(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流を直流に変換する電源側変換器と、直流を三相交流に変換する負荷側変換器と、これら電源側変換器の直流側と負荷側変換器の直流側とを結合している直流中間回路と、この直流中間回路に接続した平滑コンデンサと、で構成して三相３線式の三相交流を出力する電力変換装置において、
２組の半導体スイッチ素子の直列接続でなる中性相出力アームを前記電力変換装置を構成している直流中間回路の正負極間に接続して両半導体スイッチ素子をオンとオフが交互で且つオンとオフが等しい時間となる動作をさせ、この中性相出力アームの中間点にリアクトルの一端を接続し、このリアクトルの他端を中性線にして三相４線式の三相交流を得ることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
交流を直流に変換する電源側変換器と、直流を単相交流に変換する負荷側変換器と、これら電源側変換器の直流側と負荷側変換器の直流側とを結合している直流中間回路と、この直流中間回路に接続した平滑コンデンサと、で構成して単相２線式の単相交流を出力する電力変換装置において、
２組の半導体スイッチ素子の直列接続でなる中性相出力アームを前記電力変換装置を構成している直流中間回路の正負極間に接続して両半導体スイッチ素子をオンとオフが交互で且つオンとオフが等しい時間となる動作をさせ、この中性相出力アームの中間点にリアクトルの一端を接続し、このリアクトルの他端を中性線にして単相３線式の単相交流を得ることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
交流を直流に変換する電源側変換器と、直流を三相交流に変換する負荷側変換器と、これら電源側変換器の直流側と負荷側変換器の直流側とを結合している直流中間回路と、この直流中間回路に接続した平滑コンデンサと、で構成して三相３線式の三相交流を出力する電力変換装置において、
前記平滑コンデンサは偶数個のコンデンサの直列接続で構成し、２組の半導体スイッチ素子の直列接続でなる中性相出力アームを前記電力変換装置を構成している直流中間回路の正負極間に接続して両半導体スイッチ素子をオンとオフが交互で且つオンとオフが等しい時間となる動作をさせ、この中性相出力アームの中間点にリアクトルの一端を接続し、前記平滑コンデンサの中間点と前記リアクトルの他端とを短絡し、このリアクトルの他端を中性線にして三相４線式の三相交流を得ることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
交流を直流に変換する電源側変換器と、直流を単相交流に変換する負荷側変換器と、これら電源側変換器の直流側と負荷側変換器の直流側とを結合している直流中間回路と、この直流中間回路に接続した平滑コンデンサと、で構成して単相２線式の単相交流を出力する電力変換装置において、
前記平滑コンデンサは偶数個のコンデンサの直列接続で構成し、２組の半導体スイッチ素子の直列接続でなる中性相出力アームを前記電力変換装置を構成している直流中間回路の正負極間に接続して両半導体スイッチ素子をオンとオフが交互で且つオンとオフが等しい時間となる動作をさせ、この中性相出力アームの中間点にリアクトルの一端を接続し、前記平滑コンデンサの中間点と前記リアクトルの他端とを短絡し、このリアクトルの他端を中性線にして単相３線式の単相交流を得ることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
交流を直流に変換する電源側変換器と、直流を三相交流に変換する負荷側変換器と、これら電源側変換器の直流側と負荷側変換器の直流側とを結合している直流中間回路と、この直流中間回路に接続した平滑コンデンサと、で構成して三相３線式の三相交流を出力する電力変換装置において、
前記平滑コンデンサは偶数個のコンデンサの直列接続で構成し、２組の半導体スイッチ素子の直列接続でなる中性相出力アームを前記電力変換装置を構成している直流中間回路の正負極間に接続して両半導体スイッチ素子をオンとオフが交互で且つオンとオフが等しい時間となる動作をさせ、この中性相出力アームの中間点にリアクトルの一端を接続し、前記平滑コンデンサの中間点と前記リアクトルの他端とを短絡し、前記平滑コンデンサの中間点と前記直流中間回路の正負いずれかの極との間にバッテリーを接続し、前記リアクトルの他端を中性線にして三相４線式の三相交流を得ることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
交流を直流に変換する電源側変換器と、直流を単相交流に変換する負荷側変換器と、これら電源側変換器の直流側と負荷側変換器の直流側とを結合している直流中間回路と、この直流中間回路に接続した平滑コンデンサと、で構成して単相２線式の単相交流を出力する電力変換装置において、
前記平滑コンデンサは偶数個のコンデンサの直列接続で構成し、２組の半導体スイッチ素子の直列接続でなる中性相出力アームを前記電力変換装置を構成している直流中間回路の正負極間に接続して両半導体スイッチ素子をオンとオフが交互で且つオンとオフが等しい時間となる動作をさせ、この中性相出力アームの中間点とリアクトルの一端を接続し、前記平滑コンデンサの中間点と前記リアクトルの他端とを短絡し、前記平滑コンデンサの中間点と前記直流中間回路の正負いずれかの極との間にバッテリーを接続し、前記リアクトルの他端を中性線にして単相３線式の単相交流を得ることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、中性線を備えた交流回路を得ると共に、電力変換装置の出力電圧が上昇した場合でも、直流中間回路に接続する機器の電圧定格を低い値のままにすることができる電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
三相交流電力を送電・配電する場合に、日本では三相３線式の回路構成が一般的であるが、これに中性線を加えて三相４線式回路にすれば、２種類の電圧を得ることができて便利である。例えば、三相４線式回路での線間電圧が３８０Ｖならば相電圧は２２０Ｖとなる。そこでヨーロッパなどでは三相４線式回路で配電することが多く、通常の単相電気品は２２０Ｖの電圧で使用するが、ヒーターなど大容量の単相または三相電気品は３８０Ｖの電圧で使用している。また、単相交流回路も中性線を加えた単相３線式回路にすれば、例えば１００Ｖと２００Ｖの二重電圧が得られるので、近年では日本の配電回路の大部分で、二重電圧が得られる単相３線式回路が採用されている。
【０００３】
商用交流電源は、電圧や周波数が変動することがあるし、停電することもある。そこで電圧や周波数が変動すると悪影響を受ける恐れのある負荷は、商用交流電源に接続した所謂ＣＶＣＦインバータ（定電圧定周波数インバータ）から交流電力を受電することで、電圧や周波数の変動を回避している。また、負荷への電力供給が絶対に中断されたくないという要望に対しては、商用交流電源に所謂ＵＰＳ（無停電電源装置）を接続し、このＵＰＳを介して交流電力を受電することで、停電の恐れを回避している。これらＣＶＣＦインバータやＵＰＳは、三相交流ならば３線回路で出力し、単相交流ならば２線回路で出力する。
【０００４】
図７は三相３線式の三相交流を出力する電力変換装置の一般的な例を示した主回路接続図であって、無停電電源装置の場合を示しているが、図７の一般例回路において、交流電源１からの交流電力を直流電力に変換する電源側変換器としての整流器２，この直流電力を三相交流電力に変換する負荷側変換器としての三相インバータ５，これら整流器２の直流側と三相インバータ５の直流側とを結合している直流中間回路に接続した平滑コンデンサ３，およびバッテリー４とで三相無停電電源装置１０が構成されている。この三相無停電電源装置１０が出力する三相交流電力は、フィルターリアクトル６とフィルターコンデンサ７とでなるフィルター回路で波形整形されたのちに、三相３線負荷８へ供給される。なお、三相無停電電源装置１０の動作は本発明とは無関係であるから、その説明は省略する。
【０００５】
図８は電力変換装置が出力する三相３線式の三相交流から三相４線式の三相交流を得る従来例を示した主回路接続図であって、無停電電源装置の場合を示しているが、図８の従来例回路は、図７で既述の一般的な無停電電源装置の交流出力側に、リアクトルのスター接続でなる中性点発生用リアクトル１１を接続した構成である。この中性点発生用リアクトル１１のスター接続点から引き出した線が中性線１２であって、三相無停電電源装置１０の出力側の三相３線式回路にこの中性線１２を合体させることで三相４線式回路が得られ、これを三相４線負荷１３に接続すれば良い。
【０００６】
なお図示は省略しているが、中性点発生用リアクトル１１の代わりに３組の単巻変圧器をスター接続すれば、そのスター接続点から中性線１２を引き出すことができて三相４線式回路が得られるし、このスター接続した単巻変圧器のタップを三相４線負荷１３に接続すれば、三相無停電電源装置１０の出力電圧とは異なった電圧を三相４線負荷１３に印加することができる。更にこれも図示は省略しているが、三相無停電電源装置１０と三相４線負荷１３との間に、例えば一次側巻線がデルタ接続で二次側巻線がスター接続の三相変圧器を挿入し、二次側巻線のスター接続点を引き出して中性線１２にすれば、三相無停電電源装置１０と三相４線負荷１３とを絶縁し、且つ三相４線負荷１３の電圧が三相無停電電源装置１０の出力電圧とは異なった値となる三相４線式回路が得られる。なお単相２線式回路に、単相用の中性点発生用リアクトルや単相用の単巻変圧器または２巻線変圧器を前述と同様にして使用することにより単相３線式回路が得られるが、その図示と説明は省略する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
三相インバータの出力回路は通常は三相３線式であり、単相インバータの出力回路も単相２線式が通常であるから、これらに中性線を増やして三相４線式回路または単相３線式回路を得ようとすると、中性点発生用リアクトルあるいは単巻変圧器あるいは２巻線変圧器などを使用しなければならないが、これらはいずれも鉄と銅が主要材料であるために、大きな重量と寸法を必要とすることから、装置全体を大形化，大重量化させる欠点を有し、価格も高くなる不都合がある。また電力変換装置の出力電圧が、例えば４００Ｖ程度に上昇するとこれに比例して直流中間回路電圧もほぼ６００Ｖに上昇する。直流中間回路に接続する平滑コンデンサは極めて大きな静電容量を必要とすることから、一般にアルミ電解コンデンサを使用するが、高耐圧のアルミ電解コンデンサは製作が困難である。そこで複数のアルミ電解コンデンサを直列に接続して使用することになるが、このとき各コンデンサが分担する電圧を均等化させるために抵抗を接続するが、この抵抗の発生損失が無視できない大きさになって装置の効率を低下させると共に温度を上昇させる不具合を生じる。
【０００８】
更に、無停電電源装置の場合は、直流中間回路電圧の上昇に伴って停電をバックアップするバッテリーの電圧も高くせざるを得ない。そのためにバッテリーセルの直列数が多くなって信頼性が低下する不具合を生じるし、高圧化によりバッテリー保護装置も大形化，高価格化する不具合を有する。
【０００９】
そこでこの発明の目的は、電力変換装置が出力する交流回路に中性線を付加した回路構成にしたい場合や、出力交流電圧が高くなっても、直流中間回路に接続する機器の電圧定格の上昇を回避して、装置の重量・寸法の低減と、信頼性低下の回避とを図ることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、この発明の電力変換装置は、
２組の半導体スイッチ素子を直列接続した構成の中性相出力アームを電力変換装置の直流中間回路の正負極間に接続してこれら両素子を交互にオン・オフ動作させるが、この中性相出力アームの中間点に接続したリアクトルの他端を中性線として引き出すことで、三相電力変換装置ならば三相４線式の三相交流を得るし、単相電力変換装置ならば単相３線式の単相交流を得るものとする。
【００１１】
または、電力変換装置を構成する直流中間回路の正負極間に接続する平滑コンデンサは偶数個のコンデンサの直列接続で構成し、２組の半導体スイッチ素子を直列接続した構成の中性相出力アームを前記直流中間回路の正負極間に接続してこれら両素子を交互にオン・オフ動作させるが、この中性相出力アームの中間点に接続したリアクトルの他端と前記平滑コンデンサの中間点とを短絡し、このリアクトルの他端を中性線として引き出すことで、三相電力変換装置ならば三相４線式の三相交流を得るし、単相電力変換装置ならば単相３線式の単相交流を得るものとする。
【００１２】
または、電力変換装置を構成する直流中間回路の正負極間に接続する平滑コンデンサは偶数個のコンデンサの直列接続で構成し、２組の半導体スイッチ素子を直列接続した構成の中性相出力アームを前記直流中間回路の正負極間に接続してこれら両素子を交互にオン・オフ動作させるが、この中性相出力アームの中間点に接続したリアクトルの他端と前記平滑コンデンサの中間点とを短絡し、前記平滑コンデンサの中間点と前記直流中間回路の正負いずれかの極との間にバッテリーを接続し、前記リアクトルの他端を中性線として引き出すことで、三相電力変換装置ならば三相４線式の三相交流を得るし、単相電力変換装置ならば単相３線式の単相交流を得るものとする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１実施例を表した主回路接続図であって、請求項１に対応するが、この図１に図示の交流電源１，整流器２，平滑コンデンサ３，バッテリー４，三相インバータ５，フィルターリアクトル６，フィルターコンデンサ７，および三相４線負荷１３の名称・用途・機能は、図７で既述の一般例回路の場合と同じであるから、同じ部分の説明は省略する。
【００１４】
図１の第１実施例回路では、中性相出力アーム２１，中性相アーム駆動回路２２，および中性点出力リアクトル２３を追加して三相無停電電源装置２０を構成している。すなわちＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの半導体スイッチ素子の２組を直列接続している中性相出力アーム２１を直流中間回路の正負極間に接続し、正極側ＩＧＢＴと負極側ＩＧＢＴを中性相アーム駆動回路２２からの信号により交互にオン・オフ動作させるのであるが、この中性相アーム駆動回路２２の中間点（正極側ＩＧＢＴと負極側ＩＧＢＴの結合点）に中性点出力リアクトル２３を接続し、当該中性点出力リアクトル２３の他端を中性線１２として三相４線負荷１３に接続する。
【００１５】
中性相アーム駆動回路２２により正極側ＩＧＢＴと負極側ＩＧＢＴとを交互に１対１の時間比率でオン・オフ動作させるのであるが、このときのオン・オフ周波数は任意である。このオン・オフ動作に伴って発生する高周波数成分は中性点出力リアクトル２３で吸収されるから、当該中性点出力リアクトル２３の出力電圧は仮想中性点電位と等しくなる。三相インバータ５は交流出力の線間電圧を制御するだけであるが、これにより仮想中性点電位に対する相電圧が制御されるので、三相無停電電源装置２０は三相４線式の三相交流を三相４線負荷１３へ与えることができる。
【００１６】
図２は本発明の第２実施例を表した主回路接続図であって、請求項２に対応するが、この第２実施例回路は単相３線式回路を実現するために、前述した第１実施例回路の三相インバータ５を単相インバータ３５に変更することで単相無停電電源装置３０が得られるし、三相のフィルターリアクトル６とフィルターコンデンサ７を単相のフィルターリアクトル３６とフィルターコンデンサ３７に交換すれば、単相３線式の単相交流電力を単相３線負荷１４へ供給できるが、これらの動作説明は省略する。
【００１７】
図３は本発明の第３実施例を表した主回路接続図であって、請求項３に対応するが、この第３実施例回路は、図１で既述の第１実施例回路の直流中間回路に接続している平滑コンデンサ３として、偶数個（図３では２個）の平滑コンデンサ４３Ｐと４３Ｎの直列接続を採用することで三相無停電電源装置４０を構成しているのが、図１の第１実施例回路とは異なる点であり、これを除けばすべて同じであるから、同じ部分の説明は省略する。
【００１８】
この第３実施例回路では、平滑コンデンサ４３Ｐと４３Ｎとの接続部を中性点出力リアクトル２３の他端（すなわち中性線１２）に接続しているので、この地点の電位は前述したように仮想中性点電位となる。よって平滑コンデンサ４３Ｐの電圧と平滑コンデンサ４３Ｎの電圧とは等しくなり、電圧分担をバランスさせる抵抗は不要になる。
【００１９】
図４は本発明の第４実施例を表した主回路接続図であって、請求項４に対応するが、この第４実施例回路は単相３線式回路は、前述した第３実施例回路の三相インバータ５を単相インバータ３５に変えた単相無停電電源装置５０と、三相のフィルターリアクトル６とフィルターコンデンサ７を単相のフィルターリアクトル３６とフィルターコンデンサ３７に交換することで実現できる。従ってこの第４実施例の動作説明は省略する。
【００２０】
図５は本発明の第５実施例を表した主回路接続図であって、請求項５に対応するが、この第５実施例回路は、図３で既述の第３実施例回路の直流中間回路に接続しているバッテリー４を、平滑コンデンサ４３Ｐと４３Ｎの結合点と直流中間回路の負極との間（結合点と直流中間回路の正極との間であっても同じ）に接続することで三相無停電電源装置を構成しているのが異なる点であり、これを除けばすべて同じであるから、同じ部分の説明は省略する。
【００２１】
この第５実施例回路では、平滑コンデンサ４３Ｐと４３Ｎの電圧は、前述したようにいずれも直流中間回路電圧の半分になることから、バッテリー４の電圧を従来よりも低下させることができる。
【００２２】
図６は本発明の第６実施例を表した主回路接続図であって、請求項６に対応するが、この第６実施例回路は、前述した第５実施例回路の三相インバータ５を単相インバータ３５に変えた単相無停電電源装置７０にすることと、三相のフィルターリアクトル６とフィルターコンデンサ７を単相のフィルターリアクトル３６とフィルターコンデンサ３７に交換することで単相３線式回路を実現できる。従ってこの第６実施例の動作説明は省略する。
【００２３】
【発明の効果】
通常の電力変換装置は三相３線式か単相２線式の交流を出力する構成であるから、中性線を備えた三相４線式か単相３線式の交流を得るには、変圧器やリアクトルのように鉄と銅を主要材料にした大形で大重量の機器が必要であった。また電力変換装置の出力交流電圧の上昇に伴って直流中間回路電圧も上昇することから、この直流中間回路に接続するアルミ電解コンデンサを使用した平滑コンデンサや、電源の停電をバックアップするバッテリーの電圧が高くなることで、装置の効率低下，発熱の増大，信頼性の低下，保護用機器の大形化や高価格化など、いろいろな不具合が発生するようになってきている。
【００２４】
本発明は、電力変換装置の直流中間回路に半導体スイッチ素子でなる中性相出力アームを接続して、これを１対１の時間比率で交互にオン・オフ動作させる。これにより、この中性相出力アームの中間点に接続した中性点出力リアクトルを介して仮想中性点電位を得ることができるのでここから中性線を引き出せば、徹や銅を使った大形・大重量機器を使用せずに、三相４線式または単相３線式の交流が簡単に得られるから、装置の大形化や大重量化を回避し、価格を低減できる効果が得られる。
【００２５】
更に直流中間回路に接続する平滑コンデンサを偶数個のコンデンサの直列接続で構成し、これの中間点を前記の仮想中性点電位発生地点に接続すれば、電圧バランス用抵抗を使用しなくても直列接続した各コンデンサの電圧を均等化できるから、直流中間回路が高電圧化しても装置の効率低下や発熱を回避できる効果が得られる。
【００２６】
更に電源停電時のバックアップ用バッテリーを、前記の分割した平滑コンデンサの一部に並列接続することが可能になるので、直流中間回路が高電圧化してもバッテリー電圧を低く維持できる。従ってバッテリー保護装置が簡略化できるし、バッテリーセルの直列数を少なくできることで信頼性の低下を回避できる効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を表した主回路接続図
【図２】本発明の第２実施例を表した主回路接続図
【図３】本発明の第３実施例を表した主回路接続図
【図４】本発明の第４実施例を表した主回路接続図
【図５】本発明の第５実施例を表した主回路接続図
【図６】本発明の第６実施例を表した主回路接続図
【図７】三相３線式の三相交流を出力する電力変換装置の一般的な例を示した主回路接続図
【図８】電力変換装置が出力する三相３線式の三相交流から三相４線式の三相交流を得る従来例を示した主回路接続図
【符号の説明】
１              交流電源
２              電源側変換器としての整流器
３              平滑コンデンサ
４              バッテリー
５              負荷側変換器としての三相インバータ
６，３６        フィルターリアクトル
７，３７        フィルターコンデンサ
８              三相３線負荷
１０              三相無停電電源装置
１１              中性点発生用リアクトル
１２              中性線
１３              三相４線負荷
１４              単相３線負荷
２０，４０，６０  三相無停電電源装置
２１              中性相出力アーム
２２              中性相アーム駆動回路
２３              中性点出力リアクトル
３０，５０，７０  単相無停電電源装置
３５              負荷側変換器としての単相インバータ
４３Ｐ，４３Ｎ    平滑コンデンサ
【図１】
0003724238.tif 000002
【図２】
0003724238.tif 000003
【図３】
0003724238.tif 000004
【図４】
0003724238.tif 000005
【図５】
0003724238.tif 000006
【図６】
0003724238.tif 000007
【図７】
0003724238.tif 000008
【図８】
0003724238.tif 000009