JPH1175372A - 電力変換装置及び電力変換方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電力を変換する際に電圧の変調率を広い範囲で
変えても、高調波を大幅に低減した交流電流をもつ交流
電力が得られる電力変換装置提供する。 【解決手段】ＰＷＭコンバータ４０に平滑用キャパシタ
回路６０を介してチョッパ回路７０を接続し、このチョ
ッパ回路７０にＰＷＭインバータ９０を接続した。ＰＷ
Ｍコンバータ４０では、入力された交流電力の電流波形
の歪率が最小になるように、例えば１．０に電圧変調率
が予め固定されている。また、ＰＷＭインバータ９０で
は、入力された直流電力を交流電力に変換するが、この
交流電力の電流波形の歪率が最小になるように、例えば
１．０に電圧変調率が予め固定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、交流電力を直流電
力に変換し、この直流電力を再び交流電力に変換する電
力変換装置及び電力変換方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】交流電力を直流電力に変換し、この直流
電力を再び交流電力に変換する電力変換装置が、例えば
交流電動機を駆動させるために産業界で広く利用されて
いる。このような電力変換装置の一つとして、ダイオー
ドを用いたブリッジ整流回路と、パルス幅変調を利用し
たＰＷＭインバータとを組合せた電力変換装置が知られ
ている。この電力変換装置では、ブリッジ整流回路に交
流電力が入力されて所定の電圧の直流電力に変換され、
この直流電力がＰＷＭインバータで所定の周波数と電圧
の交流電力に変換される。

【０００３】しかし、この電力変換装置ではブリッジ整
流回路に各種の高調波が発生する。このため、この電力
変換装置に接続された蛍光灯や交流電動機などの機器
に、例えばフリッカや過熱などの悪影響が及ぼされるこ
とがある。

【０００４】そこで、このような悪影響の無い電力変換
装置として、近年、自己消弧形スイッチング素子を用い
たＰＷＭコンバータと、上記のＰＷＭインバータとを組
合せた電力変換装置が用いられるようになってきた。Ｐ
ＷＭコンバータは、スイッチング素子のスイッチオン時
間とスイッチオフ時間とを制御することにより交流電力
を所定の電圧をもつ直流電力に変換するものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のＰＷＭコンバー
タで交流電力を直流電力に変換する際、通常、電圧の変
調率に応じて歪率が変化し、変調率が低くなるほど歪率
が高くなる。このため、変調率を高くした場合（変調率
が１．０に近い場合）は高調波の発生を大幅に低減で
き、上述した悪影響を防止できる。しかし、変調率を低
くした場合（例えば、変調率が０．７以下の場合）、入
力された交流電力の電流波形が歪んだり、出力される直
流電力の電圧が異常上昇したり、スイッチング素子を制
御する際の応答時間が長くなったりする。従って、上述
した悪影響を防止するためには、ＰＷＭコンバータで交
流電力を直流電力に変換する際に電圧の変調率をあまり
低くできず、出力される直流電力の電圧もあまり低くで
きないという問題がある。

【０００６】また、ＰＷＭコンバータで変換された直流
電力をＰＷＭインバータで低い周波数の交流電力に変換
する場合、周知のように、この低い周波数にほぼ比例す
るように交流電圧の振幅を変える必要がある。この場
合、交流電圧の周波数を低くすると歪率が高くなり、出
力される交流電力の電流波形が歪むことがある。このた
め、ＰＷＭコンバータとＰＷＭインバータとを組合せた
電力変換装置に誘導電動機が接続されていると、トルク
リプルが発生するなどの問題がある。

【０００７】本発明は、上記事情に鑑み、電力を変換す
る際に電圧の変調率を広い範囲で変えても、高調波の含
有の割合が大幅に低減した交流電流をもつ交流電力を得
られる電力変換装置及び電力変換方法を提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の電力変換装置は、 （１）入力された交流電力を直流電力に変換する第１の
変換手段 （２）第１の変換手段で変換された直流電力が入力さ
れ、入力された直流電力を電圧の異なる直流電力に変換
する第２の変換手段 （３）第２の変換手段で変換された直流電力が入力さ
れ、入力された直流電力を交流電力に変換する第３の変
換手段 を備えたことを特徴とするものである。

【０００９】ここで、 （４）上記第１の変換手段は、電圧変調率が所定値に予
め固定されたものであってもよい。

【００１０】また、 （５）上記第３の変換手段は、電圧変調率が所定値に予
め固定されたものであってもよい。

【００１１】さらに、上記の電力変換装置が、 （６）所定の電圧をもつ直流電力が第２の変換手段から
出力されるようにこの第２の変換手段を制御する制御手
段 （７）第２の変換手段から出力された直流電力の電圧を
制御手段に帰還させる帰還手段 を備えたものであってもよい。

【００１２】また、上記目的を達成するための本発明の
電力変換方法は、 （８）第１の交流電力の電流波形の歪率が最小になるよ
うに前記第１の交流電力を第１の直流電力に変換し、 （９）この第１の直流電力を電圧の異なる第２の直流電
力に変換し、 （１０）電流波形の歪率が最小になるように第２の直流
電力を第２の交流電力に変換することを特徴とするもの
である。

【００１３】ここで、電流波形の歪率が最小になるよう
にするには、例えば、電圧の変調率を、電流波形の歪率
が最小になる値に予め固定しておくとよい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を説明する。

【００１５】図１は、本発明の電力変換装置の概略構成
を示す回路図である。

【００１６】電力変換装置１０は交流電源２０に接続さ
れており、この交流電源２０から供給された交流電力を
直流電力に変換し、この直流電力を再び交流電力に変換
してこの交流電力を交流電動機１００に供給する。この
電力変換装置１０の基本的な構成は、ＰＷＭコンバータ
（本発明にいう第１の変換手段の一例である）４０にチ
ョッパ回路（本発明にいう第２の変換手段の一例であ
る）７０が直列に接続され、さらにこのチョッパ回路７
０にＰＷＭインバータ（本発明にいう第３の変換手段の
一例である）９０が直列に接続された構成である。ま
た、この電力変換装置１０は、図１に示すように電圧形
回路を有しており、交流電力を周波数や電圧の異なる交
流電力に変換する際には基本的に直流電圧が介在する。

【００１７】交流電源２０にはリアクトル３０が直列に
接続されており、このリアクトル３０によって入力用フ
ィルタが形成されている。また、リアクトル３０には、
ＰＷＭコンバータ４０が直列に接続されている。このた
め、交流電源２０からの交流電力（本発明にいう第１の
交流電力の一例である）はリアクトル３０を通ってＰＷ
Ｍコンバータ４０に入力される。また、ＰＷＭコンバー
タ４０と交流電源２０との間には、入力電流の位相Θ１
と入力電圧の位相Θ２との同期化を図る汎用的な位相同
期ループ（ＰＬＬ：Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏ
ｐ）５０が接続されている。

【００１８】ＰＷＭコンバータ４０には、平滑用キャパ
シタ回路６０を介してチョッパ回路７０が接続されてい
る。平滑用キャパシタ回路６０は、ＰＷＭコンバータ４
０から出力されてチョッパ回路７０に入力される直流電
力（本発明にいう第１の直流電力の一例である）からリ
プルを取り除く。

【００１９】チョッパ回路７０は、帰還ダイオード７
９、主スイッチング素子７４、フィルタ用の平滑リアク
トル７６や平滑コンデンサ７８、及び主スイッチング素
子７４に逆並列されたバイパスダイオード７２などで構
成されている。バイパスダイオード７２は、交流電動機
１００が発電機として作用するとき（回生のとき）の電
力の通路になる。ＰＷＭコンバータ４０から出力された
直流電力は平滑用キャパシタ回路６０を通ってチョッパ
回路７０に入力され、この直流電力の電圧とは異なる電
圧の直流電力（本発明にいう第２の直流電力の一例であ
る）に変換される。

【００２０】チョッパ回路７０から出力される直流電力
の電圧値は、主スイッチ制御回路８０で設定される。こ
の主スイッチ制御回路８０で設定された電圧値を表わす
信号ｎは信号変換回路８２を経て、主スイッチング素子
７４を制御する信号として用いられる。ここでは、主ス
イッチ制御回路８０と信号変換回路８２とによって、本
発明にいう制御手段が構成されている。

【００２１】チョッパ回路７０にはＰＷＭインバータ９
０が接続されている。チョッパ回路７０から出力された
直流電力はＰＷＭインバータ９０に入力され、このＰＷ
Ｍインバータ９０で交流電力（本発明にいう第２の交流
電力の一例である）に変換される。ＰＷＭインバータ９
０には交流電動機１００が接続されており、交流電動機
１００には、ＰＷＭインバータ９０から出力された交流
電力が供給される。また、チョッパ回路７０とＰＷＭイ
ンバータ９０との間には電圧制御発振器（ＶＣＯ：Ｖｏ
ｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔ
ｏｒ）９２が接続されている。この電圧制御発振器９２
は、チョッパ回路７０から出力された電圧Ｖｃに比例す
る出力周波数ｆをＰＷＭインバータ９０に出力する。出
力周波数ｆによってＰＷＭインバータ９０で得られる交
流電力の周波数が設定される。

【００２２】電力変換装置１０の各構成要素の作用を説
明する。

【００２３】上述したように交流電源２０からの交流電
力はリアクトル３０を通ってＰＷＭコンバータ４０に入
力される。ＰＷＭコンバータ４０では、入力された交流
電力の電流波形の歪率が最小になるように、例えば１．
０に電圧変調率が予め固定されている。このように電圧
変調率を最適値に固定しているので、ＰＷＭコンバータ
４０に入力された交流電力は、その電流に高調波を含む
程度が小さい状態で直流電力に変換される。なお、ここ
では電圧変調率を予め固定したが、電圧変調率を自在に
調整できるように構成してもよい。また、ＰＷＭコンバ
ータ４０で交流電力を直流電力に変換する際に交流電源
２０の電流位相が変動しても、位相同期ループ５０によ
って入力電流の位相Θ１と入力電圧の位相Θ２との同期
化が図られる。

【００２４】ＰＷＭコンバータ４０から出力された直流
電力は、平滑用キャパシタ回路６０によってリプルが取
り除かれてチョッパ回路７０に入力される。チョッパ回
路７０では、主スイッチ制御回路８０で設定された電圧
値に基づいて主スイッチング素子７４のオン時間とオフ
時間の時間比（デューティ比）を変えることにより、入
力された直流電力を電圧の異なる直流電力に変換して出
力する。この変換の際、変換前の電圧値に対して変換後
の電圧値を大幅に変えても（デューティ比を０に近くし
ても）、直流電力を直流電力に変換するので高調波が発
生することは無い。従って、デューティ比を広い範囲で
変えても高調波が発生しない。

【００２５】チョッパ回路７０から出力された直流電力
は、ＰＷＭインバータ９０に入力される。ＰＷＭインバ
ータ９０では、入力された直流電力を交流電力に変換す
るが、この交流電力の電流波形の歪率が最小になるよう
に、例えば１．０に電圧変調率が予め固定されている。
このように電圧変調率を最適値に固定しているので、Ｐ
ＷＭインバータ９０に入力された直流電力は、高調波の
含有の程度が小さい電流をもつ交流電力に変換される。
この結果、高調波に起因するトラブルを解消できること
となる。なお、ここでは電圧変調率を予め固定したが、
電圧変調率を自在に調整できるように構成してもよい。
また、変換の際の交流電力の周波数は、電圧制御発振器
９２から出力された出力周波数ｆによって設定される。
このようにして変換された交流電力は交流電動機１００
に供給される。

【００２６】また、上述したようにＰＷＭコンバータ４
０の電圧変調率は最適に固定されているが、負荷の増減
に起因して平滑用キャパシタ回路６０の電圧は多少変動
することがある。この場合、チョッパ回路７０から出力
された電圧Ｖｃを信号変換回路８２に帰還させる帰還手
段を配置しておき、主スイッチ制御回路８０で設定され
た信号ｎをフィードバック制御することにより、平滑用
キャパシタ回路６０の電圧の変動は無視できる程度のも
のとなるので、この電圧変動は本質的な欠点とはならな
い。なお、交流電動機１００の電力回生時には、バイパ
スダイオード７２を通って電流が逆流されるが、位相同
期ループ５０の働きで電力が自動的に交流電源２０に回
生する。

【００２７】図２、図３を参照して、上述した電力変換
装置１０に入力された交流電力を比較例と共に説明す
る。

【００２８】図２は、上述した電力変換装置１０に入力
された交流電力の相電圧波形Θ２と相電流波形Θ１を示
すグラフである。図３は、ＰＷＭコンバータとＰＷＭイ
ンバータを組合せた従来の電力変換装置に入力された交
流電力の相電圧波形Θ２と相電流波形Θ１を示すグラフ
である。

【００２９】電力変換装置１０ではＰＷＭコンバータ４
０の電圧変調率が１．０のほぼ最適値にされている。こ
のため、図２に示すように、相電流波形Θ１にはリプル
等の含まれる割合が小さい。これに対し、従来の電力変
換装置では電圧を調整するために電圧変調率が０．６に
されている場合に、図３に示すように、相電流波形Θ１
にはかなりのリプルが含まれていることがわかる。この
ように、電力変換装置１０では、電圧変調率を最適値に
することによって高調波の発生をいっそう低減できた。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電力変換
装置によれば、先ず、第１の変換手段に入力された交流
電力の電流波形の歪率が最小になるように、第１の変換
手段における電圧の変調率を調整しておいて、第１の変
換手段で交流電力を直流電力に変換する。次に、第２の
変換手段によって、第１の変換手段で得られた直流電力
を、この直流電力の電圧とは異なる電圧をもつ直流電力
に変換する。この変換の際、変換前の電圧値に対して変
換後の電圧値を大幅に変えても（デューティ比を０に近
くしても）、直流電力を直流電力に変換するのであるか
ら高調波が発生することは無い。第２の変換手段で得ら
れた直流電力は第３の変換手段で交流電力に変換され
る。この変換の際、交流電力の電流波形の歪率が最小に
なるように、第３の変換手段における電圧の変調率を調
整しておく。この結果、交流電力を周波数や電圧の異な
る他の交流電力に変換する際に電圧の変調率を広い範囲
で変えても、高調波をほとんど含まない交流電流を有す
る交流電力を得られる。

【００３１】ここで、第１の変換手段が、電圧変調率が
所定値に予め固定されたものである場合は、電流波形の
歪率が最小になるように電圧変調率を固定しておくこと
により、電圧変調率を調整する手間を省ける。

【００３２】また、第３の変換手段が、電圧変調率が所
定値に予め固定されたものである場合も、電流波形の歪
率が最小になるように電圧変調率を固定しておくことに
より、電圧変調率を調整する手間を省ける。

【００３３】さらに、電力変換装置が、所定の電圧をも
つ直流電力が第２の変換手段から出力されるようにこの
第２の変換手段を制御する制御手段と、第２の変換手段
から出力された直流電力の電圧を制御手段に帰還させる
帰還手段とを備えた場合は、電力変換装置に接続された
負荷の増減に起因して平滑回路の電圧が変動しても、平
滑回路の電圧の変動は無視できる程度のものとなり、こ
の電圧変動は本質的な欠点とはならない。

【００３４】また、本発明の電力変換方法によれば、第
１の交流電力を第１の直流電力に変換する際に第１の交
流電力の電流波形の歪率が最小になるように変換するの
で、高調波の含有の程度が小さいまま第１の交流電力が
第１の直流電力に変換される。第１の直流電力は、この
第１の直流電力の電圧とは異なる電圧をもつ第２の直流
電力に変換される。この変換の際、変換前の電圧値に対
して変換後の電圧値を大幅に変えても（デューティ比を
０に近くしても）、第１の直流電力を第２の直流電力に
変換するのであるから高調波が発生することは無い。第
２の直流電力を第２の交流電力に変換する際に第２の交
流電力の電流波形の歪率が最小になるように変換するの
で、第２の交流電力の電流には高調波の含有の程度が小
さい。従って、第１の交流電力を周波数や電圧の異なる
第２の交流電力に変換する際に電圧の変調率を広い範囲
で変えても、高調波を含む程度が小さい交流電流を有す
る第２の交流電力を得られることとなり、高調波に起因
するトラブルを解消できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電力変換装置の概略構成を示す回路図
である。

【図２】図１の電力変換装置で得られた交流電力の相電
圧波形Θ２と相電流波形Θ１を示すグラフである。

【図３】ＰＷＭコンバータとＰＷＭインバータを組合せ
た従来の電力変換装置で得られた交流電力の相電圧波形
Θ２と相電流波形Θ１を示すグラフである。

【符号の説明】

１０ 電力変換装置 ２０ 交流電源 ３０ リアクトル ４０ ＰＷＭコンバータ ６０ 平滑用キャパシタ回路 ７０ チョッパ回路 ８０ 主スイッチ制御回路 ８２ 信号変換回路 ９０ ＰＷＭインバータ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力された交流電力を直流電力に変換す
   る第１の変換手段と、 該第１の変換手段で変換された直流電力が入力され、入
   力された直流電力を電圧の異なる直流電力に変換する第
   ２の変換手段と、 該第２の変換手段で変換された直流電力が入力され、入
   力された直流電力を交流電力に変換する第３の変換手段
   とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 【請求項２】 前記第１の変換手段は、電圧変調率が所
   定値に予め固定されたものであることを特徴とする請求
   項１に記載の電力変換装置。
3. 【請求項３】 前記第３の変換手段は、電圧変調率が所
   定値に予め固定されたものであることを特徴とする請求
   項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 【請求項４】 所定の電圧をもつ直流電力が前記第２の
   変換手段から出力されるように該第２の変換手段を制御
   する制御手段と、 前記第２の変換手段から出力された直流電力の電圧を前
   記制御手段に帰還させる帰還手段とを備えたことを特徴
   とする請求項１，２，又は３に記載の電力変換装置。
5. 【請求項５】 第１の交流電力の電流波形の歪率が最小
   になるように前記第１の交流電力を第１の直流電力に変
   換し、 該第１の直流電力を電圧の異なる第２の直流電力に変換
   し、 電流波形の歪率が最小になるように前記第２の直流電力
   を第２の交流電力に変換することを特徴とする電力変換
   方法。