JP2004328888A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】瞬間的な電源電圧低下や瞬時停電に強くかつ小形化できる３レベルパルス幅変調方式電力変換装置を提供する。
【解決手段】直流電圧源側が、直列接続された容量の等しい２以上の分圧コンデンサにより分圧され、２相以上のスイッチングアームのスイッチング素子群のオン・オフ制御により、前記分圧コンデンサの直流電圧から３以上のレベルの電位を持つ交流出力電圧を得る電力変換装置において、前記直流電源側と並列にバックアップコンデンサを接続したものである。
【選択図】 図１
【解決手段】直流電圧源側が、直列接続された容量の等しい２以上の分圧コンデンサにより分圧され、２相以上のスイッチングアームのスイッチング素子群のオン・オフ制御により、前記分圧コンデンサの直流電圧から３以上のレベルの電位を持つ交流出力電圧を得る電力変換装置において、前記直流電源側と並列にバックアップコンデンサを接続したものである。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータやサーボドライブに使用される電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の３相３レベルパルス幅変調方式電力変換装置は図３の回路で構成される。該電力変換装置は交流電源系統を整流して直流電圧を作り、正極Ｐと負極Ｎの間に直列接続した２個の同容量の平滑コンデンサを設け、平滑コンデンサの接続点と電力変換器のダイオード中性点部（図３の例ではダイオード１０と１１の接続点、１２と１３の接続点、１４と１５の接続点）とを接続した構成となっている。平滑コンデンサの接続点電圧（中間電位０）は２個のコンデンサの分圧で作られているので、３相電力を出力するとコンデンサの電荷が充放電され電圧変動を生じる。図４は３相３レベルパルス幅変調方式電力変換装置から３相電力を出力している時の電圧変動の数値シミュレーションである。このため、平滑コンデンサの容量は中間電位が設計的にあらかじめ決められた許容変動値内に収まるように、かつ、電圧変動分の電圧にも耐えられるように選定されている。平滑コンデンサ１の容量Ｃ１、平滑コンデンサ２の容量Ｃ２とするとＣ１＝Ｃ２である。
入力電源としては電源系統の他にも太陽電池や発電機などの直流電源が使用される場合もあるが中間電位を同容量のコンデンサ分圧でつくる限り、電圧変動を生じる。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６４−３４１８２号
【特許文献２】
特開平１−１９８２８０号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電力を供給している運転状態で、電源系統の瞬間的な電圧低下や瞬時停電が発生すると、電源ではなく平滑コンデンサから電力を供給することになる。もし、瞬間的な電圧低下や瞬時停電が起こっても、あらかじめ決められた時間、支障なく運転を継続しようとすると平滑コンデンサＣ１とＣ２の容量を大きくしなければならない。さらに、中間電位の変動も大きいので、コンデンサに要求される耐圧は電源電圧の半分でよいということにはならず、ＰＮ間に必要な耐圧の半分に対して、半分以上の耐圧（例えば約１．５倍程度）の耐圧が必要である。一般にコンデンサの外形寸法（体積）は容量と耐電圧の２乗であるＣ×Ｖ２に比例し、従来は分圧用の直列に接続した同容量のコンデンサだけを使用しているため、耐電圧の高いコンデンサを使用しなければならず小形化が困難であった。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは瞬間的な電源電圧低下や瞬時停電に強くかつ小形化できる３レベルパルス幅変調方式電力変換装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１記載の本発明は、直流電圧源側が、直列接続された容量の等しい２以上の分圧コンデンサにより分圧され、２相以上のスイッチングアームのスイッチング素子群のオン・オフ制御により、前記分圧コンデンサの直流電圧から３以上のレベルの電位を持つ交流出力電圧を得る電力変換装置において、前記直流電源側と並列にバックアップコンデンサを接続したものである。
また請求項２記載の本発明は、正側の直流母線Ｐと負側の直流母線Ｎの外部端子を前記電力変換装置の外に設け、前記バックアップコンデンサを前記電力変換装置の筐体の外に設置したものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を図に基づいて説明する。図１は、本発明の３レベルパルス幅変調方式電力変換装置の第１の実施例である回路図である。図２は本発明のパルス幅変調方式電力変換装置の第２の実施例の回路図である。
本発明である図１、２が従来技術である図３と本質的に異なる部分は、バックアップコンデンサ７を備えた部分である。中性点クランプ形電力変換装置である本発明の３レベル電力変換装置の主回路部分（コンデンサ８、９とクランプダイオード１０〜１５とスイッチング素子１６〜２７、還流ダイオード２８〜３９）は従来技術と同じものである。
図１において、１〜６は三相交流電源を全波整流する三相全波整流ダイオードブリッジを構成する整流ダイオード、７はバックアップコンデンサ（平滑コンデンサ）、８と９は該平滑コンデンサ７の電圧を分圧する容量の等しいコンデンサ、１０と１１はＵ相のクランプダイオード、１２と１３はＶ相のクランプダイオード、１４と１５はＷ相のクランプダイオード、１６〜１９はＵ相アームのスイッチング素子、２０〜２３はＶ相アームのスイッチング素子、２４から２７はＷ相アームのスイッチング素子、２８〜３９は各スイッチング素子の還流ダイオードである。第１の実施例では電源系統の交流電圧をダイオードブリッジで整流し、正極と負極間に接続した平滑コンデンサ１と２でダイオードブリッジの出力電圧を平滑すると共に直流電圧を分圧している。この分圧された直流電圧を用いて３相のスイッチングアームのスイッチング素子群のオン・オフ制御により、前記分圧コンデンサの直流電圧から３以上のレベルの電位を持つ可変周波数の可変電圧（ＶＶＶＦ）の交流出力電圧を得る。
【０００７】
図２において４０は直流電源である太陽電池または発電機である。図２が図１と異なる部分は三相全波整流ブリッジを直流電源に置換した部分である。
第２の実施例では太陽電池または発電機の直流電圧を、正極と負極間に接続した平滑コンデンサ３と直列接続した平滑コンデンサ１および平滑コンデンサ２で平滑する。
平滑コンデンサ３の容量Ｃ３は、電源系統の瞬間的な電圧低下や停電に対して、負荷への電力供給に問題ないものに選定する。つまり、停電前にＶＣであったＣ３の電圧が，停電中に動作に問題ない電圧レベルの設定値ＶＬ以下（ＶＣ＞ＶＬ）に下がらないようにＣ３の容量を選定する。負荷に電力Ｐ１を供給し、系統の停電時間Ｔ１に対して耐えられるよう、平滑コンデンサＣ３の容量を選定するには、電力の平衡条件により（１）式の条件を満たさなければならない。
【０００８】
（Ｃ３＋Ｃ１／２）×（ＶＣ−ＶＬ）２／２＝Ｐ１×Ｔ１ ・・・（１）
【０００９】
従ってＣ３は式（２）となる。
【００１０】
Ｃ３＝２×Ｐ１×Ｔ１／（ＶＣ−ＶＬ）２−Ｃ１／２ ・・・（２）
【００１１】
従来のようにＣ３が無い場合にこの条件でコンデンサ容量１を決定した容量をＣ１’とすると（３）式になる。
【００１２】
Ｃ１’＝４×Ｐ１×Ｔ１／（ＶＣ−ＶＬ）２ ・・・（３）
【００１３】
式（３）に式（２）を代入すると式（４）になる。
【００１４】
Ｃ１’＝２×Ｃ３＋Ｃ１ ・・・（４）
【００１５】
Ｃ１’は、もともとのＣ１の容量に加えＣ３の２倍の容量を増やさなければならない。
Ｃ３はＣ１よりも耐圧が必要であり、もし、Ｃ１がＣ３の半分の耐圧でよいならばＣ３の利用はそれほど小形化にならないが、中間電位（０）の電位は前述したようにＰＮ間電圧の半分ではなく電圧変動を伴い、Ｃ１はＣ３の半分よりも高い耐圧が必要である。従って電圧変動の無いＣ３を使用することにより耐圧のより低いものを選定でき、さらに容量も少なくて済むので小形化が達成できる。
つまり、電圧変動の大きい部位に使用されているコンデンサの容量を大きくするよりも、電圧変動の小さな部位のコンデンサを大きくする方が外形寸法を小さくできる。例えば、コンデンサの体積がＣ×Ｖ２に比例するとし、Ｃ１に追加するコンデンサの耐圧をＣ３の半分の１．５倍必要であるとすれば、Ｃ３のコンデンサ体積とＣ１に追加するコンデンサ体積の比は、容量２倍、耐圧１．５×０．５倍であるから、２×（１．５×０．５）２＝１．１２５倍であり、さらに２本直列に使用しなければならないので、体積は２．２５倍になる。したがって、本発明の実施例は直流電源に容量の等しい２個のコンデンサを直列に接続して電圧レベルを増やした３レベルパルス幅変調方式電力変換装置において、直流電源と並列に瞬時停電対応バックアップコンデンサを接続したことにより瞬間的な電源電圧低下や瞬時停電に強くかつ小形化が達成できる。なお、正側の直流母線Ｐと負側の直流母線Ｎの外部端子を設ければ、バックアップコンデンサ７は、電力変換装置の筐体の外に適宜別置きとすることも可能である。
【００１６】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば実施例は直流電源に容量の等しい２個のコンデンサを直列に接続して電圧レベルを増やした３レベルパルス幅変調方式電力変換装置において、直流電源と並列に瞬時停電対応バックアップコンデンサを接続したことにより瞬間的な電源電圧低下や瞬時停電に強くかつ小形化が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す３相３レベルパルス幅変調方式電力変換装置の回路図
【図２】本発明の第２の実施例を示す３相３レベルパルス幅変調方式電力変換装置の回路図
【図３】従来の３相３レベルパルス幅変調方式電力変換装置の回路図
【図４】３相３レベルパルス幅変調方式電力変換装置の中間電位変動のシミュレーション
【符号の説明】
１〜６ 整流ダイオード
７ バックアップコンデンサ（平滑コンデンサ）
８、９ ３レベル電力変換装置用平滑コンデンサ
１０〜１５クランプダイオード
１６〜２７ スイッチング素子
２８〜３９ 還流ダイオード
４０ 太陽電池または発電機
４１〜４３ ３相電流波形
４４ ３レベルパルス幅変調方式電力変換装置の出力電圧波形
４５ ３レベルパルス幅変調方式電力変換装置の正極（Ｐ）電圧
４６ ３レベルパルス幅変調方式電力変換装置の負極（Ｎ）電圧
Ｐ 正側の直流母線
Ｎ 負側の直流母線
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータやサーボドライブに使用される電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の３相３レベルパルス幅変調方式電力変換装置は図３の回路で構成される。該電力変換装置は交流電源系統を整流して直流電圧を作り、正極Ｐと負極Ｎの間に直列接続した２個の同容量の平滑コンデンサを設け、平滑コンデンサの接続点と電力変換器のダイオード中性点部（図３の例ではダイオード１０と１１の接続点、１２と１３の接続点、１４と１５の接続点）とを接続した構成となっている。平滑コンデンサの接続点電圧（中間電位０）は２個のコンデンサの分圧で作られているので、３相電力を出力するとコンデンサの電荷が充放電され電圧変動を生じる。図４は３相３レベルパルス幅変調方式電力変換装置から３相電力を出力している時の電圧変動の数値シミュレーションである。このため、平滑コンデンサの容量は中間電位が設計的にあらかじめ決められた許容変動値内に収まるように、かつ、電圧変動分の電圧にも耐えられるように選定されている。平滑コンデンサ１の容量Ｃ１、平滑コンデンサ２の容量Ｃ２とするとＣ１＝Ｃ２である。
入力電源としては電源系統の他にも太陽電池や発電機などの直流電源が使用される場合もあるが中間電位を同容量のコンデンサ分圧でつくる限り、電圧変動を生じる。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６４−３４１８２号
【特許文献２】
特開平１−１９８２８０号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電力を供給している運転状態で、電源系統の瞬間的な電圧低下や瞬時停電が発生すると、電源ではなく平滑コンデンサから電力を供給することになる。もし、瞬間的な電圧低下や瞬時停電が起こっても、あらかじめ決められた時間、支障なく運転を継続しようとすると平滑コンデンサＣ１とＣ２の容量を大きくしなければならない。さらに、中間電位の変動も大きいので、コンデンサに要求される耐圧は電源電圧の半分でよいということにはならず、ＰＮ間に必要な耐圧の半分に対して、半分以上の耐圧（例えば約１．５倍程度）の耐圧が必要である。一般にコンデンサの外形寸法（体積）は容量と耐電圧の２乗であるＣ×Ｖ２に比例し、従来は分圧用の直列に接続した同容量のコンデンサだけを使用しているため、耐電圧の高いコンデンサを使用しなければならず小形化が困難であった。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは瞬間的な電源電圧低下や瞬時停電に強くかつ小形化できる３レベルパルス幅変調方式電力変換装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１記載の本発明は、直流電圧源側が、直列接続された容量の等しい２以上の分圧コンデンサにより分圧され、２相以上のスイッチングアームのスイッチング素子群のオン・オフ制御により、前記分圧コンデンサの直流電圧から３以上のレベルの電位を持つ交流出力電圧を得る電力変換装置において、前記直流電源側と並列にバックアップコンデンサを接続したものである。
また請求項２記載の本発明は、正側の直流母線Ｐと負側の直流母線Ｎの外部端子を前記電力変換装置の外に設け、前記バックアップコンデンサを前記電力変換装置の筐体の外に設置したものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を図に基づいて説明する。図１は、本発明の３レベルパルス幅変調方式電力変換装置の第１の実施例である回路図である。図２は本発明のパルス幅変調方式電力変換装置の第２の実施例の回路図である。
本発明である図１、２が従来技術である図３と本質的に異なる部分は、バックアップコンデンサ７を備えた部分である。中性点クランプ形電力変換装置である本発明の３レベル電力変換装置の主回路部分（コンデンサ８、９とクランプダイオード１０〜１５とスイッチング素子１６〜２７、還流ダイオード２８〜３９）は従来技術と同じものである。
図１において、１〜６は三相交流電源を全波整流する三相全波整流ダイオードブリッジを構成する整流ダイオード、７はバックアップコンデンサ（平滑コンデンサ）、８と９は該平滑コンデンサ７の電圧を分圧する容量の等しいコンデンサ、１０と１１はＵ相のクランプダイオード、１２と１３はＶ相のクランプダイオード、１４と１５はＷ相のクランプダイオード、１６〜１９はＵ相アームのスイッチング素子、２０〜２３はＶ相アームのスイッチング素子、２４から２７はＷ相アームのスイッチング素子、２８〜３９は各スイッチング素子の還流ダイオードである。第１の実施例では電源系統の交流電圧をダイオードブリッジで整流し、正極と負極間に接続した平滑コンデンサ１と２でダイオードブリッジの出力電圧を平滑すると共に直流電圧を分圧している。この分圧された直流電圧を用いて３相のスイッチングアームのスイッチング素子群のオン・オフ制御により、前記分圧コンデンサの直流電圧から３以上のレベルの電位を持つ可変周波数の可変電圧（ＶＶＶＦ）の交流出力電圧を得る。
【０００７】
図２において４０は直流電源である太陽電池または発電機である。図２が図１と異なる部分は三相全波整流ブリッジを直流電源に置換した部分である。
第２の実施例では太陽電池または発電機の直流電圧を、正極と負極間に接続した平滑コンデンサ３と直列接続した平滑コンデンサ１および平滑コンデンサ２で平滑する。
平滑コンデンサ３の容量Ｃ３は、電源系統の瞬間的な電圧低下や停電に対して、負荷への電力供給に問題ないものに選定する。つまり、停電前にＶＣであったＣ３の電圧が，停電中に動作に問題ない電圧レベルの設定値ＶＬ以下（ＶＣ＞ＶＬ）に下がらないようにＣ３の容量を選定する。負荷に電力Ｐ１を供給し、系統の停電時間Ｔ１に対して耐えられるよう、平滑コンデンサＣ３の容量を選定するには、電力の平衡条件により（１）式の条件を満たさなければならない。
【０００８】
（Ｃ３＋Ｃ１／２）×（ＶＣ−ＶＬ）２／２＝Ｐ１×Ｔ１ ・・・（１）
【０００９】
従ってＣ３は式（２）となる。
【００１０】
Ｃ３＝２×Ｐ１×Ｔ１／（ＶＣ−ＶＬ）２−Ｃ１／２ ・・・（２）
【００１１】
従来のようにＣ３が無い場合にこの条件でコンデンサ容量１を決定した容量をＣ１’とすると（３）式になる。
【００１２】
Ｃ１’＝４×Ｐ１×Ｔ１／（ＶＣ−ＶＬ）２ ・・・（３）
【００１３】
式（３）に式（２）を代入すると式（４）になる。
【００１４】
Ｃ１’＝２×Ｃ３＋Ｃ１ ・・・（４）
【００１５】
Ｃ１’は、もともとのＣ１の容量に加えＣ３の２倍の容量を増やさなければならない。
Ｃ３はＣ１よりも耐圧が必要であり、もし、Ｃ１がＣ３の半分の耐圧でよいならばＣ３の利用はそれほど小形化にならないが、中間電位（０）の電位は前述したようにＰＮ間電圧の半分ではなく電圧変動を伴い、Ｃ１はＣ３の半分よりも高い耐圧が必要である。従って電圧変動の無いＣ３を使用することにより耐圧のより低いものを選定でき、さらに容量も少なくて済むので小形化が達成できる。
つまり、電圧変動の大きい部位に使用されているコンデンサの容量を大きくするよりも、電圧変動の小さな部位のコンデンサを大きくする方が外形寸法を小さくできる。例えば、コンデンサの体積がＣ×Ｖ２に比例するとし、Ｃ１に追加するコンデンサの耐圧をＣ３の半分の１．５倍必要であるとすれば、Ｃ３のコンデンサ体積とＣ１に追加するコンデンサ体積の比は、容量２倍、耐圧１．５×０．５倍であるから、２×（１．５×０．５）２＝１．１２５倍であり、さらに２本直列に使用しなければならないので、体積は２．２５倍になる。したがって、本発明の実施例は直流電源に容量の等しい２個のコンデンサを直列に接続して電圧レベルを増やした３レベルパルス幅変調方式電力変換装置において、直流電源と並列に瞬時停電対応バックアップコンデンサを接続したことにより瞬間的な電源電圧低下や瞬時停電に強くかつ小形化が達成できる。なお、正側の直流母線Ｐと負側の直流母線Ｎの外部端子を設ければ、バックアップコンデンサ７は、電力変換装置の筐体の外に適宜別置きとすることも可能である。
【００１６】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば実施例は直流電源に容量の等しい２個のコンデンサを直列に接続して電圧レベルを増やした３レベルパルス幅変調方式電力変換装置において、直流電源と並列に瞬時停電対応バックアップコンデンサを接続したことにより瞬間的な電源電圧低下や瞬時停電に強くかつ小形化が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す３相３レベルパルス幅変調方式電力変換装置の回路図
【図２】本発明の第２の実施例を示す３相３レベルパルス幅変調方式電力変換装置の回路図
【図３】従来の３相３レベルパルス幅変調方式電力変換装置の回路図
【図４】３相３レベルパルス幅変調方式電力変換装置の中間電位変動のシミュレーション
【符号の説明】
１〜６ 整流ダイオード
７ バックアップコンデンサ（平滑コンデンサ）
８、９ ３レベル電力変換装置用平滑コンデンサ
１０〜１５クランプダイオード
１６〜２７ スイッチング素子
２８〜３９ 還流ダイオード
４０ 太陽電池または発電機
４１〜４３ ３相電流波形
４４ ３レベルパルス幅変調方式電力変換装置の出力電圧波形
４５ ３レベルパルス幅変調方式電力変換装置の正極（Ｐ）電圧
４６ ３レベルパルス幅変調方式電力変換装置の負極（Ｎ）電圧
Ｐ 正側の直流母線
Ｎ 負側の直流母線
Claims (2)
- 直流電圧源側が、直列接続された容量の等しい２以上の分圧コンデンサにより分圧され、２相以上のスイッチングアームのスイッチング素子群のオン・オフ制御により、前記分圧コンデンサの直流電圧から３以上のレベルの電位を持つ交流出力電圧を得る電力変換装置において、
前記直流電源側と並列にバックアップコンデンサを接続したことを特徴とする電力変換装置。 - 正側の直流母線Ｐと負側の直流母線Ｎの外部端子を前記電力変換装置の外に設け、前記バックアップコンデンサを前記電力変換装置の筐体の外に設置したことを特徴とした請求項１記載の電力変換装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003119824A JP2004328888A (ja) | 2003-04-24 | 2003-04-24 | 電力変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003119824A JP2004328888A (ja) | 2003-04-24 | 2003-04-24 | 電力変換装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004328888A true JP2004328888A (ja) | 2004-11-18 |
Family
ID=33498938
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003119824A Pending JP2004328888A (ja) | 2003-04-24 | 2003-04-24 | 電力変換装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004328888A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016021824A (ja) * | 2014-07-15 | 2016-02-04 | ダイキン工業株式会社 | 電源装置 |
-
2003
- 2003-04-24 JP JP2003119824A patent/JP2004328888A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016021824A (ja) * | 2014-07-15 | 2016-02-04 | ダイキン工業株式会社 | 電源装置 |
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