JP6710281B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は電力変換装置に関し、特に、高調波抑制機能が付加された電力変換装置に関する。

近年、電気機器の普及に伴い、高調波電流量が増加し、電力系統の品質の低下が問題となっている。そのため、各系統に接続される電気機器は、高調波発生量に制限が設けられている。それを受けて、各電気機器において、リアクトル及びアクティブ素子などを利用した高調波対策の方法が提案されている。

電力系統側への従来の高調波対策としては、主に、下記の２つの方法がある。

第１の方法は、電源側に三相交流用のリアクトルを設置する方法である（例えば、例えば、特許文献１参照）。

第２の方法は、電力変換装置の前段の整流器を、ダイオード整流器ではなく、ＰＷＭ整流器から構成する方法である。但し、この場合においても、第１の方法のように、電源側に三相交流用のリアクトルを設置する必要がある。

特許文献１に記載の電力変換装置は、電源供給源に接続されたコンバータ回路と、平滑用コンデンサを介してコンバータ回路に接続され、駆動対象の電動機を駆動するインバータ回路とを備えている。特許文献１に記載の電力変換装置においては、電源供給源とコンバータ回路との間に、三相分の交流用リアクトルが接続されている。

特開２０１０−１７２１５２号公報

上述した第１及び第２の方法においては、いずれの方法の場合においても、三相分の交流用リアクトルが必要であり、それによって、電力変換装置の実装体積が大型化するという課題があった。

この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で、高調波を抑制しながら、小型化を図ることが可能な、電力変換装置を得ることを目的としている。

この発明は、第１のダイオードから構成され、入力される交流電力を整流し、整流後の電力を出力するダイオード整流器と、前記ダイオード整流器で整流された前記整流後の電力を昇降圧した電力に変換するコンバータと、直列接続された第１の半導体スイッチング素子から構成されたアームを１以上有するとともに、前記１以上のアームの両端に接続された平滑コンデンサを有し、前記コンバータにより昇降圧され、前記平滑コンデンサに出力された直流電力を用いて交流電力を形成し、駆動対象機器に対して、各前記アームの前記第１の半導体スイッチング素子の直列接続点から駆動電流を供給するインバータと、を備え、前記コンバータは、前記ダイオード整流器の出力の正極側に一端が接続された第２の半導体スイッチング素子と、アノードが前記インバータの各前記アームの負極側に接続されるとともに前記ダイオード整流器の出力の負極側に接続され、カソードが前記第２の半導体スイッチング素子の他端に接続された第２のダイオードと、前記インバータの前記１以上のアームのうちの１つのアームと、前記１つのアームの前記第１の半導体スイッチング素子の前記直列接続点と前記第２のダイオードの前記カソードとの間に接続された直流リアクトルとから構成され、前記インバータの前記１つのアームは、前記インバータと前記コンバータとで共有されている、電力変換装置である。

この発明に係る電力変換装置によれば、ダイオード整流器とコンバータとでチョッパ回路を構成したので、簡易な構成で高調波対策が可能であり、また、従来用いていた３相分の交流リアクトルを１つの直流リアクトルに置き換えられたため、電力変換装置の小型化が図れる。

この発明の実施の形態1に係る電力変換装置の構成を示した構成図である。 この発明の実施の形態1に係る電力変換装置の電圧および電流の波形図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示した構成図である。図１に示すように、電力変換装置は、三相ダイオード整流器２と、昇降圧コンバータ３と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ：Low-Pass Filter）５と、三相電圧型インバータ６とを備えている。

図１に示すように、電力変換装置は、系統電源１に接続されている。系統電源１は、商用電源、すなわち、三相交流電源から構成されている。電力変換装置は、系統電源１からの商用三相交流電力を、電動機７が要求する三相交流電力に変換することで、電動機７を駆動する。ここでは、電力変換装置の駆動対象を、電動機７として説明する。

系統電源１には、三相ダイオード整流器２が接続されている。三相ダイオード整流器２は、系統電源１からの交流電力を全波整流する。三相ダイオード整流器２は、６個の整流ダイオード２ａ〜２ｆをブリッジ接続して構成されている。すなわち、図１に示すように、三相ダイオード整流器２は、３対の整流ダイオード（２ａ，２ｂ）、（２ｃ，２ｄ）、（２ｅ，２ｆ）を有し、各対を構成する２つの整流ダイオードが直列に接続されている。また、各対の直列接続点２１，２２，２３に、系統電源１の各相Ｒ，Ｓ，Ｔが接続されている。

一方、三相電圧型インバータ６は、電動機７に接続されている。三相電圧型インバータ６は、６個の半導体スイッチング素子６ａ〜６ｆ（以下、インバータスイッチング素子６ａ〜６ｆとする。）と、平滑コンデンサ８とから構成されている。インバータスイッチング素子６ａ，６ｃ，６ｅは上側に設けられ、インバータスイッチング素子６ｂ，６ｄ，６ｆは下側に設けられている。また、インバータスイッチング素子６ａ，６ｂが直列接続されて、第１のアームが構成されている。同様に、インバータスイッチング素子６ｃ，６ｄが直列接続されて、第２のアームが構成されている。また、同様に、インバータスイッチング素子６ｅ，６ｆが直列接続されて、第３のアームが構成されている。これらの３つのアームは、並列に接続されている。また、第１〜第３のアームの直列接続点６１〜６３から、電動機７に駆動電流が供給される。なお、第１のアーム、第２のアーム、第３のアームは、それぞれ、電動機７のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応している。平滑コンデンサ８の一端は、各アームの正極側に接続され、平滑コンデンサ８の他端は、各アームの負極側に接続されている。また、第１〜第３のアームは、１個の半導体スイッチモジュールで形成するようにしてもよい。

昇降圧コンバータ３は、ローパスフィルタ５を介して、三相ダイオード整流器２に接続されている。昇降圧コンバータ３は、三相ダイオード整流器２で整流された整流後の電力を昇降圧した電力に変換する。昇降圧コンバータ３は、図１に示すように、コンバータスイッチング素子３ａと、コンバータパッシブ素子３ｂと、直流リアクトル（ＤＣＬ）４と、平滑コンデンサ８と、第１のアームのインバータスイッチング素子６ａ，６ｂとから構成されている。

このように、本実施の形態１に係る電力変換装置は、昇降圧コンバータ３と三相電圧型インバータ６とで第１のアームを共有している点が、１つの特徴である。このように、本実施の形態１では、第１のアームが、コンバータの機能とインバータの機能とを有している。

昇降圧コンバータ３において、コンバータパッシブ素子３ｂは、ダイオードから構成されている。コンバータパッシブ素子３ｂのアノードは、第１のアームの負極側に接続される。さらに、コンバータパッシブ素子３ｂのアノードは、ローパスフィルタ５を介して、三相ダイオード整流器２の出力の負極側にも接続されている。コンバータパッシブ素子３ｂのカソードは、コンバータスイッチング素子３ａの一端に接続されている。コンバータスイッチング素子３ａの他端は、ローパスフィルタ５を介して三相ダイオード整流器２の出力の正極側に接続されている。コンバータスイッチング素子３ａは、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）またはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体パワーデバイスから構成される。また、直流リアクトル４は、コンバータパッシブ素子３ｂのカソードと第１のアームの直列接続点６１との間に接続されている。

本実施の形態１においては、三相ダイオード整流器２、直流リアクトル４、昇降圧コンバータ３のコンバータスイッチング素子３ａ、および、三相電圧型インバータ６のインバータスイッチング素子６ｂが、チョッパ回路部を構成している。

また、図１に示すように、電力変換装置は、三相電圧型インバータ６のインバータスイッチング素子６ａ〜６ｆ、および、コンバータスイッチング素子３ａのオン／オフを制御するスイッチング制御回路１１を備えている。

次に、図１および図２を用いて、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の動作について説明する。図２は、実施の形態１に係るチョッパ回路部を動作させた場合の動作波形図である。

図１において、系統電源１の交流電力は、三相ダイオード整流器２で整流され、その整流された電力は、チョッパ回路部に入力される。チョッパ回路部では、昇降圧コンバータ３のコンバータスイッチング素子３ａのスイッチングと、三相電圧型インバータ６の第一のアームの下側のインバータスイッチング素子６ｂのスイッチングとによって、上記整流された電力の入力電圧が昇降圧され、上記交流電力は直流電力に変換される。当該直流電力は、平滑コンデンサ８へ出力される。

平滑コンデンサ８に出力された直流電力によって、三相電圧型インバータ６が駆動される。すなわち、スイッチング制御回路１１によって、インバータスイッチング素子６ａ〜６ｆのオン／オフが制御されることで、交流電力が発生する。こうして、当該交流電力は、電動機７に出力されて、電動機７が駆動される。

実施の形態１の高調波抑制方法は、図２に示すように、系統電源１の各相の相電圧９に対して、相電流１０を１２０°通電電流波形とすることで実現する。

その方法としては，昇降圧コンバータ３のコンバータスイッチング素子３ａのオン／オフのスイッチングを制御することにより、直流リアクトル４に印加される電圧を制御し、直流リアクトル４に流れる電流を直流一定量に制御する。

直流リアクトル４に流れる電流が一定電流になると、高周波成分が含まれるものの、昇降圧コンバータ３への入力電流は直流成分が支配的な電流が流れる。そのため、三相ダイオード整流器２の出力側の電流は、ローパスフィルタ５を通過することで、高周波成分が除去されるので、直流リアクトル４に流れる電流と相似形の直流一定電流となる。これについて以下に詳細に説明する。

上述したように、第１のアームのインバータスイッチング素子６ａ，６ｂは、昇降圧コンバータ３と三相電圧型インバータ６とで共有されている。このように共有されているアームのインバータスイッチング素子６ａ，６ｂは、電動機７への交流電圧出力のため、正弦波比較ＰＷＭ制御により、非対称にオン・オフ動作を行う。すなわち、インバータスイッチング素子６ａがオン時には、インバータスイッチング素子６ｂがオフとなり、インバータスイッチング素子６ａがオフ時には、インバータスイッチング素子６ｂがオンとなる。この動作に伴い、インバータスイッチング素子６ｂがオン時には、直流リアクトル４に磁気エネルギーが蓄えられる。一方、スイッチング素子６ａがオン時には、その磁気エネルギーは、スイッチング素子６ａの逆並列接続のダイオードを介して、電解コンデンサ８へ供給される。この動作は、コンバータパッシブ素子３ｂに印加される平均電圧を昇圧し電解コンデンサ８へ供給する動作であり、インバータスイッチング素子６ｂの通流率に依存して昇圧比が決定する。

一方で、コンバータパッシブ素子３ｂに印加される平均電圧は、コンバータスイッチング素子３ａの通流率により決定する。そのため、コンバータスイッチング素子３ａの通流率を制御することで、コンバータパッシブ素子３ｂに印加される平均電圧は、三相ダイオード整流器２の直流出力平均電圧を降圧した値となる。

以上より、コンバータスイッチング素子３ａとコンバータパッシブ素子３ｂとで構成されるアームは降圧動作を行い、インバータスイッチング素子６ａ，６ｂから構成されるアームは昇圧動作を行うため、これらの２つのアームの動作によって、入力電圧の昇降圧動作を実現する。また、それぞれのアームの動作は独立動作で、オン・オフのタイミングを同期する必要はない。

高調波抑制は、昇降圧コンバータ３のコンバータスイッチング素子３ａのオン／オフのスイッチングを制御することにより、直流リアクトル４に印加される電圧を制御し、直流リアクトル４に流れる電流を制御することで行う。

すなわち、コンバータスイッチング素子３ａのオン／オフのスイッチング制御を行うと、昇降圧コンバータ３の入力電流は、直流リアクトル４に流れる電流量にスイッチング周波数等の様々な成分が乗った電流値となる。そのため、前段のローパスフィルタ５により直流成分以外の周波数成分をカットし、三相ダイオード整流器２の出力電流を一定直流電流量にできるよう、直流リアクトル４に流れる電流を制御する。

こうして、三相ダイオード整流器２の出力側の電流が直流一定電流となると、三相ダイオード整流器２は負荷が一定電流源の場合と同じ動作を行う。そのため、各相の入力電流は１２０°通電波形となる。すなわち、図２に示すように、系統電源１の各相の相電流１０は、系統電源１の各相の相電圧９が最大または最小付近の１２０°区間で導通し、導通時は母線電流（直流リアクトル４の電流）と同一の電源電流が流れる。従って、母線電流を制御することにより、系統電源１の各相の相電流１０を制御することができる。そのため、三相ダイオード整流器２のみを使用するコンデンサインプット型と比較して、高調波を低減することができる。

また、本実施の形態において、スイッチング周波数を高くすることで、コンバータスイッチング素子３ａの開閉により発生する電流リプルは小さくなるので、より細やかに、電流波形を制御することが可能になる。

なお、ここで、本実施の形態において、１２０°区間のみ導通する理由は、本実施の形態では、整流器として、ダイオードをブリッジ接続した三相ダイオード整流器２を用いているためである。ダイオードで構成された整流器を使用した場合、電源の各相は、チョッパ回路の有無にかかわらず、相電圧が最大または最小付近の１２０°区間で通電するが、それ以外の６０°区間、すなわち、ゼロクロス付近の±３０°では通電しない。一方、整流器として、ＩＧＢＴのようなスイッチング素子をブリッジ接続した整流器を用いた場合には、電源の各相の電流波形は、ほぼ正弦波に制御されるので、ゼロクロス付近でも通電することになり。１８０°区間で通電する。また、例えば、誘導モータのように、三相電源を整流せずに利用する場合においても、１８０°区間で通電する。

上述したように、高調波抑制を目的とした場合に、従来の電力変換装置においては、一般的に、三相分の交流リアクトルが使用されているが、本実施の形態１においては、三相分の交流リアクトルを設ける代わりに、１つの直流リアクトル４のみを使用すればよいため、電力変換装置の小型化が図れる。

また、本実施の形態１においては、チョッパ回路部に、昇降圧コンバータ３を使用している。昇降圧コンバータ３は、一般的な反転型の昇降圧チョッパと比較して、コンバータスイッチング素子３ａ及びコンバータパッシブ素子３ｂに印加される電圧が低いため、低耐圧デバイスが使用できる。よって、本実施の形態１で示した電力変換装置を用いて、例えばエレベータ駆動用制御盤を設計するにあたり、実装面での小型化が期待できる。

また、昇降圧コンバータ３により、昇降圧動作可能なため、電動機７の定格電圧に合わせて、三相電圧型インバータ６の出力をＰＡＭ制御でき、三相電圧型インバータ６の出力制御の自由度が上がる。

また、実施の形態１において、更なる高調波抑制機能を付加させるために、電源系統側にＬＰＦを追加接続してもよい。

実施の形態１に係る電力変換装置は、例えば、エレベータの駆動装置、エスカレータ等の乗客コンベアの駆動装置、空気調和機、産業用工作機器などの、種々の分野の装置に適用可能である。

以上のように、本実施の形態１に係る電力変換装置は、複数の整流ダイオード２ａ〜２ｆ（第１のダイオード）から構成され、入力される交流電力を整流する三相ダイオード整流器２と、三相ダイオード整流器２で整流された交流電力を直流電力に変換する昇降圧コンバータ３と、それぞれ２つずつ直列接続されたインバータスイッチング素子６ａ〜６ｆ（第１の半導体スイッチング素子）から構成された第１〜第３のアームを有し、昇降圧コンバータ３から入力される直流電力を用いて、各アームのインバータスイッチング素子の直列接続点６１〜６３から駆動対象機器の電動機７に駆動電流を供給する三相電圧型インバータ６とを備えている。また、昇降圧コンバータ３は、三相ダイオード整流器２の出力の正極側に一端が接続されたコンバータスイッチング素子３ａ（第２の半導体スイッチング素子）と、アノードが三相電圧型インバータ６の各アームの負極側と三相ダイオード整流器２の出力の負極側とに接続され、カソードがコンバータスイッチング素子３ａの他端に接続されたコンバータパッシブ素子３ｂ（第２のダイオード）と、三相電圧型インバータ６の第１のアームと、第１のアームの直列接続点６１とコンバータパッシブ素子３ｂのカソードとの間に接続された直流リアクトル４とから構成されている。

このように、三相電圧型インバータ６の第１のアームは、三相電圧型インバータ６と昇降圧コンバータ３とで共有されている。その分だけ、部品点数が少なくなり、電力変換装置の基板を小さくすることができ、電力変換装置全体の小型化が図れる。

また、本実施の形態１においては、三相ダイオード整流器２、直流リアクトル４、昇降圧コンバータ３のコンバータスイッチング素子３ａ、および、三相電圧型インバータ６のインバータスイッチング素子６ｂで、ＰＦＣ昇高圧チョッパ回路部を構成するようにしたので、簡易な構成で、電力系統側への高調波対策を行うことが可能である。

また、本実施の形態１においては、従来使用されていた三相分の３つの交流リアクトルを、１つの直流リアクトル４に置き換えられるため、電力変換装置の基板を小さくすることができ、電力変換装置全体の小型化が図れる。

また、本実施の形態１においては、コンバータとして、昇降圧機能を有した昇降圧コンバータ３を用いるようにしたため、コンバータにおいて昇降圧できるため、従来においては系統電圧によって必要であった変圧用トランスが不要となり、さらなる小型が図れる。

さらに、本実施の形態１においては、昇降圧コンバータ３を使用するようにしたので、昇降圧コンバータは、一般的な反転型の昇降圧チョッパと比較して、コンバータスイッチング素子３ａ及びコンバータパッシブ素子３ｂに印加される電圧が低いため、低耐圧デバイスが使用できるので、コスト削減が図れる。

また、本実施の形態１において、三相電圧型インバータ６の第１〜第３のアームを、１つの半導体スイッチモジュールとして構成するようにしてもよい。その場合には、電力変換装置のさらなる小型化が図れる。

本実施の形態１に係る電力変換装置は、以上のように小型化が図れるので、エレベータ等の種々のシステムに実装した場合、実装のスペースに自由度を持てることができる。

Claims (4)

1. 第１のダイオードから構成され、入力される交流電力を整流し、整流後の電力を出力するダイオード整流器と、
   前記ダイオード整流器で整流された前記整流後の電力を昇降圧した電力に変換するコンバータと、
   直列接続された第１の半導体スイッチング素子から構成されたアームを１以上有するとともに、前記１以上のアームの両端に接続された平滑コンデンサを有し、前記コンバータにより昇降圧され、前記平滑コンデンサに出力された直流電力を用いて交流電力を形成し、駆動対象機器に対して、各前記アームの前記第１の半導体スイッチング素子の直列接続点から駆動電流を供給するインバータと、
   を備え、
   前記コンバータは、
   前記ダイオード整流器の出力の正極側に一端が接続された第２の半導体スイッチング素子と、
   アノードが前記インバータの各前記アームの負極側に接続されるとともに前記ダイオード整流器の出力の負極側に接続され、カソードが前記第２の半導体スイッチング素子の他端に接続された第２のダイオードと、
   前記インバータの前記１以上のアームのうちの１つのアームと、
   前記１つのアームの前記第１の半導体スイッチング素子の前記直列接続点と前記第２のダイオードの前記カソードとの間に接続された直流リアクトルと
   から構成され、
   前記インバータの前記１つのアームは、前記インバータと前記コンバータとで共有されている、
   電力変換装置。
2. 前記第１の半導体スイッチング素子及び前記第２の半導体スイッチング素子のオン／オフ動作を制御するスイッチング制御回路をさらに備え、
   前記スイッチング制御回路は、前記第２の半導体スイッチング素子のスイッチング制御により、前記直流リアクトルに印加される電圧を制御して、前記直流リアクトルに流れる電流を直流一定量に制御する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記１以上のアームは、単一の半導体スイッチモジュールから構成される、
   請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記コンバータは、前記ダイオード整流器で整流された交流電圧を昇降圧する昇降圧コンバータから構成される、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の電力変換装置。

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