JP6432650B2

JP6432650B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6432650B2
Application number: JP2017138520A
Authority: JP
Inventors: 佐々木　重晴; 重晴佐々木
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2017-07-14
Publication date: 2018-12-05
Anticipated expiration: 2035-10-30
Also published as: JP2017189113A

Description

開示の技術は、３相交流電源から電力変換装置の電源部に電力供給を受ける場合、降圧回路を不要にしたり、低い耐圧の素子を用いたりすることができると共に、ノイズ除去部品を減らすことができる電力変換装置に関する。

従来から、モータなどを負荷として運転制御する場合、コンバータやインバータなどの電力変換装置が用いられる。電力変換装置では、スイッチング素子などを駆動するための電源が必要となる。

特許文献１には、３相４線式交流電源の中性線とＲ相、Ｓ相、Ｔ相の３相の電力線のいずれか１つの相とに接続された電源配線を介して電力供給を受ける電源部を備えた電力変換装置を有する空気調和装置が記載されている。

また、特許文献２には、電力変換装置としてＲ相、Ｓ相、Ｔ相の３相の電力線のうちのいずれか２相から電力供給を受ける電源部を有する電動機制御装置が記載されている。

特開平７−１９８１５４号公報特開平９−２８５１３８号公報

特許文献１に記載されたものは、中性線を有した３相４線式交流電源を空気調和装置の電力変換装置に接続するため、電力変換装置で発生したノイズが、中性線を含む４線すべてから外部（電源系統）へ漏れ出すため、電力変換装置と電源系統との間に、４線に対するノイズフィルタなどのノイズ除去部品が必要になる。

一方、特許文献２に記載されたものは、中性線を用いず、３相のうちのいずれか２相から電源を得るようにしている。ここで、電動機制御装置の電源部は、３相の線間電圧を所望の電源電圧に変換しなくてはならないが、一般に３相の線間電圧は２００Ｖや４００Ｖであり、高い電圧であるため、電源部の絶縁対策や電源部の素子の耐圧や降圧回路の付加などを考慮する必要がある。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、３相交流電源から電力変換装置の電源部に電源供給を受ける場合、降圧回路を不要にしたり、低い耐圧の素子を用いたりすることができると共に、ノイズ除去部品を減らすことができる電力変換装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、開示の態様の電力変換装置は、Ｎ相を除くＲ相、Ｓ相、Ｔ相が入力されて３相交流電力を所望の電力に変換して出力する電力変換モジュールと前記電力変換モジュールに含まれるアクティブ素子を駆動する駆動制御部と前記駆動制御部で用いる電源電圧を生成して前記駆動制御部に出力する電源部とを有した電力変換装置であって、前記電力変換モジュールの前段に設けられ、前記電力変換モジュールの入力側に接続された３相交流電力を前記電力変換モジュールに出力する３相交流電力線と、前記３相交流電力線の間にスター結線された３つのフィルタ用コンデンサと、前記フィルタ用コンデンサよりも前段の前記３相交流電力線のうちのいずれか１相の電力線と前記電源部との間に接続されて前記電源部に電力供給する第１の電源線と、前記フィルタ用コンデンサ間と前記電源部との間に接続されて前記電源部に電力供給する第２の電源線と、を備えたことを特徴とする。

また、開示の態様の電力変換装置は、前記フィルタ用コンデンサよりも前段の前記３相交流電力線それぞれに接続された３つのリアクトルをさらに備え、前記第１の電源線は、前記フィルタ用コンデンサよりも前段かつ前記リアクトルよりも後段の前記いずれか１相の電力線と前記電源部との間に接続されたことを特徴とする。

開示の態様によれば、３相交流電源から電力変換装置の電源部に電源供給を受ける場合、電源線の線間電圧は３相の線間電圧の約半分の電圧となって降圧回路を不要にしたり、低い耐圧の素子を用いたりすることができ、しかも、３相４線式交流電源の中性線を用いていないので、４線全てにノイズ除去部品を用いる必要がなくなり、ノイズ除去部品を減らすることができる。

図１は、本発明の実施の形態である電力変換装置の構成を示す図である。図２は、本発明の実施の形態である電力変換装置の変形例の構成を示す図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

図１は、本発明の実施の形態である電力変換装置１の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、電力変換モジュール１１とＲ相電力線２１、Ｓ相電力線２２、Ｔ相電力線２３からなる３相交流電力線２０とを備える。電力変換装置１には、外部の３相交流電源２から３相交流電力が供給される。供給されたＲ相、Ｓ相、Ｔ相の電力は、３相交流電力線２０を経由して電力変換モジュール１１に供給される。

３相交流電力線２０には、Ｌ型フィルタ１０が設けられている。Ｌ型フィルタ１０は、Ｒ相電力線２１、Ｓ相電力線２２、Ｔ相電力線２３に、それぞれリアクトルＬ１、Ｌ２、Ｌ３が設けられるとともに、Ｒ相電力線２１、Ｓ相電力線２２、Ｔ相電力線２３の間にスター結線されたフィルタ用コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３が設けられる。Ｌ型フィルタ１０は、ローパスフィルタであり、ノーマルモードノイズを除去する。

電力変換モジュール１１は、入力される３相交流電力を、スイッチング素子などのアクティブ素子１１ａを駆動制御して所望の電力に変換して出力する。図１では、３相交流電力を、Ｐ−Ｎ間に発生する直流電力に変換している。図１では、電力変換モジュール１１がコンバータとして機能しているが、３相交流電力を、２相あるいは３相などの交流電力に変換する交流―交流変換器として機能するものであってもよい。また、電力変換モジュール１１は、コンバータとインバータとを含むものであってもよい。さらに、電力変換モジュール１１は、マトリクスコンバータであってもよい。

電力変換モジュール１１から出力されたＰ−Ｎ間の直流電力は、Ｐ電力線３１とＮ電力線３２とからなる出力電力線３０を介して外部に設けられる直流モータなどの負荷３に供給される。なお、Ｐ電力線３１にはリアクトルＬが設けられる。また、Ｐ電力線３１とＮ電力線３２との線間にはコンデンサＣが設けられる。リアクトルＬとコンデンサＣとは、ローパスフィルタとして機能する。

駆動制御部１５は、電力変換モジュール１１に含まれるアクティブ素子１１ａを駆動制御する。電源部１２は、駆動制御部１５の駆動制御に必要な各種の制御電圧を生成して駆動制御部１５に供給する。

電源線ＬＮ１は、Ｔ相電力線２３上の点Ｐ１と電源部１２との間に配線される。なお、点Ｐ１は、Ｒ相電力線２１上であってもよいし、Ｓ相電力線２２上であってもよい。電源線ＬＮ２は、スター結線されたフィルタ用コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３間である中点Ｐ２と電源部１２との間に配線される。電源線ＬＮ１、ＬＮ２は、３相交流電力線２０から電力の一部を分岐した分岐電力を電源部１２に供給する電源線ＬＮである。

電源線ＬＮを介して電源部１２に供給された電力は交流であるため、全波整流回路１３によって整流され、さらに、平滑コンデンサＣ４によって平滑され、直流電圧として電源回路１４に入力される。電源回路１４は、入力された直流電圧を、駆動制御部１５の駆動制御に必要な各種の制御電圧に変換して駆動制御部１５に供給する。電源回路１４は、例えばスイッチングレギュレータなどによって実現される。

ここで、中点Ｐ２と各相の間の電圧は、３相交流電力線２０の線間電圧の１／√（３）となる。したがって、電源線ＬＮの線間電圧は３相交流電力線２０の線間電圧の１／√（３）となる。例えば、３相交流電力線２０の線間電圧が４００Ｖ程度である場合、電源線ＬＮの線間電圧は、２３０Ｖ程度となる。したがって、電源部１２内の素子の耐圧を小さくすることができる。また、電源部１２内に過度な絶縁対策を施したり、降圧回路を設けたりする必要がない。この結果、電源部１２は、装置規模を小さくしたり、安価にすることができる。

また、中点Ｐ２は、既存のＬ型フィルタ１０を構成するスター結線されたフィルタ用コンデンサ間であるため、３相４線式交流電源の中性線と同様に、３相交流電力線２０の線間電圧の１／√（３）程度の電圧を得ることができる。しかも、中性線を用いていないので、３相交流電源２と電力変換装置１との間のノイズ対策のための構成が中性線には不要となる。このため、中性線についてのノイズ除去部品が不要となる。さらに、既存のＬ型フィルタ１０を利用して中点Ｐ２を得るため、特別な構成を付加する必要がなく、部品を増やさずに済む。

中点Ｐ２として、既存のＬ型フィルタ１０を構成するスター結線されたフィルタ用コンデンサの中点を利用した場合に、フィルタとしての機能が損なわれないことを確認するため、シミュレーションによる検証を行った。Ｃ１〜Ｃ３を１０μＦ、電源部１２で使用する電力（Ｔ相から取得する電力）を３１.１Ｗとしたとき、コンデンサＣ３の電圧（実効値）は２２６．４Ｖとなった。Ｔ相からの取得電力をゼロとしたときの電圧（実行値）が２３０Ｖであることから、コンデンサＣ３の電圧降下は４Ｖ程度であり、Ｃ３のフィルタとしての機能は損なわれていないことが分かった。

なお、上述した中点Ｐ２は、既存のＬ型フィルタ１０を構成するスター結線されたフィルタ用コンデンサ間を中点としているが、これに限らず、図２に示すように、別途、コンデンサＣ２２、Ｃ２３を設けて中点Ｐ３を形成するようにしてもよい。図２では、図１と同様に、点Ｐ１をＴ相電力線２３上に設けているとともに、直列接続した２つのコンデンサＣ２２、Ｃ２３をＳ相電力線２２とＴ相電力線２３との間に新たに接続し、中点Ｐ３をコンデンサＣ２２とコンデンサＣ２３の中点としている。この中点Ｐ３の電圧は、Ｓ相電力線２２とＴ相電力線２３との線間電圧の１／２となる。なお、コンデンサＣ２２、Ｃ２３は、３相交流電力線２０の線間電圧を２分できればよく、点Ｐ１がＴ相電力線２３に設けられた場合、Ｔ相電力線２３とＳ相電力線２２との間、または、Ｔ相電力線２３とＲ相電力線２１との間に設けられる。

なお、上述した点Ｐ１と中点Ｐ２、あるいは点Ｐ１と中点Ｐ３の位置から電源部１２に必要な電源を供給しても、フィルタ用コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の電圧波形に乱れはなく、フィルタ動作機能は損なわれていないことを確認している。

１電力変換装置
２３相交流電源
３負荷
１０Ｌ型フィルタ
１１電力変換モジュール
１１ａアクティブ素子
１２電源部
１３全波整流回路
１４電源回路
１５駆動制御部
２０３相交流電力線
２１Ｒ相電力線
２２Ｓ相電力線
２３Ｔ相電力線
３０出力電力線
３１Ｐ電力線
３２Ｎ電力線
Ｃ，Ｃ２２，Ｃ２３コンデンサ
Ｃ１フィルタ用コンデンサ
Ｃ４平滑コンデンサ
Ｌ，Ｌ１〜Ｌ３リアクトル
ＬＮ，ＬＮ１，ＬＮ２電源線
Ｐ１点
Ｐ２，Ｐ３中点

Claims

Ｎ相を除くＲ相、Ｓ相、Ｔ相が入力されて３相交流電力を所望の電力に変換して出力する電力変換モジュールと前記電力変換モジュールに含まれるアクティブ素子を駆動する駆動制御部と前記駆動制御部で用いる電源電圧を生成して前記駆動制御部に出力する電源部とを有した電力変換装置であって、
前記電力変換モジュールの前段に設けられ、前記電力変換モジュールの入力側に接続された３相交流電力を前記電力変換モジュールに出力する３相交流電力線と、
前記３相交流電力線の間にスター結線された３つのフィルタ用コンデンサを含むフィルタと、
前記３つのフィルタ用コンデンサよりも前段の前記３相交流電力線のうちのいずれか１相の電力線と前記電源部との間に接続されて前記電源部に電力供給する第１の電源線と、
前記３つのフィルタ用コンデンサの中点と前記電源部との間に接続されて前記電源部に電力供給する第２の電源線と、を備え、
前記Ｒ相、前記Ｓ相、前記Ｔ相が入力される一方で前記Ｎ相が入力されない、
電力変換装置。
前記３つのフィルタ用コンデンサよりも前段の前記３相交流電力線それぞれに接続された３つのリアクトル
をさらに備え、
前記第１の電源線は、前記３つのフィルタ用コンデンサよりも前段かつ前記リアクトルよりも後段の前記いずれか１相の電力線と前記電源部との間に接続された
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。