JPS5946007B2 - 直流↓−交流変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、直流電力を交流電力系統へ供給する直流一
交流変換装置に関するものである。

従来の直流一交流変換装置では、他例インバータ装置に
より、直流を交流に変換するようにしていた。このため
、電力の供給と同時に位相制御角により無効電力を吸収
するため変換電力の７０％程度の容量のコンデンサ設備
を用いて補償する必要があつた。ここで、従来の直流−
交流電力変換装置について図面に基づき機運することに
する。

第１図はその一例を示す回路図であり、他励式直流−交
流変換装置の構成を示している。この第１図における１
は交流電力系統であり、２は直流電源である。交流電力
系統１の電力は変圧器３を通して他励式変換装置４に供
給するようになつている。この他励式変換装置４には平
滑リアクトル５を介して直流電源２に接続されている。
なお、６は力率補償用コンデンサ、Ｔは投入スイッチで
ある。この第１図の直流一交流変換装置は、平滑リアク
トル５により直流電流が平滑化され、交流電流が方形化
される、いわゆる電流源インバータであり、系統電圧を
Ｅｓ）交流電流１ａ、点弧進み角をγとすると、系統へ
供給する有効電力はＫＥｓｌａｃｏｓγ、系統により消
費する遅れ無効電力はＫＥｓｌａｓｉｎγとなる。

ここに、には定数である。したがつて、この第１図の直
流一交流変換装置では、力率補償用コンデンサ６を設け
、直流一交流変換装置の動作時には投入スイッチ１を動
作させて力率補償用コンデンサ６を系統に接続する必要
がある。

この発明は、上記の点にかんがみなされたもので、自励
インバータ装置を用いることにより、系統より無効電力
を受けることなく、直流電力を交流電力に変換でき、力
率補償用コンデンサを不要とし、装置全体を小型かつ安
価にできる直流一交流変換装置を提供することを目的と
する。

以下、この発明の直流一交流変換装置の実施例について
図面に基づき説明する。

第２図はその一実施例を示す回路図である。この第２図
において、第１図と同一部分には同一符号を付して述べ
ることにする。交流電力系統１は変圧器３を介して自励
インバータ装置８のｕ、り、ｗの各相における主サイリ
スタに接続されている。すなわち、この自励インバータ
装置８において、主サイリスタｕ、り、ｗのアノードは
直流電源２の正極に接続され、主サイリスタＸ，ｙ，ｚ
のカソードは直流電源２の負極に接続されている。

主サイリスタＵ（５Ｘ１ＶとＹｌＷ（５Ｚは直列に接続
されている。また、補助サイリスタＡｕ，Ａｖ，Ａｗの
アノードも直流電源２の正極に接続されており、補助サ
イリスタＡｘ，Ａｙ，Ａｚのカソードは直流電源２の負
極に接続されている。補助サイリスタＡＵ（５ＡＸ１Ａ
ｖ＜５ＡｙｓＡｗとＡｚもそれぞれ直列に接続されてい
る。これらの補助サイリスタＡｕ−ＡｗｌＡｘ−Ａｚは
上記主サイリスタｕ−Ｗ，ｘ−ｚを消弧させるときに点
弧されるものである。主サイリスタｕ−ｗにはそれぞれ
逆並列にバイパスダイオードＤｕ−Ｄｗが接続されてい
る。

同様にして、主サイリスタｘ−ｚにもそれぞれ逆並列に
バイパスダイオードＤｘ−Ｄｚが接続されている。ｕ相
の補助サイリヌタＡｕと主サイリスタｕのカソード間に
は、転流用コンデンサＣｕとリアクトル１ｕとの直列回
路が接続されている。Ｖ相の補助サイリスタＡｖのカソ
ードと主サイリスタのカソード間にも、転流用コンデン
サＣｖとリアクトル１ｖとの直列回路が接続されている
。全く同様にして、ｗ相の補助サイリスタＡｗのカソー
ドと主サイリスタｗのカソード間にも転流用コンデンサ
ＣｗとリアクトルＩｌｗとの直列回路が接続されている
。主サイリスタＵ（５Ｘとの接続点は上記変圧器３の２
次側のＲ１相（ｕ相）に接続され、主サイリスタｖとｘ
との接続点はこの２次側のＳ１相（ｖ相）に接続され、
さらに、主サイリスタＷ（！．Ｚとの接続点は２次側の
Ｔ１相（ｗ相）に接続されている。

一方、上記交流電力系統１と変圧器３の２次側間におい
て、この交流電力系統１のＲ相、Ｓ相には変流器１０が
設けられており、また、このＲ相、Ｓ相間には電圧変成
器１１の１次側が接続されている。

変流器１０の出力側および電圧変成器１１の２次側は電
力計１２に接続されている。この電力計１２の出力と基
準回路１３の出力は付合点１４にて付き合わされ、その
結果を演算増幅器１５に供給するようになつている。上
記基準回路１３は変換要求電力を指示するアナログ信号
を発生するための基準回路である。演算増幅器１５の出
力は点弧回路Ｇｕ，Ｇｖ，Ｇｗ，Ｇｘ，Ｇｙ，Ｇｚに供
給するように形成されている。

これらの点弧回路Ｇｕ−Ｇｗはそれぞれ自励インバータ
装置８におけるｕ−ｗアームの主サイリスタｕ−ｗと補
助サイリスタＡｕ−Ａｗを点弧させるための点弧回路で
ある。同様にして、点弧回路Ｇｘ−Ｇｚはｘ−ｚアーム
の主サイリスタｘ−ｚおよび補助サイリスタＡｘ−Ａｚ
を点弧させるための回路である。点弧回路Ｇｕ−Ｇｗ，
Ｇｘ−Ｇｚには、上記演算増幅器１５の出力のほかに、
制御用変圧器９の出力も供給されるようになつている。

この制御用変圧器９の１次側は交流電力系統のＲ相、Ｓ
相、Ｔ相の各相に接続されている。点弧回路Ｇｕはｘア
ームの消弧用の補助サイリスタＡｘの点弧信号と主サイ
リスタｕに点弧信号を与えるものであるが、制御用変圧
器９により検出される主回路電圧の位相を基準とし、演
算増幅器１５の出力信号Ｅ。

により決まる位相角にて補助サイリスタＡｘに点弧信号
を与える。そして、ｘアームを消弧した後、主サイリス
タｕを点弧させる。この主サイリスタｕの点弧信号は補
助サイリスタＡｘの点弧信号発生より数１０マイクロ秒
後の一定時間後に発生させるようになつている。なお、
上記自励インバータ装置８はマクマレ一形インパルス転
流回路にて構成されており、転流用コンデンサＣｕ−Ｃ
ｗ，Ｃｘ−Ｃｚに充電された電荷が補助サイリスタＡｕ
−Ａｗ，Ａｘ−Ａｚの点弧により放電される。そして、
この放電電流により、主サイリスタｕ−Ｗ，ｘ−ｚの電
流が零になり、主サイリスタｕ−Ｗ，ｘ−ｚが消弧され
るものである。その他、種々実用化されている転流方式
による自励インバータ装置を用いてもこの発明を構成で
きることは云うまでもない。次に、以上のように構成さ
れたこの発明の直流一交流変換装置の動作について第３
図の波形図を参照して説明する。

第３図ａは交流電力系統の相電圧を示すもので、Ｒ，Ｓ
，Ｔはそれぞれ第２図におけるＲ相、Ｓ相、Ｔ相の相電
圧を示すものである。また、第３図ｂはｕアームの点弧
回路Ｇｕの動作を説明するための図であり、この点弧回
路Ｇｕは図には示されていないが比較回路とパルス発生
回路で構成されており、制御用変圧器９の２次側電圧ｕ
と演算増幅器１５の出力信号Ｅ。

とが比較され、両者が等しくなる時点ｔ１において、第
３図ｃに示すごとき点弧信号がｕアームに与えられる。
この２次側電圧Ｖｕは交流電力系統１のＲ相電圧に同期
しており、このＲ相電圧が零となる時点ＴＯと、ｕアー
ムが点弧する時点ｔ１との位相角度をδとすると、他の
アームの点弧信号は第３図ｄ〜第３図ｈに示されるごと
く、ほぼそれぞれ相当する電源相電圧が零となる時点よ
りδ位相角が進んで与えられる。

第３図ｄはｘアームの点弧信号を示し、第３図ｅはｖア
ームの点弧信号、第３図ｆはｙアームの点弧信号、第３
図ｇはｗアームの点弧信号、第３図ｈはｚアームの点弧
信号をそれぞれ示す。

一方、自励インバータ装置８側の各相、すなわち、変圧
器３の１次側のＲｌ，Ｓｌ，Ｔｌ相は通常の自励インバ
ータ装置と同様に各相相電圧は第３図１〜第３図ｋのご
とくになる。すなわち、第３図ｉはＲ１−Ｓ１間電圧、
第３図ｊはＴ１−Ｒ１間電圧、第３図ｋはＴ１−Ｒ１間
電圧をそれぞれ示す。この第３図１〜第３図ｋから明ら
かなように、１２００通電の矩形波電圧となる。変圧器
３の結線が第２図のごとく、Δ／Ｙ結線に構成されてい
ると、自励インバータ装置８の交流電力系統１の電力系
統側相電圧は、第３図１〜第３図ｎに示される波形とな
る。

第３図１は自励インバータ装置８のＲ相々電圧、第３図
ｍはＳ相相電圧、第３図ｎはＴ相々電圧をそれぞれ示し
ている。この第３図１より明らかなように、自励インバ
ータ装置８のＲ相相電圧は階段波であるが、この基本波
成分は交流電力系統１のＲ相相電圧より位相角δだけ進
んでいる。

また、インバータ装置８の出力電圧と交流電力系統１の
電圧の差分電圧は変圧器３のリアクタンスおよび交流電
力系統１のリアクタンスにより分担され、自励インバー
タ装置８より交流電力系統１への交流電流１が供給され
る。第４図はこの自励インバータ装置８と交流電力系統
１との動作を説明するためのベクトル図である。

この第４図において、Ｅｓは交流電力系統１の電圧ベク
トル、Ｅｃは自励インバータ装置８の発電電圧の基本波
電圧ベクトル、Ｘは変圧器３および交流電力系統１の交
流リアクタンス、Ｉは自励インバータより交流電力系統
１へ流出する電流ベクトルを示す。この流出する電流１
は次の（１）式で求められる。

電流１は有効成分１Ｒおよび無効成分１Ｌにより構成さ
れる。電圧ベクトルＥｓおよび基本波電圧ベクトルＥｃ
の電圧振幅をそれぞれＥｓ，Ｅｃとし、基本波電圧ベク
トルＥｃが電圧ベクトルＥｓよりも進む位相角をδとす
ると、交流電力系統１へ供給される有効電力をＰ１無効
電力をＱとすると、有効電力Ｐは次の（２）式で、また
、無効電力Ｑは次の（３）式でそれぞれ求まる。また、
自励インバータ装置８の出力電圧Ｅｃは直流電源２の直
流電圧Ｅｄに比例するため、位相角δを可変することに
より、有効電力Ｐを制御することができるが、無効電力
Ｑも上記（３）式に示される値を交流電力系統１へ供給
することになる。

すなわち、ＥＣ（Ｘ）ＳδがＥｓよりも少ないときには
、遅れ無効電力を系統より吸収し、ＥｃＣＯＳδがＥｓ
より大きいときは進み無効電力を交流電力系統１より吸
収する。このように、この発明によれば、比較的少ない
無効電力で、直流電力を交流有効電力に変換できるもの
である。第５図はこの発明の直流一交流変換装置の第２
の実施例を示す回路図であり、この第５図において、第
２図と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し
、第２図とは異なる部分を重点的に述べることにする。

この第５図において、交流電力系統１、直流電源２、変
圧器３、制御用変圧器９、変流器１０、電圧変成器１１
、電力計１２、基準回路１３、付合点１４、演算増幅器
１５および点弧回路Ｇｕ−Ｇｗ，Ｇｘ−Ｇｚは第２図の
場合と同様である。インバータ装置８も第２図の場合と
同様であるが、この第５図では、サイリスタｕ′は第２
図における主サイリスタＵ１補助サイリスタＡＵｌ転流
用コンデンサＣＵｌリアクトル１ｕを簡略化して示して
いる。

サイリスタｖ′，ｗ′，ｘ′〜ｚ′の場合も全く同様で
ある。このインバータ装置８と直流電源２の正極間には
直流チヨツパ装置１６が新たに挿入されている。

この直流チヨツパ装置１６は自励インバータ装置８の直
流値電圧を可変することにより、自励インバータ装置８
の交流出力電圧の振幅を町変にするものである。直流チ
ヨツパ装置１６の内部構成は第５図よらも明らかなよう
に、直流電源２の正極と自励インバータ装置８間に接続
されている主サイリスタ１７を主体にして構成されてい
る。この主サイリスタ１７と逆並列となる消弧用補助サ
イリスタ１８、消弧用コンデンサ１９、振動用リアクト
ル２０との直列回路が、主サイリスタ１７と並列に接続
されている。主サイリスタ１７に逆並列にダイオード２
１が接続され、消弧用補助サイリスタ１８と逆並列にダ
イオード２２が接続されている。直流チヨツパ装置１６
の出力端と直流電源２の負極間には、平滑用コンデンサ
２３が接続され、この平滑用コンデンサ２３に並列に直
流電圧検出用抵抗器２４が接続されている。

この直流電圧検出用抵抗器２４の可動端子は制御回路２
８の入力端に接続されている。制御回路２８の入力端に
は上記演算増幅器１５の出力、制御用変圧器９の出力、
電圧変成器１１の出力も加えられるようになつている。
制御回路２８は直流チヨツパ装置１６の直流電圧を決め
る制御回路である。制御回路２８の出力は点弧回路２６
に出力するようになつている。

点弧回路２６は点弧用補助サイリスタ１８を点弧させる
ためのものであり、この入力端には発振器２７の出力が
加えられるようになつている。発振器２７は主サイリス
タ１７、消弧用補助サイリスタ１８の点弧周期を決める
ためのものである。したがつて、発振器２７の出力は点
弧回路２５にも出力するように形成されている。点弧回
路２５はこの発振器２７の出力を受けて主サイリスタ１
７の点弧を行うものである。次に、この第５図の実施例
の動作について第６図を参照して説明する。第６図ａな
いし第６図ｄおよび第６図Ａないし第６図Ｄはそれぞれ
第５図における直流チヨツパ装置１６の制御動作を説明
する図である。第６図ａないし第６図ｄは直流電源２の
直流電圧Ｅｄｌが低いときの各部動作波形であり、第６
図Ａ〜第６図Ｄは直流電圧Ｅｄ２が高いときの各部動作
波形を示す。第６図ａおよび第６図Ａはそれぞれ点弧回
路２５の出力信号を示す。

この出力信号は発振器２ｒで決まる一定周期Ｔで決めら
れ、この出力信号により、直流チヨツパ装置１６におけ
る主サイリスタ１７が点弧される。また、制御回路２８
の信号により点弧回路２６から第６図ｂおよび第６図Ｂ
に示すごとき出力信号が発生すると、この出力信号によ
り消弧用補助サイリスタ１８が点弧する。この消弧用補
助サイリスタ１８が点弧すると、振動電流により主サイ
リスタ１７は消弧される。主サイリスタ１７の導通期間
は第６図ｃおよび第６図Ｃに示されるごとく、ＴＯｎｌ
およびＴＯｎ２に変わり、平滑用コンデンサ２３の充電
時間が制御されるため、第６図ｄおよび第６図Ｄに示す
ように、直流電圧は可変となる。そして、変圧器３の自
励インバータ装置８側の相間電圧の実効値ＥＯＴは直流
電圧Ｅｄと次の関係式がある。ＥＯＴ＝０．７８Ｅｄ・
・・・・・・・・・・・（４）すなわち、直流チヨツパ
装置１６を制御することにより、直流電圧を可変にでき
、自励インバータ装置８の出力電圧の振幅値を可変とす
ることができる。第７図は直流チヨツパ装置１６の制御
方式を説明するための図であり、第７図ａは変換有効電
力の少ないときの動作ベクトル、第７図ｂは変換有効電
力の大きいときの動作ベクトル図である。この第７図ａ
１第７図ｂにおいて、Ｅｓは交流電力系統１の電圧ベク
トル、ＥＣｌとＥＣ２は自励インバータ装置８の発生電
圧の基本波ベクトル、Ｘは交流リアクタンス、ＩＲｌお
よびＩＲ２は系統へ流出する電流、δ１およびδ２はＥ
ＣｌとＥｃ間の進みの位相角である。この第７図ａ１第
７図ｂに示すごとく、変換有効電力を大にするときには
、位相角δおよび出力電圧振幅Ｅｃを大にすることによ
り、有効電力のみ変換することができるが、次の式によ
り、δおよびＥｃを制御する。

ところで、第５図において、基準回路１３から変換要求
電力が指示されると、点弧回路Ｇｕ〜Ｇｗ，Ｇｘ−Ｇｚ
により、交流電力系統１の系統電圧よりδ位相が進んだ
時点に点弧パルスが与えられる。

また、制御回路２８は位相角δと系統電圧Ｅｓを受け、
上記（５）式で決まる自励インバータ装置８の出力電圧
に相当する直流電圧となるように、点弧回路２６に信号
を与える。この制御により、交流電力系統１に与えられ
る有効電力Ｐと無効電力Ｑはとなる。

このように、第５図の実施例では、自励インバータ装置
８の電圧振幅値および位相角を（５）式の関係で制御す
ることにより、有効電力のみを変換する直流一交流変換
装置を構成することができる。

なお、第５図においては、直流チヨツパ装置１６と自励
インバータ装置８を組み合わせる構成の場合を例示した
が、パルスーワイドーモジユレーシヨンインバータ（以
下、ＰＷＭインバータ）を用いることにより、電圧振幅
を制御すると、上記と同様な動作をさせることができる
ものである。第８図はこのＰＷＭインバータを使用した
場合の構成を示す図である。この第８図において、２９
がＰＷＭインバータである。−ＰＷＭインバータ２９に
おいて、Ｕ′１，Ｘ／１，Ｖ′１，ｙ′１，Ｉ１，ｚ″
１は固定側アーム、ｕ゛２，Ｘ″２，Ｖ″２，ｙ″２，
Ｗ′２，Ｚ′２は移相側アームである。このＰＷＭイン
バータ２９では、Ｕ′１−Ｘ′１とＵ′２−Ｘ′２の点
弧時間の差により、電圧振幅を制御することができる。
そして、出力電圧の位相を交流電力系統１の電源電圧よ
り進めることにより有効電力を制御することができる。
したがつて、ＰＷＭインバータ２９を用いても、無効電
力を消費しない直流一交流変換装置を実現できるもので
ある。以上詳述したように、この発明の直流一交流変換
装置によれば、直流電源を自励インバータ装置で交流電
源に変換して交流電力系統に供給するに際し、交流電力
系統の電圧位相を基準として自励インバータの出力電圧
の系統電源電圧に対する位相差を調整して直流電源より
所定の電力を交流電力系統に供給するようにしたので、
比較的少ない無効電力で直流電力を交流電力に変換する
ことができる。

また、交流電力系統の電圧位相を基準として自励インバ
ータ装置の出力電圧の系統電源電圧に対する位相差およ
び出力電圧の振幅を調整して直流電力を交流電力に変換
して交流電力系統に供給するようにしたので、有効電力
のみを変換することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の他励形直流一交流変換装置の構成を示す
回路図、第２図はこの発明の直流一交流変換装置の一実
施例の構成を示す回路図、第３図ａないし第３図ｎはそ
れぞれ同上直流一交流変換装置の動作を説明するための
各部の信号波形図、第４図は同上直流一交流変換装置に
おける自励インバータ装置と交流電力系統との動作を説
明するためのベクトル図、第５図はこの発明の直流一交
流変換装置の第２の実施例を示す回路図、第６図ａない
し第６図ｄおよび第６図Ａないし第６図Ｄはそれぞれ第
５図の直流一交流変換装置の動作を説明するための各部
の信号波形図、第７図ａおよび第７図ｂはそれぞれ第５
図の直流一交流変換装置における直流チヨツパ装置の制
御方式を説明するためのベクトル図、第８図はこの発明
の直流一交流変換装置の第３の実施例におけるパルス・
ワイド・モジユレーシヨンインバータの部分を示す回路
図である。 １・・・交流電力系統、２・・・直流電源、８・・伯励
インバータ装置、９・・・制御用変圧器、１２・・・電
力計、１３・・・基準回路、１５・・・演算増幅器、１
６・・・直流チヨツパ装置、２５，２６，Ｇｕ−Ｇｗ，
Ｇｘ〜Ｇｚ・・・点弧回路、２７・・・発振器、２８・
・・制御回路、２９・・・パルス・ワイド・モジユレー
シヨンインバータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 直流電源を交流電源に変換して交流電力系統に接続
   される自励インバータ装置、上記交流電力系統の電圧の
   位相を基準として上記自励インバータ装置の出力電圧の
   この交流電力系統の電圧に対する位相差を調整する位相
   差調整手段、上記自励インバータ装置の入力側の電圧な
   らびに上記交流電力系統の電圧とその位相とにより上記
   自励インバータ装置の出力電圧の振幅を上記直流電源か
   ら上記交流電力系統へ供給される無効電力をほぼ零にす
   るように制御する電圧振幅制御手段を備えてなる直流−
   交流変換装置。