JP2011109801A - ３レベル電力変換装置の初期充電回路 - Google Patents

３レベル電力変換装置の初期充電回路 Download PDF

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Abstract

【課題】小型で安価な初期充電回路を備えた３レベル電力変換装置を提供することを目的とする。
【解決手段】初期充電回路８をスイッチ８１と絶縁トランス８２とにより構成し、絶縁トランス８２の２次巻線にスイッチ８１を接続し、スイッチ８１の３端子中の１端子をＲ相ユニットのスイッチング素子３１ｂとスイッチング素子３１ｃとの間に接続し、スイッチ８１の３端子中の他の１端子をＳ相ユニットのスイッチング素子３１ｆとスイッチング素子３１ｇとの間に接続し、スイッチ８１の３端子中の残りの１端子をコンデンサ４１とコンデンサ４２の接続点である中性点Ｍに接続する。
【選択図】図１

Description

この発明は、それぞれフリーホイールダイオードが逆並列接続される４個のスイッチング素子と２個のクランプダイオードとから構成された各相ユニットが複数組並列接続され、入力端子に入力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ部と、複数個のコンデンサから構成されて中性点を有し、コンバータ部で変換された直流電圧を平滑化するコンデンサ部と、それぞれフリーホイールダイオードが逆並列接続される４個のスイッチング素子と２個のクランプダイオードとから構成された各相ユニットが複数組並列接続され、コンデンサ部で平滑化された直流電圧を交流電圧に変換して出力端子から出力するインバータ部とを備え、３レベルの電圧を出力する３レベル電力変換装置の初期充電回路に関する。
電力変換装置の初期充電回路としては、例えば特許文献１に示すものが知られている。特許文献１は、２レベルの電力変換装置に関するものであり、コンバータ部とインバータ部とで形成される直流回路に並列に接続されたコンデンサを備えた電力変換装置において、コンバータ部の入力側に限流抵抗と短絡スイッチとの並列回路からなる初期充電回路を接続し、まず交流電源の閉路により前記限流抵抗を介してコンデンサの初期充電を開始し、次いで前記限流抵抗を前記短絡スイッチにより短絡してコンデンサの充電を完了するものである。
一方、近年では高圧大容量化を比較的簡易に実現でき、かつ出力高調波が少ない等の理由から３レベル電力変換装置が注目されてきている。図３はこの３レベル電力変換装置の一例を示す回路図である。
図において、１は電源投入用のコンタクト、２は３相の交流電源（主回路電源）から入力された各相（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相）の交流電圧を所定の電圧に変圧する入力トランス、３は交流電圧を直流電圧に変換する３レベルのコンバータ部、４は複数のコンデンサ（大容量のフィルターコンデンサ）４１，４２が直列接続され、コンバータ部３で変換された直流電圧を平滑化するコンデンサ部、５はコンデンサ部４で平滑化された直流電圧を交流電圧に変換する３レベルのインバータ部であり、インバータ部５の出力端子（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）にはモータ等の負荷が接続される。また、６は初期充電回路であり、突入電流がコンバータ部３，コンデンサ部４に流れるのを防止するための限流抵抗６２と、限流抵抗を短絡する短絡スイッチ６１とから構成されている。なお、Ｐ，Ｎ，Ｍはそれぞれ直流電圧の正電位点，負電位点，中性点である。
ここで、コンバータ部３には、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子３１ａ〜３１ｌ，フリーホイールダイオード３２ａ〜３２ｌおよびクランプダイオード３３ａ〜３３ｆが設けられている。コンバータ部３のＲ相ユニットは、正電位点Ｐと負電位点Ｎとの間に、スイッチング素子３１ａ〜３１ｄが互いに直列接続されるとともに、各スイッチング素子３１ａ〜３１ｄにはフリーホイールダイオード３２ａ〜３２ｄがそれぞれ逆並列接続されている。同様に、Ｓ相ユニットは、スイッチング素子３１ｅ〜３１ｈが互いに直列接続されるとともに、各スイッチング素子３１ｅ〜３１ｈにはフリーホイールダイオード３２ｅ〜３２ｈがそれぞれ逆並列接され、Ｔ相ユニットは、スイッチング素子３１ｉ〜３１ｌが互いに直
列接続されるとともに、各スイッチング素子３１ｉ〜３１ｌにはフリーホイールダイオー
ド３２ｉ〜３２ｌがそれぞれ逆並列接続されている。
そして、Ｒ相ユニットのスイッチング素子３１ａとスイッチング素子３１ｂとの接続点と、スイッチング素子３１ｃとスイッチング素子３１ｄとの接続点との間に、クランプダイオード３３ａ，３３ｂが直列接続されている。同様に、Ｓ相ユニットのスイッチング素子３１ｅとスイッチング素子３１ｆとの接続点と、スイッチング素子３１ｇとスイッチング素子３１ｈとの接続点との間に、クランプダイオード３３ｃ，３３ｄが直列接続され、Ｔ相ユニットのスイッチング素子３１ｉとスイッチング素子３１ｊとの接続点と、スイッ
チング素子３１ｋとスイッチング素子３１ｌとの接続点との間に、クランプダイオード３３ｅ，３３ｆが直列接続されている。
これらのＲ相ユニット，Ｓ相ユニット，Ｔ相ユニットは並列接続されて、さらに直列接続されたコンデンサ４１，４２が各相（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相）ユニットと並列に接続されている。そして、コンデンサ４１とコンデンサ４２の接続点である中性点Ｍと、クランプダイオード３３ａとクランプダイオード３３ｂとの接続点、クランプダイオード３３ｃとクランプダイオード３３ｄとの接続点、クランプダイオード３３ｅとクランプダイオード３３ｆとの接続点がそれぞれ接続されている。
さらに、Ｒ相ユニットのスイッチング素子３１ｂとスイッチング素子３１ｃとの間、Ｓ相ユニットのスイッチング素子３１ｆとスイッチング素子３１ｇとの間、Ｔ相ユニットのスイッチング素子３１ｊとスイッチング素子３１ｋとの間に交流入力端子を備え、初期充電回路６を介して入力トランス２の２次巻線に接続されている。
また、インバータ部５には、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子５１ａ〜５１ｌ，フリーホイールダイオード５２ａ〜５２ｌおよびクランプダイオード５３ａ〜５３ｆが設けられている。インバータ部５のＵ相ユニットは、正電位点Ｐと負電位点Ｎとの間に、スイッチング素子５１ａ〜５１ｄが互いに直列接続されるとともに、各スイッチング素子５１ａ〜５１ｄにはフリーホイールダイオード５２ａ〜５２ｄがそれぞれ逆並列接続されている。同様に、Ｖ相ユニットは、スイッチング素子５１ｅ〜５１ｈが互いに直列接続されるとともに、各スイッチング素子５１ｅ〜５１ｈにはフリーホイールダイオード５２ｅ〜５２ｈがそれぞれ逆並列接され、Ｗ相ユニットは、スイッチング素子５１ｉ〜５１ｌが互いに直列
接続されるとともに、各スイッチング素子５１ｉ〜５１ｌにはフリーホイールダイオード
５２ｉ〜５２ｌがそれぞれ逆並列接続されている。
そして、Ｕ相ユニットのスイッチング素子５１ａとスイッチング素子５１ｂとの接続点と、スイッチング素子５１ｃとスイッチング素子５１ｄとの接続点との間に、クランプダイオード５３ａ，５３ｂが直列接続されている。同様に、Ｖ相ユニットのスイッチング素子５１ｅとスイッチング素子５１ｆとの接続点と、スイッチング素子５１ｇとスイッチング素子５１ｈとの接続点との間に、クランプダイオード５３ｃ，５３ｄが直列接続され、Ｗ相ユニットのスイッチング素子５１ｉとスイッチング素子５１ｊとの接続点と、スイッ
チング素子５１ｋとスイッチング素子５１ｌとの接続点との間に、クランプダイオード５３ｅ，５３ｆが直列接続されている。
これらのＵ相ユニット，Ｖ相ユニット，Ｗ相ユニットは並列接続されて、さらに直列接続されたコンデンサ４１，４２が各相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）ユニットと並列に接続されている。そして、コンデンサ４１とコンデンサ４２の接続点である中性点Ｍと、クランプダイオード５３ａとクランプダイオード５３ｂとの接続点、クランプダイオード５３ｃとクランプダイオード５３ｄとの接続点、クランプダイオード５３ｅとクランプダイオード５３ｆとの接続点がそれぞれ接続されている。
さらにＵ相ユニットのスイッチング素子５１ｂとスイッチング素子５１ｃとの間に交流出力端子Ｕを備え、Ｖ相ユニットのスイッチング素子５１ｆとスイッチング素子５１ｇとの間に交流出力端子Ｖを備え、Ｗ相ユニットのスイッチング素子５１ｊとスイッチング素子５１ｋとの間に交流出力端子Ｗを備えている。
次に、その動作について説明する。
まず、電力変換装置の主回路であるコンバータ部３およびインバータ部５の起動に先立って、短絡スイッチ６１を開路した状態でコンタクト１を投入する。交流電源から入力された各相（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相）の交流電圧は、入力トランスで所定の電圧に変圧され、コンバータ部３のフリーホイールダイオード３２ａ〜３２ｌで直流に整流される。ここで、電源投入直後の突入電流がコンバータ部３，コンデンサ部４に流れるのを防止するための限流抵抗６２を介してコンデンサ部４を定格値まで充電する。これを初期充電という。
次に、コンデンサ部４が定格値まで充電されたことを、例えば、不図示の電圧検出器などで確認した後、短絡スイッチ６１を閉路して限流抵抗６２を短絡する。その後、スイッチング素子３１ａ〜３１ｌおよびスイッチング素子５１ａ〜５１ｌにゲート信号が与えられて、コンバータ部３およびインバータ部５の運転を開始する。
このコンバータ部３およびインバータ部５では、パルス幅変調制御が採用され、交流電圧の半サイクルの間に複数個のパルスを発生させて、各パルス幅に差を持たせることにより、交流出力を正弦波に近づけている。パルス幅変調制御で電圧調整を行う場合には、各パルスの幅を変化させている。
また、３レベル電力変換装置は、直列に接続された２個のコンデンサ４１，４２にかかる直流電圧をＥｄとすると、各相の出力電圧として正側電位（＋Ｅｄ／２）、零電位（中性点Ｍの電位）、負側電位（−Ｅｄ／２）の３値を出力できるという特徴を持っている。このため、各相の出力電圧として（＋Ｅｄ／２）と（−Ｅｄ／２）との２値を出力する２レベル電力変換装置と比べて、出力電圧の出力レベル数が増加して高調波を低減できるという長所を持っている。
特開２００４−１４０９６９号公報（図４等）
従来の電力変換装置では、上記したように限流抵抗６２を介してコンデンサ部４の初期充電を行い、初期充電後にインバータ部５へ平滑化された直流電圧を供給するために短絡スイッチ６１が使用されている。このため、初期充電後のコンバータ部３およびインバータ部５の運転時には、負荷電流は短絡スイッチ６１を通って流れることになる。
したがって、この短絡スイッチ６１は初期充電完了後にインバータ部５への負荷電流を流すためにこの負荷電流に耐えるものを用いねばならず、大型かつ高価になるという問題点があった。
この発明は、上記問題点を解消し、主回路（負荷電流が流れる経路）に初期充電回路を設ける必要がなく、小型で安価な初期充電回路を備えた電力変換装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、第１の発明は、それぞれフリーホイールダイオードが逆並列接続される４個のスイッチング素子と２個のクランプダイオードとから構成された各相ユニットが複数組並列接続され、入力端子に入力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ部と、複数個のコンデンサから構成されて中性点を有し、コンバータ部で変換された直流電圧を平滑化するコンデンサ部と、それぞれフリーホイールダイオードが逆並列接続される４個のスイッチング素子と２個のクランプダイオードとから構成された各相ユニットが複数組並列接続され、コンデンサ部で平滑化された直流電圧を交流電圧に変換して出力端子から出力するインバータ部とを備えた３レベル電力変換装置において、３相制御電源と前記コンバータ部の入力端子または前記インバータ部の出力端子の任意の２相との接続および前記３相制御電源の残り１相と前記中性点との接続を開閉するスイッチと、前記３相制御電源から前記コンデンサ部に流れ込む電流を制限する限流手段とを備えるものである。
また、第２の発明は、それぞれフリーホイールダイオードが逆並列接続される４個のスイッチング素子と２個のクランプダイオードとから構成された各相ユニットが複数組並列接続され、入力端子に入力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ部と、複数個のコンデンサから構成されて中性点を有し、コンバータ部で変換された直流電圧を平滑化するコンデンサ部と、それぞれフリーホイールダイオードが逆並列接続される４個のスイッチング素子と２個のクランプダイオードとから構成された各相ユニットが複数組並列接続され、コンデンサ部で平滑化された直流電圧を交流電圧に変換して出力端子から出力するインバータ部とを備えた３レベル電力変換装置において、３相制御電源と前記コンデンサ部の正電位点，負電位点との接続および前記３相制御電源の残り１相と前記中性点との接続を開閉するスイッチと、前記３相制御電源と前記正電位点，負電位点との間に介挿された整流器と、前記３相制御電源から前記コンデンサ部に流れ込む電流を制限する限流手段とを備えるものである。
この発明に係る３レベル電力変換装置によれば、コンバータ部およびインバータ部の起動前に、スイッチと限流手段とを含む初期充電回路を用いてコンデンサ部の初期充電を行うことにより、突入電流を効果的に抑制できるとともに、従来の初期充電回路に用いられているような大型で高価な限流抵抗および短絡スイッチが不要となり、小型で安価な装置とすることが可能になる。
また、３相制御電源を任意の２相と中性点に接続することにより、単相と比べて制御電源電圧をほぼ１／２とすることが可能となり、小型で安価な装置とすることが可能になる。
この発明の第１の実施の形態を示す回路構成図 この発明の第２の実施の形態を示す回路構成図 従来の電力変換装置を示す回路構成図
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す電力変換装置の回路構成図である。ここで、図３と同一機能を有するものについては同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施の形態では、図３の初期充電回路６に代えて初期充電回路８を備えた点を特徴としている。すなわち、この実施の形態の特徴的なことは、３相の制御電源７を電源とした初期充電回路８を備えた点であり、この初期充電回路８は、スイッチ８１とコンデンサ部４に流れ込む電流を制限する限流手段（ここでは、絶縁トランス８２の巻線抵抗，インダクタンスを用いた）とにより構成されている。そして、絶縁トランス８２の２次巻線にスイッチ８１が接続され、スイッチ８１の３端子中の１端子は、Ｒ相ユニットのスイッチング素子３１ｂとスイッチング素子３１ｃとの間に接続され、スイッチ８１の３端子中の他の１端子は、Ｓ相ユニットのスイッチング素子３１ｆとスイッチング素子３１ｇとの間に接続され、スイッチ８１の３端子中の残りの１端子は、コンデンサ４１とコンデンサ４２の接続点である中性点Ｍに接続されている。なお、３相制御電源７は電力変換装置の制御機器（例えば、制御装置，リレー，冷却ファン等）に用いるために通常有している電源であり、入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔに接続される主回路電源の電圧が数ｋＶ，容量が数百ｋＶＡ〜数十ＭＶＡに対して、３相制御電源７は電圧が２００Ｖあるいは４００Ｖ程度で容量が数ｋＶＡ程度の電源である。また、絶縁トランス８２は３相制御電源７を絶縁して昇圧するものである。
このようにスイッチ８１の３端子中の２端子は、コンバータ部３のＲ相，Ｓ相の入力端子に接続され、残りの１端子は直流部の中性点Ｍに接続されて単相整流器を２式構成している。ここでは、コンバータ部３のＲ相ユニットとＳ相ユニットとを使って３相制御電源７との接続を行っているが、これに限定されるものではなく、スイッチ８１の３端子はコンバータ部３の入力端子またはインバータ部５の出力端子のうちの任意の２相と直流部の中性点Ｍとに接続されていればよい。
次に、その動作について説明する。
３レベル電力変換装置の主回路であるコンバータ部３およびインバータ部５の起動に先立ってスイッチ８１を投入し、３相制御電源７より絶縁トランス８２を介してコンデンサ部４への初期充電を行う。図１では、コンバータ部３の内のＲ相ユニットおよびＳ相ユニットの８個のフリーホイールダイオード３２ａ〜３２ｈで単相整流器が２式構成され、コンデンサ部４の初期充電を行うことができる。
この初期充電回路８を構成する絶縁トランス８２の巻線インピーダンスは抵抗分とインダクタンスであり、また抵抗値も大きいので、小型のものでも十分な限流効果を有している。
次に、コンデンサ部４が定格値まで充電されたことを、例えば、不図示の電圧検出器などで確認した後、スイッチ８１を開路する。このように、コンデンサ部４の初期充電が完了すると初期充電回路８が主回路から切り離される。その後、コンタクト１を投入されると、交流電源から各相（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相）に交流電圧が入力され、入力トランス２により所定の電圧に変圧される。そして、変圧された交流電圧は、コンバータ部３で直流電圧に整流され、さらに充電されたコンデンサ部４によって直流電圧が平滑化され、この平滑化された直流電圧をインバータ部５に入力する。その後、スイッチング素子３１ａ〜３１ｌおよびスイッチング素子５１ａ〜５１ｌにゲート信号が与えられて、コンバータ部３およびインバータ部５の運転を開始し、所望の電圧と周波数を持つ交流電圧に制御されたＵ相，Ｖ相，Ｗ相を出力する。
このようにスイッチ８１は、初期充電電流しか流れないため、図３で示した従来技術のように初期充電完了後のコンバータ部３およびインバータ部５の運転時の負荷電流が流れる短絡スイッチ６１と比べて小型、安価なものを用いることができる。また、スイッチ８１は主回路と３相制御電源７との断続を行えるものであればよく、機械的なスイッチの他、半導体を用いたスイッチを用いることも可能である。
なお、コンデンサ部４の初期充電完了の確認や、スイッチ８１のオン・オフ、コンタクト１の投入は、手動で行ってもよいし、自動制御手段を用いて一連の動作を自動的に行うようにしてもよい。
図２はこの発明の第２の実施の形態を示す電力変換装置の回路構成図である。ここで、図１と同一機能を有するものについては同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施の形態では、図１の初期充電回路８に代えて初期充電回路９を備えた点を特徴としている。すなわち、この実施の形態の特徴的なことは、３相の制御電源７を電源とした初期充電回路９を備えた点であり、この初期充電回路９は、スイッチ９３と、コンデンサ部４に流れ込む電流を制限する限流手段（ここでは、絶縁トランス９２の巻線抵抗，インダクタンスを用いた）と、ダイオード整流器９４とにより構成されている。そして、絶縁トランス９２の２次巻線の３端子中の任意の２端子は、ダイオード整流器９４を介して正電位点Ｐと負電位点Ｎとに接続され、絶縁トランス９２の２次巻線の３端子中の残りの１端子は、コンデンサ４１とコンデンサ４２の接続点である中性点Ｍに接続されている。
次に、その動作について説明する。
３レベル電力変換装置の主回路であるコンバータ部３およびインバータ部５の起動に先立ってスイッチ９３を投入し、３相制御電源７より絶縁トランス９２，ダイオード整流器９４を介してコンデンサ部４への初期充電を行う。この初期充電回路９を構成する絶縁トランス９２の巻線インピーダンスは抵抗分とインダクタンスであり、また抵抗値も大きいので、小型のものでも十分な限流効果を有している。
次に、コンデンサ部４が定格値まで充電されたことを、例えば、不図示の電圧検出器などで確認した後、スイッチ９３を開路する。このように、コンデンサ部４の初期充電が完了すると初期充電回路９が主回路から切り離される。その後、コンタクト１を投入すると、交流電源から各相（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相）に交流電圧が入力され、入力トランス２により所定の電圧に変圧される。そして、変圧された交流電圧は、コンバータ部３で直流電圧に整流され、さらに充電されたコンデンサ部４によって直流電圧が平滑化され、この平滑化された直流電圧をインバータ部５に入力する。その後、スイッチング素子３１ａ〜３１ｌおよびスイッチング素子５１ａ〜５１ｌにゲート信号が与えられて、コンバータ部３およびインバータ部５の運転を開始し、任意の交流電圧に制御されたＵ相，Ｖ相，Ｗ相を出力する。
このように、小電流のダイオード整流器９４を用いて初期充電回路９を構成することも可能であり、第２の実施の形態においても、スイッチ９３は、初期充電電流しか流れないため、図３で示した従来技術のように初期充電完了後のコンバータ部３およびインバータ部５の運転時の負荷電流が流れる短絡スイッチ６１と比べて小型、安価なものを用いることができる。また、スイッチ９３は主回路と３相制御電源７との断続を行えるものであればよく、機械的なスイッチの他、半導体を用いたスイッチを用いることも可能である。
なお、コンデンサ部４の初期充電完了の確認や、スイッチ９３のオン・オフ、コンタクト１の投入は、手動で行ってもよいし、自動制御手段を用いて一連の動作を自動的に行うようにしてもよい。
また、上記第１，２の実施の形態では、限流手段として絶縁トランス８２，９２を用いたが、必要に応じて保護ヒューズや、抵抗、リアクトルを設けて構成することも可能であり、この場合にも上記と同様の効果を得ることができる。
さらに、上記第１，２の実施の形態では、コンバータ部３，インバータ部５のスイッチング素子としてＩＧＢＴを用いて説明したが、これ以外の半導体を用いたものであってもよい。
１…コンタクト、２…入力トランス、３…コンバータ部、４…コンデンサ部、５…インバータ部、６，８，９…初期充電回路、７…３相制御電源。

Claims (3)

  1. それぞれフリーホイールダイオードが逆並列接続される４個のスイッチング素子と２個のクランプダイオードとから構成された各相ユニットが複数組並列接続され、入力端子に入力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ部と、複数個のコンデンサから構成されて中性点を有し、コンバータ部で変換された直流電圧を平滑化するコンデンサ部と、それぞれフリーホイールダイオードが逆並列接続される４個のスイッチング素子と２個のクランプダイオードとから構成された各相ユニットが複数組並列接続され、コンデンサ部で平滑化された直流電圧を交流電圧に変換して出力端子から出力するインバータ部とを備えた３レベル電力変換装置において、
    ３相制御電源と前記コンバータ部の入力端子または前記インバータ部の出力端子の任意の２相との接続および前記３相制御電源の残り１相と前記中性点との接続を開閉するスイッチと、前記３相制御電源から前記コンデンサ部に流れ込む電流を制限する限流手段とを備えたことを特徴とする３レベル電力変換装置の初期充電回路。
  2. それぞれフリーホイールダイオードが逆並列接続される４個のスイッチング素子と２個のクランプダイオードとから構成された各相ユニットが複数組並列接続され、入力端子に入力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ部と、複数個のコンデンサから構成されて中性点を有し、コンバータ部で変換された直流電圧を平滑化するコンデンサ部と、それぞれフリーホイールダイオードが逆並列接続される４個のスイッチング素子と２個のクランプダイオードとから構成された各相ユニットが複数組並列接続され、コンデンサ部で平滑化された直流電圧を交流電圧に変換して出力端子から出力するインバータ部とを備えた３レベル電力変換装置において、
    ３相制御電源と前記コンデンサ部の正電位点，負電位点との接続および前記３相制御電源の残り１相と前記中性点との接続を開閉するスイッチと、前記３相制御電源と前記正電位点，負電位点との間に介挿された整流器と、前記３相制御電源から前記コンデンサ部に流れ込む電流を制限する限流手段とを備えたことを特徴とする３レベル電力変換装置の初期充電回路。
  3. 請求項１または請求項２に記載の３レベル電力変換装置の初期充電回路において、前記限流手段は絶縁トランスであることを特徴とする３レベル電力変換装置の初期充電回路。
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