JPH0734629B2

JPH0734629B2 - 電力変換器

Info

Publication number: JPH0734629B2
Application number: JP62141855A
Authority: JP
Inventors: 健明朝枝
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-06-05
Filing date: 1987-06-05
Publication date: 1995-04-12
Anticipated expiration: 2010-04-12
Also published as: JPS63305723A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明はバッテリによる無停電電源の機能を有し交流
−交流の電力変換を行う電力変換器に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

第７図は例えば、富士時報Vol58,No.11（1985年発行）6
84ページに示された従来の電力変換器を示す回路構成図
であり、図において１は交流入力電源、２はこの交流入
力電源１に接続された第１のダイオード整流器、３は前
記第１のダイオード整流器２の出力側に接続されたコン
デンサ、４は前記第１のダイオード整流器２の出力側に
接続されたチョッパ、５及び６は前記チョッパ４の出力
側に接続されたリアクトル及びコンデンサ、７はこのコ
ンデンサ６に並列に接続されたバッテリ、８は前記バッ
テリ７及びコンデンサ６に接続された第１のインバー
タ、９は前記第１のインバータ８の出力側に接続された
第１の変圧器、10はこの第１の変圧器９の出力側に接続
された第２のダイオード整流器、11及び12は前記第２の
ダイオード整流器10の出力側に接続されたリアクトル及
びコンデンサ、13は前記コンデンサ12に接続された第２
のインバータ、14及び15は前記第２のインバータ13の出
力側に接続されたリアクトル及びコンデンサ、16はコン
デンサ15に接続された交流負荷である。

次に動作について説明する。まず、交流入力電源１の交
流電圧は第１のダイオード整流器２によって整流され、
コンデンサ３により平滑化された直流電圧を得ている。
チョッパ４は直流−直流の電力変換を行い、フイルタと
して作用するリアクトル５及びコンデンサ６を介してバ
ッテリ７の電圧を制御する。第１のインバータ８はいわ
ゆる電圧形のインバータであり、このバッテリ７の直流
電圧を交流電圧に変換し、変圧器９を介して第２のダイ
オード整流器10によって再び直流電力に変換する。この
第２のダイオード整流器10の直流出力電圧はフイルタと
して作用するリアクトル11及びコンデンサ12によって平
滑化される。第２のインバータ13によって前記コンデン
サ12の直流電圧を交流電圧に変換し、フイルタとして作
用するリアクトル14及びコンデンサ15を介して交流負荷
16に交流電力を供給している。ここで上記変圧器９は交
流入力電源１と交流負荷16間を絶縁する機能を有してい
る。またチョッパ４、第１及び第２のインバータ８及び
13のスイッチング素子としてパワーMOSFETが使用され、
高周波でスイッチング動作されることにより、フイルタ
として作用するリアクトル5,11,14とコンデンサ6,12,15
及び変圧器９を小型化している。また第２のインバータ
13はPWM制御を行うことにより、波形歪の小さい交流出
力電圧を交流負荷16に供給している。

そして、定常運転時にチョッパ４は第１のダイオード整
流器２を介してバッテリ７を充電しつつ、第１及び第２
のインバータ8,13を介して交流負荷16に電力を供給する
ように動作する。また交流入力電源１が停電した時には
チョッパ４は動作を停止し、バッテリ７から第１及び第
２のインバータ8,13を介して交流負荷16に電力を供給す
るように動作する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の電力変換器は以上のように構成されているので、
交流入力電源の電流の歪が大きいこと、また、チョッパ
４の電力容量が大きくなること、定常運転時には多数の
電力変換器を介して交流電力を得ているために効率が悪
く、また負荷を急に遮断した場合にはリアクトル11のエ
ネルギーをコンデンサ12で吸収しなければならないため
に第２のインバータの入力直流電圧が急上昇して過電圧
になること、また、フイルタの構成数が多いなどの問題
点があった。

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、交流入力電源の電流歪を低減し、かつ力率を
１にでき、また電力変換器の変換効率を向上できるとと
もに、第２のインバータの入力直流電圧の過電圧を抑制
することができる電力変換器を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る電力変換器は従来のチョッパを省略し
て、第１の変圧器の入力側の第１のインバータを電流制
御型で構成するとともに、第２のインバータの入力側に
第３のインバータを設けて第２の変圧器及び第３のダイ
オード整流器を介してバッテリ７を充電するようにし、
前記バッテリの放電はスイッチを介して第１のダイオー
ド整流器の出力側から行うように回路構成したものであ
る。

〔作用〕

この発明における電力変換器は第１のインバータで入力
電流の瞬時波形制御を行い、交流入力電源の電流を正弦
波状に制御するとともに、第３のインバータによりバッ
テリを充電し、停電時には前記第３のインバータの動作
を停止させ、前記バッテリからスイッチを介して第１の
インバータ及び第２のインバータによって交流負荷に電
力を供給する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。図
中、第７図と同一の部分は同一の符号をもって図示した
第１図において、20は第１のダイオード整流器２の出力
側に接続されたリアクトル、8aは前記リアクトル20に直
列接続された第１のインバータであって第１の変圧器９
を介して第２のダイオード整流器10に接続される、21は
前記第２のダイオード整流器10の出力側に接続された第
３のインバータ、22は前記第３のインバータ21の出力側
に接続された第２の変圧器、23は前記第２の変圧器22の
２次側に接続された第３のダイオード整流器、24は前記
第３のダイオード整流器23の出力側に接続されたリアク
トルであって、バッテリ７に接続される。25はスイッチ
（例えば、サイリスタ等の自己消弧形半導体スイッチ）
であって、前記バッテリ７と上記第１のダイオード整流
器２の出力側との間に、該バッテリ７から第１のダイオ
ード整流器２の出力側へ導通する向きに接続される。

次に動作について説明する。まず、通常運転時にはスイ
ッチ25はオフされている。よって交流入力電源１の交流
電圧は第１のダイオード整流器２によって整流され、ま
た前記交流入力電源１の交流電源は第１のインバータ8a
によってリアクトル20を介して正弦波状に制御される。
前記第１のインバータ8aは第２及び第３のインバータ13
及び21と異なり、入力側にリアクトル20を設けて電流制
御型のPWM制御を行う。続いて、第１のインバータ8aの
具体的な実施例を第２図を参照して以下に説明する。第
２図は単相の交流入力電源１に対する第１及び第２のダ
イオード整流器２及び10と、第１のインバータ8aの構成
例であり、各々単相ブリッジ接続している。また、第３
図には前記第２図の第１のインバータ8aの動作波形を示
す。第１のインバータ8aは高い周波数でスイッチング制
御され、交流入力電源１の電圧Vaに同相で正弦波状に瞬
時波形制御される。Vdは第１のダイオード整流器２の直
流出力電圧の波形を示しており、前記第１のダイオード
整流器２の直流出力電流Idをこの直流出力電圧Vdと相似
な波形になるように第１のインバータ8aで制御する。例
えば第２図の直流出力電流Idを示す第３図の波形中に破
線で図示した電流基準値Isに対して、時刻t₁〜t₂の期間
では第１のインバータ8aのアーム素子（MOSFETで構成し
ている）S₁とS₃を同時にオンし、直流短絡を生じさせ
る。この直流出力電流Idはリアクトル20のみによって制
御されてΔＩだけ上昇する。

ここで、Ｌはリアクトル20のインダクタンスである。

直流出力電流Idが電流基準値Isを越えると、アーム素子
S₃をオフし、アーム素子S₄をオンする。このアーム素子
S₁とS₄がオンしている期間t₂〜t₃では直流出力電流Idは
第１のインバータ8aを介して第１の変圧器９及び第２の
ダイオード整流器２を通ってコンデンサ12側に流れる。
いわば、時刻t₁〜t₂の期間にリアクトル20に蓄えられた
エネルギーを次の時刻t₂〜t₃の期間にコンデンサ12側へ
放出するように動作する。t₂〜t₃期間の直流出力電流Id
の減少分ΔI_Aは次のようになる。

ここで、Vcはコンデンサ12の電圧、ｎは第１の変圧器９
の巻線比である。

すなわち、第１のインバータ8aの出力電圧nVcは第１の
ダイオード整流器２の直流出力電圧Vdよりも大きくなる
ようにｎ及びVcは設定されなければならない。直流出力
電流Idが電流基準値Isよりも低下するとアーム素子S₁を
オフし、アーム素子S₂をオンする。このとき、アーム素
子S₂とS₄がオンするため第１のインバータ8aは再び直流
短絡を生じ、時刻t₃〜t₄の期間には直流出力電流Idは前
記（１）式において時間（t₂−t₁）の代りに時間（t₄−
t₃）に置き換えて得られる関係式に従い上昇する。直流
出力電流Idが電流基準値Isを越えるとアーム素子S₄をオ
フし、アーム素子S₃をオンする。このとき第１のインバ
ータ8aの出力電流Iiは時刻t₂〜t₃のときの波形と逆極性
になり、第１の変圧器９及び第２のダイオード整流器10
を介してコンデンサ12へ流れ、第１のインバータ8aには
交流の出力電流Iiが得られる。時刻t₄〜t₅の期間には直
流出力電流Idは（２）式において時間（t₃−t₂）の代り
に時間（t₅−t₄）に置き換えて得られる関係式に従い減
少する。以上のように第１のインバータ8aのアーム素子
の４つのスイッチングモードで繰返し制御して電流基準
値に追従して波形制御する。交流入力電源１の電流Iaは
第１のダイオード整流器２の整流動作により、正弦波状
の交流電流波形になる。第１のインバータ8aのもう一つ
の機能として、コンデンサ12の電圧を一定に制御してお
り、これはコンデンサ12の電圧基準値と実際値の偏差に
応じて電流基準値の大きさ（振幅）を変化させて第１の
インバータ8aで追従して波形制御することにより行え
る。

第２及び第３のインバータ13及び21は通常のインバータ
の構成と同一であり、入力電圧源に対して電相制御形の
インバータ動作を高周波数のPWM制御によって行う。た
だし第２のインバータ13は出力電圧を正弦波状に制御し
て交流負荷16の端子電圧の波形歪が少なくなるようにし
ている。これに対して第３のインバータ21はバッテリ７
の充電を目的にしたもので、バッテリ７の充電電圧ある
いは充電電流を制御する。ここで、第３のインバータ2
1、第２の変圧器22、第３のダイオード整流器23で充電
回路を構成した理由は第２の変圧器22によってバッテリ
７と交流負荷16間を電気的に絶縁するためである。ま
た、前記充電回路のもう一つの機能として、交流負荷が
急に遮断された場合などで、この時には第２のインバー
タ13の入力電圧が過電圧になると前記第３のインバータ
21により、バッテリ７の充電電流を増加するように制御
し、第２のインバータ13の入力電圧を抑制する。

なお第３のインバータ21の電力容量としては、バッテリ
７の充電容量が一般に第２のインバータ13の出力容量の
約10％程度であるため、小容量のものでよい。

次に交流入力電源１が停電した場合には充電用の第３の
インバータ21の動作を停止させるとともに、スイッチ25
（ここではサイリスタを用いたものを図示している）を
導通させる。このとき、第１のダイオード整流器２の出
力側にはスイッチ25を介してバッテリ７の電圧が印加さ
れる。バッテリ７の放電電流は第１のインバータ8aによ
って制御されるが、この場合の第１のインバータ8aの電
流基準値としてはフラットな直流電流基準値に切換えて
運転する。

なお交流入力電源１が回復した場合には第１のインバー
タ8aの電流基準値を正弦波の全波整流波形状に切換える
とともにスイッチ25をオフし、充電用の第３のインバー
タ21によりバッテリ７の充電を行う。ここでスイッチ25
としてサイリスタを用いた場合には交流入力電圧Vaを第
１のダイオード整流器２で整流して得られる直流出力電
圧Vdがバッテリ７の電圧よりも大きくなる時点でターン
オフされる。従ってサイリスタをスイッチ25として用い
た場合にはバッテリ７の電圧は第１のダイオード整流器
２の直流出力電圧Vdのピーク値よりも小さい値に設定さ
れなければならないが、スイッチ25としてはサイリスタ
以外に自己消弧形半導体スイッチ（例えばGTO,SITH,SI
T,トランジスタなど）であってもよく、この場合には上
記バッテリ７の電圧の制限はない。

なお、上記実施例では第1,第２及び第３のインバータ8
a,13,21のアーム素子としてパワーMOSFETを使用した例
について示したが、その他の自己消弧形半導体素子であ
ってもよい。また、上記実施例では単相交流入力電源の
ものを示したが、３相入力電源であっても上記実施例と
同様の効果を奏する。また、第２のインバータ13の出力
として単相あるいは３相出力であってもよい。第４図に
３相入力で３相出力の電力変換器の具体的な回路構成例
を示す。第１のダイオード整流器２、リアクトル20、第
１のインバータ8a、第１の変圧器９及び第２のダイオー
ド整流器10で構成されるものが３組、３相交流電源に接
続され、上記３組の第２のダイオード整流器10の出力側
は共通にコンデンサ12に接続されて、上記３組の第１の
インバータ8aは３相交流電源に対して３相の正弦波状電
流を流すように別個に波形制御する。第２のインバータ
13は３相ブリッジで構成され、３相の交流出力電圧を発
生する。第３のインバータ21は単相ブリッジで構成さ
れ、第２の変圧器22、第３のダイオード整流器23及びリ
アクトル24を介してバッテリ７を充電する充電回路を構
成している。バッテリ７の放電用のスイッチ25はサイリ
スタ25aと複数のダイオードから構成され、バッテリ７
の正極からサイリスタ25aを介して３つのダイオードに
よって３組の第１のダイオード整流器２の各正極の出力
側に接続され、またバッテリ７の負極からは直接３つの
ダイオードを介して３組の第１のダイオード整流器２の
各負極の出力側に接続されて放電路を構成している。

なお、サイリスタ25aの出力側に接続されている３組の
ダイオードをサイリスタに置き換えてサイリスタ25aを
省略してもよい。

第５図は３相入力の電力変換器の他の実施例を示す回路
構成図である。図中第１のダイオード整流器2aは３相ブ
リッジで構成され、正、負極の直流出力側に各々リアク
トル20P及び20Nが接続されている。第１のインバータ8a
は２組がカスケード接続されて構成され、前記リアクト
ル20P,20N間に接続されている。前記カスケード接続さ
れた２組の第１のインバータ8aの中間点と３相交流電源
eu,ev,ew間には３相交流スイッチ26が設けられている。
また前記２組の第１のインバータ8aは各々変圧器９及び
第２のダイオード整流器10を介して共通にコンデンサ12
に接続されている。バッテリ７の正極からスイッチ25を
介して前記第１のダイオード整流器2aの正極端子に接続
され、また前記バッテリ７の負極は直接、前記第１のダ
イオード整流器2aの負極端子に接続されている。第１の
ダイオード整流器2a、第１のインバータ8a、３相交流ス
イッチ26の動作を第６図の動作波形図を参照して簡単に
説明する。第１のダイオード整流器2aの正、負極の出力
電流I_P,I_Nは３相交流電源電圧eu,ev,ewの正，負の３相
半波整流波形状に２組の第１のインバータ8aで個別にPW
M制御し、両出力電流I_P,I_Nの差電流I_Oを３相交流スイッ
チ26を介して交流入力電源へ分配して流すことにより、
該３相交流スイッチ26の各相の電流と第１のダイオード
整流器2aのアーム素子の電流が合成され、３相交流電源
電圧eu,ev,ewの電流Iu,Iv,Iwとして正弦波状の３相交流
電流を得ている。停電時には３相交流スイッチ26をオフ
してバッテリ７の放電電流を２組のインバータ8aで共通
に制御すればよい。

また上記実施例では第２及び第３のダイオード整流器1
0,23として単相ブリッジで構成された回路を示したが、
第１及び第２の変圧器の２次側に中間タップを設けて単
相センタタップ接続に構成されたものであってもよい。
また、第３のインバータ21の構成として単相ブリッジ構
成のものを示したが、３相ブリッジ構成、あるいは単相
のハーフブリッジ形、プッシュプル形などであっても上
記実施例と同様の効果を奏する。また、第１のインバー
タ8aとして単相ブリッジ構成のものを示したが、ブッシ
ュプル形のものであってもよい。

また上記実施例では交流−交流の電力変換を行うものを
示したが、第２のインバータ13を省略して、交流−直流
の電力変換を行うものに適用してもよい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、第１のダイオード整
流器の出力側をリアクトルを介して直流短絡するモード
を設けて入力電流の波形制御を行う第１のインバータを
設け、該第１のインバータの出力を第１の変圧器及び第
２のダイオード整流器を介して直流電力に変換し、該直
流電力を第２のインバータで交流電力に変換して交流負
荷に供給するとともに、第３のインバータによって第２
の変圧器及び第３のダイオード整流器を介してバッテリ
を充電する充電回路を設け、さらに前記バッテリと第１
のダイオード整流器の出力側との間にスイッチを設けて
該バッテリの放電路を形成するように回路構成したの
で、交流入力電源の電流の波形歪を縮減できるとともに
高力率で運転でき、また定常運転時の電力変換器の効率
を大巾に向上することができる。また、バッテリ充電回
路を備えているので停電時にも安定した運転ができる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はこの発明の一実施例による電力変換
器を示す回路構成図、第３図は第２図の電力変換器の要
部の動作波形図、第４図及び第５図はこの発明の他の実
施例を示す電力変換器の回路構成図、第６図は第５図に
示す電力変換器の要部の動作波形図、第７図は従来の電
力変換器を示す回路構成図である。図において、１は交流入力電源、2,10,23は第1,第2,第
３のダイオード整流器、8a,13,21は第1,第2,第３のイン
バータ、9,22は第1,第２の変圧器、７はバッテリ、25は
スイッチである。なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交流入力電源に接続された第１のダイオー
ド整流器と、前記第１のダイオード整流器の出力側にリ
アクトルを介して接続し、該リアクトルの電流を瞬時値
制御する第１のインバータと、前記第１のインバータの
出力側に第１の変圧器を介して接続した第２のダイオー
ド整流器と、前記第２のダイオード整流器の出力側に接
続されて交流出力に変換する第２のインバータとからな
る電力変換器において、前記第２のダイオード整流器の
出力側に設けた第３のインバータと、前記第３のインバ
ータの出力側に第２の変圧器を介して接続した第３のダ
イオード整流器と、前記第３のダイオード整流器の出力
側に接続したバッテリと、前記バッテリ及び前記第１の
ダイオード整流器の出力側との間に設けたスイッチとを
備えたことを特徴とする電力変換器。
【請求項２】前記スイッチをサイリスタ等の自己消弧形
半導体スイッチで構成したことを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の電力変換器。