電力変換装置

【課題】交流電源１を直接スイッチングして、任意の振幅および周波数の交流電圧を得る直接型の電力変換装置において、出力側からの回生電流により入力電流波形が歪む。
【解決手段】交流電源１と、負荷２と、交流電源１と負荷２との間に配置され入出力電流が連続となる双方向スイッチ群３と、双方向スイッチ群３の双方向スイッチのオン、オフを制御する制御部７を備えた電力変換装置において、前記制御部７は、双方向スイッチ群３の入出力電流が不連続（前記双方向スイッチ群３の入出力間が遮断される状態）となる制御期間を有するようにしたことで、回生電流による入力電流波形歪みを防止することが出来る。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置の制御技術に関するもので、特に入力電流の歪み抑制に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換装置のブロック図を図１７（ａ）に示す。電力変換装置は交流電源１を入力として双方向スイッチ群３に入力し、双方向スイッチ群３の出力には交流電動機２２が接続される。また図１７（ｂ）は、双方向スイッチング群を構成するスイッチの構成例を示している。双方向スイッチ群３を構成するスイッチのオン、オフは制御部７により制御される。図１５、図１６に双方向スイッチＱ１がオン、双方向スイッチＱ２がオフの状態から双方向スイッチＱ１がオフ、双方向スイッチＱ２がオンの状態へと転流する場合の双方向スイッチ群３における転流シーケンスの動作原理を示す。図１５は電流が交流電源１から交流電動機２２に流れている場合の転流シーケンス、図１６は電流が交流電動機２２から交流電源１に流れている場合の転流シーケンスを示す。
【０００３】
図１５に示す交流電源１より交流電動機２２に電流が流れている場合には、まずスイッチＴｒ１２をオフとする。このとき、交流電動機２２に流れる電流はスイッチＴｒ１１を通して流れているので電流を遮断することはない。次にスイッチＴｒ２１をオンする。このとき電源電圧がＶ１１＞Ｖ２２の場合にはスイッチＴｒ１１を介した実線のループを電流が流れ、Ｖ２２＞Ｖ１１の場合にはスイッチＴｒ２１を介した破線のループを電流が流れスイッチＴｒ１１からスイッチＴｒ２１へ転流する。次にスイッチＴｒ１１をオンとするが、Ｖ１１＞Ｖ２２のときはこの時点でスイッチＴｒ１１からスイッチＴｒ２１へ転流が起きる。最後にスイッチＴｒ２２をオンとして転流を完了する。次に図１６に示す交流電動機２２より交流電源１に電流が流れている場合には、まずスイッチＴｒ１１をオフとする。このとき、交流電動機２２に流れる電流はスイッチＴｒ１２を通して流れているので電流を遮断することはない。次にスイッチＴｒ２２をオフとする。このとき電源電圧がＶ１１＜Ｖ２２の場合にはスイッチＴｒ１２を介した実線のループを電流が流れ、Ｖ２２＜Ｖ１１の場合にはスイッチＴｒ２２を介した破線のループを電流が流れスイッチＴｒ１１からスイッチＴｒ２１への転流が起きる。最後にスイッチＴｒ２１をオンとして転流を完了する。以上の転流シーケンスを用いることで、電流を遮断することなく、かつ、電源短絡を起こさないで、転流することが出来る（特許文献１参照）。
【０００４】
このように電源電圧および電源電流の向きを考慮したスイッチ切替えにより、双方向スイッチ群３への入出力電流を遮断することなく、また電源短絡を起こすことなく転流を行うことが出来る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３８２４１８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術の双方向スイッチ群３を構成するスイッチのオン、オフ制御を行う電力変換装置では、交流電源１が単相交流電源で負荷２がモータの場合、電源半周期毎に電源からの電力供給が低下するため、モータが発電機として作用し、モータからの回生電流が双方向スイッチ群３を介して入力電流波形に現れる。この回生電流により入力電流波形が歪んでしまうことが課題であった。本発明は回生電流による入力電流波形の歪みを防止する電力変換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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、交流電源と、負荷と、交流電源と負荷との間に配置され入出力電流が連続となる双方向スイッチ群と、双方向スイッチ群の双方向スイッチのオン、オフを、双方向スイッチ群の入出力電流が不連続となる期間を有するように制御する制御部と、を設けたものである。これにより回生電流による入力電流波形歪みを防止することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の電力変換装置は、回生電流による入力電流波形の歪みを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１における電力変換装置を示す図
【図２】同実施の形態１における電力変換装置の詳細を示す図
【図３】双方向スイッチ群の詳細を示す図
【図４】（ａ）（ｂ）は、同実施の形態１における電力変換装置に流れる回生電流の経路を示す図
【図５】歪みのある入力電流の電流波形を示す図
【図６】歪み防止のため制御部が動作する期間を示す図
【図７】歪み防止のため制御部が動作する期間の設定を示す図
【図８】（ａ）（ｂ）は、モータ回転数に対する歪み防止期間調整の一例を示す図
【図９】（ａ）（ｂ）は、交流電源電圧に対する歪み防止期間調整を示す図
【図１０】電圧検出部の検出結果を用いた歪み防止期間調整を示す図
【図１１】電圧検出部の検出結果に基づく歪み防止期間調整を示す図
【図１２】モータ回転数に対する歪み防止期間調整を示す図
【図１３】歪み防止のため制御部が動作する期間の設定における他の一例を示す図
【図１４】モータ回転数に対する歪み防止期間調整の他の一例を示す図
【図１５】従来技術の転流シーケンスの動作原理を示す図（電流が交流電源１から交流電動機２２に流れている場合）
【図１６】従来技術の転流シーケンスの動作原理を示す図（電流が交流電動機２２から交流電源１に流れている場合）
【図１７】従来技術の電力変換装置を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
第１の発明の電力変換装置は、交流電源と、負荷と、前記交流電源と前記負荷との間に配置され、入出力電流が連続となる双方向スイッチ群と、前記双方向スイッチ群の双方向スイッチのオン、オフを、前記双方向スイッチ群の入出力電流が不連続となる期間を有するように制御する制御部と、を備えたことで、負荷からの回生電流が発生した場合、この回生電流による入力電流歪みを防止することが出来る。
【００１１】
第２の発明の電力変換装置は、交流電源の位相を検出する電源位相検出部又は交流電源の電圧を検出する電圧検出部又は前記双方向スイッチ群への入力電流を検出する第１の電流検出部又は負荷電流を検出する第２の電流検出部、のうち少なくとも１つを備え、前記制御部は、前記電源位相検出部又は前記電圧検出部又は前記第１の電流検出部又は前記第２の電流検出部のうち少なくとも１つの検出結果を用いて、双方向スイッチ群の入出力電流が不連続となる制御期間を設定することで、負荷からの回生電流が流れている期間を推定した入力電流波形歪み防止を実現することが出来る。
【００１２】
第３の発明の電力変換装置は、前記制御部は、電圧検出部により検出される電圧値の符号と第１の電流検出部により検出される電流値の符号が異なり、かつ前記第２の電流検出部により検出される電流値から求められる相電流が予め設定する範囲内となる場合に、前記交流電源と、相電流が予め設定する範囲内となった相との間の経路に流れる電流を不連続することで、負荷からの回生電流期間を判別して入力電流波形歪み防止を実現することが出来る。更に入出力電流を不連続にすることでの充電部の電圧上昇を抑制することが出来る。
【００１３】
第４の発明は、前記電源位相検出部と、前記第２の電流検出部と、を備え、前記制御部は、前記電源位相検出部により検出される電源位相が予め設定する範囲内で、かつ前記第２の電流検出部により検出される電流値から求められる相電流が予め設定する範囲内となる場合に、前記交流電源と、相電流が予め設定する範囲内であることが検出された相との経路に流れる電流を不連続にすることで、負荷からの回生電流期間を推定した入力電流波形歪み防止を実現することが出来る。更に入出力電流を不連続にすることでの充電部の電圧上昇を抑制することが出来る。
【００１４】
第５の発明は、前記電圧検出部と、前記第２の電流検出部と、を備え、前記制御部は、電圧検出部により検出される交流電源電圧値が予め設定する範囲内で、かつ第２の電流検出部により検出される電流値から求められる相電流が予め設定する範囲内となる場合に、交流電源と、相電流が予め設定する範囲内であることが検出された相との経路に流れる電流を不連続にすることで、交流電源電圧値（実効値）が変動した場合でも負荷からの回生電流期間を推定した入力電流波形歪み防止を実現することが出来る。更に入出力電流を不連続にすることでの充電部の電圧上昇を抑制することが出来る。
【００１５】
第６の発明は、前記制御部は、交流電源と、相電流が予め設定する範囲内であることが検出された相との経路に流れる電流を不連続にする電源位相範囲を双方向スイッチ群の出力周波数、交流電源電圧（実効値）の少なくとも一方を用いて調整できるようにすることで、負荷からの回生電流期間を入出力の状態を考慮して正確に推定した入力電流波形歪み防止を実現することが出来る。
【００１６】
第７の発明は、前記制御部は、交流電源と、相電流が予め設定する範囲内であることが検出された相との経路に流れる電流を不連続にする交流電源電圧値の範囲を双方向スイッチ群の出力周波数を用いて調整できるようにすることで、負荷からの回生電流期間を出力の状態を考慮して正確に推定した入力電流波形歪み防止を実現することが出来る。
【００１７】
第８の発明は、前記制御部は、交流電源と第２の電流検出部により検出される電流値が予め設定する範囲内であることが検出された相との経路に流れる電流を不連続にする交流電源電圧値の範囲を電源位相検出部の検出値を用いて調整できるようにすることで、負荷からの回生電流期間を正確に推定した入力電流波形歪み防止を実現することが出来る。
【００１８】
第９の発明は、前記双方向スイッチ群は、Ｇａｎを用いた半導体スイッチにより構成されることで、導通損失およびスイッチング損失の削減によるシステム全体の高効率化を実現することが出来る。
【００１９】
第１０の発明は、前記交流電源に単相交流電源、負荷に誘導性モータを用いることにより電源半周期毎に負荷が発電機として作用するシステムにおいて、回生電流による入力電流波形歪み防止を実現することが出来る。
【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、本実施の形態における電力変換装置の構成を示すブロック図、図２はその詳細図を示している。
【００２２】
交流電源１である単相交流電源は、双方向スイッチ群３により直接スイッチングされた電力を負荷２であるモータ２１に供給する。双方向スイッチ群３は制御部７により双方向スイッチのオン・オフを制御され、任意の周波数および振幅に可変調整された電圧をモータ２１へ供給する。双方向スイッチ群３の入力電圧は第１の全波整流ダイオード群４により全波整流され、双方向スイッチ群３の出力電圧は第２の全波整流ダイオード群５により全波整流される。コンデンサ等で構成される充電部６は第１の全波整流ダイオード群４及び第２の全波整流ダイオード群５に並列に接続される。交流電源１の位相を検出する電源位相検出部８と、交流電源１の電圧を検出する電圧検出部９と、前記双方向スイッチ群３への入力電流を検出する第１の電流検出部１０と、負荷２であるモータ２１へ供給される負荷電流を検出する第２の電流検出部１１を備える。
【００２３】
以上のように構成された電力変換装置において、以下にその動作、作用を説明する。
【００２４】
まず、モータ２１からの回生電流により入力電流波形に歪みが発生した場合の制御部７による双方向スイッチ群３の制御方法について説明する。図３は双方向スイッチ群３の構成を詳細に記載した図である。単相入力、三相出力型の電力変換装置では図３に示すようにＱ１１とＱ１２で１つの双方向スイッチを構成するとした場合、Ｑ２１とＱ２２、Ｑ３１とＱ３２、Ｑ４１とＱ４２、Ｑ５１とＱ５２、Ｑ６１とＱ６２の６つの双方向スイッチにより双方向スイッチ群３は構成される。
【００２５】
図４は１相（Ｕ相）に着目した場合の回生電流を示す。このように回生電流が流れているときは、交流電源１の電圧Ｖｒｓの符号と双方向スイッチ群３への入力電流Ｉｒの符号とが異なる。このような状態におけるモータ２１からの回生電流による入力電流波形歪みを防止するために制御部７は図４（ａ）ではＱ１２をオフあるいはＱ１２、Ｑ２１をオフする。図４（ｂ）ではＱ２１をオフあるいはＱ２１，Ｑ１２をオフする。つまり双方向スイッチ群３の入出力電流を連続的ではなく不連続（双方向スイッチ群３の入出力間が遮断される状態）にすることで、モータ２１で発生する回生電流が入力電流に現れるのを防いで、回生電流が入力電流波形に影響を与えることを防止する。
【００２６】
図５は交流電源１の電圧Ｖｒｓの電圧波形と回生電流の影響で歪みのある入力電流Ｉｒの電流波形を示す。回生電流による入力電流波形の歪みは交流電源１の電圧Ｖｒｓがゼロ付近となる期間Ｔｓｗの間に発生する。よって電圧検出部９により検出される交流電源１の電圧Ｖｒｓの符号と、第１の電流検出部１０により検出される入力電流Ｉｒの符号が異なる場合、つまり期間Ｔｓｗにおいて双方向スイッチ群３の入出力電流が不連続となるように制御部７によるスイッチ制御を行う。
【００２７】
図６は歪み防止のため制御部が動作する期間を示している。ここで、期間Ｔｓｗで図４（ａ）（ｂ）のＱ１２、Ｑ２１をオフする場合、図６に示すように、第２の電流検出部１１による相電流の検出値が予め設定する範囲内（−Ｉｔｈ＜Ｉｕ＜Ｉｔｈ）であるときに実施するようにする。この予め設定する電流範囲は充電部６の充電容量Ｃ、許容される電圧上昇値ＶとするとＣＶ＞∫（Ｉｔｈ）ｄｔの関係を保つ範囲（Ｔｓｗ２）とする。つまり期間Ｔｓｗ２で実施することで、双方向スイッチ群３の入出力電流を不連続とすることによる充電部６の電圧上昇を抑制することが出来る。なお、Ｖ相におけるＱ３２、Ｑ４１、Ｗ相におけるＱ５２、Ｑ６１も同様である。
【００２８】
次に双方向スイッチ群３の入出力電流を不連続にする期間Ｔｓｗの別の設定方法について説明を行う。まず電源位相検出部８の検出結果を用いてＴｓｗを設定する場合について図７を用いて説明する。図７に交流電源１の電圧Ｖｒｓの電圧波形を示す。交流電源１が単相交流電源の場合、交流電源１の電圧Ｖｒｓがゼロ付近で回生電流による入力電流波形の歪みが発生する。このため交流電源１の電圧位相θが０°（３６０°）付近、１８０°付近の予め設定された電源位相範囲（θ１＜θ＜θ２、θ３＜θ＜θ４）をＴｓｗに設定して、双方向スイッチ群３の入出力電流が不連続になるよう制御部７により双方向スイッチ群３を制御することで、入力電流波形歪みを防止することが出来る。
【００２９】
ここで回生電流はモータ２１が発電機として作用して発生するため、期間Ｔｓｗはモータ回転数に依存することになる。よって図８に示すように、モータ回転数が高くなるとＴｓｗが長くなるよう、θ１からθ４をモータ回転数に合わせて調整できるようにすることで、モータ回転数によらず入力電流波形歪みを防止することが出来る。
【００３０】
更に、回生電流は入出力の大小関係にも依存する。すなわち、出力側のモータ回転数が同じであれば、入力側である交流電源１の電圧が低い方が回生電流による入力電流への影響は大きくなる。よって図９に示すように交流電源１の電圧値（実効値）が低くなるとＴｓｗが長くなるようにθ１からθ４を電圧検出部９により検出される交流電源１の電圧値（実効値）に合わせて調整できるようにすることで交流電源１の電圧（実効値）によらず入力電流波形歪みを防止することが出来る。
【００３１】
次に電圧検出部９の検出結果（瞬時電圧値）を用いてＴｓｗを設定する場合について図１０を用いて説明する。図１０に交流電源１の電圧Ｖｒｓの電圧波形を示す。交流電源１が単相交流電源の場合、交流電源１の電圧Ｖｒｓがゼロ付近で回生電流による入力電流波形の歪みが発生する。このため交流電源１の電圧Ｖｒｓがゼロ付近となる予め設定された交流電源１の電圧範囲（−Ｖｔｈ＜Ｖｒｓ＜Ｖｔｈ）をＴｓｗに設定して、双方向スイッチ群３の入出力電流が不連続になるように制御部７により双方向スイッチ群３を制御することで、入力電流波形歪みを防止することが出来る。この場合、図１１に示すように交流電源１の電圧値（実効値）が高い場合のＴｓｗをＴｓｗＨ、低い場合をＴｓｗＬとするとＴｓｗＨ＜ＴｓｗＬとなり入出力の大小関係を考慮した設定がされる。
【００３２】
ここで回生電流はモータ２１が発電機として作用して発生するため期間Ｔｓｗはモータ回転数に依存することになる。よって図１２に示すようにモータ回転数が高くなるとＴｓｗが長くなるようＶｔｈをモータ回転数に合わせて調整できるようにすることでモータ回転数によらず入力電流波形歪みを防止することが出来る。
【００３３】
次に電圧検出部９の検出結果（瞬時電圧値）と電源位相検出部８の検出結果を用いてＴｓｗを設定する場合について図１３を用いて説明する。図１３に交流電源１の電圧Ｖｒｓの電圧波形を示す。交流電源１が単相交流電源の場合、交流電源１の電圧Ｖｒｓがゼロ付近で回生電流による入力電流波形の歪みが発生する。このため交流電源１の電圧Ｖｒｓがゼロ付近となる予め設定された交流電源１の電圧範囲をＴｓｗに設定して、双方向スイッチ群３の入出力電流が不連続になるように制御部７により、双方向スイッチ群３を制御することで入力電流波形歪みを防止することが出来る。ここで予め設定する交流電源１の電圧範囲を交流電源１の電圧位相９０°＜θ＜２７０°ではＶ４＜Ｖｒｓ＜Ｖ２、交流電源１の電圧位相０°＜θ＜９０°あるいは２７０°＜θ＜３６０°ではＶ３＜Ｖｒｓ＜Ｖ１に切替えることで、交流電源１の電圧Ｖｒｓのゼロクロスに対してＴｓｗを非対称に設定できる。（Ｖ４＜Ｖ３＜０＜Ｖ２＜Ｖ１）また、この場合、図１１に示すように交流電源１の電圧値（実効値）が高い場合のＴｓｗをＴｓｗＨ、低い場合をＴｓｗＬとするとＴｓｗＨ＜ＴｓｗＬとなり入出力の大小関係を考慮した設定がされる。
【００３４】
ここで回生電流はモータ２１が発電機として作用して発生するため期間Ｔｓｗはモータ回転数に依存することになる。よって図１４に示すようにモータ回転数が高くなるとＴｓｗが長くなるようＶ１からＶ４をモータ回転数に合わせて調整できるようにすることでモータ回転数によらず入力電流波形歪みを防止することが出来る。
【００３５】
このように本発明では、交流電源１を双方向スイッチ群３により直接スイッチングして得られた任意の振幅および周波数の交流電力によりモータ駆動を行う電力変換装置において、モータ２１からの回生電流による入力電流波形歪みを防止することができる。
【００３６】
更に、双方向スイッチ群３をＧａｎで構成される双方向スイッチで構成することで導通損失低減、スイッチング損失低減を図ることができシステム効率向上につながる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上のように、本発明は従来の電力変換装置と比較して、入力電流波形歪みを防止することができるため、入力電流において国際規格であるＩＥＣ高調波電流規制が適用されるエアコンや冷蔵庫などの圧縮機駆動用の電力変換装置に応用が可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１交流電源
２負荷
３双方向スイッチ群
４第１の全波整流ダイオード群
５第２の全波整流ダイオード群
６充電部
７制御部
８電源位相検出部
９電圧検出部
１０第１の電流検出部
１１第２の電流検出部
２１モータ
２２交流電動機

【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と、負荷と、前記交流電源と前記負荷との間に配置され、入出力電流が連続となる双方向スイッチ群と、前記双方向スイッチ群の双方向スイッチのオン、オフを、前記双方向スイッチ群の入出力電流が不連続となる期間を有するように制御する制御部と、を備えた電力変換装置。
【請求項２】
前記交流電源の位相を検出する電源位相検出部又は前記交流電源の電圧を検出する電圧検出部又は前記双方向スイッチ群への入力電流を検出する第１の電流検出部又は負荷電流を検出する第２の電流検出部、のうち少なくとも１つを備え、
前記制御部は、前記電源位相検出部又は前記電圧検出部又は前記第１の電流検出部又は前記第２の電流検出部のうち少なくとも１つの検出結果を用いて、前記双方向スイッチ群の入出力電流が不連続となる制御期間を設定することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記電圧検出部と、前記第１の電流検出部と、前記第２の電流検出部と、を備え、
前記制御部は、前記電圧検出部により検出される電圧値の符号と前記第１の電流検出部により検出される電流値の符号が異なり、かつ前記第２の電流検出部により検出される電流値から求められる相電流が予め設定する範囲内となる場合に、前記交流電源と、相電流が予め設定する範囲内となった相との間の経路に流れる電流を不連続することを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記電源位相検出部と、前記第２の電流検出部と、を備え、
前記制御部は、前記電源位相検出部により検出される電源位相が予め設定する範囲内で、かつ前記第２の電流検出部により検出される電流値から求められる相電流が予め設定する範囲内となる場合に、前記交流電源と、相電流が予め設定する範囲内であることが検出された相との間の経路に流れる電流を不連続にすることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記電圧検出部と、前記第２の電流検出部と、を備え、
前記制御部は、前記電圧検出部により検出される交流電源電圧値が予め設定する範囲内で、かつ前記第２の電流検出部により検出されるから求められる相電流が予め設定する範囲内となる場合に、前記交流電源と、相電流が予め設定する範囲内であることが検出された相との間の経路に流れる電流を不連続にすることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記交流電源と、相電流が予め設定する範囲内であることが検出された相との間の経路に流れる電流を不連続にする電源位相範囲を、前記双方向スイッチ群の出力周波数又は電圧検出部の検出値の少なくとも一方を用いて調整できるようにすることを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記交流電源と、相電流が予め設定する範囲内であることが検出された相との間の経路に流れる電流を不連続にする交流電源電圧値の範囲を、前記双方向スイッチ群の出力周波数を用いて調整できるようにすることを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記交流電源と、相電流が予め設定する範囲内であることが検出された相との間の経路に流れる電流を不連続にする交流電源電圧値の範囲を、電源位相検出部の検出値を用いて調整できるようにすることを特徴とする請求項５又は請求項７記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記双方向スイッチ群は、Ｇａｎを用いた半導体スイッチにより構成される請求項１から８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記交流電源に単相交流電源、前記負荷に誘導性モータを用いたことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【図１】