(57)【要約】【課題】大電流負荷と小電流負荷とに電流を供給するコンデンサ入力型整流回路の負荷の過電流状態を雷サージ電流の影響を受けないようにして検出する。【解決手段】整流回路（９）の出力端子に接続したプラス側直流母線（１２）とマイナス側直流母線（１３）の間に第１の入力コンデンサ（７）を、第１の入力コンデンサのプラス側端子（１６）とマイナス側直流母線との間にダイオード（１０）を介して第２の入力コンデンサ（８）を取り付ける。第１の入力コンデンサのプラス側端子とプラス側直流母線を結ぶ配線に第１の入力コンデンサの放電電流が所定のしきい値を超えたことを検出して過電流検出信号を出力する過電流検出回路（１１）を取り付ける。大電流負荷にはプラス側直流母線とマイナス側直流母線の間から電流を供給し、小電流負荷には第２の入力コンデンサの両端から電流を供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大電流負荷と小電流負荷とに電流を供給するコンデンサ入力型整流回路であって、
交流電力を直流電力に変換する整流回路（９）と、
該整流回路の出力端子に接続したプラス側直流母線（１２）とマイナス側直流母線（１３）との間に接続した第１の入力コンデンサ（７）と、
該第１の入力コンデンサのプラス側端子（１６）から前記プラス側直流母線に流れる電流が所定のしきい値を超えたことを検出して過電流検出信号を出力する過電流検出回路（１１）と、
前記第１の入力コンデンサのプラス側端子と前記マイナス側直流母線との間からダイオード（１０）を介して充電を受ける第２の入力コンデンサ（８）と、を備え、
前記大電流負荷には前記プラス側直流母線とマイナス側直流母線から電流を供給し、前記小電流負荷には前記第２の入力コンデンサの両端から電流を供給するように構成したことを特徴とする過電流検出機能を備えたコンデンサ入力型整流回路。
【請求項２】
請求項１に記載のコンデンサ入力型整流回路の前記大電流負荷としてインバータ回路（４）を、前記小電流負荷として該インバータ回路を制御する制御装置（６）を接続し、前記過電流検出回路の出力する過電流検出信号を前記制御装置に与え、該制御装置は前記過電流検出信号を受けた場合には前記インバータ回路を構成するスイッチング素子を全てＯＦＦ状態とするように構成したことを特徴とするインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大電流負荷と小電流負荷とに電流を供給するコンデンサ入力型整流回路に関し、特に大電流負荷の異常に起因する過電流状態を誤動作することなく検出できる機能を備えた整流回路、及びそれを用いたインバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電力を直流電力に変換する整流回路の出力側に平滑コンデンサを接続したコンデンサ入力型整流回路は、回路構成が簡単なことから各種の電気機器に広く採用されている。このようなコンデンサ入力型整流回路には、整流回路を構成する整流素子や負荷側回路を構成する回路素子を過電流から保護するため、負荷異常に起因する過電流状態を検出して警報信号を出力するものがある。
【０００３】
図５は、そのような負荷の異常に起因する過電流を検出する機能を備えたコンデンサ入力型整流回路を直流電源部に採用したインバータ装置の回路例である。このインバータ装置５１は、商用電源５２から供給される交流電力をコンデンサ入力型整流回路５３により直流電力に変換し、それをインバータ回路５４にて所定周波数、所定電圧の交流電力に変換してモータ５５に供給するものである。
【０００４】
このコンデンサ入力型整流回路５３は大電流を必要とするインバータ回路５４と、そのインバータ回路５４のスイッチング動作を制御する制御回路５６との２つの負荷に電流を供給する。そのために内部に２つの入力コンデンサ（平滑コンデンサ）５７、５８を備える。第１の入力コンデンサ５７には、整流回路５９で整流された脈動を含む直流電流が直接に入力される。第２の入力コンデンサ５８には、整流回路５９の出力に接続したダイオード６０を通った電流が入力される。
【０００５】
第１の負荷であるインバータ回路５４には第１の入力コンデンサ５７の両端から電流が供給され、第２の負荷である制御回路５６には第２の入力コンデンサ５８の両端から電流が供給される。このようにダイオード６０により分離した第２の入力コンデンサ５８から制御回路５６に電流を供給しているのは、制御回路５６には小電流ではあるが第１の入力コンデンサ５７の両端電圧よりも脈動の少ない平滑された電圧を供給するためである。
【０００６】
このようなインバータ装置５１では、モータ５５が例えば短絡事故を起こして過電流が流れると、整流回路５９を構成する整流素子やインバータ回路５４を構成するスイッチング素子が破壊することがある。これを防止するためにコンデンサ入力型整流回路５３からインバータ回路５４に流れる電流を監視する過電流検出回路６１を取り付けてあり、過電流を検出して制御回路５６に知らせるようにしてある。過電流検出回路６１が過電流検出信号を制御回路５６に出力すると、制御回路５６はインバータ回路５４内のスイッチング素子を全てＯＦＦ状態として過電流が流れるのを阻止する。それにより整流回路５９やインバータ回路５４を構成する素子は過電流による破壊から免れる。
【０００７】
この過電流検出回路６１はインバータ回路５４に流れる過電流を検出することを目的としているため、本来はコンデンサ入力型整流回路５３の出力端子６４とインバータ回路５４の入力端子６５との間に取り付ければよい。しかしインバータ回路５４には大電流が流れるため、そのような位置に取り付ける場合には大電流を検出できる過電流検出回路が必要となる。それを避けるため図５の回路では、第１の入力コンデンサ５７の充放電電流を検出できる位置に過電流検出回路６１を取り付けている。第１の入力コンデンサ５７の充放電電流は、インバータ回路５４に流れる電流より小さい。従って、このような位置に取り付ければ、過電流検出回路６１として小電流検出用の回路を採用することができる。
【０００８】
過電流検出回路６１を図５に示す個所に取り付けた回路構成の下でインバータ回路５４に過電流が流れた場合には、第１の入力コンデンサ５７から大きな放電電流が短時間であるが流出する。従って、その放電電流の大きさを監視していれば過電流状態の発生を検出することができる。放電電流の大きさから過電流状態を検出するため、過電流検出回路６１は第１の入力コンデンサ５７の放電電流だけを検出し、その充電電流は検出しない回路構成にされている。
【０００９】
ところで、このようなインバータ装置５１が稼働している時に、雷その他の原因によりサージ電流が商用電源５２に載る場合がある。ＩＥＣ等の規定は雷サージによる誤動作を防止することを要求している。商用電源５２に載った雷サージは整流回路５９で整流されて直流のサージ電流を発生させる。そして、図５の矢印６６、６７で示したような経路を通って第１、第２の入力コンデンサ５７、５８を充電する。雷サージ電流は立ち上がりが速く継続期間の短い波形である。このため配線やモータ５５のインダクタンスに妨げられるためインバータ回路５４には僅かしか流れない。
【００１０】
第２の入力コンデンサ５８には電圧の平滑度を上げるため通常、大きな容量の電解コンデンサが使用される。電解コンデンサは周波数特性が悪く内部抵抗が高い。そのため第２の入力コンデンサ５８は、雷サージ電流によって高い電圧まで充電されることはない。
【００１１】
一方、第１の入力コンデンサ５７には容量が比較的小さくて周波数特性の良いフィルムコンデンサが使用されることがある。コンデンサレス・インバータ装置と呼ばれるインバータ装置がその例である。
【００１２】
第１の入力コンデンサ５７として容量が小さく周波数特性の良いコンデンサが使用してあると、雷サージ電流によりコンデンサは高い電圧に充電される。第１の入力コンデンサ５７に充電された電荷は雷サージ電流が止むと図６中の矢印で示す２つの経路６８、６９を通って放電する。経路６８は低い充電電圧の第２の入力コンデンサ５８を充電する経路であり、経路６９はインバータ回路５４に流れて放電する経路である。過電流検出回路６１は、２つの経路を通る電流を加算した電流を第１の入力コンデンサ５７の放電電流として検出する。
【００１３】
第２の入力コンデンサ５８は、前述したように大容量とされることが多い。このため第２の入力コンデンサ５８を充電する電流は大きな値となる。この充電電流が大きいと、過電流検出回路６１が検出する第１の入力コンデンサ５７の放電電流の値も大きくなる。その放電電流の値が過電流検出回路６１の過電流検出しきい値を超えると、過電流検出回路６１は過電流検出信号を出力させてしまう。この場合の過電流検出信号は、負荷であるインバータ回路５４あるいはモータ５５の異常によるものではない。
【００１４】
このように図５、図６に示したような従来の過電流検出機能付きコンデンサ入力型整流回路５３では、負荷回路に異常が発生していない場合でも雷サージなどによるサージ電流が流れた場合に過電流検出信号を誤って出力させてしまう問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明はこのような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その課題は、大電流負荷と小電流負荷とに電流を供給するコンデンサ入力型整流回路であって、雷サージ電流の影響を受けず、大電流負荷の異常に起因する過電流状態のみを誤動作なく検出できる機能を備えた整流回路、及びそれを用いたインバータ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、大電流負荷と小電流負荷とに電流を供給するコンデンサ入力型整流回路であって、交流電力を直流電力に変換する整流回路（９）と、整流回路の出力端子に接続したプラス側直流母線（１２）とマイナス側直流母線（１３）との間に接続した第１の入力コンデンサ（７）と、その第１の入力コンデンサのプラス側端子からプラス側直流母線に流れる電流が所定のしきい値を超えたことを検出して過電流検出信号を出力する過電流検出回路（１１）と、第１の入力コンデンサのプラス側端子（１６）とマイナス側直流母線との間からダイオード（１０）を介して充電を受ける第２の入力コンデンサ（８）とを備え、大電流負荷にはプラス側直流母線とマイナス側直流母線から電流を供給し、小電流負荷には第２の入力コンデンサの両端から電流を供給するように構成したことを特徴とする過電流検出機能を備えたコンデンサ入力型整流回路である。
【００１７】
このような構成のコンデンサ入力型整流回路では、大電流負荷に異常が発生して過電流が流れた場合には、第１の入力コンデンサから大きな放電電流が短時間流れる。過電流検出回路は第１の入力コンデンサの放電電流を常時、監視しているのでその放電電流が所定のしきい値を超えたことを検出して過電流検出信号を出力することができる。この回路構成の場合、過電流検出回路は第１の入力コンデンサの放電電流を検出しており、この放電電流の値は大電流負荷に流れる電流より小さい。従って、過電流検出回路の電流検出部分に少ない小さい電流を検出する回路部品、例えば、小電流用の電流変成器を使用できる利点がある。
【００１８】
また、この回路構成の場合、雷サージ等のサージ電流により第１の入力コンデンサが高い電圧に充電された場合、その後の放電過程では過電流検出回路は大電流負荷に流れる放電電流のみを検出し、第２の入力コンデンサに放電する電流は検出しない。従って、過電流検出回路が雷サージ等に起因する放電電流を大電流負荷の異常に起因する過電流と誤判定する恐れが少なくなる効果を奏する。
【００１９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のコンデンサ入力型整流回路の大電流負荷としてインバータ回路（４）を、小電流負荷として該インバータ回路を制御する制御装置（６）を接続し、過電流検出回路の出力する過電流検出信号を制御装置に与え、制御装置は過電流検出信号を受けた場合にはインバータ回路を構成するスイッチング素子を全てＯＦＦ状態とするように構成したことを特徴とするインバータ装置である。
【００２０】
このような構成のインバータ装置は請求項１に記載の発明と同様の効果を奏する。また、過電流検出信号が出力されると制御装置はインバータ回路を構成するスイッチング素子を全てＯＦＦ状態としてその負荷に流れる電流を遮断する。従って、インバータ回路や整流回路を構成する回路素子が過電流により破壊されることが防止される効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る過電流検出機能を備えたコンデンサ入力型整流回路、及びそれを直流電源部に採用したインバータ装置の一実施形態について図１に示す構成図を参照して説明する。
【００２２】
本実施形態のインバータ装置１は、過電流検出機能を備えたコンデンサ入力型整流回路３と、インバータ回路４と、そのインバータ回路４のスイッチング動作を制御する制御回路６を備える。
【００２３】
コンデンサ入力型整流回路３は、商用電源２から供給される交流電力を直流電力に変換してインバータ回路４と制御回路６とに供給する直流電源回路である。インバータ回路４はコンデンサ入力型整流回路３から供給された直流電力をスイッチングして交流電力に変換し、その負荷であるモータ５に供給する。インバータ回路４はモータ５を駆動する回路であるためその駆動には大きな電力を必要とする。インバータ回路４としては、例えば図２に示すような６個のスイッチング素子で構成した周知のフルブリッジ回路を用いる。
【００２４】
制御回路６はインバータ回路４を構成する各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦタイミングを制御する、いわゆるゲート駆動回路である。制御回路６はインバータ回路４より所定周波数、所定電圧の交流電力を出力されるようにＯＮ／ＯＦＦタイミングを制御する。制御回路６は少ない電力しか必要としないが、インバータ回路４の出力周波数、出力電圧を精度良く制御する必要から電圧変動の少ない電力を必要とする。
【００２５】
コンデンサ入力型整流回路３は、整流回路９、第１の入力コンデンサ７、第２の入力コンデンサ８、ダイオード１０、過電流検出回路１１を備えて構成してある。整流回路９は、例えばダイオードで構成したブリッジ回路で、商用電源２から供給される交流電力を整流して直流電力に変換する。整流回路９の出力端子にはプラス側直流母線１２とマイナス側直流母線１３が接続してある。
【００２６】
第１の入力コンデンサ７は、プラス側直流母線１２とマイナス側直流母線１３との間に接続してある。第１の入力コンデンサ７のプラス側端子１６とマイナス側直流母線１３との間には、第２の入力コンデンサ８とダイオード１０との直列回路が第２の入力コンデンサ８をマイナス側直流母線１３側にして接続してある。第２の入力コンデンサ８はダイオード１０を通った電流により充電を受ける。
【００２７】
過電流検出回路１１は、プラス側直流母線１２と第１の入力コンデンサ７のプラス側端子１６とをつなぐ配線部分に取り付けてある。この過電流検出回路１１は、第１の入力コンデンサ７のプラス側端子１６からプラス側直流母線１２に向けて流れる放電電流を監視し、その値が所定のしきい値を超えた場合に過電流検出信号Ｖｏを出力する回路である。過電流検出信号Ｖｏは制御回路６に入力されている。制御回路６は過電流検出信号Ｖｏを受けるとインバータ回路４を構成する全てのスイッチング素子をＯＦＦ状態としてモータ５への電流供給を停止する。
【００２８】
図３は、過電流検出回路１１の構成例である。この過電流検出回路１１は変流器３１、２個のダイオード３２、３３、抵抗３４、コンパレータ３５により構成してある。変流器３１の出力端にはダイオード３２と、ダイオード３３と抵抗３４との直列回路とが並列に接続してある。第１の入力コンデンサ７から放電電流Ｉが流れるとダイオード３３を通って電流が抵抗３４に流れ、放電電流Ｉに比例した電圧が抵抗３４の両端に発生する。抵抗３４の両端電圧はコンパレータ３５に入力され、所定のしきい値電圧Ｖrefと比較される。
【００２９】
抵抗３４の両端電圧がしきい値電圧Ｖrefを超えると、コンパレータ３５は過電流検出信号Ｖoを出力する。第１の入力コンデンサ７に充電電流（−Ｉ）が流れる時ときには、変流器３１が検出した電流はダイオード３２を流れる。この時、ダイオード３３には流れないため抵抗３４の両端電圧はゼロとなる。このような構成により過電流検出回路１１は、第１の入力コンデンサ７の放電電流Ｉが所定の値を超えた場合にのみ過電流検出信号Ｖoを出力する。
【００３０】
次に、インバータ装置１の全体動作について説明する。通常の動作状態では、商用電源２から供給される交流電力は整流回路９で整流され、出力である脈動のある直流電流Ｉａは第１の入力コンデンサ７、第２の入力コンデンサ８を充電する。同時にプラス側直流母線１２からインバータ回路４に向けて電流Ｉｄが供給される。第１の入力コンデンサ７を充電する方向に流れる電流をＩｂ、ダイオード１０を通って第２の入力コンデンサ８を充電する電流をＩcとする。
【００３１】
インバータ回路４に流れる電流Ｉｄの値は大きいため、第１の入力コンデンサ７だけではプラス側直流母線１２とマイナス側直流母線１３との間の直流電圧を十分には平滑化できない。このためその電圧、即ち、第１の入力コンデンサ７の充電電圧は脈動を含む波形となる。第１の入力コンデンサ７に流れ込む電流Ｉbは、その電圧脈動に同期して流れ方向が正負に反転を繰り返す。正負に反転を繰り返す電流Ｉbの大きさは、インバータ回路４に流れる電流Ｉｄより小さい。従って、第１の入力コンデンサ７の放電電流（−Ｉb）の大きさを監視する過電流検出回路１１の変流器３１は、電流容量の小さいもので済む。
【００３２】
第２の入力コンデンサ８は、その充電電圧が第１の入力コンデンサ７の充電電圧より低い間のみダイオード１０を通った電流Ｉcにより充電を受ける。第２の入力コンデンサ８の容量は、制御回路６に脈動の少ない安定した電圧を供給するために大きな値にしてある。従って、第２の入力コンデンサ８の充電電圧は、第１の入力コンデンサ７の充電電圧のピーク値に近い電圧となっている。制御回路６はその脈動の少ない直流電圧の供給を受けてインバータ回路４を精度良く制御する。
【００３３】
一方、インバータ回路４は、プラス側直流母線１２とマイナス側直流母線１３との間から脈動の大きい直流電圧の供給を受け、それをスイッチングして交流電圧に変換してモータ５に供給する。脈動の大きい直流電圧をスイッチングして交流電圧に変換した場合には、出力される交流電圧の振幅は通常、脈動する波形となる。しかし、コンデンサレス・インバータと呼ばれるインバータ装置では、供給される脈動を含む直流電圧の値を検出し、その値に基づいてインバータ回路４のスイッチングタイミングを制御して脈動の影響を受けない振幅一定の交流電圧を出力させる。そのようなインバータ装置では、第２の入力コンデンサ８に小容量で周波数特性の良いコンデンサが使用される。
【００３４】
以上は、インバータ装置１の通常の動作である。次に、モータ５が過負荷あるいは短絡等の異常を生じてインバータ回路４に過電流が流れた場合を説明する。この場合、インバータ回路５に流れる電流Ｉdは急激に増加して過電流が流れる。その大きな過電流を供給するため第１の入力コンデンサ７は急激に放電し、大きな放電電流（−Ｉｂ）を プラス側直流母線１２に供給する。放電電流（−Ｉｂ）は、過電流検出回路１１によって常時、監視されている。
【００３５】
前述したようにその放電電流（−Ｉｂ）が所定のしきい値を超えると、過電流検出回路１１は過電流検出信号Ｖoを出力する。過電流検出信号Ｖoは制御回路６に送られ、それを受けた制御回路６はインバータ回路４内の全てのスイッチング素子をＯＦＦ状態とする。これによりモータ５への電流供給が停止され過電流は止まる。過電流が止まることによってインバータ回路４内のスイッチング素子や整流回路９内の整流素子は過電流による破壊を免れる。
【００３６】
次に、商用電源２に雷サージのような立ち上がりが速く、継続時間の短いサージ電圧が載った場合を説明する。雷サージ電圧も整流回路９により整流されて直流のサージ電流となり、通常の場合と同様に第１、第２の入力コンデンサ７、８を充電する。雷サージ電流は立ち上がりが速く継続期間の短い波形であるため配線やモータ５のインダクタンスに妨げられる。このためインバータ回路４には僅かしか流れない。
【００３７】
また、第２の入力コンデンサ８には、平滑度を上げるため大きな容量の電解コンデンサが使用されることが多い。電解コンデンサは周波数特性が悪く内部抵抗が高い。そのため第２の入力コンデンサ８は、雷サージ電流によって高い電圧まで充電されることはない。
【００３８】
一方、第１の入力コンデンサ７には、容量が比較的小さくて周波数特性の良いフィルムコンデンサが採用されることがある。前述するコンデンサレス・インバータ装置がその例である。こうしたことから第１の入力コンデンサ７は雷サージ電流により高い電圧に充電される。
【００３９】
本実施形態のインバータ装置１では、雷サージ電流が止むと第１の入力コンデンサ７に充電された電荷は、図４中の矢印で示す２つの経路２１、２２を通って放電する。経路２１は低い充電電圧の第２の入力コンデンサ８を充電する経路であり、経路２２はインバータ回路４に流れて放電する経路である。経路２２を流れる放電電流は過電流検出回路１１によって放電電流として検出されるが、経路２１を流れる放電電流は過電流検出回路１１には検出されない。
【００４０】
「背景技術」で説明した従来回路の場合には、図６で説明したように雷サージ電流により第１の入力コンデンサ５７を充電された電荷は、全て過電流検出回路６１に検出される経路を通って放電する。これに対して本実施形態の図１、図４に示すインバータ装置１では、第２の入力コンデンサ８を充電する経路２１で放電する電流は過電流検出回路１１によって検出されず、インバータ回路４に流れて放電する経路２２の電流のみが過電流検出回路１１によって検出される。従って、過電流検出回路１１が検出する放電電流の値は従来回路に比べて小さくなり、その値が過電流と判定するしきい値を超える可能性は低くなる。
【００４１】
このようにして本実施形態のインバータ装置１によれば、雷サージが生じたとしても過電流検出回路１１が負荷の異常に起因する過電流であるとの誤った過電流信号を出力することをなくすことができる。即ち、雷サージによる過電流検出回路１１の誤動作を防止することができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態に係るインバータ装置１の構成図である。
【図２】インバータ回路４の構成例である。
【図３】過電流検出回路１１の構成例である。
【図４】第１の入力コンデンサ７の放電電流の経路を説明する図である。
【図５】従来技術に係る図１相当図である。
【図６】従来技術に係る図４相当図である。
【符号の説明】
【００４３】
図面中、１はインバータ装置、３はコンデンサ入力型整流回路、４はインバータ回路、６は制御装置、７は第１の入力コンデンサ、８は第２の入力コンデンサ、９は整流回路、１０はダイオード、１１は過電流検出回路、１２はプラス側直流母線、１３はマイナス側直流母線、１６はプラス側端子を示す。
【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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