JPH02241364A

JPH02241364A - 電力変換装置

Info

Publication number: JPH02241364A
Application number: JP5971189A
Authority: JP
Inventors: Rei Miyazaki; 玲宮崎; Atsushi Yajima; 敦矢島
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Transport Engineering Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Transport Engineering Inc
Priority date: 1989-03-14
Filing date: 1989-03-14
Publication date: 1990-09-26

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は入力側交直変換器を有する高周波パルス幅変調
コンバータ回路を有する電力変換装置に関する。

（従来の技術）高周波パルス幅変、！ｉｔ（以下、ＰＷＭと称する）コ
ンバータ回路を用いた交流電気車の電力変換装置では集
電器から受電した交流電力が変圧器およびリアクトルを
介してＰＷＭコンバータ回路に入力される。このＰＷＭ
コンバータ回路の直流出力にはコンデンサが並列に接続
され、コンデンサを介して負荷に電力が供給される。こ
の負荷としてはインバータと三相交流電動機の組合せが
一般的である。

第３図はこのような電力変換装置の従来例であり、ＰＡ
Ｎは集電器、ＶＣＢは遮断器、ＴＲは変圧器、Ｓ１〜Ｓ
３はその二次巻線、　Ｌｌ〜Ｌ３は交流リアクトし、Ｃ
ＶＩ〜ＣＶ３はＰＷＭコンバータ回路、Ｃはコンデンサ
、ＩＶはインバータ、■旧ま電動機、Ｔは変圧器ＴＲの
三次巻線で、ＡＵＸは例えば冷却ファンのような交流負
荷である。

この従来例では、３組のブリッジ回路ＣＶＩ〜ＣＶ３が
並列に運転される場合を示しているが、これらの３組の
ブリッジ回路Ｃｖ１〜ＣＶ３の各々にはゲートターンオ
フサイリスタ（ＧＴＯ）Ｇｌ〜Ｇ４、ダイオードＤ１〜
Ｄ４で構成されている。尚、第３図ではブリッジ回路Ｃ
Ｖ２．　ＣＶ３の内部回路はＣＶＩと同一であり、その
詳細が省略されている。

ブリッジ回路Ｃｖ１〜ＣＶ３の各々の交流側は個別に変
圧器ＴＲの二次巻線に接続されている。そしてブリッジ
回路Ｃｖ１〜ＣＶ３の直流側は並列接続されてコンデン
サＣに接続されている。この従来例にあって、リアクト
ルし１〜Ｌ３は次の２つの理由により、所定の値以上の
りアクタンスを有することが必要である。

■　変圧器ＴＨの二次巻線５ｌ（ｉ＝１〜３）の誘起電
圧を＜’ｓｉ、ブリッジＣＶｉの入力電圧を！。１゜交
流電流をｔ。ｉ、交流リアクトルＬＬの交流電源周波数
に対するリアクタンス値と変圧器ＴＨの二次巻線Ｓ１の
漏れリアクタンスとの和をＸ、とじた時！。１＝ぐｓｉ
＋ｊｘ工士。ｉ　　・・・・・・　　　ωの関係が成立
する。

尚第４図（ａ）はカ行時、同図（ｂ）は回生時のベクト
ル図であり、ｉは１〜３をあられす添字である。

また第４図（ｃ）は各信号の説明図であり、ＬＴｉは変
圧器ＴＨの一次巻線Ｓｉの漏れリアクタンスをあられし
ている。ＬＳｉは第３図に示した交流リアクトルＬｉの
リアクタンスを表わしている。従って０式％式％そして一般的には第４図のように入力力率１、即ち誘起
電圧Ｑｓｉと交流電流Ｉｓｉの位相を等しく制御するよ
うにしているが、ＰＷＭコンバータ回路Ｃｖ支が交流電
流ｆｓｉを、負荷に応じた大きさでかつ二次電圧に位相
をあわせて安定に制御するためには、リアクタンスの値
Ｘｉが所定の大きさ以上であることが必要である。

■　第５図はＰＷＭコンバータブリッジ回路回路Ｃ−１
〜ＣＶ３力交流電流の波形例（詳細は後述）を示してい
るが、ＰＷＭコンバータ回路では、交流電流ｔｓ□〜１
８．に変調波成分のりプルが含まれる。

そして各コンバータブリッジ回路ＣＶＩ〜ＣＶ３のＧＴ
ＯＧｌ〜Ｇ４の遮断電流の大きさは、交流電流波形の各
リプルのピーク点の大きさと一致するため、ＧＴＯの遮
断性能を電流ピーク値が上まらないためにリプルの大き
さを制限する必要がある。

ところで、交流リアクトルのりアクタンスが大きいほど
このりプルが小さくなる。従って交流リアクトルとして
、リアクタンス値が所定の値以上であることが必要であ
る。

以上の理由により、一般に従来の電力交換装置では、変
圧器ＴＲの二次側に所定の値の交流リアクタンスが必要
であるが、装置の小形軽量化のためには、要求されるリ
アクタンス値を変圧器二次巻線の漏れリアクタンスのみ
で確保し、装置構成上独立したりアクドルを置かないこ
とが望ましい。

一方、３台のＰＷＭコンバータブリッジ回路回路Ｃ−１
〜ＣＶ３転は、それぞれの変調波の位相を互いに６０”
づつ位相差をもたせた制御（以下３相制御という）が採
用される。

第５図は３相制御時の交流電流波形ｔ５□〜土。３を示
している。ここでｉｓｉは二次巻線Ｓ工（ｉ＝１〜３）
の電流に対応する。

一次電流の高調波低減のためにはりプル分を３個のブリ
ッジ回路で打ち消し合える３相運転をすることが望まし
い。さらに３相運転を行う各ブリッジ回路Ｃ■１〜ＣＶ
３の交流電流士、□〜ｌ５３−交流入力電圧ｔ８□〜窒
３．は互いに大きさが等しいことが高調波低減のため必
要である。

また交流電流ｆＳｉ〜士、、を同じ大きさとすることは
、負荷の負担を３個のブリッジ回路Ｃ■１〜ＣＶ３で等
しくすることであり装置を最低限の大きさで構成するた
めにも有効である。

（発明が解決しようとする課題）上記のように、装置の小型化のためには、交流回路に必
要なりアクタンス分を変圧器の漏れリアクタンスのみで
確保し、かつ変圧器−次電流高調波低減のためには、各
ＰＷＭコンバータブリッジ回路を３相制御とすることが
望ましい。そして、これらを同時に実現するために変圧
器が有するべき特徴は次のようになる。

表１３個の二次巻線８１〜Ｓ３をもつ変圧器ＴＲのリアクタ
ンスマトリクスは表１のようになる。尚ここで対角要素
Ｘ１Ｌ　ｌ　Ｘ２２　ｒ　Ｌ３　は各二次巻線Ｓ、、　
Ｓ２．　Ｓ。

の自己リアクタンスの大きさを示し、その他の要素Ｘ１
ｊ（ｉ≠ｊ）は二次巻線Ｓ１とＳｊの相互リアクタンス
の大きさを示す、また等価リアクタンスｘｉを次式で定
義する。

ｘｉ＝ｘ１□＋ｘ１２＋Ｘ１３・・・・・・・・・■即
ち、リアクタンスマトリクスの各行の値の和とする。

そこで先に述べたいくつかの目的を達成するためには。

（ａ）各巻線の等価リアクタンスＸ工＃Ｘ２１Ｘ３の値
がほぼ等しいこと。

（ｂ）リアクタンスマトリクスの対角要素Ｘ１□ｌ　Ｘ
２□。

Ｘ３３　の値が制御上十分な大きさであること。

（Ｃ）リアクタンスマトリクスの対角要素以外の要素Ｘ
ｉｊ　（ｉ≠ｊ）の値が十分に小さいこと。

が必要である。

上記（ａ）項は、各巻線の等価リアクタンスＸ工〜ｘ３
が■式のＸｉ値に相当するため、各巻線の等価インダク
タンスＸ工＋Ｘ２＃Ｘ３の値が等しくなければならない
必要性を述べており、各ブリッジの交流入力電圧Ｖｃｉ
又は入力電流Ｉｓｉにアンバランスを生じさせない要素
となる。

上記（ｂ）項は各ブリッジ回路Ｃｖ１〜ＣＶ３でＰＷＭ
制御を行う場合の電流変化率±１扛を所定の値以ｔ下の値以下とするために必要な事項をあられしている。

なぜならば、電流変化率±１旺が大きすぎｄすると電流脈動が増大して各ブリッジ回路Ｃｖ１〜ＣＶ３
のＧＴＯＧＩ〜Ｇ４の遮断電流が大きくなり、ＧＴＯ素
子の大形化が必要となり、−次電流に含まれる高調波も
増大するためである。

上記（ｃ）項は各ブリッジ回路Ｃｖ１〜ＣＶ３でＰＷＭ
制御を行う場合、他のブリッジ回路のスイッチングの影
響で自ブリッジの接続された二次巻線値のりアクタンス
値が変化し、制御が不安定となるのを防ぐために必要な
条件である。

しかしながら、従来用いられているような一次巻線を直
列接続のみで構成する車両用変圧器を踏襲すると、上記
（ａ）、　（ｂ）　、　（ｃ）の各条件を同時に満足す
る変圧器の構成が困難であり、これにより３相制御を行
うためには、変圧器ＴＨの二次巻線に個別にリアクトル
し１〜Ｌ３を接続するなどの対策が必要であった。

この発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたも
ので変圧器の一次巻線と二次巻線と三次巻線との巻線構
造に工夫を加えることにより、別途リアクトルを設けず
に、−次電流高調波の小さい安定した３相制御運転がで
きる３電力変換装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）この発明は３個の二次巻線と交流駆動の補助回路に電力
を供給するための１個の一次巻線をもつ単相変圧器、こ
れらの二次巻線と同数の単相パルス幅変調コンバータ回
路、コンデンサ、直流負荷を備え、前記単相パルス幅変
調コンバータ回路の交流入力側はそれぞれ前記変圧器の
二次巻線に接続され、前記パルス幅変調コンバータ回路
の直流出力側は並列接続され、前記コンデンサを介して
直流負荷に接続され、偶数個の単相パルス幅変調コンバ
ータ回路の変調波の位相を等間隔づつずらして運転する
方式の電力変換装置において、前記変圧器の一次巻線を
第１の一次巻線と第２の一次巻線の２個に分割し、第１
の一次巻線と第２の一次巻線を電気的に並列接続し、分
けられた第１の一次巻線を第１の二次巻線と三次巻線で
はさみこみ、第２の一次巻線を第２の二次巻線と第３の
二次巻線ではさみこむように配置したものである。

（作用）この発明の電力変換装置では、変圧器巻線配置として一
次巻線を２分割して並列接続した上、分割した２個の一
次巻線のうち第１の一次巻線を第１の二次巻線と三次巻
線を構造的にはさみこみ。

第２の一次巻線を第２の二次巻線と第３の二次巻線を構
造的にはさみこんでいる。このため各二次巻線間相互は
すべて一次巻線により磁気的に分割されるので二次巻線
、三次巻線相互の干渉を非常に小さくすることができる
。またどの二次巻線も隣か一次巻線、又は三次巻線であ
るため、各二次巻線間のりアクタンス値のばらつきを小
さくすることができ、各二次巻線の等価リアクタンスの
値の差を小さく抑えることができる。したがって、この
電力変換装置では、変圧器に対して交流リアクトルを別
途用いることなく、安定した一次電流高調波の小さい３
相制御運転が可能である。

（実施例）以下、この発明の実施例を図に基づいて詳細する。

第１図にこの発明の一実施例の変圧器の構成を示してお
り、−次巻線は２つの部分、第１の一次巻線ＧＴ１と第
２の一次巻線ＧＴ２とに分割されている。

そしてこれら第１の一次巻線ＧＴＩと第２の一次巻線Ｇ
Ｔ２とは並列に接続されている。

変圧器の二次巻線Ｓ１は第１の一次巻線の外側に、車両
用制御電源などの補助回路に用いる三次巻線Ｔは第１の
一次巻線ＧＴＩの内側に、二次巻線Ｓ２は第２の一次巻
線ＧＴ２の内側に、二次巻線Ｓ３は第２の二次巻線ＧＴ
２の外側にそれぞれ配置されている。

上記の構成の変圧器ＴＲは第２図に示すようにこの発明
の実施例の電力変換装置の変圧器として利用されるもの
であり、集電器ＰＡＮから遮断器ＶＣＢを介して変圧器
ＴＲの一次巻線ＧＴＩ、　ＧＴ２が接続されている。

そしてこの変圧器ＴＲの二次巻線８１〜Ｓ３それぞれに
従来例と同様のＰＷＭコンバータブリッジＣＶＩ〜ＣＶ
３が接続されている。

各ブリッジ回路ＣＶｉ（１＝　１〜３）はゲートターン
オフサイリスタ（ＧＴ○）　Ｇｌ〜Ｇ４とダイオードＤ
１〜Ｄ４によって構成されている。

これら各ＰＷＭコンバータブリッジ回路ＣＶＩ〜ＣＶ３
は並列に接続され、コンデンサＣに接続されている。そ
してコンデンサＣの出力はインバータエｖに接続されて
おり、このインバータエＶの出力により誘導電動機ＩＮ
が制御されるようになっている。

なお、第２図においてコンバータブリッジ回路ＣＶＩ〜
ＣＶ３のうちＣｖｌについてのみ詳しくその構成が開示
されているが、残りのブリッジ回路ＣＶ２．ＣＶ３につ
いても同様の構成を有するものとする。

上記の構成の電力変換装置の動作について１次に説明す
る。

上記の構成の電力変換装置では、集電器ＰＡＮがら遮断
器ＶＣＢを介して変圧器ＴＲの一次巻線ＧＴＩ、　ＧＴ
２に与えられる交流電力が二次巻線８１〜ｓ３により各
ＰＷＭコンバータブリッジ回路Ｃｖ１〜ＣＶ３にそれぞ
れ入力され、このコンバータブリッジ回路ＣＶＩ〜ＣＶ
３からそれぞれ６０″づつ位相の異なった直流パルス電
流が平滑コンデンサＣに入力される。そしてこの平滑コ
ンデンサＣにより平滑された直流電流はインバータＩＶ
に与えられ、電動機ＩＭの制御に供される。

この発明の実施例の電力変換装置を従来例の第３図に示
した電力変換装置の回路構成と比較するとき、変圧器Ｔ
Ｒの二次巻線ｓ１〜ｓ３それぞれに対して交流リアクト
ルし１〜Ｌ３が削除されていることが明らかである。

これは、集電器ＰＡＮがら遮断器ＶＣＢを介して、変圧
器ＴＨの第１の一次巻線ＧＴＩ、第２の一次巻線ＧＴ２
に入力される交流電力は変圧されて二次巻線ｓ１〜Ｓ３
に出力されることになるが、二次巻線８１〜ｓ３は第１
図において明らかなように、それぞれの間が一次巻線Ｇ
Ｔ１．　ＧＴ２により磁気的に分離されているため、相
互リアクタンスＸｉ；（ｉ＃ｊ）が極めて小さなものと
なり、各二次巻線８１〜ｓ３はその巻数等しくすること
により、自己リアクタンスＸ１１ｐＸｘａ＋Ｘ３３　　
をほぼ等しく取ることができ、従って前記■式によって
示す等価リアクタンスＸ工ｌ　ｘｚ＋　Ｘ３のそれぞれ
の大きさをほぼ等しいものとすることができ、従来例で
説明した３相制御運転に必要な条件である（ａ）〜（ｃ
）項を満たすことができるためである。

従ってこの実施例では、変圧器ＴＲの二次側の各二次巻
線８１〜Ｓ３の漏れリアクタンスにより、各ブリッジ回
路Ｃｖ１〜ＣＶ３が安定した３相制御運転を可能とし、
各ブリッジ回路Ｃｖ１〜ＣＶ３の交流電流、交流入力電
圧の基本波を等しく制御することができるようになる。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、変圧器の一次巻線を２
分割し、−次巻線分割小体を二次巻線及び二次巻線同志
ではさみこむようにする構造としているため、各二次巻
線間に一次巻線の分割小体が存在し、二次巻線間の相互
の干渉を非常に小さく抑えることができる。またいずれ
の二次巻線もその隣が一次巻線又は三次巻線であるため
、各二次巻線のりアクタンス値のばらつきを小さく抑え
ることができる。

従って変圧器に対して別途交流リアクトルを各二次巻線
毎に設けることが必要がなく安定した一次電流高調波成
分の小さい３相制御運転を可能とする。

そしてこのように、安定した一次電流高調波成分の小さ
い、３相制御運転を可能とするため、従来の交流リアク
トルを不要とし、小形化、軽量化が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の変圧器の構成図、第２図
は上記実施例の回路図、第３図は従来例の回路図、第４
図は従来例の動作を示すベクトル図および等価回路図、
第５図は従来例におけるコンバータブリッジ回路の入力
電流波形図である。ＧＴＩ・・・第１の一次巻線、ＧＴ２・・・第２の一次
巻線、８１〜Ｓ３・・・二次巻線、　　Ｔ・・・三次巻
線、ＣＶＩ〜ＣＶ３・・・ＰＷＭコンバータブリッジ回
路、Ｃ・・・平滑コンデンサ、　ＩＶ・・・インバータ
。側・・・電動機。代理人　弁理士　則　近　憲　佑同　　第子丸　健第１図第図＜Ｃ＞

Claims

【特許請求の範囲】

３個の二次巻線と１個の三次巻線をもつ単相変圧器、こ
れらの二次巻線と同数の単相パルス幅変調コンバータ回
路、コンデンサおよび直流負荷を備え前記単相パルス幅
変調コンバータ回路の交流入力側はそれぞれ前記変圧器
の二次巻線に接続され、前記単相パルス幅変調コンバー
タ回路の直流出力側は並列接続され、前記コンデンサを
介して直流負荷に接続され、３個の各単相パルス幅変調
コンバータ回路の変調波の位相を等間隔づつ、あるいは
所定の位相でずらして運転し、前記三次巻線は二次巻線
とは別の交流負荷に電力を供給し、前記変圧器の一次巻
線を第１の一次巻線と第２の一次巻線に分割し分割した
各々の一次巻線を電気的に並列接続し、第１の一次巻線
をはさみこむように、第１の二次巻線と三次巻線を配置
し、第２の一次巻線をはさみこむように第２の二次巻線
と第３の二次巻線を配置してなる成る電力変換装置。