JP2022143053A - Power conversion device and washing machine including the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置及びそれを備えた洗濯機に関する。 The present invention relates to a power converter that converts AC power into DC power and a washing machine equipped with the same.
電力変換装置の一例として、交流電源の半周期に1回もしくは複数回の短絡動作を行い、力率を改善する電力変換装置を特許文献1が開示している。特許文献1は電源装置に接続した電源回路の出力電圧や電源電圧などの内部的状態に基づいて短絡手段の短絡開始時刻(ディレイ時間)と短絡期間(パルス幅)とを決定して、負荷の状態に応じて力率を最適点に制御する方法を開示している。特許文献1は電源回路の出力電圧から電源電圧を推定することで、電源電圧の変動に応じた短絡期間になるように制御を行い、力率を改善している。
As an example of a power converter,
特許文献1では、電源電圧±5%以内の変動に応じて最適な短絡期間となる様に制御を行っているが、電源電圧±5%を超えた場合はパルス幅が一定となる様制御をしている。また、電源電圧の検出回路を設けておらず、予めシミュレーションによって導出した電源回路の出力電圧と電源電圧の関係式に基づき、検出した電源回路の出力電圧から電源電圧を推定していた。
In
しかしながら電源電圧±5%を超えた大幅な電源電圧の変動に応じた力率の改善については考慮されていない。 However, no consideration is given to improving the power factor in response to a large power supply voltage fluctuation exceeding ±5% of the power supply voltage.
以上のことから本発明の目的は、大幅な電源電圧変動が生じた場合においても電源回路の力率を最大値に保ちながら出力電圧を一定に制御する電力変換装置及びそれを備えた洗濯機を提供することである。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a power conversion device and a washing machine equipped with the same, which control the output voltage to be constant while maintaining the power factor of the power supply circuit at the maximum value even when the power supply voltage fluctuates significantly. to provide.
以上のことから本発明においては、「交流電源から全波整流回路及び倍電圧整流回路に切り替え可能な整流回路を介して直流出力を得るとともに、交流電源を交流電圧のゼロクロス点を基準とする遅れ時間及びパルス幅のパルス信号により短絡するように構成された電力変換装置であって、整流回路を全波整流回路及び倍電圧整流回路に切り替え運用するときに、電源電圧が所定範囲内にある時は、遅れ時間を入力電流もしくは入力電力に対応した値として予め設定し、直流電圧を一定に制御するようにパルス幅を決定して、電源変動に対応した力率改善制御を行い、電源電圧が所定範囲外にある時は、遅れ時間を入力電流もしくは入力電力に対応した値として予め設定し、直流電圧に応じた予め設定したパルス幅とする制御を行うことを特徴とする電力変換装置」としたものである。 From the above, in the present invention, "a DC output is obtained through a rectifier circuit that can be switched from an AC power supply to a full-wave rectifier circuit and a voltage doubler rectifier circuit, and the AC power supply is delayed with respect to the zero crossing point of the AC voltage. A power conversion device that is configured to short-circuit by a pulse signal of time and pulse width, and when the power supply voltage is within a predetermined range when the rectifier circuit is switched between a full-wave rectifier circuit and a voltage doubler rectifier circuit. , the delay time is set in advance as a value corresponding to the input current or input power, the pulse width is determined so as to control the DC voltage constant, and the power factor improvement control corresponding to the power supply fluctuation is performed. When it is outside the predetermined range, the delay time is set in advance as a value corresponding to the input current or input power, and control is performed to set the pulse width in advance according to the DC voltage." It is what I did.
本発明によれば、±5%以上の電源電圧変動が生じた場合においても電源回路の力率を最大値に保ちながら出力電圧を一定に制御することができる。 According to the present invention, even when the power supply voltage fluctuates by ±5% or more, the output voltage can be controlled to be constant while maintaining the power factor of the power supply circuit at the maximum value.
以下本発明の実施例について図面を用いて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施例に係る電力変換装置を用いたモータ制御装置の基本構成例を示す図である。本実施例の電力変換装置1は図1に示すように、単相の交流電源2の一方の出力端に一端を接続したリアクトル3と、そのリアクトル3を介して交流電源2を短絡する短絡手段4と、交流電源2に接続していない側のリアクトル3の他端とリアクトル3が接続していない側の交流電源2の他端との間に入力電流検出回路12を介して接続した整流回路5と、整流回路5の直流出力の両端に直列接続した平滑コンデンサ6と、整流回路5の交流入力の一方と、平滑コンデンサ6を構成する平滑コンデンサ7と平滑コンデンサ8との接続点の間に接続した整流回路切替手段9と、交流電源2のゼロクロスを検出するゼロクロス検出回路10と、前記平滑コンデンサ6の両端の直流電圧Vdを入力しゼロクロス信号50を基準タイミングとして短絡手段4を動作させる短絡パルス信号51を出力し、整流回路切替手段9に整流回路切替信号52を出力する制御回路11と、前記交流電源2から入力される入力電流Isを検出し、制御回路11に入力電流検出信号53を出力する入力電流検出回路12と、制御回路11に交流電源2の電源電圧信号55を出力する電源電圧検出回路16を備えている。
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration example of a motor control device using a power conversion device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
図1には、電力変換装置1の直流出力Vdに接続したインバータ回路13と電動機を内蔵した圧縮機14とを備えたモータ駆動システム15を合わせて示す。ここで、制御回路11は、例えばワンチップマイクロコンピュータなどの半導体集積回路(IC)で構成しており、全ての動作をソフトウェア処理で実行している。
FIG. 1 also shows a
ゼロクロス検出回路10は、交流電源2の両端の電圧を入力し、交流電源2の交流電圧(以下、電源電圧Vsと略記する。)がゼロクロス点を通過し極性が変わるタイミングでHigh信号からLow信号に、もしくはLow信号からHigh信号に切り替わるゼロクロス信号50を出力する。このゼロクロス信号50は制御回路11へ入力される。
The zero-
制御回路11は、入力されたゼロクロス信号50の立ち上がりもしくは立ち下りを基準タイミングとして、そこから短絡手段4が短絡動作を開始するまでの期間(以下、ディレイ時間Td)および短絡する期間(以下、パルス幅Tw)を設定し、短絡パルス信号51(High、Low信号)を短絡手段4に出力する。ディレイ時間Tdおよびパルス幅Twは、制御回路11に予め記憶させるか、制御回路11で計算して求める。
The
短絡手段4は短絡パルス信号51に従って短絡開閉動作を行う。本実施例では、制御回路11から出力される短絡パルス信号51がHighの時に、短絡手段4は短絡動作する。短絡手段4は、ダイオードブリッジとIGBTもしくは、バイポーラトランジスタ、MOSFETなどの電力半導体スイッチング素子で構成しており、短絡パルス信号51に従ってリアクトル3を介して交流電源2を短絡する。この短絡開閉動作によって交流電源2の力率を改善する。
The short-circuit means 4 performs short-circuit opening/closing operation according to the short-
整流回路切替え手段9は、パワーリレー、トライアック、ダイオードブリッジと電力半導体スイッチング素子(IGBT、バイポーラトランジスタ、MOSFET)の組み合わせなどによる双方向スイッチで構成され、制御回路11が出力する整流回路切替信号52(High、Low信号)に応じて整流回路5を切り替える。本実施例では、整流回路切替信号52がLow信号のときに整流回路5を全波整流回路に切り替え、High信号のときに倍電圧整流回路に切り替える。
The rectifier circuit switching means 9 is composed of a bidirectional switch such as a combination of a power relay, a triac, a diode bridge and a power semiconductor switching element (IGBT, bipolar transistor, MOSFET). The
制御回路11は、ゼロクロス信号50と、平滑コンデンサ6の両端の直流電圧Vdである直流電圧値54と、入力電流検出信号53と、交流電源2の電源電圧値55を入力し、短絡パルス信号51と、整流回路切替信号52を出力する。
The
本実施例の電力変換装置1は、交流電源2を電源半周期に一回もしくは複数回、リアクトル3を介して短絡する動作を行って、電源電流の通流角を広げ電源力率を改善しながら、交流電力を直流電力に変換する。本実施例の電力変換装置1は、整流回路切替手段9を備えていて、整流回路5を全波整流回路あるいは倍電圧整流回路に切り替えて動作させる。そのため、パルス幅Twで直流電圧Vdを制御することに加え、幅広い範囲の直流電圧Vdを出力できる。
The
本実施例の電力変換装置1の入力電流Isに対する、ディレイ時間Tdと、パルス幅Twと、効率と、力率と、直流電圧Vdとの関係を、図2を用いて説明する。図2は、入力電流Isを変化した場合に、力率が最大となるようにディレイ時間Tdとパルス幅Twとを変えた実験結果である。図2の横軸は入力電流Isであって、図2の(a)に効率と力率を、図2の(b)に直流電圧を、図2の(c)にディレイ時間Tdとパルス幅Twとを示す。ここで、図2の横軸に入力電流を記載したが、横軸を入力電力としても同様である。以下、本実施例では横軸が入力電流の場合を説明する。
The relationship between the delay time Td, the pulse width Tw, the efficiency, the power factor, and the DC voltage Vd with respect to the input current Is of the
図2は全波整流回路及び倍電圧整流回路の実験結果である。図2の区間Aは全波整流回路で動作する入力電流範囲を示し、区間Bと区間Cとは倍電圧整流回路で動作する入力電流範囲であり、区間Cでは区間Bより負荷が重い。電源装置の起動時(入力電流がゼロ近傍)では区間Aの全波整流回路動作し、入力電流Isの増加に伴って区間Bの倍電圧整流回路動作に移行する。入力電流Isが減少していくと区間Bの倍電圧整流回路動作から区間Aの全波整流回路動作へと移行するが、区間Aと区間Bとの入力電流値53が重複する部分がありヒステリシスを持たせてあるために円滑に移行できる。 FIG. 2 shows experimental results of a full-wave rectifier circuit and a voltage doubler rectifier circuit. Section A in FIG. 2 indicates the input current range in which the full-wave rectifier circuit operates. Sections B and C indicate the input current range in which the voltage doubler rectifier circuit operates. When the power supply device is started (when the input current is near zero), the full-wave rectifier circuit operates in section A, and shifts to the voltage doubler rectifier circuit operation in section B as the input current Is increases. As the input current Is decreases, the operation of the voltage doubler rectifier circuit in Section B shifts to the operation of the full-wave rectifier circuit in Section A. You can move smoothly because you have
区間A、区間Bの入力電流Isの場合、図2の(c)に示すようにディレイ時間Tdが入力電流Isに対して単調減少し、パルス幅Twが単調増加しており、ディレイ時間Tdとパルス幅Twとの和が一定値になっている。すなわち、ディレイ時間Tdとパルス幅Twとが相互に関連付けられており、どちらか一方を決定すれば、他方を決定できる関係になっている。言い換えると、検出した入力電流Isが区間A、区間Bであれば、ディレイ時間Tdとパルス幅Twとを決定できる。また、図2の(b)に示すように、直流電圧Vdは、入力電流Isに対してほぼ一定値である。 In the case of the input current Is in sections A and B, the delay time Td monotonously decreases with respect to the input current Is, and the pulse width Tw monotonously increases, as shown in FIG. The sum with the pulse width Tw is a constant value. That is, the delay time Td and the pulse width Tw are associated with each other, and if one of them is determined, the other can be determined. In other words, if the detected input current Is is in section A and section B, the delay time Td and the pulse width Tw can be determined. Further, as shown in FIG. 2(b), the DC voltage Vd is substantially constant with respect to the input current Is.
図1に例示する本発明が適用可能な電力変換回路と、この電力変換回路における図2で示した各種の事象に鑑み、区間A、区間Bの制御に関して電力変換装置1のディレイ時間Tdとパルス幅Twを決定する手法としては以下の第1、第2、第3の手法が知られている。このうち第3の手法が特許文献1に記載の手法であり、本発明の実施例に係る第4の手法は第3の手法をさらに発展させたものである。
In view of the power conversion circuit illustrated in FIG. 1 to which the present invention can be applied and the various events shown in FIG. As methods for determining the width Tw, the following first, second, and third methods are known. Among these methods, the third method is the method described in
まずディレイ時間Tdとパルス幅Twとを決定する第1の方法として、直流電圧Vdを一定にするようにパルス幅Twを制御し、かつディレイ時間Tdとパルス幅Twとの和が一定になるようにするものがある。この方法は、短絡手段で短絡開始する時点を直流電圧が一定になるように制御して、短絡動作を終了する時点を一定にすることと同じである。これにより、図2に示す区間Aおよび区間Bでは直流電圧Vdを一定に制御すると同時に最大力率で運転が可能となる。なお、区間A、区間Bに入っているか否かの判定は電流検出信号を用いて判定する。 First, as a first method for determining the delay time Td and the pulse width Tw, the pulse width Tw is controlled so as to keep the DC voltage Vd constant, and the sum of the delay time Td and the pulse width Tw is kept constant. there is something to do This method is the same as controlling the point at which the short-circuiting device starts short-circuiting so that the DC voltage becomes constant, and the point at which the short-circuiting operation ends. As a result, in the sections A and B shown in FIG. 2, it is possible to control the DC voltage Vd to be constant and at the same time to operate at the maximum power factor. It should be noted that the current detection signal is used to determine whether or not it is in section A or section B. FIG.
ディレイ時間Tdとパルス幅Twとを決定する第2の方法として、入力電流検出回路 12からの入力電流検出信号53に応じて、ディレイ時間Tdとパルス幅Twを相互に関連付けずに、入力電流検出信号に応じてそれぞれ独立にディレイ時間Tdとパルス幅Twとを決定するものがある。高い力率で運転できるディレイ時間Tdとパルス幅Twとを、シミュレーションで予め求めて、ディレイ時間Tdの値を入力電流Isから求める関数と、パルス幅Twの値を入力電流Isから求める関数とを予め制御回路11に入力しておく。この方法はディレイ時間Tdおよびパルス幅Twを簡便に求める良い方法である。
As a second method for determining the delay time Td and the pulse width Tw, the input current is detected according to the input
次に、交流電源2の電源電圧Vsの変動に対応した、ディレイ時間Tdとパルス幅Twとを決定する第3の方法を説明する。この方法では、図2で示した関係を利用して入力電流Isとディレイ時間Tdの関係に従ってディレイ時間Tdを決定する。一方、パルス幅Twは直流電圧Vdを一定にするように決定する。なお、ディレイ時間Tdを入力電流Isで求める関数は、予め実験やシミュレーションで求めた。
Next, a third method for determining the delay time Td and the pulse width Tw corresponding to fluctuations in the power supply voltage Vs of the
この第3の方法に関し、図3に、横軸にパルス幅Twを採用した場合の、効率や力率や直流電圧Vdの電源電圧Vs依存性を示すように、第3の方法は交流電源2の電源電圧Vsの変動に対応できる点に特徴を有する。図3によれば、電源電圧Vsの変動(VS:95%、100%、105%)に伴って効率や力率や直流電圧が変動するが、これらのグラフの概形は変わらない。言い換えると、電源電圧に応じて効率と力率とは図3に示すパルス幅TwがTwA、TwB、TwCの各値で極大値のピークを持つ2次関数状に変化する。また、直流電圧Vdは、単調増加関数的に変化する。また、図3のパルス幅TwがTwA、TwB、TwCの各値で、直流電圧Vdが等しいことがわかる。つまり、電源電圧Vsが変化しても直流電圧Vdが一定になるようにパルス幅Tw(TwA、TwB、TwC)を制御すれば、力率を最大値に制御できる。 Regarding this third method, as shown in FIG. It is characterized in that it can cope with fluctuations in the power supply voltage Vs. According to FIG. 3, the efficiency, power factor, and DC voltage fluctuate as the power supply voltage Vs fluctuates (VS: 95%, 100%, 105%), but the outlines of these graphs do not change. In other words, the efficiency and the power factor change according to the power supply voltage in the form of a quadratic function in which the pulse width Tw shown in FIG. 3 has maximum peaks at TwA, TwB, and TwC. Also, the DC voltage Vd changes in a monotonically increasing function. Also, it can be seen that the DC voltage Vd is the same when the pulse width Tw in FIG. 3 is TwA, TwB, and TwC. That is, the power factor can be controlled to the maximum value by controlling the pulse width Tw (TwA, TwB, TwC) so that the DC voltage Vd remains constant even if the power supply voltage Vs changes.
この第3の方法では、図2の区間Aと、区間Bとで、ディレイ時間Tdを入力電流Isもしくは入力電力に対応した値として予め設定しておき、直流電圧Vdを一定に制御するようにパルス幅Twを決定して、電源変動に対応した力率改善制御をする。然るに、図3に示したように、前記条件が成り立つ範囲が電源変動は定格電圧の±5%程度である。 In this third method, the delay time Td is set in advance as a value corresponding to the input current Is or the input power in the interval A and the interval B in FIG. 2, and the DC voltage Vd is controlled to be constant. The pulse width Tw is determined to perform power factor improvement control corresponding to power fluctuations. However, as shown in FIG. 3, the range in which the above conditions are satisfied is about ±5% of the rated voltage.
ディレイ時間Tdとパルス幅Twとを決定する第4の方法として本発明においては、電源電圧検出回路16より出力された電源電圧値55に応じてパルス幅Twを変更することで、定格電圧の±5%を超える電圧変動にも対応する。この点に関して第3の方法を採用する特許文献1では、定格電圧の±5%を超える電圧変動が生じた場合、パルス幅Twを制限値、例えば最小パルス幅101や、最大パルス幅102に固定していた。そのため、図4のように定格電圧の±5%を超える電圧変動範囲においては、効率、力率が最大とならない制御としていた。
As a fourth method for determining the delay time Td and the pulse width Tw, in the present invention, by changing the pulse width Tw according to the power
本発明の第4の方法においては、定格電圧±5%程度までは特許文献1と同様に、前記第3の方法でパルス幅Twを決定するが、それ以上の電源変動が生じたときは図5のように予めシミュレーションにより決定した、電源電圧値55に応じた最適なパルス幅Twとする。これによって、従来技術では最適化されていなかった±5%以上の電源電圧変動が生じた場合においても、電源回路の力率を最大値に保ちながら出力電圧を一定に制御することができる。
In the fourth method of the present invention, the pulse width Tw is determined by the third method as in
次に図2の区間Cの制御方法を説明する。図2の区間Cでは、先に述べたディレイ時間Tdとパルス幅Twの和が一定になるという条件が成立しないが、ディレイ時間Tdを固定値にして、パルス幅Twを変更して直流電圧Vdを一定に保つことができる。つまり、ディレイ時間Tdを固定し、直流電圧Vdを一定に保つようにパルス幅Twを制御すれば、力率を最大値にした動作ができる。この場合にも、電源電圧Vsの大きさに対応したディレイ時間Td(固定値)を制御回路11に記憶し、電源電圧Vsの大きさに基づいてその固定値を変更すれば、電源電圧Vsの変動にも対応ができる。
Next, a control method for section C in FIG. 2 will be described. In section C of FIG. 2, the condition that the sum of the delay time Td and the pulse width Tw is constant does not hold, but the delay time Td is set to a fixed value and the pulse width Tw is changed to change the DC voltage Vd. can be kept constant. In other words, by fixing the delay time Td and controlling the pulse width Tw so as to keep the DC voltage Vd constant, the power factor can be maximized. Also in this case, if the delay time Td (fixed value) corresponding to the magnitude of the power supply voltage Vs is stored in the
以上の実施例で説明したように、電源電圧Vsの半周期に一回もしくは複数回、電源を短絡する力率改善回路を備えた本発明の電源装置は、力率を最大値に保ちながら直流電圧Vdを一定に制御できる。 As described in the above embodiments, the power supply apparatus of the present invention, which is equipped with a power factor correction circuit that short-circuits the power supply once or multiple times in a half cycle of the power supply voltage Vs, maintains the power factor at the maximum value while maintaining the DC current. Voltage Vd can be controlled to be constant.
また、本発明の電源装置を洗濯機などの家電製品に使用することで、家庭用電源の電圧変動が生じた場合においても、安定した直流電圧Vdを実現することができる。 Further, by using the power supply device of the present invention in a home appliance such as a washing machine, it is possible to realize a stable DC voltage Vd even when the voltage of the home power source fluctuates.
1…電力変換装置、2…交流電源、3…リアクトル、4…短絡手段、5…整流回路、6…平滑コンデンサ、7…平滑コンデンサ、8…平滑コンデンサ、9…整流回路切替手段、10…ゼロクロス検出回路、11…制御回路、12…入力電流検出回路、13…インバータ回路、14…圧縮機、15…モータ駆動システム、16…電源電圧検出回路、50…ゼロクロス信号、51…短絡パルス信号、52…整流回路切替信号、53…入力電流検出信号、54…直流電圧値、55…電源電圧値、101…最小パルス幅、102…最大パルス幅
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記整流回路を全波整流回路及び倍電圧整流回路に切り替え運用するときに、電源電圧が所定範囲内にある時は、前記遅れ時間を入力電流もしくは入力電力に対応した値として予め設定し、直流電圧を一定に制御するように前記パルス幅を決定して、電源変動に対応した力率改善制御を行い、前記電源電圧が所定範囲外にある時は、前記遅れ時間を入力電流もしくは入力電力に対応した値として予め設定し、直流電圧に応じた予め設定したパルス幅とする制御を行うことを特徴とする電力変換装置。 A DC output is obtained from an AC power supply through a rectifier circuit that can be switched to a full-wave rectifier circuit and a voltage doubler rectifier circuit, and the AC power supply is short-circuited by a pulse signal having a delay time and a pulse width based on the zero cross point of the AC voltage. A power conversion device configured to
When the rectifier circuit is switched between a full-wave rectifier circuit and a voltage doubler rectifier circuit, and the power supply voltage is within a predetermined range, the delay time is set in advance as a value corresponding to the input current or the input power, and the DC The pulse width is determined so as to control the voltage to be constant, power factor improvement control corresponding to power supply fluctuations is performed, and when the power supply voltage is outside a predetermined range, the delay time is adjusted to the input current or input power. A power converter characterized in that a corresponding value is set in advance and control is performed to set the pulse width in advance according to the DC voltage.
前記整流回路を全波整流回路から倍電圧整流回路に切り替え後に、前記遅れ時間を固定値にして、前記パルス幅を変更して直流電圧を一定に保つことを特徴とする電力変換装置。 The power converter according to claim 1,
After switching the rectifier circuit from a full-wave rectifier circuit to a voltage doubler rectifier circuit, the power conversion device is characterized in that the delay time is set to a fixed value and the pulse width is changed to keep the DC voltage constant.
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