JP2013188070A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2とを直列接続してなり、直流電源Pspと直流電源Psnとを直列接続してなる直流電源直列回路30の両端に接続されるインバータ回路4と、スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2との接続点に接続される交流出力端子Uと、直流電源Pspと直流電源Psnとの接続点に接続される交流出力端子Vと、一端が交流出力端子Uに接続され、他端が交流電源1の端子Rに接続される双方向スイッチ素子S1と、一端が交流出力端子Uに接続され、他端が交流電源1の端子Sに接続される双方向スイッチ素子S2と、からなる電力変換回路を備える。
【選択図】図1
Description
交流電源1の一端は、コンバータ回路3の交流入力端子に接続されている。
インバータ回路4は、直列接続されたスイッチング素子Q1,Q2で構成されている。インバータ回路4は、コンバータ回路3の直流出力端子に接続されている。インバータ回路4は、スイッチング素子Q1,Q2をオンオフさせて、コンデンサCp,Cnからなる直流電源の電圧を交流電圧に変換する。
図において、交流電源1と負荷との間には、スイッチ7とトランス8の二次巻線とが直列に接続されている。コンバータ回路3、インバータ回路4、フィルタ回路5およびコンデンサ2それぞれの間の接続関係は、図15の実施形態と同じである。そして、コンバータ回路3の交流入力端子はトランス8の一次巻線の一端に接続されている。また、コンデンサ直列回路の接続中点は、交流電源1の他端に接続されるとともに、トランス8の一次巻線の他端に接続されている。そして、リアクトルLf1とコンデンサCf1との接続点が、負荷6の一端に接続されている。
第11の発明は、第10の発明に係る電力変換装置において、交流電源の電圧と交流出力電圧指令との偏差が予め定められた範囲内にあるときは、交流電源の電圧を出力することを特徴とする。
したがって、本発明を適用した電力変換装置は、スイッチング素子および双方向スイッチ素子で発生する電力損失を低減することができる。
直流電源直列回路30は、直流電源Pspと直流電源Psnとを直列接続してなる直流電源である。直流電源Pspは正側の直流電源である。直流電源Pspの一端は、正極性の電圧を出力する正側端子Pである。直流電源Psnは負側の直流電源である。直流電源Psnの一端は、負極性の電圧を出力する負側端子Nである。直流電源Pspと直流電源Psnとの直列接続点は、ゼロ電圧を出力する中性点端子Oである。中性点端子Oは、交流電源1の端子Sに接続される。
ここで、双方向スイッチ素子S1,S2の構成例を図2(a)〜図2(d)に示す。図2(a)に示す双方向スイッチ素子は、2つの逆阻止型IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を逆並列に接続して構成されている。図2(b)に示す双方向スイッチ素子は、逆阻止耐圧を有しないIGBTとダイオードとを直列接続した2組の回路を逆並列に接続して構成されている。図2(c)に示す双方向スイッチ素子は、逆阻止耐圧を有しないIGBTにダイオードを逆並列に接続した2組のスイッチ素子を逆直列に接続して構成されている。図2(d)に示す双方向スイッチ素子は、図2(c)に示した双方向スイッチ素子において、IGBTがMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)に置き換えられた構成である。
なお、スイッチング周期Tによって定まるスイッチング周波数は、交流出力電圧指令の周波数に対して十分高い周波数であるのが望ましい。例えば、交流出力電圧指令の周波数が商用周波数の場合、スイッチング周波数は1kHz以上であるのが好ましい。また、スイッチング周期Tは、必ずしも、交流出力電圧指令の一周期に同期している必要はなく、非同期であっても良い。
制御回路200には、電圧検出器301で検出される交流電源1の電圧Vrs,電圧検出器302で検出される直流電源Pspの電圧Vpsおよび電圧検出器303で検出される直流電源Psnの電圧Vnsが入力される。制御回路200は、これら3つの電圧の関係から、スイッチング素子Q1,Q2をオンオフ制御するための制御信号G1,G2、および双方向スイッチ素子S1,S2をオンオフ制御するための制御信号Gs1,Gs2を生成する。
交流出力電圧指令生成回路201は、交流電源1の電圧Vrsに基づいて、交流出力電圧指令Vus*を生成する。交流出力電圧指令Vus*は、例えば、交流電源1の電圧Vrsに同期し、交流電源1の電圧定格に等しい振幅を有する交流出力電圧指令である。
電圧判定回路202は、交流出力電圧指令Vus*と交流電源1の電圧Vrsの関係が、Vus*≧0かつVrs<0のとき、当該スイッチング周期Tを領域1と判定する。
各領域において、4個の素子のうち一の素子がHアーム素子として選択され、他の一の素子がLアーム素子として選択される。Hアーム素子およびLアーム素子に選択されなかった残りの2個の素子は、オフアーム素子となる。
図3に戻って、パルス幅指令選択回路203には、交流電源1の電圧Vrs,直流電源Pspの電圧Vps,直流電源Psnの電圧Vns,交流出力電圧指令Vus*および領域信号δが入力される。パルス幅指令選択回路203は、これらの入力信号に基づいて、Hアーム素子に対するパルス幅指令α(スイッチング周期Tに対するオン時間の比率)を演算する。
図6(a)は、領域2において、交流出力端子U−V間に出力される正の交流出力電圧Vusを説明するための図である。図6(b)〜図6(e)は、この領域におけるスイッチング素子Q1,Q2と双方向スイッチ素子S1,S2の動作を説明するための図である。
領域4は、回路の対象性から、スイッチング素子Q1、Q2と双方向スイッチ素子S1,S2とが、領域3の場合とほぼ同様の動作をする領域である。この領域では、交流出力端子U−V間に、その平均電圧が交流出力電圧指令Vus*に等しい負の電圧が出力される。
領域5は、回路の対象性から、スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2の動作が逆になって、領域2の場合とほぼ同様の動作をする領域である。この領域では、交流出力端子U−V間に、その平均電圧が交流出力電圧指令Vus*に等しい負の電圧が出力される。
領域6は、回路の対象性から、スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2の動作が逆になって、領域1の場合とほぼ同様の動作をする領域である。この領域では、交流出力端子U−V間に、その平均電圧が交流出力電圧指令Vus*に等しい負の電圧が出力される。
しかし、本実施形態に係る電力変換装置では、スイッチング素子および双方向スイッチ素子は、第1の電圧と第2の電圧との間でオンオフ動作を行う。上述のとおり、第1の電圧は、交流出力電圧指令Vus*以上であってかつ交流出力電圧指令Vus*に一番近い電圧である。また、第2の電圧は、交流出力電圧指令Vus*よりも小さくかつ交流出力電圧指令Vus*に一番近い電圧である。図5〜図10からも明らかなように、第1の電圧と第2の電圧との間の電圧差は、直流電源の電圧Vps,Vnsの大きさに比べて小さい。
リアクトルLf1に流れるリプル電流は、電圧時間積(電圧の変化幅×電圧のパルス幅)に比例し、インダクタンス値に反比例する。インダクタンス値が同じ場合、本実施形態に係る電力変換装置では、電圧時間積が小さくなるため、リアクトルLf1に流れるリプル電流が小さくなる。リプル電流が小さくなるとリアクトルLf1の損失(主に鉄損)が小さくなる。したがって、リアクトルLf1の低損失化が可能である。
また、本実施形態に係る電力変換装置は、交流電源1に停電が発生した場合であっても交流電源1が正常な場合と同一の論理処理で、スイッチング周期T毎に、Hアーム素子とLアーム素子とを選択することができる。そして、交流電源1が正常な場合と同様に、選択したHアーム素子とLアーム素子とをオンオフさせて、交流出力電圧Vusを交流出力電圧指令Vus*に維持することができる。
領域7と判定されたスイッチング周期Tでは、双方向スイッチ素子S1のみオンし、スイッチング素子Q1,Q2および双方向スイッチ素子S2はオフする。よって、双方向スイッチ素子S1のみが電流通電による導通損失を発生する。スイッチング素子Q1,Q2および双方向スイッチ素子S2は、電流を流さないので、導通損失を発生しない。また、全ての素子は、オンオフ動作を行わないため、スイッチング損失を発生しない。
次に、図13は、本発明に係る電力変換装置の第2の実施形態を説明するための図である。この実施形態に係る電力変換装置は、図1に示した実施形態の直流電源直列回路30をハーフブリッジ型のコンバータ回路31で構成している。
Claims (22)
- 交流出力電圧指令に基づいて交流電圧を出力する電力変換装置であって、
第1の交流端子と第2の交流端子とを有する単相交流電源と、
第1の直流電源と第2の直流電源とを直列に接続してなり、前記第1の直流電源と前記第2の直流電源の接続点である中性点端子が前記第2の交流端子に接続される直流電源直列回路と、
を備え、
前記直流電源直列回路の正側電圧と、前記直流電源直列回路の負側電圧と、前記中性点端子の電位であるゼロ電圧と、前記交流電源の電圧の4レベルの電圧から選択した任意のレベルの電圧を出力することを特徴とする電力変換装置。 - 前記直流電源直列回路の正側電圧と前記直流電源直列回路の負側電圧とは、前記交流電源の電圧の振幅値よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 予め定められた時間幅を有しかつ連続する制御期間のそれぞれで、
前記4レベルの電圧から選択した一のレベルの電圧を第1の電圧とし、前記4レベルの電圧から選択した他のレベルの電圧を第2の電圧として、
前記第1の電圧と前記第2の電圧とをそれぞれ任意の時間幅で相補的に出力することにより、前記交流出力電圧指令に対応する交流出力電圧を出力することを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記第1の電圧と前記第2の電圧とは、前記交流出力電圧指令と前記交流電源の電圧とに基づいて選択される電圧であることを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
- 予め定められた時間幅を有しかつ連続する制御期間のそれぞれで、
前記4レベルの電圧のうちその絶対値が前記交流出力電圧指令の絶対値以上であってかつその値が前記交流出力電圧指令の値に一番近い電圧を第1の電圧として選択するとともに、前記4レベルの電圧のうちその絶対値が前記交流出力電圧指令の絶対値より小さくかつその値が前記交流出力電圧指令の値に一番近い電圧を第2の電圧として選択し、
前記制御期間内で、前記第1の電圧の出力時間と前記第2の電圧の出力時間との時比率を任意に設定して、前記第1の電圧と前記第2の電圧とを相補的に出力することにより、前記交流出力電圧指令に対応する交流電圧を出力することを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 - 予め定められた時間幅を有しかつ連続する制御期間のそれぞれで、
前記交流出力電圧指令がゼロ電圧以上でかつ前記交流電源の電圧が前記ゼロ電圧より小さいとき、前記直流電源直列回路の正側電圧を前記第1の電圧とするとともに、前記ゼロ電圧を前記第2の電圧とし、
前記交流出力電圧指令が前記ゼロ電圧以上でかつ前記交流電源の電圧が前記ゼロ電圧以上かつ前記交流出力電圧指令が前記交流電源の電圧より大きいとき、前記直流電源直列回路の正側電圧を前記第1の電圧とするとともに、前記交流電源の電圧を前記第2の電圧とし、
前記交流出力電圧指令が前記ゼロ電圧以上でかつ前記交流電源の電圧が前記ゼロ電圧以上かつ前記交流出力電圧指令が前記交流電源の電圧以下のとき、前記交流電源の電圧を前記第1の電圧とするとともに、前記ゼロ電圧を前記第2の電圧とし、
前記交流出力電圧指令が前記ゼロ電圧より小さくかつ前記交流電源の電圧が前記ゼロ電圧より小さくかつ前記交流出力電圧指令が前記交流電源の電圧以上のとき、前記交流電源の電圧を前記第1の電圧とするとともに、前記ゼロ電圧を前記第2の電圧とし、
前記交流出力電圧指令が前記ゼロ電圧より小さくかつ前記交流電源の電圧が前記ゼロ電圧より小さくかつ前記交流出力電圧指令が前記交流電源の電圧より小さいとき、前記直流電源直列回路の負側電圧を前記第1の電圧とするとともに、前記交流電源の電圧を前記第2の電圧とし、
前記交流出力電圧指令が前記ゼロ電圧より小さくかつ前記交流電源の電圧が前記ゼロ電圧以上のとき、前記直流電源直列回路の負側電圧を前記第1の電圧とするとともに、前記ゼロ電圧を前記第2の電圧として、
前記制御期間内で、前記第1の電圧の出力時間と前記第2の電圧の出力時間との時比率を任意に設定して、前記第1の電圧と前記第2の電圧とを相補的に出力することにより、前記交流出力電圧指令に対応する交流電圧を出力することを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記第1の電圧の出力時間は、前記交流出力電圧指令と前記第1の電圧と前記第2の電圧とに基づいて定められ、前記第2の電圧の出力時間は、前記制御期間の時間から前記第1の電圧の出力時間を差し引いた時間であることを特徴とする請求項5または請求項6のいずれかに記載の電力変換装置。
- 前記第1の電圧の出力時間は、前記交流出力電圧と前記第2の電圧との差電圧を、前記第1の出電圧と前記第2の電圧の差電圧で除して得られる値に対応する時間であることを特徴とする請求項5または請求項6のいずれかに記載の電力変換装置。
- 前記制御期間における前記交流出力電圧の平均値は、その制御期間内における前記交流出力電圧指令の平均値に等しいことを特徴とする請求項3乃至請求項8のいずれかに記載の電力変換装置。
- 前記交流出力電圧指令は、前記交流電源の電圧に同期していることを特徴とする請求項9に記載の電力変換装置。
- 前記交流電源の電圧と前記交流出力電圧指令との偏差が予め定められた範囲内にあるとき、前記交流電源の電圧を出力することを特徴とする請求項10に記載の電力変換装置。
- 交流出力電圧指令に基づいて交流電圧を出力する電力変換装置であって、
第1の交流端子と第2の交流端子とを有する単相交流電源と、
第1の直流電源と第2の直流電源とを直列に接続してなり、前記第1の直流電源と前記第2の直流電源の接続点である中性点端子が前記第2の交流端子に接続される直流電源直列回路と、
前記直流電源直列回路の正側端子に接続される正側スイッチング素子と、前記直流電源直列回路の負側端子に接続される負側スイッチング素子とを直列接続してなるスイッチング素子直列回路と、
前記正側スイッチング素子と前記負側スイッチング素子との接続点に接続される第1の交流出力端子と、
前記中性点端子に接続される第2の交流出力端子と、
一端が前記第1の交流出力端子に接続され、他端が前記交流電源の第1の交流端子に接続される第1の双方向スイッチ素子と、
一端が前記第1の交流出力端子に接続され、他端が前記直流電源直列回路の中性点端子に接続される第2の双方向スイッチ素子と、
を備え、
前記直流電源直列回路の正側電圧と、前記直流電源直列回路の負側電圧と、前記中性点端子の電位であるゼロ電圧と、前記交流電源の電圧の4レベルの電圧からに選択した任意のレベルの電圧を、前記第1の交流出力端子に出力することを特徴とする記載の電力変換装置。 - 前記直流電源直列回路の正側電圧と前記直流電源直列回路の負側電圧とは、前記交流電源の電圧の振幅値よりも大きいことを特徴とする請求項12に記載の電力変換装置。
- 予め定められた時間幅を有しかつ連続する制御期間のそれぞれで、
前記4レベルの電圧から選択した一のレベルの電圧を第1の電圧とし、前記4レベルの電圧から選択した他のレベルの電圧を第2の電圧として、
前記第1の電圧と前記第2の電圧とを、それぞれ任意の時間幅で相補的に、前記第1の交流出力端子に出力することを特徴とする請求項13に記載の電力変換装置。 - 前記第1の電圧と前記第2の電圧とは、前記交流出力電圧指令と前記交流電源の電圧とに基づいて選択される電圧であることを特徴とする請求項14に記載の電力変換装置。
- 予め定められた時間幅を有しかつ連続する制御期間のそれぞれで、
前記4レベルの電圧のうちその絶対値が前記交流出力電圧指令の絶対値以上であってかつその値が前記交流出力電圧指令の値に一番近い電圧を第1の電圧として選択するとともに、前記4レベルの電圧のうちその絶対値が前記交流出力電圧指令の絶対値より小さくかつその値が前記交流出力電圧指令の値に一番近い電圧を第2の電圧として選択し、
さらに、前記制御期間内で、前記第1の電圧の出力時間と前記第2の電圧の出力時間との時比率を任意に設定して、
前記第1の電圧と前記第2の電圧とを、相補的に、前記第1の交流出力端子に出力することを特徴とする請求項13に記載の電力変換装置。 - 予め定められた時間幅を有しかつ連続する制御期間のそれぞれで、
前記交流出力電圧指令が前記ゼロ電圧以上でかつ前記交流電源の電圧が前記ゼロ電圧より小さいとき、前記直流電源直列回路の正電圧を前記第1の電圧とするとともに、前記ゼロ電圧を前記第2の電圧とし、
前記交流出力電圧指令が前記ゼロ電圧以上でかつ前記交流電源の電圧が前記ゼロ電圧以上かつ前記交流出力電圧指令が前記交流電源の電圧より大きいとき、前記直流電源直列回路の正電圧を前記第1の電圧とするとともに、前記交流電源の電圧を前記第2の電圧とし、
前記交流出力電圧指令が前記ゼロ電圧以上でかつ前記交流電源の電圧が前記ゼロ電圧以上かつ前記交流出力電圧指令が前記交流電源の電圧以下のとき、前記交流電源の電圧を前記第1の電圧とするとともに、前記ゼロ電圧を前記第2の電圧とし、
前記交流出力電圧指令が前記ゼロ電圧より小さくかつ前記交流電源の電圧が前記ゼロ電圧より小さくかつ前記交流出力電圧指令が前記交流電源の電圧以上のとき、前記交流電源の電圧を前記第1の電圧とするとともに、前記ゼロ電圧を前記第2の電圧とし、
前記交流出力電圧指令が前記ゼロ電圧より小さくかつ前記交流電源の電圧が前記ゼロ電圧より小さくかつ前記交流出力電圧指令が前記交流電源の電圧より小さいとき、前記直流電源直列回路の負電圧を前記第1の電圧とするとともに、前記交流電源の電圧を前記第2の電圧とし、
前記交流出力電圧指令が前記ゼロ電圧より小さくかつ前記交流電源の電圧が前記ゼロ電圧以上のとき、前記直流電源直列回路の負電圧を前記第1の電圧とするとともに、前記ゼロ電圧を前記第2の電圧とし、
さらに、前記制御期間内で、前記第1の電圧の出力時間と前記第2の電圧の出力時間との時比率を任意に設定して、
前記第1の電圧と前記第2の電圧とを、相補的に、前記第1の交流出力端子に出力することを特徴とする請求項18に記載の電力変換装置。 - 前記第1の電圧の出力時間は、前記交流出力電圧指令と前記第1の電圧と前記第2の電圧とに基づいて定められ、前記第2の電圧の出力時間は、前記各制御期間の時間から前記第1の電圧の出力時間を差し引いた時間であることを特徴とする請求項16または請求項17のいずれかに記載の電力変換装置。
- 前記第1の電圧の出力時間は、前記交流出力電圧と前記第2の電圧との差電圧を、前記第1の出電圧と前記第2の電圧の差電圧で除して得られる値に対応する時間であることを特徴とする請求項16または請求項17のいずれかに記載の電力変換装置。
- 前記制御期間における前記交流出力電圧の平均値は、その制御期間内における前記交流出力電圧指令の平均値に等しいことを特徴とする請求項14乃至請求項19のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記交流出力電圧指令は、前記交流電源の電圧に同期していることを特徴とする請求項20に記載の電力変換装置。
- 前記交流電源の電圧と前記交流出力電圧指令との偏差が予め定められた範囲内にあるとき、前記交流電源の電圧を前記第1の交流出力端子に出力することを特徴とする請求項21に記載の電力変換装置。
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