JPH11266587A - 交流直流電力変換方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 交流商用電源から力率１の交流入力電流を供
給することができ、これによりその効率を向上すると共
に、高調波による障害の問題を生じないコンバータ装置
を提供する。 【解決手段】 交流電源電圧をスイッチング回路１０に
入力し、該交流電源電圧の電圧信号を基準信号として、
該基準信号の波形に追従するように交流入力電流を形成
すると共に、スイッチング回路１０の出力側に直流電圧
及び直流電流を形成するように、スイッチング回路をオ
ン・オフ制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、交流直流電力変換
方法及び装置に係り、特に商用交流電源を直流電源に変
換するコンバータ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、誘導電動機等を可変速運転するた
めに、電源周波数を任意の周波数に変換するインバータ
装置等が普及してきている。係るインバータ装置におい
ては、商用交流電源をいったん整流して、直流電源と
し、更に任意の周波数／電圧を有する交流電源に逆変換
している。図３は、このような商用交流電源を直流電源
に変換する従来の一般的なコンバータ装置を示す。この
コンバータ装置は、いわゆる三相全波整流回路であり、
商用交流電源１は、ダイオードブリッジ回路２に接続さ
れ、その出力側はコンデンサ３に接続されている。これ
により、商用交流電源１の交流電源電圧は、ダイオード
ブリッジ回路２により全波整流され、そして平滑用コン
デンサ３でそのリップル分が平滑され、直流電源の出力
端子４には、略平坦な直流電圧が得られ、負荷５に直流
電流が供給される。

【０００３】図４は、（ａ）に三相全波整流後の交流電
源電圧波形を示し、（ｂ）に直流電圧波形を示す。そし
てこの直流電圧波形は、負荷が軽く直流電流が小さい時
には、図中に実線で示すように略平坦となるが、負荷が
重く直流電流が大きい時には、図中に点線で示すように
電圧の降下が生じる。（ｃ）は直流電流負荷がある時の
交流電源側の交流入力電流の波形を示す。図示するよう
に交流電源電圧波形とはかけ離れた歪んだ交流入力電流
波形となる。これは、三相整流ブリッジダイオードのア
ノード電圧が、カソード電圧より高いときだけコンデン
サに充電電流が流れることによるものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに交流商用電源側から、コンバータ装置に流入する交
流入力電流の波形が歪むと、これにより以下の２つの問
題が生じる。第１に、コンバータ装置の効率が低下す
る。これは波形の歪みにより無効電力成分が増大し、こ
れにより皮相電力が増大して、力率が低下するからであ
る。第２に、波形の歪みにより高調波が発生する。これ
により、交流入力電流は商用交流電源系統に直接悪影響
を及ぼす。

【０００５】従って、商用交流電源がコンバータ装置に
供給する交流入力電流は、高調波成分を含まないものと
することが必要である。しかしながら、上述したように
従来のコンバータ装置は、全波整流時に必然的に間欠的
に平滑用コンデンサに電流が流れ込むようになってい
る。このため、コンバータ装置による高調波の発生は避
けられないものであった。このような交流入力電流のピ
ーク値を下げるため、電流制限のＡＣリアクトルが接続
される場合がある。図５はＡＣリアクトル接続時のコン
バータ入力電流波形であり、電流波形の歪みの改善には
限界がある。

【０００６】本発明は上述の事情に鑑みて為されたもの
で、交流商用電源から力率１の交流入力電流を供給する
ことができ、これによりその効率を向上すると共に、高
調波による障害の問題を生じないコンバータ装置を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、交流電源電圧をスイッチング回路に入力し、該交流
電源電圧の電圧信号を基準信号として、該基準信号の波
形に追従するように交流入力電流を形成すると共に、前
記スイッチング回路の出力側に直流電源を形成するよう
に、前記スイッチング回路をオン・オフ制御することを
特徴とする交流直流電力変換方法である。

【０００８】上述した本発明によれば、スイッチング回
路に入力した交流電源電圧を基準信号として、その基準
信号の波形に追従するように交流入力電流が形成される
ようにスイッチング回路のスイッチングが行われる。そ
してこのスイッチングの結果、出力側には直流電圧が形
成され、負荷に直流電流が供給される。このようなコン
バータ装置によれば、交流電源電圧と交流入力電流と
は、それぞれの波形が同じ周波数及び同じ位相となり、
力率が１となる。これによりコンバータ装置に入力する
皮相電力を全て有効電力とすることができ、極めて効率
のよいコンバータ装置が得られる。又、正弦波の基本波
成分のみである交流電源電圧波形に追従して、交流入力
電流波形が得られるので、交流入力電流には低次の高調
波をほとんど含まない。これにより大きなリアクトル及
びキャパシタを必要とするフィルタ回路を用いることな
く、高調波成分がほとんど発生しないコンバータ装置を
提供することができる。

【０００９】請求項２に記載の発明は、前記直流電圧に
対応した信号を、前記スイッチング回路の入力側にフィ
ードバックすることで、前記直流電圧を一定の目標値に
制御することを特徴とする請求項１に記載の交流直流電
力変換方法である。これにより、コンバータ装置の出力
電圧を直流負荷電流の変動にもかかわらず一定に保持す
ることができる。

【００１０】請求項３に記載の発明は、入力端子と出力
端子とを備えたスイッチング回路と、前記入力端子に供
給される交流電圧と交流電流の検出回路と、前記交流電
圧検出回路に検出される交流電源電圧を基準信号とし
て、前記交流電流検出回路に検出される交流入力電流を
フィードバック信号として誤差演算を行う制御回路と、
前記スイッチング回路の入力側に接続したインダクタン
ス素子とを備え、前記制御回路は前記交流入力電流のフ
ィードバック信号が前記交流電源電圧信号に追従すると
共に、前記スイッチング回路の出力側に直流電源を形成
するように、前記スイッチング回路をオン・オフ制御す
ることを特徴とする交流直流電力変換装置である。これ
により、大きなインダクタ及びキャパシタを有するフィ
ルタ回路を用いることなく、小型コンパクトな構造のコ
ンバータ装置とすることができる。

【００１１】請求項４に記載の発明は、前記出力端子側
に直流電圧の検出回路を備え、該検出された直流電圧信
号を前記制御回路にフィードバックすることにより、前
記直流電圧を一定の電圧値に制御する制御回路を備えた
ことを特徴とする請求項３に記載の交流直流電力変換装
置である。これにより、直流負荷の変動にもかかわら
ず、定電圧出力特性が得られ、且つ交流電力側の無効電
力及び高調波がほとんど発生しないコンバータ装置を提
供することができる。

【００１２】請求項５に記載の発明は、前記スイッチン
グ回路は、直流電源を交流電源に逆変換するインバータ
装置のスイッチング回路を用いたことを特徴とする請求
項３又は４に記載の交流直流電力変換装置である。これ
により、広く普及しているインバータ装置に用いられて
いる電力スイッチング回路をそのまま用いることがで
き、容易にこのコンバータ装置を製造できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】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。

【００１４】図１は、本発明の一実施の形態のコンバー
タ装置の概要を示す。このコンバータ装置は、例えば３
相２００Ｖの商用交流電源から＋３００Ｖ程度の直流電
源を形成し、直流負荷に供給する装置であり、この交流
から直流への変換を主としてスイッチング回路１０のス
イッチング動作によって行っている。即ち、このコンバ
ータ装置は入力側のリアクトルを備えたフィルタ回路２
５と、スイッチング回路１０と、直流側のコンデンサ３
と、このスイッチング回路１０のスイッチング動作を制
御する制御回路部分とから主に構成されている。

【００１５】このスイッチング回路１０は、図示するよ
うに一対のパワートランジスタ又はＩＧＢＴ等の電力素
子が直列接続され、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の交流入力線がそれぞ
れの電力素子の直列接続部の中点に接続されている。一
対の直列接続された電力素子の中点の反対側の点はそれ
ぞれ直流電源の＋側及び−側の出力端子となっている。
電力素子の制御端子であるベース端子（ゲート端子）に
は、電力素子をオン・オフする制御信号が入力される。
このスイッチング回路は、一対の電力素子の直列接続回
路が一相分を構成しており、三相交流商用電源のスイッ
チング回路としては、Ｕ，Ｖ，Ｗの三相分の３組の直列
接続回路からなり、合計６個の電力素子から構成されて
いる。即ち、インバータ装置の直流電力を交流電力に逆
変換するスイッチング回路と同じ構成となっており、こ
の電力素子モジュールをそのまま利用することが可能で
ある。

【００１６】商用交流電源の入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔ側に
は、信号トランス１６の一次側が接続され、その２次側
の電圧検出回路に、Ｕ相及びＷ相の相電圧信号が生成さ
れる。一方で、交流側のＵ相及びＷ相の線にはＣＴ等の
電流検出器が接続され、これにより電流検出回路１７
ｕ，１７ｗにおいて、Ｕ相及びＷ相の電流信号が形成さ
れる。信号トランス１６の出力側には電圧設定部２３
ｕ，２３ｗが接続され、その電圧設定部２３ｕ，２３ｗ
の出力は、ＡＣ誤差増幅器１１ｕ，１１ｗの一方の入力
端子に接続されている。電圧設定部２３ｕ，２３ｗで
は、出力直流電圧信号が接続され、直流電圧のフィード
バック信号が電圧設定部で交流電圧信号に乗算される。

【００１７】ＡＣ誤差増幅器１１ｕ，１１ｗは、入力側
の交流電源電圧信号Ｖｕ’とＶｗ’と、交流入力電流信
号ＩｕとＩｗとの差分を演算して、この誤差がゼロとな
るような制御信号を出力する。即ち、電圧信号Ｖｕ’，
Ｖｗ’を基準信号として、電流信号Ｉｕ，Ｉｗをフィー
ドバック信号として、フィードバック信号が基準信号に
追従するように制御信号Ｓｕ，Ｓｗを出力する。

【００１８】この制御信号は、Ｕ相とＶ相についてのも
のであるので、２相・３相変換回路１２によりベクトル
演算を行い、Ｖ相の制御信号を形成する。即ち、ベクト
ル量として、 Ｓｖ＝−（Ｓｕ＋Ｓｗ） により、Ｖ相の制御信号Ｓｖを形成する。そして、その
制御信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗをパルス幅変調（ＰＷＭ）回
路１３に入力し、制御信号の大きさを矩形波状のパルス
のデューティ比の変化に変換した信号を形成する。

【００１９】この実施の形態においては、基本周波数１
５ｋＨｚ程度のキャリア（搬送波）三角波を用いて、こ
れを基準信号として、制御信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗをコン
パレータを用いて比較することにより、それぞれの相の
パルス幅変調出力信号を形成している。そして、このパ
ルス幅変調信号をドライブ回路１４によりスイッチング
回路１０の電力素子のベース（ゲート）に供給する駆動
電流（電圧）に変換して、スイッチング回路１０の各々
の電力素子に供給する。これにより、スイッチング回路
１０においては、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相及びそれぞれの反転
相の各電力素子が制御信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗに従ってス
イッチングすることで、交流入力電流が正弦波になるよ
うに、交流電源Ｒ，Ｓ，Ｔを直流電源に変換する。

【００２０】直流電源側のコンデンサ３には、直流電圧
の検出を行う検出器を介して、検出回路２０が接続さ
れ、これにより直流電源電圧が検出される。検出された
直流電圧は目標電圧とＤＣ誤差増幅器２１で比較され、
その差分をゼロとするような直流電圧制御信号ＳｄがＤ
Ｃ誤差増幅器２１から出力される。

【００２１】電圧設定部２３ｕ，２３ｗは乗算回路であ
り、交流電源電圧に対応する電圧信号Ｖｕ，Ｖｗに直流
電圧制御信号Ｓｄがそれぞれ乗算される。そして、この
出力信号Ｖｕ’，Ｖｗ’をＡＣ誤差増幅器１１ｕ，１１
ｗの一方の端子に電圧信号として入力される。即ち、Ａ
Ｃ誤差増幅器１１ｕ，１１ｗの基準信号として入力され
る電圧信号Ｖｕ’，Ｖｗ’は、交流電源電圧の電圧信号
Ｖｕ，Ｖｗに対して、直流電源電圧の目標電圧と実際直
流電圧との誤差を小さくする出力信号Ｓｄが係数として
乗算された信号となっている。この直流電源の出力電圧
のフィードバック回路により、直流負荷５に供給する負
荷電力の大小にかかわらず、直流電源の出力電圧が一定
に保たれる。

【００２２】次に、このコンバータ装置の動作について
説明する。スイッチング回路１０は、上述したように直
流電源から任意の周波数／電圧の交流電源を形成するイ
ンバータ装置のスイッチング回路と同じである。従っ
て、正弦波交流電流を作るためのパルス幅変調信号を用
いて、スイッチング回路の各電力素子をオン・オフ制御
すると共に、交流電源電圧をそのＲ，Ｓ，Ｔ端子に入力
することにより、交流入力電流が正弦波になるように、
その出力側に直流電圧が形成される。そして、直流端子
４に負荷５を接続すると、直流電流が供給される。

【００２３】このスイッチング回路１０の各電力素子の
スイッチング回路動作に際して、ベース（ゲート）端子
に入力する駆動パルスのパルス幅が交流電源電圧波形と
等しい交流入力電流波形が得られるようにＡＣ誤差増幅
器１１ｕ，１１ｗを用いて制御する。即ち、ＡＣ誤差増
幅器１１ｕ，１１ｗは、基準信号である電源電圧波形に
対して、フィードバック信号である交流入力電流波形が
これに追従するような制御出力を生成する。例えば交流
電源電圧に対して交流入力電流が小さい場合には、スイ
ッチング回路のオン状態を長くするようにパルス幅が調
整され、これにより交流電源電圧波形と交流入力電流波
形とを一致させることができる。即ち、交流電源電圧波
形と交流入力電流波形との周波数及び位相が一致した力
率が１のコンバータ装置とすることができる。

【００２４】しかしながら、直流負荷５に負荷電流が流
れると、直流電源電圧が低下する。このため、交流電源
電圧波形と交流入力電流波形との周波数及び位相を一致
させつつ、制御信号の大きさを調整することにより、ス
イッチング回路のオン状態となるパルス幅を調整する必
要がある。このため、直流電圧検出回路２０により直流
電圧を検出して、ＤＣ誤差増幅器２１により目標電圧と
の誤差信号を出力し、これを電圧設定部２３ｕ，２３ｗ
で電圧信号Ｖｕ，Ｖｗと乗算して、基準信号の電圧信号
Ｖｕ’，Ｖｗ’としてＡＣ誤差増幅器１１ｕ，１１ｗに
入力することにより、フィードバック制御を行ってい
る。これにより、直流電源電圧は、負荷電流の大小に関
わらず、交流電源側で力率が１の状態を維持しつつ、一
定の目標直流電圧に制御される。

【００２５】リアクトルＬとコンデンサＣで構成した電
流フィルタ２５は、二つの機能を持っている。その１
は、交流入力電流の波形を滑らかにするために用いられ
ている。即ち、スイッチング回路１０では、キャリア周
波数（例えば１５ｋＨｚ）のパルス幅変調された駆動信
号に基づいてオン・オフ制御される。その２は、交流入
力側にリアクトルＬを挿入することにより、スイッチン
グ回路のオン動作に伴い流れる電流がリアクトルＬにエ
ネルギーとして蓄えられ、オフ動作によりこのエネルギ
ーが緩やかに放出されることで、交流入力電流には、き
れいな正弦波波形が形成される。リアクトルＬの大きさ
は、交流電源電圧の３〜５％程度で十分な効果が得られ
る。

【００２６】図２は、上述の制御回路を用いたコンバー
タ装置による交流入力電流波形の一例を示す。図示する
ように、交流入力電流波形は、交流電源電圧波形と同じ
周波数及び同じ位相の正弦波波形となり、力率が１とな
る。即ち、図４（ｃ）に示す従来のコンバータ装置の交
流入力電流波形と異なり、低次の高調波をほとんど含ま
ない。これにより大きなリアクトル及びキャパシタを必
要とするフィルタ回路を用いることなく、高調波成分が
ほとんど発生しないコンバータ装置とすることができ
る。

【００２７】尚、この実施の形態においては、これらの
誤差増幅器等の制御回路部分をアナログ回路を用いて構
成しているが、ＣＰＵ素子等のデジタル回路を用いて構
成するようにしても勿論よい。これにより、制御回路部
分をより小型化して、且つ低コストで製造することがで
きる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、力
率１で、且つ高調波成分をほとんど発生しない、商用交
流電源を直流電源に変換するコンバータ装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態のコンバータ装置の概要
を示す説明図である。

【図２】本発明の一実施の形態のコンバータ装置の交流
入力電流波形を示す図である。

【図３】従来のコンバータ装置の概要を示す説明図であ
る。

【図４】図３のコンバータ装置の（ａ）は全波整流後の
交流電源電圧波形を示し、（ｂ）は直流電圧波形を示
し、（ｃ）は直流電流負荷がある時の交流電源側の交流
入力電流の波形を示す図である。

【図５】ＡＣリアクトル接続時のコンバータ入力電流波
形を示す図である。

【符号の説明】

３ 直流電源コンデンサ ４ 直流電源端子 ５ 直流負荷 １０ スイッチング回路 １１ｕ，１１ｗ ＡＣ誤差増幅器 １２ ２相・３相変換回路 １３ パルス幅変調（ＰＷＭ）回路 １４ ドライブ回路 １６ 信号トランス ２０ 直流電圧検出回路 ２１ ＤＣ誤差増幅器（直流電圧制御用） ２３ｕ，２３ｗ 電圧設定部 ２５ フィルタ回路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電源電圧をスイッチング回路に入力
   し、該交流電源電圧の電圧信号を基準信号として、該基
   準信号の波形に追従するように交流入力電流を形成する
   と共に、前記スイッチング回路の出力側に直流電源を形
   成するように、前記スイッチング回路をオン・オフ制御
   することを特徴とする交流直流電力変換方法。
2. 【請求項２】 前記直流電源の直流電圧に対応した信号
   を、前記スイッチング回路の入力側にフィードバックす
   ることで、前記直流電圧を一定の目標値に制御すること
   を特徴とする請求項１に記載の交流直流電力変換方法。
3. 【請求項３】 入力端子と出力端子とを備えたスイッチ
   ング回路と、前記入力端子に供給される交流電圧と交流
   電流の検出回路と、前記交流電圧検出回路に検出される
   交流電源電圧を基準信号として、前記交流電流検出回路
   に検出される交流入力電流をフィードバック信号として
   誤差演算を行う制御回路と、前記スイッチング回路の入
   力側に接続したインダクタンス素子とを備え、前記制御
   回路は前記交流入力電流のフィードバック信号が前記交
   流電源電圧信号に追従すると共に、前記スイッチング回
   路の出力側に直流電源を形成するように、前記スイッチ
   ング回路をオン・オフ制御することを特徴とする交流直
   流電力変換装置。
4. 【請求項４】 前記出力端子側に直流電圧の検出回路を
   備え、該検出された直流電圧信号を前記制御回路にフィ
   ードバックすることにより、前記直流電圧を一定の電圧
   値に制御する制御回路を備えたことを特徴とする請求項
   ３に記載の交流直流電力変換装置。
5. 【請求項５】 前記スイッチング回路は、直流電源を交
   流電源に逆変換するインバータ装置のスイッチング回路
   を用いたことを特徴とする請求項３又は４に記載の交流
   直流電力変換装置。