CN116420302A - 电力转换装置、马达驱动装置以及制冷循环应用设备 - Google Patents

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植村启介
松尾遥
松崎公洋
高桥健治
佐竹彰
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Abstract

电力转换装置(1)具备：整流部(130)，其对从商用电源(110)供给的第1交流电力进行整流；电容器(210)，其与整流部(130)的输出端连接；逆变器(310)，其与电容器(210)的两端连接，将从整流部(130)和电容器(210)输出的电力转换成第2交流电力并输出到具有马达(314)的负载；以及控制部(400)，其对逆变器(310)的动作进行控制而使得从逆变器(310)向负载输出包含与从整流部(130)向电容器(210)流入的电力的脉动相应的脉动的第2交流电力，抑制流向电容器(210)的电流。

Description

电力转换装置、马达驱动装置以及制冷循环应用设备
技术领域
本公开涉及将交流电力转换成所希望的电力的电力转换装置、马达驱动装置以及制冷循环应用设备。
背景技术
以往，存在将从交流电源供给的交流电力转换成所希望的交流电力并供给到空调机等负载的电力转换装置。例如，在专利文献1中公开了如下的技术：作为空调机的控制装置的电力转换装置利用作为整流部的二极管堆对从交流电源供给的交流电力进行整流，进而利用由多个开关元件构成的逆变器将由平滑电容器平滑后的电力转换成所希望的交流电力，并输出到作为负载的压缩机马达。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平7-71805号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，根据上述现有技术，向平滑电容器流动大电流，因此，存在平滑电容器的经年劣化加速这样的问题。对于这样的问题，考虑通过增大平滑电容器的电容来抑制电容器电压的纹波变化或者使用纹波所引起的劣化的耐量大的平滑电容器的方法，但电容器部件的成本变高，并且装置会大型化。
本公开是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，得到一种能够抑制平滑用的电容器的劣化并抑制装置的大型化的电力转换装置。
用于解决问题的手段
为了解决上述问题并实现目的，本公开的电力转换装置具备：整流部，其对从商用电源供给的第1交流电力进行整流；电容器，其与整流部的输出端连接；逆变器，其与电容器的两端连接，将从整流部和电容器输出的电力转换成第2交流电力并输出到具有马达的负载；以及控制部，其对逆变器的动作进行控制而使得从逆变器向负载输出包含与从整流部向电容器流入的电力的脉动相应的脉动的第2交流电力，抑制流向电容器的电流。
发明的效果
本公开的电力转换装置起到能够抑制平滑用的电容器的劣化并抑制装置的大型化这样的效果。
附图说明
图1是示出实施方式1的电力转换装置的结构例的图。
图2是作为比较例而示出利用平滑部对从整流部输出的电流进行平滑化并使流向逆变器的电流固定的情况下的各电流和平滑部的电容器的电容器电压的例子的图。
图3是示出实施方式1的电力转换装置的控制部对逆变器的动作进行控制而降低了流向平滑部的电流时的各电流和平滑部的电容器的电容器电压的例子的图。
图4是示出实施方式1的电力转换装置具备的控制部的动作的流程图。
图5是示出实现实施方式1的电力转换装置具备的控制部的硬件结构的一例的图。
图6是示出实施方式2的制冷循环应用设备的结构例的图。
具体实施方式
以下，基于附图对本公开的实施方式的电力转换装置、马达驱动装置以及制冷循环应用设备详细进行说明。
实施方式1.
图1是示出实施方式1的电力转换装置1的结构例的图。电力转换装置1与商用电源110及压缩机315连接。电力转换装置1将从商用电源110供给的电源电压Vs的第1交流电力转换成具有所希望的振幅和相位的第2交流电力并供给到压缩机315。电力转换装置1具备电压电流检测部501、电抗器120、整流部130、电压检测部502、平滑部200、逆变器310、电流检测部313a、313b、以及控制部400。另外，通过电力转换装置1和压缩机315具备的马达314而构成马达驱动装置2。
电压电流检测部501对从商用电源110供给的电源电压Vs的第1交流电力的电压值和电流值进行检测，将检测到的电压值和电流值输出到控制部400。电抗器120连接在电压电流检测部501与整流部130之间。整流部130具有由整流元件131～134构成的桥电路，对从商用电源110供给的电源电压Vs的第1交流电力进行整流并输出。整流部130进行全波整流。电压检测部502对由整流部130整流后的电力的电压值进行检测，将检测到的电压值输出到控制部400。平滑部200经由电压检测部502而与整流部130的输出端连接。平滑部200具有电容器210作为平滑元件，对由整流部130整流后的电力进行平滑化。电容器210例如是电解电容器、薄膜电容器等。电容器210具有对由整流部130整流后的电力进行平滑化这样的电容，通过平滑化而在电容器210中的电压不是商用电源110的全波整流波形形状，而成为在直流分量中重叠了与商用电源110的频率相应的电压纹波的波形形状，不会大幅脉动。该电压纹波的频率在商用电源110为单相的情况下成为电源电压Vs的频率的2倍分量，在商用电源110为三相的情况下，6倍分量成为主分量。在从商用电源110输入的电力和从逆变器310输出的电力不变化的情况下，该电压纹波的振幅由电容器210的电容决定。例如，在电容器210中产生的电压纹波在最大值小于最小值的2倍这样的范围内进行脉动。
逆变器310与平滑部200即电容器210的两端连接。逆变器310具有开关元件311a～311f、以及续流二极管312a～312f。逆变器310通过控制部400的控制将开关元件311a～311f接通断开，将从整流部130和平滑部200输出的电力转换成具有所希望的振幅和相位的第2交流电力并输出到压缩机315。电流检测部313a、313b分别对从逆变器310输出的3相的电流中的1相的电流值进行检测，将检测到的电流值输出到控制部400。另外，控制部400能够通过取得从逆变器310输出的3相的电流值中的2相的电流值而计算从逆变器310输出的剩余1相的电流值。压缩机315是具有压缩机驱动用的马达314的负载。马达314与从逆变器310供给的第2交流电力的振幅和相位相应地旋转，进行压缩动作。例如，在压缩机315是用于空调机等的密闭型压缩机的情况下，压缩机315的负载转矩大多被视为恒转矩负载。
另外，在电力转换装置1中，图1所示的各结构的配置是一例，各结构的配置不限定于图1所示的例子。例如，电抗器120也可以配置于整流部130的后级。在以后的说明中，有时将电压电流检测部501、电压检测部502以及电流检测部313a、313b统称为检测部。此外，有时将由电压电流检测部501检测到的电压值和电流值、由电压检测部502检测到的电压值、以及由电流检测部313a、313b检测到的电流值称为检测值。
控制部400从电压电流检测部501取得电源电压Vs的第1交流电力的电压值和电流值，从电压检测部502取得由整流部130整流后的电力的电压值，从电流检测部313a、313b取得由逆变器310转换后的具有所希望的振幅和相位的第2交流电力的电流值。控制部400使用由各检测部检测到的检测值，对逆变器310的动作、具体而言逆变器310具有的开关元件311a～311f的接通断开进行控制。在本实施方式中，控制部400对逆变器310的动作进行控制，使得从逆变器310向作为负载的压缩机315输出如下第2交流电力，该第2交流电力包含与从整流部130向平滑部200的电容器210流入的电力的脉动相应的脉动。与向平滑部200的电容器210流入的电力的脉动相应的脉动例如是根据向平滑部200的电容器210流入的电力的脉动的频率等而变动的脉动。由此，控制部400抑制流向平滑部200的电容器210的电流。另外，控制部400可以不使用从各检测部取得的全部的检测值，也可以使用一部分检测值进行控制。
接下来，对电力转换装置1具备的控制部400的动作进行说明。在本实施方式中，在电力转换装置1中，能够将由逆变器310和压缩机315产生的负载视为固定的负载，假设在以从平滑部200输出的电流进行观察的情况下平滑部200与恒流负载连接而进行以后的说明。这里，如图1所示，设从整流部130流动的电流为电流I1，设流向逆变器310的电流为电流I2，设从平滑部200流动的电流为电流I3。电流I2成为将电流I1与电流I3合起来的电流。电流I3能够表示为电流I2与电流I1的差分，即电流I2-电流I1。对于电流I3，设平滑部200的放电方向为正方向，设平滑部200的充电方向为负方向。即，有时电流流向平滑部200，也有时电流从平滑部200流出。
图2是作为比较例而示出利用平滑部200对从整流部130输出的电流进行平滑化并使流向逆变器310的电流I2固定的情况下的各电流I1～I3和平滑部200的电容器210的电容器电压Vdc的例子的图。从上到下依次示出电流I1、电流I2、电流I3、以及与电流I3相应地产生的电容器210的电容器电压Vdc。电流I1、I2、I3的纵轴表示电流值，电容器电压Vdc的纵轴表示电压值。横轴全部表示时间t。另外，在电流I2、I3中，实际上重叠有逆变器310的载波分量，但这里省略。以后也相同。如图2所示，在电力转换装置1中，假设在从整流部130流动的电流I1被平滑部200充分地平滑化的情况下，流向逆变器310的电流I2成为固定的电流值。但是，向平滑部200的电容器210流动大电流I3，成为劣化的主要原因。因此，在本实施方式中，在电力转换装置1中，控制部400对流向逆变器310的电流I2进行控制，即对逆变器310的动作进行控制，使得降低流向平滑部200的电流I3。
图3是示出实施方式1的电力转换装置1的控制部400对逆变器310的动作进行控制而降低了流向平滑部200的电流I3时的各电流I1～I3和平滑部200的电容器210的电容器电压Vdc的例子的图。从上到下依次示出电流I1、电流I2、电流I3、以及与电流I3相应地产生的电容器210的电容器电压Vdc。电流I1、I2、I3的纵轴表示电流值，电容器电压Vdc的纵轴表示电压值。横轴全部表示时间t。电力转换装置1的控制部400对逆变器310的动作进行控制，使得图3所示的电流I2流向逆变器310，由此，与图2的例子相比，能够降低从整流部130流入平滑部200的电流的频率分量，降低流向平滑部200的电流I3。具体而言，控制部400对逆变器310的动作进行控制，使得包含以电流I1的频率分量为主分量的脉动电流的电流I2流向逆变器310。
电流I1的频率分量由从商用电源110供给的交流电流的频率以及整流部130的结构决定。因此，控制部400能够将与电流I2重叠的脉动电流的频率分量设为具有预先决定的振幅和相位的分量。与电流I2重叠的脉动电流的频率分量成为电流I1的频率分量的相似波形。控制部400随着使与电流I2重叠的脉动电流的频率分量接近电流I1的频率分量，能够降低流向平滑部200的电流I3，降低在电容器电压Vdc中产生的脉动电压。
控制部400通过控制逆变器310的动作而控制流向逆变器310的电流的脉动与控制从逆变器310向压缩机315输出的第1交流电力的脉动是相同的。控制部400对逆变器310的动作进行控制，使得从逆变器310输出的第2交流电力所包含的脉动小于从整流部130输出的电力的脉动。控制部400对从逆变器310输出的第2交流电力中包含的脉动的振幅和相位进行控制，使得电容器电压Vdc的电压纹波即在电容器210中产生的电压纹波小于在从逆变器310输出的第2交流电力中不包含与向电容器210流入的电力的脉动相应的脉动时的在电容器210中产生的电压纹波。或者，控制部400对从逆变器310输出的第2交流电力中包含的脉动的振幅和相位进行控制，使得相对于电容器210流出流入的电流纹波小于在从逆变器310输出的第2交流电力中不包含与向电容器210流入的电力的脉动相应的脉动时的在电容器210中产生的电流纹波。在从逆变器310输出的第2交流电力中不包含与向电容器210流入的电力的脉动相应的脉动时是指图2所示的控制。
另外，从商用电源110供给的交流电流没有特别限定，可以是单相，也可以是3相。控制部400根据从商用电源110供给的第1交流电力来决定与电流I2重叠的脉动电流的频率分量即可。具体而言，在从商用电源110供给的第1交流电力为单相的情况下，控制部400将流向逆变器310的电流I2的脉动波形控制为，对以第1交流电力的频率的2倍的频率分量为主分量的脉动波形加上直流部分而得到的形状，或者在从商用电源110供给的第1交流电力为3相的情况下，控制部400将流向逆变器310的电流I2的脉动波形控制为，对以第1交流电力的频率的6倍的频率分量为主分量的脉动波形加上直流部分而得到的形状。脉动波形例如为正弦波的绝对值的形状或者正弦波的形状。在该情况下，控制部400也可以将正弦波的频率的整数倍的分量中的至少1个频率分量设为预先规定的振幅而与脉动波形相加。此外，脉动波形也可以是矩形波的形状或者三角波的形状。在该情况下，控制部400也可以将脉动波形的振幅和相位设为预先规定的值。
控制部400也可以使用向电容器210施加的电压或者流向电容器210的电流，对从逆变器310输出的第2交流电力所包含的脉动的脉动量进行运算，还可以使用从商用电源110供给的第1交流电力的电压或电流，对从逆变器310输出的第2交流电力所包含的脉动的脉动量进行运算。
使用流程图对控制部400的动作进行说明。图4是示出实施方式1的电力转换装置1具备的控制部400的动作的流程图。控制部400从电力转换装置1的各检测部取得检测值(步骤S1)。控制部400基于取得的检测值对逆变器310的动作进行控制，使得降低流向平滑部200的电流I3(步骤S2)。
接着，对电力转换装置1具备的控制部400的硬件结构进行说明。图5是示出实现实施方式1的电力转换装置1具备的控制部400的硬件结构的一例的图。控制部400由处理器91和存储器92实现。
处理器91是CPU(也称为Central Processing Unit(中央处理单元)、中央处理装置、处理装置、运算装置、微处理器、微型计算机、处理器、DSP(Digital Signal Processor：数字信号处理器))、或者系统LSI(Large Scale Integration：大规模集成)。存储器92能够例示RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)、ROM(Read Only Memory：只读存储器)、闪存、EPROM(Erasable Programmable ROM：可擦可编程只读存储器)、EEPROM(注册商标)(Electrically Erasable Programmable ROM：电可擦可编程只读存储器)这样的非易失性或易失性的半导体存储器。另外，存储器92不限于此，也可以是磁盘、光盘、高密度盘、迷你盘、或者DVD(Digital Versatile Disc：数字通用光盘)。
如以上说明的那样，根据本实施方式，在电力转换装置1中，控制部400基于从各检测部取得的检测值对逆变器310的动作进行控制，将与从整流部130流动的电流I1的频率分量相应的频率分量的脉动重叠于流向逆变器310的电流I2，由此，降低了流向平滑部200的电流I3。由此，在电力转换装置1中，通过流向平滑部200的电流I3降低，与不进行本实施方式的控制的情况相比，能够使用纹波电流耐量小的电容器。此外，在电力转换装置1中，通过电容器电压Vdc的脉动电压下降，与不进行本实施方式的控制的情况相比，能够减小所搭载的电容器210的电容。电力转换装置1例如在由多个电容器210构成了平滑部200的情况下，能够降低构成平滑部200的电容器210的个数。
此外，电力转换装置1对逆变器310的动作进行控制使得第2交流电力中包含的脉动小于从整流部130输出的电力的脉动，由此，能够抑制与流向逆变器310的电流I2重叠的脉动分量变得过大。脉动分量的重叠使流过逆变器310、马达314等的电流有效值与非重叠状态相比增加，但通过抑制进行重叠的脉动分量变得过大，能够提供抑制了逆变器310的电流容量、逆变器310的损耗增加、马达314的损耗增加等的系统。
此外，电力转换装置1通过进行本实施方式的控制，能够抑制由于电流I2的脉动而产生的压缩机315的振动。
实施方式2.
图6是示出实施方式2的制冷循环应用设备900的结构例的图。实施方式2的制冷循环应用设备900具备在实施方式1中说明的电力转换装置1。实施方式2的制冷循环应用设备900能够应用于空调机、冷藏库、冷冻库、热泵热水器这样的具备制冷循环的产品。另外，在图6中，针对具有与实施方式1同样的功能的结构要素标注与实施方式1相同的标号。
在制冷循环应用设备900中，经由制冷剂配管912而安装有实施方式1中的内置有马达314的压缩机315、四通阀902、室内热交换器906、膨胀阀908、以及室外热交换器910。
在压缩机315的内部，设置有压缩制冷剂的压缩机构904、以及使压缩机构904进行动作的马达314。
制冷循环应用设备900能够通过四通阀902的切换动作进行制暖运转或制冷运转。压缩机构904由被控制为可变速的马达314进行驱动。
在制暖运转时，如实线箭头所示，制冷剂被压缩机构904加压后送出，通过四通阀902、室内热交换器906、膨胀阀908、室外热交换器910及四通阀902而返回到压缩机构904。
在制冷运转时，如虚线箭头所示，制冷剂被压缩机构904加压后送出，通过四通阀902、室外热交换器910、膨胀阀908、室内热交换器906及四通阀902而返回到压缩机构904。
在制暖运转时，室内热交换器906作为冷凝器发挥作用而进行热释放，室外热交换器910作为蒸发器发挥作用而进行热吸收。在制冷运转时，室外热交换器910作为冷凝器发挥作用而进行热释放，室内热交换器906作为蒸发器发挥作用而进行热吸收。膨胀阀908对制冷剂进行减压而使其膨胀。
以上的实施方式所示的结构示出一例，也可以与其他公知技术进行组合，还可以将实施方式彼此组合，还可以在不脱离主旨的范围内省略、变更一部分结构。
附图标记说明
1电力转换装置，2马达驱动装置，110商用电源，120电抗器，130整流部，131～134整流元件，200平滑部，210电容器，310逆变器，311a～311f开关元件，312a～312f续流二极管，313a、313b电流检测部，314马达，315压缩机，400控制部，501电压电流检测部，502电压检测部，900制冷循环应用设备，902四通阀，904压缩机构，906室内热交换器，908膨胀阀，910室外热交换器，912制冷剂配管。

Claims (16)

1.一种电力转换装置，其中，
所述电力转换装置具备：
整流部，其对从商用电源供给的第1交流电力进行整流；
电容器，其与所述整流部的输出端连接；
逆变器，其与所述电容器的两端连接，将从所述整流部和所述电容器输出的电力转换成第2交流电力并输出到具有马达的负载；以及
控制部，其对所述逆变器的动作进行控制而使得从所述逆变器向所述负载输出包含与从所述整流部向所述电容器流入的电力的脉动相应的脉动的所述第2交流电力，抑制流向所述电容器的电流。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，
所述控制部对所述逆变器的动作进行控制，使得从所述逆变器输出的所述第2交流电力中包含的脉动小于从所述整流部输出的电力的脉动。
3.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其中，
所述控制部对从所述逆变器输出的所述第2交流电力中包含的脉动的振幅和相位进行控制，使得在所述电容器中产生的电压纹波小于在从所述逆变器输出的所述第2交流电力中不包含与向所述电容器流入的电力的脉动相应的脉动时的在所述电容器中产生的电压纹波。
4.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其中，
所述控制部对从所述逆变器输出的所述第2交流电力中包含的脉动的振幅和相位进行控制，使得相对于所述电容器流出流入的电流纹波小于在从所述逆变器输出的所述第2交流电力中不包含与向所述电容器流入的电力的脉动相应的脉动时的在所述电容器中产生的电流纹波。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
在所述第1交流电力为单相的情况下，所述控制部将流向所述逆变器的电流的脉动波形控制为对以所述第1交流电力的频率的2倍的频率分量为主分量的脉动波形加上直流部分而得到的形状，或者在所述第1交流电力为3相的情况下，所述控制部将流向所述逆变器的电流的脉动波形控制为对以所述第1交流电力的频率的6倍的频率分量为主分量的脉动波形加上直流部分而得到的形状。
6.根据权利要求5所述的电力转换装置，其中，
将所述脉动波形设为正弦波的绝对值的形状或者正弦波的形状。
7.根据权利要求6所述的电力转换装置，其中，
所述控制部将所述正弦波的频率的整数倍的分量中的至少1个频率分量作为规定的振幅而与所述脉动波形相加。
8.根据权利要求5所述的电力转换装置，其中，
将所述脉动波形设为矩形波的形状或三角波的形状。
9.根据权利要求8所述的电力转换装置，其中，
所述控制部将所述脉动波形的振幅和相位设为规定的值。
10.根据权利要求1至9中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
所述控制部使用向所述电容器施加的电压或流向所述电容器的电流，来运算从所述逆变器输出的所述第2交流电力中包含的脉动的脉动量。
11.根据权利要求1至9中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
所述控制部使用所述第1交流电力的电压或电流，来运算从所述逆变器输出的所述第2交流电力中包含的脉动的脉动量。
12.根据权利要求1至11中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
所述电容器是电解电容器或薄膜电容器。
13.根据权利要求1至12中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
在所述电容器中产生的电压纹波的最大值小于最小值的2倍。
14.根据权利要求1至13中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
所述整流部进行全波整流，在所述电容器中产生的电压不是所述商用电源的全波整流波形形状。
15.一种马达驱动装置，其中，
所述马达驱动装置具备权利要求1至14中的任意一项所述的电力转换装置。
16.一种制冷循环应用设备，其中，
所述制冷循环应用设备具备权利要求1至14中的任意一项所述的电力转换装置。
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