JP2006042529A - Inverter control device of air conditioner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、空気調和装置のインバータ制御装置に関するものであり、特に、運転効率や、騒音などの各種特性を改善した空気調和装置のインバータ制御装置に関するものである。 The present invention relates to an inverter control device for an air conditioner, and more particularly to an inverter control device for an air conditioner in which various characteristics such as operation efficiency and noise are improved.
近年、空気調和装置の分野においても、インバータ装置を適用することが一般的な構成となってきており、空気調和装置の圧縮機に備えられた電動機がインバータ装置のPWM制御によって可変速に駆動され、高効率な運転制御や、詳密な空調能力制御などが実現されている。 In recent years, it has become a common configuration to apply an inverter device also in the field of an air conditioner, and an electric motor provided in a compressor of the air conditioner is driven at a variable speed by PWM control of the inverter device. High-efficiency operation control and detailed air-conditioning capability control are realized.
ところで、このような、インバータ装置を備えた従来の空気調和装置においては、電動機を可変速制御するインバータ装置の主回路に、IGBT(Insulated Gated Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)素子を適用した構成が一般的である(例えば、特許文献1)。 By the way, in such a conventional air conditioner equipped with an inverter device, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) element is applied to the main circuit of the inverter device for variable speed control of the electric motor. Is common (for example, Patent Document 1).
この文献に開示されている空気調和装置では、インバータ付き誘導電動機に起因する騒音を低減し、かつ高効率な運転を実現するために、空気調和装置の圧縮機と、この圧縮機を駆動する誘導電動機をチャンバ内に密閉するとともに、誘導電動機を回転制御するインバータのスイッチング素子にIGBTを使用し、インバータ制御のキャリア周波数を4kHz以上10kHz以下の周波数に設定することを特徴としている。 In the air conditioner disclosed in this document, in order to reduce noise caused by the induction motor with an inverter and realize high-efficiency operation, the compressor of the air conditioner and the induction driving this compressor are used. The motor is hermetically sealed in the chamber, and an IGBT is used as a switching element of an inverter that controls the rotation of the induction motor, and a carrier frequency for inverter control is set to a frequency of 4 kHz to 10 kHz.
しかしながら、上記特許文献1に示される従来技術では、電動機を可変速制御するインバータ装置の主回路にIGBT素子を適用した構成としているので、以下に示すような問題点があった。
However, the prior art disclosed in
すなわち、従来の空気調和装置では、IGBT素子の動作温度特性に関係してIGBT素子自身のスイッチング損失による発熱を制限する必要があり、キャリア周波数の上限は15KHz程度が限界であった。したがって、インバータ装置出力にリプル電流が多く残存し、電動機の運転効率が低下したり、騒音が発生するなどの問題点があった。 That is, in the conventional air conditioner, it is necessary to limit the heat generation due to the switching loss of the IGBT element itself in relation to the operating temperature characteristics of the IGBT element, and the upper limit of the carrier frequency is about 15 KHz. Therefore, a large amount of ripple current remains at the output of the inverter device, resulting in problems such as a reduction in operating efficiency of the motor and noise.
また、IGBT素子の損失は、一般的なトランジスタと同様に「Vce×Ic」の大きさで決定されるが、定常的な運転状態である軽負荷運転では、上記「Vce×Ic」の中のVceがほぼ一定値で推移するため、運転効率(インバータ効率)の改善が困難であるという問題点があった。 Further, the loss of the IGBT element is determined by the magnitude of “Vce × Ic” as in the case of a general transistor, but in the light load operation which is a steady operation state, the loss in the above “Vce × Ic” Since Vce changes at a substantially constant value, there is a problem that it is difficult to improve the operation efficiency (inverter efficiency).
さらに、IGBT素子がオフしている期間に、IGBTに並列接続されるフライホイールダイオード(以下「FWDダイオード」と呼称)にはリカバリ電流と呼ばれる電流が流れ、このリカバリ電流に含まれる高調波電流(リプル電流)に起因して、大きなノイズが発生するという問題点があった。 Further, a current called a recovery current flows through a flywheel diode (hereinafter referred to as “FWD diode”) connected in parallel to the IGBT during a period in which the IGBT element is off, and a harmonic current ( There is a problem that large noise is generated due to ripple current.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、従来の空気調和装置に比して、さらに、高効率、低損失、低騒音、低ノイズの空気調和装置を実現することができるインバータ制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and has an inverter control that can realize an air conditioner with higher efficiency, lower loss, lower noise, and lower noise as compared with conventional air conditioners. An object is to provide an apparatus.
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる空気調和装置のインバータ制御装置は、圧縮機、凝縮器、絞り装置、および蒸発器が冷媒配管で接続された冷媒回路を有してなる空気調和装置の前記圧縮機を駆動する整流器、直流リアクトル、直流平滑コンデンサ、および逆変換器を具備するPWMインバータを備えた空気調和装置のインバータ制御装置において、前記逆変換器にSiC(シリコンカーバイド)素子を適用したことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, an inverter control device of an air conditioner according to the present invention has a refrigerant circuit in which a compressor, a condenser, a throttle device, and an evaporator are connected by a refrigerant pipe. In the inverter control device for an air conditioner comprising a PWM inverter having a rectifier that drives the compressor of the air conditioner, a DC reactor, a DC smoothing capacitor, and an inverse converter, SiC (silicon A carbide element is applied.
本発明にかかる空気調和装置のインバータ制御装置によれば、逆変換器にSiC(シリコンカーバイド)素子を適用しているので、空気調和装置が軽負荷で運転される場合の損失を低減することができるという効果を奏する。 According to the inverter control device of the air conditioner according to the present invention, since the SiC (silicon carbide) element is applied to the inverter, the loss when the air conditioner is operated at a light load can be reduced. There is an effect that can be done.
以下に、本発明にかかる空気調和装置のインバータ制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。 Embodiments of an inverter control device for an air conditioner according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかるインバータ制御装置を備えた空気調和装置の概略構成を示す図である。同図の右上部において、圧縮機1、凝縮器2、絞り手段(減圧器)3および蒸発器4のそれぞれが冷媒配管で順次接続され、空気調和装置の冷媒回路が構成されている。一方、同図の左上部には、インバータ制御装置の主回路であるPWMインバータ15が構成されている。すなわち、PWMインバータ15は、電源5、ダイオード等により構成される整流器6、直流リアクトル7、直流平滑コンデンサ8およびスイッチング素子としてSiC(シリコンカーバイト)モジュールを適用した逆変換器9を備えている。また、同図の下部には、PWMインバータ15を制御して空気調和装置の圧縮機1を制御するインバータ制御装置の各制御手段が構成されている。すなわち、インバータ制御装置の各制御手段は、直流母線電圧検出手段10、出力電流検出手段11、出力周波数設定手段12、PWM演算手段13、および逆変換器駆動手段14を備えている。
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of an air-conditioning apparatus including an inverter control device according to
これらの各制御手段において、直流母線電圧検出手段10は、逆変換器9に印加される電圧を検出し、出力電流検出手段11は、逆変換器9から圧縮機1に出力される出力電流を検出する。PWM演算手段13は、直流母線電圧検出手段10、出力電流検出手段11、および出力周波数設定手段12からの信号に基づいて、空気調和装置の所要空調能力や、圧縮機駆動時の所要駆動トルクが出力されるようなPWM演算信号を生成して逆変換器駆動手段14に出力する。逆変換器駆動手段14は、PWM演算手段13から出力されたPWM演算信号に基づいてSiCモジュールが搭載された逆変換器9をPWM制御する。
In each of these control means, the DC bus voltage detection means 10 detects the voltage applied to the
この実施の形態の空気調和装置では、上述のように、逆変換器9にSiCモジュールを適用している。SiCモジュールは、IGBTモジュールに比して、スイッチング動作が速く、また、非常な高温(例えば、200度以上)でも動作が可能であるといった特徴を有している。したがって、PWM演算手段13にてキャリア周波数を15KHz以上に上げたとしても、問題なく動作させることができる。例えば、高速スイッチング動作によって生ずる発熱の問題も生じない。また、スイッチング動作がそのものが高速なので、スイッチング損失が小さくなり、出力電圧、および出力電流の歪み成分を小さくすることができる。また、過渡状態への応答特性も高速になるので、FWDダイオードのリカバリ電流によるノイズの発生も小さくなる。さらに、キャリア周波数を15KHz以上とすることで、キャリア音に基づく騒音を可聴域の高域にシフトさせることができる。さらには、キャリア周波数を15KHz以上とすることで、制御周期を高速化することができるので、空気調和装置に対する詳細な運転制御を容易に実現することができる。
In the air conditioner of this embodiment, the SiC module is applied to the
また、この実施の形態にかかるインバータ制御装置を備えた空気調和装置は、損失の面においても、以下に示すような利点を有している。図2は、IGBTおよびSiCのIcに基づく損失特性を示す図である。SiCモジュールはMOSFETと同等な構造を有するので、その損失特性は、同図に示すような「Ron×Ic2」となる。なお、IGBTの損失特性は、「Vce×Ic」である。一般的に、空気調和装置が軽負荷で運転される場合には、低周波運転となりコレクタ電流は小さくなる。したがって、低周波運転の場合には、同図に示すように「Vce×Ic」曲線に比して「Ron×Ic2」曲線の方が低損失となり、低周波運転域での損失を電流の2乗のオーダーで低減させることができる。 Moreover, the air conditioning apparatus provided with the inverter control apparatus according to this embodiment has the following advantages in terms of loss. FIG. 2 is a diagram showing loss characteristics based on Ic of IGBT and SiC. Since the SiC module has a structure equivalent to that of a MOSFET, its loss characteristic is “Ron × Ic 2 ” as shown in FIG. The loss characteristic of the IGBT is “Vce × Ic”. In general, when the air conditioner is operated with a light load, the operation becomes low frequency and the collector current becomes small. Therefore, in the case of low frequency operation, the “Ron × Ic 2 ” curve has a lower loss than the “Vce × Ic” curve, as shown in FIG. It can be reduced on the order of squares.
以上説明したように、この実施の形態では、空気調和装置のインバータ制御装置に具備される逆変換器にSiCモジュールを適用するようにしているので、PWM制御のキャリア周波数を15KHz以上とすることができ、従来の空気調和装置に比して、効率、損失、騒音、ノイズなどにかかる諸特性を改善した空気調和装置を実現することができる。 As described above, in this embodiment, since the SiC module is applied to the inverter provided in the inverter control device of the air conditioner, the carrier frequency of PWM control is set to 15 KHz or more. Thus, an air conditioner can be realized in which various characteristics relating to efficiency, loss, noise, noise and the like are improved as compared with a conventional air conditioner.
なお、上記の説明では、PWM制御のキャリア周波数を15KHz以上に上昇させて制御する場合について詳述したが、同一の構成において、キャリア周波数を15KHz以下に下降させて制御することができることは言うまでもないことである。 In the above description, the case of controlling by raising the carrier frequency of PWM control to 15 KHz or more has been described in detail, but it is needless to say that in the same configuration, the carrier frequency can be lowered to 15 KHz or less. That is.
実施の形態2.
図3−1は、本発明の実施の形態2にかかるインバータ制御装置に具備される逆変換器9の設置場所を示す図である。図1に示す実施の形態1からの変更点は、SiCを適用した逆変換器9を圧縮機1、あるいは圧縮機1と凝縮器2とを接続する吐出配管に密接させて配置した点に特徴がある。なお、その他の構成については、実施の形態1の構成と同一あるいは同等であり、それらの部分の図示を省略する。
FIG. 3A is a diagram illustrating an installation place of the
逆変換器9の具体的な配置例として示したものが、図3−2、図3−3、および図3−4である。すなわち、図3−2は、圧縮機上面が吐出温度となる構造とし、その部位に逆変換器9を取り付けた一例を示す図であり、図3−3は、圧縮機側面が吐出温度となる構造とし、その部位に逆変換器9を取り付けた一例を示す図であり、図3−4は、吐出配管に放熱可能な取り付け構造とし、その部位に逆変換器9を取り付けた一例を示す図である。なお、図3−2〜図3−4に示した配置例以外にも、冷媒に対して熱移動できる高温部(例えば、オイルセパレータなど)などが存在すれば、当該部位に設置してもよい。
FIG. 3-2, FIG. 3-3, and FIG. 3-4 show specific examples of the arrangement of the
図3−5は、逆変換器9の放熱構造を説明するための図である。本発明にかかるインバータ制御装置では、逆変換器9にSiCモジュールを適用しているので、逆変換器9が非常に高温になる一方で、充電部などが露出するのは回避したい。このため、同図に示すように、SiCモジュール9Aの放熱面以外の部分を絶縁性の断熱材9Bで覆うようにしている。このような放熱構造とすることにより、高温でも使用可能なSiCの特徴を活用しつつ、SiCの排熱を冷房運転や、暖房運転のサイクルに利用することができる。また、設置部位が、周囲温度以上の高温部であるため、結露の心配がないという利点も有する。
3-5 is a diagram for explaining the heat dissipation structure of the
以上説明したように、この実施の形態の空気調和装置のインバータ制御装置によれば、逆変換器を空気調和装置の冷媒回路上の高温部に密接させて熱交換するようにしているので、SiCの排熱を冷房運転や、暖房運転のサイクルに利用することができるという効果を奏する。 As described above, according to the inverter control device of the air conditioner of this embodiment, the inverse converter is brought into close contact with the high temperature part on the refrigerant circuit of the air conditioner, so that heat exchange is performed. There is an effect that the exhaust heat can be used for a cooling operation or a heating operation cycle.
実施の形態3.
図4は、本発明の実施の形態3にかかるインバータ制御装置の構成を示す図である。同図に示すインバータ制御装置は、図1に示す実施の形態1の構成に加えて、逆変換器9と圧縮機1との間の出力配線に小容量のノーマルチョーク16を追加している。なお、その他の構成については、実施の形態1の構成と同一あるいは同等であり、それらの部分の図示を省略する。
FIG. 4 is a diagram illustrating the configuration of the inverter control device according to the third embodiment of the present invention. In the inverter control device shown in the figure, in addition to the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1, a small capacity
インバータ制御装置の出力は、スイッチング素子の断続的なオン/オフ制御によって生成されるので、逆変換器9と圧縮機1とを接続する出力配線に流れる電流には必然的に高周波成分が含まれる。したがって、圧縮機に具備される電動機を高効率に運転するような場合には、逆変換器9と圧縮機1との間に所定のインダクタンス成分を有するチョークコイルが挿入されるのが一般的な構成である。
Since the output of the inverter control device is generated by intermittent on / off control of the switching element, the current flowing in the output wiring connecting the
一方、本発明では、空気調和装置のインバータ制御装置に具備される逆変換器にSiCモジュールを適用し、PWM制御のキャリア周波数を15KHz以上に設定しているので、15KHz以下のキャリア周波数を用いた場合に比べて歪み電流の周波数成分は高域にシフトしている。したがって、キャリア周波数の高周波化に起因して生ずる歪み電流の高周波成分の抑制に対しては、従来のIGBT素子を用いたインバータ制御装置に比して、小容量のチョ−クコイルで所望の効果を得ることができる。 On the other hand, in the present invention, the SiC module is applied to the inverter provided in the inverter control device of the air conditioner, and the carrier frequency for PWM control is set to 15 KHz or higher, so the carrier frequency of 15 KHz or lower was used. Compared to the case, the frequency component of the distortion current is shifted to a high frequency. Therefore, the suppression of the high-frequency component of the distortion current caused by the increase in the carrier frequency has a desired effect with a small-capacity choke coil as compared with an inverter control device using a conventional IGBT element. Obtainable.
以上説明したように、この実施の形態の空気調和装置のインバータ制御装置によれば、逆変換器と圧縮機とをつなぐ電気配線にインダクタンス成分を有する素子を挿入するようにしているので、キャリア周波数の高周波化に起因して生じた歪み電流の高周波成分を小容量のインダクタンス成分で効果的に抑制することができる。 As described above, according to the inverter control device of the air conditioner of this embodiment, since an element having an inductance component is inserted into the electrical wiring connecting the inverse converter and the compressor, the carrier frequency The high frequency component of the distortion current caused by the higher frequency can be effectively suppressed with a small-capacity inductance component.
実施の形態4.
図6は、本発明の実施の形態4にかかるインバータ制御装置に具備される逆変換器9の回路構成を示す図である。なお、図5は、従来から一般的に採用されている逆変換器9の回路構成を示す図であり、図6の回路構成との比較のために示している。図5と、図6とを比較して説明すると、図5では、上アーム(直流平滑コンデンサ8の+側に接続される各素子)側、および下アーム(直流平滑コンデンサ8の+側と反対側の端子に接続される各素子)側のいずれも、Nチャネル素子18としているが、図6では、上アーム側をPチャネル素子17とし、下アーム側をNチャネル素子18とすることで同等の機能を実現している。図6に示すように、上アーム側の素子を下アーム側の素子の逆極性の関係にあるコンプリメント接続とすることで、駆動電源が上下アームの各素子の動作により変位しないため駆動電源を共通化できるという利点を有する。なお、上下アームの各素子において、通常はドレイン部が絶縁基板に接続されるように接続されるが、ソース部が絶縁基板に接続され放熱するように構成することで絶縁基板に対する各素子の電位変動が抑えられ、ノイズの改善に効果がある。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 6 is a diagram illustrating a circuit configuration of the
以上説明したように、この実施の形態の空気調和装置のインバータ制御装置によれば、逆変換器の上アームがFET構造のPチャネル素子で構成され、下アームがFET構造のNチャネル素子で構成されているので、絶縁基板に対する各素子の電位変動を抑えることができ、ノイズを低減することもできる。 As described above, according to the inverter control device of the air conditioner of this embodiment, the upper arm of the inverse converter is configured by the FET channel P-channel element, and the lower arm is configured by the FET channel N-channel element. Therefore, the potential fluctuation of each element with respect to the insulating substrate can be suppressed, and noise can be reduced.
実施の形態5.
実施の形態5は、PWM演算手段13のPWM演算信号の生成機能にかかるものであり、より詳細には、逆変換器9におけるスイッチング素子の動作遅れの影響を局限し、逆変換器9から圧縮機1に対して出力される出力電圧の誤差および高調波成分を抑制することができるPWM演算信号の生成機能に関するものである。なお、上記実施の形態1〜4においては、逆変換器9に具備されるスイッチング素子として、SiCモジュールに限定して説明してきたが、この実施の形態は、当該SiCモジュールに限定するものではなく、IGBTなどのスイッチング素子に対しても適用することができる。なお、その他の構成については、実施の形態1の構成と同一あるいは同等であり、それらの部分の図示を省略する。
The fifth embodiment relates to the function of generating the PWM calculation signal of the PWM calculation means 13. More specifically, the influence of the operation delay of the switching element in the
図7−1は、180°通電方式による3相インバータの出力電圧波形を示す図である。同図において、U,V,Wの各部は、上下アームのオン/オフの切り替わりを示しており、上アームがオンの場合に上側に波形を示し、下アームがオンの場合に下側に波形を示している。なお、上アームの通電時間と下アームの通電時間とは等しく、各々180°ごとに通電されている。一方、Vuv,Vvw,Vwuの各部は、上記上下アームのオン/オフに対応する3相インバータの出力線間電圧波形を示しており、波高は直流部の電圧Vdcを基準にしている。 FIG. 7A is a diagram illustrating an output voltage waveform of the three-phase inverter by the 180 ° energization method. In the figure, U, V, and W indicate the on / off switching of the upper and lower arms, and the upper waveform is shown when the upper arm is on, and the lower waveform is shown when the lower arm is on. Is shown. The energization time of the upper arm and the energization time of the lower arm are equal and are energized every 180 °. On the other hand, each part of Vuv, Vvw, Vwu shows the voltage waveform between the output lines of the three-phase inverter corresponding to the on / off of the upper and lower arms, and the wave height is based on the voltage Vdc of the DC part.
なお、図7−2は、180°通電方式で駆動された3相インバータに接続されるY型負荷に生ずる電圧ベクトル、電流ベクトルを示す概略図であり、図7−3は、180°通電方式で駆動された3相インバータに接続されるΔ型負荷に生ずる電圧ベクトル、電流ベクトルを示す概略図である。180°通電方式の特徴は、上アーム、下アームのいずれかの素子が常にオンしているというところに特徴があり、その結果、Y型負荷およびΔ型負荷のいずれにおいても、線間電圧Vuv,Vvw,Vwuとして、「±Vdc」または「0」のいずれかの電圧が現れている。 FIG. 7-2 is a schematic diagram showing a voltage vector and a current vector generated in a Y-type load connected to a three-phase inverter driven by a 180 ° energization method, and FIG. 7-3 is a 180 ° energization method. It is the schematic which shows the voltage vector and current vector which arise in the (DELTA) -type load connected to the three-phase inverter driven by. The 180 ° energization method is characterized in that either the upper arm or the lower arm is always turned on. As a result, the line voltage Vuv is obtained in both the Y-type load and the Δ-type load. , Vvw, Vwu, either “± Vdc” or “0” appears.
一方、図8−1は、120°通電方式による3相インバータの出力電圧波形を示す図である。なお、U,V,Wの各部の波形,およびVuv,Vvw,Vwuの各部の波形の定義は、図7−1と同様である。120°通電方式は上アームの通電時間と下アームの通電時間とが等しいという点において180°通電方式と共通するが、上アームおよび下アームのいずれの素子もオンしていない区間が存在するという点で180°通電方式と異なっている。その結果、図8−1に示すVuv,Vvw,Vwuの各部の波形を見ると、出力線間電圧は、±Vdcの他に±(1/2)Vdcの出力電圧が生じている。なお、この±(1/2)Vdcの電圧は、上アームまたは下アームのいずれかがオンしている相の両端間に生じている線間電圧の分圧値が、出力相電流が0である上アームおよび下アームのいずれもオンしていない相の端子部に生じたものである。 On the other hand, FIG. 8A is a diagram illustrating an output voltage waveform of the three-phase inverter by the 120 ° energization method. The definition of the waveform of each part of U, V, and W and the waveform of each part of Vuv, Vvw, and Vwu are the same as in FIG. The 120 ° energization method is common to the 180 ° energization method in that the energization time of the upper arm and the energization time of the lower arm are the same, but there is a section in which neither the upper arm nor the lower arm element is on. This is different from the 180 ° energization method. As a result, when the waveforms of the respective parts of Vuv, Vvw, and Vwu shown in FIG. 8A are viewed, the output line voltage produces an output voltage of ± (1/2) Vdc in addition to ± Vdc. The voltage of ± (1/2) Vdc is obtained by dividing the line voltage generated between both ends of the phase in which either the upper arm or the lower arm is on, and the output phase current is 0. This occurs at the terminal portion of the phase where neither the upper arm nor the lower arm is on.
図8−2は、120°通電方式で駆動された3相インバータに接続されるY型負荷に生ずる電圧ベクトル、電流ベクトルを示す概略図であり、図8−3は、120°通電方式で駆動された3相インバータに接続されるΔ型負荷に生ずる電圧ベクトル、電流ベクトルを示す概略図である。これらの図に示すように、3相負荷がY結線かΔ結線かにより、負荷内部に流れる電流には相違があるが、出力相電流が0でない端子間の出力線間電圧や、出力相電流が0である相の端子電圧などについては、Y結線かΔ結線かによる差異はない。 FIG. 8-2 is a schematic diagram showing a voltage vector and a current vector generated in a Y-type load connected to a three-phase inverter driven by a 120 ° energization method, and FIG. 8-3 is a drive by a 120 ° energization method. It is the schematic which shows the voltage vector and current vector which arise in the (DELTA) type load connected to the three-phase inverter made. As shown in these figures, the current flowing inside the load varies depending on whether the three-phase load is Y-connected or Δ-connected, but the output line voltage between the terminals where the output phase current is not 0 or the output phase current There is no difference depending on whether the terminal voltage or the like of the phase is 0 or Y connection or Δ connection.
なお、180°通電方式および120°通電方式のいずれにおいても、これらの出力電位(例えば、180°通電方式では「±Vdc」と「0」、120°通電方式では「±Vdc」と「±(1/2)Vdc」)が生成される上下アームのオン/オフの組み合わせ(いわゆる「力行ベクトル」)と、上アームの3つ、あるいは下アームの3つがオンとなる組み合わせ(いわゆる「ゼロベクトル」)との、両者を組み合わせることで多用な出力電圧を生成し、かつ多用な出力電圧に推移させることができる。 In both the 180 ° energization method and the 120 ° energization method, these output potentials (for example, “± Vdc” and “0” in the 180 ° energization method, and “± Vdc” and “± ( 1/2) Vdc ") is generated by a combination of on / off of the upper and lower arms (so-called" powering vector ") and a combination of three upper arms or three lower arms (so-called" zero vector ") ) Can be combined to generate a wide variety of output voltages and transition to a variety of output voltages.
図9および図10は、実施の形態5にかかるPWM演算信号の生成機能について説明するための図であり、より詳細には、図9は、120°通電方式における選択ベクトル(力行ベクトルおよびゼロベクトル)と、選択ベクトルに囲まれた領域を示す図であり、図10は、図9に示す各領域ごとに選択される選択ベクトル(力行ベクトルおよびゼロベクトル)の組み合わせを示す図表である。なお、120°通電方式との比較のため、180°通電方式における選択ベクトルや選択ベクトルの組み合わせを、それぞれ図11および図12に示している。 FIG. 9 and FIG. 10 are diagrams for explaining the function of generating the PWM calculation signal according to the fifth embodiment. More specifically, FIG. 9 shows the selection vector (power running vector and zero vector) in the 120 ° energization method. ) And a region surrounded by the selection vector. FIG. 10 is a chart showing combinations of selection vectors (powering vector and zero vector) selected for each region shown in FIG. For comparison with the 120 ° energization method, selection vectors and combinations of selection vectors in the 180 ° energization method are shown in FIGS. 11 and 12, respectively.
図9に戻って、Vuv,Vvw,Vwuは、線間電圧ベクトルの方向を示す座標軸であり、それぞれ120°の位相差を有している。内側の小さな6角形の頂点および外側の大きな6角形の頂点に付されている括弧内の数字は、上下アームの動作状況(オン/オフの組み合わせ)を示しており、各々の動作状況は“1”=上アームオン、“0”=下アームオン、“1/2”=上下アームともオフ、をそれぞれ意味している。なお、各上下アームは、“1”,“0”,“1/2”の3つの状態のいずれかの状態をとり得るので、3×3×3=27とおりの組み合わせが考えられるが、出力電圧が生ずる組み合わせ(力行ベクトル)としては、原点から上記大小の6角形の各頂点に向かう12個のベクトルが該当する。なお、これらのベクトルのうち、{(1,0,1),(0,0,1),(0,1,1),(0,1,0),(1,1,0),(1,0,0)}のベクトル長は1であり(「±Vdc」の出力に相当)、{(1,0,1/2),(1/2,0,1),(0,1/2,1),(0,1,1/2),(1/2,1,0),(1,1/2,0)}のベクトル長は1/(√3)である(「±(1/2)Vdc」の出力に相当)。また、この12個のベクトルを除く残りの15個のベクトルは出力電圧の生じないゼロベクトルとなる。 Returning to FIG. 9, Vuv, Vvw, and Vwu are coordinate axes indicating the direction of the line voltage vector, and each have a phase difference of 120 °. The numbers in parentheses attached to the inner small hexagonal vertex and the outer large hexagonal vertex indicate the operating status (on / off combination) of the upper and lower arms, and each operating status is “1”. “= Upper arm on”, “0” = lower arm on, and “1/2” = upper and lower arms off. Each of the upper and lower arms can take any one of the three states “1”, “0”, and “1/2”, and therefore 3 × 3 × 3 = 27 combinations are possible. As combinations (power running vectors) in which voltages are generated, 12 vectors from the origin to the respective vertices of the above-mentioned large and small hexagons correspond. Of these vectors, {(1, 0, 1), (0, 0, 1), (0, 1, 1), (0, 1, 0), (1, 1, 0), ( 1,0,0)} has a vector length of 1 (corresponding to the output of “± Vdc”), {(1,0,1 / 2), (1 / 2,0,1), (0,1 / 2, 1), (0, 1, 1/2), (1/2, 1, 0), (1, 1/2, 0)} has a vector length of 1 / (√3) (“ Equivalent to the output of “± (1/2) Vdc”). The remaining 15 vectors excluding these 12 vectors are zero vectors in which no output voltage is generated.
このような力行ベクトルとゼロベクトルとを組み合わせることにより、図9に示したa〜xの24の領域内の任意の電圧ベクトルを生成することができる。より詳細には、各領域近傍の2つの力行ベクトル(例えば、領域aであれば(1,0,1/2)と(1/2,0,1))と、各領域ごとに最適なゼロベクトルとを、それぞれの発生時間比で組合せて生成することができる。なお、各領域ごとに選択される選択ベクトルと、各領域ごとに最適なゼロベクトルとの組合せを示したものが図10である。 By combining such a power running vector and a zero vector, it is possible to generate an arbitrary voltage vector in 24 regions a to x shown in FIG. More specifically, two powering vectors in the vicinity of each region (for example, (1, 0, 1/2) and (1/2, 0, 1) for region a) and an optimum zero for each region Vectors can be generated in combination with their respective generation time ratios. FIG. 10 shows combinations of selection vectors selected for each region and optimum zero vectors for each region.
図10において、例えば、領域b内の任意の電圧ベクトル(力行ベクトル)として(1/2,0,1)と(0,1/2,1)の2つのベクトルが選択され、領域bに最適なゼロベクトルとして(1/2,1/2,1)が選択されている。このゼロベクトルが最適な理由は、上下アームの遷移パターンにある。例えば、領域bの力行ベクトルの一方のベクトルである(1/2,0,1)から、領域bのゼロベクトルである(1/2,1/2,1)に遷移させる場合には、下アームの2番目のスイッチング素子をオンからオフにするだけでよい。また、領域bの力行ベクトルの他方のベクトルである(0,1/2,1)から、領域bのゼロベクトルである(1/2,1/2,1)に遷移させる場合には、下アームの1番目のスイッチング素子をオンからオフにするだけでよい。 In FIG. 10, for example, two vectors (1/2, 0, 1) and (0, 1/2, 1) are selected as arbitrary voltage vectors (powering vectors) in the region b, and are optimal for the region b. As a zero vector, (1/2, 1/2, 1) is selected. The reason why this zero vector is optimal is the transition pattern of the upper and lower arms. For example, when transitioning from (1/2, 0, 1), which is one vector of the power vector of region b, to (1/2, 1/2, 1), which is the zero vector of region b, It is only necessary to turn the second switching element of the arm from on to off. In addition, when transitioning from (0, 1/2, 1), which is the other vector of the power vector of region b, to (1/2, 1/2, 1), which is the zero vector of region b, It is only necessary to turn the first switching element of the arm from on to off.
このことは、図11および図12に示した180°通電方式の場合と比較して大きく異なる。180°通電方式の場合には、選択可能なゼロベクトルは、図11の原点に示すように(0,0,0)または(1,1,1)の組み合わせとなる。180°通電方式の場合、例えば、領域Aの力行ベクトルである(1,0,1)から、領域Aのゼロベクトルの一つである(1,1,1)に遷移させる場合には、上アームの2番目のスイッチング素子をオフからオンに遷移させ、かつ下アームの2番目のスイッチング素子をオンからオフに遷移させる必要がある。つまり、180°通電方式の場合には、上アームおよび下アームの2つの状態を変化させなければならないので、120°通電方式の場合に比してスイッチングの回数が増え、スイッチング素子の動作遅れ等に影響が生じ、これらの影響が蓄積されて出力電圧の誤差や、出力電圧の高調波成分が増大する。 This is greatly different from the case of the 180 ° energization method shown in FIGS. In the case of the 180 ° energization method, selectable zero vectors are a combination of (0, 0, 0) or (1, 1, 1) as shown at the origin in FIG. In the case of the 180 ° energization method, for example, when a transition is made from (1, 0, 1), which is a power vector of region A, to (1, 1, 1), which is one of zero vectors of region A, It is necessary to transition the second switching element of the arm from OFF to ON, and to transition the second switching element of the lower arm from ON to OFF. In other words, in the case of the 180 ° energization method, the two states of the upper arm and the lower arm have to be changed. Therefore, the number of times of switching increases compared to the case of the 120 ° energization method, and the operation delay of the switching element, etc. Are affected, and these effects are accumulated to increase output voltage errors and harmonic components of the output voltage.
また、180°通電方式の場合には、上アームと下アームのスイッチング素子が同時にオンすることを防止するために上下短絡防止期間の設定が必要であり、出力電圧の歪みはさらに大きくなる。一方、120°通電方式の場合には、領域ごとに最適なゼロベクトルを選択することで、電圧ベクトルの切り替わり時に1/2パターンを有効に活用することができ、その結果、1と0の直接切換を避けることができるので上下短絡防止期間の設定が不要になり出力電圧の歪みが抑制される。 In the case of the 180 ° energization method, it is necessary to set an upper and lower short-circuit prevention period in order to prevent the switching elements of the upper arm and the lower arm from being turned on simultaneously, and the distortion of the output voltage is further increased. On the other hand, in the case of the 120 ° energization method, by selecting the optimum zero vector for each region, the 1/2 pattern can be effectively used when the voltage vector is switched. Since switching can be avoided, the setting of the upper and lower short-circuit prevention period is unnecessary, and distortion of the output voltage is suppressed.
また、180°通電方式の場合では、出力電圧として「0」または「Vdc」のいずれかの出力電圧しか用いることができないので、ゼロベクトルの使用を抑制することができない。ゼロベクトルを多用するということは、素子の動作遅れ等の影響を増大させることであり、同時に出力電圧の平均出力を減少させることでもあるので、ゼロベクトルの多用は極力回避することが望ましい。一方、120°通電方式では、特に、小電圧出力の場合には、出力電圧として「(1/2)Vdc」の出力電圧を用いることができるので、ゼロベクトルの使用を抑制することができるという効果がある。また、「(1/2)Vdc」の出力電圧を用いることで電位変動を低く抑えることができるので、出力電圧の歪みをさらに抑制することができるという効果が得られる。 In the case of the 180 ° energization method, only the output voltage of “0” or “Vdc” can be used as the output voltage, so that the use of the zero vector cannot be suppressed. To use a lot of zero vectors means to increase the influence of the operation delay of the element and to reduce the average output of the output voltage at the same time. Therefore, it is desirable to avoid using the zero vectors as much as possible. On the other hand, in the 120 ° energization method, in particular, in the case of a small voltage output, the output voltage of “(1/2) Vdc” can be used as the output voltage, so that the use of the zero vector can be suppressed. effective. Further, since the potential fluctuation can be suppressed low by using the output voltage of “(1/2) Vdc”, an effect of further suppressing the distortion of the output voltage can be obtained.
以上説明したように、この実施の形態の空気調和装置のインバータ制御装置によれば、3相インバータで構成されたPWMインバータを制御するためのPWM演算信号が、120°通電方式の選択ベクトルに基づいて生成されるので、逆変換器におけるスイッチング素子の動作遅れの影響を局限することができ、圧縮機に対して出力される出力電圧の誤差および高調波成分を抑制することができる。 As described above, according to the inverter control device of the air conditioner of this embodiment, the PWM calculation signal for controlling the PWM inverter constituted by the three-phase inverter is based on the selection vector of the 120 ° energization method. Therefore, the influence of the operation delay of the switching element in the inverse converter can be localized, and the error and the harmonic component of the output voltage output to the compressor can be suppressed.
以上のように、本発明にかかる空気調和装置のインバータ制御装置は、空気調和装置の運転制御に有用であり、特に、空気調和装置の運転効率の改善や、空気調和装置から生ずる騒音レベルや、ノイズレベルの改善に好適である。 As described above, the inverter control device of the air conditioner according to the present invention is useful for the operation control of the air conditioner, in particular, the improvement of the operation efficiency of the air conditioner, the noise level generated from the air conditioner, It is suitable for improving the noise level.
1 圧縮機
2 凝縮器
3 絞り手段
4 蒸発器
5 電源
6 整流器
7 直流リアクトル
8 直流平滑コンデンサ
9 逆変換器
9A SiCモジュール
9B 断熱材
10 直流母線電圧検出手段
11 出力電流検出手段
12 出力周波数設定手段
13 PWM演算手段
14 逆変換器駆動手段
15 PWMインバータ
16 ノーマルチョーク
17 Pチャネル素子
18 Nチャネル素子
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記逆変換器にSiC(シリコンカーバイド)素子を適用したことを特徴とする空気調和装置のインバータ制御装置。 A compressor, a condenser, a throttle device, and a rectifier, a DC reactor, a DC smoothing capacitor, and an inverse converter for driving the compressor of an air conditioner having a refrigerant circuit in which an evaporator is connected by a refrigerant pipe. In an inverter control device for an air conditioner equipped with a PWM inverter,
An inverter control device for an air conditioner, wherein a SiC (silicon carbide) element is applied to the inverse converter.
前記逆変換器をPWM制御する逆変換器駆動手段と、
前記逆変換器への印加電圧、該逆変換器からの出力電流および出力周波数の設定情報に基づいて前記逆変換器駆動手段に出力するPWM演算信号を生成するPWM演算手段と、
を備え、
前記PWMインバータは3相インバータであり、
前記PWM演算信号は、120°通電方式の選択ベクトルに基づいて生成されることを特徴とする空気調和装置のインバータ制御装置。 A compressor, a condenser, a throttle device, and a rectifier, a DC reactor, a DC smoothing capacitor, and an inverse converter for driving the compressor of an air conditioner having a refrigerant circuit in which an evaporator is connected by a refrigerant pipe. In an inverter control device for an air conditioner equipped with a PWM inverter,
Inverse converter driving means for PWM controlling the inverse converter;
PWM calculation means for generating a PWM calculation signal to be output to the inverse converter driving means based on the applied voltage to the inverse converter, the output current from the inverse converter and the setting information of the output frequency;
With
The PWM inverter is a three-phase inverter,
The inverter control device for an air conditioner, wherein the PWM calculation signal is generated based on a selection vector of a 120 ° energization method.
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