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技術 マルチレベル電力変圧器に使用するモジュラー変圧器装置

出願人 エレクトリックボートコーポレーション
発明者 エドガーエスサックストンジーンキャッスルズピーターエムリナルディ
出願日 2000年12月28日 (19年6ヶ月経過) 出願番号 2000-403095
公開日 2001年7月19日 (18年11ヶ月経過) 公開番号 2001-196244
状態 未査定
技術分野 変成器又はリアクトル一般
主要キーワード モジュラーユニット 二次接続 並列モジュール 星形形状 変圧器出力 移相角 移相状態 移相装置
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図面 (20)

課題

マルチレベル電力変換機のためのモジュラー変圧器装置を提供する、すなわち、異なる装置のための可変電力必要条件を満たすべく、高電力システムに使用する低電力変圧器電力密度モジュラー三次元装置を提供し、製造と、設置と、そして取り換えとを容易にする変圧器装置を提供する。

解決手段

明細書に記述される実施形態において、マルチレベル電力変換機に電力を供給するモジュラー変圧器装置は、三角、あるいは辺延び三角接続一次巻線と、三角、辺延び三角、Y、千鳥Yなどの接続二次巻線とを有する複数の三相変圧器を備え、マルチレベル変換機が、変圧器に、増大された電圧および/または電流、または入力に対して移相されることが可能な多位相を供給するために、電力変換機モジュール絶縁した二次コイルに接続される入力と、直列および/または並列に接続される出力とを有する全ブリッジ電力モジュールを備えている。

概要

背景

推進モータを駆動するのに、あるいは船に補助電力を供給するのに利用される電力変換装置電力を供給する従来の電気駆動システムは、例えば、ほぼ12パルス変圧器大型変圧器を必要とする。このような従来の電気駆動システムは、通常、いくつかのスケーラブル電力レベルのそれぞれのために異なる変圧器設計を必要とし、それぞれのサイズ重量と、単一の大きな変圧器の使用に基づいて最適化することができないパッケージ装置とに不利な点を結果として生ずる。

中圧静電AC駆動は、電力の品質を改良し、絶縁を設けることが可能な変圧器によって得られる。パルス幅変調(PWM)低圧駆動の場合、いくつかのモジュールは、マルチレベル電力変換機を備えて、高出力電圧を得るように直列に、また高出力電流を供給するように並列に配置されている。これらの駆動は、必要とされる電力出力を供給するために、通常、多数の絶縁した変圧器の二次コイルから、多くの場合、移相から各モジュールのために絶縁した入力を必要とする。大きなモータ駆動のために、変圧器の容量と重量とは、コアサイズと、二次接続と、使用される冷却方法とにより、過大となる。高出力電力定格と多数の二次接続とを有する変圧器は、極めて大きくて、扱いにくい。移相出力を有する多数の二次コイルが必要とされるとき、単一の大きなコアは、二次形状の複雑さのため、いくつかの用途において機械的に実行不可能である。

Uhlmannの米国特許第2,820,189号は、電圧整流を使用する静電流変換機について記述している。その特許に記述されているように、4つの6‐パルスの二路接続変換機は、15°の位相角を有する24‐パルス変換機を形成するように、2つの変圧器に連接されている。Uhlmannの特許は、構成要素の変換機を通る電圧調波短絡を防止するように、異なる位相で作動する電圧整流静電流変換機の装置について開示している。

Hammondの米国特許第5,625,545号およびOpel等の米国特許第5,638,263号は、出力リプルを減少するために、多位相を供給するように三相AC入力の移相を利用する電力変換システムについて開示しており、この場合、H‐ブリッジが、異なる位相成分スイッチングをもたらすように設けられている。これらの特許は、入力変圧器における多数の絶縁した二次コイルと、移相に効果を生ずる三角、Y、辺延び三角、千鳥などの形状とについて開示している。Opel等の特許は、さらに、1つの一次巻線と多数の二次巻線とを有する単一変圧器ではなく、多数の変圧器の使用と、電流、また電圧出力必要条件に基づく電力変換機の異なる装置とについて開示している。

Maezawa等の米国特許第5,671,127号は、比較的小さなサイズで、そのDC出力エネルギーにおける調波電流を減少することが可能な高圧の、大きい出力DC給電装置について記述している。これは、出力位相を移動するため三角、また星形形状に接続される一次巻線に12の出力位相を供給するように接続される独立した変圧器を使用して位相の数を増加することによって成し遂げられる。

このような従来の給電、あるいは変換装置は、出力リプルを減少するために、多位相出力を供給するように三相AC入力からシフトする移相変圧器を利用している。従来技術の変圧器装置では、それぞれの適用のため最大重量と容量とを有する異なる給電装置の変圧器の必要条件を満たすことができない。

概要

マルチレベル電力変換機のためのモジュラー変圧器装置を提供する、すなわち、異なる装置のための可変電力の必要条件を満たすべく、高電力システムに使用する低電力変圧器の電力高密度モジュラー三次元装置を提供し、製造と、設置と、そして取り換えとを容易にする変圧器装置を提供する。

明細書に記述される実施形態において、マルチレベル電力変換機に電力を供給するモジュラー変圧器装置は、三角、あるいは辺延び三角接続一次巻線と、三角、辺延び三角、Y、千鳥Yなどの接続二次巻線とを有する複数の三相変圧器を備え、マルチレベル変換機が、変圧器に、増大された電圧および/または電流、または入力に対して移相されることが可能な多位相を供給するために、電力変換機モジュールの絶縁した二次コイルに接続される入力と、直列および/または並列に接続される出力とを有する全ブリッジ電力モジュールを備えている。

目的

従って、本発明の目的は、従来技術のモジュラーの不利な点を解消するマルチレベル電力変換機のためのモジュラー変圧器装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、異なる装置に対して可変電力の必要条件を満たすように設計を変えるという多数の変圧器の必要性を回避するように、高電力システムに使用する低電力変圧器の電力高密度のモジュラー三次元装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、時には、製造と、設置と、取換えとが難しい電力電気駆動システムの単一で、大きな変圧器の必要性を削減する変圧器装置を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

モジュラー変圧器装置であって、それぞれが複数の一次巻線と、複数の絶縁した二次巻線とを有する複数の変圧器モジュールと、前記複数の変圧器の絶縁した二次巻線から電力を受けるように接続される独立した入力を有する複数の電力変換機モジュールを有する電力変換機装置とを備えているモジュラー変圧器装置。

請求項2

前記電力変換機モジュールそれぞれが、高電圧給電を生成するように、前記変圧器モジュールの二次巻線の1つに接続される入力を有し、また直列に接続される出力を有する複数の全ブリッジを備えていることを特徴とする請求項1記載のモジュラー変圧器装置。

請求項3

第2の複数の変圧器モジュールが、前記複数の電力変換機に、並列に接続される電力変換機装置の第2の複数の電力変換機の独立した入力を供給する第2の複数の変圧器モジュールを備えていることを特徴とする請求項2記載のモジュラー変圧器装置。

請求項4

それぞれの変圧器モジュールが、複数の三角接続一次巻線と、複数の三角接続二次巻線とを有していることを特徴とする請求項1記載のモジュラー変圧器装置。

請求項5

それぞれの変圧器モジュールが、それぞれが移相を供給する複数の辺延び三角接続一次巻線と、複数の三角接続二次巻線とを有していることを特徴とする請求項1記載の変圧器装置。

請求項6

それぞれの変圧器モジュールの前記辺延び三角接続一次巻線が、複数の別の変圧器モジュールの前記辺延び三角接続一次巻線から異なる移相を供給することを特徴とする請求項5記載のモジュラー変圧器装置。

請求項7

それぞれの変圧器モジュールが、異なる位相出力電力を生成する複数の二次巻線を有し、そして前記電力変換機装置が、対応する複数の出力位相を供給することを特徴とする請求項1記載のモジュラー変圧器装置。

請求項8

それぞれの変圧器モジュールが、複数の辺延び三角接続一次巻線と、複数の辺延び三角接続二次巻線とを有していることを特徴とする請求項1記載のモジュラー変圧器装置。

請求項9

それぞれの変圧器モジュールが、複数の辺延び三角接続一次巻線と、複数のY接続二次巻線とを有していることを特徴とする請求項1記載のモジュラー変圧器装置。

請求項10

それぞれの変圧器モジュールが、複数の辺延び三角接続一次巻線と、複数の千鳥Y接続二次巻線とを有していることを特徴とする請求項1記載のモジュラー変圧器装置。

請求項11

前記複数の変圧器モジュールと、電力変換機モジュールとを収容するハウジングを備え、それぞれの変圧器が、前記ハウジングの独立したエンクロージャ内に取り付けられ、またそれぞれの電力変換機モジュールが、前記ハウジングの独立したエンクロージャ内に取り付けられることを特徴とする請求項1記載のモジュラー変圧器装置。

請求項12

前記変圧器モジュールと電力変換機モジュールとのためのハウジングを備え、前記変圧器モジュールおよび電力モジュールのすべてが、前記同一エンクロージャ内に取り付けられることを特徴とする請求項1記載のモジュラー変圧器装置。

請求項13

前記変圧器モジュールと電飾変換機モジュールとのためのハウジングを備え、前記変圧器モジュールのすべてが、1つのエンクロージャ内に取り付けられ、また前記電力変換機モジュールのすべてが、もう1つのエンクロージャ内に取り付けられていることを特徴とする請求項1記載のモジュラー変圧器装置。

技術分野

大型変圧器ではなく小型モジュラー変圧器の使用から結果として生ずるキャビネット設計の順応性が、独立したエンクロージャ内に取り付けられる変圧器および電力変換機モジュールとの物理的装置、同一エンクロージャ内の固定装置内に取り付けられる複数の変圧器および電力変換機モジュールとを示す図10から図13に図示されている。このように、小さいモジュールの使用により、変圧器が、電力変換機モジュールから独立したキャビネットに配置されるか、あるいは電力変換機モジュールを有する単一のキャビネット内に一体化されるかのいずれかが可能になる。

背景技術

0001

本出願は、モジュラー電気駆動システムに関し、特に、スケーラブル(scalable)電力レベルを供給する電気駆動システムに関する。

0002

推進モータを駆動するのに、あるいは船に補助電力を供給するのに利用される電力変換装置電力を供給する従来の電気駆動システムは、例えば、ほぼ12パルスの変圧器の大型変圧器を必要とする。このような従来の電気駆動システムは、通常、いくつかのスケーラブル電力レベルのそれぞれのために異なる変圧器設計を必要とし、それぞれのサイズ重量と、単一の大きな変圧器の使用に基づいて最適化することができないパッケージ装置とに不利な点を結果として生ずる。

0003

中圧静電AC駆動は、電力の品質を改良し、絶縁を設けることが可能な変圧器によって得られる。パルス幅変調(PWM)低圧駆動の場合、いくつかのモジュールは、マルチレベル電力変換機を備えて、高出力電圧を得るように直列に、また高出力電流を供給するように並列に配置されている。これらの駆動は、必要とされる電力出力を供給するために、通常、多数の絶縁した変圧器の二次コイルから、多くの場合、移相から各モジュールのために絶縁した入力を必要とする。大きなモータ駆動のために、変圧器の容量と重量とは、コアサイズと、二次接続と、使用される冷却方法とにより、過大となる。高出力電力定格と多数の二次接続とを有する変圧器は、極めて大きくて、扱いにくい。移相出力を有する多数の二次コイルが必要とされるとき、単一の大きなコアは、二次形状の複雑さのため、いくつかの用途において機械的に実行不可能である。

0004

Uhlmannの米国特許第2,820,189号は、電圧整流を使用する静電流変換機について記述している。その特許に記述されているように、4つの6‐パルスの二路接続変換機は、15°の位相角を有する24‐パルス変換機を形成するように、2つの変圧器に連接されている。Uhlmannの特許は、構成要素の変換機を通る電圧調波短絡を防止するように、異なる位相で作動する電圧整流静電流変換機の装置について開示している。

0005

Hammondの米国特許第5,625,545号およびOpel等の米国特許第5,638,263号は、出力リプルを減少するために、多位相を供給するように三相AC入力の移相を利用する電力変換システムについて開示しており、この場合、H‐ブリッジが、異なる位相成分スイッチングをもたらすように設けられている。これらの特許は、入力変圧器における多数の絶縁した二次コイルと、移相に効果を生ずる三角、Y、辺延び三角、千鳥などの形状とについて開示している。Opel等の特許は、さらに、1つの一次巻線と多数の二次巻線とを有する単一変圧器ではなく、多数の変圧器の使用と、電流、また電圧出力必要条件に基づく電力変換機の異なる装置とについて開示している。

0006

Maezawa等の米国特許第5,671,127号は、比較的小さなサイズで、そのDC出力エネルギーにおける調波電流を減少することが可能な高圧の、大きい出力DC給電装置について記述している。これは、出力位相を移動するため三角、また星形形状に接続される一次巻線に12の出力位相を供給するように接続される独立した変圧器を使用して位相の数を増加することによって成し遂げられる。

発明が解決しようとする課題

0007

このような従来の給電、あるいは変換装置は、出力リプルを減少するために、多位相出力を供給するように三相AC入力からシフトする移相変圧器を利用している。従来技術の変圧器装置では、それぞれの適用のため最大重量と容量とを有する異なる給電装置の変圧器の必要条件を満たすことができない。

0008

従って、本発明の目的は、従来技術のモジュラーの不利な点を解消するマルチレベル電力変換機のためのモジュラー変圧器装置を提供することにある。

0009

本発明の別の目的は、異なる装置に対して可変電力の必要条件を満たすように設計を変えるという多数の変圧器の必要性を回避するように、高電力システムに使用する低電力変圧器の電力高密度のモジュラー三次元装置を提供することにある。

0010

本発明のさらなる目的は、時には、製造と、設置と、取換えとが難しい電力電気駆動システムの単一で、大きな変圧器の必要性を削減する変圧器装置を提供することにある。

0011

この発明の以上および目的は、改良された品質の高電力出力を供給するために、移相のために直列および/または並列に接続される単一、あるいはマルチプルユニットで使用されることが可能である変圧器モジュールを含むモジュラー変圧器装置を提供することによって達成される。ユニットを追加したり、あるいは減ずる可能性を有するモジュラー変圧器ユニットで作られる変圧器装置を利用することによって、変圧器出力は、それぞれの必要条件の最大可能な変圧器サイズと重量とを確実にするように、異なる用途のためにスケール可能である。そのうえ、変圧器装置の製造、設置および修理は、モジュラーユニットを使用して容易に行われる。

発明を実施するための最良の形態

0012

本発明の好ましい実施形態において、モジュラー変圧器装置は、可変速度モータを駆動するため、電力変換機装置に電力を供給するように接続されている。別の実施形態において、モジュラー変圧器装置は、ACあるいはDCサービス供給のための電力変換装置、あるいはUPS装置に電力を供給する。好ましいのは、モジュラー変圧器装置は、単一の共有電力変圧器モジュール設計を利用して、電圧と電流とに対する電力において、また位相においてスケール可能な駆動を生成する方法で、直列モジュール並列モジュールとを兼ね備えることである。電力変換のために、インバータへの絶縁した移相された電源を生成する多数の小型モジュラー変圧器を利用する高電力設計が提供されている。

0013

本発明の1つの好ましい実施形態は、可変速度でモータを駆動するために、電力変換装置に電力を供給するためのモジュラー変圧器装置を備えているが、他のモジュラー変圧器装置が、ACあるいはDCサービス供給のための変換装置に、またはUPS装置に電力を供給するのに使用されることが可能である。好ましい電力変換装置装置は、米国特許第5,933,339号に記述されるタイプの単一の共有電力モジュールを使用して、電圧と電流とに対する電力において、また位相においてスケール可能な駆動を供給するために、直列/並列電力モジュールを兼ね備えているモータ駆動構成に電力を供給するモジュラー変圧器を備え、その開示は、ここに引用されている。この装置は、下文にマルチレベルPWMインバータと呼ばれている。基準PWMインバータは、インバータに絶縁した位相の電源を供給する多数の小型モジュラー変圧器を組み込む高電力設計である。

0014

マルチレベル駆動トポロジーは、Hブリッジ、あるいは図1aに示されるHブリッジ10に対応するタイプの“全ブリッジ”のように配列される多数の電力半導体スイッチを備えている。その図に図示されるように、Hブリッジ10は、2つの入力端子12、14を介して絶縁したDC電源からDC電力受け取りコンデンサ16によって分路され、そして端子12、14を横切って接続される2つの電力トランジスタ18、20を有し、これらのトランジスタ間中間点出力端子22に接続され、また端子12、14を横切って接続される2つの別の電力トランジスタ24、26を有し、これらのトランジスタの中間点で、別の出力端子28に接続されている。

0015

図1bに示されるように、隣接したHブリッジの出力に直列に接続される出力端子をそれぞれが有する一続きのHブリッジ10a,10b...10mは、Hブリッジの入力端子に供給される絶縁したDC電力電圧の合計に等しい出力電圧を生成するマルチレベル位相ドライバ30を備えている。Hブリッジ10a、10b...10mは、従って、特定の出力位相のため必要とされる線から中性点への電圧を発生するように独立したレベルを供給し、レベルの数は、所望の駆動の線間出力電圧によって、またHブリッジに使用される電力半導体スイッチ18、20、24、26の電圧定格によって決定される。この一連直列接続全ブリッジは、下文で“マルチレベル位相ドライバ”と呼ばれている。

0016

多数のこのようなマルチレベル位相ドライバは、出力位相と、設けられる回路との必要とされる数により、Y、三角、あるいは単一位相形状で相互連結され、必要とされるマルチレベル位相ドライバの数は、出力回路の数によって増加される出力位相の数に等しい。図2は、対応する出力位相A...mのための複数の回路30a...30kまた30a′...30k′それぞれが、浮動中性点34に接続される1つの出力端子34a...34kまた34a′...34k′と、モータの対応する位相の対応する回路に接続される別の出力端子36a...36kまた36a′...36k′とを有するモータのための結果として生ずる駆動装置を概略的に図示している。

0017

図3は、変圧器42の二次巻線から三相AC入力電圧を受けて、DC出力を生成する三相整流器44にこれらの電圧を供給する全ブリッジモジュール40を概略的に図示している。この出力は、並列リンクコンデンサ装置46を介して、端子50、52で単相出力を供給する単一全ブリッジ48に結合されている。

0018

変圧器42の二次巻線は、改良された駆動電力の品質のためと、減少された入力電流調波とのために互いに相対的に移相されている。このタイプの入力変圧器42は、中圧(5−15kV)AC配電システムが工業的また船舶の用途のために設けられることを可能にする。変圧器が、駆動電力エレクトロニクスに入力を供給する前に、システム電圧下げるので、駆動出力電圧は、駆動に対して直列の全ブリッジの数によって決定される。本発明によるモジュラー変圧器装置は、単一の変圧器に必要とされる二次コイルの総数を減少し、一層スケール可能な三次元(すなわち、電圧と電流)モータ駆動を可能とするために、複数の小型入力変圧器を利用している。

0019

このように、図3に示されるタイプの全ブリッジ電力モジュールについて、各電力モジュールは、3つの入力接続と、単相出力を供給する2つの出力電力接続とを有し、多数のこのような電力モジュールは、x位相と、y電圧(対称)と、z馬力モータとによるオペレーションを所望される方法で配列されている。

0020

各電力モジュールは、aボルト(線から中性点)とb馬力とを生成するようにデサインされる場合、その時、駆動は、z/bに等しいモジュールの総数を必要とする。直列のモジュールの数は、y/(a*√3)に等しいのに対して、駆動の位相毎の並列モジュールの数は、(z/b)/(x*(y/(a*√3)))に等しい。この方法で計算されるモジュールの数は、整数値切り上げられる必要があり、結果として生ずる駆動は、図3に示されるタイプの電力モジュールを含む三次元構造である。さらに、並列モジュールと同等の数を得ることは、例えば、米国特許第5,935,339号に記述されるタイプのPWMインターリーブアルゴリズムに不利に影響を及ぼすことなく、部分馬力負荷のための駆動回路ターンオフすることが可能な利点を示す。

0021

移相は、変圧器60が、図4bに示されるタイプの三角接続巻線64と、辺延び三角出力巻線装置66、あるいは千鳥Y出力巻線装置68への三相AC入力62を有する図4aに図示される方法で二次巻線の辺延び三角形状を設けることによって変圧器で成し遂げられることが多い。それぞれの場合、二次巻線は、異なる位相出力を供給するために、変圧器コアの異なる鉄心脚巻き付けられる三角形状、あるいはY形状からの延長部を構成する巻線70、72、74を含んでいる。これらの装置を用いて、出力巻線の位相は、入力位相に対して正方向か、あるいは負方向のいずれかに60°に至るだけ移動されることが可能であり、そしてすべての巻線が同一のコアを共有するので、コア振動が減少されて、磁心利用が、大いに改良される。

0022

移相は、さらに、三角/三角、また三角/Yなどの変圧器巻線形状の様々なタイプが、二次巻線移相を超える利点を与えることが可能な変圧器の一次巻線で成し遂げられる。図5は、それぞれが変圧器コアの対応する鉄心脚68、70、72の相対巻コイル62a、62b、64a、64b、66a、66bそれぞれに接続される3つの異なる位相入力62、64、66を有し、そして鉄心脚68、70、72の対応する二次巻線74a、76a、78aから移相出力74、76、78をそれぞれに備える一次移相三角/三角変圧器60の簡素化された配線図を概略的に図示している。概略配線図に示されているように、巻線66a、62a、64aそれぞれの相対端部は、巻線62b、64b、66bそれぞれの相対端部に接続されている。

0023

図6a乃至図6eは、図5に示されるタイプの変圧器によって生成されることが可能な異なる移相状態を概略的に図示している。図6aは、変圧器の一次巻線の入力位相に対して+24°の移相を生成し、変圧器の二次巻線の対応する移相を生成する図5に示される装置の巻線の接続を図示している。図6b、図6c、図6dおよび図6eは、それぞれに+12°、0°、−12°、−24°の変圧器の一次巻線における移相を生成することによる、またこれらの図面に示されているコアの鉄心脚のそれぞれの巻線の巻数間の割合を増加するか、あるいは減少することによる、またそれぞれのコアの鉄心脚の巻線の1つにタップ100を設けることによる接続を示している。

0024

変圧器の一次側のこのような移相は、低電流により、小直径のワイヤが使用されることを可能にして、減少されたワイヤ直径と低電流とが、共に、移相巻線への小接続の効果を向上するので有利である。一次巻線の巻数増加により、移相の分解能が、さらに、改良される。移相が、変圧器の一次側で達成されるとき、上述のタイプのタップ100は、異なる移相角を可能とする小接続で一層容易に設置されることが可能である。結果として、使用可能な多数の巻数と小さくて複雑性が少ないハートウェアとから結果として生ずる一層よい分解能で、一次移相構造は、高電力変圧器におけるよりも必要とされるスペースが少なくてよい。

0025

変圧器の一次側の移相は、さらに、変圧器巻線形状の別のタイプで成し遂げられることが可能である。三角/三角、また三角/Y入力および出力巻線形状を有する変圧器装置は、図5に示されるタイプの三角/三角巻線形状と比べて総合的な変圧器性能に付加的な利点を与える。図7は、図5を参照にして上記に記述されるのと同一タイプの三角接続一次巻線と、共有接地118に接続される変圧器のコアの鉄心脚88、90、92のY接続二次巻線112、114、116とを有し、独立した出力120、122、124を供給する一次移相三角/Y変圧器110の簡素化された配線図を図示している。この装置において、三角/Y形状の結果として誘導される二次電圧は、三角/三角接続によって誘導される対応する二次電圧に対して30°進んでいる。三角/Y形状では、移相角は、常時30°であるが、変圧器の一次側で行われる移相に関して三角/三角変圧器形状と三角/Y変圧器形状とを組み合わせると、必要とされる移相の角を減少する。

0026

図8a乃至図8eは、移相が、図6a乃至図6eに対して記述されるような、分路100の使用により移相が変化する図7に示されるタイプの典型的な一次移相三角/三角変圧器と三角/Y変圧器との様々な形状を示している。図8aに示される装置は、図7に示される標準の三角/三角形状に対して出力につき−6°の移相を与えるのに対して、図8bに示される装置は、図7に示される標準の三角/三角形状に対して+6°の移相を有している。−12°の一次移相を有する図8cは、図7に示される標準三角/Y形状に対して出力で18°の移相を生成し、一方、0°の一次移相を有する図8dは、図7に示されるタイプの標準の三角/Y形状に対して30°の移相を生成し、+12°の一次移相を有する図8eは、標準三角/Y形状に対して42°の出力で移相を生成する。

0027

このように、三角/三角および三角/Y変圧器形状と、一次側で行われる移相がを組み合わせると、必要とされる移相角を減少するので、例えば、図6eと図8eとの比較によって示されるように、最大一次移相角の必要条件が、50%だけ減少される。

0028

図9は、12,000馬力モータ駆動のために形作られている直列/並列接続を有する8つの移相三角/三角変圧器モジュールを使用するモジュラー変圧器装置の代表的な実施形態を図示している。この装置において、例えば、図6に示されるタイプの10個の変圧器モジュール120は、図2を参照にして上記に記述されるタイプの3つのマルチレベルの位相ドライバ122、124、126の全ブリッジのための絶縁した入力を供給するように接続されている。この装置は、特に、変圧器容量および重量が、変圧器コアサイズと、二次接続と、必要とされる冷却方法とのために過剰になる大きなモータ駆動に有効である。高パルス数システムが、改良された品質、すなわち減少されたシステム調波に必要であるとき、移相出力を有する多数の二次コイルが必要とされるので、単一の大きなコアが、このような用途には物理的に実用的ではない。結果として、図9に示されるタイプのモジュラー三次元変圧器設計が、このような用途のため、単一の大きな変圧器設計の複雑さと制約とを回避するために使用されることが可能である。

0029

図9に示されるタイプのマルチレベル駆動の理論上の最大の線から中性点への出力電圧は、

0030

電力レベルの必要条件がドライブごとに変わるとき変圧器の設計の大きな変化を回避するため、また製造と、設置と、置き変えを難しくする単一の大きな変圧器の不利な点を回避するために、上記に論じられたタイプのモジュラー三次元変圧器形状が使用されている。さらに、モジュールの装置が、モジュラーバンクに設けられるとき、移相変圧器は、モジュラーの6つのパルス整流負荷を供給するときに高パルス数を供給する。移相の総合的な度が最小にされる千鳥、あるいは辺延び三角巻線、または一次移相巻線を使用するモジュラー二次移相変圧器などの変圧器形状が好ましい。可変速度でモータを駆動するための電力変換装置に絶縁した移相電力を供給する多数の小型移相モジュラー変圧器を提供することが可能な高電力設計である図9に示されるタイプのモジュラー変圧器装置は、例えば、モジュラー変圧器設計が、電力モジュラー形状の必要条件変化として変圧器ユニットを追加したり、あるいは減らしたりすることができるので好ましい装置である。

0031

変圧器モジュール120のそれぞれが、1メガワット変圧器モジュールであり、またマルチレベルのインバータ122、124、126の電力モジュール130のそれぞれが、315kW電力モジュールである図9に示される典型的な装置は、変圧器モジュール120のそれぞれが1メガワットで定格され、30電力変換機モジュールのそれぞれが315kWで定格される10メガワットとなるように定格されている。モジュラー入力変圧器120のそれぞれは、3つの315kW三相、575RMS絶縁二次コイルを供給する。変圧器一次コイルは、インバータによって供給される合成効果パルス数を増加するために互いに移相されている。図9に示される装置は、15位相をモジュラー電力変換機整流負荷に与え、30パルスシステムを結果として生ずる。

0032

従って、図9に示されるように、電力変換機モジュールと変圧器とは、必要とされるモータ電圧電流定格とを達成するために、2つの回路を用いて三相電力と5つのレベルとを利用して、直列、また並列に接続され、そして駆動の出力が、三相可変電圧と、十分な低調波を有する可変周波数を電力が供給される推進モータに供給する。この装置は、高電力レベル、あるいは低電力レベル用に給電装置を変えるのに必要とされる設計努力を最小にする。

0033

モジュラー三次元変圧器装置を用いて、図10に示されるタイプのエンクロージャ140は、その他の設備のために順応性を維持すると同時にあらゆる用途のために最適な形状を使用するように配置されている。図10に示されるように、それぞれの駆動モジュール130は、エンクロージャ140の独立した区画内に入れられ、それぞれの変圧器120も、独立した区画内に入れられている。必要ならば図9に示される電力装置は、さらに、小さな1メガワットの5つの変圧器の代わりに、それぞれの駆動回路のために1つずつ、大きな5メガワットの2つの変圧器によって供給されることが可能である。下記の表1は、1メガワットの変圧器と5メガワットの変圧器とのサイズ、重量、容量、そしてタイプの比較を示している。

0034

ID=000004HE=030 WI=104 LX=0530 LY=1500
表1に示されるように、かなり軽い重量と小さいサイズのために、図9に示されるシステムのそれぞれの側の5つの市販用の1メガワット変圧器モジュールの使用により、単一の大きな5メガワット変圧器の使用と比べると、それぞれの変圧器モジュールの改良された処理装置と取り除きとが可能になる。

0035

改良型冷却方法を用いて、変圧器サイズと重量とは、かなり減少され、それは、キャビネット設計の順応性と、様々な用途における変圧器モジュールの処理および配列とにさらなる利点を与える。下記の表2は、1メガワットと5メガワット定格の改良型水冷式変圧器のサイズと、重量と、容量とを示している。

図面の簡単な説明

0036

ID=000005HE=030 WI=104 LX=0530 LY=2150

--

0037

図1a Hブリッジの概略図
図1b出力電圧を増加するために、図1aに示されるタイプのHブリッジを利用するマルチレベルの位相ドライバの装置を示す概略図
図2マルチレベルパルス幅変調インバータの装置を図示する概略ブロック図
図3本発明により配列されるHブリッジあるいは“全ブリッジ”電力モジュールを示す概略図
図4a 典型的な変圧器移相装置を図示する概略線図
図4b 別の典型的な変圧器移相装置を図示する概略線図
図5一次移相三角/三角変圧器の配線図を示す概略図
図6図5に示されるタイプの三角/三角変圧器の異なる移相装置を示す概略図
図6図5に示されるタイプの三角/三角変圧器の異なる移相装置を示す概略図
図6図5に示されるタイプの三角/三角変圧器の異なる移相装置を示す概略図
図6図5に示されるタイプの三角/三角変圧器の異なる移相装置を示す概略図
図6図5に示されるタイプの三角/三角変圧器の異なる移相装置を示す概略図
図7一次移相三角/Y変圧器の配線図を示す概略図
図8a 移相三角/三角、また三角/Y変圧器のための異なる移相装置を示す概略図
図8b 移相三角/三角、また三角/Y変圧器のための異なる移相装置を示す概略図
図8c 移相三角/三角、また三角/Y変圧器のための異なる移相装置を示す概略図
図8d 移相三角/三角、また三角/Y変圧器のための異なる移相装置を示す概略図
図8e 移相三角/三角、また三角/Y変圧器のための異なる移相装置を示す概略図
図912,000HPモータ駆動のために形作られる直列/並列接続電力モジュールを含む代表的な移相三角/三角変圧器装置を図示する概略線図
図10変圧器と独立したエンクロージャ内に各々取り付けられる電力変換機とのモジュール装置の代表的な実施形態を示す概略斜視図
図11変圧器と独立したエンクロージャ内に各々取り付けられる電力変換機との別のモジュール装置を示す概略斜視図
図12変圧器と同一エンクロージャ内に組み立てられる電力変換機とのモジュール装置の代表的な実施形態を図示する概略斜視図
図13変圧器と同一エンクロージャ内に取り付けられる変圧器と電力変換機の別のモジュール装置を示す概略斜視図

0038

A...m 対応する出力位相
10 Hブリッジ
10a,10b...10m Hブリッジ
12,14入力端子
18,20,24,26電力トランジスタ電力半導体スイッチ
22,28出力端子
30マルチレベル位相ドライバ
30a...30k,30a′...30k′回路
34浮動中性点
34a...34k,34a′...34k′ 出力端子
36a...36k,36a′...36k′ 出力端子
40 全ブリッジモジュール
42変圧器入力変圧器
44三相整流器
46並列リンクコンデンサ装置
48 単一全ブリッジ
50,52端子
60 変圧器 一次移相三角/三角変圧器
62三相AC入力
64三角接続巻線
66 辺延び三角出力巻線装置
62a,62b,64a,64b,66a,66b 相対巻コイル巻線
62,64,66 3つの異なる位相入力
68千鳥Y出力巻線装置
70,72,74 巻線
68,70,72変圧器コアの対応する鉄心脚
74,76,78 移相出力
74a,76a,78a 対応する二次巻線
88,90,92 変圧器コア鉄心脚
100タップ分路
110 一次移相三角/Y字変圧器
112,114,116Y接続二次巻線
118共有の接地
120,122,124 独立した出力
120変圧器モジュール10の変圧器モジュール
122,124,126 3つのマルチレベル移相ドライバマルチレベルインバータ
130電力モジュール駆動モジュール
140 エンクロージャ

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