JP5434831B2 - 直流−交流電力変換装置およびその電力変換回路 - Google Patents
直流−交流電力変換装置およびその電力変換回路 Download PDFInfo
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本発明は、直流−交流電力変換装置およびその電力変換回路に関する。
従来の電力変換装置は、一定のインダクタンスを有する電源装置と、電源装置によって発電された電力を所望の電圧および周波数に変換して電気負荷へ出力するマトリックスコンバータと、電気負荷をマトリックスコンバータと接続する対の出力ライン間に直列に接続されるコンデンサおよびスイッチとを備え、スイッチは、マトリックスコンバータが昇圧動作を行なうときオンし、マトリックスコンバータが降圧動作を行なうときオフしていた。（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、特許文献１の電力変換装置は、昇圧動作の状態で、バッテリの一端に直列接続されたリアクトルＬ１のスイッチ側は開放となり、リアクトルＬ１に流れていた電流の経路を確保できないので、リアクトルＬ１にサージ電圧が発生しスイッチを破壊してしまう恐れがある。
本発明は昇圧、降圧動作の状態でのインダクタ（リアクトル）に蓄積された電磁エネルギーを放電する電流経路を確保する構成を備え、インダクタのサージ電圧発生を防止して電力変換装置の安全性と電力変換効率を向上し、直流電圧から交流電圧および交流電圧から直流電圧へ可逆的に変換する電力変換装置と電力変換回路を提供することを目的とする。
本発明は昇圧、降圧動作の状態でのインダクタ（リアクトル）に蓄積された電磁エネルギーを放電する電流経路を確保する構成を備え、インダクタのサージ電圧発生を防止して電力変換装置の安全性と電力変換効率を向上し、直流電圧から交流電圧および交流電圧から直流電圧へ可逆的に変換する電力変換装置と電力変換回路を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、請求項１の発明は直流電源の直流電圧と、単相交流電源の単相交流電圧とを可逆的に電力変換する直流−交流電力変換装置であって、
前記直流電源側に３つの直流側接続端を有し、前記単相交流電源側に２つの交流側接続端を有するスイッチ回路部と、
前記直流電源と前記スイッチ回路部との間に配置したインダクタと、
前記スイッチ回路部と前記単相交流電源もしくは負荷との間に配置したキャパシタと、
前記直流電圧を昇圧または降圧させて前記直流電源の電力を前記単相交流電源もしくは前記負荷へ供給、または前記単相交流電圧を昇圧または降圧させて前記単相交流電源の電力を前記直流電源へ供給させるように、前記スイッチ回路部を駆動するコントローラと、を備える直流−交流電力変換装置が適用される。
前記直流電源側に３つの直流側接続端を有し、前記単相交流電源側に２つの交流側接続端を有するスイッチ回路部と、
前記直流電源と前記スイッチ回路部との間に配置したインダクタと、
前記スイッチ回路部と前記単相交流電源もしくは負荷との間に配置したキャパシタと、
前記直流電圧を昇圧または降圧させて前記直流電源の電力を前記単相交流電源もしくは前記負荷へ供給、または前記単相交流電圧を昇圧または降圧させて前記単相交流電源の電力を前記直流電源へ供給させるように、前記スイッチ回路部を駆動するコントローラと、を備える直流−交流電力変換装置が適用される。
また、請求項２の発明は請求項１において、前記スイッチ回路部は、前記インダクタの他端を第一の双方向スイッチの一端と第四の双方向スイッチの一端とに接続し、第二の双方向スイッチの一端と第五の双方向スイッチの一端とを前記インダクタの一端に接続し、第三の双方向スイッチの一端と第六の双方向スイッチの一端とを前記直流電源の負極側に接続し、前記第一の双方向スイッチの他端と前記第二の双方向スイッチの他端と前記第三の双方向スイッチの他端を前記単相交流側の一端に接続し、前記第四の双方向スイッチの他端と前記第五の双方向スイッチの他端と前記第六の双方向スイッチの他端を前記単相交流側の他端に接続した前記第一から第六の双方向スイッチとを備え、
前記インダクタの一端は前記直流電源の正極側に接続し、
前記キャパシタの一端は前記第一の双方向スイッチの他端に、前記キャパシタの他端は前記第四の双方向スイッチの他端に接続する直流−交流電力変換装置が適用される。
前記インダクタの一端は前記直流電源の正極側に接続し、
前記キャパシタの一端は前記第一の双方向スイッチの他端に、前記キャパシタの他端は前記第四の双方向スイッチの他端に接続する直流−交流電力変換装置が適用される。
また、請求項３の発明は請求項２の発明において、前記直流電源の電圧を検出する直流電圧検出器と前記単相交流側の電圧を検出する交流電圧検出器と前記直流電源の電流を検出する電流検出器の少なくとも一つ以上の検出器と、
前記検出器の検出値に基づいて、前記第一から第六の双方向スイッチをオンオフ動作させ、前記直流電源の電力を前記単相交流電源へ供給または前記単相交流電源の電力を前記直流電源へ供給するコントローラとを備える直流−交流電力変換装置が適用される。
前記検出器の検出値に基づいて、前記第一から第六の双方向スイッチをオンオフ動作させ、前記直流電源の電力を前記単相交流電源へ供給または前記単相交流電源の電力を前記直流電源へ供給するコントローラとを備える直流−交流電力変換装置が適用される。
また、請求項４の発明は請求項２または３の発明において、前記直流電源の電圧を検出する直流電圧検出器と、前記単相交流側の電圧を検出する交流電圧検出器とを備え、前記直流電源から前記単相交流電源に電力を供給するように前記第一から第六の双方向スイッチを前記インダクタとの相互作用により降圧動作モードまたは昇圧動作モードとなるよう切替動作させる共に、ＰＷＭ制御によって前記直流電源の電力を前記単相交流電源へ供給するコントローラとを備える直流−交流電力変換装置が適用される。
また、請求項５の発明は請求項４記載の発明において、
前記単相交流側の電圧ＶＲＳと前記直流電源の電圧ＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＜ＶＤＣの場合には、前記降圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第一の双方向スイッチと前記第六の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の双方向スイッチと前記第五の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第四の双方向スイッチと前記第三の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第四の双方向スイッチと前記第二の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御を行うことを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
前記単相交流側の電圧ＶＲＳと前記直流電源の電圧ＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＜ＶＤＣの場合には、前記降圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第一の双方向スイッチと前記第六の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の双方向スイッチと前記第五の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第四の双方向スイッチと前記第三の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第四の双方向スイッチと前記第二の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御を行うことを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
また、請求項６の発明は請求項４記載の発明において、
前記単相交流側の電圧ＶＲＳとＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＞ＶＤＣの場合には、前記昇圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第一の双方向スイッチと第三の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の双方向スイッチと前記第六の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第四の双方向スイッチと前記第六の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第四の双方向スイッチと前記第三の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御を行うことを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
前記単相交流側の電圧ＶＲＳとＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＞ＶＤＣの場合には、前記昇圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第一の双方向スイッチと第三の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の双方向スイッチと前記第六の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第四の双方向スイッチと前記第六の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第四の双方向スイッチと前記第三の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御を行うことを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
また、請求項７の発明は請求項４記載の発明において、
前記直流電源の電圧を検出する直流電圧検出器と、前記単相交流側の電圧を検出する交流電圧検出器と前記直流電源の電流を検出する電流検出器とを備え、前記直流電源から前記単相交流電源に電力を供給するように前記第一から第六の双方向スイッチを前記インダクタとの相互作用により降圧動作モードまたは昇圧動作モードとなるよう切替動作させる共に、ＰＷＭ制御によって前記直流電源の電力を前記単相交流電源または前記単相交流電源から前記直流電源を充電制御するコントローラとを備えることを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
前記直流電源の電圧を検出する直流電圧検出器と、前記単相交流側の電圧を検出する交流電圧検出器と前記直流電源の電流を検出する電流検出器とを備え、前記直流電源から前記単相交流電源に電力を供給するように前記第一から第六の双方向スイッチを前記インダクタとの相互作用により降圧動作モードまたは昇圧動作モードとなるよう切替動作させる共に、ＰＷＭ制御によって前記直流電源の電力を前記単相交流電源または前記単相交流電源から前記直流電源を充電制御するコントローラとを備えることを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
また、請求項８の発明は請求項７記載の発明において、
前記充電制御は、前記電圧ＶＲＳとＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＞ＶＤＣの場合には、前記降圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第一の双方向スイッチと前記第六の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の双方向スイッチと前記第三の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第四の双方向スイッチと前記第三の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第四の双方向スイッチと前記第六の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記電流検出器によって検出された電流検出値と電流指令との偏差量に基づいて、前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御を行うコントローラとを備えることを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
前記充電制御は、前記電圧ＶＲＳとＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＞ＶＤＣの場合には、前記降圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第一の双方向スイッチと前記第六の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の双方向スイッチと前記第三の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第四の双方向スイッチと前記第三の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第四の双方向スイッチと前記第六の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記電流検出器によって検出された電流検出値と電流指令との偏差量に基づいて、前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御を行うコントローラとを備えることを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
また、請求項９の発明は請求項７に記載の発明において、
前記充電制御は、前記電圧ＶＲＳとＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＜ＶＤＣの場合には、前記昇圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第一の双方向スイッチと前記第五の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の双方向スイッチと前記第六の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第四の双方向スイッチと前記第二の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第四の双方向スイッチと前記第三の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記電流検出器によって検出された電流検出値と電流指令との偏差量に基づいて、前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御を行うコントローラとを備えることを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
前記充電制御は、前記電圧ＶＲＳとＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＜ＶＤＣの場合には、前記昇圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第一の双方向スイッチと前記第五の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の双方向スイッチと前記第六の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第四の双方向スイッチと前記第二の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第四の双方向スイッチと前記第三の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記電流検出器によって検出された電流検出値と電流指令との偏差量に基づいて、前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御を行うコントローラとを備えることを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
また、請求項１０の発明は請求項４乃至８のいずれかに記載の発明において、
前記第二の双方向スイッチを前記単相交流側の一端から前記直流電源の正極側の方向に電流を流す片方向スイッチ、および前記第五の双方向スイッチを前記単相交流側の他端から前記直流電源の正極側の方向に電流を流す片方向スイッチで置き換えたことを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
前記第二の双方向スイッチを前記単相交流側の一端から前記直流電源の正極側の方向に電流を流す片方向スイッチ、および前記第五の双方向スイッチを前記単相交流側の他端から前記直流電源の正極側の方向に電流を流す片方向スイッチで置き換えたことを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
また、請求項１１の発明は請求項３記載の発明において、
直流電源と、前記直流電源の電圧極性を反転して出力するメカニカルスイッチと、
前記電圧極性の反転前には正電圧、反転後には負電圧に接続される前記メカニカルスイッチの一方の接点に接続された前記インダクタと、前記第一の双方向スイッチと前記第四の双方向スイッチとを蓄電池側から負荷側へ電流を流す方向の第一の片方向スイッチと第四の片方向スイッチにそれぞれ置換し、
前記第二の双方向スイッチと前記第三の双方向スイッチと前記第五の双方向スイッチと前記第六の双方向スイッチとを負荷側から蓄電池側へ電流を流す方向の第ニの片方向スイッチ、第三の片方向スイッチ、第五の片方向スイッチ、第六の片方向スイッチにそれぞれ置換した電力変換装置において、
前記直流電源の電圧を検出する前記直流電圧検出器と前記単相交流側の電圧を検出する交流電圧検出器と前記直流電源の電流を検出する前記電流検出器と、
前記直流電源から前記単相交流側に電力を供給するときは、前記メカニカルスイッチの接続を前記電圧極性の反転前の状態とし、前記単相交流側から前記直流電源を充電制御するときは、前記メカニカルスイッチの接続を前記電圧極性が反転するよう変更して、置換した前記片方向スイッチを前記インダクタとの相互作用により降圧動作モードまたは昇圧動作モードとなるよう切替制御すると共にＰＷＭ制御によって、単相交流電圧を出力し前記単相交流側への電力供給、または前記直流電源への充電制御を行うコントローラとを備えることを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
直流電源と、前記直流電源の電圧極性を反転して出力するメカニカルスイッチと、
前記電圧極性の反転前には正電圧、反転後には負電圧に接続される前記メカニカルスイッチの一方の接点に接続された前記インダクタと、前記第一の双方向スイッチと前記第四の双方向スイッチとを蓄電池側から負荷側へ電流を流す方向の第一の片方向スイッチと第四の片方向スイッチにそれぞれ置換し、
前記第二の双方向スイッチと前記第三の双方向スイッチと前記第五の双方向スイッチと前記第六の双方向スイッチとを負荷側から蓄電池側へ電流を流す方向の第ニの片方向スイッチ、第三の片方向スイッチ、第五の片方向スイッチ、第六の片方向スイッチにそれぞれ置換した電力変換装置において、
前記直流電源の電圧を検出する前記直流電圧検出器と前記単相交流側の電圧を検出する交流電圧検出器と前記直流電源の電流を検出する前記電流検出器と、
前記直流電源から前記単相交流側に電力を供給するときは、前記メカニカルスイッチの接続を前記電圧極性の反転前の状態とし、前記単相交流側から前記直流電源を充電制御するときは、前記メカニカルスイッチの接続を前記電圧極性が反転するよう変更して、置換した前記片方向スイッチを前記インダクタとの相互作用により降圧動作モードまたは昇圧動作モードとなるよう切替制御すると共にＰＷＭ制御によって、単相交流電圧を出力し前記単相交流側への電力供給、または前記直流電源への充電制御を行うコントローラとを備えることを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
また、請求項１２の発明は請求項１１記載の発明において、
前記単相交流電圧の生成は、前記電圧ＶＲＳとＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＜ＶＤＣの場合には、前記降圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第一の片方向スイッチと前記第六の片方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の片方向スイッチと前記第五の片方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第四の片方向スイッチと前記第三の片方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第四の片方向スイッチと前記第二の片方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御により前記単相交流電圧の生成を行うことを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
前記単相交流電圧の生成は、前記電圧ＶＲＳとＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＜ＶＤＣの場合には、前記降圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第一の片方向スイッチと前記第六の片方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の片方向スイッチと前記第五の片方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第四の片方向スイッチと前記第三の片方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第四の片方向スイッチと前記第二の片方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御により前記単相交流電圧の生成を行うことを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
また、請求項１３の発明は請求項１１記載の発明において、
前記単相交流電圧の生成は、前記電圧ＶＲＳとＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＞ＶＤＣの場合には、前記昇圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第一の片方向スイッチと前記第三の片方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の片方向スイッチと前記第六の片方向スイッチ６をオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第四の片方向スイッチと前記第六の片方向スイッチ６をオンするＯＮモードと、前記第四の片方向スイッチと前記第三の片方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御により前記単相交流電圧の生成を行うことを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
前記単相交流電圧の生成は、前記電圧ＶＲＳとＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＞ＶＤＣの場合には、前記昇圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第一の片方向スイッチと前記第三の片方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の片方向スイッチと前記第六の片方向スイッチ６をオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第四の片方向スイッチと前記第六の片方向スイッチ６をオンするＯＮモードと、前記第四の片方向スイッチと前記第三の片方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御により前記単相交流電圧の生成を行うことを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
また、請求項１４の発明は請求項１１記載の発明において、
前記充電制御は、前記電圧ＶＲＳとＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＞ＶＤＣの場合には、前記降圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第四の片方向スイッチと前記第三の片方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第四の片方向スイッチと前記第六の片方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第一の片方向スイッチと前記第六の片方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の片方向スイッチと前記第三の片方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記電流検出器によって検出された電流検出値と電流指令との偏差量に基づいて、前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御を行うことを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
前記充電制御は、前記電圧ＶＲＳとＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＞ＶＤＣの場合には、前記降圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第四の片方向スイッチと前記第三の片方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第四の片方向スイッチと前記第六の片方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第一の片方向スイッチと前記第六の片方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の片方向スイッチと前記第三の片方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記電流検出器によって検出された電流検出値と電流指令との偏差量に基づいて、前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御を行うことを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
また、請求項１５の発明は請求項１１記載の発明において、
前記充電制御は、前記電圧ＶＲＳとＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＜ＶＤＣの場合には、前記昇圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第四の片方向スイッチと前記第二の片方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第四の片方向スイッチと前記第三の片方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第一の片方向スイッチと前記第五の片方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の片方向スイッチと前記第六の片方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記電流検出器によって検出された電流検出値と電流指令との偏差量に基づいて、前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御を行うことを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
前記充電制御は、前記電圧ＶＲＳとＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＜ＶＤＣの場合には、前記昇圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第四の片方向スイッチと前記第二の片方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第四の片方向スイッチと前記第三の片方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第一の片方向スイッチと前記第五の片方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の片方向スイッチと前記第六の片方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記電流検出器によって検出された電流検出値と電流指令との偏差量に基づいて、前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御を行うことを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
また、請求項１６の発明は請求項１乃至１５のいずれかに記載の発明において、
異常検出によって動作を停止する場合は、前記インダクタの端子間を短絡して前記インダクタに流れている電流経路を確保すると共に、前記蓄電池と前記電力系統を切り離す開閉器を開とする保護動作をすることを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
異常検出によって動作を停止する場合は、前記インダクタの端子間を短絡して前記インダクタに流れている電流経路を確保すると共に、前記蓄電池と前記電力系統を切り離す開閉器を開とする保護動作をすることを特徴とする直流−交流電力変換装置が適用される。
また、請求項１７の発明は、直流電源の直流電圧と、単相交流電源の単相交流電圧とを可逆的に電力変換する直流−交流電力変換回路であって、
前記直流電源側に第一から第三の直流側接続端を有し、前記単相交流電源側に第一、第ニの交流側接続端を有するスイッチ回路部と、
前記直流電源と前記スイッチ回路部との間に配置したインダクタと、
前記スイッチ回路部と前記単相交流電源もしくは負荷との間に配置したキャパシタと、を備えた直流−交流電力変換回路が適用される。
前記直流電源側に第一から第三の直流側接続端を有し、前記単相交流電源側に第一、第ニの交流側接続端を有するスイッチ回路部と、
前記直流電源と前記スイッチ回路部との間に配置したインダクタと、
前記スイッチ回路部と前記単相交流電源もしくは負荷との間に配置したキャパシタと、を備えた直流−交流電力変換回路が適用される。
また、請求項１８の発明は、請求項１７において前記スイッチ回路部は、
前記第一の交流側接続端と前記第一から第三の直流側接続端とを各々双方向スイッチで接続し、
前記第二の交流側接続端と前記第四から第六の直流側接続端とを各々双方向スイッチで接続した直流−交流電力変換回路が適用される。
前記第一の交流側接続端と前記第一から第三の直流側接続端とを各々双方向スイッチで接続し、
前記第二の交流側接続端と前記第四から第六の直流側接続端とを各々双方向スイッチで接続した直流−交流電力変換回路が適用される。
また、請求項１９の発明は、請求項１７において前記第一の交流側接続端と前記第二の直流側接続端とを接続した双方向スイッチを前記第一の交流側接続端から前記第二の直流側接続端の方向へ通電する片方向スイッチに
置換し、
前記第二の交流側接続端と前記第二の直流側接続端とを接続した双方向スイッチを前記第二の交流側接続端から前記第二の直流側接続端の方向へ通電する片方向スイッチに置換した直流−交流電力変換回路が適用される。
置換し、
前記第二の交流側接続端と前記第二の直流側接続端とを接続した双方向スイッチを前記第二の交流側接続端から前記第二の直流側接続端の方向へ通電する片方向スイッチに置換した直流−交流電力変換回路が適用される。
また、請求項２０の発明は、請求項１９において前記第一の交流側接続端と前記第三の直流側接続端とを接続した双方向スイッチを前記第一の交流側接続端から前記第三の直流側接続端の方向へ通電する片方向スイッチに
置換し、
前記第二の交流側接続端と前記第三の直流側接続端とを接続した双方向スイッチを前記第二の交流側接続端から前記第三の直流側接続端の方向へ通電する片方向スイッチに置換し、
前記第一の交流側接続端と前記第一の直流側接続端とを接続した双方向スイッチを前記第一の直流側接続端から前記第一の交流側接続端の方向へ通電する片方向スイッチに
置換し、
前記第二の交流側接続端と前記第一の直流側接続端とを接続した双方向スイッチを前記第一の直流側接続端から前記第二の交流側接続端の方向へ通電する片方向スイッチに
置換した直流−交流電力変換回路が適用される。
置換し、
前記第二の交流側接続端と前記第三の直流側接続端とを接続した双方向スイッチを前記第二の交流側接続端から前記第三の直流側接続端の方向へ通電する片方向スイッチに置換し、
前記第一の交流側接続端と前記第一の直流側接続端とを接続した双方向スイッチを前記第一の直流側接続端から前記第一の交流側接続端の方向へ通電する片方向スイッチに
置換し、
前記第二の交流側接続端と前記第一の直流側接続端とを接続した双方向スイッチを前記第一の直流側接続端から前記第二の交流側接続端の方向へ通電する片方向スイッチに
置換した直流−交流電力変換回路が適用される。
本発明によれば、インダクタのサージ電圧発生を防止して電力変換装置の安全性と電力変換効率を向上できる。
（本発明の動作原理）
本実施形態の電力変換装置では、インダクタ１を用いて、電源電圧の降圧・昇圧を行い電力変換する。降圧コンバータを示す図１７と昇圧コンバータを示す図１８の各構成は、図１において各双方向スイッチをオンオフすることで実現できる。第1実施形態である図１の回路は、双方向スイッチ２４〜２９によって端子Ｕ、Ｖ、Ｗと、端子Ｒ、Ｓの間を接続しているので、インダクタ１の端子Ｕの電流を双方向スイッチのオン・オフ制御で他の各端子に自由に接続することができる。従って、Ｒ−Ｓ端子間に正負電圧の単相交流電圧を発生することができる。
以下に、まず本発明の降圧動作と昇圧動作原理を説明する。図１７は降圧コンバータの回路図およびその動作原理を示す図であり、図１８は昇圧コンバータの回路図およびその動作原理を示す図である。
本実施形態の電力変換装置では、インダクタ１を用いて、電源電圧の降圧・昇圧を行い電力変換する。降圧コンバータを示す図１７と昇圧コンバータを示す図１８の各構成は、図１において各双方向スイッチをオンオフすることで実現できる。第1実施形態である図１の回路は、双方向スイッチ２４〜２９によって端子Ｕ、Ｖ、Ｗと、端子Ｒ、Ｓの間を接続しているので、インダクタ１の端子Ｕの電流を双方向スイッチのオン・オフ制御で他の各端子に自由に接続することができる。従って、Ｒ−Ｓ端子間に正負電圧の単相交流電圧を発生することができる。
以下に、まず本発明の降圧動作と昇圧動作原理を説明する。図１７は降圧コンバータの回路図およびその動作原理を示す図であり、図１８は昇圧コンバータの回路図およびその動作原理を示す図である。
先ず、降圧コンバータの動作について説明する。
図１７ (ａ)において、直流電源Ｖｂと直列に接続されたスイッチＳＷをオンし、図１７（ｂ）ＯＮモードの破線のように直流電源ＶｂからインダクタＬと、キャパシタＣと負荷Ｌｏａｄに電流を流す。ここで、Ｃはキャパシタである。次に、スイッチＳＷをオフして電源を切り離し、図１７（Ｃ）ＯＦＦモードの破線のようにインダクタＬと、キャパシタＣと負荷Ｌｏａｄ、およびダイオードＤに電流を流す。降圧コンバータはこのＯＮモードとＯＦＦモードを繰り返し切替え、ＯＮ・ＯＦＦの時比率を変えてパルス幅変調し、負荷Ｌｏａｄに印加される電圧平均値ＶＯＵＴを制御する。
降圧コンバータのオン時比率Ｔon＝ＯＮモードの時間／（ＯＮモードの時間＋ＯＦＦモードの時間）≦１とすると、ＶＯＵＴ＝ＶＤＣ×Ｔonである。ここで、ＶＤＣは直流電源Ｖbの電圧である。
図１７ (ａ)において、直流電源Ｖｂと直列に接続されたスイッチＳＷをオンし、図１７（ｂ）ＯＮモードの破線のように直流電源ＶｂからインダクタＬと、キャパシタＣと負荷Ｌｏａｄに電流を流す。ここで、Ｃはキャパシタである。次に、スイッチＳＷをオフして電源を切り離し、図１７（Ｃ）ＯＦＦモードの破線のようにインダクタＬと、キャパシタＣと負荷Ｌｏａｄ、およびダイオードＤに電流を流す。降圧コンバータはこのＯＮモードとＯＦＦモードを繰り返し切替え、ＯＮ・ＯＦＦの時比率を変えてパルス幅変調し、負荷Ｌｏａｄに印加される電圧平均値ＶＯＵＴを制御する。
降圧コンバータのオン時比率Ｔon＝ＯＮモードの時間／（ＯＮモードの時間＋ＯＦＦモードの時間）≦１とすると、ＶＯＵＴ＝ＶＤＣ×Ｔonである。ここで、ＶＤＣは直流電源Ｖbの電圧である。
次に、昇圧コンバータの動作について説明する。
図１８ (ａ)において、先ずスイッチＳＷをオンして、図１８ (ｂ)ＯＮモードの破線のように直流電源Ｖbと直列接続されたインダクタＬにのみ電流を流す。次に、スイッチＳＷをオフして、図１８ (ｃ)ＯＦＦモードの破線のように直流電源Ｖb、インダクタＬ、ダイオードＤ、およびキャパシタＣと負荷Ｌｏａｄへ電流を流す。昇圧コンバータはこのＯＮモードとＯＦＦモードを繰り返し切替え、ＯＮ・ＯＦＦの時比率を変えてパルス幅変調し、負荷Ｌｏａｄに印加される電圧平均値を制御する。
昇圧コンバータのオン時比率Ｔon＝ＯＮモードの時間／（ＯＮモードの時間＋ＯＦＦモードの時間）とすると、ＶＯＵＴ＝ＶＤＣ／（１−Ｔon）である。
図１７の降圧コンバータ、図１８の昇圧コンバータは共に回路構成上、出力できる電圧は片電圧（正）だけとなる。
図１８ (ａ)において、先ずスイッチＳＷをオンして、図１８ (ｂ)ＯＮモードの破線のように直流電源Ｖbと直列接続されたインダクタＬにのみ電流を流す。次に、スイッチＳＷをオフして、図１８ (ｃ)ＯＦＦモードの破線のように直流電源Ｖb、インダクタＬ、ダイオードＤ、およびキャパシタＣと負荷Ｌｏａｄへ電流を流す。昇圧コンバータはこのＯＮモードとＯＦＦモードを繰り返し切替え、ＯＮ・ＯＦＦの時比率を変えてパルス幅変調し、負荷Ｌｏａｄに印加される電圧平均値を制御する。
昇圧コンバータのオン時比率Ｔon＝ＯＮモードの時間／（ＯＮモードの時間＋ＯＦＦモードの時間）とすると、ＶＯＵＴ＝ＶＤＣ／（１−Ｔon）である。
図１７の降圧コンバータ、図１８の昇圧コンバータは共に回路構成上、出力できる電圧は片電圧（正）だけとなる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、同一名称には同一符号を付け重複説明を適宜省略する。
（第１実施形態）
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態を示す電力変換装置の構成図である。同図において、第１実施形態を示す電力変換装置は、インダクタ１、ＩＧＢＴとダイオードを直列接続した片方向スイッチ２〜１３、フィルタ用のキャパシタ１４、直流電源である蓄電池１５、負荷１６、電力系統側の単相交流電源１７、蓄電池１５の電圧を検出する直流電圧検出器１８、電力系統側の単相交流電源１７の電圧を検出する交流電圧検出器１９、蓄電池１５の電流を検出する電流検出器２０、コントローラ２１、を備える。電力変換回路３１はインダクタ１、第一から第六の双方向スイッチ２４〜２９、キャパシタ１４から構成され、点線で示す部分である。またスイッチ回路部３２は第一から第六の双方向スイッチ２４〜２９から構成され、点線で示す部分である。また、片方向スイッチ２〜１３を２つ逆向きに接続して双方向スイッチ２４〜２９を構成する。ただし、ここで示す双方向スイッチ２４〜２９の構成は一例であり、これに限定されるものではない。
コントローラ２１は、上述の各検出器の検出信号に基づいて次に示す双方向スイッチ（２４〜２９）または片方向スイッチ（２〜１３）のスイッチング状態を制御する。コントローラ２１は、指令値と各検出器の検出信号とを比較してＰＩ制御等を行う演算器２２と、この演算結果に基づいてＰＷＭ制御信号を生成し、スイッチング制御を行うＰＷＭ制御器２３と、を備えている。
コントローラ２１は、上述の各検出器の検出信号に基づいて次に示す双方向スイッチ（２４〜２９）または片方向スイッチ（２〜１３）のスイッチング状態を制御する。コントローラ２１は、指令値と各検出器の検出信号とを比較してＰＩ制御等を行う演算器２２と、この演算結果に基づいてＰＷＭ制御信号を生成し、スイッチング制御を行うＰＷＭ制御器２３と、を備えている。
本実施形態における電力変換装置の接続関係を説明する。第一の双方向スイッチ（２４）の一端と第四の双方向スイッチ（２７）の一端とをインダクタ１の一端に接続し、第二の双方向スイッチ（２５）の一端と第五の双方向スイッチ（２８）の一端とをインダクタ1の他端に接続し、インダクタ１の他端を蓄電池１５の正極に接続し、第三の双方向スイッチ（２６）の一端と第六の双方向スイッチ（２９）の一端とを蓄電池１５の負極に接続し、第一の双方向スイッチ（２４）の他端と第二の双方向スイッチ（２５）の他端と第三の双方向スイッチ（２６）の他端とを負荷側１６の一端に接続し、第四の双方向スイッチ（２７）の他端と第五の双方向スイッチ（２８）の他端と第六の双方向スイッチ（２９）の他端とを負荷側１６の他端に接続し、第一の双方向スイッチ（２４）の他端と第四の双方向スイッチ（２７）の他端とにキャパシタ１４を接続する。
（本電力変換装置の３つの使用パターン）
本電力変換装置は直流電圧と交流電圧を可逆的に変換するため３つの使用パターンがある。直流から交流へ変換する場合は、本電力変換装置を系統電源に連系して使用する系統連系パターン（Ｕ１）と、ポータブル電源装置のように系統から切り離して使用する単独運転パターン（Ｕ２）の二つの使用パターンがある。系統電源（単相交流）から直流へ変換する場合は直流電源である蓄電池を充電する充電パターン（Ｕ３）がある。
系統連系パターン（Ｕ１）としては例えば太陽光発電、風力発電、燃料電池等のパワーコンディショナ、無停電電源装置（ＵＰＳ）として使用できる。この場合、検出器としては系統連系のため系統の電源電圧を検出する交流電圧検出器は必要であるが、蓄電池の直流電圧を検出する直流電圧検出器は蓄電池の定格電圧などを用いて省略することもできる。
また単独運転パターン（Ｕ２）としては系統電源の無い山間地などでの単相交流電源装置として使用できる。この場合、ユーザは単相交流電源１７を図示しないスイッチで本電力変換回路から切り離す。また交流電圧出力を検出する交流電圧検出器は出力電圧指令で代用することもできる。蓄電池の直流電圧を検出する直流電圧検出器は蓄電池の定格電圧などを用いて省略することもできる。
また充電パターン（Ｕ３）としては例えば本電力変換装置に接続される直流電源である蓄電池への充電動作を、電気自動車、ハイブリッド自動車用充電スタンド用の電源装置として使用できる。この場合、蓄電池の電流を検出する電流検出器、系統の電源電圧を検出する交流電圧検出器は必要である。蓄電池の直流電圧を検出する直流電圧検出器は蓄電池の充電要否判断や充電完了判断をする場合には必要となる。
本電力変換装置は直流電圧と交流電圧を可逆的に変換するため３つの使用パターンがある。直流から交流へ変換する場合は、本電力変換装置を系統電源に連系して使用する系統連系パターン（Ｕ１）と、ポータブル電源装置のように系統から切り離して使用する単独運転パターン（Ｕ２）の二つの使用パターンがある。系統電源（単相交流）から直流へ変換する場合は直流電源である蓄電池を充電する充電パターン（Ｕ３）がある。
系統連系パターン（Ｕ１）としては例えば太陽光発電、風力発電、燃料電池等のパワーコンディショナ、無停電電源装置（ＵＰＳ）として使用できる。この場合、検出器としては系統連系のため系統の電源電圧を検出する交流電圧検出器は必要であるが、蓄電池の直流電圧を検出する直流電圧検出器は蓄電池の定格電圧などを用いて省略することもできる。
また単独運転パターン（Ｕ２）としては系統電源の無い山間地などでの単相交流電源装置として使用できる。この場合、ユーザは単相交流電源１７を図示しないスイッチで本電力変換回路から切り離す。また交流電圧出力を検出する交流電圧検出器は出力電圧指令で代用することもできる。蓄電池の直流電圧を検出する直流電圧検出器は蓄電池の定格電圧などを用いて省略することもできる。
また充電パターン（Ｕ３）としては例えば本電力変換装置に接続される直流電源である蓄電池への充電動作を、電気自動車、ハイブリッド自動車用充電スタンド用の電源装置として使用できる。この場合、蓄電池の電流を検出する電流検出器、系統の電源電圧を検出する交流電圧検出器は必要である。蓄電池の直流電圧を検出する直流電圧検出器は蓄電池の充電要否判断や充電完了判断をする場合には必要となる。
本実施形態における電力変換装置での降圧動作または昇圧動作をするために、コントローラ２１は、蓄電池電圧ＶＤＣと単相交流電圧ＶＲＳの絶対値|ＶＲＳ|との大小関係、および、端子Ｓを基準にして端子Ｒ−Ｓ間の単相交流電圧ＶＲＳを測定した場合のＶＲＳの正負極性に基づいて以下のような制御を行う。
なお、下記の説明において、ＶＲＳの正負極性は、端子Ｒの電圧が端子Ｓの電圧より高い場合をＶＲＳ＞０、逆に低い場合をＶＲＳ＜０として表わしている。
なお、下記の説明において、ＶＲＳの正負極性は、端子Ｒの電圧が端子Ｓの電圧より高い場合をＶＲＳ＞０、逆に低い場合をＶＲＳ＜０として表わしている。
Ａ１）蓄電池１５から電力を系統側（単相交流電源１７）に出力する場合
Ａ１−１）|ＶＲＳ|＜ＶＤＣの場合（降圧動作）
蓄電池１５から系統側に電力を出力し、且つ、|ＶＲＳ|＜ＶＤＣの条件では図４に示す電流経路にて降圧動作によって単相交流電圧ＶＲＳを出力する。コントローラ２１はＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図４のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の低い電圧を出力させる。
すなわち、ＶＲＳ＞０では、図４の（ａ）と（ｂ）のスイッチング状態を交互に制御し、ＶＲＳ＜０の場合は同図の（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御して単相交流電圧ＶＲＳを出力する。
なお、図４は、煩雑を避けるために、図１との対応関係が損なわれない範囲で、図中の符号を省略している（以下、同様）。
Ａ１−１）|ＶＲＳ|＜ＶＤＣの場合（降圧動作）
蓄電池１５から系統側に電力を出力し、且つ、|ＶＲＳ|＜ＶＤＣの条件では図４に示す電流経路にて降圧動作によって単相交流電圧ＶＲＳを出力する。コントローラ２１はＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図４のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の低い電圧を出力させる。
すなわち、ＶＲＳ＞０では、図４の（ａ）と（ｂ）のスイッチング状態を交互に制御し、ＶＲＳ＜０の場合は同図の（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御して単相交流電圧ＶＲＳを出力する。
なお、図４は、煩雑を避けるために、図１との対応関係が損なわれない範囲で、図中の符号を省略している（以下、同様）。
Ａ１−２）|ＶＲＳ|＞ＶＤＣの場合（昇圧動作）
蓄電池１５から系統側に電力を出力し、且つ、|ＶＲＳ|＞ＶＤＣの条件では図５に示す電流経路にて昇圧動作によって単相交流電圧ＶＲＳを出力する。コントローラ２１はＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図５のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の高い電圧を出力させる。
すなわち、上述のＡ１−１）の場合と同様に、図５に示す（ａ）と（ｂ）、または（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御することによって単相交流電圧ＶＲＳを出力する。
蓄電池１５から系統側に電力を出力し、且つ、|ＶＲＳ|＞ＶＤＣの条件では図５に示す電流経路にて昇圧動作によって単相交流電圧ＶＲＳを出力する。コントローラ２１はＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図５のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の高い電圧を出力させる。
すなわち、上述のＡ１−１）の場合と同様に、図５に示す（ａ）と（ｂ）、または（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御することによって単相交流電圧ＶＲＳを出力する。
Ａ２）系統側（単相交流電源１７）から蓄電池１５を充電する場合
Ａ２−１）|ＶＲＳ|＞ＶＤＣの場合（降圧動作）
系統側から電力を入力して蓄電池１５を充電し、且つ、|ＶＲＳ|＞ＶＤＣの条件では図６に示す電流経路にて降圧動作を行う。コントローラ２１はＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図６のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の高い電圧の単相交流電源１７から蓄電池１５の充電を行う。
すなわち、ＶＲＳ＞０では、図６の（ａ）と（ｂ）のスイッチング状態を交互に制御し、ＶＲＳ＜０の場合は同図の（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御して単相交流電源１７から蓄電池１５を充電する。
Ａ２−１）|ＶＲＳ|＞ＶＤＣの場合（降圧動作）
系統側から電力を入力して蓄電池１５を充電し、且つ、|ＶＲＳ|＞ＶＤＣの条件では図６に示す電流経路にて降圧動作を行う。コントローラ２１はＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図６のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の高い電圧の単相交流電源１７から蓄電池１５の充電を行う。
すなわち、ＶＲＳ＞０では、図６の（ａ）と（ｂ）のスイッチング状態を交互に制御し、ＶＲＳ＜０の場合は同図の（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御して単相交流電源１７から蓄電池１５を充電する。
Ａ２−２）|ＶＲＳ|＜ＶＤＣの場合（昇圧動作）
系統側から電力を入力して蓄電池１５を充電し、且つ、|ＶＲＳ|＜ＶＤＣの条件では図７に示す電流経路にて昇圧動作を行う。コントローラ２１はＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図７のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の低い電圧の単相交流電源１７から充電を行う。
すなわち、上述のＡ２−１）の場合と同様に、図７に示す（ａ）と（ｂ）、または（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御することによって単相交流電源１７から蓄電池１５を充電する。
系統側から電力を入力して蓄電池１５を充電し、且つ、|ＶＲＳ|＜ＶＤＣの条件では図７に示す電流経路にて昇圧動作を行う。コントローラ２１はＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図７のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の低い電圧の単相交流電源１７から充電を行う。
すなわち、上述のＡ２−１）の場合と同様に、図７に示す（ａ）と（ｂ）、または（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御することによって単相交流電源１７から蓄電池１５を充電する。
なお、図４〜図７の説明図ではＩＧＢＴのオン・オフ状態が分り易いようにＩＧＢＴをメカニカルスイッチで代用して記載している。
コントローラ２１は蓄電池１５から電力を出力する場合は、単相交流電圧ＶＲＳの検出値と単相正弦波の電圧指令を比較し、その偏差量をＰＩ制御器などを用いて制御信号とし、ＰＷＭパルスの時比率を調整することで交流電圧の出力を行う。また、蓄電池充電の際は、蓄電池１５の電流検出値と電流指令を比較し、その偏差量をＰＩ制御器などを用いて制御信号とし、ＰＷＭパルスの時比率を調整することによって充電電流を流す。
以上のように、第1実施形態では、双方向スイッチのオン・オフ状態とパルス幅変調制御によって単相交流電圧の出力、および単相交流電源から蓄電池の充電を行うことができる。また、上記Ａ１）とＡ２）どちらも動作時は電流経路上にあるＩＧＢＴとダイオードの総数が必ず4個となるので、導通損失を低減できる。さらに、インダクタ１を流れる電流の経路を確保しているので、サージ電圧が発生せず安全性を向上することができる。
コントローラ２１は蓄電池１５から電力を出力する場合は、単相交流電圧ＶＲＳの検出値と単相正弦波の電圧指令を比較し、その偏差量をＰＩ制御器などを用いて制御信号とし、ＰＷＭパルスの時比率を調整することで交流電圧の出力を行う。また、蓄電池充電の際は、蓄電池１５の電流検出値と電流指令を比較し、その偏差量をＰＩ制御器などを用いて制御信号とし、ＰＷＭパルスの時比率を調整することによって充電電流を流す。
以上のように、第1実施形態では、双方向スイッチのオン・オフ状態とパルス幅変調制御によって単相交流電圧の出力、および単相交流電源から蓄電池の充電を行うことができる。また、上記Ａ１）とＡ２）どちらも動作時は電流経路上にあるＩＧＢＴとダイオードの総数が必ず4個となるので、導通損失を低減できる。さらに、インダクタ１を流れる電流の経路を確保しているので、サージ電圧が発生せず安全性を向上することができる。
(第２実施形態)
図２は、第２実施形態を示す電力変換装置の構成図である。同図において、第１実施形態の図１と異なる点は双方向スイッチ２５、２８の部分をそれぞれ片方向スイッチ４および１０で構成したことである。この変更に伴い、コントローラ２１ａやその構成要素であるＰＷＭ制御器２３ａの部分の構成が変更となる。その他の部分については図１と同一である。
第２実施形態の電力変換装置の出力は、無停電電源装置（ＵＰＳ）を想定したものであり、負荷１６と並列に単相交流電源１７が接続されている。この無停電電源装置（ＵＰＳ）は蓄電池１５の充電を単相交流電源１７から行い、停電時は単相交流電源１７を切り離し蓄電池１５から負荷１６に電力を供給する。
図２は、第２実施形態を示す電力変換装置の構成図である。同図において、第１実施形態の図１と異なる点は双方向スイッチ２５、２８の部分をそれぞれ片方向スイッチ４および１０で構成したことである。この変更に伴い、コントローラ２１ａやその構成要素であるＰＷＭ制御器２３ａの部分の構成が変更となる。その他の部分については図１と同一である。
第２実施形態の電力変換装置の出力は、無停電電源装置（ＵＰＳ）を想定したものであり、負荷１６と並列に単相交流電源１７が接続されている。この無停電電源装置（ＵＰＳ）は蓄電池１５の充電を単相交流電源１７から行い、停電時は単相交流電源１７を切り離し蓄電池１５から負荷１６に電力を供給する。
第２実施形態である図２の回路は、双方向スイッチ２４、２７によって端子Ｕと端子ＲおよびＳの間を接続し、双方向スイッチ２６、２９によって端子Ｗと端子ＲおよびＳの間を接続している。また、端子Ｖと端子ＲおよびＳの間は、端子ＲおよびＳから端子Ｖへ電流が流れる方向にそれぞれ片方向スイッチ４、１０を接続している。インダクタ１の端子Ｕの電流は、双方向スイッチ２４、２７のオン・オフ制御で端子ＲおよびＳに自由に接続することができる。従って、Ｒ−Ｓ端子間に正負電圧の単相交流電圧を発生することができる。
図２のコントローラ２１ａは、蓄電池電圧ＶＤＣと単相交流電圧ＶＲＳの絶対値|ＶＲＳ|との大小関係、および、第1実施形態にて説明したＶＲＳの正負極性に基づいて以下のような制御を行う。
Ｂ１）蓄電池１５から電力を系統側（単相交流電源１７）に出力する場合
Ｂ１−１）|ＶＲＳ|＜ＶＤＣの場合（降圧動作）
蓄電池１５から系統側に電力を出力し、且つ、|ＶＲＳ|＜ＶＤＣの条件では図８に示す電流経路にて降圧動作によって単相交流電圧ＶＲＳを出力する。コントローラ２１ａはＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図８のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の低い電圧を出力させる。
すなわち、ＶＲＳ＞０では、図８の（ａ）と（ｂ）のスイッチング状態を交互に制御し、ＶＲＳ＜０の場合は同図の（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御して単相交流電圧ＶＲＳを出力する。
Ｂ１）蓄電池１５から電力を系統側（単相交流電源１７）に出力する場合
Ｂ１−１）|ＶＲＳ|＜ＶＤＣの場合（降圧動作）
蓄電池１５から系統側に電力を出力し、且つ、|ＶＲＳ|＜ＶＤＣの条件では図８に示す電流経路にて降圧動作によって単相交流電圧ＶＲＳを出力する。コントローラ２１ａはＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図８のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の低い電圧を出力させる。
すなわち、ＶＲＳ＞０では、図８の（ａ）と（ｂ）のスイッチング状態を交互に制御し、ＶＲＳ＜０の場合は同図の（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御して単相交流電圧ＶＲＳを出力する。
Ｂ１−２）|ＶＲＳ|＞ＶＤＣの場合（昇圧動作）
蓄電池１５から系統側に電力を出力し、且つ、|ＶＲＳ|＞ＶＤＣの条件では図９に示す電流経路にて昇圧動作によって単相交流電圧ＶＲＳを出力する。コントローラ２１ａはＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図９のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の高い電圧を出力させる。
すなわち、上述のＢ１−１）の場合と同様に、図９に示す（ａ）と（ｂ）、または（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御することによって単相交流電圧ＶＲＳを出力する。
蓄電池１５から系統側に電力を出力し、且つ、|ＶＲＳ|＞ＶＤＣの条件では図９に示す電流経路にて昇圧動作によって単相交流電圧ＶＲＳを出力する。コントローラ２１ａはＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図９のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の高い電圧を出力させる。
すなわち、上述のＢ１−１）の場合と同様に、図９に示す（ａ）と（ｂ）、または（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御することによって単相交流電圧ＶＲＳを出力する。
Ｂ２）系統側（単相交流電源１７）から蓄電池１５を充電する場合
Ｂ２−１）|ＶＲＳ|＞ＶＤＣの場合（降圧動作）
系統側から電力を入力して蓄電池１５を充電し、且つ、|ＶＲＳ|＞ＶＤＣの条件では図１０に示す電流経路にて降圧動作を行う。コントローラ２１ａはＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図１０のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の高い電圧の単相交流電源１７から蓄電池１５の充電を行う。
すなわち、ＶＲＳ＞０では、図１０の（ａ）と（ｂ）のスイッチング状態を交互に制御し、ＶＲＳ＜０の場合は同図の（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御して単相交流電源１７から蓄電池１５を充電する。
Ｂ２−１）|ＶＲＳ|＞ＶＤＣの場合（降圧動作）
系統側から電力を入力して蓄電池１５を充電し、且つ、|ＶＲＳ|＞ＶＤＣの条件では図１０に示す電流経路にて降圧動作を行う。コントローラ２１ａはＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図１０のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の高い電圧の単相交流電源１７から蓄電池１５の充電を行う。
すなわち、ＶＲＳ＞０では、図１０の（ａ）と（ｂ）のスイッチング状態を交互に制御し、ＶＲＳ＜０の場合は同図の（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御して単相交流電源１７から蓄電池１５を充電する。
なお、図８〜図１０の説明図ではＩＧＢＴのオン・オフ状態が分り易いようにＩＧＢＴをメカニカルスイッチで代用して記載している。
コントローラ２１ａは蓄電池１５から電力を出力する場合は、単相交流電圧ＶＲＳの検出値と単相正弦波の電圧指令を比較し、その偏差量をＰＩ制御器などを用いて制御信号とし、ＰＷＭパルスの時比率を調整することで交流電圧の出力を行う。また、蓄電池充電の際は、蓄電池１５の電流検出値と電流指令を比較し、その偏差量をＰＩ制御器などを用いて制御信号とし、ＰＷＭパルスの時比率を調整することによって充電電流を流す。
以上のように、第２実施形態では、双方向スイッチおよび片方向スイッチのオン・オフ状態とパルス幅変調制御によって単相交流電圧の出力、および単相交流電源からの充電を行うことができる。また、電流経路上にあるＩＧＢＴとダイオードの総数が必ず４個となるので、導通損失が低減できる。さらに、第２実施形態においてもインダクタ１を流れる電流の経路を確保することができるので、サージ電圧が発生せず安全性を向上することができる。
コントローラ２１ａは蓄電池１５から電力を出力する場合は、単相交流電圧ＶＲＳの検出値と単相正弦波の電圧指令を比較し、その偏差量をＰＩ制御器などを用いて制御信号とし、ＰＷＭパルスの時比率を調整することで交流電圧の出力を行う。また、蓄電池充電の際は、蓄電池１５の電流検出値と電流指令を比較し、その偏差量をＰＩ制御器などを用いて制御信号とし、ＰＷＭパルスの時比率を調整することによって充電電流を流す。
以上のように、第２実施形態では、双方向スイッチおよび片方向スイッチのオン・オフ状態とパルス幅変調制御によって単相交流電圧の出力、および単相交流電源からの充電を行うことができる。また、電流経路上にあるＩＧＢＴとダイオードの総数が必ず４個となるので、導通損失が低減できる。さらに、第２実施形態においてもインダクタ１を流れる電流の経路を確保することができるので、サージ電圧が発生せず安全性を向上することができる。
第２実施形態が第1実施形態と異なる部分は、端子Ｖの電流方向は一定方向なので、端子Ｖがオンとなる状態ではインダクタ１の電流は端子ＵからＲ、および端子ＵからＳに流れる方向にしかコントロールできないことである。従って、第１実施形態に比べ、蓄電池１５から降圧動作によって系統側に電力を出力する場合に、インダクタ１の電流零近傍での制御特性が悪くなる。また、図１１の（ａ）（ｃ）に示す電流経路から明らかのように系統側から昇圧動作により蓄電池１５を充電する電流は流せないという問題がある。しかし、第２実施形態の回路構成の場合は、双方向スイッチの使用数を２個減らすことができるというメリットがある。
（第３実施形態）
図３は、第３実施形態を示す電力変換装置の構成図である。同図において、第１実施形態の図１と異なる点は双方向スイッチ２４〜２９の部分をそれぞれ片方向スイッチ３、４、６、９、１０，１２で構成し、蓄電池１５の正負極性の接続状態を切替えるためのメカニカルスイッチ３０を設けたことである。この変更に伴い、コントローラ２１ｂやその構成要素であるＰＷＭ制御器２３ｂの部分の構成が変更となる。その他の部分については図１と同一である。
第３実施形態の電力変換装置の出力は、無停電電源装置（ＵＰＳ）を想定したものであり、負荷１６と並列に単相交流電源１７が接続されている。この無停電電源装置（ＵＰＳ）は蓄電池１５の充電を単相交流電源１７から行い、停電時は単相交流電源１７を切り離し蓄電池１５から負荷１６に電力を供給する。
図３は、第３実施形態を示す電力変換装置の構成図である。同図において、第１実施形態の図１と異なる点は双方向スイッチ２４〜２９の部分をそれぞれ片方向スイッチ３、４、６、９、１０，１２で構成し、蓄電池１５の正負極性の接続状態を切替えるためのメカニカルスイッチ３０を設けたことである。この変更に伴い、コントローラ２１ｂやその構成要素であるＰＷＭ制御器２３ｂの部分の構成が変更となる。その他の部分については図１と同一である。
第３実施形態の電力変換装置の出力は、無停電電源装置（ＵＰＳ）を想定したものであり、負荷１６と並列に単相交流電源１７が接続されている。この無停電電源装置（ＵＰＳ）は蓄電池１５の充電を単相交流電源１７から行い、停電時は単相交流電源１７を切り離し蓄電池１５から負荷１６に電力を供給する。
第３実施形態である図３の回路は、片方向スイッチ３、４、６、９、１０、１２によって、端子Ｕ、Ｖ、Ｗと端子Ｒ、Ｓの間を接続する。蓄電池１５から負荷１６へ電力を送る場合には、端子Ｕに蓄電池１５の正極を接続し、端子Ｗに蓄電池１５の負極を接続する。系統側から蓄電池１５を充電する場合には、端子Ｕに蓄電池１５の負極を接続し、端子Ｗに蓄電池１５の正極を接続するようにメカニカルスイッチ、例えば、リレーなどで切替える。端子Ｕ、Ｗと端子Ｒ、Ｓ間の片方向スイッチの接続は電流形インバータの構成と同じとなり、インダクタ１の端子Ｕの電流を片方向スイッチのオン・オフ制御で出力端子である端子Ｒ、Ｓに自由に接続することができる。従って、Ｒ−Ｓ端子間に正負電圧の単相交流電圧を発生することができる。
図３のコントローラ２１ｂは、蓄電池電圧ＶＤＣと単相交流電圧ＶＲＳの絶対値|ＶＲＳ|との大小関係、および、第1実施形態にて説明したＶＲＳの正負極性に基づいて以下のような制御を行う。
Ｃ１）蓄電池１５から電力を系統側（単相交流電源１７）に出力する場合
Ｃ１−１）|ＶＲＳ|＜ＶＤＣの場合（降圧動作）
蓄電池１５から系統側に電力を出力し、且つ、|ＶＲＳ|＜ＶＤＣの条件では図１２に示す電流経路にて降圧動作によって単相交流電圧ＶＲＳを出力する。コントローラ２１ｂはＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図１２のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の低い電圧を出力させる。
すなわち、ＶＲＳ＞０では、図１２の（ａ）と（ｂ）のスイッチング状態を交互に制御し、ＶＲＳ＜０の場合は同図の（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御して単相交流電圧ＶＲＳを出力する。
Ｃ１−１）|ＶＲＳ|＜ＶＤＣの場合（降圧動作）
蓄電池１５から系統側に電力を出力し、且つ、|ＶＲＳ|＜ＶＤＣの条件では図１２に示す電流経路にて降圧動作によって単相交流電圧ＶＲＳを出力する。コントローラ２１ｂはＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図１２のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の低い電圧を出力させる。
すなわち、ＶＲＳ＞０では、図１２の（ａ）と（ｂ）のスイッチング状態を交互に制御し、ＶＲＳ＜０の場合は同図の（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御して単相交流電圧ＶＲＳを出力する。
Ｃ１−２）|ＶＲＳ|＞ＶＤＣの場合（昇圧動作）
蓄電池１５から系統側に電力を出力し、且つ、|ＶＲＳ|＞ＶＤＣの条件では図１３に示す電流経路にて昇圧動作によって単相交流電圧ＶＲＳを出力する。コントローラ２１ｂはＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図１３のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の高い電圧を出力させる。
すなわち、上述のＣ１−１）の場合と同様に、図１３に示す（ａ）と（ｂ）、または（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御することによって単相交流電圧ＶＲＳを出力する。
蓄電池１５から系統側に電力を出力し、且つ、|ＶＲＳ|＞ＶＤＣの条件では図１３に示す電流経路にて昇圧動作によって単相交流電圧ＶＲＳを出力する。コントローラ２１ｂはＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図１３のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の高い電圧を出力させる。
すなわち、上述のＣ１−１）の場合と同様に、図１３に示す（ａ）と（ｂ）、または（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御することによって単相交流電圧ＶＲＳを出力する。
Ｃ２）系統側（単相交流電源１７）から蓄電池１５を充電する場合
第３実施形態においては、系統側から蓄電池１５を充電する場合、最初に、メカニカルスイッチ３０にて、蓄電池１５の正負極性の接続変更を行う必要があることは上述した通りである。以下の説明においては、この接続変更はすでに完了しているものとする。
Ｃ２−１）|ＶＲＳ|＞ＶＤＣの場合（降圧動作）
系統側から電力を入力して蓄電池１５を充電し、且つ、|ＶＲＳ|＞ＶＤＣの条件では図１４に示す電流経路にて降圧動作を行う。コントローラ２１ｂはＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図１４のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の高い電圧の単相交流電源１７から蓄電池１５の充電を行う。
すなわち、ＶＲＳ＞０では、図１４の（ａ）と（ｂ）のスイッチング状態を交互に制御し、ＶＲＳ＜０の場合は同図の（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御して単相交流電源１７から蓄電池１５を充電する。
第３実施形態においては、系統側から蓄電池１５を充電する場合、最初に、メカニカルスイッチ３０にて、蓄電池１５の正負極性の接続変更を行う必要があることは上述した通りである。以下の説明においては、この接続変更はすでに完了しているものとする。
Ｃ２−１）|ＶＲＳ|＞ＶＤＣの場合（降圧動作）
系統側から電力を入力して蓄電池１５を充電し、且つ、|ＶＲＳ|＞ＶＤＣの条件では図１４に示す電流経路にて降圧動作を行う。コントローラ２１ｂはＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図１４のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の高い電圧の単相交流電源１７から蓄電池１５の充電を行う。
すなわち、ＶＲＳ＞０では、図１４の（ａ）と（ｂ）のスイッチング状態を交互に制御し、ＶＲＳ＜０の場合は同図の（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御して単相交流電源１７から蓄電池１５を充電する。
Ｃ２−２）|ＶＲＳ|＜ＶＤＣの場合（昇圧動作）
系統側から電力を入力して蓄電池１５を充電し、且つ、|ＶＲＳ|＜ＶＤＣの条件では図１５に示す電流経路にて昇圧動作を行う。コントローラ２１ｂはＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図１５のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の低い電圧の単相交流電源１７から充電を行う。
すなわち、上述のＣ２−１）の場合と同様に、図１５に示す（ａ）と（ｂ）、または（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御することによって単相交流電源１７から蓄電池１５を充電する。
系統側から電力を入力して蓄電池１５を充電し、且つ、|ＶＲＳ|＜ＶＤＣの条件では図１５に示す電流経路にて昇圧動作を行う。コントローラ２１ｂはＶＲＳが正か負かの状態によって、ＯＮモード、ＯＦＦモードの電流経路を図１５のように変化させる。それぞれの状態において、ＯＮモード、ＯＦＦモードの時間比率を変えてパルス幅変調し蓄電池電圧ＶＤＣよりも絶対値の低い電圧の単相交流電源１７から充電を行う。
すなわち、上述のＣ２−１）の場合と同様に、図１５に示す（ａ）と（ｂ）、または（ｃ）と（ｄ）のスイッチング状態を交互に制御することによって単相交流電源１７から蓄電池１５を充電する。
なお、図１２〜図１５の説明図ではＩＧＢＴのオン・オフ状態が分り易いようにＩＧＢＴをメカニカルスイッチで代用して記載している。
コントローラ２１ｂは蓄電池１５から電力を出力する場合は、単相交流電圧ＶＲＳの検出値と単相正弦波の電圧指令を比較し、その偏差量をＰＩ制御器などを用いて制御信号とし、ＰＷＭパルスの時比率を調整することで交流電圧の出力を行う。また、充電の際は、蓄電池１５の電流検出値と電流指令を比較し、その偏差量をＰＩ制御器などを用いて制御信号とし、ＰＷＭパルスの時比率を調整することによって充電電流を流す。
以上のように，第３実施形態では、蓄電池の極性切替と片方向スイッチのオン・オフ状態とパルス幅変調制御によって単相交流電圧の出力、および単相交流電源からの充電を行うことができる。また、電流経路上にあるＩＧＢＴとダイオードの総数が必ず４個となるので、導通損失が低減できる。第1実施形態および第２実施形態と比較した場合、メカニカルスイッチが追加されるが、双方向スイッチの使用数が大幅に削減できるので装置を安価にできる。また、インダクタ１を流れる電流の経路を確保することができるので、サージ電圧が発生せず安全性を向上することができる。
コントローラ２１ｂは蓄電池１５から電力を出力する場合は、単相交流電圧ＶＲＳの検出値と単相正弦波の電圧指令を比較し、その偏差量をＰＩ制御器などを用いて制御信号とし、ＰＷＭパルスの時比率を調整することで交流電圧の出力を行う。また、充電の際は、蓄電池１５の電流検出値と電流指令を比較し、その偏差量をＰＩ制御器などを用いて制御信号とし、ＰＷＭパルスの時比率を調整することによって充電電流を流す。
以上のように，第３実施形態では、蓄電池の極性切替と片方向スイッチのオン・オフ状態とパルス幅変調制御によって単相交流電圧の出力、および単相交流電源からの充電を行うことができる。また、電流経路上にあるＩＧＢＴとダイオードの総数が必ず４個となるので、導通損失が低減できる。第1実施形態および第２実施形態と比較した場合、メカニカルスイッチが追加されるが、双方向スイッチの使用数が大幅に削減できるので装置を安価にできる。また、インダクタ１を流れる電流の経路を確保することができるので、サージ電圧が発生せず安全性を向上することができる。
図１９は、各実施形態において、蓄電池電圧ＶＤＣと単相交流電圧ＶＲＳとの高低と、昇圧動作・降圧動作を行う電圧領域の対応関係を示したものである。コントローラは、外部から入力される蓄電池から電力を取り出す（放電）かまたは充電するかの状態切替と、ＶＤＣ、ＶＲＳの検出値と、図１９に示した対応関係に基づいて降圧動作と昇圧動作を切替える。図１９の零近傍の斜線は、ＶＤＣ、|ＶＲＳ|がスイッチのオン電圧程度(数ボルト)まで低い値に近付くと制御できない状態となるため、その制御不能状態を示している。
また、図２０は、単相交流電圧ＶＲＳの時間変化とコントローラが行う降圧動作・昇圧動作の切替対応図を示したものである。充電時は|ＶＲＳ|がスイッチのオン時の電圧降下程度(数ボルト)まで低くなると昇圧動作ができなくなるので、この状態では制御不能となる。しかし、充電時に系統の力率が１（電圧と電流の位相差が零）になるように動作させると、この制御不能部分での電流もほぼ零となって電流の歪が軽微となる。
各実施形態において、片方向スイッチとして、ＩＧＢＴとダイオードを直列接続した構成を用いた場合を説明したが、逆阻止形ＩＧＢＴ（ＲＢ−ＩＧＢＴ）を使えば、ダイオードは必要なくなり、さらに電流経路の素子数を低減し導通損失も低減できる。
各実施形態において、蓄電池から電力を系統側に出力する場合にＶＲＳの過電圧を検出した場合、または、系統側から蓄電池を充電する場合にＶＤＣの過電圧を検出した場合、さらに、出力電流や蓄電池の過電流を検出した場合などの異常時には、電力変換装置の動作を停止しなければならない。しかし、この保護動作において、動作の停止を全てのスイッチをオフすることで行った場合は、インダクタ１に蓄積された電磁エネルギーが一挙に放電されるためサージ電圧が発生し、電力変換回路３１内のスイッチが破壊する恐れがある。この問題を解決するために、本実施形態のコントローラは、このような異常を検出した際には図１６に示すようなインダクタの電流を還流させるモードへ移行する。これによってサージ電圧の発生を抑制しつつ、入力端子と出力端子の間を切り離す不図示の開閉器の接点を開状態として保護動作を行う。インダクタを流れる電流の経路を確保するので、サージ電圧が発生せず安全性を向上することができる。
図１６において、（ａ）と（ｂ）は、第１実施形態の回路構成に対応するものであり、（ａ）は双方向スイッチ２７と２８をオンした場合、（ｂ）は双方向スイッチ２４と２５をオンした場合を示す。また、同図の（ｃ）と（ｄ）は、第２実施形態の回路構成に対応するものであり、（ｃ）は双方向スイッチ２７と片方向スイッチ１０をオンした場合、（ｄ）は双方向スイッチ２４と片方向スイッチ４をオンした場合を示す。さらに、同図の（ｅ）と（ｆ）は第３実施形態の回路構成に対応するものであり、（ｅ）は片方向スイッチ９と１０をオンした場合、（ｆ）は片方向スイッチ３と４をオンした場合を示す。
上述の各スイッチのオン動作によって、インダクタ１の電流を還流させることができ、電力変換装置における異常検出時のサージ電圧の発生を抑制することができる。
上述の各スイッチのオン動作によって、インダクタ１の電流を還流させることができ、電力変換装置における異常検出時のサージ電圧の発生を抑制することができる。
１ インダクタ
２〜１３ 片方向スイッチ
１４ キャパシタ
１５ 蓄電池（直流電源）
１６ 負荷
１７ 単相交流電源
１８ 直流電圧検出器
１９ 交流電圧検出器
２０ 電流検出器
２１、２１ａ、２１ｂ コントローラ
２２ 演算器
２３、２３ａ、２３ｂ ＰＷＭ制御器
２４〜２９ 双方向スイッチ
３０ メカニカルスイッチ
３１ 電力変換回路
３２ スイッチ回路部
Ｖｂ 直流電源
ＳＷ スイッチ
Ｌ インダクタ（リアクトル）
Ｃ キャパシタ（コンデンサ）
Ｄ ダイオード
Ｌｏａｄ 負荷
２〜１３ 片方向スイッチ
１４ キャパシタ
１５ 蓄電池（直流電源）
１６ 負荷
１７ 単相交流電源
１８ 直流電圧検出器
１９ 交流電圧検出器
２０ 電流検出器
２１、２１ａ、２１ｂ コントローラ
２２ 演算器
２３、２３ａ、２３ｂ ＰＷＭ制御器
２４〜２９ 双方向スイッチ
３０ メカニカルスイッチ
３１ 電力変換回路
３２ スイッチ回路部
Ｖｂ 直流電源
ＳＷ スイッチ
Ｌ インダクタ（リアクトル）
Ｃ キャパシタ（コンデンサ）
Ｄ ダイオード
Ｌｏａｄ 負荷
Claims (20)
- 直流電源の直流電圧と、単相交流電源の単相交流電圧とを可逆的に電力変換する直流−交流電力変換装置であって、
前記直流電源側に３つの直流側接続端を有し、前記単相交流電源側に２つの交流側接続端を有するスイッチ回路部と、
前記直流電源と前記スイッチ回路部との間に配置したインダクタと、
前記スイッチ回路部と前記単相交流電源もしくは負荷との間に配置したキャパシタと、
前記直流電圧を昇圧または降圧させて前記直流電源の電力を前記単相交流電源もしくは前記負荷へ供給、または前記単相交流電圧を昇圧または降圧させて前記単相交流電源の電力を前記直流電源へ供給させるように、前記スイッチ回路部を駆動するコントローラと、を備えることを特徴とする直流−交流電力変換装置。 - 前記スイッチ回路部は、前記インダクタの他端を第一の双方向スイッチの一端と第四の双方向スイッチの一端とに接続し、第二の双方向スイッチの一端と第五の双方向スイッチの一端とを前記インダクタの一端に接続し、第三の双方向スイッチの一端と第六の双方向スイッチの一端とを前記直流電源の負極側に接続し、前記第一の双方向スイッチの他端と前記第二の双方向スイッチの他端と前記第三の双方向スイッチの他端を前記単相交流側の一端に接続し、前記第四の双方向スイッチの他端と前記第五の双方向スイッチの他端と前記第六の双方向スイッチの他端を前記単相交流側の他端に接続した前記第一から第六の双方向スイッチとを備え、
前記インダクタの一端は前記直流電源の正極側に接続し、
前記キャパシタの一端は前記第一の双方向スイッチの他端に、前記キャパシタの他端は前記第四の双方向スイッチの他端に接続することを特徴とする請求項１記載の直流−交流電力変換装置。 - 前記直流電源の電圧を検出する直流電圧検出器と前記単相交流側の電圧を検出する交流電圧検出器と前記直流電源の電流を検出する電流検出器の少なくとも一つ以上の検出器と、
前記検出器の検出値に基づいて、前記第一から第六の双方向スイッチをオンオフ動作させ、前記直流電源の電力を前記単相交流電源へ供給または前記単相交流電源の電力を前記直流電源へ供給するコントローラとを備えることを特徴とする請求項２記載の直流−交流電力変換装置。 - 前記直流電源の電圧を検出する直流電圧検出器と、前記単相交流側の電圧を検出する交流電圧検出器とを備え、前記直流電源から前記単相交流電源に電力を供給するように前記第一から第六の双方向スイッチを前記インダクタとの相互作用により降圧動作モードまたは昇圧動作モードとなるよう切替動作させる共に、ＰＷＭ制御によって前記直流電源の電力を前記単相交流電源へ供給するコントローラとを備えることを特徴とする請求項２または３記載の直流−交流電力変換装置。
- 前記単相交流側の電圧ＶＲＳと前記直流電源の電圧ＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＜ＶＤＣの場合には、前記降圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第一の双方向スイッチと前記第六の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の双方向スイッチと前記第五の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第四の双方向スイッチと前記第三の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第四の双方向スイッチと前記第二の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の直流−交流電力変換装置。 - 前記単相交流側の電圧ＶＲＳとＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＞ＶＤＣの場合には、前記昇圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第一の双方向スイッチと第三の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の双方向スイッチと前記第六の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第四の双方向スイッチと前記第六の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第四の双方向スイッチと前記第三の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の直流−交流電力変換装置。 - 前記直流電源の電圧を検出する直流電圧検出器と、前記単相交流側の電圧を検出する交流電圧検出器と前記直流電源の電流を検出する電流検出器とを備え、前記直流電源から前記単相交流電源に電力を供給するように前記第一から第六の双方向スイッチを前記インダクタとの相互作用により降圧動作モードまたは昇圧動作モードとなるよう切替動作させる共に、ＰＷＭ制御によって前記直流電源の電力を前記単相交流電源または前記単相交流電源から前記直流電源を充電制御するコントローラとを備えることを特徴とする請求項４記載の直流−交流電力変換装置。
- 前記充電制御は、前記電圧ＶＲＳとＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＞ＶＤＣの場合には、前記降圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第一の双方向スイッチと前記第六の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の双方向スイッチと前記第三の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第四の双方向スイッチと前記第三の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第四の双方向スイッチと前記第六の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記電流検出器によって検出された電流検出値と電流指令との偏差量に基づいて、前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御を行うコントローラとを備えることを特徴とする請求項７に記載の直流−交流電力変換装置。 - 前記充電制御は、前記電圧ＶＲＳとＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＜ＶＤＣの場合には、前記昇圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第一の双方向スイッチと前記第五の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の双方向スイッチと前記第六の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第四の双方向スイッチと前記第二の双方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第四の双方向スイッチと前記第三の双方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記電流検出器によって検出された電流検出値と電流指令との偏差量に基づいて、前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御を行うコントローラとを備えることを特徴とする請求項７に記載の直流−交流電力変換装置。 - 前記第二の双方向スイッチを前記単相交流側の一端から前記直流電源の正極側の方向に電流を流す片方向スイッチ、および前記第五の双方向スイッチを前記単相交流側の他端から前記直流電源の正極側の方向に電流を流す片方向スイッチで置き換えたことを特徴とする請求項４乃至８のいずれかに記載の直流−交流電力変換装置。
- 直流電源と、前記直流電源の電圧極性を反転して出力するメカニカルスイッチと、
前記電圧極性の反転前には正電圧、反転後には負電圧に接続される前記メカニカルスイッチの一方の接点に接続された前記インダクタと、前記第一の双方向スイッチと前記第四の双方向スイッチとを蓄電池側から負荷側へ電流を流す方向の第一の片方向スイッチと第四の片方向スイッチにそれぞれ置換し、
前記第二の双方向スイッチと前記第三の双方向スイッチと前記第五の双方向スイッチと前記第六の双方向スイッチとを負荷側から蓄電池側へ電流を流す方向の第二の片方向スイッチ、第三の片方向スイッチ、第五の片方向スイッチ、第六の片方向スイッチにそれぞれ置換した電力変換装置において、
前記直流電源の電圧を検出する前記直流電圧検出器と前記単相交流側の電圧を検出する交流電圧検出器と前記直流電源の電流を検出する前記電流検出器と、
前記直流電源から前記単相交流側に電力を供給するときは、前記メカニカルスイッチの接続を前記電圧極性の反転前の状態とし、前記単相交流側から前記直流電源を充電制御するときは、前記メカニカルスイッチの接続を前記電圧極性が反転するよう変更して、置換した前記片方向スイッチを前記インダクタとの相互作用により降圧動作モードまたは昇圧動作モードとなるよう切替制御すると共にＰＷＭ制御によって、単相交流電圧を出力し前記単相交流側への電力供給、または前記直流電源への充電制御を行うコントローラとを備えることを特徴とする請求項３記載の直流−交流電力変換装置。 - 前記単相交流電圧の生成は、前記電圧ＶＲＳとＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＜ＶＤＣの場合には、前記降圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第一の片方向スイッチと前記第六の片方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の片方向スイッチと前記第五の片方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第四の片方向スイッチと前記第三の片方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第四の片方向スイッチと前記第二の片方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御により前記単相交流電圧の生成を行うことを特徴とする請求項１１に記載の直流−交流電力変換装置。 - 前記単相交流電圧の生成は、前記電圧ＶＲＳとＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＞ＶＤＣの場合には、前記昇圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第一の片方向スイッチと前記第三の片方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の片方向スイッチと前記第六の片方向スイッチ６をオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第四の片方向スイッチと前記第六の片方向スイッチ６をオンするＯＮモードと、前記第四の片方向スイッチと前記第三の片方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御により前記単相交流電圧の生成を行うことを特徴とする請求項１１に記載の直流−交流電力変換装置。 - 前記充電制御は、前記電圧ＶＲＳとＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＞ＶＤＣの場合には、前記降圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第四の片方向スイッチと前記第三の片方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第四の片方向スイッチと前記第六の片方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第一の片方向スイッチと前記第六の片方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の片方向スイッチと前記第三の片方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記電流検出器によって検出された電流検出値と電流指令との偏差量に基づいて、前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御を行うことを特徴とする請求項１１に記載の直流−交流電力変換装置。 - 前記充電制御は、前記電圧ＶＲＳとＶＤＣの関係が、｜ＶＲＳ｜＜ＶＤＣの場合には、前記昇圧動作モードが選択され、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＞０とき、前記第四の片方向スイッチと前記第二の片方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第四の片方向スイッチと前記第三の片方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御し、
前記電圧ＶＲＳがＶＲＳ＜０のとき、前記第一の片方向スイッチと前記第五の片方向スイッチをオンするＯＮモードと、前記第一の片方向スイッチと前記第六の片方向スイッチをオンするＯＦＦモードのスイッチング状態を交互に制御して、
前記電流検出器によって検出された電流検出値と電流指令との偏差量に基づいて、前記ＯＮモードと前記ＯＦＦモードの時間比率を変えて前記ＰＷＭ制御を行うことを特徴とする請求項１１に記載の直流−交流電力変換装置。 - 異常検出によって動作を停止する場合は、前記インダクタの端子間を短絡して前記インダクタに流れている電流経路を確保すると共に、前記蓄電池と前記電力系統を切り離す開閉器を開とする保護動作をすることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載の直流−交流電力変換装置。
- 直流電源の直流電圧と、単相交流電源の単相交流電圧とを可逆的に電力変換する直流−交流電力変換回路であって、
前記直流電源側に第一から第三の直流側接続端を有し、前記単相交流電源側に第一、第ニの交流側接続端を有するスイッチ回路部と、
前記直流電源と前記スイッチ回路部との間に配置したインダクタと、
前記スイッチ回路部と前記単相交流電源もしくは負荷との間に配置したキャパシタと、を備えたことを特徴とする直流−交流電力変換回路。 - 前記スイッチ回路部は、
前記第一の交流側接続端と前記第一から第三の直流側接続端とを各々双方向スイッチで接続し、
前記第二の交流側接続端と前記第四から第六の直流側接続端とを各々双方向スイッチで接続したことを特徴とする請求項１７記載の直流−交流電力変換回路。 - 前記第一の交流側接続端と前記第二の直流側接続端とを接続した双方向スイッチを前記第一の交流側接続端から前記第二の直流側接続端の方向へ通電する片方向スイッチに
置換し、
前記第二の交流側接続端と前記第二の直流側接続端とを接続した双方向スイッチを前記第二の交流側接続端から前記第二の直流側接続端の方向へ通電する片方向スイッチに置換したことを特徴とする請求項１７記載の直流−交流電力変換回路。 - 前記第一の交流側接続端と前記第三の直流側接続端とを接続した双方向スイッチを前記第一の交流側接続端から前記第三の直流側接続端の方向へ通電する片方向スイッチに
置換し、
前記第二の交流側接続端と前記第三の直流側接続端とを接続した双方向スイッチを前記第二の交流側接続端から前記第三の直流側接続端の方向へ通電する片方向スイッチに置換し、
前記第一の交流側接続端と前記第一の直流側接続端とを接続した双方向スイッチを前記第一の直流側接続端から前記第一の交流側接続端の方向へ通電する片方向スイッチに
置換し、
前記第二の交流側接続端と前記第一の直流側接続端とを接続した双方向スイッチを前記第一の直流側接続端から前記第二の交流側接続端の方向へ通電する片方向スイッチに
置換したことを特徴とする請求項１９記載の直流−交流電力変換回路。
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