JP2010028975A

JP2010028975A - 電源装置

Info

Publication number: JP2010028975A
Application number: JP2008187411A
Authority: JP
Inventors: Koji Noda; 浩二野田; Hirofumi Shinohara; 裕文篠原
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2010-02-04

Abstract

【課題】騒音の低減が図れる電源装置を提供する。
【解決手段】直流電圧をスイッチングにより昇圧する昇圧チョッパ３と昇圧チョッパ３の出力をスイッチングにより交流に変換するインバータ１０から構成される電源装置において、昇圧チョッパ３およびインバータ１０に対するスイッチング用のＰＷＭ信号を互いに異なる周波数のキャリア信号から生成し、かつ昇圧チョッパ３のキャリア信号の周波数をインバータ１０のキャリア信号の周波数より高くする制御手段２０を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、直流電圧をスイッチングによりレベル変換するコンバータ、およびこのコンバータの出力をスイッチングにより交流に変換するインバータからなる電源装置に関する。

太陽電池から出力される直流電圧をコンバータで昇圧（レベル変換）し、昇圧した直流電圧をインバータで交流に変換して負荷に供給する電源装置の例として、インバータを商用電源系統と連系して動作させる系統連系運転、およびインバータを商用電源系統と関わりなく動作させる自立運転を可能とするものがある（例えば、特許文献１）。

系統連系運転では、太陽電池の出力が商用電源系統に供給される。自立運転では、太陽電池の出力により、家庭電化製品などの電気機器が直接的に運転される。

とくに、系統連系運転では、商用電源系統との連系を確実にするために、商用電源の周波数よりも十分に高い周波数でインバータがスイッチングされる。スイッチング周波数が商用電源周波数よりも高いことにより、スイッチング周期に同期して行われる割り込み制御が頻繁となり、商用電源の状態変化などに十分に追従し得る応答性のよい制御が可能となる。
特開平８−３１７６６５号公報

上記の電源装置では、コンバータとして昇圧チョッパが用いられ、その昇圧チョッパに直流リアクトルが搭載されている場合、コンバータの駆動に伴って直流リアクトルから振動騒音が発生する。また、インバータの出力段に整流用のＬＣフィルタが接続され、そのＬＣフィルタのＬが交流リアクトルで構成されている場合、インバータの駆動に伴って交流リアクトルからも振動騒音が発生する。

このため、屋内に設置されて静音化が要求されるような電源装置では、振動騒音が気にならないようにするため、人間の聴感度が鈍くなる例えば周波数１７ｋＨｚのキャリア信号からコンバータおよびインバータのそれぞれスイッチング用のＰＷＭ信号が生成される。

しかしながら、実際には、直流リアクトルから発生する振動騒音と交流リアクトルから発生する振動騒音とが共鳴するため、大きな騒音が避けられないという問題がある。

この発明は、上記の事情を考慮したもので、その目的は、騒音の低減が図れる電源装置を提供することである。

請求項１に係る発明の電源装置は、直流電圧をスイッチングによりレベル変換するコンバータと、このコンバータの出力をスイッチングにより交流に変換するインバータと、このコンバータおよびインバータに対するスイッチング用のＰＷＭ信号を互いに異なる周波数のキャリア信号から生成する制御手段と、を備える。

この発明の電源装置によれば、直流リアクトルから発生する振動騒音と交流リアクトルから発生する振動騒音とが共鳴しなくなり、騒音が低減する。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１において、１は太陽電池（ＰＶ）で、光を受けることにより、直流電圧を出力する。この出力電圧がコンデンサ２に印加され、そのコンデンサ２の電圧がコンバータたとえば昇圧チョッパ３に供給される。昇圧チョッパ３は、直流リアクトル４、スイッチング素子たとえばＩＧＢＴ５、逆流防止用ダイオード６、およびコンデンサ７を有し、制御部（制御手段）であるＭＣＵ２０から供給されるＰＷＭ信号に応じてＩＧＢＴ５がオン，オフ（スイッチング）することにより、入力電圧（直流電圧）を所定レベルに昇圧（レベル変換）する。

この昇圧チョッパ３の出力電圧がインバータ１０に供給される。インバータ１０は、４つのスイッチング素子たとえばＩＧＢＴ１１，１２，１３，１４からなるフルブリッジ回路、およびこれらＩＧＢＴ１１，１２，１３，１４にそれぞれ逆並列接続された還流ダイオードＤを有し、ＭＣＵ２０から供給されるＰＷＭ信号に応じてＩＧＢＴ１１，１２，１３，１４がオン，オフ（スイッチング）することにより、入力電圧（直流電圧）を所定周波数の交流電圧に変換する。

このインバータ１０の出力端が、交流リアクトル１５およびコンデンサ１６からなる整流用のＬＣフィルタを介して交流電源系統１００に接続される。そして、このＬＣフィルタと交流電源系統１００との間の通電路における系統電圧（および周波数）、太陽電池１の出力電圧（ＰＶ電圧）と出力電流（ＰＶ電流）、および昇圧チョッパ３の昇圧電圧が、それぞれＭＣＵ２０により監視される。

ＭＣＵ２０は、上記監視結果に応じて昇圧チョッパ３およびインバータ１０の駆動を制御するもので、周波数１９ｋＨｚのキャリア信号から昇圧チョッパ駆動用のＰＷＭ信号（パルス幅変調信号）を生成するＰＷＭ信号生成部３１、および周波数１７ｋＨｚのキャリア信号からインバータ駆動用のＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部３２を有する。このＭＣＵ２０に、制御プログラム記憶用のＥＥＰＲＯＭ２１および制御条件入力用の操作表示部２２が接続されている。

作用について説明する。
ＭＣＵ２０のＰＷＭ信号生成部３１において、図２に示すように、周波数１９ｋＨｚのキャリア信号Ａ１が作られ、そのキャリア信号Ａ１と一定レベルの基準信号とのレベル比較により、昇圧チョッパ３を駆動するためのＰＷＭ信号Ｂ１が生成される。このＰＷＭ信号Ｂ１に応じて昇圧チョッパ３のＩＧＢＴ５がオン，オフし、昇圧チョッパ３から所定レベルに昇圧された直流電圧が出力される。

また、ＭＣＵ２０のＰＷＭ信号生成部３２において、図３に示すように、周波数１７ｋＨｚのキャリア信号Ａ２が作られ、そのキャリア信号Ａ２と交流電源系統１００の周波数に合せてレベル変化する基準信号との比較により、インバータ１０を駆動するためのＰＷＭ信号Ｂ２が２相分生成される。これらＰＷＭ信号Ｂ２に応じてインバータ１０のＩＧＢＴ１１，１２，１３，１４がオン，オフし、インバータ１０から交流電源系統１００と同じ周波数の交流電圧が出力される。

キャリア信号Ａ１，Ａ２の周波数に応じてどのような騒音が生じるかを実験により確かめたのが図４、図５、図６である。

まず、キャリア信号Ａ１，Ａ２の周波数が仮に同じ１７ｋＨｚの場合、昇圧チョッパ３の直流リアクトル４から発生する振動騒音とインバータ１０の出力端に接続されている交流リアクトル１５から発生する振動騒音が共鳴し、図４の実験データに示すように、２８ｋＨｚより少し低い周波数の騒音に非常に大きなピークが発生する。

キャリア信号Ａ１の周波数が仮に１８ｋＨｚで、キャリア信号Ａ２の周波数が仮に１７ｋＨｚの場合、図５の実験データに示すように、２８ｋＨｚより少し低い周波数の騒音にピークが生じるが、そのピーク値は図４の場合より低い。すなわち、ＰＷＭ信号Ｂ１，Ｂ２を互いに異なる周波数のキャリア信号Ａ１，Ａ２から生成するとともに、キャリア信号Ａ１の周波数をキャリア信号Ａ２の周波数より１ｋＨｚ高くすることで、騒音の低減が図れる。

本実施形態のように、キャリア信号Ａ１の周波数が１９ｋＨｚで、キャリア信号Ａ２の周波数が１７ｋＨｚの場合は、図６の実験データに示すように、２８ｋＨｚより少し低い周波数の騒音および２８ｋＨｚより少し高い周波数の騒音にそれぞれピークが生じるが、そのピーク値は図５の場合よりさらに低い。すなわち、ＰＷＭ信号Ｂ１，Ｂ２を互いに異なる周波数のキャリア信号Ａ１，Ａ２から生成するとともに、キャリア信号Ａ１の周波数をキャリア信号Ａ２の周波数より２ｋＨｚ高くすることにより、騒音のさらなる低減が図れる。

インバータ１０用のキャリア信号Ａ２の周波数が１７ｋＨｚ固定で、昇圧チョッパ３用のキャリア信号Ａ１の周波数が上記のように１７ｋＨｚ，１８ｋＨｚ，１９ｋＨｚと異なる場合の騒音レベルを、図７に対比して示している。

以上のように、昇圧チョッパ３およびインバータ１０に対するスイッチング用のＰＷＭ信号Ｂ１，Ｂ２を互いに異なる周波数のキャリア信号Ａ１，Ａ２から生成し、かつキャリア信号Ａ１の周波数をキャリア信号Ａ２の周波数より高くすることにより、昇圧チョッパ３の直流リアクトル４から発生する振動騒音とインバータ１０の出力段の交流リアクトル１５から発生する振動騒音とが共鳴しなくなり、騒音を低減することができる。

通常、ＭＣＵ２０の制御負荷としては、コンバータである昇圧チョッパ３側よりもインバータ１０側が重く、インバータ１０のキャリア周波数に同期した割込みが発生して、インバータ１０のスイッチングにおけるオン，オフデューティが演算および制御される。すなわち、系統連系インバータは、商用電源系統に接続され、逆潮流が生じるため、出力電力の任室（低歪み、直流成分が定格の１％）、高い保護性能（単独運転防止等）が要求される。このため、インバータ１０については、キャリア周波数毎に同期した割込み制御が必要となる。

一方、コンバータである昇圧チョッパ３は、キャリア周波数毎に制御しなくても問題とならない場合が多く、昇圧チョッパ３のみキャリア周波数を上げることで、制御性能を低下させることなく、リアクトル騒音を低減できる効果が得られる。

なお、上記実施形態では、インバータを商用電源系統と連系して動作させる系統連系運転が可能な電源装置について説明したが、その系統連系運転に加え、インバータを商用電源系統と関わりなく動作させる自立運転が可能な電源装置についても、同様に実施可能である。また、コンバータおよびインバータからなる電源装置であれば、系統連系運転や自立運転の機能がなくても、同様に実施可能である。その他、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

この発明の一実施形態の構成を示すブロック図。一実施形態における昇圧チョッパ用のキャリア信号およびＰＷＭ信号の波形を示す図。一実施形態におけるインバータ用のキャリア信号およびＰＷＭ信号の波形を示す図。一実施形態における各キャリア信号の周波数が仮に同じ１７ｋＨｚの場合にどのような騒音が生じるかを実験により確かめた図。一実施形態における各キャリア信号の周波数が仮に１８ｋＨｚと１７ｋＨｚの場合にどのような騒音が生じるかを実験により確かめた図。一実施形態における各キャリア信号の周波数が１９ｋＨｚと１７ｋＨｚの場合にどのような騒音が生じるかを実験により確かめた図。インバータ用のキャリア信号の周波数が１７ｋＨｚ固定で、昇圧チョッパ用のキャリア信号の周波数が１７ｋＨｚ，１８ｋＨｚ，１９ｋＨｚと異なる場合の騒音レベルを対比して示す図。

符号の説明

１…太陽電池、３…昇圧チョッパ（コンバータ）、４…直流リアクトル、５…ＩＧＢＴ、１１，１２，１３，１４…ＩＧＢＴ、１５…交流リアクトル、２０…ＭＣＵ（制御手段）、３１，３２…ＰＷＭ信号生成部、１００…商用電源系統

Claims

直流電圧をスイッチングによりレベル変換するコンバータと、
このコンバータの出力をスイッチングにより交流に変換するインバータと、
このコンバータおよびインバータに対するスイッチング用のＰＷＭ信号を互いに異なる周波数のキャリア信号から生成する制御手段と、
を備えることを特徴とする電源装置。
前記キャリア信号の周波数は、コンバータ用がインバータ用より高いことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。