マルチレベル高圧インバータの移相変圧器
【課題】マルチレベル高圧インバータの移相変圧器を提供する。
【解決手段】移相変圧器は、構造をモジュール化（ｍｏｄｕｌａｒ）し、機構設計上の自由度を提供し、全体システムの体積と重さを減少することができ、一つのモジュールが故障（ｆａｕｌｔ）状態になっても電動機の連続運転が可能である。
【解決手段】移相変圧器は、構造をモジュール化（ｍｏｄｕｌａｒ）し、機構設計上の自由度を提供し、全体システムの体積と重さを減少することができ、一つのモジュールが故障（ｆａｕｌｔ）状態になっても電動機の連続運転が可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移相変圧器に関し、より詳細にはマルチレベル方式の高圧インバータに使うための移相変圧器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、マルチレベル高圧インバータ（ｍｕｌｔｉ−ｌｅｖｅｌ ｍｅｄｉｕｍ−ｖｏｌｔａｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）は、入力される線間電圧の実効値が６００Ｖ以上のインバータであり、出力される相電圧（ｖｏｌｔａｇｅ）がマルチレベルである。このような高圧インバータは、数百ｋＷ〜数十ＭＷの容量を有する大容量の電動機を駆動するために使用され、ファン（ｆａｎ）、ポンプ（ｐｕｍｐ）、圧縮機（ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）、牽引（ｔｒａｃｔｉｏｎ）、昇降（ｈｏｉｓｔ）、コンベヤー（ｃｏｎｖｅｙｏｒ）のような分野で主に使われる。
【０００３】
一般的な高圧インバータは、電気的絶縁（ｇａｌｖａｎｉｃ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）を備えるため、高調波（ｈａｒｍｏｎｉｃ）を低減するため、及び各単位電力セル（ｐｏｗｅｒ ｃｅｌｌ ｕｎｉｔ）に入力電圧を供給するために、入力端において移相変圧器（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）が求められる。このような移相変圧器は、高圧マルチレベルインバータの単位部品の中で体積と重さを大多数占めるため、設計時に大変重要な要素である。
【０００４】
しかし、従来の移相変圧器は、通常一体型構造を有し、これによって設計面で自由度（ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ）がない問題があった。以下、従来の移相変圧器について説明する。
【０００５】
図１は、従来のマルチレベル方式の高圧インバータの構成図である。
【０００６】
図１に示したように、従来の高圧インバータ１１０は、線間電圧（ｌｉｎｅ−ｔｏ−ｌｉｎｅ ｖｏｌｔａｇｅ）の実効値（ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ）が６００Ｖ以上の電圧を出力する入力電源部１２０から入力電力を受け取り、これを変換して、負荷である三相の電動機１３０に出力する。
【０００７】
移相変圧器１１１の一次側巻線（ｐｒｉｍａｒｙ ｗｉｎｄｉｎｇ）は、三相ワイ（Ｙ）結線状で、二次側巻線（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｗｉｎｄｉｎｇ）は、一次側巻線対比−１５°、 ０°、１５°、３０°の位相差を有する巻線が各３個の合わせて１２個で構成される。二次側巻線の構造は、単位電力セル１１２の数によって決められる。
【０００８】
図１から電動機１３０の各相当たり二つの単位電力セルで構成されていることが分かる。即ち、Ａ１及びＡ２電力セル１１２ａ、１１２ｂの出力は、直列連結されて三相電動機１３０のａ相電圧を出力し、Ｂ１、Ｂ２電力セル１１２ｃ、１１２ｄは、ｂ相電圧を、Ｃ１、Ｃ２電力セル１１２ｅ、１１２ｆはｃ相電圧を出力する。
【０００９】
Ａ１、Ｂ１、Ｃ１電力セル１１２ａ、１１２ｃ、１１２ｅは、移相変圧器１１１の出力中、−１５°と０°の位相を有する出力と連結され、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２電力セル１１２ｂ、１１２ｄ、１１２ｆは、１５°と３０°の位相を有する出力と連結される。
【００１０】
図２は、図１の電力セルの構成図である。
【００１１】
図２に示したように、整流部２１０は、移相変圧器１１１から二つの三相電源の入力を受けて、これを直流に整流する。このために、二つのダイオード整流器を備える。整流部２１０の出力は、直列連結されたＤＣリンクキャパシターと連結されるが、直流部２２０の二つのＤＣリンクキャパシターは、各々同じキャパシタンスを有する。
【００１２】
インバータ部２３０は、直流部２２０の出力電圧を合成し、出力される線間電圧は５レベルとなる。
【００１３】
一方、図１の従来の高圧インバータは、図３のように構成可能である。図３は、図１の他の構成図であり、電力セル１１３の構成を除いて図１とその構成が同一である。
【００１４】
図３の電力セル１１３は、５レベルの出力電圧を合成することができる。Ｄ１電力セル１１３ａは、電動機１３０のａ相電圧を出力し、Ｅ１電力セル１１３ｂは、電動機１３０のｂ相電圧を出力し、Ｆ１電力セル１１３ｃは、電動機１３０のｃ相電圧を出力する。
【００１５】
図４は、図３の電力セルの構成図である。
【００１６】
図４に示したように、整流部４１０は、四つのダイオード整流器で構成され、インバータ部４３０の動作は図２と同じである。
【００１７】
但し、図２と図４の単位電力セルは、求められる出力に応じて用いられる電力素子の正格電圧（ｒａｔｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ）と正格電流（ｒａｔｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ）が異なることになる。
【００１８】
移相変圧器１１１の出力は、整流部４１０に入力され、整流部４１０の出力は、直流部４２０に反映される。
【００１９】
まず、図２のインバータ部２３０の動作について説明する。
【００２０】
図２のインバータ部２３０の一つのレッグ（ｌｅｇ）は、四つのスイッチ２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄが直列連結され、各スイッチの動作に応じて出力電圧が定義される。
【００２１】
２３０ａと２３０ｃのスイッチング動作は、相補的（ｃｏｍｐｌｉｍｅｎｔａｒｙ）であり、２３０ｂと２３０ｄのスイッチング動作も相補的である。従って、直列連結されている直流部２２０のＤＣリンクキャパシターの電圧を各々Ｅと定義すると、２３０ａ及び２３０ｂのスイッチがオン（ＯＮ）の場合、２３０ｃと２３０ｄのスイッチは、オフ（ＯＦＦ）となり、この時に出力される極電圧（ｐｏｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ）はＥとなる。また、２３０ａと２３０ｃがオンの場合、２３０ｂ、２３０ｄはオフとなり、この場合、極電圧は０となる。同様に、２３０ａ、２３０ｂが、オフの状態では、２３０ｃと２３０ｄのスイッチはオンとなり、この場合の極電圧は−Ｅが出力される。
【００２２】
このように定義される極電圧に応じて、図１の単位電力セル１１２が出力する線間電圧は、２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅの５レベルとなる。各電力セル１１２が出力する線間電圧が５レベルに定義されることによって、図１のＡ１、Ａ２電力セル１１２ａ、１１２ｂが合成できる電圧は、４Ｅ、３Ｅ、２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ、−３Ｅ、−４Ｅの９レベルとなって、電動機１３０で出力される線間電圧は、８Ｅ、７Ｅ、６Ｅ、５Ｅ、４Ｅ、３Ｅ、２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ、−３Ｅ、−４Ｅ、−５Ｅ、−６Ｅ、−７Ｅ、−８Ｅの１７レベルとなる。
【００２３】
図１及び図３の移相変圧器１１１の動作について説明する。
【００２４】
移相変圧器１１１は、入力される三相電源から各電力セル１１２、１１３に電気的に絶縁された三相電源を印加する。
【００２５】
移相変圧器１１１の一次側巻線は、ワイ（Ｙ）結線或いはデルタ(△)結線であり、二次側巻線は一次側から位相シフトされた電源を出力し、この時、単位電力セル１１２、１１３のニーズに合う適切な大きさを有するようにする。
【００２６】
移相変圧器１１１の二次側出力は、単位電力セル１１２、１１３の整流部２１０、４１０のダイオード整流器の数と同じで、次の数学式１のような関係を有する。
【数１】
【００２７】
【表１】
【００２８】
移相変圧器１１１の二次側巻線の位相シフト角は、次の数学式２から求められる。
【数２】
【００２９】
【表２】
【００３０】
このように決められた二次側巻線間の位相シフト角から各々の二次側巻線の出力電圧は、一次側入力電圧に対して位相が位相シフト角だけ変わったものである。
【００３１】
しかし、前記従来のマルチレベル高圧インバータは、移相変圧器が単一ユニット（ｕｎｉｔ）で構成されている。即ち、従来の移相変圧器は、一次側巻線は一つの三相電源だけを出力し、単位電力セルに連結される二次側巻線が共に一つの変圧器から入力される構造である。
【００３２】
このような単一ユニットで構成される移相変圧器は、求められる出力が一つの変圧器で満足しなければならないため、変圧器自体の体積と重さが増加する問題があった。また、機構設計上の自由度がないため、全体システムの体積が増加し、重さも増加する問題があった。
【００３３】
また、従来の単一ユニットの移相変圧器の場合、一次側巻線に問題が生じると全体システムの運転が不可能になる問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３４】
本発明の目的は、構造をモジュール化（ｍｏｄｕｌａｒ）して、機構設計上の自由度を提供し、全体システムの体積と重さを減少したマルチレベル高圧インバータの移相変圧器を提供することである。
【００３５】
また、本発明の他の目的は、一つのモジュールが故障（ｆａｕｌｔ）状態になっても電動機の連続運転が可能にするマルチレベル高圧インバータの移相変圧器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
前記のような技術的課題を解決するために、電動機を駆動する複数の電力セルを含むマルチレベル高圧インバータシステムにおいて、本発明の移相変圧器は、複数のモジュール化された移相変圧器を含み、複数の前記モジュール化された移相変圧器の一次側巻線は、各々所定角度で互いに位相シフトされることが好ましい。
【００３７】
本発明の一実施形態において、前記モジュール化された移相変圧器の二次側巻線は、所定角度に位相シフトされた複数の第１結線及び複数の第２結線を含むことが好ましい。
【００３８】
本発明の一実施形態において、前記第１結線はＹ結線であり、第２結線はΔ結線であることが好ましい。
【００３９】
本発明の一実施形態において、複数のモジュール化された移相変圧器のうちいずれか一つは、前記複数の電力セルのうち前記電動機に三相電圧を各々提供する三つの電力セルに、前記第１結線及び前記第２結線の出力を各々入力電源に供給することが好ましい。
【００４０】
本発明の一実施形態において、前記モジュール化された移相変圧器の二次側巻線は、所定角度に位相シフトされた複数の結線を含むことが好ましい。
【００４１】
本発明の一実施形態において、前記モジュール化された移相変圧器のうちいずれか一つは、前記複数の電力セルのうちいずれか一つの電力セルに入力電源を供給することが好ましい。
【００４２】
本発明の一実施形態において、前記のある一つの電力セルの入力は、前記モジュール化された移相変圧器のうちいずれか一つの複数の結線からの出力であることが好ましい。
【００４３】
本発明の一実施形態において、複数の前記モジュール化された移相変圧器は、前記複数の電力セルのうちいずれか一つの電力セルに入力電源を供給することが好ましい。
【００４４】
本発明の一実施形態において、前記のある一つの電力セルの入力は、前記複数のモジュール化された移相変圧器からの出力であることが好ましい。
【００４５】
【表３】
【発明の効果】
【００４６】
本発明により、機構設計面で自由度を有することができるため、全体システムの大きさ（ｖｏｌｕｍｅ）を減らすことができ、全体システムの余裕率を増大させて移相変圧器の故障状態でも安定した運転ができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】従来のマルチレベル方式の高圧インバータの構成図である。
【図２】図１の電力セルの構成図である。
【図３】図１の他の構成図である。
【図４】図３の電力セルの構成図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る移相変圧器が適用された高圧インバータシステムの構成図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る移相変圧器が適用された高圧インバータシステムの構成図である。
【図７】本発明のさらに他の実施形態に係る移相変圧器が適用された高圧インバータシステムの構成図である。
【図８】本発明のさらに他の実施形態に係る移相変圧器が適用された高圧インバータシステムの構成図である。
【図９】本発明のさらに他の実施形態に係る移相変圧器が適用された高圧インバータシステムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
本発明は、多様な変更を加えることができ、多様な実施形態を有し、特定実施形態を図面に例示して詳細に説明する。
【００４９】
しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解しなければならない。
【００５０】
第１、第２等の序数を含む用語は、多様な構成要素を説明するために使われるが、前記構成要素は前記用語によって限定されない。
【００５１】
前記用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的だけで使われる。例えば、本発明の権利範囲を逸脱しない限り、第２構成要素は第１構成要素に命名でき、同様に第１構成要素も第２構成要素と命名できる。
【００５２】
ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いる、または「接続されて」いると記述する時には、その他の構成要素に直接的に連結されていたり、または接続されていてもよいが、その中間に他の構成要素が存在してもよいことを理解しなければならない。一方、ある構成要素が、他の構成要素に「直接連結されて」いる、または「直接接続されて」いると記述する時には、その中間に他の構成要素が存在しないことを理解しなければならない。
【００５３】
本願に使われた用語は、単に特定の実施形態を説明するために使われたものであって、本発明を限定する意図はない。単数の表現は文脈上明白に異なることを意味しない限り、複数の表現を含む。
【００５４】
本願において、「含む」または「有する」等の用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定するものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたもの等の存在または付加可能性を予め排除しないものと理解しなければならない。
【００５５】
さらに、本願に添付された図面は、説明の便宜のために、拡大または縮小して示されたものと理解しなければならない。
【００５６】
本発明について添付図を参照して詳細に説明し、図面の符号に関係なく同一または対応する構成要素は、同一参照符号を付け、これに関する重複説明は省略する。
【００５７】
図５は本発明の一実施形態に係る移相変圧器が適用された高圧インバータシステムの構成図である。
【００５８】
図５に示したように、本発明の移相変圧器５１は、高圧インバータ１の内部に含まれるもので、高圧インバータ１は三相の入力電源部２から線間電圧実効値が６００Ｖ以上の三相電源を変換して三相電動機３を駆動する三相電圧を出力する。
【００５９】
本発明の移相変圧器５１は、二つのモジュール化された移相変圧器(第１モジュール５１ａ及び第２モジュール５１ｂ)を含む。
【００６０】
第１モジュール５１ａは、一次側巻線が三相ワイ（Ｙ）結線で、二次側巻線はワイ（Ｙ）結線とデルタ(△)結線を含み、各々０°と３０°に位相シフトされる。
【００６１】
第２モジュール５１ｂの一次側巻線は、位相シフトされた（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｄ）Ｚ結線であり、二次側巻線は第１モジュール５１ａと同じ構造であってもよい。
【００６２】
本発明の一実施形態において、単位電力セル５２の出力電圧は５レベルで、電動機３の各相当二つの単位電力セルで構成されるが、必要に応じて単位電力セルの数を拡張できることは、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者には明らかである。
【００６３】
Ａ１、Ａ２電力セル５２ａ、５２ｂの出力は、直列連結されて電動機３のａ相電圧を出力し、Ｂ１、Ｂ２電力セル５２ｃ、５２ｄの出力はｂ相電圧を、Ｃ１、Ｃ２電力セル５２ｅ、５２ｆはｃ相電圧を出力する。
【００６４】
図５の構成において、Ａ１、Ｂ１、Ｃ１電力セル５２ａ、５２ｃ、５２ｅは、第１モジュール５１ａの出力を受信し、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２電力セル５２ｂ、５２ｄ、５２ｆは、第２モジュール５１ｂの出力を受信する。
【００６５】
図５の電力セル５２の構造は、図２の電力セルと同様に構成され、その詳細な説明は省略する。
【００６６】
また、図５において、第１モジュール５１ａの一次側巻線をＹ結線と、第２モジュール５１ｂの一次側巻線をＺ結線と例示したが、これに限定されるものではない。また、二次側巻線の構造も図５に示されたものに限定されるのではない。
【００６７】
図６は、本発明の他の実施形態に係る移相変圧器が適用された高圧インバータシステムの構成図であり、本発明の移相変圧器６１は、高圧インバータ１の内部に含まれる。高圧インバータ１は三相の入力電源部２から線間電圧実効値が６００Ｖ以上の三相電源を変換して三相電動機３を駆動する三相電圧を出力する。
【００６８】
図６に示したように、本発明の移相変圧器６１は、三つのモジュール化された移相変圧器(第１モジュール６１ａ、第２モジュール６１ｂ及び第３モジュール６１ｃ)を含む。
【００６９】
第１モジュール６１ａは、一次側巻線が−５°位相シフトされたＺ結線であり、二次側巻線は−１５°、０°、１５°、３０°の位相差を有する結線を含む。
【００７０】
第２モジュール６１ｂの一次側巻線は、０°の位相を有するＹ結線であり、二次側巻線は第１モジュール６１ａと同じ構造であってもよい。
【００７１】
第３モジュール６１ｃは、一次側巻線が５°位相シフトされたＺ結線であり、二次側巻線は第１モジュール６１ａと同じ構造であってもよい。
【００７２】
電力セル６２は、５レベルの出力電圧を合成してもよい。Ｄ１電力セル６２ａは、電動機３のａ相電圧を出力し、Ｅ１電力セル６２ｂは、電動機３のｂ相電圧を出力し、Ｆ１電力セル６２ｃは、ｃ相電圧を出力する。図６の電力セル６２は、図４の電力セルのように構成されることが好ましい。その詳細な説明は省略する。
【００７３】
また、図６において、第１モジュール６１ａ及び第３モジュール６１ｃの一次側巻線をＺ結線と、第２モジュール６１ｂの一次側巻線をＹ結線と例示したが、これに限定されるものではない。また、二次側巻線の構造も図６に示されたものに限定されるのではない。
【００７４】
図７は、本発明のさらに他の実施形態に係る移相変圧器が適用された高圧インバータシステムの構成図であり、本発明の移相変圧器７１は、高圧インバータ１の内部に含まれる。高圧インバータ１は、三相の入力電源部２から線間電圧実効値が６００Ｖ以上の三相電源を変換して三相電動機３を駆動する三相電圧を出力する。
【００７５】
図７に示したように、本発明の移相変圧器７１は、三つのモジュール化された移相変圧器(第１モジュール７１ａ、第２モジュール７１ｂ及び第３モジュール７１ｃ)を含む。
【００７６】
図７の実施形態は、図６の実施形態と移相変圧器と電力セルとの間の連結面で差を示すが、Ｇ１電力セル７２ａの場合、入力電源の四つのうち二つは、第１モジュール７１ａから受信し、１つは、第２モジュール７１ｂから受信し、残りの一つは、第３モジュール７１ｃから受信する。
【００７７】
Ｈ１電力セル７２ｂの場合、入力電源四つのうち二つは、第２モジュール７１ｂから、１つは第１モジュール７１ａから、残りの一つは第３モジュール７１ｃから受信する。
【００７８】
Ｉ１電力セル７２ｃの場合、入力電源の四つのうち二つは、第３モジュール７１ｃから、１つは、第１モジュール７１ａから、残りの１つは、第２モジュール７１ｂから受信する。
【００７９】
また、図７において、第１モジュール７１ａ及び第３モジュール７１ｃの一次側巻線をＺ結線と、第２モジュール７１ｂの一次側巻線をＹ結線と示したが、これに限定されるものではない。また、二次側巻線の構造も図７に示されたものに限定されるのではない。
【００８０】
図８は、本発明のさらに他の実施形態に係る移相変圧器が適用された高圧インバータシステムの構成図であり、本発明の移相変圧器８１は、高圧インバータ１内部に含まれる。高圧インバータ１は、三相の入力電源部２から線間電圧実効値が６００Ｖ以上の三相電源を変換して、三相電動機３を駆動する三相電圧を出力する。
【００８１】
図８に示したように、本発明の移相変圧器８１は、三つのモジュール化された移相変圧器(第１モジュール８１ａ、第２モジュール８１ｂ及び第３モジュール８１ｃ)を含む。
【００８２】
第１モジュール８１ａは、一次側巻線が、−３．３°位相シフトされたＺ結線であり、二次側巻線は、０°、 ３０°に位相シフトされた結線である。
【００８３】
第２モジュール８１ｂは、一次側巻線が０°の位相を有するＹ結線であり、二次側巻線は、第１モジュール８１ａと同じ構造である。また、第３モジュール８１ｃの一次側巻線は、３．３°に位相シフトされたＺ結線であり、二次側巻線は、第１モジュール８１ａと同一である。
【００８４】
電力セル８２は、５レベルの出力電圧を合成することができる。Ａ１、Ａ２、Ａ３電力セル８２ａ〜８２ｃは、電動機３のａ相電圧を出力し、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３電力セル８２ｄ〜８２ｆは、ｂ相電圧を出力し、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３電力セル８２ｇ〜８２ｉは、ｃ相電圧を出力する。
【００８５】
図８の電力セル８２は、図２の電力セルのように構成されることが好ましい。その詳細な説明は省略する。
【００８６】
また、図８において、第１モジュール８１ａ及び第３モジュール８１ｃの一次側巻線をＺ結線と、第２モジュール８１ｂの一次側巻線をＹ結線と示したが、これに限定されるものではない。また、二次側巻線の構造も図８に示されたものに限定されるのではない。
【００８７】
図９は、本発明のさらに他の実施形態に係る移相変圧器が適用された高圧インバータシステムの構成図であり、本発明の移相変圧器９１は、高圧インバータ１の内部に含まれ、出力した相当たり５段の電力セルを使う場合を示した。高圧インバータ１は、三相の入力電源部２から線間電圧実効値が６００Ｖ以上の三相電源を変換して、三相電動機３を駆動する三相電圧を出力する。
【００８８】
図９に示したように、本発明の移相変圧器８１は、５つのモジュール化された移相変圧器(第１モジュール９１ａ、第２モジュール９１ｂ、第３モジュール９１ｃ、第４モジュール９１ｄ及び第５モジュール９１ｅ)を含む。
【００８９】
第１モジュール９１ａは、一次側巻線が−４°位相シフトされたＺ結線であり、二次側巻線が０°、 ３０°の位相シフトされた結線である。
【００９０】
第２モジュール９１ｂは、一次側巻線が、−２°位相シフトされたＹ結線であり、二次側巻線は、第１モジュール９１ａの二次側巻線と同じ構造である。
【００９１】
第３モジュール９１ｃは、一次側巻線が０°の位相を有するＺ結線であり、二次側巻線は、第１モジュール９１ａの二次側巻線と同じ構造である。
【００９２】
第４モジュール９１ｄは一次側巻線が２°位相シフトされたＹ結線であり、二次側巻線は第１モジュール９１ａの二次側巻線と同じ構造である。
【００９３】
第５モジュール９１ｅは、一次側巻線が４°位相シフトされたＺ結線であり、二次側巻線は第１モジュール９１ａの二次側巻線と同じ構造である。
【００９４】
電力セル９２は、５レベルの出力電圧を合成することができる。Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５電力セル９２ａ〜９２ｅは、電動機３のａ相電圧を出力し、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５電力セル９２ｆ〜９２ｊは、ｂ相電圧を出力し、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５の電力セル９２ｋ〜９２ｏは、ｃ相電圧を出力する。
【００９５】
図９の各電力セル９２は２の電力セルのように構成されることが好ましい。その詳細な説明は省略する。
【００９６】
また、図９において、第１モジュール９１ａ、第３モジュール９１ｃ及び第５モジュール９１ｅの一次側巻線をＺ結線と、第２モジュール９１ｂ及び第４モジュール９１ｄの一次側巻線をＹ結線と例示したが、これに限定されるものではない。また、二次側巻線の構造も図９に示されたものに限定されるのではない。
【００９７】
本発明は、従来の単一ユニットで構成された移相変圧器をモジュール化しており、図２または、図４のような電力セルを含むマルチレベル高圧インバータで使うものである。
【００９８】
本発明において利用される電力セルは、図２または図４のように入力端に三相ダイオード整流器を二つまたは四つ含み、各々のダイオード整流器の出力端には、ＤＣリンクキャパシターを備え、ＤＣリンクキャパシターは、直列連結されて直流部（２２０又は４２０）を構成する。
【００９９】
各々のＤＣリンクキャパシターの電圧をＥとすると、単位電力セルで出力される線間電圧は２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅである。
【０１００】
図５乃至図９のように、電力セルは、直列連結されて出力される相電圧を合成し、出力される相電圧と線間電圧のレベルは次によって決められる。
【数３】
【数４】
【０１０１】
【表４】
【０１０２】
本発明に係る移相変圧器の二次側巻線の位相シフト角は、数学式１及び数学式２によって決められる。
【０１０３】
また、本発明の移相変圧器の一次側巻線の位相シフト角は、次のように決められる。
【数５】
【０１０４】
【表５】
【０１０５】
【表６】
【０１０６】
【表７】
【０１０７】
本発明に係るモジュール型移相変圧器の容量は、従来の単一ユニット型移相変圧器の容量と次のような関係を有する。
【数６】
【０１０８】
【表８】
【０１０９】
本発明のモジュール型移相変圧器は、従来の単一ユニット型移相変圧器に比べて容量が小さいため、巻線が占める面積（ｗｉｎｄｉｎｇ ｗｉｎｄｏｗ）が減って、全体体積及び重さが減少する。また、移相変圧器の体積と重さが減少するため、全体システムの大きさ及び体積が減ることになる。
【０１１０】
【表９】
【０１１１】
最後に、従来の単一ユニット型移相変圧器は、一次側巻線が故障状態になると全体システムの運転が不可能であるが、本発明のモジュール型移相変圧器によると、移相変圧器の一つのモジュールで一次側巻線が故障状態になると、故障状態のモジュールと連結された電力セルを迂回して出力を低減した状態で連続的な運転が可能となる。
【０１１２】
但し、図６の構造では、移相変圧器の一つのモジュールの一次側巻線が故障状態になる場合、連続的な運転が不可能である。しかし、これを図７のように変更すると、移相変圧器の一つのモジュールの一次側巻線が故障状態となっても、定常状態の移相変圧器の出力が全電力セルに連結されるため、出力が低減した状態で連続的な運転が可能となる。
【０１１３】
このような構造上特徴によって、本発明のモジュール型移相変圧器を用いると、全体システムの余裕率（ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ）が増大するメリットがある。
【０１１４】
以上から代表的な実施形態をもって本発明について詳細に説明したが、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、前述した実施形態に対して本発明の範疇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しなければならない。従って、本発明の権利範囲は、説明された実施形態に限って定まってはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等物等によって定めるべきである。
【符号の説明】
【０１１５】
１、１１０ 高圧インバータ
２、１２０ 入力電源部
３、１３０ 電動機
５１、６１、７１，８１、９１、１１１ 移相変圧器
５２、６２、７２、８２、９２、１１２、１１３ 電力セル
２１０、４１０ 整流部
２２０、４２０ 直流部
２３０、４３０ インバータ部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移相変圧器に関し、より詳細にはマルチレベル方式の高圧インバータに使うための移相変圧器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、マルチレベル高圧インバータ（ｍｕｌｔｉ−ｌｅｖｅｌ ｍｅｄｉｕｍ−ｖｏｌｔａｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）は、入力される線間電圧の実効値が６００Ｖ以上のインバータであり、出力される相電圧（ｖｏｌｔａｇｅ）がマルチレベルである。このような高圧インバータは、数百ｋＷ〜数十ＭＷの容量を有する大容量の電動機を駆動するために使用され、ファン（ｆａｎ）、ポンプ（ｐｕｍｐ）、圧縮機（ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）、牽引（ｔｒａｃｔｉｏｎ）、昇降（ｈｏｉｓｔ）、コンベヤー（ｃｏｎｖｅｙｏｒ）のような分野で主に使われる。
【０００３】
一般的な高圧インバータは、電気的絶縁（ｇａｌｖａｎｉｃ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）を備えるため、高調波（ｈａｒｍｏｎｉｃ）を低減するため、及び各単位電力セル（ｐｏｗｅｒ ｃｅｌｌ ｕｎｉｔ）に入力電圧を供給するために、入力端において移相変圧器（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）が求められる。このような移相変圧器は、高圧マルチレベルインバータの単位部品の中で体積と重さを大多数占めるため、設計時に大変重要な要素である。
【０００４】
しかし、従来の移相変圧器は、通常一体型構造を有し、これによって設計面で自由度（ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ）がない問題があった。以下、従来の移相変圧器について説明する。
【０００５】
図１は、従来のマルチレベル方式の高圧インバータの構成図である。
【０００６】
図１に示したように、従来の高圧インバータ１１０は、線間電圧（ｌｉｎｅ−ｔｏ−ｌｉｎｅ ｖｏｌｔａｇｅ）の実効値（ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ）が６００Ｖ以上の電圧を出力する入力電源部１２０から入力電力を受け取り、これを変換して、負荷である三相の電動機１３０に出力する。
【０００７】
移相変圧器１１１の一次側巻線（ｐｒｉｍａｒｙ ｗｉｎｄｉｎｇ）は、三相ワイ（Ｙ）結線状で、二次側巻線（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｗｉｎｄｉｎｇ）は、一次側巻線対比−１５°、 ０°、１５°、３０°の位相差を有する巻線が各３個の合わせて１２個で構成される。二次側巻線の構造は、単位電力セル１１２の数によって決められる。
【０００８】
図１から電動機１３０の各相当たり二つの単位電力セルで構成されていることが分かる。即ち、Ａ１及びＡ２電力セル１１２ａ、１１２ｂの出力は、直列連結されて三相電動機１３０のａ相電圧を出力し、Ｂ１、Ｂ２電力セル１１２ｃ、１１２ｄは、ｂ相電圧を、Ｃ１、Ｃ２電力セル１１２ｅ、１１２ｆはｃ相電圧を出力する。
【０００９】
Ａ１、Ｂ１、Ｃ１電力セル１１２ａ、１１２ｃ、１１２ｅは、移相変圧器１１１の出力中、−１５°と０°の位相を有する出力と連結され、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２電力セル１１２ｂ、１１２ｄ、１１２ｆは、１５°と３０°の位相を有する出力と連結される。
【００１０】
図２は、図１の電力セルの構成図である。
【００１１】
図２に示したように、整流部２１０は、移相変圧器１１１から二つの三相電源の入力を受けて、これを直流に整流する。このために、二つのダイオード整流器を備える。整流部２１０の出力は、直列連結されたＤＣリンクキャパシターと連結されるが、直流部２２０の二つのＤＣリンクキャパシターは、各々同じキャパシタンスを有する。
【００１２】
インバータ部２３０は、直流部２２０の出力電圧を合成し、出力される線間電圧は５レベルとなる。
【００１３】
一方、図１の従来の高圧インバータは、図３のように構成可能である。図３は、図１の他の構成図であり、電力セル１１３の構成を除いて図１とその構成が同一である。
【００１４】
図３の電力セル１１３は、５レベルの出力電圧を合成することができる。Ｄ１電力セル１１３ａは、電動機１３０のａ相電圧を出力し、Ｅ１電力セル１１３ｂは、電動機１３０のｂ相電圧を出力し、Ｆ１電力セル１１３ｃは、電動機１３０のｃ相電圧を出力する。
【００１５】
図４は、図３の電力セルの構成図である。
【００１６】
図４に示したように、整流部４１０は、四つのダイオード整流器で構成され、インバータ部４３０の動作は図２と同じである。
【００１７】
但し、図２と図４の単位電力セルは、求められる出力に応じて用いられる電力素子の正格電圧（ｒａｔｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ）と正格電流（ｒａｔｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ）が異なることになる。
【００１８】
移相変圧器１１１の出力は、整流部４１０に入力され、整流部４１０の出力は、直流部４２０に反映される。
【００１９】
まず、図２のインバータ部２３０の動作について説明する。
【００２０】
図２のインバータ部２３０の一つのレッグ（ｌｅｇ）は、四つのスイッチ２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄが直列連結され、各スイッチの動作に応じて出力電圧が定義される。
【００２１】
２３０ａと２３０ｃのスイッチング動作は、相補的（ｃｏｍｐｌｉｍｅｎｔａｒｙ）であり、２３０ｂと２３０ｄのスイッチング動作も相補的である。従って、直列連結されている直流部２２０のＤＣリンクキャパシターの電圧を各々Ｅと定義すると、２３０ａ及び２３０ｂのスイッチがオン（ＯＮ）の場合、２３０ｃと２３０ｄのスイッチは、オフ（ＯＦＦ）となり、この時に出力される極電圧（ｐｏｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ）はＥとなる。また、２３０ａと２３０ｃがオンの場合、２３０ｂ、２３０ｄはオフとなり、この場合、極電圧は０となる。同様に、２３０ａ、２３０ｂが、オフの状態では、２３０ｃと２３０ｄのスイッチはオンとなり、この場合の極電圧は−Ｅが出力される。
【００２２】
このように定義される極電圧に応じて、図１の単位電力セル１１２が出力する線間電圧は、２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅの５レベルとなる。各電力セル１１２が出力する線間電圧が５レベルに定義されることによって、図１のＡ１、Ａ２電力セル１１２ａ、１１２ｂが合成できる電圧は、４Ｅ、３Ｅ、２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ、−３Ｅ、−４Ｅの９レベルとなって、電動機１３０で出力される線間電圧は、８Ｅ、７Ｅ、６Ｅ、５Ｅ、４Ｅ、３Ｅ、２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ、−３Ｅ、−４Ｅ、−５Ｅ、−６Ｅ、−７Ｅ、−８Ｅの１７レベルとなる。
【００２３】
図１及び図３の移相変圧器１１１の動作について説明する。
【００２４】
移相変圧器１１１は、入力される三相電源から各電力セル１１２、１１３に電気的に絶縁された三相電源を印加する。
【００２５】
移相変圧器１１１の一次側巻線は、ワイ（Ｙ）結線或いはデルタ(△)結線であり、二次側巻線は一次側から位相シフトされた電源を出力し、この時、単位電力セル１１２、１１３のニーズに合う適切な大きさを有するようにする。
【００２６】
移相変圧器１１１の二次側出力は、単位電力セル１１２、１１３の整流部２１０、４１０のダイオード整流器の数と同じで、次の数学式１のような関係を有する。
【数１】
【００２７】
【表１】
【００２８】
移相変圧器１１１の二次側巻線の位相シフト角は、次の数学式２から求められる。
【数２】
【００２９】
【表２】
【００３０】
このように決められた二次側巻線間の位相シフト角から各々の二次側巻線の出力電圧は、一次側入力電圧に対して位相が位相シフト角だけ変わったものである。
【００３１】
しかし、前記従来のマルチレベル高圧インバータは、移相変圧器が単一ユニット（ｕｎｉｔ）で構成されている。即ち、従来の移相変圧器は、一次側巻線は一つの三相電源だけを出力し、単位電力セルに連結される二次側巻線が共に一つの変圧器から入力される構造である。
【００３２】
このような単一ユニットで構成される移相変圧器は、求められる出力が一つの変圧器で満足しなければならないため、変圧器自体の体積と重さが増加する問題があった。また、機構設計上の自由度がないため、全体システムの体積が増加し、重さも増加する問題があった。
【００３３】
また、従来の単一ユニットの移相変圧器の場合、一次側巻線に問題が生じると全体システムの運転が不可能になる問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３４】
本発明の目的は、構造をモジュール化（ｍｏｄｕｌａｒ）して、機構設計上の自由度を提供し、全体システムの体積と重さを減少したマルチレベル高圧インバータの移相変圧器を提供することである。
【００３５】
また、本発明の他の目的は、一つのモジュールが故障（ｆａｕｌｔ）状態になっても電動機の連続運転が可能にするマルチレベル高圧インバータの移相変圧器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
前記のような技術的課題を解決するために、電動機を駆動する複数の電力セルを含むマルチレベル高圧インバータシステムにおいて、本発明の移相変圧器は、複数のモジュール化された移相変圧器を含み、複数の前記モジュール化された移相変圧器の一次側巻線は、各々所定角度で互いに位相シフトされることが好ましい。
【００３７】
本発明の一実施形態において、前記モジュール化された移相変圧器の二次側巻線は、所定角度に位相シフトされた複数の第１結線及び複数の第２結線を含むことが好ましい。
【００３８】
本発明の一実施形態において、前記第１結線はＹ結線であり、第２結線はΔ結線であることが好ましい。
【００３９】
本発明の一実施形態において、複数のモジュール化された移相変圧器のうちいずれか一つは、前記複数の電力セルのうち前記電動機に三相電圧を各々提供する三つの電力セルに、前記第１結線及び前記第２結線の出力を各々入力電源に供給することが好ましい。
【００４０】
本発明の一実施形態において、前記モジュール化された移相変圧器の二次側巻線は、所定角度に位相シフトされた複数の結線を含むことが好ましい。
【００４１】
本発明の一実施形態において、前記モジュール化された移相変圧器のうちいずれか一つは、前記複数の電力セルのうちいずれか一つの電力セルに入力電源を供給することが好ましい。
【００４２】
本発明の一実施形態において、前記のある一つの電力セルの入力は、前記モジュール化された移相変圧器のうちいずれか一つの複数の結線からの出力であることが好ましい。
【００４３】
本発明の一実施形態において、複数の前記モジュール化された移相変圧器は、前記複数の電力セルのうちいずれか一つの電力セルに入力電源を供給することが好ましい。
【００４４】
本発明の一実施形態において、前記のある一つの電力セルの入力は、前記複数のモジュール化された移相変圧器からの出力であることが好ましい。
【００４５】
【表３】
【発明の効果】
【００４６】
本発明により、機構設計面で自由度を有することができるため、全体システムの大きさ（ｖｏｌｕｍｅ）を減らすことができ、全体システムの余裕率を増大させて移相変圧器の故障状態でも安定した運転ができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】従来のマルチレベル方式の高圧インバータの構成図である。
【図２】図１の電力セルの構成図である。
【図３】図１の他の構成図である。
【図４】図３の電力セルの構成図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る移相変圧器が適用された高圧インバータシステムの構成図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る移相変圧器が適用された高圧インバータシステムの構成図である。
【図７】本発明のさらに他の実施形態に係る移相変圧器が適用された高圧インバータシステムの構成図である。
【図８】本発明のさらに他の実施形態に係る移相変圧器が適用された高圧インバータシステムの構成図である。
【図９】本発明のさらに他の実施形態に係る移相変圧器が適用された高圧インバータシステムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
本発明は、多様な変更を加えることができ、多様な実施形態を有し、特定実施形態を図面に例示して詳細に説明する。
【００４９】
しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解しなければならない。
【００５０】
第１、第２等の序数を含む用語は、多様な構成要素を説明するために使われるが、前記構成要素は前記用語によって限定されない。
【００５１】
前記用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的だけで使われる。例えば、本発明の権利範囲を逸脱しない限り、第２構成要素は第１構成要素に命名でき、同様に第１構成要素も第２構成要素と命名できる。
【００５２】
ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いる、または「接続されて」いると記述する時には、その他の構成要素に直接的に連結されていたり、または接続されていてもよいが、その中間に他の構成要素が存在してもよいことを理解しなければならない。一方、ある構成要素が、他の構成要素に「直接連結されて」いる、または「直接接続されて」いると記述する時には、その中間に他の構成要素が存在しないことを理解しなければならない。
【００５３】
本願に使われた用語は、単に特定の実施形態を説明するために使われたものであって、本発明を限定する意図はない。単数の表現は文脈上明白に異なることを意味しない限り、複数の表現を含む。
【００５４】
本願において、「含む」または「有する」等の用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定するものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたもの等の存在または付加可能性を予め排除しないものと理解しなければならない。
【００５５】
さらに、本願に添付された図面は、説明の便宜のために、拡大または縮小して示されたものと理解しなければならない。
【００５６】
本発明について添付図を参照して詳細に説明し、図面の符号に関係なく同一または対応する構成要素は、同一参照符号を付け、これに関する重複説明は省略する。
【００５７】
図５は本発明の一実施形態に係る移相変圧器が適用された高圧インバータシステムの構成図である。
【００５８】
図５に示したように、本発明の移相変圧器５１は、高圧インバータ１の内部に含まれるもので、高圧インバータ１は三相の入力電源部２から線間電圧実効値が６００Ｖ以上の三相電源を変換して三相電動機３を駆動する三相電圧を出力する。
【００５９】
本発明の移相変圧器５１は、二つのモジュール化された移相変圧器(第１モジュール５１ａ及び第２モジュール５１ｂ)を含む。
【００６０】
第１モジュール５１ａは、一次側巻線が三相ワイ（Ｙ）結線で、二次側巻線はワイ（Ｙ）結線とデルタ(△)結線を含み、各々０°と３０°に位相シフトされる。
【００６１】
第２モジュール５１ｂの一次側巻線は、位相シフトされた（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｄ）Ｚ結線であり、二次側巻線は第１モジュール５１ａと同じ構造であってもよい。
【００６２】
本発明の一実施形態において、単位電力セル５２の出力電圧は５レベルで、電動機３の各相当二つの単位電力セルで構成されるが、必要に応じて単位電力セルの数を拡張できることは、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者には明らかである。
【００６３】
Ａ１、Ａ２電力セル５２ａ、５２ｂの出力は、直列連結されて電動機３のａ相電圧を出力し、Ｂ１、Ｂ２電力セル５２ｃ、５２ｄの出力はｂ相電圧を、Ｃ１、Ｃ２電力セル５２ｅ、５２ｆはｃ相電圧を出力する。
【００６４】
図５の構成において、Ａ１、Ｂ１、Ｃ１電力セル５２ａ、５２ｃ、５２ｅは、第１モジュール５１ａの出力を受信し、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２電力セル５２ｂ、５２ｄ、５２ｆは、第２モジュール５１ｂの出力を受信する。
【００６５】
図５の電力セル５２の構造は、図２の電力セルと同様に構成され、その詳細な説明は省略する。
【００６６】
また、図５において、第１モジュール５１ａの一次側巻線をＹ結線と、第２モジュール５１ｂの一次側巻線をＺ結線と例示したが、これに限定されるものではない。また、二次側巻線の構造も図５に示されたものに限定されるのではない。
【００６７】
図６は、本発明の他の実施形態に係る移相変圧器が適用された高圧インバータシステムの構成図であり、本発明の移相変圧器６１は、高圧インバータ１の内部に含まれる。高圧インバータ１は三相の入力電源部２から線間電圧実効値が６００Ｖ以上の三相電源を変換して三相電動機３を駆動する三相電圧を出力する。
【００６８】
図６に示したように、本発明の移相変圧器６１は、三つのモジュール化された移相変圧器(第１モジュール６１ａ、第２モジュール６１ｂ及び第３モジュール６１ｃ)を含む。
【００６９】
第１モジュール６１ａは、一次側巻線が−５°位相シフトされたＺ結線であり、二次側巻線は−１５°、０°、１５°、３０°の位相差を有する結線を含む。
【００７０】
第２モジュール６１ｂの一次側巻線は、０°の位相を有するＹ結線であり、二次側巻線は第１モジュール６１ａと同じ構造であってもよい。
【００７１】
第３モジュール６１ｃは、一次側巻線が５°位相シフトされたＺ結線であり、二次側巻線は第１モジュール６１ａと同じ構造であってもよい。
【００７２】
電力セル６２は、５レベルの出力電圧を合成してもよい。Ｄ１電力セル６２ａは、電動機３のａ相電圧を出力し、Ｅ１電力セル６２ｂは、電動機３のｂ相電圧を出力し、Ｆ１電力セル６２ｃは、ｃ相電圧を出力する。図６の電力セル６２は、図４の電力セルのように構成されることが好ましい。その詳細な説明は省略する。
【００７３】
また、図６において、第１モジュール６１ａ及び第３モジュール６１ｃの一次側巻線をＺ結線と、第２モジュール６１ｂの一次側巻線をＹ結線と例示したが、これに限定されるものではない。また、二次側巻線の構造も図６に示されたものに限定されるのではない。
【００７４】
図７は、本発明のさらに他の実施形態に係る移相変圧器が適用された高圧インバータシステムの構成図であり、本発明の移相変圧器７１は、高圧インバータ１の内部に含まれる。高圧インバータ１は、三相の入力電源部２から線間電圧実効値が６００Ｖ以上の三相電源を変換して三相電動機３を駆動する三相電圧を出力する。
【００７５】
図７に示したように、本発明の移相変圧器７１は、三つのモジュール化された移相変圧器(第１モジュール７１ａ、第２モジュール７１ｂ及び第３モジュール７１ｃ)を含む。
【００７６】
図７の実施形態は、図６の実施形態と移相変圧器と電力セルとの間の連結面で差を示すが、Ｇ１電力セル７２ａの場合、入力電源の四つのうち二つは、第１モジュール７１ａから受信し、１つは、第２モジュール７１ｂから受信し、残りの一つは、第３モジュール７１ｃから受信する。
【００７７】
Ｈ１電力セル７２ｂの場合、入力電源四つのうち二つは、第２モジュール７１ｂから、１つは第１モジュール７１ａから、残りの一つは第３モジュール７１ｃから受信する。
【００７８】
Ｉ１電力セル７２ｃの場合、入力電源の四つのうち二つは、第３モジュール７１ｃから、１つは、第１モジュール７１ａから、残りの１つは、第２モジュール７１ｂから受信する。
【００７９】
また、図７において、第１モジュール７１ａ及び第３モジュール７１ｃの一次側巻線をＺ結線と、第２モジュール７１ｂの一次側巻線をＹ結線と示したが、これに限定されるものではない。また、二次側巻線の構造も図７に示されたものに限定されるのではない。
【００８０】
図８は、本発明のさらに他の実施形態に係る移相変圧器が適用された高圧インバータシステムの構成図であり、本発明の移相変圧器８１は、高圧インバータ１内部に含まれる。高圧インバータ１は、三相の入力電源部２から線間電圧実効値が６００Ｖ以上の三相電源を変換して、三相電動機３を駆動する三相電圧を出力する。
【００８１】
図８に示したように、本発明の移相変圧器８１は、三つのモジュール化された移相変圧器(第１モジュール８１ａ、第２モジュール８１ｂ及び第３モジュール８１ｃ)を含む。
【００８２】
第１モジュール８１ａは、一次側巻線が、−３．３°位相シフトされたＺ結線であり、二次側巻線は、０°、 ３０°に位相シフトされた結線である。
【００８３】
第２モジュール８１ｂは、一次側巻線が０°の位相を有するＹ結線であり、二次側巻線は、第１モジュール８１ａと同じ構造である。また、第３モジュール８１ｃの一次側巻線は、３．３°に位相シフトされたＺ結線であり、二次側巻線は、第１モジュール８１ａと同一である。
【００８４】
電力セル８２は、５レベルの出力電圧を合成することができる。Ａ１、Ａ２、Ａ３電力セル８２ａ〜８２ｃは、電動機３のａ相電圧を出力し、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３電力セル８２ｄ〜８２ｆは、ｂ相電圧を出力し、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３電力セル８２ｇ〜８２ｉは、ｃ相電圧を出力する。
【００８５】
図８の電力セル８２は、図２の電力セルのように構成されることが好ましい。その詳細な説明は省略する。
【００８６】
また、図８において、第１モジュール８１ａ及び第３モジュール８１ｃの一次側巻線をＺ結線と、第２モジュール８１ｂの一次側巻線をＹ結線と示したが、これに限定されるものではない。また、二次側巻線の構造も図８に示されたものに限定されるのではない。
【００８７】
図９は、本発明のさらに他の実施形態に係る移相変圧器が適用された高圧インバータシステムの構成図であり、本発明の移相変圧器９１は、高圧インバータ１の内部に含まれ、出力した相当たり５段の電力セルを使う場合を示した。高圧インバータ１は、三相の入力電源部２から線間電圧実効値が６００Ｖ以上の三相電源を変換して、三相電動機３を駆動する三相電圧を出力する。
【００８８】
図９に示したように、本発明の移相変圧器８１は、５つのモジュール化された移相変圧器(第１モジュール９１ａ、第２モジュール９１ｂ、第３モジュール９１ｃ、第４モジュール９１ｄ及び第５モジュール９１ｅ)を含む。
【００８９】
第１モジュール９１ａは、一次側巻線が−４°位相シフトされたＺ結線であり、二次側巻線が０°、 ３０°の位相シフトされた結線である。
【００９０】
第２モジュール９１ｂは、一次側巻線が、−２°位相シフトされたＹ結線であり、二次側巻線は、第１モジュール９１ａの二次側巻線と同じ構造である。
【００９１】
第３モジュール９１ｃは、一次側巻線が０°の位相を有するＺ結線であり、二次側巻線は、第１モジュール９１ａの二次側巻線と同じ構造である。
【００９２】
第４モジュール９１ｄは一次側巻線が２°位相シフトされたＹ結線であり、二次側巻線は第１モジュール９１ａの二次側巻線と同じ構造である。
【００９３】
第５モジュール９１ｅは、一次側巻線が４°位相シフトされたＺ結線であり、二次側巻線は第１モジュール９１ａの二次側巻線と同じ構造である。
【００９４】
電力セル９２は、５レベルの出力電圧を合成することができる。Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５電力セル９２ａ〜９２ｅは、電動機３のａ相電圧を出力し、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５電力セル９２ｆ〜９２ｊは、ｂ相電圧を出力し、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５の電力セル９２ｋ〜９２ｏは、ｃ相電圧を出力する。
【００９５】
図９の各電力セル９２は２の電力セルのように構成されることが好ましい。その詳細な説明は省略する。
【００９６】
また、図９において、第１モジュール９１ａ、第３モジュール９１ｃ及び第５モジュール９１ｅの一次側巻線をＺ結線と、第２モジュール９１ｂ及び第４モジュール９１ｄの一次側巻線をＹ結線と例示したが、これに限定されるものではない。また、二次側巻線の構造も図９に示されたものに限定されるのではない。
【００９７】
本発明は、従来の単一ユニットで構成された移相変圧器をモジュール化しており、図２または、図４のような電力セルを含むマルチレベル高圧インバータで使うものである。
【００９８】
本発明において利用される電力セルは、図２または図４のように入力端に三相ダイオード整流器を二つまたは四つ含み、各々のダイオード整流器の出力端には、ＤＣリンクキャパシターを備え、ＤＣリンクキャパシターは、直列連結されて直流部（２２０又は４２０）を構成する。
【００９９】
各々のＤＣリンクキャパシターの電圧をＥとすると、単位電力セルで出力される線間電圧は２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅである。
【０１００】
図５乃至図９のように、電力セルは、直列連結されて出力される相電圧を合成し、出力される相電圧と線間電圧のレベルは次によって決められる。
【数３】
【数４】
【０１０１】
【表４】
【０１０２】
本発明に係る移相変圧器の二次側巻線の位相シフト角は、数学式１及び数学式２によって決められる。
【０１０３】
また、本発明の移相変圧器の一次側巻線の位相シフト角は、次のように決められる。
【数５】
【０１０４】
【表５】
【０１０５】
【表６】
【０１０６】
【表７】
【０１０７】
本発明に係るモジュール型移相変圧器の容量は、従来の単一ユニット型移相変圧器の容量と次のような関係を有する。
【数６】
【０１０８】
【表８】
【０１０９】
本発明のモジュール型移相変圧器は、従来の単一ユニット型移相変圧器に比べて容量が小さいため、巻線が占める面積（ｗｉｎｄｉｎｇ ｗｉｎｄｏｗ）が減って、全体体積及び重さが減少する。また、移相変圧器の体積と重さが減少するため、全体システムの大きさ及び体積が減ることになる。
【０１１０】
【表９】
【０１１１】
最後に、従来の単一ユニット型移相変圧器は、一次側巻線が故障状態になると全体システムの運転が不可能であるが、本発明のモジュール型移相変圧器によると、移相変圧器の一つのモジュールで一次側巻線が故障状態になると、故障状態のモジュールと連結された電力セルを迂回して出力を低減した状態で連続的な運転が可能となる。
【０１１２】
但し、図６の構造では、移相変圧器の一つのモジュールの一次側巻線が故障状態になる場合、連続的な運転が不可能である。しかし、これを図７のように変更すると、移相変圧器の一つのモジュールの一次側巻線が故障状態となっても、定常状態の移相変圧器の出力が全電力セルに連結されるため、出力が低減した状態で連続的な運転が可能となる。
【０１１３】
このような構造上特徴によって、本発明のモジュール型移相変圧器を用いると、全体システムの余裕率（ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ）が増大するメリットがある。
【０１１４】
以上から代表的な実施形態をもって本発明について詳細に説明したが、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、前述した実施形態に対して本発明の範疇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しなければならない。従って、本発明の権利範囲は、説明された実施形態に限って定まってはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等物等によって定めるべきである。
【符号の説明】
【０１１５】
１、１１０ 高圧インバータ
２、１２０ 入力電源部
３、１３０ 電動機
５１、６１、７１，８１、９１、１１１ 移相変圧器
５２、６２、７２、８２、９２、１１２、１１３ 電力セル
２１０、４１０ 整流部
２２０、４２０ 直流部
２３０、４３０ インバータ部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機を駆動する複数の電力セルを含むマルチレベル高圧インバータの移相変圧器において、
複数のモジュール化された移相変圧器を含み、
前記複数のモジュール化された移相変圧器の一次側巻線は、所定角度で互いに位相シフトされることを特徴とする、移相変圧器。
【請求項２】
前記モジュール化された移相変圧器の二次側巻線は、所定角度で各々位相シフトされた複数の第１結線及び複数の第２結線を含むことを特徴とする、請求項１に記載の移相変圧器。
【請求項３】
前記第１結線はＹ結線であり、前記第２結線はΔ結線であることを特徴とする、請求項２に記載の移相変圧器。
【請求項４】
前記複数のモジュール化された移相変圧器のうちいずれか一つは、入力電力として、前記複数の電力セルのうち前記電動機に三相電圧を各々提供する三つの電力セルに、前記第１結線及び前記第２結線の出力を供給することを特徴とする、請求項２または３に記載の移相変圧器。
【請求項５】
前記モジュール化された移相変圧器の二次側巻線は、所定角度で各々位相シフトされた複数の結線を含むことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の移相変圧器。
【請求項６】
前記モジュール化された移相変圧器のうちいずれか一つは、前記複数の電力セルのうちいずれか一つの電力セルに入力電力を供給することを特徴とする、請求項５に記載の移相変圧器。
【請求項７】
前記電力セルのうちいずれか一つの入力は、前記モジュール化された移相変圧器の複数の結線のいずれか一つからの出力であることを特徴とする、請求項６に記載の移相変圧器。
【請求項８】
前記複数の前記モジュール化された移相変圧器は、前記複数の電力セルのうちいずれか一つの電力セルに入力電力を供給することを特徴とする、請求項５乃至７のいずれか一項に記載の移相変圧器。
【請求項９】
前記電力セルのうちいずれか一つの入力は、前記複数のモジュール化された移相変圧器からの出力であることを特徴とする、請求項８に記載の移相変圧器。
【請求項１０】
【表１】
【請求項１】
電動機を駆動する複数の電力セルを含むマルチレベル高圧インバータの移相変圧器において、
複数のモジュール化された移相変圧器を含み、
前記複数のモジュール化された移相変圧器の一次側巻線は、所定角度で互いに位相シフトされることを特徴とする、移相変圧器。
【請求項２】
前記モジュール化された移相変圧器の二次側巻線は、所定角度で各々位相シフトされた複数の第１結線及び複数の第２結線を含むことを特徴とする、請求項１に記載の移相変圧器。
【請求項３】
前記第１結線はＹ結線であり、前記第２結線はΔ結線であることを特徴とする、請求項２に記載の移相変圧器。
【請求項４】
前記複数のモジュール化された移相変圧器のうちいずれか一つは、入力電力として、前記複数の電力セルのうち前記電動機に三相電圧を各々提供する三つの電力セルに、前記第１結線及び前記第２結線の出力を供給することを特徴とする、請求項２または３に記載の移相変圧器。
【請求項５】
前記モジュール化された移相変圧器の二次側巻線は、所定角度で各々位相シフトされた複数の結線を含むことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の移相変圧器。
【請求項６】
前記モジュール化された移相変圧器のうちいずれか一つは、前記複数の電力セルのうちいずれか一つの電力セルに入力電力を供給することを特徴とする、請求項５に記載の移相変圧器。
【請求項７】
前記電力セルのうちいずれか一つの入力は、前記モジュール化された移相変圧器の複数の結線のいずれか一つからの出力であることを特徴とする、請求項６に記載の移相変圧器。
【請求項８】
前記複数の前記モジュール化された移相変圧器は、前記複数の電力セルのうちいずれか一つの電力セルに入力電力を供給することを特徴とする、請求項５乃至７のいずれか一項に記載の移相変圧器。
【請求項９】
前記電力セルのうちいずれか一つの入力は、前記複数のモジュール化された移相変圧器からの出力であることを特徴とする、請求項８に記載の移相変圧器。
【請求項１０】
【表１】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−７４７８９（Ｐ２０１３−７４７８９Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１８５０４１（Ｐ２０１２−１８５０４１）
【出願日】平成２４年８月２４日（２０１２．８．２４）
【出願人】（５９３１２１３７９）エルエス産電株式会社 (221)
【氏名又は名称原語表記】ＬＳＩＳ ＣＯ．， ＬＴＤ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年８月２４日（２０１２．８．２４）
【出願人】（５９３１２１３７９）エルエス産電株式会社 (221)
【氏名又は名称原語表記】ＬＳＩＳ ＣＯ．， ＬＴＤ
【Ｆターム（参考）】
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