JP4384469B2 - 直流電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電源にリアクトルと整流手段とを直列に接続すると共に、リアクトルの負荷側の交流端子間を短絡するためのスイッチ手段を設け、交流電圧のゼロクロス点以降の予め設定された位相区間にスイッチ手段をオン状態にしてリアクトルに強制電流を流し、オフ状態に復帰させて強制電流を整流手段に転流させて力率の改善を図る直流電源装置に関する。

この種の従来の直流電源装置として、スイッチ手段による短絡回数の増加に伴うリーク電流を抑制するものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。図８はこの直流電源装置の概略構成を示すブロック図である。同図において、交流電源１と整流手段３との間に、スイッチ手段をオン状態にしてリアクトルに強制電流を流し、オフ状態に復帰させて強制電流を整流手段３に転流させる強制電流発生手段２が設けられている。整流手段３には直流を可変電圧可変周波数の交流に変換して、電動機等の制御対象５に供給する直流−交流変換手段４が接続され、制御対象５の負荷状態に応じて変換電圧指令手段６が出力すべき電圧指令を直流−交流変換手段４に加えるようになっている。

一方、強制電流発生手段２のスイッチ手段を制御するために、交流電源１から強制電流発生手段２に流入する電流の実行値を検出する電流実効値検出手段７と、交流電源１の電圧のゼロクロス点を検出する電圧ゼロクロス検出手段８と、電流実効値検出手段７の検出電流と変換電圧指令手段６の電圧指令に基づいて、短絡すべきデータのアドレス値を演算する短絡ポインタ演算手段９と、スイッチ手段による短絡の開始位相及び短絡期間の異なるパルス列データをアドレス値に応じて保持している短絡パルス列データ１０とが設けられている。

上記の構成により、交流電源電圧が整流手段３によって整流され、得られた直流電圧が直流−交流変換手段４によって可変電圧可変周波数の交流に変換されて制御対象５に供給される。このとき、負荷の軽重に応じて変換電圧指令手段６が適切な電圧及び周波数を出力するような電圧指令を直流−交流変換手段４に加える。短絡ポインタ演算手段９は変換電圧指令手段６の電圧指令と電流実効値検出手段７によって検出された電流実効値とに基づいて、短絡の開始位相及び短絡期間がテーブル化された短絡パルス列データ１０のアドレスを指定する。このとき、例えば、２種類の短絡開始位相毎に、アドレスの増加に応じて短絡期間が増加するように設定されており、アドレス指定された短絡期間データが、電圧ゼロクロス検出手段８によるゼロクロス点を基準にして出力される。これによって、交流電圧のゼロクロス点以降の位相区間にてスイッチ手段がオン状態にされてリアクトルに強制電流が流れ、オフ状態に復帰したとき強制電流が整流手段に転流して、電流波形が改善されると共に、力率角の改善が図られる。
特開平１１−６９８８３号公報

上述した従来の直流電源装置にあっては、交流電源電圧が一定であるものとして、負荷の状態に応じて短絡の開始位相及び短絡期間が一義的に決定された値が短絡パルス列データとして記憶されていた。このため、電源電圧の変動や負荷の変動により、直流電圧が大きく変動したり、力率が大きく低下したりするという問題があった。

因みに、電源電圧が８５％，１１５％である場合に整流手段３に供給される電圧波形は、図９（ａ）に示すように、電源電圧が１００％である場合と大きく異なり、負荷が２４００Ｗ，３２００Ｗである場合に整流手段３に供給される電圧波形は、図９（ｂ）に示すうように、負荷が定格の２８００Ｗである場合と大きく異なることがシミュレーション結果から明らかになっている。

また、通常、直流電源装置は力率１００％、すなわち、電源電圧波形と電流波形の基本波の位相差が０になることを目標にして設計されるが、場合によっては力率よりも出力電力の増加を優先させることがあるため、電源電圧波形と電流波形の基本波の位相差を所定の値に制御したいことがあり得るが、従来の直流電源装置においてこのような制御を行うことは想定されておらず、電源電圧波形と電流波形の基本波の位相差を制御することはできなかった。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、電源電圧や負荷の変動に対して直流電圧の変動及び力率の変動を低く抑えることのできる直流電源装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、電流波形の基本波と電源電圧波形の位相差を所望の値に制御することのできる直流電源装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、交流電源の交流を整流して負荷に供給する整流手段と、交流電源と整流回路の間に直列に接続されたリアクトル、リアクトルの負荷側の交流端子間を短絡するためのスイッチ手段を含み、短絡の開始位相及び短絡期間の少なくとも一方が異なるように、交流電圧のゼロクロス点以降に予め設定された複数の位相区間から１つを選択し、スイッチ手段をオン状態にしてリアクトルに強制電流を流し、オフ状態に復帰させて強制電流を整流手段に転流させる電流波形制御手段とを有する直流電源装置において、リアクトルの入力電流波形を検出する電流波形検出手段と、直流成分を含まず、交流電源と周波数が等しく、かつ、交流電源に対して所定の角度だけ位相が進んだ交流信号を発生する関数発生手段と、電流波形検出手段の出力信号と関数発生手段の交流信号とを掛け合わせ、得られた値を積分し、積分値がゼロになるように電流波形制御手段の位相区間の選択状態の変更を指令する掛算・積分手段と、を備えたことを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、
交流電源の交流を整流して負荷に供給する整流手段と、交流電源と整流回路の間に直列に接続されたリアクトル、リアクトルの負荷側の交流端子間を短絡するためのスイッチ手段を含み、短絡の開始位相及び短絡期間の少なくとも一方が異なるように、交流電圧のゼロクロス点以降に予め設定された複数の位相区間から１つを選択し、スイッチ手段をオン状態にしてリアクトルに強制電流を流し、オフ状態に復帰させて強制電流を整流手段に転流させる電流波形制御手段とを有する直流電源装置において、リアクトルの入力電流波形を検出する電流波形検出手段と、電流波形検出手段の出力信号に基づいて交流電源の基本波に対してπ／２の位相差を有する信号を生成する第１の信号生成手段と、電流波形検出手段の出力信号に基づいて交流電源の基本波と同位相の信号を生成する第２の信号生成手段と、電流波形検出手段の出力信号と第１の信号生成手段の出力信号とを掛け合わせ、得られた値を半サイクルの区間積分をする第１の掛算・積分手段と、電流波形検出手段の出力信号と第２の信号生成手段の出力信号とを掛け合わせ、得られた値を半サイクルの区間積分をする第２の掛算・積分手段と、第１及び第２の掛算・積分手段の各積分値に基づき、入力電流波形の基本波位相を求める基本波位相演算手段と、
基本波位相を求める基本波位相演算手段によって求められた基本波位相と交流電源電圧位相とが所定値になるように、電流波形制御手段の位相区間の選択を指令する電流位相制御手段と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明は上記の構成により、電源電圧や負荷の変動に対して直流電圧の変動及び力率の変動を低く抑えることのできる直流電源装置が提供される。

また、電流波形の基本波と電源電圧波形の位相差を所望の値に制御することのできる直流電源装置が提供される。

以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る直流電源装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図であり、図中、従来装置を示す図８と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は、図８に示す電流実効値検出手段７の代わりに、強制電流発生手段２の入力電流波形、すなわち、リアクトルの入力電流波形を検出する電流波形検出手段１１を設けた点、直流成分を含まず、交流電源と周波数が等しく、かつ、交流電源に対して所定の角度、例えば、π／２だけ位相が進んだ交流信号を発生する関数発生手段１２と、電流波形検出手段１１の出力信号と関数発生手段１２の交流信号とを掛け合わせ、得られた値を積分し、積分値がゼロになるように短絡ポインタ演算手段９の位相区間の選択状態の変更を指令する掛算・積分手段１３とを新たに設けた点が図８と構成を異にし、これ以外は図８に示す従来装置と同様に構成されている。なお、図１に示した強制電流発生手段２、短絡ポインタ演算手段９及び短絡パルス列データ１０が本発明の電流波形制御手段を構成している。

上記のように構成された第１の実施形態の動作について、特に、従来装置と構成を異にする部分を中心にして以下に説明する。先ず、本発明の原理について説明する。

整流素子等の非線形素子を含む回路に交流電圧を印加した場合、その回路に流れる電流ｉ_ｓは奇数次の高調波成分が重畳された歪波となる。この電流波形は数学的に次式で表すことができる。

ただし、
２ｎ＋１：奇数次の高調波次数
ｂ：奇数次の高調波の振幅
β：時刻ｔ＝０における位相
ω：２πｆ
ｆ：交流電源の周波数
である。

この（１）式で表される電流波形の関数と、下記のように表される関数
ｓｉｎ（ωｔ＋α）
とを掛算し、得られた値を半サイクルの期間に亘って積分した場合、奇数次の高調波との積の積分値はすべて０となり、次式で表される積分値が残る。

この（２）式で表される被積分関数の第１項の積分値は０となるから、次に示す被積分関数の第２項
ｃｏｓ（β_１−α）
を０にすれば、総合積分値は０になる。この被積分関数の第２項は定数であるから
ｃｏｓ（β_１−α）＝０ …（３）
を満たすためには、
β_１＝α±π／２ …（４）
であればよい。電流波形と電圧波形はほぼ同位相であるから、次式の関係になる。

β_１＝α−π／２ …（５）
上記の関係から、位相角αを設定して電流波形と正弦波との積の積分値が０になるように短絡の開始位相及び短絡期間を調整すれば、電流ｉ_ｓの位相は（α−π／２）に調節することができる。よって、αをπ／２近傍の値とすれば、電流波形の位相ずれはほぼ０となり、基本波に対して力率を１に調節することができる。

図１に示した第１の実施形態は上記の原理に従って構成されたもので、電流波形検出手段１１は強制電流発生手段２に入力される電流波形を検出し、その検出信号を掛算・積分手段１３に加える。関数発生手段１２は、電圧ゼロクロス検出手段８によって検出されたゼロクロス点を基準にして、交流電源の基本波成分が９０％以上であって、奇数次の高調波成分以外の高調波成分を含まず、位相がπ／２進んだ正弦波信号を発生して掛算・積分手段１３に加える。掛算・積分手段１３は、あるゼロクロス点から次ぎのゼロクロス点、すなわち、半サイクルの期間に亘ってこれらの信号を逐次掛算し、得られた値を積分し、積分結果に応じた信号を短絡ポインタ演算手段９に加える。短絡ポインタ演算手段９は掛算・積分手段１３から出力された信号が０になる方向のデータを選択するようにアドレス指定をする。この操作を繰り返すことによって、掛算・積分手段１３の出力がゼロにされる。

図２は上記の関係を示した波形図であり、電流波形検出手段１１から波形ａに示す信号が掛算・積分手段１３に加えられる。また、関数発生手段１２から波形ｂに示す正弦波信号が加えられる。そこで、掛算・積分手段１３はこれらの波形ａ，ｂの各瞬時値を掛け算して波形ｃに示す積を求めると共に、その値を積分することによって波形ｄに示す積分値を求める。波形ｄに示す積分値は短絡ポインタ演算手段９に加えられる。短絡ポインタ演算手段９は半サイクルを経過した時刻における積分値ｅに応じて、短絡期間を増減するポインタを演算して短絡パルス列データ１０に加える。これによって、掛算・積分手段１３の出力が０になるようなフィードバック制御が行われる。

図３（ａ）は上記の制御を実行した場合における、電源電圧の変化に対応する整流手段３に供給される電圧波形で、図９（ａ）に対応させて表したもので、電源電圧が１００％である場合と比較して電源電圧が８５％や１１５％に変動しても波形の立ち上がりの遅れが少なくなっている。つまり、上記の短絡制御を実施しない場合、図９（ａ）に示すように、交流電源電圧の立ち上がりが遅れるため図２の波形ｃの正（＋）の部分が少なくなり、負（−）の部分が多くなる。その結果、半サイクルを経過した時点の積分値ｅは負（−）になる。短絡ポインタ演算手段９は積分値ｅを０にするべく積分値ｅが負の場合には短絡期間が増加するようにポインタを操作する。反対に、積分値ｅが正の場合には短絡期間が減少するようにポインタを操作する。その結果、短絡区間が広げられて積分値ｅが０にされ、電圧波形の立ち上がり時の遅れが少なくなる。図３（ｂ）は電源電圧の変動に対する整流手段３の入力電圧の変化の状態をシミュレーションして得られた線図であり、電源電圧が８５％から１１５％まで変化した場合、従来例においては約１１０Ｖの電圧変動があるのに対して、本発明においては約６０Ｖの範囲に抑えられている。図３（ｃ）は電源電圧の変動に対する力率の変化の状態をシミュレーションした結果であり、電圧の低い領域において本発明における低下分は従来例よりも小さく抑えられ、電圧の高い領域においてその傾向がなお顕著になっていることが分かる。

図４（ａ）は上記の制御を実行した場合に、負荷の変化に対応する整流手段３に供給される電圧波形で、図９（ｂ）に対応させて表したもので、電源電圧が１００％である場合と比較して電源電圧が８５％や１１５％に変動しても波形の立ち上がりの遅れが少なくなっている。図４（ｂ）は負荷の変動に対する整流手段３の入力電圧の変化の状態をシミュレーションして得られた線図であり、負荷が２４００Ｗから３２００Ｗまで変化した場合、従来例においては約２０Ｖの電圧降下があるのに対して、本発明においては約１５Ｖの電圧上昇となる。図４（ｃ）は負荷の変動に対する力率の変化の状態をシミュレーションした結果であり、電圧の低い領域において従来例においては大きく降下するのに対して、本発明における低下分はごく僅かである。

かくして、図１ないし図４を用いて説明した第１の実施形態によれば、電源電圧や負荷の変動に対して直流電圧の変動及び力率の変動を低く抑えることができる。

なお、上記の実施形態では関数発生手段１２が、交流電源の基本波成分が９０％以上であって、奇数次の高調波成分以外の高調波成分を含まず、位相がπ／２進んだ正弦波信号を発生する場合について説明したが、この関数発生手段１２から発生する関数は正弦波に近似の折れ線関数等であっても、若干の誤差を生じるが上記の実施形態に準じた効果が得られる。高調波成分の制御に及ぼす値は前述したように、上記（２）式の被積分関数の第２項のｃｏｓ（β_１−α）であった。

折れ線関数におけるｃｏｓ（β_１−α）に対応する被積分項は次式で表される。

すなわち、（６）式においてｍ＝ｎとした場合にｃｏｓ（β_１−α）という被積分項となる。従って、（６）式中のｂ_２ｎ＋１，ａ_２ｎ＋１がｂ_１，ａ_１に比べて十分に小さい場合には誤差も小さくなることが期待できる。この場合、単純な関数あれば、演算機能及び速度の低い素子でも関数発生手段１２を構成することができる。

図５はその一例として、交流電源の基本波成分が９０％である矩形波ｂ’を用いた場合における電流波形検出手段１１の出力波形ａ（図示せず）との掛け算を行った値の波形をｃ’として示したもので、シミュレーションによれば、正弦波を用いた場合と比較して大きな差は認められなかった。

図６は関数発生手段１２が出力する関数が矩形波である場合に、正側の波高値を負側の波高値に対して１．５倍とし、その代わりに正側の区間幅を２π／５とすると共に、負側の区間幅を３π／５とすることによって、その平均値（直流分）を０にした例であり、図中の波形ａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ図２中の波形ａ，ｂ，ｃ，ｄに対応している。このように、正側と負側とが非対照であっても、交流電源の基本波成分が９０％以上であって、奇数次の高調波成分以外の高調波成分を殆ど含んでいないものであれば、上述したと同様な効果が得られる。

なお、上記の実施形態ではリアクトルの入力電流波形と掛け算される関数が交流電源に対してπ／２だけ位相が進んだものを用いたが、交流電源に対しての進み位相がπ／３〜２π／３の範囲にあれば、上述したものに準じた効果が得られる。

また、入力電力、高調波電流値及び負荷状態のうち、少なくとも１つに従って基本波成分の位相を適宜に調節可能にすることもできる。

図８は本発明に係る直流電源装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図であり、図中、第１の実施形態を示す図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は図１に示す関数発生手段１２の代わりに交流電源の基本波に対して９０°位相差を有する余弦波生成手段１２ａ及び交流電源の基本波と同位相の信号を生成する正弦波生成手段１２ｂを設け、さらに、図１に示す掛算・積分手段１３の代わりに、電流波形検出手段１１の出力信号と余弦波生成手段１２ａの出力信号とをそれぞれ掛け合わせ、得られた値を半サイクルの区間積分をする掛算・積分手段１３ａ、及び、電流波形検出手段１１の出力信号と正弦波生成手段１２ｂの出力信号とを掛け合わせ、得られた値を半サイクルの区間積分をする掛算・積分手段１３ｂとが設けられている。また、掛算・積分手段１３ａ及び掛算・積分手段１３ｂの各積分値に基づき、入力電流波形の基本波位相を求める基本波位相演算手段１４と、この基本波位相演算手段１４によって求められた基本波位相を交流電源電圧のゼロクロス点として、短絡ポインタ演算手段９のポインタを操作する電流位相制御手段１５を新たに付加した点が、図１と構成を異にし、これ以外は図１と同一に構成されている。

上記のように構成された第２の実施形態の動作について、図１と構成を異にする部分について以下に説明する。掛算・積分手段１３ａは余弦波生成手段１２ａの出力信号と電流波形検出手段１１の出力信号とを掛け算し、得られた値を半サイクルの期間積分する。掛算・積分手段１３ｂは正弦波生成手段１２ｂの出力信号と電流波形検出手段１１の出力信号とを掛け算し、得られた値を半サイクルの期間積分する。このようにして積分された結果をそれぞれａ及びｂとすると、電流波形検出手段１１で検出された電流波形をフーリェ展開した場合、その基本波の項は次式で表される。

ａ・ｃｏｓωｔ＋ｂ・ｓｉｎωｔ …（７）
ここで、
ｓｉｎα＝ａ／√（ａ^２＋ｂ^２） …（８）
ｃｏｓα＝ｂ／√（ａ^２＋ｂ^２） …（９）
ｔａｎα＝ａ／ｂ …（１０）
とおけば、加法定理により（７）式は次式で表される。

√（ａ^２＋ｂ^２）ｓｉｎ（ωｔ＋α） …（１１）
基本波位相演算手段１４は掛算・積分手段１３ａの出力ａと、掛算・積分手段１３ｂの出力ｂとに基づき、（１１）式の関係から、逆関数演算により電流波形検出手段１１から出力される検出電流波形の位相角αを演算する。電流位相制御手段１５は基本波位相演算手段１４で演算された位相角αと、交流電源の位相角の差が予め設定された値となるように短絡ポインタ演算手段９のポインタを操作する。この場合、目標位相差よりも演算された位相差が大きいとき短絡期間の小さい短絡パルス列データが選択され、反対に、目標位相差よりも演算された位相差が小さいとき短絡期間の大きい短絡パルス列データが選択される。

かくして、第２α実施形態によれば、整流手段３に供給される電流波形の基本波と電源電圧波形の位相差αを所望の値に制御することができる。すなわち、位相差によって出力電圧が変化するため、位相差αを選択することで出力電圧を制御することができる。

なお、上述した第１及び第２の実施形態において、変換電圧指令手段６から直流−交流変換手段４に与える信号を、例えば、力率を優先する高力率優先通電モードと、出力する直流電圧を優先する直流電圧優先通電モードとの切り替え信号として使用することができる。

本発明に係る直流電源装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図。 第１の実施形態の動作を説明するための電圧波形図。 第１の実施形態の効果を説明するために、交流電源の変化に対応する制御電圧の波形、制御電圧及び力率の各変化の状態を示す図。 第１の実施形態の効果を説明するために、負荷の変化に対応する制御電圧の波形、制御電圧及び力率の各変化の状態を示す図。 第１の実施形態の変形例として、正弦波の代わりに矩形波を使用した場合の動作を説明するための電圧波形図。 第１の実施形態のもう一つの変形例として、正弦波の代わりに非対照の矩形波を使用した場合の動作を説明するための電圧波形図。 本発明に係る直流電源装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図。 従来の直流電源装置の概略構成を示すブロック図。 従来の直流電源装置の動作を説明するために、交流電源及び負荷の各変化に対応する制御電圧の波形図。

符号の説明

１ 交流電源
２ 強制電流発生手段
３ 整流手段
４ 直流−交流変換手段
５ 制御対象
６ 変換電圧指令手段
７ 電流実効値検出手段
８ 電圧ゼロクロス検出手段
９ 短絡ポインタ演算手段
１０ 短絡パルス列データ
１１ 電流波形検出手段
１２ 関数発生手段
１２ａ 余弦波生成手段
１２ｂ 正弦波生成手段
１３，１３ａ，１３ｂ 掛算・積分手段
１４ 基本波位相演算手段

Claims (4)

1. 交流電源の交流を整流して負荷に供給する整流手段と、交流電源と前記整流回路の間に直列に接続されたリアクトル、前記リアクトルの負荷側の交流端子間を短絡するためのスイッチ手段を含み、短絡の開始位相及び短絡期間の少なくとも一方が異なるように、交流電圧のゼロクロス点以降に予め設定された複数の位相区間から１つを選択し、前記スイッチ手段をオン状態にして前記リアクトルに強制電流を流し、オフ状態に復帰させて強制電流を前記整流手段に転流させる電流波形制御手段とを有する直流電源装置において、
   前記リアクトルの入力電流波形を検出する電流波形検出手段と、
   直流成分を含まず、交流電源と周波数が等しく、かつ、交流電源に対して所定の角度だけ位相が進んだ交流信号を発生する関数発生手段と、
   前記電流波形検出手段の出力信号と前記関数発生手段の交流信号とを掛け合わせ、得られた値を積分し、積分値がゼロになるように前記電流波形制御手段の位相区間の選択状態の変更を指令する掛算・積分手段と、
   を備えたことを特徴とする直流電源装置。
2. 前記関数発生手段の交流信号は、交流電源の基本波成分が９０％以上であって、奇数次の高調波成分以外の高調波成分を含まず、前記掛算・積分手段の積分区間が半サイクルであることを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
3. 前記関数発生手段の交流信号は、交流電源に対して略π／２だけ位相が進んだ基本波成分を有し、入力電力、高調波電流値及び負荷状態のうちの少なくとも１つに従って基本波成分の位相を調節可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
4. 交流電源の交流を整流して負荷に供給する整流手段と、交流電源と前記整流回路の間に直列に接続されたリアクトル、前記リアクトルの負荷側の交流端子間を短絡するためのスイッチ手段を含み、短絡の開始位相及び短絡期間の少なくとも一方が異なるように、交流電圧のゼロクロス点以降に予め設定された複数の位相区間から１つを選択し、前記スイッチ手段をオン状態にして前記リアクトルに強制電流を流し、オフ状態に復帰させて強制電流を前記整流手段に転流させる電流波形制御手段とを有する直流電源装置において、
   前記リアクトルの入力電流波形を検出する電流波形検出手段と、
   前記電流波形検出手段の出力信号に基づいて交流電源の基本波に対してπ／２の位相差を有する信号を生成する第１の信号生成手段と、
   前記電流波形検出手段の出力信号に基づいて交流電源の基本波と同位相の信号を生成する第２の信号生成手段と、
   前記電流波形検出手段の出力信号と前記第１の信号生成手段の出力信号とを掛け合わせ、得られた値を半サイクルの区間積分をする第１の掛算・積分手段と、
   前記電流波形検出手段の出力信号と前記第２の信号生成手段の出力信号とを掛け合わせ、得られた値を半サイクルの区間積分をする第２の掛算・積分手段と、
   前記第１及び第２の掛算・積分手段の各積分値に基づき、入力電流波形の基本波位相を求める基本波位相演算手段と、
   前記基本波位相を求める基本波位相演算手段によって求められた基本波位相と交流電源電圧位相とが所定値になるように、前記電流波形制御手段の位相区間の選択を指令する電流位相制御手段と、
   を備えたことを特徴とする直流電源装置。

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