JP6280252B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電圧検出回路を備えた電力変換装置に関する。

従来より、光または磁気を利用した絶縁型の電圧検出回路が知られている。たとえば特開昭５０―１７８６８号公報（特許文献１）に開示された電圧検出回路は、光ダイオードと、光トランジスタと、直流増幅器とを備える。光ダイオードは、被測定電圧に応じた光を発生する。光トランジスタは、エミッタフォロワ接続され、光ダイオードの光を受光する。直流増幅器の入力側は、光トランジスタのエミッタ出力側に接続される。直流増幅器の出力側は、帰還インピーダンスを介して光トランジスタのベース極に接続される。

特開昭５０―１７８６８号公報

電力変換装置において人が触れる可能性がある箇所では、接地に対する抵抗（以下、対地抵抗と称する）が十分に高い必要がある。電力変換装置では、必要に応じて複数の箇所の電圧が検出される。抵抗分圧型の電圧検出回路を用いて複数の箇所の電圧を検出する場合、検出箇所の数と同数の抵抗分圧回路が必要である。複数の抵抗分圧回路は、検出箇所と接地との間に並列に接続される。したがって、検出箇所の対地抵抗は、検出箇所の増加に伴って低下してしまう。

本発明の目的は、検出箇所の数に依存せずに対地抵抗を維持可能な電圧検出回路を備えた電力変換装置を提供することである。

本発明のある局面に従えば、電力変換装置は、電力変換回路と、電圧検出回路と、制御回路とを備える。電圧検出回路は、第１および第２の配線の間の電圧を検出する。電圧検出回路は、コモン配線と、第１および第２の抵抗分圧回路と、第１の差動増幅回路とを含む。コモン配線は、接地電位から絶縁されている。第１および第２の抵抗分圧回路は、第１および第２の配線とコモン配線との間にそれぞれ電気的に接続され、抵抗分圧により第１および第２の分圧電圧をそれぞれ生成する。第１の差動増幅回路は、第１の分圧電圧と第２の分圧電圧との間の電位差を増幅して出力する。制御回路は、コモン配線に電気的に接続され、第１の差動増幅回路からの出力信号に基づいて、電力変換回路を制御する。

好ましくは、第１および第２の配線は、交流電源からの交流電圧を受ける。
好ましくは、電圧検出回路は、第３の抵抗分圧回路と、第２の差動増幅回路とをさらに含む。第３の抵抗分圧回路は、第３の配線とコモン配線との間に電気的に接続され、抵抗分圧により第３の分圧電圧を生成する。第２の差動増幅回路は、第２の分圧電圧と第３の分圧電圧との間の電位差を増幅して出力する。

好ましくは、電圧検出回路は、第３の差動増幅回路をさらに含む。第３の差動増幅回路は、第３の分圧電圧と第１の分圧電圧との間の電位差を増幅して出力する。

好ましくは、電力変換装置は、フィルタをさらに備える。フィルタは、第１の差動増幅回路と制御回路との間でコモン配線に直列に接続され、コモン配線に混入するノイズを低減する。

好ましくは、フィルタは、ボルテージフォロワ回路である。

本発明によれば、検出箇所の数に依存せずに対地抵抗を維持することができる。

本発明の実施の形態１に係る電圧検出回路を備えた電力変換装置の構成を概略的に示す回路ブロック図である。 図１に示した電圧変換モジュールの構成に示す回路ブロック図である。 図２に示した電圧検出回路の構成を示す回路ブロック図である。 従来の電圧検出回路が検出する電圧を示すベクトル図である。 図２に示した電圧検出回路が検出する電圧を示すベクトル図である。 図２に示した電圧検出回路の構成を示す回路ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

図１は、本発明の実施の形態１に係る電圧検出回路を備えた無停電電源装置の構成を概略的に示す回路ブロック図である。図１を参照して、三相交流配線１ａは、Ｕ相ライン（第１の配線）と、Ｖ相ライン（第２の配線）と、Ｗ相ライン（第３の配線）とを含む。交流電源１は三相交流配線１ａに、たとえば２００Ｖの三相交流電力を供給する。

無停電電源装置１００は、交流電源１から交流電力を受けるとともに、交流電力を負荷８に供給する。負荷８は、交流電力を消費する電気機器であれば特に限定されない。

無停電電源装置１００は、並列に接続された無停電電源モジュール１０１〜１１０を備える。このように冗長化によって無停電電源装置１００の信頼性を向上させている。無停電電源モジュール１０１〜１１０の構成は共通である。したがって、以下においては無停電電源モジュール１０１の構成について代表的に説明する。なお、無停電電源モジュールの台数は特に限定されるものではない。本実施の形態では無停電電源装置１００が複数台の無停電電源モジュールを備えるが、無停電電源モジュールの台数は１台であってもよい。

図２は、図１に示した無停電電源モジュール１０１の構成を示す回路ブロック図である。図２を参照して、無停電電源モジュール１０１は、コンバータ２と、インバータ３と、昇降圧チョッパ回路４と、蓄電部５と、マイクロコンピュータ６と、電圧検出回路１１〜１４とを備える。

蓄電部５は直流電力を蓄える。蓄電部５は、たとえばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、または鉛蓄電池などの蓄電池を含む。マイクロコンピュータ（制御回路）６は、無停電電源モジュール１０１を制御する。

コンバータ２は、マイクロコンピュータ６からの制御信号ＣＴＲＬ２に基づいて、交流電源１からの交流電力を直流電力に変換する。この直流電力は正母線ＰＬおよび負母線ＮＬに供給される。

昇降圧チョッパ回路４は、マイクロコンピュータ６からの制御信号ＣＴＲＬ４に基づいて、蓄電部５の充電時にはコンバータ２によって生成された直流電力を降圧して、その直流電力を蓄電部５に供給する。一方、昇降圧チョッパ回路４は、蓄電部５の放電時には蓄電部５から放電された直流電圧を昇圧して、その直流電力をインバータ３に供給する。

インバータ３は、マイクロコンピュータ６からの制御信号ＣＴＲＬ３に基づいて、コンバータ２または昇降圧チョッパ回路４からの直流電力を交流電力に変換して、その交流電力を負荷８に供給する。

電圧検出回路１１は、交流電源１とコンバータ２との間でＵ相ライン、Ｖ相ライン、およびＷ相ラインの各々に電気的に接続される。電圧検出回路１１は、Ｕ相ラインとＶ相ラインとの間の電圧Ｖｕｖ１と、Ｖ相ラインとＷ相ラインとの間の電圧Ｖｖｗ１と、Ｕ相ラインとＷ相ラインとの間の電圧Ｖｕｗ１とを検出して、電圧Ｖｕｖ１，Ｖｖｗ１，Ｖｕｗ１をマイクロコンピュータ６に出力する。

電圧検出回路１２は、コンバータ２とインバータ３との間で正母線ＰＬおよび負母線ＮＬの各々に電気的に接続される。電圧検出回路１２は、正母線ＰＬと負母線ＮＬとの間の電圧Ｖｐｎ２を検出して、電圧Ｖｐｎ２をマイクロコンピュータ６に出力する。

電圧検出回路１３は、インバータ３と負荷８との間でＵ相ライン、Ｖ相ライン、およびＷ相ラインの各々に電気的に接続される。電圧検出回路１３は、Ｕ相ラインとＶ相ラインとの間の電圧Ｖｕｖ３と、Ｖ相ラインとＷ相ラインとの間の電圧Ｖｖｗ３と、Ｕ相ラインとＷ相ラインとの間の電圧Ｖｕｗ３とを検出して、電圧Ｖｕｖ３，Ｖｖｗ３，Ｖｕｗ３をマイクロコンピュータ６に出力する。

電圧検出回路１４は、昇降圧チョッパ回路４と蓄電部５との間で正母線ＰＬおよび負母線ＮＬの各々に電気的に接続される。電圧検出回路１４は、正母線ＰＬと負母線ＮＬとの間の電圧Ｖｐｎ４を検出して、電圧Ｖｐｎ４をマイクロコンピュータ６に出力する。

電圧検出回路１１の構成と電圧検出回路１３の構成とは共通である。また、電圧検出回路１２の構成と電圧検出回路１４の構成とは共通である。したがって、以下においては、電圧検出回路１１，１２の各々の構成について代表的に説明する。

図３は、図２に示した電圧検出回路１１の構成を示す回路ブロック図である。図３を参照して、電圧検出回路１１は、コモン配線ＣＯＭと、差動増幅回路１１１〜１１３と、抵抗分圧回路１２１〜１２３と、抵抗Ｒ１〜Ｒ３と、バッファＢとを含む。

コモン配線ＣＯＭは、無停電電源装置１００において基準となる電位を与える配線であって、電圧検出回路１１〜１４で共通である。コモン配線ＣＯＭは接地されていない。つまり、コモン配線ＣＯＭは接地から絶縁されている。

抵抗分圧回路１２１（第１の抵抗分圧回路）は分圧抵抗Ｒｕ１，Ｒｕ２を有する。抵抗分圧回路１２２（第２の抵抗分圧回路）は分圧抵抗Ｒｖ１，Ｒｖ２を有する。抵抗分圧回路１２３（第３の抵抗分圧回路）は分圧抵抗Ｒｗ１，Ｒｗ２を有する。抵抗分圧回路１２１は、Ｕ相ラインとコモン配線ＣＯＭとの間に直列に接続される。抵抗分圧回路１２２は、Ｖ相ラインとコモン配線ＣＯＭとの間に直列に接続される。抵抗分圧回路１２３は、Ｗ相ラインとコモン配線ＣＯＭとの間に直列に接続される。

抵抗分圧回路１２１〜１２３は、それぞれＵ相ライン、Ｖ相ライン、およびＷ相ラインに供給される２００Ｖの交流電圧を抵抗分圧して、分圧電圧Ｖ１〜Ｖ３（第１〜第３の分圧電圧）を生成する。分圧抵抗Ｒｕ１，Ｒｖ１，Ｒｗ１の抵抗値は互いに等しい。また、分圧抵抗Ｒｕ２，Ｒｖ２，Ｒｗ２の抵抗値は互いに等しい。このため、分圧電圧Ｖ１〜Ｖ３は同程度であって、たとえば５Ｖである。

差動増幅回路１１１（第１の差動増幅回路）は、差動増幅器Ａ１と、入力抵抗Ｒ１１，Ｒ１２と、フィルタＦ１とを有する。差動増幅回路１１２（第２の差動増幅回路）は、差動増幅器Ａ２と、入力抵抗Ｒ２１，Ｒ２２と、フィルタＦ２とを有する。差動増幅回路１１３（第３の差動増幅回路）は、差動増幅器Ａ３と、入力抵抗Ｒ３１，Ｒ３２と、フィルタＦ３とを有する。

差動増幅器Ａ１の非反転入力端子は分圧電圧Ｖ１を受ける。差動増幅器Ａ１の反転入力端子は分圧電圧Ｖ２を受ける。差動増幅器Ａ１は、分圧電圧Ｖ１と分圧電圧Ｖ２との間の電位差を増幅してフィルタＦ１に出力する。フィルタＦ１は、差動増幅器Ａ１からの出力信号に含まれるノイズ成分を除去する。差動増幅回路１１２，１１３の機能は、差動増幅回路１１１の機能と同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。

マイクロコンピュータ６は、Ａ／Ｄ変換器６１と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６２とを含む。Ａ／Ｄ変換器６１は、差動増幅回路１１１〜１１３からの出力信号を受けて、その出力信号の強度をデジタル値に変換する。このデジタル値はＣＰＵ６２に出力される。ＣＰＵ６２は、差動増幅回路１１１〜１１３からの出力信号の値に基づいて、制御信号ＣＴＲＬ２〜ＣＴＲＬ４（図２参照）を出力する。制御信号ＣＴＲＬ２〜ＣＴＲＬ４は、たとえば電流指令値または電圧指令値を含む信号である。

コモン配線ＣＯＭの電位は、三相交流配線１ａにおける三相交流電圧の周期的な変動に伴って変動し得る。マイクロコンピュータ６は、コモン配線ＣＯＭの電位を基準として動作する。ＣＰＵ６２の基準電位が変動することによって、ＣＰＵ６２の動作が不安定になるおそれがある。

三相交流配線１ａの電圧変動に備えるために、コモン配線ＣＯＭにはバッファＢが設けられる。バッファＢは、差動増幅回路１１１〜１１３とマイクロコンピュータ６との間でコモン配線ＣＯＭに直列に接続される。バッファＢは、たとえばボルテージフォロワ回路である。このため、バッファＢの入力インピーダンスと比べて、バッファＢの出力インピーダンスは大幅に低い。したがって、バッファＢよりも差動増幅回路１１１〜１１３側においてコモン配線ＣＯＭの電位が変動した場合でも、バッファＢよりもマイクロコンピュータ６側におけるコモン配線ＣＯＭの電位の変動は小さい。このようにバッファＢを接続することで、バッファＢよりも差動増幅回路１１１〜１１３側のコモン配線ＣＯＭと、バッファＢよりもマイクロコンピュータ６側のコモン配線ＣＯＭとが分離される。よって、マイクロコンピュータ６の動作を安定化することができる。

なお、バッファＢは、本発明に係る「フィルタ」の一例であって、ボルテージフォロワ回路に限定されるものではない。たとえば、ボルテージフォロワ回路に代えて、インバータの汎用ロジックＩＣ（Integrated Circuit）をバッファとして用いることができる。インバータのゲインはほぼ１である。また、インバータの入力インピーダンスは高い一方で、出力インピーダンスが低い。このため、ボルテージフォロワと同様にコモン配線ＣＯＭの電位の変動を抑えることができる。

あるいは、本発明に係る「フィルタ」はＲＣ回路であってもよい。時定数が十分に大きいＲＣ回路を用いることで、コモン配線ＣＯＭの電位の変動をなまらせてからマイクロコンピュータ６に出力することができる。ただし、複数の電圧検出回路の各々にＲＣ回路が設けられる場合、コンデンサのばらつきに主に起因して、各ＲＣ回路の特性が異なり得る。ボルテージフォロワ回路は、ばらつきの影響が相対的に小さいためより好ましい。

図４は、従来の電圧検出回路が検出する電圧を示すベクトル図である。図４を参照して従来の電圧検出回路（図示せず）では、コモン配線は接地されている。したがって、ベクトル図の中心Ｏは接地電位である。この場合、従来の電圧検出回路は、三相交流配線の各相の相電圧を検出する。つまり、電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、それぞれＵ相電圧、Ｖ相電圧、およびＷ相電圧である。

これに対し、図５は、図２に示した電圧検出回路１１が検出する電圧を示すベクトル図である。図５を参照して、本実施の形態においてコモン配線ＣＯＭは接地から絶縁されている。Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の負荷が等しい場合、中心Ｏを仮想中性点とみなすことができる。

本実施の形態において電圧検出回路１１は、三相交流配線１ａの線間電圧を検出する。つまり、電圧Ｖｕｗ１，Ｖｖｗ１，Ｖｕｗ１は、それぞれＵＶ相、ＶＷ相、およびＵＷ相の線間電圧である。線間電圧と相電圧とは相互に変換可能である。このため、各線間電圧を検出することと、三相交流配線の各相電圧を検出することとは等価である。したがって、三相の線間電圧がいずれも正常な値であれば、三相の相電圧の各々も正常な値となる。あるいは、三相の線間電圧のうちのいずれかが異常な値を示した場合、ＣＰＵ６２は、異常が生じた線間電圧に対応する２つのラインのうちのいずれかに異常が生じたと判断することができる。

本実施の形態によれば、電圧検出回路１１，１３の各々には３個の抵抗分圧回路が設けられる。つまり、無停電電源モジュール１０１では、合計６個の抵抗分圧回路が三相交流配線１ａとコモン配線ＣＯＭとの間に接続される。図１で説明したように、無停電電源装置１００は１０台の無停電電源モジュール１０１〜１１０を備える。したがって、無停電電源装置１００では、合計６０個の抵抗分圧回路が三相交流配線１ａとコモン配線ＣＯＭとの間に接続される。これらの抵抗分圧回路は、いずれも並列に接続される。よって、三相交流配線１ａのコモン配線ＣＯＭに対する抵抗値は、各抵抗分圧回路の抵抗値の１／６０になる。

従来の電圧検出回路によればコモン配線は接地されている。このため、従来の電圧検出回路を備えた電力変換装置では、抵抗分圧回路の数の増加に伴って、三相交流配線の接地に対する抵抗（以下、対地抵抗と称する）が減少してしまう。一方、本実施の形態に係る電圧検出回路１１，１３によれば、コモン配線ＣＯＭは接地から絶縁されている。したがって、抵抗分圧回路の数に関わらず対地抵抗は一定である。言い換えると、検出箇所の数に依存せずに対地抵抗を維持することができる。これにより、本実施の形態のように多数の抵抗分圧回路が用いられる場合でも、対地抵抗の低下を抑えることができる。

また、光を利用する絶縁型の電圧検出回路では、光ダイオードおよび光トランジスタが用いられる（たとえば特許文献１の第３図参照）。あるいは、磁気を利用する絶縁型の電圧検出回路ではトランスが用いられる（たとえば特許文献１の第１図参照）。これに対し、本実施の形態に係る電圧検出回路によれば抵抗を設けるだけでよいため、部品点数が削減される。これにより、電圧検出回路の小型化および軽量化を図ることができる。

なお、電圧検出回路は、ＵＶ相、ＶＷ相、およびＵＷ相の線間電圧のうちのいずれか２つのみを検出してもよい。ＣＰＵ６２は、検出された２つの線間電圧に基づいて、残り１つの線間電圧を算出することができる。これにより、電圧検出回路の構成を一層簡易にすることができる。

また、コモン配線ＣＯＭと接地との間に接地コンデンサを電気的に接続することも考えられる。しかし、この構成では、電力変換装置内に設けられた他の回路（図示せず）における信号が、接地コンデンサを介してコモン配線ＣＯＭに混入するおそれがある。一方、本実施の形態によれば、コモン配線ＣＯＭと接地とは完全に絶縁されている。したがって、コモン配線ＣＯＭが接地を介して他の回路からの影響を受ける可能性を低減できる。

図６は、図２に示した電圧検出回路１２の構成を示す回路ブロック図である。図６を参照して、電圧検出回路１２の構成は、抵抗分圧回路１２１〜１２３に代えて、抵抗分圧回路１２４，１２５を含む点において、電圧検出回路１１の構成と異なる。抵抗分圧回路１２４は、正母線ＰＬとコモン配線ＣＯＭとの間に直列に接続された抵抗Ｒｐ１，Ｒｐ２を有する。抵抗分圧回路１２５は、正母線ＰＬとコモン配線ＣＯＭとの間に直列に接続された抵抗Ｒｎ１，Ｒｎ２を有する。抵抗Ｒｐ１の抵抗値と抵抗Ｒｎ１の抵抗値とは等しい。抵抗Ｒｐ２の抵抗値と抵抗Ｒｎ２の抵抗値とは等しい。

差動増幅回路１１１は、抵抗分圧回路１２４からの分圧電圧Ｖｐと、抵抗分圧回路１２５からの分圧電圧Ｖｎとの電位差を増幅して、電圧Ｖｐｎをマイクロコンピュータ６に出力する。電圧検出回路１２の他の構成は、電圧検出回路１１の構成と同等であるため、詳細な説明を繰り返さない。

このように、電圧検出回路１２によれば、交流電圧の検出に用いられる電圧検出回路１１（図２参照）と同等の構成により、直流電圧を検出することができる。この場合においても、検出箇所の数に依存せずに直流配線（正母線ＰＬおよび負母線ＮＬ）の接地に対する抵抗を維持することができる。

また、本発明に係る「電圧検出回路」によって検出可能な交流電圧は、三相交流電圧に限られない。電圧検出回路１２によれば、たとえば単相３線式の交流電圧を検出することができる。単相３線式の交流配線の場合、第１の交流配線および第２の交流配線（図６の正母線ＰＬおよび負母線ＮＬにそれぞれ対応するため図示せず）の各々には、コモン配線ＣＯＭの電位に対して、互いに逆位相であって振幅がたとえば１００Ｖの交流電圧が印加される。これにより、第１の交流配線と第２の交流配線との間には、２００Ｖの単相交流電圧が印加される。電圧検出回路１２によれば、上記単相交流電圧を検出することができる。

なお、無停電電源装置１００は、本発明に係る「電力変換装置」の一例である。本発明に係る「電力変換装置」は、コンバータ、インバータ、または双方向コンバータを備えるものであれば、無停電電源装置に限定されるものではない。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１１〜１４ 電圧検出回路、１１１〜１１３ 差動増幅回路、Ａ１〜Ａ３ 差動増幅器、Ｆ１〜Ｆ３ フィルタ、Ｒｕ１，Ｒｕ２，Ｒｖ１，Ｒｖ２，Ｒｗ１，Ｒｗ２ 分圧抵抗、Ｒｐ１，Ｒｐ２，Ｒｎ１，Ｒｎ２ 分圧抵抗、Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ３１，Ｒ３２ 入力抵抗、Ｒ１〜Ｒ３ 抵抗、１２１〜１２５ 抵抗分圧回路、Ｂ バッファ、１００ 無停電電源装置、１０１〜１１０ 無停電電源モジュール、１ 交流電源、１ａ 三相交流配線、２ コンバータ、３ インバータ、４ 昇降圧チョッパ回路、５ 蓄電部、６ マイクロコンピュータ、６１ Ａ／Ｄ変換器、６２ ＣＰＵ、８ 負荷、ＣＯＭ コモン配線。

Claims (5)

1. 電力変換装置であって、
   電力変換回路と、
   第１の配線と第２の配線との間の電圧を検出する電圧検出回路とを備え、
   前記電圧検出回路は、
   接地電位から絶縁されたコモン配線と、
   前記第１の配線と前記コモン配線との間に電気的に接続され、抵抗分圧により第１の分圧電圧を生成する第１の抵抗分圧回路と、
   前記第２の配線と前記コモン配線との間に電気的に接続され、抵抗分圧により第２の分圧電圧を生成する第２の抵抗分圧回路と、
   前記第１の分圧電圧と前記第２の分圧電圧との間の電位差を増幅して出力する第１の差動増幅回路とを含み、
   前記電力変換装置は、前記コモン配線に電気的に接続され、前記第１の差動増幅回路からの出力信号に基づいて、前記電力変換回路を制御する制御回路をさらに備え、
   前記第１および第２の配線は、交流電源からの交流電圧を受ける、電力変換装置。
2. 前記交流電源は、前記第１の配線と、前記第２の配線と、第３の配線とに三相交流電圧を印加する三相交流電源であって、
   前記電圧検出回路は、
   前記第３の配線と前記コモン配線との間に電気的に接続され、抵抗分圧により第３の分圧電圧を生成する第３の抵抗分圧回路と、
   前記第２の分圧電圧と前記第３の分圧電圧との間の電位差を増幅して出力する第２の差動増幅回路とをさらに含む、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記電圧検出回路は、前記第３の分圧電圧と前記第１の分圧電圧との間の電位差を増幅して出力する第３の差動増幅回路をさらに含む、請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１の差動増幅回路は、前記コモン配線に電気的に接続され、
   前記第１の差動増幅回路と前記制御回路との間で前記コモン配線に直列に接続され、前記コモン配線に混入するノイズを低減するフィルタをさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 前記フィルタは、ボルテージフォロワ回路である、請求項４に記載の電力変換装置。

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