JP3092195B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば車両用補助電
源装置などに用いられる電力変換装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来の電力変換装置を示す回路図
であり、車両用補助電源装置の場合を示す。直流入力電
圧1500Ｖ（変動範囲 900Ｖ〜1800Ｖ）を３相交流電力 2
00Ｖ（または 440Ｖ）の出力に変換するものである。図
において、１は直流1500Ｖが供給されている架線、２は
架線１と接触を保つパンタグラフ、３は断路器、４はヒ
ューズ、５は高速度しゃ断器、６は故障電流を抑制する
限流抵抗器、７は入力平滑リアクトル、８は過渡的な充
電電流を抑制する充電抵抗器、９は充電抵抗器８と並列
接続されたサイリスタである。

【０００３】11は入力電圧を分圧する第１のコンデンサ
である入力フィルタコンデンサ、12、13は互いに同定格
の第１、第２のコンデンサユニットで、互いに直列に接
続されて入力フィルタコンデンサ11を構成している。15
は、入力フィルタコンデンサ11と並列接続された直列２
重チョッパ回路、16、17は互いに同定格の第１、第２の
チョッパユニットで、互いに直列に接続されて直列２重
チョッパ回路15を構成している。

【０００４】18は第１の中点であり、入力フィルタコン
デンサ11の中点であると同時に直列２重チョッパ回路15
の中点、すなわち第１、第２のチョッパユニット16、17
が互いに直列接続された点になっている。19、20は第
１、第２のゲート・ターン・オフ・サイリスタ（ＧＴ
Ｏ）、21、22は第１、第２のダイオードであり、第１の
ＧＴＯ19と第１のダイオード21で第１のチョッパユニッ
ト16を、そして第２のＧＴＯ20と第２のダイオード22で
第２のチョッパユニット17を構成している。14は平滑用
のチョッパ出力リアクトルである。

【０００５】23は第１、第２のチョッパユニット16、17
の合成出力電圧、つまり直列２重チョッパ回路15の出力
電圧を分圧する第２のコンデンサであるインバータ入力
コンデンサ、24、25は互いに同定格の第３、第４のコン
デンサユニットで、互いに直列に接続されてインバータ
入力コンデンサ23を構成している。27はインバータ入力
コンデンサ23と並列接続された直列２重インバータ回
路、28、29は互いに同定格の第１、第２のユニットイン
バータで互いに直列に接続されて直列２重インバータ回
路を構成している。

【０００６】30は第２の中点であり、インバータ入力コ
ンデンサの中点であると同時に直列２重インバータ回路
の中点、すなわち第１、第２のユニットインバータ28、
29が互いに直列接続された点になっている。31はトラン
ジスタモジュールであり、３相分ずつでそれぞれ第１、
第２のユニットインバータ28、29を構成している。32は
トランジスタ、33は第３のダイオードで、ともにトラン
ジスタモジュール31を構成している。

【０００７】35、36はそれぞれ１次巻線37、38が三角結
線されて第１、第２のユニットインバータ28、29に接続
された３相の第１、第２の出力変圧器で、２次巻線39、
40は前者はジグザグに、そして後者は開放星形になって
いて、互いの巻線位相差が30度になっている。両２次巻
線39、40は互いに直列接続されて交流電路42に交流電力
を供給する。43は交流電路42に接続された交流出力フィ
ルタコンデンサである。

【０００８】図５に出力変圧器の結線図を示す。第１の
出力変圧器35の２次巻線39は、１次巻線37の２つの相に
対応して各巻数がＢの２つの巻線ユニット41が直列にな
っている。第２の出力変圧器36の２次巻線40の巻数はＡ
で、Ａ：Ｂ＝３^1/2 ：１（１：0.577 ）になっている。
以下においてＡ：Ｂを巻数比と称する。なお、両１次巻
線37、38は同じ巻数であるとする。

【０００９】次に動作について説明する。高速度しゃ断
器５を投入して、架線１からパンタグラフ２、断路器
３、ヒューズ４、高速度しゃ断器５、限流抵抗器６、入
力平滑リアクトル７、充電抵抗器８を介して入力フィル
タコンデンサ11に電圧を印加する。入力フィルタコンデ
ンサ11が架線電圧と同値まで充電されると、サイリスタ
９を点弧して充電抵抗器８を短絡する。

【００１０】直列２重チョッパ回路の機能は、架線電圧
（定格1500Ｖ、変動範囲 900〜1800Ｖ）に対応して変動
する入力フィルタコンデンサ11の電圧を一定電圧（ 800
Ｖ）に制御して出力することである。図６に直列２重チ
ョッパ回路15の基本動作を示す。横軸はいずれも時間を
表わす。第１、第２のＧＴＯ19、20は 360Hzで、同図
(a)、 (b)に示すように互いに位相をずらして対称的にス
イッチングするように制御する。直列２重チョッパ回路
15の出力電圧、すなわち第１、第２のダイオード21、22
の合成出力電圧は同図(c)のようになってリップルの少
ない電圧が得られる。図中の電圧値は入力が1500Ｖで、
各チョッパユニット16、17が 750Ｖの電圧をオンオフ
し、合せて 800Ｖを出力する場合を示す。また、各部の
電流は同図 (d)〜(f) のようになる。

【００１１】次に、直列２重インバータ回路27の機能は
インバータ入力コンデンサ23の直流電圧を交流電圧に変
換することである。直列２重チョッパ回路15でその出力
電圧を一定に制御するので、直列２重インバータ回路27
で電圧制御する必要はない。そのため第１、第２のユニ
ットインバータ28、29はＰＷＭ制御しない１パルスイン
バータとしている。１パルスインバータにすることによ
り出力電圧の高調波が少なくなり，第１、第２の出力変
圧器35、36の騒音が低くなる。

【００１２】第１、第２のユニットインバータ28、29は
出力電圧の位相が互いに30度ずれるように制御する。第
１、第２の出力変圧器35、36の巻線位相が互いに30度ず
れているので、結局、第１、第２の出力変圧器35、36の
出力電圧の基本波位相は互いに一致する。図７に出力変
圧器の出力電圧の基本波ベクトルを示す。b1、b2はそれ
ぞれ第１の出力変圧器35の２次巻線39を構成する巻線ユ
ニット41の１つ分の電圧を示し、２つ分を合成したベク
トルをｃで示す。第２の出力変圧器36の２次巻線40の電
圧を示すベクトルａとベクトルｃは同位相で同じ大きさ
になる。

【００１３】第１、第２の出力変圧器35、36の２次巻線
39、40の電圧を合成した出力電圧の波形は図８のように
なり（半サイクル分のみ示す）、高調波の一部は相殺除
去され、残る高調波は（12ｎ±１）次（ｎは正の整数）
のみになる。ただし、図中のＥｄはユニットインバータ
１つ当たりの電圧を示す。

【００１４】図４に戻り、交流電路42の電圧は出力電圧
検出回路50で検出され、出力電圧基準51と加算器52で比
較される。一方、直列２重チョッパ回路15の出力電圧は
チョッパ出力電圧検出回路53で検出され、定電圧基準54
および加算器52の出力とともに加算器55で比較され、そ
の出力がチョッパ制御回路56へ送られて直列２重チョッ
パ回路15が制御される。以上により交流電路42の電圧を
所定の値に制御する。また、周波数基準57からの信号を
受けたインバータ制御回路58により直列２重インバータ
回路27が制御され、交流電路の電圧の周波数が所定の値
に保たれる。

【００１５】図９に各部の電圧、電流と電力の流れを示
す。前述のように第１、第２の出力変圧器35、36の２次
巻線39、40を巻数比Ａ：Ｂ＝１：0.577 にすることによ
り、各出力変圧器35、36の基本波出力電圧ｖａ、ｖｃは
互いに等しくなり、第１のユニットインバータ28から第
１の出力変圧器35を通じて負荷（図示せず）に供給する
電力ＰＡと、第２のユニットインバータ29から第２の出
力変圧器36を通して供給する電力ＰＣは等しくなる（Ｐ
Ａ＝ＰＣ）。また、両出力変圧器35、36の基本波１次電
流ｉａ、ｉｃは互いに等しくなり（ｉａ＝ｉｃ）、した
がって第１、第２のユニットインバータ28、29の入力直
流電流ＩＡ、ＩＣも互いに等しくなり、第２の中点30へ
流入する直流電流（ＩＡ−ＩＣ）は零になる。このた
め、第３、第４のコンデンサユニット24、25の電圧が一
定値に保持される。

【００１６】ところが、もし両出力変圧器35、36の２次
巻線の巻数比Ａ：Ｂ≠１：0.577 のとき両出力変圧器3
5、36においてｉａ≠ｉｃとなり、第１、第２のユニッ
トインバータ28、29の入力直流電流ＩＡとＩＣの間に差
異が生じる（ＩＡ≠ＩＣ）。このため第２の中点30へ流
入する電流は零でなくなり、例えばＩＡ＞ＩＣの場合、
第３のコンデンサユニット24の電圧が下降する一方、第
４のコンデンサユニット25の電圧は上昇し、両者間に電
圧不平衡が生じる。（ＩＡ−ＩＣ）の絶対値が小さくて
も、第３、第４のコンデンサユニット24、25にこの差電
流が積分されるため、両者間の電圧不平衡は大きくな
る。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】従来の電力変換装置は
以上のように構成されているので、第１の出力変圧器
と、第２の出力変圧器の２次巻線の巻数比を正確に１：
0.577 にする必要があった。一方、出力変圧器の設計上
からは、その容量などから、巻線１ターン当たりの電圧
として好ましい値が定まっており、経済的に設計するた
めにはこれを考えずに巻数を自由に選ぶわけにはいかな
い。特に、２次電圧が低くて２次巻線の巻数が少ないと
きは、上記巻数比１：0.577 を満足する整数の組合せは
限られた数になる。したがって、上記巻数比を１：0.57
7 にするために、止むを得ず、上記のような巻線１ター
ン当たりの電圧として好ましい値から大きく外れた値で
出力変圧器を設計しなければならない場合が多く、その
ようなときは出力変圧器のコスト、寸法、重量損失が増
大するなどの問題点があった。

【００１８】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、第１の出力変圧器と第２の出力
変圧器の２次巻線の巻数比が正確に１：0.577 でなくて
も第２のコンデンサを構成するコンデンサユニットに電
圧不平衡が生じない電力変換装置を得ることを目的とす
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】この発明に係る電力変換
装置は、２つのチョッパユニットの接続点と２つのユニ
ットインバータの接続点とを、リアクトルを介して接続
したものである。

【００２０】

【作用】第１の出力変圧器と第２の出力変圧器の２次巻
線の巻数比が正確に１：0.577でない場合、２つのユニ
ットインバータの接続点に流れ込む電流は零にならない
が、この電流はリアクトルを通してチョッパユニットへ
流れるため、第２のコンデンサを構成するコンデンサユ
ニットに電圧不平衡が生じない。

【００２１】

【実施例】図１はこの発明の一実施例による電力変換装
置を示す回路図であり、図において、60は両端がそれぞ
れ第１の中点18および第２の中点30に接続されたリアク
トルであり、その他は第４図の場合と同様であるので説
明を省略する。

【００２２】図２は図１の電力変換装置の動作を示す回
路図である。第１の出力変圧器35と第２の出力変圧器36
の２次巻線39、40の巻数比が正確に１：0.577 でない場
合、前述のようにＩＡ−ＩＣ≠０となるが、第２の中点
30がリアクトル60を介して第１の中点18と接続されてい
るので、電流（ＩＡ−ＩＣ）がリアクトル60を通して第
１の中点から第１または第２のダイオード21、22へと流
れていく。したがって、第３、第４のコンデンサユニッ
トに過電圧等が生じず、電圧平衡が保たれる。

【００２３】この電圧平衡保持は次のように考えても理
解できる。いま、チョッパ出力リアクトル14とリアクト
ル60のインピーダンスを両者とも交流（チョッパ周波
数）に対しては無限大で、直流に対しては零であると単
純化して考える。そうすると直流的には第１のダイオー
ド21の電圧と第３のコンデンサユニット24の電圧が等し
くなる。つまり第１のダイオード21の平均電圧と第３の
コンデンサユニット24の平均電圧が等しい。同様に、第
２のダイオード22の平均電圧と第４のコンデンサユニッ
ト25の平均電圧が等しくなる。第１と第２のチョッパユ
ニット16、17は互いに対称的に制御しているため出力電
圧、すなわち第１、第２のダイオード21、22の平均電圧
は互いに等しい。したがって、第３、第４のコンデンサ
ユニット24、25の平均電圧は互いに等しくなり、電圧不
平衡が生じることはない。以上により、両出力変圧器3
5、36の２次巻線39、40の巻数の選定の自由度が大きく
なる。

【００２４】リアクトル60に流れる交流電流成分を少な
くするため、そのリアクタンス値は平滑用のチョッパ出
力リアクトル14のリアクタンス値に比べて大きくしてい
る。また、リアクトル60は鉄心でも空心でもよいが、小
形化するためには鉄心リアクトルが有利である。ただ
し、鉄心リアクトルの場合はリアクトル60に流れる直流
電流（ＩＡ−ＩＣ）によって鉄心が飽和しないようにす
る必要がある。

【００２５】図３はこの発明の他の実施例による電力変
換装置を示す回路図であり、第１の中点18と第２の中点
30の間にリアクトル60と抵抗61を設けている。万一、リ
アクトル60が飽和したときに流れる異常電流が、抵抗61
により低減される。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば２つの
チョッパユニットの接続点と２つのユニットインバータ
の接続点とをリアクトルを介して接続するように構成し
たので、両出力変圧器の２次巻線の巻数比が正確に１：
0.577 でなくても第３、第４のコンデンサユニットに電
圧不平衡が生じない。そのため、出力変圧器の２次巻線
の巻数の選定の自由度が大きくなり、両出力変圧器のコ
スト、寸法、重量、損失を低減できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による電力変換装置を示す
回路図である。

【図２】図１の電力変換装置の動作を示す回路図であ
る。

【図３】この発明の他の実施例による電力変換装置を示
す回路図である。

【図４】従来の電力変換装置を示す回路図である。

【図５】図４の電力変換装置の出力変圧器の結線図であ
る。

【図６】図４の電力変換装置の直列２重チョッパ回路の
動作を示す説明図である。

【図７】図４の電力変換装置の出力変圧器の出力電圧を
示すベクトル図である。

【図８】図４の電力変換装置の出力電圧の波形図であ
る。

【図９】図４の電力変換装置の動作を示す回路図であ
る。

【符号の説明】

11 入力フィルタコンデンサ 16 第１のチョッパユニット 17 第２のチョッパユニット 18 第１の中点 23 インバータ入力コンデンサ 28 第１のユニットインバータ 29 第２のユニットインバータ 30 第２の中点 35 第１の出力変圧器 36 第２の出力変圧器 37 第１の出力変圧器の１次巻線 38 第２の出力変圧器の１次巻線 39 第１の出力変圧器の２次巻線 40 第２の出力変圧器の２次巻線 60 リアクトル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02M 7/48

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流入力電圧を２つの電圧に分圧する第
   １のコンデンサ、この第１のコンデンサにより分圧され
   た各電圧で動作する互いに直列接続された２つのチョッ
   パユニット、これらチョッパユニットの合成出力電圧を
   ２つの電圧に分圧する第２のコンデンサ、この第２のコ
   ンデンサにより分圧された各電圧で動作する互いに直列
   接続された２つのユニットインバータ、および、１次巻
   線がそれぞれ上記ユニットインバータに接続されるとと
   もに２次巻線が互いに直列接続された互いに30度の巻線
   位相差を有する３相の２つの出力変圧器を備えた電力変
   換装置において、上記２つのチョッパユニットが互いに
   直列接続された点と、上記２つのユニットインバータが
   互いに直列接続された点とをリアクトルを介して接続し
   たことを特徴とする電力変換装置。