(57)【要約】  【課題】  高周波トランスから発生する低周波磁界を大幅に低減することのできる系統連系インバータを提供すること。  【解決手段】  高周波トランス１３の１次巻線電流によって周囲に発生する磁束の向きに対して、直流リアクトル１９に流れる電流が発生する磁束の向きが、高周波トランス１３による磁束を打ち消し合う方向になるように直流リアクトル１３を配置することで、大幅なシールド効果を得られる系統連系インバータとしたもの。【選択図】  図１
2005045959.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を高周波電力に変換するための高周波トランスとその１次巻線の片端に接続したスイッチング素子とからなる第１インバータと、高周波トランス２次巻線出力の整流手段と、整流後の電力を商用周波数の電力に変換する第２インバータと、前記第１インバータの入力と直流電源との間に接続してノイズを除去する直流リアクトルと、前記第１インバータと前記整流手段と前記第２インバータとを収納する筐体とからなり、前記直流リアクトルを前記高周波トランスの周囲に配置して、前記直流リアクトルが発生する商用およびその複数倍周波数の磁界と、前記高周波トランスが発生する商用およびその複数倍周波数の磁界とが互いに打ち消し合う方向とした系統連系インバータ装置。
【請求項２】
直流リアクトルの内周を高周波トランス外周より大きくして、前記直流リアクトルで前記高周波トランスを覆うことを特徴とする請求項１記載の系統連系インバータ装置。
【請求項３】
直流リアクトルを高周波トランス１次巻線の近傍に配置したことを特徴とする請求項１に記載の系統連系インバータ装置。
【請求項４】
直流リアクトルと高周波トランスとの間隙に非磁性体を配置したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の系統連系インバータ装置。
【請求項５】
直流リアクトル、高周波トランスのいずれか一方またはその両方と、筐体との間隙に磁性体を配置したことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の系統連系インバータ装置。
【請求項６】
直流リアクトルの巻線と、高周波トランス１次側の巻線とを同数としたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の系統連系インバータ装置。
【請求項７】
直流リアクトルのコアと、高周波トランスのコアの材質とを同一にしたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の系統連系インバータ装置。
【請求項８】
直流リアクトルのコアギャップと、高周波トランスのコアギャップとを近傍に配置したことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の系統連系インバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池または燃料電池などの直流電力を商用周波数の交流電力に変換して系統に電力を注入する系統連系インバータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の系統連系インバータでは、コアギャップを有する高周波トランスの１次側に共振コンデンサとスイッチング素子を配置し、低損失化と低ノイズ化のためにスイッチング素子のゼロ電圧スイッチング動作を実現しつつ、出力電流波形の低周波成分が正弦波となるようにスイッチング素子の導通時間を変調している。
【０００３】
図８は、従来使用している系統連系インバータの構成を示す接続図である。直流電源１の出力電力は第１インバータ２で高周波電力に変換された後、コアにギャップを有する高周波トランス３を介して２次側へ電力伝達される。高周波トランス３の２次側に発生した高周波電力は整流手段４で直流または脈流に変換され、第２インバータ５で系統６に同期した商用交流電力に変換されて、系統６に注入されるものである。ここで、第１インバータ２は高周波トランス３とスイッチング素子８と共振コンデンサ７で構成され、第２インバータ５はＱ１からＱ４の４個のスイッチング素子でフルブリッジ構成されている。
【０００４】
以下に図９の波形図を参照して動作を説明する。第１インバータ２が直流電源１の電力を高周波電力に変換する。これは、第１インバータ２のスイッチング素子８がオンオフを繰り返すことにより実現されるものである。通常、スイッチング素子８がターンオフする際、高周波トランス３に蓄積された励磁エネルギーを共振コンデンサ７との間で充放電することで、スイッチング素子８のコレクタ−エミッタ電圧は図１５に示すように共振波形となる。つぎに、コレクターエミッタ電圧がゼロとなりスイッチング素子８に逆並列で接続されたダイオードに電流が流れている期間にスイッチング素子８をターンオンすることで、ゼロ電圧スイッチングを実現している。ここで、高周波トランス１次巻線に流れる電流はスイッチング素子８がオンの時のコレクタ−エミッタ電流、そしてオフ時は共振コンデンサ７を流れる電流と同一であって、直流電源１から出力される商用２倍周波の低周波電流に、第１インバータ２内部で発生する高周波電流成分が重畳された波形である。したがって高周波トランス３は巻線電流に概ね比例した複数の周波数を持つ磁束を発生させている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−３２７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら上記従来の構成では、高周波トランスの１次巻線を流れる電流によって発生する磁束は、高周波成分と商用２倍周波の低周波成分を有しているため、特に波長の長い低周波成分は非磁性体の筐体において磁束が透過してしまい、装置外への漏洩磁界を低減するには例えば鉄といった磁性体で外周を囲む必要があり、装置の小形化や軽量化に限界があるという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、高周波トランスに商用２倍周波の低周波電流が流れるインバータ回路構成のような場合でも、大幅に部品を追加することなく簡素な構成で、高周波トランスから発生する低周波磁界を大幅に低減することのできる系統連系インバータを提供することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために本発明の系統連系インバータは、高周波トランスの１次巻線電流によって周囲に発生する磁束の向きに対して、直流リアクトルに流れる電流が発生する磁束の向きが、高周波トランスによる磁束を打ち消し合う方向になるように直流リアクトルを配置することで、大幅なノイズ低減効果を得られるようにした系統連系インバータを提供するものである。
【発明の効果】
【０００８】
以上のように本発明によれば、直流リアクトルと高周波トランスとが発生する磁界が互いに打ち消し合うことで、筐体の材質や厚みを制約することのない小形・軽量の系統連系インバータ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】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、高周波トランスとその１次巻線の片端に接続したスイッチング素子とからなる第１インバータと、整流手段と、第２インバータと、第１インバータの入力と直流電源との間に接続してノイズを除去する直流リアクトルと、筐体とからなり、直流リアクトルを高周波トランスの周囲に配置して、直流リアクトルが発生する商用およびその複数倍周波数の磁界と、高周波トランスが発生する商用およびその複数倍周波数の磁界とが互いに打ち消し合う方向に配置することで、近傍への磁束漏洩を低減することができ、筐体の材質や厚みを制約することがないため、装置全体の軽量化も図ることが可能となる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、特に、請求項１に記載の発明において直流リアクトルの内周を高周波トランス外周より大きくして、直流リアクトルで高周波トランスを覆うことで、近傍に発生する磁束の打ち消し効果を高めることができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、特に、請求項１に記載の発明において直流リアクトルを高周波トランス１次巻線の近傍に配置することで、１次巻線から発生する磁束をより効果的に打ち消すことをができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、特に、請求項１〜３に記載の発明において直流リアクトルと高周波トランスとの間隙に非磁性体を配置することで、高周波トランスから発生する高周波漏れ磁束が直流リアクトルと鎖交して損失を発生しないようにすることができるため、装置の損失を低減することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、特に、請求項１〜４に記載の発明において、直流リアクトル、高周波トランスのいずれか一方またはその両方と筐体との間隙に磁性体を配置することで、直流リアクトルから発生する磁束と、高周波トランスとの間で打ち消し合わない低周波磁束を装置外部に漏洩させないようにすることができる。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、特に、請求項１〜５に記載の発明において、直流リアクトルの巻線と、高周波トランス１次側の巻線とを同数としたことで低周波電流によってそれぞれが発生する磁束密度を近づけることができるため、低周波漏洩磁束の低減効果を高めることができる。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、特に、請求項１〜６に記載の発明において、直流リアクトルのコアと、高周波トランスのコアの材質とを同一にしたことで、低周波電流によってそれぞれが発生する磁束密度を概ね同等とすることができ、低周波漏洩磁束の低減効果をより一層高めることができる。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、特に、請求項１〜７に記載の発明において、共に漏れ磁束が集中する直流リアクトルと高周波トランスのそれぞれのコアギャップを近傍に配置したことで、低周波と高周波共に、効率よく漏洩磁束の低減することができる。
【実施例１】
【００１７】
以下、本発明の実施例について、図１〜７を参照しながら説明する。
【００１８】
（実施例１）
本実施例は請求項１〜２に係わる。図１は本発明の第１の実施例の回路構成を示すブロック図である。ここで直流電源１１で発電した直流電力は第１インバータ１２で高周波電力に変換された後、高周波トランス１３を介して２次側へ電力伝達される。高周波トランス１３の２次側に発生した高周波電力は整流手段１４で直流または脈流に変換され、第２インバータ１５で系統１６に同期した商用交流電力に変換されて、系統１６に注入されるものである。ここで、高周波トランス１３の１次巻線とスイッチング素子１８とは入力電圧に対して直列に接続されている。第２インバータ１５はＱ１からＱ４の４個のスイッチング素子のフルブリッジで構成されている。また、直流電源１１と第１インバータ１２との間には、直流電源１１に流れる高周波電流を制限するための直流リアクトル１９が接続されている。
【００１９】
以上の様に構成された系統連系インバータについて、図２の波形図と図３の概念図を参照して動作を説明する。第１インバータ１２は、スイッチング素子１８の１周期において、オン時はＱａコレクタ−エミッタ電流が徐々に拡大し、高周波トランス１３の２次側に電力を伝達する。スイッチング素子１８がターンオフした際、高周波トランス１３に蓄積された励磁エネルギーは共振コンデンサ１７を充放電することで、第１スイッチング素子１８のコレクタ電圧は共振波形となる。次にコレクタ電圧がゼロに到達して、第１スイッチング素子１８に逆並列に配置されたダイオードが導通して、一定期間コレクタ電圧がゼロを維持する。その期間中に第１スイッチング素子１８をターンオンしてゼロ電圧スイッチングが行われる。ここで、高周波トランス１３の１次巻線に流れる電流はスイッチング素子８がオンの時のコレクタ−エミッタ電流、そしてオフ時は共振コンデンサ１７を流れる電流と同一であって、直流電源１１から出力される商用２倍周波の低周波電流に、第１インバータ２内部で発生する高周波電流成分が重畳された波形となっている。一方、直流リアクトル９は商用２倍周波の低周波電流に高周波成分が重畳した波形となっている。ここで、高周波トランス１３と直流リアクトル１９に流れる低周波電流は概ね一致しており、共に高周波に加えて同程度の商用２倍周波の磁束が発生する。そこで、どちらかの巻線方向を逆にするか、または電流の流れる向きが逆になるようにして近傍に配置することで、それぞれから発生する磁束を効果的に打ち消している。なお、図３にあるように高周波トランス１３全体を直流リアクトル１９が覆うように配置することで、磁束の打ち消し効果を高めることができるのは言うまでもない。
【００２０】
以上のように本実施例によれば、直流リアクトルおよび高周波トランスが共に発生する商用およびその複数倍周波数の磁界とが互いに打ち消し合う方向に配置することで、特にノイズ除去が困難な低周波磁束の漏れに対して、安価な構成で効果を得られることから、筐体の材質や厚みを制約することがなくなり、装置全体の小形および軽量化を図ることができる。
【００２１】
（実施例２）
本実施例は請求項３に係わる。図４は本発明の第２の実施例における概念図である。図４において図３の構成と異なる点は、直流リアクトルを高周波トランス１次巻線の近傍に配置した点である。上記以外の構成要素は第１の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００２２】
以上のように構成された系統連系インバータについて図４の概念図を参照して動作を説明する。高周波トランス１３の１次巻線に流れる電流は直流に商用２倍周波成分が重畳されており、２次巻線には高周波成分電流だけが流れる。したがって、高周波トランス１３の１次巻線が低周波磁界の発生源である。そこで、高周波トランス１３の１次巻線近傍に直流リアクトル１９を配置して磁束を打ち消している。
【００２３】
以上のように本実施例によれば、高周波トランス１次巻線の近傍に直流リアクトルを配置することで、巻線長の少ない小形の直流リアクトルでも高周波トランスからの低周波磁束を打ち消すことができるため、より安価な構成で低周波磁束の漏れを低減することが可能となる。
【００２４】
（実施例３）
本実施例は請求項４に係わる。図５は本発明の第３の実施例における回路構成を示すブロック図である。図５において図４の構成と異なるのは高周波トランス１３と直流リアクトル１９との間隙に非磁性体２０を配置した点である。上記以外の構成要素は第２の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００２５】
以上のように構成された系統連系インバータについて図５の概念図を参照して動作を説明する。高周波トランス１３から発生する磁束の中でも、比較的波長の短い高周波磁束の多くは近傍に配置された例えばアルミニウムなどの非磁性体２０を通過した際、非磁性体２０内に渦電流を発生する。非磁性体内に発生した渦電流によって生み出される磁束は高周波トランス１３から発生した磁束とは逆向きの磁束となるため、互いに打ち消し合う。したがって非磁性体２０は、高周波トランス１３が発生する磁束が、直流リアクトル１９を構成する例えば鉄を含む磁性体や銅の巻線と鎖交することを防止している。
【００２６】
以上のように本実施例によれば、直流リアクトルと高周波トランスとの間に非磁性体を配置することによって、装置からの高周波磁束の漏れを小さくすると共に、直流リアクトル内で損失を発生することのない高効率の系統連系インバータとすることができる。
【００２７】
（実施例４）
本実施例は請求項５に係わる。図６は本発明の第４の実施例における回路構成を示すブロック図である。図６において図５の構成と異なるのは、直流リアクトル１９と筐体２２との間に磁性体２１を配置した点でる。上記以外の構成要素は第３の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００２８】
以上のように構成された系統連系インバータについて図６の概念図を参照して動作を説明する。直流リアクトル１９および高周波トランス１３によって発生する低周波磁束は概ね打ち消し合うが、通常は双方の形状や幾何学的配置がことなるため、完全にゼロとはならず筐体２２近傍に達する磁束が存在する。ここで、直流リアクトル１９、高周波トランス１３のいずれか一方または両方と筐体２２との間に磁性体２１を配置して、筐体２２近傍に磁路を形成し、筐体２２外部に低周波磁束が漏れることを防止する。
【００２９】
以上のように本実施例によれば、直流リアクトル、高周波トランスのいずれか一方またはその両方と筐体との間隙に磁性体を配置することで、直流リアクトルから発生する磁束と高周波トランスから発生する磁束との間で打ち消し合わずに、装置外部に漏洩する低周波磁束を低減することができる。
【００３０】
（実施例５）
本実施例は請求項６〜８に係わる。図７は本発明の第５の実施例における構成を示す概念図である。図７において図４の構成と異なるのは高周波トランス１３と直流リアクトル１９のターン数とコア材質を同一にして、それぞれが有するコアギャップが近傍になるように配置した点である。上記以外の構成要素は第２の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００３１】
以上のように構成された系統連系インバータについて図７の概念図を参照して動作を説明する。直流リアクトル１９と高周波トランス１３に流れる低周波電流は概ね一致しているため、さらにターン数とコア材質を同一にすることで、それぞれから発生する低周波磁束は同等となる。これにより打ち消し効果を高め、外部に漏れる低周波磁束を最小化している。さらにコアギャップ近傍は最も磁束が漏洩することから、直流リアクトル１９と高周波トランス１３のコアギャップ位置が近接するように配置して、磁束密度が高い場所においてシールドすることで、それぞれの外形に対する依存性を減少させて確実に高周波および低周波磁束を打ち消している。
【００３２】
以上のように本実施例によれば、ターン数とコア材質を同一化とコアギャップの近接配置により、直流リアクトルと高周波トランスから発生する磁束の打ち消し効果を大幅に向上させて、漏洩磁束のシールド効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施例である系統連系インバータの構成を示すブロック図
【図２】本発明の第１の実施例である系統連系インバータの各部動作を示す波形図
【図３】本発明の第１の実施例である系統連系インバータの各部動作を示す概念図
【図４】本発明の第２の実施例である系統連系インバータの各部動作を示す概念図
【図５】本発明の第３の実施例である系統連系インバータの各部動作を示す概念図
【図６】本発明の第４の実施例である系統連系インバータの各部動作を示す概念図
【図７】本発明の第５の実施例である系統連系インバータの各部動作を示す概念図
【図８】従来の系統連系インバータの構成を示すブロック図
【図９】従来の系統連系インバータの各部動作を示す波形図
【符号の説明】
【００３４】
１１  直流電源
１２  第１インバータ
１３  高周波トランス
１４  整流手段
１５  第２インバータ
１６  系統
１７  共振コンデンサ
１８  スイッチング素子
１９  直流リアクトル
２０  非磁性体
２１  磁性体
２２  筐体
【図１】
2005045959.tif 000003
【図２】
2005045959.tif 000004
【図３】
2005045959.tif 000005
【図４】
2005045959.tif 000006
【図５】
2005045959.tif 000007
【図６】
2005045959.tif 000008
【図７】
2005045959.tif 000009
【図８】
2005045959.tif 000010
【図９】
2005045959.tif 000011