CN118140401A - 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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CN118140401A CN202180103516.7A CN202180103516A CN118140401A CN 118140401 A CN118140401 A CN 118140401A CN 202180103516 A CN202180103516 A CN 202180103516A CN 118140401 A CN118140401 A CN 118140401A
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清水裕一
畠山和徳
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Abstract

电力转换装置(100)从输出端子(41、42)向负载供给输出电压，该电力转换装置具有：整流电路(20)，其对AC电压进行整流，并输出整流后的电压；升压电路(30)，其向输出端子(41、42)之间供给输出电压；电压检测部(40)，其输出表示输出电压的电压检测值(Vdc)；以及控制部(60)，升压电路(30)具有：电抗器(31)，其与整流电路(20)连接；平滑电容器(33)，其对整流后的电压进行平滑而生成输出电压；以及开关元件(32)，其使电抗器(31)短路，控制部(60)根据电压检测值(Vdc)控制开关元件(32)的导通期间，使得输出电压的脉动的频率即第1脉动频率高于整流后的电压的脉动的频率即第2脉动频率。制冷循环应用设备具有电力转换装置(100)。

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
提出了将从AC电压转换得到的DC电压作为输出电压从输出端子供给到负载的电力转换装置(例如，参照专利文献1)。该电力转换装置具有整流电路和升压斩波电路。升压斩波电路具有与整流电路连接的电抗器、用于减小输出电压的脉动的平滑电容器、以及用于使电抗器短路的开关元件。为了进一步减小输出电压的脉动，优选使用大容量的平滑电容器，但在该情况下，平滑电容器的体积变大。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-65399号公报
发明内容
发明要解决的问题
在上述电力转换装置中，当减小平滑电容器的电容时，输出电压的脉动变大，其结果，容易产生差拍现象，并且容易产生作为负载的逆变器中的元件破坏。
本公开的目的在于提供能够减小输出电压的脉动的电力转换装置、具备电力转换装置的马达驱动装置以及具备马达驱动装置的制冷循环应用设备。
用于解决问题的手段
本公开的电力转换装置是从输出端子向负载供给输出电压的装置，该电力转换装置具有：整流电路，其对交流电压进行整流，输出整流后的电压；升压电路，其向所述输出端子之间供给所述输出电压；电压检测部，其检测所述输出电压，输出表示所述输出电压的电压检测值；以及控制部，所述升压电路具有：电抗器，其与所述整流电路连接；平滑电容器，其对所述整流后的电压进行平滑而生成所述输出电压；以及开关元件，其在接通状态的期间即导通期间使所述电抗器短路，所述控制部根据所述电压检测值控制所述开关元件的所述导通期间，使得所述输出电压的脉动的频率即第1脉动频率高于所述整流后的电压的脉动的频率即第2脉动频率。
本公开的马达驱动装置具备上述的电力转换装置和将所述输出电压转换为AC电压并供给到马达的逆变器。
本公开的制冷循环应用设备具备：上述的马达驱动装置；以及制冷循环装置，其具有由所述马达驱动装置驱动的马达。
发明效果
根据本公开，能够减小输出电压的脉动，能够不易发生差拍现象以及作为负载的逆变器中的元件破坏。
附图说明
图1是示出实施方式1所涉及的电力转换装置的结构的图。
图2是示出比较例的电力转换装置的控制部的结构的框图。
图3是示出比较例的电力转换装置的工作波形的例子的图。
图4是示出实施方式1所涉及的电力转换装置的控制部的结构的框图。
图5是示出实施方式1所涉及的电力转换装置的控制部的动作的流程图。
图6是示出实施方式1所涉及的电力转换装置的工作波形的例子的图。
图7是示出实施方式2所涉及的电力转换装置的控制部的结构的框图。
图8是示出实施方式2所涉及的电力转换装置的控制部的动作的流程图。
图9是示出实施方式2所涉及的电力转换装置的工作波形的例子的图。
图10是示出实施方式3的马达驱动装置及制冷循环应用设备的结构的图。
图11的(A)和(B)是示出比较例的马达驱动装置的工作波形的例子的图。
图12的(A)和(B)是示出实施方式3所涉及的马达驱动装置的工作波形的例子的图。
具体实施方式
以下，参照附图对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进行说明。以下的实施方式只不过是例子，能够适当组合实施方式以及适当变更各实施方式。
《实施方式1》
〈结构〉
图1是示出实施方式1所涉及的电力转换装置100的结构的图。电力转换装置100将从交流电源(即AC电源)10供给的交流(AC)转换为直流(DC)，并将该直流从输出端子41、42供给到负载50。交流例如是三相交流。在实施方式1中，假定逆变器作为负载50。但是，负载50并不限定于逆变器。逆变器能够驱动马达。因此，电力转换装置100和逆变器构成马达驱动装置。
电力转换装置100具有整流电路20、升压电路(在图1的例子中为升压斩波电路)30、电压检测部40以及控制部60。整流电路20对从AC电源10供给的AC电压进行整流，并输出整流后的电压(即，升压前的电压)。升压电路30向输出端子41、42之间供给输出电压(即，升压后的电压)。电压检测部40是检测输出端子41、42之间的电压并输出表示输出电压的电压检测值Vdc的检测电路。
升压电路30具有：电抗器31，其与整流电路20连接；平滑电容器33，其对由整流电路20整流后的电压进行平滑而生成输出电压；开关元件32，其在接通状态的期间即导通期间使电抗器31短路；以及作为逆流防止元件的二极管34，其连接在电抗器31与平滑电容器33之间。电抗器31可以与整流电路20的输入侧或输出侧中的任意侧连接。平滑电容器33与开关元件32并联连接。二极管34防止电流从平滑电容器33向AC电源10逆流。
控制部60将驱动信号输出到开关元件32，控制开关元件32。对开关元件32进行通断控制。在开关元件32接通时，成为导通期间，在断开时，成为非导通期间。控制部60基于电压检测值Vdc来控制开关元件32的导通期间、即接通期间，使得作为输出端子41、42间的输出电压(即，升压后的电压)的脉动的频率的脉动频率(也称为“第1脉动频率”)高于作为由整流电路20整流后的电压(即，升压前的电压)的脉动的频率的脉动频率(也称为“第2脉动频率”)。
开关元件32例如是功率晶体管、功率MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(Insulated GateBipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)等半导体开关元件。出于抑制由开关引起的浪涌电压的目的，也可以在开关元件32并联连接有续流二极管(未图示)。另外，续流二极管也可以是作为半导体开关元件的开关元件32的寄生二极管。此外，续流二极管也可以是MOSFET，在该情况下，在续流的定时使作为续流二极管的MOSFET成为接通状态。另外，构成开关元件32的材料不限于硅(Si)。开关元件32也可以是宽带隙半导体。通过由碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化镓(Ga2O3)或金刚石构成宽带隙半导体，能够实现低损耗及高速开关。
控制部60通过对开关元件32进行通断控制，来控制从输出端子41、42向负载50供给的输出电压。例如，控制部60使用比例积分(PI)控制等来调整开关元件32的通断时间(即，调整占空比)，以使电压检测部40的电压检测值Vdc的平均值Vav成为目标电压Vta。此外，通断控制例如使用脉冲宽度调制(PWM)控制即可。控制部60能够由CPU(CentralProcessing Unit)或DSP(Digital Signal Processor)、微型计算机(微机)的离散系统构成。例如，控制部60也可以是由模拟电路或数字电路等电路等构成的控制电路。
〈问题〉
对实施方式1要解决的问题进行说明。图2是示出比较例的电力转换装置的控制部60a的结构的框图。图2的电力转换装置在控制部60a的结构方面与图1的电力转换装置100不同。图3是示出比较例的电力转换装置的工作波形的例子的图。
在图2的比较例中，控制部60a具有计算电压检测值Vdc的平均值Vav的平均值计算部61和基于平均值Vav与目标电压Vta之差进行PI控制的PI控制部62。例如，使用具有数百μF左右的静电电容的电容器作为平滑电容器33，如图3所示，对开关元件32的占空比(即，开关元件32的接通时间相对于1个控制周期的比例，也称为“PWM占空比”)进行PI控制，以使电压检测部40的电压检测值Vdc的平均值Vav成为目标电压Vta。在该情况下，在平滑电容器33的端子电压(即，输出端子41、42间的输出电压)中，如升压后的波形所示，产生大振幅的脉动。平滑电容器33的端子电压的脉动的频率即脉动频率是输入到整流电路20的AC电压的频率的n倍(n为正整数)。在AC电压为单相的情况下n为2，在三相的情况下n为6。平滑电容器33的端子电压的平均值Vav虽然被升压，但脉动大，因此产生差拍现象。另外，电压峰值(例如，图3的上侧波形的由虚线的圆包围的部位)过大，有可能超过逆变器的耐压而导致构成逆变器的元件的破坏。
为了解决这样的课题，在实施方式1中，控制部60基于电压检测值Vdc来控制开关元件32的导通期间(即，接通期间)，使得第1脉动频率高于第2脉动频率，该第1脉动频率是平滑电容器33的端子电压(即，输出端子41、42间的输出电压)的脉动的频率，该第2脉动频率是升压电路30进行升压前的电压(即，由整流电路20整流后的电压)的脉动的频率。由此，降低平滑电容器33的端子电压的峰值。
〈动作〉
图4是示出实施方式1所涉及的电力转换装置100的控制部60的结构的框图。在实施方式1中，控制部60具有：PI控制部62，其调整占空比(PI控制时的占空比)，以使电压检测部40的电压检测值Vdc的平均值Vav成为预先决定的目标电压Vta；以及占空比指令切换部63，其输出PI控制部62的输出和预先决定的占空比(固定的占空比)中的任意一方。该固定的占空比也称为“低占空比”或“第1占空比”。
图5是示出实施方式1所涉及的电力转换装置100的控制部60的动作的流程图。如图5所示，控制部60将电压检测部40的电压检测值Vdc与预先决定的阈值Vth(例如，目标电压ta或电压检测值Vdc的平均值Vav)进行比较(步骤S11)。另外，也可以在软件或硬件上对电压检测部40的电压检测值Vdc实施用于去除检测时的噪声等的滤波处理。
控制部60在电压检测值为阈值Vth以下的情况下(在步骤S11中为否)，使图4的占空比指令切换部63切换到触点A侧，进行PI控制(步骤S13)。在电压检测值大于阈值Vth的情况下(在步骤S11中为是)，控制部60使图4的占空比指令切换部63切换到触点B侧，以固定的占空比进行开关元件32的控制(步骤S13)。固定的占空比是比PI控制的占空比小的值。
图6是示出实施方式1所涉及的电力转换装置100的工作波形的例子的图。图6示出将0设定为固定的占空比、将目标电压Vta设定为阈值Vth的情况下的工作波形。如图6所示，通过在电压检测值Vdc的平均值Vav超过阈值Vth时使占空比为0，能够使平滑电容器33的端子电压(即，输出电压)的脉动的第1脉动频率高于升压前的电压的脉动的第2脉动频率，并且能够降低电压峰值。
在实施方式1中，进行控制以使平滑电容器33的端子电压的平均值Vav成为目标电压Vta，因此也可以使用平滑电容器33的端子电压的平均值作为阈值Vth。
〈效果〉
根据实施方式1，在使用逆变器和马达作为电力转换装置100的负载50的情况下，能扩大马达的运转范围，在进行过调制控制的情况下也能通过抑制差拍来降低马达的振动和噪声。
另外，由于能够降低电压峰值，因此能够防止设备的过电压故障等。
《实施方式2》
实施方式2所涉及的电力转换装置在控制部的结构及动作方面与实施方式1所涉及的电力转换装置100不同。实施方式2所涉及的电力转换装置的控制部对开关元件32的导通期间进行PI控制，以使电压检测值Vdc接近预先决定的目标电压Ta，并将电压检测值Vdc超过阈值Vth时的PI控制的增益Gb控制为大于电压检测值Vdc为阈值Vth以下时的PI控制的增益Ga。
图7是示出实施方式2所涉及的电力转换装置的控制部60b的结构的框图。控制部60b具有增益切换部64、PI控制部65以及上下限限制部66。但是，也可以不具备上下限限制部66。增益切换部64基于电压检测值Vdc与阈值Vth的比较结果，将PI控制部65的PI控制所使用的控制增益切换为预先决定的增益Ga或Gb中的任意增益。这里，Gb＞Ga。另外，阈值Vth例如也可以设定为与目标电压Vta或电压检测值Vdc的平均值Vav相等的值。
另外，通过切换控制增益，有时PI控制部65中的积分结果急剧地变化，因此进行积分值的退避(即，暂时的保存)和复原。另外，为了防止PI控制部65的输出变得过大或过小，优选设置上下限限制部66。在设置上下限限制部66的情况下，优选在PI控制部65的输出达到由上下限限制部66设定的上限限制值或者下限限制值的情况下，进行使得不进行不必要的积分的抗饱和动作。抗饱和动作的一例是停止积分动作的动作。
图8是示出实施方式2所涉及的电力转换装置的控制部60b的动作的流程图。控制部60b将电压检测部40的电压检测值Vdc与预先设定的阈值Vth进行比较(步骤S21)。
在电压检测值Vdc为阈值Vth以下的情况下(在步骤S21中为“否”)，控制部60b将前次的电压检测值Vdc1与阈值Vth进行比较(步骤S24)。在前次的电压检测值Vdc1为阈值Vth以下的情况下(在步骤S24中为否)，控制部60b将在PI控制部65中使用的控制增益设定为增益Ga(步骤S27)。在前次的电压检测值Vdc1大于阈值Vth的情况下(在步骤S24中为是)，控制部60b将暂时保存的积分值设定为PI控制的积分值(步骤S25)，并将PI控制部65所使用的控制增益设定为增益Ga(步骤S26)。
在电压检测值Vdc大于阈值Vth的情况下(在步骤S21中为“是”)，控制部60b暂时保存PI控制的积分值(步骤S22)，将在PI控制部65中使用的控制增益设定为增益Gb(Gb＞Ga)(步骤S27)。
图9是示出实施方式2所涉及的电力转换装置的工作波形的例子的图。在实施方式2中，控制部60b对开关元件32的导通期间进行PI控制，以使电压检测值Vdc接近目标电压Vta，并进行控制，使得电压检测值Vdc超过阈值Vth时的PI控制的增益Gb大于电压检测值Vdc为阈值Vth以下时的PI控制的增益Ga。因此，如图9所示，能够降低输出端子41、42的输出电压(即，升压电路30升压后的电压)的脉动。
《实施方式3》
图10是示出实施方式3的马达驱动装置300及制冷循环应用设备400的结构的图。马达驱动装置300具有电力转换装置100和作为负载的逆变器51。制冷循环应用设备400具有马达驱动装置300和制冷循环装置200。制冷循环应用设备400例如是空调机、冰箱等。作为电力转换装置100，能使用实施方式1或2所涉及的电力转换装置。
制冷循环装置200具有压缩机201、四通阀202、内部热交换器203、膨胀机构204、热交换器205以及将这些结构依次连接的制冷剂配管206。另外，在压缩机201的内部设置有压缩制冷剂的压缩机构207和使该压缩机构207工作的马达208。另外，马达208由作为负载与电力转换装置100连接的逆变器51驱动。
图11的(A)和(B)是示出比较例的马达驱动装置的工作波形的例子的图。在比较例的马达驱动装置中，控制部60a(图2所示)与实施方式1或2的控制部60或60b不同，不执行控制开关元件32的导通期间以使输出端子的第1脉动频率高于整流后的电压的第2脉动频率的处理。如图11(A)所示，在比较例的马达驱动装置中，由于平滑电容器33的端子电压的脉动的影响，在流过马达208的电流叠加有低频差拍，有可能引起振动和噪声的恶化。此时，平滑电容器33的端子电压的脉动频率是向整流电路20输入的AC电压的频率的n倍。这里，在AC电压为单相的情况下n为2，在三相的情况下n为6。
图12的(A)以及(B)是示出实施方式3所涉及的马达驱动装置300的工作波形的例子的图。在实施方式3中，控制部(即，控制部60或60b)根据电压检测值Vdc控制开关元件32的导通期间，以使输出电压的第1脉动频率(例如，图12(B)所示的脉动的脉动频率)高于整流后的电压的脉动频率即第2脉动频率。即，在实施方式3所涉及的马达驱动装置300中，能够提高平滑电容器33的端子电压的脉动频率。
例如，在使用实施方式1所涉及的电力转换装置100作为马达驱动装置300的电力转换装置的情况下，如图6中作为升压后的电压所示，与图3所示的比较例的情况相比，脉动频率大致为2倍左右。将平滑电容器33的端子电压的脉动频率如图12(B)所示设为表示比较例的图11(B)的脉动频率的大致2倍时的工作波形示于图12(A)。从图12(A)可知，通过提高脉动频率，能够降低低频差拍。由此，能够实现设备的低振动化以及低噪声化。
如以上说明的那样，在实施方式3所涉及的马达驱动装置300中，使用实施方式1或2所涉及的电力转换装置来降低施加于逆变器51的电压的脉动，因此，能降低低频差拍。其结果是，在具备马达驱动装置300的制冷循环应用设备400中，能够实现低振动化及低噪声化。
附图标记说明
10AC电源、20整流电路、30升压电路、31电抗器、32开关元件、33平滑电容器、34二极管(逆流防止元件)、40电压检测部(检测电路)、50负载、51逆变器、60、60b控制部(控制电路)、61平均值计算部、62PI控制部、63占空比指令切换部、64增益切换部、65PI控制部、66上下限限制部、100电力转换装置、200制冷循环装置、201压缩机、202四通阀、203内部热交换器、204膨胀机构、205热交换器、206制冷剂配管、207压缩机构、208马达、300马达驱动装置、400制冷循环应用设备。

Claims (10)

1.一种电力转换装置，其从输出端子向负载供给输出电压，
该电力转换装置具有：
整流电路，其对交流电压进行整流，输出整流后的电压；
升压电路，其向所述输出端子之间供给所述输出电压；
电压检测部，其检测所述输出电压，输出表示所述输出电压的电压检测值；以及
控制部，
所述升压电路具有：
电抗器，其与所述整流电路连接；
平滑电容器，其对所述整流后的电压进行平滑而生成所述输出电压；以及
开关元件，其在接通状态的期间即导通期间使所述电抗器短路，
所述控制部根据所述电压检测值控制所述开关元件的所述导通期间，使得所述输出电压的脉动的频率即第1脉动频率高于所述整流后的电压的脉动的频率即第2脉动频率。
2.如权利要求1所述的电力转换装置，其中，
所述控制部对所述电压检测值为预先决定的阈值以下时的所述导通期间进行控制，使得所述电压检测值的平均值接近预先决定的目标电压，
所述控制部将所述电压检测值超过所述阈值时的所述导通期间控制为，比所述电压检测值为所述阈值以下时的所述导通期间短。
3.根据权利要求2所述的电力转换装置，其中，
所述控制部在所述电压检测值为预先决定的阈值以下时，对所述开关元件的占空比进行控制，使得所述电压检测值的平均值接近所述目标电压，
所述控制部在所述电压检测值超过所述阈值时，使用比所述占空比低的预先决定的第1占空比进行控制，使得所述电压检测值的平均值接近所述目标电压。
4.根据权利要求3所述的电力转换装置，其中，
所述第1占空比为0。
5.根据权利要求2至4中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
所述阈值等于所述目标电压或所述电压检测值的所述平均值。
6.如权利要求1所述的电力转换装置，其中，
所述控制部对所述导通期间进行PI控制，使得所述电压检测值接近预先决定的目标电压，
所述控制部将所述电压检测值超过预先决定的阈值时的所述PI控制的增益控制为，大于所述电压检测值为所述阈值以下时的所述PI控制的增益。
7.根据权利要求6所述的电力转换装置，其中，
所述控制部具有上下限限制部，该上下限限制部将向所述开关元件指示所述导通期间的占空比限制为预先决定的下限限制值以上且预先决定的上限限制值以下。
8.根据权利要求6或7所述的电力转换装置，其中，
所述阈值等于所述目标电压或所述电压检测值的平均值。
9.一种马达驱动装置，其具备：
权利要求1至8中的任意一项所述的电力转换装置；以及
将所述输出电压转换为AC电压并供给到马达的逆变器。
10.一种制冷循环应用设备，其具备：
权利要求9所述的马达驱动装置；以及
制冷循环装置，其具有由所述马达驱动装置驱动的马达。
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