(57)【要約】【課題】装置の大型化の原因となる大容量のキャパシタや抵抗、電圧制御のためのスイッチ素子等ハードウエア部品を要することなく、整流スナバ回路の直流母線電圧を所定以上の範囲に保つことができる電力変換装置を得ることを目的としたものである。【解決手段】ゲート制御手段１２からのゲート制御信号をキャパシタ４３の電圧ＶＤに応じて補正するゲート制御信号補正手段１３を備えることにより、主回路３のスイッチ素子に流れる電流を所定の期間多相整流スナバ回路４に流すことでキャパシタ４３を充電するようにした。【選択図】図１
2007318834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と誘導性の交流負荷との間に接続され複数のスイッチ素子により上記交流電源の交流電圧を変換して上記交流負荷に供給する主回路、上記交流電源に接続された第１のダイオード回路と上記交流負荷に接続された第２のダイオード回路と上記両ダイオード回路の直流側を接続すると共にこの直流側に接続され上記スイッチ素子のスイッチングにより発生するサージ電圧を吸収するキャパシタとを設けた整流スナバ回路、および上記複数のスイッチ素子を選択的に制御するためのゲート制御信号を出力するゲート制御手段を備えた電力変換装置であって、
上記ゲート制御手段からのゲート制御信号を上記キャパシタの電圧に応じて補正するゲート制御信号補正手段を備えることにより、上記スイッチ素子に流れる電流を所定の期間上記整流スナバ回路に流すことで上記キャパシタを充電するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
上記キャパシタを充電する動作は、上記スイッチ素子の転流期間を除く期間に行うようにした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】
上記キャパシタを充電する動作は、上記スイッチ素子の転流する動作と同時に行うようにしたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項４】
上記交流電源および交流負荷は共に３相である場合、
上記キャパシタを充電する動作は、上記交流負荷の他の２つの相とは電流の方向が異なる１つの相の電流を上記交流電源の１つの相から他の１つの相に転流する動作と同時に行うようにしたことを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
【請求項５】
上記ゲート制御信号補正手段は、上記転流動作に係るスイッチ素子へのゲート制御信号を補正するようにしたことを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。
【請求項６】
上記キャパシタを充電する動作の期間に所定の上限を設けたことを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
【請求項７】
上記ゲート制御信号補正手段は、上記転流動作に係るスイッチ素子を除くスイッチ素子へのゲート制御信号を補正するようにしたことを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。
【請求項８】
上記キャパシタを充電する動作を、上記転流動作の開始時点より所定期間手前で開始するようにしたことを特徴とする請求項７記載の電力変換装置。
【請求項９】
交流電源と誘導性の交流負荷との間に接続され複数のスイッチ素子により上記交流電源の交流電圧を変換して上記交流負荷に供給する主回路、上記交流負荷に接続されたダイオード回路と上記ダイオード回路の直流側に接続され上記スイッチ素子のスイッチングにより発生するサージ電圧を吸収するキャパシタとを設けた整流スナバ回路、および上記複数のスイッチ素子を選択的に制御するためのゲート制御信号を出力するゲート制御手段を備えた電力変換装置であって、
上記ゲート制御手段からのゲート制御信号を上記キャパシタの電圧に応じて補正するゲート制御信号補正手段を備えることにより、
上記交流負荷の全端子を上記主回路で短絡する環流状態から上記交流電源と交流負荷との間に電流が流れる通電状態に移行する転流動作と同時に、上記スイッチ素子に流れる電流を所定の期間上記整流スナバ回路に流すことで上記キャパシタを充電するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、交流電源の交流電圧をスイッチ素子を制御することにより直接交流電圧に変換して交流負荷に供給する電力変換装置に関し、特に、上記スイッチ素子のスイッチングにより発生するサージ電圧を吸収する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換装置では、入力端をスイッチ素子群の両端に接続し出力端にキャパシタを接続した単相整流スナバ回路を備え、キャパシタの両端電圧を自動電圧調整器により制御している。キャパシタの両端電圧を交流電源および負荷の最大電圧振幅よりも高い電圧に制御することにより、スイッチ素子のスイッチングによってスイッチ素子の両端にサージ電圧が発生したときのキャパシタへの充電電流をサージ電圧の上昇分によるもののみとすることができるため、キャパシタの余分な充電動作や該充電動作により生じる過大な電流の発生を防止し、スイッチ素子やダイオードを保護する（例えば、特許文献１参照）。
また、従来の電力変換装置では、スイッチ素子群の両端に接続する単相整流スナバ回路に代えて、多相整流ブリッジを用いた多相整流スナバ回路を用いており、多相整流スナバ回路の直流母線電圧を制御している（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平11−262264号公報（５頁左３３行〜６頁左５行、図１）
【特許文献２】特開2000−139076号公報（５頁右２４行〜４７行、図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような電力変換装置では、単相整流スナバ回路のキャパシタ両端電圧もしくは多相整流スナバ回路の直流母線電圧を一定に保つために大容量のキャパシタや抵抗、電圧制御のためのスイッチ素子等ハードウエア部品を内蔵する必要があり、これらの部品を接続することによって電力変換装置の小型化が難しくなる、という問題点があった。
この発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、装置の大型化の原因となるこれらの部品を要することなく、整流スナバ回路の直流母線電圧を所定以上の範囲に保つことができる電力変換装置を得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】
【０００５】
第１の発明に係る電力変換装置は、交流電源と誘導性の交流負荷との間に接続され複数のスイッチ素子により交流電源の交流電圧を変換して交流負荷に供給する主回路、交流電源に接続された第１のダイオード回路と交流負荷に接続された第２のダイオード回路と両ダイオード回路の直流側を接続すると共にこの直流側に接続されスイッチ素子のスイッチングにより発生するサージ電圧を吸収するキャパシタとを設けた整流スナバ回路、および複数のスイッチ素子を選択的に制御するためのゲート制御信号を出力するゲート制御手段を備えた電力変換装置であって、
ゲート制御手段からのゲート制御信号をキャパシタの電圧に応じて補正するゲート制御信号補正手段を備えることにより、スイッチ素子に流れる電流を所定の期間整流スナバ回路に流すことでキャパシタを充電するようにしたものである。
【０００６】
第２の発明に係る電力変換装置は、交流電源と誘導性の交流負荷との間に接続され複数のスイッチ素子により交流電源の交流電圧を変換して交流負荷に供給する主回路、交流負荷に接続されたダイオード回路とダイオード回路の直流側に接続されスイッチ素子のスイッチングにより発生するサージ電圧を吸収するキャパシタとを設けた整流スナバ回路、および複数のスイッチ素子を選択的に制御するためのゲート制御信号を出力するゲート制御手段を備えた電力変換装置であって、
ゲート制御手段からのゲート制御信号をキャパシタの電圧に応じて補正するゲート制御信号補正手段を備えることにより、
交流負荷の全端子を主回路で短絡する環流状態から交流電源と交流負荷との間に電流が流れる通電状態に移行する転流動作と同時に、スイッチ素子に流れる電流を所定の期間整流スナバ回路に流すことでキャパシタを充電するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
以上のように、この第１の発明に係る電力変換装置は、主回路を構成するスイッチ素子のゲート制御動作を本来の動作から変更補正することで、元々スイッチ素子に流れる電流を整流スナバ回路に流すことでキャパシタを充電するようにしたので、装置の大型化の原因となるハードウエア部品を要することなく整流スナバ回路の直流母線電圧を所定以上の範囲に保つことができる。従って、転流動作におけるスイッチ素子のスイッチングによるサージ電圧に起因する過大な電流の発生を防止することができるとともに、電力変換装置を小型化することができる。
【０００８】
また、第２の発明に係る電力変換装置は、整流スナバ回路を交流負荷にのみ接続する簡便な構成としたので、転流動作におけるスイッチ素子のスイッチングによるサージ電圧に起因する過大な電流の発生を防止することができるとともに、電力変換装置を更に小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による電力変換装置１０を示すブロック構成図である。図１において、主回路３は、後段の図２で更に説明するように、交流電源１と交流負荷（以下、適宜、単に負荷と略称する）２との間に接続され、交流電源の交流電圧を選択的に制御する複数のスイッチ素子により直接的に交流電圧に変換して負荷２に供給するものである。
多相整流スナバ回路４は、後段の図３で更に説明するように、交流電源１と負荷２との間に接続され、交流電源１の交流電圧と負荷２の交流電圧を整流する整流回路を通じて直流母線にキャパシタを接続し、スイッチ素子のスイッチングによりサージ電圧が発生したときにその電圧を吸収してスイッチ素子の破壊の原因となる過大な電流の発生を防止するものである。
【００１０】
なお、後段で詳述するが、本願発明は、主回路３のスイッチ素子を流れる電流を多相整流スナバ回路４へ強制的に転流することにより、多相整流スナバ回路４のキャパシタ４３を充電して直流母線４２の電圧を交流電源１および負荷２の最大電圧振幅よりも大きい電圧とするものである。従って、交流電源１および負荷２の電流をともに多相整流スナバ回路４へ転流してキャパシタ４３を充電するためには、負荷２の電流に連続性があり転流後の電流経路に電流が継続して流れることが必須の条件となる。このように、負荷２の電流に連続性を持たせるためには、負荷２が誘導性負荷であることが必要条件となる。ここで、誘導性とは、少なくともインダクタンス成分を含むことをいう。
【００１１】
電圧指令手段１１は、主回路３が負荷２に供給すべき交流電圧を指令する出力電圧指令値を出力する。ゲート制御手段１２は、上記出力電圧指令値、電圧検出器５からの交流電源１の電圧および電流検出器６からの負荷２の電流に基づいて、主回路３の複数のスイッチ素子を選択的に制御するためのゲート制御信号を出力して主回路３に与える。ゲート制御信号補正手段１３は、本願発明の要部であり、交流電源１の電圧、負荷２の電流および多相整流スナバ回路４の直流母線の電圧ＶＤに基づいて、上記ゲート制御信号を補正して出力する。
【００１２】
図２は、主回路３の一構成例である。このような構成の電力変換装置では、交流電源１の相Ｒ、Ｓ、Ｔと負荷２の相Ｕ、Ｖ、Ｗとがスイッチ素子３ＵＲＦ〜３ＷＴＲを介してそれぞれ相互に直接的に接続される。本構成例では、１つのスイッチ素子群は電流を一方向に通電する素子を逆並列に接続した構成とし、スイッチ素子のオンオフ動作によってその電流の方向を自在に制御できる機能を有するものとしているが、同一の機能を有するスイッチ素子群であればどのような構成であってもよい。
【００１３】
図３は、多相整流スナバ回路４の一構成例である。多相整流スナバ回路４は、第１および第２のダイオード回路である多相整流ダイオードブリッジ４１Ａ、４１Ｂ、直流母線４２、キャパシタ４３で構成され、直流母線４２の電圧ＶＤを電圧検出器４４で検出して直流母線電圧検出結果として出力する。このような構成では、交流電源１と負荷２との相が多相整流ダイオードブリッジ４１Ａ、４１Ｂを介して直流母線４２に接続される。スイッチ素子３ＵＲＦ〜３ＷＴＲのスイッチングによってスイッチ素子の両端にサージ電圧が発生すると、多相整流ダイオードブリッジ４１Ａ、４１Ｂを介してキャパシタ４３への充電が行われる。キャパシタ４３は、上記サージ電圧を吸収することを目的として接続したものである。
【００１４】
このような構成の電力変換装置では、主回路３の転流動作において多相整流スナバ回路４のキャパシタ４３への充電が抵抗成分やインダクタンス成分を介さずに行われるため、スイッチ素子に過大な充電電流が流れてスイッチ素子を破壊するという問題がある。しかし、多相整流スナバ回路４の直流母線４２の電圧が交流電源１および負荷２の最大電圧振幅よりも大きい場合には、上記充電電流はスイッチ素子のスイッチングによるサージ電圧の上昇分によるもののみとすることができるため、過大な充電電流が発生することはない。
本発明の実施の形態１に係る電力変換装置は、ゲート制御信号補正手段１３が直流母線電圧ＶＤの状態に応じてゲート制御信号を補正して出力しキャパシタ４３を充電する動作を行うことにより、直流母線電圧ＶＤを上記最大電圧振幅よりも大きい電圧に制御して、過大な充電電流の発生を防止するものである。
【００１５】
以下、この発明の実施の形態１におけるゲート制御信号補正手段１３の動作について説明する。
図４は、ゲート制御信号補正手段１３が補正して出力するゲート制御信号および電圧挙動を示すタイミングチャートの一例であり、多相整流スナバ回路４のキャパシタ４３を充電する動作を行うためのものである。ここでは、ゲート制御信号補正手段１３は、キャパシタ４３の充電動作に係るスイッチングを行うスイッチ素子以外のスイッチ素子が一切のスイッチングやそれに伴う主回路３の転流動作を行わないときに、キャパシタ４３の充電動作に係るスイッチングを行うようにゲート制御信号を補正して出力する。
【００１６】
キャパシタ充電動作に係るスイッチングは、負荷電流の方向が他の２つの相と異なる負荷２の１つの相について、多相整流スナバ回路４の直流母線４２の電圧があらかじめ設定した下限電圧以下になると、上記負荷相の電流方向と同一のスイッチ素子をオフするものである。このとき、上記負荷相に接続されていた交流電源１の相から主回路３へ流れていた電流は、多相整流スナバ回路４へ流れるようになり、主回路３から上記負荷相に流れていた電流は多相整流スナバ回路４から上記負荷相へ流れるようになり、その結果、交流電源１の相から上記負荷相へ流れていた電流は多相整流スナバ回路４のキャパシタ４３を介して流れるようになり、キャパシタ４３を充電する動作となる。そして、キャパシタ４３を充電して直流母線電圧ＶＤがあらかじめ設定した上限電圧以上になると、当該スイッチ素子を再びオンする。このとき、多相整流スナバ回路４を介して流れていた電流は再び主回路３を流れるようになる。
【００１７】
図４のタイミングチャートは、負荷電流の方向が他の２つの相と異なる負荷２の１つの相について、その負荷電流を多相整流スナバ回路４を介して流れるようにしている。
これは、補正に係る制御が簡便となり、この補正により特別にスイッチング動作をさせる素子も１つの相のスイッチ素子となるので、当該スイッチング動作に伴い発生する損失も最小限に留めることが出来るためである。従って、この目的を緩和すれば、それ以外の負荷２の相の電流を多相整流スナバ回路４を介して流れるようにするタイミングチャートとなるように、ゲート制御信号補正手段１３がゲート制御信号を補正して出力するようにしても差し支えはない。また、図４のタイミングチャートは、交流電源１のＲ相と負荷２のＵ相との間のスイッチ素子がオンである状態でＵ相の負荷電流が交流電源１から負荷２の方向に流れるときの一例であるが、交流電源１および負荷２のそれぞれ異なる相について行う場合であっても、また、負荷電流が負荷２から交流電源１の方向に流れる場合であっても、同様のタイミングチャートによってキャパシタ充電動作を発生させることができる。
【００１８】
以上のように、この実施の形態１によれば、ゲート制御信号の補正により、主回路３のスイッチ素子のスイッチングによって多相整流スナバ回路４のキャパシタ４３を充電して、直流母線４２の電圧を交流電源１および負荷２の最大電圧振幅よりも大きい電圧に制御することができるため、別途ハードウエア部品を要することなく、スイッチ素子のスイッチングによりサージ電圧が発生したときでもキャパシタの充電電流を該サージ電圧の上昇分によるもののみとすることができ、スイッチ素子の破壊の原因となる過大な電流の発生を防止することができる。
【００１９】
実施の形態２．
先の図４においては、ゲート制御信号補正手段１３は、多相整流スナバ回路４のキャパシタ４３を充電する動作に係るスイッチングを行うスイッチ素子以外のスイッチ素子が一切のスイッチングやそれに伴う主回路３の転流動作を行わないときに、キャパシタ充電動作に係るスイッチングを行うようにゲート制御信号を補正して出力するようにするものであったが、転流動作と同時にキャパシタ充電動作を行うようにゲート制御信号を補正して出力するものであってもよい。ゲート制御信号の補正を転流動作と同時に行うことで、ゲート制御信号の補正による損失等他の面への影響を小さくできる利点が考えられる。この発明の実施の形態２は、この転流動作と同時にゲート制御信号を補正する場合について説明する。
【００２０】
図５は、負荷電流の状態に応じた主回路３の転流動作をするときにおいて、負荷電流が交流電源１から負荷２の方向に流れるときの転流動作を示したタイミングチャートである。期間（１）では、スイッチ素子３ＵＳＦと３ＵＲＲとを同時にオンにさせないことによって電源短絡を防止し、期間（２）では、スイッチ素子３ＵＲＦと３ＵＳＦとを同時にオフにさせないことによって負荷端開放を防止し、期間（３）では、スイッチ素子３ＵＳＲと３ＵＲＦとを同時にオンにさせないことによって電源短絡を防止する。
なお、負荷電流が負荷２から交流電源１の方向に流れるときの転流動作では、図４において、スイッチ素子３ＵＲＦと３ＵＲＲ、３ＵＳＦと３ＵＳＲのタイミングチャートをそれぞれ入れ替えて転流動作を行うことによって、電源短絡と負荷端開放をともに防止する。
【００２１】
図６は、ゲート制御信号補正手段１３が補正して出力するゲート制御信号および電圧挙動を示すタイミングチャートの一例であり、多相整流スナバ回路４のキャパシタ４３を充電する動作を主回路３の転流動作と同時に発生させるためのキャパシタ充電転流動作Ａである。ゲート制御信号補正手段１３は、キャパシタ充電動作に係るスイッチングを行うスイッチ素子によって主回路３の転流動作を発生させるようにゲート制御信号を補正して出力する。
【００２２】
キャパシタ充電転流動作Ａでは、多相整流スナバ回路４の直流母線４２の電圧があらかじめ設定した下限電圧以下になると、負荷電流の方向が他の２つの相と異なる負荷２の１つの相における転流動作の開始時において、上記負荷相に接続されていた交流電源１の相と上記負荷相との間の２つのスイッチ素子を同時にオフする。このとき、上記負荷相に接続されていた交流電源１の相から主回路３へ流れていた電流は、多相整流スナバ回路４へ流れるようになり、主回路３から上記負荷相へ流れていた電流は、多相整流スナバ回路４から上記負荷相へ流れるようになり、その結果、交流電源１の相から上記負荷相へ流れていた電流は多相整流スナバ回路４のキャパシタ４３を介して流れるようになり、キャパシタ４３を充電する動作となる。キャパシタ４３を充電して直流母線電圧ＶＤがあらかじめ設定した上限電圧以上になると、上記負荷相に次に接続される交流電源１の相と上記負荷相との間の２つのスイッチ素子を同時にオンする。このとき、多相整流スナバ回路４を介して流れていた電流は、再び主回路３を流れるようになる。
【００２３】
充電動作が開始された後、その充電電圧の上昇速度は、キャパシタ４３の容量や充電に係る電流値に左右されるが、以下、図７〜９について説明する。
先ず、図７は、キャパシタ充電転流動作Ａにおいて、図５の期間（１）が経過した以降に直流母線電圧ＶＤが上限電圧以上となったときのゲート制御信号および電圧挙動を示すタイミングチャートの一例である。図７では、期間（３）の間に直流母線電圧ＶＤが上限電圧以上となり、上記負荷相に次に接続される交流電源１の相と上記負荷相との間の２つのスイッチ素子を同時にオンしているが、直流母線電圧ＶＤが上限電圧以上となる時刻が期間（２）の間であっても期間（３）が経過した以降であっても同様に行うことができる。
【００２４】
図８は、キャパシタ充電転流動作Ａにおいて、図５の期間（１）の間に直流母線電圧ＶＤが上限電圧以上となったときのゲート制御信号を示すタイミングチャートの一例である。直流母線電圧ＶＤが上限電圧以上となった時点で、上記負荷相に次に接続される交流電源１の相と上記負荷相との間の２つのスイッチ素子のうち上記負荷相の電流方向と同一の方向のスイッチ素子をオンとする。そして、上記負荷相に接続されていた交流電源１の相と上記負荷相との間の２つのスイッチ素子のオフから短絡防止時間Ｔｄが経過した時点で、上記負荷相に次に接続される交流電源１の相と上記負荷相との間の２つのスイッチ素子のうち上記負荷相の電流方向と反対の方向のスイッチ素子をオンとする。ゲート制御信号補正手段１３がこのようにゲート制御信号を補正することによって、期間（１）が電源短絡を防止するための短絡防止時間Ｔｄであることから電源短絡防止が確実に行われるだけでなく、上記負荷相に次に接続される交流電源１の相への電流の転流が速やかに行われる。
【００２５】
図９は、キャパシタ充電転流動作Ａにおいて、あらかじめ設定した充電可能時間Ｔｍが経過した時点で直流母線電圧ＶＤが上限電圧未満であるときのゲート制御信号および電圧挙動を示すタイミングチャートの一例である。キャパシタ４３を充電する動作の間は、上記負荷相が交流電源１のいずれの相にも接続されておらず上記負荷相の電圧が不安定になることから、上記充電動作の時間が長くなると上記負荷相に実際に現れる電圧と上記負荷相に係る出力電圧指令値との誤差が大きくなる。このことから、上記充電動作を行う上限の時間を充電可能時間Ｔｍとしてあらかじめ設定しておき、上記負荷相に接続されていた交流電源１の相と上記負荷相との間の２つのスイッチ素子を同時にオフしてから充電可能時間Ｔｍが経過した時点で上記負荷相に次に接続される交流電源１の相と上記負荷相との間の２つのスイッチ素子を同時にオンする。ゲート制御信号補正手段１３がこのようにゲート制御信号を補正することによって、上記負荷相の電圧と上記負荷相に実際に現れる電圧と上記負荷相に係る出力電圧指令値との誤差を小さくすることができる。
なお、充電可能時間Ｔｍとしては、本来の転流期間に相当する時間に設定するのが原則であるが、必ずしもそれに限定されるわけではない。
【００２６】
以上のように、ゲート制御信号補正手段１３がキャパシタ充電転流動作Ａを行うときは、直流母線電圧ＶＤが上限電圧以上となった時刻に応じて、あるいは、キャパシタ充電転流動作Ａの開始からの経過時間に応じて、図７から図９のいずれか１つのタイミングチャートを選択してゲート制御信号を補正する。
【００２７】
図１０は、ゲート制御信号補正手段１３が補正して出力するゲート制御信号および電圧挙動を示すタイミングチャートの他の一例であり、多相整流スナバ回路４のキャパシタ４３を充電する動作を主回路３の転流動作と同時に発生させるためのキャパシタ充電転流動作Ｂである。ゲート制御信号補正手段１３は、キャパシタ充電動作に係るスイッチングを行うスイッチ素子以外のスイッチ素子によって主回路３の転流動作を行うときに、キャパシタ充電動作を上記転流動作と同時に行うようにキャパシタ充電動作に係るスイッチングを行うようにゲート制御信号を補正して出力する。
【００２８】
キャパシタ充電転流動作Ｂでは、転流動作の開始をキャパシタ充電動作の開始よりあらかじめ設定した時間だけ後とすることにより、キャパシタ充電動作によって多相整流スナバ回路４の直流母線４２の電圧ＶＤが、確実に、あらかじめ設定した下限電圧以上で転流動作が行われるようにする。これによって、スイッチ素子のスイッチングによりサージ電圧が発生したときの過大な電流の発生をより確実に防止することができる。この転流動作の開始時刻は、電圧指令手段１１によって制御周期ごとに設定されるため、キャパシタ充電動作の開始時刻を上記転流動作の開始時刻の一定時間分前に設定することとなる。その一定時間を余裕時間Ｔｃとする。
【００２９】
キャパシタ充電転流動作Ｂでは、直流母線電圧ＶＤが下限電圧以下になると、負荷電流の方向が他の２つの相と異なる相以外の負荷２の相の転流動作において、その転流期間（１）の開始より余裕時間Ｔｃだけ手前の時刻に負荷電流の方向が他の２つの相と異なる負荷２の相の電流方向と同一のスイッチ素子をオフする。このとき、上記負荷相に接続されていた交流電源１の相から主回路３へ流れていた電流は、多相整流スナバ回路４へ流れるようになり、主回路３から上記負荷相に流れていた電流は多相整流スナバ回路４から上記負荷相へ流れるようになり、その結果、交流電源１の相から上記負荷相へ流れていた電流は、多相整流スナバ回路４のキャパシタ４３を介して流れるようになり、キャパシタ４３を充電する動作となる。キャパシタ４３を充電して直流母線電圧ＶＤがあらかじめ設定した上限電圧以上になると、当該スイッチ素子を再びオンする。このとき、上記多相整流スナバ回路を介して流れていた電流は再び上記主回路を流れるようになる。なお、上記スイッチ素子がオフとなっている間に行われる、主回路３の転流動作を行う負荷相に係るスイッチ素子のスイッチングのタイミングチャートは、先の図５の負荷電流の状態に応じて行う通常の転流動作におけるタイミングチャートと同一である。
【００３０】
キャパシタ充電転流動作Ｂは、負荷電流の方向が他の２つの相と異なる負荷２の相の転流動作ではないことから、図８に示すような転流動作を行う必要はない。また、キャパシタ充電転流動作Ｂでは電流方向と反対のスイッチ素子が常にオンであることから、その負荷相に実際に現れる電圧と上記負荷相に係る出力電圧指令値との誤差が大きくなることはなく、図９に示すような充電可能時間Ｔｍを設定する必要はない。
以上のことから、直流母線電圧ＶＤが上限電圧以上となり上記スイッチ素子を再びオンする時刻は、図１０に示すように期間（３）の後であっても、期間（１）から期間（３）のいずれかの間であっても、余裕時間Ｔｃの間であっても、同様に行うことができる。
【００３１】
次に、図１１は、ゲート制御信号補正手段１３が補正して出力するゲート制御信号および電圧挙動を示すタイミングチャートの他の一例であり、多相整流スナバ回路４のキャパシタ４３を充電する動作を主回路３の転流動作と同時に発生させるためのキャパシタ充電転流動作Ｃである。ゲート制御信号補正手段１３は、キャパシタ充電動作に係るスイッチングを行うスイッチ素子以外のスイッチ素子によって、負荷２の全ての相を主回路３で短絡する環流状態から交流電源１と負荷２との間に電流が流れる通電状態に移行する転流動作を行うときに、キャパシタ充電動作を上記転流動作と同時に行うようにキャパシタ充電動作に係るスイッチングを行うようにゲート制御信号を補正して出力するようにする。
【００３２】
図１２は、負荷電流の状態に応じた主回路３の転流動作をするときにおいて、負荷電流が交流電源１から負荷２の方向に流れるときの転流動作であり、なおかつその転流動作が上記環流状態から上記通電状態に移行する転流動作であるときのゲート制御信号を示したタイミングチャートである。上記転流動作を行う負荷２の相の転流動作を示すタイミングチャートは図５と同一であるが、上記転流動作を行う負荷２の相がその転流動作の開始前に接続されていた交流電源１の相に上記転流動作を行う負荷２の相以外の負荷２の相は接続されており、図１２が上記環流状態から上記通電状態に移行する転流動作であることを示している。
【００３３】
キャパシタ充電転流動作Ｃでは、キャパシタ充電転流動作Ｂと同様に、転流動作の開始をキャパシタ充電動作の開始よりあらかじめ設定した時間だけ後とすることにより、キャパシタ充電動作によって多相整流スナバ回路４の直流母線４２の電圧ＶＤが、確実に、あらかじめ設定した下限電圧以上で転流動作が行われるようにする。そのため、キャパシタ充電転流動作Ｂと同様の余裕時間Ｔｃを設定する。
【００３４】
キャパシタ充電転流動作Ｃでは、直流母線電圧ＶＤが下限電圧以下になると、上記環流状態から上記通電状態に移行する転流動作を行うときにおいて、その転流期間の開始より余裕時間Ｔｃだけ手前の時刻に負荷電流の方向が他の２つの相と異なる負荷２の相の電流方向と同一のスイッチ素子をオフする。このとき、上記負荷相に接続されていた上記負荷相以外の負荷２の相から主回路３へ流れていた電流は、多相整流スナバ回路４へ流れるようになり、主回路３から負荷電流の方向が他の２つの相と異なる負荷２の相に流れていた電流は、多相整流スナバ回路４から上記負荷相へ流れるようになり、その結果、主回路３で環流していた電流は多相整流スナバ回路４のキャパシタ４３を介して流れるようになり、キャパシタ４３を充電する動作となる。キャパシタ４３を充電して直流母線電圧ＶＤがあらかじめ設定した上限電圧以上になると、上記スイッチ素子を再びオンする。このとき、多相整流スナバ回路４を介して流れていた電流は再び主回路３を流れるようになる。上記スイッチ素子がオフとなっている間に行われる、主回路３の転流動作を行う負荷相に係るスイッチ素子のスイッチングのタイミングチャートは、上記負荷相に接続されていた交流電源１の相と上記負荷相との間の２つのスイッチ素子を同時にオフし、短絡防止時間Ｔｄが経過した後に上記負荷相に次に接続される交流電源１の相と上記負荷相との間の２つのスイッチ素子を同時にオンするものとする。
【００３５】
キャパシタ充電転流動作Ｃは、負荷電流の方向が他の２つの相と異なる負荷２の相の転流動作ではないことから、図８に示すような転流動作を行う必要はない。また、キャパシタ充電転流動作Ｂでは電流方向と反対のスイッチ素子が常にオンであることから、その負荷相に実際に現れる電圧と上記負荷相に係る出力電圧指令値との誤差が大きくなることはなく、図９に示すような充電可能時間Ｔｍを設定する必要はない。以上のことから、直流母線電圧ＶＤが上限電圧以上となり上記スイッチ素子を再びオンする時刻は、図１２に示すように短絡防止時間Ｔｄを経過した後であっても、Ｔｄの間であっても、余裕時間Ｔｃの間であっても、同様に行うことができる。
【００３６】
図６から図１１のタイミングチャートは負荷電流の方向が他の２つの相と異なる負荷２の１つの相について、その負荷電流を多相整流スナバ回路４を介して流れるようにしているが、それ以外の負荷２の相の電流を多相整流スナバ回路４を介して流れるようにするタイミングチャートとなるように、ゲート制御信号補正手段１３はゲート制御信号を補正して出力するようにしても差し支えはない。また、図６から図１１のタイミングチャートは、交流電源１のＲ相と負荷２のＵ相との間のスイッチ素子がオンである状態から始まる、Ｕ相の負荷電流が交流電源１から負荷２の方向に流れているときの一例であるが、交流電源１および負荷２のそれぞれ異なる相について行う場合であっても、また、負荷電流が負荷２から交流電源１の方向に流れる場合であっても、同様のタイミングチャートによってキャパシタ充電動作を発生させることができる。
【００３７】
図１３は、実施の形態２におけるゲート制御信号補正手段１３の動作手順を示すフローチャートである。主回路３の転流動作を行うとき（ステップＳＴ１）、直流母線４２の電圧があらかじめ設定した下限電圧以上であれば（ステップＳＴ１０でＮＯ）、図５のタイミングチャートによる転流動作を行う（ステップＳＴ２０）、即ち、ゲート制御信号の補正によるキャパシタ４３の充電動作は行わない。
直流母線電圧ＶＤが下限電圧以下であれば（ステップＳＴ１０でＹＥＳ）、転流動作が負荷電流の方向が他の２つの相と異なる負荷２の１つの相における転流動作であるか否かを判断し（ステップＳＴ１１）、これに該当する場合には（ステップＳＴ１１でＹＥＳ）、図６のキャパシタ充電転流動作Ａによる転流動作を行う（ステップＳＴ２１）。これに該当しない場合（ステップＳＴ１１でＮＯ）には、転流動作が負荷２の全ての相を主回路３で短絡する環流状態から交流電源１と負荷２との間に電流が流れる通電状態に移行する転流動作であるか否かを判断し（ステップＳＴ１２）、これに該当する場合には（ステップＳＴ１２でＹＥＳ）、図１１のキャパシタ充電転流動作Ｃによる転流動作を行い（ステップＳＴ２３）、該当しない場合には（ステップＳＴ１２でＮＯ）、図１０のキャパシタ充電転流動作Ｂによる転流動作を行う（ステップＳＴ２２）。
【００３８】
以上のように、この実施の形態２によれば、主回路３のスイッチ素子のスイッチングによって多相整流スナバ回路４のキャパシタ４３を充電して、直流母線４２の電圧ＶＤを交流電源１および負荷２の最大電圧振幅よりも大きい電圧に制御する動作を、別途ハードウエア部品を要することなく、主回路３の転流動作と同時に行うようにしたので、転流動作の直前に直流母線電圧ＶＤを確実にあらかじめ設定した下限電圧以上とすることが可能となり、転流動作におけるスイッチ素子のスイッチングによるサージ電圧に起因する過大な電流の発生を防止することができる。
【００３９】
実施の形態３．
図１４は、実施の形態３におけるゲート制御信号補正手段１３の動作手順を示すフローチャートである。主回路３の転流動作を行うとき（ステップＳＴ１）、直流母線４２の電圧ＶＤがあらかじめ設定した下限電圧以上であれば（ステップＳＴ１０でＮＯ）、図５のタイミングチャートによる転流動作を行う（ステップＳＴ２０）。直流母線電圧ＶＤが下限電圧以下であれば（ステップＳＴ１０でＹＥＳ）、転流動作が負荷電流の方向が他の２つの相と異なる負荷２の１つの相における転流動作であるか否かを判断し（ステップＳＴ１１）、これに該当する場合には（ステップＳＴ１１でＹＥＳ）、図６のキャパシタ充電転流動作Ａによる転流動作を行い（ステップＳＴ２１）、これに該当しない場合には（ステップＳＴ１１でＮＯ）、図５のタイミングチャートによる転流動作を行う（ステップＳＴ２０）。
【００４０】
以上のように、この実施の形態３によれば、主回路３のスイッチ素子のスイッチングによって多相整流スナバ回路４のキャパシタ４３を充電して、直流母線４２の電圧を交流電源１および負荷２の最大電圧振幅よりも大きい電圧に制御する動作を、別途ハードウエア部品を要することなく、負荷電流の方向が他の２つの相と異なる負荷２の１つの相における主回路３の転流動作と同時に行うようにしたので、転流動作においてゲート制御信号補正手段１３が出力するゲート制御信号のスイッチングパターンを複雑にすることなく、スイッチ素子のスイッチングによるサージ電圧に起因する過大な電流の発生を防止することができる。
【００４１】
実施の形態４．
図１５は、本発明の実施の形態４による電力変換装置１０を示すブロック構成図である。先の図１の多相整流スナバ回路４は、交流電源１と負荷２との両方に直接的に接続されているが、図１５の多相整流スナバ回路４０は、負荷２とのみ直接的に接続されている。その他の構成要素は図１と同一であるため同一の符号を付し説明は省略する。
図１６は、多相整流スナバ回路４０の一構成例である。先の図３の多相整流スナバ回路４は、多相整流ダイオードブリッジ４１を２個有し交流電源１と負荷２との相が多相整流ダイオードブリッジ４１Ａ、４１Ｂを介して直流母線４２に接続される構成であったが、図１６の多相整流スナバ回路４０は、多相整流ダイオードブリッジ４１を１個だけ有し負荷２の相が多相整流ダイオードブリッジ４１を介して直流母線４２に接続される構成である。
【００４２】
図１７は、実施の形態４におけるゲート制御信号補正手段１３の動作手順を示すフローチャートである。主回路３の転流動作を行うとき（ステップＳＴ１）、直流母線４２の電圧ＶＤがあらかじめ設定した下限電圧以上であれば（ステップＳＴ１０でＮＯ）、図５のタイミングチャートによる転流動作を行う（ステップＳＴ２０）。直流母線電圧ＶＤが下限電圧以下であれば（ステップＳＴ１０でＹＥＳ）、転流動作が負荷２の全ての相を主回路３で短絡する環流状態から交流電源１と負荷２との間に電流が流れる通電状態に移行する転流動作であるか否かを判断し（ステップＳＴ１２）、これに該当しない場合には（ステップＳＴ１２でＮＯ）、図５のタイミングチャートによる転流動作を行い（ステップＳＴ２０）、これに該当する場合には（ステップＳＴ１２でＹＥＳ）、転流動作が負荷電流の方向が他の２つの相と異なる負荷２の１つの相における転流動作であるか否かを判断する（ステップＳＴ１１）。これに該当する場合には（ステップＳＴ１１でＹＥＳ）、図６のキャパシタ充電転流動作Ａによる転流動作を行い（ステップＳＴ２１）、これに該当しない場合には（ステップＳＴ１１でＮＯ）、図１１のキャパシタ充電転流動作Ｃによる転流動作を行う（ステップＳＴ２３）。
【００４３】
このような構成の電力変換装置では、主回路３のスイッチ素子のスイッチングによって多相整流スナバ回路４０のキャパシタ４３を充電して、直流母線４２の電圧ＶＤを交流電源１および負荷２の最大電圧振幅よりも大きい電圧に制御する動作を、負荷２の全ての相を主回路３で短絡する環流状態から交流電源１と負荷２との間に電流が流れる通電状態に移行する主回路３の転流動作と同時に行うようにしており、交流電源１と負荷２との間に電流が流れていない状態で充電動作を行うことになるため、スイッチ素子のスイッチングによるサージ電圧に起因する過大な電流が交流電源１の側に流れることはない。従って、このような構成の電力変換装置では、スイッチ素子を破壊するような過大な充電電流は発生しない。
【００４４】
以上のように、この実施の形態４によれば、主回路３のスイッチ素子のスイッチングによって多相整流スナバ回路４０のキャパシタ４３を充電して、直流母線４２の電圧ＶＤを交流電源１および負荷２の最大電圧振幅よりも大きい電圧に制御する動作を、別途ハードウエア部品を要することなく、負荷２の全ての相を主回路３で短絡する環流状態から交流電源１と負荷２との間に電流が流れる通電状態に移行する主回路３の転流動作と同時に行うようにしたので、交流電源１と直接的に接続されていない多相整流スナバ回路４０であっても、転流動作におけるスイッチ素子のスイッチングによるサージ電圧に起因する過大な電流の発生を防止することができ、電力変換装置をさらに小型化することが可能となる。
【００４５】
実施の形態５．
先の実施の形態１から実施の形態４の電力変換装置においては、交流電源１と負荷２とは共に３相のものであったが、交流電源１が３相あるいは単相、負荷２が単相である場合であってもよい。この実施の形態５では、これらの変形例について説明する。
図１８は、主回路３の他の一構成例であり、交流電源１が多相（３相）、負荷２が単相であるときに適用する回路である。このような構成の電力変換装置では、交流電源１の相Ｒ、Ｓ、Ｔと負荷２の相（端子Ｘ、Ｙ）がスイッチ素子３ＸＲＦ〜３ＹＴＲを介してそれぞれ相互に直接的に接続される。
図１９は、主回路３の他の一構成例であり、交流電源１と負荷２とが共に単相であるときに適用する回路である。このような構成の電力変換装置では、交流電源１の相（端子Ｌ、Ｎ）と負荷２の相（端子Ｘ、Ｙ）がスイッチ素子３ＸＬＦ〜３ＹＮＲを介してそれぞれ相互に直接的に接続される。
【００４６】
以上の構成例では、１つのスイッチ素子群は電流を一方向に通電する素子を逆並列に接続した構成とし、スイッチ素子のオンオフ動作によってその電流の方向を自在に制御できる機能を有するものとしているが、同一の機能を有するスイッチ素子群であればどのような構成であってもよい。
図１８および図１９に接続する多相整流スナバ回路４は、整流ダイオードブリッジ４１の端子数を交流電源１および負荷２の相数と等しくすればよい。
【００４７】
このような構成の電力変換装置は、交流電源１の交流電圧を直接交流電圧に変換して負荷２に供給するという機能を有することについては、先の実施の形態１から実施の形態４の電力変換装置と同一である。よって、実施の形態１から実施の形態４のいずれかに対応して、先の図４のタイミングチャートに従い、あるいは、図１３、図１４もしくは図１７のゲート制御信号補正手段１３の動作手順を示すフローチャートに従って、図６から図１１のいずれかのタイミングチャートにより多相整流スナバ回路４のキャパシタ４３を充電するような動作を発生させることができることは言うまでもない。
【００４８】
以上のように、この実施の形態５によれば、交流電源１が３相あるいは単相、負荷２が単相であるような場合であっても、別途ハードウエア部品を要することなく、主回路３のスイッチ素子のスイッチングによって多相整流スナバ回路４のキャパシタ４３を充電して、直流母線４２の電圧ＶＤを交流電源１および負荷２の最大電圧振幅よりも大きい電圧に制御することができるため、スイッチ素子のスイッチングによりサージ電圧が発生したときでもキャパシタの充電電流を該サージ電圧の上昇分によるもののみとすることができ、スイッチ素子の破壊の原因となる過大な電流の発生を防止することができる。
【００４９】
また、この発明の各変形例において、キャパシタを充電する動作は、スイッチ素子の転流期間を除く期間に行うようにした場合は、転流動作に伴う制約がなくゲート制御信号を補正する制御が簡便となる。
【００５０】
また、キャパシタを充電する動作は、スイッチ素子の転流する動作と同時に行うようにした場合は、ゲート制御信号の補正による損失等他の面への影響を小さくすることが出来る。
【００５１】
また、交流電源および交流負荷は共に３相であり、キャパシタを充電する動作は、交流負荷の他の２つの相とは電流の方向が異なる１つの相の電流を交流電源の１つの相から他の１つの相に転流する動作と同時に行うようにした場合は、ゲート制御信号を補正する制御が簡便となり、この補正のためにスイッチング動作をさせるスイッチ素子も１つの相のものとなるので、スイッチング動作に伴う損失も最小限に留めることが出来る。
【００５２】
また、ゲート制御信号補正手段は、転流動作に係るスイッチ素子へのゲート制御信号を補正するようにした場合は、補正制御に伴うスイッチング動作の増加が抑制される。
【００５３】
また、キャパシタを充電する動作の期間に所定の上限を設けた場合は、出力電圧値の電圧指令値からの誤差が補正制御に伴って増大することが防止される。
【００５４】
また、ゲート制御信号補正手段は、転流動作に係るスイッチ素子を除くスイッチ素子へのゲート制御信号を補正するようにした場合は、補正制御が転流動作の制約を受けにくい。
【００５５】
また、キャパシタを充電する動作を、転流動作の開始時点より所定期間手前で開始するようにした場合は、転流動作に基づくスイッチ素子のスイッチング動作時に、キャパシタの電圧を確実に所定の値以上にすることが出来、サージ電圧に起因する過電流の発生が確実に防止される。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態１による電力変換装置を示すブロック構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１による電力変換装置の主回路３の一構成例である。
【図３】本発明の実施の形態１による電力変換装置の多相整流スナバ回路４の一構成例である。
【図４】本発明の実施の形態１によるゲート制御信号および電圧挙動の一例を示したタイミングチャートである。
【図５】本発明の実施の形態２において、負荷電流の状態に応じた転流動作をするときにおいて負荷電流が交流電源から負荷の方向に流れるときの転流動作を示したタイミングチャートである。
【図６】本発明の実施の形態２によるキャパシタ充電転流動作Ａによるゲート制御信号および電圧挙動の一例を示したタイミングチャートである。
【図７】図６とは異なる条件における、キャパシタ充電転流動作Ａによるゲート制御信号および電圧挙動の一例を示したタイミングチャートである。
【図８】図６、７とは異なる条件における、キャパシタ充電転流動作Ａによるゲート制御信号および電圧挙動の一例を示したタイミングチャートである。
【図９】図６、７、８とは異なる条件における、キャパシタ充電転流動作Ａによるゲート制御信号および電圧挙動の一例を示したタイミングチャートである。
【図１０】本発明の実施の形態２によるキャパシタ充電転流動作Ｂによるゲート制御信号および電圧挙動の一例を示したタイミングチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態２によるキャパシタ充電転流動作Ｃによるゲート制御信号および電圧挙動の一例を示したタイミングチャートである。
【図１２】負荷２の全ての相を主回路３で短絡する環流状態から交流電源１と負荷２との間で電流が流れる通電状態に移行する転流動作におけるゲート制御信号を示すタイミングチャートである。
【図１３】本発明の実施の形態２によるゲート制御信号補正手段の動作手順を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の実施の形態３によるゲート制御信号補正手段の動作手順を示すフローチャートである。
【図１５】本発明の実施の形態４による電力変換装置を示すブロック構成図である。
【図１６】本発明の実施の形態４による電力変換装置の多相整流スナバ回路４０の一構成例である。
【図１７】本発明の実施の形態４によるゲート制御信号補正手段の動作手順を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の実施の形態５による電力変換装置の主回路３の一構成例で、交流電源１が３相、負荷２が単相の場合である。
【図１９】本発明の実施の形態５による電力変換装置の主回路３の一構成例で、交流電源１、負荷２が共に単相の場合である。
【符号の説明】
【００５７】
１  交流電源、２  負荷、３  主回路、
３ＵＲＦ〜３ＷＴＲ，３ＸＲＦ〜３ＹＴＲ，３ＸＬＦ〜３ＹＮＲ  スイッチ素子、
４，４０  多相整流スナバ回路、５  電圧検出器、６  電流検出器、
１０  電力変換装置、１１  電圧指令手段、１２  ゲート制御手段、
１３  ゲート制御信号補正手段、４１，４１Ａ，４１Ｂ  多相整流ダイオードブリッジ、４２  直流母線、４３  キャパシタ、４４  電圧検出器。
【図１】
2007318834.tif 000003
【図２】
2007318834.tif 000004
【図３】
2007318834.tif 000005
【図４】
2007318834.tif 000006
【図５】
2007318834.tif 000007
【図６】
2007318834.tif 000008
【図７】
2007318834.tif 000009
【図８】
2007318834.tif 000010
【図９】
2007318834.tif 000011
【図１０】
2007318834.tif 000012
【図１１】
2007318834.tif 000013
【図１２】
2007318834.tif 000014
【図１３】
2007318834.tif 000015
【図１４】
2007318834.tif 000016
【図１５】
2007318834.tif 000017
【図１６】
2007318834.tif 000018
【図１７】
2007318834.tif 000019
【図１８】
2007318834.tif 000020
【図１９】
2007318834.tif 000021