JP2004048899A - 交流を直流に整流する電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイオード整流器が発生する高調波電流が電源側に流出することを防止し、交流電圧源の出力する交流電流を効率良くダイオード整流器に供給することである。
【解決手段】ダイオード整流器と交流電源の間に複数のリアクトルを直列に接続し、直列に接続されたリアクトルの接続点に３次フィルタを接続する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はダイオード整流器が発生する高調波電流が交流電源側に流出することを防止する機能を有する交流を直流に電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力エネルギーの消費を低減するために、交流モータをインバータ駆動する技術が広く用いられている。その場合、ダイオード整流器を交流電源に接続して交流を一旦直流に変換し、再度インバータにより交流電圧を出力してモータを駆動する。
【０００３】
ダイオード整流器によって交流電力を整流する際、ダイオード整流器の交流側入力端子に高調波電圧が発生し、高調波電流が交流電源側に流出する。交流電源側に流出する高調波電流を低減するため、図２に示すように交流電源１０とダイオード整流器１２の間に、リアクトル１４、１６、１８とコンデンサ２０、２２、２４からなるＬＣフィルタ２６を設置する。
【０００４】
整流器１２は、三相ブリッジ接続された６つのダイオード２８、３０、３２、３４、３６、３８からなり、その出力端子４０、４２には並列にコンデンサ４４、負荷４６が接続されている。
【０００５】
上記回路において、ダイオード整流器１２から発生する高調波に対して、リアクトル１４、１６、１８のインピーダンスをコンデンサ２０、２２、２４のインピーダンスよりも十分大きくすることにより、電源１０側への高調波電流の流出を抑制できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２において、ＬＣフィルタ２６を電源１０とダイオード整流器１２の間に挿入すると電源１０の出力する基本波電流がコンデンサ２０、２２、２４に流れ込むため、ダイオード整流器１２に効率良く基本波電流を供給することができない。
【０００７】
本発明はダイオード整流器を用いて交流を直流に整流する電力変換装置において、ダイオード整流器が発生する高調波電流が電源側に流出することを防止し、且つ、交流電圧源の出力する基本波電流を効率良くダイオード整流器に供給することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電源が単相交流の場合には、ダイオード整流器と交流電源の間に複数のリアクトルを直列に接続し、直列に接続されたリアクトルの接続点に、３次フィルタを接続することを特徴とするものである。
【０００９】
電源が三相交流の場合は、ダイオード整流器と交流電源の間に複数のリアクトルを直列に接続し、直列に接続されたリアクトルの接続点に５次フィルタを接続することを特徴とするものである。その他の特徴は、以下の発明の実施の形態の説明の中で明らかにする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
（実施例１）
まず、図１を用いて本発明の変換装置５０の構成を説明する。ダイオード整流器５２の交流入力端子５４、５６は、リアクトル５８とリアクトル６０を介して単相交流電源６２の一方の出力端子６４に接続されている。ダイオード整流器５２は、ブリッジ接続された４つの半導体ダイオード６６、６８、７０、７２から構成されている。
【００１２】
直列に接続されたリアクトル６０とリアクトル５８の接続点７４に、リアクトル７６とコンデンサ７８から構成される３次フィルタ８０の一端が接続される。リアクトル７６とコンデンサ７８は、直列接続されており、他端は、出力端子９０、交流ダイオード整流器５２の交流入力端子５６へ接続されている。
【００１３】
ダイオード整流器５２の正極側および負極側出力端子８２、８４の間には、コンデンサ８６と負荷８８が並列に接続される。負荷８８の詳細な構成例を図４と図５に示す。図４では、負荷８８はＩＧＢＴインバータ９２とこのＩＧＢＴインバータに接続されたモータ９４から構成される。
【００１４】
ＩＧＢＴインバータ９２は、ブリッジ接続された６個のＩＧＢＴ９６、９８、１００、１０２、１０４、１０６と、これらのＩＧＢＴ９６〜１０６にそれぞれ逆並列接続されたダイオード１０８〜１１８を有する。
【００１５】
図５では、負荷８８は３レベルＩＧＢＴインバータ１２０とその出力側に接続されたモータ９４から構成される。３レベルＩＧＢＴインバータ１２０は、三相ブリッジ接続された６組のＩＧＢＴユニット１２２〜１３２を有する。各ＩＧＢＴユニットは、それぞれ二つの並列接続されたＩＧＢＴを備えている。これらのＩＧＢＴはそれぞれ逆並列に接続されたダイオードを有する。
【００１６】
各々のＩＧＢＴユニット１２２〜１３２の接続点の間には、直列接続されたダイオード２００〜２１０が接続され、それらのダイオードの接続点２１２、２１４、２１６は直列接続されたコンデンサ２１８、２２０の接続点へ接続する。
【００１７】
次に、動作メカニズムを説明する。ダイオード整流器５２は交流電流を整流し、直流コンデンサ８６充電して、直流電圧を出力し、負荷８８に直流電圧を印加する。図４のインバータ９２や図５のインバータ１２０はＰＷＭ制御により交流電圧を出力してモータ９４を回転させる。
【００１８】
この際、ダイオード整流器５２は交流側入力端子５４、５６に奇数次の高調波電圧を発生する。しかしながら、この実施例ではダイオード整流器５２が出力する最低次の高調波である３次高調波に対して、３次フィルタ８０のインピーダンスは十分に小さいので、この３次高調波は、３次フィルタ８０に分流し、電源６２には流出しない。
【００１９】
このとき電流は、ダイオード７２−コンデンサ７８−リアクトル７６−リアクトル６０−ダイオード６６−コンデンサ８６−ダイオード７２の経路、または、ダイオード７０−リアクトル６０−リアクトル７６−コンデンサ７８−ダイオード６８−コンデンサ８６−ダイオード７０の経路を循環する。
【００２０】
ダイオード整流器５２が発生する５次高調波、７次高調波等の低次高調波は、リアクトル６０と３次フィルタ８０で分圧され、接続点７４における高調波電圧が低下する。電源６２側に流出する高調波電流Ｉは、接続点７４の高調波電圧をＶ、リアクトル５８のインピーダンスをＸとすると、次式で表すことができる。
Ｉ＝Ｖ／Ｘ
したがって、接続点７４の高調波電圧を、リアクトル６０と３次フィルタ８０で分圧することにより低下させ、且つ、リアクトル５８のインピーダンスを大きくすることにより、５次及び７次高調波電流の電源６２への流出を防止できる。
【００２１】
３次フィルタ８０のインピーダンスは小さく、且つリアクトル５８のインピーダンスは大きい方が好ましいので、リアクトル７６に比べてリアクトル５８のインピーダンスを十分に大きくすることが好ましい。
【００２２】
高次高調波に対しては３次フィルタ８０のインピーダンスが大きいので、分圧による接続点７４の高調波電圧低減効果は小さくなる。３次フィルタ８０のインピーダンスが十分に大きい場合、Ｖｄをダイオード整流器５２の出力する高調波電圧、ＸＣをリアクトル５８とリアクトル６０の合成インピーダンスとすると、電源６２に流出する高調波電流Ｉは、次式で表すことができる。
Ｉ＝Ｖｄ／ＸＣ
したがって、リアクトル５８とリアクトル６０のインピーダンスを大きくすることにより、電源６２に流出する高調波を低減できる。
【００２３】
一方、３次高調波フィルタの基本波電流に対するインピーダンスは大きいので、電源６２から出力する基本波電流の３次フィルタへの分流は少なく、電源６２から出力する基本波電流はダイオード整流器５２に効率良く供給される。なお、３次フィルタ８０と直列に共振防止用の抵抗器２２２を接続してもよい。
【００２４】
したがって、本実施例の半導体変換装置では、ダイオード整流器１が発生する高調波電流が電源側に流出することを防止し、且つ交流電圧源の出力する基本波電流を効率良くダイオード整流器に供給できる。
【００２５】
（実施例２）
まず、図３を用いて本発明の変換装置２３０の構成を説明する。ダイオード整流器２３２の交流入力端子２３４、２３６、２３８は、それぞれリアクトル２４０、２４２、２４４とリアクトル２４６、２４８、２５０を介して三相交流電源２５２の出力端子２５４、２５６、２５８に接続されている。ダイオード整流器２３２は、三相ブリッジ接続された９つの半導体ダイオード２６０、２６２、２６４、２６６、２６８、２７０から構成されている。
【００２６】
それぞれ直列に接続されたリアクトル２４０、２４２、２４４とリアクトル２４６、２４８、２５０の接続点２７４、２７６、２７８に、それぞれリアクトル２８０、２８２、２８４とコンデンサ２８６、２８８、２９０から構成される５次フィルタ２９２の一端が接続される。
【００２７】
リアクトル２８０、２８２、２８４とコンデンサ２８６、２８８、２９０は、それぞれ、直列接続されており、他端は、Ｙ結線の中性点２９４で共通に接続されている。
【００２８】
ダイオード整流器２３２の正極側および負極側出力端子２９６、２９８の間には、コンデンサ８６と負荷８８が並列に接続される。負荷８８の詳細な構成例は図４と図５に示す通りである。
【００２９】
次に、動作メカニズムを説明する。ダイオード整流器２３２は交流電流を整流し、直流コンデンサ８６を充電して、直流電圧を出力し、負荷８８に直流電圧を印加する。図４のインバータ９２や図５のインバータ１２０はＰＷＭ制御により交流電圧を出力してモータ９４を回転させる。
【００３０】
この際、ブリッジ接続された３相のダイオード整流器２３２は、交流側端子２３４、２３６、２３８に３の倍数次を除く奇数次の高調波電圧を発生する。最低次の高調波である５次高調波に対して５次フィルタ２９２のインピーダンスが十分に小さいので、ダイオード整流器２３２で発生する５次高調波は、５次フィルタ２９２に分流し、電源２５２には流出しない。
【００３１】
ダイオード整流器２３２が発生する７次高調波は、リアクトル２４６、２４８、２５０と５次フィルタ２９０で分圧され、各接続点２７４、２７６、２７８における高調波電圧が低下する。電源２５２側に流出する高調波電流Ｉは、接続点２７４〜２７８の高調波電圧をＶ、リアクトル２４０のインピーダンスをＸとすると、次式で表すことができる。
Ｉ＝Ｖ／Ｘ
したがって、接続点２７４〜２７８の高調波電圧を、リアクトル２４６、２４８、２５０と５次フィルタ２９０で分圧することにより低下させ、且つリアクトル２４０、２４２、２４４のインピーダンスを大きくすることにより、５次及び７次高調波電流の電源２５２への流出を防止できる。
【００３２】
５次フィルタ２９０のインピーダンスは小さく、且つリアクトル２４０〜２４４のインピーダンスは大きい方が好ましいので、リアクトル２８０〜２８４に比べてリアクトル２４０〜２４４のインピーダンスを十分に大きくすることが好ましい。
【００３３】
高次高調波に対しては５次フィルタ２９０のインピーダンスが大きいので、分圧による接続点２７４ないし２７８の高調波電圧低減効果は小さくなる。５次フィルタ２９０のインピーダンスが十分に大きい場合、Ｖｄをダイオード整流器２３２の出力する高調波電圧、ＸＣをリアクトル２４０〜２４４とリアクトル２４６〜２５０の合成インピーダンスとすると、電源２５２に流出する高調波電流Ｉは、次式で表すことができる。
Ｉ＝Ｖｄ／ＸＣ
したがって、リアクトル２４０〜２４４とリアクトル２４６〜２５０のインピーダンスを大きくすることにより、電源２５２に流出する高調波を低減できる。
【００３４】
一方、５次高調波フィルタ２９２の基本波電流に対するインピーダンスは大きいので、電源２５２から出力する基本波電流の５次フィルタ２９２への分流は少なく、電源２５２から出力する基本波電流はダイオード整流器２３２に効率良く供給される。なお、５次フィルタ２９２と直列に共振防止用の抵抗器を接続してもよい。
【００３５】
したがって、本実施例の半導体変換装置では、ダイオード整流器が発生する高調波電流が電源側に流出することを防止し、且つ交流電圧源の出力する基本波電流を効率良くダイオード整流器に供給できる。
【００３６】
３相交流電圧が３．３ｋＶ〜６．６ｋＶの半導体変換装置においては、５次フィルタのリアクトル７が１４．５％、コンデンサ４を７７％、リアクトル２１を５．２％、リアクトル２２を２．８９％とするのが好ましい。
【００３７】
この場合、ダイオード整流器２３２で発生する７次の高調波に対してリアクトル２４６〜２５０、コンデンサ２８６〜２９０、リアクトル２８０〜２８４で分圧されるので、分圧点２７４〜２７８の電圧は整流器２３２が出力する７次高調波電圧に対して１／２以下に低下する。
【００３８】
さらにリアクトル２４０〜２４４のインピーダンスを１４．５％と大きくすることにより、電源２５２に流出する高調波電流を電源２５２からダイオード整流器２３２に出力する基本波電流の１．７％にまで低減できる。
【００３９】
ダイオード整流器２３２から流出する５次の高調波電流に対しては、リアクトル２４０〜２４４１のインピーダンスに対して５次高調波フィルタ２９２インピーダンスは十分に小さいので電源側に流出する５次高調波電流は基本波電流の０．２％以下である。
【００４０】
１１次以上の高次高調波に対してはリアクトル２４０〜２４４とリアクトル２４６〜２５０の合成インピーダンスが電源２５２への高調波電流の流出を防止するので、１１次高調波電流は基本波電流の約１．１％、１３次以上の高調波電流は基本波電流の０．６％以下に抑制できる。また、交流電圧源２５２から出力する基本波電流の内、８８％をダイオード整流器２３２に供給できる。
【００４１】
（実施例３）
第３の実施例の構成を図６に示す。第３の実施例は、各相のリアクトル２４６〜２５０とリアクトル２８０〜２８４が磁気的に結合したことが特徴である。リアクトル２４６〜２５０とリアクトル２８０、２８２、２９０の合成インダクタンス、及び、リアクトル２４６〜２５０とリアクトル２８０、２８２、２８４の自己インダクタンス比は実施例２と同様にする。
【００４２】
この場合、リアクトル２８０、２８２、２９０及びリアクトル２４６〜２５０の実効的なインダクタンスは実施例２と等価となるので、実施例２と同様に５次及び７次の高調波の電源３側への流出を防ぐことができる。
【００４３】
また、リアクトル２４６〜２５０の自己インダクタンスはリアクトル２８０、２８２、２９０と結合させるために、実施例２のリアクトル２４６〜２５０のインダクタンスよりも小さくするが、リアクトル２４０、２４２、２４４のインダクタンスを大きくすることにより電源３側への高次高調波電流の流失を防止できる。
【００４４】
一方、リアクトル２４６〜２５０と磁気結合させることにより、リアクトル２８０、２８２、２８４の自己インダクタンスを実施例２よりも小さくすることができる。したがって、リアクトル２８０、２８２、２８４とコンデンサ２８６、２８８、２９０からなるフィルタの基本波電流に対するインピーダンスは大きいので、電源２５２から出力する基本波電流のリアクトル２８０、２８２、２８４とコンデンサ２８６、２８８、２９０からなるフィルタへの分流は少なく、電源２５２から出力する基本波電流はダイオード整流器２３２に効率良く供給される。
【００４５】
本実施例では、リアクトル２８０、２８２、２８４とリアクトル２４６〜２５０を磁気結合させることによりそれぞれの自己インダクタンスを小さくできるので、実施例２に比べて電力変換装置の小型化を図ることができる。したがって、リアクトル２８０、２８２、２８４とリアクトル２４６〜２５０の結合極性は、互いに自己インダクタンスを減殺する方向に選ばれている。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、ダイオード整流器システムにおいて、ダイオード整流器が発生する高調波電流が電源側に流出することを防止でき、且つ交流電圧源の出力する交流電流を効率良くダイオード整流器に供給できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電力変換器の１実施例を示す回路構成図である。
【図２】従来の電力変換器を示す回路構成図である。
【図３】本発明の電力変換器の第２の実施例を示す回路構成図である。
【図４】本発明に使用する負荷の詳細回路構成図である。
【図５】本発明に使用する負荷の詳細回路構成図である。
【図６】本発明の電力変換器の第３の実施例を示す回路構成図である。
【符号の説明】
５２…ダイオード整流器、６２…交流電源、７８…コンデンサ、８６…直流コンデンサ、８８…負荷、７６…リアクトル、９４…交流モータ、５０…半導体変換装置、１４…リアクトル、５８…リアクトル、６０…リアクトル、７４…接続点、８０…３次フィルタ、２９２…５次フィルタ、９２…ＩＧＢＴインバータ。

Claims (5)

1. 一対の交流側入力端子、正極側および負極側出力端子、ブリッジ接続されたダイオードを含む整流装置と、直列に接続され、前記整流装置の一方の交流入力端子と交流電源端子との間に接続される複数のリアクトルと、前記複数のリアクトルを結ぶ接続点と前記整流装置の他方の交流入力端子との間に接続されたフィルタを備え、前記フィルタのインピーダンスは、第３高調波に対してそのインピーダンスが十分小さくなるよう設定されたことを特徴とする交流を直流に整流する電力変換装置。
2. 三相交流電源へ接続される３つの交流側入力端子、ブリッジ接続された複数のダイオード、正極側端子、負極側端子を含む整流装置と、直列に接続され、前記整流装置の交流側入力端子と三相交流電源端子との間にそれぞれ接続された複数のリアクトルと、前記複数のリアクトルを結ぶ接続点と前記整流装置の交流側入力端子との間に接続されたフィルタを備え、前記フィルタのインピーダンスは、第５高調波に対してそのインピーダンスが十分小さくなるよう設定されたことを特徴とする交流を直流に整流する電力変換装置。
3. 請求項１、または２において、前記フィルタは、直列接続されたリアクトルとコンデンサである交流を直流に整流する電力変換装置。
4. 請求項１、または２において、前記フィルタは、直列接続されたリアクトルとコンデンサとからなり、前記フィルタを形成するリアクトルのインダクタンスより、前記フィルタと前記交流電源出力端子の間に配置される前記リアクトルのインダクタンスが大きくなるよう設定された交流を直流に整流する電力変換装置。
5. 請求項１、または、２において、前記フィルタを形成するリアクトルと、前記フィルタと前記整流装置の交流側入力端子間に接続されたリアクトルとが磁気的に結合された交流を直流に整流する電力変換装置。

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