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電力変換装置
説明

電力変換装置

【課題】簡単な構成で瞬時電圧低下から復帰した際の過電圧を抑制し、装置の小型化を図るとともに、電力損失や発熱を低減することのできる電力変換装置を提供する。
【解決手段】交流電源1の交流を直流に変換する交流―直流変換回路2と、この交流―直流変換回路2の出力を平滑する第1のコンデンサ3と、ダイオード4と抵抗5の並列接続構成に第2のコンデンサ6を直列接続することで構成され、上記第1のコンデンサ3と並列に接続される過電圧抑制回路7と、この過電圧抑制回路7に並列接続され、直流を交流に変換する直流―交流変換回路8とを具備し、上記第1及び第2のコンデンサ3、6の容量を各々C1、C2としたとき、コンデンサ容量の比C2/C1を3以上かつ20以下に設定し、交流電源1が瞬時電圧低下から復帰する場合に第1のコンデンサ3に発生する過電圧を抑制するよう構成している。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、交流を直流に変換する交流―直流変換回路又は直流を交流に変換する直流―交流変換回路を備えた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、系統電源(交流電源)に瞬時電圧低下が起こった場合でも、負荷へ影響が生じないように電圧低下を補償する瞬時電圧低下補償装置の設置が進んでいる。
【0003】
予め蓄電池やコンデンサ等の蓄電部に蓄電しておき、瞬時電圧低下時に蓄電部から電力を供給する瞬時電圧低下補償装置では、交流電源を直流電圧に変換して蓄電部に供給したり、蓄電部に蓄電された直流電圧や蓄電部に供給しない直流電圧を交流電圧に変換して負荷に供給するための電力変換装置が組み込まれている(例えば特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平11−178358号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、従来の電力変換装置では、交流―直流電力変換回路(又は整流回路)の出力端に直流コンデンサを接続し、直流―交流電力変換回路に直流電圧を供給している。そのため、直流コンデンサは、直流―交流電力変換回路もしくは負荷が発生するリプル電流を許容する必要があるが、直流コンデンサとして、1μF当たりの許容電流が小さい電解コンデンサを使用した場合、直流電圧の平滑に必要な静電容量よりも大容量の電解コンデンサとなってしまう場合が多い。
【0006】
交流電源が瞬時電圧低下から復帰した際、直流コンデンサに突入電流直流が流入し、直流リンク電圧は上昇するが、大容量の電解コンデンサを用いた場合には、直流リンク電圧の上昇は比較的少なく、直流コンデンサや交流―直流電力変換回路、直流―交流電力変換回路、負荷等に過電圧が印加する可能性は少ない。また、電解コンデンサは、単位体積当たりの静電容量が比較的大きいため、大容量であっても小型で、装置の小型化を図り易いといった利点がある。しかしながら、その一方で、電気特性(誘電体損、漏れ電流、ESR、ESL)に劣るため、電力損失や発熱が大きく、加えて寿命が短いといった欠点がある。
【0007】
そこで、上記欠点を解消するため、直流コンデンサとして、フィルムコンデンサを使用することが考えられる。フィルムコンデンサは、電解コンデンサに比べて電気特性及び周波数温度特性に優れるため、低損失で発熱も少なく、さらに長寿命であるといった利点がある。また、電解コンデンサに比べて1μF当たりの許容電流が大きいため、電解コンデンサより小さな容量のものを使用できる。
【0008】
ところが、許容電流を満足する程度の小容量のフィルムコンデンサを直流コンデンサとして使用した場合、瞬時電圧低下から復帰した際に、直流リンク電圧が大きく上昇することがあり、交流―直流電力変換回路及び直流―交流電力変換回路等に過電圧を生じ、回路の停止や損壊を招く虞がある。そのため、直流コンデンサを大容量にして、回路の停止や損壊を回避することも考えられるが、フィルムコンデンサは、電解コンデンサに比べて単位体積当たりの静電容量が小さいために、過電圧を電解コンデンサと同程度に抑えるには、電解コンデンサよりも体積が大きくなってしまい、装置の大型化を招いてしまうといった欠点がある。
【0009】
すなわち、従来の電力変換装置においては、直流コンデンサとして電解コンデンサを使用した場合は、過電圧を小さく、かつ装置を小型化することができるが、電力損失や発熱が大きく、寿命も短いものとなり、直流コンデンサとしてフィルムコンデンサを使用した場合は、低損失で発熱も小さく、長寿命化を図ることができるが、過電圧を抑制するには装置の大型化を招くものになっており、両者の利点を同時に得ることはできなかった。
【0010】
そこで、この発明は、上記を考慮してなされたもので、簡単な構成で瞬時電圧低下から復帰した際の過電圧を抑制し、装置の小型化を図るとともに、電力損失や発熱を低減することのできる電力変換装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記課題を解決するため、本発明の電力変換装置は、交流電源1の交流を直流に変換する交流―直流変換回路2と、この交流―直流変換回路2の出力を平滑する第1のコンデンサ3と、ダイオード4と抵抗5の並列接続構成に第2のコンデンサ6を直列接続することで構成され、上記第1のコンデンサ3と並列に接続される過電圧抑制回路7と、この過電圧抑制回路7に並列接続され、直流を交流に変換する直流―交流変換回路8とを具備し、上記第1及び第2のコンデンサ3、6の容量を各々C1、C2としたとき、コンデンサ容量の比C2/C1を3以上かつ20以下に設定し、交流電源1が瞬時電圧低下から復帰する場合に第1のコンデンサ3に発生する過電圧を抑制するよう構成したことを特徴としている。また、第1のコンデンサ3はフィルムコンデンサ又はセラミックコンデンサであり、第2のコンデンサ6は電解コンデンサであることを特徴としている。
【発明の効果】
【0012】
この発明の電力変換装置によれば、瞬時電圧低下から復帰する際の突入電流をダイオードを介して第2のコンデンサにバイパスすることができるため、第1のコンデンサの静電容量を小さくしても過電圧を抑制できる。具体的には、従来の電力変換装置と同じ負荷状態の場合、第1のコンデンサの静電容量を従来の電力変換装置の直流コンデンサの静電容量の1/100程度まで低減しても過電圧を抑制することができる。そのため、第1のコンデンサの体積や重量を抑制することができ、装置の小型化を図ることができる。
【0013】
また、第1のコンデンサとしてフィルムコンデンサ又はセラミックコンデンサを使用することで、電力損失や発熱を抑えることができる。また、通常動作時においては、ダイオードと抵抗によって、第2のコンデンサには電流が流れないため、第2のコンデンサとして、電気特性に劣る電解コンデンサを使用した場合でも電力損失が生じず、また発熱も抑えられることから長寿命化が可能となる。すなわち、過電圧の抑制、装置の小型化を実現しながらも低損失で発熱が小さく、かつ長寿命な電力変換装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の実施形態に係る電力変換装置を示す回路図である。
【図2】瞬時電圧低下から復帰した際の第1のコンデンサの電圧の変化を示すグラフである。
【図3】静電容量比と電圧上昇率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、この発明の電力変換装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。この発明の電力変換装置は、図1に示すように、交流電源1の交流を直流に変換する交流―直流変換回路2と、この交流―直流変換回路2の出力を平滑する第1のコンデンサ3と、ダイオード4と抵抗5の並列接続構成に第2のコンデンサ6を直列接続することで構成される過電圧抑制回路7と、直流を交流に変換する直流―交流変換回路8とを備えている。
【0016】
そして、電力変換装置は、図1に示すように、交流―直流変換回路2と第1のコンデンサ3とが並列接続され、この第1のコンデンサ3と過電圧抑制回路7とが並列接続され、この過電圧抑制回路7と直流―交流変換回路8とが並列接続されることで構成されている。
【0017】
第1のコンデンサ3は、電気特性に優れ、低損失であるフィルムコンデンサが使用されている。また、第2のコンデンサ6は、単位体積当たりの静電容量が大きな電解コンデンサが使用されている。そして、第1のコンデンサ3の静電容量C1に対する第2のコンデンサ6の静電容量C2の比、すなわちC2/C1が3以上、かつ20以下とされている。
【0018】
上記の電力変換装置は、交流電源1に交流―直流変換回路2が接続され、直流―交流変換回路8に負荷9が接続されている。
【0019】
そして、通常動作時では、交流―直流変換回路2からの出力が第1のコンデンサ3によって平滑され、直流―交流変換回路8を経由して負荷9に供給される。この際、第2のコンデンサ6には、動作開始時に一度だけダイオード4を介して電流が流れ込み、交流電源1の最大電圧まで充電されるが、これ以降は、ダイオード4と抵抗5とにより、第2のコンデンサ6には電流は流れない。従って、第2のコンデンサ6に、等価直列抵抗の比較的大きな電解コンデンサを使用した場合でも電力損失が生じることはなく、また、発熱も生じないことから、第2のコンデンサ6の長寿命化が可能となる。
【0020】
交流電源1が瞬時電圧低下から復帰する際、第1のコンデンサ3に突入電流が流入するが、小容量のフィルムコンデンサを用いることにより、突入電流を低減することができる。第1のコンデンサ3の電圧が第2のコンデンサ6の電圧まで充電されると、余剰な電流はダイオード4を介して第2のコンデンサ6にバイパスされる。このため、第1のコンデンサ3の電圧上昇を大幅に抑制することができ、過電圧抑制回路7を備えない場合に比べて、第1のコンデンサ3の静電容量を1/100程度に低減できる。従って、第1のコンデンサ3として、単位体積当たりの静電容量が比較的小さいフィルムコンデンサを使用しても、コンデンサの体積や重量を抑えることができ、装置の小型化を図ることができる。さらに、フィルムコンデンサは電気特性に優れるため、損失を抑えることができる。
【0021】
図2(a)(b)は、瞬時電圧低下から復帰した際の第1のコンデンサ3の電圧の実測波形を示すグラフである。具体的には、本発明の実施例(図2において実線)として、第1のコンデンサ3の静電容量を20μF、第2のコンデンサ6の静電容量を300μF、抵抗5を100kΩとしたものと、比較例(図2において破線)として、過電圧抑制回路7(ダイオード4、抵抗5、第2のコンデンサ6)を備えず、他は実施例と同様に構成したものとに、交流電源1を100Vとし、0.1秒の瞬時電圧低下を与えた場合の第1のコンデンサ3の電圧の変化を、縦軸を電圧、横軸を時間として表したものである。なお、図2(b)は、図2(a)の瞬時電圧低下から復帰した時に焦点し、この復帰前後の時間軸を拡大したものである。
【0022】
図2(a)(b)に示すように、瞬時電圧低下が発生する以前(通常動作時)の第1のコンデンサ3の電圧は100V交流電源1の整流電圧140V程度であり、実施例、比較例ともに略同値である。瞬時電圧低下が発生すると、実施例、比較例ともに第1のコンデンサ3の電圧が略零まで低下する。その後、瞬時電圧低下から復帰し、交流電源1が回復すると、第1のコンデンサ3の電圧が急峻に上昇するが、過電圧抑制回路7を備えない比較例の場合、第1のコンデンサ3の電圧は240Vまで上昇する。これに対して、過電圧抑制回路7を備える実施例の場合、第1のコンデンサ3の電圧は160V程度に抑制されており、過電圧が抑制されていることがわかる。
【0023】
図3は、第1のコンデンサ3の静電容量C1に対する第2のコンデンサ6の静電容量C2の比(C2/C1)を横軸に、電圧上昇率(瞬時電圧低下発生前の電圧に対する瞬時電圧低下から復帰した時の過電圧の比)を縦軸にとり、静電容量の比と電圧上昇率との関係を示したグラフである。なお、図3において、塗り潰し菱形の測点で描画されているものは、負荷9を運転させていない場合(負荷なし)、白抜き四角形の測点で描画されているものは、負荷9を運転させた場合(負荷あり)を示している。
【0024】
負荷9を運転させた場合では、第2のコンデンサ6の静電容量C2が第1のコンデンサ3の静電容量C1の3倍以上かつ20倍以下であれば、電圧上昇率が約1.2倍以下に抑制されていることがわかる。また、負荷9を運転させていない場合であっても、第2のコンデンサ6の静電容量C2が第1のコンデンサ3の静電容量C1の3倍以上かつ20倍以下であれば、電圧上昇率が約1.5倍以下に抑制されていることがわかる。なお、C2/C1が20を超える場合であっても、電圧上昇率は抑制されるが、第2のコンデンサ6の肥大化を招く等、構成及びコストが過剰なものとなるため、得策ではない。
【0025】
このように、本発明の電力変換装置によれば、簡単な構成で瞬時電圧低下から復帰した際の過電圧を抑制することができる。その結果、第1のコンデンサ3に対して過電圧への配慮が不要となり、静電容量の小さい小型のフィルムコンデンサを適用することができ、電力損失や発熱を抑制することができるとともに装置の小型化を図ることができる。また、第2のコンデンサ6に、等価直列抵抗の比較的大きな電解コンデンサを使用した場合でも、通常動作時において、電流が流れないため、電力損失や発熱を抑制することができ、さらに第2のコンデンサ6の長寿命化を図ることもできる。さらに、電解コンデンサは、単位体積当たりの静電容量が大きいため、第2のコンデンサの体積や重量も抑制することができ、装置の小型化を図ることができる。
【0026】
以上に、この発明の具体的な実施形態について説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施例においては、交流―直流変換回路2としていたが整流回路でも良い。また、上記実施例においては、第1のコンデンサ3としてフィルムコンデンサが使用されていたが、セラミックコンデンサを使用しても良い。また、これに限らず、第1、第2のコンデンサ3、6として種々のコンデンサを用いても良い。
【符号の説明】
【0027】
1・・交流電源、2・・交流―直流変換回路、3・・第1のコンデンサ、4・・ダイオード、5・・抵抗、6・・第2のコンデンサ、7・・過電圧抑制回路、8・・直流―交流変換回路

【特許請求の範囲】
【請求項1】
交流電源(1)の交流を直流に変換する交流―直流変換回路(2)と、この交流―直流変換回路(2)の出力を平滑する第1のコンデンサ(3)と、ダイオード(4)と抵抗(5)の並列接続構成に第2のコンデンサ(6)を直列接続することで構成され、上記第1のコンデンサ(3)と並列に接続される過電圧抑制回路(7)と、この過電圧抑制回路(7)に並列接続され、直流を交流に変換する直流―交流変換回路(8)とを具備し、上記第1及び第2のコンデンサ(3)(6)の容量を各々C1、C2としたとき、コンデンサ容量の比C2/C1を3以上かつ20以下に設定し、交流電源(1)が瞬時電圧低下から復帰する場合に第1のコンデンサ(3)に発生する過電圧を抑制するよう構成したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項2】
第1のコンデンサ(3)はフィルムコンデンサ又はセラミックコンデンサであり、第2のコンデンサ(6)は電解コンデンサであることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2012−231637(P2012−231637A)
【公開日】平成24年11月22日(2012.11.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−99468(P2011−99468)
【出願日】平成23年4月27日(2011.4.27)
【出願人】(390022460)株式会社指月電機製作所 (99)
【出願人】(304021417)国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Fターム(参考)】