JP4692704B2 - 力率改善電源回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気調和機のコンプレッサ等の電源として用いる昇圧チョッパ型の力率改善電源回路に係り、特に詳しくは、低コスト化を実現可能とする力率改善電源回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
最近の空気調和機等の負荷(例えばコンプレッサのモータ)には、一般的には、インバータ制御が採用されている。インバータ制御は、交流電源を直流電源に変換し、変換された直流電圧をインバータ手段で任意の交流電圧に変換し、モータに印加する。
上記交流電源を直流電源に変換する手段としては、一般的なコンデンサ入力型電源回路が用いられ、これにより、交流電源からの入力交流電流波形が歪波となり、高調波電流が発生する。
【0003】
入力交流電流波形をほぼ正弦波(正弦波状)とするためには、例えば、図3に示すように、昇圧チョッパ型の力率改善回路(アクティブフィルタ)を含む電源回路を備えた力率改善電源回路が例示される。
図3において、力率改善電源回路は、入力交流電源(商用電源)1を全波整流して直流電圧に変換する整流部2と、この直流電圧を所定電圧に昇圧するとともに、入力交流電流波形を正弦波状に制御するためのアクティブフィルタとを備え、昇圧した電圧を負荷4に供給する。
【0004】
上記アクティブフィルタは、整流部2の正端子側に直列に接続した昇圧チョークコイル3aと、昇圧チョークコイル3aに直列に接続した逆阻止ダイオード3bと、昇圧チョークコイル3aと逆阻止ダイオード3bの間で整流部2の負端子側に接続したスイッチング素子(IGBT;絶縁ゲート形トランジスタ)3cと、出力電圧を平滑化する平滑コンデンサ3dとを備え、直流電圧を昇圧チョークコイル3aを介してスイッチング素子3cによってスイッチングし、このスイッチングされている電圧を逆阻止ダイオード3bから平滑コンデンサ3dに供給して負荷4の電源電圧とする。
【0005】
上記力率改善電源回路の制御ブロックは、図4に示す形で表すことができる。なお、図中、図3と同一部分および相当する部分には同一符号を付して重複説明する。
力率改善電源回路の動作を図4を参照して説明すると、まず、出力電圧指令値Vsと出力電圧検出値Voとの電圧偏差(誤差)Veを電圧エラーアンプ10で得、電圧偏差Veと入力電圧(入力電圧検出値)Viとを乗算器11で乗算する。
その乗算結果を入力電流指令値とし、入力電流Iが入力電圧Viに比例するように、つまり力率が1となるように、フィードバック制御を行う。
【0006】
上記フィードバック制御では、入力電流指令値とフィードバックした入力電流(入力電流検出値)Iiとの電流偏差(誤差)Ieを電流エラーアンプ12で得、電流偏差Ieと所定周期のこぎり波とをPWMコンパレータ13に入力して矩形波信号(ゲート信号Vg)を得、ゲート信号Vgによりスイッチング素子3cをスイッチングする。
【0007】
一方、入力電流Iiに加算器14で負荷電流を加味し、この結果(電流Ii)を平滑部(1/sC)15の平滑コンデンサ3dに充電して出力電圧(出力電圧検出値)Voに変換するとともに、出力電圧Voを電圧エラーアンプ10にフィードバックする。
【0008】
言い替えると、上記アクティブフィルタにおいては、入力電圧Vi、入力電流Iiおよび出力電圧Voを用いて、入力交流電流波形が正弦波状になるように、かつ、出力直流電圧が設定値(出力電圧指令値Vs)になるように、スイッチング素子3cを所定にスイッチングする。
【0009】
このように、入力交流電流波形を正弦波状とすることにより、入力交流電流波形の歪波が小さくなることから、高調波電流を低減することができ、力率の向上を図ることができる。
なお、アクティブフィルタの動作については既に公知であることから、その詳細な説明を省略する。
【0010】
ところで、上記出力電圧指令値Vsは、例えば、図5に示すように、分圧回路20によって制御電源電圧を分圧してスイッチング素子21でチョッピングするとともに、このチョッピングをマイクロコンピュータからの所定デューティ比のPWM信号によって行い、そのチョッピングされた電圧をLPF22に通して得る。
【0011】
また、上記力率改善電源回路を空気調和機の電源回路としている用いる場合には、出力電圧Voを可変する必要があるため、空気調和機の制御手段であるマイクロコンピュータが出力電圧指令値Vsを出力するか、もしくは、例えば、図6に示す電圧検出ゲイン回路を用いる。
【0012】
図6において、出力電圧Voを分圧回路23で分圧するとともに、この電圧をスイッチング素子24でチョッピングし、このチョッピングをマイクロコンピュータからの所定デューティ比のPWM信号によって行い、チョッピングされた電圧を、LPF25に通してレファレンス電圧による出力電圧指令値Vsと電圧エラーアンプ26で比較し、電圧偏差Veを得ればよい。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記力率改善電源回路においては、高価な乗算器11が必要とされるため、コスト高になってしまうという欠点がある。
また、上記乗算器11等の演算等を含めて全てソフトウェアで対処すると、電流制御系については高速の処理速度が要求されるため、高速のマイクロコンピュータ(CPU)、つまり高価なCPUを用いなければならない。しかし、空気調和機等の制御手段としての一般的なマイクロコンピュータはそれほど高速でないため、高速のCPUが必要となり、結果、高コストが避けられない。
【0014】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、高価な乗算器を用いることなく、また、空気調和機等のそれほど高速でないマイクロコンピュータ(CPU)に簡単な回路を付加するだけの構成により、低コスト化を実現することができるようにした力率改善電源回路を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、交流電源を直流電圧に変換し、この直流電圧をチョークコイルを介してスイッチング素子によってスイッチングし、このスイッチングした電圧をダイオードを介して平滑コンデンサに供給し、この平滑コンデンサによって負荷の電源電圧を得る一方、少なくとも入力交流電流波形が正弦波状になるように上記スイッチング素子をスイッチングする力率改善電源回路であって、上記直流電圧(入力電圧)を検出し、この検出入力電圧をPWMチョッピングして当該入力電流指令値を得るとともに、上記力率改善電源回路の入力電流を検出して入力電流と上記入力電流指令値との電流偏差を得、この電流偏差に応じて上記スイッチング素子のスイッチングをする電流制御系を備えていることを特徴としている。
【0016】
本発明の力率改善電源回路は、上記直流電圧(入力電圧)を検出し、この検出入力電圧をPWMチョッピングして当該入力電流指令値を得るとともに、上記力率改善電源回路の入力電流を検出して入力電流と上記入力電流指令値との電流偏差を得、この電流偏差に応じて上記スイッチング素子のスイッチングをする電流制御系と、上記力率改善電源回路の出力電圧を検出し、この検出出力電圧と当該出力電圧指令値の電圧偏差に応じて上記入力電圧を所定デューティでPWMチョッピング制御する電圧制御系とを備え、上記電流制御系を高速で処理する一方、上記電圧制御系をその電流制御系よりも低速で処理可能としたことを特徴としている。
【0017】
本発明の力率改善電源回路は、上記直流電圧(入力電圧)を検出する分圧回路と、この検出入力電圧をPWMチョッピングして当該入力電流指令値を得るスイッチング素子、LPFおよび電流エラーアンプと、上記力率改善電源回路の入力電流を検出するシャント抵抗と、この入力電流と上記入力電流指令値との電流偏差を得、この電流偏差に応じて上記スイッチング素子をスイッチングするPWMコンパレータと、上記力率改善電源回路の出力電圧を検出する分圧回路と、この検出出力電圧と当該出力電圧指令値の電圧偏差に応じて上記入力電圧を所定デューティでPWMチョッピング制御する制御手段とを備えていることを特徴としている。
【0018】
上記PWMチョッピング制御あるいは制御手段は、マイクロコンピュータによるソフトウェア処理で行うとよい。
これにより、電流制御系の高速の処理よりも低速のマイクロコンピュータを用いることができる。この場合、例えば、空気調和機の制御手段であるマイクロンピュータでもよく、つまり、空気調和機に当該力率改善電源回路を搭載することが可能になる。
【0019】
上記力率改善電源回路は、少なくとも空気調和機のコンプレッサに用いられるとよい。
これにより、力率改善電源回路の低コスト化に伴って、空気調和機の低コスト化が図れる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図1および図2を参照して詳しく説明する。
なお、図1中、図4と同一部分および相当する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【0021】
図1において、力率改善電源回路は、入力電圧(当該電源電圧全波整流波形の入力電圧検出値)Viを分圧回路30で分圧し、この分圧電圧をスイッチング素子31でPWMチョッピングし、このチョッピングされている電圧をLPF32に通して電流指令値を生成し、この電流指令値と入力電流(フィードバック入力電流検出値)Iiとを電流エラーコンパレータ12に入力してその電流偏差(誤差)Ieを得るとともに、電流偏差Ieと所定周期のこぎり波とをコンパレータ13で比較してゲート信号Vgを得、ゲート信号Vgによりスイッチング素子3cをスイッチングして得られる入力電流Iiを電流エラーアンプ12にフィードバックし、入力電流Iiに加算器14で負荷電流を加味し、この結果(電流Ii)を平滑部(1/sC)15の平滑コンデンサ3dに充電して出力電圧(出力電圧検出値)Voを得る一方、出力電圧Voをマイクロコンピュータ33に入力し、マイクロコンピュータ33によって出力電圧Voと当該出力電圧指令値Vsをもとにしてスイッチング素子31のPWMチョッピング信号を生成してフィードバックする。
【0022】
マイクロコンピュータ33は、入力出力電圧VoをA/D変換ポート33aでデジタル値に変換て検出し、この検出出力電圧値と出力電圧指令値部33bから出力電圧指令値Vsとの電圧偏差(誤差)Veを加算器33cで求め、電圧偏差Veを所定の比例積分部(PI)33dに通して当該PWMチョッピング信号の所定デューティ比を決定し、所定デューティ比のPWMチョッピング信号をPWM出力ポート33dからスイッチング素子31に出力する電圧系のフィードバック制御を行う。
【0023】
このように、高速の処理速度が要求される電流制御系を電流エラーアンプ12、コンパレータ13等のハードウェアで構成し、電流制御系に比べて低速の電圧制御系をマイクロコンピュータ33で実現していることから、乗算器11を用いずに済む。また、マイクロコンピュータとして高速のCPUを用いずとも、空気調和機の制御手段であるCPUによっても十分適応でき、これにより、力率改善電源回路の低コスト化が図れる。
【0024】
上記力率改善電源回路を空気調和機に適用する場合には、例えば、図2に示す構成とすればよい。図2おいて、図1および図3と同一部分および相当する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【0025】
この場合、力率改善電源回路の負荷は、インバータ部40およびモータ(コンプレッサモータ)41となる。また、入力電圧Viは分圧回路30で、出力電圧Voは分圧回路42で、入力電流Iiはシャント抵抗43でそれぞれ検出される。
また、それら検出端子A,C,Dは、図1に示す回路に接続されるとともに、ゲート号Vgは、端子Bに入力されればよい。
【0026】
これにより、上述したように、乗算器を用いずに、簡単な回路構成の電流エラーアンプ12およびPWMコンパレータ13等によって高速の処理速度が要求される電流制御系を実現する一方、電圧制御系をそれほど高速でないマイクロコンピュータ33等で実現することができる。
したがって、空気調和機等の制御手段であるマイクロコンピュータでも十分に対応することが可能である。
【0027】
また、電流指令値は、マイクロコンピュータ33によって直接設定することも可能であるため、力率改善電源回路(コンバータ)の起動時の過電流を抑制することができ、特に空気調和機等の家電機器にとっては信頼性の向上が図れる。
【0028】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、以下に述べる効果を奏する。
本発明の力率改善電源回路は、その電流制御系において入力電圧をPWMチョッピングして当該入力電流指令値を得ていることから、高速処理を必要とする電流制御系に乗算器を用いず、簡単な回路を付加するだけで済み、低コスト化を実現することができるという効果がある。
【0029】
本発明の力率改善電源回路は、その電流制御系において入力電圧をPWMチョッピングして当該入力電流指令値を得ており、その電圧制御系において出力電圧と当該出力電圧指令値の電圧偏差に応じて前記入力電圧を所定デューティでPWMチョッピング制御していることから、上述した効果に加え、電流制御系よりも低速の処理を可能としている電圧制御系に空気調和機等の制御手段であるマイクロコンピュータ(CPU)を用いることができ、空気調和機等をコストアップさせずに済むという効果がある。
【0030】
本発明の力率改善電源回路は、入力電圧を検出し、この検出入力電圧をPWMチョッピングして当該入力電流指令値を得るとともに、その力率改善電源回路の入力電流を検出し、この入力電流と前記入力電流指令値との電流偏差を得、電流偏差に応じて当該スイッチング素子をスイッチングする電流制御系と、力率改善電源回路の出力電圧を検出し、検出出力電圧と当該出力電圧指令値の電圧偏差に応じて入力電圧を所定デューティでPWMチョッピング制御する電圧制御系とを備えていることから、上述と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態を示し、力率改善電源回路を制御ブロック的に説明するための概略的回路図。
【図2】図1の力率改善電源回路をモータに適用した場合を説明するための概略的回路図。
【図3】従来の力率改善電源回路を説明するための概略的回路図。
【図4】図3に示す力率改善電源回路の制御系を説明するための概略的ブロック線図。
【図5】図3に示す力率改善電源回路に付加する回路を説明するための概略的回路図。
【図6】図3に示す力率改善電源回路に付加する回路を説明するための概略的回路図。
【符号の説明】
3a 昇圧チョークコイル
3b 逆阻止ダイオード
3c スイッチング素子(IGBT)
3d 平滑コンデンサ
12 電流エラーアンプ
13 PWMコンパレータ
30 分圧回路(入力電圧検出手段)
31 スイッチング素子(PWMチョッピング)
32 LPF
33 マイクロコンピュータ(CPU)
33a A/D変換ポート
33b 出力電圧指令部
33c 加算手段
33d PI(比例積分部)
33e PWM出力ポート
42 分圧回路(出力電圧検出手段)
43 シャント抵抗(入力電流検出手段)
Ie 電流偏差(誤差)
Ii 入力電流
Ve 電圧偏差(誤差)
Vg ゲート信号
Vi 入力電圧
Vo 出力電圧
Vs 出力電圧指令値
Claims (5)
- 交流電源を直流電圧に変換し、該直流電圧をチョークコイルを介してスイッチング手段によってスイッチングし、該スイッチングした電圧をダイオードを介して平滑手段に供給し、該平滑手段によって負荷の電源電圧を得る一方、少なくとも入力交流電流波形が正弦波状になるように前記スイッチング素子をスイッチングする力率改善電源回路であって、前記直流電圧(入力電圧)を検出し、該検出入力電圧をPWMチョッピングして当該入力電流指令値を得るとともに、前記力率改善電源回路の入力電流を検出して該入力電流と前記入力電流指令値との電流偏差を得、該電流偏差に応じて前記スイッチング素子のスイッチングをする電流制御系を備えていることを特徴とする力率改善電源回路。
- 交流電源を直流電圧に変換し、該直流電圧をチョークコイルを介してスイッチング手段によってスイッチングし、該スイッチングした電圧をダイオードを介して平滑手段に供給し、該平滑手段によって負荷の電源電圧を得る一方、少なくとも入力交流電流波形が正弦波状になるように前記スイッチング手段をスイッチングする力率改善電源回路であって、前記直流電圧(入力電圧)を検出し、該検出入力電圧をPWMチョッピングして当該入力電流指令値を得るとともに、前記力率改善電源回路の入力電流を検出して該入力電流と前記入力電流指令値との電流偏差を得、該電流偏差に応じて前記スイッチング素子のスイッチングをする電流制御系と、前記力率改善電源回路の出力電圧を検出し、該検出出力電圧と当該出力電圧指令値の電圧偏差に応じて前記入力電圧を所定デューティでPWMチョッピング制御する電圧制御系とを備え、前記電流制御系を高速で処理する一方、前記電圧制御系をその電流制御系よりも低速で処理可能としたことを特徴とする力率改善電源回路の制御方法。
- 交流電源を直流電圧に変換し、該直流電圧をチョークコイルを介してスイッチング手段によってスイッチングし、該スイッチングした電圧をダイオードを介して平滑手段に供給し、該平滑手段によって負荷の電源電圧を得る一方、少なくとも入力交流電流波形が正弦波状になるように前記スイッチング手段をスイッチングする力率改善電源回路であって、前記直流電圧(入力電圧)を検出する入力電圧検出手段と、該検出入力電圧をPWMチョッピングして当該入力電流指令値を得るチョッピング手段と、前記力率改善電源回路の入力電流を検出する入力電流検出手段と、該入力電流と前記入力電流指令値との電流偏差を得、該電流偏差に応じて前記スイッチング素子をスイッチングするスイッチング制御手段と、前記力率改善電源回路の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、該検出出力電圧と当該出力電圧指令値の電圧偏差に応じて前記入力電圧を所定デューティでPWMチョッピング制御する制御手段とを備えていることを特徴とする力率改善電源回路。
- 前記PWMチョッピング制御あるいは制御手段は、マイクロコンピュータによるソフトウェア処理で行うようにした請求項1,2または3に記載の力率改善電源回路。
- 前記力率改善電源回路は、少なくとも空気調和機のコンプレッサに用いられる請求項1,2,3または4に記載の力率改善電源回路。
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