JP7635085B2 - Non-contact power transmission circuit - Google Patents
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Description
本発明は、無接点電力伝送回路に関し、特に、無接点電力伝送のための複数の巻線を用いた技術に関する。 The present invention relates to a non-contact power transmission circuit, and in particular to a technology that uses multiple windings for non-contact power transmission.
バッテリの出力電力を利用する技術、あるいは、バッテリを充電する技術につき広く研究が行われている。例えば、近年では、V2G(Vehicle to Grid)と呼ばれる技術につき研究が行われている。V2Gでは、電気自動車やハイブリッド自動車等の電動車両に搭載されたバッテリから商用電源システム等の電力系統に電力を供給し、電力系統からバッテリに電力を供給する。V2Gに関連する技術として、電動車両に搭載されたバッテリから一般家庭、オフィス等で用いられる電気機器に電力を供給するV2H(Vehicle to Home)と呼ばれる技術もある。 There has been extensive research into technologies that utilize the output power of batteries or technologies that charge batteries. For example, in recent years, research has been conducted into a technology called V2G (Vehicle to Grid). In V2G, power is supplied from a battery installed in an electric vehicle such as an electric car or hybrid car to a power system such as a commercial power system, and then the power system supplies power to the battery. Another technology related to V2G is called V2H (Vehicle to Home), which supplies power from a battery installed in an electric vehicle to electrical devices used in ordinary homes, offices, etc.
一般に、バッテリを用いる装置では、バッテリから出力された電力を調整して電力供給先の装置に出力し、あるいは、外部から供給された電力を調整してバッテリに供給する電力変換装置が用いられる。電力変換装置には、複数のスイッチング回路に加えて各スイッチング回路を結合させるトランスを用いることで、外部の装置に印加される電圧と、バッテリの出力電圧とを整合させるものがある。また、トランスを用いることで、ユーザが操作する部位をバッテリから絶縁する設計が行われることもある。さらに、トランスの1次巻線が設けられた装置と、トランスの2次巻線が設けられた装置とを個別に構成し、1次巻線側の装置と2次巻線側の装置とをコネクタによって着脱自在としたものもある。 Generally, devices that use batteries use a power conversion device that adjusts the power output from the battery and outputs it to the device to which the power is supplied, or adjusts power supplied from an external source and supplies it to the battery. Some power conversion devices use multiple switching circuits and a transformer that couples the switching circuits to match the voltage applied to the external device with the output voltage of the battery. In some cases, the transformer is used in a design that insulates the part operated by the user from the battery. In some devices, a device with a primary winding of a transformer and a device with a secondary winding of the transformer are separately configured, and the device on the primary winding side and the device on the secondary winding side are detachable by a connector.
以下の特許文献1~3および非特許文献1~3には、2つのスイッチング回路をトランスによって結合させる電力変換装置が記載されている。特許文献1および2に記載の電力変換装置では、1次巻線を有するコネクタと、2次巻線を有するコネクタとが結合することでトランスが構成される。特許文献3および非特許文献1~3に記載の電力変換装置は、トランスと昇圧用のインダクタを備えており、トランスの1次巻線側から2次巻線側に昇圧を伴う電力伝送を行う。
The following
また、特許文献4には、本願発明に関連する技術として、互いに独立に電流が制御されるべき異なる電流経路に含まれる2個のリアクトルが一体的に構成された磁気部品が記載されている。非特許文献4には、電力伝送効率に応じてマルチフェーズコンバータの相数を切り替えることが記載されている。非特許文献5には、2つの絶縁型コンバータについて、運転する絶縁型コンバータの数を切り替えることで電力伝送効率を向上させることが記載されている。
トランスを用いた電力変換装置として、複数相のトランスを用いて外部の装置に複数相の電力を伝送するものが提案されている。外部の装置に伝送する電力の大きさによっては、単相のトランスを用いた場合に比べて電力伝送効率が向上する場合がある。また、電力変換装置内の回路やトランスにおける電力損失を低減するため、各相の巻線につき様々な構造が考え出されている。 As a power conversion device using a transformer, a device that transmits multiple phases of power to an external device using a multiple phase transformer has been proposed. Depending on the amount of power transmitted to the external device, the power transmission efficiency may be improved compared to when a single phase transformer is used. Also, in order to reduce power loss in the circuits and transformers within the power conversion device, various structures have been devised for the windings of each phase.
しかし、電力損失のみに着目して巻線の構造を設計すると、複数相の巻線の磁気的特性に偏りが生じることがある。これによって、例えば、特定相の巻線のコアの磁気飽和を避けるためにコアを大きくする必要が生じ、トランスが大きくなってしまうことがある。 However, if the winding structure is designed with a focus only on power loss, bias in the magnetic characteristics of the windings of multiple phases can occur. This can result in, for example, a need to enlarge the core to avoid magnetic saturation of the winding core of a particular phase, resulting in a larger transformer.
本発明の目的は、複数の巻線を備える無接点電力伝送回路について、複数の巻線についての磁気的特性を均一化することである。 The object of the present invention is to make the magnetic characteristics of multiple windings uniform in a non-contact power transmission circuit having multiple windings.
本発明は、A相巻線、B相巻線およびC相巻線を含むスイッチング回路を備え、前記A相巻線、前記B相巻線および前記C相巻線は、相間非干渉巻線構造を形成し、前記スイッチング回路は、前記A相巻線の端子間電圧の位相が、前記C相巻線の端子間電圧の位相に対し、60°を超える120°未満の範囲で進み、前記B相巻線の端子間電圧の位相が、前記C相巻線の端子間電圧の位相に対し、60°を超える120°未満の範囲で遅れるように、前記A相巻線、前記B相巻線および前記C相巻線のそれぞれに印加される電圧をスイッチングし、あるいは、前記A相巻線の端子間電圧の位相が、前記C相巻線の端子間電圧の位相に対し、60°を超える120°未満の範囲で遅れ、前記B相巻線の端子間電圧の位相が、前記C相巻線の端子間電圧の位相に対し、60°を超える120°未満の範囲で進むように、前記A相巻線、前記B相巻線および前記C相巻線のそれぞれに印加される電圧をスイッチングすることを特徴とする。 The present invention comprises a switching circuit including an A-phase winding, a B-phase winding, and a C-phase winding, the A-phase winding, the B-phase winding, and the C-phase winding forming an inter-phase non-interference winding structure, and the switching circuit switches the A-phase winding, the B-phase winding, and the C-phase winding so that the phase of the terminal voltage of the A-phase winding leads the phase of the terminal voltage of the C-phase winding in a range of more than 60° and less than 120°, and the phase of the terminal voltage of the B-phase winding lags the phase of the terminal voltage of the C-phase winding in a range of more than 60° and less than 120°. The voltages applied to the B-phase winding and the C-phase winding are switched, or the voltages applied to the A-phase winding, the B-phase winding, and the C-phase winding are switched so that the phase of the terminal voltage of the A-phase winding lags the phase of the terminal voltage of the C-phase winding in a range of more than 60° and less than 120°, and the phase of the terminal voltage of the B-phase winding leads the phase of the terminal voltage of the C-phase winding in a range of more than 60° and less than 120°.
望ましくは、前記スイッチング回路は、前記A相巻線の端子間電圧の位相が、前記C相巻線の端子間電圧の位相に対して90°だけ進み、前記B相巻線の端子間電圧の位相が、前記C相巻線の端子間電圧の位相に対して90°だけ遅れるように、前記A相巻線、前記B相巻線および前記C相巻線のそれぞれに印加される電圧をスイッチングし、あるいは、前記A相巻線の端子間電圧の位相が、前記C相巻線の端子間電圧の位相に対して90°だけ遅れ、前記B相巻線の端子間電圧の位相が、前記C相巻線の端子間電圧の位相に対して90°だけ進むように、前記A相巻線、前記B相巻線および前記C相巻線のそれぞれに印加される電圧をスイッチングする。 Desirably, the switching circuit switches the voltages applied to the A-phase winding, the B-phase winding, and the C-phase winding, respectively, so that the phase of the terminal voltage of the A-phase winding leads the phase of the terminal voltage of the C-phase winding by 90° and the phase of the terminal voltage of the B-phase winding lags the phase of the terminal voltage of the C-phase winding by 90°, or switches the voltages applied to the A-phase winding, the B-phase winding, and the C-phase winding, respectively, so that the phase of the terminal voltage of the A-phase winding lags the phase of the terminal voltage of the C-phase winding by 90° and the phase of the terminal voltage of the B-phase winding leads the phase of the terminal voltage of the C-phase winding by 90°.
また、本発明は、並列接続されたA相スイッチングアーム、B相スイッチングアームおよびC相スイッチングアームであって、一端が共通に接続された上スイッチング素子および下スイッチング素子を、それぞれが含むA相スイッチングアーム、B相スイッチングアームおよびC相スイッチングアームと、前記A相スイッチングアームに対して設けられたA相巻線であって、前記A相スイッチングアームが含む前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子の接続点に一端が接続されたA相巻線と、前記B相スイッチングアームに対して設けられたB相巻線であって、前記B相スイッチングアームが含む前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子の接続点に一端が接続されたB相巻線と、前記C相スイッチングアームに対して設けられたC相巻線であって、前記C相スイッチングアームが含む前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子の接続点に一端が接続されたC相巻線と、を備え、前記A相巻線、前記B相巻線および前記C相巻線は、相間非干渉巻線構造を形成し、前記A相巻線、前記B相巻線および前記C相巻線のそれぞれの他端に共通の電源または負荷が接続されることを特徴とする。 The present invention also relates to an A-phase switching arm, a B-phase switching arm, and a C-phase switching arm that are connected in parallel, each of which includes an upper switching element and a lower switching element that are commonly connected at one end, and an A-phase winding provided for the A-phase switching arm, the A-phase winding having one end connected to a connection point of the upper switching element and the lower switching element included in the A-phase switching arm, and a B-phase winding provided for the B-phase switching arm. The inverter comprises a B-phase winding having one end connected to a connection point between the upper switching element and the lower switching element included in the B-phase switching arm, and a C-phase winding provided for the C-phase switching arm, having one end connected to a connection point between the upper switching element and the lower switching element included in the C-phase switching arm, wherein the A-phase winding, the B-phase winding, and the C-phase winding form an inter-phase non-interference winding structure, and a common power source or load is connected to the other end of each of the A-phase winding, the B-phase winding, and the C-phase winding.
望ましくは、前記A相スイッチングアームのスイッチング位相は、前記C相スイッチングアームのスイッチング位相に対し、60°を超える120°未満の範囲で位相が進んでおり、前記B相スイッチングアームのスイッチング位相は、前記C相スイッチングアームのスイッチング位相に対し、60°を超える120°未満の範囲で位相が遅れており、あるいは、前記A相スイッチングアームのスイッチング位相は、前記C相スイッチングアームのスイッチング位相に対し、60°を超える120°未満の範囲で位相が遅れており、前記B相スイッチングアームのスイッチング位相は、前記C相スイッチングアームのスイッチング位相に対し、60°を超える120°未満の範囲で位相が進んでいる。 Desirably, the switching phase of the A-phase switching arm is advanced relative to the switching phase of the C-phase switching arm by a range of more than 60° and less than 120°, and the switching phase of the B-phase switching arm is delayed relative to the switching phase of the C-phase switching arm by a range of more than 60° and less than 120°, or the switching phase of the A-phase switching arm is delayed relative to the switching phase of the C-phase switching arm by a range of more than 60° and less than 120°, and the switching phase of the B-phase switching arm is advanced relative to the switching phase of the C-phase switching arm by a range of more than 60° and less than 120°.
望ましくは、前記A相スイッチングアームのスイッチング位相は、前記C相スイッチングアームのスイッチング位相に対し90°だけ進んでおり、前記B相スイッチングアームのスイッチング位相は、前記C相スイッチングアームのスイッチング位相に対し90°だけ遅れており、あるいは、前記A相スイッチングアームのスイッチング位相は、前記C相スイッチングアームのスイッチング位相に対し90°だけ遅れており、前記B相スイッチングアームのスイッチング位相は、前記C相スイッチングアームのスイッチング位相に対し90°だけ進んでいる。 Desirably, the switching phase of the A-phase switching arm leads the switching phase of the C-phase switching arm by 90° and the switching phase of the B-phase switching arm lags the switching phase of the C-phase switching arm by 90°, or the switching phase of the A-phase switching arm lags the switching phase of the C-phase switching arm by 90° and the switching phase of the B-phase switching arm leads the switching phase of the C-phase switching arm by 90°.
望ましくは、前記A相巻線の正巻きループおよび逆巻きループをそれぞれ貫く第1コアおよび第2コアと、前記B相巻線の正巻きループおよび逆巻きループをそれぞれ貫く第3コアおよび第4コアと、を備え、前記A相巻線を貫く前記第1コアおよび前記第2コアは、前記C相巻線の正巻きループを貫き、前記B相巻線を貫く前記第3コアおよび前記第4コアは、前記C相巻線の逆巻きループを貫く。 Desirably, the motor includes a first core and a second core that pass through the forward and reverse wound loops of the A-phase winding, respectively, and a third core and a fourth core that pass through the forward and reverse wound loops of the B-phase winding, respectively, and the first core and the second core that pass through the A-phase winding pass through the forward wound loop of the C-phase winding, and the third core and the fourth core that pass through the B-phase winding pass through the reverse wound loop of the C-phase winding.
望ましくは、前記第1コアから前記第4コアのそれぞれが棒状に形成されており、前記第1コアから前記第4コアのそれぞれの一端に共通に結合した共通コアを備える。 Preferably, each of the first core to the fourth core is formed in a rod shape, and each of the first core to the fourth core has a common core commonly connected to one end thereof.
また、本発明は、並列接続された複数のスイッチングアームであって、一端が共通に接続された上スイッチング素子および下スイッチング素子を、それぞれが含む複数のスイッチングアームと、各前記スイッチングアームに対して設けられた巻線であって、前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子の接続点に一端が接続された巻線と、各前記スイッチングアームを制御する制御部と、を備え、各前記巻線の他端が共通に接続されており、各前記巻線の他端に共通の電源または負荷が接続され、各前記巻線が、外部のスイッチング回路が有する複数の外部巻線のうち対応するものに結合し、複数の前記スイッチングアームに対応して設けられた複数の前記巻線が、相間非干渉巻線構造を形成し、前記制御部は、複数の前記スイッチングアームのうち、前記スイッチング回路への伝送電力についての指令値に応じた数の前記スイッチングアームにスイッチングを行わせることを特徴とする。 The present invention also provides a device that includes a plurality of switching arms connected in parallel, each of which includes an upper switching element and a lower switching element, one end of which is commonly connected, a winding provided for each of the switching arms, one end of which is connected to a connection point between the upper switching element and the lower switching element, and a control unit that controls each of the switching arms, the other ends of the windings are commonly connected, and a common power source or load is connected to the other ends of the windings, each of the windings is coupled to a corresponding one of a plurality of external windings of an external switching circuit, the plurality of windings provided corresponding to the plurality of switching arms form a phase-to-phase non-interference winding structure, and the control unit causes a number of the switching arms, among the plurality of the switching arms, that correspond to a command value for the transmission power to the switching circuit, to perform switching.
本発明によれば、複数の巻線を備える無接点電力伝送回路について、複数の巻線についての磁気的特性を均一化することができる。 According to the present invention, it is possible to uniformize the magnetic properties of multiple windings in a non-contact power transmission circuit having multiple windings.
各図を参照して本発明の各実施形態について説明する。複数の図面に示された同一の事項については同一の符号を付してその説明を省略する。本明細書における上下左右の用語は図面における方向を示す。方向を示すこれらの用語は説明の便宜上のものであり、各構成要素を配置する際の姿勢を限定するものではない。 Each embodiment of the present invention will be described with reference to each figure. Identical items shown in multiple drawings will be given the same reference numerals and their description will be omitted. The terms up, down, left, right, and so on used in this specification indicate directions in the drawings. These directional terms are used for the convenience of explanation and do not limit the orientation of each component when it is placed.
図1には本発明の第1実施形態に係る電力変換システム100の構成が示されている。電力変換システム100は、磁気的に結合する第1スイッチング回路10および第2スイッチング回路20を備えている。第1スイッチング回路10に接続された第1直流電源30と、第2スイッチング回路20に接続された第2直流電源36との間で双方向に電力が伝送される。
Figure 1 shows the configuration of a
第1直流電源30は、電力事業者が提供する商用電源システム32(電源電力系統)と、AC/DCコンバータ34を含んでよい。AC/DCコンバータ34は、商用電源システム32から供給される交流電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧を第1スイッチング回路10に出力する。また、第1直流電源30は、二次電池を含む回路であってもよい。第2直流電源36もまた、二次電池を含む回路であってもよいし、商用電源システムに接続されたAC/DCコンバータであってもよい。第1直流電源30が二次電池を含み、その二次電池が充電される場合には、第1直流電源30は負荷として動作する。同様に、第2直流電源36が二次電池を含み、その二次電池が充電される場合には、第2直流電源36は負荷として動作する。
The first
後述するように、AC/DCコンバータ34および第1スイッチング回路10を併せた回路と、第2スイッチング回路20のそれぞれは、無接点コネクタ回路(無接点電力伝送回路)として用いられてよい。すなわち、AC/DCコンバータ34および第1スイッチング回路10を第1筐体に収容し、第2スイッチング回路20を、第1筐体に着脱自在な第2筐体に収容することで、1次側の無接点コネクタと2次側の無接点コネクタが構成されてもよい。
As described below, the combined circuit of the AC/
第1スイッチング回路10は、上コンデンサC1、下コンデンサC2、U相スイッチングアームα1、V相スイッチングアームβ1、W相スイッチングアームγ1、U相1次巻線14u、V相1次巻線14v、W相1次巻線14w、正極端子12pおよび負極端子12nを備えている。各スイッチングアームは、直列に接続された上スイッチング素子SHおよび下スイッチング素子SLを備えている。上コンデンサC1および下コンデンサC2は直列接続され、コンデンサアームCA1を構成している。上コンデンサC1と下コンデンサC2の接続点は正極端子12pに接続され、下コンデンサC2の下端は負極端子12nに接続されている。AC/DCコンバータ34は、正極端子12pおよび負極端子12nに直流電圧を印加する。
The
コンデンサアームCA1、U相スイッチングアームα1、V相スイッチングアームβ1およびW相スイッチングアームγ1は、並列に接続されている。U相スイッチングアームα1における上スイッチング素子SHと下スイッチング素子SLとの接続端には、U相1次巻線14uの一端が接続されている。V相スイッチングアームβ1における上スイッチング素子SHと下スイッチング素子SLとの接続端には、V相1次巻線14vの一端が接続されている。W相スイッチングアームγ1における上スイッチング素子SHと下スイッチング素子SLとの接続端には、W相1次巻線14wの一端が接続されている。 The capacitor arm CA1, U-phase switching arm α1, V-phase switching arm β1, and W-phase switching arm γ1 are connected in parallel. One end of the U-phase primary winding 14u is connected to the connection end between the upper switching element SH and the lower switching element SL in the U-phase switching arm α1. One end of the V-phase primary winding 14v is connected to the connection end between the upper switching element SH and the lower switching element SL in the V-phase switching arm β1. One end of the W-phase primary winding 14w is connected to the connection end between the upper switching element SH and the lower switching element SL in the W-phase switching arm γ1.
U相1次巻線14u、V相1次巻線14vおよびW相1次巻線14wのそれぞれの他端は共通に接続されている。上コンデンサC1と下コンデンサC2の接続点には、U相1次巻線14u、V相1次巻線14vおよびW相1次巻線14wの共通接続点が接続されている。 The other ends of the U-phase primary winding 14u, the V-phase primary winding 14v, and the W-phase primary winding 14w are commonly connected. The common connection point of the U-phase primary winding 14u, the V-phase primary winding 14v, and the W-phase primary winding 14w is connected to the connection point of the upper capacitor C1 and the lower capacitor C2.
各スイッチング素子には、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が用いられてよい。スイッチング素子としてIGBTが用いられる場合、2つのスイッチング素子が直列接続されるとは、一方のエミッタ電極に他方のコレクタ電極が接続されることをいう。スイッチング素子としてMOSFETが用いられる場合、2つのスイッチング素子が直列接続されるとは、一方のソース電極に他方のドレイン電極が接続されることをいう。 Each switching element may be an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). When an IGBT is used as a switching element, two switching elements connected in series means that the emitter electrode of one element is connected to the collector electrode of the other element. When a MOSFET is used as a switching element, two switching elements connected in series means that the source electrode of one element is connected to the drain electrode of the other element.
スイッチング素子としてIGBTが用いられる場合、IGBTのエミッタ電極にアノード電極が接続され、コレクタ電極にカソード電極が接続されたダイオードをスイッチング素子が備える。スイッチング素子としてMOSFETが用いられる場合、MOSFETのソース電極にアノード電極が接続され、ドレイン電極にカソード電極が接続されたダイオードをスイッチング素子が備える。 When an IGBT is used as the switching element, the switching element has a diode with an anode electrode connected to the emitter electrode of the IGBT and a cathode electrode connected to the collector electrode. When a MOSFET is used as the switching element, the switching element has a diode with an anode electrode connected to the source electrode of the MOSFET and a cathode electrode connected to the drain electrode.
第2スイッチング回路20は、コンデンサアームCA2、U相スイッチングアームα2、V相スイッチングアームβ2、W相スイッチングアームγ2、U相2次巻線24u、V相2次巻線24v、W相2次巻線24w、正極端子22pおよび負極端子22nを備えている。コンデンサアームCA2は、直列接続された上コンデンサC1および下コンデンサC2を備えている。各スイッチングアームは、直列に接続された上スイッチング素子SHおよび下スイッチング素子SLを備えている。
The
第2スイッチング回路20は、第1スイッチング回路10と同様の構成を有している。コンデンサアームCA2、U相スイッチングアームα2、V相スイッチングアームβ2およびW相スイッチングアームγ2は、それぞれ、コンデンサアームCA1、U相スイッチングアームα1、V相スイッチングアームβ1およびW相スイッチングアームγ1に対応する。U相2次巻線24u、V相2次巻線24vおよびW相2次巻線24wは、それぞれ、U相1次巻線14u、V相1次巻線14vおよびW相1次巻線14wに対応する。また、正極端子22pおよび負極端子22nは、それぞれ、正極端子12pおよび負極端子12nに対応する。
The
U相1次巻線14u、V相1次巻線14vおよびW相1次巻線14wは、それぞれ、U相2次巻線24u、V相2次巻線24vおよびW相2次巻線24wに結合し、各1次巻線および各2次巻線が、3相トランス38を構成する。
The U-phase primary winding 14u, the V-phase primary winding 14v, and the W-phase primary winding 14w are coupled to the U-phase secondary winding 24u, the V-phase secondary winding 24v, and the W-phase secondary winding 24w, respectively, and each primary winding and each secondary winding constitutes a three-
第1スイッチング回路10および第2スイッチング回路20の各スイッチングアームの上スイッチング素子SHおよび下スイッチング素子SLは、交互にオンオフを繰り返す。すなわち、上スイッチング素子SHがオフからオンに切り換わると共に、下スイッチング素子SLがオンからオフに切り換わり、上スイッチング素子SHがオンからオフに切り換わると共に、下スイッチング素子SLがオフからオンに切り換わる。
The upper switching element SH and the lower switching element SL of each switching arm of the
U相、V相およびW相のそれぞれに属する構成要素は、同様に動作するため、ここでは、U相に属する構成要素の動作について説明する。U相スイッチングアームα1のスイッチングによって、U相1次巻線14uに印加される電圧がスイッチングされる。U相スイッチングアームα2のスイッチングによって、U相2次巻線24uに印加される電圧がスイッチングされる。これによって、U相1次巻線14uおよびU相2次巻線24uには、それぞれの自己インダクタンスと、これらの相互インダクタンスに応じた電流が流れる。 The components belonging to the U-phase, V-phase, and W-phase operate in the same way, so here we will explain the operation of the components belonging to the U-phase. The voltage applied to the U-phase primary winding 14u is switched by switching the U-phase switching arm α1. The voltage applied to the U-phase secondary winding 24u is switched by switching the U-phase switching arm α2. As a result, currents flow in the U-phase primary winding 14u and the U-phase secondary winding 24u according to their respective self-inductances and their mutual inductances.
U相1次巻線14uに現れる電圧と、U相2次巻線24uに現れる電圧の大きさおよび位相の関係に応じて、U相1次巻線14u側からU相2次巻線24u側に電力が伝送され、あるいは、U相2次巻線24uからU相1次巻線14uに電力が伝送される。また、U相スイッチングアームα1のデューティ比、およびU相スイッチングアームα2のデューティ比に応じて、U相1次巻線14uとU相2次巻線24uに現れる電圧が変化し、U相1次巻線14uとU相2次巻線24uとの間で授受される電力が変化する。ここで、各スイッチングアームのデューティ比は、上スイッチング素子SHのスイッチング周期に対するオン時間の比率として定義される。 Depending on the relationship between the magnitude and phase of the voltage appearing in the U-phase primary winding 14u and the voltage appearing in the U-phase secondary winding 24u, power is transmitted from the U-phase primary winding 14u to the U-phase secondary winding 24u, or power is transmitted from the U-phase secondary winding 24u to the U-phase primary winding 14u. In addition, depending on the duty ratio of the U-phase switching arm α1 and the duty ratio of the U-phase switching arm α2, the voltage appearing in the U-phase primary winding 14u and the U-phase secondary winding 24u changes, and the power exchanged between the U-phase primary winding 14u and the U-phase secondary winding 24u changes. Here, the duty ratio of each switching arm is defined as the ratio of the on time to the switching period of the upper switching element SH.
第1スイッチング回路10から第2スイッチング回路20に伝送される電力P21は、次のように定まる。すなわち電力P21は、U相スイッチングアームα1のデューティ比D1、U相スイッチングアームα2のデューティ比D2、およびスイッチング位相差δによって定まる。ここで、スイッチング位相差δは、U相スイッチングアームα1に対するU相スイッチングアームα2のスイッチング位相の遅れをいう。デューティ比D1、D2およびスイッチング位相差δについては、スイッチング位相差δが正の方向に大きい程、電力P21が大きくなるような数値範囲がある。
The power P21 transmitted from the
(数1)には、第1スイッチング回路10から第2スイッチング回路20に伝送される電力P21が示されている。
ただし、(数1)には、スイッチング位相差δ≧π|D1-D2|が成立するものとした式が示されている。1次側直流電圧Vinは、第1スイッチング回路10の正極端子12pと負極端子12nとの間の電圧であり、2次側直流電圧Voutは、第2スイッチング回路20の正極端子22pと負極端子22nとの間の電圧である。また、ωはスイッチングの角周波数であり、kはU相1次巻線14uおよびU相2次巻線24uの結合係数である。
However,
第1スイッチング回路10のスイッチング位相に対して、第2スイッチング回路20のスイッチング位相を遅らせることで、第1直流電源30から第2直流電源36に電力が伝送され得る。また、第2スイッチング回路20のスイッチング位相に対して、第1スイッチング回路10のスイッチング位相を遅らせることで、第2直流電源36から第1直流電源30に電力が伝送され得る。
By delaying the switching phase of the
AC/DCコンバータ34および第1スイッチング回路10を併せた回路と、第2スイッチング回路20のそれぞれは、無接点コネクタ回路(無接点電力伝送回路)として用いられてよい。すなわち、AC/DCコンバータ34および第1スイッチング回路10を第1筐体に収容し、第2スイッチング回路20を、第1筐体に着脱自在な第2筐体に収容することで、1次側の無接点コネクタと2次側の無接点コネクタが構成されてもよい。
The combined circuit of the AC/
1次側の無接点コネクタに含まれる各1次巻線は、2次側の無接点コネクタ回路を外部のスイッチング回路として、外部のスイッチング回路が有する各2次巻線(外部巻線)に結合する。2次側の無接点コネクタに含まれる各2次巻線は、1次側の無接点コネクタ回路を外部のスイッチング回路として、外部のスイッチング回路が有する各1次巻線(外部巻線)に結合する。 Each primary winding included in the contactless connector on the primary side is coupled to each secondary winding (external winding) of the external switching circuit, with the contactless connector circuit on the secondary side serving as the external switching circuit. Each secondary winding included in the contactless connector on the secondary side is coupled to each primary winding (external winding) of the external switching circuit, with the contactless connector circuit on the primary side serving as the external switching circuit.
この場合、第1直流電源30におけるAC/DCコンバータ34が、第1筐体とは別の筐体に収容され、第1直流電源30から引き出されたケーブルが第1筐体内の第1スイッチング回路10に接続されてもよい。そして、第2直流電源36が、第2筐体とは別の筐体に収容され、第2直流電源36から引き出されたケーブルが第2筐体内の第2スイッチング回路20に接続されてもよい。第1筐体および第2筐体を接近させ、または隔離することで、各相の1次巻線および2次巻線が接近し、または隔離される。
In this case, the AC/
なお、第1筐体に各相の1次巻線を収容し、第1スイッチング回路10のその他の構成要素を、別の筐体に収容してもよい。同様に、第2筐体に各相の2次巻線を収容し、第2スイッチング回路20のその他の構成要素を、別の筐体に収容してもよい。
The primary windings of each phase may be housed in a first housing, and the other components of the
3相トランス38には、相間の結合が小さい相間非干渉トランス38Nが用いられてよい。図2には、3相の相間非干渉トランス38Nの構成例が示されている。相間非干渉トランス38Nは、1次側および2次側の相間非干渉巻線構造として、1次巻線構造16および2次巻線構造26を備えている。1次巻線構造16は、1次コア40-1、U相1次巻線14u、V相1次巻線14vおよびW相1次巻線14wを備えている。1次コア40-1は、横方向コア46、第1縦方向コア41~第4縦方向コア44を備えている。横方向コア46および第1縦方向コア41~第4縦方向コア44は角柱状、円柱状等の柱状に形成されている。
The three-
横方向コア46は横方向に延びている。第1縦方向コア41は、横方向コア46の左端から上方向に延びている。第2縦方向コア42は、第1縦方向コア41の右側に、第1縦方向コア41との間に所定の間隔を隔てて、横方向コア46から上方向に延びている。第3縦方向コア43は、第2縦方向コア42の右側に、第2縦方向コア42との間に所定の間隔を隔てて、横方向コア46から上方向に延びている。第4縦方向コア44は、第3縦方向コア43の右側に、第3縦方向コア43との間に所定の間隔を隔てて、横方向コア46の右端から上方向に延びている。
The
2次巻線構造26は、1次巻線構造16と同様の構成を有し、2次コア40-2、U相2次巻線24u、V相2次巻線24vおよびW相2次巻線24wを備えている。ただし、図2に示される例では、2次巻線構造26における各巻線の巻き方向は、1次コア40-1および2次コア40-2を同一の姿勢にし、基準端から導線を辿って見たときは、1次巻線構造16に対して逆方向である。なお、各巻線の基準端は、次のように定義される。すなわち、1次側の巻線の一端から流入する電流が増加し、2次側の巻線に誘導起電力が発生した場合に、誘導起電力の極性が正である側の2次側の巻線の一端が2次側の巻線の基準端であり、流入する電流が増加した1次側の巻線の一端が1次側の巻線の基準端である。
The secondary winding
2次巻線構造26は、2次コア40-2の第1縦方向コア41~第4縦方向コア44の先端面が、それぞれ、1次コア40-1の第1縦方向コア41~第4縦方向コア44の先端面に、所定のギャップ長を隔てて対向するように配置されている。1次コア40-1における第j縦方向コアと2次コア40-2における第j縦方向コアとの間には、第jギャップGjが形成されている。ただし、jは、1~4の整数である。
The secondary winding
なお、1次巻線構造16および2次巻線構造26は、コアの姿勢を同一として見た場合の巻線の巻き方向を除き同様の構成を有している。そのため、本明細書では1次巻線構造16の動作について主に説明し、2次巻線構造26の動作についての説明を簡略化または省略する。
The primary winding
U相1次巻線14u、V相1次巻線14vおよびW相1次巻線14wは、3相トランス用巻線としての3相1次巻線を構成する。U相2次巻線24u、V相2次巻線24vおよびW相2次巻線24wは、3相トランス用巻線としての3相2次巻線を構成する。U相1次巻線14u、V相1次巻線14vおよびW相1次巻線14wのそれぞれの両端のうち、基準端とされる側には黒点が付されている。同様に、U相2次巻線24u、V相2次巻線24vおよびW相2次巻線24wのそれぞれの両端のうち、基準端とされる側にも黒点が付されている。 The U-phase primary winding 14u, the V-phase primary winding 14v, and the W-phase primary winding 14w constitute a three-phase primary winding as a three-phase transformer winding. The U-phase secondary winding 24u, the V-phase secondary winding 24v, and the W-phase secondary winding 24w constitute a three-phase secondary winding as a three-phase transformer winding. Of the two ends of each of the U-phase primary winding 14u, the V-phase primary winding 14v, and the W-phase primary winding 14w, a black dot is marked on the side that is designated as the reference end. Similarly, of the two ends of each of the U-phase secondary winding 24u, the V-phase secondary winding 24v, and the W-phase secondary winding 24w, a black dot is also marked on the side that is designated as the reference end.
U相1次巻線14uを構成する導線は、第2縦方向コア42の周りを右回りに周回した後、第1縦方向コア41の周りを左周りに周回している。V相1次巻線14vを構成する導線は、第4縦方向コア44の周りを右回りに周回した後、第3縦方向コア43の周りを左周りに周回している。W相1次巻線14wを構成する導線は、第3縦方向コア43および第4縦方向コア44の周りを右周りに周回した後、第2縦方向コア42および第1縦方向コア41の周りを左周りに周回している。
The wire constituting the U-phase primary winding 14u winds clockwise around the second
このように、U相1次巻線14u、V相1次巻線14vおよびW相1次巻線14wのそれぞれを構成する導線は、8の字状に縦方向コアの周りを周回する。各導線は、8の字を描く2つのループのうちの一方のループを1回または複数回に亘って周回した後に、他方のループを1回または複数回に亘って周回してよい。また、各導線は、1つの8の字を1回描いた後に、次の8の字を1回描くという巻き過程が、複数回に亘って繰り返されるように縦方向コアの周りを周回してもよい。 In this way, the conductors constituting the U-phase primary winding 14u, the V-phase primary winding 14v, and the W-phase primary winding 14w are wound around the vertical core in a figure of eight. Each conductor may wind around one of the two loops forming the figure of eight one or more times, and then wind around the other loop one or more times. Each conductor may also wind around the vertical core such that the winding process of winding one figure of eight once, and then winding the next figure of eight once, is repeated multiple times.
U相1次巻線14uに電流が流れることで、1次コア40-1の第1縦方向コア41、第1ギャップG1、2次コア40-2の第1縦方向コア41、2次コア40-2の横方向コア46、2次コア40-2の第2縦方向コア42、第2ギャップG2、1次コア40-1の第2縦方向コア42、および1次コア40-1の横方向コア46を通るU相磁束Φuが発生する。このU相磁束ΦuによってU相2次巻線24uに誘導起電力が発生する。
When a current flows through the U-phase primary winding 14u, a U-phase magnetic flux Φu is generated that passes through the first
V相1次巻線14vに電流が流れることで、1次コア40-1の第3縦方向コア43、第3ギャップG3、2次コア40-2の第3縦方向コア43、2次コア40-2の横方向コア46、2次コア40-2の第4縦方向コア44、第4ギャップG4、1次コア40-1の第4縦方向コア44、および1次コア40-1の横方向コア46を通るV相磁束Φvが発生する。このV相磁束ΦvによってV相2次巻線24vに誘導起電力が発生する。
When a current flows through the V-phase primary winding 14v, a V-phase magnetic flux Φv is generated that passes through the third
W相1次巻線14wに電流が流れることで、1次コア40-1の第1縦方向コア41、第1ギャップG1、2次コア40-2の第1縦方向コア41、2次コア40-2の横方向コア46、2次コア40-2の第4縦方向コア44、第4ギャップG4、1次コア40-1の第4縦方向コア44、および1次コア40-1の横方向コア46を通る磁束Φw1が発生する。さらに、1次コア40-1の第2縦方向コア42、第2ギャップG2、2次コア40-2の第2縦方向コア42、2次コア40-2の横方向コア46、2次コア40-2の第3縦方向コア43、第3ギャップG3、1次コア40-1の第3縦方向コア43、および1次コア40-1の横方向コア46を通る磁束Φw2が発生する。これらの磁束Φw1およびΦw2によってW相2次巻線24wに誘導起電力が発生する。
When a current flows through the W-phase primary winding 14w, a magnetic flux Φw1 is generated that passes through the first
より一般的には、U相1次巻線14uをA相巻線またはB相巻線とし、V相1次巻線14vをB相巻線またはA相巻線とし、W相1次巻線14wをC相巻線とした場合、相間非干渉トランス38Nを構成する1次巻線構造16は、次のような相間非干渉巻線構造を有する。すなわち、A相巻線、B相巻線およびC相巻線のそれぞれは、正巻きループおよび逆巻きループを含む。C相巻線の正巻きループは、A相巻線の正巻きループおよび逆巻きループが発生する磁束を囲み、C相巻線の逆巻きループは、B相巻線の正巻きループおよび逆巻きループが発生する磁束を囲む。
More generally, if the U-phase primary winding 14u is an A-phase winding or a B-phase winding, the V-phase primary winding 14v is a B-phase winding or an A-phase winding, and the W-phase primary winding 14w is a C-phase winding, the
ここで、「正巻きループ」および「逆巻ループ」の用語は、一方のループの巻き方向が他方の巻き方向に対して逆方向であることを意味し、相対的に巻き方向が逆である2つのループを意味する。「正巻きループ」および「逆巻ループ」の用語は、必ずしも、何らかの巻き方向を基準とした絶対的な巻き方向を意味するものではない。 The terms "forward wound loop" and "reverse wound loop" herein mean that the winding direction of one loop is opposite to the winding direction of the other loop, and refer to two loops with relatively opposite winding directions. The terms "forward wound loop" and "reverse wound loop" do not necessarily mean absolute winding directions based on some winding direction.
また、相間非干渉巻線構造は、A相巻線の正巻きループおよび逆巻きループをそれぞれ貫く第1コアおよび第2コアと、B相巻線の正巻きループおよび逆巻きループをそれぞれ貫く第3コアおよび第4コアとを備える。A相巻線を貫く第1コアおよび第2コアはC相巻線の正巻きループを貫き、B相巻線を貫く第3コアおよび第4コアはC相巻線の逆巻きループを貫く。 The non-interference winding structure also includes a first core and a second core that pass through the forward and reverse wound loops of the A-phase winding, respectively, and a third core and a fourth core that pass through the forward and reverse wound loops of the B-phase winding, respectively. The first core and the second core that pass through the A-phase winding pass through the forward wound loop of the C-phase winding, and the third core and the fourth core that pass through the B-phase winding pass through the reverse wound loop of the C-phase winding.
相間非干渉トランス38Nにおいて、U相1次巻線14u、V相1次巻線14vおよびW相1次巻線14wをそれぞれA相巻線、B相巻線およびC相巻線とした場合、第1縦方向コア41~第4縦方向コア44は、それぞれ、第1コア~第4コアに対応する。第1縦方向コア41~第4縦方向コア44(第1コア~第4コア)のそれぞれは柱状(棒状)に形成されており、第1縦方向コア41~第4縦方向コア44のそれぞれの一端には、横方向コア46(共通コア)が共通に結合している。
In the
第1スイッチング回路10および第2スイッチング回路20は、並列接続されたA相スイッチングアーム、B相スイッチングアームおよびC相スイッチングアームと、A相スイッチングアームが含む上スイッチング素子SHおよび下スイッチング素子SLの接続点に一端が接続されたA相巻線と、B相スイッチングアームが含む上スイッチング素子SHおよび下スイッチング素子SLの接続点に一端が接続されたB相巻線と、A相スイッチングアームが含む上スイッチング素子SHおよび下スイッチング素子SLの接続点に一端が接続されたC相巻線とを備える。A相巻線、B相巻線およびC相巻線は、相間非干渉巻線構造を形成し、A相巻線、B相巻線およびC相巻線のそれぞれの他端に共通の第1直流電源30または第2直流電源36(電源または負荷)が接続される。
The
このような構成によれば、1つの巻線において8の字を描く2つのループのうち一方から発せられる磁束は、他の巻線において8の字を描く2つのループのいずれもくぐらない(いずれにも鎖交しない)か、あるいは、他の巻線の8の字を描く2つのループに鎖交する。8の字を描く2つのループのうち一方のループから発せられる磁束が、他の巻線の8の字を描く2つのループに鎖交する場合、当該他の巻線の2つのループには逆極性の誘導起電力が発生する。そのため、当該他の巻線の端子間に発生する誘導起電力が抑制される。 With this configuration, the magnetic flux emitted from one of the two loops forming a figure of eight in one winding does not pass through (does not intersect with) either of the two loops forming a figure of eight in the other winding, or it intersects with the two loops forming a figure of eight in the other winding. When the magnetic flux emitted from one of the two loops forming a figure of eight intersects with the two loops forming a figure of eight in the other winding, an induced electromotive force of opposite polarity is generated in the two loops of the other winding. Therefore, the induced electromotive force generated between the terminals of the other winding is suppressed.
1つの巻線のループから発せられる磁束によって、他の巻線の2つのループに逆極性の誘導起電力を発生させるという効果が得られる程度は、各巻線の巻き数、各コアの断面積、各ギャップの長さ等によって調整されてよい。 The degree to which the effect of the magnetic flux emitted from one winding loop generating an induced electromotive force of opposite polarity in two loops of the other winding can be adjusted by the number of turns of each winding, the cross-sectional area of each core, the length of each gap, etc.
複数相のトランスにおいて相間の結合がある場合、各巻線および各巻線に接続されるスイッチング回路に流れる電流に、理想的な電流との差異が生じ、巻線およびスイッチング回路で発生する損失が大きくなってしまう場合がある。電力変換システム100に相間非干渉トランス38Nを用いることで、各巻線に流れる電流と理想的な電流との差異が生じる現象が抑制され、第1スイッチング回路10および第2スイッチング回路20で発生する電力損失が低減される。
When there is coupling between phases in a multi-phase transformer, the current flowing through each winding and the switching circuit connected to each winding may differ from the ideal current, resulting in large losses in the windings and switching circuits. By using the phase-to-
図3には、相間非干渉トランスの構成例が模式的に示されている。相間非干渉トランス38Aは、図2の相間非干渉トランス38Nの1次コア40-1および2次コア40-2を変形したものである。相間非干渉トランス38Aは、1次巻線構造16および2次巻線構造26を備えている。1次巻線構造16は、1次コア60-1、U相1次巻線14u、V相1次巻線14vおよびW相1次巻線14wを備えており、2次巻線構造26は、2次コア60-2、U相2次巻線24u、V相2次巻線24vおよびW相2次巻線24wを備えている。1次コア60-1は、矩形の板状コア66と、板状コア66の四隅から手前側に突出した第1四角柱コア61~第4四角柱コア64から構成されている。板状コア66は、相間非干渉トランス38Nの横方向コア46に対応し、第1四角柱コア61~第4四角柱コア64は、相間非干渉トランス38Nの第1縦方向コア41~第4縦方向コア44に対応している。
Figure 3 shows a schematic diagram of an example of the configuration of an interphase decoupling transformer. The
U相1次巻線14uが描く8の字における2つのループのうちの一方は第1四角柱コア61の周りを周回し、他方は第2四角柱コア62の周りを周回する。V相1次巻線14vが描く8の字における2つのループのうちの一方は第3四角柱コア63の周りを周回し、他方は第4四角柱コア64の周りを周回する。W相1次巻線14wが描く8の字における2つのループのうちの一方は第1四角柱コア61および第2四角柱コア62の周りを周回し、他方は第3四角柱コア63および第4四角柱コア64の周りを周回する。
One of the two loops in the figure of eight formed by the U-phase primary winding 14u goes around the first
1次コア60-1および2次コア60-2は、これらの間にある平面に関して対称な構造を有している。2次コア60-2は、矩形の板状コア66と、板状コア66の四隅から奥側に突出した第1四角柱コア61~第4四角柱コア64から構成されている。2次コア60-2における第1四角柱コア61~第4四角柱コア64の先端面は、それぞれ、1次コア60-1における第1四角柱コア61~第4四角柱コア64の先端面に、所定のギャップ長を隔てて対向する。
The primary core 60-1 and secondary core 60-2 have a symmetrical structure with respect to the plane between them. The secondary core 60-2 is composed of a rectangular plate-
図4には1次巻線構造16における第1四角柱コア61~第4四角柱コア64をそれぞれ通過する磁束Φ1~Φ4が示されている。磁束Φ1~Φ4の極性は、ある時刻において奥から手前側に向かう方向の磁束を正とする。磁束Φ1~Φ4と、U相磁束Φu、V相磁束ΦvおよびW相磁束Φwとの間には、次のような関係がある。ここで、U相磁束Φu、V相磁束ΦvおよびW相磁束Φwは、それぞれ、U相1次巻線14u、V相1次巻線14vおよびW相1次巻線14wのそれぞれが発生する磁束である。
Figure 4 shows magnetic fluxes Φ1 to Φ4 passing through the first to fourth
(数2)
Φ1= Φw+Φu
Φ2= Φw-Φu
Φ3=-Φw-Φv
Φ4=-Φw+Φv
(Equation 2)
Φ1 = Φw + Φu
Φ2 = Φw - Φu
Φ3 = -Φw -Φv
Φ4 = -Φw + Φv
本実施形態においては、U相スイッチングアームα1およびα2のスイッチング位相は、それぞれ、W相スイッチングアームγ1およびγ2のスイッチング位相に対して、60°を超える120°未満の範囲で進んでよい。V相スイッチングアームβ1およびβ2のスイッチング位相は、それぞれ、W相スイッチングアームγ1およびγ2のスイッチング位相に対して、60°を超える120°未満の範囲で遅れてよい。 In this embodiment, the switching phases of the U-phase switching arms α1 and α2 may lead the switching phases of the W-phase switching arms γ1 and γ2 by more than 60° and less than 120°, respectively. The switching phases of the V-phase switching arms β1 and β2 may lag the switching phases of the W-phase switching arms γ1 and γ2 by more than 60° and less than 120°, respectively.
好ましくは、U相スイッチングアームα1およびα2のスイッチング位相は、それぞれ、W相スイッチングアームγ1およびγ2のスイッチング位相に対して90°だけ進んでよい。V相スイッチングアームβ1およびβ2のスイッチング位相は、それぞれ、W相スイッチングアームγ1およびγ2のスイッチング位相に対して90°だけ遅れてよい。 Preferably, the switching phases of the U-phase switching arms α1 and α2 may lead the switching phases of the W-phase switching arms γ1 and γ2 by 90°, respectively. The switching phases of the V-phase switching arms β1 and β2 may lag the switching phases of the W-phase switching arms γ1 and γ2 by 90°, respectively.
また、本実施形態においては、U相スイッチングアームα1およびα2のスイッチング位相は、それぞれ、W相スイッチングアームγ1およびγ2のスイッチング位相に対して、60°を超える120°未満の範囲で遅れてよい。V相スイッチングアームβ1およびβ2のスイッチング位相は、それぞれ、W相スイッチングアームγ1およびγ2のスイッチング位相に対して、60°を超える120°未満の範囲で進んでよい。 In addition, in this embodiment, the switching phases of the U-phase switching arms α1 and α2 may lag behind the switching phases of the W-phase switching arms γ1 and γ2, respectively, in a range of more than 60° and less than 120°. The switching phases of the V-phase switching arms β1 and β2 may lead behind the switching phases of the W-phase switching arms γ1 and γ2, respectively, in a range of more than 60° and less than 120°.
好ましくは、U相スイッチングアームα1およびα2のスイッチング位相は、それぞれ、W相スイッチングアームγ1およびγ2のスイッチング位相に対して90°だけ遅れてよい。V相スイッチングアームβ1およびβ2のスイッチング位相は、それぞれ、W相スイッチングアームγ1およびγ2のスイッチング位相に対して90°だけ進んでよい。 Preferably, the switching phases of the U-phase switching arms α1 and α2 may lag the switching phases of the W-phase switching arms γ1 and γ2 by 90°, respectively. The switching phases of the V-phase switching arms β1 and β2 may lead the switching phases of the W-phase switching arms γ1 and γ2 by 90°, respectively.
図5(a)には、U相電圧Vu、V相電圧VvおよびW相電圧Vwの時間波形の概形が示されている。ここで、U相電圧Vu、V相電圧VvおよびW相電圧Vwは、それぞれ、U相1次巻線14u、V相1次巻線14v、およびW相1次巻線14wの端子間電圧である。U相1次巻線14u、V相1次巻線14v、およびW相1次巻線14wの端子間電圧は、それぞれ、U相スイッチングアームα1、V相スイッチングアームβ1およびW相スイッチングアームγ1のスイッチング素子接続点の電圧である。ここで、スイッチング素子接続点とは、上スイッチング素子SHと下スイッチング素子SLとの接続点をいい、各スイッチングアームのスイッチング素子接続点の電圧は、上コンデンサC1と下コンデンサC2との接続点の電位を基準とする。 Figure 5 (a) shows the outline of the time waveforms of the U-phase voltage Vu, the V-phase voltage Vv, and the W-phase voltage Vw. Here, the U-phase voltage Vu, the V-phase voltage Vv, and the W-phase voltage Vw are the terminal voltages of the U-phase primary winding 14u, the V-phase primary winding 14v, and the W-phase primary winding 14w, respectively. The terminal voltages of the U-phase primary winding 14u, the V-phase primary winding 14v, and the W-phase primary winding 14w are the voltages of the switching element connection points of the U-phase switching arm α1, the V-phase switching arm β1, and the W-phase switching arm γ1, respectively. Here, the switching element connection point refers to the connection point between the upper switching element SH and the lower switching element SL, and the voltage of the switching element connection point of each switching arm is based on the potential of the connection point between the upper capacitor C1 and the lower capacitor C2.
図5(a)に示されている例では、各相の電圧の時間波形は矩形波であり、U相電圧Vuは、W相電圧Vwに対して120°だけ遅れている。V相電圧Vvは、W相電圧Vwに対して120°だけ進んでいる。 In the example shown in FIG. 5(a), the time waveform of the voltage of each phase is a square wave, and the U-phase voltage Vu lags the W-phase voltage Vw by 120°. The V-phase voltage Vv leads the W-phase voltage Vw by 120°.
図5(b)には、U相磁束Φu、V相磁束ΦvおよびW相磁束Φwの時間波形の概形が示されている。U相磁束Φu、V相磁束ΦvおよびW相磁束Φwの時間波形は、それぞれ、U相電圧Vu、V相電圧VvおよびW相電圧Vwを積分した時間波形に近似したものとなる。 Figure 5(b) shows the outline of the time waveforms of the U-phase magnetic flux Φu, the V-phase magnetic flux Φv, and the W-phase magnetic flux Φw. The time waveforms of the U-phase magnetic flux Φu, the V-phase magnetic flux Φv, and the W-phase magnetic flux Φw are approximate to the time waveforms obtained by integrating the U-phase voltage Vu, the V-phase voltage Vv, and the W-phase voltage Vw, respectively.
図5(c)には、第1四角柱コア61~第4四角柱コア64をそれぞれ通過する磁束Φ1~Φ4の時間波形の概形が示されている。磁束Φ2およびΦ4の振れ幅(正の波高値と負の波高値との和)は、磁束Φ1およびΦ3の振れ幅よりも大きい。
Figure 5 (c) shows the outline of the time waveforms of the magnetic fluxes Φ1 to Φ4 passing through the first
ここでは、U相電圧VuがW相電圧Vwに対して120°だけ遅れており、V相電圧VvがW相電圧Vwに対して120°だけ進んでいる場合が示されたが、U相電圧VuがW相電圧Vwに対して120°だけ進んでおり、V相電圧VvがW相電圧Vwに対して120°だけ遅れている場合も、磁束Φ2およびΦ4の振れ幅は、磁束Φ1およびΦ3の振れ幅よりも大きくなる。 Here, the case is shown in which the U-phase voltage Vu lags the W-phase voltage Vw by 120° and the V-phase voltage Vv leads the W-phase voltage Vw by 120°. However, even if the U-phase voltage Vu leads the W-phase voltage Vw by 120° and the V-phase voltage Vv lags the W-phase voltage Vw by 120°, the amplitude of the magnetic fluxes Φ2 and Φ4 will be greater than the amplitude of the magnetic fluxes Φ1 and Φ3.
図6(a)には、U相電圧VuがW相電圧Vwに対して90°だけ進んでおり、V相電圧VvがW相電圧Vwに対して90°だけ遅れている場合における、U相電圧Vu、V相電圧VvおよびW相電圧Vwの時間波形の概形が示されている。図6(b)には、U相磁束Φu、V相磁束ΦvおよびW相磁束Φwの時間波形の概形が示されている。図6(c)には、第1四角柱コア61~第4四角柱コア64をそれぞれ通過する磁束Φ1~Φ4の時間波形の概形が示されている。磁束Φ1~Φ4の振れ幅は同等となっている。
Figure 6(a) shows the outline of the time waveforms of the U-phase voltage Vu, V-phase voltage Vv, and W-phase voltage Vw when the U-phase voltage Vu leads the W-phase voltage Vw by 90° and the V-phase voltage Vv lags the W-phase voltage Vw by 90°. Figure 6(b) shows the outline of the time waveforms of the U-phase magnetic flux Φu, V-phase magnetic flux Φv, and W-phase magnetic flux Φw. Figure 6(c) shows the outline of the time waveforms of the magnetic fluxes Φ1 to Φ4 passing through the first to fourth
ここでは、U相電圧VuがW相電圧Vwに対して90°だけ進んでおり、V相電圧VvがW相電圧Vwに対して90°だけ遅れている場合が示されたが、U相電圧VuがW相電圧Vwに対して90°だけ遅れており、V相電圧VvがW相電圧Vwに対して90°だけ進んでいる場合も、磁束Φ1~Φ4の振れ幅は同等となる。 Here, the case is shown where the U-phase voltage Vu leads the W-phase voltage Vw by 90° and the V-phase voltage Vv lags the W-phase voltage Vw by 90°, but even if the U-phase voltage Vu lags the W-phase voltage Vw by 90° and the V-phase voltage Vv leads the W-phase voltage Vw by 90°, the amplitude of the magnetic fluxes Φ1 to Φ4 will be the same.
図5(c)に示されているように、第1四角柱コア61~第4四角柱コア64を通過する磁束Φ1~Φ4の大きさに相違があると、相間非干渉トランスの設計が困難となることがある。理想的な相間非干渉トランスでは、1つの相の巻線から発生し、他の相の巻線に鎖交する磁束が、他の巻線に生じる起電力が抑制されるように巻線およびコアが設計される。コアの長さや長手方向に垂直な断面の面積等、コアの形状および大きさは、設計によって定められた磁気抵抗を有するように決定され、理想的な相間非干渉トランスのコアの形状および大きさには設計上の制約がある。
As shown in FIG. 5(c), if there is a difference in the magnitude of the magnetic fluxes Φ1 to Φ4 passing through the first to fourth
さらに、相間非干渉トランスでは、磁気飽和が避けられるようにコアの形状および大きさが定められる。したがって、複数の柱状コアを通過する磁束の大きさに相違がある場合には、磁束が最も大きくなるものに合わせて、各柱状コアの形状および大きさを決定する必要がある。そのため、複数の柱状コアを通過する磁束の大きさに相違があると、コア全体が大きくなってしまうことがある。 Furthermore, in phase-to-phase non-interference transformers, the shape and size of the core are determined so as to avoid magnetic saturation. Therefore, if there is a difference in the magnitude of the magnetic flux passing through multiple cylindrical cores, it is necessary to determine the shape and size of each cylindrical core according to the one with the largest magnetic flux. Therefore, if there is a difference in the magnitude of the magnetic flux passing through multiple cylindrical cores, the overall core may become large.
例えば、図3に示された相間非干渉トランス38Aでは、第1四角柱コア61~第4四角柱コア64の断面積(長手方向に垂直な断面の面積)が同一とされる。図3に示されているように、磁束Φ2およびΦ4の振れ幅は、磁束Φ1およびΦ3の振れ幅よりも大きいため、第2四角柱コア62および第4四角柱コア64の断面積が磁気飽和を避ける大きさに決定され、第1四角柱コア61および第3四角柱コア63の断面積が、第2四角柱コア62および第4四角柱コア64の断面積に合わせられる。このように、第1四角柱コア61~第4四角柱コア64の断面積が、磁束が大きい第2四角柱コア62および第4四角柱コア64の断面積に合わせられる結果、コア全体(1次コア60-1および2次コア60-2のそれぞれ)が大きくなってしまう。
For example, in the
U相電圧VuがW相電圧Vwに対して90°だけ進んでおり、V相電圧VvがW相電圧Vwに対して90°だけ遅れている場合、磁束Φ1~Φ4の振れ幅は同等となる。また、U相電圧VuがW相電圧Vwに対して90°だけ遅れており、V相電圧VvがW相電圧Vwに対して90°だけ進んでいる場合も、磁束Φ1~Φ4の振れ幅は同等となる。このように、W相に対するU相およびV相のスイッチング位相の進みおよび遅れ、または遅れおよび進みを90°とすることで、磁束Φ1~Φ4の振れ幅は同等となる。これによって、磁気飽和を回避する設計において第1四角柱コア61~第4四角柱コア64の断面積は同等となり、1次コア60-1全体が小さくなる。
When the U-phase voltage Vu leads the W-phase voltage Vw by 90° and the V-phase voltage Vv lags the W-phase voltage Vw by 90°, the magnetic fluxes Φ1 to Φ4 have the same amplitude. Also, when the U-phase voltage Vu lags the W-phase voltage Vw by 90° and the V-phase voltage Vv leads the W-phase voltage Vw by 90°, the magnetic fluxes Φ1 to Φ4 have the same amplitude. In this way, by setting the lead and lag, or lag and lead, of the switching phase of the U-phase and V-phase relative to the W-phase to 90°, the magnetic fluxes Φ1 to Φ4 have the same amplitude. As a result, in a design that avoids magnetic saturation, the cross-sectional areas of the first
図7(a)~(c)には、図3に示される相間非干渉トランス38Aの各相の1次巻線に正弦波電圧を印加した場合の各時間波形の概形が示されている。U相電圧VuはW相電圧Vwに対して120°だけ遅れている。V相電圧VvはW相電圧Vwに対して120°だけ進んでいる。図7(b)には、U相磁束Φu、V相磁束ΦvおよびW相磁束Φwの時間波形の概形が示されている。図7(c)には、第1四角柱コア61~第4四角柱コア64をそれぞれ通過する磁束Φ1~Φ4の時間波形の概形が示されている。磁束Φ2およびΦ4の振れ幅は、磁束Φ1およびΦ3の振れ幅よりも大きい。
Figures 7(a) to (c) show the outline of each time waveform when a sinusoidal voltage is applied to the primary winding of each phase of the
ここでは、U相電圧VuがW相電圧Vwに対して120°だけ遅れており、V相電圧VvがW相電圧Vwに対して120°だけ進んでいる場合が示されたが、U相電圧VuがW相電圧Vwに対して120°だけ進んでおり、V相電圧VvがW相電圧Vwに対して120°だけ遅れている場合も、磁束Φ2およびΦ4の振れ幅は、磁束Φ1およびΦ3の振れ幅よりも大きくなる。 Here, the case is shown in which the U-phase voltage Vu lags the W-phase voltage Vw by 120° and the V-phase voltage Vv leads the W-phase voltage Vw by 120°. However, even if the U-phase voltage Vu leads the W-phase voltage Vw by 120° and the V-phase voltage Vv lags the W-phase voltage Vw by 120°, the amplitude of the magnetic fluxes Φ2 and Φ4 will be greater than the amplitude of the magnetic fluxes Φ1 and Φ3.
図8(a)には、U相電圧VuがW相電圧Vwに対して90°だけ進んでおり、V相電圧VvがW相電圧Vwに対して90°だけ遅れている場合における、U相電圧Vu、V相電圧VvおよびW相電圧Vwの時間波形の概形が示されている。図8(b)には、U相磁束Φu、V相磁束ΦvおよびW相磁束Φwの時間波形の概形が示されている。図8(c)には、第1四角柱コア61~第4四角柱コア64をそれぞれ通過する磁束Φ1~Φ4の時間波形の概形が示されている。磁束Φ1~Φ4の振れ幅は同等となっている。
Figure 8(a) shows the outline of the time waveforms of the U-phase voltage Vu, V-phase voltage Vv, and W-phase voltage Vw when the U-phase voltage Vu leads the W-phase voltage Vw by 90° and the V-phase voltage Vv lags the W-phase voltage Vw by 90°. Figure 8(b) shows the outline of the time waveforms of the U-phase magnetic flux Φu, V-phase magnetic flux Φv, and W-phase magnetic flux Φw. Figure 8(c) shows the outline of the time waveforms of the magnetic fluxes Φ1 to Φ4 passing through the first to fourth
ここでは、U相電圧VuがW相電圧Vwに対して90°だけ進んでおり、V相電圧VvがW相電圧Vwに対して90°だけ遅れている場合が示されたが、U相電圧VuがW相電圧Vwに対して90°だけ遅れており、V相電圧VvがW相電圧Vwに対して90°だけ進んでいる場合も、磁束Φ1~Φ4の振れ幅は同等となる。 Here, the case is shown where the U-phase voltage Vu leads the W-phase voltage Vw by 90° and the V-phase voltage Vv lags the W-phase voltage Vw by 90°, but even if the U-phase voltage Vu lags the W-phase voltage Vw by 90° and the V-phase voltage Vv leads the W-phase voltage Vw by 90°, the amplitude of the magnetic fluxes Φ1 to Φ4 will be the same.
このように、各相の1次巻線に正弦波電圧を印加した場合であっても、W相に対するU相およびV相のスイッチング位相の進みおよび遅れ、または遅れおよび進みを90°とすることで、磁束Φ1~Φ4の振れ幅は同等となる。これによって、磁気飽和を回避する設計において第1四角柱コア61~第4四角柱コア64の断面積は同等となり、1次コア60-1全体が小さくなる。
In this way, even when a sinusoidal voltage is applied to the primary windings of each phase, the amplitudes of the magnetic fluxes Φ1 to Φ4 are equalized by setting the lead and lag, or lag and lead, of the switching phase of the U and V phases relative to the W phase to 90°. As a result, in a design that avoids magnetic saturation, the cross-sectional areas of the first
ここでは、各相の1次巻線に印加する電圧の位相と1次コア60-1全体の大きさとの関係ついて説明したが、各相の2次巻線に印加する電圧の位相と2次コア60-2全体の大きさとの関係も同様である。 Here, we have explained the relationship between the phase of the voltage applied to the primary windings of each phase and the overall size of the primary core 60-1, but the relationship between the phase of the voltage applied to the secondary windings of each phase and the overall size of the secondary core 60-2 is also similar.
図9には、矩形波励磁および正弦波励磁のそれぞれの場合について、最大磁束と相間位相差との関係が示されている。矩形波励磁の場合の最大磁束68は、各相の巻線に印加される電圧の時間波形を矩形波としたときの最大磁束である。正弦波励磁の場合の最大磁束69は、各相の巻線に印加される電圧の時間波形を正弦波としたときの最大磁束である。最大磁束は、第1四角柱コア61~第4四角柱コア64のうち、最も磁束の振れ幅が大きくなるものの磁束の振れ幅最大値を、1相の巻線が発生する磁束の振れ幅で規格化したものである。ただし、各相の巻線によって発生する各磁束Φu、ΦvおよびΦwの振れ幅を計算の上で等しくしている。相間位相差は、W相電圧Vwに対するU相電圧Vuの進み位相値、およびW相電圧Vwに対するV相電圧Vvの遅れ位相値を示す。あるいは、相間位相差は、W相電圧に対するU相電圧Vuの遅れ位相値およびW相電圧Vwに対するV相電圧Vvの進み位相値を示す。
Figure 9 shows the relationship between the maximum magnetic flux and the phase difference between phases for both rectangular wave excitation and sine wave excitation. The maximum magnetic flux 68 in the case of rectangular wave excitation is the maximum magnetic flux when the time waveform of the voltage applied to the winding of each phase is a rectangular wave. The maximum magnetic flux 69 in the case of sine wave excitation is the maximum magnetic flux when the time waveform of the voltage applied to the winding of each phase is a sine wave. The maximum magnetic flux is the maximum magnetic flux swing value of the first
矩形波励磁の場合、相間位相差が90°であるときに最大磁束は最小値1となる。そして、相間位相差が60°および120°であるときは最大磁束は最大値4/3となる。正弦波励磁の場合、相間位相差が90°であるときに最大磁束は最小値√2となる。そして、相間位相差が60°および120°であるときは最大磁束は最大値√3となる。したがって、矩形波励磁および正弦波励磁のいずれの場合についても、相間位相差は60°を超え120°未満としてよい。また、相間位相差は90°であってもよい。 In the case of square wave excitation, the maximum magnetic flux has a minimum value of 1 when the phase difference between the phases is 90°. And, when the phase difference between the phases is 60° and 120°, the maximum magnetic flux is 4/3 of the maximum value. In the case of sine wave excitation, the maximum magnetic flux has a minimum value of √2 when the phase difference between the phases is 90°. And, when the phase difference between the phases is 60° and 120°, the maximum magnetic flux is a maximum value of √3. Therefore, in both the case of square wave excitation and sine wave excitation, the phase difference between the phases may be greater than 60° and less than 120°. The phase difference between the phases may also be 90°.
図10には、本発明の第1応用実施形態に係る電力変換システム102が示されている。このシステムは、図1に示された電力変換システム100における第2スイッチング回路20のU相スイッチングアームα2、V相スイッチングアームβ2およびW相スイッチングアームγ2を、それぞれ、U相ダイオードアームαd、V相ダイオードアームβdおよびW相ダイオードアームγdに置き換えると共に、平滑リアクトルLを設けたものである。各ダイオードアームは、上ダイオードDHおよび下ダイオードDLを備え、上ダイオードDHのアノード電極と、下ダイオードDLのカソード電極とが接続されたものである。各ダイオードアームの上ダイオードDHのカソード電極が共通に接続され、下ダイオードDLのアノード電極が共通に接続されている。各ダイオードアームの上ダイオードDHのカソード電極とコンデンサアームCA2の上端との間、および各ダイオードアームの下ダイオードDLのアノード電極とコンデンサアームCA2の下端との間には、平滑リアクトルLが接続されている。各ダイオードアームにおける上ダイオードDHと下ダイオードDLの接続点に印加される電圧は、各ダイオードアームによって整流され、平滑リアクトルLおよびコンデンサアームCA2に印加され、高調波成分が抑制された上で、第2直流電源36に印加される。
Figure 10 shows a
図11には、本発明の第2応用実施形態に係る電力変換システム104が示されている。このシステムは、図1に示された電力変換システム100におけるU相スイッチングアームα1とU相1次巻線14uとの間、V相スイッチングアームβ1とV相1次巻線14vとの間、およびW相スイッチングアームγ1とW相1次巻線14wとの間に共振用コンデンサCrが設けられたものである。さらに、第2スイッチング回路20BのU相スイッチングアームα2、V相スイッチングアームβ2およびW相スイッチングアームγ2は、それぞれ、U相ダイオードアームαd、V相ダイオードアームβdおよびW相ダイオードアームγdに置き換えられている。共振用コンデンサCrが設けられていることで、第1スイッチング回路10BはLLCコンバータとして動作する。LLCコンバータは、トランスの巻線のインダクタンスと、トランスに接続されたコンデンサによって共振回路を構成し、共振現象を利用してゼロ電圧スイッチングを行うコンバータである。スイッチング素子に印加される電圧がゼロになるタイミングでスイッチング素子を切り替えることで、損失が低減される。
Figure 11 shows a
図12には、本発明の第3応用実施形態に係る電力変換システム106が示されている。このシステムは、図1に示された電力変換システム100におけるU相スイッチングアームα1とU相1次巻線14uとの間、V相スイッチングアームβ1とV相1次巻線14vとの間、およびW相スイッチングアームγ1とW相1次巻線14wとの間に共振用コンデンサCr1が設けられたものである。また、第2スイッチング回路20CのU相スイッチングアームα2、V相スイッチングアームβ2およびW相スイッチングアームγ2は、それぞれ、U相ダイオードアームαd、V相ダイオードアームβdおよびW相ダイオードアームγdに置き換えられている。さらに、U相ダイオードアームαdとU相2次巻線24uとの間、V相ダイオードアームβdとV相2次巻線24vとの間、およびW相ダイオードアームγdとW相2次巻線24wとの間に共振用コンデンサCr2が設けられている。
Figure 12 shows a
1次巻線構造16と各相の共振用コンデンサCr1によって、各相の1次側には共振回路が形成される。同様に、2次巻線構造26と各相の共振用コンデンサCr2によって、各相の2次側には共振回路が形成される。1次側に形成された各相の共振回路と、2次側に形成された各相の共振回路の共鳴によって、第1スイッチング回路10Cから第2スイッチング回路20Cに電力が伝送される。
The primary winding
図13には、本発明の第2実施形態に係る電力変換システム108が示されている。電力変換システム108は、図1に示される電力変換システム100に、U相、V相およびW相のうち、電力伝送指令値に応じて選択された相のスイッチングを行い、他の相のスイッチングを停止するものである。
Figure 13 shows a
電力変換システム108は、第1スイッチング回路10および第2スイッチング回路20の他、ゲート信号生成部70、電流制御部72および運転相決定部74を備えている。ゲート信号生成部70、電流制御部72および運転相決定部74は、各スイッチングアームを制御する制御部を構成する。運転相決定部74は、伝送電力指令値に基づいて、1次側および2次側のU相スイッチングアーム(α1,α2)、V相スイッチングアーム(β1,β2)およびW相スイッチングアーム(γ1,γ2)のうち、スイッチングを行うものを指定する指定情報を電流制御部72およびゲート信号生成部70に出力する。例えば、運転相決定部74は、電力伝送指令値が所定の第1閾値以下であるときは、U相スイッチングアーム(α1,α2)を選択する。運転相決定部74は、電力伝送指令値が第1閾値を超え、所定の第2閾値以下であるときは、U相スイッチングアーム(α1,α2)およびV相スイッチングアーム(β1,β2)を選択する。運転相決定部74は、さらに、電力伝送指令値が、第2閾値を超えるときは、U相スイッチングアーム(α1,α2)、V相スイッチングアーム(β1,β2)およびW相スイッチングアーム(γ1,γ2)を選択する。
The
電流制御部72は、1次側直流電圧Vinおよび2次側直流電圧Voutの測定値と、伝送電力指令値とに基づいて、指定情報によって指定された相についてのスイッチング位相差δおよびデューティ比を求め、ゲート信号生成部70に出力する。ゲート信号生成部70は、指定情報によって指定された相についてのスイッチング位相差δおよびデューティ比に応じて、指定情報によって指定された相のスイッチングアームの上スイッチング素子SHおよび下スイッチング素子SLをオンオフする制御信号を生成する。
The
図14には、スイッチングを行うスイッチングアームが1相、2相および3相である場合について、伝送電力と電力伝送効率との関係が示されている。1相当たりの動作では、伝送電力がある値から大きくなるにつれて電力伝送効率が大きくなって、あるピーク時伝送電力で電力伝送効率が最大となる。そして、伝送電力がピーク時伝送電力を超えて大きくなると、電力伝送効率は低下していく。 Figure 14 shows the relationship between the transmission power and the power transmission efficiency when the switching arm performing the switching is one-phase, two-phase, and three-phase. In operation per phase, as the transmission power increases from a certain value, the power transmission efficiency increases, and the power transmission efficiency is maximized at a certain peak transmission power. Then, when the transmission power increases beyond the peak transmission power, the power transmission efficiency decreases.
したがって、スイッチングを行うスイッチングアームが2相の場合は1相の場合に比較して、ピーク時伝送電力は大きくなり、3相の場合は2相の場合に比較して、ピーク時伝送電力が大きくなる。図14には、スイッチングを行うスイッチングアームが1相、2相および3相である場合について、それぞれ、ピーク時伝送電力Pk1、Pk2およびPk3が示されている。本実施形態によれば、電力伝送指令値が大きくなるにつれて、スイッチングを行う相数が大きくなる。これによって、第1スイッチング回路10から第2スイッチング回路20に伝送される電力がピーク時伝送電力に近付けられ、電力伝送効率が高まる。
Therefore, when the switching arm performing the switching is two-phase, the peak transmission power is higher than when it is one-phase, and when it is three-phase, the peak transmission power is higher than when it is two-phase. Figure 14 shows peak transmission powers Pk1, Pk2, and Pk3 for the cases when the switching arm performing the switching is one-phase, two-phase, and three-phase, respectively. According to this embodiment, the number of phases performing the switching increases as the power transmission command value increases. This brings the power transmitted from the
上記では、3相の電力変換システムが示された。電力変換システムは、単相、2相あるいは4相以上の構成としてもよい。この場合、相数に応じた数のスイッチングアームおよび巻線が設けられる。例えば、2相とする場合には、図1に示された電力変換システム100から、U相スイッチングアームα1、U相1次巻線14u、U相スイッチングアームα2およびU相2次巻線24uが取り除かれる。
A three-phase power conversion system has been shown above. The power conversion system may be configured as a single phase, two phase, or four or more phases. In this case, the number of switching arms and windings is provided according to the number of phases. For example, in the case of a two-phase system, the U-phase switching arm α1, the U-phase primary winding 14u, the U-phase switching arm α2, and the U-phase secondary winding 24u are removed from the
4相とする場合には、図1に示された電力変換システム100について、U相スイッチングアームα1、V相スイッチングアームβ1およびW相スイッチングアームγ1に対して並列に追加のスイッチングアームが接続される。そして、追加のスイッチングアームの上スイッチング素子と下スイッチング素子との接続点と、他の各1次巻線の共通接続点との間に追加の1次巻線が接続される。2次側についても同様に、スイッチングアームおよび2次巻線が追加される。
When using four phases, an additional switching arm is connected in parallel to the U-phase switching arm α1, the V-phase switching arm β1, and the W-phase switching arm γ1 of the
Nを2以上の整数として、電力変換システムをN相の構成とした場合、N個のスイッチングアームの相互のスイッチング位相の差は、360°/Nとは異なる値とすることで、各相の巻線で発生する磁束の振れ幅のばらつきが抑制される。 When the power conversion system has an N-phase configuration, where N is an integer equal to or greater than 2, the difference in switching phase between the N switching arms can be set to a value other than 360°/N to suppress the variation in the amplitude of the magnetic flux generated in the windings of each phase.
10,10B,10C 第1スイッチング回路、12p,22p 正極端子、12n,22n 負極端子、14u U相1次巻線、14v V相1次巻線、14w W相1次巻線、16 1次巻線構造、20,20A,20B,20C 第2スイッチング回路、24u U相2次巻線、24v V相2次巻線、24w W相2次巻線、26 2次巻線構造、30 第1直流電源、32 商用電源システム、34 AC/DCコンバータ、36 第2直流電源、38 3相トランス、38A,38N 相間非干渉トランス、40-1,60-1 1次コア、40-2,60-2 2次コア、41 第1縦方向コア、42 第2縦方向コア、43 第3縦方向コア、44 第4縦方向コア、46 横方向コア、61 第1四角柱コア、62 第2四角柱コア、63 第3四角柱コア、64 第4四角柱コア、66 板状コア、68 矩形波励磁の場合の最大磁束、69 正弦波励磁の場合の最大磁束、70 ゲート信号生成部、72 電流制御部、74 運転相決定部、α1,α2 U相スイッチングアーム、β1,β2 V相スイッチングアーム、γ1,γ2 W相スイッチングアーム、SH 上スイッチング素子、SL 下スイッチング素子、CA1,CA2 コンデンサアーム、C1 上コンデンサ、C2 下コンデンサ、αd U相ダイオードアーム、βd V相ダイオードアーム、γd W相ダイオードアーム、Cr,Cr1,Cr2 共振用コンデンサ、L 平滑リアクトル。
10, 10B, 10C First switching circuit, 12p, 22p Positive terminal, 12n, 22n Negative terminal, 14u U-phase primary winding, 14v V-phase primary winding, 14w W-phase primary winding, 16 Primary winding structure, 20, 20A, 20B, 20C Second switching circuit, 24u U-phase secondary winding, 24v V-phase secondary winding, 24w W-phase secondary winding, 26 Secondary winding structure, 30 First DC power source, 32 Commercial power source system, 34 AC/DC converter, 36 Second DC power source, 38 Three-phase transformer, 38A, 38N Interphase decoupling transformer, 40-1, 60-1 Primary core, 40-2, 60-2 Secondary core, 41 First vertical core, 42 Second vertical core, 43 third vertical core, 44 fourth vertical core, 46 horizontal core, 61 first rectangular prism core, 62 second rectangular prism core, 63 third rectangular prism core, 64 fourth rectangular prism core, 66 plate core, 68 maximum magnetic flux in case of rectangular wave excitation, 69 maximum magnetic flux in case of sine wave excitation, 70 gate signal generating unit, 72 current control unit, 74 operation phase determining unit, α1, α2 U-phase switching arm, β1, β2 V-phase switching arm, γ1, γ2 W-phase switching arm, SH upper switching element, SL lower switching element, CA1, CA2 capacitor arm, C1 upper capacitor, C2 lower capacitor, αd U-phase diode arm, βd V-phase diode arm, γd W-phase diode arm, Cr, Cr1, Cr2 resonant capacitor, L smoothing reactor.
Claims (8)
前記A相巻線、前記B相巻線および前記C相巻線は、相間非干渉巻線構造を形成し、
前記スイッチング回路は、
前記A相巻線の端子間電圧の位相が、前記C相巻線の端子間電圧の位相に対し、60°を超える120°未満の範囲で進み、
前記B相巻線の端子間電圧の位相が、前記C相巻線の端子間電圧の位相に対し、60°を超える120°未満の範囲で遅れるように、前記A相巻線、前記B相巻線および前記C相巻線のそれぞれに印加される電圧をスイッチングし、
あるいは、
前記A相巻線の端子間電圧の位相が、前記C相巻線の端子間電圧の位相に対し、60°を超える120°未満の範囲で遅れ、
前記B相巻線の端子間電圧の位相が、前記C相巻線の端子間電圧の位相に対し、60°を超える120°未満の範囲で進むように、前記A相巻線、前記B相巻線および前記C相巻線のそれぞれに印加される電圧をスイッチングすることを特徴とする無接点電力伝送回路。 A switching circuit including an A-phase winding, a B-phase winding, and a C-phase winding,
the A-phase winding, the B-phase winding, and the C-phase winding form an inter-phase non-interference winding structure;
The switching circuit includes:
the phase of the voltage between the terminals of the A-phase winding leads the phase of the voltage between the terminals of the C-phase winding by a range of more than 60° and less than 120°;
switching voltages applied to the A-phase winding, the B-phase winding, and the C-phase winding, respectively, such that a phase of a voltage between the terminals of the B-phase winding lags a phase of a voltage between the terminals of the C-phase winding in a range of more than 60° and less than 120°;
or,
the phase of the voltage between the terminals of the A-phase winding lags behind the phase of the voltage between the terminals of the C-phase winding in a range of more than 60° and less than 120°;
a contactless power transmission circuit which switches voltages applied to the A-phase winding, the B-phase winding, and the C-phase winding, respectively, so that the phase of the terminal voltage of the B-phase winding leads the phase of the terminal voltage of the C-phase winding by a range of more than 60° and less than 120°.
前記スイッチング回路は、
前記A相巻線の端子間電圧の位相が、前記C相巻線の端子間電圧の位相に対して90°だけ進み、
前記B相巻線の端子間電圧の位相が、前記C相巻線の端子間電圧の位相に対して90°だけ遅れるように、前記A相巻線、前記B相巻線および前記C相巻線のそれぞれに印加される電圧をスイッチングし、
あるいは、
前記A相巻線の端子間電圧の位相が、前記C相巻線の端子間電圧の位相に対して90°だけ遅れ、
前記B相巻線の端子間電圧の位相が、前記C相巻線の端子間電圧の位相に対して90°だけ進むように、前記A相巻線、前記B相巻線および前記C相巻線のそれぞれに印加される電圧をスイッチングすることを特徴とする無接点電力伝送回路。 2. The non-contact power transmission circuit according to claim 1,
The switching circuit includes:
the phase of the voltage across the A-phase winding leads the phase of the voltage across the C-phase winding by 90°;
switching voltages applied to the A-phase winding, the B-phase winding, and the C-phase winding, respectively, such that a phase of a voltage between the terminals of the B-phase winding lags a phase of a voltage between the terminals of the C-phase winding by 90°;
or,
the phase of the voltage across the A-phase winding lags behind the phase of the voltage across the C-phase winding by 90°;
a contactless power transmission circuit which switches voltages applied to the A-phase winding, the B-phase winding, and the C-phase winding, respectively, so that the phase of the terminal voltage of the B-phase winding leads the phase of the terminal voltage of the C-phase winding by 90°.
前記A相スイッチングアームに対して設けられたA相巻線であって、前記A相スイッチングアームが含む前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子の接続点に一端が接続されたA相巻線と、
前記B相スイッチングアームに対して設けられたB相巻線であって、前記B相スイッチングアームが含む前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子の接続点に一端が接続されたB相巻線と、
前記C相スイッチングアームに対して設けられたC相巻線であって、前記C相スイッチングアームが含む前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子の接続点に一端が接続されたC相巻線と、を備え、
前記A相巻線、前記B相巻線および前記C相巻線は、
相間非干渉巻線構造を形成し、
前記A相巻線、前記B相巻線および前記C相巻線のそれぞれの他端に共通の電源または負荷が接続されることを特徴とする無接点電力伝送回路。 an A-phase switching arm, a B-phase switching arm, and a C-phase switching arm connected in parallel, each of the A-phase switching arm, the B-phase switching arm, and the C-phase switching arm including an upper switching element and a lower switching element, one end of which is commonly connected;
an A-phase winding provided for the A-phase switching arm, the A-phase winding having one end connected to a connection point of the upper switching element and the lower switching element included in the A-phase switching arm;
a B-phase winding provided for the B-phase switching arm, the B-phase winding having one end connected to a connection point of the upper switching element and the lower switching element included in the B-phase switching arm;
a C-phase winding provided for the C-phase switching arm, the C-phase winding having one end connected to a connection point of the upper switching element and the lower switching element included in the C-phase switching arm;
The A-phase winding, the B-phase winding, and the C-phase winding are
Forming a phase-to-phase non-interference winding structure,
a common power source or load is connected to the other ends of the A-phase winding, the B-phase winding and the C-phase winding, respectively.
前記A相スイッチングアームのスイッチング位相は、前記C相スイッチングアームのスイッチング位相に対し、60°を超える120°未満の範囲で位相が進んでおり、前記B相スイッチングアームのスイッチング位相は、前記C相スイッチングアームのスイッチング位相に対し、60°を超える120°未満の範囲で位相が遅れており、
あるいは、前記A相スイッチングアームのスイッチング位相は、前記C相スイッチングアームのスイッチング位相に対し、60°を超える120°未満の範囲で位相が遅れており、前記B相スイッチングアームのスイッチング位相は、前記C相スイッチングアームのスイッチング位相に対し、60°を超える120°未満の範囲で位相が進んでいることを特徴とする無接点電力伝送回路。 4. The non-contact power transmission circuit according to claim 3,
a switching phase of the A-phase switching arm leads a switching phase of the C-phase switching arm by a range of more than 60° and less than 120°, and a switching phase of the B-phase switching arm lags a switching phase of the C-phase switching arm by a range of more than 60° and less than 120°,
Alternatively, the non-contact power transmission circuit is characterized in that the switching phase of the A-phase switching arm lags behind the switching phase of the C-phase switching arm in a range of more than 60° and less than 120°, and the switching phase of the B-phase switching arm leads behind the switching phase of the C-phase switching arm in a range of more than 60° and less than 120°.
前記A相スイッチングアームのスイッチング位相は、前記C相スイッチングアームのスイッチング位相に対し90°だけ進んでおり、前記B相スイッチングアームのスイッチング位相は、前記C相スイッチングアームのスイッチング位相に対し90°だけ遅れており、
あるいは、前記A相スイッチングアームのスイッチング位相は、前記C相スイッチングアームのスイッチング位相に対し90°だけ遅れており、前記B相スイッチングアームのスイッチング位相は、前記C相スイッチングアームのスイッチング位相に対し90°だけ進んでいることを特徴とする無接点電力伝送回路。 5. The non-contact power transmission circuit according to claim 4,
a switching phase of the A-phase switching arm leads a switching phase of the C-phase switching arm by 90°, and a switching phase of the B-phase switching arm lags a switching phase of the C-phase switching arm by 90°;
Alternatively, the non-contact power transmission circuit is characterized in that the switching phase of the A-phase switching arm lags behind the switching phase of the C-phase switching arm by 90°, and the switching phase of the B-phase switching arm leads the switching phase of the C-phase switching arm by 90°.
前記A相巻線の正巻きループおよび逆巻きループをそれぞれ貫く第1コアおよび第2コアと、
前記B相巻線の正巻きループおよび逆巻きループをそれぞれ貫く第3コアおよび第4コアと、を備え、
前記A相巻線を貫く前記第1コアおよび前記第2コアは、前記C相巻線の正巻きループを貫き、
前記B相巻線を貫く前記第3コアおよび前記第4コアは、前記C相巻線の逆巻きループを貫くことを特徴とする無接点電力伝送回路。 The non-contact power transmission circuit according to any one of claims 1 to 5,
a first core and a second core passing through a forward wound loop and a reverse wound loop of the A-phase winding, respectively;
a third core and a fourth core passing through a forward wound loop and a reverse wound loop of the B-phase winding, respectively;
the first core and the second core, which pass through the A-phase winding, pass through the forwardly wound loop of the C-phase winding;
A non-contact power transmission circuit, characterized in that the third core and the fourth core passing through the B-phase winding pass through a reverse-wound loop of the C-phase winding.
前記第1コアから前記第4コアのそれぞれの一端に共通に結合した共通コアを備えることを特徴とする無接点電力伝送回路。 7. The non-contact power transmission circuit according to claim 6, wherein each of the first core to the fourth core is formed in a rod shape.
A contactless power transmission circuit comprising a common core commonly coupled to one end of each of the first core to the fourth core.
各前記スイッチングアームに対して設けられた巻線であって、前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子の接続点に一端が接続された巻線と、
各前記スイッチングアームを制御する制御部と、を備え、
各前記巻線の他端が共通に接続されており、
各前記巻線の他端に共通の電源または負荷が接続され、
各前記巻線が、外部のスイッチング回路が有する複数の外部巻線のうち対応するものに結合し、
複数の前記スイッチングアームに対応して設けられた複数の前記巻線が、相間非干渉巻線構造を形成し、
前記制御部は、
複数の前記スイッチングアームのうち、前記スイッチング回路への伝送電力についての指令値に応じた数の前記スイッチングアームにスイッチングを行わせることを特徴とする無接点電力伝送回路。
a plurality of switching arms connected in parallel, each of the switching arms including an upper switching element and a lower switching element, one end of which is commonly connected;
a winding provided for each of the switching arms, the winding having one end connected to a connection point between the upper switching element and the lower switching element;
A control unit for controlling each of the switching arms,
The other ends of the windings are connected in common,
A common power source or load is connected to the other end of each of the windings;
each of the windings is coupled to a corresponding one of a plurality of external windings of an external switching circuit;
The plurality of windings provided corresponding to the plurality of switching arms form an inter-phase non-interference winding structure,
The control unit is
A non-contact power transmission circuit, comprising: a contactless power transmission circuit that causes a number of the switching arms, among the plurality of switching arms, to perform switching in accordance with a command value for transmission power to the switching circuit.
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