(57)【要約】【課題】  抵抗などの特別な回路が無くても、直列接続された各コンデンサの電圧バランスを所望の範囲に抑えることができ、機器が大幅に小型化できるとともに、抵抗での損失をなくし、省エネルギー化が図れるインバータの制御装置を得る。【解決手段】  三相交流を直流に変換するコンバータ４と直流から交流に変換するインバータ８との間に、複数個直列接続されたコンデンサ５の両端電圧を直流母線として動作させるものにおいて、インバータ装置の始動前に個々のコンデンサを同一の定電圧で充電する予備充電回路１０を備え、インバータ装置の動作中も予備充電回路を動作させるようにしたもの。【選択図】  図１
2005130589.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流を直流に変換するコンバータと直流から交流に変換するインバータとの間に、複数個直列接続されたコンデンサの両端電圧を直流母線として動作させるインバータ装置において、上記インバータ装置の始動前に個々のコンデンサを同一の定電圧で充電する予備充電回路を備え、上記インバータ装置の動作中も上記予備充電回路を動作させることを特徴とするインバータの制御装置。
【請求項２】
予備充電回路の出力電圧は、インバータ装置の動作中、交流電源電圧の整流電圧レベル以下になるように制御することを特徴とする請求項１記載のインバータの制御装置。
【請求項３】
予備充電回路の出力線は、直列接続される各コンデンサの＋ライン、−ラインに１本づつと、各コンデンサの−ライン及び＋ラインの共通線１本とにより配線されることを特徴とする請求項１記載のインバータの制御装置。
【請求項４】
予備充電回路の出力線は、直列接続される各コンデンサにそれぞれ２本づつ配線されることを特徴とする請求項１記載のインバータの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、インバータ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のインバータ制御装置においては、コンデンサ直列体の両端に直流電圧を印可すると漏れ電流に起因するコンデンサ内部の並列抵抗成分の偏差によって、個々のコンデンサの分担電圧がアンバランスになる。そこで、コンデンサ個々に並列にコンデンサの内部並列抵抗より十分小さい分圧抵抗を接続し、コンデンサの漏れ電流に起因する偏差を補正している。この場合、抵抗での損失が大きいため、トランジスタコンプリメンタル接続体と抵抗の組み合わせによる構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２９５０８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のインバータ制御装置では、トランジスタコンプリメンタル接続体と抵抗の組み合わせによる構成の場合、抵抗の損失が小さくてすむものの、コンデンサの静電容量が大きくなると抵抗はより小さい抵抗値を選定する必要が生じ、損失が大きくなる。また、同時にトランジスタの定格電流も大きくする必要がある。その為、機器が大きくなると共に、インバータの始動前にコンデンサを予備充電する予備充電回路の電源容量も大きくなり、予備充電回路の大型化、高コストにつながる。
また、トランジスタを使用しているため、抵抗だけで構成したものに比べ故障率が高くなる。例えば一方のトランジスタがオン故障すると、一方のコンデンサの両端電圧は、２個の抵抗の並列接続により低下する。この時、トランジスタのエミッタ同士の接続点の電圧はトランジスタのベース同士の接続点の電圧よりも高くなるため、今度は他方のトランジスタがオンし続けることになり、トランジスタのコレクタに接続された２個の抵抗ともに常に電流が流れ続け、抵抗及びトランジスタで損失が発生する。この状態では抵抗が大きく、電圧バランス能力が不十分なため、問題である。この異常を検出する必要があるが、その為には更に回路が増え、益々機器の大型化とコスト増を招くことになる。
また、通常、電源電圧がＡＣ４００Ｖ系のときに、コンデンサの定格電圧がＤＣ４００Ｖのものを直列に２個接続して直流母線として使用するが、この場合、トランジスタを構成するＰＮＰトランジスタは、定格電圧４００Ｖ以上、定格電流もコンデンサの静電容量によって大きくなるため、定格を満足するトランジスタは非常に種類が少なく、入手性が悪く、かつ高コストで実現困難であった。  
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は、抵抗などの特別な回路が無くても、直列接続された各コンデンサの電圧バランスを所望の範囲に抑えることができ、機器が大幅に小型化できるとともに、抵抗での損失をなくし、省エネルギー化が図れるインバータの制御装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るインバータの制御装置は、三相交流を直流に変換するコンバータと直流から交流に変換するインバータとの間に、複数個直列接続されたコンデンサの両端電圧を直流母線として動作させるものにおいて、インバータ装置の始動前に個々のコンデンサを同一の定電圧で充電する予備充電回路を備え、インバータ装置の動作中も予備充電回路を動作させるようにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明は、三相交流を直流に変換するコンバータと直流から交流に変換するインバータとの間に、複数個直列接続されたコンデンサの両端電圧を直流母線として動作させるものにおいて、インバータ装置の始動前に個々のコンデンサを同一の定電圧で充電する予備充電回路を備え、インバータ装置の動作中も予備充電回路を動作させるようにしたので、抵抗などの特別な回路が無くても、直列接続された各コンデンサの電圧バランスを所望の範囲に抑えることができる。その為、機器が大幅に小型化できるとともに、抵抗での損失がなくなるため省エネルギー化が図れる。また、予備充電回路の電源容量も小さくてすむ。言い換えれば、同一の電源容量であれば、高速充電が可能となり、例えば待機電力削減のためにインバータの停止中に予備充電回路の動作を停止していて直列接続されたコンデンサの両端電圧が完全に放電されていたとしても、すばやく高速充電が可能で、インバータの始動までの時間が大幅に短縮され、サービスの低下を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．  
図１はこの発明の実施の形態１におけるインバータ制御装置の全体構成図である。
図において、１は三相交流電源、２はノーヒューズブレーカなどの電源投入スイッチ、３は電磁接触器、４は三相交流を直流電源に変換するコンバータで、複数のダイオードの組み合わせからなるダイオードコンバータ、もしくはダイオードとトランジスタの並列接続体を複数個組み合わせてなる高力率のトランジスタコンバータである。５は直流平滑用コンデンサで、コンデンサの耐圧不足を解消するためにコンデンサ６とコンデンサ７の直列接続により構成されている。８は直流から交流に変換するインバータ、９はモーターである。１０は平滑コンデンサ５を予備充電する予備充電回路で、コンデンサ６を充電する第１の充電回路１１とコンデンサ７を充電する第２の充電回路１２とで構成される。予備充電回路１０の配線は、第１の充電回路１１の＋ラインとコンデンサ６の＋ラインを配線する１本と、第２の充電回路１２の−ラインとコンデンサ７の−ラインを配線する１本と、第１の充電回路１１の−ラインと第２の充電回路１２の＋ラインとを共通として直列平滑用コンデンサ５の中間部に配線する１本とにより接続されている。１３は電圧検出回路１４からの信号に基づいて電磁接触器３の開閉などを制御する制御回路である。
また、図２は予備充電回路１０ａ、第１の充電回路１１ａ、第２の充電回路１２ａの内部回路の１例を示す構成図である。第１の充電回路１１ａ及び第２の充電回路１２ａはスイッチング電源技術を用いた絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１６及び１７で構成されている。１５は交流電源を整流する整流ブリッジで、上記ＤＣ／ＤＣコンバータ１６及び１７の入力に直流電圧を供給する。
また、図３は予備充電回路１０ｂ、第１の充電回路１１ｂ、第２の充電回路１２ｂの内部回路の他の例を示す構成図である。第１の充電回路１１ｂ及び第２の充電回路１２ｂは昇圧用の商用トランス１８、１９と、整流ブリッジ２０、２１と、充電電流制限用抵抗２２、２３とによって構成される。
【０００９】
次にこの発明の動作について説明する。ここでは、三相交流電源１がＡＣ４４０Ｖのときを考える。コンデンサ６と７は、三相交流電源ＡＣ４４０Ｖを全波整流した電圧が約ＤＣ６２０Ｖとなるため、その半分にマージンをプラスして、ＤＣ４００Ｖ定格のコンデンサを使用するものとする。電源投入スイッチ２が操作され、制御回路１３が予備充電回路１０へ動作開始指令を出力すると、予備充電回路１０はその内部の第１の充電回路１１と第２の充電回路１２を同時に動作開始し、コンデンサ６と７をそれぞれ所望の電圧に充電する。図２のＤＣ／ＤＣコンバータ方式によれば、図示しない回路を構成するスイッチングトランスの巻数比と回路定数の設定により、任意の電圧に調整できる。ここでは第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１６、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１７ともＤＣ３２５Ｖを出力するように設定されているものとする。コンデンサ６と７はＤＣ／ＤＣコンバータの持つ保護機能である出力制限機能によって定まる充電カーブでＤＣ３２５Ｖに到達するまで電圧が上昇していくことになる。電圧検出回路１４はコンデンサ６と７の直列体の両端電圧を検出しチェックしており、電磁接触器３を投入しても突入電流が流れない電圧、例えばＤＣ６２０Ｖまで上昇したことを検出したとき、電磁接触器３を投入し、インバータを始動できる状態にする。予備充電の目的は、電磁接触器３を投入するときの突入電流抑制であり、本来ならば、電磁接触器３の投入以降は充電回路動作を停止した方が、充電回路経由でインバータに電力が供給されて、充電回路が過負荷になることを防止できるという観点では好ましい。しかしこの発明では、電磁接触器３の投入以降も予備充電回路の動作指令を継続して出力する。これにより、インバータの動作中に、コンデンサの漏れ電流に起因するコンデンサ内部並列抵抗成分の偏差によって、コンデンサ６と７の分担電圧がアンバランスになって、一方のコンデンサ、例えばコンデンサ６の両端電圧がＤＣ３２５Ｖを下回った場合には、予備充電回路１１から電力が供給されることにより、コンデンサ６は瞬時にＤＣ３２５Ｖに充電される。結果として、コンデンサ６と７は両方とも常にＤＣ３２５Ｖ以上に確保されることになり、コンデンサが定格ＤＣ４００Ｖを上回るのは、母線電圧がＤＣ７２５Ｖ(＝ＤＣ３２５Ｖ＋ＤＣ４００Ｖ)を越える場合のみである。通常母線電圧は、コンバータ４がダイオードコンバータの場合、交流電源電圧の整流電圧、例えばＡＣ４４０Ｖであれば約ＤＣ６２０ＶでＤＣ７２５Ｖを越えることは無い。またコンバータ４がトランジスタコンバータの場合は、所望の母線電圧に昇圧可能であるが、母線電圧をＤＣ７２５Ｖ以下に制御してやれば、コンデンサ６及び７は、上記の通り定格４００Ｖを越えることはない。
また、トランジスタコンバータの場合には、常に母線電圧を一定、例えばＤＣ７００Ｖに制御できるので、予備充電回路１０の出力がＤＣ６５０Ｖ(＝ＤＣ３２５Ｖ＋ＤＣ３２５Ｖ)のとき、予備充電回路１０から電力が供給されるのは、コンデンサ６と７の電圧分担がアンバランスになって、一方の電圧がＤＣ３２５Ｖを下回った場合のみであり、不必要に電力消費することは無い。一方、ダイオードコンバータの場合には、母線電圧が交流電源電圧に応じて変化し、例えばＡＣ４４０Ｖのときには、約ＤＣ６２０Ｖとなるため、予備充電回路出力がＤＣ６５０Ｖに設定されるときには、予備充電回路からいつもインバータに電力が供給されることになる。図２において、出力制限機能を適切に設定することにより特に問題が生じることは無いが、省エネルギーの観点からはあまり好ましくない。
ダイオードコンバータの場合には、電磁接触器３の投入後は、予備充電回路の出力電圧を、交流電源電圧の整流電圧よりも下げてやることにより、予備充電回路の不必要な電力消費を回避することができる。
また、ダイオードコンバータの場合、母線電圧が交流電源電圧に応じて変化し、予備充電回路出力が突入電流防止の為交流電源電圧の整流レベルよりも高く設定されるときには、インバータ動作中、予備充電回路からいつもインバータに電力が供給されることになり、不必要な電力消費が発生するため、これを回避することができる。
以上の構成として、予備充電回路１０を電磁接触器３の投入後も動作させることにより、電圧バランス用の抵抗など、特別な回路が不要になる。抵抗での損失が大幅に低減でき、機器の小型化と低損失化が図れる。また予備充電回路１０にとっても、抵抗が無くなる分負荷が軽くなり、コンデンサの予備充電を高速化できる。これにより、インバータが長時間動作しない場合に、インバータの電源を遮断して待機モードに以降していた場合、必要が生じて電源を再投入した場合に、インバータの始動までの時間が早くなり、サービス低下を招くことなく、省エネが実現できる。
尚、上記の説明では図２の方式を例に挙げて説明したが、図３の場合にも基本的に同様の効果が得られる。異なる点は、図２のＤＣ／ＤＣコンバータ方式が回路定数の変更や電気的な切換えで容易に出力電圧を変更できるのに対し、図３の場合は昇圧用の商用トランス１８、１９の昇圧比で定まる整流電圧で充電される。また、図２は入力電圧が変化しても出力は常に一定に保てるのに対し、図３の場合は入力電圧が変化すれば、同じ比率で変化する。さらに図２がスイッチング制御回路によって出力制限機能をもったり、容易に出力を停止できるのに対し、図３の場合は制限抵抗２２、２３により電流制限をもつのみであり、出力を停止するには、交流側もしくは直流側に半導体スイッチを追加する必要がある。（例えば、特開２００１−２６１２４５号公報参照）
【００１０】
実施の形態２．  
図４はこの発明の実施の形態２におけるインバータ制御装置の全休構成図である。
図において、１〜１４は実施の形態１と同様なものであるが、予備充電回路１０の出力がコンデンサ６と７の直列接続体からなる直流平滑用コンデンサ５に対し、４本配線されており、第１の充電回路１１から２本、第２の充電回路から２本配線されている。
【００１１】
次にこの発明の動作にについて説明する。電源投入スイッチ２が操作されてから、予備充電回路の通常の動作については変わりなく、電圧バランス機能を有することは、上記実施の形態１と同じである。ここでは、予備充電回路１０の故障、配線の外れや接触不良が発生した場合の動作について説明する。図１の予備充電回路の配線では、第１の充電回路１１の−ラインと、第２の充電回路１２の＋ラインが共通線となりコンデンサ５に配線されているので、この配線の外れや接触不良が発生しても、電圧検出回路１４で検出される母線電圧は見かけ上、正常である。よって、実施の形態１で説明した電圧バランス機能が働かない状態にあるにもかかわらず、この異常を検出できないことになる。尚、第１の充電回路１１もしくは第２の充電回路１２が出力停止した場合には、電圧検出回路１４の電圧が所定値まで上昇しないため、制御回路１３で異常を認識できる。
これに対し、図４の実施の形態２においては、第１の充電回路１１の−ラインと第２の充電回路１２の＋ラインがコンデンサ５に対し独立に配線されているので、この２本の配線が同時に外れたり接触不良に至らない限り、電圧検出回路１４の電圧チェックにより、制御回路１３で異常を認識することができる。
以上の構成により、電圧バランス機能が動作しない異常状態が認識されないまま、インバータが動作し続けることがないため、信頼性の高いインバータ装置が実現できる。
予備充電回路の出力線が、何らかの原因で外れたり、接触不良を起こした場合や、予備充電回路自体が故障して出力を停止した場合に、直列接続されたコンデンサの両端電圧の電圧をチェックすることにより、容易に異常を検出できる。故障が認識されないまま、インバータが動作を続けることが無いため、信頼性の高いインバータ装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１におけるインバータ装置の全体構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１におけるインバータ装置の予備充電回路の一例を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１におけるインバータ装置の予備充電回路の他の例を示す構成図である。
【図４】この発明の実施の形態２におけるインバータ装置の全体構成図である。
【符号の説明】
【００１３】
１  三相交流電源
２  電源投入スイッチ
３  電磁接触器
４  コンバータ
５  直流平滑用コンデンサ
６、７  コンデンサ
８  インバータ
９  モーター
１０  予備充電回路
１１、１１ａ、１１ｂ  第１の充電回路
１２、１２ａ、１２ｂ  第２の充電回路
１３  制御回路
１４  電圧検出回路
１５、２０、２１  整流ブリッジ
１６、１７  絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ
１８、１９  昇圧用の商用トランス
２２、２３  充電電流制限用抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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