特開 2024-34986 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024034986

(43)【公開日】2024-03-13

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20240306BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 E

H02M7/48 R

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】書面

(21)【出願番号】P 2022147432

(22)【出願日】2022-08-30

(71)【出願人】

【識別番号】592091057

【氏名又は名称】大平電子株式会社

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 匡

【テーマコード（参考）】

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H770BA11

5H770DA02

5H770DA03

5H770DA41

5H770DA44

5H770EA01

5H770GA13

5H770JA03X

(57)【要約】

【課題】単相または３相交流インバータに中性線を作る。
【解決手段】第１と第２の直流電源からなる直列回路と、それに並列接続された第１と第２のスイッチ素子からなる直列回路と、第１と第２の直流電源の接続点と第１と第２のスイッチ素子の接続点の間に接続された第１の双方向スイッチ回路と、第１と第２の直流電源の接続点と第１と第２のスイッチ素子の接続点の間に接続された第１のコンデンサと、第１のコンデンサの第１と第２のスイッチ素子の接続点側の端子に直列に挿入された第１のリアクトルと、第１のコンデンサに並列に接続された第１の負荷と、第１と第２のスイッチ素子と第１の双方向スイッチ素子の各々の制御電極に所定の周期と位相とパルス幅を持った信号を印加する信号源からなり、第１と第２の直流電源の電力を交流電力に変換して第１の負荷に供給する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の直流電源と第２の直流電源からなる直列回路と前記第１の直流電源と前記第２の直流電源からなる直列回路に並列に接続された第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子からなる直列回路と前記第１の直流電源と前記第２の直流電源の接続点と前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子の接続点の間に接続された第１の双方向スイッチ回路と前記第１の直流電源と前記第２の直流電源の接続点と前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子の接続点の間に接続された第１のコンデンサと前記第１のコンデンサの前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子の接続点側の端子に直列に挿入された第１のリアクトルと前記第１のコンデンサに並列に接続された第１の負荷と前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子と前記第１の双方向スイッチ回路の各々の制御電極に所定の周期と位相とパルス幅を持った駆動信号を印加する第１の信号源からなり、これによって前記第１の直流電源と前記第２の直流電源の電力を交流電力に変換して前記第１の負荷に供給することを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

前記第１の信号源が第１の交流電圧と前記第１の交流電圧の正の半波に相当する期間だけパルスを出力する第１の信号と前記第１の交流電圧の負の半波に相当する期間だけパルスを出力する第２の信号と前記第１の交流電圧の振幅に比例するデューティ比のパルスを出力する第３の信号と前記第３の信号の相補信号を出力する第４の信号を備え、前記第１のスイッチ素子の制御電極に前記第１の信号と前記第３の信号のＡＮＤ信号を印加し、前記第２のスイッチ素子の制御電極に前記第２の信号と前記第３の信号のＡＮＤ信号を印加し、前記第１の双方向スイッチ回路の制御電極に前記第４の信号を印加した請求項１記載の電力変換装置。

【請求項3】

請求項２記載の電力変換装置において、前記第１の直流電源と前記第２の直流電源からなる直列回路に並列に第３のスイッチ素子と第４のスイッチ素子からなる直列回路を接続し前記第１の直流電源と前記第２の直流電源の接続点と前記第３のスイッチ素子と前記第４のスイッチ素子の接続点の間に第２の双方向スイッチ回路を接続し前記第１の直流電源と前記第２の直流電源の接続点と前記第３のスイッチ素子と前記第４のスイッチ素子の接続点の間に第２のコンデンサを接続し前記第２のコンデンサの前記第３のスイッチ素子と前記第４のスイッチ素子の接続点側の端子に第２のリアクトルを直列に挿入し前記第２のコンデンサに並列に第２の負荷を接続し前記第１のコンデンサの前記第１のリアクトル側の端子と前記第２のコンデンサの前記第２のリアクトル側の端子の間に第３の負荷を接続し前記第３ないし第４のスイッチ素子と前記第２の双方向スイッチ回路の各々の制御電極に所定の周期と位相とパルス幅を持った駆動信号を印加する第２の信号源を加え、これによって前記第１の直流電源の電力と前記第２の直流電源の電力を交流電力に変換して前記第１ないし第３の負荷に供給することを特徴とする電力変換装置。

【請求項4】

前記第２の信号源が第２の交流電圧と前記第２の交流電圧の正の半波に相当する期間だけパルスを出力する第５の信号と前記第２の交流電圧の負の半波に相当する期間だけパルスを出力する第６の信号と前記第２の交流電圧の振幅に比例するデューティ比のパルスを出力する第７の信号と前記第７の信号の相補信号を出力する第８の信号を備え、前記第３のスイッチ素子の制御電極に前記第５の信号と前記第７の信号のＡＮＤ信号を印加し、前記第４のスイッチ素子の制御電極に前記第６の信号と前記第７の信号のＡＮＤ信号を印加し、前記第２の双方向スイッチ回路の制御電極に前記第８の信号を印加した請求項３記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記第１の交流電圧と前記第２の交流電圧の周期を等しくかつ互いに１８０°の位相差を保つように設定し、これにより前記第１ないし第３の負荷に単相３線式交流電圧を供給する請求項４記載の電力変換装置。

【請求項6】

前記第１の交流電圧と前記第２の交流電圧の周期を等しくかつ互いに６０°の位相差を保つように設定し、これにより前記第１ないし第３の負荷に３相交流電圧を供給する請求項４記載の電力変換装置。

【請求項7】

前記第１の信号源または前記第２の信号源が前記第１の交流電圧と前記第２の交流電圧の周期を等しくかつ互いに０°から１８０°までの任意の位相差を保つように設定できる制御機能を備え、これによって前記第３の負荷に供給される交流電圧を０から前記第１の負荷または前記第２の負荷に供給される交流電圧の２倍の値まで変化させることができる請求項４記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直流電源の電力を交流電力に変換できる電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

太陽光や風力を利用して発電し、その電力を交流電力に変換して一般家庭または工場に安定して供給する交流インバータの需要が高まっている。
家庭の交流電力は単相３線式と呼ばれるＬ１とＮとＬ２の３線によって供給され、配電盤を介して、Ｌ１とＮ間から１００Ｖ、ＮとＬ２間から１００Ｖ、Ｌ１とＬ２間から２００Ｖを取り出すことができる。Ｎは中性線と呼ばれ接地されている。
家庭に供給されている交流電源と同等の交流電源を作るためには中性線と呼ばれるＮを交流インバータに設ける必要がある。

【0003】

国内の工場で使用されているデルタ結線の３相交流電源は通称Ｒ、Ｓ、Ｔと呼ばれる３本の線で供給されている。通常はＳが接地されている。工場に供給されている３相交流電源と同等の交流電源を作るためには接地できる中性線が必要である。

【0004】

特許文献１には中性線Ｎを備えた単相３線式に対応できる交流インバータの回路が開示されている。開示されている回路によれば直列に接続された２つのコンデンサとそれら２つのコンデンサの電圧のバランスを保つ回路とインバータ回路からなり、インバータの１つの出力端子と２つのコンデンサの中点の間に交流電圧を発生させ、インバータの別の出力端子と２つのコンデンサの中点の間に別の交流電圧を発生させ、２つのコンデンサの中点を中性線Ｎとして単相３線式の交流電源を構成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２０－５８０９１号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に実施形態の一例として示されている回路の中から上述の２つのコンデンサとインバータ回路の部分を抜き出して図９に示した。部品や回路ブロックの符号はそのまま用いている。

【0007】

図９において、Ｃ１とＣ２が上述の２つのコンデンサに相当し、２６がインバータ回路に相当する。尚、特許文献１の段落［００２４］には「インバータ回路２６は、自立運転時（単相３線出力時）に直流電力をＮ相である中性線２８、・・・」と記載されているので自立運転時にもＬ１－Ｎ間に１００Ｖ、Ｎ－Ｌ２間に１００Ｖ、Ｌ１－Ｌ２間に２００Ｖの交流電圧を得ることを想定している。

【0008】

しかし、系統連系時はＬ１相とＬ２相にはほぼ同じ電流が流れ、リアクトルＬ３とＬ４の励磁エネルギの蓄積と放出は交流の半サイクル毎に完結するが、自立運転時はＬ１相とＬ２相の電流が同じとは限らないので、リアクトルＬ３とＬ４の励磁エネルギも互いに異なり、そのためにＬ１相Ｌ２相共に交流の正弦波の形状を保てなくなる。

【0009】

そこで本発明は、単相２線式交流インバータの一方の線を中性線として扱うことができる回路を提供することを目的としている。

【0010】

本発明は、中性線Ｎを備えた単相２線式交流インバータの回路を応用した単相３線式交流インバータの回路を提供することを目的としている。

【0011】

本発明は、中性線Ｎを備えた単相３線式交流インバータ回路を応用した３相交流インバータ回路を提供することを目的としている。

【0012】

本発明は任意の交流電圧を出力できる電圧可変交流インバータの回路を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記の目的を達成するために請求項１記載の発明は、第１の直流電源と第２の直流電源からなる直列回路と、それに並列に接続された第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子からなる直列回路と、第１の直流電源と第２の直流電源の接続点と第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子の接続点の間に接続された第１の双方向スイッチ回路と、第１の直流電源と第２の直流電源の接続点と第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子の接続点の間に接続された第１のコンデンサと、第１のコンデンサの第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子の接続点側の端子に直列に挿入された第１のリアクトルと、第１のコンデンサに並列に接続された第１の負荷と、第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子と第１の双方向スイッチ回路の各々の制御電極に所定の周期と位相とパルス幅を持った駆動信号を印加する第１の信号源からなり、これによって第１の直流電源と第２の直流電源の電力を交流電力に変換して第１の負荷に供給することを特徴とする。

【0014】

請求項２記載の発明は、第１の信号源が第１の交流電圧と、第１の交流電圧の正の半波に相当する期間だけパルスを出力する第１の信号と、第１の交流電圧の負の半波に相当する期間だけパルスを出力する第２の信号と、第１の交流電圧の振幅に比例するデューティ比のパルスを出力する第３の信号と、第３の信号の相補信号を出力する第４の信号を備え、第１のスイッチ素子の制御電極に第１の信号と第３の信号のＡＮＤ信号を印加し、第２のスイッチ素子の制御電極に第２の信号と第３の信号のＡＮＤ信号を印加し、第１の双方向スイッチ回路の制御電極に第４の信号を印加した請求項１記載の電力変換装置。

【0015】

請求項３記載の発明は、請求項２記載の電力変換装置において、第１の直流電源と第２の直流電源からなる直列回路に第３のスイッチ素子と第４のスイッチ素子からなる直列回路を接続し、第１の直流電源と第２の直流電源の接続点と第３のスイッチ素子と第４のスイッチ素子の接続点の間に第２の双方向スイッチ回路を接続し、第１の直流電源と第２の直流電源の接続点と第３のスイッチ素子と第４のスイッチ素子の接続点の間に第２のコンデンサを接続し、第２のコンデンサの第３のスイッチ素子と第４のスイッチ素子の接続点側の端子に第２のリアクトルを直列に挿入し、第２のコンデンサに並列に第２の負荷を接続し、第１のコンデンサの第１のリアクトル側端子と第２のコンデンサの第２のリアクトル側端子の間に第３の負荷を接続し、第３ないし第４のスイッチ素子と第２の双方向スイッチ回路の各々の制御電極に所定の周期と位相とパルス幅を持った駆動信号を印加する第２の信号源を加え、これによって第１の直流電源と第２の直流電源の電力を交流電力に変換して第１ないし第３の負荷に供給することを特徴とする。

【0016】

請求項４記載の発明は、第２の信号源が第２の交流電圧と、第２の交流電圧の正の半波に相当する期間だけパルスを出力する第５の信号と、第２の交流電圧の負の半波に相当する期間だけパルスを出力する第６の信号と、第２の交流電圧の振幅に比例するデューティ比のパルスを出力する第７の信号と、第７の信号の相補信号を出力する第８の信号を備え、第３のスイッチ素子の制御電極に第５の信号と第７の信号のＡＮＤ信号を印加し、第４のスイッチ素子の制御電極に第６の信号と第７の信号のＡＮＤ信号を印加し、第２の双方向スイッチ回路の制御電極に第８の信号を印加した請求項３記載の電力変換装置。

【0017】

請求項５記載の発明は、第１の交流電圧と第２の交流電圧の周期を等しくかつ互いに１８０°の位相差を保つように設定し、これにより第１～第３の負荷に単相３線式交流電圧を供給する請求項４記載の電力変換装置。

【0018】

請求項６記載の発明は、第１の交流電圧と第２の交流電圧の周期を等しくかつ互いに６０°の位相差を保つように設定し、これにより第１～第３の負荷に３相交流電圧を供給する請求項４記載の電力変換装置。

【0019】

請求項７記載の発明は、第１または第２の信号源が第１の交流電圧と第２の交流電圧の周期を等しくかつ互いに０°から１８０°までの任意の位相差を保つように設定できる制御機能を備え、これによって第３の負荷に供給される電圧を０から第１または第２の負荷に供給される交流電圧の２倍の値まで変化させることができる請求項４記載の電力変換装置。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、中性線を有する単相２線式交流を容易に作ることができる。

【0021】

本発明によれば、中性線を有する単相３線式交流を容易に作ることができる。

【0022】

本発明によれば、中性線を有するデルタ結線型３相交流を容易に作ることができる。

【0023】

本発明によれば、可変型交流電源を容易に作ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の実施例を示す回路図である。

【図2】本発明の別の実施例を示す回路図である。

【図3】本発明の別の実施例を示す回路図である。

【図4】本発明の別の実施例を示す回路図である。

【図5】本発明の回路の動作を説明するための波形図である。

【図6】本発明の回路の動作を説明するための波形図である。

【図7】本発明の回路の動作を説明するための波形図である。

【図8】本発明の回路の動作を説明するための波形図である。

【図9】従来の回路の１例を示す図である。

【発明を実施するための最良の形態】

【0025】

本発明を実施するための最良の形態を図を参照して説明する。

【実施例1】

図１は本発明の実施例を示す電力変換装置の回路図である。符号の１と２は直流電源、３と４は各々ＭＯＳＦＥＴによるスイッチ素子、７と８は双方向スイッチ回路を構成するＭＯＳＦＥＴ、１１はリアクトル、１３はコンデンサ、１５は負荷、１８は信号源である。

【0026】

という信号が出力される。ＤＴ１は交流電圧１の振幅に比例したデューティ比のパルスを

波に相当する期間だけハイになるパルスを出力する信号であり、交流１負は負の半波に相当する期間だけハイになるパルスを出力する信号である。

【0027】

交流電圧１の波形と交流１正の波形と交流１負の波形の関係を示す例を図５に示した。

【0028】

【0029】

ＭＯＳＦＥＴ３のゲートにはＤＴ１と交流１正のＡＮＤ信号が加わり、ＭＯＳＦＥＴ４のゲートにはＤＴ１と交流１負のＡＮＤ信号が加わる。７と８が構成する双方向スイッチ

【0030】

交流１正の信号がハイのときは、ＭＯＳＦＥＴ３と双方向スイッチ回路が交互にオンオフを繰返し、かつ、ＤＴ１が交流電圧１の振幅に比例したデューティ比を持つパルスであるので、出力電圧は交流電圧の正の波形になる。交流１負の信号がハイのときは、ＭＯＳＦＥＴ４と双方向スイッチ回路が交互にオンオフを繰返し、出力電圧は交流電圧の負の波形になる。

【0031】

直流電源１と直流電源２の接続点は電位が安定しており、かつ、コンデンサ１３の一方の端子とも共通であり、負荷の一方の端子とも共通である。従って、これを中性線として扱うことが出来、接地することもできる。

【0032】

図１の実施例は中性線を備えた単相２線式交流インバータであるということができる。

【実施例0033】

図２は本発明の別の実施例を示す電力変換装置の回路図である。図１と同じ構成の図３に示した回路を用意し、直流電源１と２と中性線を共有化して結び付け、２つの負荷１５と１６からなる直列回路両端に新たな負荷１７を付けた構成になっている。

【0034】

図中の信号源１９の信号の構成は、交流電圧２から作られる交流２正と交流２負とＤＴ

【0035】

図２において、信号源１９の交流電圧２が信号源１８の交流電圧１に対して位相が１８０°ずれていれば、負荷１６には負荷１５と反転した交流電圧が出力され、負荷１７の電圧は負荷１５と負荷１６の電圧の和になる。

【0036】

日本国内の家庭に供給される単相３線式交流電源は、中性線はＮと呼ばれ他の２つの出力線はＬ１とＬ２と呼ばれているが、線間電圧の式は次のように表すことができる。Ｌ１のＮに対する電圧は式１で表わすことができる。Ｌ２のＮに対する電圧は式２で表わすことができる。従ってＬ１とＬ２間の電圧は式３で表わすことができる。すなわち、信号源１９の交流電圧２の位相を１８０°ずらすことにより単相３線式交流を作ることができる。図７にＬ１－Ｎ間とＬ２－Ｎ間とＬ１－Ｌ２間の電圧波形を示した。

【式１】

【式２】

【式３】

【0037】

図２において、直流電源１と直流電源２の接続点は電位が安定しており、中性線として扱うことができ、接地することもできる。

【実施例0038】

日本国内の３相交流電源はデルタ結線方式が採用されており、出力を構成する３本の線は通称Ｒ、Ｓ、Ｔと呼ばれている。Ｓは通常接地されている。

【0039】

図２において、信号源１９の交流電圧２の位相が６０°ずれていれば、中性線をＳ、他の２つの出力線をＲとＴとし、ＲのＳに対する電圧を式４で表わすと、ＴのＳに対する電圧は式５で表わすことができ、その逆のＳのＴに対する電圧Ｖ（Ｓ－Ｔ）は式６で表わすことができる。ＴのＲに対する電圧は式７で表わすことができる。