(57)【要約】【課題】入力電圧を検出するのみの簡単なフィードフォワード制御構成によって、主回路電流が流れるトランスを１つにすることができ、入力電流の高力率化、及び小型化を図ることができるリアクトル装置を得る。【解決手段】整流装置の出力電圧を検出し、検出電圧を出力する電圧検出回路３と、検出電圧から交流成分を抽出するフィルタ回路４と、検出電圧の交流成分を増幅する電圧増幅回路５と、直流母線１００に主巻線９が接続され、電圧増幅回路５の出力側に補助巻線１０が接続されるトランス６とを備え、電圧増幅回路５は、補助巻線１０に流れる電流を検出することによって主巻線９に流れる電流を検出し、主巻線９を流れる電流の大きさに応じて補助巻線１０に流れる電流を制御し、整流装置の出力電圧の交流成分と同程度の交流電圧を主巻線９の端子間に発生させるものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
整流装置とコンデンサとの間の直流母線に挿入されるリアクトル装置であって、
前記整流装置の出力電圧を検出し、検出電圧を出力する電圧検出回路と、
前記検出電圧から交流成分を抽出するフィルタ回路と、
前記検出電圧の交流成分を増幅する電圧増幅回路と、
前記直流母線に一次側巻線が接続され、前記電圧増幅回路の出力側に二次側巻線が接続されるトランスとを備え、
前記電圧増幅回路は、前記二次側巻線に流れる電流を検出することによって前記一次側巻線に流れる電流を検出し、前記一次側巻線を流れる電流の大きさに応じて前記二次側巻線に流れる電流を制御し、前記出力電圧の交流成分と同程度の交流電圧を前記一次側巻線の端子間に発生させることを特徴とするリアクトル装置。
【請求項２】
前記電圧増幅回路は、前記二次側巻線に流れる電流が予め設定した上限値より大きい場合、電圧増幅動作を停止することを特徴とする請求項１に記載のリアクトル装置。
【請求項３】
前記電圧増幅回路は、前記二次側巻線に流れる電流が予め設定した上限値より大きい場合、前記整流装置に停止信号を送出することを特徴とする請求項１または２に記載のリアクトル装置。
【請求項４】
前記電圧増幅回路は、前記検出電圧の交流成分の大きさに応じて前記上限値を調整することを特徴とする請求項２または３に記載のリアクトル装置。
【請求項５】
前記電圧増幅回路は、前記二次側巻線に流れる電流が予め設定した下限値より小さい場合、電圧増幅動作を停止することを特徴とする請求項１に記載のリアクトル装置。
【請求項６】
前記電圧増幅回路は、前記電圧検出回路が前記出力電圧を検出し始めてから所定期間、電圧増幅動作を停止することを特徴とする請求項１に記載のリアクトル装置。
【請求項７】
前記電圧増幅回路を構成する半導体素子は、珪素よりバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体で形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のリアクトル装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載のリアクトル装置、前記コンデンサ、および前記コンデンサに接続されるインバータを備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
前記コンデンサは、フィルムコンデンサまたはセラミックコンデンサであること特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記リアクトル装置、前記コンデンサ、および前記インバータは、１つの筐体に実装されることを特徴とする請求項８または９に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、交流電圧から整流された直流電圧に含まれるリプル電圧を低減するリアクトル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のリアクトル装置においては、主巻線と鉄心と補助巻線とを有するトランスと、このトランスの補助巻線に接続され、任意の電圧を発生するチョッパ回路とから構成され、電流検出用トランスを用いて整流回路の直流出力電流を検出し、チョッパ回路から任意の電圧波形をトランスの補助巻線に注入することによって、直流出力電圧が安定するようにトランスの主巻線の巻線電圧を調整している（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２７２１１３号公報（第６−７頁、第４、５図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のリアクトル装置では、電流検出用トランスを用いて負荷電流の高周波電流を検出し、トランスを用いて負荷電流による磁束を打ち消す方向に電流を印加する構成であり、過電流時など異常負荷時のトランスの鉄心の磁気飽和を防ぐことはできるが、トランスのインダクタンス値の大きさ自体は変わらないため小型化が望めないという問題点があった。また、高調波電流を検出するための電流検出用トランスが別途必要であり、この電流検出用トランスにも負荷電流が流れるため、主回路電流を流すトランスが２つ、あるいはトランスとリアクトルとが一つずつ必要となってしまうという問題点があった。
【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、入力電圧を検出するのみの簡単なフィードフォワード制御構成によって、主回路電流が流れるトランスを１つにすることができ、入力電力の高力率化、および小型化を図ることができるリアクトル装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るリアクトル装置は、整流装置とコンデンサとの間の直流母線に挿入されるリアクトル装置であって、整流装置の出力電圧を検出し、検出電圧を出力する電圧検出回路と、検出電圧から交流成分を抽出するフィルタ回路と、検出電圧の交流成分を増幅する電圧増幅回路と、直流母線に一次側巻線が接続され、電圧増幅回路の出力側に二次側巻線が接続されるトランスとを備え、電圧増幅回路は、二次側巻線に流れる電流を検出することによって一次側巻線に流れる電流を検出し、一次側巻線を流れる電流の大きさに応じて二次側巻線に流れる電流を制御し、出力電圧の交流成分と同程度の交流電圧を一次側巻線の端子間に発生させるものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係るリアクトル装置は、整流装置とコンデンサとの間の直流母線に挿入されるリアクトル装置であって、整流装置の出力電圧を検出し、検出電圧を出力する電圧検出回路と、検出電圧から交流成分を抽出するフィルタ回路と、検出電圧の交流成分を増幅する電圧増幅回路と、直流母線に一次側巻線が接続され、電圧増幅回路の出力側に二次側巻線が接続されるトランスとを備え、電圧増幅回路は、二次側巻線に流れる電流を検出することによって一次側巻線に流れる電流を検出し、一次側巻線を流れる電流の大きさに応じて二次側巻線に流れる電流を制御し、出力電圧の交流成分と同程度の交流電圧を一次側巻線の端子間に発生させるので、入力電圧を検出するのみの簡単なフィードフォワード制御構成によって、主回路電流が流れるトランスを１つにすることができ、入力電力の高力率化、及び小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１におけるリアクトル装置の構成図である。
【図２】この発明の実施の形態３におけるリアクトル装置の構成図である。
【図３】この発明の実施の形態４における電力変換装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１におけるリアクトル装置の構成図である。図１において、三相交流電源１の交流電力は整流回路であるダイオードブリッジ２に入力され、ダイオードブリッジ２によって三相交流電源１の交流電圧が直流電圧に整流される。整流された直流電圧がリアクトル装置２１に入力され、整流された直流電圧に含まれるリプル電圧がリアクトル装置２１によって打ち消され、コンデンサ７や抵抗などの負荷８には、リプル電圧のない直流電圧が印加される。ダイオードブリッジ２とコンデンサ７との間の直流母線１００には負荷電流（主回路電流）が流れる。
【００１０】
リアクトル装置２１は、整流回路であるダイオードブリッジ２とコンデンサ７との間の直流母線１００に挿入され、ダイオードブリッジ２で整流された直流電圧に含まれるリプル電圧を低減するものである。リアクトル装置２１は、電圧検出回路３、フィルタ回路４、電圧増幅回路５、トランス６、および電流検出器１１によって構成される。トランス６は、直流母線１００に直列接続される一次側巻線である主巻線９と電圧増幅回路５の出力側に接続される二次側巻線である補助巻線１０とを有している。主巻線９を流れる電流は、負荷電流（直流母線１００を流れる電流）と同じである。
【００１１】
電圧検出回路３は、直流母線１００の母線電圧であるダイオードブリッジ２の出力電圧Ｖ１を検出し、出力電圧Ｖ１の電圧振幅を１／Ｎ倍し、検出した電圧値である検出電圧Ｖ２をフィルタ回路４に出力する。フィルタ回路４は、ダイオードブリッジ２の出力電圧から出力電圧の交流成分を抽出するものであり、検出電圧Ｖ２を受け、検出電圧Ｖ２の交流成分Ｖ３を抽出し、交流成分Ｖ３を電圧増幅回路５に出力する。電圧増幅回路５は、交流成分Ｖ３を受け、交流成分Ｖ３を増幅し、トランス６の補助巻線１０の端子間電圧Ｖ４が交流成分Ｖ３のＮ倍になるように補助巻線１０の端子間電圧を制御する。電流検出器１１は、補助巻線１０に流れる電流を検出し、検出した電流値を電流検出信号１２として電圧増幅回路５へ出力する。
【００１２】
本実施の形態において、トランス６の主巻線９と補助巻線１０との巻き数比は１：１の関係である場合を想定するが、巻き数比は１：１に限定されるものではない。電圧増幅回路５は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などの半導体スイッチング素子にて構成され、半導体スイッチング素子のスイッチングによって出力電圧を調整する回路、またはスイッチング素子のゲート電圧もしくはベース電流を調整し出力電圧を調整するレギュレーション回路で構成される。
【００１３】
電圧増幅回路５は、電流検出器１１を用いて補助巻線１０に流れる電流を検出することによって主巻線９に流れる電流を検出する。そして、電圧増幅回路５は、主巻線９を流れる電流の大きさに応じて補助巻線１０に流れる電流を制御し、トランス６の補助巻線１０の両端に端子間電圧Ｖ４を発生させ、トランス６の主巻線９の両端に注入電圧Ｖ５を発生させる。これにより、ダイオードブリッジ２の出力電圧Ｖ１の交流成分と同程度の大きさの交流電圧が注入電圧Ｖ５としてトランス６の主巻線９の両端に発生する。このため、直流母線１００のリプル電圧が打ち消され、コンデンサ７や負荷８にはリプル電圧のない直流電圧が印加され、入力電力を高力率化することができる。
【００１４】
このように、電圧検出回路３にて母線電圧である出力電圧Ｖ１を１／Ｎ倍にして検出し、検出された検出電圧Ｖ２をフィルタ回路４にかけて交流成分Ｖ３を抽出し、この交流成分Ｖ３を電圧増幅回路５にてＮ倍し、主巻線９が負荷８と直列になるように接続されたトランス６にて母線電圧の電圧変動が打ち消される方向に注入電圧Ｖ５が印加される。注入電圧Ｖ５が印加されることによって、コンデンサ７や負荷８にはリプル電圧が除去された直流電圧が印加される。この場合、リプル電圧を除去するための制御に用いる情報はダイオードブリッジ２の出力電圧Ｖ１のみであり、電流に関する情報は一切不要である。このため、簡単な制御回路によって三相交流電源１における高調波電流を低減し、整流回路であるダイオードブリッジ２のリプル電圧を低減できるという効果が得られる。
【００１５】
また、トランス６は、従来のリアクトル装置において使用されていたＤＣリアクトルではなくトランスを使用することができるので、小形の巻線により構成されたトランスを使用することができる。主巻線９や補助巻線１０の巻き数を調節することによって起磁力を調整し、トランス６のコア（鉄心）に発生する磁束を調整することができるので、トランス６のコアの断面積を小さくするように調整することができる。つまり、トランス６の巻線の巻き数およびコアの形状を最適化することによって、トランス６の大きさを小形化することができる。
【００１６】
なお、ダイオードブリッジ２のリプル電圧を低減できるので、コンデンサ７として容量が小さいフィルムコンデンサやセラミックコンデンサ等を適用してもよい。
【００１７】
ところで、電流検出器１１を用いてトランス６の補助巻線１０を流れる電流値を検出し、電流値を電流検出信号１２として電圧増幅回路５へ出力している。三相交流電源１の電源電圧が同じであれば、直流母線１００の母線電圧の変動が大きくなったり、直流母線１００に接続されている負荷８の負荷電流が大きくなったりすると、補助巻線１０を流れる電流が大きくなる。このため、電流検出器１１で補助巻線１０を流れる電流値を検出し、この電流値が電流検出信号１２として電圧増幅回路５に出力されることによって、電圧増幅回路５が直流母線１００の負荷電流の大きさを把握することができる。このことを利用して、例えば、電圧増幅回路５は、補助巻線１０に流れる電流が過電流検出のために予め設定した上限値より大きくなった場合には、負荷電流が過電流であると判断し、電圧増幅動作を停止する。これにより、過電流による電圧増幅回路５の破壊を防ぐことができる。なお、電圧増幅回路５は、検出電圧Ｖ２の交流成分Ｖ３の大きさに応じて上限値を調整してもよい。これにより、過電流検出に柔軟に対応することができる。
【００１８】
また、電圧増幅回路５は、補助巻線１０に流れる電流が過電流検出のために予め設定した上限値より大きくなった場合には、負荷電流が大きくなり、負荷電流が過電流であると判断し、ダイオードブリッジ２や三相交流電源１に停止信号を送出する。停止信号を受けて、ダイオードブリッジ２の動作を停止したり、三相交流電源１の出力を停止したりする。これにより、過電流による負荷８、ダイオードブリッジ２、および電圧増幅回路５の破壊を防ぐことができる。なお、本実施の形態では、整流装置としてダイオードブリッジ２を想定しているが、停止信号を受けて整流動作を停止させるために、このダイオードブリッジ２に停止信号を受けて機械的もしくは電気的に出力を遮断することのできる装置をつけてもよい。また、ダイオードブリッジの代わりに、外部信号によりオン・オフをすることができる半導体素子により構成され、停止信号を受けて整流動作を停止できる整流装置を用いてもよい。
【００１９】
また、三相交流電源１の電源電圧が大きくなった場合には、電圧増幅回路５の出力電流が大きくなるが、電圧増幅回路５は交流成分Ｖ３の値より三相交流電源１の電源電圧の大きさを推測することができるため、交流成分Ｖ３および電流検出信号１２から直流母線１００を流れる負荷電流の大きさを把握することができる。
【００２０】
さらに、電圧増幅回路５は、電圧増幅回路５の出力電流が予め設定した下限値より小さい場合には、直流母線１００のリプル電圧が小さく、コンデンサ７や負荷８の許容電流以下であると判断し、電圧増幅動作を停止することもできる。電圧増幅動作を停止することによって、電圧増幅回路５における損失を低減することができる。なお、負荷電流の大きさを交流成分Ｖ３の値から推定することができるので、交流成分Ｖ３を検出して交流成分Ｖ３の値から負荷が大きくなり直流母線１００のリプル電圧が大きくなった判断すると、電圧増幅回路５の電圧増幅動作を再開する。
【００２１】
以上のように、このように構成されたリアクトル装置２１は、入力電圧を検出するのみの簡単なフィードフォワード制御構成によって、負荷電流が流れるトランスを１つにすることができ、入力電力の高力率化、および小型化を図ることができる。
【００２２】
実施の形態２．
実施の形態１において、電圧検出回路３は、母線電圧であるダイオードブリッジ２の出力電圧Ｖ１を検出し、出力電圧Ｖ１の電圧振幅を１／Ｎ倍し、検出電圧Ｖ２をフィルタ回路４に出力している。本実施の形態２では、電圧検出回路３が出力電圧Ｖ１を検出し始めた後の所定期間、例えば数秒間の間、電圧検出回路３からフィルタ回路４への電圧検出値の出力を停止する。つまり、電圧増幅回路５の電圧増幅動作を停止する点である。それ以外の動作については実施の形態１と同様である。
【００２３】
コンデンサ７が十分に充電されていない場合や、三相交流電源１の出力が停止し再度復帰する場合、母線電圧は大きく変動し、かつ、コンデンサ７を充電するために一時的に直流母線１００には大きな電流が流れる。このため、電圧増幅回路５は過電流にて破壊する可能性がある。この現象を避けるために、例えば、電圧検出回路３が出力電圧Ｖ１を検出し始めた後数秒間、電圧検出回路３からフィルタ回路４への検出電圧Ｖ２の出力を停止する。電圧検出回路３がフィルタ回路４への検出電圧Ｖ２の出力を停止する時間は、主巻線９のインダクタンス値およびコンデンサ７の容量より設定した時間、あるいはコンデンサ７の電圧を検出して設定してもかまわない。これにより、過電流による電圧増幅回路５の破壊を防ぐことができる。
【００２４】
実施の形態３．
図２は、この発明を実施するための実施の形態３におけるリアクトル装置の構成図である。本実施の形態３におけるリアクトル装置３１は、電圧増幅回路５の制御電源に母線電圧を利用する点が実施の形態１と異なる。
【００２５】
電圧増幅回路５の制御電源を供給する回路について説明する。本実施の形態の場合、制御電源回路としてチョッパ回路１５などの入力された電圧を任意の電圧に調整することのできる回路を想定する。チョッパ回路１５の出力にはコンデンサ１３，１４が接続されており、電圧増幅回路５が交流電力を出力しても入力である直流母線１００の出力電圧Ｖ１に影響ないように構成されている。このように制御電源回路を内蔵することによって外部からの電源の供給がなくても、リアクトル装置３１を動作させることができる。
【００２６】
実施の形態４．
図３は、この発明を実施するための実施の形態４における電力変換装置の構成図である。本実施の形態では、実施の形態１〜３に示したリアクトル装置を適用した電力変換装置について説明する。図３において、電力変換装置１６は、リアクトル装置２１（３１）、コンデンサ７、およびインバータ１７によって構成されている。リアクトル装置２１（３１）、コンデンサ７、およびインバータ１７は、一つの筐体内に実装されるようにしてもよい。図１および図２に示した負荷８の代わりに、インバータ１７とインバータ１７の後段に負荷となるモータ１８とが配置されている。リアクトル装置２１（３１）、ダイオードブリッジ２、コンデンサ７などは実施の形態１〜３で説明したものと同じである。
【００２７】
図３において、コンデンサ７の両端の直流電圧がインバータ１７に入力され、インバータ１７によってモータ１８の運転に適した交流電圧に変換され、モータ１８に出力される。リアクトル装置２１（３１）を設けているので、コンデンサ７にはリプル電圧が除去された直流電圧が印加されているので、インバータ１７に入力されるピーク電流や高調波電流が抑制されており、インバータ１７のスイッチング素子の電流容量を高くする必要がなく、スイッチング素子での電力損失が増大を防ぐことができる。
【００２８】
なお、すべての実施の形態において、電圧増幅回路５を構成する半導体素子は珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。
【００２９】
このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、半導体素子の小型化が可能であり、これら小型化された半導体素子を用いることによって、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。また、耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、半導体モジュールの一層の小型化が可能になる。更に、電力損失が低いため、半導体素子の高効率化が可能であり、延いては半導体モジュールの高効率化が可能になる。
【符号の説明】
【００３０】
１  三相交流電源、２  ダイオードブリッジ、３  電圧検出回路、４  フィルタ回路、
５  電圧増幅回路、６  トランス、７  コンデンサ、８  負荷、９  主巻線、
１０  補助巻線、１１  電流検出器、１２  電流検出信号、１３，１４  コンデンサ、
１５  チョッパ回路、１６  電力変換装置、１７  インバータ、１８  モータ、
２１，３１  リアクトル装置。
【図１】
2013165552.tif 000003
【図２】
2013165552.tif 000004
【図３】
2013165552.tif 000005