(57)【要約】【課題】  直流平滑コンデンサ１１〜１３が各相に分散配置され、ほぼ一方向に並んで３相配置された大容量の３相電力変換装置において、直流平滑コンデンサ１１〜１３の電流値の低減化、均等化を図り、複数の直流平滑コンデンサ１１〜１３の電流仕様を低く揃える。【解決手段】  両端に配置された２相の直流平滑コンデンサ１１、１３にそれぞれ直列に制動抵抗２１、２２を接続することで、直流平滑コンデンサ１１〜１３と配線インダクタンス１０７〜１１０とで閉ループを構成するＬＣＲ回路の共振に起因する電流重畳分を、効果的に低減する。【選択図】        図１
2005102444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ一方向に並んで３相配置された各相が、直流平滑コンデンサを有する直流回路と、複数の自己消弧型スイッチング素子からなる電力変換器とで構成され、上記各相の直流回路が並列に接続された電力変換装置において、両端に配置された２相の上記直流平滑コンデンサにそれぞれ直列に制動抵抗を接続することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
上記電力変換器を中間電位を有する３レベル電力変換器で構成し、上記直流回路を、それぞれ上記直流平滑コンデンサを有する正側直流回路および負側直流回路を直列接続して構成し、両端に配置された２相の上記直流平滑コンデンサにそれぞれ直列に接続される上記制動抵抗は、上記正負両側の直流回路の上記直流平滑コンデンサにそれぞれ接続されることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
上記制動抵抗は、上記直流平滑コンデンサ、配線インダクタンスおよび上記制動抵抗を有して閉ループを構成するＬＣＲ回路の臨界制動抵抗値以下としたことを特徴とする請求項１または２記載の電力変換装置。
【請求項４】
複数の上記直流平滑コンデンサ、および複数の上記制動抵抗は、それぞれ全て定格値をほぼ互いに同一とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項５】
上記制動抵抗は、高抵抗材料から成るブスバーとしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか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、比較的出力容量の大きい電力変換装置に関し、特に、各相に分散配置された直流平滑コンデンサを有する多相電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直流電圧が高電圧の自励式変換器では、バルブのスイッチ素子を直列に接続して高電圧化に対応する。三相変換器を構成する各アームはＧＴＯを複数個直列接続して高電圧化する。直流平滑コンデンサは単位コンデンサなどを直並列に接続して大容量，高電圧化する。また配線インダクタンスを低減するために単位コンデンサはできるだけ３相分均等になるように分散配置させ、直流平滑コンデンサと各相の間の配線長を均等化かつ最短化している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２９０５７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上のような従来の電力変換装置では、直流平滑コンデンサが３相に分散配置され、各直流平滑コンデンサを有する直流回路が並列接続される。この直流回路は、直流平滑コンデンサと直流回路間を接続する配線の配線インダクタンスとで構成されるＬＣ共振回路となる。したがって、直流平滑コンデンサの電流責務としては、インバータ側へ供給する電流の他に、上記ＬＣ共振回路に起因する電流が重畳されることになる。また、各直流平滑コンデンサからインバータ側へ供給する電流は３相ともほぼ等しくできるが、ＬＣ共振に起因する重畳電流分は３つの直流平滑コンデンサ間でアンバランスする可能性がある。
ところで、各相に分散配置された３つの直流平滑コンデンサは、通常、コスト抑制のために静電容量および電圧電流仕様は揃えるものである。この直流平滑コンデンサの電流仕様は、上記のようなＬＣ共振に起因する重畳分も考慮して許容電流値を大きく設定する必要があり、さらに、ＬＣ共振に起因する重畳電流分は上述したように均等ではないため、最大電流に合わせて揃えることになり、コスト増大を招くものであった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、分散配置された複数の直流平滑コンデンサの電流値の低減化、均等化を図り、複数の直流平滑コンデンサの電流仕様を低く揃えることによりコスト低減を促進することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明による電力変換装置は、ほぼ一方向に並んで３相配置された各相が、直流平滑コンデンサを有する直流回路と、複数の自己消弧型スイッチング素子からなる電力変換器とで構成され、上記各相の直流回路が並列に接続された装置構成であって、両端に配置された２相の上記直流平滑コンデンサにそれぞれ直列に制動抵抗を接続するものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明による電力変換装置は、両端に配置された２相の直流平滑コンデンサにそれぞれ直列に制動抵抗を接続することにより、直流平滑コンデンサ、配線インダクタンスを有して閉ループを構成する全てのＬＣ回路に制動抵抗を挿入することができ、ＬＣ共振に対して制動効果を及ぼし、ＬＣ共振に起因する重畳電流を制動効果により低減できる。このため、分散配置された複数の直流平滑コンデンサの電流値の低減化、均等化を図ることができ、直流平滑コンデンサの電流仕様を低く揃えてコスト低減を促進することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による電力変換装置の構成を示す回路図である。
図１に示すように、３相電力変換器は、自己消弧型半導体スイッチング素子であるＧＣＴサイリスタ（ゲート転流型ターンオフサイリスタ、以下ＧＣＴと称す）２０１〜２０６、および各ＧＣＴ２０１〜２０６と逆並列接続される還流ダイオード３０１〜３０６で構成される。なお、ＧＣＴに限らず、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）など、他の自己消弧型半導体スイッチング素子を用いても良い。直流平滑コンデンサ１１〜１３は各相に分散配置され、各直流平滑コンデンサ１１〜１３を有する直流回路が並列接続される。
【０００９】
図に示すように、電力変換器と直流回路とで構成される３相電力変換装置の各相は、一方向（図１では横方向）に並んで配置され、各相の直流回路を並列接続する配線は、両端の２相（Ｕ相、Ｗ相）の直流回路をそれぞれ他の１相（Ｖ相）に接続するもので、各相の直流回路間の配線は共通部分を持たないものである。このように各相を一方向に配置して接続することで、配線インダクタンスの大きくなる構造を避けることができる。ここでは、直流回路間の接続により、回路内に４つの配線インダクタンス１０７〜１１０が存在する。また、両端の２相に配置された直流平滑コンデンサ１１、１３に直列に制動抵抗２１、２２を接続する。
なお、ここでは３相電力変換装置として必要最低限の要素を示したが、直流短絡保護のためのヒューズや、半導体素子の保護のためのスナバ回路が接続される場合もある。また、電力変換器の動作方式としては、ＰＷＭ（パルス幅変調）方式などがある。
【００１０】
このように構成される電力変換装置では、直流平滑コンデンサ１１〜１３と直流回路間を接続する配線の配線インダクタンスとで閉ループを構成するＬＣ共振回路が３個形成されるが、図２に示すように、これらの３個のＬＣ共振回路は全て、制動抵抗２１、２２を少なくとも１個含んだＬＣＲ回路となる。即ち、制動抵抗２１、２２は２個しか接続していないが、３個のＬＣ共振回路（ＬＣＲ回路）には全て制動抵抗２１、２２が含まれる構成になっている。
ここで、直流平滑コンデンサ１１〜１３の静電容量をそれぞれＣ１、Ｃ２、Ｃ３（ファラッド）、配線インダクタンス１０７〜１１０のインダクタンスをそれぞれＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４（ヘンリ）、そして制動抵抗２１、２２の抵抗値をそれぞれＲ１、Ｒ２（オーム）とする。また、直流平滑コンデンサ１２の静電容量は、ＬＣＲ回路１とＬＣＲ回路２とで分担されるため、各ＬＣＲ回路内では、静電容量が(Ｃ２／２)である直流平滑コンデンサ１２ａで示した。
【００１１】
各直流平滑コンデンサ１１〜１３から電力変換器であるインバータ側へ供給する電流は３相ともほぼ等しくできる。各直流平滑コンデンサ１１〜１３の電流仕様は、このようなインバータ側へ供給する電流に、ＬＣ共振に起因する重畳電流分を考慮して決定するものであるが、上述したように、３個のＬＣ共振回路（ＬＣＲ回路）には全て制動抵抗２１、２２が含まれるため、ＬＣ共振に起因する重畳電流を制動効果により低減できる。このため、分散配置された複数の直流平滑コンデンサ１１〜１３の電流値の低減化、均等化を図ることができ、直流平滑コンデンサ１１〜１３の電流仕様を低く揃えてコスト低減を促進することができる。
また、両端の２相に配置された直流平滑コンデンサ１１、１３に直列に制動抵抗２１、２２を接続することにより、直流平滑コンデンサの静電容量と配線インダクタンスとが最も大きくなるＬＣＲ回路３で２個の制動抵抗２１、２２を含むようにでき、少ない部品点数でＬＣ共振に対する制動効果が効果的に得られ、コスト低減がさらに促進される。
【００１２】
次に、制動抵抗２１、２２の抵抗値Ｒ１、Ｒ２の決定方法について以下に説明する。
まず、直流平滑コンデンサ１１〜１３の静電容量値と配線インダクタンス１０７〜１１０のインダクタンス値として以下を仮定する。
Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃ３＝２０００ｕＦ
Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３＝Ｌ４＝０．５ｕＨ
次に、３つのＬＣＲ回路について、それぞれの臨界制動条件を満たす抵抗値Ｒa1、Ｒa2、Ｒa3を計算する。
【００１３】
ＬＣＲ回路１において、
【数１】
2005102444.tif 000003
【００１４】
ＬＣＲ回路２において、
【数２】
2005102444.tif 000004
【００１５】
ＬＣＲ回路３において、
【数３】
2005102444.tif 000005
【００１６】
ところで、一般的にＬＣＲ回路の共振は、抵抗値が臨界制動抵抗値よりも小さい値であっても、電流値をある程度抑制できる。ＬＣＲ回路内の制動抵抗２１、２２の抵抗値が不要に大きいと、発生する損失が増大するため、各制動抵抗２１、２２の抵抗値は、ＬＣＲ回路における抵抗値が臨界制動抵抗値以下の値とする。
即ち、
【００１７】
ＬＣＲ回路１において、０＜Ｒ１≦Ｒa1  となるので、
【数４】
2005102444.tif 000006
【００１８】
ＬＣＲ回路２において、０＜Ｒ２≦Ｒa2  となるので、
【数５】
2005102444.tif 000007
【００１９】
ＬＣＲ回路３において、０＜Ｒ１＋Ｒ２≦Ｒa3  となるので、
【数６】
2005102444.tif 000008
【００２０】
そして、直流回路の対称性を考慮すれば、Ｒ１＝Ｒ２となり、上記（式４）〜（式６）は、（式６）、即ち最も大きなループのＬＣＲ回路３のみに注目して制動抵抗２１、２２の抵抗値Ｒ１（＝Ｒ２）を決定すれば良いことになる。
例えば、（Ｒ１十Ｒ２）が臨界制動抵抗値Ｒa3の50％になるようにすれば、
Ｒ１＋Ｒ２＝９０ｍΩ×５０％＝４５ｍΩ
Ｒ１＝Ｒ２＝２２．５ｍΩ
と決定できる。
このように抵抗値を決定した制動抵抗２１、２２を接続することによって、ＬＣ共振に起因する直流平滑コンデンサ１１〜１３の電流重畳分を効果的に低減できる。これにより、各直流平滑コンデンサ間での電流重畳分のアンバランスも抑制でき、直流平滑コンデンサ１１〜１３の電流仕様を低減できる。
【００２１】
ところで、仮に、図３に示す比較例のように、直流回路間の配線側に制動抵抗２１ａ、２２ａを接続すると、共振に対する制動効果は上記実施の形態と同様であるが、制動抵抗２１ａ、２２ａの接続箇所には、３相インバータの動作原理に起因して比較的大きな電流が流れて損失が増大する。このため、上記実施の形態で示したように、制動抵抗２１、２２を直流平滑コンデンサ１１、１３にそれぞれ直列接続することにより、損失の増大を抑えて共振に対する制動効果が得られる。
【００２２】
実施の形態２．
上記実施の形態１による電力変換装置は、３相電力変換器を３レベル構成にして適用することもでき、以下に説明する。
図４は、この発明の実施の形態２による電力変換装置の構成を示す回路図である。
図４に示すように、３相３レベル電力変換器は、自己消弧型半導体スイッチング素子であるＧＣＴ２０１〜２１２、還流ダイオード３０１〜３１２および直流回路の中間電位点に接続されるダイオード４０１〜４０６で構成される。直流平滑コンデンサ１１〜１６は各相に分散配置され、直流回路を、各直流平滑コンデンサ１１、１３、１５を有する正側直流回路と各直流平滑コンデンサ１２、１４、１６を有する負側直流回路とを中間電位点を介して直列接続して構成する。
【００２３】
例えば、Ｕ相は、ＧＣＴ２０１〜２０４と、各ＧＣＴと逆並列接続される還流ダイオード３０１〜３０４、そして直流回路の中間電位点につながるダイオード４０１、４０２で構成される。また、直流回路に関しては、中間電位点の正側の直流平滑コンデンサ１１と負側の直流平滑コンデンサ１２とは直列接続される。
図に示すように、電力変換器と直流回路とで構成される３相電力変換装置の各相は、一方向（図４では横方向）に並んで配置され、各相の直流回路を並列接続する配線は、両端の２相（Ｕ相、Ｗ相）の直流回路をそれぞれ他の１相（Ｖ相）に接続するもので、各相の直流回路間の配線は共通部分を持たないものである。このように各相を一方向に配置して接続することで、配線インダクタンスの大きくなる構造を避けることができる。ここでは、直流回路間の接続により、回路内に６つの配線インダクタンス１０７〜１１２が存在する。
【００２４】
また、この実施の形態においても、両端の２相（Ｕ相、Ｗ相）に配置された直流平滑コンデンサに直列に制動抵抗２１〜２４をそれぞれ接続するが、この場合、制動抵抗２１〜２４は、２相（Ｕ相、Ｗ相）における正負両側の直流回路の直流平滑コンデンサ１１、１２、１５、１６にそれぞれ接続される。
【００２５】
このように構成される電力変換装置では、直流平滑コンデンサ１１〜１６と直流回路間を接続する配線の配線インダクタンスとで閉ループを構成するＬＣ共振回路が９個形成されるが、図５に示すように、これらの９個のＬＣ共振回路は全て、制動抵抗２１〜２４を少なくとも１個含んだＬＣＲ回路となる。即ち、制動抵抗２１〜２４は４個しか接続していないが、９個のＬＣ共振回路（ＬＣＲ回路）には全て制動抵抗２１〜２４が含まれる構成になっている。
【００２６】
ここで、直流平滑コンデンサ１１〜１６の静電容量をそれぞれＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６（ファラッド）、配線インダクタンス１０７〜１１２のインダクタンスをそれぞれＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６（ヘンリ）、そして制動抵抗２１〜２６の抵抗値をそれぞれＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４（オーム）とする。また、直流平滑コンデンサ１３、１４は、それぞれ両側のＬＣＲ回路で分担されるため、各ＬＣＲ回路内では、静電容量が(Ｃ３／２)、(Ｃ４／２)である直流平滑コンデンサ１３ａ、１４ａで示した。さらに、配線インダクタンス１０８、１１１は、それぞれ上下のＬＣＲ回路で用いられるため、各ＬＣＲ回路内では、インダクタンスが(２×Ｌ２)、(２×Ｌ５)である配線インダクタンス１０８ａ、１１１ａで示した。
【００２７】
直流平滑コンデンサ１１〜１６の電流仕様は、インバータ側へ供給する電流に、ＬＣ共振に起因する重畳電流分を考慮して決定するものであるが、上述したように、９個のＬＣ共振回路（ＬＣＲ回路）には全て制動抵抗２１〜２４が含まれるため、ＬＣ共振に起因する重畳電流を制動効果により低減できる。このため、分散配置された複数の直流平滑コンデンサ１１〜１６の電流値の低減化、均等化を図ることができ、直流平滑コンデンサ１１〜１６の電流仕様を低く揃えてコスト低減を促進することができる。
また、制動抵抗２１〜２４は、両端の２相（Ｕ相、Ｗ相）における正負両側の直流回路の直流平滑コンデンサ１１、１２、１５、１６にそれぞれ接続される。このため、直流平滑コンデンサの静電容量と配線インダクタンスとが大きくなるＬＣＲ回路ほど、接続される制動抵抗２１〜２４の数も多くなるようにできる。例えば、図５におけるＬＣＲ回路９のように、直流平滑コンデンサの静電容量と配線インダクタンスとが最も大きくなる場合では、４個の制動抵抗２１〜２４が含まれる。このため、少ない部品点数でＬＣ共振に対する制動効果が効果的に得られ、コスト低減がさらに促進される。
【００２８】
次に、制動抵抗２１〜２４の抵抗値Ｒ１〜Ｒ４の決定方法について以下に説明する。
まず、直流平滑コンデンサ１１〜１６の静電容量値と配線インダクタンス１０７〜１１２のインダクタンス値として以下を仮定する。
Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃ３＝Ｃ４＝Ｃ５＝Ｃ６＝２０００ｕＦ
Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３＝Ｌ４＝Ｌ５＝Ｌ６＝０．５ｕＨ
次に、９個のＬＣＲ回路について、それぞれの臨界制動条件を満たす抵抗値Ｒa1〜Ｒa9を計算する。
【００２９】
ＬＣＲ回路１において、
【数７】
2005102444.tif 000009
【００３０】
ＬＣＲ回路２において、
【数８】
2005102444.tif 000010
【００３１】
ＬＣＲ回路３において、
【数９】
2005102444.tif 000011
【００３２】
ＬＣＲ回路４において、
【数１０】
2005102444.tif 000012
【００３３】
ＬＣＲ回路５において、
【数１１】
2005102444.tif 000013
【００３４】
ＬＣＲ回路６において、
【数１２】
2005102444.tif 000014
【００３５】
ＬＣＲ回路７において、
【数１３】
2005102444.tif 000015
【００３６】
ＬＣＲ回路８において、
【数１４】
2005102444.tif 000016
【００３７】
ＬＣＲ回路９において、
【数１５】
2005102444.tif 000017
【００３８】
上述したように、一般にＬＣＲ回路の共振は、抵抗値が臨界制動抵抗値よりも小さい値であっても、電流値をある程度抑制できる。ＬＣＲ回路内の制動抵抗２１〜２４の抵抗値が不要に大きいと、発生する損失が増大するため、各制動抵抗２１〜２４の抵抗値は、ＬＣＲ回路における抵抗値が臨界制動抵抗値以下の値とする。
【００３９】
即ち、
ＬＣＲ回路１において、０＜Ｒ１≦Ｒa1
ＬＣＲ回路２において、０＜Ｒ３≦Ｒa2
ＬＣＲ回路３において、０＜Ｒ１＋Ｒ３≦Ｒa3
ＬＣＲ回路４において、０＜Ｒ２≦Ｒa4
ＬＣＲ回路５において、０＜Ｒ４≦Ｒa5
ＬＣＲ回路６において、０＜Ｒ２＋Ｒ４≦Ｒa6
ＬＣＲ回路７において、０＜Ｒ１＋Ｒ２≦Ｒa7
ＬＣＲ回路８において、０＜Ｒ３＋Ｒ４≦Ｒa8
ＬＣＲ回路９において、０＜Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４≦Ｒa9
となる。
【００４０】
これらの式からより簡略に制動抵抗２１〜２４の抵抗値を求めるには、例えば、以下の２式を用いる。なお、直流回路の対称性を考慮すれば、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４となる。
【００４１】
【数１６】
2005102444.tif 000018
【数１７】
2005102444.tif 000019
【００４２】
このように抵抗値を決定した制動抵抗２１〜２４を接続することによって、ＬＣ共振に起因する直流平滑コンデンサ１１〜１６の電流重畳分を効果的に低減できる。これにより、各直流平滑コンデンサ間での電流重畳分のアンバランスも抑制でき、直流平滑コンデンサ１１〜１６の電流仕様を低減できる。
【００４３】
実施の形態３．
次に、上記実施の形態１、２で用いた制動抵抗部材について以下に説明する。
例えば上記実施の形態１を示す図１において、制動抵抗２１、２２は、部材として抵抗器を準備すれば実現することができる。
また、特に大容量の電力変換装置では、配線をケーブルで行わず、銅板からなるブスバーによって配線を行うことが多々あるが、その場合、制動抵抗２１、２２に相当する箇所に、銅よりも抵抗値の大きい、例えばステンレスやニクロムといった材料で製作したブスバーを接続する。このように、高抵抗材料から成るブスバー、即ち、本来の配線機能に抵抗機能を付加させたブスバーを、制動抵抗２１、２２に用いることで、部品としての抵抗器を用いる必要がなく、コスト低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】この発明の実施の形態１による電力変換装置を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１におけるＬＣＲ回路を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１の比較例を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２による電力変換装置を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２におけるＬＣＲ回路を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１１〜１６  直流平滑コンデンサ、２１〜２４  制動抵抗、
１０１〜１１２  配線インダクタンス、
２０１〜２１２  自己消弧型半導体スイッチング素子としてのＧＣＴサイリスタ。
【図１】
2005102444.tif 000020
【図２】
2005102444.tif 000021
【図３】
2005102444.tif 000022
【図４】
2005102444.tif 000023
【図５】
2005102444.tif 000024