JP7419147B2

JP7419147B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP7419147B2
Application number: JP2020071838A
Authority: JP
Inventors: 彰訓加藤
Original assignee: 河村電器産業株式会社
Priority date: 2019-05-30
Filing date: 2020-04-13
Publication date: 2024-01-22
Anticipated expiration: 2040-04-13
Also published as: JP2020198776A

Description

本発明は、三相交流電力を変圧器を使用して多相電力に変換した後、直流に変換する電力変換装置に関する。

従来より高電圧の直流電力を得るために、三相交流を変圧器と整流器を使用して直流に変換する電力変換装置がある。
例えば特許文献１では、スター結線された１次巻線とスター結線された２次巻線とデルタ結線された３次巻線を備えた変圧器を使用し、１次巻線に三相交流電源を接続し、２次巻線と３次巻線とで計１２相の電圧を生成して整流し、直流電力を生成した。

特開２００８－２９５１５５号公報

上記特許文献１に開示されている電力変換装置の変圧器は、上述したように２次側にスター結線とデルタ結線の２つの巻線を設けることで１２相の電圧を生成し、三相交流をそのまま整流する場合に比べてリップルの小さい電圧を得ることを可能とし、平滑化するための設備を簡素化できた。
しかしながら、変圧器２次側のデルタ結線、３次側のスター結線の２つの巻線は何れも同様の巻数であり巻回数も多いため、コアを小さくできず変圧器が大型なものとなっていた。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、多相の電圧を生成する変圧器を小型にすることが可能な電力変換装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決する為に、請求項１の発明は、変圧器を使用して三相電力を多相電力に変換し、変換した多相電力を整流手段で整流して直流変換する電力変換装置であって、変圧器は、三相電源が接続される１次側の第１巻線と、２次側を構成する第２巻線及び第３巻線とを有し、第１巻線はデルタ結線或いはスター結線の何れかで結線される一方、第２巻線及び第３巻線はスター結線されて、何れも共通の鉄心に巻回され、且つ第２巻線と第３巻線の中性点同士は連結されて成り、更に、第２巻線と第３巻線の巻数比を１：（√３－１）とし、２次側の全６端子にそれぞれ全波整流回路が設けられ、整流後並列接続されて直流電力を出力することを特徴とする。
この構成によれば、２次側の電圧を生成する第２巻線及び第３巻線をスター結線するため、生成する電圧を一定にし易い。そして、第３巻線もスター結線されるため、従来のデルタ結線に比べて巻数を√３分の１減らすことが可能となり、変圧器を小型にできる。また、第２巻線から出力される線間電圧の位相に対して、第２巻線と第３巻線の同一相間の線間電圧は３０度ズレた位相て発生するため、全波整流することで３０度位相がズレた全１２相の波形を生成することが可能であり、リップルの小さい直流を得ることが可能となる。

加えて、第２巻線と第３巻線の巻数比を１：（√３－１）とするため、第２巻線と第３巻線により生成される電圧の絶対値を等しくでき、全波整流した結果、３０度位相がズレた同一ピークの波形が生成され、リップルの小さい直流を得ることができる。しかも、第３巻線の巻数は第２巻線に比べて少ないため、変圧器自体を小さくできる。

請求項２の発明は、変圧器を使用して三相電力を多相電力に変換し、変換した多相電力を整流手段で整流して直流変換する電力変換装置であって、変圧器は、２次側を構成する第２巻線及び第３巻線の２つの巻線を有して１次側に巻線を持たず、第２巻線及び第３巻線は何れもスター結線されて共通の鉄心に巻回され、且つ第２巻線と第３巻線の中性点同士は連結されて成り、三相電源が第２巻線に接続されて電力供給されることを特徴とする。
この構成によれば、１次側の巻線が無いため、変圧器を小型軽量化できるし、全波整流することで３０度位相がズレた全１２相の波形を生成することが可能であり、リップルの小さい直流を得ることが可能となる。

本発明によれば、２次側の電圧を生成する第２巻線及び第３巻線をスター結線するため、生成する電圧を一定にし易い。そして、第３巻線もスター結線されるため、従来のデルタ結線に比べて巻数を√３分の１減らすことが可能となり、変圧器を小型にできる。また、第２巻線から出力される線間電圧の位相に対して、第２巻線と第３巻線の同一相間の線間電圧は３０度ズレた位相て発生するため、全波整流することで３０度位相がズレた全１２相の波形を生成することが可能であり、リップルの小さい直流を得ることが可能となる。

本発明に係る電力変換装置の一例を示す回路図である。変圧器の巻線の結線説明図である。変圧器の２次側端子電圧及び端子間電圧のベクトル説明図であり、（ａ）は第２巻線、第３巻線それぞれの相電圧、（ｂ）は第２巻線の相間電圧と第２巻線及び第３巻線の間の同一相の線間電圧の関係を示している。変圧器の２次側出力の波形図である。変圧器２次側の整流後の波形図である。電力変換装置の他の形態を示す回路図である。電力変換装置の他の形態を示す回路図である。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に係る電力変換装置の一例を示す回路図であり、三相電力を多相に変換する変圧器１と、変圧器１の２次側出力を整流する全波整流回路２とを有している。
変圧器１は、第１巻線１１、第２巻線１２、第３巻線１３の３つの巻線を有し、何れも三相電力に対応するための３つの巻回部（１１ａ～１１ｃ、１２ａ～１２ｃ、１３ａ～１３ｃ）を有し、スター結線されている。ここでは、三相をＲ相、Ｓ相、Ｔ相とし、図１では左からＲ相、Ｓ相、Ｔ相として説明する。

第１巻線１１が三相電源３が接続される１次側を構成する１次側巻線Ｌ１であり、Ｒｉｎ，Ｓｉｎ，Ｔｉｎの３端子（１次側端子）を備えている。第２巻線１２及び第３巻線１３が多相化された電力を出力する２次側を構成する２次側巻線Ｌ２であり、第２巻線１２は３つの出力端子（２次側端子）Ｒ１，Ｓ１，Ｔ１を有し、第３巻線１３は３つの出力端子（２次側端子）Ｒ２，Ｓ２，Ｔ２を有している。第２巻線１２と第３巻線１３のスター結線された中性点同士は連結されている。

図２は変圧器１の鉄心４と巻線の構成を示している。図２に示すように、鉄心４は三相を形成するための３本の鉄心脚４１（第１脚４１ａ、第２脚４１ｂ、第３脚４１ｃ）とこの鉄心脚４１の両端を連結する継鉄４２とを有している。
各巻線１１，１２，１３の巻回部（１１ａ～１１ｃ、１２ａ～１２ｃ、１３ａ～１３ｃ）は、この３本の鉄心脚４１にそれぞれ巻回され、第１脚４１ａに巻回された巻線（巻回部１１ａ，１２ａ，１３ａ）がＲ相を構成し、第２脚４１ｂに巻回された巻線（巻回部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂ）がＳ相を構成し、第３脚４１ｃに巻回された巻線（巻回部１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ）がＴ相を構成している。
但し、第３巻線１３は第２巻線１２に比べて巻回数が少なく、第２巻線１２と第３巻線１３とは１：（√３－１）の比で巻回されている。具体的に、第３巻線は第２巻線に比べて約０．７３倍の巻数で巻回されている。

図３は、このように巻回した２次側の６端子に発生する電圧を示し、（ａ）は各相の電圧、（ｂ）は線間電圧を示している。図３（ａ）に示すように、第２巻線１２から出力される三相の電圧Ｖ_Ｒ１、Ｖ_Ｓ１、Ｖ_Ｔ１、及び第３巻線１３から出力される三相の電圧Ｖ_Ｒ２，Ｖ_Ｓ２，Ｖ_Ｔ２は、それぞれ１２０度の位相差を有しているが、第３巻線１３の出力は第２巻線１２との巻線比に比例して小さい。そのため、出力される電圧が巻き数比に比例した大きさとなる。

そして、線間（相間）電圧は、図３（ｂ）に示すように、Ｒ１端子－Ｓ１端子間の電圧Ｖ_{Ｓ１－Ｒ１}の位相に対して、Ｓ１端子－Ｓ２端子間の電圧Ｖ_{Ｓ１－Ｓ２}（Ｖ_Ｓ１＋Ｖ_Ｓ２）は３０進相で発生し、且つ絶対値は等しい。また、Ｓ１端子－Ｔ１端子間の電圧Ｖ_{Ｔ１－Ｓ１}の位相に対して、Ｔ１端子－Ｔ２端子間の電圧Ｖ_{Ｔ１－Ｔ２}（Ｖ_Ｔ１＋Ｖ_Ｔ２）は３０進相で発生し、且つ絶対値は等しい。更に、Ｔ１端子－Ｒ１端子間の電圧Ｖ_{Ｒ１－Ｔ１}の位相に対して、Ｒ１端子－Ｒ２端子間の電圧Ｖ_{Ｒ１－Ｒ２}（Ｖ_Ｒ１＋Ｖ_Ｒ２）は３０進相で発生し、且つ絶対値は等しい。

図４は、このように各巻線を巻回した変圧器１の出力電圧波形を示し、この出力電圧は全波整流回路２で整流され、整流後に並列接続されて出力される。また、図５は整流後の電圧波形を示し、３０度の位相差を有する１２相から成る電圧波形を生成し、リップルの小さな直流電圧を得ることを示している。

このように、第１巻線１１に加えて、２次側の電圧を生成する第２巻線１２及び第３巻線１３もスター結線するため、生成する電圧を一定にし易い。そして、第３巻線もスター結線されるため、従来のデルタ結線に比べて巻数を√３分の１減らすことができ、変圧器１を小型にできる。
また、第２巻線１２から出力される線間電圧の位相に対して、第２巻線１２と第３巻線１３の同一相間の線間電圧は３０度ズレた位相て発生するため、全波整流することで３０度位相がズレた全１２相の波形を生成することが可能であり、リップルの小さい直流を得ることが可能となる。
そして、第２巻線１２と第３巻線１３の巻数比を１：（√３－１）とするため、第２巻線１２と第３巻線１３により生成される電圧の絶対値を等しくでき、全波整流した結果、３０度位相がズレた同一ピークの波形が生成され、リップルの小さい直流を得ることができる。しかも、第３巻線１３の巻数は第２巻線１２に比べて少ないため、変圧器１を小さくできる。

図６は、電力変換装置の他の形態を示す回路図であり、上記形態とは１次側巻線Ｌ１を構成する第１巻線１１の構成が異なっている。第１巻線１１は上記構成がスター結線であるのに対し、３つの巻回部１１ａ～１１ｃがデルタ結線されている。そして、２次側巻線Ｌ２の構成は上記形態と同様であり、第２巻線１２と第３巻線１３はスター結線され、中性点同士は連結されている。
このように、第１巻線１１をデルタ結線で構成しても良く、デルタ結線することで各相に均等の電圧を印加でき、出力電圧の変動を小さくできる。そして、２次側巻線Ｌ２を構成する第２巻線１２及び第３巻線１３は上記形態と同様でスター結線されるため、変圧器１を小型にでき、更にリップルを小さくできる等の上記形態と同様の効果を奏する。

尚、上記実施形態では、第２巻線１２と第３巻線１３の巻数比を１：（√３－１）としているが、巻数比はそれに限定しなくとも良く、リップル率の拡大や高周波抑制フィルタを使用することで変更可能である。ただし、リップル率は負荷側で要求される仕様に準拠する事になる。また、高周波フィルタは、電源側で規定された規格内であることが条件となる。
また、３つの鉄心脚４１を一体形成した鉄心４を使用しているが、鉄心４の形状はこれに限定するもので無く、例えば鉄心脚４１をそれぞれ独立に形成し、巻回した後一体化しても良い。
また、上記実施形態では、１次側に第１巻線１１を設けているが、図７の回路図に示すように第１巻線１１を設けずにスター結線した第２巻線１２及び第３巻線１３を設け、第２巻線１２に電源を直接接続しても良く、全波整流することで３０度位相がズレた全１２相の波形を生成することが可能であり、リップルの小さい直流を得ることが可能となる。そして、１次側の巻線が無いため、変圧器を小型軽量化できる。

１・・変圧器、２・・全波整流回路（整流手段）、３・・三相電源、４・・鉄心、１１・・第１巻線、１２・・第２巻線、１３・・第３巻線、Ｌ１・・１次側巻線、Ｌ２・・２次側巻線。

Claims

変圧器を使用して三相電力を多相電力に変換し、変換した多相電力を整流手段で整流して直流変換する電力変換装置であって、
前記変圧器は、三相電源が接続される１次側の第１巻線と、２次側を構成する第２巻線及び第３巻線とを有し、
前記第１巻線はデルタ結線或いはスター結線の何れかで結線される一方、前記第２巻線及び前記第３巻線はスター結線されて、何れも共通の鉄心に巻回され、
且つ前記第２巻線と前記第３巻線の中性点同士は連結されて成り、
更に、前記第２巻線と前記第３巻線の巻数比を１：（√３－１）とし、２次側の全６端子にそれぞれ全波整流回路が設けられ、整流後並列接続されて直流電力を出力することを特徴とする電力変換装置。
変圧器を使用して三相電力を多相電力に変換し、変換した多相電力を整流手段で整流して直流変換する電力変換装置であって、
前記変圧器は、２次側を構成する第２巻線及び第３巻線の２つの巻線を有して１次側に巻線を持たず、前記第２巻線及び前記第３巻線は何れもスター結線されて共通の鉄心に巻回され、且つ前記第２巻線と前記第３巻線の中性点同士は連結されて成り、
三相電源が前記第２巻線に接続されて電力供給されることを特徴とする電力変換装置。