JP6813377B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電源から受けた電力を所望の電力に変換して出力する電力変換装置に関し、特に、メガワットオーダーの大電力を出力する電力変換装置に関する。

従来から、交流電源から電力を受電する受電回路、受電回路で受電した交流の電力から直流の電力を生成する整流回路（コンバータ回路）、整流回路で生成した直流の電力を所望の電力に変換する変換回路（インバータ回路）、および変換回路で変換した電力を出力する出力回路等を備えた電力変換装置が知られている（例えば特許文献１参照）。また、このような装置において、電力変換装置の出力電力を大きくするために、整流回路および変換回路を複数並列に設けることも知られている。

特開２０１５−１１９６０３号公報

ところで、電力変換装置を構成する各回路のサイズが大きくなると、運搬容易性を考慮して、図８（Ａ）に示すように、複数の筐体Ｃ１〜Ｃ５に回路１１０〜１５０を機能別に分散させて収容することが行われている。図８（Ａ）では、電力を受電する受電回路１１０は、第１の筐体Ｃ１に収容されることで受電盤１０１として構成され、直流の電力から交流の電力を生成する整流回路１２０は、第２の筐体Ｃ２に収容されることで整流盤１０２として構成されている。また、直流の電力を所望の電力に変換する変換回路１３０は、第３の筐体Ｃ３に収容されることで変換盤１０３として構成され、電力を出力する出力回路１４０は、第４の筐体Ｃ４に収容されることで出力盤１０４として構成されている。また、変換回路１３０の動作を制御する制御回路１５０は、第５の筐体Ｃ５に収容されることで制御盤１０５として構成されている。

しかしながら、高出力化のために図８（Ａ）の整流回路１２０および変換回路１３０の並列数を増加させる場合には、図８（Ｂ）に示すように、整流盤１０２と変換盤１０３とを増設する必要があり、設置スペースの増加量が大きく、回路構成を容易に拡張することができないという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、回路構成を容易に拡張することができる電力変換装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の電力変換装置は、交流電源から電力を受電する受電回路と、前記受電回路で受電した交流の電力から直流の電力を生成する整流回路と、前記整流回路で生成した直流の電力を所望の電力に変換する変換回路と、前記変換回路で変換した電力を出力する出力回路と、前記変換回路の動作を制御する制御回路とを備え、前記制御回路として、前記出力回路に流れる電流に基づいて指令を送るメイン制御回路と、当該メイン制御回路からの指令に基づいて前記変換回路の動作を制御するサブ制御回路とを備え、前記受電回路は、第１の筐体に収容されることで受電盤として構成され、前記整流回路および前記変換回路は、共通の第２の筐体に収容されることで整流／変換盤として構成され、前記出力回路は、第３の筐体に収容されることで出力盤として構成され、前記メイン制御回路は、第４の筐体に収容されることで制御盤として構成され、前記サブ制御回路は、前記第１の筐体に収容されることで前記受電回路とともに前記受電盤を構成していることを特徴とする。

上記構成によれば、高出力化のために整流回路および変換回路を増やす際に、整流／変換盤を増設することで対応することができるため、整流盤および変換盤をそれぞれ増設する構成に比べて、設計／製造工数を低減することができ、設置スペースの増加量も少なくすることができる。したがって、回路構成を容易に拡張することができる。

また、請求項２に記載の電力変換装置は、請求項１に記載の電力変換装置において、互いに並列に接続された複数の前記整流／変換盤を備えていることを特徴とする。この構成によれば、整流／変換盤を並列に接続することで、容易に高出力化することができる。

また、請求項３に記載の電力変換装置は、請求項１または２に記載の電力変換装置において、前記受電回路と前記整流回路との間に設けられた入力フィルタ回路をさらに備え、前記入力フィルタ回路は、前記整流／変換盤に設けられていることを特徴とする。この構成によれば、整流／変換盤を並列に接続したとき、受電盤に設けられた１つの入力フィルタ回路で高周波成分を除去する構成に比べて、整流／変換盤の各々に設けられた入力フィルタ回路に流れる電流を小さくすることができ、小型の入力フィルタ回路を採用することができる。

また、請求項４に記載の電力変換装置は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置において、前記変換回路と前記出力回路との間に設けられた出力フィルタ回路をさらに備え、前記出力フィルタ回路は、前記整流／変換盤に設けられていることを特徴とする。この構成によれば、整流／変換盤を並列に接続したとき、出力盤に設けられた１つの出力フィルタ回路で高周波成分を除去する構成に比べて、整流／変換盤の各々に設けられた出力フィルタ回路に流れる電流を小さくすることができ、小型の出力フィルタ回路を採用することができる。

また、請求項５に記載の電力変換装置は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置において、複数の前記受電盤を備え、複数の前記受電盤は、少なくとも１つの前記整流／変換盤を介して共通の前記出力盤に接続されていることを特徴とする。この構成によれば、高出力化のために整流／変換盤を増設するとき、当該整流／変換盤を介して出力盤に接続される受電盤も併せて増設することになる。このため、１つの受電盤で電力を受電する構成に比べて、受電盤の各々に設けられた受電回路に流れる電流を小さくすることができ、受電回路の構成部品として小型の電気部品を採用することができる。

本発明によれば、回路構成を容易に拡張することができる電力変換装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る電力変換装置のブロック図である。 同実施形態に係る電力変換装置の回路構成図である。 同実施形態に係る電力変換装置のハードウェア構成図である。 本発明の第２実施形態に係る電力変換装置のブロック図である。 同実施形態に係る電力変換装置のハードウェアの構成を示す側面図である。 変形例に係る電力変換装置の回路構成図である。 変形例に係る電力変換装置のハードウェアの構成を示す平面図である。 従来の電力変換装置のハードウェアの構成を示す側面図である。

（第１実施形態）
図１〜３を参照して、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置について説明する。図１は、第１実施形態に係る電力変換装置の全体構成を示している。

図１に示すように、電力変換装置は、受電回路１０と、入力フィルタ回路２０と、整流回路３０と、変換回路４０と、出力フィルタ回路５０と、出力回路６０と、メイン制御回路７０と、サブ制御回路８０とを備えている。

受電回路１０は、三相交流の電力を出力する交流電源Ｓに接続され、交流電源Ｓから交流の電力を受電する。こうして、電力変換装置には、三相交流の電力が入力電力として入力される。

入力フィルタ回路２０は、受電回路１０と整流回路３０との間に設けられ、受電回路１０で受電した電力から高周波成分を除去する。

整流回路３０は、入力フィルタ回路２０と変換回路４０との間に設けられ、入力フィルタ回路２０を介して受電回路１０に接続されている。整流回路３０は、受電回路１０で受電した交流の電力から直流の電力を生成する。すなわち、整流回路３０は、ＡＣ／ＤＣ変換回路として機能する。

変換回路４０は、整流回路３０と出力フィルタ回路５０との間に設けられ、出力フィルタ回路５０を介して出力回路６０に接続されている。変換回路４０は、整流回路３０で生成した直流の電力を所望の交流の電力に変換する。すなわち、変換回路４０は、ＤＣ／ＡＣ変換回路として機能する。整流回路３０にスイッチング素子を用いたユニット（スイッチングユニット）により昇圧するコンバータ回路を使用する場合には、部品点数を低減する観点から、整流回路３０に使用するスイッチングユニットと変換回路４０に使用するスイッチングユニットとを同一にすることができる。

出力フィルタ回路５０は、変換回路４０と出力回路６０との間に設けられ、変換回路４０で変換した電力から高周波成分を除去する。

出力回路６０は、負荷Ｌに接続され、変換回路４０で変換した電力を負荷Ｌに出力する。こうして、電力変換装置は、例えば、粒子加速器を駆動するために、電磁石を構成する誘導性の負荷Ｌ（コイル）に電流を供給する。

メイン制御回路７０は、出力回路６０に流れる電流に基づき、サブ制御回路８０を介して整流／変換部Ｔ１〜Ｔ３の動作を制御する。サブ制御回路８０は、メイン制御回路７０からの指令に基づき、整流／変換部Ｔ１〜Ｔ３の動作を制御する。具体的には、制御回路７０，８０は、スイッチング素子３１〜３６（図２参照）のオン／オフの切り替え、および、スイッチング素子４１〜４４（図２参照）のオン／オフの切り替えを制御する。

本実施形態においては、電力変換装置は、互いに並列に接続された３つの整流／変換部Ｔ１〜Ｔ３を備えている。整流／変換部Ｔ１〜Ｔ３の各々は、直列に接続された入力フィルタ回路２０、整流回路３０、変換回路４０、および、出力フィルタ回路５０により構成されている。

次に、図２を参照して、各回路１０〜６０の構成について説明する。なお、図２では、１つの整流／変換部Ｔ１のみを図示し、整流／変換部Ｔ２，Ｔ３の図示は省略している。

図２に示すように、受電回路１０は、交流電源Ｓに接続される３つの入力端子１１と、入力端子１１の各々に接続された電路を開閉する遮断器１２とを備えている。入力端子１１を介して、交流電源Ｓから電力が入力され、漏電等の異常時には、遮断器１２により電路が遮断される。

入力フィルタ回路２０は、整流回路３０に接続された３つの電路の各々に設けられたコンデンサ２１とコイル２２との組み合わせにより構成されている。これらの受動素子により、整流回路３０に入力される電流の高周波成分が除去される。

整流回路３０は、３相全波整流回路を構成する６つのスイッチング素子３１〜３６と、平滑コンデンサ３７とを備えている。スイッチング素子３１〜３６による電路の開閉により、交流の電力から直流の電力が生成され、平滑コンデンサ３７により、生成される電力の変動が低減される。

変換回路４０は、Ｈブリッジを構成する４つのスイッチング素子４１〜４４を備えている。スイッチング素子４１〜４４による電路の開閉により、所望の電圧を有する交流の電力が生成される。

出力フィルタ回路５０は、変換回路４０に接続された２つの電路の各々に設けられたコイル５１とコンデンサ５２と抵抗５３との組み合わせにより構成されている。これらの受動素子により、変換回路４０から出力された電流の高周波成分が除去される。

出力回路６０は、負荷Ｌに接続される２つの出力端子６１と、出力電流を検出するための変流器６２とを備えている。出力端子６１を介して、負荷Ｌに電力が出力され、変流器６２により、負荷Ｌへの出力電流をメイン制御回路７０が検出する。

図３を参照して、電力変換装置のハードウェア構成について説明する。
図３に示すように、電力変換装置は、第１の筐体Ｃ１と、複数の第２の筐体Ｃ２と、第３の筐体Ｃ３と、第４の筐体Ｃ４とを備えている。

受電回路１０は、第１の筐体Ｃ１に収容されることで受電盤１として構成されている。さらに、第１の筐体Ｃ１にはサブ制御回路８０が収容されることで、サブ制御回路８０が受電盤１に設けられている。すなわち、受電盤１は、第１の筐体Ｃ１と受電回路１０とサブ制御回路８０とにより構成されている。

整流回路３０および変換回路４０は、共通の第２の筐体Ｃ２に収容されることで整流／変換盤２として構成されている。さらに、第２の筐体Ｃ２には入力フィルタ回路２０および出力フィルタ回路５０が収容されることで、入力フィルタ回路２０と出力フィルタ回路５０とが整流／変換盤２に設けられている。すなわち、整流／変換盤２は、第２の筐体Ｃ２と入力フィルタ回路２０と整流回路３０と変換回路４０と出力フィルタ回路５０とにより構成されている。整流／変換部Ｔ１を構成する回路２０〜５０と、整流／変換部Ｔ２を構成する回路２０〜５０と、整流／変換部Ｔ３を構成する回路２０〜５０は、それぞれ異なる第２の筐体Ｃ２に収容されている。直列に接続された回路２０〜５０が、第２の筐体Ｃ２に収容されている。

出力回路６０は、第３の筐体Ｃ３に収容されることで出力盤３として構成されている。すなわち、出力盤３は、第３の筐体Ｃ３と出力回路６０とにより構成されている。

メイン制御回路７０は、第４の筐体Ｃ４に収容されることで制御盤４として構成されている。すなわち、制御盤４は、第４の筐体Ｃ４とメイン制御回路７０とにより構成されている。

以上のように構成された受電盤１、複数の整流／変換盤２、出力盤３、および、制御盤４は、ここに列挙した順番で一列に並べられている。電路を構成するバスバー（図示略）は、一列に並んだ筐体Ｃ１〜Ｃ４を貫いて設けられている。

本実施形態によれば以下の効果を奏する。
（１）整流／変換盤２を増設することで、整流回路３０および変換回路４０等の並列数を増やすことができる。すなわち、高出力化のために整流回路３０および変換回路４０を増やす際には、１種の整流／変換盤２を増設することで対応することができる。このため、整流盤１０２および変換盤１０３をそれぞれ増設する構成（図８参照）に比べて、設置スペースの増加量を低減することができ、回路構成を容易に拡張することができる。

（２）４種の盤１〜４により電力変換装置が構成されるため、５種の盤１０１〜１０５により構成された従来の電力変換装置（図８参照）に比べて、電力変換装置の構成を簡素化することができ、設計工数および製造工数を低減することができる。また、電力変換装置の構成を簡素化することができるため、部品点数を削減することができ、同一構成の盤を複数製造するに際し、部品を統一化することで保守性を向上させることができる。

（３）電流変換装置は、互いに並列に接続された複数の整流／変換盤２を備えているため、整流／変換盤２を並列に接続することで、容易に高出力化することができる。また、この場合、整流／変換盤２の構成が統一化されているため、整流／変換盤２の動作を制御するためのサブ制御回路８０のプロクラムも統一化できるので設計工数を低減することができる。

（４）受電回路１０と整流回路３０との間に設けられた入力フィルタ回路２０が、整流／変換盤２に設けられている。このため、整流／変換盤２を並列に接続したとき、受電盤１に設けられた１つの入力フィルタ回路で高周波成分を除去する構成（不図示）に比べて、整流／変換盤２の各々に設けられた入力フィルタ回路２０に流れる電流を小さくすることができ、小型の入力フィルタ回路２０を採用することができる。

（５）変換回路４０と出力回路６０との間に設けられた出力フィルタ回路５０が、整流／変換盤２に設けられている。このため、整流／変換盤２を並列に接続したとき、出力盤３に設けられた１つの出力フィルタ回路で高周波成分を除去する構成（不図示）に比べて、整流／変換盤２の各々に設けられた出力フィルタ回路５０に流れる電流を小さくすることができ、小型の出力フィルタ回路５０を採用することができる。

（６）受電回路１０に接続される整流回路３０および変換回路４０の動作を制御するサブ制御回路８０が、受電盤１に設けられている。このため、整流回路３０および変換回路４０等の並列数を増やす際に、受電盤１を増設することで制御対象の増加に対応することができる。

（第２実施形態）
図４および図５を参照して、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置について説明する。図４は、第２実施形態に係る電力変換装置の全体構成を示している。なお、第１実施形態と同様の構成については、同じ符号を付けて説明を省略する。

図４に示すように、電力変換装置は、２つの受電回路１０Ａ，１０Ｂと、２つのサブ制御回路８０Ａ，８０Ｂを備えている。また、電力変換装置は、並列接続された３つの整流／変換部Ｔ１〜Ｔ３と、並列接続された３つの整流／変換部Ｔ４〜Ｔ６とを備えている。

受電回路１０Ａは、整流／変換部Ｔ１〜Ｔ３に直列に接続され、受電回路１０Ｂは、整流／変換部Ｔ４〜Ｔ６に直列に接続されている。サブ制御回路８０Ａは、メイン制御回路７０からの指令に基づき、整流／変換部Ｔ１〜Ｔ３を制御し、サブ制御回路８０Ｂは、メイン制御回路７０からの指令に基づき、整流／変換部Ｔ４〜Ｔ６を制御する。このように、複数の整流／変換部Ｔ１〜Ｔ６を動作させるためのサブ制御回路８０Ａ，８０Ｂと、全体出力のフィードバック制御を行うメイン制御回路７０とに分割することで、メイン制御回路７０に組み込まれるプログラムの簡素化を行うことができるとともに、高出力化のために回路を直列／並列に構成したり盤のレイアウトの自由度を高めたりすることができる。整流／変換部Ｔ１〜Ｔ６は、それぞれ、直列に接続された回路２０〜５０により構成されており、共通の出力回路６０に接続されている。こうして、複数の受電回路１０Ａ，１０Ｂは、回路２０〜５０を介して、１つの出力回路６０に接続されている。

図５を参照して、電力変換装置のハードウェア構成について説明する。
図５に示すように、電力変換装置は、複数の第１の筐体Ｃ１と、複数の第２の筐体Ｃ２と、第３の筐体Ｃ３と、第４の筐体Ｃ４とを備えている。

受電回路１０Ａおよびサブ制御回路８０Ａは、第１の筐体Ｃ１に収容されることで受電盤１Ａとして構成され、受電回路１０Ｂおよびサブ制御回路８０Ｂは、他の第１の筐体Ｃ１に収容されることで受電盤１Ｂとして構成されている。

整流／変換部Ｔ１〜Ｔ３を構成する回路２０〜５０は、第２の筐体Ｃ２に収容されることで整流／変換盤２Ａとして構成され、整流／変換部Ｔ４〜Ｔ６を構成する回路２０〜５０は、他の第２の筐体Ｃ２に収容されることで整流／変換盤２Ｂとして構成されている。

整流／変換部Ｔ１〜Ｔ６に接続された出力回路６０は、第３の筐体Ｃ３に収容されることで出力盤３として構成され、サブ制御回路８０Ａ，８０Ｂに接続されたメイン制御回路７０は、第４の筐体Ｃ４に収容されることで制御盤４として構成されている。

以上のように構成された受電盤１Ａ、複数の整流／変換盤２Ａ、出力盤３、制御盤４、複数の整流／変換盤２Ｂ、および、受電盤１Ｂは、ここに列挙した順番で左右一列に並べられている。

本実施形態によれば、上記（１）〜（６）の効果に加えて以下の効果を奏する。
（７）複数の受電盤１Ａ，１Ｂは、整流／変換盤２Ａ，２Ｂを介して共通の出力盤３に接続されている。すなわち、受電盤を複数(本実施形態では、受電盤１Ａと受電盤１Ｂ)に分けるとともに、受電盤の数に応じて整流／変換部の組（本実施形態では、３基の整流／変換盤２Ａと３基の整流／変換盤２Ｂ）を配設し、複数の整流／変換部の組を共通の出力盤３に接続している。このため、高出力化のために整流／変換盤２（図３参照）を増設するとき、当該整流／変換盤２を介して出力盤３に接続される受電盤１も併せて増設することになる。したがって、１つの受電盤１で電力を受電する構成に比べて、受電盤１Ａ，１Ｂの各々に設けられた受電回路１０に流れる電流を小さくすることができ、受電回路１０の構成部品として小型の電気部品（例えば遮断器１２）を採用することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、上記構成を適宜変更することもできる。例えば、上記実施形態を、以下のように変更して実施してもよく、以下の変更を組み合わせて実施してもよい。

電力変換装置を構成する各回路１０〜６０の構成を適宜変更してもよい。例えば、図６に示すように、整流回路３０’は、スイッチング素子３１〜３６（図２参照）に代えて、複数のダイオード３１’〜３６’を備えていてもよい。また、例えば、第３の筐体Ｃ３に大型の変流器６２を収容してもよい。また、例えば、第４の筐体Ｃ４にサブ制御回路８０を収容することで、制御盤４を、第４の筐体Ｃ４とメイン制御回路７０とサブ制御回路８０とにより構成してもよい。

第１実施形態において、受電盤１、整流／変換盤２、出力盤３、および、制御盤４の全てが一列に並んでいなくてもよい。また、第２実施形態において、受電盤１Ａ，１Ｂ、整流／変換盤２Ａ，２Ｂ、出力盤３、および、制御盤４の全てが一列に並んでいなくてもよい。例えば、図７（Ａ）に示すように、受電盤１Ａ、整流／変換盤２Ａ、および、出力盤３を左右一列に並べ、受電盤１Ｂ、整流／変換盤２Ｂ、および、制御盤４を左右一列に並べて、それぞれの列を前後方向に間隔を空けて配置してもよい。また、例えば、図７（Ｂ）に示すように、制御盤４、受電盤１Ａ、および、整流／変換盤２Ａを左右一列に並べ、受電盤１Ｂ、整流／変換盤２Ｂ、および、出力盤３を左右一列に並べて、それぞれの列を前後方向に間隔を空けて配置してもよい。

１つの筐体に、２つ以上の整流／変換部を収容してもよい。すなわち、例えば、第１および第２実施形態において、１つの第２の筐体Ｃ２に、整流／変換部Ｔ１〜Ｔ３を構成する回路２０〜５０を収容してもよい。同様に、第２実施形態において、１つの第２の筐体Ｃ２に、整流／変換部Ｔ４〜Ｔ６を構成する回路２０〜５０を収容してもよい。

変換回路４０は、整流回路３０で生成した直流の電力を所望の電圧を有する直流の電力に変換してもよい。すなわち、変換回路４０は、ＤＣ／ＤＣ変換回路として機能してもよい。

１，１Ａ，１Ｂ 受電盤
２，２Ａ，２Ｂ 整流／変換盤
３ 出力盤
４ 制御盤
１０，１０Ａ，１０Ｂ 受電回路
２０ 入力フィルタ回路
３０ 整流回路
４０ 変換回路
５０ 出力フィルタ回路
６０ 出力回路
７０ メイン制御回路
８０，８０Ａ，８０Ｂ サブ制御回路
Ｔ１〜Ｔ６ 整流／変換部
Ｃ１ 第１の筐体
Ｃ２ 第２の筐体
Ｃ３ 第３の筐体
Ｃ４ 第４の筐体

Claims (5)

1. 交流電源から電力を受電する受電回路と、
   前記受電回路で受電した交流の電力から直流の電力を生成する整流回路と、
   前記整流回路で生成した直流の電力を所望の電力に変換する変換回路と、
   前記変換回路で変換した電力を出力する出力回路と、
   前記変換回路の動作を制御する制御回路とを備え、
   前記制御回路として、前記出力回路に流れる電流に基づいて指令を送るメイン制御回路と、当該メイン制御回路からの指令に基づいて前記変換回路の動作を制御するサブ制御回路とを備え、
   前記受電回路は、第１の筐体に収容されることで受電盤として構成され、
   前記整流回路および前記変換回路は、共通の第２の筐体に収容されることで整流／変換盤として構成され、
   前記出力回路は、第３の筐体に収容されることで出力盤として構成され、
   前記メイン制御回路は、第４の筐体に収容されることで制御盤として構成され、
   前記サブ制御回路は、前記第１の筐体に収容されることで前記受電回路とともに前記受電盤を構成している
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 互いに並列に接続された複数の前記整流／変換盤を備えている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記受電回路と前記整流回路との間に設けられた入力フィルタ回路をさらに備え、
   前記入力フィルタ回路は、前記整流／変換盤に設けられている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記変換回路と前記出力回路との間に設けられた出力フィルタ回路をさらに備え、
   前記出力フィルタ回路は、前記整流／変換盤に設けられている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 複数の前記受電盤を備え、
   複数の前記受電盤は、少なくとも１つの前記整流／変換盤を介して共通の前記出力盤に接続されている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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