JP5938739B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
図9において、三相交流電源100の各相(R,S,T相)には変圧器Trの一次巻線Trpが接続され、その二次巻線TrsU1,TrsU2,TrsU3,TrsV1,TrsV2,TrsV3,TrsW1,TrsW2,TrsW3からは等しい変圧比により降圧した三相交流電圧が出力される。なお、一次巻線Trpは三相巻線であるが、図9では便宜的に単線図にて表示している。
そして、ユニットV1,W1の各一方の交流出力端子がV相,W相出力端子として電動機300に接続されている。
すなわち、この従来技術では、変圧器Trの二次側に接続されたユニットU1,U2,U3を直列接続してU群変換器200Uを構成すると共に、同様にV群変換器200V、W群変換器200Wを構成し、これらを電動機300にY結線することによって三相出力の電力変換装置を構成している。
図10は、図9における出力一相分の電圧(例えばU相出力電圧VoUN)の波形を示しており、ここでは、図10における期間Aの動作を説明する。
期間Aでは、図11に示すように、U群変換器200U内の単方向スイッチU3PA,U3NB,U2PA,U2NB,U1NBを常時オンし、単方向スイッチU1PA,U1NAを適切な変調率で交互にオン・オフする。この場合、ユニットU3の出力電圧は、二次巻線TrsU3から出力される三相交流電圧を整流して平滑した直流電圧Edとなり、ユニットU2の出力電圧=Ed、ユニットU1の出力電圧=Ed×変調率となる。このため、期間AにおけるU相の出力相電圧VoUNは、VoUN=(Ed)+(Ed)+(Ed×変調率)となる。
この場合には、図12に示すように、単方向スイッチU3PB,U3NA,U2PB,U2NA,U1PAを常時オンし、単方向スイッチU1PB,U1NBを適切な変調率で交互にオン・オフする。これにより、ユニットU3の出力電圧=−Ed、ユニットU2の出力電圧=−Ed、ユニットU1の出力電圧=−Ed×変調率となるため、U相出力電圧VoUNは、VoUN=−(Ed)−(Ed)−(Ed×変調率)となり、期間Aと比べると出力電圧の極性が反転する。
加えて、前述したように、変圧器Trの二次巻線の出力電圧に位相差を設けているため、変圧器Trの一次側では、電流に含まれる高調波成分が打ち消し合い、ひずみの少ない電流波形を得ることができる。
ここで、半導体スイッチの定格電圧を下げるには、直列接続されるユニットの数を増やせばよいことが容易に想像できる。しかし、その場合、変圧器Trの二次巻線数が増加して構成がより複雑になるため、結果として装置の低価格化を妨げると共に、電流が通過する半導体スイッチの数が増加して効率の悪化を招くことになる。
半導体スイッチのスイッチング動作により、単相交流電源の電圧を所望の振幅及び周波数の単相交流電圧に変換するユニットを3つ形成してこれら第1〜第3のユニットの交流出力側を直列接続したものを1つの組とし、
前記1つの組を一相分の群とし、または、n(nは複数)個の組の交流出力側を直列接続したものを一相分の群として、前記群を三相分設け、これら三相分の群の各一方の交流出力端子がそれぞれ単相交流出力端子として負荷に接続される電力変換装置であって、
各組において、前記第1〜第3のユニットがそれぞれ接続される3つの単相交流電源は、互いに電気的に絶縁されて各電源電圧の位相差が電気角で120°ずつ異なり、
前記n個の組の交流出力側を直列接続したものを一相分の群としたときには、前記n個の組の全体において、第1のユニットがそれぞれ接続されるn個の単相交流電源の間、第2のユニットがそれぞれ接続されるn個の単相交流電源の間、第3のユニットがそれぞれ接続されるn個の単相交流電源の間で、各電源電圧がそれぞれ所定の位相差を持つものである。
更に、これらの効果は、半導体素子における損失を従来と同等以下に抑えながら実現可能である。
この実施形態では、2つの双方向スイッチを直列接続した双方向スイッチ直列接続回路を2つ並列接続し、この並列接続回路を変圧器の二次巻線により構成される単相交流電源に並列に接続して単相−単相電力変換器を構成する。ここで、前記二次巻線に接続される双方向スイッチ直列接続回路の並列接続回路をユニットと呼び、3つのユニットの交流出力側を直列接続したものを1つの組とする。また、上記の組を2つ直列接続して一相分の群変換器を構成し、三相各相(U,V,W相)について構成したU群変換器,V群変換器,W群変換器の各1つの交流出力端子を負荷の電動機に対してY結線するものである。
なお、この実施形態における双方向スイッチには、例えば、逆方向の耐圧を有する逆阻止IGBTが用いられる。
ユニットRU1,SU1,TU1,RU2,SU2,TU2の交流出力側はすべて直列接続されており、二次巻線TrsRU1,TrsSU1,TrsTU1及びユニットRU1,SU1,TU1により第1組が、二次巻線TrsRU2,TrsSU2,TrsTU2及びユニットRU2,SU2,TU2により第2組が構成されると共に、これらの第1組及び第2組によってU群変換器201Uが構成されている。
V群変換器201V,W群変換器201Wの直列接続状態も上記と同様であり、それぞれの最下段のユニットTW2,TV2の各一方の交流出力端子が中性点Nとなり、最上段のユニットRV1,RW1の各他方の出力端子がV相出力端子,W相出力端子として電動機300に接続されている。
更に、各組の間において同一相のユニットの単相電源電圧の間にも位相差が設けられており、その位相差は、60°÷n(nは組数)とする。例えば、図1の例ではn=2であるため、U群変換器201Uの第1組の二次巻線TrsRU1の電圧と第2組の二次巻線TrsRU2の電圧との間には、60°÷2=30°の位相差が設けられている。
ここでは、電圧の位相関係を説明することを目的にしているため、各電圧波形は振幅が1の正弦波により表示されている。
図3は、本実施形態の基になる出力電圧の境界値を示す波形である。まず、U相の第1組における3つの単相電源電圧のそれぞれについて絶対値をとったもののうち、最大の大きさとなる電圧をMax1、中間の大きさとなる電圧をMid1、最小の大きさとなる電圧をMin1と定義する。また、U相の第2組についても、同様に、最大の大きさとなる電圧をMax2、中間の大きさとなる電圧をMid2、最小の大きさとなる電圧をMin2と定義する。
ここで、U群変換器201Uは、第1組,第2組のユニットRV1,SV1,TV1,RV2,SV2,TV2の交流出力側がすべて直列に接続されているから、先に定義した単相電源電圧の絶対値の最大値、中間値、最小値を用いて、U群変換器201Uの出力電圧(図1におけるU相出力端子−中性点N間の電圧)VoUNの値として、以下の境界値を考える。
LEVEL1=Min2+LEVEL0
LEVEL2=Mid2+LEVEL1
LEVEL3=Max2+LEVEL2
LEVEL4=Min1+LEVEL3
LEVEL5=Mid1+LEVEL4
LEVEL6=Max1+LEVEL5
図4は、前述した出力電圧の境界値と2つの出力電圧指令Voref1,Voref2の波形例を示している。ここで、出力電圧指令Voref1,Voref2としては、位相が180°異なり、かつ、振幅が異なる場合を例示してある。
この場合、出力電圧指令Voref1の極性が正であり、その絶対値Voref1absがLevel5以上でLevel6未満であるときに、各ユニットRU1,SU1,TU1,RU2,SU2,TU2の単相電源電圧の極性に注意して、図5に示すように、各ユニットRU1,SU1,TU1,RU2,SU2,TU2を構成する双方向スイッチのオン・オフを決定する。
[数式1]
VoUN=(変調率×|ViRU1|)+|ViTU1|+|ViSU1|+|ViTU2|+|ViRU2|+|ViSU2|
この場合には、出力電圧指令Voref2の極性が負であり、その絶対値Voref2absがLevel4以上でLevel5未満であるときに、各ユニットRU1,SU1,TU1,RU2,SU2,TU2の電源電圧の極性に注意して、図6に示すように、各ユニットRU1,SU1,TU1,RU2,SU2,TU2を構成する双方向スイッチのオン・オフを決定する。
このとき、前述したように、ユニットTU1は、双方向スイッチTU1PAを常時オンさせてTU1PB,TU1NBを適切な変調率で交互にオン・オフさせることにより、PWM制御を行う。また、ユニットRU1は、双方向スイッチRU1NA,RU1NBを常時オンさせることにより、出力電圧はゼロとなる。
[数式2]
VoUN=−(変調率×|ViTU1|)−|ViSU1|−|ViTU2|−|ViRU2|−|ViSU2|
なお、図1におけるV群変換器201V,W群変換器201Wの動作は基本的にU群変換器201Vと同一であり、電動機300には位相が120°ずつ、ずれた三相交流電圧が供給されることになる。
一方、負荷電流の波形は、電動機300等の負荷の誘導性成分の作用により連続した波形となる。本実施形態では、連続した負荷電流を各ユニットの双方向スイッチにより遮断するため、各ユニットの単相交流電源には、双方向スイッチのスイッチングによる高周波成分を含む電流が流れる。この高周波成分を抑制するためには、図8に示す他の実施形態のように、各ユニットの変圧器Trの二次巻線(符号Trsで代表する)に、リアクトルLとコンデンサCとからなるフィルタを接続すればよい。ここで、リアクトルLは、変圧器Trの漏れインダクタンスによって代用することも可能である。
まず、半導体素子に印加される電圧について検討する。
図9に示した従来技術の場合、変圧器Trの二次巻線の出力線間電圧の振幅を1とすると、各ユニットにおける直流電圧Edも1となり、各相についてユニットの直列接続数が3であるから、出力一相当たりの電圧(相電圧)の最大振幅は3となる。
一方、図1に示した本実施形態では、変圧器Trの二次巻線の出力線間電圧の振幅を1とすると、各相についてユニットを3つ直列接続した組を2つ直列接続しているため、出力一相当たりの電圧(相電圧)の最大振幅は、図3に示したLEVEL6の電圧脈動を考慮すると約3.73となる。
図9の従来技術では、1ユニットの入力が三相であり、出力一相について3つのユニットが直列接続されている。従って、変圧器Trの二次巻線の巻線数は合計で9つとなる。一方、図1の本実施形態では、1ユニットの入力が単相であり、変圧器Trの二次巻線の巻線数は合計で6つとなる。すなわち、本実施形態によれば、変圧器Trの構成を従来技術よりも簡略化することができる。
この場合、出力一相分について考えると、従来技術ではIGBTが30個、ダイオードが30個の合計60個の半導体素子が必要となる。これに対し、本実施形態では、IGBTが48個となる。すなわち、本実施形態によれば、使用する半導体素子の数が従来技術よりも少なくなる。
従来技術の場合、各ユニットに入力される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路が必要であり、整流後の電圧を平滑する目的でコンデンサCdが接続されている。この場合、平滑効果を高めるには、通常、電解コンデンサ等の静電容量の大きいコンデンサが使用される。
一方、本実施形態においても、図8に示したように、双方向スイッチのスイッチングに伴う高周波成分が電源側に流出するのを抑制するために、コンデンサCを設けることが望ましいが、コンデンサCに要求される静電容量値は高周波成分を除去する程度に小さくてよく、電解コンデンサに対して寿命が長いフィルムコンデンサ等を用いることができる。
従って、本実施形態によれば、従来技術に比べてコンデンサの体積を低減できると共に、装置の長寿命化が可能である。
従来技術の場合、1つのユニット当たり、電源から負荷に流れる電流が通過する半導体素子の数は4個であり、3つのユニットが直列接続されているから、負荷電流は、出力一相につき合計で12個の半導体素子を通過することになる。
一方、本実施形態の場合、負荷電流は、1つのユニット当たり2個の半導体素子を通過する。本実施形態では、出力一相につき6つのユニットが直列接続されているから、負荷電流は、合計で12個の半導体素子を通過する。
このため、負荷電流が通過する半導体素子の数に関しては、本実施形態と従来技術との間に差異はないと言える。
201U:U群変換器
201V:V群変換器
201W:W群変換器
300:電動機
Tr:変圧器
Trp:一次巻線
TrsRU1,TrsSU1,TrsTU1,TrsRU2,TrsSU2,TrsTU2,TrsRV1,TrsSV1,TrsTV1,TrsRW2,TrsSW2,TrsTW2,Trs:二次巻線
RU1,RU2,SU1,SU2,TU1,TU2,RV1,RV2,SV1,SV2,TV1,TV2,RW1,RW2,SW1,SW2,TW1,TW2:ユニット
RU1PA,RU1PB,RU1NA,RU1NB,SU1PA,SU1PB,SU1NA,SU1NB,TU1PA,TU1PB,TU1NA,TU1NB,RU2PA,RU2PB,RU2NA,RU2NB,SU2PA,SU2PB,SU2NA,SU2NB,TU2PA,TU2PB,TU2NA,TU2NB:双方向スイッチ
L:リアクトル
C:コンデンサ
Claims (3)
- 交流電圧を任意の振幅及び周波数の三相交流電圧に変換する電力変換装置において、
半導体スイッチのスイッチング動作により、単相交流電源の電圧を所望の振幅及び周波数の単相交流電圧に変換するユニットを3つ形成してこれら第1〜第3のユニットの交流出力側を直列接続したものを1つの組とし、
前記1つの組を一相分の群とし、または、n(nは複数)個の組の交流出力側を直列接続したものを一相分の群として、前記群を三相分設け、これら三相分の群の各一方の交流出力端子がそれぞれ単相交流出力端子として負荷に接続される電力変換装置であって、
各組において、前記第1〜第3のユニットがそれぞれ接続される3つの単相交流電源は、互いに電気的に絶縁されて各電源電圧の位相差が電気角で120°ずつ異なり、
前記n個の組の交流出力側を直列接続したものを一相分の群としたときには、前記n個の組の全体において、第1のユニットがそれぞれ接続されるn個の単相交流電源の間、第2のユニットがそれぞれ接続されるn個の単相交流電源の間、第3のユニットがそれぞれ接続されるn個の単相交流電源の間で、各電源電圧がそれぞれ所定の位相差を持つことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載した電力変換装置において、
前記単相交流電源を、一次側が三相交流電源に接続された変圧器の二次巻線により構成し、かつ、前記単相交流電源によって構成される全相数が3の倍数であることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1または2に記載した電力変換装置において、
前記ユニットは、2つの双方向スイッチを直列接続した双方向スイッチ直列接続回路を2つ並列に接続し、この並列接続回路を前記単相交流電源に並列接続すると共に、前記双方向スイッチ直列接続回路における双方向スイッチ同士の直列接続点を単相交流出力端子としたことを特徴とする電力変換装置。
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