JP2008178180A

JP2008178180A - 整流回路

Info

Publication number: JP2008178180A
Application number: JP2007007719A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Osawa; 博大沢; Hiroshi Shinohara; 博篠原; Kazuaki Mino; 和明三野; Iwao Kurata; 巌倉田
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-01-17
Filing date: 2007-01-17
Publication date: 2008-07-31

Abstract

【課題】低圧大容量用途に適した小形かつ安価な並列多重形の整流回路を提供する。
【解決手段】互いに絶縁され、出力電圧がほぼ３０度の位相差を持つ第１，第２の三相交流電源と、第１の三相交流電源の出力電圧が、結合リアクトル３の第１の入出力端子群を介して入力される第１の三相整流器１Ａと、第２の三相交流電源の出力電圧が、結合リアクトル３の第２の入出力端子群を介して入力される第２の三相整流器１Ｂとを備え、三相整流器１Ａ，１Ｂの直流側が並列接続された整流回路において、結合リアクトル３は、第１の入力端子群及び出力端子群を介して三相整流器１Ａに流入する電流と、第２の入力端子群及び出力端子群を介して三相整流器１Ｂに流入する電流との実効値が等しく、かつ、これらの電流の位相差がほぼ３０度の時に結合リアクトル３の鉄心に作用する起磁力がほぼゼロになるように複数の巻線が互いに磁気結合される。
【選択図】図１

Description

本発明は、低圧大容量の直流電源として好適な、並列多重形の整流回路に関するものである。

三相交流電力を直流電力に変換する電力変換器として、三相ブリッジ整流器がよく用いられている。三相ブリッジ整流器は電源の１サイクルに６回の転流を行うことから、その回路は６パルス整流回路とも呼ばれている。
更に、三相ブリッジ整流器を複数台組み合わせることにより、１２パルス整流回路または１８パルス整流回路などの多パルス整流回路を構成することができる。この種の多パルス整流回路は、転流回数が増えるため電源に流れる高調波電流を低減できると共に、大容量化が可能であることが良く知られている。

図５、図６は、ダイオードまたはサイリスタにより構成された２台の三相ブリッジ整流器からなる１２パルス整流回路の構成例を示しており、例えば、非特許文献１に記載された回路と原理的に同一である。
これらの図において、１Ａ，１Ｂはそれぞれ三相ブリッジ整流器である。２は一次巻線２１がデルタ結線、第１の二次巻線２２１がスター結線、第２の二次巻線２２２がデルタ結線され、両二次巻線２２１，２２２の出力電圧が３０度の位相差を持つ三巻線変圧器である。

図５の回路は、二台の三相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂが直列接続されてその両端が負荷（図示せず）に接続されており、主に高圧大容量用途に適している。
一方、図６の回路は、相間リアクトル６を介して二台の三相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂの直流回路が並列接続された並列多重１２パルス整流回路であり、主に低圧大容量用途に適している。ここで、相間リアクトル６は、並列接続された三相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂ間を流れる横流を抑制する作用を持っている。
図５，図６の何れの回路でも、第５次及び第７次の高調波が理想的には相殺されるので、電源の高調波を低減できるという特徴がある。

また、図７は、特許文献１に記載されている回路と原理的に同一の回路である。
この回路では、三相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂの交流側に、図５，図６に示したような三巻線変圧器２に代えて、一相あたり三つの巻線が磁気結合されたリアクトル３’が接続されている。このリアクトル３’では異なる相の巻線が互いに磁気結合されていることにより、リアクトル３’の入出力側において移相機能が生じる。これにより、二組のリアクトルの出力電圧が３０度の位相差を持つ電源を構成し、図６に示す回路と同様な並列多重１２パルス整流回路の機能を実現可能としている。以下では、上記リアクトル３’を結合リアクトルと呼ぶことにする。なお、図７において、４は直流電圧を平滑するための平滑コンデンサである。
この従来技術では、結合リアクトル３’が相間リアクトルの機能も併せ持つので、相間リアクトルは不要となる。

「電気工学ハンドブック（第６版）」，社団法人電気学会，２０編パワーエレクトロニクス、ｐ．８４６〜ｐ．８４７特開２０００−３５８３７２号公報（［００１７］〜［００２５］、図１等）

さて、金属の誘導加熱分野に適用されるインバータ用の直流電源、あるいは非鉄金属の製造に用いられる電解用の直流電源などでは、例えば電圧が数百Ｖ、出力が数千ｋＷ以上の低圧大容量の直流電源が必要になる。この直流電源は６ｋＶ級以上の高圧商用電源から得るのが望ましいため、降圧変圧器が必要になる。
これらの産業分野においては、例えば非特許文献１に記載された図６の回路を用い、三巻線変圧器２を降圧変圧器として使用すれば、低圧大容量の直流電源を実現することができ、電源の高調波を低減することも可能になる。

しかし、図６の回路を用いた低圧大容量の直流電源には、次のような問題がある。
６ｋＶ級以上の高圧から数百Ｖ級の電圧を得ようとすると、変圧器の二次巻線の巻数は必然的に多くできない。このため、変圧比の大きな降圧用の三巻線変圧器２ではスター側及びデルタ側の二組の二次電圧に実効値の誤差が生じやすくなる。この電圧実効値誤差は、二台の三相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂの直流電圧誤差となるが、相間リアクトル６ではこの直流電圧誤差を補償できないので、両整流器１Ａ，１Ｂ間を流れる直流成分の横流が大きくなる。この結果、大きな容量を持った整流器や変圧器が必要になる。

また、三巻線変圧器２の二次電流には第５及び第７高調波成分が多く含まれるが、これらの高調波成分は三巻線変圧器２の一次巻線２１によって相殺されるため、電源側に流出することはない。すなわち、非特許文献１の回路では、三巻線変圧器２の二次巻線の容量を決定する際に、二次電流の高調波成分を考慮した大きな容量とする必要があった。

一方、特許文献１に記載された従来技術は、前述のように変圧器及び相間リアクトルを不要としたことに特徴がある。
しかしながら、降圧用に変圧器を用いる場合には本回路の利点がなくなる。なぜならば、相間リアクトルは不要であるが、それよりも大形で高価な結合リアクトルが必要になるからである。その理由を、以下に詳細に説明する。

まず、第１の理由としては、図７に示した結合リアクトル３’が移相特性を持つことにある。電源電圧の移相、すなわち結合リアクトル３’の入力電圧に対して出力電圧の位相を変化させようとすると、結合リアクトル３’の入出力間には移相に伴った所定の第１の電圧が生じ、更には、高調波成分による第２の電圧が生じる。

これら第１，第２の電圧を加算した電圧と結合リアクトル３’を流れる電流との積により、結合リアクトル３’の容量が決まる。
一方、相間リアクトルには前記第１の電圧に相当する成分はない。単純化すると、第１の電圧分だけ、特許文献１の結合リアクトル３’は相間リアクトルに比較して容量が増加することになる。

更に、第２の理由は次の通りである。
二台の三相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂ間に流れようとする横流には、零相成分も存在する。この零相成分に対して横流の抑制効果を持たせようとすると、例えば三台の単相リアクトルが必要になる。このように、相間リアクトルを用いる場合に比べて機器台数が増えることが大形化の要因になる。

そこで、本発明の解決課題は、低圧大容量用途に適した小形かつ安価な並列多重形の整流回路を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、互いに絶縁され、かつ、出力電圧がほぼ３０度の位相差を持つ第１，第２の三相交流電源と、
第１の三相交流電源の出力電圧が、結合リアクトルの第１の入力端子群及び出力端子群を介して入力される第１の三相整流器と、
第２の三相交流電源の出力電圧が、前記結合リアクトルの第２の入力端子群及び出力端子群を介して入力される第２の三相整流器と、を備え、
第１，第２の三相整流器の直流端子が並列接続されてなる整流回路において、
前記結合リアクトルは、
第１の入力端子群及び出力端子群を介して第１の三相整流器に流入する電流と、第２の入力端子群及び出力端子群を介して第２の三相整流器に流入する電流と、の実効値が等しく、かつ、これらの電流の位相差がほぼ３０度のときに前記結合リアクトルの鉄心に作用する起磁力がほぼゼロになるように複数の巻線が互いに磁気結合されているものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した整流回路において、
前記結合リアクトルは三脚鉄心を備え、
前記三脚鉄心の個々の鉄心には、第１の三相交流電源のうちの一相の電圧が印加される第１巻線と、第２の三相交流電源のうちの一相の電圧が印加される第２巻線と、第２の三相交流電源のうちの他の一相の電圧が印加される第３巻線と、が巻装されているものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した整流回路において、
三相交流電圧が入力される一次巻線がデルタ結線あるいはスター結線され、前記結合リアクトルの第１の入力端子群に接続される第１の二次巻線がスター結線されると共に、前記結合リアクトルの第２の入力端子群に接続される第２の二次巻線がデルタ結線された三巻線変圧器を備え、
前記一次巻線と第１の二次巻線とにより第１の三相交流電源を構成し、かつ、前記一次巻線と第２の二次巻線とにより第２の三相交流電源を構成したものである。

請求項４に係る発明は、請求項１または２に記載した整流回路において、
三相交流電圧が入力される一次巻線がデルタ結線あるいはスター結線され、前記結合リアクトルの第１の入力端子群に接続される二次巻線がスター結線された第１の二巻線変圧器と、
三相交流電圧が入力される一次巻線がデルタ結線され、前記結合リアクトルの第２の入力端子群に接続される二次巻線がデルタ結線された第２の二巻線変圧器と、を備え、
第１の二巻線変圧器により第１の三相交流電源を構成し、かつ、第２の二巻線変圧器により第２の三相交流電源を構成したものである。

本発明によれば、第１，第２の三相整流器間を流れる横流を抑制すると共に、変圧器二次電流の高調波成分に起因する装置の大容量化を防ぎ、低圧大容量用途に適した小形かつ安価な並列多重形の整流回路を提供することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す回路図である。図１において、１Ａ，１Ｂは前記同様にダイオードからなる第１，第２の三相ブリッジ整流器、２は一次巻線２１がデルタ結線、第１の二次巻線２２１がスター結線、第２の二次巻線２２２がデルタ結線された三巻線変圧器、３は三巻線変圧器２の二次側と三相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂの交流側との間に接続された結合リアクトル、４は三相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂの直流側に接続された平滑コンデンサである。

次に、図２は上記結合リアクトル３の結線図であり、端子Ｕ_１〜Ｗ_１、Ｘ_１〜Ｚ_１、Ｕ_２〜Ｗ_２、及びＸ_２〜Ｚ_２は、図１の端子記号とそれぞれ同一のものを指している。ここで、端子Ｕ_１，Ｖ_１，Ｗ_１により第１の入力端子群が、端子Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１により第１の出力端子群が、端子Ｕ_２，Ｖ_２，Ｗ_２により第２の入力端子群が、端子Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２により第２の出力端子群が構成されるものとする。

図１からも明らかなように、三巻線変圧器２の第１の二次巻線２２１（一次巻線２１と相俟って第１の三相交流電源を構成する）に結合リアクトル３の端子Ｕ_１，Ｖ_１，Ｗ_１（第１の入力端子群）が接続され、三巻線変圧器２の第２の二次巻線２２２（一次巻線２１と相俟って第２の三相交流電源を構成する）に結合リアクトル３の端子Ｕ_２，Ｖ_２，Ｗ_２（第２の入力端子群）が接続されている。また、第１の二次巻線２２１の出力電圧と、第２の二次巻線２２２の出力電圧とは、図５，図６と同様に３０度の位相差を持っている。

図２の結合リアクトル３において、三脚鉄心３０を構成する各鉄心には、巻数がＮ_１の第１巻線３１、巻数がＮ_２の第２巻線３２、及び巻数がＮ_３の第３巻線３３が巻かれている。ここで、端子Ｕ_１，Ｘ_１の間には第１巻線３１が接続され、端子Ｕ_２，Ｘ_２の間には第２巻線３１及び第３巻線３３が接続されている。また、端子Ｕ_１に接続される第１巻線３１は、端子Ｕ_２に接続される第２巻線３２と逆極性に磁気結合していると共に、端子Ｖ_２に接続される第３巻線３３と同極性に磁気結合している。
他の端子Ｖ_１，Ｙ_１間、Ｖ_２，Ｙ_２間、及び、Ｗ_１，Ｚ_１間、Ｗ_２，Ｚ_２間における巻線の接続関係や磁気結合の極性も同様である。
ここで、巻数Ｎ_１〜Ｎ_３の比は、理想的には、Ｎ_１：Ｎ_２：Ｎ_３＝√３：１：１とする。

この実施形態によれば、結合リアクトル２の結線を図２のごとく構成することにより、端子Ｕ_１，Ｖ_１，Ｗ_１に接続された第１巻線３１に流れる三相電流と、端子Ｕ_２，Ｖ_２，Ｗ_２に接続された第２巻線３２及び第３巻線３３の直列回路に流れる三相電流とは、実効値が等しくなり、しかも、両者の位相差が３０度の時に、各鉄心に作用する合成起磁力はゼロになる。

ところで、複数の巻線が磁気結合した交流リアクトルは、鉄心の合成起磁力がゼロになるように各巻線に誘導起電力が発生する。このため、本実施形態の結合リアクトル３は、端子Ｕ_１，Ｖ_１，Ｗ_１に接続された第１巻線３１に流れる三相電流と、端子Ｕ_２，Ｖ_２，Ｗ_２に接続された第２巻線３２及び第３巻線３３の直列回路に流れる三相電流との実効値が等しく、かつ、両電流の位相差が３０度になるように作用する。

これにより、非特許文献１に係る従来技術と比べて、三巻線変圧器２の第１の二次巻線２２１の出力電圧と第２の二次巻線２２２の出力電圧との間に電圧誤差があった場合でも、第１，第２の三相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂの入力電流を平衡化できるため、整流器１Ａ，１Ｂ間の横流を抑制するための相間リアクトルが不要であると共に、直流成分の横流もほぼゼロにすることができる。

また、三巻線変圧器２の二次電流に含まれる第５及び第７高調波成分に対しては、結合リアクトル３の相互インダクタンスが平滑リアクトルとして作用するので、三巻線変圧器２の二次電流は第５及び第７高調波成分が少ない正弦波状の電流となる。
前述した如く、非特許文献１に係る従来技術では、第５及び第７高調波成分に起因して三巻線変圧器２が大容量化する傾向があり、装置の大型化や高価格化を招いていたが、本実施形態によれば、三巻線変圧器２の一次側、二次側の双方において高調波成分が低減されるため、三巻線変圧器２の容量を低減することができ、装置全体の小型化、低価格化が可能になる。

更に、結合リアクトル３の端子Ｕ_１，Ｖ_１，Ｗ_１に印加される三相電圧と、端子Ｕ_２，Ｖ_２，Ｗ_２に印加される三相電圧との間には、三巻線変圧器２の移相機能により３０度の位相差がある。このため、端子Ｕ_１，Ｖ_１，Ｗ_１に接続された第１巻線３１に流れる三相電流と、端子Ｕ_２，Ｖ_２，Ｗ_２に接続された第２巻線３２及び第３巻線３３の直列回路に流れる三相電流との位相差を３０度にすることに対して、本実施形態に係る結合リアクトル３は移相する電圧を必要としない。
従って、特許文献１に係る従来技術と比べた場合、結合リアクトル３に印加される電圧は小さくなり、結合リアクトル３の容量を小さくすることができる。

また、端子Ｕ_１，Ｖ_１，Ｗ_１に印加される三相電圧と、端子Ｕ_２，Ｖ_２，Ｗ_２に印加される三相電圧とは、三巻線変圧器２変圧器によって互いに絶縁されている。従って、各端子には零相電流が流れないので、結合リアクトル３には、図２に示した如く三脚鉄心３０を有する三相リアクトルを用いることができる。
すなわち、特許文献１のように例えば３台の単相リアクトルを使用する場合に比べて、結合リアクトル３の小型化が可能である。
なお、三巻線変圧器２の一次巻線２１の結線はスター結線でも良く、それによって前記効果は何ら変わらない。

次に、図３は本発明の第２実施形態を示す回路図であり、図１と同一の構成要素には同一の番号を付してある。
本実施形態では、図１における三巻線変圧器２に代えて、一般に入手・調達が容易な二巻線変圧器を２台用いている。すなわち、２Ａは一次巻線２１Ａがデルタ結線、二次巻線２２１がスター結線である第１の二巻線変圧器、２Ｂは一次巻線２１Ｂ及び二次巻線２２２が何れもデルタ結線である第２の二巻線変圧器である。結合リアクトル３を含めて他の構成及び動作は第１実施形態と同一であるため、これらの説明は省略する。

図４は、本発明の第３実施形態を示す回路図であり、図１，図３と同一の構成要素には同一の番号を付してある。
本実施形態では、図３における三相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂの直流端子が直流リアクトル５Ａ，５Ｂを介して並列接続されている。他の構成及び動作は第２実施形態と同一であるため、これらの説明は省略する。
本実施形態によれば、系統電源が三相非対称の場合に、直流リアクトル５Ａ，５Ｂによって非対称成分の電流を抑制する機能がある。

本発明の第１実施形態を示す回路図である。本発明の各実施形態に使用される結合リアクトルの結線図である。本発明の第２実施形態を示す回路図である。本発明の第３実施形態を示す回路図である。非特許文献１に記載された従来技術の回路図である。非特許文献１に記載された他の従来技術の回路図である。特許文献１に記載された従来技術の回路図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ：三相ブリッジ整流器
２：三巻線変圧器
２１，２１Ａ，２１Ｂ：一次巻線
２２１，２２２：二次巻線
２Ａ，２Ｂ：二巻線変圧器
３，３’：結合リアクトル
３０：三脚鉄心
３１：一次巻線
３２：二次巻線
３３：三次巻線
４：平滑コンデンサ
５Ａ，５Ｂ：直流リアクトル
６：相間リアクトル

Claims

互いに絶縁され、かつ、出力電圧がほぼ３０度の位相差を持つ第１，第２の三相交流電源と、
第１の三相交流電源の出力電圧が、結合リアクトルの第１の入力端子群及び出力端子群を介して入力される第１の三相整流器と、
第２の三相交流電源の出力電圧が、前記結合リアクトルの第２の入力端子群及び出力端子群を介して入力される第２の三相整流器と、を備え、
第１，第２の三相整流器の直流端子が並列接続されてなる整流回路において、
前記結合リアクトルは、
第１の入力端子群及び出力端子群を介して第１の三相整流器に流入する電流と、第２の入力端子群及び出力端子群を介して第２の三相整流器に流入する電流と、の実効値が等しく、かつ、これらの電流の位相差がほぼ３０度のときに前記結合リアクトルの鉄心に作用する起磁力がほぼゼロになるように複数の巻線が互いに磁気結合されていることを特徴とする整流回路。
請求項１に記載した整流回路において、
前記結合リアクトルは三脚鉄心を備え、
前記三脚鉄心の個々の鉄心には、第１の三相交流電源のうちの一相の電圧が印加される第１巻線と、第２の三相交流電源のうちの一相の電圧が印加される第２巻線と、第２の三相交流電源のうちの他の一相の電圧が印加される第３巻線と、が巻装されていることを特徴とする整流回路。
請求項１または２に記載した整流回路において、
三相交流電圧が入力される一次巻線がデルタ結線あるいはスター結線され、前記結合リアクトルの第１の入力端子群に接続される第１の二次巻線がスター結線されると共に、前記結合リアクトルの第２の入力端子群に接続される第２の二次巻線がデルタ結線された三巻線変圧器を備え、
前記一次巻線と第１の二次巻線とにより第１の三相交流電源を構成し、かつ、前記一次巻線と第２の二次巻線とにより第２の三相交流電源を構成したことを特徴とする整流回路。
請求項１または２に記載した整流回路において、
三相交流電圧が入力される一次巻線がデルタ結線あるいはスター結線され、前記結合リアクトルの第１の入力端子群に接続される二次巻線がスター結線された第１の二巻線変圧器と、
三相交流電圧が入力される一次巻線がデルタ結線され、前記結合リアクトルの第２の入力端子群に接続される二次巻線がデルタ結線された第２の二巻線変圧器と、を備え、
第１の二巻線変圧器により第１の三相交流電源を構成し、かつ、第２の二巻線変圧器により第２の三相交流電源を構成したことを特徴とする整流回路。