JP2014150602A - パッシブフィルタ、及び、空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源周波数の制約を受けにくく、交流電源により駆動される負荷回路から発生する高調波を抑制することが可能なパッシブフィルタ、及び、空気調和装置を提供する。
【解決手段】３相交流電流の供給を受けて駆動される負荷回路の高調波を抑制するパッシブフィルタ３０は、各相の電源系統側に接続され、コイル５６及びコンデンサ５８を直列接続して構成される共振回路３１を備え、コイル５６のインダクタンスが１．０ｍＨ以上１．８ｍＨ以下であり、コンデンサ５８の容量が２００μＦ以上３５０μＦ以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、高調波電流を抑制するパッシブフィルタ、及び、このパッシブフィルタを備えた空気調和装置に関する。

従来、空気調和装置の電動機を駆動するインバータ回路から発生する高調波電流を抑制する手法が、種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の構成は、共振回路を利用したパッシブフィルタにより、負荷回路から発生する高調波電流を抑制する。

特開２０１１−５０２１１号公報

共振回路を利用するパッシブフィルタが抑制する高調波の周波数は、共振回路を構成するコイルのインダクタンスとコンデンサの容量により決まる。このため、通常、コイルのインダクタンスとコンデンサの容量が電源系統の周波数に合わせて選択される。例えば、日本における商用電源の周波数は５０Ｈｚと６０Ｈｚの２種類があり、そのいずれかに対応するようにコイルのインダクタンスとコンデンサの容量が選択される。従って、空気調和装置の設置時には、設置場所の商用電源周波数に適合したフィルタを選択する必要があった。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、電源周波数の制約を受けにくく、交流電源により駆動される負荷回路から発生する高調波を抑制することが可能なパッシブフィルタ、及び、空気調和装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、３相交流電流の供給を受けて駆動される負荷回路の高調波を抑制するパッシブフィルタであって、各相の電源系統側に接続され、第１のコイル及び第１のコンデンサを直列接続して構成される共振回路を備え、前記第１のコイルのインダクタンスが１．０ｍＨ以上１．８ｍＨ以下であり、前記第１のコンデンサの容量が２００μＦ以上３５０μＦ以下であること、を特徴とする。

上記構成において、各相に前記共振回路が接続された受電点よりも前記電源系統側に、前記負荷回路に直列接続された第２のコイルを備え、前記第２のコイルのインダクタンスが１．０ｍＨ以上５．０ｍＨ以下である構成としてもよい。

また、上記目的を達成するために、本発明は、３相交流電流の供給を受けて駆動される負荷回路の高調波を抑制するパッシブフィルタであって、各相の電源系統側に接続され、第１のコイル及び第１のコンデンサを直列接続して構成される第１の共振回路と、前記第１の共振回路に並列接続され、第２のコイル及び第２のコンデンサを直列接続して構成される第２の共振回路と、を備え、前記第１のコイルのインダクタンスが３．０ｍＨ以上６．０ｍＨ以下であり、前記第１のコンデンサの容量が６５μＦ以上１３０μＦ以下であり、前記第２のコイルのインダクタンスが３．０ｍＨ以上６．０ｍＨ以下であり、前記第２のコンデンサの容量が４５μＦ以上９５μＦ以下であること、を特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明は、３相交流電流の供給を受けて駆動される負荷回路の高調波を抑制するパッシブフィルタであって、各相の電源系統側に接続された共振回路部を備え、前記共振回路部は、直列接続された第１のコイル及び第１のコンデンサからなる共振回路と、前記第１のコンデンサに並列接続された第２のコンデンサと、前記第２のコンデンサを前記共振回路に対して接離するスイッチとを備え、前記第１のコイルのインダクタンスが３．０ｍＨ以上６．０ｍＨ以下であり、前記第１のコンデンサの容量が４５μＦ以上９５μＦ以下であり、前記第２のコンデンサの容量が２０μＦ以上３５μＦ以下であること、を特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明は、３相交流電流の供給を受けて駆動される電動機と、前記電動機により駆動される圧縮機と、前記電動機に駆動電力を供給するインバータと、前記インバータより電源系統側に接続されるパッシブフィルタと、前記電源系統から供給される交流電流の周波数を検出する制御部と、を備え、前記パッシブフィルタは、各相の前記電源系統側に接続された共振回路部を備え、前記共振回路部は、直列接続された第１のコイル及び第１のコンデンサからなる共振回路と、前記第１のコンデンサに並列接続された第２のコンデンサと、前記第２のコンデンサを前記共振回路に対して接離するスイッチとを備え、前記スイッチは前記制御部が検出した前記交流電流の周波数に応じて切り替えられること、を特徴とする。

また、上記構成において、前記第１のコイルのインダクタンスが３．０ｍＨ以上６．０ｍＨ以下であり、前記第１のコンデンサの容量が４５μＦ以上９５μＦ以下であり、前記第２のコンデンサの容量が２０μＦ以上３５μＦ以下である構成としてもよい。

本発明によれば、周波数が異なる複数の交流電源に対応して高調波を抑制することができる。

実施形態に係る空気調和装置を構成する室外ユニットの斜視図である。 第１の実施の形態におけるパッシブフィルタの回路図である。 パッシブフィルタを用いた場合の高調波電流の状態を示す図表である。 第２の実施の形態におけるパッシブフィルタの回路図である。 第３の実施の形態におけるパッシブフィルタの回路図である。

［第１の実施の形態］
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明を適用した第１の実施形態に係る空気調和装置の室外ユニット１の斜視図である。
図１に示すように、室外ユニット１は略箱形の室外機本体１０を有する。室外機本体１０の上部にはファン１２が収容され、ファン１２の下方には室外熱交換器１４が配置されている。室外熱交換器１４は室外機本体１０の左右側面及び背面において露出しており、ファン１２は、室外熱交換器１４を通して吸気し、室外機本体１０の上部開口から排気する。
室外機本体１０の下部は、圧縮機、アキュムレータ、レシーバタンク及びこれらを接続する冷媒配管等、冷媒回路の各部を収容する機械室１６となっている。また、室外機本体１０の上部には、圧縮機のモータに電力を供給するインバータ等を備えた電源回路基板や、空気調和装置の運転を制御する制御基板等を収容する電装ボックス１８が収容されている。電装ボックス１８は室外機本体１０の前面において露出していて、電装ボックス１８内部の回路基板のメンテナンスを容易に行える構成となっている。

室外機本体１０の前面下部には、上下一対のブラケット２０、２２を介して、フィルタケース２４が取り付けられている。フィルタケース２４は、後述するパッシブフィルタ３０が実装されたフィルタ基板を収容する。
フィルタケース２４を室外機本体１０の前面に配置することにより、フィルタケース２４内のフィルタ基板を、電装ボックス１８内部の電源回路基板や制御基板、及び、機械室１６に配置されたモータ等と近い位置に設置できる。このため、フィルタケース２４内のフィルタ基板を電装ボックス１８内の回路基板や機械室１６内の圧縮機等と接続する作業を、簡単に行うことができる。例えば、設置済みの室外ユニット１に対し、パッシブフィルタ３０を容易に後付け設置できる。また、フィルタケース２４は室外機本体１０の前面に露出しているため。フィルタケース２４内のフィルタ基板に対するメンテナンスが容易である。

図２は、室外ユニット１が備えるパッシブフィルタ３０、及び、その周辺回路を含む回路図である。
図２において、２は三相交流電源系統（相電圧２２０Ｖ〜２４０Ｖ）であり、３２はこの電源系統２のＲ、Ｓ、Ｔの各相の受電点に接続される負荷回路である。実施例の負荷回路３２は、空気調和機の冷媒回路を構成する圧縮機３８を駆動する電動機４０を含む回路である。負荷回路３２は電動機４の他、整流器３４、インバータ３６、平滑用コンデンサ５２、コイル５０を備えている。

電源系統２から供給される三相交流電力は整流器３４により整流され、平滑用コンデンサ５２にて平滑される。
インバータ３６は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子が２個直列接続された三つのアーム（図示略）から構成される。各アームは互いに並列接続され、三相のインバータが構成されると共に、各スイッチング素子のゲートが図示しない制御装置によりＯＮ−ＯＦＦ制御され、平滑された直流電力から所定周波数の三相交流電力を生成し、電動機４０を駆動する。

このとき、インバータ３６は直流電力を矩形波の交流電力に変換するものであるため、高調波電流が発生し、電源系統２に流れ込むことになる。そこで、この電源系統２と負荷回路３２の受電点Ｐ間に、本発明のパッシブフィルタ３０が接続される。パッシブフィルタ３０は、直列接続されたコイル５４（第１のコイル）、及び、コイル５６（第２のコイル）とコンデンサ５８（第１のコンデンサ）とを直列接続して構成される共振回路３１とによって構成される。コイル５４及び共振回路３１は、ＲＳＴの各相にそれぞれ接続される。より詳細には、共振回路３１のコイル５６の一端がコイル５４と受電点Ｐとの間に接続され、各相のコンデンサ５８の他端が相互に接続されている。パッシブフィルタ３０は、上述のように室外ユニット１に設けられたフィルタケース２４内に収容される。

図３は、パッシブフィルタ３０を用いた場合の高調波電流の状態を示す図表である。図３（Ａ）及び（Ｂ）はパッシブフィルタ３０を接続しない場合のＲＳＴ各相の電流波形を示し、（Ｃ）及び（Ｄ）はパッシブフィルタ３０を接続した場合の電流波形を示す。図３（Ａ）及び（Ｃ）は電源系統２が５０Ｈｚ交流電源の場合、（Ｂ）及び（Ｄ）は６０Ｈｚ交流電源の場合を示す。
負荷回路３２により発生する高調波電流の周波数は、電源系統２の周波数に依存するので、例えば図３（Ａ）と（Ｂ）に示すように、電源系統２の交流周波数が５０Ｈｚの場合と６０Ｈｚの場合とで高調波電流の周波数は異なっている。

パッシブフィルタ３０により効果的に高調波を抑制するためには、共振回路３１の共振周波数を高調波の周波数に適合するように調整する必要がある。すなわち、５０Ｈｚ用のパッシブフィルタ３０と、６０Ｈｚ用のパッシブフィルタ３０とでは、コイル５６のインダクタンス及びコンデンサ５８の容量をそれぞれ異なる値に最適化することが一般的である。
これに対し、本発明者らは、共振回路３１の共振周波数を２５０Ｈｚ〜３００Ｈｚの間とし、かつ、コイル５６のインダクタンスが小さく、コンデンサ５８の容量が大きくなるようにパッシブフィルタ３０を構成した。具体的には、コイル５６のインダクタンスを１．０ｍＨ以上１．８ｍＨ以下とし、コンデンサ５８の容量を２００μＦ以上３５０μＦ以下とした。より具体的な例としては、コイル５６のインダクタンスを１．４ｍＨ、コンデンサ５８の容量を２５５μＦとすることができる。
この構成によれば、共振回路３１の共振ピーク周波数の幅が大きいので、幅広い周波数の交流電流に対応して、パッシブフィルタ３０を適用して高調波を抑制できる。従って、例えば図３（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、電源系統２の周波数が５０Ｈｚの場合も、６０Ｈｚの場合も、負荷回路３２により生じる高調波を効果的に抑制できる。これにより、電源系統２の周波数に応じてパッシブフィルタ３０の構成を変更することなく、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの両周波数に対応して、高調波を抑制できる。
この構成は、電源系統２から負荷回路３２に入力される入力電流が相あたり６０Ａ以下の場合に、特に有効である。

また、コイル５４のインダクタンスは１．０ｍＨ以上５．０ｍＨ以下であることが好ましい。このコイル５４により高周波成分を抑制することで、共振回路３１による効果と合わせて、負荷回路３２によって生じる高調波をより効果的に抑制できる。より具体的な例として、コイル５４のインダクタンスを１．７ｍＨとすることができる。

［第２の実施の形態］
図４は、室外ユニット１が備えるパッシブフィルタの別の例として、パッシブフィルタ６０の構成を示す回路図である。図４には、パッシブフィルタ６０とともに、その周辺回路を示している。
第２の実施の形態では、上記第１の実施形態で説明したパッシブフィルタ３０に代えて、パッシブフィルタ６０を室外ユニット１に設けている。上記第１の実施の形態と同様に構成される各部については同符号を付して説明を省略する。

パッシブフィルタ６０は、電源系統２と受電点Ｐとの間に接続されたコイル６２、及び、コイル６２と受電点Ｐとの間に、負荷回路３２に並列接続された共振回路部６５を備えている。コイル６２及び共振回路部６５は、ＲＳＴの各相にそれぞれ接続される。
共振回路部６５は、コイル６６（第１のコイル）とコンデンサ６７（第１のコンデンサ）とを直列接続して構成される第１の共振回路６３と、コイル６８（第２のコイル）とコンデンサ６９（第２のコンデンサ）とを直列接続して構成される第２の共振回路６４とにより構成される。第１の共振回路６３において各相のコンデンサ６７の他端は共通接続され、第２の共振回路６４において各相のコンデンサ６９の他端は共通接続されている。

第１の共振回路６３、及び、第２の共振回路６４は、それぞれ、電源系統２により供給される交流電流の周波数が５０Ｈｚ、６０Ｈｚの場合に対応する。すなわち、第１の共振回路６３を構成するコイル６６のインダクタンスとコンデンサ６７の容量は、５０Ｈｚの交流電流の供給時に発生する高調波を抑制するのに適した設定とされる。一方、第２の共振回路６４を構成するコイル６８のインダクタンスとコンデンサ６９の容量は、６０Ｈｚの交流電流の供給時に発生する高調波を抑制するのに適した設定とされる。

より具体的には、コイル６６のインダクタンスは３．０ｍＨ以上６．０ｍＨ以下であり、コンデンサ６７の容量は６５μＦ以上１３０μＦ以下である。これにより、第１の共振回路６３によって、電源が５０Ｈｚの場合の高調波が抑制される。また、コイル６８のインダクタンスは３．０ｍＨ以上６．０ｍＨ以下であり、コンデンサ６９の容量は４５μＦ以上９５μＦ以下であり、電源が６０Ｈｚの場合の高調波が抑制される。
より具体的な例としては、コイル６６のインダクタンスを４ｍＨ、コンデンサ６７の容量を１００μＦとし、コイル６８のインダクタンスを４ｍＨ、コンデンサ６９の容量を７０μＦとすることができる。
パッシブフィルタ６０によれば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電流が供給され、負荷回路３２により高調波が発生しても、並列接続された第１の共振回路６３または第２の共振回路６４のいずれかによって高調波が抑制される。ここで、電源系統２から供給される交流電流の周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚのいずれかであれば、特段の設定操作や切り替え等を行うことなく、高調波を抑制できる。

また、コイル６２のインダクタンスは１．０ｍＨ以上５．０ｍＨ以下であることが好ましい。このコイル６２により高周波成分を抑制することで、共振回路部６５による効果と合わせて、負荷回路３２によって生じる高調波をより効果的に抑制できる。より具体的な例としては、コイル６２のインダクタンスを２．５ｍＨとすることができる。

［第３の実施の形態］
図５は、室外ユニット１が備えるパッシブフィルタの別の例として、パッシブフィルタ７０の構成を示す回路図である。図５には、パッシブフィルタ７０とともに、その周辺回路を示している。
第３の実施の形態では、上記第１の実施形態で説明したパッシブフィルタ３０に代えて、パッシブフィルタ７０を室外ユニット１に設けている。上記第１の実施の形態と同様に構成される各部については同符号を付して説明を省略する。

パッシブフィルタ７０は、電源系統２と受電点Ｐとの間に接続されたコイル７１、及び、コイル７１と受電点Ｐとの間に、負荷回路３２に並列接続された共振回路７２と、スイッチ７６を介して共振回路７２に接続されたコンデンサ７９とを備えている。コイル７１、共振回路７２、及びコンデンサ７９は、ＲＳＴの各相にそれぞれ接続される。
共振回路７２は、コイル７３（第１のコイル）とコンデンサ７４（第１のコンデンサ）とを直列接続して構成される。共振回路７２においてコンデンサ７４の他端は共通接続される。コンデンサ７９（第２のコンデンサ）は、スイッチ７６を介してコンデンサ７４に対して並列に接続され、コンデンサ７９の他端はＲＳＴの各相が共通接続される。

スイッチ７６は、Ｒ、Ｓ、Ｔの各相に接続される３つのコンデンサ７９を同時に接離するスイッチである。スイッチ７６が閉であるとき、共振回路７２のコンデンサの容量は並列接続されたコンデンサ７４、７９の合成容量となる。また、スイッチ７６が開であるとき、共振回路７２のコンデンサの容量はコンデンサ７４の容量となる。つまり、スイッチ７６を開閉することによって共振回路７２の容量を変化させ、共振周波数を２段階に切り替えることができる。

共振回路７２の共振周波数は、電源系統２により供給される交流電流の周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚのいずれかの場合に対応する。すなわち、コイル７３のインダクタンスとコンデンサ７４の容量は、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電流の供給時に発生する高調波を抑制するのに適した設定とされる。一方、スイッチ７６を閉じた場合の共振回路７２の容量は、６０Ｈｚまたは５０Ｈｚの交流電流の供給時に発生する高調波を抑制するのに適した設定とされる。

より具体的には、コイル７３のインダクタンスは３．０ｍＨ以上６．０ｍＨ以下であり、コンデンサ７４の容量は４５μＦ以上９５μＦ以下である。これにより、共振回路７２によって、電源が５０Ｈｚの場合の高調波が抑制される。また、コンデンサ７９の容量は２０μＦ以上３５μＦ以下であり、スイッチ７６を閉じた場合には、電源が６０Ｈｚの場合に生じる高調波が共振回路７２により抑制される。すなわち、スイッチ７６を閉じた場合にコンデンサ７４とコンデンサ７９の合成容量は６５μＦ以上１３０μＦ以下となる。
より具体的な例としては、コイル７３のインダクタンスを４ｍＨ、コンデンサ７４の容量を７０μＦ、コンデンサ７９の容量を３０μＦとすることができる。

さらに、スイッチ７６は、例えばリレーにより構成され、室外ユニット１の電装ボックス１８に収容される制御基板によって開閉される。この制御基板は、電源系統２から供給される交流電源の周波数を検出する機能を有し、検出した電源の周波数が５０Ｈｚであった場合にはスイッチ７６を開き、検出した電源の周波数が６０Ｈｚであった場合にはスイッチ７６を閉じる制御を行う。
これにより、スイッチ７６は、電源系統２から供給される交流電源の周波数に合わせて適切に、自動的に開閉される。このため、特別な操作を行わなくても、周波数が異なる複数の交流電流に対応して、高調波を抑制できる。

また、コイル７１のインダクタンスは１．０ｍＨ以上５．０ｍＨ以下であることが好ましい。このコイル７１により高周波成分を抑制することで、共振回路７２による効果と合わせて、負荷回路３２によって生じる高調波をより効果的に抑制できる。より具体的な例としては、コイル７１のインダクタンスを２．５ｍＨとすることができる。

なお、上記各実施の形態は本発明を適用した一態様を示すものであり、本発明を限定するものではない。例えば、上記各実施の形態では、空気調和装置の圧縮機を駆動する電動機４０を備えた構成を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば給湯器の貯湯タンクを加熱する冷媒回路を構成する圧縮機を駆動する電動機を備え、この電動機をインバータにより駆動する構成等にも適用可能である。また、その他の細部についても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能であるのは勿論である。

１ 室外ユニット
２ 電源系統
４ 電動機
３０、６０、７０ パッシブフィルタ
３１、７２ 共振回路
３２ 負荷回路
３４ 整流器
３６ インバータ
３８ 圧縮機
４０ 電動機
５０、５４、５６、６２、６６、６８、７１、７３ コイル
５２ 平滑用コンデンサ
５８、６７、６９、７４、７９ コンデンサ
６３ 第１の共振回路
６４ 第２の共振回路
６５ 共振回路部
７６ スイッチ
Ｐ 受電点

Claims (6)

1. ３相交流電流の供給を受けて駆動される負荷回路の高調波を抑制するパッシブフィルタであって、
   各相の電源系統側に接続され、第１のコイル及び第１のコンデンサを直列接続して構成される共振回路を備え、
   前記第１のコイルのインダクタンスが１．０ｍＨ以上１．８ｍＨ以下であり、
   前記第１のコンデンサの容量が２００μＦ以上３５０μＦ以下であること、
   を特徴とするパッシブフィルタ。
2. 各相に前記共振回路が接続された受電点よりも前記電源系統側に、前記負荷回路に直列接続された第２のコイルを備え、
   前記第２のコイルのインダクタンスが１．０ｍＨ以上５．０ｍＨ以下であること、
   を特徴とする請求項１記載のパッシブフィルタ。
3. ３相交流電流の供給を受けて駆動される負荷回路の高調波を抑制するパッシブフィルタであって、
   各相の電源系統側に接続され、第１のコイル及び第１のコンデンサを直列接続して構成される第１の共振回路と、
   前記第１の共振回路に並列接続され、第２のコイル及び第２のコンデンサを直列接続して構成される第２の共振回路と、を備え、
   前記第１のコイルのインダクタンスが３．０ｍＨ以上６．０ｍＨ以下であり、前記第１のコンデンサの容量が６５μＦ以上１３０μＦ以下であり、
   前記第２のコイルのインダクタンスが３．０ｍＨ以上６．０ｍＨ以下であり、前記第２のコンデンサの容量が４５μＦ以上９５μＦ以下であること、
   を特徴とするパッシブフィルタ。
4. ３相交流電流の供給を受けて駆動される負荷回路の高調波を抑制するパッシブフィルタであって、
   各相の電源系統側に接続された共振回路部を備え、
   前記共振回路部は、直列接続された第１のコイル及び第１のコンデンサからなる共振回路と、前記第１のコンデンサに並列接続された第２のコンデンサと、前記第２のコンデンサを前記共振回路に対して接離するスイッチとを備え、
   前記第１のコイルのインダクタンスが３．０ｍＨ以上６．０ｍＨ以下であり、前記第１のコンデンサの容量が４５μＦ以上９５μＦ以下であり、
   前記第２のコンデンサの容量が２０μＦ以上３５μＦ以下であること、
   を特徴とするパッシブフィルタ。
5. ３相交流電流の供給を受けて駆動される電動機と、
   前記電動機により駆動される圧縮機と、
   前記電動機に駆動電力を供給するインバータと、
   前記インバータより電源系統側に接続されるパッシブフィルタと、
   前記電源系統から供給される交流電流の周波数を検出する制御部と、を備え、
   前記パッシブフィルタは、各相の前記電源系統側に接続された共振回路部を備え、
   前記共振回路部は、直列接続された第１のコイル及び第１のコンデンサからなる共振回路と、前記第１のコンデンサに並列接続された第２のコンデンサと、前記第２のコンデンサを前記共振回路に対して接離するスイッチとを備え、
   前記スイッチは前記制御部が検出した前記交流電流の周波数に応じて切り替えられること、
   を特徴とする空気調和装置。
6. 前記第１のコイルのインダクタンスが３．０ｍＨ以上６．０ｍＨ以下であり、前記第１のコンデンサの容量が４５μＦ以上９５μＦ以下であり、
   前記第２のコンデンサの容量が２０μＦ以上３５μＦ以下であること、
   を特徴とする請求項５記載の空気調和装置。

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