JP2009055718A - 電源装置及びこれに用いられる変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】 奇数高調波成分の除去に関し、フィルタを用いずに主要な成分を除去でき、簡略化、小型化、及び低コスト化を図ることができる電源装置等を提供する。
【解決手段】 交流電源３からの入力電圧である交流電圧を出力電圧である直流電圧に変換してバッテリ５に与えることが可能な充電装置１は、交流電圧が与えられる変圧器９を備え、変圧器９の入力側である一次側トランス９１が、複数の一次側トランス部９１ａ、９１ｂを有し、複数の一次側トランス部９１ａ、９１ｂが、変圧器９の出力側である二次側トランス９３において少なくとも二つの奇数高調波成分を互いに打ち消し合う結線関係であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電源装置及びこれに用いられる変圧器に関し、特に交流電源からの入力電圧である交流電圧を出力電圧である直流電圧に変換して負荷に与えることが可能な電源装置、及び、これに用いられる変圧器に関する。

交流電圧を直流電圧に変換して負荷に供給する電源装置として、例えば特許文献１に記載されているものがある。この電源装置は入力電圧である交流電圧から高調波を除去して出力電圧である直流電圧に変換するが、この高調波の除去にはアクティブフィルタが用いられている。

特開２０００−３５０４６０号公報

しかしながら、５次の高調波、７次の高調波、１１次の高調波、１３次の高調波の順に発生する奇数高調波成分の全ての除去をアクティブフィルタで行わなければならず、アクティブフィルタの高性能化が必要となり、複雑化してしまっていた。そのため、電源装置の簡略化、小型化、及び低コスト化において問題が生じていた。

このような問題は、例えば環境問題が高まる昨今において、ＣＯ２削減の点から普及の可能性がある電気自動車への充電において顕著なものとなる。すなわち、安いコストの電力を利用して電気自動車への充電を行おうとすれば、深夜電力が利用されることが予想される。その場合、フル充電が常に行われるわけではなく、フル充電ではない状態で電気自動車の使用を開始する傾向となることが予想される。このような状況も予想した上で、電気自動車が普及して快適に使用されるには、ガソリンスタンドと同様に、充電用電源装置（以下、充電装置という。）に関するインフラ整備が不可欠になる。したがって、この充電装置の簡略化、小型化、及び低コスト化はインフラ整備の重要なファクターであり、従来の装置では問題があった。

ゆえに、本発明は、上記奇数高調波成分の除去に関し、アクティブフィルタのようなフィルタを用いずに主要な成分を除去でき、簡略化、小型化、及び低コスト化を図ることができる電源装置及びこれに用いられる変圧器を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、交流電源からの入力電圧である交流電圧を出力電圧である直流電圧に変換して負荷に与えることが可能な電源装置であって、前記交流電圧が与えられる変圧器を備え、前記変圧器の入力側である一次側トランスが、複数の一次側トランス部を有し、前記複数の一次側トランス部が、前記変圧器の出力側である二次側トランスにおいて少なくとも二つの奇数高調波成分を互いに打ち消し合う結線関係であることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記交流電源が多相交流電源であり、前記変圧器が多相トランスであるものである。

請求項３に係る発明は、交流電源からの入力電圧である交流電圧を出力電圧である直流電圧に変換して負荷に与えることが可能な電源装置に用いられ、前記交流電圧が与えられる変圧器であって、入力側である一次側トランスが、複数の一次側トランス部を有し、前記複数の一次側トランス部が、出力側である二次側トランスにおいて少なくとも二つの奇数高調波成分を互いに打ち消し合う結線関係であることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、交流電源からの入力電圧である交流電圧を出力電圧である直流電圧に変換して負荷に与えることが可能な電源装置に用いられ、前記交流電圧が与えられる変圧器であって、入力側である一次側トランスが、二つの一次側トランス部を有し、前記一次側トランス部の互いの結線関係は、二つの奇数高調波成分の一方の位相の遅れ又は進みと同じ位相の進み又は遅れを他方が有する位相関係を生じる関係であることを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項４において、前記二つの奇数高調波成分が５次と７次であるものである。

本発明によれば、一次側トランスを構成する複数の一次側トランス部の結線関係により、出力側である二次側トランスにおいて少なくとも二つの奇数高調波成分を互いに打ち消し合うことになり、フィルタを用いずに高調波成分を除去できる。これにより、特に主要な高調波成分である５次と７次の成分を除去することもでき、装置の簡略化、小型化、及び低コスト化が可能となる。

図１は本発明の実施の形態に係る充電装置を示した概略ブロック図である。

図１を参照して、充電装置１は、交流電源３から入力された入力電圧である交流電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧を出力電圧として負荷の一例であるバッテリ５に出力する。このため、充電装置１は、バッテリ５に対して充電を行う電源装置として機能する。

充電装置１は、フィルタ７と、変圧器９と、コンバータモジュール１１と、駆動回路１３と、ＣＰＵ１５と、監視制御部１７とを備える。変圧器９は一次側トランス９１と、二次側トランス９３とを備え、一次側トランス９１は第１の一次側トランス部９１ａと第２の一次側トランス部９１ｂとを備える。変圧器９は、通常のものと同様に交流電源３から与えられた交流電圧を所望の値の電圧にするが、さらに特殊な機能を有しており、奇数高調波成分の中で主要な高調波成分に該当する５次高調波及び７次高調波を除去できる。１１次高調波、１３次高調波、高次高調波成分、及びキャリア周波数は、フィルタ７により、除去可能な設計がなされている。

図２は図１の充電装置における５次及び７次高調波を除去する設計を説明するための図であり、図３は図２に示した設計により得られる結線関係を説明するための図である。

変圧器９の入力側である一次側トランス９１の第１の一次側トランス部９１ａがＹ結線（星型結線、スター結線）をなし、この第一相の入力端子を１Ｕとし、第二相の入力端子を１Ｖとし、第三相の入力端子を１Ｗとする。一次側トランスの第２の一次側トランス部９１ｂがΔ結線（三角結線、デルタ結線）をなし、この第一相の入力端子をＵとし、第二相の入力端子をＶとし、第三相の入力端子をＷとする。

これらの第１の一次側トランス部９１ａと第２の一次側トランス部９１ｂとの結線関係は、入力端子１Ｕ、Ｕが第一相の電源Ｒに接続し、入力端子１Ｖ、Ｖが第二相の電源Ｓに接続し、入力端子１Ｗ、Ｗが第三相の電源Ｔに接続する結線が行われるとする。

このような一次側トランス９１の結線関係によって、図２に示す設計状態となり、図３に示すような結線関係の二次側トランス９３が得られる。したがって、図３の破線で囲まれた部分から分かるように、二次側トランス９３では、５次（３０°の遅れ）と７次（３０°の進み）が除去されることになる。

なお、図２に示したもので、具体的な数値を示すとすれば、一次側トランス９１において、１次電圧200V/√3、２次電圧100V、２次電流15A、容量2.5kVAとすると、二次側トランスにおいて、１次電圧200V、２次電圧100V/√3＋100V/√3、２次電流15A＋15A、１次容量2.5kVA、２次容量1.5＋1.5kVAとなる。そして、図３に示した結線関係では、変圧器９の容量5kVA、１次電圧200V、２次電圧200V≒(100＋((100V/√3＋100V/√3))V、２次電流15Aと示される。

このような主要な高調波成分である５次及び７次の高調波成分が除去され、また既にフィルタ７でも他の高調波成分等が除去された後に得られる電圧に対して、コンバータモジュール１１により、降圧Ｄ／Ｄコンバータ方式（高調波ＰＷＭ制御方式）で整流される。この整流は、監視制御部１７からの監視信号によって動作するＣＰＵ１５が駆動回路を通じてコンバータモジュール１１を動作させることによって行われる。そして、直流電圧がバッテリ５に与えられ、充電が行われる。

以上のような主要高調波成分の除去をトランスにより簡単に行う充電装置１が、電気自動車用のスタンドとして機能するとすれば、小型であることから例えば電柱に備え付けることもでき、簡便な設置でインフラ整備も容易に進めることができ、電気自動車の普及に貢献するものとなり得る。

なお、上記実施の形態では、充電装置１に監視制御部１７等を備えさせたが、監視制御装置として独立したものとし、全体を充電システムとして捉えてもよい。変圧器９を除く他の構成についても同様である。

また、上記実施の形態では、充電装置１を示したが、その充電すべき対象の電池は電気自動車用に限られるものでなく、他の用途の電池であってもよい。

さらに、上記実施の形態では、電源装置の一例として充電装置１を示したが、電池以外の負荷に対するものであってもよい。

さらに、変圧器は、単相であっても、三相のような複数の相の場合であってもよい。そして、例えば三相交流においても、三相３線式、三相４線式（第四相が中性相（中相））のような中から適宜選択されればよい。

さらに、変圧器における結線についても、Ｙ結線、Δ結線、Ｖ結線が適宜組み合わされればよい。

さらに、変圧器における一次側トランスの結線されるその数は２つに限られる必要はない。そして、二次側トランスのその数も１次側トランスとの関係で考慮されればよい。

さらに、上記では奇数高調波成分のうち主要成分の５次と７次とを打ち消し合わせたが、他の高調波成分が打ち消されてもよく、その打ち消される成分の数も２つに限られる必要はない。

本発明の実施の形態に係る充電装置を示した概略ブロック図である。 図１の充電装置における５次及び７次高調波を除去する設計を説明するための図である。 図２に示した設計により得られる結線関係を説明するための図である。

符号の説明

１ 充電装置
９ 変圧器
９１ 一次側トランス
９１ａ 第１の一次側トランス部
９１ｂ 第２の一次側トランス部
９３ 二次側トランス

Claims (5)

1. 交流電源からの入力電圧である交流電圧を出力電圧である直流電圧に変換して負荷に与えることが可能な電源装置であって、
   前記交流電圧が与えられる変圧器を備え、
   前記変圧器の入力側である一次側トランスが、複数の一次側トランス部を有し、
   前記複数の一次側トランス部が、前記変圧器の出力側である二次側トランスにおいて少なくとも二つの奇数高調波成分を互いに打ち消し合う結線関係であることを特徴とする、電源装置。
2. 前記交流電源は多相交流電源であり、前記変圧器は多相トランスである、請求項１記載の電源装置。
3. 交流電源からの入力電圧である交流電圧を出力電圧である直流電圧に変換して負荷に与えることが可能な電源装置に用いられ、前記交流電圧が与えられる変圧器であって、
   入力側である一次側トランスが、複数の一次側トランス部を有し、
   前記複数の一次側トランス部が、出力側である二次側トランスにおいて少なくとも二つの奇数高調波成分を互いに打ち消し合う結線関係であることを特徴とする、変圧器。
4. 交流電源からの入力電圧である交流電圧を出力電圧である直流電圧に変換して負荷に与えることが可能な電源装置に用いられ、前記交流電圧が与えられる変圧器であって、
   入力側である一次側トランスが、二つの一次側トランス部を有し、
   前記一次側トランス部の互いの結線関係は、二つの奇数高調波成分の一方の位相の遅れ又は進みと同じ位相の進み又は遅れを他方が有する位相関係を生じる関係であることを特徴とする、変圧器。
5. 前記二つの奇数高調波成分は５次と７次である、請求項４記載の変圧器。

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