JP5308248B2 - 電力変換回路用のスナバ回路及びそれを備えた電力変換回路 - Google Patents

Description

本発明は、交流発電機やマトリックスコンバータで発生したサージ電圧を吸収できる電力変換回路用のスナバ回路及びそれを備えた電力変換回路に関する。

入力側の三相交流の交流発電機で発電された電力を出力側の単相交流の商用系統へ逆潮流させるとき、発電された三相交流電力を所定の電圧、周波数及び位相の単相交流電力に変換した上で、交流発電機と商用系統とを連系する必要がある。その様な電力変換回路として、入力側の交流電力を出力側の交流電力に直接変換するマトリックスコンバータと呼ばれる交流−交流変換回路がある。このようなマトリックスコンバータを用いて、交流発電機で発電された電力を商用系統へ逆潮流させるとき、交流発電機やマトリックスコンバータにおいてサージ電圧が発生することがある。そのため、発生したサージ電圧を吸収しなければならない。

特許文献１には、発生したサージ電圧を吸収することを目的とした電力変換回路用のスナバ回路が提案されている。例えば、特許文献１に記載の電力変換回路用のスナバ回路は、電力変換回路としてのマトリックスコンバータの入力側（電源側）に接続されるブリッジ回路と出力側（負荷側）に接続されるブリッジ回路とを有する。そして、スナバ回路は、吸収したサージ電圧の電気エネルギをコンデンサで蓄え、その蓄えた電気エネルギを再び電源側に回生するように構成されている。

また、マトリックスコンバータを用いて、交流発電機で発電された電力を商用系統へ逆潮流させるとき、上述したスナバ回路によるサージ吸収機能の他に、余剰電力を消費する電力消費機能が要求されることもある。例えば、交流発電機から商用系統へ逆潮流させる電力量を制限する必要があるときには、交流発電機で発電された電力を抵抗回路などで消費することも行われる。上述したような三相交流の交流発電機で発電された電力を消費可能とするためには、例えば、交流発電機の各相にスイッチング回路と抵抗回路とを各別に接続する構成が考えられる。そして、スイッチング回路をオン状態に切り換えることで、交流発電機で発電された電力を抵抗回路で消費させることができる。

特開２００６−１２９６１４号公報

特許文献１に記載の電力変換回路用のスナバ回路は、サージ吸収機能を備えてはいるが、電力消費機能を備えてはいない。また、特許文献１に記載の電力変換回路用のスナバ回路に電力消費機能を備えさせるとすると、入力側（電源側）の各相にスイッチング回路と抵抗回路とを各別に接続する構成が考えられる。しかし、そのような構成では、スイッチング素子が各相に１個ずつ（三相ならば合計３個）必要になるなど回路のコストアップの要因となる。

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、サージ吸収機能と電力消費機能とを併せ持つ廉価な電力変換回路用のスナバ回路及びそれを備えた電力変換回路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回路用のスナバ回路の特徴構成は、三相交流の入力電圧を所定の単相交流の出力電圧に変換するマトリックスコンバータの入力側に接続される入力側ダイオードブリッジ回路及び出力側に接続される出力側ダイオードブリッジ回路と、
前記入力側ダイオードブリッジ回路及び前記出力側ダイオードブリッジ回路の間に接続されるスナバ用コンデンサを有する直流回路部と、
前記直流回路部の作動を制御する直流回路制御部と、を備え、
前記直流回路部はスイッチング回路と抵抗回路とを互いに直列に有し、
前記直流回路制御部は、前記単相交流の出力電圧の所定タイミングに同期して前記スイッチング回路をオン状態に制御する点にある。

上記特徴構成によれば、スナバ用コンデンサによってサージ電圧を吸収でき、且つ、スイッチング回路をオン状態にすることで抵抗回路において電力を消費できる。スイッチング回路は直流回路部に１個あればよいので、回路が必要以上にコストアップすることもない。
更に、本特徴構成とは異なり、スイッチング回路をオン状態にするタイミングに制約を設けない場合、マトリックスコンバータの入力側から出力側へ高い電圧の電力を供給する必要があるときにスイッチング回路がオン状態にされることもあり得る。マトリックスコンバータの出力側の電圧の最大値は、マトリックスコンバータの入力側の電圧の最大値の０．８６６倍の値に相当する。つまり、マトリックスコンバータは、入力側の電圧の最大値の０．８６６倍以下の電圧であれば、任意の出力波形の電圧を作成できる。従って、マトリックスコンバータの入力側から出力側へ高い電圧の電力を供給する必要があるときにスイッチング回路がオン状態にされると、直流回路部での電力消費（即ち、マトリックスコンバータの入力側の電圧を低下させること）の影響がマトリックスコンバータの出力側へ波及して、所定の高電圧の電力を供給できない或いは滑らかな波形の電力を供給できない可能性がある。
ところが、本特徴構成によれば、スイッチング回路をオン状態にするタイミングに制約を設けて、直流回路制御部が、単相交流の出力電圧の所定タイミングに同期してスイッチング回路をオン状態に制御するので、マトリックスコンバータの出力側へ所定の高電圧の電力を供給できない或いは滑らかな波形の電力を供給できないといった問題は生じない。
従って、サージ吸収機能と電力消費機能とを併せ持つ廉価な電力変換回路用のスナバ回路を提供できる。

本発明に係る電力変換回路用のスナバ回路の別の特徴構成は、前記直流回路制御部は、前記単相交流の出力電圧の絶対値が設定値以下であるタイミングに前記スイッチング回路をオン状態に制御する点にある。また、上記設定値は、例えば、単相交流の出力電圧の実効値にしてもよい。

上記特徴構成によれば、スイッチング回路が、単相交流の出力電圧の絶対値が設定値以下であるタイミング（即ち、マトリックスコンバータの入力側から出力側へ高い電圧の電力を供給する必要が無いタイミング）にオン状態されるので、直流回路部での電力消費の影響がマトリックスコンバータの出力側へ波及して、所定の電圧の電力を供給できない或いは滑らかな波形の電力を供給できないといった問題を回避できる。

本発明に係る電力変換回路用のスナバ回路の更に別の特徴構成は、前記直流回路制御部は、前記オン状態において前記スイッチング回路のオン期間とオフ期間とを交互に繰り返す点にある。

上記オン状態においてスイッチング回路を常時オンし且つそのオン期間が長い場合、直流回路部の電圧がマトリックスコンバータの出力側の電圧未満になってしまう可能性がある。そして、直流回路部の電圧がマトリックスコンバータの出力側の電圧よりも小さいときにスイッチング回路がオン状態にされると、出力側ダイオードブリッジ回路を経由して直流回路部に電力が流入し、その電力が抵抗回路で消費されてしまう。つまり、抵抗回路においてマトリックスコンバータの入力側の電力が消費されるのではなく、出力側の電力が消費される。
ところが、本実施形態では、オン期間とオフ期間とを交互に繰り返すので、オン期間の間は直流回路部の電圧は低下するものの、オフ期間の間は直流回路部の電圧は上昇する。つまり、直流回路部の電圧がマトリックスコンバータの出力側の電圧未満になり、マトリックスコンバータの出力側の電力が消費されることを防止している。

本発明に係る電力変換回路用のスナバ回路の更に別の特徴構成は、前記直流回路制御部は、前記単相交流の出力電圧の絶対値が低いほど前記オン期間を長くする点にある。

スイッチング回路を常時オンにするオン期間が長くなると、直流回路部の電圧が大きく低下する。
ところが、本特徴構成によれば、直流回路制御部が、マトリックスコンバータの出力側への単相交流の出力電圧の絶対値が低いほどオン期間を長くする。よって、オン期間を長くしても直流回路部の電圧がマトリックスコンバータの出力側の出力電圧の絶対値未満になる可能性は低くなる。

本発明に係る電力変換回路用のスナバ回路の更に別の特徴構成は、前記直流回路制御部は、前記単相交流の出力電圧の絶対値が低いほど前記オン状態における単位時間当たりの前記オン期間及び前記オフ期間の繰り返し頻度を低くする点にある。

オン状態における単位時間当たりのオン期間及びオフ期間の繰り返し頻度を低くすると、オン期間の長さが長くなる。そうすると、直流回路部の電圧が大きく低下する。
ところが、本特徴構成によれば、直流回路制御部が、マトリックスコンバータの出力側への単相交流の出力電圧の絶対値が低いほどオン状態における単位時間当たりのオン期間及びオフ期間の繰り返し頻度を低くする。よって、マトリックスコンバータの出力側への単相交流の出力電圧の絶対値が低ければ、オン期間が長くなっても直流回路部の電圧がマトリックスコンバータの出力側の電圧の絶対値未満になることはない。

上記目的を達成するための本発明に係る電力変換回路の特徴構成は、前記マトリックスコンバータと、前記マトリックスコンバータの入力側と出力側とに跨って接続される上記電力変換回路用のスナバ回路とを備える点にある。

上記特徴構成によれば、入力側（例えば、交流発電機）を出力側（例えば、電力負荷、商用系統など）に接続するときなどに、マトリックスコンバータとサージ吸収機能及び電力消費機能を有するスナバ回路とを備える電力変換回路を介在させることができる。その結果、マトリックスコンバータで交流−交流変換を行いながら、入力側やマトリックスコンバータにおいて発生するサージ電圧を電力変換回路で吸収でき、及び、入力側から出力側へ供給する電力を電力変換回路で調整（電力消費）できる。

マトリックスコンバータ及びスナバ回路を備える電力変換回路の概略的な回路図である。 交流発電機のＵ相、Ｖ相及びＷ相の各相の電圧の時間的変化と、商用系統での系統電圧の時間的変化と、直流回路部の電圧の時間的変化とを説明するグラフである。 商用系統での系統電圧の時間的変化と、直流回路部の電圧の時間的変化とを説明するグラフである。

以下に図面を参照して本発明に係る電力変換回路用のスナバ回路及びそれを備えた電力変換回路の構成について説明する。
図１は、電力変換回路としてのマトリックスコンバータ３及び電力変換回路用のスナバ回路Ｓ（以下、単に「スナバ回路Ｓ」と記載する）を備える電力変換回路２０の概略的な回路図である。図示するようにマトリックスコンバータ３は、交流発電機２で発電された三相交流の入力電圧を、商用系統１における単相交流の出力電圧に変換する。本実施形態のマトリックスコンバータ３は、複数の逆阻止ＩＧＢＴを用いて構成され、内部に直流部を介さない直接変換形の交流−交流変換器である。

スナバ回路Ｓは、マトリックスコンバータ３の入力側（図１の左側）と出力側（図１の右側）とを接続する。スナバ回路Ｓは、電力変換回路２０で生じるサージなどを吸収するための回路である。具体的には、スナバ回路Ｓは、マトリックスコンバータ３の入力側に接続される入力側ダイオードブリッジ回路４及び出力側に接続される出力側ダイオードブリッジ回路５と、入力側ダイオードブリッジ回路４及び出力側ダイオードブリッジ回路５の間に接続されるスナバ用コンデンサ１１を有する直流回路部１０と、直流回路部１０の作動（例えば、スイッチング回路１２の作動）を制御する直流回路制御部Ｃと、を備える。直流回路部１０はスイッチング回路１２と抵抗回路１３とを互いに直列に有する。スナバ用コンデンサ１１は、スイッチング回路１２及び抵抗回路１３と並列に接続されている。

また、直流回路部１０は、蓄電性能を有する有極性コンデンサ１４を有する。そして、この有極性コンデンサ１４によって蓄電された電力がマトリックスコンバータ３の作動を制御する制御用電源１５によって使用される。加えて、直流回路部１０は、サージ吸収機能と電力消費機能とを有する。サージ吸収機能は、スナバ用コンデンサ１１によって実現される。例えば、交流発電機２でサージ電圧が発生すると、そのサージ電圧は、入力側ダイオードブリッジ回路４を介して直流回路部１０に流入し、スナバ用コンデンサ１１で吸収される。また、電力消費機能は抵抗回路１３によって実現される。例えば、直流回路制御部Ｃからの指令によってスイッチング回路１２がオン状態にされると、抵抗回路１３に電流が流れて電力消費が行われる。抵抗回路１３で電力消費を行った場合に発生するジュール熱は、貯湯タンクに蓄えられている湯水を温めるなどの用途に使用できる。つまり、抵抗回路１３で単に電気エネルギを消費するのではなく、電気エネルギを熱エネルギとして蓄積できる。

図２は、交流発電機２のＵ相、Ｖ相及びＷ相の各相の電圧の時間的変化と、商用系統１での系統電圧の時間的変化と、スイッチング回路１２がオフ状態であるときの直流回路部１０の電圧Ｖ_Dの時間的変化とを説明するグラフである。図３は、商用系統１での系統電圧の時間的変化と、スイッチング回路１２がオン状態であるときの直流回路部１０の電圧Ｖ_Dの時間的変化を説明するグラフである。

図２に示すように、商用系統１での系統電圧の最大値Ｖｍは、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各相の電圧の最大値の０．８６６倍の値に相当する。つまり、マトリックスコンバータ３は、入力電圧の最大値の０．８６６倍以下の電圧であれば、任意の出力波形の電圧を作成できる。従って、マトリックスコンバータ３の入力側から出力側へ高い電圧の電力を供給する必要があるときにスイッチング回路１２がオン状態にされると、直流回路部１０での電力消費（即ち、マトリックスコンバータ３の入力側の電圧を低下させること）の影響がマトリックスコンバータ３の出力側へ波及して、所定の高電圧の電力を供給できない或いは滑らかな波形の電力を供給できない可能性がある。
また、図２において、商用系統１での系統電圧の実効値はＶｅで表している。

次に、直流回路部１０の電力消費機能について説明する。上述したように、スイッチング回路１２がオンされると、抵抗回路１３によって電力が消費される。直流回路部１０は、交流発電機２及び商用系統１の両方にダイオードブリッジ回路を介して接続されているので、抵抗回路１３によって消費される電力は、交流発電機２で発電された電力又は商用系統１の電力である。具体的には、直流回路部１０の電圧Ｖ_Dが商用系統１の電圧の絶対値よりも小さいときにスイッチング回路１２がオン状態にされると、商用系統１から出力側ダイオードブリッジ回路５を経由して直流回路部１０に電力が流入し、その電力が抵抗回路１３で消費される。一方で、直流回路部１０の電圧Ｖ_Dが商用系統１の電圧の絶対値以上であり且つ交流発電機２のＵ相、Ｖ相及びＷ相の何れかの電圧の絶対値よりも小さいときにスイッチング回路１２がオン状態にされると、交流発電機２から入力側ダイオードブリッジ回路４を経由して直流回路部１０に電力が流入し、その電力が抵抗回路１３で消費される。

従って、交流発電機２から商用系統１へ逆潮流する電力を調整するとき、即ち、直流回路部１０で交流発電機２からの電力を消費させるときには、直流回路部１０の電圧Ｖ_Dが商用系統１の電圧の絶対値以上であり且つ交流発電機２のＵ相、Ｖ相及びＷ相の何れかの電圧の絶対値よりも小さいときにスイッチング回路１２がオン状態にされる必要がある。尚、直流回路部１０の電圧Ｖ_Dが商用系統１の電圧の絶対値以上であり且つ交流発電機２のＵ相、Ｖ相及びＷ相の何れかの電圧の絶対値よりも小さいときであっても、交流発電機２から商用系統１へマトリックスコンバータ３を介して逆潮流させる電力の電圧が高いときにスイッチング回路１２をオン状態にすることは好ましくない。何故ならば、交流発電機２から商用系統１へ高い電圧の電力を逆潮流する必要があるときにスイッチング回路１２をオン状態にすると、交流発電機２から商用系統１へ逆潮流する電力が不足する可能性があるからである。

本実施形態では、図３に示すように、直流回路制御部Ｃは、商用系統１への単相交流の出力電圧の所定タイミングＴに同期してスイッチング回路１２をオン状態に制御する。具体的には、直流回路制御部Ｃは、商用系統１への単相交流の出力電圧の絶対値が設定値（例えば、実効値Ｖｅ）以下であるタイミングＴにスイッチング回路１２をオン状態に制御する。このタイミングＴは、交流発電機２から商用系統１へ高い電圧の電力を逆潮流する必要の無い期間に相当する。従って、直流回路部１０での電力消費の影響がマトリックスコンバータ３の出力側へ波及して、所定の電圧の電力を供給できない或いは滑らかな波形の電力を供給できないといった問題を回避できる。

更に、直流回路制御部Ｃは、オン状態においてスイッチング回路１２を常時オンにしてもよいが、本実施形態では、所定タイミングＴにおいてスイッチング回路１２をオン状態に制御する間、スイッチング回路１２のオン期間とオフ期間とを交互に繰り返す。例えば、オン状態においてスイッチング回路１２を常時オンし且つそのオン期間が長い場合、直流回路部１０の電圧が徐々に低下して商用系統１の電圧の絶対値未満になってしまう可能性がある。ところが、本実施形態では、オン期間とオフ期間とを交互に繰り返すので、オン期間の間は直流回路部１０の電圧Ｖ_Dは低下し、オフ期間の間は直流回路部１０の電圧Ｖ_Dは上昇する。つまり、直流回路部１０の電圧が商用系統１の電圧の絶対値未満になってしまうことを抑制している。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、直流回路制御部Ｃが、商用系統１への単相交流の出力電圧の絶対値が実効値以下となるタイミングに、スイッチング回路１２をオン状態に制御する場合を例示したが、他のタイミングでスイッチング回路１２をオン状態に制御してもよい。交流発電機２から商用系統１へマトリックスコンバータ３を介して逆潮流させる電力の電圧の絶対値がある程度小さいタイミング（即ち、スイッチング回路１２をオン状態に制御しても直流回路部１０の電圧Ｖ_Dが商用系統１の電圧の絶対値未満とならないタイミング）であれば、スイッチング回路１２をオン状態に制御してもよい。

＜２＞
上記実施形態において、直流回路制御部Ｃが、商用系統１への単相交流の出力電圧の絶対値が低いほどオン期間を長くするように改変してもよい。上述のように、スイッチング回路１２を常時オンにするオン期間が長くなると、直流回路部１０の電圧が大きく低下する。ところが、商用系統１への単相交流の出力電圧の絶対値が低ければ、オン期間を長くしても直流回路部１０の電圧が商用系統１の電圧の絶対値未満になることはない。
同様に、直流回路制御部Ｃが、商用系統１への単相交流の出力電圧の絶対値が低いほどオン状態における単位時間当たりのオン期間及びオフ期間の繰り返し頻度を低くしてもよい。オン状態における単位時間当たりのオン期間及びオフ期間の繰り返し頻度を低くすると、オン期間の長さが長くなる。ところが、商用系統１への単相交流の出力電圧の絶対値が低ければ、オン期間を長くしても直流回路部１０の電圧が商用系統１の電圧の絶対値未満になることはない。

本発明は、サージ吸収機能と電力消費機能とを併せ持つ電力変換回路用のスナバ回路及びそれを備えた電力変換回路に利用可能である。

３ マトリックスコンバータ
４ 入力側ダイオードブリッジ回路
５ 出力側ダイオードブリッジ回路
１０ 直流回路部
１１ スナバ用コンデンサ
１２ スイッチング回路
１３ 抵抗回路
２０ 電力変換回路
Ｃ 直流回路制御部
Ｓ 電力変換回路用のスナバ回路

Claims (7)

1. 三相交流の入力電圧を所定の単相交流の出力電圧に変換するマトリックスコンバータの入力側に接続される入力側ダイオードブリッジ回路及び出力側に接続される出力側ダイオードブリッジ回路と、
   前記入力側ダイオードブリッジ回路及び前記出力側ダイオードブリッジ回路の間に接続されるスナバ用コンデンサを有する直流回路部と、
   前記直流回路部の作動を制御する直流回路制御部と、を備え、
   前記直流回路部はスイッチング回路と抵抗回路とを互いに直列に有し、
   前記直流回路制御部は、前記単相交流の出力電圧の所定タイミングに同期して前記スイッチング回路をオン状態に制御する電力変換回路用のスナバ回路。
2. 前記直流回路制御部は、前記単相交流の出力電圧の絶対値が設定値以下であるタイミングに前記スイッチング回路をオン状態に制御する請求項１記載の電力変換回路用のスナバ回路。
3. 前記設定値は、前記単相交流の出力電圧の実効値である請求項２記載の電力変換回路用のスナバ回路。
4. 前記直流回路制御部は、前記オン状態において前記スイッチング回路のオン期間とオフ期間とを交互に繰り返す請求項１〜３の何れか一項に記載の電力変換回路用のスナバ回路。
5. 前記直流回路制御部は、前記単相交流の出力電圧の絶対値が低いほど前記オン期間を長くする請求項４記載の電力変換回路用のスナバ回路。
6. 前記直流回路制御部は、前記単相交流の出力電圧の絶対値が低いほど前記オン状態における単位時間当たりの前記オン期間及び前記オフ期間の繰り返し頻度を低くする請求項４又は５記載の電力変換回路用のスナバ回路。
7. 前記マトリックスコンバータと、前記マトリックスコンバータの入力側と出力側とを接続する請求項１〜６の何れか一項に記載の電力変換回路用のスナバ回路とを備える電力変換回路。

Images