JP4513185B2

JP4513185B2 - 三相半電圧出力形整流装置

Info

Publication number: JP4513185B2
Application number: JP2000226785A
Authority: JP
Inventors: 國臣大口; 憲一榊原
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2000-07-27
Filing date: 2000-07-27
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2020-07-27
Also published as: JP2002044953A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は三相半電圧出力形整流装置に関し、さらに詳細にいえば、半電圧の出力を行うことができる三相半電圧出力形整流装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インバータ機器の普及に伴い、従来の交流負荷と比較して高調波発生量の大きな整流器負荷が急増しており、高調波電流に伴う、電力系統の進相コンデンサ、変圧器の過熱、焼損などの障害が顕在化しつつある。
【０００３】
このため、高圧系統で受電する需要家に対しては、受電端での総量規制となる特定需要家ガイドラインが適用され、業務用空調機においては６ＨＰ（２０Ａ／相）以上のインバータ機が計算対象となっている。また、海外については、欧州が先行して１６Ａ／相以下の機器に対しＥＮ６１０００−３−２なる規格を２００１年より適用する予定になっている。
【０００４】
このような点を考慮して、三相整流回路の簡便な高調波低減法として、図６に示すように、交流電源側に交流リアクトルを挿入する方法が提案されている。また、特定需要家の高調波抑制法として、図９に示すように、Ｙ−Ｙ、Ｙ−Δ変圧器と２組の整流回路を用いた１２相整流法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示す三相整流回路を採用する場合には十分な高調波低減を達成することができない。
【０００６】
さらに説明する。
【０００７】
図６に示す三相整流回路においては、直流電圧降下の制約より、挿入される交流リアクトルとして数％程度のものを採用しているが、図７中（Ａ）に示すように、コンバータ入力電圧波形が６ステップであるため、図７中（Ｂ）の電流波形に示すように、電流歪みが大きく、この結果、高調波低減効果が不十分になってしまう。
【０００８】
ここで、入力電圧波形が６ステップになる原理を図８に示す各部の波形を参照して説明する。
【０００９】
直流電圧を２Ｅとし、直流部の中間電位をＮで示すと、各相のダイオードは１８０°通電し、中間電位Ｎを基準とした相電圧は図８中（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すような三相波形となる。また、図６中のＡ点の電位ＶＡＯはＶＡＯ＝ＶＡＮ−ＶＯＮとなる。よって、直流中間電位Ｎと中性点電位Ｏとの電位差ＶＯＮはＶＯＮ＝（ＶＡＮ＋ＶＢＮ＋ＶＣＮ）／３となり、相電圧波形からの合成により図８中（Ｄ）に示す波形となる。
【００１０】
このため、整流回路相電圧ＶＡＯはＶＡＯ＝ＶＡＮ−ＶＯＮの関係より、同様に合成すると、図８中（Ｅ）に示すように６ステップ波形となる。
【００１１】
また、図８中（Ａ）（Ｂ）に示す波形より、線間電圧基本波実効値ＶＡＢと直流電圧２Ｅとの関係はＶＡＢ＝２Ｅ・６^1/2／πである。
【００１２】
図９に示す三相整流回路１２相整流動作を行う回路）においては、位相差３０°の電流Ｉａ２｛図１０中（Ｂ）参照｝、Ｉｃ２｛図１０中（Ｃ）参照｝が変圧器のＹ−Δ結線により合成され、一次巻線に６ステップの電流Ｉｒ２｛図１０中（Ｅ）参照｝を形成し、変圧器のＹ−Ｙ結線による同位相電流Ｉｒ１｛図１０中（Ｄ）参照｝との合成により１２ステップ電流Ｉｒ｛図１０中（Ｆ）参照｝を形成することができる。
【００１３】
そして、この場合には、一次巻線電流Ｉｒが１２ステップ波形となるので５次高調波、７次高調波を大幅に低減することができる。
【００１４】
しかし、全負荷容量相当の大型変圧器が必要になり、全体としての大型化、コストアップを招いてしまうという不都合がある。
【００１５】
一方、三相交流電圧は、国内、北米では２００Ｖ系であるのに対し、欧州、オセアニアなどでは４００Ｖ系である。したがって、例えば、国内機器を欧州、オセアニアなどに供給する場合には、電源装置を供給地域に合わせて専用設計することが必要になるという不都合がある。また、上記の１２相整流を採用して波形を改善するとともに、巻線比を変えて降圧することも考えられるが、全負荷容量相当の大型変圧器が必要になるので、機器単体での対処法としては現実的な方法とは言い難い。
【００１６】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、変圧器容量を小さくすることができ、電源高調波を低減し、しかも三相交流電源電圧の変化に簡単に対処することができる三相半電圧出力形整流装置を提供することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の三相半電圧出力形整流装置は、三相交流電源と第１の三相整流回路との間に、交流リアクトルおよび変圧器の一次巻線を直列接続してあるとともに、この変圧器のΔ結線した二次巻線に対して第２の三相整流回路を接続してあり、両三相整流回路が直流側で各々並列接続されてあるものである。
【００１８】
請求項２の三相半電圧出力形整流装置は、両三相整流回路の出力端子間に１対のコンデンサを互いに直列接続して、両コンデンサの接続点を直流中間電位点とし、各三相整流回路の入力端子と直流中間電位点との間に交流スイッチを接続してあるものである。
【００１９】
【作用】
請求項１の三相半電圧出力形整流装置であれば、三相交流電源と第１の三相整流回路との間に、交流リアクトルおよび変圧器の一次巻線を直列接続してあるとともに、この変圧器のΔ結線した二次巻線に対して第２の三相整流回路を接続してあり、両三相整流回路が直流側で各々並列接続されてあるので、両三相整流回路が互いに所定の位相差で動作し、しかも、電源高調波を低減することができるとともに、一次巻線電圧を第１の三相整流回路とによる分圧により低減して変圧器容量を小さくすることができる。また、基本波電圧に対する直流電圧を、６ステップ波形を採用した場合の１／２にすることができるので、三相交流電源電圧の変化（増加）に簡単に対処することができる。
【００２０】
請求項２の三相半電圧出力形整流装置であれば、両三相整流回路の出力端子間に１対のコンデンサを互いに直列接続して、両コンデンサの接続点を直流中間電位点とし、各三相整流回路の入力端子と直流中間電位点との間に交流スイッチを接続しているので、請求項１の作用に加え、交流スイッチの導通期間を制御することによって電源高調波を一層低減することができるとともに、交流リアクトルの容量を低減することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、この発明の三相半電圧出力形整流装置の実施の態様を詳細に説明する。
【００２２】
図１はこの発明の三相半電圧出力形整流装置の一実施態様を示す電気回路図である。
【００２３】
この三相半電圧出力形整流装置は、三相交流電源１の各相の出力端子に対して交流リアクトル２および変圧器３の一次巻線３１をこの順に直列接続し、変圧器３の一次巻線３１に対して第１の三相整流回路４を接続している。そして、この変圧器３の二次巻線３２をΔ結線し、変圧器３の二次巻線３２に対して第２の三相整流回路５を接続している。また、両三相整流回路４、５の正出力端子どうしを互いに接続しているとともに、負出力端子どうしを互いに接続し、正出力端子と負出力端子との間に、互いに等しい静電容量を有する１対の平滑コンデンサ６を直列接続し、両平滑コンデンサ６の接続点の電位を直流中間電位Ｎとしている。
【００２４】
なお、一次巻線３１の巻数Ｎ１と二次巻線３２の巻数Ｎ２との比をＮ１／Ｎ２＝１／３^1/2としている。
【００２５】
また、三相交流電源１の各相の出力電圧をｅａ、ｅｂ、ｅｃで表し、各相に対応する一次巻線をＡ１、Ｂ１、Ｃ１で、二次巻線をＡ２、Ｂ２、Ｃ２でそれぞれ表し、各相に対応する一次巻線電流をｉＡ、ｉＢ、ｉＣで表し、各相に対応する二次巻線出力電流をｉａ２ｂ２、ｉｂ２ｃ２、ｉｃ２ａ２で表し、各相に対応する第１の三相整流回路４の入力端子をａ１、ｂ１、ｃ１で表し、各相に対応する第２の三相整流回路５の入力端子をａ２、ｂ２、ｃ２で表し、第１の三相整流回路４の出力電流をｉｄ１で、第２の三相整流回路５の出力電流をｉｄ２で、合成出力電流をｉｄで表し、各平滑コンデンサ６の端子間電圧をＥで表している。
【００２６】
次いで、各部の信号波形を示す図２を参照して図１の三相半電圧出力形整流装置の作用を説明する。
【００２７】
図２中（Ａ）〜（Ｆ）に示すように、電源電圧半周期において両三相整流回路のダイオードの導通期間は１８０°であり、第１の三相整流回路４と第２の三相整流回路５とは互いに３０°に位相差で動作する。ここで、変圧器３の二次側電圧を第２の三相整流回路５の相電圧Ｖａ２Ｎ、Ｖｂ２Ｎ、Ｖｃ２Ｎ｛図２中（Ｄ）〜（Ｆ）参照｝の波形を用いて合成すると、図２中（Ｇ）〜（Ｉ）に示すように、２Ｅの振幅を有する線間電圧波形Ｖａ２ｂ２、Ｖｂ２ｃ２、Ｖｃ２ａ２となる。また、変圧器３の巻数比が１：３^1/2であるから、変圧器３の一次側電圧ＶＡａ１、ＶＢｂ１、ＶＣｃ１｛図２中（Ｊ）〜（Ｌ）参照｝は２Ｅ／３^1/2に降圧される。
【００２８】
直流中間電位Ｎと三相交流電源１の中性点Ｏの電位との差ＶＯＮは、６ステップの場合と同様の関係より、
ＶＯＮ＝（Ｖａ１Ｎ＋Ｖｂ１Ｎ＋Ｖｃ１Ｎ）／３
となり、第１の三相整流回路４における相電圧波形からの合成により、図２中（Ｍ）に示す波形となる。
【００２９】
また、三相交流電源１の中性点Ｏを基準とした第１の三相整流回路４の相電圧Ｖａ１ＯはＶａ１Ｏ＝Ｖａ１Ｎ−ＶＯＮより合成され｛図２中（Ｎ）参照｝、これより全整流回路の相電圧ＶＡＯはＶＡＯ＝ＶＡａ１＋Ｖａ１Ｎの関係から求められる｛図２中（Ｏ）参照｝。同様にしてＢ点の相電圧についても求めると（図示せず）、Ａ点、Ｂ点間の線間電圧ＶＡＢはＶＡＢ＝ＶＡＯ−ＶＢＯで求めることができ、図２中（Ｐ）に示すように、１２ステップの波形になる。したがって、全負荷容量の約１／２の小容量変圧器を用いて良好なコンバータ波形を得ることができ、電源高調波を大幅に低減することができる。
【００３０】
この線間電圧波形より基本波電圧実効値ＶＡＢ１と直流電圧２Ｅとの関係を求めると、ＶＡＢ１＝４Ｅ・６^1/2／πとなり、前述の６ステップの場合の関係ＶＡＢ１＝２Ｅ・６^1/2／πと比較すると、基本波電圧は同じであるから、直流電圧は１／２の半電圧となることが分かる。
【００３１】
次いで、変圧器３の容量について試算を行う。
【００３２】
ここで、変圧器３の一次巻線電流をＩＳとし、直流電圧２Ｅを２Ｅ＝Ｖｄとし、変圧器の一次側に印加される電圧実効値Ｖｅｆｆを図２の波形より求めると、

となる。
【００３３】
変圧器３の二次側については、巻数比Ｎ１：Ｎ２＝１：３^1/2より、二次電流実効値はＩＳ／３^1/2となり、二次電圧実効値は一次側の場合と同様に、図２の波形より、Ｖｄ・（２／３）^1/2となる。
【００３４】
そして、変圧器平均容量（ＶＡ）ｔｏｔａｌを三相分の一次、二次ＶＡ容量の平均値とすると、上述の一次、二次電流、電圧の関係より、次式で表される。
（ＶＡ）ｔｏｔａｌ＝（１／２）・３｛Ｖｅｆｆ・ＩＳ＋（ＩＳ／３^1/2）・Ｖｄ（２／３）^1/2｝
また、直流部電流Ｉｄと変圧器３の一次巻線電流ＩＳとの関係は、Ｉｄ１、Ｉｄ２の波形から、数１となり、Ｉｄ＝ＩＳ・６・２^1/2／πとなる。
【００３５】
【数１】

【００３６】
以上の関係より変圧器の平均容量を求めると、
（ＶＡ）ｔｏｔａｌ＝（π／６）・Ｖｄ・Ｉｄ＝０．５２４Ｖｄ・Ｉｄ
で表され、変圧器の容量を全負荷容量の５０％程度に低減することができる。換言すれば、一次巻線３１は三相交流電源１と第１の三相整流回路４と直列に接続されていることに起因して電圧が一次巻線３１と第１の三相整流回路４とにより分圧され、一次巻線電圧がほぼ半減する。一方、一次巻線電流は従来と同等である。この結果、変圧器３の容量をほぼ半減することができる。
【００３７】
さらに、図２に示すように、コンバータ入力電圧と電源相電圧との位相関係は１５°である。このため、入力力率を１近くにするためには、三相交流電源と三相整流回路との間に接続される交流リアクトルの容量は、図３に示す関係（電源電圧ｅａ、コンバータ入力電圧ＶＡＯの関係を示すベクトル図）から、
ｅａ／ＶＬＳ＝ｔａｎ（π／１２）＝０．２７
となり、３０％程度の容量を選択すればよいことになる。
【００３８】
図４はこの発明の三相半電圧出力形整流装置の他の実施態様を示す電気回路図である。
【００３９】
この三相半電圧出力形整流装置が図１の三相半電圧出力形整流装置と異なる点は、両三相整流回路の各入力端子と直流中性電位Ｎの点との間に交流スイッチ７を接続した点のみである。
【００４０】
この三相半電圧出力形整流装置において、交流スイッチ７を全て開放すると図１の三相半電圧出力形整流装置と同じ動作となる。電源電圧半周期において両三相整流回路のダイオードの導通期間は１８０°であり、第１の三相整流回路４と第２の三相整流回路５とは互いに３０°の位相差で動作する。ここで、角整流回路のダイオードの通電状態が変わり、相電圧がＥ、−Ｅの間で変化するエッジにおいて、交流スイッチ７を各々１５°期間にわたって、直流中性電位Ｎに導通させると、各三相整流回路の各相電圧はＥ、Ｎ、−Ｅの３レベルの波形が生成される。以上の相電圧波形を用いて、１２ステップの場合と同様に波形を合成すると、図５に示すような各部の波形が得られ、２４ステップの全整流回路相電圧、全整流回路線間電圧波形が得られ、ステップ数の倍増により、整流回路入力歪をさらに改善することができ、ひいては電源高調波をさらに低減することができる。
【００４１】
また、この実施態様においては、相電圧波形に示すように、電源相電圧とコンバータ入力電圧との位相差が７．５°に半減されるため、交流リアクトルの容量は
ｅａ／ＶＬＳ＝ｔａｎ（π／２４）＝０．１３
となり、１３％程度に低減することができる。
【００４２】
さらに、上記の何れの実施態様においても、直流出力電圧の半減が可能であるから、例えば、４００Ｖ系統の三相交流電源に対しても、２００Ｖ系統仕様の直流負荷の適用を行うことができる。
【００４３】
【発明の効果】
請求項１の発明は、両三相整流回路を互いに所定の位相差で動作させて電源高調波を低減することができるとともに、一次巻線電圧を第１の三相整流回路とによる分圧により低減して変圧器容量を小さくすることができ、さらに、基本波電圧に対する直流電圧を、６ステップ波形を採用した場合の１／２にすることができるので、三相交流電源電圧の変化（増加）に簡単に対処することができるという特有の効果を奏する。
【００４４】
請求項２の発明は、請求項１の効果に加え、交流スイッチの導通期間を制御することによって電源高調波を一層低減することができるとともに、交流リアクトルの容量を低減することができるという特有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の三相半電圧出力形整流装置の一実施態様を示す電気回路図である。
【図２】図１の三相半電圧出力形整流装置の各部の信号波形を示す図である。
【図３】電源電圧、コンバータ入力電圧のベクトル図である。
【図４】この発明の三相半電圧出力形整流装置の他の実施態様を示す電気回路図である。
【図５】図４の三相半電圧出力形整流装置の各部の信号波形を示す図である。
【図６】従来の三相整流回路の一例を示す電気回路図である。
【図７】図６の三相整流回路の相電圧と相電流とを示す図である。
【図８】図６の三相整流回路の各部の波形を示す図である。
【図９】従来の１２相整流回路を示す電気回路図である。
【図１０】図９の１２相整流回路の各部の波形を示す図である。
【符号の説明】
１三相交流電源２交流リアクトル
３変圧器４第１の三相整流回路
５第２の三相整流回路６平滑コンデンサ
７交流スイッチ３１一次巻線
３２二次巻線

Claims

三相交流電源（１）と第１の三相整流回路（４）との間に、交流リアクトル（２）および変圧器（３）の一次巻線（３１）を直列接続してあるとともに、この変圧器（３）のΔ結線した二次巻線（３２）に対して第２の三相整流回路（５）を接続してあり、両三相整流回路（４）（５）が直流側で各々並列接続されてあることを特徴とする三相半電圧出力形整流装置。
両三相整流回路（４）（５）の出力端子間に１対のコンデンサ（６）を互いに直列接続して、両コンデンサ（６）の接続点を直流中間電位点とし、各三相整流回路（４）（５）の入力端子と直流中間電位点との間に交流スイッチ（７）を接続してある請求項１に記載の三相半電圧出力形整流装置。