JP2017135763A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】突入電流を確実に防止できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】コンバータおよびインバータの駆動停止時、突入電流防止用の抵抗素子に対するバイパス電流路およびノイズフィルタの接続ラインを遮断する。運転開始の指示を受けてから一定時間後、抵抗素子に対するバイパス電流路およびノイズフィルタの接続ラインを導通し、かつコンバータおよびインバータの駆動を開始する。
【選択図】図1
【解決手段】コンバータおよびインバータの駆動停止時、突入電流防止用の抵抗素子に対するバイパス電流路およびノイズフィルタの接続ラインを遮断する。運転開始の指示を受けてから一定時間後、抵抗素子に対するバイパス電流路およびノイズフィルタの接続ラインを導通し、かつコンバータおよびインバータの駆動を開始する。
【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、交流電源の電圧を直流に変換し、その直流電圧を所定周波数の交流電圧に変換する電力変換装置に関する。
交流電源の電圧を直流に変換するコンバータ、このコンバータの出力端に接続された平滑コンデンサ、この平滑コンデンサの電圧を所定周波数の交流電圧に変換するインバータを備え、交流電源とコンバータとの間の電源ラインに突入電流防止用の抵抗素子たとえばPTCサーミスタを挿入接続し、そのPTCサーミスタに対し開閉接点(例えばリレー接点)を並列接続した電力変換装置が知られている。インバータの出力は、負荷たとえばモータ(圧縮機モータやファンモータ等)の駆動電力となる。
開閉接点は、電源の非投入時に開いている。これにより、電源ラインにPTCサーミスタが投入され、電源投入時の平滑コンデンサへの突入電流が防止される。突入電流の防止により、コンバータの電気部品の破壊を防ぐようにしている。
負荷に対する運転開始指示が入ると、それから一定時間たとえば30秒が経過した後、突入電流の心配がなくなったとの判断の下に、開閉接点が閉成される。そして、コンバータおよびインバータの駆動による負荷の運転が開始される。
開閉接点が閉成されると、PTCサーミスタに対するバイパス電流路が形成され、PTCサーミスタに電流が流れなくなる。PTCサーミスタに電流が流れたままではPTCサーミスタの温度上昇およびそれに伴う抵抗値増大が続いてコンバータへの入力電流が減少し、インバータを駆動できなくなるので、それを防ぐようにしている。
一方、PWMコンバータを用いた電力変換装置の場合、PWMコンバータのスイッチングに伴うノイズが電源電圧に重畳し、重畳したノイズが同じ交流電源に接続されている他の電気機器に伝わってその電気機器の運転に悪影響を与える。
このため、PWMコンバータを用いた電力変換装置の場合、交流電源とPWMコンバータとの間の電源ラインに、線間コンデンサなどのノイズフィルタが接続される。とくに、十分なノイズ除去効果を得るためには、数μF程度の大きな容量の線間コンデンサが接続される。
上記のように大きな容量の線間コンデンサが接続されると、PTCサーミスタに並列接続されている開閉接点が開いているときに、数Aの大きな電流が線間コンデンサを経由してPTCサーミスタに流れ、PTCサーミスタの温度が大きく上昇してその抵抗値が大きく増大する。PTCサーミスタの抵抗値が大きく増大すると、電源電圧の大部分がPTCサーミスタに加わるようになり、それに伴い、線間コンデンサに加わる電圧がほぼ零に低下する。線間コンデンサに加わる電圧がほぼ零に低下すると、PWMコンバータの整流素子を介した平滑コンデンサへの電圧印加がなくなり、平滑コンデンサの電圧が放電しながら低下していく。
このため、開閉接点が閉成する時点で平滑コンデンサの電圧が大きく低下していれば、平滑コンデンサに突入電流が流れてしまう。突入電流防止用のPTCサーミスタを採用していながら、突入電流を防止できない事態となる。
本発明の実施形態の目的は、突入電流を確実に防止できる電力変換装置を提供することである。
請求項1の電力変換装置は、交流電源の電圧を直流に変換するコンバータと、このコンバータの出力端に接続された平滑コンデンサと、この平滑コンデンサの電圧を交流電圧に変換するインバータと、交流電源とPWMコンバータとの間の電源ラインに接続された突入電流防止用の抵抗素子と、この抵抗素子に流れる電流をバイパスするバイパス電流路と、交流電源とコンバータとの間の電源ラインに接続されたノイズフィルタと、制御手段とを備える。制御手段は、コンバータおよびインバータの駆動停止時にバイパス電流路およびノイズフィルタの接続ラインを遮断し、運転開始の指示を受けてから一定時間後にバイパス電流路およびノイズフィルタの接続ラインを導通しかつコンバータおよびインバータの駆動を開始する。
以下、一実施形態について図面を参照して説明する。
図1に示すように、商用の三相交流電源1にブレーカ3を介してコンバータたとえばPWMコンバータ20が接続され、そのPWMコンバータ20の出力端に平滑コンデンサ5が接続される。そして、平滑コンデンサ5にインバータ50が接続され、そのインバータ50の出力端に負荷たとえばブラシレスDCモータ6の相巻線Lu,Lv,Lwが接続される。ブラシレスDCモータ6は、例えば圧縮機やファンの駆動用として冷凍サイクル装置に搭載される。
図1に示すように、商用の三相交流電源1にブレーカ3を介してコンバータたとえばPWMコンバータ20が接続され、そのPWMコンバータ20の出力端に平滑コンデンサ5が接続される。そして、平滑コンデンサ5にインバータ50が接続され、そのインバータ50の出力端に負荷たとえばブラシレスDCモータ6の相巻線Lu,Lv,Lwが接続される。ブラシレスDCモータ6は、例えば圧縮機やファンの駆動用として冷凍サイクル装置に搭載される。
PWMコンバータ20は、リアクタ21,22,23、これらリアクタ21,22,23を介した入力電圧を受けるダイオード(整流素子)31a〜36bのブリッジ回路、これらダイオード31a〜36bに並列接続されたスイッチング素子たとえばMOSFET51〜56を有し、ダイオード31a〜36bによる整流機能を有するとともに、MOSFET51〜56による昇圧や力率改善の機能を有する。例えば、100Vの交流電圧を300Vの直流電圧に変換する。
ダイオード31a〜36bのブリッジ回路は、ダイオード31a,32aの直列回路、ダイオード33a,34aの直列回路、ダイオード35a,36aの直列回路により構成される。ダイオード31a,32aの相互接続点がR相電源ライン(第1電源ライン)4rに接続され、ダイオード33a,34aの相互接続点がS相電源ライン(第2電源ライン)4sに接続され、ダイオード35a,36aの相互接続点がT相電源ライン(第3電源ライン)4tに接続される。なお、ダイオード31a〜36bは、MOSFET51〜56の寄生ダイオードである。
インバータ50は、MOSFET51,52を直列接続し、そのMOSFET51,52の相互接続点がブラシレスDCモータ6の相巻線Luに接続されるU相直列回路、MOSFET53,54を直列接続しそのMOSFET53,54の相互接続点がブラシレスDCモータ6の相巻線Lvに接続されるV相直列回路、MOSFET55,56を直列接続しそのMOSFET55,56の相互接続点がブラシレスDCモータ6の相巻線Lwに接続されるW相直列回路を含み、平滑コンデンサ5の電圧を各MOSFETのスイッチングにより所定周波数の三相交流電圧に変換し各MOSFETの相互接続点から出力する。なお、MOSFET51〜56は、寄生ダイオード51a〜56aを有する。
ブラシレスDCモータ6は、星形結線された3つの相巻線Lu,Lv,Lwを有する固定子、および永久磁石を有する回転子により構成される。相巻線Lu,Lv,Lwに電流が流れることにより生じる磁界と永久磁石が作る磁界との相互作用により、回転子が回転する。
インバータ50の出力端とブラシレスDCモータ6との間の通電路に出力電流(相巻線電流)検知用の電流センサ61,62,63が取付けられ、この電流センサ61,62,63の検知結果が制御部70に供給される。平滑コンデンサ5の両端に電圧検出部7が接続され、この電圧検出部7の検出結果(平滑コンデンサ5の電圧)Vdcが制御部70に供給される。
リレー81にNPN型トランジスタ71のコレクタ・エミッタを介して直流電圧Vdが印加され、そのトランジスタ71のベースが制御部70に接続される。リレー81は、第1開閉接点および第2開閉接点として常開接点81aおよび81bを有する。リレー82にNPN型トランジスタ72のコレクタ・エミッタを介して直流電圧Vdが印加され、そのトランジスタ72のベースが制御部70に接続される。リレー82は、第3開閉接点として常開接点82aを有する。
一方、三相交流電源1とブレーカ3との間の電源ラインに、電源ラインインピーダンス2r,2s,2tが存在する。そして、ブレーカ3からPWMコンバータ20にかけての電源ライン4r,4s,4tのうち、2つの電源ライン4s,4tに、常開接点81a,81bが挿入接続される。そして、常開接点81a,81bの一方たとえば常開接点81bに対し、突入電流防止用の自己発熱型の抵抗素子であるPTC(Positive Temperature Coefficient)サーミスタ(正特性サーミスタともいう)10が並列接続される。常開接点81bが閉成すると、PTCサーミスタ10に流れる電流をバイパスするバイパス電流路が形成され、常開接点81bが開放するとそのバイパス電流路が遮断される。常開接点81aと81bとはリレー81によって連動して動作し、開放すると、常開接点が設けられていない電源ライン4rからPTCサーミスタ10を経由して電源ライン4tに至る電流経路が形成される。このため、常開接点81a,81bが開いた状態では、三相交流電源1からの電流は、必ずPTCサーミスタ10を通ることとなり、平滑コンデンサ5へ過大な電流が流れることを防止する。この結果、常開接点81a,81bおよびPTCサーミスタ10により、平滑コンデンサ5への突入電流を防止する突入電流防止回路(突入電流防止手段)が構成されることになる。
さらに、電源ライン4r,4s,4tにおいて、突入電流防止回路の接続位置よりPWMコンバータ20側の位置に、ノイズフィルタである3つの線間コンデンサ(第1,第2,第3コンデンサ)Crs,Cst,Ctrが接続される。線間コンデンサCrs,Cst,Ctrは、PWMコンバータ20のスイッチングに伴って電源ライン4r,4s,4t上の電源電圧に重畳するノイズを除去するもので、十分なノイズ除去効果が得られるよう数μF程度の大きな容量を持つ。
具体的には、R相電源ライン4rに線間コンデンサCrsの一端が接続され、その線間コンデンサCrsの他端がS相電源ライン4sに接続される。S相電源ライン4sに線間コンデンサCstの一端が接続され、その線間コンデンサCstの他端がリレー82の常開接点82aを介してT相電源ライン4tに接続される。R相電源ライン4rに線間コンデンサCtrの一端が接続され、その線間コンデンサCtrの他端がリレー82の常開接点82aを介してT相電源ライン4tに接続される。
制御部70は、主要な機能として次の(1)〜(3)の手段を有する。
(1)PWMコンバータ20およびインバータ50の駆動停止時にリレー81の消勢(常開接点81a,81b開放)によりPTCサーミスタ10に対するバイパス電流路を遮断してPTCサーミスタ10を投入し、運転開始の指示を受けてから一定時間(例えば30秒間)ts後にリレー81を付勢(常開接点81a,81b閉成)してPTCサーミスタ10に対するバイパス電流路を導通する第1制御手段。
(1)PWMコンバータ20およびインバータ50の駆動停止時にリレー81の消勢(常開接点81a,81b開放)によりPTCサーミスタ10に対するバイパス電流路を遮断してPTCサーミスタ10を投入し、運転開始の指示を受けてから一定時間(例えば30秒間)ts後にリレー81を付勢(常開接点81a,81b閉成)してPTCサーミスタ10に対するバイパス電流路を導通する第1制御手段。
(2)PWMコンバータ20およびインバータ50の駆動停止時にリレー82の消勢(常開接点82a開放)により線間コンデンサCst,Ctrの接続ラインを遮断し、運転開始の指示を受けてから一定時間ts後にリレー82を付勢(常開接点82a閉成)して線間コンデンサCst,Ctrの接続ラインを導通する第2制御手段。
(3)運転開始の指示を受けてから一定時間ts後にPWMコンバータ20およびインバータ50の駆動を開始し、運転停止の指示を受けた場合にPWMコンバータ20およびインバータ50の駆動を停止する第3制御手段。
なお、(1)の第1制御手段は、PTCサーミスタ10および常開接点81a,81bと共に突入電流防止手段の構成要素となる。
つぎに、動作を説明する。
三相交流電源1が投入されると、三相交流電源1の交流電圧がPWMコンバータ20のダイオード31a〜36bで整流されて平滑コンデンサ5に印加される。
三相交流電源1が投入されると、三相交流電源1の交流電圧がPWMコンバータ20のダイオード31a〜36bで整流されて平滑コンデンサ5に印加される。
この電源投入時、PWMコンバータ20の出力電圧Vaと平滑コンデンサ5の電圧Vdcとの差“Va−Vdc”および三相交流電源1から平滑コンデンサ5までのラインインピーダンスZに応じた突入電流Ix=(Va−Vdc)/Zが流れようとするが、その通電路にはリレー81の消勢による常開接点81bの開放によってPTCサーミスタ10が投入された状態にあるので、実際にはPTCサーミスタ10の抵抗値Rが加わる分だけ抑制された電流Iy=(Va−Vdc)/(Z+R)が流れる。
この場合、リレー82も消勢されて常開接点82aが開放しており、その開放により線間コンデンサCst,Ctrの接続ラインが遮断された状態にある。
この場合、リレー82も消勢されて常開接点82aが開放しており、その開放により線間コンデンサCst,Ctrの接続ラインが遮断された状態にある。
仮に、線間コンデンサCst,Ctrの接続ラインが遮断されていない場合は、電源投入に伴い、図1に矢印で示すようにR相電源ライン4rから線間コンデンサCtrを経由してT相電源ライン4tおよびPTCサーミスタ10に大きな電流が流れ、PTCサーミスタ10の温度が大きく上昇してその抵抗値が大きく増大する。PTCサーミスタ10の抵抗値が大きく増大すると、電源電圧の大部分がPTCサーミスタ10に加わってPTCサーミスタ10の電圧Vptcが上昇し、それに伴い、線間コンデンサCrs,Cst,Ctrに加わる電圧がほぼ零に低下する。線間コンデンサCrs,Cst,Ctrに加わる電圧がほぼ零に低下すると、平滑コンデンサ5に電圧が印加されなくなるので、平滑コンデンサ5の電圧Vdcは徐々に放電しながら低下していく。
このような状況において、PTCサーミスタ10への通電を止めるべくリレー81が付勢されて常開接点81a,81bが閉成すると、その閉成の時点で平滑コンデンサ5の電圧Vdcが突入電流防止レベルを下回っている可能性がある。こうなると、平滑コンデンサ5に突入電流が流れてしまう。突入電流防止用のPTCサーミスタ10を採用していながら、突入電流を防止できない事態となる。
そこで、制御部70は、図2のフローチャートに示す制御を実行する。この制御による常開接点81a,81b,82aの開閉を平滑コンデンサ5の電圧VdcおよびPTCサーミスタ10の電圧Vptcの変化と共に図3に示す。
制御部70は、PWMコンバータ20およびインバータ50の駆動を停止してブラシレスDCモータ6の運転を停止しているとき(ステップS1のYES)、冷凍サイクル装置からの運転開始指示を監視する(ステップS2)。運転開始指示がなければ(ステップS2のNO)、リレー81,82の消勢による常開接点81a,81b,82aの開放状態を維持する(ステップS9)。
常開接点82aが開放状態であることにより、線間コンデンサCst,Ctrの接続ラインが遮断状態にあり、よって図1に矢印で示したR相電源ライン4rから線間コンデンサCtrを経由してT相電源ライン4tおよびPTCサーミスタ10に向かう大きな電流の経路は形成されない。したがって、PTCサーミスタ10の大きな温度上昇および大きな抵抗値増大が生じることはなく、PTCサーミスタ10の電圧Vptcの不要な上昇を回避することができる。ひいては、線間コンデンサCrs,Cst,Ctrの電圧低下とそれに伴う平滑コンデンサ5の電圧Vdcの不要な低下を防ぐことができる。
運転開始指示を受けた場合(ステップS1のYES、ステップS2のYES)、制御部70は、タイムカウントtを開始し(ステップS3)、そのタイムカウントtと一定時間(例えば30秒間)tsとを比較する(ステップS4)。
タイムカウントtが一定時間tsに達したとき(ステップS4のYES)、制御部70は、リレー81,82を付勢して常開接点81a,81b,82aを閉成する(ステップS5)。すなわち、この時点では突入電流の心配がないとの判断の下に、常開接点81bを閉成して、PWMコンバータ20およびインバータ50への電流が常開接点81bを流れるようにして、PTCサーミスタ10にはほとんど電流が流れない状態とし、運転中はPTCサーミスタ10による不要な電力消費を防ぐようにしている。また、常開接点82aを閉成して線間コンデンサCst,Ctrの接続ラインを導通し、PWMコンバータ20の駆動が始まることによるノイズ発生に備えるようにしている。
このリレー81,82の付勢に伴い、制御部70は、PWMコンバータ20およびインバータ50の駆動を開始してブラシレスDCモータ6の運転を開始する(ステップS6)。この運転開始時、常開接点82aの閉成によって線間コンデンサCst,Ctrの接続ラインが導通しているので、PWMコンバータ20のスイッチングに伴い発生するノイズを線間コンデンサCrs,Cst,Ctrによって確実に除去することができる。
電源投入と同時に運転開始指示が入ることも考えられるが、運転開始指示を受けてから一定時間tsが経過するまではリレー81の消勢によって常開接点81bが開放状態を保っているので、電源投入に際しての突入電流を確実に防止できる。
ブラシレスDCモータ6の運転中(ステップS1のNO)、制御部70は、冷凍サイクル装置からの運転停止指示を監視する(ステップS7)。運転停止指示がなければ(ステップS7のNO)、制御部70は、上記ステップS5,S6の処理を繰り返し、リレー81,82の付勢状態を維持して、PWMコンバータ20およびインバータ50の駆動を継続する。
ブラシレスDCモータ6の運転中(ステップS1のNO)、運転停止指示を受けた場合(ステップS7のYES)、制御部70は、PWMコンバータ20およびインバータ50の駆動を停止してブラシレスDCモータ6の運転を停止する(ステップS8)。そして、制御部70は、リレー81,82を消勢して常開接点81a,81b,82aを開放し(ステップS9)、ステップS1からの処理を繰り返す。
以上のように、線間コンデンサCst,Ctrの接続ラインにリレー82の常開接点82aを挿入接続し、その常開接点82aをPWMコンバータ20およびインバータ50の駆動停止時に開放して線間コンデンサCst,Ctrの接続ラインを遮断する構成としたので、たとえ線間コンデンサCrs,Cst,Ctrの容量が大きくても、それに影響を受けることなく、平滑コンデンサ5への突入電流を確実に防止できる。
2つの線間コンデンサCst,Ctrの接続ラインの導通と遮断を1つの常開接点82aで切換えるので、部品数を少なくすることができて、コストの低減が図れる。
なお、上記実施形態では、負荷がブラシレスDCモータである場合を例に説明したが、ブラシレスDCモータ以外の機器が負荷である場合にも同様に実施できる。
上記実施形態では、PTCサーミスタ10に対するバイパス電流路をリレーの常開接点によって導通および遮断する構成としたが、リレーの常開接点に限らず、同様の機能を有するものであれば他の機器を用いてもよい。また、2つのリレー81,82を用いて3つの常開接点81a,81b,82aを駆動する回路を構成したが、これらの3つの常開接点の動作は、同期しているため、1つのリレーによって3つの常開接点81a,81b,82aを駆動するようにしてもよい。
さらに、本実施形態においては、常開接点81a,81b,82aの閉動作とPWMコンバータ20およびインバータ50の運転開始を同時としているが、平滑コンデンサ5が確実に充電されて、その両端間電圧Vdcが十分に高くなった後にPWMコンバータ20およびインバータ50の運転開始させるように、常開接点81a,81b,82aの閉動作から、所定時間(数秒程度の短時間)経過した後、PWMコンバータ20およびインバータ50の運転開始を行うようにしてもよい。
その他、上記実施形態および変形は、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。この新規な実施形態および変形例は、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、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は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。
1…三相交流電源、4r,4s,4t…電源ライン、5…平滑コンデンサ、6…ブラシレスDCモータ(負荷)、7…電圧検出部、10…PTCサーミスタ、Crs,Cst,Ctr…線間コンデンサ(ノイズフィルタ)、20…PWMコンバータ、50…インバータ、70…制御部(制御手段)、71,72…NPN型トランジスタ、81,82…リレー、81a…常開接点(第1開閉接点)、81b…常開接点(第2開閉接点)、82a…常開接点(第3開閉接点)
Claims (3)
- 交流電源の電圧を直流に変換するコンバータと、
前記コンバータの出力端に接続された平滑コンデンサと、
前記平滑コンデンサの電圧を交流電圧に変換するインバータと、
前記交流電源と前記PWMコンバータとの間の電源ラインに接続された突入電流防止用の抵抗素子と、
前記抵抗素子に流れる電流をバイパスするバイパス電流路と、
前記交流電源と前記コンバータとの間の電源ラインに接続されたノイズフィルタと、
前記コンバータおよび前記インバータの駆動停止時に前記バイパス電流路および前記ノイズフィルタの接続ラインを遮断し、運転開始の指示を受けてから一定時間後に前記バイパス電流路および前記ノイズフィルタの接続ラインを導通しかつ前記コンバータおよび前記インバータの駆動を開始する制御手段と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。 - 前記抵抗素子に並列接続されて前記バイパス電流路を形成する第1開閉接点と、
前記抵抗素子とは異なる電源ラインに接続された第2開閉接点と、
前記電源ラインと前記ノイズフィルタとの接続ラインに挿入された第3開閉接点と、
をさらに備え、
前記制御手段は、前記コンバータおよび前記インバータの駆動停止時に前記第1,第2および第3開閉接点を開放し、運転開始の指示を受けてから一定時間後に前記第1,第2および第3開閉接点を閉成しかつ前記コンバータおよび前記インバータの駆動を開始する、
ことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。 - 前記交流電源は、三相交流電源であり、
前記ノイズフィルタは、前記三相交流電源と前記PWMコンバータとの間の第1,第2,第3電源ラインのうち、第1電源ラインと第2電源ラインとの間に接続された第1線間コンデンサ、第2電源ラインと第3電源ラインとの間に接続された第2線間コンデンサ、第1電源ラインと第3電源ラインとの間に接続された第3線間コンデンサであり、
前記第3開閉接点は、前記第1および第2開閉接点が接続されていない前記電源ラインとこの電源ラインに接続された線間コンデンサとの接続間に挿入されている、
ことを特徴とする請求項2記載の電力変換装置。
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