JP5213626B2 - 三相力率改善形コンバータ - Google Patents

Description

本発明は，三相３線式交流給電における高調波電流抑制機能を備えた三相力率改善形コンバータに関するものである。

三相３線式交流給電において，単相の高調波抑制機能を有する入出力絶縁型コンバータ、いわゆる力率改善形コンバータ３台を各相間に接続し，その各出力を並列に接続して，電源回路を構成する方法が知られている。

この回路構成で各コンバータに制御回路を個別に持たせた場合，各相の電流バランス，すなわち，各コンバータが分担する負荷電流は必ずしも同一にならない。したがって電流バランスをとる機能が必要となる。

各相のＤＣ／ＤＣコンバータの主スイッチを同一の制御信号で駆動し，昇圧チョッパ回路の出力電圧のレギュレーションにより各相の電流をバランスさせるものが存在する（例えば、特許文献１参照）。

図３は従来の三相３線式交流給電方式のコンバータの一例を示す回路図である。この三相３線式交流給電方式のコンバータは、高調波抑制機能を有した力率改善形コンバータ１，１７，１８を備えてある。三相３線式交流電源各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）間に，これら力率改善形コンバータ１，１７，１８を接続してある。力率改善形コンバータ１，１７，１８の出力は各々ＤＣ／ＤＣコンバータ８，１９，２０の入力に接続されている。各ＤＣ／ＤＣコンバータ８，１９，２０の出力は並列に接続され負荷１６に直流電力を供給する。

力率改善形コンバータ１，１７，１８は各々整流回路２，チョークコイル３，平滑用コンデンサ６，及び制御回路７を備えてある。整流回路２は、２つのアームで構成し、各アームは少なくともＭＯＳＦＥＴで構成したスイッチング素子２１，２２のドレイン端子とダイオードで構成する整流素子２３，２４のアノード端子とを接続してある。また、整流回路２の出力電圧が一定化するように、スイッチング素子２１，２２のオン・オフを制御する制御回路７をスイッチング素子２１，２２のゲート端子及びソース端子に接続してある。

ＤＣ／ＤＣコンバータ部８，１９，２０はそれぞれ同時にオン・オフする主スイッチ９，１０、トランス１１、整流ダイオード１２、フライホイールダイオード１３、平滑用チョークコイル１４、平滑用コンデンサ１５で構成されるフォワードコンバータである。このＤＣ／ＤＣコンバータ部８，１９，２０はＤＣ／ＤＣコンバータ部８，１９，２０の主スイッチ９，１０のオン・オフを一括制御する制御回路３０を備えてある。この制御回路３０は誤差増幅器を備え、この誤差増幅器で出力電圧を基準値と比較しその誤差を増幅する。誤差増幅器からの増幅信号はパルス幅制御回路に送られ，出力電圧を一定に保つために必要なコンバータのパルス幅を決める。

３個のＤＣ／ＤＣコンバータ８，１９，２０は同一のパルスで駆動されるため，ＤＣ／ＤＣコンバータ８，１９，２０の入力電圧，すなわち力率改善形コンバータ１，１７，１８の出力電圧が一定で，各部品の特性が同じであれば，各ＤＣ／ＤＣコンバータ８，１９，２０の電流はバランスし，これらの入力電源である力率改善形コンバータ１，１７，１８の電流もバランスする。
特開２００３−３３３８５５号公報

しかしながら，このような従来のブリッジレス回路方式では、Ｖ相を基準にした場合、Ｕ相からＶ相へ供給する供給電流Ｉ_Ｕ−ＶとＷ相からＶ相へ供給する供給電流Ｉ_Ｗ−Ｖとがあるが、互いの供給電流により、力率改善形コンバータ１７に有するチョークコイル３のインダクタンスの電位分差が発生して、安定電位を変動させる。そのため、図５に示すように、３つの力率改善形コンバータ１，１７，１８の各相電流のバランスが不安定であり、入力歪率（ＴＨＤ）が高く、三相電流の高調波成分が基準以上となるという課題を有する。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、高効率を得ると同時に、三相電流の高調波成分の抑制と各相電流のバランスも図ることができる三相力率改善形コンバータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る三相力率改善形コンバータは、三相３線式交流電源各相間に，高調波抑制機能を有した力率改善形コンバータ３組を接続した三相力率改善形コンバータにおいて，前記力率改善形コンバータの各相入力部にコモンモードチョークコイルを接続し、このコモンモードチョークコイルの出力にはチョークコイルを介して整流回路を接続し、前記力率改善形コンバータの出力にＤＣ／ＤＣコンバータを接続し，前記ＤＣ／ＤＣコンバータの各出力を並列接続し，かつ前記ＤＣ／ＤＣコンバータを共通の出力電圧検出誤差信号により制御する制御回路を有することを特徴とする。

前記整流回路は、２つのアームで構成し、各アームは少なくともスイッチング素子の出力端子と整流素子の入力端子とを接続し、前記整流回路の出力電圧が一定化するように、スイッチング素子のオン・オフを制御するように構成してあることを特徴とする。
前記各アームのスイッチング素子の入力端子に抵抗を接続してあることを特徴とする。

本発明によれば、上記構成により、簡単な回路構成で相電流の高調波成分の抑制ができるとともに、各相電流のバランスを保つことができる。また、高効率を得ることができる効果がある。これに加えて、整流回路の入力部にコモンモードチョークコイルを接続したことにより、昇圧チョッパ回路の制御が安定になり、入力歪率（ＴＨＤ）が低く抑えられ、高調波成分電流が基準以下にすることができる効果がある。

図１は、本発明の最良の実施の形態として、三相３線式交流給電方式のコンバータの一例を示す回路図である。この三相３線式交流給電方式のコンバータは、高調波抑制機能を有した力率改善形コンバータ１，１７，１８を備えてある。三相３線式交流電源各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）間に，これら力率改善形コンバータ１，１７，１８を接続してある。力率改善形コンバータ１，１７，１８の出力は各々ＤＣ／ＤＣコンバータ８，１９，２０の入力に接続されている。各ＤＣ／ＤＣコンバータ８，１９，２０の出力は並列に接続され負荷１６に直流電力を供給する。

力率改善形コンバータ１，１７，１８は各々整流回路２，チョークコイル３，平滑用コンデンサ６，及び制御回路７を備えてある。また、力率改善形コンバータ１，１７，１８の入力部、三相３線式交流電源各相出力部にコモンモードチョークコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３を接続してある。コモンモードチョークコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３と整流回路２との間にチョークコイル３を介してある。整流回路２の出力端に平滑用コンデンサ６が接続してある。

整流回路２は、２つのアームで構成し、各アームは少なくともスイッチング素子２１，２２の出力端子と整流素子２３，２４の入力端子とを接続してある。また、整流回路２の出力電圧が一定化するように、スイッチング素子２１，２２のオン・オフを制御する制御回路７をスイッチング素子２１，２２の制御端子及び入力端子に接続してある。なお、本実施例においては、スイッチング素子２１，２２はＭＯＳＦＥＴで構成し、ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードが整流素子の役割をする。整流素子２３，２４はダイオードで構成してある。また、各アームのスイッチング素子２１，２２のソース端子に抵抗２５，２６を接続してある。なお、制御回路７をスイッチング素子２１，２２のソース端子に接続してあるが、抵抗２５，２６を設けた場合は、制御回路７は抵抗２５，２６とスイッチング素子２１，２２の間に接続することになる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ部８，１９，２０はそれぞれ同時にオン・オフする主スイッチ９，１０、トランス１１、整流ダイオード１２、フライホイールダイオード１３、平滑用チョークコイル１４、平滑用コンデンサ１５で構成されるフォワードコンバータである。このＤＣ／ＤＣコンバータ部８，１９，２０はＤＣ／ＤＣコンバータ部８，１９，２０の主スイッチ９，１０のオン・オフを一括制御する制御回路３０を備えてある。

３個のＤＣ／ＤＣコンバータ８，１９，２０は同一のパルスで駆動されるため，ＤＣ／ＤＣコンバータ８，１９，２０の入力電圧，すなわち力率改善形コンバータ１，１７，１８の出力電圧が一定で，各部品の特性が同じであれば，各ＤＣ／ＤＣコンバータ８，１９，２０の電流はバランスし，これらの入力電源である力率改善形コンバータ１，１７，１８の電流もバランスする。

本実施例における三相３線式交流給電方式のコンバータは、以上のような構成を有し、以下のような作用をする。先ず、力率改善形コンバータ１，１７，１８の作用について説明する。図１の実施例において、三相３線式交流電源各相出力部にコモンモードチョークコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３を接続してある。コモンモードチョークコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３が無い場合は、Ｖ相を基準にした場合、ある時間経過においてＵ相からＶ相へ供給する供給電流Ｉ_Ｕ−ＶとＷ相からＶ相へ供給する供給電流Ｉ_Ｗ−Ｖとがあるが、互いの供給電流により、力率改善形コンバータ１７に有するチョークコイル３のインダクタンスの電位分差が発生して、安定電位を変動させることがあるが、本実施例においては、三相３線式交流電源各相出力部にコモンモードチョークコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３を接続してあることにより、安定電位を変動させる原因であるコモンモードノイズをコモンモードチョークコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３で抑制することで、力率改善形コンバータ１７に有する平滑用チョークコイルのインダクタンスの電位分差が発生して、安定電位を変動させることを抑制することができる。これにより、図２に示すように入力電流波形が平滑になる。

続いて、上から下に流れる向きをプラスとすると、力率改善形コンバータ１を構成する抵抗２５，２６の電流は、プラス側ではスイッチングされているが、マイナス側では連続となっている。これは電流がプラス側の場合はスイッチ素子２１，２２のオン・オフによって電流が流れるか流れないかが決まるが、電流がマイナス側の場合スイッチ素子２１，２２のオンオフによらず、それと直列の整流素子２３，２４を通過して流れる為である。図１図示実施例の場合は、スイッチ素子２１，２２がＭＯＳＦＥＴなので、そのボディダイオードを通過して電流が流れる為、連続となる。

実際には各部品の特性はばらついているが，力率改善形コンバータの出力電圧は出力電流に対してマイナスの変動特性を持っているため，電流が増加するとＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧が下がり電流を減らす作用をするためバランスを保つように作用する。このように，この方式によれば非常に簡単な回路で各相の入力の高調波電流の抑制と電流バランスを満足させることができる。コモンモードチョークコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３を設けたことにより、これらを有しない図４図示従来例と比べて、効率は下がるが、図３図示従来例に比べれば効率は良く、また、図４図示従来例に比べて格段と高調波成分を抑制することができるので、従来例に比べて、各相電流バランスが良い。

本発明に係る三相力率改善形コンバータの実施例を示す回路図である。 図１図示実施例における入力電流波形図である。 従来の三相力率改善形コンバータの例を示す回路図である。 図３図示従来例における入力電流波形図である。

符号の説明

１，１７，１８ 力率改善形コンバータ
２ 整流回路
３ チョークコイル
６ 平滑用コンデンサ
７ 制御回路
８，１９，２０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
９，１０ 主スイッチ
１１ トランス１１
１２ 整流ダイオード
１３ フライホイールダイオード
１４ 平滑用チョークコイル
１５ 平滑用コンデンサ
１６ 負荷
２１，２２ スイッチング素子
２３，２４ 整流素子
２５，２６ 抵抗
３０ 制御回路
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ コモンモードチョークコイル

Claims (3)

1. 三相３線式交流電源各相間に，高調波抑制機能を有した力率改善形コンバータ３組を接続した三相力率改善形コンバータにおいて，
   前記力率改善形コンバータの各相入力部にコモンモードチョークコイルを接続し、このコモンモードチョークコイルの出力にはチョークコイルを介して整流回路を接続し、前記力率改善形コンバータの出力にＤＣ／ＤＣコンバータを接続し，前記ＤＣ／ＤＣコンバータの各出力を並列接続し，かつ前記ＤＣ／ＤＣコンバータを共通の出力電圧検出誤差信号により制御する制御回路を有することを特徴とする三相力率改善形コンバータ。
2. 前記整流回路は、２つのアームで構成し、各アームは少なくともスイッチング素子の出力端子と整流素子の入力端子とを接続し、前記整流回路の出力電圧が一定化するように、スイッチング素子のオン・オフを制御するように構成してあることを特徴とする請求項１記載の三相力率改善形コンバータ。
3. 前記各アームのスイッチング素子の入力端子に抵抗を接続してあることを特徴とする請求項２記載の三相力率改善形コンバータ。

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