JP6636219B1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は実施の形態1に係る電力変換装置を用いたシステムを示すブロック構成図である。電力変換装置3の入力側は、変圧器2を介して商用電源1に接続される。電力変換装置3の出力側は、直流母線4を介して直流負荷5に接続される。
商用電源1は交流電圧を発生させる。この交流電圧の周波数は、50Hzもしくは60Hzである。以下ではこの交流電圧のことを入力交流電圧と呼ぶ。
本実施形態では、変圧器2及び直流負荷5において、安全確保などの理由により接地が施されている。そしてこの接地線を介して電流が流れる経路を有する場合に、電力変換装置3が発生する零相電圧(コモンモード電圧)が、直流負荷5に悪影響を及ぼさないようにすることを目的としている。
電力変換装置3は、交流/直流変換部31、交流フィルタ部32、直流フィルタ部33、制御器34によって構成される。
図1において、直流フィルタ部33は、交流/直流変換部31の直流端子に接続され、コンデンサ部331によって構成される。コンデンサ部331においては、2つのコンデンサ(第2コンデンサ)が直列接続され、その両端が直流端子の正極側と負極側にそれぞれ接続される。即ち、コンデンサ部331は、2つのコンデンサ(第2コンデンサ)を直列接続した直列接続体を有し、この直列接続体が直流端子の正極側と負極側に接続されている。
本実施形態の特徴として、フィルタコンデンサ部321のスター結線の中性点と、コンデンサ部331の2つのコンデンサが直列接続される接続点とが、大地電位6に対して接地されることなく互いに接続されることである。
Vu*=V×sinωt・・・・・・・・・・・・・・・(1)
Vv*=V×sin(ωt−2π/3)・・・・・・・・(2)
Vw*=V×sin(ωt+2π/3)・・・・・・・・(3)
ここで、Vは各相電圧指令のピーク電圧、ωは角周波数、tは時間である。この場合各相の電圧指令の和の平均、すなわち零相電圧は(4)式に示すようになり、電圧指令としては、零相電圧を含まない。
Vz*=(Vu*+Vv*+Vw*)/3=0・・・・・(4)
図4BはU相正極側ゲート信号の波形を示している。図4CはU相負極側ゲート信号の波形を示している。図4DはV相正極側ゲート信号の波形を示している。図4EはV相負極側ゲート信号の波形を示している。
図4FはW相正極側ゲート信号の波形を示している。図4GはW相負極側ゲート信号の波形を示している。図4HはU相出力電圧の波形を示している。図4IはV相出力電圧の波形を示している。図4JはW相出力電圧の波形を示している。図4Kはコモンモード電圧の波形を示している。
本実施形態による構造を用いない場合、この零相電圧によって、変圧器2及び直流負荷5の接地線を介して零相電流が流れ、直流負荷5及び図示しない地絡検知装置の誤動作を誘発する可能性がある。また、この零相電圧によって直流母線4の電圧の対地電位が振動し、直流負荷5の誤動作を誘発する可能性がある。
零相電圧源31Eの周波数は、スイッチング周波数と同じである。よってフィルタリアクトル322、フィルタコンデンサ部321、コンデンサ部331におけるインダンクタンス値及びキャパシタンス値により求められる共振周波数をスイッチング周波数よりも小さくなるように設定すれば大きな減衰効果を得られる。スイッチング周波数と同じ成分を減衰させる必要があるので、共振周波数をこの周波数成分以下に設定すれば大きな減衰効果を得ることができる。即ちLCを含むフィルタにおける共振周波数と減衰との関係については一般的な電気回路の原理に基づくものである。
また、図1のコンデンサ部331では、2つのコンデンサからなる直列接続体を交流/直流変換部31の直流端子の正極側及び負極側に接続するようにしているが、コンデンサ部331を1つのコンデンサで構成し、このコンデンサの一端を直流端子の正極側または負極側のいずれかに接続し、他端を、大地電位に接地することなく、交流フィルタ部32のスター結線されたコンデンサの中性点に接続するようにしても良い。このコンデンサ部331の1つのコンデンサに代えて複数のコンデンサを直列接続したものを適用しても良い。
なお接続とは、電気的な接続を意味しており、直接接続している状態を必ずしもさすわけではない。コンデンサ部331と直流端子との接続の種類としては、コンデンサ部331が直流端子に直接接続されたものだけでなく、母線を介して直流端子に接続されることも含まれる。同様にフィルタコンデンサ部321と交流端子との接続の種類としては、交流端子に直接接続された形態のみならず、交流端子に接続されている電線等にフィルタコンデンサ部321が接続されている形態も含まれる。
図6は実施の形態2に係る電力変換装置を用いたシステムを示すブロック構成図である。実施の形態1と同様に、電力変換装置3の入力側は、変圧器2を介して商用電源1に接続される。電力変換装置3の出力側は、直流母線4を介して直流負荷5に接続される。実施の形態2と実施の形態1の異なる部分は、電力変換装置3のフィルタ構成であり、実施の形態1と比較するとさらに零相電圧の抑制効果を強めることができ、更に小型に構成できるものである。
電力変換装置3の直流フィルタ部33は、実施の形態1で示したコンデンサ部331に加えて、フィルタリアクトル部332が接続される。フィルタリアクトル部332はコモンモードリアクトル(第2のコモンモードリアクトル)である。コンデンサ部331においては、2つのコンデンサが直列接続され、その両端が直流端子の正極側と負極側にそれぞれ接続される。
ノーマルモードリアクトルとは、ノーマルモードの電流成分(正相電流成分と逆相電流成分の合計)、すなわち三相の電流を合計して零になる成分に対して、インダクタンスが大きくなるように三相が磁気結合されたものであり、単相リアクトルを3台用いるよりも小型に構成できる特徴がある。一方、ノーマルモードリアクトルは、コモンモードの電流成分(零相電流成分)、すなわち三相の電流を合計して零にならない成分に対して、インダクタンスをほとんど有さない。交流フィルタ部32において、コモンモードリアクトル(フィルタリアクトル部323)とノーマルモードリアクトル(フィルタリアクトル部325)とを別々に構成することにより装置全体の小型化を図ることができる。
実施の形態1との違いは、零相電圧重畳部344を有する点にある。零相電圧重畳部344では、入力電流制御部342によって生成されるU相、V相、W相の各相電圧指令Vu*、Vv*、Vw*に、零相電圧指令Vz*が重畳される。そして以下(5)、(6)、(7)式に示すように、新に各相の電圧指令Vu**、Vv**、Vw**が計算され、比較部343に送られる。
Vu**=V×sinωt+Vz*・・・・・・・・・・・・・・・(5)
Vv**=V×sin(ωt−2π/3)+Vz*・・・・・・・・(6)
Vw**=V×sin(ωt+2π/3)+Vz*・・・・・・・・(7)
例えば零相電圧指令Vz*として、各相電圧指令のピーク値を低減するために、(8)式に示されるような、入力交流電圧の周波数の3倍の周波数を有する零相電圧指令を重畳する。
Vz*=V/6×sin3ωt・・・・・・・・(8)
なお、零相電圧指令Vz*の与え方としては、様々な方法が考えられるが、入力交流電圧の周波数の3倍の周波数を有することが特徴である。
図8においては、各相電圧指令のピーク電圧Vは0.8puとして例示している。なお単位puのベースは、直流母線4の両端の電圧を±1pu(幅2pu)とした場合に対応している。
直流電圧を低減することで、半導体スイッチング素子311のスイッチング動作に伴う損失、すなわちスイッチング損失を低減することができる。
各相のピーク電圧を軽減するように零相電圧を与えることが目的であり、3相の場合、図8に示すように1周期に3回ピーク電圧を打ち消すような零相電圧指令が必要となる。従って上記のように入力交流電圧の周波数の3倍の周波数を有する零相電圧指令を重畳することとなる。
なお、零相電圧指令の重畳により、電圧低減を図るとともに、これによってノイズが増大することに対する対策を施すことが本実施形態の特徴である。
実施の形態2では、前述の通り、交流フィルタ部32と直流フィルタ部33にコモンモードリアクトル(フィルタリアクトル部323、332)を用いているので、零相電圧の減衰効果は大きくなるため、零相電圧が低周波でかつ振幅が大きくなった場合においても効果を発揮する。即ち(ノイズ電流)=(ノイズ源となる電圧)÷(ωL)なる式が成立するので、零相電圧が低周波(ωLが小)で、かつ振幅が大きい場合、ノイズ電流は大きくなる。このような場合でも交流フィルタ部32と直流フィルタ部33にコモンモードリアクトル(フィルタリアクトル部323、332)を用いているので、零相電圧の減衰効果はより顕著となる。
図9に示した零相等価回路において、零相電圧源31Eおよび31E3、フィルタリアクトル部323、332、フィルタコンデンサ部321およびコンデンサ部331で閉ループを形成しており、大きな減衰効果を有する。
なお本実施の形態では、コモンモードリアクトルであるフィルタリアクトル部323、332を両方接続したが、図9から明らかなように、同一の電流経路に接続されるため、どちらか一方のみを接続してもよい。
図10A、Bは実施の形態3による電力変換装置におけるコモンモードリアクトル部を示す回路図である。実施の形態3は、実施の形態2におけるコモンモードリアクトルの変形に関するものである。図6に示す電力変換装置3において、フィルタリアクトル部323に、図10Aに示すように、補助巻線81と抵抗82を設ける。また図6に示す電力変換装置3において、フィルタリアクトル部332に、図10Bに示すように、補助巻線81と抵抗82を追加する。図11はフィルタリアクトル部332の構造の概略を示す構成図である。図11において、磁性体コア83に直流線84が巻回されている。これにより直流線84を流れるノイズ成分である交流成分が電磁誘導により補助巻線81に交流を発生させ、抵抗82により消費させる。フィルタリアクトル部323においても同様の構成を有し、フィルタリアクトル部323においては交流線が3本となる。
このようにインピーダンスを増加させることにより、実施の形態1及び実施の形態2で説明した交流/直流変換部31が発生する零相電流をさらに抑制することができる。
更に本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Claims (9)
- 三相の入力交流電圧を直流電圧に変換する電力変換装置であって、
前記電力変換装置は、半導体スイッチング素子を有する交流/直流変換部と、
スター結線された少なくとも3つのコンデンサを有するフィルタコンデンサ部を有し、前記交流/直流変換部の各交流端子に接続される交流フィルタ部と、
少なくとも1つのコンデンサを有するコンデンサ部を有し、前記交流/直流変換部の直流端子に接続される直流フィルタ部と、
前記半導体スイッチング素子のオン/オフを制御する制御器を備え、
前記フィルタコンデンサ部の前記少なくとも3つのコンデンサの一端部は前記スター結線における中性点に接続され、前記少なくとも3つのコンデンサの他端部は前記交流/直流変換部の各交流端子に接続され、
前記コンデンサ部の前記少なくとも1つのコンデンサの一端は前記交流/直流変換部の直流端子の正極側または負極側に接続され、前記少なくとも1つのコンデンサの他端と前記中性点とは大地電位に対し直接的にも接地コンデンサを介しても接地されることなく接続され、
前記交流フィルタ部は第1のコモンモードリアクトルを有すると共に前記直流フィルタ部は第2のコモンモードリアクトルを有し、
前記第1のコモンモードリアクトル、前記第2のコモンモードリアクトル、前記フィルタコンデンサ部及び前記コンデンサ部により前記入力交流電圧の3倍の周波数より小さくなるように共振周波数を設定した電力変換装置。 - 前記コンデンサ部は、少なくとも2つのコンデンサを直列接続した直列接続体を有し、
前記直列接続体は、前記交流/直流変換部の直流端子の正極側及び負極側に接続され、
前記直列接続体の直列接続された前記少なくとも2つのコンデンサの接続点が、大地電位に接続されることなく前記中性点に接続されている請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記三相の入力交流電圧は、少なくとも1箇所が大地電位に接地される変圧器を介して供給される請求項1又は請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記第1のコモンモードリアクトルは、前記フィルタコンデンサ部と前記交流/直流変換部との間に接続される請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記第2のコモンモードリアクトルは、前記コンデンサ部と前記交流/直流変換部との間に接続される請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記制御器は、前記三相の電圧指令に前記入力交流電圧の周波数の3倍の周波数成分を有する零相電圧指令を重畳する零相電圧重畳部を有する請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記直流フィルタ部と前記交流フィルタ部によって構成されるフィルタ回路の零相インピーダンスの共振周波数は、前記半導体スイッチング素子をオン/オフする際のスイッチング周波数よりも小さい請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記第1のコモンモードリアクトルは、補助巻線と抵抗を有する請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記第2のコモンモードリアクトルは、補助巻線と抵抗を有する請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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