(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相交流電源の交流電圧をバランスリアクトルを介して整流する整流器と、
３相交流電源の交流電圧を１次入力とし、２次巻線の出力位相が０°を中心としてプラス側とマイナス側対称に６０°／Ｍ（Ｍは３以上の奇数）の位相差間隔となる（Ｍ−１）個の２次巻線を有する単巻トランスと、
前記（Ｍ−１）個の２次巻線の各々の出力電圧を整流する（Ｍ−１）個の３相整流器と、
合計Ｍ個の前記３相整流器の各々を入力とし、夫々の出力を共通の負荷に並列接続するＭ個の零相電流抑制直流リアクトルと
から構成したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
３相交流電源の交流電圧を１次入力とし、巻線間の位相差が６０°／Ｎ（Ｎは２以上の整数）であるＮ個の２次巻線を有する単巻トランスと、
前記Ｎ個の２次巻線の各々の出力電圧を整流するＮ個の３相整流器と、
前記Ｎ個の３相整流器の各々を入力とし、その出力を共通の負荷に並列接続するＮ個の零相電流抑制直流リアクトルと
から構成したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
前記位相差間隔は２０°であり、前記２次巻線の前記交流電源から見た位相差を各々−２０°、＋２０°としたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記巻線間の位相差は１５°であり、前記交流電源から見た位相差を各々−２２．５°、−７．５°、＋７．５°、＋２２．５°としたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記巻線間の位相差は３０°であり、前記交流電源から見た位相差を各々−１５°、＋１５°としたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記単巻トランスの１次巻線が前記交流電源によって励磁されないように開路することができる開閉器を備え、
実質的に前記負荷に流れる電流が所定値以下となったとき、前記開閉器を開路するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高調波低減のために改良された電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流から直流に変換する整流回路を有する電力変換装置において、入力高調波低減のために、絶縁トランスを用いて３相ブリッジ整流器を多重化したものが知られている。このような絶縁トランスを用いた方式では、多重化の程度と入力高調波の大きさの関係が明確であり、必要な入力高調波低減度合いに対して３相ブリッジ整流器を何台用いて多重化すべきかを簡単な演算で求めることが可能である。しかしながら適切な位相差の２次巻線を有する絶縁トランスは高価であり、また大型となってしまう。
【０００３】
これに対して、入力トランスとして非絶縁の単巻トランスを用い、２次巻線の位相差を４０°ずつシフトする方法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５１２４９０４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示された手法は、３相ブリッジ整流器に印加される電圧が常に最大振幅となるため、単巻トランス特有の異常な整流経路による高調波が生じない利点があるが、単巻トランスの各巻線を４０°シフトするには、例えば１５°シフトする方式に比べて位相をシフトするための巻線の量を増加させる必要があるため、単巻トランスが大型になってしまう。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたもので、小型の単巻トランスを使用して高調波低減を行うことが可能な電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の第１の発明である電力変換装置は、３相交流電源の交流電圧をバランスリアクトルを介して整流する整流器と、３相交流電源の交流電圧を１次入力とし、２次巻線の出力位相が０°を中心としてプラス側とマイナス側対称に６０°／Ｍ（Ｍは３以上の奇数）の位相差間隔となる（Ｍ−１）個の２次巻線を有する単巻トランスと、前記（Ｍ−１）個の２次巻線の各々の出力電圧を整流する（Ｍ−１）個の３相整流器と、合計Ｍ個の前記３相整流器の各々を入力とし、夫々の出力を共通の負荷に並列接続するＭ個の零相電流抑制直流リアクトルとから構成したことを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の第２の発明である電力変換装置は、３相交流電源の交流電圧を１次入力とし、巻線間の位相差が６０°／Ｎ（Ｎは２以上の整数）であるＮ個の２次巻線を有する単巻トランスと、前記Ｎ個の２次巻線の各々の出力電圧を整流するＮ個の３相整流器と、前記Ｎ個の３相整流器の各々を入力とし、その出力を共通の負荷に並列接続するＮ個の零相電流抑制直流リアクトルとから構成したことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、小型の単巻トランスを使用して高調波低減を行うことが可能な電力変換装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図。
【図２】本発明の実施例１に係る電力変換装置の電圧ベクトル図。
【図３】本発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図。
【図４】本発明の実施例３に係る電力変換装置の回路構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１２】
以下、本発明の実施例１に係る電力変換装置を図１及び図２を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図である。３相の交流電源１から、単巻トランス２を介して３相整流器４Ｂ、４Ｃに、またバランスリアクトル３を介して３相整流器４Ａに給電している。３相整流器４Ａ、４Ｂ、４Ｃの各々は、ダイオードをブリッジ接続した構成であり、直流電圧を出力する。単巻トランス２は１次巻線２１、２次巻線２２、２３を有し、１次巻線の反給電端は中性点Ｎとして共通接続されている。２次巻線２２は１次巻線２１に対して１５°進んだ位相の３相電圧を３相整流器４Ｂに供給する。同様に２次巻線２３は１次巻線２１に対して１５°遅れた位相の３相電圧を３相整流器４Ｃに供給する。ここで、バランスリアクトル３は、２次巻線２２、２３のインピーダンス降下を考慮し、３相整流器４Ａの入力電圧を３相整流器４Ｂ、４Ｃに合わせる為に設けられている。
【００１４】
３相整流器４Ａ、４Ｂ、４Ｃの各々の直流出力は夫々零相電流抑制用直流リアクトル５Ａ、５Ｂ、５Ｃを介して共通の負荷６に並列に接続されている。ここで、負荷６は必ずしも受動素子で構成された直流負荷でなくても良く、例えば、インバータによって交流電動機を駆動するようなアクティブな負荷であっても良い。零相電流抑制用直流リアクトル５は、正側及び負側に巻線を有し、正側巻線を流れる電流が変化したとき、この電流が負側の巻線を流れて戻ってきたときインピーダンスが最小となるような働きをする。ここで最小とは正側と負側のリアクタンスが打ち消しあってゼロとなり、原理的に巻線の抵抗分のみのインピーダンスになるということである。
【００１５】
以下、図２を参照して本発明の実施例１に係る電力変換装置の動作を説明する。図２は、３相整流器４Ａ、４Ｂ、４Ｃの各々に印加される電圧をベクトルで示したものである。図示したように、３相整流器４Ａには１２０°位相のずれた線間電圧ＵＡ−ＶＡ、ＶＡ−ＷＡ、ＷＡ−ＵＡが印加される。ここで、ＵＡ、ＶＡ、ＷＡとは、夫々３相整流器４ＡのＵ相、Ｖ相及びＷ相の入力端子を示し、他の３相整流器についても同様である。３相整流器４Ｂには、上記各電圧より２０°位相が進み、互いに１２０°の位相間隔の線間電圧ＵＢ−ＶＢ、ＶＢ−ＷＢ、ＷＡ−ＵＡが印加され、３相整流器４Ｃには、３相整流器４Ａの各電圧より２０°位相が遅れ、互いに１２０°の位相間隔の線間電圧ＵＣ−ＶＣ、ＶＣ−ＷＣ、ＷＣ−ＵＣが印加される。この状態でバランスした整流が行われると、交流電源１から電力変換装置に流入する電流は所謂１８パルス整流相当の電流となり、高調波は大幅に低減されると考えられる。
【００１６】
ところが、単巻トランス２の各相は互いに絶縁されていないので、図２に破線で示したように、各３相整流器に与えられる線間電圧より大きい電圧（例えばＵＢ−ＶＣ、ＶＢ−ＷＣ、ＷＢ−ＵＣ）が３相整流器を跨いで印加される。このため例えば、３相整流器４ＢのＵ相（ＵＢ）から流入した電流が零相電流抑制用直流リアクトル５Ｂの正側巻線を通って負荷６を流れ、零相電流抑制用直流リアクトル５Ｂの負側巻線でなく、零相電流抑制用直流リアクトル５Ｃの負側巻線を通って３相整流器４ＣのＶ相（ＶＣ）に戻るような電流ルートが生じる。このようなリプル電流が流れることにより、交流電源１から電力変換装置に流入する電流の高調波成分が増加することは勿論、負荷６に印加される直流電圧に余分なリプル分が生じ、場合によっては、直流電圧が過電圧となって保護装置を動作させてしまう恐れが生じる。
【００１７】
零相電流抑制用直流リアクトル５は、このような３相整流器を跨ぐ零相電流を抑制するために設けられたものである。すなわち、上述したような零相電流抑制用直流リアクトル５Ｂの正側巻線を通って零相電流抑制用直流リアクトル５Ｃの負側巻線を通るルートに対して、零相電流抑制用直流リアクトル５のインピーダンスは、正負両者を合算したインピーダンスとなる。従って、前述した零相電流抑制用直流リアクトル５Ｂの正側から負側に通流したときのインピーダンスに比べて極端に大きくなる。このため、上記リプル電流はその大きさが制限され、直流電圧が過電圧になることも抑制される。
【００１８】
この実施例１においては、交流電源１と同位相の３相整流器４Ａを中心に正負に２０°位相をシフトさせた３相整流器４Ｂ、４Ｃを用いて１８パルス整流相当の出力を得ているが、更に２台の３相整流器を追加して３０パルス整流相当の出力を得ることも可能である。この場合は、単巻トランス２の２次巻線を４個設け、交流電源１と同位相の３相整流器を中心に正側に１２°及び２４°位相シフトした３相整流器２台と負側に１２°及び２４°位相シフトした３相整流器２台を用いれば良い。
【００１９】
更に拡張すれば、３相交流電源の交流電圧をバランスリアクトルを介して整流する整流器と、３相交流電源の交流電圧を１次入力とし、２次巻線の出力位相が０°を中心としてプラス側に６０°／Ｍ（Ｍは３以上の奇数）の位相差間隔で（Ｍ−１）／２個の２次巻線、マイナス側にも６０°／Ｍ（Ｍは３以上の奇数）の位相差間隔で（Ｍ−１）／２個の２次巻線を有する単巻トランスと、これらの２次巻線の各々の出力電圧を整流する（Ｍ−１）個の３相整流器と、合計Ｍ個となる３相整流器の各々を入力とし、その出力を共通の負荷に並列接続するＭ個の零相電流抑制直流リアクトルとから電力変換装置を構成すれば良い。
【００２０】
尚、上記においてＭは奇数としたが、０°を中心とした出力位相のバランスを考慮しなければＭは偶数であっても良い。この場合は単巻トランスのプラス側またはマイナス側の２次巻線を１個多く設けるようにすれば良い。
【実施例２】
【００２１】
図３は本発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、１次巻線を切り離す開閉器７、負荷電流を検出する電流検出器８及び開閉制御器９を設け、開閉制御器９は負荷電流が所定値以下となったとき開閉器７をオフする構成とした点である。
【００２２】
前述したように、零相電流抑制用直流リアクトル５の効果によって、上述したリプル電流はその大きさが制限され、直流電圧が過電圧になることが抑制されるが、負荷電流が小さくなると、零相電流抑制用直流リアクトル５の効果が薄れ、直流電圧が大きく変動して過電圧となり、保護装置を動作させてしまう。これを防止するため、電流検出器８によって検出された負荷電流が所定値以下となったとき、開閉器７をオフする。開閉器７がオフすれば、図２の破線で示した相間を跨ぐ最大電圧は印加されなくなる。但し、２次巻線２２及び２３による位相シフトも同時に行われなくなり、３相整流器４Ａ、４Ｂ、４Ｃの各々には基本的に交流電源１と同相の交流電圧が印加され、６パルス整流相当の波形となり入力高調波は増大する。しかしながら、この場合は負荷電流が所定値以下であり、その絶対値は小さい。従ってこのようにすれば、直流電圧の変動を抑制できるので、装置が過電圧となって保護装置を動作させてしまうことはない。
【００２３】
尚、図３は単巻トランスの結線が中性点Ｎを有するスター結線で表記しているが、デルタ結線であっても同様に１次巻線を切り離して励磁電流を遮断すれば同一の効果が得られることは明らかである。
【実施例３】
【００２４】
図４は本発明の実施例３に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例３の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、交流電源と同相の整流を行うためのバランスリアクトル３、３相整流器４Ａ及び零相電流抑制リアクトル５Ａを省いた点、単巻トランス２Ａを２次４巻線型とし、２次巻線２４、２５の出力を、夫々３相整流器４Ｄ、４Ｅに与え、３相整流器４Ｄ、４Ｅの出力を夫々零相電流抑制リアクトル５Ｄ、５Ｅを介して共通の負荷６に給電する構成とした点である。
【００２５】
この実施例３における電力変換装置は２４パルス整流相当の高調波抑制システムを構成する。従って、単巻トランス２Ａの２次巻線２２、２３、２４、２５は交流電源１に対して夫々−２２．５°、−７．５°、＋７．５°、＋２２．５°の位相となるようにすれば良い。このように、実施例１で示したバランスリアクトルを用いずに単巻トランス２Ａの２次巻線のみを使用して必要となる位相シフトを実現すれば、単巻トランス２Ａの２次巻線は増加するが、３相整流器に与える電圧の自由度が増す利点がある。
【００２６】
また、実施例３の変形として単巻トランスの２次巻線を、−１５°、＋１５°の２個として１２パルス整流相当の高調波抑制システムを構成することができる。以上をまとめると、６Ｎパルス整流相当の高調波抑制システムを構成するには、単巻トランスによって６０°／Ｎ（Ｎは２以上の整数）の位相差をもつＮ個の２次巻線の各々の出力を夫々Ｎ個の３相整流器に与えるように構成すれば良いことが分かる。
【００２７】
この実施例３に示した電力変換装置に対し、図３に示した開閉器７、電流検出器８及び開閉制御器９を設け、開閉制御器９によって負荷電流が所定値以下となったとき開閉器７をオフする構成とすれば、負荷電流が減少しても直流電圧の変動を抑制できるので、装置の過電圧を防ぐことが可能となることは明らかである。
【００２８】
以上本発明のいくつかの実施例を説明したが、これらの実施例は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。例えば、実施例２において電流検出器８に代えて直流電圧を検出し、直流電圧が所定値を超えたとき開閉器７をオフするようにしても良い。また、必ずしも電流検出器８によって負荷電流を検出する必要は無く、何れかの３相整流器４の入力電流によってこれを代用しても良い。
【符号の説明】
【００２９】
１  交流電源
２、２Ａ  単巻トランス
３  バランスリアクトル
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ  ３相整流装置
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ  零相電流抑制リアクトル
６  負荷
７  開閉器
８  電流検出器
９  開閉制御器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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