JP2015107050A - 電力変換回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】負電力を低減する電力変換回路を提供する。
【解決手段】誘導負荷に対して電力を供給するための電力変換回路は、インダクタンスと、切替回路とエネルギー貯留回路とを含む。インダクタンスは、切替回路が導電状態であると充電し、切替回路が非導電状態であるとエネルギー貯留回路及び誘導負荷に対してエネルギーを放電する。エネルギー貯留回路は、切替回路が導電状態であると誘導負荷に対してエネルギーを放電する。
【選択図】図2

Description

本発明は、誘導負荷用の電力変換回路、具体的には、BLDCモータに特に好適な電力変換回路に関する。
ブラシレス直流(BLDC)モータは、磁石回転子と、少なくとも1つの巻線が上に巻かれた固定子とを有する。電力は、電力変換回路を介して、AC電源によりモータに供給することができる。図1は、従来の電力変換回路に基づいた、AC電源の電圧、電流及び電力の信号を示す。モータをAC電源に接続した瞬間に、電流は、BLDCモータの固定子の巻線を通り、エネルギーは、巻線により発生した界磁に蓄えられる。巻線は誘導素子であるので、電流信号の位相は、電圧信号の位相と比較して遅延する。モータを電源に接続した瞬間は、モータの回転子は静止し、かつ巻線により発生する逆起電力(EMF)はない。電圧が増大するにつれて、饋電した巻線は、回転子の界磁と相互作用する発生した界磁の強度を増大させて回転子を駆動し、従って巻線は逆EMF VBを発生する。従来の電力変換回路によると、巻線は、AC電圧が逆EMF VBよりも大きい全期間中、充電され、巻線により蓄積したエネルギーは比較的高い。AC電圧が逆EMF VBよりも小さい値に低下すると、AC電源により共有される電力は停止し、巻線はエネルギーを放電し始め、これは図1に示すようにAC電圧がゼロを下回る瞬間まで継続し、これにより負電力が発生する。負電力は、電力の一部を電力系統に逆流させ、電気エネルギーを消費し、AC電源の有効電力の低下を招いてしまう。
従って、負電力を低減する電力変換回路に対する需要がある。
従って、本発明は、一つの態様において、誘導負荷に対して電力を供給するための電力変換回路であって、AC電源に接続するように適合された第1及び第2の入力端子とDC電圧を出力するための第1及び第2のDC端子とを備える、AC電圧をDC電圧に変換するための変換器と、第1のDC端子に接続された第1の接続端子と第2の接続端子を備える第1のインダクタンスと、第1及び第2の被制御端子と該第1及び第2の被制御端子の間の接続を制御するための制御端子を備える切替回路と、制御信号を制御端子に供給して第1の被制御端子と第2の被制御端子との間の接続を制御する制御回路と、第2の接続端子と第2のDC端子に接続されかつ誘導負荷に対して電力を供給するための第1及び第2の出力端子を備えるエネルギー貯留回路と、を備え、第1のインダクタンスは、第1及び第2の被制御端子が互いに接続されるとエネルギーを蓄積し、第1及び第2の被制御端子が互いから接続解除されるとエネルギー貯留回路と誘導負荷に対してエネルギーを放電するように適合され、エネルギー貯留回路は、第1及び第2の被制御端子が互いに接続されると誘導負荷に対してエネルギーを放電するように適合される、ことを特徴とする電力変換回路を提供する。
制御回路は、PWM信号発生器を備えることが好ましい。
フィルタ回路が第1及び第2のDC端子間に接続されることが好ましい。
フィルタ回路は、第1及び第2のDC端子間に接続された第1のキャパシタを備えることが好ましい。
エネルギー貯留回路は、第1及び第2の出力端子間に接続された第2のキャパシタを備えることが好ましい。
エネルギー貯留回路は、ダイオードをさらに備え、第1及び第2の出力端子のうち1つは、ダイオードを介して第2の接続端子及び第2のDC端子のうち1つに接続され、第1及び第2の出力端子のうち別の1つは、第2の接続端子及び第2のDC端子のうち別の1つに直接接続されることが好ましい。
エネルギー貯留回路は、第2の接続端子と第1の出力端子との間に接続された第3のキャパシタと、第2のDC端子と第1の出力端子に隣接する第3のキャパシタの一端との間に接続された第2のインダクタンスをさらに備えることが好ましい。
エネルギー貯留回路は、ダイオードをさらに備え、第1及び第2の出力端子のうち1つは、ダイオードを介して第2のDC端子及び第1の出力端子に隣接する第3のキャパシタの一端のうち1つに接続され、第1及び第2の出力端子のうち別の1つは、第2のDC端子及び第1の出力端子に隣接する第3のキャパシタの一端のうち別の1つに接続されることが好ましい。
第2の態様によると、本発明は、誘導負荷に対して電力を供給するための電力変換回路であって、インダクタンスと、切替回路とエネルギー貯留回路とを備える電力変換回路を提供する。インダクタンスは、切替回路が導電状態であると充電し、切替回路が非導電状態であるとエネルギー貯留回路及び誘導負荷に対してエネルギーを放電し、エネルギー貯留回路は、切替回路が導電状態であると誘導負荷に対してエネルギーを放電する。
切替回路は、エネルギー貯留回路に対して並列接続されることが好ましい。
誘導負荷は、電気モータを含むことが好ましい。
誘導負荷は、BLDCモータを含み、電力変換回路は、エネルギー貯留回路とBLDCモータとの間に接続されたインバータをさらに備えることが好ましい。
インバータは、H−ブリッジ駆動回路であることが好ましい。
インダクタンスは、DC電圧と切替回路との間に接続されることが好ましい。
エネルギー貯留回路は、切替回路と誘導負荷との間に接続されることが好ましい。
ここで、添付図面の図を参照して、単なる例として、本発明の好ましい実施形態を以下に説明する。図において、1つより多くの図に現れる同一の構造、要素及び部品には、一般に、現れる全ての図において同一の参照番号が付される。図に示される構成要素及び特徴部の寸法は、一般的に、便宜上及び表示を明確にするために選択されたものであり、必ずしも縮尺通りではない。以下に図が列挙される。
従来の電力変換回路に基づく、AC電源の電圧、電流及び電力の信号を示す。 本発明の実施形態による電力変換回路を示す。 本発明の別の実施形態による電力変換回路を示す。 図3の電力変換回路に基づくAC電源の電圧及び電流信号を示す。 本発明の別の実施形態による電力変換回路を示す。 図5の電力変換回路に基づくAC電源の電圧及び電流信号を示す。
図2は、本発明の実施形態による電力変換回路10を示す。電力変換回路10は、誘導負荷62に対して電力を供給するよう適合される。本実施形態において、誘導負荷62は、H−ブリッジ駆動回路であることが好ましいインバータにより駆動されるBLDCモータであることが好ましい。電力変換回路10は、ACDC変換器20、第1のインダクタンスL1、切替回路30、制御回路40及びエネルギー貯留回路50を備える。
ACDC変換器20は、AC電源61からのAC電圧をDC電圧に変換するように適合され、第1の入力端子21、第2の入力端子22、第1のDC端子23及び第2のDC端子24を備える。第1の入力端子21及び第2の入力端子22は、AC電源61に接続するよう適合される。第1のDC端子23及び第2のDC端子24は、DC電圧を出力するよう適合される。
切替回路30は、インダクタンスL1を充電するために、インダクタンスL1と第2のDC端子24との間に被制御短絡を印加するように配置される。切替回路30は、第1の被制御端子31、第2の被制御端子32及び第1の被制御端子31と第2の被制御端子32との間の接続又は接続解除を制御する制御端子33を備える。制御回路40は、第1の被制御端子31及び第2の被制御端子32を選択的に接続及び接続解除するために、制御端子33に制御信号を与える。第1のインダクタンスL1は、第1の接続端子25及び第2の接続端子26を有し、それぞれACDC変換器20及び切替回路30に接続される。本実施形態において、第1の接続端子25はACDC変換器20の第1のDC端子23に接続され、第2の接続端子26は、切替回路30の第1の被制御端子31に直接接続され、切替回路30の第2の被制御端子32は、ACDC変換器20の第2のDC端子24に直接接続される。
エネルギー貯留回路50は、第2の接続端子26及び第2のDC端子24に接続され、誘導負荷62に接続される第1の出力端子51及び第2の出力端子52を備える。インダクタンスL1は、第1の被制御端子31及び第2の被制御端子32が接続されるとエネルギーを蓄積し、第1の被制御端子31及び第2の被制御端子32が接続解除されると誘導負荷62及びエネルギー貯留回路50に対してエネルギーを放電する。エネルギー貯留回路50は、第1の被制御端子31及び第2の被制御端子32が接続されると第1の被制御端子31及び第2の被制御端子32が接続されると誘導負荷62に対してエネルギーを放電して誘導負荷62の動作を維持するように適合される。
図3は、本発明の別の実施形態を示す。本実施形態において、ACDC変換器20は、半ブリッジダイオード整流器であることが好ましい。切替回路30は、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)又は金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)を含むことが好ましい。BJTの集電器及びエミッタ、つまりMOSFETのドレイン及びソースは、第1の被制御端子31及び第2の被制御端子32であり、BJTのベースつまりMOSFETのゲートは、制御端子33である。第1の被制御端子31は、第1のインダクタンスL1を介して第1のDC端子23に接続される。第2の被制御端子32は、第2のDC端子24に接続される。制御回路40は、PWM信号発生器又は単一チップマイクロコンピュータ等の任意の型式の信号発生器を含むことが望ましい。
エネルギー貯留回路50は、第2のキャパシタC2とダイオードDとを備える。第2のキャパシタC2は、第1の出力端子51と第2の出力端子52との間に接続される。ダイオードDの陽極は、第2の接続端子26に接続され、ダイオードDの陰極は、第1の出力端子51に接続される。第2の出力端子52は、第2のDC端子24に接続される。代替的に、図3で点線で示すように、ダイオードDは、第2のDC端子24と第2の出力端子51との間に接続され、ダイオードDの陽極は第2の出力端子52に接続され、ダイオードDの陰極は第2のDC端子24に接続され、及び第1の出力端子51は、第2の接続端子26に接続される。言い換えると、第1の出力端子51及び第2の出力端子52のうち1つが、ダイオードDを介して第2の接続端子26及び第2のDC端子24のうち1つに接続され、第1の出力端子51及び第2の出力端子52のうち別の1つが、第2の接続端子26及び第2のDC端子24のうち別の1つに直接接続される。
H−ブリッジ駆動回路63は、制御装置により制御してモータを正常に動作させることができる4つのスイッチSを備える。制御装置は、制御回路40に組み込むことが望ましい。
図4を参照すると、動作中、変換回路20は、第1のDC端子23及び第2のDC端子24により出力されたAC電圧をDC電圧に変換する。DC電圧は、第1のインダクタンスL1を介してH−ブリッジ駆動回路63及びエネルギー貯留回路50に供給されて、BLDCモータ62を駆動する。AC電圧が逆EMF VBより大きい値(図の点A)まで次第に増大した後、電流がAC電源61により与えられる。点Aの前には、AC電源61から流れる電流はない。
AC電源61は、AC電源61の電圧が逆EMF VBより大きいので、点Aと点Bとの間で電力を供給する。切替回路30は、制御回路40の制御下で、導電状態又は非導電状態である。切替回路30が導電状態であると、AC電源61は、ACDC変換器20、第1のインダクタンスL1及び切替回路30と回路を形成して第1のインダクタンスL1に充電する。この間、第1のインダクタンスL1は、ACDC変換器20によるDC電圧出力と同じ極性を有する。切替回路30が非導電状態であると、第1のインダクタンスL1の電圧は、DC電圧に重ねられる。AC電源61、ACDC変換器20、第1のインダクタンスL1、ダイオードD及びエネルギー貯留回路50の第2のキャパシタにより第1の回路が形成されて、第2のキャパシタC2に充電する。一方、AC電源、ACDC変換器20、第1のインダクタンスL1、ダイオードD、H−ブリッジ駆動回路63及びモータ62により第2の回路が形成されて、モータを駆動する。切替回路30が再度導電状態になると、第1のインダクタンスL1は再度充電され、第2のキャパシタC2はH−ブリッジ駆動回路63を介してモータ62に対してエネルギーを放電して、モータの動作を維持する。切替回路30が非導電状態になると、第2のキャパシタC2は再び充電される。
AC電圧が、逆EMF VBと等しい値(図の点B)に低下すると、さらにはゼロに低下すると、モータの巻線に蓄積されたエネルギーがある場合、つまり誘導負荷62に電圧が存在する場合、モータに蓄積したエネルギーは、切替回路30が非導電状態であると、H−ブリッジ駆動回路63を介してAC電源61に逆流する。放電期間は、制御回路40の制御信号のデューティサイクルに対応する切替回路30の切替周波数及び導電時間に対応する。
切替回路30は、交互に導電状態及び非導電状態であるので、エネルギー貯留回路50及び誘導負荷62に充電する期間は、非常に短く制御され、従って誘導負荷62に蓄積されたエネルギーは低減され、放電を素早く完了することができる。従って、負電力が低減され、BLDCモータの有効出力が改善され、電力系統の消費を減少させ、電気的効率が向上する。
さらに、第1のインダクタンスL1の電圧は、第1のインダクタンスL1の放電中、ACDC変換器20により出力されたDC電圧に重ねられるので、モータに印加される電圧は、AC電源61の電圧よりも高く、より高い電圧を要求するモータを駆動するのに用いることができる。
フィルタ回路は、第1のDC端子23及び第2のDC端子24から出力されるDC電圧をフィルタするために、第1のDC端子23と第2のDC端子24との間に接続されることが好ましい。本実施形態において、フィルタ回路は、第1のキャパシタC1を含む。代替的に、フィルタ回路は、LC回路を含み、LC回路におけるインダクタンスはACDC変換器20と第1のキャパシタC1との間に接続されるか、1つのみのインダクタンスを含むことができることを理解されたい。
点Aと点Bとの間の期間、モータの回転速度は、制御回路40の制御信号のデューティサイクルに対応する切替回路30の導電時間を調節することにより制御することができる。デューティサイクルが高いほど、つまり切替回路の導電時間が長いほど、モータの巻線に蓄積され、点Bの後で放電されるエネルギーは少なく、従って負電力は低減される。
図5は、本発明の別の実施形態による電力変換回路10bを示す。電力変換回路10bは、電力変換回路10と類似する。両者の違いは、電力変換回路10bのエネルギー貯留回路50bは、ダイオードD及び第2のキャパシタC2以外に、第3のキャパシタC3及び第2のインダクタンスL2をさらに備えることである。第3のキャパシタC3は、第2の接続端子26とダイオードDの陽極との間に接続される。第2のインダクタンスL2は、第2のDC端子24とダイオードDの陽極との間に接続される。
図6を参照すると、動作中、電圧は、BLDCモータ62に印加され、モータが回転して、巻線により逆EMF VBが発生する。逆EMF VBより大きい値(図の点A)まで次第に増大すると、電流がAC電源61により与えられる。点Aと点Bの間の期間、AC電源61の電圧は、逆EMF VBより大きく、切替回路30が非導電状態であると、AC電源61、ACDC変換器20、第1のインダクタンスL1、第3のキャパシタC3及び第2のインダクタンスL2により第1の回路が形成され、AC電源61、ACDC変換器20、第1のインダクタンスL1、第3のキャパシタC3、ダイオードD及び第2のキャパシタC2により第2の回路が形成され、AC電源61、ACDC変換器20、第1のインダクタンスL1、第3のキャパシタC3、ダイオードD、H−ブリッジ駆動回路63及びBLDCモータ62により第3の回路が形成される。この期間、第2のキャパシタC2及び第3のキャパシタC3は充電される。第3のキャパシタC3が完全に充電されると、3つの回路は接続解除される。切替回路30が導電状態であると、AC電源61、ACDC変換器、第1のインダクタンスL1及び切替回路30により回路が形成されて第1のインダクタンスL1を充電し、一方第3のキャパシタC3は、切替回路30を介して第2のインダクタンスL2に放電し、エネルギーが第2のインダクタンスL2に蓄積される。その間、第2のキャパシタC2はBLDCモータに電力を供給する。切替回路30が非導電状態であると、第1のインダクタンスL1、第2のインダクタンスL2及び第3のキャパシタC3の極性は、図5に示すようである。
切替回路30は、交互に導電状態及び非導電状態であるので、エネルギー貯留回路50及びモータ62の巻線に充電する期間は、非常に短く制御され、従って誘導負荷に蓄積されたエネルギーは低減され、放電を素早く完了することができる。従って、負電力が低減され、BLDCモータの有効出力が改善され、電力系統の消費を減少させ、電気的効率が向上する。
さらに、本実施形態において、制御回路40により発生された制御信号のデューティサイクルが比較的高い場合、つまり、切替回路30の導電時間が、切替回路30の非導電時間より長い場合、第3のキャパシタC3の電圧は、切替回路30の導電中に素早く低下し、第1のインダクタンスL1及び第2のインダクタンスL2の電圧は、充電時間がより長いので、比較的高い。従って、切替回路30の非導電中は、モータ62に印加される電圧は、前の実施形態と比較して、第3のキャパシタC3の電圧が比較的小さいので、より高い。逆に、制御回路40により発生された制御信号のデューティサイクルが比較的小さい場合、つまり、切替回路30の導電時間が、切替回路30の非導電時間より短い場合、第3のキャパシタC3の電圧の上昇は、第1のインダクタンスL1及び第2のインダクタンスL2の電圧上昇よりも速い。言い換えると、第3のキャパシタC3の電圧は、第1のインダクタンスL1の電圧及び第2のインダクタンスL2の電圧の合計よりも大きい場合がある。従って、切替回路30の導電中は、導電時間が比較的短いので、第3のキャパシタC3の電圧の低下は比較的小さく、モータ62に印加される電圧を、第1のキャパシタC1の電圧よりもさらに小さくさせる。従って、本実施形態における電力変換回路10bは、制御信号のデューティサイクルを制御することにより様々な電圧を発生させて、異なる型式のモータを駆動することができる。
本出願の説明及び特許請求の範囲において、動詞「備える(comprise)」、「含む(include)」、「含有する(contain)」及び「有する(have)」の各々及びその変形は、包括的意味で用いられており、記載された項目の存在を特定するが、付加的な項目の存在を排除するものではない。
明確にするために、別個の実施形態の文脈において説明される本発明の特定の特徴は、単一の実施形態において組み合わせても提供できることに留意されたい。逆に、簡潔にするために、単一の実施形態の文脈において説明される本発明の様々な特徴を、別個に又は任意の好適な副組み合わせで提供することもできる。
本発明は、1つ又はそれ以上の好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者により、様々な修正が可能であることを留意されたい。従って、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲を参照して定められる。
10、10b:電力変換回路
20:ACDC変換器
21:第1の入力端子
22:第2の入力端子
23:第1のDC端子
24:第2のDC端子
25:第1の接続端子
26:第2の接続端子
30:切替回路
31:第1の被制御端子
32:第2の被制御端子
33:制御端子
40:制御回路
50、50b:エネルギー貯留回路
51:第1の出力端子
52:第2の出力端子
61:AC電源
62:誘導負荷、モータ
63:H−ブリッジ駆動回路
C2:第2のキャパシタ
C3:第3のキャパシタ
D:ダイオード
L1:第1のインダクタンス
L2:第2のインダクタンス

Claims (15)

  1. 誘導負荷に対して電力を供給するための電力変換回路であって、
    AC電源に接続するように適合された第1及び第2の入力端子と、DC電圧を出力するための第1及び第2のDC端子とを備える、AC電圧をDC電圧に変換するための変換器と、
    前記第1のDC端子に接続された第1の接続端子と第2の接続端子とを備える第1のインダクタンスと、
    第1及び第2の被制御端子と、前記第1及び第2の被制御端子の間の接続を制御するための制御端子とを備える切替回路と、
    制御信号を前記制御端子に供給して前記第1の被制御端子と前記第2の被制御端子との間の接続を制御する制御回路と、
    前記第2の接続端子と前記第2のDC端子に接続され、かつ前記誘導負荷に対して電力を供給するための第1及び第2の出力端子を備えるエネルギー貯留回路と、
    を備え、
    前記第1のインダクタンスは、前記第1及び第2の被制御端子が互いに接続されるとエネルギーを蓄積し、前記第1及び第2の被制御端子が互いから接続解除されると前記エネルギー貯留回路と前記誘導負荷に対してエネルギーを放電するように適合され、前記エネルギー貯留回路は、前記第1及び第2の被制御端子が互いに接続されると前記誘導負荷に対してエネルギーを放電するように適合されることを特徴とする電力変換回路。
  2. 前記制御回路は、PWM信号発生器を備えることを特徴とする、請求項1に記載の電力変換回路。
  3. 前記第1及び第2のDC端子間に接続されたフィルタ回路をさらに備えることを特徴とする、請求項1〜請求項2のいずれかに記載の電力変換回路。
  4. 前記フィルタ回路は、前記第1及び第2のDC端子間に接続された第1のキャパシタを備えることを特徴とする、請求項3に記載の電力変換回路。
  5. 前記エネルギー貯留回路は、前記第1及び第2の出力端子間に接続された第2のキャパシタを備えることを特徴とする、請求項1〜請求項4のいずれかに記載の電力変換回路。
  6. 前記エネルギー貯留回路は、ダイオードをさらに備え、前記第1及び第2の出力端子のうち1つは、前記ダイオードを介して前記第2の接続端子及び前記第2のDC端子のうち1つに接続され、前記第1及び第2の出力端子のうち別の1つは、前記第2の接続端子及び前記第2のDC端子のうち別の1つに直接接続されることを特徴とする、請求項5に記載の電力変換回路。
  7. 前記エネルギー貯留回路は、前記第2の接続端子と前記第1の出力端子との間に接続された第3のキャパシタと、前記第2のDC端子と前記第1の出力端子に隣接する前記第3のキャパシタの一端との間に接続された第2のインダクタンスをさらに備えることを特徴とする請求項5に記載の電力変換回路。
  8. 前記エネルギー貯留回路は、ダイオードをさらに備え、前記第1及び第2の出力端子のうち1つは、前記ダイオードを介して前記第2のDC端子及び前記第1の出力端子に隣接する前記第3のキャパシタの一端のうち1つに接続され、前記第1及び第2の出力端子のうち別の1つは、前記第2のDC端子及び前記第1の出力端子に隣接する前記第3のキャパシタの一端のうち別の1つに接続されることを特徴とする、請求項7に記載の電力変換回路。
  9. 誘導負荷に対して電力を供給するための電力変換回路であって、インダクタンスと、切替回路とエネルギー貯留回路とを備え、
    前記インダクタンスは、前記切替回路が導電状態であると充電し、前記切替回路が非導電状態であると前記エネルギー貯留回路及び前記誘導負荷に対してエネルギーを放電し、前記エネルギー貯留回路は、前記切替回路が導電状態であると前記誘導負荷に対してエネルギーを放電することを特徴とする電力変換回路。
  10. 前記切替回路は、前記エネルギー貯留回路に対して並列接続されることを特徴とする、請求項9に記載の電力変換回路。
  11. 前記誘導負荷は、電気モータを含むことを特徴とする請求項9〜請求項10に記載の電力変換回路。
  12. 前記電気モータは、BLDCモータであり、前記電力変換回路は、前記エネルギー貯留回路と前記BLDCモータとの間に接続されたインバータをさらに備えることを特徴とする、請求項11に記載の電力変換回路。
  13. 前記インバータは、H−ブリッジ駆動回路であることを特徴とする、請求項12に記載の電力変換回路。
  14. 前記インダクタンスは、DC電圧と前記切替回路との間に接続されることを特徴とする請求項9〜請求項13のいずれかに記載の電力変換回路。
  15. 前記エネルギー貯留回路は、前記切替回路と前記誘導負荷との間に接続されることを特徴とする請求項9〜請求項14のいずれかに記載の電力変換回路。
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