(57)【要約】【課題】負荷機器の特性に応じてスイッチング損失を抑制でき、省エネルギー化を図ることができる電力変換器を提供することである。【解決手段】ブリッジ回路１４は、直流を交流に変換し負荷機器１３に所定周波数の交流電圧を供給する。負荷機器特性判定回路１７は負荷機器１３に直流平滑回路を内蔵しているか否かを判断する。制御回路１６は、通常時においてはブリッジ回路１４の出力周波数を所定周波数に制御し、負荷機器特性判定回路１７が負荷機器１３に直流平滑回路を内蔵していると判断したときは、ブリッジ回路１４の出力周波数を所定周波数より低下させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流を交流に変換し負荷機器に所定周波数の交流電圧を供給するブリッジ回路と、前記負荷機器に直流平滑回路を内蔵しているか否かを判断する負荷機器特性判定回路と、通常時においては前記ブリッジ回路の出力周波数を所定周波数に制御し前記負荷機器特性判定回路が前記負荷機器に直流平滑回路を内蔵していると判断したときは前記ブリッジ回路の出力周波数を所定周波数より低下させる制御回路とを備えたことを特徴とする電力変換器。
【請求項２】
前記負荷機器の消費電力を検出する負荷機器消費電力測定器を有し、前記制御回路は、前記ブリッジ回路の出力周波数を低下させた後に、前記負荷機器消費電力測定器で測定された前記負荷機器の消費電力が所定範囲を逸脱したか否かを判定し、前記負荷機器の消費電力が所定範囲を逸脱しないときは低下させた出力周波数を維持し、前記負荷機器の消費電力が所定範囲を逸脱したときは、前記ブリッジ回路の出力周波数を所定周波数に戻すことを特徴とする請求項１記載の電力変換器。
【請求項３】
前記制御回路は、前記負荷機器の消費電力が所定範囲を逸脱したか否かの判定を周期的に行うことを特徴とする請求項２記載の電力変換器。
【請求項４】
前記制御回路は、前記負荷機器特性判定回路が前記負荷機器に直流平滑回路を内蔵していると判断したときは、前記ブリッジ回路の出力周波数を漸次低下させていき、前記負荷機器消費電力測定器で測定された前記負荷機器の消費電力が所定範囲を逸脱しない限りは所定下限値まで低下させ、前記負荷機器の消費電力が所定範囲を逸脱したときは前記ブリッジ回路の出力周波数を所定周波数に戻すことを特徴とする請求項２記載の電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流を交流に変換し負荷機器に所定周波数の交流電圧を供給する電力変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電力の周波数、大きさ、位相などを自由自在に変化させるためには、パワー半導体デバイスをスイッチング素子として用いたパワーエレクトロニクス技術が用いられる。例えば、直流を交流に変換する際には、パワー半導体デバイスであるスイッチング素子をオンオフ制御してスイッチングし、擬似的な正弦波交流を得て、さらに、擬似的な正弦波交流の高調波成分をフィルタ回路で低減しより正弦波に近い交流を得るようにしている。
【０００３】
交流−直流変換回路として交流電圧をダイオード整流回路に入力して脈流出力を得て、これをコンデンサにより平滑して直流電圧を得るコンデンサインプット形整流回路の入力電流の導通角を拡げて力率を改善するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−７４７９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、より正弦波に近い交流を得るためにスイッチング素子でのスイッチングを多くすると、直流をスイッチング素子で切り刻む度にスイッチング損失が発生するのでスイッチング損失が多くなる。一方、スイッチング素子でのスイッチングを少なくすると、正弦波から離れた交流となり高調波を多く含んだものとなる。
【０００５】
例えば、無停電電源装置（ＵＰＳ）で用いられる電力変換器は、系統からの交流を直流に変換して蓄電池に充電し、蓄電池に充電された直流を交流に変換して負荷機器に供給するようにしている。そして、蓄電池の直流を交流に変換する電力変換器は、系統周波数と同じ出力周波数で負荷機器に交流を供給するように構成されているので、スイッチング損失の低減が難しかった。
【０００６】
発明の目的は、負荷機器の特性に応じてスイッチング損失を抑制でき、省エネルギー化を図ることができる電力変換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明に係わる電力変換器は、直流を交流に変換し負荷機器に所定周波数の交流電圧を供給するブリッジ回路と、前記負荷機器に直流平滑回路を内蔵しているか否かを判断する負荷機器特性判定回路と、通常時においては前記ブリッジ回路の出力周波数を所定周波数に制御し前記負荷機器特性判定回路が前記負荷機器に直流平滑回路を内蔵していると判断したときは前記ブリッジ回路の出力周波数を所定周波数より低下させる制御回路とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明に係わる電力変換器は、請求項１の発明において、前記負荷機器の消費電力を検出する負荷機器消費電力測定器を有し、前記制御回路は、前記ブリッジ回路の出力周波数を低下させた後に、前記負荷機器消費電力測定器で測定された前記負荷機器の消費電力が所定範囲を逸脱したか否かを判定し、前記負荷機器の消費電力が所定範囲を逸脱しないときは低下させた出力周波数を維持し、前記負荷機器の消費電力が所定範囲を逸脱したときは、前記ブリッジ回路の出力周波数を所定周波数に戻すことを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明に係わる電力変換器は、請求項２の発明において、前記制御回路は、前記負荷機器の消費電力が所定範囲を逸脱したか否かの判定を周期的に行うことを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明に係わる電力変換器は、請求項２の発明において、前記制御回路は、前記負荷機器特性判定回路が前記負荷機器に直流平滑回路を内蔵していると判断したときは、前記ブリッジ回路の出力周波数を漸次低下させていき、前記負荷機器消費電力測定器で測定された前記負荷機器の消費電力が所定範囲を逸脱しない限りは所定下限値まで低下させ、前記負荷機器の消費電力が所定範囲を逸脱したときは前記ブリッジ回路の出力周波数を所定周波数に戻すことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電力変換器から負荷機器に電力を供給する場合に、負荷機器に直流平滑回路を内蔵しているか否かを判定し、負荷機器に直流平滑回路を内蔵している場合には、電力変換器の出力周波数を系統周波数から低下させるので、電力変換器のスイッチング損失を低減させることができる。これにより、電力変換器の運転の際の省エネルギー化が図られ、地球温暖化防止にも役立つことが期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本発明の実施の形態に係わる電力変換器の一例を示す構成図である。電力変換器１１は直流電源１２からの直流を所定の周波数の交流に変換して負荷機器１３に電力を供給するものである。例えば、無停電電源装置（ＵＰＳ）の場合には、直流電源１２は蓄電池であり、この直流電源（蓄電池）１２には、図示省略の電力変換器により電力系統の系統周波数の交流を直流に変換して、その直流電力が充電される。
【００１３】
電力変換器１１のブリッジ回路１４は、パワー半導体素子例えばＩＧＢＴ等の４個の半導体スイッチ１５ａ〜１５ｄで構成され、このブリッジ回路１４の４個の半導体スイッチ１５ａ〜１５ｄは、制御回路１６によりオンオフ制御され、通常時においては、直流電源１２の直流を所定周波数（例えば系統周波数）の交流に変換し負荷機器１３に交流電力を供給する。
【００１４】
負荷機器特性判定回路１７は、負荷機器１３に直流平滑回路を内蔵しているか否かを判断するものであり、負荷機器１３に供給される電流を電流検出器１８を介して入力するとともに、負荷機器１３に印加される電圧を電圧検出器１９を介して入力し、負荷機器１３に直流平滑回路を内蔵しているか否かを判断する。負荷機器特性判定回路１７での負荷機器１３に直流平滑回路を内蔵しているか否かを判断の仕方については後述する。
【００１５】
制御回路１６は、通常時においてはブリッジ回路１４の出力周波数を所定周波数（例えば系統周波数）に制御し、負荷機器特性判定回路１７が負荷機器１３に直流平滑回路を内蔵していると判断したときは、ブリッジ回路１４の出力周波数を所定周波数より低下させた交流電圧を出力する。
【００１６】
図２は電力変換器１１から負荷機器１３の印加電圧に対する入力電流の特性図であり、図２（ａ）は印加電圧が矩形波の場合の特性図、図２（ｂ）は印加電圧が交流正弦波である場合の特性図である。図２（ａ）に示すように、印加電圧が矩形波の場合には、周波数を低下させても出力電圧の極性が変わるだけで電圧の絶対値は変化しないため負荷機器に連続的に電流を流すことができる。一方、印加電圧が交流正弦波の場合には、負荷機器に負荷電流が流れ込む位相は、負荷機器の平滑コンデンサの直流電圧より、その交流電圧が高い時に限られる。このため、矩形波パルスを用いずに交流波形を用いた場合には、交流出力周波数低下に伴い、平滑コンデンサの直流電圧の低下頻度が増大する。
【００１７】
そこで、本発明による電力変換器１１は負荷機器１３に対して矩形波を出力するものとする。
【００１８】
図３は、ブリッジ回路１４の出力電圧の波形の一例を示す波形図である。通常時においては、ブリッジ回路１４は所定周波数（例えば系統周波数）の出力電圧を出力し、時点ｔ１で、負荷機器特性判定回路１７が負荷機器１３に直流平滑回路を内蔵していると判断したときには、出力周波数を所定周波数より低下させた出力電圧を出力する。これにより、スイッチング素子でのスイッチング回数を減らすことができるので、スイッチング損失を低減できる。
【００１９】
図４は、直流平滑回路２０を内蔵している負荷機器１３の一例の回路構成図である。電力変換器１１の負荷機器１３には、所定周波数（例えば系統周波数）の交流電圧が印加されて交流駆動するもの（例えば、交流電動機）と、図４に示すように、所定周波数（例えば系統周波数）の交流電圧を直流平滑回路２０で整流して直流電圧で直流負荷２３を直流駆動するものとがある。直流平滑回路２０は、交流を整流する整流器２１と、整流器２１で整流された直流を平滑するコンデンサ２２とを有する。
【００２０】
負荷機器１３に直流平滑回路２０を内蔵している場合には、直流を交流に変換する際の出力周波数を低下させても平滑コンデンサの直流電圧を維持することができるため、本発明の実施の形態では、負荷機器特性判定回路１７により、負荷機器１３に直流平滑回路２０を内蔵しているか否かを判定し、負荷機器１３に直流平滑回路２０を内蔵している場合には、ブリッジ回路１４の出力周波数を所定周波数より低下させ、スイッチング素子でのスイッチング回数を減らしてスイッチング素子１５ａ〜１５ｄの損失を低減させる。負荷機器特性判定回路１７での負荷機器１３に直流平滑回路２０を内蔵しているか否かの判定は、制御回路１６により電力変換器１１のブリッジ回路１４の出力電圧に休止区間を発生させて、ブリッジ回路１４のスイッチング素子の通流角を一時的に狭くし、そのときの負荷機器１３の入力電流の特性により判定する。
【００２１】
図５は、負荷機器特性判定回路１７で負荷機器１３に直流平滑回路２０を内蔵しているか否かの判定を行う際のブリッジ回路１４の出力電圧及び負荷機器１３の入力電流の波形図である。制御回路１６により、ブリッジ回路１４の出力電圧に休止期間を発生させると、負荷機器１３に直流平滑回路２０を有している場合には、コンデンサ２２によるコンデンサインプット形の代表的な電流波形が生成される。
【００２２】
図５に示すように、ブリッジ回路１４の出力電圧の休止期間中（電圧無の状態）においては、直流平滑回路２０のコンデンサ２２に蓄えられた電荷が直流負荷２３で消費されコンデンサ電圧は低下する。その後、ブリッジ回路１４の出力電圧が有となると、その出力電圧とコンデンサ電圧との間の電位差により、先鋭的な電流Ｉｐがコンデンサ２２に流れ込む。負荷機器特性判定回路１７は、この先鋭的な電流Ｉｐの有無により、負荷機器１３に直流平滑回路２０を内蔵しているか否かの判定を行う。
【００２３】
図６は負荷機器特性判定回路１７での負荷機器１３に直流平滑回路２０を内蔵しているか否かの判定基準の一例を示す波形図である。図６では、電力変換器１１の動作責務を１００％から所定値Ｘ％まで低下させた場合の波形を示す。動作責務Ｘ％の負荷電流Ｉｐのピーク値が１００％のピーク値と比較して所定値Ｙ倍以上でかつ通流幅が所定値Ｚ度以内であればコンデンサインプット形であると判定し、負荷機器１３に直流平滑回路２０を内蔵していると判定する場合を示している。もし、それ以上の電流の通流角がある場合には、コンデンサインプット形ではない（負荷機器１３に直流平滑回路２０を内蔵していない）と判定する。
【００２４】
このように、図１に示す負荷機器１３に直流平滑回路２０を内蔵しているか否かの判定は、制御回路１６により、電力変換器１１のブリッジ回路１４の出力電圧に休止区間を発生させて、ブリッジ回路１４のスイッチング素子の通流角を一時的に狭くし、負荷機器特性判定回路１７は、そのときの負荷機器１３の入力電流の特性により判定する。負荷機器１３に直流平滑回路２０を内蔵していると判定した場合には、制御回路１６はブリッジ回路１４の出力周波数を所定周波数より低下させる。従って、スイッチング素子１５ａ〜１５ｄでのスイッチング回数を減らすことができるので、スイッチング損失を低減できる。
【００２５】
図７は本発明の実施の形態に係わる電力変換器の他の一例を示す構成図である。この一例は、図１に示した一例に対し、負荷機器１３の消費電力を検出する負荷機器消費電力測定器２４を追加して設け、制御回路１６は、ブリッジ回路１４の出力周波数を低下させた後に、負荷機器１３の消費電力を監視するようにしたものである。図１と同一要素には、同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００２６】
負荷機器特性判定回路１７で負荷機器１３に直流平滑回路２０を内蔵していると判定した場合には、制御回路１６はブリッジ回路１４の出力周波数を低下させるが、負荷機器特性判定回路１７での誤判定、あるいはブリッジ回路１４の出力周波数の低下による影響を受けて、負荷機器１３が正常に動作しなくなることが想定される。そこで、ブリッジ回路１４の出力周波数を低下させた後に、負荷機器１３の消費電力を監視する。
【００２７】
負荷機器消費電力測定器２４は、負荷機器１３に供給される電流を電流検出器１８を介して入力するとともに、負荷機器１３に印加される電圧を電圧検出器１９を介して入力し、負荷機器１３の消費電力を測定する。制御回路１６は、ブリッジ回路１４の出力周波数を低下させた後に、負荷機器消費電力測定器２４で測定された負荷機器１３の消費電力が所定範囲を逸脱したか否かを判定する。
【００２８】
図８は負荷機器１３の消費電力が所定範囲を逸脱したときのブリッジ回路１４の出力電圧の波形の一例を示す波形図である。通常時においては、ブリッジ回路１４は所定周波数（例えば系統周波数）の出力電圧を出力し、時点ｔ１で、負荷機器特性判定回路１７が負荷機器１３に直流平滑回路２０を内蔵していると判断したときには、制御回路１６は出力周波数を所定周波数より低下させた出力電圧を出力するとともに、時点ｔ１以降の所定時限Ｔ１後の時点ｔ２において、負荷機器１３の消費電力を監視する。そして、負荷機器１３の消費電力Ｐが通常時の消費電力Ｐ０の所定範囲±ΔＰを逸脱しないときは、負荷機器１３は正常動作していると判断し、低下させた出力周波数を維持する。
【００２９】
一方、図８に示すように、負荷機器１３の消費電力が時点ｔ２で所定範囲Ｐ０±ΔＰを逸脱しているときは、負荷機器１３は異常動作していると判断し、ブリッジ回路１４の出力周波数を所定周波数に戻す。これにより、負荷機器特性判定回路１７での誤判定、あるいはブリッジ回路１４の出力周波数の低下による影響を受けて、負荷機器１３が異常動作することを防止できる。
【００３０】
以上の説明では、出力周波数を所定周波数より低下させた時点ｔ１以降の所定時限Ｔ１後の時点ｔ２において、負荷機器１３の消費電力を監視するようにしたが、周期的に行うようにしてもよい。制御回路１６は、負荷機器１３の消費電力が所定範囲を逸脱したか否かの判定を周期的に行う場合には、負荷機器１３は異常動作を継続的に監視できるので、ブリッジ回路１４の出力周波数の低下による負荷機器１３の異常動作を回避することができる。
【００３１】
また、制御回路１６は、負荷機器特性判定回路１７が負荷機器１３に直流平滑回路２０を内蔵していると判断したときは、ブリッジ回路１４の出力周波数を漸次低下させていき、所定下限値まで低下させるようにしてもよい。この場合、制御回路２０は、負荷機器消費電力測定器２４で測定される負荷機器１３の消費電力を監視し、負荷機器１３の消費電力が所定範囲を逸脱しない限りは所定下限値まで低下させ、負荷機器１３の消費電力が所定範囲を逸脱したときはブリッジ回路１４の出力周波数を所定周波数に戻す。
【００３２】
図９は、ブリッジ回路１４の出力周波数を漸次低下させたときの出力電圧の波形の一例を示す波形図であり、図９（ａ）は負荷機器１３が正常動作を維持したときの波形図、図９（ｂ）は負荷機器１３が時点ｔｊで異常動作となったときの波形図である。
【００３３】
図９（ａ）に示すように、時点ｔ１で、負荷機器特性判定回路１７が負荷機器１３に直流平滑回路２０を内蔵していると判断したときには、制御回路１６はブリッジ回路１４の出力周波数を漸次低下させ、ブリッジ回路１４の出力周波数が所定下限値になる時点ｔｉまで低下させる。ブリッジ回路１４の出力周波数が時点ｔｉで所定下限値になると、ブリッジ回路１４の出力周波数をその所定下限値の出力周波数に固定する。
【００３４】
一方、図９（ｂ）に示すように、ブリッジ回路１４の出力周波数を漸次低下させる過程の時点ｔｊにおいて、負荷機器１３の消費電力が所定範囲を逸脱したときはブリッジ回路１４の出力周波数を所定周波数に戻す。これにより、ブリッジ回路１４の出力周波数の低下による負荷機器１３の異常動作を監視しつつ、ブリッジ回路１４の出力周波数を低下させることができるので、ブリッジ回路１４の出力周波数の低下による負荷機器１３の異常動作を回避できる。
【００３５】
本発明の実施の形態によれば、負荷機器１３に直流平滑回路２０を内蔵しているか否かを判定し、負荷機器１３に直流平滑回路２０を内蔵している場合にはブリッジ回路１４の出力周波数を所定周波数より低下させるので、スイッチング素子１５ａ〜１５ｄでのスイッチング回数を減らすことができる。従って、スイッチング損失を低減できる。
【００３６】
また、ブリッジ回路１４の出力周波数を所定周波数より低下させたときは、負荷機器１３の消費電力が所定範囲を逸脱したか否かを判定し、負荷機器１３の消費電力が所定範囲を逸脱しないときは低下させた出力周波数を維持し、負荷機器１３の消費電力が所定範囲を逸脱したときは、ブリッジ回路１４の出力周波数を所定周波数に戻すので、ブリッジ回路１４の出力周波数を所定周波数より低下させたとしても、負荷機器１３に対して通常通りの電力を供給できる。さらに、負荷機器１３の消費電力が所定範囲を逸脱したか否かの判定を周期的に行うようにした場合には、負荷機器１３に対してより安全に通常通りの電力を供給できる。
【００３７】
負荷機器１３に直流平滑回路２０を内蔵していると判断したときは、ブリッジ回路１４の出力周波数を漸次低下させていき、負荷機器消費電力測定器２４で測定された負荷機器１３の消費電力が所定範囲を逸脱しない限りは、所定下限値まで低下させることができるので、負荷機器１３に対してより安全に通常通りの電力を供給しつつ、ブリッジ回路１４のスイッチング損失を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態に係わる電力変換器の一例を示す構成図。
【図２】本発明の電力変換器から負荷機器の印加電圧に対する入力電流の特性図。
【図３】本発明の実施の形態に係わる電力変換器のブリッジ回路の出力電圧波形の一例を示す波形図。
【図４】直流平滑回路を内蔵している負荷機器の一例の回路構成図。
【図５】本発明の実施の形態における負荷機器特性判定回路で負荷機器に直流平滑回路を内蔵しているか否かの判定を行う際のブリッジ回路の出力電圧及び負荷機器の入力電流の波形図。
【図６】本発明の実施の形態における負荷機器特性判定回路での負荷機器に直流平滑回路を内蔵しているか否かの判定基準の一例を示す波形図。
【図７】本発明の実施の形態に係わる電力変換器の他の一例を示す構成図。
【図８】本発明の実施の形態における負荷機器の消費電力が所定範囲を逸脱したときのブリッジ回路の出力電圧の波形の一例を示す波形図。
【図９】本発明の実施の形態におけるブリッジ回路の出力周波数を漸次低下させたときの出力電圧の波形の一例を示す波形図。
【符号の説明】
【００３９】
１１…電力変換器、１２…直流電源、１３…負荷機器、１４…ブリッジ回路、１５…スイッチング素子、１６…制御回路、１７…負荷機器特性判定回路、１８…電流検出器、１９…電圧検出器、２０…直流平滑回路、２１…整流器、２２…コンデンサ、２３…直流負荷、２４…負荷機器消費電力測定器
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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