JP3735673B2 - 磁気エネルギーを回生する交流電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流負荷の力率改善を可能とする交流電源装置に関し、詳しくは、従来の進相コンデンサの代わりに、交流負荷と直列に磁気エネルギーを回生する双方向電流スイッチを挿入して進相コンデンサの役目を行わせる、低コスト及び小型化を実現した交流電源装置に関する。

インダクタンスのある負荷に交流電流を流す場合、立ち上げ時には直流抵抗分（定常時の抵抗分電圧）よりも大きな電圧を印加する必要があり、電流の位相が遅れることにより力率が落ちるが、この交流電流の力率を改善するために、直列に進相コンデンサを挿入してリアクタンス分を減少させ、電流を増加させることで力率を改善していた。
直列に挿入する進相コンデンサ方式による力率改善は、負荷の力率が運転状態により変化する場合、もしくは電源周波数が大幅に変化する回路には向かないという問題がある。

一方、誘導電動機のように起動から定常運転に至る始動時、負荷電流の力率が変化するが、これを補償するために、半導体スイッチを用いたAC−DC−ACリンクのインバータ・コンバータセットが用いられ、周波数と電圧を下げて起動し、運転時は回転数制御をするが、コストが高く、PWM制御による高調波障害と、DC電圧を維持するための大きな電解コンデンサが必要となるため、サイズが大きくなるという欠点がある。
また、誘導電動機の始動時は、インダクタンス成分が大きく電流の力率が悪く、有効な電流が少なく始動時には大きなトルク(始動トルク)が得られないという問題がある。
特開２０００−３５８３５９号公報

かかる従来の力率改善方法では限界があり、進相コンデンサ方式に代わる力率改善回路を有する、低コスト及び小型化を実現した交流電源装置が要望されていた。
本発明は、上述のような事情に鑑み為されたものであり、その目的は、交流負荷の力率改善を可能とする低コスト及び小型化を実現した交流電源装置を提供することにある。

本願の発明者らは、負荷電流を遮断した場合の回路に残っている磁気エネルギーをコンデンサに蓄え、次回のオン時にそのエネルギーを負荷に放電して電流を急速に上昇させることにより、力率を向上させ得ることに着目した。すなわち、負荷に流れる電流は、電流遮断時にその磁気エネルギーがコンデンサに蓄積されて停止し、次回オン時に負荷に回生され急速に電流が立ち上がるので、結局、流れる電流は増加し、より低い電圧で大きな電流が流せることになり、広い意味での電源力率の改善となるからである。

そこで、磁気エネルギー回生双方向スイッチを交流回路に用いて、電流を任意のタイミングで遮断して、磁気エネルギーをコンデンサに蓄積し、逆方向に任意のタイミングで再び電流を負荷に流すことにより、交流電流の電流位相を強制的に制御できることに想到した。

なお、前記磁気エネルギー回生双方向スイッチは、負荷電流を遮断した場合の回路に残っている磁気エネルギーをスイッチブリッジ内に設けられた蓄積コンデンサに蓄え、次回のオン時にそのエネルギーを負荷に放電して電流を急速に上昇させる無損失な電流スイッチであり、本願出願人により、すでに特許出願されているものである（特許文献１参照）。

本発明は、交流負荷の力率改善を可能とする交流電源装置に関し、本発明の上記目的は、上述の如く、誘導性負荷に交流電流を供給するとともに、電流遮断時の磁気エネルギーを回生して前記誘導性負荷への供給電流として利用する交流電源装置であって、該交流電源装置は、４個の逆導通型半導体スイッチにて構成されるブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の直流端子間に接続され、前記電流遮断時の磁気エネルギーを蓄積するコンデンサと、前記誘導性負荷に直列に接続され、前記ブリッジ回路の交流端子間に接続される交流電圧源と、前記各逆導通型半導体スイッチのゲートに制御信号を与えて、各半導体スイッチのオン／オフ制御を行う制御回路とを具備し、前記制御回路は、前記ブリッジ回路を構成する４個の逆導通型半導体スイッチのうち、対角線上に位置するペアの逆導通型半導体スイッチのオン／オフ動作をそれぞれ同時に行うように制御するとともに、２組あるペアのうち、一方のペアがオンのときは、他方のペアがオフとなるように制御し、かつ、前記制御信号は前記交流電圧源の電圧に同期して切り換わることを特徴とする磁気エネルギーを回生する交流電源装置によって達成される。

上述の通り、本発明に係る磁気エネルギーを回生する交流電源装置によれば、電流の位相を強制的に電源位相と同じ位相に同期させることが出来るので、電流の力率を改善することができ、従来のDCリンク方式にくらべて、低コストで小型な交流電源装置が実現できる。

本発明に係る交流電源装置を誘導電動機の電源として使用することにより、始動時の始動トルクを増大させることができる。図３は、始動トルクを実測するための実験回路を示すものであり、図４はその始動トルクの実測値と従来の交流電源を用いた場合の始動トルクとを比較したグラフである。この図からも分かるように、本発明に係る交流電源装置を用いた場合は、同じ相電圧において約４倍の始動トルクが得られる。

本発明は、構造が簡単で小型化、低コスト化が可能な、交流電源装置を提供するために、交流電圧源と誘導性負荷の間に挿入した磁気エネルギー回生双方向電流スイッチのパルス電流発生機能を、電源に同期したタイミングでオン／オフすることに用いれば、交流電流の位相を制御できるということを利用している。以下、図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明に係る交流電源装置１０の基本的な構成を示した図であるが、交流電圧源２０とインダクタンスのある誘導性負荷５０の間に磁気エネルギー回生双方向電流スイッチ３０（４つの逆導通型半導体スイッチ３１をブリッジ接続して構成されている。）を挿入し、制御手段４０により、交流電圧源２０の電圧に同期した信号でパワーMOSFET３１（逆導通型半導体スイッチの一例）の各ゲート（Ｇ１〜Ｇ４）を制御して電流をオン／オフさせるものである。
前記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチ３０は、電流遮断時の磁気エネルギーを蓄積するためのコンデンサ３２を内蔵しているために、次回、オン時にはコンデンサ３２の放電により、遮断時と同じ電流を回生することができる。
誘導性負荷５０には電流のオン／オフ時にパルス的な電圧が印加されるが、電圧の大きさはコンデンサ３２の静電容量を選ぶことでパワーMOSFET３１と誘導性負荷５０の耐電圧許容範囲内にすることが出来るが、結局、従来の直列力率改善コンデンサと異なり、直流のコンデンサが使えることが利点である。

制御手段４０は４つのパワーMOSFET３１のゲートを制御するが、対向するペアすなわち順方向電流のペア（Ｇ１とＧ２）もしくは逆方向のペア（Ｇ３とＧ４）は、電流の流したい方向に応じてオン／オフすることで良いが、コンデンサ３２に電圧がある間は、順方向電流のペアと逆方向のペアを同時にオンさせないことに注意する必要がある。
ゲート制御は交流電圧源２０の電圧に同期して行うが、例えば電流の力率を改善する場合の例では、電圧が正の間は、順方向のゲート（Ｇ１，Ｇ２）をオンし、電圧が負の間は、逆方向のゲート（Ｇ３，Ｇ４）をオンすれば、電圧に完全に同じ向きの電流が流れることになるが、そればかりではなく、このスイッチは電流の遮断時の磁気エネルギーをコンデンサ３２に蓄え、そのエネルギーで今度は逆方向に放電して電流を急速に立ち上げ負荷供給電流を増やすことになる。交流電圧源２０の電圧とゲートの状態の関係については、以下の表１の通りである。

以下、磁気エネルギー回生双方向電流スイッチの交流での動作原理を、図５を参照して説明する。
（ａ）ＳＷ１とＳＷ２がオンの間は、電流は図の下から上（正の方向）へ流れ、２並列導通状態となる（図２において電流がフラットな状態）。
（ｂ）交流電圧源２０の電圧が正から負へ反転する直前（本実施例では、約２ms前）にＳＷ１とＳＷ２をオフにすると（このとき、ＳＷ３及びＳＷ４はオンに変わる。）、(1)の経路でコンデンサに磁気エネルギーが充電される。
（ｃ）充電が完了すると電流は遮断され、電圧が反転（正→負）すると、すでにＳＷ３及びＳＷ４はオンになっているので、(2)の経路で放電が始まる（電流は上から下へ流れる。）。放電が終わると、２並列導通状態となる。
（ｄ）交流電圧源２０の電圧が負から正へ反転する直前（本実施例では、約２ms）にＳＷ３とＳＷ４をオフにすると（このとき、ＳＷ１及びＳＷ２はオンに変わる。）、(3)の経路でコンデンサに磁気エネルギーが充電される。
（ｅ）充電が完了すると電流は遮断され、電圧が反転（負→正）すると、すでにＳＷ１及びＳＷ２はオンになっているので、(4)の経路で放電が始まる（電流は下から上へ流れる。）。放電が終わると、２並列導通状態となり、上記（ａ）の状態に戻る。以下、これを繰り返す。
以上のようにして、負荷電流を遮断した場合の回路に残っている磁気エネルギーをコンデンサに蓄え、次回のオン時にそのエネルギーを負荷に放電して電流を急速に上昇させることにより、力率を向上させることができる。

図２は本発明に係る交流電源装置の動作シミュレーション結果を示す図であるが、磁気エネルギー回生双方向電流スイッチ３０ありの場合、電流の位相が電圧と同相になり電流が増えているのがわかるが、これは負荷の力率を改善したことに他ならず、この装置は広い意味の力率改善装置として働いたことになる。
ゲート信号の位相をさらに進めれば、位相の進んだ電流が流れ、遅らせれば電流を減少させることもできることが、また１８０度遅らせれば電流は停止する。

なお、前記逆導通型半導体スイッチの実施例としてパワーMOSFETを用いて説明を行ったが、逆導通型GTOサイリスタ、又はダイオードとIGBT等の半導体スイッチとの並列接続から成るユニットを使用しても同じ効果が得られる。

本発明に係る交流電源装置の実施例を示すものである。 本発明に係る交流電源装置の電流電圧波形のシミュレーション結果を示す図である。 本発明に係る交流電源装置の誘導電動機への応用例を示すものである。 本発明に係る交流電源装置を接続した場合（スイッチあり）と接続しない場合（スイッチなし）の誘導電動機の始動電流と始動トルクの実測値の比較を示す図である。 磁気エネルギー回生双方向電流スイッチの、交流における動作原理を説明するための図である。

符号の説明

１０ 交流電源装置
２０ 交流電圧源
３０ 磁気エネルギー回生双方向電流スイッチ
３１ 逆導通型半導体スイッチ（パワーMOSFET）
３２ 磁気エネルギー蓄積コンデンサ
４０ 制御手段
５０ 誘導性負荷
６０ かご型三相誘導電動機

Claims (2)

1. 誘導性負荷に交流電流を供給するとともに、電流遮断時の磁気エネルギーを回生して前記誘導性負荷への供給電流として利用する交流電源装置であって、
   該交流電源装置は、
   ４個の逆導通型半導体スイッチにて構成されるブリッジ回路と、
   前記ブリッジ回路の直流端子間に接続され、前記電流遮断時の磁気エネルギーを蓄積するコンデンサと、
   前記誘導性負荷に直列に接続され、前記ブリッジ回路の交流端子間に挿入される交流電圧源と、
   前記各逆導通型半導体スイッチのゲートに制御信号を与えて、前記各逆導通型半導体スイッチのオン／オフ制御を行う制御回路とを具備し、
   前記制御回路は、前記ブリッジ回路を構成する４個の逆導通型半導体スイッチのうち、対角線上に位置するペアの逆導通型半導体スイッチのオン／オフ動作をそれぞれ同時に行うように制御するとともに、２組あるペアのうち、一方のペアがオンのときは、他方のペアがオフとなるように制御し、かつ、前記制御信号は前記交流電圧源の電圧に同期して切り換わることを特徴とする、磁気エネルギーを回生する交流電源装置。
2. 前記各逆導通型半導体スイッチが、パワーMOS FET、逆導通型GTOサイリスタ、又はダイオードとIGBT等の半導体スイッチとの並列接続から成るユニットのいずれかである請求項１に記載の磁気エネルギーを回生する交流電源装置。

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