JP2020174465A - Insulation-type power factor improvement device for three-phase alternating current - Google Patents

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Shoji Haneda
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Abstract

To achieve miniaturization of a transformer, and simple control in a power factor improvement device into which three-phase alternating current is inputted.SOLUTION: An insulation-type power factor improvement device for three-phase alternating current has one transformer for insulating an input side and an output side, and a primary coil and a secondary coil in each phase of the three-phase alternating current are wound around each of three legs of the transformer. Each phase is provided with a switching element serially connected with the primary coil in each phase. The switching element is configured with two FETs serially connected with each other at respective backs, and the switching element in each phase is subjected to on-off control with a same control signal. The secondary coil in each phase is each connected to a rectification bridge configured with four diodes. The control signal has a constant cycle and a constant duty ratio.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、三相交流を直流に変換する絶縁型の力率改善装置に関する。 The present invention relates to an insulated power factor improving device that converts three-phase alternating current into direct current.

従来、交流を直流に変換する力率改善装置では、交流の整流後に力率改善用のスイッチング処理を行っていた(特許文献1、2)。また、三相交流用の力率改善装置では、各相毎にスイッチング制御回路が設けられ、各相毎にそれぞれ異なる制御が行われていた(特許文献3、4)。 Conventionally, in a power factor improving device that converts alternating current into direct current, switching processing for improving the power factor is performed after rectifying the alternating current (Patent Documents 1 and 2). Further, in the power factor improving device for three-phase alternating current, a switching control circuit is provided for each phase, and different control is performed for each phase (Patent Documents 3 and 4).

また、入力側と出力側をトランスにより絶縁する絶縁型の力率改善装置も知られている。三相交流用の力率改善装置を絶縁型とするばあい、従来は各相毎にトランスを設けていた(特許文献5)。 An insulated power factor improving device that insulates the input side and the output side by a transformer is also known. When the power factor improving device for three-phase alternating current is an insulating type, conventionally, a transformer is provided for each phase (Patent Document 5).

特開2002−10632号公報JP-A-2002-10632 特開2005−218224号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-218224 特開平7−31150号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-31150 特開2002−44951号公報JP-A-2002-44951 特開2017−221074号公報JP-A-2017-221074

三相交流用の絶縁型力率改善装置において、各相毎にトランスを設けると、3つのトランスによる体積が嵩張るという問題があった。 In the insulated power factor improving device for three-phase alternating current, if a transformer is provided for each phase, there is a problem that the volume of the three transformers becomes bulky.

本発明の目的は、三相交流が入力される絶縁型の力率改善装置において、装置を小型化すると共に、簡易な回路構成及びスイッチング制御を実現することである。 An object of the present invention is to reduce the size of an isolated power factor improving device to which a three-phase AC is input, and to realize a simple circuit configuration and switching control.

上記の目的を達成するべく、本発明は、以下の構成を提供する。
・ 本発明の態様は、三相交流用の絶縁型力率改善装置において、
入力側と出力側を絶縁するための1つのトランスを有し、
前記トランスが具備する3つの脚の各々に三相交流の各相の一次コイルと二次コイルが巻かれていることを特徴とする
・ 上記態様において、各相について前記一次コイルと直列接続されたスイッチング要素をそれぞれ有し、前記スイッチング要素は、2つのFETを背中合わせに直列接続して構成されており、かつ、各相の前記スイッチング要素は、同じ制御信号によりオンオフ制御されることが、好適である。
・ 上記態様において、各相の前記二次コイルがそれぞれ、4つのダイオードから構成された整流ブリッジに接続されていることが、好適である。
・ 上記態様において、前記制御信号が、一定の周期と一定のデューティ比を有することが、好適である。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following configurations.
-Aspects of the present invention are in an insulated power factor improving device for three-phase alternating current.
It has one transformer to insulate the input side and the output side,
A primary coil and a secondary coil of each phase of three-phase alternating current are wound around each of the three legs included in the transformer.-In the above embodiment, each phase is connected in series with the primary coil. It is preferable that each of the switching elements has a switching element, the switching elements are configured by connecting two FETs in series back to back, and the switching elements of each phase are on / off controlled by the same control signal. is there.
-In the above embodiment, it is preferable that the secondary coil of each phase is connected to a rectifying bridge composed of four diodes.
-In the above embodiment, it is preferable that the control signal has a constant period and a constant duty ratio.

本発明により、三相交流が入力される絶縁型の力率改善装置において装置を小型化すると共に、簡易な回路構成及び制御が実現される。 According to the present invention, in an insulated power factor improving device to which a three-phase alternating current is input, the device can be miniaturized, and a simple circuit configuration and control can be realized.

図1は、本発明の力率改善装置の一実施形態の回路構成を概略的に示した図である。FIG. 1 is a diagram schematically showing a circuit configuration of an embodiment of the power factor improving device of the present invention. 図2(a)は、図1に示した力率改善装置のトランス構成を概略的に示す断面図であり、(b)は従来の力率回線装置のトランス構成の一例を示す断面図でる。FIG. 2A is a cross-sectional view schematically showing a transformer configuration of the power factor improving device shown in FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view showing an example of a transformer configuration of a conventional power factor line device. 図3は、図1に示した力率改善装置において、スイッチングのオン期間の電流の流れの一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of a current flow during the switching on period in the power factor improving device shown in FIG. 図4は、図1に示した力率改善装置において、スイッチングのオフ期間の電流の流れの一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of current flow during the switching off period in the power factor improving device shown in FIG.

以下、図面を参照しつつ、本発明による力率改善装置の実施形態について説明する。三相交流は、例えば風力発電の交流発電機により出力される。本発明の力率改善装置は、このような三相交流が入力され、負荷に対して直流を出力するものである。この力率改善装置は、三相交流電力を直流電力に変換する電力変換装置でもある。また、回路構成から分類すると、低周波の入力交流をスイッチング素子により高周波の交流に変換し、再び平滑化して直流とする処理を行うスイッチング電源の一つである。力率改善装置は、入力電流の波形を、入力電圧と位相の一致した相似の波形とすることにより力率を1とするように機能する。さらに本発明の力率改善装置は、入力側と出力側を電気的に絶縁する機能を備えている。本発明の力率改善装置の出力側に接続される負荷は、各種機器、インバータ(系統連系インバータを含む)等である。 Hereinafter, embodiments of the power factor improving device according to the present invention will be described with reference to the drawings. The three-phase alternating current is output by, for example, a wind power generator. In the power factor improving device of the present invention, such a three-phase alternating current is input and a direct current is output to the load. This power factor improving device is also a power conversion device that converts three-phase AC power into DC power. Further, when classified from the circuit configuration, it is one of the switching power supplies that converts low-frequency input alternating current into high-frequency alternating current by a switching element and smoothes it again to make direct current. The power factor improving device functions to set the power factor to 1 by making the waveform of the input current a similar waveform whose phase matches with the input voltage. Further, the power factor improving device of the present invention has a function of electrically insulating the input side and the output side. The load connected to the output side of the power factor improving device of the present invention is various devices, an inverter (including a grid interconnection inverter), and the like.

図1は、本発明の力率改善装置の一実施形態の回路構成を概略的に示した図である。この力率改善装置は、入力側と出力側を絶縁するために1つのトランスTRを設けている。トランスTRは、3つの一次コイルN1、N2、N3と、各一次コイルにそれぞれ密結合した二次コイルN2、N4、N6とが巻かれている。トランスTRの詳細な構成については後述する。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a circuit configuration of an embodiment of the power factor improving device of the present invention. This power factor improving device is provided with one transformer TR in order to insulate the input side and the output side. In the transformer TR, three primary coils N1, N2, and N3 and secondary coils N2, N4, and N6 tightly coupled to each primary coil are wound. The detailed configuration of the transformer TR will be described later.

トランスTRの一次側では、3つの入力端R、S、Tから三相交流の各相がそれぞれ入力される。本明細書では、三相交流の各相をR相、S相、T相と称する。各相の波形は正弦波であり、位相は2π/3(120°)ずつ異なる。入力電圧の周波数は、例えば数Hz〜数十Hz程度である。 On the primary side of the transformer TR, each phase of three-phase alternating current is input from the three input terminals R, S, and T, respectively. In this specification, each phase of three-phase alternating current is referred to as R phase, S phase, and T phase. The waveform of each phase is a sine wave, and the phases differ by 2π / 3 (120 °). The frequency of the input voltage is, for example, about several Hz to several tens of Hz.

各入力端R、S、Tと、一次コイルN1、N3、N5の各々の第1端との間には、それぞれスイッチング要素S1、S2、S3が挿入されている。各スイッチング要素S1、S2、S3は、それぞれ背中合わせに直列接続された2つのスイッチング素子(Q1とQ2、Q3とQ4、Q5とQ6)により構成されている。各スイッチング素子は、ここではFET(Field Effect Transistor)、特にnチャネルMOSFETである。別の例としてpチャネルFETにより構成することもできる。 Switching elements S1, S2, and S3 are inserted between the input ends R, S, and T and the first ends of the primary coils N1, N3, and N5, respectively. Each of the switching elements S1, S2, and S3 is composed of two switching elements (Q1 and Q2, Q3 and Q4, Q5 and Q6) connected in series back to back. Each switching element is here a FET (Field Effect Transistor), particularly an n-channel MOSFET. As another example, it can be configured by a p-channel FET.

スイッチング要素S1では、スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2のゲート同士及びソース同士が接続されている。各ゲートは、フォトカプラPC1の出力トランジスタのエミッタに接続されている。各ソースは、所定の電源Vgの負極端に接続されている。電源Vgの正極端は、フォトカプラPC1の出力トランジスタのコレクタに接続されている。従って、スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2は同時にオンオフし、かつそのオンオフはフォトカプラPC1により制御される。フォトカプラPC1の出力トランジスタがオンになると、電源Vgによりゲートソース間に接続されたバイアス抵抗に両端電圧が生じ、スイッチング素子Q1、Q2にゲートソース間電圧として印加される。これによりスイッチング素子Q1、Q2がオンになる。フォトカプラPC1の出力トランジスタがオフになると、スイッチング素子Q1、Q2はオフになる。スイッチング素子Q1のドレインは入力端Rに、スイッチング素子タQ2のドレインは一次コイルN1の第1端に接続されている。スイッチング要素S1は、R相の入力電圧をスイッチングする。 In the switching element S1, the gates and sources of the switching element Q1 and the switching element Q2 are connected to each other. Each gate is connected to the emitter of the output transistor of the photocoupler PC1. Each source is connected to the negative end of a given power source Vg. The positive end of the power supply Vg is connected to the collector of the output transistor of the photocoupler PC1. Therefore, the switching element Q1 and the switching element Q2 are turned on and off at the same time, and the on / off is controlled by the photocoupler PC1. When the output transistor of the photocoupler PC1 is turned on, a voltage across the bias resistor connected between the gate and source is generated by the power supply Vg, and is applied to the switching elements Q1 and Q2 as a voltage between the gate and source. As a result, the switching elements Q1 and Q2 are turned on. When the output transistor of the photocoupler PC1 is turned off, the switching elements Q1 and Q2 are turned off. The drain of the switching element Q1 is connected to the input end R, and the drain of the switching element Q2 is connected to the first end of the primary coil N1. The switching element S1 switches the input voltage of the R phase.

スイッチング要素S2、S3の各々も、スイッチング要素S1と同様の構成を有する。スイッチング要素S2、S3は、それぞれフォトカプラPC2、PC3によりオンオフ制御され、それぞれS相、T相の入力電圧をスイッチングする。 Each of the switching elements S2 and S3 has the same configuration as the switching element S1. The switching elements S2 and S3 are on / off controlled by the photocouplers PC2 and PC3, respectively, and switch the input voltages of the S phase and the T phase, respectively.

一次コイルN1、N3、N5の各々の他端は接続されており、この共通端が、一次側の基準電位端となる。 The other ends of each of the primary coils N1, N3, and N5 are connected, and this common end serves as the reference potential end on the primary side.

なお、図示しないが別の例として、スイッチング要素S1、S2、S3がそれぞれ、一次コイルN1、N3、N5の他端と、一次側の基準電位端との間に挿入されていてもよい。すなわち、スイッチング要素S1、S2、S3は、それぞれ一次コイルN1、N3、N5の各々と直列接続されていればよい。 Although not shown, as another example, the switching elements S1, S2, and S3 may be inserted between the other ends of the primary coils N1, N3, and N5 and the reference potential end on the primary side, respectively. That is, the switching elements S1, S2, and S3 may be connected in series with each of the primary coils N1, N3, and N5, respectively.

フォトカプラPC1、PC2、PC3の各々の入力ダイオードは全て直列接続されており、さらにフォトカプラPC4の入力ダイオードと直列接続されている。これら4つの直列接続されたダイオードのアノード側が、制御部10の第1出力端に、カソード側が第2出力端に接続されている。 The input diodes of the photocouplers PC1, PC2, and PC3 are all connected in series, and are further connected in series with the input diodes of the photocoupler PC4. The anode side of these four series-connected diodes is connected to the first output end of the control unit 10, and the cathode side is connected to the second output end.

制御部10は、スイッチングのための1つの制御信号を生成し、出力する。制御信号は、好適例ではPWM信号であり、一定の周期と所定のデューティ比を有するパルス電圧信号である。スイッチング制御信号の周波数は、例えば数kHz〜数MHz程度であり、入力電圧の周波数より大きい。 The control unit 10 generates and outputs one control signal for switching. The control signal is a PWM signal in a preferred example, and is a pulse voltage signal having a constant period and a predetermined duty ratio. The frequency of the switching control signal is, for example, about several kHz to several MHz, which is larger than the frequency of the input voltage.

次に、トランスTRの二次側の構成について説明する。図1に示したトランスTRの二次側の構成は、一例である。一般的な絶縁型スイッチング電源では、フォワード方式、フライバック方式、又はこれらを組み合わせた方式等があり、多様な回路が公知である。力率改善装置においては、入力電圧の大きさに関わらず一次側から二次側に電力を伝達できる方式が採用される。従って、通常、少なくともフライバック方式を含む構成が選択される。 Next, the configuration of the secondary side of the transformer TR will be described. The configuration on the secondary side of the transformer TR shown in FIG. 1 is an example. As a general isolated switching power supply, there are a forward method, a flyback method, a method combining these, and the like, and various circuits are known. In the power factor improving device, a method capable of transmitting electric power from the primary side to the secondary side is adopted regardless of the magnitude of the input voltage. Therefore, a configuration that includes at least a flyback method is usually selected.

図示の二次側の回路について、R相を例として説明する。二次コイルN2の各端は、4つのダイオードからなる整流ブリッジB1の2つの中間端子にそれぞれ接続されている。整流ブリッジB1の正側端子にリアクトルL1の一端が接続されている。リアクトルL1の他端は出力ダイオードD1のアノードに接続されている。出力ダイオードD1のカソードは正の出力端pに接続されている。整流ブリッジB1の負側端子は負の出力端nに接続されている。負の出力端nは、二次側の基準電位端である。正の出力端pと負の出力端nの間には平滑コンデンサCが接続されている。 The circuit on the secondary side shown in the figure will be described by taking the R phase as an example. Each end of the secondary coil N2 is connected to two intermediate terminals of a rectifying bridge B1 composed of four diodes. One end of the reactor L1 is connected to the positive terminal of the rectifying bridge B1. The other end of the reactor L1 is connected to the anode of the output diode D1. The cathode of the output diode D1 is connected to the positive output end p. The negative terminal of the rectifying bridge B1 is connected to the negative output end n. The negative output end n is the reference potential end on the secondary side. A smoothing capacitor C is connected between the positive output end p and the negative output end n.

二次コイルN2の各端が、整流ブリッジB1に接続されているので、二次コイルN2の巻きが、一次コイルN1の巻きに対して逆極性でも同極性でも、整流ブリッジB1の後段における電流の流れは同じになる。二次側に整流要素を設ける方が、一次側に整流要素を設けるよりも電力的に効率がよい。 Since each end of the secondary coil N2 is connected to the rectifying bridge B1, the current in the subsequent stage of the rectifying bridge B1 regardless of whether the winding of the secondary coil N2 has the opposite polarity or the same polarity as the winding of the primary coil N1. The flow will be the same. Providing a rectifying element on the secondary side is more power efficient than providing a rectifying element on the primary side.

さらに、スイッチング素子S4が、リアクトルL1の他端と負の出力端nの間に接続されている。スイッチング素子S4は、一例としてnチャネルMOSFETである。スイッチング素子S4のゲートは、フォトカプラPC4の出力トランジスタによりオンオフ制御される。 Further, the switching element S4 is connected between the other end of the reactor L1 and the negative output end n. The switching element S4 is an n-channel MOSFET as an example. The gate of the switching element S4 is on / off controlled by the output transistor of the photocoupler PC4.

S相、T相の二次側についても、R相と同様の構成を有する。図示の回路では、二次側にスイッチング素子S4、S5、S6が設けられ、フォトカプラPC4の出力トランジスタによりオンオフ制御される。 The secondary side of the S phase and the T phase also has the same configuration as the R phase. In the illustrated circuit, switching elements S4, S5, and S6 are provided on the secondary side, and on / off control is performed by the output transistor of the photocoupler PC4.

図1の回路における各スイッチング素子は、フォトカプラPC1〜PC4により制御部10から絶縁されている。図1の回路では、全てのスイッチング素子が、制御部10から出力される1つの制御信号により制御され、従って全てのスイッチング素子が同時にオンオフする。これにより極めて簡易な制御を実現している。 Each switching element in the circuit of FIG. 1 is insulated from the control unit 10 by the photocouplers PC1 to PC4. In the circuit of FIG. 1, all the switching elements are controlled by one control signal output from the control unit 10, and therefore all the switching elements are turned on and off at the same time. This realizes extremely simple control.

図2(a)は、図1の回路におけるトランスTRの構成を概略的に示した断面図である。トランスTRは、縦方向の3本の脚と、3本の脚の上端を連結する上アームと、下端を連結する下アームとから構成されるコアを有する。3本の脚は互いに等間隔に配置されかつ同じ幅を有している。すなわち3本の脚の横断面積は同じである。各脚には、それぞれR相、S相、T相の一次コイルと二次コイルが重ねて巻かれている。図では左脚にR相の一次コイルN1と二次コイルN2が、中央脚にS相の一次コイルN3と二次コイルN4が、右脚にT相の一次コイルN5と二次コイルN6が巻かれている。 FIG. 2A is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the transformer TR in the circuit of FIG. The transformer TR has a core composed of three legs in the vertical direction, an upper arm connecting the upper ends of the three legs, and a lower arm connecting the lower ends. The three legs are evenly spaced from each other and have the same width. That is, the cross-sectional areas of the three legs are the same. R-phase, S-phase, and T-phase primary coils and secondary coils are wound around each leg in an overlapping manner. In the figure, the R-phase primary coil N1 and the secondary coil N2 are wound on the left leg, the S-phase primary coil N3 and the secondary coil N4 are wound on the center leg, and the T-phase primary coil N5 and the secondary coil N6 are wound on the right leg. It has been done.

図2(b)は、参考のために従来の三相交流用の絶縁トランスの構成を示した概略断面図である。従来は、3相の各々に1つのトランスを設け、一次コイルと二次コイルをそれぞれ巻いていた。従って、3つのトランスTr、Ts、Ttを必要とし、全体のサイズが嵩高となっていた。本発明では、3組のコイルを1つのコアに巻くことにより、三相交流用の絶縁トランスのサイズを著しく低減することができる。 FIG. 2B is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a conventional isolation transformer for three-phase alternating current for reference. Conventionally, one transformer is provided for each of the three phases, and the primary coil and the secondary coil are wound respectively. Therefore, three transformers Tr, Ts, and Tt are required, and the overall size is bulky. In the present invention, the size of the isolation transformer for three-phase alternating current can be significantly reduced by winding three sets of coils around one core.

図3、図4を参照して、図1の回路の動作について説明する。図3、図4は、三相交流の時間的変化における、ある一時点の電流の例である。三相交流の3つの入力電圧は、時間的変化におけるいずれの時点をとっても、一次側の基準電位端に対して、いずれか1相が正電位かつ他の2相が負電位、又は、いずれか1相が負電位かつ他の2相が正電位のいずれかの状態になる。前者の場合は1相の正電位から2相の負電位へと入力電流が流れ、後者の場合は2相の正電位から1相の負電位へと入力電流が流れる。図3、図4は、前者の場合の一例である。後者の場合も、回路動作は実質的に同様である。 The operation of the circuit of FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 3 and 4. 3 and 4 are examples of currents at a certain temporary point in the temporal change of three-phase alternating current. The three input voltages of three-phase AC have either one phase positive potential and the other two phases negative potential with respect to the reference potential end on the primary side at any time point in the time change. One phase has a negative potential and the other two phases have a positive potential. In the former case, the input current flows from the positive potential of one phase to the negative potential of two phases, and in the latter case, the input current flows from the positive potential of two phases to the negative potential of one phase. 3 and 4 are examples of the former case. In the latter case as well, the circuit operation is substantially the same.

図3は、三相の入力電圧のうちR相が正電位、S相及びT相が負電位の場合に、スイッチング要素S1、S2、S3がオンとなったときの電流の流れを概略的に示している。電流の流れは、白矢印で示す。二次側のスイッチング素子S4、S5、S6も同時にオンとなる。 FIG. 3 schematically shows a current flow when the switching elements S1, S2, and S3 are turned on when the R phase is a positive potential and the S phase and the T phase are negative potentials among the three-phase input voltages. Shown. The current flow is indicated by a white arrow. The switching elements S4, S5, and S6 on the secondary side are also turned on at the same time.

スイッチング要素S1、S2、S3がオンになると、電流i1が、次の2つの経路で流れる。
・R相の入力端→一次コイルN1(一端から他端)→一次コイルN3(他端から一端)→S相の入力端
・R相の入力端→一次コイルN1(一端から他端)→一次コイルN5(他端から一端)→T相の入力端
When the switching elements S1, S2, and S3 are turned on, the current i1 flows in the following two paths.
・ R phase input end → primary coil N1 (one end to the other end) → primary coil N3 (one end to one end) → S phase input end ・ R phase input end → primary coil N1 (one end to the other end) → primary Coil N5 (one end from the other end) → T-phase input end

一次側のスイッチング要素S1、S2、S3は、双方向スイッチであるので、いずれの方向にも損失を生じることなる電流が流れることができる。 Since the switching elements S1, S2, and S3 on the primary side are bidirectional switches, a current that causes a loss can flow in any direction.

電流i1は、オン期間の間、時間に比例して一定の傾きで増加する。本発明では、制御信号の一周期のオン期間は一定であるから、一周期の電流i1の平均値は、増加する電流i1の傾きに比例する。電流i1の傾きは、その時点の入力電圧の瞬時値をVinとし、電流i1の経路上のインダクタンスLとし、制御信号の周波数をωとすると、Vin/Lωとなる。L、ωは定数であるから、一周期の電流i1の平均値は、入力電圧Vinに比例することになる。これは、入力電流i1が、入力電圧Vinに比例して変化することを意味する。すなわち、力率が1であることを意味する。 The current i1 increases with a constant slope in proportion to time during the on period. In the present invention, since the ON period of one cycle of the control signal is constant, the average value of the current i1 in one cycle is proportional to the slope of the increasing current i1. The slope of the current i1 is Vin / Lω, where Vin is the instantaneous value of the input voltage at that time, the inductance L on the path of the current i1, and the frequency of the control signal is ω. Since L and ω are constants, the average value of the current i1 in one cycle is proportional to the input voltage Vin. This means that the input current i1 changes in proportion to the input voltage Vin. That is, it means that the power factor is 1.

R相の二次側では、相互誘導により二次コイルN2に生じた起電力により電流i2が以下の経路で流れる。
・二次コイルN2(他端から一端)→整流ブリッジB1→リアクトルL1→スイッチング素子S4
これにより、リアクトルL1に磁気エネルギーが蓄積される。
On the secondary side of the R phase, the current i2 flows in the following path due to the electromotive force generated in the secondary coil N2 by mutual induction.
・ Secondary coil N2 (one end from the other end) → Rectifier bridge B1 → Reactor L1 → Switching element S4
As a result, magnetic energy is stored in the reactor L1.

S相の二次側では、相互誘導により二次コイルN4に生じた起電力により電流i3が以下の経路で流れる。
・二次コイルN4(一端から他端)→整流ブリッジB2→リアクトルL2→スイッチング素子S5
これにより、リアクトルL2に磁気エネルギーが蓄積される。
On the secondary side of the S phase, the current i3 flows in the following path due to the electromotive force generated in the secondary coil N4 by mutual induction.
・ Secondary coil N4 (from one end to the other end) → Rectifier bridge B2 → Reactor L2 → Switching element S5
As a result, magnetic energy is stored in the reactor L2.

T相の二次側では、相互誘導により二次コイルN6に生じた起電力により電流i5が以下の経路で流れる。
・二次コイルN6(一端から他端)→整流ブリッジB3→リアクトルL3→スイッチング素子S6
これにより、リアクトルL3に磁気エネルギーが蓄積される。
On the secondary side of the T phase, the current i5 flows in the following path due to the electromotive force generated in the secondary coil N6 by mutual induction.
・ Secondary coil N6 (from one end to the other end) → Rectifier bridge B3 → Reactor L3 → Switching element S6
As a result, magnetic energy is stored in the reactor L3.

図4は、図3のオン期間の後、スイッチング要素S1、S2、S3がオフとなったときの電流の流れを概略的に示している。二次側のスイッチング素子S4、S5、S6も同時にオフとなる。 FIG. 4 schematically shows the current flow when the switching elements S1, S2, and S3 are turned off after the on period of FIG. The switching elements S4, S5, and S6 on the secondary side are also turned off at the same time.

一次側は、電流路が遮断されるので、電流は零となる。一次側のスイッチング要素S1、S2、S3は、2つのFETのボディダイオードが逆向きに配置されているので、いずれの方向にも電流が流れることができず、完全にオフとなる。 On the primary side, the current path is cut off, so the current becomes zero. Since the body diodes of the two FETs of the switching elements S1, S2, and S3 on the primary side are arranged in opposite directions, current cannot flow in either direction and the switching elements are completely turned off.

R相の二次側では、二次コイルN2に生じた逆起電圧により、電流i5が以下の経路で流れる。
・二次コイルN2(一端から他端)→整流ブリッジB1→リアクトルL1→ダイオードD1→出力端p
On the secondary side of the R phase, the current i5 flows in the following path due to the counter electromotive voltage generated in the secondary coil N2.
・ Secondary coil N2 (from one end to the other end) → Rectifier bridge B1 → Reactor L1 → Diode D1 → Output end p

S相の二次側では、二次コイルN4に生じた逆起電圧により、電流i6が以下の経路で流れる。
・二次コイルN4(他端から一端)→整流ブリッジB2→リアクトルL2→ダイオードD2→出力端p
On the secondary side of the S phase, the current i6 flows in the following path due to the counter electromotive voltage generated in the secondary coil N4.
・ Secondary coil N4 (one end from the other end) → Rectifier bridge B2 → Reactor L2 → Diode D2 → Output end p

T相の二次側では、二次コイルN6に生じた逆起電圧により、電流i7が以下の経路で流れる。
・二次コイルN6(他端から一端)→整流ブリッジB3→リアクトルL3→ダイオードD3→出力端p
On the secondary side of the T phase, the current i7 flows in the following path due to the counter electromotive voltage generated in the secondary coil N6.
・ Secondary coil N6 (one end from the other end) → Rectifier bridge B3 → Reactor L3 → Diode D3 → Output end p

電流i5、i6、i7は、出力端pから、図示しない負荷に流れて出力端nへ戻る。これにより、二次コイルN2、N4、N6にそれぞれ蓄積されていた磁気エネルギーが放出される。 The currents i5, i6, and i7 flow from the output end p to a load (not shown) and return to the output end n. As a result, the magnetic energy stored in each of the secondary coils N2, N4, and N6 is released.

さらにR相の二次側では、リアクトルL1に生じた逆起電圧により、電流i8が以下の経路で流れる。
・出力端n→整流ブリッジB1→リアクトルL1→ダイオードD1→出力端p
Further, on the secondary side of the R phase, the current i8 flows in the following path due to the counter electromotive voltage generated in the reactor L1.
・ Output end n → Rectifier bridge B1 → Reactor L1 → Diode D1 → Output end p

さらにS相の二次側では、リアクトルL2に生じた逆起電圧により、電流i9が以下の経路で流れる。
・出力端n→整流ブリッジB2→リアクトルL2→ダイオードD2→出力端p
Further, on the secondary side of the S phase, the current i9 flows in the following path due to the counter electromotive voltage generated in the reactor L2.
・ Output end n → Rectifier bridge B2 → Reactor L2 → Diode D2 → Output end p

さらにT相の二次側では、リアクトルL3に生じた逆起電圧により、電流i0が以下の経路で流れる。
・出力端n→整流ブリッジB3→リアクトルL3→ダイオードD3→出力端p
Further, on the secondary side of the T phase, the current i0 flows in the following path due to the counter electromotive voltage generated in the reactor L3.
・ Output end n → Rectifier bridge B3 → Reactor L3 → Diode D3 → Output end p

電流i8、i9、i10は、出力端pから、図示しない負荷に流れて出力端nへ戻る。これにより、リアクトルL1、L2、L3にそれぞれ蓄積されていた磁気エネルギーが放出される。 The currents i8, i9, and i10 flow from the output end p to a load (not shown) and return to the output end n. As a result, the magnetic energy stored in the reactors L1, L2, and L3 is released.

なお、電流i8、i9、i10が、整流ブリッジB1、B2、B3において、上側の2つのダイオードを通るか、下側の2つのダイオードを通るかは、それぞれ電流i5、i6、i7の大きさによって決まる。 Whether the currents i8, i9, and i10 pass through the upper two diodes and the lower two diodes in the rectifying bridges B1, B2, and B3 depends on the magnitude of the currents i5, i6, and i7, respectively. It is decided.

本発明の力率改善装置における制御方法の特徴は、スイッチング制御において、三相交流の各相の入力電圧に対し、一定の周期、一定の位相、一定のデューティ比を有する1つの制御信号のみを用いて制御することである。すなわち、全ての相に対し同じタイミングでオンオフを行い、オン時間とオフ時間が一定である。従って、制御部は、所定のデューティ比のみを決定すればよい。所定のデューティ比は、例えば、検知された入力電圧、入力電流及び/又は出力電圧に基づいて決定される。 The feature of the control method in the power factor improving device of the present invention is that in switching control, only one control signal having a constant period, a constant phase, and a constant duty ratio with respect to the input voltage of each phase of three-phase alternating current is transmitted. Is to control using. That is, all phases are turned on and off at the same timing, and the on time and the off time are constant. Therefore, the control unit need only determine the predetermined duty ratio. The predetermined duty ratio is determined, for example, based on the detected input voltage, input current and / or output voltage.

従来の三相交流に対する力率改善装置においては、PWM処理によりデューティ比が変化する制御信号を与えたり、各相に対して異なるタイミングでスイッチ制御を行ったりするものが多かった。本発明の制御方法は、これらに比べて極めて簡易である。 In many conventional power factor improving devices for three-phase alternating current, a control signal for changing the duty ratio is given by PWM processing, or a switch control is performed for each phase at different timings. The control method of the present invention is extremely simple as compared with these.

R、S、T 入力端
p 正の出力端
n 負の出力端
TR トランス
N1、N3、N5 一次コイル
N2、N4、N6 二次コイル
S1、S2、S3 スイッチング要素
S4、S5、S6 スイッチング素子
PC1、PC2、PC3、PC4 フォトカプラ
L1、L2、L3 リアクトル
D1、D2、D3 出力ダイオード
C 平滑コンデンサ
R, S, T Input end p Positive output end n Negative output end TR Transformer N1, N3, N5 Primary coil N2, N4, N6 Secondary coil S1, S2, S3 Switching element S4, S5, S6 Switching element PC1, PC2, PC3, PC4 Photocoupler L1, L2, L3 Reactor D1, D2, D3 Output diode C smoothing capacitor

Claims (4)

三相交流用の絶縁型力率改善装置において、
入力側と出力側を絶縁するための1つのトランスを有し、
前記トランスが具備する3つの脚の各々に三相交流の各相の一次コイルと二次コイルが巻かれていることを特徴とする
三相交流用の絶縁型力率改善装置。
In an insulated power factor improving device for three-phase AC
It has one transformer to insulate the input side and the output side,
An insulated power factor improving device for three-phase alternating current, characterized in that a primary coil and a secondary coil of each phase of three-phase alternating current are wound around each of the three legs included in the transformer.
各相について前記一次コイルと直列接続されたスイッチング要素をそれぞれ有し、前記スイッチング要素は、2つのFETを背中合わせに直列接続して構成されており、かつ、各相の前記スイッチング要素は、同じ制御信号によりオンオフ制御されることを特徴とする請求項1に記載の三相交流用の絶縁型力率改善装置。 Each phase has a switching element connected in series with the primary coil, the switching element is configured by connecting two FETs in series back to back, and the switching element of each phase has the same control. The insulated power factor improving device for three-phase alternating current according to claim 1, wherein the on / off control is performed by a signal. 各相の前記二次コイルがそれぞれ、4つのダイオードから構成された整流ブリッジに接続されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の三相交流用の絶縁型力率改善装置。 The insulated power factor improving device for three-phase alternating current according to claim 1 or 2, wherein the secondary coil of each phase is connected to a rectifying bridge composed of four diodes. 前記制御信号が、一定の周期と一定のデューティ比を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の三相交流用の絶縁型力率改善装置。 The insulated power factor improving device for three-phase alternating current according to any one of claims 1 to 3, wherein the control signal has a constant period and a constant duty ratio.
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