JP2022183819A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡易な制御構成によって過電圧の印加に対する保護性能が高められた電力変換装置を提供する。【解決手段】整流回路150は、交流電源10と接続されるインレット110と、リレー120,125を介して接続される。コントローラ200は、リレー120,125のオン時において、整流回路150及びインバータ180の間に接続された平滑コンデンサの直流電圧Vdcに基づいて、当該リレー120,125をオフする過電圧保護制御を実行する。過電圧保護制御において、電源投入直後には第1の判定電圧を用いて電源誤接続による過電圧を速やかに検出する一方で、電源投入時に過電圧が検出されなかった場合に、以降では、第1の判定電圧よりも高い第2の判定電圧に切換えて過電圧を検出する。【選択図】図1
Description
本発明は、電力変換装置に関し、より特定的には、交流電源を入力とする電力変換装置に関する。
交流電源を入力とする電力変換装置では、電源の誤接続によって、当該電力変換装置の部品に過電圧が印加されることで、当該部品が破損又は劣化する虞がある。例えば、100VACの交流電源用に設計された電力変換装置が、200VACの交流電源と誤接続されることで過電圧が印加されることが想定される。
この様な誤接続時の破損又は劣化を防止するための技術として、特許第5213774号公報(特許文献1)には、交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、モータ駆動回路(インバータ)との間に配置された平滑コンデンサの電圧が所定電圧を超えたときに、交流電源及び整流回路の間に接続される開閉回路を開放する電源装置が記載される。
特許文献1の電源装置では、交流電源の誤接続時には、平滑コンデンサの電圧の上昇に応じた開閉回路の開放によって、電源装置の部品に対して過電圧が印加されることを回避できる。
しかしながら、特許文献1の電源装置では、交流電源の接続後、開閉回路が閉にされた後の一定時間内に限定して、平滑コンデンサの電圧及び所定電圧の比較による過電圧の検出が行われる。このため、特許文献1では、交流電源の接続後の通常動作時における、何らかの異常で過電圧が生じた際の保護性能を高めるためには、別の制御構成を更に設ける必要が生じるため、構成の複雑化が懸念される。
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、簡易な制御構成によって過電圧の印加に対する保護性能が高められた電力変換装置を提供することである。
本発明のある局面では、電力変換装置が提供される。電力変換装置は、交流電源と接続されるインレットと、整流回路と、平滑コンデンサと、電圧検出器と、スイッチと、制御回路とを備える。整流回路は、交流電源からインレットに入力された交流電圧を整流して第1及び第2の電力線に出力する。平滑コンデンサは、第1及び第2の電力線の間に接続される。主回路は、第1及び第2の電力線間の直流電圧を負荷の駆動電力に変換する。電圧検出器は、第1及び第2の電力線間の直流電圧を検出する。スイッチは、インレット及び整流回路の間に接続される。制御回路は、スイッチのオン期間において電圧検出器によって検出された直流電圧に応じて、スイッチをオフする。制御回路は、第1のモードにおいて、直流電圧が第1の判定電圧を超えた場合にスイッチをオフする一方で、第2のモードにおいて、直流電圧が第1の判定電圧よりも高い第2の判定電圧を超えた場合にスイッチをオフする。更に、制御回路は、インレットに対する交流電源の接続時に第1のモードを開始し、第1のモードにおいてスイッチのオンから予め定められた時間が経過しても直流電圧が第1の判定電圧を超えない場合に、第1のモードを終了して第2のモードを開始する。
本発明によれば、平滑コンデンサの直流電圧と判定電圧との比較に応じてスイッチをオフする過電圧保護制御において、電源投入直後(第1のモード)では第1の判定電圧を用いて電源誤接続による過電圧を速やかに検出する一方で、電源投入時に過電圧が検出されなかった場合に、以降では、第1の判定電圧よりも高い第2の判定電圧を用いて過電圧を検出することで、簡易な制御構成によって過電圧の印加に対する保護性能を高めることができる。
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。
図1には、本実施の形態に係る電力変換装置100の構成を説明するブロック図が示される。
図1を参照して、電力変換装置100は、交流電源10からの交流電力によって負荷190を駆動する。交流電源10は、所定周波数(fac=50[Hz]又は60[Hz])の商用電力系統によって構成される。本実施の形態では、電力変換装置100は、100VACの交流電源10と接続されることを想定して設計されているものとする。
負荷190は、代表的には、ブラシレスDCモータ等の交流電力の供給によって回転駆動されるモータを含む。例えば、電力変換装置100は、ヒートポンプ加熱式給湯器に搭載されて、ヒートポンプ加熱式給湯器の構成機器(例えば、コンプレッサ駆動用のモータ及びファンモータ)を負荷190として駆動する。
電力変換装置100は、交流電源10と接続されるインレット110と、「スイッチ」の代表例として示されるリレー120,125と、リレー125と直列接続される突入電流抑制抵抗122と、制御電源発生回路130と、整流回路150と、平滑コンデンサ160と、電圧検出器170と、「主回路」の代表例として示されるインバータ180と、コントローラ200とを備える。
整流回路150は、電力線ACL1,ACL2を介して、インレット110と接続される。リレー120は、電力線ACL1又はACL2に介挿接続される。リレー125及び突入電流抑制抵抗122の直列回路は、リレー120に対して並列に接続される。
リレー120,125は、代表的には、電磁接触器で構成されて、コントローラ200によって開閉制御される。インレット110に対して交流電源10がプラグ等によって接続される電源投入時には、突入電流を防止するためにリレー125がオンされる一方でリレー120がオフされる。その後、後述する過電圧が検出されることなく一定時間が経過すると、突入電流抑制抵抗122での電力損失を回避するために、リレー125がオフされる一方でリレー120がオンされるようになる。
整流回路150は、図1の例では、交流電源10からの交流電圧の振幅の2倍の直流電圧を発生する、所謂、倍電圧発生回路によって構成される。整流回路150は、全波整流用のダイオードブリッジ152と、コンデンサ154,156を有する。
ダイオードブリッジ152は、交流電源10からの交流電圧の全波整流電圧を、電力線PL及びNLの間に出力する。コンデンサ154及び156は、電力線PL及びNLの間に直列接続される。更に、コンデンサ154及び156の接続点は、電力線ACL2と接続される。
この結果、コンデンサ154及び156の各々は、交流電源10からの交流電圧の半周期毎に、当該交流電圧の振幅相当の電圧に充電されるので、電力線PL及びNLの間には、交流電源10からの交流電圧の振幅の2倍相当の直流電圧Vdcが発生する。電圧検出器170は、直流電圧Vdcを検出する。電圧検出器170の検出値は、コントローラ200に入力される。
インバータ180は、一般的な三相インバータで構成されて、電力線PL及びNLの電圧差に相当する直流電圧Vdcを振幅とするパルス電圧によって構成された交流電圧を、負荷190である三相モータに対して出力する。
コントローラ200は、マイクロコンピュータで構成することが可能であり、予め格納されたプログラムの実行によるソフトウェア処理によって、後述する過電圧保護のための制御処理を実行する。或いは、コントローラ200の処理の少なくとも一部は、専用の電子回路によるハードウェア処理によって実行されてもよい。コントローラ200は、「制御回路」の一実施例に対応する。
コントローラ200は、直流電圧Vdcに基づく過電圧保護制御によって、リレー120,125のオフを制御する。コントローラ200は、直流電圧Vdcが判定電圧Vtを超えると過電圧を検出するとともに、オン状態のリレー120又は125をオフ(開放)する保護制御を実行する。
報知器210は、コントローラ200からの制御指令に応じて、三相不平衡状態の検出時に、アラーム又はメッセージ等をユーザに対して出力する様に構成される。例えば、報知器210は、表示画面或いはスピーカ、又は、両者の組み合わせによって構成することができる。
制御電源発生回路130は、インレット110に入力された交流電圧を、コントローラの電源電圧となる直流電圧(例えば、15[V])に変換する。制御電源発生回路130の部品は、誤ってインレットに接続されることが想定される200VACが入力されても破損又は劣化しない耐電圧を有する様に設計される。これにより、コントローラ200は、電源投入時に、制御電源発生回路130からの給電に応じて起動される。
図2には、電動投入時における直流電圧Vdcの波形例が示される。
図2(a)には、100VACの電源正常接続時の波形例が示される一方で、図2(b)には、200VACの電源誤接続時の波形が示される。
図2(a)を参照して、電源正常接続時には、100VACの交流電源10がインレット110に接続された後、時刻t0において、リレー125がオンされる。これにより、突入電流抑制抵抗122を介して、コンデンサ154,156及び平滑コンデンサ160が充電されることによって、直流電圧Vdcは上昇する。そして、直流電圧Vdcは、上述した、交流電圧の振幅の2倍相当の電圧Vdc*(約280[V])まで上昇する。電圧Vdc*は「第1の直流電圧」の一例に相当する。
その後、直流電圧Vdcは、負荷190による電力消費に応じて、コンデンサ154,156及び平滑コンデンサ160が放電されるのに応じて低下する一方で、ダイオードブリッジ152の出力電圧によってコンデンサ154,156及び平滑コンデンサ160が充電されるのに応じて上昇する。この結果、直流電圧Vdcには、リップルと呼ばれる交流変動成分が重畳されることになる。或いは、直流電圧Vdcは、サージ電圧等の重畳によって上昇することもある。
直流電圧Vdcが印加される部品については、これらの点を考慮して耐電圧が設計される。本実施の形態では、一例として、電力変換装置100の部品の耐電圧が400[V]で設計されるものとする。縦軸中に示された上限電圧Vmaxは、上述した部品の耐電圧(例えば、400[V])に相当する。
図2(b)を参照して、電源誤接続時には、200VACの交流電源10がインレット110に接続された後、時刻t0において、リレー125がオンされる。この場合には、直流電圧Vdcは、図2(a)と比較して急激に上昇し、最終的には、電源正常接続時の直流電圧Vdc*の2倍である560[V]程度になる。当該Vdc*の2倍の直流電圧は「第2の直流電圧」の一実施例に対応する。
このため、図2(b)にも示される通り、直流電圧Vdcが上限電圧Vmax、即ち、上述した部品の耐電圧を超えてしまう。これにより、電源誤接続時には、部品の破損、又は、破損に至らなくともダメージを負ったまま使用されることでの性能低下が引き起こされることが懸念される。このため、電源投入時には、電源誤接続による過電圧を速やかに検出して、部品保護を行うことが求められる。
ここで、過電圧を検出するための判定電圧Vtの設定について説明する。本実施の形態では、電源投入直後の電源確認モードでの判定電圧(Vt=V1)と、電源正常接続の確認後に設けられる通常モードでの判定電圧(Vt=V2)とが異なる値に設定される。判定電圧V1は「第1の判定電圧」に対応し、判定電圧V2は「第2の判定電圧」に対応する。
図2(a)に示される様に、通常モードの判定電圧V2は、電源正常接続時に想定される直流電圧Vdc*よりも高く、かつ、上限電圧Vmaxよりも低く設定される。更に、上述したリップルの影響下で過電圧の誤検出を防止するために、判定電圧V2は、部品の破損を防止する観点から、耐電圧を超える直流電圧Vdcの印加を回避するためのマージンを確保した上で、上限電圧Vmaxになるべく近付けて設定される。
上記マージンは、リレー120の開放時の応答性を考慮して設定される。例えば、電源正常接続時(100VAC)において、コントローラ200がVdc>V2に応答してリレー120のオフを指示したときに、直流電圧Vdcが上限電圧Vmaxに達する前にリレー120がオフできる時間余裕が確保できる様に、判定電圧V2は設定される。
図2(b)に示される様に、電源誤接続時には、直流電圧Vdcは電源正常接続時よりも速やかに上昇して、時刻t2で判定電圧V2に達した後、時刻t3で上限電圧Vmaxに達する。この様に、上限電圧Vmaxに近付けて設定された判定電圧V2を用いると、時刻t2及びt3の時間差が小さく、上記マージンの確保が不十分になることが懸念される。即ち、コントローラ200がVdc>V2に応答してリレー120のオフを指示しても、リレー120が実際にオフされる前に、直流電圧Vdcが上限電圧Vmaxを超える虞がある。
従って、電源確認モードでの判定電圧V1は、判定電圧V2よりも低く設定される。具体的には、コントローラ200がVdc>V1に応答してリレー120のオフを指示したタイミング(図2(b)中の時刻t1)から、直流電圧Vdcが上限電圧Vmaxに達するタイミング(図2(b)中の時刻t3)までに、リレー125をオフできる時間余裕が確保される様に、判定電圧V1が設定される。
又、図2(a)に示される様に、電源確認モードの判定電圧V1は、電源正常接続時に過電圧を誤検出しない様に、少なくとも、直流電圧Vdc*より高く設定される必要がある。
図3には、本実施の形態に係る電力変換装置の過電圧保護制御に係るモード遷移図が示される。
図3に示される様に、インレット110に交流電源10が接続されることで電源が投入されると、コントローラ200が、制御電源発生回路130からの給電によって起動される。この段階では、リレー120及び125の両方がオフ状態である。
コントローラ200は、図示しないボタン等の操作による試運転の開始操作を検知すると、負荷190の試運転モードを開始する。試運転モードにおいて、過電圧保護制御は、電源確認モード及び通常モードを有する。
試運転モードの開始時には、電源確認モードが初期設定される。電源確認モードの開始に応じて、コントローラ200は、リレー120のオフを維持する一方で、リレー125をオンする。電源確認モードでは、過電圧検出のための判定電圧Vtが上述の判定電圧V1に設定される。
電源確認モードにおいて、直流電圧Vdc>V1に応じた過電圧が検出されると、電源確認モードが維持されたまま、リレー125がオフされる。電源確認モードにおいて、電源投入後の一定期間、直流電圧Vdc>V1に応じた過電圧が検出されない場合には、電源正常接続が判定されて、電源確認モードから通常モードへの遷移が発生する。電源正常接続が判定されるまで、電源確認モードは維持される。
通常モードでは、過電圧検出のための判定電圧Vtとして、上述の判定電圧V2(V2>V1)が設定される。そして、通常の判定電圧V2を用いた過電圧保護制御を伴って、他の試運転動作が順次実行される。試運転動作終了後においても、過電圧保護制御は、通常モードに維持される。これにより、電力変換装置100の通常動作時には、当該判定電圧V2を用いた過電圧保護制御が常時実行される。
図4には、本実施の形態に係る電力変換装置の電源投入時の制御処理を説明するフローチャートが示される。図1に示される様に、コントローラ200は、電源投入に応じて、制御電源発生回路130からの電源供給により動作可能な状態となる。従って、図4に示された制御処理は、負荷190の試運転のための電源起動時に起動されたコントローラ200によって実行される。
コントローラ200は、試運転開始操作が入力されると、ステップ(以下、単に「S」と表記する)100をYES判定として、試運転モードを開始する。試運転モードが開始されると、S110により、電源確認モードが初期設定されて、判定電圧Vt=V1に設定される。更に、コントローラ200は、S120により、リレー120をオフに維持する一方で、突入電流抑制抵抗122と直列接続されたリレー125をオンする。これにより、図2に示した様に、直流電圧Vdcが上昇を開始するとともに、S130により、判定電圧Vt=V1による過電圧保護制御も開始される。上述の様に、電源確認モードの過電圧保護制御では、直流電圧Vdcが判定電圧V1を超えると、リレー125がオフされる。
コントローラ200は、S140により、過電圧保護制御によるリレー125のオフが発生したか否かを判定する。リレー125のオフが発生していないとき(S140のNO判定時)には、S150により、リレー125のオンから予め定められた一定時間が経過したか否かが更に判定される。
コントローラ200は、リレー125のオンから一定時間、リレー125のオフが発生しないとき(S150のYES判定時)には、S160により、電源確認モードを終了して、通常モードへの移行を実行する。図2(a)に示された電源正常接続時には、S150がYESとされて、S160が実行されることが理解される。
尚、S160において、更にこのタイミングで、リレー125に代えてリレー120をオンすることも可能である。或いは、リレー125からリレー120への切換タイミングについては、電源確認モードから通常モードへの移行とは独立して制御することも可能である。
通常モードでは、直流電圧Vdcが判定電圧V1よりも高い判定電圧V2を超えたときにリレー120(又は、リレー125)がオフされる様に過電圧保護制御が実行される。又、電源確認モード(S110)及び通常モード(S160)の間では、判定電圧Vtに加えて、過電圧の検出速度も切換えることができる。
例えば、周期Tc[s]毎に直流電圧Vdcと判定電圧Vtとを比較することで過電圧が検出される際に、通常モードでは、連続してm周期(m:2以上の整数)でVdc>V2となったとき、即ち、Vdc>V2が、m・Tcの間連続すると、過電圧を検出してリレー120又は125がオフされる。これに対して、電源確認モードでは、連続してn周期(n:m未満の整数)でVdc>V1となったとき、即ち、Vdc>V1が、n・Tc間連続すると、過電圧を検出してリレー120又は125をオフすることができる。即ち、m・Tcは「第1の時間」の一実施例に対応し、n・Tcはは「第2の時間」の一実施例に対応する。或いは、上記周期Tcについて、電源確認モードでは、通常モードよりも短く設定することも可能である。
コントローラ200は、電源確認モード中にリレー125のオフが発生したとき(S140のYES判定時)には、S170により、電源投入時の過電圧発生の累積回数をカウントアップする。図2(b)に示された電源誤接続時には、時刻t1において、S140がYES判定とされることが理解される。
コントローラ200は、更に、S180により、S170でカウントアップされた累積回数に基づき、電源投入時の過電圧発生が予め定められたN回(N:2以上の整数)連続して発生したか否かを判定する。過電圧がN回連続して発生した場合には(S180のYES判定時)には、S190に処理が進められて、電源誤接続による誤施工が発生している可能性を知らせるメッセージが、報知器210から出力される。
過電圧発生の累積回数がNに達するまで(S180のNO判定時)は、リレー120及び125のオフが維持されたまま、処理はS100に戻される。即ち、試運転は完了していないため、試運転開始操作が改めて入力されると、前回の試運転開始操作時にS170でカウントアップされた累積回数が維持されて、S110からの制御処理が再び実行される。
一方で、S170でカウントアップされる累積回数は、電源投入時において「0」に初期設定されるとともに、S150のYES判定時、即ち、電源正常接続が確認されて通常モードに移行する際にも、「0」にクリアされる。
以上説明した様に、本実施の形態に係る電力変換装置によれば、判定電圧の切換を伴う過電圧保護制御によって、電源投入時の電源誤接続に起因する過電圧が部品に印加されることを防止するとともに、電源正常接続時の負荷190の動作時においても当該部品を過電圧の印加から保護することができる。この結果、制御構成を複雑化することなく、過電圧の印加に対する保護性能が高められた電力変換装置を提供することができる。
又、電源確認モードでの過電圧の検出速度を通常モードよりも上昇することで、電源誤接続に対する過電圧保護性能を高めることができる。更に、電源投入時の過電圧発生が複数回連続発生したときに、試運転の施工者に対して、電源誤接続が発生していないかの確認を促すメッセージを出力することができる。
尚、本実施の形態に係る電力変換装置では、インレット110に入力された交流電圧から、電源誤接続に対処可能な耐電圧を有する制御電源発生回路130によって、コントローラ200の電源が確保されている。
この点について、特許文献1の電源装置では、開閉回路の制御部の電源として、交流電源とは別個の外付けの直流電源を用いることで、交流電源の誤接続時に当該制御部が破損せずに正常動作することを可能としている。このため、特許文献1では、開閉回路制御用の直流電源が別途必要であるので、部品点数の増加に加えて、当該直流電源の放電等による動作不良時に保護性能が確保できないことが懸念される。
これに対して、本実施の形態では、電源投入時においてコントローラ200の電源確保の確実性が高められるので、この点からも過電圧の印加に対する保護性能が高められる。
尚、本実施の形態では、インバータ180を「主回路」として、ヒートポンプ加熱式給湯器の構成機器である三相モータを負荷とする電力変換装置における過電圧保護を代表的に説明した。しかしながら、本実施の形態に係る過電圧保護制御が適用される電力変換装置について、「主回路」及び「負荷」は、この例示に限定されるものではない。例えば、負荷190は、三相モータ以外の交流負荷、或いは、直流負荷(例えば、直流モータ)で構成されてもよい。この結果、「主回路」については、DC/DC変換器で構成することも可能である。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
10 交流電源、100 電力変換装置、110 インレット、120,125 リレー、122 突入電流抑制抵抗、130 制御電源発生回路、150 整流回路、152 ダイオードブリッジ、154,156 コンデンサ、160 平滑コンデンサ、170 電圧検出器、180 インバータ、190 負荷、200 コントローラ、210 報知器、ACL1,ACL2,PL,NL 電力線、V1,V2,Vt 判定電圧、Vdc 直流電圧(平滑コンデンサ)、Vmax 上限電圧。
Claims (7)
- 交流電源と接続されるインレットと、
前記交流電源から前記インレットに入力された交流電圧を整流して第1及び第2の電力線に出力する整流回路と、
前記第1及び第2の電力線の間に接続された平滑コンデンサと、
前記第1及び第2の電力線間の直流電圧を負荷の駆動電力に変換する主回路と、
前記第1及び第2の電力線間の前記直流電圧を検出する電圧検出器と、
前記インレット及び前記整流回路の間に接続されたスイッチと、
前記スイッチのオン期間において前記電圧検出器によって検出された前記直流電圧に応じて、前記スイッチをオフするための制御回路とを備え、
前記制御回路は、第1のモードにおいて、前記直流電圧が第1の判定電圧を超えた場合に前記スイッチをオフする一方で、第2のモードにおいて、前記直流電圧が前記第1の判定電圧よりも高い第2の判定電圧を超えた場合に前記スイッチをオフし、
前記制御回路は、前記インレットに対する前記交流電源の接続時に前記第1のモードを開始し、前記第1のモードにおいて前記スイッチのオンから予め定められた時間が経過しても前記直流電圧が前記第1の判定電圧を超えない場合に、前記第1のモードを終了して前記第2のモードを開始する、電力変換装置。 - 前記インレットに入力された前記交流電圧を前記制御回路の電源電圧に変換するコンバータを更に備える、請求項1記載の電力変換装置。
- 前記第1のモードにおける前記直流電圧の検出周期は、前記第2のモードにおける当該検出周期よりも短い、請求項1又は2に記載の電力変換装置。
- 前記制御回路は、前記第1のモードでは、前記直流電圧が前記第1の判定電圧より高い状態が第1の時間継続すると前記スイッチをオフする一方で、前記第2のモードでは、前記直流電圧が前記第2の判定電圧より高い状態が第2の時間継続すると前記スイッチをオフし、
前記第1の時間は、前記第2の時間よりも短い、請求項1~3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記制御回路によって制御される報知器を更に備え、
前記制御回路は、前記第1のモードにおいて前記スイッチがオフされる毎に当該オフの累積回数をカウントし、かつ、前記累積回数が予め定められた数以上になると、前記交流電源の誤接続の可能性を報知するメッセージを出力する様に前記報知器を制御する、請求項1~4のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記第1の判定電圧は、100VACの前記交流電源が前記インレットに接続されたときに前記整流回路から出力されるべき第1の直流電圧よりも高く、かつ、200VACの前記交流電源が前記インレットに接続されたときに前記整流回路から出力されるべき第2の直流電圧よりも低く設定され、
前記第2の判定電圧は、前記電力変換装置の構成部品の耐電圧よりも低く設定され、
前記耐電圧は、前記第2の直流電圧よりも低い、請求項1~5のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記負荷は、ヒートポンプ加熱式給湯器の構成機器である、請求項1~6のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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