JP2012253916A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】整流回路およびインバータの各々に好適な電圧駆動形半導体素子を採用することによりコストを低くできる電力変換装置を提供する。
【解決手段】交流電圧を直流電圧に変換する整流回路３と、整流回路で得られた直流電圧を所望の電圧および周波数を有する交流電圧に変換して負荷２に供給するインバータ５を備え、整流回路およびインバータの各々に含まれる電力変換器１６、６は、特性の異なる電圧駆動形半導体素子を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、被駆動体の制御、例えば電動機の可変速制御を行う電力変換装置に関する。

図３は、従来の電力変換装置の構成を示すブロック図である。この電力変換装置は、電力系統電源１、負荷２、整流回路１１、平滑回路４およびインバータ５を備えている。電力系統電源１は、電力系統から入力端子１ａに供給される商用周波数の電源である。負荷２は、例えば三相交流電動機から構成されている。

整流回路１１は、電力系統電源１から入力端子１ａを介して供給される三相交流を直流に変換し、平滑回路４を介してインバータ５に送る。平滑回路４は、例えば直流コンデンサから構成されており、整流回路１１から出力される直流電圧の変動を小さくしてインバータ５に送る。インバータ５は、整流回路１１から平滑回路４を介して送られてくる直流を三相交流に変換し、出力端子２ａを介して負荷２に供給する。

整流回路１１およびインバータ５の各々は、同一構造を有する６個の逆導通型パワーデバイス（以下、「電力変換器」という）６を備えており、各電力変換器６は、半導体素子７およびこれに逆並列に接続された環流ダイオード８を備えている。

次に、上記のように構成される従来の電力変換装置の動作を説明する。通常は、電力系統電源１から供給された電力は、整流回路１１において三相交流から直流に変換され、この直流の電圧変動が平滑回路４で小さくされ、その後、インバータ５に送られる。そして、インバータ５で再び直流から三相交流に変換されて負荷２に常時供給される。

このような電力変換装置では、電力変換器６に含まれる半導体素子７をオン／オフさせることにより所望の電力変換が行われている。大容量の電力用半導体素子としては、電流駆動形半導体素子や電圧駆動形半導体素子が挙げられるが、電流駆動形半導体素子は、機器の小型化や高周波スイッチングなどに難点があるので、電力分野では、主に電圧駆動形半導体素子の使用されている。

ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）に代表される電圧駆動形半導体素子は、一般にオン電圧が高いが、現在の電力分野で用いられる半導体素子の主流となっており、汎用性が高い。最近では、ＩＧＢＴの基本特性であるオン電圧が高いという点を改善し、ＩＧＢＴに比べて高圧・大容量化を実現した新たな電圧駆動形半導体素子ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）が開発されている。

例えば、鉄鋼圧延主機に用いられる電動機のような過負荷、低速度大容量且つ力行・回生運転を行う場合、高圧・大容量でスイッチング可能な電圧駆動形半導体素子を整流回路１１およびインバータ５に用いた電力変換装置が必要とされる。また、上述した高圧・大容量の電力変換装置の場合、大トルクの四象限運転が必要であることに加え、稼働後の保守性を考慮して、一般に、整流回路１１およびインバータ５に同じ電圧駆動形半導体素子、例えば通電能力（電流を流す能力）が高いＩＥＧＴが使用される。

ところで、個々の半導体素子が許容できる印加電圧および通電電流は、その構造や製造方法によって異なる。通常、半導体素子は、素子破壊に至らないような絶縁耐力を有しているが、絶縁耐力以上の電圧が印加されると素子破壊に至る。そのため、１つの半導体素子では負荷に印加される電圧を許容できない場合、複数個の半導体素子を直列に接続し、分圧された電圧が各半導体素子に印加されるようにした電力変換装置も知られている。

なお、関連する技術として、特許文献１は、直流コンデンサに接続される複数の半導体電力変換装置の順変換容量や逆変換容量を異ならせることができ、様々な負荷に応じて、より適切な半導体電力変換装置を選定できる電力変換システムを開示している。また、特許文献２は、単相インバータを異なる素子によって構成することにより損失を低減させる技術を開示しており、特許文献３は、１台のコンバータ装置で容量の異なる複数のインバータ群に対応する技術を開示している。

特開２００２−３３５６８０号公報 特開２００４−７９４１号公報 特開２００１−５４２８４号公報

上述した従来の電力変換装置におけるインバータは、負荷に必要な皮相電力（有効電力と無効電力を合算した電力）を供給するものである。例えば、負荷が誘導電動機である場合、過負荷運転などの運転方法や弱め界磁制御などの制御方法にもよるが、電動機に必要とされる１次電圧、１次電流、電動機力率および電動機効率がインバータを決定するためのパラメータとなる。これに対し、整流回路（コンバータ）は、インバータに必要な有効電力を供給するものである。整流回路容量は、負荷の無効電力を必ずしも要求せず、インバータ容量が整流回路を決定するためのパラメータとなる。

この整流回路は、その主回路を構成する半導体素子がインバータと同じ半導体素子で構成されるため、電動機負荷に対し本来必要とされる容量以上の容量を持つことになり、結果として整流回路はインバータに比べ余剰容量を有することになる。

また、上述した半導体素子のコストは、電力変換装置全体のコストに占める割合が高い。図３に示した従来の電力変換装置に用いられるＩＥＧＴは、ＩＧＢＴが有する優れたスイッチング特性を持ち、さらにＩＧＢＴに比べ高圧・大容量を実現した素子であるため、従来のＩＧＢＴに比べ素子の通電能力は高い。しかしながら、従来のＩＧＢＴに比べ製造工程が複雑で汎用性が低く、半導体素子のコストが高いので、電力変換装置が高価になるという問題がある。

なお、従来のＩＧＢＴは、ＩＥＧＴに比べ半導体素子の通電能力は劣るが、電力分野で主流となっている電圧駆動形半導体素子であり、ＩＥＧＴに比べて製造が容易で、且つ汎用性が高いため、半導体素子のコストが低い。

本発明は、このような問題を解消するためになされたものであり、その課題は、整流回路およびインバータの各々に好適な電圧駆動形半導体素子を採用することによりコストを低くできる電力変換装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１記載の電力変換装置は、交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、整流回路で得られた直流電圧を所望の電圧および周波数を有する交流電圧に変換して負荷に供給するインバータを備え、整流回路およびインバータの各々に含まれる電力変換器は、特性の異なる電圧駆動形半導体素子を備えていることを特徴とする。

また、請求項２記載の電力変換装置は、整流回路を構成する電力変換器はＩＧＢＴから成り、インバータを構成する電力変換器はＩＥＧＴから成ることを特徴とする。

また、請求項３記載の電力変換装置は、電力変換器と、該電力変換器を除く回路との接続は、電圧駆動形半導体素子の特性によらず同一箇所で行われる構造を有することを特徴とする。

さらに、請求項４記載の電力変換装置は、インバータとして、整流回路で得られた直流電圧を所望の電圧および周波数を有する交流電圧に変換して第１負荷に供給する第１インバータと、整流回路で得られた直流電圧を所望の電圧および周波数を有する交流電圧に変換して第２負荷に供給する第２インバータを備え、整流回路は、第１負荷と第２負荷とが同時に運転することがない運転条件のときは、第１インバータまたは第２インバータのいずれか１つに必要な直流電圧を供給することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、電力変換装置を構成する整流回路およびインバータの各々に好適な電圧駆動形半導体素子を用いることにより、例えば整流回路に汎用性が高く低コストの電圧駆動形半導体素子を用いることにより、整流回路はインバータに必要な直流電圧を供給でき、インバータは負荷に必要な電力を供給できるので、電力変換装置全体のコストを低くできる。

また、請求項２記載の発明によれば、整流回路を構成する電力変換器として通電能力が低い安価なＩＧＢＴを使用し、インバータを構成する電力変換器として通電能力が高いＩＥＧＴを使用したので、整流回路は、負荷に対し本来必要とされる以上の容量を持つことがなくなり、インバータに比べ余剰容量を有することもなくなる。その結果、電力変換装置全体のコストを低くできる。

また、請求項３記載の発明によれば、整流回路とインバータの電力変換器は、電力変換器以外の回路と接続箇所が同じなので、電力変換器の構成を考慮する必要がなく、電力変換装置が製造しやすく、汎用性の高い電力変換装置を提供できる。

また、請求項４記載の発明によれば、整流回路を構成する半導体素子に必要な通電能力は、第１インバータまたは第２インバータのいずれかに必要な通電能力であればよいので、整流回路に必要な容量は第１負荷または第２負荷のいずれかの有効電力で決めることができる。その結果、整流回路には通電能力が低い安価なＩＧＢＴを用いることができるので、電力変換装置全体のコストを低くできる。

本発明の実施例１に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例２に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。 従来の電力変換装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。なお、以下においては、図３に示した従来の電力変換装置の構成要素と同一または相当する部分には図３で使用した符号と同一の符号を付して説明する。この電力変換装置は、電力系統電源１、負荷２、整流回路３、平滑回路４およびインバータ５を備えている。

電力系統電源１は、電力系統から入力端子１ａに供給される商用周波数の電源である。負荷２は、例えば三相交流電動機から構成されている。整流回路３は、電力系統電源１から入力端子１ａを介して供給される三相交流を直流に変換し、平滑回路４を介してインバータ５に送る。平滑回路４は、例えば直流コンデンサから構成されており、整流回路３から出力される直流電圧の変動を小さくしてインバータ５に送る。インバータ５は、整流回路３から平滑回路４を介して送られてくる直流を三相交流に変換し、出力端子２ａを介して負荷２に供給する。

負荷２を最適に動作させるために、整流回路３およびインバータ５の各々には最適な半導体素子が用いられている。具体的には、整流回路３を構成する同一構造を有する６個の電力変換器１６の半導体素子としては、負荷２に無効電力を供給する必要がないので、通電能力が低い安価なＩＧＢＴが用いられている。各電力変換器１６は、半導体素子１７およびこれに逆並列に接続された環流ダイオード１８を備えている。また、インバータ５を構成する同一構造の６個の電力変換器６の半導体素子としては、負荷２に皮相電力を供給するために、従来と同様に、通電能力が高いＩＥＧＴが用いられている。

次に、上記のように構成される実施例１に係る電力変換装置の動作を説明する。電力系統電源１から供給される電力は、整流回路３において三相交流から直流に変換され、この直流の電圧変動が平滑回路４で小さくされ、その後、インバータ５に送られる。そして、インバータ５では、入力された直流が再び三相交流に変換され、負荷２に常時供給される。

この電力変換装置においては、整流回路３およびインバータ５の各々に特性の異なる電圧駆動形半導体素子が用いられている。すなわち、整流回路３は、インバータ５に必要な直流電圧を供給できればよく、整流回路３に必要な容量は負荷の有効電力で決めることができるため、整流回路３の電力変換器１６には通電能力が低い安価なＩＧＢＴが用いられている。

また、整流回路３を構成する６個の電力変換器１６は同一構造を有し、また、インバータ５を構成する６個の電力変換器６も同一構造を有する。したがって、電力変換器と主回路との接続形状が同一になるように構成できる。これにより、電力変換器を交換する場合は、整流回路３およびインバータ５の各々の電力変換器を容易に交換できるので、万が一故障が発生しても復旧作業を短縮することができる。

図２は、実施例２に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。この電力変換装置は、電力系統電源１、第１負荷２１、第２負荷２２、共通整流回路３１、平滑回路４、第１インバータ５１および第２インバータ５２を備えている。電力系統電源１は、電力系統から入力端子１ａに供給される商用周波数の電源である。第１負荷２１および第２負荷２２は、例えば三相交流電動機から構成されている。

共通整流回路３１は、電力系統電源１から入力端子１ａを介して供給される三相交流を直流に変換し、平滑回路４を介して第１インバータ５１および第２インバータ５２に共通に送る。平滑回路４は、例えば直流コンデンサから構成されており、共通整流回路３１から出力される直流電圧の変動を小さくして第１インバータ５１および第２インバータ５２に送る。

第１インバータ５１は、共通整流回路３１から平滑回路４を介して送られてくる直流を三相交流に変換し、出力端子２１ａを介して第１負荷２１に供給する。同様に、第２インバータ５２は、共通整流回路３１から平滑回路４を介して送られてくる直流を三相交流に変換し、出力端子２２ａを介して第２負荷２２に供給する。

第１負荷２１および第２負荷２２を最適に動作させるために、共通整流回路３１、第１インバータ５１および第２インバータ５２に最適な半導体素子が用いられている。具体的には、共通整流回路３１を構成する同一構造を有する６個の電力変換器１６の半導体素子としては、負荷に無効電力を供給する必要がないので、通電能力が低い安価なＩＧＢＴが用いられている。第１インバータ５１および第２インバータ５２の各々を構成する同一構造の６個の電力変換器６の半導体素子としては、負荷に皮相電力を供給するために、従来と同様に、通電能力が高いＩＥＧＴが用いられている。

次に、上記のように構成される実施例２に係る電力変換装置の動作を説明する。電力系統電源１から供給される電力は、共通整流回路３１によって三相交流から直流に変換される。共通整流回路３１で発生された直流は、平滑回路４を介して第１インバータ５１および第２インバータ５２に送られる。第１インバータ５１および第２インバータ５２は、入力された直流を三相交流に変換し、第１負荷２１および第２負荷２２へそれぞれ常時供給する。

一般的な電力変換装置は１つの負荷に対応して１つの整流回路およびインバータの組で構成されるが、共通整流回路３１は、負荷の運転条件を考慮した場合、例えば複数ある負荷が同時に運転することがない運転条件のときは、整流回路は複数の負荷の中の１つに必要な直流をインバータに供給すればよい。

すなわち、共通整流回路３１を構成する半導体素子に必要な通電能力は、第１インバータ５１または第２インバータ５２のいずれかに必要な通電能力であればよい。したがって、共通整流回路３１に必要な容量は第１負荷２１または第２負荷２２のいずれかの有効電力で決めることができるため、共通整流回路３１には通電能力が低い安価なＩＧＢＴを用いることができる。

この発明は、被駆動体である電動機用の電力変換装置のみならず、電力変換装置全般に適用することが可能である。

１ 電力系統電源
２ 負荷
３ ＩＧＢＴを用いた整流回路
４ 平滑コンデンサ
５ インバータ
６、１６ 電力変換器（逆導通型パワーデバイス）
７、１７ 半導体素子
８、１８ 環流ダイオード
１１ ＩＥＧＴを用いた整流回路
２１ 第１負荷
２２ 第２負荷
３１ 共通整流回路
５１ 第１インバータ
５２ 第２インバータ

Claims (4)

1. 交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
   前記整流回路で得られた直流電圧を所望の電圧および周波数を有する交流電圧に変換して負荷に供給するインバータを備えた電力変換装置において、
   前記整流回路および前記インバータの各々に含まれる電力変換器は、特性の異なる電圧駆動形半導体素子を備えていることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記整流回路を構成する電力変換器はＩＧＢＴから成り、前記インバータを構成する電力変換器はＩＥＧＴから成ることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記電力変換器と、該電力変換器を除く回路との接続は、前記電圧駆動形半導体素子の特性によらず同一箇所で行われる構造を有することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
4. 前記インバータは、
   前記整流回路で得られた直流電圧を所望の電圧および周波数を有する交流電圧に変換して第１負荷に供給する第１インバータと、
   前記整流回路で得られた直流電圧を所望の電圧および周波数を有する交流電圧に変換して第２負荷に供給する第２インバータを備え、
   前記整流回路は、前記第１負荷と第２負荷とが同時に運転することがない運転条件のときは、前記第１インバータまたは第２インバータのいずれか１つに必要な直流電圧を供給することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。

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