CN117678153A - 电力转换装置和空调机 - Google Patents

Abstract

具备：非升压型的整流电路(210)，其将第1交流电压转换成直流电压；与整流电路(210)连接的电抗器(220)；对直流电压进行平滑化的电容器(230)；逆变器(260)，其与电容器(230)并联连接，将平滑化后的直流电压转换成所希望的电压和频率的第2交流电压并向马达(310)输出；以及控制逆变器(260)的动作的控制部(270)，电抗器(220)和电容器(230)的容量被设定为，由电抗器(220)和电容器(230)形成的滤波器电路的谐振频率比第1电角频率小，该第1电角频率是基于控制部(270)以第2交流电压在未成为过调制的范围内最大的方式对逆变器(260)的动作进行控制时的电压指令的电角频率。

Description

电力转换装置和空调机

技术领域

本公开涉及进行电力转换的电力转换装置和空调机。

背景技术

以往，通过将交流电源电压转换成直流电压，进而转换成所希望的交流电压而输出，从而对电动机等的动作进行控制。在专利文献1中公开了一种关于电动机控制装置的技术，该电动机控制装置具备多个交直流转换器、多个平滑电容器、多个单相逆变器等，对电动机的动作进行控制。通常的电动机控制装置所使用的电抗器和平滑电容器大多使用与其他电气部件相比为大型的部件。在通常的电动机控制装置中，在为了使装置小型化而使交直流转换器具备的电抗器和平滑电容器成为小容量的部件时，由电抗器和平滑电容器形成的滤波器电路的谐振频率与单相逆变器的电压脉动频率接近，有时会发生谐振现象。专利文献1的电动机控制装置为了抑制这样的谐振现象，设置了升压斩波电路作为具有阻尼效果的电路。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2006-271083号公报

发明内容

发明要解决的问题

但是，根据上述的现有技术，存在由于追加升压斩波电路而导致装置大型化这样的问题。

本公开是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，得到一种能够抑制装置的大型化并且能够抑制谐振现象的发生的电力转换装置。

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：非升压型的整流电路，其将第1交流电压转换成直流电压；电抗器，其与整流电路连接；电容器，其对直流电压进行平滑化；逆变器，其与电容器并联连接，将平滑化后的直流电压转换成所希望的电压和频率的第2交流电压并向马达输出；以及控制部，其控制逆变器的动作。电抗器和电容器的容量被设定为，由电抗器和电容器形成的滤波器电路的谐振频率比第1电角频率小，该第1电角频率是基于控制部以第2交流电压在未成为过调制的范围内最大的方式对逆变器的动作进行控制时的电压指令的电角频率。

发明的效果

本公开的电力转换装置起到能够抑制装置的大型化并且抑制谐振现象的发生这样的效果。

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第1图。

图2是示出实施方式1的电力转换装置的结构例的第2图。

图3是示出实施方式1的电力转换装置的控制部根据正弦波模式的电压指令生成逆变器驱动信号的动作的图。

图4是示出实施方式1的电力转换装置的控制部根据梯形波模式的电压指令生成逆变器驱动信号的动作的图。

图5是示出与实施方式1的电力转换装置连接的压缩机的马达的感应电压特性的图。

图6是示出实施方式1的电力转换装置的控制部切换对逆变器的控制模式的例子的图。

图7是示出实施方式1的电力转换装置中的第1电角频率与谐振频率之间的关系的例子的图。

图8是示出基于实施方式1的电力转换装置具备的电抗器的容量和电容器的容量得到的谐振频率的增益特性的图。

图9是示出实施方式1的电力转换装置中的第1电角频率与谐振频率的增益频带之间的关系的例子的图。

图10是示出在实施方式1的电力转换装置中基于控制部所使用的电压指令的模式的逆变器输入电压的脉动的例子的图。

图11是示出实施方式1的电力转换装置中的马达的感应电压特性、第1电角频率以及谐振频率之间的关系的图。

图12是示出实施方式1的电力转换装置的结构例的第3图。

图13是示出实施方式2的空调机的结构例的图。

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和空调机详细进行说明。

实施方式1

图1是示出实施方式1的电力转换装置200的结构例的第1图。电力转换装置200与交流电源100及压缩机300连接，将从交流电源100输出的交流电压转换成直流电压，进而转换成所希望的电压和频率的交流电压并向压缩机300输出。在以后的说明中，将从交流电源100输出的交流电压称为第1交流电压，将从电力转换装置200输出的交流电压称为第2交流电压。电力转换装置200具备整流电路210、电抗器220、电容器230、电压检测部240、电流检测部250、逆变器260以及控制部270。

整流电路210具备多个二极管211，在图1的例子中为6个二极管211，整流电路210将从交流电源100输出的第1交流电压转换成直流电压而输出。在本实施方式中，整流电路210是非升压型的电路。

在图1的例子中，电抗器220的一端与整流电路210的输出端连接，电抗器220的另一端与电容器230连接。另外，电力转换装置200内的电抗器220的设置位置不限于图1的例子。

在图1的例子中，电容器230的一端经由电抗器220与整流电路210的输出端连接，电容器230的另一端与整流电路210的输出端连接。电容器230对由整流电路210转换后的直流电压进行平滑化。

电压检测部240与电容器230连接，对从电容器230输出的直流电压即直流母线电压Vdc进行检测。电压检测部240将作为直流母线电压Vdc的电压值的检测值输出到控制部270。

电流检测部250连接在电容器230与逆变器260之间，对流过逆变器260的电流进行检测。电流检测部250将检测值输出到控制部270，该检测值是流过逆变器260的电流的电流值。

逆变器260与电容器230并联连接，通过控制部270的控制，将平滑化后的直流电压即直流母线电压Vdc转换成所希望的电压和频率的第2交流电压。具体而言，逆变器260具备6个开关元件261、以及与开关元件261并联连接的6个二极管262。逆变器260基于从控制部270输出的逆变器驱动信号将各开关元件261接通断开，生成第2交流电压，即，将平滑化后的直流电压即直流母线电压Vdc转换成第2交流电压。逆变器260将第2交流电压输出到压缩机300具备的马达310。

控制部270对逆变器260的动作进行控制，使得向与逆变器260连接的压缩机300的马达310输出第2交流电压。具体而言，控制部270基于从电压检测部240和电流检测部250取得的检测值，生成用于控制逆变器260的动作的逆变器驱动信号并输出到逆变器260。另外，虽然在图1中省略了记载，但控制部270还可以使用检测值来控制逆变器260的动作，该检测值是对从逆变器260流向马达310的1个以上的相的电流进行检测的电流检测部所检测到的电流值。

与电力转换装置200连接的压缩机300具备马达310。在本实施方式中，马达310是按照各相即U相、V相以及W相而具备绕组311的三相马达。

在图1中，示出与电力转换装置200连接的交流电源100是三相交流电源的情况的例子，但这是一例，不限于此。图2是示出实施方式1的电力转换装置200的结构例的第2图。如图2所示，与电力转换装置200连接的交流电源100也可以是单相交流电源。在该情况下，在电力转换装置200中，整流电路210具备4个二极管211，将从交流电源100输出的第1交流电压转换成直流电压而输出。此外，在图2的例子中，电抗器220的一端与交流电源100连接，电抗器220的另一端与整流电路210的输入端连接。另外，在交流电源100是单相交流电源的情况下，电力转换装置200中的电抗器220的设置位置不限于图2的例子。

接着，对电力转换装置200的动作进行说明。在电力转换装置200中，控制部270基于对针对各相的电压指令与载波进行比较而得的结果，生成用于控制与各相对应的开关元件261的接通断开的逆变器驱动信号，以对逆变器260的各开关元件261的接通断开进行控制。

图3是示出实施方式1的电力转换装置200的控制部270根据正弦波模式的电压指令生成逆变器驱动信号UP、UN的动作的图。图3是示出电压指令Vu＊为正弦波模式的情况的图，电压指令Vu＊的最大振幅是Vdc/2。控制部270对针对U相的电压指令Vu＊与载波进行比较。控制部270在载波比电压指令Vu＊大的情况下，以U相的上臂的开关元件261用的逆变器驱动信号UP成为高电平、U相的下臂的开关元件261用的逆变器驱动信号UN成为低电平的方式生成各逆变器驱动信号。控制部270在电压指令Vu＊比载波大的情况下，以U相的上臂的开关元件261用的逆变器驱动信号UP成为低电平、U相的下臂的开关元件261用的逆变器驱动信号UN成为高电平的方式生成各逆变器驱动信号。虽然省略图示，但控制部270同样地基于对针对V相的电压指令Vv＊与载波进行比较而得的结果，生成V相的上臂的开关元件261用的逆变器驱动信号VP以及V相的下臂的开关元件261用的逆变器驱动信号VN。此外，控制部270基于对针对W相的电压指令Vw＊与载波进行比较而得的结果，生成W相的上臂的开关元件261用的逆变器驱动信号WP以及W相的下臂的开关元件261用的逆变器驱动信号WN。

另外，电压指令不限于正弦波的形状。图4是示出实施方式1的电力转换装置200的控制部270根据梯形波模式的电压指令生成逆变器驱动信号UP、UN的动作的图。图4是示出电压指令Vu＊为梯形波模式的情况的图，电压指令Vu＊的最大振幅是Vdc/2。与电压指令为正弦波模式的情况同样，控制部270基于对针对各相的电压指令与载波进行比较而得的结果，生成各相的上臂和下臂的开关元件261用的逆变器驱动信号。

这里，逆变器260的输出电压即第2交流电压根据直流母线电压Vdc的大小来决定成为过调制的区域和未成为过调制的非过调制的区域。图5是示出与实施方式1的电力转换装置200连接的压缩机300的马达310的感应电压特性的图。在图5中，横轴表示作为压缩机300的马达310的运转频率的电角频率，纵轴表示逆变器260的输出电压。在图5中，作为马达310的感应电压特性，示出基于逆变器260的输出电压和压缩机300的马达310的电角频率而得到的马达310的感应电压常数。控制部270通过对逆变器260的动作进行控制，能够在逆变器260的输出电压为非过调制的范围内，按照马达310的感应电压常数来控制逆变器260的输出电压。但是，控制部270在逆变器260的输出电压为过调制的范围内，无法按照马达310的感应电压常数来控制逆变器260的输出电压。

图6是示出实施方式1的电力转换装置200的控制部270切换对逆变器260的控制模式的例子的图。在图6中，横轴和纵轴与图5的情况相同。控制部270在逆变器260的输出电压为非过调制的范围内，通过使用图3所示的正弦波模式的电压指令，能够按照马达310的感应电压常数将逆变器260的输出电压控制为所希望的电压和频率。另一方面，控制部270在逆变器260的输出电压为过调制的范围内，虽然使用图4所示的梯形波模式的电压指令，但无法按照马达310的感应电压常数将逆变器260的输出电压控制为所希望的电压和频率，与压缩机300的马达310的运转频率即电角频率无关而成为饱和状态。在这样的情况下，在压缩机300中，振动、噪声等的产生成为问题。在图6中，由直流母线电压Vdc决定的逆变器260的输出电压与马达310的感应电压常数交叉的位置所对应的压缩机300的马达310的运转频率即电角频率相当于第1电角频率ω1，该第1电角频率ω1是控制部270以正弦波模式控制电压指令的情况下的最大振幅频率的6倍成分。

第1电角频率ω1能够由式(1)表示。另外，在式(1)中，ωs_max是逆变器260能够通过向逆变器260输入的直流母线电压Vdc进行运转的最大频率，P是马达310的极对数。

ω1＝ωs_max×P×6…(1)

另外，第1电角频率ω1也能够作为第2电角频率的6倍成分而求出，该第2电角频率是使用通过由控制部270控制的正弦波模式的电压指令使第2交流电压在未成为过调制的范围内最大时的马达310的转速以及马达310的极对数而决定的。

如背景技术所说明的那样，通常在具备电抗器220和电容器230的电力转换装置200中，由电抗器220和电容器230形成LC谐振电路，即滤波器电路。在控制部270根据梯形波模式的电压指令对逆变器260的动作进行控制即对压缩机300的运转进行控制的状态下，在滤波器电路的谐振频率ω2比第1电角频率ω1大时，压缩机300所产生的振动、噪声等会进一步变大。

滤波器电路的谐振频率ω2能够由式(2)表示。另外，在式(2)中，L是电抗器220的容量，C是电容器230的容量。此外，√(L×C)表示L×C的平方根。

ω2＝1/(2π×√(L×C))…(2)

因此，在本实施方式中，在电力转换装置200中，将电抗器220的容量L和电容器230的容量C设定为，使由电抗器220和电容器230形成的滤波器电路的谐振频率ω2比第1电角频率ω1小，该第1电角频率ω1是基于控制部270以第2交流电压在未成为过调制的范围内最大的方式对逆变器260的动作进行控制时的电压指令的电角频率。图7是示出实施方式1的电力转换装置200中的第1电角频率ω1与谐振频率ω2之间的关系的例子的图。图7是对图6追加了谐振频率ω2而得的。在电力转换装置200中，电抗器220的容量L和电容器230的容量C被设定为，使谐振频率ω2比作为第2电角频率的6倍成分的第1电角频率ω1小，该第2电角频率是使用通过由控制部270控制的正弦波模式的电压指令使第2交流电压在未成为过调制的范围内最大时的马达310的转速以及马达310的极对数而决定的。由此，电力转换装置200能够抑制装置的大型化，并且能够抑制谐振现象的发生。

另外，在电力转换装置200中，假定电抗器220的容量L和电容器230的容量C实际上根据各个体的不同而存在偏差。因此，在电力转换装置200中，电抗器220的容量L和电容器230的容量C被设定为，根据电抗器220的容量L和电容器230的容量C的偏差而假定的最大的谐振频率ω2比第1电角频率ω1小。由此，与不考虑电抗器220的容量L和电容器230的容量C的偏差的情况相比，电力转换装置200能够高精度地抑制装置的大型化，并且能够抑制谐振现象的发生。

此外，谐振频率ω2在以谐振频率ω2为中心的频带中具有增益。图8是示出基于实施方式1的电力转换装置200具备的电抗器220的容量L和电容器230的容量C得到的谐振频率ω2的增益特性的图。在图8中，横轴表示作为压缩机300的马达310的运转频率的电角频率，纵轴表示通过由电抗器220和电容器230形成的滤波器电路得到的增益。电力转换装置200在以谐振频率ω2为中心的从电角频率ω21到电角频率ω22之间的频带中，具有增益为0分贝以上的增益频带。因此，在电力转换装置200中，电抗器220的容量L和电容器230的容量C被设定为，包含谐振频率ω2且增益为0分贝以上的范围的频带比第1电角频率ω1小。

图9是示出实施方式1的电力转换装置200中的第1电角频率ω1与谐振频率ω2的增益频带之间的关系的例子的图。图9是对图7追加了从电角频率ω21到电角频率ω22之间的频带即增益频带而得到的。如图9所示，在电力转换装置200中，电抗器220的容量L和电容器230的容量C被设定为，使通过由电抗器220和电容器230形成的滤波器电路得到的增益频带的上侧的电角频率ω22比第1电角频率ω1小。

图10是示出在实施方式1的电力转换装置200中基于控制部270所使用的电压指令的模式的逆变器输入电压的脉动的例子的图。图10的(a)示出调制率，图10的(b)示出逆变器输入电压。此外，在图10中，用实线示出正弦波模式，用虚线示出梯形波模式。如图10的(a)所示，梯形波模式的调制率比正弦波模式的调制率大。此外，如图10的(b)所示，逆变器输入电压即作为从电容器230输出的直流电压的直流母线电压Vdc虽然在正弦波模式中的变动小，但在梯形波模式中的变动变大。在梯形波模式中，可能会超过电容器230等元件的耐压。此外，在梯形波模式中，从逆变器260向马达310输出的第2交流电压的变动也会变大，在压缩机300中，振动、噪声等的发生成为问题。因此，在电力转换装置200中，期望控制部270以正弦波模式对逆变器260的动作进行控制。

这里，关于图5等所示的马达310的感应电压特性，如果能够使马达310的感应电压特性的斜率向水平的方向变化，则能够使逆变器260的输出电压从非过调制成为过调制时的第1电角频率ω1向右方向即高电角频率的方向移动。如果能够提高第1电角频率ω1的电角频率，则能够与第1电角频率ω1相应地也提高谐振频率ω2。图11是示出实施方式1的电力转换装置200中的马达310的感应电压特性、第1电角频率ω1以及谐振频率ω2之间的关系的图。如果能够提高谐振频率ω2，则根据式(2)可知，能够进一步减小电抗器220的容量L和电容器230的容量C。如果能够进一步减小电抗器220的容量L和电容器230的容量C，则在电力转换装置200中能够进一步抑制装置的大型化并且抑制谐振现象的发生。另外，关于马达310，除了马达310的感应电压特性之外，变更马达310的绕组311的匝数、马达310具备的未图示的铁心的堆叠厚度等也能够使图11所示的马达310的感应电压特性的斜率变化。此外，也可以组合能够使马达310的感应电压特性的斜率变化的这些要件。即，通过使马达310的感应电压特性、马达310具备的绕组311的匝数、以及马达310具备的铁心的堆叠厚度中的至少一个变化，能够变更电抗器220的容量L和电容器230的容量C的设定。

关于与电力转换装置200连接的压缩机300的马达310，在图1和图2中示出了绕组311是Y接线的情况，但不限于此。关于马达310的绕组311，可以进行Δ接线，也可以是能够切换Y接线与Δ接线的结构。图12是示出实施方式1的电力转换装置200的结构例的第3图。在图12的例子中，对图2所示的电力转换装置200追加了切换部280。切换部280按照马达310的每个相而具备能够切换马达310的各绕组311的接线的开关281。控制部270生成并输出对切换部280指示各开关281的连接目的地的切换信号。例如，控制部270在逆变器输出电压要进入过调制区域的情况下，将马达310的绕组311从Y接线切换为Δ接线，由此，能够不进入过调制区域而使马达310持续运转。切换部280的各开关281基于来自控制部270的切换信号，来切换马达310的绕组311的接线。

如以上说明的那样，根据本实施方式，在电力转换装置200中，电抗器220的容量L和电容器230的容量C被设定为，由电抗器220和电容器230形成的滤波器电路的谐振频率ω2比第1电角频率ω1小，该第1电角频率ω1是基于控制部270以第2交流电压在未成为过调制的范围内最大的方式对逆变器260的动作进行控制时的电压指令的电角频率。由此，电力转换装置200能够抑制装置的大型化并且抑制谐振现象的发生。

另外，关于本实施方式中的电力转换装置200具备的电抗器220的容量L和电容器230的容量C的设定，不限定于逆变器260的过调制运转，也能够应用于基于还包含通常运转时在内的死区时间的电容器两端电压抑制。此外，关于电力转换装置200，在使用涡旋式压缩机作为所连接的压缩机300的情况下，与旋转式压缩机相比，电力转换装置200的负载变化小，因此，更容易受到逆变器输入电压的电压脉动影响，能够得到抑制振动、噪声等的效果。

实施方式2

图13是示出实施方式2的空调机500的结构例的图。空调机500具备交流电源100、电力转换装置200、具有马达310的压缩机300、四通阀400、室外热交换器410、膨胀阀420、室内热交换器430以及制冷剂配管440。在图13中，压缩机300、四通阀400、室外热交换器410、膨胀阀420以及室内热交换器430经由制冷剂配管440而连接。在压缩机300的内部设置有使未图示的压缩机机构进行动作的马达310。马达310是具有定子和转子的结构。马达310是通过输入由电力转换装置200生成的具有所希望的电压和频率的第2交流电压而进行驱动的压缩机马达。在空调机500中，通过压缩机300的内部的马达310进行旋转而对压缩机300的内部的制冷剂进行压缩，制冷剂经由制冷剂配管440在室外热交换器410与室内热交换器430之间循环，由此能够进行空调控制。电力转换装置200与马达310电连接，电力转换装置200与交流电源100连接。电力转换装置200使用从交流电源100供给的第1交流电压，生成向马达310供给的交流电压。

这样，电力转换装置200被搭载于空调机500，但这是一例，不限于此，电力转换装置200除了应用于空调机500之外，还能够应用于冰箱、冰柜、热泵热水器这样的具备制冷循环的产品。

以上的实施方式所示的结构示出一例，能够与其他的公知技术进行组合，也能够将实施方式彼此组合，还能够在不脱离主旨的范围内省略、变更结构的一部分。

附图标记说明

100交流电源，200电力转换装置，210整流电路，211、262二极管，220电抗器，230电容器，240电压检测部，250电流检测部，260逆变器，261开关元件，270控制部，280切换部，281开关，300压缩机，310马达，311绕组，400四通阀，410室外热交换器，420膨胀阀，430室内热交换器，440制冷剂配管，500空调机。

Claims (6)

1.一种电力转换装置，其中，

所述电力转换装置具备：

非升压型的整流电路，其将第1交流电压转换成直流电压；

电抗器，其与所述整流电路连接；

电容器，其对所述直流电压进行平滑化；

逆变器，其与所述电容器并联连接，将平滑化后的直流电压转换成所希望的电压和频率的第2交流电压并向马达输出；以及

控制部，其控制所述逆变器的动作，

所述电抗器和所述电容器的容量被设定为，由所述电抗器和所述电容器形成的滤波器电路的谐振频率比第1电角频率小，该第1电角频率是基于所述控制部以所述第2交流电压在未成为过调制的范围内最大的方式对所述逆变器的动作进行控制时的电压指令的电角频率。

2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，

所述电抗器和所述电容器的容量被设定为，所述谐振频率比作为第2电角频率的6倍成分的所述第1电角频率小，该第2电角频率是使用通过由所述控制部控制的正弦波模式的所述电压指令使所述第2交流电压在未成为过调制的范围内最大时的所述马达的转速以及所述马达的极对数而决定的。

3.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其中，

所述电抗器和所述电容器的容量被设定为，根据所述电抗器和所述电容器的容量的偏差而假定的最大的所述谐振频率比所述第1电角频率小。

4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的电力转换装置，其中，

所述电抗器和所述电容器的容量被设定为，包含所述谐振频率且增益为0分贝以上的范围的频带比所述第1电角频率小。

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，

通过使所述马达的感应电压特性、所述马达具备的绕组的匝数、以及所述马达具备的铁心的堆叠厚度中的至少1个变化，能够变更所述电抗器和所述电容器的容量的设定。

6.一种空调机，其中，

所述空调机具备权利要求1至5中的任意一项所述的电力转换装置。