JP3230644B2 - 三相高力率コンバータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は三相高力率コンバー
タに関するもので、さらに詳しく言えば、その各相の交
流入力電流を各相の交流入力電圧と同位相の正弦波状に
整形することができ、その歪率、等価逆相電流率を小さ
くすることができる三相高力率コンバータに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来の三相高力率コンバータは、（社）
電気学会半導体電力変換研究会が平成５年１０月２９日
に発行した資料中の「新しい単相入力電流正弦波整流回
路の解析」と題する論文の図８に記載されたものがあ
る。

【０００３】上記した従来の三相高力率コンバータは図
５に記載されたようなものである。

【０００４】すなわち、図５に記載された三相高力率コ
ンバータは、三相交流電源１からの三相交流電力を全波
整流する、ダイオード３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，
３ｆからなる三相全波整流回路３と、この三相全波整流
回路３の各交流端子と前記三相交流電源１の各相端子
Ｒ，Ｓ，Ｔとの間に挿入されたチョークコイル４ａ，４
ｂ，４ｃと、前記三相全波整流回路３の直流端子間に接
続された２個のスイッチング素子６ａ，６ｂの直列接続
回路および出力コンデンサ５と、前記三相交流電源１の
各相端子Ｒ，Ｓ，Ｔにそれぞれの一端が接続され、前記
スイッチング素子６ａ，６ｂの中間直列接続点Ｎにそれ
ぞれの他端が共通に接続されたコンデンサ２ａ，２ｂ，
２ｃと、前記スイッチング素子６ａ，６ｂのそれぞれに
逆並列に接続されたダイオード７ａ，７ｂとを有し、前
記出力コンデンサ５の端子を負荷Ｒ_L が接続される直流
出力端子ｔ１，ｔ２に接続するとともに、図示していな
い制御回路によって前記スイッチング素子６ａ，６ｂを
三相交流電源１の周波数より高い周波数でオン、オフさ
せて各相の交流入力電流を各相の交流入力電圧と同位相
の正弦波状に整形するものである。

【０００５】次に、上記した従来の三相高力率コンバー
タの動作を、図６のスイッチング素子６ａ，６ｂの動作
モード図に基づいて説明する。

【０００６】（モード１）スイッチング素子６ａがオ
ン、スイッチング素子６ｂがオフしている場合で、三相
交流電源の各相の相電圧、すなわち、Ｒ相のスイッチン
グ素子６ａ，６ｂの中間直列接続点Ｎすなわちコンデン
サ２ａ，２ｂ，２ｃの共通接続点（中性点）に対する電
位が正、Ｓ相の中性点に対する電位が負、Ｔ相の中性点
に対する電位が負の場合、コンデンサ２ａと三相交流電
源１との接続点→チョークコイル４ａ→ダイオード３ａ
→スイッチング素子６ａ→中性点なる経路に電流が流
れる。この経路の電流はチョークコイル４ａにエネル
ギーを蓄積するための電流であるからＲ相の相電圧に比
例する。

【０００７】（モード２）スイッチング素子６ａがオ
フ、スイッチング素子６ｂがオフしている場合で、Ｒ
相、Ｓ相、Ｔ相の相電圧がモード１と同じ場合、チョー
クコイル４ａ→ダイオード３ａ→出力コンデンサ５→ダ
イオード７ｂ→コンデンサ２ａ→チョークコイル４ａな
る経路と、チョークコイル４ａ→ダイオード３ａ→出
力コンデンサ５→ダイオード３ｄ（ダイオード３ｆ）→
チョークコイル４ｂ（チョークコイル４ｃ）→コンデン
サ２ｂと三相交流電源１との接続点（コンデンサ２ｃと
三相交流電源１との接続点）なる経路（）とに電流
が流れる。この経路および経路（）の電流はチョ
ークコイル４ａに蓄積されたエネルギーの放出によるも
のであるからいずれもＲ相、Ｓ相、Ｔ相の相電圧には比
例しない。

【０００８】（モード３）スイッチング素子６ａがオ
フ、スイッチング素子６ｂがオンしている場合で、Ｒ
相、Ｓ相、Ｔ相の相電圧がモード１と同じ場合、中性点
→スイッチング素子６ｂ→ダイオード３ｄ（ダイオード
３ｆ）→チョークコイル４ｂ（チョークコイル４ｃ）→
コンデンサ２ｂと三相交流電源１との接続点（コンデン
サ２ｃと三相交流電源１との接続点）なる経路（）
に電流が流れる。この経路，の電流はチョークコイ
ル４ｂ，４ｃにエネルギーを蓄積するための電流である
からＳ相、Ｔ相の相電圧に比例する。

【０００９】（モード４）スイッチング素子６ａがオ
フ、スイッチング素子６ｂがオフしている場合で、Ｒ
相、Ｓ相、Ｔ相の相電圧がモード１と同じ場合、チョー
クコイル４ｂ（チョークコイル４ｃ）→ダイオード３ｃ
（ダイオード３ｅ）→出力コンデンサ５→ダイオード７
ｂ→コンデンサ２ｂ（コンデンサ２ｃ）→チョークコイ
ル４ｂ（チョークコイル４ｃ）なる経路（）に電流
が流れる。この経路（）の電流はチョークコイル４
ｂ、４ｃに蓄積されたエネルギーの放出によるものであ
るからＳ相、Ｔ相の相電圧には比例しない。

【００１０】上記した各モードの説明は、三相交流電源
１の各相の相電圧の極性が異なる場合であっても同様で
あるので説明は省略する。

【００１１】また、上記した各モードにおいて、スイッ
チング素子６ａ，６ｂのオン、オフは図示していない制
御回路によって三相交流電源１の周波数より高い数十ｋ
Ｈｚで行っている。

【００１２】上記した従来の三相高力率コンバータにつ
いて、三相交流入力電圧を１８０Ｖ，２００Ｖ，２２０
Ｖ，２４０Ｖ，２６４Ｖとし、直流出力電圧を３９０
Ｖ、直流出力電力を６４７９ＷとしてＲ相の交流入力電
流の高調波分析を行ったところ、表１のような結果が得
られた。

【００１３】

【表１】

【００１４】表１から、Ｒ相の交流入力電流の高調波成
分のうち、第５高調波と第７高調波の成分が大きく、そ
れによって歪率と等価逆相電流率が大きくなっているこ
とがわかる。また、Ｒ相以外のＳ相、Ｔ相についても同
様であった。

【００１５】このことは、スイッチング素子６ａ，６ｂ
がオンの場合は各相の相電圧に比例した電流、すなわち
チョークコイル４ａ，４ｂ，４ｃにエネルギーを蓄積す
るための電流が流れるが、スイッチング素子６ａ，６ｂ
がオフの場合は各相の相電圧に比例しない電流、すなわ
ちチョークコイル４ａ，４ｂ，４ｃに蓄積されたエネル
ギーを放出するための電流が流れることによるものであ
る。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上記した如く、従来の
三相高力率コンバータは、その交流入力電流の歪率と等
価逆相電流率が大きいという問題があった。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、三相交流電源からの三相交流電力を全波
整流する三相全波整流回路と、この三相全波整流回路の
各交流端子と三相交流電源の各相端子との間に挿入され
たチョークコイルと、前記三相全波整流回路の直流端子
間に接続された複数のスイッチング素子の直列接続回路
と、前記三相交流電源の各相端子にそれぞれの一端が接
続され、前記スイッチング素子の中間直列接続点にそれ
ぞれの他端が共通に接続されたコンデンサと、前記複数
のスイッチング素子を三相交流電源の周波数より高い周
波数でオン、オフさせる制御回路とを有する三相高力率
コンバータにおいて、複数のスイッチング素子が４個の
スイッチング素子の直列接続回路からなり、かつ中間直
列接続点で接続された２個のスイッチング素子のそれぞ
れに逆並列にダイオードを接続し、中間直列接続点以外
の２つの直列接続点を直流出力端子に接続し、この直流
出力端子間に出力コンデンサを接続したことを特徴とす
るものである。

【００１８】また、本発明は、前記三相高力率コンバー
タにおいて、複数のスイッチング素子が２個のスイッチ
ング素子の直列接続回路からなり、各スイッチング素子
の、三相全波整流回路の直流端子との接続点と各直流出
力端子との間にそれぞれスイッチング素子を挿入し、か
つ各直流出力端子と前記スイッチング素子の中間直列接
続点との間にダイオードを接続し、前記直流出力端子間
に出力コンデンサを接続したことを特徴とするものであ
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
〜図４に基づいて説明する。

【００２０】図１、図３は本発明の実施の形態に係る三
相高力率コンバータの回路図で、図５と同じ機能を有す
る部分には同じ符号を付して以下の説明は省略する。

【００２１】また、図２は図１の三相高力率のコンバー
タの各スイッチング素子の動作波形図、図４は図３の三
相高力率コンバータの各スイッチング素子の動作モード
図で、図６と同じ動作についての以下の説明は省略す
る。

【００２２】図１に示した三相高力率コンバータの特徴
は、中間直列接続点Ｎで一端が互いに接続された２個の
スイッチング素子６ａ，６ｂのうち、スイッチング素子
６ａの他端にスイッチング素子６ｃの一端を接続し、ス
イッチング素子６ｂの他端にスイッチング素子６ｄの一
端を接続してなり、前記スイッチング素子６ｃ，６ｄの
他端を三相全波整流回路３の直流端子に接続したことで
ある。

【００２３】そして、前記スイッチング素子６ａ〜６ｄ
は図２に示した動作モード図のように動作させる。

【００２４】（モード１）スイッチング素子６ａがオ
ン、スイッチング素子６ｂがオフ、スイッチング素子６
ｃがオン、スイッチング素子６ｄがオンの場合で、前述
した従来の三相高力率コンバータのモード１の動作と同
じである。

【００２５】（モード２）スイッチング素子６ａがオ
フ、スイッチング素子６ｂがオフ、スイッチング素子６
ｃがオン、スイッチング素子６ｄがオフの場合で、前述
した従来の三相高力率コンバータのモード２における経
路、の電流が流れないようにして相電圧に比例しな
い電流を経路の電流のみとしている。

【００２６】（モード３）スイッチング素子６ａがオ
フ、スイッチング素子６ｂがオン、スイッチング素子６
ｃがオン、スイッチング６ｄがオンの場合で、前述した
従来の三相高力率コンバータのモード３の動作と同じで
ある。

【００２７】（モード４）スイッチング素子６ａがオ
フ、スイッチング素子６ｂがオフ、スイッチング素子６
ｃがオフ、スイッチング素子６ｄがオンの場合で、前述
した従来の三相高力率コンバータのモード４における経
路，の電流が流れないようにして相電圧に比例しな
い電流をなくしている。

【００２８】上記した各モードの説明では、相電圧に比
例しない電流が流れないのはモード２のみであるが、三
相交流電源１の各相の相電圧の極性に応じてモード２、
モード４の両方で相電圧に比例しない電流が流れたり、
モード４のみで相電圧に比例しない電流が流れることは
言うまでもない。

【００２９】次に、図３に示した三相高力率コンバータ
の特徴は、中間直列接続点Ｎで一端が互いに接続され、
他端が三相全波整流回路３の直流端子に接続された２個
のスイッチング素子６ａ，６ｂのうち、スイッチング素
子６ａの、三相全波整流回路３の直流端子との接続点と
直流出力端子ｔ１との間にスイッチング素子６ｃを挿入
し、スイッチング素子６ｂの、三相全波整流回路３の直
流端子との接続点と直流出力端子ｔ２との間にスイッチ
ング素子６ｄを挿入し、直流出力端子ｔ１と中間直列接
続点Ｎとの間にダイオード７ａを接続し、直流出力端子
ｔ２と中間直列接続点Ｎとの間にダイオード７ｂを接続
したことである。

【００３０】そして、前記スイッチング素子６ａ〜６ｄ
は図４に示した動作モード図のように動作させる。

【００３１】（モード１）スイッチング素子６ａがオ
ン、スイッチング素子６ｂがオフ、スイッチング素子６
ｃがオン、スイッチング素子６ｄがオンの場合で、前述
した従来の三相高力率コンバータのモード１の動作と同
じである。

【００３２】（モード２）スイッチング素子６ａがオ
フ、スイッチング素子６ｂがオフ、スイッチング素子６
ｃがオン、スイッチング素子６ｄがオフの場合で、前述
した従来の三相高力率コンバータのモード２における経
路，の電流が流れないようにして相電圧に比例しな
い電流を経路の電流のみとしている。

【００３３】（モード３）スイッチング素子６ａがオ
フ、スイッチング素子６ｂがオン、スイッチング素子６
ｃがオン、スイッチング素子６ｄがオンの場合で、前述
した従来の三相高力率コンバータのモード３の動作と同
じである。

【００３４】（モード４）スイッチング素子６ａがオ
フ、スイッチング素子６ｂがオフ、スイッチング素子６
ｃがオフ、スイッチング素子６ｄがオンの場合で、前述
した従来の三相高力率コンバータのモード４における経
路，の電流が流れないようにして相電圧に比例しな
い電流をなくしている。

【００３５】上記した各モードの説明では、相電圧に比
例しない電流が流れないのはモード２のみであるが、三
相交流電源１の各相の相電圧の極性に応じてモード２，
モード４の両方で相電圧に比例しない電流が流れたり、
モード４のみで相電圧に比例しない電流が流れることは
言うまでもない。

【００３６】上記した本発明の三相高力率コンバータの
うち、図１のものについて三相交流入力電圧を１８０
Ｖ，２００Ｖ，２２０Ｖ，２４０Ｖ，２６４Ｖとし、直
流出力電圧を３９０Ｖ、直流出力電力を６４７９Ｗとし
てＲ相の交流入力電流の高調波分析を行ったところ、表
２のような結果が得られた。

【００３７】

【表２】

【００３８】表２から、Ｒ相の交流入力電流の高調波成
分のうち、第５高調波と第７高調波の成分を抑制するこ
とができたことがわかり、それによって歪率と等価逆相
電流率を小さくできたことがわかる。また、Ｒ相以外の
Ｓ相、Ｔ相についても同様であった。

【００３９】上記した、図１のものと図３のものとの相
違は、図１のものでは、モード１における経路の電流
がスイッチング素子６ｃ，６ａを流れ、モード３におけ
る経路，の電流がスイッチング素子６ｂ，６ｄを流
れるのに対し、図３のものでは、モード１における経路
の電流がスイッチング素子６ａを流れ、モード３にお
ける経路，の電流がスイッチング素子６ｂを流れる
ので、図３のものの方がスイッチング素子による損失を
小さくすることができる。

【００４０】なお、上記した図１のものも図３のものも
スイッチング素子６ｃ，６ｄのオン、オフは電流が流れ
ていない状態で行っているから、零電流スイッチングと
なり、スイッチング素子６ｃ，６ｄを挿入したことによ
るスイッチング損失の増加はない。

【００４１】

【発明の効果】上記したとおりであるから、本発明の三
相高力率コンバータは、スイッチング素子を追加したこ
とによる損失を増大させることなく、三相の各相の交流
入力電流を各相の交流入力電圧と同位相の正弦波状に整
形することができ、しかもその歪率や等価逆相電流率も
小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る三相高力率コンバー
タの回路図である。

【図２】図１の実施の形態におけるスイッチング素子の
動作モード図である。

【図３】本発明の他の実施の形態に係る三相高力率コン
バータの回路図である。

【図４】図３の実施の形態におけるスイッチング素子の
動作モード図である。

【図５】従来の三相高力率コンバータの回路図である。

【図６】従来の三相高力率コンバータにおけるスイッチ
ング素子の動作モード図である。

【符号の説明】

１ 三相交流電源 ２ａ，２ｂ，２ｃ コンデンサ ３ 三相全波整流回路 ４ａ，４ｂ，４ｃ チョークコイル ５ 出力コンデンサ ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ スイッチング素子 ７ａ，７ｂ ダイオード

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 三相交流電源からの三相交流電力を全波
   整流する三相全波整流回路と、この三相全波整流回路の
   各交流端子と三相交流電源の各相端子との間に挿入され
   たチョークコイルと、前記三相全波整流回路の直流端子
   間に接続された複数のスイッチング素子の直列接続回路
   と、前記三相交流電源の各相端子にそれぞれの一端が接
   続され、前記スイッチング素子の中間直列接続点にそれ
   ぞれの他端が共通に接続されたコンデンサと、前記複数
   のスイッチング素子を三相交流電源の周波数より高い周
   波数でオン、オフさせる制御回路とを有する三相高力率
   コンバータにおいて、複数のスイッチング素子が４個の
   スイッチング素子の直列接続回路からなり、かつ中間直
   列接続点で接続された２個のスイッチング素子のそれぞ
   れに逆並列にダイオードを接続し、中間直列接続点以外
   の２つの直列接続点を直流出力端子に接続し、この直流
   出力端子間に出力コンデンサを接続したことを特徴とす
   る三相高力率コンバータ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の三相高力率コンバータに
   おいて、複数のスイッチング素子が２個のスイッチング
   素子の直列接続回路からなり、各スイッチング素子の、
   三相全波整流回路の直流端子との接続点と各直流出力端
   子との間にそれぞれスイッチング素子を挿入し、かつ各
   直流出力端子と前記スイッチング素子の中間直列接続点
   との間にダイオードを接続し、前記直流出力端子間に出
   力コンデンサを接続したことを特徴とする三相高力率コ
   ンバータ。