JP5933012B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明はフィルタ回路を備える電力変換装置に関するものである。
太陽光発電装置や風力発電装置では、発電手段により生成した直流または交流電力を交流系統に送出する前に、電力変換装置による電力変換を行う。
電力変換装置では、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子により構成されたインバータ回路によりＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）等の疑似交流波形を生成し、それをリアクトル等のインダクタ素子とコンデンサ等のキャパシタ素子より構成されるフィルタ回路により正弦波形に成形する。
大容量電力変換装置のフィルタ回路を構成するリアクトルの鉄心は、動作時の損失（鉄損）を減らすために薄い珪素鋼板やアモルファス等の薄帯状磁性材料を複数枚重ねて構成される積層鉄心が用いられ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３組のコイルが平面上に並列された３本の磁脚に巻かれている。
また、三相交流における各相の電圧、電流値や相互の位相差が理想状態から外れた際に発生する零相インピーダンスに伴い発生する磁束を流すため、３本の磁脚の外側にコイルを巻いていない磁脚をさらに２本追加した、三相五脚型鉄心がよく用いられる。
このような三相五脚型鉄心の構成として、例えば特許文献１がある。特許文献１には、「薄い鋼板を複数枚積み重ねて形成される積層鉄心からなる４個の二脚鉄心単位を並設し、こうしてできる３個所の相隣り合う二脚を主脚として三相五脚鉄心を構成し、これら３個の主脚に各相コイルを巻装する」と記述されている。
特開平５−２３４７８３号公報
特許文献１に示された、三相五脚型鉄心による三相変圧器の概要を、図７に示す。この図では、薄い磁性材料を積層させて構成した環状の二脚鉄心３１を４つ隣接させ、相隣り合って形成される３個所の磁脚部３１ａ、３１ｂ、３１ｃにそれぞれコイル３０ａ、３０ｂ、３０ｃを巻いて三相コイルを構成している。また、両端の二脚鉄心のコイルが巻かれていない磁脚３１ｄ、３１ｅを、零相インピーダンス用の磁脚として機能させる。
なお、特許文献１では本構成を変圧器として開示しているが、各コイルが１次巻線のみからなり、２次巻線が存在しない場合は、全く同一の鉄心形状においてリアクトル装置として機能する。
従来構成の三相五脚型鉄心は、三相のコイルが平面上に直線状に並んで構成されることとなり、変圧器、あるいはリアクトル装置の横幅が大きくなり、電力変換装置のフィルタ素子に適用した場合、収容性に問題がある。また、３つのコイル間の距離が異なるため、各相の対称性がずれやすく、動作の安定性、低損失特性が得られにくいという問題がある。
本発明は上記の欠点を改善するために提案されたもので、その目的は、収容性に優れ、三相のコイル間の対称性が向上し、動作の安定性、低損失特性に優れたリアクトル装置をフィルタ回路に適用し、高効率な電力変換装置を提供することである。
上記課題を解決するため、例えば特許請求の範囲に記載された構成を採用する。本願は上記課題を解決する複数の手段を含んでいるが、その一例を挙げるならば、「スイッチング素子を用いて直流電力と多相交流電力の変換を行うインバータと、インバータの交流端子側に設けられたリアクトルを含むフィルタ回路で構成され、インバータは、そのスイッチング素子を搬送波と基本波の交点のタイミングでオンオフして、交流端子側に疑似正弦波交流を得、フィルタ回路により正弦波交流を得る電力変換装置であって、
フィルタ回路のリアクトルは、
薄帯状磁性材料をトロイダル状に巻いて形成した上下１組のヨーク鉄心と、
薄帯状磁性材料で形成された柱状体であり、ヨーク鉄心の中心に対して円周上の対象位置に配置され、上下１組のヨーク鉄心を接続するとともに、コイルを配置した相数分の磁脚鉄心と、
複数枚の薄帯状磁性材料を、ヨーク鉄心の中心から周に向かう方向に積層した直方体状であり、ヨーク鉄心の中心に対して円周上の磁脚鉄心の間の対象位置に配置され、上下１組のヨーク鉄心を接続するとともに、相数分のコイルを配置しない零相用磁脚鉄心を備える」ことを特徴とする。
本発明によれば、従来の三相五脚型鉄心をフィルタ回路のリアクトル装置に用いた場合に比べて収容性に優れ、三相交流の対称性が向上し、変換効率に優れた電力変換装置を提供することが可能になる。
太陽光発電用電力変換装置の構成を示す図。 リアクトル装置の上面透視図の一例を示す図。 リアクトル装置の上面透視図の他の一例を示す図。 風力発電用電力変換装置の構成を示す図。 常時インバータ給電方式の三相無停電電源装置の構成を示す図。 電力変換装置を実装する配電盤内部の縦断面を示す図。 従来例の三相五脚型変圧器の構成を示す図。 ヨーク鉄心と、零相用磁脚鉄心の積層方向を示した図。
以下、実施例について図面を用いて説明する。
本発明の電力変換装置は、スイッチング素子を用いて直流電力と交流電力の変換を行うインバータと、インバータの交流端子側に設けられたリアクトルを含むフィルタ回路で構成されている。またインバータは、そのスイッチング素子を搬送波と基本波の交点のタイミングでオンオフして、交流端子側に疑似正弦波交流を得ている。
本発明は係る前提での電力変換装置におけるリアクトルの構造に特徴のある発明であり、本発明の実施例を図１から図３に示している。図１では、太陽電池１５により生成される直流電力を交流系統Ｌに接続するための太陽光発電用電力変換装置の構成を示している。スイッチング素子を用いて直流電力と交流電力の変換を行うインバータと、インバータの交流端子側に設けられたリアクトルを含むフィルタ回路で構成される本発明の電力変換装置は、図１のＳの部分に相当する。
太陽電池１５により生成される直流電力Ｐｄは、日射量、天候等により変動するため、まず昇圧コンバータ１１により一定の電圧を持つ直流電力ＰＡに変換される。そしてＩＧＢＴ等のスイッチング素子より構成されるフルブリッジインバータ１０におけるＰＷＭ等の点弧タイミング制御により疑似三相交流電力ＰＡが生成される。
図示していないが、昇圧コンバータ１１、インバータ１０の変圧比や変調率等の変換パラメータは、これらの回路に接続された図示せぬ制御手段により、太陽電池１５で発生する電圧値に応じて絶えず調整され、フィルタ１２に送出される疑似三相交流電力ＰＡが略一定になるように調整される。
フィルタ１２は、三相線に直列に接続された三相リアクトル１３と、並列に接続された３組のコンデンサ１４より構成され、疑似三相交流電力ＰＡを正弦三相交流電力Ｐａに変換し、交流系統Ｌに送出する。
本発明では、疑似三相交流電力ＰＡを取り扱うがゆえに、フィルタ１２を構成する三相リアクトル装置１３を以下のように構成している。三相リアクトル装置１３の第１の例として、図１中に斜視図を、図２に上面透視図をそれぞれ示している。
まず図１の斜視図により全体の外観を説明すると、これは上下に配置されたドーナツ状ヨーク鉄心１ａ、１ｂと、上下ヨーク鉄心１ａ、１ｂの間に１２０度間隔で配置された各相の磁脚鉄心３と、各相の磁脚鉄心に巻かれたコイル２と、上下ヨーク鉄心１ａ、１ｂの間に１２０度間隔で配置され、かつ各相の磁脚鉄心３の間に配置された零相用磁脚鉄心４で構成されている。なお、各相のコイル２の巻き始めと巻き終わりの線は、電極２ａとして一方をインバータ１０側の各相Ｕ、Ｖ、Ｗに接続し、他方を交流系統Ｌ側の各相Ｘ、Ｙ、Ｚに接続している。
本発明の電力変換装置で使用する三相リアクトル装置１３は、各相の磁脚鉄心３の間に零相用磁脚鉄心４を配置した点に特徴を有する。三相リアクトル装置１３の各部についてさらに詳細に説明する。
以上述べたように、三相リアクトル装置１３は、３種類の鉄心で構成されている。ヨーク鉄心１ａ、１ｂと、磁脚鉄心３と、零相用磁脚鉄心４がこれに相当している。これらの鉄心の各部分は、例えば複数枚のアモルファス等の薄帯状磁性材料を積層させた部品を用いて形成されている。
このうち、第１の鉄心であるヨーク鉄心１ａ、１ｂは、薄帯状磁性材料を、絶縁を施しながらトロイダル状に巻いて形成（巻回積層）したものである。ヨーク鉄心１ａ、１ｂは中央部分が空洞のドーナッツ状に構成されており、図２の上面透視図では、ヨーク鉄心１ａ、１ｂの中心をＯとしている。
第２の鉄心である３本の磁脚鉄心３は、薄帯状磁性材料を、絶縁を施しながら巻いて構成（巻回積層）した略円柱状をしている。３本の磁脚鉄心３は図２に示すように、ヨーク鉄心１ａ、１ｂの中心Ｏに対して１２０度の角度をもって円周上に配置され、２つのヨーク鉄心１ａと１ｂを接続する。
図２左側に示すように３本の磁脚鉄心３には、それぞれギャップ５と、スリット３ａが設けられている。磁脚鉄心３に少なくとも１ヵ所以上設けられたギャップ５は、鉄心の磁気飽和によるリアクトル装置のインダクタンス値の変化や損失の増加を防止することに貢献する。なおギャップ５は、複数の磁脚鉄心３の接続部に、適当な厚さの絶縁物を挟むことにより構成される。
コイル２に接続された電極２ａを介して電流を流すと、図２に示すように磁脚鉄心３の長手方向Ｚ（高さ方向）に磁束φが発生するが、その磁束により鉄心の円周方向に渦電流ｉが流れてリアクトル装置の損失が増加する。磁脚鉄心の長手方向Ｚに、少なくとも１ヵ所に設けられたスリット３ａは、渦電流ｉの発生を防止するのに貢献する。
これらに対し、第３の鉄心である零相用磁脚鉄心４は、この例では図２右側に示すように複数枚の薄帯状磁性材料を、絶縁を施して積層させた直方体状をしている。この場合の積層方向は中心Ｏから周に向かう方向である。このように、零相用磁脚鉄心４の薄帯帯状磁性材料の積層方向は、ヨーク鉄心１ａ、１ｂの積層方向と同じとし、動径方向とするのがよい。また零相用磁脚鉄心４は、磁脚鉄心３の位置からそれぞれ６０度の角度だけ回転させた円周上に配置され、磁脚鉄心３と同様にヨーク鉄心１ａと１ｂを接続している。
本発明のリアクトル装置１３では、各相の磁脚鉄心３の間に零相用磁脚鉄心４を配置した点に特徴を有する。以下、零相用磁脚鉄心４を設けることの意味について説明する。
まず、３本の磁脚鉄心３に巻回させたコイル２に流れる三相電流は、平衡していることが理想である。しかし実際には、インバータ１０による疑似三相交流であるために、３本の磁脚鉄心３に巻回させたコイル２に流れる三相電流の位相が理想状態からずれている。このため、零相用磁脚鉄心４を配置しない構成においては、零相インピーダンスによる磁束が３本の磁脚鉄心３に流れ、零相電流成分を含む交流電流が交流系統側に流出する。
本発明では、この零相インピーダンスによる磁束φ０が零相用磁脚鉄心４を流れるので、リアクトルを介して交流系統側に流出する交流電流には零相電流成分を含まないものとすることができる。また、零相用磁脚鉄心４を設けることにより、隣接する２つのコイル２間の磁気結合により生じる相互インダクタンスを減少させ、各コイルが本来持つ自己インダクタンスの値の設計値からのずれを減少させるという効果も得られる。
図８は、ヨーク鉄心１ａ、１ｂと、零相用磁脚鉄心４の積層方向を示した図であり、これによればヨーク鉄心１ａ、１ｂの巻回積層による積層方向Ｒ１と零相用磁脚鉄心４の積層方向Ｒ２は、いずれもヨーク鉄心１ａ、１ｂの中心Ｏから周に向かう動径方向である。このため、零相インピーダンスによる磁束φ０が零相用磁脚鉄心４を流れやすくなっている。
また図８において、零相用磁脚鉄心４は異相の磁脚鉄心３の間に配置されているので、隣接する２つのコイル２間の磁気結合を阻害する働きをする。これにより相互インダクタンスを減少させている。
図３は、本実施例におけるフィルタ１２を構成する三相リアクトル装置１３の他の例の上面透視図を示す。本リアクトル装置１３では、コイル２を巻回させた３本の磁脚鉄心３が、複数枚のアモルファス等の薄帯状磁性材料を、絶縁を施して積層させた略扇形状をしている例を示している。
これらの磁脚鉄心３は、例えば薄帯状磁性材料を、絶縁を施しながらトロイダル状に巻いて形成した鉄心を、適当な角度をもってその動径方向に切断することにより形成される。３本の磁脚鉄心３には少なくとも１ヵ所以上のギャップ５が、高さ方向Ｚに設けられる。なおギャップ５は、複数の磁脚鉄心３の接続部に、適当な厚さの絶縁物を挟むことにより構成される。そして図２と同形状の３本の零相用磁脚鉄心４とともに、２つのヨーク鉄心１ａと１ｂを接続している。なお、磁脚鉄心３および４の薄帯帯状磁性材料の積層方向はヨーク鉄心１ａ、１ｂの積層方向と同じとし、動径方向とするのがよい。
図４は、風車に接続された発電機により生成される交流電力を交流系統Ｌに接続するための風力発電用電力変換装置の構成を示している。スイッチング素子を用いて直流電力と交流電力の変換を行うインバータと、インバータの交流端子側に設けられたリアクトルを含むフィルタ回路で構成される本発明の電力変換装置は、図４のＳの部分に相当する。
ギヤ１７を介して風車１８の回転により発電機１６で生成される交流電力Ｐｗは、その電圧、周波数が風況により変動するため、まずＩＧＢＴ等のスイッチング素子より構成されるコンバータ１０ａにより直流電力Ｐｄに変換される。
そしてフルブリッジインバータ１０により、交流系統Ｌと同じ基本周波数を持つＰＷＭ等の疑似三相交流電力ＰＡが生成される。図示していないが、コンバータ１０ａ、インバータ１０の変調率等の変換パラメータは、これらの回路に接続された制御手段により、発電機１６で発生する電圧値、周波数値に応じて絶えず調整され、フィルタ１２に送出される疑似三相交流電力が略一定になるように調整される。
フィルタ１２は、三相線に直列に接続された三相リアクトル１３と、並列に接続された３組のコンデンサ１４より構成され、三相正弦交流電力に変換された後、交流系統Ｌに送出される。
三相リアクトル１３は、実施例１と同様の形状の鉄心を持つ。リアクトル装置の適用により、変換効率に優れ、出力される三相交流の対称性が優れる電力変換装置が実現できる。
図５は、常時インバータ給電方式の三相無停電電源装置（ＵＰＳ）を示したものである。スイッチング素子を用いて直流電力と交流電力の変換を行うインバータと、インバータの交流端子側に設けられたリアクトルを含むフィルタ回路で構成される本発明の電力変換装置は、図５のＳの部分に相当する。
ＵＰＳは交流系統Ｌと負荷２１の間に設けられ、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子より構成されるコンバータ１０ａとインバータ１０の間にチョッパ１９を介してバッテリ２０が接続されている。
通常動作時には交流系統Ｌからの交流電力Ｐａをフィルタ１２ａとコンバータ１０ａからなる整流回路により直流電力Ｐｄに変換し、インバータ１０とフィルタ１２からなる回路により再び直流を交流に変換して負荷２１に送られる。
交流系統Ｌからの給電が遮断した際には、チョッパ１９の働きによりバッテリ２０とインバータ１０が接続され、負荷２１にはインバータ１０とフィルタ１２により三相交流に変換された、バッテリ２０からの電力が供給され続ける。なお図示していないが、交流系統Ｌと負荷２１の間には、メンテナンス時等のためのバイパス回路が接続されるのが一般的である。
フィルタ１２、および１２ａは三相リアクトル１３および１３ａ、コンデンサ１４および１４ａから構成され、交流系統Ｌとコンバータ１０ａ間、およびインバータ１０と負荷２１間に接続され、相互のインピーダンス整合、およびインバータで発生した疑似三相交流を三相正弦交流波形に成形する機能を持つ。
三相リアクトル１３、１３ａは、図２の実施例および図３の実施例と同様の形状の鉄心を持つ。リアクトル装置の適用により、変換効率に優れ、出力される三相交流の対称性が優れるＵＰＳ装置が実現できる。
図６は、本発明の電力変換装置を実装する時の配電盤内部の縦断面を、図１の太陽光発電用電力変換装置を例として示したものである。
配電盤Ｂｄ内には、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子から構成された昇圧コンバータ、インバータ、およびこれらの回路の動作を制御する制御手段が納められたインバータ盤２２、フィルタを構成するコンデンサ１４、リアクトル装置１３、および入出力盤２３が配設される。インバータ盤２２の前面には、冷却ファン２４が備えられている。リアクトル装置１３は配電盤Ｂｄの下部に水平に設置、固定され、図１に示した回路構成に対応した配線により他の構成物と接続されている。
図１に斜視図で全体構成を示しているように、リアクトル装置１３自体が円柱状に構成されている。このため、設置面積を大きくしなくても配電盤Ｂｄの下部に収納可能であり、配電盤Ｂｄ内にコンパクトに実装することが可能になる。
１ａ、１ｂ：ヨーク鉄心，２：コイル，２ａ：電極，３：磁脚鉄心，３ａ：スリット，４：零相用磁脚鉄心，５：ギャップ，１０：インバータ，１０ａ：コンバータ，１１：昇圧コンバータ，１２、１２ａ：フィルタ，１３、１３ａ：リアクトル，１４、１４ａ：コンデンサ，１５：太陽電池，１６：発電機，１７：ギア，１８：風車，１９：チョッパ，２０：バッテリ，２１：負荷，２２：インバータ盤，２３：入出力盤，２４：冷却ファン，３０ａ、３０ｂ、３０ｃ：コイル，３１：二脚鉄心，３１ａ、３１ｂ、３１ｃ：磁脚部，３１ｄ、３１ｅ：零相用磁脚部

Claims (9)

  1. スイッチング素子を用いて直流電力と多相交流電力の変換を行うインバータと、インバータの交流端子側に設けられたリアクトルを含むフィルタ回路で構成され、前記インバータは、そのスイッチング素子を搬送波と基本波の交点のタイミングでオンオフして、交流端子側に疑似正弦波交流を得、前記フィルタ回路により正弦波交流を得る電力変換装置であって、
    前記フィルタ回路のリアクトルは、薄帯状磁性材料を卜ロイダル状に巻いて形成した上下1組のヨーク鉄心と、
    薄帯状磁性材料で形成された柱状体であり、前記ヨーク鉄心の中心に対して円周上の対称位置に配置され、上下1組のヨーク鉄心を接続するとともに、コイルを配置した相数分の磁脚鉄心と、
    複数枚の薄帯状磁性材料を、前記ヨーク鉄心の中心から周に向かう方向に積層した直方体状であり、前記ヨーク鉄心の中心に対して円周上の前記磁脚鉄心の間の対称位置に配置され、前記上下1組のヨーク鉄心を接続するとともに、コイルを配置しない前記相数分の零相用磁脚鉄心を備えることを特徴とする電力変換装置。
  2. 請求項1に記載の電力変換装置であって、
    前記上下1組のヨーク鉄心を接続する前記磁脚鉄心は、複数の磁脚鉄心を重ねて構成され、かつ重ね部に絶縁物等をはさんだギャップが設けられていることを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載の電力変換装置であって、
    前記上下1組のヨーク鉄心を接続する前記磁脚鉄心は、前記ヨーク鉄心の方向に形成されたスリットが設けられていることを特徴とする電力変換装置。
  4. 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、
    前記上下1組のヨーク鉄心を接続する前記磁脚鉄心は、薄帯状磁性材料を卜ロイダル状に巻いて形成された柱状体であることを特徴とする電力変換装置。
  5. 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、
    前記上下1組のヨーク鉄心を接続する前記磁脚鉄心は、薄帯状磁性材料をトロイダル状に巻いて形成された底面が適当な頂角を持つ扇形状であることを特徴とする電力変換装置。
  6. 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、
    前記多相の磁脚鉄心に配置されたコイルの、巻き始めと巻き終わりのいずれか一方は前記インバータ側の相に接続され、巻き始めと巻き終わりのいずれか他方は前記フィルタ回路の出力側の相に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
  7. 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、
    電力変換装置は、太陽電池に接続された昇圧コンバータ回路と系統線の間に接続され、前記太陽電池で発生する直流電力を一定の周波数を持つ三相交流電力に変換する機能を持つことを特徴とする電力変換装置。
  8. 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、
    電力変換装置は、ギヤを介した風車により発電する機能を持つ発電機に接続されたコンバータ回路と系統線の間に接続され、該発電機により発生する周波数が逐一変化する交流電力を一定の周波数を持つ三相交流電力に変換する機能を持つことを特徴とする電力変換装置。
  9. 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、
    第1の電力変換装置を、系統線からの交流電力を直流電力に変換するコンパータとして、第2の電力変換装置を、直流電力を交流電力に変換するインバータとして機能させ、2つの電力変換装置の接続部にチョッパを介してバッテリを接続し、常時インバータ給電方式の無停電電源装置として機能させたことを特徴とする電力変換装置。
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