JP2007074884A - コンバータ装置（低電圧検出方法） - Google Patents

Abstract

【課題】瞬時停電の際の復旧時の再突入電流からダイオードブリッジを保護できるコンバータ装置を提供する。
【解決手段】外部から電源開閉器を介して入力された交流電圧を整流して直流電圧を直流母線に出力するダイオードブリッジ回路３と、その出力波形を平滑化するため正負の直流母線間に接続された平滑用コンデンサ７と、ダイオードブリッジ回路３と平滑用コンデンサ７の間に挿入された、平滑用コンデンサ７の初期充電時の突入電流を限流する限流抵抗器４および限流抵抗器４に並列接続され限流抵抗器４を開閉する充電用リレー５から成る並列接続回路と、を有するコンバータ装置の瞬時停電保護方法において、直流母線６の母線電圧が予め設定した差分電圧値まで電圧が降下した場合に、制御器が、充電用リレー５を開放し、限流抵抗器４を通じて平滑コンデンサ７へ充電するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、正負の直流母線間に接続された平滑用コンデンサと直列に挿入された充電電流の限流抵抗器および該回路を開閉する充電用リレーを有するコンバータ装置に関し、特に、瞬時停電等の電源が陥没した後に流れる再突入電流を抑制できるコンバータ装置に関する。

従来より、コンバータ装置では、起動時の平滑用コンデンサの大きな突入電流によりダイオードブリッジ回路が破損することを防止するために、起動時から限流抵抗を介して平滑用コンデンサを充電してダイオードブリッジ回路が破損することを防止し、平滑用コンデンサに十分な充電電圧が蓄積されて突入電流の恐れがなくなったら充電用リレーで限流抵抗を短絡して、通常のコンバータ運転を行うようにしていた。
そうして、電源が停電した場合は、従来の制御方式は、直流母線の電圧を検出し、規定の電圧まで母線電圧が下がると、充電用リレーを開放していた（例えば、特許文献１参照）。
したがって、電源が復旧したときは、起動時と同じく、限流抵抗器を通して直流母線間にある平滑用コンデンサへ充電したので問題はなかった。

また、従来の保護回路として、ダイオードブリッジの回生異常を検出するために、比較器を用いて回生回路のノード電圧が低レベルとなって継続するとき、回生異常警報を外部に通報するようにしたり、主回路母線電圧が回生レベルを超えると別の比較器がこれを検出して回生抵抗を投入させて回生電力を消費させたり、主回路母線電圧が過電圧となったときこれを検出して外部に過電圧警報を通報するようにしたものもある（例えば、特許文献２参照）。

すなわち、従来の制御方式では、停電すると、直流母線の電圧を検出し、規定の電圧まで母線電圧が下がると充電用リレーを開放していたので、充電用リレーを開放してしまえばよいのであるが、問題は充電用リレーが開放される寸前で交流電源が復帰すると、直流母線間電圧（すなわち、低くなったコンデンサの充電電圧）と復旧した大きな交流電源電圧の差分がダイオードブリッジ回路へ過大な突入電流となって流れるため、ダイオードブリッジが破損する恐れがあった。これは、平滑用コンデンサの容量が大きくてかつ交流電源電圧が高い場合ほど、ダイオードブリッジ回路へ流れる電流が増すので、ダイオードの最大絶対定格を超える電流が流れて破損してしまう等の不利な点があった。
従来の低電圧検出方法では、コンバータ入力電源電圧の最小許容値から低電圧検出レベルを設定し、交流電源電圧に関係なく規定の電圧まで直流母線電圧が降下しないと限流抵抗器を通じて充電しない方式となっており、コンバータ入力電源電圧最大許容値から低電圧検出する場合、電源電圧と直流母線電圧差が非常に大きく、ダイオードブリッジ回路へ過大な突入電流が流れてしまうため、ダイオードブリッジ回路保護する上で部品変更や、突入電流抑制リアクトルを新たに接続するなどコンバータ装置の設計変更が必要になるという問題があった。
この対策として、従来の制御方式では電源陥没時の再突入電流を抑制するためにリアクトルを接続することなどが考えられるが、コスト面やスペース面からも不利であった。
また、寸法等の制約によりコンバータの外部へ突入電流抑制用リアクトルを接続できない様な用途では、再突入電流からダイオードを保護する上で定格以上のダイオードを選定することが考えられるがこれでは高価になってしまった。
特開平１１−７３２５０号公報 特開平１０−２７１８６５号公報

本発明は、これらの課題を解決するもので、瞬時停電の際の復旧時の再突入電流を抑制してダイオードブリッジを保護すると共に、コンバータ装置の設計変更を要することなく電源陥没時の再突入電流を抑制することができるコンバータ装置を低コストかつ省スペースで提供することを目的としている。

上記問題を解決するため、請求項１記載の発明は、コンバータ装置の瞬時停電保護方法に係り、外部から電源開閉器を介して入力された交流電圧を整流して直流電圧を直流母線に出力するダイオードブリッジ回路と、その出力波形を平滑化するため正負の直流母線間に接続された平滑用コンデンサと、前記ダイオードブリッジ回路と前記平滑用コンデンサの間に挿入された、前記平滑用コンデンサの初期充電時の突入電流を限流する限流抵抗器および該限流抵抗器に並列接続され前記限流抵抗器を開閉する充電用リレーから成る並列接続回路と、を有するコンバータ装置の瞬時停電保護方法において、前記母線電圧が予め設定した差分電圧値まで電圧が降下した場合に前記充電用リレーを開放し、前記限流抵抗器を通じて前記平滑コンデンサへ充電することにより、瞬時停電時の再突入電流を抑制することを特徴としている。
請求項２記載の発明は、瞬時停電保護回路付きコンバータ装置に係り、外部から電源開閉器を介して入力された交流電圧を整流して直流電圧を直流母線に出力するダイオードブリッジ回路と、その出力波形を平滑化するため正負の直流母線間に接続された平滑用コンデンサと、前記ダイオードブリッジ回路と前記平滑用コンデンサの間に挿入された、前記平滑用コンデンサの初期充電時の突入電流を限流する限流抵抗器および該限流抵抗器に並列接続され前記限流抵抗器を開閉する充電用リレーから成る並列接続回路と、を有するコンバータ装置において、前記母線電圧が予め設定した差分電圧値まで電圧が降下した場合に前記充電用リレーを開放する出力を出す制御器を備えたことを特徴としている。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の瞬時停電保護回路付きコンバータ装置において、前記制御器が、前記直流母線電圧をある時点で検出する直流母線電圧検出手段と、差分電圧ΔＶを設定する差分電圧設定手段と、前記直流母線電圧検出手段の検出電圧Ｖ１から前記差分電圧設定手段の設定した差分電圧ΔＶとの差「Ｖ１−ΔＶ」を演算する演算手段と、当該演算値「Ｖ１−ΔＶ」と前記検出時点以降の直流母線電圧検出手段の検出した検出電圧Ｖ２とを比較し、前記検出電圧Ｖ２が前記演算値以下になった（Ｖ２≦（Ｖ１−ΔＶ））ときに前記出力を出す比較手段とから構成されることを特徴としている。

以上の構成により、瞬時停電で交流電源が陥没した後に流れる再突入電流電流を小型・低コストで抑制することができ、したがってダイオードブリッジ回路の破損を防ぐことができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図1は本発明のコンバータ装置の構成を示す回路構成図である。
図1において、１は交流電源、２はコンタクタ、３はダイオードブリッジ回路、４は限流抵抗器、５は充電用リレー、６は直流母線、７は平滑用コンデンサ、８は制御器である。本発明の特徴は制御器８を設けた点である。
制御器８は、直流母線６の母線電圧が予め設定した差分電圧値まで電圧が降下した場合に充電用リレー５を開放し、限流抵抗器４を通じて平滑コンデンサ７へ充電するように制御するものであり、これによって瞬時停電時の再突入電流を抑制することができるので、ダイオードブリッジ回路３を再突入電流から保護することとなる。
図２は、このように動作する制御器８の具体的な１実施例であるが、もちろんこれに限定されるものではない。
図において、８１は直流母線電圧６の電圧を検出する直流母線電圧検出手段、８２は本発明により設けられた回路ブロックの１つで、母線電圧が予め設定した差分電圧値まで電圧が降下した場合に充電用リレー５をするためのその差分電圧ΔＶを設定する差分電圧設定手段である。８３は直流母線電圧検出手段８１の検出したある時点での検出電圧（Ｖ１）から差分電圧設定手段８２の設定した差分電圧（ΔＶ）との差「Ｖ１−ΔＶ」を演算する演算手段、８４は演算手段８３の演算値「Ｖ１−ΔＶ」と直流母線電圧検出手段８１の検出したその後の検出電圧Ｖ２とを比較し、検出電圧Ｖ２が演算値以下（Ｖ２≦（Ｖ１−ΔＶ））になったときに前記出力をリレー５に出す比較手段である。

次に、制御器８の動作について、図１〜図３を用いて説明する。
図１に示すコンバータ装置において、交流電源１が停電する前の正常状態において、直流母線電圧を監視する制御器８の直流母線電圧検出手段８１は直流母線電圧（Ｖ１）を検出し、演算手段８３の一端と比較手段８４の一端に入力する。
差分電圧設定手段８２は所定の電圧降下でリレー５を開きたいとき、その所定の電圧降下分（ΔＶ）を差分電圧として演算手段８３の他端に入力する。
演算手段８３は検出電圧（Ｖ１）を受信したらこの値を所定時間ラッチし、差分電圧（ΔＶ）との差「Ｖ１−ΔＶ」を演算し、比較手段８４の他端に入力する。
〈正常運転の場合〉
直流母線電圧検出手段８１は正常な電圧である直流母線電圧（Ｖ１）を検出するので、比較手段８４は＋端子の「Ｖ１」と−端子の「Ｖ１−ΔＶ」とを比較することになり、Ｖ１≦（Ｖ１−ΔＶ）という式は満たさないため、充電用リレー５は開かない（すなわち、限流抵抗器４は短絡状態に保つ。）。
〈長時間停電の場合〉
直流母線電圧検出手段８１は完全にゼロ電位近くにまで下がった直流母線電圧（Ｖ０）を検出するので、比較手段８４は＋端子の「Ｖ０」と−端子の「Ｖ１−ΔＶ」とを比較することになり、Ｖ０≦（Ｖ１−ΔＶ）という式が満たされるため、充電用リレー５は開く。すなわち、限流抵抗器４が平滑コンデンサ７に直列に入れられるので、停電後再起動した場合に、ダイオードブリッジ回路３を再突入電流から保護することとなる。
〈瞬時停電の場合〉
直流母線電圧検出手段８１は中間の電位（Ｖ２）を検出するので、比較手段８４は＋端子の「Ｖ２」と−端子の「Ｖ１−ΔＶ」とを比較することになり、
Ｖ２≦（Ｖ１−ΔＶ）であれば、充電用リレー５は開き、そうでなければ開かない。仮にＶ２≦（Ｖ１−ΔＶ）であれば、限流抵抗器４が平滑コンデンサ７に直列に入れられるので、停電後再起動した場合に、ダイオードブリッジ回路３を再突入電流から保護することとなる。Ｖ２≦（Ｖ１−ΔＶ）でなければ、限流抵抗器４が平滑コンデンサ７に直列に入れられていないので、停電後再起動した場合に、ダイオードブリッジ回路３に大きな電流が流れることになるが、その大電流は許容範囲内のものである（逆に言えば、許容範囲内になるようにΔＶの大きさを前もって決めている）ので問題ない。

これに対して、従来回路の図４では、差分電圧設定手段３１の検出電圧Ｖと低電圧検出電位設定手段の設定する基準値ＶＬ（基準値ＶＬ自体は可変であるが、一端設定して運転されれば、オペレータが設定基準値を変えない限り固定である。
これに対して、本発明は基準値は電源電圧と差分電圧との差が基準値となるので、電源電圧に追随し、オペレータが変えなくても自動的に可変である。）とを比較手段３３で比較して、検出電圧Ｖが基準値ＶＬ以下になったときに充電用リレー５を開くようにしているので、〈正常運転の場合〉と〈長時間停電の場合〉は共に問題はないが、〈瞬時停電の場合〉は、直流母線電圧は中間の電位（Ｖ２）まで下がった後、また上昇する方向に戻るので、電位は下がり切らず、Ｖ２＞ＶＬとなっている。したがって、比較手段３３は＋端子の「Ｖ２」と−端子の「ＶＬ」とを比較することになり、Ｖ２≦ＶＬを満たさないので、限流抵抗器４が平滑コンデンサ７に直列に入れられず、停電後再起動した場合に、ダイオードブリッジ回路３に大きな突入電流が流れることになる。

本発明によれば、低めの電圧で正常運転しているときには、低めの電圧を基にΔＶだけ低い値を基準に（すなわち、比較手段８４の「−」端子に設定）しているので、大きな電圧変動（瞬時停電ではない）があっても基準値自体低くなっているから、基準値を下回ることはなく、限流抵抗器４が誤挿入されることもない。
このように、本発明に係る制御器８は、予め設定した差分電圧値まで母線電圧が電圧降下した場合に充電用リレー５を開放し、限流抵抗４を通じて平滑コンデンサ７へ充電することになる。
これを式で表すと、次のようになる。
母線電圧 − ΔＶ ＝ 低電圧検出レベル
ΔＶ：予め設定した差分電圧
具体的な数値で説明すると、
母線電圧＝３００Ｖとし、従来装置の基準値を１９０Ｖ、本発明の差分電圧を９０Ｖとし、仮にＤＣ３００Ｖで瞬時停電が起きたとき、どちらの装置においても充電用リレー５が開く直前で復帰したとすると、そのときの突入電流は、
従来装置の場合、
３００Ｖ−１９０Ｖ＝１１０Ｖの電位差の突入電流が流れる。
本発明の場合、
３００Ｖ−［３００Ｖ−９０ｖ］＝９０Ｖの電位差の突入電流が流れる。
両方を比べると、１１０Ｖ−９０Ｖ＝２０Ｖで、２０Ｖ分の突入電流が本発明では抑制できる。

なお、従来装置の場合、この対策として、低電圧検出電位設定手段の設定する基準値ＶＬ自体を１９０Ｖではなくて２１０Ｖまで高く設定することが考えられるが、交流電源自体変動があり、低めの電圧で正常運転しているときに、大きな電圧変動（瞬時停電ではない）があったとき、基準値ＶＬの２１０Ｖを下回る可能性があり、そうすると正常運転時に限流抵抗器４が挿入されることになり、逆に大きな問題が発生する。したがって、基準値ＶＬを大きく設定することは好ましくない。
また、母線電圧３００Ｖで考えれば、基準値ＶＬを２１０Ｖまで高くすることが考えられるが、母線電圧が３５８Ｖ（注：インバータ電源電圧の許容範囲３５８Ｖ＝ＡＣ２３０Ｖ＋１０％×√２）だった場合、やはり３５８Ｖ−２１０Ｖで１４８Ｖ分の突入電流が流れてしまうことになる。このように、電源容量、電源電圧はユーザ毎に変わり、その環境に見合う設定を個別に実施することは困難である。

これに対して、本発明では、電源電圧が高いときはそこからΔＶだけ低い電圧、電源電圧が低いときはそこからΔＶだけ低い電圧といったように、基準電圧が動くのが特徴である。このように、交流電源電圧と母線電圧差によって電源陥没時の再突入電流が増すため、低電圧検出レベルを予め設定した直流母線の差分電圧まで降下すると低電圧検出し、充電用リレーを開放することで、交流電源電圧値に関係なく一定の電圧差に抑えることができ、その結果、電源陥没時の再突入電流を抑制することができる。
なお、本発明が特許文献１と異なる部分は、特許文献１のように低電圧検出基準レベルのばらつきを補正するものではなく、制御器８で検出した母線電圧を基準に、任意に設定した低電圧検出レベルを自動で変化させる制御を備えた部分である。
以上のように、本発明によれば、交流電源１が瞬時停電し、電源陥没が起きた場合、直流母線６の電圧を制御器８で検出し、規定のレベルまで直流母線電圧が下がった際に充電用リレー５を開放し、限流抵抗４を通じ平滑用コンデンサ７へ流れる再突入電流を抑制する回路が、省スペース、低コストで実現できる。

本発明に係るコンバータ装置の構成図である。 図１の制御器の構成の１例を示す構成図である。 本発明に係るコンバータ装置と従来装置の動作と抑制効果を示す図である。 従来のコンバータ装置の制御部分の構成図である。

符号の説明

１ 交流電源
２ コンタクタ
３ ダイオードブリッジ回路
４ 限流抵抗器
５ 充電用リレー
６ 直流母線
７ 平滑用コンデンサ
８ 制御器
８１ 直流母線電圧検出手段
８２ 差分電圧設定手段
８３ Ｖ１−ΔＶ演算手段
８４ 比較手段

Claims (3)

1. 外部から電源開閉器を介して入力された交流電圧を整流して直流電圧を直流母線に出力するダイオードブリッジ回路と、その出力波形を平滑化するため正負の直流母線間に接続された平滑用コンデンサと、前記ダイオードブリッジ回路と前記平滑用コンデンサの間に挿入された、前記平滑用コンデンサの初期充電時の突入電流を限流する限流抵抗器および該限流抵抗器に並列接続され前記限流抵抗器を開閉する充電用リレーから成る並列接続回路と、を有するコンバータ装置の瞬時停電保護方法において、
   前記母線電圧が予め設定した差分電圧値まで電圧が降下した場合に前記充電用リレーを開放し、前記限流抵抗器を通じて前記平滑コンデンサへ充電することにより、瞬時停電時の再突入電流を抑制することを特徴とするコンバータ装置の瞬時停電保護方法。
2. 外部から電源開閉器を介して入力された交流電圧を整流して直流電圧を直流母線に出力するダイオードブリッジ回路と、その出力波形を平滑化するため正負の直流母線間に接続された平滑用コンデンサと、前記ダイオードブリッジ回路と前記平滑用コンデンサの間に挿入された、前記平滑用コンデンサの初期充電時の突入電流を限流する限流抵抗器および該限流抵抗器に並列接続され前記限流抵抗器を開閉する充電用リレーから成る並列接続回路と、を有するコンバータ装置において、
   前記母線電圧が予め設定した差分電圧値まで電圧が降下した場合に前記充電用リレーを開放する出力を出す制御器を備えたことを特徴とする瞬時停電保護回路付きコンバータ装置。
3. 前記制御器が、前記直流母線電圧を検出する直流母線電圧検出手段と、差分電圧ΔＶを設定する差分電圧設定手段と、前記直流母線電圧検出手段のある時点の検出電圧Ｖ１から前記差分電圧設定手段の設定した差分電圧ΔＶとの差「Ｖ１−ΔＶ」を演算する演算手段と、当該演算値「Ｖ１−ΔＶ」と前記検出時点以降の直流母線電圧検出手段の検出した検出電圧Ｖ２とを比較し、前記検出電圧Ｖ２が前記演算値以下になった（Ｖ２≦（Ｖ１−ΔＶ））ときに前記出力を出す比較手段とから構成されることを特徴とする請求項２記載の瞬時停電保護回路付きコンバータ装置。
   

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