JP2007185019A - 整流回路及び三相整流装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】多重整流回路に与える複数組の三相電流を出力するための変圧器に流れる電流を、容易に正弦波に近づける。
【解決手段】ダイオードブリッジ31,32の出力段に、それぞれチョッパ41,42を設け、それらの出力側を平滑コンデンサ5に対して並列に接続する。チョッパ41,42の動作を制御することにより、ダイオードブリッジ31,32に入力させる電流を、相互に逆相の三角波、もしくは三相の中間相波形とする。
【選択図】図1

Description

この発明は整流技術に関し、特に多重整流と呼ばれる分野に関する。
インバータ機器の普及に伴い、整流器の負荷による高調波発生量が増大する傾向にある。このため、高調波電流に伴って電力系統の進相コンデンサやトランスが加熱し、あるいは破損する可能性が高まっている。このため、三相電源に基づいて得られる整流電流の、高調波を抑制することが要求されている(例えばJIS規格JISC61000-3-2など)。
通常の三相整流回路においては電流波形は一周期中に6個のステップが現れる。一般にnステップの電流波形において、高調波の内最も次数が小さいのは(n−1)次となる。そして基本波に対する高調波成分は1/nとなるので、5次、7次の高調波が大きく現れる。
そこで、高調波を抑制する技術が提案されており、例えば非特許文献1,2や特許文献1に紹介されている。これらは多重整流と呼ばれる技術が採用されており、非特許文献1,2では、一周期中に多相電流のおのおのが12パルス発生し、二つの整流回路が負荷に対して並列に接続される技術が開示されている(当該技術を以下、「12パルス整流」と称す)。また特許文献1では一周期中に多相電流のおのおのが18パルス発生し、三つの整流回路が負荷に対して並列に接続される技術が開示されている(当該技術を以下、「18パルス整流」と称す)。これらの技術を採用することにより、5次、7次または11次、13次調波成分が消去される。
非特許文献2では、12パルス整流での電流波形を改善するために、二つの整流回路の出力同士を結ぶ相間リアクトルに対して追加されたコイルを設けている。そして当該コイルに交流電流を流すことにより、相間リアクトルに電流を注入する。これにより、12パルスの電流を得るため変圧器に入力する電流波形を改善している。
なお、本実施の形態で後述されるチョッパについては非特許文献3に紹介されている。
特公昭59−15475公報 松本久男、「単巻変圧器接続による12パルス変換装置」、電気学会論文誌B、96巻8号、第406頁〜第412頁 Sewan Choi, P.N.Enjeti, H.Lee and I.L.Pitel: "A new active interphase reactor for 12-pulse rectifiers provides clean power utility interface", IEEE Trans. Ind. Applicat., volo.32, no.6, pp1304-1311 (1996) 平紗多賀男、「パワーエレクトロニクス」、共立出版株式会社、第77頁〜第90頁、1992年
しかしながら非特許文献2で示されるように、追加されたコイルによって電流を相間リアクトルへと注入してするためには、当該コイルに複雑な波形を流す必要がある。非特許文献2ではこの複雑な波形を避け、三角波をこのコイルに流しているが、これでは当然、入力電流に歪みが残る。また相間リアクトルに電流を注入するための装置が複雑であったり、別途に電圧源を必要とする。
この発明は上記の問題に鑑みてなされたものであって、多重整流回路に与える複数組の三相電流を出力するための変圧器に流れる電流を、容易に正弦波に近づける技術を提供することを目的とする。
この発明にかかる整流回路の第1の態様は、三個の入力端(31U、31V、31W)と、一対の出力端(31P,31N)とを有し、前記入力端に入力する電流(iu1,iv1,iw1)に対して全波整流を行って得られる第1の整流電流(id1)を一の前記出力端(31P)から出力する第1の三相ダイオードブリッジ(31)と、一対の出力端(41P,41N;43P,43N)を有し、第1のチョッパ動作を行って、基本周波数が第1の値である電流を前記第1の整流電流として入力する第1のチョッパ(41;43)と、三個の入力端(32U、32V、32W)と、一対の出力端(32P,32N)とを有し、前記入力端に入力する電流(iu2,iv2,iw2)に対して全波整流を行って得られる第2の整流電流(id2)を一の前記出力端(32P)から出力する第2の三相ダイオードブリッジ(32)と、一対の出力端(42P,42N;44P,44N)を有し、第2のチョッパ動作を行って、基本周波数が前記第1の値である電流を前記第2の整流電流として入力する第2のチョッパ(42;44)とを備える。そして前記第1のチョッパの前記一対の出力端と前記第2のチョッパの前記一対の出力端とは並列に接続される。
この発明にかかる整流回路の第2の態様は、その第1の態様であって、前記第1の三相ダイオードブリッジ(31)の前記入力端に接続され、前記入力端に入力する電流(iu1,iv1,iw1)が流れる相間リアクトル(71)を更に備える。
この発明にかかる整流回路の第3の態様は、その第1の態様又は第2の態様のいずれかであって、前記第1の三相ダイオードブリッジと前記第1のチョッパとの間に接続され、前記第1の整流電流(id1)が流れる相間リアクトル(72)を更に備える。
この発明にかかる整流回路の第4の態様は、その第1の態様であって、前記第1のチョッパ(43)は、前記第1の整流電流(id1)が流れる第1のインダクタ(411)と、前記第1のインダクタを介して前記第1の三相ダイオードブリッジ(31)の前記一の前記出力端(31P)に接続されたアノードと、前記第1のチョッパの前記出力端の一方(43P)に接続されたカソードとを有する第1のダイオード(413)と、前記第1の三相ダイオードブリッジの他の前記出力端(31N)に接続された第2のインダクタ(431)と、前記第2のインダクタを介して前記第1の三相ダイオードブリッジの前記他の前記出力端(31N)に接続されたカソードと、前記第1のチョッパの前記出力端の他方(43N)に接続されたアノードとを有する第2のダイオード(434)と、前記第1のダイオードのアノードに接続された第1端と、前記第2のダイオードのアノードに接続された第2端とを有し、前記第1端と前記第2端との間で開閉するスイッチング素子(412)とを含む。前記第2のチョッパ(44)は、前記第2の整流電流(id2)が流れる第3のインダクタ(421)と、前記第3のインダクタを介して前記第2の三相ダイオードブリッジ(32)の前記一の前記出力端(32P)に接続されたアノードと、前記第2のチョッパの前記出力端の一方(44P)に接続されたカソードとを有する第3のダイオード(423)と、前記第2の三相ダイオードブリッジの他の前記出力端(32N)に接続された第4のインダクタ(441)と、前記第4のインダクタを介して前記第2の三相ダイオードブリッジの前記他の前記出力端(32N)に接続されたカソードと、前記第2のチョッパの前記出力端の他方(44N)に接続されたアノードとを有する第4のダイオード(444)と、前記第3のダイオードのアノードに接続された第1端と、前記第4のダイオードのアノードに接続された第2端とを有し、自身の前記第1端と前記第2端との間で開閉するスイッチング素子(422)とを含む。
この発明にかかる整流回路の第5の態様は、その第1の態様乃至第4の態様のいずれかであって、前記第1のチョッパ及び前記第2のチョッパは、いずれも昇圧チョッパである。
この発明にかかる整流回路の第6の態様は、その第1の態様乃至第4の態様のいずれかであって、前記第1のチョッパ動作はキャリア周波数を有する第1の変調波に基づき、前記第2のチョッパ動作は前記キャリア周波数を有して前記第1の変調波とは逆相の第2の変調波に基づき、それぞれパルス幅変調によって制御される。
この発明にかかる整流回路の第7の態様は、その第1の態様乃至第6の態様のいずれかであって、前記第1のチョッパの前記出力端と前記第2のチョッパの前記出力端に対して並列に接続される平滑コンデンサ(5)を更に備える。
この発明にかかる整流回路の第8の態様は、その第1の態様乃至第7の態様のいずれかであって、前記第1の三相ダイオードブリッジ(31)の前記入力端(31U、31V、31W)には、前記第1の値の1/6である第2の値を基本周波数とし、当該基本周波数における120度の位相差を相互に有する第1の三相交流(iu1,iv1,iw1)が入力され、前記第2の三相ダイオードブリッジ(32)の前記入力端(31U、31V、31W)には、基本周波数が前記第2の値であり、当該基本周波数における120度の位相差を相互に有する第2の三相交流(iu2,iv2,iw2)が入力され、前記第1の三相交流と前記第2の三相交流との間には当該基本周波数における30度の位相差があり、前記第1の三相交流及び前記第2の三相交流の各々の波形は、(i)いずれも当該基本周波数における60度の位相長さに相当して連続する第1及び第2の区間の各々において山形を呈し、(ii)いずれも当該基本周波数における60度の位相長さに相当して連続する第3及び第4の区間の各々において連続する二つの60度の区間の各々において谷形を呈し、(iii)前記第1及び第2の区間、又は前記第3及び第4の区間を介して離れ、当該基本周波数における60度の位相長さに相当する第5及び第6の区間の各々において、前記山形及び前記谷型と比較して平坦な波形を呈する。
この発明にかかる整流回路の第9の態様は、その第8の態様であって、前記第1乃至第4区間において、前記第1の三相交流及び前記第2の三相交流の各々の波形は、三角波を呈する。
この発明にかかる整流回路の第10の態様は、その第8の態様であって、前記第1乃至第4区間において、前記第1の三相交流及び前記第2の三相交流の各々の波形は、0度乃至30度において正弦波形が呈する波形と相似な曲線及びこれと左右対称な波形とが合成された波形を呈する。
この発明にかかる三相整流装置の第1の態様は、この発明にかかる整流回路の第1乃至第10の態様のいずれかと、前記第1の値の1/6である第2の値を基本周波数として当該基本周波数における120度の位相差を相互に有する三相電流(iu,iv,iw)を入力し、当該三相電流の各々に対して当該基本周波数における15度の位相差を有する第1の三相交流(iu1,iv1,iw1)と、前記第1の三相電流に対して当該基本周波数における30度の位相差を有する第2の三相交流(iu2,iv2,iw2)とを出力する三相変圧器(2)とを含む。
この発明にかかる三相整流装置の第2の態様は、その第1の態様であって、前記三相変圧器(2)は、そのいずれもが一次巻線(211,221,231)と、前記一次巻線と結合し、中間タップが設けられた二次巻線(212,222,232)とを有する三個の単巻変圧器(21,22,23)を備え、三個の前記単巻変圧器の前記一次巻線同士はデルタ結線され、いずれの前記単巻変圧器の前記中間タップも、当該中間タップが属する前記二次巻線と結合する前記一次巻線とは異なる一対の前記一次巻線同士が接続される接続点(U,V,W)に接続される。
この発明にかかる三相整流装置の第3の態様は、その第1の態様であって、前記三相変圧器(2)は、各相に対応した三個の一次巻線(211,221,231)と、前記一次巻線のいずれとも結合し、いずれも中間タップが設けられた3個の二次巻線(212,222,232)とを備え、前記一次巻線同士はデルタ結線され、三個の前記中間タップは、一対の前記一次巻線同士が接続される三個所の接続点(U,V,W)に個別に接続される。
この発明にかかる整流回路の第1の態様、特に第8乃至第10の態様によれば、第1のチョッパの一対の出力端と第2のチョッパの一対の出力端に対して並列に平滑コンデンサを接続し、第1の値の1/6である第2の値を基本周波数とする第1の三相電流を第1の三相ダイオードブリッジに与え、第1の三相電流に対して30度の位相差を有する第2の三相電流を第2の三相ダイオードブリッジに与えるとき、第1及び第2の三相電流を出力するための変圧器に流れる電流を正弦波に近づけることができる。またチョッパを用いて制御を行うので、電圧の直流成分の制御が容易となる。
この発明にかかる整流回路の第2の態様及び第3の態様によれば、第1の三相電流に対応する中性点と、第2の三相電流に対応する中性点とが絶縁されておらず、第1の値の1/2である第3の値を基本周波数とする零相電圧が発生しても、零相電圧に基づいて流れる電流を抑制できる。
この発明にかかる整流回路の第4の態様によれば、相間リアクトルが不要となる。
この発明にかかる整流回路の第5の態様によれば、電圧の直流成分の制御が可能であり、電源電圧の波高値より高い直流電圧を得ることができる。
この発明にかかる整流回路の第6の態様によれば、キャリア周波数を有するリプルが低減される。
この発明にかかる整流回路の第7の態様によれば、出力電圧を平滑化することができる。
この発明にかかる三相整流装置の第1の態様乃至第3の態様によれば、第1の三相ブリッジ及び第2の三相ブリッジに対してそれぞれ適切な入力を与えることができる。
第1の実施の形態.
図1はこの発明の第1の実施の形態を説明に用いられる回路図である。第1の三相ダイオードブリッジ31、第2の三相ダイオードブリッジ32、第1のチョッパ41、第2のチョッパ42は、整流回路を構成する。当該整流回路を、平滑コンデンサ5を含めて把握してもよい。三相変圧器2は当該整流回路と共に三相整流装置を構成する。
三相変圧器2は、三相電源1からは三相電流iu,iv,iwを入力し、第1の三相交流iu1,iv1,iw1及び第2の三相交流iu2,iv2,iw2を出力する。
三相電源1はU相電源101、V相電源102、W相電源103を有しており、それぞれ三相電圧eu,ev,ewを発生する。またU相電源101、V相電源102、W相電源103は、それぞれ三相電流iu,iv,iwを供給する。
第1の三相ダイオードブリッジ31は三相電流iu1,iv1,iw1を入力し、第1の整流電流id1を出力する。第2の三相ダイオードブリッジ32は三相電流iu2,iv2,iw2を入力し、第2の整流電流id2を出力する。
図2は第1の三相ダイオードブリッジ31の構造を例示する回路図である。第1の三相ダイオードブリッジ31は、入力端31U、31V、31Wと、出力端32P,32Nとを有する。そして入力端31U、31V、31Wに入力する電流に対して全波整流を行って第1の整流電流id1を出力端32Pから出力する。本実施の形態において、入力端31U、31V、31Wには三相電流iu1,iv1,iw1が入力する。
図3は第2の三相ダイオードブリッジ32の構造を例示する回路図である。第2の三相ダイオードブリッジ32は、入力端32U、32V、32Wと、出力端32P,32Nとを有する。そして入力端32U、32V、32Wに入力する電流に対して全波整流を行って第2の整流電流id2を出力端32Pから出力する。本実施の形態において、入力端32U、32V、32Wには三相電流iu2,iv2,iw2が入力する。
第1のチョッパ41は、第1のチョッパ動作を行うことにより、基本周波数が第1の値である電流として第1の整流電流id1を入力する。そして第1の整流電流id1の一部を第1のチョッパ電流ic1として出力する。第2のチョッパ42は、第2のチョッパ動作を行うことにより、基本周波数が第1の値である電流として第2の整流電流id2を入力する。そして第2の整流電流id2の一部を第2のチョッパ電流ic2として出力する。
第1のチョッパ41及び第2のチョッパ42は本実施の形態において昇圧チョッパである。具体的には第1のチョッパ41は、出力端41P,41Nを有しており、第1のチョッパ電流ic1を出力端41Pから出力する。第1のチョッパ41は、第1の三相ダイオードブリッジ31の出力端31Pに接続されて第1の整流電流id1を入力するインダクタ411を有する。また絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)412のコレクタとダイオード413のアノードは共通に接続され、これらはインダクタ411を介して、出力端31Pに接続される。ダイオード413のカソードは出力端41Pに接続される。また出力端31N,41NはIGBT412のエミッタに共通に接続される。IGBT412はそのコレクタとエミッタ間で開閉するスイッチング素子として機能する。
第2のチョッパ42は、出力端41P,41N、インダクタ411、IGBT412、ダイオード413に対応して出力端42P,42N、インダクタ421、IGBT422、ダイオード423が設けられており、第2のチョッパ電流ic2を出力端42Pから出力する。
出力端41P,41Nは、出力端42P,42Nと並列に、更にまた平滑コンデンサ5にも並列に接続されている。負荷6は平滑コンデンサ5に並列に接続され、その両端電圧vdcが供給される。
上述のように、第1のチョッパ41及び第2のチョッパ42は平滑コンデンサ5に対して出力端が並列に接続されるので、第1のチョッパ電流ic1や第2のチョッパ電流ic2の電流が連続して電流源として作用する。また第1のチョッパ41及び第2のチョッパ42として昇圧型を採用することにより、三相電圧eu,ev,ewの波高値より高い直流電圧を得ることができる。また平滑コンデンサ5を設けることにより、出力電圧を平滑化することができる。
図4は三相変圧器2の詳細を示す回路図であり、例えば非特許文献1に例示されている。三相変圧器2は、三個の単巻変圧器21,22,23を備えている。単巻変圧器21はU相入力端UとW相入力端Wとの間に接続された一次巻線211、及びこれと結合して中間タップが設けられた二次巻線212を有する。二次巻線212は中間タップによって二次巻線2121,2122に区分される。当該中間タップはV相入力端Vと接続される。一次巻線211の巻回数n1に対して、二次巻線2121,2122のいずれも巻回数はn2であり、その比は式(1)で示される値が採用される。
Figure 2007185019
同様にして、単巻変圧器22はU相入力端UとV相入力端Vとの間に接続された一次巻線221、及びこれと結合して中間タップが設けられた二次巻線222を有する。二次巻線222は中間タップによって二次巻線2221,2222に区分される。当該中間タップはW相入力端Wと接続される。一次巻線221の巻回数n1に対して、二次巻線2221,2222のいずれも巻回数はn2である。
単巻変圧器23はW相入力端WとV相入力端Vとの間に接続された一次巻線231、及びこれと結合して中間タップが設けられた二次巻線232を有する。二次巻線232は中間タップによって二次巻線2321,2322に区分される。当該中間タップはU相入力端Uと接続される。一次巻線231の巻回数n1に対して、二次巻線2321,2322のいずれも巻回数はn2である。
一次巻線211,221,231はデルタ結線される。U相入力端U、V相入力端V、W相入力端Wにはそれぞれ三相電源1から三相電流iu,iv,iwが流入する。他方、一次巻線211にはW相入力端WからU相入力端Uへと電流iuwが流れ、一次巻線221にはU相入力端UからV相入力端Vへと電流ivuが流れ、一次巻線231にはV相入力端VからW相入力端Wへと電流iwvが流れる。ここで一次巻線231,211,221に流れる電流iwv,iuw,ivuについて式(2)が成立する。
Figure 2007185019
二次巻線212の中間タップから二次巻線2121,2122を介してそれぞれ電流iv1,iv2が出力され、二次巻線222の中間タップから二次巻線2221,2222を介してそれぞれ電流iw1,iw2が出力され、二次巻線232の中間タップから二次巻線2321,2322を介してそれぞれ電流iu1,iu2が出力される。よって式(3)が成立する。
Figure 2007185019
図5は三相変圧器2の各部の電圧を示すフェーザ図であり、非特許文献1に例示されている。三相電圧eu,ev,ewは、相互に120度の位相差を有しており、この順に位相が遅れる。そして二次巻線2321の中間タップとは反対側の電圧eu1は電圧euに対して、二次巻線2121の中間タップとは反対側の電圧ev1は電圧evに対して、二次巻線2221の中間タップとは反対側の電圧ew1は電圧ewに対して、それぞれ30度進相する。また二次巻線2322の中間タップとは反対側の電圧eu2は電圧euに対して、二次巻線2122の中間タップとは反対側の電圧ev2は電圧evに対して、二次巻線2322の中間タップとは反対側の電圧ew2は電圧ewに対して、それぞれ30度遅相する。
単巻変圧器23について見れば、一次巻線231にかかる電圧の絶対値Elは、電圧ev電圧ewの差の絶対値であり、二次巻線2322には絶対値a・Elの電圧が励起される。しかるにその中間タップはU相入力端Uが接続されており電圧euが印加されているので、電圧eu2と電圧euとの差の絶対値Etは絶対値a・Elと等しい。他の相についても同様である。
かかる電圧の関係は、単巻変圧器21,22,23の結合関係及び接続関係によって決定される。従って三相電圧eu,ev,ewが安定している限り、電流iu1,iv1,iw1,iu2,iv2,iw2の波形によらずに維持される。換言すればこれらの電流波形を制御することにより、三相変圧器2が三相電源1から入力する三相電流iu,iv,iwの波形を改善する余地がある。電流iu1,iv1,iw1,iu2,iv2,iw2は、第1のチョッパ41及び第2のチョッパ42の動作に基づいてこれらをどのように入力させるかによって制御できる。
以下ではまず、電流iu1,iv1,iw1,iu2,iv2,iw2の望ましい波形を例示し、そのような電流を第1のチョッパ41及び第2のチョッパ42の動作に基づいて入力させることができることを説明する。
図6は、電流iu1,iv1,iw1,iu2,iv2,iw2の望ましい波形i(θ)を示すグラフである。但し角度θは上記6個の電流によってその位相は異なる。具体的には波形i(θ)は式(4)で示される。
Figure 2007185019
波形i(θ)は概して以下のように説明できる。
(i)いずれも基本周波数における60度の位相長さに相当して連続する第1及び第2の区間(5π/3〜2πの区間と0〜π/3の区間)の各々において山形を呈し、
(ii)いずれも当該基本周波数における60度の位相長さに相当して連続する第3及び第4の区間(2π/3〜πの区間とπ〜4π/3の区間)の各々において連続する二つの60度の区間の各々において谷形を呈し、
(iii)前記第1及び第2の区間、又は前記第3及び第4の区間を介して離れ、当該基本周波数における60度の位相長さに相当する第5及び第6の区間(π/3〜2π/3の区間と4π/3〜5π/3の区間)の各々において、前記山形及び前記谷型と比較して平坦な波形を呈する。
式(4)をフーリエ展開して式(5)が得られる。
Figure 2007185019
式(5)から判るように、波形i(θ)はcosθという基本波成分を有し、偶数次、3n次、12n+1次、12−1次の成分は零となる。よってその主要な高調波成分は、奇数mを用いて、6m+1次と6m−1次とであることが判る。
式(5)の角度θを各相の位相差を考慮すると、電流iu1,iv1,iw1,iu2,iv2,iw2は式(6)と表される。但し三相電圧eu,ev,ewの角周波数ωとし、電圧euは時刻tの正弦関数sin(ωt)に比例するとした。
Figure 2007185019
図7は電流iu1,iu2を示すグラフである。但し電圧euの位相を基準とした。いずれもその最小値は−Idであり、最大値はIdである。図5のフェーザ図で示された電圧の位相関係に起因して、電流iu1,iu2はそれぞれ15度進相、15度遅相する。また図示を省略するが、図5のフェーザ図で示された電圧の位相関係に起因して、電流iu1,iv1,iw1は相互に120度の位相差を有し、電流iu2,iv2,iw2は相互に120度の位相差を有する。
また図8は第1の整流電流id1及び第2の整流電流id2の波形を、電圧euと共に示すグラフである。第1の整流電流id1は電流iu1,iv1,iw1を全波整流して得られるので、電圧euの基本周波数に換算して60度の周期で繰り返す略三角波を呈している。換言すれば、第1の三相ダイオードブリッジ31の入力端31U、31V、31Wに入力する三相交流iu1,iv1,iw1の基本周波数は、第1の整流電流id1の基本周波数の1/6である。
より正確には、電流iu1,iv1,iw1は式(6)で示される波形を有しているので、第1の整流電流id1で上昇している領域の波形は0≦θ≦π/6におけるsinθの波形を呈し、下降している領域の波形は5π/6≦θ≦πにおけるsinθの波形を呈する。つまり0度乃至30度において正弦波形が呈する波形と相似な曲線及びこれと左右対称な波形とが合成された波形を呈する。第2の整流電流id2についても同様である。このように、正弦波の最大相でもなく、最小相でもない領域の、中間相と通称される波形に基づいて構成された三角波様の波形を、ここでは三相交流中間相波形と称す。
式(2),(3),(6)から電流iuは式(7)で表される。これにより、電流iuは基本周波数成分のみを含むことが判る。電流iv,iwについても同様である。
Figure 2007185019
図9は式(2)(6)から電流iwvを求めて得られる波形を示すグラフである。図10は式(2),(3),(6),(7)から得られる電流(iu1+iu2),(−iuw+ivu),iuの波形を示すグラフである。
さて、上述のように、整流電流id1,id2は三角波に近いため、チョッパ41,42のチョッパ動作によってこれらの電流をそれぞれ三相ダイオードブリッジ31,32から入力させることができる。これにより三相ダイオードブリッジ31,32は三相変圧器2から電流iu1,iv1,iw1,iu2,iv2,iw2を入力させることができ、三相変圧器2は電流iu,iv,iwの高調波成分を除去することができる。
そこで次に、チョッパ41,42が整流電流id1,id2を入力するためのチョッパ動作を行う構成例について説明する。ここでは望まれる波形をパルス幅変調によって得る場合を例示する。
図11は図1に示された構成の抜粋を示す回路図であり、チョッパ動作の制御が依拠するパラメタを得る部分について示している。具体的には、インダクタ411,421をそれぞれ流れる整流電流id1,id2の値がそれぞれデータId1,Id2として検出され、平滑コンデンサ5の両端電圧vdcの値がデータVdcとして検出される。IGBT412,422のオン/オフを制御する信号T1,T2は、図中三角形で示されるバッファを介してIGBT412,422のゲートに与えられる。
図12はデータId1,Id2,Vdcに基づいて信号T1,T2を生成する構成を例示する回路図である。かかる構成は大まかに、電圧制御部81、電流指令発生部82、電流制御部83、PWM変調部84に区分できる。
電圧指令発生器801によって、所望する両端電圧vdcに対応した電圧指令値Vdc *が得られ、これはデータVdcと共に電圧制御部81に入力する。電圧制御部81において、演算器802が電圧指令値Vdc *とデータVdcとの差分を求め、PI制御器803及びリミッタ804による処理を行って電流指令発生部82へと出力する。
電流指令発生部82には三相交流中間相波形を発生する波形発生部805,806を備えており、いずれも三相交流中間相波形を発生する。但し波形発生部805,806が発生する波形は相互に逆相である。この逆相の関係は、図12において、波形発生部805,806に付記された○印の位置が相違することで示されている(極性の反転を指す記号ではない)。波形発生部805,806が発生する三相交流中間相波形は、その周波数が三相電圧eu,ev,ewの(従って電流iu1,iv1,iw1,iu2,iv2,iw2の)基本周波数の6倍であるため、当該基本周波数についてみれば、相互に30度の位相差があると見ることもできる。
電流指令発生部82では電圧指令発生器801の出力が乗算器807に入力され、波形発生部805の出力と乗算される。同様に、電圧指令発生器801の出力が乗算器808に入力され、波形発生部806の出力と乗算される。これらの乗算結果はそれぞれ整流電流id1,id2についての電流指令値Id1 *,Id2 *として電流制御部83へ出力される。
電流制御部83では演算器809が電流指令値Id1 *とデータId1との差分を求め、PI制御器810による処理を行ってPWM変調部84へと出力する。同様に、演算器811が電流指令値Id2 *とデータId2との差分を求め、PI制御器812による処理を行ってPWM変調部84へと出力する。
PWM変調部84は変調用キャリアCを発生するキャリア発生器813と、差動増幅器815,816を有している。差動増幅器815には変調用キャリアCとPI制御器810の出力とが与えられ、信号T1を生成する。差動増幅器816には変調用キャリアCとPI制御器812の出力とが与えられ、信号T2を生成する。これにより電流指令値Id1 *,Id2 *に相当する整流電流id1,id2電流を流して電圧指令値Vdc *に相当した両端電圧vdcが平滑コンデンサ5に発生するように、信号T1,T2がIGBT412,422のオン/オフを制御し、以てチョッパ41,42の動作が制御される。
第2の実施の形態.
図13はこの発明の第2の実施の形態を説明に用いられる回路図である。ここで示される構造は、第1の実施の形態で示された構造に対して、三相変圧器2と第1の三相ダイオードブリッジ31との間に介挿された相間リアクトル71が追加されている点が異なっている。
図2及び図4に即して言えば、第1の三相ダイオードブリッジ31の入力端31U,31V,31Wの各々は、それぞれ一つの相間リアクトルを介して、2次巻線2321,2121,2221に接続される。つまり相間リアクトル71には三相電流iu1,iv1,iw1が流れる。
第1の実施の形態では省略して説明していたが、一般に三相ダイオードブリッジの入力側の中性点と、出力側の中間電位との間には零相電圧が発生する。この電圧は入力側の三相電圧の基本周波数の3倍成分である。図2及び図5に即して言えば、第1の三相ダイオードブリッジ31において、入力端31U,31V,31Wの各々に与えられる三相電圧eu1,ev1,ew1の中性点電位と、出力端31P,31Nの間に印加される電圧の中間電位との間には、第1の整流電流id1の基本周波数の1/2の周波数で零相電圧が発生する。第2の三相ダイオードブリッジ32においても同様に零相電圧が発生する。
本発明のように並列に接続された多重整流回路を採用し、これらの整流回路に入力する二組の三相電流の供給側で二つの中性点が絶縁されていない場合、上記零相電圧に起因する電流(以下「零相電流」と称す)が発生する。これは零相電圧の発生に伴って三相電流が不平衡となるからである。
本実施の形態に即して言えば、図4から判るように、三相変圧器2は単巻変圧器21,22,23を採用して構成されているので、三相電流iu1,iv1,iw1及び三相電流iu2,iv2,iw2のそれぞれに対応する三相電圧eu1,ev1,ew1及び三相電流eu2,ev2,ew2(図5参照)の中性点は共通している。
そこで、相間リアクトル71を採用することにより、三相電流の不平衡に対して大きなインピーダンスを設け、零相電流をカットすることが望ましい。
図14は本実施の形態の変形を示す回路図であり、相間リアクトル72が第1の三相ダイオードブリッジ31と第1のチョッパ41との間に設けられている。これにより第1の整流電流id1は相間リアクトル72を流れる。具体的には第1の三相ダイオードブリッジ31の出力端31Pと、第1のチョッパ41のインダクタ411との間に介挿されたリアクトルに第1の整流電流id1が流れる。また第1の三相ダイオードブリッジ31の出力端31NとIGBT412のエミッタとの間にもリアクトルが設けられる。
かかる位置に配置された相間リアクトル72も、相間リアクトル71と同様に零相電流をカットすることができるので、設けることが望ましい。
上述の相間リアクトル71,72はいずれも第1の三相ダイオードブリッジ31に対応して設けられたが、第2の三相ダイオードブリッジ32に対応して、その入力側もしくは出力側に設けてもよい。
第3の実施の形態.
図15はこの発明の第3の実施の形態を説明に用いられる回路図である。ここで示される構造は、第1の実施の形態で示された構造に対して、第1のチョッパ41及び第2のチョッパ42を、それぞれ第1のチョッパ43及び第2のチョッパ44に置換した構成を有している。
第1のチョッパ43は第1のチョッパ41に対してインダクタ431及びダイオード43Nを追加して得られる構成を有している。具体的には、インダクタ431は第1の三相ダイオードブリッジ31の出力端3NとIGBT412のエミッタとの間に介挿される。またダイオード43Nは、そのアノードが出力端43Nに接続され、そのカソードがIGBT412のエミッタに接続される。第2のチョッパ44においてもインダクタ431及びダイオード43Nと同様に接続される、インダクタ441及びダイオード44Nが設けられる。
このような構成により、第1のチョッパ43及び第2のチョッパ44においては、それぞれ第1の三相ダイオードブリッジ31の負極側、第2の三相ダイオードブリッジ32の負極側に流れ込む電流をも制御可能であるので、零相電流が流れない。従って相間リアクトルを省略することができる。
第4の実施の形態.
第1の実施の形態で説明したように、整流電流id1,id2の波形を所望の波形とするためにパルス幅変調を採用した場合、変調用のキャリアCによるリップルが整流電流id1,id2に重畳する。これは電流iu1,iv1,iw1,iu2,iv2,iw2、引いては三相電流iu,iv,iwにおけるリップルをも招来する。そこで本実施の形態ではキャリアCによるリップルを軽減する態様を説明する。
図16は本実施の形態で採用され、データId1,Id2,Vdcに基づいて信号T1,T2を生成する構成を例示する回路図である。図12を用いて説明された第1の実施の形態におけるPWM変調部84とは異なり、本実施の形態では差動増幅器816に対してはキャリアCではなく、キャリアCとは逆相のキャリアDが与えられる。キャリアDはキャリア発生器814によって発生される。
つまり本実施の形態においては、第1のチョッパ31の動作はキャリアCに基づき、第2のチョッパ32の動作はキャリアCと同じキャリア周波数であってこれとは逆相のキャリアDに基づき、それぞれパルス幅変調によって制御される。このようにすれば、整流電流id1,id2において、キャリア周波数を有するリプルが相殺される。
図17は第3の実施の形態で説明された回路を用いた場合に、データId1,Id2,Vdcが取得される態様を示す回路図であり、図11に対応する。
図18は図12に示された構成及び図17に示された構成を用いた場合の電流iu1,iu2,iuの値を例示するグラフである。図19は図16に示された構成及び図17に示された構成を用いた場合の電流iu1,iu2,iuの値を例示するグラフである。図18のグラフと比較して、図19のグラフではリプルが低減されていることが判る。
図20は本実施の形態の変形を示す回路図であり、データId1,Id2,Vdcに基づいて信号T1,T2を生成する構成を例示する回路図である。図16を用いて説明された構成とは異なり、電流指令発生部82においては波形発生部806及び乗算器808は省略され、移相器817が追加されている。移相器817は、乗算器807が出力する電流指令値Id1 *を15度移相する。これにより、移相器817は電流指令値Id1 *に対して逆相となる電流指令値Id2 *を出力することになる。
このように構成することにより、キャリア発生器814がキャリア発生器813と同じキャリアCを発生してPWM変調を行った場合には、図12で示された構成と同様に信号T1,T2が生成される。この場合、図12と同様にしてキャリア発生器814はキャリア発生器813とマージすることができる。
またキャリア発生器814がキャリア発生器813と逆送のキャリアDを発生してPWM変調を行った場合には、図16で示された構成と同様に信号T1,T2が生成され、整流電流id1,id2において、キャリア周波数を有するリプルが相殺される。
変形.
上記の説明において、三相電流iu1,iv1,iw1は三相電流iu2,iv2,iw2に対してそれぞれ15度進相している場合を説明したが、遅相していても同様に本発明を構成することができる。
また、第1の整流電流id1及び第2の整流電流id2として三相交流中間相波形を提案したが、通常の三角波で代用してもよい。この場合、チョッパ41〜44の制御が容易である。
また、三相変圧器2として3個の単巻変圧器21,22,23を採用した構成を例示したが、本発明の適用はこれに限定されない。一次巻線211,221,231と二次巻線212,222,232とが相互に結合する三相変圧器を採用することもできる。例えば三個の一次巻線211,221,231と、これらと結合する3個の二次巻線212,222,232を備えた三相変圧器を採用できる。二次巻線212,222,232はいずれも中間タップが設けられる。そして一次巻線211,221,231同士はデルタ結線され、三個の中間タップは、一次巻線212,222同士が接続される接続点、一次巻線222,232同士が接続される接続点、一次巻線232,212同士が接続される接続点に、個別に接続される。かかる三相変圧器は例えば、非特許文献2のFig.7に例示されている。
この発明の第1の実施の形態を説明に用いられる回路図である。 第1の三相ダイオードブリッジ31の構造を例示する回路図である。 第2の三相ダイオードブリッジ32の構造を例示する回路図である。 三相変圧器2の詳細を示す回路図である。 三相変圧器2の各部の電圧を示すフェーザ図である。 各電流の望ましい波形を示すグラフである。 電流の波形を示すグラフである。 第1及び第2の整流電流の波形を示すグラフである。 電流の波形を示すグラフである。 電流の波形を示すグラフである。 図1に示された構成の抜粋を示す回路図である。 各データに基づいて信号を生成する構成を例示する回路図である。 この発明の第2の実施の形態を説明に用いられる回路図である。 この発明の第2の実施の形態の変形を示す回路図である。 この発明の第3の実施の形態を説明に用いられる回路図である。 この発明の第4の実施の形態において、各データに基づいて信号を生成する構成を例示する回路図である。 この発明の第3の実施の形態で説明された回路を用いた場合に、各データが取得される態様を示す回路図である。 図12に示された構成及び図17に示された構成を用いた場合の電流値を例示するグラフである。 図16に示された構成及び図17に示された構成を用いた場合の電流値を例示するグラフである。 この発明の第4の実施の形態の変形を示す回路図である。
符号の説明
2 三相変圧器
21,22,23 単巻変圧器
211,221,231 一次巻線
212,222,232 二次巻線
31,32 三相ダイオードブリッジ
31P,31N,41P,41N 出力端
31U,31V,31W,32U,32V,32W 入力端
41〜44 チョッパ
411,421,431,441 インダクタ
413,423,434,444 ダイオード
412,422 スイッチング素子
5 平滑コンデンサ

Claims (13)

  1. 三個の入力端(31U、31V、31W)と、一対の出力端(31P,31N)とを有し、前記入力端に入力する電流(iu1,iv1,iw1)に対して全波整流を行って得られる第1の整流電流(id1)を一の前記出力端(31P)から出力する第1の三相ダイオードブリッジ(31)と、
    一対の出力端(41P,41N;43P,43N)を有し、第1のチョッパ動作を行って、基本周波数が第1の値である電流を前記第1の整流電流として入力する第1のチョッパ(41;43)と、
    三個の入力端(32U、32V、32W)と、一対の出力端(32P,32N)とを有し、前記入力端に入力する電流(iu2,iv2,iw2)に対して全波整流を行って得られる第2の整流電流(id2)を一の前記出力端(32P)から出力する第2の三相ダイオードブリッジ(32)と、
    一対の出力端(42P,42N;44P,44N)を有し、第2のチョッパ動作を行って、基本周波数が前記第1の値である電流を前記第2の整流電流として入力する第2のチョッパ(42;44)と
    を備え、
    前記第1のチョッパの前記一対の出力端と前記第2のチョッパの前記一対の出力端とは並列に接続されることを特徴とする整流回路。
    を備える整流回路。
  2. 前記第1の三相ダイオードブリッジ(31)の前記入力端に接続され、前記入力端に入力する電流(iu1,iv1,iw1)が流れる相間リアクトル(71)
    を更に備える、請求項1記載の整流回路。
  3. 前記第1の三相ダイオードブリッジと前記第1のチョッパとの間に接続され、前記第1の整流電流(id1)が流れる相間リアクトル(72)
    を更に備える、請求項1乃至請求項2のいずれか一つに記載の整流回路。
  4. 前記第1のチョッパ(43)は、
    前記第1の整流電流(id1)が流れる第1のインダクタ(411)と、
    前記第1のインダクタを介して前記第1の三相ダイオードブリッジ(31)の前記一の前記出力端(31P)に接続されたアノードと、前記第1のチョッパの前記出力端の一方(43P)に接続されたカソードとを有する第1のダイオード(413)と、
    前記第1の三相ダイオードブリッジの他の前記出力端(31N)に接続された第2のインダクタ(431)と、
    前記第2のインダクタを介して前記第1の三相ダイオードブリッジの前記他の前記出力端(31N)に接続されたカソードと、前記第1のチョッパの前記出力端の他方(43N)に接続されたアノードとを有する第2のダイオード(434)と、
    前記第1のダイオードのアノードに接続された第1端と、前記第2のダイオードのアノードに接続された第2端とを有し、前記第1端と前記第2端との間で開閉するスイッチング素子(412)と
    を含み、
    前記第2のチョッパ(44)は、
    前記第2の整流電流(id2)が流れる第3のインダクタ(421)と、
    前記第3のインダクタを介して前記第2の三相ダイオードブリッジ(32)の前記一の前記出力端(32P)に接続されたアノードと、前記第2のチョッパの前記出力端の一方(44P)に接続されたカソードとを有する第3のダイオード(423)と、
    前記第2の三相ダイオードブリッジの他の前記出力端(32N)に接続された第4のインダクタ(441)と、
    前記第4のインダクタを介して前記第2の三相ダイオードブリッジの前記他の前記出力端(32N)に接続されたカソードと、前記第2のチョッパの前記出力端の他方(44N)に接続されたアノードとを有する第4のダイオード(444)と、
    前記第3のダイオードのアノードに接続された第1端と、前記第4のダイオードのアノードに接続された第2端とを有し、自身の前記第1端と前記第2端との間で開閉するスイッチング素子(422)と
    を含む、請求項1記載の整流回路。
  5. 前記第1のチョッパ及び前記第2のチョッパは、いずれも昇圧チョッパである、請求項1乃至請求項4のいずれか一つに記載の整流回路。
  6. 前記第1のチョッパ動作はキャリア周波数を有する第1の変調波に基づき、前記第2のチョッパ動作は前記キャリア周波数を有して前記第1の変調波とは逆相の第2の変調波に基づき、それぞれパルス幅変調によって制御される、請求項1乃至請求項4のいずれか一つに記載の整流回路。
  7. 前記第1のチョッパの前記出力端と前記第2のチョッパの前記出力端に対して並列に接続される平滑コンデンサ(5)
    を更に備える請求項1乃至請求項6のいずれか一つに記載の整流回路。
  8. 前記第1の三相ダイオードブリッジ(31)の前記入力端(31U、31V、31W)には、前記第1の値の1/6である第2の値を基本周波数とし、当該基本周波数における120度の位相差を相互に有する第1の三相交流(iu1,iv1,iw1)が入力され、
    前記第2の三相ダイオードブリッジ(32)の前記入力端(31U、31V、31W)には、基本周波数が前記第2の値であり、当該基本周波数における120度の位相差を相互に有する第2の三相交流(iu2,iv2,iw2)が入力され、
    前記第1の三相交流と前記第2の三相交流との間には当該基本周波数における30度の位相差があり、
    前記第1の三相交流及び前記第2の三相交流の各々の波形は、
    (i)いずれも当該基本周波数における60度の位相長さに相当して連続する第1及び第2の区間の各々において山形を呈し、
    (ii)いずれも当該基本周波数における60度の位相長さに相当して連続する第3及び第4の区間の各々において連続する二つの60度の区間の各々において谷形を呈し、
    (iii)前記第1及び第2の区間、又は前記第3及び第4の区間を介して離れ、当該基本周波数における60度の位相長さに相当する第5及び第6の区間の各々において、前記山形及び前記谷型と比較して平坦な波形を呈する
    ことを特徴とする、請求項1乃至請求項7のいずれか一つに記載の整流回路。
  9. 前記第1乃至第4区間において、前記第1の三相交流及び前記第2の三相交流の各々の波形は、三角波を呈する、請求項8記載の整流回路。
  10. 前記第1乃至第4区間において、前記第1の三相交流及び前記第2の三相交流の各々の波形は、0度乃至30度において正弦波形が呈する波形と相似な曲線及びこれと左右対称な波形とが合成された波形を呈する、請求項8記載の整流回路。
  11. 請求項1乃至請求項10のいずれか一つに記載の整流回路と、
    前記第1の値の1/6である第2の値を基本周波数として当該基本周波数における120度の位相差を相互に有する三相電流(iu,iv,iw)を入力し、当該三相電流の各々に対して当該基本周波数における15度の位相差を有する第1の三相交流(iu1,iv1,iw1)と、前記第1の三相電流に対して当該基本周波数における30度の位相差を有する第2の三相交流(iu2,iv2,iw2)とを出力する三相変圧器(2)と
    を含む三相整流装置。
  12. 前記三相変圧器(2)は、そのいずれもが一次巻線(211,221,231)と、前記一次巻線と結合し、中間タップが設けられた二次巻線(212,222,232)とを有する三個の単巻変圧器(21,22,23)を備え、
    三個の前記単巻変圧器の前記一次巻線同士はデルタ結線され、
    いずれの前記単巻変圧器の前記中間タップも、当該中間タップが属する前記二次巻線と結合する前記一次巻線とは異なる一対の前記一次巻線同士が接続される接続点(U,V,W)に接続される、請求項11記載の三相整流装置。
  13. 前記三相変圧器(2)は、
    各相に対応した三個の一次巻線(211,221,231)と、
    前記一次巻線のいずれとも結合し、いずれも中間タップが設けられた3個の二次巻線212,222,232)とを備え、
    前記一次巻線同士はデルタ結線され、
    三個の前記中間タップは、一対の前記一次巻線同士が接続される三個所の接続点(U,
    V,W)に個別に接続される、請求項11記載の三相整流装置。
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