JP5316656B2 - 電力変換回路 - Google Patents

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Description

この発明は負荷からの漏洩電流を低減する技術に関する。
従来より、負荷からの漏洩電流を低減する技術が提案されている。例えば下掲の特許文献1,2は、平滑コンデンサの両端に接続された補償電流供給回路が、負荷からの漏洩電流を補償する電流を出力する技術を開示している。
また特許文献3は平滑コンデンサを設けない構造において、全波整流回路たるダイオードブリッジとインバータ装置とを結ぶ正側入力ラインと負側入力ラインとの間にノイズ低減回路が設けられている。当該ノイズ低減回路は、二つのトランジスタを有しており、これらは互いに逆にオン・オフ動作する。
特許第3044650号公報 特開平11−122910号公報 特開2000−92861号公報
特許文献1、2に記載の技術では、平滑後の直流電圧に基づいて補償電流供給回路が動作する。特許文献3に記載の技術では、平滑コンデンサが採用されていないが、ノイズ低減回路において、漏洩電流を検出した電圧を増幅器で増幅して二つのトランジスタを駆動し、これらをオン・オフ動作させている。
よっていずれの特許文献に記載の技術でも、全波整流回路に入力する交流の波形に依存せずに補償電流を出力する。
図5は平滑コンデンサが採用されない場合に全波整流回路に入力する交流電圧Vs及び交流電流Isと、漏洩電流Iaとの関係を模式的に示すグラフである。漏洩電流Iaは、入力電流Isが大きいほど増大する。平滑コンデンサが採用されても、その両端電圧が脈動していれば同様の傾向がある。
よって漏洩電流Iaが小さく、これを低減する必要が無い場合にも、特許文献1〜3では漏洩電流を補償する回路が動作することになる。これは消費電力を省力化する観点で望ましくない。
本発明はかかる課題を解決するためになされたもので、漏洩電流が顕著ではない区間以外で補償電流を出力することで、補償電流を流すことによる損失を低減することを目的とする。
この発明にかかる電力変換回路の第1の態様は、交流を直流に変換するコンバータ(11)と、直流リンク(15)と、前記直流リンクを介して前記コンバータと接続され、直流を交流に変換し、当該交流を負荷(4)に出力するインバータ(14)と、前記負荷から漏洩する漏洩電流(Ia)に対応する検出電流(Ib)を出力する漏洩電流検出器(21)と、前記検出電流に応答して前記漏洩電流を補償する補償電流(Ic)を出力する補償電流出力端(223)とを有し、前記補償電流出力端が前記負荷の漏洩電流が漏洩する箇所(41)に接続される補償電流出力部(22)と、前記検出電流の前記補償電流出力部への入力の可否を設定するスイッチ(8)を備える。
この発明にかかる電力変換回路の第2の態様は、交流を直流に変換するコンバータ(11)と、直流リンク(15)と、前記直流リンクを介して前記コンバータと接続され、直流を交流に変換し、当該交流を負荷(4)に出力するインバータ(14)と、前記負荷から漏洩する漏洩電流(Ia)に対応する検出電流(Ib)を出力する漏洩電流検出器(21)と、前記検出電流に応答して前記漏洩電流を補償する補償電流(Ic)を出力する補償電流出力端(223)を有し、前記補償電流出力端が前記負荷の漏洩電流が漏洩する箇所(41)に接続される補償電流出力部(22)と、前記検出電流の前記補償電流出力部への入力の可否を設定するスイッチ(8)と、前記検出電流(Ib)に比例したモニタ電流(Ie)に基づいて前記スイッチ(8)の開閉を制御する制御部(7)とを備える。そして前記漏洩電流検出器(21)は、前記コンバータ(11)に流れる一対の電流同士の差分から前記検出電流(Ib)を流す第1コイルと、前記第1コイルと誘導結合して前記モニタ電流が流れる第2コイルとを有する。そして前記モニタ電流あるいは前記第2コイルの両端電圧の瞬時値の大きさ、平均値の大きさ、ピーク値の大きさの少なくともいずれか一つが所定の閾値よりも大きいときのみ前記スイッチが導通する。
この発明にかかる電力変換回路の第3の態様は、交流を直流に変換するコンバータ(11)と、直流リンク(15)と、前記直流リンクを介して前記コンバータと接続され、直流を交流に変換し、当該交流を負荷(4)に出力するインバータ(14)と、前記負荷から漏洩する漏洩電流(Ia)に対応する検出電流(Ib)を出力する漏洩電流検出器(21)と、前記検出電流に応答して前記漏洩電流を補償する補償電流(Ic)を出力する補償電流出力端(223)を有し、前記補償電流出力端が前記負荷の漏洩電流が漏洩する箇所(41)に接続される補償電流出力部(22)と、前記検出電流の前記補償電流出力部への入力の可否を設定するスイッチ(8)と、前記コンバータ(11)に入力する交流電圧(Vs)の振幅に基づいて前記スイッチ(8)の開閉を制御する制御部(7)とを備える。そして前記交流電圧の絶対値が所定の閾値よりも大きいときのみ前記スイッチが導通する。
この発明にかかる電力変換回路の第4の態様は、その第1の態様乃至第3の態様のいずれかであって、前記直流リンク(15)は平滑コンデンサ(13)を含む。
この発明にかかる電力変換回路の第5の態様は、その第1乃至第4の態様のいずれかであって、前記直流リンク(15)は昇圧チョッパ回路(12)を含む。
この発明にかかる電力変換回路の第6の態様は、その第5の態様であって、前記昇圧チョッパ回路(12)の駆動/停止に対応して、前記スイッチ(8)がそれぞれ導通/非導通する。
この発明にかかる電力変換回路の第7の態様は、その第1の態様乃至第6の態様のいずれかであって、前記補償電流出力部(22)は、その一対の入力端(224、225)の間に直列接続される第1のトランジスタ(221)と第2のトランジスタ(222)とを備える。そして前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタとは相互に導電型が異なり、前記第1のトランジスタの制御電極と前記第2のトランジスタの制御電極とは共通に接続され、前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタとが接続される接続点が前記補償電流出力端(223)に接続され、前記接続点と、前記第1のトランジスタの制御電極と前記第2のトランジスタの制御電極との間に前記検出電流が流れる。
この発明にかかる電力変換回路の第1の態様によれば、スイッチによって、漏洩電流が顕著な区間のみで補償電流を出力することができるので、補償電流を流すことによる損失を低減できる。
この発明にかかる電力変換回路の第2の態様又は第3の態様によれば、モニタ電流による検出電流の減少を低減できる。
この発明にかかる電力変換回路の第4の態様によれば、インバータに入力する直流電圧を平滑するので、インバータの制御が容易となる。
この発明にかかる電力変換回路の第5の態様及び第6の態様によれば、コンバータが出力する直流電圧を昇圧するので、電力変換回路の力率を改善することができる。
特に第6の態様によれば、昇圧チョッパ回路の停止時における消費電力を低減できる。
この発明にかかる電力変換回路の第7の態様によれば、漏洩電流に対応する補償電流を、接続点から漏洩箇所へと流すことができる。
この発明の実施の形態に係る電力変換回路の構成を、その周辺部と共に示す回路図である。 この発明の実施の形態に係る電力変換回路の他の構成を、その周辺部と共に示す回路図である。 この発明の実施の形態に係る電力変換回路の更に他の構成を、その周辺部と共に示す回路図である。 この発明に係る電力変換回路の実施の形態の変形を示す回路図である。 漏洩電流とコンバータに入力する交流電圧、交流電流の波形との関係を示すグラフである。 漏洩電流とコンバータに入力する交流電圧、交流電流の波形との他の関係を示すグラフである。
図1はこの発明の実施の形態に係る電力変換回路の構成を、その周辺部と共に示す回路図である。当該電力変換回路は、コンバータ11と、直流リンク15と、インバータ14と、漏洩電流低減装置2とを備えている。
コンバータ11は交流電源3から入力する交流を直流に変換する。インバータ14は直流を交流に変換し、当該交流を負荷4に出力する。インバータ14は、直流リンク15を介してコンバータ11と接続される。コンバータ11には交流電圧Vs及び交流電流Isが入力する。
直流リンク15は正極側の直流電源線15aと、負極側の直流電源線15bとを含む。
図1ではコンバータ11としてダイオードブリッジが例示されているが、それ以外に、例えばパルス幅変調を採用したアクティブコンバータであってもよい。
負荷4は例えば空気調和機の冷媒を圧縮する圧縮機に採用されるモータである。当該モータは圧縮機中の圧縮要素と共に冷媒や潤滑油に晒される。よって当該圧縮機の外郭との間に浮遊容量を有している。特に潤滑油が冷媒に溶け込んだ、いわゆる「寝込み」の状態にあるときに冷媒の誘電率が上昇し、当該浮遊容量は増大して漏洩電流の発生が顕著となる。
漏洩電流低減装置2は負荷4から漏洩する漏洩電流Iaを補償する補償電流Icを出力する。漏洩電流低減装置2は、漏洩電流検出器21と、補償電流出力部22と、スイッチ8とを備える。
漏洩電流検出器21は、コンバータ11に入力される一対の電流同士の差分から漏洩電流Iaに対応する検出電流Ibを出力する。具体的には漏洩電流検出器21は例えば、交流電源3とコンバータ11との間に設けられるコモンモードチョーク及びこれに誘導結合したコイルを有している。よって当該コイルに検出電流Ibが流れる。このような構成自体は例えば上述の特許文献1〜3によって周知であるので、詳細は説明しない。
補償電流出力部22は、一対の入力端224、225と、補償電流出力端223とを有する。補償電流出力部22は入力端224、225を介して直流リンク15に対して並列に接続される。補償電流出力端223は補償電流Icを出力する。補償電流Icは、検出電流Ibに応答して漏洩電流Iaを補償する。補償電流出力端223は負荷4の漏洩電流が漏洩する箇所41に接続される。箇所41は例えば接地Gへと接地される。あるいは接地Gと箇所41との間には寄生インピーダンスが存在する。図1及びそれ以降の図面では、当該寄生インピーダンスが存在する可能性を、箇所41と接地Gとの間の破線で示している。
具体的には補償電流出力部22は例えば、その一対の入力端224、225の間に直列接続されるトランジスタ221,222を備える。トランジスタ221,222は相互に導電型が異なる。具体的にはトランジスタ221はPNP型であり、トランジスタ222はNPN型である。トランジスタ221,222同士が接続される接続点が補償電流出力端223に接続される。後述するスイッチ8が導通するときには、当該接続点と、トランジスタ221,222のベースとの間に検出電流Ibが流れる。
具体的にはトランジスタ221の制御電極たるベースと、トランジスタ222の制御電極たるベースとは、例えば抵抗を介して(更に後述するようにスイッチ8を介して)漏洩電流検出器21に接続される。当該抵抗に検出電流Ibが流れることにより、ベースバイアス電圧がトランジスタ221,222に引加されることになる。
補償電流出力端223から補償電流Icが箇所41に流れる。但し、補償電流Icから直流分をカットするために、補償電流出力端223と箇所41との間に容量性のインピーダンスを持つ素子226、例えばコンデンサを設けることが望ましい。
補償電流出力部22の構成自体も例えば上述の特許文献1〜3によって周知であるので、詳細は説明しない。
スイッチ8は、検出電流Ibが補償電流出力部22に入力することの可否を設定する。具体的には例えば、トランジスタ221,222のベースに接続された抵抗と、漏洩電流検出器21との間にスイッチ8が設けられる。そしてスイッチ8の開閉の制御が制御部7によって制御される。
図1では制御部7は、検出電流Ibが得られるコイルの両端電圧を検出する場合が示されている。しかし、制御部7の入力インピーダンスが小さい場合には、モニタ電流Ieの減少が懸念される。
図4は電力変換回路の変形を制御部7の周辺に限定して示す回路図である。図4に示される変形では、漏洩電流検出器21は、検出電流Ibが流れる第1コイルと、第1コイルと誘導結合してモニタ電流Ieが流れる第2コイルとを有している。モニタ電流Ieは検出電流Ibに比例するので、制御部7はモニタ電流Ieに基づいてスイッチ8の開閉を制御することができる。この場合、制御部7の入力インピーダンスが小さくても、モニタ電流Ieは減少しにくい。
制御部7は例えば上記コイルの両端電圧、あるいはモニタ電流Ieについて、下記の判断を行ってスイッチ8の開閉を制御する。
(i)瞬時値の大きさが所定の閾値よりも大きいときのみスイッチ8を導通;
(ii)平均値の大きさが所定の閾値よりも大きいときのみスイッチ8を導通;
(iii)ピーク値(AM検波)の大きさが所定の閾値よりも大きいときのみスイッチ8を導通。
これにより、補償電流出力部22は漏洩電流Iaが顕著でない区間以外で補償電流Icを流すことになる。
あるいは更に、制御部7は交流電圧Vsの絶対値が所定の閾値よりも大きいときのみスイッチ8を導通させても、漏洩電流Iaが顕著でない区間以外で補償電流Icを流すことになる。図5で示されるように、交流電圧Vsの絶対値が小さいほど、漏洩電流Iaは小さいからである。
この場合、制御部7には交流電圧Vsが入力される。あるいはコンバータ11が全波整流を行う場合、例えばダイオードブリッジで構成される場合、制御部7には直流リンク15における電圧が入力される。このような構成を採用しても、モニタ電流Ieは減少しにくい。
制御部7は、例えばマイクロコンピュータと記憶装置を含んで構成される。マイクロコンピュータは、プログラムに記述された各処理ステップ(換言すれば手順)を実行する。上記記憶装置は、例えばROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、書き換え可能な不揮発性メモリ(EPROM(Erasable Programmable ROM)等)、ハードディスク装置などの各種記憶装置の1つ又は複数で構成可能である。当該記憶装置は、各種の情報やデータ等を格納し、またマイクロコンピュータが実行するプログラムを格納し、また、プログラムを実行するための作業領域を提供する。なお、マイクロコンピュータは、プログラムに記述された各処理ステップに対応する各種手段として機能するとも把握でき、あるいは、各処理ステップに対応する各種機能を実現するとも把握できる。また、制御部7はこれに限らず、制御部7によって実行される各種手順、あるいは実現される各種手段又は各種機能の一部又は全部をハードウェアで実現しても構わない。
またスイッチ8には例えばリレー接点、ハンド内スイッチを採用することができる。
図2は電力変換回路の他の構成を、その周辺部と共に示す回路図である。当該構成は図1で示された構成において、直流リンク15が更に平滑コンデンサ13を含む点で相違する。具体的には、平滑コンデンサ13は直流電源線15a,15bの間に接続される。通常は電解コンデンサのように大きな静電容量を有するコンデンサが採用されるが、インバータ14の制御を適切に行うことにより、フィルムコンデンサのように小さな静電容量を有するコンデンサが採用されてもよい。後者の場合、必ずしも平滑機能は要求されず、直流リンク15において大きな脈動が発生する。
かかる大きな脈動が発生する場合には、モニタ電流Ieに代替して制御部7に入力するものとして直流リンク15における電圧が入力されてもよい。当該脈動は交流電圧Vsの変動を反映するので、交流電圧Vsの絶対値が小さい領域で補償電流Icが出力されるようにスイッチ8を開閉して、検出電流Ibが補償電流出力部22に与えられるからである。他方、平滑コンデンサ13の容量が大きく、直流リンク15における電圧の脈動が小さい場合には、これをモニタ電流Ieに代替して制御部7に入力することは望ましくない。
もちろん、検出電流Ibが流れるコイルの両端電圧や、モニタ電流Ie、あるいは交流電圧Vsに基づいて、制御部7がスイッチ8を開閉することにより、漏洩電流Iaが顕著でない区間以外で補償電流Icを流すことができる。
図3は電力変換回路の他の構成を、その周辺部と共に示す回路図である。当該構成は図1で示された構成において、直流リンク15が更に昇圧チョッパ回路12を含む点で相違する。但し図3では平滑コンデンサ13が更に含まれており、平滑コンデンサ13が昇圧チョッパ回路12の出力側に接続される場合が例示されている。
昇圧チョッパ回路12は、リアクタ121と、ダイオード122と、スイッチング素子123とを有する。リアクタ121は、直流電源線15aに接続される。ダイオード122のアノードは、リアクタ121を介して、直流電源線15aに接続される。そのカソードと、直流電源線15bとの間に、平滑コンデンサ13が接続される。
スイッチング素子123は例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタが採用され、ダイオード122のアノードと直流電源線15bとの間に接続される。
このような構成を採用することにより、昇圧チョッパ回路12はコンバータ11から出力される直流電圧を昇圧するので、電力変換回路の力率を改善する力率改善回路として機能する。その動作の詳細は、周知の技術であるので、ここではその詳細な説明は割愛する。
また昇圧チョッパ回路12にはいわゆるインターリーブ方式で動作する構成が採用されてもよい。
なお、電力変換回路において力率改善回路は常時稼働しているわけではない。例えば空気調和機に採用される上述の電力変換回路では、スイッチング素子123がオフし続ける場合(以下「力率改善回路のオフ状態」とも称する)と、スイッチング素子123があるデューティを以てスイッチングする場合(以下「力率改善回路のオン状態」とも称する)、とがある。
特にコンバータ11がダイオードブリッジで構成される場合、力率改善回路のオン状態ではダイオードブリッジの導通角が広い。よって図5に示される場合と同様にして、交流電流Isの波形はなだらかであって、漏洩電流Iaが大きな値を有する位相角も広い。よってこのような場合、上述のようにして補償電流Icが流れるタイミングを抑制することが望ましい。
しかし、力率改善回路のオフ状態ではダイオードブリッジの導通角が狭い。図6はこのような場合における漏洩電流Iaとコンバータ11に入力する交流電圧Vs、交流電流Isの波形との関係を示すグラフである。交流電流Isの波形は急峻であって、漏洩電流Iaが大きな値を有する範囲は狭い。よって力率改善回路のオフ状態では、補償電流Icを流さなくても、漏洩電流Iaの外部に対する悪影響は小さい。
よって、モニタ電流Ieや交流電圧Vsや、直流リンク15における電圧に拘わらず、力率改善回路のオフ状態ではスイッチ8を非導通にすることで、消費電力が低減できる。つまり、昇圧チョッパ回路12の駆動/停止に対応して、スイッチ8がそれぞれ導通/非導通することが望ましい。このようなスイッチ8の制御は、制御部7が、昇圧チョッパ回路12を制御する他の制御部(不図示)と連携して行うことで実現される。かかる連携は公知の技術を用いて容易に実現されるので、ここでは詳細を割愛する。
もちろん、昇圧チョッパ回路12が駆動してスイッチ8が導通する場合であっても、制御部7制御により、検出電流Ibが流れるコイルの両端電圧や、モニタ電流Ie等に基づいてスイッチ8を非導通とすることが望ましい。
11 コンバータ
12 昇圧チョッパ回路
121 リアクタ
122 (昇圧チョッパ回路の)ダイオード
123 スイッチング素子
13 平滑コンデンサ
14 インバータ
15 直流リンク
2 漏洩電流低減装置
21 漏洩電流検出器
22 補償電流出力部
221,222 トランジスタ
223 補償電流出力端
224、225 (補償電流出力部)の入力端
4 負荷
41 (漏洩電流が漏洩する)箇所
Ia 漏洩電流
Ib 検出電流
Ic 補償電流

Claims (7)

  1. 交流を直流に変換するコンバータ(11)と、
    直流リンク(15)と、
    前記直流リンクを介して前記コンバータと接続され、直流を交流に変換し、当該交流を負荷(4)に出力するインバータ(14)と、
    前記負荷から漏洩する漏洩電流(Ia)に対応する検出電流(Ib)を出力する漏洩電流検出器(21)と、
    前記検出電流に応答して前記漏洩電流を補償する補償電流(Ic)を出力する補償電流出力端(223)を有し、前記補償電流出力端が前記負荷の漏洩電流が漏洩する箇所(41)に接続される補償電流出力部(22)と、
    前記検出電流の前記補償電流出力部への入力の可否を設定するスイッチ(8)
    を備える電力変換回路。
  2. 交流を直流に変換するコンバータ(11)と、
    直流リンク(15)と、
    前記直流リンクを介して前記コンバータと接続され、直流を交流に変換し、当該交流を負荷(4)に出力するインバータ(14)と、
    前記負荷から漏洩する漏洩電流(Ia)に対応する検出電流(Ib)を出力する漏洩電流検出器(21)と、
    前記検出電流に応答して前記漏洩電流を補償する補償電流(Ic)を出力する補償電流出力端(223)を有し、前記補償電流出力端が前記負荷の漏洩電流が漏洩する箇所(41)に接続される補償電流出力部(22)と、
    前記検出電流の前記補償電流出力部への入力の可否を設定するスイッチ(8)と、
    前記検出電流(Ib)に比例したモニタ電流(Ie)に基づいて前記スイッチ(8)の開閉を制御する制御部(7)
    備え、
    前記漏洩電流検出器(21)は、前記コンバータ(11)に流れる一対の電流同士の差分から前記検出電流(Ib)を流す第1コイルと、前記第1コイルと誘導結合して前記モニタ電流が流れる第2コイルとを有し、
    前記モニタ電流あるいは前記第2コイルの両端電圧の瞬時値の大きさ、平均値の大きさ、ピーク値の大きさの少なくともいずれか一つが所定の閾値よりも大きいときのみ前記スイッチが導通する、電力変換回路。
  3. 交流を直流に変換するコンバータ(11)と、
    直流リンク(15)と、
    前記直流リンクを介して前記コンバータと接続され、直流を交流に変換し、当該交流を負荷(4)に出力するインバータ(14)と、
    前記負荷から漏洩する漏洩電流(Ia)に対応する検出電流(Ib)を出力する漏洩電流検出器(21)と、
    前記検出電流に応答して前記漏洩電流を補償する補償電流(Ic)を出力する補償電流出力端(223)を有し、前記補償電流出力端が前記負荷の漏洩電流が漏洩する箇所(41)に接続される補償電流出力部(22)と、
    前記検出電流の前記補償電流出力部への入力の可否を設定するスイッチ(8)と、
    前記コンバータ(11)に入力する交流電圧(Vs)の振幅に基づいて前記スイッチ(8)の開閉を制御する制御部(7)
    を備え、
    前記交流電圧の絶対値が所定の閾値よりも大きいときのみ前記スイッチが導通する、電力変換回路。
  4. 前記直流リンク(15)は平滑コンデンサ(13)を含む、請求項1乃至請求項3のいずれか一つに記載の電力変換回路。
  5. 前記直流リンク(15)は昇圧チョッパ回路(12)を含む、請求項1乃至請求項4のいずれか一つに記載の電力変換回路。
  6. 前記直流リンク(15)は昇圧チョッパ回路(12)を含み、前記昇圧チョッパ回路(12)の駆動/停止に対応して、前記スイッチ(8)がそれぞれ導通/非導通する、請求項5記載の電力変換回路。
  7. 前記補償電流出力部(22)は、その一対の入力端(224、225)の間に直列接続される第1のトランジスタ(221)と第2のトランジスタ(222)とを備え、
    前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタとは相互に導電型が異なり、
    前記第1のトランジスタの制御電極と前記第2のトランジスタの制御電極とは共通に接続され、
    前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタとが接続される接続点が前記補償電流出力端(223)に接続され、
    前記接続点と、前記第1のトランジスタの制御電極と前記第2のトランジスタの制御電極との間に前記検出電流が流れる、請求項1乃至請求項6のいずれか一つに記載の電力変換回路。
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