(57)【要約】【課題】高価なＤＣＣＴを用いることなく、安価なＣＴにて力率の良好な力率補正形直流電源装置を提供することにある。【解決手段】交流入力電圧計測値をＡ／Ｄ変換した入力電圧値のゼロクロス点にて、交流入力電流計測値をＡ／Ｄ変換した入力電流値を補正することで、安価なＣＴ等を用いて交流入力電流を計測する場合において、交流入力電流にアンバランスが生じＣＴ出力の０点がずれても、安定した制御が行える力率補正形直流電源装置である。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流入力電圧計測値をＡ／Ｄ変換した入力電圧値により、交流入力電流計測値をＡ／Ｄ変換した入力電流値を補正し、交流入力電圧の０点と交流入力電流の０点とが一致するよう前記入力電流を制御することを特徴とする力率補正形直流電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電力を直流電力に高力率で変換する力率補正形直流電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
交流電力を高力率で直流電力に効率よく変換する力率補正形直流電源装置については種々の提案がなされている。
【０００３】
その中で、高い入力力率を得るためにゼロクロスのタイミングでスイッチを制御する技術が特許文献１に開示されている。
【０００４】
また、入力電流を検出し、その波形のバランスを調整することで力率を改善する提案が特許文献２に記載されている。
【０００５】
また、ゼロクロスコンバータで電圧と電流の位相差を補正して力率の影響を防いだ交流電力計と電力量計とが特許文献３に開示されている。この技術は変流器と電流検出器出力の位相差を補正するのに、初めに同位相に調整した後、デジタル的に補正するものである。
【０００６】
更に、交流電流のゼロクロス点を検出した時点がゼロとなるように調整する技術が特許文献４に開示されている。この技術はＣＴ出力をデジタル化し、その信号によりゼロクロス点を検出し補正するものである。
【０００７】
これらの先行技術には一長一短がり、新たなより良い提案が待たれている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１３７１６８号公報
【特許文献２】特開２００２−０９５２４３号公報
【特許文献３】特開２００５−１３４２１０号公報
【特許文献４】特開２００３−１２１４７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
力率補正形直流電源装置においては交流電圧の正弦波の波形と交流電流の波形とが相似であれば力率は１となる。そこで、電圧波形と電流波形とが同じ正弦波になるよう制御して力率を１に近づけている。しかし、力率を１に近づけるには力率補正形直流電源装置に使用されている素子のばらつき等による影響が無視できない。特にかかる電源装置にＦＥＴからなるスイッチ素子が使用されていると、個々のＦＥＴには一般にＯＮ抵抗やスイッチング時間にばらつきがあり、交流電流の＋側と−側とのバランスを崩すことがある。このため、ＣＴを交流電流計測用としてもちいた場合、０点が実際の０点とずれてしまう。直流変流器（以下ＤＣＣＴという）を用いることで０点のずれは生じなくなるが、ＤＣＣＴは一般に高価であり、電源装置の価格を高騰させる原因となる。
【００１０】
このような素子のばらつき等による問題点を解消するために、本発明の目的は、高価なＤＣＣＴを用いることなく、力率の良好な力率補正形直流電源装置を提供することにある。
【００１１】
より具体的には本発明は、交流入力電圧の極性反転点によりＣＴからの交流入力電流測定値を補正（制御）することにより、ＣＴのアンバランス問題を解決し、安定した力率補正形直流電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の力率補正形直流電源装置は、交流入力電圧計測値をＡ／Ｄ変換した入力電圧値により、交流入力電流計測値をＡ／Ｄ変換した入力電流値を補正し、交流入力電圧の０点と交流入力電流の０点とが一致するよう前記入力電流を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、高価なＤＣＣＴを用いることなく、力率の安定した力率補正形直流電源装置を安価に提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の一実施形態である力率補正形直流電源装置の回路を図１に示す。
【００１５】
図１に示す力率補正形直流電源装置（以下単に電源装置ということもある。）１は交流電源１０から入力した交流電流を直流電流として取り出す電源装置である。
【００１６】
図１において、交流電源１０に接続する一方の端子Ｔ１１はリアクトル１１に接続し、リアクトル１１の出力はダイオード１３及びＦＥＴ１４に接続されている。交流電源１０の他方の端子Ｔ１２は交流入力電流測定用トランス２２（以下単にＣＴ２２ということがある）を経てダイオード１５及びＦＥＴ１６に接続されている。ダイオード１３及び１５の出力は＋側直流負荷端子Ｔ１３に接続されている。ＦＥＴ１４及び１６のソースは−側直流負荷端子Ｔ１４に接続されている。直流負荷端子Ｔ１３、Ｔ１４の間にはコンデンサ１７が接続されている。直流負荷端子Ｔ１３、Ｔ１４には機器１８の端子Ｔ１５、Ｔ１６が接続され、前記ＦＥＴ１４及び１６のドレインと機器端子Ｔ１６との間には直流電流センサー２４が接続されている。
【００１７】
図１に示す直流電源装置１において、交流電源１０の交流入力電圧は端子Ｔ１１と端子Ｔ１２との間に挿入した交流入力電圧測定用トランス２１（以下単にＰＴ２１ということがある）により計測する。また、交流入力電流は端子Ｔ１２とダイオード１５及びＦＥＴ１６との間に挿入したＣＴ２２により計測する。また、直流出力電圧は端子Ｔ１３、Ｔ１４間に挿入した電圧計２３で計測し、直流出力電流は前記直流電流センサー２４で計測する。計測された交流入力電圧、交流入力電流、直流出力電圧、直流出力電流の値は制御回路３０に出力され、これらの計測値により該制御回路３０は、該制御回路３０にゲートが接続のＦＥＴ１４、１６を制御する。
【００１８】
制御回路３０には、交流入力電圧、交流入力電流、直流出力電圧、直流出力電流が入力され、これらの入力値に基づき制御回路３０は機器１８に対し、機器１８が要求する直流出力電圧および制限電流以下の一定した直流出力電流を供給するように前記ＦＥＴ１４、１６のゲートに信号を付与し、これらＦＥＴを制御する。
【００１９】
このＦＥＴ制御にあたって制御回路３０は交流入力電圧と交流入力電流との波形が相似形となるよう制御することで高い交流入力力率を得る。
【００２０】
図２は電源装置１を制御する制御回路３０を示すブロック図である。このブロック図に示すように、
１．端子Ｔ１３、Ｔ１４間で直流出力電圧を計測し、計測した値を目標電圧値と比較し、その差をＰＩ制御３１に入力する。なお、目標電圧値は機器１８により決まる電圧値である。
２．直流電流センサー２４により直流電流を計測し、計測した値を制限電流値と比較し、その差をＰＩ制御３２に入力する。なお、目標電流値は機器１８により決まる電流値である。
３．次いでＰＩ制御３１の値と、ＰＩ制御３２との値を比較器３３で比較し、高い方の値を乗算器３４に入力する
４．乗算器３４は比較器３３から入力した値とＰＴ２１で計測した交流入力電圧とを掛算する。掛算した結果は比較器３５に入力される。
５．比較器３５では乗算器３４からの値とＣＴ２２で計測した交流入力電流とを比較し、その結果をＰＩ制御３６に入力し、その値をパルス幅変調回路３７に入力する。
６．パルス幅変調回路３７で変調された結果は前記ＦＥＴ１４、１６を制御する。なお、交流電源１０とパルス幅変調回路３７との間には極性判別器３８が設けられ、該極性判別器３８はＦＥＴ１４とＦＥＴ１６のどちらに信号を与えるかを判断する。
【００２１】
上述した制御回路３０は図３に示すように交流電圧波形と交流電流波形とが相似形となるよう制御する。交流電源１０から目的とする直流出力電圧を得るために、乗算器３４で直流出力電圧と直流出力電流の高い方と交流入力電圧との掛算を行う。即ち、直流電圧が目標電圧である場合には直流出力電圧と交流出力電圧との掛算を行い、同様に、指定の電流以上の電流が流れた場合は直流出力電流と交流入力電圧との掛算を行い、前記ＦＥＴ１４、１６を制御することにより入力力率の向上を図り、出力電圧、電流の制御を行う。
【００２２】
図４は交流電源からの電圧、電流を直流電圧、直流電流に変換したときの目標電圧と制限電流を示すもので、制限電流以上の電流が機器１８に流れることを禁止し、目標電圧で出力されるように制御回路３０が上述したように両ＦＥＴ１４、１６を制御する。
【００２３】
上述した力率補正形直流電源装置１において、正常な状態では交流電圧波形と交流電流波形とは図３に示すように両者は相似形となっており、力率は１に近い状態にある。即ち、図示するように正常状態では交流電圧波形と交流電流波形とは相似形となり、時間軸において交流電圧の極性反転点（ゼロクロス点）と交流電流の正負反転点（ゼロクロス点）は一致する。
【００２４】
しかし、前記図１に示す電源装置１においては、図５に示すように、交流入力電流において＋側の電流が−側の電流より小さくなることがあり、交流入力電流の波形がずれることがある。この原因は電源装置１のＦＥＴ１４、１６が素子固有のバラツキや入力・出力の過度変動等により、交流入力電流の＋側と−側とで電流値が等しくならないためである。このように交流入力電流の＋側と−側との電流値が等しくならないとＣＴ２２の出力０点は実際の０点と異なった値となり正常な制御が行えなくなり、場合によってはＦＥＴ１４、１６を損傷してしまうことになる。
【００２５】
本発明は交流入力電流測定値を交流入力電圧がゼロクロスしたときに交流入力電流測定値を補正（制御）し、安価なＣＴで安定した制御が行える電源装置である。以下、その補正方法につき詳細に説明する。
【００２６】
図６はＰＴ２１で測定した交流入力電圧の極性が変化する０点の時間軸と、ＣＴ２２で測定した出力電流の正負が反転する０点とのバランスが崩れた状態を示している。図６（１）はＰＴ２１への交流入力電圧の波形、同（２）はＣＴ２２への交流入力電流の波形、同（３）はＣＴ２２から出力された交流電圧の波形、同（４）は前記ＣＴ２２から出力された交流電流の波形のずれを示すものである。これらの図から明らかなように交流入力電圧の０点と交流出力電流の０点とがずれている。このように交流出力電流の０点がずれる（変化する）ことで正常な力率補正形直流電源の制御が行えなくなる。
【００２７】
前記図６に示すように、−側の電流が＋側の電流より大きい場合、ＣＴ２２への入力に対し、その出力に接続された抵抗に発生する電圧は、トランス自体が磁気による結合で交流信号のみしか伝達しないことにより入力電流の０点の位置と抵抗に発生する０点の電圧位置がずれてしまう。このように０点がずれてしまうと正常な制御が行えなくなってします。
【００２８】
本実施形態では、ＣＴによる０点のずれ（変化）を補正して正常な制御を行うものである。
【００２９】
図７は０点補正の工程を、図８はその工程を制御するＣＰＵが内蔵するメモリに記載のソフトウェアのフローを示す図である。
【００３０】
ステップ１
ＰＴ２１で交流電圧を測定する。また、ＣＴ２２で交流電流を測定する。更に、直流電圧を電圧計２３で測定する。
【００３１】
ステップ２
測定した交流電圧値を図７に示すようにＡ／Ｄコンバータ７１でＡ／Ｄ変換しＣＰＵ７０へ出力する。この値をＸとする。また。測定した交流電流値をＡ／Ｄコンバータ７２で変換しＣＰＵ７０へ出力する。この値をＹとする。同時に測定した直流電圧をＡ／Ｄコンバータ７３でＡ／Ｄ変換しＣＰＵ７０へ出力する。なお、直流電圧を測定しＣＰＵへ出力するのは、目的とする直流出力電圧となるようＣＰＵが電圧をコントロールするためである。
【００３２】
ステップ３
測定した値Ｘの極性が変化したとき（Ｘ＝０）ステップ４に進み、それ以外のときにはステップ６に進む。
【００３３】
ステップ４
ステップ２で測定した値Ｙを値Ｚとして記憶する。そして、ステップ２で測定した値Ｙが０点（Ｚ）に位置すると仮定する。
【００３４】
ステップ５
ステップ２で測定の値Ｙを０とする。ＣＰＵ７０はステップ５で値Ｙを０と置き換える、即ちＺの位置を０点として０点補正を行う。そして再びデータを読み込む。
【００３５】
ステップ６
ステップ３で値Ｘの極性が変化しないときは、値Ｙを新しいＹに書き換えてＹとするが、その際値Ｚが記憶されている場合は、その値Ｚを差し引き、Ｙ＝Ｙ−Ｚを計算して新しい値Ｙとする。そして再びデータを読み込む。
【００３６】
このようにＣＰＵ７０が交流出力電流の波形を補正することにより、電源装置１が安定して交流電力から直流電力に変換でき、負荷（機器１８）へ電流を供給することができる。
【００３７】
図９は本実施形態の電源装置１で測定した交流出力電圧に対する交流出力電流の波形図である。図９（１）は交流電圧波形図であり、同（２）は本発明を適用せず、即ち補正機能のない状態での交流出力電流の波形図、同（３）は本実施形態の補正機能を備えた状態での交流出力電流の波形図である。
【００３８】
この図から明らかなように、図９（２）では理想とする０点（０Ａ）がずれており力率が低下している状態となっているのに対し、同（３）に示す本実施形態の補正機能を備えた電源装置では０点（０Ａ）が理想の点にあり、力率の低下がないことを示している。
【００３９】
以上詳細に説明したように、本発明は交流入力電流にアンバランスが生じ、磁気結合方式電流測定用ＣＴの出力の０点が変化しても、電圧ゼロクロスにより容易に補正することができる力率補正形直流電源装置を提供することができる、優れた効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】一実施形態の直流電源装置を示す回路図である。
【図２】直流電源装置における制御回路を示す説明図である。
【図３】交流入力電圧と交流入力電流の波形を示す図である。
【図４】機器に対する目標とする直流電圧と制限直流電流との関係を示すグラフである。
【図５】交流入力電圧と交流入力電流の波形を示す図である。
【図６】交流入力電圧と交流入力電流、交流入力電圧測定トランスで計測の交流電圧、交流入力電流測定トランスで計測した交流入力電流の波形を示す波形図である。
【図７】交流出力電流の波形を制御する過程を示す説明図である。
【図８】交流出力電流波形を補正する工程を示すフローチャートである。
【図９】（１）は交流入力電圧の波形図、（２）は従来の電源装置における交流入力電流測定用ＣＴで計測した交流入力電流の波形図、（３）は本実施形態における交流入力電流測定用ＣＴで実測した交流入力電流の波形図である。
【符号の説明】
【００４１】
１      力率補正形直流電源装置（電源装置）
１０    交流電源
１１    リアクトル
１３    ダイオード
１４    ＦＥＴ
１５    ダイオード
１６    ＦＥＴ
１７    コンデンサ
１８    機器
２１    交流入力電力測定用トランス（ＰＴ）
２２    交流入力電流測定用トランス（ＣＴ）
２３    電圧計
２４    直流電流センサー
３０    制御回路
３１    ＰＩ制御
３２    ＰＩ制御
３３    比較器
３４    乗算器
３５    比較器
３７    パルス幅変調回路
３８    極性判別器
７０   ＣＰＵ
７１    コンバータ
７２    コンバータ
７３    コンバータ
Ｔ１１  端子
Ｔ１２  端子
Ｔ１３  端子
Ｔ１４  負荷端子
Ｔ１５  端子
Ｔ１６  機器端子
【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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