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公開番号2021044942
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210318
出願番号2019165618
出願日20190911
発明の名称整流回路
出願人東芝三菱電機産業システム株式会社
代理人特許業務法人深見特許事務所
主分類H02M 7/12 20060101AFI20210219BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】整流器用変圧器の容量を低減できる整流回路を提供する。
【解決手段】整流素子Tu1、Tv1、Tw1は、アノードが変圧器9の第1の二次巻線3の三相巻線にそれぞれ接続され、カソードがともに直流正母線6に接続される。整流素子Tu2、Tv2、Tw2は、アノードが第1の二次巻線3の三相巻線にそれぞれ接続され、カソードがともに直流母線8に接続される。整流素子Tx1、Ty1、Tz1は、カソードが変圧器9の第2の二次巻線4の三相巻線にそれぞれ接続され、アノードがともに直流負母線7に接続される。整流素子Tx2、Ty2、Tz2は、カソードが第2の二次巻線4の三相巻線にそれぞれ接続され、アノードがともに直流母線8に接続される。相間リアクトル5の第1の巻線5aは、第1の二次巻線3の中性点N1と直流負母線7との間に接続され、第2の巻線5bは、第2の二次巻線4の中性点N2と直流正母線6との間に接続される。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
三相交流電源から供給される交流電力を整流して負荷に供給する整流回路であって、
前記三相交流電源に接続される1次巻線と、星形結線された第1および第2の二次巻線とを有する変圧器と、
前記負荷の正極に接続される第1の直流母線と、
前記負荷の負極に接続される第2の直流母線と、
第3の直流母線と、
アノードおよびカソードを有する第1から第12の整流素子と、
磁気結合された第1の巻線および第2の巻線を有する相間リアクトルとを備え、
前記第1の二次巻線は、一方端が中性点で接続された第1相から第3相の巻線を有し、
前記第2の二次巻線は、一方端が中性点で接続された第4相から第6相の巻線を有し、
前記第1から第3の整流素子は、アノードが前記第1相から第3相の巻線の他方端にそれぞれ接続され、かつ、カソードがともに前記第1の直流母線に接続され、
前記第4から第6の整流素子は、アノードが前記第1相から第3相の巻線の他方端にそれぞれ接続され、かつ、カソードがともに前記第3の直流母線に接続され、
前記第7から第9の整流素子は、カソードが前記第4相から第6相の巻線の他方端にそれぞれ接続され、かつ、アノードがともに前記第2の直流母線に接続され、
前記第10から第12の整流素子は、カソードが前記第4相から第6相の巻線の他方端にそれぞれ接続され、かつ、アノードがともに前記第3の直流母線に接続され、
前記相間リアクトルの前記第1の巻線は、前記第1の二次巻線の中性点と前記第2の直流母線との間に接続され、前記第2の巻線は、前記第2の二次巻線の中性点と前記第1の直流母線との間に接続される、整流回路。
続きを表示(約 750 文字)【請求項2】
前記第1から第12の整流素子のスイッチングを制御する制御装置をさらに備え、
前記制御装置は、
前記第4から第6の整流素子および前記第10から第12の整流素子をオフ状態とし、かつ、前記第1から第3の整流素子および前記第7から第9の整流素子をスイッチングさせる第1のスイッチングモードと、
前記第1から第3の整流素子および前記第7から第9の整流素子をオフ状態とし、かつ、前記第4から第6の整流素子および前記第10から第12の整流素子をスイッチングさせる第2のスイッチングモードを有しており、
前記第1のスイッチングモードおよび前記第2のスイッチングモードのいずれかを選択的に実行する、請求項1に記載の整流回路。
【請求項3】
前記第1のスイッチングモードにおいて、前記第1から第3の整流素子、前記第7から第9の整流素子、前記第1の直流母線、前記第2の直流母線および前記相間リアクトルは、二重星形結線整流器を形成し、
前記第2のスイッチングモードにおいて、前記第4から第6の整流素子、前記第10から第12の整流素子、前記第1の直流母線、前記第2の直流母線、前記第3の直流母線および前記相間リアクトルは、三相ブリッジ結線整流器を形成する、請求項2に記載の整流回路。
【請求項4】
前記負荷は、負性抵抗負荷であり、
前記負荷に流れる電流を検出する電流検出器をさらに備え、
前記制御装置は、前記電流検出器の検出値が閾値未満である場合には、前記第1のスイッチングモードを実行する一方で、前記電流検出器の検出値が前記閾値を超える場合には、前記第2のスイッチングモードを実行する、請求項2または3に記載の整流回路。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
この発明は、整流回路に関する。
続きを表示(約 6,000 文字)【背景技術】
【0002】
特開2000−24776号公報(特許文献1)には、二重星形結線整流器が開示される。二重星形結線整流器は、三相交流電圧を受ける一次巻線および2組の星形結線された二次巻線を有する整流器用変圧器と、6個の整流素子(サイリスタ)と、相間リアクトルとを有する。相間リアクトルは2組の二次巻線の中性点間に接続される。各二次巻線には3個の整流素子が接続されており、各二次巻線において交流電圧に同期して3個の整流素子を120°の位相間隔で順番に導通させることにより、三相交流電圧を整流して負荷に直流電流を供給する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2000−24776号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上述した二重星形結線整流器は、2組の三相半波整流器が相間リアクトルを経由して並列に接続され、負荷に直流電流を供給するように構成されているため、低電圧で大電流を供給する直流電源として一般的に利用されている。
【0005】
ここで、負荷が負性抵抗特性を有している場合、負荷の動作領域は、低電圧大電流で駆動される領域と、高電圧小電流で駆動される領域とを含むことがある。この場合、負荷に直流電流を供給する電源には、上記2つの領域をカバーすることが求められる。このような電源を二重星形結線整流器単体で実現するためには、大電流および高電圧に対応し得る大容量の整流器用変圧器が必要となる。
【0006】
この発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、整流器用変圧器の容量を低減できる整流回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
この発明のある局面に従う整流回路は、三相交流電源から供給される交流電力を整流して負荷に供給する。整流回路は、変圧器と、負荷の正極に接続される第1の直流母線と、負荷の負極に接続される第2の直流母線と、第3の直流母線と、アノードおよびカソードを有する第1から第12の整流素子と、磁気結合された第1の巻線および第2の巻線を有する相間リアクトルとを備える。変圧器は、三相交流電源に接続される1次巻線と、星形結線された第1および第2の二次巻線とを有する。第1の二次巻線は、一方端が中性点で接続された第1相から第3相の巻線を有する。第2の二次巻線は、一方端が中性点で接続された第4相から第6相の巻線を有する。第1から第3の整流素子は、アノードが第1相から第3相の巻線の他方端にそれぞれ接続され、かつ、カソードがともに第1の直流母線に接続される。第4から第6の整流素子は、アノードが第1相から第3相の巻線の他方端にそれぞれ接続され、かつ、カソードがともに第3の直流母線に接続される。第7から第9の整流素子は、カソードが第4相から第6相の巻線の他方端にそれぞれ接続され、かつ、アノードがともに第2の直流母線に接続される。第10から第12の整流素子は、カソードが第4相から第6相の巻線の他方端にそれぞれ接続され、かつ、アノードがともに第3の直流母線に接続される。第1の巻線は、第1の二次巻線の中性点と第2の直流母線との間に接続される。第2の巻線は、第2の二次巻線の中性点と第1の直流母線との間に接続される。
【発明の効果】
【0008】
この発明によれば、整流器用変圧器の容量を低減できる整流回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
実施の形態に係る整流回路の構成を説明するための回路図である。
第1のスイッチングモードを説明するための回路図である。
第1のスイッチングモードにおけるスイッチング動作を説明するための図である。
第1のスイッチングモードを説明するための波形図である。
第2のスイッチングモードを説明するための回路図である。
第2のスイッチングモードにおけるスイッチング動作を説明するための図である。
第2のスイッチングモードを説明するための波形図である。
負荷がカーボン炉である場合の負荷特性を模式的に示す図である。
負荷の特性と、本実施の形態に係る整流回路の動作領域との関係を模式的に示す図である。
一般的な二重星形結線整流器の回路図である。
一般的な三相ブリッジ結線整流器の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明を原則的に繰返さないものとする。
【0011】
[整流回路の構成]
図1は、実施の形態に係る整流回路の構成を説明するための回路図である。
【0012】
図1を参照して、実施の形態に係る整流回路は、三相交流電源1および負荷10の間に接続され、三相交流電源1から供給される三相交流電圧を全波整流して直流電圧に変換し、直流正母線6および直流負母線7間に出力するように構成される。直流正母線6および直流負母線7間には負荷10が接続される。負荷10は、例えばカーボン炉であり、整流回路から供給される直流電圧を受けて駆動する。
【0013】
具体的には、整流回路は、変圧器(整流器用変圧器)9と、12個のサイリスタTu1,Tu2,Tv1,Tv2,Tw1,Tw2,Tx1,Tx2,Ty1,Ty2,Tz1,Tz2と、相間リアクトル5と、直流正母線6と、直流負母線7と、直流母線8と、制御装置14とを備える。
【0014】
変圧器9は、三相交流電源1に接続される一次巻線2と、第1の二次巻線3と、第2の二次巻線4とを有する3巻線絶縁変圧器である。一次巻線2は、星形結線された三相の巻線2a,2b,2cを有する。第1の二次巻線3および第2の二次巻線4はともに星形結線されている。
【0015】
第1の二次巻線3は、U相巻線3u、V相巻線3vおよびW相巻線3wを有する。U相巻線3u、V相巻線3vおよびW相巻線3wは、互いに120度ずつ配置角度が異なる。U相巻線3u、V相巻線3vおよびW相巻線3wの一方端は中性点N1で相互接続される。U相電圧Vu、V相電圧VuおよびW相電圧Vwの位相は120度ずつずれている。
【0016】
第2の二次巻線4は、X相巻線4x、Y相巻線4yおよびW相巻線3wを有する。X相巻線4x、Y相巻線4yおよびW相巻線3wは、互いに120度ずつ配置角度が異なる。X相巻線4x、Y相巻線4yおよびZ相巻線4zの一方端は中性点N2で相互接続される。X相電圧Vx、Y相電圧VyおよびZ相電圧Vzの位相は120度ずつずれている。U相電圧VuとX相電圧Vxとは位相が逆位相となり、V相電圧VvとY相電圧Vyとは位相が逆位相となり、W相電圧VwとZ相電圧Vzとは位相が逆位相となっている。
【0017】
12個のサイリスタTu1,Tu2,Tv1,Tv2,Tw1,Tw2,Tx1,Tx2,Ty1,Ty2,Tz1,Tz2のうち6個のサイリスタTu1,Tu2,Tv1,Tv2,Tw1,Tw2は、第1の二次巻線3に接続される。具体的には、サイリスタTu1は、アノードがU相巻線3uの他方端に接続され、カソードが直流正母線6に接続される。サイリスタTv1は、アノードがV相巻線3vの他方端に接続され、カソードが直流正母線6に接続される。サイリスタTw1は、アノードがW相巻線3wの他方端に接続され、カソードが直流正母線6に接続される。サイリスタTu1は「第1の整流素子」の一実施例に対応し、サイリスタTv1は「第2の整流素子」の一実施例に対応し、サイリスタTw1は「第3の整流素子」の一実施例に対応する。
【0018】
サイリスタTu2は、アノードがU相巻線3uの他方端に接続され、カソードが直流正母線6に接続される。サイリスタTv2は、アノードがV相巻線3vの他方端に接続され、カソードが直流母線8に接続される。サイリスタTw2は、アノードがW相巻線3wの他方端に接続され、カソードが直流母線8に接続される。サイリスタTu2は「第4の整流素子」の一実施例に対応し、サイリスタTv2は「第5の整流素子」の一実施例に対応し、サイリスタTw2は「第6の整流素子」の一実施例に対応する。
【0019】
すなわち、サイリスタTu1(第1の整流素子)およびサイリスタTu2(第4の整流素子)は、アノードがともにU相巻線3uの他方端に接続され、カソードが直流正母線6または直流母線8に接続される。サイリスタTv1(第2の整流素子)およびサイリスタTv2(第5の整流素子)は、アノードがともにV相巻線3vの他方端に接続され、カソードが直流正母線6または直流母線8に接続される。サイリスタTw1(第3の整流素子)およびサイリスタTw2(第6の整流素子)は、アノードがともにW相巻線3wの他方端に接続され、カソードが直流正母線6または直流母線8に接続される。
【0020】
残りの6個のサイリスタTx1,Tx2,Ty1,Ty2,Tz1,Tz2は、第1の二次巻線4に接続される。具体的には、サイリスタTx1は、カソードがX相巻線4xの他方端に接続され、アノードが直流負母線7に接続される。サイリスタTy1は、カソードがY相巻線4yの他方端に接続され、アノードが直流負母線7に接続される。サイリスタTz1は、カソードがZ相巻線4zの他方端に接続され、アノードが直流負母線7に接続される。サイリスタTx1は「第7の整流素子」の一実施例に対応し、サイリスタTy1は「第8の整流素子」の一実施例に対応し、サイリスタTz1は「第9の整流素子」の一実施例に対応する。
【0021】
サイリスタTx2は、カソードがX相巻線4xの他方端に接続され、アノードが直流負母線7に接続される。サイリスタTy2は、カソードがY相巻線4yの他方端に接続され、アノードが直流母線8に接続される。サイリスタTz2は、カソードがZ相巻線4zの他方端に接続され、アノードが直流母線8に接続される。サイリスタTx2は「第10の整流素子」の一実施例に対応し、サイリスタTy2は「第11の整流素子」の一実施例に対応し、サイリスタTz2は「第12の整流素子」の一実施例に対応する。
【0022】
すなわち、サイリスタTx1(第7の整流素子)およびサイリスタTx2(第10の整流素子)は、カソードがともにX相巻線4xの他方端に接続され、アノードが直流負母線7または直流母線8に接続される。サイリスタTy1(第8の整流素子)およびサイリスタTy2(第11の整流素子)は、カソードがともにY相巻線4yの他方端に接続され、アノードが直流負母線7または直流母線8に接続される。サイリスタTz1(第9の整流素子)およびサイリスタTz2(第12の整流素子)は、カソードがともにZ相巻線4zの他方端に接続され、アノードが直流負母線7または直流母線8に接続される。
【0023】
サイリスタTu1,Tu2,Tv1,Tv2,Tw1,Tw2,Tx1,Tx2,Ty1,Ty2,Tz1,Tz2のゲートは、制御装置14からのゲートパルス信号Gu1,Gu2,Gv1,Gv2,Gw1,Gw2,Gx1,Gx2,Gy1,Gy2,Gz1,Gz2をそれぞれ受ける。各サイリスタTは、アノードおよびカソード間に順バイアス電圧が印加されているとき、対応するゲートパルス信号Gに応答してオン(導通)する。サイリスタTは、アノードおよびカソード間に逆バイアス電圧が印加されるとオフ(非導通)する。
【0024】
相間リアクトル5は、同極性に磁気結合された第1の巻線5aおよび第2の巻線5bを有する。第1の巻線5aと第2の巻線5bとは同一鉄心上に巻かれており、巻数が互いに等しい。第1の巻線5aは、一方端が第1の二次巻線3の中性点N1に接続され、他方端が直流負母線7に接続される。第2の巻線5bは、一方端が第2の二次巻線4の中性点N2に接続され、他方端が直流正母線6に接続される。
【0025】
電流検出器12は、負荷10に供給される直流電流Idcを検出し、検出値を示す信号を制御装置14に出力する。
【0026】
制御装置14は、電流検出器12による直流電流Idcの検出値に基づいて、負荷10に供給される直流電力が予め定められた目標直流電力になるように、ゲートパルス信号Gu1,Gu2,Gv1,Gv2,Gw1,Gw2,Gx1,Gx2,Gy1,Gy2,Gz1,Gz2を生成し、サイリスタTu1,Tu2,Tv1,Tv2,Tw1,Tw2,Tx1,Tx2,Ty1,Ty2,Tz1,Tz2のゲートにそれぞれ与える。
【0027】
[整流回路の動作]
次に、本実施の形態に係る整流回路の動作について説明する。
【0028】
図1に示した整流回路は、12個のサイリスタのうちの6個のサイリスタをスイッチングさせることによって整流動作を行なうように構成される。このスイッチングさせる6個のサイリスタを切り替えることによって、整流回路は、2種類の整流動作を切り替えて実行することができる。なお、6個のサイリスタをスイッチングさせている間、残りの6個のサイリスタはオフ状態に固定されている。
【0029】
具体的には、制御装置14は、6個のサイリスタTu1,Tv1,Tw1,Tx1,Ty1,Tz1をスイッチングさせる「第1のスイッチングモード」と、6個のサイリスタTu2,Tv2,Tw2,Tx2,Ty2,Tz2をスイッチングさせる「第2のスイッチングモード」とを有する。制御装置14は、第1のスイッチングモードおよび第2のスイッチングモードのいずれかを選択的に実行することができる。
【0030】
(1)第1のスイッチングモード
図2は、第1のスイッチングモードを説明するための回路図である。
(【0031】以降は省略されています)

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