JPH04325872A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば車両用補助電
源装置などに用いられる電力変換装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来の電力変換装置を示す回路図
であり、車両用補助電源装置の場合を示す。直流入力電
圧１５００Ｖ（変動範囲　９００Ｖ〜１８００Ｖ）を３
相交流電力　２００Ｖ（または　４４０Ｖ）の出力に変
換するものである。図において、１は直流１５００Ｖが
供給されている架線、２は架線１と接触を保つパンタグ
ラフ、３は断路器、４はヒューズ、５は高速度しゃ断器
、６は故障電流を抑制する限流抵抗器、７は入力平滑リ
アクトル、８は過渡的な充電電流を抑制する充電抵抗器
、９は充電抵抗器８と並列接続されたサイリスタである
。

【０００３】１１は入力電圧を分圧する第１のコンデン
サである入力フィルタコンデンサ、１２、１３は互いに
同定格の第１、第２のコンデンサユニットで、互いに直
列に接続されて入力フィルタコンデンサ１１を構成して
いる。１５は、入力フィルタコンデンサ１１と並列接続
された直列２重チョッパ回路、１６、１７は互いに同定
格の第１、第２のチョッパユニットで、互いに直列に接
続されて直列２重チョッパ回路１５を構成している。

【０００４】１８は第１の中点であり、入力フィルタコ
ンデンサ１１の中点であると同時に直列２重チョッパ回
路１５の中点、すなわち第１、第２のチョッパユニット
１６、１７が互いに直列接続された点になっている。１
９、２０は第１、第２のゲート・ターン・オフ・サイリ
スタ（ＧＴＯ）、２１、２２は第１、第２のダイオード
であり、第１のＧＴＯ１９と第１のダイオード２１で第
１のチョッパユニット１６を、そして第２のＧＴＯ２０
と第２のダイオード２２で第２のチョッパユニット１７
を構成している。１４は平滑用のチョッパ出力リアクト
ルである。

【０００５】２３は第１、第２のチョッパユニット１６
、１７の合成出力電圧、つまり直列２重チョッパ回路１
５の出力電圧を分圧する第２のコンデンサであるインバ
ータ入力コンデンサ、２４、２５は互いに同定格の第３
、第４のコンデンサユニットで、互いに直列に接続され
てインバータ入力コンデンサ２３を構成している。２７
はインバータ入力コンデンサ２３と並列接続された直列
２重インバータ回路、２８、２９は互いに同定格の第１
、第２のユニットインバータで互いに直列に接続されて
直列２重インバータ回路を構成している。

【０００６】３０は第２の中点であり、インバータ入力
コンデンサの中点であると同時に直列２重インバータ回
路の中点、すなわち第１、第２のユニットインバータ２
８、２９が互いに直列接続された点になっている。３１
はトランジスタモジュールであり、３相分ずつでそれぞ
れ第１、第２のユニットインバータ２８、２９を構成し
ている。３２はトランジスタ、３３は第３のダイオード
で、ともにトランジスタモジュール３１を構成している
。

【０００７】３５、３６はそれぞれ１次巻線３７、３８
が三角結線されて第１、第２のユニットインバータ２８
、２９に接続された３相の第１、第２の出力変圧器で、
２次巻線３９、４０は前者はジグザグに、そして後者は
開放星形になっていて、互いの巻線位相差が３０度にな
っている。両２次巻線３９、４０は互いに直列接続され
て交流電路４２に交流電力を供給する。４３は交流電路
４２に接続された交流出力フィルタコンデンサである。

【０００８】図５に出力変圧器の結線図を示す。第１の
出力変圧器３５の２次巻線３９は、１次巻線３７の２つ
の相に対応して各巻数がＢの２つの巻線ユニット４１が
直列になっている。第２の出力変圧器３６の２次巻線４
０の巻数はＡで、Ａ：Ｂ＝３１／２　：１（１：０．５
７７　）になっている。 以下においてＡ：Ｂを巻数比と称する。なお、両１次巻
線３７、３８は同じ巻数であるとする。

【０００９】次に動作について説明する。高速度しゃ断
器５を投入して、架線１からパンタグラフ２、断路器３
、ヒューズ４、高速度しゃ断器５、限流抵抗器６、入力
平滑リアクトル７、充電抵抗器８を介して入力フィルタ
コンデンサ１１に電圧を印加する。入力フィルタコンデ
ンサ１１が架線電圧と同値まで充電されると、サイリス
タ９を点弧して充電抵抗器８を短絡する。

【００１０】直列２重チョッパ回路の機能は、架線電圧
（定格１５００Ｖ、変動範囲　９００〜１８００Ｖ）に
対応して変動する入力フィルタコンデンサ１１の電圧を
一定電圧（　８００Ｖ）に制御して出力することである
。図６に直列２重チョッパ回路１５の基本動作を示す。 横軸はいずれも時間を表わす。第１、第２のＧＴＯ１９
、２０は　３６０Ｈｚで、同図（ａ）、　（ｂ）に示す
ように互いに位相をずらして対称的にスイッチングする
ように制御する。直列２重チョッパ回路１５の出力電圧
、すなわち第１、第２のダイオード２１、２２の合成出
力電圧は同図（ｃ）のようになってリップルの少ない電
圧が得られる。図中の電圧値は入力が１５００Ｖで、各
チョッパユニット１６、１７が　７５０Ｖの電圧をオン
オフし、合せて　８００Ｖを出力する場合を示す。また
、各部の電流は同図　（ｄ）〜（ｆ）　のようになる。

【００１１】次に、直列２重インバータ回路２７の機能
はインバータ入力コンデンサ２３の直流電圧を交流電圧
に変換することである。直列２重チョッパ回路１５でそ
の出力電圧を一定に制御するので、直列２重インバータ
回路２７で電圧制御する必要はない。そのため第１、第
２のユニットインバータ２８、２９はＰＷＭ制御しない
１パルスインバータとしている。１パルスインバータに
することにより出力電圧の高調波が少なくなり，第１、
第２の出力変圧器３５、３６の騒音が低くなる。

【００１２】第１、第２のユニットインバータ２８、２
９は出力電圧の位相が互いに３０度ずれるように制御す
る。第１、第２の出力変圧器３５、３６の巻線位相が互
いに３０度ずれているので、結局、第１、第２の出力変
圧器３５、３６の出力電圧の基本波位相は互いに一致す
る。図７に出力変圧器の出力電圧の基本波ベクトルを示
す。ｂ１、ｂ２はそれぞれ第１の出力変圧器３５の２次
巻線３９を構成する巻線ユニット４１の１つ分の電圧を
示し、２つ分を合成したベクトルをｃで示す。第２の出
力変圧器３６の２次巻線４０の電圧を示すベクトルａと
ベクトルｃは同位相で同じ大きさになる。

【００１３】第１、第２の出力変圧器３５、３６の２次
巻線３９、４０の電圧を合成した出力電圧の波形は図８
のようになり（半サイクル分のみ示す）、高調波の一部
は相殺除去され、残る高調波は（１２ｎ±１）次（ｎは
正の整数）のみになる。ただし、図中のＥｄはユニット
インバータ１つ当たりの電圧を示す。

【００１４】図４に戻り、交流電路４２の電圧は出力電
圧検出回路５０で検出され、出力電圧基準５１と加算器
５２で比較される。一方、直列２重チョッパ回路１５の
出力電圧はチョッパ出力電圧検出回路５３で検出され、
定電圧基準５４および加算器５２の出力とともに加算器
５５で比較され、その出力がチョッパ制御回路５６へ送
られて直列２重チョッパ回路１５が制御される。以上に
より交流電路４２の電圧を所定の値に制御する。また、
周波数基準５７からの信号を受けたインバータ制御回路
５８により直列２重インバータ回路２７が制御され、交
流電路の電圧の周波数が所定の値に保たれる。

【００１５】図９に各部の電圧、電流と電力の流れを示
す。前述のように第１、第２の出力変圧器３５、３６の
２次巻線３９、４０を巻数比Ａ：Ｂ＝１：０．５７７　
にすることにより、各出力変圧器３５、３６の基本波出
力電圧ｖａ、ｖｃは互いに等しくなり、第１のユニット
インバータ２８から第１の出力変圧器３５を通じて負荷
（図示せず）に供給する電力ＰＡと、第２のユニットイ
ンバータ２９から第２の出力変圧器３６を通して供給す
る電力ＰＣは等しくなる（ＰＡ＝ＰＣ）。また、両出力
変圧器３５、３６の基本波１次電流ｉａ、ｉｃは互いに
等しくなり（ｉａ＝ｉｃ）、したがって第１、第２のユ
ニットインバータ２８、２９の入力直流電流ＩＡ、ＩＣ
も互いに等しくなり、第２の中点３０へ流入する直流電
流（ＩＡ−ＩＣ）は零になる。このため、第３、第４の
コンデンサユニット２４、２５の電圧が一定値に保持さ
れる。

【００１６】ところが、もし両出力変圧器３５、３６の
２次巻線の巻数比Ａ：Ｂ≠１：０．５７７　のとき両出
力変圧器３５、３６においてｉａ≠ｉｃとなり、第１、
第２のユニットインバータ２８、２９の入力直流電流Ｉ
ＡとＩＣの間に差異が生じる（ＩＡ≠ＩＣ）。このため
第２の中点３０へ流入する電流は零でなくなり、例えば
ＩＡ＞ＩＣの場合、第３のコンデンサユニット２４の電
圧が下降する一方、第４のコンデンサユニット２５の電
圧は上昇し、両者間に電圧不平衡が生じる。（ＩＡ−Ｉ
Ｃ）の絶対値が小さくても、第３、第４のコンデンサユ
ニット２４、２５にこの差電流が積分されるため、両者
間の電圧不平衡は大きくなる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】従来の電力変換装置は
以上のように構成されているので、第１の出力変圧器と
、第２の出力変圧器の２次巻線の巻数比を正確に１：０
．５７７　にする必要があった。一方、出力変圧器の設
計上からは、その容量などから、巻線１ターン当たりの
電圧として好ましい値が定まっており、経済的に設計す
るためにはこれを考えずに巻数を自由に選ぶわけにはい
かない。特に、２次電圧が低くて２次巻線の巻数が少な
いときは、上記巻数比１：０．５７７　を満足する整数
の組合せは限られた数になる。したがって、上記巻数比
を１：０．５７７　にするために、止むを得ず、上記の
ような巻線１ターン当たりの電圧として好ましい値から
大きく外れた値で出力変圧器を設計しなければならない
場合が多く、そのようなときは出力変圧器のコスト、寸
法、重量損失が増大するなどの問題点があった。

【００１８】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、第１の出力変圧器と第２の出力
変圧器の２次巻線の巻数比が正確に１：０．５７７　で
なくても第２のコンデンサを構成するコンデンサユニッ
トに電圧不平衡が生じない電力変換装置を得ることを目
的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】この発明に係る電力変換
装置は、２つのチョッパユニットの接続点と２つのユニ
ットインバータの接続点とを、リアクトルを介して接続
したものである。

【００２０】

【作用】第１の出力変圧器と第２の出力変圧器の２次巻
線の巻数比が正確に１：０．５７７でない場合、２つの
ユニットインバータの接続点に流れ込む電流は零になら
ないが、この電流はリアクトルを通してチョッパユニッ
トへ流れるため、第２のコンデンサを構成するコンデン
サユニットに電圧不平衡が生じない。

【００２１】

【実施例】図１はこの発明の一実施例による電力変換装
置を示す回路図であり、図において、６０は両端がそれ
ぞれ第１の中点１８および第２の中点３０に接続された
リアクトルであり、その他は第４図の場合と同様である
ので説明を省略する。

【００２２】図２は図１の電力変換装置の動作を示す回
路図である。第１の出力変圧器３５と第２の出力変圧器
３６の２次巻線３９、４０の巻数比が正確に１：０．５
７７　でない場合、前述のようにＩＡ−ＩＣ≠０となる
が、第２の中点３０がリアクトル６０を介して第１の中
点１８と接続されているので、電流（ＩＡ−ＩＣ）がリ
アクトル６０を通して第１の中点から第１または第２の
ダイオード２１、２２へと流れていく。したがって、第
３、第４のコンデンサユニットに過電圧等が生じず、電
圧平衡が保たれる。

【００２３】この電圧平衡保持は次のように考えても理
解できる。いま、チョッパ出力リアクトル１４とリアク
トル６０のインピーダンスを両者とも交流（チョッパ周
波数）に対しては無限大で、直流に対しては零であると
単純化して考える。そうすると直流的には第１のダイオ
ード２１の電圧と第３のコンデンサユニット２４の電圧
が等しくなる。つまり第１のダイオード２１の平均電圧
と第３のコンデンサユニット２４の平均電圧が等しい。 同様に、第２のダイオード２２の平均電圧と第４のコン
デンサユニット２５の平均電圧が等しくなる。第１と第
２のチョッパユニット１６、１７は互いに対称的に制御
しているため出力電圧、すなわち第１、第２のダイオー
ド２１、２２の平均電圧は互いに等しい。したがって、
第３、第４のコンデンサユニット２４、２５の平均電圧
は互いに等しくなり、電圧不平衡が生じることはない。 以上により、両出力変圧器３５、３６の２次巻線３９、
４０の巻数の選定の自由度が大きくなる。

【００２４】リアクトル６０に流れる交流電流成分を少
なくするため、そのリアクタンス値は平滑用のチョッパ
出力リアクトル１４のリアクタンス値に比べて大きくし
ている。また、リアクトル６０は鉄心でも空心でもよい
が、小形化するためには鉄心リアクトルが有利である。 ただし、鉄心リアクトルの場合はリアクトル６０に流れ
る直流電流（ＩＡ−ＩＣ）によって鉄心が飽和しないよ
うにする必要がある。

【００２５】図３はこの発明の他の実施例による電力変
換装置を示す回路図であり、第１の中点１８と第２の中
点３０の間にリアクトル６０と抵抗６１を設けている。 万一、リアクトル６０が飽和したときに流れる異常電流
が、抵抗６１により低減される。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば２つの
チョッパユニットの接続点と２つのユニットインバータ
の接続点とをリアクトルを介して接続するように構成し
たので、両出力変圧器の２次巻線の巻数比が正確に１：
０．５７７　でなくても第３、第４のコンデンサユニッ
トに電圧不平衡が生じない。そのため、出力変圧器の２
次巻線の巻数の選定の自由度が大きくなり、両出力変圧
器のコスト、寸法、重量、損失を低減できる効果がある
。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による電力変換装置を示す
回路図である。

【図２】図１の電力変換装置の動作を示す回路図である
。

【図３】この発明の他の実施例による電力変換装置を示
す回路図である。

【図４】従来の電力変換装置を示す回路図である。

【図５】図４の電力変換装置の出力変圧器の結線図であ
る。

【図６】図４の電力変換装置の直列２重チョッパ回路の
動作を示す説明図である。

【図７】図４の電力変換装置の出力変圧器の出力電圧を
示すベクトル図である。

【図８】図４の電力変換装置の出力電圧の波形図である
。

【図９】図４の電力変換装置の動作を示す回路図である
。

【符号の説明】

１１　　入力フィルタコンデンサ １６　　第１のチョッパユニット １７　　第２のチョッパユニット １８　　第１の中点 ２３　　インバータ入力コンデンサ ２８　　第１のユニットインバータ ２９　　第２のユニットインバータ ３０　　第２の中点 ３５　　第１の出力変圧器 ３６　　第２の出力変圧器 ３７　　第１の出力変圧器の１次巻線 ３８　　第２の出力変圧器の１次巻線 ３９　　第１の出力変圧器の２次巻線 ４０　　第２の出力変圧器の２次巻線 ６０　　リアクトル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　直流入力電圧を２つの電圧に分圧する
   第１のコンデンサ、この第１のコンデンサにより分圧さ
   れた各電圧で動作する互いに直列接続された２つのチョ
   ッパユニット、これらチョッパユニットの合成出力電圧
   を２つの電圧に分圧する第２のコンデンサ、この第２の
   コンデンサにより分圧された各電圧で動作する互いに直
   列接続された２つのユニットインバータ、および、１次
   巻線がそれぞれ上記ユニットインバータに接続されると
   ともに２次巻線が互いに直列接続された互いに３０度の
   巻線位相差を有する３相の２つの出力変圧器を備えた電
   力変換装置において、上記２つのチョッパユニットが互
   いに直列接続された点と、上記２つのユニットインバー
   タが互いに直列接続された点とをリアクトルを介して接
   続したことを特徴とする電力変換装置。