JP4395669B2

JP4395669B2 - 三相整流装置

Info

Publication number: JP4395669B2
Application number: JP16591499A
Authority: JP
Inventors: 國臣大口; 憲一榊原; アブダラミシ
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 1999-06-11
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2019-06-11
Also published as: JP2000358372A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、三相交流電源を入力として直流電圧を得るための三相整流装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インバータ機器の普及に伴って、従来の交流負荷と比較して高調波発生量の大きな整流器負荷が急増しており、高調波電流に伴う、電力系統の進相コンデンサ、トランスの過熱、焼損等の障害が顕在化しつつある。このため、高圧系統で受電する需要家に対しては、受電端での総量規制となる特定需要家ガイドラインが適用され、業務用空調機においては６ＨＰ（２０Ａ／相）以上のインバータ機が計算対象となっている。
【０００３】
そして、三相整流回路の簡便な高調波低減法として、図１１に示すように、三相全波整流回路の三相交流側に交流リアクトルを挿入する方法が知られている。
【０００４】
また、特定需要家の高調波抑制対策指針として、図１３に示すように、Ｙ−Ｙ、Ｙ−Δ変圧器と２組の三相全波整流回路とを用いる１２相整流が推奨されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１１に示す構成の三相整流回路を採用した場合には、直流電圧降下を余り大きくしないようにするために、挿入される交流リアクトルとして数％程度のものを用いることになるが、図１２中（Ａ）に示すように、三相整流回路の入力電圧波形が６パルスであるため、図１２中（Ｂ）に示すように、三相整流回路の入力電流の歪みが大きくなり、高調波低減効果が十分ではないという不都合がある。
【０００６】
図１３に示す構成の三相整流回路（１２相整流回路）を採用した場合には、位相差３０°の電流Ｉａ２、Ｉｃ２｛図１４中（Ｂ）（Ｃ）参照｝が変圧器のＹ−Δ結線により合成され、一次巻線に６ステップの電流Ｉｒ２｛図１４中（Ｅ）参照｝を形成し、変圧器のＹ−Ｙ結線による同位相電流Ｉｒ１｛図１４中（Ｄ）参照｝との合成電流により１２相電流｛図１４中（Ｆ）参照｝を形成することができる。そして、１２ステップ波形であるから５次、７次の高調波電流を大きく低減することができる。しかし、変圧器が必須であるため、定格容量相当になる。この結果、大型の変圧器が必要になり、受電設備の大型化、コストアップを招いてしまうという不都合がある。
【０００７】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、十分な高調波低減効果を達成できるとともに、小型化、低コスト化を達成できる三相整流装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の三相整流装置は、三相交流電源の各相端子に、それぞれ互いに電磁結合された第１リアクトル、第２リアクトルを並列接続してあるとともに、各第２リアクトルに対して他の相の第１リアクトル、第２リアクトルと電磁結合された第３リアクトルを直列接続し、第１リアクトルの出力端子間に第１の三相電圧型全波整流回路を接続してあるとともに、第３リアクトルの出力端子間に第２の三相電圧型全波整流回路を接続してあるものである。
【０００９】
請求項２の三相整流装置は、第１の三相電圧型全波整流回路の出力端子と第２の三相電圧型全波整流回路の出力端子とを互いに接続してあるとともに、互いに等しい容量の１対の平滑用コンデンサを互いに直列接続してあり、しかも、１対の平滑用コンデンサどうしの接続点と第１の三相電圧型全波整流回路の入力端子、第２の三相電圧型全波整流回路の入力端子との間に交流スイッチを接続してあるものである。
【００１０】
請求項３の三相整流装置は、三相交流電源の各相端子と第１リアクトル、第２リアクトルとの間に、それぞれ交流リアクトルを接続してあるものである。
【００１１】
請求項４の三相整流装置は、第１リアクトルの巻数と第２リアクトル、第３リアクトルの巻数との比を３^1/2：１に設定してあるものである。
【００１２】
【作用】
請求項１の三相整流装置であれば、三相交流電源の各相端子に、それぞれ互いに電磁結合された第１リアクトル、第２リアクトルを並列接続してあるとともに、各第２リアクトルに対して他の相の第１リアクトル、第２リアクトルと電磁結合された第３リアクトルを直列接続し、第１リアクトルの出力端子間に第１の三相電圧型全波整流回路を接続してあるとともに、第３リアクトルの出力端子間に第２の三相電圧型全波整流回路を接続してあるので、第１、第２、第３リアクトルによって電源の二次側電流の位相差を所定位相に設定して第１の三相電圧型全波整流回路、第２の三相電圧型全波整流回路に供給することができ、この結果、十分な高調波電流低減効果を達成することができるとともに、装置全体としての小型化、低コスト化を実現することができる。
【００１３】
請求項２の三相整流装置であれば、第１の三相電圧型全波整流回路の出力端子と第２の三相電圧型全波整流回路の出力端子とを互いに接続してあるとともに、互いに等しい容量の１対の平滑用コンデンサを互いに直列接続してあり、しかも、１対の平滑用コンデンサどうしの接続点と第１の三相電圧型全波整流回路の入力端子、第２の三相電圧型全波整流回路の入力端子との間に交流スイッチを接続してあるので、電流波形のステップ数を増加させて波形歪みを一層低減し、一層の高調波電流低減効果を達成することができるとともに、装置全体としての小型化、低コスト化を実現することができる。
【００１４】
請求項３の三相整流装置であれば、三相交流電源の各相端子と第１リアクトル、第２リアクトルとの間に、それぞれ交流リアクトルを接続してあるので、より一層の高調波電流低減効果を達成することができるとともに、装置全体としての小型化、低コスト化を実現することができる。
【００１５】
請求項４の三相整流装置は、第１リアクトルの巻数と第２リアクトル、第３リアクトルの巻数との比を３^1/2：１に設定してあるので、電源の二次側電流の位相差を３０°に設定することができ、第１、第２、第３リアクトルが、高調波成分について結合を持つトランスとして部分的に働くため、ｋＶＡ容量を小さくすることができるほか、請求項１から請求項３の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、この発明の三相整流装置の実施の態様を詳細に説明する。
【００１７】
図１はこの発明の三相整流装置の一実施態様を示す電気回路図である。
【００１８】
この三相整流装置は、三相交流電源１の各相の出力端子に交流リアクトル２の一方の端子を接続し、各交流リアクトル２の他方の端子に、それぞれ互いに電磁結合された第１リアクトル３、第２リアクトル４を並列接続するとともに、各第２リアクトル４に対して他の相の第１リアクトル３、第２リアクトル４と電磁結合された第３リアクトル５を直列接続し、第１リアクトル３の出力端子間に第１の三相電圧型全波整流回路６を接続するとともに、第３リアクトル５の出力端子間に第２の三相電圧型全波整流回路７を接続している。そして、第１の三相電圧型全波整流回路６の出力端子と第２の三相電圧型全波整流回路７の出力端子とを互いに接続するとともに、互いに等しい容量の１対の平滑用コンデンサ８を互いに直列接続している。なお、三相電圧型全波整流回路を構成するダイオードはＤで示し、相を表すａ、ｂ、ｃ、第１の三相電圧型全波整流回路６、第２の三相電圧型全波整流回路７を表す１、２、上アーム、下アームを表す＋、−をＤに付加している。
【００１９】
図２は三相分の前記第１、第２、第３リアクトルの関係を示す図であり、破線が電磁結合を示している。
【００２０】
これらの第１、第２、第３リアクトル（相間リアクトル）において、電源の二次側電流の位相差を３０°に設定した場合の基本波に対する電流ベクトル図は図３中（Ａ）に示すとおりである。そして、第１リアクトル３の巻数をＷ１、第２、第３リアクトル４、５の巻数をＷ２とし、巻数比Ｗ１：Ｗ２を３^1/2：１とした場合、第１リアクトル３による起磁力Ｗ１Ｉ_a1と第２、第３リアクトル４、５による起磁力Ｗ２Ｉ_b2−Ｗ１Ｉ_a2との合成起磁力は零となり、位相差３０°の基本波、１１次、１３次の高調波に対しては低インピーダンスとなる。一方、５次、７次の高調波に対しては、図３中（Ｂ）に示すように、第１リアクトル３による起磁力Ｗ１Ｉ_a1と第２、第３リアクトル４、５による起磁力Ｗ２Ｉ_b2−Ｗ１Ｉ_a2との合成起磁力が大きくなり、これらの高調波に対して高リアクタンスとなる。このため、高調波成分について、結合を持つトランスとして部分的に働くため、トランスのｋＶＡ容量は小さくなる。
【００２１】
図１に示す三相整流装置は、図２に示す構成の相間リアクトルを用いているため、第１の三相電圧型全波整流回路６と第２の三相電圧型全波整流回路７とには、それぞれ位相差が３０°の基本波が通電し、ダイオードの通電モードは、図４に示すように、各相３０°の位相差を持つ１８０°通電動作となる。
【００２２】
次に、相間リアクトルの巻数比Ｗ１：Ｗ２＝３^1/2：１より各部の波形を求める。
【００２３】
図１について各相を分離して表記すると、図５に示すような接続関係となる。ここで、Ａ相について着目すると、以下の関係が成り立つ。
Ｖ_aN＝Ｖ_aa1＋Ｖ_a1N＝Ｗ１ｄφ_A／ｄｔ＋Ｖ_a1N
Ｖ_aN＝Ｖ_aa2＋Ｖ_a2N
＝−Ｗ２ｄφ_A／ｄｔ＋Ｗ２ｄφ_C／ｄｔ＋Ｖ_a2N
ここで、Ｗ１／Ｗ２＝３^1/2の関係を用いると、各リアクトルの端子間電圧は次式で求められる。
Ｖ_aa1＝Ｗ１ｄφ_A／ｄｔ
＝−２／３・Ｖ_a1a2−（２−３^1/2）／３・Ｖ_b1b2
−（３^1/2−１）／３・Ｖ_c1c2
Ｖ_aa2＝−Ｗ２ｄφ_A／ｄｔ＋Ｗ２ｄφ_C／ｄｔ
＝１／３・Ｖ_a1a2−（２−３^1/2）／３・Ｖ_b1b2
−（３^1/2−１）／３・Ｖ_c1c2
また、直流側仮想中性点Ｎ、電源中性点Ｏ間の電位は、
Ｖ_ON＝−（Ｖ_a2N＋Ｖ_b2N＋Ｖ_c2N）／３
以上より各部の波形を合成すると、図６に示すような関係となり、１２ステップ波形が形成可能であることが分かる。
【００２４】
次いで、以上の各部の波形より、相間リアクトルのｋＶＡ容量を求める。
【００２５】
Ａ相の入力ＶＡは
Ｖ_aO・Ｉ_a＝Ｖ_d２^1/2／３・Ｉ_a
一方、相間リアクトルＷ１巻線の容量は図６の波形より、
Ｖ_aa1・Ｉ_a1＝Ｖ_d（５／２−３^1/2）^1/2／３・Ｉ_a1
２つのＷ２巻線の容量は
２・（Ｗ２／Ｗ１）・Ｖ_aa1・Ｉ_a2
したがって、１相分の総容量はＩ_a1＝Ｉ_a2より
（１＋２・Ｗ２／Ｗ１）・Ｖ_aa1・Ｉ_a1
以上より、等価変圧器容量（ＶＡ）_equは
（ＶＡ）_equ＝（１／２）・（１＋２・Ｗ２／Ｗ１）・Ｖ_aa1・Ｉ_a1
また、電源電流Ｉ_a、整流回路電流Ｉ_a1の関係は、図３より、
＝２・Ｉ_a1・ｃｏｓ（π／１２）
相間リアクトルの装置容量は
（ＶＡ）_equ＝（１／２）・（１＋２／３^1/2）・Ｖ_aa1・Ｉ_a1＝０．３４
となり、１２相整流の場合に比べ、３０％程度のｋＶＡ容量にて、１２パルス波形を生成することが可能となる。
【００２６】
また、図６に示すように、コンバータ入力電圧と電源相電圧との位相関係は１５°である。このため、入力力率を１近くにするためには、三相交流電源１と相間リアクトルとの間に接続される交流リアクトル２の容量は、図７に示す関係より３０％程度を選択すればよい。
Ｖ₁／Ｖ_r＝ｔａｎ（π／１２）＝０．２７
図８はこの発明の三相整流装置の他の実施態様を示す電気回路図である。
【００２７】
この三相整流装置が図５の三相整流装置と異なる点は、直流仮想中性点（平滑用コンデンサ８どうしの接続点）と第１の三相電圧型全波整流回路６の入力端子、第２の三相電圧型全波整流回路７の入力端子との間に交流スイッチ９を接続して３レベル入力とした点のみである。なお、個別の交流スイッチを表す表記は、Ｓに対して、ダイオードと同様の記号を付加して行う。ここで、交流スイッチ９の通電期間を１５°とした場合の各スイッチの通電モードは図９に示すとおりになる。そして、１２パルスの場合と同様に波形を合成すると、図１０に示すように、２４ステップの波形が得られ、波形歪みをさらに改善することが可能となる。また、この場合には、図１０の波形に示すように、電源相電圧とコンバータ入力電圧との位相差が７．５°となるため、交流リアクトル２の容量を半減することが可能になる。
Ｖ₁／Ｖ_r＝ｔａｎ（π／２４）＝０．１３
また、交流スイッチ９の通電モードは図９に示すものに限定されるものではなく、通電期間を１５°として、通電位相を制御してもよい。この場合には、図７のＶｌ＝ωＬＩの関係より、負荷電流に応じて、通電位相を制御することにより、力率制御を行うことが可能である。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１の発明は、第１、第２、第３リアクトルによって電源の二次側電流の位相差を所定位相に設定して第１の三相電圧型全波整流回路、第２の三相電圧型全波整流回路に供給することができ、この結果、十分な高調波電流低減効果を達成することができるとともに、装置全体としての小型化、低コスト化を実現することができるという特有の効果を奏する。
【００２９】
請求項２の発明は、電流波形のステップ数を増加させて波形歪みを一層低減し、一層の高調波電流低減効果を達成することができるとともに、装置全体としての小型化、低コスト化を実現することができるという特有の効果を奏する。
【００３０】
請求項３の発明は、より一層の高調波電流低減効果を達成することができるとともに、装置全体としての小型化、低コスト化を実現することができるという特有の効果を奏する。
【００３１】
請求項４の発明は、電源の二次側電流の位相差を３０°に設定することができ、第１、第２、第３リアクトルが、高調波成分について結合を持つトランスとして部分的に働くため、ｋＶＡ容量を小さくすることができるほか、請求項１から請求項３の何れかと同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の三相整流装置の一実施態様を示す電気回路図である。
【図２】三相分の第１、第２、第３リアクトルの関係を示す図である。
【図３】電源の二次側電流の位相差を３０°に設定した場合の基本波に対する電流ベクトル図である。
【図４】ダイオードの通電モードを示す図である。
【図５】図１について各相を分離して示す電気回路図である。
【図６】各部の波形を示す図である。
【図７】コンバータ入力電圧と電源相電圧との関係を示す図である。
【図８】この発明の三相整流装置の他の実施態様を示す電気回路図である。
【図９】交流スイッチの通電モードを示す図である。
【図１０】各部の波形を示す図である。
【図１１】従来の三相整流装置の一例を示す電気回路図である。
【図１２】入力電圧波形と入力電流波形を示す図である。
【図１３】従来の三相整流装置の他の例を示す電気回路図である。
【図１４】各部の電流波形を示す図である。
【符号の説明】
１三相交流電源２交流リアクトル
３第１リアクトル４第２リアクトル
５第３リアクトル６第１の三相電圧型全波整流回路
７第２の三相電圧型全波整流回路８平滑用コンデンサ
９交流スイッチ

Claims

三相交流電源（１）の各相端子に、それぞれ互いに電磁結合された第１リアクトル（３）、第２リアクトル（４）を並列接続してあるとともに、各第２リアクトル（４）に対して他の相の第１リアクトル（３）、第２リアクトル（４）と電磁結合された第３リアクトル（５）を直列接続し、第１リアクトル（３）の出力端子間に第１の三相電圧型全波整流回路（６）を接続してあるとともに、第３リアクトル（５）の出力端子間に第２の三相電圧型全波整流回路（７）を接続してあることを特徴とする三相整流装置。
第１の三相電圧型全波整流回路（６）の出力端子と第２の三相電圧型全波整流回路（７）の出力端子とを互いに接続してあるとともに、互いに等しい容量の１対の平滑用コンデンサ（８）を互いに直列接続してあり、しかも、１対の平滑用コンデンサ（８）どうしの接続点と第１の三相電圧型全波整流回路（６）の入力端子、第２の三相電圧型全波整流回路（７）の入力端子との間に交流スイッチ（９）を接続してある請求項１に記載の三相整流装置。
三相交流電源（１）の各相端子と第１リアクトル（３）、第２リアクトル（４）との間に、それぞれ交流リアクトル（２）を接続してある請求項１または請求項２に記載の三相整流装置。
第１リアクトル（３）の巻数と第２リアクトル（４）、第３リアクトル（５）の巻数との比を３^1/2：１に設定してある請求項１から請求項３の何れかに記載の三相整流装置。