JP2020145809A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】平滑コンデンサの充電時の突入電流を適切に抑制すること。【解決手段】電力変換装置１０は、交流電源３０から供給された交流電圧を直流電圧に変換する整流器１２と、整流器１２によって変換された直流電圧を平滑化する平滑コンデンサ１４と、整流器１２と平滑コンデンサ１４との間に設けられ、平滑コンデンサ１４に流入する電流を抑制する充電抵抗３６と、充電抵抗３６と並列に接続されたスイッチ３８と、充電抵抗３６の両端の抵抗電圧または充電抵抗３６を流れる抵抗電流を検出する検出回路２０と、平滑コンデンサ１４の充電開始時にスイッチ３８を開放し、抵抗電圧または抵抗電流が第１閾値以下になるとスイッチ３８を閉じるスイッチ制御部２２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換する電力変換装置に関する。

下記に示す特許文献１に記載されているように、突入電流防止抵抗および短絡スイッチが並列接続されて構成された突入防止回路を備えたモータ駆動装置においては、電源投入時にはスイッチは開放状態になっている。そして、ＤＣリンク平滑用の平滑コンデンサの電圧値が所定の閾値を超えたときに、短絡スイッチを閉じて突入電流防止抵抗を短絡させている。

特開２０１８−１０７８９２号公報

しかしながら、入力電源の電圧に依存して平滑コンデンサの電圧値の最終到達レベルは異なる。したがって、特許文献１のように平滑コンデンサの電圧値のみに基づいて突入防止回路を制御した場合、入力電源の電圧が想定より大きいと、突入電流が大きくなってしまい突入電流を適切に抑制することができないという問題があった。

そこで、本発明は、平滑コンデンサの充電時の突入電流を適切に抑制することができる電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明の態様は、電力変換装置であって、交流電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換する整流器と、前記整流器によって変換された直流電圧を平滑化する平滑コンデンサと、前記整流器と前記平滑コンデンサとの間に設けられ、前記平滑コンデンサに流入する電流を抑制する充電抵抗と、前記充電抵抗と並列に接続されたスイッチと、前記充電抵抗の両端の抵抗電圧または前記充電抵抗を流れる抵抗電流を検出する検出回路と、前記平滑コンデンサの充電開始時に前記スイッチを開放し、前記抵抗電圧または前記抵抗電流が第１閾値以下になると前記スイッチを閉じるスイッチ制御部と、を備える。

本発明によれば、平滑コンデンサの充電時の突入電流を適切に抑制することができる。

実施の形態における電力変換装置の回路構成図である。 実施の形態における電力変換装置の動作を説明するフローチャートである。

本発明に係る電力変換装置について、好適な実施の形態を掲げ、添付の図面を参照しながら以下、詳細に説明する。

［実施の形態］
図１は、実施の形態における電力変換装置１０の回路構成図である。電力変換装置１０は、整流器１２と、平滑コンデンサ１４と、インバータ部１６と、予備充電回路１８と、検出回路２０と、スイッチ制御部２２と、故障判定部２４と、を備える。電力変換装置１０は、交流電源３０から供給された電力を変換して、モータ３２に電力を供給してモータ３２を駆動するモータ駆動装置である。

整流器１２は、交流電源３０から供給された交流電圧を直流電圧に変換する。なお、本実施の形態では、交流電源３０は、三相の交流電圧を整流器１２に供給する。整流器１２は、複数のダイオード１２ａを有しているが、ダイオード１２ａにスイッチング素子が追加された構成であってもかまわない。平滑コンデンサ１４は、整流器１２によって変換された直流電圧を平滑化する。整流器１２によって変換された直流電圧は、整流器１２と平滑コンデンサ１４とを接続する送電線３４を介して平滑コンデンサ１４に与えられる。送電線３４は、正極線３４ａおよび負極線３４ｂにより構成されている。

インバータ部１６は、インバータ制御部（図示しない）によって制御される複数の半導体スイッチング素子１６ａを有し、平滑コンデンサ１４の電圧を交流電圧に変換してモータ３２に供給する。

平滑コンデンサ１４は、電力変換装置１０が起動されると、インバータ部１６がモータ３２を駆動開始する前までに予備充電される必要がある。予備充電回路１８は、予備充電のために正極線３４ａ上に設けられている。予備充電回路１８は、整流器１２と平滑コンデンサ１４との間に設けられ、平滑コンデンサ１４に流入する電流を抑制する充電抵抗３６と、充電抵抗３６と並列に接続されたスイッチ３８とを有する。スイッチ３８の具体例は、接触端子を有する機械式スイッチであり、図１のスイッチ３８は、固定接触端子３８ａおよび可動接触端子３８ｂを有している。固定接触端子３８ａおよび可動接触端子３８ｂが非接触な場合がスイッチ３８の開放状態で、固定接触端子３８ａおよび可動接触端子３８ｂが接触した場合がスイッチ３８の閉じた状態である。

なお、図１では、正極線３４ａ上に予備充電回路１８が設けられた例を示してあるが、負極線３４ｂ、または正極線３４ａおよび負極線３４ｂの両方に予備充電回路１８が設けられていてもよい。

検出回路２０は、充電抵抗３６の両端の抵抗電圧を検出するための回路である。検出回路２０が検出した抵抗電圧の値は、スイッチ制御部２２および故障判定部２４に通知される。

スイッチ制御部２２は、スイッチ３８を開放状態または閉じた状態のいずれかに制御する制御部である。スイッチ制御部２２は、平滑コンデンサ１４の予備充電の開始時にスイッチ３８を開放し、その後、検出回路２０から通知された抵抗電圧が予め定めた第１閾値以下になるとスイッチ３８を閉じる。抵抗電圧が第１閾値以下になった場合、すなわち充電抵抗３６を流れる電流が第１閾値に対応する電流値以下になった場合、スイッチ３８を閉じて充電抵抗３６をバイパスさせても大きな突入電流が流れない。スイッチ制御部２２は、スイッチ３８が閉じたことを、故障判定部２４に信号を送信して通知する。

故障判定部２４は、スイッチ制御部２２からスイッチ３８を閉じたことを通知する信号を受信すると、タイマー（図示せず）を起動させて、スイッチ３８が閉じられてからの時間を計測する。故障判定部２４は、スイッチ制御部２２がスイッチ３８を閉じてからの時間が予め決められた所定時間が経過しても、検出回路２０から通知された抵抗電圧が第２閾値以下とならない場合は、スイッチ３８が故障していると判定する。スイッチ３８が正常に閉じていれば、所定時間経過するまでに抵抗電圧はほぼ０になるはずである。したがて、第２閾値は、所定時間経過するまでに抵抗電圧がほぼ０になっていることを確認するために定めた値であり、第１閾値より小さい値である。

図２は、実施の形態における電力変換装置１０の動作を説明するフローチャートである。以下では、図２のフローチャートを用いて電力変換装置１０の動作を説明する。

まず、電力変換装置１０が起動されて平滑コンデンサ１４の予備充電が開始される（ステップＳ１）。このとき、スイッチ制御部２２はスイッチ３８を開放している。その結果、整流器１２からの直流電流は、充電抵抗３６を介して平滑コンデンサ１４に流入するので、突入電流が抑制される。検出回路２０は充電抵抗３６の両端の抵抗電圧を検出しており、スイッチ制御部２２は、抵抗電圧が第１閾値以下になるか否かを判定する（ステップＳ２）。抵抗電圧が第１閾値より大きい場合（ステップＳ２：ＮＯ）、スイッチ制御部２２は上記判定（ステップＳ２）を繰り返す。スイッチ制御部２２は、抵抗電圧が第１閾値以下になったと判定すると（ステップＳ２：ＹＥＳ）、スイッチ３８を閉じる（ステップＳ３）。

故障判定部２４は、ステップＳ３でスイッチ制御部２２がスイッチ３８を閉じた時点からの時間を計測し、その時間が所定時間を経過したか否かを判定する（ステップＳ４）。スイッチ３８を閉じた時点からの時間が所定時間を経過していない場合は（ステップＳ４：ＮＯ）、故障判定部２４は、抵抗電圧が第２閾値以下になるか否かを判定する（ステップＳ５）。抵抗電圧が第２閾値以下になったと判定された場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、故障判定部２４は、スイッチ３８が正常と判定する（ステップＳ６）。抵抗電圧が第２閾値より大きいと判定され（ステップＳ５：ＮＯ）、且つ、スイッチ３８を閉じた時点からの時間が所定時間を経過してしまった場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、故障判定部２４は、スイッチ３８が故障と判定する（ステップＳ７）。

実施の形態の電力変換装置１０によれば、充電抵抗３６の抵抗電圧を直接検出しているので、平滑コンデンサ１４の電圧値のみに基づいて予備充電回路１８を制御する従来の方式に比べて、平滑コンデンサ１４が十分に充電されたことを入力電源電圧の値によらずに高い精度で判定することができる。その結果、平滑コンデンサ１４の予備充電時に、スイッチ３８を閉じて充電抵抗３６をバイパスさせた場合の突入電流を確実且つ適切に抑制することができる。

また、予備充電回路１８を制御する従来の方式には、整流器１２から出力される入力直流電圧と平滑コンデンサ１４の電圧値とを比較することにより予備充電回路１８を制御する方式が存在する。しかし、この方式は、入力直流電圧の測定値および平滑コンデンサ１４の電圧値の測定値のそれぞれに誤差が存在するので、両者の差には誤差が重畳される。したがって、２つの測定値の差に基づいて、予備充電回路１８を制御すると、スイッチ３８を閉じた場合に、不適切な突入電流が流れるおそれがある。この方式に対して、実施の形態の電力変換装置１０では、充電抵抗３６の抵抗電圧を直接検出しているので測定誤差を低減することができる。したがって、平滑コンデンサ１４が十分に充電されたことをより高い精度で判定できるので、平滑コンデンサ１４の予備充電時に、スイッチ３８を閉じて充電抵抗３６をバイパスさせた場合の突入電流を適切に抑制することができる。

また、スイッチ３８を機械式スイッチで構成した場合、固定接触端子３８ａおよび可動接触端子３８ｂの寿命を延ばすためにはスイッチ３８を閉じた場合の突入電流をできるだけ小さくしたいという要求がある。電力変換装置１０によれば、充電抵抗３６の抵抗電圧を直接検出してスイッチ３８を閉じているので、接触端子を有するスイッチ３８を閉じた場合の突入電流をできるだけ小さくすることが確実に可能になる。

さらに、電力変換装置１０によれば、スイッチ３８を閉じてから所定時間経過するまでに抵抗電圧が第２閾値以下になってほぼ０になっていることを確認することで、スイッチ３８の故障を確実に判断することができる。

なお、上記実施の形態においては、検出回路２０は、充電抵抗３６の両端の抵抗電圧を検出するとしたが、充電抵抗３６を流れる抵抗電流を検出するように構成してもよい。この場合、抵抗電圧に対する上記第１閾値および上記第２閾値に変えて、抵抗電流に対する第１閾値および第２閾値を定めておけば、上記実施の形態と同様に電力変換装置１０を動作させることにより、上記と同様な効果を得ることができる。

［実施の形態から得られる発明］
上記実施の形態から把握しうる発明について、以下に記載する。

電力変換装置（１０）は、交流電源（３０）から供給された交流電圧を直流電圧に変換する整流器（１２）と、整流器（１２）によって変換された直流電圧を平滑化する平滑コンデンサ（１４）と、整流器（１２）と平滑コンデンサ（１４）との間に設けられ、平滑コンデンサ（１４）に流入する電流を抑制する充電抵抗（３６）と、充電抵抗（３６）と並列に接続されたスイッチ（３８）と、充電抵抗（３６）の両端の抵抗電圧または充電抵抗（３６）を流れる抵抗電流を検出する検出回路（２０）と、平滑コンデンサ（１４）の充電開始時にスイッチ（３８）を開放し、抵抗電圧または抵抗電流が第１閾値以下になるとスイッチ（３８）を閉じるスイッチ制御部（２２）と、を備える。

これにより、平滑コンデンサ（１４）の充電時の突入電流を適切に抑制することができる。

充電抵抗（３６）は、整流器（１２）と平滑コンデンサ（１４）とを接続する送電線（３４）上に設けられていてもよい。

電力変換装置（１０）は、スイッチ制御部（２２）がスイッチ（３８）を閉じてから予め決められた所定時間が経過しても、抵抗電圧または抵抗電流が第２閾値以下とならない場合は、スイッチ（３８）が故障していると判定する故障判定部（２４）を備えてもよい。これにより、スイッチ（３８）の故障を確実に判断することができる。

スイッチ（３８）は、接触端子を有する機械式スイッチでもよい。これにより、接触端子を有するスイッチ（３８）を閉じた場合の突入電流をできるだけ小さくすることが確実に可能になる。

電力変換装置（１０）は、モータ（３２）に電力を供給してモータ（３２）を駆動するモータ駆動装置であり、複数の半導体スイッチング素子（１６ａ）を有し、平滑コンデンサ（１４）の電圧を交流電圧に変換してモータ（３２）に供給するインバータ部（１６）を備えてもよい。

１０…電力変換装置 １２…整流器
１２ａ…ダイオード １４…平滑コンデンサ
１６…インバータ部 １６ａ…半導体スイッチング素子
１８…予備充電回路 ２０…検出回路
２２…スイッチ制御部 ２４…故障判定部
３０…交流電源 ３２…モータ
３４…送電線 ３４ａ…正極線
３４ｂ…負極線 ３６…充電抵抗
３８…スイッチ ３８ａ…固定接触端子
３８ｂ…可動接触端子

Claims (5)

1. 交流電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換する整流器と、
   前記整流器によって変換された直流電圧を平滑化する平滑コンデンサと、
   前記整流器と前記平滑コンデンサとの間に設けられ、前記平滑コンデンサに流入する電流を抑制する充電抵抗と、
   前記充電抵抗と並列に接続されたスイッチと、
   前記充電抵抗の両端の抵抗電圧または前記充電抵抗を流れる抵抗電流を検出する検出回路と、
   前記平滑コンデンサの充電開始時に前記スイッチを開放し、前記抵抗電圧または前記抵抗電流が第１閾値以下になると前記スイッチを閉じるスイッチ制御部と、
   を備える、電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記充電抵抗は、前記整流器と前記平滑コンデンサとを接続する送電線上に設けられている、電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置であって、
   前記スイッチ制御部が前記スイッチを閉じてから予め決められた所定時間が経過しても、前記抵抗電圧または前記抵抗電流が第２閾値以下とならない場合は、前記スイッチが故障していると判定する故障判定部を備える、電力変換装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記スイッチは、接触端子を有する機械式スイッチである、電力変換装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記電力変換装置は、モータに電力を供給して前記モータを駆動するモータ駆動装置であり、
   複数の半導体スイッチング素子を有し、前記平滑コンデンサの電圧を交流電圧に変換して前記モータに供給するインバータ部を備える、電力変換装置。

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