JP2007174858A - 電力変換装置及び電力変換システム - Google Patents

電力変換装置及び電力変換システム Download PDF

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Abstract

【課題】スイッチング素子数を低減することでコストの増加及び変換効率の低下を抑え、しかも電源での高調波の発生を防止することが目的とされる。
【解決手段】電力変換装置１は、入力端子１２１〜１２３、第１の出力端子１３１，１３２、第２の出力端子１４１，１４２及び絶縁変圧器１１を備える。絶縁変圧器１１は、インダクタンスの等しい１次コイルＬ１及び２次コイルＬ２を有する。１次コイルＬ１の一端１１１側の極性は、２次コイルＬ２の他端１１４側の極性に等しい。第１の出力端子の一方１３１は、入力端子１２１及び１次コイルＬ１の一端１１１に接続される。第１の出力端子の他方１３２は、入力端子１２２及び２次コイルＬ２の一端１１３に接続される。第２の出力端子の一方１４１は、１次コイルＬ１の他端１１２及び２次コイルＬ２の他端１１４に接続される。第２の出力端子の他方１４２は、入力端子１２３に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は電力変換装置及び電力変換システムに関し、特に３相／２相変換に関する。
３相電力を直流電力に変換する場合、電源で発生する高調波を低減するために、電力変換装置にはアクティブコンバータやマトリックスコンバータが採用されている。
なお、本発明に関連する技術を以下に示す。
特開２００４−２１５４０６号公報 特開２００４−２１５４０８号公報 特開２００４−２１５４０７号公報 米国特許第４６４８０２２号明細書 米国特許第６５８０６２１号明細書 Boon Teck OOI、外５名、"An Integrated AC Drive System Using a Controlled-Current PWM Rectifier/Inverter Link"、IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS、pp.64-71、VOL3、NO1、JANUARY 1988 E.R.Motto、外５名、"Application Characteristics of an Experimental RB-IGBT(Reverse Blocking IGBT)Module"、Industry Applications Conference, 2004. 39th IAS Annual Meeting.Conference Record of the 2004 IEEE、Volume 3,3-7 Oct. 2004 Page(s):1540 - 1544 vol.3
単相のシステムでは、ＰＦＣ（Power Factor Correction）回路が既に商業化されている。しかし、３相のシステムでは、アクティブコンバータにスイッチング素子が６個必要とされ、マトリックスコンバータにスイッチング素子が１８個必要とされ、コストの増加、更にはスイッチング損失による変換効率の低下を招いていた。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、スイッチング素子数を低減することでコストの増加及び変換効率の低下を抑え、しかも電源での高調波の発生を防止することが目的とされる。
この発明の請求項１にかかる電力変換装置は、インダクタンスが等しい１次コイル（Ｌ１）及び２次コイル（Ｌ２）を有する絶縁変圧器（１１）と、第１乃至第３の入力端子（１２１〜１２３）と、第１の出力端子の一対（１３１，１３２）と、第２の出力端子の一対（１４１，１４２）とを備え、前記第１の出力端子の一方（１３１）は、前記第１の入力端子（１２１）及び前記１次コイルの一端（１１１）に接続され、前記第１の出力端子の他方（１３２）は、前記第２の入力端子（１２２）及び前記２次コイルの一端（１１３）に接続され、前記第２の出力端子の一方（１４１）は、前記１次コイルの他端（１１２）及び前記２次コイルの他端（１１４）に接続され、前記第２の出力端子の他方（１４２）は、前記第３の入力端子（１２３）に接続され、前記１次コイルの前記一端側の極性は、前記２次コイルの前記他端側の極性に等しい。
この発明の請求項２にかかる電力変換装置は、第１のコイル（Ｌ３）と、第１乃至第３の入力端子（２２１〜２２３）と、第１の出力端子の一対（２３１，２３２）と、第２の出力端子の一対（２４１，２４２）とを備え、前記第１の出力端子の一方（２３１）は、前記第１の入力端子（２２１）及び前記コイルの一端（２１１）に接続され、前記第１の出力端子の他方（２３２）は、前記第２の入力端子（２２２）及び前記コイルの他端（２１２）に接続され、前記第２の出力端子の一方（２４１）は、前記コイルの前記一端と前記他端との間の位置（２１３）で前記コイルに接続され、前記第２の出力端子の他方（２４２）は、前記第３の入力端子（２２３）に接続され、前記コイルの前記一端と前記位置との間のインダクタンスと、前記コイルの前記他端と前記位置との間のインダクタンスとが等しい。
この発明の請求項３にかかる電力変換装置は、請求項２記載の電力変換装置であって、前記第１の出力端子の前記一対（２３１，２３２）と、前記第１及び前記第２の入力端子（２２１，２２２）との間に接続される第１の絶縁変圧器（２２）を更に備え、前記第１の出力端子の前記一対は、前記第１の絶縁変圧器の２次コイル（Ｌ４）の両端（２１４，２１５）に接続され、前記第１の絶縁変圧器は、前記第１のコイル（Ｌ３）を１次コイルとする。
この発明の請求項４にかかる電力変換装置は、請求項３記載の電力変換装置であって、第１のコンデンサ（Ｃ１）を更に備え、前記第１のコンデンサは、前記第１の絶縁変圧器（２２）の前記２次コイル（Ｌ４）の両端（２１４，２１５）の間に接続される。
この発明の請求項５にかかる電力変換装置は、請求項３または請求項４記載の電力変換装置であって、前記第２の出力端子の前記一対（２４１，２４２）と、前記第３の入力端子（２２３）及び前記位置（２１３）との間に接続される第２の絶縁変圧器（２３）を更に備え、前記第３の入力端子及び前記位置は、前記第２の絶縁変圧器の１次コイル（Ｌ５）の両端（２３１，２３２）に接続され、前記第２の出力端子の前記一対は、前記第２の絶縁変圧器の２次コイル（Ｌ６）の両端（２３３，２３４）に接続される。
この発明の請求項６にかかる電力変換装置は、請求項５記載の電力変換装置であって、第２のコンデンサ（Ｃ２）を更に備え、前記第２のコンデンサは、前記第２の絶縁変圧器の前記２次コイル（Ｌ６）の前記両端（２３３，２３４）の間に接続される。
この発明の請求項７にかかる電力変換システムは、請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載の電力変換装置（１）と、一対の入力端（３１１，３１２；３２１，３２２）と一対の出力端（３１３，３１４；３２３，３２４）とを有する第１のコンバータ（３１；３２）とを備え、前記第１のコンバータの前記一対の前記入力端は、前記第１及び前記第２の出力端子のいずれか一方の前記一対（１３１，１３２；１４１，１４２）に接続される。
この発明の請求項８にかかる電力変換システムは、請求項７記載の電力変換システムであって、一対の入力端（３２１，３２２；３１１，３１２）と一対の出力端（３２３，３２４；３１３，３１４）とを有する第２のコンバータ（３２；３１）を更に備え、前記第２のコンバータの前記一対の前記入力端は、前記第１及び前記第２の出力端子の他方の前記一対（１４１，１４２；１３１，１３２）に接続される。
この発明の請求項１または請求項２にかかる電力変換装置によれば、第１乃至第３の入力端子に接続される３相電源の線間電圧に等しい交流電圧を第１の出力端子から出力し、当該交流電圧と位相が９０°だけ異なる交流電圧を第２の出力端子から出力することができる。すなわち、第１乃至第３の入力端子に入力される３相交流電圧を２相交流電圧に変換することができる。
しかも、第１の出力端子から出力される電力と、第２の出力端子から出力される電力とを等しくするために、第１の出力端子及び第２の出力端子に単相のＰＦＣ回路を接続するだけで良い。これにより、第１乃至第３の入力端子に入力される電力のそれぞれを等しくでき、以って３相電源での高調波の発生が防止できる。さらには、スイッチング素子数が減少し、以ってコストが低減する。
この発明の請求項３にかかる電力変換装置によれば、３相電源の線間電圧に等しい交流電圧を所望の交流電圧に変換して第１の出力端子から出力することができる。よって、第１の出力端子から出力される交流電圧を、第２の出力端子から出力される交流電圧に等しくすることができる。
この発明の請求項４にかかる電力変換装置によれば、第１のコンデンサと第２のコイルとでフィルタが構成される。よって、当該フィルタでノイズが除去される。
この発明の請求項５にかかる電力変換装置によれば、第２の絶縁変圧器の１次コイルに印加される交流電圧を、所望の交流電圧に変換して第２の出力端子から出力することができる。
この発明の請求項６にかかる電力変換装置によれば、第１のコンデンサと第２のコイルとでフィルタが構成される。よって、当該フィルタでノイズが除去される。
この発明の請求項７にかかる電力変換システムによれば、第１のコンバータは、電力変換装置から出力される交流電圧を所望の直流電圧に変換して、自身の出力端へと出力できるので、当該一方の出力端子から出力される電力を所望の値にすることができる。よって、当該電力を、他方の出力端子から出力される電力に等しくでき、以って第１乃至第３の入力端子から入力される電力のそれぞれを等しくできる。これにより、第１乃至第３の入力端子に接続される３相電源での高調波の発生が防止できる。
この発明の請求項８にかかる電力変換システムによれば、第２のコンバータは、電力変換装置から出力される交流電圧を所望の直流電圧に変換して、自身の出力端へと出力できる。よって、第１のコンバータのみで制御するよりも、一方の出力端子から出力される電力と、他方の出力端子から出力される電力とを等しくしやすい。
第１の実施の形態．
図１及び図２は、本実施の形態にかかる電力変換システムを概念的に示す回路図である。当該電力変換システムは、電力変換装置１及びコンバータ３１，３２を備える。
図１では、３相電源２０１及び負荷２１１も示されている。図２では、更に負荷２１２が示されている。３相電源２０１は、電力変換システムに電力を供給する。負荷２１１，２１２には、電力変換システムから出力される電力が供給される。
電力変換装置１は、入力端子１２１〜１２３、第１の出力端子１３１，１３２、第２の出力端子１４１，１４２及び絶縁変圧器１１を備える。
入力端子１２１〜１２３は、３相電源２０１に接続され、３相電源２０１から電力が供給される。
絶縁変圧器１１は、インダクタンスの等しい１次コイルＬ１及び２次コイルＬ２を有する。１次コイルＬ１の一端１１１側の極性は、２次コイルＬ２の他端１１４側の極性に等しい。
第１の出力端子の一方１３１は、入力端子１２１及び１次コイルＬ１の一端１１１に接続される。第１の出力端子の他方１３２は、入力端子１２２及び２次コイルＬ２の一端１１３に接続される。
第２の出力端子の一方１４１は、１次コイルＬ１の他端１１２及び２次コイルＬ２の他端１１４に接続される。第２の出力端子の他方１４２は、入力端子１２３に接続される。
電力変換装置１によれば、入力端子１２１〜１２３に接続される３相電源２０１の線間電圧Ｖ０に等しい交流電圧Ｖ１を第１の出力端子１３１，１３２から出力することができる。しかも、交流電圧Ｖ１と位相が９０°だけ異なる交流電圧Ｖ２を第２の出力端子１４１，１４２から出力することができる。なぜなら、１次コイルＬ１と２次コイルＬ２のそれぞれのインダクタンスが等しいので、第２の出力端子の一方１４１の電位が、入力端子１２１の電位と入力端子１２２の電位との中間の値となるからである。
すなわち、入力端子１２１〜１２３に入力される３相交流電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ（図１及び図２）を、直交する２相交流電圧Ｖ１，Ｖ２に変換することができる。なお、交流電圧Ｖ２の実効値は、線間電圧の実効値の√３／２倍である。
第１の出力端子１３１，１３２の間にコンデンサＣ１を接続することが、第１の出力端子１３１，１３２から出力される交流電圧Ｖ１のノイズを除去する点で望ましい。
第２の出力端子１４１，１４２の間にコンデンサＣ２を接続することが、第２の出力端子１４１，１４２から出力される交流電圧Ｖ２のノイズを除去する点で望ましい。しかも、コンデンサＣ２とコイルＬ１，Ｌ２とでフィルタが構成され、以って当該フィルタでノイズが除去される。
コンバータ３１は、入力端３１１，３１２と出力端３１３，３１４とを有する。入力端３１１，３１２はそれぞれ、第１の出力端子１３１，１３２に接続される。
第１の出力端子１３１，１３２に出力される交流電圧Ｖ１は、第２の出力端子１４１，１４２に出力される交流電圧Ｖ２に直交するので、第２の出力端子１４１，１４２側とは独立して、第１の出力端子１３１，１３２に出力される電力を制御することができる。
具体的には、コンバータ３１は、電力変換装置１から出力される交流電圧Ｖ１を所望の直流電圧Ｖｄ１に変換して、出力端３１３，３１４へと出力できるので、出力端子１３１，１３２から出力される電力Ｐ１を所望の値にすることができる。
よって、電力Ｐ１を、出力端子１４１，１４２から出力される電力Ｐ２に等しくすることができ、以って入力端子１２１〜１２３から入力される電力Ｐ１１〜Ｐ１３のそれぞれを等しくできる。これにより、３相電源２０１での高調波の発生が防止できる。
コンバータ３２は、入力端３２１，３２２と出力端３２３，３２４とを有する。入力端３２１，３２２はそれぞれ、第２の出力端子１４１，１４２に接続される。
第２の出力端子１４１，１４２に出力される交流電圧Ｖ２は、第１の出力端子１３１，１３２に出力される交流電圧Ｖ１に直交するので、コンバータ３１とは独立してコンバータ３２を制御することができる。
具体的には、コンバータ３２は、電力変換装置１から出力される交流電圧Ｖ２を所望の直流電圧Ｖｄ２に変換して、出力端３２３，３２４へと出力できる。よって、コンバータ３１のみで制御するよりも、電力Ｐ１と電力Ｐ２とを等しくしやすい。
電力変換装置１は、３相交流電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃを２相交流電圧Ｖ１，Ｖ２に変換するので、コンバータ３１，３２にはそれぞれ単相の交流電圧が入力される。よって、コンバータ３１，３２には単相のＰＦＣ回路を採用すれば良い。これらの制御は相互に独立して行えるので、周知の単相のＰＦＣ回路の制御方法を流用できる。当該単相のＰＦＣ回路には、例えば図３及び図１４〜２８に示されるような既に知られた回路が適用できる。ＰＦＣ回路の具体例については後述する。
そして、電力変換装置１にはスイッチング素子は不要である。よって、電力変換システムに含まれるスイッチング素子数は、アクティブコンバータやマトリックスコンバータなどに含まれる素子数より少なくなり、以ってコストが低減する。
図１では、負荷２１１がコンバータ３１の出力端３１３，３１４に接続され、かつ出力端３１３，３１４のそれぞれにコンバータ３２の出力端３２３，３２４が接続された場合が示されている。この場合、直流電圧Ｖｄ１と直流電圧Ｖｄ２とは等しく、コンバータ３１側を流れる電流Ｉｄ１とコンバータ３２側を流れる電流Ｉｄ２も等しくなる。よって、コンバータ３１から出力される電力とコンバータ３２から出力される電力とは等しく、以って電力Ｐ１と電力Ｐ２とはほぼ等しい。なお、出力端３１３，３１４の間にコンデンサＣｄを接続することが、コンバータ３１，３２からの出力に含まれた脈動を除去できる点で望ましく、かかる態様が図１に示されている。
図２では、負荷２１１がコンバータ３１の出力端３１３，３１４に接続され、負荷２１２がコンバータ３２の出力端３２３，３２４に接続された場合が示されている。この場合、コンバータ３１，３２を制御することで、コンバータ３１から出力される電力とコンバータ３２から出力される電力とを等しくすることで、電力Ｐ１と電力Ｐ２とがほぼ等しくなる。なお、出力端３１３，３１４の間にコンデンサＣｄ１を、出力端３２３，３２４の間にコンデンサＣｄ２をそれぞれ接続することが、コンバータ３１，３２からの出力に含まれた脈動を除去できる点で望ましく、かかる態様が図２に示されている。
図３は、コンバータ３１，３２に採用できるＰＦＣ回路５０１を示す。ＰＦＣ回路５０１は、ダイオードブリッジＤＢ、コンデンサＣｆ、コイルＬ７及びダイオードＤ１，Ｄ２及びスイッチＳＷ１を有する。
ＰＦＣ回路５０１は、更に入力端１０１，１０２及び出力端１０３，１０４を有する。入力端１０１，１０２及び出力端１０３，１０４はそれぞれ、ＰＦＣ回路５０１がコンバータ３１に採用される場合には入力端３１１，３１２及び出力端３１３，３１４と把握でき、コンバータ３２に採用される場合には入力端３２１，３２２及び出力端３２３，３２４と把握できる。後述する図１４〜２８に示されるコンバータにおいて同様である。
ダイオードブリッジＤＢは、入力端１５１，１５２と出力端１５３，１５４とを有する。入力端１５１，１５２はそれぞれ入力端１０１，１０２に接続される。コンデンサＣｆは、入力端１０１，１０２の間に接続される。ダイオードＤ１は、アノードがコイルＬ７を介して出力端１５３に接続され、カソードが出力端１０３に接続される。ダイオードＤ２は、アノードが出力端１０４に接続され、カソードが出力端１５４に接続される。スイッチＳＷ１は、ダイオードＤ１のアノードと、ダイオードＤ２のカソードとの間に接続される。かかるＰＦＣ回路５０１は、昇降圧チョッパとして機能する。
図４及び図５はそれぞれ、図１及び図２で示される電圧変換システムのコンバータ３１，３２にＰＦＣ回路５０１を採用した場合の、（ｂ）３相交流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ（図１及び図２）の波形、（ｃ）交流電圧Ｖ１，Ｖ２の波形、及び（ｄ）交流Ｉ１，Ｉ２の波形をそれぞれ示す。ここで、入力端子１２１〜１２３には、（ａ）で示される３相交流電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ（図１及び図２）がそれぞれ入力される。また交流Ｉ１（図１及び図２）は第１の出力端子１３１，１３２を流れ、交流Ｉ２（図１及び図２）は第２の出力端子１４１，１４２を流れる。
図４及び図５のいずれにおいても、３相交流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ、交流電圧Ｖ１，Ｖ２及び交流Ｉ１，Ｉ２はいずれも正弦波であり、ＰＦＣ回路５０１のチョッパリングノイズの他にはノイズがほとんど含まれていない。
本実施の形態にかかる電圧変換システムでは、１次コイルＬ１及び２次コイルＬ２にはそれぞれ、線間電圧Ｖ０の１／２倍の電圧がかかり、入力端子１２１〜１２２に流れる電流Ｉａ（＝Ｉｂ＝Ｉｃ）の１／２倍の電流が流れる。このとき、電力変換装置１の電力容量Ｐｒ１は、式（１）で表される。ここで、符号Ｖｒ１，Ｉｒ１は、それぞれ１次コイルの電圧及び電流の実効値、符号Ｖｒ２，Ｉｒ２は、それぞれ２次コイルの電圧及び電流の実効値を、符号Ｖｒ，Ｉｒは、それぞれ線間電圧Ｖ０及び電流Ｉａ（＝Ｉｂ＝Ｉｃ）の実効値を表す。
Figure 2007174858
そうすると、電力変換システムに入力される入力容量Ｐinは√３・Ｖｒ・Ｉｒであるので、電力容量Ｐｒ１は入力容量Ｐinの１４．４％となる。
アクティブコンバータと比較すれば、１次コイルＬ１及び２次コイルＬ２に流れる電流は、アクティブコンバータの３相交流リアクタに流れる電流の半分で良い。また、１次コイル及び２次コイルのそれぞれの銅損は、３相交流リアクタでの銅損の１／１２倍まで低減される。
第２の実施の形態．
図６及び図７は、本実施の形態にかかる電力変換システムを概念的に示す回路図である。当該電力変換システムは、電力変換装置２ａ及びコンバータ３１，３２を備える。
電力変換装置２ａは、入力端子２２１〜２２３、第１の出力端子２３１，２３２、第２の出力端子２４１，２４２及び単巻変圧器２１を備える。
入力端子２２１，２２３は、３相電源２０１に接続され、３相電源２０１から電力が供給される。
単巻変圧器２１は、コイルＬ３を有する。図６及び図７では、コイルＬ３の一端２１１と他端２１２の間の位置２１３が示されている。コイルＬ３の一端２１１と位置２１３との間のインダクタンスと、コイルＬ３の他端２１２と位置２１３との間のインダクタンスとは等しい。よって、コイルＬ３は一端２１１と位置２１３との間、及び位置２１３と他端２１２との間が、それぞれ第１の実施の形態のコイルＬ１，Ｌ２（図１及び図２）として機能する。よって、単巻変圧器２１は絶縁変圧器１１と同じ機能を果たす。
第１の出力端子の一方２３１は、入力端子２２１及びコイルＬ３の一端２１１に接続される。第１の出力端子の他方２３２は、入力端子２２２及びコイルＬ３の他端２１２に接続される。
第２の出力端子の一方２４１は、位置２１３でコイルＬ３に接続される。第２の出力端子の他方２４２は、入力端子２２３に接続される。
電力変換装置２ａによれば、上述した電力変換装置１と同様に、入力端子２２１〜２２３に接続される３相電源２０１の線間電圧Ｖ０に等しい交流電圧Ｖ１を第１の出力端子２３１，２３２から出力することができる。しかも、交流電圧Ｖ１と位相が９０°だけ異なる交流電圧Ｖ２を第２の出力端子２４１，２４２から出力することができる。すなわち、入力端子２２１〜２２３に入力される３相交流電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ（図１及び図２）を２相交流電圧Ｖ１，Ｖ２に変換することができる。
電力変換装置１と同様に、第１の出力端子２３１，２３２の間にはコンデンサＣ１を、第２の出力端子２４１，２４２の間にはコンデンサＣ２を、それぞれ接続することが望ましい。
コンバータ３１の入力端３１１，３１２はそれぞれ、第１の出力端子２３１，２３２に接続され、第１の実施の形態と同様の効果を生ずる。
コンバータ３２の入力端３２１，３２２はそれぞれ、第２の出力端子２４１，２４２に接続され、第１の実施の形態と同様の効果を生ずる。
電力変換装置２ａは、３相交流電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃを２相交流電圧Ｖ１，Ｖ２に変換するので、コンバータ３１，３２にはそれぞれ単相の交流電圧が入力される。よって、コンバータ３１，３２には単相のＰＦＣ回路（図３及び図１４〜２８）を採用すれば良い。また、第１の実施の形態と同様に、コストが低減できる。
図６では、負荷２１１がコンバータ３１の出力端３１３，３１４に接続され、かつ主力端３１３，３１４のそれぞれにコンバータ３２の出力端３２３，３２４が接続された場合が示されている。この場合、第１の実施の形態で説明したように、電力Ｐ１と電力Ｐ２とはほぼ等しい。なお、第１の実施の形態で説明したのと同様の観点から、出力端３１３，３１４の間にコンデンサＣｄを接続することが望ましい。
図７では、負荷２１１がコンバータ３１の出力端３１３，３１４に接続され、負荷２１２がコンバータ３２の出力端３２３，３２４に接続された場合が示されている。この場合、第１の実施の形態で説明したように、コンバータ３１，３２の制御によって、電力Ｐ１と電力Ｐ２とがほぼ等しくなる。なお、第１の実施の形態で説明したのと同様の観点から、出力端３１３，３１４の間にコンデンサＣｄ１を、出力端３２３，３２４の間にコンデンサＣｄ２をそれぞれ接続することが望ましい。
コンバータ３１，３２にＰＦＣ回路５０１（図３）を採用した場合、図６で示される電力変換システムにおいては、図４で示される（ｂ）３相交流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃの波形、（ｃ）交流電圧Ｖ１，Ｖ２の波形、及び（ｄ）交流Ｉ１，Ｉ２の波形がそれぞれ得られる。また、図７で示される電力変換システムにおいては、図５で示される（ｂ）３相交流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃの波形、（ｃ）交流電圧Ｖ１，Ｖ２の波形、及び（ｄ）交流Ｉ１，Ｉ２の波形がそれぞれ得られる。
本実施の形態にかかる電力変換システムでは、コイルＬ３の一端２１１と位置２１３との間及び他端２１２と位置２１３との間には、それぞれ線間電圧Ｖ０の１／２倍の電圧がかかり、電流Ｉａの１／２倍の電流が流れる。このとき、電力変換装置２ａの電力容量Ｐｒ２は、式（２）で表される。ここで、符号Ｖlowは、コイルＬ３の位置２１３での、電圧Ｖｂを基準とした電圧の実効値（＝Ｖｒ／２）を表す。また、符号Ｖhiは、コイルＬ３の一端２１１での、電圧Ｖｂを基準とした電圧の実効値（＝Ｖｒ）を表す。
Figure 2007174858
そうすると、当該電力容量Ｐｒは入力容量Ｐinの１４．４％となる。
アクティブコンバータと比較すれば、コイルＬ３の一端２１１と位置２１３との間及び他端２１２と位置２１３との間に流れる電流は、アクティブコンバータの３相交流リアクタに流れる電流の半分で良い。また、コイルＬ３の一端２１１と位置２１３との間及び他端２１２と位置２１３との間のそれぞれの銅損は、３相交流リアクタでの銅損の１／１２倍まで低減される。
第３の実施の形態．
図８及び図９は、本実施の形態にかかる電力変換システムを概念的に示す回路図である。当該電力変換システムはそれぞれ、図６及び図７で示される電力変換システムであって、電力変換装置２ａが更に絶縁変圧器２２を備える。なお、図８及び図９では、当該電力変換装置に符号２ｂを付している。
絶縁変圧器２２は、第１の出力端子２３１，２３２と、入力端子２２１，２２２との間に接続される。絶縁変圧器２２は、１次コイル及び２次コイルＬ４を有し、コイルＬ３を１次コイルとする。２次コイルＬ４の両端２１４，２１５には、第１の出力端子２３１，２３２が接続される。
電力変換装置２ｂによれば、コイルＬ３の両端２１１，２１２の間に発生する、３相電源２０１の線間電圧Ｖ０に等しい交流電圧Ｖ１を、所望の交流電圧Ｖ３に変換して出力端子２３１，２３２から出力することができる。よって、交流電圧Ｖ３を、出力端子２４１，２４２から出力される交流電圧Ｖ２に等しくすることができる。
２次コイルＬ４の両端２１４，２１５の間にコンデンサＣ１を接続することが望ましい。なぜなら、コンデンサＣ１と２次コイルＬ４とでフィルタが構成され、以って当該フィルタでノイズが除去されるからである。
コンバータ３１，３２は、第２の実施の形態と同様に電力変換装置２ｂに接続され、第２の実施の形態と同様の効果を生じる。コンバータ３１，３２には、ＰＦＣ回路（図３及び図１４〜２８）が採用できる。
図６で示される回路と同様に、負荷２１１がコンバータ３１，３２に接続された場合が図８に示されている。この場合、第１の実施の形態で説明したように、電力Ｐ１と電力Ｐ２とはほぼ等しい。なお、第１の実施の形態で説明したのと同様の観点から、出力端３１３，３１４の間にコンデンサＣｄを接続することが望ましい。
図７で示される回路と同様に、負荷２１１，２１２がそれぞれコンバータ３１，３２に接続された場合が図９に示されている。この場合、第１の実施の形態で説明したように、コンバータ３１，３２の制御によって、電力Ｐ１と電力Ｐ２とがほぼ等しくなる。なお、第１の実施の形態で説明したのと同様の観点から、出力端３１３，３１４の間にコンデンサＣｄ１を、出力端３２３，３２４の間にコンデンサＣｄ２をそれぞれ接続することが望ましい。
図１０及び図１１はそれぞれ、図８及び図９で示される電力変換システムのコンバータ３１，３２にＰＦＣ回路５０１（図３）を採用した場合の、（ｂ）３相交流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ（図８及び図９）の波形、（ｃ）交流電圧Ｖ１，Ｖ２の波形、及び（ｄ）交流Ｉ１，Ｉ２の波形をそれぞれ示す。ここで、入力端子２２１〜２２３には、（ａ）で示される３相交流電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ（図８及び図９）がそれぞれ入力される。
図１０及び図１１のいずれにおいても、３相交流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ、交流電圧Ｖ１，Ｖ２及び交流Ｉ１，Ｉ２はいずれも正弦波であり、ＰＦＣ回路５０１のチョッパリングノイズの他にはノイズがほとんど含まれていない。
本実施の形態にかかる電力変換システムでは、電力変換装置２ｂの電力容量Ｐｒ３は、式（３）で表される。
Figure 2007174858
そうすると、電力容量Ｐｒ３は入力容量の５７．７％となる。
第４の実施の形態．
図１２及び図１３は、本実施の形態にかかる電力変換システムを概念的に示す回路図である。当該電力変換システムはそれぞれ、図８及び図９で示される電力変換システムであって、電力変圧器２ｂが更に絶縁変圧器２３を備える。なお、図１２及び図１３では、当該電力変換装置に符号２ｃを付している。
絶縁変圧器２３は、出力端子２４１，２４２と、入力端子２２３及び位置２１３との間に接続される。絶縁変圧器２３は１次コイルＬ５及び２次コイルＬ６を有する。１次コイルＬ５の両端２３１，２３２にはそれぞれ、位置２１３及び入力端子２２３が接続される。２次コイルＬ６の両端２３３，２３４にはそれぞれ、出力端子２４１，２４２が接続される。
電力変換装置２ｃによれば、１次コイルＬ５に印加される交流電圧Ｖ２を、所望の交流電圧Ｖ４に変換して出力端子２４１，２４２に出力することができる。
２次コイルＬ６の両端２３３，２３４の間にコンデンサＣ２を接続することが望ましい。なぜなら、コンデンサＣ２と２次コイルＬ６とでフィルタが構成され、以って当該フィルタでノイズが除去されるからである。
コンバータ３１，３２は、第３の実施の形態と同様に電力変換装置２ｃに接続され、第３の実施の形態と同様の効果を生じる。
図８で示される回路と同様に、負荷２１１がコンバータ３１，３２に接続された場合が図１２に示されている。この場合、第１の実施の形態で説明したように、電力Ｐ１と電力Ｐ２とはほぼ等しい。なお、第１の実施の形態で説明したのと同様の観点から、出力端３１３，３１４の間にコンデンサＣｄを接続することが望ましい。
図９で示される回路と同様に、負荷２１１，２１２がそれぞれコンバータ３１，３２に接続された場合が図１３に示されている。この場合、第１の実施の形態で説明したように、コンバータ３１，３２の制御によって、電力Ｐ１と電力Ｐ２とがほぼ等しくなる。なお、第１の実施の形態で説明したのと同様の観点から、出力端３１３，３１４の間にコンデンサＣｄ１を、出力端３２３，３２４の間にコンデンサＣｄ２をそれぞれ接続することが望ましい。
コンバータ３１，３２には、第３の実施の形態と同様に、例えばＰＦＣ回路５０１（図３）が採用できる。この場合、図１２で示される電力変換システムにおいては、図１０で示される（ｂ）３相交流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃの波形、（ｃ）交流電圧Ｖ１，Ｖ２の波形、及び（ｄ）交流Ｉ１，Ｉ２の波形がそれぞれ得られる。また、図１３で示される電力変換システムにおいては、図１１で示される（ｂ）３相交流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃの波形、（ｃ）交流電圧Ｖ１，Ｖ２の波形、及び（ｄ）交流Ｉ１，Ｉ２の波形がそれぞれ得られる。
コンバータ３１，３２には、図３で示されるＰＦＣ回路５０１の他に、例えば図１４〜２８で示されるＰＦＣ回路が採用できる。
図１４で示されるＰＦＣ回路は、図３で示されるＰＦＣ回路５０１であって、コイルＬ７、ダイオードＤ１，Ｄ２及びスイッチＳＷ１が以下のように構成される。
すなわち、コイルＬ７は、並列接続された３つのコイルからなる。ダイオードＤ１，Ｄ２は各々、並列接続された３つのダイオードからなる。当該３つのダイオードは、アノード同士及びカソード同士がそれぞれ接続されている。スイッチＳＷ１は、並列接続された３つスイッチからなる。
図１５で示されるＰＦＣ回路は、ＰＦＣ回路５０１であって、コイルＬ８、ダイオードＤ３，Ｄ４及びコンデンサＣ３を更に有する。
ダイオードＤ３は、アノードがダイオードブリッジＤＢの出力端１５３に接続され、カソードがコイルＬ８を介してダイオードＤ４のアノードに接続される。ダイオードＤ４のカソードは、出力端１０３に接続される。コンデンサＣ３は、ダイオードＤ１のアノードと、ダイオードＤ４のアノードとの間に接続される。
図１６で示されるＰＦＣ回路は、ダイオードブリッジＤＢ、コンデンサＣｆ、コイルＬ９及びスイッチＳＷ２を有する。
ダイオードブリッジＤＢは、入力端１５１がコイルＬ９を介して入力端１０１に接続され、入力端１５２が入力端１０２に接続される。出力端１５３，１５４はそれぞれ出力端１０３，１０４に接続される。コンデンサＣｆは入力端１０１，１０２の間に接続される。スイッチＳＷ２は、入力端１５１，１５２の間に接続される。
図１７で示されるＰＦＣ回路は、コンデンサＣｆ、コイルＬ１０、ダイオードＤ５，Ｄ６及びスイッチＳＷ３，ＳＷ４を有する。
ダイオードＤ５は、アノードがコイルＬ１０を介して入力端１０１に接続され、カソードが出力端１０３に接続される。ダイオードＤ６は、アノードが入力端１０２に接続され、カソードが出力端１０３に接続される。スイッチＳＷ３は、ダイオードＤ５のアノードと出力端１０４との間に接続される。スイッチＳＷ４は、ダイオードＤ６のアノードと出力端１０４との間に接続される。コンデンサＣｆは、入力端１０１，１０２の間に接続される。かかるＰＦＣ回路によれば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行うことができる。
図１８で示されるＰＦＣ回路は、図１７で示されるＰＦＣ回路について、ダイオードＤ５，Ｄ６に代えてスイッチＳＷ５，ＳＷ６を採用したものである。
図１９で示されるＰＦＣ回路は、ダイオードブリッジＤＢ、コンデンサＣｆ、コイルＬ１１、ダイオードＤ７及びスイッチＳＷ７を有する。
ダイオードブリッジＤＢの入力端１５１，１５２はそれぞれ、入力端１０１，１０２に接続される。出力端１５３は、スイッチＳＷ７及びコイルＬ１１をこの順に介して出力端１０３に接続される。出力端１５４は出力端１０４に接続される。ダイオードＤ７は、アノードが出力端１０４に接続され、カソードがスイッチＳＷ７とコイルＬ１１との間に接続される。コンデンサＣｆは入力端１０１，１０２の間に接続される。かかるＰＦＣ回路は、降圧チョッパとして機能する。
図２０で示されるＰＦＣ回路は、図１９で示されるＰＦＣ回路であって、コイルＬ１１、ダイオードＤ７及びスイッチＳＷ７が以下のように構成される。
すなわち、コイルＬ１１は、並列接続された３つのコイルからなる。ダイオードＤ７は、並列接続された３つのダイオードからなる。当該３つのダイオードは、アノード同士及びカソード同士がそれぞれ接続されている。スイッチＳＷ７は、並列接続された３つスイッチからなる。
図２１で示されるＰＦＣ回路は、コンデンサＣｆ、コイルＬ１１、ダイオードＤ７〜Ｄ９及びスイッチＳＷ８，ＳＷ９を有する。
ダイオードＤ７は、アノードが出力端１０４に接続され、カソードがコイル１１を介して出力端１０３に接続される。ダイオードＤ８は、アノードが入力端１０１に接続され、カソードがダイオードＤ７のカソードに接続される。ダイオードＤ９は、アノードが入力端１０２に接続され、カソードがダイオードＤ７のカソードに接続される。スイッチＳＷ８は、ダイオードＤ８のアノードと、出力端１０４との間に接続される。スイッチＳＷ９は、ダイオードＤ９のアノードと、出力端１０４との間に接続される。コンデンサＣｆは入力端１０１，１０２の間に接続される。かかるＰＦＣ回路は、降圧チョッパとして機能し、しかもＰＷＭ制御を行うことができる。
図２２で示されるＰＦＣ回路は、コンデンサＣｆ、コイルＬ１１、ダイオードＤ７，Ｄ１０〜Ｄ１７及びＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）７１，７２を有する。
ダイオードＤ７は、アノードが出力端１０４に接続され、カソードがコイル１１を介して出力端１０３に接続される。ダイオードＤ１０は、アノードがＩＧＢＴ７１のエミッタに接続され、カソードがダイオードＤ７のカソードに接続される。ダイオードＤ１１は、アノードがＩＧＢＴ７２のエミッタに接続され、カソードがダイオードＤ７のカソードに接続される。ダイオードＤ１２は、アノードが出力端１０４に接続され、カソードがＩＧＢＴ７１のコレクタに接続される。ダイオードＤ１３は、アノードが出力端１０４に接続され、カソードがＩＧＢＴ７２のコレクタに接続される。
ダイオードＤ１４は、アノードがＩＧＢＴ７１のエミッタに接続され、カソードが入力端１０１に接続される。ダイオードＤ１５は、アノードが入力端１０１に接続され、カソードがＩＧＢＴ７１のコレクタに接続される。ダイオードＤ１６は、アノードがＩＧＢＴ７２のエミッタに接続され、カソードが入力端１０２に接続される。ダイオードＤ１７は、アノードが入力端１０２に接続され、カソードがＩＧＢＴ７２のコレクタに接続される。コンデンサＣｆは入力端１０１，１０２の間に接続される。かかるＰＦＣ回路は、降圧チョッパとして機能し、しかもＰＷＭ制御を行うことができる。
図２３で示されるＰＦＣ回路は、図２１で示されるＰＦＣ回路について、ダイオードＤ８，Ｄ９に代えてスイッチＳＷ１０，ＳＷ１１を採用したものである。
図２４〜２８で示されるＰＦＣ回路はそれぞれ、図１９〜２３で示されるＰＦＣ回路について、コイルＬ１１に代えてダイオードＤ１８を接続し、ダイオードＤ７に代えてコイルＬ１２を接続したものである。ダイオードＤ１８のアノードは、出力端１０３に接続される。かかるＰＦＣ回路は、昇圧チョッパとして機能する。特に図２６〜２８で示されるＰＦＣ回路によれば、ＰＷＭ制御を行うことができる。
図１４〜２８に示されるＰＦＣ回路では、スイッチング素子を多くても４つしか含まない。よって、上述したいずれの実施の形態においても、電力変換システムに含まれるスイッチング素子数は、アクティブコンバータやマトリックスコンバータに含まれるスイッチング素子数よりも小さくなる。
第１の実施の形態にかかる、電力変換システムを概念的に示す回路図である。 第１の実施の形態にかかる、電力変換システムを概念的に示す回路図である。 ＰＦＣ回路を概念的に示す回路図である。 （ａ）３相交流電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ、（ｂ）３相交流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ、（ｃ）交流電圧Ｖ１，Ｖ２及び（ｄ）交流Ｉ１，Ｉ２の波形を示す図である。 （ａ）３相交流電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ、（ｂ）３相交流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ、（ｃ）交流電圧Ｖ１，Ｖ２及び（ｄ）交流Ｉ１，Ｉ２の波形を示す図である。 第２の実施の形態にかかる、電力変換システムを概念的に示す回路図である。 第２の実施の形態にかかる、電力変換システムを概念的に示す回路図である。 第３の実施の形態にかかる、電力変換システムを概念的に示す回路図である。 第３の実施の形態にかかる、電力変換システムを概念的に示す回路図である。 （ａ）３相交流電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ、（ｂ）３相交流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ、（ｃ）交流電圧Ｖ１，Ｖ２及び（ｄ）交流Ｉ１，Ｉ２の波形を示す図である。 （ａ）３相交流電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ、（ｂ）３相交流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ、（ｃ）交流電圧Ｖ１，Ｖ２及び（ｄ）交流Ｉ１，Ｉ２の波形を示す図である。 第４の実施の形態にかかる、電力変換システムを概念的に示す回路図である。 第４の実施の形態にかかる、電力変換システムを概念的に示す回路図である。 ＰＦＣ回路を概念的に示す回路図である。 ＰＦＣ回路を概念的に示す回路図である。 ＰＦＣ回路を概念的に示す回路図である。 ＰＦＣ回路を概念的に示す回路図である。 ＰＦＣ回路を概念的に示す回路図である。 ＰＦＣ回路を概念的に示す回路図である。 ＰＦＣ回路を概念的に示す回路図である。 ＰＦＣ回路を概念的に示す回路図である。 ＰＦＣ回路を概念的に示す回路図である。 ＰＦＣ回路を概念的に示す回路図である。 ＰＦＣ回路を概念的に示す回路図である。 ＰＦＣ回路を概念的に示す回路図である。 ＰＦＣ回路を概念的に示す回路図である。 ＰＦＣ回路を概念的に示す回路図である。 ＰＦＣ回路を概念的に示す回路図である。
符号の説明
１，２ａ〜２ｃ 電力変換装置
１１ 絶縁変圧器
２２，２３ 絶縁変圧器
３１，３２ コンバータ
１２１〜１２３，２２１〜２２３ 入力端子
１３１，１３２，２３１，２３２ 第１の出力端子
１４１，１４２，２４１，２４２ 第２の出力端子
２１３ 位置
３１１，３１２，３２１，３２２ 入力端
３１３，３１４，３２３，３２４ 出力端
Ｌ１，Ｌ５ １次コイル
Ｌ２，Ｌ４，Ｌ６ ２次コイル
Ｌ３ コイル
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ

Claims (8)

  1. インダクタンスが等しい１次コイル（Ｌ１）及び２次コイル（Ｌ２）を有する絶縁変圧器（１１）と、
    第１乃至第３の入力端子（１２１〜１２３）と、
    第１の出力端子の一対（１３１，１３２）と、
    第２の出力端子の一対（１４１，１４２）と
    を備え、
    前記第１の出力端子の一方（１３１）は、前記第１の入力端子（１２１）及び前記１次コイルの一端（１１１）に接続され、
    前記第１の出力端子の他方（１３２）は、前記第２の入力端子（１２２）及び前記２次コイルの一端（１１３）に接続され、
    前記第２の出力端子の一方（１４１）は、前記１次コイルの他端（１１２）及び前記２次コイルの他端（１１４）に接続され、
    前記第２の出力端子の他方（１４２）は、前記第３の入力端子（１２３）に接続され、
    前記１次コイルの前記一端側の極性は、前記２次コイルの前記他端側の極性に等しい、電力変換装置。
  2. 第１のコイル（Ｌ３）と、
    第１乃至第３の入力端子（２２１〜２２３）と、
    第１の出力端子の一対（２３１，２３２）と、
    第２の出力端子の一対（２４１，２４２）と
    を備え、
    前記第１の出力端子の一方（２３１）は、前記第１の入力端子（２２１）及び前記コイルの一端（２１１）に接続され、
    前記第１の出力端子の他方（２３２）は、前記第２の入力端子（２２２）及び前記コイルの他端（２１２）に接続され、
    前記第２の出力端子の一方（２４１）は、前記コイルの前記一端と前記他端との間の位置（２１３）で前記コイルに接続され、
    前記第２の出力端子の他方（２４２）は、前記第３の入力端子（２２３）に接続され、
    前記コイルの前記一端と前記位置との間のインダクタンスと、前記コイルの前記他端と前記位置との間のインダクタンスとが等しい、電力変換装置。
  3. 前記第１の出力端子の前記一対（２３１，２３２）と、前記第１及び前記第２の入力端子（２２１，２２２）との間に接続される第１の絶縁変圧器（２２）
    を更に備え、
    前記第１の出力端子の前記一対は、前記第１の絶縁変圧器の２次コイル（Ｌ４）の両端（２１４，２１５）に接続され、
    前記第１の絶縁変圧器は、前記第１のコイル（Ｌ３）を１次コイルとする、請求項２記載の電力変換装置。
  4. 第１のコンデンサ（Ｃ１）
    を更に備え、
    前記第１のコンデンサは、前記第１の絶縁変圧器（２２）の前記２次コイル（Ｌ４）の両端（２１４，２１５）の間に接続される、請求項３記載の電力変換装置。
  5. 前記第２の出力端子の前記一対（２４１，２４２）と、前記第３の入力端子（２２３）及び前記位置（２１３）との間に接続される第２の絶縁変圧器（２３）
    を更に備え、
    前記第３の入力端子及び前記位置は、前記第２の絶縁変圧器の１次コイル（Ｌ５）の両端（２３１，２３２）に接続され、
    前記第２の出力端子の前記一対は、前記第２の絶縁変圧器の２次コイル（Ｌ６）の両端（２３３，２３４）に接続される、請求項３または請求項４記載の電力変換装置。
  6. 第２のコンデンサ（Ｃ２）
    を更に備え、
    前記第２のコンデンサは、前記第２の絶縁変圧器の前記２次コイル（Ｌ６）の前記両端（２３３，２３４）の間に接続される、請求項５記載の電力変換装置。
  7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載の電力変換装置（１）と、
    一対の入力端（３１１，３１２；３２１，３２２）と一対の出力端（３１３，３１４；３２３，３２４）とを有する第１のコンバータ（３１；３２）と
    を備え、
    前記第１のコンバータの前記一対の前記入力端は、前記第１及び前記第２の出力端子のいずれか一方の前記一対（１３１，１３２；１４１，１４２）に接続される、電力変換システム。
  8. 一対の入力端（３２１，３２２；３１１，３１２）と一対の出力端（３２３，３２４；３１３，３１４）とを有する第２のコンバータ（３２；３１）
    を更に備え、
    前記第２のコンバータの前記一対の前記入力端は、前記第１及び前記第２の出力端子の他方の前記一対（１４１，１４２；１３１，１３２）に接続される、請求項７記載の電力変換システム。
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