JP6100452B2 - 変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、単相交流を三相交流に変換する変換装置に関する。

従来、単相交流を三相交流に変換する変換装置は、単相電源からの単相交流を直流に一旦変換し、その直流を三相インバータによって三相交流に変換するように構成される。たとえば特開２０１０−６８６０６号公報（特許文献１）の図５には、単相交流を三相交流に変換するマトリックスコンバータが開示されている。

特開２０１０−６８６０６号公報

上記のような従来の変換装置の構成によれば、三相インバータに接続される負荷がモータを有する場合において、三相インバータからモータに起動電流を流す必要がある。このために変換装置が大型化する可能性がある。変換装置が大型化することでコストも増大する。

本発明の目的は、小型化および低コスト化を図ることが可能な単相−三相変換装置を提供することである。

本発明は要約すれば、単相電源からの単相交流を三相交流に変換する変換装置であって、単相電源に電気的に接続される第１の単相交流端子と、第２の単相交流端子と、三相交流を出力するための三相交流端子とを有するスコット変圧器と、単相電源と並列にスコット変圧器の第１の単相交流端子に電気的に接続されて、単相電源からの単相交流を直流電力に変換するコンバータと、コンバータからの直流電力を、スコット変圧器の第２の単相交流端子に供給される単相交流へと変換するインバータとを備える。

本発明によれば、単相交流を三相交流に変換する変換装置の小型化および低コスト化を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る変換装置の構成図である。 図１に示した変換装置の比較例を示した図である。 図１に示した電圧Ｖ_Mabと電圧Ｖ_Tabとの関係を示した図である。 本発明の第２の実施の形態に係る変圧装置の構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない。

［実施の形態１］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る変換装置の構成図である。図１を参照して、変換装置２は、単相電源１からの単相交流を三相交流に変換して、負荷３に三相交流を供給する。変換装置２は、スコット変圧器１１と、コンバータ１２と、インバータ１３と、制御装置１４とを含む。

スコット変圧器１１の三相側は負荷３に接続される。スコット変圧器１１の２組の単相のうちの一方の端子は、単相電源１に接続される。２組の単相のうちの他方の端子は、インバータ１３の交流側の端子に接続される。

以下の説明では、スコット変圧器１１の２組の単相のうち単相電源１に接続される側を「Ｍ座」と呼び、インバータ１３の交流出力端子に接続される側を「Ｔ座」と呼ぶ。Ｍ座の端子Ｍａ，Ｍｂは単相電源１に接続され、Ｔ座の端子Ｔａ，Ｔｂは、インバータ１３の交流出力端子に接続される。電圧Ｖ_Mabは、Ｍ座の電圧（端子Ｍｂから端子Ｍａへの電圧）を示し、電圧Ｖ_Tabは、Ｔ座の電圧（端子Ｔｂから端子Ｔａへの電圧）を示す。

コンバータ１２の交流入力端子は単相電源１に接続され、コンバータ１２の直流出力端子は、インバータ１３の直流入力端子に接続される。

コンバータ１２およびインバータ１３は、ＢＴＢ（Back to Back）システムを構成する。すなわち、コンバータ１２は、単相電源１からの単相交流を直流に変換してインバータ１３に直流電力を供給する。インバータ１３は、コンバータ１２から供給された直流電力を単相交流に変換する。

コンバータ１２およびインバータ１３の各々は、自励式であり、たとえば半導体スイッチング素子を含む公知の構成を有する。制御装置１４は、コンバータ１２およびインバータ１３を制御する。たとえば制御装置１４は、コンバータ１２およびインバータ１３の各々が有する半導体スイッチング素子をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式に従ってオンオフさせる。

図２は、図１に示した変換装置の比較例を示した図である。図２を参照して、変換装置２１は、コンバータ２２およびインバータ２３により構成される。インバータ２３は三相インバータである。図２に示した構成によれば、単相電源１からの単相交流がコンバータ２２によって直流に一旦変換される。インバータ２３は、その直流を三相交流に変換する。インバータ２３からの三相交流は、トランス１５を介して負荷３に供給される。図２に示した構成によれば、負荷の全電流は三相インバータ（インバータ２３）を流れる。

図１に戻り、本発明の第１の実施の形態によれば、交流電源１からスコット変圧器１１のみを介して負荷３に電力を供給する経路を形成できる。インバータ１３はＴ座への電流供給のみ行なえばよいので、インバータ１３の定格容量は、負荷容量の１／２でよい。

以上の理由によって、本発明の第１の実施の形態によれば、インバータ１３の容量の増大を抑制できるので変換装置の大型化を抑制できる。すなわち、本発明の第１の実施の形態によれば、単相−三相変換装置の小型化を図ることができる。さらに、本発明の第１の実施の形態によれば、単相−三相変換装置の低コスト化を図ることができる。

なお、制御装置１４がインバータ１３を制御することによって、電圧Ｖ_Tabは以下に説明するように制御される。図３は、図１に示した電圧Ｖ_Mabと電圧Ｖ_Tabとの関係を示した図である。図１および図３を参照して、電圧Ｖ_Tabは電圧Ｖ_Mabに対して位相が９０°異なるように制御される。

電圧Ｖ_Mabによって、Ｕ相−Ｗ相間電圧が生成される。電圧Ｖ_Tabを適切な大きさに制御することによって三相平衡の交流が得られる。すなわち、Ｕ相電圧、Ｖ相電圧、およびＷ相電圧の各々の大きさが等しくなり、かつ、それらの間の位相差が１２０°となる。

電圧Ｖ_Tabの大きさを制御するための方法は特に限定されるものではなく、たとえば電圧Ｖ_Mabを検出して、その検出された電圧Ｖ_Mabに基づいて電圧Ｖ_Tabの大きさを決定してもよい。また、Ｕ相−Ｖ相間の線間電圧およびＵ相−Ｗ相間の線間電圧などに基づいて電圧Ｖ_Tabの大きさを決定してもよい。

以上のように第１の実施の形態によれば、小型化および低コスト化を図ることが可能な単相−三相変換装置を提供することができる。

［実施の形態２］
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る変換装置の構成図である。図１および図４を参照して、変換装置２Ａは、インダクタ１６をさらに備える点において、変換装置２と異なる。インダクタ１６は、単相電源１とスコット変圧器１１のＭ座の端子Ｍａとの間に接続される。なお、変換装置２Ａの他の部分は変換装置２の対応する部分の構成と同様であるので以後の説明は繰り返さない。

第１の実施の形態では、コンバータ１２は単相交流を整流してインバータ１３に有効電力を供給する。第２の実施の形態では、コンバータ１２は、インバータ１３に有効電力を供給するだけでなく、無効電力を流す。これにより、単相電源１の電圧（電圧Ｖ_Mab）の大きさを制御することができる。

さらに第２の実施の形態によれば、インダクタ１６によって、単相電源１の電圧の変動を三相交流側には出さないように補償することができる。具体的には、コンバータ１２からインダクタ１６へと無効電流を流すことによって、電圧Ｖ_Mabを制御することができる。これにより、インバータ出力による電圧Ｖ_Tabの制御と協調して、三相交流電圧を安定にすることができる。なお、インダクタ１６は、たとえばトランスの漏れインダクタンスを利用して実現可能である。

以上のように第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態による効果に加えて、電圧の安定化の効果も得ることができる。

なお、第１の実施の形態では自励式のコンバータが用いられているが、自励式コンバータに代えて整流器を用いることもできる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 単相電源、２，２Ａ，２１ 変換装置、３ 負荷、１１ スコット変圧器、１２，２２ コンバータ、１３，２３ インバータ、１４ 制御装置、１５ トランス、１６ インダクタ。

Claims (4)

1. 単相電源からの単相交流を三相交流に変換する変換装置であって、
   前記単相電源に電気的に接続される第１の単相交流端子と、第２の単相交流端子と、前記三相交流を出力するための三相交流端子とを有するスコット変圧器と、
   前記単相電源と並列に前記スコット変圧器の前記第１の単相交流端子に電気的に接続されて、前記単相電源からの単相交流を直流電力に変換するコンバータと、
   前記コンバータからの直流電力を、前記スコット変圧器の前記第２の単相交流端子に供給される単相交流へと変換するインバータとを備え、
   前記スコット変圧器は、前記第１の単相交流端子によって前記三相交流端子のうちの第１および第２の端子に電流を供給し、前記第２の単相交流端子によって前記三相交流端子のうちの第３の端子に電流を供給するように構成される、変換装置。
2. 前記変換装置は、
   前記インバータを制御することによって、前記第２の単相交流端子に供給される単相交流の位相および大きさを制御する制御装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記三相交流端子から出力される前記三相交流が三相平衡の交流となるように、前記インバータを制御する、請求項１に記載の変換装置。
3. 前記コンバータは、無効電力を発生させることによって、前記スコット変圧器に入力される前記単相交流の電圧を制御して、三相交流電圧の変動を抑制する、請求項２に記載の変換装置。
4. 前記単相電源と前記第１の単相交流端子との間に配置されたインダクタをさらに備える、請求項３に記載の変換装置。

Images