JP5231149B2 - 電源周波数変換器 - Google Patents

Description

本発明は、航空機搭載電子機器用の電源周波数変換器に関する。

三相交流電源を単相の電源周波数に変換する電源周波数変換器としては、例えば、特許文献１に単相瞬時電力の脈動分を補償することができる単相／三相変換装置の制御装置が示されているが、平滑コンデンサなしで変換器を作る手法が採用されており、電源の品質が悪く航空機用レベルの電源周波数変換器には適していない。

航空機搭載用の電子機器は、航空機搭載機器用に定められた仕様に基づく航空機搭載用の電源を使用することになっている。一般に市販用として開発された電子機器を基本として、航空機搭載用の電子機器にマイナーチェンジするような機器の場合、航空機仕様の電源に適用するように電源部分を設計変更する方法が採用されるが、航空機搭載用の電源周波数に対応させることが非常に難しい電子機器の場合が存在する。航空機搭載用の電子機器の電源周波数は、航空機の機体によっても異なるが、最近では、商用電源周波数に比べて６〜１３．３倍も周波数が高く、また、周波数変動幅も４４０Ｈｚと非常に広い。

このような航空機搭載用の電源に適用させるために市販用として開発された電子機器を設計変更する場合、マイナーチェンジ程度では対応が難しい機器が存在するが、このような機器のために、航空機搭載電子機器用の電源周波数変換器（以下、「変換器」と略す。）を別個に用意し、電源周波数を一般の商用電源仕様に変換し、これを経由することで電子機器を安定に動作させるようにしている。例えば、図４は従来の変換器の概略構成を示し、図５は従来の変換器回路の概略図を示している。このような変換器の使用形態では、変換器に接続する負荷機器である電子機器によっては変換器供給側の、航空機搭載用の電源に干渉を与えることがある。

この干渉は、負荷機器の瞬時消費電力が変動するために変換器への供給電流が干渉を受けるものであり、負荷機器が単相交流電源の場合が最も顕著に発生する。負荷機器が三相交流電源で、平衡負荷状態で使用するのであれば、原理的にはこの種の干渉は発生しないが、航空機搭載電子機器用の電源周波数変換器におけるこのような干渉は、航空機電源仕様で定める負荷要求変動（Load Demand Variation）の規格を逸脱する恐れがある。
特開２００５−１６０２５７号公報

変換器にて航空機電源周波数を商用電源周波数に変換して負荷に電力を供給する場合、たとえ負荷機器の消費電流が一定値であっても、瞬時消費電力が変動する単相交流電源のような場合、この瞬時消費電力の変動の影響が、最終的に変換器の供給電源に悪影響を与える。

例えば、負荷機器が６０Ｈｚの単相交流電源であれば、瞬時消費電力は１２０Ｈｚの周期で変動し、この影響で変換器の一次側供給電源（例えば３６０Ｈｚ〜８００Ｈｚ）の供給電流が変動する（変調を受けるともいう）。これは変換器がＰＷＭスイッチで負荷機器の電源周波数を生成する変換器の内部に仲介する直流電源が蓄積している電荷量が、負荷機器の瞬時消費電力で変動し、その結果、直流電源に供給している電流値が変動することに起因している。

直流電源の蓄積電荷量は、平滑コンデンサ（図中の「Ｃ７」）の容量と充電電圧の積で決まるが、この蓄積電荷量が大きい程、負荷機器の瞬時消費電力変動の影響は小さくなる。一方、変換器への供給電源側では負荷要求変動として、負荷の影響で変動する負荷電流のピーク値とディップ値の差が平均負荷電流の５％以下と規定されている。

変換器の供給電源が負荷電源と干渉しないようにするには、仲介役となる直流電源の蓄積電荷量を増大させるか、低域通過フィルタ等を平滑回路に構成させて、前記１２０Ｈｚ成分を効果的に除去する方法がある。しかしながら変換器の出力電力が大きくなると、低域通過フィルタを構成する素子（ＬＣまたはＲＣ）の容量も大きくなるため、変換器の体積や重量が増大し、コストも割高になるといった課題があつた。

本発明の航空機搭載電子機器用の電源周波数変換器は、変換器内部の直流電源の整流器と平滑コンデンサ間に接続され、負荷機器の瞬時消費電力の変動に起因して発生する整流電流の変動を制御する電流制御回路（アクティブ素子）を設け、前記整流電流の増大時にはそれ以下の電流基準値になるように電流制限するようにした。
そしてその結果、前記平滑コンデンサへの充電電圧を抑えることにより、前記整流電流の減少時の電流を前記電流基準値付近まで引き上げさせることができ、前記整流電流をほぼ一定値に押さえ込むことで、前記負荷機器の瞬時消費電力の変動に対する一次電源への影響を緩和させ、変換器への機体供給電源の負荷要求変動仕様をクリヤーするようにした。この電流制限回路の電流基準値は、電流制御回路の平均動作電圧が基準値より高い場合には前記電流基準値を上げ、逆に電流制御回路の平均動作電圧が基準値より低い場合には前記電流基準値を下げるように電流基準値を補正することで、負荷機器の平均消費電力と供給電源の電圧値の変化に対応するように作用させ、電流制御回路が自動的に安定な動作点に移行するように制御させている。

本発明によれば、電流制御回路６はアクティブ素子を効率的に採り入れることで負荷要求変動に対応させることができるため、物量的に大掛かりとなる平滑コンデンサを増やす方法や低域通過フィルタ等を構成させる手法に比べて取り付け面積や重量が少なくまた安価であるといった利点がある。

以下、図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。

実際の実施例については、負荷機器として、汎用の電子レンジを使用し、図１に示す構成の電源周波数変換器を使用して動作させた。負荷機器の電源電圧を単相の２００Ｖ、電源周波数を６０Ｈｚ、使用電力を３０００Ｗとし、本発明の特徴である電流制御回路６を設けることで、この制御を行わない同一のものに比較し、負荷変動要求の値を１／２０以下（１００％から５％）に改善させることができた。

図１は本発明の実施例の航空機搭載電子機器用の電源周波数変換器の構成図である。図１において、１は入力コネクタ（ＣＮ１）、２は入力フィルタ、３は主電源用トランス、４は整流器、５はチョークコイル、６は電流制御回路、７は平滑コンデンサ、８はＰＷＭスイッチ、９は低域通過フィルタ、１０は電流検出器、１１は電圧検出器、１２は出力フィルタ、１３は出力コネクタ（ＣＮ２）、１４は制御用電源トランス、１５は制御用ＤＣ電源回路、１６はＰＷＭ制御回路、１７はＰＷＭスイッチ駆動回路を示している。

図２は、本発明の実施例の航空機搭載電子機器用の電源周波数変換器の概略回路図である。図２について説明する。入力コネクタ１（ＣＮ１）には機体から供給される三相交流（公称３６０Ｈｚ〜８００Ｈｚ，１１５Ｖ，Ｙ結線による給電）が接続され、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３から構成される不要放射・輻射阻止用の入力フィルタ２を経て、主電源用の電源トランス３（ＴＲ１）に入力される。電源トランス３（ＴＲ１）ではＹ結線入力を△結線出力に変換すると共に、出力電圧を約３００Ｖになるように電圧をステップアップした後、出力を整流器４（Ｄ１）に供給し、ここにて直流に変換される。

整流器４（Ｄ１）のプラス（＋）端子は力率改善用のチョークコイル５（Ｌ４）を経由してＤＣ電源用の平滑コンデンサ７（Ｃ７）のプラス端子に接続される。一方、整流器４（Ｄ１）のマイナス（−）端子は電流制御回路６を経て平滑コンデンサ７（Ｃ７）のマイナス端子に接続されている。

平滑コンデンサ７（Ｃ７）と並列にＣ７の蓄積電圧を微弱量放電するための高抵抗Ｒ９と高周波バイパスコンデンサＣ８が接続されている。平滑コンデンサ７（Ｃ７）の両端には約３００ＶのＤＣ電圧が逐次充電されながら、放電先となるＰＷＭスイッチ素子８（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）Ｑ２〜Ｑ５に供給され、ここにて負荷機器である航空機搭載用電子機器が使用する電源の周波数及び波形になるようにＰＷＭ変調（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）がなされる。

ＰＷＭ変調された出力はＬ５，Ｌ６，Ｃ９からなる低域通過フィルタ９を通り、ＰＷＭ変調波の高調波成分を阻止したのち、電流検出器１０（ＣＴ１）と電圧検出器１１（ＴＲ３）を経由し、Ｌ７，Ｌ８，Ｃ１０，Ｃ１１，Ｃ１２からなる不要放射・輻射阻止用の出力フィルタ１２を経て、出力コネクタ１３（ＣＮ２）より負荷機器に電力が供給される。

制御用電源トランス１４（ＴＲ２）の一次入力には、入力コネクタ１（ＣＮ１）のＡ相交流電圧が供給され、制御用電源トランス１４（ＴＲ２）二次出力は制御回路で使用する４種類の直流電圧を発生するための交流電圧を発生し、制御用ＤＣ電源回路１５に供給される。制御用ＤＣ電源回路１５では、ＰＷＭコントローラ１６のための１２Ｖ電源とＰＷＭスイッチドライブ１７で使用する３種類の２０Ｖ電圧を発生し、ＰＷＭコントローラ１６とＰＷＭスイッチドライブ１７へそれぞれ出力している。

ＰＷＭコントローラ１６では負荷機器で使用する電源用として単相２００Ｖ，６０Ｈｚ、電力３０００Ｗを出力するための４種類のＰＷＭ変調波を発生している。ＰＷＭ波形は電圧検出器１１からの出力電圧情報を受け取り、ＰＷＭ変調波形生成回路にフィードバックし、定格電圧の２００Ｖを維持するように制御される。

また、電流検出器１０が２０Ａ以上と感知した場合は、負荷が異常で過電流が流れたと見做し、ＰＷＭ出力を停止するようにしている。ＰＷＭスイッチドライブ１７は、ＰＷＭコントローラ１６で生成された４種類のＰＷＭ変調波形をＰＷＭスイッチ８のＱ２〜Ｑ５のゲートを駆動する為の電圧に変換している。

次に、電流制御回路６の動作について述べる。図３は、本発明の実施例の電源周波数変換器の電流制御回路６の実施回路図である。抵抗Ｒ１は電流制御回路６を動作させるための直流電圧を、前記平滑コンデンサ７（Ｃ７）（＋）端子の３００Ｖから分割するための抵抗である。ダイオードＤ２は電流制御回路６で使用する直流電圧を１８Ｖに制御するための定電圧ダイオードである。

コンデンサＣ４は、ダイオードＤ２と並列接続される１８Ｖ直流電圧のバイパスコンデンサである。抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３は電流制御の基準電流の元となる基準電圧０．３５Ｖを前記１８Ｖ直流電圧から分割している。

差分増幅器Ｕ１Ａには、３番（＋）入力端子に前記基準電圧０．３５Ｖ、また２番（−）入力端子に抵抗器Ｒ８の電流検出電圧が入力され、ここにて両入力の差分電圧を増幅し１番出力端子より電流制御素子Ｑ１のゲート端子に出力している。

アクティブ素子である電流制御素子Ｑ１は、差分増幅器Ｕ１Ａの１番端子からの出力電圧でドレイン端子からソース端子に流れる電流を制御している。電流制御素子Ｑ１のドレイン端子は電流保護抵抗Ｒ７を経由して平滑コンデンサＣ７のマイナス端子に接続されている。電流制御素子Ｑ１のソース端子は、電流検出抵抗Ｒ６を経由して、整流器４の整流ダイオードＤ１のマイナス端子に接続されている。これにより差分増幅器Ｕ１Ａと電流制御素子Ｑ１は、負帰還回路を形成することになり、差分増幅器Ｕ１Ａの３番端子と２番端子のそれぞれの電圧がほぼ同電圧となるように帰還制御させている。

抵抗Ｒ８と３６Ｖ定電圧ダイオードＤ３は直列に接続され、平滑コンデンサＣ７のマイナス端子と前記差分増幅器Ｕ１Ａの３番端子に接続され、この間の電圧が３６Ｖを超えた場合に電流が流れ、差分増幅器Ｕ１Ａの３番端子の電圧を引き上げ、結果的に電流制御素子Ｑ１をオン状態にし、電流制御素子Ｑ１が過電圧や過電力で破損しないように保護している。

また、抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ５は直列接続され電流制御素子Ｑ１のドレイン端子と差分増幅器Ｕ１Ａの３番端子の間に接続され、コンデンサＣ５は、抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ５の接続点と１８ＶのＤＣ電源のマイナス端子間に接続されており、これにより負荷機器の瞬時消費電力の変動で発生する１２０Ｈｚのリップル成分をバイパスし、電流制御素子Ｑ１のドレイン端子電圧に比例して電流制御素子Ｑ１に流れる電流を増減させている。

これにより電流制御素子Ｑ１の平均動作電圧が基準値より高い場合には、前記基準電圧０．３５Ｖを上げ、逆に電流制御素子Ｑ１の平均動作電圧が基準値より低い場合には、前記基準電圧０．３５Ｖを下げるようにして、電流制御素子Ｑ１の電流を補正することで、負荷機器の平均消費電力と供給電源の電圧値の変化に対応するように作用させている。

以上のように電流制御回路６を構成することで、負荷機器の瞬時消費電力の変動に起因して発生するＰＷＭスイッチ８への供給電流の変動が、平滑コンデンサ７（Ｃ７）への供給電流の変動につながったとしても、整流器４の整流電流を、整流電流の増大時には基準電圧値以下になるように電流制限することで、整流電流の減少時には電流を基準電圧値付近まで引き上げるようにして直流電源の充電電流の変動を抑え込むようにしている。

一般に定電流源からコンデンサと可変抵抗の並列回路へ電流供給を行う場合を考えてみる。可変抵抗の値を一定の周期で増加または減少させると、コンデンサには同じ周期で低下または上昇を繰り返すリップル電圧が充電電圧に重畳される。このリップル電圧の振幅はコンデンサの容量が大きい程小さくなり、またこの充電電圧は定電流源からの電流に比例し増減する。このためコンデンサのリップル電圧のピークが高くなり過ぎると、定電流源を構成する回路との電位差が十分でなく、充電電流を一定に流すことができなくなってしまう。

このことから、整流器４からの整流電流を一定値に制御すると、負荷機器の瞬時消費電力が変動することの影響が平滑コンデンサ７（Ｃ７）のリップル電圧として現れる。このリップル電圧を一定の範囲に収めることができ、後続のＰＷＭ変調の動作を正常に遂行することができれば、負荷機器の瞬時消費電力変動の影響は一次側の電源に全く与えないことになる。

しかしながら、このような好状態で変換器を動作させるためには、平滑コンデンサ７の容量をそれなりに大きくする必要があり実用的ではない場合がでてくる。平滑コンデンサ７の容量が小さいと、前途のように充電電圧に重畳するリップル電圧のピーク付近で充電電流を流し込めない問題が発生する。本発明の特徴は、例えこのような問題があっても、電流制限回路６の基準電流を適切に設定することで、充電電圧をできる限り引き下げ、その分リップル電圧のピーク付近での充電電流を増強させることで負荷機器の瞬時消費電力変動の影響が一次側電源にできる限り与えないようにしている点にある。

すでに説明したように、図４から図７は、図１の電流制御回路６を備えていない従来のタイプの電源周波数変換器を示している。図４，５の従来タイプの電源周波数変換器では、負荷機器の瞬時消費電力の変動で発生する整流器４の電流が変化してしまい一次側の電源電流の変動を抑え込むことができず、航空機電源仕様で定める負荷要求変動の規格をクリヤーすることができない。

また、図６，７は、別の従来タイプの電源周波数変換器であり、直流電源に充電電圧に重畳するリップル電圧を減衰させるための低域通過フィルタを採り込んだ航空機搭載電子機器用の電源周波数変換器の参考例として示している。

図６において、１は入力コネクタ（ＣＮ１）、２は入力フィルタ、３は主電源用トランス、４は整流器、５はチョークコイル、６は電流制御回路、７は平滑コンデンサ、８はＰＷＭスイッチ、９は低域通過フィルタ、１０は電流検出器、１１は電圧検出器、１２は出力フィルタ、１３は出力コネクタ（ＣＮ２）、１４は制御用電源トランス、１５は制御用ＤＣ電源回路、１６はＰＷＭ制御回路、１７はＰＷＭスイッチ駆動回路を示し、１８は平滑コンデンサ、１９はチョークコイルを示している。

ここでは、整流器４と平滑コンデンサ７間に平滑コンデンサ１８、チョークコイル１９を追加することで、π型低域通過フィルタを構成させて、負荷機器の瞬時消費電力変動の影響で発生する充電電圧に重畳するリップル電圧を整流器４の手前で減衰させるようにしている。参考例の方法では、変換器の出力電力が大きくなると、低域通過フィルタを構成する各素子の容量が大きくなるため、変換器の体積や重量が増大し、コストも割高になる。

本発明の実施例では、航空機搭載電子機器用の電源周波数変換器について説明したが、本発明の電源周波数変換器及びその電流制御回路は航空機搭載用電源と同等な電源周波数変換器として広範囲に適用可能である。また、本実施例では、電源周波数変換器と負荷機器とが別々の機器として説明しているが、負荷機器の中に電源周波数変換器を設け、一体化された機器であっても、本発明の効果に何ら変わりはない。

図１は、本発明の実施例の航空機搭載電子機器用の電源周波数変換器の構成図である。 図２は、本発明の実施例の航空機搭載電子機器用の電源周波数変換器の概略回路図である。 図３は、本発明の実施例の電源周波数変換器の電源制御回路の実施回路図である。 図４は、電源制御回路を備えていない従来の航空機搭載電子機器用の電源周波数変換器の構成図である。 図５は、電源制御回路を備えていない従来の航空機搭載電子機器用の電源周波数変換器の概略回路図である。 図６は、ＤＣ電源に低域通過フィルタを採り込んだ参考例である別の従来の航空機搭載電子機器用の電源周波数変換器の構成図である。 図７は、ＤＣ電源に低域通過フィルタを採り込んだ参考例である別の従来の航空機搭載電子機器用の電源周波数変換器の概略回路図である。

符号の説明

１ 入力コネクタ
２ 入力フィルタ
３ 主電源用トランス
４ 整流器
５ チョークコイル
６ 電流制御回路
７ 平滑コンデンサ
８ ＰＷＭスイッチ
９ 低域通過フィルタ
１０ 電流検出器
１１ 電圧検出器
１２ 出力フィルタ
１３ 出力コネクタ
１４ 制御用電源トランス
１５ 制御用ＤＣ電源回路
１６ ＰＷＭ制御回路
１７ ＰＷＭスイッチ駆動回路
１８ 平滑コンデンサ
１９ チョークコイル

Claims (2)

1. 航空機機体から三相の交流電源が供給され、整流器と平滑コンデンサにより直流電源に変換されたのち、ＰＷＭスイッチ素子により、負荷機器の商用の単相電源周波数に変換され、負荷機器に電力が供給される航空機搭載電子機器用の電源周波数変換器において、
   前記直流電源の整流器と平滑コンデンサの間に接続され、この整流器から平滑コンデンサに流れる整流電流の変動を制御するアクティブ素子を有する電流制御回路を備えており、
   前記負荷機器による瞬時消費電力の変動に伴い発生する前記整流電流の変動に対して、前記電流制御回路が、前記整流電流の増大時には所定の電流基準値以下になるように電流制限し、前記平滑コンデンサへの充電電圧を抑えることにより、前記整流電流の減少時には電流を前記電流基準値付近まで引き上げて、前記整流電流をほぼ一定値に押さえ込むことで、前記負荷機器の瞬時消費電力の変動に対する一次電源への影響を緩和させ、
   前記電流制御回路の整流電流の増大時に所定の電流基準値以下になるように電流制限する際に、電流制御回路の平均動作電圧が基準値より高い場合には、前記電流基準値を上げ、逆に電流制御回路の平均動作電圧が基準値より低い場合には、前記電流基準値を下げるように電流基準値を補正することで、負荷機器の平均消費電力と供給電源の電圧値の変化に対応するように作用させ、電流制御回路が自動的に安定な動作点に移行するように制御させて、前記負荷機器の瞬時消費電力の変動に対する一次電源への影響を緩和させることを特徴とする航空機搭載電子機器用の電源周波数変換器。
2. 請求項１に記載の航空機搭載電子機器用の電源周波数変換器が、負荷機器と一体化されたことを特徴とする航空機搭載電子機器用の電源周波数変換器。

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