JP4799512B2 - 電力変換装置およびその装置を用いた空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、交流電源を整流し、電源の力率を改善しながら所望の直流電圧を出力し、さらに、その直流電圧が交流に変換する電力変換装置およびその装置を用いた空気調和機に関するものである。

従来の電力変換装置は、例えば、交流電源の電圧を全波整流回路によって脈動直流電圧に整流し、その脈動直流電圧を昇圧チョッパ回路で昇圧し、平滑コンデンサによって直流電圧にする。そして、インバータが平滑コンデンサからの直流電圧を交流電圧に変換しモータを駆動する。モータが停止している状態およびモータの負荷が小さく最低入力電圧値を下回っている場合は、昇圧チョッパ回路のスイッチング動作を一時停止し、直流電圧の上昇を抑制している（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−１１５７８８号公報

しかしながら、前述した従来の特許文献１に記載の電力変換装置では、昇圧チョッパ回路のスイッチング動作を停止しているときにも、直流電流がダイオードに流れる構成になっているため、ダイオードで余分な電力損失が発生し、製品の省エネに反するという課題があった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、モータの回転速度が低速と中速のときにダイオードに電流が流れないようにして電力損失の低減を図り、また、低速時には平滑コンデンサに脈動直流電圧が供給されないようにして平滑コンデンサの寿命を延ばすことのできる電力変換装置およびその装置を用いた空気調和機を提供することを目的とする。

本発明に係る電力変換装置は、交流電源の電圧を脈動直流電圧に整流する整流回路、整流回路の脈動直流電圧を昇圧しダイオードを介して出力する昇圧回路、およびダイオードを介して供給される脈動直流電圧を平滑する平滑コンデンサを有するコンバータと、平滑コンデンサの直流電圧を交流に変換しモータを回転させるインバータと、モータの回転速度が低速のとき、整流回路の脈動直流電圧を昇圧回路に入力させることなくインバータに供給し、モータの回転速度が中速のときは、整流回路の脈動直流電圧を昇圧回路に入力させることなく平滑コンデンサに供給して平滑化させインバータに印加する電路切替手段とを備えたものである。

本発明によれば、モータの回転速度が低速のとき、整流回路の脈動直流電圧を昇圧回路に入力させることなくインバータに供給し、モータの回転速度が中速のときは、整流回路の脈動直流電圧を昇圧回路に入力させることなく平滑コンデンサに供給して平滑化させインバータに印加するようにしたので、昇圧チョッパ回路のダイオードによる電力損失をなくすことができ、また、低速時には平滑コンデンサに脈動直流電圧が供給されないようにしているので、平滑コンデンサの寿命を延ばすことができる。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る電力変換装置およびその装置を用いた空気調和機の好適な実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における電力変換装置の回路図である。
図１において、交流電源１に接続される全波整流回路２は、交流電圧を脈動直流電圧に整流する。全波整流回路２の出力端間に高周波用のリアクトル３とスイッチング素子５とが直列に接続され、リアクトル３とスイッチング素子５の接続点に逆流阻止用のダイオード４が接続されている。リアクトル３およびスイッチング素子５とダイオード４とで昇圧チョッパ回路が構成されている。この昇圧チョッパ回路は、スイッチング素子５のＯＮ期間にリアクトル３に電流を流し込み、ＯＦＦ期間にリアクトル３に蓄えられたエネルギーをダイオード４を介して出力、即ちスイッチング素子５のＯＮ・ＯＦＦに応じて全波整流回路２の脈動直流電圧を昇圧して出力する。前述したスイッチング素子５にトランジスタやＩＧＢＴ等が使用されている。

昇圧チョッパ回路の出力端間に第２のスイッチＳＷ２と平滑コンデンサ６とが直列に接続され、第２のスイッチＳＷ２に並列に抵抗１０が接続されている。この抵抗１０は、高抵抗で、平滑コンデンサ６にリプル電流を充電・放電させないために設けられている。これにより、平滑コンデンサ６の寿命を延ばすことができる。なお、前述した全波整流回路２および昇圧チョッパ回路と平滑コンデンサ６とでコンバータが構成されている。このコンバータの出力側に接続された逆変換回路のインバータ８は、ドライバ２３からのドライブ信号に基づいて平滑コンデンサ６の直流電圧を交流電圧に変換しモータ９を駆動する。

全波整流回路２の出力端の負極側に挿入された電源電流検出素子７は、電源電流を検出しインバータ制御部２２とコンバータ制御部２４とに出力する。直列に接続された第１のスイッチＳＷ１と低周波用のリアクトル１１は、昇圧チョッパ回路のリアクトル３およびダイオード４に並列に接続されている。制御回路２０は、モータ９の誘起電圧から磁極位置を検出し位置検出信号を出力する位置検出部２１と、インバータ制御部２２と、インバータ制御部２２からのＰＷＭ信号に基づいてドライブ信号を生成しインバータ８を駆動するドライバ２３と、コンバータ制御部２４と、リレー制御部２５とで構成されている。

インバータ制御部２２は、位置検出部２１からの位置検出信号を基にモータ９の速度を演算し、速度指令値との偏差に応じてＰＷＭ信号および直流電圧指令を生成し、かつ、ＰＷＭ信号をドライバ２３に、直流電圧指令をコンバータ制御部２４にそれぞれ出力する。また、位置検出信号と電源電流とからモータ９が停止したと判断したとき、ＰＷＭ信号の出力を停止すると共に、コンバータ停止信号をコンバータ制御部２４に出力する。また、速度指令値（低速、中速、高速）に応じてリレー切替指令を生成しリレー制御部２５に出力する。

コンバータ制御部２４は、インバータ制御部２２からの直流電圧指令に従って直流電圧の制御を行い、脈動直流電圧および電源電流により電源電流を正弦波に制御し、コンバータ停止信号の入力を検知したときは、昇圧チョッパ回路のスイッチング素子５をＯＦＦにして昇圧動作を停止させる。リレー制御部２５（スイッチ制御部）は、例えばマイコンあるいはデジタルシグナルプロセッサよりなり、インバータ制御部２２からのリレー切替指令に応じて第１および第２のスイッチＳＷ１、ＳＷ２をＯＮ／ＯＦＦする。リレー切替指令よりモータの回転速度が低速と判断したとき、第１のスイッチＳＷ１をＯＮすると共に、第２のスイッチＳＷ２をＯＦＦし、リレー切替指令よりモータの回転速度が中速と判断したときは、第１および第２のスイッチＳＷ１、ＳＷ２を共にＯＮする。リレー制御部２５により制御される第１および第２のスイッチＳＷ１、ＳＷ２は、例えばソリッドステートリレーのスイッチである。

前記のように構成された電力変換装置において、モータの回転速度に応じた動作を図１および図２を参照しながら説明する。図２は第１および第２のスイッチＳＷ１、ＳＷ２とコンバータの動作状態をモータの回転速度の変化に応じて示す図である。
本装置がモータ９を駆動しているときに、制御回路２０のインバータ制御部２２が低速指令値を検知すると、第１のスイッチＳＷ１をＯＮ、第２のスイッチＳＷ２をＯＦＦさせるリレー切替指令をリレー制御部２５に出力すると共に、コンバータ制御部２４にコンバータ停止信号を出力する。コンバータ制御部２４は、コンバータ停止信号に基づいて昇圧チョッパ回路のスイッチング素子５の動作を停止させ、リレー制御部２５は、前記のリレー切替指令に応じて第１のスイッチＳＷ１をＯＮすると共に、第２のスイッチＳＷ２をＯＦＦし、全波整流回路２の脈動直流電圧を第１のスイッチＳＷ１および低周波用のリアクトル１１を介してインバータ８に印加させる。一方、インバータ制御部２２は、モータ９の回転速度が低速となるＰＷＭ信号を生成し、ドライバ２３を通してインバータ８を駆動させる。

インバータ制御部２２が中速指令値を検知した場合は、第１のスイッチＳＷ１をＯＮ、第２のスイッチＳＷ２をＯＮさせるリレー切替指令をリレー制御部２５に出力すると共に、コンバータ制御部２４にコンバータ停止信号を出力する。コンバータ制御部２４は、コンバータ停止信号に基づいて昇圧チョッパ回路のスイッチング素子５の動作を停止させ、リレー制御部２５は、入力されたリレー切替指令に応じて第１のスイッチＳＷ１をＯＮすると共に、第２のスイッチＳＷ２をＯＮし、全波整流回路２の脈動直流電圧を第１のスイッチＳＷ１、低周波用のリアクトル１１および第２のスイッチＳＷ２の経路を経て平滑コンデンサ６に供給して平滑化させ、安定した直流電圧をインバータ８に印加させる。一方、インバータ制御部２２は、モータ９の回転速度が中速となるＰＷＭ信号を生成し、ドライバ２３を通してインバータ８を駆動させる。

また、インバータ制御部２２が高速指令値を検知した場合は、第１のスイッチＳＷ１をＯＦＦ、第２のスイッチＳＷ２をＯＮさせるリレー切替指令をリレー制御部２５に出力すると共に、コンバータ制御部２４に高速指令値に基づく直流電圧指令を出力する。リレー制御部２５は、入力されたリレー切替指令に応じて第１のスイッチＳＷ１をＯＦＦすると共に、第２のスイッチＳＷ２をＯＮし、コンバータ制御部２４は、その直流電圧指令に基づいて昇圧チョッパ回路のスイッチング素子５をＯＮ・ＯＦＦし、全波整流回路２の脈動直流電圧をそのスイッチング動作に応じて昇圧させ、平滑コンデンサ６に供給して平滑化させ、安定した直流電圧をインバータ８に印加させる。一方、インバータ制御部２２は、モータ９の回転速度が高速となるＰＷＭ信号を生成し、ドライバ２３を通してインバータ８を駆動させる。

以上のように実施の形態１によれば、モータ９の回転速度が低速と中速の何れかのときに、第１のスイッチＳＷ１をＯＮすると共に、昇圧チョッパ回路のスイッチング素子５をＯＦＦ状態にしてコンバータの動作を停止させるようにしたので、昇圧チョッパ回路の逆流阻止用のダイオード４に電流が流れなくなり、このため、ダイオード４で発生する電力損失を低減することができ、省エネを図ることが可能になる。また、低速時には平滑コンデンサ６に脈動直流電圧が供給されないようにしているので、平滑コンデンサ６の寿命を延ばすことができる。さらに、モータ９の回転速度が低速と中速のときに昇圧チョッパ回路に電流が流れないようにし、高速時に昇圧チョッパ回路を介するようにしているので、コンバータ、インバータ８およびモータ９の総合効率を改善することができる。

実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２における空気調和機の室外ユニット内部を示す概略外形図である。
本実施の形態２は、図３に示すように、ファン３１，圧縮機３２などを備えた室外ユニット３０に図１で説明した実施の形態１の電力変換装置を設けたもので、この電力変換装置により圧縮機３２のモータ（図示せず）を駆動するようにしている。実施の形態１と同様に、モータの回転速度が低速の場合は、昇圧チョッパ回路のスイッチング素子５の動作を停止させ、第１のスイッチＳＷ１をＯＮ、第２のスイッチＳＷ２をＯＦＦして、全波整流回路２の脈動直流電圧を第１のスイッチＳＷ１および低周波用のリアクトル１１を介してインバータ８に印加させる。

また、モータの回転速度が低速の場合は、昇圧チョッパ回路のスイッチング素子５の動作を停止させ、第１および第２のスイッチＳＷ１、ＳＷ２の両方をＯＮして、全波整流回路２の脈動直流電圧を第１のスイッチＳＷ１、低周波用のリアクトル１１および第２のスイッチＳＷ２の経路を経て平滑コンデンサ６に供給して平滑化させ、その直流電圧をインバータ８に印加させる。

また、モータの回転速度が高速の場合は、第１のスイッチＳＷ１をＯＦＦ、第２のスイッチＳＷ２をＯＮして、昇圧チョッパ回路のスイッチング素子５をＯＮ・ＯＦＦし、全波整流回路２の脈動直流電圧をそのスイッチング動作に応じて昇圧させ、平滑コンデンサ６に供給して平滑化させ、その直流電圧をインバータ８に印加させる。

以上のように実施の形態２によれば、空気調和機の室外ユニット３０に設けられた圧縮機３２のモータを本発明の電力変換装置で駆動するようにしたので、ダイオード４で発生する電力損失を低減することができ、このため、空気調和機の消費する年間平均電力を下げることが可能になり、省エネ化を実現できる。

本発明の電力変換装置の活用例として、冷凍機、洗濯乾燥機のほか、冷蔵庫、除湿器、ヒートポンプ式給湯機、掃除機など家電製品全般に適用可能であり、ファンモータや換気扇、手乾燥機などへの適用も可能である。

本発明の実施の形態１における電力変換装置の回路図である。 第１および第２のスイッチＳＷ１、ＳＷ２とコンバータの動作状態をモータの回転速度の変化に応じて示す図である。 本発明の実施の形態２における空気調和機の室外ユニット内部を示す概略外形図である。

符号の説明

１ 交流電源、２ 全波整流回路、３ 高周波用リアクトル、４ ダイオード、５ スイッチング素子、６ 平滑コンデンサ、７ 電源電流検出部、８ インバータ、９ モータ、１０ 抵抗、１１ 低周波用リアクトル、２０ 制御回路、２１ 位置検出部、
ＳＷ１ 第１のスイッチ、ＳＷ２ 第２のスイッチ、２２ インバータ制御部、２３ ドライバ、２４ コンバータ制御部、２５ リレー制御部、３０ 室外ユニット、３１ ファン、３２ 圧縮機、３３ 電力変換装置。

Claims (4)

1. 交流電源の電圧を脈動直流電圧に整流する整流回路、該整流回路の脈動直流電圧を昇圧しダイオードを介して出力する昇圧回路、および前記ダイオードを介して供給される脈動直流電圧を平滑する平滑コンデンサを有するコンバータと、
   該平滑コンデンサの直流電圧を交流に変換しモータを回転させるインバータと、
   モータの回転速度が低速のとき、前記整流回路の脈動直流電圧を前記昇圧回路に入力させることなく前記インバータに供給し、モータの回転速度が中速のときは、前記整流回路の脈動直流電圧を前記昇圧回路に入力させることなく前記平滑コンデンサに供給して平滑化させ前記インバータに印加する電路切替手段と
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記電路切替手段は、
   前記昇圧回路の陽極側の入力端および出力端の間に直列に接続された第１のスイッチおよびリアクトルと、
   前記平滑コンデンサの陽極側に挿入された第２のスイッチと、
   モータの回転速度が低速あるいは中速の何れか一方のとき、前記昇圧回路の昇圧動作を停止させるコンバータ制御部と、
   モータの回転速度が低速のとき、前記第１のスイッチをＯＮすると共に、前記第２のスイッチをＯＦＦして、前記整流回路の脈動直流電圧を前記リアクトルを介して前記インバータに供給し、モータの回転速度が中速のときは、前記第１および第２のスイッチを共にＯＮして、前記整流回路の脈動直流電圧を前記リアクトルを介して前記平滑コンデンサに供給するスイッチ制御部と
   を備えていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記スイッチ制御部は、マイコンあるいはデジタルシグナルプロセッサの何れかより構成されていることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の電力変換装置により室外ユニットに内蔵された圧縮機のモータが駆動されることを特徴とする空気調和機。

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