JP2005287241A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 逆並列にダイオードを接続したスイッチング素子を二つ直列に接続した、3つのアームA1〜A3とコンデンサ30とを並列に接続し、アームA1及びA2とコンデンサ30とで構成される直列コンバータXを、交流電源1と負荷6との間に交流電源1側にリアクトル40を介して直列に接続し、アームA2及びA3とコンデンサ30とで構成される並列コンバータYを、交流電源1と負荷6との間に負荷6側にリアクトル41を介して並列に接続する。アームA1及びA2を、これら間の電圧が降圧時には電源電圧と逆相となるように、また昇圧時には同相となるようにPWM制御し、アームA3を、降圧又は昇圧動作により消費するコンデンサ30のエネルギを充放電するようPWM制御する。
【選択図】 図1
Description
このようなダブルコンバータ構成の回路として、例えば、図6に示す回路方式が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。
一方、電源電圧変動を補償し、且つ負荷に安定した電圧を供給する回路方式として、例えば図7に示す回路方式が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
このように、ダブルコンバータ方式の回路にあっては、交流電源1側及び負荷6側のどちらのコンバータにおいても負荷6に供給するための全てのエネルギが通過するため、各コンバータの発生する損失は大きなものとなり、変換効率を低下させる一要因となっており、ランニングコストを増加させる要因となっている。
例えば、交流電源電圧を200〔V〕とした場合、コンデンサ31及び32の両端にかかる電圧は、「√2×200+√2×200(なお、√2は、2の平方根であることを表す。)」となり、565.7〔V〕となる。よって、1000〔V〕級の耐圧の高い素子が必要になり、汎用性に欠けるためコストが増大し、また、耐圧が高くなるにつれて素子のスイッチング速度が遅くなるため素子損失が大きくなる。さらにコンバータ回路が高圧となるので回路構成が大きくなってしまうという問題がある。
しかしながら、前記図7に示すような回路を単純にフルブリッジ化する場合、インバータ回路と整流回路との両方をフルブリッジ構成とする必要があり、また、トランスを要するため、コストや回路効率の面で問題が残る。
そこで、この発明は、上記従来の未解決の問題に着目してなされたものであり、交流電圧源の電圧変動を抑制して負荷に一定の電圧供給を行う際に、ランニングコストを抑え且つ適用素子の耐圧を低減することの可能な電力変換装置を提供することを目的としている。
さらに、請求項5に係る電力変換装置は、前記請求項1から請求項4の何れか1項に記載の電力変換装置において、前記蓄電用コンデンサと並列に接続されるエネルギ蓄積手段と、前記交流電源と並列に接続され前記エネルギ蓄積手段への充電を行う充電手段と、前記エネルギ蓄積手段のエネルギにより前記蓄電用コンデンサを充電する放電手段と、を備えることを特徴としている。
さらに、請求項5に係る電力変換装置によれば、前記蓄電用コンデンサと並列に接続されるエネルギ蓄積手段を設け、交流電源からの電源電圧を利用して、エネルギ蓄積手段への充電を行うと共に、エネルギ蓄積手段のエネルギにより前記蓄電用コンデンサを充電するようにしたから、前記エネルギ蓄積手段のエネルギ蓄積量相当分だけ、前記負荷への電圧供給を延長することができる。
まず、第1の実施の形態を説明する。
図1は、本発明における電力変換装置の構成を示す回路図である。図1に示すように、例えばトランジスタ等で構成される、スイッチング素子10及び11、スイッチング素子12及び13、スイッチング素子14及び15がそれぞれ直列に接続されてアームA1〜A3が形成され、且つこれら各アームA1〜A3は並列に接続され、さらに、スイッチング素子10及び11からなるアームA1と、スイッチング素子12及び13からなるアームA2との間にコンデンサ30が並列に接続されている。また、各スイッチング素子10から15にはそれぞれ逆並列にダイオード16から21が接続されている。
そして、前記スイッチング素子10から15は、制御回路90によってPWM制御されるようになっている。この制御回路90は、交流電源1の電源電圧に応じて、PWM制御を行うようになっている。
一方、コンデンサ30を、スイッチング素子12及び13からなるアームA2とスイッチング素子14及び15からなるアームA3とで構成されるコンバータの出力と考えたとき、このコンバータは、交流電源1に対して並列に接続されていることになる。以下、このコンバータを並列コンバータYという。
制御回路90は、交流電源1の電源電圧を監視し、この電源電圧が所望の出力電圧よりも高いときには、直列コンバータX及び並列コンバータYを降圧動作をさせる。
具体的には、スイッチング素子12及び13を交流電源1からの電源電圧に同期してオン状態に制御する。その結果、スイッチング素子12及び13からなるアームA2の出力電圧波形は、図2(b)に示すように電源電圧に同期した矩形波となる。
具体的には、図2(a)に示すように、スイッチング素子10及び11を交流電源1からの電源電圧に同期してオン状態に制御する。その結果、スイッチング素子10及び11からなるアームA1の出力波形は、電源電圧に同期した矩形波となる。
このようにすることによって、負荷6に供給するエネルギは直列コンバータXのみを通り、並列コンバータYには、電圧補償に使ったエネルギだけが通過することになるため、従来のダブルコンバータ方式に比較して並列コンバータYの損失を低減することができ、高効率化を図ることができる。
また、直列コンバータX及び並列コンバータYは、それぞれフルブリッジ回路で構成しているから、ハーフブリッジ回路で構成した場合に比較して各スイッチング素子の耐圧を低減することができ、スイッチング素子の責務を軽減することができる。
この第2の実施の形態は、上記第1の実施の形態において、交流電源1側に交流電源1とリアクトル40との間の接続を遮断するための遮断回路51(遮断手段)を追加し、さらに、負荷6側に切り替えスイッチ50(切り替え手段)を追加したものである。この切り替えスイッチ50は、可動接点50a及び50bを有し、可動接点50aは、前記スイッチング素子12及び13の直列接続点と前記コンデンサ34との接続点に接続され、可動接点50bは、前記遮断回路51とリアクトル40との間に接続され、また、固定接点50cは、負荷6の一方の端子に接続されている。
このように、交流電源1側に、この交流電源1と電力変換装置100とを切り離すための遮断回路51を設け、また、負荷6側に、この負荷6と交流電源1とを直接接続したり、或いは、負荷6と電力変換装置100とを切り離したりするための切り替えスイッチ50を設けたから、電力変換装置100の異常や、交流電源1の異常等が発生した場合であっても、状況に応じて切り替えスイッチ50や遮断回路51を制御することによって、負荷6への電圧供給を継続することができると共に、電力変換装置100や交流電源1の異常によって、負荷6に支障をきたすことを回避することができる。
この第3の実施の形態は、上記第2の実施の形態において、充放電手段61を介して、コンデンサ30と並列にエネルギ蓄積要素60(エネルギ蓄積手段)が接続されている。このエネルギ蓄積要素60としては、例えばバッテリ等の二次電池やフライホイール等を適用することができる。また、前記充放電手段61としては、例えば、電流可逆チョッパ回路(二象限チョッパ回路)等を適用することができる。
このとき、充放電手段61では、コンデンサ30からエネルギ蓄積要素60に対してエネルギを充電する。
この状態から、交流電源1に異常が発生し、例えば停電した場合等には、制御回路90aでは、前記遮断回路51を遮断状態に切り替え、交流電源1を電力変換装置100から切り離す。そして、コンデンサ30を電源として、並列コンバータYによって交流電圧を生成しこれを負荷6に供給することで、負荷6への電圧供給を継続する。
このようにすることによって、コンデンサ30によって負荷6への電圧供給を継続することができると共に、コンデンサ30に蓄積されたエネルギ相当分だけでなく、エネルギ蓄積要素60に蓄積されたエネルギ相当分だけ、負荷6への電圧供給を継続することができ、負荷6への電圧供給時間を延長させることができる。
この第4の実施の形態は、上記第3の実施の形態において、前記充放電手段61に替えて放電手段63を設け、さらに、交流電源1と並列に接続された、前記エネルギ蓄積要素60(エネルギ蓄積手段)への充電を行う充電手段62を設けたものである。この充電手段62としては例えばダイオード整流回路やPWM整流回路等の交流ー直流変換回路を適用することができ、また、前記放電手段63としては例えば昇圧チョッパ回路やフライバックコンバータ等の直流ー直流変換回路を適用することができる。
このとき、充電手段62は、エネルギ蓄積要素60への充電を終了し、放電手段63では、前記制御回路90aによってコンデンサ30を電源とする電力供給が開始されたことを検出すると、エネルギ蓄積要素60をエネルギ源としてコンデンサ30への充電を開始する。
6 負荷
10〜15 スイッチング素子
16〜21 ダイオード
30 コンデンサ
33、34 フィルタコンデンサ
50 切り替えスイッチ
51 遮断回路
60 エネルギ蓄積要素(エネルギ蓄積手段)
61 充放電手段
62 充電手段
63 放電手段
90、90a 制御回路
A1〜A3 アーム
X 直列コンバータ(第1のコンバータ)
Y 並列コンバータ(第2のコンバータ)
Claims (5)
- 交流電源と負荷との間に介挿され、前記交流電源の電源電圧の変動に関わらず前記負荷へ一定電圧を供給するようにした電力変換装置において、
二つのスイッチング素子が直列に接続された第1のアーム及び第2のアームと蓄電用コンデンサとが並列に接続されて構成され且つ前記交流電源と負荷との間に直列に接続される第1のコンバータと、
前記第2のアームと並列に接続され且つ二つのスイッチング素子が直列に接続された第3のアームと前記第2のアーム及び前記蓄電用コンデンサとで構成され、前記交流電源と負荷との間に並列に接続される第2のコンバータと、を備え、
前記第1のコンバータを、前記電源電圧の変動分を補償するように動作させ、且つ、前記第2のコンバータを、前記第1のコンバータの補償動作に伴うエネルギ消費相当分、前記蓄電用コンデンサの充放電を行うように動作させることを特徴とする電力変換装置。 - 交流電源と負荷との間に介挿され、前記交流電源の電源電圧の変動に関わらず前記負荷へ一定電圧を供給するようにした電力変換装置において、
ダイオードが逆並列にそれぞれ接続された二つのスイッチング素子が直列に接続された第1のアーム及び第2のアームと蓄電用コンデンサとが並列に接続されて構成され且つ前記交流電源と前記第1のアームとの間に第1のリアクトルが介挿されて前記交流電源と負荷との間に直列に接続される第1のコンバータと、
前記第2のアームと並列に接続され且つ前記ダイオードが逆並列にそれぞれ接続された二つのスイッチング素子が直列に接続された第3のアームと前記第2のアーム及び前記蓄電用コンデンサとで構成され、前記第3のアームが第2のリアクトルを介して前記負荷と接続されて前記交流電源と負荷との間に並列に接続される第2のコンバータと、
前記交流電源と前記第1のリアクトルとの間に前記交流電源と並列に接続される第1のフィルタコンデンサ及び前記負荷と前記第2のリアクトルとの間に前記負荷と並列に接続される第2のフィルタコンデンサと、を備え、
前記第1のコンバータを、前記電源電圧の変動分を補償するように動作させ、且つ、前記第2のコンバータを、前記第1のコンバータの補償動作に伴うエネルギ消費相当分、前記蓄電用コンデンサの充放電を行うように動作させることを特徴とする電力変換装置。 - 前記交流電源と前記第1のコンバータとの間に介挿された遮断手段と、
前記第2のコンバータと前記負荷との間に介挿される切り替え手段と、を備え、
当該切り替え手段は、前記負荷を、前記第2のコンバータと、前記遮断手段及び前記第1のコンバータ間との何れかに接続するようになっていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の電力変換装置。 - 前記蓄電用コンデンサと並列に接続されるエネルギ蓄積手段と、
前記蓄電用コンデンサと前記エネルギ蓄積手段との間でエネルギを融通する充放電手段と、を備えることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1項に記載の電力変換装置。 - 前記蓄電用コンデンサと並列に接続されるエネルギ蓄積手段と、
前記交流電源と並列に接続され前記エネルギ蓄積手段への充電を行う充電手段と、
前記エネルギ蓄積手段のエネルギにより前記蓄電用コンデンサを充電する放電手段と、を備えることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか1項に記載の電力変換装置。
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