JP5731891B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、交流を直流に変換する交流―直流変換回路又は直流を交流に変換する直流―交流変換回路を備えた電力変換装置に関する。

近年、系統電源（交流電源）に瞬時電圧低下が起こった場合でも、負荷へ影響が生じないように電圧低下を補償する瞬時電圧低下補償装置の設置が進んでいる。

予め蓄電池やコンデンサ等の蓄電部に蓄電しておき、瞬時電圧低下時に蓄電部から電力を供給する瞬時電圧低下補償装置では、交流電源を直流電圧に変換して蓄電部に供給したり、蓄電部に蓄電された直流電圧や蓄電部に供給しない直流電圧を交流電圧に変換して負荷に供給するための電力変換装置が組み込まれている（例えば特許文献１参照）。

特開平１１−１７８３５８号公報

ところで、従来の電力変換装置では、交流―直流電力変換回路（又は整流回路）の出力端に直流コンデンサを接続し、直流―交流電力変換回路に直流電圧を供給している。そのため、直流コンデンサは、直流―交流電力変換回路もしくは負荷が発生するリプル電流を許容する必要があるが、直流コンデンサとして、１μＦ当たりの許容電流が小さい電解コンデンサを使用した場合、直流電圧の平滑に必要な静電容量よりも大容量の電解コンデンサとなってしまう場合が多い。

交流電源が瞬時電圧低下から復帰した際、直流コンデンサに突入電流直流が流入し、直流リンク電圧は上昇するが、大容量の電解コンデンサを用いた場合には、直流リンク電圧の上昇は比較的少なく、直流コンデンサや交流―直流電力変換回路、直流―交流電力変換回路、負荷等に過電圧が印加する可能性は少ない。また、電解コンデンサは、単位体積当たりの静電容量が比較的大きいため、大容量であっても小型で、装置の小型化を図り易いといった利点がある。しかしながら、その一方で、電気特性（誘電体損、漏れ電流、ＥＳＲ、ＥＳＬ）に劣るため、電力損失や発熱が大きく、加えて寿命が短いといった欠点がある。

そこで、上記欠点を解消するため、直流コンデンサとして、フィルムコンデンサを使用することが考えられる。フィルムコンデンサは、電解コンデンサに比べて電気特性及び周波数温度特性に優れるため、低損失で発熱も少なく、さらに長寿命であるといった利点がある。また、電解コンデンサに比べて１μＦ当たりの許容電流が大きいため、電解コンデンサより小さな容量のものを使用できる。

ところが、許容電流を満足する程度の小容量のフィルムコンデンサを直流コンデンサとして使用した場合、瞬時電圧低下から復帰した際に、直流リンク電圧が大きく上昇することがあり、交流―直流電力変換回路及び直流―交流電力変換回路等に過電圧を生じ、回路の停止や損壊を招く虞がある。そのため、直流コンデンサを大容量にして、回路の停止や損壊を回避することも考えられるが、フィルムコンデンサは、電解コンデンサに比べて単位体積当たりの静電容量が小さいために、過電圧を電解コンデンサと同程度に抑えるには、電解コンデンサよりも体積が大きくなってしまい、装置の大型化を招いてしまうといった欠点がある。

すなわち、従来の電力変換装置においては、直流コンデンサとして電解コンデンサを使用した場合は、過電圧を小さく、かつ装置を小型化することができるが、電力損失や発熱が大きく、寿命も短いものとなり、直流コンデンサとしてフィルムコンデンサを使用した場合は、低損失で発熱も小さく、長寿命化を図ることができるが、過電圧を抑制するには装置の大型化を招くものになっており、両者の利点を同時に得ることはできなかった。

そこで、この発明は、上記を考慮してなされたもので、簡単な構成で瞬時電圧低下から復帰した際の過電圧を抑制し、装置の小型化を図るとともに、電力損失や発熱を低減することのできる電力変換装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の電力変換装置は、交流電源１の交流を直流に変換する交流―直流変換回路２と、この交流―直流変換回路２の出力を平滑する第１のコンデンサ３と、ダイオード４と抵抗５の並列接続構成に、電解コンデンサからなる第２のコンデンサ６を直列接続することで構成され、上記第１のコンデンサ３と並列に接続される過電圧抑制回路７と、この過電圧抑制回路７に並列接続され、直流を交流に変換する直流―交流変換回路８とを具備し、上記第１及び第２のコンデンサ３、６の容量を各々Ｃ１、Ｃ２としたとき、コンデンサ容量の比Ｃ２／Ｃ１を３以上かつ２０以下に設定し、交流電源１が瞬時電圧低下から復帰する場合に第１のコンデンサ３に発生する過電圧を抑制するよう
構成したことを特徴としている。また、第１のコンデンサ３はフィルムコンデンサ又はセラミックコンデンサであることを特徴としている。

この発明の電力変換装置によれば、瞬時電圧低下から復帰する際の突入電流をダイオードを介して第２のコンデンサにバイパスすることができるため、第１のコンデンサの静電容量を小さくしても過電圧を抑制できる。具体的には、従来の電力変換装置と同じ負荷状態の場合、第１のコンデンサの静電容量を従来の電力変換装置の直流コンデンサの静電容量の１／１００程度まで低減しても過電圧を抑制することができる。そのため、第１のコンデンサの体積や重量を抑制することができ、装置の小型化を図ることができる。

また、第１のコンデンサとしてフィルムコンデンサ又はセラミックコンデンサを使用することで、電力損失や発熱を抑えることができる。また、通常動作時においては、ダイオードと抵抗によって、第２のコンデンサには電流が流れないため、第２のコンデンサとして、電気特性に劣る電解コンデンサを使用した場合でも電力損失が生じず、また発熱も抑えられることから長寿命化が可能となる。すなわち、過電圧の抑制、装置の小型化を実現しながらも低損失で発熱が小さく、かつ長寿命な電力変換装置とすることができる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置を示す回路図である。 瞬時電圧低下から復帰した際の第１のコンデンサの電圧の変化を示すグラフである。 静電容量比と電圧上昇率との関係を示すグラフである。

以下、この発明の電力変換装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。この発明の電力変換装置は、図１に示すように、交流電源１の交流を直流に変換する交流―直流変換回路２と、この交流―直流変換回路２の出力を平滑する第１のコンデンサ３と、ダイオード４と抵抗５の並列接続構成に第２のコンデンサ６を直列接続することで構成される過電圧抑制回路７と、直流を交流に変換する直流―交流変換回路８とを備えている。

そして、電力変換装置は、図１に示すように、交流―直流変換回路２と第１のコンデンサ３とが並列接続され、この第１のコンデンサ３と過電圧抑制回路７とが並列接続され、この過電圧抑制回路７と直流―交流変換回路８とが並列接続されることで構成されている。

第１のコンデンサ３は、電気特性に優れ、低損失であるフィルムコンデンサが使用されている。また、第２のコンデンサ６は、単位体積当たりの静電容量が大きな電解コンデンサが使用されている。そして、第１のコンデンサ３の静電容量Ｃ１に対する第２のコンデンサ６の静電容量Ｃ２の比、すなわちＣ２／Ｃ１が３以上、かつ２０以下とされている。

上記の電力変換装置は、交流電源１に交流―直流変換回路２が接続され、直流―交流変換回路８に負荷９が接続されている。

そして、通常動作時では、交流―直流変換回路２からの出力が第１のコンデンサ３によって平滑され、直流―交流変換回路８を経由して負荷９に供給される。この際、第２のコンデンサ６には、動作開始時に一度だけダイオード４を介して電流が流れ込み、交流電源１の最大電圧まで充電されるが、これ以降は、ダイオード４と抵抗５とにより、第２のコンデンサ６には電流は流れない。従って、第２のコンデンサ６に、等価直列抵抗の比較的大きな電解コンデンサを使用した場合でも電力損失が生じることはなく、また、発熱も生じないことから、第２のコンデンサ６の長寿命化が可能となる。

交流電源１が瞬時電圧低下から復帰する際、第１のコンデンサ３に突入電流が流入するが、小容量のフィルムコンデンサを用いることにより、突入電流を低減することができる。第１のコンデンサ３の電圧が第２のコンデンサ６の電圧まで充電されると、余剰な電流はダイオード４を介して第２のコンデンサ６にバイパスされる。このため、第１のコンデンサ３の電圧上昇を大幅に抑制することができ、過電圧抑制回路７を備えない場合に比べて、第１のコンデンサ３の静電容量を１／１００程度に低減できる。従って、第１のコンデンサ３として、単位体積当たりの静電容量が比較的小さいフィルムコンデンサを使用しても、コンデンサの体積や重量を抑えることができ、装置の小型化を図ることができる。さらに、フィルムコンデンサは電気特性に優れるため、損失を抑えることができる。

図２（ａ）（ｂ）は、瞬時電圧低下から復帰した際の第１のコンデンサ３の電圧の実測波形を示すグラフである。具体的には、本発明の実施例（図２において実線）として、第１のコンデンサ３の静電容量を２０μＦ、第２のコンデンサ６の静電容量を３００μＦ、抵抗５を１００ｋΩとしたものと、比較例（図２において破線）として、過電圧抑制回路７（ダイオード４、抵抗５、第２のコンデンサ６）を備えず、他は実施例と同様に構成したものとに、交流電源１を１００Ｖとし、０．１秒の瞬時電圧低下を与えた場合の第１のコンデンサ３の電圧の変化を、縦軸を電圧、横軸を時間として表したものである。なお、図２（ｂ）は、図２（ａ）の瞬時電圧低下から復帰した時に焦点し、この復帰前後の時間軸を拡大したものである。

図２（ａ）（ｂ）に示すように、瞬時電圧低下が発生する以前（通常動作時）の第１のコンデンサ３の電圧は１００Ｖ交流電源１の整流電圧１４０Ｖ程度であり、実施例、比較例ともに略同値である。瞬時電圧低下が発生すると、実施例、比較例ともに第１のコンデンサ３の電圧が略零まで低下する。その後、瞬時電圧低下から復帰し、交流電源１が回復すると、第１のコンデンサ３の電圧が急峻に上昇するが、過電圧抑制回路７を備えない比較例の場合、第１のコンデンサ３の電圧は２４０Ｖまで上昇する。これに対して、過電圧抑制回路７を備える実施例の場合、第１のコンデンサ３の電圧は１６０Ｖ程度に抑制されており、過電圧が抑制されていることがわかる。

図３は、第１のコンデンサ３の静電容量Ｃ１に対する第２のコンデンサ６の静電容量Ｃ２の比（Ｃ２／Ｃ１）を横軸に、電圧上昇率（瞬時電圧低下発生前の電圧に対する瞬時電圧低下から復帰した時の過電圧の比）を縦軸にとり、静電容量の比と電圧上昇率との関係を示したグラフである。なお、図３において、塗り潰し菱形の測点で描画されているものは、負荷９を運転させていない場合（負荷なし）、白抜き四角形の測点で描画されているものは、負荷９を運転させた場合（負荷あり）を示している。

負荷９を運転させた場合では、第２のコンデンサ６の静電容量Ｃ２が第１のコンデンサ３の静電容量Ｃ１の３倍以上かつ２０倍以下であれば、電圧上昇率が約１．２倍以下に抑制されていることがわかる。また、負荷９を運転させていない場合であっても、第２のコンデンサ６の静電容量Ｃ２が第１のコンデンサ３の静電容量Ｃ１の３倍以上かつ２０倍以下であれば、電圧上昇率が約１．５倍以下に抑制されていることがわかる。なお、Ｃ２／Ｃ１が２０を超える場合であっても、電圧上昇率は抑制されるが、第２のコンデンサ６の肥大化を招く等、構成及びコストが過剰なものとなるため、得策ではない。

このように、本発明の電力変換装置によれば、簡単な構成で瞬時電圧低下から復帰した際の過電圧を抑制することができる。その結果、第１のコンデンサ３に対して過電圧への配慮が不要となり、静電容量の小さい小型のフィルムコンデンサを適用することができ、電力損失や発熱を抑制することができるとともに装置の小型化を図ることができる。また、第２のコンデンサ６に、等価直列抵抗の比較的大きな電解コンデンサを使用した場合でも、通常動作時において、電流が流れないため、電力損失や発熱を抑制することができ、さらに第２のコンデンサ６の長寿命化を図ることもできる。さらに、電解コンデンサは、単位体積当たりの静電容量が大きいため、第２のコンデンサの体積や重量も抑制することができ、装置の小型化を図ることができる。

以上に、この発明の具体的な実施形態について説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施例においては、交流―直流変換回路２としていたが整流回路でも良い。また、上記実施例においては、第１のコンデンサ３としてフィルムコンデンサが使用されていたが、セラミックコンデンサを使用しても良い。また、これに限らず、第１、第２のコンデンサ３、６として種々のコンデンサを用いても良い。

１・・交流電源、２・・交流―直流変換回路、３・・第１のコンデンサ、４・・ダイオード、５・・抵抗、６・・第２のコンデンサ、７・・過電圧抑制回路、８・・直流―交流変換回路

Claims (2)

1. 交流電源（１）の交流を直流に変換する交流―直流変換回路（２）と、この交流―直流変換回路（２）の出力を平滑する第１のコンデンサ（３）と、ダイオード（４）と抵抗（５）の並列接続構成に、電解コンデンサからなる第２のコンデンサ（６）を直列接続することで構成され、上記第１のコンデンサ（３）と並列に接続される過電圧抑制回路（７）と、この過電圧抑制回路（７）に並列接続され、直流を交流に変換する直流―交流変換回路（８）とを具備し、上記第１及び第２のコンデンサ（３）（６）の容量を各々Ｃ１、Ｃ２としたとき、コンデンサ容量の比Ｃ２／Ｃ１を３以上かつ２０以下に設定し、交流電源（１）が瞬時電圧低下から復帰する場合に第１のコンデンサ（３）に発生する過電圧を抑制するよう構成したことを特徴とする電力変換装置。
2. 第１のコンデンサ（３）はフィルムコンデンサ又はセラミックコンデンサであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

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