JP2017046431A

JP2017046431A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2017046431A
Application number: JP2015166346A
Authority: JP
Inventors: 研一高橋; Kenichi Takahashi
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2035-08-26
Also published as: WO2017033649A1; JP6719184B2

Abstract

【課題】
従来のインバータ装置によると、電源間のノイズによる機器への悪影響や、トランスを増やすことによる基板実装面積および空間占有率の増加といった問題がある。
【解決手段】
主電源からの交流電力を直流電力に変換する第一の整流回路と、前記第一の整流回路により変換された直流電力を交流電力に変換し電動機に出力する主回路と、前記主回路を制御する制御回路と、前記制御回路が前記主回路を制御するための電源を供給する制御電源回路と、を備える電力変換装置であって、前記制御電源回路に該電力変換装置の外部から外部電源からの直流電力を供給するための接続端子を備えることを特徴とする電力変換装置である。
【選択図】図４

Description

本願は電力変換装置に関する。

２００Ｖや４００Ｖといった電源に接続される機器の制御を行う際、その電力をそのまま制御用電源として用いることはＩＣ等の素子の耐圧上不可能である。その為、それらの機器はＤＣ／ＤＣコンバータ等により入力された電力を降圧し、制御用電源を生成している。しかしこの場合、機器の設定の確認や変更のみを行いたい場合でも、主電源が接続されている必要がある。したがって、機器の主回路が何らかの理由により故障してしまい電源を接続することが困難になると、制御用電源も生成することができなくなり機器の設定の確認や変更ができなかった。それに加えて、機器の運転中に、主電源と共に制御用電源が失われると、機器は制御を失い危険である。

上記のような事態を防ぐために、現在多くの機器には主電源とは別に、外部電源を接続することが可能なコネクタが接続されている。この外部電源から受け取った電力より制御用電源を生成することで、主電源が喪失した際にも、機器の制御が失われる事態を防ぐことが可能となる。

特許文献1には、インバータ本体、内蔵オプション、パラメータユニットのいずれかに外部電源ユニットを接続できる外部電源ユニット接続コネクタを有し、この外部電源ユニット接続コネクタを制御用電源に接続することが開示されております。

特許文献２には、整流回路に接続された１次側巻線と前記１次側巻線から絶縁された２次側巻線とを含む絶縁トランスと、前記絶縁トランスの前記２次側巻線に第１のダイオードを介して接続された第１の制御電源用コンデンサと、前記第１の制御電源用コンデンサに第２のダイオードを介して接続されているとともに、外部電源が接続される端子に第３のダイオードを介して接続された外部電源用コンデンサと、前記外部電源用コンデンサに接続された第２の制御電源用コンデンサとを有するインバータ装置が開示されております。

国際公開２００４／１０７５５１号公報特許第５３４５２６３号公報

特許文献１に開示された第１図によると、外部電源からの電力を直接制御回路へと供給しており、それに加えて、複数の電源のグランドが一致している為、そのノイズの影響は本来関係ない回路にまで影響を及ぼしてしまうという課題があると考えられる。

特許文献２に開示の方法によると、複数個のトランスが必要となるという課題がある。トランスは他の素子に比べ体積が大きく、小型化も難しい為、機器の小型化を目指す場合、その実装面積の大きさや空間占有率の高さがネックとなると考えられる。

本願では、上述した電源間のノイズによる機器への悪影響や、トランスを増やすことによる基板実装面積及び空間占有率の増加といった問題を解決する電力変換装置を提供する。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記を解決する手段を複数含んでいるが、その一例をあげるならば、主電源からの交流電力を直流電力に変換する第一の整流回路と、前記第一の整流回路により変換された直流電力を交流電力に変換し電動機に出力する主回路と、前記主回路を制御する制御回路と、前記制御回路が前記主回路を制御するための電源を供給する制御電源回路と、を備える電力変換装置であって、前記制御電源回路に該電力変換装置の外部から外部電源からの直流電力を供給するための接続端子を備えることを特徴とする電力変換装置である。

本願により、ノイズによる機器への悪影響や、トランスを増やすことによる基板実装面積及び空間占有率の増加といった問題を解決する電力変換装置及びその制御方法を提供する。

インバータ装置の基本的な構成を示す図である。インバータ装置の制御電源回路の詳細を示す図である。実施例１にかかるインバータ装置の構成を示す図である。実施例１にかかる制御電源回路構成を示す図である。実施例２にかかる制御電源回路構成を示す図である。実施例２にかかる電源保護回路の動作を示す図である。実施例３にかかる制御電源回路構成を示す図である。

本願にかかる電力変換装置およびその制御方法について説明する前に、主電源にて制御電源を確立する機器について説明する。またここでは、図１に示す産業用機器であるインバータ装置１００を例にとり以降の説明を行う。

図１は、インバータ装置の基本的な構成を示す図である。

インバータ装置は交流電力を受け、受けた交流電力を整流回路にて直流電力に変換し、直流電流を交流電力に再変換したものによりモータＭを回転させる機器である。

インバータ装置１００は、整流回路１０１、インバータ主回路１０２、整流回路１１０、制御電源回路１２０、制御回路１３０を備えて構成されている。

整流回路１０１は電源ＡＣより入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔを介して３相交流電力を受け取る。整流回路１０１では受け取った交流電力を整流化・平滑化し、平滑化された直流電力をインバータ主回路１０２へと供給している。

インバータ主回路１０２では、整流回路１０１より受け取った平滑化された直流電力を３相の交流電力に変換し出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗを介してモータＭへ出力し、モータＭを駆動させる。

この時、インバータ装置１００は制御回路１３０を動作させるため、内部で制御用電源を生成する。整流回路１１０では入力端子Ｒ０、Ｔ０を介して、電源ＡＣより単相交流電力を受け取る。

図２は、図１に示したインバータ装置の制御電源回路１２０の詳細を示す図である。

整流回路１１０では受け取った交流電力を整流化・平滑化し、図２に示すように、平滑化された直流電力Ｖｉｎを制御電源回路１２０へと出力している。

例えば図２に示すように、制御電源回路１２０は、１次巻線Ｔ２００ａと絶縁された２次巻線Ｔ２００ｂ、Ｔ２００ｃ、Ｔ２００ｄを含む絶縁トランスＴ２００を有する。絶縁トランスＴ２００は１次巻線に印加された直流電力Ｖｉｎを、１次巻線と２次巻線の巻線比に応じて変圧し、変圧された直流電力を生成する。また、制御電源回路１２０は、例えば図２に示すように、１次巻線Ｔ２００ａに接続されたＭＯＳ−ＦＥＴＱ２０１と２次巻線Ｔ２００ｂにダイオードＤ２０１を介して接続された制御電源用コンデンサＣ２０１及びスイッチングＩＣＩＣ２０１と、２次巻線Ｔ２００ｃにダイオードＤ２１０を介して接続された制御電源用コンデンサＣ２１０及び電圧検出回路と、２次巻線Ｔ２００ｄにダイオードＤ２２０を介して接続された制御電源用コンデンサＣ２２０を有する。制御電源用コンデンサＣ２０１、Ｃ２１０、Ｃ２２０はそれぞれ２次巻線Ｔ２００ｂ、Ｔ２００ｃ、Ｔ２００ｄよりダイオードＤ２０１、Ｄ２１０、Ｄ２２０を介して直流電力を受け、受けた直流電力に応じた電荷を蓄積する。制御電源用コンデンサＣ２０１は蓄積された電荷に応じた電力をスイッチングＩＣＩＣ２０１にＩＣ駆動用の電源として出力する。スイッチングＩＣＩＣ２０１はＴ２００ｃに接続された電圧検出回路２３０の信号を受けＭＯＳ-ＦＥＴＱ２０１のＯＮ-ＯＦＦ動作を行い、トランスＴ２００の２次巻線Ｔ２００ｂ、Ｔ２００ｃ、Ｔ２００ｄが一定の電圧を出力するように１次巻線Ｔ２００ａにかかる直流電力量を調整している。制御電源用コンデンサＣ２１０、Ｃ２２０は蓄積された電荷に応じた電力を制御用の直流電力Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２として制御回路１３０へ出力する。

直流電力を受け取った制御回路１３０は、外部より与えられた指令に従ってモータＭを駆動させるために、インバータ主回路１０２へと制御信号を出力している。

上記の通り、従来のインバータ装置では停電や瞬時電圧降下により主電源からの電力供給に異常が生じると、インバータ装置内の制御用電源も同時に失われる。その為、制御回路１３０が制御動作を行えなくなりモータＭを安全に動作させることができなくなる。

本実施例は、主電源による制御電源の生成だけではなく、直流電力(例：ＤＣ２４Ｖ)による制御電源の生成が可能である点を特徴の一つとする。主電源による制御電源の生成と直流電源による制御電源の生成との両方を実現可能とすることにより、主電源が失われた際や不安定になった際にも制御用電源を安定して保持することができるという効果を奏する。

実施例１の詳細について、図３および図４を用いて説明する。

図３は実施例１にかかるインバータ装置の構成を示す図、図４は実施例１にかかる制御電源回路構成を示す図である。

実施例1は、例えば図３に示した外部電源接続用端子ＤＣｉｎ、ＧＮＤを接続できるように改良されている点が従来のインバータ装置と異なる。

図１では制御用電源を確立させるためには、入力端子Ｒ０、Ｔ０に主電源を接続するしかなかったが、図３に示す本実施例におけるインバータ装置では、直接制御電源端子に取り付けられるように入力端子Ｒ０、Ｔ０以外に外部電源ＤＣを接続する端子ＤＣｉｎ、ＧＮＤを取付け、外部電源接続用端子を設置する。

図４に示す制御電源回路は、絶縁トランスＴ２００の２次巻線Ｔ２００ｄに制御電源用コンデンサＣ３０１、ダイオードＤ３０１、スイッチングＩＣＩＣ３０１、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ３０１、外部電源接続用端子ＤＣｉｎ、ＧＮＤを追加している。

外部電源接続用端子ＤＣｉｎ、ＧＮＤから入力された直流電力は絶縁トランスＴ２００のＴ２００ｄに入力され、巻線比に応じた直流電力をＴ２００ａ、Ｔ２００ｂ、Ｔ２００ｃに出力する。ただし、スイッチングＩＣＩＣ３０１はＴ２００ｃに接続された電圧検出回路２３０の信号を受けＭＯＳ-ＦＥＴＱ３０１のＯＮ-ＯＦＦ動作を行い、Ｔ２００ｃが一定の電圧を保つように制御を行う。

主電源と外部電源ＤＣが同時に接続された場合、感電事故が起こる可能性があるが、本実施例ではこの保護を可能とする点を特徴の一つとする。これにより、電圧の異なる複数の電源が接続され、互いが他方の電源の影響を受けてしまう場合でも、制御電源回路３００が正常な動作を行うことができるという効果を奏する。

実施例２の詳細について、図５および図６を用いて説明する。

図５は実施例２にかかる制御電源回路構成を示す図、図６は実施例２にかかる電源保護回路の動作を示す図である。

電力変換装置の全体構成については、実施例１で記した図３と同様であるので、本実施例中では説明を割愛する。

実施例２は、主電源側の検出回路５０１、外部電源ＤＣ側の検出回路５０２および外部電源ＤＣ側の遮断回路５３０を備える点が従来のインバータ装置と異なる。これらの構成により、主電源と外部電源が同時に接続された場合の保護を実現する。

具体的には、図５に示すように、主電源側の電源が、電源が投入されると主電源側の検出回路５０１が、外部電源ＤＣ側の電源が投入されると外部電源ＤＣ側の検出回路５０２が、それぞれ電源の投入の有無を判断する。

ただし、主電源と外部電源ＤＣが同時に接続された場合、検出回路５０１と検出回路５０２は、検出回路５０１が先に動作するように設定する。主電源側の検出回路５０１が優先的に動作することにより、常時二つの電源を接続しておくことで、何らかの理由により主電源が失われた際に、即座に外部電源ＤＣによる制御電源の立ち上げが行われ、制御電源が失われている時間を最小限に抑制することが出来るという効果を奏する。

検出回路５０１が主電源の存在を検知すると、外部電源接続用端子ＤＣｉｎの先に取り付けられた遮断回路５３０が動作し、外部電源ＤＣをスイッチングＩＣＩＣ３０１とトランスＴ２００から分離する。

検出回路５０１が主電源を検知することができず、検出回路５０２が外部電源ＤＣの存在を検知した場合は、トランスＴ２００の巻線Ｔ２００ａ、Ｔ２００ｂがＴ２００ａ側の遮断回路５１０とＴ２００ｂ側の遮断回路５２０により、電気的に切断される。この動作により、トランスＴ２００は制御用電源を出力する２次巻線Ｔ２００ｃの端子のみ電気的に接続されていることとなり、制御回路１３０を立ち上げる際に不必要な回路が分離され、電力不足により制御用電源を立ち上げることができないという事態を防ぐことができる。

上記の方法により、主電源と外部電源ＤＣが同時に接続された際の保護を実現することが出来る。

尚、上記の方法では主電源側の検出回路５０１が優先的に動作する構成となっていたが、外部電源ＤＣ側の検出回路５０２が優先的に動作する構成となっていてもよい。外部電源ＤＣ側の検出回路５０２が優先的に動作することにより、常時二つの電源を接続しておくことで、何らかの理由により外部電源ＤＣが失われた際に、即座に主電源による制御電源の立ち上げが行われ、制御電源が失われている時間を最小限に抑制することが出来るという効果を奏する。

図６は、図５に示した制御電源回路５００の動作をフローチャートにて示したものである。

図６に示すように、まず、検出回路５０１により主電源が存在するか否かの判定が行われる（ＳＴ１）。主電源が存在する場合、検出回路は遮断回路５３０に信号を送り、遮断回路４２０にて外部電源ＤＣからの電力がトランスＴ２００及びスイッチングＩＣＩＣ３０１へ流れるのを遮断する（ＳＴ２）。その後、主電源にて制御用電源を生成し（ＳＴ４）、制御回路を動作させる（ＳＴ７）。

主電源が存在しない場合は、外部電源が接続されているか否かの判定を行う（ＳＴ３）。外部電源が存在していないならば、機器には一切の電源が存在しないため何も動作しない（ＳＴ８）。外部電源が存在しているのであれば、検出回路５０２が動作し、トランスＴ２００の巻線Ｔ２００ａ、Ｔ２００ｂに繋がる回路を遮断する（ＳＴ５）。その後、外部電源にて制御用電源を生成し（ＳＴ６）、制御回路を動作させる。これにより、２つの異なる電源が存在しても、互いに干渉し合うことなく制御用電源が正常に出力される。

本実施例は、主電源と外部電源ＤＣが同時に接続された際の保護を実現する変形例である。実施例２と同様、これにより、電圧の異なる複数の電源が接続され、互いが他方の電源の影響を受けてしまう場合でも、制御電源回路３００が正常な動作をできるという効果を奏する。

実施例３の詳細について、図７を用いて説明する。

図７は実施例３にかかる制御電回路構成を示す図である。

電力変換装置の全体構成については、実施例１で記した図３と同様であるので、本実施例中では割愛する。

実施例２では、主電源側の検出回路５０１、外部電源ＤＣ側の検出回路５０２および外部電源ＤＣ側の遮断回路５３０を備えることにより主電源と外部電源ＤＣが同時に接続された場合の保護を実現したが、本実施例では、いずれの電源が接続されているかを目視で確認可能な方法を提案する。

具体的には、図７に示すように主電源、外部電源ＤＣのそれぞれを電源確認用回路７０１に接続し、例えば主電源接続時点灯用ランプＬＥＤ１、外部電源接続時点灯用ランプＬＥＤ２をそれぞれ点灯させることにより、接続されている電源が目視にて確認可能となる。

また、実施例３の構成（図７）に実施例２にて示した検出回路５０１、５０２および遮断回路５１０、５２０、５３０を付加させる構成としてもよい。この場合はさらに確実に主電源と外部電源が同時に接続されることを防ぐことが可能となる。

以上の実施例にて説明したとおり、本発明によれば、主電源若しくは外部電源による制御用電源の成立を両立させることが可能となる。また、トランスを用いた絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを使用する為、グランドを独立したものにすることができ、電源間のノイズへの耐性が高くなる。さらに、単一のトランスに複数の機能を持たせるため、複数のトランスを用いた場合に比べ、実装面積等に余裕ができるという本願発明独自の優れた効果を奏する。

Claims

主電源からの交流電力を直流電力に変換する第一の整流回路と、
前記第一の整流回路により変換された直流電力を交流電力に変換し電動機に出力する主回路と、
前記主回路を制御する制御回路と、
前記制御回路が前記主回路を制御するための電源を供給する制御電源回路と、を備える電力変換装置であって、
前記制御電源回路のトランスの二次巻線に該電力変換装置の外部にある外部電源からの直流電力を供給するための接続端子を備えることを特徴とする電力変換装置。
請求項１記載の電力変換装置であって、
該主電源と該外部電源の両方の電源が接続されたかどうかを検出する検出回路と、
前記検出回路にて該主電源と該外部電源の両方の電源が接続されていると検出された場合にいずれか一方の電源を遮断する遮断回路と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
請求項２記載の電力変換装置であって、
該主電源および該外部電源の電源が接続されたかどうかを表示する表示部を備えることを特徴とする電力変換装置。