JP5097063B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、発電された電力を電圧、周波数及び位相の少なくとも何れか一つが異なる電力に変換可能な電力変換装置に関する。

エンジンなどの原動機によって駆動される交流発電機の発電出力の電圧、周波数及び位相を変換するための装置がある。例えば、特許文献１には、交流発電機の発電出力を、電圧、周波数又は位相の異なる交流電力に直接変換することのできる直接形電力変換器を用いた電力変換装置が記載されている。図３は、このような直接形電力変換器を用いた電力変換装置の概略的な回路図である。図示するように、交流発電機２１は原動機２０によって駆動される。直接形電力変換器２３は、交流発電機２１の発電出力を電圧、周波数又は位相の異なる交流電力に直接変換して、出力端２２へ出力する。このような電力変換装置を用いると、例えば、原動機を定格運転させたときに得られる交流発電機の発電出力に対して電力変換装置を用いて電力変換を施すことで、所望の高電圧の電力を得ることができる。或いは、原動機を定格の５０％の出力で運転させたときに得られる交流発電機の発電出力に対して電力変換装置を用いて電力変換を施すことで、所望の低電圧の電力を得ることができる。また、直接形電力変換器を用いた電力変換装置は、回路構成が単純であり、変換損失が小さいという利点がある。

特開２００４−２１５４０５号公報

図３に例示したような直接形電力変換器は電圧利用率が低いという特性を有する。そのため、電力変換装置から出力される電力の電圧を所望の高電圧から低電圧の間で変化させるためには、その電圧低下分を考慮して、交流発電機から出力される電力の電圧を、電力変換装置から出力すべき電圧よりも高くしておく必要がある。つまり、原動機の回転速度が低くても交流発電機からある程度高い電圧の電力が出力されるようにするためには、交流発電機を大型化する必要がある。但し、交流発電機を大型化すると、原動機を定格運転したときには、交流発電機から必要以上に高い電圧の電力が出力されることになるため、電力変換装置全体としての効率が低くなるという問題がある。また、交流発電機の大型化に伴って、直接形電力変換器に用いられる素子の耐圧を高くしなければならないという問題もある。

或いは、直接形電力変換回路を用いずに、発電機によって発電された電力を電圧、周波数及び位相の少なくとも何れか一つが異なる電力に変換可能な電力変換装置を構成することもできる。
図４は、整流部２４とＤＣ／ＤＣコンバータ２５とインバータ２６とを備える電力変換装置の概略的な回路図である。図５は、変圧器２７と直接形電力変換回路２３とを備える電力変換装置の概略的な回路図である。

図４に示した電力変換装置では、整流部２４が、交流発電機２１で発電された電力を整流して直流電力に変換し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５が直流電力の電圧変換を行い、インバータ２６が直流電力を交流電力に変換する。このように、電力変換装置がＤＣ／ＤＣコンバータ２５を備えているので、交流発電機２１から出力される電力の電圧の高低に拘わらず、所望の電圧の電力を出力端２２に供給できる。
ところが、図４に例示した電力変換装置では、整流部２４、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５及びインバータ２６の３つの回路部で常に損失が発生し、全体として変換損失が大きくなるという問題がある。

図５に示した電力変換回路では、変圧器２７が、交流発電機２１で発電された交流電力の変圧を行い、直接形電力変換回路２３が、変圧器２７によって変圧された電力を所望の電圧、周波数及び位相の電力に変換する。このように、電力変換装置が変圧器２７を備えているので、交流発電機２１から出力される電力の電圧の高低に拘わらず、所望の電圧の電力を出力端２２に供給できる。
ところが、図５に例示した電力変換装置では、変圧器２７において常に損失が発生するという問題、及び、変圧器２７が大型になるという問題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電力変換時の効率が高く、且つ、交流発電機から出力される電力の電圧の高低に拘わらず所望の電圧の電力を出力端に供給できる電力変換装置を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る電力変換装置の特徴構成は、出力可変の原動機によって駆動される交流発電機の発電出力を所望の電力に直接変換可能な直接形電力変換器と、
前記交流発電機の発電出力を前記直接形電力変換器によってＡＣ／ＤＣ変換して得られる直流出力に対して電圧変換を実施可能なＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータから供給される直流出力をＤＣ／ＡＣ変換して得られる交流電力を出力端に供給するインバータと、
前記直接形電力変換器の出力側と前記出力端とを接続して、前記交流発電機の発電出力を前記直接形電力変換器によってＡＣ／ＡＣ変換して得られる交流出力を前記出力端に直接供給する第１切換状態と、前記直接形電力変換器の出力側と前記ＤＣ／ＤＣコンバータとを接続して、前記交流発電機の発電出力を前記直接形電力変換器によってＡＣ／ＤＣ変換して得られる直流出力を前記ＤＣ／ＤＣコンバータに供給する第２切換状態とに切り換え可能なスイッチと、
前記原動機と前記直接形電力変換器と前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記インバータと前記スイッチとの作動を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記スイッチを前記第１切換状態に切り換えた状態で、前記直接形電力変換器がＡＣ／ＡＣ変換を行うように制御して、電圧が設定電圧より大きい交流電力を前記出力端から出力させ、前記スイッチを前記第２切換状態に切り換えた状態で、前記直接形電力変換器がＡＣ／ＤＣ変換を行い、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが電圧変換を行い、及び、前記インバータがＤＣ／ＡＣ変換を行うように制御して、電圧が前記設定電圧以下の交流電力を前記出力端から出力させる点にある。

上記特徴構成によれば、直接形電力変換器の出力を、出力端へ直接供給する形態（第１切換状態）と、出力端へＤＣ／ＤＣコンバータ及びインバータを介して供給する形態（第２切換状態）とで切り換えることができる。つまり、交流発電機の発電出力を直接形電力変換器でＡＣ／ＡＣ変換するときに直接形電力変換器から所望の電圧の交流電力を供給できる場合には、その交流電力を出力端へ直接供給することができる（第１切換状態）。この場合、電力変換時の効率を高くできる。また、交流発電機の発電出力を直接形電力変換器でＡＣ／ＡＣ変換するときに直接形電力変換器から所望の電圧に満たない電圧の交流電力しか供給できない場合であっても、交流発電機の発電出力を直接形電力変換器でＡＣ／ＤＣ変換し、ＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧した後でインバータから所望の電圧の交流電力を出力端に供給できる。この場合、大型の交流発電機を用いなくても、所望の電圧の電力を出力端に供給できる（第２切換状態）。
従って、電力変換時の効率が高く、且つ、交流発電機から出力される電力の電圧の高低に拘わらず所望の電圧の電力を出力端に供給できる電力変換装置を提供できる。

本発明に係る電力変換装置の別の特徴構成は、前記制御部は、前記スイッチを前記第１切換状態と前記第２切換状態との間で切り換えるスイッチ切換処理において、前記交流発電機の発電出力の電圧を所定の切換処理時電圧以下にさせるように前記原動機の回転速度を切換処理時回転速度に低下させる点にある。

上記特徴構成によれば、スイッチを切り換えるときに過大な電流が流れないようにできる。その結果、電力変換装置を構成するスイッチング素子などの各種素子の故障を抑制できる。

本発明に係る電力変換装置の別の特徴構成は、前記切換処理時回転速度は前記原動機をアイドリング状態で運転させたときの回転速度である点にある。

上記特徴構成によれば、スイッチを切り換えるとき、交流発電機から出力される電力の電圧を最低にすることができる。よって、電力変換装置を構成するスイッチング素子などの各種素子の故障を抑制できる。

以下に図面を参照して本発明に係る電力変換装置１００について説明する。
図１は、電力変換装置１００の概略的な回路図である。図１に示すように、電力変換装置１００は、直接形電力変換器４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６と、インバータ７と、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５と、制御部Ｃとを備える。本実施形態において、電力変換装置１００の出力端５は商用電力系統に接続されている。
直接形電力変換器４は複数のスイッチング素子で構成される。直接形電力変換器４は交流発電機２と電気的に接続され、エンジンなどの出力可変の原動機１によって駆動される交流発電機２の発電出力を所望の電力に直接変換可能である。図１では、交流発電機２として三相交流発電機を例示しており、交流発電機２の発電出力は原動機１の回転速度に応じて変化させることができる。具体的には、直接形電力変換器４は、マトリクスコンバータと呼ばれる公知の変換器である。

直接形電力変換器４の作動は制御部Ｃによって制御される。例えば、制御部Ｃは、電圧センサ３によって監視している交流発電機２の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電圧値を参照して、直接形電力変換器４を構成するスイッチング素子を切換制御する。その結果、直接形電力変換器４から、入力される電力（交流発電機２から出力される電力）とは電圧、周波数及び位相の少なくとも何れか一つが異なる交流電力、或いは、電圧が異なる又は同じの直流電力を出力させることができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、ＳＷ１を切り換えることにより、直接形電力変換器４の出力側と電気的に接続することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、直接形電力変換器４によって交流発電機２の発電出力をＡＣ／ＤＣ変換して得られる直流出力に対して電圧変換を実施する。つまり、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、直接形電力変換器４を整流器として作動させたときに得られる直流電力に対して電圧変換を実施する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ６の作動は制御部Ｃによって制御される。例えば、制御部Ｃは、上述したように作動を制御している直接形電力変換器４から出力される直流電力の電圧を、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を構成するスイッチング素子を切換制御して所望の電圧に昇圧又は降圧させることができる。その結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ６から所望の電圧の直流電力を出力させることができる。

インバータ７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６と電気的に接続される。インバータ７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６から供給される直流出力をＤＣ／ＡＣ変換して得られる交流電力を出力端５に供給する。
インバータ７の作動は制御部Ｃによって制御される。例えば、制御部Ｃは、上述したように作動を制御しているＤＣ／ＤＣコンバータ６から出力される直流電力を、インバータ７を構成するスイッチング素子を切換制御して所望の電圧、周波数及び位相の交流電力にＤＣ／ＡＣ変換する。その結果、インバータ７から出力端５へ交流電力が供給される。

図１に示すように、電力変換装置１００は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５を備える。スイッチＳＷ１〜ＳＷ５の切換制御は制御部Ｃが行う。スイッチＳＷ１〜ＳＷ５は、直接形電力変換器４の出力側と出力端５とを接続して、交流発電機２の発電出力を直接形電力変換器４によってＡＣ／ＡＣ変換して得られる交流出力を出力端５に供給する第１切換状態と、直接形電力変換器４の出力側とＤＣ／ＤＣコンバータ６とを接続して、交流発電機２の発電出力を直接形電力変換器４によってＡＣ／ＤＣ変換して得られる直流出力をＤＣ／ＤＣコンバータ６に供給する第２切換状態とに切り換え可能である。図１に示す状態は、第１切換状態である。

以上のように、本発明に係る電力変換装置１００は、直接形電力変換器４の出力を出力端５に直接供給することができ、直接形電力変換器４の出力をＤＣ／ＤＣコンバータ６で例えば昇圧した後で出力端５に供給することができる。つまり、交流発電機２の出力電力の電圧が低いため、直接形電力変換器４でＡＣ／ＡＣ変換したのでは出力端５に充分な電圧の電力を供給できない場合であっても、直接形電力変換器４を整流器として作動させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ６で昇圧した後でインバータ７によりＤＣ／ＡＣ変換を行うことで、出力端５に充分な電圧の電力を供給できる。
以下の説明では、ＤＣ／ＤＣコンバータ６及びインバータ７を有する回路部を、低電圧用電力変換部８と記載する。

次に、図１及び図２を参照して、制御部Ｃにより行われる、原動機１と直接形電力変換器４とＤＣ／ＤＣコンバータ６とインバータ７とスイッチＳＷ１〜ＳＷ５との作動制御の例を説明する。図２は、出力端５に出力される交流電力の電圧の時間経過を示すグラフである。この例では、制御部Ｃは、出力端５に出力する必要のある交流電力の電圧がＶ２（本発明の「設定電圧」の一例）より大きい場合には、交流発電機２の出力を直接形電力変換器４でＡＣ／ＡＣ変換して所望の電圧の交流電力を出力端５に供給する。一方で、制御部Ｃは、出力端５に出力する必要のある交流電力の電圧がＶ２以下の場合には、交流発電機２の出力を直接形電力変換器４でＡＣ／ＤＣ変換し、その変換後の直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータ６で昇圧した後でインバータ７により交流電力に変換して出力端５に供給する。

図２に示すように、制御部Ｃは、出力端５に電圧Ｖ１（＞Ｖ２）の交流電力を出力している状態から、電圧Ｖ３（＜Ｖ２）の交流電力を出力端５に供給するとき、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５を上記第１切換状態から上記第２切換状態に切り換えるスイッチ切換処理を行う。
第１切換状態において、少なくとも、ＳＷ１は直接形電力変換器４と出力端５とを接続し、ＳＷ２は閉状態（接続状態）であり、ＳＷ５は開状態（非接続状態）である。
第２切換状態において、少なくとも、ＳＷ１は直接形電力変換器４と低電圧用電力変換部８（ＤＣ／ＤＣコンバータ６）とを接続し、ＳＷ５は閉状態（接続状態）である。
以下に、その切換手順を記載する。

先ず、制御部Ｃは、原動機１の出力（回転速度）を低下させる。その結果、交流発電機２からの出力電力の電圧も低下する。次に、制御部Ｃは、直接形電力変換器４からの出力電力の電圧を低下させ、それと共にＳＷ２を開状態に切り換える。次に、制御部Ｃは、原動機１の回転速度を低下させて原動機１をアイドリング状態で運転させ、それと共に直接形電力変換器４の作動を停止させる。その結果、図２に示すように、出力端５に供給される電力の電圧はゼロとなる。尚、切換処理時において、出力端５に供給される電圧をゼロとしなければならない訳ではなく、所定の電圧以下（例えば、電圧Ｖ４以下）であればよい。
このように、制御部Ｃは、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５を上記第１切換状態から上記第２切換状態に切り換えるスイッチ切換処理において、交流発電機１の発電出力の電圧を所定の切換処理時電圧（本実施形態では、「Ｖ４」）以下にさせるように原動機の回転速度を切換処理時回転速度（本実施形態では、「アイドリング状態の回転速度」）に低下させる。その結果、制御部Ｃが、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５を第１切換状態から第２切換状態に切り換えるとき過大な電流が流れないようにして、電力変換装置１００を構成するスイッチング素子などの各種素子の故障を抑制できる。
よって、上記切換処理時電圧は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５を第１切換状態から第２切換状態に切り換えるときに、電力変換装置１００を構成するスイッチング素子などの各種素子が故障しない程度の電圧である。

次に、制御部Ｃは、ＳＷ４を開状態、ＳＷ３を閉状態とする。その結果、直接形電力変換器４とＤＣ／ＤＣコンバータ６とが抵抗接続され、キャパシタＣ１の充電準備が行われる。次に、制御部Ｃは、直接形電力変換器４をＡＣ／ＤＣ変換モード（直流出力モード）で始動する。但し、この時点では、出力電圧及び出力電流はゼロである。その後、制御部Ｃは、直接形電力変換器４からの出力電力の電圧が一定以下（例えば、定格の８０％）で、ＳＷ１を低電圧用電力変換部８側に切り換える。この状態で、キャパシタＣ１の充電が開始される。

その後、制御部Ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を起動し、次にインバータ７を起動すると共に、ＳＷ４を閉状態とする。その結果、直接形電力変換器４とＤＣ／ＤＣコンバータ６とが抵抗接続から直結状態になる。次に、制御部Ｃは、原動機１の出力を増加させ、その結果、インバータ７から出力される電力の電圧が上昇し始める。その後、制御部Ｃは、インバータ７からの出力電力の電圧が、出力端５が接続される商用電力系統と同電圧、同周波数、同位相となったら、ＳＷ５を閉状態に切り換える。

次に、図２を参照して、制御部Ｃが、出力端５に電圧Ｖ３（＜Ｖ２）の交流電力を出力している状態から、電圧Ｖ１（＞Ｖ２）の交流電力を出力端５に供給するとき、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５を上記第２切換状態から上記第１切換状態に切り換えるスイッチ切換処理の手順を記載する。

先ず、制御部Ｃは、原動機１の回転速度を低下させると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ６及びインバータ７の出力を低下させる。この状態では、ＳＷ５に流れる電流は非常に小さくなるので、制御部Ｃは、ＳＷ５を開状態に切り換える。次に、制御部Ｃは、原動機１の回転速度を低下させている途中で、ＤＣ／ＤＣコンバータ６及びインバータ７の作動を停止させると共に、ＳＷ４を開状態とする。その結果、直接形電力変換器４の出力側にはＳＷ３に隣接する抵抗が電気的に接続された状態となる。次に、制御部Ｃは、原動機１の回転速度を低下させる途中で、直接形電力変換器４の作動（この時点では、ＡＣ／ＤＣ変換モード）を停止させる。

その後、制御部Ｃは、原動機１をアイドリング状態（最低の回転速度の状態）で運転させた状態で、ＳＷ１を出力端５側に切り換える。つまり、直接形電力変換器４とＤＣ／ＤＣコンバータ６とは切り離される。このように、制御部Ｃは、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５を上記第２切換状態から上記第１切換状態に切り換えるスイッチ切換処理においても、交流発電機１の発電出力の電圧を所定の切換処理時電圧（本実施形態では、「Ｖ４」）以下にさせるように原動機の回転速度を切換処理時回転速度（本実施形態では、「アイドリング状態の回転速度」）に低下させる。

次に、制御部Ｃは、直接形電力変換器４をＡＣ／ＡＣ変換モード（交流出力モード）での作動を開始させる。その後、制御部Ｃは、原動機１の回転速度を所定回転速度まで上昇させ、直接形電力変換器４からの出力が、出力端５に接続される商用電力系統と同電圧、同周波数及び同位相となったところでＳＷ２を閉状態に切り換える。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、出力端に供給される電力が単相交流電力である例を示したが、三相交流電力などの他の電力を出力端に供給するように改変することもできる。

＜２＞
上記実施形態では、制御部が、スイッチ切換処理において、交流発電機１の発電出力の電圧を所定の切換処理時電圧以下にさせるように原動機の回転速度をアイドリング状態の回転速度に低下させる例を示したが、交流発電機１の発電出力の電圧を上記切換処理時電圧以下にさせることができるのであれば、アイドリング状態の回転速度よりも高い回転速度に低下させるだけでよい。

本発明に係る電力変換装置は、交流発電機で発電された電力を、電圧、周波数及び位相の少なくとも何れか一つが異なる電力に変換するために利用できる。

電力変換装置の概略的な回路図 出力端に出力される交流電力の電圧の時間経過を示すグラフ 従来の電力変換装置の概略的な回路図 従来の電力変換装置の概略的な回路図 従来の電力変換装置の概略的な回路図

符号の説明

１ 原動機
２ 交流発電機
４ 直接形電力変換器
５ 出力端
６ ＤＣ／ＤＣコンバータ
７ インバータ
１００ 電力変換装置
Ｃ 制御部

Claims (3)

1. 出力可変の原動機によって駆動される交流発電機の発電出力を所望の電力に直接変換可能な直接形電力変換器と、
   前記交流発電機の発電出力を前記直接形電力変換器によってＡＣ／ＤＣ変換して得られる直流出力に対して電圧変換を実施可能なＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータから供給される直流出力をＤＣ／ＡＣ変換して得られる交流電力を出力端に供給するインバータと、
   前記直接形電力変換器の出力側と前記出力端とを接続して、前記交流発電機の発電出力を前記直接形電力変換器によってＡＣ／ＡＣ変換して得られる交流出力を前記出力端に直接供給する第１切換状態と、前記直接形電力変換器の出力側と前記ＤＣ／ＤＣコンバータとを接続して、前記交流発電機の発電出力を前記直接形電力変換器によってＡＣ／ＤＣ変換して得られる直流出力を前記ＤＣ／ＤＣコンバータに供給する第２切換状態とに切り換え可能なスイッチと、
   前記原動機と前記直接形電力変換器と前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記インバータと前記スイッチとの作動を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記スイッチを前記第１切換状態に切り換えた状態で、前記直接形電力変換器がＡＣ／ＡＣ変換を行うように制御して、電圧が設定電圧より大きい交流電力を前記出力端から出力させ、前記スイッチを前記第２切換状態に切り換えた状態で、前記直接形電力変換器がＡＣ／ＤＣ変換を行い、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが電圧変換を行い、及び、前記インバータがＤＣ／ＡＣ変換を行うように制御して、電圧が前記設定電圧以下の交流電力を前記出力端から出力させる電力変換装置。
2. 前記制御部は、前記スイッチを前記第１切換状態と前記第２切換状態との間で切り換えるスイッチ切換処理において、前記交流発電機の発電出力の電圧を所定の切換処理時電圧以下にさせるように前記原動機の回転速度を切換処理時回転速度に低下させる請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記切換処理時回転速度は前記原動機をアイドリング状態で運転させたときの回転速度である請求項２記載の電力変換装置。

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