JP4706211B2

JP4706211B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP4706211B2
Application number: JP2004257226A
Authority: JP
Inventors: 貴史福榮; 正則小川; 英夫松城; 智弘杉本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-09-03
Filing date: 2004-09-03
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2024-09-03
Also published as: JP2006074945A

Description

本発明は、整流手段の出力端子に小容量のコンデンサで構成される平滑手段を接続し、出力電圧が脈動している場合に、直流電圧を得るインバータ装置の構成に関するものである。

従来、この種の小容量コンデンサで構成される平滑手段を有した電力変換装置では脈動のない安定した直流電圧を得ることができない（例えば、特許文献１参照）。

図６は、特許文献１に記載された従来の電力変換装置の全体構成図を略したものである。このような構成の電力変換装置においては、直流電圧を得るために平滑手段３からの出力電圧を用いることが一般的であるため、大きく脈動する直流電圧を得ることになる。このため小容量コンデンサで構成される平滑手段３を有した電力変換装置では、この脈動する出力電圧に合せて制御手段５により負荷を制御し動作させる。
特開２００２−２２３５９９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、定電圧駆動のマイコンなどで構成される制御手段５や、安定した直流電圧を供給する必要のある負荷へ安定した直流電圧を供給するために別に直流電源を用意する必要があるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、大きく脈動する電圧を更に平滑することで従来の電源構成を用いながら、別に安定した直流電圧を供給できる電力変換装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、交流電源を全波整流する整流手段と、前記整流手段からの出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で脈動するようコンデンサおよびリアクタで構成され、該コンデンサおよびリアクタにより具現化する共振周波数を、交流電源周波数の４０倍以上になるよう値を設定した第一の平滑手段と、前記第一の平滑手段の出力から電力供給される負荷と、前記負荷を制御する制御手段と、前記第一の平滑手段の出力電圧を平滑する少なくともインダクタンスとコンデンサと第二の整流手段とにより構成される第二の平滑手段を設け、前記第二の平滑手段に備えられるコンデンサ容量は第一の平滑手段に備えられるコンデンサ容量より大きく設定し、前記第二の平滑手段からの出力を少なくとも制御手段へ供給することを特徴とするもので、これにより従来の電源構成を用いることができ、例えばモータなどの負荷を動作させるための平滑手段を構成するコンデンサおよびリアクタの容量を低減させることによる小型化・コスト削減と、別の直流電源を用いることなく新たな負荷へ安定した直流定電圧を供給し、第二の平滑手段を構成するコンデンサへの突入充放電電流のピーク値を、インダクタンス値の設定により低下させることができ、力率改善や電源高調波規制に対応することができる。

本発明の電力変換装置は、大きく脈動する電圧を更に平滑することで、従来の電源構成を用いながら、別に安定した直流電圧を供給し、力率改善や電源高調波規制に対応することができる電力変換装置を提供できる。

第１の発明の電力変換装置は、交流電源を全波整流する整流手段と、前記整流手段からの出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で脈動するようコンデンサおよびリアクタで構成され、該コンデンサおよびリアクタにより具現化する共振周波数を、交流電源周波数の４０倍以上になるよう値を設定した第一の平滑手段と、前記第一の平滑手段の出力から電力供給される負荷と、前記負荷を制御する制御手段と、前記第一の平滑手段の出力電圧を平滑する少なくともインダクタンスとコンデンサと第二の整流手段とにより構成される第二の平滑手段を設け、前記第二の平滑手段に備えられるコンデンサ容量は第一の平滑手段に備えられるコンデンサ容量より大きく設定し、前記第二の平滑手段からの出力を少なくとも制御手段へ供給することを特徴とするもので、従来の小容量コンデンサおよびリアクタで構成される平滑手段から別電源を用いることなく、安定した直流電圧供給を行い、第二の平滑手段を構成するコンデンサへの突入充放電電流のピーク値を、インダクタンス値の設定により低下させることができ、力率改善や電源高調波規制に対応することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態における電力変換装置を搭載した空気調和機１２の構成図を示したものである。

図１において空気調和機１２に搭載された電力変換装置は、単相交流電源である商用電源などの交流電源１より電力を供給され、供給された交流電源１を全波整流するダイオードブリッジで構成された整流手段２と、前記整流手段２からの出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で大きく脈動するようコンデンサ３１の値を設定した平滑手段３と、前記平滑手段３からの出力電圧をモータ駆動のために所望の交流電圧に変換する複数の半導体スイッチング素子により構成される直交変換手段４と、大きく脈動する平滑電圧に対応して圧縮機のモータ６駆動を行うための指令を直交変換手段４に与えるマイコンで構成される駆動制御手段５と、前記平滑手段３からの大きく脈動する出力電圧よりリアクタ７２とダイオード７３を介しコンデンサ７１によって平滑し安定した直流定電圧を駆動制御手段５へ安定直流電圧を供給するＳＷ電源手段１０やＤＣファンモータ１１駆動のための直交変換手段９に供給する第二の平滑手段７とを有している。

また、前記平滑手段３は共振周波数が交流電源周波数の４０倍以上になるように設定さ
れた小容量のフィルムコンデンサ３１と該フィルムコンデンサ３１への突入充放電電流のピーク値を下げるためのリアクタ３２を有している。

なお、前記平滑手段３を構成するリアクタ３２は交流電源１と平滑手段３を構成するフィルムコンデンサ３１の間に挿入するため、整流手段２の前後どちらでも構わない。

更に、図３〜図５にて示すように、前記第二の平滑手段７を構成するリアクタ７２とダイオード７３の順番はどちらでも構わない。

以上のように構成された電力変換装置について、以下にその動作、作用を説明する。

図２は、本実施の形態における各部の動作波形である。ここでまず、従来の電力変換装置の動作について説明する。

交流電源１に交流電源周波数ｆａｃ＝５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの商用電源を用いた場合、その出力電圧波形は図２（ａ）に示すように周期Ｔａｃ＝２０ｍｓｅｃあるいは１６.７ｍｓｅｃの正弦波波形となる。これを複数のダイオードを組み合わせたダイオードブ
リッジで構成される整流手段２にて全波整流すると図２（ｂ）に示すように電源周期の半分の周期Ｔａｃ／２で脈動する全波整流波形となる。次にこの全波整流波形を平滑手段３により平滑する。

ここで平滑手段３を構成するリアクタ３２とコンデンサ３１の値は、その共振周波数ｆｃ＝１／（２π＊√（Ｌ１Ｃ１））が交流電源周波数ｆａｃの４０倍以上になるように設定する。例えば、交流電源周波数ｆａｃ＝５０Ｈｚの場合、リアクタンス値０.５ｍＨ、
キャパシタンス値１０μＦのリアクタ３２とコンデンサ３１を用いることでｆｃ（＝２２５０Ｈｚ）＞４０＊ｆａｃ（＝５０Ｈｚ）とする。

このように平滑手段３のコンデンサ容量を著しく小さくすることで全波整流波形と同様、平滑電圧は図２（ｃ）に示すように交流電源周期の半分の周期Ｔａｃ／２で大きく脈動し、このときの交流入力電流の通電幅は図２（ｈ）に示すように広くなるため、高入力力率および電源高調波特性の高性能化を実現することができる。

ここで平滑手段３を構成するコンデンサ３１に一般的に平滑に用いられる電解コンデンサではなくフィルムコンデンサを用いることで大きな脈動電圧によるコンデンサ３１への充放電を繰返しても自己発熱による容量抜けや寿命特性の劣化を抑制し、また、寿命特性を考慮した使用する温度環境に対する制限を緩和することができる。この大きく脈動する平滑電圧に対応してモータ駆動を行うための指令を制御手段５から受け直交変換手段４を動作させることにより安定した圧縮機モータ６の駆動を実現することができる。

ただし、ここで制御手段５はマイコンなどの定電圧駆動素子により構成されるため安定した直流電圧を供給し動作させる必要がある。

また、圧縮機モータ６とは別にＤＣファンモータ１１を駆動させる場合、圧縮機モータ駆動と同様に大きく脈動する電圧に対応した指令を制御手段５より直交変換手段９に与える場合、制御手段５を構成するマイコンの処理能力に過剰な負担を与えることになるため、高性能で高価なマイコンを使用する、あるいは複数のマイコンを使用する必要がある。このため従来の制御手段５を構成するマイコンと同等のものを使用するためには安定した直流電圧をＤＣファンモータ駆動用の直交変換手段９に供給する必要がある。

しかしながら、従来の電力変換装置における平滑手段３からの出力電圧は大きく脈動し
ているため、この平滑電圧をそのまま制御手段５を動作させるＳＷ電源手段１０や、ＤＣファンモータを駆動させるための直交変換手段９へ供給することはできない。

そこで、この平滑電圧をダイオード７３とリアクタ７２を介しコンデンサ７１で平滑する第二の平滑手段７により、更に平滑することにより、圧縮機モータ６への電源供給構成をそのままに、図２（ｄ）に示すような脈動のない安定した直流電圧を得ることができる。

ここで第二の平滑手段７を構成するコンデンサ７１は、ＤＣファンモータ駆動時においても脈動のない安定した直流電圧を得るために容量の大きなコンデンサ（例えば１５０μＦ）を用いているため、コンデンサ７１への突入充電電流のピーク値Ｉｐｅａｋ１は図２（ｅ）に示すようになる。この電流が交流入力電流に重畳されると交流入力電流は、図２（ｆ）のようになり、入力力率の低下や電源高調波特性の低下を招くことになる。

このようなことを防ぐため第二の平滑手段７を構成するコンデンサ７１への充電路には第二の整流手段（ダイオード）７３とリアクタ７２を介すようにする。これにより突入電流のピーク値Ｉｐｅａｋ２（＜Ｉｐｅａｋ１）を十分低減できるリアクタ７２のリアクタンス値（例えば１９ｍＨ）を設定することによりコンデンサ７１への突入充電電流および交流入力電流はピーク値を抑えた図２（ｇ）、（ｈ）のようになり高入力力率および電源高調波特性の高性能化を維持することができる。

このとき第二の平滑手段７を構成するコンデンサ７１のキャパシタンス値、リアクタ７２のリアクタンス値は平滑手段３を構成するものより大きくなるが、圧縮機モータ６を駆動させる場合と比較し、ＤＣファンモータ１１の駆動や駆動制御手段５を動作させるため
供給される電流容量は小さくなる。このため構成するコンデンサ７１、リアクタ７２の電流容量を低く設定することができ、従来と同様に装置全体としてのサイズ・コストを低減させることができる。

以上のように本実施の形態においては平滑手段３からの大きく脈動する出力電圧を第二の整流手段（ダイオード）７３とリアクタ７２を介しコンデンサ７１で平滑する第二の平滑手段７を備えることにより、従来の電力変換装置の電源構成を用い、装置全体のサイズ・コストを低減させながら、直流電源供給による安定した制御手段５の動作とＤＣファンモータ１１の駆動を実現させ、更に高入力力率および電源高調波特性の高性能化を実現することができる。

以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、大きく脈動する平滑電圧から安定した直流電圧を得ることができるため、複数の電力負荷を持ち、安定した直流電圧を供給する必要のある家電機器などあらゆる電力変換装置へ適用できる。

本発明の実施の形態１における電力変換装置の構成図（ａ）〜（ｈ）は同電力変換装置の各部動作波形図同他の電力変換装置の構成図同他の電力変換装置の構成図同他の電力変換装置の構成図従来の電力変換装置の構成図

１交流電源

２整流手段
３平滑手段
４直交変換手段
５駆動制御手段
６モータ、圧縮機モータ
７第二の平滑手段
８直流負荷
９直交変換手段
１０ＳＷ電源手段
１１ＤＣファンモータ
１２空気調和機
３１コンデンサ
３２リアクタ
７１コンデンサ
７２リアクタ
７３ダイオード

Claims

交流電源を全波整流する整流手段と、前記整流手段からの出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で脈動するようコンデンサおよびリアクタで構成され、該コンデンサおよびリアクタにより具現化する共振周波数を、交流電源周波数の４０倍以上になるよう設定した第一の平滑手段と、前記第一の平滑手段の出力から電力供給される負荷と、前記負荷を制御する制御手段と、前記第一の平滑手段の出力電圧を平滑する少なくともインダクタンスとコンデンサと第二の整流手段とにより構成される第二の平滑手段と、を設け、前記第二の平滑手段に備えられるコンデンサ容量は第一の平滑手段に備えられるコンデンサ容量より大きく設定し、前記第二の平滑手段からの出力を少なくとも制御手段へ供給することを特徴とする電力変換装置。