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発明の名称 直流電源装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−104859(P2007−104859A)
公開日 平成19年4月19日(2007.4.19)
出願番号 特願2005−294806(P2005−294806)
出願日 平成17年10月7日(2005.10.7)
代理人 【識別番号】100097445
【弁理士】
【氏名又は名称】岩橋 文雄
発明者 川崎 智広 / 武田 芳彦 / 前田 志朗
要約 課題
三相交流電源の不平衡の調整を可能とした直流電源装置を提供すること。

解決手段
三相交流電源1と、ブリッジ整流回路3と、平滑コンデンサ4と、三相交流電源1に接続されたリアクタ2と、ブリッジ整流回路3の各相の交流入力端子と直流出力端子との間に双方向スイッチ6を介して接続されたコンデンサ7と、三相交流電源1の電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段8と、平滑コンデンサ4の両端の直流電圧を検出する直流電圧検出手段9と、三相交流電源1の各相の電圧値を検出する相電圧検出手段11と、三相交流電源1の各相の電流値を検出する相電流検出手段12と、相電圧検出手段11と相電流検出手段12の出力に基づき制御信号を調整する制御信号補正手段13と、制御信号補正手段13の信号に基づき双方向スイッチ6を駆動する双方向性スイッチ制御手段10を備えたことにより、三相交流電源1の不平衡を調整することが可能となる。
特許請求の範囲
【請求項1】
三相交流電源と、前記三相交流電源からの交流を全波整流する6個のダイオードで形成されたブリッジ整流回路と、前記ブリッジ整流回路の出力を平滑する平滑コンデンサと、前記三相交流電源と前記ブリッジ整流回路の各相の交流入力端子との間に接続されたリアクタと、前記ブリッジ整流回路の各相の交流入力端子と直流出力端子との間に双方向スイッチを介して接続されたコンデンサと、前記三相交流電源の電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段と、前記平滑コンデンサの両端の電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記三相交流電源の各相の電圧値を検出する相電圧検出手段と、前記三相交流電源の各相の電流値を検出する相電流検出手段と、前記相電圧検出手段及び前記相電流検出手段の出力に基づき制御信号を調整する制御信号補正手段と、前記ゼロクロス検出手段の出力と前記直流電圧検出手段及び前記制御信号補正手段の出力に基づき前記双方向スイッチを駆動する双方向性スイッチ制御手段を備えたことを特徴とする直流電源装置。
【請求項2】
制御信号補正手段は、双方向スイッチの駆動パルスの位相を調整することを特徴とする請求項1に記載の直流電源装置。
【請求項3】
制御信号補正手段は、双方向スイッチの駆動パルスのパルス幅と位相を調整することを特徴とする請求項1に記載の直流電源装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、ブリッジ整流回路を利用した整流方式を用い、装置、システム等に高力率、低ひずみで電力を供給する直流電源装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、高調波電流低減と入力力率改善を目的として三相交流電源の電流を正弦波状に保ちつつ直流に変換する直流電源装置においては、スイッチング素子を数kHzから十数kHzで駆動してスイッチング素子を流れる電流を高速制御し、目標となる基準正弦波形に追従させる方式が取られていた。しかしながら、このようにスイッチング素子を高周波駆動すると損失が増大する、ノイズの発生レベルが高くなるなどの課題があった。このため、近年では数kW程度の容量の直流電源装置では商用周波数の半周期に1回ないしは数回スイッチング素子を駆動することによって高調波電流低減と入力力率を改善する方式が取られるようになってきている。
【0003】
例えば従来の直流電源装置としては、三相交流電源の各相に接続される3つのリアクトルと、6つのダイオードからなるブリッジ整流回路と、ブリッジ整流回路の出力側に2直列として接続された容量の等しい2つの平滑用コンデンサと、それら平滑コンデンサの中点と3つのリアクトルとの間に接続された3つの双方向性スイッチとを組み合わせたもの(例えば特許文献1参照)がある。
【0004】
以下、図面を参照しながら従来の直流電源装置について図11から図14を用いて説明する。図11は特許文献1の三相交流電源対応の実施例として記載されている直流電源装置のブロック図を示しており、図12は従来の直流電源装置の各部波形である。
【0005】
図11において三相交流電源1は商用の交流電源であり、リアクトル2u、2v、2wを介して6つのダイオードからなるブリッジ整流回路3と接続されている。ブリッジ整流回路3の出力側には2直列とされた容量の等しい平滑用コンデンサ100、101が接続されており、これらの中点とリアクトル2u、2v、2wとの間に双方向性スイッチ6u、6v、6wが接続されている。また、制御部103は、三相交流電源1の相電圧を検出し、相電圧ゼロクロスに基づいて、所定のタイミングで双方向スイッチ6u、6v、6wをオンさせるべく制御信号を出力する。次いで、図12に示す各部の波形を参照しながら動作を説明する。
【0006】
三相交流電源1の電源電圧は図12中(a)に示すように変化する。そして、制御部103は、各相電圧のゼロクロスを検出して図12中(b)に示すように該当する相の双方向スイッチをオンさせるべく制御信号を出力する。そして、ブリッジ整流回路3の各入力端子における相電圧は、図12中(c)に示すように、双方向スイッチがオンの期間に対応してゼロになり、この期間を挟んでV0/2、−V0/2を反復するように変化する。
【0007】
なお、V0は直流電圧である。したがって、ブリッジ整流回路3の各入力端子における線間電圧は、図12中(d)に示すように、V0、V0/2、0、−V0/2、−V0の5つのレベルの振幅を持つ、1周期に8ステップの波形になる。そして、電源電圧の中性点に対するブリッジ整流回路3の各入力端子における電圧は、図12中(e)に示すように、2V0/3、V0/2、V0/3、0、−V0/3、−V0/2、−2V0/3の7つのレベルの振幅を持つ、1周期に12ステップの波形になる。
【0008】
このように、ブリッジ整流回路3の各入力端子における電圧を12ステップの電圧波形
にすることができるので、図12中(f)に示すように、入力電流はほぼ正弦波状の波形になり、三相12パルス整流回路方式以上の高調波電流低減効果を達成することができる。
【0009】
なお、従来例のブロック図12には相電圧のゼロクロス点を検出するためのゼロクロス検出手段は省略されているが、通常は図13に示すように三相変圧器104によって各相電圧を降圧して検出し、3つのゼロクロスコンパレータ105u、105v、105wによって各相の相電圧ゼロクロスを検出する構成となっている。また、小型化、軽量化のために三相のうちいずれか一相の相電圧のゼロクロス点を検出し、他の二相の相電圧のゼロクロス点を演算によって求める図14に示されるようなゼロクロス検出回路も考案されている。以下、図14を用いて各相の相電圧ゼロクロスを検出する方法について説明する。
【0010】
一相電圧ゼロクロス検出手段106は、三相交流電源1の各線から仮想中性点を得るための分圧抵抗107u、107v、107wと、分圧抵抗107uに1次側を直列に接続されて分圧抵抗107uに所定電流以上の電流が流れた場合に2次側のトランジスタをオンすることでu相電圧のゼロクロス点を中心とするゼロクロスパルスを発生するフォトカプラ108と、プルアップ抵抗109と、ゼロクロスパルスの電圧立ち上がり変化のタイミングがゼロクロス点に一致するよう所定の時間遅延させて伝達する遅延回路110とから成っている。
【0011】
そして、二相電圧ゼロクロス演算手段111は一相電圧ゼロクロス検出手段106により検出されたu相のゼロクロス点の周期から三相交流電源1の周波数を算出し、そこから位相角120°に相当する時間△ts1を算出する。そして、u相電圧のゼロクロス点から△ts1だけ遅れたパルスの立ち上がりをv相のゼロクロス点とし、さらに△ts1だけ遅れたパルスの立ち上がりをw相のゼロクロス点として出力する。なお、図14に示した一相電圧ゼロクロス検出手段106は入力形式が三相三線式に対応させるためのものであり、中性点を持つ三相四線式の場合は直接相電圧を検出できることから分圧抵抗107v、107wは不要となる。
【特許文献1】特開平10−174442号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
しかしながら、前記従来の直流電源装置の構成では、三相交流電源が何らかの要因で不平衡になっても、図11に示す直流電源装置では直流電圧検出回路によって検出された出力に応じてスイッチを駆動して動作を持続するので、三相交流電源の不平衡を調整することができないという課題を有していた。
【0013】
本発明の直流電源装置は、前記従来の課題を解決するもので、三相交流電源の不平衡の調整を可能とした直流電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0014】
前記従来の課題を解決するために、本発明の直流電源装置は、6つのダイオードからなるブリッジ整流回路と、各相ごとに接続される3つのリアクタと、3つの双方向性スイッチと、双方向性スイッチにそれぞれ接続される3つのコンデンサと、ゼロクロス検出手段と、直流電圧検出手段と、相電圧検出手段と、相電流検出手段と、制御信号補正手段を備えたものである。
【0015】
これによって、三相交流電源が不平衡となった場合に相電圧と相電流を検出してその検出値に応じて最適な制御信号を制御信号補正手段によって決定することにより、三相交流電源の不平衡を調整する。
【発明の効果】
【0016】
本発明の直流電源装置は、三相交流電源の相電圧と相電流を検出することで、その検出値に応じた最適な制御信号を決定することが可能となるので、三相交流電源の不平衡を調整することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
第1の発明は、三相交流電源と、前記三相交流電源からの交流を全波整流する6個のダイオードで形成されたブリッジ整流回路と、前記ブリッジ整流回路の出力を平滑する平滑コンデンサと、前記三相交流電源と前記ブリッジ整流回路の各相の交流入力端子との間に接続されたリアクタと、前記ブリッジ整流回路の各相の交流入力端子と直流出力端子との間に双方向スイッチを介して接続されたコンデンサと、前記三相交流電源の電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段と、前記平滑コンデンサの両端の電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記三相交流電源の各相の電圧値を検出する相電圧検出手段と、前記三相交流電源の各相の電流値を検出する相電流検出手段と、前記相電圧検出手段及び前記相電流検出手段の出力に基づき制御信号を調整する制御信号補正手段と、前記ゼロクロス検出手段と前記直流電圧検出手段及び前記制御信号補正手段の出力に基づき前記双方向スイッチを駆動する双方向性スイッチ制御手段とを備えたことにより、前記三相交流電源の相電圧と相電流を検出してその検出値に応じて最適な制御信号を決定することで、前記三相交流電源の不平衡を調整することができる。
【0018】
第2の発明は、特に、第1の発明の制御信号補正手段を、相電圧検出手段及び相電流検出手段によって検出した検出値に応じて双方向スイッチの駆動パルスの位相を調整するように構成した直流電源装置であり、三相交流電源の不平衡を調整することが可能である。
【0019】
第3の発明は、特に、第1の発明の制御信号補正手段を、相電圧検出手段及び相電流検出手段によって検出した検出値に応じて双方向スイッチの駆動パルスのパルス幅と位相を調整するように構成した直流電源装置であり、三相交流電源の不平衡を調整することが可能である。
【0020】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【0021】
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態における直流電源装置のブロック図である。図1において、三相交流電源1のu、v、wの各相はリアクトル2u、2v、2wを介してダイオード3u、3v、3w、3x、3y、3zより構成されるブリッジ整流回路3の入力端子に接続される。そして、電解コンデンサ4はブリッジ整流回路3の正極出力と負極出力の間に接続され、負荷5は電解コンデンサ4に並列に接続される。双方向性スイッチ6u、6v、6wは一端を一括してブリッジ整流回路3の負極出力と接続され、他方の端子はそれぞれコンデンサ7u、7v、7wと接続される。
【0022】
そして、これらコンデンサ7u、7v、7wの他方の端子はおのおのブリッジ整流回路3の交流入力端に接続される。また、ゼロクロス検出手段8は三相交流電源1のu相の電圧のゼロクロス点を検出し、u相のゼロクロス点からv相とw相のゼロクロス点を算出するものであり、双方向性スイッチ制御手段10はその各相のゼロクロス点に応じて双方向性スイッチ6u、6v、6wを駆動制御するためのものである。そして、直流電圧検出手段10は平滑コンデンサ4の両端の電圧を検出するものであり、相電圧検出手段11はu、v、w相の相電圧を検出するものであり、相電流検出手段12はu、v、w相の相電流を検出するものであり、相制御信号補正手段13は相電圧検出手段11及び相電流検出手
段12によって検出された値に応じて最適な制御信号を決定するためのものである。
【0023】
以上の構成において、まず通常の直流電源装置全体の動作について図2から図6を用いて説明する。ここで説明を容易とするためにコンデンサ7u、7v、7wはゼロボルトから所定の電圧Vdc1までの充放電を繰り返すこととし、コンデンサ7u、7vの初期電圧値はゼロボルト、コンデンサ7wの初期電圧値はVdc1として三相交流電源1の初期位相はu相の電圧ゼロクロスの位相としてu相電流を中心に説明する。
【0024】
まず、ゼロクロス検出手段8によって三相交流電源1のu相の電圧のゼロクロス点を検出して双方向性スイッチ制御手段9はこのu相の電圧ゼロクロス点から駆動時間指令△tの間だけ対応する双方向性スイッチ6uを駆動する。そして、このとき図2の矢印で示すようにコンデンサ7uの充電電流の流れは三相交流電源1のu相からリアクトル2uを通り、コンデンサ7uを充電した後、ダイオード3yとリアクトル2vを通して三相交流電源1のv相に戻ることとなる。
【0025】
次に、駆動時間指令△t後にコンデンサ7uがVdc1まで充電されて、双方向性スイッチ6uがオフした場合にはリアクトル2u、2vに流れている電流は連続しようとするため、図3の矢印に示すようにu相からリアクトル2u、ダイオード3uを通して電解コンデンサ4を充電した後にダイオード3y、リアクトル2vを通してv相に戻ることとなる。その後、ゼロクロス検出手段8はw相の電圧ゼロクロス点を算出し、双方向性スイッチ制御手段9はこのw相の電圧ゼロクロス点から駆動時間指令△tの間だけ対応する双方向性スイッチ6wを駆動する。このとき、図4のu相に流れる電流は矢印に示すようにVdc1に充電されていたコンデンサ7wからリアクトル2wを通して三相交流電源1のu相からリアクトル2u、ダイオード3uを通して電解コンデンサ4へと放電する放電電流が加算されることとなり、この期間のu相を流れる電流は増加を続ける。
【0026】
そして、駆動指令時間△t後にコンデンサ7Wの電圧がゼロボルトとなり双方向性スイッチ6wがオフすると、図5の矢印で示すようにv相を流れる電流とw相が流れる電流がu相電流と逆極性の期間は、それまでリアクトル2uを流れていた電流はダイオード3uを通して電解コンデンサ4を充電してダイオード3yとリアクトル2v、ダイオード3zとリアクトル2wとに分流して、三相交流電源1を介してリアクトル2uに戻るように流れる。その後、v相の電流がu相電流と同極性となれば、図6に示すようにリアクトル2uを流れる電流は、ダイオード3uを介して電解コンデンサ4を充電し、ダイオード3zとリアクトル2wを通し、三相交流電源1を介してリアクトル2uに戻るように流れて電流値がゼロとなるまで単調に減少を続ける。
【0027】
以上のようにu相の電流に注目してその動作を説明したが、その他の相電流の挙動も同様であり、各相の電流は各相の電圧のゼロクロス点から流れ始め、各相の電圧がピーク値となるまで増加を続け、その後各相の電圧低下とともに減少することにより、その各相の電流波形は各相の電圧波形と位相が等しい正弦波状となり、入力力率の改善が可能となる。
【0028】
図7に三相交流電源1のu相電圧のゼロ位相からの一周期における各相電圧と双方向性スイッチ制御手段9の双方向性スイッチ6u、6v、6wを駆動するための出力gu、gv、gwの発生タイミングを示す。なお、以上の説明では双方向性スイッチ制御手段9の駆動時間指令△tの決定の方法については触れていないが、通常は電解コンデンサ4の両端電圧が直流電圧目標値に一致するよう決定するが、負荷5に流れる電流を検出する負荷電流検出手段を設けて負荷電流の大きさから駆動時間指令△tを決定してもよく、あるいは入力電流検出手段を設けて入力電流の大きさから駆動時間指令△tを決定してもよい。
【0029】
なお、本実施の形態では双方向性スイッチ6u、6v、6wの一線を一括してブリッジ整流回路3の負極出力に接続したが、正極出力に接続しても同様の動作となる。
【0030】
また、本実施の形態では各相の電圧のゼロクロス点から双方向性スイッチ6u、6v、6wの駆動を開始しているが、リアクトル2u、2v、2wのインダクタンスが大きい場合や高負荷時に各相の電流が遅れ力率となる場合があり、この場合は双方向性スイッチ6u、6v、6wがオンした際にゼロ電流スイッチングとならない問題が発生することがあるため、それを回避するために電圧のゼロクロス点から所定の時間だけ遅延させて双方向性スイッチ6u、6v、6wを駆動するよう双方向性スイッチ制御手段9を構成して良い。
【0031】
図8に相電圧検出手段11のブロック図を示す。図8に示すように三相変圧器104によって各相電圧を降圧して検出し、3つのゼロクロスコンパレータ105u、105v、105wによって各相の相電圧ゼロクロスを検出する構成となっている。
【0032】
次に、制御信号補正手段13の駆動パルスの補正の方法について説明する。なお、三相交流電源1は周波数50Hzで線間電圧400V、リアクトル2u、2v、2wのインダクタンスを24mH、コンデンサ7u、7v、7wの容量を50uHとして、入力電力が約6kW時を基準とし、各部波形を図9に示す。この時、u相電流は8.772A、v相電流は8.688A、w相電流は8.758Aで、直流電圧は520Vである。ここで、他負荷などの何らかの要因が加わりu相の受電端電圧が低くなり三相交流電源1が不平衡になったことを考え、u相電圧が30V低くなり三相交流電源1が不平衡になったときの各部波形を図10に示す。この時は、u相電流は7.894A、v相電流は8.458A、w相電流は9.352Aとアンバランスになり、直流電圧が516Vまで低下する。
【0033】
三相交流電源1のu相電圧が30V低下した場合、図9に示すようにVucの面積が小さくなるため、コンデンサ7uの充放電電圧が減少してu相電流が低下する。この場合、u相の駆動パルスVguのパルス幅を広げることでVucの面積を大きくしてu相の電流値を大きくし、逆に電流値が大きくなっているw相の駆動パルスVgwのパルス幅を狭める調整を行なうことで各相のバランスを保つことができる。この調整を行なうことで、直流電圧520V、入力電力を約6kWを維持しつつ、u相電流は8.715A、v相電流は8.626A、w相電流は8.766Aと各相電流のバランスを保って動作を継続することができので、三相交流電源1の平衡を保つことができる。
【0034】
本実施の形態においては、各相電圧を相電圧検出手段11、各相電流を相電流検出手段12によって検出し、その検出値に基づいて制御信号補正手段13によって各相の駆動パルスのパルス幅を補正して双方向性スイッチ制御手段が双方向スイッチ6u、6v、6wを駆動するように構成されている。
【0035】
以上のように双方向性スイッチの駆動パルスのパルス幅を調整する構成とすることにより、三相交流電源1の不平衡を調整することができる。
【0036】
(実施の形態2)
実施の形態2では、実施の形態1における双方向スイッチ6u、6v、6wの駆動パルスの位相を調整するように構成されている。図9に示すように駆動パルスの位相tdをずらすことでVucの面積の大小を変えることができるので、相電圧検出手段11及び相電流検出手段12の検出値に応じて各相の駆動パルスの位相を調整することにより、各相電流のバランスを保って動作を継続することができる。
【0037】
以上のように双方向性スイッチの駆動パルスの位相を調整する構成とすることにより、
三相交流電源1の不平衡を調整することができる。
【0038】
(実施の形態3)
実施の形態3では、実施の形態1における双方向スイッチ6u、6v、6wの駆動パルスのパルス幅と位相を調整するように構成されている。パルス幅と位相を同時に調整することによって制御信号補正手段13の制御性が向上し、各相電流のバランスを保って動作を継続することができる。
【0039】
以上のように双方向性スイッチの駆動パルスのパルス幅と位相を調整することにより、三相交流電源1の不平衡を調整することができる。
【産業上の利用可能性】
【0040】
以上のように、本発明にかかる直流電源装置は、三相交流電源の不平衡を調整することができ、可変電圧直流電源装置やメッキ用の整流器、エアコンや冷蔵庫などのインバータ装置の入力段回路として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【0041】
【図1】本発明の実施の形態1における直流電源装置のブロック図
【図2】本発明の実施の形態1のコンデンサ7u充電開始時の説明図
【図3】本発明の実施の形態1のコンデンサ7u充電完了後の説明図
【図4】本発明の実施の形態1のコンデンサ7w放電開始時の説明図
【図5】本発明の実施の形態1のコンデンサ7w放電完了時の説明図
【図6】本発明の実施の形態1のコンデンサ7w放電完了後v相電流転流時の説明図
【図7】本発明の実施の形態1の各相電圧と双方向性スイッチ駆動タイミング図
【図8】本発明の実施の形態1の直流電源装置の各部波形図
【図9】本発明の実施の形態1の三相交流電源が不平衡電圧時の各部波形図
【図10】本発明の実施の形態1の三相交流電源の不平衡改善後の各部波形図
【図11】従来の直流電源装置のブロック図
【図12】従来の直流電源装置の各部波形図
【図13】三相変圧器を用いたゼロクロス検出手段の構成図
【図14】一相電圧ゼロクロス検出手段を用いたゼロクロス検出手段の構成図
【符号の説明】
【0042】
1 三相交流電源
2u,2v,2w リアクトル
3 ブリッジ整流回路
3u,3v,3w,3x,3y,3z ダイオード
4 電解コンデンサ
5 負荷
6u,6v,6w 双方向性スイッチ
7u,7v,7w コンデンサ
8 ゼロクロス検出手段
9 直流電圧検出手段
10 双方向性スイッチ制御手段
11 相電圧検出手段
12 相電流検出手段
13 制御信号補正手段




 

 


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