JPH1189219A - エネルギ源の幹線から単相または多相の負荷に供給するための回路配置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 蓄積コンデンサを有する全波ブリッジ整流回
路を幹線の側に具え、エネルギ源の幹線から負荷に供給
する従来の回路配置は高い高調波成分を有していた。 【解決手段】 その周波数に対して負荷１が少なくとも
ほぼ抵抗のふるまいを有し、少なくともほぼ正弦波の幹
線の交流電圧を運ぶエネルギ源の幹線２から単相または
多相の負荷１に供給するための回路配置であって、該回
路配置は；− 少なくともほぼ正弦波状の中間の回路の
電圧を引き出すための全波整流段３、− その周波数が
幹線の交流電圧の周波数に比して高い制御信号の制御の
もとに、制御信号と中間の回路の電圧の積から決定さ
れ、負荷に供給される少なくとも１つの高い周波数の電
源電圧を中間の回路の電圧から発生させる単相または多
相のインバータとして構成されている変調段１１、およ
び− 制御信号の周波数を含んでいる周波数範囲のエネ
ルギ源の幹線２に誘起された干渉を抑圧するように、全
波整流段３に結合されている高い周波数のフィルタ段
８，９を含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、少なくともほぼ正
弦波の幹線の交流電圧を運ぶエネルギ源の幹線から単相
または多相の負荷に供給するための回路配置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子的なエネルギ変換器が単相の交流電
流の幹線として構成されるエネルギ源の幹線から供給さ
れるとき、引き続いて蓄積コンデンサを有する全波ブリ
ッジ整流回路が幹線の側においてしばしば使用される。
このブリッジ整流回路は、また、グレーツブリッジと呼
ばれ、エネルギ源の幹線の瞬時電圧値の量が蓄積コンデ
ンサの両端の電圧より大きいときにのみ、蓄積コンデン
サを再充電するための主電流がエネルギ源の幹線から流
れることを確実にしている。はっきりしたパルス状の電
流はこうしてエネルギ源の幹線から引き出され、上記電
流の平均値は負荷によって蓄積コンデンサから引き出さ
れた電流の平均値に相当している。こうして形成され、
エネルギ源の幹線から引き出された幹線の電流は高い高
調波成分を有している。もし、そのようなグレーツブリ
ッジが高電力の負荷を動作させるために使用されれば、
高調波成分は、エネルギ源の幹線のオペレータによって
最も高い許容の高調波成分として指摘された限界を非常
に速く超えるであろう。より高い高調波成分を有する幹
線の電流を発生する負荷は、エネルギ源の幹線のオペレ
ータによって課せられた指令を考慮し、そしてまた国お
よびヨーロッパの標準に行きわたることを考慮すると許
し難い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】グレーツブリッジから
下流にフィルタチョークを接続することが知られてい
て；そのようなチョークは幹線の電流のスムージングを
達成し、それ故、高調波成分の減少を達成する。しかし
ながら、そのようなフィルタチョークは、高電力の場合
において非常に大きくそして重くなり；これは、そのよ
うな電源ユニットを具えた装置のコンパクトさと重さに
不利な影響を有している。

【０００４】W. Hirschmann とA. Hauenstein 氏による
出版物“Schaltnetzteile ”（シーメンス発行、ISBN N
o.3-8009-1550-2 のSection 6.4, 441から444 頁) は、
正弦波図形の電流を有するアップコンバータを記述して
いる。この配置は、またプレコンディショナと呼ばれ、
電子的な電力スイッチ、高い周波数のチョークおよび高
速のスイッチングダイオードを含んでいる。電力スイッ
チは、中間の回路すなわちグレーツブリッジから下流に
重大な電圧変化を引き起すことなく正弦波ふうの幹線の
電流を制御する適切な制御回路によって駆動されなけれ
ばならない。制御回路が適切に想到されるとき、引用さ
れた回路配置は正弦波の幹線の電流を可能にし、幹線の
電流の高調波はこの回路配置に接続された負荷に関係な
く少なくともほぼ抑圧され、そしてまた負荷の電力を中
間の回路における少なくともほぼ一定の電圧に従って一
定に保つことが可能になることが必要である。しかしな
がら、比較的大規模な回路手段がこの目的のために必要
とされる。

【０００５】多くの場合において、時間に関し一定の電
力を負荷に供給することは必要でない。それは、この電
力の瞬時値が、例えば倍の幹線の周波数において平均値
の周りに変化するときしばしば満足させる。上述したプ
レコンディショナの使用は、そのような場合において特
に不利益であろう。

【０００６】本発明の目的は、エネルギ源の幹線から負
荷に供給するために役立ち、そして簡単な手段を使用す
る一方で殆んど高調波を有しない幹線の電流を確実にす
る回路配置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的は、その周波数
に対して負荷が少なくともほぼ抵抗のふるまいを有し、
少なくともほぼ正弦波の幹線の交流電圧を運ぶエネルギ
源の幹線から単相または多相の負荷に供給するための回
路配置による本発明によって達成され、その回路配置
は、− 少なくともほぼ正弦波状の中間の回路の電圧を
引き出すための全波整流段、− その周波数が幹線の交
流電圧の周波数に比して高い制御信号の制御のもとに、
制御信号と中間の回路の電圧の積から決定され、負荷に
供給される少なくとも１つの高い周波数の電源電圧を中
間の回路の電圧から発生させる単相または多相のインバ
ータとして構成されている変調段、および− 制御信号
の周波数を含んでいる周波数範囲のエネルギ源の幹線に
誘起された干渉を抑圧するように、全波整流段に結合さ
れている高い周波数のフィルタ段を含んでいる。

【０００８】本発明は、グレーツブリッジを有する電源
から下流の負荷として役立つオーミック抵抗に対する正
弦波の幹線の電流は、中間の回路の上述したコンデンサ
を省略することによって、すなわち、グレーツブリッジ
への結合において非常に簡単に得られるという事実の確
認を利用している。中間の回路の電圧はそのとき常にエ
ネルギ源の幹線の幹線電圧の絶対値を呈し、そして幹線
の電流は幹線の電圧に比例している。負荷は幹線の周波
数の周りのあらかじめ定められた周波数範囲において本
質的に抵抗のふるまいを呈するため、本発明による回路
配置はまた正弦波の幹線の電流を発生する。そのような
負荷は、例えば、抵抗負荷を有して高い周波数でスイッ
チされるＤＣ／ＤＣコンバータによって形成され、しか
しまた、ＡＣ／ＤＣコンバータによって供給される非常
に速いモータ、例えば、非同期モータや永久磁石モータ
によっても形成される。負荷が本質的に抵抗のふるまい
を呈する周波数範囲は、例えば、０から２kHz までに選
択される。この選択は、高調波の限界に関係する変動率
に従っている。例えば、高い周波数でスイッチされるＤ
Ｃ／ＤＣコンバータが動作する周波数は、上記周波数範
囲の上限に関して一般的に高いであろう。

【０００９】本発明による回路配置において、負荷によ
って取り上げられた電力は、入力電圧として変調段に供
給される中間の回路の電圧の二乗に常に比例している。
本発明による回路配置は幹線の周波数において重大な量
のエネルギを蓄積するエネルギの蓄積を含まないから、
幹線の電圧と幹線の電流とは比例することになる。こう
して、正弦波の幹線の電圧の場合においては、正弦波の
幹線の電流がまた得られるであろう。全波整流段に結合
された高い周波数のフィルタ段は、単に制御信号の周波
数における干渉を抑圧するために役立つ。この高い周波
数のフィルタ段は、好ましくは、例えば、全波整流段か
ら下流に接続された非常に小さいインダクタンスと非常
に小さいコンデンサを含んでいる。もし願わくは、イン
ダクタンスがまた、エネルギ源の幹線と全波整流段との
間の接続に介挿され得る。インダクタンスとコンデンサ
は両方とも、それらによって取り上げられた電流成分が
負荷を通してのオーミック電流に関して小さいように比
例している。

【００１０】本発明によるこの種類の回路配置において
は、低い周波数の場合において、すなわちまた、エネル
ギー源の幹線の幹線周波数において、負荷のインピータ
ンスが非常に低いという問題にしばしば遭遇する。この
ケースは、例えば、負荷が変圧器、非常に速いモータま
たは類似のものを含んでいるとき生じる。これらの負荷
は一様に高い周波数の電源電圧に比例しているから、低
い周波数においては、固有の低いインピーダンスが大部
分の場合に生じる。

【００１１】本発明による回路配置においては、負荷へ
の高い周波数の電源電圧は、高い周波数の制御信号と正
弦波状の中間の回路の電圧の積から決定される。それ
故、高い周波数の電源電圧は正弦波状の包絡線を有して
いる。これは、電源電圧が、制御信号の周波数に関して
対称的に位置されている側波帯を有していることを意味
している。これらの側波帯はまた非常に低い周波数の成
分を含んでいる。これは、正弦波状の中間の回路の電圧
がそれ自体スペクトル的に純粋でないからではなく、幹
線の周波数のすべての偶数倍における成分を有している
からである。これらのスペクトル成分の制御信号との混
合された積は、また、非常に低い周波数に存在する。低
いインピーダンスを有する負荷においては、これらの低
い周波数のスペクトル成分は、低い周波数において重大
な低い周波数の電流を生成し得る。これらの電流は、変
調段を介して、高調波の抑圧をキャンセルすることがで
きる全波整流段に逆に働く。

【００１２】この欠点は、正弦波の幹線の電圧を、中間
の回路の正弦波状の電圧の代わりに、変調器に直接供給
することによって避けられる。しかしながら、正弦波の
幹線の電圧の処理のために、変調段は、各電圧と電流方
向に対して適している電力スイッチを含むべきである。
そのような回路配置は、また直接ＡＣコンバータと呼ば
れる。しかしながら、この種類のＡＣコンバータは、唯
一つの電流または電圧の極性に対する変調段よりも明確
にもっと複雑である。

【００１３】中間の回路における正弦波状の電圧によっ
て引き起こされる干渉を避けるために、本発明の別の実
施形態には、幹線の交流電圧の半分の期間から次に制御
信号の符号を反転する制御信号反転段が具えられてい
る。このステップの結果として、直接ＡＣコンバータに
よってと同じ効果が達成される。制御信号の符号は幹線
の電圧の各ゼロクロッシングにおいて反転される。変調
段は乗算器のように動作するから、それは、あたかも中
間の回路における電圧がもはや正弦波状にでなく、純粋
に正弦波として変化するためであるかのように同じ結果
を有している。変調段によって届けられた電源電圧のス
ペクトル中の側帯波は、こうして２つのスペクトルの線
のみに減少され、上記線は、幹線の周波数からの距離に
おいて、制御信号の周波数の両側に位置されている。そ
れ故、低い周波数の成分はもはやこれらの側帯波に生じ
ない。低い周波数の電流はこうして負荷において避けら
れ、そして、結果としてまた、再変換によって誘起され
る干渉が、変調段を介して、両波整流段とそれ故エネル
ギ源の幹線に入ってくるのが避けられる。

【００１４】好ましは、制御信号反転段は、幹線の交流
電圧の極性の瞬時値を検出するためと、関連した極性を
示す符号信号を供給するための符号検出段を、制御信号
に符号信号を乗算することによって符号補正された制御
信号を発生するための乗算段とともに含んでいる。

【００１５】本発明のこの実施の形態における符号検出
段は、幹線の交流電圧の極性を決定する測定回路として
働く。符号検出段は、値＋１または−１に相当する信号
を発生する。この信号は乗算段に供給され、乗算段にお
いてそれは、幹線の交流電圧の各ゼロクロッシングに従
って制御信号の曲線を反転させるために使用される。

【００１６】もし、本発明による回路配置の別の実施の
形態における制御信号が既に２値のスイッチング信号と
して役に立つならば、例えばその結果、それがまた電力
トランジスタのためのスイッチング信号として直接的に
有利に使用され得るならば、制御信号反転段は、好まし
くは、符号信号によってスイッチされるインバータが具
えられ、そして制御信号によって走査される。このスイ
ッチ可能なインバータはそのとき、乗算段の場所をと
り、そして最も簡単な場合に排他的ＯＲゲートとして構
成される。

【００１７】本発明の実施の形態は、図面を参照して以
下に詳細に説明されよう。そこでは、相当する構成要素
は同一の参照符号によって示される。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に添付図面を参照し、発明の
実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。図１
は、簡単化された等価な図の形状で交流電圧源として示
されるエネルギ源２から、今回の場合における３相の負
荷、例えば、３相モータである負荷１に供給するための
回路配置を示している。全波整流段３、例えば、グレー
ツブリッジは、交流電圧端子４，５を経てエネルギ源の
幹線２に接続されている。グレーツブリッジの動作中正
の電圧レベルを運び、そして以下ではグレーツブリッジ
の正の極と呼ばれる第１の直流電圧端子６は、インダク
タンス８を介して変調段１１の第１の電源電圧端子１０
に接続されている。負の電圧レベルを運び、そして以下
では負の極と呼ばれるグレーツブリッジ３の第２の直流
電圧端子７は、変調段１１の第２の電源電圧端子１２に
接続されている。変調段１１の電源電圧端子１０，１２
は、さらに、コンデンサ９によつてブリッジされてい
る。制御信号発生段１３は、この出力端子１４を経て変
調段１１の制御信号入力端子１５に接続されている。図
１に示される回路配置の動作中、グレーツブリッジ３
は、交流電圧端子４，５を介して少なくともほぼ正弦波
状の幹線の交流電圧を受信する。グレーツブリッジは、
直流電圧端子６，７を介して正弦波状の中間の回路の電
圧として整流された幹線の交流電圧を出力し；この中間
の回路の電圧は、グレーツブリッジ３の正の極６と負の
極７の間に存在する。インダクタンス８は、幹線の交流
電圧と負荷の見積られた電流の周波数においてこのイン
ダクタンスが幹線の交流電圧に比して小さい電圧低下を
有し、そして、幹線の交流電圧の周波数においてコンデ
ンサ９が負荷電流に比して小さい電流を形成するように
釣り合っている。インダクタンス８とコンデンサ９はこ
うして、中間の回路の電圧の時間変化についてのみ無視
できる程度に小さな影響を発揮する。正弦波状の中間の
回路の電圧はこうして、ほぼ変形なしに変調段１１の電
源電圧端子１０，１２に供給される。

【００１９】制御信号発生段１３は、その周波数が幹線
の交流電圧に比して高い制御信号を出力端子１４を介し
て出力し、そして上記制御信号は変調段１１の制御信号
入力端子１５に供給される。変調段は３相のＡＣ／ＤＣ
コンバータとして構成されている。変調段１１において
は、３つの高い周波数の電源電圧が、制御信号に従って
中間の回路の電圧から発生され、上記電源電圧の各々
は、それぞれの接続リードを介して変調段１１から負荷
１に供給される。負荷１はこうしてエネルギが供給され
る。負荷１の例として示されるモータは、非同期モータ
または反作用モータとして構成される。制御信号発生段
１３からの制御信号は、モータが所望のスピードでそし
て所望のトルクで動作するそのような既知の方法におい
て、そのようなモータのための高い周波数の電源電圧を
発生する。負荷１のための電源電圧はそのとき、制御信
号入力端子１５における制御信号と電源電圧端子１０，
１２における中間の回路の電圧との積から決定される。

【００２０】インダクタンス８とコンデンサ９は、それ
らが、制御信号の周波数において著しく生じる干渉を抑
圧するための高い周波数のフィルタ段を形成するそのよ
うな方法に釣り合っている。制御信号によって引き起こ
されるそのような干渉は、高い周波数のフィルタ段８，
９によってエネルギ源の幹線２から効果的に分離され
る。

【００２１】インダクタンス８とコンデンサ９は、幹線
の交流電圧の周波数に対してはエネルギの蓄積として重
要ではないから、中間の回路の電圧の変化は正弦波状に
非常に近い。負荷１の抵抗的なふるまいのため、それに
よって取り上げられる電力は、中間の回路の電圧すなわ
ちた変調段１１の電源電圧端子１０，１２間の電圧の瞬
時値の二乗に常に比例している。それ故、幹線の交流電
圧とエネルギ源の幹線から引き出される電流とはまた相
互に比例している。正弦波の幹線の交流電圧の場合に
は、エネルギ源の幹線から引き出された電流の必要とさ
れる正弦波の変化はこうして達成される。

【００２２】図１の代案のバージョンにおいて、インダ
クタンス８はまた、エネルギ源の幹線２とクレーツブリ
ッジ３間のリードの１つに介挿され得る。

【００２３】図２は、図１の回路配置の代案のバージョ
ンを示し；図１はいま、制御信号反転段が追加された。
制御信号反転段は、その入力端子がクレーツブリッジ３
の交流電圧端子４，５に接続されている符号検出段１６
と、それと同時に、制御信号発生段１３の出力端子１４
と変調段１１の制御信号入力端子１５間の接続に介挿さ
れている乗算段１７とを含んでいる。乗算段１７の入力
端子は出力端子１４に接続され、そして制御信号入力端
子１５は乗算段１７の出力端子に接続されている。乗算
段１７の第２の入力端子は、符号検出段１６の出力端子
に接続されている。

【００２４】図２に示される回路配置の動作中に、符号
検出段１６に供給された幹線の交流電圧の極性がその中
で測定される。符号検出段１６は、幹線の交流電圧の極
性を示す符号信号を出力する。この符号信号は乗算段１
７において制御信号によって乗算され、変調段１１の制
御信号入力端子１５に供給される符号補正された制御信
号を生成する。符号補正された制御信号において、制御
信号発生段１３の出力端子１４からの制御信号の極性
は、幹線の交流電圧のゼロクッシングにおいて反転され
る。

【００２５】制御信号反転段１６，１７の動作が、図４
に示される簡単化された例を基礎として図解されてい
る。図４（ａ）は、正弦波の幹線の交流電圧を示し；図
４（ｂ）は、それから全波整流によって引き出された中
間の回路の電圧の正弦波状の変化を示している。図４
（ｃ）は、図４（ａ）および図４（ｂ）と同じ時間軸ｔ
上にプロットされ、高い周波数の制御信号に対して簡単
化された、方形波の変化を示している。図４（ｃ）に示
される変化は、例えば、制御信号発生段１３の出力端子
１４における制御信号に相当する。図４（ｂ）と図４
（ｃ）の信号の乗算は、負荷１のための電源電圧の概略
の表示のように、実線により形成された、図４（ｄ）の
信号変化を生成する。

【００２６】それと対照に、図４（ｅ）は、その符号が
図４（ａ）による幹線の交流電圧のゼロクロッシングに
おいて変化する符号補正された制御信号を示している。
図４（ｅ）の符号補正された制御信号が図４（ｄ）の正
弦波状の中間の回路の電圧によって乗算されるとき、図
４（ｆ）において実線により示される電圧変化が結果と
して生じる電源電圧として得られる。図４（ｆ）の高い
周波数の電源電圧は、図４（ｄ）に示される変化に関し
て、図４（ａ）の幹線の交流電圧のゼロクロッシングに
おいて符号の反転を示し、その結果、図４（ｄ）および
図４（ｆ）に示される電源電圧は、幹線の交流電圧の全
体の第２の半波の間、位相が反対に変化する。

【００２７】図３は、制御信号が２値信号である場合に
おける乗算段１７の特に簡単な実施の形態を示してい
る。出力端子１４からのこの制御信号は、（明確にする
ために）１から偏移しているパルスデューティファクタ
を有する方形波として図式的に図３に示されている。そ
れは、乗算段１７の第１の入力端子に供給される。符号
検出段１６からの符号信号は乗算段１７の第２の入力端
子に供給され、上記符号信号はまた、幹線の交流電圧の
ゼロクロッシング中にその２つの信号レベルの間を転換
する２値信号である。結果として、乗算段１７、すなわ
ち排他的ＯＲゲートの出力端子における符号補正された
制御信号の極性は、また反転される。その変化がまた図
３に図式的に示されているこの信号は、変調段１１の制
御信号入力端子１５に供給される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示している。

【図２】本発明の第２の実施形態を示している。

【図３】第２の実施形態の一部の代案のバージョンを示
している。

【図４】図１および図２に示される回路配置の動作を図
解するように幾つかの波形を図式的に示している。

【符号の説明】

１ 負荷 ２ エネルギ源の幹線 ３ 全波整流段（グレーツブリッジ） ４，５ 交流電圧端子 ６ 第１の直流電圧端子（正の極） ７ 第２の直流電圧端子（負の極） ８ インダクタンス ９ コンデンサ 10 第１の電源電圧端子 11 変調段 12 第２の電源電圧端子 13 制御信号発生段 14 出力端子 15 制御信号入力端子 16 符号検出段 17 乗算段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 590000248 Ｇｒｏｅｎｅｗｏｕｄｓｅｗｅｇ １, 5621 ＢＡ Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ， Ｔｈ ｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 その周波数に対して負荷が少なくともほ
   ぼ抵抗のふるまいを有し、少なくともほぼ正弦波の幹線
   の交流電圧を運ぶエネルギ源の幹線から単相または多相
   の負荷に供給するための回路配置であって、該回路配置
   は； − 少なくともほぼ正弦波状の中間の回路の電圧を引き
   出すための全波整流段、 − その周波数が幹線の交流電圧の周波数に比して高い
   制御信号の制御のもとに、制御信号と中間の回路の電圧
   の積から決定され、負荷に供給される少なくとも１つの
   高い周波数の電源電圧を中間の回路の電圧から発生させ
   る単相または多相のインバータとして構成されている変
   調段、および − 制御信号の周波数を含んでいる周波数範囲のエネル
   ギ源の幹線に誘起された干渉を抑圧するように、全波整
   流段に結合されている高い周波数のフィルタ段を含んで
   いることを特徴とするエネルギ源の幹線から単相または
   多相の負荷に供給するための回路配置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の回路配置において、 それは、幹線の交流電圧の半分の期間から次に制御信号
   の符号を反転する制御信号反転段を含んでいることを特
   徴とするエネルギ源の幹線から単相または多相の負荷に
   供給するための回路配置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の回路配置において、制御
   信号反転段は： − 幹線の交流電圧の極性の瞬時値を検出するためと、
   関連した極性を示す符号信号を供給するための符号検出
   段、および − 制御信号に符号信号を乗算することによって符号補
   正された制御信号を発生するための乗算段を含んでいる
   ことを特徴とするエネルギ源の幹線から単相または多相
   の負荷に供給するための回路配置。
4. 【請求項４】 制御信号が２値のスイッチング信号とし
   て形成される請求項２または３記載の回路配置におい
   て、 制御信号反転段において、制御信号は、符号信号によっ
   てスイッチされるインバータを通り過ぎることを特徴と
   するエネルギ源の幹線から単相または多相の負荷に供給
   するための回路配置。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれか１項記載の回
   路配置を含んでいて、負荷がモータによって形成されて
   いることを特徴とする電子的な整流モータを有する装
   置。
6. 【請求項６】 請求項５記載の装置を含んでいることを
   特徴とする電気装置。