CN1322055A - 电源装置、电动机驱动装置及空调机 - Google Patents

Abstract

开关动作控制部件11在控制开关元件4的开关动作以便改善功率因数、而且使输出到负载7的直流电压成为目标直流电压时,对来自交流电源1的输入电流的目标电流有效值进行下限值限制,并且如果直流电压成为比目标直流电压大的第1电平以上则停止开关动作,而如果直流电压成为比目标直流电压大、比第1电平低的第2电平以下则重新开始开关动作。由此,能将轻负载时的直流电压抑制到第1电平和第2电平之间,防止过上升和摆动。

Description

电源装置、电动机驱动装置及空调机

本发明涉及向工业用和民用电子设备提供稳定直流电压的电源装置、和使用它的电动机驱动装置及空调机。

近年来，随着家电设备和工业设备的普及，谐波电流流入电力系统，发生各种设备发热和误动作等问题。对于这些问题，各种设备寻求谐波对策，由此，在设备内的电源装置中使用交直流变换电路，一边利用电抗器和开关元件的开关动作的储能效果来改善功率因数，一边对输出电压进行升压。

(第1现有技术)

图18是第1现有技术的电源装置的结构方框图。在图18中，1是交流电源，2是整流电路，3是电抗器，4是开关元件，5是二极管，6是平滑电容器，7是负载，8是电流检测部件，9是输入电压检测部件，10是直流电压检测部件，11是开关动作控制部件。整流电路2、电抗器3、开关元件4、二极管5、及平滑电容器6构成交直流变换电路，开关动作控制部件11控制开关元件4的动作。图19是第1现有技术的控制动作流程图。根据交直流变换电路的特性，如图2(b)所示，直流电压检测部件10得到的直流电压包含交流电源频率的2倍频率的波纹分量。如果在直流电压包含波纹分量的状态下进行后述的控制运算，则在目标电流有效值中出现波纹分量，最终在输入电流波形中产生失真。为了排除波纹分量，使用截止频率低的低通滤波器12，来得到平滑过的直流电压。另一方面，目标电压运算部件13计算并设定目标直流电压。电压比较部件14比较上述平滑过的直流电压和目标直流电压，来求电压差分值。目标电流有效值运算部件15将电压差分值和电压增益相乘，来得到目标电流有效值。目标电流瞬时值运算部件16将输入电压检测部件9得到的交流电源1的电压归一化，将该值和目标电流有效值运算部件15得到的目标电流有效值相乘，来得到目标电流瞬时值。在电流比较部件17中，比较上述目标电流瞬时值和电流检测部件8检测的输入电流，来求电流差分值。PWM占空比运算部件18将上述电流差分值和电流增益相乘，计算接通开关元件4的脉宽。PWM输出判定部件19根据控制的动作指令等来判定是否用PWM占空比运算部件18得到的脉宽来进行开关动作。通过正常地执行上述开关动作来进行控制，使得交流电源电压和输入电流同相，即功率因数成为1，而且使得直流电压成为规定的目标直流电压。在该现有电源装置中，如果在负载7是比可控制的功耗小的轻负载时进行上述开关动作，则直流电压急剧上升到目标直流电压以上。例如，在输出连接有电动机的情况下，在电动机停止或低速旋转时，直流电压成为过升压状态。这是因为截止频率低的低通滤波器12的时间常数大，所以在识别出轻负载时的直流电压的急剧上升以前，进行以后的控制及开关动作。

(第2现有技术：特开平7-115788)

第2现有技术在负载是电动机的情况下，在电动机已停止或电动机的功耗小时完全停止开关动作来防止轻负载时的直流电压的过电压。例如，在使用市电的情况下，在开关动作停止时，交直流变换电路成为电容器输入电路，直流电压约是140V。该直流电压依赖于交流电源电压，所以不能任意决定。在目标直流电压是170V的情况下，伴随开关动作的开始和停止的直流电压变动幅度约是30V。在目标直流电压是200V的情况下，直流电压的变动幅度约是60V。直流电压的变动容许范围因使用该电源装置的系统而异，但是如上所述，越是将交流电源电压升压得更高的系统，则直流电压的变动幅度越大。

(第3现有技术：特开平10-127083)

第3现有技术在直流电压和目标直流电压之差在规定的阈值以上的情况下停止开关动作来防止过电压。第3现有技术能够使轻负载时的直流电压位于目标直流电压附近，但是有下述课题。即，如图20(b)所示，轻负载时的开关动作引起的直流电压的过上升不超过目标直流电压加上规定的阈值所得的电压。然而，在直流电压减少到低于目标直流电压时，由于截止频率低的低通滤波器12的时间常数慢的影响，如图20所示，滤波运算值在短暂的期间内大于目标直流电压，所以不重新开始开关动作。其结果是，直流电压的变动幅度为阈值以上。

本发明就是为了解决上述现有课题，其目的在于提供电源装置、和使用它的电动机驱动装置及空调机，不增大装置规模，就能够极力抑制轻负载时的直流电压的变动幅度，能够更稳定地提供电力。

本发明的电源装置包括交直流变换电路及开关动作控制部件。交直流变换电路包括开关元件、电抗器、及二极管，通过开关元件的开关动作从交流电源得到直流电压。开关动作控制部件为了一边改善功率因数、一边得到目标直流电压，在设定交直流变换电路中流过的输入电流的目标电流有效值和目标电流瞬时值来控制开关动作时，对目标电流有效值进行下限值限制，并且进行控制，使得如果输出的直流电压成为比目标直流电压大的第1电平以上则停止开关动作，而如果直流电压成为比目标直流电压大、比第1电平低的第2电平以下则重新开始开关动作。由此，能够将轻负载时的直流电压的变动抑制到第1电平和第2电平之间。

附图的简单说明

图1是本发明第1实施例的结构方框图；

图2是该实施例中的交直流变换电路的输入输出电压的波形图；

图3是该实施例中的轻负载时的动作波形图；

图4是该实施例的动作波形图；

图5是本发明第2实施例的结构方框图；

图6是该实施例的动作流程图；

图7是该实施例的轻负载时的动作波形图；

图8是该实施例中的输入电压检测部件的另一结构电路图；

图9是本发明第3实施例的结构方框图；

图10是该实施例中未确保直流电压和第1电平之间的裕度的状态下的动作波形图；

图11是该实施例中的第1电平及第2电平的变化特性图；

图12是该实施例中的第1电平及第2电平的另一变化特性图；

图13是该实施例中的阈值α及阈值β的变化特性图；

图14是本发明第4实施例的结构方框图；

图15是该实施例中的第1电平及第2电平的变化特性图；

图16是本发明第5实施例的结构方框图；

图17是本发明第6实施例中的第1电平及第2电平的变化特性图；

图18是第1现有技术的使用交直流变换电路的电源装置的一例的结构方框图；

图19是该现有技术的控制动作流程图；

图20是该现有技术的轻负载时的动作波形图。

(实施例1)

图1是本发明第1实施例的结构方框图。在图1中，图的上部所示的交直流变换电路用二极管电桥构成的整流电路2对交流电源1的输出进行整流，经电抗器3通过开关元件4来开关整流电路2得到的电压，经二极管5通过平滑电容器6对开关元件4的两端电压进行平滑，并提供给负载7。在交直流变换电路中配有：电流检测部件8，检测交直流变换电路中流过的输入电流；输入电压检测部件9，检测交流电源电压；以及直流电压检测部件10，检测交直流变换电路输出的直流电压。开关元件4的动作由开关动作控制部件11控制。首先，直流电压检测部件10得到的直流电压由截止频率低的低通滤波器12进行平滑，成为直流电压。这是为了排除因交直流变换电路的特性而发生的、如图2(b)所示的、交流电源频率的2倍频率的波纹分量。如果在包含该波纹分量的状态下进行控制运算，则在目标电流有效值中出现波纹分量，最终在输入电流波形中产生失真。直流电压检测部件10得到的直流电压也被输入到PWM输出判定部件19。在电压比较部件14中，比较平滑过的直流电压和目标电压运算部件13设定的目标直流电压，来求电压差分值。在目标电流有效值运算部件15中，将电压差分值和电压增益相乘，来得到目标电流有效值。在目标电流瞬时值运算部件16中，将输入电压检测部件9得到的交流电源电压归一化，将该值和目标电流有效值相乘，来得到目标电流瞬时值。在电流比较部件17中，比较目标电流瞬时值和电流检测部件8得到的输入电流，来求电流差分值。PWM占空比运算部件18将上述电流差分值和电流增益相乘，来计算接通开关元件4的脉宽。PWM输出判定部件19根据控制的动作指令等来判定是否进行PWM占空比运算部件18得到的脉宽的开关动作。如上所述进行控制，以便改善功率因数，而且使得直流电压成为目标直流电压。本实施例的特征在于：在进行上述控制的开关动作控制部件中，对目标电流有效值运算部件15计算的目标电流有效值进行下限值限制，并且设有下述条件作为输出判定部件19判定是否进行PWM中的开关动作的条件：如果直流电压检测部件10得到的直流电压成为比目标直流电压大的第1电平以上则停止开关动作；以及如果直流电压成为比目标直流电压大、而比第1电平低的第2电平以下则重新开始开关动作。上述第1电平和第2电平分别是可任意设定的。此外，目标电流有效值的下限值限制是对目标电流有效值运算部件15计算的目标电流有效值设下限值，即使成为轻负载，算出的目标电流有效值也不小于下限值。由此，开关动作控制部件在轻负载时将目标电流有效值设定为比与轻负载相应的值大的上述下限值来使直流电压上升，与此对应来进行开关动作的停止和重新开始，将直流电压的变动抑制在第1电平和第2电平之间。在负载变大的情况下，没有上述开关动作的停止及重新开始，直流电压收敛到目标直流电压。在图3及图4所示的具体例中，说明交流电源电压为100V、目标直流电压为170V、停止开关动作的第1电平为200V、重新开始开关动作的第2电平为195V、目标电流有效值的下限为相当于1A的值时的轻负载时的动作。即使在负载7不需要1A以上的电流有效值的轻负载时，目标电流有效值也通过下限值限制而强制性地成为相当于1A的值，所以直流电压被升压到170V以上的目标直流电压。持续升压，如果成为200V的第1电平，就暂时停止开关动作，所以直流电压下降。如果下降到195V的第2电平，则重新开始开关动作，直流电压再次升压。重复该动作，所以直流电压的变动幅度为5V。如果负载7需要1A以上的电流有效值，则如图4(b)所示，195V～200V的直流电压收敛到170V的目标直流电压。这样，能够将轻负载时的直流电压的变动抑制到能够任意设定的第1电平和第2电平之间，由此也能够减小直流电压的变动幅度。再者，即使不判别负载的状态，也能够自动地使直流电压收敛到目标直流电压。

(第2实施例)

图5是本发明第2实施例的结构方框图。对与第1实施例相同的构成要素赋予相同标号。在本实施例中，将输入电压检测部件9得到的交流电源电压输入到PWM输出判定部件19。在开关动作控制部件11中，与实施例1同样，目标电流有效值运算部件15对目标电流有效值进行下限值限制。在本实施例中，如图6的流程图所示，PWM输出判定部件19判定是否进行开关动作的条件设有下述条件：如果直流电压检测部件10得到的直流电压成为比目标直流电压大的第1电平以上则停止开关动作；以及如果直流电压为比目标直流电压大、而比第1电平低的第2电平以下，则在根据输入电压检测部件9得到的交流电源电压算出的交流电源电压的过零(ゼロクロス)定时重新开始开关动作。本实施例的特征在于：在交流电源电压的过零定时重新开始开关动作。输入电压检测部件9对二极管电桥构成的整流电路2得到的电压进行电阻分压并输出，在PWM输出判定部件19中，将分压出的上述电压成为0的定时识别为交流电源电压的过零定时。以下，与实施例1同样，说明交流电源电压为100V、目标直流电压为170V、停止开关动作的第1电平为200V、第2电平为195V、目标电流有效值的下限为相当于1A的值时的轻负载时的动作。图6是本实施例的动作流程图，图7是本实施例的轻负载时的动作波形图。即使在负载7不需要1A以上的电流有效值的轻负载时，目标电流有效值也通过下限值限制而强制性地成为相当于1A的值，所以直流电压被升压到170V以上的目标直流电压。持续升压，如果成为200V，就暂时停止开关动作，所以直流电压下降。如果下降到195V，则在PWM输出判定部件19中等待识别出交流电源1的交流电源电压的过零定时，如果识别出，则重新开始开关动作，直流电压再次升压。在等待交流电源电压的过零定时期间，如图7(c)所示，直流电压继续下降若干量，但是由于是轻负载，所以其下降缓慢，从195V起的下降值几乎可以忽略。重复以上动作，直流电压的变动幅度大致为5V。在本实施例中，在根据输入电压检测部件9得到的交流电源电压算出的交流电源电压的过零定时重新开始开关动作，所以在开关动作重新开始时不会流过急剧的冲击电流。图8是输入电压检测部件9的另一结构电路图。将光耦合器9a连接到交流电源1的输出线上，以便检测光耦合器9a的次级端的电压。

(第3实施例)

图9是第3实施例的结构方框图。对与实施例1相同的构成要素赋予同一标号。交直流变换电路的负载为将直流电压变换为交流电压的逆变器20、和逆变器20上连接的电动机21。开关动作控制部件11包括检测电动机21的转速的转速检测部件22。本实施例的特征在于：根据电动机21的转速来变化停止开关动作的第1电平、和重新开始开关动作的第2电平。本发明的电源装置的轻负载时的直流电压的变动幅度小，所以能够在旋转不稳或失调的概率小的状态下驱动电动机21。转速检测部件22得到的电动机21的转速被输入到PWM输出判定部件19，作为负载量的信息。在电动机21的转速大时，认为负载量大，而在转速小时，认为负载量小。在交直流变换电路输出的直流电压中产生交流电源频率的2倍频率的波纹分量。波纹分量的幅度与负载量成比例来变化，如果负载量变大，则波纹分量也变大。开关动作控制部件11根据输入的电动机21的转速、即负载量，来变化停止开关动作的直流电压的第1电平、和重新开始开关动作的第2电平。如果负载量变大而使波纹分量变大，则包含波纹分量的直流电压容易超过第1电平，由此发生开关动作无意停止的情况。作为其对策，为了能够确保直流电压和第1电平之间的裕度，根据负载量来增大第1电平，同时为了维持直流电压的变动幅度，也增大第2电平。由此，即使负载变大而使波纹分量增加，也能防止开关动作停止的事态。在本实施例中，在负载是电动机的情况下，认为电动机的转速对应于负载的大小，对电动机的转速，分级地、或连续地改变第1电平和第2电平。图10是未确保上述直流电压和第1电平之间的裕度的情况下的波形图。如果设目标直流电压为170V、停止开关动作的第1电平为180V、重新开始开关动作的第2电平为175V，则在电动机21停止时或转速小的轻负载时，直流电压是175V～180V。如果电动机21的转速变大，则直流电压的波纹分量变大，波纹分量的峰值超过180V的第1电平，开关动作停止，交直流变换电路中流过的输入电流的波形失真。在本实施例中，如图11所示，通过根据电动机21的转速、即负载量来变化直流电压的第1电平和第2电平，在轻负载时将直流电压维持在175V～180V之间，极力接近目标直流电压170V，并且在负载量变大时，例如在电动机21的转速为50Hz以上时，使第1电平为200V，即使直流电压的波纹分量是20Vp-p，也能确保20V的裕度，不停止开关动作。如图12所示，如果使直流电压的第1电平和第2电平连续变化则更好。此外，在目标直流电压变化的系统中，可以设第1电平为(目标直流电压+α)、第2电平为(目标直流电压+β)，使阈值α和阈值β分别如图13所示来变化。如上所述，根据本实施例，通过根据负载量来变化第1电平及第2电平，能够确保负载量大的情况下的直流电压和第1电平之间的裕度，防止开关动作因波纹分量的影响而停止。此外，也能获得使轻负载时的直流电压极力接近目标直流电压的效果。

(第4实施例)

图14是第4实施例的结构方框图。对与实施例3相同的构成要素赋予同一标号。如果交流电源1的电压固定，则电流检测部件8得到的输入电流与负载7的功耗、即负载量成比例。本实施例的特征在于：根据输入电流来变化停止开关动作的第1电平和重新开始开关动作的第2电平。将电流检测部件8得到的输入电流输入到PWM输出判定部件19，在PWM输出判定部件19中对交直流变换电路中流过的输入电流进行平均运算，根据该平均值，如图15所示，来变化第1电平及第2电平。在本实施例中，在实施例3中用于检测负载量的转速检测部件22被省略，结构被简化。在本实施例中，设负载量为电流检测部件8得到的输入电流的平均值，但是当然也可以为输入电流的有效值或峰值等。

(第5实施例)

图16是第5实施例的结构方框图。对与实施例3相同的构成要素赋予同一标号。开关动作控制部件11得到的目标电流有效值对应于负载量。本实施例的特征在于：根据目标电流有效值来变化停止开关动作的第1电平和重新开始开关动作的第2电平。即，将目标电流有效值运算部件15得到的目标电流有效值输入到PWM输出判定部件19，根据目标电流有效值来变化第1电平和第2电平。在本实施例中，与实施例4同样，转速检测部件22被省略，结构被简化。

(第6实施例)

图17是第6实施例的动作波形图。如图17所示，本实施例的特征在于：在交流电源的1/2周期中，按照直流电压中包含的交流电源频率的2倍频率的波纹分量来变化停止开关动作的直流电压的第1电平和重新开始开关动作的第2电平。这是通过下述方法来实现的：根据输入电压检测部件9得到的交流电源电压来测量交流电源电压的过零定时的间隔时间，在下一过零定时间隔内，随着时间经过来改变第1电平和第2电平。由此，在负载量增大时，在任一定时都能够将包含波纹分量的直流电压和第1电平之间的裕度确保为一定值。由此，能够高精度地防止在负载量增加时开关动作停止的事态。

(第7实施例)

在本实施例中，使开关动作控制部件11的控制都为微型计算机进行的数字控制。通过微型计算机的程序实现一系列运算处理，与用电子电路的组合构成的情况相比，能够极其容易地进行系统化。

(第8实施例)

在本实施例中，使开关动作控制部件11的控制都为数字信号处理器进行的数字控制。通过数字信号处理器的程序实现一系列运算处理，与用电子电路的组合构成的情况相比，能够极其容易地进行系统化。特别是，在数字信号处理器中内置有乘法器，能非常迅速地处理积和运算，所以能够做成不易受运算处理时间制约的结构。

(第9实施例)

在本实施例中，在本发明的电源装置的输出上设有逆变器，做成电动机驱动装置，将该电动机驱动装置搭载到空调机上。空调机的压缩机电动机的负载根据冷冻周期的状态而变化很大，所以需要向驱动电动机的逆变器提供稳定的直流电压，而本发明的电源装置的轻负载时的直流电压的变动幅度小，所以能可靠地起动压缩机电动机，起动后也能实现转速变动少的稳定旋转。此外，即使在压缩机电动机已停止时，也能够使直流电压成为目标直流电压，所以也可获得能够稳定地控制鼓风电动机或其他空调机的致动器的效果。

Claims (9)

1、一种电源装置，包括：

交直流变换电路，包括开关元件、电抗器、及二极管，通过开关元件的开关动作从交流电源得到直流电压；

电流检测部件，检测交直流变换电路中流过的输入电流；

输入电压检测部件，检测交流电源的交流电源电压；

直流电压检测部件，检测交直流变换电路输出的直流电压；以及

开关动作控制部件，一边根据输入电流、交流电源电压、及直流电压来计算输入电流的目标电流有效值及目标电流瞬时值，一边控制开关元件的动作，以便改善功率因数，而且使直流电压成为目标直流电压；

其中，

开关动作控制部件对目标电流有效值进行下限值限制，并且如果直流电压成为比目标直流电压大的第1电平以上则停止开关动作，而如果直流电压成为比目标直流电压大、比第1电平低的第2电平以下则重新开始开关动作。

2、如权利要求1所述的电源装置，其中，

开关动作控制部件对目标电流有效值进行下限值限制，并且如果直流电压成为比目标直流电压大的第1电平以上则停止开关动作，而如果直流电压成为比目标直流电压大、比第1电平低的第2电平以下、而且在交流电源电压的过零定时则重新开始开关动作。

3、如权利要求1或2所述的电源装置，其中，

开关动作控制部件根据交直流变换电路的输出上连接的负载量来变化直流电压的第1电平及第2电平。

4、如权利要求1或2所述的电源装置，其中，

开关动作控制部件根据交直流变换电路中流过的输入电流来变化直流电压的第1电平及第2电平。

5、如权利要求1或2所述的电源装置，其中，

开关动作控制部件根据输入电流的目标电流有效值来变化直流电压的第1电平及第2电平。

6、如权利要求1所述的电源装置，其中，

开关动作控制部件在交流电源的1/2周期内变化直流电压的第1电平及第2电平。

7、如权利要求1所述的电源装置，其中，

开关动作控制部件用微型计算机或数字信号处理器来构成。

8、一种电动机驱动装置，包括：

如权利要求1所述的电源装置；以及

逆变器，将上述电源装置中的交直流变换电路输出的直流电压变换为用于驱动电动机的交流电压。

9、一种空调机，包括：

如利要求8所述的电动机驱动装置；以及

由上述电动机驱动装置驱动的压缩机电动机。

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