JP2008136316A - 電源装置の充電装置及び電源装置の充電方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】消費電力を低減する電力変換装置の充電装置を提供する。
【解決手段】電源装置(1)は、交流電源(E1)からの交流電圧を整流するダイオードブリッジ(11)と、当該ダイオードブリッジ(11)からの直流電圧を平滑する平滑コンデンサ(13)とを備えている。充電装置(2)は、交流電源(E1)と電源装置(1)の間で接続される限流用コンデンサ(22)と、限流用コンデンサ(22)を介して交流電源(E1)とダイオードブリッジ(11)とを接続する状態と、交流電源(E1)とダイオードブリッジ(11)とを限流用コンデンサ(22)を迂回して接続する状態とを選択するスイッチ部(21)とを備えている。スイッチ制御部3はスイッチ部(21)を制御して、限流用コンデンサ(22)を介して平滑コンデンサ(13)を充電する。限流コンデンサ(22)は等価直流抵抗分を除いて電力を消費しないので、限流抵抗を介して充電する場合と比べて消費電力を低減できる。
【選択図】図1
【解決手段】電源装置(1)は、交流電源(E1)からの交流電圧を整流するダイオードブリッジ(11)と、当該ダイオードブリッジ(11)からの直流電圧を平滑する平滑コンデンサ(13)とを備えている。充電装置(2)は、交流電源(E1)と電源装置(1)の間で接続される限流用コンデンサ(22)と、限流用コンデンサ(22)を介して交流電源(E1)とダイオードブリッジ(11)とを接続する状態と、交流電源(E1)とダイオードブリッジ(11)とを限流用コンデンサ(22)を迂回して接続する状態とを選択するスイッチ部(21)とを備えている。スイッチ制御部3はスイッチ部(21)を制御して、限流用コンデンサ(22)を介して平滑コンデンサ(13)を充電する。限流コンデンサ(22)は等価直流抵抗分を除いて電力を消費しないので、限流抵抗を介して充電する場合と比べて消費電力を低減できる。
【選択図】図1
Description
本発明は、電源装置の充電装置及び電源装置の充電方法に関する。
例えば、空気調和機に用いられるインバータは大容量の平滑コンデンサが用いられている。そのため、通常運転前に平滑コンデンサの充電動作が行われる。
このような平滑コンデンサの充電動作が特許文献1に開示されている。特許文献1に記載の初期充電装置は、交流電源と電力変換装置(整流回路と、平滑コンデンサとインバータから構成されている)との間で、電源スイッチ及び主電源変圧器が互いに直列接続され、該電源スイッチ及び該主電源変圧器の一組と並列に充電用変圧器と充電用スイッチと限流抵抗とを直列接続して構成されている。
そして、平滑コンデンサの初期充電において、電源スイッチをOFFし充電スイッチをONして、充電用変圧器と限流抵抗を介して平滑コンデンサの充電を行っている。
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、限流抵抗を介して平滑コンデンサに充電するので、平滑コンデンサの充電時に限流抵抗で消費電力が生じるという問題があった。
そこで、本発明は、消費電力を低減できる電源装置の充電装置を提供することを目的とする。
本発明に係る電源装置の充電装置の第1の態様は、交流電源(E1)からの交流電圧を整流して直流に変換する整流部(11)と、前記整流部からの直流電圧を平滑して負荷(14,M1)に供給する平滑コンデンサ(13)とを有する電源装置(1)の充電装置(2)であって、前記交流電源と前記整流部の間で接続される限流用コンデンサ(22)と、前記限流用コンデンサを介して前記交流電源と前記整流部とを接続する状態と、前記交流電源と前記整流部とを前記限流用コンデンサを迂回して接続する状態とを選択するスイッチ部(21)とを備える。
本発明に係る電源装置の充電装置の第2の態様は、第1の態様に係る電源装置の充電装置であって、前記負荷は空気調和機に用いられる圧縮機駆動用モータ(M1)に交流電流を供給するインバータ(14)である。
本発明に係る電源装置の充電装置の第3の態様は、第1又は第2の態様に係る電源装置の充電装置であって、前記スイッチ部は、前記交流電源と前記整流部との間を接続する出力線(R,S,T)の一つに設けられた電源用スイッチ(SW1)と、前記出力線の一つから分岐し、前記電源用スイッチを迂回して再び前記出力線の一つと合流しており、前記限流用コンデンサが設けられたライン(23)と、前記ライン上で前記限流用コンデンサと直列に接続された限流用スイッチ(SW2)とを備える。
本発明に係る電源装置の充電装置の第4の態様は、第1又は第2の態様に係る電源装置の充電装置であって、前記交流電源は中性点(P1)を有する多相交流電源であり、前記平滑コンデンサは、前記整流部の出力側で直列に接続された第1平滑コンデンサ(13a)及び第2平滑コンデンサ(13b)から構成されており、前記限流用コンデンサは、前記中性点と、前記第1平滑コンデンサ及び第2平滑コンデンサの接続点(P2)との間で、且つ前記整流部とは反対側で接続されており、前記スイッチ部は、前記中性点を通らずに前記交流電源と前記整流部の入力側との間を接続する出力線の一つに設けられた電源用スイッチ(SW1)と、前記中性点と前記接続点との間で前記限流用コンデンサと直列に接続された限流用スイッチとを備える。
本発明に係る電源装置の充電方法の第1の態様は、交流電源(E1)からの交流電圧を整流して直流に変換する整流部(11)と、前記整流部からの直流電圧を平滑して負荷(14,M1)に供給する平滑コンデンサ(13)とを有する電源装置(1)の充電方法であって、前記交流電源を前記負荷に供給するのに先立って、前記交流電源と前記整流部とを接続する出力線(R,S,T)の一つに接続された限流用コンデンサ(22)を介して前記平滑コンデンサを充電する。
本発明に係る電源装置の充電方法の第2の態様は、第1の態様に係る電源装置の充電方法であって、前記負荷は空気調和機に用いられる圧縮機駆動用モータ(M1)に交流電流を供給するインバータ(14)である。
本発明に係る電源装置の充電装置の第1の態様及び電源装置の充電方法の第1の態様によれば、例えば、整流部と負荷の間において短絡が発生して、限流用コンデンサに電流が長時間流れ続けた場合であっても、当該限流用コンデンサは抵抗分が小さいため、不要な消費電力を低減することができる。
空気調和機に用いられるインバータはその容量が大きいため、大容量の平滑コンデンサが用いられる。従って、本発明に係る電源装置の充電装置の第2の態様及び電源装置の充電方法の第2の態様によれば、限流用コンデンサに流れる積算電流値が大きくなるため、限流用抵抗を介して平滑コンデンサの充電動作を行う場合と比較して、消費電力の低減効果が大きい。
本発明に係る電源装置の充電装置の第3及び第4の態様によれば、第1の態様に係る電源装置の充電装置の実現に寄与する。
本発明に係る電源装置の充電装置を用いたモータ駆動装置の概略構成図を図1に示す。モータ駆動装置は、電源装置1と、充電装置2と、インバータ14と、交流電源E1と、モータM1と、スイッチ制御部3とを備えている。本モータ駆動装置は一例として空気調和機における圧縮機を駆動する。
交流電源E1は各出力線R,S,Tのそれぞれの出力線間に交流電圧を供給する。
充電装置2は、スイッチ部21と、限流用コンデンサ22とを備えている。スイッチ部21は限流用コンデンサ22を介して交流電源E1と電源装置1とを接続する状態と、交流電源E1と電源装置1とを限流用コンデンサ22を迂回して接続する状態とを選択する。具体的に、スイッチ部21は、電源スイッチSW1,SW1と、ライン23と、限流用スイッチSW2とを備えている。2つの電源スイッチSW1,SW1はそれぞれ出力線R,T上に接続されており、交流電源E1と電源装置1との接続/非接続を選択する。なお、2つの電源スイッチSW1,SW1は出力線R,S,Tのいずれか2つの出力線上にそれぞれ接続されていればよい。
ライン23は出力線Rから分岐して電源スイッチSW1を迂回して再び出力線Rに合流している。なお、ライン23は出力線Rに限らず、電源スイッチSW1が設けられた出力線のいずれかから分岐、合流していてもよい。
限流用コンデンサ22はライン23上に接続されている。限流用スイッチSW2はライン23上で限流用コンデンサ22と直列に接続されており、限流用コンデンサ22を介した交流電源E1と電源装置1との接続/非接続を選択する。
電源装置1は、ダイオードブリッジ11と、リアクトル12と、平滑コンデンサ13と、高電位線15aと、低電位線15bとを備えている。
ダイオードブリッジ11は、ダイオードD1〜D6を備えている。ダイオードD1のアノードとダイオードD2のカソードが接続され、ダイオードD3のアノードとダイオードD4のカソードが接続され、ダイオードD5のアノードとダイオードD6のカソードが接続されて、それぞれの接続点で交流電源E1の出力線R,S,Tと接続されている。ダイオードD1,D3,D5の各カソードが高電位線15aと接続され、ダイオードD2,D4,D6の各アノードが低電位線15bと接続されている。
そして、ダイオードブリッジ11は交流電源E1からの交流電圧を全波整流して直流電圧に変換し、高電位線15a及び低電位線15b間に出力する。
リアクトル12は高電位線15a上に接続されており、ダイオードブリッジ11からの直流電圧のリップルを低減する。
平滑コンデンサ13はリアクトル12の後段にあって、一端が高電位線15aと接続され、他端が低電位線15bと接続されており、ダイオードブリッジ11からの直流電圧を平滑する。
インバータ14は平滑コンデンサ13からの直流電圧を高電位線15a及び低電位線15bを介して受け取って、任意の交流電圧に変換してモータM1に供給する。
モータM1は、インバータ14から供給される交流電流に応じて、空気調和機に用いられる圧縮機を駆動する圧縮機駆動用モータである。
スイッチ制御部3は、電源スイッチSW1,SW1及び限流用スイッチSW2のON/OFFを制御する。
続いて、本発明に係る充電装置を用いた平滑コンデンサの充電動作について述べる。
スイッチ制御部3は電源スイッチSW1をONして電源を投入するのに先立って限流用スイッチSW2をONする。すると、出力線R,ライン23,限流用スイッチSW2,限流用コンデンサ22から成る直列回路と、出力線Sとの間に交流電流が流れ、ダイオードブリッジ11を介して当該交流電流が直流電流に変換される。そして、当該直流電流がリアクトル12,平滑コンデンサ13に流れ、平滑コンデンサ13が充電される。
図2は平滑コンデンサの充電電圧の一例を示す図である。図2(a)は平滑コンデンサの充電電圧を示す図であり、図2(b)は限流用コンデンサ22に流れる電流を示す図であり、図2(c)はスイッチ制御部3が限流用スイッチSW2へ出力するスイッチ信号を示す図である。なお、図2は、限流用コンデンサ22の容量10μF、リアクトル12のインダクタンス1.7mH、平滑コンデンサ13の容量1680μFでの値である。
時刻t=1sにてスイッチ制御部3がスイッチ信号を限流用スイッチSW2に出力する(図2(c)参照)と、限流用スイッチSW2がONして、限流用コンデンサ22に電流が流れ(図2(b)参照)、当該限流用コンデンサ22を介して平滑コンデンサ13に電荷が蓄積される(図3(a)参照)。このとき、限流用コンデンサ22の容量、リアクトル12のインダクタンス、平滑コンデンサ13の容量に基づいた時定数で平滑コンデンサ13の両端電圧(充電電圧)が上昇する。
そして、限流用スイッチSW2をONした時点(時刻t=1s)から、平滑コンデンサ13を充電するのに十分な時間(例えば図2においては、8秒)が経過すると、スイッチ制御部3は限流用スイッチSW2をOFFし、速やかに電源スイッチSW1,SW1をONしてインバータ14に電源を供給する。従って、平滑コンデンサ13に十分蓄電された後、通常運転が開始される。なお、スイッチ制御部3は、例えば平滑コンデンサ13の両端電圧を検知して、当該電圧が所望の値を超えたときに、限流用スイッチSW2をOFFし、速やかに電源スイッチSW1,SW1をONしてもよい。
ここで、比較のために、限流用コンデンサ22の替わりに限流用抵抗を用いたときの平滑コンデンサ13の充電電圧を図3に示す。図3(a)は平滑コンデンサ13の両端電圧を示す図であり、図3(b)は限流用抵抗に流れる電流を示す図であり、図3(c)は限流用スイッチSW2へのスイッチ信号を示す図である。なお、図3は限流用抵抗の抵抗値180Ω、リアクトル12のインダクタンス1.7mH、平滑コンデンサ13の容量1680μFでの値である。
時刻t=1sで限流用スイッチSW2がONする(図3(c)参照)と、限流用抵抗に電流が流れ(図3(b)参照)、当該限流抵抗を介して平滑コンデンサ13に電荷が蓄積される(図3(a)参照)。図3(b)に示すように、平滑コンデンサ13が充電される間では、限流抵抗に電流が流れ続けている。このとき、限流抵抗は当該電流値と抵抗値180Ωとに基づいて電力が消費される。
一方、図2(b)に示すように、平滑コンデンサ13が充電される間では限流用コンデンサ22に電流が流れ続けているが、限流用コンデンサ22は自身の等価直流抵抗分を除いて原理的に電力を消費しない。従って、限流用抵抗を用いて平滑コンデンサ13を充電する場合と比べて、消費電力を低減することができる。
また、平滑コンデンサ13の容量が大きくなるほど、充電に要する時間が長くなったり、限流用コンデンサ22(限流用抵抗)に流れる電流が大きくなってしまう。従って、平滑コンデンサ13の容量が大きくなるほど、限流用コンデンサ22を介して平滑コンデンサ13を充電するときの消費電力の低減効果が大きくなる。
なお、本発明の充電装置を、空気調和機に用いる圧縮機駆動用モータM1に交流電流を供給するインバータ14に対する電源装置1の充電装置2として説明したが、これに限定されない。但し、空気調和機に用いられるインバータの容量は一般的に大きいので、電源装置1には大容量の平滑コンデンサ13が設けられる。従って、この場合は本発明による消費電力の低減効果が大きい。
なお、交流電源E1は、中性点P1を有する3相交流電源であってもよい。この場合の電源装置の充電装置を用いたモータ駆動装置を図4に示す。なお、同一符号は、同一又は相当部分を示し、重畳する説明は省略する。
図1に示すモータ駆動装置と比較して、平滑コンデンサ13がダイオードブリッジ11の出力側で直列接続された平滑コンデンサ13a,13bから構成されている。限流用コンデンサ22は、中性点P1と、平滑コンデンサ13a,13bの接続点P2との間に、ダイオードブリッジ11とは反対側で接続されている。限流用スイッチSW2は、中性点P1と接続点P2との間で限流用コンデンサ22と直列に接続されている。
そして、スイッチ制御部3は、電源スイッチSW1をONして電源を投入するのに先立って、限流用スイッチSW2をONする。すると、交流電源E1、出力線S、ダイオードD3,D4、平滑コンデンサ13a、13b、限流用コンデンサ22、限流用スイッチSW2とから成る閉回路に電流が流れ、平滑コンデンサ13a,13bに電圧が充電される。この場合であっても、限流用コンデンサ22を介して充電が行われるため、消費電力を低減することができる。
また、交流電源E1は、例えば図5,6に示すように単相交流電源であっても構わない。図5に示すモータ駆動装置においては、ダイオードブリッジ11が4つのダイオードD1〜D4により構成される。そして、電源スイッチSW1が交流電源E1の出力線の一つに接続される。その他は、図1に示すモータ駆動装置と同一構成である。
図6は、図4のモータ駆動装置と比較して、平滑コンデンサ13a,13bが、ダイオードブリッジ11の出力側であって、高電位線15a、低電位線15b間で直列接続されている。そして、直列接続された平滑コンデンサ13a,13bが平滑コンデンサ13と並列に接続されている。
また、平滑コンデンサ13a,13bの接続点P2と単相交流電源E1との間で力率改善用スイッチSW3が接続されている。この力率改善用スイッチSW3を所定のタイミングで制御することで力率を改善することができる。
図4,5に示すモータ駆動装置のいずれにおいても、電源スイッチSW1をONして電源を投入するのに先立って、限流用スイッチSW2をONし、限流用コンデンサを介して平滑コンデンサ13(又は平滑コンデンサ13,13a,13b)を充電することで、消費電力を低減することができる。
1 電源装置
2 充電装置
11 ダイオードブリッジ
13,13a〜13b 平滑コンデンサ
14 インバータ
21 スイッチ部
22 限流用コンデンサ
23 ライン
E1 交流電源
P1 中性点
P2 接続点
SW1 電源スイッチ
SW2 限流用スイッチ
2 充電装置
11 ダイオードブリッジ
13,13a〜13b 平滑コンデンサ
14 インバータ
21 スイッチ部
22 限流用コンデンサ
23 ライン
E1 交流電源
P1 中性点
P2 接続点
SW1 電源スイッチ
SW2 限流用スイッチ
Claims (6)
- 交流電源(E1)からの交流電圧を整流して直流に変換する整流部(11)と、
前記整流部からの直流電圧を平滑して負荷(14,M1)に供給する平滑コンデンサ(13)とを有する電源装置(1)の充電装置(2)であって、
前記交流電源と前記整流部の間で接続される限流用コンデンサ(22)と、
前記限流用コンデンサを介して前記交流電源と前記整流部とを接続する状態と、前記交流電源と前記整流部とを前記限流用コンデンサを迂回して接続する状態とを選択するスイッチ部(21)と
を備える、電源装置の充電装置。 - 前記負荷は空気調和機に用いられる圧縮機駆動用モータ(M1)に交流電流を供給するインバータ(14)である、請求項1に記載の電源装置の充電装置。
- 前記スイッチ部は、
前記交流電源と前記整流部の入力側との間を接続する出力線(R,S,T)の一つに設けられた電源用スイッチ(SW1)と、
前記出力線の一つから分岐し、前記電源用スイッチを迂回して再び前記出力線の一つと合流しており、前記限流用コンデンサが設けられたライン(23)と、
前記ライン上で前記限流用コンデンサと直列に接続された限流用スイッチ(SW2)と
を備える、請求項1又は2に記載の電源装置の充電装置。 - 前記交流電源は中性点(P1)を有する多相交流電源であり、
前記平滑コンデンサは、前記整流部の出力側で直列に接続された第1平滑コンデンサ(13a)及び第2平滑コンデンサ(13b)から構成されており、
前記限流用コンデンサは、前記中性点と、前記第1平滑コンデンサ及び第2平滑コンデンサの接続点(P2)との間で、且つ前記整流部とは反対側で接続されており、
前記スイッチ部は、
前記中性点を通らずに前記交流電源と前記整流部の入力側との間を接続する出力線の一つに設けられた電源用スイッチ(SW1)と、
前記中性点と前記接続点との間で前記限流用コンデンサと直列に接続された限流用スイッチと
を備える、請求項1又は2に記載の電源装置の充電装置。 - 交流電源(E1)からの交流電圧を整流して直流に変換する整流部(11)と、前記整流部からの直流電圧を平滑して負荷(14,M1)に供給する平滑コンデンサ(13)とを有する電源装置(1)の充電方法であって、
前記交流電源を前記負荷に供給するのに先立って、前記交流電源と前記整流部とを接続する出力線(R,S,T)の一つに接続された限流用コンデンサ(22)を介して前記平滑コンデンサを充電する、電源装置の充電方法。 - 前記負荷は空気調和機に用いられる圧縮機駆動用モータ(M1)に交流電流を供給するインバータ(14)である、請求項5に記載の電源装置の充電方法。
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