JP2022002446A

JP2022002446A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2022002446A
Application number: JP2020106862A
Authority: JP
Inventors: 忠彦千田; Tadahiko Senda; 智道伊藤; Tomomichi Ito
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2020-06-22
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2022-01-06

Abstract

【課題】
装置内部に設置される変圧器の耐圧仕様を緩和し、変圧器の小型化を実現すること。
【解決手段】
本発明の電力変換装置は、上記課題を解決するために、商用電力系統に接続する電力変換装置において、装置内部に巻線が直列に接続された鉄心を有する変圧器を少なくとも２つ備え、前記変圧器の巻線と鉄心との間にインピーダンス要素が接続されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は電力変換装置に関するものである。

系統連系に用いられる商用変圧器を、高周波化することで小型化するソリッドステートトランス（以下、ＳＳＴという）の適用が検討されている。

このＳＳＴは、数十〜１００ｋＨｚ程度の高周波で駆動される高周波トランスと、高周波トランスを駆動するコンバータと、コンバータの出力電圧を電源とし系統の周波数と同じ数十Ｈｚの交流電圧を出力するインバータなどの電力変換器とから構成することで、従来の商用変圧器を代替するものである。

このようなＳＳＴの構成によれば、従来の絶縁トランス単体にコンバータやインバータなどの電力変換器を追加することになるが、数十〜１００ｋＨｚ程度の高周波で駆動することによる変圧器の小型化は、電力変換器を追加したＳＳＴの構成においても、従来の数十Ｈｚで駆動されていた商用変圧器単体と比較して大幅な小型、軽量化を実現できる。

このように、ＳＳＴは商用変圧器の機能を果たすものであるとともに、ＳＳＴ自体が電力変換装置としても機能するものである。

ＳＳＴを用いた電力変換装置の具体的な回路構成の事例として、例えば、非特許文献１に開示されている構成が提案されている。

この非特許文献１に記載の電力変換装置では、高周波で駆動される変圧器を用いた小容量かつ低耐圧のセルコンバータを多直多並列接続することで、高圧大電力用途へ適用することを可能としている。

また、セルコンバータを多直多並列接続した電力変換器装置の実装構造の事例として、例えば、特許文献１に開示されている構成が提案されている。

この特許文献１の構成では、電位の同じ低圧側２次回路は、共通化したプリント板内で配線し、電位の異なる高圧側一次回路は、各セルに分割したうえで個々のプリント板内で配線するようにして、回路電位に合わせてプリント板構造を最適化することで小型化を図っている。

特願２０１６−１０９７８号公報

Chounhong Zhao, Silvia Lewdeni―Schmid, Juergen K. Steinke, Michael Weiss, Toufann Chaudhuri, Marc Pellerin, Joeph Duron and Philipe Stefanutti: "Design, Implementation and Performance of a modular Power Electronic Transformer for Railway Application", Proceedings of 13th European Conference on Power Electronics and Applications, pp.1-10 (2011)

高圧大電力のＳＳＴを構成した場合、各電力変換セルの高周波変圧器の巻線には、対地に対して高電圧重畳されるので、高い耐圧仕様が求められる。例えば、一次側高電圧回路の入力が商用系統の数ｋＶ〜数十ｋＶであり、二側低電圧回路の出力が数百Ｖとすると、絶縁を確保するには一巻線−二次巻線間の耐圧は数ｋＶ〜数十ｋＶと大きくなる。

更に、高周波変圧器を構成する磁性体コアは、変換器の金属筐体などに取り付けられるために、対地と同電位となるケースが多い。そのため一次巻線−コア間にも数ｋＶ〜数十ｋＶの耐圧が必要になる。

高周波変圧器の絶縁を確保するためには、巻線の被覆を厚くしたり、巻線カバーを取り付けることで従来は対応してきた。また、絶縁距離を確保するために、空隙を設けるなども考えられる。しかしながら、いずれの方法でも変圧器が大型化してしまう課題がある。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、装置内部に設置される変圧器の耐圧仕様を緩和し、変圧器の小型化を実現できる電力変換装置を提供することにある。

本発明の電力変換装置は、上記目的を達成するために、商用電力系統に接続する電力変換装置であって、装置内部に巻線が直列に接続された鉄心を有する変圧器を少なくとも２つ備え、かつ、前記変圧器の巻線と鉄心との間にインピーダンス要素が接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、装置内部に設置される変圧器の耐圧仕様を緩和し、変圧器の小型化を実現できる。

本発明の電力変換装置の実施例１におけるセルコンバータを示す回路構成図である。従来の電力変換装置におけるセルコンバータを示す回路構成図である。本発明の電力変換装置の実施例２におけるセルコンバータを示す回路構成図である。本発明の電力変換装置の実施例３におけるセルコンバータの実装構造を示す図である。本発明の電力変換装置の実施例４における変圧器分圧回路の抵抗値を決定する方法を説明するための図である。本発明の電力変換装置の実施例５を示す回路構成図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明の電力変換装置を説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を使用する。

図１に、本発明の電力変換装置の実施例１におけるセルコンバータの回路構成を示す。

図１に示すように、本実施例の電力変換装置は、セルコンバータ１０１に高圧交流電源１０２と低圧負荷１０３が接続され、セルコンバータ１０１は、高電圧側回路部２０１、低電圧側回路部３０１、変圧器４１０及び４２０、変圧器分圧回路４５０から構成されている。

変圧器４１０及び４２０は直列に接続されており、変圧器４１０の一次巻線４１１とコア４１３の間、コア４１３と二次巻線４１２（若しくは一次巻線４２１）間、二次巻線４１２（若しくは一次巻線４２１）とコア４２３間に、それぞれ抵抗が接続されており、これにより変圧器分圧回路４５０が構成されている。コア４１３は、絶縁基板５０２上に配置されており、グランド電位からは絶縁れている。一方、コア４２３は、グランドに接続されている。

高電圧側回路部２０１は、高圧交流電源１０２から入力された交流電圧Ｖ_ｉｎ ^(H)を半導体素子２０２ａ〜２０２ｄのスイッチング動作（或いは整流動作）により直流電圧Ｖ_ｄｃ ^(H)に変換し、この直流電圧Ｖ_ｄｃ ^(H)を半導体素子２０４ａ〜２０４ｄのスイッチング動作により，交流電圧Ｖ_ｏｕｔ ^(H)に変換する機能を有する。交流電圧Ｖ_ｏｕｔ ^(H)は変圧器４１０、４２０を介して、交流電圧Ｖ_ｉｎ ^(L)に変換される。低電圧側回路部３０１は、半導体素子３０２ａ〜３０２ｄのスイッチング動作（あるいは整流動作）によって直流電圧Ｖ_ｏｕｔ ^(L)に変換する機能を有する。なお、２０３、３０３は平滑コンデンサである。

本実施例との比較のために、従来の電力変換装置におけるセルコンバータの回路構成を図２に示す。

図２は、図１の回路構成から、変圧器４１０と変圧器分圧回路４５０を除いたものである。ここで、変圧器４１０の一次巻線４２１とコア４２３に印可される電圧Ｖ_{ｗｉｒｅ−ｃｏｒｅ}を図１と図２でそれぞれ考える。

高電圧側回路部２０１の内部電圧降下やスイッチング動作に伴う電圧変動などを無視すると、図２に示す従来では、電圧Ｖ_{ｗｉｒｅ−ｃｏｒｅ}は最大で交流電圧Ｖ_ｉｎ ^(H)と同じとなる。

一方、図１に示す本実施例では、変圧器分圧回路４５０によって電圧が３分割されるために、電圧Ｖ_{ｗｉｒｅ−ｃｏｒｅ}は最大で交流電圧Ｖ_ｉｎ ^(H)の３分の１になる。即ち、変圧器４１０及び４２０の耐圧仕様を、従来から３分の１に緩和できることになる。従って、耐圧仕様を緩和することで、変圧器４１０及び４２０の小型化が可能となる。

図３に、本発明の電力変換装置の実施例２におけるセルコンバータの回路構成を示す。

図３に示す本実施例では、図１に示した実施例１に、更に、もう１つの変圧器４３０を追加した例である。

このような本実施例の場合、変圧器分圧回路４５１の抵抗Ｒは５直列となるために、各変圧器４１０、４２０及び４３０の一次巻線４１１、４２１、４３１−コア４１３、４２３、４３３間に印加される電圧も５分割される。従って、各変圧器４１０、４２０及び４３０の耐圧仕様を、図１の実施例１から更に緩和することができる。

なお、この実施例２に限らず、変圧器４３０を更に追加すれば、各変圧器４１０、４２０及び４３０の耐圧仕様を緩和できる。

図４に、本発明の電力変換装置の実施例３におけるセルコンバータの実装構造を示す。

図４に示す本実施例では、図１に示した実施例１の回路構成を実現するための実装構造である。

本実施例では、変圧器アセンブリ４４０ａ及び４４０ｂには、一次巻線−コアの間とコア−二次巻線の間に、それぞれ接続する分圧抵抗を実装した分圧回路基板４５１ａ及び４５１ｂを含んだ構成としている。変圧器アセンブリ４４０ａ及び４４０ｂは、実装構造及び部品は共通であるが、変圧器アセンブリ４４０ｂにおいてコア４２３−二次巻線４２２の間につながる抵抗を非実装（Ｏｐｅｎ）としている。

また、変圧器アセンブリ４４０ａのコア４１３は絶縁基板５０２上に、変圧器アセンブリ４４０ｂのコア４２３は、ケース５０１上に直接設置されている。

このように設置することで、コア４１３をケース５０１から絶縁し、コア４２３をケース５０１と同電位に固定して、図１に示す実施例１の回路構成を実現することができる。

また、変圧器アセンブリ４４０ａ及び４４０ｂは、共通部品と共通構造なので、製造コストを削減することができる。更に、図３に示した実施例２の変圧器４１０、４２０及び４３０の直列数を増加させた場合にも容易に対応することが可能である。

図５に、本発明の電力変換装置の実施例４における変圧器分圧回路の抵抗値を決定する方法を示す。

良く知られているように、変圧器の巻線とコア間には浮遊容量が存在している。図５に示す実施例４では、一次巻線４１１とコア４１３間の浮遊容量４１４、コア４１３と二次巻線４１２間の浮遊容量４１５、一次巻線４２１とコア４２３間の浮遊容量４２４、コア４２３と二次巻線４２２間の浮遊容量４２５がある。

高電圧側回路部２０１が出力する交流電圧の周波数をｆ_Ｈすると、各浮遊容量のインピーダンスＺ_Ｃは１／（２π×ｆ_Ｈ×Ｃ）である。変圧器分圧回路４５０によって、巻線−コア間の電圧を各抵抗でバランスよく分圧するためには、変圧器分圧回路４５０の抵抗値Ｒが、この各浮遊容量４１４、４１５、４２４及び４２５のインピーダンスＺ_Ｃより低い値となるように設定する必要がある。

浮遊容量Ｃの値はバラツキが大きいために、もし仮に変圧器分圧回路４５０の抵抗値Ｒが、各浮遊容量４１４、４１５、４２４及び４２５のインピーダンスＺ_Ｃより大きい場合には、分圧は各浮遊容量４１４、４１５、４２４及び４２５のインピーダンスＺ_Ｃの値によって決まるために、バランスよく分圧できないことになる。

なお、高電圧側回路部２０１が出力する交流電圧の周波数ｆ_Ｈを可変とする場合があるが、高圧交流電源１０２の動作周波数ｆ_ｉｎよりも低く設定することはない。そのため、少なくともＲ＜１／（２π×ｆ_ｉｎ×Ｃ）が条件であり、望ましくは、Ｒ＜１／（２π×ｆ_Ｈ×Ｃ）が条件と言うことができる。

図６に、本発明の電力変換装置の実施例５の回路構成を示す。

図６の実施例５は、上述したセルコンバータ１０１の一次側を多直列接続し、かつ、二次側を多並列接続した電力変換装置としたものである。

このように、セルコンバータ１０１を多直多並列接続することで、高圧大電力の用途へ適用することを可能としている。また、各セルコンバータ１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｈは、図１に示した実施例１の変圧器４１０の構成とすることで小型化が図れる。従って、これを多数用いた電力変換装置も小型化を実現できる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換える事が可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加える事も可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をする事が可能である。

１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｈ…セルコンバータ、１０２…高圧交流電源、１０３…低圧負荷、２０１…高電圧側回路部、２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄ、２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ、３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄ…半導体素子、２０３、３０３…平滑コンデンサ、３０１…低電圧側回路部、４１０、４２０、４３０…変圧器、４１１、４２１、４３１…一次側巻線、４１２、４２２、４３２…二次側巻線、４１３、４２３、４３３…コア、４１４、４１５、４２４、４２５…巻線−コア間の浮遊容量、４４０ａ、４４０ｂ…変圧器アセンブリ、４５０、４５１…変圧器分圧回路、４５１ａ、４５１ｂ…分圧回路基板、５０１…ケース、５０２…絶縁基板。

Claims

商用電力系統に接続する電力変換装置において、
装置内部に巻線が直列に接続された鉄心を有する変圧器を少なくとも２つ備え、前記変圧器の巻線と鉄心との間にインピーダンス要素が接続されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記インピーダンス要素のインピーダンスは、前記巻線と前記鉄心間の浮遊容量が商用周波数に対して持つインピーダンスより小さいことを特徴とする電力変換装置。
請求項１又は２に記載の電力変換装置において、
前記商用電力系統に接続される高電圧側回路部を有し、前記変圧器を２つ以上介して、前記高電圧側回路部に接続される低電圧側回路部を有することを特徴とする電力変換装置。
請求項３に記載の電力変換装置において、
前記低電圧側回路部に直接接続されている前記変圧器の鉄心が、装置を収納する金属ケースに設置されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項４に記載の電力変換装置において、
前記低電圧側回路部に直接接続されている前記変圧器以外の変圧器の鉄心は、絶縁基板上に設置されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項３乃至５のいずれかに記載の電力変換装置において、
前記電力変換装置を複数組み合わせて構成したことを特徴とする電力変換装置。
請求項６に記載した電力変換装置において、
前記複数の電力変換装置の前記高電圧側回路部は電気的に直列に接続され、一方、前記低電圧側回路部は並列に接続されていることを特徴とする電力変換装置。