JP2010110085A - インバータ装置及びそれを用いた空調機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、電流容量を確保しつつ、小型化、低コストのインバータ装置及びそれを用いた空調機を提供することを目的とする。
【解決手段】この発明のインバータ装置は、入力された交流電圧を直流電圧に整流するダイオードモジュール１と、ダイオードモジュール１で整流された直流電圧で充電されるコンデンサ３と、ダイオードモジュール１とコンデンサ３との接続を制御するリレー４と、リレー４とコンデンサ３との間に直列接続されたリアクタ５と、コンデンサ３の両端電圧に基づき負荷を駆動するインバータ２とを備えている。さらに、この発明のインバータ装置は、直列接続されたリレー４とリアクタ５との組合せが複数並列して設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ装置及びそれを用いた空調機に係る発明であって、特に、力率を改善するインバータ装置及びそれを用いた空調機に関するものである。

空調機に用いられるインバータ装置では、力率を改善し、高調波を抑制するために、ダイオードモジュールで整流した直流電圧が供給される直流部にリアクタを配置している。具体的に、直流部にリアクタを配置したインバータ装置の例が、特許文献１に開示されている。

特開２００１−２７５３６０号公報

しかしながら、圧縮機等の負荷が大きくなりインバータが大型化すると、電流の２乗で損失が増加するので直流部に設ける主回路リレーやリアクタも大型化する必要がある。特に、主回路リレーが大型化して、直流部の基板上に実装できない場合、主回路リレーを基板とは別の場所に設け、主回路リレーと基板とをコンタクタで電気的に繋ぐ必要がある。このコンタクタは、大電流を流す必要性から大きく、且つ部品としては高価である。そのため、コンタクタを用いて主回路リレーと基板とを接続する構成のインバータ装置は、大型化し、且つ高コストとなる。

そこで、本発明は、電流容量を確保しつつ、小型化、低コストのインバータ装置及びそれを用いた空調機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、この発明のインバータ装置は、入力された交流電圧を直流電圧に整流するダイオードモジュールと、前記ダイオードモジュールで整流された前記直流電圧で充電されるコンデンサと、前記ダイオードモジュールと前記コンデンサとの接続を制御するリレーと、前記リレーと前記コンデンサとの間に直列接続されたリアクタと、前記コンデンサの両端電圧に基づき負荷を駆動するインバータとを備え、直列接続された前記リレーと前記リアクタとの組合せが複数並列して設けられている。

また、この発明の別のインバータ装置は、入力された交流電圧を直流電圧に整流するダイオードモジュールと、前記ダイオードモジュールへの前記交流電流の入力を制御するリレーと、前記リレーとダイオードモジュールとの間に直列接続されたリアクタと、前記ダイオードモジュールで整流された前記直流電圧で充電されるコンデンサと、前記コンデンサの両端電圧に基づき負荷を駆動するインバータとを備え、直列接続された前記リレーと前記リアクタとの組合せが複数並列して設けられている。

また、複数並列に設けられた前記リレーは、一体として形成されているものを用いても良い。

また、前記リレーのそれぞれは、複数の接点を有しているものを用いても良い。

さらに、上記課題を解決するため、この空調機は、請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載のインバータ装置と、前記インバータ装置により駆動される前記負荷である電動機と、前記電動機の動作により冷媒の圧縮を行う圧縮機とを備える。

この発明のインバータ装置によると、直列接続された前記リレーと前記リアクタとの組合せが複数並列して設けられているので、電流容量を確保しつつ、小型化及び低コスト化できる。

この発明の別のインバータ装置によると、ダイオードモジュールへの前記交流電流の入力を制御するリレーと、前記リレーとダイオードモジュールとの間に直列接続されたリアクタとを備えているので、交流部に設けたリレーに対しても電流容量を確保しつつ、小型化及び低コスト化できる。

また、複数並列に設けられた前記リレーは、一体として形成されることにより、より小型化することができると共に、リレー間の接点抵抗のバラツキを小さくすることができる。

また、前記リレーのそれぞれは、複数の接点を有していることにより、より多くの電流容量を確保することができる。

さらに、この空調機によると、直列接続された前記リレーと前記リアクタとの組合せが複数並列するインバータ装置を採用するので、電流容量を確保しつつ、小型化及び低コスト化が可能となる。

（実施の形態１）
電流容量を確保しつつ、小型のリレーを用いる方法として、複数のリレーを並列に接続する方法が考えられる。しかし、単純に複数のリレーを並列にした場合、個々のリレー間で接点抵抗のバラツキが大きいため、並列にした複数のリレーのうち、いずれか１つのリレーに電流が集中し、十分な電流容量を確保することは困難である。具体的には、電流容量が２０Ａのリレーを２つ並列に接続した場合、理論的には２０Ａ×２＝４０Ａの電流容量を確保することができるが、実際には接点抵抗のバラツキにより、どちらか一方のリレーにほとんどの電流が流れるため、２２〜２５Ａ程度しか電流容量を確保できないと云われている。通電電流と接点抵抗との関係を示した一例を、図６に示す。図６に示すグラフから、リレーＡとリレーＢとに同じ通電電流を流しても接点抵抗が大きくばらつくことが分かる。

そこで、本実施の形態に係るインバータ装置では、図１に示す回路図のように構成することで、必要とされる電流容量を確保している。図１に示すインバータ装置では、交流電源（図示せず）から入力された交流電圧を直流電圧に整流するダイオードモジュール１と、負荷（図示せず）を駆動するインバータ２と、ダイオードモジュール１とインバータ２との間で直流電圧が供給される直流部とで構成されている。

図１に示す直流部は、ダイオードモジュール１で整流された直流電圧で充電されるコンデンサ３と、ダイオードモジュール１とコンデンサ３との接続を制御するリレー４と、リレー４とコンデンサ３との間に直列接続されたリアクタ５とが設けられている。さらに、図１に示す直流部では、リレー４とリアクタ５との組合せが２つ並列して設けられている。

なお、図１に示すインバータ装置には、リレー４と並列接続する形で突入電流防止回路６を設けている。この突入電流防止回路６は、リレー回路や抵抗等で構成され、インバータ２に突入電流が供給されることを防止している。

また、ダイオードモジュール１は、図示していないが複数のダイオードを備え、入力する交流電圧を全波整流して、直流部の配線に直流電圧として供給する。コンデンサ３は、平滑コンデンサであり、ダイオードモジュール１からの直流電圧を平滑してインバータ２に出力する。インバータ２は、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）等の半導体スイッチを複数備え、当該半導体スイッチのスイッチングを制御することで任意の３相交流を生成し、負荷であるモータ等を駆動する。

次に、図１に示すインバータ装置では、二つのリレー４のそれぞれにリアクタ５を直列に接続し、直列接続されたリレー４とリアクタ５との組合せ（以下、単に「組合せ」と称す）が、相互に並列に接続されている。そのため、図１に示すインバータ装置は、リレー４間での接点抵抗のバラツキをリアクタ５の抵抗で吸収し、組合せが並列接続された全体としての電流容量をより多く確保できる。

図７及び図８を用いて具体的に説明する。まず、図１に示したリレー４の接点抵抗は１ｍΩ程度で、異なるリレー４間での接点抵抗のバラツキは１００％であるとする。そのため、図７に示すリレー４のうち一方のリレー４ａが接点抵抗を１ｍΩとすると、他方のリレー４ｂの接点抵抗が２ｍΩとなる場合が考えられる。この場合、図７に示すようにリレー４ａに流れる電流は４０Ａのうち２６．７Ａが流れ、他方のリレー４ｂに流れる電流（１３．３Ａ）の約２倍となる。

しかし、本実施の形態に係るインバータ装置では、図８（ａ）に示すようにリレー４ａにリアクタ５ａを直列接続し、且つリレー４ｂにリアクタ５ｂを直列接続している。このリアクタ５ａ，５ｂの直流抵抗は、リレー４ａ，４ｂの接点抵抗に比べて十分大きく、例えば２０ｍΩ程度ある。そして、リアクタ５ａ，５ｂ間の直流抵抗のバラツキは小さく１０％程度である。そのため、一方のリレー４ａに直列接続されるリアクタ５ａの直列抵抗を２０ｍΩ、他方のリレー４ｂに直列接続されるリアクタ５ｂの直列抵抗を２２ｍΩとすると、一方のリレー４ａとリアクタ５ａとの組合せによる抵抗値は１＋２０＝２１ｍΩ、他方のリレー４ｂとリアクタ５ｂとの組合せによる抵抗値は２＋２２＝２４ｍΩとなる。よって、図８（ａ）に示すように、リレー４ａに流れる電流は４０Ａのうち１８．７Ａが流れ、他方のリレー４ｂに２１．３Ａの電流が流れることになるため、リレー４ａ，４ｂ間の電流のアンバランスを図７の場合に比べて小さくできる。さらに、リレー４ａ，４ｂがそれぞれ２０Ａまでしか流せないリレーであれば、図８（ｂ）のようにリレー４ｂに流れる電流が２０Ａとなるようにリレー４ａ，４ｂ全体に流す電流を３７．６Ａ程度に抑える。

従って、一方のリレー４ａとリアクタ５ａとの組合せと、他方のリレー４ｂとリアクタ５ｂとの組合せとの抵抗のバラツキは２０％程度に抑えることができる。つまり、リレー４ａ，４ｂのそれぞれにリアクタ５ａ，５ｂを直列接続することで接点抵抗のバラツキを抑え、リレー４ａ，４ｂ間の電流のアンバランスを小さくしている。リレー４ａ，４ｂ間の電流のアンバランスを小さくすることで、リレー４ａ，４ｂを並列にすることによる電流容量の拡大が可能となる。具体的に、電流容量が２０Ａのリレー４ａ，４ｂを図７のように単純に２つ並列にした場合、２５Ａ程度しか電流容量を確保できなかったものが、図８（ｂ）のように構成することで３７．６Ａ程度の電流容量を確保できる。そのため、安価で小型である電流容量の小さい（２０Ａ程度）リレー４を複数用いて、より大きい電流容量を確保できる。

また、図１に示すようにリレー４のそれぞれにリアクタ５を直列接続するため、１つのリアクタ５に流れる電流を小さくすることができる。例えば、電流容量の大きい１つのリレー４に当該電流容量に見合うリアクタ５を１つ設ける場合や、電流容量の小さいリレー４を複数並列して、当該複数のリレー４に対して１つのリアクタ５を設ける場合に比べて１つのリアクタ５に流れる電流を小さくすることができる。リアクタ５に流れる電流を小さくできれば、リアクタ５自体を小型化でき、安価となる。

なお、本実施の形態に係るインバータ装置では、リレー４とリアクタ５との直列接続した組合せを２つ並列した例を説明したが、本発明はこれに限られず、３つ以上を並列した構成であっても良い。

（実施の形態２）
現在市販されているリレーには、複数の接点を１つのパッケージングしたものがある。このパッケージングしたリレー（以下、リレー回路ともいう）を利用して、図１に示すインバータ装置を構成すると、図２に示す回路構成となる。

図２に示すインバータ装置では、２つの接点をもつリレー回路４０を用いている。このリレー回路４０のそれぞれの接点をそれぞれリレー４として取り扱い、当該接点と、リアクタ５とを直列接続して、リレー４とリアクタ５との直列接続した組合せを２つ並列したインバータ装置を構成している。なお、図２に示すインバータ装置は、並列する２つのリレー４をリレー回路４０に置き換えた以外は、図１に示すインバータ装置と同じ構成であるため、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図２に示すインバータ装置のように、並列する２つのリレー４をリレー回路４０に置き換えることで、個別のリレー４を基板に実装するよりも小型化できる利点を有している。さらに、個別のリレー４における接点抵抗のバラツキよりも、１つにパッケージングされたリレー回路４０におけるリレー４それぞれの接点抵抗のバラツキの方が小さいので、リレー回路４０を用いる図２に示すインバータ装置の方がより大きい電流容量を確保することができる利点を有している。

またリレー４を動作させるための電流供給も一つで足りる。

なお、図２に示すインバータ装置では、２つの接点をもつリレー回路４０を用いる例を示したが、本発明はこれに限られず、３つの接点をもつリレー回路４０を用いて、リレー４とリアクタ５との直列接続した組合せを３つ以上並列した構成でも良い。

（変形例）
さらに、本実施の形態に係るインバータ装置の変形例の回路図を図３に示す。図３に示すインバータ装置では、図１に示すインバータ装置のリレー４のそれぞれに、２つの接点を有するリレー回路を採用している。つまり、図３に示すリレー４は、接点４ａと接点４ｂとが並列接続されたリレー回路で構成される。この２つの接点４ａ，４ｂを有するリレー４のそれぞれに対してリアクタ５が直列接続され、当該リレー４とリアクタ５との組合せが２つ並列した構成が図３に示すインバータ装置である。

接点４ａ及び接点４ｂにはそれぞれリアクタ５を接続しないため、両接点４ａ，４ｂの接点抵抗のバラツキは吸収されないので、両接点４ａ，４ｂを並列にした場合、いずれか１つの接点に電流が集中し、多くの電流容量を確保することはできない。しかし、２つの接点を並列にしたリレー４は、少なくとも１つの接点を有するリレー４に比べると電流容量は増加する。そのため、図１に示すインバータ装置のように、それぞれのリレー４が１つの接点を有する場合に比べて、図３に示すインバータ装置のように、それぞれのリレー４が２つの接点を有する場合の方が、より大きい電流容量を確保することができる。

また、２つの接点を有するリレー４を採用することで、１つの接点が故障したとしても装置全体としての動作には影響を与えないため、本変形例に係るインバータ装置はより信頼性の高い装置となる。

なお、図３に示すインバータ装置では、２つの接点をもつリレー４を用いる例を示したが、本発明はこれに限られず、３つ以上の接点をもつリレー４を用いても良い。また、図３に示すインバータ装置では、２つの接点をもつリレー４とリアクタ５との直列接続した組合せを２つ並列した構成を示したが、本発明はこれに限られず、複数の接点をもつリレー４とリアクタ５との直列接続した組合せを３つ以上並列した構成でも良い。

さらに、本実施の形態及び変形例に係るインバータ装置では、インバータ２の半導体スイッチをＯＦＦにして負荷に流れる電流を止めた状態にしてからリレー４のＯＮ・ＯＦＦの制御を行っている。

（実施の形態３）
実施の形態１，２に係るインバータ装置では、ダイオードモジュール１で整流された直流電圧が供給される直流部に、リレー４を設ける構成について説明したが、本発明はこれに限られない。本実施の形態に係るインバータ装置は、図４に示すようにダイオードモジュール１に交流電圧を供給する部分（以下、単に交流部ともいう）にリレー４を設ける構成である。

図４に示すインバータ装置は、交流部にリレー４とリアクタ５との直列接続した組合せを２つ並列した構成を備えている。一方、図４に示すインバータ装置の直流部には、図１等に示すインバータ装置と異なりリレー４等を設けていない。なお、図４に示すインバータ装置は、リレー４及びリアクタ５の配置以外は、図１に示すインバータ装置と同じ構成であるため、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図４に示すインバータ装置でも、図１に示すインバータ装置と同様に、リレー４とリアクタ５との直列接続した組合せを２つ並列することで、より大きい電流容量を確保することができる。

なお、図４に示すインバータ装置では、交流部に１つの接点をもつリレー４を用いる例を示したが、本発明はこれに限られず、２つ以上の接点をもつリレー４を用いても良い。また、図４に示すインバータ装置では、交流部にリレー４とリアクタ５との直列接続した組合せを２つ並列した構成を示したが、本発明はこれに限られず、リレー４とリアクタ５との直列接続した組合せを３つ以上並列した構成でも良い。

（実施の形態４）
実施の形態１乃至３に係るインバータ装置は、空調機に用いることができる。具体的に、実施の形態１に係るインバータ装置を空調機に用いた場合は説明する。図５は、図１に示すインバータ装置を用いた空調機の回路ブロック図である。

図５に示す空調機では、図１に示すインバータ装置の構成に加えて、インバータ２により駆動されるモータ７と、モータ７により駆動されることで冷媒を圧縮する圧縮器８と、ダイオードモジュール１に交流電圧を供給する交流電源９とを備えている。

図５に示す空調機のように図１に示すインバータ装置を採用することで、必要な電流容量を確保しつつ、空調機全体も小型化、低コスト化できる。

本発明の実施の形態１に係るインバータ装置の回路図である。 本発明の実施の形態２に係るインバータ装置の回路図である。 本発明の実施の形態２の変形例に係るインバータ装置の回路図である。 本発明の実施の形態３に係るインバータ装置の回路図である。 本発明の実施の形態４に係る空調機の回路ブロック図である。 本発明の実施の形態１に係るインバータ装置の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係るインバータ装置の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係るインバータ装置の動作を説明するための図である。

符号の説明

１ ダイオードモジュール
２ インバータ
３ コンデンサ
４ リレー
５ リアクタ
６ 突入電流防止回路
７ モータ
８ 圧縮器
９ 交流電源
４０ リレー回路

Claims (5)

1. 入力された交流電圧を直流電圧に整流するダイオードモジュール（１）と、
   前記ダイオードモジュール（１）で整流された前記直流電圧で充電されるコンデンサ（３）と、
   前記ダイオードモジュール（１）と前記コンデンサ（３）との接続を制御するリレー（４）と、
   前記リレー（４）と前記コンデンサ（３）との間に直列接続されたリアクタ（５）と、
   前記コンデンサ（３）の両端電圧に基づき負荷を駆動するインバータ（２）とを備え、
   直列接続された前記リレー（４）と前記リアクタ（５）との組合せが複数並列して設けられているインバータ装置。
2. 入力された交流電圧を直流電圧に整流するダイオードモジュール（１）と、
   前記ダイオードモジュール（１）への前記交流電流の入力を制御するリレー（４）と、
   前記リレー（４）とダイオードモジュール（１）との間に直列接続されたリアクタ（５）と、
   前記ダイオードモジュール（１）で整流された前記直流電圧で充電されるコンデンサ（３）と、
   前記コンデンサ（３）の両端電圧に基づき負荷を駆動するインバータ（２）とを備え、
   直列接続された前記リレー（４）と前記リアクタ（５）との組合せが複数並列して設けられているインバータ装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のインバータ装置であって、
   複数並列に設けられた前記リレー（４）が一体として形成されているインバータ装置。
4. 請求項１又は請求項２に記載のインバータ装置であって、
   前記リレー（４）のそれぞれが、複数の接点を有しているインバータ装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載のインバータ装置と、
   前記インバータ装置により駆動される前記負荷である電動機（７）と、
   前記電動機（７）の動作により冷媒の圧縮を行う圧縮機（８）とを備える空調機。

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