JPH0518287U

JPH0518287U - 電源装置

Info

Publication number: JPH0518287U
Application number: JP7212691U
Authority: JP
Inventors: 均森
Original assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Current assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Priority date: 1991-08-12
Filing date: 1991-08-12
Publication date: 1993-03-05

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】アクティブフィルタ入力回路のインダクタに
直流電力を蓄えて出力電圧を安定化する。【構成】直流リアクトル７にエネルギーを蓄え、入力
側スイッチング素子５と出力側短絡スイッチング素子８
を独立にオンオフ制御して、直流リアクトル７を短絡す
るモードを含む４種類の動作モードを設け、入力側と出
力側で独立にＰＷＭ制御することを特徴とする電源装
置。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、交流電源や直流電源に接続して安定化された直流電力を供給する電源装置の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

直流電源または交流を整流してなる電源より、安定化した直流電力を得る方法の一つとして、チョッパ回路がある。その中でも昇圧形チョッパ回路や昇降圧形チョッパ回路は、交流を整流してその入力とする場合、スイッチング素子をオン・オフするタイミングを制御して、入力電流の短時間平均値が入力交流電圧の瞬時値に比例するようにしてやることにより、高力率で高調波電流成分の少ない、理想的な入力電流波形を実現し、無効電力の発生による電力損失や電源電圧変動、さらには高調波電流による他の電気機器への悪影響を防ぐことができる。この回路制御方式はアクティブフィルタ入力回路と呼称されている。

【０００３】従来のアクティブフィルタ入力回路を使用した電源装置では、入力交流電源の一周期の間に直流リアクトルのエネルギーをほとんど全て放出している期間があり、従って、この直流リアクトルには、入力交流電源の基本波形によって生じる出力電圧のリプル成分を除去するための、エネルギー蓄積の機能は持たせておらず、出力側に接続したコンデンサでこのリプル成分を吸収しており、このリプル成分を低減するためには、非常に容量の大きなコンデンサを用いるか、さらに電圧安定化回路を設ける必要があった。

【０００４】他方、交流電源から負荷として可変速の交流電動機を運転する場合など、交流を一度直流電流に整流し、電流形インバータを構成する方法があり、この場合に交流から直流への整流部とインバータ部の両方にＰＷＭ制御を行って入力電流と出力電流を正弦波に近づける例が報告されている。（電気学会雑誌、１０８巻２号、１４０頁、昭和６３年）

【０００５】図６に示すこの例では、ＰＷＭ制御の際に、整流部およびインバータ部で同時に、３相ブリッジのある相の上下のアームのスイッチング素子を導通させた時に直流リアクトルを合計４個のスイッチング素子により短絡するモードが現れる。見方を変えると、この報告例では直流リアクトルを流れる電流は常に４個のスイッチング素子を通して環流しており、スイッチング素子で生じる損失が大きいという欠点があった。なお、この例の直流リアクトルを含んでこれより左側の部分はＰＷＭ制御電流形整流回路と呼称することができる。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

本考案が解決しようとする第一の課題は、従来のアクティブフィルタ入力回路を使用した電源装置で存在していた、入力交流電源の基本波形によって生じる出力電圧のリプル成分を除去することである。

【０００７】本考案が解決しようとする第二の課題は、従来のＰＷＭ制御電流形整流回路の欠点であったスイッチング素子の損失を低減することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

本考案の電源装置は、直流電源または交流を整流してなる電源または交流電源からの入力回路と、直流負荷への出力回路と、２個以上の能動的スイッチング素子と、該直流電源に生じる変動の持続時間または該交流電源の基本周期の８分の１の時間に該直流負荷が消費するエネルギーよりも大きなエネルギーを蓄えることのできる直流リアクトルと、該スイッチング素子のオンオフ等を制御する制御手段とを有し、スイッチング素子をオンオフ切り替えすることにより、（１）該入力回路と該直流リアクトルを結ぶ電流路と、（２）該直流リアクトルと該出力回路を結ぶ電流路と、（３）２個以下あるいは２組以下のスイッチング素子により該直流リアクトルの両端を短絡するような電流路と、（４）該直流リアクトルを通じて該入力回路と該出力回路を結ぶ電流路とを、順次または適当な順序で次々と形成するようにしたことを特徴とする。

【０００９】すなわち、本考案の電源装置は、直流リアクトルを短絡するような電流路を設けることにより、比較的長時間にわたって直流リアクトルにエネルギーを蓄えることができるようにしてＰＷＭ制御電流形整流回路を構成し、さらにこの直流リアクトルを短絡するような電流路を構成するスイッチング素子の直列接続数を２個以下に減らすことにより、このスイッチング素子で生じる電力損失を低減したものである。

【００１０】

【作用】

図１に示す本考案の一実施例である電源装置により本考案の作用について説明する。図１（Ａ）の回路図において、入力側トランジスタ５と出力側短絡トランジスタ８を共にオンすると、単相交流電源１からダイオード２による整流回路、入力端子１３ａ、１３ｂを介し、入力側フィルタ用リアクトル３を通して、直流リアクトル７を結ぶ入力側電流路が形成される。この状態では単相交流電源１から直流リアクトル７へエネルギーが流入する。

【００１１】次に、入力側トランジスタ５と出力側短絡トランジスタ８を共にオフすると、入力側短絡ダイオード６と出力側ダイオード９が導通して、直流リアクトル７から出力端子１４ａ、１４ｂを介し、直流負荷１１を結ぶ出力側電流路が形成される。この状態では直流リアクトル７から直流負荷１１および出力側フィルタ用コンデンサへエネルギーが供給される。

【００１２】その次に、入力側トランジスタ５をオフし出力側短絡トランジスタ８をオンすると、直流リアクトル７は入力側短絡ダイオード６と出力側短絡トランジスタ８によりその両端を短絡される。この状態では直流リアクトル７のエネルギーは概ね保持される。ただし、入力側短絡ダイオード６と出力側短絡トランジスタ８の電力損失分だけ、直流リアクトル７のエネルギーは時間の経過と共に減少する。

【００１３】また、入力側トランジスタ５をオンし出力側短絡トランジスタ８をオフすると、入力端子の一端１３ａから、入力側フィルタ用リアクトル３、入力側トランジスタ５、直流リアクトル７、出力側ダイオード９を通して、出力端子の一端１４ａへの電流路ができ、直流リアクトル７を通じて入力回路と出力回路を結ぶ電流路が形成される。この状態では単相交流電源１から直流リアクトル７へエネルギーが流入し、かつ直流リアクトル７から直流負荷１１および出力側フィルタ用コンデンサ１０へエネルギーが供給される。

【００１４】ここで入力側に注目してみると、入力側トランジスタ５をオンしている時に単相交流電源１から直流リアクトル７へエネルギーが流入していることがわかる。また、直流リアクトル７にある程度以上のエネルギーが蓄えられているときはその電流値は、単相交流電源１の一周期にわたりほぼ一定と見なすことができるので、入力側トランジスタ５のオンオフを繰り返す周期の内、オンしている時間の割合すなわちデューティ比を単相交流電源１の電圧瞬時値の絶対値またはこれに近い値である入力端子１３ａ、１３ｂ間の電圧または入力フィルタ用コンデンサ４の電圧に比例するように制御することにより、入力側トランジスタ５を流れる電流は、図１（Ｃ）の方形波のようになり、いわゆるＰＷＭ（パルス幅変調）制御を実現することができ、入力フィルタ用リアクトル３と入力フィルタ用コンデンサ４の効果により、入力端子１３ａ、１３ｂから流れ込む電流波形は図１（Ｃ）に示す概略正弦波形となって、単相交流電源１から流れる電流の力率をほぼ１とし、また高調波成分をほぼ０とすることができる。

【００１５】従来のアクティブフィルタ入力回路では、直流リアクトル７のインダクタンス値が小さく、ここに蓄えるエネルギーが小さく、図１（Ａ）と同様の回路構成でも、交流電源の基本周波により出力に現れるリプル電圧を吸収する効果は持たせていない。図７と図８に示す力率改善用チョッパ制御ＩＣの使用例でも、本考案の直流リアクトルに相当するインダクタの電流波形は、その平均値が整流後の入力電圧に比例するように制御されている。図７、図８において２９は整流回路、３０はＰＦＣコントローラー、３１はＰＷＭコンバータ、３２は負荷である。（ ’９１スイッチング電源システムシンポジウム、ｐ．Ｓ−５−２−２、社団法人日本能率協会編）図２（Ａ）に従来の制御方式を取り、インダクタンス値の小さいインダクタを用いた場合の入出力電圧波形を示し、図２（Ｂ）には入力側トランジスタ５の電流とその平均値となる入力電流の波形を示すが、入力側トランジスタの電流波形はパルス振幅変調（ＰＡＭ）制御をしているとみなすことができ、また出力電圧波形には、交流電源の基本周波成分のリプル電圧が現れているのがわかる。

【００１６】次に出力側に注目してみると、出力側短絡トランジスタ８をオフしている時に直流リアクトル７から直流負荷１１および出力側フィルタ用コンデンサ１０へエネルギーが供給されることがわかる。直流負荷１１に定電圧を供給することが要求される場合は、出力電圧の変動や必要に応じ出力電流や直流リアクトル７の電流をモニタして、出力トランジスタ８のデューティ比を入力側トランジスタとは独立に制御できるようにすれば良く、出力側フィルタ用コンデンサ１０の静電容量が小さくても、図１（Ｂ）に示すように安定した出力電圧を得ることができる。

【００１７】さらに直流リアクトル７に注目してみると、入力側トランジスタ５をオフし出力側短絡トランジスタ８をオンした状態では、直流リアクトル７は入力側短絡ダイオード６と出力側短絡トランジスタ８によりその両端を短絡されこの状態では直流リアクトルのエネルギーは概ね保持される。この状態での電力損失は、直流リアクトル７の抵抗分と、２個のスイッチング素子の電圧降下による分だけとなっており、図６に示すような従来のＰＷＭ制御電流形整流回路・インバータ回路で生じる電力損失よりも小さくなっている。図６において、１９は減速機、２０はエンコーダー、２１は乗かご、２２は釣合いおもり、２３と２７はベースドライブ回路、２４と２８はＰＷＭ制御回路、２５はＡＣＲ回路、２６は電流指令一、周波数指令Ｗ位相指令φを出すベクトル制御演算回路である。また、場合によっては、直流リアクトル７を直接短絡する別個のスイッチング素子を追加してさらにこのエネルギー保持状態での電力損失を低減することも可能である。また、この直流リアクトル７は、入力側の力率を１に近づけることによって生じる入力電力のリプル成分を吸収して、負荷に一定電力を供給するためには、最低、交流電源の基本周期の８分の１の時間に負荷が消費するエネルギーよりも大きなエネルギーを蓄えることが必要であり、これを本考案の請求範囲の条件の一つに加えた。

【００１８】

【実施例】

図１に本考案の第１の実施例の回路図および各部電圧電流波形を示すが、この実施例の動作については以上に説明した通りである。

【００１９】図３に本考案の第２の実施例の回路図を示す。この実施例では鉛蓄電池などの直流電源から直流電動機を負荷として運転するもので、制動時には負荷側のエネルギーを直流電源側へ回生するために電源側と負荷側が対称形となっている。

【００２０】負荷を駆動するときは、入力側トランジスタの内５ａと５ｄを同時に動作させ、５ｂと５ｃはオフのままにしておく。入力側トランジスタ５ａ、５ｄがオンしている時には入力側短絡トランジスタ６ａはオフとし、直流電源１６から入力端子１３ａ、１３ｂを介し、入力側フィルタ用リアクトル３と入力ダイオード２ａ、２ｄを通して、直流リアクトル７を結ぶ入力側電流路が形成される。また、入力側トランジスタ５ａ、５ｄがオフしている時には入力側短絡トランジスタ６ａはオンとし、直流電源からのエネルギーの流れを遮断する。入力側トランジスタ５ａ、５ｄがオンオフを繰り返す周期の内、オンしている時間の割合すなわちデューティ比を変えることにより、直流リアクトル７や負荷である直流電動機１７へのエネルギーの流れを制御することができる。また出力側では、出力側トランジスタの内１５ａと１５ｄを同時に動作させ、１５ｂと１５ｃはオフのままにしておく。入力トランジスタ１５ａ、１５ｄがオンしている時には出力側短絡トランジスタはオフとし、直流リアクトル７から出力側ダイオード９ｄを通し出力端子１４ａ、１４ｂを介して直流電動機１７を結ぶ出力側電流路が形成される。また出力側トランジスタ１５ａ、１５ｄがオフしている時には入力側短絡トランジスタ直流電動機へのエネルギーの流れを遮断する。出力側トランジスタ１５ａ、１５ｄがオンオフを繰り返す周期の内、オンしている時間の割合すなわちデューティ比を変えてやることにより、直流電動機１７へのエネルギーの流れを制御することができる。

【００２１】また回生制動時には、出力側トランジスタの内１５ｂと１５ｃを同時に動作させ、１５ａと１５ｄはオフのままにしておき、入力側トランジスタの内５ｂと５ｃを同時に動作させ、５ａと５ｄはオフのままにしておく。これにより、直流リアクトル７の電流方向はそのままで、平均的に見て電位が反転して負電位となり、また、直流電源１６と直流電動機１７の電流方向が反転し、直流電動機側１７から直流電源１６側へエネルギーが回生される。

【００２２】図４に本考案の第３の実施例の回路図を示す。この実施例は三相交流電源から安定化した直流電力を負荷へ供給する電源装置である。第１の実施例との相違は電源が単相ではなく三相交流であることで、第１の実施例で図１（Ａ）入力側トランジスタ５がオンするタイミングでは、この実施例では、例えば図４（Ｂ）の二で示した位相範囲では図４（Ａ）のＵ相上側トランジスタ５ａがオンし、同図Ｖ相下側トランジスタ５ｅとＷ相下側トランジスタ５ｆとが交互にオンしている。こうして図４（Ｂ）に示すように各相の入力電流をＰＷＭ制御することにより、三相交流電源１８からの各相の電流波形を各相電圧波形に比例した正弦波に近づけることができる。この他の動作、作用については第１の実施例と同様である。

【００２３】図５に本考案の第４の実施例の回路図を示す。この実施例は三相交流電源から電磁石などの直流負荷に電力を供給する電源装置であり、直流負荷への電力供給を停止する際に生じる逆起電力を利用して直流負荷に蓄えられたエネルギーを電源側へ回生することができるようにしたものである。この実施例において、負荷への電力供給時についてはその動作は第３の実施例と全く同様である。電力回生時には直流負荷１１の発生する逆起電力により、出力端子１４ａ、１４ｂ間の電圧が反転する。この時、入力側短絡トランジスタ６ａと出力側トランジスタ９ａをオンし、出力側短絡トランジスタ８ａをオフしておけば、直流リアクトル７の電流は増加し、このようにして直流負荷のエネルギー１１を直流リアクトル７へ戻すことができる。さらに、次のタイミングでは入力側短絡トランジスタ６ａと出力側トランジスタ９ａをオフし、出力側短絡トランジスタ８ａをオンしておき、図４（Ｂ）とは、同じ電源電圧の位相に対して逆の方向に電流が流れるように、入力側トランジスタ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆをオンオフ制御することにより、直流リアクトル７から三相交流電源１８へとエネルギーを戻すことができる。

【００２４】

【考案の効果】

本考案が解決しようとする第一の課題である、従来のアクティブフィルタ入力回路を使用した電源装置で存在していた、入力交流電源の基本波形によって生じる出力電圧のリプル成分を除去することについては、出力側のスイッチング素子の制御を入力側とは独立にして請求項１に示す４種類の電流モードを設け、直流リアクトルで電源側からの入力電力の変動を吸収することにより実現し、従来のアクティブフィルタ入力回路が持っていなかった出力電圧安定化機能を持たせることができた。また、図１（Ｃ）に示す本考案の電源装置の入力電流波形は、図２（Ｂ）に示す従来のアクティブフィルタ入力回路を使用した電源装置の入力電流波形に比べてピーク値が小さく、スイッチング素子の損失が少なくて済むなどの利点がある。

【００２５】本考案が解決しようとする第二の課題である、従来のＰＷＭ制御電流形整流回路の欠点であったスイッチング素子の損失を低減することについては、直流リアクトルを短絡するような電流路を構成するスイッチング素子の直列接続数を２個以下に減らすことにより、従来のＰＷＭ制御電流形整流回路で４個のスイッチング素子で上記電流路を構成していた場合に比べ電力損失を低減することができた。また、特に昇降圧チョッパ回路として電源と負荷の電圧・電流の整合を取ることを目的とする場合には、例えば負荷の電圧が低く電流が大きい場合に入力側短絡トランジスタやダイオードは平均電流定格の大きなものを使用し、その他の入力側スイッチング素子としてはより小さな平均電流定格のものが使用できるなど、使用部品の選択の範囲を広げ、条件によっては部品点数の増加したデメリットを上回る小型化やコストダウンの効果を上げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（Ａ）は本考案の第１の実施例の回路図、
図１（Ｂ）は図１（Ａ）の要部の電圧波形説明図、図１
（Ｃ）は図１（Ａ）の要部の電流波形説明図である。

【図２】図２（Ａ）は従来の電源装置における要部の電
圧波形説明図、図２（Ｂ）は従来の電源装置における要
部の電流波形説明図である。

【図３】本考案の第２の実施例の回路図である。

【図４】図４（Ａ）は本考案の第３の実施例の回路図、
図４（Ｂ）は図４（Ａ）の要部の電圧、電流波形説明図
である。

【図５】本考案の第４の実施例の回路図である。

【図６】従来の電源装置における要部の回路および接続
を示した説明図である。

【図７】従来の電源装置における要部の回路図、図７
（Ｂ）は図７（Ａ）の要部の電圧、電流波形説明図であ
る。

【図８】図８（Ａ）は従来の電源装置における要部の回
路図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の要部の電圧電流波形説
明図である。

【符号の説明】

１単相交流電源２ダイオード３入力側フィルタ用リアクトル４入力側フィルタ用コンデンサ５入力側トランジスタ６入力側短絡ダイオード７直流リアクトル８出力側短絡スイッチング素子９出力側ダイオード１０出力側フィルタ用コンデンサ１１直流負荷１２制御手段１３入力端子１４出力端子１５出力側トランジスタ１６直流電源１７直流電動機１８三相交流電源

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】直流電源または交流を整流してなる電源
または交流電源からの入力回路と、直流負荷への出力回
路と、２個以上の能動的スイッチング素子と、該直流電
源に生じる変動の持続時間または該交流電源の基本周期
の８分の１の時間に該直流負荷が消費するエネルギーよ
りも大きなエネルギーを蓄えることのできる直流リアク
トルと、該スイッチング素子のオンオフなどを制御する
制御手段とを有し、スイッチング素子をオンオフ切り替
えすることにより、（１）該入力回路と該直流リアクト
ルを結ぶ電流路と、（２）該直流リアクトルと該出力回
路を結ぶ電流路と、（３）２個以下あるいは２組以下の
スイッチング素子により該直流リアクトルの両端を短絡
するような電流路と、（４）該直流リアクトルを通じて
該入力回路と該出力回路を結ぶ電流路とを、順次または
適当な順序で次々と形成するようにしたことを特徴とす
る電源装置。
【請求項２】請求項１において、該直流リアクトルに
並列にコンデンサを接続し、さらにこれに直列に第二の
直流リアクトルを挿入してなる電源装置。