(57)【要約】【課題】三相交流電源の不平衡電圧の調整を可能とした、入力力率改善効果を備えた直流電源装置を提供する。【解決手段】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、相電圧検出手段１１の出力に基づき制御信号を調整する制御信号補正手段１２と、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とを備え、三相交流電源１の電圧値を相電圧検出手段１１で検出し、その値に応じて最適な制御信号を制御信号補正手段１２によって決定することにより、不平衡電圧を調整することが可能となる。【選択図】図１
2006262662.tif 000002
【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、前記相電圧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と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。
【請求項４】
制御信号補正手段は、三相交流電源の投入時に前記相電圧検出手段から検出された各相の電圧値の差に応じて補正値を決定するように構成されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか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９から図１２を用いて説明する。図９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１０は従来の直流電源装置の各部波形である。
【０００５】
図９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１０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１０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１０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１０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１０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１０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１０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９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１１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１２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１２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。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Δｔｓ１を算出する。そして、ｕ相電圧のゼロクロス点からΔｔｓ１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Δｔｓ１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１２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】
【００１１】
しかしながら、前記のような従来の直流電源装置では、三相交流電源がなんらかの要因で不平衡電圧となっても、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。つまり、三相交流電源が不平衡のまま動作を継続して、それを調整することができないという課題を有していた。
【００１２】
本発明の直流電源装置は、前記のような従来の課題を解決するものであり、三相交流電源の不平衡電圧の調整を可能とした、入力力率改善効果を備え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】
【００１３】
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、制御信号補正手段を備え、三相交流電源が不平衡電圧となった場合に相電圧を検出してその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電圧を調整する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の直流電源装置は、三相交流電源の相電圧を検出することで、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電圧を調整す
ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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、前記相電圧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とを備えたことにより、前記三相交流電源の相電圧を検出してその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電圧を調整することができる。
【００１６】
第２の発明は、特に第１の発明において、制御信号補正手段が、相電圧検出手段によって検出した電圧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電圧を調整することが可能である。
【００１７】
第３の発明は、特に第１の発明において、制御信号補正手段が、相電圧検出手段によって検出した電圧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電圧を調整することが可能である。
【００１８】
第４の発明は、特に第１から第３のいずれかに記載の発明において、三相交流電源の投入時に相電圧検出手段から検出された各相の電圧値の差に応じて補正値を決定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電圧を調整することが可能である。
【００１９】
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。
【００２０】
（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。
【００２１】
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、制御信号補正手段１２は前記相電圧検出手段１１によって検出された電圧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。
【００２２】
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。
【００２３】
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Δｔ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。次に、駆動時間指令Δｔ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。
【００２４】
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Δｔ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。
【００２５】
そして、駆動指令時間Δｔ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。
【００２６】
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、その他の相の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。
【００２７】
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Δｔ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Δｔ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Δｔを決定してもよい。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
次に、制御信号補正手段１２の駆動パルスの補正の方法について説明する。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１０Ｖ低くなり三相交流電源１が不平衡になったときのｕ相の入力電圧と入力電流の波形を図８に示す。双方向スイッチ６ｕの駆動パルスのパルス幅のみ狭めてやることで、図８に示すようにＶｕｃの面積が小さくなる。そのため、コンデンサ７ｕの充放電電圧が減少してｕ相電流が減少するので、ｕ相の受電端電圧は増加することができるので、三相交流電源１の平衡を保つことができる。
【００３１】
本実施の形態においては、各相電圧を相電圧検出手段１１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１２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。
【００３２】
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の不平衡電圧を調整することができる。
【００３３】
（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８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し、高力率を維持する。
【００３４】
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の不平衡電圧を調整することができる。
【００３５】
（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１２の制御性が向上し、三相交流電源１の不平衡電圧を調整することができる。
【００３６】
（実施の形態４）
実施の形態４では、実施の形態１における双方向スイッチ６ｕ、６ｖ、６ｗの駆動パルスを三相交流電源１の投入時に相電圧検出手段１１から検出された各相の電圧値の差に応じて駆動パルスの補正値を決定するように構成されている。三相交流電源１の各相電圧の電圧差を１Ｖ以下の単位で細かく設定し、その設定値に応じた各相の補正値のデータテーブルを制御信号補正手段１２に定めておく。三相交流電源１投入時の相電圧検出手段１１の検出値に応じた補正値をデータテーブルから読み出して、双方向性スイッチ制御手段１０に反映させて、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。
【００３７】
以上のように双方向性スイッチの駆動パルスの補正値のデータテーブルを用意しておき、三相交流電源１の投入時に相電圧検出手段から検出された各相の電圧値の差の応じて補正値を決定することにより、三相交流電源１の不平衡電圧を調整することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上のように、本発明にかかる直流電源装置は、入力力率を改善することができる直流電源装置において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】
【００３９】
【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のタイミング図
【図８】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ｕ相電圧とｕ相電流波形図
【図９】従来の直流電源装置のブロック図
【図１０】従来の直流電源装置の各部波形図
【図１１】三相変圧器を用いたゼロクロス検出手段の構成図
【図１２】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】
【００４０】
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  制御信号補正手段
【図１】
2006262662.tif 000003
【図２】
2006262662.tif 000004
【図３】
2006262662.tif 000005
【図４】
2006262662.tif 000006
【図５】
2006262662.tif 000007
【図６】
2006262662.tif 000008
【図７】
2006262662.tif 000009
【図８】
2006262662.tif 000010
【図９】
2006262662.tif 000011
【図１０】
2006262662.tif 000012
【図１１】
2006262662.tif 000013
【図１２】
2006262662.tif 000014