(57)【要約】【課題】電流に応じて適切なタイミングでスイッチングを行うことにより、電流波形の歪みを改善することのできる電力変換装置を提供することを目的とする。【解決手段】三相交流電源の各相線に接続されたリアクトル１２と、三相整流器１３の直流端子間に、直列接続される２つの平滑コンデンサ１４ａ，１４ｂと、各リアクトル１２の出力端に一端が接続され、２つの平滑コンデンサ１４ａ，１４ｂの中点に他端が接続される各相に対応して設けられたスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３と、スイッチング制御部１５とを備え、スイッチング制御部１５が、各相の電圧波形のゼロクロス点を０度とした場合に−３０度以上＋６０度以下の角度範囲内における所定の角度範囲で、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をスイッチングするとともに、各相において、直前の半波電流波形の最大振幅に応じて前記所定の角度範囲を変化させる電力変換装置１０を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流電源から出力された三相交流電圧を整流して直流電圧に変換する電力変換装置であって、
前記三相交流電源の各相線に接続されたリアクトルと、
前記リアクトルから出力される交流電圧を整流する三相整流器と、
前記三相整流器の直流端子間に、直列接続される２つの平滑コンデンサと、
各前記リアクトルの出力端に一端が接続され、２つの前記平滑コンデンサの中点に他端が接続される各相に対応して設けられたスイッチング素子と、
各相の電圧波形のゼロクロス点を０度とした場合に、−３０度以上＋６０度以下の角度範囲内における所定の角度範囲で、前記スイッチング素子のスイッチングを行うスイッチング制御手段と
を備え、
前記スイッチング制御手段は、各相において、直前の半波電流波形の最大振幅に応じて前記所定の角度範囲を変化させる電力変換装置。
【請求項２】
前記スイッチング制御手段は、前記０度以上６０度未満の範囲においては、電流の出力可能な最大振幅と該最大振幅に対応する角度範囲とを保有しており、前記最大振幅に対する電流振幅の計測値の比率に基づいて前記角度範囲を決定する請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記スイッチング制御手段は、−３０度以上０度未満の角度範囲においては、電流波形のゼロクロス点を予測し、予測したゼロクロス点の位置においてスイッチングを行う請求項１または請求項２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、例えば、三相交流電圧を整流して直流電圧に変換する電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
三相交流電圧を整流して直流電圧に変換する電力変換装置として、三相ブリッジ接続された６個のダイオードからなる三相整流回路と、三相整流回路の直流出力端子間に接続された平滑コンデンサとを備える構成が一般的に使用されている。
従来、このような電力変換装置においては、電流波形に含まれる高調波を抑制する方法として、例えば、特許文献１および特許文献２に開示される方法が提案されている。
【０００３】
特許文献１には、三相交流電源の各相に４個のダイオードが単相ブリッジ接続されてなる単相整流回路を接続し、この単相直流回路の直流出力端子間に半導体スイッチング素子を設け、半導体スイッチング素子を各相電圧のゼロクロス点の前後における約３０度以上６０度未満の期間でオンオフさせることにより、入力電流に含まれる高調波成分の抑制効果などを得ることが開示されている。
【０００４】
特許文献２には、一般的なパッシブ方式として知られる三相全波整流回路において、三相交流電源の各相を短絡させる短絡スイッチを設け、各相のゼロクロス点から所定の遅延時間をおいて短絡スイッチをオンさせ、所定の時間後にオフさせることで、入力電流に含まれる高調波成分の抑制効果および電源力率改善効果を得ることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１８２４４１号公報（図２、図３）
【特許文献２】国際公開第２００５／００６５３１号（図６、図７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示されている方法では、電流波形にかかわらずに一律にスイッチングを行っているため、電流の状況に応じて適切なタイミングでスイッチングを行うことができなかった。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、電流に応じて適切なタイミングでスイッチングを行うことにより、各相電圧のゼロクロス点の前後における電流波形の歪みを改善することのできる電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、三相交流電源から出力された三相交流電圧を整流して直流電圧に変換する電力変換装置であって、前記三相交流電源の各相線に接続されたリアクトルと、前記リアクトルから出力される交流電圧を整流する三相整流器と、前記三相整流器の直流端子間に、直列接続される２つの平滑コンデンサと、各前記リアクトルの出力端に一端が接続され、２つの前記平滑コンデンサの中点に他端が接続される各相に対応して設けられたスイッチング素子と、各相の電圧波形のゼロクロス点を０度とした場合に−３０度以上＋６０度以下の角度範囲内における所定の角度範囲で、前記スイッチング素子のスイッチングを行うスイッチング制御手段とを備え、前記スイッチング制御手段は、各相において、直前の半波電流波形の最大振幅に応じて前記所定の角度範囲を変化させる電力変換装置を提供する。
【０００９】
本発明によれば、各相の電圧波形のゼロクロス点を０度とした場合に、−３０度以上＋６０度以下の角度範囲内における所定の角度範囲で各相に対応して設けられたスイッチング素子がオンされ、更に、上記所定の角度範囲が各相における直前の半波電流波形の最大振幅に応じて決定されるので、そのときどきの電流の状況に応じて適切な角度範囲を設定することができる。これにより、電流が過剰に増加されることや電流増加量が不足することを回避することができ、電流波形の歪みを効果的に改善させることが可能となる。
【００１０】
上記電力変換装置において、前記スイッチング制御手段は、前記０度以上６０度未満の範囲においては、電流の出力可能な最大振幅と該最大振幅に対応する角度範囲とを保有しており、前記最大振幅に対する電流振幅の計測値の比率に基づいて前記角度範囲を決定することとしてもよい。
【００１１】
このように、直前の最大振幅に対する電流振幅の計測値の比率に基づいて角度範囲を決定するので、その時々の電流の増減に応じて適切な角度範囲を決定することができる。
【００１２】
上記電力変換装置において、前記スイッチング制御手段は、−３０度以上０度未満の角度範囲においては、電流波形のゼロクロス点を予測し、予測したゼロクロス点の位置においてスイッチングを行うこととしてもよい。
【００１３】
このように、電流波形のゼロクロス点を予測し、予測したゼロクロス点の位置においてスイッチング素子をオンさせるので、過剰な回数でオンオフすることなく電流波形の歪みを緩和することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電流に応じて適切なタイミングでスイッチングを行うことにより、各相電圧のゼロクロス点の前後における電流波形の歪みを改善することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る電力変換装置を適用したモータ駆動装置の概略構成を示した回路図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るスイッチング素子のオンオフタイミングを説明するための図である。
【図３】スイッチングを行う角度範囲の決定方法について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明に係る電力変換装置をモータ駆動装置に適用した場合の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態における電力変換装置１０を適用したモータ駆動装置の概略構成を示した回路図である。図１に示すように、本実施形態に係る電力変換装置１０は、三相交流電源１１からの三相交流電力を整流することにより直流電力に変換するものである。図１に示したモータ駆動装置において、電力変換装置１０によって直流に変換された電力は、インバータ２０によって３相交流電力に再度変換され、モータ３０に供給される。これにより、モータ３０が駆動される。
【００１７】
電力変換装置１０は、三相交流電源１１の各相線（Ｒ相、Ｔ相、Ｓ相）に接続されたリアクトル１２と、各リアクトル１２から出力される交流電圧を整流する三相整流器１３と、三相整流器１３の直流出力端子間に、直列接続される２つの平滑コンデンサ１４ａ、１４ｂとを備えている。三相整流器１３は、三相ブリッジ接続された６個のダイオードを備える。更に、電力変換装置１０は、各相（Ｒ相、Ｔ相、Ｓ相）に対応して、各リアクトル１２の出力端に一端が接続され、２つの平滑コンデンサ１４ａ，１４ｂの中点に他端が接続されるスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が設けられている。スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のスイッチングは、スイッチング制御部１５に制御される。スイッチング素子ＳＷ１はＲ相に対応し、スイッチング素子ＳＷ２はＴ相に対応し、スイッチング素子ＳＷ３はＳ相に対応している。三相交流電源１１から出力される各相の電圧のゼロクロスおよび電流は、電圧検出部１６、電流検出部１７によりそれぞれ検出される。検出された電圧のゼロクロスの信号および計測電流は、スイッチング制御部１５に入力される。
【００１８】
なお、図１では、電力変換装置１０の構成を主に示したものであり、インバータ２０の内部構成、インバータ２０を制御する制御装置並びにインバータ２０の制御に必要とされる各種センサなどは省略されており、また、これらの説明も省略するものとする。
【００１９】
次に、スイッチング制御部１５によるスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のオンオフタイミングについて図２を参照して説明する。
図２は、Ｒ相の電流波形の一例とスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のオンオフタイミングを各相電圧と対応させて示した図である。
【００２０】
図２に示すように、本実施形態に係るスイッチング制御部１５は、各相の電圧波形のゼロクロス点を０度とした場合に、−３０度以上＋６０度以下の角度範囲内における所定の角度範囲で、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のスイッチングを行う。図２において、パルスがオンの状態においてスイッチング素子がオンされ、パルスがオフの状態でスイッチング素子がオフされる。
各相の電圧波形に対するスイッチング素子のオンオフタイミングとの関係は同じであることから、以下の説明においては、Ｒ相に対応するスイッチング素子ＳＷ１を代表例として説明する。
【００２１】
スイッチング制御部１５は、Ｒ相の電圧波形における―３０度以上０度未満の角度範囲において所定のタイミングで１回スイッチング素子ＳＷ１をオンさせるとともに、０度以上６０度以下の所定角度範囲において所定回数（本実施形態では３回）スイッチング素子ＳＷ１をオンさせる。
【００２２】
まず、−３０度以上０度未満の角度範囲においては、スイッチング制御部１５は電流検出部１７から入力される計測電流に基づいて、電流波形における次のゼロクロス点を予測する。ゼロクロス点は、直前の半周期または１周期における電流波形の最大振幅などに基づいて予測される。スイッチング制御部１５は、次のゼロクロス点を予測すると、予想したゼロクロス点のタイミングでスイッチング素子ＳＷ１を１回オンさせる。スイッチング素子ＳＷ１がオンされることにより、Ｒ相に流れる電流は増加するため、実際のゼロクロス点は予測したゼロクロス点よりも遅れて現れることとなる。
【００２３】
次に、電圧波形における０度以上６０度以下の角度範囲については、直前の半波電流波形の最大振幅に応じてスイッチング素子ＳＷ１をオンオフ制御させる所定の角度範囲を変化させる。例えば、スイッチング制御部１５は、電流の出力可能な最大振幅と該最大振幅に対応する角度範囲とを保有しており、最大振幅に対する電流振幅の計測値の比率に基づいて０度以上６０度以下の範囲内における所定の角度範囲を決定する。
【００２４】
例えば、今、仮に、図１に示したモータ駆動装置において、電流の出力可能な最大振幅が３０Ａと規定されていた場合、３０Ａとこれに対応する角度範囲（例えば、０度以上６０度未満）とを対応付けて保有している。そして、図３に示すように、直前の半波電流波形の最大振幅が１０Ａであった場合には、最大振幅３０Ａと直前の最大振幅１０Ａとの比率に基づいて角度範囲を決定する。この場合には、振幅が３分の１となっているため、角度範囲も６０度の３分の１とされ、スイッチング素子ＳＷ１をオンオフさせる所定の角度範囲は０度以上２０度未満と決められる。
【００２５】
スイッチング制御部１５は、このようにして角度範囲を決定すると、決定した角度範囲において３回パルスをオンさせる。このとき、パルス幅については、角度範囲と予め設定されているパルス数とに応じて設定される。具体的には、角度範囲をパルス数で除算した値に設定する。この場合、角度範囲が狭くなるほど、パルス幅も狭く設定されることとなる。このようにすることで、角度範囲とパルス幅とのバランスを保つことができる。
【００２６】
なお、パルス幅については上記態様に限定されない。例えば、３回のパルスにおいて、各パルス幅を変化させることとしてもよい。図２では、最初のパルスの幅を他のパルスの幅よりも広めに設定した場合を示している。このようにすることで、過剰な回数でオンオフすることなく、電流波形の歪みを緩和することが可能となる。
【００２７】
そして、上述のように、各相において電圧波形のゼロクロス点が訪れるたびに、すなわち、半周期毎に、−３０度以上６０度以下の角度範囲においてスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のオンオフ制御が行われることにより、電流波形における歪みを改善させることが可能となる。
【００２８】
以上、説明してきたように、本実施形態に係る電力変換装置１０によれば、各相の電圧波形のゼロクロス点を０度とした場合に、−３０度以上＋６０度以下の角度範囲内における所定の角度範囲で各相に対応して設けられたスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３がオンオフ制御され、更に、上記所定の角度範囲が各相における直前の半波電流波形の最大振幅に応じて決定されるので、そのときどきの電流の状況に応じて適切な角度範囲を設定することができる。これにより、電流が過剰に増加されることや電流増加量が不足することを回避することができ、電流波形の歪みを効果的に改善させることが可能となる。
【符号の説明】
【００２９】
１０  電力変換装置
１１  三相交流電源
１２  リアクトル
１３  三相整流器
１４ａ，１４ｂ  平滑コンデンサ
１５  スイッチング制御部
１６  電圧検出部
１７  電流検出部
２０  インバータ
３０  モータ
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３  スイッチング素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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