JP5846551B2

JP5846551B2 - 三相三倍電圧整流回路

Info

Publication number: JP5846551B2
Application number: JP2011119108A
Authority: JP
Inventors: 正昭作井; 翼清水
Original assignee: University of Toyama NUC
Current assignee: University of Toyama NUC
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2031-05-27
Also published as: JP2012249419A

Description

本発明は、三相交流電源を入力として、三相線間電圧の３倍の直流電圧が得られる三相三倍電圧整流回路に関する。

従来のダムや発電所による大規模な発電システムに対して、近年、小型の水車や風車などを用いた小規模な発電システムが注目されている。しかし、こうした小規模な発電システムに用いられる永久磁石形同期発電機は、低い回転数で運転しているため、従来の三相ブリッジ整流回路では十分な直流出力電圧を得ることができない。そのため、昇圧チョッパや変圧器を用いる方法や、同期発電機の巻数を増やす方法が必要となるが、高コスト化や設備の大型化が問題となる。そこで本願の発明者らは、チャージポンプ方式を用いた三相三倍電圧整流回路を提案している（非特許文献１）。この回路は、図１０に示すように、６個のダイオード（ｄ_１〜ｄ_６）と、６個のコンデンサ（ｃ_１〜ｃ_６）からなる構成であって、三相交流電源を入力として、整流するとともに、三相線間電圧の略３倍の直流電圧を得ることができる。

新谷英大、清水翼、飴井賢治、大路貴久、作井正昭、「チャージポンプ方式を用いた三相三倍電圧整流回路」、平成２２年度電気関係学会北陸支部連合大会、Ａ−６１、２０１０年９月

しかしながら、非特許文献１の発明においては、直流電圧のリップルを抑制するための平滑コンデンサｃ_６が設けられており、電圧の平滑化を回路構成の工夫により補うことで、コンデンサｃ_６を削除しても性能を落とすことなくさらに構成を簡素なものとする余地があった。

本発明は、上記事情を鑑みたものであり、簡素な回路構成で整流と昇圧を同時に行うことができる三相三倍電圧整流回路を提供することを目的とする。

本発明は、Ａ相端子、Ｂ相端子およびＣ相端子を有する三相交流電源を入力とし、６個のダイオードと、５個のコンデンサとを備え、Ａ相端子に第一コンデンサの一端が接続され、第一コンデンサの他端とＢ相端子の間に、第二ダイオードおよび第三ダイオードが、第一コンデンサ側をカソードとして直列に接続されており、Ｃ相端子に第二コンデンサの一端が接続され、Ｂ相端子と第二コンデンサの他端の間に、第四ダイオードおよび第五ダイオードが、Ｂ相端子側をカソードとして直列に接続されており、第一コンデンサの他端に、第一ダイオードが第一コンデンサ側をアノードとして直列に接続され、第二コンデンサの他端に、第六ダイオードが第二コンデンサ側をカソードとして直列に接続されており、第一ダイオードのカソードと第四ダイオードのアノードの間に第三コンデンサが接続されており、第三ダイオードのカソードと第六ダイオードのアノードの間に第四コンデンサが接続されており、第一ダイオードのカソードと第六ダイオードのアノードの間に第五コンデンサが接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、６個のダイオードと、５個のコンデンサという受動素子のみからなる簡素な構成の回路によって、三相交流電源を入力として、整流するとともに、三相線間電圧の略３倍の直流出力電圧を得ることができる。

本発明の三相三倍電圧整流回路の構成を示す回路図。本発明の回路の動作原理の説明図（１）。本発明の回路の動作原理の説明図（２）。本発明の回路の動作原理の説明図（３）。本発明の回路の動作原理の説明図（４）。本発明の回路の動作原理の説明図（５）。本発明の回路の動作原理の説明図（６）。相電圧とダイオードの導通状態との関係を示す説明図。（ａ）はシミュレーション結果を示すグラフ、（ｂ）は実験結果を示すグラフ。従来の三相三倍電圧整流回路の構成を示す回路図。

本発明の三相三倍電圧整流回路の具体的な構成について、各図面に基づいて説明する。図１に示すように、この回路は三相交流電源を入力とするものであって、三相交流電源は、Ａ相端子Ｔ_ａ、Ｂ相端子Ｔ_ｂおよびＣ相端子Ｔ_ｃを有する。そして、回路は６個のダイオードと、５個のコンデンサとを備える。まず、Ａ相端子Ｔ_ａに第一コンデンサＣ_１の一端が接続され、第一コンデンサＣ_１の他端とＢ相端子Ｔ_ｂの間に、第二ダイオードＤ_２および第三ダイオードＤ_３が、第一コンデンサＣ_１側をカソードとして直列に接続されている。また、Ｃ相端子Ｔ_ｃに第二コンデンサＣ_２の一端が接続され、Ｂ相端子Ｔ_ｂと第二コンデンサＣ_２の他端の間に、第四ダイオードＤ_４および第五ダイオードＤ_５が、Ｂ相端子Ｔ_ｂ側をカソードとして直列に接続されている。さらに、第一コンデンサＣ _１の他端に、第一ダイオードＤ _１が第一コンデンサＣ _１側をアノードとして直列に接続され、第二コンデンサＣ _２の他端に、第六ダイオードＤ _６が第二コンデンサＣ _２側をカソードとして直列に接続されている。そして、第一ダイオードＤ_１のカソードと第四ダイオードＤ_４のアノードの間に第三コンデンサＣ_３が接続されている。また、第三ダイオードＤ_３のカソードと第六ダイオードＤ_６のアノードの間に第四コンデンサＣ_４が接続されている。さらに、第一ダイオードＤ_１のカソードと第六ダイオードＤ_６のアノードの間に第五コンデンサＣ_５が接続されている。なお、Ａ相、Ｂ相およびＣ相の相電圧を、それぞれＥ_ａ，Ｅ_ｂ，Ｅ_ｃとし、線間電圧を、それぞれＶ_ａｂ（＝Ｅ_ａ−Ｅ_ｂ），Ｖ_ｂｃ（＝Ｅ_ｂ−Ｅ_ｃ），Ｖ_ｃａ（＝Ｅ_ｃ−Ｅ_ａ）とする。また、この回路に接続される負荷を、負荷抵抗Ｒ_Ｌで表す。

続いて、このように構成した三相三倍電圧整流回路の動作原理を説明する。各線間電圧が負の半周期の場合と正の半周期の場合で、ダイオードが導通する組み合わせは６通りとなる。

Ａ相とＢ相の間の線間電圧Ｖ_ａｂが負の半周期のとき、図２に示すように、第二ダイオードＤ_２と第三ダイオードＤ_３が導通し、第一コンデンサＣ_１に線間電圧Ｖ_ａｂの最大値Ｖ_ｍが充電される。

Ａ相とＢ相の間の線間電圧Ｖ_ａｂが正の半周期のとき、図３に示すように、第一ダイオードＤ_１と第四ダイオードＤ_４が導通し、線間電圧Ｖ_ａｂの最大値Ｖ_ｍに、第一コンデンサＣ_１に充電された電圧Ｖ_ｍが加算され、第三コンデンサＣ_３に２Ｖ_ｍの電圧が充電される。

Ｂ相とＣ相の間の線間電圧Ｖ_ｂｃが負の半周期のとき、図４に示すように、第四ダイオードＤ_４と第五ダイオードＤ_５が導通し、第二コンデンサＣ_２に線間電圧Ｖ_ｂｃの最大値Ｖ_ｍが充電される。

Ｂ相とＣ相の間の線間電圧Ｖ_ｂｃが正の半周期のとき、図５に示すように、第三ダイオードＤ_３と第六ダイオードＤ_６が導通し、線間電圧Ｖ_ｂｃの最大値Ｖ_ｍに、第二コンデンサＣ_２に充電された電圧Ｖ_ｍが加算され、第四コンデンサＣ_４に２Ｖ_ｍの電圧が充電される。

Ｃ相とＡ相の間の線間電圧Ｖ_ｃａが負の半周期のとき、図６に示すように、第一ダイオードＤ_１と第六ダイオードＤ_６が導通し、線間電圧Ｖ_ｃａの最大値Ｖ_ｍに、第一コンデンサＣ_１に充電された電圧Ｖ_ｍおよび第二コンデンサＣ_２に充電された電圧Ｖ_ｍが加算され、第五コンデンサＣ_５に３Ｖ_ｍの電圧が充電される。

Ｃ相とＡ相の間の線間電圧Ｖ_ｃａが正の半周期のとき、図７に示すように、第二ダイオードＤ_２と第五ダイオードＤ_５が導通し、線間電圧Ｖ_ｃａの最大値Ｖ_ｍに、第三コンデンサＣ_３に充電された電圧２Ｖ_ｍおよび第四コンデンサＣ_４に充電された電圧２Ｖ_ｍが加算され、第一コンデンサＣ_１にＶ_ｍ、第二コンデンサＣ_２にＶ_ｍ、第五コンデンサＣ_５に３Ｖ_ｍの電圧が充電される。

以上のように、第五コンデンサＣ_５には３Ｖ_ｍの電圧が充電されるので、線間電圧の最大値の３倍の直流電圧が得られることになる。そしてこの第五コンデンサＣ_５は、直流電圧のリップルを抑制するための平滑コンデンサとしても機能する。また、上述の動作原理から、ダイオードが導通する組み合わせは６通りあり、回路動作は相電圧Ｅ_ａ，Ｅ_ｂ，Ｅ_ｃによって、図８に示す６つのモードに分けられる。何れのモードにおいても、ダイオードは２個ずつ動作しており、各モードはπ／３［ｒａｄ］ずつ切り換わる。なお、各モードにおけるダイオードの導通状態と図面との対応は、モードＩ：図３、モードＩＩ：図６、モードＩＩＩ：図５、モードＩＶ：図２、モードＶ：図７、モードＶＩ：図４、となる。

次に、本発明の回路の性能を確認するために行ったシミュレーションおよび実験の結果を示す。シミュレーションおよび実験において、回路定数は、三相線間電圧Ｖ_ａｂ，Ｖ_ｂｃ，Ｖ_ｃａ（実効値）を５０［Ｖ］、各コンデンサＣ_１，Ｃ_２，Ｃ_３，Ｃ_４，Ｃ_５の容量を２２００［μＦ］、ダイオード順電圧降下を１．４［Ｖ］、負荷抵抗Ｒ_Ｌの抵抗値を２９０［Ω］とした。

まず、図９（ａ）に、シミュレーションによって得られた三相線間電圧と直流出力電圧の波形を示す。三相線間電圧の最大値が７０．７［Ｖ］（＝５０［Ｖ］×√２）であるのに対し、直流出力電圧は１９６．４［Ｖ］となっている。出力電圧は、線間電圧の最大値の２．７８倍となっており、略３倍の出力が得られるという結果となった。

そして、図９（ｂ）に、図１に示す回路を作成して実際に測定した三相線間電圧と直流出力電圧の波形を示す。三相線間電圧の最大値が７０．７［Ｖ］であるのに対し、直流出力電圧は１９２．５［Ｖ］となっている。シミュレーションにおいては無視されていたコンデンサの損失などの影響によって、出力電圧はシミュレーションの結果より低くなっているが、線間電圧の最大値の２．７２倍となっており、略３倍の出力が得られたといえる。

以上のように、本発明によれば、６個のダイオードと、５個のコンデンサという受動素子のみからなる簡素な構成の回路によって、三相交流電源を入力として、整流するとともに、三相線間電圧の略３倍の直流出力電圧を得ることができる。そして、この回路を永久磁石形同期発電機と組み合わせることによって、小規模な水力発電装置や風力発電装置にも適用することができ、発電装置の小型化および低コスト化を実現できる。

なお、本発明の回路の実施に際しては、たとえば、回路の三相交流電源側に力率改善用のリアクトルを挿入するなど、上記実施形態に示したもの以外の回路素子を追加してもよい。

Ｄ_１第一ダイオード
Ｄ_２第二ダイオード
Ｄ_３第三ダイオード
Ｄ_４第四ダイオード
Ｄ_５第五ダイオード
Ｄ_６第六ダイオード
Ｃ_１第一コンデンサ
Ｃ_２第二コンデンサ
Ｃ_３第三コンデンサ
Ｃ_４第四コンデンサ
Ｃ_５第五コンデンサ
Ｔ_ａＡ相端子
Ｔ_ｂＢ相端子
Ｔ_ｃＣ相端子

Claims

Ａ相端子（Ｔ_ａ）、Ｂ相端子（Ｔ_ｂ）およびＣ相端子（Ｔ_ｃ）を有する三相交流電源を入力とし、
６個のダイオードと、５個のコンデンサとを備え、
Ａ相端子（Ｔ_ａ）に第一コンデンサ（Ｃ_１）の一端が接続され、第一コンデンサ（Ｃ_１）の他端とＢ相端子（Ｔ_ｂ）の間に、第二ダイオード（Ｄ_２）および第三ダイオード（Ｄ_３）が、第一コンデンサ（Ｃ_１）側をカソードとして直列に接続されており、
Ｃ相端子（Ｔ_ｃ）に第二コンデンサ（Ｃ_２）の一端が接続され、Ｂ相端子（Ｔ_ｂ）と第二コンデンサ（Ｃ_２）の他端の間に、第四ダイオード（Ｄ_４）および第五ダイオード（Ｄ_５）が、Ｂ相端子（Ｔ_ｂ）側をカソードとして直列に接続されており、
第一コンデンサ（Ｃ _１）の他端に、第一ダイオード（Ｄ _１）が第一コンデンサ（Ｃ _１）側をアノードとして直列に接続され、第二コンデンサ（Ｃ _２）の他端に、第六ダイオード（Ｄ _６）が第二コンデンサ（Ｃ _２）側をカソードとして直列に接続されており、
第一ダイオード（Ｄ_１）のカソードと第四ダイオード（Ｄ_４）のアノードの間に第三コンデンサ（Ｃ_３）が接続されており、
第三ダイオード（Ｄ_３）のカソードと第六ダイオード（Ｄ_６）のアノードの間に第四コンデンサ（Ｃ_４）が接続されており、
第一ダイオード（Ｄ_１）のカソードと第六ダイオード（Ｄ_６）のアノードの間に第五コンデンサ（Ｃ_５）が接続されていることを特徴とする三相三倍電圧整流回路。