電力変換装置
【課題】パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴなど電力用半導体素子をスイッチングして電力を変換する電力変換装置のうち、２レベル多相インバータにおいて、多相負荷における負荷中性点電位の変動を無くし、漏洩電流、軸電圧・電流、鉄道における誘導障害等、電磁障害の原因の一つである零相電圧、電流の発生を無くす。
【解決手段】２と３の公倍数の出力相をもつ、２レベル多相インバータとし、出力相数の半分の相が残りの相の逆位相を出力することにより、負荷の中性点電位の変動を０にする。
【解決手段】２と３の公倍数の出力相をもつ、２レベル多相インバータとし、出力相数の半分の相が残りの相の逆位相を出力することにより、負荷の中性点電位の変動を０にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流出力の電力変換器において、特に出力回路に発生する電磁障害を抑制することを目的とする。
【背景技術】
【０００２】
図２を用いて背景技術を説明する。
【０００３】
一般にある直流電力を任意の電力に変換する電力変換装置は図２のように直流電源３と、その直流電圧をインバータ回路やチョッパ回路などの電力変換器１を用いて任意の電圧、周波数に変換し負荷２の電気機器を駆動する構成が一般的である。この電力変換回路は電力半導体素子を用い、高速でスイッチングし動作するものが一般的である。
【０００４】
一般的に使用される２レベル三相電力変換器では、入力する直流電圧の中間電位ＯをＶｏ、負荷の中性点Ｎの電位をＶｎとしたとき、入力する直流電圧の中間電位Ｏから負荷の中性点Ｎの電圧Ｖｎｏはインバータの各相出力電圧Ｖｕｏ、Ｖｖｏ、Ｖｗｏを使って次の式であらわされる。
【０００５】
［数１］
Ｖｎｏ＝（Ｖｕｏ+Ｖｖｏ+Ｖｗｏ）／３ ・・・（１）
【０００６】
このとき、Ｖｎｏは、スイッチングパターン上０に必ずならないことが知られている。これがインバータ駆動電動機における軸電圧や軸電流の問題や、高周波電磁障害の原因の一つである。
【０００７】
これらの対策として、特許文献１や非特許文献１、２では中性点を利用した高周波フィルタ回路が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許４２６０１１０号明細書
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】「ＰＷＭインバータを用いた交流電動機駆動システムが発生するＥＭＩ測定とその低減方法」、小笠原、外著、電気学会論文誌Ｄ、平成８年、１１６巻、１２号、ｐ．１２１１−１２１９
【非特許文献２】藤本、森本他「統合接地システムにおけるＰＷＭインバータの漏洩電流の低下」平成１９年電気学会全国大会４−１５４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
解決しようとする課題は電力変換器における各相の出力電圧の和を常時０、すなわち負荷中性点電位の変動を０にし、電磁障害を低下させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明によれば、電力用半導体素子をスイッチングして電力を変換する電力変換装置のうち、２と３の公倍数の出力相数を持ち、出力相数の半分の相がもう一方の相の逆位相を出力することにより、すべての相の出力電圧の和を常時０、すなわち負荷中性点電位の変動を０にすることを特徴とする電力変換装置。
【００１２】
請求項２の発明によれば、請求項１の電力変換装置のうち、出力相は６相であり、６相のうち３相が残りの３相の逆位相を出力し、すべての相の出力電圧の和を常時０、すなわち負荷中性点電位の変動を０にすることを特徴とする電力変換装置。
【００１３】
請求項３の発明によれば、請求項１の電力変換装置のうち、６相インバータで２台の３相交流電動機もしくは３相負荷を駆動し、それらの負荷を逆位相で制御し６相の出力電圧の和を常時０、すなわち負荷中性点電位の変動を０とすることを特徴とする電力変換装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の電力変換装置は、各相の出力電圧の和を常時０にすることで、負荷中性点電位の変動が０になり、インバータ駆動電動機における軸電圧や軸電流の問題や、高周波電磁障害が低下する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の電力変換器の実施方法を示した図である。（実施例１）
【図２】背景技術の説明図である。
【図３】本発明の電力変換器の実施方法を示した図である。（実施例２）
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１６】
図１を使用して本発明の請求項１、２を実施例１を使って説明する。
【００１７】
電力変換器１は１相ごとのスイッチング素子ａ４、１相ごとのスイッチング素子ｂ５、１相ごとのスイッチング素子ｃ６、１相ごとのスイッチング素子ｄ７、１相ごとのスイッチング素子ｅ８、１相ごとのスイッチング素子ｆ９と直流電源３を備えており、１相ごとのスイッチング素子ａ４、１相ごとのスイッチング素子ｂ５、１相ごとのスイッチング素子ｃ６、１相ごとのスイッチング素子ｄ７、１相ごとのスイッチング素子ｅ８、１相ごとのスイッチング素子ｆ９をそれぞれスイッチングして負荷２を駆動する。なお各相のスイッチング素子はそれぞれコンプリメンタリーに動作する。
【００１８】
この時、電磁障害の原因の一つである負荷中性点１０の電位Ｖｎｏは、各相の出力電圧をＶｕ１ｏ、Ｖｖ１ｏ、Ｖｗ１ｏ、Ｖｕ２ｏ，Ｖｖ２ｏ，Ｖｗ２ｏとすると次の式であらわされる。
【００１９】
［数２］
Ｖｎｏ＝（Ｖｕ１ｏ+Ｖｖ１ｏ+Ｖｗ１ｏ+Ｖｕ２ｏ+Ｖｖ２ｏ+Ｖｗ２ｏ）／６
・・・（２）
【００２０】
すなわち、インバータの各相電圧の和を相数で割ったものが負荷中性点電位の基準電位Ｏとの電位差である。従来の２レベル３相インバータでは、相電圧は２種類であるため、負荷中性点電位の基準電位Ｏとの電位差が一定となることはなく、中性点電位は必ず変動する。
【００２１】
相数を２の倍数を取ることにより、負荷中性点電位の変動を０にするスイッチングパターンの選択が可能になる。また、従来と同様３の倍数の相数を取ることで交流電動機等において回転磁界を容易に発生させることが可能である。
【００２２】
従って２と３の公倍数の相数のインバータとすることで、負荷中性点電位の変動を０にしたまま、回転磁界の発生が可能である。
【００２３】
たとえば１相ごとのスイッチング素子ａ４のスイッチングパターンに対して、１相ごとのスイッチング素子ｂ５、１相ごとのスイッチング素子ｃ６が１２０度の位相差で３相交流を作る場合、１相ごとのスイッチング素子ｄ７、１相ごとのスイッチング素子ｅ８、１相ごとのスイッチング素子ｆ９はそのスイッチングパターンと逆のスイッチングをすることで負荷中性点電位は常に０を保つことができる。つまり、第１、第２、第３相が出力する位相と第４、第５、第６相の出力する位相は逆位相であれば上記の条件を満たす。なお基準とする相は任意の相で問題ない。このスイッチングパターンで中性点電位の変動が０になることはシミュレーション上で確認している。
【実施例２】
【００２４】
図３を使用して本発明の請求項３を実施例２を使って説明する。
【００２５】
電力変換器１は、１相ごとのスイッチング素子ａ４、１相ごとのスイッチング素子ｂ５、１相ごとのスイッチング素子ｃ６、１相ごとのスイッチング素子ｄ７、１相ごとのスイッチング素子ｅ８、１相ごとのスイッチング素子ｆ９と直流電源３を備えており、１相ごとのスイッチング素子ａ４、１相ごとのスイッチング素子ｂ５、１相ごとのスイッチング素子ｃ６、１相ごとのスイッチング素子ｄ７、１相ごとのスイッチング素子ｅ８、１相ごとのスイッチング素子ｆ９をスイッチングして２の整数倍の台数の交流電動機１１を駆動する。この時、交流電動機の中性点どうしをそれぞれ接続する。これが中性線１２である。
【００２６】
実施例１と同様に、１相ごとのスイッチング素子ａのスイッチングパターンに対して、１相ごとのスイッチング素子ｂ５、１相ごとのスイッチング素子ｃ６が１２０度の位相差で３相交流を作る場合、１相ごとのスイッチング素子ｄ７、１相ごとのスイッチング素子ｅ８、１相ごとのスイッチング素子ｆ９はそのスイッチングパターンと逆のスイッチングをすることで各相の出力電圧の和を常時０、すなわち負荷中性点電位の変動を０にすることができる。つまり、第１、第２、第３相が出力する位相と第４、第５、第６相の出力する位相は逆位相であれば上記の条件を満たす。なお基準とする相は任意の相で問題ない。
【００２７】
この時負荷２に相当する３相負荷は、逆位相で動作する。負荷２の代わりに、２つの交流電動機１１接続した場合は、一方の交流電動機１１に対しもう一方の交流電動機１１は逆回転する。このスイッチングパターンで中性点電位の変動が０になることはシミュレーション上で確認している。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
各相の出力電圧の和を常時０、すなわち負荷中性点電位の変動を０にすることにより、インバータ駆動電動機における軸電圧や軸電流の問題や、インバータを電源とした３相負荷における高周波電磁障害を低減させることが可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１ 電力変換器
２ 負荷
３ 直流電源
４ １相分のスイッチング素子ａ
５ １相分のスイッチング素子ｂ
６ １相分のスイッチング素子ｃ
７ １相分のスイッチング素子ｄ
８ １相分のスイッチング素子ｅ
９ １相分のスイッチング素子ｆ
１０ 負荷中性点
１１ 交流電動機
１２ 中性線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流出力の電力変換器において、特に出力回路に発生する電磁障害を抑制することを目的とする。
【背景技術】
【０００２】
図２を用いて背景技術を説明する。
【０００３】
一般にある直流電力を任意の電力に変換する電力変換装置は図２のように直流電源３と、その直流電圧をインバータ回路やチョッパ回路などの電力変換器１を用いて任意の電圧、周波数に変換し負荷２の電気機器を駆動する構成が一般的である。この電力変換回路は電力半導体素子を用い、高速でスイッチングし動作するものが一般的である。
【０００４】
一般的に使用される２レベル三相電力変換器では、入力する直流電圧の中間電位ＯをＶｏ、負荷の中性点Ｎの電位をＶｎとしたとき、入力する直流電圧の中間電位Ｏから負荷の中性点Ｎの電圧Ｖｎｏはインバータの各相出力電圧Ｖｕｏ、Ｖｖｏ、Ｖｗｏを使って次の式であらわされる。
【０００５】
［数１］
Ｖｎｏ＝（Ｖｕｏ+Ｖｖｏ+Ｖｗｏ）／３ ・・・（１）
【０００６】
このとき、Ｖｎｏは、スイッチングパターン上０に必ずならないことが知られている。これがインバータ駆動電動機における軸電圧や軸電流の問題や、高周波電磁障害の原因の一つである。
【０００７】
これらの対策として、特許文献１や非特許文献１、２では中性点を利用した高周波フィルタ回路が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許４２６０１１０号明細書
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】「ＰＷＭインバータを用いた交流電動機駆動システムが発生するＥＭＩ測定とその低減方法」、小笠原、外著、電気学会論文誌Ｄ、平成８年、１１６巻、１２号、ｐ．１２１１−１２１９
【非特許文献２】藤本、森本他「統合接地システムにおけるＰＷＭインバータの漏洩電流の低下」平成１９年電気学会全国大会４−１５４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
解決しようとする課題は電力変換器における各相の出力電圧の和を常時０、すなわち負荷中性点電位の変動を０にし、電磁障害を低下させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明によれば、電力用半導体素子をスイッチングして電力を変換する電力変換装置のうち、２と３の公倍数の出力相数を持ち、出力相数の半分の相がもう一方の相の逆位相を出力することにより、すべての相の出力電圧の和を常時０、すなわち負荷中性点電位の変動を０にすることを特徴とする電力変換装置。
【００１２】
請求項２の発明によれば、請求項１の電力変換装置のうち、出力相は６相であり、６相のうち３相が残りの３相の逆位相を出力し、すべての相の出力電圧の和を常時０、すなわち負荷中性点電位の変動を０にすることを特徴とする電力変換装置。
【００１３】
請求項３の発明によれば、請求項１の電力変換装置のうち、６相インバータで２台の３相交流電動機もしくは３相負荷を駆動し、それらの負荷を逆位相で制御し６相の出力電圧の和を常時０、すなわち負荷中性点電位の変動を０とすることを特徴とする電力変換装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の電力変換装置は、各相の出力電圧の和を常時０にすることで、負荷中性点電位の変動が０になり、インバータ駆動電動機における軸電圧や軸電流の問題や、高周波電磁障害が低下する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の電力変換器の実施方法を示した図である。（実施例１）
【図２】背景技術の説明図である。
【図３】本発明の電力変換器の実施方法を示した図である。（実施例２）
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１６】
図１を使用して本発明の請求項１、２を実施例１を使って説明する。
【００１７】
電力変換器１は１相ごとのスイッチング素子ａ４、１相ごとのスイッチング素子ｂ５、１相ごとのスイッチング素子ｃ６、１相ごとのスイッチング素子ｄ７、１相ごとのスイッチング素子ｅ８、１相ごとのスイッチング素子ｆ９と直流電源３を備えており、１相ごとのスイッチング素子ａ４、１相ごとのスイッチング素子ｂ５、１相ごとのスイッチング素子ｃ６、１相ごとのスイッチング素子ｄ７、１相ごとのスイッチング素子ｅ８、１相ごとのスイッチング素子ｆ９をそれぞれスイッチングして負荷２を駆動する。なお各相のスイッチング素子はそれぞれコンプリメンタリーに動作する。
【００１８】
この時、電磁障害の原因の一つである負荷中性点１０の電位Ｖｎｏは、各相の出力電圧をＶｕ１ｏ、Ｖｖ１ｏ、Ｖｗ１ｏ、Ｖｕ２ｏ，Ｖｖ２ｏ，Ｖｗ２ｏとすると次の式であらわされる。
【００１９】
［数２］
Ｖｎｏ＝（Ｖｕ１ｏ+Ｖｖ１ｏ+Ｖｗ１ｏ+Ｖｕ２ｏ+Ｖｖ２ｏ+Ｖｗ２ｏ）／６
・・・（２）
【００２０】
すなわち、インバータの各相電圧の和を相数で割ったものが負荷中性点電位の基準電位Ｏとの電位差である。従来の２レベル３相インバータでは、相電圧は２種類であるため、負荷中性点電位の基準電位Ｏとの電位差が一定となることはなく、中性点電位は必ず変動する。
【００２１】
相数を２の倍数を取ることにより、負荷中性点電位の変動を０にするスイッチングパターンの選択が可能になる。また、従来と同様３の倍数の相数を取ることで交流電動機等において回転磁界を容易に発生させることが可能である。
【００２２】
従って２と３の公倍数の相数のインバータとすることで、負荷中性点電位の変動を０にしたまま、回転磁界の発生が可能である。
【００２３】
たとえば１相ごとのスイッチング素子ａ４のスイッチングパターンに対して、１相ごとのスイッチング素子ｂ５、１相ごとのスイッチング素子ｃ６が１２０度の位相差で３相交流を作る場合、１相ごとのスイッチング素子ｄ７、１相ごとのスイッチング素子ｅ８、１相ごとのスイッチング素子ｆ９はそのスイッチングパターンと逆のスイッチングをすることで負荷中性点電位は常に０を保つことができる。つまり、第１、第２、第３相が出力する位相と第４、第５、第６相の出力する位相は逆位相であれば上記の条件を満たす。なお基準とする相は任意の相で問題ない。このスイッチングパターンで中性点電位の変動が０になることはシミュレーション上で確認している。
【実施例２】
【００２４】
図３を使用して本発明の請求項３を実施例２を使って説明する。
【００２５】
電力変換器１は、１相ごとのスイッチング素子ａ４、１相ごとのスイッチング素子ｂ５、１相ごとのスイッチング素子ｃ６、１相ごとのスイッチング素子ｄ７、１相ごとのスイッチング素子ｅ８、１相ごとのスイッチング素子ｆ９と直流電源３を備えており、１相ごとのスイッチング素子ａ４、１相ごとのスイッチング素子ｂ５、１相ごとのスイッチング素子ｃ６、１相ごとのスイッチング素子ｄ７、１相ごとのスイッチング素子ｅ８、１相ごとのスイッチング素子ｆ９をスイッチングして２の整数倍の台数の交流電動機１１を駆動する。この時、交流電動機の中性点どうしをそれぞれ接続する。これが中性線１２である。
【００２６】
実施例１と同様に、１相ごとのスイッチング素子ａのスイッチングパターンに対して、１相ごとのスイッチング素子ｂ５、１相ごとのスイッチング素子ｃ６が１２０度の位相差で３相交流を作る場合、１相ごとのスイッチング素子ｄ７、１相ごとのスイッチング素子ｅ８、１相ごとのスイッチング素子ｆ９はそのスイッチングパターンと逆のスイッチングをすることで各相の出力電圧の和を常時０、すなわち負荷中性点電位の変動を０にすることができる。つまり、第１、第２、第３相が出力する位相と第４、第５、第６相の出力する位相は逆位相であれば上記の条件を満たす。なお基準とする相は任意の相で問題ない。
【００２７】
この時負荷２に相当する３相負荷は、逆位相で動作する。負荷２の代わりに、２つの交流電動機１１接続した場合は、一方の交流電動機１１に対しもう一方の交流電動機１１は逆回転する。このスイッチングパターンで中性点電位の変動が０になることはシミュレーション上で確認している。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
各相の出力電圧の和を常時０、すなわち負荷中性点電位の変動を０にすることにより、インバータ駆動電動機における軸電圧や軸電流の問題や、インバータを電源とした３相負荷における高周波電磁障害を低減させることが可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１ 電力変換器
２ 負荷
３ 直流電源
４ １相分のスイッチング素子ａ
５ １相分のスイッチング素子ｂ
６ １相分のスイッチング素子ｃ
７ １相分のスイッチング素子ｄ
８ １相分のスイッチング素子ｅ
９ １相分のスイッチング素子ｆ
１０ 負荷中性点
１１ 交流電動機
１２ 中性線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用半導体素子をスイッチングして電力を変換する電力変換装置のうち、２と３の公倍数の出力相数を持ち、出力相数の半分の相がもう一方の相の逆位相を出力することにより、すべての相の出力電圧の和を常時０、すなわち負荷中性点電位の変動を０にすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１の電力変換装置のうち、出力相は６相であり、６相のうち３相が残りの３相の逆位相を出力し、すべての相の出力電圧の和を常時０、すなわち負荷中性点電位の変動を０にすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１の電力変換装置のうち、６相インバータで２台の３相交流電動機もしくは３相負荷を駆動し、それらの負荷を逆位相で制御し６相の出力電圧の和を常時０、すなわち負荷中性点電位の変動を０とすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１】
電力用半導体素子をスイッチングして電力を変換する電力変換装置のうち、２と３の公倍数の出力相数を持ち、出力相数の半分の相がもう一方の相の逆位相を出力することにより、すべての相の出力電圧の和を常時０、すなわち負荷中性点電位の変動を０にすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１の電力変換装置のうち、出力相は６相であり、６相のうち３相が残りの３相の逆位相を出力し、すべての相の出力電圧の和を常時０、すなわち負荷中性点電位の変動を０にすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１の電力変換装置のうち、６相インバータで２台の３相交流電動機もしくは３相負荷を駆動し、それらの負荷を逆位相で制御し６相の出力電圧の和を常時０、すなわち負荷中性点電位の変動を０とすることを特徴とする電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１５７０８６（Ｐ２０１２−１５７０８６Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１１６７（Ｐ２０１１−１１１６７）
【出願日】平成２３年１月２１日（２０１１．１．２１）
【出願人】（０００００３１１５）東洋電機製造株式会社 (380)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２１日（２０１１．１．２１）
【出願人】（０００００３１１５）東洋電機製造株式会社 (380)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]