JP2018174643A - コンバータ装置及びその制御方法並びにモータ駆動装置 - Google Patents

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貴政 渡辺
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Abstract

【課題】リアクタの大型化を回避しつつ、リアクタの損失低減および騒音低減を図ったコンバータ装置を提供する。【解決手段】コンバータ装置10は、交流電源30からの入力電圧を全波整流する整流部11と、整流部11の出力端子間に接続されたスイッチング素子13と、スイッチング素子13に並列に接続されたコンデンサ14と、整流部11とスイッチング素子13との間の電力線に設けられたリアクタ12と、スイッチング素子13のオンオフを制御するコンバータ制御部17とを備えている。コンバータ制御部17は、スイッチング素子13のオンオフ制御において、スイッチング素子13のオン状態を連続的に維持するスイッチング停止期間を設ける。【選択図】図1

Description

本発明は、コンバータ装置及びその制御方法並びにモータ駆動装置に関するものである。
家庭用空調機などには、搭載される圧縮機のモータを駆動するためのモータ駆動装置が搭載されている。モータ駆動装置は、例えば、商用電源から入力された二相交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ装置と、コンバータ装置から出力された直流電圧を三相交流電圧に変換して圧縮機モータに供給するインバータ装置とを備えている。
このようなモータ駆動装置のコンバータ装置では、高効率技術の一つとして、スイッチング素子をPAM(Pulse Amplitude Modulation)制御することによって、インバータ装置に供給する直流電圧を制御する技術が用いられている(例えば、特許文献1、2参照)。
特開2001−178139号公報 特許第4092087号公報
上記PAM制御を実施する場合、リアクタに流れる電流波形がスイッチ動作に依存して歪む、換言すると、高周波成分を含むため、リアクタの騒音およびリアクタで発生する電力損失(鉄損)の増加が課題となる。
上記リアクタは鉄心材と巻線(例えば、銅線)で構成されるため、他の電子部品に比べて重量が大きく、小型化や軽量化が強く要求されている。リアクタを小型化するには鉄心サイズを小さくする必要があり、電流密度の増加、すなわち、銅損の増加が課題となる。
逆に、鉄心サイズを大きくすることによって、損失を低下させることも可能であるが、重量が大きくなるため、好ましくない。
このように、コンバータ装置の小型化と損失低下とはトレードオフの関係にあり、両方を満足させることが難しかった。
更に、PAM制御を行うコンバータ装置においては、上述のように、スイッチングによる高調波の発生による騒音の問題がある。例えば、従来、騒音を低減するために、スイッチング周波数を可聴領域外(例えば、20kHzを超える周波数)に設定する方法が提案されている。この方法ではリアクタのサイズは小さくすることができるが、周波数が高いことからインバータ装置に入力される波形の歪みが大きくなる。このため、例えば、国際電気標準会議(IEC)が定める高調波規制を満足するために、高性能なフィルタを設ける必要があり、コストの増大を免れない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、リアクタの大型化を回避しつつ、リアクタの損失低減および騒音低減を図ることのできるコンバータ装置及びその制御方法並びにモータ駆動装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第一態様は、交流電源からの入力電圧を全波整流する整流部と、前記整流部の出力端子間に接続されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子に並列に接続されたコンデンサと、前記整流部と前記スイッチング素子との間の電力線に設けられたリアクタと、前記スイッチング素子のオンオフを制御するコンバータ制御部とを備え、前記コンバータ制御部は、前記スイッチング素子のオンオフ制御において、前記スイッチング素子のオン状態を連続的に維持するスイッチング停止期間を設けるコンバータ装置である。
上記構成によれば、スイッチング素子のオンオフ制御において、スイッチング素子のオン状態を連続的に維持するスイッチング停止期間を設けるので、リアクタに流れる電流に高調波が発生しない期間を設けることが可能となる。これにより、リアクタを大型化させることなく、容易にリアクタ損失及びリアクタ騒音を低減することができる。
上記コンバータ装置は、前記整流部に入力される入力電圧を検出する電圧検出部を備え、前記コンバータ制御部は、前記電圧検出部によって検出された入力電圧の振幅を所定の変調率で増加させることにより変調信号を生成する変調信号生成部と、前記電圧検出部によって検出された入力電圧を用いて、所定の周波数を有するキャリア波を生成するキャリア波生成部と、前記変調信号生成部によって生成された変調信号と前記キャリア波生成部によって生成されたキャリア波とを比較することにより、前記スイッチング素子の制御信号を生成する波形比較部とを備えていてもよい。
このように、入力電圧の振幅を所定の変調率で増加させることにより、容易にスイッチング停止期間を設けることが可能となる。
上記コンバータ装置において、前記変調率は、前記リアクタを流れるリアクタ電流に含まれる高調波が所定の高調波規制を満足する範囲に設定される。
上記変調率は、例えば、110%以上120%以下の範囲で設定されている。
変調率を上記範囲に設定することにより、高調波を好適に低減させることが可能となる。
上記コンバータ装置において、前記キャリア波の周波数は、可聴領域の範囲で設定されていてもよい。
キャリア波の周波数を上記範囲に設定することにより、高調波を低減するための高性能フィルタ等を不要にすることが可能となる。
本発明の第二態様は、上記いずれかに記載のコンバータ装置と、前記コンバータ装置から出力された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ装置とを備えるモータ駆動装置である。
本発明の第三態様は、交流電源の出力を全波整流する整流部と、前記整流部の出力端子間に並列に接続されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子に並列に接続されたコンデンサと、前記整流部と前記スイッチング素子との間の電力線に設けられたリアクタとを備えるコンバータ装置の制御方法であって、前記スイッチング素子のオンオフ制御において、前記スイッチング素子のオン状態を連続的に維持するスイッチング停止期間を設けるコンバータ装置の制御方法である。
本発明によれば、リアクタの大型化を回避しつつ、リアクタの損失低減および騒音低減を図ることができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係るモータ駆動装置の概略構成を示した図である。 本発明の一実施形態に係るコンバータ制御部の概略構成を示した図である。 本発明の一実施形態に係る変調信号Vsin、キャリア波Vs、及びPAM制御信号Vpamの波形の一例を示した図である。 本発明の一実施形態に係るコンバータ装置において、変調波生成部の変調率を100%に設定した場合、換言すると、スイッチング停止期間を設けない場合の変調信号Vsin、キャリア波Vs、及びPAM制御信号Vpamの波形の一例を示した図である。 本発明の一実施形態に係るコンバータ装置において、変調波生成部における変調率を115%に設定したときのリアクタ電圧の電圧波形を示した図である。 本発明の一実施形態に係るコンバータ装置において、変調波生成部における変調率を115%に設定したときのリアクタ電流の電流波形を示した図である。 本発明の一実施形態に係るコンバータ装置と同様の構成において、変調波生成部による振幅の変調率を100%に設定した場合のリアクタ電圧の電圧波形を示した図である。 本発明の一実施形態に係るコンバータ装置と同様の構成において、変調波生成部による振幅の変調率を100%に設定した場合のリアクタ電流の電流波形を示した図である。 本発明の一実施形態に係るコンバータ装置において、変調波生成部における変調率を100%、110%、115%、120%に設定したときの試験結果を示した図であり、各変調率におけるリアクタ騒音、リアクタ損失、IECによって規定されている高調波規制に対する高調波余裕度の最小値を比較して示した図である。 図9に示した試験において、変調率を120%に設定したときの入力電流、スイッチング素子の駆動信号、モータ電流の波形をそれぞれ示した図である。 図9に示した試験において、変調率を100%に設定したときの入力電流、スイッチング素子の駆動信号、モータ電流の波形をそれぞれ示した図である。
以下に、本発明に係るコンバータ装置及びその制御方法並びにモータ駆動装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。以下の説明において、モータ駆動装置は、例えば、家庭用空気調和機に適用される場合を例示して説明するが、本発明のコンバータ装置及びその制御方法並びにモータ駆動装置はその他の機器に対しても汎用的に広く適用可能である。
図1は、本実施形態に係るモータ駆動装置の概略構成を示した図である。図1に示すように、本実施形態に係るモータ駆動装置は、コンバータ装置10及びインバータ装置20を主な構成として備えている。
コンバータ装置10は、整流部11、リアクタ12、スイッチング素子13、コンデンサ14、及びコンバータ制御部17を主な構成として備えている。
整流部11は、交流電源30から出力される二相の交流電圧である入力電圧を全波整流する。例えば、整流部11は、2つで1対をなすダイオード素子がブリッジ接続された構成とされている。なお、整流部11に用いられる素子は、ダイオードに限られず、サイリスタなどの整流素子を用いてもよい。
スイッチング素子13は、整流部11の出力端子間にリアクタ12を介して整流部11と並列に接続されている。スイッチング素子13は、例えば、IGBT、FET等の半導体素子である。スイッチング素子のオンオフは、後述するコンバータ制御部17によって制御される。
コンデンサ14は、スイッチング素子13の出力側に、スイッチング素子13と並列に接続されている。コンデンサ14は、スイッチング素子13のオンオフに応じて、電荷の充電及び放電を行う。
リアクタ12は、例えば、整流部11とスイッチング素子13との間の高圧側電力線に設けられている。なお、リアクタ12の設置位置についてはこれに限られず、例えば、整流部11とスイッチング素子13との間の低圧側電力線に設けられてもよいし、高圧側と低圧側の両方(計2個)に設けられてもよい。また、スイッチング素子13とコンデンサ14との間の高圧側電力線にはダイオード15が設けられている。図1では高圧側電力線にダイオード15を設ける場合を例示しているが、ダイオード15は、低圧側電力線に設けられていてもよく、また、高圧側電力線と低圧側電力線との両方に設けられていてもよい。ダイオード15によって、コンデンサ14に充電された電荷の逆流が防止される。なお、ダイオード15に代えて、他の整流素子を用いてもよい。
更に、コンバータ装置10は、交流電源30から整流部11に入力される入力電圧を検出し、コンバータ制御部17に出力する電圧検出部16を備えている。
コンバータ制御部17は、スイッチング素子13のオンオフを制御する。また、コンバータ制御部17は、後述するように、スイッチング素子13のオンオフ制御において、スイッチング素子13のオン状態を連続的に維持するスイッチング停止期間を設ける。
コンバータ制御部17は、例えば、マイクロコンピュータであり、CPUがROMなどに記憶された制御プログラムをRAMに読みだして実行することにより、後述する各部の機能が実現される。なお、コンバータ制御部17は、各種機能を実現するアナログ回路やデジタル回路等として構成されていてもよい。
スイッチング素子駆動回路18は、コンバータ制御部17から供給されるPAM制御信号Vpamに基づいてスイッチング素子(例えば、IGBT)のゲート入力信号を生成し、スイッチング素子13を駆動する。
インバータ装置20は、コンバータ装置10から出力された直流電圧を三相交流電圧に変換してモータ40に出力する。本実施形態において、モータ40は、家庭用空気調和機に用いられる圧縮機モータである。
インバータ装置20は、例えば、6つのスイッチング素子を有する三相ブリッジ型のインバータ回路21と、インバータ回路21を制御するインバータ制御部22を備えている。インバータ回路21が備える各スイッチング素子は、例えば、インバータ制御部22から出力されるPWM信号に基づいて駆動される。
図2は、本実施形態に係るコンバータ制御部17の概略構成を示した図である。図2に示すように、コンバータ制御部17は、変調波生成部171と、キャリア波(三角波)生成部172と、波形比較部173とを備える。
変調波生成部171は、電圧検出部16によって検出された入力電圧を用いて変調信号Vsinを生成する。ここで、電圧検出部16によって検出される入力電圧は、例えば、周波数50Hzまたは60Hzの正弦波である。変調波生成部171は、入力電圧の正弦波を全波整流し、かつ、所定の振幅変調率で振幅を増加させた変調信号Vsinを生成する。ここで、所定の振幅変調率は、後述するように、高調波規制を満足する範囲に設定されており、具体的には、110%以上120%以下の範囲で設定されるとよい。
キャリア波生成部172は、入力電圧に同期するとともに、予め設定された所定の周波数をもつ三角波を生成する。例えば、所定の周波数は、可聴領域の周波数範囲内で設定される。より具体的には、所定の周波数は、適宜設定することが可能であるが、過剰に大きくした場合(例えば、10kHzを超える周波数)には、高性能なノイズフィルタが必要となり、また、過剰に小さくした場合(例えば、1kHz未満)には、リアクタの重量(インダクタンス)増加が必要となる。したがって、上記のバランスを考慮し、例えば、所定の周波数を1kHz以上10kHz以下に設定するとよい。
波形比較部173は、変調波生成部171によって生成された変調信号Vsinと、キャリア波生成部172によって生成されたキャリア波Vsとを比較し、PAM制御信号Vpamを生成する。具体的には、波形比較部173は、変調信号Vsinがキャリア波Vs以上のレベルとなっている間はHighレベル、変調信号Vsinがキャリア波Vs以下のレベルとなっている間はLowレベルとなる矩形波信号であるPAM制御信号Vpamを生成する。
波形比較部173は、生成したPAM制御信号Vpamをスイッチング素子駆動回路18に出力する。
スイッチング素子駆動回路18は、波形比較部173によって生成された矩形波信号であるPAM制御信号Vpamに基づいて、スイッチング素子13のオンオフ制御を行う。これにより、PAM制御信号VpamがHighレベルのときにはスイッチング素子13がオン状態に、PAM制御信号VpamがLowレベルのときにはスイッチング素子13がオフ状態に制御される。
図3に、本実施形態に係る変調信号Vsin、キャリア波Vs、及びPAM制御信号Vpamの波形の一例を、図4に変調波生成部171において変調率を100%に設定した場合、換言すると、変調を行っていない場合の変調信号Vsin、キャリア波Vs、及びPAM制御信号Vpamの波形の一例を示す。
図3に示すように、本実施形態に係る変調信号Vsinは、変調波生成部171において振幅が所定の変調率で増加させられていることから、図4に示した変調を行っていない場合と比べて、変調信号Vsinがキャリア波Vs以上となる期間が連続的に発生する。そして、この期間、PAM制御信号Vpamは、Highレベルを維持することとなる。したがって、本実施形態に係るコンバータ装置10によれば、スイッチング素子13を連続的にオン状態とする期間、換言すると、スイッチングを行わない期間を設けることができる。このように、スイッチング素子13の連続したオン期間を設けることで、スイッチング回数を低減することができ、リアクタ12に流れる電流が高周波成分を含まない期間を発生させることができる。これにより、リアクタの損失(鉄損、銅損)の低減を図ることができる。また、スイッチング停止期間を有することで、騒音を低減させることが可能となる。
次に、本実施形態に係るモータ駆動装置の動作について説明する。
まず、交流電源30から出力された交流電圧は、整流部11によって全波整流され、リアクタ12を介してスイッチング素子13、例えば、IGBTのコレクタ・エミッタ間に供給される。このとき、整流部11からの出力電圧は、リアクタ12により位相が遅れてスイッチング素子13に供給される。
一方、交流電源30から整流部11に入力される入力電圧は、電圧検出部16によって検出され、コンバータ制御部17の変調波生成部171及びキャリア波生成部172に出力される。変調波生成部171は、入力された電圧波形を全波整流するとともに、振幅を所定変調率で変調した変調信号Vsinを生成する。これにより、例えば、入力電圧の周波数の2倍の周波数(例えば、入力電圧が60Hzの場合には、120Hz)を持つとともに、振幅が所定の変調率で増加された変調信号Vsinが生成される。なお、このとき、リアクタ12による位相遅延を考慮し、入力電圧に対して所定の位相遅延を持たせた変調信号Vsinを生成するとよい。
一方、キャリア波生成部172は、入力電圧に同期し、予め設定された所定の周波数を有するキャリア波を生成する。なお、キャリア波についても、リアクタ12による位相遅延を考慮し、入力電圧に対して所定の位相遅延を持たせたキャリア波Vsとしてもよい。なお、所定の位相遅延は、変調信号Vsinとキャリア波Vsとで同じ値とする。
波形比較部173は、変調波生成部171からの変調信号Vsinと、キャリア波生成部172からのキャリア波Vsとを比較することにより、矩形波信号であるPAM制御信号Vpamを生成する。
波形比較部173によって生成された矩形波信号であるPAM制御信号Vpamは、スイッチング素子駆動回路18に供給される。スイッチング素子駆動回路18は、PAM制御信号Vpamに基づくデューティ比でスイッチング素子13をオン/オフ制御する。ここで、インバータ装置20に供給される出力電圧の大きさは、スイッチング素子13をオンオフするデューティ比に応じて決定される。
このようにして、スイッチング素子13がオンすると、リアクタ12を流れる電流が増加し、リアクタ12にエネルギーが蓄積される。そして、スイッチング素子13がオフされると、リアクタ12に蓄積されていたエネルギーが放出され、ダイオード15を通じてコンデンサ14であるコンデンサを充電する。そして、コンデンサ14に充電された電圧がインバータ装置20のインバータ回路21に出力電圧として供給される。
インバータ装置20では、インバータ制御部22によってインバータ回路21のスイッチング素子が所定のデューティ比でオンオフされることにより、三相交流電圧が生成され、この三相交流電圧がモータ40に供給されることにより、モータ40が回転制御される。
図5及び図6は、上述した本実施形態に係るコンバータ装置10において、変調波生成部171における変調率を115%に設定したときの試験結果を示した図であり、図5はリアクタ電圧の電圧波形を示した図、図6はリアクタ電流の電流波形を示した図である。
また、図7及び図8は、本実施形態に係るコンバータ装置10と同様の構成において、変調波生成部171による振幅の変調率を100%に設定した場合の試験結果を示した図であり、図7はリアクタ電圧の電圧波形を示した図、図8はリアクタ電流の電流波形を示した図である。
また、図5〜8はいずれも、入力電流を6.0Arms、キャリア周波数を8kHz、リアクタのインダクタンスを10mHとした場合の試験結果を示している。
図5及び図7からわかるように、本実施形態に係るコンバータ装置10によれば、スイッチング素子13が連続的にオン状態とされている期間、換言すると、スイッチング素子13のオンオフ制御が連続的に停止されている期間において、リアクタ電圧に高調波が発生しない。これにより、図6及び図8からわかるように、リアクタ電流に含まれる高調波を低減することができ、騒音及び損失を低減することが可能となる。
また、図9は上述した本実施形態に係るコンバータ装置10において、変調波生成部171における変調率を100%、110%、115%、120%に設定したときの試験結果を示した図であり、各変調率におけるリアクタ騒音、リアクタ損失、IECによって規定されている高調波規制に対する高調波余裕度の最小値を比較して示した図である。また、図9に示した試験結果を得たときの試験条件は以下の通りである。
入力電流:8Arms
入力電圧:220V
入力電圧の周波数:50Hz
キャリア周波数:4kHz
リアクタのインダクタンス:10mH
また、図10は上記試験において変調率120%に設定したときの入力電流、スイッチング素子13の駆動信号、具体的には、スイッチング素子13をIGBTとしたときのコレクタ−エミッタ間の電圧、モータ電流の波形をそれぞれ示した図、図11は上記試験において変調率100%に設定したときの入力電流、スイッチング素子の駆動信号、モータ電流の波形をそれぞれ示した図である。
図9〜図11から、PAM変調率が高いほどリアクタ騒音及びリアクタ損失が低減されていることがわかる。その一方で、高調波余裕度については、PAM変調率を増加させると、入力電流の低次高調波(3次、5次)の割合が高くなり、高調波規制に対する余裕度が小さくなる。したがってPAM変調率の上限値は、高調波規制を満足できる最大値となる。図9〜図11の結果から、少なくともPAM変調率が110%以上120%以下の範囲であれば、リアクタ騒音、リアクタ損失、及び高調波余裕度の全ての観点から好適な結果が得られていることがわかる。
以上、本実施形態に係るコンバータ装置及びその制御方法並びにモータ駆動装置によれば、変調波生成部171が入力電圧の振幅を所定の変調率で増加させるので、図3に示したように、スイッチング素子13の連続したオン時間を設けることができ、その間の高調波成分の発生を回避することができる。これにより、リアクタの大型化を回避しつつ、騒音及びリアクタ損失を低減させることが可能となる。
更に、所定の変調率を適切な値に設定することにより、高調波規制を満足することが可能となる。
更に、本実施形態に係るコンバータ装置及びモータ駆動装置によれば、キャリア波を可聴領域以下の周波数にとどめることにより、キャリア波をそれ以上の周波数帯域に設定した場合と比べて、高調波の発生を抑制することができる。これにより、例えば、高価なフィルタなどを必要とせずに、所定の高調波規制を満足させることが可能となる。
10 :コンバータ装置
11 :整流部
12 :リアクタ
13 :スイッチング素子
14 :コンデンサ
15 :ダイオード
16 :電圧検出部
17 :コンバータ制御部
18 :スイッチング素子駆動回路
20 :インバータ装置
21 :インバータ回路
22 :インバータ制御部
171 :変調波生成部
172 :キャリア波生成部
173 :波形比較部
Vsin :変調信号
Vs :キャリア波
Vpam :PAM制御信号

Claims (7)

  1. 交流電源からの入力電圧を全波整流する整流部と、
    前記整流部の出力端子間に接続されたスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子に並列に接続されたコンデンサと、
    前記整流部と前記スイッチング素子との間の電力線に設けられたリアクタと、
    前記スイッチング素子のオンオフを制御するコンバータ制御部と
    を備え、
    前記コンバータ制御部は、前記スイッチング素子のオンオフ制御において、前記スイッチング素子のオン状態を連続的に維持するスイッチング停止期間を設けるコンバータ装置。
  2. 前記整流部に入力される入力電圧を検出する電圧検出部を備え、
    前記コンバータ制御部は、
    前記電圧検出部によって検出された入力電圧の振幅を所定の変調率で増加させることにより変調信号を生成する変調信号生成部と、
    前記電圧検出部によって検出された入力電圧を用いて、所定の周波数を有するキャリア波を生成するキャリア波生成部と、
    前記変調信号生成部によって生成された変調信号と前記キャリア波生成部によって生成されたキャリア波とを比較することにより、前記スイッチング素子の制御信号を生成する波形比較部と
    を備える請求項1に記載のコンバータ装置。
  3. 前記変調率は、前記リアクタを流れるリアクタ電流に含まれる高調波が所定の高調波規制を満足する範囲に設定される請求項2に記載のコンバータ装置。
  4. 前記変調率は、110%以上120%以下の範囲で設定されている請求項3に記載のコンバータ装置。
  5. 前記キャリア波の周波数は、可聴領域の範囲で設定されている請求項2から請求項4のいずれかに記載のコンバータ装置。
  6. 請求項1から請求項5のいずれかに記載のコンバータ装置と、
    前記コンバータ装置から出力された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ装置と
    を備えるモータ駆動装置。
  7. 交流電源の出力を全波整流する整流部と、前記整流部の出力端子間に並列に接続されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子に並列に接続されたコンデンサと、前記整流部と前記スイッチング素子との間の電力線に設けられたリアクタとを備えるコンバータ装置の制御方法であって、
    前記スイッチング素子のオンオフ制御において、前記スイッチング素子のオン状態を連続的に維持するスイッチング停止期間を設けるコンバータ装置の制御方法。
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