特許 7174157 電力変換装置

(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】

(24)【登録日】2022-11-08

(45)【発行日】2022-11-17

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20221109BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2021529646

(86)(22)【出願日】2019-07-04

(86)【国際出願番号】 JP2019026581

(87)【国際公開番号】W WO2021001981

(87)【国際公開日】2021-01-07

【審査請求日】2021-12-01

(73)【特許権者】

【識別番号】502129933

【氏名又は名称】株式会社日立産機システム

(74)【代理人】

【識別番号】110001689

【氏名又は名称】青稜弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】増山 翔

(72)【発明者】

【氏名】田邉 啓輔

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 史宏

(72)【発明者】

【氏名】八木原 茂俊

(72)【発明者】

【氏名】平賀 正宏

【審査官】遠藤 尊志

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－３２４８１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０５０３９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－１５４９７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０８３１０２（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】

外部からの出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、
前記平滑コンデンサの直流電力を交流電力に変換する交流変換部と、
前記交流変換部を制御する制御部と、
前記平滑コンデンサの直流電圧を検出する直流電圧検出部と、
前記平滑コンデンサの充電電圧の有無を外部に表示する表示部とを有し、
前記直流電圧検出部は、定電圧部を有し、
前記直流電圧検出部は、
前記表示部と前記定電圧部が並列に接続された構成を有することを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

請求項１に記載の電力変換装置において、
前記直流電圧検出部は、
前記平滑コンデンサの充電電圧に連動して変化する直流電圧連動部を有することを特徴とする電力変換装置。

【請求項3】

請求項１に記載の電力変換装置において、
前記定電圧部は、
ツェナーダイオードもしくはシャントレギュレータであることを特徴とする電力変換装置。

【請求項4】

請求項１に記載の電力変換装置において、
前記表示部は、
発光素子と、前記発光素子に流れる電流を制限する抵抗とを有することを特徴とする電力変換装置。

【請求項5】

外部からの出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、
前記平滑コンデンサの直流電力を交流電力に変換する交流変換部と、
前記交流変換部を制御する制御部と、
前記平滑コンデンサの直流電圧を検出する直流電圧検出部と、
前記平滑コンデンサの充電電圧の有無を外部に表示する表示部とを有し、
前記直流電圧検出部は、定電圧部を有し、
前記直流電圧検出部は、
前記平滑コンデンサの充電電圧に連動して変化する直流電圧連動部を有し、
前記直流電圧連動部は、
前記定電圧部と接続し、
前記平滑コンデンサの両端直流電圧出力から前記定電圧部の電圧出力を差し引いた電圧を分圧した前記直流電圧の検出信号を、前記制御部に出力することを特徴とする電力変換装置。

【請求項6】

請求項１に記載の電力変換装置において、
前記表示部は正面側に配置され、
前記直流電圧検出部、前記平滑コンデンサ、前記交流変換部は背面側に配置されることを特徴とする電力変換装置。

【請求項7】

請求項６に記載の電力変換装置において、
前記表示部は、発光素子搭載基板に搭載し、前記制御部は、制御基板に搭載したことを特徴とする電力変換装置。

【請求項8】

請求項６に記載の電力変換装置において、
前記交流変換部は、モジュールに内蔵され、前記モジュールは、冷却フィンに搭載されることを特徴とする電力変換装置。

【請求項9】

請求項１に記載の電力変換装置において、
前記直流電圧検出部は、前記平滑コンデンサと前記交流変換部と配線されることを特徴とする電力変換装置。

【請求項10】

請求項１に記載の電力変換装置において、
入力される交流を直流電圧に変換する直流変換部を有することを特徴とする電力変換装置。

【請求項11】

請求項１に記載の電力変換装置において、
直流電圧電源から直流電圧を入力することを特徴とする電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力変換装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

一般に、電力変換装置は、複数のスイッチング素子（IGBT）のON／OFFを組み合わせることで、直流電圧をゲートドライブ指令に基づく任意の3相交流電圧に変換する。電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換する直流変換回路と直流変換回路の直流電圧出力を平滑する平滑コンデンサを備えている。

【0003】

さらに、電力変換装置は、交流電圧出力を制御するために直流電圧を検出する直流電圧検出回路と、電力変換装置が通電中であることや平滑コンデンサの充電電圧の有無を外部に示す表示器とを備えている。

【0004】

特許文献１の段落番号0030には「図4に示されるように、各電力変換器10は、一方の入出力端11における直流電圧の有無を表示する表示器19を取付面10ａに有する。表示器19は、例えばLEDといった発光素子により好適に実現される。なお、表示器19における表示内容を制御するために、電力変換器10は、一方の入出力端11における直流電圧の有無を検知する回路を内蔵してもよい。」と記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開2018－68031

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１には表示器が記載されているが、直流電圧の有無を検知し発光素子を点灯させる表示器点灯回路は明示されていない。

【0007】

一般に、表示器点灯回路は電流制限抵抗器と発光素子（主に、LED）によって構成される。表示器点灯回路を高い直流電圧が印加される部位に用いる場合、電流制限と耐電圧を確保するために抵抗器などの部品点数が増加し、部品の大型化が伴う。そのため表示器点灯回路を搭載する基板の面積が増加することになる。

【0008】

また、表示器点灯回路は、使用者が視認できる位置に配置する。一方、平滑コンデンサの直流電圧を検出する直流電圧検出回路は、表示器点灯回路とは離れた位置に配置することになる。

【0009】

表示器点灯回路を直流電圧検出回路に配置することで抵抗を兼用して抵抗数を削減し小型化することが考えられるが、直流電圧検出回路の直流電圧検出信号が外乱の影響を受けやすいという課題がある。

【0010】

本発明の目的は、直流電圧の有無を表示する表示部を備え、直流電圧検出信号が外来ノイズから影響を受けることを低減した電力変換装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の好ましい一例は、外部からの出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの直流電力を交流電力に変換する交流変換部と、前記交流変換部を制御する制御部と、前記平滑コンデンサの直流電圧を検出する直流電圧検出部と、前記平滑コンデンサの充電電圧の有無を外部に表示する表示部とを有し、前記直流電圧検出部は、定電圧部を有する電力変換装置である。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、直流電圧の有無を表示する表示部を備え、直流電圧検出信号が外来ノイズから影響を受けることを低減した電力変換装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施例１における電力変換装置の外観を示す図である。

【図2】実施例１における電力変換装置本体の分解斜視図である。

【図3】実施例１における電力変換装置の概略構成図である。

【図4】実施例１における電力変換装置の回路ブロック図および構造図である。

【図5】比較例における電力変換装置の概略構成図である。

【図6】比較例における電力変換装置の回路ブロック図および構造図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

まず、実施例を説明する前に、比較例について説明する。

【0015】

図５は、比較例である電力変換装置101Cを示す図である。図５に示すように、交流電源102から給電を受け交流電動機103を駆動する電力変換装置101Cは、交流電源102から給電される交流電圧を直流電圧に変換する直流変換部104、直流変換部104の出力を平滑する平滑コンデンサ105、平滑コンデンサ105で平滑化された直流電圧を用いて交流電圧を出力する交流変換部106を備える。

【0016】

交流変換部106を制御する制御部109は、平滑コンデンサ105の直流電圧出力を検出する直流電圧検出部107Cによって分圧された直流電圧検出信号SIG3を用いて交流変換部106に出力する制御信号を調整する機能を備えている。

【0017】

さらに、平滑コンデンサ105の直流電圧出力の通電状態や充電電圧状態を表示するための表示部108Cは、直流電圧検出部107Cの内部において抵抗器R9、R10、R11、R12で構成される分圧部115Cに、直列に接続されている。

【0018】

平滑コンデンサ105の直流電圧出力を、表示部108Cと分圧部115Cで分圧された電圧値を、直流電圧検出部107Cは制御部109に直流電圧検出信号SIG3として出力する。直流電圧検出部107Cはノイズの影響を少なくするため最短で配線することが望ましい。

【0019】

表示部108Cは、発光素子LEDと電流制限抵抗器RL1で構成される。表示部108Cは、直流電圧検出部107Cの内部において分圧部115Cに直列に接続されている。表示部108Cは、平滑コンデンサ105の直流電圧出力の状態を検知して発光素子LEDを点灯させる。発光素子LEDは電力変換装置101Cの使用者から視認できる位置に配置する。電流制限抵抗器RL1は発光素子LEDに流れる電流を制限する。

【0020】

図５に示す比較例では、表示部108Cが直流電圧検出部107Cの一部を構成する様に分圧部115Cと直列に接続されていることから、分圧部115Cを構成する抵抗器R9、R10、R11、R12が発光素子LEDの電流を制限する抵抗器の機能も担う。

【0021】

そのため、例えば、表示部を平滑コンデンサ105に並列に配置した場合には、電流制限用の抵抗を、兼用しないで直流電圧検出部とは別に表示部に配置することになる。そのような場合に比べて、図５の構成は電流制限抵抗器を低減でき、小型化に寄与できる。

【0022】

図６は、比較例における電力変換装置101Cの回路ブロックの物理的な配置と配線の関係を示す。

【0023】

図６において、表示部108Cは電力変換装置101Cの上部に配置しており、直流変換部104、平滑コンデンサ105、交流変換部106や分圧部115Cは電力変換装置101Cの下部に配置される。

【0024】

従って、表示部108Cを接続する配線118C1と配線118C2は、配線長を長くとる必要があり、これに起因して直流電圧検出信号SIG3が外乱ノイズの影響を受け易くなる欠点がある。

【0025】

直流電圧検出信号SIG3は制御部109が交流変換部106を制御する際に用いているため、直流電圧検出信号SIG3が受ける外乱ノイズの影響は、交流変換部106の制御に影響するので好ましくない。

【0026】

また、表示部108Cが直流電圧検出部107Cの一部として分圧部115Cと直列に接続されているため、表示部108Cの両端電圧の降下特性が直流電圧検出信号SIG3に影響を与えるため好ましくない。

【0027】

以下に、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。

【実施例1】

【0028】

図１は、実施例１における電力変換装置101Aの外観を示す図であり、電力変換装置101Aの正面側を上方に向けた際の図である。正面側には、操作オペレータ17、スペーサ16、正面カバーA14、正面カバーB15、表示部LED搭載基板12を備えている。

【0029】

図２は、電力変換装置101Aのケース3の正面部を上方に向けた際の斜視図である。図２に示すように、電力変換装置101Aは、冷却フィン1、冷却フィンカバー2、ケース3、電線引出口半閉鎖カバー4、冷却ファンケース5、冷却ファン6を備える。

【0030】

さらに、電力変換装置101Aは、ドライバ回路や電源回路等からなる主基板7、平滑コンデンサ（ＣＢ）105が搭載された平滑コンデンサ搭載基板8、制御回路を搭載した制御基板9、動力配線用の銅バー10、表示用LEDを搭載した表示部LED搭載基板12を備える。

【0031】

冷却フィン1には、パワー半導体素子を内蔵したモジュール11が搭載されている。表示部108Aの発光素子LEDは、電力変換装置101Aの使用者が視認可能な部位に設置する必要があることから図２で示す表示部LED搭載基板12に配置する。

【0032】

この時、平滑コンデンサ搭載基板8の直流電圧出力は、モジュール11の直流部電圧を安定させる目的を達成するため、主基板7とモジュール11の接続点近傍に動力配線用の銅バー10で接続している。このため、主基板7とは別の位置に配置された発光素子LEDまでの配線長が長くなる。

【0033】

図３は、実施例における電力変換装置101A、交流電源102と交流電動機103を接続した全体構成を示す。

【0034】

図３において、電力変換装置101Aは、直流変換部104、平滑コンデンサ105、交流変換部106、直流電圧検出部107A、表示部108A、制御部109から構成される。

【0035】

本実施例においては、直流変換部104、交流変換部106は、図２におけるモジュール11に内蔵されている。なお、直流変換部104と交流変換部106は図２におけるモジュール11の様に一体構造でなくてもよい。

【0036】

交流電源102は、例えば電力会社から供給される交流電圧や発電機から供給される交流電圧であり、直流変換部104に供給される。

【0037】

直流変換部104は、例えばダイオード整流回路で構成された直流変換回路やIGBTとフライホイールダイオードを用いた直流変換回路で構成され、交流電源102から入力された交流電圧を、直流電圧に変換し、平滑コンデンサ105に出力する。また、平滑コンデンサ105の入力側、出力側の両方或いは一方に直流電圧を昇降する調整部が含まれても構わない。

【0038】

平滑コンデンサ105は、直流変換部104から入力された直流電圧を平滑化し、交流変換部106に直流電圧を出力する。また、電源供給が交流電源102ではなく、直流電圧電源の場合は、直流変換部104を介さず、平滑コンデンサ105に直流電圧電源から直流電圧が供給されても構わない。

【0039】

交流変換部106は、例えばIGBTとフライホイールダイオードを用いた交流変換回路で構成され、平滑コンデンサ105の直流電圧出力と、制御部109の出力指令を入力とし、直流電圧を交流電圧に変換し、交流電動機103に出力する。

【0040】

直流電圧検出部107Aは、定電圧部110と例えば分圧抵抗器R1、R2、R3、R4（分圧抵抗器の個数は制限しない）で構成された平滑コンデンサ105の直流電圧出力と連動して変化する直流電圧連動部111を備え、定電圧部110と直流電圧連動部111は直列に接続される。

【0041】

直流電圧検出部107Aは、平滑コンデンサ105の出力両端に接続され平滑コンデンサ105の両端直流電圧を定電圧部110と直流電圧連動部111で分圧し、直流電圧連動部111は分圧した電圧を制御部109に直流電圧検出信号SIG1を出力する。この時、直流電圧検出部107Aの接続は、外乱の影響を軽減するために最短で配線することが望ましく、直流電圧検出信号SIG1も最短で配線することが望ましい。

【0042】

定電圧部110は、表示部108Aに並列に接続され、定電圧部110の両端子間の電圧を一定に保つ。定電圧部110は定電圧を出力可能な素子、例えばツェナーダイオード、シャントレギュレータなどを用いる。

【0043】

定電圧部110の挿入位置は、図３の位置に限定されることはなく、直流電圧検出信号SIG1に与える影響が同義の位置、例えば抵抗器R1と抵抗器R2の間、あるいは、抵抗器R2と抵抗器R3の間であってもよい。

【0044】

直流電圧連動部111は、平滑コンデンサ105の両端直流電圧出力から定電圧部110の定電圧出力を差し引いた電圧値を分圧し、直流電圧検出信号SIG1を制御部109に出力する。

【0045】

制御部109は、直流電圧検出部107Aの出力である直流電圧検出信号SIG1を用いて交流変換部106に制御信号を出力する。

【0046】

交流変換部106は、制御部109の制御信号を受けて、制御信号に従った交流電圧を出力する。

【0047】

表示部108Aは、図３では一例として、発光素子LEDを用いた構成で示す。表示部108Aは、発光素子LEDと発光素子LEDに流れる電流を制限する電流制限抵抗器RL1で構成される。

【0048】

表示部108Aは、定電圧部110と並列に接続される。表示部108Aは、定電圧部110の両端出力電圧に従って発光素子LEDを点灯させる。発光素子LEDは電力変換装置101Aの使用者から視認できる位置に配置する。

【0049】

電流制限抵抗器RL1は発光素子LEDに流れる電流を制限する。表示部108Aは、定電圧部110から供給される一定電圧を用いて発光素子LEDに通流する電流値を電流制限抵抗器RL1で決定するので、発光素子LEDの発光状態は安定する。電流制限抵抗器RL1の抵抗器の個数は制限されず、発光素子LEDの作動条件などに合せて適切に調整される。

【0050】

図４は、実施例における電力変換装置101Aの回路ブロックの物理的な配置と配線の関係を示す。図４において、直流変換部104と平滑コンデンサ105、交流変換部106、直流電圧検出部107Aは電力変換装置101Aの図において下部、つまり電力変換装置101Aの背面側に配置される。直流電圧検出部107Aは主基板7に配置される。

【0051】

また、表示部108Aと制御部109は電力変換装置101Aの上部、つまり電力変換装置101Aの正面側に配置される。表示部108Aは表示部LED搭載基板12に搭載され、制御部109は制御基板9に搭載される。

【0052】

まとめると、表示部108Aは電力変換装置101Aの正面側に配置され、背面側には、直流電圧検出部107A、平滑コンデンサ105、直流変換部104、交流変換部106が配置される。

【0053】

本実施例では、表示部108Aへの配線118A1や配線118A2を直流電圧検出部107Aから分離して配線できる。直流電圧検出部107Aは平滑コンデンサ105と交流変換部106に対して、それぞれ配線112Aと配線112Bを使い配線している。

【0054】

比較例である図６の直流電圧検出部107Cにおける同様な配線118C1と配線112Cに比べると、配線112Aと配線112Bは短距離で配線することができる。配線を短くできることから、制御部109に外乱からの影響を低減した直流電圧検出信号SIG1を出力できる。また、定電圧部110と並列に表示部108Aが接続されているため発光素子LEDの発光状態の安定化が図れる。

【0055】

また、表示部108Aは平滑コンデンサ105に並列に配置するので、電流制限用の抵抗を、直流電圧検出部の抵抗を兼用しないで表示部に配置する構成も考えられる。そのような場合に比べて、本実施例によれば表示部108Aの電流制限抵抗器を削減することができるため回路面積の増大を抑えることができる。

【0056】

また、定電圧部110を表示部108Aに並列に接続していることにより、直流電圧検出部107Aを構成する定電圧部110と直流電圧連動部111の間の配線長と直流電圧検出部107Aの両端と平滑コンデンサ105の出力両端の間の配線を短くでき、表示部108Aの発光素子LEDだけを視認可能な部位に引き出す配線（118A1、118A2）とすることが可能となる。

【0057】

図５の比較例では、表示部108Cと分圧抵抗器R9、R10、ＲR11、R12の直列接続で直流電圧検出部107Cを構成した場合に表示部108Cの発光素子LEDまでの引き出し線（118C1、118C2）が受ける外来ノイズの影響が直流電圧検出部107Cで生じ、それが直流電圧検出信号SIG3にも影響を与える。

【0058】

一方、本実施例では、配線118A1、118A2が受ける外来ノイズの影響は、定電圧部110によって抑制されるため、直流電圧検出信号SIG1で生じる外来ノイズ影響が低減される。これによって、表示部108Aの発光素子LEDを自由に配置可能とし安定した直流電圧検出信号SIG1を制御部109に出力することができる。

【0059】

上記の実施例における電力変換装置101Aは、汎用インバータ、サーボアンプ、ＤＣＢＬコントローラなどの電力変換装置として適用できる。

【符号の説明】

【0060】

101A：電力変換装置、102：交流電源、103：交流電動機、104：直流変換部、105：平滑コンデンサ、106：交流変換部、107A：直流電圧検出部、108A：表示部、109：制御部、110：定電圧部、111：直流電圧連動部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】