JP3742929B2

JP3742929B2 - Power supply

Info

Publication number: JP3742929B2
Application number: JP2002171635A
Authority: JP
Inventors: 玲二川嶋
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2022-06-12
Also published as: JP2004023819A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流電源の交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、交流電源と整流回路の入力端子との間に挿入されたリアクトルと、整流回路の出力端子間に直列に接続された１対のコンデンサと、整流回路の入力端子と直列接続された１対のコンデンサの接続点との間を短絡するためのスイッチング手段を有する電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、電源装置としてアクティブコンバータが提案されている（例えば、特許第３１７０５７１号公報参照）。
【０００３】
このアクティブコンバータは、例えば図３１中（ａ）に示すように６個のスイッチング素子を用いたものであり、入力電流を高周波スイッチングで制御するため、入力電流に高調波成分を含まないように、しかも入力力率を１に制御することが可能である。具体的には、このＰＷＭコンバータの各相の等価回路は図３１中（ｃ）に示すようになるので、コンバータ入力電圧ｖｕを正弦波状にすれば、入力電流ｉｕに高調波成分が含まれなくなる。すなわち、電圧ベクトル図は図３１中（ｄ）に示すようになる。したがって、例えば、「三相ＰＷＭコンバータのパラメータ変動を考慮した電流制御法」、竹下隆晴、岩崎誠、松井信行、電学論Ｄ，１０７巻１１号，昭６２に示されているような方式で、コンバータ入力電圧のＰＷＭパターンを作成し、コンバータ入力電圧を正弦波状の波形として入力電流の高調波成分の低減を達成することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図３１中（ａ）に示す構成のＰＷＭコンバータ回路を採用した場合には、図３１中（ｂ）に入力電流波形および入力電圧波形を示すように、高周波スイッチングに伴う効率の低下、ノイズの増加を招くとともに、制御の複雑化、コストの増加を招くという不都合がある。
【０００５】
また、交流電源に接続されたコンバータからは、スイッチング動作によって生じるサージ電圧が大きくなるとともに、発生ノイズも大きくなるため、ノイズフィルタが大型化し、高価になってしまう。
【０００６】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、発生ノイズの対策部品を簡素化してコストダウンを達成するとともに、入力力率の改善および高調波規制を満足することができる電源装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の電源装置は、単相交流電源と整流回路の入力端子との間に挿入されたリアクトルと、前記整流回路の出力端子間に直列に接続された複数のコンデンサと、前記整流回路の入力端子と前記複数のコンデンサの接続点との間に接続されたスイッチング手段とを有するものであって、
負荷状態に応じて予め設定されたタイミングで前記スイッチング手段をオン・オフ動作させる制御手段を含むものである。
【０００８】
請求項２の電源装置は、前記制御手段として、前記スイッチング手段をオン・オフ動作させるタイミングを、前記単相交流電源の周波数に応じて設定するものを採用するものである。
【０００９】
請求項３の電源装置は、前記制御手段として、前記スイッチング手段をオン・オフ動作させるタイミングを、前記単相交流電源の電圧に応じて補正するものを採用するものである。
【００１３】
請求項４の電源装置は、単相交流電源と整流回路の入力端子との間に挿入されたリアクトルと、前記整流回路の出力端子間に直列に接続された複数のコンデンサと、前記整流回路の入力端子と前記複数のコンデンサの接続点との間に接続されたスイッチング手段とを有するものであって、
前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータ（５ａ）と、
該インバータ（５ａ）によって駆動される電動機（５ｂ）と、
該電動機（５ｂ）の実回転数から前記スイッチング手段（６）をオン・オフするタイミングを設定する制御手段（９）と、
電源電圧の極性を検出する極性検出手段（１５）と、
直列に接続された各コンデンサ電圧を検出するコンデンサ電圧検出手段（１３）とを含み、
前記制御手段（９）は、上下のコンデンサ電圧が平衡するように、電源電圧の極性によって、前記スイッチング手投（６）のオン時間を補正するものである。
【００１５】
請求項５の電源装置は、直流電圧の過電圧停止レベルよりも低い第１のレベルと、不足電圧停止レベルよりも高い第２レベルが設定されるレベル設定手段をさらに含み、前記制御手段として、直流電圧が第１のレベル以上かつ過電圧停止レベル未満または、第２のレベル以下かつ不足電圧停止レベルよりも大きいことに応答して、前記スイッチング素子のオン時間を補正するものを採用するものである。
【００１６】
請求項６の電源装置は、前記制御手段として、入力電流が第１のレベル以下であることに応答して前記スイッチング素子の動作を停止し、入力電流が第１のレベルよりも高い第2のレベル以上であることに応答して、前記スイッチング素子のスイッチング動作を開始するものを採用するものである。
【００１７】
【作用】
請求項１の電源装置であれば、単相交流電源と整流回路の入力端子との間に挿入されたリアクトルと、前記整流回路の出力端子間に直列に接続された複数のコンデンサと、前記整流回路の入力端子と前記複数のコンデンサの接続点との間に接続されたスイッチング手段とを有する電源装置に対して、
制御手段によって、負荷状態に応じて予め設定されたタイミングで前記スイッチング手段をオン・オフ動作させることができる。
【００１８】
したがって、高周波スイッチングに伴う回路効率の低下や発生ノイズの増加を引き起こすことなく、安価に高入力力率化、および低高調波電流化を実現することができる。そして、入力電流検出値等の負荷情報に応じてスイッチング手段をオン・オフするタイミングを変化させて、負荷によらず入力力率の低下や直流電圧の変動の抑制を達成することができる。
【００１９】
請求項２の電源装置であれば、前記制御手段として、前記スイッチング手段をオン・オフ動作させるタイミングを、前記単相交流電源の周波数に応じて設定するものを採用するのであるから、電源周波数によらず入力力率の低下や直流電圧の変動の抑制を達成することができる。
【００２０】
請求項３の電源装置であれば、前記制御手段として、前記スイッチング手段をオン・オフ動作させるタイミングを、前記単相交流電源の電圧に応じて補正するものを採用するのであるから、電源電圧によらず入力力率の低下や直流電圧の変動の抑制を達成することができる。
【００２５】
請求項４の電源装置であれば、単相交流電源と整流回路の入力端子との間に挿入されたリアクトルと、前記整流回路の出力端子間に直列に接続された複数のコンデンサと、前記整流回路の入力端子と前記複数のコンデンサの接続点との間に接続されたスイッチング手段とを有する電源装置により得られた前記直流電圧をインバータにより交流電圧に変換し、電動機を駆動することができる。そして、制御手段によって、前記電動機の実回転数から前記スイッチング手段をオン・オフするタイミングを設定することができる。
また、電源電圧の極性を検出する極性検出手段と、直列に接続された各コンデンサ電圧を検出するコンデンサ電圧検出手段とを含み、前記制御手段として、上下のコンデンサ電圧が平衡するように、電源電圧の極性によって、前記スイッチング手投のオン時間を補正するものを採用するのであるから、モータの効率改善を達成することができ、しかも、電源電圧が歪んでいる場合やコンデンサ容量のばらつきが存在する場合であっても、両コンデンサの電圧が不平衡となるのを防止することができる。
【００２８】
請求項５の電源装置であれば、直流電圧の過電圧停止レベルよりも低い第１のレベルと、不足電圧停止レベルよりも高い第2レベルが設定されるレベル設定手段をさらに含み、前記制御手段として、直流電圧が第１のレベル以上かつ過電圧停止レベル未満または、第2のレベル以下かつ不足電圧停止レベルよりも大きいことに応答して、前記スイッチング素子のオン時間を補正するものを採用するのであるから、過電圧、もしくは不足電圧による異常停止を防止することができる。
【００２９】
請求項６の電源装置であれば、前記制御手段として、入力電流が第１のレベル以下であることに応答して前記スイッチング素子の動作を停止し、入力電流が第１のレベルよりも高い第2のレベル以上であることに応答して、前記スイッチング素子のスイッチング動作を開始するものを採用するのであるから、スイッチング動作のチャタリングを防止することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、この発明の電源装置の実施の態様を詳細に説明する。
【００３１】
図１はこの発明の電源装置の一実施態様を示すブロック図である。
【００３２】
この電源装置は、単相交流電源１に対してリアクトル２を介して整流回路３を接続している。この整流回路３は、例えば、ダイオードブリッジからなる全波整流回路である。そして、整流回路３の出力端子間に、１対のコンデンサ４ａ、４ｂの直列回路と、１つの平滑コンデンサ４ｃとを互いに並列接続している。そして、平滑コンデンサ４ｃの端子間電圧を負荷５に供給している。また、１対のコンデンサ４ａ、４ｂの接続点と整流回路３の一方の入力端子との間にスイッチング素子６を接続している。
【００３３】
さらに、電源電圧のゼロクロスを検出する電源ゼロクロス検出回路７と、電流センサ８ａからの出力を入力として整流回路３の入力電流を検出する電流検出回路８と、電源ゼロクロス検出回路７からのゼロクロス検出信号、および電流検出回路８からの入力電流検出値を入力としてスイッチング素子制御信号を出力するスイッチング素子制御部９とを有している。
【００３４】
前記スイッチング素子制御部９は、電源電圧のゼロクロスから所定時間遅延したタイミングｔｄから所定期間ｔｏｎだけスイッチング素子６をオン動作させるべくスイッチング素子制御信号を出力するものである。なお、ここで、および以下の実施態様において、タイミングｔｄ、および所定期間ｔｏｎは、負荷状態（入力電流）および電源周波数に応じて、最も入力力率や変換効率がよくなるように設定される。また、後述の直流電圧設定値についても、同様に設定される。
【００３５】
上記の構成の電源装置の作用は次のとおりである。
【００３６】
単相交流電源１の電圧が図２中（ａ）に示すように与えられる場合に、電源ゼロクロス検出回路７からのゼロクロス検出信号を入力とし、かつ負荷情報を表すことができる電流検出回路８からの入力電流検出値を入力として、ゼロクロスからスイッチング素子６をオンさせるまでの時間ｔｄ、およびその後にオン状態を継続させる時間ｔｏｎをスイッチング素子制御部９において算出してスイッチング素子制御信号｛図２中（ｃ）参照｝を出力することにより、スイッチング素子６を制御する。
【００３７】
前記整流回路３においては、交流電源電圧が直列に接続されたコンデンサの電圧よりも高くなるまでダイオードが導通しないのであるから、図２中（ｂ）に示すように、ゼロクロスから時間ｔｄが経過した時点から入力電流が流れ始める。
【００３８】
そして、入力電流の流れ始めから時間ｔｏｎだけスイッチング素子６をオンさせることによって、高周波スイッチングに伴う回路効率の低下や発生ノイズの増加を引き起こすことなく、安価に高入力力率化、および低高調波電流化（図３参照）を実現することができる。
【００３９】
また、負荷情報を表す入力電流検出値に応じて、スイッチング素子６をオン・オフするタイミングを変化させることができるので、負荷によらず、入力力率の低下や直流電圧の変動を抑制することができる。もちろん、負荷情報を表す値であれば、入力電流検出値以外のものを採用することができる。
【００４０】
図４はこの発明の電源装置の他の実施態様を示すブロック図である。
【００４１】
この電源装置が図１の電源装置と異なる点は、コンデンサ４ｃを省略した点、電源ゼロクロス検出回路７からのゼロクロス検出信号を入力として電源周波数を検出する電源周波数検出部１０をさらに設けた点、およびスイッチング素子制御部９として、電源ゼロクロス検出回路７からのゼロクロス検出信号、電流検出回路８からの入力電流検出値、および電源周波数検出部１０からの電源周波数検出信号を入力としてスイッチング素子制御信号を出力するものを採用した点のみである。
【００４２】
この場合には、図５中（ａ）に示すように、時間ｔｄを電源周波数および入力電流に応じて設定することができるとともに、図５中（ｂ）に示すように、時間ｔｏｎを電源周波数および入力電流に応じて設定することができるので、電源周波数によらず、入力力率の低下を抑制できる（図６参照）とともに、直流電圧の変動を抑制することができる。
【００４３】
図７はこの発明の電源装置のさらに他の実施態様を示すブロック図である。
【００４４】
この電源装置が図４の電源装置と異なる点は、１対のコンデンサ４ａ、４ｂの直列回路と並列にコンデンサ４ｃを接続した点、電源電圧を検出する電源電圧検出回路１１をさらに設けた点、およびスイッチング素子制御部９として、電源ゼロクロス検出回路７からのゼロクロス検出信号、電流検出回路８からの入力電流検出値、電源周波数検出部１０からの電源周波数検出信号、および電源電圧検出回路１１からの電源電圧検出信号を入力としてスイッチング素子制御信号を出力するものを採用した点のみである。
【００４５】
この場合には、電源電圧に応じてスイッチング素子６をオン・オフするタイミングを変化させることができ、電源電圧によらず、入力力率の低下を抑制できる（図８参照）とともに、直流電圧の変動を抑制することができる。
【００４６】
図９はこの発明の電源装置のさらに他の実施態様を示すブロック図である。
【００４７】
この電源装置が図７の電源装置と異なる点は、直流電圧（コンデンサ４ｃの端子間電圧）を検出する直流電圧検出回路１２をさらに設けた点、およびスイッチング素子制御部９として、電源ゼロクロス検出回路７からのゼロクロス検出信号、電流検出回路８からの入力電流検出値、電源周波数検出部１０からの電源周波数検出信号、電源電圧検出回路１１からの電源電圧検出信号、および直流電圧検出回路１２からの直流電圧検出信号を入力として、直流電圧検出値が負荷、電源電圧、電源周波数に応じた設定値（直流電圧設定値）となるように（例えば、図１０参照）スイッチング素子制御信号を出力するものを採用した点のみである。
【００４８】
この場合には、直流電圧検出値が負荷、電源電圧、電源周波数に応じた設定値となるようにスイッチング素子６をオン・オフするタイミングを変化させることができ、ひいては、負荷、電源電圧、電源周波数によらず、入力力率の低下を抑制できるとともに、直流電圧の変動を抑制することができる。
【００４９】
具体的には、例えば、負荷が大きい場合には、直流電圧が小さくなるので、スイッチング素子６のオン時間を長くすればよい。
【００５０】
図１１はこの発明の電源装置のさらに他の実施態様を示すブロック図である。
【００５１】
この電源装置が図４の電源装置と異なる点は、負荷としてインバータ５ａおよびインバータ５ａにより駆動されるモータ５ｂを採用した点、１対のコンデンサ４ａ、４ｂの端子間電圧を検出する直流電圧検出回路１３をさらに設けた点、インバータ５ａを制御するインバータ制御部１４をさらに設けた点、およびスイッチング素子制御部９として、電源ゼロクロス検出回路７からのゼロクロス検出信号、電流検出回路８からの入力電流検出値、電源周波数検出部１０からの電源周波数検出信号、直流電圧検出回路１３からの直流電圧検出信号、およびインバータ制御部１４からのモータ回転数を入力としてスイッチング素子制御信号を出力するものを採用した点のみである。
【００５２】
前記スイッチング素子制御部９は、例えば図１２に示すように、モータ回転数が所定の閾値未満の力率優先領域と所定の閾値以上の昇圧領域とに区分しておき、力率優先領域においてはインバータデューティー比、直流電圧（１対のコンデンサ４ａ、４ｂの直列回路の端子間電圧）、および時間ｔｏｎを回転数の増加に伴って増加させ、昇圧領域においてはインバータデューティー比を１００％に維持し、直流電圧および時間ｔｏｎの増加率を大きくするように、スイッチング素子６をオン・オフするスイッチング素子制御信号を出力するものである。
【００５３】
したがって、スイッチング素子制御部９によって上記のようにスイッチング素子６をオン・オフするタイミングを変化させることができ、ひいては、モータの効率改善を達成することができる。
【００５４】
図１３はこの発明の電源装置のさらに他の実施態様を示すブロック図である。
【００５５】
この電源装置が図１１の電源装置と異なる点は、１対のコンデンサ４ａ、４ｂの直列回路と並列にコンデンサ４ｃを接続した点、インバータおよびモータに限定されない負荷５を採用した点、インバータ制御部１４を省略した点、電源周波数検出部１０に代えて電源極性判定部１５を設けた点、およびスイッチング素子制御部９として、電源ゼロクロス検出回路７からのゼロクロス検出信号、電流検出回路８からの入力電流検出値、電源極性判定部１５からの電源極性判定信号、および直流電圧検出回路１３からの直流電圧検出信号を入力としてスイッチング素子制御信号を出力するものを採用した点のみである。
【００５６】
したがって、１対のコンデンサ４ａ、４ｂのそれぞれの端子間電圧を直流電圧検出回路１３によって検出し、電源電圧の極性に基づいてスイッチング素子６のオン時間ｔｏｎを補正することによって、電源電圧の歪みやコンデンサ容量のばらつきが存在する場合にも、両コンデンサ４ａ、４ｂの端子間電圧が不平衡となるのを防止することができる。
【００５７】
具体的には、例えば上側のコンデンサ４ａの端子間電圧が下側のコンデンサ４ｂの端子間電圧よりも高い場合に、図１４に示すように、電源電圧の立上り時のオン時間をta時間だけ長く、立下り時のオン時間をta時間だけ短くすることにより、両コンデンサ４ａ、４ｂの端子間電圧が不平衡となるのを防止することができる。
【００５８】
ただし、一方のオン期間のみを補正することも可能である。
【００５９】
また、前記直流電圧検出回路１３に代えて、直流電圧と何れか一方のコンデンサの端子間電圧を検出する回路を採用することも可能である。
【００６０】
さらに、図１５に示すように、過電圧保護レベル（過電圧停止レベル）よりも低い第１オン時間補正レベルを予め設定しておき、電源電圧や負荷の急変時に、直流電圧検出値（もしくはコンデンサ電圧検出値）が第１オン時間補正レベルを越えたことに応答して、スイッチング素子のオン時間を設定された時間よりも短くすることが好ましく、直流電圧検出値（もしくはコンデンサ電圧検出値）が過電圧保護レベル（過電圧停止レベル）に達するのを防止して、過電圧による異常停止を防止することができる。
【００６１】
さらに、図１６に示すように、不足電圧保護レベル（不足電圧停止レベル）よりも高い第２オン時間補正レベルを予め設定しておき、電源電圧や負荷の急変時に、直流電圧検出値（もしくはコンデンサ電圧検出値）が第２オン時間補正レベルを下回ったことに応答して、スイッチング素子のオン時間を設定された時間よりも長くすることが好ましく、直流電圧検出値（もしくはコンデンサ電圧検出値）が不足電圧保護レベル（不足電圧停止レベル）まで低下するのを防止して、不足電圧による異常停止を防止することができる。
【００６２】
さらに、図１７に示すように、第１電流レベルおよびこれよりも高い第２電流レベルを設定し、入力電流が第１電流レベル以下にまで減少したことに応答してスイッチング素子６の動作を停止し、逆に、入力電流が第２電流レベル以上にまで増加したことに応答してスイッチング素子６の動作を許容することが好ましい。
【００６３】
この場合には、入力電流が第１電流レベル以下にまで減少したことに応答してスイッチング素子６の動作を停止することによって、軽負荷時にスイッチング素子６のスイッチング損失や、素子に流れる電流による損失で電源装置の回路効率が低下するという不都合を防止することができる。
【００６４】
また、第１電流レベルよりも高い第２電流レベルを設定し、入力電流の減少時には第１電流レベルを用い、逆に入力電流の増加時には第２電流レベルを用いるので、スイッチング動作のチャタリング現象を防止することができる。
【００６５】
【発明の効果】
請求項１の発明は、高周波スイッチングに伴う回路効率の低下や発生ノイズの増加を引き起こすことなく、安価に高入力力率化、および低高調波電流化を実現することができ、入力電流検出値等の負荷情報に応じてスイッチング手段をオン・オフするタイミングを変化させて、負荷によらず入力力率の低下や直流電圧の変動の抑制を達成することができるという特有の効果を奏する。
【００６６】
請求項２の発明は、請求項１の効果に加え、電源周波数によらず入力力率の低下や直流電圧の変動の抑制を達成することができるという特有の効果を奏する。
【００６７】
請求項３の発明は、請求項１の効果に加え、電源電圧によらず入力力率の低下や直流電圧の変動の抑制を達成することができるという特有の効果を奏する。
【００７１】
請求項４の発明は、電動機の実回転数からスイッチング手段をオン・オフするタイミングを設定することができ、ひいては、モータの効率改善を達成することができ、しかも、電源電圧が歪んでいる場合やコンデンサ容量のばらつきが存在する場合であっても、両コンデンサの電圧が不平衡となるのを防止することができるという特有の効果を奏する。
【００７３】
請求項５の発明は、請求項１から請求項４の何れかの効果に加え、過電圧、もしくは不足電圧による異常停止を防止することができるという特有の効果を奏する。
【００７４】
請求項６の発明は、請求項１から請求項５の何れかの効果に加え、スイッチング動作のチャタリングを防止することができるという特有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の電源装置の一実施態様を示すブロック図である。
【図２】図１の電源装置の各部の波形を示す図である。
【図３】図１の電源装置の高調波電流成分と高調波ガイドラインとを示す図である。
【図４】この発明の電源装置の他の実施態様を示すブロック図である。
【図５】図４の電源装置の、電源周波数毎の遅延時間、オン時間の入力電流依存性を示す図である。
【図６】図４の電源装置の、電源周波数毎の入力力率特性を示す図である。
【図７】この発明の電源装置のさらに他の実施態様を示すブロック図である。
【図８】図７の電源装置の、電源電圧毎の入力力率特性を示す図である。
【図９】この発明の電源装置のさらに他の実施態様を示すブロック図である。
【図１０】図９の電源装置の、電源周波数毎の直流電圧設定値の入力電流依存性を示す図である。
【図１１】この発明の電源装置のさらに他の実施態様を示すブロック図である。
【図１２】図１１の電源装置の、インバータデューティー比、直流電圧、オン時間の回転数依存性を示す図である。
【図１３】この発明の電源装置のさらに他の実施態様を示すブロック図である。
【図１４】図１１の電源装置の各部の波形を示す図である。
【図１５】過電圧停止の未然防止処理を説明する波形図である。
【図１６】不足電圧停止の未然防止処理を説明する波形図である。
【図１７】スイッチング動作のチャタリング防止処理を説明する波形図である。
【符号の説明】
１単相交流電源２リアクトル
３整流回路４ａ、４ｂコンデンサ
５ａインバータ５ｂモータ
６スイッチング素子７電源ゼロクロス検出回路
８入力電流検出回路９スイッチング素子制御部
１０電源周波数検出部１１電源電圧検出回路
１３直流電圧検出回路１４インバータ制御部
１５電源極性判定部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a rectifier circuit that converts an AC voltage of an AC power source into a DC voltage, a reactor inserted between the AC power source and an input terminal of the rectifier circuit, and a series of 1 connected between the output terminals of the rectifier circuit. The present invention relates to a power supply device having switching means for short-circuiting between a pair of capacitors and a connection point of a pair of capacitors connected in series with an input terminal of a rectifier circuit.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an active converter has been proposed as a power supply device (see, for example, Japanese Patent No. 3170571).
[0003]
This active converter uses, for example, six switching elements as shown in FIG. 31 (a), and controls the input current by high-frequency switching, so that the input current does not contain harmonic components. In addition, the input power factor can be controlled to 1. Specifically, the equivalent circuit of each phase of the PWM converter is as shown in FIG. 31 (c). Therefore, if the converter input voltage vu is made sinusoidal, the input current iu does not contain harmonic components. . That is, the voltage vector diagram is as shown in FIG. Therefore, for example, in a method as shown in “Current Control Method Considering Parameter Variation of Three-Phase PWM Converter”, Takaharu Takeshita, Makoto Iwasaki, Nobuyuki Matsui, D. 107, No. 11, Sho 62 By creating a PWM pattern of the converter input voltage, the converter input voltage can be made into a sinusoidal waveform to reduce the harmonic component of the input current.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
When the PWM converter circuit having the configuration shown in FIG. 31 (a) is adopted, as shown in FIG. 31 (b), the input current waveform and the input voltage waveform are reduced, and the efficiency decreases and the noise increases due to the high frequency switching. As well as inconveniences such as complicated control and increased cost.
[0005]
In addition, a surge voltage generated by the switching operation increases from the converter connected to the AC power source, and the generated noise also increases. Therefore, the noise filter becomes large and expensive.
[0006]
OBJECT OF THE INVENTION
The present invention has been made in view of the above-described problems, and a power supply device that can reduce the cost by reducing the noise-reducing parts and satisfy the improvement of the input power factor and the harmonic regulation. It is intended to provide.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The power supply device according to claim 1 includes a reactor inserted between a single-phase AC power supply and an input terminal of the rectifier circuit, a plurality of capacitors connected in series between the output terminals of the rectifier circuit, and the rectifier circuit Switching means connected between an input terminal and a connection point of the plurality of capacitors,
Control means for turning on / off the switching means at a preset timing according to the load state is included.
[0008]
The power supply apparatus according to claim 2 employs, as the control means, one that sets the timing for turning on / off the switching means in accordance with the frequency of the single-phase AC power supply.
[0009]
According to a third aspect of the present invention, there is adopted a power supply apparatus that corrects the timing for turning on / off the switching means according to the voltage of the single-phase AC power supply as the control means.
[0013]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a power supply apparatus including: a reactor inserted between a single-phase AC power supply and an input terminal of the rectifier circuit; a plurality of capacitors connected in series between the output terminals of the rectifier circuit; Switching means connected between an input terminal and a connection point of the plurality of capacitors,
An inverter (5a) for converting the DC voltage into an AC voltage;
An electric motor (5b) driven by the inverter (5a);
Control means (9 ) for setting the timing for turning on / off the switching means (6) from the actual rotational speed of the electric motor (5b) ;
Polarity detection means (15) for detecting the polarity of the power supply voltage;
Capacitor voltage detection means (13) for detecting each capacitor voltage connected in series,
The control means (9) corrects the ON time of the switching hand throw (6) according to the polarity of the power supply voltage so that the upper and lower capacitor voltages are balanced.
[0015]
The power supply device according to claim 5 further includes level setting means for setting a first level lower than the overvoltage stop level of the DC voltage and a second level higher than the undervoltage stop level. In response to the voltage being equal to or higher than the first level and lower than the overvoltage stop level, or lower than the second level and higher than the undervoltage stop level, one that corrects the on-time of the switching element is employed.
[0016]
The power supply device according to claim 6 , as the control means, stops the operation of the switching element in response to the input current being equal to or lower than the first level, and the second current is higher than the first level. In response to being above the level, one that starts the switching operation of the switching element is employed.
[0017]
[Action]
According to the power supply device of claim 1, a reactor inserted between the single-phase AC power supply and the input terminal of the rectifier circuit, a plurality of capacitors connected in series between the output terminals of the rectifier circuit, and the rectifier For a power supply device having switching means connected between an input terminal of a circuit and a connection point of the plurality of capacitors,
By the control means, the switching means can be turned on / off at a preset timing according to the load state.
[0018]
Therefore, a high input power factor and a low harmonic current can be realized at low cost without causing a decrease in circuit efficiency and an increase in generated noise due to high frequency switching. And the timing which turns on / off a switching means according to load information, such as an input current detection value, can be changed, and the fall of an input power factor and suppression of the fluctuation | variation of DC voltage can be achieved irrespective of a load.
[0019]
In the power supply device according to claim 2, since the control means adopts a means for setting the timing for turning on / off the switching means in accordance with the frequency of the single-phase AC power supply. Regardless, it is possible to achieve a reduction in input power factor and suppression of fluctuations in DC voltage.
[0020]
In the power supply device according to claim 3, since the control means employs a means for correcting the timing for turning on / off the switching means in accordance with the voltage of the single-phase AC power supply. Regardless, it is possible to achieve a reduction in input power factor and suppression of fluctuations in DC voltage.
[0025]
According to the power supply device of claim 4 , a reactor inserted between the single-phase AC power supply and the input terminal of the rectifier circuit, a plurality of capacitors connected in series between the output terminals of the rectifier circuit, and the rectifier The DC voltage obtained by a power supply device having a switching means connected between an input terminal of the circuit and connection points of the plurality of capacitors is converted into an AC voltage by an inverter, and the electric motor can be driven. The timing for turning on / off the switching means can be set by the control means based on the actual rotational speed of the electric motor.
Further, the power supply voltage includes a polarity detection means for detecting the polarity of the power supply voltage and a capacitor voltage detection means for detecting each capacitor voltage connected in series, and the control means uses the power supply voltage so that the upper and lower capacitor voltages are balanced. Therefore, the efficiency of the motor can be improved and the power supply voltage is distorted or there is a variation in the capacitance of the capacitor. Even in this case, it is possible to prevent the voltages of both capacitors from becoming unbalanced.
[0028]
The power supply device according to claim 5 further includes level setting means for setting a first level lower than the overvoltage stop level of the DC voltage and a second level higher than the undervoltage stop level, as the control means. In response to the fact that the DC voltage is higher than the first level and lower than the overvoltage stop level or lower than the second level and higher than the undervoltage stop level, the one that corrects the on-time of the switching element is adopted. Therefore, an abnormal stop due to overvoltage or undervoltage can be prevented.
[0029]
In the power supply device according to claim 6 , as the control means, the operation of the switching element is stopped in response to the input current being equal to or lower than the first level, and the input current is higher than the first level. In response to the fact that the level is equal to or higher than 2, a switch that starts the switching operation of the switching element is adopted, so that chattering of the switching operation can be prevented.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a power supply device according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
[0031]
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a power supply device of the present invention.
[0032]
In this power supply device, a rectifier circuit 3 is connected to a single-phase AC power supply 1 via a reactor 2. The rectifier circuit 3 is a full-wave rectifier circuit made of, for example, a diode bridge. A series circuit of a pair of capacitors 4a and 4b and one smoothing capacitor 4c are connected in parallel between the output terminals of the rectifier circuit 3. The inter-terminal voltage of the smoothing capacitor 4 c is supplied to the load 5. A switching element 6 is connected between the connection point of the pair of capacitors 4 a and 4 b and one input terminal of the rectifier circuit 3.
[0033]
Furthermore, a power supply zero cross detection circuit 7 for detecting a zero cross of the power supply voltage, a current detection circuit 8 for detecting an input current of the rectifier circuit 3 using an output from the current sensor 8a as an input, and a zero cross detection signal from the power supply zero cross detection circuit 7 And a switching element control section 9 that outputs the switching element control signal with the input current detection value from the current detection circuit 8 as an input.
[0034]
The switching element control unit 9 outputs a switching element control signal for turning on the switching element 6 for a predetermined period ton from a timing td delayed for a predetermined time from the zero cross of the power supply voltage. Here, and in the following embodiments, the timing td and the predetermined period ton are set so that the input power factor and the conversion efficiency are the best according to the load state (input current) and the power supply frequency. Also, the DC voltage set value described later is set similarly.
[0035]
The operation of the power supply device configured as described above is as follows.
[0036]
When the voltage of the single-phase AC power supply 1 is given as shown in FIG. 2A, the current detection circuit 8 can input the zero-cross detection signal from the power-supply zero-cross detection circuit 7 and can represent load information. The switching element control unit 9 calculates a time td from the zero crossing until the switching element 6 is turned on and a time ton for which the on-state is continued thereafter by the switching element control unit {in FIG. The switching element 6 is controlled by outputting (see (c)).
[0037]
In the rectifier circuit 3, since the diode does not conduct until the AC power supply voltage becomes higher than the voltage of the capacitor connected in series, as shown in FIG. 2B, time td has elapsed since the zero crossing. The input current starts to flow from that point.
[0038]
Then, by turning on the switching element 6 for the time ton from the beginning of the input current flow, high input power factor and low harmonics can be achieved at low cost without causing a decrease in circuit efficiency and an increase in generated noise due to high frequency switching. Currentization (see FIG. 3) can be realized.
[0039]
In addition, since the timing at which the switching element 6 is turned on / off can be changed according to the input current detection value representing the load information, the reduction of the input power factor and the fluctuation of the DC voltage are suppressed regardless of the load. Can do. Of course, any value other than the input current detection value can be adopted as long as the value represents the load information.
[0040]
FIG. 4 is a block diagram showing another embodiment of the power supply device of the present invention.
[0041]
This power supply device is different from the power supply device of FIG. 1 in that the capacitor 4c is omitted, and a power supply frequency detection unit 10 that detects a power supply frequency by receiving a zero cross detection signal from the power supply zero cross detection circuit 7 is provided. The switching element control unit 9 receives the switching element control signal with the zero cross detection signal from the power supply zero cross detection circuit 7, the input current detection value from the current detection circuit 8, and the power supply frequency detection signal from the power supply frequency detection unit 10 as inputs. It is only the point which adopted what is output.
[0042]
In this case, the time td can be set according to the power supply frequency and the input current as shown in FIG. 5A, and the time ton is set as the power supply frequency as shown in FIG. 5B. Since it can be set according to the input current, it is possible to suppress a decrease in the input power factor regardless of the power supply frequency (see FIG. 6), and to suppress fluctuations in the DC voltage.
[0043]
FIG. 7 is a block diagram showing still another embodiment of the power supply device of the present invention.
[0044]
This power supply device is different from the power supply device of FIG. 4 in that a capacitor 4c is connected in parallel with a series circuit of a pair of capacitors 4a and 4b, and a power supply voltage detection circuit 11 for detecting a power supply voltage is further provided. As the switching element control unit 9, the zero cross detection signal from the power supply zero cross detection circuit 7, the input current detection value from the current detection circuit 8, the power supply frequency detection signal from the power supply frequency detection unit 10, and the power supply voltage detection circuit 11 The only difference is that a power supply voltage detection signal is input and a switching element control signal is output.
[0045]
In this case, the timing at which the switching element 6 is turned on / off can be changed in accordance with the power supply voltage, and a decrease in the input power factor can be suppressed regardless of the power supply voltage (see FIG. 8). Variations can be suppressed.
[0046]
FIG. 9 is a block diagram showing still another embodiment of the power supply device of the present invention.
[0047]
This power supply device is different from the power supply device of FIG. 7 in that a DC voltage detection circuit 12 for detecting a DC voltage (voltage between terminals of the capacitor 4c) is further provided, and as a switching element control unit 9, a power supply zero cross detection circuit 7, a zero-cross detection signal from the current detection circuit 8, an input current detection value from the current detection circuit 8, a power supply frequency detection signal from the power supply frequency detection unit 10, a power supply voltage detection signal from the power supply voltage detection circuit 11, and a DC voltage detection circuit 12 A DC voltage detection signal is input and a switching element control signal is output so that the DC voltage detection value becomes a setting value (DC voltage setting value) corresponding to the load, power supply voltage, and power supply frequency (for example, see FIG. 10) It is only the point which adopted.
[0048]
In this case, the timing at which the switching element 6 is turned on / off can be changed so that the DC voltage detection value becomes a set value corresponding to the load, power supply voltage, and power supply frequency. As a result, the load, power supply voltage, power supply Regardless of the frequency, it is possible to suppress a decrease in the input power factor and to suppress fluctuations in the DC voltage.
[0049]
Specifically, for example, when the load is large, the DC voltage decreases, so the on-time of the switching element 6 may be lengthened.
[0050]
FIG. 11 is a block diagram showing still another embodiment of the power supply device of the present invention.
[0051]
This power supply device is different from the power supply device of FIG. 4 in that an inverter 5a and a motor 5b driven by the inverter 5a are employed as loads, and a DC voltage detection circuit that detects a voltage across a pair of capacitors 4a and 4b. 13, a point further provided with an inverter control unit 14 for controlling the inverter 5 a, and a switching element control unit 9 as a zero cross detection signal from the power source zero cross detection circuit 7 and an input current detection from the current detection circuit 8. The value, the power frequency detection signal from the power frequency detection unit 10, the DC voltage detection signal from the DC voltage detection circuit 13, and the motor rotation number from the inverter control unit 14 are input and a switching element control signal is output. It is only a point.
[0052]
For example, as shown in FIG. 12, the switching element control unit 9 divides the motor rotation speed into a power factor priority area having a motor rotation speed less than a predetermined threshold and a boosting area having a predetermined threshold value or more. The inverter duty ratio, DC voltage (voltage between terminals of the series circuit of the pair of capacitors 4a and 4b), and time ton are increased as the rotational speed increases, and the inverter duty ratio is maintained at 100% in the boosting region. The switching element control signal for turning on / off the switching element 6 is outputted so as to increase the increasing rate of the DC voltage and the time ton.
[0053]
Therefore, the switching element control unit 9 can change the timing for turning on / off the switching element 6 as described above, and as a result, the efficiency of the motor can be improved.
[0054]
FIG. 13 is a block diagram showing still another embodiment of the power supply device of the present invention.
[0055]
The power supply device differs from the power supply device of FIG. 11 in that a capacitor 4c is connected in parallel with a series circuit of a pair of capacitors 4a and 4b, a load 5 that is not limited to an inverter and a motor is employed, and an inverter control unit. 14 is omitted, a power polarity determination unit 15 is provided instead of the power frequency detection unit 10, and a zero cross detection signal from the power source zero cross detection circuit 7 and an input from the current detection circuit 8 are used as the switching element control unit 9. The only difference is that the current detection value, the power supply polarity determination signal from the power supply polarity determination unit 15, and the DC voltage detection signal from the DC voltage detection circuit 13 are input and a switching element control signal is output.
[0056]
Therefore, the voltage between the terminals of the pair of capacitors 4a and 4b is detected by the DC voltage detection circuit 13, and the on-time ton of the switching element 6 is corrected based on the polarity of the power supply voltage. Even when there is variation in the capacitor capacity, it is possible to prevent the voltage between the terminals of both capacitors 4a and 4b from becoming unbalanced.
[0057]
Specifically, for example, when the voltage between the terminals of the upper capacitor 4a is higher than the voltage between the terminals of the lower capacitor 4b, as shown in FIG. 14, the ON time at the rise of the power supply voltage is increased by ta time. By shortening the on time at the falling time by ta time, it is possible to prevent the voltage between the terminals of both capacitors 4a and 4b from becoming unbalanced.
[0058]
However, it is also possible to correct only one ON period.
[0059]
Further, instead of the DC voltage detection circuit 13, a circuit for detecting a DC voltage and a voltage between terminals of any one of the capacitors may be employed.
[0060]
Further, as shown in FIG. 15, a first on-time correction level lower than the overvoltage protection level (overvoltage stop level) is set in advance, and the DC voltage detection value (or capacitor voltage detection) is detected when the power supply voltage or the load changes suddenly. In response to the value) exceeding the first on-time correction level, the on-time of the switching element is preferably shorter than the set time, and the DC voltage detection value (or capacitor voltage detection value) is overvoltage protected. The level (overvoltage stop level) can be prevented and abnormal stop due to overvoltage can be prevented.
[0061]
Further, as shown in FIG. 16, a second on-time correction level higher than the undervoltage protection level (undervoltage stop level) is set in advance, and the DC voltage detection value (or capacitor) is detected when the power supply voltage or the load changes suddenly. In response to the fact that the voltage detection value has fallen below the second on-time correction level, it is preferable to set the ON time of the switching element to be longer than the set time, and the DC voltage detection value (or capacitor voltage detection value) is It is possible to prevent a drop to an undervoltage protection level (undervoltage stop level) and to prevent an abnormal stop due to an undervoltage.
[0062]
Further, as shown in FIG. 17, a first current level and a second current level higher than the first current level are set, and the operation of the switching element 6 is stopped in response to the input current being reduced to the first current level or lower. On the contrary, it is preferable to allow the operation of the switching element 6 in response to the input current increasing to the second current level or higher.
[0063]
In this case, by stopping the operation of the switching element 6 in response to the reduction of the input current to the first current level or lower, the switching loss of the switching element 6 or the loss due to the current flowing through the element at the time of light load Therefore, it is possible to prevent the disadvantage that the circuit efficiency of the power supply device is lowered.
[0064]
Also, since the second current level higher than the first current level is set, the first current level is used when the input current is decreased, and conversely the second current level is used when the input current is increased. Can be prevented.
[0065]
【The invention's effect】
The invention of claim 1 can realize high input power factor and low harmonic current at low cost without causing reduction in circuit efficiency and increase in generated noise due to high frequency switching. By changing the timing for turning on / off the switching means according to the load information such as the above, there is a specific effect that it is possible to achieve the reduction of the input power factor and the suppression of the fluctuation of the DC voltage regardless of the load.
[0066]
In addition to the effect of the first aspect, the invention of the second aspect has a specific effect that a reduction in input power factor and suppression of fluctuations in DC voltage can be achieved regardless of the power supply frequency.
[0067]
In addition to the effect of the first aspect, the invention of the third aspect has a specific effect that a reduction in input power factor and suppression of fluctuations in the DC voltage can be achieved regardless of the power supply voltage.
[0071]
The invention according to claim 4 can set the timing for turning on / off the switching means from the actual number of revolutions of the electric motor. As a result, the efficiency of the motor can be improved , and the power supply voltage is distorted. Even when there are variations in capacitor capacity, there is a specific effect that the voltages of both capacitors can be prevented from becoming unbalanced.
[0073]
In addition to the effects of any one of claims 1 to 4 , the invention of claim 5 has a specific effect that an abnormal stop due to overvoltage or undervoltage can be prevented.
[0074]
The invention of claim 6 has a specific effect that chattering of the switching operation can be prevented in addition to the effect of any one of claims 1 to 5 .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a power supply device of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing waveforms at various parts of the power supply device of FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram illustrating harmonic current components and harmonic guidelines of the power supply device of FIG. 1;
FIG. 4 is a block diagram showing another embodiment of the power supply device of the present invention.
5 is a diagram showing input current dependence of delay time and on-time for each power frequency in the power supply device of FIG. 4;
6 is a diagram showing input power factor characteristics for each power supply frequency of the power supply device of FIG. 4;
FIG. 7 is a block diagram showing still another embodiment of the power supply device of the present invention.
8 is a diagram showing input power factor characteristics for each power supply voltage of the power supply device of FIG. 7;
FIG. 9 is a block diagram showing still another embodiment of the power supply device of the present invention.
10 is a diagram showing the input current dependence of a DC voltage set value for each power supply frequency in the power supply device of FIG. 9;
FIG. 11 is a block diagram showing still another embodiment of the power supply device of the present invention.
12 is a graph showing the rotational speed dependence of the inverter duty ratio, DC voltage, and on time of the power supply device of FIG.
FIG. 13 is a block diagram showing still another embodiment of the power supply device of the present invention.
14 is a diagram showing waveforms at various parts of the power supply device of FIG. 11;
FIG. 15 is a waveform diagram illustrating an overvoltage stop prevention process.
FIG. 16 is a waveform diagram for explaining an undervoltage stop prevention process.
FIG. 17 is a waveform diagram for explaining switching operation chattering prevention processing;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Single phase alternating current power supply 2 Reactor 3 Rectifier circuit 4a, 4b Capacitor 5a Inverter 5b Motor 6 Switching element 7 Power supply zero cross detection circuit 8 Input current detection circuit 9 Switching element control part 10 Power supply frequency detection part 11 Power supply voltage detection circuit 13 DC voltage detection Circuit 14 Inverter control unit 15 Power polarity determination unit

Claims

A reactor (2) inserted between the single-phase AC power supply (1) and the input terminal of the rectifier circuit (3), and a plurality of capacitors (4a) connected in series between the output terminals of the rectifier circuit (3) ) (4b) and switching means (6) connected between the input terminal of the rectifier circuit (3) and the connection point of the plurality of capacitors (4a) (4b),
A power supply apparatus comprising: control means (7) (8) (9) (10) (11) for operating the switching hand throw (6) at a preset timing according to a load state.

The control means (7), (8), (9), and (10) set the timing for turning on and off the switching means (6) according to the frequency of the single-phase AC power supply (1). The power supply device according to claim 1.

The control means (7), (8), (9), and (11) correct the timing for turning on and off the switching hand throw (6) according to the voltage of the single-phase AC power supply (1). The power supply device according to claim 1 .

A reactor (2) inserted between the single-phase AC power supply (1) and the input terminal of the rectifier circuit (3), and a plurality of capacitors (4a) connected in series between the output terminals of the rectifier circuit (3) ) (4b) and switching means (6) connected between the input terminal of the rectifier circuit (3) and the connection point of the plurality of capacitors (4a) (4b),
An inverter (5a) for converting the DC voltage into an AC voltage;
An electric motor (5b) driven by the inverter (5a);
Control means (9 ) for setting the timing for turning on / off the switching means (6) from the actual rotational speed of the electric motor (5b) ;
Polarity detection means (15) for detecting the polarity of the power supply voltage;
Capacitor voltage detection means (13) for detecting each capacitor voltage connected in series,
The control means (9) corrects the ON time of the switching hand throw (6) according to the polarity of the power supply voltage so that the upper and lower capacitor voltages are balanced. apparatus.

It further includes level setting means (9) for setting a first level lower than the overvoltage stop level of the DC voltage and a second level higher than the undervoltage stop level. The control means (9) The on-time of the switching element (6) is corrected in response to the first level or more and less than the overvoltage stop level or less than the second level and greater than the undervoltage stop level. The power supply device according to claim 4 .

The control means (9) stops the operation of the switching element (6) in response to the input current being lower than the first level, and the input current is higher than the second level higher than the first level. The power supply device according to any one of claims 1 to 5 , wherein the switching operation of the switching element (6) is started in response to the above.