JP5993690B2 - 電力変換装置および制御方法 - Google Patents
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Description
このような高周波数でスイッチングを行った場合、近年電力変換装置において多用されるIGBT等の汎用スイッチング素子の発生損失による温度上昇はかなり高いものとなる。
また、従来の電力変換装置では1サイクル中でプラスとマイナスそれぞれ2つずつの電圧パルスを発生させるが、電力変換装置の出力に接続する負荷が誘導性負荷の場合、プラス、マイナスのいずれにおいても第2パルスの方が発生損失が大きくなるため、第2パルスを発生させるスイッチング素子の温度上昇は他のスイッチング素子と比べ特に大きくなる。 一方、従来の電力変換装置の出力に接続する負荷が容量性負荷の場合、プラス、マイナスのいずれにおいても第1パルスの方が発生損失が大きくなるため、第1パルスを発生させるスイッチング素子の温度上昇は他のスイッチング素子と比べ特に大きくなる。
誘導性負荷、容量性負荷のいずれにおいても、発生損失によってスイッチング素子が
高温になり、スイッチング素子を構成する半導体の接合部温度が許容値を超えた場合、正常な動作をすることができなくなる可能性がある。よって、発生損失の大きくなるパルスを発生させるスイッチング素子の冷却を十分に行う必要がある。
しかし、スイッチング素子の冷却を強化する為には冷却ファンや冷却フィン等を大型化することが必要となる場合があり、電力変換装置本体の大型化およびコストの上昇につながるという問題が生じる。
本発明は、三相交流用の電力変換装置の構成を流用し、高周波の単相負荷にも対応できるようにした電力変換装置において、前記のような課題を解決するためになされたものであり、スイッチング素子の冷却能力を高めた電力変換装置を得ることを目的とする。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、3相のスイッチング素子アームを有する直流電力を交流電力に変換する逆変換部を備え、前記逆変換部が有する3相のスイッチング素子アームの内の任意の2回路のスイッチング素子アームの出力を共通に接続して一方の交流出力端子とし、残りの1回路のスイッチング素子アームの出力を他方の交流出力端子とした上で、前記2回路の夫々で、一方と他方の格スイッチング素子を独立に導通制御し、前記一方と他方の交流出力端子間に単相交流を発生させるように構成した電力変換装置において、前記2回路の上アームと下アームが夫々1周期中に発生させるパルスの内、発生損失の小さい方のパルスを発生させるスイッチング素子アームが、前記2回路のスイッチング素子アームの設置場所のうちで冷却が最も困難な場所に配置されていることを特徴とする。
図1は、交流電源100と電力変換装置110と高周波の単相負荷120から成る非接触供給システムの構成図の例である。交流電源100は、通常電力会社などから供給される商用三相交流電源などでありコンバータ回路111へ接続されている。コンバータ回路111は、例えばダイオードを用いた三相ブリッジ型の整流回路で構成されており、交流電源100より供給された交流電力を直流に変換する働きをしている。その直流に変換した電力を平滑コンデンサ112を通すことにより平滑化し、インバータ回路113へ入力する。インバータ回路113は、制御装置114から入力されるスイッチング信号により動作し、供給されてくる直流の電力を所定の電流で所定の高周波、例えば10kHzの単相交流電力に変換し給電線用の導電路121へ出力する。
インバータ回路113は冷却フィン200と、冷却フィン200上に配置してある、U相のスイッチング素子部211とV相のスイッチング素子部212とW相のスイッチング素子部213とX相のスイッチング素子部214とY相のスイッチング素子部215とZ相のスイッチング素子部216とで構成されている。
また、これらのスイッチング素子部211、212、…216は夫々がインバータ回路113の構成を成すように銅バーや電線等で接続されており、さらに電力変換装置110の構成を成すように平滑コンデンサCBや交流出力端子A,Bとも銅バーや電線等で接続されているが図2では省略している。
なお、既に説明したように、制御装置114は移動台車123,124…の実稼動数や出力電流指令値に応じてU相、V相、X相、Y相のオン時間を制御し、第1パルスと第2パルスの幅を決めているが、実稼動数が少ない場合や出力電流指令値を小さく設定した場合には第2パルスを発生させないこともありえる。
その際のスイッチング素子全体の発生損失は第1パルス、第2パルスがともに発生している時と比較して小さいものとなる。そこで、発生損失に関しては、大きくなる状態である第1パルス、第2パルスがともに発生した状態の説明をする。
この図3に示すスイッチングパターンでスイッチング素子U,V,W,X,Y,Zがスイッチングを繰り返すことにより、夫々のスイッチング素子は損失を発生し温度上昇することとなる。
これらの損失についてはマイナス側第1パルス及び第2パルスにおいても極性が反転するだけで同様となる。
ッチング素子V-Y相で発生させ、発生損失の多い第2パルスを構造上冷却容易なスイッ
チング素子U-X相で発生させるように制御する。
図4のi41はプラス側第1パルス立ち上がり時の出力電流の瞬時値を示しており、i42はプラス側第1パルス立ち下がり時の出力電流の瞬時値を示している。また、図4のi43はプラス側第1パルス立ち上がり時の出力電流の瞬時値を示しており、i44はプラス側第1パルス立ち下がり時の出力電流の瞬時値を示している。
まず制御装置114は電力変換装置113に接続されている高周波の単相負荷120が誘導性であるか容量性であるかの負荷性質判定を行う(S701)。本電力変換装置113においては、あらかじめ接続する高周波の単相負荷の性質が誘導性であるか容量性であるかを測定し、手動にて本電力変換装置113へ入力し判定を行っているが、電力変換装置に負荷の性質を判定する回路を設けることによって、自動判定を行うことも可能である。
インバータ回路513内のスイッチング素子U,V,W,X,Y,Zの制御動作に関しては実施例1にて既に説明した動作と同一であり、1サイクルの期間でプラス側の第1パルス、第2パルス及びマイナス側の第1パルス、第2パルスを発生させ、移動台車523,524…の実稼動数や出力電流指令値に応じてパルス幅T1、T3、及びT5、T7が独立に制御され動作する。このときの出力電流iは正弦波に近いものではなく、図6に示すように直線的な波形となる。
電流値i63は、電流値i61から第1パルスが発生しているT1の期間成長し、還流期間であるT2の間、減少したものである。還流期間T2での電流の減少率は導電路521の長さ及び移動台車523、524…の台数に依存するが、6つのスイッチング素子全体での発生損失が最大となる状態では、実施例1にて既に説明したとおり、パルス幅T1 、T3 、T5 、T7が等しく最も長くなるように制御され、その半面、還流期間T2、T4及び帰還期間T4、T6は最も短く、なるように制御される。
110…電力変換装置
111…コンバータ回路
112…平滑コンデンサ
113…インバータ回路
114…制御回路
120…高周波の単相負荷
121…導電路
122…リアクタンス調整用キャパシタ
123…移動台車
124…移動台車
200…冷却フィン
211…U相のスイッチング素子部
212…V相のスイッチング素子部
213…W相のスイッチング素子部
214…X相のスイッチング素子部
215…Y相のスイッチング素子部
216…Z相のスイッチング素子部
500…交流電源
510…電力変換装置
511…コンバータ回路
512…平滑コンデンサ
513…インバータ回路
514…制御回路
520…高周波の単相負荷
521…導電路
523…移動台車
524…移動台車
Claims (6)
- 3相のスイッチング素子アームを有する直流電力を交流電力に変換する逆変換部を備え、
前記逆変換部が有する3相のスイッチング素子アームの内の任意の2回路のスイッチング素子アームの出力を共通に接続して一方の交流出力端子とし、残りの1回路のスイッチング素子アームの出力を他方の交流出力端子とした上で、前記2回路の夫々で、一方と他方の各スイッチング素子を独立に導通制御し、前記一方と他方の交流出力端子間に単相交流を発生させるように構成した電力変換装置において、
前記2回路の上アームと下アームが夫々1周期中に発生させるパルスの内、発生損失の小さい方のパルスを発生させるスイッチング素子アームが、前記2回路のスイッチング素子アームの設置場所のうちで冷却が最も困難な場所に配置されていることを特徴とした電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置であって、
出力端子に接続する負荷が誘導性負荷の場合、前記2回路の上アームと下アームが夫々1周期中に発生させるパルスの内、時間が早い方の第1パルスを発生させる為のスイッチング素子アームが前記2回路のスイッチング素子アームの設置場所のうちで冷却が最も困難な場所に配置されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置であって、
出力端子に接続する負荷が容量性負荷の場合、前記2回路の上アームと下アームが夫々1周期中に発生させるパルスの内、時間が遅い方の第2パルスを発生させる為のスイッチング素子アームが前記2回路のスイッチング素子アームの設置場所のうちで冷却が最も困難な場所に配置されていることを特徴とする電力変換装置。 - 3相のスイッチング素子アームを有する直流電力を交流電力に変換する逆変換部を備え、
前記逆変換部が有する3相のスイッチング素子アームの内の任意の2回路のスイッチング素子アームの出力を共通に接続して一方の交流出力端子とし、残りの1回路のスイッチング素子アームの出力を他方の交流出力端子とした上で、前記2回路の夫々で、一方と他方の各スイッチング素子を独立に導通制御し、前記一方と他方の交流出力端子間に単相交流を発生させるように構成した電力変換装置の制御方法であって、
前記2回路の上アームと下アームが夫々1周期中に発生させるパルスの内、発生損失の小さい方のパルス発生を、前記2回路のスイッチング素子アームの設置場所のうちで冷却が最も困難な場所に配置されたスイッチング素子アームで発生させるよう制御することを特徴とする電力変換装置の制御方法。 - 請求項4に記載の電力変換装置の制御方法であって、
出力端子に接続する負荷が誘導性負荷であるか容量性負荷であるか判定し、
前記判定が誘導性負荷である場合に、前記2回路のスイッチング素子アームの設置場所
のうちで冷却が最も困難な場所に配置されているスイッチング素子アームで、前記2回路の上アームと下アームが夫々1周期中に発生させるパルスの内、時間が早い方の第1パルスを発生させ、他方のスイッチング素子アームで、前記2回路の上アームと下アームが夫々1周期中に発生させるパルスの内、時間が遅い方の第2パルスを発生させ、
前記判定が容量性負荷である場合に、前記2回路のスイッチング素子アームの設置場所のうちで冷却が最も困難な場所に配置されているスイッチング素子アームで前記第2パルスを発生させ、他方のスイッチング素子アームで前記第1パルスを発生させるよう制御することを特徴とする電力変換装置の制御方法。 - 請求項5に記載の電力変換装置の制御方法であって、
誘導性負荷であるか容量性負荷であるかの判定は、電力変換装置の起動直後に低電圧を負荷に対し短時間発生させ、その際に負荷に流れる電流の位相が、発生させた低電圧に対して遅れているか進んでいるかを検出し、遅れている場合を誘導性負荷とし、進んでいる場合を容量性負荷として判定することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
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