JP2013201807A - コンバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源供給を開始して突入電流防止抵抗を短絡するリレーが動作しない場合に、簡単且つ迅速に保護できるようにする。
【解決手段】本実施形態は、直流出力部の正側と負側との間に接続されたキャパシタと、整流回路の正側出力端と直流出力部の正側出力端との間、あるいは整流回路の負側出力端と直流出力部の負側出力端との間に接続された突入電流防止抵抗と、突入電流防止抵抗と並列に接続されたスイッチと、直流出力部に接続される負荷に対して電力供給状態か電力遮断状態かを検出する電力供給状態検出手段と、負荷に対して所定の判定期間内に電力供給状態から電力遮断状態に遷移した回数をカウントする遷移回数カウント手段と、カウント手段によってカウントされた値が予め設定された閾値を超えたときに異常状態を判定する異常状態判定手段とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態はコンバータ装置に関する。

例えばキャパシタ入力型のコンバータ装置は、ブリッジ接続した整流素子群を介して交流入力を整流し、平滑用のキャパシタを介して給電する。この場合、電源投入時に突入電流が流れるのを防止するために、突入電流防止抵抗を直列に接続し、キャパシタの端子電圧が安定したら突入電流防止抵抗を短絡させて負荷に給電することが一般的に行われている。

しかしながら、上記のように電源投入時の突入電流を防止することでキャパシタの端子電圧が安定して負荷への給電を行った場合に、突入電流防止抵抗の端子間が短絡されない場合には、負荷への供給電圧が突入電流防止抵抗の分担電圧分だけ低下することになる。このとき、負荷によっては電源電圧が低下することで自動的に給電状態を遮断することがある。すると、キャパシタの端子電圧が再び上昇して負荷への電源供給が可能となる。電源が供給されると再び負荷において上記と同じ現象が生じて電源を遮断することになり、以後、上記した通断電を繰り返すことになる。この結果、負荷の電源遮断状態と通電状態の変化がある毎に突入電流防止抵抗にも繰り返し突入電流が流れてしまう不具合がある。

このような不具合に対して、従来では、例えば直流出力となるキャパシタの端子電圧あるいは突入電流を測定して負荷への電源供給に異常の発生があるか否かを判定することで突入電流防止抵抗を保護するようにしたものがある。

しかしながら、このような構成では、直流出力電圧あるいは負荷電流を測定し、そのときの電圧あるいは電流のレベルが突入電流防止抵抗の許容範囲を超えるか否かを判定して保護動作を行うか否かの対応をする必要があり、測定系の構成を設ける必要があると共にその測定系の測定精度の問題についても考慮する必要がある。

特開２００６−３４０５３２号公報 特許３７２４５２３号公報 米国特許第７９２９３２３号明細書

そこで、給電状態において発生する負荷への電源供給状態と電源遮断状態とが繰り返し発生する場合でも、電圧や電流の測定をすることなく簡単な構成で迅速に突入電流防止抵抗の保護を行うことができるようにしたコンバータ装置を提供することを目的とする。

本実施形態のコンバータ装置は、交流電源を入力とし、半導体整流素子群を介して直流出力部から直流電力を出力するコンバータ装置において、前記直流出力部の正側と負側との間に接続されたキャパシタと、前記半導体整流素子群の正側出力端と前記直流出力部の正側出力端との間、あるいは前記半導体整流素子群の負側出力端と前記直流出力部の負側出力端との間に接続された突入電流防止抵抗と、前記突入電流防止抵抗と並列に接続されたスイッチと、前記直流出力部に接続される負荷に対して電力供給状態か電力遮断状態かを検出する電力供給状態検出手段と、前記負荷に対して所定の判定期間内に電力供給状態から電力遮断状態に遷移した回数をカウントする遷移回数カウント手段と、前記カウント手段によってカウントされた値が予め設定された閾値を超えたときに異常状態を判定する異常状態判定手段とを備えたことを特徴とする。

第１実施形態を示す電気的構成図 第２実施形態を示す電気的構成図 第３実施形態を示す電気的構成図 第４実施形態を示す電気的構成図

以下、複数の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
図１は一般的な負荷を対象として直流出力を給電するコンバータ装置１を示している。コンバータ装置１は、整流回路２、突入電流防止抵抗３、リレー４および平滑用のキャパシタ（平滑コンデンサ）５などから構成されている。整流回路２は、複数のダイオードをブリッジ接続した全波整流回路で、交流入力側が給電遮断回路６を介して単相または多相の交流電源７に接続されている。整流回路２の直流出力側は、正極端子が突入電流防止抵抗３を介して平滑用のキャパシタ５の一端子に接続され、負極端子がキャパシタ５の他端子に接続されている。

スイッチとしてのリレー４は、突入電流防止抵抗３に並列に接続されており、図示しない制御部により所定のタイミングでオンオフの制御がなされる。キャパシタ５の両端子は直流出力端子とされ、出力遮断回路８を介して負荷９に接続されている。負荷９は、その動作状態が保護回路１０により監視されており、動作状態が不安定となる要素として入力電圧が低下あるいは過大になった場合に保護動作として出力遮断回路８に出力回路１１を介して遮断制御信号を出力する。

カウンタ１２は、遷移回数カウント手段として機能するもので、保護回路１０から遮断制御信号が入力され、出力遮断回路８の状態を検出する判別回路１３から負荷９の運転状態を検出する信号が入力される。判定回路１３は、電力供給状態検出手段として機能するもので、定期的にサンプリングして出力遮断回路８の動作状態を判定しており、負荷９の運転状態を判定する信号をカウンタ１２に出力する。カウンタ１２は、判別回路１３からの負荷９への給電状態つまり運転状態である信号を受けているときに、保護回路１０から遮断制御信号が入力されると、運転中つまり電力供給状態から電力遮断状態に遷移したことを検出し、遷移回数１回としてカウントする。カウンタ１２による遷移回数のカウント値は、予め記憶設定されている一定期間内の遷移回数としてカウントされる。

異常状態判定回路１４は、異常状態判定手段として機能するもので、カウンタ１２から遷移回数のカウント値が入力される。異常状態判定回路１４は、予め閾値として異常状態を判定するためのカウント値が記憶設定されており、カウンタ１２から入力されるカウント値が閾値を超えると異常状態を判定する。異常状態判定回路１４には、給電遮断手段および入力部遮断手段としての構成が設けられていて、異常状態を判定したときに、出力回路１１を介して出力遮断回路８に給電遮断動作をするように制御すると共に、給電遮断回路６に交流入力を遮断するように制御する。

出力回路１１は、保護回路１０および異常状態判定回路１４の双方から出力遮断回路８に対する給電動作を指示する信号が与えられている状態で出力遮断回路８をオン動作させて電力供給状態に制御し、いずれか一方あるいは双方から遮断動作を指示する信号が与えられると出力遮断回路８をオフ動作させて電力遮断状態に制御する。

次に上記構成の作用について説明する。
コンバータ装置１を動作させることで、交流電源７から負荷９に直流電源を供給する。コンバータ装置１は、動作電源が投入されると、給電遮断回路６がオン動作される。交流電源７からの入力が整流回路２において整流され直流出力端子間に直流出力が発生する。このとき、リレー４はオフ状態に保持されており、直流出力は突入電流防止抵抗３を通じて流れてキャパシタ５に充電する。整流回路２の直流出力による電流が突入電流防止抵抗３で制限され、キャパシタ５は突入電流防止抵抗３の抵抗値とキャパシタ５の容量値との積で決まる時定数で充電され、端子電圧が直流出力と同程度となるまで上昇する。このようにして電源投入時のキャパシタ５への突入電流を抑制しながら出力電圧が上昇すると、次に、制御回路によりリレー４がオン動作され、突入電流防止抵抗３の端子間が短絡された状態となる。これにより、整流回路２による直流出力が直接キャパシタ５を介して出力端子に供給されるようになる。そして、出力遮断回路８をオンさせて負荷９に直流出力を給電する。

上記のようにして、正常に動作をしている場合には、電源投入時に突入電流防止抵抗３の働きによりキャパシタ５への突入電流を抑制することができ、負荷９側に入力されるのを防止することができる。

次に、上記のように正常に動作する場合に対して、電源投入後に突入電流を抑制してキャパシタ５の端子電圧が所定電圧に達した後、負荷９に給電する状態となったときに、リレー４が何らかの原因で故障してオン動作しない場合の不具合とその回避動作について説明する。なお、負荷９に電源供給をする状態では、保護回路１０および異常状態判定回路１４からは出力回路１１にオン信号が出力されており、出力遮断回路８がオン動作されるので、判別回路１３はこれを検出してカウンタ１２に負荷９への電源供給状態を示す信号を出力している。

まず、リレー４が動作しない場合、つまりオフ状態のままである場合には、出力遮断回路８がオン動作されると、突入電流防止抵抗３を接続した状態で負荷９に直流出力を供給することになる。この場合、負荷９を抵抗負荷と想定すると、負荷９へ供給される電圧は突入電流防止抵抗３と負荷９の抵抗との直列回路における負荷９の抵抗分圧分となる。つまり、正常にリレー４がオン動作して供給される電圧よりも低い電圧が供給されることとなる。負荷９への給電開始前にはキャパシタ５が整流回路２の直流出力電圧まで充電されているので、出力遮断回路８がオンされて負荷９への電源供給を開始すると、負荷９の抵抗成分とキャパシタ５の容量による時定数で電圧が低下していく。

すると、負荷９においては、供給される電圧が低下することで、動作電圧が確保できなくなる。保護回路１０は、負荷９の電圧低下が検出され所定の動作電圧以下を検出すると遮断制御信号を出力して出力回路１１を通じて出力遮断回路８をオフ動作させ、同時にカウンタ１２に遮断制御信号を出力する。カウンタ１２は、判別回路１３から負荷９の電源供給状態を示す信号が入力されている状態で遮断制御信号が入力されるので、電源遮断状態に遷移したとしてカウント値を「１」インクリメントする。

出力遮断回路８がオフ状態に移行すると、キャパシタ５は突入電流防止抵抗３を通じて充電電流が流れ、キャパシタ５の端子電圧すなわち直流出力は再び整流回路２の直流出力に等しくなるまで上昇していく。しかし、キャパシタ５の端子電圧が復帰する前に再び負荷９の動作電圧に達するので出力遮断回路８がオン動作される。このとき、依然としてリレー４は故障していてオフ状態のままであるから、負荷９への供給電圧が再び低下していくことになる。

以下、上記の動作が繰り返し発生し、負荷９への電源供給状態と電源遮断状態が交互に繰り返されるようになる。カウンタ１２は、電源遮断状態が発生する毎にカウント値をインクリメントするので、予め設定された一定時間に達するまでの間、電源遮断状態の発生回数に応じてカウント数が増加していく。一定時間が経過するとそのカウント値が異常状態判定回路１４に出力される。

異常状態判定回路１４においては、一定時間内でのカウント値が予め設定された閾値となる異常判定のカウント値を超えると異常状態であると判定し、出力側の出力遮断回路８をオフさせると共に、入力側の給電遮断回路６をオフさせる。これにより、負荷９への電源供給状態と電源遮断状態が繰り返し発生することによる突入電流防止抵抗３への電流で過熱状態となったり焼損したりするなどの不具合が発生することなく、確実且つ迅速に保護動作を行わせることができる。

上記実施形態においては、リレー４のオフ動作不良に起因した異常状態が判定されたときに、異常状態判定回路１４により、出力遮断回路８および給電遮断回路６の双方をオフ動作させるようにしているが、これに限らず、一方のみをオフ動作させるようにしても良い。

（第２実施形態）
図２は第２実施形態を示すもので、以下、第１実施形態と異なる部分について説明する。この第２実施形態においては、カウンタ１２において予め記憶設定していた一定期間のデータおよび、異常状態判定回路１４において異常状態を判定するための予め記憶設定していた閾値のデータを、設定部１６により設定する構成としている。また、異常状態判定回路１４において異常状態を判定した場合に、外部に警告出力をするための警告出力部１７を設けた構成としている。

すなわち、設定部１６は、期間設定手段および閾値設定手段としての機能を備えたもので、突入電流防止抵抗３の抵抗値のデータおよびキャパシタ５の容量値のデータに基づいて、前述した異常状態が発生した場合に突入電流防止抵抗３や他の構成を安全に停止させるための判定条件となる一定期間および閾値を設定するものである。

上記の場合、設定部１６の構成としては、種々の構成が採用できる。例えば、突入電流防止抵抗３の抵抗値およびキャパシタ５の容量値を入力しておくと、これらのデータに基づいて異常判定に必要な一定期間および閾値の値を算出して設定値として出力する構成である。また、この場合には、抵抗値や容量値の経年的な変化を推定する情報も予め設定しておくことで、経時変化に対応した一定時間および閾値の設定をすることもできる。

さらに、設定部１６の構成としては、経時変化に対応した一定時間および閾値を正確に設定するために、突入電流防止抵抗３の抵抗値およびキャパシタ５の容量値を測定して入力することで算出することもできるし、あるいは自動的に測定できる構成を設けて適切なタイミングで測定したデータに基づいて経時変化に対応した一定時間および閾値の設定をすることができる。

また、警告出力部１７は、警告出力手段として機能するもので、異常状態判定回路１４が異常状態を判定すると、異常状態判定信号が入力され、これに応じて外部に信号線などを介して異常状態を警告として報知動作する。また、外部に報知すること以外に、警告動作として音声出力部を設けて警報音を発することができる。あるいは警告表示部を設けて警告表示をすることができる。

このような構成を採用することで、予め設定記憶した場合に比べて個々の装置に対応した正確なデータに基づいて一定期間および閾値の設定をすることができ、異常状態が発生したときに正確な対応をすることができる。

また、異常状態が発生したときに、警告出力部１７により使用者に対して警告の表示をしたり警報を鳴らしたり、あるいは遠隔地に異常が発生したことを報知することができるようになる。
上記実施形態では、設定部１６と警告出力部１７を共に備える構成を示したが、いずれか一方を備える構成とすることもできる。

（第３実施形態）
図３は第３実施形態を示すもので、以下、第２実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、カウンタ１２に代えて電力供給周期測定手段および電力周期演算手段としての周期測定部１９を設けたところが異なる。

すなわち、第１および第２実施形態では、異常状態の判定をするのに、一定時間内での電力供給状態から電力遮断状態への遷移回数をカウントして閾値を設けて判定していたのに対して、電力供給状態から電力遮断状態が発生し、次の電力供給状態が始まるまでの時間を周期として測定し、その周期が所定の周期閾値に対して短い場合に異常状態が発生していると判断するものである。

これは、一定時間をＴとし、遷移回数をＮとすると、そのときの平均時間間隔はＴ／Ｎとなりこれは平均周期に相当する値となる。したがって、各遷移期間を周期として測定し、複数回の周期から平均周期を算出することで第１実施形態あるいは第２実施形態と同等の判定が行えるものである。

なお、この場合、上記したように平均周期により異常状態の判定が可能であるのは、突入電流防止抵抗３の抵抗値およびキャパシタ５の容量値によって決まる時定数と負荷９の動作電圧Ｖとの関係で、リレー４が動作しなかった場合には、ほぼ一定周期で負荷９への給電動作および遮断動作の繰り返しが発生するからである。

このような第３実施形態によれば、交流電源７からの給電状態において、負荷９への給電動作状態を開始した時点から給電遮断状態に移行し、再び給電動作状態に移行するまでの時間を周期として測定し、複数回の周期から得られる平均周期の大きさが所定の閾値よりも短くなると異常状態を判定するので、簡単且つ迅速に異常判定を行うことができる。

なお、上記実施形態では、複数回測定した周期の平均周期を演算して判定をするようにしているが、平均周期を求める方法以外に、周期の値の変化の傾向として、例えば徐々に短くなっていくなどの傾向を判定することで異常状態を判定することもできるし、周期の最大値あるいは最小値から異常状態を判定することもできる。

（第４実施形態）
図４は第４実施形態を示すもので、第２実施形態と異なるところは、コンバータ装置２２の直流出力部から負荷９に対する給電部分にインバータ２３を設けたところである。この構成においては、負荷９として、交流電源で動作するものが接続される構成である。インバータ２３はコンバータ装置２２の直流出力を所定の周波数の交流出力に変換して給電する。また、インバータ２３は負荷９への給電電圧が低下したり異常な電流が流れたりすると自動的に保護動作を行うように構成されている。カウンタ１２は、インバータ２３から保護動作を行う場合の信号を入力する。また、コンバータ装置２２が運転中であることを示す信号を異常状態判定回路１４のインバータ２３に対する出力信号に基づいて判断している。

上記のように構成しているので、コンバータ装置２２が交流電源７から給電状態にあるときには、異常状態判定回路１４がインバータ２３に対して運転を許可する信号を出力しているので、カウンタ１２はコンバータ装置２２の運転状態を判定する。また、インバータ２３は負荷９に対して正常に給電している場合にはカウンタ１２にも正常状態を示す信号が入力されているので、カウンタ１２は負荷９への電源給電状態を判定する。

しかし、起動後にリレー４が動作せず、突入電流防止抵抗３を介したままの状態で給電動作が継続されると、前述のように負荷９への出力電圧が低下してインバータ２３は保護動作をおこなって負荷９への給電を停止する。これにより、カウンタ１２はインバータ２３からの電源供給停止の信号を受けて電源遮断状態を判断し、カウント値をインクリメントする。この後、電源供給状態から電源遮断状態に移行する動作が繰り返し発生してカウント値が閾値を超えると、異常状態判定回路１４が異常状態を判定し、出力回路１１を介してインバータ２３に対して電源遮断状態に移行させるように信号を出力する。

したがって、このような第４実施形態によっても、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。また、インバータ２３が備えている機能を用いることで保護回路や判定回路を設けることなく簡単な構成で実施することができる。

（他の実施形態）
上記実施形態で説明したもの以外に次のような変形をすることができる。
突入電流防止抵抗３およびリレー４は、整流回路２の正側の直流出力端子とキャパシタ５の正側端子に接続する構成以外に、整流回路２の負側の直流出力端子とキャパシタ５の負側端子に接続する構成のものにも適用できる。

上記各実施形態では、スイッチとしてリレー４を設けたが、これに代えて半導体スイッチング素子を用いることもできる。
第２実施形態では、設定部１６および警告出力部１７を設ける構成としたが、いずれか一方を設ける構成とすることもできる。

第３実施形態では、第２実施形態の構成に適用した場合を示したが、第１実施形態の構成に適用することもできる。
第４実施形態では、第２実施形態の構成にインバータ２３を設ける場合を示したが、第１あるいは第３実施形態の構成にインバータ２３を設ける構成としても良い。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変更は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１、１５、１８、２２はコンバータ装置、２は整流回路、３は突入電流防止抵抗、４はリレー（スイッチ）、５はキャパシタ、６は給電遮断回路、７は交流電源、８は出力遮断回路、９は負荷、１０は保護回路、１２はカウンタ（遷移回数カウント手段）、１３は判別回路（電力供給状態検出手段）、１４は異常状態判定回路（異常状態判定手段）、１６は設定部（期間設定手段、閾値設定手段）、１７は警報出力部（警告出力手段）、１９は周期測定部（電力供給周期測定手段、電力供給周期演算手段）、２０は異常状態判定回路（異常状態判定手段）、２３はインバータを示す。

Claims (8)

1. 交流電源を入力とし、整流回路を介して直流出力部から直流電力を出力するコンバータ装置において、
   前記直流出力部の正側と負側との間に接続されたキャパシタと、
   前記整流回路の正側出力端と前記直流出力部の正側出力端との間、あるいは前記整流回路の負側出力端と前記直流出力部の負側出力端との間に接続された突入電流防止抵抗と、
   前記突入電流防止抵抗と並列に接続されたスイッチと、
   前記直流出力部に接続される負荷に対して電力供給状態か電力遮断状態かを検出する電力供給状態検出手段と、
   前記負荷に対して所定の判定期間内に電力供給状態から電力遮断状態に遷移した回数をカウントする遷移回数カウント手段と、
   前記カウント手段によってカウントされた値が予め設定された閾値を超えたときに異常状態を判定する異常状態判定手段とを備えたことを特徴とするコンバータ装置。
2. 請求項１に記載のコンバータ装置において、
   前記突入電流防止抵抗および前記キャパシタの回路定数に基づいて前記遷移回数カウント手段における前記判定期間を設定する期間設定手段を備えたことを特徴とするコンバータ装置。
3. 請求項１または２に記載のコンバータ装置において、
   前記突入電流防止抵抗および前記キャパシタの回路定数に基づいて前記異常状態判定手段における前記閾値を設定する閾値設定手段を備えたことを特徴とするコンバータ装置。
4. 交流電源を入力とし、整流回路を介して直流出力部から直流電力を出力するコンバータ装置において、
   前記直流出力部の正側と負側との間に接続されたキャパシタと、
   前記整流回路の正側出力端と前記直流出力部の正側出力端との間、あるいは前記整流回路の負側出力端と前記直流出力部の負側出力端との間に接続された突入電流防止抵抗と、
   前記突入電流防止抵抗と並列に接続されたスイッチと、
   前記直流出力部に接続される負荷に対して電力供給状態か電力遮断状態かを検出する電力供給状態検出手段と、
   前記負荷に対して前記直流出力部から給電を開始した時点から前記電力遮断状態に移行した後に給電を再開する時点までの電力供給周期を測定する電力供給周期測定手段と、
   前記電力供給周期測定手段から得られた複数個の電力供給周期の値に基づいて現在の電力供給周期を推定する電力供給周期演算手段と、
   前記電力供給周期演算手段により推定された現在の前記電力供給周期が予め設定された周期閾値よりも短いときに、異常状態を判定する異常状態判定手段とを備えたことを特徴とするコンバータ装置。
5. 請求項４に記載のコンバータ装置において、
   前記突入電流防止抵抗および前記キャパシタの回路定数に基づいて前記周期閾値を設定する周期閾値設定手段を備えたことを特徴とするコンバータ装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載のコンバータ装置において、
   前記異常状態判定手段により前記異常判定がなされると、前記直流出力部から負荷への給電を遮断する給電遮断手段を備えたことを特徴とするコンバータ装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載のコンバータ装置において、
   前記異常状態判定手段により前記異常判定がなされると、前記交流電源の入力を遮断する入力部遮断手段を備えたことを特徴とするコンバータ装置。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載のコンバータ装置において、
   前記異常状態判定手段により前記異常判定がなされると、異常状態を示す警告情報を出力する警告出力手段を備えたことを特徴とするコンバータ装置。

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