JP4741009B2 - Ｄｃリンク電圧を使用する電子制御トランス - Google Patents

Description

本発明は一般に制御電圧を提供するための電子トランスに関する。さらに明確には、本発明は、冷却システムのための可変速駆動回路のＤＣリンクによって電力を供給される電子制御トランスに関する。

過去には、冷却システムにおける圧縮機を駆動するためのモータは、モータが運転されている施設の配電システムから利用できる標準線間（主）電圧および周波数から運転するように設計された。線間電圧および周波数の使用は典型的には、モータへの入力周波数に基づく１つの運転速度に限定される結果として、モータが圧縮機の容量を調節するための選択肢を、入口案内羽根および滑り弁などのより効率の低い機械的装置に限定した。加えて、もしモータの運転速度が圧縮機の所望の運転速度に等しくなかったならば、圧縮機の所望の運転速度を得るために、「増速」または「減速」変速機がモータと圧縮機との間に挿入された。

次に、冷却システムのモータに提供される周波数および電圧を変えることができる可変速駆動回路（ＶＳＤ）が開発された。モータへの入力周波数および電圧を変えることができるこの能力は、冷却システムの対応する圧縮機に可変出力速度を提供できるモータをもたらした。モータ（および圧縮機）の可変速運転は、冷却システムが、全設計負荷速度よりも低い速度での運転が望ましいときに、圧縮機の部分的負荷の間に生じる効率を利用できるようにした。可変速駆動回路の使用はまた、三相電力線から直接運転可能な以前のモータ、例えば、誘導モータまたは同期モータに加えて、冷却システム内にそれら自身の電子駆動回路を必要とする他の型のモータの使用も可能にした。

一般に、冷却システムは、圧縮機と連携する多数の補助装置を含む。これらの補助装置は通常、制御盤、接触器、継電器、ポンプおよび送風機を含み、それらは、圧縮機モータのそれとは異なるある固定電圧に対するものと見なされ、ある固定周波数、例えば６０Ｈｚまたは５０Ｈｚで動作する。補助装置は、ＶＳＤの可変電圧および周波数出力では動作できないので、制御電圧のための電力は普通、ＶＳＤへのまたはもう１つの入力電源からの入力ＡＣ電力に接続される従来の巻線型磁気制御トランスによって提供される。制御トランス二次巻線の出力電圧は、一次巻線における電圧降下または中断がほとんど瞬時に制御トランスの出力電圧上に反映されるように、一次巻線入力電圧に比例する。その降下または中断は、もし大きさおよび／または継続期間が十分であれば、冷却システムの接触器もしくは継電器が脱落し、または制御盤もしくはポンプが停止する原因となるかもしれず、その結果冷却システムの運転の中断をもたらすかもしれない。

圧縮機に供給するＶＳＤもまた、同じ理由のために入力電圧降下および中断にさらされる。ＶＳＤは典型的には、ＡＣ入力電力をＤＣリンクのためにＤＣ電圧に変換するコンバータを含む。インバータはＤＣリンクに接続され、ＤＣリンク電圧を可変電圧、可変周波数ＡＣ電力出力に変換する。ＤＣリンクは通常、限定された蓄積エネルギーを提供するキャパシタによって保持され、ある場合には、入力電圧をＲＭＳ値のピークよりも高く、即ち入力電圧源の公称値の１．４１４倍よりも大きく昇圧するために、アクティブ整流器またはコンバータが用いられてもよい。ＶＳＤのこれらの部品はライドスルー能力の尺度を提供する。しかしながら、非常にしばしば、ライドスルー能力は、６０Ｈｚ公共配線上での数周期より大きな入力電圧降下または中断に対しては、冷却運転を維持するのには不十分である。ＶＳＤがライドスルー能力を備えて構成される場合には、ＶＳＤおよび圧縮機モータは電圧降下を切り抜けるかもしれないが、制御トランスは、冷却システムを電圧降下に対して弱いままにしておく可能性がある。

圧縮機および補助装置に対して別個のＡＣ入力電源を有する冷却システムの１つの制限は、もしＶＳＤ出力電圧または制御電圧のどちらかが降下するかまたは短い中断を経験すると、その結果冷却システムが機能しなくなることである。圧縮機および補助装置に対して別個のＡＣ入力電源を有する冷却システムのもう１つの制限は、異なる配電電圧を有する電力システムに対して異なる制御トランスが使用されなければならず、制御トランスの設計が、冷却システムに供給される入力ＡＣ電圧および周波数に依存することである。

したがって、必要とされるものは、冷却システムの圧縮機を駆動するＶＳＤによって電力を供給され、かつ改善されたライドスルー能力を有する制御トランスである。

本発明は、冷却システムに関連する少なくとも１つの補助装置に電力を供給するために、ＶＳＤのＤＣリンクから単相ＡＣ制御電力を提供するように構成される電子トランスを含む。電子制御トランスは、負荷に電力を供給するためにＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換するインバータモジュールを含む。インバータモジュールは、各対の電力スイッチがダイオードに反平行に接続される絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを含む複数対の電力スイッチと、電子制御トランスを可変速駆動回路のＤＣリンクに接続するための入力ＤＣ接続部と、電子制御トランスを可変速駆動回路へのＡＣ入力部に接続するための入力ＡＣ接続部と、少なくとも１つの補助装置を接続するための出力ＡＣ接続部とを含む。インバータモジュールは、少なくとも１つの補助装置に電力を供給すために、固定出力ＡＣ電圧および固定周波数を提供するように制御可能である。

好ましい実施形態では、本発明は、駆動システムそれ自身とは異なる電圧要件を有する冷却システムの複数の部品に電力を供給するための駆動システムを対象にする。駆動システムは、固定入力ＡＣ電圧および固定入力周波数で入力ＡＣ電力を受け取るためにＡＣ電源に接続されるアクティブ整流器またはコンバータ段を含む。アクティブコンバータまたは整流器はまた、起動時にＤＣリンクへの突入電流を制御するための事前充電回路を備えて構成されてもよい。アクティブコンバータ段は、固定入力ＡＣ電圧を昇圧ＤＣ電圧に変換するように構成され、その昇圧ＤＣ電圧は固定入力ＡＣ電圧のピーク値よりも大きい。ＤＣリンクはコンバータ段に接続される。ＤＣリンクは、昇圧ＤＣ電圧を濾波し、コンバータ段からエネルギーを蓄積するように構成される。また、第１のインバータ段もＤＣリンクに接続される。第１のインバータ段は、冷却システムのモータに可変電圧および可変周波数で出力電力を提供するために、ＤＣリンクからの昇圧ＤＣ電圧を変換するように構成される。可変電圧は、固定入力ＡＣ電圧よりも大きい最大電圧能力を有する。可変周波数は、固定入力周波数よりも高い最大周波数能力を有する。アクティブコンバータは、ＤＣリンク内での対応する減少なしにＡＣ入力電圧が減少し得る限りにおいて、追加のライドスルー能力を提供する。アクティブコンバータが飽和に達すると、減少する固定入力ＡＣ電圧に応答して、インバータは、エネルギーの流れをモータおよび圧縮機からＤＣリンク段へ逆転させて、第１のインバータ段に接続されるモータの回転質量内に蓄積されるエネルギーから電力を移動させ、ＤＣリンクの電圧水準を維持するように制御され、かつ電子制御トランスはＤＣリンクに接続されて、ＤＣリンクからの昇圧ＤＣ電圧を、冷却システムの少なくとも１つの部品のために固定出力ＡＣ電圧および固定出力周波数を有する補助出力電源に変換するように構成される。固定出力ＡＣ電圧は、駆動回路のコンバータへの固定入力ＡＣ電圧よりも低い。加えて、電子制御トランスの固定出力ＡＣ電圧および固定出力周波数は、固定入力ＡＣ電圧の一時的な減少の場合にも維持される。

もう１つの実施形態では、ＶＳＤは入力端に従来の整流器またはコンバータを含む。コンバータ段に接続されるＤＣリンクがあり、そのＤＣリンクは、ＤＣ電圧を濾波し、コンバータ段からエネルギーを蓄積するように構成される。第１のインバータ段がＤＣリンクに接続される。第１のインバータ段は、ＤＣリンクからのＤＣ電圧をモータのための出力電力に変換するように構成される。第１のインバータ段は、減少する入力ＡＣ電圧に応答して、第１のインバータ段を通るエネルギーの流れをＤＣリンク段へ逆転させ、モータの回転質量内に蓄積されるエネルギーから電力を移動させて、ＤＣリンク段の電圧水準を維持するように構成され、かつ電子制御トランスはＤＣリンクに接続されて、ＤＣリンクからのＤＣ電圧を、冷却システムの少なくとも１つの部品のために固定出力ＡＣ電圧および固定出力周波数を有する補助出力電源に変換するように構成される。固定出力ＡＣ電圧は、駆動回路のコンバータへの固定入力ＡＣ電圧よりも低い。加えて、電子制御トランスの固定出力ＡＣ電圧および固定出力周波数は、固定入力ＡＣ電圧の一時的な減少の場合にも維持される。

本発明のもう１つの実施形態では、電子制御トランスを含む冷却システムがある。冷却システムは、閉冷媒ループ内に接続される圧縮機、凝縮器、および蒸発器を備える冷媒回路を含む。モータが圧縮機に接続されて、圧縮機に動力を供給する。可変速駆動回路がモータに接続される。可変速駆動回路は、固定入力ＡＣ電圧および固定入力周波数で入力ＡＣ電力を受け取り、可変電圧および可変周波数で出力電力をモータに提供するように構成される。可変電圧は、固定入力ＡＣ電圧よりも大きい最大電圧能力を有し、可変周波数は、固定入力周波数よりも高い最大周波数能力を有する。

可変速駆動回路は、入力ＡＣ電力を提供するＡＣ電源に接続されるアクティブコンバータまたは整流器段を含む。コンバータ段は、入力ＡＣ電圧を昇圧ＤＣ電圧に変換するように構成される。昇圧ＤＣ電圧は固定入力ＡＣ電圧よりも大きい。コンバータ段に接続されるＤＣリンクがあり、そのＤＣリンクは、昇圧ＤＣ電圧を濾波し、コンバータ段からエネルギーを蓄積するように構成される。第１のインバータ段がＤＣリンクに接続される。第１のインバータ段は、ＤＣリンクからの昇圧ＤＣ電圧をモータのための出力電力に変換するように構成される。第１のインバータ段は、減少する入力ＡＣ電圧に応答して、第１のインバータ段を通る電力の流れをＤＣリンク段へ逆転させ、モータの回転質量内に蓄積されるエネルギーから電力を移動させ、ＤＣリンク段の電圧水準を維持するように構成される。

電子制御トランスがＤＣリンクに接続される。電子制御トランスは、ＤＣリンクからの昇圧ＤＣ電圧を、固定出力ＡＣ電圧および固定出力周波数を有する補助出力電源に変換するように構成され、その固定出力電圧は、アクティブコンバータまたは整流器への固定入力ＡＣ電圧よりも低い。電子制御トランスの固定出力ＡＣ電圧および固定出力周波数は、入力ＡＣ電圧の一時的な減少の場合にも維持される。

もう１つの実施形態では、本発明は、冷却システムに関連する少なくとも１つの補助装置に電力を供給するための電子制御トランスを対象にする。電子制御トランスは、少なくとも１つの補助装置に電力を供給するために、固定出力ＡＣ電圧および固定周波数を提供するようにＤＣ電圧を変換するインバータモジュールを含む。インバータモジュールは複数対の電力スイッチを有し、各対の電力スイッチは、ダイオードに反平行に接続される絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを含む。入力ＤＣ接続部は、電子制御トランスを可変速駆動回路のＤＣリンクに接続するために提供される。入力ＡＣ接続部もまた、電子制御トランスを駆動システムのＡＣ入力部に接続するために提供される。出力ＡＣ接続部は、少なくとも１つの補助装置をインバータモジュールに接続するために提供される。

本発明の１つの利点は、電子トランスが、改善されたライドスルー能力を備える可変速駆動回路に接続され、それによってライドスルー能力を冷却システムの補助部品に提供し、冷却システムの改善された信頼性を提供することである。

本発明のもう１つの利点は、冷却制御部に電力を供給するために単一の電子制御トランスを使用することであり、それは、ＶＳＤを装備した冷却システムへの入力ＡＣ電圧の大きさおよび入力周波数に依存しない。

本発明のもう１つの利点は、電子トランスが、従来の制御トランスの必要性を排除し、全冷却システムのための共通の電源を提供することである。
本発明の他の特徴および利点は、本発明の原理を一例として例示する添付の図面と併せて、好ましい実施形態の以下のさらに詳細な説明から明らかになるであろう。

可能な限り、同じまたは同様の部分を参照するために、同じ参照番号が図面全体にわたって使用されるであろう。

図１および２は本発明のシステム構成を全体的に例示する。電子トランス１０８は、可変速駆動回路（ＶＳＤ）１０４のＤＣリンク２０４からＡＣ電力を提供するように構成される。電子トランス１０８は、少なくとも４つの半導体スイッチを有し、ＤＣリンク電圧を固定電圧、固定周波数のＡＣ出力に変換する。ＡＣ電源１０２は、ＡＣ電力をＶＳＤ１０４に供給し、これは次にＡＣ電力をモータ１０６に供給する。本発明のもう１つの実施形態では、ＶＳＤ１０４は２つ以上のモータ１０６に電力を供給することができる。モータ１０６は好ましくは、冷凍または冷却システムの対応する圧縮機を駆動するために使用される。ＶＳＤ１０４はまた、ＤＣリンク２０４から電子トランス１０８にも電力を供給する。電子トランス１０８は、ＤＣリンク２０４からのＤＣ電力を、冷却システムの部品である各種の補助装置１１０、例えば、制御盤、接触器、継電器、ポンプおよび送風機のための固定電圧および固定周波数ＡＣ制御電源に変換する（全体的には図３を参照）。ＡＣ電源１０２は、三相、固定電圧、および固定周波数のＡＣ電力を、その場所にあるＡＣ電力網または配電システムからＶＳＤ１０４に提供する。ＡＣ電力網は、電気事業所から直接供給されてもよく、または電気事業所とＡＣ電力網との間の１つまたは複数の変電所から供給されてもよい。ＡＣ電源１０２は好ましくは、対応するＡＣ電力網に依存して、２００Ｖ、２３０Ｖ、３８０Ｖ、４６０Ｖ、または６００Ｖの三相ＡＣ電圧または線間電圧を、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの線間周波数で、ＶＳＤ１０４に供給することができる。ＡＣ電源１０２は、ＡＣ電力網の構成に依存して、任意の適切な固定線間電圧または固定線間周波数をＶＳＤ１０４に提供できることを理解されたい。加えて、特定の場所は、異なる線間電圧および線間周波数要件を満足できる複数ＡＣ電力網を有することができる。例えば、ある場所は、ある用途を扱うために２３０ＶＡＣ電力網を有し、他の用途を扱うために４６０ＶＡＣ電力網を有してもよい。

次に図２を参照すると、ＶＳＤ１０４は、特定の固定線間電圧および固定線間周波数を有するＡＣ電力をＡＣ電源１０２から受け取り、ＡＣ電力をモータ１０６に所望の電圧および所望の周波数で提供し、その両方は特定の要件を満足するように変化させられてもよい。好ましくは、ＶＳＤ１０４は、ＡＣ電源１０２から受け取られる固定電圧および固定周波数よりも高い電圧および周波数または低い電圧および周波数を有するＡＣ電力をモータ１０６に提供することができる。図２は、ＶＳＤ１０４の一実施形態での部品のいくつかを概略的に例示する。ＶＳＤ１０４は、３段、即ち、コンバータ段２０２、ＤＣリンク段２０４およびインバータ段２０６を有することができる。コンバータ２０２は、ＡＣ電源１０２からの固定線間周波数、固定線間電圧のＡＣ電力をＤＣ電力に変換する。ＤＣリンク２０４は、コンバータ２０２からのＤＣ電力を濾波し、キャパシタ２０８および／またはインダクタ（図示されず）などのエネルギー蓄積部品を提供する。インバータ２０６は、ＤＣリンク２０４からのＤＣ電力を、モータ１０６のために可変周波数、可変電圧のＡＣ電力に変換する。

電子トランス１０８もまたＶＳＤ１０４のＤＣリンク２０４に接続される。固定電圧および／または周波数は、さまざまの場所または運転要件に適合するように変更されてもよいが、電子トランス１０８は、ＤＣリンク２０４からのＤＣ電力を、固定周波数、好ましくは６０Ｈｚで、固定ＡＣ電圧、好ましくは１２０ＶＡＣに変換する。冷却システムのための補助装置１１０は、電子トランス１０８の出力部に接続され、制御盤、接触器、継電器、ポンプおよび送風機を含んでもよい。必要に応じて、電子トランス１０８は、補助装置に三相電力を供給するように構成されてもよい。ＤＣリンクのＤＣ電圧が十分な水準に維持される限り、電子トランス１０８は、補助装置１１０の定格電圧で制御電力を提供する能力を有する。ＶＳＤ１０４のライドスルー能力の利点は、以下でさらに詳細に論じられるように、冷却システムの補助装置１１０に移転される。電子トランス１０８は、ＶＳＤ１０４を収納する同じエンクロージャー内に構築されてもよい。別法として、電子トランス１０８は、制御盤内に構築されてもよく、または制御盤３０８（図３参照）および／または補助装置１１０に給電するための配電回路遮断器およびスイッチを有するエンクロージャー内に収納されてもよい。

モータ１０６は好ましくは、可変速で駆動されることが可能な誘導モータである。誘導モータは、２極、４極または６極を含む、任意の適切な極配置を有することができる。誘導モータは、負荷、好ましくは図３で示されるような冷凍または冷却システムの圧縮機を駆動するために使用される。図３は、冷凍システムに接続される本発明のシステムを全体的に例示する。

図３で示されるように、ＨＶＡＣ、冷凍または液体冷却システム３００は、圧縮機３０２、凝縮器３０４、蒸発器３０６、および制御盤３０８を含む。制御盤３０８は、冷凍システム３００の運転を制御するために、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ、マイクロプロセッサ、不揮発メモリ、およびインターフェースボードなどの各種の異なる部品を含むことができる。制御盤３０８はまた、ＶＳＤ１０４およびモータ１０６の運転を制御するために使用されてもよい。電子トランス１０８は、冷却システム３００のための他の単相補助装置へと同様に、制御盤３０８へも制御電力を提供する。

圧縮機３０２は、冷媒蒸気を圧縮し、吐出管を通じてその蒸気を凝縮器３０４に配送する。圧縮機３０２は好ましくは遠心圧縮機であるが、任意の適切な型の圧縮機、例えば、スクリュー圧縮機、往復圧縮機などでもよい。圧縮機３０２によって凝縮器３０４に配送される冷媒蒸気は、流体、例えば空気または水と熱交換関係に入り、その流体との熱交換関係の結果として、冷媒液体への相変化を受ける。凝縮器３０４からの凝縮された液体冷媒は、膨張装置（図示されず）を通じて蒸発器３０６へ流れる。

蒸発器３０６は、冷房負荷の供給管および戻り管のための接続部を含むことができる。第２の液体、例えば、水、エチレン、塩化カルシウム塩水または塩化ナトリウム塩水は、戻り管を介して蒸発器３０６内へ進み、供給管を介して蒸発器３０６から出る。蒸発器３０６内の液体冷媒は、第２の液体と熱交換関係に入り、第２の液体の温度を下げる。蒸発器３０６内の冷媒液体は、第２の液体との熱交換関係の結果として、冷媒蒸気への相変化を受ける。蒸発器３０６内の蒸気冷媒は蒸発器３０６から出て、吸い込み管によって圧縮機３０２へ戻り、その循環を完了する。凝縮器３０４および蒸発器３０６内での冷媒の適切な相変化が得られるならば、凝縮器３０４および蒸発器３０６の任意の適した構成がシステム３００で使用されてもよいことを理解されたい。

ＨＶＡＣ、冷凍または液体冷却システム３００は、図３では示されない多くの他の特徴を含むことができる。これらの特徴は、例示の容易さのため、描画を簡略化するために意図的に省略された。さらに、図３は、ＨＶＡＣ、冷凍または液体冷却システム３００を、単一冷媒回路内に接続される１つの圧縮機を有するとして例示するが、システム３００は、単一のＶＳＤまたは複数のＶＳＤによって電力を供給され、１つまたは複数の冷媒回路内に接続される複数の圧縮機を有してもよいことを理解されたい。

好ましくは、制御盤３０８、マイクロプロセッサまたは制御装置は、制御盤３０８によって受け取られる特定の感知器示度に依存して、ＶＳＤ１０４およびモータ１０６のための最適運転設定を提供するようにＶＳＤ１０４（およびもしかするとモータ１０６）の運転を制御するために、制御信号をＶＳＤ１０４に提供することができる。例えば、図３の冷凍システム３００では、制御盤３０８は、冷凍システム内で変化する条件に対応するようにＶＳＤ１０４の出力電圧および周波数を調節することができる、即ち、制御盤３０８は、モータ１０６の所望の運転速度および圧縮機３０２の所望の負荷出力を得るために、圧縮機３０２での増加するまたは減少する負荷条件に応答して、ＶＳＤ１０４の出力電圧および周波数を増加させるまたは減少させることができる。

後戻りして図２を参照すると、コンバータ２０２は、ＤＣリンク２０４に結合される従来のダイオードまたはサイリスタ整流器であってもよい。もう１つの例では、コンバータ２０２は、ＶＳＤ１０４の公称ＲＭＳ基本入力電圧より大きな最大基本ＲＭＳ出力電圧をＶＳＤ１０４から得るように昇圧ＤＣ電圧をＤＣリンク２０４に提供するために、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を有するパルス幅変調昇圧コンバータまたは整流器であってもよい。本発明の好ましい実施形態では、ＶＳＤ１０４は、ＶＳＤ１０４に提供される固定公称基本ＲＭＳ入力電圧より大きい最大出力電圧およびＶＳＤ１０４に提供される固定公称基本ＲＭＳ入力周波数より高い最大基本ＲＭＳ出力周波数を提供することができる。さらに、ＶＳＤ１０４がモータ１０６に適切な出力電圧および周波数を提供することができる限り、ＶＳＤ１０４は、図２で示されるそれらとは異なる部品を組み込むことができることを理解されたい。

さらに、アクティブコンバータまたは整流器２０２は、また電圧降下とも呼ばれるＡＣ入力電圧の減少中のＶＳＤ１０４のライドスルー能力を改善するために使用されてもよい。アクティブコンバータまたは整流器２０２は、ＡＣ入力電圧とは独立な所望のまたは所定の出力電圧をＤＣリンク２０４に提供するように制御されてもよい。ＡＣ入力電圧に依存しないＤＣ電圧を提供することによって、アクティブコンバータまたは整流器２０２（およびＶＳＤ１０４）は、ＡＣ入力電圧における電圧降下によって影響を受けず、それによってＶＳＤ１０４のために改善されたライドスルー性能を提供する。アクティブコンバータまたは整流器２０２は、たとえＡＣ入力電圧が降下しても、所望のＤＣ電圧をＤＣリンク２０４に提供し続けることができる。アクティブコンバータまたは整流器２０２のこの能力は、ＶＳＤ１０４が、ＡＣ入力電圧が降下する時間中、中断なしに作動し続ける、即ちライドスルーすることを可能とする。

冷却システムにおけるライドスルーを改善する別の方法として、アクティブコンバータまたは整流器２０２が電圧降下中にその電流限界に達すると、圧縮機制御部分（図示されず）は、ＤＣリンクキャパシタ２０８から機械的負荷によって消費される電力を最小限にするために、圧縮機３０２の機械的除荷装置を作動させる。また、機械的負荷が圧縮機制御部分によって切り離されるのとほとんど同時に、インバータ制御部分（図示されず）はＤＣリンク電圧の制御を引き受け、エネルギーがモータ１０６の回転質量内に蓄積されるエネルギーからＤＣリンクキャパシタ２０８へ移動されるようにするために、モータ速度を制御する。モータ速度はライドスルー中に減少するが、一方、ＤＣリンク電圧は定格電圧にまたは定格電圧近くに維持される。もし回転質量内に蓄積されるエネルギーが、線間入力電圧の公称範囲までの復元前に十分に使い果たされると、システムは、冷却システム部品への損傷を防止するために、最終的に停止するであろう。もし線間入力ＡＣ電圧が、公称入力ＡＣ電圧の所定の範囲内にまで回復すれば、そのときには、次の電圧降下が生じるまで、インバータ２０６は、ＨＶＡＣ＆Ｒの制御システムによって要請されるようにモータ１０６の速度を制御することを再開し、コンバータ２０２は、ＤＣリンク２０４のＤＣ電圧を調整することを再開する。

以下でさらに詳細に論じられるように、電子トランス１０８は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）またはＭＯＳＦＥＴなどの４つの電力半導体スイッチ（図示されず）から成る。好ましくは、電子トランス１０８は、ＤＣリンクからのＤＣ電圧を変換して、単相、１２０Ｖ、６０ＨｚのＡＣ制御電力を補助装置１１０に提供するように構成される。もし補助装置１１０が、ポンプおよび送風機のために三相モータを含むならば、電子トランス１０８は、三相電力および望むならば、異なる固定電圧および固定周波数を提供するように構成されてもよい。電子トランス１０８は、ある固定出力電圧および周波数に設定され、それがいったん設定されると、出力電力の電圧または周波数を調節しない。

本発明の好ましい実施形態では、ＶＳＤ１０４は、ＤＣリンクに接続されるキャパシタを事前充電するための事前充電構成を含む。図４を参照すると、ＤＣリンク２０４のキャパシタ２０８の事前充電は、図４で示されるアクティブコンバータまたは整流器モジュール２０２を使用して制御される。アクティブコンバータまたは整流器モジュール２０２は、３対（各入力相に対して各対）の電力スイッチまたはトランジスタを含む。アクティブコンバータまたは整流器モジュール２０２はまた、電子トランス１０８に対して以下で述べられるのと同様の方法で電力スイッチの切換えを制御するために、対応する制御接続部（簡略化のために図示されず）も含む。アクティブコンバータまたは整流器モジュール２０２の好ましい実施形態では、電力スイッチは、以下で詳細に論じられるように、ＤＣリンク２０４のために所望の出力電圧を生成するようにパルス幅変調技術によって制御されるＩＧＢＴ電力スイッチである。好ましくは、アクティブコンバータまたは整流器モジュール２０２は、ＶＳＤ１０４の入力電圧よりも大きな出力電圧をＶＳＤ１０４から得るために、昇圧ＤＣ電圧をＤＣリンク２０４に提供する昇圧整流器として作動することができる。

アクティブコンバータまたは整流器モジュール２０２では、各対の電力スイッチ内の電力スイッチの１つは、逆または反平行ダイオード４５２に接続されるＩＧＢＴ４５０である。逆または反平行ダイオード４５２は、ＶＳＤ１０４がパルス幅変調モードで運転されるとき、その他の電力スイッチ、ＩＧＢＴ４５４がオフにされた後、電流を伝導するために使用される。図４で示されるように、ＩＧＢＴ４５０および逆ダイオード４５２は、回路保護装置および三相線路インダクタ４１６の出力とＤＣバスの負レール４１２との間に接続される。しかしながら、本発明のもう１つの実施形態では、多数のＩＧＢＴ４５０および逆ダイオード４５２は、図６で示されるように、回路保護装置および三相線路インダクタ４１６の出力とＤＣバスの正レール４１２ａとの間に接続されてもよい。回路保護装置４１６は、装置４１６の負荷側に接続されるＶＳＤ回路部品を保護するために、インダクタ、回路遮断器、ヒューズおよび他の器具を含んでもよい。

電力スイッチ対内のその他の電力スイッチは、逆阻止ＩＧＢＴ４５４であり、即ち、ＩＧＢＴ４５４は順方向と同様逆方向の電圧も阻止することができる。逆阻止ＩＧＢＴ４５４は逆または反平行ＩＧＢＴ４５６に接続され、この反平行ＩＧＢＴ４５６もまた逆阻止ＩＧＢＴである。その結果、反平行ＩＧＢＴ４５６は好ましくは、事前充電運転の間、突入電流の小さなパルスのみがＤＣリンクに到達することができるように制御される。事前充電運転が完了した後、反平行ＩＧＢＴ４５６は、反平行ダイオード４５２と同様に、常に伝導するように制御されてもよい。逆阻止ＩＧＢＴ４５４は、事前充電の目的のために、反平行ＩＧＢＴ４５６の伝導が遅延される限りの間は、ＩＧＢＴ４５４を横断して現れるピーク線間電圧にほぼ等しい正のエミッタコレクタ電圧を阻止する。

アクティブコンバータ２０２の代替実施形態では、図６で示されるように、コンバータは相当たり３つの電力スイッチを含む。相当たり３つの電力スイッチの各々は、逆または反平行ダイオード４５２に接続される、逆電圧を阻止することができない従来のＩＧＢＴ４５０から成る。電力スイッチのうちの２つは、回路保護装置および三相線路リアクタ４１６と正レールとの間に対向する直列構成で接続される。その結果、各相において、最上部の電力スイッチＡ_ｔｏｐは好ましくは、事前充電運転の間、中間の対向する直列電力スイッチＡ_ｍｉｄ逆ダイオードを通じて、突入電流の小さなパルスのみがＤＣリンク２０４に到達することができるように制御される。事前充電運転が完了した後、第１の電力スイッチＡ_ｔｏｐは、反平行ダイオード４５２と同様に、常に伝導するように制御されてもよい。各相の第３の電力スイッチＡ_ｂｏｔは、回路保護装置および三相線路リアクタ４１６と負レールとの間に接続される。

図４を参照すると、コンバータ２０２のさらにもう１つの実施形態では、反平行ＩＧＢＴ４５６は、炭化シリコン制御整流器（ＳｉＣＣＲ）によって置き換えられる。逆阻止ＩＧＢＴ４５４は、ＳｉＣＣＲに反平行に接続される。その結果、ＳｉＣＣＲは好ましくは、事前充電運転の間、突入電流の小さなパルスのみがＤＣリンク２０４に到達することができるように制御される。事前充電運転が完了した後、ＳｉＣＣＲは、反平行ダイオード４５２と同様に、常に伝導するように制御されてもよい。逆阻止ＩＧＢＴ４５４は、事前充電の目的のために、ＳｉＣＣＲの伝導が遅延される限りの間は、ＩＧＢＴ４５４を横断して現れるピーク線間電圧にほぼ等しい正のエミッタコレクタ電圧を阻止する。加えて、ＳｉＣＣＲは、従来のダイオードとして運転されるときは、逆回復現象または特性を示さない。ＳｉＣＣＲにおける逆回復特性の欠如は、同相のＩＧＢＴ４５０がオンになるときにはいつも、かなりの逆電流がＳｉＣＣＲ内を流れるのを防止することによって、かなりの逆回復損失がＳｉＣＣＲ内で生じるのを防止する。

ＤＣリンクを事前充電するときには、好ましい実施形態では、電子トランス１０８は、入力ＡＣ電力１０２の三相Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のうちの任意の２つに接続される一対のダイオード４３０を含む。この配置は、アクティブコンバータまたは整流器が作動していないまたはＤＣリンク２０４を事前充電しているときには、制御回路に直接に電力を提供する。ダイオード４３０は、コンバータ２０２のＤＣリンク２０４が事前充電している間、入力ＡＣ電圧１０２をＤＣバス４４０のＤＣ電圧に変換するために、電子トランスのＤＣバス４４０に接続される。ダイオード４３２は、事前充電中、ＤＣバス４４０からＤＣリンク２０２への電流の流れを阻止する。ＤＣリンク２０４の事前充電が完了し、アクティブコンバータ２０２が使用可能になった後は、ＤＣリンク２０２の昇圧ＤＣ電圧は、ダイオード４３０によって提供されるＤＣ電圧よりも大きく、ＤＣ電流がＤＣリンク２０４からＤＣバス４４０へ流れるようになる。したがって、ＤＣリンク２０４の電圧が入力ＡＣ電圧のピークを越えると、ダイオード４３０は逆バイアスされ、それらはＤＣバス４４０へ電流を伝導することを停止する。ダイオード４３０はまた、ＤＣリンクを入力ＡＣ線１０２から絶縁もする。好ましくは、キャパシタ４４２は、ＤＣ電力を濾波し、電子トランス１０８のためのエネルギーを蓄積するために、ＤＣバス４４０を横断して接続される。アクティブコンバータまたは整流器が作動していないとき、三相ＡＣ電源が電子制御トランスに電圧を提供できるように、図示されない追加のダイオード４３０が含まれてもよい。

電子トランス１０８は本質的に、ＤＣバス４４０のＤＣ電圧を、上述の補助装置１１０のための制御電圧に、典型的には１２０ボルト、６０Ｈｚ電力に変換するインバータである。電子トランス１０８は、４対の電力スイッチまたはトランジスタを有する。各対の電力スイッチにおける電力スイッチの１つは、逆または反平行ダイオード４４６に接続されるＩＧＢＴ４４４である。逆または反平行ダイオード４４６は、電子トランス１０８がパルス幅変調モードで運転されるとき、その他の電力スイッチ、ＩＧＢＴ４４４がオフにされた後、電流を伝導するために使用される。

図４で示されるように、ＩＧＢＴ４４４および逆ダイオード４４６は、ＤＣバス４４０と、電子トランス１０８の出力部にあるインダクタ４６０との間に接続される。インダクタ４６０およびキャパシタＣ２は、インバータ内のＩＧＢＴ４４４およびダイオード４４６によって生成される切換え周波数を濾波して除去する低域通過フィルタを形成する。電子トランス１０８は、所望のＡＣ電圧および周波数を電子トランス１０８から得るために、ある変調方式を使用して、電子トランス１０８内の各ＩＧＢＴ電力スイッチを、「オン」または活性化位置と「オフ」または非活性化位置との間で選択的に切換えることによって、ＤＣバス４４０上のＤＣ電圧を変換する。ゲート信号または切換え信号は、ＩＧＢＴ電力スイッチを「オン」位置と「オフ」位置との間で切換えるために、その変調方式に基づいて、図示されない制御回路によってＩＧＢＴ電力スイッチに提供される。ＩＧＢＴ電力スイッチは好ましくは、切換え信号が「ハイ」、即ち論理１のときには「オン」位置にあり、切換え信号が「ロー」、即ち論理ゼロのときには「オフ」の位置にある。しかしながら、ＩＧＢＴ電力スイッチの活性および非活性は、切換え信号の反対状態に基づいてもよいことを理解されたい。

キャパシタＣ２は、電子トランス１０８の出力電圧を濾波し、ソレノイド弁および継電器などの、エネルギーを与えられるとき突入電流を必要とする負荷のための電気エネルギーを蓄積するために、インダクタ４６０の負荷端子を横断して接続されてもよい。オプションとして、電気的絶縁を提供するために、例えば、制御回路を接地するために、電子トランス１０８の出力にあるキャパシタ４６２を横断して絶縁トランス４６４が接続されてもよい。もし絶縁トランス４６４が必要とされるならば、インダクタ４６０およびキャパシタＣ２が、トランス４６４の負荷側に接続されてもよい。これは、より高い周波数がトランス４６４の一次側に印加される結果となり、より小さく、より安価なトランス４６４の使用を可能とする。

本発明のもう１つの態様では、事前充電構成はＶＳＤ１０４内に提供されない。ＤＣリンクへの突入電流が著しくない場合には、ＤＣリンクのキャパシタの事前充電を制御する必要はないかもしれない。図５を参照すると、この構成では、ＤＣリンク２０４は、電子トランス１０８のＤＣバス４４０に直接接続される。コンバータモジュール２０２は、３対（各入力相に対して１対）の電力スイッチまたはトランジスタを含む。コンバータモジュール２０２はまた、電力スイッチの切換えを制御するために、上述のような対応する制御接続部を含む。電力スイッチはＩＧＢＴ電力スイッチであり、ＤＣリンク２０４のために所望の出力電圧を生成するようにパルス幅変調技術によって制御される。好ましくは、コンバータモジュール２０２は、ＶＳＤ１０４の入力電圧よりも大きな出力電圧をＶＳＤ１０４から得るために、ＤＣリンク２０４に昇圧ＤＣ電圧を提供する昇圧整流器として作動することができる。

図５で示されるコンバータモジュール２０２では、各対の電力スイッチは、逆または反平行ダイオード４５２に接続されるＩＧＢＴ４５０である。ＶＳＤ１０４がパルス幅変調モードで運転されるとき、逆または反平行ダイオード４５２は、その他の電力スイッチ、ＩＧＢＴ４５０がオフにされた後、電流を伝導するために使用される。図４で示されるように、各対の電力スイッチにおけるＩＧＢＴ４５０および逆ダイオード４５２の１組は、回路保護装置および三相線路リアクタ４１６の出力とＤＣバス４１２の負レールとの間に接続される。各対の電力スイッチにおけるＩＧＢＴ４５０および逆ダイオード４５２のその他の組は、回路保護装置および三相線路リアクタ４１６の出力とＤＣバス４１２の正レールとの間に接続される。反平行ダイオード４５２は常に一方向に伝導性があるので、キャパシタ２０８を事前充電するために制御可能ではない。

図５における電子トランス１０８の構成はまた、ＡＣ入力線１０２への任意の直接接続部を除去するようにも変更される。電子トランス１０８のキャパシタ４４２は、ＶＳＤ１０４のＤＣリンク２０４およびキャパシタと平行に、かつ電子トランス４４０のＤＣバス４４０と平行に接続される。図４で示される構成に関連して上述のように作動する４対の電力スイッチがある。同様に、インダクタ４６０、キャパシタ４６２およびオプションの絶縁トランス４６４は、図４で上述されたのと同じに構成される。

電子トランスをＤＣリンク２０４に接続することは、従来の巻線型トランスを使用するときには利用できない追加のライドスルー能力を、冷却システム補助装置に提供する。もし電圧降下が入力ＡＣ電源１０２において生じると、上述のように、ＤＣリンク２０４が、モータ１０６および圧縮機３０２の回転質量内に蓄積されるエネルギーおよび／またはアクティブコンバータ２０２によって支援されるかぎり、電子トランス１０８の出力電圧はその定格出力電圧に維持される。したがって、冷却システムの運転は、電圧降下およびかく乱の間、制御盤、ポンプ、継電器および接触器などの補助装置の不具合によって危うくされることはない。

本発明は好ましい実施形態を参照して述べられてきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、各種の変形がなされ、等価物がその要素と置き換えられてもよいことは当業者には理解されるであろう。加えて、それの本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状態または材料を本発明の教示に適合させるために、多くの変更がなされてもよい。したがって、本発明は、本発明を実施するために熟考される最良の態様として開示される特定の実施形態に限定されず、本発明は、添付の特許請求の範囲内に入る全ての実施形態を含むであろうことが意図される。

本発明の全体的なシステム構成を概略的に例示する図である。 本発明の可変速駆動回路および電子制御トランスの実施形態を概略的に示す図である。 本発明と一緒に使用されることのできる冷却システムを概略的に示す図である。 電子制御トランスの一実施形態の回路図を例示する図である。 電子制御トランスの代替実施形態を例示する図である。 アクティブコンバータ配置の代替実施形態を例示する図である。

Claims (18)

1. 固定入力ＡＣ電圧および固定入力周波数で入力ＡＣ電力を受け取るためにＡＣ電源に接続され、前記固定入力ＡＣ電圧を昇圧ＤＣ電圧に変換し、前記昇圧電圧が前記固定入力ＡＣ電圧よりも大きくなるように構成されるコンバータ段と、
   前記コンバータ段に接続され、前記昇圧ＤＣ電圧を濾波し、前記コンバータ段からのエネルギーを蓄積するように構成されるＤＣリンクと、
   前記ＤＣリンクに接続され、冷却システムのモータに可変電圧および可変周波数で出力電力を提供するために前記ＤＣリンクからの前記昇圧ＤＣ電圧を変換し、前記可変電圧は、前記固定入力ＡＣ電圧よりも大きい最大電圧を有し、前記可変周波数は前記固定入力周波数よりも高い最大周波数を有するように構成されている、第１のインバータ段と、
   前記第１のインバータ段は、前記第１のインバータ段を通る電力の流れを前記ＤＣリンク段へ逆流させて、前記第１のインバータ段に接続されるモータの回転質量に蓄積されるエネルギーから電力を移動させ、減少する固定入力ＡＣ電圧に応答して前記ＤＣリンクの電圧水準を維持するように構成され、
   前記ＤＣリンクに接続されたＤＣバスを含み、前記ＤＣリンクからの前記昇圧ＤＣ電圧を、冷却システムの少なくとも１つの部品のために固定出力ＡＣ電圧および固定出力周波数を有する補助出力電源に変換し、前記固定出力ＡＣ電圧は前記固定入力ＡＣ電圧よりも小さくなるように構成された第２のインバータ段と、
   前記第２のインバータ段の前記固定出力ＡＣ電圧および固定出力周波数は、前記固定入力ＡＣ電圧の一時的な減少の場合に維持され、
   前記コンバータ段と並列に前記ＡＣ電源と前記ＤＣバスの間に接続される複数のダイオードと、前記ＤＣリンクと前記バスの間に接続された阻止ダイオードとを含み、前記昇圧ＤＣ電圧が前記固定入力ＡＣ電圧を超える時に前記複数のダイオードを逆バイアスするように構成されている、コンバータ回路と、
   を含む、異なる電圧要件を有する冷却システムの複数の部品に電力を供給する駆動システム。
2. 前記コンバータ段は、前記駆動システムの起動時に前記ＤＣリンクへの突入電流を制御するために前記ＤＣリンクを事前充電するように制御され、反平行絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を有する前記コンバータ段は炭化シリコン制御整流器（ＳｉＣＣＲ）および反平行ＩＧＢＴに反平行に接続された逆阻止ＩＧＢＴを含む、請求項１に記載の駆動システム。
3. 前記第２のインバータ段は、前記昇圧ＤＣ電圧を前記固定出力ＡＣ電圧および固定出力周波数に逆変換するように構成される少なくとも４つの電力半導体スイッチから構成される、請求項１に記載の駆動システム。
4. 前記第１のインバータ段および前記第２のインバータ段は単一のエンクロージャー内に配置される、請求項１に記載の駆動システム。
5. 前記第１のインバータ段および前記第２のインバータ段は別個のエンクロージャー内に配置される、請求項１に記載の駆動システム。
6. 前記補助出力電源固定出力ＡＣ電圧は１２０ＶＡＣであり、前記固定出力周波数が６０Ｈｚである、請求項１に記載の駆動システム。
7. 前記第２のインバータ段は前記固定出力ＡＣ電力を制御盤および配電盤に提供し、前記少なくとも１つの部品は前記配電盤に接続される、請求項１に記載の駆動システム。
8. 前記少なくとも１つの部品は、ポンプ、継電器、ソレノイド、加熱器、接触器、送風機、およびその組合せから成る群から選択される、請求項７に記載の駆動システム。
9. 前記インバータ段の前記回路は、前記入力ＡＣ電力に接続される複数のダイオードを含む、請求項１に記載の駆動システム。
10. 閉冷媒ループに接続される圧縮機、凝縮器、および蒸発器を含む冷媒回路と、
    前記圧縮機に動力を供給するために前記圧縮機に接続されるモータと、
    前記モータに接続され、入力ＡＣ電力を固定入力ＡＣ電圧および固定入力周波数で受け取り、出力電力を可変電圧および可変周波数で前記モータに提供し、前記可変電圧は前記固定入力ＡＣ電圧よりも大きい最大電圧を有し、前記可変周波数は前記固定入力周波数よりも高い最大周波数を有するように構成された可変速駆動回路と、
    前記可変速駆動回路は、
    前記入力ＡＣ電力を提供するＡＣ電源に接続され、前記入力ＡＣ電圧を昇圧ＤＣ電圧に変換し、前記昇圧ＤＣ電圧は前記固定入力ＡＣ電圧よりも大きくなるように構成されるコンバータ段と、
    前記コンバータ段に接続され、前記昇圧ＤＣ電圧を濾波し、前記コンバータ段からエネルギーを蓄積するように構成されるＤＣリンクと、
    前記ＤＣリンクに接続され、前記ＤＣリンクからの前記昇圧ＤＣ電圧を、前記モータのための出力電力に変換するように構成され、さらに、前記第１のインバータ段を通る電力の流れを前記ＤＣリンク段へ逆流させて、前記モータの回転質量に蓄積されるエネルギーから電力を移動させ、前記第１のインバータ段と減少する入力ＡＣ電圧に応答して前記ＤＣリンクの電圧レベルを維持するように構成される第１のインバータ段と、を備え、
    前記ＤＣリンクに接続され、前記ＤＣリンクからの前記昇圧ＤＣ電圧を、固定出力ＡＣ電圧および固定出力周波数を有する補助出力電源に変換し、前記固定出力電圧は前記固定入力ＡＣ電圧よりも小さくなるように構成され、電子制御トランスの前記固定出力ＡＣ電圧および固定出力周波数は、前記入力ＡＣ電圧の一時的な減少の場合に維持され、前記コンバータ段と並列に前記ＡＣ電源と前記ＤＣバスの間に接続される複数のダイオードと、前記昇圧ＤＣ電圧が前記固定入力ＡＣ電圧を超える時に前記複数のダイオードを逆バイアスするように構成される阻止ダイオードとを含む、電子制御トランスと、
    を含む冷却システム。
11. 前記コンバータ段は前記駆動システムの起動時に前記ＤＣリンクへの突入電流を制御するために前記ＤＣリンクを事前充電するように制御され、反平行絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を有する前記コンバータ段は炭化シリコン制御整流器（ＳｉＣＣＲ）および反平行ＩＧＢＴに反平行に接続された逆阻止ＩＧＢＴを含む、請求項１０に記載の冷却システム。
12. 前記電子制御トランスは、前記昇圧ＤＣ電圧を前記固定出力ＡＣ電圧および固定出力周波数に逆変換するように構成される少なくとも４つの電力半導体スイッチから成る、請求項１０に記載の冷却システム。
13. 前記第１のインバータ段および前記電子制御トランスは単一のエンクロージャーに配置される、請求項１０に記載の冷却システム。
14. 前記第１のインバータ段および前記電子制御トランスは個別のエンクロージャーに配置される、請求項１０に記載の冷却システム。
15. 前記補助出力電源固定出力ＡＣ電圧が１２０ＶＡＣであり、前記固定出力周波数が６０Ｈｚである、請求項１０に記載の冷却システム。
16. 前記電子制御トランスは前記固定出力ＡＣ電力を制御盤および配電盤に提供し、少なくとも１つの部品は前記配電盤に接続される、請求項１１に記載の冷却システム。
17. 前記少なくとも１つの補助電気部品は、ポンプ、継電器、ソレノイド、加熱器、接触器、送風機、およびその組合せから成る群から選択される、請求項１６に記載の駆動システム。
18. 前記電子制御トランスの前記コンバータ段は、前記入力ＡＣ電力に接続される複数のダイオードを含む、請求項１０に記載の駆動システム。

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