JP2004201360A

JP2004201360A - コンバータ装置

Info

Publication number: JP2004201360A
Application number: JP2002363272A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Tagami; 吉洋田上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】電流検出器やゲートパルス信号を制御する制御装置を設けないで、ユニット間の循環電流を抑制し、各ユニットの出力電流を平衡させたコンバータ装置を提供する。
【解決手段】独立して制御され、交流を直流に変換する複数の変換器ユニットを並列接続した構成とし、複数の変換器ユニットの１ユニットを除く各変換器ユニットの入力側に、複数の同一巻数のコイルを巻回し、互いに磁気的に結合された電流平衡器を配置し、この電流平衡器の各コイルを変換器ユニットの入力側接続線の各線に直列接続した構成とした。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、独立して制御され、交流を直流に変換する複数の変換器ユニットが並列接続されたコンバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば複数の単位インバータが並列接続されたインバータ装置における単位インバータの出力電流の不平衡を抑制する制御方法が特許文献１に示されている。
このインバータ装置では、各単位インバータの出力電流瞬時値を検出する出力電流検出器、各単位インバータに共通のＰＷＭ制御信号を発生するＰＷＭ信号発生回路、オフ時間の上限値と下限値との信号をＰＷＭ制御信号のレベル変化時に発生するオフ時間限度値発生回路、各単位インバータの内その出力電流瞬時値の絶対値が最小となるもののオフ時間を下限値とし、他の単位インバータのオフ時間を上限値の範囲内において当該単位インバータの出力電流絶対値と絶対値最小の単位インバータの出力電流絶対値とが等しくなった時点で終了するよう各単位インバータのオフ時間信号を発生するオフ時間信号発生回路、およびＰＷＭ制御信号とオフ時間信号とから各単位インバータ各アーム素子へのゲートパルス信号を発生するゲートパルス信号発止回路を備えた構成としている。
【０００３】
この構成では、各単位インバータの出力電流のアンバランス量を出力電流の最も小さい単位インバータの出力電流を基準にして検出し、出力電流最小の単位インバータのアーム素子のオフ時間をその下限値に設定するとともに、これより出力電流の大きい単位インバータのアーム素子のオフ時間を出力電流のアンバランス量に応じて下限値より大きく設定することにより、これらオフ時間のずれに伴う単位インバータ相互間に流れる循環電流を利用して出力電流の不平衡を抑制している（特許文献１、図１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−１５３５１８号公報（第４頁および図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
独立して制御される複数の単位インバータのユニットを組み合わせたインバータ装置においては、ユニット間のキャリア位相の違いにより、出力電流の単位インバータの相互間に循環電流が流れて、各ユニットの出力電流に不平衡が生じるが、従来のインバータ装置では、各ユニットの出力電流を検出し、各ユニット毎に電流平衡がとれるようにアーム素子のゲートパルス信号を制御して循環電流を抑制する方法が採られている。このために電流検出器や制御装置が必要となり、コストが高くなる問題点があった。また、変化が早い循環電流に対して制御装置の制御応答が追従しないために循環電流が細かく抑制できず、出力電流制御が正常に動作しない問題点もあった。複数の単位コンバータを組み合わせたコンバータ装置においても上記インバータ装置と同様の問題点がある。
【０００６】
この発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、コンバータ装置において、電流検出器やゲートパルス信号を制御する制御装置を設けないで、ユニット間の循環電流を抑制し、各ユニットの出力電流を平衡させたコンバータ装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るコンバータ装置は、独立して制御され、交流を直流に変換する複数の変換器ユニットを並列接続した構成とし、複数の変換器ユニットの１ユニットを除く各変換器ユニットの入力側に、複数の同一巻数のコイルを巻回し、互いに磁気的に結合した電流平衡器を配置し、この電流平衡器の各コイルを変換器ユニットの入力側接続線の各線に直列接続したものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は実施の形態１のコンバータ装置の構成を示す回路図である。この構成は単相交流電源に接続され、交流を直流に変換して出力するものであり、２つの単相交流を直流に変換する変換器ユニット１１、１２が並列接続され、入力側は交流電源１に接続され、出力側にはバッテリ電源２および負荷３に接続されている。変換器ユニット１１は、自己消弧形半導体素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４とダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４の組み合わせが、Ｑ１とＤ１、Ｑ２とＤ２、Ｑ３とＤ３、Ｑ４とＤ４の組合せで並列接続された変換素子がブリッジ接続され、出力側にコンデンサＣが接続された構成である。変換器ユニット１２は、変換器ユニット１１と同一の構成である。変換器ユニット１１の入力側２線それぞれに、同一巻数の２つのコイルが巻回され、磁気的に結合された電流平衡器１５のコイルが直列接続されている。変換器ユニット１１、１２の制御は、それぞれ独立した図示していない制御装置で制御される。
【０００９】
変換器ユニット１１と変換器ユニット１２を並列接続したことによる生じる循環電流Ｉｊを抑制する電流平衡器１５が変換器ユニット１１の入力側に直列に接続されている。電流平衡器１５は、同一巻数の２つのコイルが巻回され互いに磁気的に結合された構成とし、２つのコイルは変換器ユニット１１の入力側の各線にそれぞれ直列に接続している。このように電流変換器１５を接続すると、変換器ユニット１１の入力側の各線の電流を平衡させる働きをするものであり、図１に示す２つの変換器ユニットの間に流れる循環電流Ｉｊを抑制することができる。
【００１０】
変換器ユニット１１と変換器ユニット１２は、それぞれ独立した制御装置により制御され、それぞれの制御装置の制御信号が同一であってもキャリア信号にはどうしても位相のずれが生じるので、図１に示す循環電流Ｉｊが流れる。その循環電流Ｉｊが流れるメカニズムについて、図２のハーフブリッジインバータで説明する。
図２（ａ）は説明回路図、図２（ｂ）は信号の位相の関係を示す位相説明図である。図２において、変換器ユニット１１および変換器ユニット１２はハーフブリッジとしているが図１の変換器ユニット１１および１２と同一機能である。変換器ユニット１１はキャリア信号Ｓ１、制御信号Ｓ２との比較によるＰＷＭ波形により、±Ｅｄの出力電圧Ｓ３の波形の電圧が出力される。変換器ユニット１２においても、変換器ユニット１１とは別のキャリア信号Ｓ５、制御信号Ｓ６との比較により±Ｅｄの出力電圧Ｓ７の波形の電圧が出力される。変換器ユニット１１の制御信号Ｓ２と変換器ユニット１２の制御信号Ｓ６が一致した場合においても、キャリア信号Ｓ１とキャリア信号Ｓ５の位相がずれていると出力電圧Ｓ３とＳ７がずれ、その結果直流側と交流側で変換器ユニット１１と変換器ユニット１２との間には、±２Ｅｄのユニット間の電圧差Ｓ９が生じて、図１に示す循環ループで循環電流Ｉｊが流れる。この循環電流Ｉｊによって、変換器ユニット１１と変換器ユニット１２の間に出力電流の不平衡が生じることになる。
【００１１】
この循環電流Ｉｊのループと、循環電流が流れていないループの２線の間に、電流平衡器１５の２つのコイルをそれぞれに直列接続することで、循環電流Ｉｊが抑制され、各変換器ユニット１１および変換器ユニット１２のそれぞれの入力電流および出力電流が平衡させることができる。
【００１２】
電流変換器１５の配置位置は、循環電流Ｉｊが変換器ユニット１１と変換器ユニット１２にまたがったループであり、この循環電流のループの中に電流変換器１５を配置することで、循環電流Ｉｊが抑制されされる。
実施の形態１では、変換器ユニット１１の交流入力側の各線に電流変換器１５の２つのコイルをそれぞれ直列に接続することにより、変換器ユニット１１と１２のキャリア信号の位相のずれによって生じる循環電流Ｉｊを抑制した構成としたことにより、変換器ユニット１１と変換器ユニット１２の間の出力電流の不平衡が抑制される。
【００１３】
このように電流平衡器１５を設けた構成にすると、従来のように、電流検出器やゲートパルス信号を制御する制御装置を設けないで、ユニット間の循環電流が抑制し、各ユニットの出力電流を平衡させたコンバータ装置が構成できる。
【００１４】
実施の形態２．
実施の形態２のコンバータ装置の回路図を図３に示す。実施の形態２は、電流平衡器を出力側に配置した構成である。図３の構成は、図２の構成とは電流平衡器１６を直流の出力側に配置した点が異なり、それ以外の交流電源１、バッテリ電源２、負荷３および変換器ユニット１１、変換器ユニット１２は実施の形態１の図１と同一である。電流平衡器１６は、２つのコイルの巻数を同一とし、各コイルを互いに磁気的結合する点は同一であり、印加電圧が直流電圧となる点のみが異なるものであり、直流用として製作する必要があるが、実際には同一の構成である。
【００１５】
このように電流変換器１６を変換器ユニット１１の出力側に配置することで、変換器ユニット１１と変換器ユニット１２のキャリア信号の位相のずれにより循環電流Ｉｊを抑制した構成となり、実施の形態１と同様に電流検出器やゲートパルス信号を制御する制御装置を設けないで、ユニット間の循環電流が抑制し、各ユニットの出力電流を平衡させたコンバータ装置が構成できる。
【００１６】
実施の形態３．
実施の形態３のコンバータ装置の回路図を図４に示す。実施の形態３は、変換器ユニットを３ユニットとし、電流平衡器を交流側に配置した構成である。図４の構成は、実施の形態１の図１の構成に変換器ユニット１３を追加した点が相違する部分であり、その他の交流電源１、変換器ユニット１１、変換器ユニット１２、バッテリ電源２および負荷３は、実施の形態１と同一である。
【００１７】
変換器ユニットを３ユニットにすると、キャリア信号に位相のずれにより循環電流Ｉｊのループは、変換器ユニット１１と変換器ユニット１２との間、変換器ユニット１２と変換器ユニット１３、変換器ユニット１３と変換器ユニット１１との間のそれぞれに流れるので、いずれの循環電流ルートにも電流平衡器が配置されているようにするためには、３つの変換器ユニット１１、１２、１３の３ユニットの内、２ユニットに電流平衡器１５を配置すれば循環電流が流れるすべてのルートに対応できる構成となる。
【００１８】
このように変換器ユニットが３ユニットの構成では、３ユニットの内の１ユニットを除く２ユニットに電流変換器を設けることで、各ユニット間のキャリア信号の位相のずれにより生じる循環電流が抑制できる構成となり、実施の形態１と同様に電流検出器やゲートパルス信号を制御する制御装置を設けないで、ユニット間の循環電流が抑制し、各ユニットの出力電流を平衡させたコンバータ装置が構成できる。
【００１９】
上記は変換器ユニットが３ユニットが並列接続される場合について説明したが、それ以上の変換器ユニットの場合は、ユニット数をＮとすると、ユニット数Ｎに対して１ユニットを減じたＮ−１のユニットに電流平衡器を配置することで、キャリア信号に位相のずれにより循環電流が抑制され、各ユニットの出力電流を平衡させたコンバータ装置が構成できる。
【００２０】
実施の形態４．
実施の形態４のコンバータ装置の回路図を図５に示す。実施の形態４は、３相交流電源電源に接続され場合の構成である、回路構成は、独立して制御される２つの３相交流を直流に変換する変換器ユニット２１、２２を並列接続し、入力側は３相交流電源２０に接続され、出力側にはバッテリ電源２および負荷３に接続された構成である。変換器ユニット２１は、自己消弧形半導体素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６とダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６の組み合わせが、Ｑ１とＤ１、Ｑ２とＤ２、Ｑ３とＤ３、Ｑ４とＤ４、Ｑ５とＤ５、Ｑ６とＤ６の組合せで並列接続された変換素子が接続され、出力側にコンデンサＣが接続された構成である。変換器ユニット２２は、変換器ユニット２１と同一の構成である。変換器ユニット２１の入力側に３相用の電流平衡器２５を配置し、変換器ユニット２１、２２の制御は、それぞれ独立した図示していない制御装置で制御される。電流平衡器２５は、３つの同一巻数のコイルを設け、各コイル間は互いに磁気的結合した構成である。
【００２１】
３相交流を直流に変換する独立して制御される変換器ユニットの場合にもキャリア信号の位相のずれにより生じる循環電流は単相の場合と同様に生じるものであり、３相交流の入力側に３相用の電流平衡器２５を変換器ユニット２１の入力側に配置し、この電流平衡器２５の各コイルを入力側の各線に直列に接続することで、循環電流を抑制することができる。
【００２２】
３相の場合の循環電流は、いずれかの相に循環電流が生じた場合の循環電流ルートは生じた相と他の２相に分流するルートとなり、３相電流平衡器２５により循環電流が抑制され、変換器ユニット２１と変換器ユニット２２の間の出力電流の不平衡が抑制される。
【００２３】
このように電流平衡器２５により、循環電流Ｉｊを抑制する構成にすると、上記の単相電源に接続される場合と同様に、電流検出器やゲートパルス信号を制御する制御装置を設けないで、ユニット間の循環電流が抑制し、各ユニットの出力電流を平衡させたコンバータ装置が構成できる。
【００２４】
３相交流電源に接続される場合で、並列接続する変換器ユニットを３ユニットを越えるユニット数にする場合は、単相の場合と同様に、ユニット数Ｎに対して１ユニットを減じたＮ−１のユニットに電流平衡器を配置することで、キャリア信号に位相のずれにより循環電流が抑制され、各ユニットの出力電流を平衡させたコンバータ装置が構成できる。
【００２５】
実施の形態５．
実施の形態５のコンバータ装置の回路図を図６に示す。実施の形態５は、交流側が３相であり、電流平衡器を出力側に配置した構成である。図６の構成は実施の形態４の図５の構成とは電流平衡器を直流用として出力側に配置した点が異なり、交流電源１、バッテリ電源２、負荷３および変換器ユニット２１、変換器ユニット２２は実施の形態４の図５と同一である。電流平衡器２６の構成は、２つのコイルの巻数を同一とし、各コイルを互いに磁気的結合した構成であり、上記の実施の形態２の電流平衡器１６と同一である。
出力側に電流変換器２６を設けると、実施の形態２の単相の場合と同じ構成することができるため、実施の形態４の３相電源の場合の電流変換器２５に比較して簡単な構成の電流変換器２６となって装置として小型に構成できるメリットがあり、上記の実施の形態１〜４と同様に、キャリア信号に位相のずれにより循環電流を抑制し、出力電流の不平衡を抑制することができる。
【００２６】
実施の形態６．
実施の形態６のコンバータ装置の回路図を図７に示す。実施の形態６は、交流側が３相であり、変換器ユニットを３ユニットとし、電流平衡器を出力側に配置した構成である。
回路構成は独立して制御される３つの３相の変換器ユニット２１、２２、２３を並列接続し、入力側は３相交流電源に接続し、変換器ユニット２１および変換器ユニット２３の出力側に３相の電流平衡器２６を設け、負荷に接続している。変換器ユニット２１、２２、２３および電流変換器２６は実施の形態５と同一である。
【００２７】
変換器ユニットを３ユニットにすると、キャリア信号の位相のずれにより生じる循環電流Ｉｊのループは、変換器ユニット２１と変換器ユニット２２との間、変換器ユニット２２と変換器ユニット２３との間、変換器ユニット２３と変換器ユニット２１との間、それぞれに流れるので、いずれの循環電流ルートにも電流平衡器が配置されているようにするためには、３つの変換器ユニット２１、２２、２３の３ユニットの内、２ユニットに電流平衡器２６を配置すれば循環電流が流れるすべてのルートに対応できる状態となる。
【００２８】
並列接続する変換器ユニット数が３以上のときは、１ユニットを除く他のユニットに電流平衡器２６を配置すれば、循環電流Ｉｊルートすべてに対応できる構成となる。実施の形態５と同様の効果が得られる。
【００２９】
【発明の効果】
この発明に係るコンバータ装置は、独立して制御され、交流を直流に変換する複数の変換器ユニットが並列接続した構成とし、複数の変換器ユニットの１ユニットを除く各変換器ユニットの入力側に、複数の同一巻数のコイルを巻回し、互いに磁気的に結合された電流平衡器を配置し、この電流平衡器の各コイルを変換器ユニットの入力側接続線の各線に直列接続した構成としたものであり、変換器ユニット間に流れる循環電流が抑制され、変換器ユニット間の出力電流の不平衡が抑制され、電流検出器やゲートパルス信号を制御する制御装置を設けないで、各ユニットの出力電流を平衡させたコンバータ装置が構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１のコンバータ装置の構成を示す回路図である。
【図２】独立して制御される変換器ユニットの間に循環電流が生じる状況を説明する説明図である。
【図３】実施の形態２のコンバータ装置の構成を示す回路図である。
【図４】実施の形態３のコンバータ装置の構成を示す回路図である。
【図５】実施の形態４のコンバータ装置の構成を示す回路図である。
【図６】実施の形態５のコンバータ装置の構成を示す回路図である。
【図７】実施の形態６のコンバータ装置の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１交流電源、２バッテリ電源、３負荷、
１１，１２，１３変換器ユニット、１５電流平衡器、１６電流平衡器、
２０３相交流電源、２１，２２，２３変換器ユニット、２５電流平衡器、
２６電流平衡器。

Claims

独立して制御され、交流を直流に変換する複数の変換器ユニットが並列接続されたコンバータ装置において、上記複数の変換器ユニットの１ユニットを除く各変換器ユニットの入力側に、複数の同一巻数のコイルが巻回され、互いに磁気的に結合された電流平衡器を配置し、該電流平衡器の各コイルを上記変換器ユニットの入力側接続線の各線に直列接続したことを特徴とするコンバータ装置。
独立して制御され、交流を直流に変換する複数の変換器ユニットが並列接続されたコンバータ装置において、上記複数の変換器ユニットの１ユニットを除く各変換器ユニットの出力側に、複数の同一巻数のコイルが巻回され、互いに磁気的に結合された電流平衡器を配置し、該電流平衡器の各コイルを上記変換器ユニットの出力側接続線の各線に直列接続したことを特徴とするコンバータ装置。
上記変換器ユニットは、単相交流を直流に変換する変換器ユニットで構成され、上記電流平衡器は２つのコイルが磁気的に結合された構成としたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のコンバータ装置。
上記変換器ユニットは、３相交流を直流に変換する変換器ユニットで構成され、上記電流平衡器は３つのコイルが磁気的に結合された構成とし、この電流平衡器の各コイルを上記変換器ユニットの入力側接続線の各線に直列接続したことを特徴とする請求項１記載のコンバータ装置。
上記変換器ユニットは、３相交流を直流に変換する変換器ユニットで構成され、上記電流平衡器は２つのコイルが磁気的に結合され、この電流平衡器の各コイルを上記変換器ユニットの出力側接続線の各線に直列接続したことを特徴とする請求項２記載のコンバータ装置。