JP2007202358A - 直流電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高調波電流を低減すると共に、直流出力電圧変動の低減および入力力率変動の低減を可能とした直流電源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】三相交流電源１と、６個のダイオード３ｕ、３ｖ、３ｗ、３ｘ、３ｙ、３ｚで形成されたブリッジ整流回路３と、ブリッジ整流回路３の直流出力端に接続された電解コンデンサ４と、三相交流電源１とブリッジ整流回路３の各相の交流入力端との間に接続されたリアクトル２ｕ、２ｖ、２ｗと、ブリッジ整流回路３の各相の交流入力端とブリッジ整流回路３の直流出力端との間に接続されたコンデンサ７ｕ、７ｖ、７ｗと、コンデンサ７ｕ、７ｖ、７ｗとブリッジ整流回路３の直流出力端との間に接続された双方向性スイッチ６とを備えたことを特徴とする
【選択図】図１

Description

本発明は、三相交流電源を直流に変換すると共に、その三相交流電源に流れる高調波電流を低減し、入力力率の改善を図る直流電源装置に関するものである。

従来、高調波電流低減と入力力率改善を目的として三相交流を直流に変換する直流電源装置においては、スイッチング素子を用いないものとして図１５に示すように、単に交流側に３つのリアクトルと三角結線あるいは星型結線されたコンデンサを組み合わせたものを設ける方式が広く用いられてきた。この動作原理は、直流出力側の電解コンデンサに流れ込む電流の急峻な変化をリアクトルで抑えて高調波電流を低減し、このリアクトルによる電流位相遅れをコンデンサの電流位相進みの作用で相殺し、力率を改善するというものである。

しかし、このような回路方式（以下、コンデンサ交流側配置回路方式とする）では、重負荷時の直流出力電圧の低下が激しく、これを防止するためにはコンデンサのキャパシタンスを大きくする必要があり、そうすると力率改善効果を保つためにはリアクトルのインダクタンスも大きくしなければならず、装置全体が大型化してしまうという課題があった。

これに対して、コンデンサを直流側に配置して、同じコンデンサ容量でも重負荷時の直流電圧低下幅が小さくなる回路方式（以下、コンデンサ直流側配置回路方式とする）が考案されてきた（例えば、特許文献１参照）。

このような直流電源装置としては、図１５に示すように、三相交流電源１００の各相に接続されるリアクトル２００ｕ、２００ｖ、２００ｗと、６つのダイオード３００ｕ、３００ｖ、３００ｗ、３００ｘ、３００ｙ、３００ｚで形成されるブリッジ整流回路３００と、ブリッジ整流回路３００の各交流入力端と直流出力の正極端との間に設けたコンデンサ７００ｕ、７００ｖ、７００ｗと、直流出力端に接続された直流リアクトル１３０と、電解コンデンサ４００から構成したものがある。
特開２００２−３６９５３０号公報

しかしながら、従来のコンデンサ交流側配置回路方式の直流電源装置の構成では、重負荷時の直流出力電圧低下が問題となり、一方、コンデンサ直流側配置回路方式の直流電源装置の構成では、重負荷時の直流出力電圧低下について効果的ではあるが、軽負荷時の直流出力電圧上昇、力率悪化といった課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高調波電流を低減すると共に、直流出力電圧変動の低減および入力力率変動の低減を可能とした直流電源装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の直流電源装置は、三相交流電源と、６個のダイオードで形成されたブリッジ整流回路と、ブリッジ整流回路の直流出力端に接続された電解コンデンサと、三相交流電源とブリッジ整流回路の各相の交流入力端との間に接続されたリアクトルと、ブリッジ整流回路の各相の交流入力端とブリッジ整流回路の直流出
力端との間に接続されたコンデンサと、前記コンデンサと前記ブリッジ整流回路の直流出力端との間に接続された双方向性スイッチとを備えたことを特徴とするものである。

これによって、重負荷時には双方向性スイッチをオンし、軽負荷時には双方向性スイッチをオフすることで、入力力率改善と高調波電流低減の効果を持ちながら、軽負荷時の直流電圧上昇と力率低下を防止することができる。

本発明は、高調波電流を低減すると共に、直流出力電圧変動の低減および入力力率変動の低減を可能とした直流電源装置を提供することができる。

第１の発明の直流電源装置は、三相交流電源と、６個のダイオードで形成されたブリッジ整流回路と、ブリッジ整流回路の直流出力端に接続された電解コンデンサと、三相交流電源とブリッジ整流回路の各相の交流入力端との間に接続されたリアクトルと、ブリッジ整流回路の各相の交流入力端とブリッジ整流回路の直流出力端との間に接続されたコンデンサと、前記コンデンサと前記ブリッジ整流回路の直流出力端との間に接続された双方向性スイッチとを備えたことにより、高調波電流低減と入力力率の改善が可能であるとともに、重負荷時に双方向性スイッチをオンして、軽負荷時にオフすることで、直流出力電圧の変動幅と入力力率の変動幅を小さくすることができる。

第２の発明の直流電源装置は、特に第１の発明において、ブリッジ整流回路の各相の交流入力端とコンデンサとの間に、第２の双方向性スイッチを備えたことにより、さらなる効果として、負荷が更に軽くなって無負荷に近い状態となった場合に、常時オンしていた第２の双方向性スイッチをオフすることで直流出力電圧の上昇を防止することが可能となる。

第３の発明の直流電源装置は、特に第１または第２の発明において、ブリッジ整流回路の直流出力電圧を検出するための直流電圧検出手段と、双方向性スイッチ制御手段とを備え、前記直流電圧検出手段の検出値に基づいて、前記双方向性スイッチ制御手段で、双方向性スイッチ、もしくは双方向性スイッチと第２の双方向性スイッチを制御することにより、双方向性スイッチ、あるいは双方向性スイッチと第２の双方向性スイッチの操作を自動制御することができるようになる。

第４の発明の直流電源装置は、特に第１または第２の発明において、負荷電流を検出するための負荷電流検出手段と、双方向性スイッチ制御手段とを備え、前記負荷電流検出手段の検出値に基づいて、前記双方向性スイッチ制御手段で、双方向性スイッチ、もしくは双方向性スイッチと第２の双方向性スイッチを制御することにより、双方向性スイッチ、あるいは双方向性スイッチと第２の双方向性スイッチの操作を自動制御することができるようになる。

第５の発明の直流電源装置は、特に第１または第２の発明において、三相交流電源からの入力電流を検出するための入力電流検出手段と、双方向性スイッチ制御手段とを備え、前記入力電流検出手段の検出値に基づいて、前記双方向性スイッチ制御手段で、双方向性スイッチ、もしくは双方向性スイッチと第２の双方向性スイッチを制御することにより、双方向性スイッチ、あるいは双方向性スイッチと第２の双方向性スイッチの操作を自動制御することができるようになる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における直流電源装置の回路図である。図１において、三相交流電源１のｕ、ｖ、ｗの各相は、リアクトル２ｕ、２ｖ、２ｗを介してダイオード３ｕ、３ｖ、３ｗ、３ｘ、３ｙ、３ｚより構成されるブリッジ回路３の入力端子に接続される。ここでブリッジ整流回路３のｕ相に対応する交流入力端子をＤｕ、ｖ相に対応する交流入力端子をＤｖ、ｗ相に対応する交流入力端子をＤｗとする。そして電解コンデンサ４は、ブリッジ整流回路３の正極出力と負極出力の間に接続され、負荷５は電解コンデンサ４に並列に接続される。またコンデンサ７ｕ、７ｖ、７ｗはそれぞれブリッジ整流回路３のＤｕ、Ｄｖ、Ｄｗに一端を接続した星型結線として接続される。星型結線として接続されたコンデンサ７ｕ、７ｖ、７ｗのもう一端と、ブリッジ整流回路の負極出力の間に双方向性スイッチ６は接続される。

以上の構成において、図１から図４を用いて、以下その動作、作用を説明する。まず入力力率改善と高調波電流低減の動作、作用についてであるが、図１において、双方向性スイッチ６がオフの状態は、従来のコンデンサ交流側配置方式の直流電源装置と回路的に等価であり、リアクトル２ｕ、２ｖ、２ｗの作用によって、高調波電流を低減すると共に、コンデンサ７ｕ、７ｖ、７ｗによって高力率化を図る動作については広く知られた慣用技術であり、詳細な説明は省く。また、双方向性スイッチ６がオンの状態は、従来のコンデンサ直流側配置方式の直流電源装置と、コンデンサ７ｕ、７ｖ、７ｗの接続点がブリッジ整流回路の正極出力から負極出力に変更された回路となり、高調波電流低減や入力力率改善の動作、作用については同様であるため、詳細な説明は省く。

次に、本実施の形態における直流出力電圧の変動と入力力率の変動の抑制について説明する。そのために、まず従来の直流電源装置の特性から説明する。図２（ａ）は従来のコンデンサ交流側配置方式の直流電源装置における入力電力と直流出力電圧、および入力電力と入力力率の特性をシミュレーションで求めた結果のグラフである。また、図２（ｂ）は同様にコンデンサ直流側配置方式の直流電源装置におけるシミュレーション結果グラフである。そして、このときのシミュレーション条件は、入力三相４００ｖ、５０Ｈｚ、リアクトル２ｕ、２ｖ、２ｗのインダクタンス３０ｍＨ、コンデンサ７ｕ、７ｖ、７ｗの容量２０ｕＦとしている。

図２（ａ）と図２（ｂ）とを比較すると分かるように、コンデンサ交流側配置方式の直流電源装置では、軽負荷時の直流出力電圧上昇が小さく、具体的には、入力電力１００Ｗで直流出力電圧は５７０Ｖとなっている。これに対して、重負荷時の入力力率低下は大きく、具体的には入力電力１０ｋＷ弱で８８．１％となっている。

一方、コンデンサ直流側配置方式の直流電源装置では、軽負荷時の直流出力電圧上昇が大きく、入力電力１００Ｗ時で直流出力電圧６５０Ｖまで上昇しているが、重負荷時の入力力率低下は小さく、入力電力１０ｋＷ弱で９５．６％となっている。

以上のように、直流電源装置ではコンデンサの配置によって相反する特性を持つことから、本実施の形態における直流電源装置では、双方向性スイッチ６をオン・オフすることで直流出力電圧と入力力率の特性の改善を図るものである。つまり軽負荷時には、双方向性スイッチ６をオフすることによって直流出力電圧の上昇を防止するとともに、入力力率の低下を改善し、重負荷時には双方向性スイッチ６をオンすることにより、直流出力電圧の低下を防止すると共に、入力力率の低下も防止するものである。

図３は、本実施の形態における直流電源装置の入力電力と直流出力電圧および入力力率の特性をシミュレーションした図である。図３において、入力電力４ｋＷ以上で、双方向
性スイッチ６をオンした場合のグラフである。グラフより本実施の形態における直流電源装置では、直流出力電圧の変動を１００Ｗから１０ｋＷの間で５７０Ｖから５０７Ｖの範囲に抑えることが可能となっている。また、入力力率については、入力電力２ｋＷ以上で入力力率８０％以上を確保すると共に、入力電力１０ｋＷでも９５％以上を確保できている。なお、図４には本実施の形態における直流電源装置の入力電力に対する高調波電流の特性をグラフに示している。図４ではＩＥＣ高調波電流規制の規制値を１００％としてそれに対する比率を最も高い第５次高調波についてのみ示しているが、他の次数の高調波については、これ以上のマージンを確保できている。

このように、本実施の形態における直流電源装置においては、入力力率の改善と高調波電流の低減を図りつつ、直流出力電圧の変動と入力力率の変動を抑制することが可能となる。また、双方向性スイッチ６の動作は、単なる切り換えスイッチとしての動作であるから、従来の受動素子のみを用いた直流電源装置の特徴である低ノイズ、高効率といった特徴も生かすことが可能である。このように双方向性スイッチ６は、切り換え動作のみであることから、半導体素子でなくてもリレーなどの機械式接点で構成してもよい。

なお、本実施の形態では、双方向性スイッチ６をブリッジ整流回路３の負極出力に接続しているが、正極出力に接続するよう構成しても良い。

また、図５は本実施の形態においてスイッチ制御を直流電圧によって行う回路図である。図５において、双方向性スイッチ６のオン・オフを制御するためにブリッジ整流回路３の直流出力電圧を検出するための直流電圧検出手段８と、双方向性スイッチ制御手段９を設け、双方向性スイッチ制御手段９は双方向性スイッチ６がオンの状態である場合に、直流出力電圧が所定の値以上となれば双方向性スイッチ６をオフし、双方向性スイッチ６がオフの状態である場合に、直流出力電圧が所定の値以下になれば双方向性スイッチ６をオンするようにしてもよい。このような構成とすることで前述のような直流出力電圧の変動と入力力率の変動を抑制する効果を得るための双方向性スイッチ６のオン・オフを自動制御することが可能となる。

また、図６は本実施の形態においてスイッチ制御を負荷電流によって行う回路図である。図６において、双方向性スイッチ６のオン・オフの判断を負荷電流によって行うようにしてもよく、この場合は直流電圧検出手段８に代えて、負荷電流を検出するための負荷電流検出手段１０を制御する。

また、図７は本実施の形態においてスイッチ制御を入力電流によって行う回路図である。図７において、双方向性スイッチ６のオン・オフの判断を入力電流によって行うようにしてもよく、この場合は、直流電圧検出手段８に代えて入力電流を検出するための入力電流検出手段１１を設け、双方向性スイッチ制御手段９は入力電流に応じて双方向性スイッチ６のオン・オフを制御する。

（実施の形態２）
図８は、本発明の第２の実施の形態における直流電源装置の回路図である。図８において、本発明の第１の実施の形態における直流電源装置の回路図である図１に対し、ブリッジ整流回路３とコンデンサ７ｕ、７ｖ、７ｗとの間に３極構成の第２の双方向性スイッチ１２を設けた構成となっている。

本実施の形態においては、実施の形態１で示した場合と双方向性スイッチ６をオン・オフして直流出力電圧の変動と入力力率の変動の抑制を図る点については同様であり、双方向性スイッチ６をオン・オフする負荷条件よりもさらに軽負荷において第２の双方向性スイッチ１２をオン・オフする点で相違する。これは、図３で示した実施の形態１の入力電
力に対する入力力率が、従来のコンデンサ直流側配置方式の直流電源装置に比べて改善はされているものの、入力電力が２ｋWを下回るようなさらなる軽負荷となった場合に急激に低下することについての改善を目的とするものである。

つまり、定格電力に対して数十％未満の軽負荷状態が存在する、あるいは頻繁にそのような状態に入ることがある直流電源装置において、第２の双方向性スイッチ１２をオフすることによってそのような軽負荷時の入力力率の悪化を防止するものである。

図８において、第２の双方向性スイッチ１２をオフした場合は、単にリアクトル２ｕ、２ｖ、２ｗによって力率改善を図るのみの直流電源装置となるが、このようなリアクトル２ｕ、２ｖ、２ｗのみを用いた直流電源装置の入力電力に対する直流出力電圧および入力力率の関係を図９に示す。なお、この場合もシミュレーションによる計算結果を示したものであり、入力電圧３相４００Vの５０Hz、リアクトル２ｕ、２ｖ、２ｗのインダクタンスは３０ｍHであることについては図３のグラフと条件を揃えている。図９は、リアクトルのみで入力力率改善を図る直流電源装置の入力電力と直流出力電圧と入力力率のグラフである。図９から分かるように交流側のリアクトル２ｕ、２ｖ、２ｗのみで高調波電流低減と入力力率改善を図った場合には、負荷が重くなるにつれて急激に直流出力電圧が低下してしまい、直流電源装置としては非常に出力特性の悪いものとなってしまう。

しかし、一方で軽負荷領域に注目すると入力電力５００Wから２．４ｋWの範囲でも入力力率は９０％以上を確保できており、軽負荷域での入力力率改善には非常に有効であることが分かる。本実施の形態においては、このような軽負荷領域でのリアクトル２ｕ、２ｖ、２ｗのみによる入力力率改善の特長を生かし、入力力率が大きく低下するほどの軽負荷領域では第２の双方向性スイッチ１２をオフすることで特性の改善を可能とするものである。

図１０に入力電力４ｋＷ以下で双方向性スイッチ６をオフとし、さらに入力電力２．４ｋＷ以下で第２の双方向性スイッチ１２をオフした場合の入力電力に対する直流出力電圧および入力力率の関係を示す。当然のことながら、この場合もシミュレーションによる計算結果を示したものであり、入力電圧３相４００Vの５０Hz、リアクトル２ｕ、２ｖ、２ｗのインダクタンスは３０ｍH、コンデンサ７ｕ、７ｖ、７ｗの容量が２０ｕＦであることについては図３の特性グラフと同様である。

図１０から分かるように本実施の形態における直流電源装置では、入力力率は入力電力５００Ｗから１０ｋＷの全領域において９０％以上を確保することが出来ており、直流出力電圧の変動についても１００Ｗから１０ｋＷの間で５６４Ｖから５０７Ｖの範囲に押さえることが可能となっている。また、本実施の形態においてもＩＥＣ高調波電流規制は十分クリアすることができている。図１１には本実施の形態における直流電源装置の入力電力に対する第５次高調波電流の特性をグラフに示している。

このように本実施の形態における直流電源装置においては入力力率の改善と高調波電流の低減を１０％以下の軽負荷状態においても実現することが可能となる。また、双方向性スイッチ６と第２の双方向性スイッチ１２の動作は単なる切り替えスイッチとしての動作であるから、従来の受動素子のみを用いた直流電源装置の特徴である低ノイズ、高効率といった特徴も実施の形態１と同様、生かすことが可能である。

なお、図８では第２の双方向性スイッチ１２を３極構成としたが、双方向性スイッチ６がオフのときにのみ第２の双方向性スイッチ１２をオン・オフする場合にはコンデンサ７ｕ、７ｖ、７ｗのうち、任意の２つのコンデンサを切り離せばよいため２極構成とすることも可能である。

また、双方向性スイッチ６および双方向性スイッチ１２のオン・オフを制御するためにブリッジ整流回路３の直流出力電圧を検出するための直流電圧検出手段８と、双方向性スイッチ制御手段９を設け、双方向性スイッチ制御手段９は双方向性スイッチ６と第２の双方向性スイッチ１２がオンの状態である場合に、直流出力電圧が所定の値以上となれば双方向性スイッチ６をオフし、さらに双方向性スイッチ６がオフの状態で直流出力電圧が所定の値以上になれば第２の双方向性スイッチ１２をオフするようにしても良い。なお、双方向性スイッチ６と双方向性スイッチ１２の双方がオフの場合は、逆に直流出力電圧が低下するに従って、まず第２の双方向性スイッチ１２をオンとし、次いで双方向性スイッチ６をオンするようこのようにすればよい。

以上のような構成とすることで前述のような直流出力電圧の変動と入力力率の変動を抑制する効果を得るための双方向性スイッチ６と第２の双方向性スイッチ１２のオン・オフを自動制御することが可能となる。この場合の回路図を図１２に示す。

一方、双方向性スイッチ６と第２の双方向性スイッチ１２のオン・オフの判断を負荷電流によって行うようにしてもよく、この場合は直流電圧検出手段８に代えて負荷電流を検出するための負荷電流検出手段１０を設け、双方向性スイッチ制御手段９は負荷電流に応じて双方向性スイッチ６と第２の双方向性スイッチ１２のオン・オフを制御する。この場合の回路図を図１３に示す。

さらに、双方向性スイッチ６と双方向性スイッチ１２のオン・オフの判断を入力電流によって行うようにしてもよく、この場合は直流電圧検出手段８に代えて入力電流を検出するための入力電流検出手段１１を設け、双方向性スイッチ制御手段９は入力電流に応じて双方向性スイッチ６と第２の双方向性スイッチ１２のオン・オフを制御する。この場合の回路図を図１４に示す。

本発明にかかる直流電源装置は、三相交流電源の高調波電流を低減するとともに入力力率を改善することができるためインバータ回路への電力供給に用いることができ、具体的にはエアコンなどの圧縮機駆動装置の入力段回路として利用できる。

本発明の実施の形態１における直流電源装置の回路図 従来の直流電源装置における入力電力と直流出力電圧と入力力率の関係図 本発明の実施の形態１における入力電力と直流出力電圧と入力力率の関係図 本発明の実施の形態１における入力電力と高調波電流規制値比率の関係図 本発明の実施の形態１のスイッチの制御を直流電圧による場合の回路図 本発明の実施の形態１のスイッチの制御を負荷電流による場合の回路図 本発明の実施の形態１のスイッチの制御を入力電流による場合の回路図 本発明の実施の形態２における直流電源装置の回路図 リアクトルのみで入力力率改善を図る直流電源装置の入力電力と直流出力電圧と入力力率の関係図 本発明の実施の形態２における入力電力と直流出力電圧と入力力率の関係図 本発明の実施の形態２における入力電力と高調波電流規制値比率の関係図 本発明の実施の形態２のスイッチの制御を直流電圧による場合の回路図 本発明の実施の形態２のスイッチの制御を負荷電流による場合の回路図 本発明の実施の形態２のスイッチの制御を入力電流による場合の回路図 従来の直流電源装置の回路図

符号の説明

１ 三相交流電源
２ｕ、２ｖ、２ｗ リアクトル
３ ブリッジ整流回路
３ｕ、３ｖ、３ｗ、３ｘ、３ｙ、３ｚ ダイオード
４ 電解コンデンサ
５ 負荷
６ 双方向性スイッチ
７ｕ、７ｖ、７ｗ コンデンサ
８ 直流電圧検出手段
９ 双方向性スイッチ制御手段
１０ 負荷電流検出手段
１１ 入力電流検出手段
１２ 第２の双方向性スイッチ

Claims (5)

1. 三相交流電源と、６個のダイオードで形成されたブリッジ整流回路と、ブリッジ整流回路の直流出力端に接続された電解コンデンサと、三相交流電源とブリッジ整流回路の各相の交流入力端との間に接続されたリアクトルと、ブリッジ整流回路の各相の交流入力端とブリッジ整流回路の直流出力端との間に接続されたコンデンサと、前記コンデンサと前記ブリッジ整流回路の直流出力端との間に接続された双方向性スイッチとを備えたことを特徴とする直流電源装置。
2. ブリッジ整流回路の各相の交流入力端とコンデンサとの間に、第２の双方向性スイッチを備えたことを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
3. ブリッジ整流回路の直流出力電圧を検出するための直流電圧検出手段と、双方向性スイッチ制御手段とを備え、前記直流電圧検出手段の検出値に基づいて、前記双方向性スイッチ制御手段で、双方向性スイッチもしくは第２の双方向性スイッチを制御す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。
4. 負荷電流を検出するための負荷電流検出手段と、双方向性スイッチ制御手段とを備え、前記負荷電流検出手段の検出値に基づいて、前記双方向性スイッチ制御手段で、双方向性スイッチもしくは第２の双方向性スイッチを制御す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。
5. 三相交流電源からの入力電流を検出するための入力電流検出手段と、双方向性スイッチ制御手段とを備え、前記入力電流検出手段の検出値に基づいて、前記双方向性スイッチ制御手段で、双方向性スイッチもしくは第２の双方向性スイッチを制御す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。

Images