(57)【要約】【課題】  変圧器の2次配線数を少なくし、変圧器２次巻線の位相差をつけることなく、1次電流の高調波を低減でき、更に、電源回生が可能で且つ構成が簡単な電力変換装置を提供する。【解決手段】  ３相１次巻線と、この１次巻線の各相と同相で、各相あたりｍ個（ｍは３の倍数）の分割された２次巻線を有する変圧器２と、前記2次巻線の夫々に接続された単相自励型コンバータ３１と、前記単相自励型コンバータ３１の出力に夫々接続された単相インバータ３２とを備え、前記単相インバータ３２を、当該単相インバータ３２に給電する変圧器２の２次巻線の相位相が均等になるように３グループに分割し、グループ毎にその出力の一端を中性点として接続し、他の一端から三相交流出力を得るように構成する。【選択図】  図１
2005348573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相１次巻線と、この１次巻線の各相と同相の分割された少なくとも１個の２次巻線を有する変圧器と、
前記2次巻線の夫々に接続された単相自励型コンバータと
を備え、
前記単相自励型コンバータの出力を並列または直列に接続して構成したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
３相１次巻線と、この１次巻線の各相と同相で、各相あたりｍ個（ｍは３の倍数）の分割された２次巻線を有する変圧器と、
前記2次巻線の夫々に接続された単相自励型コンバータと、
前記単相自励型コンバータの出力に夫々接続された単相インバータと
を備え、
前記単相インバータを、当該単相インバータに給電する前記変圧器の２次巻線の相位相が均等になるように３グループに分割し、グループ毎にその出力の一端を中性点として接続し、他の一端から三相交流出力を得るようにして構成したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
前記変圧器の１次側の電圧、電流と前記単相自励型コンバータの並列または直列に接続された直流回路の直流電圧とを検出し、この直流電圧を所定の手法により制御する制御手段を備え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】
前記変圧器の１次側の電圧及び電流、並びに、代表して１台の単相PWMコンバータの直流電圧または任意の組合せの単相自励型コンバータの直流電圧の平均値若しくは和を検出し、所定の手法により前記直流電圧または直流電圧の平均値若しくは和を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記制御手段は、
前記検出された直流電圧または任意の組合せの単相自励型コンバータの直流電圧の平均値若しくは和と直流電圧基準とを比較して有効電流基準を得る手段と、
前記変圧器の１次側の電圧の位相差を検出する手段と、
この位相差に従い、前記１次側の電流を、有効電流と無効電流とに分解する手段と、
前記無効電流を基準値と比較して、無効電圧基準を得る手段と、
前記有効電流と前記有効電流基準とを比較して有効電圧基準を得る手段と、
前記無効電圧基準及び前記有効電圧基準とから演算により前記自励型コンバータの電圧指令を得る手段と
を有することを特徴とする請求項３または請求項４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、変圧器の2次側に電力変換器が多重接続された電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
３相電力を出力する電力変換装置において、電力変換装置の大容量化、高電圧化を目的とし、多重２次巻線からなる変圧器と複数の電力変換器を多重接続することが行われている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
特許文献１によれば、３相電源から２次側に複数の巻線を持った変圧器を介して３相交流電力を複数台の単位電力変換器に供給する技術が開示されている。この場合、複数台の単位電力変換器は３グループに分割され、各グループの単位電力変換器の単相出力は直列に接続され、直列接続された一方を中性点として接続し、他方を出力端子とすることにより三相交流電力を出力する電力変換装置を構成している。各単位電力変換器は、変圧器の２次巻線からの電力をダイオードコンバータ及び直流平滑コンデンサで直流電力に変換し、さらに単相インバータ回路で任意の周波数、電圧を持った電力に変換する構成となっている。
【特許文献１】特開平１１−０８９２８１号公報（第５−６頁、図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示された構成の電力変換装置においては、変圧器の２次配線の本数が多くなり、配線のコストや配線工数、配線スペースが多くなるという問題が生じる。
【０００５】
また上記構成では、変圧器の2次巻線間に位相差をつけ変圧器の1次電流の高調波を低減することがよく行われる。例えば２次巻線の位相差を２０度ずつ付け、１８パルス構成とすれば、高調波は低減する。しかしながら、１次電流の高調波を低減するために位相差を付けると、変圧器の２次巻線構成が複雑になるという問題が生じる。
【０００６】
さらに、交流電動機が負荷側から回転力を与えられた場合に、交流電動機の機械的なエネルギーが電力変換装置に回生されるが、ダイオードコンバータを使用しているために電源回生ができず、直流電圧が回生エネルギーにより充電され直流電圧が上昇し過電圧保護動作により装置が停止するという問題が生じる。この問題を解決するためには、ダイオードコンバータに代えて電力回生可能な自励型コンバータ、例えばPWMコンバータを使用し、直流電圧が一定になるように制御すればよい。この場合、PWMコンバータは直流電圧検出器で単位電力変換器の直流電圧を検出し、また、交流電圧検出器を用いて単位電力変換器に入力される入力電圧を、電流検出器を用いて単位電力変換器に入力される電流を検出し、これら検出信号をコンバータ制御回路へ入力する。コンバータ制御回路は電圧指令を出力しPWM制御回路はPWMコンバータを構成するIGBT素子にゲート信号を出力する。
【０００７】
このように原理的には、回生可能な電力変換装置を構成することは可能であるが、単位電力変換器全てに３相PWMコンバータおよび検出回路、制御回路を設けることが必要となり、回路が複雑になるという新たな問題が生じる。
【０００８】
したがって、本発明は上記問題点を鑑み、変圧器の2次配線数を少なくし、変圧器２次巻線の位相差をつけることなく、1次電流の高調波を低減でき、更に、電源回生が可能で且つ構成が簡単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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の第１の発明は、３相１次巻線と、この１次巻線の各相と同相の分割された少なくとも１個の２次巻線を有する変圧器と、前記2次巻線の夫々に接続された単相自励型コンバータとを備え、前記単相自励型コンバータの出力を並列または直列に接続して構成したことを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の第２の発明は、３相１次巻線と、この１次巻線の各相と同相で、各相あたりｍ個（ｍは３の倍数）の分割された２次巻線を有する変圧器と、前記2次巻線の夫々に接続された単相自励型コンバータと、前記単相自励型コンバータの出力に夫々接続された単相インバータとを備え、前記単相インバータを、当該単相インバータに給電する前記変圧器の２次巻線の相位相が均等になるように３グループに分割し、グループ毎にその出力の一端を中性点として接続し、他の一端から三相交流出力を得るようにして構成したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、変圧器の2次配線数を少なくし、変圧器２次巻線の位相差をつけることなく、1次電流の高調波を低減でき、更に、電源回生が可能で且つ構成が簡単な電力変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１３】
本発明に係る電力変換装置の実施例１について図１乃至図３を参照して説明する。図１は本発明の実施例１を示す回路構成図である。
【００１４】
３相電源１から、２次側に夫々複数個の単相に分割された2次巻線２R１、２Ｒ2、２Ｒ３、２Ｓ１、２Ｓ２、２Ｓ３、３Ｒ１、３Ｒ２及び３Ｒ３を持った変圧器２を介し、単相交流電力を複数台の単位電力変換器３Ｕ１、３Ｖ１、３Ｗ１、３Ｕ２、３Ｖ２、３Ｗ２、３Ｕ３、３Ｖ３及び３Ｗ３へ夫々供給する。単位電力変換器３Ｕ１、３Ｖ１、３Ｗ１、３Ｕ２、３Ｖ２、３Ｗ２、３Ｕ３、３Ｖ３及び３Ｗ３は、U、V及びWの３グループに分割され、その単相出力はグループ毎に直列に接続され、その一端を中性点として接続し、その他端を交流電動機４の1次巻線に接続している。
【００１５】
ここで、単位電力変換器３Ｕ１、３Ｖ１、３Ｗ１、３Ｕ２、３Ｖ２、３Ｗ２、３Ｕ３、３Ｖ３及び３Ｗ３の出力周波数は全て同一とし、直列に接続されるU、V及びWの各グループの単位電力変換器３の出力は、同一位相となるようにし、グループ間の位相差は互いに１２０度となるようにする。また、直列に接続されるU、V及びWの各グループの単位電力変換器３に入力される変圧器２の２次巻線の位相は、お互いが均等となるようにグループを選定する。このためには、２の変圧器２次巻線の数は、各相共３の倍数であることが必要となる。
【００１６】
図２は図１の単位電力変換器３の一例を示す回路構成図である。変圧器２の単相に分割された２次巻線２R１、２Ｒ2、２Ｒ３、２Ｓ１、２Ｓ２、２Ｓ３、３Ｒ１、３Ｒ２及び３Ｒ３からの電力を自励型コンバータ回路３１及び直流平滑コンデンサ３２で直流電力に変換し、さらに単相インバータ回路３３で任意の周波数、電圧を持った単相電力に変換している。各単位電力変換器３の自励型コンバータ回路３１の出力には直流電圧検出器３４が設けられており、各々の単位電力変換器３の直流電圧Vｕ１、Ｖｕ２、Ｖｕ３、Ｖｖ１、Ｖｖ２、Ｖｖ３、Ｖｗ１、Ｖｗ２及びＶｗ３を検出している。
【００１７】
また、図１において、交流電圧検出器５を用いて電力変換装置に入力される入力電圧Vａｃを、電流検出器６を用いて電力変換装置に入力される入力電流Iａｃを検出する。
【００１８】
以上の構成における動作、作用について以下説明する。
【００１９】
各単位電力変換器３の直流電圧Vｕ１、Ｖｕ２、Ｖｕ３、Ｖｖ１、Ｖｖ２、Ｖｖ３、Ｖｗ１、Ｖｗ２及びＶｗ３、入力電圧Vａｃ並びに力電流Iａｃはコンバータ制御回路７に入力され、コンバータ制御回路７は３相電圧基準Vｒ＊、Vｓ＊及びVｔ＊をPWM制御回路８へ出力する。PWM制御回路８は３相電圧基準Vｒ＊、Vｓ＊及びVｔ＊に従って各単位変換器３の自励型コンバータ回路３１を制御するためのパルス信号を出力する。
【００２０】
以下、図３を用いてコンバータ制御回路７の内部の動作を説明する。図３はコンバータ制御回路７の内部構成図である。
【００２１】
単位電力変換器３の各直流電圧Vｕ１、Ｖｕ２、Ｖｕ３、Ｖｖ１、Ｖｖ２、Ｖｖ３、Ｖｗ１、Ｖｗ２及びＶｗ３を直流電圧平均回路７１で演算して平均化した直流電圧Ｖｄｃを求め、直流電圧基準Vｄｃ*と上記直流電圧Vｄｃが一致するように電圧制御器７２でｑ軸電流基準Iｑ*を制御する。一方入力電圧Vａｃから電圧位相検出回路７３を用いて入力電圧位相θａｃを求める。入力電圧Vａｃのような交流波形からその電圧位相を求める方法は一般的にフェーズロックドループ等が用いられ周知であるので、その説明は省略する。
【００２２】
入力電流Iａｃは３相ｄｑ変換回路７４によって、入力電圧位相θａｃと同期する成分Ｉｑ（ｑ軸電流または有効電流）と、これに直交する成分Ｉｄ（ｄ軸電流または無効電流）とに分解される。ｄ軸電流基準Iｄ＊とd軸電流Ｉｄの差分をｄ軸電流制御器７５で、またｑ軸電流基準Iｑ＊とｑ軸電流Ｉｑの差分をｑ軸電流制御器７６で増幅することによりｄ軸電圧基準Vｄ＊及びｑ軸電圧基準Vｑ＊を夫々求める。ここで求められたｄ軸電圧基準Vｄ＊及びｑ軸電圧基準Vｑ＊は、ｄｑ／３相変換回路７７で３相の交流電圧基準Ｖｒ＊、Ｖｓ＊及びＶｔ＊に変換されPWM制御回路８に与えられる。
【００２３】
通常は、入力電流のｄ軸が無効成分、ｑ軸が有効成分になるように３相ｄｑ変換を行い、ｄ軸電流基準Ｉｄ＊を０に設定することにより、入力電流の無効成分が０となるように制御を行う。
【００２４】
また電圧制御器７２、ｄ軸電流制御器７５及びｑ軸電流制御器７６には、通常は入力に対して比例量と積分量を加算して出力する比例積分アンプを採用する。
【００２５】
PWM制御回路８においては、与えられた３相の交流電圧基準Ｖｒ＊、Ｖｓ＊及びＶｔ＊に応じて、対応する相に接続されている単位電力変換器３の自励型コンバータ回路３１への駆動パルスを演算によって求める。この演算は、３相の交流電圧基準Ｖｒ＊、Ｖｓ＊及びＶｔ＊とＰＷＭ制御用搬送波とを比較して行うが、例えば、特開平１１−０８９２８１号公報に記載されているように、図１に示したような多重構成の場合、各々の相の多重度に応じて、搬送波の位相を変えて高調波の低減を計るのが普通である。
【００２６】
上記実施の形態では、コンバータ部にPWMコンバータを使用しているので回生電力を電源へ回生することができ。また、電力変換装置の入力力率を１に制御することも可能となる。また、各単位電力変換器に対し制御回路を共通としている為、回路構成が簡単となっている。
【００２７】
尚、本実施例では、全ての単位電力変換器の直流電圧を検出しているが、直流電圧がバランスするような場合は、代表して１つの単位変換器の直流電圧を検出して直流電圧を制御するようにしてもよい。
【実施例２】
【００２８】
図４は、本発明による電力変換装置の実施例２を示す回路構成図である。この実施例２の各部について、図１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、単位電力変換器３Ｕ１Ａ、３Ｖ１Ａ、３Ｗ１Ａ、３Ｕ２Ａ、３Ｖ２Ａ、３Ｗ２Ａ、３Ｕ３Ａ、３Ｖ３Ａ及び３Ｗ３Ａの出力を直流とし、これらの出力を直列接続して電力変換装置全体としての直流出力を得るように構成した点である。
【００２９】
この場合の単位電力変換器３Ａの一例の詳細図を図５に示す。図５に示した様に、単位電力変換器３Ａとしては、図２におけるインバータ回路３２を省略した直流出力型の構成となる。尚、制御回路については、コンバータ制御回路７及びＰＷＭ制御回路８共、図３の実施例１の場合と同様になる。
【００３０】
尚、本実施例では、単位電力変換器３Ａの出力を直列接続して、高圧の自励コンバータを構成したが、単位電力変換器３Ａの出力を並列接続して、低圧大電流の自励コンバータを構成する様にしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【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】実施例１に係る電力変換装置に使用される単位電力変換器の詳細図。
【図３】実施例１に係る電力変換装置の制御回路の詳細図。
【図４】本発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図。
【図５】実施例２に係る電力変換装置に使用される単位電力変換器の詳細図。
【符号の説明】
【００３２】
１  ３相電源
２  変圧器
２R１、２Ｒ2、２Ｒ３、２Ｓ１、２Ｓ２、２Ｓ３、３Ｒ１、３Ｒ２、３Ｒ３  ２次巻線
３、３Ｕ１、３Ｖ１、３Ｗ１、３Ｕ２、３Ｖ２、３Ｗ２、３Ｕ３、３Ｖ３、３Ｗ３、３Ｕ１Ａ、３Ｖ１Ａ、３Ｗ１Ａ、３Ｕ２Ａ、３Ｖ２Ａ、３Ｗ２Ａ、３Ｕ３Ａ、３Ｖ３Ａ、３Ｗ３Ａ、  単位電力変換器
３１  自励型コンバータ回路
３２  直流平滑コンデンサ
３３  単相インバータ回路
３４  直流電圧検出器
４  交流電動機
５  交流電圧検出器
６  電流検出器
７  コンバータ制御回路
７１  直流電圧平均回路
７２  電圧制御器
７３  電圧位相検出回路
７４  ３相ｄｑ変換回路
７５  ｄ軸電流検出回路
７６  ｑ軸電流検出回路
８  ＰＷＭ制御回路
【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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