(57)【要約】【課題】構造容易で小型で低コストのコンバータ回路、電力変換システム、及びモータ駆動装置を実現する。【解決手段】多相交流電源２から入力される交流電圧を直流電圧に変換して出力するコンバータ回路１は、直流電圧を出力するための正側直流端子１１Ｐ及び負側直流端子１１Ｎと、複数のダイオード１２Ｕ，１２Ｖ及び１２Ｗであって、複数のダイオード１２Ｕ，１２Ｖ及び１２Ｗの各々のアノードが多相交流電源２の各相に対応して電気的に接続され、複数のダイオード１２Ｕ，１２Ｖ及び１２Ｗの全てのカソードが正側直流端子１１Ｐに電気的に接続される、ダイオード１２Ｕ，１２Ｖ及び１２Ｗと、多相交流電源２の中性点６と負側直流端子１１Ｎとを電気的に接続する接続部１３とを備える。【選択図】図１
2020178394.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相交流電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換して出力するコンバータ回路であって、
前記直流電圧を出力するための正側直流端子及び負側直流端子と、
複数のダイオードであって、前記複数のダイオードの各々のアノードが前記多相交流電源の各相に対応して電気的に接続され、前記複数のダイオードの全てのカソードが前記正側直流端子に電気的に接続される、ダイオードと、
前記多相交流電源の中性点と前記負側直流端子とを電気的に接続する接続部と、
を備える、コンバータ回路。
【請求項２】
オン時に一方向に通電し、オフ時に通電しない複数のスイッチであって、前記複数のスイッチの各々は、オン時の通電方向が前記ダイオードの通電方向とは逆向きになるよう前記複数のダイオードの各々に電気的に並列接続される、スイッチと、
前記複数のスイッチの各々のオンオフを制御する制御部と、
をさらに備える、請求項１に記載のコンバータ回路。
【請求項３】
前記複数のダイオードの各々の前記アノードと前記多相交流電源の各相との間にそれぞれが設けられる複数の交流リアクトルをさらに備える、請求項１または２に記載のコンバータ回路。
【請求項４】
前記複数のダイオードの全ての前記カソードと前記正側直流端子との間に設けられる直流リアクトルをさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載のコンバータ回路。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のコンバータ回路と、
前記正側直流端子と前記負側直流端子との間に設けられるコンデンサと、
前記コンデンサを介して前記コンバータ回路に電気的に接続され、前記コンバータ回路から出力された前記直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ回路と
を備える、電力変換システム。
【請求項６】
請求項５に記載の電力変換システムを備え、
前記インバータ回路は、前記コンバータ回路から出力された前記直流電圧をモータ駆動のための交流電圧に変換して出力する、モータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンバータ回路、電力変換システム及びモータ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、あるいは各種ロボット内の交流モータを駆動するモータ駆動装置においては、交流電源から入力される交流電圧を直流電圧に一旦変換した後さらに交流電圧へ変換し、この交流電圧を交流モータに印加して交流モータを駆動している。このため、モータ駆動装置は、交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に整流するコンバータ回路と、コンバータ回路から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路とからなる電力変換システムを有する。
【０００３】
例えば、入力トランスを介して共通の交流電源と絶縁され、かつ前記入力トランスの二次側の出力電圧を整流する直流電源部と、この直流電源部から出力される直流電圧を入力とする単相３レベルインバータとを有する変換ユニットを前記交流電源と負荷との間に３台並列的に接続すると共に、これらの３台の単相３レベルインバータの各一方の出力端子を共通接続し、かつ各他方の出力端子を負荷に対しスター結線したことを特徴とする電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
例えば、交流を直流に変換するコンバータ部とコンバータ部出力電圧を二等分した中性点とパルス幅変調によって可変電圧可変周波数の電圧を出力する三相ＰＷＭインバータと電動機との間に直列に接続したコモンモードリアクトルとを備えた電力変換装置において、前記コモンモードリアクトルと同一鉄心上に巻かれた第４巻線と、一端が前記三相ＰＷＭインバータ出力に接続され、中性点である他端が、前記第４巻線の一端に接続された星形結線されたインダクタと、前記第４巻線の他端を前記コンバータ出力電圧を二等分した前記中性点またはコンバータ出力の正側または負側のいずれかに接続したことを特徴とする電力変換装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
例えば、第１電力変換回路と、前記第１電力変換回路の直流側に自装置内で電気的に接続された第１接地回路と、前記第１電力変換回路の交流側に自装置内で電気的に接続された第２接地回路と、を備え、前記第１接地回路と前記第２接地回路とは、互いに電気的に接続されている、電力変換装置が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２２８８８３号公報
【特許文献２】特開２００１−２６８９２２号公報
【特許文献３】特開２０１８−１５３００１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
コンバータ回路及びインバータ回路からなる電力変換システムにおいて、インバータ回路には入力定格電圧以下の直流電圧が入力されるべきである。例えばダイオード整流回路からなるコンバータ回路は、交流電源から入力される交流電圧の大きさに応じた直流電圧を出力する。また例えば、ＰＷＭスイッチング制御方式整流回路からなるコンバータ回路では、コンバータ回路の直流出力側の電圧を、交流電源側から入力される交流電圧の波高値以上に常に昇圧しておく必要がある。このため、交流電源の交流電圧の大きさ如何によっては、インバータ回路に入力される直流電圧が入力定格電圧以下になるようコンバータ回路の直流出力電圧に対して何らかの調整が必要になる。例えば、コンバータ回路の交流入力側に変圧器を設けてコンバータ回路に入力される交流電圧を変圧することで、コンバータ回路の直流出力電圧を、インバータ回路の入力定格電圧以下に降圧することが従来より行われている。また、コンバータ回路の直流出力側にＤＣＤＣコンバータ回路（ただし、整流回路としてのコンバータ回路とは異なる。）を設けて、ＤＣＤＣコンバータ回路にてコンバータ回路の直流出力電圧を降圧することで、インバータ回路の入力定格電圧以下を得ることが従来より行われている。交流電源電圧は国や地域によって異なることから、ある一定の規格で大量生産された電力変換システムを利用するために上述のような変圧器やＤＣＤＣコンバータ回路による調整が広く行われている。しかしながら、変圧器及びＤＣＤＣコンバータ回路は、物理的なサイズが大きく、回路が複雑であり、コストも高い。したがって、モータ駆動装置に利用されるコンバータ回路及びインバータ回路からなる電力変換システムにおいては、構造容易で小型で低コストのコンバータ回路が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の一態様によれば、多相交流電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換して出力するコンバータ回路は、直流電圧を出力するための正側直流端子及び負側直流端子と、複数のダイオードであって、複数のダイオードの各々のアノードが多相交流電源の各相に対応して電気的に接続され、複数のダイオードの全てのカソードが正側直流端子に電気的に接続される、ダイオードと、多相交流電源の中性点と負側直流端子とを電気的に接続する接続部とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の一態様によれば、構造容易で小型で低コストのコンバータ回路、電力変換システム、及びモータ駆動装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の第１の実施形態によるコンバータ回路、電力変換システム及びモータ駆動装置を示す図である。
【図２】多相交流電源の線間電圧と相電圧との関係を示す図である。
【図３】本開示の第１の実施形態によるコンバータ回路における交流入力電圧と直流出力電圧との関係を説明する図である。
【図４】本開示の第１の実施形態によるコンバータ回路の直流出力電圧と多相交流電源の相電圧との関係を例示する図である。
【図５】本開示の第１の実施形態によるコンバータ回路における交流入力電流と直流出力電流との関係を説明する図である。
【図６】本開示の第１の実施形態によるコンバータ回路の直流出力電流波形と多相交流電源の交流入力電流波形との関係を例示する図であって、（Ｂ）は（Ａ）を電流方向に拡大したものである。
【図７】変圧器を有する従来例によるモータ駆動装置を示す図である。
【図８】ＤＣＤＣコンバータ回路を有する従来例によるモータ駆動装置を示す図である。
【図９】本開示の第２の実施形態によるコンバータ回路、電力変換システム及びモータ駆動装置を示す図である。
【図１０】本開示の第３の実施形態によるコンバータ回路、電力変換システム及びモータ駆動装置を示す図である。
【図１１】本開示の第４の実施形態によるコンバータ回路、電力変換システム及びモータ駆動装置を示す図である。
【図１２】本開示の第３の実施形態によるコンバータ回路の直流出力電流波形と多相交流電源の交流入力電流波形との関係を例示する図であって、（Ｂ）は（Ａ）を電流方向に拡大したものである。
【図１３】本開示の第５の実施形態によるコンバータ回路、電力変換システム及びモータ駆動装置を示す図である。
【図１４】本開示の第５の実施形態におけるコンバータ回路の力行時及び回生時における交流電流の波形と制御部によるオンオフ指令との関係を示す図であって、（Ａ）は、コンバータ回路へ入力されまたはコンバータから出力される交流電流の波形を示し、制御部によるオンオフ指令を示す。
【図１５】本開示の第５の実施形態におけるコンバータ回路の力行時及び回生時におけるコンバータ回路の交流側の交流電流及び交流電圧の波形を示す図であって、（Ａ）はＵ相波形を示し、（Ｂ）はＶ相波形を示し、（Ｖ）はＷ相波形を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下図面を参照して、コンバータ回路、電力変換システム及びモータ駆動装置について説明する。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。図面に示される形態は実施をするための一つの例であり、図示された実施形態に限定されるものではない。
【００１２】
ここでは一例として、モータ駆動装置に設けられるコンバータ回路について説明するが、各実施形態はモータ駆動装置以外の機械にコンバータ回路が設けられる場合においても適用可能である。
【００１３】
本開示の実施形態による多相交流電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換して出力するコンバータ回路は、直流電圧を出力するための正側直流端子及び負側直流端子と、複数のダイオードであってこれら複数のダイオードの各々のアノードが多相交流電源の各相に対応して電気的に接続され、複数のダイオードの全てのカソードが正側直流端子に電気的に接続されるダイオードと、多相交流電源の中性点と負側直流端子とを電気的に接続する接続部とを備える。以下、実施形態について列記する。
【００１４】
まず、第１の実施形態によるコンバータ回路、電力変換システム及びモータ駆動装置について説明する。
【００１５】
図１は、本開示の第１の実施形態によるコンバータ回路、電力変換システム及びモータ駆動装置を示す図である。
【００１６】
一例として、多相交流電源２に接続されたモータ駆動装置６０により、モータ５を制御する場合について示す。モータ５の種類は特に限定されず、例えば交流モータであっても直流モータであってもよい。モータ５が直流モータである場合、インバータ回路４は省略される。図１に示すようにモータ５が交流モータである場合、例えば誘導モータであっても同期モータであってもよく、また、モータ５の相数も限定されない。モータ５が設けられる機械には、例えば工作機械、ロボット、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、輸送機械、各種電化製品などが含まれる。
【００１７】
また、多相交流電源２の相数は三相以上であればよい。ここで説明する第１の実施形態及び後述する各実施形態では、一例として、多相交流電源２を三相交流電源としている。多相交流電源２の一例を挙げると、２００Ｖ三相交流電源、４００Ｖ三相交流電源、三相交流６００Ｖ電源などがある。これら三相交流電源に付した「２００Ｖ」、「４００Ｖ」及び「６００Ｖ」は線間電圧実効値を表す。
【００１８】
図１に示すように、本開示の第１の実施形態によるコンバータ回路１は、正側直流端子１１Ｐ及び負側直流端子１１Ｎと、複数のダイオード１２Ｕ、１２Ｖ及び１２Ｗと、接続部１３とを備える。また、コンバータ回路１は、Ｕ相交流端子１８Ｕと、Ｖ相交流端子１８Ｖと、Ｗ相交流端子１８Ｗと、中性点交流端子１８Ｎとを備える。
【００１９】
正側直流端子１１Ｐ及び負側直流端子１１Ｎは、コンバータ回路１からの直流電圧を出力するためのものである。
【００２０】
Ｕ相交流端子１８Ｕ、Ｖ相交流端子１８Ｖ、及びＷ相交流端子１８Ｗは、多相交流電源２のＵＶＷ各相に対応してそれぞれ設けられ、多相交流電源２の交流電圧をコンバータ回路１に入力（印加）するためのものである。中性点交流端子１８Ｎは、多相交流電源２の中性点６の電位をコンバータ回路１に入力（印加）するためのものである。三相交流電源である多相交流電源２のＵ相電圧をＶU-N、Ｖ相電圧をＶV-N、Ｗ相電圧をＶW-Nで表す。
【００２１】
複数のダイオード１２Ｕ、１２Ｖ及び１２Ｗは、各々のアノードが多相交流電源２の各相に対応して電気的に接続され、全てのカソードが正側直流端子１１Ｐに電気的に接続される。図１に示す例では、多相交流電源２を三相交流電源としたので、コンバータ回路１には３つのダイオードが設けられる。第１のダイオード１２Ｕは、アノードがＵ相交流端子１８Ｕを介して多相交流電源２のＵ相に電気的に接続され、カソードが正側直流端子１１Ｐに電気的に接続される。第２のダイオード１２Ｖは、アノードがＶ相交流端子１８Ｖを介して多相交流電源２のＶ相に電気的に接続され、カソードが正側直流端子１１Ｐに電気的に接続される。第３のダイオード１２Ｗは、アノードがＷ相交流端子１８Ｗを介して多相交流電源２のＷ相に電気的に接続され、カソードが正側直流端子１１Ｐに電気的に接続される。このように第１のダイオード１２Ｕ、第２のダイオード１２Ｖ及び第３のダイオード１２Ｗは、アノードが多相交流電源２の各相に直接に接続されるので、多相交流電源２の相電圧より大きい耐圧を有するものを用いるのが好ましい。
【００２２】
接続部１３は、多相交流電源２の中性点６と負側直流端子１１Ｎとを電気的に接続する電気配線として構成される。
【００２３】
電力変換システム５０は、上述のコンバータ回路１と、コンデンサ３と、インバータ回路４とを備える。
【００２４】
コンデンサ３は、その正負両極がコンバータ回路１の正側直流端子１１Ｐ及び負側直流端子１１Ｎにそれぞれ電気的に接続される。コンデンサ３はＤＣリンクコンデンサまたは平滑コンデンサとも称される。コンデンサ３は、インバータ回路４が交流電力を生成するために用いられる直流電力を蓄積する機能及びコンバータ回路１が出力する直流電圧（直流電流）の脈動分を抑える機能を有する。コンデンサ３の例としては、例えば電解コンデンサやフィルムコンデンサなどがある。
【００２５】
インバータ回路４は、コンデンサ３を介してコンバータ回路１に電気的に接続され、コンバータ回路１から出力された直流電圧を交流電圧に変換して出力する。インバータ回路４は、直流電圧を交流電圧に変換することができる構成を有していればよく、例えば、内部に半導体スイッチング素子を備えるＰＷＭインバータ回路などがある。インバータ回路４は、モータ５が三相交流モータである場合は三相のブリッジ回路として構成され、モータ５が単相モータである場合は単相ブリッジ回路で構成される。インバータ回路４がＰＷＭインバータ回路で構成される場合は、半導体スイッチング素子及びこれに逆並列に接続されたダイオードのブリッジ回路からなる。この場合、半導体スイッチング素子の例としては、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ  Ｔｕｒｎ−ＯＦＦ  ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ゲートターンオフサイリスタ）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、トランジスタなどがあるが、その他の半導体スイッチング素子であってもよい。なお、モータ５が直流モータである場合は、インバータ回路４は省略される。
【００２６】
電力変換システム５０が設けられるモータ駆動装置６０において、インバータ回路４は、コンバータ回路１から出力された直流電圧をモータ駆動のための交流電圧に変換して出力する。サーボモータ５は、インバータ回路４から供給される交流電圧に基づいて、速度、トルクまたは回転子の位置が制御される。なお、インバータ回路４は、半導体スイッチング素子のオンオフ動作が適切に制御されることにより、モータ５で回生された交流電圧を直流電圧に変換して直流側へ戻すこともできる。
【００２７】
次に、第１の実施形態によるコンバータ回路の動作について説明する。
【００２８】
図２は、多相交流電源の線間電圧と相電圧との関係を示す図である。図２では、一例として、多相交流電源２を４００Ｖ三相交流電源とした場合の線間電圧ＶU-V、ＶV-W及びＶW-V、並びに相電圧ＶU-N、ＶV-N及びＶW-Nの波形を示している。４００Ｖ三相交流電源である多相交流電源２の線間電圧ＶU-N、ＶV-N及びＶW-Nの実効値は４００［Ｖ］であるので、線間電圧ＶU-N、ＶV-N及びＶW-Nの最大値（波高値）は約５６６［Ｖ］（＝４００×√２）となる。また、相電圧ＶU-N、ＶV-N及びＶW-N（すなわち多相交流電源２の中性点６から見た各相の電圧）の実効値は約２３０［Ｖ］（＝４００／√３）であるので、相電圧ＶU-N、ＶV-N及びＶW-Nの最大値（波高値）は約３２５［Ｖ］（＝４００／√３×√２）となる。
【００２９】
図３は、本開示の第１の実施形態によるコンバータ回路における交流入力電圧と直流出力電圧との関係を説明する図である。また、図４は、本開示の第１の実施形態によるコンバータ回路の直流出力電圧と多相交流電源の相電圧との関係を例示する図である。図４では、一例として多相交流電源２を４００Ｖ三相交流電源とした場合の相電圧ＶU-N、ＶV-N及びＶW-Nの波形、及び正側直流端子１１Ｐと負側直流端子１１Ｎとの間に現れる直流出力電圧（コンバータ電圧）Ｖdcの波形を示している。
【００３０】
図３に示すように、第１のダイオード１２Ｕのアノードには、Ｕ相交流端子１８Ｕ及び中性点交流端子１８Ｎを介して、多相交流電源２からＵ相電圧ＶU-Nが印加される。第２のダイオード１２Ｖのアノードには、Ｖ相交流端子１８Ｖ及び中性点交流端子１８Ｎを介して、多相交流電源２からＶ相電圧ＶV-Nが印加される。第３のダイオード１２Ｗのアノードには、Ｗ相交流端子１８Ｗ及び中性点交流端子１８Ｎを介して、多相交流電源２からＷ相電圧ＶW-Nが印加される。また、第１のダイオード１２Ｕのカソード、第２のダイオード１２Ｖのカソード及び第３のダイオード１２Ｗのカソードは、いずれも正側直流端子１１Ｐが電気的に接続されている。したがって、正側直流端子１１Ｐと負側直流端子１１Ｎとの間には、多相交流電源２の中性点６を基準電位として、第１のダイオード１２Ｕのカソードから出力される電圧と第２のダイオード１２Ｖのカソードから出力される電圧と第３のダイオード１２Ｗのカソードから出力される電圧との合成電圧が現れる。第１のダイオード１２Ｕ、第２のダイオード１２Ｖ及び第３のダイオード１２Ｗは、アノードからカソードに向かう方向が通電方向であるので、正側直流端子１１Ｐと負側直流端子１１Ｎとの間には、多相交流電源２の相電圧ＶU-N、ＶV-N及びＶW-Nの位相のずれに起因する脈動成分が残るものの、正のみの直流電圧Ｖdcが現れる。このことは、コンバータ回路１内の第１のダイオード１２Ｕ、第２のダイオード１２Ｖ及び第３のダイオード１２Ｗにより、多相交流電源２の交流電圧を直流電圧に整流できることを意味している。なお、コンバータ回路１の正側直流端子１１Ｐと負側直流端子１１Ｎとの間から出力される直流電圧の大きさは、多相交流電源２の相電圧の最大値よりも若干小さい値となる。例えば、多相交流電源２が４００Ｖ三相交流電源である場合、約３２５［Ｖ］（＝４００／√３×√２）の電圧が、直流電圧として現れる。
【００３１】
図５は、本開示の第１の実施形態によるコンバータ回路における交流入力電流と直流出力電流との関係を説明する図である。また、図６は、本開示の第１の実施形態によるコンバータ回路の直流出力電流波形と多相交流電源の交流入力電流波形との関係を例示する図であって、（Ｂ）は（Ａ）を電流方向に拡大したものである。
【００３２】
図５に示すように、第１のダイオード１２Ｕのアノードには、Ｕ相交流端子１８Ｕを介して多相交流電源２からＵ相交流電流Ｉini1が流入する。第２のダイオード１２Ｖのアノードには、Ｖ相交流端子１８Ｖを介して多相交流電源２からＶ相交流電流Ｉin2が流入する。第３のダイオード１２Ｗのアノードには、Ｗ相交流端子１８Ｗを介して多相交流電源２からＷ相交流電流Ｉin3が流入する。第１のダイオード１２Ｕ、第２のダイオード１２Ｖ及び第３のダイオード１２Ｗは、アノードからカソードに向かう方向が通電方向であるので、正側直流端子１１Ｐからは、第１のダイオード１２Ｕのカソードから出力される電流と第２のダイオード１２Ｖのカソードから出力される電流と第３のダイオード１２Ｗのカソードから出力される電流との合成電流Ｉが出力される。これに対応して、負側直流端子１１Ｎには、帰還した電流Ｉが流入する。図６に示すように、コンバータ回路１からは、多相交流電源２から流入する電流Ｉin1、Ｉin2及びＩin3の位相のずれに起因する脈動成分が残るものの、正のみの直流電流Ｉが出力される。
【００３３】
このように、本開示の第１の実施形態のコンバータ回路１によれば、多相交流電源２の交流電圧を直流電圧に変換する整流機能を実現することができる。コンバータ回路１は、多相交流電源２の相数と同じ個数のダイオード（図１に示す例では１２Ｕ、１２Ｖ及び１２Ｗの３個）と電気配線からなる接続部１３とで構成される。これに対し、従来のコンバータ回路は、ダイオード整流回路の場合はダイオードのブリッジ回路であり、ＰＷＭスイッチング制御方式整流回路の場合は半導体スイッチング素子及びダイオードのブリッジ回路からなるので、構造が複雑であり、大型でコストが高い。本実施形態のコンバータ回路１は、従来例に比べ、構造容易であり、小型で低コストである。なお、一部の国や地域においては、三相交流電源から単相交流電圧（すなわち一相分のみ）を取り出してこれを整流し、インバータ回路の直流入力電圧とすることが行われることがある。本実施形態によるダイオード回路１では、多相交流電源の全ての相（例えば三相交流電源の場合は三相）から得られる交流電圧を整流しているので、単相交流を整流する従来例に比べ、より脈動を抑えた直流電圧を得ることができる利点がある。
【００３４】
図１に示すように、電力変換システム５０（モータ駆動装置６０）の構成要素であるコンバータ回路１の直流出力側は、コンデンサ３を介して、インバータ回路４の直流入力側に電気的に接続される。インバータ回路４には、直流入力定格電圧以下の直流電圧が入力されるべきである。それゆえ、インバータ回路４の直流入力定格電圧Ｖdcrate［Ｖ］と三相交流電源である多相交流電源２の線間電圧の実効値Ｖac［Ｖ］との関係として下記の不等式１が成り立つよう、インバータ回路４及び三相交流電源である多相交流電源２を選定するのが好ましい。
【００３５】
【数１】
2020178394.tif 000003
【００３６】
例えば、多相交流電源２として４００Ｖ三相交流電源を選定した場合、Ｖac＝４００［Ｖ］であるので、直流入力定格電圧Ｖdcrateが約３２５［Ｖ］以上のインバータ回路４を選定するのが好ましい。
【００３７】
上記の不等式１を満たすインバータ回路４及び三相交流電源である多相交流電源２を選定すれば、複数のダイオード（図１に示す例では１２Ｕ、１２Ｖ及び１２Ｗの３個）と電気配線からなる接続部１３とを有するコンバータ回路１と、コンデンサ３と、インバータ回路４とを備える電力変換システム５０を構成することができ、また、この電力変換システム５０を備えるモータ駆動装置６０を構成することができる。
【００３８】
ここで、比較のための従来例について、図７及び図８を参照して説明する。
【００３９】
図７は、変圧器を有する従来例によるモータ駆動装置を示す図である。図７に示すように、多相交流電源２でモータ５を駆動する従来のモータ駆動装置１６０においては、整流回路（コンバータ回路）１０１の交流入力側に変圧器１０３を設けて整流回路１０１に入力される交流電圧を変圧することで、整流回路１０１の直流出力電圧を、インバータ回路１０２の入力定格電圧以下に降圧していた。
【００４０】
また、図８は、ＤＣＤＣコンバータ回路を有する従来例によるモータ駆動装置を示す図である。図８に示すように、多相交流電源２でモータ５を駆動する従来のモータ駆動装置１６０においては、整流回路（コンバータ回路）１０１の直流出力側にＤＣＤＣコンバータ回路１０４（ただし、整流回路としてのコンバータ回路とは異なる。）を設けて、ＤＣＤＣコンバータ回路１０４にて整流回路１０１の直流出力電圧を降圧することで、インバータ回路１０２の入力定格電圧以下を得ていた。
【００４１】
このように、従来例によるモータ駆動装置では、変圧器１０３やＤＣＤＣコンバータ回路１０４を設けて、インバータ回路１０２に入力される直流電圧が入力定格電圧以下になるようにしていた。変圧器１０３及びＤＣＤＣコンバータ回路１０４は、物理的なサイズが大きく、回路が複雑であり、コストも高い。これに対し、本開示の第１の実施形態によれば、変圧器及びＤＣＤＣコンバータ回路いずれも設ける必要が無いので、構造容易であり小型で低コストの電力変換システム５０及びモータ駆動装置６０を実現することができる。
【００４２】
続いて、第２の実施形態によるコンバータ回路、電力変換システム及びモータ駆動装置について説明する。
【００４３】
図９は、本開示の第２の実施形態によるコンバータ回路、電力変換システム及びモータ駆動装置を示す図である。第２の実施形態は、第１の実施形態におけるコンバータ回路１の複数のダイオード１２Ｕ、１２Ｖ及び１２Ｗの各々のアノードと多相交流電源２の各相との間に、複数の交流リアクトル１６Ｕ，１６Ｖ及び１６Ｗをさらに設けたものである。図９に示す例では、多相交流電源２を三相交流電源としたので、第１の交流リアクトル１６Ｕは、Ｕ相交流端子１８Ｕと第１のダイオード１２Ｕのアノードとの間に電気的に接続される。また、第２の交流リアクトル１６Ｖは、Ｖ相交流端子１８Ｖと第２のダイオード１２Ｖのアノードとの間に電気的に接続される。また、第３の交流リアクトル１６Ｗは、Ｗ相交流端子１８Ｗと第３のダイオード１２Ｗのアノードとの間に電気的に接続される。このように、多相交流電源２の各相に対応して複数の交流リアクトル１６Ｕ，１６Ｖ及び１６Ｗを設けることで、コンバータ回路１の正側直流端子１１Ｐ及び負側直流端子１１Ｎを通じて出力される直流電圧の脈動分を低減することができる。なお、これ以外の回路構成要素については図１に示す回路構成要素と同様であるので、同一の回路構成要素には同一符号を付して当該回路構成要素についての詳細な説明は省略する。
【００４４】
続いて、第３の実施形態によるコンバータ回路、電力変換システム及びモータ駆動装置について説明する。
【００４５】
図１０は、本開示の第３の実施形態によるコンバータ回路、電力変換システム及びモータ駆動装置を示す図である。第３の実施形態は、第１の実施形態におけるコンバータ回路１の複数のダイオード１２Ｕ、１２Ｖ及び１２Ｗの全てのカソードと正側直流端子１１Ｐとの間に、直流リアクトル１７をさらに設けたものである。直流リアクトル１７を設けることで、コンバータ回路１の正側直流端子１１Ｐ及び負側直流端子１１Ｎを通じて出力される直流電圧の脈動分を低減することができる。なお、これ以外の回路構成要素については図１に示す回路構成要素と同様であるので、同一の回路構成要素には同一符号を付して当該回路構成要素についての詳細な説明は省略する。
【００４６】
続いて、第４の実施形態によるコンバータ回路、電力変換システム及びモータ駆動装置について説明する。第４の実施形態は、上述の第２の実施形態と第３の実施形態とを組み合わせたものである。
【００４７】
図１１は、本開示の第４の実施形態によるコンバータ回路、電力変換システム及びモータ駆動装置を示す図である。
【００４８】
図１１に示す例では、多相交流電源２を三相交流電源としたので、コンバータ回路１には３つの交流リアクトル１６Ｕ，１６Ｖ及び１６Ｗが設けられる。第１の交流リアクトル１６Ｕは、Ｕ相交流端子１８Ｕと第１のダイオード１２Ｕのアノードとの間に電気的に接続される。第２の交流リアクトル１６Ｖは、Ｖ相交流端子１８Ｖと第２のダイオード１２Ｖのアノードとの間に電気的に接続される。第３の交流リアクトル１６Ｗは、Ｗ相交流端子１８Ｗと第３のダイオード１２Ｗのアノードとの間に電気的に接続される。複数のダイオード１２Ｕ、１２Ｖ及び１２Ｗの全てのカソードと正側直流端子１１Ｐとの間には、直流リアクトル１７が電気的に接続される。このように、複数の交流リアクトル１６Ｕ，１６Ｖ及び１６Ｗ並びに直流リアクトル１７を設けることで、コンバータ回路１の正側直流端子１１Ｐ及び負側直流端子１１Ｎを通じて出力される直流電圧の脈動分を低減することができる。なお、これ以外の回路構成要素については図１に示す回路構成要素と同様であるので、同一の回路構成要素には同一符号を付して当該回路構成要素についての詳細な説明は省略する。
【００４９】
このように第２〜第４の実施形態のコンバータ回路１によれば、コンバータ回路１の交流側または直流側にリアクトルが設けられない第１の実施形態に比べ、コンバータ回路１の正側直流端子１１Ｐ及び負側直流端子１１Ｎを通じて出力される直流電圧の脈動分を低減することができる。また、第２〜第４の実施形態によれば、インバータ回路４は、脈動分の少ない直流電圧を交流電圧に変換して出力することができるので、第１の実施形態に比べ、より高調波成分の少ない高品質の交流電圧を得ることができる。また、第２〜第４の実施形態によれば、モータ駆動装置６０において、インバータ回路４は、高調波成分の少ない高品質の交流電圧をモータ５に駆動電圧として供給することができるので、第１の実施形態に比べ、モータ５の制御性がさらに向上する。
【００５０】
第２〜第４の実施形態によれば、第１の実施形態に比べ、コンバータ回路１から出力される直流電圧の脈動分を低減することができるが、このうち、第３の実施形態によるコンバータ回路の直流出力電流波形を示す。図１２は、本開示の第３の実施形態によるコンバータ回路の直流出力電流波形と多相交流電源の交流入力電流波形との関係を例示する図であって、（Ｂ）は（Ａ）を電流方向に拡大したものである。図１２に示す第３の実施形態におけるコンバータ回路の直流出力電流波形と図６に示す第１の実施形態におけるコンバータ回路の直流出力電流波形とを比較すると、直流リアクトル１７を設けた第３の実施形態は、第１の実施形態に比べ、コンバータ回路１から出力される直流電圧の脈動分を低減できていることがわかる。
【００５１】
続いて、第５の実施形態によるコンバータ回路、電力変換システム及びモータ駆動装置について説明する。第５の実施形態は、第１の実施形態においてさらに、モータ５で回生された電力を多相交流電源２側へ戻すいわゆる「電源回生」を可能とするものである。
【００５２】
図１３は、本開示の第５の実施形態によるコンバータ回路、電力変換システム及びモータ駆動装置を示す図である。
【００５３】
本開示の第５の実施形態によるコンバータ回路１は、第１の実施形態によるコンバータ回路１に、複数のダイオード１２Ｕ、１２Ｖ及び１２Ｗに対応して設けられる複数のスイッチ１４Ｕ、１４Ｖ及び１４Ｗと、これら複数のスイッチ１４Ｕ、１４Ｖ及び１４Ｗの各々のオンオフを制御する制御部１５とをさらに備えたものである。
【００５４】
図１３に示す例では、多相交流電源２を三相交流電源としたので、コンバータ回路１には３つのダイオード１２Ｕ、１２Ｖ及び１２Ｗが設けられ、これに対応して３つのスイッチ１４Ｕ、１４Ｖ及び１４Ｗが設けられる。
【００５５】
複数のスイッチ１４Ｕ、１４Ｖ及び１４Ｗの各々は、オン時に一方向に通電し、オフ時に通電しないものであれば、半導体スイッチング素子でも機械式スイッチでもよい。半導体スイッチング素子の例としては、ＩＧＢＴがある。また、スイッチ１４Ｕ、１４Ｖ及び１４Ｗとダイオード１２Ｕ、１２Ｖ及び１２Ｗとは対応して設けられるので、ＩＧＢＴとダイオードとがパッケージ化されたＩＧＢＴモジュールを用いてもよい。
【００５６】
スイッチ１４Ｕ、１４Ｖ及び１４Ｗの各々は、オン時の通電方向が、対応するダイオード１２Ｕ、１２Ｖ及び１２Ｗの通電方向とは逆向きになるように、これらダイオード１２Ｕ、１２Ｖ及び１２Ｗの各々に電気的に並列接続される。すなわち、第１のスイッチ１４Ｕは、オン時のオン時の通電方向が第１のダイオード１２Ｕの通電方向とは逆向きになるように、第１のダイオード１２Ｕに電気的に並列接続される。第２のスイッチ１４Ｖは、オン時のオン時の通電方向が第２のダイオード１２Ｖの通電方向とは逆向きになるように、第２のダイオード１２Ｖに電気的に並列接続される。第３のスイッチ１４Ｗは、オン時のオン時の通電方向が第３のダイオード１２Ｗの通電方向とは逆向きになるように、第３のダイオード１２Ｗに電気的に並列接続される。
【００５７】
制御部１５は、複数のスイッチ１４Ｕ、１４Ｖ及び１４Ｗの各々のオンオフを制御する。より詳しくは、制御部１５は、コンバータ回路１のＵ相交流端子１８Ｕ、Ｖ相交流端子１８Ｖ及びＷ相交流端子１８Ｗを介して入力される各相の交流電圧とコンバータ回路１の正側直流端子１１Ｐを介して出力される直流電圧とを比較し、各相の交流電圧が直流電圧よりも高い場合は力行状態（非回生状態）にあると判定し、各相の交流電圧が直流電圧よりも低い場合は回生状態にあると判定する。制御部１５は、回生状態にあると判定した場合、コンバータ回路１のＵ相交流端子１８Ｕ、Ｖ相交流端子１８Ｖ及びＷ相交流端子１８Ｗを介して入力される各相の交流電圧の位相などに基づき、第１のスイッチ１４Ｕ、第２のスイッチ１４Ｖ及び第３のスイッチ１４Ｗのオンオフを制御し、コンバータ回路１の直流側の電力を、多相交流電源２側に戻す。例えば、制御部１５は、回生状態にあると判定した場合において、多相交流電源２の交流電圧が最も高い相に対応するスイッチ（１４Ｕ、１４Ｖまたは１４Ｗ）をオンさせることで、コンバータ回路１の直流側の電力を多相交流電源２側に戻す。すなわち、多相交流電源２の交流電圧の各相のうち最も高い相を検出し、その相に対応するスイッチをオンする。すなわち、Ｕ相の交流電圧が最も高いときは第１のスイッチ１４Ｕをオンし、Ｖ相の交流電圧が最も高いときは第２のスイッチ１４Ｖをオンし、Ｗ相の交流電圧が最も高いときは第３のスイッチ１４Ｗをオンする。
【００５８】
図１４は、本開示の第５の実施形態におけるコンバータ回路の力行時及び回生時における交流電流の波形と制御部によるオンオフ指令との関係を示す図であって、（Ａ）は、コンバータ回路へ入力されまたはコンバータから出力される交流電流の波形を示し、制御部によるオンオフ指令を示す。図１４（Ａ）において、Ｕ相交流電流Ｉin1を実線で示し、Ｗ相交流電流Ｉin2を破線で示し、Ｗ相交流電流Ｉin3を一点鎖線で示している。また、図１４（Ｂ）において、制御部１５による第１のスイッチ１４Ｕに対するオンオフ指令を実線で示し、第２のスイッチ１４Ｖに対するオンオフ指令を破線で示し、第３のスイッチ１４Ｗに対するオンオフ指令を一点鎖線で示す。
【００５９】
図１５は、本開示の第５の実施形態におけるコンバータ回路の力行時及び回生時におけるコンバータ回路の交流側の交流電流及び交流電圧の波形を示す図であって、（Ａ）はＵ相波形を示し、（Ｂ）はＶ相波形を示し、（Ｖ）はＷ相波形を示す。図１５において、交流電流を実線で示し、交流電圧を破線で示す。
【００６０】
図１４及び図１５に示すように、力行時には、制御部１５は第１のスイッチ１４Ｕ、第２のスイッチ１４Ｖ及び第３のスイッチ１４Ｗいずれに対してもオフ指令を出力し、また、Ｕ相交流電流Ｉin1、Ｗ相交流電流Ｉin2及びＷ相交流電流Ｉin3はいずれも正であるので、コンバータ回路１にこれら交流電流が流入して各ダイオード１２Ｕ、１２Ｖ及び１２Ｗを経由してコンバータ回路１から直流電流が出力されている。また、回生時には、制御部１５は、多相交流電源２の交流電圧が最も高い相に対応するスイッチ１４Ｕ、１４Ｖまたは１４Ｗに対してオン指令を出力することで、コンバータ回路１に直流電流が流入して各スイッチ１４Ｕ、１４Ｖ及び１４Ｗを経由してコンバータ回路１から交流電流が出力される。この結果、回生時には、Ｕ相交流電流Ｉin1、Ｗ相交流電流Ｉin2及びＷ相交流電流Ｉin3はいずれも負となり、すなわちコンバータ回路１から交流電流が多相交流電源２側へ流出していることがわかる。
【００６１】
第５の実施形態における制御部１５は、例えばソフトウェアプログラム形式で構築されてもよく、あるいは各種電子回路とソフトウェアプログラムとの組み合わせで構築されてもよい。制御部１５をソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、例えば電力変換システム５０内に設けられるＤＳＰやＦＰＧＡなどの演算処理装置をこのソフトウェアプログラムに従って動作させることで、上述の制御部１５の機能を実現することができる。また、電力変換システム５０がモータ駆動装置６０内に設けられる場合は、モータ駆動装置６０内に設けられるＤＳＰやＦＰＧＡなどの演算処理装置をこのソフトウェアプログラムに従って動作させることで、上述の各部の機能を実現することができる。またあるいは、制御部１５の機能を実現するソフトウェアプログラムを書き込んだ半導体集積回路として実現してもよい。
【００６２】
以上説明した第５の実施形態によれば、電源回生が可能な構造容易であり小型で低コストのコンバータ回路１、電力変換システム５０及びモータ駆動装置６０を実現することができる。なお、第５の実施形態に、さらに第２〜第４の実施形態のいずれかを組み合わせて実現してもよい。
【符号の説明】
【００６３】
１    コンバータ回路
２    多相交流電源
３    コンデンサ
４    インバータ回路
５    モータ
６    中性点
１１Ｐ    正側直流端子
１１Ｎ    負側直流端子
１２Ｕ    第１のダイオード
１２Ｖ    第２のダイオード
１２Ｗ    第３のダイオード
１３    接続部
１４Ｕ    第１のスイッチ
１４Ｖ    第２のスイッチ
１４Ｗ    第３のスイッチ
１５    制御部
１６Ｕ    第１の交流リアクトル
１６Ｖ    第２の交流リアクトル
１６Ｗ    第３の交流リアクトル
１７    直流リアクトル
１８Ｕ    Ｕ相交流端子
１８Ｖ    Ｖ相交流端子
１８Ｗ    Ｗ相交流端子
１８Ｎ    中性点交流端子
５０    電力変換システム
６０    モータ駆動装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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