JP4512117B2 - Multiple power conversion device and multiple transformer - Google Patents
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Description
本発明は、複数の単相セルインバータを直列接続した多重電力変換装置、及びこれに用いる多重変圧器に関する。 The present invention relates to a multiple power conversion device in which a plurality of single-phase cell inverters are connected in series, and a multiple transformer used therefor.
高圧(例えば、3kV以上)モータの可変速運転においては、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装置が用いられている。この多重電力変換装置は、3相交流電源から位相が異なる三相交流電圧を複数出力する多重変圧器を用いており、例えば、特許文献1には、各U、V、W相の一つの二次巻線を20度ずつずらし、残りの各相2つずつ、計6つの二次巻線の位相を10度ずつずらす方法が提案されている。これにより18パルス整流と、36パルス整流相当の組み合わせにより電源高調波を低減している。
In variable speed operation of a high-voltage (for example, 3 kV or more) motor, a multiple power conversion device in which single-phase cell inverters are connected in series is used to increase the capacity of the inverter and improve the output waveform. This multiplex power converter uses a multiplex transformer that outputs a plurality of three-phase AC voltages having different phases from a three-phase AC power supply. For example,
そしてこれらの出力を多重接続することで得られた単相交流信号を電動機に入力する。この装置では、単相セルインバータの数を増加することや平滑コンデンサ部の直流電圧を高くすることにより、出力変圧器を用いないで高電圧を電動機に直接印加できる特徴がある。このため、出力変圧器による電力損失が無視でき、高効率の電力変換を実現できる。このとき、電源高調波を低減するため、多重変圧器の二次巻線の位相を調整することで、出力各相に対するn個(nは自然数)の単相セルインバータへの入力位相を、各出力相とも同じように、60/n度ずつずらす。これにより、6nパルス整流化することで、(6n−1)、(6n+1)次より下の次数の高調波を低減することができる。これらは一般的に知られており、これを利用した多重電力変換装置については、特許文献2に記載されている。
しかし、各特許文献の技術において、各相共通で60/n度ずつずらした場合、n=2のような段数の少ない場合では、低減することができない高調波次数が11次、13次以上となり、n=3や4のときに比べ低次の高調波電流が残る問題点がある。また、特許文献1のように各相の幾つかの巻線の一部を組み合わせた場合、(6k+1)、(6k−1)(kは正の整数)次以外の高調波電流が発生するおそれもある。
However, in the technology of each patent document, when the phase is shifted by 60 / n degrees in common for each phase, the harmonic order that cannot be reduced becomes 11th order, 13th order or more when n = 2 and the number of stages is small. , There is a problem that lower-order harmonic currents remain compared to when n = 3 or 4. Further, when some windings of each phase are combined as in
そこで、本発明は、より低次の高調波電流を低減することができる多重電力変換装置、及びこれに用いる多重変圧器を提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the multiplex power converter which can reduce a lower harmonic current, and the multiplex transformer used for this.
前記課題を解決するため、本発明の多重電力変換装置は、n,mは自然数であるとき、一次巻線に入力されるm相の交流電力を(m×n)個の二次巻線に分配する多重変圧器と、m組の多重電力変換器とを備え、前記多重電力変換器は、前記各二次巻線に分配される交流電力を可変電圧、あるいは可変周波数の交流電力に変換するn段の単相セルインバータが直列接続されて構成された多重電力変換装置において、前記多重変圧器の二次巻線は、同相出力に対応するn個の前記単相セルインバータ間では60/n度ずつの位相差を持ち、m相に対応するm×n個の単相セルインバータ間の位相差が60/(m×n)度ずつあることを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, the multiple power conversion device of the present invention is configured such that when n and m are natural numbers, m-phase AC power input to the primary winding is supplied to (m × n) secondary windings. A multiple transformer for distribution and m sets of multiple power converters, wherein the multiple power converter converts AC power distributed to each secondary winding into AC power of variable voltage or variable frequency. In a multiplex power conversion apparatus configured by connecting n-stage single-phase cell inverters in series, the secondary winding of the multiplex transformer is 60 / n between the n single-phase cell inverters corresponding to the in-phase output. has a phase difference of each degree, the phase difference between the m × n single-phase cell inverters corresponding to m phase is characterized in that there by 60 / (m × n) degrees.
多重変圧器の二次電流は、単相セルインバータが発生する高調波電流を含んでおり、この高調波電流には電圧リプルによる成分と電圧リプルに依らない成分とがある。
m相すべてに対応するm×n個の単相セルインバータ間の位相差が60/(m×n)度ずつあることにより、電圧リプルに依らない成分であって、(6n−1)、(6n+1)次よりも低い高調波電流が低減する。また、単相セルインバータ内に設けた平滑コンデンサの容量もしくは、多重変圧器のインピーダンスを調整することにより、平滑コンデンサの電圧リプルを低減することによって、電圧リプルが低減し、電圧リプルによる高調波電流成分が低減する。また、前記多重電力変換装置の出力をU、V、Wの3相とし、前記多重変圧器の二次巻線から前記単相セルインバータへの入力信号の位相差が、(U、V、W)、(W、U、V)又は(V、W、U)の順で20/n度ずつ遅れるか、進んでいることを特徴とする。
The secondary current of the multiplex transformer includes a harmonic current generated by the single-phase cell inverter, and this harmonic current has a component due to voltage ripple and a component independent of voltage ripple.
Since the phase difference between m × n single-phase cell inverters corresponding to all m phases is 60 / (m × n) degrees, it is a component that does not depend on voltage ripple, and (6n−1), ( 6n + 1) Harmonic current lower than the order is reduced. Also, by adjusting the capacitance of the smoothing capacitor provided in the single-phase cell inverter or the impedance of the multiple transformer, the voltage ripple of the smoothing capacitor is reduced, thereby reducing the voltage ripple, and the harmonic current due to the voltage ripple. Ingredients are reduced. Further, the output of the multiple power conversion device is set to three phases U, V, and W, and the phase difference of the input signal from the secondary winding of the multiple transformer to the single-phase cell inverter is (U, V, W). ), (W, U, V) or (V, W, U) in the order of 20 / n degrees or advanced.
本発明によれば、より低次の高調波電流を低減することができる。 According to the present invention, lower harmonic currents can be reduced.
(第1実施形態)
本実施形態の多重電力変換装置は、n=2の2段多重方式を採用する。
図1において、多重電力変換装置100は、m=3の三相の商用電源1に接続された多重変圧器20と、多重変圧器20に接続された6個の単相セルインバータ3a,3b,3c,3d,3e,3fとを備え、出力が直列接続された2つの単相セルインバータ3aと3b,3cと3d,3eと3fを3相接続して電動機4に接続している。なお、出力が直列接続された2段の単相セルインバータ3a,3bは、多重電力変換器を構成し、単相セルインバータ3c,3d及び単相セルインバータ3e,3fも同様に多重電力変換器を構成する。すなわち、多重電力変換装置100は、多重変圧器20と、出力が3相接続された3組の多重電力変換器とを備えている。なお、図1において、多重電力変換装置100は、中性点Pを設けて三相Y結線により電動機4に接続されているが、Δ結線により接続してもよい。
(First embodiment)
The multiple power conversion apparatus of this embodiment employs a two-stage multiplexing system with n = 2.
In FIG. 1, a multiplex
多重変圧器20は、Y結線された一次巻線と6個の三相の二次巻線とを備え、三相電力を6つの二次巻線に分配する。また、二次巻線は、U、V、W相において同相の単相セルインバータ(3aと3b、3cと3d、3eと3f)間では60/n=30度ずつの位相差を保ち、各相の同一段の多重電力変換器は60/6=10度ずつの位相差を保っている。すなわち、全相について対応する計6(=3相×n)個の単相セルインバータ間では60/6=10度ずつの位相差を保っている。例えば、多重変圧器20の二次巻線の位相は、各々、0度(U相3a)、−30度(U相3b)、10度(V相3c)、−20度(V相3d)、20度(W相3e)、−10度(W相3f)となるように調節されている。この場合U→V→Wの順で、位相が10度ずつ進んでいる(0度→10度→20度及び−30度→−20度→−10度)。
The multiple transformer 20 includes a Y-connected primary winding and six three-phase secondary windings, and distributes the three-phase power to the six secondary windings. In addition, the secondary winding maintains a phase difference of 60 / n = 30 degrees between single-phase cell inverters (3a and 3b, 3c and 3d, 3e and 3f) in the U, V, and W phases, Multiple power converters in the same stage of the phase maintain a phase difference of 60/6 = 10 degrees. That is, a phase difference of 60/6 = 10 degrees is maintained between a total of 6 (= 3 phases × n) single-phase cell inverters corresponding to all phases. For example, the phases of the secondary windings of the multiple transformer 20 are 0 degree (U phase 3a), -30 degrees (
ここで、二次巻線は、同相の単相セルインバータ間が絶縁され、各相毎にスター千鳥結線又はデルタ千鳥結線を用いて、位相角を持たせている。ここで、千鳥結線とは、各相に複数の巻線を設け、他相の巻線に渡るようにする結線である。なお、図1ではスター千鳥結線やデルタ千鳥結線を記載しているが、所定の位相をずらす際、スター千鳥でもデルタ千鳥でも可能な場合は、何れを用いても結果は同等である。例えば、10度遅れの場合、スター千鳥結線を用いてスター結線から10度遅らせてもよく、デルタ千鳥結線を用いてデルタ結線から20度進めてもよい。 Here, in the secondary winding, the single-phase cell inverters of the same phase are insulated from each other, and each phase has a phase angle using a star staggered connection or a delta staggered connection. Here, the staggered connection is a connection in which a plurality of windings are provided in each phase and the windings are crossed over the windings of the other phases. In FIG. 1, the star zigzag connection or the delta zigzag connection is shown. However, when the predetermined phase is shifted, the result is the same regardless of whether the star zigzag connection or the delta zigzag connection is possible. For example, when the delay is 10 degrees, the star staggered connection may be used to delay 10 degrees from the star connection, and the delta staggered connection may be used to advance 20 degrees from the delta connection.
多重変圧器20の各相n(=2)個の交流出力は単相セルインバータ3a,3b(U相出力用)、3c,3d(V相出力用)、3e,3f(W相出力用)に入力される。単相セルインバータ3a,3b,3c,3d,3e,3fは、ダイオード整流部301aと平滑コンデンサ部302aと、スイッチング素子によるインバータ部303aとを備え、3相交流電力を任意の振幅、周波数の単相交流電力に変換する。すなわち、単相セルインバータ3a,3b,3c,3d,3e,3fは、三相ブリッジにより構成されるダイオード整流部301aが三相交流電力を直流電力に変換し、この直流電力は平滑コンデンサ部302aにより平滑され、インバータ部303aに入力される。なお、平滑コンデンサ部302aのリプル電圧は商用電源1の電源周波数の2倍の周波数を備えている。
The n (= 2) AC outputs of each phase of the multiplex transformer 20 are the single-
さらに、インバータ部303aは、直列接続されたスイッチング素子S1,S2と、スイッチング素子S3,S4とが並列接続されており、スイッチング素子S1,S4がON状態にされ、スイッチング素子S2,S3がOFF状態にされる第1の状態と、スイッチング素子S2,S3がON状態にされ、スイッチング素子S1,S4がOFF状態にされる第2の状態とで、出力電圧の極性が反転する。また、インバータ部303aは、スイッチング素子S1,S2,S3,S4のすべてがOFF状態にされることもあり、電動機4に流れる電動機電流の導通角が制御され、電動機4に印加される平均電圧が変化する。また、スイッチング周波数が変化することにより、電動機4の回転速度が変化する。
Further, in the
また、直列接続された単相セルインバータ3aのスイッチング素子S1,S2,S3,S4と、単相セルインバータ3bのスイッチング素子S1,S2,S3,S4とは、各々同時にON−OFF制御され、平滑コンデンサ部302aに充電された直流電圧の2倍の電圧を出力する。すなわち、3つの多重電力変換器は、出力が三相Y結線されることによって、多重変圧器20の出力電圧の2倍の電圧で電動機4を駆動する。なお、スイッチング素子S1,S2,S3,S4には、各々転流ダイオードが接続され、電動機4の内部インダクタンスによる逆起電力を転流する。なお、図1において、スイッチング素子S1,S2,S3,S4は、IGBTを使用しているが、FETでもよく、pch−FETとnch−FETとを組み合わせれば、容易に反転器を構成することができる。
Further, the switching elements S1, S2, S3, and S4 of the single-phase cell inverter 3a connected in series and the switching elements S1, S2, S3, and S4 of the single-
次に、本実施形態の効果を示すために、多重変圧器の出力電圧の相間に位相のずれがない例について説明する。図2は2段多重の比較例の構成図であり、この比較例は多重変圧器2の二次巻線がU、V、W相共にスター結線とデルタ結線で接続され、単相セルインバータ3aから3fへ入力される位相は、0度、−30度(U相)、0度、−30度(V相)、0度、−30度(W相)であり、相間に位相差が存在しない。なお、正の数値が大きいほど進み位相であることを示す。同様にn=3の場合、各相は3個の単相セルインバータで構成され、多重変圧器の二次巻線の位相はU、V、W相共通で、例えば0度、−20度、−40度ずつずらされる。また、n=4の場合、各相は4個の単相セルインバータで構成され、多重変圧器の二次巻線の位相はU、V、W相共通で、例えば0度、−15度、−30度、−45度ずつずらされる。
Next, in order to show the effect of this embodiment, an example in which there is no phase shift between the phases of the output voltage of the multiple transformer will be described. FIG. 2 is a block diagram of a comparative example of two-stage multiplex. In this comparative example, the secondary windings of the
次に、本実施形態と比較例とを比較して、高調波低減効果を説明する。平滑コンデンサ部302aのコンデンサ電圧Vdcはリプル成分を含んでおり、このコンデンサ電圧Vdcは、直流電圧VDCとVdcリプル(インバータ出力周波数の2倍)とに分けられる。また、多重変圧器2の二次電流は、インバータ部303aのスイッチングによる高調波電流成分を含んでいる。言い換えれば、直流電圧VDCによる高調波電流、すなわちVdcリプルに依らない高調波電流が流れ、Vdcリプルに依る高調波電流が流れる。
Next, the harmonic reduction effect will be described by comparing the present embodiment with a comparative example. The capacitor voltage Vdc of the smoothing
まず、比較例のような各相間に位相のずれがない場合について、多重変圧器2の二次電流が、平滑コンデンサ部302aのコンデンサ電圧Vdcのリプルに依らない電流成分とVdcリプルに依存する電流成分とに分けられ、各成分をU,V,W各相の和として(1)式、(2)式のように近似する。なお、Vdc直流成分はU,V,W各相の寄与を同位相成分に分けてモデル化している。
First, in the case where there is no phase shift between the phases as in the comparative example, the secondary current of the
Vdcリプルに依らないx次電流成分(比較例):ωx≡x次周波数
Ixs・{sin(ωx・t)+sin(ωx・t)+sin(ωx・t)}=3・Ixs・sin(ωx・t)(1)
Vdcリプルに依るx次電流成分(比較例):ωc≡Vdcリプル周波数=2×インバータ出力周波数
Ixr・{sin(ωc・t)・sin(ωx・t)+sin(ωc・t−2・120°)・sin(ωx・t)+sin(ωc・t+2・120°)・sin(ωx・t)}=0 (2)
すなわち、比較例では、Vdcリプルに依らない高調波電流成分が主として残留し、Vdcリプルに依る高調波電流成分は完全にキャンセルされる。
X-order current component not dependent on Vdc ripple (comparative example): ωx≡x-order frequency Ixs · {sin (ωx · t) + sin (ωx · t) + sin (ωx · t)} = 3 · Ixs · sin (ωx · t) (1)
X-order current component due to Vdc ripple (comparative example): ωc≡Vdc ripple frequency = 2 × inverter output frequency Ixr · {sin (ωc · t) · sin (ωx · t) + sin (ωc · t−2 · 120 ° ) ・ Sin (ωx ・ t) + sin (ωc ・ t + 2 ・ 120 °) ・ sin (ωx ・ t)} = 0 (2)
That is, in the comparative example, the harmonic current component that does not depend on the Vdc ripple mainly remains, and the harmonic current component that depends on the Vdc ripple is completely canceled.
次に、第1実施形態のように位相をずらした場合は、(1)式及び(2)式が(3)式及び(4)式のように書き換えられる。なお、式中の±のうち、符号+はU→V→Wの順で10度ずつ位相を進ませた場合を示し、符号−は逆に10度ずつ位相を遅らせた場合を示す。
Vdcリプルに依らないx次電流成分:
Ixs・{sin(ωx・t)+sin(ωx・t±x・10°)+sin(ωx・t±x・20°)}(3)
Vdcリプルに依るx次電流成分:
Ixr・{sin(ωc・t)・sin(ωx・t)+sin(ωc・t−2・120°)・sin(ωx・t±x・10°)+ sin(ωc・t+2・120°)・sin(ωx・t±x・20°)} (4)
Next, when the phase is shifted as in the first embodiment, equations (1) and (2) are rewritten as equations (3) and (4). Of the ± in the equation, the sign + indicates the case where the phase is advanced by 10 degrees in the order of U → V → W, and the sign − indicates the case where the phase is delayed by 10 degrees.
X-order current component independent of Vdc ripple:
Ixs · {sin (ωx · t) + sin (ωx · t ± x · 10 °) + sin (ωx · t ± x · 20 °)} (3)
X-order current component due to Vdc ripple:
Ixr · {sin (ωc · t) · sin (ωx · t) + sin (ωc · t-2 · 120 °) · sin (ωx · t ± x · 10 °) + sin (ωc · t + 2 · 120 °) · sin (ωx · t ± x · 20 °)} (4)
なお、(4)式の第1項〜第3項については、各々(5)式〜(7)式のように書き換えられる。
sin(ωc・t)・sin(ωx・t)=1/2・{cos(ωx−ωc)・t−cos(ωx+ωc)・t} (5)
sin(ωc・t−2・120°)・sin(ωx・t±x・10°)=1/2・[cos{(ωx-ωc)・t±x・10°+240°}−cos{(ωx+ωc)・t±x・10°−240°}] (6)
sin(ωc・t+2・120°)・sin(ωx・t±x・20°)=1/2・[cos{(ωx-ωc)・t±x・20°−240°}−cos{(ωx+ωc)・t±x・20°+240°}] (7)
以上により、各相の位相をずらすことで、Vdcリプルによるx次高調波はVdcリプル周波数ωcと高調波ωxによるビート成分(ωn±ωc)になる(シフトする)ことが判る。
Note that the first to third terms of the equation (4) are rewritten as the equations (5) to (7), respectively.
sin (ωc ・ t) ・ sin (ωx ・ t) = 1/2 ・ {cos (ωx−ωc) ・ t−cos (ωx + ωc) ・ t} (5)
sin (ωc · t−2 · 120 °) · sin (ωx · t ± x · 10 °) = 1/2 · [cos {(ωx-ωc) · t ± x · 10 ° + 240 °} −cos {( ωx + ωc) ・ t ± x ・ 10 ° -240 °}] (6)
sin (ωc ・ t + 2 ・ 120 °) ・ sin (ωx ・ t ± x ・ 20 °) = 1/2 ・ [cos {(ωx-ωc) ・ t ± x ・ 20 ° −240 °} −cos { (ωx + ωc) ・ t ± x ・ 20 ° + 240 °}] (7)
From the above, it can be seen that by shifting the phase of each phase, the x-order harmonic due to the Vdc ripple becomes (shifts) the beat component (ωn ± ωc) due to the Vdc ripple frequency ωc and the harmonic ωx.
更に、第1実施形態の具体的な値として、インバータ出力周波数を電源周波数と同じ50Hz(すなわち、ωc=2π×100Hz)として、x(=9,11,13,15)次高調波成分の大きさを各々(8)式〜(13)式のように求める。なお、U→V→Wの順で10度ずつ位相を進ませた場合とする。 Further, as a specific value of the first embodiment, the inverter output frequency is 50 Hz which is the same as the power supply frequency (that is, ωc = 2π × 100 Hz), and the magnitude of the x (= 9, 11, 13, 15) order harmonic component. Are obtained as shown in equations (8) to (13). It is assumed that the phase is advanced by 10 degrees in the order of U → V → W.
○9次高調波
Vdcリプル成分;x(=11次)−Vdcリプル(2次):
1/2・I11r・{cos(ω9・t)+cos(ω9・t+110°+240°)+cos(ω9・t+220°−240°)}
=1/2・I11r・{2.92・cos(ω9・t)+0.51・sin(ω9・t)}
=1.48・I11r・sin(ω9・t+80.1°) (8)
Vdc直流成分;x=9次: なし
○ 9th harmonic Vdc ripple component; x (= 11th order) -Vdc ripple (secondary):
1/2 ・ I11r ・ {cos (ω9 ・ t) + cos (ω9 ・ t + 110 ° + 240 °) + cos (ω9 ・ t + 220 ° −240 °)}
= 1/2 ・ I11r ・ {2.92 ・ cos (ω9 ・ t) +0.51 ・ sin (ω9 ・ t)}
= 1.48 ・ I11r ・ sin (ω9 ・ t + 80.1 °) (8)
Vdc DC component; x = 9th order: None
○11次高調波
Vdcリプル成分;x(=13次)−Vdcリプル(2次):
1/2・I13r・{cos(ω11・t)+cos(ω11・t+130°+240°)+cos(ω11・t+260°−240°)}
=1/2・I13r・{2.92・cos(ω11・t)+0.51・sin(ω11・t)}
=1.48・I13r・sin(ω11・t+80.1°) (9)
Vdc直流成分;x=11次:
I11s・{sin(ω11・t)+sin(ω11・t+110°)+sin(ω11・t+220°)}
=I11s・{0.3・cos(ω11・t)−0.11・sin(ω11・t)}
=0.32・I11s・sin(ω11・t−69.9°) (10)
○ 11th harmonic Vdc ripple component; x (= 13th order) -Vdc ripple (secondary):
1/2 ・ I13r ・ {cos (ω11 ・ t) + cos (ω11 ・ t + 130 ° + 240 °) + cos (ω11 ・ t + 260 ° −240 °)}
= 1/2 · I13r · {2.92 · cos (ω11 · t) + 0.51 · sin (ω11 · t)}
= 1.48 ・ I13r ・ sin (ω11 ・ t + 80.1 °) (9)
Vdc DC component; x = 11th order:
I11s · {sin (ω11 · t) + sin (ω11 · t + 110 °) + sin (ω11 · t + 220 °)}
= I11s ・ {0.3 ・ cos (ω11 ・ t) −0.11 ・ sin (ω11 ・ t)}
= 0.32 ・ I11s ・ sin (ω11 ・ t−69.9 °) (10)
○13次高調波
Vdcリプル成分;x(=11次)+Vdcリプル(2次):
1/2・I11r・{−cos(ω13・t)−cos(ω13・t+110°−240°)−cos(ω13・t+220°+240°)}
=1/2・I11r・{−0.19・cos(ω13・t)+0.21・sin(ω13・t)}
=0.14・I11r・sin(ω13・t−42.1°) (11)
Vdc直流成分;x=13次:
I13s・{sin(ω13・t)+ sin(ω13・t+130°)+ sin(ω13・t+260°)}
=I13s・{−0.21・cos(ω13・t)+0.19・sin(ω13・t)}
=0.28・I13s・sin(ω13・t−47.9°) (12)
○ 13th harmonic Vdc ripple component; x (= 11th order) + Vdc ripple (secondary):
1/2 ・ I11r ・ {−cos (ω13 ・ t) −cos (ω13 ・ t + 110 ° −240 °) −cos (ω13 ・ t + 220 ° + 240 °)}
= 1/2 ・ I11r ・ {−0.19 ・ cos (ω13 ・ t) +0.21 ・ sin (ω13 ・ t)}
= 0.14 ・ I11r ・ sin (ω13 ・ t−42.1 °) (11)
Vdc DC component; x = 13th order:
I13s · {sin (ω13 · t) + sin (ω13 · t + 130 °) + sin (ω13 · t + 260 °)}
= I13s ・ {−0.21 ・ cos (ω13 ・ t) +0.19 ・ sin (ω13 ・ t)}
= 0.28 ・ I13s ・ sin (ω13 ・ t−47.9 °) (12)
○15次高調波
Vdcリプル成分;x(=13次)+Vdcリプル(2次):
1/2・I13r・{−cos(ω15・t)−cos(ω15・t+130°−240°)−cos(ω15・t+260°+240°)}
=1/2・I13r・{0.11・cos(ω15・t)−0.3・sin(ω15・t)}
=0.16・I13r・sin(ω15・t−20.1°) (13)
Vdc直流成分;x=15次: なし
○ 15th harmonic Vdc ripple component; x (= 13th order) + Vdc ripple (secondary):
1/2 ・ I13r ・ {−cos (ω15 ・ t) −cos (ω15 ・ t + 130 ° −240 °) −cos (ω15 ・ t + 260 ° + 240 °)}
= 1/2 ・ I13r ・ {0.11 ・ cos (ω15 ・ t) −0.3 ・ sin (ω15 ・ t)}
= 0.16 ・ I13r ・ sin (ω15 ・ t−20.1 °) (13)
Vdc DC component; x = 15th order: None
以上の計算より、比較例の直流電圧VDCによる11次、13次高調波振幅が3I11s、3I13sであるのに対し、本実施形態の11次、13次高調波振幅は0.3I11s、0.3I13s程度となり、高調波振幅が約1/10に低下する。代わりに、Vdcリプル成分により、9次,11次の高調波振幅が増加する。しかし、これらは、単相セルインバータの平滑コンデンサ容量を増加することで、Vdcリプルによる高調波振幅を低減することが可能である。また、多重変圧器のインピーダンスを上げることで高調波成分を低減することも可能である。なお、比較例においては、直流電圧VDCによる高調波電流成分が主であったため、平滑コンデンサ容量を調整するなどしてVdcリプルを低減しても、高調波を十分低減することはできなかった。
すなわち、本実施形態によれば、多重変圧器2の二次巻線の位相を同じ大きさでずらすことにより、(6n±1)より小さい高調波を低減する比較例に比べ、より高次の高調波までを低減することができる。これにより、段数の少ない多重電力変換装置100であっても、高調波電流を十分に低減することが可能である。
From the above calculation, the 11th and 13th harmonic amplitudes by the DC voltage VDC of the comparative example are 3I11s and 3I13s, whereas the 11th and 13th harmonic amplitudes of this embodiment are about 0.3I11s and 0.3I13s. The harmonic amplitude drops to about 1/10. Instead, the 9th and 11th harmonic amplitudes increase due to the Vdc ripple component. However, they can reduce the harmonic amplitude due to the Vdc ripple by increasing the smoothing capacitor capacity of the single-phase cell inverter. It is also possible to reduce harmonic components by increasing the impedance of the multiple transformer. In the comparative example, the harmonic current component due to the DC voltage VDC was mainly used. Therefore, even if the Vdc ripple was reduced by adjusting the smoothing capacitor capacity, the harmonics could not be sufficiently reduced.
That is, according to the present embodiment, by shifting the phase of the secondary winding of the
図3、図4にシミュレーション結果を示す。図3では図2で示した比較例と図1に示した本実施形態(n=2)におけるシミュレーション結果として、電源電流(A)の電流波形とFFT(高速フーリエ変換)解析結果とを示す。図3(a)は比較例の電流波形であり、図3(c)は本実施形態の電流波形であり、本実施形態の方が波形歪みが少ない。また、図3(b)は比較例のFFT解析結果を示し、図3(d)は本実施形態のFFT解析結果を示す。基本波50Hzに対して、比較例では12パルスダイオード/サイリスタ整流器と同等の11次、13次高調波、(6n±1)次の高調波が多く発生している。これに対して、本実施形態では、9次、11次の高調波が発生しているが、比較例よりも大きく低減できている。 3 and 4 show the simulation results. FIG. 3 shows the current waveform of the power source current (A) and the FFT (Fast Fourier Transform) analysis result as simulation results in the comparative example shown in FIG. 2 and the present embodiment (n = 2) shown in FIG. FIG. 3A shows the current waveform of the comparative example, and FIG. 3C shows the current waveform of the present embodiment. This embodiment has less waveform distortion. FIG. 3B shows the FFT analysis result of the comparative example, and FIG. 3D shows the FFT analysis result of the present embodiment. In contrast to the fundamental wave of 50 Hz, in the comparative example, many 11th-order, 13th-order harmonics and (6n ± 1) -order harmonics equivalent to those of the 12-pulse diode / thyristor rectifier are generated. On the other hand, in the present embodiment, the ninth and eleventh harmonics are generated, but can be reduced more greatly than in the comparative example.
また、図4は、それらの各高調波成分の割合(%)を示す。白抜き棒が比較例を示し、斜線の棒が第1実施形態を示している。なお、9次、11次の高調波振幅は、平滑コンデンサ部302aのコンデンサ容量や、多重変圧器20のインピーダンスを増加させることによっても低減することができる。
Moreover, FIG. 4 shows the ratio (%) of each of those harmonic components. A white bar indicates a comparative example, and a hatched bar indicates the first embodiment. Note that the ninth and eleventh harmonic amplitudes can also be reduced by increasing the capacitor capacity of the smoothing
また、多重変圧器20の二次巻線を調整し、例えば、U、V、W相に対する各相2つずつの単相セルインバータ3a〜3fへの入力位相を、各々、0度、−30度(U相)、10度、−20度(V相)、−10度、−40度(W相)のようにW、U、Vの順で位相を10(=30/n)度ずつ進めたり、又は、0度、−30度(U相)、−20度、−50度(V相)、−10度、−40度(W相)のようにV、W、Uの順で位相を10(=30/n)度ずつ進めたりすることでも、同等の効果を得ることができる。 Further, the secondary winding of the multiple transformer 20 is adjusted, for example, the input phases to the single-phase cell inverters 3a to 3f of each of the two phases for the U, V, and W phases are set to 0 degrees and −30, respectively. Degree (U phase), 10 degrees, -20 degrees (V phase), -10 degrees, -40 degrees (W phase), W (U phase), 10 (= 30 / n) degrees in order of V Or V, W, U in order of 0 degree, -30 degree (U phase), -20 degree, -50 degree (V phase), -10 degree, -40 degree (W phase) The same effect can be obtained by advancing the phase by 10 (= 30 / n) degrees.
また、本実施形態の多重電力変換装置は、同相の単相セルインバータ(3aと3b、3cと3d、3eと3f)への入力位相差を60/n=30度ずつずらし、全相について対応する計6(=3相×n)個の単相セルインバータでは60/3n=10度ずつの位相差を相対的に保持していればよく、位相の絶対値には無関係である。例えば、各々の単相セルインバータ(3aと3b、3cと3d、3eと3f)の位相が、15度,−15度(U相)、25度,−5度(V相)、5度,−25度(W相)でも同様の効果を得る。 In addition, the multiple power conversion device of the present embodiment shifts the input phase difference to the in-phase single-phase cell inverters (3a and 3b, 3c and 3d, 3e and 3f) by 60 / n = 30 degrees, and supports all phases. A total of 6 (= 3 phases × n) single-phase cell inverters need only hold relative phase differences of 60 / 3n = 10 degrees, and is irrelevant to the absolute value of the phase. For example, the phase of each single-phase cell inverter (3a and 3b, 3c and 3d, 3e and 3f) is 15 degrees, -15 degrees (U phase), 25 degrees, -5 degrees (V phase), 5 degrees, The same effect is obtained even at −25 degrees (W phase).
また、図1に示したダイオード整流部301aは、ダイオードブリッジの代わりに、サイリスタ等の半導体スイッチング素子を用いて、コンバータに置換して構成することができる。この置換は各単相インバータ3a〜3fのすべてのダイオード整流部に対して行う。以上より、本実施形態では、比較例よりも電源高調波を大幅に低減することができる。
Further, the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について、第1実施形態と異なる点について説明する。第1実施形態では、U、V、W相の順で位相が10度ずつ進んでいるのに対し、第2実施形態では、10度ずつ遅れている。これにより、計算式は示していないが、第1実施形態と同様に、直流電圧VDCに起因する11次、13次高調波成分が低減し、Vdcリプルによる高調波成分として、第2実施形態では13次、15次の成分が発生する。
(Second Embodiment)
Next, a difference between the second embodiment of the present invention and the first embodiment will be described. In the first embodiment, the phase advances by 10 degrees in the order of the U, V, and W phases, whereas in the second embodiment, the phase is delayed by 10 degrees. Thereby, although the calculation formula is not shown, the 11th and 13th harmonic components due to the DC voltage VDC are reduced as in the first embodiment, and the harmonic components due to the Vdc ripple are reduced in the second embodiment. 13th and 15th order components are generated.
図5の多重電力変換装置110は、多重変圧器21の二次巻線位相を調整し、U、V、W相において同相の単相セルインバータ(3aと3b、3cと3d、3eと3f)間では60/n=30度ずつ、全相について対応する計6(=3相×n)個の単相セルインバータでは60/3n=10度ずつの位相差を持たせている点で第1実施形態と同様である。しかしながら、多重変圧器21の二次巻線は、0度(U相3a)、−30度(U相3b)、−10度(V相3c)、−40度(V相3d)、−20度(W相3e)、−50度(W相3f)となるように位相を遅らしている点で第1実施形態と異なる。なお、第1実施形態と同様に、平滑コンデンサ容量の増加などによりVdcリプルを低減することで、高調波振幅が低下する。
The multiple power converter 110 of FIG. 5 adjusts the secondary winding phase of the multiple transformer 21, and in-phase single-phase cell inverters (3a and 3b, 3c and 3d, 3e and 3f) in the U, V, and W phases. 60 / n = 30 degrees between them, and a total of 6 (= 3 phases × n) single-phase cell inverters corresponding to all phases has a phase difference of 60 / 3n = 10 degrees. This is the same as the embodiment. However, the secondary windings of the multiple transformer 21 are 0 degrees (U phase 3a), -30 degrees (
また、図5とは別に、多重変圧器21の二次巻線を調整し、例えば、U、V、W相に対する各2つの単相セルインバータ3a〜3fへの入力位相が、各々、0度,−30度(U相)、−10度,−40度(V相)、10度,−20度(W相)となるように、W、U、Vの順で位相を10度ずつ遅らせたり、又は、0度,−30度(U相)、20度,−10度(V相)、10度,−20度(W相)のようにV、W、Uの順で位相を10度ずつ遅らせたりすることでも、図5の場合と同等の効果を得ることができる。また、これらは第1実施形態と同様、同相の単相セルインバータ(3aと3b、3cと3d、3eと3f)への入力位相差が60/n=30度ずつずれ、全相について対応する計6(=3相×n)個の単相セルインバータでは60/3n=10度ずつの位相差を相対的に保持していればよく、位相の絶対値には無関係である。また、第1実施形態の記載と同様に、デルタ千鳥とスター千鳥の何れを用いても、所定の位相をずらすことが可能であれば等価である。
以上より、本実施形態では、多重変圧器を用いた多重電力変換装置は、比較例よりも電源高調波を大幅に低減できる効果がある。
Further, separately from FIG. 5, the secondary winding of the multiple transformer 21 is adjusted so that, for example, the input phases to the two single-phase cell inverters 3a to 3f for the U, V, and W phases are 0 degrees each. , -30 degrees (U phase), -10 degrees, -40 degrees (V phase), 10 degrees, and -20 degrees (W phase), the phase is delayed by 10 degrees in the order of W, U, V. Or 10 degrees in the order of V, W, U, such as 0 degree, −30 degrees (U phase), 20 degrees, −10 degrees (V phase), 10 degrees, −20 degrees (W phase). The same effect as in the case of FIG. 5 can also be obtained by delaying by degrees. Further, as in the first embodiment, the input phase differences to the single-phase cell inverters (3a and 3b, 3c and 3d, 3e and 3f) of the same phase are shifted by 60 / n = 30 degrees, corresponding to all phases. A total of 6 (= 3 phases × n) single-phase cell inverters only need to hold a phase difference of 60 / 3n = 10 degrees, and is independent of the absolute value of the phase. Similarly to the description of the first embodiment, any one of the delta zigzag and the star zigzag is equivalent if the predetermined phase can be shifted.
From the above, in this embodiment, the multiple power conversion device using multiple transformers has the effect of significantly reducing power supply harmonics compared to the comparative example.
(第3実施形態)
第1実施形態は、各相について単相セルインバータを2個直列に接続するn=2の場合について説明したが、各相について単相セルインバータを4個直列に接続することができる。図6において、本発明の第3実施形態である多重電力変換装置120は、U、V、Wの各相に対し、各々n=4つの単相セルインバータ31a〜31Lを多重接続している。多重変圧器22は、各単相インバータへの入力位相が、各々、0度,−15度,−30度,−45度(U相)、−5度,−20度,−35度,−50度(V相)、−10度,−25度,−40度,−55度(W相)となるように二次巻線位相を調節している。
(Third embodiment)
Although 1st Embodiment demonstrated the case where n = 2 which connected two single phase cell inverters in series about each phase, it can connect four single phase cell inverters in series about each phase. In FIG. 6, the multiple power conversion device 120 according to the third embodiment of the present invention has n = 4 single-phase cell inverters 31a to 31L connected to each of U, V, and W phases. In the multi-transformer 22, the input phase to each single-phase inverter is 0 degree, -15 degree, -30 degree, -45 degree (U phase), -5 degree, -20 degree, -35 degree,- The secondary winding phase is adjusted to 50 degrees (V phase), -10 degrees, -25 degrees, -40 degrees, and -55 degrees (W phase).
なお、図6以外であっても、各相4つの単相セルインバータ(31a〜31d、31e〜31h、31i〜31L)への入力が各々60/n=15度ずつ遅れるか進むかの位相差を持ち、全相について対応する計12(=3相×n)個の単相セルインバータでは60/3n=5度ずつの位相差を保てばよい。これにより、第1実施形態と同様、比較例であって24パルス整流相当の構成では低減することができなかった、23次,25次の高調波振幅を低減することができる。 In addition, even if it is other than FIG. 6, the phase difference whether the input to the four single-phase cell inverters (31a to 31d, 31e to 31h, 31i to 31L) of each phase is delayed or advanced by 60 / n = 15 degrees respectively. In a total of 12 (= 3 phases × n) single-phase cell inverters corresponding to all phases, it is only necessary to maintain a phase difference of 60 / 3n = 5 degrees. As a result, as in the first embodiment, the 23rd and 25th harmonic amplitudes, which were comparative examples and could not be reduced by the configuration corresponding to 24 pulse rectification, can be reduced.
また、図示しないが、n=3でも同様であり、各相n段、m相出力のケースであれば、各相n個の単相セルインバータ間の入力位相が各々60/n度ずつ、全相について対応する計n×m個の単相セルインバータ間では60/(m×n)度ずつの位相差を保つことで、比較例よりも高調波を低減することができる。また、多重電力変換装置の出力電圧を線間電圧で3kV以上とすることで、高圧の電動機を駆動することができる。 Although not shown, the same applies to n = 3. In the case of n stages for each phase and m phase output, the input phases between n single-phase cell inverters for each phase are 60 / n degrees each. By maintaining a phase difference of 60 / (m × n) degrees between a total of n × m single-phase cell inverters corresponding to the phases, higher harmonics can be reduced than in the comparative example. Moreover, a high voltage | pressure motor can be driven by making the output voltage of a multiplex power converter device into 3 kV or more by a line voltage.
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態について、第1実施形態から第3実施形態までと異なる点について説明する。本実施形態では、3相出力の電力変換装置において、各相n個の単相セルインバータを多重接続する。一の相をU相とし、U相に対して出力が120度遅れた相をV相とし、120度進んだ相をW相とした場合、多重変圧器の一次巻線から二次巻線への位相差が、(U、V、W)、(W、U、V)、又は(V、W、U)の順で20/n度ずつ進むか、又は遅れ、それから更にV相に対する二次巻線位相は120度遅れ、W相に対する二次巻線位相は120度進んだ位相となるように多重変圧器の二次位相を調節する。例えば、n=2の場合、0度,−30度(U相)、−110(=10−120)度,−140(=−20−120)度(V相)、140(=20+120)度,110(=−10+120)度(W相)とする。本実施形態では、各相の位相差(120度)を考慮して多重変圧器の二次位相を調整することで、Vdcリプルの位相を合わせる。第4実施形態では、第1実施形態と同様に、直流電圧VDCによる高調波振幅を低減する効果がある。
(Fourth embodiment)
Next, differences of the fourth embodiment of the present invention from the first embodiment to the third embodiment will be described. In this embodiment, n single-phase cell inverters for each phase are multiple-connected in a three-phase output power converter. When one phase is a U phase, a phase whose output is delayed by 120 degrees relative to the U phase is a V phase, and a phase advanced by 120 degrees is a W phase, from the primary winding to the secondary winding of the multiple transformer Phase difference of (U, V, W), (W, U, V), or (V, W, U) in the order of 20 / n degrees or delayed, and then further secondary to V phase The secondary phase of the multi-transformer is adjusted so that the winding phase is delayed by 120 degrees and the secondary winding phase with respect to the W phase is a phase advanced by 120 degrees. For example, when n = 2, 0 degrees, −30 degrees (U phase), −110 (= 10−120) degrees, −140 (= −20−120) degrees (V phase), 140 (= 20 + 120) degrees , 110 (= −10 + 120) degrees (W phase). In the present embodiment, the phase of the Vdc ripple is adjusted by adjusting the secondary phase of the multiple transformer in consideration of the phase difference (120 degrees) of each phase. The fourth embodiment has an effect of reducing the harmonic amplitude due to the DC voltage VDC, as in the first embodiment.
1 商用電源
2,20,21,22,23 多重変圧器、
3a,3b,3c,3d,3e,3f,31a,31b,31c,31d,31e,31f,31g,31h,31i,31j,31k,31L 単相セルインバータ
4 電動機
100,105,110,120 多重電力変換装置
301a ダイオード整流部
302a 平滑コンデンサ部
303a インバータ部
P 中性点
1
3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 31a, 31b, 31c, 31d, 31e, 31f, 31g, 31h, 31i, 31j, 31k, 31L Single-
Claims (6)
前記多重変圧器の二次巻線は、同相出力に対応するn段の前記単相セルインバータ間では60/n度ずつの位相差を持ち、m相に対応する(m×n)個の単相セルインバータ間の位相差が60/(m×n)度ずつあることを特徴とする多重電力変換装置。 When n and m are natural numbers, a multiple transformer that distributes m-phase AC power input to the primary winding to (m × n) secondary windings and m sets of multiple power converters The multiplex power converter includes a plurality of n-phase cell inverters that are connected in series to convert AC power distributed to the secondary windings into variable voltage or variable frequency AC power. In the power converter,
The secondary winding of the multiple transformer has a phase difference of 60 / n degrees between the n-stage single-phase cell inverters corresponding to the common-phase output, and (m × n) single-phase cells corresponding to the m-phase. A multiple power conversion device characterized in that a phase difference between phase cell inverters is 60 / (m × n) degrees.
前記多重変圧器の二次巻線は、同相出力に対応するn段の前記単相セルインバータ間では60/n度ずつの位相差を持ち、同一段に対応する単相セルインバータの相間の位相差が60/(m×n)度ずつあることを特徴とする多重電力変換装置。 When n and m are natural numbers, a multiple transformer that distributes m-phase AC power input to the primary winding to (m × n) secondary windings and m sets of multiple power converters The multiplex power converter includes a plurality of n-phase cell inverters that are connected in series to convert AC power distributed to the secondary windings into variable voltage or variable frequency AC power. In the power converter,
The secondary winding of the multiple transformer has a phase difference of 60 / n degrees between the n-stage single-phase cell inverters corresponding to the common-phase output, and the phase between the phases of the single-phase cell inverter corresponding to the same stage. A multiple power conversion device, wherein the phase difference is 60 / (m × n) degrees.
前記多重変圧器の二次巻線の位相差が、(U、V、W)、(W、U、V)、又は(V、W、U)の順で20/n度ずつ遅れ、あるいは進んでいることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の多重電力変換装置。 When m = 3 and the output of the multiple power converter is a three-phase output of U, V, and W,
The phase difference of the secondary winding of the multiple transformer is delayed or advanced by 20 / n degrees in the order of (U, V, W), (W, U, V), or (V, W, U). The multiple power conversion device according to claim 1 or 2, wherein
前記多重変圧器の二次巻線は、同相出力に対応する2個の前記単相セルインバータ間では30度の位相差を保ち、3相に対応する6個の単相セルインバータ間の位相差が10度であることを特徴とする多重電力変換装置。 A multiple transformer that distributes three-phase AC power input to the primary winding to six secondary windings, and three sets of multiple power converters, the multiple power converter including the secondary windings; In a multiple power conversion apparatus configured by connecting two single-phase cell inverters in series to convert AC power distributed to a line into variable voltage or AC power of variable frequency,
The secondary winding of the multiple transformer maintains a phase difference of 30 degrees between the two single-phase cell inverters corresponding to the in-phase output, and the phase difference between the six single-phase cell inverters corresponding to the three phases. Is a multiple power conversion device characterized by 10 degrees.
前記多重変圧器の二次巻線は、同相出力に対応するn個の前記単相セルインバータ間では60/n度ずつの位相差を備え、
前記3相負荷装置は、第一の相がU相であり、このU相に対して出力が120度遅れた相がV相であり、前記U相に対して120度進んだ相がW相であり、
前記多重変圧器は、一次巻線から二次巻線への位相差が、(U、V、W)、(W、U、V)又は(V、W、U)の順で20/n度ずつ進むか、又は遅れ、更にV相に対する二次 巻線位相は120度遅れ、W相に対する二次巻線位相は120度進んでいることを特徴とする多重電力変換装置。 When n is a natural number, it includes a multiple transformer that distributes three-phase AC power input to the primary winding to 3 × n secondary windings, and three sets of multiple power converters, The power converter is composed of n single-phase cell inverters that are connected in series to convert AC power distributed to the secondary windings into variable voltage or variable frequency AC power. In the multiple power conversion device that drives the three-phase load device with an output phase difference,
The secondary winding of the multiple transformer has a phase difference of 60 / n degrees between the n single-phase cell inverters corresponding to the common-phase output,
In the three-phase load device, the first phase is the U phase, the phase whose output is delayed by 120 degrees with respect to the U phase is the V phase, and the phase advanced by 120 degrees with respect to the U phase is the W phase. And
The multiple transformer has a phase difference from the primary winding to the secondary winding of 20 / n degrees in the order of (U, V, W), (W, U, V) or (V, W, U). A multiple power conversion device characterized in that it advances or delays step by step, the secondary winding phase with respect to the V phase is delayed by 120 degrees, and the secondary winding phase with respect to the W phase is advanced by 120 degrees.
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