JP5254337B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は電力変換装置に関し、特に、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation:パルス幅変調)コンバータとＰＷＭインバータを備えた電力変換装置に関する。

従来より、三相交流電源からの三相交流電圧をＰＷＭコンバータによって直流電圧に変換し、その直流電圧をＰＷＭインバータによって三相交流電圧に変換して負荷回路に与える電力変換装置が実用化されている。この電力変換装置では、ＰＷＭコンバータのトランジスタのスイッチングによって発生するキャリア周波数の電圧が三相交流電源に流入するのを防止するため、三相交流電源とＰＷＭコンバータの間に交流入力フィルタが設けられる。交流入力フィルタは、３つのリアクトルと、３つのコンデンサとを含む。

また、ＰＷＭインバータのトランジスタのスイッチングによって発生するキャリア周波数の電圧が負荷回路に流入するのを防止するため、ＰＷＭインバータと負荷回路の間に交流出力フィルタが設けられる。交流出力フィルタは、３つのリアクトルと、３つのコンデンサとを含む（たとえば、特開平９−２９４３８１号公報（特許文献１）参照）。
特開平９−２９４３８１号公報

ところで、三相交流電流の和がゼロになる場合は、三相交流電流に基づく磁束の和もゼロになるので、交流入力フィルタおよび交流出力フィルタの各々の３つのリアクトルを３つの主脚を備えた３脚鉄心三相リアクトルで構成すればよい。しかし、三相交流電流の和がゼロにならず、三相交流電流の和の電流（０相電流と称す）に基づく磁束が発生する場合は、３脚鉄心三相リアクトルの主脚内の磁束が飽和してしまう（図３参照）。

０相電流に基づく磁束によって主脚内の磁束が飽和するのを防止するためには、３つの主脚と１つの帰路脚を備えた４脚鉄心三相リアクトルを使用すればよい（図４参照）。しかし、２台の４脚鉄心三相リアクトルを使用すると、装置寸法が大型になってしまう。

それゆえに、この発明の主たる目的は、小型の電力変換装置を提供することである。

この発明に係る電力変換装置は、第１の三相交流電圧を直流電圧に変換するＰＷＭコンバータと、直流電圧を第２の三相交流電圧に変換するＰＷＭインバータと、第１の三相交流電圧を伝達し、ＰＷＭコンバータで発生するキャリア周波数の電圧を遮断する交流入力フィルタと、第２の三相交流電圧を伝達し、ＰＷＭインバータで発生するキャリア周波数の電圧を遮断する交流出力フィルタとを備えたものである。交流入力フィルタは、それらの一方端子が第１の三相交流電圧を受け、それらの他方端子がＰＷＭコンバータに接続された第１〜第３のリアクトルと、それらの一方電極がそれぞれ第１〜第３のリアクトルの一方端子に接続された第１〜第３のコンデンサとを含む。交流出力フィルタは、それらの一方端子が第２の三相交流電圧を受け、それらの他方端子が負荷回路に接続される第４〜第６のリアクトルと、それらの一方電極がそれぞれ第４〜第６のリアクトルの他方端子に接続された第４〜第６のコンデンサとを含む。第１〜第６のコンデンサの他方電極は共通接続されている。第１〜第６のリアクトルはＮ脚鉄心６相リアクトル（ただし、Ｎは６以上の整数である）で構成されている。Ｎ脚鉄心６相リアクトルは、平行に配置された第１〜第６の主脚と、第１〜第６の主脚の一方端に結合された第１の継鉄と、第１〜第６の主脚の他方端に結合された第２の継鉄と、それぞれ第１〜第６の主脚に同じ方向に巻回された第１〜第６の巻線とを含む。第１〜第３の巻線の一方端子はＰＷＭコンバータに接続され、それらの他方端子は第１の三相交流電圧を受ける。第４〜第６の巻線の一方端子は第２の三相交流電圧を受け、それらの他方端子は負荷回路に接続される。

この発明に係る電力変換装置では、交流入力フィルタの第１〜第３のリアクトルと交流出力フィルタの第４〜第６のリアクトルとが１台のＮ脚鉄心６相リアクトルで構成される。したがって、２台の４脚鉄心三相リアクトルを使用する場合に比べ、装置の小型化を図ることができる。

この発明の一実施の形態による電力変換装置の構成を示す回路ブロック図である。 図１に示した電力変換装置で用いられる６脚鉄心６相リアクトルの構成を示す図である。 実施の形態の効果を説明するための図である。 実施の形態の効果を説明するための他の図である。 図２に示した６脚鉄心６相リアクトルの動作を示す図である。 実施の形態の変更例を示す回路ブロック図である。 図６に示した７脚鉄心６相リアクトルの動作を示す図である。 実施の形態の他の変更例を示す回路ブロック図である。 実施の形態のさらに他の変更例を示す回路ブロック図である。

符号の説明

１ 交流入力フィルタ、２〜４，１１，１９〜２１，６２，６３ コンデンサ、５〜７，１６〜１８ リアクトル、８ ＰＷＭコンバータ、９，１４ ダイオード、１０，１３ トランジスタ、１２ ＰＷＭインバータ、１５ 交流出力フィルタ、２２ 三相交流電源、２３ 負荷回路、３０ ６脚鉄心６相リアクトル、３１〜３６，５１〜５３ 主脚、３７，３８ 継鉄、４１〜４６ 巻線、５０ ３脚鉄心三相リアクトル、５４ ４脚鉄心三相リアクトル、５５，６１ 帰路脚、６０ ７脚鉄心６相リアクトル、６５ 直流電源、ａ１，ｂ１，ｃ１，ａ１１，ｂ１１，ｃ１１ 一方端子、ａ２，ｂ２，ｃ２，ａ２２，ｂ２２，ｃ２２ 他方端子、Ｔ１〜Ｔ３ 入力端子、Ｔ４〜Ｔ６ 出力端子。

図１は、この発明の一実施の形態による電力変換装置の構成を示す回路ブロック図である。図１において、この電力変換装置は、入力端子Ｔ１〜Ｔ３、交流入力フィルタ１、ＰＷＭコンバータ８、コンデンサ１１、ＰＷＭインバータ１２、交流出力フィルタ１５、および出力端子Ｔ４〜Ｔ６を備える。入力端子Ｔ１〜Ｔ３は、三相交流電源２２からの三相交流電圧を受ける。

交流入力フィルタ１は、コンデンサ２〜４およびリアクトル５〜７を含む。コンデンサ２〜４の一方電極はそれぞれ入力端子Ｔ１〜Ｔ３に接続され、それらの他方電極は互いに接続されている。リアクトル５〜７の一方端子ａ１〜ｃ１はＰＷＭコンバータ８の３つの入力端子に接続され、それらの他方端子ａ２〜ｃ２はそれぞれ入力端子Ｔ１〜Ｔ３に接続される。

交流入力フィルタ１は、三相交流電圧の周波数（たとえば、６０Ｈｚ）の信号を通過させ、ＰＷＭコンバータ８で発生するキャリア周波数（たとえば、１０ｋＨｚ）の信号を遮断する低域通過フィルタである。したがって、三相交流電圧は三相交流電源２２から交流入力フィルタ１を介してＰＷＭコンバータ８に伝達され、ＰＷＭコンバータ８で発生したキャリア周波数の電圧は交流入力フィルタ１で遮断される。これにより、三相交流電源２２がＰＷＭコンバータ８で発生したキャリア周波数の電圧の影響を受けることが防止される。

ＰＷＭコンバータ８は、複数組のダイオード９およびトランジスタ１０を含む周知のものであり、三相交流電源２２から交流入力フィルタ１を介して与えられる三相交流電圧を直流電圧に変換する。ＰＷＭコンバータ８の複数のトランジスタ１０の各々は、キャリア周波数でＰＷＭ制御され、入力電流を正弦波に保ち、入力力率を１に保ちながら、直流出力電圧を一定に保つ。上記キャリア周波数の電圧は、複数のトランジスタ１０のスイッチングに伴ってＰＷＭコンバータ８の３つの入力端子に発生する。コンデンサ１１は、ＰＷＭコンバータ８の一対の出力端子間に接続され、ＰＷＭコンバータ８によって一定の直流電圧に充電される。

ＰＷＭインバータ１２は、複数組のトランジスタ１３およびダイオード１４を含む周知のものであり、ＰＷＭコンバータ８によって生成された直流電圧を三相交流電圧に変換する。ＰＷＭインバータ１２の複数のトランジスタ１３の各々は、三相交流電圧の周波数（たとえば、６０Ｈｚ）よりも高いキャリア周波数（たとえば、１０ｋＨｚ）でＰＷＭ制御され、出力電圧を一定の正弦波電圧に保つ。なお、ＰＷＭインバータ１２でも、複数のトランジスタ１３のスイッチングに伴ってキャリア周波数の電圧がＰＷＭインバータ１２の３つの出力端子に発生する。

交流出力フィルタ１５は、リアクトル１６〜１８およびコンデンサ１９〜２１を含む。リアクトル１６〜１８の一方端子ａ１１〜ｃ１１はＰＷＭインバータ１２の３つの出力端子に接続され、それらの他方端子ａ２２〜ｃ２２はそれぞれ出力端子Ｔ４〜Ｔ６に接続される。出力端子Ｔ４〜Ｔ６は、負荷回路（たとえば、三相交流モータ）２３に接続される。コンデンサ１９〜２１の一方電極はそれぞれ出力端子Ｔ６〜Ｔ４に接続され、それらの他方電極は互いに接続され、さらにコンデンサ２〜４の他方電極に接続されている。

交流出力フィルタ１５は、三相交流電圧の周波数の信号を通過させ、ＰＷＭインバータ１２で発生するキャリア周波数の信号を遮断する低域通過フィルタである。したがって、三相交流電圧はＰＷＭインバータ１２から交流出力フィルタ１５を介して負荷回路２３に伝達され、ＰＷＭインバータ１２で発生したキャリア周波数の電圧は交流出力フィルタ１５で遮断される。これにより、負荷回路２３がＰＷＭインバータ１２で発生したキャリア周波数の電圧の影響を受けることが防止される。

この電力変換装置では、交流入力フィルタ１のリアクトル５〜７と交流出力フィルタ１５のリアクトル１６〜１８とが１台の６脚鉄心６相リアクトルで構成されていることを特徴としている。６脚鉄心６相リアクトル３０は、図２に示すように、６つの主脚３１〜３６、２つの継鉄３７，３８、および６つの巻線４１〜４６を含む。

主脚３１〜３６は、所定の間隔で平行に配置されている。主脚３１〜３６の上端部は継鉄３７によって磁気的に結合され、それらの下端部は継鉄３８によって磁気的に結合されている。巻線４１〜４６は、それぞれ主脚３１〜３６の周囲に同じ方向に巻回されている。リアクトル５〜７，１６〜１８の一方端子ａ１，ｂ１，ｃ１，ａ１１，ｂ１１，ｃ１１は、それぞれ巻線４１〜４６の巻き始め側の端子に接続されている。また、リアクトル５〜７，１６〜１８の他方端子ａ２，ｂ２，ｃ２，ａ２２，ｂ２２，ｃ２２は、それぞれ巻線４１〜４６の巻き終わり側の端子に接続されている。

図１に示したような構成の電力変換装置の入力側および出力側の各々において、三相電流のベクトルの和がゼロになることが理想的である。しかし、実際にはゼロにならず、交流入力フィルタ１、交流出力フィルタ１５、ＰＷＭインバータ１２、およびＰＷＭコンバータ８で構成されるループに循環電流（ゼロ相電流）が流れる。

もし、図３に示すように、リアクトル５〜７を３脚鉄心三相リアクトル５０で構成した場合、三相電流ＩＲ，ＩＳ，ＩＴがリアクトル５〜７に流れると、３本の主脚５１〜５３にはそれぞれ三相磁束φＲ，φＳ，φＴが発生するとともに、主脚５１〜５３の各々に０相電流による磁束φ０が発生する。このため主脚５１〜５３の磁束の和がゼロにならず、主脚５１〜５３内で磁束が飽和してしまう。磁束が飽和すると、リアクトル５〜７の特性が劣化し、交流入力フィルタ１の特性が劣化してしまう。リアクトル１６〜１８を３脚鉄心三相リアクトルで構成した場合も同様の問題が発生する。

図４に示すように、リアクトル５〜７を４脚鉄心三相リアクトル５４で構成した場合は、０相電流による磁束φ０が発生しても、主脚５１〜５３と帰路脚５５によって磁束φ０を通すループができるので、主脚５１〜５３内で磁束は飽和しない。しかし、リアクトル５〜７，１６〜１８を２台の４脚鉄心三相リアクトル５４で構成した場合は、装置寸法が大きくなると言う問題がある。

これに対して本願発明では、リアクトル５〜７，１６〜１８を６脚鉄心６相リアクトル３０で構成した。したがって図５（ａ）に示すように、三相電流ＩＲ，ＩＳ，ＩＴがリアクトル５〜７に流れて、３本の主脚３１〜３３にそれぞれ三相磁束φＲ，φＳ，φＴが発生するとともに、主脚３１〜３３に０相電流による磁束φ０が発生した場合でも、主脚３１〜３３と主脚３４〜３６で磁束φ０を通すループができるので、主脚３１〜３３内で磁束は飽和しない。

また図５（ｂ）に示すように、三相電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷがリアクトル１６〜１８に流れて、３本の主脚３４〜３６にそれぞれ三相磁束φＵ，φＶ，φＷが発生するとともに、主脚３４〜３６に０相電流による磁束φ０が発生した場合でも、主脚３４〜３６と主脚３１〜３３で磁束φ０を通すループができるので、主脚３４〜３６内で磁束は飽和しない。

また図５（ｃ）に示すように、三相電流ＩＲ，ＩＳ，ＩＴがリアクトル５〜７に流れるとともに三相電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷがリアクトル１６〜１８に流れ、図１に示した循環電流が流れた場合、循環電流に起因して、主脚３１〜３３に磁束φ０が発生するとともに主脚３４〜３６に磁束φ０が発生する。この場合、主脚３１〜３３に発生した磁束φ０と主脚３４〜３６に発生した磁束φ０とは、ともに循環電流に起因した磁束であるので、大きさが等しく方向が逆になり、互いに打消し合う。したがって、主脚３１〜３６内で磁束が飽和することはない。また、帰路脚は必要ないので、図４で示した４脚鉄心三相リアクトル５４を２つ使用するよりも、装置寸法が小さくて済む。

図６は、この実施の形態の変更例を示す図であって、図２と対比される図である。図６において、この変更例では、リアクトル５〜７，１６〜１８が１台の７脚鉄心６相リアクトル６０で構成される。７脚鉄心６相リアクトル６０は、図２で示した６脚鉄心６相リアクトル３０に帰路脚６１を追加したものである。帰路脚６１の上端部は継鉄３７によって主脚３１〜３６の上端部に磁気的に結合され、帰路脚６１の下端部は継鉄３８によって主脚３１〜３６の下端部に磁気的に結合される。図７では、帰路脚６１は主脚３１〜３３と主脚３４〜３６の間に配置されているが、他の位置に配置されていてもよい。

この変更例では、６つのリアクトル５〜７，１６〜１８に流れる電流の和Ｉ１が０にならない場合でも、図７に示すように、その電流Ｉ１に起因する磁束φ１を帰路脚６１に通すことにより、磁束φ１のループを形成することができ、磁束φ１によって主脚３１〜３６内の磁束が飽和するのを防止することができる。また、帰路脚６１は１本で済むので、図４で示した４脚鉄心三相リアクトル５４を２つ使用するよりも、装置寸法が小さくて済む。

図８は、この実施の形態の変更例を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図８において、この変更例が図１の電力変換装置と異なる点は、コンデンサ１１がコンデンサ６２，６３で置換されている点である。コンデンサ６２，６３は、ＰＷＭコンバータ８の一対の出力端子間に直列接続され、直流電圧に充電される。コンデンサ６２，６３の間のノードは、コンデンサ２〜４，１９〜２１の他方電極に接続される。リアクトル５〜７，１６〜１８は、７脚鉄心６相リアクトル６０で構成される。この変更例でも、実施の形態と同じ効果が得られる。

図９は、この実施の形態のさらに他の変更例を示す回路ブロック図である。図９において、この変更例は、図１の電力変換装置を複数台（図では２台）並列に接続した電力変換システムである。図９では、並列接続された複数台の電力変換装置の入力端子Ｔ１〜Ｔ３、交流入力フィルタ１、ＰＷＭコンバータ８およびコンデンサ１１が１つの直流電源６５で表わされている。このような電力変換システムでは、複数台の電力変換装置の出力電流が一致するとは限らず、図９に示すように、ある電力変換装置から他の電力変換装置に横流と呼ばれる電流が流れる。この横流は、各電力変換装置のリアクトル５〜７，１６〜１８にも流れる。

この電力変換システムでは、各電力変換装置のリアクトル５〜７，１６〜１８は７脚鉄心６相リアクトル６０で構成される。図７で示したように、横流による磁束φ１を帰路脚６１に通すことにより、磁束φ１のループを形成することができ、磁束φ１によって主脚３１〜３６内の磁束が飽和するのを防止することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims (5)

1. 第１の三相交流電圧を直流電圧に変換するＰＷＭコンバータと、
   前記直流電圧を第２の三相交流電圧に変換するＰＷＭインバータと、
   前記第１の三相交流電圧を伝達し、前記ＰＷＭコンバータで発生するキャリア周波数の電圧を遮断する交流入力フィルタと、
   前記第２の三相交流電圧を伝達し、前記ＰＷＭインバータで発生するキャリア周波数の電圧を遮断する交流出力フィルタとを備え、
   前記交流入力フィルタは、
   それらの一方端子が前記第１の三相交流電圧を受け、それらの他方端子が前記ＰＷＭコンバータに接続された第１〜第３のリアクトルと、
   それらの一方電極がそれぞれ前記第１〜第３のリアクトルの一方端子に接続された第１〜第３のコンデンサとを含み、
   前記交流出力フィルタは、
   それらの一方端子が前記第２の三相交流電圧を受け、それらの他方端子が負荷回路に接続される第４〜第６のリアクトルと、
   それらの一方電極がそれぞれ前記第４〜第６のリアクトルの他方端子に接続された第４〜第６のコンデンサとを含み、
   前記第１〜第６のコンデンサの他方電極は共通接続され、
   前記第１〜第６のリアクトルはＮ脚鉄心６相リアクトル（ただし、Ｎは６以上の整数である）で構成され、
   前記Ｎ脚鉄心６相リアクトルは、
   平行に配置された第１〜第６の主脚と、
   前記第１〜第６の主脚の上端に結合された第１の継鉄と、
   前記第１〜第６の主脚の下端に結合された第２の継鉄と、
   それぞれ前記第１〜第６の主脚に同じ方向に巻回された第１〜第６の巻線とを含み、
   前記第１〜第３の巻線の一方端子は前記ＰＷＭコンバータに接続され、それらの他方端子は前記第１の三相交流電圧を受け、
   前記第４〜第６の巻線の一方端子は前記第２の三相交流電圧を受け、それらの他方端子は前記負荷回路に接続される、電力変換装置。
2. さらに、前記ＰＷＭコンバータの１対の出力端子間に接続され、前記直流電圧に充電される第７のコンデンサを備える、請求項１に記載の電力変換装置。
3. さらに、前記ＰＷＭコンバータの１対の出力端子間に直列接続され、前記直流電圧に充電される第７および第８のコンデンサを備え、
   前記第１〜第６のコンデンサの他方電極は、前記第７および第８のコンデンサの間のノードに接続されている、請求項１に記載の電力変換装置。
4. Ｎは６である、請求項１に記載の電力変換装置。
5. Ｎは７であり、
   前記Ｎ脚鉄心６相リアクトルは、さらに、前記第１および第２の継鉄間に結合された帰路脚を含む、請求項１に記載の電力変換装置。

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