JP2008086154A - インバータの漏洩電流低減方法及び負荷駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】漏洩電流を低減できる負荷駆動装置を提供する。
【解決手段】スイッチ２３がＯＮしているときの漏洩電流とスイッチ２３がＯＦＦしているときの漏洩電流の大小関係は、インバータの出力周波数に応じて逆転する。スイッチ制御部７は、インバータの通常運転の前の準備動作である運転前処理（例えば、電源投入動作、ブートコンデンサの充電動作、予熱動作等）においてスイッチ２３を遮断する。従って、インバータの出力周波数に対する漏洩電流の最大値を低減することができ、インバータ非対応型漏電ブレーカが不必要に動作することを防止できる。また、通常運転において、スイッチ制御部７はスイッチ２３を切り替えて、漏洩電流が小さい方のスイッチ２３の状態を選択する。従って、漏洩電流を低減することができる。また、スイッチがＯＮしている間は、ノイズを低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ漏洩電流低減方法及び負荷駆動装置に関する。

例えば空気調和機に用いられるインバータは高周波成分の漏洩電流が大きいため、インバータ対応型の漏電ブレーカを用いる必要がある。インバータ対応型の漏電ブレーカは、例えばローパスフィルタ等によって人体に影響しにくい高周波成分の漏洩電流を遮断して検知している。

なお、本発明に関する技術として特許文献１が開示されている。

特開２００５−３３７２３４号公報

しかしながら、実際にはインバータ型空気調和機にインバータ非対応型の漏電ブレーカが取り付けられていることがあった。インバータ非対応型の漏電ブレーカは漏洩電流の高周波成分を含めて漏洩電流を検知するため、不必要に漏電ブレーカが動作してしまうという問題があった。

そこで、本発明は、漏洩電流を低減できるインバータの漏洩電流低減方法及び負荷駆動装置を提供することを目的とする。

本発明に係るインバータの漏洩電流低減方法の第１の態様は、負荷（６）を駆動するインバータ（５）と、前記インバータと接続される交流電源（１）との間で、前記交流電源と並列に接続された一組の第１コンデンサ（２１）及び第２コンデンサ（２２）が互いに直列に接続され、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの接続点と接地との間で接続されるスイッチ（２３）の導通／非導通を制御する。

本発明に係るインバータの漏洩電流低減方法の第２の態様は、第１の態様に係るインバータの漏洩電流方法であって、前記インバータが前記負荷を駆動する通常運転を行う前の準備動作である運転前処理を実行しているときに、前記スイッチを遮断する。

本発明に係るインバータの漏洩電流低減方法の第３の態様は、第１又は第２の態様に係るインバータの漏洩電流方法であって、前記インバータが有するハイアーム側スイッチ（５１Ｕ，５１Ｖ，５１Ｗ）へ与える制御信号を出力するための動作電源として機能するブートコンデンサ（８３Ｕ）を充電するときに、前記スイッチを遮断する。

本発明に係るインバータの漏洩電流低減方法の第４の態様は、第１の態様に係るインバータの漏洩電流方法であって、前記スイッチが導通状態であるときの漏洩電流と前記インバータの出力周波数との第１関係と、前記スイッチが非導通状態であるときの漏洩電流と前記インバータの出力周波数との第２関係とを予め測定し、前記第１関係と前記第２関係とで前記漏洩電流が一致する前記インバータの出力周波数をしきい値として、前記出力周波数に応じて前記スイッチの導通／非導通を切り替えて、前記漏洩電流が小さくなる方の前記スイッチの状態を選択する。

本発明に係るインバータの漏洩電流低減方法の第５の態様は、第４の態様に係るインバータの漏洩電流方法であって、前記インバータへ出力する制御信号のパルス幅を決定するキャリア周波数毎に、前記第１関係と前記第２関係とを予め測定し、前記キャリア周波数に応じた前記第１関係と前記第２関係とで前記漏洩電流が一致する前記インバータの出力周波数をしきい値として、前記出力周波数に応じて前記スイッチの導通／非導通を切り替えて、前記漏洩電流が小さくなる方の前記スイッチの状態を選択する。

本発明に係る負荷駆動装置の第１の態様は交流電源（１）と接続され、負荷（６）を駆動するインバータ（５）と、前記交流電源と前記インバータとの間で、互いに直列に接続され、且つ前記交流電源と並列に接続される一組の第１コンデンサ（２１）及び第２コンデンサ（２２）と、一端が前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサとの接続点と接続され、他端が接地されたスイッチ（２３）と、前記スイッチの導通／非導通を制御する制御部（７）とを備える。

本発明に係る負荷駆動装置の第２の態様は、第１の態様に係る負荷駆動装置であって、前記制御部は、前記インバータが前記負荷を駆動する通常運転を行う前の準備動作である運転前処理を実行しているときに、前記スイッチを遮断する。

本発明に係る負荷駆動装置の第２の態様は、第１の態様に係る負荷駆動装置であって、前記インバータは、ハイアーム側スイッチ（５１Ｕ，５１Ｖ，５１Ｗ）と、前記ハイアーム側スイッチへ与える制御信号を出力するための動作電源として機能するブートコンデンサ（８３Ｕ）とを備えており、前記制御部は、前記ブートコンデンサを充電するときに前記スイッチを遮断する。

本発明に係るインバータの漏洩電流方法の及び負荷駆動装置の第１の態様によれば、スイッチを導通させることで、第１コンデンサ及び第２コンデンサを介して接地へとノイズを逃がすことができる。また、スイッチを導通させることで漏洩電流が高まる場合にはスイッチを遮断することでこの漏洩電流を低減することができる。

本発明に係るインバータの漏洩電流方法の及び負荷駆動装置の第２の態様によれば、負荷の通常動作に影響を及ぼすことなく、漏洩電流を低減できる。

本発明に係るインバータの漏洩電流方法の及び負荷駆動装置の第３の態様によれば、インバータにおける他の動作に比べて、ブートコンデンサ充電時は漏洩電流が特に大きいので、より効果的に漏洩電流を低減することができる。

本発明に係るインバータの漏洩電流方法の第４の態様によれば、一般的にインバータの出力周波数と漏洩電流には相関関係があるので、適切に漏洩電流を低減することができる。

本発明に係るインバータの漏洩電流方法の第５の態様によれば、キャリア周波数が異なるとインバータの出力周波数と漏洩電流との関係が異なるので、より適切に漏洩電流を低減することができる。

本発明に係る実施の形態の負荷駆動装置の一例を図１に示す。図１に示すように、負荷駆動装置は、単相交流電源１（以下 電源１と呼ぶ）と、スイッチＫと、漏電ブレーカ１２と、ノイズフィルタ２と、ダイオードブリッジ３と、平滑コンデンサ４と、インバータ５と、負荷たる３相交流モータ６（以下 モータ６と呼ぶ）とを備えている。なお、本負荷駆動装置は例えば空気調和機における圧縮機を駆動することができる。ここでは、空気調和機の圧縮機をモータ６が駆動するものとして説明する。

電源１は出力線１ａ，１ｂ間に交流電圧を出力する。スイッチＫは出力線１ａ上及び出力線１ｂ上にそれぞれ接続され、電源１からの交流電源の供給を遮断することができる。漏電ブレーカ１２は電源１とノイズフィルタ２の間で、出力線１ａ，１ｂ間の電流差を検出し、当該電流差が所定の値を超えているとき（漏洩電流が所定の値を超えているとき）にスイッチＫを遮断する。

ノイズフィルタ２は、コンデンサ２１，２２とスイッチ２３とを備えている。コンデンサ２１，２２は互いに直列に接続されている。この直列接続された一組のコンデンサ２１，２２が電源１の出力線１ａ，１ｂ間に接続されている。スイッチ２３は一端がコンデンサ２１，２２の接続点と接続され、他端が接地されている。ノイズフィルタ２は電源１からの高周波成分や後述するインバータ５のスイッチング周波数に起因した高周波成分等を接地に逃がす。

スイッチ制御部７はスイッチ２３の導通／非導通を制御する。後述するように、スイッチ制御部７が適切にスイッチ２３を切り替えることで、漏洩電流を低減することができる。

ダイオードブリッジ３はダイオード３１〜３４を備えている。ダイオードブリッジ３はノイズフィルタ２及びスイッチＫを介して電源１と接続されており、電源１からの交流を全波整流して高電位出力線１０、低電位出力線１１との間から直流電圧を出力する。

平滑コンデンサ４は一端が高電位出力線１０と、他端が低電位出力線１１とそれぞれ接続され、ダイオードブリッジ３からの直流電圧を平滑してインバータ５に出力する。

インバータ５は、ハイアーム側スイッチであるトランジスタ５１Ｕ，５１Ｖ，５１Ｗと、ローアーム側スイッチであるトランジスタ５３Ｕ，５３Ｖ，５３Ｗと、ダイオード５２Ｕ，５２Ｖ，５２Ｗ，５４Ｕ，５４Ｖ，５４Ｗとを備えている。なお、図１では、インバータ５の内部構成を簡易的に示している。より詳細な構成については後述する。

トランジスタ５１Ｕ，５３Ｕは高電位出力線１０と低電位出力線１１との間で直列に接続されており、その接続点からの出力線６１Ｕがモータ６のＵ相コイル（図示せず）と接続されている。ダイオード５２Ｕ，５４Ｕはそれぞれアノードがトランジスタ５１Ｕ，５３Ｕのエミッタと、それぞれカソードがトランジスタ５１Ｕ，５３Ｕのコレクタと接続されている。

なお、トランジスタ５１Ｖ，５３Ｖ、ダイオード５２Ｖ，５４Ｖ、出力線６１Ｖ及びトランジスタ５１Ｗ，５３Ｗ、ダイオード５２Ｗ，５４Ｗ、出力線６１Ｗの各接続関係はトランジスタ５１Ｕ，５３Ｕ、ダイオード５２Ｕ，５４Ｕ、出力線６１Ｕの接続関係と同一である。

図２はより詳細なインバータ５の内部構成を示す概略構成図である。なお、図２においては、モータ６のＵ相コイルへ流れる電流を制御する部分のみを示している。インバータ制御部８Ｕは、制御電源回路９１及びこれに並列接続されたコンデンサ９２から直流電圧、直流電流が供給される。なお、モータ６のＶ相コイル及びＷ相コイルへ流れる電流を制御するインバータ制御部８Ｖ，８Ｗ（図示せず）の構成はインバータ制御部８Ｕと同一である。また、制御電源回路９１はインバータ制御部８Ｖ，８Ｗとも接続され、これらに直流電圧、直流電流を供給する。

インバータ制御部８Ｕはハイアーム制御回路８１Ｕと、ローアーム制御回路８２Ｕと、ブートコンデンサ８３Ｕと、ダイオード８４Ｕと、ブート抵抗８５Ｕとを備えている。ローアーム制御回路８２Ｕ及びハイアーム制御回路８１Ｕは、各トランジスタ５１Ｕ，５３Ｕのベースとそれぞれ接続されている。ブートコンデンサ８３Ｕはハイアーム制御回路８１Ｕと並列に接続され、ハイアーム制御回路８１Ｕの動作電源として機能する。

ブート抵抗８５Ｕは一端が制御電源回路９１の出力線と接続され、他端がダイオード８４Ｕのアノードと接続されている。ダイオード８４Ｕはカソードがブートコンデンサ８３Ｕ及びハイアーム制御回路８１Ｕと接続されている。

このような構成において、各ハイアーム制御回路及びローアーム制御回路には、ＰＷＭ（パルス幅変調）方式で生成された制御信号が入力されて、それぞれ接続されたトランジスタをＯＮする。インバータ５は制御信号に基づいて各トランジスタをスイッチングして任意の３相交流を生成し、当該３相交流をモータ６に供給して駆動する。

ここで、トランジスタ５１Ｕのエミッタは出力線６１Ｕに接続されており、出力線６１Ｕにはトランジスタ５１Ｕによってダイオードブリッジ３の高電位端の電圧が伝達されるので、トランジスタ５１Ｕのベースに与えるべき制御信号としては、ダイオードブリッジ３の高電位端の電圧よりも高い電圧を与える必要がある。そこでハイアーム制御回路８１Ｕへと出力線６１Ｕの電位に対して高電位を供給するために、ブートコンデンサ８３Ｕを充電する必要がある。

次に、本負荷駆動装置の動作モードと各動作モードで生じる漏洩電流について説明する。図３は、負荷駆動装置の動作モードと各動作モードにおいて生じる漏洩電流の一例を示す図である。なお、漏洩電流はスイッチ２３がＯＮしているときの漏洩電流であり、高周波成分を含めた漏洩電流である。

負荷駆動装置は、図３に示すように、モータ６を駆動する通常運転を行う前に、その準備動作である運転前処理を実行する。運転前処理は例えば電源投入動作、ブートコンデンサの充電動作、予熱動作がこの順で実行され、通常運転動作は例えばブートコンデンサの充電動作、通常運転がこの順で実行される。なお、昼間の冷房運転等では運転前処理のブートコンデンサの充電動作と予熱動作は必要ではない。

電源投入動作では、スイッチＫがＯＮする。電源１が交流電圧を出力し始めるものの、インバータ５が有する各トランジスタは全てＯＦＦしているのでモータ６に電流は流れない。そして電源１の高周波成分等がノイズフィルタ２から流れ、漏洩電流が生じる。

ブートコンデンサの充電動作では、例えば全てのトランジスタをＯＦＦしたうえで、トランジスタ５３ＵのＯＮ／ＯＦＦをスイッチングすることでブートコンデンサ８３Ｕを充電する。なお、インバータ制御部８Ｖ，８Ｗがそれぞれ備えるブートコンデンサも同様の動作により充電される。即ち、そのスイッチ周波数に起因して高周波成分がさらに漏洩電流として生じる。また、ブートコンデンサの充電動作で生じる漏洩電流は電源投入動作で生じる漏洩電流よりもはるかに大きい。

予熱動作は、低温時に多量の液冷媒が潤滑油に溶け込むことによって生じる圧縮機の破損を回避したり、暖房の立ち上がりを良くするための動作である。具体的には、例えばトランジスタ５３ＶのみをＯＮしたうえで、トランジスタ５１ＵのＯＮ／ＯＦＦを繰り返し切り替えてモータ６に電流を供給し、モータ６を予熱する。即ち、そのスイッチ周波数に起因して高周波成分が漏洩電流として生じる。また、予熱動作で生じる漏洩電流はブートコンデンサの充電動作で生じる漏洩電流よりも小さいものの、電源投入動作で生じる漏洩電流よりもはるかに小さい。

上記の運転前処理が実行された後の通常運転では、一旦ブートコンデンサの充電動作が実行される。このブートコンデンサの充電動作でも上述したように漏洩電流が生じる。その後の通常運転では、インバータ５から出力される交流電流の周波数（以下 出力周波数と呼ぶ）に依存して漏洩電流が生じる。

図４は通常運転時に生じる漏洩電流の一例を示す図である。図４において、横軸はインバータの出力周波数を示し、縦軸は漏洩電流を示している。そして実線がスイッチ２３をＯＮしたときの漏洩電流を示し、破線がスイッチ２３をＯＦＦしたときの漏洩電流を示している。なお、図４に示す漏洩電流も高周波成分を含めた漏洩電流である。

図４に例示するように、スイッチ２３をＯＦＦしているときの漏洩電流とスイッチ２３をＯＮしているときの漏洩電流との大小関係はインバータの出力周波数に依存している。このような関係はスイッチ２３のＯＮ／ＯＦＦの状態が後段の回路（インバータ５等）に影響を与えることを一因として生じている。

図４においては、インバータの出力周波数が周波数ｆ１より小さい範囲、周波数ｆ２〜ｆ３の間、周波数ｆ４より大きい範囲のときは、スイッチ２３がＯＮしている方が漏洩電流は小さく、周波数ｆ１〜ｆ３の間、周波数ｆ４〜ｆ５の間ではスイッチ２３をＯＦＦしている方が小さい。

本負荷駆動装置においては、スイッチ制御部７がスイッチ２３のＯＮ／ＯＦＦを適切に制御することで、漏洩電流を低減してインバータ非対応型の漏電ブレーカ１２が不必要に動作することを防ぐ。以下に具体的に説明する。

スイッチ制御部７は運転前処理のときにスイッチ２３を遮断する。よって、通常運転に影響を与えずに漏洩電流の最大値を低減することができる。また、ブートコンデンサの充電動作で生じる漏洩電流は他の動作モードで生じる漏洩電流よりも大きい。よってブートコンデンサの充電動作のときにスイッチ２３を遮断することは、漏洩電流の最大値を低減する効果が大きい。ブートコンデンサの充電動作のみスイッチを遮断しても良い。

次に、通常運転の最初に実行されるブートコンデンサの充電動作のときも、スイッチ制御部７はスイッチ２３を遮断する。

スイッチ制御部７は、その後の通常運転のときにインバータの出力周波数に応じてスイッチ２３のＯＮ／ＯＦＦを切り替えて、漏洩電流が小さい方のスイッチ２３の状態を選択する。具体的には、スイッチ２３がＯＮしているときの漏洩電流とインバータの出力周波数の第１の関係と、スイッチ２３がＯＦＦしているときの漏洩電流とインバータの出力周波数の第２の関係（図４参照）とを予め測定する。そして、スイッチがＯＮしているときの漏洩電流とスイッチがＯＦＦしているときの漏洩電流とが一致する出力周波数（ｆ１〜ｆ５）を、例えば図示せぬレジスタに予め格納する。スイッチ制御部７はインバータの出力周波数がｆ１未満のとき、又はｆ２以上ｆ３未満のとき、又はｆ５以上のときにスイッチ制御部７はスイッチ２３をＯＮし、ｆ１以上ｆ２未満のとき、又はｆ３以上ｆ５未満のときにスイッチ２３をＯＦＦする。

以上のように、常に漏洩電流が小さくなる方を選択してスイッチ２３を制御するので、漏洩電流を低減することができる。よってインバータ非対応型漏電ブレーカの不必要な動作を防ぐことができる。また、スイッチ２３がＯＮしている期間は、ノイズフィルタ２によってノイズを低減することができる。

また、キャリア周波数が異なるとインバータの出力周波数と漏洩電流との関係は異なる。スイッチ制御部７は、さらにキャリア周波数に基づいてスイッチ２３を制御することもできる。具体的には、複数のキャリア周波数毎に第１の関係と第２の関係を予めで測定する。そして、キャリア周波数毎に、漏洩電流が一致するインバータ出力周波数を図示せぬレジスタに格納する。スイッチ制御部７は、キャリア周波数に応じて、漏洩電流が一致するインバータの出力周波数をしきい値として、スイッチ２３の導通／非導通を切り替えて漏洩電流が小さい方のスイッチ２３の状態を選択する。

従って、例えばキャリア周波数を変更した場合であっても、キャリア周波数に基づいて適切に漏洩電流を低減することができる。

なお、ブートコンデンサの充電動作及び予熱動作において、スイッチ制御部７はスイッチ２３をＯＦＦしているが、これに限らない。例えば、それぞれの動作において、トランジスタのスイッチ周波数に応じて、漏洩電流が小さい方のスイッチ２３の状態を選択しても良い。

なお、本発明では単相交流電源を用いて説明しているが、これに限らず例えば３相交流電源を用いても良い。この場合、図５に示すように、３つのコンデンサ２１，２２，２４の一端をそれぞれ３相交流電源の出力線１ａ，１ｂ，１ｃの各々に接続し、他端をそれぞれスイッチ２３を介して接地すればよい。言い換えると、直列接続された一組のコンデンサ２１，２２は出力線１ａ，１ｂ間に接続され、直列接続された一組コンデンサ２２，２４は出力線１ｂ，１ｃ間に接続され、直列接続された一組のコンデンサ２４，２１は出力線１ｃ，１ａ間に接続される。

実施の形態に係る負荷駆動装置の一例を示す概略構成図である。 インバータの内部構成を示す概略構成図である。 動作モード毎の漏洩電流を示す図である。 漏洩電流とインバータ出力周波数との関係を示す図である。 ３相交流電源を用いた負荷駆動装置の一部を示す図である。

符号の説明

１ 単相交流電源
５ インバータ
６ ３相モータ
７ スイッチ制御部
２１，２２ コンデンサ
２３ スイッチ
５１Ｕ，５１Ｖ，５１Ｗ トランジスタ
８３Ｕ ブートコンデンサ

Claims (8)

1. 負荷（６）を駆動するインバータ（５）と、前記インバータと接続される交流電源（１）との間で、前記交流電源の出力線間に接続された一組の第１コンデンサ（２１）及び第２コンデンサ（２２）が互いに直列に接続され、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの接続点と接地との間で接続されるスイッチ（２３）の導通／非導通を制御する、インバータの漏洩電流低減方法。
2. 前記インバータが前記負荷を駆動する通常運転を行う前の準備動作である運転前処理を実行しているときに、前記スイッチを遮断する、請求項１に記載のインバータの漏洩電流低減方法。
3. 前記インバータが有するハイアーム側スイッチ（５１Ｕ，５１Ｖ，５１Ｗ）へ与える制御信号を出力するための動作電源として機能するブートコンデンサ（８３Ｕ）を充電するときに、前記スイッチを遮断する、請求項１又は２に記載のインバータの漏洩電流低減方法。
4. 前記スイッチが導通状態であるときの漏洩電流と前記インバータの出力周波数との第１関係と、
   前記スイッチが非導通状態であるときの漏洩電流と前記インバータの出力周波数との第２関係と
   を予め測定し、
   前記第１関係と前記第２関係とで前記漏洩電流が一致する前記インバータの出力周波数をしきい値として、前記出力周波数に応じて前記スイッチの導通／非導通を切り替えて、前記漏洩電流が小さくなる方の前記スイッチの状態を選択する、請求項１に記載のインバータの漏洩電流低減方法。
5. 前記インバータへ出力する制御信号のパルス幅を決定するキャリア周波数毎に、前記第１関係と前記第２関係とを予め測定し、
   前記キャリア周波数に応じた前記第１関係と前記第２関係とで前記漏洩電流が一致する前記インバータの出力周波数をしきい値として、前記出力周波数に応じて前記スイッチの導通／非導通を切り替えて、前記漏洩電流が小さくなる方の前記スイッチの状態を選択する、請求項４に記載のインバータの漏洩電流低減方法。
6. 交流電源（１）と接続され、負荷（６）を駆動するインバータ（５）と、
   前記交流電源と前記インバータとの間で、互いに直列に接続され、且つ前記交流電源と並列に接続される一組の第１コンデンサ（２１）及び第２コンデンサ（２２）と、
   一端が前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサとの接続点と接続され、他端が接地されたスイッチ（２３）と、
   前記スイッチの導通／非導通を制御する制御部（７）と
   を備える、負荷駆動装置。
7. 前記制御部は、前記インバータが前記負荷を駆動する通常運転を行う前の準備動作である運転前処理を実行しているときに、前記スイッチを遮断する、請求項６に記載の負荷駆動装置。
8. 前記インバータは、
   ハイアーム側スイッチ（５１Ｕ，５１Ｖ，５１Ｗ）と、
   前記ハイアーム側スイッチへ与える制御信号を出力するための動作電源として機能するブートコンデンサ（８３Ｕ）と
   を備えており、
   前記制御部は、前記ブートコンデンサを充電するときに前記スイッチを遮断する、請求項６又は７に記載の負荷駆動装置。

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