特許 5713453 電力変換装置の電源識別方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5713453

(24)【登録日】2015年3月20日

(45)【発行日】2015年5月7日

(54)【発明の名称】電力変換装置の電源識別方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20150416BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/48 T

   H02M7/48 L

【請求項の数】1

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2011-248763(P2011-248763)

(22)【出願日】2011年11月14日

(65)【公開番号】特開2013-106434(P2013-106434A)

(43)【公開日】2013年5月30日

【審査請求日】2014年5月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003115

【氏名又は名称】東洋電機製造株式会社

(72)【発明者】

【氏名】今柳田 明夫

【審査官】 槻木澤 昌司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−１８７０８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２４８２６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−３０６７９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０７３５５２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００５−３２３４４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３５４８５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１６０５０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第３２８９５６７（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 実開昭６３−０２９３９１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０００−２９５７１５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の交流電源を接続できるように構成された、交流を直流に変換する整流器と、
前記整流器の直流側に接続された、直流中間回路と、
前記直流中間回路に接続され、交流電動機を駆動するためのインバータ回路と、
外部の蓄電装置と、前記直流中間回路の間に接続され、該蓄電装置と該直流中間回路との間で双方向に電力をやり取りできるように構成された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータからなる電力変換装置において、該電力変換装置の運転を停止させるときに、前記直流中間回路に蓄えられた電荷を、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータによって、前記外部の蓄電装置にその電荷を移動させて、前記直流中間回路の電荷を放電し、次回の運転開始時の、前記直流中間回路の直流電圧の大きさによって、接続された複数の交流電源を識別するようしたことを特徴とする電力変換装置の電源識別方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、それぞれ異なる電圧を有する複数の電源によって、外部の蓄電装置を充電する機能を有する電力変換装置の電源識別方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

蓄電装置を充電しようとする場合に、高電圧大電力で急速充電する方法と、時間はかかっても例えば壁コンセントに給電されているような、単相ＡＣ１００Ｖで手軽に充電する方法とが考えられる。このようにそれぞれ異なる電圧の複数の電源によって外部の蓄電装置を充電する場合には、何らかの手段でどの電源が接続されているかを電力変換装置に指示する必要があった。例えばそれぞれの電源コネクタに電源種別検知用の補助制御線を付加し、それを電力変換装置側で読み取る方法がある。しかし、この手段では余計な補助制御線を設ける必要があって、電力変換装置のコストアップに繋がる。

【0003】

補助制御線を設けない場合でも、電力変換装置の直流中間回路の直流電圧を計測することで、どの電源が接続されているか判断することは可能であるが、例えば電源のうち、三相ＡＣ２００Ｖが接続されていて、それを切断した直後に単相ＡＣ１００Ｖが再接続された場合には、三相ＡＣ２００Ｖの整流電圧、直流約２８０Ｖが残留しており、単相ＡＣ１００Ｖの整流電圧、ＤＣ約１４０Ｖの約２倍であるので、そのままでは単相ＡＣ１００Ｖが接続されているとは識別不可能である。

【0004】

これらの問題を解決するには、電力変換装置がどの電源が接続されているか判断する前にその直流中間回路の直流電圧が、接続される電源のうち、その整流電圧が最も低い直流電圧の大きさより低ければ良い。すなわち電力変換装置の動作を停止させる際に、その直流中間回路の直流電圧を放電させることで解決できる。これらの解決手段として、停止時に放電抵抗を接続する方法があるが、電力変換装置の構成品の小型化・低コスト化に適していない。また別の手段として特許文献１と特許文献２が提案されている。

【0005】

特許文献１と特許文献２に係る技術では、電力変換装置の停止時に、その直流中間回路に蓄えられていた電荷を、交流電動機の巻線に流してその巻線抵抗に消費させて熱に変換し、放電させようとするものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第３２８９５６７号公報

【特許文献2】実開昭６３−２９３９１号公報

【特許文献3】特開２０００−２９５７１５号公報（第６頁図４および第７頁図７）

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】「パワースイッチング工学」、電気学会大学講座、社団法人電気学会、２００３年８月５日、Ｐ９０

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、このような技術では電力変換装置の直流中間回路に蓄えられていた電荷を、熱として消費するために、電力変換装置の総合効率が低下し、外部の蓄電装置だけで運転する場合には、１充電あたりの運転継続時間が短くなってしまうなどの弊害がある。また、交流電動機の巻線に電流を流す時に、その交流電動機がトルクを発生することが無いようにしない場合、その交流電動機が一時的に回転する危険性があって、その電流制御方法は技術的に困難を伴う。

【0009】

この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、特別なハードウェアを追加することなく簡単な制御で、電力変換装置の停止時に、その直流中間回路に蓄えられていた電荷を、外部の蓄電装置に放電させる手段を有する電力変換装置の電源識別方法を提供することを目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

請求項１の発明によれば、複数の交流電源を接続できるように構成された、交流を直流に変換する整流器と、前記整流器の直流側に接続された、直流中間回路と、前記直流中間回路に接続され、交流電動機を駆動するためのインバータ回路と、外部の蓄電装置と、前記直流中間回路の間に接続され、該蓄電装置と該直流中間回路との間で双方向に電力をやり取りできるように構成された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータからなる電力変換装置において、該電力変換装置の運転を停止させるときに、前記直流中間回路に蓄えられた電荷を、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータによって、前記外部の蓄電装置にその電荷を移動させて、前記直流中間回路の電荷を放電し、次回の運転開始時の、前記直流中間回路の直流電圧の大きさによって、接続された複数の交流電源を識別するようしたことを特徴とした電力変換装置の電源識別方法である。

【0011】

本発明の電力変換装置の電源識別方法は、外部交流電源を整流する整流器と、電解コンデンサ等からなる直流中間回路と、外部の電動機を駆動するためのインバータ回路と、外部の蓄電装置を充放電するための昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ回路で構成され、電力変換装置の運転を停止するときに、直流中間回路に蓄えられた電荷を、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を経由して外部蓄電装置に放電させることを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明は、特別なハードウェアを追加することなく簡単な制御で、電力変換装置の停止時に、その直流中間回路に蓄えられた電荷を、外部の蓄電装置に放電させることによって、次回の運転開始時に、どの電源が接続されているかを確実に検知できる効果を有する。

【0013】

電力変換装置の停止時に、その直流中間回路に蓄えられた電荷を放電することによって、高電圧に充電された部分が極小化されて、メンテナンス時の感電防止にも役立つ効果も有する。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態における望ましい電力変換装置の構成を示す図である。

【図2】本発明の実施形態における望ましい、電力変換装置の運転開始時における充電動作を示すタイムチャートである。

【図3】本発明の実施形態における望ましい、電力変換装置の停止時における放電動作を示すタイムチャートである。

【図4】本発明の実施形態における望ましい電力変換装置のうち、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の構成を示す図である。

【図5】本発明の実施形態における望ましい電力変換装置のうち、整流器の構成を示す図である。

【図6】本発明の実施形態における望ましい電力変換装置のうち、インバータ回路の構成を示す図である。

【図7】本発明の実施形態における望ましい電力変換装置のうち、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の、放電時の動作を示すタイムチャートである。

【図8】本発明の実施形態における望ましくない、電力変換装置の停止時における、従来の放電動作を示すタイムチャートである。

【図9】本発明の実施形態における直流中間電圧検出手段の例である。

【図10】本発明の実施形態における望ましい電力変換装置に示す直流中間回路の、他の例である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

【実施例1】

【0016】

図1に示す本発明の実施形態における望ましい電力変換装置１は、外部交流電源１０乃至１２を整流する整流器３と、例えば電解コンデンサからなる直流中間回路５と、外部の交流電動機９を駆動するためのインバータ回路４と、外部の蓄電装置８を充放電するための昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２で構成される。

【0017】

図４は、図１に示す昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２の具体的構成例である。同図中４１〜４４はそれぞれスイッチング素子、４５〜４８はそれぞれ還流ダイオード、４９はＤＣリアクトル、４０１はコンデンサである。

【0018】

図５は、図１に示す整流器３の具体的構成例である。同図中５１〜５６はそれぞれ整流ダイオードである。

【0019】

図６は、図１に示すインバータ回路４の具体的構成例である。同図中６１〜６６はそれぞれスイッチング素子、６７〜６９と６０１〜６０３はそれぞれ還流ダイオードである。

【0020】

図1に示す本発明の実施形態における望ましい電力変換装置１の、通常の運転形態は以下に示す通りである。

【0021】

図１に示す交流電動機９を運転する場合、同図外部蓄電装置８→二極電磁開閉器７→双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２→インバータ回路４→交流電動機９の経由で電力を供給する。別の手段では、同図外部交流電源１０（例えば三相ＡＣ２００Ｖ）→外部電源用コネクタ１３→三極電磁開閉器６→整流器３→直流中間回路５→インバータ回路４→交流電動機９の経由で電力を供給する。

【0022】

図１に示す外部蓄電装置８を充電する場合、同図外部交流電源１０（例えば三相ＡＣ２００Ｖ）→外部電源用コネクタ１３→三極電磁開閉器６→整流器３→直流中間回路５→双方向電力変換器２→二極電磁開閉器７→外部蓄電装置８の経由で充電用電力を供給する。別の手段では、上記の同図外部交流電源１０（例えば三相ＡＣ２００Ｖ）→外部電源用コネクタ１３の替わりに、外部交流電源１１（例えば単相ＡＣ１００Ｖ）→外部電源用コネクタ１４、または外部交流電源１２（例えば単相ＡＣ６０Ｖ）→外部電源用コネクタ１５を使用することも可能である。同図中外部電源用コネクタ１３乃至１５は、図示しない手段によってそのいずれか１つのみ接続が可能となる様に構成される。

【0023】

図４に示す昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２の具体的構成例と、図６に示すインバータ回路の具体的構成例の一般的な動作については、それぞれ特許文献３と非特許文献１に記載のとおり、当業者に広く周知されている。また、図５に示す整流器の動作についても同様に広く周知されているので、ここでは詳述しない。

【0024】

図２は、電源投入時の、図１に示す直流中間回路５に印加される電圧の時間的変化を表わす代表的な例である。同図中Ｔ_０は電源を投入した時刻、Ｔ_１は、どの電源が投入されたかを検知しようとする時刻であって、通常は電源投入に伴う過渡現象が終了した頃になされる。図中の破線は、例えば電源が三相ＡＣ２００Ｖの時、実線は単相ＡＣ１００Ｖの場合を示し、電源が投入され、図１に示すインバータ回路４と双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが起動していない時には電源の電圧の波高値近くまで上昇する。時刻Ｔ_１において検知された電圧の大きさで、電源が三相ＡＣ２００Ｖか、または単相ＡＣ１００Ｖかを判断するものであって、その検知された電圧が約ＤＣ２８０Ｖであれば電源が三相ＡＣ２００Ｖ、約ＤＣ１４０Ｖであれば単相ＡＣ１００Ｖとみなすものである。

【0025】

図９は、直流中間電圧を検知して、どの外部電源が接続されているかを識別する手段の例である。同図中で９１乃至９６は分圧抵抗、９７乃至９９は比較器、９０１は基準電源である。それぞれの分圧抵抗の比率と基準電源の電圧は、例えば、図１に示す直流中間電圧が、２５０Ｖ、１２５Ｖ、７５Ｖに対応するように定められ、図９に示す比較器９９の出力１０９は、図１に示す直流中間電圧が７５Ｖ以上で“Ｌ”から“Ｈ”に変化し、同様に１２５Ｖ以上で１０８、２５０Ｖ以上で１０７がそれぞれ“Ｌ”から“Ｈ”に変化する。表１はこれらの関係を一覧表にしたもので、例えば図９の１０７、１０８、１０９がそれぞれ“Ｌ”、“Ｈ”、“Ｈ”であれば、図１に示す外部電源電圧がＡＣ１００Ｖと識別される。

【表1】

【0026】

図８は、従来技術の、電源断時に図１に示す直流中間回路５に蓄えられた電荷を強制的に放電しない場合の波形例であって、電源断後も長時間その電荷を保つ。例えば図８の時刻Ｔ_３の電源断時直前に三相ＡＣ２００Ｖが接続されていて、そのすぐ後の時刻Ｔ_４に単相ＡＣ１００Ｖを接続した場合には、同図の破線で示すように前記直流中間回路５の電圧は、約ＤＣ２７０Ｖを保っているので、接続された電源が単相１００Ｖとは識別出来ず、三相ＡＣ２００Ｖと誤識別する。

【0027】

図３は、電源断時に図１に示す直流中間回路５に蓄えられた電荷を強制的に放電する場合の波形例であって、時刻Ｔ_５に電源断後直ちにその電圧は零近辺に引き下げられる。従って、次に時刻Ｔ_６に電源再投入された場合を考えると、図２に示すように、前記直流中間回路５の電圧がゼロの状態から電圧が上昇するので、同図中時刻Ｔ_１でその電圧を検知する場合でも誤検知しない。

【0028】

本発明の要点は、電源断時に図１に示す直流中間回路５に蓄えられた電荷を強制的に放電する手段として、同図に示す双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２の制御によって、同図中の蓄電装置８にその電気エネルギーを移動させるものである。

【0029】

図７は、図１に示す直流中間回路５に蓄えられた電荷を強制的に放電するための望ましい制御方法と、その直流中間回路５の電圧波形、および図４に示すＤＣリアクトル４９に流れる電流波形と直流中間回路５を構成するコンデンサに流れる電流波形の例を示すものである。

【0030】

図７において、（１）〜（４）は、それぞれ図４に示すスイッチング素子４１〜４４のゲート電圧波形に対応する。同図中、各ゲート波形が“Ｈ”レベル時に対応するスイッチング素子が導通し、“Ｌ”レベル時に非導通となる。すなわち、図１に示す直流中間回路５に蓄えられた電荷を強制的に同図に示す蓄電装置８に移動させるには、図４に示すスイッチング素子４１と４４を同時にオンオフすることでその目的を達成する。その最も簡単なオンオフの方法は、そのオン期間とオフ期間をそれぞれ一定の値にすることである。

【0031】

図７に示す（５）は図４に示すＤＣリアクトル４９に流れる電流波形、（６）は図１に示す直流中間回路５を構成するコンデンサに流れる電流波形、（７）は図１に示す直流中間回路５の電圧波形の具体例である。この例では図４に示すスイッチング素子４１と４４のオン期間とオフ期間は、それぞれ１０μｓと９０μｓとした。図７の時刻Ｔ_１０で図４に示すスイッチング素子４１と４４が導通すると、図１に示す直流中間回路５を構成するコンデンサの正極→母線１０１→図４に示すスイッチング素子４１→同図ＤＣリアクトル４９→スイッチング素子４４→直流母線１０２→図１に示す直流中間回路５を構成するコンデンサの負極に至る閉回路で電流が増加し、この間前記コンデンサに蓄えられた電気エネルギーが前記ＤＣリアクトル４９に移動する。図７の時刻Ｔ_１１で図４に示すスイッチング素子４１と４４をオフすると、同図ＤＣリアクトル４９に流れていた電流は、同図還流ダイオード４７→母線１０３→コンデンサ４０１の正極と図１に示す蓄電装置８の正極に分流→それらの負極→母線１０４→還流ダイオード４６→ＤＣリアクトル４９に至る閉回路で、コンデンサ４０１等の電圧に逆らう方向なので電流は次第に減少し、それらの電流がゼロになるまで継続し、ＤＣリアクトル４９に一時的に蓄えられた電気エネルギーは前記コンデンサ４０１と蓄電装置８に移される。以下、同様に時刻Ｔ_１２→Ｔ_１３→Ｔ_１４→Ｔ_１５・・・に示すように推移し、前記直流中間回路の電荷がほぼゼロになるまで続き、図３に示すように短時間で放電を終了し、その目的を達するものである。

【0032】

以上説明した本実施形態では、特別なハードウェアを追加することなく簡単な制御で、運転開始時に、どの電源が接続されているかを確実に検知できる効果を有する電力変換装置の電源識別方法を提供できるものである。

【0033】

図１に示す外部交流電源１１と１２は、交流電源に限定されることなく、例えば外部バッテリ電源のような外部直流電源でも同様な効果を有する。

【0034】

図１に示す直流中間回路は、コンデンサのみで構成されているが、図１０に示すようにＤＣリアクトルとコンデンサで構成されたものでも同様な効果を有する。

【産業上の利用可能性】

【0035】

電力相変換装置の運転を停止するときに、直流中間回路に蓄えられた電荷を、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を経由して外部蓄電装置に放電させることで、次回の運転開始時に停止時の電源と異なった電圧が印加された場合でも確実に電源種別を識別し、無駄な電荷放電を防止することができる。

【符号の説明】

【0036】

１ 電力変換装置
２ 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路
３ 整流器
４ インバータ回路
５ 直流中間回路
６ 三極電磁開閉器
７ 二極電磁開閉器
８ 蓄電装置
９ 交流電動機
１０〜１２ 外部交流電源
１３〜１５ 外部電源用コネクタ
４１〜４４ スイッチング素子
４５〜４８ 還流ダイオード
４９ ＤＣリアクトル
４０１ コンデンサ
５１〜５６ 整流ダイオード
６１〜６６ スイッチング素子
６７〜６９ 還流ダイオード
６０１〜６０３ 還流ダイオード
９１〜９６ 分圧抵抗
９７〜９９ 比較器
９０１ 基準電源
１００１ ＤＣリアクトル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】