技術 電力変換装置

0001

本発明は、蓄電装置等の負荷への給電と交流のアウトレットへの給電とを同時に実現可能とした電力変換装置に関するものである。

0002

図９は、特許文献１に記載された電力変換装置の主回路構成図である。
図９において、１０は交流電源、２０は交流のアウトレット、３０は交流電源１０の出力側とアウトレット２０の入力側との間で切替可能なリレー、６０は電力を双方向に変換可能な交流／直流変換器、５０はバッテリー等の蓄電装置である。

0003

この電力変換装置では、リレー３０を交流電源１０側に接続した状態で交流／直流変換器６０が交流／直流変換を行って蓄電装置５０を充電すると共に、リレー３０をアウトレット２０側に接続した状態で交流／直流変換器６０が直流／交流変換することにより、アウトレット２０に接続された電気機器へ交流電圧を供給している。

0004

次に、図１０は、特許文献２に記載された電力変換装置の主回路構成図である。
図１０において、６１は交流／直流変換器６０を構成するブリッジ回路、７０は双方向に電力変換可能な絶縁形の直流／直流変換器、７１，７３はブリッジ回路、７２は変圧器である。その他の部分については、図９と同一の参照符号を付してある。

0005

この電力変換装置では、リレー３０を交流電源１０側に接続して交流／直流変換器６０及び直流／直流変換器７０を動作させることにより蓄電装置５０を充電し、また、リレー３０をアウトレット２０側に接続した状態で直流／直流変換器７０及び交流／直流変換器６０を動作させることにより、蓄電装置５０の直流電圧を交流電圧に変換してアウトレット２０に供給している。

0006

更に、図１１は、特許文献３に記載された電力変換装置の主回路構成図である。
この電力変換装置は、図１０と同様に交流／直流変換器６０及び直流／直流変換器７０を備えると共に、交流電源１０及びアウトレット２０が、リレー３１，３２をそれぞれ介してブリッジ回路６１の交流側に接続されている。

0007

図１１の電力変換装置では、一方のリレー３１をオンした状態で交流／直流変換器６０及び直流／直流変換器７０を動作させて蓄電装置５０を充電し、また、他方のリレー３２をオンした状態で直流／直流変換器７０及び交流／直流変換器６０を動作させることにより、アウトレット２０に交流電圧を供給する。
なお、リレー３１，３２を何れもオンさせれば、アウトレット２０には、交流電源１０の交流電圧と、蓄電装置５０の直流電圧を変換して得た交流電圧との和を供給することができる。

0008

特開２０１３−２４０１９１号公報（図１等）
特開２０１３−２４７８１７号公報（図１等）
特開２０１３−２４０２４１号公報（図１等）

0009

図９，図１０の電力変換装置において、交流／直流変換器６０の交流側に接続されるのは交流電源１０またはアウトレット２０の何れか一方であるため、蓄電装置５０を充電しながらアウトレット２０に交流電圧を供給することができない。
また、図１１の電力変換装置では、リレー３１，３２を何れもオンさせるとアウトレット２０が交流電源１０に直結された状態となり、アウトレット２０からは交流電源電圧と同じ大きさ、周波数の交流電圧しか出力することができない。例えば、交流電源１０が１００［Ｖ］の商用電源である場合、アウトレット２０から定格入力電圧が２００［Ｖ］の負荷に給電することができない等の問題がある。

0010

そこで、本発明の解決課題は、蓄電装置等の負荷への給電とアウトレットへの給電とを同時に実現可能とし、しかも、交流電源電圧とは異なる交流電圧をアウトレットから出力可能とした電力変換装置を提供することにある。

0011

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、半導体スイッチング素子のスイッチング動作により、交流／直流変換を行う交流／直流変換器及び直流／直流変換を行う直流／直流変換器を備えた電力変換装置において、
交流電源に接続された第１の交流／直流変換器と、
前記第１の交流／直流変換器の直流側と負荷との間に接続されて双方向に電力変換が可能な第１の直流／直流変換器と、
外部に交流電圧を供給するためのアウトレットに交流側が接続され、かつ直流側が前記第１の交流／直流変換器の直流側に接続された第２の交流／直流変換器と、を備えたものである。

0012

請求項２に係る発明は、半導体スイッチング素子のスイッチング動作により、交流／直流変換を行う交流／直流変換器及び直流／直流変換を行う直流／直流変換器を備えた電力変換装置において、
交流電源に接続された第１の交流／直流変換器と、
前記第１の交流／直流変換器の直流側と負荷との間に接続された第１の直流／直流変換器と、
外部に交流電圧を供給するためのアウトレットに交流側が接続された第２の交流／直流変換器と、
前記第２の交流／直流変換器の直流側と前記負荷との間に接続された第２の直流／直流変換器と、を備えたものである。

0013

請求項３に係る発明は、半導体スイッチング素子のスイッチング動作により、交流／直流変換を行う交流／直流変換器及び直流／直流変換を行う直流／直流変換器を備えた電力変換装置において、
交流電源に接続された第１の交流／直流変換器と、
前記第１の交流／直流変換器の直流側と負荷との間に接続されて双方向に電力変換が可能な第１の直流／直流変換器と、
直流側が前記第１の交流／直流変換器の直流側に接続された第２の交流／直流変換器と、
外部に交流電圧を供給するためのアウトレットと、
前記第２の交流／直流変換器の交流側を、前記交流電源または前記アウトレットに切り替えて接続するリレーと、を備えたものである。

0014

請求項４に係る発明は、半導体スイッチング素子のスイッチング動作により、交流／直流変換を行う交流／直流変換器及び直流／直流変換を行う直流／直流変換器を備えた電力変換装置において、
交流電源に接続された第１の交流／直流変換器と、
前記第１の交流／直流変換器の直流側と負荷との間に接続された第１の直流／直流変換器と、
第２の交流／直流変換器と、
前記第２の交流／直流変換器の直流側と前記負荷との間に接続された第２の直流／直流変換器と、
外部に交流電圧を供給するためのアウトレットと、
前記第２の交流／直流変換器の交流側を、前記交流電源または前記アウトレットに切り替えて接続するリレーと、を備えたものである。

0015

請求項５に係る発明は、請求項３または４に記載した電力変換装置において、前記リレーを前記交流電源側に切り替えて前記第１の交流／直流変換器及び前記第２の交流／直流変換器を並列運転する際に、前記第１の交流／直流変換器及び前記第２の交流／直流変換器の前記半導体スイッチング素子をそれぞれスイッチングする位相角を、両変換器の間で所定角度ずらすものである。

0016

請求項６に係る発明は、請求項１〜５の何れか１項に記載した電力変換装置において、前記負荷が蓄電装置であることを特徴とする。

0017

本発明によれば、蓄電装置等の負荷へ直流電力を供給する動作と、アウトレットを介して外部の電気機器へ交流電力を供給する動作とを同時に行うことができ、また、アウトレットからは、交流電源電圧に依存することなく、所望の大きさ、周波数の交流電圧を出力することができる。
このため、電源装置としての用途や有用性が従来よりも拡大するという利点がある。

0018

本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の主回路構成図である。
第１実施形態の一具体例を示す回路図である。
本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の主回路構成図である。
第２実施形態の一具体例を示す回路図である。
本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の主回路構成図である。
第３実施形態の一具体例を示す回路図である。
本発明の第４実施形態に係る電力変換装置の主回路構成図である。
第４実施形態の一具体例を示す回路図である。
特許文献１に記載された電力変換装置の主回路構成図である。
特許文献２に記載された電力変換装置の主回路構成図である。
特許文献３に記載された電力変換装置の主回路構成図である。

0019

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の主回路構成図である。図１において、商用電源等の交流電源１０は第１の交流／直流変換器６０Ａの交流側に接続され、交流／直流変換器６０Ａの直流側はコンデンサ８１Ａを介して第１の直流／直流変換器７０Ａの入力側に接続されている。また、直流／直流変換器７０Ａの出力側は、コンデンサ８２Ａを介して負荷としての蓄電装置５０に接続されている。ここで、直流／直流変換器７０Ａは、交流／直流変換器６０Ａ側と蓄電装置５０側との間で直流電力を双方向に変換可能であるため、「入力側」、「出力側」は固定的なものではない。
第１の交流／直流変換器６０Ａには、互いの直流側を共通にして第２の交流／直流変換器６０Ｂが並列に接続されており、その交流側にはアウトレット２０が接続されている。

0020

図２は、第１実施形態の一具体例を示す回路図である。
図２において、第１の交流／直流変換器６０Ａは、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４からなるブリッジ回路６１Ａと、その交流側に接続されたリアクトル６２Ａ，６３Ａとにより構成されている。また、第１の直流／直流変換器７０Ａは、半導体スイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８からなるブリッジ回路７１Ａと、その交流側に接続された変圧器７２Ａと、共振用のコンデンサ７４Ａと、半導体スイッチング素子Ｑ９〜Ｑ１２からなるブリッジ回路７３Ａとによって構成されている。

0021

更に、第２の交流／直流変換器６０Ｂは、第１の交流／直流変換器６０Ａと同様に、半導体スイッチング素子Ｑ１３〜Ｑ１６からなるブリッジ回路６１Ｂと、その交流側に一端が接続されて他端がアウトレット２０に接続されたリアクトル６２Ｂ，６３Ｂとによって構成されている。
なお、各変換器６０Ａ，６０Ｂ，７０Ａを構成する半導体スイッチング素子は、ＩＧＢＴに限らずＦＥＴ等でも良いことは勿論である。

0022

上記構成において、第１の交流／直流変換器６０Ａは図１０，図１１に示した交流／直流変換器６０と同一の構成であるが、必ずしも交流／直流変換器６０と同一である必要はない。また、第１の交流／直流変換器６０Ａは、少なくとも交流電力を直流電力に変換する機能を果たせば良いため、ダイオード整流回路を用いても良い。更に、図２における第２の交流／直流変換器６０Ｂは、少なくとも直流電力を交流電力に変換する機能を持っていれば良く、その回路構成は問わない。また、第１，第２の交流／直流変換器６０Ａ，６０Ｂは、単方向の電力変換動作が可能であれば足りる。

0023

図２における第１の直流／直流変換器７０Ａは、変圧器７２Ａの一方の巻線に共振用のコンデンサ７４Ａが接続されている点が図１０，図１１の直流／直流変換器７０と相違しているが、この直流／直流変換器７０と同一の構成でも良く、要は、直流電力を双方向に変換可能であれば良い。
また、負荷としては蓄電装置５０を想定しているが、蓄電装置５０を直流電圧源として動作させてアウトレット２０に交流電圧を供給するのではなく、交流電源１０から第１の交流／直流変換器６０Ａを介して得た直流電圧を第２の交流／直流変換器６０Ｂにより交流電圧に変換してアウトレット２０に供給する場合には、負荷として直流電動機等を接続することもできる。

0024

次に、本実施形態の動作を説明する。
交流電源１０により蓄電装置５０を充電する場合には、第１の交流／直流変換器６０Ａ及び第１の直流／直流変換器７０Ａにより交流／直流変換、及び直流／交流／直流変換を順次行い、所定の直流電圧・電流を蓄電装置５０に供給する。また、この充電動作と並行してアウトレット２０に交流電圧を供給する場合には、平滑コンデンサ８１Ａを直流電圧源として第２の交流／直流変換器６０Ｂが直流／交流変換を行うことにより、所定の大きさ及び周波数の交流電圧を生成してアウトレット２０に供給する。
なお、交流電源１０の停電や電圧低下等の異常発生時には、蓄電装置５０を直流電圧源として用い、第１の直流／直流変換器７０Ａ及び第２の交流／直流変換器６０Ｂを動作させてアウトレット２０に交流電圧を供給しても良い。

0025

上記のように、本実施形態によれば、蓄電装置５０の充電動作と、アウトレット２０への交流電圧の供給、すなわちアウトレット２０を介した外部の交流電気機器への給電動作とを同時に行うことができる。
また、第２の交流／直流変換器６０Ｂからアウトレット２０に供給する交流電圧の大きさや周波数は交流電源１０に依存せず、独立して設定可能であるから、アウトレット２０から給電する電気機器の定格上の制約が少なくなり、電源装置としての用途が広がるという利点がある。

0026

次に、図３は、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の主回路構成図であり、図４はその一具体例を示す回路図である。
本実施形態は、第２の交流／直流変換器６０Ｂの直流側と出力側のコンデンサ８２Ａとの間に、コンデンサ８１Ｂと第２の直流／直流変換器７０Ｂとが順次接続されている。すなわち、第１の交流／直流変換器６０Ａとコンデンサ８１Ａと第１の直流／直流変換器７０Ａとからなる直列回路と、第２の交流／直流変換器６０Ｂとコンデンサ８１Ｂと第２の直流／直流変換器７０Ｂとからなる直列回路とが、コンデンサ８２Ａを共通にして並列に接続されている。

0027

なお、図４に示す第２の直流／直流変換器７０Ｂにおいて、Ｑ１７〜Ｑ２４は半導体スイッチング素子、７１Ｂ，７３Ｂはブリッジ回路、７２Ｂは変圧器、７４Ｂは共振用のコンデンサである。
この実施形態において、第１，第２の直流／直流変換器７０Ａ，７０Ｂは、一方向にのみ電力変換が可能であれば良く、チョッパ等を使用することもできる。

0028

第２実施形態が第１実施形態と異なるのは、アウトレット２０への電力供給が、出力側のコンデンサ８２Ａから第２の直流／直流変換器７０Ｂ及び第２の交流／直流変換器６０Ｂを介して行われる点であり、その他の動作は第１実施形態と実質的に同一である。
この第２実施形態においても、蓄電装置５０の充電動作と、アウトレット２０を介した外部の電気機器への給電動作とを同時に行うことができると共に、アウトレット２０に供給される交流電圧は交流電源１０に依存することなく任意に設定可能である。

0029

次いで、図５は、本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の主回路構成図であり、図６はその一具体例を示す回路図である。
この第３実施形態は、図１における第２の交流／直流変換器６０Ｂの交流側にリレー３０を設け、このリレー３０の切替動作により、交流電源１０またはアウトレット２０を第２の交流／直流変換器６０Ｂの交流側に接続可能としたものである。

0030

本実施形態の動作は、以下の通りである。
蓄電装置５０を充電する場合には、リレー３０を交流電源１０側に接続し、第１の交流／直流変換器６０Ａ及び第２の交流／直流変換器６０Ｂを交流電源１０とコンデンサ８１Ａとの間で並列に接続する。この状態で２台の交流／直流変換器６０Ａ，６０Ｂを並列運転して交流／直流変換を行い、コンデンサ８１Ａを介して第１の直流／直流変換器７０Ａが直流／直流変換を行うことにより、蓄電装置５０に所定の電圧、電流を供給して充電する。

0031

なお、上記のように２台の交流／直流変換器６０Ａ，６０Ｂを並列運転する場合には、両変換器６０Ａ，６０Ｂをスイッチングする位相角をπ［ｒａｄ．］ずらすことにより、いわゆるマルチフェーズ動作によって出力電流のリプルを低減することができる。
更に、本件出願人による特許第５３０４３７４号公報に記載されているノイズ低減法を用い、２台の変換器６０Ａ，６０Ｂを同期させながら所定の位相差を持たせてスイッチングすれば、所望の次数の高調波ノイズを除去することができる。ちなみに、このノイズ低減法によりｎ次高調波ノイズを低減する場合には、各変換器６０Ａ，６０Ｂに対するスイッチングパルスの位相角αをπ／ｎ［ｒａｄ．］ずらせば良い。

0032

本実施形態において、交流／直流変換器６０Ａ，６０Ｂとして第１実施形態の交流／直流変換器６０Ａと同一定格のものを用いる場合には、直流／直流変換器７０Ａの入力電力（充電電力）を増加させることができ、また、直流／直流変換器７０Ａの入力電力を第１実施形態と同一とすると、交流／直流変換器６０Ａ，６０Ｂの容量を第１実施形態の交流／直流変換器６０Ａよりも小さくすることができる。

0033

なお、アウトレット２０に交流電圧を供給する場合には、リレー３０をアウトレット２０側に接続することによって第１実施形態と同様の回路構成、動作になる。
従って、第２の交流／直流変換器６０Ｂが直流／交流変換を行うことにより、所望の大きさ及び周波数の交流電圧を生成してアウトレット２０に供給することができ、これと同時に、第１の交流／直流変換器６０Ａ及び第１の直流／直流変換器７０Ａを運転して蓄電装置５０を充電することも可能である。

0034

次に、図７は、本発明の第４実施形態に係る電力変換装置の主回路構成図であり、図８はその一具体例を示す回路図である。
本実施形態は、図３における第２の交流／直流変換器６０Ｂの交流側にリレー３０を設け、このリレー３０の切替動作により、交流電源１０またはアウトレット２０を第２の交流／直流変換器６０Ｂの交流側に接続可能としたものである。

0035

本実施形態において、蓄電装置５０を充電する場合には、リレー３０を交流電源１０側に接続し、第１の交流／直流変換器６０Ａと第１の直流／直流変換器７０Ａとの直列回路、及び、第２の交流／直流変換器６０Ｂと第２の直流／直流変換器７０Ｂとの直列回路を、交流電源１０とコンデンサ８２Ａとの間に並列に接続し、上記２組の直列回路を並列運転することにより、蓄電装置５０に所定の直流電圧・電流を供給して充電する。
この場合も、交流／直流変換器６０Ａ，６０Ｂの制御にマルチフェーズ動作や特許第５３０４３７４号公報に記載されているノイズ低減法を適用すれば、リプル電流や高調波ノイズを低減することができる。

0036

また、アウトレット２０に交流電圧を供給する場合には、リレー３０をアウトレット２０側に接続することによって第２実施形態と同様に所望の大きさ及び周波数の交流電圧を供給することができる。
従って、本実施形態においても、蓄電装置５０の充電動作と外部の交流電気機器への給電動作とを同時に行うことができると共に、アウトレット２０に供給する交流電圧を交流電源１０に依存することなく設定可能である。

0037

以上説明したように、各実施形態によれば、蓄電装置等の負荷への給電動作とアウトレットへの交流電圧の供給動作とを同時に行い、また、交流電源に依存しない交流電圧を生成して外部の電気機器に給電することができるため、電源装置としての用途や有用性が大幅に拡充される。

0038

１０：交流電源
２０：アウトレット
３０：リレー
５０：蓄電装置
６０Ａ，６０Ｂ：交流／直流変換器
６１Ａ，６１Ｂ：ブリッジ回路
６２Ａ，６２Ｂ，６３Ａ，６３Ｂ：リアクトル
７０Ａ，７０Ｂ：直流／直流変換器
７２Ａ，７２Ｂ：変圧器
７１Ａ，７１Ｂ，７３，７３Ｂ：ブリッジ回路
７４Ａ，７４Ｂ：コンデンサ
８１Ａ，８１Ｂ，８２Ａ，８２Ｂ：コンデンサ
Ｑ１〜Ｑ２４：半導体スイッチング素子