JP2010193628A - 三相電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置の出力端子間、すなわち、直流負荷の接続端子間には、直流出力電力のリプル分を吸収するために、大容量の大型コンデンサを接続しなければならないという問題があった。
【解決手段】チョッパ回路２は、三相整流部１の整流出力端間に直列接続されるリアクトル３およびスイッチングトランジスタ５を含む。注入高調波発生器１０３は、所定の注入位相および振幅を有する６次高調波成分を発生する。スイッチング制御回路８〜１２，１３，１０４は、直流負荷１４に供給される直流電圧Ｖ_ＤＣに対応した第１信号Ｓ_Ａと、注入高調波発生器１０３から発生される高調波成分に対応した第２信号Ｓ_Ｂとに基づいて決定される制御電流値（＝第３信号Ｓ_Ｃ）に応答して、スイッチングトランジスタ５の通過電流を断続制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、三相交流電源から直流電力を負荷に供給する三相電力変換装置に関するものである。

従来から、三相交流電源から直流電力を負荷に供給する際に、力率および高調波電流の低減を図る技術が知られている。この種の三相電力変換装置の一つとして、特許文献１に記載されている電力変換装置がある。

特許文献１に記載されている電力変換装置は、単相交流電源および三相交流電源のどちらにも接続可能なように、単相電圧／三相電圧の検知結果に基づいて、単相入力時および三相入力時にそれぞれ別個の電流制御を行うものである。すなわち、単相入力であるか三相入力であるかをまず判別し、三相入力時には、単相入力時に力率の改善および高調波電流を低減するために使用しているチョッパを用いて、定電流制御を行っている。

特開平６−７０５４７号公報

しかしながら、単相／三相交流電源に接続可能な上記の電力変換装置において、三相電力入力時にはチョッパによる定電流制御を行っているだけであるので、チョッパから供給される直流出力電力には、電源周波数（例えば５０Ｈｚ）の６倍の周波数（例えば３００Ｈｚ）をもつ大きな電力リプル分が含まれることになる。

その結果として、この電力変換装置の出力端子間（すなわち、直流負荷の接続端子間）には、直流出力電力のリプル分を吸収するために、大容量の大型コンデンサを接続しなければならないという問題があった。換言すると、直流出力電力のリプル分が大きい場合には、出力端子間に接続するコンデンサの容量を大きくすることにより出力電圧に含まれる電圧リプル分を小さくすることが可能になるが、大容量の大型コンデンサが必須になるという問題があった。

請求項１に記載の発明は、三相交流電源に接続される三相入力端、および、整流出力を後段に供給する一対の整流出力端を有する三相整流部と、前記一対の整流出力端の間に直列接続されるリアクトルおよびスイッチング素子を含み、前記三相整流部から負荷に供給する直流電力を調整する直流電力調整部と、前記三相交流電源に含まれる６・Ｎ次高調波（Ｎ＝１，２，・・・）のうち、少なくとも、所定の注入位相および振幅を有する６次高調波成分を発生する注入高調波発生部と、前記負荷に供給される直流電圧に対応した第１の制御値と、前記注入高調波発生部から発生される高調波成分に対応した第２の制御値とに基づいて決定される制御電流値に応答して、前記スイッチング素子の通過電流を断続制御するスイッチング制御部とを備える三相電力変換装置である。

本発明に係る三相電力変換装置によれば、直流出力電力の電力リプル分を小さくすることができるので、直流負荷の前段側に並列接続するコンデンサの容量を小さくしたとしても、直流負荷に印加される電圧の電圧リプル分を小さくすることができる。
その結果、小型コンデンサの使用および電源力率の改善効果とあいまって、三相電力変換装置全体の小型化を実現することができる。

本発明を適用した三相電力変換装置の全体構成図である。 図１に示した三相電力変換装置の相電圧，相電流，一相電力，三相電力を示すシミュレーション線図である。 図３は、図１に示した回路構成から従来技術に相当する部分のみを抽出して描いた回路図である。 図３に示した三相電力変換装置の相電圧，相電流，一相電力，三相電力を示すシミュレーション線図である。 ６次高調波成分および１２次高調波成分を相電流に重畳させた構成例を示す回路図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

＜実施の形態＞
図１は、本発明を適用した三相電力変換装置の全体構成図である。本図において、１は三相交流電源に接続された三相整流部である。この三相整流部１を接続する三相交流電源は、商用三相電源に限らず、可搬型発電機などから供給される三相電源などであってもよいことは勿論である。２は直流電力調整部として機能するチョッパ回路であり、三相整流部１の直流出力端子（＋）に接続された直流リアクトル３と、直流リアクトル３の他端に接続されたダイオード４およびスイッチング用トランジスタ５と、ダイオード４の後段（直流負荷１４の前段）に接続されているコンデンサ６とから構成されている。

７は直流電圧検出器であり、コンデンサ６の端子間電圧Ｖ_ＤＣ（すなわち、直流負荷１４に供給される直流電圧）を検出する。８は減算器であり、予め設定されている固定電圧（Ｖ_ＤＣSET）と上記電圧Ｖ_ＤＣとの偏差を求める。９は誤差増幅器であり、第１信号Ｓ_Ａを出力する。

１０は掛算器であり、誤差増幅器９から出力された第１信号Ｓ_Ａと、次に説明する第２信号Ｓ_Ｂとを乗算することにより、第３信号Ｓ_Ｃを出力する。この第３信号Ｓ_Ｃは、整流部１から出力される直流電流を制御するための制御電流値を規定する（後に詳述する）。

上述した第２信号Ｓ_Ｂを形成するための回路構成について説明する。第２信号Ｓ_Ｂを形成するために、本実施の形態では、三相交流電源の相電圧を検出する変成器１０１と、変成器１０１により検出された電圧の位相に基づいてωｔ（ωは、電源角周波数）および６次高調波に関する６ωｔを生成する周波数成分生成器１０２と、後に説明する注入高調波成分ｍ・sin（６ωｔ＋θ）を発生する注入高調波発生器１０３と、加算器１０４とを用いる。

加算器１０４は、予め設定した基準設定値（＝１）と、注入高調波成分ｍ・sin（６ωｔ＋θ）とを加算して第２信号Ｓ_Ｂを出力する。なお、本実施の形態においては基準設定値を１としたが、１に限定されないことは勿論である。

周波数成分生成器１０２は、電源位相検出部１０２Ａおよび６次高調波成分生成部１０２Ｂを備えている。電源位相検出部１０２Ａにおいては、変成器１０１により検出された電源電圧の位相に基づいて基準位相を確定すると同時にωｔ成分を検出する。６次高調波成分生成部１０２Ｂは、ωｔを６逓倍して６次高調波に関する６ωｔを求めるマルチプライヤとして機能する。

注入高調波発生器１０３は、注入位相θを設定する注入位相設定部１０３Ａと、周波数成分生成器１０２から出力された６ωｔと注入位相θとを加算して（６ω＋θ）を求める加算部１０３Ｂと、加算部１０３Ｂの出力に基づいてsin(６ωｔ＋θ)を生成するサイン波生成部１０３Ｃと、高調波成分の注入量（すなわち、サイン波形の振幅値）を設定する注入量設定部１０３Ｅとを備えている。

以上の構成により、加算器１０４から第２信号Ｓ_Ｂが出力され、掛算器１０の一方の入力信号となる。掛算器１０に入力される他の信号（＝第１信号Ｓ_Ａ）は、直流負荷１４の入力電圧Ｖ_ＤＣに依存しているので、掛算器１１から出力される第３信号Ｓ_Ｃは、ある直流成分に６次高調波成分が重畳した信号となる。特に、直流負荷１４がほぼ一定の負荷状態にあるときには、第１信号Ｓ_Ａもほぼ一定値を保つことになるので、第３信号Ｓ_Ｃは、ほぼ一定値の直流成分に６次高調波成分が重畳した信号となる。

掛算器１０から出力された第３信号Ｓ_Ｃは、周知のヒステリシス特性をもつコンパレータ１１に入力される。コンパレータ１１の他方の入力端には、三相整流部１に還流する電流（＝三相整流部１からの出力電流）を検出するために変流器１３から出力された第４信号Ｓ_Ｄ（電流検知信号）を入力する。変流器１３として、本実施の形態では、ホール素子を備えた直流ＣＴを用いる。

コンパレータ１１では、第３信号Ｓ_Ｃの大きさと第４信号Ｓ_Ｄの大きさを比較して、第５信号Ｓ_Ｅを出力する。すなわちコンパレータ１１は、変流器１３により検知された瞬時電流値（＝第４信号Ｓ_Ｄ）が第３信号Ｓ_Ｃに追従するような第５信号Ｓ_Ｅを出力する。コンパレータ１１から出力された第５信号Ｓ_Ｅは、ゲートインタフェース１２を介して第６信号Ｓ_Ｆとなり、スイッチング素子であるトランジスタ５のゲートを開閉制御する。

より具体的に述べると、第４信号Ｓ_Ｄが第３信号Ｓ_Ｃより小さいとき、コンパレータ１１から出力される第５信号Ｓ_Ｅはゲートインタフェース１２を介してトランジスタ５のゲートに印加され、トランジスタ５をオン（点弧）する。トランジスタ５がオン（点弧）すると、三相整流部１の直流出力端子はリアクトル３を通して短絡されることになるので、三相整流部１の出力電流が増大する方向に動作する。これとは逆に、第４信号Ｓ_Ｄが第３信号Ｓ_Ｃより大きいときには、トランジスタ５がオフ（消弧）する。トランジスタ５がオフ（消弧）すると、三相整流部１からの直流出力電流はリアクトル３およびダイオード４を通過してコンデンサ６および負荷１４へ流入する。ここで、直流電圧設定値Ｖ_ＤＣSETは、三相整流部１の整流出力電圧より高く設定されているので、三相整流部１の出力電流は減少する方向に動作する。このようにして、三相整流部１からの出力電流は、第３信号Ｓ_Ｃにより規定される制御電流値に近づくよう制御される。

以上述べた通り、掛算器１０から出力された第３信号Ｓ_Ｃを制御電流値とした帰還電流制御が行われる。その結果、三相整流部１から出力される電流の瞬時値は、６次の電源高調波成分を含んだ電流となるように制御される。

注入高調波発生器１０３から発生される注入高調波成分ｍ・sin（６ωｔ＋θ）において、注入位相θおよび注入量ｍを変化させると、コンデンサ６および直流負荷１４に供給される瞬時電力を示す直流出力電力波形も変化する。その結果として、６次の高調波電流を相電流に重畳させない従来例（特許文献１参照）に比較して、直流出力電力の高調波含有率を低減させることができる。この点に関して、図２〜図４を参照しながら更に詳述する。

図２は、注入高調波成分ｍ・sin（６ωｔ＋θ）の注入位相θをπ／３（rad)とし、且つ注入率ｍを−０．０５とした場合の相電圧，相電流，一相電力，三相電力（コンデンサ６および直流負荷１４に供給される直流出力電力）を示したシミュレーション線図である。このシミュレーションは、（１）交流負荷１４および交流入力電圧が定常状態にあり、（２）三相交流電源の出力インピーダンスについては無視し、（３）三相整流部１における転流重なり角は０であると仮定し、（４）チョッパ回路２のスイッチング周波数を十分に高くすることにより、スイッチング周波数に起因した整流出力電流は無視できる、との条件のもとに行ったものである。

図３は、図１に示した実施の形態から従来技術に相当する部分のみを抽出して描いた回路図である。すなわち、図３は特許文献１に開示されている技術のうち、三相電力変換装置に関連した部分のみを描いた回路図である。図１に示した実施の形態と同様の機能を有する回路要素には、図１と同じ符号を付してある。先に説明した図１とこの図３とを比較することから明らかなように、図３には、図１に示した変成器１０１，周波数成分生成器１０２，注入高調波発生器１０３，加算器１０４が含まれていない。

この図３において、掛算器１０には基準設定値（＝１）を表す第２信号Ｓ_Ｂ’が入力されているだけであるので、掛算器１０から出力される第３信号Ｓ_Ｃ’は一定値の信号となる。その結果として、変流器１３からは一定の電流値が検知されるように定電流制御が行われる。そこで、図２に示した相電流と同じ電気角となるように相電流を定電流制御すると、図４に示すような相電圧，相電流，一相電力，三相電力（コンデンサ６および直流負荷１４に供給される直流出力電力）が得られる。

先に示した図２（本実施の形態）と、この図４（従来技術）の縦軸はいずれも正規化したスケールを付してある。すなわち、相電圧についてみると、図２および図４の左縦軸に示すように、どちらも最大振幅は±１である。一方、相電流についてみると、図４（従来技術）では±１の定電流であるのに対して、図２（本実施の形態）では±１の定電流に６次高調波成分が重畳されている。一相電力については、図４（従来技術）の右縦軸に示すように、ピーク電力値を１としてある。したがって、図２（本実施の形態）に示す一相電力のピーク値は、相電流に６次高調波成分が重畳されているので、１を超えている。

これら図２（本実施の形態）と、図４（従来技術）を比較すると、直流出力電力に含まれている電力リプル分に大きな差異があることが判明する。この差異は、直流出力電力の平均値と、直流出力電力の変動幅（＝最大電力と最小電力の差）について、これら両図を比較すると明らかになる。すなわち、図２（本実施の形態）においては、電力平均値が約１．６５であり、電力変動幅が約０．１０であるのに対して、図４（従来技術）においては、電力平均値が約１．６５であり、電力変動幅が約０．２３となっている。このことから、本実施の形態によれば、電力リプル分が大幅に改善されていることが判る。

他方、力率についてみると、図２（本実施の形態）においては約０．９５３であり、図４（従来技術）における約０．９５５とほぼ同じく、良好な値である。このことから、本実施の形態による三相電力変換装置は、力率についても改善効果を有していることが明らかである。

なお、電力リプルの改善効果が最も顕著となる注入位相θおよび注入量ｍは、三相電力変換装置が接続されている三相交流電源の出力インピーダンスに応じて異なってくる。しかし、大容量の三相交流電源に接続する場合には、三相交流電源の出力インピーダンスを無視することができるので、注入位相θ＝π／３、注入量ｍ＝−０．０１〜−０．１２程度とすることにより、電力リプルの改善がみられる。

＜本実施の形態による作用・効果＞
本実施の形態によれば、以下のような作用・効果を奏することができる。

（１）三相交流電源に接続される三相整流部１と、三相整流部１の整流出力端間に直列接続されるリアクトル３およびスイッチングトランジスタ５を含み三相整流部１から負荷１４に供給する直流電力を調整するチョッパ回路２と、所定の注入位相および振幅を有する６次高調波成分を発生する注入高調波発生器１０３と、負荷１４に供給される直流電圧Ｖ_ＤＣに対応した第１信号Ｓ_Ａと、注入高調波発生器１０３から発生される高調波成分に対応した第２信号Ｓ_Ｂとに基づいて決定される制御電流値（＝第３信号Ｓ_Ｃ）に応答して、スイッチングトランジスタ５の通過電流を断続制御するスイッチング制御回路８〜１２，１３，１０４とを備えているので、三相電力変換装置から供給される直流出力電力の電力リプル分を低減することができる。その結果として、負荷１４に供給される直流電圧の電圧リプルを低減するためのコンデンサ６を小容量にすることができる。しかも、力率にはほとんど影響を与えることがないので、力率改善効果とあいまって、三相電力変換装置全体の大きさを小型化することができる。
なお、三相交流電源としては商用電源に限らず、可搬型の三相発電機あるいは建設機械などに搭載されている三相発電機などを使用することができる。

（２）上記のスイッチング制御回路は、制御電流値（＝第３信号Ｓ_Ｃ）と、三相整流部１に還流する直流電流値（＝変流器１３の出力）とに基づいて矩形波信号を出力するヒステリシス型コンパレータ１１を備え、ヒステリシス型コンパレータ１１からの出力に応答して、スイッチングトランジスタ５の開閉を制御するので、相電流に６次高調波成分が含まれるような帰還制御を実現することができる。

（３）負荷１４に供給される直流電圧に対応した第１信号Ｓ_Ａと、注入高調波発生器１０３から発生される高調波成分に対応した第２信号Ｓ_Ｂとを掛け合わせる掛算器１０を備え、掛算器１０から制御電流値（＝第３信号Ｓ_Ｃ）を出力するので、従来から用いられている掛算器１０を利用することができる。

（４）６次高調波成分の所定の注入位相および振幅は、三相交流電源の出力インピーダンスに応じて可変設定するので、さまざまな種類の三相交流電源を使用することができる。

＜その他の変形例＞
図１に示した実施の形態では６次高調波成分を相電流に重畳させる構成としたが、さらに１２次高調波成分を相電流に重畳させることにより、電力リプルに対する改善効果をより高めることができる。具体的には、図５に示すように、注入高調波成分としてｍ_６・sin（６ωｔ＋θ_６）＋ｍ_１２・sin（１２ωｔ＋θ_１２）を用いることができる。１８次高調波成分についても、同様に加えることが可能である。換言すると、三相交流電源に含まれる６・Ｎ次高調波（Ｎ＝１，２，・・・）のうち、少なくとも、所定の注入位相および振幅を有する６次高調波成分を用いることができる。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上述した実施の形態および変形例に限定されるものではない。
実施の形態と変形例の一つとを組み合わせること、もしくは、実施の形態と変形例の複数とを組み合わせることも可能である。
変形例同士をどのように組み合わせることも可能である。
さらに、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１ 三相整流部
２ チョッパ回路
３ 直流リアクトル
４ ダイオード
５ スイッチング用トランジスタ
６ コンデンサ
７ 直流電圧検出器
８ 減算器
９ 誤差増幅器
１０ 掛算器
１１ ヒステリシス型コンパレータ
１２ ゲートインタフェース
１３ 変流器
１４ 負荷
１０１ 変成器
１０２ 周波数成分生成器
１０３ 注入高調波発生器
１０４ 加算器

Claims (4)

1. 三相交流電源に接続される三相入力端、および、整流出力を後段に供給する一対の整流出力端を有する三相整流部と、
   前記一対の整流出力端の間に直列接続されるリアクトルおよびスイッチング素子を含み、前記三相整流部から負荷に供給する直流電力を調整する直流電力調整部と、
   前記三相交流電源に含まれる６・Ｎ次高調波（Ｎ＝１，２，・・・）のうち、少なくとも、所定の注入位相および振幅を有する６次高調波成分を発生する注入高調波発生部と、
   前記負荷に供給される直流電圧に対応した第１の制御値と、前記注入高調波発生部から発生される高調波成分に対応した第２の制御値とに基づいて決定される制御電流値に応答して、前記スイッチング素子の通過電流を断続制御するスイッチング制御部とを備えることを特徴とする三相電力変換装置。
2. 請求項１に記載の三相電力変換装置において、
   前記は、前記制御電流値と、前記三相整流部に還流する直流電流値とに基づいて矩形波信号を出力する比較回路を備え、
   前記比較回路からの出力に応答して、前記スイッチング素子の開閉を制御することを特徴とする三相電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の三相電力変換装置において、
   前記負荷に供給される直流電圧に対応した第１の制御値と、前記注入高調波発生部から発生される高調波成分に対応した第２の制御値とを掛け合わせる乗算手段を備え、
   前記乗算手段から前記制御電流値を出力することを特徴とする三相電力変換装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の三相電力変換装置において、
   前記６次高調波成分の所定の注入位相および振幅は、前記三相交流電源の出力インピーダンスに応じて可変設定することを特徴とする三相電力変換装置。

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