CN104081612A - 电力转换装置 - Google Patents

Abstract

一种输出可变电压可变频率的交流电力的电力转换装置，包括：对交流电源的交流电压进行整流而将其转换为直流电压的整流器；具有使该整流器的直流电压平滑的平滑电容器的直流中间电路；抑制对所述直流中间电路的平滑电容器充电的电流的限流电路；检测所述直流中间电路的电压的电压检测电路；和将所述整流器的直流电压转换为交流电压的逆变器，在所述限流电路的电阻上并联连接有多个继电器，在所述直流中间电路的电压检测值的变化率成为预先设定的值以下的时刻使所述多个继电器导通。

Description

电力转换装置

技术领域

本发明涉及在冲击防止抑制电路中并联连接有多个相同容量的继电器的电力转换装置。

背景技术

电力转换装置在工业界乃至家电产品中作为电动机的速度控制装置被广泛采用。作为当前主流的电力转换装置的电压型逆变器，将交流电压以整流器转换为直流，以位于直流中间电路的大电容的电解电容器进行平滑化，由逆变器再次转换为任意频率的交流电压。

以保护构成整流器的整流二极管不受对处于直流中间电路的电解电容器的大充电电流的影响为目的设置有冲击防止电路。该冲击防止电路通常连接有抑制电流的电阻和与该电阻并联的继电器。

在接入电源时，以电阻抑制对电解电容器的充电电流，在电解电容器的充电电压被满充电的时刻使继电器导通。继电器导通后，在抑制电流的电阻中不流过电流，全部的电流流过继电器，因此在继电器导通之前的期间，抑制电流的电阻中产生电阻损失。

但是，当电力转换装置的容量变大时，与该容量成比例地，在继电器流动的电流也变大，结果继电器的体积增大，电力转换装置大型化，存在成为小型化的瓶颈的问题。

在专利文献1中公开了，作为并联接点异常检测装置，具有电压检测器，将相互为减极性(subtractive polarity)的电磁线圈与并联连接点串联连接，进而输出检测在各自的连接点间产生的电压的接点检测信号，使用冲击电流限制用继电器进行并联接点部的异常检测，能够安全地停止系统。

此外，在专利文献2中公开了一种电力转换装置，其特征在于，检测输入到电力转换装置的三相交流电源的电压的有效值和由整流电路整流后的直流电压，在直流电压成为基于有效值计算出的阈值以上时，利用控制电路关闭开闭器。

在专利文献3中，公开了一种逆变器装置，其特征在于，并联连接有冲击防止电路的多个半导体开关元件。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008－206280号

专利文献2：日本特开2011－87378号

专利文献3：日本特开2001－112265号

发明内容

发明要解决的技术问题

专利文献1的[0004]段中，现有技术的电力转换装置的并联接点异常检测装置，使用内置于冲击电流限制用继电器的异常检测接点进行，因此高价。此外公开了，不具有异常检测接点的冲击电流限制用继电器接点的并联使用，在一方的接点发生开放故障时，存在电流集中于另一方的接点而导致另一方的接点烧损的问题。在[0005]段中公开了，作为鉴于这样的问题提出的方案，其目的在于，提供一种电力转换装置，其能够使用不具有异常检测接点的冲击电流限制用继电器，进行廉价的并联接点部的异常检测，能够安全地停止系统，对于检测并联接点的异常，在直流中间电路的电压检测值的变化率成为预先设定的值以下的时刻进行继电器的导通定时的内容没有公开。

此外，在直流电路流动的大电流也在电磁线圈中流动，因此需要体积大的线圈，成为大大阻碍逆变装置的小型化的问题。

在对比文件2的[0023]段中，在t＝t2成为Vdc＞Vdc*－ΔV时，从指令信号产生器12对开闭器6输出使开闭器导通(ON)，并维持其状态的指令信号，开闭器6成为导通(ON)状态。

此外，在[0024]段记载了，ΔV的设定值基于电力转换装置内的整流电路2的允许电力、平滑电容器6的电容等决定的内容。但是，对于在由平滑电容器形成的直流中间电路的电压检测值的变化率成为预先设定的值以下的时刻使开闭器导通这一点没有公开。

此外，为了检测输入电力转换装置的三相交流电源的电压的有效值需要变压器，仍然会成为大大阻碍逆变器装置的小型化的问题。

在对比文件3的[0006]段中记载了，在现有技术1的逆变器装置中，因为在冲击阻止电路的继电器、电磁接触器等中使用线圈，存在由于输入频率的不同，特性发生变化的问题，例如，对逆变器的受电电压产生制约。

此外，在[0025]段中公开了，在经过平滑C电压上升至规定的电压的规定时间之后(t＝a)，使冲击防止电路控制部6动作，驱动冲击防止用驱动电路30，由此使闸流晶体管4a、4b导通，使闸流晶体管电源电压上升。

进一步，在[0028]段中公开了，使对于逆变器装置的使用温度的下限值的闸流晶体管4a、4b的栅极触发电流和栅极触发电压分别为IGT2、VGT2时，用于使闸流晶体管4a、4b可靠动作的负载线，需要不中断地通过图3中的斜线部内。即，需要在逆变器装置的规定周围温度范围内使半导体开关元件4a、4b启动，使冲击防止电路专用直流电源5的电源电压为Vs时，不中断地通过斜线部内的负载线处于负载线e与负载线f的范围内，利用负载线e求取栅极电阻13的最小值，此外，利用负载线f求取栅极电阻的最大值。

在实际的电路设计中，考虑电源电压的变动幅度、电阻值的偏差等而决定电源电压值和栅极电阻值。

另外记载有，在闸流晶体管的栅极阴极间连接电阻的情况下，需要估算流过该电阻的电流量进行设计，由于动作温度的变动，栅极触发电流大幅变化的闸流晶体管的栅极控制非常困难。即，为了使得在逆变器装置的规格动作温度的最低值也能够正确地使闸流晶体管动作，必须为利用负载线e求得的最小栅极电阻值Rmin以下。

栅极电阻产生的损失与(Vs*Vs)/Rmin成比例增大，因此需要允许损失大、体积也大的电阻，成为阻碍逆变器装置的小型化的问题。

此外，在[0023]段记载了，冲击防止电路用直流电源5是以闸流晶体管4a、4b的阴极电位为基准的直流电源。该冲击防止电路用直流电流5与在逆变器装置内部使用的其它直流电源同样使用开关电源，或者使用蓄电池等二次电池等，但作为冲击防止电路用直流电源5必须使用单独的另外的电源，该点也成为妨碍逆变器装置的小型化的问题。

进一步，在[0009]段记载了，目的在于得到能够在大容量的逆变器装置的冲击防止电路中使用半导体开关元件，价廉且可靠性高的逆变器装置和电动机驱动装置，但并没有设想严格要求尺寸的小容量的小型逆变器装置。

此外，在专利文献3中，对于在直流中间电路的电压检测值的变化率成为预先设定的值以下的时刻使并联连接的闸流晶体管4a、4b导通这一点没有公开。

在专利文献1、专利文献2和专利文献3中，对于在构成冲击防止电路的电阻并联连接多个相同容量的继电器，在直流中间电路的电压检测值的变化率成为预先设定的值以下的时刻使并联连接的多个继电器导通这一点没有任何公开。

关于专利文献1、专利文献2和专利文献3记载的继电器或闸流晶体管的并联驱动，均不能够使元件在时机上同时导通。

即使同时对继电器的励磁电路或闸流晶体管的栅极电路施加电压，也由于元件的偏差而不能够同时导通。一定会产生时滞。

此时，电流集中在时间上先导通的元件中，由于时间延迟在另一个元件导通的时刻理想的是各分担大约一半的电流。此时，并联连接的元件的各自的阻抗不相等时，电流集中于阻抗较小的一个元件，例如担心继电器的接点熔接或闸流晶体管元件的破坏。因此，在专利文献1中能够将电磁管线圈与继电器的并联连接点串联连接，利用其减极性，使分担电流大致均匀化，但必须是绕组的线圈。

此外，在专利文献2中公开了检测输入电力转换装置的三相交流电源的电压的有效值，和由整流电路整流后的直流电压，在上述直流电压成为基于上述有效值计算出的阈值ΔV以上时，利用控制电路关闭开闭器的内容，但是一般的平滑用电解电容器的静电电容值是，相对于部件的记载电容，初始电容值的偏差为20％的规格，因此，即使假设1000μF的电容，其静电电容值在从800μF到1200μF之间偏差。即，即使看到在平滑用电解电容器的产品中记载的静电电容值，实际的静电电容值也是不明确的。

因此，需要在搭载于电力转换装置的时刻，测定初始的静电电容值并存储，这并不现实。进而，电解电容器是有寿命的产品，因此在更换为新产品时，需要测定初始的静电电容值并存储，这一点也并不现实。

进一步，平滑用电解电容器在内部产生化学反应，其寿命一般遵从10℃减半定律(阿雷尼厄斯定律)，具有温度上升10℃的话寿命减半，温度下降10℃的话寿命加倍的特性。

在作为一般的电力转换装置的通用逆变器中，平滑用电解电容器被定义为寿命部件，难以正确预测经年变化引起的电容下降。

在[0024]段中记载了，ΔV的设定值基于电力转换装置内的整流电路2的允许电力、平滑电容器6的电容等决定。预先确定的方法没有特别规定，但记载了例如在产品设计时通过实验确定，但考虑到电解电容器的静电电容值的初始偏差、经年变化引起电容下降，预先计算阈值电压ΔV在现实中是很困难的。

进一步，在专利文献3中记载了，在经过平滑C电压上升到规定的电压的规定时间之后(t＝a)，使冲击防止电路控制部6动作的内容，但是关于规定时间，考虑到电解电容器的静电电容值的初始偏差、经年变化引起电容下降，预先计算规定时间在现实中是很困难的。

此外，在[0025]段记载了，在使闸流晶体管4a、4b导通后经过规定时间后(t＝b)，驱动逆变器部8的半导体开关元件，使电机频率上升，因为在确定平滑C电压之后驱动电动机，所以能够考虑电解电容器的静电电容值的初始偏差、经年变化导致的电容下降的最差的状态下决定，但基本上需要在规定时间(t＝b)最长的情况下设定，当从输入到电力转换装置的三相交流电源的接入到电力转换装置能够启动的时间变长时产生问题。

本发明的目的是提供一种通过与构成冲击防止电路的电阻并联地连接多个相同容量的继电器，使装置整体小型化的电力转换装置。

用于解决技术问题的技术方案

为了解决上述问题，一种输出可变电压可变频率的交流电力的电力转换装置，包括：对交流电源的交流电压进行整流而将其转换为直流电压的整流器；具有使该整流器的直流电压平滑的平滑电容器的直流中间电路；抑制对所述直流中间电路的平滑电容器充电的电流的限流电路；检测所述直流中间电路的电压的电压检测电路；和将所述整流器的直流电压转换为交流电压的逆变器，在所述限流电路的电阻上并联连接有多个继电器，在所述直流中间电路的电压检测值的变化率成为预先设定的值以下的时刻使所述多个继电器导通。

发明效果

根据本发明，在直流中间电路的电压检测值的变化率成为预先设定的值以下的时刻，使与限流电路的电阻并联连接的多个继电器导通，由此能够抑制在多个继电器流动的电流，能够使其电流分担率也大致相同，因此能够提供装置整体小型化的电力转换装置。

附图说明

图1是电力转换装置的主电路结构图。

图2是电力转换装置的部件配置结构图的一个例子。

图3(a)是额定电流8A的继电器的尺寸图。

图3(b)是额定电流16A的继电器的尺寸图。

图4是直流中间电路的直流电压检测电路结构图的一个例子。

图5是向平滑电容器充电的电压Vpn的过渡特性图的一个例子。

图6(a)是基板上的铜箔图案的一个例子。

图6(b)是基板上的铜箔图案的一个例子。

图7(a)是基板上的铜箔图案的另一个例子。

图7(b)是基板上的铜箔图案的另一个例子。

具体实施方式

实施例1

以下使用附图说明本发明。另外，对各图中共用的结构标注相同的参照符号。此外，本发明并不限定于图示的例子。

图1表示本实施例的电力转换装置12的主电路结构图。1是将交流电力转换为直流电力的整流器，2是平滑用电容器，3是将直流电力转换为任意频率的交流电力的逆变器，4是交流电动机。6是用于冷却具有整流器1和逆变器3的功率半导体模块11的冷却风扇。

7是设定、变更电力转换装置12的各种控制数据和进行异常显示的数字操作面板。作为安装于控制电路5的微机的MCU，基于来自存储有各种控制数据的存储部的存储数据的信息进行运算，根据从数字操作面板7输入的各种控制数据进行必要的控制处理。另外，在该数字操作面板7发生异常的情况下显示该异常。

5是控制作为逆变器的功率半导体的开关元件，并且掌控电力转换装置12整体的控制的、搭载有微机MCU的控制电路。根据从数字操作面板7输入的各种控制数据进行必要的控制处理。8是驱动逆变器的开关元件的驱动电路。

9是冲击防止电路，由用于抑制对平滑用电容器2的初始充电电流的电阻RB和与该电阻并联连接的继电器RY1、RY2构成。

使继电器RY1和RY2导通的信号是RYS。虽然记载了并联的继电器有2个的情况，但并不限定并联的继电器的个数。作为电力转换装置12的逆变器是公知的技术，因此省略详细说明。

图2是主电路部件配置图的一个例子。引线端子结构的相同容量的继电器RY1和RY2以焊接于搭载驱动电路的基板8的状态被搭载。

将作为整流器1和逆变器3搭载于一个模块内的集合功率半导体的复合模块11搭载于冷却翅片13，用于冷却冷却翅片的冷却风扇6(图中的虚线部分)安装于冷却翅片的上表面。构成为集合功率半导体的复合模块11产生很大的损失，因此使由该损失产生的热量传递至冷却翅片13，利用冷却风扇6冷却冷却翅片13。而且，在冷却翅片13，以覆盖驱动电路8和功率半导体11的方式，安装有搭载有控制电路5的树脂模块盒14。

图3是继电器的尺寸图的一个例子，图3(a)是额定电流8A的继电器的尺寸图，图3(b)是额定电流16A的继电器的尺寸图。图3(a)的继电器的体积是10*20*15.6，图3(b)的继电器的体积是15.7*30.1*23.3。图2是搭载有2个(a)的继电器的情况的图，在搭载有1个(b)的继电器的情况下的逆变器装置内部的占有体积比进行比较的话，是

2*(10*20*15.6)/(15.7*30.1*23.3)*100≈57％，

并联连接2个小额定电流的继电器的方案的占有体积比更小，是适于严格要求尺寸的小容量的小型逆变器装置的结构。

图4是直流中间电路的直流电压检测电路结构图的一个例子。

以电阻R1和R2对直流中间电路的直流电压Vpn进行分压，由绝缘线性放大器AMP使分压电压绝缘，将绝缘后的电压取入微机的A/D转换器，运算直流电压的变化率。

能够利用下式运算直流电压的变化率ΔVpn。

ΔVpn＝[Vpn{t(n+1)}-Vpn{t(n)}]……式(1)

此处，Vpn{t(n+1)}：经过时间t(n+1)后的检测直流电压

Vpn(tn)：经过时间(tn)后的检测直流电压

ΔVpn：从时间(tn)经过时间t(n+1)的直流电压的变化率

运算从时间tn到时间t(n+1)的各时间的直流电压的变化率，在该变化率成为预先设定的值以下的时刻，继电器的励磁驱动电路15动作，根据RYS输出信号，使电流在继电器RY1和RY2的未图示的励磁电路中流动，使继电器RY1和RY2导通。

公知的是，对图1中的作为直流中间电路的平滑电容器2充电的电压Vpn，在使对电力转换装置的输入电源电压的有效值为V时，以下式表示。

$\mathrm{Vpn}=\sqrt{}2*V*[1-\exp \{-t/(C*R)\left\}\right]$ ……式(2)

此处，t是时间，C是平滑电容器2的电容值，R是限流电阻RB的电阻值。

根据式(2)，充电电压Vpn由输入电源电压Vrs的有效值V、平滑电容器2的电容值C和限流电阻RB的电阻值R唯一决定，其过渡特性的充电时常数τ＝C*R也是唯一决定的。此处，不需要像专利文献2公开的那样检测输入电源电压的有效值V，以将输入电压的有效值V的变化、平滑电容器2的经时变化导致的电容下降全部包含的形式表示为式(2)。

因此，只要运算检测由式(2)表示的向平滑电容器2充电的电压Vpn的变化率ΔVpn，在该变化率成为预先设定的值以下的时刻，使继电器的励磁驱动电路15动作，则能够抑制在多个继电器流动的电流，防止由继电器导通时的向平滑电容器2的充电过电流引起的继电器的接点部的熔接。

图5是向平滑电容器2充电的电压Vpn的过渡特性图的一个例子。在时刻t0输入到电力转换装置的三相交流电源被接入，平滑电容器2的充电电压按照式(2)不断上升。此时重要的是，由平滑电容器2的电容值C和限流电阻RB的电阻值R唯一决定，其过渡特性的充电时常数τ＝C*R也是唯一决定的，这表示在发明要解决的技术问题是说明的问题点，即电解电容器的静电电容值的初始偏差和经年变化引起的电容下降被考虑在了式(2)内。

只要检测依据式(2)的电解电容器的充电电压，则能够检测出包括电解电容器的静电电容值的初始偏差和经年变化引起的电容下降的信息。

即意味着，存在电解电容器的静电电容值的初始偏差和经年变化引起的电容下降时，专利文献2的[0024]段公开的ΔV的设定值，基于电力转换装置内的整流电路2的允许电力、平滑电容器6的电容等决定，例如在产品设计时通过实验确定，但如果检测出作为电解电容器的两端电压的直流中间电路的电压检测值的变化率，则能够全部考虑到电解电容器的静电电容值的初始偏差、经年变化引起的电容下降，不需要在产品设计时通过实验确定。

在每个预先设定的检测时间Δt检测直流中间电路的电压，运算时刻tn和时刻t(n+1)的直流中间电路的变化率ΔVpn，在该变化率成为预先设定的值ΔVd以下的时刻t(n+1)，继电器的励磁驱动电路15动作，根据RYS输出信号，在继电器RY1和RY2的未图示的励磁电路流动电流，使继电器RY1和RY2导通。

实施例2

图6是基板上的铜箔图案的一个例子。

图6(a)和(b)放大表示构成驱动电路8的各部件中搭载有继电器的部位，涂黑的粗线表示在基板上配线的铜箔图案，电流在该筒箔图案中流动。

表示继电器RY1和RY2的引线端子贯通在基板上设置的通孔而焊接的一个例子。此处，图6(a)是并联连接的继电器RY1和RY2中流动的电流的分担不平衡的铜箔图案的例子。

流过继电器RY1和RY2的电流I与从流入点到流出点的阻抗，即铜箔图案的配线长度成反比例。铜箔图案的截面积相同的话，配线长度越长，阻抗越高，电流越小，配线长度越短，阻抗越小，电流越大。图6(a)的铜箔图案的例子的情况下，在铜箔图案短的继电器RY1中流过大量电流(0.7I：70％)，在铜箔图案长的继电器RY2中流过少量电流(0.3I：30％)，流过继电器RY1和RY2的电流的分担不平衡。此时，流入的电流集中于继电器RY1，成为超过额定电流规格的结果，成为继电器RY1的接点熔接等破坏的原因。

为了使上述问题不发生，有并联连接的继电器RY1和RY2中流动的电流的分担平衡(0.5I：50％)的铜箔图案的例子图6(b)。

如果考虑到从电流的流入点和流出点对继电器RY1和RY2的各引线电极端子的电流流入侧的铜箔图案和电流流出侧的铜箔图案的合计阻抗在各继电器RY1和RY2大致相同的铜箔图案和继电器的引线端子配置来进行安装，则能够使在并联连接的继电器RY1和RY2中流动的电流的分担均匀化。

即，能够充分活用并联连接的继电器RY1和RY2的额定值。本实施例中，记载了并联的继电器有2个的情况，并不限定并联的继电器的个数。

图7是基板上的铜箔图案的另一例子。

图7(a)和(b)放大表示构成驱动电路8的各部件中搭载有继电器的部位，涂黑的粗线表示在基板上配线的铜箔图案，电流在该铜箔图案中流动。

图7(a)和(b)是在并联连接的继电器RY1和RY2流动的电流的分担平衡的铜箔图案的例子。

图7(a)是从并联连接的RY1和RY2的电流流入侧的配线的分支点到RY2的电流流出连接点的图案配线长度，与从RY1的电流流入侧的配线的分支点到RY1的电流流出连接点的图案配线长度大致相同的铜箔图案的情况，图7(b)是从并联连接的RY1和RY2的电流流入侧的配线的分支点到RY2的电流流出连接点的图案的配线长度与截面积的比，与从RY1的电流流入侧的分支点到RY1的电流流出连接点的图案的配线长度与截面积的比大致相同的铜箔图案的情况。

铜箔图案的阻抗Z由Z＝ρ*L/S决定，ρ是电阻率。该电阻率ρ是由材质唯一决定的常数，例如，在铜的情况下是1.72×10^-6ohm·cm，在银的情况下是1.62×10^-6ohm·cm。因此，只要决定了材质，配线图案的阻抗Z由其配线长L和其截面积S(图案宽度和图案厚度的积)的比，即由Z∝L/S来决定。即，如果使截面积S为2倍，则即使使配线长度为2倍长度，阻抗Z也相同。

因此，在铜箔图案的截面积S相同的情况下，只要设计成铜箔图案的配线长度L大致相同，则能够使铜箔图案的阻抗Z相等，该情况下的实施例是图7(a)。此外，在铜箔图案的截面积S不同时，如果设计成铜箔图案的配线长度L与其截面积S的比大致相同，则能够使铜箔图案的阻抗Z相等，该情况下的实施例是图7(b)。在该情况下，也能够使并联连接的继电器RY1和RY2中流动的电流的分担均匀化。

当然，基板上的铜箔图案也能够设置在基板的正面和背面两者上，在该情况下，只要考虑在正面设置的图案的配线长度与截面积的比和在背面设置的图案的配线长度与截面积的比的并联即可，在基板的内层也设置有图案的情况下也是同样。图7(a)和(b)是一个实施例，不限定基板上的铜箔图案。

即，能够充分活用并联连接的继电器RY1和RY2的额定值。

本实施例记载了并联的继电器为2个的情况，但并不限定并联的继电器的个数。

附图标记说明

1……整流器、2……平滑用电解电容器、3……逆变器、4……交流电动机、5……控制电路、6……冷却风扇、7……数字操作面板、8……驱动电路、9……冲击防止电路、10……连接器、11……功率半导体、12……电力转换装置、13……冷却翅片、14……树脂模制盒、15……继电器的励磁驱动电路、RB……限流电阻、RY1、RY2、RY3……继电器、MCU……微机、Vpn……具有平滑电容器的直流中间电路检测电路、RYS……继电器接点导通信号、AMP……绝缘线性放大器、AD……A/D转换器、*：乘法符号、……平方根、ΔVd……预先设定的变化率值、L……铜箔图案的配线长度、S……铜箔图案的截面积。

Claims (5)

1.一种输出可变电压可变频率的交流电力的电力转换装置，其特征在于，包括：

对交流电源的交流电压进行整流而将其转换为直流电压的整流器；

具有使该整流器的直流电压平滑的平滑电容器的直流中间电路；

抑制对所述直流中间电路的平滑电容器充电的电流的限流电路；

检测所述直流中间电路的电压的电压检测电路；和

将所述整流器的直流电压转换为交流电压的逆变器，

在所述限流电路的电阻上并联连接有多个继电器，在所述直流中间电路的电压检测值的变化率成为预先设定的值以下的时刻使所述多个继电器导通。

2.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

所述并联连接的继电器由相同额定容量的继电器构成。

3.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

所述多个并联连接的继电器的电极端子采用各继电器的电极端子的电流流入侧的铜箔图案和电流流出侧的铜箔图案的合计阻抗在每个继电器中大致相同的铜箔配线图案。

4.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

采用从并联连接的RY1和RY2的电流流入侧的配线的分支点到RY2的电流流出连接点的图案配线长度，与从RY1的电流流入侧的配线的分支点到RY1的电流流连接点的图案配线长度大致相同的配线图案。

5.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

采用从并联连接的RY1和RY2的电流流入侧的配线的分支点到RY2的电流流出连接点的图案的配线长度与截面积的比，与从RY1的电流流入侧的配线的分支点到RY1的电流流连接点的图案的配线长度与截面积的比大致相同的配线图案。