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特許6143171発電機用電力変換器

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6143171

(24)【登録日】2017年5月19日

(45)【発行日】2017年6月7日

(54)【発明の名称】発電機用電力変換器

(51)【国際特許分類】

H02M 5/297 20060101AFI20170529BHJP

H02M 5/293 20060101ALI20170529BHJP

H02P 9/48 20060101ALI20170529BHJP

【ＦＩ】

H02M5/297

H02M5/293 B

H02P9/48 A

【請求項の数】2

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-98699(P2013-98699)

(22)【出願日】2013年5月8日

(65)【公開番号】特開2014-220917(P2014-220917A)

(43)【公開日】2014年11月20日

【審査請求日】2016年3月8日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用電気学会研究会資料、半導体電力変換研究会ＳＰＣ−１３−００１〜０１４（２０１３年１月２５日）一般社団法人電気学会発行、第３３〜３８ページに発表

(73)【特許権者】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000109819

【氏名又は名称】デンヨー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根毅

(74)【代理人】

【識別番号】100082991

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤泰和

(74)【代理人】

【識別番号】100103263

【弁理士】

【氏名又は名称】川崎康

(74)【代理人】

【識別番号】100117787

【弁理士】

【氏名又は名称】勝沼宏仁

(74)【代理人】

【識別番号】100077609

【弁理士】

【氏名又は名称】玉真正美

(72)【発明者】

【氏名】藤田英明

(72)【発明者】

【氏名】川畑健太郎

【審査官】東昌秋

(56)【参考文献】

【文献】特開昭４９−５０４３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５７−１９２７４０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平９−２８０３８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ１／００−７／９８

Ｈ０２Ｐ９／００−９／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

それぞれ独立した複数の相巻線を有する交流発電機に接続されて交流−交流変換を行う発電機用電力変換器において、
前記交流発電機の各相巻線の各一端に接続される第１の交直変換器と、
前記交流発電機の各相巻線の各他端に接続される第２の交直変換器と、
前記第１の交直変換器の直流出力端間に接続される第１のコンデンサと、
前記第２の交直変換器の直流出力端間に接続される第２のコンデンサと
をそなえ、前記第１および第２の交直変換器における一方の同極出力端間に交流負荷を接続して他方の同極出力端間を相互接続し、前記第１および第２の交直変換器を、位相が反転された正弦波成分が重畳した直流電力を出力するように制御することを特徴とする発電機用電力変換器。

【請求項2】

請求項1記載の発電機用電力変換器において、
前記交流負荷に並列に接続されたコンデンサをそなえることを特徴とする発電機用電力変換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、交流発電機の出力を電力変換する変換器に係り、とくにその低コスト化、高効率化および小型軽量化に適した発電機用電力変換器に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、三相発電機を用いて単相交流電力を供給する場合、交流−交流電力変換器を用いる。この種の電力変換器は、半導体スイッチング素子を用いて三相／単相変換を行っている。この場合、半導体素子のスイッチング動作に伴い、電圧、電流のリップルが生じ、このリップルを除去するために交流インダクタを用いる（例えば特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８‐９２７８６号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

交流インダクタは、電力変換器を構成する他の要素に比べて重量、体積が遥かに大きく、また高価であるため、問題とされている。

【0005】

そして、ポータブルな比較的小型のエンジン発電機の場合であると、設置すべき場所へ人が移動させる上で、重量の大小は可搬性に大きく影響する。

【0006】

そこで、軽量化策として、インダクタの小型化を図る観点からスイッチング周波数を高周波化することが考えられる。しかし、インダクタは高周波化により鉄損が増すため、鉄心材料を周波数特性に優れたものとする、等の他の対策を要することになる。

【0007】

本発明は上述の点を考慮してなされたもので、交流インダクタを必要としない発電機用電力変換器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的達成のため、本発明では、
それぞれ独立した複数の相巻線を有する交流発電機に接続されて交流−交流変換を行う発電機用電力変換器において、
前記交流発電機の各相巻線の各一端に接続される第１の交直変換器と、
前記交流発電機の各相巻線の各他端に接続される第２の交直変換器と、
前記第１の交直変換器の直流出力端間に接続される第１のコンデンサと、
前記第２の交直変換器の直流出力端間に接続される第２のコンデンサと
をそなえ、前記第１および第２の交直変換器における一方の同極出力端間に交流負荷を接続して他方の同極出力端間を相互接続し、前記第１および第２の交直変換器を、位相が反転された正弦波成分が重畳した直流電力を出力するように制御することを特徴とする発電機用電力変換器、
を提供するものである。

【発明の効果】

【0009】

本発明は上述のように、交流インダクタを含まない構成であるため、機器全体を小型化、軽量化、低価格化することができる。そして、スイッチング周波数を高周波化することにより高効率化も達成できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図1(ａ)は本発明の一実施例の構成を示す回路図、図1(ｂ)は図1(ａ)の回路における発電機ＰＭＳＧの巻線構成を示す説明図。

【図2】図１に示した実施例の回路各部の電圧、電流を示した波形図。

【図3】発電機起電力と単相出力電圧との関係を示す波形図。

【図4】発電機を無負荷起電力と同期インダクタンスとを用いて表した等価回路図。

【発明を実施するための最良の形態】

【0011】

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

【実施例1】

【0012】

図１(ａ)は、本発明の一実施例の構成を示す回路図である。この実施例は、発電機として永久磁石交流発電機ＰＭＳＧを用い、この発電機ＰＭＳＧに２台の交直変換器としてのブリッジ型コンバータＣＯＮ１，ＣＯＮ２が組み合わされている。

【0013】

そして、各コンバータＣＯＮ１，ＣＯＮ２の交流側端子は発電機ＰＭＳＧに接続され、直流側端子はコンデンサＣ１，Ｃ２に接続されるとともに、各コンバータＣＯＮ１，ＣＯＮ２の一方の極性端子、この場合、Ｐ端子相互間に負荷が接続され、他方の極性端子、この場合Ｎ端子は相互に接続されている。なお、負荷には、フィルタコンデンサＣｆが並列接続されている。

【0014】

ここで、コンデンサＣ１，Ｃ２は、出力フィルタコンデンサとして作用するものであり、コンデンサＣ１，Ｃ２の容量は、発電機ＰＭＳＧの出力、換言すれば負荷の大きさに応じて定まるものである。また、フィルタコンデンサＣｆの容量は、負荷に供給される電力の中に含まれるリップルの大小に応じて定まるものである。

【0015】

図１(ｂ)は発電機ＰＭＳＧの巻線構成を示すもので、発電機ＰＭＳＧは、それぞれ独立した三相巻線を有し、各巻線が第１のコンバータＣＯＮ１の交流側端子と第２のコンバータＣＯＮ２の交流側端子との間に接続されている。

【0016】

そして、各巻線ｗ_ａ，ｗ_ｂ，ｗ_ｃの各電圧端子v1a,v1b,v1cは、図１(ａ)に示すように、第１のコンバータＣＯＮ１の交流端子に接続され、もう一つの各電圧端子v2a,v2b,v2cは、第２のコンバータＣＯＮ２の交流端子に接続されて発電機電流ia,ib,icを出力する。

【0017】

再び図１(ａ)に戻り、各コンバータＣＯＮ１，ＣＯＮ２において、ブリッジ回路を構成するスイッチング素子Ｓ（Ｓa11，Ｓa12，Ｓb11，Ｓb12，Ｓc11，Ｓc12，Ｓa21，Ｓa22，Ｓb21，Ｓb22，Ｓc21，Ｓc22）はＩＧＢＴであり、それぞれフリーホイールダイオードＤが接続されている。

【0018】

図２(ａ)−(ｅ)は、図１に示した実施例における回路各部の電圧、電流波形を示した無負荷時波形タイミングチャートである。

【0019】

具体例を挙げれば、永久磁石式発電機ＰＭＳＧは、相電圧実効値１２０Ｖ、定格出力３ｋＷ、出力周波数５０Ｈｚのものを用い、直流コンデンサＣ１，
Ｃ２は３０μＦ、負荷に並列接続したフィルタコンデンサＣｆは１０μＦとした。

【0020】

この条件で、負荷を無負荷から１ｋＷ、２ｋＷ、３ｋＷと増していったところ、発電機電流ia,ib,ic,負荷電圧ｖＬ、負荷電流ｉＬに含まれるスイッチング歪は漸増していく傾向はあるものの、実用上の問題が生じることはなかった。

【0021】

発電機起電力ea,eb,ecは、図２(ａ)に示すように、電気角１２０度ずつ位相のずれた３相交流正弦波電圧であり、発電機ＰＭＳＧの３相巻線ｗ_ａ,ｗ_ｂ,ｗ_ｃの電圧端子v1a,v2a間、v1b,v2b間、およびv1c,v2c間に発生する。そして、各巻線ｗ_ａ，ｗ_ｂ，ｗ_ｃからコンバータＣＯＮ１，ＣＯＮ２に対して発電機電流ia,ib,icが供給される。

【0022】

発電機電流の制御は、コンバータ１つに６個ずつで、２つのコンバータでは合計１２個のスイッチング素子Ｓ（Ｓa11，Ｓa12，Ｓb11，Ｓb12，Ｓc11，Ｓc12，Ｓa21，Ｓa22，Ｓb21，Ｓb22，Ｓc21，Ｓc22）のスイッチングにより行われて、例えば商用周波数の交流電流となる。この発電機電流には、図２(ｂ)に示すように、発電機ＰＭＳＧの起電力周波数成分に負荷電圧周波数成分の零相電流が重畳した波形となる。

【0023】

そして、コンバータＣＯＮ１，ＣＯＮ２におけるスイッチング素子Ｓの動作により、各コンバータＣＯＮ１，ＣＯＮ２の直流端子Ｐ，Ｎ間には直流出力が送出され、図２(ｃ)に示すように直流コンデンサＣ１，Ｃ２に畜電され、かつ図２(ｄ)に示すように負荷に給電される。

【0024】

すなわち、コンデンサＣ１，Ｃ２それぞれに蓄積される２つのコンデンサ電圧v1d,v2dは、位相が互いに１８０°ずれたものであるから（図２(ｃ））、２つのコンデンサＣ１，Ｃ２間に接続された負荷には、これら２つの電圧の差分である正弦波電圧vLが加わる（図２(ｄ)）。

【0025】

この結果、負荷に流れる電流iLは、図２(e)に示すような正弦波電流となる。発電機電流に重畳した零相電流は、直流コンデンサ電圧v_１d，v_２dを制御するものであり、零相電流は負荷電流iLの振幅にほぼ比例する。

【0026】

このように構成することにより、本発明によれば、電力変換器に必須の構成要素と考えられてきたインダクタを一切用いることなく変換器を構成でき、交流負荷に所望の交流給電を行うことができる。

【0027】

図３は、発電機ＰＭＳＧの起電力と単相出力電圧との関係を示す波形図である。この波形図に示すように、２つの直流コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧v_１d，
v_２dの差が単相出力電圧になるので、各直流コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧を互いに位相が反転した正弦波成分を有する脈流に制御する。

【0028】

一方、三相ブリッジ構成のコンバータＣＯＮが適切に電流制御を行うには、三相入力端子電圧である発電機起電力は、常に直流コンデンサ電圧v_１d v_２d以下であることが必要である。したがって、直流コンデンサ電圧v_１d，v_２dの最大値は、発電機起電力の相電圧波高値と出力電圧波高値との和である√２E+√２vLとなる。

【0029】

実際の動作実験には、三相永久磁石同期発電機ＰＭＳＧとして１４極型のものを３０００ｒｐｍで運転したとき、出力相電圧（実効値）１００Ｖ、周波数３５０Ｈｚであり、このとき直流コンデンサ電圧v_１d，v_２dの最大値は２８３[Ｖ]であった。

【0030】

図４は、発電機ＰＭＳＧを、無負荷起電力e_a，e_b，e_cおよび同期インダクタンスＬ、抵抗ｒを用いて表した等価回路である。

【0031】

以上、図２に示した各部波形に基づき回路動作を説明したが、続いて図４および数式を用いて本発明に係る変換器の動作を説明する。

【0032】

動作原理
図４に示した等価回路各部の電圧、電流につき_、発電機PMSGの起電力e_a,e_ｂ, e_ｃを、

【数1】