JP2012023814A

JP2012023814A - 電力変換装置

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Publication number: JP2012023814A
Application number: JP2010158125A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Tamada; 俊介玉田; Yosuke Nakazawa; 洋介中沢; Hiroshi Mochikawa; 宏餅川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-07-12
Filing date: 2010-07-12
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2030-07-12
Also published as: JP5443289B2

Abstract

【課題】装置の大型化することなく，低周波数，直流出力することができる高耐圧交流出力回路を得ることを達成する。
【解決手段】図１は、チョッパセル１の出力側を直列に複数台，直流電圧源のＰ側Ｎ側それぞれに接続し，単相の直流交流変換回路を構成する。また、直列に多段化されたチョッパセル１のうち１つ以上のセルの直流部に外部から電力供給を行う電源２を接続した構成とする。さらに，これらを複数並列に接続することで多相出力回路としている。全体の構成としては、直流電圧を変換して交流電圧を出力する電力変換装置で，エネルギーバッファを有するチョッパセル１を多段接続した回路と、回路内の１つ以上のチョッパセル１に電源として順変換器２を接続する電力変換装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

高耐圧可変周波数交流出力回路として，特許文献１および非特許文献１によって公知である電力変換回路が提案されている。回路は，外部から電力が供給されていないコンデンサ等のエネルギーバッファを直流部に持つチョッパセルを複数個用い，それらを直流リンクＰ側，Ｎ側それぞれに多段接続することによって高耐圧化を実現し，可変周波数交流電圧を出力する。

セルを多段化することによって，それぞれのチョッパセルが負担する電圧を低く設定することができ，高速スイッチング可能な低耐圧素子が使える。また従来素子では実現不可能だった高圧用途にも，チョッパセルの段数を増やすことによって適用可能になる。

特開２００９―５０６７３６号公報

"Ｎｅｗｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｌｅｓｓ, ｓｃａｌａｂｌｅＭｏｄｕｌａｒＭｕｌｔｉｌｅｖｅｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒｓｆｏｒＨＶＤＣ―ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"，Ａｌｌｅｂｒｏｄ，Ｓ．；Ｈａｍｅｒｓｉ，Ｒ．；Ｍａｒｑｕａｒｄｔ，Ｒ．；ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｏｒｎｉｃｓＳｐｅｃｉａｌｉｓｔｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００８.

しかしながらこの回路では，各チョッパセルのコンデンサに外部から電源が接続されていないため，直流リンクもしくは負荷側と電力融通することによって電圧を一定に保つ。そのため負荷側の駆動周波数および電力量によって直流電圧変動が生じるという特性がある。

その直流電圧変動をチョッパセル出力端電力変動から求めると次式で表せる。

但し，チョッパセルの出力電流をＩ_m，出力電圧をＶ_m，チョッパセル直流電圧をＶ_dc，出力各周波数をω，チョッパセル直流コンデンサ容量をCとする。

（１）式からチョッパセルキャパシタ電圧の変動幅は，出力電流に比例し，出力電圧角周波数およびキャパシタ容量に反比例する。出力電流，キャパシタ容量が一定だと仮定すると，出力周波数が低い領域でキャパシタ電圧リプルが大きくなる。電動機駆動のような可変速駆動に適用した場合，低い周波数を出力する必要があるためキャパシタ電圧変動が大きくなり変換器動作に大きな影響を与え，運転継続が困難になる。その問題を解決するためキャパシタ電圧変動を抑制する非常に大きな容量のキャパシタを接続する方法があるが，装置の大型化を招く。

また直流励磁する場合，各チョッパセルの出力電流方向は常に一定であり，出力電圧は正もしくは負の一方向の出力となる。その結果チョッパの直流キャパシタに対して，常に充電もしくは放電しか行えず，キャパシタ電圧が上昇もしくは下降し続ける。そのため直流出力を行うのは非常に困難となる。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、装置の大型化することなく，低周波数，直流出力することができる高耐圧交流出力回路を得ることを目的とする。

上記を解決するために、本発明による電力変換装置は、直流電圧を変換して交流電圧を出力する電力変換装置で，エネルギーバッファを有するチョッパセルを多段接続した回路と、前記回路内の１つ以上の前記チョッパセルに電源として順変換器を接続する電力変換装置。

本発明によれば、装置の大型化することなく，低周波数，直流出力することができる高耐圧交流出力回路を得ることができる。

第１の実施形態の電力変換器の構成図である。第１の実施形態のチョッパセルの構成図である。第２の実施形態の電力変換器の構成図である。第３の実施形態の電力変換器の構成図である。第３の実施形態のチョッパセルの構成図である。実施形態１〜３のチョッパセルに接続する電源の構成図である。

以下、本発明である高耐圧交流出力回路の実施例について、図面を参照して説明する。（第１の実施形態）
まず、図１を用いて第１の実施形態を説明する。本実施形態は、チョッパセルの出力側を直列に複数台，直流電圧源のＰ側Ｎ側それぞれに接続し，単相の直流交流変換回路を構成する。また直列に多段化されたチョッパセルのうち１つ以上のセルの直流部に外部から電力供給を行う電源を接続した構成とする。さらに，これらを複数並列に接続することで多相出力回路としている。各チョッパセルは，図２に示すようなエネルギーバッファとして直流部にコンデンサを接続した双方向チョッパで構成され，コンデンサの電圧をＩＧＢＴ等のスイッチング素子で任意の電圧を負荷に対して出力する。そして各チョッパセルの出力電圧は，それぞれのチョッパセルの段数だけ重畳される。Ｐ側とＮ側間に接続された２つのバッファリアクトルには，Ｐ側チョッパセル出力が重畳された電圧とＮ側チョッパセル出力が重畳された電圧，そしてそれらと直流リンク電圧の差分が印加される。変換器出力であるそれら２つのバッファリアクトルの中間の電位が出力電圧となるため，Ｐ側回路とＮ側回路の電位差が出力電圧となる。

本実施形態によれば、電源をもつチョッパの直流キャパシタ電圧は，電源から供給される電力により制御できるため，出力側である負荷の電力変動の影響を低減できる。その結果，コンデンサ容量を増大させることなく電源を接続したチョッパセルの直流キャパシタ電圧リプルを低減することができ装置の小型・低コスト化が可能になる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を図３を用いて説明する。なお第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。この実施例では，上記第１の実施形態で示した，直流交流変換回路により直流出力する場合について述べる。図３は図１の回路に各アーム間を短絡する双方向スイッチを付加したものである。

第２の実施形態で直流出力する場合の動作について説明する。まず電源を持たない各チョッパセルのスイッチング素子のゲートを遮断し，電力変動をなくすことでキャパシタ電圧の維持を行うとともに，その他のチョッパセルとの遮断を行う。次に，電源を持つチョッパセルの直近に接続された双方向スイッチを導通させる。双方向スイッチを導通させたことで，電源を持つチョッパセルのみで三相変換回路が構成される。そして，電源を持つチョッパセルのみで構成された変換回路で直流出力を行う。

電源を持つチョッパセルのみで構成された変換回路によって負荷に対して直流電圧を出力するため，連続して直流出力した場合でもチョッパセルの直流キャパシタ電圧を維持することが可能なため，容易に直流運転ができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態を図４を用いて説明する。図４は図１の回路に直流リンクと変換回路の間に双方向スイッチを付加し，チョッパセルに単相インバータを適用したものである。

第２の実施形態では，相間短絡するための双方向スイッチを導通させることで，電源を有するチョッパセルのみで負荷に対して電圧出力を行っていた。この第３の実施形態では，直流リンクと変換回路間に接続した双方向スイッチを開放することで変換回路と直流リンクを切り離し，第２の実施形態とは異なり全てのチョッパセルで直流出力する。

次に回路動作について説明する。双方向スイッチにより直流リンクから切り離された変換回路は，電源を持つチョッパセルを一つ以上含む複数個のセルをＰ側Ｎ側にそれぞれに多段化した構成になる。そこで，電源を持ち負荷の電力変動によらずに直流電圧制御可能な，電源を持つチョッパセルのみで直流出力を行う。そして，その他チョッパセルでは，互いの電圧を打ち消すような交流電圧出力を行う。

Ｐ側の電源を持たないチョッパセルの電圧の総和をΣＶｃＰ，電源を持つチョッパセルの電圧の総和をΣＶｃｓＰ，Ｎ側の電源を持たないチョッパセルの電圧の総和をΣＶｃＮ，電源を持つチョッパセルの電圧の総和をΣＶｃｓＮとすると，変換回路の出力電圧は次式で示される。

（２）式において，ΣＶｃＰ＝ΣＶｃＮとなるように各チョッパセルの出力電圧を設定することで，電源を持たないチョッパセルの出力電圧は変換器出力電圧に現れず，電源を有するチョッパの出力電圧のみが現れる。双方向スイッチにより直流リンクと変換回路を切り離すため，直流リンク電圧を打ち消すためのオフセット電圧を各チョッパセルで出力する必要はなくなるため，電源を持たないチョッパセルで直流の出力電流に対して，交流電圧出力を行うことで，負荷に対して直流電圧を出力した場合でも電源を持たないチョッパセルの直流キャパシタ電圧を制御することができる。また各チョッパセルの三角波キャリアの位相を段数Ｎに応じて１８０°/Ｎずつシフトさせることで等価スイッチング周波数をＮ倍することができる。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態を説明する。第４の実施形態では，第１の実施形態の回路において直流出力する際の動作について述べる。

第２の実施形態では，相間短絡するための双方向スイッチを導通させることで，電源を有するチョッパセルのみで負荷に対して電圧出力を行っていた。この第４の実施形態では，第１の実施形態の回路に双方向スイッチを追加することなく直流出力を行う方式である。

まず，直流リンクＰ側に接続された電源が接続されていない各チョッパセルの下アームのスイッチを全て導通させる。一方，Ｎ側では接続された全てのチョッパセルのスイッチを遮断する。こうすることで，Ｐ側では電源を持つチョッパのみで電力変換回路が構成されるため，負荷には電源を持つチョッパからのみ電力が供給される。またＮ側の各チョッパセルのスイッチを全て遮断しているため直流リンク電圧の影響を受けない。

本実施形態では，電源を持つチョッパセルのみで構成された変換回路によって負荷に対して直流電圧を出力するため，連続して直流出力した場合でもチョッパセルの直流キャパシタ電圧を維持することが可能なため，容易に直流運転ができる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態を説明する。第５の実施形態では，第１の実施形態の回路においてチョッパセルに接続する順変換器について述べる。

第１の実施形態のチョッパセルに接続する電源は，チョッパセルの直流キャパシタ電圧を維持することを目的としている。交流出力時はチョッパセルのキャパシタ電圧は，直流リンクからの電力で維持することができる。そのためチョッパセルに接続する電源からは，変換器を直流出力させるときに主に電力が必要とされる。

パワーフローが変換器から負荷への一方方向の場合，電源としてダイオード整流器が適用できる。ダイオード整流器は，高効率で安価なため，装置の小型化，低コスト化につながる。また回生が必要な場合でも，ダイオード整流器にブレーキチョッパを用いることで回生が生じた場合にもチョッパセルのキャパシタ電圧を保つことが可能になる。多くの場合では直流出力時には電圧振幅が小さく，大きな回生電力は生じないため大型のブレーキ抵抗は必要ない。

１… 双方向チョッパを適用したチョッパセル
２… チョッパセルに接続する電源装置
３… 電源を接続したチョッパセル
４… 直流コンデンサ
５… ダイオード
６… スイッチ
７… 相間短絡用の双方向スイッチ
８… 直流リンクと変換回路を遮断する双方向スイッチ
９… 単相インバータを適用したチョッパセル
１０… ブレーキ抵抗
１１… 整流用ダイオード
１２… ブレーキチョッパ
１３… 系統

Claims

直流電圧を変換して交流電圧を出力する電力変換装置で，
エネルギーバッファを有するチョッパセルを多段接続した回路と、
前記回路内の１つ以上の前記チョッパセルに電源として順変換器を接続する電力変換装置。
前記回路において，相間を短絡するための双方向スイッチと，前記スイッチを導通させることにより直流出力を行う請求項１記載の電力変換装置。
前記回路において、前記チョッパセルにＨブリッジ回路を適用し，直流リンクと変換器を切り離す双方向スイッチを接続した回路構成および，電源を接続したチョッパセルで負荷に電力供給を行い，その他のチョッパセルでは互いに打ち消し合う交流電圧を出力する請求項１記載の電力変換装置。
前記回路において直流出力を行う時に，直流リンクＮ側に接続した電源を持たない各チョッパセルのスイッチを全て遮断し，Ｐ側に接続した電源を持たない各チョッパセルの下アームのスイッチを全て導通させ，Ｐ側に接続された電源が接続されたチョッパセルのみで負荷に対して電力供給を行う請求項１記載の電力変換装置。
前記回路において，前記チョッパセルに接続する電源にダイオード整流器を適用する請求項１記載の電力変換装置。