(57)【要約】  本発明にかかる電力変換装置は、共通の三相交流電源（１）から供給された電力を直流電力に変換して共通の負荷（６）に供給する、並列接続された複数のＰＷＭコンバータ（２，３）と、ＰＷＭコンバータ（２，３）の一部または全ての出力側に接続され、各ＰＷＭコンバータ内の同相のスイッチング素子同士の動作タイミングにずれが生じた場合に、動作タイミングが一致していないＰＷＭコンバータ間に流れる短絡電流を低減する複数のリアクトル（１０，１１）と、を備える。
2013018185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通の三相交流電源から供給された電力を直流電力に変換して共通の負荷に供給する、並列接続された複数のＰＷＭコンバータと、
前記ＰＷＭコンバータの一部または全ての出力側に接続され、各ＰＷＭコンバータ内の同相のスイッチング素子同士の動作タイミングにずれが生じた場合に、動作タイミングが一致していないＰＷＭコンバータ間に流れる短絡電流を低減する複数の短絡防止リアクトルと、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
並列接続するＰＷＭコンバータがｎ台の場合、
ｎ−１台のＰＷＭコンバータのＰ出力端子およびＮ出力端子のそれぞれに対して前記短絡防止リアクトルを接続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３】
並列接続するＰＷＭコンバータがｎ台の場合、
ｎ−１台のＰＷＭコンバータのＰ出力端子に対して前記短絡防止リアクトルを接続し、かつｎ−１台のＰＷＭコンバータのＮ出力端子に対して前記短絡防止リアクトルを接続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】
前記短絡防止リアクトルは、両端にそれぞれ接続された２つの電極と、中間点に接続された１つの電極とを備え、
各短絡防止リアクトルは、両端の２つの電極のいずれか一方が任意のＰＷＭコンバータのＰ出力に接続され、かつ他方が他のＰＷＭコンバータのＰ出力または他の短絡防止リアクトルの中間点に接続されているか、または、両端の２つの電極のいずれか一方が任意のＰＷＭコンバータのＮ出力に接続され、かつ他方が他のＰＷＭコンバータのＮ出力または他の短絡防止リアクトルの中間点に接続されており、中間点の電極は、他の短絡防止リアクトルの両端のいずれか一方または負荷に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＷＭコンバータを並列接続して構成された電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＰＷＭコンバータを並列接続する際、並列接続するスイッチング素子同士が同じタイミングで動作するのは理想的であるが、実際にはスイッチング素子及びその駆動回路のバラツキで動作タイミングにズレが生じる。並列接続するスイッチング素子の動作タイミングにずれが生じると、例えば、図１４に示した装置構成の場合、Ｐ（正側）とＮ（負側）の短絡の不具合が発生し、矢印線（太線）で示した経路で短絡電流が流れる恐れがある。【０００３】
なお、図１４に示した電力変換装置は、三相交流電源１から電力供給を受けて直流電力を生成して負荷６に供給する構成となっており、並列接続されたＰＷＭコンバータ２および３を備えている。ＰＷＭコンバータ２はフィルタリアクトル４を、ＰＷＭコンバータ３はフィルタリアクトル５をそれぞれ備えている。フィルタリアクトル４，５は、通常は三相磁気結合しているリアクトルを用いることが多い。三相磁気結合しているリアクトルはノーマルモード電流に対してインダクタンスを持つが、コモンモード電流に対してはインダクタンスが極端に小さくなる。図示した短絡電流はコモンモード電流であるため、フィルタリアクトル４，５では短絡電流を防ぐ事は出来ない。【０００４】
このため、従来は、図１５に示すように交流側の３相すべてに短絡防止リアクトル７〜９を追加し、ＰとＮの短絡の不具合を防止している。なお、短絡防止リアクトル７〜９は互いに磁気結合していない。【０００５】
並列接続された装置間の短絡電流を低減する技術として、下記特許文献１には、ＰＷＭコンバータを並列接続した場合とは異なるが、並列接続した電力変換装置間に流れる横流電流（短絡電流）をリアクトルによって抑圧する回路が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１７７９９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、従来は、図１５に示した短絡防止リアクトル７〜９を利用して短絡電流を防止しているが、短絡防止リアクトルにはスイッチングによる高周波電流が流れるため損失が大きく、サイズおよびコストが増大する傾向にあり、また数量も３個必要であるため、短絡防止リアクトルの設置スペースおよび経済性において不利である。【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、従来と比較して、短絡防止リアクトルの小型化および低コスト化を実現し、さらに、１装置あたりで必要とする短絡防止リアクトルの数量の削減を実現可能な電力変換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、共通の三相交流電源から供給された電力を直流電力に変換して共通の負荷に供給する、並列接続された複数のＰＷＭコンバータと、前記ＰＷＭコンバータの一部または全ての出力側に接続され、各ＰＷＭコンバータ内の同相のスイッチング素子同士の動作タイミングにずれが生じた場合に、動作タイミングが一致していないＰＷＭコンバータ間に流れる短絡電流を低減する複数の短絡防止リアクトルと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明にかかる電力変換装置によれば、短絡防止用のリアクトルの数を低減できるとともに、このリアクトルの低コスト化や小型化を実現でき、ひいては装置を小型化できる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態１の構成例を示す図である。
【図２】図２は、実施の形態１の電力変換装置の効果を説明するための図である。
【図３】図３は、実施の形態１の電力変換装置の効果を説明するための図である。
【図４】図４は、実施の形態２の電力変換装置の構成例を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態２の短絡防止リアクトルの構成図である。
【図６】図６は、実施の形態２の短絡防止リアクトルの動作説明図である。
【図７】図７は、実施の形態２の短絡防止リアクトルの動作説明図である。
【図８】図８は、実施の形態２の電力変換装置の効果を説明するための図である。
【図９】図９は、実施の形態２の電力変換装置の効果を説明するための図である。
【図１０】図１０は、実施の形態２の電力変換装置の効果を説明するための図である。
【図１１】図１１は、実施の形態２の電力変換装置の効果を説明するための図である。
【図１２】図１２は、３台のＰＷＭコンバータを並列接続する場合の装置構成例を示す図である。
【図１３】図１３は、３台のＰＷＭコンバータを並列接続する場合の装置構成例を示す図である。
【図１４】図１４は、従来の電力変換装置を説明するための図である。
【図１５】図１５は、従来の電力変換装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態１の構成例を示す図である。本実施の形態の電力変換装置は、三相交流電源１から供給された交流電力をＰＷＭ制御により直流電力に変換する複数のＰＷＭコンバータ２および３と、ＰＷＭコンバータ２の各出力端子（Ｐ，Ｎ）と各ＰＷＭコンバータから電力供給を受ける負荷６との間に設置された短絡防止リアクトル１０および１１と、を備えている。
【００１４】
ＰＷＭコンバータ２および３は、フィルタリアクトル４および５をそれぞれ備えており、フィルタリアクトル４および５は、三相交流電源１から供給される各相の電力それぞれに対して設けられた３つのリアクトルによって形成されている。これら３つのリアクトルは相互に磁気結合している。ＰＷＭコンバータ２および３の同相のスイッチング素子は、図示を省略した制御回路によって、動作タイミングが一致するように制御される。しかし、実際には、素子自体の性能バラツキや駆動回路のバラツキが原因で動作タイミングにズレが生じることが多い。
【００１５】
短絡防止リアクトル１０と１１は互いに磁気結合していないものとする。本実施の形態の電力変換装置においては、これらの短絡防止リアクトル１０および１１が、各ＰＷＭコンバータのスイッチング素子間の動作タイミングのズレに起因して発生する短絡電流を低減する。
【００１６】
なお、短絡電流が流れる経路としては、図１４に示した経路の他に、例えば、ＰＷＭコンバータ３のコンデンサからＰＷＭコンバータ２のＰを経由し、さらに、スイッチング素子、フィルタリアクトル４を経由してＰＷＭコンバータ３側に戻り、フィルタリアクトル５およびスイッチング素子を経由してコンデンサに戻る経路が存在する。この経路の短絡電流は、短絡防止リアクトル１０により低減される。
【００１７】
以下、本実施の形態の電力変換装置によって得られる効果について説明する。
【００１８】
上述したように、本実施の形態の電力変換装置においては、出力側（直流側）に短絡防止リアクトル１０および１１を接続するようにしたので、上述したような、交流側に短絡防止リアクトルを備えた従来の電力変換装置と比較して、より少ない短絡防止リアクトルで短絡電流を低減できる。
【００１９】
また、図２に示した交流側電流は、図３に示したように、電源周波数（50Hz/60Hz）にＰＷＭキャリア周波数が重畳された電流波形となる。ここで、リアクトルの鉄損はヒステリシス損と渦電流損に分けられるが、それぞれ、周波数の１．６乗と２乗に比例するため、このような高周波電流が重畳された電流が流れると損失が大きくなる。これに対して、図２に示した直流側電流には電源周波数（50Hz/60Hz）が印加されず、また、直流側電流はＰＷＭコンバータ内の主回路コンデンサにより平滑化されているため、ＰＷＭキャリア周波数成分の高周波電流が大幅に低減される。それゆえ、リアクトルの鉄損を大幅に軽減できる。すなわち、リアクトルに使用する鉄心を安価な材料に変更してリアクトルの低コスト化を図る、または、鉄心を小さくしてリアクトルの小型化および低コスト化を図ることができる。
【００２０】
以上のように、本実施の形態によれば、一部のＰＷＭコンバータの出力側（直流側）に短絡防止リアクトルを配置し、短絡電流を防止するようにしたので、短絡防止リアクトルの数を低減できるとともに、短絡防止リアクトルの低コスト化や小型化を実現できる。これに伴い、装置を小型化できる。図１に示したような２台のＰＷＭコンバータを並列接続した構成の電力変換装置の場合、一方のＰＷＭコンバータのＰ，Ｎ出力側に短絡防止リアクトルを配置すればよいので、従来は３つ必要であった短絡防止リアクトルを２つとすることができる。
【００２１】
なお、図１では、ＰＷＭコンバータ２側のＰとＮに短絡防止リアクトル１０，１１を接続した構成について示したが、一方の短絡防止リアクトルをＰＷＭコンバータ３側に接続するようにしても構わない。すなわち、短絡防止リアクトル１０をＰＷＭコンバータ３のＰ側に接続するようにしてもよい。また、短絡防止リアクトル１１をＰＷＭコンバータ３のＮ側に接続するようにしてもよい。
【００２２】
実施の形態２．
図４は、実施の形態２の電力変換装置の構成例を示す図である。本実施の形態の電力変換装置は、実施の形態１の電力変換装置（図１参照）の短絡防止リアクトル１０および１１を短絡防止リアクトル１２および１３に置き換えたものである。ＰＷＭコンバータ２および３は、互いの電流がバランスするように制御される。その他の部分については実施の形態１と同様である。本実施の形態では、実施の形態１と異なる部分についてのみ説明する。
【００２３】
短絡防止リアクトル１２および１３について、図５〜図７を用いて説明する。本実施の形態の電力変換装置が備えている短絡防止リアクトル１２および１３は図５に示した構成となっており、両端のａ端子（電極）およびｂ端子が並列接続するＰＷＭコンバータのＰ側またはＮ側に接続される。また、短絡防止リアクトルの中間点から引き出された端子ｃが負荷６に接続される。
【００２４】
短絡防止リアクトル１２および１３は、図６に示すようにａ端子からｂ端子へ、もしくはその逆に電流が流れた場合、そのような電流に対してインダクタンスを持つが、図７に示すように端子ａから端子ｃへ流れる電流と端子ｂから端子ｃへ流れる電流が同じ大きさであれば、互いに磁束を打ち消しあうため、そのような電流に対してはインダクタンスを持たない特性を有している。
【００２５】
上記のような構成を適用したことにより、本実施の形態の電力変換装置は、実施の形態１の電力変換装置と同様の効果が得られるとともに、以下に示す効果が得られる。
【００２６】
実施の形態１の電流変換装置（図１参照）を適用した場合において負荷の電流が急変（増加）した場合を考える。ＰＷＭコンバータ２には短絡防止リアクトル１０，１１が接続されているため、負荷の電流が急に増加してもＰＷＭコンバータ２から負荷６へ流れる電流（図８に示した電流Ｉａ）は徐々にしか増加しない。そのため、不足分を短絡防止リアクトルが接続されていないＰＷＭコンバータ３から流れる電流Ｉｂでカバーする必要があるが（図９参照）、通常、並列運転するＰＷＭコンバータは、互いの電流がバランスするように制御される。そのため、電流Ｉｂで不足電流をカバーしようとすると、専用の電流制御処理が必要になる。また、ＰＷＭコンバータ３の定格電流が不足しないように、下記のいずれかの処置をする必要がある。
・負荷急変を起こさせない。
・電力変換装置を１００％負荷で使用せず、マージンを持った使用とする。
・ＰＷＭコンバータ３の定格電流をＰＷＭコンバータ２よりも大きく設定する（→ＰＷＭコンバータ２と共用化できない）。
【００２７】
一方、負荷が急変（減少）した場合も同様に、ＰＷＭコンバータ２から負荷６へ流れる電流Ｉａは徐々にしか減少しない（図１０参照）。そのため、余剰エネルギーをＰＷＭコンバータ３が消費する必要がある。
【００２８】
これに対して、本実施の形態の電力変換装置においては、ＰＷＭコンバータ２および３双方の出力側に短絡防止リアクトル１２および１３が接続されている。また、各ＰＷＭコンバータから負荷６に向かって流れる電流（Ｉａ，Ｉｂ）がバランスするよう制御される。上述したように、短絡防止リアクトル１２，１３は、端子ａから端子ｃに流れる電流と端子ｂから端子ｃに流れる電流とが同じ値の場合、負荷６側に流れる電流に対してインダクタンスを持たない。そのため、負荷が急変した場合に実施の形態１の電力変換装置で問題とされる上記現象が発生することはない（図１１参照）。従って、負荷電流が急変（増加）した場合の不足電流を電流Ｉｂでカバーするための専用の電流制御処理が不要となり、本実施の形態の電力変換装置は１００％負荷で使用できるとともに、ＰＷＭコンバータ２と３の共用化が図れる。
【００２９】
なお、実施の形態１，２においては、説明の簡単化のために、２台のＰＷＭコンバータを並列接続して電力変換装置を形成する場合の例を説明したが、並列接続する台数を３以上とすることも可能である。ｎ台のＰＷＭコンバータを並列接続する場合、実施の形態１では、ｎ−１台のＰＷＭコンバータのＰ，Ｎ出力それぞれに短絡防止リアクトルを接続すればよい。また、実施の形態２では、図５に示した短絡防止リアクトルの両端の２つの端子（端子ａ，端子ｂ）の一方をＰＷＭコンバータのＰ出力（またはＮ出力）に接続し、もう一方を他のＰＷＭコンバータのＰ出力（またはＮ出力）または他の短絡防止リアクトルの中点（端子ｃ）に接続すればよい（図１２参照）。図１２はＰＷＭコンバータ３台を並列接続する場合の例を示しているが、４台以上の場合も同様である。三相交流電力の入力側に短絡防止リアクトルを接続する場合（図１３参照）と比較して、直流電力出力側に短絡防止リアクトルを接続する場合には、短絡防止リアクトルの必要数を低く抑えることができる。加えて、上述したように直流電力出力側はリップル電流（脈流）が流れない経路のため、短絡防止リアクトルの小型化や低コスト化が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、複数のＰＷＭコンバータを並列接続して形成された電力変換装置として有用であり、特に、Ｐ−Ｎ短絡電流を低減するためのリアクトルの必要数削減とリアクトルの小型化を実現可能な電力変換装置に適している。
【符号の説明】
【００３１】
１  三相交流電源
２，３  ＰＷＭコンバータ
４，５  フィルタリアクトル
６  負荷
７，８，９，１０，１１，１２，１３  短絡防止リアクトル
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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