JP5148261B2

JP5148261B2 - 直流電源装置

Info

Publication number: JP5148261B2
Application number: JP2007331095A
Authority: JP
Inventors: 博文堀野
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2027-12-21
Also published as: JP2009153349A

Description

この発明は、電源力率を改善する直流電源装置に関する。

交流電源の電圧にリアクタを介して接続される整流回路を備えた直流電源装置では、交流電源の電圧が零クロス点を通過した後の短期間だけリアクタを通して交流電源に対する短絡路を形成し、これにより電源力率を改善するものがある。

このような直流電源装置では、短絡路を形成するための手段として例えばバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチ素子が用いられるが、交流電源の電圧や周波数の変動により、スイッチ素子のオンにより形成される短絡路に過電流が流れることがある。この場合、スイッチ素子が破壊される可能性がある。

そこで、スイッチ素子のオンにより形成される短絡路にヒューズを介在させ、過電流時にこのヒューズが溶断することによってスイッチ素子の破壊を防ぐものがある（例えば特許文献１）
特開２００６−１６６７００号公報

ただし、上記のようにヒューズの溶断によってスイッチ素子を保護するものでは、一旦、ヒューズが溶断してしまうと、それを新しいヒューズに交換するまで、短絡路を形成できないという問題がある。

そこで、スイッチ素子のオンにより形成される短絡路に、ヒューズに代えて、過電流の検出時に電流径路を遮断する構成の電流検出器を設けることが考えられる。

しかしながら、この場合、直流電源装置には装置全体に流れる電流を検出する電流検出器があり、これに加えて新たな電流検出器を設けることは、コスト上昇を招くという新たな問題がある。

この発明は、上記の事情を考慮したもので、その目的は、コスト上昇を招くことなく、電源力率改善用のスイッチ素子を過電流から保護することができる直流電源装置を提供することである。

請求項１に係る発明の直流電源装置は、交流電源に接続された第１整流回路と、前記交流電源に接続された第２整流回路と、前記交流電源と前記各整流回路との接続間に設けられたリアクタと、このリアクタを通して流れる交流電流を検出する電流検出手段と、前記リアクタおよび前記第２整流回路を通して前記交流電源に対する短絡路を形成するためのスイッチ素子と、前記交流電源の電圧が零クロス点を通過した後の短期間だけ前記スイッチ素子をオンする制御手段とを備え、前記第１整流回路の出力電圧を負荷へ供給するものであって、前記電流検出手段の検出電流が電流値Ｉ１以上の過電流か否かを判定する判定手段と、この判定手段で過電流が判定されたとき、前記スイッチ素子のオン動作を停止する制御手段と、を備える。前記負荷は、前記電流検出手段の検出電流が過電流値Ｉ２以上の場合に周波数の低下制御を受けるモータ駆動用のインバータ装置である。前記電流値Ｉ１は、前記過電流値Ｉ２より小さい。

この発明の直流電源装置によれば、コスト上昇を招くことなく、電源力率改善用のスイッチ素子を過電流から保護することができる。

以下、この発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、商用交流電源１にリアクタ２を介して第１整流回路３の入力端子３ａ，３ｂが接続される。第１整流回路３は、ブリッジ接続された４つのダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を有し、入力端子３ａ，３ｂに入力される交流電圧を全波整流して正側出力端子３ｃおよび負側出力端子３ｄから出力する。この第１整流回路３の正側出力端子３ｃと負側出力端子３ｄとの間に平滑コンデンサ４が接続され、その平滑コンデンサ４に負荷５が接続される。

すなわち、商用交流電源１の交流電圧の正レベル期間では、実線矢印で示すように、商用交流電源１の一端からリアクタ２、入力端子３ａ、ダイオードＤ１、正側出力端子３ｃを通って平滑コンデンサ４および負荷５に電流が流れ、平滑コンデンサ４および負荷５を経た電流が負側出力端子３ｄ、ダイオードＤ４、入力端子３ｂを通って商用交流電源１の他端に流れる。商用交流電源１の交流電圧の負レベル期間では、商用交流電源１の他端から入力端子３ｂ、ダイオードＤ２、正側出力端子３ｃを通って平滑コンデンサ４および負荷５に電流が流れ、平滑コンデンサ４および負荷５を経た電流が負側出力端子３ｄ、ダイオードＤ３、入力端子３ａ、リアクタ２を通って商用交流電源１の一端に流れる。こうして、第１整流回路３から負荷５へ直流電圧が供給される。

また、商用交流電源１にリアクタ２を介して第２整流回路６の入力端子６ａ，６ｂが接続される。第２整流回路６は、ブリッジ接続された４つのダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を有するとともに、入力端子６ａ，６ｂ、正側出力端子６ｃおよび負側出力端子６ｄを有する。

そして、リアクタ２および第２整流回路６を通して商用交流電源１に対する短絡路が形成される位置に、具体的には第２整流回路６の正側出力端子６ｃと負側出力端子６ｄとの間に、スイッチ素子７が接続される。このスイッチ素子７は、例えばバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどいずれでもよく、制御部８によりオンとオフが制御される。

一方、リアクタ２と整流回路３，６との間の電源ラインＬに電流検出器１０が設けられ、この電流検出器１０の検出結果が上記制御部８および過電流判定器２０に供給される。電流検出器１０は、装置全体に流れる交流電流を検出するために元々設けられているもので、図２に示すように、リアクタ２を通る電流経路の電源ラインＬに設けられたコア１１とそのコア１１に巻回されたコイル１２からなる電流トランスを有し、この電流トランスの出力電圧をダイオードブリッジの全波整流回路１３により全波整流して抵抗器１４に印加する。この抵抗器１４に生じる電圧が検出結果として出力される。

負荷５がモータ駆動用のインバータ装置の場合、負荷であるモータの状態に応じて過電流が流れることがある。そこで、電流検出器１０の検出電流値が予め定められた電流値以上になると、インバータ装置の周波数を低下させるなどの保護動作が行なわれる。

過電流判定器２０は、図２に示すように、抵抗器１４に生じる電圧が正側入力端子に入力される比較器２１、この比較器２１の負側入力端子に接続された定電圧源２２を有し、抵抗器１４に生じる電圧と定電圧源２２の設定電圧とを比較器２１で比較することにより、電流検出器１０の検出電流が過電流か否かを判定する。

制御部８は、主要な機能として、次の（１）〜（３）の手段を有する。
（１）電流検出器１０の抵抗器１４に生じる電圧を電流または電力に換算し、その換算値から装置の運転状況を監視する監視手段。
（２）商用交流電源１の電圧を取込み、その交流電圧が零クロス点を通過した後の短期間だけスイッチ素子７をオンする電源力率改善用の制御手段。
（３）過電流判定器２０で過電流が判定されたとき、電源力率改善のためのスイッチ素子７のオン動作を停止する制御手段。

つぎに、作用について説明する。
商用交流電源１の交流電圧が負レベル期間から零クロス点を通過して正レベル期間に移行するとき、その零クロス点を通過した後の短期間だけスイッチ素子７がオンする。このオンにより、一点鎖線の矢印で示すように、商用交流電源１の一端からリアクタ２、入力端子６ａ、ダイオードＤ１、正側出力端子６ｃを通ってスイッチ素子７に電流が流れ、スイッチ素子７を経た電流が負側出力端子６ｄ、ダイオードＤ４、入力端子６ｂを通って商用交流電源１の他端に流れる。商用交流電源１の交流電圧が正レベル期間から零クロス点を通過して負レベル期間に移行するときには、その零クロス点を通過した後の短期間だけスイッチ素子７がオンする。このオンにより、商用交流電源１の他端から入力端子６ｂ、ダイオードＤ２、正側出力端子６ｃを通ってスイッチ素子７に電流が流れ、スイッチ素子７を経た電流が負側出力端子６ｄ、ダイオードＤ３、入力端子６ａ、リアクタ２を通って商用交流電源１の一端に流れる。

こうして、リアクタ２、第２整流回路６、およびスイッチ素子７を通して商用交流電源１に対する短絡路が一時的に形成されることにより、リアクタ２にエネルギーが蓄えられる。この後、スイッチ素子７がオフして短絡路が遮断されることにより、リアクタ２に蓄えられたエネルギーが第１整流回路３を経由して平滑コンデンサ４および負荷５へ供給される。この動作が繰り返されることにより、電源力率が改善される。

また、電源ラインＬの交流電流が電流検出器１０で常に検出されており、その電流検出器１０の検出電流が過電流か否かが過電流判定器２０で判定される。仮に、過電流判定器２０で過電流が判定された場合には、電源力率改善のためのスイッチ素子７のオン動作が停止される。なお、スイッチ素子７がオンした際に過電流判定器２０で過電流が検出された場合には、スイッチ素子７が直ちにオフされる。

したがって、スイッチ素子７を用いて電源力率の改善を図りながら、過電流によるスイッチ素子７の破壊を未然に防ぐことができる。

とくに、装置全体に流れる交流電流を検出するために元々設けられている電流検出器１０をそのまま利用し、それに電圧比較を行う構成の過電流判定器２０を設けただけの簡単な構成であるから、短絡路に新たな電流検出器を設ける場合に比べ、コストを抑えることができる。ここで、過電流判定器２０での過電流と判断する電流値Ｉ１と、負荷５がモータ駆動用のインバータ装置の場合にインバータ装置の周波数を低下させるなどの保護動作を行う過電流値Ｉ２との関係は、Ｉ１＜Ｉ２の関係に設定される。これは、インバータ装置の周波数を低下させている途中でスイッチ素子７を停止させると直流電圧が変化し、さらに過電流が大きくなってしまうという問題を回避するためである。

また、本実施形態では、電流検出器１０および過電流判定器２０は、電源ラインＬの交流電流を電流トランスで検出し、その検出した交流電流を全波整流し、その全波整流により得られる電圧と設定電圧との比較により過電流を判定する構成であるから、交流電流の正負両方向における過電流検出レベルを等しくすることができる。これにより、過電流判定の信頼性が向上する。

なお、上記実施形態では、スイッチ素子７として例えばバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどを用いる構成としたが、その種類について限定はなく、短絡路に流れる電流の大きさなどに応じて適宜に選定可能である。その他、この発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、要旨を変えない範囲で種々変形実施可能である。

一実施形態の構成を示すブロック図。一実施形態における電流検出器および過電流検出器の具体的な構成を示すブロック図。

符号の説明

１…商用交流電源、２…リアクタ、３…第１整流回路、３ａ，３ｂ…入力端子、３ｃ…正側出力端子、３ｄ…負側出力端子、４…平滑コンデンサ、５…負荷、６…第２整流回路、６ａ，６ｂ…入力端子、６ｃ…正側出力端子、６ｄ…負側出力端子、７…スイッチ素子、８…制御部、１０…電流検出器、１１…コア、１２…コイル、１３…全波整流回路、１４抵抗器、２０…過電流検出器、２１…比較器、２２…設定電圧回路

Claims

交流電源に接続された第１整流回路と、前記交流電源に接続された第２整流回路と、前記交流電源と前記各整流回路との接続間に設けられたリアクタと、このリアクタを通して流れる交流電流を検出する電流検出手段と、前記リアクタおよび前記第２整流回路を通して前記交流電源に対する短絡路を形成するためのスイッチ素子と、前記交流電源の電圧が零クロス点を通過した後の短期間だけ前記スイッチ素子をオンする制御手段とを備え、前記第１整流回路の出力電圧を負荷へ供給する直流電源装置において、
前記電流検出手段の検出電流が電流値Ｉ１以上の過電流か否かを判定する判定手段と、
この判定手段で過電流が判定されたとき、前記スイッチ素子のオン動作を停止する制御手段と、
を備え、
前記負荷は、前記電流検出手段の検出電流が過電流値Ｉ２以上の場合に周波数の低下制御を受けるモータ駆動用のインバータ装置であり、
前記電流値Ｉ１は、前記過電流値Ｉ２より小さい、
ことを特徴とする直流電源装置。