(57)【要約】【課題】降圧のために絶縁変圧器が必要になる用途に対して、交流相間リアクトルの容量低減、小電流化により小形化、低価格化を図り、設計の自由度を高めた低圧大容量用途の並列１２パルス整流回路を提供する。【解決手段】３相入力端子と第１，第２の３相出力端子との間に接続された２組の３相巻線３Ｕ１，３Ｖ１，３Ｗ１及び３Ｕ２，３Ｖ２，３Ｗ２を有する交流相間リアクトル３と、第１，第２の３相出力端子に１次側がそれぞれ接続され、かつ２次電圧の位相差がほぼ３０度である第１，第２の絶縁変圧器２Ａ，２Ｂと、これらの絶縁変圧器の２次側に交流回路がそれぞれ接続され、かつ直流回路が並列接続された２台の３相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂとを備え、前記３相巻線３Ｕ１，３Ｖ１，３Ｗ１及び３Ｕ２，３Ｖ２，３Ｗ２は何れも巻数がほぼ等しく、かつ同一鉄心上に巻かれている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相交流電圧を整流して直流電圧に変換する整流回路において、
３相入力端子と第１，第２の３相出力端子との間に接続された２組の３相巻線を有する交流相間リアクトルと、
前記第１，第２の３相出力端子に１次側がそれぞれ接続され、かつ２次電圧の位相差がほぼ３０度である第１，第２の絶縁変圧器と、
前記第１，第２の絶縁変圧器の２次側に交流回路がそれぞれ接続され、かつ直流回路が並列接続された２台の３相ブリッジ整流器と、を備え、
前記交流相間リアクトル内の２組の３相巻線は何れも巻数がほぼ等しく、かつ同一鉄心上に巻かれていることを特徴とする整流回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３相交流電圧を絶縁変圧器を介して３相ブリッジ整流器により整流し、直流電圧を得る整流回路に関し、詳しくは、２台の３相ブリッジ整流器の直流側が並列接続されてなる整流回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
３相交流電力を直流電力に変換する電力変換器として、３相ブリッジ整流器がよく用いられている。３相ブリッジ整流器は、電源の１サイクルに６回の転流を行うことから、その回路は６パルス整流回路とも呼ばれている。更に、３相ブリッジ整流器を複数台組み合わせることにより、１２パルス整流回路または１８パルス整流回路などの多パルス整流回路を構成することが可能である。
これらの多パルス整流回路は、転流回数が増えるため、電源に流れる高調波電流を低減できること、大容量化できることは、利点として良く知られている。
【０００３】
図２及び図３は、ダイオードまたはサイリスタにより構成された２台の３相ブリッジ整流器からなる１２パルス整流回路の構成例を示しており、例えば非特許文献１に記載された回路と原理的に同一である。
図２及び図３において、１Ａ，１Ｂは３相ブリッジ整流器、２は一方の２次巻線がスター結線、他方の２次巻線がデルタ結線され、両２次巻線の出力電圧が３０度の位相差をもつ３巻線絶縁変圧器である。また、Ｕ，Ｖ，Ｗは３相入力端子、Ｐ，Ｎは直流出力端子を示している。
【０００４】
図２の回路では、２台の３相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂが直列接続されており、主に高圧大容量用途に適している。
一方、図３の回路は、相間リアクトル５を介して２台の３相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂの直流回路が並列接続された並列１２パルス整流回路であり、主に低圧大容量用途に適している。ここで、相間リアクトル５は、並列接続された３相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂ間を横流する高調波電流を抑制する作用を果している。
図２及び図３の回路では、２台の３相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂが発生する第５次及び第７次の高調波が理想的には相殺されるので、電源の高調波を低減することができる。
【０００５】
次に、図４は、非特許文献２に記載されている回路と原理的に同一の回路である。
この回路では、図２や図３に示した絶縁変圧器２に代えて、一相あたり３巻線が磁気結合された相間リアクトル３１が用いられている。以下では、この種のリアクトルを交流相間リアクトルと呼び、図３に示した直流側の相間リアクトル５を直流相間リアクトルと呼ぶことにする。
【０００６】
図４において、交流相間リアクトル３１では異なる相の巻線が互いに磁気結合されていることにより、リアクトル３１の入出力間において移相機能が生じる。
図示するように同一鉄心上に巻かれた３巻線の巻数Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３を、
Ｎ１：Ｎ２：Ｎ３＝３.７３：２.７３：１.０
に設計することにより、整流器１Ａ，１Ｂに接続される２組のリアクトルの出力電圧が３０度の位相差をもつので、整流器１Ａ，１Ｂに３０度の位相差の３相交流電圧をそれぞれ供給することができる。これにより、図４の従来技術では、図３に示す回路と同様な並列１２パルス整流回路の機能を得ようとするものである。
なお、図４の回路では、交流相間リアクトル３１が整流器１Ａ，１Ｂ間を流れる横流を抑制するので、図３のような直流相間リアクトル５は不要となる。
【０００７】
次いで、図５は、特許文献１に記載されている回路と原理的に同一の回路である。この回路では、交流相間リアクトル３２の同一鉄心上に巻かれた３巻線の巻数Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３を、
Ｎ１：Ｎ２：Ｎ３＝√３：１：１
に設計する。これにより、図４と同様に、並列１２パルス整流回路の機能を得ようとするものである。
【０００８】
【非特許文献１】「電気工学ハンドブック（第６版）」，社団法人電気学会，２０編パワーエレクトロニクス、８４６頁〜８４７頁
【非特許文献２】"A New 12-Pulse Rectifier Circuit with Line-Side Interphase Transformer and Nearly Sinusoidal Line Currents" by Manfred Depenbrock and Clemens Niermann， Proc. of 6th Conference on PEMC， vol.2， pp.374-378 (1990年)
【特許文献１】特開２０００−３５８３７２号公報（請求項１，請求項４、段落［００１９］〜［００２５］、図１，図２等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
さて、金属の誘導加熱分野に適用されるインバータ用の直流電源や非鉄金属の製造に用いられる電解用の直流電源などでは、例えば電圧が数百Ｖ、出力が数千ｋＷ以上の低圧大容量の直流電源が必要になる。この種の直流電源は６ｋＶ級以上の高圧商用電源から得るのが望ましいので、降圧変圧器が必要になる。
上述したような分野において、例えば非特許文献１に記載された図３の回路を用いて３巻線変圧器２を降圧変圧器とすることにより、低圧大容量の整流回路（直流電源）を構成し、しかも電源の高調波を低減することが可能である。しかし、その場合には次のような問題が生じる。
【００１０】
例えば６ｋＶ級以上の交流高電圧から最終的に数百Ｖ級の直流電圧を得ようとすると、３巻線変圧器２の２次巻線の巻数は必然的に多くできない。このため、変圧比の大きな降圧用の３巻線変圧器を用いる必要があるが、この種の３巻線変圧器では、スター側とデルタ側の２組の２次電圧に実効値の誤差が生じやすくなる。
この電圧実効値誤差は、２台の３相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂの直流電圧誤差となって現れるが、直流相間リアクトル５ではこの直流電圧誤差を補償できないので、両整流器１Ａ，１Ｂ間を流れる直流成分の横流が過大になる。この結果、大きな容量をもった３相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂや３巻線変圧器２が必要になる。同時に、３巻線変圧器２の２次電流には第５次及び第７次高調波が多く含まれるため、この高調波も３巻線変圧器２の容量増加の原因となる。
【００１１】
一方、非特許文献２や特許文献１に記載された従来技術は、絶縁変圧器や直流相間リアクトルを不要にした点に特徴がある。しかしながら、これらの従来技術により、上述したように交流高電圧を降圧して最終的に所定の直流電圧を得る場合、確かに直流相間リアクトルは不要になるが、３巻線変圧器に代わるものとして大形かつ高価な交流相間リアクトル３１，３２が必要になる。
以下に、交流相間リアクトルが大形かつ高価になる理由を説明する。
【００１２】
まず第１の理由として、非特許文献２や特許文献１における交流相間リアクトル３１，３２は移相特性を持っている。このため、交流相間リアクトルの入力電圧に対して出力電圧の位相を変化させようとすると、交流相間リアクトル内の結合リアクトルの入出力間には移相に伴った基本波成分の電圧降下が生じ、更に、高調波分による電圧降下が生じる。
ここで、交流相間リアクトルの容量は、基本波成分の電圧降下と高調波成分の電圧降下とを加算した電圧と、交流相間リアクトルを流れる電流との積によって決定される。
【００１３】
交流相間リアクトルの容量を決定するのは基本波成分の電圧降下の方が支配的であるが、図３に示した直流相間リアクトル５の容量決定にあたっては、基本波成分の電圧降下に相当する成分はない。すなわち、図４，図５のように交流相間リアクトル３１，３２を用いる場合には、その容量決定に支配的である基本波成分の電圧降下分だけ、交流相間リアクトル３１，３２の容量を直流相間リアクトル５の容量に比べて大きくする必要がある。
【００１４】
第２の理由として、２台の３相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂ間に流れようとする横流には零相成分も存在する。この零相成分の電流に対して横流の抑制効果を持たせようとすると、例えば３台の単相リアクトルが必要になる。このため、直流相間リアクトル５を用いる場合に比べて機器台数が増えることが大形化の要因になる。また、交流相間リアクトル３１，３２の同一鉄心上に巻かれた３巻線の巻数Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３の比が整数にならない点も設計上の課題となる。
【００１５】
そこで、本発明の解決課題は、降圧のために絶縁変圧器が必要になる低圧大容量の用途に対して上記課題を解決し、小形かつ安価で設計自由度の高い整流回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、３相交流電圧を整流して直流電圧に変換する整流回路において、
３相入力端子と第１，第２の３相出力端子との間に接続された２組の３相巻線を有する交流相間リアクトルと、
前記第１，第２の３相出力端子に１次側がそれぞれ接続され、かつ２次電圧の位相差がほぼ３０度である第１，第２の絶縁変圧器と、
前記第１，第２の絶縁変圧器の２次側に交流回路がそれぞれ接続され、かつ直流回路が並列接続された２台の３相ブリッジ整流器と、を備え、
前記交流相間リアクトル内の２組の３相巻線は何れも巻数がほぼ等しく、かつ同一鉄心上に巻かれていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明においては、並列１２パルス整流回路を実現するための移相作用を第１，第２の絶縁変圧器により行い、これら絶縁変圧器の１次側に接続された２組の３相巻線を有する交流相間リアクトルによって入力電流を平衡化するものである。これにより、降圧のために絶縁変圧器が必要になる低圧大容量の用途に対して、交流相間リアクトルの容量、電流を低減して小形化、低価格化を図り、設計の自由度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る並列１２パルス整流回路の回路図である。図１において、３は、２組の３相巻線３Ｕ１，３Ｖ１，３Ｗ１及び３Ｕ２，３Ｖ２，３Ｗ２を備えた交流相間リアクトルである。
【００１９】
この交流相間リアクトル３において、３相入力端子Ｕ，Ｖ，Ｗは３相交流電源（図示せず）に接続されており、第１の３相出力端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１及び第２の３相出力端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２は、第１の３相絶縁変圧器２Ａの１次巻線２Ａ１と第２の３相絶縁変圧器２Ｂの１次巻線２Ｂ１とにそれぞれ接続されている。
前記入力端子Ｕと出力端子Ｕ１，Ｕ２との間には巻線３Ｕ１，３Ｕ２が接続され、入力端子Ｖと出力端子Ｖ１，Ｖ２との間には巻線３Ｖ１，３Ｖ２が接続され、入力端子Ｗと出力端子Ｗ１，Ｗ２との間には巻線３Ｗ１，３Ｗ２が接続されている。ここで、巻線３Ｕ１，３Ｕ２，３Ｖ１，３Ｖ２，３Ｗ１，３Ｗ２の巻数は等しく、何れも同一の鉄心に巻かれていて磁気結合されている。
【００２０】
前記出力端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１に接続された第１の絶縁変圧器２Ａは、１次巻線２Ａ１がデルタ結線、２次巻線２Ａ２がスター結線であり、前記出力端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２に接続された第２の３相絶縁変圧器２Ｂは、１次巻線２Ｂ１及び２次巻線２Ｂ２がデルタ結線となっている。また、両変圧器２Ａ，２Ｂの変成比は等しく設定されている。
このため、各２次巻線２Ａ２，２Ｂ２から出力される３相交流電圧の位相差は３０度となり、これらの３相交流電圧がダイオードからなる３相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂの交流回路にそれぞれ供給されるようになっている。
なお、図４，図５と同様に３相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂの直流回路は並列接続されており、直流出力端子Ｐ，Ｎ間には平滑コンデンサ４が接続されている。
【００２１】
上記実施形態において、３相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂに流れる電流の方向を交流電流の正方向と仮定したとすると、交流相間リアクトル３は、同一鉄心上に、互いに逆極性に磁気結合されて巻数が等しい２組の巻線３Ｕ１，３Ｖ１，３Ｗ１及び３Ｕ２，３Ｖ２，３Ｗ２が巻かれていることになる。
【００２２】
一方、交流相間リアクトルは、同一鉄心に作用する合成起磁力がほぼゼロになるように作用する。このため、図１における交流相間リアクトル３は、絶縁変圧器２Ａ側の出力端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１に流れる電流と、絶縁変圧器２Ｂ側の出力端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２に流れる電流とが等しくなるように作用する。
別の見方をするならば、所定値より２次電圧が低い絶縁変圧器に対しては１次電圧を増加させ、所定値より２次電圧が高い絶縁変圧器に対しては１次電圧を減少させることによって電流を平衡化させることができる。
【００２３】
仮に、２台の絶縁変圧器２Ａ，２Ｂの変成比が完全に同一ではなく出力電圧の大きさに誤差がある場合でも、交流相間リアクトル３により各絶縁変圧器２Ａ，２Ｂに入力される１次電圧が補償されるので、非特許文献１に存在するような３相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂ間を流れる直流成分の横流は原理的には発生しない。従って、整流器１Ａ，１Ｂの容量が増大するのを防ぐことができる。
また、交流相間リアクトル３は平滑リアクトルとしても作用するので、絶縁変圧器２Ａ，２Ｂの電流は第５次及び第７次の高調波電流が少ない正弦波状の電流となる。このため、非特許文献１の従来技術に比べて絶縁変圧器２Ａ，２Ｂの容量低減が可能である。
【００２４】
本実施形態において、並列１２パルス整流回路とするための移相は前述した如く絶縁変圧器２Ａ，２Ｂが行なっている。このため、交流相間リアクトル３には、非特許文献２や特許文献１におけるような基本波成分の電圧降下が発生せず、その容量を増加させる要因とならないため、交流相間リアクトル３の容量を低減して小形化を図ることができる。
また、交流相間リアクトル３は絶縁変圧器２Ａ，２Ｂの高圧側に接続される構成であるため、非特許文献２や特許文献１のように同一の低圧・大電流回路の３相ブリッジ整流器１Ａ，１Ｂに直接接続される場合に比べて、交流相間リアクトル３を流れる電流が減少し、小形化、小容量化に寄与する。
【００２５】
交流相間リアクトル３における第１の３相出力端子Ｕ１〜Ｗ１と第２の３相出力端子Ｕ２〜Ｗ２とは、絶縁変圧器２Ａ，２Ｂによって互いに絶縁されている。従って、各端子には零相電流が流れないので、交流相間リアクトル３には３脚鉄心を使用した３相リアクトルを用いることができる。従って、零相電流を抑制するために、例えば３台の単相リアクトルを使用するよりも装置全体の小形化が可能である。
【００２６】
更に、本実施形態の交流相間リアクトル３は、同一鉄心上に同一巻数の２組の３相巻線を巻くことによって構成可能であり、非特許文献２や特許文献１のように理想巻数比が非整数比となる問題もない。これにより、交流相間リアクトル３を構成する巻線の巻数を自由に設計でき、電流平衡化及び高調波低減の精度を従来よりも向上させることができる。また、設計の自由度が増えることは交流相間リアクトル３の小形化にも寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態を示す回路図である。
【図２】非特許文献１に記載された従来技術の回路図である。
【図３】非特許文献１に記載された従来技術の回路図である。
【図４】非許文献２に記載された従来技術の回路図である。
【図５】特許文献１に記載された従来技術の回路図である。
【符号の説明】
【００２８】
１Ａ，１Ｂ：３相ブリッジ整流器
２，２Ａ、２Ｂ：絶縁変圧器
２Ａ１，２Ｂ１：１次巻線
２Ａ２，２Ｂ２：２次巻線
３，３１，３２：交流相間リアクトル
３Ｕ１，３Ｕ２，３Ｖ１，３Ｖ２，３Ｗ１，３Ｗ２：巻線
４：平滑コンデンサ
５：直流相間リアクトル
Ｕ，Ｖ，Ｗ：３相入力端子
Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２：３相出力端子
Ｐ，Ｎ：直流出力端子
【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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