JP6770384B2

JP6770384B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP6770384B2
Application number: JP2016183684A
Authority: JP
Inventors: 水野　博之; 博之水野; 恭正菅
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2020-10-14
Anticipated expiration: 2036-09-21
Also published as: JP2018050383A

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

産業機械、産業車両、工場、電気自動車、発電システムなどに、インバータやコンバータをはじめとする電力変換装置が使用される。図１は、電力変換装置の一例を示す回路図である。

電力変換装置１００Ｒは、整流器１０２、ＤＣリンク１０４、平滑コンデンサ１０６、インバータ１０８を備える。整流器１０２は、三相交流電圧ＡＣを受け、それを整流した電圧を、Ｐ極およびＮ極の二本のＤＣリンク１０４ｐ，ｎの間に発生させる。平滑コンデンサ１０６は、二本のＤＣリンク１０４ｐ，ｎの間に接続されており、ＤＣリンク１０４ｐ，ｎの間の電圧（ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣと称する）を平滑化する。インバータ１０８は、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣを受け、それを交流電圧に変換して、モータなどの負荷２００に供給する。

特開２０１２−２３１６３７号公報

平滑コンデンサ１０６としては、大容量の電解コンデンサが用いられる。平滑コンデンサ１０６は、交流電圧波形やインバータ１０８の負荷変動に起因するＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣの電圧変動（リップル）を抑制するが、抑制できない電圧変動によって自己発熱が引き起こされ、部品の寿命が短くなる。電力変換装置１００Ｒの用途によっては、平滑コンデンサ１０６の保守、交換が容易でない場合もあるため、平滑コンデンサ１０６の長寿命化が望まれる。

平滑コンデンサ１０６の容量を大きくすれば、電圧リップルが小さくなり自己発熱が抑制されるため、寿命を延ばすことが可能であるが、電解コンデンサは部品サイズが大きくなる。すなわち従来では、部品サイズと寿命がトレードオフの関係にあり、部品サイズの制約下で、長寿命を実現することが難しかった。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、平滑コンデンサの寿命を延ばすことが可能な電力変換装置の提供にある。

本発明のある態様は電力変換装置に関する。電力変換装置は、一対のＤＣリンクと、三相交流電圧を整流した電圧を一対のＤＣリンクの間に発生させる整流器と、一対のＤＣリンクの間に直列に接続される整流ダイオードおよび平滑コンデンサと、整流ダイオードと並列に設けられたスイッチと、を備える。

スイッチがオフの状態では、平滑コンデンサの電圧は実質的に一定となるため、自己発熱が抑制されるが、ＤＣリンク電圧には相対的に大きなリップルが生ずるため、負荷に供給可能な電圧は、ＤＣリンク電圧のリップル下限に制限される。スイッチがオンの状態では、平滑コンデンサの電圧とＤＣリンク電圧は等しく、交流電圧を全波整流し、平滑化した波形となる。したがって平滑コンデンサにはリップルによる自己発熱が発生するが、ＤＣリンク電圧のリップルはスイッチがオフのときに比べて相対的に小さくなり、すなわちＤＣリンク電圧のリップル下限が大きくなるため、負荷に供給可能な電圧が増加する。この電力変換装置によれば、スイッチのオン、オフ状態を切りかえることにより、ＤＣリンク電圧の寿命を延ばすことができる。

電力変換装置は、当該電力変換装置の状態に応じて、スイッチを制御するスイッチコントローラをさらに備えてもよい。

電力変換装置は、負荷を駆動するインバータをさらに備えてもよい。スイッチコントローラは、インバータの出力電圧の検出値およびその指令値の少なくとも一方に応じてスイッチを制御してもよい。
インバータの出力電圧に大振幅が要求される状況において、スイッチをオンすることにより、出力電圧の波形歪みを抑制できる。

スイッチコントローラは、インバータの出力電圧の検出値または指令値が所定のしきい値より大きいときに、スイッチをオンしてもよい。これによりインバータの出力電圧の波形が歪むのを防止できる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、電力変換装置の平滑コンデンサの寿命を延ばすことができる。

電力変換装置の一例を示す回路図である。実施の形態に係る電力変換装置の回路図である。図３（ａ）、（ｂ）は、図２の電力変換装置の動作波形図である。図４（ａ）、（ｂ）は、第１モード、第２モードそれぞれにおける、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣおよび平滑コンデンサのコンデンサ電圧Ｖ_Ｃの波形図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図２は、実施の形態に係る電力変換装置１００の回路図である。電力変換装置１００は、整流器１０２、一対のＤＣリンク１０４ｐ，ｎ、インバータ１０８、平滑回路１２０を備える。

整流器１０２は、三相交流電圧ＡＣを整流した電圧を一対のＤＣリンク１０４ｐ，１０４ｎの間に発生させる。インバータ１０８は、ＤＣリンク１０４ｐ，ｎの間に発生するＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣを交流に変換し、モータなどの負荷２００を駆動する。

平滑回路１２０は、平滑コンデンサ１２２、整流ダイオード１２４、スイッチ１２６、放電抵抗１２８を備える。整流ダイオード１２４および平滑コンデンサ１２２は、一対のＤＣリンク１０４ｐ，１０４ｎの間に直列に接続される。整流ダイオード１２４は、カソードがＮ極ＤＣリンク１０４ｎ、アノードがＰ極ＤＣリンク１０４ｐ側となるように配置される。

スイッチ１２６は、整流ダイオード１２４と並列に設けられる。スイッチ１２６は、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、バイポーラトランジスタなどの電気的に制御可能なトランジスタであってもよい。放電抵抗１２８は、平滑コンデンサ１２２と並列に設けられており、電力変換装置１００の非動作状態において平滑コンデンサ１２２の電荷を放電する。放電抵抗１２８は、電力変換装置１００の動作状態において影響が現れない程度の高抵抗値を有する。これにより、電力変換装置１００の動作停止後に、平滑コンデンサ１２２に高電圧が残留するのを防止できる。

電力変換装置１００はさらに、スイッチ１２６のオン、オフを制御するスイッチコントローラ１３０を備えてもよい。スイッチコントローラ１３０については後述する。

以上が電力変換装置１００の構成である。続いてその動作を説明する。図３（ａ）、（ｂ）は、図２の電力変換装置１００の動作波形図である。ａ−ｂ，ｂ−ｃ，ｃ−ａはそれぞれ、交流入力ＡＣの２相間の電圧を表す。またｕ−ｖ，ｖ−ｗ，ｗ−ｕは、インバータ１０８の交流出力の２相間の電圧を表す。ｐは、Ｐ極ＤＣリンク１０４ｐの電圧を、ｎは、Ｎ極ＤＣリンク１０４ｎの電圧を表す。

図３（ａ）には、スイッチ１２６がオフの状態（第１モードともいう）の動作が示される。スイッチ１２６がオフの状態では、ＤＣリンク１０４ｐ，１０４ｎには、交流入力ＡＣを全波整流した電圧波形が現れる。また平滑回路１２０は、ピークホールド回路として動作し、したがって平滑コンデンサ１２２の電圧Ｖ_Ｃは直流電圧となる。

図３（ｂ）には、スイッチ１２６がオンの状態（第２モードともいう）の動作が示される。スイッチ１２６がオンの状態は、図１の電力変換装置１００Ｒと等価であり、ＤＣリンク１０４ｐ，１０４ｎには、全波交流波形が平滑コンデンサ１２２によって平滑化した電圧波形が現れる。

図４（ａ）、（ｂ）は、第１モード、第２モードそれぞれにおける、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣおよび平滑コンデンサ１２２のコンデンサ電圧Ｖ_Ｃの波形図である。ここでは理解の容易化のために、Ｎ極（ＤＣリンク１０４ｎ）側を基準（０Ｖ）として各電圧を示している。

上述したように、図４（ａ）の第１モードでは、コンデンサ電圧Ｖ_Ｃは直流となる。したがって、平滑コンデンサ１２２の自己発熱を抑制できるため、寿命を長くすることができる。

図４（ａ）の第１モードでは、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣは、交流入力ＡＣを全波整流した波形となる。一方、図４（ｂ）の第２モードでは、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣ（およびコンデンサ電圧Ｖ_Ｃ）は、図４（ａ）の全波整流波形を平滑化した波形となる。ここでインバータ１０８の出力電圧範囲は、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣの下限（ボトムレベル）によって規定されるため、図４（ｂ）の第２モードでは、図４（ａ）の第１モードに比べて出力電圧範囲を広げることができる。

以上が電力変換装置１００の動作である。
この電力変換装置１００によれば、負荷２００を適切に駆動するために、図４（ａ）の出力電圧範囲で足りる場合には第１モードを選択することで、平滑コンデンサ１２２の発熱を抑制し、寿命を延ばすことができる。

また図４（ａ）の出力電圧範囲で不足する場合には第２モードを選択することで、出力電圧範囲を拡大でき、出力電圧ｕ，ｖ，ｗの波形歪みを抑制し、負荷２００を適切に駆動することができる。第２モードでは平滑コンデンサ１２２のコンデンサ電圧Ｖ_Ｃが交流リップルを含むため、自己発熱が発生するが、第１モードで負荷が適切に駆動できない状況に限り、第２モードを選択することで、電解コンデンサの寿命が短くなるのを防止できる。

一例として、負荷２００がモータの場合には、高い駆動電圧を供給すべき高負荷運転中や急加速時に限って第２モードを選択し、それ以外の定常運転時には第１モードを選択することにより、長寿命特性と高出力特性とを両立できる。

続いて、スイッチコントローラ１３０によるモード制御について説明する。上述のように、第１モードと第２モードは、負荷２００に供給すべき電圧（ｕ，ｖ，ｗ）の振幅と、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣの大小関係にもとづいて決定すればよい。すなわち、スイッチコントローラ１３０は、電力変換装置１００の状態（負荷２００の状態も含む）に応じて、スイッチ１２６を制御する。
以下、具体的な制御についていくつかの例を説明する。

（第１制御例）
スイッチコントローラ１３０は、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣの測定値と、インバータ１０８の出力電圧ｕ，ｖ，ｗの少なくともひとつの測定値と、の大小関係にもとづいて、モードを決定してもよい。具体的には、第１モードにおいて、出力電圧ｕ，ｖ，ｗの振幅が、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣによって制限（クランプ）された場合には、第２モードに切りかえてもよい。反対に第２モードで運転中に、出力電圧ｕ，ｖ，ｗの振幅が低下した場合には、第１モードに切りかえることができる。

（第２制御例）
スイッチコントローラ１３０は、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣの測定値と、インバータ１０８の出力電圧ｕ，ｖ，ｗの指令値ｒｅｆと、の関係にもとづいて、モードを決定してもよい。出力電圧ｕ，ｖ，ｗの指令値ｒｅｆにもとづいて、出力波形の振幅を計算、推定できる。したがって、第１モードにおいて、出力波形の振幅がＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣを超える可能性が高い場合には第２モードに切りかえ、第２モードにおいて、出力波形の振幅がＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣを下回る可能性が高い場合には第１モードに切りかえればよい。

（第３制御例）
スイッチコントローラ１３０は、インバータ１０８の出力電圧ｕ，ｖ，ｗの指令値ｒｅｆと、その測定値の関係にもとづいて、モードを決定してもよい。第１モードにおいて、指令値ｒｅｆと実際の測定値に不一致が生じた場合、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣが不足している可能性が高いため、第２モードに切りかえるとよい。また、第２モードにおいて、出力電圧ｕ，ｖ，ｗの指令値ｒｅｆが低下した場合には、第１モードに切りかえればよい。

（第４制御例）
スイッチコントローラ１３０は、インバータ１０８の出力電圧ｕ，ｖ，ｗの指令値ｒｅｆと、所定のしきい値との比較結果にもとづいて、モードを決定してもよい。具体的には指令値ｒｅｆがしきい値より低いとき第１モードを選択し、指令値ｒｅｆがしきい値より高いとき第２モードを選択してもよい。

（第５制御例）
インバータ１０８は、自身の出力電圧ｕ，ｖ，ｗが、指令値ｒｅｆに近づくようにフィードバックによってスイッチングのデューティ比を補正するものがある。たとえばＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣが、第１電圧レベルであるときに、所定電圧の出力ｕ（瞬時値）を得るために必要なデューティ比がＡ％であるとする。ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣが第１電圧レベルより低い第２電圧レベルに低下すると、インバータ１０８は、デューティ比をＡ％より高いＢ％に調節して、指令値ｒｅｆに応じた出力を維持する。このようなインバータでは、指令値ｒｅｆが要求する電圧範囲に対して、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣが不足すると、デューティ比が１００％付近に張り付くようになる。そこでインバータ１０８は、自身のスイッチングのデューティ比にもとづいて、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣの不足（あるいは余剰）を検出し、モードを切りかえてもよい。

（第６制御例）
あるいは、スイッチコントローラ１３０は、負荷２００の動作モードと連動して、モード、すなわちスイッチ１２６のオン、オフを制御してもよい。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。

（第１変形例）
図２の整流ダイオード１２４と平滑コンデンサ１２２を入れかえて、整流ダイオード１２４をＮ極側に、平滑コンデンサ１２２をＰ極側に配置してもよい。

（第２変形例）
実施の形態では、スイッチコントローラ１３０がスイッチ１２６を適応的に制御する場合を説明したがその限りでなく、ユーザがマニュアルでスイッチ１２６のオン、オフを切りかえてもよい。またスイッチ１２６はトランジスタなどの電気的スイッチに限られず、機械的スイッチ（接点）であってもよい。

（第３変形例）
インバータ１０８に代えて、あるいはそれに加えて別の回路、たとえば単方向あるいは双方向のＤＣ／ＤＣコンバータ、バッテリの充電回路あるいは充放電回路などが設けられてもよい。

（用途）
電力変換装置１００は、長寿命と小型化が要求される用途に好適に利用可能である。このような用途としては、可搬性を有する小型のベルトコンベアが例示される。このようなベルトコンベアは、倉庫や工場などの物流搬送システム、あるいは空港などにおいて、必要な場所に移動して設置することが可能である。可搬性を高めるためには、電力変換装置１００の小型化が必要であり、したがって平滑コンデンサ１２２の小型化が要請される。また、固定設備と異なり、設置場所が一定でないため、メンテナンスの頻度は極力少ないことが望ましい。このような観点から、実施の形態に係る電力変換装置１００は、ベルトコンベアに好適である。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００…電力変換装置、１０２…整流器、１０４…ＤＣリンク、１０６…平滑コンデンサ、１０８…インバータ、１２０…平滑回路、１２２…平滑コンデンサ、１２４…整流ダイオード、１２６…スイッチ、１２８…放電抵抗、１３０…スイッチコントローラ、２００…負荷。

Claims

一対のＤＣリンクと、
三相交流電圧を整流した電圧を前記一対のＤＣリンクの間に発生させる整流器と、
前記一対のＤＣリンクの間に直列に接続される整流ダイオードおよび平滑コンデンサと、
前記整流ダイオードと並列に設けられたスイッチと、
負荷を駆動するインバータと、
前記インバータの出力電圧の検出値およびその指令値の少なくとも一方に応じて前記スイッチを制御するスイッチコントローラと、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
前記スイッチコントローラは、前記インバータの出力電圧の検出値または指令値が所定のしきい値より大きいときに、前記スイッチをオンすることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記スイッチコントローラは、前記インバータの出力電圧の検出値または指令値と、前記平滑コンデンサに生ずるＤＣリンク電圧の測定値の大小関係に応じて、前記スイッチを制御することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記スイッチコントローラは、前記平滑コンデンサに生ずるＤＣリンク電圧の測定値と、前記インバータの複数の出力電圧の少なくともひとつの測定値と、を監視し、前記出力電圧の振幅が、前記ＤＣリンク電圧によって制限された場合に、前記スイッチをオンすることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。