JP4415608B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電源を全波整流し、全波整流回路の出力端子間に互いに直列接続されたコンデンサを接続してなる構成で、特に低電力域での電源力率の改善、効率の向上を低コストで実現する電源装置に関するものである。

従来、この種の電源装置としては、図１５に示すように、昇圧チョッパを用いた力率改善コンバ−タが提案されている。この方式はスイッチ素子２２のスイッチングを数１０ｋＨｚの高周波で制御することにより、電源力率をほぼ１に維持しながら直流電圧を指令値に整合させるものである。前記のように、高力率を実現し、また直流電圧を大幅に昇圧可能という利点を持つ方式である。また別の方式として、図１６の構成図および図１７の電圧・電流波形および双方向スイッチ開閉タイミング図に示すように、交流電源１のゼロクロス付近で双方向スイッチ１０を開閉動作することにより電源力率を改善するものも提案されている（特許文献１参照）。
特開平１０−１７４４４２号公報

しかしながら上記従来の構成では、昇圧チョッパ回路の場合にはスイッチ素子２２のスイッチング制御が著しく煩雑であること、また高周波スイッチングに伴う発生ノイズ対策によるコストアップや、スイッチング損失が大きく効率が低下するという課題を有していた。また特許文献１の方式は大電流の際には図１７に示すように電流の通電幅が拡大し、高力率を実現できるが、低電流時には主電流は交流電圧のピ−ク付近に集中するため、図１８に示すようにゼロクロス付近の双方向スイッチの閉動作の際の電流と主電流が分離し、逆に力率の低下および電源高調波電流の増加を招くという課題を有していた。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、低電流時から高電流時まで連続して高力率、高効率と電源高調波の抑制を実現する電源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、交流電源からの電圧を整流して直流電圧を生成する整流回路と、前記交流電源に直列に接続されたリアクタと、前記整流回路の出力端子間に互いに直列接続され、また負荷に供給する直流電圧を平滑する２個の昇圧用コンデンサと、前記整流回路の入力端と前記昇圧用コンデンサ同士の接続端の間に接続された双方向スイッチと、前記双方向スイッチの開閉を制御する制御手段と、交流電源のゼロクロスを検出して双方向スイッチ検出手段に検出信号を入力するゼロクロス検出回路とで構成された電源装置において、双方向スイッチ制御手段は、ゼロクロス検出信号に基づいてゼロクロス検出信号からΔｄｎ（Δｄｎ＞０）経過後に閉動作を、ΔｄｎからさらにΔｔｎ経過後に開動作を電源電圧の半周期の中でｎ回（ｎ≧２）、それぞれ負荷に応じて行なうものである。

この構成における開閉動作によって、主電流の通電幅に対して最適なタイミングと回数で双方向スイッチの開閉動作を実現することができ、あらゆる運転条件において最適な電源力率および効率の向上が期待でき、さらに電源高調波の抑制効果が得られる。

上記から明らかなように本発明は、交流電源からの電圧を整流する整流回路の入力端と、それぞれが直列に接続された昇圧用コンデンサ同士の接続端の間に接続された双方向スイッチを、電源の半周期に２回以上、適切なタイミングで導通するもので、この構成によれば、低負荷時から高負荷時まで安定して電源装置の力率および効率の向上と高調波電流の抑制を両立できるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における電源装置の構成を示すブロック図であり、交流電源１と、交流電圧を整流して直流電圧を生成する、２〜５の４個の整流素子からなる整流回路６と、交流電源１に直列に接続されたリアクタ７と、整流回路６の出力端子間に互いに直列接続され、また負荷に供給する直流電圧を平滑する昇圧用コンデンサａ８および昇圧コンデンサｂ９と、整流回路６の入力端と２個の昇圧用コンデンサ同士の接続端の間に接続された双方向スイッチ１０と、双方向スイッチ１０の開閉を制御する制御手段１３と、交流電源のゼロクロスを検出して双方向スイッチ検出手段に検出信号を入力するゼロクロス検出回路１２で構成される。

双方向スイッチ１０の開閉動作および交流電流ＩＬの経路に関して図２から図４を用いて説明する。図２は双方向スイッチ１０が開状態（以下オフ状態）の時の交流電流ＩＬの経路を点線で示すものである。図２から分かるように、双方向スイッチ１０がオフ状態では、交流電流ＩＬの通電区間は、交流電圧Ｖｉが直流電圧Ｖｏより大きい区間のみである。その際の交流電圧Ｖｉおよび交流電流ＩＬの波形を図３に示す。次に双方向スイッチ１０が閉状態（以下オン状態）の時の交流電流ＩＬの経路を図４に示す。双方向スイッチ１０がオン状態の時は交流電圧Ｖｉが昇圧コンデンサａ８より大きい区間で交流電流ＩＬが流れる。次に双方向スイッチ制御手段１３による、双方向スイッチ１０の開閉動作（以下オンオフ動作）に関して説明する。図５は双方向スイッチ１０を適切なタイミングで交流電源の半周期に２回オンオフした時の電流波形である。双方向スイッチ制御手段１３は、交流電源のゼロクロス点からΔｄ１経過後に１回目の双方向スイッチ１０のオン動作を行ない、オン動作のΔｔ１後に双方向スイッチ１０のオフ動作を行なう。Δｔ１の区間は双方向スイッチ１０がオフ状態では交流電流が流れない区間であるが、双方向スイッチ１０のオン動作に伴い交流電流が流れ、交流電流の通電幅が広がり、力率を向上する事ができる。

また、２回目の双方向スイッチ１０のオンオフ動作に関しても同様に、ゼロクロス点からΔｄ２経過後に双方向スイッチ１０をオン状態に、さらにΔｔ２経過後にオフ状態にする事により、さらに力率を向上する事ができる。本方式では、負荷の大小に合わせて双方向スイッチ１０のオンオフの回数およびタイミングを調整する事により、小電流から大電流まで、常に最適な制御が可能となり、力率および効率の向上、電源高調波の抑制が期待できる。図５の電流波形における高調波電流スペクトラムおよびＩＥＣ高調波規制値を図６に示す。

（実施の形態２）
図７は本発明の実施の形態２における電源装置の構成を示すブロック図であり、電源装置は直流電圧Ｖｏの値を検出する直流電圧検出手段１４を備え、検出した直流電圧は双方向スイッチ制御手段１３に伝達される。また双方向スイッチ制御手段１３の内部には、直流電圧Ｖｏの目標値を記憶する記憶手段ａを有している。双方向スイッチ制御手段１３は、直流電圧Ｖｏが目標値に近づくようにΔｄｎ、Δｔｎおよびｎを調整する。これにより負荷変動が発生した場合でも安定した直流電圧が得られ、例えばモ−タ負荷の場合は、モ−タの回転数を安定させることができる。その際の交流電圧Ｖｉ、交流電流ＶＬ、直流電圧Ｖｏおよび直流電圧目標値の波形を図８に示す。

（実施の形態３）
図９は本発明の実施の形態３における電源装置の構成を示すブロック図であり、電源装置は負荷を検出する負荷検出手段１６を備え、検出した負荷は双方向スイッチ制御手段１３に伝達される。また双方向スイッチ制御手段１３の内部には検出した負荷に基づいた最適なΔｄｎ、Δｔｎ、ｎを記憶する記憶手段ｂを有している。双方向スイッチ制御手段１３は検出した負荷に応じて記憶手段ｂからΔｄｎ、Δｔｎ、ｎを選択して双方向スイッチ１０の開閉動作を行なう。これによって小負荷時から大負荷時まで、常に最適な力率および効率の向上が実現できる。

（実施の形態４）
図１０は本発明の実施の形態４における電源装置の構成を示すブロック図であり、電源装置は直流電圧を検出する直流電圧検出手段１４と、負荷を検出する負荷検出手段１６を備え、検出された直流電圧および負荷は双方向スイッチ制御手段１３に伝達される。また双方向スイッチ制御手段１３は内部に直流電圧の目標値を記憶する記憶手段ａと負荷に基づいた最適なΔｄｎ、ｎを記憶する記憶手段ｃを備える。双方向スイッチ制御手段１３は負荷に応じてΔｄｎ、ｎを選択し、また直流電圧Ｖｏが目標電圧に近づくようにΔｔｎを調整する。これによって、Δｄｎおよびｎは検出した負荷により固定されるため、直流電圧Ｖｏを調整する制御が簡略化される。なお、上記記憶手段ｃではΔｄｎおよびｎを記憶したが、Δｄｎ、Δｔｎ、ｎのうちの２要素もしくは１要素を記憶する記憶手段を用いても同様の効果を得ることができる。

（実施の形態５）
図１１は本発明の実施の形態５における電源装置の構成を示すブロック図であり、電源装置の負荷はインバ−タ１８を含めたモ−タ負荷であり、電源装置はモ−タ１７の回転数を検出する回転数検出手段１９を備え、検出したモ−タ回転数は双方向スイッチ制御手段１３に伝達される。また双方向スイッチ制御手段１３は内部にモ−タ回転数に基づいた最適なΔｄｎ、Δｔｎ、ｎを記憶する記憶手段ｄを有し、モ−タ回転数に応じてΔｄｎ、Δｔｎ、ｎを選択して双方向スイッチのオンオフ動作を行う。これにより、モ−タの回転数変動に関わらず、安定して力率および効率の向上を図ることができる。

（実施の形態６）
図１２は本発明の実施の形態６における電源装置の構成を示すブロック図であり、電源装置の負荷はインバ−タ１８を含めたモ−タ負荷であり、電源装置はモ−タ１７の回転数を検出する回転数検出手段１９と直流電圧Ｖｏを検出する直流電圧検出手段１４を備え、検出したモ−タ回転数と直流電圧はそれぞれ双方向スイッチ制御手段１３に伝達される。また双方向スイッチ制御手段１３は内部に、直流電圧の目標値を記憶する記憶手段ａと、モ−タ回転数に基づいた最適なΔｄｎ、ｎを記憶する記憶手段ｅを有し、モ−タ回転数に応じてΔｄｎ、ｎを選択し、また直流電圧Ｖｏが目標電圧に近づくようにΔｔｎを調整する。これによって、Δｄｎおよびｎは検出した負荷により固定されるため、直流電圧Ｖｏを調整する制御が簡略化される。なお、上記記憶手段ｅではΔｄｎおよびｎを記憶したが、Δｄｎ、Δｔｎ、ｎのうちの２要素もしくは１要素を記憶する記憶手段を用いても同様の効果を得ることができる。

（実施の形態７）
図１３は本発明の実施の形態７における電源装置の構成を示すブロック図であり、電源装置の負荷はインバ−タ１８を含めたモ−タ負荷であり、電源装置はモ−タ１７の速度を制御するモ−タ速度制御手段２０を備え、また前記モ−タ速度制御手段２０から双方向スイッチ制御手段１３にはモ−タの指令速度が伝達される。また双方向スイッチ制御手段１３は内部にモ−タの指令速度に応じて最適なΔｄｎ、Δｔｎ、ｎを記憶する記憶手段ｆを有する。双方向スイッチ制御手段１３はモ−タの指令速度に応じてΔｄｎ、Δｔｎ、ｎを選択し双方向スイッチ１０のオンオフ動作を行なう。これによって、モ−タの指令速度に関わらず、安定した力率および効率の向上が可能となる。

（実施の形態８）
図１４は本発明の実施の形態８における電源装置の構成を示すブロック図であり、電源装置の負荷はインバ−タ１８を含めたモ−タ負荷であり、電源装置はモ−タ１７の速度を制御するモ−タ速度制御手段２０と、直流電圧を検出する直流電圧検出手段１４を備え、前記モ−タ速度制御手段２０から双方向スイッチ制御手段１３にはモ−タの指令速度が伝達される。また双方向スイッチ制御手段１３は内部に、直流電圧の目標値を記憶する記憶手段ａと、モ−タの指令速度に基づいた最適なΔｄｎ、ｎを記憶する記憶手段ｇを有し、モ−タ回転数に応じてΔｄｎ、ｎを選択し、また直流電圧Ｖｏが目標電圧に近づ近づくようにΔｔｎを調整する。これによって、Δｄｎおよびｎはモ−タ指令速度により固定されるため、直流電圧Ｖｏを調整する制御が簡略化される。なお、上記記憶手段ｇではΔｄｎおよびｎを記憶したが、Δｄｎ、Δｔｎ、ｎのうちの２要素もしくは１要素を記憶する記憶手段を用いても同様の効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１における電源装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態１における電源装置の電流経路を示すブロック図 本発明の実施の形態１における電源装置の電圧および電流波形図 本発明の実施の形態１における電源装置の電流経路を示すブロック図 本発明の実施の形態１における電源装置の電圧および電流波形図 本発明の実施の形態１における電源高調波スペクトラム図 本発明の実施の形態２における電源装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態２における電源装置の電圧、電流波形および直流電圧目標値と検出値を示す波形図 本発明の実施の形態３における電源装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態４における電源装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態５における電源装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態６における電源装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態７における電源装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態８における電源装置の構成を示すブロック図 従来の昇圧チョッパ回路の構成を示すブロック図 従来の全波整流回路の構成を示すブロック図 従来の全波整流回路における高負荷時の電圧および電流波形図 従来の全波整流回路における低負荷時の電圧および電流波形図

符号の説明

１ 交流電源
６ ブリッジ整流回路
７ リアクタ
８ 昇圧コンデンサａ
９ 昇圧コンデンサｂ
１０ 双方向スイッチ
１１ 負荷
１２ ゼロクロス検出回路
１３ 双方向スイッチ制御手段
１４ 直流電圧検出手段
１５ 記憶手段
１６ 負荷検出手段
１７ モ−タ
１８ インバ−タ
１９ モ−タ回転数検出手段
２０ モ−タ速度制御手段

Claims (2)

1. 交流電源からの電圧を整流して直流電圧を生成する整流回路と、前記交流電源に直列に接続されたリアクタと、前記整流回路の出力端子間に互いに直列接続され、また負荷として接続されるインバ−タ回路を有したモ−タに供給する直流電圧を平滑する２個の昇圧用コンデンサと、前記整流回路の入力端と前記昇圧用コンデンサ同士の接続端の間に接続された双方向スイッチと、前記双方向スイッチの開閉を制御する制御手段と、交流電源のゼロクロスを検出して双方向スイッチ検出手段に検出信号を入力するゼロクロス検出回路とインバ−タ周波数を検出する周波数検出手段とで構成され、
   双方向スイッチ制御手段は、ゼロクロス検出信号に基づいてゼロクロス検出信号からΔｄｎ（Δｄｎ＞０）経過後に閉動作を、ΔｄｎからさらにΔｔｎ経過後に開動作を電源電圧の半周期の中でｎ回（ｎ≧２）行ない、また電源半周期内の最後の開動作は次回のゼロクロス信号入力前に終了するものとし、さらに、前記周波数検出器により検出した周波数に応じたｎ、Δｄｎ、Δｔｎを記憶する記憶手段ｄを備え、前記記憶手段ｄからｎ、Δｄｎ、Δｔｎをそれぞれ選択して双方向スイッチの開閉動作を行うことを特徴とする電源装置。
2. 双方向スイッチ制御手段は整流回路の出力端子間の直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記直流電圧の目標値を記憶する記憶手段ａと、前記直流電圧に応じたｎ、Δｄｎ、Δｔｎの３要素中の１要素もしくは２要素を記憶する記憶手段ｅを備え、ｎ、Δｄｎ、Δｔｎの３要素中の１要素もしくは２要素を記憶手段ｅから選択し、残る要素を調整して直流電圧を目標直流電圧に整合させるように双方向スイッチの開閉動作を行なうことを特徴とする請求項１記載の電源装置。

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