相互接続される星形 接地変圧器であって良い。

本発明による中性線を有した多相インバータは：複数対の相スイッチであって、 相スイッチの多対は第１及び第２の基準電位間で直列に接続され、各スイッチが 導通状態及び非導通状態間で切り換えられる前記複数対の相スイッチと；各々が 、前記複数対のスイッチの別々の対間の接合点においてそれぞれ結合される複数 の出力と；一対のスイッチの内、第１及び第２の基準電位の一方に結合されるス イッチの各々を成る期間の間導通させ、他のスイッチ対の内の１つの対の内の、 第１及び第２の基準電位のもう一方に結合される少なくとも１つの他方のスイッ チを前記期間の間導通させ、導通スイッチを負荷に接続する中性線を有すること なく、スイッチ間での電流路を提供する制御器と；前記出力の別々の１つにそれ ぞれ結合される複数の入力を有しかつ中性線を形成するフィルタであって、前記 対のスイッチの切り換え速度により決定される基本周波数以上の周波数成分を前 記中性線に分流し、前記基本周波数において複数の異なった相出力をそれぞれ提 供する前記フィルタと；Ｙ構成で結合される複数の巻線を存し、複数の入力の第 １の端子は前記複数の相出力の別々の１つにそれぞれ結合され、前記巻線の第２ の端子は、前記中性線及び前記巻線の各々に結合される相出力に結合される多相 変圧器であって、三角構成で接続される複数の巻線を有した二次側を有する前記 多相変圧器と；を有し、前記変圧器の相出力は、各々、不平衡の多相負荷の別々 の相にそれぞれ接続される。

各スイッチの導通間隔は、前記相出力の別々の１つで電流の１サイクル中の任意 の時刻点における電流の所望の大きさに比例しなデユーティ・サイクルでもって 電流の１サイクル中にパルス幅変調される。変圧器は、インバータから負荷への 巻線に与えられる電位を昇圧する単巻変圧器であって良い。

本発明による中性線を有した多相インバータは：複数対の相スイッチであって、 相スイッチの多対は第１及び第２の基準電位間で直列に接続され、各スイッチが 導通状態及び非導通状Ｓ間で切り換えられる前記複数対の相スイッチと；各々が 、前記複数対のスイッチの別々の対間の接合点においてそれぞれ結合される複数 の出力と；一対のスイッチの内、第１及び第２の基準電位の一方に結合されるス イッチの各々を成る期間の間導通させ、他のスイッチ対の内の１つの対の内の、 第１及び第２の基準電位の他方に結合される少なくとも１つの他方のスイッチを 前記期間の間導通させ、導通スイッチを負荷に接続する中性線を有することなく 、スイッチ間での電流路を提供する制御器と；前記出力の別々の１つにそれぞれ 結合される複数の入力を有しかつ中性線を形成するフィルタであって、前記対の スイッチの切り換え速度により決定される基本周波数以上の周波数成分を前記中 性線に分流し、該基本周波数で複数の異なった相出力をそれぞれ提供する前記フ ィルタと；相互接続される星形構成で結合された複数の巻線を有し、複数の入力 の第１の端子は前記複数の出力の別々の１つにそれぞれ結合され、前記巻線の第 ２の端子は、前記中性線及び前記巻′線の各々に結合される相出力に結合される 多相変圧器と；を有し、前記変圧器の相出力は、各々、不平衡の多相負荷の別々 の相にそれぞれ接続される。各スイッチの導通間隔は、前記相出力の別々の１つ で電流の１サイクル中の任意の時刻点において電流の所望の大きさに比例しなデ ユーティ・サイクルでもって電流の１サイクル中にパルス幅変調される。変圧器 は、インバータから負荷への巻線に与えられる電位を昇圧する単巻変圧器であっ て良い。

・　　の　　゛　ｆ　＝　口 第１図は、不平衡三相電源に使用するための従来技術による変圧器の第１の型を 示す図である。

第２Ａ図及び第２８Ｃは、不平衡三相電源に使用するための従来技術による変圧 器を示す図である。

第３図は、本発明の実施例を示す図である。

第４図は、本発明の第２の実施例を示す図である。

註を実施するための最良の態様 第３図は、本発明の第１の実施例４０を示す。この実施例は、多相の不平衡負荷 に流れる不平衡電流の影響を最小にするために、Ｙ形結線された一次及び三角結 線された二次を有した変圧器でもって、不平衡負荷への接続を行うための多相イ ンバータ電源を提供し、これによりインバータ・スイッチと負荷との間の中性線 が除去され、航空ｔ！１ｔＲ体内の電源にとって重要な重量の節約が行われる。

さらに、インバータと負荷との間に昇圧変圧器を用いたとき、インバータのスイ ッチを横切って切り換えられる電位が減じられ、このことは、高電位が負荷に与 えられるべきであるとき有益である。三相インバータ４２は、正または負極性の いずれかの切り換えられる直流電位をそれぞれ互いに１２０°位相変位された出 力Ａ、Ｂ及びＣにおいて提供する。スイッチＱ、及びＣは相Ａの出力を生成する ように切り換えられる。スイッチＱ２及の各々は、電流をその相出力に導通させ る導通間隔を有する。導通間隔は、通常のインバータ動作に従ってパルス幅変調 され、相によって生成される電流のサイクル中の任意の特定の時刻において正弦 波形の大きさに正比例した衝撃係数もしくはデユーティ・サイクルを有する出カ バルスを生成する。インバータ・スイッチ及び負荷間の中性線の除去の結果とし て、以下に示すようなスイッチの適切な制御により、出力Ａ、ＢまたはＣの任意 の１つから流れ゛る電流に対し、インバータに戻る電流に対する戻り路が設けら れなければならない。対４４〜４８のスイッチＱ１、Ｑ２及びＱ、の任意の１つ が導通している基準電位の一方（＋）から該基準電位に接続されたスイッチの１ つを通して、出力Ａ、ＢまたはＣの１つから三相負荷に、そして出力Ａ、Ｂまな はＣの少なくとももう１つに戻り、基準電位の他方（＝）に結合されたスイッチ の少なくとも１つを通して、電流が流れることが許容される。前述のシーケンス に従ってスイッチを切り換えるための制御器もしくはコントローラは、インバー タにおけるスイッチのデユーティ・サイクル及び切り換え時刻を制御することが 通常に行われることであるので、ここでは記載しない。しかしながら、当業者に は理解されるように、制御器はインバータにおけるスイッチを切り換えるための 通常の設計に基づいており、本発明の部分を為すものではない、スイッチ４４． ４６及び４８の対の各々は、スイッチング信号に応答して変化される導通及び非 導通状態を有する任意のスイッチング・デバイスで履行され得るのは理解されよ う、それぞれの相出力Ａ、Ｂ及びＣによって出力されるパルス幅変調された電流 パルスはフィルタ５０に与えられる。フィルタ５０は、基本周波数を相出力５２ ．５４及び５６に通し高周波のりプル電流を中性点Ｎに分流もしくは分路するよ うに働く。

フィルタ５０は３つのＬＣフィルタ５８．６０及び６２を有する。ＬＣフィルタ ５８は、誘導子もしくはインダクタ６２及びコンデンサ６４から成る。フィルタ ６０は、インダクタ６６及びコンデンサ６８から成る。フィルタ６２は、インダ クタ７０及びコンデンサ７２から成る。

フィルタ５８．６０および６２の各々は、より高い調波を中性点Ｎに分流し、相 出力５２．５４及び５６１こそれぞれ基本周波数を通すように働く。

相出力５２．５４及び５６は、単巻変圧器８０に与えられる。相Ａの出力５２は 巻線８２に与えられる。相Ｃの出力５４は巻線８４に与えられる。相Ｂの出力５ ６は巻！ｉ８６に与えられる０巻線８２．８４および８６の接合点８７は中性点 もしくは中性線Ｎに接続される０図示のように、変圧器８０は昇圧変圧器であり 、入力５２．５４及び５６は、出力８１．８３及び８５上で電圧を昇圧する所望 の量を提供するための点で、巻線８２．８４及び８６に接続される。高い電位を 必要とする負荷に対して、昇圧変圧器を用いれば、インバータ４２のスイッチに かかる応力を軽減することにおいて長所を有する。

しかしながら、本発明は昇圧変圧器の使用に制限されるものではないことを理解 すべきである。変圧器の二次側は二次巻線８８．９０及び９２の三角結線から成 り、それら二次巻線は、それぞれ巻線８２．８４及び８６に磁気的に結合される 。二次の三角巻線８８．９０及び９２は、不平衡の三相負荷１００における不平 衡電流の流れを最小にするように働く、不平衡の三相負荷１００は任意の三相不 平衡負荷であって良く、図示の負荷は、本発明と共に用いられ得る不平衡負荷の 可能な型を単に示唆しているにすぎない０図示のように、三相負荷１００の相Ａ の部分は、中性線Ｎに接続されたインダクタ１０４と直列に接続された抵抗１０ ２から成る。不平衡の負荷１００の相Ｃの部分は、中性線Ｎに接続されたインダ クタ１０８と直列に接続された抵抗１０６から成る。不平衡負荷１００の相Ｂの 部分は中性ｌ！Ｎに接続されたインダクタ１１２と直列に接続された抵抗１１０ から成る。

第４図は、使用された変圧器の型が第３図のものとは異なっているもう１つの実 施例を示す。同じ参照数字は同じ部品を示す、変圧器１２０は相互接続された星 形接地の昇圧変圧器として構成されている。変圧器は不平衡電流の流れを最小に する。変圧器１２０は、磁気的に透過な物質でもって相互接続された３つの平行 な脚鉄を有する単一の鉄心であっても良く、また、図示のように、磁気的に連結 された３つの別々の変圧器であっても良い。

出力８１．８３及び８５が昇圧される量は、インバータの直流電位、並びに三相 負荷に与えられるべき所望の電位により決定される。

本発明を好適な実施例により説明してきたが、添付の請求の範囲に限定されるよ うに、本発明の精神並びに範囲を逸脱することなく、上述の好適な実施例に対し て種々の変更を為し得るのが理解されるべきである。かかる変更のすべては添付 の請求の範囲内にあることが意図されている。

国際調査報告 特壬子３−５０２３９９　（５）

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．複数対の相スイッチであって、相スイッチの各対は第１及び第２の基準電位 間で直列に接続され、各スイッチが導通状態及び非導通状態間で切り換えられる 前記複数対の相スイッチと； 各々が、前記複数対のスイッチの別々の対間の接合点においてそれぞれ結合され る複数の出力と；一対のスイッチの内、第１及び第２の基準電位の一方に結合さ れるスイッチの各々を或る期間の間導通させ、他のスイッチ対の内の１つの対の 内の、第１及び第２の基準電位の他方に結合される少なくとも１つの他方のスイ ッチを前記期間の間導通させ、導通スイッチを負荷に接続する中性線を有するこ となく、スイッチ間での電流路を提供する手段と； 前記出力の別々の１つにそれぞれ結合される複数の入力を有しかつ中性線を形成 するフィルタであって、前記対のスイッチの切り換え速度により決定される基本 周波数以上の周波数成分を前記中性線に分流し、基本周波数において複数の異な った相出力を提供する前記フィルタと； Ｙ構成で結合される複数の巻線を有し、複数の入力の第１の端子は前記複数の相 出力の別々の１つにそれぞれ結合され、前記巻線の第２の端子は、前記中性線及 び前記巻線の各々に結合される相出力に結合される多相変圧器であって、三角構 成で接続される複数の二次巻線を有した二次側を有する前記多相変圧器と；を有 し、前記変圧器の相出力は、各々、不平衡の多相負荷の別々の相にそれぞれ接続 するためのものである、中柱線を有した多相インバータ。
2. ２．前記変圧器は昇圧変圧器であり、前記インバータ内のスイッチを横切って与 えられる直流電位は前記相出力の最大電位よりも小さい請求の範囲第１項記載の 多相インバータ。
3. ３．各スイッチの導通間隔は、前記相出力の別々の１つでの電流の所望の大きさ に比例したデューティ・サイクルでもって電流の１サイクル中にパルス幅変調さ れる請求の範囲第２項記載の多相インバータ。
4. ４．前記多相インバータに三相及び３対のスイッチが含まれる請求の範囲第３項 記載の多相インバータ。
5. ５．前記インバータは航空機機体に用いられるためのものである請求の範囲第１ 項記載の多相インバータ。
6. ６．複数対の相スイッチであって、相スイッチの各対は第１及び第２の基準電位 間で直列に接続され、各スイッチが導通状態及び非導通状態間で切り換えられる 前記複数対の相スイッチと； 各々が、前記複数対のスイッチの別々の対間の接合点においてそれぞれ結合され る複数の出力と；一対のスイッチの内、第１及び第２の基準電位の一方に結合さ れるスイッチの各々を或る期間の間導通させ、他のスイッチ対の内の１つの対の 内の、第１及び第２の基準電位の他方に結合される少なくとも１つの他方のスイ ッチを前記期間の間導通させ、導通スイッチを負荷に接続する中性線を有するこ となく、スイッチ間での電流路を提供する手段と； 前記出力の別々の１つにそれぞれ結合される複数の入力を有しかつ中性線を形成 するフィルタであって、基本周波数以上の周波数成分を前記中性線に分流し、前 記対のスイッチの切り換え速度により決定される基本周波数で複数の異なった相 出力を提供する前記フィルタと；相互接続される星形構成の巻線を有し、複数の 入力の第１の端子は前記複数の出力の別々の１つにそれぞれ結合され、前記巻線 の第２の端子は、前記中性線及び前記巻線の各々に結合される相出力に結合され る多相変圧器と； を有し、前記変圧器の相出力は、各々、不平衡の多相負荷の別々の相にそれぞれ 接続するためのものである、中性線を有した多相インバータ。
7. ７．前記変圧器は昇圧変圧器であり、前記インバータ内のスイッチを横切って与 えられる直流電位は前記相出力の最大電位よりも小さい請求の範囲第６項記載の 多相インバータ。
8. ８．各スイッチの導通間隔は、前記相出力の別々の１つでの電流の所望の大きさ に比例したデューティ・サイクルでもって電流の１サイクル中にパルス幅変調さ れる請求の範囲第７項記載の多相インバータ。
9. ９．前記多相インバータに三相及び３対のスイッチが含まれる請求の範囲第８項 記載の多相インバータ。
10. １０．前記インバータは航空機に用いられるためのものである請求の範囲第９項 記載の多相インバータ。