JP2007089308A

JP2007089308A - コンバータ回路および冷凍・空調装置

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Publication number: JP2007089308A
Application number: JP2005275026A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kameyama; 浩幸亀山
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】簡単な構成で複数の負荷に直流電力を供給するコンバータ回路を提供する。
【解決手段】交流電源１に接続されたリアクトル３と、リアクトル３に接続された整流手段４と、整流手段４の直流側に接続された第１の負荷１１と、整流手段４と第１の負荷１１との間に設けられ直列接続された複数のコンデンサ５，６と、コンデンサ５，６間の接続点と整流手段４の一方の交流側との間に設けられた第１の切替手段７を備えたコンバータ回路であって、第２の負荷１３と第２の切替手段１５を備え、第２の負荷１３は、入力の一方が直列に接続されたコンデンサ５，６の両端の一方に接続され、入力の他端を第２の切替手段１５を介してコンデンサ５、６の両端の他方か、コンデンサ５、６間の接続点に選択的に接続することにより、第１の切替手段７が、第１の負荷１１に供給される直流電圧が高電圧または低電圧を選択したときに、第２の負荷１３に供給される直流電圧を低電圧に保つ。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源を直流に変換して負荷に供給するコンバータ回路に関し、さらにはこのコンバータ回路を搭載した冷凍装置、空調装置（これらを総称して冷凍・空調装置とする）に関する。

従来、交流入力電圧を高低２種類の複数の直流電圧に変換するコンバータ回路と、複数個の半導体スイッチ及びダイオードブリッジ結線したインバータ回路を組み合わせ、直流モータの回転速度制御を行う制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、交流入力電圧を高低２種類の複数の直流電圧に変換するコンバータ回路と、複数個の半導体スイッチ及びダイオードブリッジ結線したインバータ回路と、前記インバータ回路により動作する直流モータと、前記直流モータの回転子の位置を検出する位置検出回路と、前記位置検出回路の出力を元に前記インバータ回路の半導体スイッチの動作を決定する転流回路と、前記直流モータの回転数を可変にするチョッピングを行うための信号を発生するチョッピング信号発生回路と、前記転流回路の出力と前記チョッピング信号発生回路の出力とを合成する合成回路と、前記合成回路の出力により前記インバータ回路の半導体スイッチをオン／オフさせるドライブ回路と、前記直流モータの回転数を指令する回転数指令回路と、前記回転数指令回路の指令回転数が低回転数のときには前記整流部の低い直流電圧変換を選択し、前記回転数指令回路の指令回転数が高回転数のときには前記整流部の高い直流電圧変換を選択する整流部切り替え回路と、前記直流モータの回転数を検出する回転数検出回路と、前記整流部切り替え回路が高い電圧を選択しておりかつ前記回転数検出回路が一定回転数以上の回転数を検出しているときに前記整流部切り替え回路による切り替えを禁止する切り替え制限回路を備えた直流モータの駆動装置が記載されている。

図４は、特許文献１に示されるような従来例のコンバータ回路を用いたモータ駆動装置を示している。図４において、交流電源１をコンバータ回路２で直流電源に変換し、インバータ回路９に供給し、直流モータ１０を駆動する。コンバータ回路２は、リアクトル３と、４個の整流ダイオードを２相ブリッジ結線されたダイオードブリッジ４と、前記ダイオードブリッジ４の正極と負極との間に直列に接続された上位電圧側コンデンサ５および下位電圧側コンデンサ６と、前記ダイオードブリッジ４の一方の入力と前記コンデンサ５、６の中点との間に接続された整流切替スイッチ７とからなる。整流切替制御手段８が、高い直流電圧に切り替える時には前記整流切替スイッチ７を閉としてダイオードブリッジ４を倍電圧整流回路として動作させ、前記整流切替制御手段８が低い直流電圧に切り替える時には前記整流切替スイッチ７を開としてダイオードブリッジ４を全波整流回路として動作させる。

このような構成によって、整流切替制御手段８は、直流モータ１０の回転数が低回転数のときには前記コンバータ回路２の低い直流電圧変換を選択し、前記直流モータ１０の回転数が高回転数のときには前記コンバータ回路２の高い直流電圧変換を選択する。これにより低回転数時にも前記インバータ回路９のチョピングデューティのオンの比を大きくできるため、低回転数時の効率低下を抑えることができる。

従来技術をエアコンや冷蔵庫に搭載されている圧縮機モータ駆動に適応した場合、圧縮機モータ低回転時の効率低下を抑えることができ、ひいては効率の良いエアコンや冷蔵庫を提供することができる。

しかしながら、エアコンや冷蔵庫には圧縮機モータの他に１個あるいは複数個のファンモータが搭載されており、従来技術を適応した場合は、図５に示すモータ駆動装置となる。図４と同一の要素については同一の符号を付してその説明を省略する。圧縮機モータ１２は圧縮機モータ用インバータ回路１１で制御され、ファンモータ１４はファンモータ用インバータ回路１３で制御されている。圧縮機モータ用インバータ回路１１とファンモータ用インバータ回路１３には、コンバータ回路２から直流電力が供給されている。このような構成によって、整流切替制御手段８は、圧縮機モータ１２の回転数が低回転数のときには前記整流部の低い直流電圧変換を選択し、前記圧縮機モータ１２の回転数が高回転数のときには前記整流部の高い直流電圧変換を選択する。これにより低回転数時にも圧縮機モータ用インバータ回路１１のチョピングデューティのオンの比を大きくできるため、低回転数時の圧縮機モータ１２の効率低下を抑えることができる。

このとき、ファンモータ用インバータ回路１３に供給される直流電圧も同じように変化するため、ファンモータ用インバータ回路１３とファンモータ１４は高い直流電圧と低い直流電圧の両方に対応できるように設計する必要があるという課題が発生する。具体的には、ファンモータ用インバータ回路１３とファンモータ１４に使用する部品は高い直流電圧に対応できるだけの耐圧が必要となる。また、直流電圧切替時に回転数が大きく変動すると振動や騒音の原因となるため、コンバータに設けた直流電圧の可変手段としての双方向スイッチが、通電率を変化させることによりインバータの直流電圧を制御するとともに、通電率の変化が双方向スイッチの通電率とインバータの通電率を同期させるような対策が必要となり（例えば、特許文献２参照）、回路や制御ソフトが複雑になる。また、場合によっては、振動を低減する防振ゴムや騒音を低減する防音材など新たな部品の追加が必要となる。
特許第３１５９５２４号公報特開２００３−１８８７７号公報

そこで本発明は、これらの問題を解決し、簡単な構成で複数の負荷に直流電力を供給するコンバータ回路の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、交流電源に接続されたリアクトルと、前記リアクトルに接続された整流手段と、前記整流手段の直流側に接続された第１の負荷と、前記整流手段と前記第１の負荷との間に設けられた複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサ間の接続点と前記整流手段の一方の交流側との間に設けられた第１の切替手段を備えたコンバータ回路であって、第２の負荷と第２の切替手段を備え、前記第２の負荷に供給する直流電圧を前記複数のコンデンサのうち上位電圧側コンデンサの正極の電圧とするか前記複数のコンデンサ間の接続点の電圧とするかを前記第２の切替手段で切替える。

具体的には、前記第１の切替手段が閉の場合は、前記第２の負荷に供給する直流電圧を前記複数のコンデンサ間の接続点の電圧とするように前記第２の切替手段を制御し、前記第１の切替手段が開の場合は、前記第２の負荷に供給する直流電圧を前記複数のコンデンサのうち上位電圧側コンデンサの正極の電圧とするように前記第２の切替手段を制御する。

また、前記第１の負荷の直流電圧が第１の所定値の場合は、前記第２の負荷に供給する直流電圧を前記複数のコンデンサのうち上位電圧側コンデンサの正極の電圧とするように前記第２の切替手段を制御し、前記第１の負荷の直流電圧が前記第１の所定値より高い第２の所定値の場合は、前記第２の負荷に供給する直流電圧を前記複数のコンデンサ間の接続点の電圧とするように前記第２の切替手段を制御する。

また、前記第１の負荷は第１のモータとそれを駆動する第１のインバータ手段、前記第２の負荷は第２のモータとそれを駆動する第２のインバータ手段としてもよい。前記第１のモータが高回転数のときは、前記第１の切替手段を閉とし、前記第２の負荷に供給する直流電圧を前記複数のコンデンサ間の接続点の電圧とするように前記第２の切替手段を制御し、前記第１のモータが低回転数のときは、前記第１の切替手段を開とし、前記第２の負荷に供給する直流電圧を前記複数のコンデンサのうち上位電圧側コンデンサの正極の電圧とするように前記第２の切替手段を制御する。

また、前記第１のモータは、圧縮機モータであり、前記第２のモータはファンモータであるとした前記コンバータ回路を冷凍・空調装置に用いてもよい。

コンバータ回路に複数の負荷が接続されている場合、第１の負荷の高効率化のために、コンバータ回路の直流電圧の高低を切り替えたとしても、第２の負荷の直流電圧は、ほぼ低い直流電圧を保つことができる。そのため、第２の負荷の部品は高い直流電圧に対応できるだけの耐圧が不要なので、設計が容易であるとともに、部品の低コスト化が図れる。

第１の負荷の直流電圧を検出することにより、簡単な方法で正確に第１の切替手段の開閉の状態を判別することが可能である。これは、第１の切替手段と第２の切替手段の制御を別々のマイクロコンピュータで実現した場合などに有効である。

第１のモータの高効率化のために、コンバータ回路の直流電圧の高低を切り替えたとしても、第２のモータ用インバータ回路の直流電圧をほぼ一定とできるので、第２のモータは、回転数変動や騒音が大きくなるようなことはない。

（実施例１）
本実施形態のコンバータ回路を用いたエアコン用モータ駆動装置を図１に示す。また、本実施例の動作を説明する図を図２に示す。図１において、図５と同一の要素については同一の符号を付してその説明を省略する。圧縮機用インバータ回路１１へは、ダイオードブリッジ４の直流出力が供給される。ファンモータ用インバータ回路１３の一方の入力端子は、ダイオードブリッジ４の直流出力のいずれか一方に接続され、ファンモータ用インバータ回路１３の他方の入力端子は、直流電圧選択スイッチ１５を介して、ダイオードブリッジ４の他方の直流出力か直列接続されたコンデンサ５、６の接続点のいずれかに選択的に接続される。

コンバータ回路２は、交流入力電圧を整流切替制御手段８の制御により複数の直流電圧に変換する。本実施例の場合、交流１００Ｖ入力にて、整流切替スイッチ７が閉であれば、コンバータ回路２は、倍電圧整流回路の構成となり、直列に接続されたコンデンサ５、６の両端の直流電圧は約２８０Ｖとなる。また、整流切替スイッチ７が開であれば、コンバータ回路２は、全波整流回路の構成となり、直列に接続されたコンデンサ５，６の両端の直流電圧は約１４０Ｖとなる。

整流切替制御手段８は、圧縮機モータ１２が予め設定されている回転数以上の高回転数のときは、圧縮機モータ用インバータ回路１１に高い直流電圧（約２８０Ｖ）を供給するように、整流切替スイッチ７を閉とし、圧縮機モータ１２が予め設定されている回転数未満の低回転数のときは、圧縮機モータ用インバータ回路１１に低い直流電圧（約１４０Ｖ）を供給するように、整流切替スイッチ７を開とする。なお、整流切替スイッチ７には、リレーなど整流部切り替え回路８からの信号により開閉制御可能な部品を用いると良い。

次に、整流切替スイッチ７が開の場合は、直列に接続されたコンデンサ５、６の両端の直流電圧がファンモータ用インバータ回路１３へ供給されるように、直流電圧選択制御手段１６により、直流電圧選択スイッチ１５を直列に接続されたコンデンサ５、６のうち上位電圧側コンデンサ５の正極側（図１のＡ側）とすることで、ファンモータ用インバータ回路１３へ供給される直流電圧を約１４０Ｖとすることができる。また、整流切替スイッチ７が閉の場合は、直列に接続されたコンデンサ５、６のいずれか一方の電圧がファンモータ用インバータ回路１３へ供給されるように、直流電圧選択制御手段１６により、直流電圧選択スイッチ１５をコンデンサ５、６の接続点（図１のＢ側）とすることで、ファンモータ用インバータ回路１３へ供給される直流電圧を約１４０Ｖとすることができる。

このように、整流切替スイッチ７の状態に応じて、直流電圧選択制御手段１６により、直流電圧選択スイッチ１５を切り替えることにより、ファンモータ用インバータ回路１３へ供給される直流電圧を約１４０Ｖに維持できる。

なお、整流切替制御手段８と直流電圧選択制御手段１６を同じマイクロコンピュータで実現した場合、整流切替制御手段８の開閉の状態により、直流電圧選択制御手段１６を制御することは容易である。

図２に、上記の態様の接続状況を示す。すなわち、圧縮機モータ１２の回転数の状態が低回転であるときには、整流切替スイッチ７は閉とされ、直流電圧選択スイッチ１５はＡに接続され、圧縮機用インバータ回路１１への供給電圧およびファンモータ用インバータ回路１３への供給電圧はそれぞれ１４０Ｖに設定される。一方、圧縮機モータ１２の回転数の状態が高回転であるときには、整流切替スイッチ７は開とされ、直流電圧選択スイッチ１５はＢに接続され、圧縮機用インバータ回路１１への供給電圧は２８０Ｖに、ファンモータ用インバータ回路１３への供給電圧は１４０Ｖに設定される。このようにして、圧縮機モータ１３が高回転のときには、圧縮機用インバータ回路１１には２８０Ｖの電圧が供給され、ファンモータ用インバータ回路１３には１４０Ｖの電圧が供給される。また、圧縮機モータ１３が低回転のときには、圧縮機用インバータ回路１１には１４０Ｖの電圧が供給され、ファンモータ用インバータ回路１３には１４０Ｖの電圧が供給される。このようにして、圧縮機モータ１２の回転数に影響されずに、ファンモータ用インバータ回路１３には１４０Ｖの電圧を供給することができる。

（実施例２）
また、ファンモータ用インバータ回路１３へ供給される直流電圧を約１４０Ｖに維持できればよいので、上記方法の他に、圧縮機モータ用インバータ回路１１の直流電圧に応じて、直流電圧選択制御手段１６により、直流電圧選択スイッチ１５を切り替えてもよい。

つまり、圧縮機モータ用インバータ回路１１の直流電圧が約１４０Ｖの場合は、直流電圧選択スイッチ１５をコンデンサ５、６のうち上位電圧側コンデンサ５の正極側（図１のＡ側）とし、圧縮機モータ用インバータ回路１１の直流電圧が約２８０Ｖの場合は、直流電圧選択制御手段１６により、直流電圧選択スイッチ１５をコンデンサ５、６の接続点（図１のＢ側）とする。

整流切替制御手段８と直流電圧選択制御手段１６を別々のマイクロコンピュータで実現した場合、整流切替制御手段８の開閉の状態をなんらかの方法で検出する必要はあり、圧縮機モータ用インバータ回路１１の直流電圧から整流切替制御手段８の開閉の状態を検出することが可能である。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正および変更を加え得ることは勿論である。例えば、図３に示すコンバータ回路を用いたエアコン用モータ駆動装置を用いても、図１と同様の効果が得られる。すなわち、整流切替スイッチ７が開の場合は、直列に接続されたコンデンサ５、６の両端の直流電圧がファンモータ用インバータ回路１３へ供給されるように、直流電圧選択制御手段１６により、直流電圧選択スイッチ１５を直列に接続されたコンデンサ５、６のうち特下位電圧側コンデンサ６の負極側（図３のＡ側）とすることで、ファンモータ用インバータ回路１３へ供給される直流電圧を約１４０Ｖとすることができる。また、整流切替スイッチ７が閉の場合は、直列に接続されたコンデンサ５、６のいずれか一方の電圧がファンモータ用インバータ回路１３へ供給されるように、直流電圧選択制御手段１６により、直流電圧選択スイッチ１５をコンデンサ５、６の接続点（図１のＢ側）とすることで、ファンモータ用インバータ回路１３へ供給される直流電圧を約１４０Ｖとすることができる。

本発明に係るコンバータ回路を用いたモータ駆動装置の概略構成を示すブロック図。本発明の動作を説明するための図。本発明に係るコンバータ回路を用いた第２の態様のモータ駆動装置の概略構成を示すブロック図。従来例のコンバータ回路を用いたモータ駆動装置の概略構成を示すブロック図。従来例のコンバータ回路を用いたモータ駆動装置の概略構成を示すブロック図。

符号の説明

１交流電源
２コンバータ回路
３リアクトル
４ダイオードブリッジ回路
５上位電圧側コンデンサ
６下位電圧側コンデンサ
７整流切替スイッチ
８整流切替制御手段
９インバータ回路
１０直流モータ
１１圧縮機モータ用インバータ回路
１２圧縮機モータ
１３ファンモータ用インバータ回路
１４ファンモータ
１５直流電圧選択スイッチ
１６直流電圧選択制御手段

Claims

交流電源に接続されたリアクトルと、
前記リアクトルに接続された整流手段と、
前記整流手段の直流側に接続された第１の負荷と、
前記整流手段と前記第１の負荷との間に設けられた複数のコンデンサと、
前記複数のコンデンサ間の接続点と前記整流手段の一方の交流側との間に設けられた第１の切替手段を備えたコンバータ回路であって、
第２の負荷と第２の切替手段を備え、
前記第２の負荷に供給する直流電圧を前記複数のコンデンサのうち上位電圧側コンデンサの正極の電圧とするか前記複数のコンデンサ間の接続点の電圧とするかを前記第２の切替手段で切替えることを特徴とするコンバータ回路。
前記第１の切替手段が閉の場合は、前記第２の負荷に供給する直流電圧を前記複数のコンデンサ間の接続点の電圧とするように前記第２の切替手段を制御することを特徴とする請求項１記載のコンバータ回路。
前記第１の切替手段が開の場合は、前記第２の負荷に供給する直流電圧を前記複数のコンデンサのうち上位電圧側コンデンサの正極の電圧とするように前記第２の切替手段を制御することを特徴とする請求項１及び２記載のコンバータ回路。
前記第１の負荷の直流電圧が第１の所定値の場合は、前記第２の負荷に供給する直流電圧を前記複数のコンデンサのうち上位電圧側コンデンサの正極の電圧とするように前記第２の切替手段を制御することを特徴とする請求項１記載のコンバータ回路。
前記第１の負荷の直流電圧が前記第１の所定値より高い第２の所定値の場合は、前記第２の負荷に供給する直流電圧を前記複数のコンデンサ間の接続点の電圧とするように前記第２の切替手段を制御することを特徴とする請求項１及び４記載のコンバータ回路。
前記第１の負荷は第１のモータとそれを駆動する第１のインバータ手段であり、前記第２の負荷は第２のモータとそれを駆動する第２のインバータ手段であり、前記第１のモータが高回転数のときは、前記第１の切替手段を閉とし、前記第２の負荷に供給する直流電圧を前記複数のコンデンサ間の接続点の電圧とするように前記第２の切替手段を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のコンバータ回路。
前記第１の負荷は第１のモータとそれを駆動する第１のインバータ手段であり、前記第２の負荷は第２のモータとそれを駆動する第２のインバータ手段であり、前記第１のモータが低回転数のときは、前記第１の切替手段を開とし、前記第２の負荷に供給する直流電圧を前記複数のコンデンサのうち上位電圧側コンデンサの正極の電圧とするように前記第２の切替手段を制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のコンバータ回路。
請求項６あるいは７記載のコンバータ回路を備え、前記第１のモータは、圧縮機モータであり、前記第２のモータはファンモータであることを特徴とする冷凍・空調装置。