JP2018121373A - Heat source device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、昇圧回路を備えた熱源装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a heat source device including a booster circuit.
空気調和機等の熱源装置においては、圧縮機モータをインバータによって可変速駆動して、加熱または冷却能力を可変する。大能力を得るためには圧縮機モータの回転速度を高くする必要がある。そこで、より大きな回転数を得るために昇圧回路を設け、インバータに供給する直流電圧を高めることが行われている。 In a heat source device such as an air conditioner, the compressor motor is driven at a variable speed by an inverter to vary the heating or cooling capacity. In order to obtain a large capacity, it is necessary to increase the rotational speed of the compressor motor. Therefore, in order to obtain a larger rotational speed, a booster circuit is provided to increase the DC voltage supplied to the inverter.
このような昇圧回路としては、入力電圧をスイッチ素子を介してリアクタに印加し、そのスイッチ素子のオン,オフスイッチングにより上記入力電圧を昇圧し、昇圧した電圧を逆流阻止用のダイオードを通して出力する昇圧回路が知られている。 As such a booster circuit, an input voltage is applied to a reactor through a switch element, the input voltage is boosted by switching the switch element on and off, and the boosted voltage is output through a diode for preventing backflow. A circuit is known.
上記昇圧回路に搭載されている逆流阻止用のダイオードは、順方向に流れる電流に対して抵抗値を有する。この抵抗値の存在は、昇圧回路の電力損失につながり、省エネルギー性の面で無視できない。 The backflow prevention diode mounted on the booster circuit has a resistance value with respect to a current flowing in the forward direction. The existence of this resistance value leads to power loss of the booster circuit and cannot be ignored in terms of energy saving.
また、昇圧回路の昇圧動作時は、スイッチ素子が駆動されるため、その分のロスが発生する。 Further, during the boosting operation of the booster circuit, the switch element is driven, and thus a loss corresponding to that occurs.
本発明の実施形態の目的は、昇圧回路を設けた場合の電力損失を低減できる熱源装置を提供することである。 An object of an embodiment of the present invention is to provide a heat source device that can reduce power loss when a booster circuit is provided.
請求項1の熱源装置は、入力電圧を第1スイッチのオン,オフにより昇圧し逆流阻止用のダイオードを通して出力する昇圧回路と、この昇圧回路の出力を交流変換しモータへの駆動電力として出力するインバータとを備えたものであって、前記ダイオードに並列接続された第2スイッチと、前記モータの動作状態に応じて、昇圧回路の昇圧動作と非昇圧動作を切り替えるとともに、前記第1スイッチのオン,オフによる昇圧動作時にその第1スイッチのオン,オフとは反対の位相で前記第2スイッチをオン,オフし、前記第1スイッチのオフによる非昇圧動作時に前記第2スイッチをオンする制御手段と、を備える。 The heat source device according to claim 1 boosts the input voltage by turning on and off the first switch and outputs the boosted voltage through a backflow prevention diode, and converts the output of the booster circuit into alternating current and outputs it as drive power to the motor. An inverter, and a second switch connected in parallel to the diode, and switches between a boosting operation and a non-boosting operation of the booster circuit according to the operating state of the motor, and the first switch is turned on , A control means for turning on and off the second switch at a phase opposite to the on / off of the first switch during the boost operation by turning off, and turning on the second switch at the non-boosting operation by turning off the first switch And comprising.
以下、一実施形態として、空気調和機等の熱源装置に搭載される冷凍サイクル装置を例に説明する。
図1に示すように、交流電源1にダイオードブリッジの全波整流回路2が接続され、その全波整流回路2の出力端に平滑コンデンサ3が接続される。そして、平滑コンデンサ3の両端に昇圧回路10が接続される。
Hereinafter, as an embodiment, a refrigeration cycle apparatus mounted on a heat source apparatus such as an air conditioner will be described as an example.
As shown in FIG. 1, a full-
昇圧回路10は、昇圧用のリアクタ11、スイッチ素子(第1スイッチ)SW1、逆流阻止用のダイオード12、および平滑用のコンデンサ(電解コンデンサ)13を含み、スイッチ素子SW1のオン,オフとそのオン,オフに伴うリアクタ11の電荷のチャージ(charge)とディスチャージ(discharge)の繰り返しにより入力電圧(全波整流回路2の出力電圧)を昇圧し、昇圧した電圧をダイオード12を通してコンデンサ13に印加し、そのコンデンサ13に生じる電圧を出力する。また、昇圧回路10は、スイッチ素子SW1の継続的なオフにより、入力電圧をリアクタ11およびダイオード12に通してそのまま昇圧することなくコンデンサ13に印加し、そのコンデンサ13に生じる電圧を出力する。スイッチ素子SW1として、例えばMOSFETを用いる。
The step-
この昇圧回路10のダイオード12に対し、スイッチ素子(第2スイッチ)SW2が並列接続される。スイッチ素子SW2は、オン時にエミッタ・コレクタ間の双方向に電流が流れる双方向性を有し且つオン時の抵抗値がダイオード12の順方向の抵抗値より小さいスイッチ素子たとえばMOSFETである。
A switch element (second switch) SW2 is connected in parallel to the
昇圧回路10の出力端に、インバータ20が接続される。インバータ20は、昇圧回路10の出力電圧をスイッチングにより交流変換しモータ40Mへの駆動電力として出力する。モータ40Mは、冷凍装置に搭載される圧縮機40の駆動用モータ(例えばブラシレスDCモータ)である。
An
圧縮機40は、冷媒を吸込んで圧縮し吐出する。この圧縮機40の冷媒吐出口に四方弁41を介して室外熱交換器42の一端が接続され、その室外熱交換器42の他端が膨張弁43を介して室内熱交換器44の一端に接続される。室内熱交換器44の他端は、四方弁41を介して圧縮機40の冷媒吸込口に接続される。これら圧縮機40、四方弁41、室外熱交換器42、膨張弁43、室内熱交換器44により、空気調和機用の冷凍サイクルが構成される。
The
昇圧回路10において、リアクタ11とダイオード12との間の接続ラインに、かつスイッチ素子SW1の接続点よりリアクタ11側の位置に、電流センサ14が配置される。電流センサ14は、リアクタ11に流れる電流を検知する。また、昇圧回路10におけるコンデンサ13の両端に、電圧検出部15が接続される。電圧検出部15は、昇圧回路10の出力電圧(コンデンサ13の電圧)Vdcを検出する。さらに、インバータ20とモータ40Mとの間の接続ラインに、モータ40Mに流れる電流(相巻線電流)を検知する電流センサ16,17,18が配置される。これら電流センサ14、電圧検出部15、電流センサ16〜18が制御部30に接続される。また、運転条件設定用の操作部31が制御部30に接続される。
In the
制御部30は、昇圧回路10およびインバータ20を制御するもので、主要な機能として、次の(1)〜(5)の手段を有する。
(1)モータ40Mの速度が圧縮機40の負荷(=冷温熱の要求負荷)に応じた目標速度となるように、インバータ20のスイッチングのオン,オフデューティを制御する第1制御手段。
The
(1) First control means for controlling the on / off duty of switching of the
(2)上記第1制御手段の制御によるオン,オフデューティが所定値A%以上の場合に昇圧回路10のスイッチ素子SW1をオン,オフして昇圧回路10を昇圧動作させ、上記第1制御手段の制御によるオン,オフデューティが所定値B%(<A%)未満の場合に昇圧回路10のスイッチ素子SW1をオフ(継続的にオフ)して昇圧回路10を非昇圧動作させる第2制御手段。
(2) When the on / off duty controlled by the first control means is greater than or equal to a predetermined value A%, the switch element SW1 of the
もともと、昇圧は、圧縮機40の回転数を高める場合に必要となり、低回転数で運転する場合には不要である。一方、昇圧回路10を動作させると、スイッチ素子SW1のオン,オフ動作によって、ロスが発生する、そこで、圧縮機40の回転数が低い場合には、昇圧回路10を停止(非昇圧)とすることで、圧縮機40の低回転数時の効率を向上させる。ここでは、モータの動作状態を示すパラメータとして第1制御手段の制御によるオン,オフデューティの値を用いたが、他にモータの動作状態を示すものとしては、モータの回転数、モータの目標回転数、モータ電流等を用いても良い。
Originally, the pressure increase is necessary when the rotational speed of the
(3)昇圧回路10の昇圧動作時、昇圧回路10の出力電圧Vdcが予め定めた目標値となるようにスイッチ素子SW1のオン,オフデューティを制御するとともに、スイッチ素子SW1のオン,オフとは反対の位相でスイッチ素子SW2をオン,オフする第3制御手段。
(3) During the boosting operation of the
(4)昇圧回路10の非昇圧動作時、スイッチ素子SW2をオン(継続的にオン)する第4制御手段。
(4) Fourth control means for turning on (continuously on) the switch element SW2 during the non-boosting operation of the
(5)スイッチ素子SW2のオン,オフに際し、スイッチ素子SW1がオフからオンに切換わる前にスイッチ素子SW2をオンからオフに切換え、これによりスイッチ素子SW1がオフからオンに切換わるタイミングとスイッチ素子SW2がオンからオフに切換わるタイミングとの間に両スイッチ素子SW1,SW2が共にオフ状態となるデッドタイムt1を確保するとともに、スイッチ素子SW1がオンからオフに切換わった後でスイッチ素子SW2をオフからオンに切換え、これによりスイッチ素子SW1がオンからオフに切換わるタイミングとスイッチ素子SW2がオフからオンに切換わるタイミングとの間に両スイッチ素子SW1、SW2が共にオフ状態となるデッドタイムt2を確保する第5制御手段。 (5) When the switch element SW2 is turned on / off, the switch element SW2 is switched from on to off before the switch element SW1 is switched from off to on, whereby the switch element SW1 is switched from off to on. A dead time t1 in which both the switch elements SW1 and SW2 are both turned off is ensured between the timing when SW2 is switched from on to off, and the switch element SW2 is switched after the switch element SW1 is switched from on to off. The dead time t2 when both the switch elements SW1 and SW2 are turned off between the timing at which the switch element SW1 is switched from on to off and the timing at which the switch element SW2 is switched from off to on. 5th control means to ensure.
上記全波整流回路2、昇圧回路10、インバータ20、電流センサ14,16〜17、電圧検出部15、および制御部30などにより、本実施形態の熱源装置が構成される。
The full-
つぎに、制御部30が実行する制御を図2のフローチャートおよび図3のタイムチャートを参照しながら説明する。図3において、Isw1はスイッチ素子SW1に流れる電流、Idiはダイオード12に流れる電流、Isw2はスイッチ素子SW2に流れる電流を示す。
Next, the control executed by the
操作部31で運転開始操作があった場合(ステップS1のYES)、制御部30は、昇圧回路10のスイッチ素子SW1をオフ(継続的にオフ)して昇圧回路10を非昇圧動作させ、この状態でインバータ20の運転を開始して圧縮機40を起動する(ステップS2)。
When there is an operation start operation at the operation unit 31 (YES in step S1), the
この起動に伴い、制御部30は、電流センサ16〜18の検知電流からモータ40Mの速度を検出し、検出した速度が圧縮機40の負荷(空調負荷)に応じた目標速度となるようにインバータ20のスイッチングのオン,オフデューティ(通電率ともいう)を制御する(ステップS3)。
Along with this activation, the
この時点で、制御部30は、昇圧回路10をまだ昇圧動作させていないので(ステップS4のNO)、インバータ20のスイッチングのオン,オフデューティが所定値A%(例えば最大値100%)に達しているか否かを判定する(ステップS5)。インバータ20のスイッチングのオン,オフデューティが所定値A%に達していない場合(ステップS5のNO)、制御部30は、操作部31の運転停止操作を監視する(ステップS9)。運転停止操作がない場合(ステップS9のNO)、制御部30は、ステップS3のインバータ出力制御に戻る。
At this point, the
インバータ20のスイッチングのオン,オフデューティが最大値100%に達する状態というのは、インバータ20の出力電圧をそれ以上高めることができない状態のことであり、インバータ20の出力電圧をさらに高める必要がある場合には昇圧回路10の昇圧動作が必要となる。
The state where the on / off duty of switching of the
インバータ20のスイッチングのオン,オフデューティが所定値A%に達した場合(ステップS5のYES)、制御部30は、昇圧回路10のスイッチ素子SW1をオン,オフして昇圧回路10を昇圧動作させる(ステップS6)。具体的には、制御部30は、所定周波数のキャリア信号(三角波信号)を電流センサ14の検知電流(リアクタ電流)のレベルに基づいてPWM変調することによりスイッチ素子SW1に対する駆動信号(PWM信号)を生成し、その駆動信号のオン,オフデューティを電圧検出部15の検出電圧(昇圧回路10の出力電圧)Vdcが予め定めた目標値となるように制御する。さらに、制御部30は、スイッチ素子SW1のオン,オフとは反対の位相でスイッチ素子SW2をオン,オフする。
When the ON / OFF duty of switching of the
スイッチ素子SW1のオン時、リアクタ11に対する通電路がスイッチ素子SW1を介して形成され、リアクタ11に電荷(エネルギー)がチャージされる。このとき、スイッチ素子SW2がオフしているので、しかもダイオード12の逆流阻止作用により、コンデンサ13の電圧がスイッチ素子SW1を通して放電することはない。
When the switch element SW1 is turned on, an energization path for the
続いて、スイッチ素子SW1がオフすると、リアクタ11から電荷がディスチャージされ、スイッチ素子SW1の両端に生じる電圧が上昇方向に変化する。このとき、スイッチ素子SW2がオンしているので、スイッチ素子SW1の両端に生じる電圧がダイオード12よりも抵抗値の小さいスイッチ素子SW2を介してコンデンサ13に印加される。つまり、コンデンサ13に向かう電流はダイオード12よりも抵抗値の小さいスイッチ素子SW2を通る。スイッチ素子SW2に電流が流れることによる電力損失は、ダイオード12に電流が流れる場合の電力損失よりも、小さい。
Subsequently, when the switch element SW1 is turned off, electric charges are discharged from the
両スイッチ素子SW1,SW2が同時にオンすると、コンデンサ13が短絡されてしまう。これを防止するためにスイッチ素子SW1がオフからオンに切換わるタイミングとスイッチ素子SW2がオンからオフに切換わるタイミングとの間に、両スイッチ素子SW1,SW2が共にオフ状態となるデッドタイムt1が確保される。さらに、スイッチ素子SW1がオンからオフに切換わるタイミングとスイッチ素子SW2がオフからオンに切換わるタイミングとの間に、両スイッチ素子SW1、SW2が共にオフ状態となるデッドタイムt2が確保される。これらデッドタイムt1,t2の確保により、コンデンサ13の電圧がスイッチ素子SW1を通して放電する不具合は生じない。デッドタイムt1,t2は、互いに同じ時間であっても、互いに異なる時間であってもよく、それぞれ最適な時間が設定される。
When both switch elements SW1 and SW2 are turned on simultaneously, the
なお、両スイッチ素子SW1,SW2が共にオフ状態となるデッドタイムt1,t2の期間は、入力電圧がリアクタ11およびダイオード12を介してコンデンサ13に印加されるので、ダイオード12に電流が流れるが、デッドタイムt1,t2は極めて短いので、ダイオード12での電力損失は小さい。
Note that, during the period of dead time t1 and t2 when both switch elements SW1 and SW2 are both turned off, the input voltage is applied to the
この昇圧動作の開始に伴い、制御部30は、操作部31の運転停止操作を監視する(ステップS9)。運転停止操作がない場合(ステップS9のNO)、制御部30は、ステップS3のインバータ出力制御に戻る。
With the start of this boosting operation, the
昇圧動作中(ステップS4のYES)、制御部30は、インバータ20のスイッチングのオン,オフデューティが所定値B%(例えば90%)未満であるか否かを判定する(ステップS7)。インバータ20のスイッチングのオン,オフデューティが所定値B%未満でない場合(ステップS7のNO)、制御部30は、操作部31の運転停止操作を監視する(ステップS9)。運転停止操作がない場合(ステップS9のNO)、制御部30は、ステップS3のインバータ出力制御に戻る。
During the step-up operation (YES in step S4), the
インバータ20のスイッチングのオン,オフデューティが所定値B%未満に低下した場合(ステップS7のYES)、制御部30は、スイッチ素子SW1をオフ(継続的にオフ)して昇圧回路10を非昇圧動作させる(ステップS8)。この場合、昇圧回路10への入力電圧がリアクタ11およびスイッチ素子SW2を介してそのまま昇圧されることなくコンデンサ13に印加され、そのコンデンサ13に生じる電圧が出力される。
When the on / off duty of switching of the
この非昇圧時も、ダイオード12より抵抗値の小さい方のスイッチ素子SW2を通して電流が流れるので、昇圧回路10における電力損失は小さい。
Even during this non-boosting, current flows through the switch element SW2 having a smaller resistance value than the
非昇圧時、制御部30は、スイッチ素子SW1がオンからオフに切換わった後でスイッチ素子SW2をオフからオンに切換える。これにより、スイッチ素子SW1がオンからオフに切換わるタイミングとスイッチ素子SW2がオフからオンに切換わるタイミングとの間に、両スイッチ素子SW1、SW2が共にオフ状態となるデッドタイムが確保される。よって、コンデンサ13の電圧がスイッチ素子SW1を通して放電することはない。
At the time of non-boosting, the
そして、制御部30は、操作部31の運転停止操作を監視する(ステップS9)。運転停止操作がない場合(ステップS9のNO)、制御部30は、ステップS3のインバータ出力制御に戻る。運転停止操作があった場合には(ステップS9のYES)、制御部30は、全ての運転を終了する(ステップS10)。
And the
以上のように、昇圧回路10における逆流阻止用のダイオード12と並列にスイッチ素子SW2を並列接続し、スイッチ素子SW1をオン,オフする昇圧時はスイッチ素子SW2をスイッチ素子SW1のオン,オフとは反対の位相でオン,オフし、スイッチ素子SW1をオフする非昇圧時はスイッチ素子SW2をオンすることにより、昇圧回路10の電力損失を低減できる。省エネルギー効果の向上が図れる。
As described above, the switch element SW2 is connected in parallel with the
なお、上記実施形態では、1つのダイオード12を有する昇圧回路10を例に説明したが、図4に示すように、複数たとえば3つのダイオード12a,12b,12cを互いに並列接続し、これらダイオード12a,12b,12cごとにスイッチ素子(第2スイッチ素子)SW2a,SW2b,SW2cを並列接続する構成の昇圧回路10を採用してもよい。スイッチ素子SW2a,SW2b,SW2cは、互いに同期する状態でオンし、互いに同期する状態でオフする。
In the above embodiment, the
スイッチ素子SW2a,SW2b,SW2cのオン時は、リアクタ11側からコンデンサ13に向かって流れる電流がスイッチ素子SW2a,SW2b,SW2cに分流して流れる。デッドタイムにおいてスイッチ素子SW1とスイッチ素子SW2a,SW2b,SW2cが共にオフするタイミングでは、リアクタ11側からコンデンサ13に向かって流れる電流がダイオード12a,12b,12cに分流して流れる。分流によりダイオード12a,12b,12cの個々の温度上昇およびその温度上昇に伴うダイオード12a,12b,12cの個々の抵抗値増大を抑えることができる。これにより、ダイオード12a,12b,12cに電流が流れる場合の電力損失を極力抑えることができる。
When the switch elements SW2a, SW2b, and SW2c are on, the current that flows from the
上記実施形態では、スイッチ素子SW2としてMOSFETを用いたが、オン時に双方向に電流が流れる双方向性を有し且つオン時の抵抗値がダイオード12の順方向の抵抗値より小さいスイッチ素子であれば、MOSFET以外のスイッチ素子を用いてもよい。
In the above embodiment, the MOSFET is used as the switch element SW2. However, the switch element SW2 has a bidirectional property in which a current flows bidirectionally when turned on, and the switch element has a resistance value smaller than the forward resistance value of the
その他、上記実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 In addition, the said embodiment and modification are shown as an example and are not intending limiting the range of invention. The novel embodiments and modifications can be implemented in various other forms, and various omissions, rewrites, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. In these embodiments and modifications, the scope of the invention is included in the gist, and is included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1…交流電源、2…全波整流回路、10…昇圧回路、11…昇圧用のリアクタ、12…逆流阻止用のダイオード、13…コンデンサ、SW1…スイッチ素子(第1スイッチ素子)、SW2…スイッチ素子(第2スイッチ素子)、14…電流センサ、15…電圧検出部、16〜18…電流センサ、20…インバータ、30…制御部、31…操作部、40…圧縮機、40M…モータ、41…四方弁、42…室外熱交換器、43…膨張弁、44…室内熱交換器
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記昇圧回路の出力を交流変換しモータへの駆動電力として出力するインバータと、
を備えた熱源装置において、
前記ダイオードに並列接続された第2スイッチと、
前記モータの動作状態に応じて、昇圧回路の昇圧動作と非昇圧動作を切り替えるとともに、前記第1スイッチのオン,オフによる昇圧動作時にその第1スイッチのオン,オフとは反対の位相で前記第2スイッチをオン,オフし、前記第1スイッチのオフによる非昇圧動作時に前記第2スイッチをオンする制御手段と、
を備えることを特徴とする熱源装置。 A booster circuit that boosts the input voltage by turning on and off the first switch and outputs the boosted voltage through a diode for preventing backflow;
An inverter that converts the output of the booster circuit into an alternating current and outputs it as drive power to the motor;
In a heat source device comprising:
A second switch connected in parallel to the diode;
According to the operating state of the motor, the boosting operation and non-boosting operation of the booster circuit are switched, and at the time of the boosting operation by turning on / off the first switch, the first switch is in a phase opposite to the on / off of the first switch. Control means for turning on and off two switches and turning on the second switch during non-boosting operation by turning off the first switch;
A heat source device comprising:
ことを特徴とする請求項1記載の熱源装置。 The heat source device according to claim 1, wherein the second switch is a bidirectional switch element having a resistance value when turned on that is smaller than a forward resistance value of the diode.
ことを特徴とする請求項1記載の熱源装置。 The heat source device according to claim 1, wherein the booster circuit applies a voltage passing through the diode to a capacitor and outputs a voltage of the capacitor.
ことを特徴とする請求項1記載の熱源装置。 The heat source apparatus according to claim 1, wherein the control unit controls an on / off duty of the first switch so that an output voltage of the booster circuit becomes a target value.
ことを特徴とする請求項1記載の熱源装置。 The control means ensures a dead time during which both switches are turned off between the timing when the first switch is switched from off to on and the timing when the second switch is switched from on to off. The dead time when both the switches are turned off is ensured between the timing when the first switch switches from on to off and the timing when the second switch switches from off to on. Heat source device.
前記制御手段は、前記モータの速度が目標速度となるように前記インバータのスイッチングのオン,オフデューティを制御し、このオン,オフデューティが所定値以上の場合に前記第1スイッチをオン,オフし、所定値未満の場合に前記第1スイッチを継続的にオフする、
ことを特徴とする請求項1記載の熱源装置。 The inverter converts the output of the booster circuit into AC by switching and outputs it as driving power to the motor.
The control means controls on / off duty of switching of the inverter so that the speed of the motor becomes a target speed, and turns on / off the first switch when the on / off duty is a predetermined value or more. Continuously turning off the first switch when less than a predetermined value;
The heat source device according to claim 1.
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