JPH0221221B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は複数台のサイクロコンバータからな
る電力変換システムに係り、特にサイクロコンバ
ータが発生する入力側高調波電流中の特定の高調
波成分を低減するのに適した電力変換システムに
関するものである。

〔発明の技術的背景〕

サイクロコンバータは、その転流動作が電源転
流を用いて無理なく行なえるため大容量化が容易
であることから、最近大容量のものが製作される
ようになつた。

そしてこのサイクロコンバータを用いて誘導電
動機を可変速運転することが広く行なわれてい
る。

第１図はサイクロコンバータの基本的な構成図
を示したものであり、３相６パルスブリツジ構成
で、非循環電流方式で動作する場合の構成図であ
る。このサイクロコンバータ２５は入力トランス
２０５および電力変換部３０５からなつている。
入力トランス２０５は１組の１次巻線２０５１お
よび３組の２次巻線２０５２Ｕ，２０５２Ｖ，２
０５２Ｗを持つており、１次巻線２０５１は３相
入力電源１０に接続されている。電力変換部３０
５は各相ごとに逆並列接続された２組の３相６パ
ルスブリツジからなる単位相変換部３０５１Ｕ，
３０５１Ｖ，３０５１Ｗからなつている。これら
の各単位相変換部からそれぞれ相出力導線Ｕ３０
５，Ｖ３０５，Ｗ３０５および共通の中性線Ｎ３
０５が電力変換部３０５およびサイクロコンバー
タ２５の出力導線として導出されている。相出力
導線Ｕ３０５，Ｖ３０５，Ｗ３０５および中性線
Ｎ３０５は負荷として接続された誘導電動機４０
５に接続されている。

第２図も同様にサイクロコンバータの基本的な
構成図を示したものであるが、変換容量の大容量
化に対処するため、第１図における出力各相の電
力変換部を２段縦続接続した構成をとつている。
このサイクロコンバータ２３は入力トランス２０
３および電力変換部３０３からなつている。入力
トランス２０３は１組の１次巻線２０３１および
各相２組都合６組の２次巻線２０３２Ｕ１，２０
３２Ｕ２，２０３２Ｖ１，２０３２Ｖ２，２０３
２Ｗ１，２０３２Ｗ２を持つており、１次巻線２
０３１は３相入力電源１０に接続されている。電
力変換部３０３は第１図のものと同様構成の各相
直列接続の２組の単位相変換部３０３１Ｕ１，３
０３１Ｕ２，３０３１Ｖ１，３０３１Ｖ２，３０
３１Ｗ１，３０３１Ｗ２からなつている。各相か
らそれぞれ相出力導線Ｕ３０３，Ｖ３０３，Ｗ３
０３および共通の中性線Ｎ３０３が電力変換部３
０３およびサイクロコンバータ２３の出力導線と
して導出され、これらが負荷としての誘導電動機
４０３に接続されている。このように大容量化に
対処するためには、各相の変換部を３段、４段と
増していけばよい。

ところで、このようなサイクロコンバータを用
いて電力変換を行なう場合には、入力電源側に大
きな高調波電流が発生することが知られている。
例えば第１図に示すサイクロコンバータを正弦波
サイクロコンバータとして動作させた時には、入
力電源１０には次に示す第(1)式のような周波数_h
の高調波電流が流れる。

_h＝｜（6P±１）_i±6n_p｜ ……(1) 但しＰ＝０〜∞ ｎ＝０〜∞ ここで_iは入力電源の周波数、_pはサイクロコ
ンバータの出力周波数、_hは入力電源に流れる高
調波電流の周波数である。サイクロコンバータ
は、可変の出力周波数_pで運転されるため、高調
波電流の周波数_hは一定でなく、_pに応じて変化
することが特徴である。

又、ある周波数の高調波の発生量は、かなり大
きな値になることも知られている。さらに第２図
に示した構成のサイクロコンバータの場合には、
高調波電流の発生原理はほぼ第(1)式に基づくもの
ではあるが、それ以外の高調波も発生することが
知られている。

このようにサイクロコンバータは、入力電源中
に複雑な高調波電流を発生するが、最近このサイ
クロコンバータを１つの生産工程の中に多数台使
用することが多くなつてきている。又、その設備
容量も非常に大きくなつてきている。このため、
これらの生産工程においては、サイクロコンバー
タの発生する高調波電流が商用電源などに流れ出
さないようにするため入力電源側に種々のフイル
タを挿入するなどの対策を立てている。しかし、
サイクロコンバータはその動作上、第(1)式に示す
ように高調波電流の周波数_oが出力周波数_pによ
つて変化するため、完全な対策を立てることが困
難である。また対策を立てた場合にもフイルタ容
量が大きくなつてしまうので、設備コスト上昇の
原因になり問題になつている。

したがつて、できればサイクロコンバータそれ
自体が高調波電流を発生しないように設計するこ
とが望ましい。

〔背景技術の問題点〕

第３図は、例えば圧延工程などの生産工程に６
台のサイクロコンバータを用いた装置である（以
後このような工程を電力変換システムと呼ぶ）。
本図においては、簡略化のために全てを単線結線
図で示している。１０は３相入力電源であり、通
常は商用電源である。５０は入力電源１０に接続
された高調波電流対策用のフイルタであり、電力
変換システム内のサイクロコンバータが発生する
高調波電流が入力電源１０に流れ出さないように
動作する。しかし一般には、全ての高調波電流を
阻止することは難かしく、高調波電流の発生量が
特に大きい入力周波数_iの５，７倍の周波数成分
に対して主してフイルタ作用を有するような構成
をとる場合が多い。６０は例えば被圧延物であ
り、上流側の点６０１側から下流側の点６０２側
に向つて流れて、その形状が大形から小形に圧延
されて行く。したがつて点６０１に近い方では、
より大きな圧延動力が必要であり、点６０２に行
くにしたがつて圧延動力が小さくてもよくなる。
このような圧延工程に対処するために、上流側の
サイクロコンバータ２１および２２は大容量化の
ため３段縦続接続構成をとつている。中間のサイ
クロコンバータ２３，２４は、２段縦続接続構成
を、下流側のサイクロコンバータ２５，２６は１
段構成をとつている。サイクロコンバータ２１は
入力トランス２０１および３段縦続接続構成の電
力変換部３０１からなつており、圧延機駆動用３
相誘導電動機４０１に３相電力を供給する。以下
同様に、第２のサイクロコンバータ２２は入力ト
ランス２０２および３段縦続接続構成の電力変換
部３０２からなつており、誘導電動機４０２に３
相電力を供給する。第３のサイクロコンバータ２
３は入力トランス２０３および２段縦続接続構成
の電力変換部３０３からなつており、誘導電動機
４０３に３相電力を供給する。第４のサイクロコ
ンバータ２４は入力トランス２０４および２段縦
続接続構成の電力変換部３０４からなつており、
誘導電動機４０４に３相電力を供給する。第５の
サイクロコンバータ２５は入力トランス２０５お
よび１段構成の電力変換部３０５からなつてお
り、誘導電動機４０５に３相電力を供給する。第
６のサイクロコンバータ２６は入力トランス２０
６および１段構成の電力変換部３０６からなつて
おり、誘導電動機４０６に３相電力を供給する。

さてこのように構成した従来の電力変換システ
ムにおいては、３相誘導電動機４０１，４０２が
ほぼ同一容量であるとするとサイクロコンバータ
２１，２２は全く同じ構成のものを設置し、同じ
理由からサイクロコンバータ２３，２４およびサ
イクロコンバータ２５，２６にも全く同じ構成の
ものを設置することが多い。

このように同じ構成のサイクロコンバータを単
にその容量にあわせて増設していく方法は、標準
的構成のサイクロコンバータを用意しておけば良
いので便利である。

しかしこのような多数台のサイクロコンバータ
を用い、しかも大容量のサイクロコンバータを用
いる電力変換システムでは入力電源に流れ出す高
調波電流が問題となるため、その対策としてのフ
イルタ５０に多大の経費を必要とする。したがつ
て前述した利点を相殺してしまうような場合が多
い。

第４図は、第３図に示す回路において、ある運
転状態で入力電源１０に流れる電流の高調波成分
を計算機シミユレーシヨンによつて求めたスペク
トラム図である。横軸に高調波次数N〓＝_h／_iを
とり、縦軸に基本波を100％として規準化した高
調波成分の含有量をとつて示す。第４図から明ら
かなように、第３図に示すような電力変換システ
ムにおいては、個々のサイクロコンバータが任意
の出力周波数で運転されているため、複雑な高調
波周波数成分が発生していることが分る。例えば
第５次の高調波成分については12％、第７次につ
いては８％、第11次については４％、第13次につ
いて３％およびそれらの側帯波成分もかなりの量
発生していることがわかる。このスペクトラム図
からもわかるように第５次および第７次の高調波
成分は、その発生量が特に大きく、その周囲の側
帯波も大きいため、これらの成分に対する高調波
対策だけを考えても、それらの対策のためのフイ
ルタの容量が大きなものになることが理解でき
る。

したがつて、圧延工程などに多数台のサイクロ
コンバータを使用し、その設備容量も大きい場合
にはフイルタによる高調波電流対策だけでは対処
できない場合もでてくる。

〔発明の目的〕

この発明の目的は、多数台のサイクロコンバー
タを運転するときに問題となる入力電源側の高調
波電流を低減する電力変換システムを提供するこ
とにある。

〔発明の概要〕

この発明では、ほぼ等しい負荷を分担し、同一
構成から成るサイクロコンバータで構成された単
位グループを作り、この単位グループ内のサイク
ロコンバータをさらに第１群と第２群とに分割
し、前記第１群に属するサイクロコンバータと前
記第２群に属するサイクロコンバータとに供給さ
れる入力電圧の位相角が所定の角度だけ異ならせ
る位相変成トランスを設けて上記目的を達成する
ようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下この発明の実施例を図面に基づいて詳細に
説明する。

第５図は、この発明の一実施例を示す構成図で
ある。第３図に示したと同一部分は、同一記号を
付してある。第５図においてサイクロコンバータ
２１と２２，２３と２４，２５と２６は第３図の
装置において述べたようにそれぞれほぼ等しい負
荷を負い、同一構成になつているものとする。こ
の時サイクロコンバータ２１と２２，２３と２
４，２５と２６をそれぞれ第１の単位グループと
称する。

したがつてこの場合には、単位グループが３組
形成されることになる。７０１は位相変成トラン
スであつて、これは入力電圧と出力電圧との間の
位相を所定の位相角すなわち第１の位相角だけず
らす作用を持つている。７０２，７０３の同様に
第１の位相変成トランスであり、第１の位相変成
トランス７０１と同様な動作をおこなう。

第３図に示した従来の電力変換システムと異な
る点は、この第１の位相変成トランス７０１，７
０２，７０３を設置した点にある。位相変成トラ
ンス７０１，７０２，７０３はそれぞれ１次巻線
７０１１，７０２１，７０３１および２次巻線７
０１２，７０２２，７０３２を持つている。位相
変成トランス７０１，７０２，７０３の設置は次
のようにしておこなう。

まずほぼ等しい電力、同一構成のサイクロコン
バータを集めて第１の単位グループを３組形成し
たが、例えば単位グループ２１と２２の中の一
方、すなわち２１を第１群サイクロコンバータと
称し、２２を第２群サイクロコンバータと称せ
ば、第２群サイクロコンバータ２２の方へ第１の
位相変成トランス７０１を挿入し、同様に２３と
２４から成る単位グループにおいては第２群サイ
クロコンバータ２４の方に第１の位相変成トラン
ス７０２を、又２５と２６の単位グループにおい
ては、第２群サイクロコンバータ２６の方に第１
の位相変成トランス７０３を挿入する。

これによつて、２１と２２から成る単位グルー
プでは第１群サイクロコンバータ２１への入力電
圧の位相が、第２群サイクロコンバータ２２への
入力電圧位相に比べて前述した第１の位相角だけ
ずれることになる。

同様にして他の単位グループにおいても第１群
サイクロコンバータへの入力電圧の位相が、第２
群サイクロコンバータへの入力電圧位相と比べて
第１の位相角だけずれることになる。

次にこのようにして構成された電力変換システ
ムの動作について説明する。まず入力電源側の高
調波電流に関してであるが、その発生を解析的に
求めることは、サイクロコンバータの動作が複雑
であるので、一般には困難である。特に縦続接続
されたサイクロコンバータを用いて制御を行つて
いる場合には、制御法が多岐にわたるため、解析
式の導入は不可能である。そこで、第５図に示し
た回路の計算機によるシミユレーシヨンで入力電
源側の電流波形を求め、特性解析を行つた。

種々の条件で計算を行なつたところ、第５図に
示した電力変換システムの構成において、第１の
位相変成トランス７０１，７０２，７０３によつ
て入力電圧位相を第１の位相角だけずらすと、入
力電源側に流れる電流の中の特定の高調波成分が
格段に減少することを発見した。

種々の条件で、その減少具合を調べたところそ
の減少の仕方は、同一構成のサイクロコンバータ
で、ほぼ同じ負荷を負うものについては、出力電
圧の大小にかかわらず、負荷力率の相違にもかか
わらず、又出力周波数が相違しても特定の高調波
電流が低減されることが明らかとなつた。

このようなシミユレーシヨン結果をふまえて第
５図の回路において第１の位相変成トランス７０
１，７０２，７０３で第１の位相角を30゜に設定
した場合の入力電源電流中の高調波成分のスペク
トラムを示したのが第６図である。

従来の電力変換システムでの結果を示す第４図
と比較してみると、第５次および第７次の高調波
が減少し、その周囲の側帯波も大幅に低減されて
いることが解る。

次に、第１の位相変成トランス７０１，７０
２，７０３の第１の位相角を15゜に設定して計算
をおこなつたところ、第11次および第13次の高調
波を減少し得ることがわかつた。

これらの結果から位相変成トランス７０１，７
０２，７０３を用いて第１の位相角を適当に設定
してやれば、任意の高調波成分を低減できること
になる。

第７図は、この発明の他の実施例を示す電力変
換システムの構成図である。

第５図に示した第１の実施例では、単位グルー
プを構成するサイクロコンバータが２台であつた
が、単位グループ内のサイクロコンバータの数は
２台である必要はなく、本実施例の場合には３台
の場合を示している。

電力変換器の構成が同じ変換器３０１，３０
２，３０３を選び、その中で変換器３０２と３０
３の容量が変換器３０１の容量とほぼ同じ場合に
はサイクロコンバータ２１，２２，２３で単位グ
ループを作るが、第１群サイクロコンバータを２
１とし、第２群サイクロコンバータを２２と２３
にする。

同様にサイクロコンバータ２４，２５，２６で
単位グループを作り、サイクロコンバータ２４と
２５とで第１群のサイクロコンバータを構成し、
サイクロコンバータ２６を第２群サイクロコンバ
ータとする。そして、第２群サイクロコンバータ
の入力側に第１の位相変成トランス７０１，７０
２を挿入する。このように構成したものでも入力
電源側の高調波電流低減効果には変わりはない。

第８図は、この発明のさらに他の実施例を示す
ものである。第８図に於ては、４台のサイクロコ
ンバータ２１〜２４が使用され、しかもそれら４
台のサイクロコンバータが同一構成で、しかもほ
ぼ同じ容量のものである場合を示している。

まずサイクロコンバータ２１と２２とで１組の
単位グループを作成し、サイクロコンバータ２３
と２４とで他の単位グループを作る。そして、サ
イクロコンバータ２２と２４の入力側に第１の位
相変成トランス７０１，７０２を挿入して第１の
位相角だけ入力電圧と出力電圧の位相をずらす。

次に、サイクロコンバータ２１と２２および位
相変成トランス７０１を１組として第１のグルー
プ２１Ａを構成し、またサイクロコンバータ２３
と２４および位相変成トランス７０２を他の組と
する第２のグループ２３Ａを構成する。

そして第２のグループ２３Ａと入力側に第２の
位相変成トランス８０１を挿入して、入力電圧位
相と出力電圧位相をある角度すなわち第２の位相
角だけずらす。

このように構成すると、第１の位相変成トラン
ス７０１，７０２による第１の位相角によつて第
１の高調波を低減し、第２の位相変成トランス８
０１による第２の位相角によつて第２の高調波を
低減するようにできる。例えば、第１の位相角を
30゜、第２の位相角を15゜に設定したとすると、前
述したように入力電源側に流れる高調波電流の第
５次、第７次および第11次、第13次成分を低減さ
せることができる。

以上の説明においては、グループ分けしたサイ
クロコンバータに対して独立した位相変成トラン
スを挿入していたが、この位相変成トランスは独
立の回路要素を用いなくても実現することができ
る。

すなわち、例えば第５図に示すようなシステム
において第１の位相変成トランス７０１の作用を
入力トランス２０２の巻線を工夫して兼ねさせ、
同様に第１の位相変成トランス７０１，７０３の
作用をそれぞれ入力トランス２０４，２０６に兼
ねさせるようにすることによつても実現できる。

このようにすれば、第１の位相変成トランス７
０１，７０２，７０３を削除しても同様の効果を
発揮できる。

通常の装置設計においては、入力トランスの巻
線配置を工夫して専用の位相変成トランスを削除
する方が便利である。

〔発明の効果〕

以上実施例に基づいてこの発明を詳細に説明し
たが、この発明においては、複数台のサイクロコ
ンバータをグループ分けして、そのグループ内を
第１群と第２群のサイクロコンバータにさらに分
割して、第１群に属するサイクロコンバータと第
２群に属するサイクロコンバータとに供給される
入力電圧の位相角を一定の角度だけ異ならせる位
相変成トランスを設けることにより、入力電源側
に流入する高調波電流を格段に低減できるという
効果がある。

したがつて従来高調波対策用として挿入されて
いたフイルタ回路が不用になり、コストの引き下
げに役立ち、しかも同一電源系統に接続される他
の機器への影響を大幅に低減できるので多数台の
サイクロコンバータを使用するシステムへの適用
において優れた効果を発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ従来のサイクロ
コンバータの基本的構成を示す構成図、第３図は
従来の電力変換システムの構成図、第４図は従来
の電圧変換システムにおける入力電源電流中の高
調波成分を示すスペクトラム図、第５図はこの発
明の第１の実施例を示す構成図、第６図は第１の
実施例による入力電源電流中の高調波成分のスペ
クトラム図、第７図はこの発明の第２の実施例を
示す構成図、第８図はこの発明の第３の実施例を
示す構成図である。 １０……３相入力電源、２１，２２，２３，２
４，２５，２６……サイクロコンバータ、７０
１，７０２，７０３……第１の位相変成トラン
ス、８０１……第２の位相変成トランス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 同一の入力電源から電力供給をうけて動作す
   る複数のサイクロコンバータを有してなる電力変
   換システムにおいて、ほぼ等しい負荷を分担し、
   同一構成からなる複数のサイクロコンバータで構
   成された単位グループをつくり、この単位グルー
   プ内のサイクロコンバータをさらに第１群と第２
   群とに分割し、前記第１群に属するサイクロコン
   バータと前記第２群に属するサイクロコンバータ
   に供給される両入力電圧の位相角を所定の角度だ
   け異ならせる位相変成トランスを具備したことを
   特徴とする電力変換システム。 ２ 前記位相変成トランスがサイクロコンバータ
   に入力電圧を供給する入力トランスの一部である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電
   力変換システム。