JP2018148705A - 電力変換装置ならびモータ駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】電源電圧が比較的高くなった場合に、コンデンサの両端電圧のリプル成分の増大を抑制できる電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置２０は、商用電源９１から出力された交流電力を整流する整流部２２と、電力変換部２８を備える。整流部２２と電力変換部２８との間には、コンデンサ２６が整流部２２に並列に接続されている。商用電源９１から出力された入力交流電力が、電力変換装置２０の定格電力よりも高い電力上限値を超える場合、電流制御部３３は、商用電源９１から整流部２２に入力される入力電流Ｉｉｎを強制的に減少させる垂下制御を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置、ならびにこれを備えたモータ駆動システムに関する。

空気調和装置には、圧縮機等のように、モータを駆動源として駆動する機器が含まれている。モータは、電力変換装置から交流電力を供給されて駆動する。

電力変換装置としては、特許文献１に示されるように、ダイオードブリッジからなる整流部、電解コンデンサからなるコンデンサ、及びインバータ式の電力変換部によって構成されているものが一般的に知られている。整流部は、商用電源から出力された交流電圧である電源電圧を整流する。コンデンサは、整流後の電圧を平滑する。電力変換部は、平滑後の電圧を用いてモータ駆動用電力を生成し、これをモータに出力する。

特開２０１０−１１５３３号公報

電力変換装置では、電源電圧が比較的高く高負荷となった場合、商用電源から電力変換装置に供給される交流電力は上記電源電圧の上昇に伴って高くなり、コンデンサの両端電圧のリプル成分は増大する。すると、リプル成分のトップの値がコンデンサの耐圧を超過し、所謂過電圧状態となった電力変換装置は運転を停止するおそれがある。リプル成分のトップの値の上昇は、例えば電解コンデンサであるコンデンサの防爆弁の破裂の要因となり得る。

上記現象は、特に、電源電圧が不安定な地域において発生確率が高まる。電源電圧が不安定な地域では、電源電圧の変動が生じ易いため、例えば一時的に電源電圧が標準値よりも高くなる場合があり得るからである。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電源電圧が比較的高くなった場合に、コンデンサの両端電圧のリプル成分の増大を抑制することにある。

第１の発明は、交流電源（91）から出力された交流電力を整流する整流部（22）と該整流部（22）から電力供給される電力変換部（28）との間にて該整流部（22）に並列にコンデンサ（26）が接続された電力変換装置（20）であって、上記交流電力を求める電力算出部（32）と、上記電力算出部（32）の算出結果が、上記電力変換装置（20）の定格電力よりも高い所定電力値を超える場合、上記交流電源（91）から上記整流部（22）に入力される入力電流を強制的に減少させる垂下制御を行う制御部（33）とを備えることを特徴とする電力変換装置である。

ここでは、交流電源（91）から出力された交流電力が、電力変換装置（20）の定格電力よりも高い所定電力値を超える場合、整流部（22）への入力電流を強制的に減少させる垂下制御が行われる。これにより、電源電圧（V0）が例えば電圧変動等によって上昇しても、入力電流（Iin）は減少するため、電源電圧（V0）と入力電流（Iin）との積に等しい交流電力の上昇は抑えられる。従って、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）のリプル成分の増大を抑え、コンデンサ（26）を含む電力変換装置（20）の構成要素の発熱量増大及び破損を防ぐことができる。

第２の発明は、第１の発明において、上記電力算出部（32）は、上記整流部（22）の出力電圧（V1）と上記電力変換部（28）を流れる電流（Im）とを乗算することにより、上記交流電力を算出することを特徴とする電力変換装置である。

これにより、交流電力を簡単に把握することができる。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、上記整流部（22）と上記コンデンサ（26）との間において上記整流部（22）に並列に接続され、上記整流部（22）の出力電圧を昇圧することによって力率改善動作を行う力率改善部（25）、を更に備えることを特徴とする電力変換装置である。

通常、昇圧型の力率改善部（25）は、力率改善部（25）の入力側の電圧（整流部（22）の出力電圧（V1））よりも出力側の電圧（コンデンサ（26）の出力電圧（V2））が高い場合に、入力側の電圧を昇圧する力率改善動作を行う。逆に、力率改善部（25）の入力側の電圧が出力側の電圧を超える場合には、力率改善部（25）は、力率改善動作を行わない。すると、昇圧型の力率改善部（25）は、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）のボトム値が力率改善部（25）に入力される電圧よりも高い場合は力率改善動作を行うが、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）のボトム値が力率改善部（25）に入力される電圧以下である期間では、力率改善動作を行わない。この現象は、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）のリプル成分が大きい程生じる可能性が高まる。この現象が生じると、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）の脈動に応じて力率改善動作が連続的ではなく間欠的に行われ、力率改善効果が十分に得られない可能性がある。

これに対し、ここでは、入力交流電力に基づき電流垂下制御の実行可否が判断される。そのため、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）のリプル成分の増大は確実に抑えられ、昇圧型の力率改善部（25）が力率改善動作を間欠的に行うことが防がれる。

また、力率改善動作の制御には、整流部（22）の出力電圧（V1）と電力変換部（28）を流れる電流とが、パラメータとして利用される。そのため、昇圧型の力率改善部（25）を備える電力変換装置（20）は、上記出力電圧（V1）の検出部及び上記電流の検出部を必ず備えている。ここでは、これらの検出部の検出結果を有効利用して交流電力を算出し、算出した交流電力に基づき電流垂下制御の実行可否を判断できる。従って、交流電力を検出するための検出部を別途設けずに済む。

第４の発明は、第１の発明から第３の発明のいずれか１項に係る電力変換装置（20）と、上記電力変換装置（20）に接続され、上記電力変換部（28）が生成して出力する出力交流電力（SU,SV,SW）を駆動源とするモータ（11）とを備え、上記電力変換装置（20）の上記制御部（31）は、上記垂下制御において、上記モータ（11）の回転数を低下させることにより上記入力電流を強制的に減少させることを特徴とするモータ駆動システムである。

これにより、入力電流（Iin）を確実に減少させることができる。

本発明によれば、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）のリプル成分の増大を抑え、コンデンサ（26）の発熱量の増大及び破損を防ぐことができる。

図１は、電力変換装置を備えたモータ駆動システムの構成図である。 図２は、空気調和装置の構成の概略図である。 図３は、垂下制御が行われる条件の説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

≪実施形態≫
＜概要＞
図１は、本実施形態に係る電力変換装置（20）を備えたモータ駆動システム（100）の構成図である。図１のモータ駆動システム（100）は、モータ（11）と、電力変換装置（20）とで構成されている。

モータ（11）は、３相のブラシレスＤＣモータであって、図示はしていないが、ステータ、ロータ及びホール素子等を有している。ステータは、複数の駆動コイルで構成されている。ロータは、永久磁石で構成されている。ホール素子は、ステータに対するロータの位置を検出するための素子である。

上記モータ（11）は、図２の空気調和装置（70）に含まれる圧縮機（72）の駆動源である。図２は、空気調和装置（70）の構成概略図である。図２に示すように、室外ユニット（71）には、冷媒を圧縮する圧縮機（72）及びモータ（11）の他、冷媒の流れを切り換える四方切換弁（73）、外気と冷媒との間で熱交換を行う室外熱交換器（74）、冷媒を減圧する膨張弁（75）、室外熱交換器（74）へ外気を供給する室外ファン（76）、及びファンモータ（77）が含まれている。室内ユニット（80）には、室内の空気と冷媒との間で熱交換を行う室内熱交換器（81）、熱交換後の空気を室内に吹き出す室内ファン（82）及びファンモータ（83）が含まれている。

図１に示すように、電力変換装置（20）は、商用電源（91）及びモータ（11）と、複数本のハーネスを介して接続されている。電力変換装置（20）は、交流電源である商用電源（91）からの入力交流電力（交流電力に相当）を出力交流電力（SU,SV,SW）に変換してモータ（11）に供給する。これにより、モータ（11）は駆動することができる。

なお、本実施形態では、商用電源（91）が単相の交流電源である場合を例に採る。

＜電力変換装置の構成＞
電力変換装置（20）は、ノイズフィルタ（21）、整流部（22）、電圧検出部（24）、力率改善部（25）、コンデンサ（26）、電力変換部（28）、電流検出部（29）及びコントローラ（31）を備える。

−ノイズフィルタ−
ノイズフィルタ（21）は、商用電源（91）と整流部（22）との間に位置している。ノイズフィルタ（21）は、例えばコイルとコンデンサとを含むローパスフィルタであって、力率改善部（25）及び電力変換部（28）にて発生した高周波ノイズの、商用電源（91）側への回り込みを防止する。

−整流部−
整流部（22）は、ノイズフィルタ（21）の後段に接続されている。整流部（22）は、４つのダイオード（22a,22b,22c,22d）で構成されている。

具体的には、ダイオード（22a,22c）の各カソード端子は、電源配線（41）に接続され、ダイオード（22b,22d）の各アノード端子は、ＧＮＤ配線（42）に接続されている。ダイオード（22a）のアノード端子とダイオード（22b）のカソード端子との接続点、及び、ダイオード（22c）のアノード端子とダイオード（22d）のカソード端子との接続点は、それぞれ商用電源（91）の出力に接続されている。

整流部（22）は、商用電源（91）からの入力交流電力を全波整流して出力する。以下では、説明の便宜上、入力交流の電圧を「電源電圧（V0）」と呼称する。

−電圧検出部−
電圧検出部（24）は、整流部（22）から出力された出力電圧（V1）を検出する。

具体的に、電圧検出部（24）は、互いに直列に接続された２つの抵抗（24a,24b）によって構成されている。互いに直列に接続された２つの抵抗（24a,24b）は、整流部（22）と力率改善部（25）との間において、整流部（22）の出力の両端、即ち電源配線（41）とＧＮＤ配線（42）とに接続されている。抵抗（24a,24b）同士の接続点における電圧値は、コントローラ（31）に入力され、コントローラ（31）の電力算出部（32）にて出力電圧（V1）の電圧値が認識される。

−力率改善部−
力率改善部（25）は、整流部（22）の出力側において、整流部（22）に並列に接続されている。特に、本実施形態では、商用電源（91）が単相の交流電源であるため、力率改善部（25）は、整流部（22）の出力電圧（V1）を昇圧することで力率改善動作を行う、昇圧型の力率改善回路となっている。

具体的に、力率改善部（25）は、２相のインターリーブ方式で構成された２相の昇圧チョッパ回路で構成されており、２つのリアクタ（L25a,L25b）、２つのスイッチング素子（Q25a,Q25b）、２つの抵抗（R25a,R25b）、２つのダイオード（D25a,D25b）を有する。

リアクタ（L25a）は、電源配線（41）上に直列に接続され、整流部（22）の出力電圧（V1）を電気エネルギーとし、これを磁束エネルギーに変化させて蓄える役割を担う。リアクタ（L25a）のインダクタンス値は、電源配線（41）上を流れる電流値やスイッチング素子（Q25a）のスイッチング周波数等に応じて、適宜決定される。

スイッチング素子（Q25a）は、Ｎｃｈの絶縁ゲートバイポーラトランジスタで構成されており、リアクタ（L25a）に対し並列に接続されている。スイッチング素子（Q25a）は、整流部（22）の出力電圧（V1）に基づくエネルギーの、リアクタ（L25a）への蓄積と放電とを切り換える役割を担う。スイッチング素子（Q25a）は、コントローラ（31）によってスイッチング素子（Q25a）のオン及びオフが制御される。

抵抗（R25a）は、スイッチング素子（Q25a）に流れるＰＦＣ電流（Ipfc）の検出用のシャント抵抗であって、スイッチング素子（Q25a）とＧＮＤ配線（42）との間に接続されている。図示していないが、抵抗（R25a）の両端電圧は、コントローラ（31）においてＰＦＣ電流（Ipfc）の算出に用いられ、算出されたＰＦＣ電流（Ipfc）は、力率改善部（25）の駆動制御に利用される。コンデンサ（26）の両端電圧（V2）がある程度上下したとしても、安定したエネルギーが力率改善部（25）の後段へと供給されるようにするためである。抵抗（R25a）の抵抗値は、力率改善部（25）による電圧の昇圧動作を妨げることのない適切な値に、決定されている。

ダイオード（D25a）は、リアクタ（L25a）の出力側において、電源配線（41）上に直列に接続されている。特に、ダイオード（D25a）のアノード端子は、リアクタ（L25a）とスイッチング素子（Q25a）との接続点よりも電流の流れ方向下流側に接続されている。ダイオード（D25a）は、リアクタ（L25a）側から電力変換部（28）側への電流の流れのみを許容する。

このような力率改善部（25）の昇圧動作（即ち、力率改善動作）について、１相分の昇圧チョッパ回路を例に説明する。先ず、スイッチング素子（Q25a）がオンすると、電源配線（41）からリアクタ（L25a）、スイッチング素子（Q25a）、抵抗（R25a）を経てＧＮＤ配線（42）への電流経路が形成され、ＰＦＣ電流（Ipfc）がこの順に流れる。すると、リアクタ（L25a）にＰＦＣ電流（Ipfc）が流れることにより、リアクタ（L25a）にはエネルギーが蓄積される。次いで、スイッチング素子（Q25a）がオフすると、上記電流経路がスイッチング素子（Q25a）によって絶たれる。リアクタ（L25a）に蓄積されたエネルギー分の電流が、ダイオード（D25a）を経てコンデンサ（26）へと流れ込み、コンデンサ（26）の両端電圧は高くなる。

なお、他相分の昇圧チョッパ回路は、上述した１相分の昇圧チョッパ回路と並列に接続されており、その動作は上記と同様である。

また、昇圧チョッパ回路の相数は２相に限定されない。上抵抗（R25a,R25b）に代えてカレントセンサ（図示せず）が、ＰＦＣ電流（Ipfc）の検出を行っても良い。

−コンデンサ−
コンデンサ（26）は、上記力率改善部（25）の後段（出力側）において、上記整流部（22）に並列に接続されている。即ち、コンデンサ（26）の一端は、電源配線（41）に接続され、他端はＧＮＤ配線（42）に接続されている。コンデンサ（26）は、例えば電解コンデンサによって構成されており、各相の昇圧チョッパ回路に共通して１つ設けられている。

言い換えると、コンデンサ（26）は、力率改善部（25）における各リアクタ（L25a,L25b）の出力側において、各スイッチング素子（Q25a,Q25b）に並列に接続されている。コンデンサ（26）は、各リアクタ（L25a,L25b）から放出されたエネルギーを充放電することで、比較的リプル成分の低い直流電圧を生成する。

−電力変換部−
電力変換部（28）は、コンデンサ（26）の後段（出力側）において、力率改善部（25）のリアクタ（L25a,L25b）に対し並列に接続されている。電力変換部（28）は、整流部（22）から力率改善部（25）及びコンデンサ（26）を介して電力供給されると（具体的には両端電圧（V2）が印加されると）、出力交流電力（SU,SV,SW）を生成する。

電力変換部（28）は、図示はしていないが、インバータ回路及びインバータ駆動部で構成されている。インバータ回路は、例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタで構成されたパワー素子と、パワー素子に逆並列に接続された還流用ダイオードとを、それぞれ複数有する構成となっている。インバータ駆動部は、例えば集積回路によって構成されており、各パワー素子のゲート端子に接続されている。インバータ駆動部は、コントローラ（31）から出力されるモータ制御信号（Pwm）に基づいて、各パワー素子へのゲート電圧の印加制御を行うことで各パワー素子をオン及びオフさせて、インバータ回路に出力交流電力（SU,SV,SW）を生成させる。

−電流検出部−
電流検出部（29）は、電力変換部（28）を流れるモータ電流（Im）の値を検出する。モータ電流（Im）とは、商用電源（91）から電源配線（41）、電力変換部（28）、モータ（11）へと流れ、再び電力変換部（28）、ＧＮＤ配線（42）を経て、商用電源（91）へと流れる電流である。従って、モータ電流（Im）は、商用電源（91）から整流部（22）に入力される入力電流（Iin）と等しい。

電流検出部（29）は、ＧＮＤ配線（42）上に直列に接続されたシャント抵抗（29a）等によって構成されている。シャント抵抗（29a）の両端電圧は、コントローラ（31）に入力され、コントローラ（31）にてモータ電流（Im）の算出に利用される。

−コントローラ−
コントローラ（31）は、メモリ及びＣＰＵによって構成されており、電圧検出部（24）、力率改善部（25）、電力変換部（28）及び電流検出部（29）と電気的に接続されている。メモリ内に格納されているプログラムをＣＰＵが読み出して実行することで、コントローラ（31）は、各種情報（整流部（22）の出力電圧（V1）、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）、モータ電流（Im）、ＰＦＣ電流（Ipfc））の把握動作、力率改善部（25）及び電力変換部（28）それぞれの動作制御等を行う。例えば、コントローラ（31）は、整流部（22）の出力電圧（V1）等に基づいて力率改善部（25）のスイッチング素子（Q25a,Q25b）のオン及びオフさせることで、力率改善動作の制御を行う。

特に、本実施形態に係るコントローラ（31）は、電力算出部（32）と、制御部に相当する電流制御部（33）として機能する。

電力算出部（32）は、整流部（22）の出力電圧（V1）とモータ電流（Im）とを乗算することにより、商用電源（91）の入力交流電力を求める。当該入力交流電力の検出結果は、電流垂下制御にて利用される。

電流制御部（33）は、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）のリプル成分の増大を抑制するために、整流部（22）に入力される入力電流（Iin）を強制的に減少させる電流垂下制御を行う。

＜電流垂下制御について＞
図３は、横軸を電源電圧（V0）の値、縦軸を電力変換装置（20）への入力交流電力の値とし、電力変換装置（20）が運転を行う「運転領域」と電流垂下制御が行われる「垂下領域」とを表す。

図３では、入力電流（Iin）（モータ電流（Im））を図示していないが、電流垂下制御は、入力電流（Iin）（モータ電流（Im））が図３に示す電流垂下レベルを超えた場合に行われる。この電流垂下レベルは、電源電圧（V0）の値及び入力交流電力の値に関係なく、概ね一定の値に設定される。例えば、電力変換装置（20）の負荷が高負荷となり入力電流（Iin）が増大すると、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）のリプル成分は増大する他、電力変換部（28）のパワー素子等に流れる電流も増大し、コンデンサ（26）及び電力変換部（28）の発熱量が場合によっては許容量を超えてこれらが破損する可能性がある。また、両端電圧（V2）のリプル成分が増大すれば、電解コンデンサであるコンデンサ（26）の防爆弁が破損する可能性がある。そこで、入力電流（Iin）が電流垂下レベルを超えた場合には、入力電流（Iin）を強制的に減少させる電流垂下制御が行われる。入力電流（Iin）を強制的に絞ることにより、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）のリプル成分は減少し、電力変換部（28）のパワー素子等に流れる電流も減少する。従って、コンデンサ（26）及び電力変換部（28）の発熱量は抑えられ、これらの破損、及び、電解コンデンサであるコンデンサ（26）の防爆弁の破損が防がれる。

図３の“垂下領域Ａ”“垂下領域Ｂ”は、入力電流（Iin）が電流垂下レベルを超えた場合に、電流垂下制御が行われる領域を例示している。

図３では、一例として、電源電圧（V0）が約１８０Ｖまでの電圧範囲では、電流垂下レベルが、電力変換装置（20）の定格電力に相関する定格電流よりも下回る値に設定されている。電源電圧（V0）が約１８０Ｖ付近から約３００Ｖ付近までの電圧範囲では、電流垂下レベルは、電力変換装置（20）の定格電力に相関する定格電流よりも高く、且つ電力変換装置（20）の電力上限値に相関する上限電流値までの間に設定されている。電力上限値とは、定格電力よりも高い電力であって、電力変換装置（20）が正常には運転動作できなくなる可能性の高い電力の上限値である。つまり、定格電力から電力上限値までの間とは、電力変換装置（20）の運転動作保証はなされないものの、電力変換装置（20）は正常に運転動作できる可能性が高い範囲を表す。

つまり、電源電圧（V0）が約１８０Ｖ付近までの電圧範囲では、入力交流電力が電力変換装置（20）の定格電力を超えないように、電流垂下制御がかかることを意味する。従って、垂下領域Ａでは、入力電流（Iin）が電流垂下レベルを超えたため、電流制御部（33）による電流垂下制御がなされ、これにより入力交流電力が電力変換装置（20）の定格電力を超えることなく入力電流（Iin）が強制的に絞られるであろう領域に該当する。この領域Ａに該当する電力変換装置（20）の状態は、電流垂下制御により、垂下領域Ａからやがて運転領域に遷移する。

ところで、電源電圧（V0）は、国及び地域によって異なる。入力電流（Iin）が一定であったとしても、電源電圧（V0）の値が増加する程、入力電流（Iin）と電源電圧（V0）との積で求められる入力交流電力の値は増加する。例えば、電源電圧（V0）の基準値が２００Ｖである国及び地域は、図３では、電源電圧（V0）が約１８０Ｖ付近から約３００Ｖ付近までの電圧範囲に含まれる。この範囲では、上述したように、入力電流（Iin）が電流垂下レベルを超えた場合、電力変換装置（20）の状態は垂下領域Ｂに該当するため、電流垂下制御がかかる。従って、入力電流（Iin）が強制的に絞られて、電力変換装置（20）の電力は電力上限値を超えることなく低下し、やがて電力変換装置（20）の状態は垂下領域Ｂから運転領域に遷移する。

しかし、国及び地域によって電源事情は様々であり、場合によっては、電源電圧（V0）が変動する現象が生じることもある。電源電圧（V0）の変動には、瞬時停電や瞬時電圧低下のように、電源電圧（V0）の値が瞬間的に低下する場合の他、電源電圧（V0）が標準値よりも高くなる場合もある。例えば、電源電圧（V0）の標準値が“２４０Ｖ”であるとすると、標準値よりも約３０％上昇した場合の電源電圧（V0）の値は“３１２Ｖ”となり、この“３１２Ｖ”が電力変換装置（20）に印加される。すると、入力電流（Iin）が電流垂下レベルに達していなくても、電力変換装置（20）への入力交流電力は、上昇した電源電圧（V0）の値が影響して標準時よりも上昇し、電力変換装置（20）にとって想定外の電力となる可能性がある。

このような入力交流電力の上昇は、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）のリプル成分を増大させ、リプル成分の増大は、コンデンサ（26）の耐圧超過、発熱量の増大及び破損の他、所謂過電圧状態となった電力変換装置（20）の運転停止を招来する可能性がある。

特に、本実施形態の力率改善部（25）は昇圧型であるため、リプル成分の増大は、力率改善部（25）による力率改善動作の間欠動作の要因ともなり得る。

通常、昇圧型の力率改善部（25）は、力率改善部（25）の入力側の電圧である整流部（22）の出力電圧（V1）よりも出力側の電圧であるコンデンサ（26）の出力電圧（V2）が高い場合に、入力側の電圧を昇圧する力率改善動作を行う。逆に、整流部（22）の出力電圧（V1）がコンデンサ（26）の出力電圧（V2）よりも高い場合、力率改善部（25）は、力率改善動作を行わない。

すると、力率改善部（25）は、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）のリプル成分におけるボトム値が整流部（22）の出力電圧（V1）（正確には、出力電圧（V1）のリプル成分におけるトップ値）よりも高い場合は力率改善動作を行うが、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）のリプル成分におけるボトム値が整流部（22）の出力電圧（V1）（正確には、出力電圧（V2）のリプル成分におけるトップ値）以下である期間では、力率改善動作を行わない。この現象が生じると、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）の脈動に応じて力率改善動作が連続的ではなく間欠的に行われることとなり、高調波抑制機能及び力率改善機能といった、力率改善部（25）が有する本来の機能が十分には発揮されず、力率改善効果が十分に得られない可能性がある。なお、この現象は、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）のリプル成分が大きい程生じる可能性が高まる。

力率改善効果が十分に得られないと、力率改善部（25）におけるＰＦＣ電流（Ipfc）は過度的に増大し、力率改善部（25）内のスッチング素子（Q25a,Q25b）等の構成素子の発熱量を増大させる要因ともなりえる。このように、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）におけるリプル成分の増大は、コンデンサ（26）のみならず、力率改善部（25）においても発熱量の増大及び構成素子の熱破壊を招く可能性がある。

そこで、本実施形態に係る電流制御部（33）は、入力電流（Iin）（モータ電流（Im））が電流垂下レベルを超えていなくても、電力算出部（32）が算出した算出結果、即ち整流部（22）の出力電圧（V1）とモータ電流（Im）との乗算結果が、電力上限値を超える場合、電流垂下制御を行う。図３の垂下領域Ｃは、当該電流垂下制御が行われる領域に相当する。上記電力上限値とは、図３に示す通り、電力変換装置（20）の定格電力よりも高い所定電力値であって、既に述べたように、供給されても電力変換装置（20）は正常には運転動作できない可能性の高い電力値である。

これにより、電源電圧（V0）が高電圧及び電力変換装置（20）が高負荷の状態時に入力電流（Iin）（モータ電流（Im））をパラメータとしてでは電流垂下制御がかからなくとも、入力交流電力をパラメータとして電流垂下制御がかかり、電力変換装置（20）の状態は、垂下領域Ｃからやがて運転領域へと遷移する。即ち、電流垂下制御の実行の要否は、電源電圧（V0）に相当する出力電圧（V1）と入力電流（Iin）と同等であるモータ電流（Im）との２つの変数によって定まる“入力交流電力”に基づいて決定される。そのため、商用電源（91）が不安定であり電源電圧（V0）が変化（具体的には上昇）する場合にも、必要に応じて電流垂下制御は確実に実行される。これにより、電源電圧（V0）が上昇しても入力電流（Iin）の電流量が絞られ、電力変換装置（20）へは電力上限値よりも低い入力交流電力が供給されることとなり、電力変換装置（20）は、図３の運転領域内の状態にて運転動作することができる。従って、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）のリプル成分の増大は抑えられる。

なお、上記以外に、電流垂下制御の実行の要否を判断する他の手法としては、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）を用いた手法が挙げられる。具体的には、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）を検出する検出部（図示せず）を設け、その検出部の検出結果であるコンデンサ（26）の両端電圧（V2）のリプル成分の大きさが閾値を超えた場合に、電流垂下制御を実行する手法である。

しかしながら、上記手法では、コンデンサ（26）の発熱を抑えコンデンサ（26）の破損を防ぐことはできるとしても、コンデンサ（26）の前段の力率改善部（25）の発熱及び破損を確実に防ぐとは言い難い。何故ならば、電流垂下制御の実行可否を判断するパラメータが、保護対象となるコンデンサ（26）の両端電圧（V2）のみであり、この両端電圧（V2）はコンデンサ（26）の状態を色濃く反映したパラメータだからである。また、コンデンサ（26）は、充放電を繰り返すことにより経年劣化する。コンデンサ（26）が劣化すると、入力交流電力が比較的小さいにも関わらず、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）のリプル成分が比較的大きくなる場合がある。すると、電流垂下制御が過度に実行されてしまうおそれがある。

特に、本実施形態では、コンデンサ（26）の前段に力率改善部（25）が位置している。力率改善部（25）が昇圧型であるため、コンデンサ（26）には、力率改善部（25）が昇圧型でない場合よりも耐圧の高い素子が採用される。コンデンサ（26）の両端電圧（V2）に基づく上記手法を採用すると仮定した場合、両端電圧（V2）のリプル成分の大きさと比較するための閾値も、力率改善部（25）が昇圧型でない場合に比しておのずと大きい値に設定される。すると、閾値が高いために、本来であれば電源電圧（V0）の変動により電源電圧（V0）が高くなったため電流垂下制御の実行が必要であるにもかかわらず、電流垂下制御が実行されない場合が発生してしまう。従って、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）に基づく上記手法では、電力変換装置（20）の確実な保護は不十分となる。

これに対し、本実施形態の電流制御部（33）は、電源電圧（V0）及び入力電流（Iin）（モータ電流（Im））を加味したパラメータと言える入力交流電力に基づき、電流垂下制御の実行可否を判断する。昇圧型の力率改善部（25）を備えた電力変換装置（20）が高負荷となったり、電源電圧変動により電源電圧（V0）が上昇したりしても、入力交流電力により電流垂下制御が実行される。そのため、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）のリプル成分の上昇を確実に抑えることができる。これにより、コンデンサ（26）の耐圧超過及び発熱による破損、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）が過電圧となることによる電力変換装置（20）の運転停止、間欠的な力率改善動作、力率改善部（25）の構成素子の発熱及び破損を、確実に防止することができる。

ここで、電流垂下制御は、入力電流（Iin）（モータ電流（Im））が電流垂下レベルを超えた場合及び入力交流電力が電力上限値を超えた場合のいずれにおいても、モータ（11）の回転数をそれまでの回転数よりも強制的に低下させることにより実行される。モータ（11）の回転数が低下すると、入力電流（Iin）（モータ電流（Im））は自ずと減少していく。

なお、電力変換装置（20）の運転状態が垂下領域Ａ〜Ｃから運転領域に遷移した時から所定時間経過しても、なおも電力変換装置（20）の運転状態が運転領域に留まっている場合、電流制御部（33）は、入力電流（Iin）を強制的に減少させるために設定していた入力電流（Iin）（モータ電流（Im））の目標値を、電流垂下制御の実行前の値に戻す。これにより、電流垂下制御は終了する。このように、電流制御部（33）は、入力電流（Iin）または入力交流電力に基づく電流垂下制御の実行と終了とを繰り返す。

＜効果＞
本実施形態では、交流電源（91）から出力された入力交流電力が、電力変換装置（20）の定格電力よりも高い電力上限値を超える場合、整流部（22）への入力電流を強制的に減少させる電流垂下制御が行われる。これにより、電源電圧（V0）が例えば電圧変動等によって上昇しても、入力電流（Iin）（モータ電流（Im））は減少するため、電源電圧（V0）と入力電流（Iin）（モータ電流（Im））との積に等しい入力交流電力の上昇は抑えられる。従って、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）のリプル成分の増大を抑え、コンデンサ（26）を含む電力変換装置（20）の構成要素の発熱量増大及び破損を防ぐことができる。

また、本実施形態では、整流部（22）の出力電圧（V1）とモータ電流（Im）とを乗算することにより、入力交流電力を簡単に算出することができる。

また、本実施形態では、入力交流電力に基づき電流垂下制御の実行可否が判断されるため、整流部（22）とコンデンサ（26）との間に昇圧型の力率改善部（25）が備えられていても、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）のリプル成分の増大は確実に抑えられる。従って、昇圧型の力率改善部（25）が力率改善動作を間欠的に行うことが防がれる。特に、力率改善動作の制御には、整流部（22）の出力電圧（V1）とモータ電流（Im）とが、パラメータとして利用される。そのため、昇圧型の力率改善部（25）を備える電力変換装置（20）は、出力電圧（V1）の電圧検出部（24）及びモータ電流（Im）の電流検出部（29）を必ず備えている。ここでは、これらの検出部（24,29）の検出結果を有効利用して入力交流電力を算出することができる。従って、入力交流電力を検出するための検出部を別途設けずに済む。

また、本実施形態の電流垂下制御では、モータ（11）の回転数を低下させる動作が行われる。これにより、入力電流（Im）を、確実に絞ることができる。

≪その他の実施形態≫
入力交流電力の算出の際に使用するパラメータは、整流部（22）の出力電圧（V1）とモータ電流（Im）の組合せに限定されず、他のパラメータの組合せであることができる。例えば、カレントセンサを用いて商用電源（91）から整流部（22）に流入する入力電流（Iin）を実際に測定した結果と、整流部（22）の出力電圧（V1）との組合せであっても良いし、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）を検出し、その検出結果と入力電流（Iin）との組合せであってもよい。また、コンデンサ（26）の両端電圧（V2）とモータ電流（Im）の組合せであっても良い。

入力交流電力は、整流部（22）の出力電圧（V1）とモータ電流（Im）の積での演算に代えて、直接測定されてもよい。

力率改善部（25）は、昇圧型でなくてもよい。また、電力変換装置（20）は、昇圧型の力率改善部（25）を備えていなくても良い。

上記実施形態では、図１に示すように、力率改善部（25）が２相インターリーブ方式の構成である場合を例示した。しかし、力率改善部（25）の構成がインターリーブ方式に限定されないことは、云うまでもない。

入力電流（Iin）を強制的に垂下させる具体的な方法は、モータ（11）の回転数を減少させる方法以外が採用されてもよい。

電力変換装置（20）に接続されたモータ（11）は、空気調和装置（70）の圧縮機（72）の駆動源に限定されず、例えばエレベータにて使用されるモータ等、どのような用途のモータであってもよい。

以上説明したように、本発明は、電源電圧の変動が生じ易い電源電圧の不安定な国及び地域における電力変換装置、及び当該国及び地域において構築されるモータ駆動システムとして利用することが特に有用である。

11 モータ
20 電力変換装置
22 整流部
25 力率改善部
26 コンデンサ
28 電力変換部
32 電力算出部
33 電流制御部（制御部）
100 モータ駆動システム

Claims (4)

1. 交流電源（91）から出力された交流電力を整流する整流部（22）と該整流部（22）から電力供給される電力変換部（28）との間にて該整流部（22）に並列にコンデンサ（26）が接続された電力変換装置（20）であって、
   上記交流電力を求める電力算出部（32）と、
   上記電力算出部（32）の算出結果が、上記電力変換装置（20）の定格電力よりも高い所定電力値を超える場合、上記交流電源（91）から上記整流部（22）に入力される入力電流を強制的に減少させる垂下制御を行う制御部（33）と
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１において、
   上記電力算出部（32）は、上記整流部（22）の出力電圧（V1）と上記電力変換部（28）を流れる電流（Im）とを乗算することにより、上記交流電力を算出する
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   上記整流部（22）と上記コンデンサ（26）との間において上記整流部（22）に並列に接続され、上記整流部（22）の出力電圧を昇圧することによって力率改善動作を行う力率改善部（25）、を更に備える
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に係る電力変換装置（20）と、
   上記電力変換装置（20）に接続され、上記電力変換部（28）が生成して出力する出力交流電力（SU,SV,SW）を駆動源とするモータ（11）と
   を備え、
   上記電力変換装置（20）の上記制御部（33）は、上記垂下制御において、上記モータ（11）の回転数を低下させることにより上記入力電流を強制的に減少させる
   ことを特徴とするモータ駆動システム。

Images