(57)【要約】【課題】主回路や制御回路の構成が簡単で汎用性に富むと共に、永久磁石発電機／電動機の過熱を防ぐことができる永久磁石発電機／電動機用電力変換システムを提供する。【解決手段】永久磁石発電機／電動機２３とダイオードコンバータ装置３１の直流出力側との間に、半導体スイッチング素子からなる電力変換補償装置３８を接続し、前記発電機／電動機２３の低速回転時には、電力変換補償装置３８により前記発電機／電動機２３を電動機動作させ、前記発電機／電動機２３の高速回転時には、発電機動作する前記発電機／電動機２３の出力電流に含まれる高調波成分を、アクティブフィルタとして運転される電力変換補償装置３８の出力電流により補償して低減する。【選択図】図１
2012239346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石発電機／電動機の交流出力電圧をダイオードコンバータ装置にて直流電圧に変換し、この直流電圧をインバータ装置により所定の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して電源系統に連系する永久磁石発電機／電動機用電力変換システムにおいて、
前記永久磁石発電機／電動機と前記ダイオードコンバータ装置の直流出力側との間に、半導体スイッチング素子からなる電力変換補償装置を接続し、
前記永久磁石発電機／電動機の低速回転時には、前記電力変換補償装置により前記永久磁石発電機／電動機を電動機動作させ、
前記永久磁石発電機／電動機の高速回転時には、発電機動作する前記永久磁石発電機／電動機の出力電流に含まれる高調波成分を、アクティブフィルタとして運転される前記電力変換補償装置の出力電流により打ち消して低減することを特徴とする永久磁石発電機／電動機用電力変換システム。
【請求項２】
永久磁石発電機／電動機の交流出力電圧をコンバータ装置にて直流電圧に変換し、この直流電圧をインバータ装置により所定の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して電源系統に連系する永久磁石発電機／電動機用電力変換システムにおいて、
前記コンバータ装置及びインバータ装置を有する電力変換部を二組構成してこれら第１，第２の電力変換部を前記永久磁石発電機／電動機の固定子巻線と電源系統との間に並列二重化して接続し、かつ、前記コンバータ装置及びインバータ装置を半導体スイッチング素子からなる自励式の半導体電力変換装置により構成し、
前記第１，第２の電力変換部を構成する前記コンバータ装置の相互間及び前記インバータ装置の相互間でキャリアの位相をそれぞれ反転し、前記永久磁石発電機／電動機の出力電流に含まれる高調波成分を低減することを特徴とする永久磁石発電機／電動機用電力変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばターボチャージャーにより駆動される永久磁石発電機／電動機用の電力変換システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４は、ターボチャージャーを備えた発電システムの構成図である。
図４において、ターボチャージャー２４は、ディーゼルエンジン１０から廃棄される排気ガスを利用してタービン２１を高速回転させ、その回転力により遠心式圧縮機２２を駆動して圧縮空気をディーゼルエンジン１０に送り込む。これにより、ディーゼルエンジン１０では、従来廃棄されていたエネルギーを回収しつつエンジン本来の排気量を超える混合気を吸入し燃焼させることができる。その結果、熱効率が向上して燃料消費率が低減されるほか、排気ガスの有害成分を減少させることが可能である。
【０００３】
なお、ターボチャージャー２４の回転軸は永久磁石発電機／電動機２３の回転子に直結されており、この永久磁石発電機／電動機２３を電動機として動作させて低速時のターボチャージャー２４の過給をアシストしたり、永久磁石発電機／電動機２３を発電機として動作させて排気ガスのエネルギーから電力を取出すことが可能となっている。
【０００４】
図５は、永久磁石発電機／電動機２３による発電電力を電源系統に供給する電力変換システムの従来技術を示す構成図である。
永久磁石発電機／電動機２３の交流出力電圧は、ダイオードをブリッジ接続したコンバータ装置（以下、ダイオードコンバータ装置ともいう）３１により整流されて直流電圧に変換され、平滑コンデンサ３２を介してインバータ装置３３により所定の大きさ及び周波数の交流電圧に変換される。インバータ装置３３から出力された交流電圧は、交流リアクトル３４を介してフィルタ回路３５により高調波成分が除去され、電源系統に供給される。
図５では交流回路を単線図にて示してあるが、コンバータ装置３１の交流側及びインバータ装置３３の交流側は、例えば三相回路となっている。
【０００５】
図５の従来技術では、永久磁石発電機／電動機２３にダイオードコンバータ装置３１が接続されるので、永久磁石発電機／電動機２３の出力電流は、原理上、高調波成分を含む。この高調波電流は、永久磁石発電機／電動機２３のステータ及びロータの鉄損である渦電流損を発生させる。その結果、永久磁石が発熱して高温になり、最悪の場合には永久減磁されるため、高調波電流を低減することが求められていた。
【０００６】
なお、特許文献１には、図６に示すように、交流電源１００と直流中間コンデンサ１０６との間に、ダイオード整流器１０１、チョッパ用スイッチング素子１０２及びダイオード１０５ａ，１０５ｂからなる整流一石型回路１０３と、半導体電力変換装置からなるアクティブフィルタ１０４とを並列に接続し、スイッチング素子１０２を制御することでアクティブフィルタ１０４による補償電流のピーク値を減少させつつダイオード整流器１０１による高調波を低減させるようにした並列型ＡＣ−ＤＣ変換器が記載されている。
【０００７】
また、特許文献２には、図７に示すように、ガスタービン２０１，２０２、発電機２０３，２０４、周波数変換装置２０５，２０６及び始動用制御装置２０７，２０８を備えた発電設備において、一方の周波数変換装置２０６にアクティブフィルタ２０９を接続し、電流検出器２１２により検出した他方の周波数変換装置２０５の高調波電流成分に応じて周波数変換装置２０６内のインバータＩＮＶを制御することにより、前記高調波電流成分を打ち消すような補償電流を出力して発電機２０３の始動時における発熱を防止するようにした発電設備の始動装置が記載されている。なお、図７において、２１０はアクティブフィルタ制御装置、２１１は負荷である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２４８３８３号公報（段落[００１０]〜[００２２]、図１〜図４等）
【特許文献２】特開平６−２６１４５４号公報（段落[００２２]〜[００３６]、図１〜図４等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図５に示した如く、永久磁石発電機／電動機２３にダイオードコンバータ装置３１が接続された電力変換システムでは、永久磁石発電機／電動機２３の出力電流に含まれる高調波成分に起因して永久磁石が発熱するという問題がある。
【００１０】
特許文献１に係る従来技術によれば、スイッチング素子１０２の制御により、ダイオード整流器１０１の入力電流を方形波状に制御してアクティブフィルタ１０４による補償電流のピーク値を小さく抑え、アクティブフィルタ１０４の容量を低減させることができる。しかし、アクティブフィルタ１０４の制御回路に加えて整流一石型回路１０３内のスイッチング素子１０２の制御回路が必要であり、回路構成やソフトウェアが複雑になってコスト高になるという問題があった。
また、特許文献２に係る従来技術は、少なくとも二組のガスタービン発電機と周波数変換装置とを備えた発電設備を対象としており、汎用性に乏しい。
【００１１】
そこで、本発明の解決課題は、主回路や制御回路の構成が簡単で汎用性に富むと共に、永久磁石発電機／電動機の過熱を防ぐことができる永久磁石発電機／電動機用電力変換システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、永久磁石発電機／電動機の交流出力電圧をダイオードコンバータ装置にて直流電圧に変換し、この直流電圧をインバータ装置により所定の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して電源系統に連系する永久磁石発電機／電動機電力変換装置において、
前記永久磁石発電機／電動機と前記ダイオードコンバータ装置の直流出力側との間に、半導体スイッチング素子からなる電力変換補償装置を接続し、
前記永久磁石発電機／電動機の低速回転時には、前記電力変換補償装置により前記永久磁石発電機／電動機を電動機動作させ、
前記永久磁石発電機／電動機の高速回転時には、発電機動作する前記永久磁石発電機／電動機の出力電流に含まれる高調波成分を、アクティブフィルタとして運転される前記電力変換補償装置の出力電流により打ち消して低減するものである。
【００１３】
請求項２に係る発明は、永久磁石発電機／電動機の交流出力電圧をコンバータ装置にて直流電圧に変換し、この直流電圧をインバータ装置により所定の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して電源系統に連系する永久磁石発電機／電動機用電力変換システムにおいて、
前記コンバータ装置及びインバータ装置を有する電力変換部を二組構成してこれら第１，第２の電力変換部を前記永久磁石発電機／電動機の固定子巻線と電源系統との間に並列二重化して接続し、かつ、前記コンバータ装置及びインバータ装置を半導体スイッチング素子からなる自励式の半導体電力変換装置により構成し、
前記第１，第２の電力変換部を構成する前記コンバータ装置の相互間及び前記インバータ装置の相互間でキャリアの位相をそれぞれ反転し、前記永久磁石発電機／電動機の出力電流に含まれる高調波成分を低減するものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明によれば、永久磁石発電機／電動機とダイオードコンバータ装置の直流側との間に接続された電力変換補償装置をアクティブフィルタとして運転することにより、永久磁石発電機／電動機に流れる高調波電流を抑制することができる。
請求項２に係る発明によれば、並列二重化された第１，第２の電力変換部を構成する自励式のコンバータ装置及びインバータ装置の相互間で、キャリアの位相をそれぞれ反転させることにより、永久磁石発電機／電動機及び電源系統に流れる高調波電流を更に抑制することが可能である。
これにより、本発明によれば、特許文献１，２に記載された従来技術に比べて主回路や制御回路の構成が簡単で汎用性に富み、永久磁石発電機／電動機の過熱や永久減磁を防止可能な電力変換システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態を示す電力変換システムの構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す電力変換システムの構成図である。
【図３】第２実施形態の効果を説明するための電圧、電流の波形図である。
【図４】ターボチャージャーを備えた発電システムの構成図である。
【図５】永久磁石発電機／電動機用電力変換システムの従来技術を示す構成図である。
【図６】特許文献１に記載された従来技術の構成図である。
【図７】特許文献２に記載された従来技術の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す電力変換システムの構成図であり、ターボチャージャー（図示せず）の遠心式圧縮機に回転子が直結された永久磁石発電機／電動機２３の固定子巻線には、交流リアクトル３６を介してダイオードコンバータ装置３１の交流端子が接続されている。ここで、ダイオードコンバータ装置３１は、ダイオードをブリッジ接続して構成されている。
【００１７】
ダイオードコンバータ装置３１の直流端子には、直流中間コンデンサ３２を介してインバータ装置３３の直流端子が接続されており、インバータ装置３３の交流端子は、交流リアクトル３４及びフィルタ回路３５を介して電源系統に接続されている。インバータ装置３３は、還流ダイオードを逆並列に接続したＩＧＢＴ等の自己消弧形半導体スイッチング素子をブリッジ接続して構成されている。
なお、図１では、永久磁石発電機／電動機２３の交流回路及びインバータ装置３３の交流回路を単線図にて示してあり、これらの交流回路は例えば三相交流回路からなるものである。
【００１８】
永久磁石発電機／電動機２３の固定子巻線には、交流リアクトル３７を介して電力変換補償装置３８の交流端子が接続されており、その直流端子は直流中間コンデンサ３２の両端に接続されている。すなわち、コンバータ装置３１及び電力変換補償装置３８は、永久磁石発電機／電動機２３と直流中間コンデンサ３２との間に並列に接続されている。
電力変換補償装置３８は、インバータ装置３３と同様に、還流ダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ等の自己消弧形半導体スイッチング素子をブリッジ接続して構成されている。
【００１９】
次に、この実施形態の動作を説明する。
永久磁石発電機／電動機２３の低速回転領域（例えば、定格回転数の５０［％］未満）では、電力変換補償装置３８をインバータとして動作させる。これにより、電力変換補償装置３８は、直流中間コンデンサ３２の直流電圧を交流電圧に変換して永久磁石発電機／電動機２３に供給し、電動機運転させてその回転をアシストする。これにより、例えば図４に示したターボチャージャー２４の圧縮機２２の運転を助勢し、過給をアシストすることができる。
【００２０】
また、永久磁石発電機／電動機２３の高速回転領域（例えば、定格回転数の５０［％］以上）では、発電機として運転されている永久磁石発電機／電動機２３の交流出力電圧をコンバータ装置３１及びインバータ装置３３により交流／直流／交流変換して所定の大きさ及び周波数の交流電圧に変換し、交流リアクトル３４及びフィルタ回路３５を介して電源系統に供給する。
これと同時に、永久磁石発電機／電動機２３の出力電流に含まれる高調波成分を電流検出器（図示せず）により検出し、電力変換補償装置３８をアクティブフィルタとして動作させる。これにより、電力変換補償装置３８から永久磁石発電機／電動機２３の交流側に補償電流を供給し、上記高調波成分を打ち消して低減させる。
上記動作により、永久磁石発電機／電動機２３のステータ及びロータの鉄損である渦電流損を減少させ、永久磁石の過熱や永久減磁を防止することができる。
【００２１】
次に、図２は、本発明の第２実施形態を示す電力変換システムの構成図である。
図２において、永久磁石発電機／電動機２３の固定子巻線には、交流リアクトル３６ａ、コンバータ装置３８ａ、直流中間コンデンサ３２ａ、インバータ装置３３ａ、交流リアクトル３４ａ、フィルタ回路３５ａからなる第１の電力変換部４１と、同じく交流リアクトル３６ｂ、コンバータ装置３８ｂ、直流中間コンデンサ３２ｂ、インバータ装置３３ｂ、交流リアクトル３４ｂ、フィルタ回路３５ｂからなる第２の電力変換部４２とが並列に接続され、フィルタ回路３５ａ，３５ｂの出力側は変圧器３９を介して電源系統に接続されている。すなわち、永久磁石発電機／電動機２３と変圧器３９との間で、同一構成の第１，第２の電力変換部４１，４２が並列二重化されている。
なお、変圧器３９は、フィルタ回路３５ａ，３５ｂ側がデルタ結線され、電源系統側がスター結線されている。
【００２２】
コンバータ装置３８ａ，３８ｂは互いに同一の構成であり、例えば還流ダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ等の自己消弧形半導体スイッチング素子をブリッジ接続してなる自励式電力変換装置により構成されている。また、インバータ装置３３ａ，３３ｂの構成は、図１におけるインバータ装置３３と同一である。
その他、第１，第２の電力変換部４１，４２における受動素子の回路定数は、互いに等しくなっている。
【００２３】
コンバータ装置３８ａ，３８ｂ及びインバータ装置３３ａ，３３ｂはいずれもＰＷＭ制御されるものであり、コンバータ装置３８ａ，３８ｂに対するキャリアは位相を互いに反転させ（キャリアの位相を電気角で１８０度ずらす）、また、インバータ装置３３ａ，３３ｂに対するキャリアも位相を互いに反転させてある。
【００２４】
以下、この実施形態の動作を説明する。
第１，第２の電力変換部４１，４２は、永久磁石発電機／電動機２３の出力電圧をそれぞれ交流／直流／交流変換する。インバータ装置３３ａ，３３ｂの交流出力電圧は、交流リアクトル３４ａ，３４ｂ及びフィルタ回路３５ａ，３５ｂを介して変圧器３９により重畳され、電源系統に供給される。
このとき、自励式電力変換装置であるコンバータ装置３８ａ，３８ｂを並列二重化して運転し、更にこれらのキャリアの位相を互いに反転させることにより、永久磁石発電機／電動機２３の出力電流に含まれる高調波成分を低減することができる。なお、自励式半導体電力変換装置を用いた高調波電流の補償方法は、例えば特開２００１−１３６６６３号公報、同２００２−３７４６８１号公報に開示されている。
【００２５】
図３（ａ）はコンバータ装置３８ａ，３８ｂのキャリアが互いに同相の場合の交流電圧波形、交流電流波形であり、図３(ｂ)は同じくキャリアが互いに反転している場合の交流電圧波形、交流電流波形である。
コンバータ装置３８ａ，３８ｂのキャリアを反転させることにより、三相各相について見ると、例えばコンバータ装置３８ａ側の一相の上アームのスイッチング素子がオンのとき、コンバータ装置３８ｂ側の同一相の下アームのスイッチング素子がオンする。その結果、永久磁石発電機／電動機２３の出力側（交流側）の電流が平均化され、高調波成分が相殺されて低減されることになる。この点は、図３(ｂ)の電流波形の方が図３（ａ）よりもリプル成分が少なくなっていることからも明らかである。
インバータ装置３３ａ，３３ｂに関しても同様の原理により、キャリアを互いに反転させることで電源系統側の高調波成分を低減することができる。
【００２６】
以上のように第１または第２実施形態によれば、電力変換補償装置３８またはコンバータ装置３８ａ，３８ｂの高調波抑制機能により、永久磁石発電機／電動機２３の固定子巻線に流れる高調波成分を低減させ、渦電流損を減少させて永久磁石の過熱や永久減磁を防止することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１０：ディーゼルエンジン
２０：発電システム
２１：タービン
２２：遠心式圧縮機
２３：永久磁石発電機／電動機
２４：ターボチャージャー
３１：コンバータ装置
３２：直流中間コンデンサ
３２ａ，３２ｂ：直流中間コンデンサ
３３：インバータ装置
３３ａ，３３ｂ：インバータ装置
３４：交流リアクトル
３４ａ，３４ｂ：交流リアクトル
３５：フィルタ回路
３５ａ，３５ｂ：フィルタ回路
３６，３７：交流リアクトル
３６ａ，３６ｂ：交流リアクトル
３８：電力変換補償装置
３８ａ，３８ｂ：コンバータ装置
３９：変圧器
４１，４２：電力変換部
１００：交流電源
１０１：ダイオード整流器
１０２：チョッパ用スイッチング素子
１０３：整流一石型回路
１０４：アクティブフィルタ
１０５ａ，１０５ｂ：ダイオード
１０６：直流中間コンデンサ
２０１，２０２：ガスタービン
２０３，２０４：発電機
２０５，２０６：周波数変換装置
２０７，２０８：始動用制御装置
２０９：アクティブフィルタ
２１０：アクティブフィルタ制御装置
２１１：負荷
２１２：電流検出器
【図１】
2012239346.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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