JP2016127782A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大容量のスイッチ手段やダイオード部品を用いる必要がなく、負荷電流が流れるスイッチ手段を追加する必要のない、装置の小形化、軽量化、低価格化を可能にする電力変換装置を提供する。【解決手段】第１の三相全波整流回路３と、その直流出力側に接続された電圧平滑用コンデンサ４と、三相交流電源と第１の三相全波整流回路の交流入力側との間の回路を遮断する第１の遮断装置２と、前記平滑コンデンサと負荷回路との間に接続された第２の遮断装置５と、三相交流電源と第１の遮断装置との接続点に接続された第２の三相全波整流回路７と、第２の三相全整流回路の直流出力側と前記コンデンサとの間に接続された充放電のための抵抗器１０と、電力変換装置の始動時に第２の三相全整流回路および前記抵抗器を介してコンデンサを三相流電源に接続する第３の遮断装置８と、電力変換装置の停止時にコンデンサに抵抗器を並列接続する短絡装置９とから構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、無停電電源装置やモータ駆動装置などの、交流電源からの入力交流電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換部を有する電力変換装置に関し、特に直流中間回路の平滑コンデンサの初期充電回路および装置停止時における平滑コンデンサの放電回路に関する。

交流電源からの入力交流電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換部を有する電力変換装置においては、交流−直流変換部を構成する半導体素子を用いた整流回路と、直流負荷回路（インバータと交流負荷との組み合わせも含む）との間の直流中間回路に、平滑コンデンサが接続され、その整流回路の交流入力側と交流電源との間に回路を遮断するために遮断装置が設けられている。電力変換装置の始動時には、交流電源から整流回路を介して平滑コンデンサに過大な突入電流が流れるのを回避するために予め平滑コンデンサを初期充電しておかなければならない。また、電力変換装置の停止時には、安全のために平滑コンデンサの残留エネルギーを放電しなければならない。

整流回路の交流入力側に挿入接続された主スイッチに並列に充電用スイッチを介して充電抵抗器を並列接続しておき、主スイッチのオフ状態で充電用スイッチをオンすることにより平滑コンデンサの初期充電を行い、初期充電完了後に主スイッチをオンして充電用スイッチをオフすることにより充電抵抗器を回路から開放して、負荷回路への給電を開始することは公知である（例えば、特許文献１参照）。このように初期充電経路内に充電抵抗器を接続することで、平滑コンデンサの初期電圧が無い状態でも、充電抵抗器により電流ピーク値を所定値に抑えた充電電流で初期充電を行うことができる。平滑コンデンサの初期充電が終了すると充電抵抗器は回路上から開放されるので、交流電源の電力を効率よく負荷回路に伝達することができる。

電力変換装置における主回路電流を流す前記整流回路とは別に、初期充電用に第２の整流回路を設け、第２の整流回路の直流出力側に平滑コンデンサを接続し、第２の整流回路の交流入力側に充電用スイッチと充電抵抗器の直列回路を接続することにより、平滑コンデンサの初期充電を行うことも公知である（例えば、特許文献２参照）。

上記の特許文献１および特許文献２には記載されていないが、電力変換装置の停止時には平滑コンデンサの残留エネルギーを放電するために、平滑コンデンサに並列に放電抵抗器を直接又は放電スイッチを介して接続するのが一般的である。しかし、この場合には、平滑コンデンサのために、充電抵抗器を含む初期充電回路のほかに、放電抵抗器を含む放電回路を電力変換装置に組み込む必要があり、そのために装置が大型化、重量化、コストアップするという問題がある。

さらに、１つの抵抗器を初期充電用と放電用とに共用する充放電回路を有する電力変換装置も公知である（例えば、特許文献３参照）。図７はこの種の充放電回路を有する従来の電力変換装置を示す。電力変換装置２０は、入力側を交流電源２１に遮断器２２を介して接続され、出力側を交流電動機２３に接続されている。電力変換装置２０は、入力側の整流部２４と、出力側のインバータ部２５と、整流部２４およびインバータ部２５の間の直流中間回路に接続された平滑コンデンサ２６と、平滑コンデンサ２６のための充放電制御回路３０とから構成されている。充放電制御回路３０では、整流部２４と平滑コンデンサ２６とを接続する正極側の直流電路に、抵抗器３１とダイオード３２との直列回路が挿入接続されており、その直列回路に並列にスイッチ３３が接続され、抵抗器３１とダイオード３２との共通接続点が、トランジスタ３４を介して整流部２４と平滑コンデンサ２６とを接続する負極側の直流電路に接続されている。

図７において、平滑コンデンサ２６の充放電制御は次のようにして行われる。即ち、始動時に先ず遮断器２２を投入することにより、交流電源２１→遮断器２２→整流部２４→抵抗器３１→ダイオード３２→直流コンデサ２６の経路で充電電流が流れ、平滑コンデンサ２６の初期充電が行われる。この初期充電の終了後に、スイッチ３３をオンすることによって抵抗器３１が短絡されると共に、インバータ部２５が作動させられると、主回路電流はスイッチ３３によるバイパス路（主電路）を通して流れる。インバータ部２５が回生動作モードで制御される際にはトランジスタ３４のオンオフ制御により、平滑コンデンサ２６の電圧調整が行われる。即ち、例えばコンデンサ電圧が上限値に達すればトランジスタ３４がオンされ、これによって平滑コンデンサ２６→スイッチ３３→抵抗器３１→トランジスタ３４→平滑コンデンサ２６の経路で平滑コンデンサ２６の放電電流が流れ、コンデンサ電圧が下限値に達するとトランジスタ３４がオフ状態に戻される。

図７に示す従来の電力変換装置において採用されている平滑コンデンサ２６の充放電制御の技術的手法は、本発明の対象とする始動時における平滑コンデンサの初期充電と停止時における平滑コンデンサの残留エネルギー放電とのための充放電回路に利用もしくは転用することが考えられる。即ち、回生動作モードでの平滑コンデンサ２６の放電回路を電力変換装置の停止時の残留エネルギー放電に流用することが考えられる。しかしながら、この従来の技術的手法によれば、平滑コンデンサの初期充電用と停止時の残留エネルギー放電用とに１つの抵抗器を兼用するために、負荷電流が流れるスイッチ手段３３を追加で接続する必要がある。従って、このスイッチ手段３３は負荷電流相当の電流容量を必要とするので、大容量電力変換装置では、大きな遮断装置が必要となり、装置の小型化、軽量化、低価格化の妨げになる。
また、平滑コンデンサの初期充電用と停止時の残留エネルギー放電用とに１つの抵抗器を兼用した回路方式として、特許文献４に記載された回路構成が知られている。この回路構成は、三相交流電源の二相間と平滑コンデンサとの間にダイオード、抵抗、充電用スイッチ、放電用スイッチを接続する構成である。この回路構成の場合、単相交流電源からダイオードと抵抗を介して平滑コンデンサを充電する動作となるため、交流電源の1周期に1回充電電流を流すことになり、平滑コンデンサを短時間に充電するためには、ダイオード、抵抗、充電用のスイッチとして、ピーク値の大きな大電流を流すことのできる部品を選択する必要があり、装置が大型で高価となる欠点がある。

特開平９−２０５７４号公報 特許第３２１１０７１号公報 特開平７−９９７８４号公報 特開平８−１２６３２４号公報

本発明の課題は、電力変換装置の平滑コンデンサの充放電のために、始動時における初期充電用と、停止時における残留エネルギー放電用とに大電流を流す必要のない１つの抵抗器を共用しながらも、大電流が流れる大容量のスイッチ手段やダイオード部品を用いる必要がなく、負荷電流が流れる大容量のスイッチ手段を追加で接続する必要がなく、それにより装置の小形化、軽量化、低価格化を可能にすることにある。

この課題は、本発明によれば、三相交流電源からの入力交流電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換部を有する電力変換装置であって、その交流−直流変換部を構成する半導体素子を用いた第１の三相全波整流回路と、前記第１の三相全波整流回路の直流出力側に接続された電圧平滑用の平滑コンデンサと、前記三相交流電源と前記第１の三相全波整流回路の交流入力側との間に回路を遮断するために接続された第１の遮断装置と、前記平滑コンデンサと負荷回路との間に回路を遮断するために接続された第２の遮断装置と、前記三相交流電源と前記第１の遮断装置の接続点に接続された第２の三相全波整流回路と、前記第２の三相全波整流回路の直流出力側と前記平滑コンデンサとの間に前記平滑コンデンサの初期充電および放電のために共通に設けられた抵抗器と、前記電力変換装置の始動時に前記平滑コンデンサの初期充電を可能にするべく前記第２の三相全波整流回路および前記抵抗器を介して前記平滑コンデンサを交流電源に接続する第３の遮断装置と、電力変換装置の停止時に前記平滑コンデンサの残留エネルギーの放電を可能にするべく前記平滑コンデンサに前記抵抗器を並列接続する短絡装置とを具備することを特徴とする電力変換装置によって達成される。

前記抵抗器は、前記第２の三相全波整流回路と前記平滑コンデンサとの間の正極側および負極側の電路の少なくとも一方に接続されている。前記抵抗器が２つの部分抵抗器からなり、各部分抵抗器が前記第２の三相全波整流回路と前記平滑コンデンサとの間の正極側および負極側の電路にそれぞれ挿入接続されている場合には、前記短絡装置が両部分抵抗器の間に接続されているとよい。

前記第３の遮断装置は、前記第２の三相全波整流回路の直流出力側に接続してもよいし、交流入力側に接続してもよい。第３の遮断装置を前記第２の三相全波整流回路の直流出力側に接続する場合には、前記第３の遮断装置は、前記第２の三相全波整流回路の直流出力側の正極側および負極側の電路の少なくとも一方に接続すればよい。

有利な実施形態では、前記短絡装置が、前記第１の遮断装置の遮断時に閉成される第１の遮断装置に付設された補助接点である。これによって電力変換装置の主回路が前記第１の遮断装置によって交流電源から遮断された際に、前記第１の遮断装置の補助接点により平滑コンデンサの放電回路に抵抗器が投入されるので、自動的に平滑コンデンサの残留エネルギーの放電が行われる。

前記負荷回路は、インバータ装置を介して給電される交流負荷であってもよい。この場合に、前記第２の遮断装置は、インバータ装置の直流入力側に接続してもよいし、インバータ装置の交流出力側に接続してもよい。

本発明による電力変換装置の回路構成によれば、平滑コンデンサの初期充電回路と装置停止時の平滑コンデンサの残留エネルギーの放電回路とにおいて、一部回路を共通化すること、即ち、大きなピーク電流を流す必要のない１つの抵抗器を、一方では平滑コンデンサの初期充電時の突入電流を抑えるために、他方では装置停止時に平滑コンデンサの残留エネルギーの放電電流を抑えるために共用することができ、しかも負荷電流に依存する遮断装置や大きなピーク電流を流すダイオードを追加で接続する必要がないため、部品点数の削減および回路の最適化が可能となり、従って小形、軽量、低価格の電力変換装置を実現することができる。

図１は本発明による電力変換装置の第１の実施例を示す回路図である。 図２は本発明による電力変換装置の第２の実施例を示す回路図である。 図３は本発明による電力変換装置の第３の実施例を示す回路図である。 図４は本発明による電力変換装置の第４の実施例を示す回路図である。 図５は本発明による電力変換装置の第５の実施例を示す回路図である。 図６は本発明による電力変換装置の第６の実施例を示す回路図である。 図７は従来の電力変換装置の実施例を示す回路図である。

図１〜６には本発明による電力変換装置の互いに異なる実施例が示され、互いに同じ又は類似の構成要素には同一の符号が付されている。

図１に、本発明の第１の実施例を示す。図１に示す電力変換装置は、負荷電流を流す主回路が、三相交流電源１と、第１の遮断装置２と、交流−直流変換部を構成する半導体素子（ここではダイオード）を用いた三相全波整流回路３と、この三相全波整流回路３の出力側の直流中間回路に接続された平滑コンデンサ４と、負荷６と、直流中間回路と負荷６との間に接続された第２の遮断装置５とによって構成されている。

さらに、平滑コンデンサ４の初期充電を可能にするために、第２の三相全波整流回路７が設けられている。第２の三相全波整流回路７の交流入力側は、交流電源１と第１の遮断装置２との接続点に接続されている。第２の三相全波整流回路７の直流出力側では、それの正極側端子および負極側端子にそれぞれ１つの第３の遮断装置８の一端が接続されている。これらの遮断装置８の各他端はそれぞれ抵抗器１０を介して平滑コンデンサ４の正極端子もしくは負極端子に接続されている。この場合に、２つの抵抗器１０は、１つの充電抵抗器を２つに分割した部分抵抗器の働きをする。さらに、これらの２つの部分抵抗器１０を、１つの放電抵抗器としても働かせ得るように、各部分抵抗器１０の遮断装置８に向いた側の端子同士が短絡装置９により短絡可能である。

図１の実施例に基づいて、本発明による電力変換装置の動作を説明する。前提として、初期状態において各遮断装置および短絡装置は開放（オフ）状態とする。平滑コンデンサ４の初期充電を行う際には、初期状態にて第３の遮断装置８を閉成（オン）すると、交流電源１→第２の三相全波整流回路７→第３の遮断装置８→抵抗器１０→平滑コンデンサ４→抵抗器１０→第３の遮断装置８→第２の三相全波整流回路７→交流電源１なる経路にて初期充電電流が流れ、抵抗器１０により突入電流を抑えた電流によって平滑コンデンサ４の初期充電が行われる。この時の充電電流の流れる回路は、三相全波整流回路７の直流出力と平滑コンデンサ４の間に第３の遮断器８と抵抗器１０が接続された構成となるため、従来の実施例（特許文献４）と比べて、三相全波整流回路７のダイオード、第３の遮断器８及び抵抗器１０を流れる電流値はピーク値の小さな電流となる。即ち三相全波整流回路が流す電流期間は、特許文献４に示すような単相半波整流回路に比べて、１２倍以上の期間となるため、ダイオードを流れる電流はピーク値の小さな電流となる。また、第３の遮断器８及び抵抗器１０を流れる電流値は三相全波整流回路７の直流出力と平滑コンデンサ４との差電圧を抵抗器１０の抵抗値で割算した値で求められるので、抵抗値としては特許文献４の例に比べて大きな抵抗値を選択でき、その結果、ピーク電流値は小さくなり、小型、低価格の部品を選択できる。初期充電完了後には、第２の遮断装置５が閉成（オン）され、第３の遮断装置８が開放（オフ）されて負荷６への給電が開始される。

次に、装置が運転中から停止した時の平滑コンデンサ４に残ったエネルギーの放電動作について説明する。装置運転中は、第１の遮断装置２および第２の遮断装置５が閉成（オン）状態にあり、第３の遮断装置８および短絡装置９が開放（オフ）状態にある。この状態から装置が停止される場合には、第１の遮断装置２および第２の遮断装置５がそれぞれ開放（オフ）される。ここで短絡装置９を短絡（オン）状態に切り換えることによって、平滑コンデンサ４に残ったエネルギーを、平滑コンデンサ４→抵抗器１０→短絡装置９→抵抗器１０→平滑コンデンサ４の経路で放電することができる。

このように、図１の回路構成によれば、負荷電流が流れる遮断装置を新たに追加することなく、１つの共通な抵抗器を用いて、平滑コンデンサ４の初期充電および装置停止時の残留エネルギーの放電を行うことができる。

図２に、本発明の第２の実施例を示す。図１に示す第１の実施例では、第３の遮断装置８を第２の三相全波整流回路７の直流回路側に接続しているが、図２に示す第２の実施例のように、第３の遮断装置８を第２の三相全波整流回路７の交流回路側に接続しても同様の効果が得られる。

図３に、本発明の第３の実施例を示す。図１に示す第１の実施例では、第３の遮断装置８を直流中間回路の正極側および負極側の両方の電路に接続しているが、回路構成をさらに簡素化するために、図３に示す第３の実施例のように、１つの第３の遮断装置８を直流中間回路の一方の極側の電路、例えば正極側の電路のみに接続してもよい。また、図１に示す実施例では、１つの抵抗器を２つの部分抵抗器１０に分割して、それぞれを直流中間回路の正極側および負極側の電路に接続しているが、同様の理由で、図３に示す実施例のように、分割されていない抵抗器１０を直流中間回路の一方の極側の電路、例えば正極側の電路のみに接続してもよい。

図３に示す第３の実施例の場合にも、初期状態にて、第３の遮断装置８を閉成（オン）すると、交流電源１→第２の三相全波整流回路７→第３の遮断装置８→抵抗器１０→平滑コンデンサ４→第２の三相全波整流回路７→交流電源１なる経路にて初期充電電流が流れ、抵抗器１０で突入電流を抑えた電流によって平滑コンデンサ４の初期充電を行うことができる。充電電流の大きさは、図１に示す第１の実施例と同様に、ピーク値の小さな電流となり、小型、低価格の部品を選択できる。また、装置停止時には、第１遮断装置２および第２の遮断装置５をそれぞれ開放（オフ）し、ここで短絡装置９を閉成（オン）すると、平滑コンデンサ４に残ったエネルギーを、平滑コンデンサ４→抵抗器１０→短絡装置９→平滑コンデンサ４の経路で放電することができる。このように、図３の回路構成においても、負荷電流が流れる遮断装置を新たに追加することなく、１つの共通な抵抗器を用いて、平滑コンデンサ４の初期充電および装置停止時の残留エネルギーの放電を行うことができる。

図４に本発明の第４の実施例を示す。図４は本発明による電力変換装置の有利な実施形態を示す。図４の回路構成は、図１の回路構成に比べて、短絡装置９の代わりに第１の遮断装置２の補助接点１１を用いている点だけが異なる。図１の回路構成において第１の遮断装置２と短絡装置９とは同時に閉成（オン）してはならないので、第１の遮断装置２を補助接点１１（論理上、ｂ接点）付きのものとすることによって、短絡装置９の代わりに補助接点１１を用いることができる。補助接点は一般的に大きな電流を流すことはできないが、本発明の回路では、充電電流と放電電流は従来より小さな電流とすることができるため、補助接点の適用が可能となる。この構成によれば、部品点数を減らすことができると共に、第１の遮断装置２のメインスイッチと補助接点１１とが同時にオンすることがないので、誤動作を防ぐことができる。

図５に、本発明の第５の実施例を、図６に第５の実施例の変形例を示す。
実施例１〜５において説明した実施例では、負荷回路を直流負荷６として説明しているが、この負荷回路は、インバータ回路と交流負荷とによって構成されていてもよい。例えば、図５に示す本発明による電力変換装置の実施例によれば、負荷回路が３相インバータ回路１２と３相交流負荷１３とから構成されている。

図１〜５による実施例の回路構成では第２の遮断装置５として直流遮断装置が用いられている。しかし、図５の実施例に関しては、第２の遮断装置５として交流遮断装置を用いる変形例が考えられ得る。この変形例が図６に示されている。これによれば、第２の遮断装置５が、３相交流遮断装置５として、３相インバータ回路１２と３相交流負荷１３との間に配置されている。

以上の説明のように、交流電源（１）からの入力交流電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換部を有する本発明による電力変換装置は、その交流−直流変換部を構成する半導体素子を用いた第１の三相全波整流回路（３）と、第１の直流出力側に接続された平滑コンデンサ（４）と、交流電源（１）と第１の三相全波整流回路（３）の交流入力側との間に回路を遮断するために接続された第１の遮断装置（２）と、前記平滑コンデンサ（４）と負荷回路（９；１２，１３）との間に回路を遮断するために接続された第２の遮断装置（５）と、交流電源（１）と第１の遮断装置（２）との接続点に接続された第２の三相全波整流回路（７）と、第２の三相全波整流回路（７）の直流出力側と前記平滑コンデンサ（４）との間に前記平滑コンデンサ（４）の初期充電および放電のために共通に設けられた抵抗器（１０）と、電力変換装置の始動時に前記平滑コンデンサ（４）の初期充電を可能にするべく第２の三相全波整流回路（７）および前記抵抗器（１０）を介して前記平滑コンデンサ（４）を交流電源（１）に接続する第３の遮断装置（８）と、電力変換装置の停止時に前記平滑コンデンサ（４）の残留エネルギーの放電を可能にするべく前記平滑コンデンサ（４）に前記抵抗器（１０）を並列接続する短絡装置（９）とによって構成されている。本発明による電力変換装置の回路構成によれば、平滑コンデンサ（４）の初期充電回路と装置停止時の平滑コンデンサの残留エネルギーの放電回路とにおいて、一部回路を共通化すること、即ち、１つの抵抗器（１０）を、一方では平滑コンデンサ（４）の初期充電時の突入電流を抑えるために、他方では装置停止時に平滑コンデンサ（４）の残留エネルギーの放電電流を抑えるために共用することができ、しかも負荷電流に依存する遮断装置（例えば、図７に示す従来の電力変換装置におけるスイッチ手段３３）や、ピーク電流許容値の大きな部品を追加で接続する必要がないため、小形、軽量、低価格な電力変換装置を実現することができる。

１、２１：交流電源
２：第１の遮断装置
３：第１の三相全波整流回路
４、２６：平滑コンデンサ
５：第２の遮断装置
６：負荷
７：第２の三相全波整流回路
８：第３の遮断装置
９：短絡装置
１０、３１：抵抗器
１１：補助接点
１２：インバータ回路
１３：交流負荷
２０：電力変換装置
２２：遮断器
２３：交流電動機
２４：整流部
２５：インバータ部
３０：充放電制御回路
３２：ダイオード
３３：スイッチ
３４：トランジスタ

Claims (8)

1. 三相交流電源からの入力交流電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換部を有する電力変換装置であって、その交流−直流変換部を構成する半導体素子を用いた第１の三相全波整流回路と、第１の直流出力側に接続された電圧平滑用の平滑コンデンサと、前記三相交流電源と前記第１の三相全波整流回路の交流入力側との間に回路を遮断するために接続された第１の遮断装置と、前記平滑コンデンサと負荷回路との間に回路を遮断するために接続された第２の遮断装置と、前記三相交流電源と前記第１の遮断装置との接続点に接続された第２の三相全波整流回路と、前記第２の三相全波整流回路の直流出力側と前記平滑コンデンサとの間に前記平滑コンデンサの初期充電および放電のために共通に設けられた抵抗器と、前記電力変換装置の始動時に前記平滑コンデンサの初期充電を可能にするべく前記第２の三相全波整流回路および前記抵抗器を介して前記平滑コンデンサを交流電源に接続する第３の遮断装置と、電力変換装置の停止時に前記平滑コンデンサの残留エネルギーの放電を可能にするべく前記平滑コンデンサに前記抵抗器を並列接続する短絡装置とを具備することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記抵抗器が、前記第２の三相全波整流回路と前記平滑コンデンサとの間の正極側および負極側の電路の少なくとも一方に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記抵抗器が、前記第２の三相全波整流回路と前記平滑コンデンサとの間の正極側および負極側の電路にそれぞれ挿入接続された２つの部分抵抗器からなり、前記短絡装置が両部分抵抗器の間に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記第３の遮断装置が、前記第２の三相全波整流回路の直流出力側又は交流入力側に接続されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の電力変換装置。
5. 前記第３の遮断装置が、前記第２の三相全波整流回路の直流出力側の正極側および負極側の電路の少なくとも一方に接続されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１つに記載の電力変換装置。
6. 前記短絡装置が、前記第３の遮断装置の遮断時に閉成される前記第３の遮断装置に付設された補助接点であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１つに記載の電力変換装置。
7. 前記負荷回路がインバータ回路と交流負荷とから成る負荷回路であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１つに記載の電力変換装置。
8. 前記第２の遮断装置がインバータ回路の直流入力側又は交流出力側に接続されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１つに記載の電力変換装置。

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