JP2017189072A - 電力変換装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造上の制約を受けずに、共振電流を抑制する電力変換装置の製造方法を提供することにある。【解決手段】 電力変換装置の製造方法であって、複数の変換器とキャリアの位相との複数の組合せについて、前記電力変換回路を構成するコンデンサに流れるコンデンサ電流に基づいて、コンデンサと寄生インダクタンスによる共振電流の量が評価に含まれる評価値を決定し、評価値の示す評価が最も高い組合せを決定し、決定した評価が最も高い組合せに従って、複数の変換器にそれぞれキャリアの位相を設定することを含む。【選択図】図３

Description

本発明は、電力変換装置の製造方法に関する。

一般に、複数の変換器が多重接続された電力変換装置が知られている。また、変換器を多重接続すると、直流回路の寄生インダクタンス（例えば、配線インダクタンス）と各変換器の平滑コンデンサにより共振する可能性がある。

この共振に対しては、様々な対策がされた電力変換装置が開示されている。

例えば、直流回路の共振による系統に流出する高調波を抑制するとともに、直流回路電流責務を減少させて、直流回路の小型化、簡素化を図る変圧器多重電力変換装置が開示されている（特許文献１参照）。

また、変換効率を低下させずに３レベル電力変換器の直流母線や平滑コンデンサの温度上昇を招く共振電流を抑制し、共振抑制に使用する抵抗器費用の増大を抑える多重３レベル電力変換装置が開示されている（特許文献２参照）。

さらに、複数の変換器のうち、少なくとも３の変換器を組となし、組を構成する電気的に隣接接続された変換器は、変換器のスイッチングのタイミングを決める基準値の位相差が互いに電気角でプラスまたはマイナス１２０度±１０度、またはプラスまたはマイナス２４０度±１０度となし、組を複数有する電力変換装置が開示されている（特許文献３参照）。

特開２０１３−２５８８４１号公報 特開２０１２−１００４０１号公報 特開２００８−９９４３６号公報

しかしながら、上述のいずれの方法を採用しても、共振の抑制量には、様々な構造上の制約により限界がある。ダンピング抵抗を設けた場合、損失が増加し、装置が大型化する。配線インダクタンスを小さくするために、配線を短くする場合、構造上の制約により、必要最低限の長さより短くすることはできない。一方、各変換器において、キャリア位相をずらす場合は、構造上の制約はない。しかし、キャリア位相をずらす量は、変換器の数に応じて、予め決められており、各変換器において、キャリア位相をずらす量を変えることはできない。

そこで、本発明の目的は、構造上の制約を受けずに、共振電流を抑制する電力変換装置の製造方法を提供することにある。

本発明の観点に従った電力変換装置の製造方法は、電力変換回路を構成するスイッチング素子をスイッチングするスイッチング信号を生成するために指令値と比較され、それぞれ位相が互いに異なるキャリアを発生させる複数の変換器で構成される電力変換装置の製造方法であって、前記複数の変換器と前記複数の変換器にそれぞれ設定される前記キャリアの前記位相との複数の組合せのそれぞれについて、前記電力変換回路を構成するコンデンサに流れるコンデンサ電流に基づいて、前記電力変換回路を構成する前記コンデンサと寄生インダクタンスによる共振電流の量が評価に含まれる評価値を決定し、前記複数の組合せのうち、前記評価値の示す評価が最も高い組合せを決定し、決定した評価が最も高い前記組合せに従って、前記複数の変換器にそれぞれ前記キャリアの前記位相を設定することを含む。

本発明によれば、構造上の制約を受けずに、共振電流を抑制する電力変換装置の製造方法を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す構成図。 第１の実施形態に係る変換器のキャリア位相を示す波形図。 第１の実施形態に係る電力変換装置の製造方法を示す流れ図。 第１の実施形態に係る各変換器に設定されるキャリア位相のずらし量の組合せとコンデンサ電流との対応関係を示す対応図。 本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す構成図。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置１の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付して、異なる部分を主に説明する。

電力変換装置１は、変圧器２、３つの変換器３ａ，３ｂ，３ｃ、及び３つの平滑コンデンサ４ａ，４ｂ，４ｃを備える。電力変換装置１は、交流電源１１から供給される単相交流電力を直流電力に変換して、負荷１２に供給する。なお、電力変換装置１は、直流電力を単相交流電力に変換させてもよい。

変圧器２には、交流電源１１及び変換器３ａ〜３ｃのそれぞれの交流側が接続される。変圧器２は、交流電源１１から供給される交流電力により、３つの変換器３ａ〜３ｃにそれぞれ交流電力を分配する。

３つの変換器３ａ〜３ｃの直流側は、並列に接続される。変換器３ａ〜３ｃは、それぞれ変圧器２により分配される交流電力を直流電力に変換する。例えば、変換器３ａ〜３ｃは、フルブリッジ単相インバータである。３つの変換器３ａ〜３ｃからそれぞれ出力される直流電力は、並列接続により合成される。これにより、電力変換装置１は、３段直列多重型のインバータを形成する。変換器３ａ〜３ｃから出力される合成された直流電力は、負荷１２に供給される。変換器３ａ〜３ｃは、パルス幅変調(ＰＷＭ, pulse width modulation)により制御されるＰＷＭインバータである。各変換器３ａ〜３ｃには、制御を行うための制御部が実装されている。

各変換器３ａ〜３ｃのキャリア位相は、それぞれ異なる。キャリアは、ＰＷＭ制御において指令値（信号波）と比較され、電力変換回路を構成するスイッチング素子をスイッチングするスイッチング信号（例えば、ゲート信号）を生成する波形である。キャリアは、各変換器３ａ〜３ｃの制御部で発生させる。キャリアは、例えば、三角波である。

電力変換装置１がＮ段のフルブリッジ単相インバータの場合、キャリア位相のずらし量は、１８０度／Ｎとなる。Ｎは、変換器３ａ〜３ｃの数を表している。ここでは、３段であるため、ずらし量は、１８０度／３＝６０度となる。従って、各変換器３ａ〜３ｃのキャリア位相は、６０度ずつずれている。なお、電力変換装置１がＮ段の三相インバータの場合は、キャリア位相のずらし量は、３６０度／Ｎとなる。

図２は、本実施形態に係る変換器３ａ〜３ｃのキャリアＣ１，Ｃ２，Ｃ３を示す波形図である。図２は、３段の変換器３ａ〜３ｃで、三角波のキャリアＣ１〜Ｃ３を採用し、キャリアＣ１〜Ｃ３の位相のずらし量を６０度とした場合について示している。

１つ目の変換器３ａのキャリアＣ１の位相を基準位相（０度）とすると、２つ目の変換器３ｂのキャリアＣ２の位相は基準位相から６０度遅れ、３つ目の変換器３ｃのキャリアＣ３の位相は基準位相から１２０度遅れる。各変換器３ａ〜３ｃに各キャリアＣ１〜Ｃ３を割当てる方法については、後述する。

平滑コンデンサ４ａ〜４ｃは、それぞれ変換器３ａ〜３ｃの直流側に接続される。平滑コンデンサ４ａ〜４ｃは、変換器３ａ〜３ｃからそれぞれ出力される直流電圧を平滑化する。

図３は、本実施形態に係る電力変換装置１の製造方法を示す流れ図である。

変換器３ａ〜３ｃは、いずれも盤タイプで、横一列に隣接して構成されるものとする。ここでは、左端（又は右端）から順番に、１段目の変換器３ａ、２段目の変換器３ｂ、３段目の変換器３ｃの順に並べて設置されるものとする。

作業者は、電力変換装置１の各変換器３ａ〜３ｃを組立てる（ステップＳ１１０）。必ずしも電力変換装置１が完成する状態まで組立てる必要はなく、平滑コンデンサ４ａ〜４ｃに流れるコンデンサ電流に影響を与える回路部分が構成されていればよい。このとき、各変換器３ａ〜３ｃには、キャリア位相のずらし量（０度、６０度、１２０度）は、割当てられておらず、任意のずらし量を設定できる。

各変換器３ａ〜３ｃと割当てるずらし量との組合せの候補は、予め２つ以上決められている。組合せの候補は、全ての組合せからどのように一部を抽出して候補としてもよいし、全ての組合せを候補としてもよい。例えば、各変換器３ａ〜３ｃとずらし量を一定の規則に従って規則的に割当てる組合せのみを候補としてもよい。例えば、規則的に割当てる方法としては、ずらし量が少ない方（又は多い方）から順に、１段目から３段目の順番に変換器３ａ〜３ｃに割当てる方法である。このように、ずらし量が少ない方から順に割当てた場合、１段目の変換器３ａに０度、２段目の変換器３ｂに６０度、３段目の変換器３ｃに１２０度がそれぞれずらし量として設定される。

図４は、各変換器３ａ〜３ｃに設定されるキャリア位相のずらし量の組合せとコンデンサ電流との対応関係を示す対応図である。ここでは、全ての組合せを候補（図４に示す番号１〜６の６通りの組合せ）としている。

作業者は、予め決められた候補の中から１つの組合せを選択して、各変換器３ａ〜３ｃにキャリア位相のずらし量を設定する。作業者は、選択した組合せに従ってずらし量を各変換器３ａ〜３ｃに設定した後、予め決められた試験条件で、電力変換装置１を運転する。作業者は、電力変換装置１の運転開始後、変換器３ａ〜３ｃに接続された平滑コンデンサ４ａ〜４ｃに流れるコンデンサ電流を測定する。これを繰り返して、全ての候補の組合せについてのコンデンサ電流を測定する（ステップＳ１２０）。

作業者は、ある組合せの設定で測定したコンデンサ電流に基づいて、その組合せの評価値を決める。ここでは、測定したコンデンサ電流をそのまま評価値としている。評価値は、平滑コンデンサ４ａ〜４ｃと寄生インダクタンスによる共振電流の量を示す値である。原則として、共振電流が少ないほど、評価は高くなる。これを全ての組合せについて行うことにより、全ての候補の組合せの評価値を決める（ステップＳ１３０）。

なお、評価値は、平滑コンデンサ４ａ〜４ｃと寄生インダクタンスによる共振電流の量が評価に含まれ、他の組合せと比較できれば、どのような値でもよい。例えば、評価値は、予め決められた１つの平滑コンデンサ４ａ〜４ｃを測定したコンデンサ電流でもよいし、複数の平滑コンデンサ４ａ〜４ｃのコンデンサ電流の平均値又は合計値などの演算処理をした値でもよい。また、銅損などのコンデンサ電流以外の要素も含めて評価値を決定してもよい。よって、共振電流が最小になる組合せが、必ずしも評価が一番高くならなくともよい。

作業者は、全ての候補の組合せの中から最も評価が高い組合せを決定する（ステップＳ１４０）。コンデンサ電流は、値が小さいほど、評価が高い。全ての組合せの中で、番号２の組合せのコンデンサ電流が２０［Ａ］で最小である。したがって、番号２の組合せが最も評価が高い組合せとして決定される。

作業者は、決定された組合せに従って、各変換器３ａ〜３ｃにキャリア位相のずらし量を設定する（ステップＳ１５０）。図４では、番号２の組合せに決定され、１段目の変換器３ａに０度、２段目の変換器３ｂに１２０度、３段目の変換器３ｃに１２０度が、それぞれずらし量として設定される。これにより、電力変換装置１の製造が完了する。

本実施形態によれば、単相交流電力と直流電力との電力変換を行う電力変換装置１の製造方法において、電力変換装置１が組立てられた状態で、コンデンサ電流が少なくなるように、各変換器３ａ〜３ｃに設定されるキャリア位相のずらし量を決定することができる。これにより、各変換器３ａ〜３ｃの構造に変更を加えずに、電力変換装置１の各変換器３ａ〜３ｃのコンデンサと寄生インダクタンスによる共振電流を抑制することができる。即ち、平滑コンデンサ４ａ〜４ｃの責務を低減することができる。また、変換器３ａ〜３ｃとキャリア位相のずらし量との全ての組合せの中から最もコンデンサ電流が少なくなる組合せを見付けることで、常に、共振電流を最も抑制する組合せで、各変換器３ａ〜３ｃにずらし量を設定することができる。

共振電流が抑制されることにより、ブスなど配線のサイズを小さくでき、銅損を小さくすることができる。また、ダンピング抵抗を無くしたり、抵抗値を小さくしたりすることができ、ダンピング抵抗による損失を低減することができる。

また、各変換器３ａ〜３ｃにずらし量を規則的に割当てる組合せのみを候補とすることで、どの候補の組合せで割当てられても、各変換器３ａ〜３ｃに設定されたずらし量を作業者が容易に把握することができる。このため、電力変換装置１のメンテナンスなどの作業の容易性を保つことができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置１Ａの構成を示す構成図である。

電力変換装置１Ａは、Ｕ相電力変換装置１ｕ、Ｖ相電力変換装置１ｖ、及びＷ相電力変換装置１ｗを備える。各相の電力変換装置１ｕ〜１ｗの直流側は、並列に接続される。電力変換装置１Ａは、三相交流電源１１ｕ，１１ｖ，１１ｗから供給される三相交流電力を直流電力に変換して、負荷１２に供給する。Ｕ相交流電源１１ｕは、三相交流電源のＵ相を表している。Ｖ相交流電源１１ｖは、三相交流電源のＶ相を表している。Ｗ相交流電源１１ｗは、三相交流電源のＷ相を表している。なお、電力変換装置１は、直流電力を三相交流電力に変換させてもよい。

各相の電力変換装置１ｕ〜１ｗは、それぞれ第１の実施形態に係る電力変換装置１と同様の構成である。Ｕ相電力変換装置１ｕにおいて、第１の実施形態に係る電力変換装置１の構成と対応する構成については、図面の符号の末尾に「ｕ」を付して、第１の実施形態に係る電力変換装置１の構成と同様であるものとして、説明を省略する。同様に、Ｖ相電力変換装置１ｖ及びＷ相電力変換装置１ｗにおいても、符号の末尾にそれぞれ「ｖ」及び「ｗ」を付して、同様に説明を省略する。

各相の電力変換装置１ｕ〜１ｗは、それぞれの相の交流電力を直流電力に変換して、負荷１２に供給する。

次に、本実施形態に係る電力変換装置１Ａの製造方法について説明する。なお、本実施形態に係る製造方法は、図３に示す第１の実施形態に係る製造方法と同様であるため、ここでは、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

各相の電力変換装置１ｕ〜１ｗのそれぞれの変換器３ａｕ，３ｂｕ，３ｃｕ，３ａｖ，３ｂｖ，３ｃｖ，３ａｗ，３ｂｗ，３ｃｗは、いずれも盤タイプで、横一列に隣接して構成されるものとする。ここでは、左端（又は右端）から順番に、Ｕ相の変換器３ａｕ〜３ｃｕ、Ｖ相の変換器３ａｖ〜３ｃｖ、Ｗ相の変換器３ａｗ〜３ｃｗの順に並べて設置されるものとする。

作業者は、電力変換装置１Ａの各変換器３ａｕ〜３ｃｕ，３ａｖ〜３ｃｖ，３ａｗ〜３ｃｗを組立てる。このとき、各変換器３ａｕ〜３ｃｕ，３ａｖ〜３ｃｖ，３ａｗ〜３ｃｗには、キャリア位相のずらし量（０度、６０度、１２０度）は、割当てられておらず、任意のずらし量を設定できる。

各変換器３ａｕ〜３ｃｕ，３ａｖ〜３ｃｖ，３ａｗ〜３ｃｗと割当てるずらし量との組合せの候補は、予め２つ以上決められている。

作業者は、予め決められた候補の中から１つの組合せを選択して、各変換器３ａｕ〜３ｃｕ，３ａｖ〜３ｃｖ，３ａｗ〜３ｃｗにキャリア位相のずらし量を設定する。作業者は、選択した組合せに従ってずらし量を設定した後、予め決められた試験条件で、電力変換装置１Ａを運転させて、平滑コンデンサ４ａｕ〜４ｃｕ，４ａｖ〜４ｃｖ，４ａｗ〜４ｃｗに流れるコンデンサ電流を測定する。これにより、設定した組合せに対応するコンデンサ電流を得る。これを繰り返して、第１の実施形態と同様に、全ての候補の組合せに対応するコンデンサ電流を測定する。

作業者は、各組合せで測定したコンデンサ電流に基づいて、第１の実施形態と同様に、全ての候補の組合せの評価値を決める。

作業者は、全ての候補の組合せの中から最も評価が高い組合せを決定する。

作業者は、決定された組合せに従って、各変換器３ａｕ〜３ｃｕ，３ａｖ〜３ｃｖ，３ａｗ〜３ｃｗにキャリア位相のずらし量を設定する。

ここで、各相の電力変換装置１ｕ〜１ｗ毎に、キャリア位相のずらし量の割当ての組合せは、第１の実施形態と同様に、６通りである。したがって、全ての変換器３ａｕ〜３ｃｕ，３ａｖ〜３ｃｖ，３ａｗ〜３ｃｗの割当ての組合せは、６通り×６通り×６通り＝２１６通りになる。２１６通りの組合せから１つの組合せを決定するのは、労力を要する。そこで、以下のようにして、作業を軽減してもよい。

各相の電力変換装置１ｕ〜１ｗがほぼ同一の構成であれば、コンデンサ電流が最小になる割当ての組合せも、各相の電力変換装置１ｕ〜１ｗにおいて、ほぼ同じになると考えられる。そこで、この場合、三相の電力変換装置１ｕ〜１ｗのうち１つにおいて、第１の実施形態と同様に、最大で６通りの組合せで、コンデンサ電流を測定して、組合せを決定する。決定された組合せを、残りの２つの電力変換装置１ｕ〜１ｗにおいても採用する。これにより、６通りの組合せを比較するだけで、全ての変換器３ａｕ〜３ｃｕ，３ａｖ〜３ｃｖ，３ａｗ〜３ｃｗのずらし量の割当ての組合せを決定できる。

作業者は、決定された組合せに従って、各変換器３ａｕ〜３ｃｕ，３ａｖ〜３ｃｖ，３ａｗ〜３ｃｗにキャリア位相のずらし量を設定することで、電力変換装置１Ａの製造が完了する。

本実施形態によれば、三相交流電力と直流電力との電力変換を行う電力変換装置１Ａの製造方法においても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、各実施形態では、電力変換装置１，１Ａが組立てられた状態で、コンデンサ電流を実際に測定する方法について説明したが、これに限らない。電力変換装置１，１Ａの構造設計が完成した後に、電力変換装置１，１Ａの構造を模擬した電気回路を用いて、コンデンサ電流をシミュレーションなどの演算処理により求めてもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…電力変換装置、２…変圧器、３ａ，３ｂ，３ｃ…変換器、４ａ，４ｂ，４ｃ…平滑コンデンサ、１１…交流電源、１２…負荷。

Claims (4)

1. 電力変換回路を構成するスイッチング素子をスイッチングするスイッチング信号を生成するために指令値と比較され、それぞれ位相が互いに異なるキャリアを発生させる複数の変換器で構成される電力変換装置の製造方法であって、
   前記複数の変換器と前記複数の変換器にそれぞれ設定される前記キャリアの前記位相との複数の組合せのそれぞれについて、前記電力変換回路を構成するコンデンサに流れるコンデンサ電流に基づいて、前記電力変換回路を構成する前記コンデンサと寄生インダクタンスによる共振電流の量が評価に含まれる評価値を決定し、
   前記複数の組合せのうち、前記評価値の示す評価が最も高い組合せを決定し、
   決定した評価が最も高い前記組合せに従って、前記複数の変換器にそれぞれ前記キャリアの前記位相を設定すること
   を含むことを特徴とする電力変換装置の製造方法。
2. 前記複数の組合せは、前記複数の変換器と前記位相との全ての組合せであること
   を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の製造方法。
3. 前記電力変換装置は、単相交流電力と直流電力との電力変換を行うこと
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置の製造方法。
4. 前記電力変換装置は、三相交流電力と直流電力との電力変換を行うこと
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置の製造方法。

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