JP2008136316A - 電源装置の充電装置及び電源装置の充電方法 - Google Patents

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

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。

特開２００６−１２９５７１号公報

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。

実施の形態に係る電力変換装置の充電装置の概略構成図である。 限流用コンデンサを介した平滑コンデンサの充電電圧を示す図である。 限流用抵抗を介した平滑コンデンサの充電電圧を示す図である。 実施の形態に係る電力変換装置の充電装置の概略構成図である。 実施の形態に係る電力変換装置の充電装置の概略構成図である。 実施の形態に係る電力変換装置の充電装置の概略構成図である。

符号の説明

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

Claims (6)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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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