JP5049964B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
以下、この発明の実施の形態1による電力変換装置を図に基づいて説明する。
図1は、この発明の実施の形態1による電力変換装置の構成を示す図である。これは、モータ、電灯などの負荷又は交流系統などに交流電力を供給する電力変換装置の中間直流電圧の形成に適用される。この電力変換装置は中間直流電圧としてのフィルタコンデンサの直流電圧を維持するため、交流系統と直流電圧リンク間で電力変換を行い、そのため交流系統側に系統電圧と同じ電圧を出力するようにスイッチングする。
また、各相交流入力線9におけるサブコンバータ3と系統電源1との間には、切り換えスイッチとしてのメイン上位スイッチ21を備え、第2のスイッチとしてのサブ上位スイッチ22と充電用抵抗23とを直列接続した直列回路がメイン上位スイッチ21に並列に接続される。
フィルタコンデンサ4の電圧とフィルタコンデンサ5の電圧の比は、例えば、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1であり、製品仕様に合わせて用いられる。
フィルタコンデンサ4、5の代わりに電力を貯蔵する電池等を電力貯蔵器に用いても良く、同様な効果が得られる。
なお、メインコンバータ2とサブコンバータ3は出力したい電圧に対してパルス幅の変調制御出力、いわゆる、PWM出力を行っても良い。出力に小さなフィルタをおくことで、電圧出力の精度が向上させることが出来、電圧や電流の高調波を抑制できる。
特に電圧が高いメインコンバータは出力パルス数を少なくし、電圧が低いサブコンバータはPWM出力すると、変換効率の向上と高調波抑制の両立が出来、効果的である。
また、電力変換器7が回生運転をしない場合、図1で示すメインコンバータ2に替わってダイオードのフルブリッジ構成のメインコンバータを用いて電力変換器を構成してもよく、安価を実現できる。この場合も、サブコンバータ3をPWM制御することで、高調波の抑制ができる。
各相交流入力線9におけるサブコンバータ3と系統電源1との間に設けられた、メイン上位スイッチ21、サブ上位スイッチ22および充電用抵抗23は、メインコンバータ2とサブコンバータ3のフィルタコンデンサ4、5の初期充電用抵抗回路を構成する。充電用抵抗23は、数kΩであり、サブ上位スイッチ22は小容量のコンタクタ又はリレーである。
まず、電力変換装置の起動時に、メイン上位スイッチ21およびサブ上位スイッチ22が遮断され、フィルタコンデンサ4、5が充電されていない状態で(ステップs1)、サブ上位スイッチ22を投入し、突入電流を抑えながらサブコンバータ3のフィルタコンデンサ5を充電する。このとき、メインコンバータ2の全ての上部アームのみまたは全ての下部アームのみをオンにして、図4(a)に示すように、系統電源1から充電用抵抗23を介する電流経路によりサブコンバータ3のフィルタコンデンサ5を充電する。なお、便宜上、図4では、R相からS相に流れる電流でR相のサブコンバータ3のフィルタコンデンサ5が充電される場合を示すが、他の相の場合も同様である。サブコンバータ3のフィルタコンデンサ5の充電電圧が目標値を越えると、サブコンバータ3のスイッチ状態を変えて、図4(b)に示す電流経路によりサブコンバータ3のフィルタコンデンサ5を放電し、図に示す充電モードと放電モードと繰り返して充電電圧を目標値に近づける(ステップs2)。
次に、メインコンバータ2のフィルタコンデンサ4の充電が完了したか判定し(ステップs5)、充電が完了すると、サブ上位スイッチ22を遮断すると共にメイン上位スイッチ21を投入して、電力変換装置の運転を開始する(ステップs6)。
上記実施の形態1では、サブコンバータ3のフィルタコンデンサ5を充電した後、メインコンバータ2のフィルタコンデンサ4を充電することを説明したが、この実施の形態2では、図6のフローチャートに示すようにメインコンバータ2のフィルタコンデンサ4を充電した後、サブコンバータ3のフィルタコンデンサ5を充電する。
まず、メイン上位スイッチ21およびサブ上位スイッチ22が遮断され、フィルタコンデンサ4、5が充電されていない状態で(ステップss1)、サブ上位スイッチ22を投入し、突入電流を抑えながらメインコンバータ2のフィルタコンデンサ4を充電する(ステップss1、図5参照)。
次に、メインコンバータ2のフィルタコンデンサ4の充電が完了したか判定し(ステップss3)、充電が完了するとサブコンバータ3のフィルタコンデンサ5を充電する(ステップss4、図4参照)。
次に、サブコンバータ3のフィルタコンデンサ5の充電が完了したか判定し(ステップss5)、充電が完了すると、サブ上位スイッチ22を遮断すると共にメイン上位スイッチ21を投入して、電力変換装置の運転を開始する(ステップss6)。
まず、メイン上位スイッチ21およびサブ上位スイッチ22が遮断され、フィルタコンデンサ4、5が充電されていない状態で(ステップt1)、サブ上位スイッチ22を投入し、突入電流を抑えながらメインコンバータ2のフィルタコンデンサ4とサブコンバータ3のフィルタコンデンサ5を同時に充電する。このとき、図8(a)に示すように、メインコンバータ2のスイッチ状態を全オフにして系統電源1から充電用抵抗23を介する電流経路により、サブコンバータ3のフィルタコンデンサ5およびメインコンバータ2のフィルタコンデンサ4を充電する。なお、便宜上、図8では、R相からS相に流れる電流でR相のサブコンバータ3のフィルタコンデンサ5とメインコンバータ2のフィルタコンデンサ4とが充電される場合を示すが、他の相の場合も同様である(ステップt2)。
ステップt3において、サブコンバータ3のフィルタコンデンサ5の充電が完了すると、サブコンバータ3のスイッチ状態をスルーモードにし、図8(b)に示す電流経路により、サブコンバータ3のフィルタコンデンサ5は充電せずにメインコンバータ2のフィルタコンデンサ4のみ充電する。次にメインコンバータ2のフィルタコンデンサ5の充電が完了したか判定し(ステップt6)、充電が完了すると、サブ上位スイッチ22を遮断すると共にメイン上位スイッチ21を投入して、電力変換装置の運転を開始する(ステップt7)。
ステップt4において、メインコンバータ2のフィルタコンデンサ4の充電が完了した場合、メインコンバータ2のフィルタコンデンサ4は充電、放電を繰り返しながら、サブコンバータ3のフィルタコンデンサ5を充電する。このとき、図8(c)に示す電流経路によりメインコンバータ2のフィルタコンデンサ4を放電する放電モードを用い、図8(a)に示す充電モードと該放電モードとを繰り返して充電電圧を目標値に近づける(ステップt8)。そして、サブコンバータ3のフィルタコンデンサ5の充電が完了したか判定し(ステップt9)、充電が完了すると、ステップt7に移り、サブ上位スイッチ22を遮断すると共にメイン上位スイッチ21を投入して、電力変換装置の運転を開始する。
このように回路遮断の性能が大幅に向上する他、遮断時の断路サージを充電用抵抗23により抑制することが出来る。
またこの場合も、リアクトル23aを介してサブコンバータ3のフィルタコンデンサ5を充電した後、サブ上位スイッチ22を遮断すると共にメイン上位スイッチ21を投入してメインコンバータ2のフィルタコンデンサ4を目標電圧まで充電しても良い。その際、リアクトル23aを介することなく、サブコンバータ2の制御により電流を抑えるよう電流制御してメインコンバータ2のフィルタコンデンサ4を目標電圧まで充電するため、高速充電が可能になる。
上記実施の形態1、2では、サブコンバータ3は各相で1台としたが、この実施の形態3では、メインコンバータ2の各相交流入力線9に複数台の単相サブコンバータ3の交流側をそれぞれ直列接続する。図10は、この発明の実施の形態3による電力変換装置の構成を示す図である。この場合、メインコンバータ2は、各相2aが図に示すように構成された三相3レベルコンバータで、フィルタコンデンサ4は2つのフィルタコンデンサ4aを直列接続して用いる。
このように構成される電力変換装置のメインコンバータ2のフィルタコンデンサ4のDC電圧Vcと2台のサブコンバータ3のフィルタコンデンサ5のDC電圧Vb1、Vb2は、それぞれ異なる値(Vc>Vb1>Vb2)で、4:2:1、4:3:1、5:3:1、6:3:1、7:3:1等の関係を有する。なお、製品仕様に合わしてこれ以外の値でも良く、2台のサブコンバータ3のフィルタコンデンサ5のDC電圧Vb1、Vb2を等しい電圧にして部品の種類を低減しても良い。それぞれの場合について、各コンバータの出力論理とそれらを直列接続した電力変換器の出力階調(電圧レベル)との関係を図11のA〜Eの論理表に示す。
Vc、Vb1、Vb2は4:2:1の関係で、3つのコンバータ2、3の組み合わせにより、これらの発生電圧の総和で0〜7の8階調の相電圧(絶対値)が交流入力端子に発生する。ほぼ正弦波となる階調電圧を得るための各コンバータ2、3の電圧波形を、図12に示す。図12(a)は電力変換器全体の電圧波形、図12(b)はDC電圧Vb2を有するサブコンバータ3の電圧波形、図12(c)はDC電圧Vb1を有するサブコンバータ3の電圧波形、図12(d)はDC電圧Vcを有するメインコンバータ2の電圧波形を示す。各コンバータ2、3の発生電圧の組み合わせにより、滑らかな電圧階調波形が得られていることがわかる。
また、図10に示すように各相交流入力線9におけるサブコンバータ3と系統電源1との間に、メイン上位スイッチ21、サブ上位スイッチ22および充電用抵抗23から成る初期充電用抵抗回路を設ける。これにより、系統電源1から充電用抵抗23を介する電流経路にてメインコンバータ2およびサブコンバータ3のフィルタコンデンサ4、5の初期充電を行うことができる。この場合も、上記実施の形態1、2と同様にフィルタコンデンサ4、5の初期充電ができ、同様の効果が得られる。
また、この場合も、充電用抵抗23の代わりにリアクトル23aを用いても良い。
Claims (6)
- それぞれ直流側に直流電圧が異なる電力貯蔵器を有して交流電源からの交流電力を直流電力に変換し上記各電力貯蔵器に出力するメインコンバータおよびサブコンバータを、該サブコンバータを上記メインコンバータと上記交流電源との間に配置して直列接続した電力変換器と、上記電力変換器と上記交流電源との間に接続された充電用抵抗とを備え、
上記電力変換器は、上記メインコンバータが交流側に発生する相電圧と上記サブコンバータが交流側に発生する相電圧との和である該電力変換器の相電圧が、上記交流電源の相電圧と同じになるように動作し、
上記各電力貯蔵器の初期充電時に、上記メインコンバータおよび上記サブコンバータの制御により上記交流電源から上記充電用抵抗を介する電流経路にて、少なくとも上記サブコンバータの電力貯蔵器を充電することを特徴とする電力変換装置。 - 上記充電用抵抗をバイパスさせる切り換えスイッチを上記充電用抵抗に並列接続して配置したことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 上記充電用抵抗に第2のスイッチを直列接続して直列回路を構成し、該直列回路と上記切り換えスイッチを並列接続としたことを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。
- 上記各電力貯蔵器の初期充電時に、上記メインコンバータおよび上記サブコンバータの制御により上記交流電源から上記充電用抵抗を介する電流経路にて、上記メインコンバータおよび上記サブコンバータの各電力貯蔵器を充電することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記各電力貯蔵器の初期充電時に、上記メインコンバータおよび上記サブコンバータの制御により上記交流電源から上記充電用抵抗を介する電流経路にて上記サブコンバータの電力貯蔵器を充電し、その後、上記交流電源から上記充電用抵抗をバイパスする電流経路にて上記サブコンバータで電流制御しつつ上記メインコンバータの電力貯蔵器を充電することを特徴とする請求項2または3に記載の電力変換装置。
- 上記サブコンバータは、複数段の直列接続とすることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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