JP2018029443A - 電力変換盤ならびにそれを備えるインバータ装置、無停電電源装置およびパワーコンディショナ - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換機能を有する種々の装置の生産性を向上させる。【解決手段】電力変換機能を有する装置に用いられる電力変換盤１０は、第１および第２の交流入力端子Ｔ１，Ｔ４と、第１の交流出力端子Ｔ２と、直流端子Ｔ３と、コンバータ１と、インバータ２と、第１から第３の直流母線Ｌｄ１〜Ｌｄ３と、平滑コンデンサＣ１と、双方向チョッパ３と、第１から第５の交流母線Ｌａ１〜Ｌａ５と、第１から第４の接続端子Ｔ６〜Ｔ８と、制御回路４，５とを備える。電力変換盤１０は、電力変換機能を有する種々の装置において共通する構成要素を集約して１ユニット化したものである。電力変換盤１０は、電力変換盤１０が適用される装置に固有のプログラムを、制御回路４，５内部のメモリに格納することが可能となっている。【選択図】図１

Description

この発明は、電力変換盤ならびにそれを備えるインバータ装置、無停電電源装置およびパワーコンディショナに関する。

無停電電源装置は、通常、交流電源からコンバータおよびインバータを介して負荷へ電力を供給するように構成された電力変換装置を備えている。このような電力変換装置は、一般的に、コンバータ、平滑コンデンサおよびインバータなどを含む主回路部と、主回路部を制御するための制御部とから構成されている。

特開２０１５−１１９６０３号公報（特許文献１）は、無停電電源装置に備えられた電力変換装置の盤内配置に関する技術を開示する。特許文献１では、コンバータを、スイッチング素子、ダイオードおよび直流コンデンサを有するコンバータ主回路部と、リアクトルおよび交流コンデンサを有するコンバータ平滑回路部とを備えるコンバータユニットとして構成する。また、インバータを、スイッチング素子、ダイオードおよび直流コンデンサを有するインバータ主回路部と、リアクトルおよび交流コンデンサを有するインバータ平滑回路部とを備えるインバータユニットとして構成する。そして、特許文献１では、コンバータユニットおよびインバータユニットとそれぞれ複数並列配置することによって電力変換装置を構成している。

特開２０１５−１１９６０３号公報

特許文献１に示される技術によれば、無停電電源装置において、出力容量を変化させて製品のシリーズ展開を図る際に、ユニット化および部品の共通化によって、部品種類数を削減することができる。

ところで、電力変換装置は、無停電電源装置に代表される電力分野以外に、産業分野および電気鉄道分野などの様々な分野に適用されている。そして、適用される分野によって、電力変換装置の用途および機能が異なるため、電力変換装置の動作も異なるものとなっている。そのため、従来、製造メーカーでは、各種用途および機能ごとに異なる製品を製造することが一般的となっていた。これによると、製造メーカーは、多品種の製品を製造する必要があり、品種が増えるに従って生産性の向上が難しくなるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電力変換機能を有する種々の装置の生産性を向上させることである。

この発明のある局面に従う電力変換盤は、電力変換機能を有する装置に用いられる。電力変換盤は、第１および第２の交流入力端子と、第１の交流出力端子と、直流端子と、コンバータと、インバータと、第１から第３の直流母線と、平滑コンデンサと、双方向チョッパと、第１から第５の交流母線と、第１から第４の接続端子と、制御回路とを備える。第１および第２の交流入力端子は、電力変換盤の外部から供給される交流電力を受ける。第１の交流出力端子は、電力変換盤の外部に交流電力を出力する。直流端子は、電力変換盤の外部から供給される直流電力を受けるとともに、電力変換盤の外部に直流電力を出力する。コンバータは、交流電力を直流電力に変換するように構成される。インバータは、直流電力を交流電力に変換するように構成される。第１の直流母線は、コンバータの直流側とインバータの直流側との間に配設される。平滑コンデンサは、第１の直流母線に接続される。双方向チョッパは、双方向の直流電圧変換を実行するように構成される。第２の直流母線は、第１の直流母線と双方向チョッパの低圧側端子との間に配設される。第３の直流母線は、双方向チョッパの高圧側端子と直流端子との間に配設される。第１の交流母線は、一方端が前記第１の交流入力端子に接続される。第２の交流母線は、一方端がコンバータの交流側端子に接続される。第３の交流母線は、一方端がインバータの交流側端子に接続される。第４の交流母線は、一方端が第１の交流出力端子に接続される。第５の交流母線は、第２の交流入力端子と第４の交流母線との間に配設される。第１および第２の接続端子は、第１および第２の交流母線の他方端にそれぞれ配置され、互いに電気的に絶縁される。第３および第４の接続端子は、第３および第４の交流母線の他方端にそれぞれ配置され、互いに電気的に絶縁される。制御回路は、コンバータ、インバータおよび双方向チョッパを制御するように構成される。

この発明によれば、電力変換機能を有する種々の装置の生産性を向上させることができる。

この発明の実施の形態１による電力変換盤の全体構成図である。 この発明の実施の形態２による汎用インバータの全体構成図である。 この発明の実施の形態３による汎用インバータの全体構成図である。 この発明の実施の形態４による汎用インバータの全体構成図である。 この発明の実施の形態５によるサーボアンプの全体構成図である。 この発明の実施の形態６による無停電電源装置の全体構成図である。 この発明の実施の形態７によるパワーコンディショナの全体構成図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。

［実施の形態１］
（電力変換盤の構成）
図１は、この発明の実施の形態１による電力変換盤１０の全体構成図である。図１を参照して、この発明の実施の形態による電力変換盤１０は、電力変換機能を有する種々の装置に広く適用することができる。電力変換機能を有する装置には、たとえば、汎用インバータ、サーボアンプ、無停電電源装置、パワーコンディショナなどが含まれる。

図１を参照して、本実施の形態による電力変換盤１０は、複数の外部接続端子Ｔ１〜Ｔ４と、複数の接続端子Ｔ５〜Ｔ８と、複数の直流母線Ｌｄ１〜Ｌｄ３と、複数の交流母線Ｌａ１〜Ｌａ５と、コンバータ１と、インバータ２と、双方向チョッパ３と、制御回路４，５と、電解コンデンサＣ１と、複数のスイッチＳ１〜Ｓ３とを備える。

外部接続端子Ｔ１〜Ｔ４は、電力変換盤１０の外部の電源または負荷と電力変換盤１０とを接続するための端子である。具体的には、外部接続端子Ｔ１，Ｔ４は、電力変換盤１０の外部から供給される交流電力を受けるための交流入力端子である。外部接続端子Ｔ２は、電力変換盤１０の外部に交流電力を供給するための交流出力端子である。外部接続端子Ｔ３は、電力変換盤１０の外部から供給される直流電力を受けるとともに、電力変換盤１０の外部に直流電力を出力するための直流端子である。以下の説明では、外部接続端子Ｔ１を「第１の交流入力端子」と称し、外部接続端子Ｔ４を「第２の交流入力端子」と称する。また、外部接続端子Ｔ２を「第１の交流出力端子」と称し、外部接続端子Ｔ３を「直流端子」と称する。

コンバータ１は、交流電力を直流電力に変換するように構成される。インバータ２は、直流電力を交流電力に変換するように構成される。直流母線Ｌｄ１（第１の直流母線）は、コンバータ１の交流側端子およびインバータ２の直流側端子の間に配設される。

コンバータ１およびインバータ２は、図示しない半導体スイッチング素子により構成される。半導体スイッチング素子としては、たとえば、ＩＧＢＴ（Integrated Gate Bipolar Transistor）が用いられる。

制御回路４は、コンバータ１における電力変換を制御する。制御回路５は、インバータ２における電力変換を制御する。コンバータ１およびインバータ２に含まれる半導体スイッチング素子の制御方式としてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御方式を適用することができる。

制御回路４，５は、図示しないプロセッサおよびメモリを含む。メモリには、電力変換盤１０が適用される装置に固有の電力変換機能を実行するためのプログラムを格納することができる。プロセッサは、当該装置に電力変換盤１０が組み込まれた状態において、メモリに格納されているプログラムを読み出すことにより、固有の電力変換機能を実行することができる。なお、図１の例では、コンバータ制御用の制御回路４と、インバータ制御用の制御回路５とを別体としているが、コンバータ１およびインバータ２を統括的に制御する単体の制御回路としてもよい。

双方向チョッパ３は、双方向の直流電圧変換（昇圧および降圧）を実行するように構成される。双方向チョッパ３は、半導体スイッチング素子（たとえば、ＩＧＢＴ）により構成される。直流母線Ｌｄ２（第２の直流母線）は、直流母線Ｌｄ１と双方向チョッパ３の低圧側端子との間に配設される。直流母線Ｌｄ３（第３の直流母線）は、双方向チョッパ３の高圧側端子と直流端子Ｔ３との間に配設される。

電解コンデンサＣ１は、直流母線Ｌｄ１に接続され、直流母線Ｌｄ１の電圧を平滑化する。制御回路４（または５）は、双方向チョッパ３における直流電圧変換を制御する。

交流母線Ｌａ１（第１の交流母線）は、一方端が第１の交流入力端子Ｔ１に接続される。交流母線Ｌａ２（第２の交流母線）は、一方端がコンバータ１の交流側端子に接続される。交流母線Ｌａ１の他方端および交流母線Ｌａ２の他方端には、接続端子Ｔ５，Ｔ６がそれぞれ配置される。接続端子Ｔ５（第１の接続端子）および接続端子Ｔ６（第２の接続端子）は互いに電気的に絶縁されている。接続端子Ｔ５，Ｔ６は、図示しない交流フィルタを電力変換盤１０に接続するための端子である。

交流母線Ｌａ３（第３の交流母線）は、一方端がインバータ２の交流側端子に接続される。交流母線Ｌａ４（第４の交流母線）は、一方端が第１の交流出力端子Ｔ２に接続される。交流母線Ｌａ３の他方側および交流母線Ｌａ４の他方端には、接続端子Ｔ７，Ｔ８がそれぞれ配置される。接続端子Ｔ７（第３の接続端子）および接続端子Ｔ８（第４の接続端子）は互いに電気的に絶縁されている。接続端子Ｔ７，Ｔ８は、図示しない交流フィルタを電力変換盤１０に接続するための端子である。

交流母線Ｌａ５（第５の交流母線）は、第２の交流入力端子Ｔ４および交流母線Ｌａ４の間に配設される。

スイッチＳ１（第１のスイッチ）は、交流母線Ｌａ１に介挿接続される。スイッチＳ２（第２のスイッチ）は、交流母線Ｌａ４に介挿接続される。スイッチＳ３（第３のスイッチ）は、直流母線Ｌｄ３に介挿接続される。スイッチＳ１〜Ｓ３は、機械スイッチであり、たとえば電磁接触器によって構成される。スイッチＳ１〜Ｓ３のオンオフは、制御回路４（または５）によって制御される。具体的には、スイッチＳ１〜Ｓ３は、制御回路４（または５）からの制御信号がＨ（論理ハイ）レベルときにオン（閉成）し、制御信号がＬ（論理ロー）レベルのときにオフ（開放）する。

以上説明したように、電力変換盤１０は、複数の電力変換器（コンバータ１、インバータ２および双方向チョッパ３）からなる主回路と、複数の電力変換器を制御する制御回路とを主体として構成されている。そして、電力変換盤１０には、さらに、複数の電力変換器と外部電源もしくは外部負荷とを電気的に接続するための複数の母線（交流母線および直流母線）、端子および、各電力変換器と外部電源もしくは外部負荷との電気的接続／遮断を切替えるための複数のスイッチが設けられている。

すなわち、本実施の形態による電力変換盤１０は、電力変換機能を有する種々の装置において共通する構成要素を集約して１ユニット化したものである。したがって、電力変換盤１０は汎用性を有しており、電力変換盤１０を用いて種々の装置を容易に製造することができる。

ただし、各電力変換器および各スイッチの制御については、電力変換盤１０が適用される装置の用途および機能によって異なる場合がある。そのため、電力変換盤１０では、電力変換盤１０が適用される装置に固有のプログラムを、制御回路４，５内部のメモリに格納することが可能となっている。プログラムには、コンバータ１、インバータ２および双方向チョッパ３における電力変換、およびスイッチＳ１〜Ｓ３のオンオフに関する制御プログラムが含まれる。これにより、適用される装置の用途および機能に応じて電力変換盤１０を自在に動作させることができるため、高い汎用性を実現できる。

従来、製造メーカーでは、電力変換機能を有する種々の装置を製造する際、装置の主回路の回路構成が基本的に共通しているものの、装置の用途および機能によって主回路の制御が異なるため、装置ごとに製造するのが一般的であった。これに対して、本実施の形態による電力変換盤１０によれば、主回路の共通する構成要素と制御回路とを１ユニット化するとともに、制御回路に任意のプログラムを書き込み可能としたことにより、用途および機能ごとに製品を製造する必要がなくなる。その結果、電力変換機能を有する種々の装置の生産性を向上させることができる。

さらに、装置内部で主回路の一部に故障が生じた場合には、電力変換盤１０を交換することで、短時間で装置を復旧させることができるため、ユーザにとっても使い勝手の良いものとすることができる。

（電力変換機能を有する装置の構成）
以下、本実施の形態による電力変換盤１０を用いて構築される装置の具体例について説明する。実施の形態２〜４では、電力変換盤１０を適用した汎用インバータの構成について説明する。実施の形態５〜７では、電力変換盤１０を適用したサーボアンプ、無停電電源装置、パワーコンディショナの構成についてそれぞれ説明する。

［実施の形態２］
図２は、この発明の実施の形態２による汎用インバータ３０の全体構成図である。実施の形態２による汎用インバータ３０は、主にモータの可変速駆動を目的として量産された産業用の電圧形ＰＷＭインバータ装置である。

図２を参照して、汎用インバータ３０は、図１に示した電力変換盤１０と、交流フィルタＦ１，Ｆ２とを備える。交流フィルタＦ１（第１のフィルタ）は、接続端子Ｔ５および接続端子Ｔ６の間に接続される。交流フィルタＦ２（第２のフィルタ）は、接続端子Ｔ７および接続端子Ｔ８の間に接続される。交流フィルタＦ１，Ｆ２は、交流リアクトルおよびコンデンサを含み、低域通過フィルタを構成する。

第１の交流入力端子Ｔ１は交流電源１００に接続される。交流電源１００は、たとえば商用交流電源もしくは自家発電設備等によって構成される。図２および以降説明する図では、交流電源の一例として、三相三線式を示す。図面および説明の簡単化のため、図では、一相分の回路のみが代表的に示されている。

第１の交流出力端子Ｔ２は交流負荷２００に接続される。交流負荷２００は、たとえば一般用三相かご形誘導モータである。誘導モータは、たとえばポンプ、ファン、ブロワなどを回転駆動するために用いられる。

図２に示されるように、汎用インバータ３０には交流電源１００以外の電源が接続されていない。そのため、電力変換盤１０において、直流端子Ｔ３および第２の交流入力端子Ｔ４はともに何も接続されていない状態となっている。

（汎用インバータ３０の動作）
以下、実施の形態２による汎用インバータ３０の動作の概要について説明する。

第１の交流入力端子Ｔ１は、交流電源１００からの交流電力を受ける。スイッチＳ１は、制御回路４によってオンされる。スイッチＳ１は、汎用インバータ３０の使用時にオンされ、汎用インバータ３０の停止時にオフされる。

交流フィルタＦ１は、交流電源１００からコンバータ１に商用周波数の交流電力を通過させ、コンバータ１で発生するスイッチング周波数の信号が交流電源１００に通過することを防止する。

コンバータ１は、制御回路４によって制御され、交流電源１００からの交流電力を直流電力に変換する。コンバータ１は、直流電力を直流母線Ｌｄ１を介してインバータ２に与える。電解コンデンサＣ１は、直流母線Ｌｄ１の直流電圧を平滑化および安定化させる。

インバータ２は、制御回路５によって制御され、コンバータ１によって生成された直流電力を交流電力に変換する。交流フィルタＦ２は、インバータ２によって生成された交流電力を通過させ、インバータ２で発生するスイッチング周波数の信号を遮断する。すなわち、交流フィルタＦ２は、インバータ２の出力電圧の波形を正弦波に変換する。

スイッチＳ２は、制御回路５によってオンされる。スイッチＳ２は、汎用インバータ３０の使用時にオンされ、汎用インバータ３０の停止時にオフされる。

制御回路４，５は、コンバータ１およびインバータ２における電力変換をそれぞれ制御する。制御回路５は、交流負荷２００である誘導モータをインバータ２で可変速駆動する制御方式として、Ｖ／ｆ制御方式を用いる。Ｖ／ｆ制御方式は周知の技術で実現できるため、詳細な説明は省略する。

このように、電力変換盤１０に交流フィルタＦ１，Ｆ２を設置することにより、汎用インバータ３０を製造することができる。なお、制御回路４，５には、上述した汎用インバータ３０の動作を実行するためのプログラムとして、コンバータ１、インバータ２およびスイッチＳ１，Ｓ２の制御プログラムが格納される。

［実施の形態３］
図３は、この発明の実施の形態３による汎用インバータ３２の全体構成図である。

図３を参照して、実施の形態３による汎用インバータ３２は、図２に示した実施の形態２による汎用インバータ３０に対して、蓄電池Ｂを付加したものである。蓄電池Ｂは、電力変換盤１０の直流端子Ｔ３に接続される。

蓄電池Ｂは、停電時にインバータ２に直流電力を供給するための電力貯蔵装置である。電力貯蔵装置としては、たとえば、フライホイール、燃料電池、および電気二重層コンデンサなどを用いることができる。

（汎用インバータ３２の動作）
以下、実施の形態３による汎用インバータ３２の動作の概要について説明する。

交流電源１００から正常に交流電力が供給されている通常時には、汎用インバータ３２は、実施の形態２による汎用インバータ３０（図２参照）と同様に、交流電源１００から供給される交流電力をコンバータ１によって直流電力に変換し、その直流電力をインバータ２によって、交流負荷２００を駆動するための交流電力に変換する。

汎用インバータ３２において、スイッチＳ３は制御回路４（または５）によってオンされる。スイッチＳ３は、汎用インバータ３２の使用時にオンされ、汎用インバータ３２の停止時にオフされる。双方向チョッパ３は、制御回路４（または５）によって制御され、通常時にはコンバータ１によって生成された直流電力を蓄電池Ｂに蓄える。

一方、交流電源１００からの交流電力の供給が停止された停電時には、コンバータ１の運転が停止される。双方向チョッパ３は、停電時には蓄電池Ｂに蓄えられた直流電力をインバータ２に供給する。インバータ２は、蓄電池Ｂから双方向チョッパ３を介して供給される直流電力を交流電力に変換する。これにより、停電時には、汎用インバータ３２は、蓄電池Ｂに蓄えられた電力を用いて交流負荷２００を駆動することができる。

このように、電力変換盤１０の直流端子Ｔ３に蓄電池Ｂを接続することで、停電時においても交流負荷２００を駆動することができる、停電対策機能を備えた汎用インバータ３２を製造することができる。

なお、制御回路４，５には、上述した汎用インバータ３２の動作を実行するためのプログラムとして、コンバータ１、インバータ２、双方向チョッパ３および、スイッチＳ１〜Ｓ３の制御プログラムが格納される。

［実施の形態４］
図４は、この発明の実施の形態４による汎用インバータ３４の全体構成図である。

図４を参照して、実施の形態４による汎用インバータ３４は、図２に示した実施の形態２による汎用インバータ３０に対して、バイパス回路盤２０および導電部材１２を付加したものである。

バイパス回路盤２０は、電力変換盤１０に並べて配置される。バイパス回路盤２０は、外部接続端子Ｔ１０，Ｔ１１、交流母線Ｌａ６、およびスイッチＳ４を備える。外部接続端子Ｔ１０は、バイパス回路盤２０の外部から供給される交流電力を受けるための交流入力端子である。外部接続端子Ｔ１１は、バイパス回路盤２０の外部に交流電力を供給するための交流出力端子である。以下の説明では、外部接続端子Ｔ１０を「バイパス入力端子」と称し、外部接続端子Ｔ１１を「バイパス出力端子」とも称する。

交流母線Ｌａ６（第６の交流母線）は、バイパス入力端子Ｔ１０およびバイパス出力端子Ｔ１１の間に配設される。スイッチＳ４（第４のスイッチ）は、交流母線Ｌａ６に介挿接続される。スイッチＳ４は、並列接続された２個のスイッチＳ４１，Ｓ４２を含む。スイッチＳ４１は、半導体スイッチであり、たとえば双方向性のサイリスタスイッチにより構成される。スイッチＳ４２は、機械スイッチであり、たとえば電磁接触器によって構成される。スイッチＳ４１，Ｓ４２のオンオフは、制御回路４（または５）によって制御される。具体的には、スイッチＳ４１，Ｓ４２は、制御回路４（または５）からの制御信号がＨレベルときにオンし、制御信号がＬレベルのときにオフする。

バイパス入力端子Ｔ１０はバイパス交流電源１０２に接続される。バイパス交流電源１０２は、交流電源１００と同じであってもよいし、自家用発電設備等であってもよい。

バイパス出力端子Ｔ１１は、導電部材１２によって電力変換盤１０の第２の交流入力端子Ｔ４と電気的に接続される。導電部材１２としては、たとえばバスバーが用いられる。バイパス出力端子Ｔ１１および第２の交流入力端子Ｔ４が電気的に接続されることにより、交流母線Ｌａ６および交流母線Ｌａ５，Ｌａ４が電気的に接続される。

以上の構成において、スイッチＳ４がオンされると、バイパス交流電源１０２および交流負荷２００の間には、交流母線Ｌａ６、スイッチＳ４、導電部材１２、交流母線Ｌａ５，Ｌａ４を経由する電力経路が形成される。したがって、バイパス交流電源１０２からの交流電力を交流負荷２００に供給することができる。

（汎用インバータ３４の動作）
以下、実施の形態４による汎用インバータ３４の動作の概要について説明する。

実施の形態４による汎用インバータ３４は、運転モードとして、インバータ運転モードと、商用運転モードとを有している。インバータ運転モードとは、交流電源１００から供給される交流電力をコンバータ１およびインバータ２によって、交流負荷２００の駆動電力に変換する運転モードである。一方、商用運転モードとは、バイパス交流電源１０２から供給される交流電力を交流負荷２００に供給する運転モードである。

すなわち、商用運転モードでは、コンバータ１およびインバータ２を通さずに交流負荷２００に電力が供給される。これにより、コンバータ１およびインバータ２において、電力変換に伴う電力損失の発生が抑制されるため、汎用インバータ３４の運転効率を向上させることができる。

制御回路４（または５）は、商用運転モードの運転指令を受けると、汎用インバータ３４の運転モードを商用運転モードに設定する。運転モードを、インバータ運転モードから商用運転モードに切替えるとき、制御回路４（または５）は、スイッチＳ４をオンさせる。

スイッチＳ４において、半導体スイッチであるスイッチＳ４１は、機械スイッチであるスイッチＳ４２に比べて、Ｈレベルの制御信号を受けてからオンするまでの応答時間が短い。制御回路４（または５）は、スイッチＳ４１，Ｓ４２の制御信号をＨレベルにして、スイッチＳ４１，Ｓ４２を順にオンした後、スイッチＳ４１の制御信号をＬレベルにしてスイッチＳ４１をオフする。これにより、バイパス交流電源１０２から供給された交流電力はスイッチＳ４２を介して交流負荷２００にまで導かれる。

なお、汎用インバータ３４は、上述した商用運転モードの選択時に限らず、電力変換盤１０のメンテナンス時または故障時においても、スイッチＳ４をオンすることで、バイパス交流電源１０２からの交流電力を用いて交流負荷２００を駆動することができる。

このように、電力変換盤１０の第２の交流入力端子Ｔ４とバイパス回路盤２０のバイパス出力端子Ｔ１１とを電気的に接続することで、高い運転効率を実現する汎用インバータ３４を製造することができる。

なお、制御回路４，５には、上述した汎用インバータ３４の動作を実行するためのプログラムとして、コンバータ１、インバータ２および、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ４の制御プログラムが格納される。

［実施の形態５］
図５は、この発明の実施の形態５によるサーボアンプ５０の全体構成図である。サーボアンプは、サーボモータと呼ばれる永久磁石同期モータを駆動するモータドライバである。サーボアンプおよびサーボモータから構成されるＡＣサーボは、代表的には、半導体製造装置、部品実装装置、射出成型機、工作機械、ロボットなどに用いられる。

サーボアンプは、一般的に、コンバータ、平滑コンデンサおよびインバータなどを含む主回路部と、制御部とから構成される。主回路部は、汎用インバータの主回路部とほぼ同じ回路構成が採用される。

図５を参照して、実施の形態５によるサーボアンプ５０は、サーボモータである２個の交流負荷２００，２０２を駆動する。サーボアンプ５０は、図１に示した電力変換盤１０、導電部材１４，１６、交流母線Ｌａ７、および直流電源盤１０６を備える。

電力変換盤１０は、外部接続端子Ｔ９をさらに備える。外部接続端子Ｔ９は、電力変換盤１０の外部に交流電力を供給するための交流出力端子である。以下の説明では、外部接続端子Ｔ９を「第２の交流出力端子」と称する。

導電部材１４は、接続端子Ｔ５および第２の交流出力端子Ｔ９の間に接続される。交流母線Ｌａ７は、接続端子Ｔ６および第１の交流入力端子Ｔ１の間に配設される。このようにすると、第２の交流出力端子Ｔ９、接続端子Ｔ５および接続端子Ｔ６は、導電部材１４および交流母線Ｌａ１，Ｌａ７を介して電気的に接続される。第２の交流出力端子Ｔ９には交流負荷２０２（第２の交流負荷）が接続される。交流母線Ｌａ７および導電部材１４は「第１の導電部材」の一実施例に対応する。

導電部材１６は、接続端子Ｔ７および接続端子Ｔ８の間に接続される。第１の交流出力端子Ｔ２には交流負荷２００（第１の交流負荷）が接続される。導電部材１６は「第２の導電部材」の一実施例に対応する。

直流端子Ｔ３には直流電源盤１０６が接続される。直流電源盤１０６は、交流電源１０４から交流電力の供給を受けて直流電力を生成するように構成される。交流電源１０４は、たとえば商用交流電源もしくは自家発電設備等によって構成される。直流電源盤１０６は、たとえば三相ブリッジ整流回路を含む。

（サーボアンプ５０の動作）
以下、実施の形態５によるサーボアンプ５０の動作の概要について説明する。

直流端子Ｔ３は、直流電源盤１０６からの直流電力を受ける。スイッチＳ３は、制御回路４（または５）によってオンされる。スイッチＳ３は、サーボアンプ５０の使用時にオンされ、サーボアンプ５０の停止時にオフされる。

双方向チョッパ３は、制御回路４（または５）によって制御され、直流電源盤１０６からの直流電力を昇圧して直流母線Ｌｄ１に出力する。インバータ２は、制御回路５によって制御され、双方向チョッパ３から直流母線Ｌｄ１に与えられた直流電力を交流電力に変換する。導電部材１６は、インバータ２によって生成された交流電力を交流母線Ｌａ４に伝送する。

スイッチＳ２は、制御回路５によってオンされる。スイッチＳ２は、サーボアンプ５０の使用時にオンされ、サーボアンプ５０の停止時にオフされる。交流母線Ｌａ４に伝送された交流電力は、第１の交流出力端子Ｔ２を経由して交流負荷２００に供給される。

サーボアンプ５０では、コンバータ１はインバータとして動作する。コンバータ１は、制御回路４によって制御され、双方向チョッパ３から直流母線Ｌｄ１に与えられた直流電力を交流電力に変換する。コンバータ１によって生成された交流電力は、交流母線Ｌａ２，Ｌａ７，Ｌａ１および導電部材１４を伝送され、第２の交流出力端子Ｔ９を経由して交流負荷２０２に供給される。

制御回路４，５は、双方向チョッパ３、コンバータ１およびインバータ２における電力変換をそれぞれ制御する。制御回路４は、交流負荷２０２（サーボモータ）に設けられた電流検出器（図示せず）で検出されたモータ電流をフィードバックして、上位コントローラから入力された位置、速度、トルク等の指令信号に追従するように、位置制御、速度制御および電流制御を行なう。

制御回路５は、交流負荷２００（サーボモータ）に設けられた電流検出器で検出されたモータ電流をフィードバックして、位置制御、速度制御および電流制御を行なう。制御回路４，５において、サーボモータの制御方式は、基本的にベクトル制御方式が用いられる。ベクトル制御方式は周知の技術で実現できるため、詳細な説明は省略する。

このように、電力変換盤１０に２個の交流負荷および直流電源盤を接続するとともに、第１および第２の導電部材を設置することで、サーボアンプ５０を製造することができる。なお、制御回路４，５には、上述したサーボアンプ５０の動作を実行するためのプログラムとして、コンバータ１、インバータ２、双方向チョッパ３、およびスイッチＳ１〜Ｓ３の制御プログラムが格納される。

［実施の形態６］
図６は、この発明の実施の形態６による無停電電源装置４０の全体構成図である。

図６を参照して、無停電電源装置４０は、電力変換盤１０と、交流フィルタＦ１，Ｆ２と、バイパス回路盤２０と、蓄電池Ｂとを備える。

蓄電池Ｂは、停電時にインバータ２に直流電力を供給するための電力貯蔵装置である。通常時、蓄電池Ｂはコンバータ１で生成された直流電力を蓄える。

交流電源１００およびバイパス交流電源１０２の各々は、たとえば商用交流電源もしくは自家発電設備等によって構成される。交流電源１００およびバイパス交流電源１０２は、三相三線式の電源、三相四線式の電源および単相三線式の電源のいずれであってもよい。

（無停電電源装置４０の動作）
以下、実施の形態６による無停電電源装置４０の動作の概要について説明する。

第１の交流入力端子Ｔ１は、交流電源１００からの交流電力を受ける。スイッチＳ１は、制御回路４によって制御され、交流電源１００から交流電力が正常に供給されている通常時はオンされる。一方、交流電源１００からの交流電力の供給が停止された停電時はオフされる。

交流フィルタＦ１は、交流電源１００から供給される商用周波数の交流電力を通過させ、コンバータ１で発生するスイッチング周波数の信号を遮断する。

コンバータ１は、制御回路４によって制御され、通常時は、交流電源１００からの交流電力を直流電力に変換する。コンバータ１は、直流電力を直流母線Ｌｄ１を介してインバータ２に与える。また、コンバータ１は、直流電力を直流母線Ｌｄ１，Ｌｄ２を介して双方向チョッパ３に与える。停電時は、コンバータ１の運転は停止される。

電解コンデンサＣ１は、直流母線Ｌｄ１の直流電圧を平滑化および安定化させる。
双方向チョッパ３は、制御回路４（または５）によって制御され、通常時はコンバータ１によって生成された直流電力を降圧して蓄電池Ｂに蓄える。停電時は、双方向チョッパ３は、蓄電池Ｂの直流電力を昇圧してインバータ２に供給する。

スイッチＳ３は、制御回路４（または５）によって制御され、通常時および停電時にはオンされ、電力変換盤１０のメンテナンス時にはオフされる。

インバータ２は、制御回路５によって制御され、通常時はコンバータ１によって生成された直流電力を商用周波数の交流電力に変換する。停電時は、インバータ２は蓄電池Ｂから双方向チョッパ３を介して供給される直流電力を商用周波数の交流電力に変換する。

交流フィルタＦ２は、インバータ２によって生成された商用周波数の交流電力を通過させ、インバータ２で発生するスイッチング周波数の信号を遮断する。すなわち、交流フィルタＦ２は、インバータ２の出力電圧の波形を正弦波に変換する。

スイッチＳ２は、制御回路５によって制御され、通常時および停電時にはオンされ、電力変換盤１０のメンテナンス時にはオフされる。

電力変換盤１０のメンテナンス時には、第２の交流入力端子Ｔ１は、バイパス交流電源１０２からの交流電力を受ける。スイッチＳ４は、制御回路４（または５）によって制御され、通常時にはオフされ、メンテナンス時にはオンされる。すなわち、メンテナンス時は、コンバータ１およびインバータ２を通さずに交流負荷２００に対して交流電力を供給する。

なお、無停電電源装置４０は、メンテナンス時以外に、運転モードがエコモードに設定された場合においても、バイパス交流電源１０２からの交流電力を交流負荷２００に供給することができる。エコモードとは、通常時において、無停電電源装置の高運転効率を重視した運転モードである。エコモードでは、コンバータ１およびインバータ２の各々における電力損失の発生が抑制される。その結果、無停電電源装置の運転効率を向上させることができる。

［実施の形態７］
図７は、この発明の実施の形態７によるパワーコンディショナ６０の全体構成図である。

図７を参照して、実施の形態７によるパワーコンディショナ６０は、図１に示した電力変換盤１０、交流フィルタＦ１，Ｆ２、交流母線Ｌａ８（第７の交流母線）および太陽電池盤８０を備える。

太陽電池盤８０は直流端子Ｔ３に接続される。太陽電池盤８０は、直列または並列に接続された複数の太陽電池モジュールを含む。太陽電池盤８０は、太陽光を受けて発電し、直流電力を発生させる。

電力変換盤１０において、交流フィルタＦ１は、接続端子Ｔ５および接続端子Ｔ６の間に接続される。交流フィルタＦ２は、接続端子Ｔ７および接続端子Ｔ８の間に接続される。交流フィルタＦ１，Ｆ２は、交流リアクトルおよびコンデンサを含み、低域通過フィルタを構成する。

第１の交流入力端子Ｔ１は交流電源１００に接続される。交流電源１００は、たとえば商用交流電源である。第１の交流出力端子Ｔ２は交流負荷２００に接続される。

交流母線Ｌａ８は、第１の交流入力端子Ｔ１および第２の交流入力端子Ｔ４の間に接続される。これによると、第１の交流入力端子Ｔ１および交流母線Ｌａ４は、交流母線Ｌａ５および導電部材Ｌａ８を介して電気的に接続される。

（パワーコンディショナ６０の動作）
以下、実施の形態７によるパワーコンディショナ６０の動作の概要について説明する。

パワーコンディショナ６０は、太陽電池盤８０で発生した直流電力を交流電力に変換する。パワーコンディショナ６０により変換された交流電力は交流負荷２００に供給される。具体的には、直流端子Ｔ３は、太陽電池盤８０で発生した直流電力を受ける。スイッチＳ３は、制御回路４（または５）によってオンされる。スイッチＳ３は、パワーコンディショナ６０の使用時にオンされ、パワーコンディショナ６０の停止時にオフされる。

双方向チョッパ３は、制御回路４（または５）によって制御され、太陽電池盤８０からの直流電力を昇圧して直流母線Ｌｄ１に出力する。インバータ２は、制御回路５によって制御され、双方向チョッパ３から直流母線Ｌｄ１に与えられた直流電力を交流電力に変換する。導電部材１６は、インバータ２によって生成された交流電力を交流母線Ｌａ４に伝送する。

スイッチＳ２は、制御回路５によってオンされる。スイッチＳ２は、サーボアンプ５０の使用時にオンされ、サーボアンプ５０の停止時にオフされる。交流母線Ｌａ４に伝送された交流電力は、第１の交流出力端子Ｔ２を経由して交流負荷２００に供給される。

太陽電池盤８０の発電電力が交流負荷２００で消費されている全消費電力より多い場合には、余剰電力が生じる。余剰電力は、導電部材Ｌａ８を経由して交流電源１００に逆潮流される。このような余剰電力の交流電源１００への逆潮流は売電と称される。

一方、太陽電池盤８０における発電電力が少ない場合または発電できない場合には、パワーコンディショナ６０は、交流電源１００の電力を交流負荷２００に供給する。なお、発電電力が少ない場合とは、たとえば曇天持または雨天時であり、発電できない場合とは、たとえば夜間時である。

具体的には、パワーコンディショナ６０は、交流電源１００から供給される交流電力をコンバータ１によって直流電力に変換する。そして、その直流電力と太陽電池盤８０で発生した直流電力とを足し合わせた電力をインバータ２によって、交流負荷２００を駆動するための交流電力に変換する。このような交流電源１００から交流負荷２００への電力の供給は買電と称される。

買電時には、第１の交流入力端子Ｔ１は、交流電源１００からの交流電力を受ける。スイッチＳ１は、制御回路４によってオンされる。スイッチＳ１は、買電時にオンされ、売電時にオフされる。

交流フィルタＦ１は、交流電源１００からコンバータ１に商用周波数の交流電力を通過させ、コンバータ１で発生するスイッチング周波数の信号が交流電源１００に通過することを防止する。

コンバータ１は、制御回路４によって制御され、交流電源１００からの交流電力を直流電力に変換する。コンバータ１は、直流電力を直流母線Ｌｄ１を介してインバータ２に与える。電解コンデンサＣ１は、直流母線Ｌｄ１の直流電圧を平滑化および安定化させる。

インバータ２は、制御回路５によって制御され、コンバータ１によって生成された直流電力および太陽電池盤８０によって生成された直流電力を交流電力に変換する。インバータ２によって生成された交流電力は、交流フィルタＦ２を経由して交流負荷２００に供給される。

制御回路４，５は、コンバータ１、インバータ２および双方向チョッパ３における電力変換をそれぞれ制御する。制御回路４（または５）は、双方向チョッパ３における電力変換として、太陽電池盤８０の出力電力が最大電力となる最大負荷点で動作するように出力目標値を算出する最大電力追従制御を用いる。最大電力追従制御は周知の技術で実現できるため、詳細な説明は省略する。

制御回路４，５には、上述したパワーコンディショナ６０の動作を実行するためのプログラムとして、コンバータ１、インバータ２、双方向チョッパ３およびスイッチＳ１〜Ｓ３の制御プログラムが格納されている。

今回開示された実施の形態は例示であって、上記内容のみに限定されるものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

１ コンバータ、２ インバータ、３ 双方向チョッパ、４，５ 制御回路、１０ 電力変換盤、１２，１４，１６ 導電部材、２０ バイパス回路盤、３０，３２，３４ 汎用インバータ、４０ 無停電電源装置、５０ サーボアンプ、６０ パワーコンディショナ、８０ 太陽電池盤、１００，１０２，１０４ 交流電源、１０６ 直流電源盤、１０８ 太陽電池盤、２００，２０２ 交流負荷、Ｂ 蓄電池、Ｓ１〜Ｓ４，Ｓ４１，Ｓ４２ スイッチ、Ｔ１ 第１の交流入力端子、Ｔ２ 第１の交流出力端子、Ｔ３ 直流端子、Ｔ４ 第２の交流入力端子、Ｔ５〜Ｔ８ 接続端子、Ｔ１０ バイパス入力端子、Ｔ１１ バイパス出力端子、Ｌａ１〜Ｌａ８ 交流母線、Ｌｄ１〜Ｌｄ３ 直流母線、Ｃ１ 電解コンデンサ。

Claims (14)

1. 電力変換機能を有する装置に用いられる電力変換盤であって、
   前記電力変換盤の外部から供給される交流電力を受けるための第１の交流入力端子と、
   前記電力変換盤の外部に交流電力を出力するための第１の交流出力端子と、
   前記電力変換盤の外部から供給される直流電力を受けるとともに、前記電力変換盤の外部に直流電力を出力するための直流端子と、
   交流電力を直流電力に変換するように構成されたコンバータと、
   直流電力を交流電力に変換するように構成されたインバータと、
   前記コンバータの直流側と前記インバータの直流側との間に配設される第１の直流母線と、
   前記第１の直流母線に接続される平滑コンデンサと、
   双方向の直流電圧変換を実行するように構成された双方向チョッパと、
   前記第１の直流母線と前記双方向チョッパの低圧側端子との間に配設される第２の直流母線と、
   前記双方向チョッパの高圧側端子と前記直流端子との間に配設される第３の直流母線と、
   一方端が前記第１の交流入力端子に接続される第１の交流母線と、
   一方端が前記コンバータの交流側端子に接続される第２の交流母線と、
   一方端が前記インバータの交流側端子に接続される第３の交流母線と、
   一方端が前記第１の交流出力端子に接続される第４の交流母線と、
   前記電力変換盤の外部から供給される交流電力を受けるための第２の交流入力端子と、
   前記第２の交流入力端子と前記第４の交流母線との間に配設される第５の交流母線と、
   前記第１および第２の交流母線の他方端にそれぞれ配置され、互いに電気的に絶縁される第１および第２の接続端子と、
   前記第３および第４の交流母線の他方端にそれぞれ配置され、互いに電気的に絶縁される第３および第４の接続端子と、
   前記コンバータ、前記インバータおよび前記双方向チョッパを制御するように構成された制御回路とを備える、電力変換盤。
2. 前記第１の交流母線に介挿接続される第１のスイッチと、
   前記第４の交流母線に介挿接続される第２のスイッチと、
   前記第３の直流母線に介挿接続される第３のスイッチとをさら備え、
   前記第２のスイッチは、前記第４および第５の交流母線の接続ノードと前記第４の接続端子との間に配置され、
   前記制御装置は、前記第１〜第３のスイッチのオンオフを制御するように構成される、請求項１に記載の電力変換盤。
3. 前記制御回路は、
   プロセッサと、
   前記プロセッサが前記装置に固有の電力変換機能を実行するためのプログラムを記憶するためのメモリを含む、請求項１または２に記載の電力変換盤。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換盤と、
   前記第１および第２の接続端子間に接続される第１のフィルタと、
   前記第３および第４の接続端子間に接続される第２のフィルタとを備え、
   前記第１の交流入力端子は、交流電源に接続され、
   前記第１の交流出力端子は、交流負荷に接続され、
   前記電力変換盤は、前記交流電源から供給される交流電力を前記交流負荷を駆動するための電力に変換する、インバータ装置。
5. 前記直流端子は、電力貯蔵装置に接続され、
   前記電力変換盤は、前記交流電源からの電力の供給が停止された停電時には、前記電力貯蔵装置に蓄えられる電力を前記交流負荷を駆動するための電力に変換する、請求項４に記載のインバータ装置。
6. バイパス回路盤をさらに備え、
   前記バイパス回路盤は、
   バイパス交流電源に接続されるバイパス入力端子と、
   前記バイパス回路盤の外部に交流電力を出力するためのバイパス出力端子と、
   前記バイパス入力端子および前記バイパス出力端子間に配設される第６の交流母線と、
   前記第６の交流母線に介挿接続される第４のスイッチとを含み、
   前記バイパス出力端子および前記第２の交流入力端子を導通させるための導電部材をさらに備える、請求項４に記載のインバータ装置。
7. 前記インバータ装置は、インバータ運転モードと商用運転モードとを選択可能に構成され、
   前記インバータ運転モードでは、前記第４のスイッチをオフすることにより、前記交流電源から前記電力変換盤を経由して前記交流負荷に交流電力が供給され、
   前記商用運転モードでは、前記第４のスイッチをオンすることにより、前記バイパス交流電源から前記バイパス回路盤を経由して前記交流負荷に交流電力が供給される、請求項６に記載のインバータ装置。
8. 第１および第２の交流負荷を駆動するためのインバータ装置であって、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換盤を備え、
   前記電力変換盤は、前記電力変換盤の外部に交流電力を出力するための第２の交流出力端子をさらに含み、
   前記直流端子は、直流電源盤に接続され、
   前記第１の交流出力端子は、前記第１の交流負荷に接続され、
   前記第２の交流出力端子は、前記第２の交流負荷に接続され、
   前記インバータ装置は、
   前記第１の接続端子および前記第２の交流出力端子の間、および前記第１および第２の接続端子間を導通させるための第１の導電部材と、
   前記第３および第４の接続端子間を導通させるための第２の導電部材とをさらに備える、インバータ装置。
9. 前記電力変換盤において、
   前記双方向チョッパは、前記直流電源盤からの直流電力を昇圧して前記第１の直流母線に出力し、
   前記コンバータは、前記第１の直流母線に出力された直流電力を交流電力に変換し、前記第１の導電部材を経由して前記第２の交流負荷に供給し、
   前記インバータは、前記第１の直流母線に出力された直流電力を交流電力に変換し、前記第２の導線部材を経由して前記第１の交流負荷に供給する、請求項８に記載のインバータ装置。
10. 無停電電源装置であって、
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換盤と、
    前記第１および第２の接続端子間に接続される第１のフィルタと、
    前記第３および第４の接続端子間に接続される第２のフィルタと、
    バイパス回路盤とを備え、
    前記第１の交流入力端子は、交流電源に接続され、
    前記第１の交流出力端子は、交流負荷に接続され、
    前記直流端子は、電力貯蔵装置に接続され、
    前記バイパス回路盤は、
    バイパス交流電源に接続されるバイパス入力端子と、
    前記バイパス回路盤の外部に交流電力を出力するためのバイパス出力端子と、
    前記バイパス入力端子および前記バイパス出力端子間に配設される第６の交流母線と、
    前記第６の交流母線に介挿接続される第４のスイッチとを含み、
    前記無停電電源装置は、前記バイパス出力端子および前記第２の交流入力端子を導通させるための導電部材をさらに備える、無停電電源装置。
11. 前記無停電電源装置は、
    前記交流電源が正常に供給されている通常時には、前記交流電源からの交流電力を前記コンバータおよび前記インバータを経由して前記交流負荷に供給し、
    前記交流電源の供給が停止された停電時には、前記電力貯蔵装置に蓄えられた電力を前記インバータによって交流電力に変換して前記交流負荷に供給する、請求項１０に記載の無停電電源装置。
12. 前記無停電電源装置は、通常時においてエコモードが設定されたとき、または前記電力変換盤のメンテナンス時には、前記第４のスイッチをオンすることにより、前記バイパス交流電源から前記バイパス回路盤を経由して前記交流負荷に交流電力を供給する、請求項１１に記載の無停電電源装置。
13. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換盤と、
    前記第１の交流入力端子および前記第２の交流入力端子の間に配設される第７の交流母線とを備え、
    前記直流端子は、前記電力変換盤の外部に設置された太陽電池盤に接続される、パワーコンディショナ。
14. 前記第１の交流入力端子は、交流電源に接続され、
    前記第１の交流出力端子は、交流負荷に接続され、
    前記パワーコンディショナは、
    前記太陽電池盤で発生した直流電力を前記インバータによって交流電力に変換して前記交流負荷に供給し、
    前記太陽電池盤の発電電力が前記交流負荷の消費電力を上回る場合には、余剰電力を前前記第４および第７の交流母線を経由して前記交流電源に逆潮流させる、請求項１３に記載のパワーコンディショナ。
    

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