(57)【要約】  電力変換装置は、直流電力を変換して出力交流電圧を有する交流電力を発生するインバータと、インバータと電気的に接続されたキャパシタ回路とを備える。キャパシタ回路は、インバータ回路の起動時に、出力交流電圧のゼロクロス点から所定の待機期間だけ経過した時点で、出力交流電圧に対して実質的にπ／４ラジアンずれた位相を有するキャパシタ電圧をインバータに供給し始めるように動作する。インバータは、インバータに供給されたキャパシタ電圧と直流電力とから出力交流電力を発生するように動作する。所定の待機時間は、出力交流電圧の位相の２πｎ＋３π／４ラジアンまたは２πｎ＋７π／４ラジアンに相当する期間である（ｎは０以上の整数）。この電力変換装置は、起動後、早期に入力電力のリップル電力を低減することができる。
2014097563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を変換して出力交流電圧を有する交流電力を発生するインバータと、
前記インバータと電気的に接続されて、キャパシタを有するキャパシタ回路と、
を備え、
前記キャパシタ回路は、前記インバータ回路の起動時に、前記出力交流電圧のゼロクロス点から所定の待機期間だけ経過した時点で、前記出力交流電圧に対して実質的にπ／４ラジアンずれた位相を有するキャパシタ電圧を前記インバータに供給し始めるように動作し、
前記インバータは、前記キャパシタ電圧と前記直流電力とから前記出力交流電力を発生するように動作し、
前記所定の待機時間は、前記出力交流電圧の位相の２πｎ＋３π／４ラジアンまたは２πｎ＋７π／４ラジアンに相当する期間である（ｎは０以上の整数）、電力変換装置。
【請求項２】
前記キャパシタを放電させる放電回路をさらに備えた、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記放電回路は、前記インバータの起動までに前記キャパシタを放電させる、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記放電回路は、前記出力交流電圧の前記ゼロクロス点から前記所定の待機期間だけ経過した前記時点までに前記キャパシタを放電させる、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記キャパシタは前記インバータから供給された電力で充電されるように構成されている、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記キャパシタ回路は、前記インバータの起動時から、前記出力交流電圧の前記ゼロクロス点から前記所定の待機期間だけ経過した前記時点までは前記キャパシタ電圧を出力しないように動作する、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記キャパシタ電圧は前記出力交流電圧に対して実質的にπ／４ラジアン進む位相を有する、請求項１に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電力から交流電力への変換を行うことが可能な電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池の直流電力を交流電力へ変換して出力する従来の電力変換装置としての単相電力調整装置が、例えば特許文献１に記載されている。【０００３】
図７は特許文献１に記載されている電力調整装置１０４を含む電力系統１００の概略図である。電力調整装置１０４は単相電力調整装置である。電力系統１００は、ＡＣ負荷１０６及びエネルギー貯蔵部１０８に接続されている電力調整装置１０４とエネルギー源１０２とを有する。ＡＣ負荷１０６は、公共電源網と単相接続されていても良い。エネルギー源１０２は、例えば、太陽電池等である。エネルギー貯蔵部１０８は、例えばキャパシタ等の蓄電素子である。電力調整装置１０４と一体になっている制御装置は、電力が使用可能で有効な場合には、いつでもエネルギー源１０２から最大電力を引き出すために、最適な電力点で電力系統１００の動作を維持するように作用する。電力調整装置１０４は、例えばインバータ等である。【０００４】
次に、電力調整装置１０４を含む電力系統１００の動作を説明する。電力系統１００は第１ＡＣ波形を電力調整装置１０４の出力にて検出する。そして、第１ＡＣ波形と同じ周波数である第２ＡＣ波形がエネルギー貯蔵部１０８で生成される。第２ＡＣ波形は第１ＡＣ波形の位相に対してπ／４ラジアンだけ位相をずらす。それによってエネルギー源１０２により供給される電力の二倍周波数リップル電力を最小にすることができる。すなわち、エネルギー貯蔵部１０８内へまたは外へ流れている、第２ＡＣ波形を有する電気エネルギーは、電力調整装置１０４とエネルギー貯蔵部１０８との間に設けられるインターフェース部のスイッチング動作により制御され、ずれた第２ＡＣ波形を追跡し、それによって二倍の周波数を有するリップル電力を補償する。【０００５】
電力調整装置１０４（インバータ）を含む電力系統１００は、エネルギー源１０２により供給される電力の二倍周波数のリップル電力を低減することができる。しかし、リップル電力が安定して低減するまでに数１０秒のオーダーで時間がかかる場合がある。その間は、電力が不安定となり、ＡＣ負荷１０６の動作に影響を与える可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−５０１６３５号公報
【発明の概要】
【０００７】
電力変換装置は、直流電力を変換して出力交流電圧を有する交流電力を発生するインバータと、インバータと電気的に接続されたキャパシタ回路とを備える。キャパシタ回路は、インバータ回路の起動時に、出力交流電圧のゼロクロス点から所定の待機期間だけ経過した時点で、出力交流電圧に対して実質的にπ／４ラジアンずれた位相を有するキャパシタ電圧をインバータに供給し始めるように動作する。インバータは、インバータに供給されたキャパシタ電圧と直流電力とから出力交流電力を発生するように動作する。所定の待機時間は、出力交流電圧の位相の２πｎ＋３π／４ラジアンまたは２πｎ＋７π／４ラジアンに相当する期間である（ｎは０以上の整数）。
【０００８】
この電力変換装置は、起動後、早期に入力電力のリップル電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は本発明の実施の形態１における電力変換装置のブロック回路図である。
【図２】図２は実施の形態１における電力変換装置の信号を示す図である。
【図３】図３は実施の形態１における電力変換装置の他の信号を示す図である。
【図４】図４は比較例の電力変換装置の信号を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは他の比較例の電力変換装置の信号を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは図５Ａに示す信号の拡大図である。
【図６Ａ】図６Ａは本発明の実施の形態２における電力変換装置のブロック回路図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは実施の形態２における他の電力変換装置のブロック回路図である。
【図７】図７は従来の電力調整装置を含む電力系統の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電力変換装置１１のブロック回路図である。電力変換装置１１は、直流電力が入力されるように構成された入力端子１３と、入力端子１３と電気的に接続されたインバータ１５と、インバータ１５と電気的に接続された出力端子１７と、インバータ１５と電気的に接続されたキャパシタ回路１９とを備える。インバータ１５は直流電力を、出力交流電圧Ｖａｃを有する交流電力に変換するように構成されている。出力端子１７は変換された交流電力を出力するように構成されている。インバータ１５は、起動時に、交流電力の出力交流電圧Ｖａｃの波形のゼロクロス点から所定の待機期間が経過したときに、出力交流電圧Ｖａｃに対して位相が実質的にπ／４ラジアンずれたキャパシタ電圧Ｖｃをキャパシタ回路１９から供給し始めるようにキャパシタ回路１９を制御する。所定の待機期間は実質的に出力交流電圧Ｖａｃの位相の２πｎ＋３π／４ラジアンまたは２πｎ＋７π／４ラジアンに相当する期間である（ｎは０以上の整数）。
【００１１】
図７に示す電力調整装置１０４（インバータ）を含む電力系統１００は、エネルギー源１０２により供給される電力の二倍周波数のリップル電力を低減することができる。しかし、電力系統１００における制御がインバータの起動直後に行なわれると、直ちにリップル電力が低減されるのではなく、電力系統１００のインピーダンスによりリップル電力が安定して低減するまでに数１０秒のオーダーで時間がかかる可能性がある。その間は、電力が不安定となり、ＡＣ負荷１０６の動作に影響を与える可能性がある。
【００１２】
図１に示す実施の形態１における電力変換装置１１では、インバータ１５の起動後、出力交流電圧Ｖａｃのゼロクロス点から上記の所定の待機期間が経過した時点で、出力交流電圧Ｖａｃに対して位相が実質的にπ／４ラジアン進むようにずれたキャパシタ電圧Ｖｃの波形をキャパシタ回路１９がインバータ１５へ供給し始める。これにより、キャパシタ回路１９のキャパシタの初期充電時におけるキャパシタ電圧Ｖｃの変化する方向と、電力変換装置１１の安定駆動時におけるキャパシタ電圧Ｖｃの変化の方向が合致する。その結果、位相が実質的にπ／４ラジアンずれたキャパシタ電圧Ｖｃの波形がキャパシタ回路１９からインバータ１５へ供給されても、その時点でほぼ安定駆動時におけるキャパシタ電圧Ｖｃの波形と同等の波形が得られ、直ちにリップル電力が安定する。ゆえに、起動後、早期にインバータ１５に入力される入力電力Ｐｉに含まれるリップル電力を低減することができる。
【００１３】
以下、より具体的に本実施の形態１における電力変換装置１１の構成、動作について説明する。なお、実施の形態１における電力変換装置１１の入力端子１３には、直流電源２１が出力する直流電力が入力されて交流電力に変換されて出力端子１７から出力される。
【００１４】
図１において、電力変換装置１１の入力端子１３には直流電源２１が電気的に接続されている。実施の形態１では直流電源２１は太陽電池である。直流電源２１が発電した直流電力は、入力端子１３から電力変換装置１１に入力される。
【００１５】
一方、電力変換装置１１の出力端子１７には、商用の系統電源２３が電気的に接続される。電力変換装置１１から出力される交流電力は系統電源２３を介して接続される電気製品などの負荷に供給される。また、この交流電力は系統電源２３へ逆潮流するようにしてもよいし、出力端子１７は系統電源２３を介さず負荷にのみ電気的に接続されてその負荷にのみ交流電力を供給してもよい。
【００１６】
電力変換装置１１の入力端子１３にはインバータ１５が電気的に接続される。インバータ１５はスイッチング素子を有する。そのスイッチング素子は入力端子１３から入力された直流電力を切り替えて、電力変換装置１１はその直流電力を系統電源２３に適合する例えば１００Ｖで周波数６０Ｈｚの出力交流電圧Ｖａｃを有する交流電力に変換するように構成されている。電力変換装置１１はインバータ１５をはじめ電力変換装置１１の全体を制御する制御回路１５Ａを備える。インバータ１５の出力が出力端子１７に接続される。
【００１７】
インバータ１５にはキャパシタ回路１９が電気的に接続されている。キャパシタ回路１９は電力を蓄えるキャパシタ１９Ａを有する。キャパシタ１９Ａはインバータ１５から供給された電力で充電されるように構成されている。キャパシタ回路１９は、キャパシタ１９Ａに蓄積された電力から、インバータ１５が生成する出力交流電圧Ｖａｃに対し実質的にπ／４ラジアンずらしたキャパシタ電圧Ｖｃを生成してインバータ１５へ供給するように構成されている。なお、以下の説明において、実質的にπ／４ラジアン進むようにずらした波形は、キャパシタ回路１９が波形生成の位相誤差範囲内でπ／４ラジアン進むようにずらした波形であってもよい。すなわち、波形の位相が誤差±ｅラジアンを有する場合には、π／４ラジアンずらした波形とは、実質的にπ／４±ｅラジアンずらした波形となる。
【００１８】
次に、電力変換装置１１の動作について説明する。
【００１９】
まず、電力変換装置１１の起動から時間が十分経過した時点での動作である定常動作について説明する。インバータ１５の制御回路１５Ａは、インバータ１５から出力される出力交流電圧Ｖａｃの波形を取り込む。次に、制御回路１５Ａは、キャパシタ回路１９に内蔵されるキャパシタ１９Ａの充放電電力を活用して、出力交流電圧Ｖａｃ対して実質的にπ／４ラジアンずれたキャパシタ電圧Ｖｃを生成してインバータ１５へ供給する。インバータ１５は、キャパシタ回路１９が生成したキャパシタ電圧Ｖｃを取り込むためのインターフェース回路を有する。このインターフェース回路は制御回路１５Ａにより制御される。制御回路１５Ａは、キャパシタ１９Ａの充放電によりキャパシタ回路１９は出力交流電圧Ｖａｃに対して実質的にπ／４ラジアンずれた位相を有するキャパシタ電圧Ｖｃを生成するようキャパシタ回路１９を制御する。制御回路１５Ａはインターフェース回路を制御して、キャパシタ回路１９で生成されたキャパシタ電圧Ｖｃをインバータ１５へ供給する。このような動作により、直流電源２１からインバータ１５に入力される入力電力Ｐｉのリップル電力を低減することができる。
【００２０】
キャパシタ回路１９のキャパシタ１９Ａは、電力変換装置１１の使用が終了した後に、その内部抵抗により自然放電される。そして、電力変換装置１１を再起動する際には、キャパシタ１９Ａが放電し切っている可能性が高い。この状態で、直ちにキャパシタ回路１９により実質的にπ／４ラジアンずれたキャパシタ電圧Ｖｃを生成しようとしても、キャパシタ１９Ａへの充電期間を考慮すると、起動初期の段階でのキャパシタ電圧Ｖｃは定常時のキャパシタ電圧Ｖｃの波形と異なる波形を有する。このような波形のキャパシタ電圧Ｖｃを用いると、入力電力Ｐｉのリップル電力を十分低減できない可能性がある。
【００２１】
実施の形態１における電力変換装置１１の起動時の動作を説明する。図２は電力変換装置１１の出力交流電圧Ｖａｃとキャパシタ電圧Ｖｃとインバータ１５に入力される入力電力Ｐｉとを示す。図２において、縦軸は電圧もしくは電力を示し、横軸は時刻を示す。
【００２２】
まず、時刻ｔ０で電力変換装置１１が起動すると、インバータ１５は図２に示す出力交流電圧Ｖａｃを発生する。出力交流電圧Ｖａｃの周波数は６０Ｈｚであり実効値は１００Ｖである。
【００２３】
インバータ１５の制御回路１５Ａは、発生した出力交流電圧Ｖａｃを検出し、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの１周期分におけるゼロクロス点Ｖａｃ０を検知する。制御回路１５Ａは、起動した時刻ｔ０からゼロクロス点Ｖａｃ０を検知する時刻ｔ１までのゼロクロス検知期間Ｐ０には、キャパシタ回路１９を動作させず、キャパシタ回路１９が出力するキャパシタ電圧Ｖｃは０Ｖのままである。
【００２４】
時刻ｔ０から時刻ｔ１までのゼロクロス検知期間Ｐ０はキャパシタ回路１９が動作していないので、リップル電力を低減する動作も行われていない。したがって、図２に示すように、ゼロクロス検知期間Ｐ０では、インバータ１５に入力される入力電力Ｐｉは周期的に出現するピーク値が経時的に大きくなり大きなリップル電力が発生する。このように、入力電力Ｐｉの変動が経時的に大きくなるので、インバータ１５による交流変換の精度に影響を及ぼす可能性が高くなる。
【００２５】
実施の形態１における電力変換装置１１では、早期に入力電力Ｐｉのリップル電力を低減するために、インバータ１５の制御回路１５Ａは、ゼロクロス点Ｖａｃ０を検知した時刻ｔ１から所定の待機期間ＴＤ１が経過した時刻ｔ２からキャパシタ回路１９の動作を開始し、図２に示すように、出力交流電圧Ｖａｃに対し実質的にπ／４ラジアン進むようにずれたキャパシタ電圧Ｖｃを生成させ始める。キャパシタ電圧Ｖｃを、制御回路１５Ａが時刻ｔ２からインバータ１５へ供給することにより、時刻ｔ２以降に入力電力Ｐｉのピーク値が経時的に大きくなることはなく、入力電力Ｐｉが安定化する。所定の待機期間ＴＤ１は出力交流電圧Ｖａｃの位相の３π／４ラジアンに相当する期間である。
【００２６】
電力変換装置１１の起動後早期に入力電力Ｐｉを安定化させる動作について、以下に説明する。
【００２７】
時刻ｔ２において、出力交流電圧Ｖａｃは経時的に低下している。また、時刻ｔ２における定常動作時、すなわち電力変換装置１１が低リップル状態で安定駆動されている時の出力交流電圧Ｖａｃに対し位相が実質的にπ／４ラジアン進むようにずれたキャパシタ電圧Ｖｃの変化分であるキャパシタ電圧変化Ｖｃｉも経時的に低下する。
【００２８】
一方、キャパシタ電圧Ｖｃは、ゼロクロス点Ｖａｃ０から所定の待機期間ＴＤ１が経過した時刻ｔ２ではキャパシタ電圧Ｖｃが０である。所定の待機期間ＴＤ１は実質的に出力交流電圧Ｖａｃの位相の３π／４ラジアンに相当する期間である。時刻ｔ２から制御回路１５Ａがキャパシタ回路１９を動作させ始めると、キャパシタ回路１９のキャパシタ１９Ａの充電が開始される。上記したように時刻ｔ２で出力交流電圧Ｖａｃは経時的に低下しているので、キャパシタ電圧Ｖｃが負になる方向に充電される。したがって、キャパシタ１９Ａを充電する電圧の変化分である充電電圧変化Ｖｃｊでは経時的に電圧が低下してキャパシタ１９Ａが充電される。なお、図２において、時刻ｔ２での電圧変化Ｖｃｉ、Ｖｃｊは、これらの変化の方向が同じであるので重なっている。
【００２９】
これらのことから、時刻ｔ２以降では、定常動作時におけるリップル電力を低減するためのキャパシタ電圧Ｖｃのキャパシタ電圧変化Ｖｃｉの変化の方向と、キャパシタ１９Ａの充電電圧変化Ｖｃｊの変化の方向とが同じとなる。ゆえに、時刻ｔ２以降において、電圧変化Ｖｃｉ、Ｖｃｊを合成した電圧の変化は、定常動作時におけるキャパシタ電圧Ｖｃの変化と同じ方向である。換言すれば、本来、充放電を繰り返すキャパシタ１９Ａの定常動作時において、キャパシタ１９Ａが負電位方向へ充電されるタイミングが時刻ｔ２である。このタイミング、すなわち、ゼロクロス点Ｖａｃ０から３π／４ラジアンに相当する待機期間ＴＤ１が経過した時点で、キャパシタ回路１９から実質的にπ／４ラジアン進むようにずれたキャパシタ電圧Ｖｃを生成してインバータ１５に供給し始めることで、その時点から直ちに入力電力Ｐｉのリップル電力を低減することができる。このような動作により、電力変換装置１１は早期にリップル電力を低減することが可能となる。
【００３０】
なお、上記の説明では、ゼロクロス点Ｖａｃ０から３π／４ラジアンに相当する待機期間ＴＤ１が経過した時点で制御回路１５Ａはキャパシタ回路１９を動作させ始める。所定の待機期間ＴＤ１は厳密に位相の３π／４ラジアンに相当する期間に限定されるものではなく、誤差範囲内で実質的に出力交流電圧Ｖａｃの位相の３π／４ラジアンに相当する期間であればよい。
【００３１】
時刻ｔ２以降では、図２に示すように、入力電力Ｐｉのリップル電力が低減され、それ以降の周期（時刻ｔ３〜時刻ｔ４、時刻ｔ４〜時刻ｔ５、時刻ｔ５〜時刻ｔ６、時刻ｔ６〜時刻ｔ７、…）においても、リップル電力が継続して抑制されている。
【００３２】
なお、キャパシタ回路１９を起動するタイミングは、出力交流電圧Ｖａｃのゼロクロス点Ｖａｃ０から実質的に３π／４ラジアンに相当する待機期間ＴＤ１が経過した時刻ｔ２に限定されるものではなく、制御回路１５Ａは時刻ｔ２の１周期以上先の時点でキャパシタ回路１９を起動してもよい。この場合も、上記理由により、キャパシタ回路１９の起動後、早期にリップル電力を低減することができる。従って、インバータ１５の制御回路１５Ａは、起動時に、交流電力における出力交流電圧Ｖａｃのゼロクロス点Ｖａｃ０から所定の待機期間ＴＤ１が経過した時点で、出力交流電圧Ｖａｃに対して位相が実質的にπ／４ラジアンずれたキャパシタ電圧Ｖｃをキャパシタ回路１９から供給し始める。所定の待機期間ＴＤ１は実質的に出力交流電圧Ｖａｃの位相の２πｎ＋３π／４ラジアンに相当する期間である（ｎは０以上の整数）。これは、キャパシタ回路１９が動作していないｎ個の周期の間に発生する入力電力Ｐｉのリップル電力が問題とならない仕様の電力変換装置１１に適用できる。しかし、キャパシタ回路１９の起動が遅れると、起動までの期間は、例えば図２に示す時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間では、入力電力Ｐｉにリップル電力が重畳されるので、整数ｎはできるだけ小さい方が望ましい。
【００３３】
次に、早期に入力電力Ｐｉのリップル電力を低減する電力変換装置１１の他の動作について説明する。図３は電力変換装置１１のその動作での信号を示す。図３において図２に示す信号と同じ部分には同じ参照符号を付す。
【００３４】
まず、時刻ｔ０で電力変換装置１１が起動すると、インバータ１５は図３に示す出力交流電圧Ｖａｃを発生する。出力交流電圧Ｖａｃの周波数は６０Ｈｚであり、実効値は１００Ｖである。
【００３５】
インバータ１５の制御回路１５Ａは、発生した出力交流電圧Ｖａｃを検出し、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの１周期分におけるゼロクロス点Ｖａｃ０を検知する。ゼロクロス点Ｖａｃ０を検知するまでのゼロクロス検知期間Ｐ０ではキャパシタ回路１９は動作しておらず、図３に示すように、キャパシタ電圧Ｖｃは０Ｖのままである。ゆえに、電力変換装置１１はリップル電力を低減する動作を行っていないので、図３に示すように、入力電力Ｐｉは周期的に出現するピーク値が経時的に大きくなる。その結果、入力電力Ｐｉの変動が経時的に大きくなり、インバータ１５による交流変換精度に影響を及ぼす可能性が高くなる。
【００３６】
図３に示すように、早期に入力電力Ｐｉのリップル電力を低減するために、制御回路１５Ａは、ゼロクロス点Ｖａｃ０を検知した時刻ｔ１から所定の待機期間ＴＤ２が経過した時刻ｔ８からキャパシタ回路１９の動作を開始する。制御回路１５Ａは、図３に示すように、出力交流電圧Ｖａｃに対し実質的にπ／４ラジアン進むようにずれた位相を有するキャパシタ電圧Ｖｃをキャパシタ回路１９に生成させてインバータ１５に供給し始める。所定の待機期間ＴＤ２は出力交流電圧Ｖａｃの位相の７π／４ラジアンに相当する期間である。キャパシタ電圧Ｖｃを制御回路１５Ａがインバータ１５へ供給することにより、図３に示すように、時刻ｔ８以降に入力電力Ｐｉのピーク値が経時的に大きくなることはなく、安定化する。
【００３７】
電力変換装置１１の起動後すぐに入力電力Ｐｉを安定化させる動作について、以下に説明する。
【００３８】
時刻ｔ８において出力交流電圧Ｖａｃは経時的に上昇している。また、時刻ｔ８における定常動作時のキャパシタ電圧Ｖｃの変化分であるキャパシタ電圧変化Ｖｃｉも経時的に上昇している。
【００３９】
ゼロクロス点Ｖａｃ０から７π／４ラジアンに相当する期間が経過した時刻ｔ８では、キャパシタ電圧Ｖｃが０である。時刻ｔ８から制御回路１５Ａがキャパシタ回路１９を動作させ始めると、キャパシタ回路１９のキャパシタ１９Ａの充電が開始される。上記のように、時刻ｔ８で出力交流電圧Ｖａｃは経時的に上昇しているので、キャパシタ電圧Ｖｃが正になる方向にキャパシタ１９Ａが充電される。したがって、キャパシタ１９Ａを充電する電圧の変化分である充電電圧変化Ｖｃｊは時刻ｔ８において経時的に上昇する。なお、図３において、時刻ｔ８以降でのキャパシタ電圧変化Ｖｃｉと充電電圧変化Ｖｃｊの変化の方向が同じであるので、重なっている。
【００４０】
これらのことから、時刻ｔ８以降では、定常動作時におけるリップル電力を低減するためのキャパシタ電圧Ｖｃのキャパシタ電圧変化Ｖｃｉの変化の方向と、キャパシタ１９Ａを充電する電圧の充電電圧変化Ｖｃｊの変化の方向とが同じとなる。ゆえに、時刻ｔ８以降において、電圧変化Ｖｃｉ、Ｖｃｊの変化の方向は、定常動作時におけるキャパシタ電圧Ｖｃの変化と同じ方向になる。換言すれば、充放電を繰り返すキャパシタ１９Ａの定常動作時において、キャパシタ１９Ａが正方向へ充電されるタイミングが時刻ｔ８である。このタイミング、すなわち、ゼロクロス点Ｖａｃ０から７π／４ラジアンに相当する待機期間ＴＤ２が経過した時点（時刻ｔ８）で、出力交流電圧Ｖａｃに対して実質的にπ／４ラジアン進むようにずれた位相を有するキャパシタ電圧Ｖｃをキャパシタ回路１９が生成してインバータ１５に供給し始めることで、その時点（時刻ｔ８）から直ちに入力電力Ｐｉのリップル電力を低減することができる。このような動作により、電力変換装置１１は早期にリップル電力を低減することが可能となる。
【００４１】
このように、キャパシタ回路１９は、インバータ１５の起動時から、出力交流電圧Ｖａｃのゼロクロス点Ｖａｃ０から所定の待機期間（ＴＤ１、ＴＤ２）だけ経過した時点まではキャパシタ電圧Ｖｃを出力しないように動作する。
【００４２】
なお、上記の説明では、ゼロクロス点Ｖａｃ０から７π／４ラジアンに相当する待機期間ＴＤ２が経過した時点で、制御回路１５Ａはキャパシタ回路１９を動作させるが、待機期間ＴＤ２は厳密に７π／４ラジアンに相当する期間に限定されるものではなく、誤差範囲内で実質的に７π／４ラジアンに相当する期間であってもよい。
【００４３】
時刻ｔ８以降では、図３に示すように、入力電力Ｐｉのリップル電力が低減され、それ以降の周期（時刻ｔ３〜時刻ｔ４、時刻ｔ４〜時刻ｔ５、時刻ｔ５〜時刻ｔ６、時刻ｔ６〜時刻ｔ７、…）においてもリップル電力が継続して抑制されている。
【００４４】
なお、キャパシタ回路１９を起動するタイミングは、出力交流電圧Ｖａｃのゼロクロス点Ｖａｃ０から実質的に７π／４ラジアンに相当する期間が経過した時点（時刻ｔ８）に限定されるものではなく、制御回路１５Ａは時刻ｔ８の１周期以上先でキャパシタ回路１９を起動してもよい。この場合も、上記動作により、キャパシタ回路１９の起動後、早期にリップル電力を低減することができる。すなわち、インバータ１５の制御回路１５Ａは、起動時に、交流電力の出力交流電圧Ｖａｃのゼロクロス点Ｖａｃ０から所定の待機期間ＴＤ２が経過した時点で、出力交流電圧Ｖａｃに対して位相が実質的にπ／４ラジアン進むようにずれたキャパシタ電圧Ｖｃをキャパシタ回路１９から供給し始める。所定の待機期間ＴＤ２は実質的に出力交流電圧Ｖａｃの位相の２πｎ＋７π／４ラジアンに相当する期間であってもよい（ｎは０以上の整数）。キャパシタ回路１９が起動するまでのｎ個の周期の間に発生する入力電力Ｐｉのリップル電力が問題とならない仕様の電力変換装置１１に適用できる。しかし、キャパシタ回路１９の起動が遅れると、それまでの期間は、例えば図３に示す時刻ｔ１から時刻ｔ８までの期間のように、入力電力Ｐｉにリップル電力が重畳され、その大きさが経時的に大きくなるので、整数ｎはできるだけ小さい方が望ましい。
【００４５】
以上のことから、インバータ１５の制御回路１５Ａは、起動時に、交流電力における出力交流電圧Ｖａｃのゼロクロス点Ｖａｃ０から所定の待機期間（ＴＤ１、ＴＤ２）が経過した時点で、出力交流電圧Ｖａｃに対して位相が実質的にπ／４ラジアン進むようにずれたキャパシタ電圧Ｖｃをキャパシタ回路１９がインバータ１５に供給し始める。所定の待機期間（ＴＤ１、ＴＤ２）は実質的に出力交流電圧Ｖａｃの位相の２πｎ＋３π／４ラジアンまたは２πｎ＋７π／４ラジアンに相当する期間である（ｎは０以上の整数）。これにより、起動時の入力電力Ｐｉに重畳されるリップル電力を低減することができる。
【００４６】
図４は比較例の電力変換装置の信号を示す。図４において、図２と同じ部分には同じ参照番号を付す。図４に示す比較例の電力変換装置では、出力交流電圧Ｖａｃのゼロクロス点Ｖａｃ０を検知した時刻ｔ１に、出力交流電圧Ｖａｃに対して位相が実質的にπ／４ラジアンずれたキャパシタ電圧Ｖｃをキャパシタ回路１９からインバータ１５に供給し始める。
【００４７】
まず、時刻ｔ０でその電力変換装置が起動すると、インバータ１５は図４に示す出力交流電圧Ｖａｃを発生する。出力交流電圧Ｖａｃの周波数は６０Ｈｚであり、実効値は１００Ｖである。
【００４８】
インバータ１５の制御回路は、発生した出力交流電圧Ｖａｃを検出し、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの１周期におけるゼロクロス点Ｖａｃ０を検知する。ゼロクロス点Ｖａｃ０を検知するまでのゼロクロス検知期間Ｐ０では、キャパシタ回路１９は動作しておらず、図４に示すように、キャパシタ電圧Ｖｃは０Ｖのままである。ゆえに、リップル電力を低減する動作も行われていないので、インバータ１５に入力される入力電力Ｐｉは周期的に出現するピーク値が経時的に大きくなる。
【００４９】
制御回路はゼロクロス点Ｖａｃ０を検知した時刻ｔ１で直ちにキャパシタ回路１９の動作を開始する。これにより、図４に示すように、出力交流電圧Ｖａｃに対して実質的にπ／４ラジアンずれたキャパシタ電圧Ｖｃをキャパシタ回路１９は生成する。この場合のキャパシタ電圧Ｖｃの波形は、定常時のキャパシタ電圧Ｖｃの波形と異なる。
【００５０】
時刻ｔ１において、図４に示すように、出力交流電圧Ｖａｃは経時的に上昇している。これに対し、時刻ｔ１における定常動作時のキャパシタ電圧Ｖｃの変化分であるキャパシタ電圧変化Ｖｃｉは、キャパシタ電圧Ｖｃが出力交流電圧Ｖａｃに対し実質的にπ／４ラジアンずれているので、ピークの時点の手前でピークの電圧よりも低い電圧となる。そして、時刻ｔ１以降では、定常動作時のキャパシタ電圧変化Ｖｃｉがピークを呈した後、経時的に低下する。
【００５１】
一方、図４に示すように、ゼロクロス点Ｖａｃ０を検知した時刻ｔ１ではキャパシタ電圧Ｖｃが０である。時刻ｔ１から制御回路がキャパシタ回路１９を動作させると、キャパシタ回路１９のキャパシタ１９Ａの充電が開始される。上記したように、時刻ｔ１で出力交流電圧Ｖａｃは経時的に上昇しているので、キャパシタ電圧Ｖｃが正になる方向にキャパシタ１９Ａが充電される。したがって、図４に示すように、キャパシタ１９Ａを充電する電圧での変化分である充電電圧変化Ｖｃｊは経時的に上昇する。
【００５２】
これらのことから、時刻ｔ１以降では、定常動作時におけるリップル電力を低減するためのキャパシタ電圧Ｖｃの変化分であるキャパシタ電圧変化Ｖｃｉの方向と、キャパシタ１９Ａを充電する電圧の変化分である充電電圧変化Ｖｃｊの方向とが異なる。ゆえに、時刻ｔ１以降において、電圧変化Ｖｃｉ、Ｖｃｊを合成した電圧変化は、図４に示すように一度上昇してから下降する。そして、その後も多周期に亘って、キャパシタ電圧Ｖｃのピーク値、平均値が経時的に徐々に上昇していく。図４に示すキャパシタ電圧Ｖｃをキャパシタ回路１９からインバータ１５へ供給すると、図４に示すように、時刻ｔ１以降で、入力電力Ｐｉのリップル電力が発生し続ける。但し、図４に示す入力電力Ｐｉにおけるリップル電力は経時的には小さくなる傾向にあるので、時間が経てば、いずれ電力変換装置のインピーダンスにより、リップル電力が低減される。この場合、図２と図３に示すような安定したリップル電力が得られるまでには、電力変換装置の仕様にもよるが、数１０秒程度を要する。したがって、図４に示す信号による起動時の動作では、起動後、直ちにリップル電力が安定化しない。
【００５３】
図５Ａは他の比較例の電力変換装置の信号を示す。図５Ａにおいて、図２と同じ部分には同じ参照番号を付す。図５Ａに示す信号により動作する電力変換装置では、出力交流電圧Ｖａｃのゼロクロス点Ｖａｃ０から実質的にπ／４ラジアンに相当する期間が経過した時点（時刻ｔ９）から、出力交流電圧Ｖａｃに対して位相が実質的にπ／４ラジアンずれたキャパシタ電圧Ｖｃをキャパシタ回路１９からインバータ１５に供給する。
【００５４】
まず、時刻ｔ０で電力変換装置１１が起動すると、インバータ１５は出力交流電圧Ｖａｃを発生する。出力交流電圧Ｖａｃの周波数は６０Ｈｚであり、実効値は１００Ｖである。
【００５５】
インバータ１５の制御回路は、発生した出力交流電圧Ｖａｃを検出し、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの１周期分におけるゼロクロス点Ｖａｃ０を検知する。ゼロクロス点Ｖａｃ０を検知するまでのゼロクロス検知期間Ｐ０では、キャパシタ回路１９は動作しておらず、図５Ａに示すように、キャパシタ電圧Ｖｃは０Ｖのままである。ゆえに、リップル電力を低減する動作も行われていないので、図５Ａに示すように、入力電力Ｐｉでは周期性に出現するピーク値が経時的に大きくなる。
【００５６】
その後、ゼロクロス点Ｖａｃ０から所定の待機期間ＴＤ３が経過した時刻ｔ９で、制御回路はキャパシタ回路１９の動作を開始する。これにより、図５Ａに示すように、キャパシタ回路１９は出力交流電圧Ｖａｃに対して実質的にπ／４ラジアンずれた位相を有するキャパシタ電圧Ｖｃを生成する。所定の待機期間ＴＤ３は実質的に出力交流電圧Ｖａｃの位相のπ／４ラジアンに相当する期間である。この場合に発生するキャパシタ電圧Ｖｃは定常時のキャパシタ電圧Ｖｃと異なる。
【００５７】
時刻ｔ９において出力交流電圧Ｖａｃは経時的に上昇している。これに対し、時刻ｔ９における定常動作時のキャパシタ電圧Ｖｃの変化分であるキャパシタ電圧変化Ｖｃｉは低下している。
【００５８】
図５Ａに示すように、ゼロクロス点Ｖａｃ０から実質的にπ／４ラジアンに相当する待機期間ＴＤ３が経過した時刻ｔ９では、キャパシタ電圧Ｖｃが０である。時刻ｔ９から制御回路がキャパシタ回路１９を動作させると、キャパシタ回路１９のキャパシタ１９Ａの充電が開始される。上記したように、時刻ｔ９で出力交流電圧Ｖａｃは経時的に上昇しているので、キャパシタ電圧Ｖｃが正になる方向にキャパシタ１９Ａは充電される。したがって、図５Ａで示すキャパシタ１９Ａを充電する電圧の変化分である充電電圧変化Ｖｃｊは経時的に上昇する。
【００５９】
図５Ｂは、時刻ｔ９付近におけるキャパシタ電圧変化Ｖｃｉ、充電電圧変化Ｖｃｊ、キャパシタ電圧Ｖｃを示す。時刻ｔ９以降で、キャパシタ電圧Ｖｃの変化分であるキャパシタ電圧変化Ｖｃｉは経時的に低下し、充電電圧変化Ｖｃｊは経時的に上昇している。しかし、充電電圧変化Ｖｃｊの上昇に比べ、キャパシタ電圧変化Ｖｃｉの低下の度合いが大きいので、時刻ｔ９以降において、電圧変化Ｖｃｉ、Ｖｃｊの合成波形は、図５Ｂに示すように緩やかに下降する。その後、図５Ａに示すように、多周期に亘って、キャパシタ電圧Ｖｃのピーク値、平均値が経時的に上昇していく。図５Ａに示すキャパシタ電圧Ｖｃをキャパシタ回路１９からインバータ１５へ供給すると、時刻ｔ９以降で、インバータ１５に入力される入力電力Ｐｉのリップル電力が発生し続ける。但し、時間が経てば、いずれ電力変換装置１１のインピーダンスにより入力電力Ｐｉのリップル電力が低減される。この場合、図２と図３に示すリップル電力のように安定化するまでには、電力変換装置１１の仕様にもよるが、数１０秒程度を要する。したがって、図５Ａに示す起動時の動作を行うと、起動後、直ちにはリップル電力が安定化しない。
【００６０】
これらのことから、電力変換装置１１の起動時に、図４に示す、出力交流電圧Ｖａｃのゼロクロス点Ｖａｃ０で位相が実質的にπ／４ラジアンずれたキャパシタ電圧Ｖｃをキャパシタ回路１９から供給し始めた場合は、入力電力Ｐｉのリップル電力が大きい。また、図５Ａに示す、出力交流電圧Ｖａｃのゼロクロス点Ｖａｃ０検知後、実質的にπ／４ラジアンに相当する待機期間ＴＤ３が経過した時点で、出力交流電圧Ｖａｃに対して位相が実質的にπ／４ラジアンずれたキャパシタ電圧Ｖｃをキャパシタ回路１９から供給し始めた場合でも、入力電力Ｐｉのリップル電力が大きい。
【００６１】
実施の形態１における電力変換装置１１では、インバータ１５の制御回路１５Ａは、起動時に、交流電力における出力交流電圧Ｖａｃのゼロクロス点Ｖａｃ０から所定の待機期間（ＴＤ１、ＴＤ２）が経過した時点で、出力交流電圧Ｖａｃに対して位相が実質的にπ／４ラジアン進むようにずれたキャパシタ電圧Ｖｃをキャパシタ回路１９から供給し始める。所定の待機期間（ＴＤ１、ＴＤ２）は、実質的に出力交流電圧Ｖａｃの位相の２πｎ＋３π／４ラジアンまたは２πｎ＋７π／４ラジアンに相当する期間である（ｎは０以上の整数）その結果、キャパシタ回路１９のキャパシタ１９Ａの初期充電時におけるキャパシタ電圧Ｖｃ（充電電圧変化Ｖｃｊ）の変化方向と、電力変換装置１１の安定駆動時におけるキャパシタ電圧Ｖｃ（キャパシタ電圧変化Ｖｃｉ）の変化方向が合致する。その結果、出力交流電圧Ｖａｃに対して位相が実質的にπ／４ラジアン進むようにずれたキャパシタ電圧Ｖｃがキャパシタ回路１９からインバータ１５へ供給され始めた時点においてほぼ安定駆動時におけるキャパシタ電圧Ｖｃと同等のキャパシタ電圧Ｖｃが供給されて、直ちにリップル電力が安定する。ゆえに、電力変換装置１１では起動後、早期にリップル電力を低減することができる。
【００６２】
（実施の形態２）
図６Ａは本発明の実施の形態２における電力変換装置１１Ｂのブロック回路図である。図６Ａにおいて、図１に示す実施の形態１における電力変換装置１１と同じ部分には同じ参照符号を付す。
【００６３】
実施の形態２における電力変換装置１１Ｂは、図１に示す実施の形態１における電力変換装置１１に、キャパシタ回路１９と電気的に接続された放電回路２５をさらに備える。放電回路２５は、電力変換装置１１Ｂの使用終了時に、キャパシタ回路１９のキャパシタ１９Ａの電荷を早期に放電する。したがって、電力変換装置１１Ｂの再起動時に、キャパシタ１９Ａに電荷が残留している可能性が低減され、より確実に入力電力Ｐｉのリップル電力を低減することができる。
【００６４】
以下、実施の形態２における電力変換装置１１Ｂの詳細な構成について説明する。放電回路２５はキャパシタ回路１９と電気的に接続される。具体的には、放電回路２５はキャパシタ１９Ａの両端に接続される。放電回路２５は、例えば互いに直列に接続された放電抵抗２５Ａとトランジスタからなるスイッチ２５Ｂとからなる直列回路で構成される。スイッチ２５Ｂはインバータ１５の制御回路１５Ａとも電気的に接続される。したがって、スイッチ２５Ｂは制御回路１５Ａによりオンまたはオフの状態に切替される。
【００６５】
次に、電力変換装置１１Ｂの動作について述べる。
【００６６】
まず、実施の形態２における電力変換装置１１Ｂは起動時、および通常動作時は実施の形態１における電力変換装置１１と同様に動作する。
【００６７】
電力変換装置１１Ｂの動作終了時に、制御回路１５Ａはインバータ１５の動作を停止するとともに、放電回路２５のスイッチ２５Ｂをオンにするように動作する。これにより、キャパシタ１９Ａの両端に放電抵抗２５Ａが接続されるので、キャパシタ１９Ａは放電抵抗２５Ａにより急速に放電される。なお、スイッチ２５Ｂはトランジスタに限定されるものではなく、他の半導体スイッチ素子やリレーなど、外部からオン、オフの制御ができるスイッチで構成される。
【００６８】
放電抵抗２５Ａの抵抗値およびキャパシタ１９Ａの容量値は予め制御回路１５Ａのメモリに記憶されている。これらの値から、制御回路１５Ａは放電が完了する放電完了期間を計算することができる。制御回路１５Ａは、スイッチ２５Ｂをオンにしてから、計算された放電完了期間が経過すると、スイッチ２５Ｂをオフにする。このような動作により、キャパシタ１９Ａに蓄積した電荷を急速に放電することが可能となる。
【００６９】
これにより、電力変換装置１１Ｂを再起動する際、キャパシタ１９Ａの電圧やキャパシタ電圧Ｖｃは０Ｖであるので、実施の形態１における電力変換装置１１と同様の動作でリップル電力をより確実に低減することができる。
【００７０】
なお、放電回路２５を備えていない電力変換装置１１では、使用を終了してからキャパシタ１９Ａが自己放電し終わるまでに電荷がキャパシタ１９Ａに残っている。その間に、再起動を行うと、キャパシタ電圧Ｖｃが０Ｖではないので、電力変換装置１１の起動を行っても、キャパシタ電圧Ｖｃが実施の形態１における図２と図３に示した信号からずれる可能性がある。この場合は、キャパシタ電圧Ｖｃが安定化するまでに時間がかかり、その時間リップル電力を低減することができない場合がある。したがって、キャパシタ１９Ａの容量が大きい場合、あるいは、キャパシタ１９Ａの内部抵抗値が大きい場合は、実施の形態２における放電回路２５は有効である。
【００７１】
以上の構成、動作により、電力変換装置１１Ｂの使用終了時に、キャパシタ回路１９のキャパシタ１９Ａの電荷を早期に放電できる。したがって、電力変換装置１１Ｂの再起動時に、キャパシタ１９Ａに電荷が残留している可能性が低減され、より確実にリップル電力の低減を行うことが可能となる。
【００７２】
なお、実施の形態２では、制御回路１５Ａがキャパシタ１９Ａの放電完了期間を計算して求めている。制御回路１５Ａは、放電完了期間を予め求めて記憶してもよい。この場合、制御回路１５Ａが計算をする手間が省けるので、制御が容易になる。
【００７３】
放電回路２５は、インバータ１５の起動までにキャパシタ１９Ａを放電させる。もしくは、放電回路２５は、出力交流電圧Ｖａｃのゼロクロス点Ｖａｃ０から所定の待機期間（ＴＤ１、ＴＤ２）だけ経過した時点までにキャパシタ１９Ａを放電させてもよい。
【００７４】
図６Ｂは実施の形態２における他の電力変換装置１１Ｃのブロック回路図である。図６Ｂにおいて、図６Ａに示す電力変換装置１１Ｂと同じ部分には同じ参照番号を付す。図６Ａに示す電力変換装置１１Ｂでは、放電回路２５はスイッチ２５Ｂと放電抵抗２５Ａの直列回路で構成されている。図６Ｂに示す電力変換装置１１Ｃでは、放電回路２５はスイッチ２５Ｂを有しておらず放電抵抗２５Ａを有する。電力変換装置１１Ｃでは、キャパシタ１９Ａの容量値と放電抵抗２５Ａの抵抗値によりキャパシタ１９Ａの放電が完了する放電完了期間が一義的に決定される。放電完了期間に応じて、電力変換装置１１Ｃの再起動までの期間を規定することができる、制御回路１５Ａは、その期間以内には電力変換装置１１Ｃを再起動しないように動作する。この動作により、スイッチ２５Ｂが不要となり、その制御も不要となるので、回路構成および制御が容易になる。但し、この構成では、放電抵抗２５Ａには常に電流が流れるので、放電抵抗２５Ａの抵抗値を、電力変換装置１１Ｃの効率に大きく影響しない程度に大きくする構成が望ましい。
【００７５】
実施の形態１、２における出力交流電圧Ｖａｃの周波数と実効値の具体的な数値は一例であり、これらの数値に限定されるものではない。
【００７６】
また、実施の形態１、２では、電力変換装置１１、１１Ｂ、１１Ｃは直流電源の直流電圧を交流電圧に変換して出力するが、これに限定されるものではなく、一般的なインバータ回路に適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明にかかる電力変換装置は、起動時のリップル電力を早期に低減できるので、特に直流電力を交流電力へ変換する電力変換装置として有用である。
【符号の説明】
【００７８】
１１，１１Ｂ、１１Ｃ    電力変換装置
１５    インバータ
１９    キャパシタ回路
１９Ａ    キャパシタ
２５    放電回路
Ｖａｃ    出力交流電圧
Ｖａｃ０    ゼロクロス点
Ｖｃ    キャパシタ電圧
【図１】
2014097563.tif 000003
【図２】
2014097563.tif 000004
【図３】
2014097563.tif 000005
【図４】
2014097563.tif 000006
【図５Ａ】
2014097563.tif 000007
【図５Ｂ】
2014097563.tif 000008
【図６Ａ】
2014097563.tif 000009
【図６Ｂ】
2014097563.tif 000010
【図７】
2014097563.tif 000011
【国際調査報告】
2014097563.tif 000012
2014097563.tif 000013