JP2020205710A - 電源装置およびモータ駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高調波電流を抑制できるとともに、効率の低下を回避できる電源装置およびモータ駆動装置を提供する。【解決手段】全波整流電圧を平滑する平滑回路は、基本的な構成として、第1コンデンサ、第1ダイオード、電流制限素子、第2コンデンサ、第2ダイオード、第3ダイオードを備える。この平滑回路において、電流制限素子と第2コンデンサとの接続間にスイッチ素子を設け、このスイッチ素子をオン,オフする。【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、交流電源の電圧を全波整流し、この全波整流電圧をバレーフィル回路で平滑して負荷へ供給する電源装置およびこの電源装置を備えたモータ駆動装置に関する。
交流電源の電圧を全波整流し、この全波整流電圧(脈動する直流電圧)を力率改善用のバレーフィル回路で平滑して負荷へ供給する電源装置が知られている。バレーフィル回路は、全波整流電圧を2つのコンデンサに分圧して充電し、この両コンデンサの電圧を全波整流電圧の脈動レベルに応じて放電することにより、全波整流電圧をその脈動レベルの谷間(低レベル期間)を埋めるように平滑する。
バレーフィル回路は、基本的な構成として、上記2つのコンデンサのほかに、交流電源から両コンデンサへの充電路および両コンデンサから負荷への放電路を形成する複数のダイオードを有する。
このような電源装置では、負荷の消費電力が増えると、バレーフィル回路の両コンデンサに流れる電流(充電電流)も増え、それに伴い電源装置への入力電流の波形に歪みが生じ、それが電源装置から交流電源側に流出する高調波電流の増加につながる。対策として、バレーフィル回路の両コンデンサへの充電路に電流制限用の抵抗器が配置される。
消費電力が大きい例えば空調用の圧縮機モータを負荷とする電源装置の場合、たとえ電流制限用の抵抗器を設けても、バレーフィル回路の両コンデンサに大きな電流(充電電流)が流れる。結局は電源装置への入力電流波形に歪みが生じ、高調波電流の抑制が困難になる。また、抵抗器の抵抗値を大きくすると発熱量が無視できない大きさになる。さらに、発熱量が増える分、消費電力が無駄に増加して電源装置の効率が低下するという問題もある。
本発明の実施形態の目的は、高調波電流を抑制できるとともに、効率の低下を回避できる電源装置およびモータ駆動装置を提供することである。
請求項1の電源装置は、全波整流回路、平滑回路、スイッチ素子、および制御手段を備える。全波整流回路は、交流電源の電圧を全波整流する。平滑回路は、前記全波整流回路の正側出力端に一端が接続された第1コンデンサ、この第1コンデンサの他端にアノードが接続された第1ダイオード、この第1ダイオードのカソードに一端が接続された電流制限素子、この電流制限素子の他端に一端が接続され前記全波整流回路の負側出力端に他端が接続された第2コンデンサ、前記全波整流回路の負側出力端にアノードが接続され前記第1コンデンサの他端にカソードが接続された第2ダイオード、前記第2コンデンサの一端にアノードが接続され前記全波整流回路の正側出力端にカソードが接続された第3ダイオードを含み、前記全波整流回路の全波整流電圧を平滑する。スイッチ素子は、前記電流制限素子と前記第2コンデンサとの接続間に設けられる。制御手段は、前記スイッチ素子をオン,オフする。
請求項6のモータ駆動装置は、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の電源装置を備えたモータ駆動装置であって、前記電源装置の出力電圧を交流電圧に変換しその交流電圧をモータの駆動電力として出力するインバータ、を備える。
[1]本発明の第1実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1に示すように、単相の商用交流電源1にダイオードブリッジからなる全波整流回路2の入力端が接続され、その全波整流回路2の出力端に平滑回路10が接続されている。この全波整流回路2および平滑回路10により、本実施形態の電源装置が構成される。
図1に示すように、単相の商用交流電源1にダイオードブリッジからなる全波整流回路2の入力端が接続され、その全波整流回路2の出力端に平滑回路10が接続されている。この全波整流回路2および平滑回路10により、本実施形態の電源装置が構成される。
平滑回路10は、力率改善用のバレーフィル(Valley Fill)回路であり、全波整流回路2の全波整流電圧(脈動する直流電圧)Vd1を平滑して直流電圧Vd2として出力する。この直流電圧Vd2が負荷30に供給される。負荷30は、誘導性負荷であって、インバータ31および三相DCブラシレスモータ32を含む。3相DCブラシレスモータ32は、例えば冷凍サイクル装置の圧縮機モータとして使用される。インバータ31は、上記電源装置から供給される直流電圧Vd2を外部からの指令に応じた所定周波数の三相交流電圧に変換し出力する。この出力により、三相DCブラシレスモータ32が可変速駆動される。これらインバータ31、三相ブラシレスDCモータ32、および上記電源装置により、モータ駆動装置が構成される。
平滑回路10は、全波整流回路2の正側出力端(+)に一端が接続されたコンデンサ(第1コンデンサ)11、このコンデンサ11の他端にアノードが接続されたダイオード(第1ダイオード)12、このダイオード12のカソードに一端が接続された電流制限素子たとえば抵抗器13、この抵抗器13の他端にドレインが接続されたスイッチ素子14、このスイッチ素子14のソースに一端が接続され全波整流回路2の負側出力端(−)に他端が接続されたコンデンサ(第2コンデンサ)15、全波整流回路2の負側出力端(−)にアノードが接続されコンデンサ11の他端にカソードが接続されたダイオード(第2ダイオード)16、コンデンサ15の一端にアノードが接続され全波整流回路2の正側出力端(+)にカソードが接続されたダイオード(第3ダイオード)17を含む。コンデンサ11,15は、従来のコンデンサインプット型の平滑回路に用いられるコンデンサよりもその容量は大幅に少ないものが使用できる。この使用により、装置を小型化できる。
コンデンサ11、ダイオード12、抵抗器13、コンデンサ15、ダイオード16,17がバレーフィル回路の基本的な構成であり、この基本的な構成において、抵抗器13とコンデンサ15との接続間にスイッチ素子14が挿入接続されている。スイッチ素子14は、例えばMOSFETやIGBTである。スイッチ素子14がオンすると全波整流回路2からコンデンサ11,15への充電路が形成され、スイッチ素子14がオフすると全波整流回路2からコンデンサ11,15への充電路が遮断される。
すなわち、スイッチ素子14のオン時、図1に実線矢印で示すように、全波整流回路2の正側出力端(+)からコンデンサ11に電流が流れ、そのコンデンサ11を経た電流がダイオード12と抵抗器13およびスイッチ素子14を通ってコンデンサ15に流れ、そのコンデンサ15を経た電流が全波整流回路2の負側出力端(−)に流れる。この電流の流れにより、コンデンサ11,15が充電される。この充電に際し、全波整流電圧Vd1がコンデンサ11とコンデンサ15とに分圧された状態でそれぞれのコンデンサに印加される。分圧レベルについては、コンデンサ11の容量(静電容量)とコンデンサ15の容量との比で決定される。コンデンサ11,15の容量は、コンデンサ11,15の性能を最大限発揮させ、かつ寿命を長くするために実質的に同一にすることが望ましい。
全波整流電圧Vd1は、正弦波状に変化する電源電圧Vcの波形に合わせて脈動する。この脈動レベルがコンデンサ11,15の合計電圧レベルと同じまたはそれより高くなる期間において、コンデンサ11,15が充電されつつ全波整流電圧Vd1が負荷30側に供給される。脈動レベルがコンデンサ11の電圧レベルより低い期間において、図1に破線矢印で示すように、コンデンサ11の電圧がダイオード16を通じて負荷30側に放電される。また、脈動レベルがコンデンサ15の電圧レベルより低い期間において、図1に破線矢印で示すように、コンデンサ15の電圧がダイオード17を通じて負荷30側に放電される。
こうして、全波整流電圧Vd1の脈動レベルの谷間(低レベル期間)を埋めるように平滑された波形の直流電圧Vd2が平滑回路10から出力され、それが負荷30に供給される。直流電圧Vd2は、脈動レベルの谷間と対応する期間で最小レベルとなる。この最小レベルは、コンデンサ11,15の容量が互いに同一である場合(容量比が1:1)、脈動する全波整流電圧Vd1のピーク値の1/2程度の大きさとなる。
交流電源1から全波整流回路2への入力電流Icは、直流電圧Vd2が最小レベルとなる期間で零レベルとなり、その零レベルの期間を除く期間において電源電圧Vcとほぼ同じ位相でレベル変化する。零レベルの期間を除く期間のことを、入力電流Icの通流角という。
平滑回路10中のスイッチ素子14をオン,オフ制御する制御手段として、コントローラ40および駆動回路50が設けられる。コントローラ40は、電源電圧Vcの零クロス点を検出する零クロス検出部41、この零クロス検出部41の検出結果に応じてスイッチ素子14に対する制御信号Dを生成する制御信号生成部42を含み、全波整流回路2の出力電圧(全波整流電圧)Vd1により動作する。制御信号生成部42は、具体的には、零クロス検出部41で検出される零クロス点に基づき、電源電圧Vcのピーク値およびそのピーク値付近を含む所定期間においてスイッチ素子14をオフするべく論理“0”の制御信号Dを生成し、その所定期間を除く期間(零クロス点およびその零クロス点の前後を含む期間)においてスイッチ素子14をオンするべく論理“1”の制御信号Dを生成する。生成された制御信号Dは駆動回路50に供給される。
駆動回路50は、コンデンサ51、このコンデンサ51の一端と全波整流回路2の正側出力端(+)との間に接続された抵抗器52、上記コンデンサ51の他端とコンデンサ15の一端(スイッチ素子14およびコンデンサ15の相互接続点)との間に接続された抵抗器53、上記コンデンサ51に並列接続されたツェナーダイオード54、このツェナーダイオード54のツェナー電圧が印加されるフォトダイオードからなるIC回路55を含み、平滑回路10内の直流電圧により動作する。すなわち、全波整流回路2の正側出力端(+)とコンデンサ15の一端との間に生じる電圧は抵抗52,53を介してコンデンサ51に取込まれ、このコンデンサ51に生じる電圧がツェナーダイオード54で定電圧化され、この定電圧が駆動電圧生成用としてIC回路55に取込まれる。制御信号Dが入力されたIC回路55は、フォトダイオードを介することで制御信号Dに対応するレベルおよび周期の駆動電圧Vgsをコントローラ40とは電気的に絶縁した状態で生成する。生成された駆動電圧Vgsは、スイッチ素子14のゲート・ソース間に印加される。この駆動電圧Vgsのソース側の印加用として、上記抵抗器53が介在する接続ラインが使用される。駆動電圧Vgsが高レベルのときスイッチ素子14がオンし、駆動電圧Vgsが低レベルのときスイッチ素子14がオフする。
駆動回路50のコンデンサ51に取込まれる“全波整流回路2の正側出力端(+)とコンデンサ15の一端との間に生じる電圧”は、全波整流電圧Vd1の1/2以下である。スイッチ素子14の駆動電圧Vgsは小さくてよいので、全波整流電圧Vd1の1/2以下の電圧を用いて駆動電圧Vgsが生成される。仮に、全波整流電圧Vd1をそのままの電圧レベルで駆動回路50に取込んだ場合には、抵抗器52,53の抵抗値を大きくして全波整流電圧Vd1を大きく下降させる必要があり、そうすると抵抗器52,53での電力損失が大きくなって効率の低下を招いてしまう。全波整流電圧Vd1の1/2以下の電圧を駆動回路50に取込むことで、抵抗器52,53の抵抗値は小さくてすみ、よって抵抗器52,53での電力損失が大きくならず、効率の低下を回避することができる。
平滑回路10の動作を図2および図3のタイムチャートを参照しながら説明する。図2は、スイッチ素子14の動作、電源電圧Vcの波形、交流電源1から当該装置への入力電流Icの波形、全波整流電圧Vd1の波形、コンデンサ11,15の電圧Ec1,電圧Ec2の波形、当該装置から交流電源1側に流出する高調波電流Irの波形を示す。図3は、スイッチ素子14が無い、一般的なバレーフィル回路を用いた場合の電圧波形および電流波形を示している。
コントローラ40は、電源電圧Vcのピーク値およびそのピーク値付近を含む所定期間(例えば位相1/2πの期間)においてスイッチ素子14をオフし、その所定期間を除く期間(零クロス点およびその零クロス点の前後を含む、例えば位相1/2πの期間)においてスイッチ素子14をオンする。
電源電圧Vcがピーク値およびそのピーク値付近にあるとき、スイッチ素子14がオンしていると、コンデンサ11、抵抗器13、コンデンサ15に大きな電流(充電電流)が流れる。この場合、図3に示すように、入力電流Icのピーク値の波形に突出状の大きな歪みが生じ、この歪みが高調波電流Irの増大を招いてしまう。しかも、この大きな充電電流が抵抗器13を流れることで、発熱量が増えるとともに、発熱量が増える分だけ抵抗器13の消費電力が無駄に増加し、それが当該電源装置の効率の低下を招く。
本実施形態の場合、電源電圧Vcのピーク値およびそのピーク値付近を含む所定期間ではスイッチ素子14をオフしてコンデンサ11,15への充電路を遮断し、電源電圧Vcが比較的に低レベルとなる期間でのみスイッチ素子14をオンしてコンデンサ11,15への充電路を形成するので、コンデンサ11、抵抗器13、コンデンサ15に大きな電流が流れない。
コンデンサ11、抵抗器13、コンデンサ15に大きな電流が流れないので、図2に示すように、入力電流Icのピーク値における突出状の大きな歪みを解消でき、よって高調波電流Irを抑制できる。抵抗器13の発熱量も減るので、消費電力の無駄な増加を回避でき、よって当該電源装置の効率の低下を防ぐことができる。
コンデンサ11、抵抗器13、コンデンサ15に大きな電流が流れなくなると、当然ながらコンデンサ11の電圧Ec1およびコンデンサ15の電圧Ec2が低下するので、全波整流電圧Vd1の脈動レベルの谷間に対応する期間の直流電圧Vd2の最小レベルが若干低めとなるが、直流電圧Vd2の最小レベル期間は短くなる。
入力電流Icは、電源電圧Vcの零クロス点近傍の直流電圧Vd2の低電圧レベル期間において零レベルとなり、その零レベル期間を除く期間において電源電圧Vcとほぼ同じ位相でレベル変化する。零レベル期間を除く期間のことを、入力電流Icの通流角という。
直流電圧Vd2の最小レベル期間が短くなれば、入力電流Icの零レベル期間が短くなり、その分だけ、入力電流Icの通流角が拡がり、上記突出状の歪みの解消と合わせて、入力電流Icの波形がきれいな正弦波に近づく。入力電流Icの波形が正弦波に近づくことで、バレーフィル回路の力率改善の効果がさらに向上するとともに、高調波電流Irの抑制効果がさらに向上する。
[2]本発明の第2実施形態について説明する。
図4に示すように、平滑回路10におけるダイオード12とスイッチ素子14との間に、第1実施形態の抵抗器13に代わる電流制限素子として、インダクタ(コイル)21が挿入接続される。そして、インダクタ21とスイッチ素子14との接続点に放電路形成用のダイオード(第4ダイオード)22のアノードが接続され、このダイオード22のカソードがコンデンサ11の一端(全波整流回路2の正側出力端)に接続される。
図4に示すように、平滑回路10におけるダイオード12とスイッチ素子14との間に、第1実施形態の抵抗器13に代わる電流制限素子として、インダクタ(コイル)21が挿入接続される。そして、インダクタ21とスイッチ素子14との接続点に放電路形成用のダイオード(第4ダイオード)22のアノードが接続され、このダイオード22のカソードがコンデンサ11の一端(全波整流回路2の正側出力端)に接続される。
コントローラ40の制御信号生成部42は、電源電圧Vcのピーク値およびそのピーク値付近を含む所定期間(例えば位相1/2πの期間)においてスイッチ素子14を第1オン,オフデューティでスイッチングするための制御信号Dを生成し、その所定期間を除く期間(零クロス点およびその零クロス点の前後を含む期間)においてスイッチ素子14を第2オン,オフデューティでスイッチングするための制御信号Dを生成する。
電源電圧Vcのピーク値およびそのピーク値付近を含む所定期間においてスイッチ素子14を第1オン,オフデューティでスイッチングするのは、コンデンサ11,15への通電量を減らすことが目的である。第1オン,オフデューティを調節することにより、コンデンサ11,15への通電量を望みの状態に減らすことができる。上記所定期間を除く期間(電源電圧Vcの零クロス点およびその零クロス点の前後を含む期間)においてスイッチ素子14を第2オン,オフデューティでスイッチングするのは、全波整流電圧Vd1の脈動レベルの谷間に対応する期間の直流電圧Vd2の最小レベルを調整するためである。第2オン,オフデューティを調節することにより、全波整流電圧Vd1の脈動レベルの谷間に対応する期間の直流電圧Vd2の最小レベルを望みの状態に調整することができる。なお、第1オン,オフデューティと第2オン,オフデューティを同じ値に設定することも可能である。この場合、スイッチ素子14は常に同じオン,オフデューティで駆動されることになる。
他の構成は第1実施形態と同じである。
他の構成は第1実施形態と同じである。
平滑回路10の動作を図5および図6のタイムチャートを参照しながら説明する。図5は、スイッチ素子14の動作、電源電圧Vcの波形、入力電流Icの波形、全波整流電圧Vd1の波形、コンデンサ11,15の電圧Ec1,電圧Ec2の波形、インダクタ21に流れる電流ILの波形、インダクタ21からの放電電流IDの波形を示す。図6は、微小な変化が分かる様に図5の80msec〜85msecの期間を時間軸を拡大して示している。
スイッチ素子14のオン時、図4に実線矢印で示すように、全波整流回路2の正側出力端(+)からコンデンサ11に電流ILが流れ、そのコンデンサ11を経た電流ILがダイオード12を通ってインダクタ21に流れ、そのインダクタ21を経た電流ILがスイッチ素子14を通ってコンデンサ15に流れ、そのコンデンサ15を経た電流ILが全波整流回路2の負側出力端(−)に流れる。この電流ILの流れにより、インダクタ21にエネルギが蓄えられるとともに、コンデンサ11,15が充電される。
スイッチ素子14のオフ時、コンデンサ11、インダクタ21、コンデンサ15に電流ILが流れなくなるとともに、インダクタ21に蓄えられたエネルギに基づく電流IDがインバータ21からダイオード22を通ってコンデンサ11に流れる放電路が形成される。この放電路の形成により、インダクタ21に蓄えられていたエネルギがコンデンサ11への充電電圧として回収される。
こうして、電源電圧Vcのピーク値およびそのピーク値付近を含む所定期間(例えば位相1/2πの期間)においてスイッチ素子14が第1オン,オフデューティでオン,オフを繰り返すことにより、コンデンサ11,15への通電量が減少する。第1オン,オフデューティの値が小さいほど(オン,オフの一周期におけるオン期間が短いほど)、減少量が増す。コンデンサ11,15への通電量が減少するので、図5に示すように、入力電流Icのピーク値における突出状の歪みを抑えることができ、よって高調波電流Irを抑制できる。インダクタ21に蓄えられたエネルギがコンデンサ11への充電電圧として無駄なく回収されるので、当該電源装置の効率の低下も防ぐことができる。
コンデンサ11,15への通電量が減少すると、当然ながらコンデンサ11の電圧Ec1およびコンデンサ15の電圧Ec2が低下し、これに伴い全波整流電圧Vd1の脈動レベルの谷間に対応する期間の直流電圧Vd2の最小レベルが若干低めとなるが、直流電圧Vd2の最小レベル期間は短くなる。直流電圧Vd2の最小レベル期間が短くなれば、入力電流Icの零レベル期間も短くなり、その分だけ、入力電流Icの通流角が拡がり、上記突出状の歪みを抑制できることと合わせて、入力電流Icの波形がきれいな正弦波に近づく。入力電流Icの波形が正弦波に近づくことで、バレーフィル回路の力率改善の効果がさらに向上するとともに、高調波電流Irの抑制効果がさらに向上する。
上記各実施形態は、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、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態は、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…交流電源、2…全波整流回路、10…平滑回路、11…コンデンサ、12…ダイオード、13…抵抗器(電流制限素子)、14…スイッチ素子、15…コンデンサ、16…ダイオード、17…ダイオード、21…インダクタ(電流制限素子)、30…負荷、31…インバータ、32…三相DCブラシレスモータ、40…コントローラ(制御手段)、41…零クロス検出部、42…制御信号生成部、50…駆動回路
Claims (6)
- 交流電源の電圧を全波整流する全波整流回路と、
前記全波整流回路の正側出力端に一端が接続された第1コンデンサ、この第1コンデンサの他端にアノードが接続された第1ダイオード、この第1ダイオードのカソードに一端が接続された電流制限素子、この電流制限素子の他端に一端が接続され前記全波整流回路の負側出力端に他端が接続された第2コンデンサ、前記全波整流回路の負側出力端にアノードが接続され前記第1コンデンサの他端にカソードが接続された第2ダイオード、前記第2コンデンサの一端にアノードが接続され前記全波整流回路の正側出力端にカソードが接続された第3ダイオードを含み、前記全波整流回路の全波整流電圧を平滑する平滑回路と、
前記電流制限素子と前記第2コンデンサとの接続間に設けられたスイッチ素子と、
前記スイッチ素子をオン,オフする制御手段と、
を備えることを特徴とする電源装置。 - 前記電流制限素子は、抵抗器であり、
前記制御手段は、前記交流電源の電圧のピーク値およびそのピーク値付近を含む所定期間において前記スイッチ素子をオフし、その所定期間を除く期間において前記スイッチ素子をオンする、
ことを特徴とする請求項1に記載の電源装置。 - 前記電流制限素子は、インダクタであり、
前記インダクタと前記スイッチ素子との接続点にアノードが接続され前記第1コンデンサの一端にカソードが接続された放電路形成用の第4ダイオードをさらに備え、
前記制御手段は、前記スイッチ素子を所定のオン,オフデューティでスイッチングする、
ことを特徴とする請求項1に記載の電源装置。 - 前記電流制限素子は、インダクタであり、
前記インダクタと前記スイッチ素子との接続点にアノードが接続され前記第1コンデンサの一端にカソードが接続された放電路形成用の第4ダイオードをさらに備え、
前記制御手段は、前記スイッチ素子を、前記交流電源の電圧のピーク値およびそのピーク値付近を含む所定期間において第1オン,オフデューティでスイッチングし、その所定期間を除く期間において第2オン,オフデューティでスイッチングする、
ことを特徴とする請求項1に記載の電源装置。 - 前記制御手段は、前記スイッチ素子に対する駆動電圧を前記全波整流回路の正側出力端と前記第2コンデンサの一端との間の電圧から生成する
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の電源装置。 - 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の電源装置を備えたモータ駆動装置であって、
前記電源装置の出力電圧を交流電圧に変換しその交流電圧をモータの駆動電力として出力するインバータ、
を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
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