JP2008206261A - 直流電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】三相交流を直流に変換した場合に所望の力率を確保できると共に、単相交流を直流に変換した場合でも、所望の力率を得ることができるだけでなく、所望の直流出力電圧を確保することが可能な直流電源装置を提供する。
【解決手段】交流電源からの交流を直流に変換する直流電源装置１００は、三相全波整流型整流器１０と、整流器１０の出力側と負荷回路Ｌｏ及び第１キャパシタＣｄとの間を接続する出力ライン１２ａに介挿される第１インダクタＬｄとを備え、交流電源の電圧実効値をＶｓ［Ｖ］、交流電源の周波数をｆｓ［Ｈｚ］、変換電力をＰｃ［Ｗ］とすると、第１インダクタの値Ｌｄ［ｍＨ］は、Ｌｄ≧４．５×Ｖｓ²／（Ｐｃ×ｆｓ）の関係を満たすように設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、交流を直流に変換する直流電源装置に関する。

単相交流を直流に変換する従来の直流電源装置として、例えば、下記特許文献１の図１から図４に記載の如く、単相全波整流型整流器２０の出力側において負荷６０に対して並列に接続されたインダクタ３１及びキャパシタ３２からなる直列の第１回路３０と、第１回路３０より負荷６０側において整流器２０の出力ラインに介挿されたインダクタ４１及びダイオード４２からなる直列の第２回路４０と、第２回路４０よりも負荷６０側において該負荷６０に対して並列に接続されたキャパシタ５１とを備えた単相交流用の直流電源装置が提案されている。また、下記特許文献２の図４に記載の如く、単相交流電源ＰＳに至る経路の一方に介在し且つリアクタンス特性が相互に異なる二つの２端子回路Ｎ１，Ｎ２と、２つのダイオード（Ｄ₁，Ｄ₂），（Ｄ₅，Ｄ₆），（Ｄ₃，Ｄ₄）をそれぞれ直列に接続した３対のダイオード直列回路ＢＤ１，ＢＤ２，ＢＤｂを互いに並列に接続した整流器ＢＤとを有し、二つの２端子回路Ｎ１，Ｎ２の一方の各端子を前記経路の電源ＰＳ側にそれぞれ接続し、他方の各端子を、整流器ＢＤにおける３対のダイオード直列回路ＢＤ１，ＢＤ２，ＢＤｂのうち、２対の回路ＢＤ１，ＢＤ２における２つのダイオード間（Ｄ₁，Ｄ₂），（Ｄ₅，Ｄ₆）に個別に接続した単相交流用の直流電源装置も提案されている。
特許第３１６９５０４号公報 特開平４−３５９６７４号公報

このように、従来の直流電源装置では、単相交流を直流に変換する場合には単相交流用の直流電源装置が用いられ、三相交流を直流に変換する場合は三相交流用の直流電源装置が用いられる。しかし、現在部品管理および製造コストの低減という観点から、単相交流及び三相交流の双方に対応可能な直流電源装置が求められている。

しかし、単相交流及び三相交流の双方に対応可能な直流電源装置を提案するには次のような問題がある。

一般的に、単相交流を直流に変換する場合には、三相交流を直流に変換する場合に比べ、直流出力電圧が低下傾向にある。従って、負荷としてモータ等の電気機器を単相交流及び三相交流で共用する場合（換言すれば、単相交流電源と三相交流電源との双方で作動させる場合）において、この電気機器として単相交流の場合の直流出力電圧に合わせた低い電圧定格のものを用いると共に、直流出力電圧が三相交流の場合より低い分、該電気機器の電流容量（電流定格）を大きくする必要があり、それだけ、該電気機器の大型化且つ高コスト化を招くだけでなく、効率も悪化する。

一方、交流電源から直流に変換する直流電源装置として、エネルギー損失を低減させるという観点から、高力率のものが要求されている。例えば、官庁等の公共施設や病院等の公共性の高い施設において、直流電源装置を用いる場合、力率が９０％以上をクリアすることが求められている。

ところが、直流電源装置を高力率のものにすると、特に、電源として単相交流の使用も視野に入れる場合において、直流出力電圧が低下し易く、前記した不都合、即ち、負荷である電気機器の大型化や高コスト化及び効率の悪化といった不都合が顕著になる。

この点、特許文献１の図１に記載のように整流器の出力側にキャパシタ等の回路素子を設け、その回路定数の最適化を図る回路構成では、力率を改善できるものの、該整流器の出力側に設けるキャパシタとして、電圧定格の比較的大きいものを選定する必要があり、それだけコストが高くつく。

また、前記特許文献２の図４に示す直流電源回路は、単相交流のみを対象にしており三相交流には対応していない。したがって、三相交流を直流に変換する場合には、力率の著しい低下を招く。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、三相交流を直流に変換した場合に所望の力率を確保できると共に、単相交流を直流に変換した場合でも、所望の力率を得ることができるだけでなく、所望の直流出力電圧を確保することが可能な直流電源装置を提供することを目的とする。

本発明者は知見により、次のことを見出した。即ち２つのダイオードをそれぞれ直列に接続した３対のダイオード直列回路を互いに並列に接続した整流器と、前記整流器の出力側と前記整流器の出力側に設けられる負荷及び前記負荷に対して並列に接続される第１キャパシタとの間を接続する出力ラインに介挿される第１インダクタとを備え、交流を直流に変換する直流電源装置においては、（ａ）所望の力率を確保するために必要な前記第１インダクタの値は、前記交流電源の電圧実効値の２乗に比例し、前記変換電力及び前記交流電源の周波数に反比例する特性がある。

また、前記直流電源装置においては、例えば、前記整流器における前記３対のダイオード直列回路の２つのダイオード間に、それぞれ、三相交流電源からの入力ラインが接続されることで、前記交流電源として三相交流電源を適用することができる。このように、三相交流を直流に変換する場合には、（ｂ）前記第１インダクタの値が大きくなるに従い力率が向上する特性がある。

そして、前記（ａ）及び（ｂ）の知見によって、前記交流電源の電圧実効値をＶｓ［Ｖ］、前記交流電源の周波数をｆｓ［Ｈｚ］、前記変換電力をＰｃ［Ｗ］とすると、前記第１インダクタの値Ｌｄ［ｍＨ］は、

の式において、

の場合に、前記変換電力Ｐｃ［Ｗ］以上において所望の力率（例えば９０％）以上を得ることができることを導き出した。

さらに、前記直流電源装置において、例えば、前記整流器における前記３対のダイオード直列回路のうち、１対の回路における２つのダイオード間と前記交流電源との間に、第２キャパシタＣｕ及び第２インダクタＬｕを直列に接続してなるＣｕ−Ｌｕ回路を接続し、前記整流器における前記３対のダイオード直列回路のうち、他の１対の回路における２つのダイオード間と前記交流電源との間に、第３インダクタＬｖからなるＬｖ回路を接続することで、前記交流電源として単相交流電源を適用することができる。このように、単相交流を直流に変換する場合には、（ｃ）前記第２キャパシタＣｕの値は、前記変換電力に比例し、前記交流電源の電圧実効値の２乗に反比例する特性がある。（ｅ）前記第３インダクタＬｖの値は、前記交流電源の電圧実効値の２乗に比例し、前記変換電力に反比例する特性がある。また、（ｄ）前記第２インダクタの値Ｌｕは、前記第２キャパシタＬｕとの直列の共振回路として共振周波数ｆｏ

から得られる

によって算出することができる。さらに、（ｆ）前記第２キャパシタＣｕ、前記第２インダクタＬｕ及び前記第３インダクタＬｖの値が、それぞれ、所定の範囲にある場合に所望の力率を得ることができると共に、所望の直流出力電圧を確保することが可能となる。

そして、前記（ｃ）及び（ｆ）の知見によって、前記第２キャパシタの値Ｃｕ［μＦ］は、

の式において、

の場合、つまり

の−１５％から+１０％の範囲内であることが導き出された。

また、前記（ｄ）及び（ｆ）の知見によって、前記第２インダクタの値Ｌｕ［ｍＨ］は、

の式において、

の場合、つまり

の１／１．１０倍から１／０．８５倍の範囲内であることが導き出された。

さらに、前記（ｅ）及び（ｆ）の知見によって、前記第３インダクタの値Ｌｖ［ｍＨ］は、

の式において、

の場合、つまり

の１．００倍から４．５０倍の範囲内であることが導き出された。
このように、ｋ₂ 〜ｋ₄の各値を上記範囲に設定することで、前記変換電力Ｐｃ［Ｗ］以上において所望の力率（例えば９０％）以上を得ることができると共に、所望の直流出力電圧を確保できることが導き出された。

なお、前記第２インダクタの値Ｌｕ［ｍＨ］を設定する前記式中の共振周波数ｆｏ［Ｈｚ］に相当する１６５の値は、前記交流電源の周波数として一般に使用される５０Hz及び６０Hzをそれぞれ３倍した１５０Hz及び１８０Hzの平均値としている。

また、ｋ₁ 〜ｋ₄の各値は、シミュレーション及び実機に基づく実験による本発明者の鋭意研鑽の結果、決定された値である。

本発明は、かかる知見に基づくものであり、前記課題を解決するために、交流を直流に変換する直流電源装置であって、２つのダイオードをそれぞれ直列に接続した３対のダイオード直列回路を互いに並列に接続した整流器と、前記整流器の出力側と前記整流器の出力側に設けられる負荷回路及び前記負荷回路に対して並列に接続される第１キャパシタとの間を接続する出力ラインに介挿される第１インダクタとを備え、前記交流電源の電圧実効値をＶｓ［Ｖ］、前記交流電源の周波数をｆｓ［Ｈｚ］、交流から直流に変換する変換電力をＰｃ［Ｗ］とすると、前記第１インダクタの値Ｌｄ［ｍＨ］は、

の関係を満たすように設定されることを特徴とする直流電源装置を提供する。

本発明にいう「交流電源」としては、例えば、代表的には「系統電源」を挙げることができる。

本発明に係る直流電源装置において、前記交流電源として三相交流電源を使用する場合には、前記整流器における前記３対のダイオード直列回路の２つのダイオード間に、それぞれ、前記三相交流電源からの入力ラインが接続されることで、三相交流を直流に変換することができる。

本発明に係る直流電源装置によれば、前記第１インダクタの値Ｌｄ［ｍＨ］は

の関係を満たすように設定されるので、三相交流を直流に変換する場合に、前記変換電力Ｐｃ［Ｗ］以上において所望の力率（例えば９０％）以上を得ることができる。

本発明に係る直流電源装置において、第２キャパシタ及び第２インダクタを直列に接続してなるＣｕ−Ｌｕ回路と、第３インダクタからなるＬｖ回路とを備え、前記Ｃｕ−Ｌｕ回路は、前記整流器における前記３対のダイオード直列回路のうち、１対の回路における２つのダイオード間と前記交流電源との間を接続する第１入力ラインに介挿され、前記Ｌｖ回路は、前記整流器における前記３対のダイオード直列回路のうち、他の１対の回路における２つのダイオード間と前記交流電源との間を接続する第２入力ラインに介挿される態様を例示できる。

そして、前記第２キャパシタの値Ｃｕ［μＦ］、前記第２インダクタの値Ｌｕ［ｍＨ］及び前記第３インダクタの値Ｌｖ［ｍＨ］は、それぞれ、

の関係を満たすように設定されることで、単相交流を直流に変換した場合でも、前記変換電力Ｐｃ［Ｗ］以上において所望の力率（例えば９０％）以上を得ることができると共に、所望の直流出力電圧を確保することができる。また、所望の直流出力電圧が出力できるので、負荷として、例えば、インバータ回路等の負荷装置を用いる場合、該負荷装置の出力側に接続されるモータ等の電気機器の電流定格を低く抑えることが可能となる。

ところで、一般的に、インダクタは、磁性体（代表的には鉄心）と金属線（代表的には銅線）で構成されるために重量物となる。従って、直流電源回路装置を備えた直流電源装置において、該基板を筐体内に垂直に取り付ける必要がある場合、重量物となるインダクタが該基板上で自重により垂れ下がり、これにより、基板ラインとの接触不良や、その他の基板ラインが断線を起こすといった不都合を招き、好ましくない。また、例えば、該基板を筐体内の上部に取り付ける必要がある場合、重量物となるインダクタが該基板に搭載されていると、それだけ該直流電源装置の組立作業性が悪化する。

かかる観点から、本発明に係る直流電源装置において、前記第１インダクタは、前記整流器を搭載した基板外に配置されていることが好ましい。こうすることで、前記基板及び前記第１インダクタを適正に配置でき、該直流電源装置の組立作業性を向上させることが可能となる。

また、本発明に係る直流電源装置において、前記Ｃｕ−Ｌｕ回路及び前記Ｌｖ回路を備える場合、前記Ｃｕ−Ｌｕ回路及び前記Ｌｖ回路は、前記整流器を搭載した基板外に配置されていることが好ましい。この場合、前記Ｃｕ−Ｌｕ回路及び前記Ｌｖ回路は前記整流器を搭載した基板に接続部材を介して着脱可能に接続される態様を例示できる。こうすることで、例えば、前記交流電源として単相交流電源を用いる場合には、前記整流器を搭載した基板に前記Ｃｕ−Ｌｕ回路及び前記Ｌｖ回路を追加するだけで所望の力率および直流出力電圧を確保ができる。これにより、前記交流電源として、三相交流電源と単相交流電源との切り替えを容易に行うことが可能となる。さらに、前記第１インダクタと同様に、前記整流器を搭載した基板と、前記Ｃｕ−Ｌｕ回路を構成する前記第２キャパシタ及び前記第２インダクタ並びに前記Ｌｖ回路を構成する前記第３インダクタとを適正に配置でき、該直流電源装置の組立作業性を向上させることが可能となる。

以上説明したように、本発明によると、三相交流を直流に変換した場合に所望の力率を確保できると共に、単相交流を直流に変換した場合でも、所望の力率を得ることができるだけでなく、所望の直流出力電圧を確保することが可能な直流電源装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明に係る直流電源装置の一実施形態において、三相交流電源ＰＳ１から直流に変換するように構成した回路図を示す図である。

図１に示す直流電源装置１００は、整流器１０と、第１インダクタＬｄとを備えている。

整流器１０は、２つのダイオード（Ｄ₁，Ｄ₄），（Ｄ₂，Ｄ₃），（Ｄ₅，Ｄ₆）をそれぞれ直列に接続した３対のダイオード直列回路１０ａ〜１０ｃが互いに並列に接続されている。

第１インダクタＬｄは、整流器１０の出力側と整流器１０の出力側に設けられる負荷回路Ｌｏ及び負荷回路Ｌｏに対して並列に接続される第１キャパシタＣｄとの間を接続する出力ライン１２ａに直列に接続されている。即ち、第１インダクタＬｄは、整流器１０の出力側において、負荷回路Ｌｏ及び第１キャパシタＣｄに直列に接続されている。

また、第１から第３のダイオード直列回路１０ａ〜１０ｃにおいて、それぞれ、２つのダイオード（Ｄ₁，Ｄ₄），（Ｄ₂，Ｄ₃），（Ｄ₅，Ｄ₆）間に三相交流電源ＰＳ１（ここでは三相交流の系統電源）からの第１から第３入力ライン１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗが接続されている。これにより、三相交流電源ＰＳ１から整流器１０に三相交流を入力することができる。

負荷回路Ｌｏは、例えば、直流ブラシレスモータ駆動用のインバータ回路等であり、第１キャパシタＣｄに並列に接続されている。なお、第１キャパシタＣｄは、整流器１０からの出力電流を平滑する電解コンデンサとされている。

互いに並列接続された負荷回路Ｌｏ及び第１キャパシタＣｄの一端子側と整流器１０における第１から第３のダイオード直列回路１０ａ〜１０ｃのカソード端子側とは、カソード側出力ライン１２ａによって接続されている。また、互いに並列接続された負荷回路Ｌｏ及び第１キャパシタＣｄの他端子側と整流器１０における第１から第３のダイオード直列回路１０ａ〜１０ｃのアノード端子側とは、アノード側出力ライン１２ｂによって接続されている。

そして、第１インダクタＬｄは、カソード側出力ライン１２ａに直列に接続されている。即ち、第１インダクタＬｄは、一端子側が互いに並列接続された負荷回路Ｌｏ及び第１キャパシタＣｄの一端子側に接続され、且つ、他端子側が整流器１０のカソード端子側に接続されている。

以上説明した直流電源装置において、三相交流の系統電源ＰＳ１の電圧実効値をＶｓ［Ｖ］、三相交流の系統電源ＰＳ１の周波数をｆｓ［Ｈｚ］、変換電力をＰｃ［Ｗ］とすると、第１インダクタＬｄの値Ｌｄ［ｍＨ］は、

の関係を満たすように設定されている。

この直流電源装置１００によれば、第１インダクタＬｄの値は式１の関係を満たすように設定されているので、三相交流電源ＰＳ１からの三相交流を直流に変換する場合に、変換電力Ｐｃ［Ｗ］以上において所望の力率（例えば９０％）以上を確保できる整流動作を実現することが可能となる。

図２は、図１に示す直流電源装置において、単相交流電源ＰＳ２から直流に変換するように構成した回路図を示す図である。

図２に示す直流電源装置は、図１に示す直流電源装置において、三相交流電源ＰＳ１に代えて単相交流電源ＰＳ２を用いると共に、単相交流電源ＰＳ２と整流器１０との間にＣｕ−Ｌｕ回路２０及びＬｖ回路３０を介挿した以外は、図１に示す直流電源装置と同様である。従って、図２に示す直流電源装置については、図１に示す直流電源装置と実質的に同じ部材には同一符号を付し、その説明を省略する。

Ｃｕ−Ｌｕ回路２０は、第２キャパシタＣｕ及び第２インダクタＬｕが直列に接続されている。このＣｕ−Ｌｕ回路２０は、整流器１０における第１から第３のダイオード直列回路１０ａ〜１０ｃのうち、第１のダイオード直列回路１０ａにおける２つのダイオード（Ｄ₁，Ｄ₄）間と単相交流電源ＰＳ２（ここでは単相交流の系統電源）との間を接続する第１入力ライン１１Ｕ’に直列に接続されている。

また、Ｌｖ回路３０は、第３インダクタＬｖを有している。このＬｖ回路３０は、整流器１０における第１から第３のダイオード直列回路１０ａ〜１０ｃのうち、第２のダイオード直列回路１０ｂにおける２つのダイオード（Ｄ₂，Ｄ₃）間と単相交流電源ＰＳ２との間を接続する第２入力ライン１１Ｖ’に直列に接続されている。

詳しくは、第１のダイオード直列回路１０ａにおける２つのダイオード（Ｄ₁，Ｄ₄）間と単相交流電源ＰＳ２の一端子側との間は、第１入力ライン１１Ｕ’によって接続されている。また、第２のダイオード直列回路１０ｂにおける２つのダイオード（Ｄ₂，Ｄ₃）間と単相交流電源ＰＳ２の一端子側との間は、第２入力ライン１１Ｖ’によって接続されている。さらに、第３のダイオード直列回路１０ｃにおける２つのダイオード（Ｄ₅，Ｄ₆）間と単相交流電源ＰＳ２の他端子側との間は、第３入力ライン１１Ｗ’によって接続されている。また、整流器１０の入力側でライン１１Ｕ’とライン１１Ｖ’が短絡されている。これにより、単相交流電源ＰＳ２から整流器１０に単相交流を入力することが可能になると共に、ライン１１Ｕ’−１１Ｗ’間およびライン１１Ｖ’−１１Ｗ’間に単相交流負荷を接続することが可能となる。

ここで、Ｃｕ−Ｌｕ回路２０と接続される入力ラインは本実施形態の第１入力ライン１１Ｕ’に限らず、第１から第３入力ライン１１Ｕ’、１１Ｖ’、１１Ｗ’のいずれかであればよい。同様に、Ｌｖ回路３０と接続される入力ラインは、本実施形態の第２入力ライン１１Ｖ’に限らず、第１から第３入力ライン１１Ｕ’、１１Ｖ’、１１Ｗ’のいずれかでＣｕ−Ｌｕ回路２０と接続していない入力ラインであれば足る。

そして、Ｃｕ−Ｌｕ回路２０は、第１入力ライン１１Ｕ’に直列に接続されている。即ち、Ｃｕ−Ｌｕ回路２０は、一端子側が第１のダイオード直列回路１０ａにおける２つのダイオード（Ｄ₁，Ｄ₄）間に接続され、且つ、他端子側が単相交流電源ＰＳ２の一端子側に接続されている。また、Ｌｖ回路３０は、第２入力ライン１１Ｖ’に直列に接続されている。即ち、Ｌｖ回路３０は、一端子側が第２のダイオード直列回路１０ｂにおける２つのダイオード（Ｄ₂，Ｄ₃）間に接続され、且つ、他端子側が単相交流電源ＰＳ２の一端子側に接続されている
本実施形態では、単相交流電源−端子直後でライン１１Ｕ’とライン１１Ｖ’が接続されているが、単相力率改善用回路内でも接続可能である。

以上説明した直流電源装置において、単相交流の系統電源ＰＳ２の電圧実効値をＶｓ［Ｖ］、変換電力をＰｃ［Ｗ］とすると、第２キャパシタＣｕの値Ｃｕ［μＦ］、第２インダクタＬｕの値Ｌｕ［ｍＨ］及び第３インダクタＬｖの値Ｌｖ［ｍＨ］は、それぞれ、

の関係を満たすように設定されている。こうすることで、単相交流電源ＰＳ２からの単相交流を直流に変換した場合でも、変換電力Ｐｃ［Ｗ］以上において所望の力率（例えば９０％）以上を確保できる整流動作を実現することができると共に、所望の直流出力電圧を確保することができる。また、所望の直流出力電圧を確保できるので、負荷装置Ｌｏの出力側に接続されるモータ等の電気機器の電流定格を低く抑えることが可能となる。

本実施の形態では、図１及び図２に示す直流電源装置において、第１インダクタＬｄは、整流器１０を搭載した基板ＰＢ１外に配置されている。

こうすることで、電源基板ＰＢ１と、第１インダクタＬｄとの配置の適正化を可能にして、該直流電源装置１００の組立作業性の向上を図ることが可能となる。

例えば、前記電源基板ＰＢ１を収納する筐体（図示省略）内に該電源基板ＰＢ１を垂直に取り付ける必要がある場合であっても、第１インダクタＬｄを該基板ＰＢ１と分離して第１インダクタＬｄを水平状態の基板ＰＢ２に配置できるので、該インダクタＬｄの垂れ下がりによる基板ラインとの接触不良や、その他の基板ラインを断線するといった不都合を回避することができる。また、該基板ＰＢ１を該筐体内の上部に取り付ける必要がある場合であっても、該基板ＰＢ１とは分離された状態で、第１インダクタＬｄを配置できるので、該インダクタＬｄを該筐体の下部に収容することが可能となり、これにより、該直流電源装置１００の組立作業性を向上させることができる。従って、作業者の負担を軽くすることができる。

なお、第１インダクタＬｄは、電源基板ＰＢ１にハーネス等の接続部材によって着脱可能に接続されていてもよい。

また、本実施の形態では、図２に示す直流電源装置において、Ｃｕ−Ｌｕ回路２０及びＬｖ回路３０は、整流器１０を搭載した基板ＰＢ１外に配置されている。詳しくは、図２に示す直流電源装置は、整流器１０を搭載した電源基板ＰＢ１と、電源基板ＰＢ１とは別体とされた単相力率改善用回路とを有している。そして、Ｃｕ−Ｌｕ回路２０及びＬｖ回路３０は、単相力率改善用回路に搭載されている。また、単相力率改善用回路は、例えば、電源基板ＰＢ１にハーネス等の接続部材によって着脱可能に接続されている。

こうすることで、例えば、交流電源として単相交流電源ＰＳ２を用いる場合には、電源基板ＰＢ１に単相力率改善用回路を追加するだけで対応できる。これにより、交流電源として、三相交流電源ＰＳ１と単相交流電源ＰＳ２との切り替えを容易に行うことが可能となる。さらに、前記した第１インダクタＬｄと同様に、電源基板ＰＢ１と、Ｃｕ−Ｌｕ回路２０を構成する第２キャパシタＣｕ及び第２インダクタＬｕ並びにＬｖ回路３０を構成する第３インダクタＬｖとを適正に配置でき、重量物であるインダクタを筐体下部に配置するなど該直流電源装置１００の組立作業性の向上を図ることが可能となる。

なお、図１及び図２に示す電源回路において、負荷回路Ｌｏと第１キャパシタＣｄとのうち少なくとも一方（ここでは負荷回路Ｌｏ及び第１キャパシタＣｄの双方）を備えている態様を例示できる。

図１及び図２に示す直流電源装置が負荷回路Ｌｏを備えている場合、該直流電源装置は、電源基板ＰＢ１とは別体とされた負荷用基板ＰＢ２をさらに備え、負荷用基板ＰＢ２には、負荷回路Ｌｏが搭載されている態様を例示できる。こうすることで、大負荷回路の発熱による電源基板ＰＢ１への熱伝導を防止できると共に、前記筐体内の空気が暖められて上部へ流れるので前記筐体内の自然喚起も誘発できるなど、電源基板ＰＢ１と負荷用基板ＰＢ２とを適正に配置することが可能となる。本実施の形態では、負荷回路Ｌｏを搭載した負荷用基板ＰＢ２には、さらに第１キャパシタＣｄが搭載されている。

ここで、図１に示す直流電源装置において、三相交流の系統電源ＰＳ１からの三相交流を直流に変換する際の第１インダクタＬｄの変化に対する力率を調べるためにシミュレーションを行ったシミュレーション結果を図３及び図４に示す。なお、図４は、図３における力率９０％付近の拡大図である。
シミュレーション条件は以下のとおりである。

系統電源ＰＳ１の相数 ：三相
系統電源ＰＳ１の電圧実効値 ：２００［Ｖ］
系統電源ＰＳ１の周波数 ：５０［Ｈｚ］／６０［Ｈｚ］
変換電力 ：１．４［ｋＷ］
図３に示すように、第１インダクタＬｄの値が０［ｍＨ］、即ち、第１インダクタＬｄがない場合には周波数ｆｓが５０［Ｈｚ］及び６０［Ｈｚ］双方で力率は７５％程度になってしまうが、図４に示すように、周波数ｆｓが５０［Ｈｚ］で第１インダクタＬｄが約２．５［ｍＨ］以上、周波数ｆｓが６０［Ｈｚ］で第１インダクタＬｄが約２．０［ｍＨ］以上の場合に、力率が９０％以上になっている。

これに対し、前記式１「４．５×Ｖｓ²／（Ｐｃ×ｆｓ）」にＶｓ＝２００Ｖ、ｆｓ＝５０Ｈｚ／６０Ｈｚ、Ｐｃ＝１．４ｋＷを代入して、第１インダクタＬｄの値Ｌｄを算出すると、周波数ｆｓが５０［Ｈｚ］で２．５［ｍＨ］以上、周波数ｆｓが６０［Ｈｚ］で２．１［ｍＨ］以上となる。

次に、図１に示す直流電源装置において、製造バラツキを見込んで第１インダクタＬｄを３．０［ｍＨ］に設定した場合に、三相交流の系統電源ＰＳ１からの三相交流を直流に変換する際の変換電力Ｐｃ［Ｗ］の変化に対する力率及び直流出力電圧を調べるためにシミュレーションを行った。その結果を図５に示す。
シミュレーション条件は以下のとおりである。

系統電源ＰＳ１の相数 ：三相
系統電源ＰＳ１の電圧実効値 ：２００［Ｖ］
系統電源ＰＳ１の周波数 ：５０［Ｈｚ］
第１インダクタＬｄ ：３．０［ｍＨ］
図５に示すように、力率は、変換電力Ｐｃが約１．２［ｋＷ］以上の場合に、９０％以上になっている。これは、製造バラツキを見込んで第１インダクタＬｄの値を３．０［ｍＨ］とし、前記式１「４．５×Ｖｓ²／（Ｐｃ×ｆｓ）」にＶｓ＝２００Ｖ、ｆｓ＝５０Ｈｚ、Ｐｃ＝１．４ｋＷを代入した場合の算出値約２．５［ｍＨ］に対して余裕をもたせているためである。従って、力率は、変換電力Ｐｃが１．４［ｋＷ］以上で、約９１％以上になっている。

このように、前記式１によって、第１インダクタＬｄの値を設定することで、変換電力（この例では１．４［ｋＷ］）以上において力率９０％以上を達成できることが分かる。

このことから、三相交流電源ＰＳ１（この例ではＶｓ＝２００［Ｖ］）からの三相交流を直流に変換する場合には、変換電力Ｐｃ（＝１．４［ｋＷ］）以上で、第１インダクタＬｄの値が２．５［ｍＨ］以上、製造バラツキを見込んでも３．０［ｍＨ］以上であれば、力率９０％以上を達成することが可能となる。また、直流出力電圧は、約２６５Ｖ〜約２７０Ｖの間を維持している。

なお、前記式１において、交流電源ＰＳ１の電圧実効値Ｖｓ及び周波数ｆｓ、変換電力Ｐｃを適宜変更しても、勿論、同様の結果を得ることができる。

次に、図２に示す直流電源装置において、第１インダクタＬｄを３．０［ｍＨ］、第２インダクタＬｕを６．０［ｍＨ］、第３インダクタＬｖを３．０［ｍＨ］に固定した場合に、単相交流の系統電源ＰＳ２からの単相交流を直流に変換する際の第２キャパシタＣｕの変化に対する力率及び直流出力電圧を調べるために行ったシミュレーション結果を図６に示す。
シミュレーション条件は以下のとおりである。

系統電源ＰＳ２の相数 ：単相
系統電源ＰＳ２の電圧実効値 ：２００［Ｖ］
系統電源ＰＳ２の周波数 ：５０［Ｈｚ］
変換電力 ：１．４［ｋＷ］
第１インダクタＬｄ ：３．０［ｍＨ］
第２インダクタＬｕ ：６．０［ｍＨ］
第３インダクタＬｖ ：３．０［ｍＨ］
図６に示すように、第２キャパシタＣｕの値は、約９０［μＦ］〜約１５４［μＦ］の場合に、力率が９０％以上になっている。さらに、所望の直流出力電圧、例えば、変換電力Ｐｃが１．４［ｋＷ］の場合、従来の直流電源装置の直流出力電圧２４５Ｖ（図９参照）を少なくとも確保するという観点から、図６に示すように、第２キャパシタＣｕの値は、約１１９［μＦ］以上の場合に、出力電圧が約２４５Ｖ以上になっている。

これに対し、前記式２「０．８５×（４０００×Ｐｃ／Ｖｓ²）〜１．１０×（４０００×Ｐｃ／Ｖｓ²）」にＶｓ＝２００Ｖ、Ｐｃ＝１．４ｋＷを代入して、第２キャパシタＣｕの値Ｃｕを算出すると、１１９［μＦ］〜１５４［μＦ］となる。

また、この第２キャパシタＣｕの値Ｃｕを１５０［μＦ］に固定した場合に、前記式３「１／１．１０×［１０００／｛（２π×１６５）²×Ｃｕ｝］〜１／０．８５×［１０００／｛（２π×１６５）²×Ｃｕ｝］」を用いて、第２インダクタＬｕの値Ｌｕを算出すると、約５．６［ｍＨ］〜約７．３［ｍＨ］となる。

続いて、図２に示す直流電源装置において、第１インダクタＬｄを３．０［ｍＨ］、第２インダクタＬｕを６．０［ｍＨ］、第２キャパシタＣｕを１５０［μＦ］に固定した場合に、単相交流の系統電源ＰＳ２からの単相交流を直流に変換する際の第３インダクタＬｖの変化に対する力率及び直流出力電圧を調べるために行ったシミュレーション結果を図７に示す。
シミュレーション条件は以下のとおりである。

系統電源ＰＳ２の相数 ：単相
系統電源ＰＳ２の電圧実効値 ：２００［Ｖ］
系統電源ＰＳ２の周波数 ：５０［Ｈｚ］
変換電力 ：１．４［ｋＷ］
第１インダクタＬｄ ：３．０［ｍＨ］
第２インダクタＬｕ ：６．０［ｍＨ］
第２キャパシタＣｕ ：１５０［μＦ］
図７に示すように、第３インダクタＬｖの値は、約２．８［ｍＨ］以上の場合に、力率が９０％以上になっている。さらに、所望の直流出力電圧（例えば２４５Ｖ）を少なくとも確保するという観点から、図７に示すように、第３インダクタＬｖの値は、約１２．８［ｍＨ］以下の場合に、出力電圧が約２４５Ｖ以上になっている。

これに対し、前記式４「１．０×（０．１×Ｖｓ²／Ｐｃ）〜４．５×（０．１×Ｖｓ²／Ｐｃ）」にＶｓ＝２００Ｖ、Ｐｃ＝１．４ｋＷを代入して、第３インダクタＬｖの値Ｌｖを算出すると、約２．８［ｍＨ］〜約１２．８［ｍＨ］となる。

さらに、図２に示す直流電源装置において、第１インダクタＬｄを３．０［ｍＨ］、第２インダクタＬｕを６．０［ｍＨ］、第２キャパシタＣｕを１５０［μＦ］、第３インダクタＬｖを３．０［ｍＨ］に固定した場合に、単相交流の系統電源ＰＳ２からの単相交流を直流に変換する際の変換電力Ｐｃ［Ｗ］の変化に対する力率及び直流出力電圧を調べるために行ったシミュレーション結果を図８に示す。
シミュレーション条件は以下のとおりである。

系統電源ＰＳ２の相数 ：単相
系統電源ＰＳ２の電圧実効値 ：２００［Ｖ］
系統電源ＰＳ２の周波数 ：５０［Ｈｚ］
第１インダクタＬｄ ：３．０［ｍＨ］
第２インダクタＬｕ ：６．０［ｍＨ］
第２キャパシタＣｕ ：１５０［μＦ］
第３インダクタＬｖ ：３．０［ｍＨ］
図８に示すように、力率は、変換電力Ｐｃが約１．４［ｋＷ］以上の場合に、９０％以上になっている。また、直流出力電圧は、約２４０Ｖ〜約２６０Ｖの間を維持しており、変換電力Ｐｃが約１．４［ｋＷ］で約２５０Ｖ程度となっている。

このように、前記式２〜式４によって、それぞれ、第２インダクタＬｕ、第２キャパシタＣｕ及び第３インダクタＬｖの値を設定することで、変換電力Ｐｃ［Ｗ］（この例では１．４［ｋＷ］）以上において所望の力率９０％以上を達成できると共に、所望の直流出力電圧（例えば、少なくとも従来の直流電源装置の直流出力電圧約２４５Ｖ（図９参照））を確保できることが分かる。

このことから、単相交流電源ＰＳ２（この例ではＶｓ＝２００［Ｖ］）からの単相交流を直流に変換する場合には、変換電力Ｐｃ＝１．４［ｋＷ］で、第２キャパシタＣｕが１１９［μＦ］〜１５４［μＦ］、第２インダクタＬｕが約５．６［ｍＨ］〜約７．３［ｍＨ］、第３インダクタＬｖが約２．８［ｍＨ］〜約１２．８［ｍＨ］であれば、力率９０％以上を達成するだけでなく、単相電源においても直流電源装置の直流出力電圧を確保することが可能となる。

なお、前記式２及び前記式４において、交流電源ＰＳ２の電圧実効値Ｖｓ、変換電力Ｐｃを適宜変更しても、勿論、同様の結果を得ることができる。

本発明に係る直流電源装置の一実施形態において、三相交流を直流に変換するように構成した回路図を示す図である。 図１に示す直流電源装置において、単相交流を直流に変換するように構成した回路図を示す図である。 図１に示す直流電源装置において、三相交流を直流に変換する際の第１インダクタの変化に対する力率を調べたシミュレーション結果を示すグラフである。 図３における力率９０％付近の拡大図である。 図１に示す直流電源装置において、第１インダクタを３．０［ｍＨ］に設定した場合に、三相交流の系統電源からの三相交流を直流に変換する際の変換電力の変化に対する力率及び直流出力電圧を調べたシミュレーション結果を示すグラフである。 図２に示す直流電源装置において、第１インダクタを３．０［ｍＨ］、第２インダクタを６．０［ｍＨ］、第３インダクタを３．０［ｍＨ］に固定した場合に、単相交流の系統電源からの単相交流を直流に変換する際の第２キャパシタの変化に対する力率及び直流出力電圧を調べたシミュレーション結果を示すグラフである。 図２に示す直流電源装置において、第１インダクタを３．０［ｍＨ］、第２インダクタを６．０［ｍＨ］、第２キャパシタを１５０［μＦ］に固定した場合に、単相交流の系統電源からの単相交流を直流に変換する際の第３インダクタの変化に対する力率及び直流出力電圧を調べたシミュレーション結果を示すグラフである。 図２に示す直流電源装置において、第１インダクタを３．０［ｍＨ］、第２インダクタを６．０［ｍＨ］、第２キャパシタを１５０［μＦ］、第３インダクタを３．０［ｍＨ］に固定した場合に、単相交流の系統電源からの単相交流を直流に変換する際の変換電力の変化に対する力率及び直流出力電圧を調べたシミュレーション結果を示すグラフである。 三相全波整流器において、単相交流を直流に変換する際の変換電力に対する直流出力電圧の関係、及び三相交流を直流に変換する際の変換電力に対する直流出力電圧の関係を調べたシミュレーション結果を示すグラフである。

符号の説明

１０ 整流器
１０ａ〜１０ｃ ダイオード直列回路
１１Ｕ’ 第１入力ライン
１１Ｖ’ 第２入力ライン
２０ Ｃｕ−Ｌｕ回路
３０ Ｌｖ回路
１００ 直流電源装置
１２ａ 出力ライン
Ｃｄ 第１キャパシタ
Ｃｕ 第２キャパシタ
Ｄ₁〜Ｄ₆ ダイオード
Ｌｄ 第１インダクタ
Ｌｕ 第２インダクタ
Ｌｖ 第３インダクタ
ＰＢ１ 整流器を搭載した基板
ＰＳ１，ＰＳ２ 交流電源

Claims (4)

1. 交流を直流に変換する直流電源装置であって、
   ２つのダイオードをそれぞれ直列に接続した３対のダイオード直列回路を互いに並列に接続した整流器と、
   前記整流器の出力側と、前記整流器の出力側に設けられる負荷回路及び前記負荷回路に対して並列に接続される第１キャパシタとの間を接続する出力ラインに介挿される第１インダクタとを備え、
   前記交流電源の電圧実効値をＶｓ［Ｖ］、前記交流電源の周波数をｆｓ［Ｈｚ］、交流から直流に変換する変換電力をＰｃ［Ｗ］とすると、前記第１インダクタの値Ｌｄ［ｍＨ］は、
   

   

   の関係を満たすように設定されることを特徴とする直流電源装置。
2. 前記第１インダクタは、前記整流器を搭載した基板外に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
3. 第２キャパシタ及び第２インダクタを直列に接続してなるＣｕ−Ｌｕ回路と、第３インダクタからなるＬｖ回路とを備え、
   前記Ｃｕ−Ｌｕ回路は、前記整流器における前記３対のダイオード直列回路のうち、１対の回路における２つのダイオード間と前記交流電源との間を接続する第１入力ラインに介挿され、
   前記Ｌｖ回路は、前記整流器における前記３対のダイオード直列回路のうち、他の１対の回路における２つのダイオード間と前記交流電源との間を接続する第２入力ラインに介挿され、
   前記第２キャパシタの値Ｃｕ［μＦ］、前記第２インダクタの値Ｌｕ［ｍＨ］及び前記第３インダクタの値Ｌｖ［ｍＨ］は、それぞれ、
   

   

   

   

   の関係を満たすように設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の直流電源装置。
4. 前記Ｃｕ−Ｌｕ回路及び前記Ｌｖ回路は、前記整流器を搭載した基板外に配置されることを特徴とする請求項３に記載の直流電源装置。

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