JPS61236371A - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は電力変換装置に係シ、特に高周波を直接低周波
に変換する周波数変換回路を備えてな石電力変換装置に
関する。

〔発明の背景〕

直流から交流を形成するインバータを伴った電力変換装
置では、小型化、高性能化するために、高周波化する試
みがなされている。このような電力変換装置の高周波化
の代表的な例としては、「Ｒ，Ｌ、　Ｓ　ｔｅ１ｇｅｒ
ｗａｌｄ他著１配電網に直流電源を接続する計画の高周
波結合の比較（Ａ　ＣＯＭＲＡ−ＲＩＳＯＮ　ＯＦ　Ｈ
ＩＧＨ−ＦＲＥＧＵＥＮＣＹ　　ＬＩＮＫ８ＣＨＥＭＥ
Ｓ　　ＦＯＲＩＮ’Ｉ’ＥＲＦＡＣＩＮＧ　　Ａ　　Ｄ
Ｃ８ＯＵＲＣＥ　　Ｔｏ　　Ａ　　ＵＴＩＬＩＴＹ　　
ＧＲＩＤ　）’ＩＥＥＥ−ＩＡＳ−８２、第７５９頁１
７６６頁」に論じられている交流−交流間の交換器を備
えた交換装置がある。

かかる変換装置は、自励式の高周波インバータにより直
流を交流に変換し、高周波変圧器を介したのちに、整流
して連系する商用と同じ周期の脈動を有する直流に変換
し、再び他動式インバータを介して商用に連系するよう
にしたものであシ、高周波により変圧器を小型、軽量化
することが可能という特徴がある。

しかしながら、系絖に連系しないで独立した電源として
用いる場合には、高周波変圧器を介したのちに上記した
整流器と他動インバータよりなる変換器を接続しても、
転流を行う電源がないため、他動インバータの運転がで
きず、所望の交流電力は得られないという問題があった
。また、他動インバータを自動インバータに変更したと
しても、これでは負荷の無効電力の処理ができず、所望
の交流電力が得られないという問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は上述した問題点に鑑みてなされたものであシ、
その目的は、独立電源として動作できる周波数変換回路
を備えた電力変換装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため、本発明に係る電力変換装置は
、無効電力を処理し、所望の交流電力を得るために、出
力電圧の極性、回路交流の極性に応じたスイッチ動作が
可能な構成の周波数変換回路とするものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第１
図は本発明に係る電力変換装置の実施例を示す回路図で
ある。

図において、ＩＡ、ＩＢは交流電源、２，３および４は
開閉器、５は波形改善用のフィルタコンデンサ、６はフ
ィルタリアクトルであシ、前記開閉器２．３および４で
周波数変換回路１３を構成している。

上述のように構成した実施例の動作を第２図を用いて説
明する。

まず、開閉器４のない実施例回路の場合の動作を述べる
。

交流電源ＩＡ、ＩＢからは、第２図（ａ）に示すように
、正弦波形状の値となるように点線で示した変調波ＳＳ
でパルス幅変調された電圧Ｖｔ　、　Ｖｚが出力され、
これら電圧Ｖ１．Ｖｚが開閉器２゜３に印加される。第
２図伽）に示した変調波Ｓ２の極性の出力が得られるよ
うに、開閉器２，３を第２図（ｄ）のごとく交互にオン
、オフ制御する。このように開閉器２．３ｆ！：オン、
オフ制御することにより、第１図Ａ点には、第２図（Ｃ
）に示す電圧波形Ｖｓ　、Ｖ４が得られ、リアクトル６
とコンデンサ５よりなる波形改善用フィルタを通すこと
により、第２図（Ｃ）の点線で示すように高周波から低
周波に周波数変換された正弦波形の出力電圧Ｖｏが得ら
れる。

次に、第１図に示すごとく、開閉器４のある回路の動作
を述べる。

交流電源ＩＡ、ＩＢからは、第２図（ｅ）に示すような
高周波の電圧Ｖ５　、Ｖｓが出力され、これが開閉器２
，３に印加される。ここで、第２図（ａ）に示した変調
波５ｔｆｔ用いて形成したところの、第２図（０に示し
たごとき開閉器制御信号Ｓ３を用いて１開閉器２，３訃
よび４のオン、オフ制御を行う。例えば、時刻ｔｔ〜時
刻ｔ２では、開閉器２および４はオフ、開閉器３はオン
とする。すると、Ａ点には開閉器３を介して電源ＩＢの
正電圧が印加され、第２図（Ｃ）に示す電圧ｖ３が出力
される。

時刻ｔ３〜時刻ｔ４では、開閉器３のオフ、開閉器４の
オンとする。これにより、Ａ点は電源ＩＢから切離され
、Ｎ点と同電位となる（第２図（ｅ）電圧ｖ３参照）６
時刻ｔ３〜時刻ｔ４では、開閉器４のオフ、開閉器２の
オンを行う。これにより、Ａ点には開閉器２を介し電源
ＩＡの正電圧が印加される（第２図（Ｃ）電圧ｖ３参照
）。このように、第２図（ｆ）に示したごとく開閉器２
，３．４ｅ制御することにより、Ａ点には、第２図（Ｃ
）に示す電圧Ｖ３　、Ｖ４の波形が得られ、出力端子に
は第２図（Ｃ）の点線で示す正弦波形の低周波に変換さ
れた出力電圧Ｖｏが得られる。

第２図に示した回路動作を行ったときのフィルタコンデ
ンサ５の′電圧ｖｏと、リアクトル６に流れる電流ｉｏ
の波形の例を第３図に示す。

第３図は高周波の成行から１７２０の周波数への変換動
作をしたときの波形例であり、上記した周波数変換回路
により高周波から低周波に変換された出力が得られるこ
とがわかる。

第４図は本発明の他の実施例を示す回路図である。図に
おいて、１０は直流電源、１１はトランジスタ、ダイオ
ードなどのスイッチング素子を用いて構成したインバー
タ、１２は変圧器、１３はゲート・ターンオフ・サイリ
スタ２１，２２゜２３．２４を用いて構成した周波数変
換回路、・１４は電流検出器、１５は制御回路である。

なお、第１図と同一部材には同一符号を付した。

第５図は第４図の制御回路１５の構成図であシ、第６図
は第５図の動作説明図である。発振器１０１は、第６図
（ａ）に示す如く高周波の信号を出力し、カウンタ１０
２，１０４のクロックとして印加される。カウンタ１０
２は、クロック周波数を分周して、インバータ１１の動
作周波数の第６図（ｂ）に示すインバータ１枢動信号２
０１　（２０１，２０１によりインパータ１１０片側の
アームのトランジスタを駆動する〕、第７図（ａ）に示
したようにインバータ出力電圧の幅を受けるための信号
として、出力の一周期間に相当するアドレス信号（第６
図（Ｃ）　）　、第６図（ｄ）に示すカウンタ１０４の
データセット信号及びインバータ出力波形の極性を示す
信号２０３、第６図値）、出力の極性を示す第６図Φ）
の信号２０４ｆｒ−それぞれ出力する。ＲＯＭ１０３は
、カウンタ１０２から与えられるアドレスのデータをカ
ウンタ１０４に出力する。なお、記載を省略したＡ％’
Ｒ系によるアドレスと上記した時間のアドレスによるデ
ータが出力される。カウンタｉ０４は、カウンタ１０２
から印加されるセット信号（第６図（ｄ））により、几
０Ｍ１０３から出力されるデータがセットされ、発振器
１０１から印加されるクロックにより計赦した後第６図
（ｅ）に示す信号（インバータ出力電圧の幅に相当する
時間だけ遅延した信号）を出力し、ラッチ１０５をセッ
トする。信号２０２，２０２は信号２０１゜２０１より
上記した時間遅れた信号となり、信号２０２は第６図（
ｆ）に示す波形となる（２０２゜２０２により他方のア
ームのトランジスタを駆動する）。

第４図の電流検出器１４で検出した電流を波形整形回路
１０６に印加し、正、負の極性に応じた１″′、″′０
″′の信号を形成する。波形整形回路１０６の出力信号
と信号２０３，２０４より、３種の信号で第７図（ｄ）
、　（ｅ）に示すように動作するように構成したスイッ
チ選択回路１０７によりサイリスタ２１〜２４を駆動す
る信号を形成する。

第７図を用いて回路動作を説明する。

制御回路１５は、第７図（ａ）に点線で示す正弦波形状
の電圧Ｓ１になるようにインバータ１１をパルス副制御
で動作させ、実線で示す形状の出力電圧Ｖｔ　−Ｖｔ　
ｋ形成する。インバータ１１の出力電圧は、変圧器１２
に印加され、変圧器１２の２次巻線には、はぼ同一形状
の電圧が生ずる。制御回路１５は、周波数変換回路１３
を第７図（ａ）に点線で示した波形と同種の電力変換装
置の出力電圧波形の極性を表わす第７図（ｂ）に示す信
号８Ｍ、インバータ出力電圧波形の極性を示す信号およ
び電流検出器１４で検出した電流の極性を示す信号に応
じた、以下に述べる制御を例う。例えば、時刻１１〜時
刻ｔ３では、電力変換装置の出力電圧の極性は第７図中
）に示すように正、インバータ出力電圧波形の極性は第
７図（ａ）電圧Ｖ！に示すように負、第７図（ｄ）に示
すように電流ｉ（Ｈの極性は正ゆえ、ゲート・ターンオ
フ・サイリスタ２３をオンする。このようにゲート・タ
ーンオフ・サイリスタ２３をオンすることにより、第７
図（Ｃ）に示すように、変圧器１２の２次巻線（ロ）の
電圧がＡ点に印加される。１．時点でインバータ出力電
圧は０となり、Ａ点の電圧も０となるが、時刻ｔ！〜時
刻ｔ３の間はリアクトル６の電流ｉｏが第７図（ｄ）に
示すように２次巻線（ロ）およびサイリスタ２３を介し
流れ続は石。１３時点でインバータ出力電圧波形の極性
が正となるので、これ以降ｔ３まではサイリスタ２１を
オンして、サイリスタ２３をオフする。なお、このとき
は、サイリスタ２３のゲート信号によるしゃ断動作を行
わなくても、変圧器の２次巻線（イ）→サイリスタ２１
→サイリスタ２３→２次巻線（ロ）を介して転流動作が
行われるので、しゃ断動作は要否は関係ない。２次巻線
０）の電圧Ｖｔ　がサイリスタ２１を介してＡ点に印加
される。

ｔ４時点でインバータ出力電圧は０となり、Ａ点の電圧
も０となるが、リアクトル６の電流が第７図（ｄ）に示
すように２次巻線０）およびサイリスタ２１を介して流
れ続ける。１．時点でインバータ出力電圧波形の極性が
再び負となるので、サイリスタ２３をオンし、サイリス
タ２１をオフする。

このときの動作は、先に述べたｔｓ時点の動作と同様で
ある。以下、ｔｔｓ時点までは同様にして動作する。ｔ
ｔｓ時点で電力変換装置の出力電圧の極性が負、電流の
極性は負となる。このため、２次巻線（ロ）からサイリ
スタ２３を介してＡ点側に流れていた電流が、Ａ点から
サイリスタ２４をオンする。サイリスタ２４をオンする
と、Ａ点の電圧はＯであるが、リアクトル６の′電流は
第７図（ｄ）に示すように、サイリスタ２４および２次
巻線（ロ）を介して流れ続ける。ｔ１ｇ時点で、インバ
ータ出力電圧波形の極性が正となる。電力変換装置の出
力電圧の極性が負のため、Ａ点に印加する電圧が負とな
るべくサイリスタ２４をオンし続ける。Ａ点の印加電圧
は第７図（Ｃ）に示す波形となる。ｔｌＴ時点でインバ
ータ出力電圧が０となるが、リアクトル６の電流が第７
図（ｄ）に示すようにサイリスタ２４および２次巻線（
ロ）を介して流れ続ける。１１８時点でインバータ出力
電圧波形の極性が負となるので、サイリスタ２２をオン
し、サイリスタ２４をオフする。この時点の動作は、先
に述べた１３時点の動作と同様である。２次巻線０）の
電圧がサイリスタ２２を介してＡ点に印加される。以下
、同様の動作を行うことにより、Ａ点には第７図（Ｃ）
に示す電圧波形が印加され、出力にはリアクトル６とコ
ンデンサ５のフィルタで改善された波形の低周波の交流
電圧を得ることができる。

次に、リアクトル６の電流位相が電圧位相と異なる場合
の動作について、第７図（ｅ）を用いて説明する。ｔｌ
Ｏ時点でリアクトル６の電流極性が負となると、この時
点からはサイリスタ２３を介してＡ点側に流れていた電
流を、Ａ点側からサイリスタ２４を介して２次巻線（ロ
）に流す必要があシ、１、。時点でサイリスタ２４をオ
ンする。サイリスタ２４をオンすると、リアクトル６の
電流は第７図（ｄ）に示るように、サイリスタ２４およ
び２次巻線（ロ）を介して流れ続ける。ｔ１１時点でイ
ンバータ出力電圧波形の極性が正となるので、サイリス
タ２２をオンして２次巻線（イ）の電圧ｅＡ点に印加す
る必要がある。しかし、この時点では電力変換装置の出
力電圧の極性と、リアクトル６の電流の極性が一致して
いないため、第７図（ｄ）で示した動作の場合のような
伝流動作は行われない。すなわち、２次巻線には、発生
する電圧の極性と反対の極性の電流を流すためであ’）
、ｔ＋を時点でサイリスタ２２にゲート信号をオンして
も、サイリスタ２２には２次巻線０）と０）の加算され
た電圧が逆極性に印加され、サイリスタ２２はオン状態
にはならない。このためｔｔｏ”ｔｏのインバータ１１
の出力電圧の００期間にサイリスタ２２をオンしたのち
、サイリスタ２４をゲート信号によりしゃ断動作を行う
。１１１時点までにサイリスタ２２がオン、サイリスタ
２４がオフとなシ、リアクトル６の電流は、サイリスタ
２２→２次巻線（イ）を介して流れる。

ｔｉｔ時点でインバータ出力電圧波形が正となシ、Ａ点
には第７図（Ｃ）に示す波形が得られる。ｔ＋２時点で
インバータ１１の出力電圧がＯとなるが、リアクトル６
の電流が引き続き介して流れる。ｔｔ。

〜ｔｉｔの期間と同様にｔ１！〜ｔｔｓのインバータ１
１の出力電圧が０の期間にサイリスタ２４をオンしたの
ち、サイリスタ２２ｔ−ゲート信号によりしゃ断動作を
行う。ｔｔｓ時点からインバータ出力電圧波形が生じ、
Ａ点には第７図（Ｃ）に示す電圧が印加される。ｔｌｓ
時点からは、電力変換装置の出力電圧の極性とリアクト
ル６に流れる電流ｉｏの極性が一致するため、第７図（
ｄ）と同様な動作となる。このような出力電圧の極性、
回路電流の極性を応じたオン・オフの制御を行うことに
より、負荷条件に左右されないので所望の第７図（Ｃ）
に示すごとき波形を形成できる。

第４図の周波数変換回路１３を構成する要素と　　　　
−して、ゲート・ターンオフ・サイリスタ２１゜２２．
２３．２４で構成したが、他のしゃ断機能を有する素子
とすることは、もちろん可能である。

また、ターンオフ機能のない通常のサイリスタとするこ
ともできる。この場合は、例えばｔ３゜ｔｔｓ時点の動
作は同様であるが、ｔＩ・〜ｔｌＪ時点の動作が以下の
ごとくなる。通常のサイリスタでけしや断動作ができな
いので、転流動作が可能な期間に転流動作を行う必要が
ある。インバータ１１で周波数変換回路の転流動作を補
助する動作を行わない場合には、第７図（ａ）に示した
出力電圧Ｖｓ　、Ｖ雪のみで転流動作を行え必要がある
。第７図値）に示した例では、インバータ１１の出力電
圧Ｖ＋、Ｖ＊がＯの期間にリアクトル６の電流の極性が
反転しているため、’　ｊ１１時点までにサイリスタ２
４からサイリスタ２２への転流動作は行えない。第８図
値）に示すように、インバータ出力電圧のある期間ｔ９
′時点にリアクトル６の電流極性が反転した場合には、
インバータ出力電圧がＯとなるｔｒｊ’時点より転流動
作に所要の時間’ｌ’　ｏｆｆだけ前のｔ、１，１１時
点でサイリスタをオンして、サイリスタ２４からサイリ
スタ２２へ転流させる。また、ｔｏ時点よｐ’ｌ’ｏｆ
ｆだけ前のｔｌｌ’時点でサイリスタ２４をオンし、サ
イリスタ２２からサイリスタ２４、に転流させる。第７
図（→に示した例では、ｔｌｌ〜ｔ１２における１波分
は逆極性の電圧としてＡ点に印加されるが、インバータ
周波数が電力変換装置の出力周波数に比べ、非常に高い
時には、この１波分の逆極性の電圧による電力変換装置
の出力電圧の悪化等を無視でき、問題とならない。

第９図は本発明の他の実施例であって、周波数変換回路
・１３の構成を変えたものである。図において、ＩＡ、
ＩＢは、第１図に示した交流電源に相応するものであシ
、第４図に示した変圧器１２の２次巻線０）および（ロ
）による変圧と等価である。

図中符号２１，２２，２３．２４および２５゜２６は第
１図の開閉器２，３．４に相当するゲート・ターンオフ
・サイリスタである。

動作説明は第１０図を用いて行う。第１０図は電力変換
装置の出力電圧の１周期の一部分金示すタイムチマート
である。第１０図（ａ）に示すように、交流電源ＩＡ、
ｉＢより方形波の電圧が与えられる。第１０図（ｂ）に
示すようなＡ点電圧を得るには、リアクトル６に流れる
電流ｉ６が同極性のときは、第１０図（Ｃ）に示すよう
に、ゲート・ターンオフ・サイリスタ２１，２３．２５
’ｔオン・オフ制御することにより達成される。同様に
、第１０図（ｄ）に示す電圧を得るには、第１０図（ｅ
）に示すようにサイリスタ２２，２４，２Ｑ−オン・オ
フ制御することにより達成される。なお、Ａ点の電圧の
極性とリアクトル６に流れる電流ｉ６の極性の不一致時
には、第４図の実施例と同様に、電圧極性と電流極性を
満足するゲート・ターンオフ・サイリスタをオン動作す
ることにより、所望の波形を得ること、ができる。また
、交流電源ＩＡ、ＩＢの電圧波形の後半（例えば、ｔ２
〜ｔ４間でｔ３〜ｔｎ）を使用した例で説明したが、電
圧波形の前半を使用することも可能である。周波数変換
回路１３をゲート・ターンオフ・サイリスタ２１〜２６
で構成したが、他のしゃ断機能を有する素子に当然変え
得る。

第１図〜第１０図の実施例は、単相回路で説明したが、
もちろん三相および他の多相にして適用できる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、高い周数数の交流
電源より低い周波数の安定した交流電源を得られる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電力変換装置の一実施例を示すブ
ロック図、第２図は第１図の実施例の動作を説明するた
めに示すタイムチャート、第３図は同動作説明に用いる
波形図、第４図は同電力変換装置の他の実施例を示すブ
ロック面、第５図は同実施例の制御回路を示すブロック
図、第６図は第５図の動作説明タイムチャート、第７図
、第８図は第４図の実施例の動作を説明するために示す
タイムチャート、第９図は電力変換装置のさらに他の実
施例を示すブロック図、第１０図は第９図の実施例の動
作を説明するために示すタイムチャートである。 ＩＡ、ＩＢ・・・交流電源、２，３．４・・・開閉器、
５・・・コンデンサ、６・・・リアクトル、１１・・・
インバータ、１２・・・変圧器、１３・・・周波数変換
回路、１４・・・電流検出器、１５・・・制御回路、２
１，２２゜２３．２４，２５．２６・・・ゲート・ター
ンオフ・サイリスタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、直列に接続された第１、第２の交流電源、該交流電
   源の出力端間に接続され開閉動作をする開閉器を有し、
   交流電源間の接続点と開閉器より出力するように構成し
   た電力変換装置において、交換電源からの出力電圧極性
   と出力すべき電圧の極性に応じて開閉器を開閉動作させ
   、前記交流電源の周波数よりも低い周波数の交流を形成
   するようにしたことを特徴とする電力変換装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、開閉器は第１、第
   ２の開閉器から構成してなることを特徴とする電力変換
   装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、交流電源間の接続
   点と第１、第２の開閉器間の接続点間に第３の開閉器を
   接続し、第１、第２の開閉器と相補的に開閉動作を行う
   ようにしたことを特徴とする電力変換装置。 ４、特許請求の範囲第１項において、前記交流電源は、
   直流電力を交流電力に変換するインバータ、該インバー
   タに接続され中性点電位の出力点を有す２次巻線を持つ
   変圧器よりなることを特徴とする電力変換装置。 ５、特許請求の範囲第１項において、前記第１、第２開
   閉器の接続点と第１、第２交流電源の接続点との中性点
   に、リアクトルとコンデンサよりなるフィルタを接続し
   てなることを特徴とする電力変換装置。 ６、特許請求の範囲第４項において、インバータは、電
   力変換装置の所望する出力電圧波形を基にパルス幅制御
   したことを特徴とする電力変換装置。 ７、特許請求の範囲第１項、第２項、第３項または第５
   項において、開閉器は、少なくとも自己消弧機能を有す
   る半導体素子を逆並列に接続して構成したことを特徴と
   する電力変換装置。 ８、特許請求の範囲第１項、第２項、第３項または第５
   項において、開閉器は、サイリスタを逆並列に接続して
   構成したことを特徴とする電力変換装置。 ９、特許請求の範囲第５項において、開閉器は、少なく
   とも電力変換装置の出力電圧の極性とフィルタのリアク
   トル電流の極性が不一致時には、インバータ出力電圧の
   無電圧期間に開閉器間の切換えを行うようにしたことを
   特徴とする電力変換装置。