JP2023019899A - コンバータ装置、空気調和機、コンバータ装置の制御方法およびプログラム - Google Patents

コンバータ装置、空気調和機、コンバータ装置の制御方法およびプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】コンバータ回路、ノイズ規制とリアクタ温度上昇との両方の観点から最適なスイッチング周波数で動作させる。【解決手段】コンバータ装置は、交流電源からの電力を、コンバータ回路を通じて直流電力に変換するコンバータ装置であって、負荷に流れる電流の検出結果に基づいて、運転状態が低負荷運転か高負荷運転かを判定する負荷判定部と、前記運転状態に応じて、前記コンバータ回路のスイッチング周波数を決定する周波数決定部と、ノイズ規制を満たす周波数領域である規制クリア周波数領域を特定する領域特定部と、を備え、前記周波数決定部は、前記運転状態が高負荷運転である場合に、前記スイッチング周波数を、前記規制クリア周波数領域に属する周波数の中でリアクタ損失が最も小さくなる周波数に決定する。【選択図】図１

Description

本開示は、コンバータ装置、空気調和機、コンバータ装置の制御方法およびプログラムに関する。
空気調和機等に用いられるコンバータ装置の中には、例えば、昇圧チョッパの小型軽量化のために、電磁鋼板リアクタを使用したインターリーブ方式がある。特に、リアクタ材を電磁鋼板とした場合は、その周波数特性を考慮して、適切なスイッチング周波数で運転する必要がある。
本開示に関連する技術として、特許文献１には、交流電源と負荷との間に接続され、前記交流電源からの交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータ装置であって、前記交流電源より入力された交流電力を直流電力に変換する整流手段と、前記整流手段の直流出力側に、該整流手段に並列に接続された平滑手段と、前記整流手段と前記平滑手段との間に、互いに並列に設けられた２つのスイッチング回路と、前記スイッチング回路を制御する制御手段とを備えるコンバータ装置が開示されている。
特開２０１４－１５０６２２号公報
コンバータ回路のリアクタにおける損失（以下、「リアクタ損失」とも表記する。）に伴う温度上昇を抑えたいというニーズから、スイッチング周波数を適切に選択する必要があるが、その一方で、電磁波妨害（ＥＭＩ）に基づく規制（以下、「ノイズ規制」とも表記する。）を満たす必要がある。このような観点から最適なスイッチング周波数で駆動させることが望まれている。
本開示の目的は、コンバータ回路を、ノイズ規制とリアクタ温度上昇との両方の観点から最適なスイッチング周波数で動作させることができるコンバータ装置、空気調和機、コンバータ装置の制御方法およびプログラムを提供することにある。
本開示の一態様によれば、コンバータ装置は、交流電源からの電力を、コンバータ回路を通じて直流電力に変換するコンバータ装置であって、負荷に流れる電流の検出結果に基づいて、運転状態が低負荷運転か高負荷運転かを判定する負荷判定部と、前記運転状態に応じた、前記コンバータ回路のスイッチング周波数を決定する周波数決定部と、ノイズ規制を満たす周波数領域である規制クリア周波数領域を特定する領域特定部と、を備える。前記周波数決定部は、前記運転状態が高負荷運転である場合に、前記スイッチング周波数を、前記規制クリア周波数領域に属する周波数の中でリアクタ損失が最も小さくなる周波数に決定する。
本開示の一態様によれば、コンバータ装置の制御方法は、交流電源からの電力を、コンバータ回路を通じて直流電力に変換するコンバータ装置の制御方法であって、負荷に流れる電流の検出結果に基づいて、運転状態が低負荷運転か高負荷運転かを判定するステップと、前記運転状態に応じた、前記コンバータ回路のスイッチング周波数を決定するステップと、ノイズ規制を満たす周波数領域である規制クリア周波数領域を特定するステップと、を有する。前記スイッチング周波数を決定するステップでは、前記運転状態が高負荷運転である場合に、前記スイッチング周波数を、前記規制クリア周波数領域に属する周波数の中でリアクタ損失が最も小さくなる周波数に決定する。
本開示の一態様によれば、プログラムは、交流電源からの電力を、コンバータ回路を通じて直流電力に変換するコンバータ装置のコンピュータに、負荷に流れる電流の検出結果に基づいて、運転状態が低負荷運転か高負荷運転かを判定するステップと、前記運転状態に応じた、前記コンバータ回路のスイッチング周波数を決定するステップと、ノイズ規制を満たす周波数領域である規制クリア周波数領域を特定するステップと、を実行させる。前記スイッチング周波数を決定するステップでは、前記運転状態が高負荷運転である場合に、前記スイッチング周波数を、前記規制クリア周波数領域に属する周波数の中でリアクタ損失が最も小さくなる周波数に決定する。
上述の各態様によれば、コンバータ回路を、ノイズ規制とリアクタ温度上昇との両方の観点から最適なスイッチング周波数で動作させることができる。
第１の実施形態に係る空気調和機の回路構成を示す図である。 第１の実施形態に係るコンバータ制御部の機能構成を示す図である。 第１の実施形態に係るコンバータ制御部の処理フローを示す図である。 第１の実施形態に係るコンバータ制御部の処理の詳細な説明に用いる図である。 第１の実施形態に係るコンバータ制御部の処理の詳細な説明に用いる図である。 第１の実施形態に係るコンバータ制御部の処理の詳細な説明に用いる図である。
＜第１の実施形態＞
以下、第１の実施形態に係るコンバータ装置およびこれを備える空気調和機について、図１～図６を参照しながら説明する。
（空気調和機の回路構成）
図１は、第１の実施形態に係る空気調和機の回路構成を示す図である。
図１に示すように、空気調和機１は、コンバータ装置２と、ゼロクロス検出部３と、負荷４とを備えている。ここで、負荷４は、実際にはインバータ装置とモータである。また、ゼロクロス検出部３は、交流電源Ｐの交流電力のゼロクロス点を示すゼロクロス信号を出力する。
コンバータ装置２は、交流電源Ｐから入力される交流電力を直流電力に変換して負荷４（インバータ装置およびモータ）に出力する。コンバータ装置２は、コンバータ制御部２０と、整流回路２１と、コンバータ回路２２と、平滑コンデンサ２３とを有している。
コンバータ制御部２０は、例えばＭＰＵ（Micro Processing Unit）などのプロセッサであって、予め用意されたプログラムに従って動作する。コンバータ制御部２０は、ゼロクロス信号を基準にして、所定のスイッチング周波数でコンバータ回路２２を駆動させる。また、本実施形態に係るコンバータ制御部２０は、負荷電流（モータ電流）を参照することで、現在の運転状態（高負荷運転か低負荷運転か）を識別し、運転状態に応じたスイッチング周波数でコンバータ回路２２を駆動させる。本実施形態に係るコンバータ制御部２０が実行する処理の詳細については後述する。
本実施形態に係るコンバータ回路２２は、インターリーブ方式の回路構成を有し、リアクタＬ１、Ｌ２と、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ２と、ダイオードＤ１、Ｄ２と、を備える。一般に、インターリーブ方式では、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ２が異なる位相でスイッチングされることで、交流電源Ｐへの高調波成分の重畳を抑制するとともに、より高い力率改善効果を得ることができる。
（コンバータ制御部の機能構成）
図２は、第１の実施形態に係るコンバータ制御部の機能構成を示す図である。
本実施形態に係るコンバータ制御部２０は、予め用意されたプログラムに従って動作することで、負荷判定部２０１、領域特定部２０２および周波数決定部２０３としての機能を有する。
負荷判定部２０１は、負荷４に流れる電流（負荷電流）の検出結果に基づいて、空気調和機１の運転状態が低負荷運転か高負荷運転かを判定する。
領域特定部２０２は、ノイズ規制を満たす周波数領域（以下、「規制クリア周波数領域」とも表記する。）を特定する。特に、本実施形態に係る領域特定部２０２は、負荷の大きさ（負荷電流の大きさ）に応じた規制クリア周波数領域を特定する。
周波数決定部２０３は、空気調和機１の運転状態に応じて、最適なコンバータ回路２２のスイッチング周波数を決定する。特に、本実施形態に係る周波数決定部２０３は、運転状態が低負荷運転である場合に、コンバータ回路２２のスイッチング周波数を、リアクタ損失とスイッチング損失との和が最も小さくなる周波数に決定する。また、運転状態が高負荷運転である場合には、周波数決定部２０３は、コンバータ回路２２のスイッチング周波数を、規制クリア周波数領域に属する周波数の中でリアクタ損失が最も小さくなる周波数に決定する。
（コンバータ制御部の処理フロー）
図３は、第１の実施形態に係るコンバータ制御部の処理フローを示す図である。
また、図４～図６は、第１の実施形態に係るコンバータ制御部の処理の詳細な説明に用いる図である。
図３に示す処理フローは、空気調和機１の運転中において繰り返し実行される。
まず、コンバータ制御部２０の負荷判定部２０１は、負荷４にて検出される負荷電流の検出結果を取得し（ステップＳ０１）、現在の運転状態が高負荷運転か低負荷運転かを判定する（ステップＳ０２）。ステップＳ０２における判定処理は、例えば、負荷電流の検出結果と、所定の閾値との比較による判定であってよい。
空気調和機１の運転状態における「高負荷運転」とは、例えば、運転開始直後において、現在温度を急速に設定温度に近づける際に行われる運転である。また、空気調和機１の運転状態における「低負荷運転」とは、例えば、現在温度が設定温度に到達し、その状態を維持するために行う運転である。
空気調和機１の運転状態が低負荷運転であった場合（ステップＳ０２；低負荷運転）、コンバータ制御部２０の周波数決定部２０３は、スイッチング周波数を、リアクタ損失とスイッチング損失との和が最小となる周波数に決定する（ステップＳ０３）。
ここで、ステップＳ０３の処理について、図４を参照しながら詳しく説明する。
図４は、リアクタＬ１、Ｌ２で発生するリアクタ損失（左縦軸）とスイッチング周波数（横軸）との関係、および、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ２で発生するスイッチング損失（左縦軸）とスイッチング周波数（横軸）との関係を表したグラフである。また、図４のグラフは、リアクタ損失とスイッチング損失との和（右縦軸）とスイッチング周波数（横軸）との関係も示している。
図４に示すように、一般に、スイッチング損失はスイッチング周波数が大きくなるほど増加する。一方、リアクタ損失は、スイッチング周波数が大きくなるほど小さくなる傾向があるが、ある周波数で最小値をとり、それ以降は増加に転じる。
低負荷運転は、空気調和機１の運転時間の大部分を占めるため、少しでも低消費電力であることが望まれている。一方、低負荷である（電流が小さい）ことから、ノイズ規制による制限は受けにくい。そこで、上記のようなニーズに応えるべく、低負荷運転時においては、最も消費電力が抑えられる周波数、すなわち、リアクタ損失とスイッチング損失との和が最小となるスイッチング周波数（図４に示す周波数ｆ１）が選択される。
図３に戻り、空気調和機１の運転状態が高負荷運転であった場合（ステップＳ０２；高負荷運転）、次に、コンバータ制御部２０の領域特定部２０２は、ノイズ規制をクリアする周波数領域（規制クリア周波数領域）を特定する（ステップＳ０４）。
そして、周波数決定部２０３は、スイッチング周波数を、ステップＳ０４で特定された規制クリア周波数領域に属する周波数の中でリアクタ損失が最小となる周波数に決定する（ステップＳ０５）。
ここで、ステップＳ０４～ステップＳ０５の処理について、図５、図６を参照しながら詳しく説明する。
図５、図６は、図４と同様に、リアクタ損失（左縦軸）とスイッチング周波数（横軸）との関係、スイッチング損失（左縦軸）とスイッチング周波数（横軸）との関係、ならびに、リアクタ損失とスイッチング損失との和（右縦軸）とスイッチング周波数（横軸）との関係を示している。
高負荷運転は、通常、空気調和機１の起動直後の短時間のみであるため、低消費電力化へのニーズは比較的小さい。しかし、高負荷で運転する（大電流が流れる）ことから、リアクタ素子（リアクタＬ１、Ｌ２）での温度上昇が問題になり得る。リアクタ素子の温度上昇を抑えるためには、リアクタ損失を少しでも抑える必要がある。そこで、周波数決定部２０３は、全体の消費電力を最小化するよりも、リアクタ損失を最小化する観点で周波数を選択する。
また、高負荷運転時ではノイズ規制に基づく制約を受け得る。すなわち、高負荷運転時には、ノイズ規制を満たすために、設定可能なスイッチング周波数に制約（上限）が生じる。そしてその制約は、負荷が大きくなるほど厳しくなる。そこで、領域特定部２０２は、まず、現在の負荷の大きさ（負荷電流の大きさ）を取得し、その負荷に応じた規制クリア周波数領域を特定する（図３のステップＳ０４）。
例えば、相対的に負荷が小さい場合には、図５に示すように、上限周波数ｆｍａｘが大きくなり、その結果、規制クリア周波数領域が広くなる。一方、相対的に負荷が大きい場合には、図６に示すように、上限周波数ｆｍａｘが小さくなり、その結果、規制クリア周波数領域が狭くなる。
さらに、リアクタ素子の温度上昇の最小化（つまり、リアクタ損失の最小化）を図るために、周波数決定部２０３は、規制クリア周波数領域の中で最もリアクタ損失が小さくなる周波数を選択する（図３のステップＳ０５）。
例えば、図５に示す例の場合、規制クリア周波数領域の中で最もリアクタ損失が小さくなる周波数は、リアクタ損失が最小値となる周波数ｆ２である。そこで、周波数決定部２０３は、スイッチング周波数を、周波数ｆ２に決定する。
一方、図６に示す例の場合、上限周波数ｆｍａｘが周波数ｆ２よりも小さい。そのため、規制クリア周波数領域の中で最もリアクタ損失が小さくなる周波数ｆ２’は、上限周波数ｆｍａｘに一致する。そこで、周波数決定部２０３は、スイッチング周波数を、周波数ｆ２’（＝ｆｍａｘ）に決定する。
なお、上記のような処理においては、例えば、負荷の大きさと上限周波数ｆｍａｘとの関係が示された情報テーブルを事前に用意しておき、領域特定部２０２は、この情報テーブルを参照することで、負荷の大きさに応じた上限周波数ｆｍａｘ（規制クリア周波数領域）を一意に特定するものとしてもよい。
図３に戻り、周波数決定部２０３は、ステップＳ０３またはステップＳ０５で決定されたスイッチング周波数でコンバータ回路２２を駆動させる（ステップＳ０６）。
（作用効果）
以上の通り、第１の実施形態に係るコンバータ装置２（周波数決定部２０３）は、運転状態が高負荷運転である場合に、コンバータ回路２２のスイッチング周波数を、規制クリア周波数領域に属する周波数の中でリアクタ損失が最も小さくなる周波数に決定することを特徴とする。
このようにすることで、ノイズ規制を満足することを最優先に、与えられた制約の中でリアクタ素子の温度上昇を最も抑制することができる周波数でコンバータ回路２２を駆動させることができる。
また、第１の実施形態に係るコンバータ装置２（領域特定部２０２）は、負荷の大きさに応じて規制クリア周波数領域を特定するので、その負荷の大きさごとに最も広い規制クリア周波数領域を特定することができる。
また、第１の実施形態に係るコンバータ装置２（周波数決定部２０３）は、運転状態が低負荷運転である場合には、コンバータ回路２２のスイッチング周波数を、リアクタ損失とスイッチング損失との和が最も小さくなる周波数に決定する。
このようにすることで、低負荷運転時における消費電力を低減することができる。
＜その他の実施形態＞
第１の実施形態では、領域特定部２０２は、負荷の大きさに応じて規制クリア周波数領域を特定するものとして説明したが、他の実施形態においてはこの態様に限定されない。例えば、他の実施形態に係る領域特定部２０２は、負荷の大きさによらず、一律に定められた規制クリア周波数領域を特定するものとしてもよい。
上述の実施形態においては、コンバータ装置２の各種処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって上記各種処理が行われる。また、コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。
上記プログラムは、上述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。更に、上述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
以上のとおり、本開示に係るいくつかの実施形態を説明したが、これら全ての実施形態は、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を意図していない。これらの実施形態は、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、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態及びその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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。
＜付記＞
各実施形態に記載のコンバータ装置、空気調和機、コンバータ装置の制御方法およびプログラムは、例えば以下のように把握される。
（１）第１の態様において、コンバータ装置２は、交流電源Ｐからの電力を、コンバータ回路２２を通じて直流電力に変換するコンバータ装置であって、負荷４に流れる電流の検出結果に基づいて、運転状態が低負荷運転か高負荷運転かを判定する負荷判定部２０１と、前記運転状態に応じて、前記コンバータ回路２２のスイッチング周波数を決定する周波数決定部２０３と、ノイズ規制を満たす周波数領域である規制クリア周波数領域を特定する領域特定部２０２と、を備え、前記周波数決定部２０３は、前記運転状態が高負荷運転である場合に、前記スイッチング周波数を、前記規制クリア周波数領域に属する周波数の中でリアクタ損失が最も小さくなる周波数に決定する。
（２）第２の態様において、前記周波数決定部２０３は、前記運転状態が低負荷運転である場合に、前記スイッチング周波数を、前記リアクタ損失とスイッチング損失との和が最も小さくなる周波数に決定する。
（３）第３の態様において、前記領域特定部２０２は、前記負荷の大きさに応じた前記規制クリア周波数領域を特定する。
（４）第４の態様において、空気調和機１は、上述のコンバータ装置２を備える。
（５）第５の態様において、コンバータ装置２の制御方法は、交流電源からの電力を、コンバータ回路を通じて直流電力に変換するコンバータ装置の制御方法であって、負荷に流れる電流の検出結果に基づいて、運転状態が低負荷運転か高負荷運転かを判定するステップと、前記運転状態に応じた、前記コンバータ回路のスイッチング周波数を決定するステップと、ノイズ規制を満たす周波数領域である規制クリア周波数領域を特定するステップと、を有し、前記スイッチング周波数を決定するステップでは、前記運転状態が高負荷運転である場合に、前記スイッチング周波数を、前記規制クリア周波数領域に属する周波数の中でリアクタ損失が最も小さくなる周波数に決定する。
（６）第６の態様において、プログラムは、交流電源からの電力を、コンバータ回路を通じて直流電力に変換するコンバータ装置のコンピュータに、負荷に流れる電流の検出結果に基づいて、運転状態が低負荷運転か高負荷運転かを判定するステップと、前記運転状態に応じた、前記コンバータ回路のスイッチング周波数を決定するステップと、ノイズ規制を満たす周波数領域である規制クリア周波数領域を特定するステップと、を実行させ、前記スイッチング周波数を決定するステップでは、前記運転状態が高負荷運転である場合に、前記スイッチング周波数を、前記規制クリア周波数領域に属する周波数の中でリアクタ損失が最も小さくなる周波数に決定する。
１ 空気調和機
２ コンバータ装置
２０ コンバータ制御部
２１ 整流回路
２２ コンバータ回路
２３ 平滑コンデンサ
３ ゼロクロス検出部
４ 負荷
Ｐ 交流電源

Claims (6)

  1. 交流電源からの電力を、コンバータ回路を通じて直流電力に変換するコンバータ装置であって、
    負荷に流れる電流の検出結果に基づいて、運転状態が低負荷運転か高負荷運転かを判定する負荷判定部と、
    前記運転状態に応じて、前記コンバータ回路のスイッチング周波数を決定する周波数決定部と、
    ノイズ規制を満たす周波数領域である規制クリア周波数領域を特定する領域特定部と、
    を備え、
    前記周波数決定部は、前記運転状態が高負荷運転である場合に、前記スイッチング周波数を、前記規制クリア周波数領域に属する周波数の中でリアクタ損失が最も小さくなる周波数に決定する、
    コンバータ装置。
  2. 前記周波数決定部は、前記運転状態が低負荷運転である場合に、前記スイッチング周波数を、前記リアクタ損失とスイッチング損失との和が最も小さくなる周波数に決定する、
    請求項１に記載のコンバータ装置。
  3. 前記領域特定部は、前記負荷の大きさに応じた前記規制クリア周波数領域を特定する、
    請求項１または請求項２に記載のコンバータ装置。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のコンバータ装置
    を備える空気調和機。
  5. 交流電源からの電力を、コンバータ回路を通じて直流電力に変換するコンバータ装置の制御方法であって、
    負荷に流れる電流の検出結果に基づいて、運転状態が低負荷運転か高負荷運転かを判定するステップと、
    前記運転状態に応じた、前記コンバータ回路のスイッチング周波数を決定するステップと、
    ノイズ規制を満たす周波数領域である規制クリア周波数領域を特定するステップと、
    を有し、
    前記スイッチング周波数を決定するステップでは、前記運転状態が高負荷運転である場合に、前記スイッチング周波数を、前記規制クリア周波数領域に属する周波数の中でリアクタ損失が最も小さくなる周波数に決定する、
    コンバータ装置の制御方法。
  6. 交流電源からの電力を、コンバータ回路を通じて直流電力に変換するコンバータ装置のコンピュータに、
    負荷に流れる電流の検出結果に基づいて、運転状態が低負荷運転か高負荷運転かを判定するステップと、
    前記運転状態に応じた、前記コンバータ回路のスイッチング周波数を決定するステップと、
    ノイズ規制を満たす周波数領域である規制クリア周波数領域を特定するステップと、
    を実行させ、
    前記スイッチング周波数を決定するステップでは、前記運転状態が高負荷運転である場合に、前記スイッチング周波数を、前記規制クリア周波数領域に属する周波数の中でリアクタ損失が最も小さくなる周波数に決定する、
    プログラム。
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