JP2020174465A - 三相交流用の絶縁型力率改善装置 - Google Patents

Abstract

【課題】三相交流が入力される力率改善装置において、トランスの小型化と簡易な制御を実現する。【解決手段】 三相交流用の絶縁型力率改善装置において、入力側と出力側を絶縁するための１つのトランスを有し、前記トランスが具備する３つの脚の各々に三相交流の各相の一次コイルと二次コイルが巻かれている。各相について前記一次コイルと直列接続されたスイッチング要素をそれぞれ有し、前記スイッチング要素は、２つのＦＥＴを背中合わせに直列接続して構成されており、かつ、各相の前記スイッチング要素は、同じ制御信号によりオンオフ制御される。各相の前記二次コイルがそれぞれ、４つのダイオードから構成された整流ブリッジに接続されている。制御信号が、一定の周期と一定のデューティ比を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、三相交流を直流に変換する絶縁型の力率改善装置に関する。

従来、交流を直流に変換する力率改善装置では、交流の整流後に力率改善用のスイッチング処理を行っていた（特許文献１、２）。また、三相交流用の力率改善装置では、各相毎にスイッチング制御回路が設けられ、各相毎にそれぞれ異なる制御が行われていた（特許文献３、４）。

また、入力側と出力側をトランスにより絶縁する絶縁型の力率改善装置も知られている。三相交流用の力率改善装置を絶縁型とするばあい、従来は各相毎にトランスを設けていた（特許文献５）。

特開２００２−１０６３２号公報 特開２００５−２１８２２４号公報 特開平７−３１１５０号公報 特開２００２−４４９５１号公報 特開２０１７−２２１０７４号公報

三相交流用の絶縁型力率改善装置において、各相毎にトランスを設けると、３つのトランスによる体積が嵩張るという問題があった。

本発明の目的は、三相交流が入力される絶縁型の力率改善装置において、装置を小型化すると共に、簡易な回路構成及びスイッチング制御を実現することである。

上記の目的を達成するべく、本発明は、以下の構成を提供する。
・ 本発明の態様は、三相交流用の絶縁型力率改善装置において、
入力側と出力側を絶縁するための１つのトランスを有し、
前記トランスが具備する３つの脚の各々に三相交流の各相の一次コイルと二次コイルが巻かれていることを特徴とする
・ 上記態様において、各相について前記一次コイルと直列接続されたスイッチング要素をそれぞれ有し、前記スイッチング要素は、２つのＦＥＴを背中合わせに直列接続して構成されており、かつ、各相の前記スイッチング要素は、同じ制御信号によりオンオフ制御されることが、好適である。
・ 上記態様において、各相の前記二次コイルがそれぞれ、４つのダイオードから構成された整流ブリッジに接続されていることが、好適である。
・ 上記態様において、前記制御信号が、一定の周期と一定のデューティ比を有することが、好適である。

本発明により、三相交流が入力される絶縁型の力率改善装置において装置を小型化すると共に、簡易な回路構成及び制御が実現される。

図１は、本発明の力率改善装置の一実施形態の回路構成を概略的に示した図である。 図２（ａ）は、図１に示した力率改善装置のトランス構成を概略的に示す断面図であり、（ｂ）は従来の力率回線装置のトランス構成の一例を示す断面図でる。 図３は、図１に示した力率改善装置において、スイッチングのオン期間の電流の流れの一例を示す図である。 図４は、図１に示した力率改善装置において、スイッチングのオフ期間の電流の流れの一例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明による力率改善装置の実施形態について説明する。三相交流は、例えば風力発電の交流発電機により出力される。本発明の力率改善装置は、このような三相交流が入力され、負荷に対して直流を出力するものである。この力率改善装置は、三相交流電力を直流電力に変換する電力変換装置でもある。また、回路構成から分類すると、低周波の入力交流をスイッチング素子により高周波の交流に変換し、再び平滑化して直流とする処理を行うスイッチング電源の一つである。力率改善装置は、入力電流の波形を、入力電圧と位相の一致した相似の波形とすることにより力率を１とするように機能する。さらに本発明の力率改善装置は、入力側と出力側を電気的に絶縁する機能を備えている。本発明の力率改善装置の出力側に接続される負荷は、各種機器、インバータ（系統連系インバータを含む）等である。

図１は、本発明の力率改善装置の一実施形態の回路構成を概略的に示した図である。この力率改善装置は、入力側と出力側を絶縁するために１つのトランスTRを設けている。トランスTRは、３つの一次コイルＮ１、Ｎ２、Ｎ３と、各一次コイルにそれぞれ密結合した二次コイルＮ２、Ｎ４、Ｎ６とが巻かれている。トランスTRの詳細な構成については後述する。

トランスTRの一次側では、３つの入力端Ｒ、Ｓ、Ｔから三相交流の各相がそれぞれ入力される。本明細書では、三相交流の各相をＲ相、Ｓ相、Ｔ相と称する。各相の波形は正弦波であり、位相は２π／３（１２０°）ずつ異なる。入力電圧の周波数は、例えば数Ｈｚ〜数十Ｈｚ程度である。

各入力端Ｒ、Ｓ、Ｔと、一次コイルＮ１、Ｎ３、Ｎ５の各々の第１端との間には、それぞれスイッチング要素Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が挿入されている。各スイッチング要素Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、それぞれ背中合わせに直列接続された２つのスイッチング素子（Ｑ１とＱ２、Ｑ３とＱ４、Ｑ５とＱ６）により構成されている。各スイッチング素子は、ここではＦＥＴ（Field Effect Transistor）、特にｎチャネルＭＯＳＦＥＴである。別の例としてｐチャネルＦＥＴにより構成することもできる。

スイッチング要素Ｓ１では、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２のゲート同士及びソース同士が接続されている。各ゲートは、フォトカプラＰＣ１の出力トランジスタのエミッタに接続されている。各ソースは、所定の電源Ｖｇの負極端に接続されている。電源Ｖｇの正極端は、フォトカプラＰＣ１の出力トランジスタのコレクタに接続されている。従って、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２は同時にオンオフし、かつそのオンオフはフォトカプラＰＣ１により制御される。フォトカプラＰＣ１の出力トランジスタがオンになると、電源Ｖｇによりゲートソース間に接続されたバイアス抵抗に両端電圧が生じ、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２にゲートソース間電圧として印加される。これによりスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がオンになる。フォトカプラＰＣ１の出力トランジスタがオフになると、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２はオフになる。スイッチング素子Ｑ１のドレインは入力端Ｒに、スイッチング素子タＱ２のドレインは一次コイルＮ１の第１端に接続されている。スイッチング要素Ｓ１は、Ｒ相の入力電圧をスイッチングする。

スイッチング要素Ｓ２、Ｓ３の各々も、スイッチング要素Ｓ１と同様の構成を有する。スイッチング要素Ｓ２、Ｓ３は、それぞれフォトカプラＰＣ２、ＰＣ３によりオンオフ制御され、それぞれＳ相、Ｔ相の入力電圧をスイッチングする。

一次コイルＮ１、Ｎ３、Ｎ５の各々の他端は接続されており、この共通端が、一次側の基準電位端となる。

なお、図示しないが別の例として、スイッチング要素Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３がそれぞれ、一次コイルＮ１、Ｎ３、Ｎ５の他端と、一次側の基準電位端との間に挿入されていてもよい。すなわち、スイッチング要素Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、それぞれ一次コイルＮ１、Ｎ３、Ｎ５の各々と直列接続されていればよい。

フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３の各々の入力ダイオードは全て直列接続されており、さらにフォトカプラＰＣ４の入力ダイオードと直列接続されている。これら４つの直列接続されたダイオードのアノード側が、制御部１０の第１出力端に、カソード側が第２出力端に接続されている。

制御部１０は、スイッチングのための１つの制御信号を生成し、出力する。制御信号は、好適例ではＰＷＭ信号であり、一定の周期と所定のデューティ比を有するパルス電圧信号である。スイッチング制御信号の周波数は、例えば数ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度であり、入力電圧の周波数より大きい。

次に、トランスTRの二次側の構成について説明する。図１に示したトランスTRの二次側の構成は、一例である。一般的な絶縁型スイッチング電源では、フォワード方式、フライバック方式、又はこれらを組み合わせた方式等があり、多様な回路が公知である。力率改善装置においては、入力電圧の大きさに関わらず一次側から二次側に電力を伝達できる方式が採用される。従って、通常、少なくともフライバック方式を含む構成が選択される。

図示の二次側の回路について、Ｒ相を例として説明する。二次コイルＮ２の各端は、４つのダイオードからなる整流ブリッジＢ１の２つの中間端子にそれぞれ接続されている。整流ブリッジＢ１の正側端子にリアクトルＬ１の一端が接続されている。リアクトルＬ１の他端は出力ダイオードＤ１のアノードに接続されている。出力ダイオードＤ１のカソードは正の出力端ｐに接続されている。整流ブリッジＢ１の負側端子は負の出力端ｎに接続されている。負の出力端ｎは、二次側の基準電位端である。正の出力端ｐと負の出力端ｎの間には平滑コンデンサＣが接続されている。

二次コイルＮ２の各端が、整流ブリッジＢ１に接続されているので、二次コイルＮ２の巻きが、一次コイルＮ１の巻きに対して逆極性でも同極性でも、整流ブリッジＢ１の後段における電流の流れは同じになる。二次側に整流要素を設ける方が、一次側に整流要素を設けるよりも電力的に効率がよい。

さらに、スイッチング素子Ｓ４が、リアクトルＬ１の他端と負の出力端ｎの間に接続されている。スイッチング素子Ｓ４は、一例としてｎチャネルＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子Ｓ４のゲートは、フォトカプラＰＣ４の出力トランジスタによりオンオフ制御される。

Ｓ相、Ｔ相の二次側についても、Ｒ相と同様の構成を有する。図示の回路では、二次側にスイッチング素子Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６が設けられ、フォトカプラＰＣ４の出力トランジスタによりオンオフ制御される。

図１の回路における各スイッチング素子は、フォトカプラＰＣ１〜ＰＣ４により制御部１０から絶縁されている。図１の回路では、全てのスイッチング素子が、制御部１０から出力される１つの制御信号により制御され、従って全てのスイッチング素子が同時にオンオフする。これにより極めて簡易な制御を実現している。

図２（ａ）は、図１の回路におけるトランスTRの構成を概略的に示した断面図である。トランスTRは、縦方向の３本の脚と、３本の脚の上端を連結する上アームと、下端を連結する下アームとから構成されるコアを有する。３本の脚は互いに等間隔に配置されかつ同じ幅を有している。すなわち３本の脚の横断面積は同じである。各脚には、それぞれＲ相、Ｓ相、Ｔ相の一次コイルと二次コイルが重ねて巻かれている。図では左脚にＲ相の一次コイルＮ１と二次コイルＮ２が、中央脚にＳ相の一次コイルＮ３と二次コイルＮ４が、右脚にＴ相の一次コイルＮ５と二次コイルＮ６が巻かれている。

図２（ｂ）は、参考のために従来の三相交流用の絶縁トランスの構成を示した概略断面図である。従来は、３相の各々に１つのトランスを設け、一次コイルと二次コイルをそれぞれ巻いていた。従って、３つのトランスＴｒ、Ｔｓ、Ｔｔを必要とし、全体のサイズが嵩高となっていた。本発明では、３組のコイルを１つのコアに巻くことにより、三相交流用の絶縁トランスのサイズを著しく低減することができる。

図３、図４を参照して、図１の回路の動作について説明する。図３、図４は、三相交流の時間的変化における、ある一時点の電流の例である。三相交流の３つの入力電圧は、時間的変化におけるいずれの時点をとっても、一次側の基準電位端に対して、いずれか１相が正電位かつ他の２相が負電位、又は、いずれか１相が負電位かつ他の２相が正電位のいずれかの状態になる。前者の場合は１相の正電位から２相の負電位へと入力電流が流れ、後者の場合は２相の正電位から１相の負電位へと入力電流が流れる。図３、図４は、前者の場合の一例である。後者の場合も、回路動作は実質的に同様である。

図３は、三相の入力電圧のうちＲ相が正電位、Ｓ相及びＴ相が負電位の場合に、スイッチング要素Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３がオンとなったときの電流の流れを概略的に示している。電流の流れは、白矢印で示す。二次側のスイッチング素子Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６も同時にオンとなる。

スイッチング要素Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３がオンになると、電流ｉ１が、次の２つの経路で流れる。
・Ｒ相の入力端→一次コイルＮ１（一端から他端）→一次コイルＮ３（他端から一端）→Ｓ相の入力端
・Ｒ相の入力端→一次コイルＮ１（一端から他端）→一次コイルＮ５（他端から一端）→Ｔ相の入力端

一次側のスイッチング要素Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、双方向スイッチであるので、いずれの方向にも損失を生じることなる電流が流れることができる。

電流ｉ１は、オン期間の間、時間に比例して一定の傾きで増加する。本発明では、制御信号の一周期のオン期間は一定であるから、一周期の電流ｉ１の平均値は、増加する電流ｉ１の傾きに比例する。電流ｉ１の傾きは、その時点の入力電圧の瞬時値をＶinとし、電流ｉ１の経路上のインダクタンスＬとし、制御信号の周波数をωとすると、Ｖin／Ｌωとなる。Ｌ、ωは定数であるから、一周期の電流ｉ１の平均値は、入力電圧Ｖinに比例することになる。これは、入力電流ｉ１が、入力電圧Ｖinに比例して変化することを意味する。すなわち、力率が１であることを意味する。

Ｒ相の二次側では、相互誘導により二次コイルＮ２に生じた起電力により電流ｉ２が以下の経路で流れる。
・二次コイルＮ２（他端から一端）→整流ブリッジＢ１→リアクトルＬ１→スイッチング素子Ｓ４
これにより、リアクトルＬ１に磁気エネルギーが蓄積される。

Ｓ相の二次側では、相互誘導により二次コイルＮ４に生じた起電力により電流ｉ３が以下の経路で流れる。
・二次コイルＮ４（一端から他端）→整流ブリッジＢ２→リアクトルＬ２→スイッチング素子Ｓ５
これにより、リアクトルＬ２に磁気エネルギーが蓄積される。

Ｔ相の二次側では、相互誘導により二次コイルＮ６に生じた起電力により電流ｉ５が以下の経路で流れる。
・二次コイルＮ６（一端から他端）→整流ブリッジＢ３→リアクトルＬ３→スイッチング素子Ｓ６
これにより、リアクトルＬ３に磁気エネルギーが蓄積される。

図４は、図３のオン期間の後、スイッチング要素Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３がオフとなったときの電流の流れを概略的に示している。二次側のスイッチング素子Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６も同時にオフとなる。

一次側は、電流路が遮断されるので、電流は零となる。一次側のスイッチング要素Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、２つのＦＥＴのボディダイオードが逆向きに配置されているので、いずれの方向にも電流が流れることができず、完全にオフとなる。

Ｒ相の二次側では、二次コイルＮ２に生じた逆起電圧により、電流ｉ５が以下の経路で流れる。
・二次コイルＮ２（一端から他端）→整流ブリッジＢ１→リアクトルＬ１→ダイオードＤ１→出力端ｐ

Ｓ相の二次側では、二次コイルＮ４に生じた逆起電圧により、電流ｉ６が以下の経路で流れる。
・二次コイルＮ４（他端から一端）→整流ブリッジＢ２→リアクトルＬ２→ダイオードＤ２→出力端ｐ

Ｔ相の二次側では、二次コイルＮ６に生じた逆起電圧により、電流ｉ７が以下の経路で流れる。
・二次コイルＮ６（他端から一端）→整流ブリッジＢ３→リアクトルＬ３→ダイオードＤ３→出力端ｐ

電流ｉ５、ｉ６、ｉ７は、出力端ｐから、図示しない負荷に流れて出力端ｎへ戻る。これにより、二次コイルＮ２、Ｎ４、Ｎ６にそれぞれ蓄積されていた磁気エネルギーが放出される。

さらにＲ相の二次側では、リアクトルＬ１に生じた逆起電圧により、電流ｉ８が以下の経路で流れる。
・出力端ｎ→整流ブリッジＢ１→リアクトルＬ１→ダイオードＤ１→出力端ｐ

さらにＳ相の二次側では、リアクトルＬ２に生じた逆起電圧により、電流ｉ９が以下の経路で流れる。
・出力端ｎ→整流ブリッジＢ２→リアクトルＬ２→ダイオードＤ２→出力端ｐ

さらにＴ相の二次側では、リアクトルＬ３に生じた逆起電圧により、電流ｉ０が以下の経路で流れる。
・出力端ｎ→整流ブリッジＢ３→リアクトルＬ３→ダイオードＤ３→出力端ｐ

電流ｉ８、ｉ９、ｉ１０は、出力端ｐから、図示しない負荷に流れて出力端ｎへ戻る。これにより、リアクトルＬ１、Ｌ２、Ｌ３にそれぞれ蓄積されていた磁気エネルギーが放出される。

なお、電流ｉ８、ｉ９、ｉ１０が、整流ブリッジＢ１、Ｂ２、Ｂ３において、上側の２つのダイオードを通るか、下側の２つのダイオードを通るかは、それぞれ電流ｉ５、ｉ６、ｉ７の大きさによって決まる。

本発明の力率改善装置における制御方法の特徴は、スイッチング制御において、三相交流の各相の入力電圧に対し、一定の周期、一定の位相、一定のデューティ比を有する１つの制御信号のみを用いて制御することである。すなわち、全ての相に対し同じタイミングでオンオフを行い、オン時間とオフ時間が一定である。従って、制御部は、所定のデューティ比のみを決定すればよい。所定のデューティ比は、例えば、検知された入力電圧、入力電流及び／又は出力電圧に基づいて決定される。

従来の三相交流に対する力率改善装置においては、ＰＷＭ処理によりデューティ比が変化する制御信号を与えたり、各相に対して異なるタイミングでスイッチ制御を行ったりするものが多かった。本発明の制御方法は、これらに比べて極めて簡易である。

Ｒ、Ｓ、Ｔ 入力端
ｐ 正の出力端
ｎ 負の出力端
ＴＲ トランス
Ｎ１、Ｎ３、Ｎ５ 一次コイル
Ｎ２、Ｎ４、Ｎ６ 二次コイル
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ スイッチング要素
Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６ スイッチング素子
ＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３、ＰＣ４ フォトカプラ
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ リアクトル
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３ 出力ダイオード
Ｃ 平滑コンデンサ

Claims (4)

1. 三相交流用の絶縁型力率改善装置において、
   入力側と出力側を絶縁するための１つのトランスを有し、
   前記トランスが具備する３つの脚の各々に三相交流の各相の一次コイルと二次コイルが巻かれていることを特徴とする
   三相交流用の絶縁型力率改善装置。
2. 各相について前記一次コイルと直列接続されたスイッチング要素をそれぞれ有し、前記スイッチング要素は、２つのＦＥＴを背中合わせに直列接続して構成されており、かつ、各相の前記スイッチング要素は、同じ制御信号によりオンオフ制御されることを特徴とする請求項１に記載の三相交流用の絶縁型力率改善装置。
3. 各相の前記二次コイルがそれぞれ、４つのダイオードから構成された整流ブリッジに接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の三相交流用の絶縁型力率改善装置。
4. 前記制御信号が、一定の周期と一定のデューティ比を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の三相交流用の絶縁型力率改善装置。

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