JPWO2013014769A1

JPWO2013014769A1 - インバータ装置および電源装置

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Publication number: JPWO2013014769A1
Application number: JP2012519827A
Authority: JP
Inventors: 大樹村田; 加藤　昌則; 昌則加藤; 静里田村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2015-02-23

Abstract

周辺回路の設計に制約を与えることなく、単一の外部直流電源により周辺回路を動作させることができるインバータ装置および電源装置を得ること。商用交流電源２を整流するダイオードブリッジ２１と、ダイオードブリッジ２１の出力により充電され直流電圧を生成する平滑コンデンサ２２と、平滑コンデンサ２２に充電された直流電圧を降圧し所定の直流電圧に変換する第１段ＤＣＤＣ変換回路２３と、第１段ＤＣＤＣ変換回路２３あるいは外部直流電源４から供給された直流電圧をそれぞれ電圧値の異なる複数の制御用電源電圧に変換する第２段ＤＣＤＣ変換回路２４と、を備える。

Description

本発明は、インバータ装置および電源装置に関する。

空調設備、給排水設備や、その他のファンやモータ等の制御を要する設備において用いられるインバータ制御盤に格納されるインバータ装置では、モータを駆動するインバータ主回路の他に、インバータを制御する主制御部やインバータのパラメータを制御するパラメータユニット等の周辺回路に供給する制御用の直流電源回路を備え、制御用の直流電源は、商用電源から生成するのが一般的である。このため、インバータ装置に商用電源を供給できない場合、例えば、インバータ主回路が故障している場合や、インバータ制御盤の移送中や設置中には、インバータのパラメータ設定や周辺回路の設定状態を確認あるいは変更することができない。こうした問題を解決するため、パラメータユニットや通信ユニット等の周辺回路に外部電源を供給可能とする技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

国際公開ＷＯ２００４／１０７５５１号公報

しかしながら、上記従来技術では、インバータを制御する主制御部やパラメータユニット等の周辺回路毎に必要な電源電圧値が異なる場合、異なる電源電圧値毎に外部電源が必要となる、という問題があった。あるいは、周辺回路の電源電圧値を統一することも考えられるが、この場合には、周辺回路の電源電圧値を統一するための部品選定や回路構成を行う必要があり、周辺回路設計上の制約条件が厳しくなる、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、周辺回路の設計に制約を与えることなく、単一の外部直流電源により周辺回路を動作させることができるインバータ装置および電源装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるインバータ装置は、商用交流電源が供給され、モータを駆動するインバータ主回路および前記インバータ主回路の周辺回路に供給する制御用電源を生成する制御電源回路を具備するインバータ装置であって、前記制御電源回路は、前記商用交流電源を整流するダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの出力により充電され直流電圧を生成する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサに充電された直流電圧を降圧し所定の直流電圧に変換する第１段ＤＣＤＣ変換回路と、前記第１段ＤＣＤＣ変換回路あるいは外部直流電源から供給された直流電圧をそれぞれ電圧値の異なる複数の制御用電源電圧に変換する第２段ＤＣＤＣ変換回路と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、周辺回路の設計に制約を与えることなく、単一の外部直流電源により周辺回路を動作させることができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかるインバータ装置の一構成例を示す図である。図２は、実施の形態１にかかるインバータ装置の制御電源回路の一構成例を示す図である。図３は、実施の形態２にかかるインバータ装置の一構成例を示す図である。図４は、実施の形態２にかかるインバータ装置の制御電源回路の一構成例を示す図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかるインバータ装置および電源装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかるインバータ装置の一構成例を示す図である。実施の形態１にかかるインバータ装置１は、例えば、空調設備、給排水設備や、その他のファンやモータ等の制御を要する設備において用いられるインバータ制御盤に格納される。図１に示すように、実施の形態１にかかるインバータ装置１は、インバータ主回路１０および制御電源回路２０を備えている。

通常運用時において、実施の形態１にかかるインバータ装置１は、商用交流電源２およびモータ３に接続される。一方、インバータ装置１に商用電源を供給できない場合（例えば、インバータ主回路１０が故障している場合や、インバータ制御盤の移送中や設置中）において、パラメータ設定や周辺回路の設定状態を確認あるいは変更する場合には、商用交流電源２およびモータ３から切り離され、外部直流電源４に接続される。なお、図１に示す例では、商用交流電源２として、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相からなる三相交流電源を用いた例を示しているが、これに限らず単相交流電源であってもよい。

インバータ主回路１０は、三相ダイオードブリッジ１１、突入電流抑制抵抗１２、突入電流抑制抵抗１２と並列に接続されたスイッチ１３、平滑コンデンサ１４、およびインバータ部１５を備えている。なお、三相ダイオードブリッジ１１およびインバータ部１５の回路構成は公知であるので、ここではその詳細な説明は省略する。

インバータ主回路１０では、通常運用時において、商用交流電源２から供給された三相交流電圧から三相ダイオードブリッジ１１および平滑コンデンサ１４により直流母線電圧を生成し、その直流母線電圧をインバータ部１５により所望の交流電圧に変換してモータ３を制御する。

制御電源回路２０は、ダイオードブリッジ２１、平滑コンデンサ２２、第１段ＤＣＤＣ変換回路２３、および第２段ＤＣＤＣ変換回路２４を備えている。

制御電源回路２０では、インバータ部１５を制御する主制御部（図示せず）やインバータ部１５のパラメータを制御するパラメータユニット（図示せず）等の各周辺回路（以下、単に「周辺回路」という）に対応した電圧値の異なる複数の制御用電源を生成する。

通常運用時には、商用交流電源２から供給された単相交流電圧をダイオードブリッジ２１および平滑コンデンサ２２により直流電圧に変換し、第１段ＤＣＤＣ変換回路２３により、その直流電圧を降圧し所定の直流電圧ＤＣ０に変換する。そして、第２段ＤＣＤＣ変換回路２４により、その所定の直流電圧ＤＣ０を各周辺回路毎に異なる複数の各制御用電源電圧ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…に変換する。なお、図１に示す例では、制御用電源電圧は、一例としてＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３の３種類を記載しているが、インバータ制御盤内において必要とされる種類分あればよく、２種類あるいは４種類以上であってもよい。また、図１に示す例では、制御電源回路２０から供給される交流電圧を単相交流電圧として記載したが、三相交流電圧が供給されるようにしてもよい。この場合は、ダイオードブリッジ２１を三相ダイオードブリッジとして構成すればよい。

一方、外部直流電源４接続時には、第２段ＤＣＤＣ変換回路２４は、第１段ＤＣＤＣ変換回路２３に代えて、外部直流電源４から供給された直流電圧ＤＣ０を各周辺回路に対応した電圧値の異なる複数の制御用電源電圧ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，…に変換する。つまり、本実施の形態の制御電源回路２０では、商用交流電源２が接続されていない状態でも、外部直流電源４から複数の制御用電源を生成することができる。

図２は、実施の形態１にかかるインバータ装置の制御電源回路の一構成例を示す図である。なお、図２に示す例では、第２段ＤＣＤＣ変換回路２４から出力される制御用電源電圧は、一例としてＤＣ１，ＤＣ２の２種類を記載している。

図２に示すように、ダイオードブリッジ２１は、ダイオード２１１〜２１４を備え、商用交流電源２から入力された単相交流電圧は、ダイオードブリッジ２１により整流され平滑コンデンサ２２に充電される。

第１段ＤＣＤＣ変換回路２３は、トランス２３１、トランス２３１駆動用トランジスタ２３４、トランジスタ２３４制御用コントロールＩＣ２３５、ＩＣ２３５電源用平滑コンデンサ２３７、ＩＣ２３５電源用整流ダイオード２３６、ＩＣ２３５起動用抵抗２３３、トランス２３１一次側ＲＣＤスナバ回路２３２、トランス２３１二次側電圧ＤＣ０用整流ダイオード２３８、およびトランス２３１二次側電圧ＤＣ０用平滑コンデンサ２３９を備えている。また、ＲＣＤスナバ回路２３２は、ダイオード２３２１、抵抗２３２２、およびコンデンサ２３２３を備えている。

第２段ＤＣＤＣ変換回路２４は、外部直流電源４への逆流防止用ダイオード２４８、外部直流電源４からの突入電流抑制用抵抗２４９、トランス２４１、トランス２４１駆動用トランジスタ２４４、トランジスタ２４４制御用コントロールＩＣ２４５、ＩＣ２４５電源用平滑コンデンサ２４７、ＩＣ２４５電源用整流ダイオード２４６、ＩＣ２４５起動用抵抗２４３、トランス２４１一次側ＲＣＤスナバ回路２４２、トランス２４１二次側電圧ＤＣ１用整流ダイオード２５０、トランス２４１二次側電圧ＤＣ１用平滑コンデンサ２５１、トランス２４１二次側電圧ＤＣ２用整流ダイオード２５２、トランス２４１二次側電圧ＤＣ２用平滑コンデンサ２５３を備えている。また、ＲＣＤスナバ回路２４２は、ダイオード２４２１、抵抗２４２２、およびコンデンサ２４２３を備えている。

つぎに、実施の形態１にかかるインバータ装置１の制御電源回路２０の動作について、図１および図２を参照して説明する。

通常運用時には、商用交流電源２から入力された単相交流電圧は、ダイオードブリッジ２１により整流され平滑コンデンサ２２に充電される。この平滑コンデンサ２２に充電された直流電圧が第１段ＤＣＤＣ変換回路２３に入力される。

第１段ＤＣＤＣ変換回路２３に直流電圧が入力されると、抵抗２３３を介して平滑コンデンサ２３７が充電され、コントロールＩＣ２３５が起動する。コントロールＩＣ２３５がトランジスタ２３４をスイッチング駆動することにより、トランス２３１の一次巻線から二次巻線および補助巻線にエネルギーが伝達される。トランス２３１の一次側には、トランジスタ２３４のスイッチングにより発生するサージを吸収するため、ＲＣＤスナバ回路２３２が設けられている。なお、トランス２３１の動作後には、トランス２３１の補助巻線に伝達した電気エネルギーが整流ダイオード２３６を介して平滑コンデンサ２３７が充電され、コントロールＩＣ２３５用の電源となる。

そして、トランス２３１の二次巻線に伝達した電気エネルギーは、整流ダイオード２３８を介して平滑コンデンサ２３９が充電される。この平滑コンデンサ２３９に充電された直流電圧ＤＣ０が第２段ＤＣＤＣ変換回路２４に入力される。

一方、外部直流電源４接続時には、第１段ＤＣＤＣ変換回路２３に代えて、外部直流電源４から逆流防止用ダイオード２４８および突入電流抑制用抵抗２４９を介して直流電圧ＤＣ０が第２段ＤＣＤＣ変換回路２４に入力される。

第２段ＤＣＤＣ変換回路２４に直流電圧ＤＣ０が入力されると、抵抗２４３を介して平滑コンデンサ２４７が充電され、コントロールＩＣ２４５が起動する。コントロールＩＣ２４５がトランジスタ２４４をスイッチング駆動することにより、トランス２４１の一次巻線から各二次巻線にエネルギーが伝達される。トランス２４１の一次側には、トランジスタ２４４のスイッチングにより発生するサージを吸収するため、ＲＣＤスナバ回路２４２が設けられている。なお、トランス２４１の動作後には、トランス２４１の補助巻線に伝達した電気エネルギーが整流ダイオード２４６を介して平滑コンデンサ２４７が充電され、コントロールＩＣ２４５用の電源となる。

そして、トランス２４１の各二次側巻線に伝達した電気エネルギーは、整流ダイオード２５０を介して平滑コンデンサ２５１に充電され、整流ダイオード２５２を介して平滑コンデンサ２５３に充電される。これらの各平滑コンデンサ２５１，２５３に充電された各制御用電源電圧ＤＣ１，ＤＣ２が、それぞれ各周辺回路の電源電圧値に対応して供給される。

以上説明したように、実施の形態１のインバータ装置によれば、商用交流電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換するダイオードブリッジおよび平滑コンデンサと、その直流電圧を降圧し所定の直流電圧に変換する第１段ＤＣＤＣ変換回路と、第１段ＤＣＤＣ変換回路あるいは外部直流電源から供給された直流電圧を各周辺回路に対応した電圧値の異なる複数の各制御用電源電圧に変換する第２段ＤＣＤＣ変換回路とを備えるようにしたので、例えば、インバータ主回路が故障している場合や、インバータ制御盤の移送中や設置中である場合等で商用交流電源を供給できない場合でも、単一の外部直流電源を供給することにより、第２段ＤＣＤＣ変換回路により電圧値の異なる複数の制御用電源を供給することができる。つまり、各周辺回路の電源電圧値を同一にする等、周辺回路の設計に制約を与えることなく、単一の外部直流電源により周辺回路を動作させることができる。

また、第２段ＤＣＤＣ変換回路に入力される直流電圧は、第１段ＤＣＤＣ変換回路に入力される直流電圧よりも低電圧であるため、第２段ＤＣＤＣ変換回路におけるスイッチングノイズの発生が抑制され、各制御用電源に重畳するスイッチングノイズを抑制することができる。

また、上述した制御電源回路は、インバータ装置以外の装置や機器に適用する電源装置として構成することも可能であり、商用交流電源および外部直流電源の双方から複数の直流電圧が生成可能であることにより、メンテナンス性や汎用性の優れた装置や機器を構成することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、第１段ＤＣＤＣ変換回路の前段に、インバータ主回路とは別にダイオードブリッジおよび平滑コンデンサを設ける例について説明したが、本実施の形態では、インバータ主回路に備えられた三相ダイオードブリッジおよび平滑コンデンサの後段に第１段ＤＣＤＣ変換回路を設ける例について説明する。図３は、実施の形態２にかかるインバータ装置の一構成例を示す図である。また、図４は、実施の形態２にかかるインバータ装置の制御電源回路の一構成例を示す図である。なお、実施の形態１と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図３および図４に示すように、実施の形態２にかかるインバータ装置１ａの制御電源回路２０ａは、実施の形態１において説明したダイオードブリッジ２１、平滑コンデンサ２２を備えず、通常運用時には、インバータ主回路１０に備えられた三相ダイオードブリッジ１１および平滑コンデンサ１４により生成された直流母線電圧が第１段ＤＣＤＣ変換回路２３に入力される。なお、第１段ＤＣＤＣ変換回路２３および第２段ＤＣＤＣ変換回路２４の動作については、実施の形態１と同様であるので、その詳細な説明は省略する。

インバータ主回路１０は、モータ３の回生エネルギーにより直流母線電圧の低下を抑制する特性を有している。したがって、上述した構成とすることにより、制御用電源の低下をも抑制することができ、瞬停時等における周辺回路の誤動作等に対する耐性を向上させることができる。

以上説明したように、実施の形態２のインバータ装置によれば、インバータ主回路に備えられた三相ダイオードブリッジおよび平滑コンデンサにより生成された直流母線電圧を第１段ＤＣＤＣ変換回路への入力電圧としたので、実施の形態１において説明した効果に加え、通常運用時においてモータの回生エネルギーにより直流母線電圧の低下が抑制されると共に、制御用電源の低下をも抑制することができ、瞬停時等における周辺回路の誤動作等に対する耐性を向上させることができる。

また、商用交流電源から第１段ＤＣＤＣ変換回路への入力電圧を生成するダイオードブリッジおよび平滑コンデンサが不要となるので、実施の形態１よりも制御電源回路の構成部品を削減することができ、コストを抑制することができる。

なお、上述した実施の形態では、空調設備、給排水設備や、その他のファンやモータ等の制御を要する設備において用いられるインバータ制御盤に格納されるインバータ装置に適用する例について説明したが、適用範囲はこれに限らず、通常運用時においてインバータ主回路と周辺回路の制御用電源とを商用交流電源から生成する構成に広く適用できることは言うまでもない。

また、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

１，１ａインバータ装置
２商用交流電源
３モータ
４外部直流電源
１０インバータ主回路
１１三相ダイオードブリッジ
１２突入電流抑制抵抗
１３スイッチ
１４平滑コンデンサ（インバータ主回路）
１５インバータ部
２０，２０ａ制御電源回路
２１ダイオードブリッジ
２２平滑コンデンサ（制御電源回路）
２３第１段ＤＣＤＣ変換回路
２４第２段ＤＣＤＣ変換回路
２１１，２１２，２１３，２１４ダイオード
２３１トランス（第１段ＤＣＤＣ変換回路）
２３２ＲＣＤスナバ回路（第１段ＤＣＤＣ変換回路）
２３３抵抗（ＩＣ２３５起動用）
２３４トランジスタ（トランス２３１駆動用）
２３５コントロールＩＣ（トランジスタ２３４制御用）
２３６整流ダイオード（ＩＣ２３５電源用）
２３７平滑コンデンサ（ＩＣ２３５電源用）
２３８整流ダイオード（トランス２３１二次側電圧ＤＣ０用）
２３９平滑コンデンサ（トランス２３１二次側電圧ＤＣ０用）
２４１トランス（第２段ＤＣＤＣ変換回路）
２４２ＲＣＤスナバ回路（第２段ＤＣＤＣ変換回路）
２４３抵抗（ＩＣ２４５起動用）
２４４トランジスタ（トランス２４１駆動用）
２４５コントロールＩＣ（トランジスタ２４４制御用）
２４６整流ダイオード（ＩＣ２４５電源用）
２４７平滑コンデンサ（ＩＣ２４５電源用）
２４８逆流防止用ダイオード（外部直流電源４）
２４９突入電流抑制用抵抗（外部直流電源４）
２５０整流ダイオード（トランス２４１二次側電圧ＤＣ１用）
２５１平滑コンデンサ（トランス２４１二次側電圧ＤＣ１用）
２５２整流ダイオード（トランス２４１二次側電圧ＤＣ２用）
２５３平滑コンデンサ（トランス２４１二次側電圧ＤＣ２用）
２３２１ダイオード（第１段ＤＣＤＣ変換回路用ＲＣＤスナバ回路）
２３２２抵抗（第１段ＤＣＤＣ変換回路用ＲＣＤスナバ回路）
２３２３コンデンサ（第１段ＤＣＤＣ変換回路用ＲＣＤスナバ回路）
２４２１ダイオード（第２段ＤＣＤＣ変換回路用ＲＣＤスナバ回路）
２４２２抵抗（第２段ＤＣＤＣ変換回路用ＲＣＤスナバ回路）
２４２３コンデンサ（第２段ＤＣＤＣ変換回路用ＲＣＤスナバ回路）

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるインバータ装置は、商用交流電源が供給され、モータを駆動するインバータ主回路および前記インバータ主回路の周辺回路に供給する制御用電源を生成する制御電源回路を具備するインバータ装置であって、前記制御電源回路は、前記商用交流電源を整流するダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの出力により充電される平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサに充電された直流電圧を降圧し所定の電圧値の直流電圧に変換する第１段ＤＣＤＣ変換回路と、前記第１段ＤＣＤＣ変換回路あるいは外部直流電源から供給された直流電圧を降圧しそれぞれ電圧値の異なる複数の制御用電源電圧に変換する第２段ＤＣＤＣ変換回路と、を備え、前記第１段ＤＣＤＣ変換回路は、一次巻線、二次巻線、および補助巻線を有する第１のトランスを備え、前記平滑コンデンサに充電された直流電圧を前記第１のトランスの補助巻線に励起した電圧によりスイッチング制御して前記第１のトランスの一次巻線に与え、当該一次巻線に流れる電流により前記第１のトランスの二次巻線に励起した電圧を平滑して前記第２段ＤＣＤＣ変換回路に供給する直流電圧を生成し、前記第２段ＤＣＤＣ変換回路は、一次巻線、複数の二次巻線、および補助巻線を有する第２のトランスを備え、前記第１段ＤＣＤＣ変換回路から供給された直流電圧を前記第２のトランスの補助巻線に励起した電圧によりスイッチング制御して前記第２のトランスの一次巻線に与え、当該一次巻線に流れる電流により複数の前記第２のトランスの二次巻線に励起した電圧を平滑してそれぞれ複数の前記各制御用電源電圧を生成することを特徴とする。

Claims

商用交流電源が供給され、モータを駆動するインバータ主回路および前記インバータ主回路の周辺回路に供給する制御用電源を生成する制御電源回路を具備するインバータ装置であって、
前記制御電源回路は、
前記商用交流電源を整流するダイオードブリッジと、
前記ダイオードブリッジの出力により充電され直流電圧を生成する平滑コンデンサと、
前記平滑コンデンサに充電された直流電圧を降圧し所定の直流電圧に変換する第１段ＤＣＤＣ変換回路と、
前記第１段ＤＣＤＣ変換回路あるいは外部直流電源から供給された直流電圧をそれぞれ電圧値の異なる複数の制御用電源電圧に変換する第２段ＤＣＤＣ変換回路と、
を備える
ことを特徴とするインバータ装置。
商用交流電源が供給され、モータを駆動するインバータ主回路および前記インバータ主回路の周辺回路に供給する制御用電源を生成する制御電源回路を具備するインバータ装置であって、
前記インバータ主回路は、
前記商用交流電源を整流するダイオードブリッジと、
前記ダイオードブリッジの出力により充電され直流母線電圧を生成する平滑コンデンサと、
前記直流母線電圧を前記モータの駆動用交流電圧に変換するインバータ部と、
を備え、
前記制御電源回路は、
前記直流母線電圧を降圧し所定の直流電圧に変換する第１段ＤＣＤＣ変換回路と、
前記第１段ＤＣＤＣ変換回路あるいは外部直流電源から供給された直流電圧をそれぞれ電圧値の異なる複数の制御用電源電圧に変換する第２段ＤＣＤＣ変換回路と、
を備える
ことを特徴とするインバータ装置。
商用交流電源を整流するダイオードブリッジと、
前記ダイオードブリッジの出力により充電され直流電圧を生成する平滑コンデンサと、
前記平滑コンデンサに充電された直流電圧を降圧し所定の直流電圧に変換する第１段ＤＣＤＣ変換回路と、
前記第１段ＤＣＤＣ変換回路あるいは外部直流電源から供給された直流電圧をそれぞれ電圧値の異なる複数の直流電圧に変換する第２段ＤＣＤＣ変換回路と、
を備える
ことを特徴とする電源装置。