JP2021016264A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高調波および力率を改善し、かつ、小型化した電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置は、交流電源1に接続可能に設けられた三相ダイオード整流器2と、三相ダイオード整流器2の高電位側の直流端と低電位側の直流端との間に接続された平滑コンデンサ3と、を備えた主回路部100と、高周波電圧を出力する補助電源4と、三相ダイオード整流器2の交流端と直流端とを電気的に接続する回路であって、三相ダイオード整流器2の複数の交流端から流入する電流比を所定の値に維持し、交流電源1から出力される三相交流電圧のうちの二相の値の差がゼロとなるタイミングの近傍において、三相ダイオード整流器2の交流端から流入した電流に補助電源4の出力電圧による高周波電流が重畳された補助電流を通流させる電流通流部と、を備える。【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。
電力変換装置は、三相ダイオードブリッジ回路を備えた構成が広く用いられている。また近年では、高調波を低減するとともに力率を改善するために、例えば、12パルス整流器やPWMコンバータ、ウィーンコンバータ、24パルス整流器、電気平滑インダクタ(ESI:Electronic Smoothing Inductor)を用いた技術が用いられている。
Novel Hybrid Unidirectional Three-Phase AC-DC Converter Systems, Swiss Federal Institute of Technology (ETH) Zurich for the degree of Doctor of Sciences, 2009
マトリックスコンバータの転流失敗を激減する新しい転流方式の開発,電学論D, 128巻 8号, 2007年, pp829-836
一般的な三相ダイオードブリッジは、高調波の低減および力率改善のためにACL(交流リアクトル)やDCL(直流リアクトル)と併せて用いられることが多い。しかしながら、高調波と力率について要求される規制が厳しくなると、ACLやDCLを用いたとしても要求を満たすことが困難であった。
また、12パルス整流器や24パルス整流器は、Δ−Y型やΔ−Δ型などの商用周波数の変圧器が必要となり、電力変換装置を小型化することが困難である。
PWMコンバータやウィーンコンバータは、半導体スイッチを用いて電流を制御するため高調波の低減および力率改善効果は高いが、連系用のリアクトルと、電力を変換する際のエネルギー損失に伴う熱を冷却する冷却装置と、が必要となるため小型化することが困難である。
ESIを使用した整流器は、DCLを小さくすることはできるが、高調波の改善効果はそれほど高くなく、高調波について要求される厳しい規制を満たすことが困難であった。
ESIを使用した整流器は、DCLを小さくすることはできるが、高調波の改善効果はそれほど高くなく、高調波について要求される厳しい規制を満たすことが困難であった。
本発明の実施形態は、上記事情を鑑みて成されたものであって、高調波および力率を改善した電力変換装置の小型化を実現することを目的とする。
実施形態による電力変換装置は、交流電源に接続可能に設けられた三相ダイオード整流器と、前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端と低電位側の直流端との間に接続された平滑コンデンサと、を備えた主回路部と、高周波電圧を出力する補助電源と、前記三相ダイオード整流器の交流端と直流端とを電気的に接続する回路であって、前記三相ダイオード整流器の複数の交流端から流入する電流比を所定の値に維持し、前記交流電源から出力される三相交流電圧のうちの二相の値の差がゼロとなるタイミングの近傍において、前記三相ダイオード整流器の交流端から流入した電流に前記補助電源の出力電圧による高周波電流が重畳された補助電流を通流させる電流通流部と、を備え、前記補助電流により前記平滑コンデンサを充電する補助回路部と、を備える。
以下、第1実施形態の電力変換装置について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、複数の実施形態において同一の又は相当する構成については、同一の符号を付して説明する。
図1は、第1実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
なお、複数の実施形態において同一の又は相当する構成については、同一の符号を付して説明する。
図1は、第1実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、主回路部100と、補助回路部200と、を備えている。主回路部100は、三相ダイオード整流器2と、直流平滑コンデンサ3と、交流電源1と電気的に接続される交流端と、直流負荷(図示せず)と電気的に接続される直流端と、を備えている。
三相ダイオード整流器2は、電力変換装置の交流端と直流端との間に接続され、交流電源1から供給された交流電力を全波整流して直流主回路へ出力する。三相ダイオード整流器2は、例えば、複数のダイオード2Aを備えた三相ブリッジ回路を備える。
複数のダイオード2Aは、低電位側にアノードが配置され、高電位側にカソードが配置されるように、低電位側の直流主回路から高電位側の直流主回路へ向かう方向を順方向として、三相ダイオード整流器2の各相の上アームと下アームとのそれぞれに配置されている。
直流平滑コンデンサ3は、電力変換装置の直流端の前段において、高電位側の直流主回路と低電位側の直流主回路との間に接続されている。直流平滑コンデンサ3は、三相ダイオード整流器2から出力された電流により充電され、直流主回路の電圧の変動を抑制し、電力変換装置から出力される直流電力を平滑化する。
補助回路部200は、電流通流部と、補助電源と、を備えている。
補助電源は、電流通流部へ高周波電圧を出力する。
電流通流部は、三相ダイオード整流器2の交流端と直流端とを接続する回路であって、三相ダイオード整流器2の交流端から流入する電流比を所定の値に維持し、交流電源1から出力される三相交流電圧のうちの二相の値の差がゼロとなるタイミングの近傍において、三相ダイオード整流器の交流端から流入した電流に補助電源の出力電圧による高周波電流が重畳された補助電流を、三相ダイオード整流器2の交流端と直流端との間に通流させる。
補助電源は、電流通流部へ高周波電圧を出力する。
電流通流部は、三相ダイオード整流器2の交流端と直流端とを接続する回路であって、三相ダイオード整流器2の交流端から流入する電流比を所定の値に維持し、交流電源1から出力される三相交流電圧のうちの二相の値の差がゼロとなるタイミングの近傍において、三相ダイオード整流器の交流端から流入した電流に補助電源の出力電圧による高周波電流が重畳された補助電流を、三相ダイオード整流器2の交流端と直流端との間に通流させる。
電流通流部は、第1トランス部61と、第2トランス部62と、複数の単相整流ダイオードブリッジ5と、を備えている。補助電源は、高周波補助電源4を備えている。 第1トランス部61は、3つの分流トランス(第1トランス)6UV、6VW、6WUを備えている。第1トランス部61の分流トランス6UV、6VW、6WUは、第1巻線と、第1巻線と逆極性の第2巻線とを備えている。分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線と第2巻線との巻き数の比により、第1巻線と第2巻線とに流入する電流の比が所定の値に維持される。本実施形態では、第1トランス部61の分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線と第2巻線との巻線数の比は1:1である。
第1トランス部61の分流トランス6UV、6VW、6WUは、第1巻線の始端にて交流電源1から延びたU相、V相、W相の交流ラインの一つと電気的に接続され、第2巻線の終端にてU相、V相、W相の交流ラインの他の一つと電気的に接続されている。
第1トランス部61の分流トランス6UVは、第1巻線の始端にてU相の交流ラインと接続され、第2巻線の終端にてV相の交流ラインとに接続されている。第1トランス部61の分流トランス6VWは、第1巻線の始端にてV相の交流ラインと接続され、第2巻線の終端にてW相の交流ラインと接続されている。第1トランス部61の分流トランス6WUは、第1巻線の始端にてW相の交流ラインと接続され、第2巻線の終端にてU相の交流ラインとに接続されている。
第1トランス部61の分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線の終端と第2巻線の始端とは、対応する単相整流ダイオードブリッジ5の交流端と接続されている。
第1トランス部61の分流トランス6UVは、第1巻線の始端にてU相の交流ラインと接続され、第2巻線の終端にてV相の交流ラインとに接続されている。第1トランス部61の分流トランス6VWは、第1巻線の始端にてV相の交流ラインと接続され、第2巻線の終端にてW相の交流ラインと接続されている。第1トランス部61の分流トランス6WUは、第1巻線の始端にてW相の交流ラインと接続され、第2巻線の終端にてU相の交流ラインとに接続されている。
第1トランス部61の分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線の終端と第2巻線の始端とは、対応する単相整流ダイオードブリッジ5の交流端と接続されている。
第2トランス部62は、3つの分流トランス(第2トランス)6UV、6VW、6WUを備えている。第2トランス部62の分流トランス6UV、6VW、6WUは、第3巻線と、第3巻線と逆極性の第4巻線とを備えている。分流トランス6UV、6VW、6WUの第3巻線と第4巻線との巻き数の比により、第3巻線と第4巻線とに流入する電流の比が所定の値に維持される。本実施形態では、分流トランス6UV、6VW、6WUの第3巻線と第4巻線との巻線数の比は1:1である。
第2トランス部62の分流トランス6UV、6VW、6WUは、第3巻線の始端にて交流電源1から延びたU相、V相、W相の交流ラインの一つと電気的に接続され、第4巻線の終端にてU相、V相、W相の交流ラインの他の一つと電気的に接続されている。
第2トランス部62の分流トランス6UVは、第3巻線の始端にてU相の交流ラインと接続され、第4巻線の終端にてV相の交流ラインとに接続されている。第2トランス部62の分流トランス6VWは、第3巻線の始端にてV相の交流ラインと接続され、第4巻線の終端にてW相の交流ラインと接続されている。第2トランス部62の分流トランス6WUは、第3巻線の始端にてW相の交流ラインと接続され、第4巻線の終端にてU相の交流ラインとに接続されている。
第2トランス部62の分流トランス6UV、6VW、6WUの第3巻線の終端と第4巻線の始端とは、対応する単相整流ダイオードブリッジ5の交流端と接続されている。6つの分流トランス6UV、6VW、6WUは、コモンモードに対するインピーダンスが低い高周波トランスである。
第2トランス部62の分流トランス6UVは、第3巻線の始端にてU相の交流ラインと接続され、第4巻線の終端にてV相の交流ラインとに接続されている。第2トランス部62の分流トランス6VWは、第3巻線の始端にてV相の交流ラインと接続され、第4巻線の終端にてW相の交流ラインと接続されている。第2トランス部62の分流トランス6WUは、第3巻線の始端にてW相の交流ラインと接続され、第4巻線の終端にてU相の交流ラインとに接続されている。
第2トランス部62の分流トランス6UV、6VW、6WUの第3巻線の終端と第4巻線の始端とは、対応する単相整流ダイオードブリッジ5の交流端と接続されている。6つの分流トランス6UV、6VW、6WUは、コモンモードに対するインピーダンスが低い高周波トランスである。
本実施形態の電力変換装置は、6つの分流トランス6UV、6VW、6WUに対応する6つの単相整流ダイオードブリッジ5を備えている。複数の単相整流ダイオードブリッジ5のそれぞれは、2つの交流端と、2つの直流端と、4つの高速ダイオード5aを備えている。
高速ダイオード5aは、低電位側の直流端と高電位側の直流端との間において、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として2つが直列に接続されている。2つの高速ダイオード5aの間は、単相整流ダイオードブリッジ5の交流端である。
高速ダイオード5aは、低電位側の直流端と高電位側の直流端との間において、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として2つが直列に接続されている。2つの高速ダイオード5aの間は、単相整流ダイオードブリッジ5の交流端である。
単相整流ダイオードブリッジ5の交流端の1つは、分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線(若しくは第3巻線)の終端と接続され、交流端の他の1つは分流トランス6UV、6VW、6WUの第2巻線(若しくは第4巻線)の始端とに接続されている。単相整流ダイオードブリッジ5の2つの直流端は高周波補助電源4と接続されている。
補助回路部200は、3つの単相整流ダイオードブリッジ5の直流端が接続された一組の直流ライン(高電位側の直流ラインおよび低電位側の直流ライン)を二組備えている。第1トランス部61の3つの分流トランス6UV、6VW、6WUに電気的に接続された3つの単相整流ダイオードブリッジ(第1単相整流ダイオードブリッジ)5それぞれの2つの直流端は、一方の組の直流ラインに接続されている。第2トランス部62の3つの分流トランス6UV、6VW、6WUに接続された3つの単相整流ダイオードブリッジ(第2単相整流ダイオードブリッジ)5それぞれの2つの直流端は、他方の組の直流ラインに電気的に接続されている。
高周波補助電源4は、第1高周波電源回路4Aと、第2高周波電源回路4Bと、を備えている。第1高周波電源回路4Aは、主回路部100の高電位側の直流主回路と、補助回路部200の高電位側の直流ラインとに接続されている。第2高周波電源回路4Bは、主回路部100の低電位側の直流主回路と、補助回路部200の低電位側の直流ラインとに接続されている。
第1高周波電源回路4Aは、2組の直流ラインの高電位側の直流ラインと接続されている。第1高周波電源回路4Aは、2つの高電位側の直流ラインへ互いに逆位相の電圧を出力する。第2高周波電源回路4Bは、2組の直流ラインの低電位側の直流ラインと接続されている。第2高周波電源回路4Bは、2つの低電位側の直流ラインへ互いに逆位相の電圧を出力する。共通の3つの単相整流ダイオードブリッジ5に接続された一対の直流ラインには、同位相の出力電圧が供給される。
次に、本実施形態の電力変換装置の動作の一例について説明する。
交流電源1から出力された電流は、主に、三相ダイオード整流器2へ通流する。三相ダイオード整流器2は供給された交流電流を直流電流に変換して直流主回路へ出力する。直流平滑コンデンサ3は、三相ダイオード整流器2から出力された直流電流により充電される。電力変換装置から出力される直流電流の変動は、直流平滑コンデンサ3により抑制される。
交流電源1から出力された電流は、主に、三相ダイオード整流器2へ通流する。三相ダイオード整流器2は供給された交流電流を直流電流に変換して直流主回路へ出力する。直流平滑コンデンサ3は、三相ダイオード整流器2から出力された直流電流により充電される。電力変換装置から出力される直流電流の変動は、直流平滑コンデンサ3により抑制される。
交流電源1から出力される2つの相電圧の差が小さくなってきたとき、例えば、U相電圧とV相電圧との差が小さくなってきたときに、高周波補助電源4の電圧に補助されて、分流トランス6UV、および、分流トランス6UVに接続された単相整流ダイオードブリッジ5に電流が流れる。
なお、本実施形態の電力変換装置が動作しているときには、高周波補助電源4は高周波電圧を出力し続けている。すなわち、交流電源1の各相の出力電圧に応じて高周波補助電源4の動作を制御する必要はなく、高周波補助電源4の制御が複雑になることを回避することができる。
分流トランス6UVと、分流トランス6UVに接続された単相整流ダイオードブリッジ5とに電流が流れるときには、分流トランス6UVの作用により、U相の交流ラインへ流れる電流とV相の交流ラインへ流れる電流とは第1巻線と第2巻線との巻数比(若しくは第3巻線と第4巻線の巻数比)の逆数となる。すなわち、第1巻線と第2巻線との巻数比により、三相ダイオード整流器2の交流端から分流トランス6UVへ流入するU相電流とV相電流との比が所定の値となるように維持される。
本実施形態では、例えば、分流トランス6UVの第1巻線と第2巻線との巻数比(若しくは第3巻線と第4巻線の巻数比)は1:1であるから、U相とV相との交流ラインには、W相の交流ラインに流れる電流と逆極性の電流が半分(1/2)ずつ流れることとなる。他の相の交流ラインの組み合わせ(V相とW相、および、W相とU相)についても上記と同様の動作となる。
本実施形態の電力変換装置では、U相の交流ラインとV相の交流ラインとから分流トランス6UVへ流入する電流の比が1:1となるように維持され、V相の交流ラインとW相の交流ラインとから分流トランス6VWへ流入する電流の比が1:1となるように維持され、W相の交流ラインとU相の交流ラインとから分流トランス6WUへ流入する電流の比が1:1となるように維持される。以上の動作により、交流電源1の2つの相電圧の差が小さくなったときに、分流トランス6UV、6VW、6WU、単相整流ダイオードブリッジ5、および、高周波補助電源4により、本実施形態の電力変換装置の出力電流は12パルス整流器相当の電流波形となり、5次および7次の高調波成分が減少する。
本実施形態では、3相の交流ラインの線間それぞれに2つの分流トランス6UV、6VW、6WUが接続されている。同じ線間に接続されている2つの分流トランス6UV、6VW、6WUには、単相整流ダイオードブリッジ5を介して高周波補助電源4から逆位相の電圧が出力される。
例えば、高周波補助電源4から出力される電圧が、分流トランス6UV、6VW、6WUが接続された二相の交流ラインの電圧と同極性であれば、その分流トランス6UV、6VW、6WU以降の回路に電流が通流する。高周波補助電源4から出力される電圧が、分流トランス6UV、6VW、6WUが接続された二相の電圧と逆極性であれば、その分流トランス6UV、6VW、6WU以降の回路には電流が通流しない。
上記のことから、三相ダイオード整流器2の同じ交流端の組に接続された一方の分流トランス6UV、6VW、6WUが動作するときの電圧位相は、他方の分流トランス6UV、6VW、6WUが動作するときの電圧位相と逆位相となる。したがって、同じ交流ライン間に接続された2つの分流トランス6UV、6VW、6WUは同時に通流することはない。
なお、図1には、交流電源1の直後に接続する交流リアクトルや、直流平滑コンデンサ3に流れる電流リプルを抑制する直流リアクトルを図示されていないが、電力変換装置がこれらを備えていても同様の動作が可能である。
図2は、第1実施形態の電力変換装置の動作の一例を説明するための図である。
ここでは、交流電源1の直後に配置された交流リアクトル(図示せず)を更に備えた電力変換装置を想定してシミュレーションを行った結果の一例について説明する。図2では、上から順に交流電源UVW相電圧、交流電源U相電流、U相補助電流の波形の一例を示している。なお、交流電源1の電圧と電流とは、例えば、三相ダイオード整流器2の各相の交流端にて検出された値の一例である。
ここでは、交流電源1の直後に配置された交流リアクトル(図示せず)を更に備えた電力変換装置を想定してシミュレーションを行った結果の一例について説明する。図2では、上から順に交流電源UVW相電圧、交流電源U相電流、U相補助電流の波形の一例を示している。なお、交流電源1の電圧と電流とは、例えば、三相ダイオード整流器2の各相の交流端にて検出された値の一例である。
図2によれば、交流電源1から出力されるU相電圧とU相電流とはほぼ同相である。三相ダイオード整流器2に入力されるU相電流波形は、三相ダイオード整流器2の一般的な入力電流波形であるうさぎの耳形状の波形ではなく、12パルス整流器の入力電流波形のように各極性に電流ステップが2つある波形となった。
U相補助電流は、補助回路部200のU相交流ラインに流れる電流であって、U相電圧波形とV相電圧波形とが交差するタイミング(相電圧の差がゼロとなるタイミング)の近傍、および、U相電圧波形とW相電圧波形とが交差するタイミング(相電圧の差がゼロとなるタイミング)の近傍において、大きな値となった。図2に示す例によれば、2つの相の電圧値の差が小さくなったときに、その2つの相の交流ラインに接続された分流トランス6UV、6VW、6WUおよび単相整流ダイオードブリッジ5に、高周波電流が重畳された補助電流が通流する結果が得られた。
上記のように、本実施形態の電力変換装置によれば、12パルス整流器を備えた構成と同等の出力波形が得られ、出力電力の高調波を低減することが可能である。
上記のように、本実施形態の電力変換装置によれば、12パルス整流器を備えた構成と同等の出力波形が得られ、出力電力の高調波を低減することが可能である。
また、分流トランス6UV、6VW、6WUは、高周波補助電源4の周波数で励磁され、商用電源の周波数成分に依存しないため、高周波補助電源4の周波数を十分高くすることで、分流トランス6UV、6VW、6WUを容易に小型化・低損失化することができる。本実施形態の電力変換装置に用いられる構成のうち、外形が大きくなるのは分流トランス6UV、6VW、6WUであるが、高周波補助電源4の周波数を高周波化することにより分流トランス6UV、6VW、6WUを小型化することが可能であり、本実施形態の電力変換装置を小型化することが可能である。
すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、高調波および力率を改善した電力変換装置の小型化を実現することが可能である。
次に、第2実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図3は、第2実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
ここでは、高周波補助電源4の一構成例について説明する。高周波補助電源4以外の構成は、上述の第1実施形態の電力変換装置と同様である。
図3は、第2実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
ここでは、高周波補助電源4の一構成例について説明する。高周波補助電源4以外の構成は、上述の第1実施形態の電力変換装置と同様である。
高周波補助電源4は、高周波インバータ41と、高周波トランス42と、を備えている。
高周波インバータ41は2つのレグを備えている。2つのレグのそれぞれは、主回路部100の高電位側の直流主回路と低電位側の直流主回路との間において、直列に接続された2つのパワー半導体素子41Aを備えている。各レグにおいて、2つのパワー半導体素子41Aの間は高周波インバータ41の交流端であり、高周波トランス42と電気的に接続されている。
高周波インバータ41は2つのレグを備えている。2つのレグのそれぞれは、主回路部100の高電位側の直流主回路と低電位側の直流主回路との間において、直列に接続された2つのパワー半導体素子41Aを備えている。各レグにおいて、2つのパワー半導体素子41Aの間は高周波インバータ41の交流端であり、高周波トランス42と電気的に接続されている。
パワー半導体素子41Aは、例えば、パワーMOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのスイッチング素子と還流ダイオードとを並列に接続した構成である。
なお、本実施形態の電力変換装置は図示しない制御回路を備え、制御回路にて高周波インバータ41のパワー半導体素子41Aのゲート信号を生成して高周波インバータ41の動作を制御してもよい。高周波インバータ41から出力される交流電力の周波数は、制御回路にて生成されるゲート信号により調整することが可能である。制御回路は、例えば、CPUやMPUなどのプロセッサを少なくとも1つと、プロセッサにより実行されるプログラムが記録されるメモリと、を備えている。
高周波トランス42は、第1トランス42Aと、第2トランス42Bと、を備えている。
第1トランス42Aの一次巻線は、始端が高周波インバータ41の一方の交流端と電気的に接続され、終端が高周波インバータ41の他方の交流端と電気的に接続されている。
第1トランス42Aの一次巻線は、始端が高周波インバータ41の一方の交流端と電気的に接続され、終端が高周波インバータ41の他方の交流端と電気的に接続されている。
第1トランス42Aの二次巻線は、終端が高電位側の直流ラインの一方と電気的に接続され、始端が高電位側の直流ラインの他方と電気的に接続されている。第1トランス42Aの二次巻線は、中間端において、高電位側の直流主回路と電気的に接続されている。
第2トランス42Bの一次巻線は、始端が高周波インバータ41の一方の交流端と電気的に接続され、終端が高周波インバータ41の他方の交流端と電気的に接続されている。
第2トランス42Bの二次巻線は、始端が低電位側の直流ラインの一方と電気的に接続され、終端が低電位側の直流ラインの他方と電気的に接続されている。第2トランス42Bの二次巻線は、中間端において、低電位側の直流主回路と電気的に接続されている。
第1トランス42Aは、高周波インバータ41から出力される交流電力を変圧および絶縁し、第1高周波電源回路4Aから出力される電源電圧を生成する。第2トランス42Bは、高周波インバータ41から出力される交流電力を変圧および絶縁し、第2高周波電源回路4Bから出力される電源電圧を生成する。
すなわち、第1高周波電源回路4Aは、高周波インバータ41と、第1トランス42Aとを含み、第2高周波電源回路4Bは、高周波インバータ41と、第2トランス42Bとを含む。高周波インバータ41は、第1高周波電源回路4Aと第2高周波電源回路4Bとに共有される。
本実施形態の電力変換装置は、上述の高周波補助電源4の構成以外は第1実施形態と同様である。すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、高調波および力率を改善した電力変換装置の小型化を実現することが可能である。
次に、第3実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図4は、第3実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、第1電圧補正ダイオード7Aと第2電圧補正ダイオード7Bと、を更に備えている。
図4は、第3実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、第1電圧補正ダイオード7Aと第2電圧補正ダイオード7Bと、を更に備えている。
第1電圧補正ダイオード7Aは、カソードが三相ダイオード整流器2の高電位側の直流端に電気的に接続され、アノードが第1高周波電源回路4Aに電気的に接続され、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として接続されている。
第2電圧補正ダイオード7Bは、アノードが三相ダイオード整流器2の低電位側の直流端に電気的に接続され、カソードが第2高周波電源回路4Bに電気的に接続され、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として接続されている。
第1電圧補正ダイオード7Aおよび第2電圧補正ダイオード7Bは、分流トランス6UV、6VW、6WUおよび単相整流ダイオードブリッジ5の通流期間以外(三相ダイオード整流器2にのみ電流が流れるべき期間)に、分流トランス6UV、6VW、6WUへ交流電源1から出力された電流の一部が流れてしまうことを防いでいる。
本実施形態の電力変換装置は、第1電圧補正ダイオード7Aおよび第2電圧補正ダイオード7Bを備えること以外は上述の第1および第2実施形態の電力変換装置と同様の構成である。
次に、通流期間以外に分流トランス6UV、6VW、6WUへ電流が流れる現象について説明する。
三相ダイオード整流器2のダイオード2Aに電流が流れるとダイオード2Aのドロップ電圧が増加する。ダイオード2Aのドロップ電圧に基づく回路抵抗の値が、補助回路部200のインピーダンスの値以上となると、交流電源1から出力された電流の一部が分流トランス6UV、6VW、6WUへ流れる。
三相ダイオード整流器2のダイオード2Aに電流が流れるとダイオード2Aのドロップ電圧が増加する。ダイオード2Aのドロップ電圧に基づく回路抵抗の値が、補助回路部200のインピーダンスの値以上となると、交流電源1から出力された電流の一部が分流トランス6UV、6VW、6WUへ流れる。
このときに、交流電源1から分流トランス6UV、6VW、6WUへ流れる電流は、分流トランス6UV、6VW、6WUの励磁電流となる。本実施形態の電力変換装置において、分流トランス6UV、6VW、6WUは高周波励磁に対応して小型化されているため、通流期間以外に流れる励磁電流により磁気飽和し、高周波補助電源4から出力される電圧による励磁電流が急増すると、エネルギー損失が大きくなるだけでなく、電力変換装置が破壊される可能性が高くなる。
そこで、本実施形態の電力変換装置では、補助回路部200と直流主回路との間に第1電圧補正ダイオード7Aと第2電圧補正ダイオード7Bとを接続し、三相ダイオード整流器2のダイオード2Aのドロップ電圧が増加することを抑制し、通流期間以外に分流トランス6UV、6VW、6WUへ電流が流れることを防止している。すなわち、本実施形態の電力変換装置では、通流期間以外において、三相ダイオード整流器2のダイオード2Aのドロップ電圧による回路抵抗の値が、補助回路部200のインピーダンスの値以上となることを回避し、通流期間以外に分流トランス6UV、6VW、6WUに電流が流れることを抑制している。このことにより、電力変換装置におけるエネルギー損失が増大することと、電力変換装置が破壊されることを回避することができる。
なお、分流トランス6UV、6VW、6WUの磁気飽和を防ぐためには、分流トランス6UV、6VW、6WUの励磁インダクタンスを下げることでも対応可能である。しかしながら、高周波補助電源4から出力される励磁電流が常に増えてしまい、パワー半導体素子41Aの損失が増える原因となる。これに対応可能なパワー半導体素子41Aを用いると、電力変換装置の小型化が困難となる。また大きな励磁電流を出力するために高価な素子を採用すると、電力変換装置の製造コスト増加につながる。これに対し、第1電圧補正ダイオード7Aと第2電圧補正ダイオード7Bとはリカバリする動作モードが必要ないため、整流ダイオードを適用することができ、高価な部品を用いることなく上記効果を得ることが可能となる。
なお、第1電圧補正ダイオード7Aと第2電圧補正ダイオード7Bとは、他のすべての実施形態の電力変換装置に適用することが可能であり、いずれの場合も同様の効果を得ることができる。
上記のように、本実施形態の電力変換装置によれば、高調波および力率を改善した電力変換装置の小型化を実現することが可能である。
次に、第4実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図5は、第4実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、補助回路部200が第1ドロッパ8Aと第2ドロッパ8Bとを備えている点が上述の第1および第2実施形態と異なっている。
図5は、第4実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、補助回路部200が第1ドロッパ8Aと第2ドロッパ8Bとを備えている点が上述の第1および第2実施形態と異なっている。
第1ドロッパ8Aおよび第2ドロッパ8Bは、例えば、一般的な低圧MOSFETなどの、電流の上昇に比例して電圧が上昇する線形領域を備えた特性を備える構成を用いた回路である。
第1ドロッパ8Aは、三相ダイオード整流器2の高電位側の直流端と第1高周波電源回路4Aとの間に電気的に接続され、三相ダイオード整流器2の高電位側の直流端から第1高周波電源回路4Aに向かって電圧降下させる。
第2ドロッパ8Bは、第2高周波電源回路4Bと三相ダイオード整流器2の低電位側の直流端との間に電気的に接続され、第2高周波電源4Bから三相ダイオード整流器の低電位側の直流端に向かって電圧降下させる。
第1ドロッパ8Aおよび第2ドロッパ8Bは、補助回路部200の通流期間以外において、微小電流で数V程度の電圧がドロップし、補助回路部200の通流期間においては、飽和領域を使用し、低抵抗となるように動作する。
なお、補助回路部200は、第1ドロッパ8Aおよび第2ドロッパ8Bが上記動作を行うために、分流トランス6UV、6VW、6WUおよび単相整流ダイオードブリッジ5に流れる電流や交流電源1の出力電流の位相を検出する検出器(図示せず)を備えている。
図6は、図5に示す電力変換装置の第1ドロッパおよび第2ドロッパの一構成例を概略的に示す図である。
ここでは、第1ドロッパ8Aおよび第2ドロッパ8Bとして回生ドロッパを備えた電力変換装置の一例を示している。なお、第1ドロッパ8Aと第2ドロッパ8Bとの対応する構成には同じ符号を付している。
ここでは、第1ドロッパ8Aおよび第2ドロッパ8Bとして回生ドロッパを備えた電力変換装置の一例を示している。なお、第1ドロッパ8Aと第2ドロッパ8Bとの対応する構成には同じ符号を付している。
第1ドロッパ8Aおよび第2ドロッパ8Bは、コンデンサ81と、パワー半導体素子82、83と、高周波絶縁トランス84と、共振コンデンサ85と、ダイオード整流器86と、を備えている。パワー半導体素子82、83と、高周波絶縁トランス84と、共振コンデンサ85と、ダイオード整流器86とにより構成される回路は、直流平滑コンデンサ3へエネルギーを回生する回生回路である。
本実施形態では、コンデンサ81に蓄えられた電荷は、パワー半導体素子82、83を動作させることにより、回生回路を介して直流平滑コンデンサ3へ回生される。したがって、例えば第3実施形態の電力変換装置では、第1電圧補正ダイオード7Aと第2電圧補正ダイオード7Bとにてエネルギー損失が生じるが、本実施形態の電力変換装置では、第1ドロッパ8Aおよび第2ドロッパ8Bにて一部のエネルギーを回生することが可能となるため、電力変換装置によるエネルギー損失を低減することが可能となる。また、例えば図6に示す構成は、大型の部品を用いることなく実現することが可能であり、電力変換装置が大型化することも回避することができる。
すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、高調波および力率を改善した電力変換装置の小型化を実現することが可能である。
なお、本実施形態の電力変換装置に適用したドロッパ8の構成は、他のすべての実施形態の電力変換装置に適用することが可能であり、いずれの場合も同様の効果を得ることができる。
なお、本実施形態の電力変換装置に適用したドロッパ8の構成は、他のすべての実施形態の電力変換装置に適用することが可能であり、いずれの場合も同様の効果を得ることができる。
次に、第5実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図7は、第5実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、第1ブロック素子9Aおよび第2ブロック素子9Bを備える点が上述の第1乃至第4実施形態と異なっている。
図7は、第5実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、第1ブロック素子9Aおよび第2ブロック素子9Bを備える点が上述の第1乃至第4実施形態と異なっている。
第1ブロック素子9Aおよび第2ブロック素子9Bは、例えば半導体スイッチ素子と、半導体スイッチ素子と並列に接続したダイオードと、を含む。第1ブロック素子9Aのダイオードは、アノードにて三相ダイオード整流器2の高電位側の直流端と電気的に接続する向きである。第2ブロック素子9Bのダイオードは、カソードにて三相ダイオード整流器2の低電位側の直流端と電気的に接続する向きである。
第1ブロック素子9Aは、第1高周波電源回路4Aと高電位側の直流主回路とを接続する経路に設けられている。第1ブロック素子9Aは、三相ダイオード整流器2の高電位側の直流端と電気的に接続された補助回路部200の端の前段において、電流通流部と三相ダイオード整流器2の高電位側の直流端との電気的接続状態を切り替え、第1高周波電源回路4Aから三相ダイオード整流器2の高電位側の直流端への電流を遮ることが可能となるように接続されている。
第2ブロック素子9Bは、第2高周波電源回路4Bと低電位側の直流主回路とを接続する経路に設けられている。第2ブロック素子9Bは、三相ダイオード整流器2の低電位側の直流端と電気的に接続された補助回路部200の端の前段において、電流通流部と三相ダイオード整流器2の低電位側の直流端との電気的接続状態を切り替え、三相ダイオード整流器2の低電位側の直流端から第2高周波電源回路4Bへの電流を遮ることが可能となるように接続されている。
第1ブロック素子9Aおよび第2ブロック素子9Bは、補助回路部200の通流期間にオンされ、補助回路部200の通流期間以外はオフされる。このことにより、補助回路部200の通流期間以外には、回路のインピーダンスが高い状態となり、電流が流れることを防ぐことができる。
なお、本実施形態では、第1ブロック素子9Aおよび第2ブロック素子9Bの動作を制御する制御回路(図示せず)は、交流電源1の出力電流(若しくは出力電圧)の位相を検出する検出器を備え、検出器から得られた値に基づいて第1ブロック素子9Aおよび第2ブロック素子9Bの動作を制御するゲート信号を生成する。
すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、高調波および力率を改善した電力変換装置の小型化を実現することが可能である。
なお、本実施形態の電力変換装置に適用した第1ブロック素子9Aおよび第2ブロック素子9Bは、他のすべての実施形態の電力変換装置に適用することが可能であり、いずれの場合も同様の効果を得ることができる。
なお、本実施形態の電力変換装置に適用した第1ブロック素子9Aおよび第2ブロック素子9Bは、他のすべての実施形態の電力変換装置に適用することが可能であり、いずれの場合も同様の効果を得ることができる。
次に、第6実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図8は、第6実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、補助回路部200の構成が上述の第3実施形態と異なっている。
図8は、第6実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、補助回路部200の構成が上述の第3実施形態と異なっている。
高周波補助電源4は、3つのインバータレグ10U、10V、10Wを含むハーフブリッジ回路と、3つの高周波トランス11UV、11VW、11WUと、を備えている。
インバータレグ10U、10V、10Wは、主回路部100の高電位側の直流主回路と低電位側の直流主回路との間に接続されている。
インバータレグ10U、10V、10Wは、主回路部100の高電位側の直流主回路と低電位側の直流主回路との間に接続されている。
インバータレグ10U、10V、10Wそれぞれは、直流主回路間において直列に接続された2つのスイッチング素子を備え、2つのスイッチング素子間(交流端)にて、対応する高周波トランス11UV、11VW、11WUと電気的に接続されている。
高周波トランス11UV、11VW、11WUは、それぞれ、一次巻線と、二次巻線と、三次巻線と、を備えている。高周波トランス11UV、11VW、11WUの一次巻線、二次巻線、および、三次巻線は同極性である。
高周波トランス11UVの一次巻線は、始端がインバータレグ10Uの交流端と電気的に接続され、終端がインバータレグ10Vの交流端と電気的に接続されている。
高周波トランス11UVの二次巻線は、始端が一方の単相整流ダイオードブリッジ5UVの高電位側の直流端と電気的に接続され、終端が他方の単相整流ダイオードブリッジ5UVの高電位側の直流端と電気的に接続され、中間端において、第1電圧補正ダイオード7Aを介して高電位側の直流主回路と電気的に接続されている。
高周波トランス11UVの三次巻線は、始端が他方の単相整流ダイオードブリッジ5UVの低電位側の直流端と電気的に接続され、終端が一方の単相整流ダイオードブリッジ5UVの低電位側の直流端と電気的に接続され、中間端において、第2電圧補正ダイオード7Bとを介して低電位側の直流主回路と電気的に接続されている。
高周波トランス11VWの一次巻線は、始端がインバータレグ10Vの交流端と電気的に接続され、終端がインバータレグ10Wの交流端と電気的に接続されている。
高周波トランス11VWの二次巻線は、始端が一方の単相整流ダイオードブリッジ5VWの高電位側の直流端と電気的に接続され、終端が他方の単相整流ダイオードブリッジ5VWの高電位側の直流端と電気的に接続され、中間端において、第1電圧補正ダイオード7Aを介して高電位側の直流主回路と電気的に接続されている。
高周波トランス11VWの三次巻線は、始端が他方の単相整流ダイオードブリッジ5VWの低電位側の直流端と電気的に接続され、終端が一方の単相整流ダイオードブリッジ5VWの低電位側の直流端と電気的に接続され、中間端において、第2電圧補正ダイオード7Bとを介して低電位側の直流主回路と電気的に接続されている。
高周波トランス11WUの一次巻線は、始端がインバータレグ10Wの交流端と電気的に接続され、終端がインバータレグ10Uの交流端と電気的に接続されている。
高周波トランス11WUの二次巻線は、始端が一方の単相整流ダイオードブリッジ5WUの高電位側の直流端と電気的に接続され、終端が他方の単相整流ダイオードブリッジ5WUの高電位側の直流端と電気的に接続され、中間端において、第1電圧補正ダイオード7Aとを介して高電位側の直流主回路と電気的に接続されている。
高周波トランス11WUの三次巻線は、始端が他方の単相整流ダイオードブリッジ5WUの低電位側の直流端と電気的に接続され、終端が一方の単相整流ダイオードブリッジ5WUの低電位側の直流端と電気的に接続され、中間端において、第2電圧補正ダイオード7Bとを介して低電位側の直流主回路と電気的に接続されている。
単相整流ダイオードブリッジ5UVの2つの交流端は、分流トランス6UVの第1巻線(若しくは第3巻線)の終端と、分流トランス6UVの第2巻線(若しくは第4巻線)の始端とに電気的に接続されている。
単相整流ダイオードブリッジ5VWの2つの交流端は、分流トランス6VWの第1巻線(若しくは第3巻線)の終端と、分流トランス6VWの第2巻線(若しくは第4巻線)の始端とに電気的に接続されている。
単相整流ダイオードブリッジ5WUの2つの交流端は、分流トランス6WUの第1巻線(若しくは第3巻線)の終端と、分流トランス6WUの第2巻線(若しくは第4巻線)の始端とに電気的に接続されている。
単相整流ダイオードブリッジ5VWの2つの交流端は、分流トランス6VWの第1巻線(若しくは第3巻線)の終端と、分流トランス6VWの第2巻線(若しくは第4巻線)の始端とに電気的に接続されている。
単相整流ダイオードブリッジ5WUの2つの交流端は、分流トランス6WUの第1巻線(若しくは第3巻線)の終端と、分流トランス6WUの第2巻線(若しくは第4巻線)の始端とに電気的に接続されている。
分流トランス6UVの第1巻線(若しくは第3巻線)の始端は、交流電源1から延びたU相の交流ラインと電気的に接続されている。分流トランス6UVの第2巻線(若しくは第4巻線)の終端は、交流電源1から延びたV相の交流ラインと電気的に接続されている。
分流トランス6VWの第1巻線の始端(若しくは第3巻線)は、交流電源1から延びたV相の交流ラインと電気的に接続されている。分流トランス6VWの第2巻線(若しくは第4巻線)の終端は、交流電源1から延びたW相の交流ラインと電気的に接続されている。
分流トランス6WUの第1巻線(若しくは第3巻線)の始端は、交流電源1から延びたW相の交流ラインと電気的に接続されている。分流トランス6WUの第2巻線(若しくは第4巻線)の終端は、交流電源1から延びたU相の交流ラインと電気的に接続されている。
上記電力変換装置では、補助回路部200の通流期間において、各相交流ライン間に対応した2つのインバータレグ10U、10V、10Wを動作させて、各相交流ライン間に対応した高周波トランスにより高周波電源を生成し、分流トランス6UV、6VW、6WUおよび単相整流ダイオードブリッジ5に通流させることができる。
なお、本実施形態の電力変換装置は、インバータレグ10U、10V、10Wの半導体スイッチ素子の動作を制御する制御回路(図示せず)を備えていてもよい。この場合、制御回路は、交流電源1から出力される電流の位相を検出する検出器を備え、検出器で検出された値に基づいて、対応するインバータレグ10U、10V、10Wの半導体スイッチ素子を動作させることにより、上記動作を実現することが可能である。
本実施形態の電力変換装置は、上記構成以外は上述の第3実施形態の電力変換装置と同様の構成を備えている。すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、高調波および力率を改善した電力変換装置の小型化を実現することが可能である。
次に、第7実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図9は、第7実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、高周波補助電源4および分流トランス6UV、6VW、6WUの構成が上述の第1乃至第6実施形態と異なっている。
図9は、第7実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、高周波補助電源4および分流トランス6UV、6VW、6WUの構成が上述の第1乃至第6実施形態と異なっている。
分流トランス6UV、6VW、6WUそれぞれは、2つのスナバ抵抗12aと、2つのスナバコンデンサ12bと、をさらに備えている。第1巻線(若しくは第3巻線)と並列に接続した経路、および、第2巻線(若しくは第4巻線)と並列に接続した経路それぞれにおいて、一組のスナバ抵抗12aとスナバコンデンサ12bとが互いに直列に接続されている。
分流トランス6UV、6VW、6WUがスナバ抵抗12aとスナバコンデンサ12bとを備えることにより、高周波トランスである分流トランス6UV、6VW、6WUの漏れインダクタンスや、寄生容量などによる共振で発生するサージ電圧を抑制することができる。
高周波補助電源4は、高周波インバータ41と、高周波トランス42と、共振コンデンサ4bと、複数の低圧ダイオード整流器(単相ダイオードブリッジ回路)4dと、複数の低圧直流コンデンサ4eと、複数のフルブリッジ回路4fと、を備えている。
高周波インバータ41は、2つのレグを備えている。2つのレグのそれぞれは、主回路部100の高電位側の直流主回路と低電位側の直流主回路との間において、直列に接続された2つのパワー半導体素子41Aを備えている。各レグの2つのパワー半導体素子41Aの間は高周波インバータ41の交流端であり、高周波トランス42と電気的に接続されている。
なお、本実施形態の電力変換装置は、高周波インバータ41のパワー半導体素子41Aのゲート信号を生成して高周波インバータ41の動作を制御する、図示しないコントローラを備えていてもよい。高周波インバータ41から出力される交流電力の周波数は、コントローラにて生成されるゲート信号により調整することが可能である。
高周波トランス42は、一次巻線と、複数の二次巻線と、を備えている。
高周波トランス42の一次巻線の始端は、共振コンデンサ4bを介して高周波インバータ41の一方の交流端と電気的に接続されている。高周波トランス42の一次巻線の終端は、高周波インバータ41の他方の交流端と電気的に接続されている。
高周波トランス42の一次巻線の始端は、共振コンデンサ4bを介して高周波インバータ41の一方の交流端と電気的に接続されている。高周波トランス42の一次巻線の終端は、高周波インバータ41の他方の交流端と電気的に接続されている。
高周波トランス42の複数の二次巻線は、対応する低圧ダイオード整流器4dと接続されている。高周波トランス42の複数の二次巻線それぞれは、始端にて対応する低圧ダイオード整流器4dの一方の交流端と電気的に接続され、終端にて対応する低圧ダイオード整流器4dの他方の交流端と電気的に接続されている。
低圧ダイオード整流器4dは、複数の低圧ダイオードを備えた単相ダイオードブリッジ回路である。低圧ダイオード整流器4dの交流端は、高周波トランス42の二次巻線と電気的に接続されている。低圧ダイオード整流器4dの直流端は、対応するフルブリッジ回路4fの直流端と電気的に接続されている。
低圧直流コンデンサ4eは、フルブリッジ回路4fの高電位側の直流端と低電位側の直流端との間(低圧ダイオード整流器4dの直流端間)に接続されている。
フルブリッジ回路4fは4つの低圧パワー半導体素子を含み、2つの低圧パワー半導体素子が接続されたレグを2つ備えている。2つの低圧パワー半導体素子の間はフルブリッジ回路4fの交流端である。フルブリッジ回路4fのレグの一端は高電位側の直流端と電気的に接続され、フルブリッジ回路4fのレグの他端は低電位側の直流端に電気的に接続されている。
本実施形態の電力変換装置では、高周波補助電源4は4つのフルブリッジ回路4fを備えている。4つのフルブリッジ回路4fの2つは、一方の交流端が第1電圧補正ダイオード7Aを介して高電位側の直流主回路と電気的に接続され、他方の交流端が補助回路部200の高電位側の直流ラインと電気的に接続されている。4つのフルブリッジ回路4fの他の2つは、一方の交流端が第2電圧補正ダイオード7Bを介して低電位側の直流主回路と電気的に接続され、他方の交流端が補助回路部200の低電位側の直流ラインと電気的に接続されている。
フルブリッジ回路4fが低圧パワー半導体にて構成されることにより、高周波電源を生成することが容易となり、分流トランス6UV、6VW、6WUの小型化が容易となる。
また、高周波補助電源4が共振コンデンサ4bを備えることにより、パワー半導体素子41Aから低圧直流コンデンサ4eまでを共振回路動作させることができ、パワー半導体素子41Aのスイッチング損失を大幅に低減することができる。
本実施形態の電力変換装置は、上記構成以外は上述の第3実施形態の電力変換装置と同様の構成を備えている。すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、高調波および力率を改善した電力変換装置の小型化を実現することが可能である。
なお、本実施形態の電力変換装置では、高周波補助電源4が共振回路を備える例について説明したが、共振回路に限定されるものではなく、共振回路以外の絶縁回路を備えていてもよい。
また、本実施形態の電力変換装置の分流トランス6UV、6VW、6WUの構成は、他のすべての実施形態において適用することが可能である。
また、本実施形態の電力変換装置の分流トランス6UV、6VW、6WUの構成は、他のすべての実施形態において適用することが可能である。
次に、第8実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図10は、第8実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、補助回路部200が複数の交流スイッチ13と、2つの分流トランス6UV、6VW、6WUと、2つの単相整流ダイオードブリッジ5と、を備えている点が上述の第1乃至第7実施形態の電力変換装置と異なっている。
図10は、第8実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、補助回路部200が複数の交流スイッチ13と、2つの分流トランス6UV、6VW、6WUと、2つの単相整流ダイオードブリッジ5と、を備えている点が上述の第1乃至第7実施形態の電力変換装置と異なっている。
交流スイッチ13は、例えばパワーMOSFETやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのパワー半導体素子や、RB−IGBT(Reverse Blocking Insulated Gate Bipolar Transistor)のような逆耐圧を持ったパワー半導体素子を逆直列(若しくは逆並列)接続した双方向スイッチ回路である。
交流スイッチ13は、例えば、2つのパワーMOSFETのソース同士(若しくはIGBTのエミッタ同士)を直列に接続して逆直列に接続した双方向スイッチ回路であってもよく、2つのパワーMOSFETの一方のソースと他方のドレインと(若しくは2つのIGBTの一方のエミッタと他方のコレクタと)が互いに接続するように逆並列に接続された双方向スイッチ回路であってもよい。
交流スイッチ13は、U相の交流ラインと分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線(若しくは第3巻線)の始端との間、V相の交流ラインと分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線(若しくは第3巻線)の始端との間、V相の交流ラインと分流トランス6UV、6VW、6WUの第2巻線(若しくは第4巻線)の終端との間、および、W相の交流ラインと分流トランス6UV、6VW、6WUの第2巻線(若しくは第4巻線)の終端との間に接続されている。
すなわち、分流トランス6UV、6VW、6WUと各相交流ラインとの電気的接続は、交流スイッチ13により切り替えることが可能である。本実施形態では、制御回路(図示せず)により交流スイッチ13を切り替えて交流電源1の2つの相電圧の差が小さい線間に分流トランス6UV、6VW、6WUを接続することにより、補助回路部200に通流させることができる。なお、図示しない制御回路は、交流電源1の出力電流の位相を検出する検出器(図示せず)を備えている。
交流スイッチ13を切り替えるときには、サージ電圧もしくは短絡電流が流れ、電力変換装置を破壊してしまう可能性がある。そのため、本実施形態の電力変換装置では、電圧転流や電流転流などを組み合わせてスイッチングすることで、サージ電圧や短絡電流を抑制している。
制御回路にて交流スイッチ13を切り替える動作は、例えば、補助回路200の通流期間以外や、高周波補助電源4が停止した後に行ってもよい。また、制御回路は、補助回路200の通流期間以外において、高周波インバータ41のパワー半導体素子41Aのゲートをオフするときに、交流スイッチ13のゲートをオフしてもよい。このことにより、分流トランス6UV、6VW、6WUが磁気飽和することを回避することができる。
制御回路にて交流スイッチ13を切り替える動作は、例えば、補助回路200の通流期間以外や、高周波補助電源4が停止した後に行ってもよい。また、制御回路は、補助回路200の通流期間以外において、高周波インバータ41のパワー半導体素子41Aのゲートをオフするときに、交流スイッチ13のゲートをオフしてもよい。このことにより、分流トランス6UV、6VW、6WUが磁気飽和することを回避することができる。
上述の第1乃至第7実施形態の電力変換装置は、各線間に2つの分流トランス6UV、6VW、6WUを接続して合計6つの分流トランス6UV、6VW、6WUを備えていたが、本実施形態の電力変換装置では、分流トランス6UV、6VW、6WUをそれぞれ2つ備えればよく、実装面積を小さくすることが可能である。
なお、本実施形態の電力変換装置では、分流トランス6UV、6VW、6WUおよび高周波トランス42を除く補助回路200の構成(破線で囲まれた部分)は、例えば、所定のパターンの金属層、半導体層、絶縁層などを積層することにより形成することが可能であり、電力変換装置の外形の大きさに大きく影響するものではない。すなわち、分流トランス6UV、6VW、6WUの搭載数を減らすことにより、より効果的に電力変換装置を小型化することができる。
すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、高調波および力率を改善した電力変換装置の小型化を実現することが可能である。
すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、高調波および力率を改善した電力変換装置の小型化を実現することが可能である。
次に、第9実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図11は、第9実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、高周波補助電源4の構成が上述の第8実施形態と異なっている。
図11は、第9実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、高周波補助電源4の構成が上述の第8実施形態と異なっている。
高周波補助電源4は、三相ダイオード整流器2の高電位側の直流端と低電位側の直流端とのそれぞれに対して、プラスの電圧を供給する電源4hpと、マイナスの電圧を供給する電源4hmと、4つの電源4hp、4hmそれぞれと単相整流ダイオードブリッジ5の直流端との間に接続される補助電源用交流スイッチ(双方向スイッチ)4iと、を備えている。
補助電源用交流スイッチ4iは、交流スイッチ13と同様の構成である。補助電源用交流スイッチ4iは、交流スイッチ13と同様に電圧転流や電流転流などを組み合わせてスイッチングすることで、サージ電圧や短絡電流を抑制することができる。
本実施形態の電力変換装置によれば、高調波および力率を改善した電力変換装置の小型化を実現することが可能である。
次に、第10実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図12は、第10実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、上述の第2実施形態の電力変換装置の、分流トランス6UV、6VW、6WUおよび単相整流ダイオードブリッジ5による補助回路部200の通流経路を複数備えた構成である。補助回路部200は、高周波補助電源4と、12の分流トランス6UV、6VW、6WU(3つの分流トランス6UV、6VW、6WUを4組)と、12の単相整流ダイオードブリッジ5とを備えている。
図12は、第10実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、上述の第2実施形態の電力変換装置の、分流トランス6UV、6VW、6WUおよび単相整流ダイオードブリッジ5による補助回路部200の通流経路を複数備えた構成である。補助回路部200は、高周波補助電源4と、12の分流トランス6UV、6VW、6WU(3つの分流トランス6UV、6VW、6WUを4組)と、12の単相整流ダイオードブリッジ5とを備えている。
高周波補助電源4は、高周波インバータ41と、高周波トランス42とを備えている。
高周波インバータ41は、上述の第2実施形態の電力変換装置と同様の構成である。
高周波トランス42は、第1トランス42Aと第2トランス42Bとを備えている。
高周波インバータ41は、上述の第2実施形態の電力変換装置と同様の構成である。
高周波トランス42は、第1トランス42Aと第2トランス42Bとを備えている。
第1トランス42Aは、一次巻線と、一次巻線と同極性の二次巻線とを備えている。
第1トランス42Aの一次巻線は、両端が高周波インバータ41の2つの交流端と電気的に接続されている。第1トランス42Aの二次巻線は3つの中間端を備えている。ここでは、二次巻線の終端に近いものから第1中間端、第2中間端、第3中間端と称して説明する。第1トランス42Aの二次巻線は、第2中間端にて第1電圧補正ダイオード7Aを介して高電位側の直流主回路と電気的に接続されている。
第1トランス42Aの一次巻線は、両端が高周波インバータ41の2つの交流端と電気的に接続されている。第1トランス42Aの二次巻線は3つの中間端を備えている。ここでは、二次巻線の終端に近いものから第1中間端、第2中間端、第3中間端と称して説明する。第1トランス42Aの二次巻線は、第2中間端にて第1電圧補正ダイオード7Aを介して高電位側の直流主回路と電気的に接続されている。
第1トランス42Aの二次巻線の第1中間端から第2中間端までの巻き数はN1であり、終端から第2中間端までの巻き数はN2である。また、第1トランス42Aの二次巻線の第2中間端から第3中間端までの巻き数はN1であり、第2中間端から始端までの巻き数はN2である。
第1トランス42Aの二次巻線の終端と第1中間端とは、6つの単相整流ダイオードブリッジ5の高電位側(カソード側)の2つの直流端とそれぞれ接続されている。二次巻線の始端と第3中間端とは、他の6つの単相整流ダイオードブリッジ5の高電位側(カソード側)の2つの直流端とそれぞれ接続されている。
第2トランス42Bは、一次巻線と、一次巻線と同極性の二次巻線とを備えている。
第2トランス42Bの一次巻線は、両端が高周波インバータ41の2つの交流端と電気的に接続されている。第2トランス42Bの二次巻線は3つの中間端を備えている。ここでは、二次巻線の始端に近いものから第1中間端、第2中間端、第3中間端と称して説明する。第2トランス42Bの二次巻線は、第2中間端にて第2電圧補正ダイオード7Bを介して低電位側の直流主回路と電気的に接続されている。
第2トランス42Bの一次巻線は、両端が高周波インバータ41の2つの交流端と電気的に接続されている。第2トランス42Bの二次巻線は3つの中間端を備えている。ここでは、二次巻線の始端に近いものから第1中間端、第2中間端、第3中間端と称して説明する。第2トランス42Bの二次巻線は、第2中間端にて第2電圧補正ダイオード7Bを介して低電位側の直流主回路と電気的に接続されている。
第2トランス42Bの二次巻線の第1中間端から第2中間端までの巻き数はN1であり、始端から第2中間端までの巻き数はN2である。また、第2トランス42Bの二次巻線の第2中間端から第3中間端までの巻き数はN1であり、第2中間端から終端までの巻き数はN2である。
第2トランス42Bの二次巻線の始端と第1中間端とは、6つの単相整流ダイオードブリッジ5の低電位側(アノード側)の2つの直流端とそれぞれ接続されている。二次巻線の終端と第3中間端とは、他の6つの単相整流ダイオードブリッジ5の低電位側(アノード側)の2つの直流端とそれぞれ接続されている。
本実施形態の電力変換装置では、第1トランス部61は、2つの分流トランス6UVと、2つの分流トランス6VWと、2つの分流トランス6WUとを備えている。第2トランス部62は、2つの分流トランス6UVと、2つの分流トランス6VWと、2つの分流トランス6WUとを備えている。第1トランス部61の分流トランス6UV、6VW、6WUそれぞれは、第1巻線と、第1巻線と逆極性の第2巻線とを備えている。第2トランス部62の分流トランス6UV、6VW、6WUそれぞれは、第3巻線と、第3巻線と逆極性の第4巻線とを備えている。
第1トランス部61の分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線は、始端が交流ラインのいずれか一つと電気的に接続され、終端が単相整流ダイオードブリッジ5の一方の交流端と電気的に接続されている。第1トランス部61の分流トランス6UV、6VW、6WUの第2巻線は、終端が交流ラインの他のいずれか一つと電気的に接続され、始端が単相整流ダイオードブリッジ5の他方の交流端と電気的に接続されている。
第1トランス部61の分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線と第2巻線との巻数比は、高周波補助電源4の高周波トランス42により補助される電圧の大きさに応じて設定されている。
第1トランス部61の分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線と第2巻線との巻数比は、高周波補助電源4の高周波トランス42により補助される電圧の大きさに応じて設定されている。
第2トランス部62の分流トランス6UV、6VW、6WUの第3巻線は、始端が交流ラインのいずれか一つと電気的に接続され、終端が単相整流ダイオードブリッジ5の一方の交流端と電気的に接続されている。第2トランス部62の分流トランス6UV、6VW、6WUの第4巻線は、終端が交流ラインの他のいずれか一つと電気的に接続され、始端が単相整流ダイオードブリッジ5の他方の交流端と電気的に接続されている。
第2トランス部62の分流トランス6UV、6VW、6WUの第3巻線と第4巻線との巻数比は、高周波補助電源4の高周波トランス42により補助される電圧の大きさに応じて設定されている。
第2トランス部62の分流トランス6UV、6VW、6WUの第3巻線と第4巻線との巻数比は、高周波補助電源4の高周波トランス42により補助される電圧の大きさに応じて設定されている。
例えば、第1トランス部61の一組の分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線が接続された単相整流ダイオードブリッジ5のレグは、第1トランス42Aの二次巻線の終端と、第2トランス42Bの二次巻線の始端とに接続され、該一組の分流トランス6UV、6VW、6WUの第2巻線が接続された単相整流ダイオードブリッジ5のレグは、第1トランス42Aの二次巻線の第1中間端と、第2トランス42Bの二次巻線の第1中間端とに接続されている。この一組の分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線と第2巻線との巻数比は、N2:N1となる。
例えば、第1トランス部61の他の一組の分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線が接続された単相整流ダイオードブリッジ5のレグは、第1トランス42Aの二次巻線の第1中間端と、第2トランス42Bの二次巻線の第1中間端とに接続され、該他の一組の分流トランス6UV、6VW、6WUの第2巻線が接続された単相整流ダイオードブリッジ5のレグは、第1トランス42Aの二次巻線の終端と、第2トランス42Bの二次巻線の始端とに接続されている。この他の一組の分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線と第2巻線との巻数比は、N1:N2となる。
本実施形態の電力変換装置において、高周波トランス42の巻数比N1:N2は約1:2であり、第1トランス部61の一組の分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線と第2巻線との巻数比は2:1であり、他の一組の分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線と第2巻線との巻数比は1:2である。
第2トランス部62についても同様に、一組の分流トランス6UV、6VW、6WUの第3巻線と第4巻線との巻数比は2:1であり、他の一組の分流トランス6UV、6VW、6WUの第3巻線と第4巻線との巻数比は1:2である。
第2トランス部62についても同様に、一組の分流トランス6UV、6VW、6WUの第3巻線と第4巻線との巻数比は2:1であり、他の一組の分流トランス6UV、6VW、6WUの第3巻線と第4巻線との巻数比は1:2である。
上記のように、図12に示す電力変換装置において、高周波トランス42の巻数比N1:N2を約1:2とすることで、分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線と第2巻線との巻数比が1:2若しくは2:1となり、交流ラインから分流トランスへ流入する電流比を所定の値に維持し、18パルス整流器と同等の動作を実現することが可能となる。その結果、交流電源1に流れる電流は18パルス整流器と同等となり、高調波を低減することができる。
すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、高調波および力率を改善した電力変換装置の小型化を実現することが可能である。
次に第11実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図13は、第11実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、第1トランス部61と第2トランス部62とが、中間端を含む分流トランス15を複数と、複数の分流用交流スイッチ16とを備えている点と、高周波補助電源4と単相整流ダイオードブリッジ5との接続の仕方とが上述の第10実施形態の電力変換装置と異なっている。
図13は、第11実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、第1トランス部61と第2トランス部62とが、中間端を含む分流トランス15を複数と、複数の分流用交流スイッチ16とを備えている点と、高周波補助電源4と単相整流ダイオードブリッジ5との接続の仕方とが上述の第10実施形態の電力変換装置と異なっている。
第1トランス部61の分流トランス15は、中間端を含む第1巻線と、中間端を含み第1巻線と異なる極性である第2巻線と、を備えている。
分流トランス15の第1巻線は、始端において交流ラインのいずれかと電気的に接続され、終端において分流用交流スイッチ16を介して単相整流ダイオードブリッジ5の交流端と電気的に接続され、中間端において分流用交流スイッチ16を介して他の単相整流ダイオードブリッジ5の交流端と電気的に接続されている。
分流トランス15の第1巻線は、始端において交流ラインのいずれかと電気的に接続され、終端において分流用交流スイッチ16を介して単相整流ダイオードブリッジ5の交流端と電気的に接続され、中間端において分流用交流スイッチ16を介して他の単相整流ダイオードブリッジ5の交流端と電気的に接続されている。
分流トランス15の第2巻線は、終端において他の二相の交流ラインのいずれかと電気的に接続され、始端において分流用交流スイッチ16を介して単相整流ダイオードブリッジ5の他方の交流端と電気的に接続され、中間端において分流用交流スイッチ16を介して他の単相整流ダイオードブリッジ5の他方の交流端と電気的に接続されている。
分流トランス15の第1巻線と第2巻線との巻数比はN2:N2であり、第1巻線の始端から中間端までの巻数と、第2巻線の終端から中間端までの巻数との比は、N1:N1である。
第2トランス部62の分流トランス部15は、中間端を含む第3巻線と、中間端を含み第3巻線と異なる極性である第4巻線と、を備え、第1トランス部61の分流トランス15と同様の構成である。
第2トランス部62の分流トランス部15は、中間端を含む第3巻線と、中間端を含み第3巻線と異なる極性である第4巻線と、を備え、第1トランス部61の分流トランス15と同様の構成である。
分流トランス15の第1巻線(若しくは第3巻線)の終端と第2巻線(若しくは第4巻線)の始端とに接続された単相整流ダイオードブリッジ5は、高電位側(カソード側)の直流端において、トランス42Aの二次巻線の終端(若しくは二次巻線の始端)と電気的に接続され、低電位側(アノード側)の直流端において、高周波トランス42Bの二次巻線の始端(若しくは二次巻線の終端)と電気的に接続されている。
分流トランス15の第1巻線(若しくは第3巻線)の中間端と第2巻線(若しくは第4巻線)の中間端とに接続された単相整流ダイオードブリッジ5は、高電位側(カソード側)の直流端において、トランス42Aの二次巻線の第1中間端(若しくは第3中間端)と電気的に接続され、低電位側(アノード側)の直流端において、高周波トランス42Bの二次巻線の第1中間端(若しくは第3中間端)と電気的に接続されている。
分流用交流スイッチ16は、交流スイッチ13と同様の構成である。すなわち、分流用交流スイッチ16は、半導体スイッチを逆直列(もしくは逆並列)に接続した双方向スイッチである。
上記本実施形態の電力変換装置によれば、分流用交流スイッチ16を切り替えて、分流トランス15と単相整流ダイオードブリッジ5との接続を切り替え可能としたことにより、分流トランス15の搭載数を上述の第10実施形態の電力変換装置の分流トランス6UV、6VW、6WUの半分とするとともに、交流電源1に流れる電流は18パルス整流器と同等となり、高調波を低減することができる。したがって、本実施形態によれば、電力変換装置を更に小型化することが可能である。
すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、高調波および力率を改善した電力変換装置の小型化を実現することが可能である。
すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、高調波および力率を改善した電力変換装置の小型化を実現することが可能である。
なお、分流用交流スイッチ16は、上述の交流スイッチ13と同様に、図示しない制御回路により電圧転流や電流転流などを組み合わせてスイッチングされる。
次に、第12実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図14は、第12実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示した図である。
本実施形態の電力変換装置は、上述の第8実施形態の電力変換装置の複数の交流スイッチ13により交流ラインと分流トランス6UV、6VW、6WUとの電気的接続を切り替える構成を、上述の第11実施形態の電力変換装置に適用した例である。
図14は、第12実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示した図である。
本実施形態の電力変換装置は、上述の第8実施形態の電力変換装置の複数の交流スイッチ13により交流ラインと分流トランス6UV、6VW、6WUとの電気的接続を切り替える構成を、上述の第11実施形態の電力変換装置に適用した例である。
本実施形態の電力変換装置は、2つの分流トランス15と、4つの単相整流ダイオードブリッジ5とを備えている。
分流トランス15の第1巻線(若しくは第3巻線)の始端は、U相の交流ラインとV相の交流ラインとのそれぞれに対して、交流スイッチ13を介して電気的に接続可能である。分流トランス15の第2巻線(若しくは第4巻線)の終端は、V相の交流ラインとW相の交流ラインとのそれぞれに対して、交流スイッチ13を介して電気的に接続可能である。
分流トランス15の第1巻線(若しくは第3巻線)の始端は、U相の交流ラインとV相の交流ラインとのそれぞれに対して、交流スイッチ13を介して電気的に接続可能である。分流トランス15の第2巻線(若しくは第4巻線)の終端は、V相の交流ラインとW相の交流ラインとのそれぞれに対して、交流スイッチ13を介して電気的に接続可能である。
本実施形態の電力変換装置は、図示しない制御回路により複数の交流スイッチ13および複数の分流用交流スイッチ16を切り替えることにより、上述の第8実施形態の電力変換装置および第11実施形態の電力変換装置と同様の動作を行うことができる。したがって、本実施形態の電力変換装置によれば、交流電源1に流れる電流は18パルス整流器と同等となり、高調波を低減することができ、電力変換装置を更に小型化することが可能である。
すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、高調波および力率を改善した電力変換装置の小型化を実現することが可能である。
すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、高調波および力率を改善した電力変換装置の小型化を実現することが可能である。
次に、第13実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図15は、第13実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、交流電源1に流れる電流が24パルス整流器と同等となるように構成されている。
図15は、第13実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、交流電源1に流れる電流が24パルス整流器と同等となるように構成されている。
本実施形態の電力変換装置は、第1実施形態の電力変換装置の構成と、第10実施形態の電力変換装置の構成とを組み合わせた構成例である。
本実施形態では、トランス42A、42Bの二次巻線は、終端と第1中間端との間にさらに第4中間端を備え、始端と第3中間端との間にさらに第5中間端を備えている。第1トランス42Aの二次巻線の第1中間端から第2中間端までの巻き数はN1であり、第4中間端から第2中間端までの巻き数はN2であり、終端から第2中間端までの巻き数はN3である。また、第1トランス42Aの二次巻線の第2中間端から第3中間端までの巻き数はN1であり、第2中間端から第5中間端までの巻き数はN2であり、第2中間端から始端までの巻き数はN3である。
本実施形態では、トランス42A、42Bの二次巻線は、終端と第1中間端との間にさらに第4中間端を備え、始端と第3中間端との間にさらに第5中間端を備えている。第1トランス42Aの二次巻線の第1中間端から第2中間端までの巻き数はN1であり、第4中間端から第2中間端までの巻き数はN2であり、終端から第2中間端までの巻き数はN3である。また、第1トランス42Aの二次巻線の第2中間端から第3中間端までの巻き数はN1であり、第2中間端から第5中間端までの巻き数はN2であり、第2中間端から始端までの巻き数はN3である。
第1トランス部61は、三組の分流トランス6UV、6VW、6WUを備えている。第1トランス部61の三組の分流トランス6UV、6VW、6WUのうちの二組は、上述の第10実施形態の電力変換装置の第1トランス部61と同様の構成である。本実施形態の電力変換装置では、第1トランス部61は、さらに一組の分流トランス6UV、6VW、6WUを備えている。この一組の分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線が接続された単相整流ダイオードブリッジ5のレグと、第2巻線が接続された単相整流ダイオードブリッジ5のレグとは、第1トランス42Aの二次巻線の第4中間端と、第2トランス42Bの二次巻線の第4中間端とに接続されている。
本実施形態の電力変換装置において、トランス42A、42Bの二次巻線の巻数比N3:N2:N1を3:2:1とすることで、第1トランス部61の一組の分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線と第2巻線との巻数比を3:1とし、第1トランス部61の他の一組の分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線と第2巻線との巻数比を1:3とし、第1トランス部61の残りの一組の分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線と第2巻線との巻数比を2:2とすることができる。
第2トランス部62についても同様に、トランス42A、42Bの二次巻線の巻数比N3:N2:N1を3:2:1とすることで、第2トランス部62の一組の分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線と第2巻線との巻数比を3:1とし、第2トランス部62の他の一組の分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線と第2巻線との巻数比を1:3とし、第2トランス部62の残りの一組の分流トランス6UV、6VW、6WUの第1巻線と第2巻線との巻数比を2:2とすることができる。
この結果、本実施形態の電力変換装置により24パルス整流器と同等の動作を実現することが可能となり、高調波を低減することが可能である。
この結果、本実施形態の電力変換装置により24パルス整流器と同等の動作を実現することが可能となり、高調波を低減することが可能である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…交流電源、2…三相ダイオード整流器、2A…ダイオード、3…直流平滑コンデンサ、4…高周波補助電源、4A…第1高周波電源回路、4B…高周波電源回路、4b…共振コンデンサ、4d…低圧ダイオード整流器、4e…低圧直流コンデンサ、4f…フルブリッジ回路、4hm…電源(第2直流補助電源、第4直流補助電源)、4hp…電源(第1直流補助電源、第3直流補助電源)、4i…補助電源用交流スイッチ、5…単相整流ダイオードブリッジ、5UV…単相整流ダイオードブリッジ、5VW…単相整流ダイオードブリッジ、5WU…単相整流ダイオードブリッジ、5a…高速ダイオード、6UV…分流トランス、6VW…分流トランス、6WU…分流トランス、7A…第1電圧補正ダイオード、7B…第2電圧補正ダイオード、8…ドロッパ、8A…第1ドロッパ、8B…第2ドロッパ、81…コンデンサ、82、83…パワー半導体素子、84…高周波絶縁トランス、85…共振コンデンサ、86…ダイオード整流器、9A…第1ブロック素子、9B…第2ブロック素子、10U、10V、10W…インバータレグ、11UV、11VW、11WU…高周波トランス、12a…スナバ抵抗、12b…スナバコンデンサ、13…交流スイッチ、15…分流トランス、16…分流用交流スイッチ、41…高周波インバータ、41A…パワー半導体素子、42…高周波トランス、42A…第1トランス、42B…第2トランス、100…主回路部、200…補助回路部。
Claims (14)
- 交流電源に接続可能に設けられた三相ダイオード整流器と、前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端と低電位側の直流端との間に接続された平滑コンデンサと、を備えた主回路部と、
高周波電圧を出力する補助電源と、前記三相ダイオード整流器の交流端と直流端とを電気的に接続する回路であって、前記三相ダイオード整流器の複数の交流端から流入する電流比を所定の値に維持し、前記交流電源から出力される三相交流電圧のうちの二相の値の差がゼロとなるタイミングの近傍において、前記三相ダイオード整流器の交流端から流入した電流に前記補助電源の出力電圧による高周波電流が重畳された補助電流を通流させる電流通流部と、を備え、前記補助電流により前記平滑コンデンサを充電する補助回路部と、を備えたことを特徴とする電力変換装置。 - 前記電流通流部は、前記三相ダイオード整流器の交流端の一つから電流が流入する第1巻線と、前記三相ダイオード整流器の他の交流端の一つから電流が流入する第2巻線とを備えたトランスを備え、
前記三相ダイオード整流器の交流端から前記電流通流部へ流入する電流の比は、前記第1巻線の巻数と前記第2巻線の巻数との比により前記所定の値に維持されることを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。 - 前記電流通流部は、第1巻線および前記第1巻線と極性が異なる第2巻線を備え、前記第1巻線の始端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の一つと電気的に接続可能であって、前記第2巻線の終端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の他の一つと電気的に接続可能である第1トランスと、
第3巻線および前記第3巻線と極性が異なる第4巻線を備え、前記第3巻線の始端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の一つと電気的に接続可能であって、前記第4巻線の終端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の他の一つと電気的に接続可能である第2トランスと、
前記第1トランスの前記第1巻線の終端および前記第2巻線の始端に交流端が接続された第1単相整流ダイオードブリッジ回路と、
前記第2トランスの前記第3巻線の終端および前記第4巻線の始端に交流端が接続された第2単相整流ダイオードブリッジ回路と、を備え、
前記補助電源は、前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の高電位側の直流端と前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端との間に介在し、前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の高電位側の直流端と前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端との間に介在する第1高周波電源回路と、前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の低電位側の直流端と前記三相ダイオード整流器の低電位側の直流端との間に介在し、前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の低電位側の直流端と前記三相ダイオード整流器の低電位側の直流端との間に介在する第2高周波電源回路と、を備え、
前記第1高周波電源回路から前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の高電位側の直流端と前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端との間に出力される電圧は、前記第1高周波電源回路から前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の高電位側の直流端と前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端との間に出力される電圧と逆位相であり、前記第2高周波電源回路から前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の低電位側の直流端と前記三相ダイオード整流器の低電位側の直流端との間に出力される電圧は、前記第2高周波電源回路から前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の低電位側の直流端と前記三相ダイオード整流器の低電位側の直流端との間に出力される電圧と逆位相である、ことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。 - 前記電流通流部は、第1巻線および前記第1巻線と極性が異なる第2巻線を備え、前記第1巻線の始端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の一つと電気的に接続可能であって、前記第2巻線の終端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の他の一つと電気的に接続可能である第1トランスと、
第3巻線および前記第3巻線と極性が異なる第4巻線を備え、前記第3巻線の始端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の一つと電気的に接続可能であって、前記第4巻線の終端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の他の一つと電気的に接続可能である第2トランスと、
前記第1トランスの前記第1巻線の終端および前記第2巻線の始端に交流端が接続された第1単相整流ダイオードブリッジ回路と、
前記第2トランスの前記第3巻線の終端および前記第4巻線の始端に交流端が接続された第2単相整流ダイオードブリッジ回路と、
前記補助電源は、前記三相ダイオード整流器の直流端間において直列に接続された2つの半導体スイッチを有し、前記2つの半導体スイッチの間が交流端となるレグを2つ備えるインバータと、2つの前記レグの交流端の間に電気的に接続された一次巻線と、前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の高電位側の直流端と前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の高電位側の直流端との間に接続されるとともに、中間端において前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端と電気的に接続された二次巻線と、を備えた第1絶縁トランスと、インバータの2つの交流端間に接続された一次巻線と、前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の低電位側の直流端と前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の低電位側の直流端との間に接続されるとともに、中間端において前記三相ダイオード整流器の低電位側の直流端と電気的に接続された二次巻線と、を備えた第2絶縁トランスと、を備えたことを特徴とする、請求項1記載の電力変換装置。 - 前記補助回路部は、前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端と電気的に接続された端にカソードが電気的に接続された第1電圧補正ダイオードと、前記三相ダイオード整流器の低電位側の直流端と電気的に接続された端にアノードが電気的に接続された第2電圧補正ダイオードと、を備えたことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
- 前記補助回路部は、前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端と電気的に接続された前記電流通流部の端の前段に介在し、前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端から前記電流通流部へ電圧を降下させる第1ドロッパと、前記三相ダイオード整流器の低電位側の直流端と電気的に接続された前記電流通流部の端の前段に介在し、前記電流通流部から前記三相ダイオード整流器へ電圧を降下させる第2ドロッパと、
を備えたことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。 - 前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端と、前記第1高周波電源回路との間に接続された第1コンデンサと、前記第1コンデンサに蓄えられたエネルギーを前記平滑コンデンサへ回生する第1回生回路と、を備えた第1ドロッパと、
前記三相ダイオード整流器の低電位側の直流端と、前記第2高周波電源回路との間に接続された第2コンデンサと、前記第2コンデンサに蓄えられたエネルギーを前記平滑コンデンサへ回生する第2回生回路と、を備えた第2ドロッパと、を備えている、
ことを特徴とする請求項3記載の電力変換装置。 - 前記補助回路部は、前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端と前記電流通流部との電気的接続状態を切り替える第1半導体スイッチと、前記三相ダイオード整流器の低電位側の直流端と前記電流通流部との電気的接続状態を切り替える第2半導体スイッチと、を備えたことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
- 前記電流通流部は、第1巻線および前記第1巻線と極性が異なる第2巻線を備え、前記第1巻線の始端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の一つと電気的に接続可能であって、前記第2巻線の終端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の他の一つと電気的に接続可能である第1トランスと、
第3巻線および前記第3巻線と極性が異なる第4巻線を備え、前記第3巻線の始端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の一つと電気的に接続可能であって、前記第4巻線の終端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の他の一つと電気的に接続可能である第2トランスと、
前記第1トランスの前記第1巻線の終端および前記第2巻線の始端に交流端が接続された第1単相整流ダイオードブリッジ回路と、
前記第2トランスの前記第3巻線の終端および前記第4巻線の始端に交流端が接続された第2単相整流ダイオードブリッジ回路と、を備え、
前記補助電源は、前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端と低電位側の直流端との間において直列に接続された半導体スイッチング素子を備え、前記半導体スイッチング素子間が交流端となるレグを、各相に備えた三相ハーフブリッジ回路と、前記レグの交流端間に接続された一次巻線と、一次巻線が接続された前記レグの相に対応する2つの前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の高電位側の直流端間、又は、2つの前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の高電位側の直流端間に両端が接続され、前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端と電気的に接続された中間端を備えた二次巻線と、一次巻線が接続された前記レグの相に対応する2つの前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の低電位側の直流端間、又は、2つの前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の低電位側の直流端間に両端が接続され、前記三相ダイオード整流器の低電位側の直流端と電気的に接続された中間端を備えた三次巻線と、を備えた絶縁トランスと、を備えることを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。 - 前記電流通流部は、第1巻線および前記第1巻線と極性が異なる第2巻線を備え、前記第1巻線の始端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の一つと電気的に接続可能であって、前記第2巻線の終端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の他の一つと電気的に接続可能である第1トランスと、
第3巻線および前記第3巻線と極性が異なる第4巻線を備え、前記第3巻線の始端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の一つと電気的に接続可能であって、前記第4巻線の終端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の他の一つと電気的に接続可能である第2トランスと、
前記第1トランスの前記第1巻線の終端および前記第2巻線の始端に交流端が接続された第1単相整流ダイオードブリッジ回路と、
前記第2トランスの前記第3巻線の終端および前記第4巻線の始端に交流端が接続された第2単相整流ダイオードブリッジ回路と、を備え、
前記補助電源は、前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端と低電位側の直流端との間において直列に接続された半導体スイッチング素子を備え、前記半導体スイッチング素子間が交流端となる2つのレグを備えたインバータと、2つ前記レグの交流端の間に接続された一次巻線と、4つの二次巻線と、を備えた絶縁トランスと、前記絶縁トランスの二次巻線のそれぞれの両端に接続された交流端を備えた4つの単相整流ダイオードブリッジと、前記4つの単相整流ダイオードブリッジそれぞれの高電位側の直流端と低電位側の直流端との間に接続された4つのコンデンサと、直流端において前記コンデンサと並列に接続され、前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端と前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の高電位側の直流端とに電気的に接続された第1フルブリッジ回路と、直流端において前記コンデンサと並列に接続され、前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端と前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の高電位側の直流端とに電気的に接続された第2フルブリッジ回路と、直流端において前記コンデンサと並列に接続され、前記三相ダイオード整流器の低電位側の直流端と前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の低電位側の直流端とに電気的に接続された第3フルブリッジ回路と、直流端において前記コンデンサと並列に接続され、前記三相ダイオード整流器の低電位側の直流端と前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の低電位側の直流端とに電気的に接続された第4フルブリッジ回路と、を備えたことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。 - 前記電流通流部は、前記三相ダイオード整流器の各相の交流端と前記第1トランスの前記第1巻線の始端および前記第2巻線の終端の間、および、前記三相ダイオード整流器の各相の交流端と前記第2トランスの前記第3巻線の始端および前記第4巻線の終端との間に接続され、半導体スイッチを逆直列もしくは逆並列に接続した双方向スイッチを備えたことを特徴とする請求項3記載の電力変換装置。
- 前記電流通流部は、第1巻線および前記第1巻線と極性が異なる第2巻線を備え、前記第1巻線の始端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の一つと電気的に接続可能であって、前記第2巻線の終端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の他の一つと電気的に接続可能である第1トランスと、
第3巻線および前記第3巻線と極性が異なる第4巻線を備え、前記第3巻線の始端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の一つと電気的に接続可能であって、前記第4巻線の終端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の他の一つと電気的に接続可能である第2トランスと、
前記第1トランスの前記第1巻線の終端および前記第2巻線の始端に交流端が接続された第1単相整流ダイオードブリッジ回路と、
前記第2トランスの前記第3巻線の終端および前記第4巻線の始端に交流端が接続された第2単相整流ダイオードブリッジ回路と、を備え、
前記補助電源は、前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端と前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の高電位側の直流端との間、および、前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端と前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の高電位側の直流端との間に接続され、前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端に対して正の電圧を印加する第1直流補助電源と、前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端と前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の高電位側の直流端との間、および、前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端と前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の高電位側の直流端との間に接続され、前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端に対して負の電圧を印加する第2直流補助電源と、前記三相ダイオード整流器の低電位側の直流端と前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の低電位側の直流端との間、および、前記三相ダイオード整流器の低電位側の直流端と前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の低電位側の直流端との間に接続され、前記三相ダイオード整流器の低電位側の直流端に対して正の電圧を印加する第3直流補助電源と、前記三相ダイオード整流器の低電位側の直流端と前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の低電位側の直流端との間、および、前記三相ダイオード整流器の低電位側の直流端と前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の低電位側の直流端との間に接続され、前記三相ダイオード整流器の低電位側の直流端に対して負の電圧を印加する第4直流補助電源と、前記第1直流補助電源および前記第2直流補助電源のそれぞれと、前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路および前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の高電位側の直流端との間、および、前記第3直流補助電源および前記第4直流補助電源のそれぞれと、前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路および前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の低電位側の直流端との間に介在する半導体スイッチを逆直列もしくは逆並列に接続した双方向スイッチと、を備えたことを特徴とする請求項1の電力変換装置。 - 前記電流通流部は、第1巻線および前記第1巻線と極性が異なる第2巻線を備え、前記第1巻線の始端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の一つと電気的に接続可能であって、前記第2巻線の終端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の他の一つと電気的に接続可能である第1トランスと、
第3巻線および前記第3巻線と極性が異なる第4巻線を備え、前記第3巻線の始端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の一つと電気的に接続可能であって、前記第4巻線の終端にて前記三相ダイオード整流器の交流端の他の一つと電気的に接続可能である第2トランスと、
前記第1トランスの前記第1巻線の終端および前記第2巻線の始端に交流端が接続された第1単相整流ダイオードブリッジ回路と、
前記第2トランスの前記第3巻線の終端および前記第4巻線の始端に交流端が接続された第2単相整流ダイオードブリッジ回路と、を備え、
前記補助電源は、前記三相ダイオード整流器の直流端において直列に接続された半導体スイッチを備えたレグを複数含むインバータと、前記インバータの2つの交流端間に電気的に接続された一次巻線と、前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の高電位側の直流端の一方と電気的に接続された第1端と、前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の高電位側の直流端の一方電気的に接続された第2端と、前記三相ダイオード整流器の高電位側の直流端と電気的に接続された第2中間端と、前記第1端と前記第2中間端との間において前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の高電位側の直流端の他方と電気的に接続された第1中間端と、前記第2端と前記第2中間端との間において前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の高電位側の直流端の他方と電気的に接続された第3中間端と、を備えた二次巻線と、を備えた第1絶縁トランスを備えた第1高周波電源回路と、前記インバータの2つの交流端間に電気的に接続された一次巻線と、前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の低電位側の直流端の一方と電気的に接続された第3端と、前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の低電位側の直流端と電気的に接続された第4端と、前記三相ダイオード整流器の低電位側の直流端と電気的に接続され第5中間端と、前記第3端と前記第5中間端との間において前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の低電位側の直流端の他方と電気的に接続された第4中間端と、前記第4端と前記第5中間端との間において前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の低電位側の直流端の他方と電気的に接続された第6中間端と、を備えた二次巻線と、を備えた第2絶縁トランスを備えた第2高周波電源回路と、を備え、
前記第2中間端から前記第1端までの巻数と前記第2中間端から前記第1中間端までの巻数との比、前記第2中間端から前記第2端までの巻数と前記第2中間端から前記第3中間端までの巻数との比、前記第5中間端から前記第3端までの巻数と前記第5中間端から前記第4中間端までの巻数との比、および、前記第5中間端から前記第4端までの巻数と前記第5中間端から前記第6中間端までの巻数との比、は等しく、
前記第1トランスの前記第1巻線と前記第2巻線との巻数比および前記第2トランスの前記第3巻線と前記第4巻線との巻数比は、前記比と等しいことを特徴とする、請求項1記載の電力変換装置。 - 前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路を複数と、
前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路を複数と、を備え、
前記第1トランスの前記第1巻線と前記第2巻線とは、他端に接続された前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路とは異なる前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の交流端と電気的に接続された中間端を備え、
前記第2トランスの前記第3巻線と前記第4巻線とは、他端に接続された前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路とは異なる前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の交流端と電気的に接続された中間端を備え、
前記三相ダイオード整流器の交流端それぞれと前記第1トランスの前記第1巻線の始端との間、および、前記三相ダイオード整流器の交流端それぞれと前記第1トランスの前記第2巻線の終端との間、前記三相ダイオード整流器の交流端それぞれと前記第2トランスの前記第3巻線の始端との間、前記三相ダイオード整流器の交流端それぞれと前記第2トランスの前記第4巻線の終端との間、前記第1トランスと前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の交流端との間、前記第2トランスと前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の交流端との間、前記第1トランスの前記第1巻線の中間端および前記第1トランスの前記第2巻線の中間端と前記第1単相整流ダイオードブリッジ回路の交流端との間、および、前記第2トランスの前記第3巻線の中間端および前記第2トランスの前記第4巻線の中間端と前記第2単相整流ダイオードブリッジ回路の交流端との間は、半導体スイッチを逆直列もしくは逆並列に接続した双方向スイッチを介して接続されていることを特徴とする請求項13記載の電力変換装置。
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