JP5834217B2 - 直流電源装置及び応用システム - Google Patents
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Description
「オン比率」≒1−「交流電圧の瞬時値の絶対値」/「直流出力電圧」
本発明の実施の形態1の直流電源装置は、交流電源から流入する交流電流に含まれる直流成分を、出力する直流電圧に含まれる電源周波数成分に基づいて判断し、その判断結果に基づきスイッチング素子のオンオフ比率を補正することで、交流電源から流入する直流成分を除去する。具体的には、直流電源装置は、出力する直流電圧に含まれる電源周波数成分を抽出し、抽出された電源周波数成分の振幅の情報に基づいて、スイッチング素子のオンオフ比率を補正する。これにより、交流電源から出力される交流電流に直流成分が含まれている場合に、交流電源から流入する直流成分を除去することを可能にする。よって、交流電力系統の損失増加などの異常を防止すると共に、交流電源からの力率を改善することができる。
図1に、本発明の実施の形態1の直流電源装置を示す。直流電源装置は、交流電圧の瞬時電圧が低い期間においても交流電流が流れるような回路構成を有する。直流電源装置は、交流電源1に接続されたリアクタ2と、リアクタ2に接続されたブリッジ回路と、ブリッジ回路に接続されたコンデンサ4とを有する。ブリッジ回路は、半導体スイッチであるスイッチング素子302、312とダイオード303、304、313、314とを含む。本実施の形態において、スイッチング素子302、312はIGBTである。直流電源装置は、交流電源1から出力される交流電力を、リアクタ2とブリッジ回路を経由して、直流電力に変換する。さらに、その直流電力をコンデンサ4で平滑して、平滑した直流電力を負荷5に供給する。
図2に、本発明の制御回路8による情報処理を表すブロック線図を示す。図2において、パワー回路107は交流電圧を直流電圧に変換する回路であって、図1のリアクタ2、スイッチング素子302、312、ダイオード303、304、313、314、及びコンデンサ4に対応する。図2において、パワー回路107以外の構成要素(比較器101、電圧計補償演算部102、乗算回路103、比較器104、電流計補償演算部105、補正部106、及び電源周波数成分抽出部108)は、図1に示す制御回路8の内部構成を示す。
本実施形態によれば、制御回路8が、パワー回路107から出力される直流電圧に基づいて交流電源1から出力される電流に含まれる直流成分を抽出する電源周波数成分抽出部108と、抽出された直流成分を打ち消すようにパワー回路107の駆動信号に逆方向の直流成分を重畳する補正部106とを備えることにより、交流電源から出力される交流電流に直流成分が含まれている場合に、その直流成分を駆動信号から除去することができる。具体的には、交流電源1からの電流や電力に直流成分が混入している場合、正相と負相とで流入する電力が異なり、平滑後の直流電圧に電源周波数の成分が出現する。直流電圧に含まれる電源周波数成分を電源周波数成分抽出部108で抽出し、抽出した位相と振幅に応じて、スイッチング素子302、312の時々刻々のオンオフ比率を補正することにより、交流電源1からの直流成分を検出することなく、その直流成分を除去することができる。よって、交流電力系統の損失増加などの異常が発生することを防止することができる。また、電力系統への負担を軽減することができる。さらに、電流波形をさらに正弦波に近づけることができる。本実施の形態によれば、瞬時の電流が正弦波にさらに近づくため、交流電源の利用効率である力率をさらに改善することができる。本実施の形態の構成によれば、電源電流の直流成分を直接検出することなく、電源電流の直流成分除去のフィードバック制御系を実現することが可能となる。すなわち、交流変流器を用いて、電源電流の直流成分を除去することができるため、安価な直流電源装置を実現できる。本実施形態によれば、交流電源からの交流電力の直流成分を検出しているため、電圧波形が歪んでいる場合にも適用できる。すなわち、交流電源電圧の歪の影響を受けずに、交流電源から流入する直流成分を除去することができる。このように、本実施の形態によれば、簡素な構成で、直流成分の流入を除去して、高い力率を実現することができる。
なお、本実施の形態においては、補正部106は抽出された電源周波数成分の振幅の情報に基づいて、直流成分を打ち消すように、駆動信号に逆方向の直流成分を重畳したが、補正部106は、一定値を基準にし、その一定値に電圧誤差及び電源周波数成分に比例した値を加算又は減算することにより、駆動信号を補正してもよい。すなわち、一定値を基準にし、その一定値に電圧誤差及び電源周波数成分に比例した値を加算又は減算するような補正パターンを生成してもよい。また、補正部106は、駆動信号を、直流電圧指令と交流電圧の瞬時電圧から決まるパワー回路107の駆動信号の情報であって、電圧誤差及び電源周波数成分に連動して増減する値に設定してもよい。すなわち、電圧誤差及び電源周波数成分に連動して値が増減するように、補正パターンを生成してもよい。
「オン比率」=1−「交流電圧の瞬時値の絶対値」/「直流電圧指令」
本発明の実施の形態2の直流電源装置は、電流検出器3(本実施の形態において、交流変流器)の周波数特性と逆の特性により、検出した瞬時電流の情報を補正することにより、上記実施の形態1よりも、電流波形をさらに改善することを可能にする。本実施の形態の直流電源装置は、制御回路8の内部構成が実施の形態1と異なる。それ以外の構成において、本実施の形態の直流電源装置は、実施の形態1と同一である。すなわち、本実施の形態の直流電源装置は、例えば、図1、図5、図7、又は図8に示す回路構成をもつ。
図9に、本実施の形態の制御回路8のブロック線図を示す。本実施の形態の制御回路8は、実施の形態1の図2に示す構成に加え、瞬時電流における電流検出器3(本実施の形態において、交流変流器)の周波数特性を補正する周波数特性補正回路151をさらに有し、パワー回路107を駆動した結果得られる瞬時電流を、一旦、周波数特性補正回路151を経由させて、比較器104に出力する。それ以外の構成において、図9は図2と同一である。
なお、実施の形態1の図2及び実施の形態2の図9に示す制御回路8を備える直流電源装置は、さらに瞬時の過大な電流を検出することができるように、以下の構成を採用してもよい。具体的には、制御回路8は、電流検出器(交流変流器)3により得られた電流情報もしくは周波数特性補正回路151により得られた補正電流情報が示す瞬時値の絶対値が第1の所定レベルを超過したときに、スイッチング素子(例えば、図1のスイッチング素子302、312、図5のスイッチング素子401、図7のスイッチング素子603、及び図8のスイッチング素子702、712)のオンオフの駆動を、所定時間、休止する。スイッチング素子のオンオフを休止することにより、スイッチング素子による交流電源1とリアクタ2の短絡がなくなるため、電流の増加を防止することができる。
図2又は図9に示す制御回路8を備えた直流電源装置は、直流負荷を駆動している場合に、負荷が過大かどうかを、電流検出器3である交流変流器で検出した電流情報を用いて、検出してもよい。具体的には、制御回路8は、電流検出器(交流変流器)3により得られた電流情報又は周波数特性補正回路151により得られた補正した補正電流情報が示す電流値の振幅を電源周期以上の期間で平均化した値が所定のレベル(第3の所定レベル)かどうかをみることにより、負荷が過大かどうかを判別する。負荷に供給する直流電圧が高すぎる場合に、負荷が過大になることが多い。そのため、上記判別結果に基づいて直流電圧を下げることにより、負荷側で過負荷状況を脱出することができる。これにより、電源装置は、過負荷状態で電源が破綻することなく、且つ、交流電源側が過負荷となって、電源が遮断されることなく、動作できる。そのため、電源装置そのものや負荷として接続されているシステムの損傷を防ぐことができる。さらに、この交流変流器は、電源電流を正弦波状にするための制御で用いているものをそのまま利用できるため、部品点数の増加や装置の大型化を招かない。
次に本発明の原理を用いて、さらに簡便な構成の直流電源装置を説明する。本実施の形態の直流電源装置は、図1、図5、図7、又は図8に示すような回路構成をもつが、電流検出部3を備えていない。また、本実施の形態の直流電源装置は、制御回路8の内部構成が上記実施の形態1及び2と異なる。図11に、本実施の形態における制御回路8のブロック線図を示す。図11において、パワー回路107は、例えば、図1のリアクタ2、スイッチング素子302、312、ダイオード303、304、313、314、及びコンデンサ4に対応する。図11において、パワー回路107以外の構成要素(比較器101、電圧計補償演算部102、第1及び第2のパターン関数110、120、補正部106、及び電源周波数成分抽出部108)は、制御回路8の内部構成を示す。図11に示す本実施の形態の制御回路8は、図2に示す制御回路と比較して、瞬時の電流波形を計測して精度の高い正弦波電流にするための制御機能を省いた簡便な構成を有する。
上記実施の形態では、直流電源装置が制御回路8を備える場合について説明したが、上記実施の形態の制御回路8は電源装置を利用した応用システムに備えられても良い。例えば、図2及び図9に示す制御回路8は、インバータを介して交流電動機を駆動する応用システム(例えば、モータ駆動装置)に適用することができる。
2 リアクタ
3 電流検出器
4 コンデンサ
5 負荷
6 直流電圧検出器
7 交流電圧波形検出器
8 制御回路
101、104 比較器
102 電圧系補償演算部
103 乗算回路
105 電流系補償演算部
106 補正部
107 パワー回路
108 電源周波数成分抽出部
110 第1のパターン関数部
120 第2のパターン関数部
151 周波数特性補正回路
301、311 ゲート駆動回路
302、312 スイッチング素子
303、304、313、314 ダイオード
351 インバータ回路
352 交流電動機
401 双方向スイッチ
603、702、712 スイッチング素子
Claims (8)
- 交流電圧を直流電圧に変換して出力する直流電源装置であって、
交流電源をリアクタを介して短絡するスイッチング素子と、
前記交流電源から流入する電流を検出し、電流情報として出力する電流検出部と、
前記電流検出部により検出される前記電流情報が示す電流の波形が略正弦波状になるように前記スイッチング素子のオンオフ駆動を行う制御部と、
を有し、
前記制御部は、出力する前記直流電圧に含まれる交流電源周波数と同じ周波数成分を抽出し、抽出した交流電源周波数と同じ周波数成分の振幅に応じた直流成分によって、前記スイッチング素子のオンオフ駆動のオンオフ比率を補正することにより、交流電流の直流成分を検出することなく、交流電源から流入する直流成分を除去することを特徴とする直流電源装置。 - 前記電流検出部は、交流変流器である、請求項1に記載の直流電源装置。
- 前記制御部は、前記交流変流器が検出した電流情報を、前記交流変流器の周波数特性を用いて補正する周波数特性補正部を有し、
前記制御部は、前記周波数特性補正部により補正された電流情報が示す電流の波形が略正弦波状になるように前記スイッチング素子のオンオフ駆動を行うことを特徴とする請求項2に記載の直流電源装置。 - 前記制御部は、前記電流検出部により検出された電流情報が示す瞬時値の絶対値が、第1の所定のレベルを超えているとき、前記スイッチング素子のオンオフを休止させることを特徴とする請求項1または2に記載の直流電源装置。
- 前記制御部は、前記電流検出部により検出された電流情報が示す瞬時値の絶対値が、第1の所定のレベルより大きい第2の所定レベルを超えているとき、前記スイッチング素子のオンオフを停止させることを特徴とする請求項4に記載の直流電源装置。
- 前記制御部は、前記電流検出部により検出された電流情報が示す電流値の振幅成分を前記交流電源の周期以上の期間で平均化し、平均化した値が第3の所定のレベルよりも大きい場合、出力する直流電圧を低下させることを特徴とする、請求項1または2に記載の直流電源装置。
- 請求項1から請求項6のいずれかの請求項に記載の直流電源装置と、
前記直流電源装置の出力により駆動される電動機と、
を有する応用システムであって、
前記直流電源装置の電流検出部により検出された電流情報が示す電流値の振幅成分を交
流電源の周期以上の期間で平均化し、平均化した値が第4の所定のレベルよりも大きい場合に、前記電動機の回転数を低下させること特徴とする、応用システム。 - 交流電圧を直流電圧に変換して出力する直流電源装置であって、
交流電源をリアクタを介して短絡するスイッチング素子と、
前記交流電源から流入する電流が略正弦波状になるように、前記スイッチング素子のオンオフ駆動を行う制御部と、
を有し、
前記制御部は、出力する直流電圧に含まれる交流電源周波数成分を抽出し、抽出した交流電源周波数成分と、予め決められた基本パターン又は交流電圧波形に基づいた基本パターンを前記直流電圧と目標となる直流電圧との偏差に応じて変調した信号と、に応じて、前記スイッチング素子のオンオフ駆動のオンオフ比率を補正することを特徴とする直流電源装置。
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