JP2004140969A

JP2004140969A - 電力変換装置用平滑コンデンサの充電方法

Info

Publication number: JP2004140969A
Application number: JP2002305646A
Authority: JP
Inventors: Naoki Kanazawa; 金沢　直樹; Tsutomu Oyama; 大山　勉
Original assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 2002-10-21
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2004-05-13

Abstract

【課題】電力変換装置の交流電源電圧が変化しても、あるいは平滑コンデンサの充電時定数が変化しても、常に最適の時点で充電抵抗を短絡できるようにすることにある。
【解決手段】充電抵抗５３を介して平滑コンデンサ５６の充電開始時点から一定サンプル周期Ｔ_Ｓ毎の平滑コンデンサ５６の電圧を計り、各電圧データから求めた平滑コンデンサ５６の充電時定数から平滑コンデンサ５６の収束電圧を予想する。この収束電圧予想値の下側に設定した第１所定値に平滑コンデンサ５６の電圧が到達する時刻を予測し、この予測時刻になれば、あるいは平滑コンデンサ電圧がこの第１所定電圧に到達すれば、前記充電抵抗を短絡する。
または、充電抵抗５３を介して充電を開始する際に検出した交流電源電圧から電力変換装置の直流出力電圧を算定し、この直流出力電圧算定値の下側に設定した第２所定電圧に平滑コンデンサの電圧が到達したときに、充電抵抗５３を短絡する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置の直流側に接続する平滑コンデンサの充電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６はインバータ装置の一般的な構成を示した主回路接続図である。交流電力を直流電力に変換する電力変換装置として、例えばダイオードをブリッジ接続した整流器５２を、交流電源５０に電源スイッチ５１を介して接続し、この整流器５２が出力する直流電力を、半導体スイッチ素子とダイオードとの逆並列接続でなるスイッチング回路をブリッジ接続して構成したインバータ５７へ供給するインバータ装置がある。ここで整流器５２が出力する直流電力に含まれているリプル分を抑制するために、整流器５２の直流側には大容量の平滑コンデンサ５６を備える。このインバータ装置を始動するべく電源スイッチ５１をオンにすると、その瞬間に平滑コンデンサ５６に過大な充電電流が突入して、当該インバータ装置やその電源側機器に大きなダメージを与えてしまう恐れがある。そこで整流器５２と平滑コンデンサ５６との間に充電抵抗５３とこれを短絡する短絡スイッチ５４とを挿入し、短絡スイッチ５４がオフの状態で平滑コンデンサ５６に電圧を印加することにより、過大な充電電流が突入するのを抑制する。平滑コンデンサ５６の充電をある程度進行すれば短絡スイッチ５４をオンにして充電抵抗５３を短絡し、当該平滑コンデンサ５６の充電を完了させるようにしている。なお符号５５は保護ヒューズである。
【０００３】
ところで充電抵抗５３を短絡する時期が早すぎると、平滑コンデンサ５６の電圧が十分に上昇していないから、充電抵抗５３を短絡した瞬間にやはり大きな突入電流が流れ、前述と同様のダメージを発生させる恐れがある。そこで平滑コンデンサ５６の電圧が十分に高くなるまで待ってから充電抵抗５３を短絡することになるが、この場合は充電抵抗５３で発生する損失が大きくなるから、この損失に耐えられるように抵抗を大形にしたり冷却装置を付加する必要を生じる不都合があるし、インバータ装置に始動指令が与えられてから運転が可能になるまでの時間が長くなってしまう不具合も生じる。
【０００４】
そこで平滑コンデンサ５６の静電容量と充電抵抗５３の抵抗値から得られる充電時定数を基にして、当該平滑コンデンサ５６の電圧が所定の電圧に上昇するまでの時間を計算しておき、交流電源を印加してからこの時間が経過すれば充電抵抗５３を短絡し、当該インバータ装置の始動が完了するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
例えば図６に図示のインバータ装置などの電力変換装置は、以前はこれを設置する場所の交流回路電圧や、当該インバータ装置の使い方などが予め判っていて、それに適合するように製作されていた。すなわち注文生産であったから、平滑コンデンサの充電時定数も明らかであった。しかしながら近年のインバータ装置は量産されることが多く、その使い方も従来のように特定されてはいない。例えば、２５０Ｖの電圧に耐える素子で構成しているインバータ装置を、交流電源電圧が２００Ｖの回路で使用することもあるし、２３０Ｖで使用する場合もあるから、充電抵抗を短絡する時点を予め定めておいても、その時点での電圧が最適であるとは限らない。また、インバータ装置を構成する整流器の複数台を並列に接続したり、あるいはインバータの複数台を並列に接続することもあるので、充電時定数が当初とは異なった値になってしまうことがある。従って充電抵抗５３を短絡する時点を予め定めておくことは無意味である。それにもかかわらず充電抵抗５３の短絡時点を従来のままにしておけば、充電抵抗５３の過熱や過大な突入電流のために保護ヒューズ５５が断線したり、半導体素子が破壊するなどの不具合を発生するおそれも生じる。
【０００６】
そこでこの発明の目的は、電力変換装置の交流電源電圧が変化しても、あるいは平滑コンデンサの充電時定数が変化しても、常に最適の時点で充電抵抗を短絡できるようにすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、この発明の電力変換装置用平滑コンデンサの充電方法は、
交流電源に接続して変換された直流電力を出力する電力変換装置の直流側に平滑コンデンサを接続し、前記交流電源の投入により充電抵抗を介して前記平滑コンデンサの充電を開始し、次いで前記充電抵抗を短絡して充電を完了する電力変換装置用平滑コンデンサの充電方法において、
前記交流電源を閉路し、充電抵抗を介して充電を開始した時点から所定のサンプル周期毎の前記平滑コンデンサの端子電圧を計測し、これら複数の電圧データから当該平滑コンデンサの充電時定数を演算し、この充電時定数から当該平滑コンデンサの収束電圧を予想し、この収束電圧予想値の下側に第１所定電圧を設定し、平滑コンデンサ電圧がこの第１所定電圧に到達する時刻を予測し、この第１所定電圧到達予測時刻になれば、あるいは平滑コンデンサ電圧がこの第１所定電圧に到達すれば、前記充電抵抗を短絡する。
【０００８】
または、前記交流電源を閉路して充電抵抗を介して充電を開始する際の前記交流電源の電圧を検出し、この交流電源電圧検出値から前記電力変換装置の直流出力電圧を算定し、この直流出力電圧算定値の下側に第２所定電圧を設定し、前記平滑コンデンサの電圧が、この第２所定電圧に到達すれば前記充電抵抗を短絡する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図２は本発明の第１実施例と第２実施例を説明する回路図であって、図６で既述の回路に、平滑コンデンサ５６の電圧を検出する絶縁検出器６１とローパスフィルタ６２とＡ／Ｄ変換器６３とデータ処理回路６４を付加した構成である。
図２の回路において、短絡スイッチ５４がオフの状態，すなわち充電抵抗５３が挿入されている状態で電源スイッチ５１をオンすることで、平滑コンデンサ５６には充電電流が流入するが、このときの平滑コンデンサ５６の電圧Ｖ_ＤＣは下記の数式１で表される。但しＶ_Ｓは三相交流の線間電圧、Ｃは平滑コンデンサ５６の静電容量で、Ｒは充電抵抗５３の抵抗値であり、ｔは経過時間である。
【００１０】
【数１】

電源スイッチ５１をオンにした瞬間の平滑コンデンサ５６の電圧（以下では直流電圧と称する）をＶ_ＤＣ（０）　とすると、Ｖ_ＤＣ（０）　＝０である。Ｔ_Ｓをデータのサンプリング周期とすると、各サンプリング時間経過後の直流電圧Ｖ_ＤＣ（１）　_，Ｖ_ＤＣ（２）　・・・の値はＡ／Ｄ変換器６３から取得できるから、下記の各数式を適用し、データ処理回路６４で演算することにより、それぞれからｅｘｐ（−Ｔ_Ｓ／ＣＲ）の値が得られる。
【００１１】
【数２】

【００１２】
【数３】

【００１３】
【数４】

【００１４】
【数５】

各式から得られるｅｘｐ（−Ｔ_Ｓ／ＣＲ）の値を移動平均するなどの統計処理を行って数式２へ代入すれば、線間電圧Ｖ_Ｓが得られる。このＶ_Ｓを用いることで、ｔ→∞のときの直流電圧Ｖ_ＤＣの収束予想値を求めることができる。そこで、この直流電圧Ｖ_ＤＣの収束予想値の下側に第１所定値を設定する。
図１は本発明の第１実施例を表したフローチャートであって、前述の動作を表している。すなわち短絡スイッチ５４がオフである（判断４１）ことを条件にして電源スイッチ５１をオン（処理２１）することで、平滑コンデンサ５６の充電が開始される。電源スイッチ５１がオンしてから１回目のサンプリング時間Ｔ_Ｓが経過（判断４２）した瞬間の直流電圧Ｖ_ＤＣ（１）　を検出（処理２２）し、数式２によりｅｘｐ（−Ｔ_Ｓ／ＣＲ）を計算（処理２５）する。次のサンプリング時間Ｔ_Ｓが経過（判断４３）した瞬間の線間電圧Ｖ_ＤＣ（２）　を検出（処理２３）し、数式３によりｅｘｐ（−Ｔ_Ｓ／ＣＲ）を計算（処理２６）する。同様の動作を繰り返すのであるが、ｎ回目のサンプリング時間Ｔ_Ｓが経過（判断４４）した瞬間に直流電圧Ｖ_ＤＣ（ｎ）　を検出（処理２４）し、数式５によりｅｘｐ（−Ｔ_Ｓ／ＣＲ）を計算（処理２７）する。
【００１５】
このようにして得られた計算値を統計処理（処理２８）して直流電圧Ｖ_ＤＣの収束予想値が求まる（処理２９）。この収束予想値の下側に第１所定値を設定（処理３０）するとともに、この第１所定値に到達するまでの時間Ｔ_１を計算（処理３１）する。この第１所定値到達時間Ｔ_１が経過すれば（判断４５）、短絡スイッチ５４をオンにして充電抵抗５３を短絡（処理３２）し、平滑コンデンサ５６の充電が完了する。
図３は本発明の第２実施例を表したフローチャートであって、前述の第１実施例のフローチャートに図示している処理３１と判断４５の代わりに、判断４６を備えているのが異なる点であるが、これ以外は同じである。よって同じ部分の説明は省略する。
【００１６】
この第２実施例フローチャートでは、直流電圧Ｖ_ＤＣの収束予想値の下側に第１所定値を設定（処理３０）し、直流電圧Ｖ_ＤＣの検出値がこの第１所定値に達したことを検出すれば（判断４６）、短絡スイッチ５４をオンにして充電抵抗５３を短絡（処理３２）し、平滑コンデンサ５６の充電を完了させる。
図４は本発明の第３実施例を説明する回路図である。この図４において、コンバータ６は、半導体スイッチ素子とダイオードとの逆並列接続でなるスイッチング回路の６組を三相ブリッジ接続し、その直流側に平滑コンデンサ７を接続した構成である。交流電源１からの三相交流電力が、電源スイッチ２とリアクトル３と充電抵抗４とを介して供給されるのであるが、充電抵抗４には短絡スイッチ５が並列に接続されている。また三相交流電圧を検出するために分圧抵抗８を設置している。この分圧抵抗８から絶縁検出器１２で検出された交流相電圧Ｖ_Ｐは、ローパスフィルタ１４とＡ／Ｄ変換器１６を介してＣＰＵ１７へ入力して、交流電源１の相電圧Ｖ_Ｐから直流電圧Ｖ_ＤＣの収束予想値の演算と、このＶ_ＤＣの収束予想値の下側に第２所定値の設定とを行う。
【００１７】
一方、絶縁検出器１１で検出された平滑コンデンサ７の電圧Ｖ_ＤＣは、ローパスフィルタ１３とＡ／Ｄ変換器１５を介してＣＰＵ１７へ入力し、検出された直流電圧Ｖ_ＤＣが前述の第２所定値に到達したときに短絡スイッチ５をオンにして、充電抵抗４を短絡する。なお、分圧抵抗８と絶縁検出器１２とで交流電源１の相電圧Ｖ_Ｐを検出しているが、線間電圧を検出する回路構成であっても差し支えないのは勿論である。
図５は本発明の第３実施例を表したフローチャートであって、図４で既述の回路の動作を表している。すなわち、短絡スイッチ５がオフしていることを条件にして（判断７１）電源スイッチ２をオン（処理７３）し、平滑コンデンサ７の充電を開始すると共に、分圧抵抗８に交流相電圧Ｖ_Ｐを印加する。この交流相電圧Ｖ_Ｐを計測（処理７４）し、次いで直流電圧Ｖ_ＤＣを演算（処理７５）する。更にこの直流電圧Ｖ_ＤＣの下側に第２所定値を設定（処理７６）し、絶縁検出器１１で検出する平滑コンデンサ７の電圧Ｖ_ＤＣがこの第２所定値に達すれば（判断７２）、短絡スイッチ５をオンにして充電抵抗４を短絡（処理７７）する。
【００１８】
【発明の効果】
交流を直流に変換する電力変換装置の直流側には大容量の平滑コンデンサを備えているから、電力変換装置の始動時には、先ず充電抵抗を介してこの平滑コンデンサを充電し、一定時間経過後に充電抵抗を短絡して充電を完了させるのが通常である。しかし交流電圧の変化や平滑コンデンサの静電容量の変更などが原因で、平滑コンデンサの充電が不十分な状態で充電抵抗を短絡すれば過大な突入電流が流れる不具合を生じるし、逆に充電抵抗の短絡までに無駄時間を経過する不具合を生じることもある。これに対して本発明は、平滑コンデンサの充電開始と共に当該平滑コンデンサの電圧の変化を監視し、その電圧変化から最終的に到達する電圧を予測し、この予測電圧の下側に設定した第１所定値に到達するまでの時間を算出して、その時間が経過すれば充電抵抗を短絡する。あるいは平滑コンデンサ電圧がこの第１所定値に到達したことを検出すれば充電抵抗を短絡する。あるいは検出した交流電圧から平滑コンデンサが最終的に到達する電圧を算出し、これの下側に設定した第２所定値に平滑コンデンサ電圧が到達すれば充電抵抗を短絡する。その結果、電力変換装置の設置場所が移動して交流電圧が当初と異なる値になっても、あるいは電力変換装置を並列運転するなどで平滑コンデンサの充電時定数が変化しても、最適な時点で充電抵抗を短絡できるから、過大な突入電流が流れて機器を損傷する危険を回避できる効果が得られるし、無用に長い時間をかけて充電抵抗を短絡することにより生じる無駄時間を排除できる効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を表したフローチャート
【図２】本発明の第１実施例と第２実施例を説明する回路図
【図３】本発明の第２実施例を表したフローチャート
【図４】本発明の第３実施例を説明する回路図
【図５】本発明の第３実施例を表したフローチャート
【図６】インバータ装置の一般的な構成を示した主回路接続図
【符号の説明】
１，５０　　　　　　　交流電源
２，５１　　　　　　　電源スイッチ
４，５３　　　　　　　充電抵抗
５，５４　　　　　　　短絡スイッチ
６　　　　　　　　　　コンバータ
７，５６　　　　　　　平滑コンデンサ
８　　　　　　　　　　分圧抵抗
１０　　　　　　　　　　演算制御回路
１１，１２，６１　　　　絶縁検出器
１３，１４，６２　　　　ローパスフィルタ
１５，１６，６３　　　　Ａ／Ｄ変換器
１７　　　　　　　　　　ＣＰＵ
２１〜３２，７１，７２　処理
４１〜４６，７３〜７７　判断
５２　　　　　　　　　　整流器
５５　　　　　　　　　　保護ヒューズ
５７　　　　　　　　　　インバータ
６４　　　　　　　　　　データ処理回路

Claims

交流電源に接続して変換された直流電力を出力する電力変換装置の直流側に平滑コンデンサを接続し、前記交流電源の閉路により充電抵抗を介して前記平滑コンデンサの充電を開始し、次いで前記充電抵抗を短絡して充電を完了する電力変換装置用平滑コンデンサの充電方法において、
前記交流電源を閉路し、充電抵抗を介して充電を開始した時点から所定のサンプル周期毎の前記平滑コンデンサの電圧を計測し、これら複数の電圧データから当該平滑コンデンサの充電時定数を演算する段階と、
この充電時定数から当該平滑コンデンサの収束電圧を予想する段階と、
この収束電圧予想値の下側に第１所定電圧を設定する段階と、
この第１所定電圧に到達する時刻を予想する段階と、
この第１所定電圧到達予想時刻に前記充電抵抗を短絡する段階と、を備えることを特徴とする電力変換装置用平滑コンデンサの充電方法。
請求項１に記載の電力変換装置用平滑コンデンサの充電方法において、
前記平滑コンデンサの電圧が前記第１所定電圧に到達した時点で前記充電抵抗を短絡する段階を備えることを特徴とする電力変換装置用平滑コンデンサの充電方法。
交流電源に接続して変換された直流電力を出力する電力変換装置の直流側に平滑コンデンサを接続し、前記交流電源の閉路により充電抵抗を介して前記平滑コンデンサの充電を開始し、次いで前記充電抵抗を短絡して充電を完了する電力変換装置用平滑コンデンサの充電方法において、
前記交流電源を閉路して充電抵抗を介して充電を開始する際の前記交流電源の電圧を検出する段階と、
この交流電源電圧検出値から前記電力変換装置の直流出力電圧を算定する段階と、
この直流出力電圧の下側に第２所定電圧を設定する段階と、
前記平滑コンデンサの電圧が前記第２所定電圧に到達した時点で前記充電抵抗を短絡する段階と、を備えることを特徴とする電力変換装置用平滑コンデンサの充電方法。