JP3652427B2 - インバータ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池などで発電された直流電力を、商用交流の電力系統と連系して、該電力系統に回生するために好適に実施されるインバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サンシャイン計画等の省エネルギ促進事業に伴って、太陽光発電等で各家庭などで発電された電力を電力系統に回生することが行われるようになってきている。このとき、発電された直流の電力を電力系統に同期・連系して、該電力系統に回生するためのインバータ装置が必要となる。
【０００３】
図６は、典型的な従来技術のインバータ装置１の電気回路図である。このインバータ装置１は、ＰＷＭインバータ２と、絶縁トランス３と、同期整流回路４と、連系リアクトル５と、図示しない前記ＰＷＭインバータ２および同期整流回路４の制御回路とを備えて構成されている。このインバータ装置１は、太陽電池６で発電された直流の電力を、商用交流の電力系統７に回生するために用いられる。
【０００４】
前記ＰＷＭインバータ２は、２つのトランジスタｓｔ１，ｓｔ２から成る直列回路と、同様にトランジスタｓｔ３，ｓｔ４から成る直列回路とが、相互に並列に前記太陽電池６の端子間に接続され、トランジスタｓｔ１，ｓｔ２の接続点およびトランジスタｓｔ３，ｓｔ４の接続点がそれぞれ前記絶縁トランス３の一次巻線３ａの両端子に接続されるブリッジ回路によって構成されている。このＰＷＭインバータ２は、太陽電池６の出力電圧をＥｂとするとき、前記絶縁トランス３へパルス振幅±Ｅｂ、たとえば２００Ｖ、パルス周波数ｆｐ、たとえば５〜２０ｋＨｚの高周波パルスを、図７（ａ）において参照符α１で示されるような電力系統７の系統周波数ｆｓ、たとえば５０または６０Ｈｚの変調信号によってパルス幅変調を行い、図７（ａ）において参照符α２で示すような１パルス毎に正負反転した高周波電圧Ｖｐを前記絶縁トランス３の一次巻線３ａへ出力する。
【０００５】
前記絶縁トランス３の二次巻線３ｂからの出力電圧は、同期整流回路４に入力される。この同期整流回路４は、前記ＰＷＭインバータ２と同様に、４つのトランジスタｓｒ１，ｓｒ２；ｓｒ３，ｓｒ４のブリッジ回路によって構成されている。したがって、この同期整流回路４からは、図７（ｂ）において参照符β１で示すように、前記図７（ａ）において参照符α２で示すＰＷＭインバータ２の出力電圧が、前記変調信号に同期して整流されて出力されてゆく。
【０００６】
前記同期整流回路４からの出力電圧は、連系リアクトル５によって平滑化され、前記電力系統７へは、図７（ｂ）において参照符β２で示すような、系統周波数ｆｓの電流Ｉｓが供給されることになる。
【０００７】
なお、図７では、ＰＷＭインバータ２および同期整流回路４での変復調動作を理解し易くするために、前記パルス周波数ｆｐと系統周波数ｆｓとの比を実際よりも小さく、すなわちパルスの密度を粗くして表している。
【０００８】
図８は、上述のように構成されたインバータ装置１の系統周波数ｆｓに対する等価回路である。前記ＰＷＭインバータ２、絶縁トランス３および同期整流回路４は、系統連系インバータと称される。その系統連系インバータによって構成される高周波電圧源８からの出力電圧は、連系リアクトル５で平滑化されて電力系統７に入力される。前記ＰＷＭインバータ２でのパルス周波数ｆｐは、前述のように系統周波数ｆｓよりも充分高く、たとえば２００倍以上となり、したがって連系リアクトル５からの出力電流↑Ｉｓ（↑は、以下ベクトルであることを表す）のリップル成分は小さく、正弦波電流であると見なして考えると、前記電流Ｉｓ基本波成分は、前記高周波電圧源８の出力電圧を↑Ｖｒとし、電力系統７の系統電圧を↑Ｖｓとするとき、
↑Ｉｓ＝（↑Ｖｒ−↑Ｖｓ）／ｊωＬ …（１）
で表すことができる。ただし、ω＝２πｆｓであり、Ｌは連系リアクトル５のインダクタンスである。
【０００９】
したがって、連系リアクトル５での電圧降下ωＬＩｓが、電圧Ｖｓ，Ｖｒよりも充分小さいとき、図９から明らかなように、前記電力系統７に流込む電流Ｉｓの大きさの調節は、高周波電圧源８の出力電圧Ｖｒを電力系統７の系統電圧Ｖｓとほぼ同じにし、これらの電圧↑Ｖｒ，↑Ｖｓの位相差θを変化することによって実現可能であることが理解される。
【００１０】
このように従来技術では、電流↑Ｉｓを電圧↑Ｖｒまたは↑Ｖｓとほぼ同相として、電力系統７に回生される電力を電流Ｉｓの大きさに比例させ、かつ該回生される電力の大きさが前記位相差θ、すなわち図７（ｃ）において参照符γ１で示す系統電圧↑Ｖｓに対する参照符γ２で示す電圧↑Ｖｒの進み量で制御されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来技術のインバータ装置１では、以下のような問題が存在する。
【００１２】
▲１▼電力系統７側へ回生される電力の制御は、電圧Ｖｒの位相制御によって行われるので、このような位相の制御は振幅の制御よりも困難であり、制御が煩雑になる。
【００１３】
▲２▼電力系統７に接続される負荷のインピーダンス変動などによって電力系統７の系統電圧Ｖｓが変動すると、該電力系統７側に回生される電力および無効電力（ｊωＬＩｓ2 ）が変化してしまう。
【００１４】
▲３▼系統電圧Ｖｓに歪が含まれていると、電流Ｉｓの歪が非常に大きくなってしまい、所望とする定電流を安定して供給することができない。
【００１５】
▲４▼電力系統７側への電力の安定供給のためには、連系リアクトル５に大きなインダクタンスを必要とする。すなわち、たとえば系統電圧Ｖｓが２００Ｖ、供給電力Ｐが３ｋＷ、連系リアクトル５での端子間電圧ＶＬを４０Ｖとすると、
Ｉｓ＝Ｐ／Ｖｓ＝３０００／２００＝１５Ａ
であり、連系リアクトル５のインダクタンスＬには、
Ｌ＝ＶＬ／２πｆｓＩｓ＝４０／２π×５０×１５＝８．５ｍＨ
が必要となる。このとき、連系リアクトル５に蓄積されるピークエネルギは、約２ジュールとなる。
【００１６】
一方、この連系リアクトル５のインダクタンスＬを小さくすると、前記式（１）から、系統電圧Ｖｓに対する該インバータ装置１での発生電圧Ｖｒの位相差θが小さくなるとともに、振幅も非常に近い値となり、前記▲２▼および▲３▼で示す問題点がさらに顕著になる。
【００１７】
本発明の目的は、電力系統などの負荷側に供給する電力の安定化を、簡便な構成で高効率に行うことができるインバータ装置を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係るインバータ装置は、予め定める第１の周波数の変調信号で変調され、予め定める第２の周波数の高周波電圧を発生する高周波電圧源と、前記高周波電圧源からの高周波電圧を高周波電流に変換する電圧−電流変換手段と、前記電圧−電流変換手段からの高周波電流を復調・整流して、該高周波電流の振幅に比例したレベルで前記第１の周波数の低周波電流を出力する復調・整流手段とを含むことを特徴とする。
【００１９】
上記の構成によれば、Ｔ型やπ型のインピーダンス−アドミッタンス変換器などで実現される電圧−電流変換手段によって、入力側の高周波電圧源を電流源に変換する。したがって、電力系統などの負荷側に所望とする電流、すなわち電力を、該負荷側の電圧に拘りなく、安定して供給することができる。また、負荷側に供給される電力の制御も容易に行うことができる。さらにまた、位相を制御するための煩雑な制御回路や精密な制御を不要とすることができるとともに、連系リアクトルなどの損失要素がなく、構成を簡略化することができるとともに、高効率化を図ることができる。
【００２０】
また請求項２の発明に係るインバータ装置では、前記復調・整流手段は商用交流の電力系統に接続され、前記第１の周波数は系統周波数であることを特徴とする。
【００２１】
上記の構成によれば、たとえば各家庭などで太陽光発電等で発電された電力を電力系統に回生するために好適に用いられ、省エネルギ化のために用いられるインバータ装置を低コストに供給することができる。
【００２２】
さらにまた請求項３の発明に係るインバータ装置では、前記電圧−電流変換手段は、直列素子がリアクトル、かつ並列素子がコンデンサ、または直列素子がコンデンサ、かつ並列素子がリアクトルであるＴ型またはπ型の４端子回路で実現され、前記リアクトルとコンデンサとは、両者が構成する共振回路の共振周波数が前記第２の周波数となる定数に選ばれていることを特徴とする。
【００２３】
上記の構成によれば、前記電圧−電流変換手段は、Ｈ型を含むＴ型またはＯ型を含むπ型の４端子回路から成るインピーダンス−アドミッタンス変換回路で実現される。したがって、簡便で小型のＬＣ共振回路によって実現することができる。
【００２４】
また請求項４の発明に係るインバータ装置では、前記電圧−電流変換手段は、一方の入力端子と一方の出力端子との間に相互に同一のインダクタンスの第１および第２のリアクトルが直列接続され、前記第１および第２のリアクトルの接続点間と他方の入力端子および他方の出力端子との間にコンデンサが接続されて構成されるＴ型の４端子回路で実現され、前記第１および第２のリアクトルとコンデンサとは、各第１および第２のリアクトルとコンデンサとが構成する各共振回路の共振周波数が前記第２の周波数となる定数に選ばれていることを特徴とする。
【００２５】
上記の構成によれば、パルス幅変調回路などで実現される高周波電圧源からの出力の高調波を抑制することができ、該高調波による損失を抑えることができるとともに、ノイズの発生を抑えることもできる。
【００２６】
さらにまた請求項５の発明に係るインバータ装置では、前記電圧−電流変換手段は、前記第１および第２のリアクトルのインダクタンスを１／２とし、前記他方の入力端子と他方の出力端子との間に前記第１および第２のリアクトルと等しいインダクタンスの第３および第４のリアクトルを直列に接続し、該第３および第４のリアクトルの接続点に前記コンデンサを接続するＨ型の４端子回路で実現されることを特徴とする。
【００２７】
上記の構成によれば、電圧−電流変換手段と高周波電圧源との間のラインおよび電圧−電流変換手段と復調・整流手段との間のラインなどから侵入したコモンモードノイズを除去することができ、前記ノイズが電力系統などの出力側へ出てゆかないようにすることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について、図１〜図４に基づいて説明すれば以下のとおりである。
【００２９】
図１は、本発明の実施の一形態のインバータ装置１１の電気的構成を示すブロック図である。このインバータ装置１１は、太陽電池１２で発電された直流電力を、商用交流の電力系統１３の系統電圧Ｖｓおよび系統周波数ｆｓで、所望とする定電流で、該電力系統１３側に回生するための系統連系インバータとして使用される。このインバータ装置１１は、大略的に、ＰＷＭインバータ１４と、インミッタンス変換器１５と、絶縁トランス１６と、同期整流回路１７と、フィルタコンデンサＣｆと、図示しない前記ＰＷＭインバータ１４および同期整流回路１７の制御回路とを備えて構成されている。なお、前記インミッタンス変換器１５のインミッタンスとは、インピーダンスおよびアドミタンスを包含して表すものとする。
【００３０】
前記ＰＷＭインバータ１４は、２つのトランジスタＳＴ１，ＳＴ２から成る直列回路と、同様にトランジスタＳＴ３，ＳＴ４から成る直列回路とが、相互に並列に前記太陽電池１２の端子間に接続され、トランジスタＳＴ１，ＳＴ２の接続点およびトランジスタＳＴ３，ＳＴ４の接続点がそれぞれ前記インミッタンス変換器１５の両端子に接続されるブリッジ回路によって構成されている。
【００３１】
太陽電池１２で発電された予め定める略一定の電圧Ｅｂの直流電流は、このＰＷＭインバータ１４によって、前記制御回路から供給される前記電力系統１３側へ供給すべき電力に対応し、かつ予め定める第１の周波数である電力系統１３の系統周波数ｆｓに対応した変調信号で変調された予め定める第２の周波数、たとえば２０ｋＨｚの高周波電圧Ｖｐに変換される。
【００３２】
すなわち、このＰＷＭインバータ１４において、前記図示しない制御回路からのゲート信号に応答して選択的に前記トランジスタＳＴ１，ＳＴ４またはＳＴ２，ＳＴ３が導通することによって、前記インミッタンス変換器１５へ、パルス振幅±Ｅｂ、たとえば２００Ｖ、パルス周波数ｆｐ、たとえば前記２０ｋＨｚの高周波電圧を、図２（ａ）において参照符α１１で示されるような、電力系統１３の系統周波数ｆｓ、たとえば５０または６０Ｈｚおよび該電力系統１３側へ伝達すべき電力に対応した変調信号によってパルス幅変調を行い、図２（ａ）において参照符α１２で示すような１パルス毎に正負反転した高周波電圧Ｖｐを出力する。このＰＷＭインバータ１４と前記太陽電池１２とは、高周波電圧源を構成する。
【００３３】
なお、図２では、ＰＷＭインバータ１４および同期整流回路１７での変復調動作を理解し易くするために、前記パルス周波数ｆｐと系統周波数ｆｓとの比を実際よりも小さく、すなわちパルスの密度を粗くして表している。
【００３４】
前記ＰＷＭインバータ１４から出力される高周波電圧Ｖｐは、後述する電圧−電流変換手段であるインミッタンス変換器１５において、図２（ｂ）で示すように、該高周波電圧Ｖｐのパルス幅に比例した振幅の電流Ｉｐに変換される。インミッタンス変換器１５からの出力電流Ｉｐは、絶縁トランス１６の一次巻線１６ａに与えられる。絶縁トランス１６の二次巻線１６ｂからの出力電流は、同期整流回路１７に入力される。
【００３５】
前記同期整流回路１７は、前記ＰＷＭインバータ１４と同様に、４つのトランジスタＳＲ１，ＳＲ２；ＳＲ３，ＳＲ４のブリッジ回路を備えて構成されている。この同期整流回路１７において、絶縁トランス１６の出力電流は、前記図示しない制御回路からのゲート信号に応答して選択的に前記トランジスタＳＲ１，ＳＲ４またはＳＲ２，ＳＲ３が導通することによって、図２（ｃ）において参照符γ１１で示すように、前記変調信号に同期して整流され、さらにフィルタコンデンサＣｆによって、参照符γ１２で示すように平滑化される。こうして前記電力系統１３の系統電圧Ｖｓおよび系統周波数ｆｓであり、電力系統１３へ回生すべき所望とするレベルの電流Ｉｓが作成され、該電力系統１３へ回生される。
【００３６】
前記ＰＷＭインバータ１４、絶縁トランス１６および同期整流回路１７は系統連系インバータと称される。また、絶縁トランス１６によって、ＰＷＭインバータ１４側と、電力系統１３側とが高周波でリンクされており、該インバータ装置１１の故障時に電力系統１３側へ直流が流込むことを防止して、電力系統１３の保護が図られている。
【００３７】
前記インミッタンス変換器１５は、一対の入力端子Ｔ１，Ｔ１ａと、出力端子Ｔ２，Ｔ２ａとを備える４端子回路で実現される。具体的には、たとえば図３（ａ）で示すＴ型の４端子回路１５ａ、前記４端子回路１５ａを改良した図３（ｂ）で示すＨ型の４端子回路１５ｂ、図３（ｃ）で示すπ型の４端子回路１５ｃまたは前記π型の４端子回路１５ｃを改良した図３（ｄ）で示すＯ型の４端子回路１５ｄなどで実現される。
【００３８】
図３（ａ）で示すＴ型の４端子回路１５ａでは、一方の入力端子Ｔ１と一方の出力端子Ｔ２との間には２つのインピーダンス素子Ｚｓ１、Ｚｓ２の直列回路が介在され、これらの接続点と、共通に接続される他方の入力端子Ｔ１ａおよび他方の出力端子Ｔ２ａとの間には、インピンーダンス素子Ｚｐが介在される。直列のインピーダンス素子Ｚｓ１，Ｚｓ２がリアクトルであるときには、並列のインピーダンス素子Ｚｐはコンデンサであり、インピーダンス素子Ｚｓ１，Ｚｓ２がコンデンサであるときには、インピーダンス素子Ｚｐはリアクトルに選ばれる。
【００３９】
また、前記Ｔ型の４端子回路１５ａを改良した図３（ｂ）で示すＨ型の４端子回路１５ｂでは、前記直列のインピーダンス素子Ｚｓ１，Ｚｓ２がそれぞれ１／２のインピーダンス素子Ｚｓ１１，Ｚｓ１２に形成され、かつ他方の入力端子Ｔ１ａと他方の出力端子Ｔ２ａとの間に、前記入力端子Ｔ１および出力端子Ｔ２との間と同様に、Ｚｓ１／２およびＺｓ２／２の直列のインピーダンス素子Ｚｓ１１ａ，Ｚｓ１２ａが介在される。
【００４０】
これによって、インミッタンス変換器１５ｂの入力端子Ｔ１，Ｔ１ａと出力端子Ｔ２，Ｔ２ａとの間で、コモンモードノイズを除去することができる。
【００４１】
これに対して、図３（ｃ）で示すπ型の４端子回路１５ｃでは、入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２との間に直列のインピーダンス素子Ｚｓが介在され、このインピーダンス素子Ｚｓの両端子と、共通に接続される入力端子Ｔ１ａおよび出力端子Ｔ２ａとの間に並列のインピーダンス素子Ｚｐ１，Ｚｐ２がそれぞれ介在されている。
【００４２】
また、このπ型の４端子回路１５ｃが改良された図３（ｄ）で示すＯ型の４端子回路１５ｄでは、前記インピーダンス素子Ｚｓが１／２のＺｓ１とされて、かつ入力端子Ｔ１ａと出力端子Ｔ２ａとの間に前記Ｚｓ／２のインピーダンス素子Ｚｓ２が介在される。
【００４３】
以下に、図４を参照して、本発明のインバータ装置１１の動作を詳述する。図４は、図１の等価回路図である。なお、この図４においてインミッタンス変換器１５は、前記図３（ａ）で示すＴ型の４端子回路１５ａとし、前記直列のインピーダンス素子Ｚｓ１，Ｚｓ２をリアクトルとし、そのインダクタンスをＬ１，Ｌ２とし、並列のインピーダンス素子Ｚｐをコンデンサとし、その静電容量をＣとする。前記太陽電池１２およびＰＷＭインバータ１４によって構成される高周波電源２１からの高周波電圧Ｖ１の周波数をｆｐとするとき、前記インピーダンス素子Ｚｓ１，Ｚｓ２；ＺｐのインダクタンスＬ１，Ｌ２および静電容量Ｃは、
【００４４】
【数１】
【００４５】
を満たすように選ばれる。ただし、Ｌ＝Ｌ１＝Ｌ２。
【００４６】
また、前記絶縁トランス１６、同期整流回路１７および電力系統１３を負荷２２とし、高周波電圧源２１から該インミッタンス変換器１５への入力電圧を↑Ｖ１、入力電流を↑Ｉ１とし、該インミッタンス変換器１５から負荷２２への出力電圧を↑Ｖ２、出力電流を↑Ｉ２とし、インピーダンス素子Ｚｐを流れる電流を↑Ｉ３とすると、
↑Ｉ１＝↑Ｉ２＋↑Ｉ３ …（３）
↑Ｖ１＝ｊωＬ↑Ｉ１＋ｊωＬ↑Ｉ２＋↑Ｖ２ …（４）
ｊωＬ↑Ｉ２＋↑Ｖ２＝↑Ｉ３／ｊωＣ …（５）
が成立する。
【００４７】
したがって、式（５）から、
↑Ｉ３＝ｊωＣ↑Ｖ２−ω2 ＬＣ↑Ｉ２ …（６）
が求められ、これを式（３）に代入すると、
↑Ｉ１＝↑Ｉ２＋ｊωＣ↑Ｖ２−ω2 ＬＣ↑Ｉ２ …（７）
が求められ、さらにこれを式（４）に代入すると、
が求められる。
【００４８】
また、前記式（７）から、
が求められる。ただし、ω＝２πｆｐ、Ｌ＝Ｌ１＝Ｌ２である。
【００４９】
ここで、Ｌ，Ｃが前記高周波電圧源２１の電源周波数ｆｐと共振するときには、ω2 ＬＣ＝１となり、前記式（８）および式（９）は、以下のような行列で表すことができる。
【００５０】
【数２】
【００５１】
ただし、
【００５２】
【数３】
【００５３】
となる。
【００５４】
したがって、前記インミッタンス変換器１５の入力端子Ｔ１，Ｔ１ａ側のインピーダンス↑Ｚ１は、
↑Ｚ１＝Ｚ０2 ／↑Ｚ２ …（１２）
となる。
【００５５】
したがって、前記インピーダンスＺ１は、出力端子Ｔ２，Ｔ２ａ側のインピーダンス↑Ｚ２の逆数、すなわちアドミッタンスに比例する。このようにインミッタンス変換器１５において、一対の端子Ｔ１，Ｔ１ａとＴ２，Ｔ２ａとにおいて、一方の端子、たとえばＴ１，Ｔ１ａ側のインピーダンスは、他方の端子、すなわちＴ２，Ｔ２ａ側に接続されたアドミッタンスに比例することが理解される。
【００５６】
さらに、前記式（１０）から、
↑Ｉ２＝↑Ｖ１／ｊωＬ …（１３）
であり、すなわちインミッタンス変換器１５の出力電流↑Ｉ２は、該インミッタンス変換器１５の入力電圧↑Ｖ１に比例し、負荷電圧↑Ｖ２および負荷インピーダンス↑Ｚ２には無関係となることが理解される。
【００５７】
同様に、図３（ｃ）で示すπ型の４端子回路１５ｃにおいて、↑Ｚｓ＝ｊωＬ，↑Ｚｐ１＝↑Ｚｐ２＝１／ｊωＣの場合も、入出力の関係は式（１０）で表されるようになり、同様の効果を有する。
【００５８】
このように本発明に従うインバータ装置１１では、電力系統１３側へ供給すべき電力、すなわち電流Ｉｓに対応したパルス幅を有するパルスを容易に発生することができ、太陽電池１２およびＰＷＭインバータ１４から成る高周波電圧源２１を、インミッタンス変換器１５によって高周波電流源に変換するので、負荷２２である電力系統１３の系統電圧Ｖｓおよび波形歪などに拘りなく、常に所望とする前記一定の電流Ｉｓ、すなわち一定の電力を安定して回生することができる。また、複雑な制御回路等を不要とすることができるとともに、回生すべき電力をＰＷＭインバータ１４における変調パルス幅を調整することによって容易に制御することができる。さらにまた、従来技術で述べた連系リアクトル５が不要となり、変換効率を向上することもできるとともに、インミッタンス変換器１５は受動素子のみで構成されるので、高信頼化および低ノイズ化を図ることもできる。また、定電流源となる該インバータ装置１１は、並列運転が可能であり、発電容量の増加に対しても容易に対応することもできる。
【００５９】
なお、前記インミッタンス変換器１５は、端子Ｔ１，Ｔ１ａに対して、端子Ｔ２，Ｔ２ａが対称であり、したがって電流Ｉ１は、電圧Ｖ２に比例することになる。また、電源が高周波電流源である場合には、該インミッタンス変換器１５の出力は、高周波電圧源となる。さらにまた、絶縁トランス１６は、該インミッタンス変換器１５の入力側に挿入されても同様の効果を得ることができる。また、同期整流回路１７は、上述のようなトランジスタＳＲ１〜ＳＲ４を用いる構成に限らず、電力系統１３の系統周波数ｆｓの成分を復調するものであれば、他の復調回路が用いられてもよい。
【００６０】
また本発明は、上述のように電力系統１３側へ電力を回生する構成に限らず、図５で示すインバータ装置３１のように、負荷２２に対して所望とする定電流Ｉｓを供給する必要がある場合に、好適に実施することができる。すなわち、高周波電圧源２１をインミッタンス変換器１５によって高周波電流源に変換することによって、所望とする負荷電流Ｉｓに対応した高周波電圧Ｖｐを高周波電流Ｉｐに変換し、同期整流回路１７で復調することによって、所望とする負荷電流Ｉｓを安定して得ることができる。これによって、モータにおける定トルク運転などに好適に用いることができる。
【００６１】
【発明の効果】
請求項１の発明に係るインバータ装置は、以上のように、高周波電圧源からの高周波電圧をＴ型やπ型のインピーダンス−アドミッタンス変換器などで実現される電圧−電流変換手段によって高周波電流に変換した後、復調・整流手段によって復調・整流して出力する。
【００６２】
それゆえ、電力系統などの負荷側に所望とする電流、すなわち電力を、該負荷側の電圧に拘りなく、安定して供給することができる。また、負荷に供給される電力の制御も容易に行うことができる。さらにまた、位相を制御するための煩雑な制御回路や精密な制御を不要とすることができるとともに、連系リアクトルなどの損失要素がなく、構成の簡略化および高効率化を図ることができる。
【００６３】
また請求項２の発明に係るインバータ装置は、以上のように、復調・整流手段を商用交流の電力系統に接続し、前記第１の周波数を系統周波数とする。
【００６４】
それゆえ、たとえば各家庭などで太陽光発電等で発電された電力を電力系統に回生するために好適に用いられるインバータ装置を低コストに供給することができる。
【００６５】
さらにまた請求項３の発明に係るインバータ装置は、以上のように、電圧−電流変換手段を、Ｈ型を含むＴ型またはＯ型を含むπ型の４端子回路から成るインピーダンス−アドミッタンス変換回路で実現し、かつそれらを構成するリアクトルとコンデンサとの共振周波数を前記第２の周波数とする。
【００６６】
それゆえ、前記電圧−電流変換手段を、簡便で小型のＬＣ共振回路によって実現することができる。
【００６７】
また請求項４の発明に係るインバータ装置は、以上のように、電圧−電流変換手段を、一方の入力端子と一方の出力端子との間に相互に同一のインダクタンスの第１および第２のリアクトルが直列接続され、前記第１および第２のリアクトルの接続点間と他方の入力端子および他方の出力端子との間にコンデンサが接続されて構成されるＴ型の４端子回路で実現し、各第１および第２のリアクトルとコンデンサとが構成する各共振回路の共振周波数を前記第２の周波数とする。
【００６８】
それゆえ、パルス幅変調回路などで実現される高周波電圧源からの出力の高調波を抑制することができ、該高調波による損失を抑えることができるとともに、ノイズの発生を抑えることもできる。
【００６９】
さらにまた請求項５の発明に係るインバータ装置は、以上のように、前記電圧−電流変換手段を、Ｈ型の４端子回路で実現する。
【００７０】
それゆえ、インバータ部で発生したコモンモードノイズを除去することができ、前記ノイズが電力系統などの出力側へ出てゆかないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態のインバータ装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図２】図１で示すインバータ装置の動作を説明するための波形図である。
【図３】図１で示すインバータ装置におけるインミッタンス変換器の構成例を示すブロック図である。
【図４】前記インミッタンス変換器をＴ型の４端子回路で構成した場合における図１の構成の等価回路図である。
【図５】本発明の実施の他の形態のインバータ装置を説明するためのブロック図である。
【図６】典型的な従来技術のインバータ装置の電気回路図である。
【図７】図６で示すインバータ装置の動作を説明するための波形図である。
【図８】前記図６で示すインバータ装置の動作を説明するための等価回路図である。
【図９】図６で示すインバータ装置による電力回生動作を説明するためのベクトル図である。
【符号の説明】
１１ インバータ装置
１２ 太陽電池
１３ 電力系統
１４ ＰＷＭインバータ（高周波電圧源）
１５ インミッタンス変換器（電圧−電流変換手段）
１５ａ インミッタンス変換器（Ｔ型）
１５ｂ インミッタンス変換器（Ｈ型）
１５ｃ インミッタンス変換器（π型）
１５ｄ インミッタンス変換器（Ｏ型）
１６ 絶縁トランス
１７ 同期整流回路（復調・整流手段）
２１ 高周波電圧源
２２ 負荷
３１ インバータ装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池などで発電された直流電力を、商用交流の電力系統と連系して、該電力系統に回生するために好適に実施されるインバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サンシャイン計画等の省エネルギ促進事業に伴って、太陽光発電等で各家庭などで発電された電力を電力系統に回生することが行われるようになってきている。このとき、発電された直流の電力を電力系統に同期・連系して、該電力系統に回生するためのインバータ装置が必要となる。
【０００３】
図６は、典型的な従来技術のインバータ装置１の電気回路図である。このインバータ装置１は、ＰＷＭインバータ２と、絶縁トランス３と、同期整流回路４と、連系リアクトル５と、図示しない前記ＰＷＭインバータ２および同期整流回路４の制御回路とを備えて構成されている。このインバータ装置１は、太陽電池６で発電された直流の電力を、商用交流の電力系統７に回生するために用いられる。
【０００４】
前記ＰＷＭインバータ２は、２つのトランジスタｓｔ１，ｓｔ２から成る直列回路と、同様にトランジスタｓｔ３，ｓｔ４から成る直列回路とが、相互に並列に前記太陽電池６の端子間に接続され、トランジスタｓｔ１，ｓｔ２の接続点およびトランジスタｓｔ３，ｓｔ４の接続点がそれぞれ前記絶縁トランス３の一次巻線３ａの両端子に接続されるブリッジ回路によって構成されている。このＰＷＭインバータ２は、太陽電池６の出力電圧をＥｂとするとき、前記絶縁トランス３へパルス振幅±Ｅｂ、たとえば２００Ｖ、パルス周波数ｆｐ、たとえば５〜２０ｋＨｚの高周波パルスを、図７（ａ）において参照符α１で示されるような電力系統７の系統周波数ｆｓ、たとえば５０または６０Ｈｚの変調信号によってパルス幅変調を行い、図７（ａ）において参照符α２で示すような１パルス毎に正負反転した高周波電圧Ｖｐを前記絶縁トランス３の一次巻線３ａへ出力する。
【０００５】
前記絶縁トランス３の二次巻線３ｂからの出力電圧は、同期整流回路４に入力される。この同期整流回路４は、前記ＰＷＭインバータ２と同様に、４つのトランジスタｓｒ１，ｓｒ２；ｓｒ３，ｓｒ４のブリッジ回路によって構成されている。したがって、この同期整流回路４からは、図７（ｂ）において参照符β１で示すように、前記図７（ａ）において参照符α２で示すＰＷＭインバータ２の出力電圧が、前記変調信号に同期して整流されて出力されてゆく。
【０００６】
前記同期整流回路４からの出力電圧は、連系リアクトル５によって平滑化され、前記電力系統７へは、図７（ｂ）において参照符β２で示すような、系統周波数ｆｓの電流Ｉｓが供給されることになる。
【０００７】
なお、図７では、ＰＷＭインバータ２および同期整流回路４での変復調動作を理解し易くするために、前記パルス周波数ｆｐと系統周波数ｆｓとの比を実際よりも小さく、すなわちパルスの密度を粗くして表している。
【０００８】
図８は、上述のように構成されたインバータ装置１の系統周波数ｆｓに対する等価回路である。前記ＰＷＭインバータ２、絶縁トランス３および同期整流回路４は、系統連系インバータと称される。その系統連系インバータによって構成される高周波電圧源８からの出力電圧は、連系リアクトル５で平滑化されて電力系統７に入力される。前記ＰＷＭインバータ２でのパルス周波数ｆｐは、前述のように系統周波数ｆｓよりも充分高く、たとえば２００倍以上となり、したがって連系リアクトル５からの出力電流↑Ｉｓ（↑は、以下ベクトルであることを表す）のリップル成分は小さく、正弦波電流であると見なして考えると、前記電流Ｉｓ基本波成分は、前記高周波電圧源８の出力電圧を↑Ｖｒとし、電力系統７の系統電圧を↑Ｖｓとするとき、
↑Ｉｓ＝（↑Ｖｒ−↑Ｖｓ）／ｊωＬ …（１）
で表すことができる。ただし、ω＝２πｆｓであり、Ｌは連系リアクトル５のインダクタンスである。
【０００９】
したがって、連系リアクトル５での電圧降下ωＬＩｓが、電圧Ｖｓ，Ｖｒよりも充分小さいとき、図９から明らかなように、前記電力系統７に流込む電流Ｉｓの大きさの調節は、高周波電圧源８の出力電圧Ｖｒを電力系統７の系統電圧Ｖｓとほぼ同じにし、これらの電圧↑Ｖｒ，↑Ｖｓの位相差θを変化することによって実現可能であることが理解される。
【００１０】
このように従来技術では、電流↑Ｉｓを電圧↑Ｖｒまたは↑Ｖｓとほぼ同相として、電力系統７に回生される電力を電流Ｉｓの大きさに比例させ、かつ該回生される電力の大きさが前記位相差θ、すなわち図７（ｃ）において参照符γ１で示す系統電圧↑Ｖｓに対する参照符γ２で示す電圧↑Ｖｒの進み量で制御されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来技術のインバータ装置１では、以下のような問題が存在する。
【００１２】
▲１▼電力系統７側へ回生される電力の制御は、電圧Ｖｒの位相制御によって行われるので、このような位相の制御は振幅の制御よりも困難であり、制御が煩雑になる。
【００１３】
▲２▼電力系統７に接続される負荷のインピーダンス変動などによって電力系統７の系統電圧Ｖｓが変動すると、該電力系統７側に回生される電力および無効電力（ｊωＬＩｓ2 ）が変化してしまう。
【００１４】
▲３▼系統電圧Ｖｓに歪が含まれていると、電流Ｉｓの歪が非常に大きくなってしまい、所望とする定電流を安定して供給することができない。
【００１５】
▲４▼電力系統７側への電力の安定供給のためには、連系リアクトル５に大きなインダクタンスを必要とする。すなわち、たとえば系統電圧Ｖｓが２００Ｖ、供給電力Ｐが３ｋＷ、連系リアクトル５での端子間電圧ＶＬを４０Ｖとすると、
Ｉｓ＝Ｐ／Ｖｓ＝３０００／２００＝１５Ａ
であり、連系リアクトル５のインダクタンスＬには、
Ｌ＝ＶＬ／２πｆｓＩｓ＝４０／２π×５０×１５＝８．５ｍＨ
が必要となる。このとき、連系リアクトル５に蓄積されるピークエネルギは、約２ジュールとなる。
【００１６】
一方、この連系リアクトル５のインダクタンスＬを小さくすると、前記式（１）から、系統電圧Ｖｓに対する該インバータ装置１での発生電圧Ｖｒの位相差θが小さくなるとともに、振幅も非常に近い値となり、前記▲２▼および▲３▼で示す問題点がさらに顕著になる。
【００１７】
本発明の目的は、電力系統などの負荷側に供給する電力の安定化を、簡便な構成で高効率に行うことができるインバータ装置を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係るインバータ装置は、予め定める第１の周波数の変調信号で変調され、予め定める第２の周波数の高周波電圧を発生する高周波電圧源と、前記高周波電圧源からの高周波電圧を高周波電流に変換する電圧−電流変換手段と、前記電圧−電流変換手段からの高周波電流を復調・整流して、該高周波電流の振幅に比例したレベルで前記第１の周波数の低周波電流を出力する復調・整流手段とを含むことを特徴とする。
【００１９】
上記の構成によれば、Ｔ型やπ型のインピーダンス−アドミッタンス変換器などで実現される電圧−電流変換手段によって、入力側の高周波電圧源を電流源に変換する。したがって、電力系統などの負荷側に所望とする電流、すなわち電力を、該負荷側の電圧に拘りなく、安定して供給することができる。また、負荷側に供給される電力の制御も容易に行うことができる。さらにまた、位相を制御するための煩雑な制御回路や精密な制御を不要とすることができるとともに、連系リアクトルなどの損失要素がなく、構成を簡略化することができるとともに、高効率化を図ることができる。
【００２０】
また請求項２の発明に係るインバータ装置では、前記復調・整流手段は商用交流の電力系統に接続され、前記第１の周波数は系統周波数であることを特徴とする。
【００２１】
上記の構成によれば、たとえば各家庭などで太陽光発電等で発電された電力を電力系統に回生するために好適に用いられ、省エネルギ化のために用いられるインバータ装置を低コストに供給することができる。
【００２２】
さらにまた請求項３の発明に係るインバータ装置では、前記電圧−電流変換手段は、直列素子がリアクトル、かつ並列素子がコンデンサ、または直列素子がコンデンサ、かつ並列素子がリアクトルであるＴ型またはπ型の４端子回路で実現され、前記リアクトルとコンデンサとは、両者が構成する共振回路の共振周波数が前記第２の周波数となる定数に選ばれていることを特徴とする。
【００２３】
上記の構成によれば、前記電圧−電流変換手段は、Ｈ型を含むＴ型またはＯ型を含むπ型の４端子回路から成るインピーダンス−アドミッタンス変換回路で実現される。したがって、簡便で小型のＬＣ共振回路によって実現することができる。
【００２４】
また請求項４の発明に係るインバータ装置では、前記電圧−電流変換手段は、一方の入力端子と一方の出力端子との間に相互に同一のインダクタンスの第１および第２のリアクトルが直列接続され、前記第１および第２のリアクトルの接続点間と他方の入力端子および他方の出力端子との間にコンデンサが接続されて構成されるＴ型の４端子回路で実現され、前記第１および第２のリアクトルとコンデンサとは、各第１および第２のリアクトルとコンデンサとが構成する各共振回路の共振周波数が前記第２の周波数となる定数に選ばれていることを特徴とする。
【００２５】
上記の構成によれば、パルス幅変調回路などで実現される高周波電圧源からの出力の高調波を抑制することができ、該高調波による損失を抑えることができるとともに、ノイズの発生を抑えることもできる。
【００２６】
さらにまた請求項５の発明に係るインバータ装置では、前記電圧−電流変換手段は、前記第１および第２のリアクトルのインダクタンスを１／２とし、前記他方の入力端子と他方の出力端子との間に前記第１および第２のリアクトルと等しいインダクタンスの第３および第４のリアクトルを直列に接続し、該第３および第４のリアクトルの接続点に前記コンデンサを接続するＨ型の４端子回路で実現されることを特徴とする。
【００２７】
上記の構成によれば、電圧−電流変換手段と高周波電圧源との間のラインおよび電圧−電流変換手段と復調・整流手段との間のラインなどから侵入したコモンモードノイズを除去することができ、前記ノイズが電力系統などの出力側へ出てゆかないようにすることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について、図１〜図４に基づいて説明すれば以下のとおりである。
【００２９】
図１は、本発明の実施の一形態のインバータ装置１１の電気的構成を示すブロック図である。このインバータ装置１１は、太陽電池１２で発電された直流電力を、商用交流の電力系統１３の系統電圧Ｖｓおよび系統周波数ｆｓで、所望とする定電流で、該電力系統１３側に回生するための系統連系インバータとして使用される。このインバータ装置１１は、大略的に、ＰＷＭインバータ１４と、インミッタンス変換器１５と、絶縁トランス１６と、同期整流回路１７と、フィルタコンデンサＣｆと、図示しない前記ＰＷＭインバータ１４および同期整流回路１７の制御回路とを備えて構成されている。なお、前記インミッタンス変換器１５のインミッタンスとは、インピーダンスおよびアドミタンスを包含して表すものとする。
【００３０】
前記ＰＷＭインバータ１４は、２つのトランジスタＳＴ１，ＳＴ２から成る直列回路と、同様にトランジスタＳＴ３，ＳＴ４から成る直列回路とが、相互に並列に前記太陽電池１２の端子間に接続され、トランジスタＳＴ１，ＳＴ２の接続点およびトランジスタＳＴ３，ＳＴ４の接続点がそれぞれ前記インミッタンス変換器１５の両端子に接続されるブリッジ回路によって構成されている。
【００３１】
太陽電池１２で発電された予め定める略一定の電圧Ｅｂの直流電流は、このＰＷＭインバータ１４によって、前記制御回路から供給される前記電力系統１３側へ供給すべき電力に対応し、かつ予め定める第１の周波数である電力系統１３の系統周波数ｆｓに対応した変調信号で変調された予め定める第２の周波数、たとえば２０ｋＨｚの高周波電圧Ｖｐに変換される。
【００３２】
すなわち、このＰＷＭインバータ１４において、前記図示しない制御回路からのゲート信号に応答して選択的に前記トランジスタＳＴ１，ＳＴ４またはＳＴ２，ＳＴ３が導通することによって、前記インミッタンス変換器１５へ、パルス振幅±Ｅｂ、たとえば２００Ｖ、パルス周波数ｆｐ、たとえば前記２０ｋＨｚの高周波電圧を、図２（ａ）において参照符α１１で示されるような、電力系統１３の系統周波数ｆｓ、たとえば５０または６０Ｈｚおよび該電力系統１３側へ伝達すべき電力に対応した変調信号によってパルス幅変調を行い、図２（ａ）において参照符α１２で示すような１パルス毎に正負反転した高周波電圧Ｖｐを出力する。このＰＷＭインバータ１４と前記太陽電池１２とは、高周波電圧源を構成する。
【００３３】
なお、図２では、ＰＷＭインバータ１４および同期整流回路１７での変復調動作を理解し易くするために、前記パルス周波数ｆｐと系統周波数ｆｓとの比を実際よりも小さく、すなわちパルスの密度を粗くして表している。
【００３４】
前記ＰＷＭインバータ１４から出力される高周波電圧Ｖｐは、後述する電圧−電流変換手段であるインミッタンス変換器１５において、図２（ｂ）で示すように、該高周波電圧Ｖｐのパルス幅に比例した振幅の電流Ｉｐに変換される。インミッタンス変換器１５からの出力電流Ｉｐは、絶縁トランス１６の一次巻線１６ａに与えられる。絶縁トランス１６の二次巻線１６ｂからの出力電流は、同期整流回路１７に入力される。
【００３５】
前記同期整流回路１７は、前記ＰＷＭインバータ１４と同様に、４つのトランジスタＳＲ１，ＳＲ２；ＳＲ３，ＳＲ４のブリッジ回路を備えて構成されている。この同期整流回路１７において、絶縁トランス１６の出力電流は、前記図示しない制御回路からのゲート信号に応答して選択的に前記トランジスタＳＲ１，ＳＲ４またはＳＲ２，ＳＲ３が導通することによって、図２（ｃ）において参照符γ１１で示すように、前記変調信号に同期して整流され、さらにフィルタコンデンサＣｆによって、参照符γ１２で示すように平滑化される。こうして前記電力系統１３の系統電圧Ｖｓおよび系統周波数ｆｓであり、電力系統１３へ回生すべき所望とするレベルの電流Ｉｓが作成され、該電力系統１３へ回生される。
【００３６】
前記ＰＷＭインバータ１４、絶縁トランス１６および同期整流回路１７は系統連系インバータと称される。また、絶縁トランス１６によって、ＰＷＭインバータ１４側と、電力系統１３側とが高周波でリンクされており、該インバータ装置１１の故障時に電力系統１３側へ直流が流込むことを防止して、電力系統１３の保護が図られている。
【００３７】
前記インミッタンス変換器１５は、一対の入力端子Ｔ１，Ｔ１ａと、出力端子Ｔ２，Ｔ２ａとを備える４端子回路で実現される。具体的には、たとえば図３（ａ）で示すＴ型の４端子回路１５ａ、前記４端子回路１５ａを改良した図３（ｂ）で示すＨ型の４端子回路１５ｂ、図３（ｃ）で示すπ型の４端子回路１５ｃまたは前記π型の４端子回路１５ｃを改良した図３（ｄ）で示すＯ型の４端子回路１５ｄなどで実現される。
【００３８】
図３（ａ）で示すＴ型の４端子回路１５ａでは、一方の入力端子Ｔ１と一方の出力端子Ｔ２との間には２つのインピーダンス素子Ｚｓ１、Ｚｓ２の直列回路が介在され、これらの接続点と、共通に接続される他方の入力端子Ｔ１ａおよび他方の出力端子Ｔ２ａとの間には、インピンーダンス素子Ｚｐが介在される。直列のインピーダンス素子Ｚｓ１，Ｚｓ２がリアクトルであるときには、並列のインピーダンス素子Ｚｐはコンデンサであり、インピーダンス素子Ｚｓ１，Ｚｓ２がコンデンサであるときには、インピーダンス素子Ｚｐはリアクトルに選ばれる。
【００３９】
また、前記Ｔ型の４端子回路１５ａを改良した図３（ｂ）で示すＨ型の４端子回路１５ｂでは、前記直列のインピーダンス素子Ｚｓ１，Ｚｓ２がそれぞれ１／２のインピーダンス素子Ｚｓ１１，Ｚｓ１２に形成され、かつ他方の入力端子Ｔ１ａと他方の出力端子Ｔ２ａとの間に、前記入力端子Ｔ１および出力端子Ｔ２との間と同様に、Ｚｓ１／２およびＺｓ２／２の直列のインピーダンス素子Ｚｓ１１ａ，Ｚｓ１２ａが介在される。
【００４０】
これによって、インミッタンス変換器１５ｂの入力端子Ｔ１，Ｔ１ａと出力端子Ｔ２，Ｔ２ａとの間で、コモンモードノイズを除去することができる。
【００４１】
これに対して、図３（ｃ）で示すπ型の４端子回路１５ｃでは、入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２との間に直列のインピーダンス素子Ｚｓが介在され、このインピーダンス素子Ｚｓの両端子と、共通に接続される入力端子Ｔ１ａおよび出力端子Ｔ２ａとの間に並列のインピーダンス素子Ｚｐ１，Ｚｐ２がそれぞれ介在されている。
【００４２】
また、このπ型の４端子回路１５ｃが改良された図３（ｄ）で示すＯ型の４端子回路１５ｄでは、前記インピーダンス素子Ｚｓが１／２のＺｓ１とされて、かつ入力端子Ｔ１ａと出力端子Ｔ２ａとの間に前記Ｚｓ／２のインピーダンス素子Ｚｓ２が介在される。
【００４３】
以下に、図４を参照して、本発明のインバータ装置１１の動作を詳述する。図４は、図１の等価回路図である。なお、この図４においてインミッタンス変換器１５は、前記図３（ａ）で示すＴ型の４端子回路１５ａとし、前記直列のインピーダンス素子Ｚｓ１，Ｚｓ２をリアクトルとし、そのインダクタンスをＬ１，Ｌ２とし、並列のインピーダンス素子Ｚｐをコンデンサとし、その静電容量をＣとする。前記太陽電池１２およびＰＷＭインバータ１４によって構成される高周波電源２１からの高周波電圧Ｖ１の周波数をｆｐとするとき、前記インピーダンス素子Ｚｓ１，Ｚｓ２；ＺｐのインダクタンスＬ１，Ｌ２および静電容量Ｃは、
【００４４】
【数１】
を満たすように選ばれる。ただし、Ｌ＝Ｌ１＝Ｌ２。
【００４６】
また、前記絶縁トランス１６、同期整流回路１７および電力系統１３を負荷２２とし、高周波電圧源２１から該インミッタンス変換器１５への入力電圧を↑Ｖ１、入力電流を↑Ｉ１とし、該インミッタンス変換器１５から負荷２２への出力電圧を↑Ｖ２、出力電流を↑Ｉ２とし、インピーダンス素子Ｚｐを流れる電流を↑Ｉ３とすると、
↑Ｉ１＝↑Ｉ２＋↑Ｉ３ …（３）
↑Ｖ１＝ｊωＬ↑Ｉ１＋ｊωＬ↑Ｉ２＋↑Ｖ２ …（４）
ｊωＬ↑Ｉ２＋↑Ｖ２＝↑Ｉ３／ｊωＣ …（５）
が成立する。
【００４７】
したがって、式（５）から、
↑Ｉ３＝ｊωＣ↑Ｖ２−ω2 ＬＣ↑Ｉ２ …（６）
が求められ、これを式（３）に代入すると、
↑Ｉ１＝↑Ｉ２＋ｊωＣ↑Ｖ２−ω2 ＬＣ↑Ｉ２ …（７）
が求められ、さらにこれを式（４）に代入すると、
【００４８】
また、前記式（７）から、
【００４９】
ここで、Ｌ，Ｃが前記高周波電圧源２１の電源周波数ｆｐと共振するときには、ω2 ＬＣ＝１となり、前記式（８）および式（９）は、以下のような行列で表すことができる。
【００５０】
【数２】
ただし、
【００５２】
【数３】
となる。
【００５４】
したがって、前記インミッタンス変換器１５の入力端子Ｔ１，Ｔ１ａ側のインピーダンス↑Ｚ１は、
↑Ｚ１＝Ｚ０2 ／↑Ｚ２ …（１２）
となる。
【００５５】
したがって、前記インピーダンスＺ１は、出力端子Ｔ２，Ｔ２ａ側のインピーダンス↑Ｚ２の逆数、すなわちアドミッタンスに比例する。このようにインミッタンス変換器１５において、一対の端子Ｔ１，Ｔ１ａとＴ２，Ｔ２ａとにおいて、一方の端子、たとえばＴ１，Ｔ１ａ側のインピーダンスは、他方の端子、すなわちＴ２，Ｔ２ａ側に接続されたアドミッタンスに比例することが理解される。
【００５６】
さらに、前記式（１０）から、
↑Ｉ２＝↑Ｖ１／ｊωＬ …（１３）
であり、すなわちインミッタンス変換器１５の出力電流↑Ｉ２は、該インミッタンス変換器１５の入力電圧↑Ｖ１に比例し、負荷電圧↑Ｖ２および負荷インピーダンス↑Ｚ２には無関係となることが理解される。
【００５７】
同様に、図３（ｃ）で示すπ型の４端子回路１５ｃにおいて、↑Ｚｓ＝ｊωＬ，↑Ｚｐ１＝↑Ｚｐ２＝１／ｊωＣの場合も、入出力の関係は式（１０）で表されるようになり、同様の効果を有する。
【００５８】
このように本発明に従うインバータ装置１１では、電力系統１３側へ供給すべき電力、すなわち電流Ｉｓに対応したパルス幅を有するパルスを容易に発生することができ、太陽電池１２およびＰＷＭインバータ１４から成る高周波電圧源２１を、インミッタンス変換器１５によって高周波電流源に変換するので、負荷２２である電力系統１３の系統電圧Ｖｓおよび波形歪などに拘りなく、常に所望とする前記一定の電流Ｉｓ、すなわち一定の電力を安定して回生することができる。また、複雑な制御回路等を不要とすることができるとともに、回生すべき電力をＰＷＭインバータ１４における変調パルス幅を調整することによって容易に制御することができる。さらにまた、従来技術で述べた連系リアクトル５が不要となり、変換効率を向上することもできるとともに、インミッタンス変換器１５は受動素子のみで構成されるので、高信頼化および低ノイズ化を図ることもできる。また、定電流源となる該インバータ装置１１は、並列運転が可能であり、発電容量の増加に対しても容易に対応することもできる。
【００５９】
なお、前記インミッタンス変換器１５は、端子Ｔ１，Ｔ１ａに対して、端子Ｔ２，Ｔ２ａが対称であり、したがって電流Ｉ１は、電圧Ｖ２に比例することになる。また、電源が高周波電流源である場合には、該インミッタンス変換器１５の出力は、高周波電圧源となる。さらにまた、絶縁トランス１６は、該インミッタンス変換器１５の入力側に挿入されても同様の効果を得ることができる。また、同期整流回路１７は、上述のようなトランジスタＳＲ１〜ＳＲ４を用いる構成に限らず、電力系統１３の系統周波数ｆｓの成分を復調するものであれば、他の復調回路が用いられてもよい。
【００６０】
また本発明は、上述のように電力系統１３側へ電力を回生する構成に限らず、図５で示すインバータ装置３１のように、負荷２２に対して所望とする定電流Ｉｓを供給する必要がある場合に、好適に実施することができる。すなわち、高周波電圧源２１をインミッタンス変換器１５によって高周波電流源に変換することによって、所望とする負荷電流Ｉｓに対応した高周波電圧Ｖｐを高周波電流Ｉｐに変換し、同期整流回路１７で復調することによって、所望とする負荷電流Ｉｓを安定して得ることができる。これによって、モータにおける定トルク運転などに好適に用いることができる。
【００６１】
【発明の効果】
請求項１の発明に係るインバータ装置は、以上のように、高周波電圧源からの高周波電圧をＴ型やπ型のインピーダンス−アドミッタンス変換器などで実現される電圧−電流変換手段によって高周波電流に変換した後、復調・整流手段によって復調・整流して出力する。
【００６２】
それゆえ、電力系統などの負荷側に所望とする電流、すなわち電力を、該負荷側の電圧に拘りなく、安定して供給することができる。また、負荷に供給される電力の制御も容易に行うことができる。さらにまた、位相を制御するための煩雑な制御回路や精密な制御を不要とすることができるとともに、連系リアクトルなどの損失要素がなく、構成の簡略化および高効率化を図ることができる。
【００６３】
また請求項２の発明に係るインバータ装置は、以上のように、復調・整流手段を商用交流の電力系統に接続し、前記第１の周波数を系統周波数とする。
【００６４】
それゆえ、たとえば各家庭などで太陽光発電等で発電された電力を電力系統に回生するために好適に用いられるインバータ装置を低コストに供給することができる。
【００６５】
さらにまた請求項３の発明に係るインバータ装置は、以上のように、電圧−電流変換手段を、Ｈ型を含むＴ型またはＯ型を含むπ型の４端子回路から成るインピーダンス−アドミッタンス変換回路で実現し、かつそれらを構成するリアクトルとコンデンサとの共振周波数を前記第２の周波数とする。
【００６６】
それゆえ、前記電圧−電流変換手段を、簡便で小型のＬＣ共振回路によって実現することができる。
【００６７】
また請求項４の発明に係るインバータ装置は、以上のように、電圧−電流変換手段を、一方の入力端子と一方の出力端子との間に相互に同一のインダクタンスの第１および第２のリアクトルが直列接続され、前記第１および第２のリアクトルの接続点間と他方の入力端子および他方の出力端子との間にコンデンサが接続されて構成されるＴ型の４端子回路で実現し、各第１および第２のリアクトルとコンデンサとが構成する各共振回路の共振周波数を前記第２の周波数とする。
【００６８】
それゆえ、パルス幅変調回路などで実現される高周波電圧源からの出力の高調波を抑制することができ、該高調波による損失を抑えることができるとともに、ノイズの発生を抑えることもできる。
【００６９】
さらにまた請求項５の発明に係るインバータ装置は、以上のように、前記電圧−電流変換手段を、Ｈ型の４端子回路で実現する。
【００７０】
それゆえ、インバータ部で発生したコモンモードノイズを除去することができ、前記ノイズが電力系統などの出力側へ出てゆかないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態のインバータ装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図２】図１で示すインバータ装置の動作を説明するための波形図である。
【図３】図１で示すインバータ装置におけるインミッタンス変換器の構成例を示すブロック図である。
【図４】前記インミッタンス変換器をＴ型の４端子回路で構成した場合における図１の構成の等価回路図である。
【図５】本発明の実施の他の形態のインバータ装置を説明するためのブロック図である。
【図６】典型的な従来技術のインバータ装置の電気回路図である。
【図７】図６で示すインバータ装置の動作を説明するための波形図である。
【図８】前記図６で示すインバータ装置の動作を説明するための等価回路図である。
【図９】図６で示すインバータ装置による電力回生動作を説明するためのベクトル図である。
【符号の説明】
１１ インバータ装置
１２ 太陽電池
１３ 電力系統
１４ ＰＷＭインバータ（高周波電圧源）
１５ インミッタンス変換器（電圧−電流変換手段）
１５ａ インミッタンス変換器（Ｔ型）
１５ｂ インミッタンス変換器（Ｈ型）
１５ｃ インミッタンス変換器（π型）
１５ｄ インミッタンス変換器（Ｏ型）
１６ 絶縁トランス
１７ 同期整流回路（復調・整流手段）
２１ 高周波電圧源
２２ 負荷
３１ インバータ装置
Claims (5)
- 予め定める第１の周波数の変調信号で変調され、予め定める第２の周波数の高周波電圧を発生する高周波電圧源と、
前記高周波電圧源からの高周波電圧を高周波電流に変換する電圧−電流変換手段と、
前記電圧−電流変換手段からの高周波電流を復調・整流して、該高周波電流の振幅に比例したレベルで前記第１の周波数の低周波電流を出力する復調・整流手段とを含むことを特徴とするインバータ装置。 - 前記復調・整流手段は商用交流の電力系統に接続され、前記第１の周波数は系統周波数であることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
- 前記電圧−電流変換手段は、直列素子がリアクトル、かつ並列素子がコンデンサ、または直列素子がコンデンサ、かつ並列素子がリアクトルであるＴ型またはπ型の４端子回路で実現され、
前記リアクトルとコンデンサとは、両者が構成する共振回路の共振周波数が前記第２の周波数となる定数に選ばれていることを特徴とする請求項１または２記載のインバータ装置。 - 前記電圧−電流変換手段は、一方の入力端子と一方の出力端子との間に相互に同一のインダクタンスの第１および第２のリアクトルが直列接続され、前記第１および第２のリアクトルの接続点間と他方の入力端子および他方の出力端子との間にコンデンサが接続されて構成されるＴ型の４端子回路で実現され、
前記第１および第２のリアクトルとコンデンサとは、各第１および第２のリアクトルとコンデンサとが構成する各共振回路の共振周波数が前記第２の周波数となる定数に選ばれていることを特徴とする請求項１または２記載のインバータ装置。 - 前記電圧−電流変換手段は、前記第１および第２のリアクトルのインダクタンスを１／２とし、前記他方の入力端子と他方の出力端子との間に前記第１および第２のリアクトルと等しいインダクタンスの第３および第４のリアクトルを直列に接続し、該第３および第４のリアクトルの接続点に前記コンデンサを接続するＨ型の４端子回路で実現されることを特徴とする請求項４記載のインバータ装置。
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