(57)【要約】【課題】負荷の中性点と三相インバータの直流中間コンデンサの一端との間に直流電源を接続した電力変換装置では、直流コンデンサの充電と負荷の駆動電力をインバータで扱うため、損失が大きくなる。【解決手段】二次巻線がスター結線された変圧器と、変圧器二次巻線の三相交流電圧を直流に変換する第１の電力変換装置と、第１の電力変換装置と直流部を共通にした第２の電力変換装置と、変圧器の二次巻線の中性点と直流電源との間に第1のスイッチと、第２の電力変換装置の負荷の中性点と直流電源との間に接続された第２のスイッチとを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次巻線がスター結線された変圧器と、前記変圧器二次巻線の三相交流電圧を直流に変換する半導体素子で構成された第１の電力変換装置と、前記第１の電力変換装置と直流部を共通にした半導体素子で構成された第２の電力変換装置と、前記変圧器の二次巻線の中性点と前記直流部に一端を接続した直流電源の他端との間に接続された第1のスイッチと、前記第２の電力変換装置の交流出力端に接続された負荷の中性点と前記直流電源の他端との間に接続された第２のスイッチと、を備えたことを特徴とする電力変換システム。
【請求項２】
前記負荷を駆動する際に、第１のスイッチを投入し、かつ第２のスイッチを遮断することを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
【請求項３】
前記第１の電力変換装置を構成する半導体素子を任意にオンオフさせ、前記直流電源の電圧よりも高い電圧に前記直流部の電圧を設定し、前記負荷を駆動することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換システム。
【請求項４】
前記変圧器の１次巻線に交流電源を接続し、前記第１のスイッチを遮断し、かつ第２のスイッチを投入し、前記第１および第２の電力変換装置を構成する半導体素子を任意にオンオフさせ、前記直流電源を充電することを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
【請求項５】
前記第２のスイッチを投入し、かつ第１のスイッチを遮断し、前記第２の電力変換装置を任意にオンオフさせ、前記直流部の電圧を調整し、前記第１の電力変換装置で任意の交流電圧を出力し、前記変圧器から電力を取り出すことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧駆動型半導体素子で構成された電力変換装置を用いたシステム構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７に、従来の技術を用いた電力変換システムを示す。  図７（ａ）は、負荷Ｍ（この例では電動機）の中性点と三相インバータ（Ｃｏｎｖ）の直流中間コンデンサＣｄの一端（この例では負極）との間に、直流電源ＰＳを接続した例であり、特許文献１、２に記載されている。この構成では、一般の昇圧チョッパ回路を用いずに、負荷Ｍのインダクタンスを用いて、三相インバータを構成する半導体素子Ｑｕ〜Ｑｚを任意にオンオフすることにより、直流電源ＰＳの電圧Ｖｄより高い値に三相インバータの直流中間コンデンサＣｄの電圧Ｅｄを調整することができる。
【０００３】
また、前記動作と同時に三相交流電流を負荷Ｍに供給することで、例えば負荷Ｍを電動機とした場合、直流電源ＰＳの電圧Ｖｄを昇圧して直流中間コンデンサＣｄの電圧Ｅｄを得ると同時に、電動機を駆動することができる。新たに昇圧チョッパ回路が不要で、部品点数の削減、コストダウンに寄与することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３２１９０３９号
【特許文献２】特許第３２２３８４２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図７（ａ）に示す回路は、図７（ｂ）に示すように一般の三相インバータと同様に、三角波キャリアVcと出力電圧指令V*とを比較した結果をＰＷＭ指令として電力変換装置Ｃｏｎｖの半導体素子Ｑｕ〜Ｑｚに与え、負荷Ｍを制御するものである。ゆえに図１３（ｂ）では、直流電源電圧Ｖｄに対する直流電圧Ｖｃｈｏｐは、図７（ｂ）の電圧指令Ｖｃｈｏｐ＊となっている。このため、必然と直流中間電圧Ｅｄは、直流電源電圧Ｖｄの約２倍まで上昇する。
【０００６】
したがって、電力変換装置Ｃｏｎｖおよび負荷Ｍには、三相インバータ動作に加え、昇圧チョッパ動作の責務が加わることとなる。例えば、三相インバータ出力を０電圧固定とした場合でも昇圧チョッパとして動作することとなり、直流中間電圧Ｅｄは直流電源電圧Ｖｄの約２倍まで上昇し、昇圧チョッパ動作による損失が電力変換装置Ｃｏｎｖと負荷Ｍに発生する。
【０００７】
また、直流電源ＰＳがバッテリなどの場合、図８（ａ）に示すように、交流電源Ｖｓ、変圧器Ｔｒ、整流器Ｄ．Ｒｅｃで構成された充電装置により、バッテリＰＳを充電できるが、例えば急速充電などを行いたい場合は充電装置が大型となり高価格となる。また、図８（ｂ）は交流電源Ｖｓ、変圧器Ｔｒ、整流器Ｄ．Ｒｅｃで構成された充電装置を直流中間コンデンサＣｄに接続した例であり、任意の充電方法が実施可能であるが、モータを駆動する際には前述のように損失が増加するといった問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するために、第1の発明においては、電源システムを、二次巻線がスター結線された変圧器と、前記変圧器二次巻線の三相交流電圧を直流に変換する半導体素子で構成された第１の電力変換装置と、前記第１の電力変換装置と直流部を共通にした半導体素子で構成された第２の電力変換装置と、前記変圧器の二次巻線の中性点と前記直流部に一端を接続した直流電源の他端との間に接続された第1のスイッチと、前記第２の電力変換装置の交流出力端に接続された負荷の中性点と前記直流電源の他端との間に接続された第２のスイッチと、を備えた構成とする。
【０００９】
第２の発明においては、前記負荷を駆動する際に、第１のスイッチを投入し、かつ第２のスイッチを遮断する。
【００１０】
第３の発明においては、前記第１の電力変換装置を構成する半導体素子を任意にオンオフさせ、前記直流電源の電圧よりも高い電圧に前記直流部の電圧を設定し、前記負荷を駆動する。
【００１１】
第４の発明においては、前記変圧器の１次巻線に交流電源を接続し、前記第１のスイッチを遮断し、かつ第２のスイッチを投入し、前記第１および第２の電力変換装置を構成する半導体素子を任意にオンオフさせ、前記直流電源を充電する。
【００１２】
第５の発明においては、前記第２のスイッチを投入し、かつ第１のスイッチを遮断し、前記第２の電力変換装置を任意にオンオフさせ、前記直流部の電圧を調整し、前記第１の電力変換装置で任意の交流電圧を出力し、前記変圧器から電力を取り出す。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、電源システムを、二次巻線がスター結線された変圧器と、前記変圧器二次巻線の三相交流電圧を直流に変換する半導体素子で構成された第１の電力変換装置と、前記第１の電力変換装置と直流部を共通にした半導体素子で構成された第２の電力変換装置と、前記変圧器の二次巻線の中性点と前記直流部に一端を接続した直流電源の他端との間に接続された第1のスイッチと、前記第２の電力変換装置の交流出力端に接続された負荷の中性点と前記直流電源の他端との間に接続された第２のスイッチと、を備えた構成としている。
【００１４】
この結果、同じ電力変換装置で負荷への電力供給と、直流中間回路への電力供給を同時に実行する必要がなくなり、電力変換装置の損失低減と装置の低価格化が可能となる。また、負荷からの回生エネルギーの交流電源への回生、緊急時の外部への交流電源の供給、交流電源からの高力率での急速充電も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施例を示す回路図である。
【図２】本発明の第１の実施例を説明するための回路図である。
【図３】図２の動作を説明するための等価回路と動作説明図である。
【図４】本発明の第２の実施例を示す回路図である。
【図５】本発明の第３の実施例を示す回路図である。
【図６】図５の動作を説明するための等価回路と動作説明図である。
【図７】従来技術を説明するための回路図と動作説明図である。
【図８】従来の他の技術を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の要点は、電源システムを、二次巻線がスター結線された変圧器と、前記変圧器二次巻線の三相交流電圧を直流に変換する半導体素子で構成された第１の電力変換装置と、前記第１の電力変換装置と直流部を共通にした半導体素子で構成された第２の電力変換装置と、前記変圧器の二次巻線の中性点と前記直流部に一端を接続した直流電源の他端との間に接続された第1のスイッチと、前記第２の電力変換装置の交流出力端に接続された負荷の中性点と前記直流電源の他端との間に接続された第２のスイッチと、を備えた構成としている点である。
【実施例１】
【００１７】
図１に、本発明の第1の実施例を示す。図１の構成は、図７（ａ）の従来回路に、交流入力（又は出力）に二次巻線をスター結線した変圧器Ｔｒを接続した電力変換装置Ｃｏｎｖ１を付加した構成である。また、電力変換装置Ｃｏｎｖの交流出力に接続された負荷Ｍの中性点と直流電源ＰＳの正極との間にスイッチＳ２が、さらに二次巻線をスター結線された変圧器Ｔｒの中性点と直流電源ＰＳの正極との間にスイッチＳ１が、それぞれ接続されている。
【００１８】
ここで、電力変換装置Ｃｏｎｖ１は半導体スイッチ素子としてＩＧＢＴＱｕ１、Ｑｖ１、Ｑｗ１、Ｑｘ１、Ｑｙ１、Ｑｚ１から構成された３相フルブリッジ回路で、電力変換装置Ｃｏｎｖは半導体スイッチ素子としてＩＧＢＴＱｕ、Ｑｖ、Ｑｗ、Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚから構成された３相フルブリッジ回路である。この回路動作を、以下に説明する。
【００１９】
図２は、図１の回路構成における動作を説明するための回路図で、図１の回路において、Ｓ２を開放、Ｓ１を投入した例である。このとき、直流中間コンデンサＣｄは、直流電源ＰＳの正極より、スイッチＳ１、変圧器Ｔｒの２次巻線、電力変換装置Ｃｏｎｖ１のＩＧＢＴＱｕ１、Ｑｖ１、Ｑｗ１の還流ダイオードを通る経路で充電されるため、直流中間電圧Ｅｄは直流電源ＰＳの電圧Ｖｄと同じ電圧となる。この状態で、電力変換装置Ｃｏｎｖに電圧指令を与えることで、通常の三相インバータとして動作できる。昇圧が不要なときにはこのような動作をさせることで高効率運転ができる。
【００２０】
さらに、変圧器Ｔｒのインダクタンスを利用し、図３(a)、(b)に示すように昇圧チョッパ動作させ、図３(c)のように電流を流すことで任意に直流中間電圧Ｅｄを昇圧させることができる。即ち、図３(a)に示すように、直流電源ＰＳを電源、変圧器Ｔｒをリアクトルとして、電力変換装置Ｃｏｎｖ１の下アームＩＧＢＴ一括Ｑｎをオンとすると、電流ＩｄがＱｎを通る経路で流れ、Ｔｒのインダクタンスにエネルギーが蓄積される。Ｑｎをオフすると、図３(b)に示すように、電流Ｉｄは上アームＩＧＢＴ一括Ｑｐのダイオードを通る経路となり、Ｔｒのインダクタンスのエネルギーは直流中間コンデンサＣｄに充電される。この動作を繰り返すことにより、直流中間コンデンサＣｄの電圧Ｅｄは直流電源ＰＳの電圧Ｖｄよりも高い電圧に充電される。この結果、電力変換装置Ｃｏｎｖには従来のような昇圧動作による責務がなくなる上、図７に示した回路の電圧利用率の制限や零相電流重畳などの問題が改善でき、高出力運転が可能となる。
【実施例２】
【００２１】
図４に、本発明の第２の実施例を示す。  第１の実施例において、Ｓ２を投入、Ｓ１を開放し、交流電源Ｖｓを変圧器Ｔｒの１次巻線に接続する。電源Ｖｓの電力は変圧器Ｔｒおよび電力変換装置Ｃｏｎｖ１を構成する半導体素子のダイオードを通って直流中間コンデンサＣｄに充電される。次に、電力変換装置Ｃｏｎｖの上アームのＩＧＢＴＱｕ、Ｑｖ、Ｑｗをオンすれば、直流中間コンデンサＣｄに蓄えられた電荷はＩＧＢＴＱｕ、Ｑｖ、Ｑｗ、負荷Ｍ、スイッチＳ２を通って直流電源ＰＳを充電する。
【００２２】
この時、ＩＧＢＴＱｕ、Ｑｖ、Ｑｗを同時に、又はＱｘ、Ｑｙ、Ｑｚを同時に、それぞれ交互にオンオフさせることで、負荷Ｍがモータの場合にはトルクを発生させずに、降圧チョッパ動作で直流電源ＰＳを充電することができる。さらには、交流電源Ｖｓの電圧に従って、通常のＰＷＭ整流器のように電力変換装置Ｃｏｎｖ１を動作させれば、高調波低減や力率１運転が可能となり、交流電源や変換器容量の小型化になる。また、負荷からの回生電力を電力変換装置Ｃｏｎｖ１で交流電源Ｖｓに回生することも可能である。
【実施例３】
【００２３】
図５に、本発明の第３の実施例を示す。第１の実施例において、スイッチＳ２を投入、スイッチＳ１を遮断した場合の実施例である。図６に示すように電力変換装置Ｃｏｎｖを昇圧チョッパとして動作させれば、直流中間コンデンサＣｄに昇圧された電力が蓄えられる。即ち、図６(a)に示すように、直流電源ＰＳを電源、負荷Ｍをリアクトルとして、電力変換装置Ｃｏｎｖの下アームＩＧＢＴ一括Ｑｎをオンすると、電流ＩｄがＱｎを通る経路で流れ、負荷Ｍのインダクタンスにエネルギーが蓄積される。Ｑｎをオフすると、図６(b)に示すように、負荷Ｍのインダクタンスの電流Ｉｄは上アームＩＧＢＴ一括Ｑｐのダイオードを通る経路となり、エネルギーは直流中間コンデンサＣｄに充電される。この動作を繰り返すことにより、直流中間コンデンサＣｄの電圧Ｅｄは直流電源ＰＳの電圧Ｖｄよりも高い電圧に充電される。この直流中間コンデンサＣｄを直流電源として電力変換装置Ｃｏｎｖ１を直流−交流変換動作させ、任意の交流電圧を出力することで、変圧器Ｔｒの１次巻線に三相交流電圧が発生する。例えば非常用電源など緊急のときの発電機として使用することができる。
【００２４】
ここで、電力変換装置Ｃｏｎｖを動作させなくてもスイッチＳ２を投入していることで、直流中間コンデンサＣｄの電圧Ｅｄは直流電源ＰＳの電圧Ｖｄと等しくなるため、その電圧に見合った交流電圧を電力変換装置Ｃｏｎｖ１で出力できることはいうまでもない。
【００２５】
尚、上記実施例には、直流電源を負荷Ｍの中性点と直流回路の負極との間に接続する場合を示したが、負荷Ｍの中性点と直流回路の正極との間に接続しても、実現できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、負荷や変圧器の中性点と電力変換装置の直流ラインとの間にスイッチを介して直流電源を接続した電力変換システムであり、電気自動車、鉄道電気車などの電動機駆動システム、風力発電システムなどへの適用が可能である。
【符号の説明】
【００２７】
Ｃｏｎｖ、Ｃｏｎｖ１・・・電力変換装置          Ｍ・・・負荷（電動機）
ＰＳ・・・直流電源（バッテリ）          Ｃｄ・・・コンデンサ
Ｔｒ・・・変圧器          Ｓ１、Ｓ２・・・スイッチ          Ｖｓ・・・交流電源
Ｑｕ〜Ｑｚ、Ｑｕ１〜Ｑｚ１・・・ＩＧＢＴ          Ｄ．Ｒｅｃ・・・整流器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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