JP2003319639A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電力変換装置の大型化を伴うことなく、低コ
ストで、共振電流を抑制する。 【解決手段】 電流変換器３と６とを接続する直流母線
Ｍに、この直流母線Ｍを流れる電流を検出するための電
流検出器２１と、変成器２２の一次側とを直列に介挿
し、変成器２２の二次側に、直流電流源２３と交流電流
源２４とを並列に接続する。電流検出器２１で検出した
電流を、フィルタ回路２５で交流成分及び直流成分に分
離演算し、その交流成分を打ち消し得る電流を交流電流
源２４から出力させると共に、直流成分に応じた、変成
器２２の直流磁束を打ち得し得る電流を直流電流源２３
から出力させる。電流検出器２１で検出される電流の交
流成分、すなわち電流変換器３、６のコンデンサ３Ｃ、
６Ｃと配線のリアクトル成分等とによる共振電流が交流
電流源２４の出力電流によって相殺され、共振電流が抑
制されると共に、変成器２２の鉄心が飽和することが回
避される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、交流と直流との
間で、電力変換を行うようにした電力変換装置に関し、
特に、その直流回路に流れる共振電流を抑制するように
した電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、交流−交流電力変換装置等にお
いては、交流電力を直流電力に変換する電力変換器と、
直流電力を交流電力に変換する電力変換器とを有し、一
旦、入力された交流電力を直流電力に変換した後、これ
を再度交流電力に変換するようになっている。

【０００３】図３は、その一例を示したものであって、
交流の電力系統１の交流電力を、変圧器２を介して電力
変換器３で直流電力に変換し、電力変換器６で再度交流
電力に変換しこれを変圧器７を介して電力系統８に送電
するようになっている。また、上述とは逆の動作を行う
ことによって、電力系統８の交流電力を電力系統１に送
電することもできるようになっている。

【０００４】図４は、電力変換器３及び６の一例を示す
構成図である。これらは同一の構成を有するため、ここ
では、電力変換器３について説明する。電力変換器３
は、図４に示すように、自己消孤型の半導体素子９ａ〜
９ｆと、ダイオード１０ａ〜１０ｆと、コンデンサ３Ｃ
と、から構成され、２つずつ直列に接続された半導体素
子９ａ〜９ｆがコンデンサ３Ｃの両端に並列に接続さ
れ、さらに、各半導体素子９ａ〜９ｆのそれぞれにダイ
オード１０ａ〜１０ｆが逆並列に接続されて、３相の電
力変換器を構成している。そして、前記電力変換器３及
び６の直流側にコンデンサ３Ｃ及び６Ｃが接続されるよ
うになっている。

【０００５】このように構成された電力変換器３、６に
おいて、前記半導体素子９ａ〜９ｆのスイッチング動作
を制御することによって、交流電力を直流電力に変換し
たり、直流電力を交流電力に変換するようになってい
る。ここで、電力変換器３及び電力変換器６の間には、
図３に示すように、電力変換器３と電力変換器６とを接
続するための配線、又はフィルタとしてのリアクトルが
設けられている。このため、これら配線又はリアクトル
のインダクタンスＬと、各電力変換器３、６を構成する
コンデンサ３Ｃ、６Ｃとにより、次式（１）で表される
共振周波数ｆを有する共振回路が形成されることにな
る。なお、式（１）中のＬは、インダクタンスＬの値、
Ｃはコンデンサ３Ｃ又は６Ｃの容量である。

【０００６】

【数１】 この共振回路の共振周波数成分を有した電流が、各電力
変換器３、６を流れると、これら電力変換器３、６のコ
ンデンサ３Ｃ、６２に過大な電流が流れることになり、
コンデンサ等、機器の損傷を引き起こす要因となる場合
がある。

【０００７】これを回避するために、従来の交流−交流
電力変換装置等においては、例えば図５に示すように、
インダクタンスＬと直列に共振抑制抵抗Ｒを設けたり、
或いは、図６に示すように、各電力変換器３、６のコン
デンサ３Ｃ及び６Ｃと直列に共振抑制抵抗Ｒ１及びＲ２
をそれぞれ接続するようにしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
図５に示すように、インダクタンスＬと直列に共振抑制
抵抗Ｒを接続すると、この共振抑制抵抗Ｒを、電力変換
器３又は６で変換された直流電流が流れることになる。
この直流電流値は、電力変換装置の電流容量に等しいこ
とから、共振抑制抵抗Ｒの許容電力値を、〔電力変換装
置の電流容量〕²×〔共振抑制抵抗Ｒの抵抗値〕以上と
する必要がある。このため、電力変換装置全体の大型化
につながると共に、コスト高の要因にもなる、という問
題がある。

【０００９】また、図６に示すように、コンデンサ３Ｃ
及び６Ｃと直列に共振抑制抵抗Ｒ１及びＲ２を接続した
場合、共振抑制抵抗Ｒ１、Ｒ２のインダクタンス成分に
よって、コンデンサ３Ｃ及び６Ｃと、半導体素子９ａ〜
９ｆとの配線インダクタンスが大きくなる。このため、
半導体素子のターンオフ時の跳ね上がり電圧が高くなっ
てしまうことから、電力変換装置としての所望の容量が
得られなくなるため、スナバコンデンサを大きくする等
といった対策を施す必要がある。このため、この場合も
電力変換装置の大型化につながると共に、コスト高の要
因にもなる、という問題がある。

【００１０】図７は、電力変換装置３、６の１相分の構
成を示したものである。図７において、半導体素子例え
ば９ａ及び９ｄと並列に、ターンオフ時の跳ね上がり電
圧を抑制するために、直列に接続された抵抗Ｒc 及びコ
ンデンサＣc からなるスナバ回路Ｓａ及びＳｄが接続さ
れている。実際には、電力変換器３、６の各半導体素子
９ａ〜９ｆ毎に、スナバ回路Ｓが接続されている。

【００１１】このようにスナバ回路Ｓが接続された、半
導体素子のターンオフ時の跳ね上がり電圧は、一般に、
次式（２）で算出することができる。なお、式（２）中
の、跳ね上がり電圧Ｖcep 、Ｉはターンオフ電流、Ｃｃ
はスナバ回路Ｓを構成するコンデンサＣc の容量、Ｅｄ
は電力変換器３、６を構成するコンデンサ３Ｃ又は６Ｃ
の両端の直流電圧、Ｌ１は電力変換器３、６内の配線の
インダクタンス成分Ｌ１である。

【００１２】

【数２】 前記式（２）から、インダクタンスＬ１が大きくなる
と、跳ね上がり電圧Ｖcep が大きくなることがわかる。
そこで、この発明は、上記従来の未解決の問題に着目し
てなされたものであり、電力変換装置の大型化を伴うこ
となく、且つ低コストで、電力変換装置の直流回路に流
れる共振電流を抑制することの可能な電力変換装置を提
供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１に係る電力変換装置は、複数のス
イッチング素子と、平滑コンデンサとを備え、前記スイ
ッチング素子をスイッチング動作させて電力変換を行う
ようにした電力変換装置において、当該電力変換装置の
直流回路を流れる電流を検出する電流検出手段と、当該
電流検出手段で検出した検出電流の交流成分を打ち消し
得る交流電流を前記直流回路に供給する交流電流源と、
を備えることを特徴としている。

【００１４】この請求項１に係る発明では、直流及び交
流間で電力変換を行う電力変換装置の直流回路を流れる
電流が電流検出手段で検出され、この検出された電流の
交流電流成分を打ち消し得る交流電流が、交流電流源に
よって直流回路に供給され、つまり、直流回路を流れる
電流に加算される。ここで、直流回路を流れる電流の交
流成分は、平滑コンデンサと配線のリアクトル等との共
振による共振電流であるとみなすことができるから、直
流回路を流れる電流の交流成分を打ち消し得る交流電流
を直流回路に供給することによって、共振電流が抑制さ
れることになる。

【００１５】また、請求項２に係る電力変換装置は、複
数のスイッチング素子と平滑コンデンサとを備え、前記
スイッチング素子をスイッチング動作させて電力変換を
行うようにした電力変換装置において、当該電力変換装
置の直流回路を流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電力変換装置の直流回路に一次側が接続された変成
器と、当該変成器の二次側に接続される交流電流源及び
直流電流源と、を備え、前記交流電流源は前記電流検出
手段で検出した検出電流の交流成分を打ち消し得る交流
電流を出力し、前記直流電流源は前記電流検出手段で検
出した検出電流の直流成分に応じた前記変成器の直流磁
束を打ち消し得る直流電流を出力することを特徴として
いる。

【００１６】この請求項２に係る発明では、直流及び交
流間で電力変換を行う電力変換装置の直流回路を流れる
電流が電流検出手段で検出され、また、直流回路には、
変成器つまりトランスの一次側が接続されている。そし
て、この変成器の二次側は、交流電流源と直流電流源と
に接続され、交流電流源では、電流検出手段で検出され
た電流の交流成分を打ち消し得る交流電流を出力し、直
流電流源では、電流検出手段で検出された電流の直流成
分に応じて変成器の直流磁束を打ち消し得る直流電流を
出力する。

【００１７】ここで、直流回路を流れる電流の交流成分
は、平滑コンデンサと配線のリアクトル等との共振によ
る共振電流であるとみなすことができるから、直流回路
を流れる電流の交流成分を打ち消し得る交流電流を、交
流電流源によって直流回路に供給することによって、共
振電流が相殺され、すなわち抑制されることになる。ま
た、直流回路には電力変換装置で変換される直流電流、
或いは変換された直流電流が流れることになるが、この
直流回路を流れる電流の直流成分に応じた、変成器の直
流磁束を打ち消し得る直流電流を、直流電流源によって
前記直流回路に供給することによって、変成器の鉄心が
飽和状態となることが回避される。

【００１８】さらに、請求項３に係る電力変換装置は、
前記変成器は、二次側に二つの巻線を有する３巻線の変
成器であって、前記交流電流源は前記二次側の一方の巻
線に接続され、前記直流電流源は前記二次側の他方の巻
線に接続されることを特徴としている。この請求項３に
係る発明は、二次側に二つの巻線を有する３巻線の変成
器の一次側が直流回路に接続され、二次側の一方に直流
電流源、他方に交流電流源が接続されている。したがっ
て、直流回路を流れる共振電流量が、直流電流量に比較
して小さい場合等であっても、直流電流源側の変成比を
より大きくすることによって、直流電流源及び交流電流
源の容量を同等とすることが可能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を説
明する。まず、第１の実施の形態を説明する。図１は、
第１の実施の形態における電力変換装置を適用した交流
−交流電力変換装置の一例を示す回路図である。なお、
前記図３に示す従来の交流−交流電力変換装置と同一部
には同一符号を付与し、その詳細な説明は省略する。

【００２０】この第１の実施の形態における交流−交流
電力変換装置は、交流の電力系統１の交流電力を、変圧
器２を介して電力変換器３で一旦直流電力に変換した
後、電力変換器６で再度交流電力に変換し、これを変圧
器７を介して電力系統８に送電するようになっている。
また、これと逆の動作を行うことによって、電力系統８
の交流電力を電力系統１に送電することもできる。

【００２１】なお、図中のＬは、電力変換器３及び電力
変換器６とを接続するための配線である直流母線Ｍのイ
ンダクタンスを表す。前記電力変換器３、６は、前記図
４と同様に、半導体素子９ａ〜９ｆ、ダイオード１０ａ
〜１０ｆ及びコンデンサ３Ｃ、６Ｃから構成されてい
る。ここで、半導体素子９ａ〜９ｆがスイッチング素子
に対応し、コンデンサ３Ｃ、６Ｃが平滑コンデンサに対
応し、前記電力変換器３及び６のコンデンサ３Ｃ及び６
Ｃ、電力変換器３及び６を接続するための直流母線Ｍと
で構成される回路が直流回路に対応している。

【００２２】前記電力変換器３と電力変換器６とを接続
するための直流母線Ｍには、この直流母線Ｍを流れる電
流を検出するための電流検出器２１（電流検出手段）が
接続され、さらに、変成器２２の一次側が電流検出器２
１と直列に介挿されている。そして、前記変成器２２の
二次側には、直流電流源２３及び交流電流源２４が並列
に接続されている。

【００２３】なお、ここでは、交流電圧の昇圧又は降圧
を目的としたトランスを変圧器、回路間の結合を目的と
したトランスを変成器としている。前記電流検出器２１
で検出された直流母線Ｍを流れる電流は、フィルタ回路
２５で、直流電流成分と交流電流成分、すなわち共振電
流成分とに分離演算される。

【００２４】このフィルタ回路２５で分離演算された直
流電流成分は、電流指令値として直流電流源２３に入力
され、直流電流源２３では、この電流指令値に応じて、
変成器２２の直流磁束を打ち消し得る直流電流を出力す
る。つまり、直流母線Ｍには、電力変換器３又は電力変
換器６で直流に変換した電流が流れることから、変成器
２２に直流電流が流れることによって変成器２２の鉄心
が飽和することを防止するために、直流電流源２３か
ら、前記直流電流成分に応じて直流電流を出力するよう
になっている。

【００２５】一方、前記フィルタ回路２５で分離演算さ
れた交流電流成分は、交流指令値として、前記交流電流
源２４に入力され、交流電流源２４では、この交流指令
値に応じて、前記交流電流成分を打ち消し得る交流電流
を出力する。なお、この交流電流源２４は、前記変成器
２２の変成比を大きくすることによって、小容量の電流
源で実現することができる。

【００２６】このような構成とすることによって、直流
母線ＭのインダクタンスＬとコンデンサ３Ｃ、６Ｃとで
構成される共振回路の共振周波数成分を有した電流が流
れたとしても、直流母線Ｍを流れる電流が電流検出器２
１で検出され、フィルタ回路２５で、直流電流成分と交
流電流成分とに分離するための分離演算が行われ、交流
電流源２４によって交流電流成分を打ち消し得る交流電
流が出力されると共に、直流電流源２３によって変成器
２２の直流磁束を打ち消し得る直流電流が出力されるか
ら、直流母線Ｍを流れる交流電流成分は相殺されて抑制
されるためコンデンサ３Ｃ又は６Ｃに過大な電流が流れ
ることはなく、また、変成器２２の鉄心が飽和すること
もない。

【００２７】したがって、小型且つ安価な構成で、直流
母線に流れる共振電流を抑制することができる。次に、
本発明の第２の実施の形態を説明する。この第２の実施
の形態は、上記第１の実施の形態における交流−交流変
換装置において、変成器２２に変えて、３巻線の変成器
３０を設けている。そして、この変成器３０の一次側は
上記第１の実施の形態と同様に直流母線Ｍに介挿されて
いる。また、二次側の二つの巻線の一方に直流電流源２
３が接続され、二次側の巻線の他方に交流電流源２４が
接続されている。

【００２８】そして、上記第１の実施の形態と同様に、
直流母線Ｍに流れる電流を電流検出器２１で検出し、こ
れをフィルタ回路２５において直流電流成分及び交流電
流成分に分離演算する。前記直流電流源２３は、フィル
タ回路２５で分離演算された直流電流成分を電流指令と
して、変成器３０の直流磁束を打ち消し得る電流を出力
し、これによって、変成器３０の鉄心が飽和することを
防止している。一方、交流電流源２４は、フィルタ回路
２５で分離演算された交流電流成分を電流指令として、
この交流電流成分、すなわち、共振電流分を打ち消し得
る電流を出力する。

【００２９】したがって、この場合も、上記第１の実施
の形態と同等の作用効果を得ることができる。また、こ
の第２の実施の形態においては、変成器３０の二次側の
二つの巻線のそれぞれに直流電流源２３及び交流電流源
２４を接続しているから、直流電流源２３及び交流電流
源２４の出力に対する変成比を個別に設定することがで
きる。

【００３０】ここで、直流母線Ｍに流れる共振電流が、
直流母線Ｍに流れる直流電流に対して数％〜数１０％で
ある場合には、比較的大きな容量の直流電流源２３を用
いる必要がある。しかしながら、３巻線の変成器３０を
用いているため、直流電流源側の変成比と交流電流源側
の変成比とをそれぞれ独立に設定することができるか
ら、直流電流源側の変成比をより大きくすることによっ
て、大きな容量の直流電流源２３を設ける必要はなく、
直流電流源２３と交流電流源２４との容量を同等とする
ことができ、電流源が大型化することを防止することが
できる。

【００３１】また、上記各実施の形態においては、交流
−交流電力変換装置に適用した場合について説明した
が、これに限るものではなく、直流回路にコンデンサを
含む装置であれば適用することができ、インダクタンス
成分とコンデンサとで発生する共振電流を抑制すること
ができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
に係る電力変換装置によれば、電力変換装置の直流回路
を流れる電流を電流検出手段で検出し、この検出された
電流の交流電流成分を打ち消し得る交流電流を交流電流
源によって直流回路に供給するようにしたから、交流成
分すなわち、平滑コンデンサと配線のリアクトル等との
共振による共振電流が抑制されることになり、小型且つ
安価な構成で共振電流を抑制することができる。

【００３３】また、請求項２に係る電力変換装置によれ
ば、電力変換装置の直流回路を流れる電流を電流検出手
段で検出し、この検出された電流の交流成分を打ち消し
得る交流電流と、検出された電流の直流成分に応じた変
成器の直流磁束を打ち消し得る直流電流とを、変成器を
介して直流回路に供給するようにしたから、直流回路を
流れる電流の交流成分、すなわち、平滑コンデンサと配
線のリアクトル等との共振による共振電流を抑制するこ
とができると共に、変成器の鉄心の飽和を防止すること
ができ、小型且つ安価な構成で共振電流を抑制すること
ができる。

【００３４】さらに、請求項３に係る電力変換装置によ
れば、二次側に二つの巻線を有する３巻線の変成器を用
い、二次側の一方に直流電流源、他方に交流電流源を接
続するようにしたから、電力変換装置の直流回路を流れ
る共振電流量が、直流電流量に比較して小さい場合等で
あっても、直流電流源側の変成比をより大きくすること
によって、同等の容量を有する直流電流源及び交流電流
源を適用することができ、電力変換装置の大型化を防止
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を適用した交流−交
流電力変換装置の一例を示す回路図である。

【図２】第２の実施の形態を適用した交流−交流電力変
換装置の一例を示す回路図である。

【図３】従来の交流−交流電力変換装置の一例を示す回
路図である。

【図４】図３の交流−交流電力変換装置を構成する電力
変換器の一例を示す回路図である。

【図５】共振電流の抑制対策が施された、従来の交流−
交流電力変換装置の一例を示す回路図である。

【図６】共振電流の抑制対策が施された、従来の交流−
交流電力変換装置の一例を示す回路図である。

【図７】跳ね上がり電圧を説明するための、電力変換器
の一部を示す回路図である。

【符号の説明】

１、８ 電力系統 ２、７ 変圧器 ３、６ 電力変換器 ３Ｃ、６Ｃ コンデンサ ２１ 電流検出器 ２２、３０ 変成器 ２３ 直流電流源 ２４ 交流電流源 ２５ フィルタ回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のスイッチング素子と、平滑コンデ
   ンサとを備え、前記スイッチング素子をスイッチング動
   作させて電力変換を行うようにした電力変換装置におい
   て、 当該電力変換装置の直流回路を流れる電流を検出する電
   流検出手段と、 当該電流検出手段で検出した検出電流の交流成分を打ち
   消し得る交流電流を前記直流回路に供給する交流電流源
   と、を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 【請求項２】 複数のスイッチング素子と平滑コンデン
   サとを備え、前記スイッチング素子をスイッチング動作
   させて電力変換を行うようにした電力変換装置におい
   て、 当該電力変換装置の直流回路を流れる電流を検出する電
   流検出手段と、 前記電力変換装置の直流回路に一次側が接続された変成
   器と、 当該変成器の二次側に接続される交流電流源及び直流電
   流源と、を備え、 前記交流電流源は前記電流検出手段で検出した検出電流
   の交流成分を打ち消し得る交流電流を出力し、前記直流
   電流源は前記電流検出手段で検出した検出電流の直流成
   分に応じた前記変成器の直流磁束を打ち消し得る直流電
   流を出力することを特徴とする電力変換装置。
3. 【請求項３】 前記変成器は、二次側に二つの巻線を有
   する３巻線の変成器であって、 前記交流電流源は前記二次側の一方の巻線に接続され、
   前記直流電流源は前記二次側の他方の巻線に接続される
   ことを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。