JP5230777B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
nsistor)、或いはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体素子をスイッチとして使用すると、半導体スイッチ素子のオン抵抗はリレーのオン抵抗に比べて高いため、電力損失が大きくなってしまう。従って、電力変換装置の高効率化のためには半導体スイッチ素子よりリレーを使用した方がよい。
ンバータ回路の後段に整流素子を介して接続された平滑コンデンサと、前記インバータ回路の前段に接続され、オンのとき前記交流電源の出力に基づく電気量を前記インバータ回路へ入力し、オフのとき前記インバータ回路への前記電気量の入力を遮断する充電スイッチと、突入電流防止スイッチと、前記突入電流防止スイッチの後段に直列接続された突入電流防止抵抗とを有し、前記充電スイッチに並列接続された突入電流防止回路と、前記平滑コンデンサの電圧値を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段が検出した前記平滑コンデンサの電圧値に基づいて、前記充電スイッチと前記突入電流防止スイッチのオン/オフを制御する制御部と、前記突入電流防止スイッチと前記突入電流防止抵抗との間に一端が接続され、他端が前記平滑コンデンサの一端に接続された放電スイッチとを備え、前記制御部は、動作開始時には、前記充電スイッチをオフとし、前記突入電流防止スイッチをオンとし、前記電圧検出手段により検出した電圧値が所定値未満のときには、前記充電スイッチをオフとし、前記突入電流防止スイッチをオンとし、前記電圧検出手段により検出した電圧値が前記所定値以上のときには、前記充電スイッチをオンとし、前記突入電流防止スイッチをオフとし、前記放電スイッチは、オンのとき前記平滑コンデンサの一端を前記突入電流防止抵抗の前段に接続し、オフのとき前記平滑コンデンサの一端と前記突入電流防止抵抗の前段との接続を遮断することを特徴とするものである。
との間に接続され、オンのとき前記整流回路の出力を前記半導体アスイッチ素子へ入力し、オフのとき前記半導体スイッチ素子への入力を遮断する充電スイッチと、突入電流防止スイッチと、前記突入電流防止スイッチの後段に接続された抵抗とを有する突入電流防止回路とを備え、前記突入電流防止回路は、前記充電スイッチに並列接続されているので、突入電流防止スイッチに半導体スイッチ素子を使用することができ、又、電力変換時に使用する充電スイッチを1つにする構成をとることができ、低分子シロキサンによるリレーの接点不良の問題を軽減し、回路の安全性の向上、大規模化及びコストアップの防止を図ることができる。
以下、この発明の実施の形態1による電力変換装置について説明する。図1はこの発明
の実施の形態1による電力変換装置の構成図である。図1に於いて、電力変換装置は、交
流電源1からの交流入力を全波整流する整流回路としてのダイオードブリッジ12から後述する複数の要素を経て平滑コンデンサ22までの要素で構成されている。以下の説明に於いて、ダイオードブリッジ12から平滑コンデンサ22側を見て、ダイオードブリッジ12に近い側、つまり平滑コンデンサ22から遠い側を前段、ダイオードブリッジ12から遠い側、つまり平滑コンデンサ22に近い側を後段、と称する。従って、平滑コンデン
サ22は、電力変換装置の最も後段に配設されていることになる。
電スイッチ5、突入電流防止スイッチ3、第1の半導体スイッチ17、第2の半導体スイッチ素子18、及び短絡スイッチ21のゲート端子に接続されており、放電スイッチ5、突入電流防止スイッチ3、第1の半導体スイッチ17、第2の半導体スイッチ素子18、及び短絡スイッチ21のオン/オフの制御を行う。
たときは、ダイオードブリッジ12からインバータ回路14の一端141に入力された入力電流は、第1のダイオード15と第2の半導体スイッチ素子18を経由して、インバータ回路14の他端142から出力される。又、制御部6が第1の半導体スイッチ素子17と第2の半導体スイッチ素子18を同時にオンとしたときは、ダイオードブリッジ12からインバータ回路14の一端141に入力された入力電流は、第1の半導体スイッチ17を経由して直流電圧源19を放電し、第2の半導体スイッチ18を経由して出力端142から出力される。
ンデンサ22の電圧値が閾値Vth未満と判定された場合(No)は、ステップS6に進み、第1の放電経路を無効、第2の放電経路を無効とし、放電動作を終了する。ステップS6に於ける第1の放電経路を無効、第2の放電経路を無効とするには、放電スイッチS5、及び短絡スイッチS21を、夫々オフとすることで行なうことができる。一方、ステップS10に於いて平滑コンデンサ22の電圧値が閾値Vth以上と判定された場合(Yes)は、ステップS10を繰り返す。
をダイオードブリッジ12の出力段とインバータ回路14との間に直列に接続しているが、これに限るものではなく、リアクトル13の後段、或いはインバータ回路14の後段に接続しても良い。又、前述の実施の形態1では、整流ダイオード20のカソード側を平滑コンデンサ22の正極に接続していたが、整流ダイオード20のアノード側を平滑コンデンサ22の負極側に接続しても、前述の実施の形態1の場合と同様の動作を得ることができる。
ンバータ14aの第1の半導体スイッチ素子17と第2の半導体スイッチ素子18のうちの一方をオン、他方をオフとする。これにより第2の単相インバータ14bの直流電圧源19は、第1の単相インバータ14bの直流電圧源19を経由せずに第2の放電経路により放電を行なうことができる。
図8は、この発明の実施の形態2による電力変換装置の構成図である。この発明の実施の形態2による電力変換装置は、実施の形態1による電力変換装置に対して、短絡スイッチ21aの接続位置が異なるが、それ以外は同様である。この発明の実施の形態2による電力変換装置では、図8に示すように、インバータ回路14に於ける直流電圧源19の負極と平滑コンデンサ22の負極との間に、短絡スイッチ21aが接続されている。更に詳しく述べれば、短絡スイッチ21aの一端は直流電圧源19の負極に接続され、短絡スイッチ21aの他端はダイオードブリッジ12の負極、及び平滑コンデンサ22の負極に接続されている。
図12は、この発明の実施の形態3による電力変換装置の構成図である。この発明の実施の形態3による電力変換装置は、図12に示すように、実施の形態1及び実施の形態2の場合のようなダイオードブリッジ12を備えておらず、交流電源1の一端が充電リレー2に直接接続され、突入電流防止スイッチ3及び突入電流防止抵抗4は、充電リレー2と並列に接続されている。充電リレー2の出力段は、整流電流検出回路30とリアクトル13に接続され、その後段に単相インバータにて構成されたインバータ回路29の一端291が直列接続されている。整流電圧検出回路31は、交流電源1と並列に設けられている。
2の半導体スイッチ素子18、第3の半導体スイッチ素子27、第4の半導体スイッチ素子28、及び直流電源源19から構成されている。又、直流電圧源19に並列に直流電圧源電圧検出回路32が接続されている。
デンサ22の両端子が接続されている。又、平滑コンデンサ22に並列に平滑コンデンサ電圧検出回路33が接続されている。この場合、第1の短絡スイッチ23aと第2の短絡スイッチ23bは、半導体スイッチ素子に限るものではなく、機械式のスイッチ等で構成してもよいが、その場合にはダイオード25a、25bを逆並列接続する。
荷が、平滑コンデンサ22の正極、放電スイッチ5、突入電流防止抵抗4、リアクトル13、第1の半導体スイッチ素子17、第4の半導体スイッチ素子28、第1の短絡スイッチ23a、平滑コンデンサ22の負極、の順で構成される第1の放電経路を流れ、平滑コンデンサ22の放電を行う。
図16は、この発明の実施の形態4による電力変換装置の構成図である。実施の形態1乃至3では、単相インバータにより構成されたインバータ回路を備えていたが、このインバータ回路に代えて、実施の形態4では、PFC(Power Factor Correction)コンバー
タを備えたものである。
平滑コンデンサ電圧検出回路33が検出する平滑コンデンサ22の電圧値が所定の電圧値未満のときは、制御部6は充電リレー2をオフとし、放電スイッチ5をオフとし、突入電流防止スイッチをオンとする。これにより、ダイオードブリッジ12からの突入電流を防止する。その後、平滑コンデンサ電圧検出回路33が検出する平滑コンデンサ22の電圧値が所定の電圧値以上あると判断した場合には、制御部6は充電リレー2をオンとし、突入電流防止スイッチ3をオフとし、放電スイッチ5をオフとする。これにより、交流電源1、ダイオードブリッジ12、充電抵抗2、リアクトル40、整流ダイオード41、平滑コンデンサ22、ダイオードブリッジ12、交流電源1の充電経路により、平滑コンデンサ22の充電が行われる。
3 突入電流防止スイッチ 4 突入電流防止抵抗
5 放電スイッチ 6 制御部
7 突入電流防止回路 12 ダイオードブリッジ
13 リアクトル 14、29、100 インバータ回路
14a 第1の単相インバータ 14b 第2の単相インバータ
15 第1のダイオード 16 第2のダイオード
17 第1の半導体スイッチ素子 18 第2の半導体スイッチ素子
19 直流電圧源 20 整流ダイオード
21、21a 短絡スイッチ 22 平滑コンデンサ
23a 第1の短絡スイッチ 23b 第2の短絡スイッチ
24a 第1の整流ダイオード 24b 第2の整流ダイオード
25a、25b ダイオード 26a 第1の直列回路
26b 第2の直列回路 27 第3の半導体スイッチ素子
28 第4の半導体スイッチ素子 30 整流電流検出回路
31 整流電圧検出回路 32 直流電圧源検出回路
33 平滑コンデンサ電圧検出回路
40a、40b、40c、40d、40e、40f 制御線
41a、41b、41c 信号線
Claims (28)
- 交流電源の後段に接続されインバータ回路と、
前記インバータ回路の後段に整流素子を介して接続された平滑コンデンサと、
前記インバータ回路の前段に接続され、オンのとき前記交流電源の出力に基づく電気量を前記インバータ回路へ入力し、オフのとき前記インバータ回路への前記電気量の入力を遮断する充電スイッチと、
突入電流防止スイッチと、前記突入電流防止スイッチの後段に直列接続された突入電流防止抵抗とを有し、前記充電スイッチに並列接続された突入電流防止回路と、
前記平滑コンデンサの電圧値を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段が検出した前記平滑コンデンサの電圧値に基づいて、前記充電スイッチと前記突入電流防止スイッチのオン/オフを制御する制御部と、
前記突入電流防止スイッチと前記突入電流防止抵抗との間に一端が接続され、他端が前記平滑コンデンサの一端に接続された放電スイッチと、
を備え、
前記制御部は、
動作開始時には、前記充電スイッチをオフとすると共に前記突入電流防止スイッチをオンとし、
前記電圧検出手段により検出した電圧値が所定値未満のときには、前記充電スイッチをオフとすると共に前記突入電流防止スイッチをオンとし、
前記電圧検出手段により検出した電圧値が所定値以上のときには、前記充電スイッチをオンとすると共に前記突入電流防止スイッチをオフとし、
前記放電スイッチは、オンのとき前記平滑コンデンサの一端を前記突入電流防止抵抗の前段に接続し、オフのとき前記平滑コンデンサの一端と前記突入電流防止抵抗の前段との接続を遮断する、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記制御部は、前記充電スイッチと前記突入電流防止スイッチと前記放電スイッチのオン/オフを制御し、
前記電圧検出手段が検出した前記平滑コンデンサの電圧値に基づいて、前記制御を行なう、
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、
前記電圧検出手段により検出した電圧値が所定値以上のときは、前記充電スイッチと前記突入電流防止スイッチを夫々オフとし、前記放電スイッチをオンとする、
ことを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記交流電源の出力を整流する整流回路を備え、
前記インバータ回路は、第1の半導体スイッチ素子と第1のダイオードとを直列接続してなる第1の直列回路と、第2の半導体スイッチ素子と第2のダイオードとを直列接続してなる第2の直列回路と、直流電圧源とを備えた単相インバータにより構成され、
前記第1の直列回路と前記第2の直列回路は、並列接続され、
前記直流電圧源は、前記第1の直列回路と前記第2の直列回路の並列接続点の間に接続されている、
ことを特徴とする請求項1乃至3のうちの何れか一項に記載の電力変換装置。 - 前記インバータ回路は、前記単相インバータを複数個直列に接続して構成されている、ことを特徴とする請求項4に記載の電力変換装置。
- 前記整流素子の一端は前記インバータ回路の後段に接続され、前記整流素子の他端は前記平滑コンデンサの一端に接続され、
前記平滑コンデンサの他端は、短絡スイッチを介して前記整流素子の一端に接続されている、
ことを特徴とする請求項4又は5に記載の電力変換装置。 - 前記放電スイッチと、前記突入電流防止抵抗と、前記インバータ回路の少なくとも1つの半導体スイッチ素子と、前記短絡スイッチと、前記平滑コンデンサとを含む第1の放電経路と、
前記インバータ回路の少なくとも1つの半導体スイッチ素子と、前記整流素子と、前記放電スイッチと、前記突入電流防止抵抗と、前記直流電圧源とを含む第2の放電経路とを備え、
前記制御部は、前記第1の放電経路と前記第2の放電経路とを切り替える切り替え手段を備えている、
ことを特徴とする請求項6に記載の電力変換装置。 - 前記平滑コンデンサの電圧値を検出する平滑コンデンサ電圧検出手段と、
前記直流電圧源の電圧値を検出する直流電圧源電圧検出手段と、
を備え、
前記切り替え手段は、
前記検出した前記平滑コンデンサの電圧値と前記検出した直流電圧源の電圧値とを比較し、前記平滑コンデンサの電圧値が前記直流電圧源の電圧値以上の場合は、前記第1の放電経路を有効とし且つ前記第2の放電経路を無効とし、前記平滑コンデンサの電圧値が前記直流電圧源の電圧値未満の場合は、前記第2の放電経路を有効とし且つ前記第1の放電経路を無効として、前記切り替えを行なう、
ことを特徴とする請求項7に記載の電力変換装置。 - 前記切り替え手段は、前記第1の放電経路と前記第2の放電経路とのうちの何れか一方を有効として前記平滑コンデンサと前記直流電圧源とのうちの何れか一方を放電した後に、前記放電した前記平滑コンデンサの電圧値又は前記直流電圧源の電圧値が予め定めた所定値を下回った場合、前記有効としている前記一方の放電経路を無効とし、且つ無効とし
ている他方の放電経路を有効とする、
ことを特徴とする請求項8に記載の電力変換装置。 - 前記第1の放電経路と前記第2の放電経路を流れる電流を検出する電流検出手段を備え、
前記切り替え手段は、前記第1の放電経路と前記第2の放電経路とのうちの何れか一方を有効として前記平滑コンデンサと前記直流電圧源とのうちの何れか一方を放電した後に、前記検出した前記放電経路を流れる電流値が予め定めた所定値を下回った場合、前記有効としている前記一方の放電経路を無効とし、且つ無効としている他方の放電経路を有効とする、
ことを特徴とする請求項8に記載の電力変換装置。 - 前記充電スイッチの一端は、前記交流電源の一端に接続され、
前記インバータ回路は、第1の半導体スイッチ素子と第3の半導体スイッチ素子とを直列接続してなる第1の直列回路と、第2の半導体スイッチ素子と第4の半導体スイッチ素子とを直列接続してなる第2の直列回路と、直流電圧源とを備えた単相インバータにより構成され、
前記第1の直列回路と前記第2の直列回路は、並列接続され、
前記直流電圧源は、前記第1の直列回路と前記第2の直列回路の並列接続点の間に接続されている、
ことを特徴とする請求項1乃至3のうちの何れか一項に記載の電力変換装置。 - 前記インバータ回路は、前記単相インバータを複数個直列に接続して構成されている、ことを特徴とする請求項11に記載の電力変換装置。
- 前記突入電流防止スイッチと前記突入電流防止抵抗との間に一端が接続され、他端が前記平滑コンデンサの一端に接続された放電スイッチを備え、
前記放電スイッチは、オンのとき前記平滑コンデンサの一端を前記突入電流防止抵抗の前段に接続し、オフのとき前記平滑コンデンサの一端と前記突入電流防止抵抗の前段との接続を遮断する、
ことを特徴とする請求項11又は12に記載の電力変換装置。 - 前記第2の半導体スイッチ素子と前記第4の半導体スイッチ素子との直列接続点に一端が接続され、他端が前記平滑コンデンサの一端に接続された第1の整流素子と、
前記交流電源の他端に一端が接続され、他端が前記平滑コンデンサの一端に接続された第2の整流素子と、
前記第1の整流素子の一端と前記平滑コンデンサの他端との間に接続された第1の短絡スイッチと、
前記第2の整流素子の一端と前記平滑コンデンサの他端との間に接続された第2の短絡スイッチと、
を備えたことを特徴とする請求項11乃至13のうちの何れか一項に記載の電力変換装置。 - 前記放電スイッチと、前記突入電流防止抵抗と、前記インバータ回路の少なくとも1つの半導体スイッチ素子と、前記第1の短絡スイッチと、前記平滑コンデンサとを含む第1の放電経路と、
前記インバータ回路の少なくとも1つの半導体スイッチ素子と、前記第1の整流素子と、前記放電スイッチと、前記突入電流防止抵抗と、前記直流電圧源とを含む第2の放電経路とを備え、
前記制御部は、前記第1の放電経路と前記第2の放電経路とを切り替える切り替え手段
を備えている、
ことを特徴とする請求項14に記載の電力変換装置。 - 前記直流電圧源の電圧値を検出する直流電圧源電圧検出手段と、
を備え、
前記切り替え手段は、
前記検出した前記平滑コンデンサの電圧値と前記検出した直流電圧源の電圧値とを比較し、前記平滑コンデンサの電圧値が前記直流電圧源の電圧値以上の場合は、前記第1の放電経路を有効とし且つ前記第2の放電経路を無効とし、前記平滑コンデンサの電圧値が前記直流電圧源の電圧値未満の場合は、前記第2の放電経路を有効とし且つ前記第1の放電経路を無効として、前記切り替えを行なう、
ことを特徴とする請求項15に記載の電力変換装置。 - 前記切り替え手段は、前記第1の放電経路と前記第2の放電経路とのうちの何れか一方を有効として前記平滑コンデンサと前記直流電圧源とのうちの何れか一方を放電した後に、前記放電した前記平滑コンデンサの電圧値又は前記直流電圧源の電圧値が予め定めた所定値を下回った場合、前記有効としている前記一方の放電経路を無効とし、且つ無効としている他方の放電経路を有効とする、
ことを特徴とする請求項16に記載の電力変換装置。 - 前記第1の放電経路と前記第2の放電経路を流れる電流を検出する電流検出手段を備え、
前記切り替え手段は、前記第1の放電経路と前記第2の放電経路とのうちの何れか一方を有効として前記平滑コンデンサと前記直流電圧源とのうちの何れか一方を放電した後に、前記検出した前記放電経路を流れる電流値が予め定めた所定値を下回った場合、前記有効としている前記一方の放電経路を無効とし、且つ無効としている他方の放電経路を有効とする、
ことを特徴とする請求項16に記載の電力変換装置。 - 前記インバータ回路の前段若しくは後段に接続された限流手段を備えている、
ことを特徴とする請求項1乃至18のうちの何れか一項に記載の電力変換装置。 - 交流電源の後段に接続され前記交流電源の出力を整流する整流回路と、前記整流回路の出力端子間に接続された半導体スイッチ素子と、により構成されたAC/DCコンバータと、
前記AC/DCコンバータの後段に整流素子を介して接続された平滑コンデンサと、
前記整流回路の後段と前記半導体スイッチ素子との間に接続され、オンのとき前記整流回路の出力を前記半導体スイッチ素子へ入力し、オフのとき前記半導体スイッチ素子への入力を遮断する充電スイッチと、
突入電流防止スイッチと、前記突入電流防止スイッチの後段に接続された突入電流防止抵抗とを有する突入電流防止回路と、
を備え、
前記突入電流防止回路は、前記充電スイッチに並列接続されている、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記充電スイッチと前記突入電流防止スイッチのオン/オフを制御する制御部と、
前記平滑コンデンサの電圧値を検出する電圧検出手段と、
を備え、
前記制御部は、前記電圧検出手段が検出した前記平滑コンデンサの電圧値に基づいて、前記制御を行なう、
ことを特徴とする請求項20に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、動作開始時には、前記充電スイッチをオフとし、前記突入電流防止スイッチをオンとする、
ことを特徴とする請求項21に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、
前記電圧検出手段により検出した電圧値が所定値未満ときは、前記充電スイッチをオフとし、前記突入電流防止スイッチをオンとし、
前記電圧検出手段により検出した電圧値が所定値以上のときは、前記充電スイッチをオンとし、前記突入電流防止スイッチをオフとする、
ことを特徴とする請求項21又は22に記載の電力変換装置。 - 前記突入電流防止スイッチと前記突入電流防止抵抗との間に一端が接続され、他端が前記平滑コンデンサの一端に接続された放電スイッチを備え、
前記放電スイッチは、オンのとき前記平滑コンデンサの一端を前記突入電流防止抵抗の前段に接続し、オフのとき前記平滑コンデンサの一端と前記突入電流防止抵抗の前段との接続を遮断する、
ことを特徴とする請求項21乃至23のうちの何れか一項に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、前記充電スイッチと前記突入電流防止スイッチと前記放電スイッチのオン/オフを制御し、
前記電圧検出手段が検出した前記平滑コンデンサの電圧値に基づいて、前記制御を行なう、
ことを特徴とする請求項24に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、
前記電圧検出手段により検出した電圧値が所定値以上のときは、前記充電スイッチと前記突入電流防止スイッチを夫々オフとし、前記放電スイッチをオンとする、
ことを特徴とする請求項24又は25に記載の電力変換装置。 - 前記放電スイッチと、前記突入電流防止抵抗と、前記AC/DCコンバータの半導体スイッチ素子と、前記平滑コンデンサとを含む放電経路を備え、
前記制御部は、前記電圧検出手段が検出した平滑コンデンサの電圧値が予め設定した所定値以上の場合は、前記放電経路を有効とし、前記平滑コンデンサの電圧値が所定値未満の場合は、前記放電経路を無効とする、
ことを特徴とする請求項24又は25に記載の電力変換装置。 - 前記放電経路を流れる電流を検出する電流検出手段を備え、
前記制御部は、前記放電経路を有効として前記平滑コンデンサを放電した後に、前記検出した前記放電経路を流れる電流値が予め定めた所定値を下回った場合、前記有効としている前記放電経路を無効とする、
ことを特徴とする請求項27に記載の電力変換装置。
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