(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次側が３相交流電源に接続され、２次側にそれぞれ位相角の異なる複数の出力巻線を有するオートトランスフォーマの２次出力をコンバータ部を介して整流出力する整流装置において、
前記オートトランスフォーマの各出力巻線とコンバータ部との間に、相互に磁路が鎖交するコモンモードリアクトルを接続したことを特徴とする整流装置。
【請求項２】
前記整流装置において、
前記オートトランスフォーマの出力巻線と前記コモンモードリアクトルとの間にノーマルモードのインダクタンスを有する交流リアクトルを接続したことを特徴とする請求項１記載の整流装置。
【請求項３】
前記整流装置において、
前記３相交流電源の各相と前記オートトランスフォーマの１次側との間にノーマルモードのインダクタンスを有する交流リアクトルを接続したことを特徴とする請求項１記載の整流装置。
【請求項４】
前記整流装置は、前記オートトランスフォーマの２次側の各出力巻線は互いに３０°位相の異なる出力電圧を有し、前記コンバータ部が２組設けられ、前記各出力巻線の各一方の巻線は前記一方の組のコンバータ部の各相入力端子に接続され、前記各出力巻線の各他方の巻線は前記他方の組のコンバータ部の各相入力端子に接続されて成る１２パルス整流装置であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の整流装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流を直流に整流する整流装置、特に交流電源の高調波成分を除去した１２パルス整流装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５により、従来の１２パルス整流装置について説明する。
図５（ａ）は、絶縁式トランスフォーマを用いた例を示している。３相交流電源１に１次巻線２を接続した絶縁式トランスフォーマ３の一方の２次巻線４は星形接続され、他方の２次巻線５は三角接続され、両２次巻線の位相角が３０度異なる様に設定されている。各巻線２、４、５は電気的には相互に絶縁されているが、磁気的には相互に鎖交する様になっている。一方の２次巻線４は一方のコンバータ部６に接続され、他方の２次巻線は他方のコンバータ部７に接続されて、そこに設けられた半導体スイッチング素子８又は整流素子によって１２パルス整流が行われ、直流母線９、１０を介して、平滑コンデンサ１２で平滑された直流を負荷１１に供給するものである。このような構成により、３相交流が１２ステップ整流されると共に、基本周波数の第５高調波と第７高調波とは理論的に無くなり、良質の直流が供給される。
【０００３】
ところが、この絶縁式トランスフォーマを用いた場合、コンバータやこのコンバータの出力につながるインバータなどの電力変換装置に対して、価格・体積が２〜３倍、重量は１０倍以上にもなる欠点があった。
【０００４】
図５（ｂ）は、交流変圧用として、オートトランスフォーマ１３を用いた他の従来例を示している。このオートトランスフォーマ１３は、三角接続された１次巻線１４の巻線端に、それぞれ位相角を３０度変位させた一方の出力巻線１５と他方の出力巻線１６とを各相に備えている。そしてこの一方の出力巻線１５は一方のコンバータ部６に接続され、他方の出力巻線１６は他方のコンバータ部７に接続されて１２ステップ整流された直流電力が直流母線９、１０に供給される。そして１次側と２次側とが絶縁されていないため、一方のコンバータ６の入力端子Ｒ１から平滑コンデンサ１２、他方のコンバータ７のＳ２入力端子を介してオートトランスフォーマ１３の他方の出力巻線１６という具合に循環電流が流れてしまうため、２組のコンバータ部を用いても１組みのコンバータと同じ働きしかしなくなってしまうので、これを防ぐためコンバータ６、７の出力側に相間リアクトル１７を設けている。
【０００５】
図５（ｂ）のようなオートトランスフォーマ１３と相間リアクトル１７を用いた場合は、オートトランスフォーマ１３は価格・体積・重量が改善させるものの、相間リアクトル１７がコンバータ従来品に収まらない、という欠点があった。また、これを外付けにするには、従来製品の電力変換装置の内部から配線を引き出さなくてはならず、実用向きでなかった。さらに、コンバータの条件によってはその相間リアクトル１７を設置できない場合も生じた。
【０００６】
そこで、このようなコンバータの条件によってこの相間リアクトル１７を設置できない場合は、図５（ｃ）のように、コンバータ６の入力端子（Ｒ１、Ｓ１、Ｔ１）間にコモンモードリアクトル１８を接続する従来例が存在していた。このようにしても図５（ｂ）と同様の効果が得られた。すなわち、図５（ｃ）は交流変圧用としてオートトランスフォーマ１３を用い、オートトランスフォーマ１３の一方の出力巻線１５（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１）と一方のコンバータ６の入力端子（Ｒ１、Ｓ１、Ｔ１）との間にコモンモードリアクトル１８を接続して循環電流を防止している。このコモンモードリアクトル１８は、他方のコンバータ７の入力側、あるいは両コンバータの入力側に設けることもできる。
【０００７】
ところが、このコモンモードリアクトル１８を用いた場合、通常の３相コモンモードリアクトルは１２０°位相のずれた３相の正弦波が流れるときは発生する磁束も１２０°位相がずれており互いに打ち消し合う。しかしながら図５（ｃ）の場合のコモンモードリアクトル１８に流れる３相の電流はコンバータに流れる高調波成分を多く含んだ電流なので互いに打ち消し合わず、電流の零相成分はゼロにならない。これによって磁束が発生するので、この部分でのコアの飽和を考えると、コモンモードリアクトル１８の体積が大きくなるという問題があった。
【０００８】
【発明が解決しょうとする課題】
このように、従来技術によれば、例えば絶縁式トランスフォーマを用いた場合には、絶縁トランスフォーマの体積並びに価格がコンバータ部の数倍となり不経済であるばかりか、重量が何トンにもなるため設置場所の制約を受けることが多かったし、また、オートトランスフォーマと相間リアクトルを用いた場合には、相間リアクトルをコンバータ部に設けることが出来ず、外付けすると大電流用の断面積の大きな導体を引き回さねばならず現実的ではなかった。
さらに、オートトランスフォーマとコモンモードリアクトルの組み合わせにおいては、コモンモードリアクトルに流れる電流は高調波成分を多量に含んだ電流であるので、正弦波電流の場合の様に完全な打ち消しは得られず、零相分電流が残ってしまい、この零相電流によって余分な磁束が発生するので、磁路鉄心の飽和を防ぐために磁路鉄心断面積をその分大きくせねばならず、コモンモードリアクトルの体積が大きくなってしまう欠点があった。
そこでこの発明はこれらの欠点を解決するもので、価格・体積・重量を従来よりも低減し、かつ高調波成分を除去した整流装置を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、１次側が３相交流電源に接続され、２次側にそれぞれ位相角の異なる複数の出力巻線を有するオートトランスフォーマの２次出力をコンバータ部を介して整流出力する整流装置において、前記オートトランスフォーマの各出力巻線とコンバータ部との間に、相互に磁路が鎖交するコモンモードリアクトルを接続したことを特徴としている。
【００１０】
また、前記整流装置において、
前記オートトランスフォーマの出力巻線と前記コモンモードリアクトルとの間にノーマルモードのインダクタンスを有する交流リアクトルを接続したことを特徴としている。
【００１１】
さらに、前記整流装置において、
前記３相交流電源の各相と前記オートトランスフォーマの１次側との間にノーマルモードのインダクタンスを有する交流リアクトルを接続したことを特徴としている。
【００１２】
そして、前記整流装置は、前記オートトランスフォーマの２次側の各出力巻線は互いに３０°位相の異なる出力電圧を有し、前記コンバータ部が２組設けられ、前記各出力巻線の各一方の巻線は前記一方の組のコンバータ部の各相入力端子に接続され、前記各出力巻線の各他方の巻線は前記他方の組のコンバータ部の各相入力端子に接続されて成る１２パルス整流装置であることを特徴としている。
【００１３】
このように構成したことにより、オートトランスフォーマの各出力巻線とコンバータ部との間に相互に磁路が鎖交するコモンモードリアクトルを接続するものであるので、各コンバータ部の電流がコモンモードリアクトルに流れ、各コンバータ部に流れる零相成分が逆相となり、したがって零相電流が互いに打ち消し合うので、コモンモードリアクトル内に零相電流が流れない。それゆえ、それによる磁束も生じないので、鎖交磁路鉄心の断面積を小さくし、コモンモードリアクトルを小形化することが出来る。したがって製造が容易になるばかりか、オートトランスフォーマにコモンモードリアクトルを組み付けることも出来るのでユーザーが使い易くなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、図によってこの発明の実施の形態を説明する。
図１において、３相交流電源１に１次巻線１４が接続されたオートトランスフォーマ１３は、１次巻線１４がデルタ接続され、これらの巻線端には、それぞれ位相角を３０度異ならせた一方の出力巻線１５と他方の出力巻線１６とが接続されている。一方の出力巻線１５（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１）と一方のコンバータ部６の入力端子Ｒ１、Ｓ１、Ｔ１との間並びに他方の出力巻線１６（Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２）と他方のコンバータ部７の入力端子Ｒ２、Ｓ２、Ｔ２との間には、この発明によるコモンモードリアクトル１９が接続されている。両コンバータ部６、７は、一周期当たり１２パルスの点弧を行い、直流母線９、１０に出力し、平滑コンデンサ１２によって平滑された直流を負荷１１に供給する。
【００１５】
図２は、図１の各部の電流波形を示している。
図中（ａ）はオートトランスフオーマ１３の１次巻線１４に流れる電流波形で、
（ｂ）はオートトランスフォーマ１３の一方の出力巻線１５からコモンモードリアクトル１９を経て一方のコンバータ部６へ流れる３相電流、
（ｃ）はオートトランスフォーマ１３の他方の出力巻線１６、コモンモードリアクトル１９、他方のコンバータ部７へと流れる３相電流、
（ｄ）は（ｂ）に示した３相電流を足し合わせた零相電流波形、
（ｅ）は（ｃ）の３相電流を足し合わせた零相電流波形。
（ｆ）は（ｄ）と（ｅ）とを足し合わせた零相電流をそれぞれ示している。
これらの電流波形からわかるように、３相のコモンモードリアクトルであれば図２の（ｄ）と（ｅ）の零相電流が流れ、コアの飽和の原因になり、そのためコアを大きくせざるを得ないが、本発明の６相コモンモードリアクトルを用いれば図２の（ｆ）のように零相電流（ｄ）と（ｅ）を足し合わせた零相電流はゼロとなり、これによるコアの磁気飽和は考えなくてよい。
また、この実施の形態の様に６相のコモンモードリアクトル１９を用いる場合そのインダクタンスは、３相コモンモードリアクトルの半分の半分で同等の性能が得られるので、結果的にリアクトルの小形化ができる。
【００１６】
図３において、３相交流電源１に１次巻線１４が接続されたオートトランスフォーマ１３の各出力巻線１５、１６と６相のコモンモードリアクトル１９との間にノーマルモードのインダクタンスを有する交流リアクトル２７を設けた例が示されている。この実施の形態によれば、６相のコモンモードリアクトル１９の存在により零相電流が相殺されるだけでなく、電源電流の歪み率を低減でき、電源系統のサージの影響を少なくすることができる。
【００１７】
図４に更に別の実施の形態を示す。この実施の形態の場合、オートトランスフォーマ１３の１次巻線１４と３相交流電源１の各相の間に、相互の磁束鎖交の無いノーマルモードのインダクタンスを有する交流リアクトル２８が接続されている。オートトランスフォーマ１３の一方の出力巻線１５は、６相のコモンモードリアクトル１９を介して一方のコンバータ部６の入力端子Ｒ１、Ｓ１、Ｔ１に接続され、他方の出力巻線１６は、コモンモードリアクトル１９を介して他方のコンバータ部７の入力端子Ｒ２、Ｓ２、Ｔ２に接続されている。両コンバータ部６、７の出力は直流母線９、１０に接続され、平滑コンデンサ１２で平滑された直流を負荷１１に供給している。
この実施の形態では、実施の形態２の場合と同様に、コモンモードリアクトル１９により零相電流が相殺されると共に、電源電流の歪み率が低減され、電源側サージに対する安全率が高められる。
【００１８】
尚、上記各実施の形態においては、最も基本的なオートトランスフォーマの例を示したが、ヘキサゴンタイプのオートトランスフォーマなどのあらゆる種類のオートトランスフォーマによってこの発明を構成できる。
また、整流方式は１２パルス整流に限定されるものでは無く、例えば２４パルス整流、３６パルス整流などにも実施出来ることは勿論である。
【００１９】
【発明の効果】
以上の通りこの発明によれば、オートトランスフォーマの各出力巻線とコンバータ部との間に、相互に磁路が鎖交するコモンモードリアクトルが接続されるものであるので、零相電流はコモンモードリアクトルにおいて相殺され、零相電流は流れなくなり、リアクトル鉄心の磁気飽和の恐れが無くなるので、リアクトルの寸法を効果的に小形化できる。その結果、整流装置を効果的に小形軽量低価格化でき、ユーザーの導入し易い整流装置を提供出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態による整流装置の接続回路図である。
【図２】図１の回路の各部の電流波形図である。
【図３】この発明の他の実施の形態による整流装置の接続回路図である。
【図４】この発明の更に異なる実施の形態による整流装置の接続回路図である。
【図５】従来の整流装置の接続回路図である。
（ａ）は、絶縁式トランスフォーマを用いた例、
（ｂ）は、オートトランスフォーマ給電のコンバータ部出力に相間リアクトルを用いた例、
（ｃ）は、オートトランスフォーマの出力巻線とコンバータ部入力との間にコモンモードリアクトルを用いた例をそれぞれ示す。
【符号の説明】
１  ３相交流電源
６  一方のコンバータ部
７  他方のコンバータ部
８  半導体スイッチング素子（又は整流素子）
９  直流母線
１０  直流母線
１１  負荷
１２  平滑コンデンサ
１３  オートトランスフォーマ
１４  一次巻線
１５  一方の出力巻線
１６  他方の出力巻線
１９  コモンモードリアクトル
２７  交流リアクトル
２８  交流リアクトル
【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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