(57)【要約】【課題】単相交流電源に対して３つの入力端を有するインバータを使用する際の入力力率を改善する。【解決手段】力率改善回路２００では、リアクトル２０４及びコンデンサ２０５により、電流Ｉ１、Ｉ２の位相をずらすので、電源電流ＩＡＣの波形の形状を改善でき、入力力率を改善できる。また、入力力率が改善することで、電流値（実効値等）を、力率改善回路２００を設けない場合よりも低くすることができる。また、力率改善回路２００により、電源電流ＩＡＣの波形が改善されるので、高調波が低減し、従って、ノイズも低減できる。また、波形の改善により、波高値が低くなっており、例えば、単相交流電源ＡＣとして、直流バッテリ及び直流を交流に変換するインバータの組合せを採用したときの当該インバータに使用されるスイッチング素子等への負荷を軽減できる。【選択図】図１
2019075880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相交流電源が出力する単相交流電圧が入力される第１入力端及び第２入力端と、
インバータが備える３つの入力端それぞれに接続される、第１出力端、第２出力端、及び、第３出力端と、
前記第１入力端に接続された節点と、
一端が前記節点に接続され、他端が前記第１出力端に接続された第１素子と、
一端が前記節点に接続され、他端が前記第２出力端に接続された第２素子と、を備え、
前記第２入力端と前記第３出力端とが接続され、
前記第１素子及び前記第２素子は、抵抗、コンデンサ、リアクトルのうちの異なる２つである、
力率改善回路。
【請求項２】
前記第１素子は、前記リアクトルであり、
前記第２素子は、前記コンデンサである、
請求項１に記載の力率改善回路。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の力率改善回路と、
前記第１出力端、前記第２出力端、及び、前記第３出力端それぞれが接続される前記３つの入力端を備える前記インバータと、
を備える電源回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力率改善回路及び電源回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電源回路に使用される回路としてインバータが知られている。例えば、特許文献１には、三相入力、三相出力のインバータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１１６１３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のインバータのような３つの入力端を有するインバータは、通常、三相交流電源に対して使用され、単相交流電源に対しては使用されない。仮に、単相交流電源に対して３つの入力端を有するインバータを使用する場合、当該インバータに入力される電流が歪んでしまい、入力力率（インバータの交流入力側の有効電力と皮相電力との比）が悪い。入力力率を改善するため、ＡＣリアクトル又はＤＣリアクトルを使用することも考えられるが、これらは、三相交流電源に対しては効果を発揮するが、単相交流電源に対しては効果をほとんど発揮しない。
【０００５】
本発明は、単相交流電源に対して３つの入力端を有するインバータを使用する際の入力力率を改善することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の観点に係る力率改善回路は、
単相交流電源が出力する単相交流電圧が入力される第１入力端及び第２入力端と、
インバータが備える３つの入力端それぞれに接続される、第１出力端、第２出力端、及び、第３出力端と、
前記第１入力端に接続された節点と、
一端が前記節点に接続され、他端が前記第１出力端に接続された第１素子と、
一端が前記節点に接続され、他端が前記第２出力端に接続された第２素子と、を備え、
前記第２入力端と前記第３出力端とが接続され、
前記第１素子及び前記第２素子は、抵抗、コンデンサ、リアクトルのうちの異なる２つである。
【０００７】
前記第１素子は、前記リアクトルであり、
前記第２素子は、前記コンデンサである、
ようにしてもよい。
【０００８】
本発明の第２の観点に係る電源回路は、
上記力率改善回路と、
前記第１出力端、前記第２出力端、及び、前記第３出力端それぞれが接続される前記３つの入力端を備える前記インバータと、
を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、単相交流電源に対して３つの入力端を有するインバータを使用する際の入力力率を、力率改善回路を設けない場合に比べて改善できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態にかかる電源回路の回路図である。
【図２】（Ａ）は、電流Ｉ１の波形と、電源電圧ＶＡＣの波形と、を示すグラフである。（Ｂ）は、電流Ｉ２の波形と、電源電圧ＶＡＣの波形と、を示すグラフである。
【図３】電源電流ＩＡＣの波形と、電源電圧ＶＡＣの波形と、を示すグラフである。
【図４】力率改善回路を設けない場合の電源電流ＩＡＣの波形と、電源電圧ＶＡＣの波形と、を示すグラフである。
【図５】変形例にかかる力率改善回路の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一実施形態に係る電源回路１００、力率改善回路２００等を、図面を参照して説明する。
【００１２】
（電源回路１００の構成）
電源回路１００は、単相交流電源ＡＣからの単相交流を三相交流に変換してモータＭに供給する回路であり、図１に示すように、力率改善回路２００と、インバータ３００とを備える。単相交流電源ＡＣの例としては、直流バッテリ及び直流を交流に変換するインバータの組合せが挙げられる。モータＭの例としては、建物のメンテナンス等に使用されるゴンドラを上昇させるモータが挙げられる。電源回路１００は、例えば、当該ゴンドラに搭載される。
【００１３】
力率改善回路２００は、単相交流電源ＡＣからの電源電流ＩＡＣの波形を、電源電圧ＶＡＣの波形に近づけることで、単相交流電源ＡＣから供給される電力の力率を改善する回路である。力率改善回路２００は、入力端子２０１〜２０２と、節点（ノード）２０３と、リアクトル２０４と、コンデンサ２０５と、出力端子２０６〜２０８と、を備える。
【００１４】
入力端子２０１と入力端子２０２とには、単相交流電源ＡＣが接続される。入力端子２０１には、節点２０３が接続されている。リアクトル２０４の一端は節点２０３に接続され、当該リアクトル２０４の他端は、出力端子２０６に接続されている。コンデンサ２０５の一端は節点２０３に接続され、当該コンデンサ２０５の他端は、出力端子２０７に接続されている。入力端子２０２は、出力端子２０８に接続（短絡）されている。
【００１５】
インバータ３００は、単相交流電源ＡＣから力率改善回路２００を介して供給される交流を三相交流に変換してモータＭに供給する。その際、インバータ３００は、モータＭに出力する交流電圧の電圧及び周波数を制御することができる。
【００１６】
インバータ３００は、入力端子３０１〜３０３と、整流回路（ＡＣ−ＤＣコンバータ）３０４と、ＤＣリアクトル３０５と、平滑コンデンサ３０６と、スイッチング回路（ＤＣ−ＡＣインバータ）３０７と、コントローラ３０８と、出力端子３０９〜３１１と、節点Ｎ１〜Ｎ２と、を備える。なお、インバータ３００としては、例えば、三相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）入力、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）出力の公知のインバータを用いることができる。
【００１７】
入力端子３０１〜３０３それぞれには、力率改善回路２００の出力端子２０６〜２０８が接続されている。入力端子３０１〜３０３それぞれには、整流回路３０４が接続されている。整流回路３０４は、６つのダイオードＤ１〜Ｄ６により構成されている。ダイオードＤ１及びＤ２は直列に接続されており、その中点が入力端子３０１に接続されている。ダイオードＤ３及びＤ４は直列に接続されており、その中点が入力端子３０２に接続されている。ダイオードＤ５及びＤ６は直列に接続されており、その中点が入力端子３０３に接続されている。
【００１８】
整流回路３０４の２つの出力端のうち一方は、ＤＣリアクトル３０５の一端が接続されている。ＤＣリアクトルの他端は、節点Ｎ１に接続されている。整流回路３０４の２つの出力端のうち他方は、節点Ｎ２に接続されている。平滑コンデンサ３０６は、一端が節点Ｎ１に接続され、他端が節点Ｎ２に接続されている。さらに、節点Ｎ１及び節点Ｎ２それぞれには、スイッチング回路３０７の２つの入力端も接続されている。スイッチング回路３０７は、６つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６と、６つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６それぞれに並列接続されている還流ダイオードＤ７〜Ｄ１２と、を備えている。スイッチング素子Ｓ１及びＳ２は直列に接続されており、その中点が出力端子３０９に接続されている。スイッチング素子Ｓ３及びＳ４は直列に接続されており、その中点が出力端子３１０に接続されている。スイッチング素子Ｓ５及びＳ６は直列に接続されており、その中点が出力端子３１１に接続されている。出力端子３０９〜３１１には、モータＭが接続される。
【００１９】
コントローラ３０８は、コンピュータなどを含んで構成される。コントローラ３０８は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６それぞれに制御信号を供給し、これらのオン／オフを制御することにより、スイッチング回路３０７に三相交流電圧を生成させ出力端子３０９〜出力端子３１１から出力させる。これにより、出力端子３０９〜出力端子３１１から、三相交流がモータＭに供給される。コントローラ３０８は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６それぞれのオン／オフのタイミングを制御することで、三相交流電圧の電圧値、周波数等を制御する（三相交流電圧の電圧値や周波数は、例えば、ユーザが所定の操作部を操作することで指定できる）。また、コントローラ３０８は、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御により、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６それぞれのオン／オフを制御する。コントローラ３０８は、フィードバック制御により、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６それぞれのオン／オフを制御するとよい（フィードバックのための回路は、公知のものを採用できる）。
【００２０】
（電源回路１００の動作）
入力端子２０１と入力端子２０２との間には、単相交流電源ＡＣから出力される電源電圧ＶＡＣ（単相交流電圧）が印加される。電源電圧ＶＡＣの印加により、節点２０３と出力端子２０６との間に流れる電流Ｉ１の位相は、リアクトル２０４により、電源電圧ＶＡＣに対して遅れる。電流Ｉ１と電源電圧ＶＡＣとの関係の一例を図２（Ａ）に示す。一方、節点２０３と出力端子２０７との間に流れる電流Ｉ２の位相は、コンデンサ２０５により、電源電圧ＶＡＣに対して進む。電流Ｉ２と電源電圧ＶＡＣとの関係の一例を図２（Ｂ）に示す。入力端子２０１を流れる電源電流ＩＡＣ（単相交流電源ＡＣから流れる電流）は、電流Ｉ１と電流Ｉ２を合わせたものとなる。図３に、電流ＩＡＣと電源電圧ＶＡＣとの関係の一例を示す。力率改善回路２００のリアクトル２０４のインダクタンス及びコンデンサ２０５の静電容量は、力率改善のために好適な値を取るように設定すればよい。例えば、リアクトル２０４のインダクタンスを２．３ｍＨとし、コンデンサ２０５の静電容量を２００μＦとする。
【００２１】
図３の比較例として、力率改善回路２００を設けずに、入力端子３０１及び３０３に単相交流電源ＡＣを接続し、入力端子３０２には何も接続しない場合の電源電圧ＶＡＣ（単相交流電源ＡＣの出力電圧）と、入力端子３０１に流れる電源電流ＩＡＣとの関係の一例を図４に示す。
【００２２】
図３の波形と図４の波形とを比較すると、波高値は図３の方が低く、電流値が正方向又は負方向に上昇して下降する期間（Ｔ）が長い波形が得られており、電源電圧ＶＡＣの波形（正弦波）に近い。このため、単相交流電源ＡＣからの電力の力率（入力力率）は、力率改善回路２００を用いることで改善されている。
【００２３】
力率改善回路２００からの交流は、整流回路３０４により整流され、直流に変換され、平滑コンデンサ３０６により平滑化される。ＤＣリアクトル３０５は、高調波の発生を抑制する。平滑コンデンサ３０６により平滑化された直流は、スイッチング回路３０７により、三相交流に変換され、出力端子３０９〜３１１を介してモータＭに供給される。
【００２４】
（実施形態上の効果等）
上述のように力率改善回路２００では、リアクトル２０４及びコンデンサ２０５により、電流Ｉ１、Ｉ２の位相をずらすので、力率改善回路２００により、電源電流ＩＡＣの波形の形状を改善でき、入力力率（インバータ３００の交流入力側の有効電力と皮相電力との比）を改善できる（図２〜図４参照）。また、入力力率が改善されることで、電流値（実効値等）を、力率改善回路２００を設けない場合よりも低くすることができる。さらに、力率改善回路２００により、電源電流ＩＡＣの波形が改善されるので、高調波が低減し、従って、ノイズも低減できる。また、波形の改善により、波高値が低くなっており、例えば、単相交流電源ＡＣとして、直流バッテリ及び直流を交流に変換するインバータの組合せを採用したときの当該インバータに使用されるスイッチング素子等への負荷を軽減できる。力率改善回路２００の回路構成は、図１に示すように簡単であり、従って本実施の形態によれば、簡単な回路構成で入力力率を改善できる。
【００２５】
本願発明者は、モータＭに、建物のメンテナンス等に使用されるゴンドラを上昇させるモータを採用し、インバータ３００として、当該ゴンドラに搭載されるインバータ内蔵制御盤を採用し、単相交流電源ＡＣとして、バッテリ及びインバータの組合せ（ＡＣ２００Ｖ）を採用し、電源電流ＩＡＣ等を計測した。図２及び図３は、そのときの波形の一例である。このときは、力率が０．７から０．８５まで改善した。また、実験時において、上昇中のゴンドラを上下に揺らしてみたが、電源電流ＩＡＣへの大きな影響は見られなかった。力率改善回路２００を設けない場合は、上昇中のゴンドラを上下に揺らした影響により、電源電流ＩＡＣは小刻みに変化した。従って、力率改善回路２００を設けることで負荷変動に対する耐性も付与できる。
【００２６】
単相交流電源ＡＣからの単相交流を変換したい場合、単相入力のインバータを使用しても、三相入力インバータ（上記インバータ３００など）を使用しても、インバータへの入力電流が歪み、入力力率は悪い。単相交流電源使用時の入力力率は、力率改善のために一般に使用されるＡＣリアクトル又はＤＣリアクトルを使用しても、ほとんど改善されない。しかし、この実施の形態のように、単相交流電源ＡＣに使用するインバータとして、通常は使用されない三相入力のインバータ３００をあえて採用し、そこに力率改善回路２００を使用することで、良好な入力力率を得ることができる。特に、単相入力のインバータを採用するときよりも良好な力率を得ることも可能である。
【００２７】
（その他）
上記「接続される」等の「接続」に関する表現は、他の素子を介さずに直接接続されることの他、回路本来の機能を阻害しない素子を介して接続されることをも含むものとする。
【００２８】
（変形例）
本発明は、他の用途に使用される電源回路にも適用可能である。例えば、エアコン等の電源回路に本発明を適用してもよい。具体的には、エアコンの電源回路のインバータとして、三相出力、三相入力のインバータを採用し、単相交流電源ＡＣとして商用電源を採用し、当該商用電源と前記インバータ（インバータ３００に相当）との間に力率改善回路２００を設ける。本発明に係る電源回路に接続される負荷も、モータ以外のものであってもよい。単相交流電源ＡＣは、商用電源であってもよいし、直流電源と、直流を交流に変換するインバータとの組合せであってもよい。
【００２９】
インバータ３００は、ＤＣリアクトル３０５を備えなくてもよい。インバータ３００は、ＡＣリアクトルを備えてもよい。力率改善回路２００は、従来の三相入力三相出力のインバータに外付けされるものであってもよい。インバータ３００の出力は、単相であってもよい。
【００３０】
最初から力率改善回路２００及びインバータ３００を１つの電源回路として製造してもよい。このような場合、力率改善回路２００の３つの出力端（回路上の出力部分）は、端子を介さずに、インバータ３００の３つの入力端（整流回路３０４の回路上の入力部分）に直接配線等により接続されてもよい。インバータ３００は、力率改善回路２００を介して供給される交流を変換できればよい。つまり、インバータ３００は、３つの入力端を有するものであればよく、三相入力のインバータ（位相が１２０度ずれた交流が入力されるインバータ）とは呼べないものであってもよい。なお、三相入力のインバータに関して、例えば、力率改善回路及びインバータを１つの電源回路として製造した場合に、当該電源回路からインバータを取り出し、当該インバータに三相交流を入力したときに、当該インバータが正常に動作して交流を出力できれば、そのインバータは、三相入力のインバータといえるものとする。
【００３１】
力率改善回路２００の３つの出力端子２０６〜２０８それぞれは、インバータ３００の入力端子３０１〜３０３のうちのいずれに接続されてもよい。例えば、出力端子２０６は、入力端子３０３に接続されてもよい。
【００３２】
力率改善回路２００のリアクトル２０４又はコンデンサ２０５の代わりに抵抗Ｒを設けてもよい（図５（Ａ）及び（Ｂ）の力率改善回路２００Ａ、２００Ｂ参照）。但し、リアクトル２０４又はコンデンサ２０５を用いたときの方が、電流Ｉ１の位相と電流Ｉ２の位相との差を大きくすることができ、より力率を改善できる。
【００３３】
（本発明の範囲）
本発明は、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態及び変形例は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
【符号の説明】
【００３４】
１００  電源回路
２００  力率改善回路
２０１〜２０２  入力端子
２０３  節点
２０４  リアクトル
２０５  コンデンサ
２０６〜２０８  出力端子
３００  インバータ
３０１〜３０３  入力端子
３０４  整流回路
３０５  ＤＣリアクトル
３０６  平滑コンデンサ
３０７  スイッチング回路
【図１】
2019075880.tif 000003
【図２】
2019075880.tif 000004
【図３】
2019075880.tif 000005
【図４】
2019075880.tif 000006
【図５】
2019075880.tif 000007