JP2004232873A - 空調制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多パルス整流器が接続されても何等変更することなく入力電流を確実に制限可能な汎用性のある空調制御装置を提供する。
【解決手段】整流回路（２３）は３相交流電圧を整流してインバータ主回路（２５）に加える。インバータ主回路（２５）はこれに加えられた直流を可変周波数の交流に変換し、コンプレッサモータ（２）又は送風機に供給する。多パルス整流器（３０）は３相交流電圧を入力し、所定の角度だけ位相が異なる３相交流電圧を出力する変圧器と、この変圧器から出力される３相交流電圧を整流して整流回路（２３）の出力側に供給する補助整流回路とを含み、整流回路に付加的に接続することが可能になっている。整流回路の出力側における多パルス整流器の出力端を接続した接続部よりも負荷側に設けられた電流検出手段（Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗ）の電流検出値が予め設定した電流設定値を超えないように制御部（２６）がインバータ主回路を制御する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３相交流電圧を整流し、可変周波数の交流に変換して冷凍サイクルを形成する圧縮機や送風機を可変速制御するインバータ装置を備えた空調制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮機や送風機を可変速制御するインバータ装置を備えた空調制御装置は、３相交流電圧を直流電圧に変換し、この直流電圧を可変周波数の交流に変換して冷凍サイクルを形成する圧縮機や送風機を可変速駆動する電動機に供給する構成になっている。
【０００３】
図４はこの種の従来の空調制御装置の構成を示す回路図である。同図において、３相交流電源の電源ラインＲ，Ｓ，Ｔに整流回路１３の交流入力端が接続される。整流回路１３の直流出力端に平滑コンデンサ１４が接続されると共に、インバータ主回路１５の直流入力端が接続される。インバータ主回路１５は６個のスイッチング素子Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚが３相ブリッジ接続され、正側アームと負側アームの相互接続点を交流出力端として、この交流出力端に永久磁石電動機でなるコンプレッサモータ２が接続されている。
【０００４】
また、電源ラインＴに電流検出器としてＣＴ１７が設けられ、整流回路１３の負側とインバータ主回路１５の負側アームＸ，Ｙ，Ｚとの間にそれぞれ抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗが接続されている。そして、抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗの両端に発生する電圧及びＣＴ１７の検出値に基づいてマイクロコンピュータ１６が、駆動回路１８を介して、インバータ主回路１５を構成するスイッチング素子Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚをオン、オフ制御する構成になっている。
【０００５】
上記の構成により、３相交流電源ラインＲ，Ｓ，Ｔから受電した三相交流電圧は整流回路１３によって全波整流され、この整流回路１３から出力された直流（脈流）が平滑コンデンサ１４によって平滑されてインバータ主回路１５に加えられる。マイクロコンピュータ１６はコンプレッサモータ２が空調負荷に対応した空調能力を発揮するようにオン、オフ信号を駆動回路１８に加えることによって、インバータ主回路１５のスイッチング素子をオン、オフ制御する。このとき、マイクロコンピュータ１６は、抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗに発生する電圧に基づいてコンプレッサモータ２の巻線電流を演算し、この巻線電流から電動機の回路方程式を用いて回転子位置を検出し、回転子位置に対応した交流電流波形を生成し、この交流電流波形に従ったオン、オフ信号を駆動回路１８に加える。さらに、マイクロコンピュータ１６はＣＴ１７による電流検出値が予め設定された電流設定値を超えないようにオン、オフ周波数を制限する。
【０００６】
この場合、整流回路１３が交流を整流して直流に変換する際、直流側に大きな電流リップルが生じ、これが商用の３相交流電源側で高調波となって様々な障害を引き起こす。この高調波を低減するための対策として、３相電源経路にアクティブフィルタを設けるのが一般的であった。
【０００７】
ところで、高調波を低減する他の対策として、３相交流電圧に対して所定の角度だけ位相がずれた３相交流電圧を出力する１台の変圧器と、この変圧器の出力を全波整流して直流に変換し、主回路の整流回路の出力経路に供給する２つの補助整流回路とを備えた「多パルス整流器（１８パルス整流器又は１２パルス整流器）」」と呼ばれる整流器が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１０６４６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したアクティブフィルタは高調波を低減するのに有効ではあるが、装置自体が高価であるため、空調制御装置の価格が高騰する一因になっていた。
【００１０】
一方、多パルス整流器はアクティブフィルタと比較すると低価格ではあるが、通常の空気調和機には適用し難いという問題があった。すなわち、インバータ主回路１５での消費電力を制限値以下に抑制するために、整流回路の交流入力経路の電流をＣＴ１７で検出し、マイクロコンピュータ１６は、この交流入力電流が予め設定した電流設定値を超えないように制御するが、空気調和機に多パルス整流器の構成要素を付加した場合、ＣＴ１７を迂回して３相交流が直流に変換されてインバータ主回路１５に供給される。このため、空気調和機の入力電流が設定値を超えているにも拘わらず、マイクロコンピュータ１６はＣＴ１７による電流検出値が電流制限値を超えないように制御するため、交流入力電流の制限によるインバータ主回路１５の保護ができなくなるおそれがあった。
また、空気調和機における高調波対策の要否は、その空気調和機が設置される建物等の物件の受電設備の容量と、その受電設備の容量に占める空気調和機の消費電力量との比率に応じて決定されることから、実際には同じ空気調和機でも設置される物件に応じて高調波対策が必要な場合とそうでない場合が生じる。このため、空気調和機の空調制御装置としては、いずれの場合にも対応可能な汎用性のある空調制御装置が望まれる。
【００１１】
本発明は上記の事情を考慮してなされたもので、多パルス整流器が接続されても何等変更することなく入力電流を確実に制限可能な汎用性のある空調制御装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、
３相交流電源から受電した３相交流電圧を整流する整流回路と、
３相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子でなり、整流回路の出力を可変周波数の交流に変換し、冷凍サイクルを形成する圧縮機又は送風機を可変速駆動する電動機に供給するインバータ主回路と、
３相交流電源の３相交流電圧を入力し、この３相交流電圧に対して所定の角度だけ位相が異なる３相交流電圧を出力する変圧器の３相交流電圧出力を整流して整流回路の出力側に供給する多パルス整流器を付加的に接続することを可能とし、
整流回路に多パルス整流器の出力端を接続した接続部よりも負荷側の直流電流を検出する電流検出手段と、
電流検出手段の電流検出値が予め設定した電流設定値を超えないようにインバータ主回路を制御する制御部と、
を備えた空調制御装置である。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の空調制御装置において、電流検出手段は、インバータ主回路に直流電力を供給する経路に設けられた直流電流検出器である。
【００１４】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の空調制御装置において、電流検出手段は、インバータ主回路の各アームに対する直流電流供給経路にそれぞれ設けられた抵抗でなり、制御部は、各抵抗に発生する電圧を電動機に流れる相電流に換算し、この相電流に基づいてインバータ主回路に流入する電流を演算する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る空調制御装置の第１の実施形態の構成を示す回路図であり、空調制御装置２０に、１８パルス整流器の構成要素であるパルス整流器３０を付帯させたものである。
【００１６】
図１において、空調制御装置２０は、電源端子板２１及び直流入力端子板２９にそれぞれ接続されるインバータ装置２２を備えている。インバータ装置２２は、整流回路２３、平滑コンデンサ２４、インバータ主回路２５及びその制御部としてのマイクロコンピュータ２６を含んで構成される。
【００１７】
ここで、電源端子板２１の電源側に３相交流電源１が接続され、この電源端子板２１の負荷側に整流回路２３の交流入力端が接続されている。整流回路２３の直流出力端には平滑コンデンサ２４が接続されると共に、インバータ主回路２５の直流入力端が接続されている。このインバータ主回路２５の交流出力端に直流電動機であるコンプレッサモータ２が接続されている。マイクロコンピュータ１６は図示を省略した室温センサの検出値等に基づき、コンプレッサモータ２の回転速度を決定するとともに、前述した抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗに発生する電圧に基づいてコンプレッサモータ２の巻線電流を演算し、この巻線電流から電動機の回路方程式を用いて回転子位置を推定し、回転子位置に対応した交流電流波形を生成し、この交流電流波形に従ったオン、オフ信号を駆動回路１８に加え、これによってインバータ主回路２５の出力を制御するように構成されている。
【００１８】
一方、パルス整流器３０は、電源端子板２１の電源側に接続するための電源端子板３１と、この電源端子板３１を介して３相交流電圧を入力し、この３相交流電圧に対してベクトル的に約４０度だけ位相が進んだ３相交流電圧及び約４０度だけ位相が遅れた３相交流電圧をそれぞれ出力する変圧器３２と、この変圧器３２から出力される進み位相の３相交流電圧を整流する補助整流回路３３と、変圧器３２から出力される遅れ位相の３相交流電圧を整流する補助整流回路３４と、これらの補助整流回路３３，３４の各直流出力端を並列接続して、前述の直流入力端子板２９の電源側に接続するための直流出力端子板３５とで構成されている。
【００１９】
図２はインバータ主回路２５の詳細な構成を示す回路図である。同図において、６個のスイッチング素子Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚが３相ブリッジ接続され、正側アームと負側アームの相互接続点を交流出力端として、この交流出力端にコンプレッサモータ２が接続されている。整流回路２３の負側と負側アームＸ，Ｙ，Ｚとの間にそれぞれ抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗが接続されている。そして、抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗの両端に発生する電圧がマイクロコンピュータ２６に加えられ、マイクロコンピュータ２６が、駆動回路１７を介して、スイッチング素子Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚをオン、オフ制御する構成になっている。
【００２０】
上記のように構成された第１の実施形態の動作について、特に、図４と構成を異にする部分を中心にして、以下に説明する。３相交流電源１の３相交流電圧は整流回路（以下、他の整流回路と区別するため主整流回路と称す）２３によって全波整流され、出力された直流（脈流）が平滑コンデンサ２４で平滑されてインバータ主回路２５に供給される。ここで、マイクロコンピュータ２６は、抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗに発生する電圧に基づいてオン、オフ信号を出力してインバータ主回路２５を制御すると共に、抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗに発生する電圧に基づいて整流回路２３の入力電流を演算し、この入力電流が予め設定された電流設定値を超えないように出力周波数を制限した制御を実行する。
【００２１】
周知の如く、インバータ主回路２５の出力周波数が高くなるほど、インバータ主回路２５に供給される直流電流のリップル分は増大し、３相交流電源１側の高調波成分も増大する。パルス整流器３０を構成する変圧器３２は、これに入力される３相交流電圧に対して大きさが等しく、位相が約４０度進んだ３相交流電圧及び位相が約４０度遅れた３相交流電圧を出力する。これらの出力のうち、進み位相の３相交流電圧は補助整流回路３３によって全波整流され、遅れ位相の３相交流電圧は補助整流回路３４によって全波整流される。補助整流回路３３及び３４の各出力端子は並列接続されているため、２つの直流分（脈流分）は合成され、直流出力端子板３５及び直流入力端子板２９を介して、主整流回路２３にインバータ主回路２５が接続される直流電流経路に供給される。これによって、主整流回路２３から出力される電圧リップルの谷間が埋められる。換言すれば、主整流回路２３から出力される電圧リップルの谷間を埋めるように補助整流回路３３及び３４が導通する。この結果、インバータ主回路２５に供給される直流電圧のリップルは小さくなり、電源側に現れる高調波成分も低減する。
【００２２】
一方、マイクロコンピュータ２６はインバータ主回路２５に流入する最大電流を下記のように演算する。
【００２３】
先ず、抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗに発生する電圧に基づいてコンプレッサモータ２の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを演算する。続いて、これらの相電流からインバータ主回路２５で消費している電力Ｗｔを次式によって演算する。
Ｗｔ＝ｆ（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ） …（１）
さらに、最大電流Ｉｍａｘを次式によって演算する。
Ｉｍａｘ＝ｇ（Ｗｔ） …（２）
上記（１），（２）式の演算は、近年、安価に提供されているＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）やＲＩＳＣ（Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｅｔ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）など、命令、実行の速い高速演算処理のマイクロコンピュータであれば十分に対応できる。
【００２４】
そして、演算された最大電流Ｉｍａｘが予め設定された電流制限値を超えることがないようにインバータ主回路２５の出力周波数を制限する。
【００２５】
かくして、第１の実施形態によれば、空気調和機に１８パルス整流技術を適用した場合でも、交流入力電流の確実に制限すると共に、インバータ主回路を確実に保護することができる。また、この交流入力電流の検出を、電動機の回転数制御のために設けられた整流回路１３の負側とインバータ主回路１５の負側アームＸ，Ｙ，Ｚとの間の抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗを兼用することで、新たな検出素子を用いることなく、制御でき、回路が簡素化できる効果もある。
【００２６】
なお、第１の実施形態では１８パルス整流器でなる多パルス整流器を用いたが、この代わりに、３相交流電源の３相交流電圧に対して６０度だけ移相した３相交流電圧を全波整流する１２パルス整流器を用いても第１の実施形態に準じた効果が得られる。
【００２７】
図３は本発明に係る空調制御装置の第２の実施形態の構成を示す回路図であり、図中、第１の実施形態を示す図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。ここに示した空調制御装置は、冷凍サイクル中に２つのコンプレッサモータ２Ａ，２Ｂが並列接続され、これらのコンプレッサモータ２Ａ，２Ｂをそれぞれ駆動するために２台の空調制御装置２０が設けられている。これら２台の空調制御装置２０は３相交流電源１に共通接続されるが、直流入力端子板２９に直流電力を供給するパルス整流器３０は１台だけである。このパルス整流器３０は、進み位相の３相交流電圧を整流する補助整流回路３３の出力と、遅れ位相の３相交流電圧を整流する補助整流回路３４の出力を互いに独立して出力するための４回路の直流出力端子３６を備え、一方の直流出力をコンプレッサモータ２Ａを駆動する空調制御装置２０に供給し、他方の直流出力をコンプレッサモータ２Ｂを駆動する空調制御装置２０に供給する構成になっている。
【００２８】
ここで、コンプレッサモータ２Ａ及び２Ｂをほぼ同期させて駆動したとすれば、図１に示した第１の実施形態と比較してインバータ主回路２５に供給される電流のリップル分は僅かに大きくなるが、交流電源１側に発生する高調波成分は図１に示した第１の実施形態と略等しくなる。なお、コンプレッサモータ２Ａ及び２Ｂの一方を高能力で運転し、他方を低能力で運転したとしても空調制御装置２０にそれぞれパルス整流器３０を設ける構成に近い特性が得られることが発明者等のシミュレーション結果から明らかになっている。
【００２９】
かくして、第２の実施形態によれば、空気調和機に１８パルス整流技術を適用した場合でも、交流入力電流を確実に制限すると共に、インバータ主回路を確実に保護することができる。
【００３０】
なお、上記実施形態は、回転子位置を検出し、回転子位置に対応した交流電流波形を生成する抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗを電流センサに兼用したので、図４に示したＣＴ１７等の電流センサが不要化されて構成が簡易化される利点が得られる。この場合、高速処理のマイクロコンピュータ２６を必要とするが、汎用のマイクロコンピュータを採用する場合には、整流回路２３にパルス整流器３０の出力端を接続した接続部よりも負荷側の直流電流を検出する電流検出器を設け、その電流検出値が予め定めた電流制限値を超えないように制御することも可能である。
また、第１、第２の実施形態は、いずれもコンプレッサモータを駆動するインバータ主回路を用いて説明したが、大能力の空気調和機では室外送風機での消費電力も大きくなるため、この場合には送風機の駆動用電動機を駆動するインバータ主回路に適用することももちろん可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明によって明らかなように、本発明によれば、空気調和機に多パルス整流技術を適用した場合でも、何等変更することなく交流入力電流を確実に制限すると共に、インバータ主回路を確実に保護することのできる空調制御装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る空調制御装置の第１の実施形態の構成を示す回路図。
【図２】図１に示した第１の実施形態を構成するインバータ主回路の詳細な構成を示す回路図。
【図３】本発明に係る空調制御装置の第２の実施形態の構成を示す回路図。
【図４】従来の空調制御装置の構成を示す回路図。
【符号の説明】
１ ３相交流電源
２，２Ａ，２Ｂ コンプレッサモータ
２０ 空調制御装置
２１ 電源端子板
２２ インバータ装置
２３ 整流回路（主整流回路）
２４ 平滑コンデンサ
２５ インバータ主回路
２６ マイクロコンピュータ
２９ 直流入力端子板
３０ パルス整流器
３１ 電源端子板
３２ 変圧器
３３，３４ 補助整流回路
３５ 直流出力端子板

Claims (3)

1. ３相交流電源から受電した３相交流電圧を整流する整流回路と、
   ３相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子でなり、前記整流回路の出力を可変周波数の交流に変換し、冷凍サイクルを形成する圧縮機又は送風機を可変速駆動する電動機に供給するインバータ主回路と、
   前記３相交流電源の３相交流電圧を入力し、この３相交流電圧に対して所定の角度だけ位相が異なる３相交流電圧を出力する変圧器の３相交流電圧出力を整流して前記整流回路の出力側に供給する多パルス整流器を付加的に接続することを可能とし、
   前記整流回路の出力側における前記多パルス整流器の出力端を接続する接続部よりも負荷側の直流電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段の電流検出値が予め設定した電流設定値を超えないように前記インバータ主回路を制御する制御部と、
   を備えた空調制御装置。
2. 前記電流検出手段は、前記インバータ主回路に直流電力を供給する経路に設けられた直流電流検出器である請求項１に記載の空調制御装置。
3. 前記電流検出手段は、前記インバータ主回路の各アームに対する直流電流供給経路にそれぞれ設けられた抵抗でなり、前記制御部は、前記各抵抗に発生する電圧を前記電動機に流れる相電流に換算し、この相電流に基づいて前記インバータ主回路に流入する電流を演算する請求項１に記載の空調制御装置。

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