特許 6966498 電源装置

(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】6966498

(24)【登録日】2021年10月25日

(45)【発行日】2021年11月17日

(54)【発明の名称】電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20211108BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20211108BHJP

【ＦＩ】

   H02M3/155 H

   H02M3/155 W

   H02M7/48 E

【請求項の数】5

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2019-39562(P2019-39562)

(22)【出願日】2019年3月5日

(65)【公開番号】特開2020-145807(P2020-145807A)

(43)【公開日】2020年9月10日

【審査請求日】2020年8月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】390008235

【氏名又は名称】ファナック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106002

【弁理士】

【氏名又は名称】正林 真之

(74)【代理人】

【識別番号】100165157

【弁理士】

【氏名又は名称】芝 哲央

(74)【代理人】

【識別番号】100160794

【弁理士】

【氏名又は名称】星野 寛明

(72)【発明者】

【氏名】田辺 義清

(72)【発明者】

【氏名】松元 智志

【審査官】 柳下 勝幸

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００７／０９６９９４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−０７２８８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−２６８３６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−２６０７８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−０９３２０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ３／１５５

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも正負１対の降圧スイッチング素子と、前記降圧スイッチング素子を介して電圧が印加される少なくとも正負１対のインダクタと、直列に接続され、前記インダクタを通過する電流により充電される正負１対の出力キャパシタと、を有し、入力電圧を降圧して出力する降圧回路と、
複数の逆変換スイッチング素子を有し、前記降圧回路の出力電圧を交流に逆変換する逆変換回路と、
前記降圧回路の出力電圧が所望の電圧となるよう前記複数の降圧スイッチング素子のスイッチングを制御する制御回路と、
を備え、
前記降圧回路は、前記降圧スイッチング素子と前記インダクタとの間を前記１対の出力キャパシタの中間点に接続可能な少なくとも１対の昇圧スイッチング素子をさらに有し、
前記逆変換回路は、前記逆変換スイッチング素子と並列に設けられ、逆方向に電流を流すことができる複数の回生ダイオードをさらに有し、
前記制御回路は、前記逆変換回路に出力側から電流が供給される場合、前記逆変換回路から前記降圧回路に供給される電流が所定の値となるよう前記複数の昇圧スイッチング素子のスイッチングを制御する電源装置。

【請求項2】

前記降圧回路は、直列に接続される正負１対の入力キャパシタをさらに有し、
前記少なくとも１対の降圧スイッチング素子は、前記入力キャパシタの電圧が印加される、請求項１に記載の電源装置。

【請求項3】

三相交流の一次電源から正の電圧及び負の電圧を取り出す複数の順変換ダイオードを有し、前記降圧回路に直流電圧を入力する順変換回路をさらに備える、請求項１又は２に記載の電源装置。

【請求項4】

前記降圧回路は、前記降圧スイッチング素子及び前記インダクタをそれぞれ複数対有し、
前記制御回路は、複数対の前記降圧スイッチング素子を異なるタイミングでスイッチングする、請求項１から３のいずれかに記載の電源装置。

【請求項5】

請求項１から４のいずれかに記載の電源装置と、
前記降圧回路の入力側に接続される直流回路と、
を備える電力システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電源装置及び電力システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、工業用途において、交流電源で駆動される電気モータを用いる装置（産業機械）が広く利用されている。ユーザが利用できる交流電源の電圧、つまり構内配電系統の電圧は、ユーザによって異なる場合がある。一般的に、日本国では、ＡＣ２００Ｖの三相交流で構内配電される場合が多いが、他の国では、例えばＡＣ３８０ＶからＡＣ４８０Ｖ程度の配電系統が採用される例が多い。また、同じ国の中であっても、受電設備の構成によって構内配電系統の電圧が異なる場合もある。

【0003】

例えば産業用ロボット等では、様々なサイズ、軸数、システム構成が存在し、ユーザが利用できる電源電圧も様々であり、個別の電圧に合わせて装置の設計を変更することは容易ではない。また、電圧毎に装置の設計を変更すると、保守が煩雑となるという不都合も生じる。このため、ユーザが利用できる電源の電圧が既存の装置の電圧とは異なる場合には、電源と装置との間に変圧トランスを配設することで対応することが少なくない。しかしながら、変圧トランスを利用すると、装置の大きさ及び重量が増大すると共にコストが増大する。

【0004】

また、産業用ロボット等では、サーボモータを駆動するために、例えば特許文献１に記載されるように交流を直流に順変換してから所望の周波数の交流に逆変換する電源装置を用いることがある。この場合、直流を変圧することで、電源電圧にかかわらずモータに最適な出力電圧を得ることができると考えられる。つまり、特許文献１に記載の電源装置の直流部分に、チョッパ回路を追加すれば、出力される交流の電圧を調整できる。

【0005】

また、近年、太陽項発電等の再生可能エネルギの利用が広がっており、直流電源が提供される可能性がある。直流電源も、系統毎に電圧が設定される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１８−７４７９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

海外で良く使用される中性点接地されたＡＣ３８０Ｖ〜ＡＣ４８０Ｖ電源を元に、ＡＣ２００Ｖ用のモータを制御可能な交流電源に変換するためには、チョッパ回路により電圧を変換することで得られる。この場合、逆変換回路で三相交流に再変換すると、出力される三相交流電源の中性点がアース電位と異なる電位となってしまう。

【0008】

出力される交流の中性点がアース電位と大きく異なると、サーボモータ等の負荷回路においてアースに対して高い絶縁耐圧が必要となり、絶縁耐圧不足により使用できない場合がある。また、中性点電位がアース電位と大きく異なると、スイッチングノイズが大きくなり誤動作の危険性が増加する。

【0009】

また、サーボモータを駆動するための電源装置では、大容量のコンデンサに電流を流し込むため、サーボモータ加速時に高調波を含んだ大きなピーク電流が流れ、設備電源の大容量化が必要となる。対策として力率改善やピーク電流を抑制する手法が開発されているが、実現するためには高コスト化、大型化を招くため、容易に適用できない。

【0010】

以上のような実情に鑑みて、任意の電圧かつ任意の周波数の交流を出力することができる電源装置が望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本開示に係る電源装置は、少なくとも正負１対の降圧スイッチング素子と、前記降圧スイッチング素子を介して電圧が印加される少なくとも正負１対のインダクタと、直列に接続され、前記インダクタを通過する電流により充電される正負１対の入力キャパシタと、を有し、入力電圧を降圧して出力する降圧回路と、複数の逆変換スイッチング素子を有し、前記降圧回路の出力電圧を交流に逆変換する逆変換回路と、前記降圧回路の出力電圧が所望の電圧となるよう前記複数の降圧スイッチング素子のスイッチングを制御する制御回路と、を備える。

【発明の効果】

【0012】

本開示に係る電源装置は、任意の電圧かつ任意の周波数の交流を出力することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本開示の第１実施形態に係る電源装置の構成を示す回路図である。

【図2】本開示の第２実施形態に係る電源装置の構成を示す回路図である。

【図3】図２の電源装置の異なる使用例を示す回路図である。

【図4】本開示の第３実施形態に係る電源装置の構成を示す回路図である。

【図5】本開示の第４実施形態に係る電源装置の構成を示すブロック図である。

【図6】本開示の第一実施形態に係る電力システムの構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本開示の各実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本開示の第１実施形態に係る電源装置１の構成を示す回路図である。

【0015】

電源装置１は、一次電源（直流電源）Ｓから供給される直流を所定電圧の三相交流に変換して負荷（本実施形態ではモータＭ）に供給（力行運転）する装置である。より詳しくは、電源装置１は、モータＭの定格電圧より高い電圧を有する一次電源Ｓに接続され、一次電源Ｓの三相交流を、電圧がモータＭの定格電圧に等しく且つ周波数が外部の機器又はユーザによって設定される周波数に等しい三相交流に変換して、モータＭに供給する。また、本実施形態の電源装置１は、逆方向にモータＭから供給される三相交流を、一次電源Ｓと電圧が等しい直流に変換して、１次電源Ｓに供給（回生運転）することができるよう構成されている。

【0016】

電源装置１に、直流を供給する一次電源Ｓとしては、二次電池等の蓄電装置を含むことが想定される。つまり、１次電源Ｓは、電源装置１に電力を供給することができると共に、電源装置１から逆方向に供給される電力を蓄電することができるシステムとされる。

【0017】

電源装置１は、一次電源Ｓから入力される電圧を降圧して出力する降圧回路２と、降圧回路２の出力を交流に逆変換することによって所望の周波数の交流を出力する逆変換回路３と、降圧回路２及び逆変換回路３を制御する制御回路４とを備える。

【0018】

降圧回路２は、一次電源Ｓによって充電される互いに直列に接続された正負１対の入力キャパシタ（正の電圧により充電される入力キャパシタＣ１１、及び負の電圧により充電される入力キャパシタＣ１２）と、入力キャパシタＣ１１，Ｃ１２の電圧が印加される正負１対の降圧スイッチング素子（正の電圧が印加される降圧スイッチング素子Ｔ１１、及び負の電圧が印加される降圧スイッチング素子Ｔ１２）と、降圧スイッチング素子Ｔ１１、Ｔ２２を介して電圧が印加される正負１対のインダクタ（正側の降圧スイッチング素子Ｔ１１を介して正の電圧が印加されるインダクタＬ１、及び負側の降圧スイッチング素子Ｔ１２を介して負の電圧が印加されるインダクタＬ２）と、互いに直列に接続され、インダクタＬ１，Ｌ２を通過する電流により充電される正負１対の出力キャパシタ（正側のインダクタＬ１により充電される出力キャパシタＣ２１、及び負側のインダクタＬ２により充電される出力キャパシタＣ２２）と、降圧スイッチング素子Ｔ１１，Ｔ２２とインダクタＬ１，Ｌ２との間を１対の出力キャパシタＣ２１，Ｃ２２の中間点に接続可能な１対の昇圧スイッチング素子（正側の降圧スイッチング素子Ｔ１１とインダクタＬ１との中間点を出力キャパシタＣ２１，Ｃ２２の中間点に接続する昇圧スイッチング素子Ｔ２１、及び負側の降圧スイッチング素子Ｔ１２とインダクタＬ２との中間点を出力キャパシタＣ２１，Ｃ２２の中間点に接続する昇圧スイッチング素子Ｔ２２）と、降圧スイッチング素子Ｔ１１，１２と並列に設けられ、逆方向に電流を流すことができる１対のバイパスダイオード（正側の降圧スイッチング素子Ｔ１１と並列に設けられるバイパスダイオードＤ１１、及び負側の降圧スイッチング素子Ｔ１２と並列に設けられるバイパスダイオードＤ１２）と、昇圧スイッチング素子Ｔ２１，２２と並列に設けられ、逆方向に電流を流すことができる１対の保護ダイオード（正側の昇圧スイッチング素子Ｔ２１と並列に設けられる保護ダイオードＤ２１、及び負側の昇圧スイッチング素子Ｔ２２と並列に設けられる保護ダイオードＤ２２）と、入力キャパシタＣ１１，Ｃ１２の中間点及び出力キャパシタＣ２１，Ｃ２２の中間点を接地する接地コンデンサＣｇと、を備える。

【0019】

１対の入力キャパシタＣ１１，Ｃ１２は、それぞれ１又は複数のコンデンサによって構成することができ、互いに容量が等しい。１対の出力キャパシタＣ２１，Ｃ２２も同様に、それぞれ１又は複数のコンデンサによって構成することができ、互いに容量が等しい。降圧スイッチング素子Ｔ１１，Ｔ２２、及び昇圧スイッチング素子Ｔ２１，Ｔ２２は、例えば図示するＦＥＴ等の半導体スイッチング素子によって構成することができ、後述する制御回路４によってオン／オフ状態が制御される。１対のインダクタＬ１，Ｌ２は、それぞれ１又は複数のコイルによって構成することができ、互いにインダクタンスが等しい。バイパスダイオードＤ１１，Ｄ１２及び保護ダイオードＤ２１，Ｄ２２は、降圧スイッチング素子Ｔ１１，Ｔ１２及び昇圧スイッチング素子Ｔ２１，Ｔ２２を逆方向の電圧から保護するものであり、降圧スイッチング素子Ｔ１１，Ｔ１２及び昇圧スイッチング素子Ｔ２１，Ｔ２２の種類によっては省略可能である。

【0020】

逆変換回路３は、複数の逆変換スイッチング素子（第１相の正の電圧を出力する逆変換スイッチング素子Ｔ３１、第２相の正の電圧を出力する逆変換スイッチング素子Ｔ３２、第３相の正の電圧を出力する逆変換スイッチング素子Ｔ３３、第１相の負の電圧を出力する逆変換スイッチング素子Ｔ３４、第２相の負の電圧を出力する逆変換スイッチング素子Ｔ３５、及び第３相の負の電圧を出力する逆変換スイッチング素子Ｔ３６）と、逆変換スイッチング素子Ｔ３１，Ｔ３２，Ｔ３３，Ｔ３４，Ｔ３５，Ｔ３６と並列に設けられ、逆方向に電流を流すことができる複数の回生ダイオード（逆変換スイッチング素子Ｔ３１と並列に設けられ、第１相の正の電流を通す回生ダイオードＤ３１、逆変換スイッチング素子Ｔ３２と並列に設けられ、第２相の正の電流を通す回生ダイオードＤ３２、逆変換スイッチング素子Ｔ３３と並列に設けられ、第３相の正の電流を通す回生ダイオードＤ３３、逆変換スイッチング素子Ｔ３４と並列に設けられ、第１相の負の電流を通す回生ダイオードＤ３４、逆変換スイッチング素子Ｔ３５と並列に設けられ、第２相の負の電流を通す回生ダイオードＤ３５、及び逆変換スイッチング素子Ｔ３６と並列に設けられ、第３相の負の電流を通す回生ダイオードＤ３６）と、を有する

【0021】

逆変換スイッチング素子Ｔ３１，Ｔ３２，Ｔ３３，Ｔ３４，Ｔ３５，Ｔ３６は、ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子によって構成することができ、後述する制御回路４によってオン／オフ状態が制御される。回生ダイオードＤ３１，Ｄ３２，Ｄ３３，Ｄ３４，Ｄ３５，Ｄ３６は、逆変換スイッチング素子Ｔ３１，Ｔ３２，Ｔ３３，Ｔ３４，Ｔ３５，Ｔ３６を逆方向の電圧から保護するダイオードと兼用することができる。

【0022】

制御回路４は、マイクロプロセッサーを有する構成とすることができる。制御回路４は、降圧回路２、及び逆変換回路３の制御のために必要な情報を、電源電圧モニタＡ１、入力電圧モニタＡ２、出力電流モニタＡ３、及び出力電圧モニタＡ４から取得する。なお、簡略化のために、回路図において、制御回路４及び各モニタＡ１〜Ａ４の回路構成は図示が省略されており、制御のために必要とされる降圧回路２及び逆変換回路３、並びに各モニタＡ１〜Ａ４と制御回路４との間の信号線、例えば降圧スイッチング素子Ｔ１１，Ｔ２２及び昇圧スイッチング素子Ｔ２１，Ｔ２２を制御するための信号線等は、降圧回路２及び逆変換回路３と制御回路４との間の単一の矢印を有する線としてまとめて示す。

【0023】

制御回路４は、降圧スイッチング素子Ｔ１１，Ｔ２２、昇圧スイッチング素子Ｔ２１，Ｔ２２、及び逆変換スイッチング素子Ｔ３１，Ｔ３２，Ｔ３３，Ｔ３４，Ｔ３５，Ｔ３６のスイッチングを制御することによって、降圧回路２の入力側に電源Ｓから供給される直流を圧力が低い交流に変換して逆変換回路３からモータＭに供給する力行運転と、逆変換回路３に出力側のモータＭから供給される交流を圧力が高い直流に変換して降圧回路２の入力側から電源Ｓに供給する回生運転とを行う。

【0024】

制御回路４は、力行運転時には、昇圧スイッチング素子Ｔ２１，Ｔ２２をオフ状態に保持し、降圧回路２の出力電圧（出力キャパシタＣ２１，Ｃ２２）が所望の電圧となるよう複数の降圧スイッチング素子Ｔ１１，Ｔ２２のスイッチングを制御する。また、制御回路４は、力行運転時には、逆変換回路３が外部から設定される周波数の交流を出力するように複数の逆変換スイッチング素子Ｔ３１，Ｔ３２，Ｔ３３，Ｔ３４，Ｔ３５，Ｔ３６のスイッチングを制御する。さらに、制御回路４は、出力キャパシタＣ２１，Ｃ２２の中間点の電位が所定の電位又は所定範囲内の電位となるよう、昇圧スイッチング素子Ｔ２１，Ｔ２２のスイッチングを制御する。

【0025】

降圧回路２の出力電圧は、降圧スイッチング素子Ｔ１１，Ｔ１２のデューティ（オンする時間の比率）を変更するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって調整することができる。降圧回路２の出力電圧を逆変換回路３からモータＭに供給する三相交流電圧の波高値に調整することによって、逆変換回路３が適切な電圧の三相交流を出力することができる。

【0026】

出力キャパシタＣ２１，Ｃ２２の中間点の電位は、正側の降圧スイッチング素子Ｔ１１のデューティと負側の降圧スイッチング素子Ｔ１２のデューティとを異ならせることにより調節することができる。出力キャパシタＣ２１，Ｃ２２の中間点の電位を適切に調整することによって、モータＭに供給される三相交流の中性点電位を安定させることができ、モータＭに要求される絶縁耐圧を小さくすることができる。

【0027】

制御回路４は、回生運転時には、逆変換回路３から降圧回路２に供給される電流が所定の値となるよう複数の昇圧スイッチング素子Ｔ２１，Ｔ２２のスイッチングを制御する。逆変換回路３から降圧回路２に供給される電流は、昇圧スイッチング素子Ｔ２１，Ｔ２２のデューティを変更するＰＷＭ制御によって調整することができる。昇圧スイッチング素子Ｔ２１，Ｔ２２のデューティを調節することで、出力キャパシタＣ２１，Ｃ２２からインダクタＬ１，Ｌ２に流出する電流を調節することができる。これにより、出力キャパシタＣ２１，Ｃ２２の電圧が変更されるので、モータＭから逆変換回路３を介して降圧回路２に供給される電流を調節することができる。これにより、モータＭの過電流を防止してモータＭを保護することができる。

【0028】

本実施形態に係る電源装置１は、降圧回路２、逆変換回路３及び制御回路４を備えることによって、一次電源１の電圧よりも低い所定の電圧（モータＭの定格電圧に対応する電圧）かつ任意の周波数の交流を出力することができる。

【0029】

また、本実施形態に係る電源装置１は、降圧回路２が昇圧スイッチング素子Ｔ２１，Ｔ２２を有し、逆変換回路３が回生ダイオードＤ３１，Ｄ３２，Ｄ３３，Ｄ３４，Ｄ３５，Ｄ３６を有するため、モータＭが発電機として動作する場合、モータが発電した電力を１次電源Ｓの電圧に昇圧して１次電源Ｓに供給することができる。

【0030】

また、電源装置１において、降圧回路２は、正負１対の入力キャパシタＣ１１，Ｃ１２を有するため、特に回生運転時に入力側の電圧が安定するため、１次電源Ｓに対して適切に電力を供給することができる。

【0031】

図２は、開示の第２実施形態に係る電源装置１ａの構成を示す回路図である。図２の電源装置１ａについて、図１の電源装置１と同じ構成要素には同じ符号を付して重複する説明を省略する。

【0032】

本実施形態の電源装置１ａは、一次電源（交流電源）Ｓａから供給される三相交流を電圧及び周波数が異なる三相交流に変換して負荷（本実施形態ではモータＭ）に供給（力行運転）する装置である。より詳しくは、電源装置１ａは、モータＭの定格電圧以上の電圧を有する中性点接地された一次電源Ｓａに接続され、一次電源Ｓａの三相交流を、電圧がモータＭの定格電圧に等しく、且つ周波数が外部の機器又はユーザによって設定される周波数に等しい三相交流に変換して、モータＭに供給する。また、本実施形態の電源装置１ａは、逆方向にモータＭから供給される三相交流を、一次電源Ｓａと電圧及び位相が等しい三相交流に変換して、１次電源Ｓａに供給（回生運転）することができるよう構成されている。

【0033】

電源装置１ａは、一次電源Ｓａから正の電圧及び負の電圧を取り出す順変換回路５と、順変換回路５から入力される電圧を降圧して出力する降圧回路２と、降圧回路２の出力を交流に逆変換することによって所望の周波数の交流を出力する逆変換回路３と、順変換回路５及び逆変換回路３を制御する制御回路４ａとを備える。つまり、本実施形態の電源装置１ａは、第１実施形態の電源装置１に順変換回路５を付加し、制御回路４ａに順変換回路５を制御する機能を付加したものである。

【0034】

順変換回路５は、三相交流の一次電源Ｓａの各相から正の電圧及び負の電圧を取り出す複数の順変換ダイオード（第１相の正の電圧を取り出す順変換ダイオードＤ４１、第２相の正の電圧を取り出す順変換ダイオードＤ４２、第３相の正の電圧を取り出す順変換ダイオードＤ４３、第１相の負の電圧を取り出す順変換ダイオードＤ４４、第２相の負の電圧を取り出す順変換ダイオードＤ４５、及び第３相の負の電圧を取り出す順変換ダイオードＤ４６）を有する。つまり、順変換回路５は、いわゆる三相ダイオードブリッジ回路である。

【0035】

また、順変換回路５は、順変換ダイオードＤ４１，Ｄ４２，Ｄ４３，Ｄ４４，Ｄ４５，Ｄ４６と並列に設けられる複数の回生スイッチング素子Ｔ４１，Ｔ４２，Ｔ４３，Ｔ４４，Ｔ４５，Ｔ４６をさらに有する。回生スイッチング素子Ｔ４１，Ｔ４２，Ｔ４３，Ｔ４４，Ｔ４５，Ｔ４６は、例えば図示するＦＥＴ等の半導体スイッチング素子によって構成され、制御回路４ａによってオン／オフ状態が制御される。

【0036】

順変換回路５は、回生運転時には、降圧回路２から入力側に出力される直流を１次電源Ｓａに同期する交流電圧に変換して１次電源Ｓａに供給する。このために、制御回路４ａは、図１の電源装置１における制御に加えて、回生運転時には、電圧モニタＡ４から一次電源Ｓａの電圧及び位相の情報を取得し、１次電源Ｓａに同期して各相に正負の電流を供給するよう回生スイッチング素子Ｔ４１，Ｔ４２，Ｔ４３，Ｔ４４，Ｔ４５，Ｔ４６のスイッチングを制御する。

【0037】

本実施形態の電源装置１ａは、順変換回路５を備えるため、一次電源１ａから供給される三相交流を整流して降圧回路２に供給し、降圧回路２でモータＭに合わせた電圧に降圧してから、逆変換回路３により任意の周波数の三相交流に逆変換して出力することができる。また、本実施形態の電源装置１ａは、順変換回路５が回生スイッチング素子Ｔ４１，Ｔ４２，Ｔ４３，Ｔ４４，Ｔ４５，Ｔ４６を有するため、モータＭが発電した電力を１次電源Ｓａに供給することができる。

【0038】

図３は、図２の電源装置１ａの異なる利用例を示す回路図である。図３において、電源装置１ａは、順変換回路の入力側に三相交流の一次電源１ａが接続され、降圧回路２の入力側に直流の一次電源Ｓが接続されている。

【0039】

このように、電源装置１ａは、直流の一次電源Ｓと三相交流の一次電源１ａとの両方から電力が供給され得ると共に、直流の一次電源Ｓと三相交流の一次電源１ａとの両方にモータＭが発電した電力を逆方向に供給することができる。

【0040】

図４は、本開示の第３実施形態に係る電源装置１ｂの構成を示す回路図である。本実施形態の電源装置１ｂは、図２の電源装置１ａと同様に、一次電源（交流電源）Ｓａから供給される三相交流を、電圧及び周波数が異なる三相交流に変換して、モータＭに供給することができると共に、逆方向にモータＭから供給される三相交流を、一次電源Ｓａと電圧及び位相が等しい三相交流に変換して、１次電源Ｓに供給することができる。

【0041】

本実施形態の電源装置１ｂは、一次電源Ｓａから正の電圧及び負の電圧を取り出す順変換回路５と、順変換回路５から入力される電圧を降圧して出力する降圧回路２ｂと、降圧回路２ｂの出力を交流に逆変換することによって所望の周波数の交流を出力する逆変換回路３と、順変換回路５及び逆変換回路３を制御する制御回路４ｂとを備える。図４の電源装置１ｂは、降圧回路２ｂの構成が図２の電源装置１ａの降圧回路２の構成とは異なり、これに伴って制御回路４ｂの制御の内容が図２の電源装置１ａの制御回路４ａの内容とは異なる点を有する。

【0042】

降圧回路２ｂは、順変換回路５の出力電流により充電される互いに直列に接続された容量が等しい正負１対の入力キャパシタＣ１１，Ｃ１２と、入力キャパシタＣ１１，Ｃ１２の電圧が印加される正負３対の降圧スイッチング素子（入力側が互いに接続され、正の電圧が印加される３つの降圧スイッチング素子Ｔ１１１，Ｔ１１２，Ｔ１１３、及び入力側が互いに接続され、負の電圧が印加される３つの降圧スイッチング素子Ｔ１２１，Ｔ１２２，Ｔ１２３）と、降圧スイッチング素子Ｔ１１１，Ｔ１１２，Ｔ１１３，Ｔ１２１，Ｔ１２２，Ｔ１２３の出力側にそれぞれ接続され、降圧スイッチング素子Ｔ１１１，Ｔ１１２，Ｔ１１３，Ｔ１２１，Ｔ１２２，Ｔ１２３を介して電圧が印加されるインダクタンスが等しい正負３対のインダクタ（正側の降圧スイッチング素子Ｔ１１１，Ｔ１１２，Ｔ１１３を介して正の電圧が印加されるインダクタＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３、及び負側の降圧スイッチング素子Ｔ１２１，Ｔ１２２，Ｔ１２３を介して負の電圧が印加されるインダクタＬ２１，Ｌ２２，Ｌ２３）と、互いに直列に接続され、正側のインダクタＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３又は負側のインダクタＬ２１，Ｌ１２２，Ｌ１２３を通過する電流により充電される容量が等しい正負１対の出力キャパシタＣ２１，Ｃ２２と、降圧スイッチング素子Ｔ１１１，Ｔ１１２，Ｔ１１３，Ｔ１２１，Ｔ１２２，Ｔ１２３とインダクタＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３，Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３との間を１対の出力キャパシタＣ２１，Ｃ２２の中間点に接続可能な３対の昇圧スイッチング素子（正側の第１の降圧スイッチング素子Ｔ１１１と第１のインダクタＬ１１との中間点を出力キャパシタＣ２１，Ｃ２２の中間点に接続する昇圧スイッチング素子Ｔ２１１、正側の第２の降圧スイッチング素子Ｔ１１２と第２のインダクタＬ１２との中間点を出力キャパシタＣ２１，Ｃ２２の中間点に接続する昇圧スイッチング素子Ｔ２１２、正側の第３の降圧スイッチング素子Ｔ１１３と第１のインダクタＬ１３との中間点を出力キャパシタＣ２１，Ｃ２２の中間点に接続する昇圧スイッチング素子Ｔ２１３、負側の第１の降圧スイッチング素子Ｔ１２１と第１のインダクタＬ２１との中間点を出力キャパシタＣ２１，Ｃ２２の中間点に接続する昇圧スイッチング素子Ｔ２２１、負側の第２の降圧スイッチング素子Ｔ１２２と第２のインダクタＬ２２との中間点を出力キャパシタＣ２１，Ｃ２２の中間点に接続する昇圧スイッチング素子Ｔ２２２、及び負側の第３の降圧スイッチング素子Ｔ１２３と第１のインダクタＬ２３との中間点を出力キャパシタＣ２１，Ｃ２２の中間点に接続する昇圧スイッチング素子Ｔ２２３）と、降圧スイッチング素子Ｔ１１１，Ｔ１１２，Ｔ１１３，Ｔ１２１，Ｔ１２２，Ｔ１２３とそれぞれ並列に設けられ、逆方向に電流を流すことができる３対のバイパスダイオードＤ１１１，Ｄ１１２，Ｄ１１３，Ｄ１２１，Ｄ１２２，Ｄ１２３と、昇圧スイッチング素子Ｔ２１１，Ｔ２１２，Ｔ２１３，Ｔ２２１，Ｔ２２２，Ｔ２２３とそれぞれ並列に設けられ、逆方向に電流を流すことができる３対の保護ダイオードＤ２１１，Ｄ２１２，Ｄ２１３，Ｄ２２１，Ｄ２２２，Ｄ２２３と、入力キャパシタＣ１１，Ｃ１２の中間点及び出力キャパシタＣ２１，Ｃ２２の中間点を接地する接地コンデンサＣｇと、を備える。

【0043】

制御回路４ｂは、力行運転時には、正側の降圧スイッチング素子Ｔ１１１，Ｔ１１２，Ｔ１１３をＰＷＭ制御の周期内で位相をずらして異なるタイミングでオン／オフする。負側の降圧スイッチング素子Ｔ１２１，Ｔ１２２，Ｔ１２３は、それぞれ対をなす正側の降圧スイッチング素子Ｔ１１１，Ｔ１１２，Ｔ１１３と略同じ位相（入力キャパシタＣ１１，Ｃ１２の中間点及び出力キャパシタＣ２１，Ｃ２２の中間点の電位調節のための微小なタイミングのずれを許容する）でオン／オフされることが好ましい。このように、降圧スイッチング素子Ｔ１１１，Ｔ１１２，Ｔ１１３，Ｔ１２１，Ｔ１２２，Ｔ１２３のスイッチングのタイミングをずらすことにより、スイッチングノイズを分散して、単一のスイッチング素子により電流を制御する場合と比べてノイズレベルを低減することができる。同様に、制御回路４ｂは、回生運転時には、昇圧スイッチング素子Ｔ２１１，Ｔ２１２，Ｔ２１３，Ｔ２２１，Ｔ２２２，Ｔ２２３のスイッチングの位相をずらすことで、ノイズレベルを低減する。

【0044】

また、複数対の降圧スイッチング素子Ｔ１１１，Ｔ１１２，Ｔ１１３，Ｔ１２１，Ｔ１２２，Ｔ１２３及び複数対の昇圧スイッチング素子Ｔ２１１，Ｔ２１２，Ｔ２１３，Ｔ２２１，Ｔ２２２，Ｔ２２３を設けることによって、各素子を流れる電流が少なくなるため、より高速な動作を実現したり、電源装置１ｂを小型化したりすることも可能となる。さらに、複数対の降圧スイッチング素子Ｔ１１１，Ｔ１１２，Ｔ１１３，Ｔ１２１，Ｔ１２２，Ｔ１２３及び複数対の昇圧スイッチング素子Ｔ２１１，Ｔ２１２，Ｔ２１３，Ｔ２２１，Ｔ２２２，Ｔ２２３を用いることにより、リップル電圧の低減による電圧の安定化や、発熱を分散することで動作を安定させることもできる。

【0045】

図５は、本開示の第４実施形態に係る電源装置１ｃの構成を示すブロック図である。本実施形態の電源装置１ｃは、一次電源（交流電源）Ｓａから避雷器（Surge Protective Device）Ｐを介して供給される三相交流を、電圧及び周波数が異なる三相交流に変換して、複数の負荷（モータＭ）に供給することができると共に、負荷から逆方向に供給される電力を、一次電源Ｓａと電圧及び位相が等しい三相交流に変換して、１次電源Ｓａに供給することができるよう構成されている。

【0046】

本実施形態の電源装置１ｃは、一次電源Ｓａが供給する三相交流から正の電圧及び負の電圧を取り出す順変換回路５と、並列に接続され、順変換回路５から入力される電圧を降圧して出力する複数の降圧回路２と、降圧回路２の出力を交流に逆変換することによってそれぞれ所望の周波数の交流を出力する複数の逆変換回路３と、順変換回路５及び逆変換回路３を制御する制御回路４ｃとを備える。また、図５には、制御回路４ｃのための制御電源Ｑを合わせて示す。図５の電源装置１ｃは、図２の電源装置１ａの降圧回路２及び逆変換回路３を複数設け、制御回路が各降圧回路２及び各逆変換回路３の動作を制御するよう構成されている。

【0047】

電源装置１ｃは、複数のモータＭの駆動周波数をそれぞれ個別に設定することができる。また、電源装置１ｃは、駆動したいモータＭの数が増大した場合に、逆変換回路３を追加することによって、各モータＭを独立して駆動することができる。さらに、電源装置１ｃは、モータＭの合計容量が増大する場合には、降圧回路２を追加することによって、すべてのモータＭに同時に定格以上の電力を供給することができる。

【0048】

図６に、開示の一実施形態に係る電力システムの構成を示す。この電力システムは、交流バス（交流配電網）Ｘを有する交流回路と、直流バス（直流配電網）Ｙを有する直流回路と、交流回路及び直流回路に接続される図２の電源装置２ａとを備える。具体的には、電源装置２ａの受変換回路６の入力側には交流回路の交流バスＸから三相交流が供給され、電源装置２ａの降圧回路２の入力側には直流回路の直流バスＹから直流が供給される。つまり、この電力システムは、図３の電源装置１ａにおいて、交流電源Ｓａを交流電力ネットワークに置き換え、直流電源Ｓを直流電力ネットワークに置き換えたものである。

【0049】

交流バスＸは、電力会社から供給される高圧の三相交流を低圧の三相交流に変圧して供給する構内配電網が想定される。一方、直流バスＹは、例えばソーラーパネル発電モジュールＧ１、風力発電機Ｇ２等の発電装置、及び例えば二次電池Ｅ１、フライホイールＥ２等の蓄電装置が接続され得る。

【0050】

本実施形態に係る電力システムは、モータ（負荷）Ｍの仕様に合わせて、交流バスＸ及び直流バスＹより低い電圧且つ所望の周波数の交流をモータＭに供給することができる。また、本実施形態に係る電力システムはモータＭを発電機として利用し、モータＭが発電した電力を昇圧して交流バスＸ及び直流バスＹに供給することもできる。

【0051】

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本開示から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本開示による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

【0052】

上記実施系形態の電源装置において、回生運転のための構成は省略してもよい。また、上記実施系形態の電源装置において、接地コンデンサも省略することができる。本開示に係る電源装置は、モータ以外の負荷に交流電力を供給するために使用してもよい。

【0053】

上述の第３実施形態に係る電源装置では、降圧回路が降圧スイッチング素子、インダクタ及び昇圧スイッチング素子をそれぞれ３対有しているが、降圧回路は、降圧スイッチング素子、インダクタ及び昇圧スイッチング素子をそれぞれ２対又は４対以上有していてもよい。

【0054】

本開示に係る電力システムは、電源装置が順変換回路を有せず、直流回路のみに接続されるものであってもよい。

【符号の説明】

【0055】

１，１ａ，１ｂ，１ｃ 電源装置
２，２ａ 平滑回路
３ 逆変換回路
４，４ａ，４ｂ，４ｃ 制御回路
５ 順変換回路
Ｃ１１，Ｃ１２ 入力キャパシタ
Ｃ２１，Ｃ２２ 出力キャパシタ
Ｃｇ 接地コンデンサ
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３，Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３ インダクタ
Ｓ，Ｓａ 一次電源
Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１１１，Ｔ１１２，Ｔ１１３，Ｔ１２１，Ｔ１２２，Ｔ１２３ 降圧スイッチング素子
Ｔ２１，Ｔ２２，Ｔ２１１，Ｔ２１２，Ｔ２１３，Ｔ２２１，Ｔ２２２，Ｔ２２３ 昇圧スイッチング素子
Ｔ３１，Ｔ３２，Ｔ３３，Ｔ３４，Ｔ３５，Ｔ３６ 逆変換スイッチング素子
Ｔ４１，Ｔ４２，Ｔ４３，Ｔ４４，Ｔ４５，Ｔ４６ 回生スイッチング素子
Ｘ 交流バス
Ｙ 直流バス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】