JP6327419B2 - 電力変換用回路、電力変換装置及び電力変換方法 - Google Patents
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Description
そのための簡便な方法の一つとして、例えば、共有化可能な回路を単一とし、更に、コンバータとして使用する回路及びインバータとして使用する回路を、機械的(物理的)なスイッチを用いて適宜切り替える方法が考えられる。この場合、具体的には、直流電力と第1交流電力との間(蓄電池と三相交流モータとの間)の電力変換を行う回路と、直流電力と第2交流電力との間(蓄電池と架線との間)の電力変換を行う回路と、を機械的なスイッチで切り替えできるようにする。
また、上記電力変換装置に関連する技術として、鉄道車両へのき電に異常がある時にも稼働することができるリニアモータ型渦電流レールブレーキシステムが提案されている(特許文献2参照)。
以下、第1の実施形態に係る電力変換装置について、図1〜図5を参照しながら説明する。
第1の実施形態に係る電力変換装置は、直流電力と“単相交流電力”である第1交流電力とを相互に変換可能とし、かつ、直流電力と“単相交流電力”である第2交流電力とを相互に変換可能とする電力変換装置である。
図1は、第1の実施形態に係る電力変換装置の回路構成を示す図である。
図1に示すように、電力変換装置1は、電力変換用回路10と、駆動制御部11と、を備えている。
電力変換用回路10は、直流電力送受部2Aと第1交流電力送受部2Bとの間で、直流電力と“単相交流電力”である第1交流電力とを相互に変換可能とし、かつ、直流電力送受部2Aと第2交流電力送受部2Cとの間で、直流電力と“単相交流電力”である第2交流電力とを相互に変換可能とする回路である。
また、第1交流電力送受部2Bとは、規定された周波数の“単相交流電力”を出力可能な電力源又は“単相交流電力”の供給対象となる負荷である。
また、第2交流電力送受部2Cとは、規定された周波数の“単相交流電力”を出力可能な電力源又は“単相交流電力”の供給対象となる負荷であって、第1交流電力送受部2Bとは異なる電力源又は負荷である。
電力変換用回路10は、入出力端子として、直流電力を入出力する直流用端子Q0と、第1交流電力を入出力する第1交流用端子Q1と、第2交流電力を入出力する第2交流用端子Q2と、を備えている。
図1に示すように、直流用端子Q0には、直流電力送受部2Aが接続されている。第1交流用端子Q1には、第1交流電力送受部2Bが接続されている。また、第2交流用端子Q2には、第2交流電力送受部2Cが接続されている。
なお、直流用端子Q0のうちの一方側にはプラス(+)の直流電圧(正電位)が印加され、他方側にはマイナス(−)の直流電圧(負電位)が印加される。
なお、以下の説明において、上述のスイッチング素子S11〜S14、S21〜S24を総称して、単に、スイッチング素子Sとも記載する。
即ち、直流用端子Q0間には、第1ブリッジ回路B1の対向接続点(2つのスイッチング素子Sが間に接続された接続点N11と接続点N13との対)と、第2ブリッジ回路B2の対向接続点(2つのスイッチング素子Sが間に接続された接続点N21と接続点N23との対)と、が並列に接続される。
また、第1変圧器T1は、第1交流用端子Q1間に接続された2次側のコイルである2次コイルC12を有している。具体的には、2次コイルC12の一端である2次側端子I14、及び、2次コイルC12の他端である2次側端子I15は、それぞれ、第1交流用端子Q1に接続される。
また、第1変圧器T1が有する1次コイルC11の中間電位点I13は、第2交流用端子Q2に接続される。
また、第2変圧器T2は、第1交流用端子Q1間に接続された2次側のコイルである2次コイルC22を有している。具体的には、2次コイルC22の一端である2次側端子I24、及び、2次コイルC22の他端である2次側端子I25は、それぞれ、第1交流用端子Q1に接続される。
また、第2変圧器T2が有する1次コイルC21の中間電位点I23は、第2交流用端子Q2に接続される。
また、第2ブリッジ回路B2のうち、直流用端子Q0間に接続される対向接続点とは異なる対向接続点(2つのスイッチング素子Sが間に接続された接続点N22と接続点N24との対)に、それぞれ第1変圧器T1と第2変圧器T2とが接続される。
具体的には、駆動制御部11は、第1ブリッジ回路B1、第2ブリッジ回路B2の各スイッチング素子Sに対し、直流電力と第1交流電力とを相互に変換するための第1駆動信号と、直流電力と第2交流電力とを相互に変換するための第2駆動信号と、を出力して当該第1ブリッジ回路B1、第2ブリッジ回路B2の各々を駆動させる。
図2は、第1の実施形態に係る電力変換装置の動作を示す第1の図である。
また、図3は、第1の実施形態に係る電力変換装置の動作を示す第2の図である。
具体的には、図2は、電力変換装置1が第1駆動信号に基づいて動作している最中の、ある第1のタイミングにおける電力変換用回路10の状態を示している。また、図3は、電力変換装置1が第1駆動信号に基づいて動作している最中の、第1のタイミングとは異なる第2のタイミングにおける電力変換用回路10の状態を示している。
以下、図1に加え、図2及び図3を参照しながら、駆動制御部11による第1駆動信号に基づく動作について説明する。
なお、ここでは、直流用端子Q0間に接続された直流電力送受部2Aから電力変換用回路10に対し直流電力が供給されるものとして説明する。即ち、プラス側の直流用端子Q0には直流の正電位が印加され、マイナス側の直流用端子Q0には直流の負電位が印加されているものとする。
同様に、プラス側の直流用端子Q0が、接続点N11、N14を経由して第2変圧器T2の1次コイルC21の一端(1次側端子I21)に短絡されるとともに、マイナス側の直流用端子Q0が、接続点N23、N24を経由して第2変圧器T2の1次コイルC21の他端(1次側端子I22)に短絡される。したがって、第1のタイミングにおいては、1次コイルC21の1次側端子I21から1次側端子I22にかけて電流が流れる(図2参照)。
同様に、第2変圧器T2の2次コイルC22には、第2変圧器T2の1次コイルC21の1次側端子I21から1次側端子I22にかけて流れる電流に応じて、電磁誘導に基づく誘導電流が生じる。当該誘導電流は、2次コイルC22の一端(2次側端子I24)から他端(2次側端子I25)にかけて流れる。
これにより、第1駆動信号における第1のタイミングにおいては、第1交流用端子Q1に接続された第1交流電力送受部2Bに対し、一の方向に電流が流れる。
したがって、第2のタイミングにおいては、第1のタイミングとは逆方向、即ち、1次コイルC11の1次側端子I12から1次側端子I11にかけて、及び、1次コイルC21の1次側端子I22から1次側端子I21にかけて電流が流れる(図3参照)。
これにより、第1駆動信号における第2のタイミングにおいては、第1交流用端子Q1に接続された第1交流電力送受部2Bに対し、第1のタイミングとは逆方向に電流が流れる。
図4は、第1の実施形態に係る電力変換装置の動作を示す第3の図である。
また、図5は、第1の実施形態に係る電力変換装置の動作を示す第4の図である。
具体的には、図4は、電力変換装置1が第2駆動信号に基づいて動作している最中の、ある第1のタイミングにおける電力変換用回路10の状態を示している。また、図5は、電力変換装置1が第2駆動信号に基づいて動作している最中の、第1のタイミングとは異なる第2のタイミングにおける電力変換用回路10の状態を示している。
以下、図1に加え、図4及び図5を参照しながら、駆動制御部11による第2駆動信号に基づく動作について説明する。
なお、ここでは、図2、図3と同様に、直流用端子Q0間に接続された直流電力送受部2Aから電力変換用回路10に対し直流電力が供給されるものとして説明する。
同様に、マイナス側の直流用端子Q0が、接続点N12、N13を経由して第1変圧器T1の1次コイルC11の一端(1次側端子I11)に短絡されるとともに、接続点N22、N23を経由して第1変圧器T1の1次コイルC11の他端(1次側端子I12)に短絡される。つまり、第1変圧器T1の1次コイルC11の両端には、共に負電位が印加される。
同様に、このとき、第1変圧器T1では、1次コイルC11の中間電位点I13から両端(1次側端子I11、I12)にかけて電流が流れる。しかし、中間電位点I13から1次側端子I11にかけて流れる電流に応じて2次コイルC12に生じる誘導電流と、中間電位点I13から1次側端子I12にかけて流れる電流に応じて2次コイルC12に生じる誘導電流と、は互いに逆向きとなる。したがって、第1変圧器T1の2次コイルC12に生じる誘導電流は打ち消し合い、その結果、第1交流用端子Q1間には電位差が生じない。
以上より、第2駆動信号における第1のタイミングにおいては、第1交流用端子Q1間に接続された第1交流電力送受部2Bには電力が供給されない。
同様に、このとき、第2変圧器T2では、1次コイルC21の中間電位点I23から両端(1次側端子I21、I22)にかけて電流が流れる。したがって、第2変圧器T2の2次コイルC22に生じる誘導電流は打ち消し合い、その結果、第1交流用端子Q1間には電位差が生じない。
以上より、第2駆動信号における第2のタイミングにおいても、第1交流用端子Q1間に接続された第1交流電力送受部2Bには電力が供給されない。
上述した通り、第1の実施形態に係る電力変換装置1は、電力変換用回路10における第1駆動信号に基づく動作により、直流電力と“単相交流電力”である第1交流電力とを相互に変換可能とする。また、電力変換装置1は、電力変換用回路10における第2駆動信号に基づく動作により、直流電力と“単相交流電力”である第2交流電力とを相互に変換可能とする。即ち、電力変換装置1は、目的に応じて、電力変換用回路10に対する電気的制御(駆動信号)を変更するのみで、電力変換の経路を切り替えることができる。
以上より、第1の実施形態に係る電力変換装置1によれば、機械的なスイッチを用いることなく、直流電力と第1交流電力との間の電力変換と、直流電力と第2交流電力との間の電力変換と、を切り替えることができる。
次に、第2の実施形態に係る電力変換装置について、図6〜図11を参照しながら説明する。
第2の実施形態に係る電力変換装置は、直流電力と“単相交流電力”である第1交流電力とを相互に変換可能とし、かつ、直流電力と“三相交流電力”である第2交流電力とを相互に変換可能とする電力変換装置である。
図6は、第2の実施形態に係る電力変換装置の回路構成を示す図である。
第2の実施形態に係る電力変換用回路10は、直流電力送受部2Aと第1交流電力送受部2Bとの間で、直流電力と“単相交流電力”である第1交流電力とを相互に変換可能とし、かつ、直流電力送受部2Aと第2交流電力送受部2Cとの間で、直流電力と“三相交流電力”である第2交流電力とを相互に変換可能とする回路である。
電力変換用回路10は、第1の実施形態と同様に、入出力端子として、直流電力を入出力する直流用端子Q0と、第1交流電力を入出力する第1交流用端子Q1と、第2交流電力を入出力する第2交流用端子Q2と、を備えている。なお、本実施形態に係る3つの第2交流用端子Q2は、第2交流電力を三相交流で入出力する。
また、図6に示すように、第3ブリッジ回路B3は、4つのスイッチング素子S31、S32、S33、S34の各々が接続されて構成される。具体的には、スイッチング素子S34とスイッチング素子S31とは、接続点N31で接続される。また、スイッチング素子S31とスイッチング素子S32とは、接続点N32で接続される。また、スイッチング素子S32とスイッチング素子S33とは、接続点N33で接続される。また、スイッチング素子S33とスイッチング素子S34とは、接続点N34で接続される。
即ち、直流用端子Q0間には、第1ブリッジ回路B1の対向接続点と、第2ブリッジ回路B2の対向接続点と、第3ブリッジ回路B3の対向接続点(2つのスイッチング素子Sが間に接続された接続点N31と接続点N33との対)と、が並列に接続される。
また、図6に示すように、第3変圧器T3は、第3ブリッジ回路B3と第1ブリッジ回路B1との間に接続された1次側のコイルである1次コイルC31を有している。具体的には、1次コイルC31の一端である1次側端子I31は、第3ブリッジ回路B3の接続点N32に接続される。また、1次コイルC31の他端である1次側端子I32は、第1ブリッジ回路B1の接続点N14に接続される。
また、第3変圧器T3は、第1交流用端子Q1間に接続された2次側のコイルである2次コイルC32を有している。具体的には、2次コイルC32の一端である2次側端子I34、及び、2次コイルC32の他端である2次側端子I35は、それぞれ、第1交流用端子Q1に接続される。
また、第3変圧器T3が有する1次コイルC31の中間電位点I33は、第2交流用端子Q2に接続される。
また、第2ブリッジ回路B2のうち、直流用端子Q0間に接続される対向接続点とは異なる対向接続点(2つのスイッチング素子Sが間に接続された接続点N22と接続点N24との対)には、それぞれ第1変圧器T1と第2変圧器T2とが接続される。
更に、第3ブリッジ回路B3のうち、直流用端子Q0間に接続される対向接続点とは異なる対向接続点(2つのスイッチング素子Sが間に接続された接続点N32と接続点N34との対)には、それぞれ第3変圧器T3と第2変圧器T2とが接続される。
図7は、第2の実施形態に係る電力変換装置の動作を示す第1の図である。
また、図8は、第2の実施形態に係る電力変換装置の動作を示す第2の図である。
具体的には、図7は、第2の実施形態に係る電力変換装置1が第1駆動信号に基づいて動作している最中の、ある第1のタイミングにおける電力変換用回路10の状態を示している。また、図9は、第2の実施形態に係る電力変換装置1が第1駆動信号に基づいて動作している最中の、第1のタイミングとは異なる第2のタイミングにおける電力変換用回路10の状態を示している。
以下、図6に加え、図7及び図8を参照しながら、駆動制御部11による第1駆動信号に基づく動作について説明する。
なお、ここでは、直流用端子Q0間に接続された直流電力送受部2Aから電力変換用回路10に対し直流電力が供給されるものとして説明する。即ち、プラス側の直流用端子Q0には直流の正電位が印加され、マイナス側の直流用端子Q0には直流の負電位が印加されているものとする。
同様に、プラス側の直流用端子Q0が、接続点N21、N24を経由して第2変圧器T2の1次コイルC21の一端(1次側端子I21)に短絡されるとともに、マイナス側の直流用端子Q0が、接続点N33、N34を経由して第2変圧器T2の1次コイルC21の他端(1次側端子I22)に短絡される。したがって、第1のタイミングにおいては、1次コイルC21の1次側端子I21から1次側端子I22にかけて電流が流れる(図7参照)。
同様に、プラス側の直流用端子Q0が、接続点N31、N32を経由して第3変圧器T3の1次コイルC31の一端(1次側端子I31)に短絡されるとともに、マイナス側の直流用端子Q0が、接続点N13、N14を経由して第3変圧器T3の1次コイルC31の他端(1次側端子I32)に短絡される。したがって、第1のタイミングにおいては、1次コイルC31の1次側端子I31から1次側端子I32にかけて電流が流れる(図7参照)。
これにより、第1駆動信号における第1のタイミングにおいては、第1交流用端子Q1に接続された第1交流電力送受部2Bに対し、一の方向に電流が流れる。
したがって、第2のタイミングにおいては、第1のタイミングとは逆方向に電流が流れる(図8参照)。これにより、第1駆動信号における第2のタイミングにおいては、第1交流用端子Q1に接続された第1交流電力送受部2Bに対し、第1のタイミングとは逆方向に電流が流れる。
図9は、第2の実施形態に係る電力変換装置の動作を示す第3の図である。
また、図10は、第2の実施形態に係る電力変換装置の動作を示す第4の図である。
また、図11は、第2の実施形態に係る電力変換装置の動作を示す第5の図である。
具体的には、図9(a)、(b)は、それぞれ、電力変換装置1が第2駆動信号に基づいて動作している最中の、ある第1のタイミング及び第2タイミングにおける電力変換用回路10の状態を示している。また、図10(a)、(b)は、それぞれ、電力変換装置1が第2駆動信号に基づいて動作している最中の、第3のタイミング及び第4のタイミングにおける電力変換用回路10の状態を示している。そして、図11(a)、(b)は、それぞれ、電力変換装置1が第2駆動信号に基づいて動作している最中の、第5のタイミング及び第6のタイミングにおける電力変換用回路10の状態を示している。
以下、図6に加え、図9、図10及び図11を参照しながら、駆動制御部11による第2駆動信号に基づく動作について説明する。
なお、ここでは、図7、図8と同様に、直流用端子Q0間に接続された直流電力送受部2Aから電力変換用回路10に対し直流電力が供給されるものとして説明する。
同様に、マイナス側の直流用端子Q0が、接続点N23、N24を経由して第2変圧器T2の1次コイルC21の一端(1次側端子I21)に短絡されるとともに、接続点N33、N34を経由して第2変圧器T2の1次コイルC21の他端(1次側端子I22)に短絡される。つまり、第2変圧器T2の1次コイルC21の両端には、共に負電位が印加される。
同様に、マイナス側の直流用端子Q0が、接続点N32、N33を経由して第3変圧器T3の1次コイルC31の一端(1次側端子I31)に短絡されるとともに、接続点N13、N14を経由して第3変圧器T3の1次コイルC31の他端(1次側端子I32)に短絡される。つまり、第3変圧器T3の1次コイルC31の両端にも、共に負電位が印加される。
したがって、第2駆動信号における第1のタイミングにおいては、第2交流電力送受部2Cを通じて、第1変圧器T1(の中間電位点I13)から第2変圧器T2(の中間電位点I23)及び第3変圧器T3(の中間電位点I33)にかけて電流が流れる。このとき、第1変圧器T1から第2交流電力送受部2Cにかけて流れる電流量、及び、第2交流電力送受部2Cから第2変圧器T2にかけて流れる電流量と第2交流電力送受部2Cから第3変圧器T3にかけて流れる電流量との和は一致する。
したがって、第2駆動信号における第2のタイミングにおいては、第2交流電力送受部2Cを通じて、第1変圧器T1(の中間電位点I13)及び第3変圧器T3(の中間電位点I33)から第2変圧器T2(の中間電位点I23)にかけて電流が流れる。
したがって、第2駆動信号における第3のタイミングにおいては、第2交流電力送受部2Cを通じて、第3変圧器T3(の中間電位点I33)から第1変圧器T1(の中間電位点I13)及び第2変圧器T2(の中間電位点I23)にかけて電流が流れる。
したがって、第2駆動信号における第4のタイミングにおいては、第2交流電力送受部2Cを通じて、第2変圧器T2(の中間電位点I23)及び第3変圧器T3(の中間電位点I33)から第1変圧器T1(の中間電位点I13)にかけて電流が流れる。
したがって、第2駆動信号における第5のタイミングにおいては、第2交流電力送受部2Cを通じて、第2変圧器T2(の中間電位点I23)から第1変圧器T1(の中間電位点I13)及び第3変圧器T3(の中間電位点I33)にかけて電流が流れる。
したがって、第2駆動信号における第6のタイミングにおいては、第2交流電力送受部2Cを通じて、第1変圧器T1(の中間電位点I13)及び第2変圧器T2(の中間電位点I23)から第3変圧器T3(の中間電位点I33)にかけて電流が流れる。
上述した通り、第2の実施形態に係る電力変換装置1は、電力変換用回路10における第1駆動信号に基づく動作により、直流電力と“単相交流電力”である第1交流電力とを相互に変換可能とする。
また、電力変換装置1は、第2駆動信号に基づいて、第1変圧器T1、第2変圧器T2及び第3変圧器T3の各々に接続された3つの第2交流用端子Q2から第2交流電力を三相交流で入出力可能なように第1ブリッジ回路B1、第2ブリッジ回路B2及び第3ブリッジ回路B3を駆動させる。これにより、電力変換装置1は、電力変換用回路10における第2駆動信号に基づく動作により、直流電力と“三相交流電力”である第2交流電力とを相互に変換可能とする。
以上より、第1の実施形態に係る電力変換装置1によれば、機械的なスイッチを用いることなく、直流電力と単相交流電力である第1交流電力との間の電力変換と、直流電力と三相交流電力である第2交流電力との間の電力変換と、を切り替えることができる。
例えば、第2の実施形態に係る電力変換用回路10は、3つのブリッジ回路と3つの変圧器とを備えることで、第2交流電力送受部2Cとの間で三相交流電力を送受可能とするものとして説明したが、他の実施形態においてはこの態様に限定されない。
例えば、電力変換用回路10は、n個(n=4、5、6・・・)のブリッジ回路とn個の変圧器とを備え、第2交流電力送受部2Cとの間でn相交流電力を送受可能とする態様であってもよい。この場合、第1変圧器T1は第1ブリッジ回路B1及び第2ブリッジ回路B2の間、第2変圧器T2は第2ブリッジ回路B2及び第3ブリッジ回路B3の間、・・・などと、各変圧器は、2つのブリッジ回路の異なる組み合わせごとに対応して接続されるものとする。
次に、第3の実施形態に係る電力変換装置について、図12を参照しながら説明する。
第3の実施形態に係る電力変換装置は、直流電力と“三相交流電力”である第1交流電力とを相互に変換可能とし、かつ、直流電力と“単相交流電力”である第2交流電力とを相互に変換可能とする電力変換装置である。
なお、図12において、駆動制御部11の図示は省略している。
図12に示すように、第3の実施形態に係る電力変換装置1は、第1の実施形態で説明した電力変換用回路10(図1)を3つ備えている。
また、第2交流電力送受部2Cは、3つの電力変換用回路10の各第2交流用端子Q2間に並列に接続される。
また、3つの電力変換用回路10の各第1交流用端子Q1の一方側は、第1交流電力送受部2Bに接続される。また、3つの電力変換用回路10の各第1交流用端子Q1の他方側は、いずれも短絡される。即ち、3つの電力変換用回路10は、各々の第1交流用端子Q1を通じて“スター型”に結線される。
一方、駆動制御部11は、第2駆動信号に基づいて、3つの電力変換用回路10の各々の第2交流用端子Q2から第2交流電力を単相交流で入出力可能なように、各電力変換用回路10のブリッジ回路の各々を駆動させる。
次に、第3の実施形態の変形例に係る電力変換装置について、図13を参照しながら説明する。
第3の実施形態の変形例に係る電力変換装置は、第3の実施形態と同様に、直流電力と“三相交流電力”である第1交流電力とを相互に変換可能とし、かつ、直流電力と“単相交流電力”である第2交流電力とを相互に変換可能とする電力変換装置である。
なお、図13において、駆動制御部11の図示は省略している。
図13に示すように、第3の実施形態に係る電力変換装置1は、第1の実施形態で説明した電力変換用回路10(図1)を3つ備えている。
また、第2交流電力送受部2Cは、3つの電力変換用回路10の各第2交流用端子Q2間に並列に接続される。
また、一の電力変換用回路10の第1交流用端子Q1の一方側は、他の電力変換用回路10の第1交流用端子Q1の他方側と、それぞれ接続される。即ち、3つの電力変換用回路10は、各々の第1交流用端子Q1を通じて“デルタ型”に結線される。
一方、駆動制御部11は、第2駆動信号に基づいて、3つの電力変換用回路10の各々の第2交流用端子Q2から第2交流電力を単相交流で入出力可能なように、各電力変換用回路10のブリッジ回路の各々を駆動させる。
また、3つの電力変換用回路10を用いることで、上述のように、三相交流電力の三相各相をその一端の中性点で接続する結線“スター型”の結線(図12)、及び、三相交流電力の三相各相を相電圧が加わる向きに接続し閉回路とする“デルタ型”の結線(図13)の両方を実現することができる。
例えば、第3の実施形態に係る電力変換装置1は、電力変換用回路10(図1)を3つ備えることで、第1交流電力送受部との間で三相交流電力を送受可能とするものとして説明したが、他の実施形態においてはこの態様に限定されない。
例えば、電力変換装置1は、n個(n=4、5、6・・・)の電力変換用回路10(図1)を、備え、第1交流電力送受部との間でn相交流電力を送受可能とする態様であってもよい。この場合、n個の電力変換用回路10の各第1交流用端子Q1は、“スター型”結線、又は、“デルタ型”結線となるように接続される。
次に、第4の実施形態及びその変形例に係る電力変換装置について、図14及び図15を参照しながら説明する。
第4の実施形態及びその変形例に係る電力変換装置は、直流電力と“三相交流電力”である第1交流電力とを相互に変換可能とし、かつ、直流電力と同じく“三相交流電力”である第2交流電力とを相互に変換可能とする電力変換装置である。
第4の実施形態に係る電力変換用回路10は、直流電力送受部2Aと第1交流電力送受部2Bとの間で、直流電力と“三相交流電力”である第1交流電力とを相互に変換可能とし、かつ、直流電力送受部2Aと第2交流電力送受部2Cとの間で、直流電力と“三相交流電力”である第2交流電力とを相互に変換可能とする回路である。
このようにすることで、第4の実施形態に係る電力変換装置1は、機械的なスイッチを用いることなく、直流電力と三相交流電力である第1交流電力との間の電力変換と、直流電力と三相交流電力である第2交流電力との間の電力変換と、を切り替えることができる。
第4の実施形態に係る電力変換装置1(図14)は、第1変圧器T1、第2変圧器T2及び第3変圧器T3の各2次コイルC12、C22、C32の他端(2次側端子I15、I25、I35)が短絡されることで、第1交流用端子Q1に対し“スター型”の結線がなされている。
一方、第4の実施形態の変形例に係る電力変換装置1は、図15に示すように、第1変圧器T1、第2変圧器T2及び第3変圧器T3の各2次コイルC12、C22、C32の一端(2次側端子I14、I24、I34)が3つの第1交流用端子Q1を通じて第1交流電力送受部2Bに接続されている。また、2次コイルC12の他端(2次端子I15)が2次コイルC32の一端(2次端子I34)に接続され、2次コイルC22の他端(2次端子I25)が2次コイルC12の一端(2次端子I14)に接続され、2次コイルC32の他端(2次端子I35)が2次コイルC22の一端(2次端子I24)に接続されている。
このように、第4の実施形態の変形例に係る電力変換装置1は、第1交流電力を三相交流で入出力する3つの第1交流用端子Q1に対し“デルタ型”の結線がなされている。このような態様としても、機械的なスイッチを用いることなく、直流電力と三相交流電力である第1交流電力との間の電力変換と、直流電力と三相交流電力である第2交流電力との間の電力変換と、を切り替えることができる。
次に、第5の実施形態及びその変形例に係る電力変換装置について、図16及び図17を参照しながら説明する。
第5の実施形態及びその変形例に係る電力変換装置は、直流電力と“m相交流電力”(m=1、2、3、・・・)である第1交流電力とを相互に変換可能とし、かつ、直流電力と“n相交流電力”(n=1、2、3、・・・)である第2交流電力とを相互に変換可能とする電力変換装置である。
なお、図16において、駆動制御部11の図示は省略している。
上述した第2の実施形態の変形例に係る電力変換用回路10は、n個のブリッジ回路とn個の変圧器とを備え、第2交流電力送受部2Cとの間でn相交流電力を送受可能とすることができる旨を説明した。この場合、一つの電力変換用回路10は、2個の直流用端子Q0と、2個の第1交流用端子Q1と、n個の第2交流用端子Q2と、を有する。
図16に示すように、第5の実施形態に係る電力変換装置1は、上述の第2の実施形態の変形例に係る電力変換用回路10を更に複数個(m個)備える態様とする。
また、第2交流電力送受部2Cは、m個の電力変換用回路10の各々が有するn個の第2交流用端子Q2間に並列に接続される。
また、m個の電力変換用回路10の各第1交流用端子Q1の一方側は、第1交流電力送受部2Bに接続される。また、3つの電力変換用回路10の各第1交流用端子Q1の他方側は、いずれも短絡される。即ち、m個の電力変換用回路10は、各々の第1交流用端子Q1を通じて“スター型”に結線される。
また、駆動制御部11は、第2駆動信号に基づいて、各電力変換用回路10が有するn個の第2交流用端子Q2から第2交流電力をn相交流で入出力可能なように、各電力変換用回路10のブリッジ回路の各々を駆動させる。
以上より、第5の実施形態に係る電力変換装置1によれば、機械的なスイッチを用いることなく、直流電力とm相交流電力である第1交流電力との間の電力変換と、直流電力とn相交流電力である第2交流電力との間の電力変換と、を切り替えることができる。
なお、図17において、駆動制御部11の図示は省略している。
図17に示すように、第5の実施形態に係る電力変換装置1は、上述の第2の実施形態の変形例に係る電力変換用回路10をm個備えている。
また、第2交流電力送受部2Cは、m個の電力変換用回路10の各々が有するn個の第2交流用端子Q2間に並列に接続される。
また、一の電力変換用回路10の第1交流用端子Q1の一方側は、他の電力変換用回路10の第1交流用端子Q1の他方側と、それぞれ接続される。即ち、m個の電力変換用回路10は、各々の第1交流用端子Q1を通じて“デルタ型”に結線される。
このようにしても、機械的なスイッチを用いることなく、直流電力とm相交流電力である第1交流電力との間の電力変換と、直流電力とn相交流電力である第2交流電力との間の電力変換と、を切り替えることができる。
次に、第6の実施形態に係る電力変換装置について、図18及び図19を参照しながら説明する。
また、図19は、第6の実施形態に係る電力変換装置の動作を示す第2の図である。
上述の第1〜第4の実施形態及びその変形例に係る電力変換装置1は、駆動制御部11が出力する第1駆動信号に基づいて直流電力と第1交流電力とを相互に変換し、かつ、駆動制御部11が出力する第2駆動信号に基づいて直流電力と第2交流電力とを相互に変換するものとして説明した。即ち、上述の電力変換装置1は、第1駆動信号又は第2駆動信号の何れか一方で動作している期間内においては、所望する何れか一方の電力変換(直流電力と第1交流電力との間の電力変換、又は、直流電力と第2交流電力との間の電力変換の何れか一方)のみを行うものとして説明した。
しかし、第6の実施形態に係る電力変換装置1は、第1駆動信号と第2駆動信号との論理積により得られる第3駆動信号を用いることで、直流電力と第1交流電力との間の電力変換と、直流電力と第2交流電力との間の電力変換と、を同時に行うことを可能とする。
なお、上記状態は、第1駆動信号の第1のタイミングにおける各スイッチング素子S11〜S14、S21〜S24のON/OFF状態(図2参照)と、第2駆動信号の第1のタイミングにおける各スイッチング素子S11〜S14、S21〜S24のON/OFF状態(図4参照)と、の論理積によって導かれる。
なお、上記状態は、第1駆動信号の第1のタイミングにおける各スイッチング素子S11〜S14、S21〜S24のON/OFF状態(図2参照)と、第2駆動信号の第2のタイミングにおける各スイッチング素子S11〜S14、S21〜S24のON/OFF状態(図5参照)と、の論理積によって導かれる。
なお、上記状態は、第1駆動信号の第2のタイミングにおける各スイッチング素子S11〜S14、S21〜S24のON/OFF状態(図3参照)と、第2駆動信号の第2のタイミングにおける各スイッチング素子S11〜S14、S21〜S24のON/OFF状態(図5参照)と、の論理積によって導かれる。
なお、上記状態は、第1駆動信号の第2のタイミングにおける各スイッチング素子S11〜S14、S21〜S24のON/OFF状態(図3参照)と、第2駆動信号の第1のタイミングにおける各スイッチング素子S11〜S14、S21〜S24のON/OFF状態(図4参照)と、の論理積によって導かれる。
例えば、第6の実施形態の変形例に係る電力変換装置1は、第2の実施形態に係る電力変換用回路10(第1交流電力が“単相交流電力”、第2交流電力が“三相交流電力”である場合の電力変換用回路10(図6参照))を備える態様としてもよい。
この場合、第6の実施形態の変形例に係る電力変換装置1は、直流電力と第1交流電力(単相交流電力)との間の電力変換と、直流電力と第2交流電力(三相交流電力)との間の電力変換と、を同時に行うことを可能とする第3駆動信号をもって電力変換用回路10(図6)を駆動させるものとする。
具体的には、第6の実施形態の変形例に係る第3駆動信号は、第1駆動信号の各タイミングにおける各スイッチング素子S11〜S14、S21〜S24のON/OFF状態(図7、図8参照)と、第2駆動信号の各タイミングにおける各スイッチング素子S11〜S14、S21〜S24のON/OFF状態(図9、図10、図11参照)と、の論理積によって導かれる。
図20は、第2の実施形態に係る電力変換装置の第1の適用例を示す図である。
また、図21は、第2の実施形態に係る電力変換装置の第2の適用例を示す図である。
図20に示すように、第2の実施形態に係る電力変換装置1は、例えば、リニアモータ型渦電流レールブレーキ(引用文献2参照)を搭載した鉄道車両に適用される。
この場合、鉄道車両への電力供給源である架線2B1及びパンタグラフ2B2が第1交流電力送受部2Bに相当し、一般に鉄道車両に搭載される主回路変圧器が第1変圧器T1〜第3変圧器T3に相当し、鉄道車両を駆動させるための主回路インバータ2A1及び交流モータ2A2が直流電力送受部2Aに相当する。そして、三相交流で駆動する上記リニアモータ型渦電流レールブレーキ2C1が第2交流電力送受部2Cに相当する。
即ち、当該他の適用例においては、鉄道車両への電力供給源である架線2B1及びパンタグラフ2B2(図21)が第1交流電力送受部2Bに相当し、一般に鉄道車両に搭載される主回路変圧器が第1変圧器T1〜第3変圧器T3に相当し、鉄道車両に搭載された蓄電装置2A3が直流電力送受部2Aに相当する。そして、三相交流で駆動する交流モータ2C2が第2交流電力送受部2Cに相当する。
10 電力変換用回路
11 駆動制御部
2A 直流電力送受部
2A1 主回路インバータ
2A2 交流モータ
2A3 蓄電装置
2B 第1交流電力送受部
2B1 架線
2B2 パンタグラフ
2C 第2交流電力送受部
2C1 リニアモータ型渦電流レールブレーキ
2C2 交流モータ
Q0 直流用端子
Q1 第1交流用端子
Q2 第2交流用端子
B1 第1ブリッジ回路
B2 第2ブリッジ回路
B3 第3ブリッジ回路
S11、S12、S13、S14 スイッチング素子
S21、S22、S23、S24 スイッチング素子
S31、S32、S33、S34 スイッチング素子
T1 第1変圧器
T2 第2変圧器
T3 第3変圧器
C11、C21、C31 1次コイル
C12、C22、C32 2次コイル
N11、N12、N13、N14 接続点
N21、N22、N23、N24 接続点
N31、N32、N33、N34 接続点
I11、I12、I21、I22、I31、I33 1次側端子
I13、I23、I33 中間電位点
I14、I15、I24、I25、I34、I35 2次側端子
Claims (7)
- 直流電力と第1交流電力とを相互に変換可能とし、かつ、前記直流電力と第2交流電力とを相互に変換するための電力変換用回路であって、
前記直流電力を入出力する直流用端子と、
前記第1交流電力を入出力する第1交流用端子と、
前記第2交流電力を入出力する第2交流用端子と、
前記直流用端子間に並列に接続された、スイッチング素子を有する複数のブリッジ回路と、
複数の前記ブリッジ回路のうちの2つのブリッジ回路間に接続された1次コイルと、前記第1交流用端子間に接続された2次コイルと、を有してなる複数の変圧器と、
を備え、
複数の前記変圧器の前記1次コイルの中間電位点が、前記第2交流用端子に接続されている
電力変換用回路。 - 請求項1に記載の電力変換用回路と、
前記ブリッジ回路に対し、前記直流電力と前記第1交流電力とを相互に変換するための第1駆動信号と、前記直流電力と前記第2交流電力とを相互に変換するための第2駆動信号と、を出力して前記ブリッジ回路を駆動させる駆動制御部と、
を備える電力変換装置。 - 前記駆動制御部は、
前記第1駆動信号に基づいて、前記1次コイルの一端から他端にかけて電流が流れるように前記ブリッジ回路を駆動させ、
前記第2駆動信号に基づいて、前記1次コイルの両端から前記中間電位点にかけて、又は、前記中間電位点から前記1次コイルの両端にかけて電流が流れるように前記ブリッジ回路を駆動させる
請求項2に記載の電力変換装置。 - 3つの前記ブリッジ回路である第1ブリッジ回路、第2ブリッジ回路及び第3ブリッジ回路と、
3つの前記変圧器である第1変圧器、第2変圧器及び第3変圧器と、
を備え、
前記第1変圧器は、前記第1ブリッジ回路と前記第2ブリッジ回路との間に接続され、
前記第2変圧器は、前記第2ブリッジ回路と前記第3ブリッジ回路との間に接続され、
前記第3変圧器は、前記第3ブリッジ回路と前記第1ブリッジ回路との間に接続され、
前記駆動制御部は、前記第2駆動信号に基づいて、前記第1変圧器、前記第2変圧器及び前記第3変圧器の各々に接続された3つの前記第2交流用端子から前記第2交流電力を三相交流で入出力可能なように前記ブリッジ回路を駆動させる
請求項2又は請求項3に記載の電力変換装置。 - 前記電力変換用回路を3つ備え、
前記駆動制御部は、前記第1駆動信号に基づいて、3つの前記電力変換用回路の各々が備える3つの前記第1交流用端子から前記第1交流電力を三相交流で入出力可能なように、3つの前記電力変換用回路の前記ブリッジ回路の各々を駆動させる
請求項2又は請求項3に記載の電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換用回路と、
前記ブリッジ回路に対し、前記直流電力と前記第1交流電力とを相互に変換するための第1駆動信号、及び、前記直流電力と前記第2交流電力とを相互に変換するための第2駆動信号の論理積として得られる第3駆動信号を出力して前記ブリッジ回路を駆動させる駆動制御部と、
を備える電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換用回路に対し、前記1次コイルの一端から他端にかけて電流が流れるように前記ブリッジ回路を駆動させるステップと、
前記電力変換用回路に対し、前記1次コイルの両端から前記中間電位点にかけて、又は、前記中間電位点から前記1次コイルの両端にかけて電流が流れるように前記ブリッジ回路を駆動させるステップと、
を有する電力変換方法。
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