JP2015226427A - 電力変換装置及び三相交流電源装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】直流電源5から入力される直流電圧を、三相交流の中性点に対する各相に出力すべき交流波形の電圧にそれぞれ変換する各相の変換装置100と、これらを制御する制御部とを備えた電力変換装置100Pであって、各変換装置100は、絶縁トランス12を含むDC/DCコンバータ及びコンデンサ14を有し、制御部がDC/DCコンバータを制御することにより、入力される直流電圧を、出力すべき交流波形として基本波に3次高調波を重畳した電圧の絶対値に相当する脈流波形を含む電圧に変換する第1変換部と、第1変換部より後段に設けられ、フルブリッジインバータ21を有し、制御部がフルブリッジインバータ21を制御することにより、脈流波形を含む電圧を1周期ごとに極性反転して交流波形の電圧に変換する第2変換部とを備える。
【選択図】図1
Description
一方、三相インバータを用いることにより、直流電源の電圧を三相交流電圧に変換することもできる(例えば、特許文献1(図7)参照。)。
電力変換装置200は、コンデンサ202と、例えば3組の昇圧回路203と、DCバス204の電圧を平滑化する平滑回路205と、三相インバータ回路207と、3組のACリアクトル208〜210及びコンデンサ211〜213とを備えている。平滑回路205は、耐電圧性能確保のため2直列、容量確保のため6並列に、コンデンサ206を接続して成るものである。この平滑回路全体としての容量は、例えば数mFである。
前記第1相変換装置、前記第2相変換装置及び前記第3相変換装置の各々は、絶縁トランスを含むDC/DCコンバータ及び平滑用のコンデンサを有し、前記制御部が前記DC/DCコンバータを制御することにより、入力される直流電圧を、出力すべき交流波形として基本波に3次高調波を重畳した電圧の絶対値に相当する脈流波形を含む電圧に変換する第1変換部と、前記第1変換部より後段に設けられ、フルブリッジインバータを有し、前記制御部が前記フルブリッジインバータを制御することにより、前記脈流波形を含む電圧を1周期ごとに極性反転して前記交流波形の電圧に変換する第2変換部と、を備えている。
前記第1相変換装置、前記第2相変換装置及び前記第3相変換装置の各々は、絶縁トランスを含むDC/DCコンバータ及び平滑用のコンデンサを有し、前記制御部が前記DC/DCコンバータを制御することにより、入力される直流電圧を、出力すべき交流波形として基本波に3次高調波を重畳した電圧の絶対値に相当する脈流波形を含む電圧に変換する第1変換部と、前記第1変換部より後段に設けられ、フルブリッジインバータを有し、前記制御部が前記フルブリッジインバータを制御することにより、前記脈流波形を含む電圧を1周期ごとに極性反転して前記交流波形の電圧に変換する第2変換部と、を備えている。
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
前記第1相変換装置、前記第2相変換装置及び前記第3相変換装置の各々は、絶縁トランスを含むDC/DCコンバータ及び平滑用のコンデンサを有し、前記制御部が前記DC/DCコンバータを制御することにより、入力される直流電圧を、出力すべき交流波形として基本波に3次高調波を重畳した電圧の絶対値に相当する脈流波形を含む電圧に変換する第1変換部と、前記第1変換部より後段に設けられ、フルブリッジインバータを有し、前記制御部が前記フルブリッジインバータを制御することにより、前記脈流波形を含む電圧を1周期ごとに極性反転して前記交流波形の電圧に変換する第2変換部と、を備えている。
この場合、交流波形の基になる(1/2)周期の波形は全て第1変換部によって生成され、第2変換部は出力する交流波形の周波数の2倍の周波数で極性反転のみを行う。すなわち、第2変換部は、高周波のスイッチングを伴うインバータ動作を行わない。そのため、第2変換部の出力側にACリアクトルは不要となり、ACリアクトルによる損失を排除することができる。
この場合、ゼロクロス近傍での波形の歪みを防止し、かつ、損失低減の効果も十分に確保することができる。例えば、「所定の割合」を18%未満にすると、ゼロクロス近傍での僅かな歪みが残る可能性がある。35%より大きくすると、第2変換部2における高周波のインバータ動作期間が長くなるので、その分、損失低減の効果が薄れる。
この場合、スイッチングに伴う高周波の電圧変動は除去しつつ、所望の脈流波形を得ることができる。
前記第1相変換装置、前記第2相変換装置及び前記第3相変換装置の各々は、絶縁トランスを含むDC/DCコンバータ及び平滑用のコンデンサを有し、前記制御部が前記DC/DCコンバータを制御することにより、入力される直流電圧を、出力すべき交流波形として基本波に3次高調波を重畳した電圧の絶対値に相当する脈流波形を含む電圧に変換する第1変換部と、前記第1変換部より後段に設けられ、フルブリッジインバータを有し、前記制御部が前記フルブリッジインバータを制御することにより、前記脈流波形を含む電圧を1周期ごとに極性反転して前記交流波形の電圧に変換する第2変換部と、を備えている。
この場合も、(1)の電力変換装置と同様の作用効果を奏する。
以下、発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
(三相回路図)
図1は、第1実施形態に係る三相交流電源装置500を示す回路図である。三相交流電源装置500は、電力変換装置100Pと、例えば蓄電池からなる直流電源5とを備え、三相交流負荷6に接続される。
図2は、図1における1相分の変換装置100の内部回路を、より詳細に示す図である。
この変換装置100は、入力される直流電圧VDCを、交流波形の目標電圧である交流電圧VACに変換して出力する。なお、変換装置100は、交流から直流への変換も可能であるが、ここでは、主として直流から交流への変換に着目して説明する(第2実施形態及び第3実施形態においても同様である。)。
DC/DCコンバータ10は、入力側から順に、4つのスイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4によって構成されるフルブリッジ回路11と、絶縁トランス12と、4つのスイッチング素子Q5,Q6,Q7,Q8によって構成される整流回路13とを備え、これらは図示のように接続されている。
上記スイッチング素子Q1〜Q12は、制御部3によって制御される。スイッチング素子Q1〜Q12としては、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やFET(Field Effect Transistor)を用いることができる。
さらに、DCバスLBに接続されるスイッチング素子Q5〜Q12及び平滑用のコンデンサ14は、耐電圧性能の低いものでも使用できるようになる。スイッチング素子は耐電圧性能が低い方が、オン抵抗が低いため、導通損を低減することができる。
(波形の第1例)
次に、上記変換装置100の動作について説明する。まず、制御部3は、第1変換部1のフルブリッジ回路11(スイッチング素子Q1〜Q4)を、PWM制御する。
図3は、フルブリッジ回路11に対するゲート駆動パルスを示す図である。図中、二点鎖線で示す波形が、目標電圧である交流電圧VACである。但し、後述するが、この波形は通常の正弦波ではない。ゲート駆動パルスの周波数は、交流電圧VACの周波数(50又は60Hz)に比べて格段に高周波(例えば20kHz)であるため、個々のパルスは描けないが、交流波形の絶対値のピークでパルス幅が最も広くなり、絶対値が0に近づくほど狭くなる。
以上のように、上記の変換装置100によれば、第1変換部1のハードウェア構成はDC/DCコンバータであるが、直流電圧を、単なる直流電圧に変換するのではなく、3次高調波を含む交流波形の絶対値に相当する脈流波形に変換する。従って、交流波形の基になる波形は第1変換部1によって生成される。そして、第2変換部2は、脈流波形を含む電圧を1周期ごとに極性反転して交流波形の目標電圧に変換する。
このようにして相電圧を出力すれば、三相交流負荷6に対する線間電圧(400V)を単一の三相インバータで供給する場合と比べて、DCバスLBの電圧が低減され、さらに3次高調波の重畳による波高値の低減効果もあるため、変換装置100内のスイッチング素子Q5〜Q12のスイッチング損失が低下する。また、絶縁トランス12の鉄損も低下する。
また、第1変換部1のコンデンサ14は、高周波の電圧変動のみ平滑化すればよく、低周波の脈流波形は平滑化しない。従って、低容量(例えば10μFや22μF)のコンデンサを使用することができる。
図9の(a)は、電力変換装置100Pから出力されるU,V,Wの相電圧を示す波形図であり、また、(b)は、三相交流負荷に印加されるU−V,V−W,W−Uの線間電圧を示す波形図である。
制御部3は、各相の変換装置(第1変換装置,第2変換装置,第3変換装置)100を、これらが出力する交流波形の位相が相互に(2/3)πずれるように制御する。相電圧に3次高調波が含まれていても、線間電圧では3次高調波が打ち消され、通常の正弦波の相電圧の場合と同様に、位相が相互に(2/3)πずれた波高値566V(=400×√2=283×2)の3相の線間電圧が得られる。
これにより、電力変換装置100Pは、三相交流電圧を三相交流負荷6に対して印加し、交流電力を供給することができる。
図10は、フルブリッジ回路11に対するゲート駆動パルスを示す図である。図中、二点鎖線で示す波形が、目標電圧である交流電圧VACである。但し、この波形は通常の正弦波ではない。ゲート駆動パルスの周波数は、交流電圧VACの周波数(50又は60Hz)に比べて格段に高周波(例えば20kHz)であるため、個々のパルスは描けないが、交流波形の絶対値のピークでパルス幅が最も広くなり、絶対値が0に近づくほど狭くなる。
また、図12の(b)は、実際にコンデンサ14の両端に現れる脈流波形の電圧である。(a)との比較により明らかなように、ほぼ、指令値通りの脈流波形が得られる。
以上のように、上記の変換装置100によれば、第1変換部1のハードウェア構成はDC/DCコンバータであるが、直流電圧を、単なる直流電圧に変換するのではなく、3次高調波を含む交流波形の絶対値に相当する脈流波形に変換する。従って、交流波形の基になる波形は第1変換部1によって生成される。そして、第2変換部2は、脈流波形を含む電圧を1周期ごとに極性反転して交流波形の目標電圧に変換する。
このようにして相電圧を出力すれば、三相交流負荷6に対する線間電圧(400V)を単一の三相インバータで供給する場合と比べて、DCバスLBの電圧が低減され、さらに3次高調波の重畳による波高値の低減効果もあるため、変換装置100内のスイッチング素子Q5〜Q12のスイッチング損失が低下する。また、絶縁トランス12の鉄損も低下する。
また、第1変換部1のコンデンサ14は、高周波の電圧変動のみ平滑化すればよく、低周波の脈流波形は平滑化しない。従って、低容量(例えば10μFや22μF)のコンデンサを使用することができる。
図14の(a)は、電力変換装置100Pから出力されるU,V,Wの相電圧を示す波形図であり、また、(b)は、三相交流負荷に印加されるU−V,V−W,W−Uの線間電圧を示す波形図である。
制御部3は、各相の変換装置(第1変換装置,第2変換装置,第3変換装置)100を、これらが出力する交流波形の位相が相互に(2/3)πずれるように制御する。相電圧に3次高調波が含まれていても、線間電圧では3次高調波が打ち消され、通常の正弦波の相電圧の場合と同様に、位相が相互に(2/3)πずれた波高値566V(=400×√2=283×2)の3相の線間電圧が得られる。
これにより、電力変換装置100Pは、三相交流電圧を三相交流負荷6に対して印加し、交流電力を供給することができる。
なお、前述のように、変換装置100は、交流から直流への変換にも使用可能である。但し、この場合は、スイッチング素子Q9,Q10の相互接続点からコンデンサ22までの電路にACリアクトル(後述する第2実施形態におけるACリアクトル23(図16)と同じ。)を挿入することが好ましい。
この場合、ACリアクトルはコンデンサ22と共に、フィルタ回路(ローパスフィルタ)を構成する。図2において、交流側から給電する場合には、第2変換部2は「整流回路」となり、第1変換部1の整流回路13が「インバータ」となる。この「インバータ」が発生する高周波成分は、上記のフィルタ回路の存在により交流側には漏出しない。
(三相回路図)
図15は、第2実施形態に係る三相交流電源装置500を示す回路図である。三相交流電源装置500は、電力変換装置100Pと、例えば蓄電池からなる直流電源5とを備え、三相交流負荷6に接続される。
また、図16は、図15における1相分の変換装置100の内部回路を、より詳細に示す図である。
図16が、図2と異なるのは、図16において、第2変換部2におけるフルブリッジインバータ21の出力側に、ACリアクトル23を設けた点、及び、第1変換部1の出力電圧を検知する電圧センサ9を設けた点であり、その他のハードウェア構成は同じである。ACリアクトル23及びコンデンサ22は、第2変換部2の出力に含まれる高周波成分を取り除くフィルタ回路(ローパスフィルタ)を構成する。電圧センサ9が検知した電圧の情報は、制御部3に送られる。
(波形の第1例)
図17は、フルブリッジ回路11に対するゲート駆動パルスを示す図である。図中、二点鎖線で示す波形が、目標電圧の交流電圧VACである。但し、この波形は通常の正弦波ではない。ゲート駆動パルスの周波数は、交流電圧VACの周波数(50又は60Hz)に比べて格段に高周波(例えば20kHz)であるため、個々のパルスは描けないが、交流波形の絶対値のピークでパルス幅が最も広くなり、絶対値が0に近づくほど狭くなる。図3との違いは、交流波形のゼロクロス近傍において図3よりも広い範囲で、ゲート駆動パルスが出力されない点である。
この場合、ゼロクロス近傍での波形の歪みを防止し、かつ、損失低減の効果も十分に確保することができる。例えば、「所定の割合」を18%未満にすると、ゼロクロス近傍での僅かな歪みが残る可能性がある。35%より大きくすると、第2変換部2における高周波のインバータ動作期間が長くなるので、その分、損失低減の効果が薄れる。
三相波形の生成については図9と同様であるので、ここでは説明を省略する。
図21は、フルブリッジ回路11に対するゲート駆動パルスを示す図である。図中、二点鎖線で示す波形が、目標電圧の交流電圧VACである。但し、この波形は通常の正弦波ではない。ゲート駆動パルスの周波数は、交流電圧VACの周波数(50又は60Hz)に比べて格段に高周波(例えば20kHz)であるため、個々のパルスは描けないが、交流波形の絶対値のピークでパルス幅が最も広くなり、絶対値が0に近づくほど狭くなる。図10との違いは、交流波形のゼロクロス近傍において図10よりも広い範囲で、ゲート駆動パルスが出力されない点である。
三相波形の生成については図14と同様であるので、ここでは説明を省略する。
以上のように、第2実施形態の変換装置100によれば、第1変換部1のハードウェア構成はDC/DCコンバータであるが、直流電圧を、単なる直流電圧に変換するのではなく、3次高調波を含む交流波形の絶対値に相当する脈流波形(但し、ゼロクロス近傍を除く。)に変換する。従って、交流波形の基になる波形は主として第1変換部1によって生成される。また、第2変換部2は、第1変換部1が出力した脈流波形を含む電圧を1周期ごとに極性反転して交流波形の目標電圧に変換する。さらに、第2変換部2は、ゼロクロス近傍についてのみ、インバータ動作を行って第1変換部1が生成しなかったゼロクロス近傍の交流波形を生成し、出力する。
以上のような損失の低減により、変換装置100の変換効率を向上させることができ、しかも、より滑らかな交流波形の出力を得ることができる。
図24は、第3実施形態に係る三相交流電源装置及び電力変換装置における、1相分の変換装置100の回路図である。ここでは、図15に対応する図は省略する。すなわち、図15における変換装置100を、図24の変換装置100に入れ替えたものが、第3実施形態に係る三相交流電源装置及び電力変換装置である。
また、第2変換部2のフルブリッジインバータ21を構成するスイッチング素子Q9,Q12に対するゲート駆動パルス、及び、スイッチング素子Q10,Q11に対するゲート駆動パルスは、それぞれ、第2実施形態と同様に、図19の(b)、(c)に示すものとなる。
こうして、第2実施形態と同様に、図20に示すような、ほぼ目標電圧通りの交流波形が得られる。
なお、上記各実施形態では、電力変換装置100Pを三相交流負荷6に接続する場合について説明したが、かかる電力変換装置100Pを、単相負荷や電力系統に接続することも可能である。
また、図1又は図15では、3組の変換装置100に対して共通の直流電源5から直流電圧を入力する構成とした。このように共通の直流電源を使用することができるのは、絶縁トランス12を用いる変換装置100の利点でもある。しかしながら、共通の直流電源を使用することに限定される訳ではなく、複数の変換装置に対して個別に直流電源を設けてもよい。
2 第2変換部
3 制御部
4 コンデンサ
5 直流電源
5s 電圧センサ
6 三相交流負荷
6p 相負荷
6s 電圧センサ
9 電圧センサ
10 DC/DCコンバータ
11 フルブリッジ回路
11A プッシュプル回路
12 絶縁トランス
12p 1次側巻線
13 整流回路
14 コンデンサ
15 DCリアクトル
21 フルブリッジインバータ
22 コンデンサ
23 ACリアクトル
100 変換装置
100P 電力変換装置
200 電力変換装置
201 直流電源
202 コンデンサ
203 昇圧回路
203t 絶縁トランス
204 DCバス
205 平滑回路
206 コンデンサ
207 三相インバータ回路
208〜210 ACリアクトル
211〜213 コンデンサ
220 三相交流負荷
500 三相交流電源装置
LB DCバス
N 中性点
Q1〜Q12,Qa,Qb スイッチング素子
Claims (6)
- 直流電源から入力される直流電圧を、三相交流電圧に変換する電力変換装置であって、
前記直流電源から入力される直流電圧を、三相交流の中性点に対する第1相に出力すべき交流波形の電圧に変換する第1相変換装置と、
前記直流電源から入力される直流電圧を、前記中性点に対する第2相に出力すべき交流波形に変換する第2相変換装置と、
前記直流電源から入力される直流電圧を、前記中性点に対する第3相に出力すべき交流波形の電圧に変換する第3相変換装置と、
前記第1相変換装置、前記第2相変換装置、及び、前記第3相変換装置を制御する制御部と、を備え、
前記第1相変換装置、前記第2相変換装置及び前記第3相変換装置の各々は、
絶縁トランスを含むDC/DCコンバータ及び平滑用のコンデンサを有し、前記制御部が前記DC/DCコンバータを制御することにより、入力される直流電圧を、出力すべき交流波形として基本波に3次高調波を重畳した電圧の絶対値に相当する脈流波形を含む電圧に変換する第1変換部と、
前記第1変換部より後段に設けられ、フルブリッジインバータを有し、前記制御部が前記フルブリッジインバータを制御することにより、前記脈流波形を含む電圧を1周期ごとに極性反転して前記交流波形の電圧に変換する第2変換部と、
を備えている電力変換装置。 - 前記第1変換部は、前記直流電圧を、連続した前記脈流波形の電圧に変換する請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記第1変換部の出力する電圧が、前記脈流波形の波高値に対して所定の割合以下となる期間内にあるとき、前記制御部は、前記フルブリッジインバータを、高周波でインバータ動作させることにより、前記期間内の前記交流波形の電圧を生成する請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記所定の割合とは、18%〜35%である請求項3に記載の電力変換装置。
- 前記コンデンサは、前記第1変換部におけるスイッチングによる高周波の電圧変動を平滑化するが、前記脈流波形は平滑化しない程度の容量を有する請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 直流電源と、
前記直流電源から入力される直流電圧を、三相交流の中性点に対する第1相に出力すべき交流波形の電圧に変換する第1相変換装置と、
前記直流電源から入力される直流電圧を、前記中性点に対する第2相に出力すべき交流波形の電圧に変換する第2相変換装置と、
前記直流電源から入力される直流電圧を、前記中性点に対する第3相に出力すべき交流波形の電圧に変換する第3相変換装置と、
前記第1相変換装置、前記第2相変換装置、及び、前記第3相変換装置を制御する制御部と、を備え、
前記第1相変換装置、前記第2相変換装置及び前記第3相変換装置の各々は、
絶縁トランスを含むDC/DCコンバータ及び平滑用のコンデンサを有し、前記制御部が前記DC/DCコンバータを制御することにより、入力される直流電圧を、出力すべき交流波形として基本波に3次高調波を重畳した電圧の絶対値に相当する脈流波形を含む電圧に変換する第1変換部と、
前記第1変換部より後段に設けられ、フルブリッジインバータを有し、前記制御部が前記フルブリッジインバータを制御することにより、前記脈流波形を含む電圧を1周期ごとに極性反転して前記交流波形の電圧に変換する第2変換部と、
を備えている三相交流電源装置。
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