JP2011115032A

JP2011115032A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2011115032A
Application number: JP2009272282A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Yamada; 康之山田
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2011-06-09

Abstract

【課題】電源側でインバータ回路の瞬時電流を検知することで、インバータ回路側のシャント抵抗による電力ロスを低減し、また、電源線のインピーダンスによる負荷の駆動信号でのリンギングを低減させる。
【解決手段】商用電源１を整流する整流回路２ａと、平滑コンデンサ２ｃ，２ｄとを備え、平滑された直流電圧を出力してインバータ回路３に供給する電源装置２において、整流回路２ａから出力される電流の値から平滑コンデンサ２ｃ，２ｄに流れる電流の値を差し引くことにより、インバータ回路３の瞬時電流を検知するホール素子型電流センサ２ｂを設ける。平滑コンデンサ２ｃ，２ｄとインバータ回路８とに接続された配線が整流回路２ａに接続される配線と、２つの平滑コンデンサ２ｃ，２ｄを直列に接続する配線とを、ホール素子型電流センサ２ｂ内で各線に流れる電流が減算される方向に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に係わり、より詳細には、電源装置から電源を供給するインバータ回路の駆動電流を電源装置側で検出する構成に関する。

従来、インバータ装置３０と、これに電源を供給する電源装置２０を備えた電力変換装置としては図３の回路図に示すものが開示されている。

図３において２１はインバータの制御信号を出力する制御装置、２９はインバータの制御装置２１の出力に基づいてインバータ回路１３のスイッチング素子（パワートランジスタ）１３ａを駆動するゲートドライブ、１０は交流電源、１１は交流電源１０からの交流電圧を直流電圧に整流する整流器、１２は直流電圧を平滑化する平滑コンデンサ、１４はインバータ回路１３の負荷である。

図４はインバータの制御装置２１を示すブロック図であり、図４において、２１はインバータの制御装置、１５は基準波の波形データを設定する波形データ設定器、１６は波形データ設定器１５により設定された波形データに基づいて基準波を発生する基準波発生器、２２はインバータ回路１３の出力電流の目標値を設定する目標値設定器、２４は基準波発生器１６により発生された基準波と目標値設定器２２により設定された目標値を積算する積算器、２５はインバータ回路１３の出力電流を計測するシャント抵抗からなる電流計である。

また、２６は積算器２４の積算結果と電流計２５により計測された出力電流との偏差を求める減算器、２７は減算器２６により求められた偏差に基づいて比例・積分演算する演算器、２８は演算器２７の演算結果と基準波発生器１６により発生された基準波を積算し、その積算結果をインバータ回路１３のスイッチング素子１３ａを駆動するゲートドライブ２９に出力する積算器である。

次に動作について説明する。
図５において、基準波の波形が谷になる周辺では、インバータ回路１３の出力電流の極性が反転して大電流が流れるため、平滑コンデンサ１２の容量が小さい場合、その平滑コンデンサ１２の両端の直流電圧が図５に示すように短時間に変動を生ずることがある。これに対して何も対策を行わない場合には、このような変動が生ずることにより、図５の出力電流の電流波形において、点線で示すようなリンギングが発生し、スイッチング素子１３ａによるスイッチング電流波形が乱れる。

さらに、平滑コンデンサ１２の各端子とインバータ回路１３の電源の配線とが離れている場合、その配線にスイッチング素子１３ａのスイッチングによる大電流が流れた場合も同様にスイッチング素子１３ａによるスイッチング電流波形が乱れ、インバータ回路１３の出力電流が大きく変動して種々の不具合を生ずる。

このため、予めこの変動を打ち消すデータを格納している波形データ設定器１５によって、基準波の波形の変動分を相殺する基準波を発生させることにより、出力電流の変動を改善している（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、このような方法は高価な乗算回路などが必要であり、また、回路構成も複雑であった。さらに電流波形のリンギングが予め設定された波形と異なる場合は、かえってリンギングを増大させる場合があった。

また、平滑コンデンサ１２とインバータ回路１３とを接続する電源線に対して直列に電流計、つまりシャント抵抗が配置されているため、インバータ回路１３から平滑コンデンサ１２へ還流する電流に対して抵抗になり、インバータ回路１３が負荷１４を駆動する電圧が低下したり、駆動電流が不足する場合があった。

さらに、シャント抵抗が配置されることにより、平滑コンデンサのマイナス端子とインバータ回路１３のマイナス側の電源ラインとの配線距離が長くなり、負荷をスイッチングする時にこの配線に大電流が流れ、この配線のインピーダンスによって、負荷へ供給される電流、電圧波形にリンギングが発生する場合があった。

このような問題を解決するため、一般的には整流器と平滑コンデンサとの間に直列に電流計を配置すればよいが、平滑コンデンサへの充放電電流があるため、インバータ回路の瞬時電流を正確に測定することができない。このため、インバータでモータを駆動・制御するような、瞬時の電流値を必要とする用途では採用できないという問題があった。

特開平５−２０７７５１号公報（第２−３頁、図１）

本発明は以上述べた問題点を解決し、電源側でインバータ回路の瞬時電流を検知することで、インバータ回路側のシャント抵抗による電力ロスを低減し、また、電源線のインピーダンスによる負荷の駆動信号でのリンギングを低減させることを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するため、交流電源を整流して直流電圧を正極端子と負極端子とから出力する整流回路と前記正極端子と前記負極端子との間に並列に接続された平滑コンデンサとを備えた電源装置と、前記正極端子と前記負極端子を介して前記直流電圧を入力し、同直流電圧をスイッチングして電力を変換するインバータ回路を設けたインバータ装置とを備えた電力変換装置において、
前記平滑コンデンサは少なくとも２つの平滑コンデンサを直列に接続して構成されており、
前記整流回路の正極端子から前記インバータ回路へ供給され、同インバータ回路から前記負極端子へ還流する電流の値から前記平滑コンデンサ同士を接続する接続点に流れる電流の値を差し引くことにより、前記インバータ装置の瞬時電流を検知する磁気電流センサを設けたことを特徴とする。

また、前記平滑コンデンサは第１平滑コンデンサと第２平滑コンデンサとを直列に接続して構成され、前記第１平滑コンデンサの正極は前記整流回路の正極端子に、前記第２平滑コンデンサの負極は前記整流回路の負極端子にそれぞれ接続され、
前記第２平滑コンデンサの負極と前記インバータ回路の負極とに接続された配線が前記磁気電流センサの入口から出口に挿通されて前記整流回路の前記負極端子に接続され、
前記第１平滑コンデンサの負極に接続される配線が前記磁気電流センサの出口から入口に挿通されて前記第２平滑コンデンサの正極に接続されていることを特徴とする。

もしくは、前記平滑コンデンサは第１平滑コンデンサと第２平滑コンデンサとを直列に接続して構成され、前記第１平滑コンデンサの正極は前記整流回路の正極端子に、前記第２平滑コンデンサの負極は前記整流回路の負極端子にそれぞれ接続され、
前記第１平滑コンデンサの正極と前記インバータ回路の正極とに接続された配線が前記磁気電流センサの出口から入口に挿通されて前記整流回路の前記正極端子に接続され、
前記第２平滑コンデンサの正極に接続される配線が前記磁気電流センサの入口から出口に挿通されて前記第１平滑コンデンサの負極に接続されていることを特徴とする。

以上の手段を用いることにより、本発明による電源装置によれば、
請求項１に係わる発明は、従来、インバータ回路内に配置されていた電流検知手段を電源装置側に移動したため、インバータ回路と平滑コンデンサとの間で電流に対して抵抗となるシャント抵抗がなくなり、このシャント抵抗による電力ロスをなくすことができる。

また、従来、インバータ回路内に配置されていた電流検知手段としてのシャント抵抗がなくなるため、平滑コンデンサとインバータ回路とを最短距離で配線できる。このため、この配線のインピーダンスによる電流・電圧のリンギングを減少させることができる。

請求項２、または、請求項３に係わる発明は、２つの平滑コンデンサの接続点、及び整流回路と平滑コンデンサとの間で、それぞれ電流を測定するため、平滑コンデンサとインバータ回路との接続距離を最短とすることができ、配線のインピーダンスによる電流・電圧のリンギングを減少させることができる。

本発明による電源装置の実施例を示す電力変換装置のブロック図である。本発明による電源装置の電流検出の原理を説明する説明図である。従来の電力変換装置における電源装置及びインバータ装置を示すブロック図である。従来のインバータ装置における制御装置を示すブロック図である。従来のインバータ装置の動作を説明する各部の信号波形図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。

図１は負荷となるモータ４と、これを駆動するインバータ装置８と、このインバータ装置８へ直流電源を供給する電源装置２と、この電源装置２へ三相の交流を供給する交流電源１を示すブロック図である。

電源装置２は、三相の交流電源１を整流する整流回路２ａと、この整流回路２ａの正極、負極の端子間に２つの平滑コンデンサ２ｃ（第１平滑コンデンサ），平滑コンデンサ２ｄ（第２平滑コンデンサ）を直列に接続している。そして、平滑コンデンサ２ｄとインバータ回路３の負極側とを接続するラインが、磁気電流センサ（電流検知手段）の一種であるホール素子型電流センサ２ｂ内のコアを貫通し、整流回路２ａの負極端子側と接続している。一方、平滑コンデンサ２ｃ，２ｄが直列に接続されるラインもホール素子型電流センサ２ｂ内のコアを貫通している。
なお、平滑コンデンサ２ｃ，２ｄを２個直列に接続して所定の耐圧を得ることで、各々の電解コンデンサは耐圧が低くて安価な電解コンデンサを用いることができる。

このホール素子型電流センサ２ｂ内のコアを貫通する２つのラインに流れる電流の合計値はホール素子型電流センサ２ｂで検出され、ここから、後述する制御回路６へ出力されている。また、平滑コンデンサ２ｃの正極側は正極の電源線を介して、また、平滑コンデンサ２ｄの負極側は負極の電源線を介して、それぞれインバータ装置８内のインバータ回路３へ接続されている。

インバータ装置８は、モータ４の駆動巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの各ラインに接続された位置検出回路５から出力されるモータ４の回転位置信号を入力し、この信号に基づいて駆動巻線Ｕ，Ｖ，Ｗへの駆動タイミング信号を出力する制御回路６と、この駆動タイミング信号を増幅する駆動回路７と、駆動回路７からの信号で、モータ４の駆動巻線Ｕ，Ｖ，Ｗに接続されるスイッチング素子（Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）でオン、オフするインバータ回路３とで構成されている。

モータ４の回転を制御する制御回路６は、ホール素子型電流センサ２ｂを介してインバータ回路３に流れる瞬時電流を監視し、モータ４の駆動巻線Ｕ，Ｖ，Ｗに印加する電圧をＰＷＭ制御する。また、制御回路６は、インバータ回路３の電流をホール素子型電流センサ２ｂを介して検知し、過電流であれば過負荷またはモータ４の回転が停止したと判断しモータ４の駆動を停止させる。

次に図２の説明図を用いて本発明の特徴である電源装置２側に設けたホール素子型電流センサ２ｂで、インバータ回路３に流れる瞬時電流を測定する原理を説明する。
インバータ回路３へ電源装置２から流れる電流、または、還流してくる電流は、整流回路２ａから出力される電流、または、整流回路２ａへ還流する電流と、平滑コンデンサ２ｃ，２ｄで行われる充放電電流の合成電流値である。なお、平滑コンデンサ２ｃ，２ｄで行われる充放電の電流は、整流回路２ａから電源周期で流れ込む充電電流と、モータ４の負荷の増加による放電電流とで決定される。

このホール素子型電流センサ２ｂでは、インバータ回路３からの還流電流を測定するようになっている。ここで、インバータ回路３からの還流電流をＩｉとし、平滑コンデンサ２ｃ，２ｄで行われる充放電による電流をＩｃとすると、整流回路２ａへ還流する電流ＩｒはＩｒ＝Ｉｉ＋Ｉｃとなる。従ってＩｉ＝Ｉｒ−Ｉｃとなり、インバータ回路３からの還流電流は整流回路２ａへ還流する電流から平滑コンデンサ２ｃ，２ｄで行われる充放電の電流を減算すればよいことになる。

本実施例では前述したように、平滑コンデンサ２ｃと平滑コンデンサ２ｄを直列に接続する配線を、ホール素子型電流センサ２ｂの出口Ａから入口Ｂに挿通させ、一方、平滑コンデンサ２ｄの負極から整流回路２ａの負極へ接続される配線を、ホール素子型電流センサ２ｂの入口Ｂから出口Ａに挿通させている。このため、ホール素子型電流センサ２ｂを用いて、ＩｒとＩｃとの瞬時電流測定と、Ｉｒ−Ｉｃの演算とを同時に行い、結果的に出力される電流値Ｉｉを簡単な回路で得ることができる。

なお、本実施例では、整流回路２ａの負極電源ライン側にホール素子型電流センサ２ｂを設けた例を説明しているが、これに限るものでなく、整流回路２ａの正極電源ライン側にホール素子型電流センサ２ｂを設け、整流回路２ａの負極側でなく、正極側の電流を測定するようにしてもよい。この場合、平滑コンデンサ２ｃの正極は整流回路２ａの正極端子に、平滑コンデンサ２ｄの負極は整流回路２ａの負極端子にそれぞれ接続され、平滑コンデンサ２ｃの正極とインバータ回路３の正極とに接続された配線がホール素子型電流センサ２ｂの出口Ａから入口Ｂに挿通されて整流回路２ａの正極端子に接続され、平滑コンデンサ２ｄの正極に接続される配線がホール素子型電流センサ２ｂの入口Ｂから出口Ａに挿通し、平滑コンデンサ２ｃの負極へ接続されるように配置するとよい。

以上説明したように、背景技術で説明したインバータ回路内に配置されていた電流検知手段（シャント抵抗）を電源装置側の整流回路と平滑コンデンサとの間に移動したため、インバータ回路と平滑コンデンサとの間で電流に対して抵抗となるシャント抵抗がなくなり、このシャント抵抗による電力ロスをなくすことができる。

また、同様に、インバータ回路内に配置されていた電流検知手段（シャント抵抗）がなくなるため、平滑コンデンサとインバータ回路とを最短距離で配線できる。このため、この配線のインピーダンスによる電流・電圧のリンギングを減少させることができる。

さらに、整流回路２ａから出力される電流の値から平滑コンデンサ２ｃ，２ｄに流れる電流の値を差し引くために、ホール素子型電流センサ２ｂ（磁気電流センサ）の内部に、それぞれの配線を平行に配置している。このため、電流測定に必要な２つの電流検出回路と、ここで検出した２つの電流値の演算を行う演算回路とに代替して、１つの磁気電流センサ、例えばホール素子型電流センサ２ｂで３つの動作を行うことができ、電流測定回路の簡略化、コウストダウンを行うことができる。

なお、本実施例では、磁気電流センサ（電流検知手段）としてホール素子型電流センサを用いて説明しているが、これに限るものでなく、貫通型のカレントトランスにＩｒとＩｃとの配線を貫通させ、前述した電流の減算とその結果の取り出しを行うようにしてもよい。
また、電源装置は３相の交流電源を使用しているが、これに限るものでなく、単相の交流電源を用いてもよい。

１交流電源
２電源装置
２ａ整流回路
２ｂホール素子型電流センサ（磁気電流センサ、電流検知手段）
２ｃ平滑コンデンサ（第１平滑コンデンサ）
２ｄ平滑コンデンサ（第２平滑コンデンサ）
３インバータ回路
４モータ
５位置検出回路
６制御回路
７駆動回路
８インバータ装置

Claims

交流電源を整流して直流電圧を正極端子と負極端子とから出力する整流回路と前記正極端子と前記負極端子との間に並列に接続された平滑コンデンサとを備えた電源装置と、前記正極端子と前記負極端子を介して前記直流電圧を入力し、同直流電圧をスイッチングして電力を変換するインバータ回路を設けたインバータ装置とを備えた電力変換装置において、
前記平滑コンデンサは少なくとも２つの平滑コンデンサを直列に接続して構成されており、
前記整流回路の正極端子から前記インバータ回路へ供給され、同インバータ回路から前記負極端子へ還流する電流の値から前記平滑コンデンサ同士を接続する接続点に流れる電流の値を差し引くことにより、前記インバータ装置の瞬時電流を検知する磁気電流センサを設けたことを特徴とする電力変換装置。
前記平滑コンデンサは第１平滑コンデンサと第２平滑コンデンサとを直列に接続して構成され、前記第１平滑コンデンサの正極は前記整流回路の正極端子に、前記第２平滑コンデンサの負極は前記整流回路の負極端子にそれぞれ接続され、
前記第２平滑コンデンサの負極と前記インバータ回路の負極とに接続された配線が前記磁気電流センサの入口から出口に挿通されて前記整流回路の前記負極端子に接続され、
前記第１平滑コンデンサの負極に接続される配線が前記磁気電流センサの出口から入口に挿通されて前記第２平滑コンデンサの正極に接続されていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記平滑コンデンサは第１平滑コンデンサと第２平滑コンデンサとを直列に接続して構成され、前記第１平滑コンデンサの正極は前記整流回路の正極端子に、前記第２平滑コンデンサの負極は前記整流回路の負極端子にそれぞれ接続され、
前記第１平滑コンデンサの正極と前記インバータ回路の正極とに接続された配線が前記磁気電流センサの出口から入口に挿通されて前記整流回路の前記正極端子に接続され、
前記第２平滑コンデンサの正極に接続される配線が前記磁気電流センサの入口から出口に挿通されて前記第１平滑コンデンサの負極に接続されていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。