JP3378562B2 - 単相三線式ac/dc双方向コンバータ - Google Patents
単相三線式ac/dc双方向コンバータInfo
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Description
力との間で、単一主回路を用いて電力エネルギーを高効
率および低歪み率で双方向に変換する単相三線式AC/
DC双方向コンバータに関する。特に、各種電池の充放
電を低損失で行う装置を対象とし、最も代表的な例とし
ては、最近話題の昼夜電力の平準化のために、夜間電力
を利用して電力の蓄電を行い、昼間に電力回生を行う技
術に関する。
的規模の課題となっており、特に電力の給配電系におけ
る昼夜間の不均衡が発電設備の利用率低下の一因になっ
ている。
ては、深夜電力の料金体系を昼間の1/3程度に設定して
一日の電力消費の平準化を図ろうとしているが、これに
は安価なエネルギー蓄積装置の開発が必要である。
一般に用いられる方法は、交流からいったん直流に変換
して電池に充電し、充電した電力を交流側に回生するの
が最も効率の高い方法であるが、電池自体の長寿命化と
経済化、さらにAC/DCおよびDC/ACへの変換装置の合理化
および経済化も必要である。
装置の概略構成を示すブロック図である。図10に示す
ように、従来は、充電を行うAC/DC充電器31と、電力
回生を行うDC/ACインバータ32とを別個に設けてい
た。このため、設備コストが高くなり、小型化も阻害す
る要因になっていた。
ジと半導体スイッチによるPWM制御技術で構成され、
同一容量のDC/ACインバータよりも小型化が可能で低コ
ストで実現できるが、電源の高調波対策を行った入力電
流正弦波の充電器は、同容量のインバータと容量および
コストが大差なくなってきている。
は、DC/ACインバータと充電器の両方を別個に設ける必
要があったため、充放電装置を小型化できず、コストも
高くなるという問題があった。
ものであり、その目的は、小型化が可能で低コストで実
現可能な単相三線式AC/DC双方向コンバータを提供
することにある。
は、第1〜第3の交流端子に接続されたノイズフィルタ
と、このノイズフィルタの一部を構成するコンデンサと
を有する単相三線式交流電源と、充放電可能な電池の両
端間に直列接続された第1および第2のスイッチング素
子と、前記電池の両端間に直列接続された第3および第
4のスイッチング素子と、前記第1および第2のスイッ
チング素子の接続点と前記単相三線式交流電源の端子と
の間に接続された第1のインダクタ素子と、前記第3お
よび第4のスイッチング素子の接続点と前記単相三線式
交流電源の端子との間に接続された第2のインダクタ素
子と、前記第1のスイッチング素子に並列接続された第
1のダイオードと、前記第2のスイッチング素子に並列
接続された第2のダイオードと、前記第3のスイッチン
グ素子に並列接続された第3のダイオードと、前記第4
のスイッチング素子に並列接続された第4のダイオード
と、前記電池の両端間に接続された第1のキャパシタ素
子と、前記電池の一端と中性線との間に接続された第2
のキャパシタ素子と、前記電池の他端と中性線との間に
接続された第3のキャパシタ素子と、前記電池の一端と
中性線との間に接続された第5のダイオードと、前記電
池の他端と中性線との間に接続された第6のダイオード
と、前記第5および第6のダイオードの接続点と、前記
第2および第3のキャパシタ素子の接続点と、の間に接
続されたスイッチと、前記第1〜第4のスイッチング素
子と前記スイッチとのオン・オフを制御する制御回路
と、を備え、前記制御回路は、前記電池の充電時には、
前記単相三線式交流電源が正の半サイクルの間に、前記
第2のスイッチング素子をオン・オフ制御し、かつ、前
記単相三線式交流電源が負の半サイクルの間に、前記第
1のスイッチング素子をオン・オフ制御し、かつ、前記
電池の放電による前記単相三線式交流電源側への電力回
生時には、前記第1および第2のスイッチング素子をオ
ン・オフ制御して正位相の正弦波電圧を前記第1および
第2の交流端子間に供給し、かつ前記第3および第4の
スイッチング素子をオン・オフ制御して負位相の正弦波
電圧を前記第2および第3の交流端子間に供給する。
C/DC双方向コンバータについて、図面を参照しなが
ら具体的に説明する。本発明は、国内一般家庭で標準に
なってきた単相三線式(日本国内では100V+100Vの両
端200V)の交流電源に接続される単一の主回路を用い
て、この主回路を充電時には入力電流正弦波(高調波対
策)充電器として動作させ、放電(電力回生)時には単
相三線式の正弦波インバータとして動作させるものであ
る。
ータの第1の実施形態の回路図、図2は本発明に係る単
線三線式AC/DC双方向コンバータの概念図である。
式AC/DC双方向コンバータは、充電を行うAC/DC充
電器と電力回生を行うDC/ACインバータとを一つにまと
めた回路20を単相三線式交流電源21に接続する点に
特徴がある。
ータは、第1〜第3の交流端子TP1,TP2,TP3
に接続されたノイズフィルタ1と、このノイズフィルタ
1の一部を構成するキャパシタ素子C1,C2とを有す
る単相三線式交流電源2と、充放電可能な電池3と、電
池3の両端間に直列接続された第1および第2のスイッ
チング素子Q1,Q2と、電池3の両端間に直列接続さ
れた第3および第4のスイッチング素子Q3,Q4と、
第1および第2のスイッチング素子Q1,Q2の接続点
と単相三線式交流電源2の端子との間に接続された第1
のリアクトルL1と、第3および第4のスイッチング素
子Q3,Q4の接続点と単相三線式交流電源2の端子と
の間に接続された第2のリアクトルL2と、第1のスイ
ッチング素子Q1のソース端子およびドレイン端子間に
接続された第1のダイオードD1と、第2のスイッチン
グ素子Q2のソース端子およびドレイン端子間に接続さ
れた第2のダイオードD2と、第3のスイッチング素子
Q3のソース端子およびドレイン端子間に接続された第
3のダイオードD3と、第4のスイッチング素子Q4の
ソース端子およびドレイン端子間に接続された第4のダ
イオードD4と、電池3の両端間に接続された高周波ノ
イズ吸収用の第1のキャパシタ素子C3と、電池3の+
端と中性線NLとの間に接続された第2のキャパシタ素
子C4と、電池3の他端と中性線NLとの間に接続され
た第3のキャパシタ素子C5と、電池3の+端と中性線
NLとの間に接続された第5のダイオードD5と、電池
3の他端と中性線NLとの間に接続された第6のダイオ
ードD6と、第5および第6のダイオードD5,D6の
接続点と第2および第3のキャパシタ素子C4,C5の
接続点との間に接続されたスイッチ4と、第1〜第4の
スイッチング素子Q1〜Q4とスイッチ4とのオン・オ
フを制御する制御回路5と、を備えている。
P3には、例えばそれぞれAC0V、100V、200Vが印
加される。第1および第2のリアクトルL1,L2は、
充電時には昇圧チョッパ用リアクトルとして作用し、電
力回生(放電)時には正弦波インバータのフィルタとし
て作用する。
と、これらスイッチング素子にそれぞれ並列接続された
第1〜第4のダイオードD1〜D4とは、充電時には高
力率整流器として作用し、電力回生時にはブリッジ形イ
ンバータ10として作用する。
は、入力電源端子TP1,TP2間、またはTP2,T
P3間の電圧のみで充電する場合にダイオードD1〜D
4に代わって電流を流す役割を果たす。
5は、大容量の電解コンデンサであり、電池3を用いな
い単独負荷運転時の直流出力リップルを減少させるため
に設けられる。スイッチ4は、充電時にはオフされ、電
力回生(放電)時にはオンされる。
ータの充電時の動作として、第1および第2のスイッチ
ング素子Q1,Q2をオン・オフ制御して充電を行う場
合と、第2および第4のスイッチング素子Q2,Q4を
オン・オフ制御して充電を行う場合とがある。
チング素子Q1,Q2をオン・オフ制御して充電を行う
場合について説明する。図3はTP1がTP2に対して
正の半サイクル時の電流経路を矢印で示した図である。
第2のスイッチング素子Q2がオンの場合には、図示の
実線矢印で示すように、第1のリアクトルL1、第2の
トランジスタQ2、第4のダイオードD4、および第2
のリアクトルL2を経て電流が流れ、第1および第2の
リアクトルL1,L2にエネルギーが蓄積される。
の場合には、第1および第2のリアクトルL1,L2は
同じ方向に電流を流そうとするため、図示の点線矢印で
示すように、第1のリアクトルL1、第1のダイオード
D1、第2、第3のキャパシタ素子C4,C5および電
池3、第4のダイオードD4、および第2のリアクトル
L2を経て電流が流れる。
を矢印で示した図である。第1のスイッチング素子Q1
がオンの場合には、図4の実線矢印で示すように、第2
のリアクトルL2、第3のダイオードD3、第1のスイ
ッチング素子Q1、および第1のリアクトルL1を経て
電流が流れる。
の場合には、図4の点線矢印で示すように、第2のリア
クトルL2、第3のダイオードD3、第2、第3のキャ
パシタ素子C4,C5および電池3、第2のダイオード
D2、および第1のリアクトルL1を経て電流が流れ
る。
ル時も、電池3には同じ方向に電流が流れるため、高力
率に充電を行うことができる。
例を示すブロック図である。図示のように、制御回路5
は、ダイオードD11〜D16と、フィルタ11,12と、
昇圧型力率改善専用IC(PFC-IC)13と、電流変成器
14,15,16と、オペアンプOP1,OP2と、インバ
ータIV1〜IV6と、クランプ回路17と、充放電切替ス
イッチ18と、論理ゲートG1〜G13と、駆動回路19
〜23と、スイッチング電源制御用PWM-IC24と、ダイ
オードブリッジ25と、アナログ乗算器26と、三角波
を発生する三角波発生器27と、比較器28,29と、
駆動回路19〜23に電源電圧を供給する電力モジュー
ル30とを有する。
流れる電流を検出し、電流変成器15は第2のリアクト
ルL2を流れる電流を検出する。電流変成器14,15
は、入力された交流信号の半サイクルごとに動作する。
電流変成器14,15の出力はオペアンプOP1,OP2に
て増幅された後、ダイオードD13,D14で論理和が取ら
れて、PFC-IC13の電流検出端子に印加される。
5,D16により二相半波整流され、抵抗R1を介してPFC
-IC13に内蔵された乗算器に供給される。PFC-IC13
の出力パルス幅により、入力電流波形が正弦波に近づく
ように制御される。
力接点がC側に切り替えられ、インバータIV6の出力は
ハイレベルになる。このため、論理ゲートG1〜G4の
出力はすべてハイレベルになる。論理ゲートG8,G9
の出力は、PFC-IC13の出力信号PFC-PWMの反転信号/P
FC-PWM(PFC-PWM信号の否定信号)になり、論理ゲート
G5,G6の出力は、PFC-IC13の出力と同じ信号PFC-
PWMになる。また、論理ゲートG12,G13の出力はロー
レベルになる。
素子Q1,Q2は、PFC-IC13の出力信号PFC-PWMに応
じてオン・オフし、第3および第4のスイッチング素子
Q3,Q4は常にオフになる。より具体的には、正の半
サイクル時は、図3に示すように、第2のスイッチング
素子Q2のオン・オフにより電池3の充電が行われ、負
の半サイクル時は、図4に示すように、第1のスイッチ
ング素子Q1のオン・オフにより電池3の充電が行われ
る。
イッチング素子Q1,Q2をオン・オフ制御して充電を
行う例を説明したが、第2および第4のスイッチング素
子Q2,Q4をオン・オフ制御して充電を行ってもよ
い。
経路を矢印で示した図であり、図6は正の半サイクルに
おける電流経路を示し、図7は負のサイクルにおける電
流経路を示している。
に設定される。正のサイクル時は、端子TP1,TP2
間には、図6の一点鎖線矢印で示すように、第1のスイ
ッチング素子Q1、第1のリアクトルL1、およびスイ
ッチ4を経て電流が流れる。また、端子TP2,TP3
間には、図6の二点鎖線矢印で示すように、第2のリア
クトルL2、第4のスイッチング素子Q4、およびスイ
ッチ4を経て電流が流れる。
TP2間には、図7の一点鎖線矢印で示すように、第2
のスイッチング素子Q2、スイッチ4、および第1のリ
アクトルL1を経て電流が流れる。また、端子TP2,
TP3間には、図7の二点鎖線矢印で示すように、第2
のリアクトルL2、スイッチ4、および第3のスイッチ
ング素子Q3を経て電流が流れる。
ング素子Q1〜Q4の切替タイミングを示す図である。
電力回生時には、図6および図7の充放電切替スイッチ
18はD側に切り替えられる。このため、インバータI
V6の出力は「0」、インバータIV2の出力は
「1」、論理ゲートG4,G8,G9の出力は「1」に
なる。
ィルタ11を通過した基準正弦波が印加される。また、
この基準正弦波は、ダイオードブリッジ25により整流
平滑される。
アンプOP1,OP2を介してダイオードD11,D12の
アノード端子に供給される。ダイオードD11,D12のカ
ソード端子からは、交流電流検出器14,15の出力の
論理和信号が出力される。
整流平滑された電圧信号と前記電流検出信号に基づい
て、定電圧・定電流制御のためのパルス変調信号を出力
する。これをフィルタで直流に直し、乗算器26のY端
子に入力する。乗算器26に加えられた基準正弦波信号
振幅は、Y端子の直流電圧により制御され、電力回生時
のインバータ出力、電圧および電流に適した振幅の基準
正弦波信号を出力する。
ら出力された三角波信号と振幅制御された基準正弦波信
号とを比較し、図8に示すように、比較結果に応じたパ
ルス信号を出力する。インバータIV4,IV3はそれ
ぞれ比較器28,29の出力であるパルス信号の反転信
号を出力する。比較器28,29の出力とインバータI
V4,IV3の出力は、論理ゲートG1〜G4にそれぞ
れ入力される。
パルス電圧が電池3側からL1C1およびL2C2フィ
ルタに供給され、さらに、ノイズフィルタを通って単相
三線交流端子TP1〜TP3側には、図8に示すような
正弦波電圧電流が回生される。
〜Q4をオン・オフするにあたり、実際には、デッドタ
イム付加回路や、主回路のスパイクパルス除去のための
スナバ回路などが必要になるが、上述した実施形態で
は、これらの回路を省略している。
器とDC/ACインバータとを一つの回路にまとめたため、
従来に比べて回路構成を簡略化でき、小型化、低価格化
および消費電力の低減が図れる。また、第1〜第4のス
イッチング素子Q1〜Q4をオン・オフ制御することに
より、高効率および高力率で充放電を行うことができ
る。
態は、第1および第2のスイッチング素子Q1,Q2を
オン・オフ制御して充電を行う例を説明したが、第2お
よび第4のスイッチング素子Q2,Q4をオン・オフ制
御して充電を行ってもよい。
1の実施形態と一部異なる他は第1の実施形態と共通す
るため、以下では、相違点を中心に説明する。
双方向コンバータの第2の実施形態の回路図である。図
9の回路図では、充電時で負のサイクル時の電流の流れ
を矢印で表している。図9の制御回路5aは、論理ゲー
トG5の後段に論理ゲートG7を設ける代わりに、図5
の論理ゲートG13を省略した点に特徴がある。
4がオンの場合には、第2のリアクトルL2、第4のス
イッチング素子Q4、第2のダイオードD2、および第
1のリアクトルL1を経て電流が流れる。
の場合には、第2のリアクトルL2、第3のダイオード
D3、電池3、第2のダイオードD2、および第1のリ
アクトルL1を経て電流が流れる。
第2のスイッチング素子Q2をオン・オフ制御すること
により電池3への充電を行う。また、電力回生時は、図
6および図7と同様に、第1〜第4のスイッチング素子
Q1〜Q4をオン・オフ制御することにより、電池3の
放電を行う。
施形態と同様に、AC/DC充電器とDC/ACインバータとを一
つの回路にまとめて充放電を行うため、小型化、低価格
化および消費電力の低減が図れる。
5,5aの回路構成は図示されたものに限定されない。
上述したタイミングで第1〜第4のスイッチング素子Q
1〜Q4をオン・オフ制御できる回路であれば、具体的
な回路構成は問わない。
れば、単相三線式交流電源から電池への充電と、電池の
放電による単相三線式交流電源への電力回生とを、一つ
の回路で実現できるため、従来に比べて小型化、低価格
化および低消費電力化が可能になる。また、本発明を利
用して、夜間の安価な電力により電池の充電を行えば、
昼夜間の電力の平準化を実現できる。このため、本発明
による単相三線充放電装置が一般家庭に導入されれば、
各家庭の電力コストを抑制でき、電力の安定供給および
有効利用が可能になる。
バータの第1の実施形態の回路図。
バータの概念図。
図。
図。
ク図。
を矢印で示した図。
を矢印で示した図。
1〜Q4の切替タイミングを示す図。
バータの第2の実施形態の回路図。
図。
Claims (5)
- 【請求項1】第1〜第3の交流端子に接続されたノイズ
フィルタと、このノイズフィルタの一部を構成するコン
デンサとを有する単相三線式交流電源と、 充放電可能な電池の両端間に直列接続された第1および
第2のスイッチング素子と、 前記電池の両端間に直列接続された第3および第4のス
イッチング素子と、 前記第1および第2のスイッチング素子の接続点と前記
単相三線式交流電源の端子との間に接続された第1のイ
ンダクタ素子と、 前記第3および第4のスイッチング素子の接続点と前記
単相三線式交流電源の端子との間に接続された第2のイ
ンダクタ素子と、 前記第1のスイッチング素子に並列接続された第1のダ
イオードと、 前記第2のスイッチング素子に並列接続された第2のダ
イオードと、 前記第3のスイッチング素子に並列接続された第3のダ
イオードと、 前記第4のスイッチング素子に並列接続された第4のダ
イオードと、 前記電池の両端間に接続された第1のキャパシタ素子
と、 前記電池の一端と中性線との間に接続された第2のキャ
パシタ素子と、 前記電池の他端と中性線との間に接続された第3のキャ
パシタ素子と、 前記電池の一端と中性線との間に接続された第5のダイ
オードと、 前記電池の他端と中性線との間に接続された第6のダイ
オードと、 前記第5および第6のダイオードの接続点と、前記第2
および第3のキャパシタ素子の接続点と、の間に接続さ
れたスイッチと、 前記第1〜第4のスイッチング素子と前記スイッチとの
オン・オフを制御する制御回路と、を備え、 前記制御回路は、前記電池の充電時には、前記単相三線
式交流電源が正の半サイクルの間に、前記第2のスイッ
チング素子をオン・オフ制御し、かつ、前記単相三線式
交流電源が負の半サイクルの間に、前記第1のスイッチ
ング素子をオン・オフ制御し、かつ、前記電池の放電に
よる前記単相三線式交流電源側への電力回生時には、前
記第1および第2のスイッチング素子をオン・オフ制御
して正位相の正弦波電圧を前記第1および第2の交流端
子間に供給し、かつ前記第3および第4のスイッチング
素子をオン・オフ制御して負位相の正弦波電圧を前記第
2および第3の交流端子間に供給することを特徴とする
単相三線式AC/DC双方向コンバータ。 - 【請求項2】前記制御回路は、 前記電池の充電時で、かつ前記単相三線式交流電源が正
の半サイクルの間に前記第2のスイッチング素子をオン
させているとき、前記第1のインダクタ素子、前記第2
のスイッチング素子、前記第4のダイオードおよび前記
第2のインダクタ素子を経て電流を流させ、 前記電池の充電時で、かつ前記単相三線式交流電源が正
の半サイクルの間に前記第2のスイッチング素子をオフ
させているとき、前記第1のインダクタ素子、前記第1
のダイオード、前記電池、前記第4のダイオードおよび
前記第2のインダクタ素子を経て電流を流させることを
特徴とする請求項1に記載の単相三線式AC/DC双方
向コンバータ。 - 【請求項3】前記制御回路は、 前記電池の充電時で、かつ前記単相三線式交流電源が負
の半サイクルの間に前記第1のスイッチング素子をオン
させているとき、前記第2のインダクタ素子、前記第3
のダイオード、前記第1のトランジスタおよび前記第1
のインダクタ素子を経て電流を流させ、かつ前記単相三
線式交流電源が負の半サイクルの間に前記第1のスイッ
チング素子をオフさせているとき、前記第2のインダク
タ素子、前記第3のダイオード、前記電池、前記第2の
ダイオード、および前記第1のインダクタ素子を経て電
流を流させることを特徴とする請求項1に記載の単相三
線式AC/DC双方向コンバータ。 - 【請求項4】第1〜第3の交流端子に接続されたノイズ
フィルタと、このノイズフィルタの一部を構成するコン
デンサとを有する単相三線式交流電源と、 充放電可能な電池の両端間に直列接続された第1および
第2のスイッチング素子と、 前記電池の両端間に直列接続された第3および第4のス
イッチング素子と、 前記第1および第2のスイッチング素子の接続点と前記
単相三線式交流電源の端子との間に接続された第1のイ
ンダクタ素子と、 前記第3および第4のスイッチング素子の接続点と前記
単相三線式交流電源の端子との間に接続された第2のイ
ンダクタ素子と、 前記第1のスイッチング素子に並列接続された第1のダ
イオードと、 前記第2のスイッチング素子に並列接続された第2のダ
イオードと、 前記第3のスイッチング素子に並列接続された第3のダ
イオードと、 前記第4のスイッチング素子に並列接続された第4のダ
イオードと、 前記電池の両端間に接続された第1のキャパシタ素子
と、 前記電池の一端と中性線との間に接続された第2のキャ
パシタ素子と、 前記電池の他端と中性線との間に接続された第3のキャ
パシタ素子と、 前記電池の一端と中性線との間に接続された第5のダイ
オードと、 前記電池の他端と中性線との間に接続された第6のダイ
オードと、 前記第5および第6のダイオードの接続点と、前記第2
および第3のキャパシタ素子の接続点と、の間に接続さ
れたスイッチと、 前記第1〜第4のスイッチング素子と前記スイッチとの
オン・オフを制御する制御回路と、を備え、 前記制御回路は、前記電池の充電時には、前記単相三線
式交流電源が正の半サイクルの間に、前記第2のスイッ
チング素子をオン・オフ制御し、かつ、前記単相三線式
交流電源が負の半サイクルの間に、前記第4のスイッチ
ング素子をオン・オフ制御し、かつ、前記電池の放電に
よる前記単相三線式交流電源側への電力回生時には、前
記第1および第2のスイッチング素子をオン・オフ制御
して正位相の正弦波電圧を前記第1および第2の交流端
子間に供給し、かつ前記第3および第4のスイッチング
素子をオン・オフ制御して負位相の正弦波電圧を前記第
2および第3の交流端子間に供給することを特徴とする
単相三線式AC/DC双方向コンバータ。 - 【請求項5】前記制御回路は、前記電池の充電時におい
て、前記単相三線式交流電源が負の半サイクルの間に前
記第4のスイッチング素子をオンさせているとき、前記
第2のインダクタ素子、前記第4のスイッチング素子、
前記第2のダイオードおよび前記第1のインダクタ素子
を経て電流を流させ、かつ前記単相三線式交流電源が負
の半サイクルの間に前記第4のスイッチング素子をオフ
させているとき、前記第2のインダクタ素子、前記第3
のダイオード、前記電池、前記第2のダイオードおよび
前記第1のインダクタ素子を経て電流を流させることを
特徴とする請求項4に記載の単相三線式AC/DC双方
向コンバータ。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000251118A JP3378562B2 (ja) | 2000-08-22 | 2000-08-22 | 単相三線式ac/dc双方向コンバータ |
Applications Claiming Priority (1)
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