JP2008072802A - Power converter, and heat pump apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置に関し、特に、パルス幅変調(PWM)制御を行うインバータ装置、およびそれを用いたヒートポンプ機器に関する。 The present invention relates to a power conversion device, and more particularly, to an inverter device that performs pulse width modulation (PWM) control, and a heat pump device using the inverter device.
圧縮機を有するヒートポンプ機器において、圧縮機の回転数を供給電源の周波数を変更することによりきめ細かな能力制御を行うものが一般的に知られている。さらに、この供給電源の周波数、および電圧の制御をパルス幅変調制御(PWM制御)により行う電力変換装置、インバータ装置が広く使用されている。 2. Description of the Related Art Generally, heat pump equipment having a compressor performs fine capacity control by changing the rotation speed of the compressor and the frequency of a power supply. In addition, power converters and inverters that control the frequency and voltage of the power supply by pulse width modulation control (PWM control) are widely used.
このようなPWM制御により周波数、電圧を制御する装置においては、その出力成分に、装置に備えられたスイッチング素子のスイッチングにより発生する高周波成分(キャリア周波数が主成分)が存在する。このような高周波成分を有した電源により、圧縮機、もしくは膨張機に備えられた電動機、もしくは発電機を駆動する場合、高調波成分により磁気吸引力が変化し、磁気騒音を発生する。 In a device that controls frequency and voltage by such PWM control, a high frequency component (carrier frequency is a main component) generated by switching of a switching element provided in the device is present in its output component. When a power source having such a high-frequency component drives a compressor or an electric motor or a generator provided in an expander, the magnetic attraction force changes due to the harmonic component, and magnetic noise is generated.
この課題を解決するために、キャリア周波数を時間的に変化させることにより、磁気騒音の周波数分布を分散させ、ピークレベルを減少させ磁気騒音を低減する装置が提案されている。例えば、特許文献1に記述されたPWMインバータの制御方法および装置においては、出力電圧がPWM制御されるPWMインバータにおいて、PWM信号の周波数を決定する搬送波の周波数を時間的に変化させる機能を有したものである。これにより、高調波電流による磁気吸引力が原因となる鉄芯の機械振動は、一定の周波数で加振力が連続して加えられる場合に発生する大きな振動とはならず、PWM信号の周波数を時間的に変化させることにより周波数分布が分散し、磁気騒音のピークレベルが減少するものである。 In order to solve this problem, an apparatus has been proposed in which the frequency distribution of magnetic noise is dispersed by changing the carrier frequency with time, the peak level is reduced, and magnetic noise is reduced. For example, in the PWM inverter control method and apparatus described in Patent Document 1, the PWM inverter whose output voltage is PWM-controlled has a function of temporally changing the frequency of the carrier wave that determines the frequency of the PWM signal. Is. As a result, the mechanical vibration of the iron core caused by the magnetic attraction force due to the harmonic current is not a large vibration that occurs when the excitation force is continuously applied at a constant frequency, and the frequency of the PWM signal is reduced. By changing with time, the frequency distribution is dispersed and the peak level of magnetic noise is reduced.
また、キャリア周波数を変化させずに、出力電圧の発生タイミングを時間的に変化させることにより高調波成分に起因する磁気騒音の発生を低減する制御方法が提案されている。例えば、特許文献2に記述された電力変換装置の制御方法においては、キャリア信号の1周期間における出力電圧の平均値を電圧指令に一致させるとともに、パルス幅変調制御で決定されたパルス幅を変えることなく出力電圧の発生タイミングを時間的に変化させるものである。これにより同一周波数の高調波が連続して負荷に印加されることがなくなり、高調波成分に起因する磁気音の発生を低減できる効果がある。
従来のPWM制御を行う電力変換装置においては、磁気騒音のピークレベルを減少させるためにPWM信号の周波数を時間的に変化させるが、磁気騒音の低減効果を高めるために、キャリア周波数を大幅に変更させた場合、一般的にキャリア周波数に同期させて行う制御の演算周期も変化してしまい、キャリア周波数が高い場合には演算のための時間が短くなり、制御演算が不可能となる問題点があった。逆にキャリア周波数が低い場合には、パルス間隔が大きくなり電流のリップルが増加し、それによりトルクリップルが増加するという問題点があった。 In conventional power converters that perform PWM control, the frequency of the PWM signal is changed with time in order to reduce the peak level of magnetic noise, but the carrier frequency has been changed significantly in order to increase the magnetic noise reduction effect. In this case, the calculation cycle of control generally performed in synchronization with the carrier frequency also changes, and when the carrier frequency is high, the calculation time is shortened and the control calculation cannot be performed. there were. On the other hand, when the carrier frequency is low, the pulse interval becomes large and the current ripple increases, thereby increasing the torque ripple.
また、従来の電力変換装置においては、高調波成分に起因する磁気騒音の発生を低減するために、キャリア周波数、およびパルス幅を変化させることなく出力電圧の発生タイミ
ングを時間的に変化させていたが、この場合、出力電圧の発生タイミングが変動することにより、制御対象である電動機を流れる電流も変動を起こし、それに伴い電動機の出力トルクが変動する問題点がある。それにより、トルクリップルに起因する振動騒音が増大し、さらに電動機の駆動効率が低下する課題があった。
Also, in the conventional power converter, in order to reduce the generation of magnetic noise due to harmonic components, the output voltage generation timing is changed temporally without changing the carrier frequency and pulse width. However, in this case, when the generation timing of the output voltage fluctuates, the current flowing through the electric motor to be controlled also fluctuates, and the output torque of the electric motor fluctuates accordingly. As a result, there has been a problem that vibration noise caused by torque ripple increases and the drive efficiency of the electric motor decreases.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電動機などを駆動する電力変換装置、およびそれを用いたヒートポンプ機器において、制御装置が原因で発生する高周波音を低減するとともに、少ない電流変動でトルクリップルが少なく、低振動騒音の電力変換装置、およびヒートポンプ機器を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to provide high-frequency sound generated by a control device in a power conversion device that drives an electric motor and the like, and a heat pump device using the power conversion device. An object of the present invention is to provide a power converter device and a heat pump device that reduce noise, reduce torque ripple with less current fluctuation, and have low vibration noise.
本発明に係る電力変換装置は、パルス幅変調制御の出力パルスの出力タイミングを時間的に変化させるパルス位置決定手段と、出力電圧の指令値と前記パルス位置決定手段により決定されたパルス位置に基づいて出力パルスの幅を決定するパルス幅決定手段とを有したものである。 The power conversion device according to the present invention is based on pulse position determining means for temporally changing the output timing of the output pulse of pulse width modulation control, an output voltage command value, and the pulse position determined by the pulse position determining means. And a pulse width determining means for determining the width of the output pulse.
上記電力変換装置は、パルス位置とともにパルス幅も時間的に変化させるため、低騒音、高効率な運転が可能となる。 Since the power converter changes the pulse width with the pulse position over time, it can be operated with low noise and high efficiency.
前記パルス幅決定手段は、前記パルス位置決定手段により決定されたパルス位置の変化により発生する電力変換装置の出力電流の変化量が最小となるようにパルス幅を決定することが好ましい。 It is preferable that the pulse width determining unit determines the pulse width so that the amount of change in the output current of the power converter generated by the change in the pulse position determined by the pulse position determining unit is minimized.
このことにより、電流変動、トルクリップルの少ない高効率、低騒音での運転が可能となる。 This enables operation with high efficiency and low noise with less current fluctuation and torque ripple.
本発明に係る電力変換装置は、パルス幅決定手段において、パルス位置決定手段により決定されたパルス位置が、キャリア信号に同期させた位置に対し早く設定された場合には、出力電圧の指令値に対し小となるようにパルス幅が設定されるとともに、キャリア信号に同期させた位置に対し遅く設定された場合には、出力電圧の指令値に対し大となるようにパルス幅が設定されることが好ましい。 In the power converter according to the present invention, when the pulse position determined by the pulse position determining unit is set earlier than the position synchronized with the carrier signal in the pulse width determining unit, the command value of the output voltage is set. On the other hand, the pulse width is set to be small, and when it is set late with respect to the position synchronized with the carrier signal, the pulse width is set to be large with respect to the output voltage command value. Is preferred.
このことにより、パルス位置の時間に対する変化にかかわらず、電流変動、トルクリップルの少ない高効率、低騒音での運転が可能となる。 This enables high-efficiency, low-noise operation with little current fluctuation and torque ripple, regardless of changes in pulse position with respect to time.
前記パルス幅決定手段においてパルス幅変更量が、パルス位置決定手段により決定されたパルス位置のキャリア信号に同期させた位置に対する変更量に対し比例の関係で設定されることが好ましい。 In the pulse width determining means, the pulse width change amount is preferably set in a proportional relationship with the change amount of the pulse position determined by the pulse position determining means relative to the position synchronized with the carrier signal.
このことにより、どのような運転条件においてもトルクリップルの少ない高効率、低騒音での運転が可能となる。 This makes it possible to operate with high efficiency and low noise with little torque ripple under any operating condition.
本発明に係るヒートポンプ機器は、電動機を備えて冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒を冷却する放熱器と、前記冷媒を膨張させる膨張機構と、前記冷媒を蒸発させる蒸発器とから冷凍サイクルを形成するとともに、前記電動機を駆動する圧縮機制御手段が、上記電力変換装置により構成されるものである。 A heat pump device according to the present invention includes a compressor that compresses a refrigerant with an electric motor, a radiator that cools the refrigerant, an expansion mechanism that expands the refrigerant, and an evaporator that evaporates the refrigerant. The compressor control means for driving and driving the electric motor is constituted by the power conversion device.
このことにより、高効率、低騒音でのヒートポンプ機器の運転が可能となる。 This makes it possible to operate the heat pump device with high efficiency and low noise.
本発明に係るヒートポンプ機器は、電動機を備えて冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒を冷却する放熱器と、発電機を備えて前記冷媒を膨張させる膨張機と、前記冷媒を蒸発させる蒸発器とから冷凍サイクルを形成するとともに、前記発電機を駆動する発電機制御手段が、上記電力変換装置により構成されるものである。 The heat pump device according to the present invention includes a compressor that includes an electric motor to compress the refrigerant, a radiator that cools the refrigerant, an expander that includes a generator and expands the refrigerant, and an evaporator that evaporates the refrigerant. A generator control means for forming a refrigeration cycle and driving the generator is constituted by the power converter.
このことにより、膨張機による動力回収を実施しながら、高効率、低騒音でのヒートポンプ機器の運転が可能となる。 This makes it possible to operate the heat pump device with high efficiency and low noise while performing power recovery by the expander.
前記冷媒は二酸化炭素であってもよい。 The refrigerant may be carbon dioxide.
以上のように本発明によれば、トルクリップルの少ない、低振動、低騒音の電力変換装置、およびヒートポンプ機器を得ることができる。 As described above, according to the present invention, a low-vibration, low-noise power conversion device and heat pump device with less torque ripple can be obtained.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
本実施形態の電力変換装置は、キャリア信号に基づくパルス幅変調制御により出力電圧を制御する。本実施形態の電力変換装置の特徴は、前記パルス幅変調制御の出力パルスの出力タイミングを時間的に変化させるパルス位置決定手段と、出力電圧の指令値と前記パルス位置決定手段により決定されたパルス位置に基づいて出力パルスの幅を決定するパルス幅決定手段とを有する点である。本実施形態の電力変換装置の制御方法の特徴を、図1を用いて、従来の制御方法と比較して説明する。
(First embodiment)
The power converter of this embodiment controls the output voltage by pulse width modulation control based on the carrier signal. The power converter according to the present embodiment is characterized in that pulse position determining means for temporally changing the output timing of the output pulse of the pulse width modulation control, command value of output voltage and pulse determined by the pulse position determining means And pulse width determining means for determining the width of the output pulse based on the position. The features of the control method of the power conversion device of this embodiment will be described using FIG. 1 in comparison with the conventional control method.
図1(a)に、比較例1として、電力変換装置により電動機を駆動したときのキャリア周波数一定の場合の、パルス幅変調制御による出力パルス、そのときの電流変化の特性を示す。時間均等で発生する出力パルスに対して、電流値はその積分として変化し、均一の周期で変化する。電動機の発する騒音は、電動機を流れる電流により励起されるので、磁気騒音も均一の周波数成分から構成されるものになる。 FIG. 1A shows, as Comparative Example 1, the characteristics of the output pulse by pulse width modulation control and the current change at that time when the carrier frequency is constant when the electric motor is driven by the power converter. For an output pulse that occurs evenly over time, the current value changes as an integral thereof, and changes with a uniform period. Since the noise generated by the motor is excited by the current flowing through the motor, the magnetic noise is also composed of uniform frequency components.
図1(b)に、比較例2として、キャリア周波数、およびパルス幅を変化させることなく出力電圧の発生タイミングを時間的に変化させた場合の、パルス幅変調制御による出力パルス、そのときの電流変化を示す特性図を表す。この場合、出力パルスの位置が時間的に変化するとともに、その積分値である電流値も不均一の周期で変化する。電動機の発する騒音は、電動機を流れる電流により励起されるので、磁気騒音も不均一の周波数成分からなり、騒音のピーク値も低減される。しかし、このときの電流値変化は、出力パルスの位置により影響を受け、大きく変動する。比較例2の場合、電流の平均値は、第一、第三のパルスが時間に対して早く出力されたため、本来の平均電流値0に対して大きな値となっている。このように、出力パルスの発生タイミングを変化させた場合、それにより電流変動が発生し、トルクリップルの増大、振動騒音増大、さらに変動成分による効率を低下させる。 FIG. 1B shows an output pulse by pulse width modulation control and current at that time when the generation timing of the output voltage is temporally changed without changing the carrier frequency and the pulse width as Comparative Example 2. The characteristic view which shows a change is represented. In this case, the position of the output pulse changes with time, and the current value that is the integral value also changes with a non-uniform period. Since the noise generated by the motor is excited by the current flowing through the motor, the magnetic noise is also composed of non-uniform frequency components, and the peak value of the noise is reduced. However, the current value change at this time is influenced by the position of the output pulse and fluctuates greatly. In the case of Comparative Example 2, the average current value is larger than the original average current value of 0 because the first and third pulses are output earlier than the time. In this way, when the generation timing of the output pulse is changed, current fluctuations are generated thereby, increasing torque ripple, increasing vibration noise, and further reducing efficiency due to fluctuation components.
つまり、比較例1,2の場合のように、パルス位置を時間に対して変更するのみでは、電流変動が増加しトルクリップルが大きくなる。それに対し、本実施形態の電力変換装置においては、図1(c)に示す様なパルス幅の変更を行う。つまり、パルス位置のみでなく、それに対応する形でパルス幅も変更することにより、電流変動を減少させ、トルクリップルを減少させるものである。これにより、図1(c)の場合、第1、第3のパルス幅が変更され、平均電流が図1(a)と同等となり電流変動が減少する。 That is, as in Comparative Examples 1 and 2, simply changing the pulse position with respect to time increases current fluctuation and increases torque ripple. On the other hand, in the power converter of this embodiment, the pulse width is changed as shown in FIG. That is, by changing not only the pulse position but also the pulse width in a corresponding manner, the current fluctuation is reduced and the torque ripple is reduced. Thereby, in the case of FIG. 1C, the first and third pulse widths are changed, the average current becomes equivalent to that in FIG. 1A, and the current fluctuation is reduced.
次に、本実施形態の電力変換装置およびそれを用いたヒートポンプ装置の構成について、より詳細に説明する。 Next, the configuration of the power conversion device of the present embodiment and the heat pump device using the power conversion device will be described in more detail.
図2は、本発明による電力変換装置を用いたヒートポンプ装置の一実施例のブロック構成図である。本ヒートポンプ装置は、電力変換装置206により制御される電動機205を備えて冷媒を圧縮する圧縮機201と、冷媒を冷却する放熱器202と、冷媒を膨張させる膨張機構203と、冷媒を蒸発させる蒸発器204と、以上の各要素間に冷媒を循環させる配管207とを備えて、冷凍サイクルを形成する。
FIG. 2 is a block diagram of an embodiment of a heat pump device using the power conversion device according to the present invention. This heat pump apparatus includes an
上記ヒートポンプ装置の運転原理は次のとおりである。冷媒蒸気の圧力及び温度は圧縮機201によって増大され、次いで、その冷媒蒸気が放熱器202に入り、そこで冷却される。この後、高圧冷媒は膨張機構203により蒸発圧力に絞られ、蒸発器204において気化し、その周辺から熱を吸収する。そして、蒸発器204の出口を通って冷媒蒸気は圧縮機201に戻る。
The operating principle of the heat pump device is as follows. The pressure and temperature of the refrigerant vapor is increased by the
一方、図3に本実施形態におけるヒートポンプ装置内の電力変換装置206のブロック構成図を示す。この図に示すように、電力変換装置206は、流体機械である圧縮機201に備えられた電動機205を駆動するための回路および制御部から構成されている。交流電源301より与えられる交流電力を整流回路302、平滑コンデンサ303により直流化した後、スイッチング素子305によりパルス幅変調(PWM)により3相交流として電動機205が駆動される。スイッチング素子305としては、例えば、IGBTのような素子が用いられる。また、制御部としては、電動機205に流れる電流を検出する電流センサ306の出力である電流値の情報を用いて電動機の回転数を推定する回転数推定手段307、外部より与えられた回転数指令と回転数推定手段により推定された回転数とから電流指令を出力する回転数制御手段308、電流指令を実現するための電流制御手段309、乱数信号発生手段310、パルス位置決定手段311、パルス幅決定手段312、スイッチング素子305を駆動するためのスイッチング制御手段313とから構成されている。
On the other hand, FIG. 3 shows a block configuration diagram of the
まず、回転数推定手段307においては、検出された電流値を用いて電動機205の回転数が推定される。この方法としては、誘起電圧を電流の情報から推定し、その推定された誘起電圧を実現する電動機の回転数を求める値とする方法などがあるが、詳細は省く。この様にして求めた電動機205の回転数の推定値と、ヒートポンプ装置の状態を最適化するため外部より与えられる回転数の指令値とを比較して、回転数制御手段では回転数指令を実現するべく現在の回転数との誤差から電流指令I*が演算される。演算方法としては、一般的なPI制御方式による。
I*=Gpω×(ω*−ω)+Giω×Σ(ω*−ω)
・・・(式1)
ここで、 Gpω、Giω:速度制御比例ゲイン、積分ゲイン
ω:回転数
ω*:回転数指令
I*:電流指令
さらに演算された電流指令I*と、電流センサにより検出された電流値とから、電流制御手段309は、磁束に寄与する成分のd軸成分と、トルクに寄与する成分のq軸成分毎に分解された電流指令Id*、Iq*と電流値Id、Iqを用いて、以下の式により電流指令を実現するべく制御演算を行い、電圧指令Vd、Vqを出力する。
Vd=Gpd×(Id*−Id)+Gid×Σ(Id*−Id)
・・・(式2)
Vq=Gpq×(Iq*−Iq)+Giq×Σ(Iq*−Iq)
・・・(式3)
ここで、 Vd、Vq :d軸電圧指令、q軸電圧指令
Gpd、Gid :d軸電流制御比例ゲイン、積分ゲイン
Gpq、Giq :q軸電流制御比例ゲイン、積分ゲイン
求められた2方向の出力電圧指令VdとVqから、出力波形が正弦波となるように3相の出力電圧Vu、Vv、Vw が、回転子の位置θを用いて一般的な2相3相変換により(式4)(式5)により変換して求められる。
First, in the rotation speed estimation means 307, the rotation speed of the
I * = Gpω × (ω * −ω) + Giω × Σ (ω * −ω)
... (Formula 1)
Where Gpω, Giω: speed control proportional gain, integral gain
ω: Number of rotations
ω *: Speed command
I *: Current command From the calculated current command I * and the current value detected by the current sensor, the current control means 309 determines the d-axis component of the component contributing to the magnetic flux and the q of the component contributing to the torque. Using the current commands Id * and Iq * and current values Id and Iq that are decomposed for each axis component, a control calculation is performed to realize the current command according to the following formula, and voltage commands Vd and Vq are output.
Vd = Gpd × (Id * −Id) + Gid × Σ (Id * −Id)
... (Formula 2)
Vq = Gpq × (Iq * −Iq) + Giq × Σ (Iq * −Iq)
... (Formula 3)
Where Vd, Vq: d-axis voltage command, q-axis voltage command
Gpd, Gid: d-axis current control proportional gain, integral gain
Gpq, Giq: q-axis current control proportional gain, integral gain From the obtained two-way output voltage commands Vd and Vq, the three-phase output voltages Vu, Vv, Vw are converted into a rotor so that the output waveform becomes a sine wave. Is obtained by conversion according to (Equation 4) and (Equation 5) by a general two-phase / three-phase conversion using the position θ.
ここで、 Vu、Vv、Vw :U、V,W相電圧
θ :回転子位置
このようにして求められた電動機の3相電圧指令を実現するように、パルス幅変調(PWM)方式に従い、パルス位置決定手段311、パルス幅決定手段312、およびスイッチング制御手段313によりスイッチング素子305が制御され、電圧指令が実現される。
Where Vu, Vv, Vw: U, V, W phase voltage
θ: Rotor position According to the pulse width modulation (PWM) method, the pulse position determining means 311, the pulse width determining means 312, and the switching control means 313 are implemented in accordance with the pulse width modulation (PWM) method so as to realize the three-phase voltage command for the electric motor thus obtained. Thus, the switching
次に乱数信号発生手段310、パルス位置決定手段311、パルス幅決定手段312の動作について説明する。乱数信号発生手段310は、疑似乱数演算などのマイコンで容易に実現可能な乱数発生方法により0〜1の範囲の乱数を出力する。パルス位置決定手段311においては、所定のキャリア周波数、および乱数信号発生手段310の出力する乱数を用いてパルスの位置を決定する。これは、キャリア周波数に起因する電磁騒音を低減するために、パルス位置を時間的に変化させ、キャリア周波数成分を周波数分散させることを目的とするものである。
Next, operations of the random number
図4(a)(b)に、パルス電圧と電動機に流れる電流のタイミングの一例を表すタイミングチャートを示す。図4(a)は、パルス位置、幅の変更を実施しない比較例1の構成の場合を、(b)は本実施形態におけるパルス位置、幅の変更する場合を示す。パルスが出力される周期は、cですべて共通である。つまり、キャリア周波数は変化しない。図4(a)は、一般的なPWMのパルス生成によって得られるパルスパターンである。つまり、パルス幅は出力電圧を実現するためのデューティからなる値d1であり、出力電圧が変化しない限りその値は一定である。また、パルスの位置は中心位置に設定され、キャリア周期cの中央に設定されるため、キャリア周期の開始時点からパルス中心位置の間はp1となっており、これもその値は常に一定である。 4A and 4B are timing charts showing an example of the timing of the pulse voltage and the current flowing through the motor. FIG. 4A shows the case of the configuration of Comparative Example 1 in which the pulse position and width are not changed, and FIG. 4B shows the case where the pulse position and width in this embodiment are changed. The period in which the pulses are output is the same for all c. That is, the carrier frequency does not change. FIG. 4A shows a pulse pattern obtained by general PWM pulse generation. That is, the pulse width is a value d1 including a duty for realizing the output voltage, and the value is constant as long as the output voltage does not change. Further, since the position of the pulse is set to the center position and set to the center of the carrier period c, the interval between the start of the carrier period and the pulse center position is p1, and this value is also always constant. .
図4(b)は、本実施形態における電力変換装置206におけるパルス位置、幅の一例を示すタイミングチャートである。パルスが出力される周期は、cで変化しないのは同様である。第1キャリア周期において、パルス位置はキャリア周期の開始時点からp2の位置に設定される。これは、乱数信号発生手段より出力される乱数値により設定されるものである。つまり、乱数信号発生手段より乱数値r2(この乱数値は0〜1の範囲の値であ
る)が出力される。それに従い、パルス位置決定手段においてパルス位置p2の値を(式6)に従い設定する。これは、キャリア周波数成分を周波数分散させることを目的として行うものである。
FIG. 4B is a timing chart showing an example of pulse positions and widths in the
p2=c×r2 ・・・ (式6)
パルス位置が修正されたキャリア周期の次の周期においては、パルス位置は中央に設定される。つまりパルス位置は修正されない。つまり、本実施形態においてはキャリア周期一回おきにパルス位置は中央に設定される。さらに、その次のキャリア周期においては、前々回のキャリア周期と同様に、乱数信号発生手段より出力される乱数値r4に従い、パルス位置決定手段においてパルス位置p4の値を(式7)に従い設定する。
p2 = c × r2 (Formula 6)
In the period following the carrier period in which the pulse position is corrected, the pulse position is set to the center. That is, the pulse position is not corrected. That is, in this embodiment, the pulse position is set at the center every other carrier cycle. Further, in the next carrier cycle, the value of the pulse position p4 is set in accordance with (Equation 7) in the pulse position determining means in accordance with the random value r4 output from the random number signal generating means, as in the previous carrier cycle.
p4=c×r4 ・・・ (式7)
以上のように、キャリア周期nのパルス位置p(n)は、(式8)の位置に設定される。
p4 = c × r4 (Expression 7)
As described above, the pulse position p (n) of the carrier period n is set to the position of (Equation 8).
p(n)=c×r(n) :n=2m (m=0、1、・・・)
p(n)=c/2 :n=2m+1 (m=0、1、・・・)
r(n):キャリア周期nの乱数信号発生手段の出力値
・・・ (式8)
次に、パルス幅決定手段312の動作原理について説明する。パルス位置決定手段311により決定されたパルス位置に対し、電流リップルが最小になるような最適なパルス幅を設定する。電流リップルを最小にするために、ここでは電流の平均値がパルス位置を修正しない場合と同じ値となるようにパルス幅を設定する。図1(b)(比較例2)に示すように、パルス位置の変更に対してパルス幅の変更を行わない場合には、パルス位置、幅の変更を行わない場合の図1(a)(比較例1)の場合に比べ平均電流値が変動する。この図の場合、最初のパルスの位置を時間的に早い位置に移動したために電流値が増加する結果となっている。そこで、パルス位置決定手段312では、パルス位置の変化に対応する形でパルス幅を修正する。図1(c)は、本実施例における電力変換装置206においてパルス位置、幅を変更した一例を示す特性図である。このように最初のパルスの幅を縮小することにより、電流変動が低減される。
p (n) = c × r (n): n = 2m (m = 0, 1,...)
p (n) = c / 2: n = 2m + 1 (m = 0, 1,...)
r (n): the output value of the random number signal generating means with carrier period n
... (Formula 8)
Next, the operation principle of the pulse
図5に、電流リップルを最小にするためのパルス幅変更量を表した特性図の一例を示す。横軸のパルス位置の変更量に対し、縦軸の電流リップルを最小にする最適電圧変更量、つまりパルス幅変更量は、出力電圧50V、100V、150V、それぞれの場合に図のように直線の関係にあることがわかる。このように、傾きは出力電圧量、つまり出力デューティにより変化することがわかる。但し、この関係は、電動機のインダクタンスなどの影響は受けない。従って、予めシミュレーションによって計算された出力電圧、パルス位置に対する最適電圧変更量の値をテーブル、もしくは1次関数の形でパルス幅決定手段に記録しておき、その情報を用いて、電圧指令とパルス位置とからパルス幅を決定することにより、常に電流リップルを最小にするための最適なパルス幅が決定される。パルス位置決定手段により説明したように、キャリア周期1回おきにパルス位置の変更がなされ、その際、図5の関係に従ってパルス位置に対応してパルス幅が変更される。さらに変更周期の後のキャリア周期においては、前回のパルス幅修正分を補償するようにパルス幅が設定される。 FIG. 5 shows an example of a characteristic diagram showing a pulse width change amount for minimizing the current ripple. With respect to the change amount of the pulse position on the horizontal axis, the optimum voltage change amount that minimizes the current ripple on the vertical axis, that is, the pulse width change amount is a linear voltage as shown in the figure in each case of the output voltage 50V, 100V, 150V. You can see that there is a relationship. Thus, it can be seen that the slope changes depending on the output voltage amount, that is, the output duty. However, this relationship is not affected by the inductance of the motor. Accordingly, the value of the optimum voltage change amount with respect to the output voltage and pulse position calculated in advance by simulation is recorded in the pulse width determining means in the form of a table or a linear function, and the voltage command and the pulse are recorded using this information. By determining the pulse width from the position, the optimum pulse width for always minimizing the current ripple is determined. As described with reference to the pulse position determining means, the pulse position is changed every other carrier cycle, and the pulse width is changed corresponding to the pulse position in accordance with the relationship shown in FIG. Further, in the carrier period after the change period, the pulse width is set so as to compensate for the previous pulse width correction.
最後にスイッチング制御手段313において、以上の処理において決定されたパルス位置とパルス幅を実現するべく、スイッチング素子305の駆動信号が作成される。三相ブリッジ形のスイッチング素子それぞれを、必要パルス幅で駆動することにより、3相各相に対し目標回転数を実現するための電圧を加えることができる。
Finally, the switching control means 313 generates a drive signal for the
図6に、比較例1の場合、つまり、従来の一定キャリア周波数での電力変換装置による電動機駆動時の(a)電流リップル、電動機回転速度(回転数に相当)、と(b)電流の周波数成分のシミュレーション結果の一例を示す。一方、図7に、本実施形態の電力変換装置による電動機駆動時の(a)電流リップル、電動機回転速度(回転数に相当)、と(b)電流の周波数成分のシミュレーション結果の一例を示す。このように、従来の一定キャリア周波数での電力変換装置の場合、電流リップルも一定周期の同じパターンで発生し、その周波数成分も約5KHzを基本として、その高調波成分からなる高いピークを持つものとなるが、本実施形態の電力変換装置の場合、出力パルス位置が分散されるため、電流リップルもその周期が変化し、その周波数成分も分散しピークが低下しているのがわかる。これにより、駆動時の騒音の実聴感が改善されるものである。 FIG. 6 shows (a) current ripple, motor rotation speed (corresponding to the number of rotations), and (b) current frequency in the case of Comparative Example 1, that is, when the motor is driven by the conventional power conversion device at a constant carrier frequency. An example of the simulation result of a component is shown. On the other hand, FIG. 7 shows an example of simulation results of (a) current ripple, motor rotation speed (corresponding to the number of rotations), and (b) current frequency components when the motor is driven by the power conversion device of the present embodiment. Thus, in the case of the conventional power conversion device with a constant carrier frequency, the current ripple is also generated in the same pattern with a constant period, and the frequency component is based on about 5 KHz and has a high peak composed of its harmonic component. However, in the case of the power conversion device of this embodiment, since the output pulse position is dispersed, it can be seen that the current ripple also has its period changed, the frequency component is also dispersed, and the peak is lowered. Thereby, the actual hearing feeling of the noise at the time of a drive is improved.
さらに図8には、比較例2の電力変換装置、すなわち、出力パルス位置を分散させるがパルス幅変更は行わない場合の電動機駆動時の電流リップル、電動機回転速度(回転数に相当)のシミュレーション結果の一例を示す。このように電流リップルはその周期が変化しているためキャリア周波数による騒音実聴感は低減されるものであるが、本発明の電力変換装置のような出力パルス位置に対応したパルス幅を設定していないため、それに伴う電流リップルが増加し、回転数には大きな変動が発生している。これにより、効率の低下、騒音の増大が発生している。それに対し、図7に示した本実施形態による電力変換装置による電動機駆動時の場合には、電動機回転数の変動が少なく、それにより、高効率、低騒音を実現するものである。 Further, FIG. 8 shows a simulation result of the power conversion device of Comparative Example 2, that is, the current ripple at the time of driving the motor and the motor rotation speed (corresponding to the rotation speed) when the output pulse position is dispersed but the pulse width is not changed. An example is shown. As described above, since the period of the current ripple changes, the noise audibility due to the carrier frequency is reduced. However, the pulse width corresponding to the output pulse position is set as in the power converter of the present invention. As a result, the current ripple associated therewith increases and a large fluctuation occurs in the rotational speed. As a result, a decrease in efficiency and an increase in noise occur. On the other hand, when the electric motor is driven by the power conversion apparatus according to the present embodiment shown in FIG. 7, the fluctuation of the electric motor speed is small, thereby realizing high efficiency and low noise.
このように、本実施形態におけるヒートポンプ装置においては、圧縮機を駆動する電力変換装置のパルス位置とともにパルス幅も時間に関して変更するようにしたので、低騒音であるとともに、電流変動、トルクリップル、さらに電動機回転数の変動が少なく、それにより、高効率、さらなる低騒音を実現するものである。 As described above, in the heat pump device according to the present embodiment, the pulse width as well as the pulse position of the power converter that drives the compressor are changed with respect to time, so that noise is low, current fluctuation, torque ripple, There is little fluctuation in the motor rotation speed, thereby realizing high efficiency and further low noise.
本実施形態では、キャリア周期1回おきにパルス位置を変更するもので説明したが、キャリア周期毎、毎回変更するものでも同様の効果が得られることは言うまでもない。
(第2の実施形態)
図9は、第2の実施形態に係る電力変換装置を用いたヒートポンプ装置の構成図である。本ヒートポンプ装置は、電動機905を備えて冷媒を圧縮する圧縮機901と、冷媒を冷却する放熱器902と、発電機907を備えて前記冷媒を膨張させる膨張機903と、冷媒を蒸発させる蒸発器904と、以上の各要素間に冷媒を循環させる配管909とを備えて、冷凍サイクルを形成する。
In the present embodiment, the pulse position is changed every other carrier cycle. However, it goes without saying that the same effect can be obtained by changing the pulse position every carrier cycle.
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a configuration diagram of a heat pump device using the power conversion device according to the second embodiment. The heat pump apparatus includes an
上記ヒートポンプ装置の運転原理は次のとおりである。冷媒蒸気の圧力及び温度は圧縮機901によって増大され、次いで、その冷媒蒸気が放熱器902に入り、そこで冷却される。この後、高圧冷媒は膨張機903により蒸発圧力に絞られ、蒸発器904において気化し、その周辺から熱を吸収する。そして、蒸発器904の出口を通って冷媒蒸気は圧縮機901に戻る。冷媒が膨張する際に膨張機903に備えられた発電機907が発電することにより動力を回収し、エネルギー効率の高いヒートポンプ装置になっている。
The operating principle of the heat pump device is as follows. The pressure and temperature of the refrigerant vapor is increased by the
圧縮機901に備えられた電動機905は、電動機制御装置906によりその回転数が制御されており、さらにその電動機制御装置906は、第一の実施形態で説明した電力変換装置と同じようにPWMのパルス位置、およびパルス幅を時間に対して変更することにより、トルクリップルの少ない高効率、低騒音を実現する機能をもつ装置となっている。
The
さらに、膨張機903には発電機907が備えられるとともに、発電機907は、発電機制御装置908によりその回転数が制御されるとともに、発電電力が回収される。本実施例においては、発電機制御装置908も、電動機制御装置906と同様な機能を有した
ものとなっている。電動機制御装置906、および発電機制御装置908の詳細は、第一の実施形態で説明した電力変換装置と同様であるので省く。
Furthermore, the
このように、本実施形態におけるヒートポンプ装置においては、圧縮機901に備えられた電動機905を制御する電動機制御装置906、および膨張機903に備えられた発電機907を制御する発電機制御装置908を有し、圧縮機901および膨張機903の回転を最適に制御することにより、ヒートポンプとしての機能を有するとともに、低騒音、高効率を実現するものである。
As described above, in the heat pump device according to the present embodiment, the
以上説明したように本発明は、パルス幅変調制御を行う電力変換装置、およびそれを用いたヒートポンプ機器について有用である。 As described above, the present invention is useful for a power conversion device that performs pulse width modulation control and a heat pump device using the same.
201 圧縮機
206 電力変換装置
307 回転数推定手段
308 回転数制御手段
309 電流制御手段
310 乱数信号発生手段
311 パルス位置決定手段
312 パルス幅決定手段
313 スイッチング制御手段
201
Claims (7)
前記電動機を駆動する圧縮機制御手段が、請求項1〜4記載の電力変換装置により構成されることを特徴とするヒートポンプ機器。 In a heat pump device that forms a refrigeration cycle from a compressor that includes an electric motor and compresses the refrigerant, a radiator that cools the refrigerant, an expansion mechanism that expands the refrigerant, and an evaporator that evaporates the refrigerant.
The compressor control means which drives the said electric motor is comprised by the power converter device of Claims 1-4, The heat pump apparatus characterized by the above-mentioned.
前記発電機を駆動する発電機制御手段が、請求項1〜4記載の電力変換装置により構成されることを特徴とするヒートポンプ機器。 A heat pump that forms a refrigeration cycle from a compressor that includes an electric motor to compress the refrigerant, a radiator that cools the refrigerant, an expander that includes a generator and expands the refrigerant, and an evaporator that evaporates the refrigerant In the equipment
A heat pump device, wherein the generator control means for driving the generator is constituted by the power conversion device according to claim 1.
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