JP2012055042A

JP2012055042A - 電源装置

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Publication number: JP2012055042A
Application number: JP2010193978A
Authority: JP
Inventors: Toru Osuga; 透大須賀; Atsushi Oyama; 敦大山; Toshiharu Nakazawa; 敏治中澤
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-03-15

Abstract

【課題】小型で且つ過渡的大電力需要を賄うことができる電源装置を提供すること。
【解決手段】商用電源を投入・遮断する遮断機と、任意の周波数の駆動電力を電動機Ｍ１、Ｍ２に出力するインバータ１１、２１を備えた電源装置において、インバータ１１、２１には商用電源を整流する整流部と、該整流部により整流した電圧を平滑する平滑部を具備し、平滑部の出力部にスイッチング素子で構成された周波数変換部を設け、該周波数変換部の出力電力が所定値以上となった場合、平滑部のコンデンサ又は別途設置した電力供給用コンデンサ１２より周波数変換部へ不足する電力を供給し、更に周波数変換部の出力電力が所定値以下となった場合、整流部より電力供給用コンデンサ１２に充電する過渡電力供給部１４を設け、インバータ１１、２１への入力電力に対して出力電力の負荷変動を時間的に平均化しつつ周波数変換部の上位側の部品及び設備の容量を小型化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、商用電源からの電力を整流部で直流に変換し、平滑部で平滑し、該平滑部からの直流をスイッチング素子で構成された周波数変換部で任意の周波数の交流に変換し、電動機に供給する電源装置に関するものである。

産業用途やハイブリッド電気自動車に代表される車両用駆動用途等のパワーインバータシステムでは、始動時や負荷変動時に過渡的に大きい電力を必要とする。パワーインバータシステムからこのような過渡的大電力を供給できるようにするためには、通常はパワーインバータシステムの容量をこの最大電力をカバーできる容量として設計している。

特開２００３−３３３８９１号公報

しかしながら、パワーインバータシステムである電源装置の容量を、上記のように過渡的大電力需要を賄うことが可能な最大仕様で設計した場合、ハーネスや各部品の定格は、大容量で耐電流の大きいものが要求され、電源装置が大型化し、且つ高価になるという問題がある。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、小型で且つ過渡的大電力需要を賄うことができる電源装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、商用電源を投入・遮断する遮断機と、任意の周波数の駆動電力を電動機に出力するインバータシステムを備えた電源装置において、インバータシステムには商用電源を整流する整流部と、該整流部により整流した電圧を平滑する平滑部を具備し、平滑部の出力部にスイッチング素子で構成された周波数変換部を単独或いは複数設け、該周波数変換部の出力電力が所定値以上となった場合、平滑部のコンデンサ又は別途設置した電力供給用コンデンサより周波数変換部へ不足する電力を供給し、更に周波数変換部の出力電力が所定値以下となった場合、整流部より電力供給用コンデンサに充電する過渡電力供給システムを設け、インバータシステムへの入力電力に対して出力電力の負荷変動を時間的に平均化しつつ周波数変換部の上位側の部品及び設備の容量を小型化することを特徴とする。

また、本発明は、上記電源装置において、電力供給用コンデンサは、電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタで構成されていることを特徴とする。

また、本発明は、上記電源装置において、電力供給用コンデンサに使用する電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタの出力電圧を周波数変換部に必要な所望の電圧に昇圧する昇圧回路を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、上記電源装置において、電力供給用コンデンサに使用する電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタに対して、充電電圧を供給する降圧充電回路を設け、且つ該降圧充電回路は前記電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタへの充電電流を所定の電流に制御することを特徴とする。

また、本発明は、上記電源装置において、昇圧回路は、整流部及び平滑部出力電圧に対して僅かに高い電圧を供給することで逆流防止回路を設けることなく、整流部を経由して商用電源側への電力の電力逆流を発生させることなく、周波数変換部へ電力を供給することを特徴とする。

また、本発明は、上記電源装置において、昇圧回路と降圧充電回路を兼用する双方向充放電回路を設け、電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタに対する充・放電を可能にしたことを特徴とする。

本発明は、周波数変換部の出力電力が所定値以上となった場合、平滑部のコンデンサ又は別途設置した電力供給用コンデンサより周波数変換部へ不足する電力を供給し、更に周波数変換部の出力電力が所定値以下となった場合、整流部より電力供給用コンデンサに充電する過渡電力供給システムを設けたので、インバータシステムへの入力電力に対して出力電力の負荷変動を時間的に平均化しつつ過渡的大電力需要を賄うことができ、周波数変換部の上位側の部品容量の小型化及び設備の小型化が可能で、且つ安価な電源装置を提供できる。

本発明に係る電源装置のシステム構成例を示す図である。本発明に係る電源装置の他のシステム構成例を示す図である。本発明に係る電源装置の整流部、平滑部、周波数変換部等の構成例を示す図である。本発明に係る電源装置の整流部、平滑部、周波数変換部等の他の構成例を示す図である。本発明に係る電源装置の整流部、平滑部、周波数変換部等の他の構成例を示す図である。本発明に係る電源装置の整流部、平滑部、周波数変換部等の他の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は本発明に係る電源装置のシステム構成例を示す図である。本電源装置１０はインバータ１１、２１を備え、インバータ１１、２１はそれぞれ電動機Ｍ１、Ｍ２に任意周波数の駆動電力を供給し、電動機Ｍ１、Ｍ２を任意の回転速度で運転するようになっている。インバータ１１、２１には電動機Ｍ１、Ｍ２の負荷が過渡的に過大となり、インバータ１１、２１の出力が不足した場合、その不足分を補給するための過渡電力供給部１４、２４が接続されている。また、過渡電力供給部１４は電力供給用コンデンサ１２と、該電力供給用コンデンサ１２への充電及び電力供給用コンデンサ１２からインバータ１１に電力を供給するための充放電用のＤＣ／ＤＣコンバータ１３を備えている。また、過渡電力供給部２４にも同様に、電力供給用コンデンサ２２と、該電力供給用コンデンサ２２への充電及び電力供給用コンデンサ２２からインバータ２１に電力を供給するための充放電用のＤＣ／ＤＣコンバータ２３を備えている。

商用電源１からの交流電源は漏電ブレーカ２、ノーヒューズブレーカ３を通して電源装置１０に供給されるようになっている。６は電源装置１０の全体を制御する全体制御部であり、ＡＣ／ＤＣ変換器５を介して商用電源１からの交流を直流に変換して、所定電圧値の直流電力が供給されるようになっている。インバータ１１は後に説明するように整流部、平滑部、及び周波数変換部を備え、商用電源１からの交流を整流部で直流に変換し、平滑部で平滑し、該平滑された直流をインバータ１１、２１に供給し、該インバータ１１、２１で任意周波数の駆動電力に変換し、それぞれ電動機Ｍ１、Ｍ２に供給している。

そして、例えば、電動機Ｍ１、Ｍ２で駆動する負荷に過渡的に過大負荷が発生し、インバータ１１、２１の出力電力が所定値以上（定格出力を超える出力電力以上）となった場合、電力供給用コンデンサ１２、２２よりインバータ１１、２１の入力部へ不足分電力を供給する。これにより、商用電源１から供給される漏電ブレーカ２やノーヒューズブレーカ３を流れる電流量は定格電流値以上となることはなく、ノーヒューズブレーカ３は作動して電源を遮断することはない。即ち、インバータ１１、２１への入力電力に対して出力電力を時間的に平均化しつつ漏電ブレーカ２やノーヒューズブレーカ３等のインバータ１１、２１の上位側の部品及び設備の容量を小型化することが可能となる。また、インバータの出力電力が所定値以下（定格出力以下）となった場合、平滑部より電力供給用コンデンサ１２、２２に該電力供給用コンデンサ１２、２２が満充電になるまで充電する。

図２は発明に係る電源装置の他のシステム構成例を示す図である。図２に示す電源装置１０’が図１に示す電源装置１０と異なる点は、電源装置１０ではインバータ１１、２１がそれぞれ整流部（図示せず）を備えているのに対して、電源装置１０’では全体で１個の整流部７を具備し、該整流部７から整流部を持たない各インバータ１１’、２１’に直流電力を供給すると共に、整流部７からＤＣ／ＤＣコンバータ８を介して全体制御部６に所定電圧の直流電源を供給するようになっている点である。

図３は図１に示す電源装置１０のインバータ１１の構成例を示す図である。図示するようにインバータ１１は、整流部３０、平滑部３３、周波数変換部３６を備え、整流部３０と平滑部３３の間に突入電流保護素子３８を直列に接続して構成されている。整流部３０は整流素子３１と３１の直列回路を３個並列に接続した構成で、３個の直列回路の中点が３相交流のＵ、Ｖ、Ｗ相の入力端子に接続されている。突入電流保護素子３８は抵抗器３８ｂと開閉素子３８ａが並列に接続された構成であり、商用電源１を電源装置１０に投入した際に、整流部３０から平滑部３３及び周波数変換部３６に過大な電流が流れるので、この時突入電流保護素子３８の開閉素子３８ａを開くことにより、整流器３０からの電流は抵抗器３８ｂを通して流れることになり、過大な突入電流を抑制することができる。

平滑部３３には平滑コンデンサ３４が接続されており、該平滑コンデンサ３４は整流部３０からの脈流電圧出力を平滑するのに必要とする容量と該容量を超える所定容量を備えたコンデンサである。そして周波数変換部３６の出力が過渡的に過大となった場合には、整流部３０から供給される電力の不足分を該平滑コンデンサ３４に蓄電している電力で補うようにしている。周波数変換部３６は複数個（図では６個）のスイッチング素子３７から構成され、平滑部３３の直流電圧を擬似正弦波の交流電圧に変換し、電動機Ｍに供給する。ここでは、周波数変換部３６のスイッチング素子３７の制御は入力直流電圧値が一定で通電する時間を制御する所謂ＰＷＭ制御である。

インバータ電動機の速度制御方式には、上記のＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式の他にＰＡＭ（ＰｕｌｓｅＡｍｐｌｉｔｕｄｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式がある。
・ＰＷＭ方式は、コンバータ部にリアクタンスとコンデンサからなるパッシブフィルタを配置し、力率改善と高調波の制御を行う。また、整流部と組み合わせたコンデンサ分圧の倍電圧回路より、交流を直流に変換し、インバータ部（周波数変換部）に供給する。周波数変換部はこの直流電圧を周波数変換すると共に、電流流通率を変えてモータへの出力電圧（平均電圧）を可変制御する。
・ＰＡＭ方式は、アクティブフィルタでコンバータを構成し、スイッチング素子を制御することによって、インバータ部（周波数変換部）に供給する直流電圧そのものを変化させ、モータへの出力電圧を制御している。この場合、周波数変換部への電圧印加は連続（電流流通率１００％）である。また、これにより、電源の電流波形を正弦波状に制御している。

図４は図１に示す電源装置１０のインバータ１１の他の構成例を示す図である。図４に示すインバータ１１が図３に示すインバータ装置１０と異なる点は、平滑部３３のコンデンサ３４とは別に電力供給用コンデンサ１２と充放電用のＤＣ／ＤＣコンバータ１３を備えた過渡電力供給部１４を設けている点である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は電力供給用コンデンサ１２の端子電圧を周波数変換部３６の入力に適した電圧に昇圧させる作用と、平滑部３３の直流電圧を電力供給用コンデンサ１２の蓄電に適した電圧に降圧させる作用を有するＤＣ／ＤＣコンバータである。これにより複数並列に接続された電力供給用コンデンサ１２に効率よく充電ができると共に、複数並列に接続された電力供給用コンデンサ１２の出力電圧を周波数変換部３６の入力電圧に必要な電圧値に昇圧して供給できる。

図５は図１に示す電源装置１０のインバータ１１の他の構成例を示す図で、上記ＰＡＭ方式を採用した場合である。図５に示すインバータ１１が図４に示すインバータ装置１０と異なる点は、平滑部３３と周波数変換部３６の間にＤＣ／ＤＣコンバータ４０と過渡電力供給部１４を接続した点である。ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は制御部の制御により平滑部３３の直流出力電圧を昇圧制御し、周波数変換部３６に供給し、周波数変換部３６で所定周波数の擬似正弦波に変換し、電動機Ｍに供給する。このように周波数変換部３６への入力電圧を制御することにより、周波数変換部３６の交流出力電圧を制御して電動機Ｍを制御する。

過渡電力供給部１４のＤＣ／ＤＣコンバータ１３は複数並列に接続された電力供給用コンデンサ１２を効率良く充電するためにＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電圧を電力供給用コンデンサ１２の充電に適した電圧に降圧させて充電する。また、電動機Ｍの負荷が過渡的に過大となりＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電力に不足を生じた場合、電力供給用コンデンサ１２の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電力に昇圧させ、周波数変換部３６に供給する。これによりＤＣ／ＤＣコンバータ４０からの不足電力分を電力供給用コンデンサ１２に蓄電された電力で補充することができる。

図６は過渡電力供給部１４の概略構成例を示す図である。図示するように、本過渡電力供給部１４は、昇圧回路と降圧充電回路を兼用する双方向充放電回路４１を備えている。双方向充放電回路４１はスイッチング素子を具備する降圧部４１ｂ、スイッチング素子を具備する昇圧部４１ａ、制御部４１ｃ、リアクタンス４１ｄ、及びコンデンサ４１ｅで構成されている。制御部４１ｃには平滑部３３の電圧値、電力供給用コンデンサ１２の電圧値が入力されている。

電動機Ｍの負荷が過渡的に過大となり、整流部３０からの供給電力に不足が生じ、電力供給用コンデンサ１２の蓄電電力を周波数変換部３６に供給する場合は、制御部４１ｃの制御により昇圧部４１ａのスイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦすることにより、コンデンサ４１ｅの端子電圧を上昇させ周波数変換部３６の入力部に電力を供給する。この時Ｅ１点の電圧を整流部３０及び平滑部３３の電圧より僅かに高くすることにより、逆流防止回路を設けることなく、整流部３０を経由して商用電源１側への電力逆流を発生させることなく、周波数変換部３６に不足分の電力を供給できる。また、過渡的過大電力が解消して、電力供給用コンデンサ１２に蓄電する場合は、降圧部４１ｂをＯＮ・ＯＦＦすることにより、平滑部３３からの電圧を電力供給用コンデンサ１２の蓄電に適する電圧まで降圧させて蓄電する。

電力供給用コンデンサ１２としては、継続した充放電ができるコンデンサであればよい。ここでは電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタを用いる。特に近年のリチウムイオンキャパシタは、従来の電気二重層キャパシタの約４倍のエネルギー密度を有し、電圧も大きいことから、耐久性、安全性においても、本発明に係る電源装置の過渡電力供給部１４の電力供給用コンデンサ１２として好適である。

なお、図２のインバータ１１’、２１’の構成は整流部３０が無いだけで、図３〜図６に示す構成と略同じであるのでその説明は省略する。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。例えば、図１及び図２ではインバータを２台備えた電源装置を例に説明したが、インバータは１台であっても２台以上の複数台であってもよい。また、各インバータには１つの周波数変換部を設け、周波数変換部単独で電動機に任意の周波数の駆動電力を供給する例を説明したが、周波数変換部は複数であってもよい。

本発明は、周波数変換部の出力電力が所定値以上となった場合、平滑部のコンデンサ又は別途設置した電力供給用コンデンサより周波数変換部へ不足する電力を供給し、更に周波数変換部の出力電力が所定値以下となった場合、整流部より電力供給用コンデンサに充電する過渡電力供給システムを設けたので、インバータシステムへの入力電力に対して出力電力の負荷変動を時間的に平均化しつつ過渡的大電力需要を賄うことができ、周波数変換部の上位側の部品及び設備の容量を小型化することができる電源装置として利用することができる。

１商用電源
２漏電ブレーカ
３ノーヒューズブレーカ
５ＡＣ／ＤＣ変換部
６全体制御部
７整流部
８ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０電源装置
１０’ 電源装置
１１インバータ
１１’ インバータ
１２電力供給用コンデンサ
１３ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４過渡電力供給部
２１インバータ
２１’ インバータ
２２電力供給用コンデンサ
２３ＤＣ／ＤＣコンバータ
２４過渡電力供給部
３０整流部
３１整流素子
３３平滑部
３４平滑コンデンサ
３６周波数変換部
３７スイッチング素子
３８突入電流保護素子
３８ａ開閉素子
３８ｂ抵抗器
４０ＤＣ／ＤＣコンバータ
４１双方向充放電回路
４１ａ昇圧部
４１ｂ降圧部
４１ｃ制御部
４１ｄリアクタンス
４１ｅコンデンサ
Ｍ１電動機
Ｍ２電動機

Claims

商用電源を投入・遮断する遮断機と、任意の周波数の駆動電力を電動機に出力するインバータシステムを備えた電源装置において、
前記インバータシステムには商用電源を整流する整流部と、該整流部により整流した電圧を平滑する平滑部を具備し、前記平滑部の出力部にスイッチング素子で構成された周波数変換部を単独或いは複数設け、該周波数変換部の出力電力が所定値以上となった場合、前記平滑部のコンデンサ又は別途設置した電力供給用コンデンサより前記周波数変換部へ不足する電力を供給し、更に前記周波数変換部の出力電力が所定値以下となった場合、前記整流部より前記電力供給用コンデンサに充電する過渡電力供給システムを設け、前記インバータシステムへの入力電力に対して出力電力の負荷変動を時間的に平均化しつつ前記周波数変換部の上位側の部品及び設備の容量を小型化することを特徴とする電源装置。
請求項１に記載の電源装置において、
前記電力供給用コンデンサは、電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタで構成されていることを特徴とする電源装置。
請求項１又は２に記載の電源装置において、
前記電力供給用コンデンサに使用する電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタの出力電圧を前記周波数変換部に必要な所望の電圧に昇圧する昇圧回路を設けたことを特徴とする電源装置。
請求項１又は２に記載の電源装置において、
前記電力供給用コンデンサに使用する電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタに対して、充電電圧を供給する降圧充電回路を設け、且つ該降圧充電回路は前記電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタへの充電電流を所定の電流に制御することを特徴とする電源装置。
請求項３に記載の電源装置において、
前記昇圧回路は、前記整流部及び平滑部出力電圧に対して僅かに高い電圧を供給することで逆流防止回路を設けることなく、前記整流部を経由して商用電源側への電力の電力逆流を発生させることなく、前記周波数変換部へ電力を供給することを特徴とする電源装置。
請求項１又は２に記載の電源装置において、
昇圧回路と降圧充電回路を兼用する双方向充放電回路を設け、前記電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタに対する充・放電を可能にしたことを特徴とする電源装置。