(57)【要約】【課題】電力変換回路において、より迅速にコンデンサに蓄積された電荷を放電させることである。【解決手段】直流電源１３と交流負荷１４との間に配置されるインバータモジュール２０と、インバータモジュール２０に並列に接続される平滑コンデンサと、平滑コンデンサに充電された電荷を放電するための放電回路１０と、を備える電力変換回路１００であって、放電回路１０は、コンデンサ３０に並列に接続され、電圧と電流の位相が同位相である有効電力の消費を行う放電抵抗と、放電抵抗に直列に接続される２次側コイルと、２次側コイルにおいて電圧と電流との位相差が９０度である無効電力の消費を行われるように２次側コイルと協働する１次側コイルと、１次側コイルに直列に接続され、２次側コイルと１次側コイルとの間に交番磁界を発生させる発振回路と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンデンサに充電された電荷を放電するための放電回路であって、
コンデンサに並列に接続され、電圧と電流の位相が同位相である有効電力の消費を行う放電抵抗と、
放電抵抗に直列に接続される２次側コイルと、
２次側コイルにおいて電圧と電流との位相差が９０度である無効電力の消費を行われるように２次側コイルと協働する１次側コイルと、
１次側コイルに直列に接続され、２次側コイルと１次側コイルとの間に交番磁界を発生させる発振回路と、
を備えることを特徴とする放電回路。
【請求項２】
請求項１に記載の放電回路において、
コンデンサは、インバータモジュールを含む電力変換回路に接続される平滑コンデンサであることを特徴とする放電回路。
【請求項３】
電源と負荷との間に配置されるインバータモジュールと、
インバータモジュールに並列に接続される平滑コンデンサと、
平滑コンデンサに充電された電荷を放電するための放電回路と、
を備える電力変換回路であって、
放電回路は、
コンデンサに充電された電荷を放電するための放電回路であって、
コンデンサに並列に接続され、電圧と電流の位相が同位相である有効電力の消費を行う放電抵抗と、
放電抵抗に直列に接続される２次側コイルと、
２次側コイルにおいて電圧と電流との位相差が９０度である無効電力の消費を行われるように２次側コイルと協働する１次側コイルと、
１次側コイルに直列に接続され、２次側コイルと１次側コイルとの間に交番磁界を発生させる発振回路と、
を備えることを特徴とする電力変換回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電回路及び電力変換回路に係り、特に、コンデンサに蓄えられた電荷を放電する放電回路及びその放電回路を含む電力変換回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気回路に接続されるコンデンサに蓄えられる電荷は放電させる必要がある場合があり、そのための回路として放電回路が電気回路に設けられている場合がある。例えば、特許文献１には、インバータ主回路として、交流の商用電源を整流する整流回路と、整流回路の出力を直流に平滑する平滑コンデンサと、平滑コンデンサの直流電圧を交流電圧に逆変換して出力するインバータモジュールと、整流回路に並列に接続された放電抵抗と、整流回路のプラス出力側と平滑コンデンサのプラス側との間に設けられた力率改善用のリアクトルとを備えるものが開示されている。ここでは、放電抵抗の代わりに、整流回路の出力側にスイッチング素子であるリレーの接点を並列接続し、リレーの接点がオンしたときに突入電流防止抵抗及びリアクトルを放電素子としても機能するようにしたものである。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２３５０４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、特許文献１の構成を用いることでコンデンサに蓄積された電荷を放電させることができる。しかし、特許文献１の構成では、放電抵抗による放電あるいは、リアクトルを放電素子として機能させることにより放電を行っており、放電に時間がかかることが多い。
【０００５】
本発明の目的は、より迅速にコンデンサに蓄積された電荷を放電させる放電回路及びその放電回路を含む電力変換回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る放電回路において、コンデンサに充電された電荷を放電するための放電回路であって、コンデンサに並列に接続され、電圧と電流の位相が同位相である有効電力の消費を行う放電抵抗と、放電抵抗に直列に接続される２次側コイルと、２次側コイルにおいて電圧と電流との位相差が９０度である無効電力の消費を行われるように２次側コイルと協働する１次側コイルと、１次側コイルに直列に接続され、２次側コイルと１次側コイルとの間に交番磁界を発生させる発振回路と、を備える。
【０００７】
また、本発明に係る放電回路において、コンデンサは、インバータモジュールを含む電力変換回路に接続される平滑コンデンサであることが好ましい。
【０００８】
本発明に係る電力変換回路において、電源と負荷との間に配置されるインバータモジュールと、インバータモジュールに並列に接続される平滑コンデンサと、平滑コンデンサに充電された電荷を放電するための放電回路と、を備える電力変換回路であって、放電回路は、コンデンサに充電された電荷を放電するための放電回路であって、コンデンサに並列に接続され、電圧と電流の位相が同位相である有効電力の消費を行う放電抵抗と、放電抵抗に直列に接続される２次側コイルと、２次側コイルにおいて電圧と電流との位相差が９０度である無効電力の消費を行われるように２次側コイルと協働する１次側コイルと、１次側コイルに直列に接続され、２次側コイルと１次側コイルとの間に交番磁界を発生させる発振回路と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
上記構成の少なくとも１つにより、放電回路は、コンデンサに充電された電荷を放電するための放電回路であって、コンデンサに並列に接続され、電圧と電流の位相が同位相である有効電力の消費を行う放電抵抗と、放電抵抗に直列に接続される２次側コイルと、２次側コイルにおいて電圧と電流との位相差が９０度である無効電力の消費を行われるように２次側コイルと協働する１次側コイルと、１次側コイルに直列に接続され、２次側コイルと１次側コイルとの間に交番磁界を発生させる発振回路と、を備える。したがって、コンデンサに充電された電荷の放電時間について、放電抵抗のみで行う場合に比べ、１次側コイルと２次側コイルと発振回路を用いることで無効電流成分も合わせて消費させることにより、より速く放電を完了させることができる。
【００１０】
上記構成の少なくとも１つにより、電力変換回路は、コンデンサに充電された電荷を放電するための放電回路であって、コンデンサに並列に接続され、電圧と電流の位相が同位相である有効電力の消費を行う放電抵抗と、放電抵抗に直列に接続される２次側コイルと、２次側コイルにおいて電圧と電流との位相差が９０度である無効電力の消費を行われるように２次側コイルと協働する１次側コイルと、１次側コイルに直列に接続され、２次側コイルと１次側コイルとの間に交番磁界を発生させる発振回路とを有する放電回路を備える。したがって、コンデンサに充電された電荷の放電時間について、放電抵抗のみで行う場合に比べ、１次側コイルと２次側コイルと発振回路を用いることで無効電流成分も合わせて消費させることにより、より速く放電を完了させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。なお、以下では、放電回路が接続されるのはインバータモジュールを含んだ電力変換回路であるものとして説明するが、電力変換回路以外の他の電気回路の放電のためのものであってもよい。
【００１２】
図１は、放電回路１０を含んだ電力変換回路１００を示す図である。電力変換回路１００は、直流電源１３と交流負荷１４との間に配置された直流電力を交流電力に変換するもので、直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子を含むインバータモジュール２０と、インバータモジュール２０に並列に接続されるコンデンサ３０と、コンデンサ３０に並列に接続される放電回路１０とを含んで構成される。直流電源１３は、例えば、バッテリを用いて構成され、交流負荷１４は、例えば、三相交流モータを用いて構成される。
【００１３】
電力変換回路１００の接続関係について説明すると、直流電源１３の一方端は端子５２に接続され、他方端は端子５４に接続される。コンデンサ３０の一方端は、端子５２に接続され、他方端は端子５４に接続される。放電回路１０は、コンデンサ３０に並列に接続される。また、放電回路１０の一方端は端子５６に接続され、他方端は端子５８に接続される。インバータモジュール２０の入力端子の一方端は端子５６に接続され、入力端子の他方端は端子５８に接続される。交流負荷１４は、インバータモジュール２０の出力端子２２に接続される。
【００１４】
インバータモジュール２０は、直流電力を交流電力に変換する機能を有する回路である。インバータモジュール２０は、制御回路によって制御されるスイッチング素子のスイッチングにより、直流電力から交流電力を生成し、その交流電力が交流負荷１４に供給される。
【００１５】
コンデンサ３０は、電気回路に流れる電荷を充放電する機能を有するキャパシタである。コンデンサ３０は、例えば、インバータモジュール２０のスイッチング素子のスイッチングで生じる電源リップルを平滑化する平滑コンデンサとして機能する。例えば、直流電源１３の動作が停止されると、コンデンサ３０に蓄積されていた電荷を放電することが望ましい場合ことがある。
【００１６】
図２は、放電回路１０を示す図である。放電回路１０は、コンデンサ３０の蓄積された電荷を放電する機能を有する。放電回路１０は、放電抵抗１２と、トランス回路１６とを含んで構成される。
【００１７】
放電抵抗１２は、コンデンサ３０の電荷を放電する機能を有する抵抗素子である。放電抵抗１２は、コンデンサ３０に並列に接続された抵抗素子であって、直流電源１３の動作が停止したときには、コンデンサ３０の電荷を放電する。放電抵抗１２は、電圧と電流とが同位相である有効電力の消費によってコンデンサ３０に蓄積された電荷が放電される。
【００１８】
トランス回路１６は、２次側コイル１６２と、１次側コイル１６４と、発振回路１６６とを含んで構成される。トランス回路１６は、電圧と電流との位相差が９０度である無効電力の消費を行う機能を有する回路である。トランス回路１６は、入力巻線（１次側コイル１６４）の交流電流により変化する交番磁界を発生させ、それを相互インダクタンスで結合された出力巻線（２次側コイル１６２）に伝える。
【００１９】
２次側コイル１６２は、放電抵抗１２に直列に接続されるインダクタンスである。２次側コイル１６２は、１次側コイル１６４と協働して電圧と電流との位相差が９０度である無効電力の消費を行う機能を有する。
【００２０】
発振回路１６６は、トランス回路１６を構成する１次側コイル１６４に接続され、予め定められた周波数の交流信号を、１次側コイル１６４に対して供給する機能を有する。発振回路１６６の交流信号、例えば、正弦波信号が１次側コイル１６４に供給されることによって、２次側コイル１６２と１次側コイル１６４との間に交番磁界が発生することとなる。
【００２１】
図３は、有効電力と無効電力の関係を示す図である。放電抵抗１２に流れる電流ＩRは電圧Ｖと同位相である。放電抵抗１２に流れる電流ＩRのように、電気エネルギの消費に伴う電流を有効電流といい、（電圧）×（電圧と同相分の電流）を有効電力ＰRと呼ぶことができる。２次側コイル１６２に流れる電流ＩLは、電圧より９０度位相の遅れた電流となる。また、例えば、放電抵抗１２と２次側コイル１６２の他にコンデンサが接続されている場合にそのコンデンサに流れる電流ＩCは、電圧より９０度位相の進んだ電流となる。電気エネルギの消費に伴わない電流を無効電流といい、（電圧）×（電圧と９０度位相差のある電流）を無効電力と呼ぶことができる。ここで、放電抵抗１２によって消費される有効電力をＰRとし、２次側コイル１６２を含んだトランス回路１６で消費される無効電力をＰLとし、また、例えば、上記のコンデンサが接続されている場合に、そのコンデンサで消費される無効電力をＰCとすると図３に示される関係となる。
【００２２】
図４は、有効電力と無効電力といわゆる皮相電力との関係を示す図である。放電回路１０では、放電抵抗１２と、コイルを含んだトランス回路１６とを含んで構成されるため、有効電力ＰRと無効電力ＰLを考慮するといわゆる皮相電力Ｐは、図４に示されるように合成ベクトルで示される値となる。ここで、皮相電力ＰとＶＩとすると、有効電力ＰRはＶＩｃｏｓθで、無効電力ＰLはＶＩｓｉｎθである。したがって、（皮相電力の値Ｐ）＞（有効電力の値ＰR）の関係であることが分かる。なお、放電開始前のコンデンサ３０の両端電圧をＥ0とした場合に、放電開始後の両端電圧Ｖを式で示すと、Ｖ＝Ｅ0・ｅ-Lt/RCと示すことができる。
【００２３】
上記構成の作用について説明する。図５は、コンデンサ３０の充電電圧放電のフローチャートを示す図である。インバータモジュール２０のスイッチング素子のスイッチング等によりコンデンサ３０に電荷が蓄積される。ここで、直流電源１３が停止したときにコンデンサ３０から直流電流が放電される（Ｓ１２）。
【００２４】
また、トランス回路１６において、発振回路１６６は１次側コイル１６４に対して交流信号の電流を供給し、この交流信号の電流によって発生させる交番磁界を相互インダクタンスで結合された２次側コイル１６２に伝えられる（Ｓ１４）。
【００２５】
そして、上記のように電圧Ｖと、その電圧Ｖとの位相差が９０度である電流ＩLによる無効電力ＰLによっても放電することができる（Ｓ１６）。
【００２６】
放電抵抗１２は、コンデンサ３０に並列に接続されていることから、コンデンサ３０に蓄積された電荷は放電抵抗１２を介して放電される。このとき、上記のように、放電抵抗１２における電流ＩRと電圧Ｖとの間には位相差がないから有効電力ＰRの消費のみによって放電が行われる（Ｓ１８）。つまり、放電回路１０においては、有効電力ＰRと無効電力ＰLの合成電力である皮相電力Ｐによってコンデンサ３０に蓄積された電荷が放電されるため、有効電力のみによって放電される場合に比べて放電時間の短縮を行うことが可能となる（Ｓ２０）。
【００２７】
図６は、他の実施の形態として放電回路１１を示す図である。放電回路１１は、放電回路１０とほとんど同様の構成であるが、トランス回路１６をそのまま用いるのではなく、２次側コイル１６２に発振回路１６６を並列に接続する。ここで、発振回路１６６から高周波信号として、高周波電流を２次側コイル１６２に供給すると電流密度が導体の表面で高く、表面から離れると低くなる表皮効果の現象が生じる。このとき、周波数が高いほど電流が表面へ集中するので、導体の抵抗、つまり２次側コイル１６２の抵抗が高くなる。
【００２８】
上記のように、２次側コイル１６２を放電素子として利用する場合には、発振回路１６６の周波数を高周波にすることで２次側コイル１６２の抵抗を高くすることができるため、放電抵抗１２のみの有効電力のみによって消費する場合に比べて放電時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態に係る放電回路を含んだ電力変換回路を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る放電回路を示す図である。
【図３】有効電力と無効電力の関係を示す図である。
【図４】有効電力と無効電力といわゆる皮相電力との関係を示す図である。
【図５】コンデンサの充電電圧放電のフローチャートを示す図である。
【図６】他の実施の形態として放電回路を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０，１１  放電回路、１２  放電抵抗、１３  直流電源、１４  交流負荷、１６  トランス回路、２０  インバータモジュール、２２  出力端子、３０  コンデンサ、５２，５４，５６，５８  端子、１００  電力変換回路、１６２  ２次側コイル、１６４  １次側コイル、１６６  発振回路。
【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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