JP5477169B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、発電手段の発電電力を少なくとも電圧変換及び直流交流変換を行って商用電源系統に供給する電力変換装置に関するもので、特に住宅用であって発電手段として太陽電池を有する電力変換装置において有効である。

従来、特許文献１に記載の太陽電池および蓄電池を併用した電力変換装置の構成が知られている。そして、この種の電力変換には次のような種類が有る。

１．太陽電池から商用電源系統への電力変換
２．太陽電池から蓄電池への電力変換
３．商用電源系統から蓄電池への電力変換
このような、電力変換を行う場合、各部の電圧が異なること、及び交流直流の変換が必要となる。

ここで、特許文献１に記載の電力変換装置には、太陽電池用の昇圧チョッパ、蓄電池用昇圧チョッパ、及び直流交流変換回路（インバータ）を必要としている。

また、一般に各部の電圧は次のようになっている。
・太陽電池の電圧 ＤＣ５０Ｖ〜３８０Ｖ
・蓄電池の電圧 ＤＣ２００Ｖ〜３５０Ｖ
・系統電圧 ＡＣ２００Ｖ、またはＡＣ１００Ｖ
また、特許文献２は、太陽電池の電力を蓄電池に蓄電するための電力変換装置であるが、太陽電池の電圧が蓄電池の電圧より低い場合は昇圧し、反対に太陽電池の電圧が蓄電池の電圧より高い場合は降圧する構成になっている。

また、非特許文献１では、蓄電池を電源とする直流を三相交流に変換するインバータで三相モータを駆動している。そして、三相モータの中性点を介する直流電流を、モータ内の相コイルに流し、直流電圧をモータの相コイルを利用して昇圧する回路が記載されている。

更に、制約された条件下でモータをインバータで駆動しながら、インバータのスイッチ手段を昇圧用のスイッチ手段として作用させて、昇圧しながらモータを回転させることも記載されている。

次に、住宅において、モータで換気扇を回転させ住宅内の換気を行なう換気装置、及び給湯装置においてモータで冷媒を室外熱交換機と給湯タンク内熱交換器相互間に循環させて住宅内の給湯を行なう給湯システムが周知であり、これらの装置はモータを所定の期間のみ使用している。

特開２００２−１７１６７４号公報 特開２０００−２８７３８２号公報 片桐敏章、伊東淳一、"モータ中性点を利用した直流三相変換回路"、[ｏｎｌｉｎｅ]、平成１８度電気関係学会北陸支部連合大会、［平成２２年４月２８日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://pelab.nagaokaut.ac.jp/itohlab/paper/18/19zenkoku/katagiri.pdf#search='モータ中性点を利用した直流三相'＞

上記のような特許文献１及び特許文献２に記載の従来技術を使用した場合、複数の電圧範囲に対応してチョッパが必要となり、チョッパに昇圧用または降圧用のリアクトル（コイル）とリアクトルへの通電を制御するためのスイッチ手段を必要とする。これでは回路部品が多くなり、製造コストが高くなる。従って、より低コスト化し、小型化が可能な構成が望まれる。

また、非特許文献１に記載された技術では、蓄電池の電圧を昇圧してモータを駆動するだけであり、蓄電池の電力を外部に変換して取り出しておらず、発電手段も無く、用途が具体的でない。

本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目して成されたものであり、その目的は、部品数を削減でき、よりコストを低減できる電力変換装置を提供することにある。

従来技術として列挙された特許文献の記載内容は、この明細書に記載された技術的要素の説明として、参照によって導入ないし援用することができる。

本発明は上記目的を達成するために、下記の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、発電手段の発電電力を少なくとも電圧変換及び直流交流変換を行って商用電源系統に供給すると共に発電手段及び商用電源系統にて蓄電池を充電し、かつ蓄電池から商用電源系統に電力を供給する装置と、回転負荷を駆動するモータとを備えた電力変換装置であって、発電手段からの電流が一次側から二次側に向けて流れるリアクトル、該リアクトルへの通電を制御して電圧変換する断続スイッチ手段を備えた電圧変換回路、電圧変換回路の出力に対して直流交流変換を行って商用電源系統に出力する直流交流変換回路、電圧変換回路内のリアクトルを一次側から二次側に流れる電流を、蓄電池側と、商用電源系統側とに選択的に導く回路切替スイッチ手段、及び内部の磁気回路に磁束を流すコイルを有するモータを有し、リアクトルは、モータのコイルから成り、回路切替スイッチ手段は、コイルへの接続を蓄電池側の端子または直流交流変換回路側の端子に切り替える第１スイッチ手段と、第１スイッチ手段の直流交流変換回路側の端子を蓄電池側の端子または直流交流変換回路に接続する第２スイッチ手段と、直流交流変換回路と電圧変換回路および発電手段との間を接続または遮断する第３スイッチ手段とを含むことを特徴としている。

この発明によれば、発電手段からの電流が流れるリアクトルと該リアクトルへの通電を制御して電圧変換する断続スイッチ手段を備えた電圧変換回路、及び電圧変換回路内のリアクトルを介して流れる電流を蓄電池側と商用電源系統側とに導く回路切替スイッチ手段を設けたから、電圧変換回路の部品であるリアクトルを共通使用して、発電手段から蓄電池と商用電源系統とに向けた電力変換が行える電力変換装置を提供することがでる。また、少なくともリアクトルをモータと共通使用しているから、回路構成の簡素化を達成することができる。
また、回路切替スイッチ手段は、コイルへの接続を蓄電池側の端子または直流交流変換回路側の端子に切り替える第１スイッチ手段と、第１スイッチ手段の直流交流変換回路側の端子を蓄電池側の端子または直流交流変換回路に接続する第２スイッチ手段と、直流交流変換回路と電圧変換回路および発電手段との間を接続または遮断する第３スイッチ手段とを含むから、第１に、第３スイッチ手段を遮断した状態で、リアクトルを経由する発電手段からの電力を電圧変換して、第１スイッチ手段と第２スイッチ手段とを介して直流交流変換回路と商用電源系統とに供給することができる。第２に、第３スイッチ手段を遮断した状態で、リアクトルを経由する発電手段からの電力を電圧変換して、第１スイッチ手段と第２スイッチ手段とを介して蓄電池に供給することができる。第３に、第３スイッチ手段を接続した状態で、リアクトルを経由する商用電源系統からの電力を電圧変換して、第１スイッチ手段と第２スイッチ手段とを介して蓄電池に供給することができる。第４に、第３スイッチ手段を接続した状態で、蓄電池からの電力を第１スイッチ手段と電圧変換回路とを介して商用電源系統に供給することができる。

請求項２に記載の発明では、発電手段は太陽電池、燃料電池、風力発電装置の少なくともいずれか一つから成る事を特徴としている。

この発明によれば、発電手段は太陽電池、燃料電池、風力発電装置の少なくともいずれか一つから成るから、これらのいずれか一つからの電力を用いて、少なくとも商用電源系統に電力を供給することができる。

請求項３に記載の発明では、発電手段の電流が流れるリアクトルへの通電を制御して電圧変換する断続スイッチ手段は、少なくともモータのコイルから成るリアクトルの二次側に設けられていることを特徴としている。

この発明によれば、断続スイッチ手段は少なくともリアクトルの二次側に設けられているから、リアクトルに流れる電流をリアクトルの二次側に設けられた断続スイッチ手段で遮断したときのリアクトルの誘起起電力を利用して発電手段の出力電圧を昇圧することが出来る。

請求項４に記載の発明では、モータのコイルを兼ねるリアクトルへの通電を制御して電圧変換する電圧変換回路の断続スイッチ手段は、少なくともリアクトルの一次側と二次側との両方に接続されていることを特徴としている。

この発明によれば、断続スイッチ手段は、リアクトルの一次側と二次側とに接続されているから、一次側の断続スイッチ手段をチョッピング作動させて降圧機能を発揮させ、二次側の断続スイッチ手段でリアクトルに高電圧を誘起させて昇圧することが出来るため、電圧変換回路の出力として、任意の電圧の出力を得ることができる。

請求項５に記載の発明では、リアクトルの一次側の断続スイッチ手段は、モータへの通電を制御しモータを回転させるモータ用直流交流変換回路のスイッチ手段を兼用していることを特徴としている。

この発明によれば、一次側の断続スイッチ手段は、モータへの通電を制御し、モータを回転させるモータ用直流交流変換回路を兼用しているから、部品数を少なくすることが出来る。

請求項６に記載の発明では、モータは回転負荷を回転駆動していないときにリアクトルとして通電されることを特徴としている。

この発明によれば、リアクトルとしての作用とモータとしての作用が干渉することが無く、回転負荷を回転駆動するために使用していないときのモータをリアクトルとして活用できる。

請求項７に記載の発明では、モータは回転負荷となる換気扇または給湯装置の圧縮機を駆動するものであることを特徴としている。

この発明によれば、換気扇や給湯装置の圧縮機は、回転負荷を回転駆動していないときが多く、モータをリアクトルとして活用し易い。また、モータとして回転負荷を回転駆動しながらリアクトルとして活用する場合も、回転負荷の大きさを加減し易く、モータをリアクトルとして活用し易い。
請求項８に記載の発明では、電圧変換回路は、発電手段とモータの間に接続されたモータ用直流交流変換回路と、コイルに第１スイッチ手段の直流交流変換回路側の端子を介して接続された断続スイッチ手段とを含み、第１スイッチ手段の直流交流変換回路側の端子と第２スイッチ手段との間に第１スイッチ手段から第２スイッチ手段に向けて電流が流れるダイオードを有することを特徴としている。
この発明によれば、第１スイッチ手段の直流交流変換回路側の端子と第２スイッチ手段との間に第１スイッチ手段から第２スイッチ手段に向けて電流が流れるダイオードを有するから、リアクトルを兼ねるモータのコイルに発生した高電圧による電流を第１切替スイッチ手段、ダイオード、第２切替スイッチ手段と流して所定の電圧を得ることができる。これにより、発電手段の電圧を昇圧し、直流交流変換回路で直流から交流に変換して商用電源系統へ出力することができる。また、モータのコイルからなるリアクトル、断続スイッチ手段とダイオードで昇圧回路を構成し、リアクトルに誘起した高電圧で蓄電池を充電することができる。

本発明の第１実施形態における太陽光発電用電力変換装置の電気回路図である。 上記図１の実施形態において、太陽電池から商用電源系統への電力変換の場合の太陽光発電用電力変換装置の作動を示す電気回路図である。 上記図１の実施形態において、太陽電池から蓄電池への電力変換の場合の太陽光発電用電力変換装置の作動を示す電気回路図である。 上記図１の実施形態において、商用電源系統から蓄電池への電力変換の場合の太陽光発電用電力変換装置の作動を示す電気回路図である。 上記図１の実施形態において、蓄電池から商用電源系統への電力変換の場合の太陽光発電用電力変換装置の作動を示す電気回路図である。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。

各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
以下、具体的に、本発明の第１実施形態について図１乃至図５を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態における電力変換装置１００の電気回路図である。図１において、この第１実施形態では、発電手段として太陽電池１を使用している。２は蓄電池である。

４はモータであり、電力変換装置１００に近接した位置に設けられていることが好ましいが、住宅内であればどこに設けられていても良い。このモータ４は回転負荷４０となる給湯装置の圧縮機を駆動するものである。なお、回転負荷４０としては、換気扇やその他の家電製品内モータであっても良いが、この実施形態では、圧縮機４０のモータ４として説明する。

この第１実施形態は、発電機用ＤＣ−ＤＣ変換回路と蓄電池用ＤＣ−ＤＣ変換回路を成す電圧変換回路のリアクトルをモータ４の中性点を利用した構成にすることにより、リアクトルとしてモータ４のコイルを代用させ、電圧変換動作を実現するものであり、発電機と蓄電池を併用した電力変換装置においてモータ４を回路の一部として兼用させたものである。

直流交流変換装置（インバータ）１０の交流側は、商用電源系統１５と家電製品等の負荷１６に接続されている。なお、フィルタを、直流交流変換装置１０の交流側に接続し、直流交流変換装置１０内のＰＷＭ（パルス幅変調）回路によって交流化された波形のリップル成分を減少させても良い。

Ｔｒ１〜Ｔｒ７はパワートランジスタ（以下単にトランジスタ）から成る断続スイッチ手段である。９は三相交流出力を直流に変換するモータ用直流交流変換回路である。トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ７としては、ＩＧＢＴ、スーパージャンクションＭＯＳ（ＳＪ−ＭＯＳ）、ＳｉＣパワートランジスタ等のスイッチング時の損失の少ないスイッチ素子が使用できる。

Ｄ１〜Ｄ９はダイオードである。特に、断続スイッチ手段Ｔｒ１〜Ｔｒ７と並列のダイオードＤ１〜Ｄ７は、フライホイールダイオードである。Ｃ１はコンデンサである。

モータ４は内部の磁気回路に磁束を流すコイルを有する。その第１実施形態では、モータ４は永久磁石を備えた回転子と回転磁界を形成する固定子コイルを有する同期電動機である。そして固定子コイルの相コイルでリアクトルＬ１を構成している。

この相コイルから成るリアクトルＬ１には、断続スイッチ手段を成すトランジスタＴｒ１、Ｔｒ７がＯＮしたときに通電され、トランジスタＴｒ１をＯＮしたまま、トランジスタＴｒ７をＯＦＦしてリアクトルＬ１の通電電流が遮断されたときに高い誘起起電力をリアクトルＬ１に発生する。また、降圧時には、トランジスタＴｒ１をチョッパのように断続してリアクトルＬ１に所定デューティ比の電流を流し、後段のコンデンサＣ１に対する充電時定数を設定する役割を持つ。

つまり、リアクトルＬ１に通電されることにより、リアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギをトランジスタＴｒ１からＴｒ７の少なくともいずれかからなる断続スイッチ手段で調整して、高い電圧から低い電圧までを得ることができ、昇圧または降圧が可能となっている。つまり、モータ用直流交流変換回路９は電圧変換回路９ａを成す昇圧降圧回路を兼ねている。具体的には、以下の各場合において繰り返し説明する。

直流交流変換回路１０は、直流を交流の所定電圧に変換するインバータとしての作用と、交流を所定電圧の直流に変換する整流兼電圧調整機能を有し、内部にＰＷＭ（パルス幅変調）回路を内蔵している周知のものである。

回路切替スイッチ手段を成すＳＷ１〜ＳＷ３は、第１スイッチ手段ＳＷ１と第２スイッチ手段ＳＷ２と第３スイッチ手段ＳＷ３とを含み、マグネットスイッチ（電磁開閉器）の接点であり、内部のコイルに通電されることにより電磁力で接点が駆動され、回路の導通または遮断を行う。これらの接点を無接点化して無接点パワーリレーを使用することも可能である。このうち、マグネットスイッチの接点ＳＷ３は、商用電源系統１５と太陽電池１または電圧変換回路９ａとの間を接続するものである。

なお、実際には更に短絡防止のためのサーキットブレーカ、売電用メータ、電力計及びＣＴ（変流器）等が設けられるが省略している。また、ＳＷ１、ＳＷ２は、３端子の切替接点を使用している。

以上のように、少なくとも太陽電池１と蓄電池２と商用電源系統１５とを有する。また、電圧変換回路９ａの出力を商用電源系統１５の交流に変換する直流交流変換回路１０を有する。この直流交流変換回路１０は、逆に交流電力を直流電力に変換し蓄電池２に充電する機能も備える。また、回路切替スイッチ手段を成す接点ＳＷ１〜ＳＷ３のＯＮ、ＯＦＦ状態を切替えることにより、電力伝送の向きを切替えている。

正弦波交流の実効値は最大値の０．７０７倍に等しい。この図１において、商用電源系統１５の電圧をＡＣ２００Ｖ（交流２００ボルトの実効値）とすると、２００÷０．７０７＝２８３となり、ピーク間電圧（最大値）は約２８０Ｖになる。

このため、直流交流変換回路（インバータ）１０で、直流を交流に変換して商用電源系統１５にＡＣ２００Ｖ（交流２００ボルトの実効値）の電圧の電力を供給するためには、直流交流変換回路１０の直流側電圧Ｖａに２８０ボルト以上の高い電圧を印加する必要がある。

この直流交流変換回路１０の直流側電圧を以下の説明においてＶａ電圧と称することにする。このＶａ電圧は、この実施形態では、ＤＣ３５０Ｖ（直流３５０ボルト）〜ＤＣ４００Ｖに設定している。

太陽電池１から最大電力を得ようとすると、太陽電池１の出力電圧はＤＣ５０Ｖ〜ＤＣ３８０Ｖの範囲で変化してしまう。

また、商用電源系統１５の電圧は単相ＡＣ２００Ｖであるとして説明する。なお、商用電源系統の電圧は、ＡＣ１００Ｖでもよく、その他、三相交流を使用したり、単相三線式の配線を使用したりすることも可能であるであるが、ここでは、単相２線のＡＣ２００Ｖが住宅内に給電されているものとして説明する。

このような太陽電池１の電圧の変動を考慮し、かつ、上述の制約されたＶａ電圧のもとで、回路切替スイッチ手段ＳＷ１〜ＳＷ３、電圧変換回路９a、及び直流交流変換回路１０を制御して、電圧を調整しながら電力変換を行う必要がある。以下、これについて、各場合に分けて説明する。なお、電圧変換回路９ａのリアクトルＬ１としてモータ４の相コイルを使用する場合、３つの相コイルの全てを使用したり、２つの相コイルのみを使用したりすることが出来るが、ここでは１相のコイルのみを使用し、モータ用直流交流変換回路９のトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２とダイオードＤ１、Ｄ２の１アームのみを使用することにする。

なお、モータ用直流交流変換回路９と電圧変換回路９ａは部品を兼用している。モータ用直流交流変換回路９の範囲は、ブリッジ回路となるトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６及びダイオードＤ１〜Ｄ６である。一方、電圧変換回路９ａの範囲は、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６及びダイオードＤ１〜Ｄ６に加えて、モータ４の相コイルから成るリアクトルＬ１、トランジスタＴｒ７、ダイオードＤ７、Ｄ９を含んでいる。
（１）太陽電池から商用電源系統への電力変換の場合
図２は、図１において、太陽電池１から系統１５への電力変換の場合の太陽光発電用電力変換装置１００の作動を示す電気回路図である。

この太陽電池１から商用電源系統１５への電力変換の場合においては、回路切替スイッチ手段を構成するマグネットスイッチの切替接点ＳＷ１、ＳＷ２は、図２のように、上側にＯＮ、常開接点ＳＷ３はＯＦＦ（開）している。このマグネットスイッチ内の図示しないコイルの励磁（付勢）信号は図示しない切替制御手段を構成する電子制御装置（ＥＣＵ）から出力される。また、モータ用直流交流変換回路９を成す三相インバータは１アームのみを使用しトランジスタＴｒ１をＯＮし、Ｔｒ２をＯＦＦする。

太陽電池電圧がＶａ電圧より低い場合は昇圧する必要がある。この場合は、トランジスタＴｒ７、ダイオードＤ７、Ｄ９とモータ４の１相の相コイルで電圧変換回路９ａとしての昇圧回路を構成する。

すなわち、断続スイッチ手段を成すトランジスタＴｒ１を連続的にＯＮし、Ｔｒ２を連続的にＯＦＦしているため、太陽電池１からの直流電流は、トランジスタＴｒ１、モータ４の１相の相コイル、中性点、切替接点ＳＷ１、トランジスタＴｒ７と流れてリアクトルＬ１を兼ねるモータ４の１相の相コイルに電磁エネルギが蓄積される。

次に、トランジスタＴｒ７がＯＦＦしたときに、リアクトルＬ１を兼ねるモータ４の１相の相コイルに発生した高電圧による電流を切替接点ＳＷ１、ダイオードＤ９、切替接点ＳＷ２、コンデンサＣ１と流してＶａ電圧として所定の電圧を得る。このように、トランジスタＴｒ７のＯＮ、ＯＦＦを高速で繰り返して太陽電池１の出力電圧を昇圧し、直流交流変換回路１０で直流から交流に変換して商用電源系統１５へ出力する。

太陽電池１の電圧がＶａ電圧と同等もしくは高い場合は、トランジスタＴｒ１を連続的にＯＮし、Ｔｒ２を連続的にＯＦＦしているため、太陽電池１からの電流がトランジスタＴｒ１、モータ４の相コイルから成るリアクトルＬ１、接点ＳＷ１、ＳＷ２、直流交流変換回路１０と流れ、該直流交流変換回路１０内のＰＷＭ制御回路で電圧、周波数、及び位相を調整して商用電源系統１５のＡＣ２００Ｖを出力する。このときに、接点ＳＷ３をＯＮにして直接太陽電池１からの電流を、直流交流変換回路１０に並列的に流しても良い。
（２）太陽電池から蓄電池への電力変換の場合
図３は、図１において、太陽電池１から蓄電池２への電力変換の場合の太陽光発電用電力変換装置１００の作動を示す電気回路図である。

図３において、切替接点ＳＷ１は上側にＯＮ、切替接点ＳＷ２は下側にＯＮし、常開接点ＳＷ３はＯＦＦ（開）する。モータ用直流交流変換回路９を成す三相インバータは１アームのみを使用し、太陽電池の電圧が蓄電池の電圧より高い場合は降圧する必要がある。

モータ用直流交流変換回路９を成す三相インバータのトランジスタＴｒ１、ダイオードＤ１、Ｄ２、およびモータ４の相コイルで電圧変換回路９ａの降圧回路を構成し、太陽電池１の電圧を降圧し蓄電池２へ出力する。なお、ダイオードＤ２はモータ４の相コイルに誘起する電圧による電流を流しトランジスタＴｒ２を保護する。

すなわち、トランジスタＴｒ１をチョッパ回路のチョッパのように使用してモータ４の相コイルにチョッピングされた所定デューティの電圧を印加して降圧された直流電圧で、電流をトランジスタＴｒ１→モータ４の相コイル、中性点、切替接点ＳＷ１、ＳＷ２→蓄電池２と流して蓄電池２を充電する。

太陽電池１の出力電圧が蓄電池２の電圧より低い場合は、トランジスタＴｒ１をＯＮしたまま、トランジスタＴｒ７を断続的にＯＮ、ＯＦＦすることにより、リアクトルＬ１に誘起した高電圧で、電流をトランジスタＴｒ１→モータ４の相コイルから成るリアクトルＬ１、中性点、切替接点ＳＷ１、ＳＷ２→蓄電池２と流して、電圧変換回路９ａの昇圧回路を構成する。
（３）商用電源系統から蓄電池への電力変換の場合
図４は、図１において、商用電源系統１５から蓄電池２への電力変換の場合の太陽光発電用電力変換装置１００の作動を示す電気回路図である。

図４において、切替接点ＳＷ１は、上側にＯＮ、切替接点ＳＷ２は下側にＯＮし、常開接点ＳＷ３はＯＮ（閉）する。モータ用直流交流変換回路９を成す三相インバータは１アームのみを使用し、Ｖａ電圧が蓄電池２の電圧より高い場合は、Ｖａ電圧を降圧する必要がある。

この場合、モータ４の相コイルから成るリアクトルＬ１と三相インバータのトランジスタＴｒ１と、ダイオードＤ１、Ｄ２とでモータで降圧回路を構成し、降圧された電圧を蓄電池２に印加して充電する。

すなわち、トランジスタＴｒ１をチョッパ回路のチョッパのように使用してモータ４の相コイルにチョッピングされた所定デューティの電圧を印加して、降圧された直流電圧で、電流をトランジスタＴｒ１→モータ４の相コイルから成るリアクトルＬ１、中性点、切替接点ＳＷ１、ＳＷ２→蓄電池２と流して、蓄電池２を充電する。

Ｖａ電圧が蓄電池２の電圧より低い場合は、Ｖａ電圧を昇圧する必要がある。モータ用直流交流変換回路９のトランジスタＴｒ１をＯＮ、Ｔｒ２をＯＦＦし、モータ４の相コイルからなるリアクトル、トランジスタＴｒ７とダイオードＤ９で昇圧回路を構成し、トランジスタＴｒ７を断続的にＯＦＦしてリアクトルＬ１に誘起した高電圧で蓄電池２を充電する。
（４）蓄電池から商用電源系統への電力変換の場合
図５は、図１において、蓄電池２から商用電源系統１５への電力変換の場合の太陽光発電用電力変換装置１００の作動を示す電気回路図である。

図５において、切替接点ＳＷ１は、下側にＯＮし、切替接点ＳＷ２は、上側にＯＮしている。常開接点ＳＷ３はＯＮ（閉）する。モータ用直流交流変換回路９を成す三相インバータは１アームのみを使用し、蓄電池２の電圧がＶａ電圧より低い場合は昇圧する必要がある。

図５において、モータ４の相コイルから成るリアクトルＬ１、トランジスタＴｒ２とダイオードＤ１で昇圧回路を構成し、蓄電池２の電圧を昇圧して直流交流変換回路１０で直流から交流変換して商用電源系統１５へ出力する。

すなわち、蓄電池２→切替接点ＳＷ１→中性点→モータ４の相コイルから成るリアクトルＬ１→トランジスタＴｒ２と電流を逆に流し、トランジスタＴｒ２を断続的にＯＮ、ＯＦＦして、相コイルに誘起した高電圧をダイオードＤ１、接点ＳＷ３を介してコンデンサＣ１に充電し、直流交流変換回路１０から商用電源系統１５へ出力する。

蓄電池２の電圧がＶａ電圧より高い場合は、直流交流変換回路１０内のＰＷＭ制御回路で系統電圧のＡＣ２００Ｖに調整してから出力する。なお、蓄電池２に蓄えた電力を売電することは法規上できないため、蓄電池２から商用電源系統１５側への出力電力が負荷１６の消費電力を超えた場合は、（１）〜（３）のモードに切り替えるか、または直流交流変換回路１０（インバータ）を停止させる。
（第１実施形態のまとめ）
以上のように上記第１実施形態では、発電手段を成す太陽電池１と蓄電池２と商用電源系統１５とを備え、太陽電池１の出力をＤＣ−ＤＣ変換し、かつ蓄電池２の出力のＤＣ−ＤＣ変換を行なう電圧変換回路９ａに、リアクトルＬ１の代用となるモータ４のコイルを使用している。

また、太陽電池１の出力電圧の昇圧動作及び蓄電池２の電圧の昇圧動作のスイッチング素子を兼用するモータ用の三相インバータから成るモータ用直流交流変換回路９を備えている。

そして、モータ４のリアクトルＬ１と、蓄電池２側あるいはトランジスタＴｒ７、ダイオードＤ９側とを切り替える切替スイッチ手段ＳＷ１を備えている。

また、ダイオードＤ９側を蓄電池２側あるいはＶａ電圧印加端子側に切替える切替スイッチ手段ＳＷ２を備えている。更に、Ｖａ電圧印加端子側とダイオードＤ８側とを接続するときにＯＮする切替スイッチ手段ＳＷ３を備えている。

そして。モータ４のコイルをリアクトルＬ１として利用した中性点昇圧回路を構成することで、モータ４をＤＣ−ＤＣコンバータ回路に用いるリアクトルＬ１に代用した電力変換装置を提供している。

（その他の実施形態）
本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。例えば、上述の第１実施形態では、モータ用直流交流変換回路９を成す三相インバータは１アームのみを使用したが、モータ用直流交流変換回路９のブリッジの上下のスイッチング動作をそろえれば、２アーム、３アームを用いても、モータのコイルをリアクトルに兼用した電力変換を実現できる。

（２アームの場合）
つまり、２アームを利用した昇圧機能を電圧変換回路９ａに発揮させ、太陽電池電圧がＶａ電圧より低い場合の昇圧を行なう場合は、図２において、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ３を同時にＯＮしている状態で、トランジスタＴｒ２、Ｔｒ４を同時にＯＦＦし、太陽電池１からの直流電流は、トランジスタＴｒ１及びＴｒ３を並列に流れて、モータ４の２相の相コイル、中性点、切替接点ＳＷ１、トランジスタＴｒ７と流れてリアクトルを兼ねるモータ４の２相の相コイルに電磁エネルギが蓄積される。

次に、トランジスタＴｒ７がＯＦＦしたときに、リアクトルを兼ねるモータ４の２相の相コイルに発生した高電圧による電流を切替接点ＳＷ１、ダイオードＤ９、切替接点ＳＷ２、コンデンサＣ１と流してＶａ電圧に所定の電圧を印加する。

（３アームの場合）
更に、３アームを利用した昇圧機能を電圧変換回路９ａに発揮させ、太陽電池電圧がＶａ電圧より低い場合の昇圧を行なう場合は、図２において、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ３、Ｔｒ５が同時にＯＮしている状態で、トランジスタＴｒ２、Ｔｒ４、Ｔｒ６を同時にＯＦＦし、太陽電池１からの直流電流は、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ３、Ｔｒ５を並列に流れて、モータ４の３相の相コイル、中性点、切替接点ＳＷ１、トランジスタＴｒ７と流れてリアクトルを兼ねるモータ４の３相の相コイルに電磁エネルギが蓄積される。

次に、トランジスタＴｒ７がＯＦＦしたときに、リアクトルを兼ねるモータ４の３相の相コイルに発生した高電圧による電流を切替接点ＳＷ１、ダイオードＤ９、切替接点ＳＷ２、コンデンサＣ１と流してＶａ電圧に所定の電圧を印加する。

同様に降圧時においても１アームだけでなく２アーム、３アームを活用することが出来る。２アームの場合、モータ用直流交流変換回路９を成す三相インバータのトランジスタＴｒ１、Ｔｒ３、ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４及びモータ４の相コイルで電圧変換回路９ａの降圧回路を構成し、太陽電池１の電圧を降圧し蓄電池２へ出力する。

すなわち、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ３をチョッパ回路のチョッパのように同時にＯＮＯＦＦさせて、モータ４の２つの相コイルにチョッピングされた所定デューティの電圧を印加して降圧された直流電圧で蓄電池２を充電する。

更に、３アームで降圧回路を構成し、太陽電池１の電圧を降圧し蓄電池２へ出力する場合は、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ３、Ｔｒ５をチョッパ回路のチョッパのように同時にＯＮＯＦＦさせて、モータ４の３つの相コイルにチョッピングされた所定デューティの電圧を印加して降圧された直流電圧で蓄電池２を充電する。

（太陽電池以外の発電手段）
また発電手段として太陽電池を用いたが、太陽電池の代わりに燃料電池、風力発電装置のうちのいずれか一つを使用しても良い。更に、発電手段として太陽電池、燃料電池、風力発電装置の３つを備え、別途設けられた回路切替スイッチ手段を成すマグネットスイッチの接点または無接点パワーリレーで、発電手段を太陽電池、燃料電池、風力発電装置のうちのいずれか一つに切替えても良い。

このように、発電手段を選択し、かつ、電圧変換回路の部品であるリアクトルを共通使用して、少なくとも蓄電池と商用電源系統とに向けた電力変換が行える電力変換装置を提供することもできる。

また、発電手段として、燃料電池３、または風力発電装置４を使用する場合には、これらの発電手段にコンデンサや抵抗等で構成されたフィルタを接続して、発電された電圧のリップル成分を減少させても良い。

（切替接点以外の接点の使用）
上記第１実施形態では、３端子を持つ切替接点ＳＷ１、ＳＷ２を使用したが、これは、接点ＳＷ３のような通常の２端子の接点を組み合わせて切替機能を生じさせるようにすることも可能である。

（モータ回転中のリアクトルの兼用）
また、上記実施形態においては、モータ４が回転していないとき、つまりモータ４として使用していないときに、モータ４の相コイルをリアクトルＬ１として活用したが、コンデンサＣ１両端の直流電圧をモータ用直流交流変換回路９で三相交流に変換して、モータ４が回転しているときに、蓄電池２側から中性点を介して３つの相コイルに零相電流を重畳して流して、蓄電池２の電圧をモータ４の相コイルをリアクトルＬ１として活用しながら昇圧してコンデンサＣ１両端に印加することも出来る。なお、この考え方は、上述した非特許文献１に開示されている。

（蓄電池または燃料電池の変形例）
上述の第１実施形態では、蓄電池は定置式のものを示したが、電気自動車（ＥＶ）に搭載された蓄電池（バッテリ）であっても良い。

すなわち、車庫に置かれている電気自動車内の蓄電池を屋根上の太陽電池で充電できる。

また、商用電源系統から電気自動車（ＥＶ）のバッテリを充電できることは勿論である。また、燃料電池も同様に電気自動車に搭載された燃料電池であっても良い。更に、各実施形態において、商用電源系統１５の手前に家電製品から成る負荷１６を設けているから、商用電源系統に電力を供給せずに負荷１６で電力を消費することも可能である。

（モータの変形例）
またモータ４は、三相モータ、単相モータ、直流モータであっても良い。また、誘導電動機であっても良い。更に、モータ４が駆動する回転負荷４０の具体例、つまり用途は、住宅用換気扇モータのほか、深夜電力で湯を沸かすヒートポンプサイクルを用いた給湯装置の冷媒圧縮用の圧縮機用モータが使用できる。この給湯装置は、昼間は使用していないことが多いので、太陽電池の電力変換装置として好ましい。

なお、モータは回転負荷を回転駆動していないときにリアクトルとして通電されることが好ましい。その理由は、リアクトルとしての作用とモータとしての作用が干渉することが無く、回転負荷を回転駆動するために使用していないときのモータをリアクトルとして活用できるからである。また、モータは回転負荷となる換気扇または給湯装置の圧縮機を駆動するものであることが好ましい。その理由は、換気扇や給湯装置の圧縮機は、回転負荷を回転駆動していないときが多く、モータをリアクトルとして活用し易い。また、モータとして回転負荷を回転駆動しながらリアクトルとして活用する場合も、回転負荷（あるいはトルク及び回転速度）の大きさを加減し易く、モータをリアクトルとして活用し易い。

なお、モータ用直流交流変換回路（インバータ）９が設けられていないモータ４の場合は、少なくとも１アームのトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、及びダイオードＤ１、Ｄ２相当を別途設ける必要がある。

１ 太陽電池
２ 蓄電池
４ モータとなる例えば三相交流モータ
９ モータ用直流交流変換回路
９ａ 電圧変換回路
１０ 直流交流変換装置
１５ 商用電源系統
１６ 家電製品等の負荷
４０ 回転負荷
１００ 電力変換装置
Ｃ１ コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ９ ダイオード
Ｌ１ リアクトル
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３ 回路切替スイッチ手段を成す接点
Ｔｒ１〜Ｔｒ７ 断続スイッチ手段を成すトランジスタ
Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｄ１、Ｄ２ モータ用直流交流変換回路９の１アーム
Ｖａ 直流交流変換回路の直流側電圧

Claims (8)

1. 発電手段の発電電力を少なくとも電圧変換及び直流交流変換を行って商用電源系統に供給すると共に前記発電手段及び前記商用電源系統にて蓄電池を充電し、かつ前記蓄電池から前記商用電源系統に電力を供給する装置と、回転負荷を駆動するモータとを備えた電力変換装置であって、
   前記発電手段からの電流が一次側から二次側に向けて流れるリアクトル、
   該リアクトルへの通電を制御して電圧変換する断続スイッチ手段を備えた電圧変換回路、
   前記電圧変換回路の出力に対して直流交流変換を行って前記商用電源系統に出力する直流交流変換回路、
   前記電圧変換回路内の前記リアクトルを前記一次側から前記二次側に流れる電流を、前記蓄電池側と、前記商用電源系統側とに選択的に導く回路切替スイッチ手段、及び
   内部に磁気回路に磁束を流すコイルを有する前記モータを有し、
   前記リアクトルは、前記モータの前記コイルから成り、
   前記回路切替スイッチ手段は、前記コイルへの接続を前記蓄電池側の端子または前記直流交流変換回路側の端子に切替える第１スイッチ手段と、前記第１スイッチ手段の前記直流交流変換回路側の端子を前記蓄電池側の端子または前記直流交流変換回路に切替える第２スイッチ手段と、前記直流交流変換回路と前記電圧変換回路および前記発電手段との間を接続または遮断する第３スイッチ手段とを含むことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記発電手段は太陽電池、燃料電池、風力発電装置の少なくともいずれか一つから成る事を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記発電手段の電流が流れる前記リアクトルへの通電を制御して電圧変換する前記断続スイッチ手段は、少なくとも前記モータの前記コイルから成る前記リアクトルの前記二次側に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記モータの前記コイルを兼ねる前記リアクトルへの通電を制御して電圧変換する前記電圧変換回路の前記断続スイッチ手段は、少なくとも前記リアクトルの前記一次側と前記二次側との両方に接続されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 前記リアクトルの前記一次側の断続スイッチ手段は、前記モータへの通電を制御し前記モータを回転させるモータ用直流交流変換回路のスイッチ手段を兼用していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 前記モータは回転負荷を回転駆動していないときに前記リアクトルとして通電されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
7. 前記モータは回転負荷となる換気扇または給湯装置の圧縮機を駆動するものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
8. 前記電圧変換回路は、前記発電手段と前記モータの間に接続されたモータ用直流交流変換回路と、前記コイルに前記第１スイッチ手段の前記直流交流変換回路側の端子を介して接続された前記断続スイッチ手段とを含み、
   前記第１スイッチ手段の前記直流交流変換回路側の端子と前記第２スイッチ手段との間に前記第１スイッチ手段から前記第２スイッチ手段に向けて電流が流れるダイオードを有することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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