JP5274579B2 - 交流直流変換装置、電動機駆動装置 - Google Patents

交流直流変換装置、電動機駆動装置 Download PDF

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Description

本発明は、交流を直流に変換する装置に関する。
従来、整流電源回路に関し、『交流電圧を整流し直流電圧を出力する整流器と、前記整流器の交流入力側或いは直流出力側に直列に接続されたリアクトルと、前記整流器から出力される直流電圧或いは前記リアクトルを介して出力される直流電圧がダイオードを介して印加され平滑された直流電圧を得るコンデンサと、前記整流器の直流出力側を直接或いは前記リアクトルを介して短絡するスイッチ素子と、電圧基準と前記コンデンサで平滑された直流電圧との偏差値に応じて電圧制御信号を出力する電圧制御手段と、前記交流電圧に同期した正弦波状の同期信号或いは正弦波の全波整流波形状の同期信号と前記電圧制御信号との積を演算し電流基準信号を出力する電流基準演算手段と、前記電流基準信号と前記整流器の交流側電流或いは直流側電流とを比較して前記スイッチ素子をオン・オフ制御する駆動信号を出力する比較手段を備え、交流入力電流を正弦波状に制御しながら直流出力電圧を所望の値に制御することを特徴とする整流電源回路。』というものが提案されている(特許文献1)。
また、交流直流変換装置に関し、『単相交流電源とダイオードで構成された全波整流回路とリアクトルと、コンデンサ直列回路と、双方向スイッチと、負荷が、接続された構成において、双方向スイッチをスイッチングさせることにより、交流入力電流を高力率化する場合、直列接続されたコンデンサの電圧が半サイクル期間内で不均衡になる』ことを課題とする技術として、『単相交流電源とダイオードで構成された全波整流回路の一方の交流入力との間にリアクトルが、全波整流回路の直流出力間にコンデンサ直列回路が、コンデンサ直列回路の内部接続点と全波整流回路の各交流入力との間に双方向スイッチ10、11が、コンデンサ直列回路と並列に負荷14が、各々接続された構成において、直列接続されたコンデンサ12とコンデンサ13の電圧を電圧を検出して、この電圧が均等になるように、双方向スイッチ10および11を高周波でオン・オフ制御する。』というものが提案されている(特許文献2)。
また、『入力電流の高調波成分を低減し、力率を最適に改善することができる直流電源装置を得ること。』を目的とした技術として、『交流電源の交流電圧が零点を通過すると、その通過時点から予め設定された第1の遅延時間後にスイッチ手段を閉動作させるとともに、その通過時点から予め設定された第2の遅延時間後にスイッチ手段を開動作させるようにしたものである。』というものが提案されている(特許文献3)。
また、『スイッチングする回数を減らし必要最小限のスイッチング回数にすることによって制御での処理の速度を低下させ、力率を改善し、高調波を低減し、低コスト化を図る』ことを目的とした技術として、『交流電源1の電圧を整流する整流回路2と、整流回路2からの出力電圧を平滑する平滑コンデンサ4と、平滑コンデンサ4より交流電源1側に配置されたスイッチ手段6と、スイッチ手段6より電源側に配置されたリアクトル3と、平滑コンデンサ4に並列接続された負荷の負荷量を検出する負荷量検出手段10と、交流電源1の電源周期に同期して電源半周期に少なくとも2回、負荷量に応じた開閉時間にてスイッチ手段を開閉制御する制御手段8とを備える。』というものが提案されている(特許文献4)。
また、『交流電源1の出力電圧を変換するコンバータ回路において、リアクタや大容量のコンデンサを用いることなく、入力電圧以上の電圧を発生可能とする。』ことを目的とした技術として、『交流電源1の出力電圧を変換するコンバータ回路100において、交流電源1の出力電圧を整流する整流回路20と、該整流回路20の出力を平滑する直列接続の第1及び第2のコンデンサ31及び32と、該第1及び第2のコンデンサ31及び32に、交流電源1の出力電圧が該交流電源の周期より短い周期で交互に繰り返し印加されるよう、上記両コンデンサ31及び32と交流電源との接続を切り替えるスイッチ回路40とを備えた。』というものが提案されている(特許文献5)。
また、『電源高調波規制を満足するとともに、電源装置の昇圧性能と入力力率を高いレベルで両立することが可能な電源装置を提供する。』ことを目的とした技術として、『整流回路と、直列に接続された複数のコンデンサからなり整流回路の2つの出力端間に接続されたコンデンサ回路と、整流回路の一方の入力端と、コンデンサ回路内のコンデンサ間の一つの接続点との間に接続された第1のスイッチング手段と、整流回路の他方の入力端と、コンデンサ回路内のコンデンサ間の一つの接続点との間に接続された第2のスイッチング手段と、交流電源のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出手段とからなる電源装置において、交流電源の半周期毎に、交流電源のゼロクロス点以降に所定時間t1だけ第1及び第2のスイッチング手段をともにオンした後、所定時間t2だけ第2のスイッチング手段のみオフした後、第1及び第2のスイッチング手段8をオフする。』というものが提案されている(特許文献6)。
また、2つのスイッチング素子を動作させることにより、高調波電流を抑制しようとすする技術が提案されている(非特許文献1)。
特公平7−89743号公報(要約) 特開2008−22625号公報(要約) 特開平7−7946号公報(要約) 特開2000−125545号公報(要約) 特開2005−110491号公報(要約) 特開2008−99512号公報(要約) 星伸一、大口國臣、「単相マルチレベル整流回路のスイッチングパターン決定法」、H17年度電気学会産業応用部門大会、No.1−61
上記特許文献1に記載の技術は、高調波を抑制することができるが、入力電流の瞬時値を検出して瞬時的に正弦波化する電流制御であるため、高速な制御処理を要し、高周波PWM制御が必要となる。高周波PWM制御は、発生するノイズが多いため、ノイズ対策のためのコストが増加してしまう。
また、高速な制御処理を行うために、処理性能の高いマイコンや専用IC(Integrated Circuit)を用いてアナログ制御を行うので、周辺回路構成が複雑となり、回路コストが増加する。
上記特許文献2に記載の技術は、2つの双方向スイッチを用いて特許文献1と同様の高周波PWM制御を行うが、入力電流の瞬時値を検出して制御を行うため、特許文献1と同様の課題がある。
上記特許文献3に記載の技術では、高調波電流を規制値以下に抑制しようとすると、リアクタが大型化する課題がある。
上記特許文献4に記載の技術では、高調波抑制性能を代えることなくリアクタを小型化することができる。しかし、スイッチング回数を増加させるため、消費電力が増加する課題がある。また、入力電流が増加すると、インダクタンス値は同じでもリアクタが大型化する課題がある。
上記特許文献5に記載の技術では、電源周波数より高い周波数で相補的にスイッチングを行うことにより、コンデンサを小容量化することができる。しかし、コンデンサ小容量化のための相補的なスイッチングであるため、電源高調波電流を十分に低減することは難しい。
上記特許文献6に記載の技術では、入力力率を向上させることができるが、リアクタを十分に小型化することは難しい。
上記非特許文献1に記載の技術は、GA(遺伝的アルゴリズム)を用いてスイッチ手段のON/OFFタイミングを求めておくものである。しかし、GAは最適解を求めるために長時間の演算を要するため、あらかじめ演算を実行して求めておいた各パラメータを記憶装置に格納しておく必要がある。
したがって、機種数の多い製品への適用するには、開発期間が長くかかり、また各パラメータを記憶するための容量も多く必要である。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、安価に高調波電流を抑制して力率を改善することのできる交流直流変換装置を提供することを目的とする。
本発明に係る交流直流変換装置は、交流電源にリアクタを介して接続される整流器と、前記整流器の出力端子間に直列接続された2つのコンデンサと、前記整流器の一方の入力端子と前記コンデンサの接続点との間に接続された第1スイッチと、前記整流器の他方の入力端子と前記コンデンサの接続点との間に接続された第2スイッチと、前記コンデンサと逆並列に接続されたダイオードと、前記コンデンサの両端電圧を検出する電圧検出器と、前記交流電源から入力する電流を検出する電流検出器と、前記第1スイッチと前記第2スイッチを駆動制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記コンデンサの両端電圧を一定にし、電源力率を改善するように前記第1スイッチおよび前記第2スイッチを駆動制御するものである。
本発明に係る交流直流変換装置によれば、第1スイッチング手段と第2スイッチング手段のON/OFFタイミングを制御することにより、3つのレベルのコンバータ電圧を時間幅制御しながら出力し、正弦波状のコンバータ電圧を出力することができる。
これにより、リアクタに流れる電流を正弦波状に制御することができるので、力率を改善し、リアクタを小型化することができる。
また、3レベルのコンバータ電圧を時間幅制御しながら出力するので、低周波でスイッチング動作を行うことができ、高周波ノイズ対策のためのコストを削減して安価に実用化することができる。
実施の形態1に係る交流直流変換装置100の回路図である。 交流直流変換装置100の動作を等価的に表した回路図である。 整流器2の入力端子間電圧Vcの波形を示す図である。 第1スイッチング手段3と第2スイッチング手段4の動作を説明するものである。 制御手段20の内部構成を示すブロック図である。 各スイッチング手段のON/OFFタイミングを定める変調信号の波形図である。 上述のPWM制御を実現する制御ブロック図の例である。 実施の形態3に係る交流直流変換装置100の回路図である。 実施の形態5に係る交流直流変換装置100の回路図である。
符号の説明
1 交流電源、2 整流器、3 第1スイッチング手段、4 第2スイッチング手段、5 リアクタ、6 第1コンデンサ、7 第2コンデンサ、8 負荷、10 第1ダイオード、11 第2ダイオード、14 第2整流器、20 制御手段、21 電圧検出器、22 電流検出器、23 電源ゼロクロス検出器、24 インバータ制御手段、25 CPU。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る交流直流変換装置100の回路図である。
図1の回路は、交流電源1、整流器2、第1スイッチング手段3、第2スイッチング手段4、リアクタ5、第1コンデンサ6、第2コンデンサ7、直流負荷8、第1ダイオード10、第2ダイオード11、第1抵抗12、第2抵抗13、制御手段20、電圧検出器21、電流検出器22、電源ゼロクロス検出器23を備える。
交流電源1は、交流直流変換装置100の外部から交流電力を供給する。
整流器2は、交流電源1の交流電力を直流に整流する。
第1スイッチング手段3は、一端が整流器2の一方の入力端子に接続され、もう一端が第1コンデンサ6と第2コンデンサ7の接続点に接続されている。
第2スイッチング手段4は、一端が整流器2の他方の入力端子に接続され、もう一端が第1コンデンサ6と第2コンデンサ7の接続点に接続されている。
リアクタ5は、交流電源1と第1スイッチング手段3または第2スイッチング手段4の間に接続されており、高調波電流を抑制する機能を持つ。
第1コンデンサ6は、整流器2の一方の出力端子に接続されている。
第2コンデンサ7は、整流器2の他方の出力端子に接続されている。
直流負荷8は、整流器2の出力に接続されている。
第1ダイオード10は第1コンデンサ6と並列に、第2ダイオード11は第2コンデンサ7と並列に接続されている。
第1抵抗12は第1コンデンサ6と並列に、第2抵抗13は第2コンデンサ7と並列に接続されている。
第1ダイオード10および第2ダイオード11は、第1コンデンサ6および第2コンデンサ7と極性が逆になっており、いわゆる逆並列状態で接続されている。
第1スイッチング手段3は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)3aとダイオード整流器3bから構成される双方向スイッチング手段である。
第2スイッチング手段4は、同様にIGBT4aとダイオード整流器4bから構成される双方向スイッチング手段である。
制御手段20は、第1スイッチング手段3と第2スイッチング手段4を駆動制御する。
制御手段20は、その機能を実現する回路デバイスのようなハードウェアで構成することもできるし、マイコンやCPU(Central Processing Unit)のような演算装置とその動作を規定するソフトウェアで構成することもできる。
電圧検出器21は、整流器2の出力端電圧を検出し、検出結果を制御手段20に出力する。
電流検出器22は、交流電源1から交流直流変換装置100に入力する入力電流の瞬時値Isを検出し、検出結果を制御手段20に出力する。
電源ゼロクロス検出器23は、電源位相θを検出し、検出結果を制御手段20に出力する。
以上、本実施の形態1に係る交流直流変換装置100の構成を説明した。
次に、本実施の形態1に係る交流直流変換装置100の動作を説明する。
図2は、交流直流変換装置100の動作を等価的に表した回路図である。
交流直流変換装置100の動作は、図2の仮想交流電源9がリアクタ5に直列接続されているものとして等価的に取り扱うことができる。即ち、第1スイッチング手段3と第2スイッチング手段4は、交流直流変換装置100が仮想交流電源9と等価となるように動作する。
次に、仮想交流電源9の動作について説明する。
リアクタ5に流れる電流Iは、交流電源1と仮想交流電源9の電圧差によって定まる。
リアクタ電流Iは交流量であるため、図3の回路方程式は下記(式1)で表される。
Figure 0005274579
交流電源1の電圧Vs、および仮想交流電源9の電圧Vcは、それぞれ正弦波状であるものと仮定し、下記(式2)〜(式3)のように表す。
Figure 0005274579
V1=V2と仮定すると、リアクタ電流Iは下記(式4)で表される。
Figure 0005274579
VsとVcの位相差φが変化しなければ、sin(φ/2)は定数となる。(式4)の定数部分をまとめてKとすると、リアクタ電流Iは下記(式5)で表される。
Figure 0005274579
以上、仮想交流電源9の電圧Vcを用いて図3の回路方程式を表した。
上記(式5)から、以下のことが言える。
即ち、仮想交流電源9の電圧Vcが、(式3)で表されるように正弦波状で出力されると、リアクタ電流I、換言すると入力電流は正弦波状となる。これにより、高調波電流が抑制される。
また、入力電流と交流電源1の位相差がゼロとなると、電源力率は100%となる。
したがって、仮想交流電源の電圧振幅V2と位相差φを適切に制御して正弦波状の電圧Vcを出力することにより、入力電流の高調波を抑制するとともに、力率を向上することができるのである。
そこで、本実施の形態1では、整流器2の入力端子間電圧Vcを略正弦波状とするように、第1スイッチング手段3と第2スイッチング手段4を駆動制御する。
以下、電圧Vcを略正弦波状とするための第1スイッチング手段3と第2スイッチング手段4の動作について説明する。
図3は、整流器2の入力端子間電圧Vcの波形を示す図である。
電圧Vcは、第1スイッチング手段3と第2スイッチング手段4の動作により、図3に示す電圧0、Vdc/2、Vdcの3レベルの出力状態をとる。逆極性も同様である。なお、Vdcは直流負荷8に印加される出力直流電圧である。
この3レベルの出力状態をとる際の第1スイッチング手段3と第2スイッチング手段4の動作について、次の図4で説明する。
図4は、第1スイッチング手段3と第2スイッチング手段4の動作を説明するものである。以下、図4の各スイッチング状態について説明する。
(a)第1スイッチング手段3と第2スイッチング手段4を同時にON
図4(a)の状態では、第1スイッチング手段3と第2スイッチング手段4が同時にONされている。この状態では、整流器2の入力端子間が短絡されたことになり、電圧Vc=0となる。図3(1)の区間がこれに相当する。
(b)第1スイッチング手段3をON、第2スイッチング手段4をOFF
図4(b)の状態では、第1スイッチング手段3はON、第2スイッチング手段4はOFFとなっている。この状態では、整流器2の入力端子間電圧Vcは第2コンデンサ7の両端電圧と等しい。
したがって、電圧Vcは出力直流電圧Vdcの半分となり、Vc=Vdc/2となる。図3(2)の区間がこれに相当する。
(c)第1スイッチング手段3をOFF、第2スイッチング手段4をON
図4(c)の状態では、第1スイッチング手段3はOFF、第2スイッチング手段4はONとなっている。この状態では、整流器2の入力端子間電圧Vcは第1コンデンサ6の両端電圧と等しい。
したがって、電圧Vcは出力直流電圧Vdcの半分となり、Vc=Vdc/2となる。図3(2)の区間がこれに相当する。
(d)第1スイッチング手段3と第2スイッチング手段4を同時にOFF
図4(d)の状態では、第1スイッチング手段3と第2スイッチング手段4が同時にOFFされている。この状態では、整流器2は全波整流状態となる。
したがって、整流器2の入力端子間電圧Vcは第1コンデンサ6と第2コンデンサ7の両端電圧と等しくなり、電圧Vc=Vdcとなる。図3(3)の区間がこれに相当する。
図4(a)〜(d)のように各スイッチング手段を駆動制御することにより、整流器2の入力端子間電圧Vc、即ちコンバータ電圧Vcは、3レベルの電圧状態をとることができる。
この3レベルの電圧状態のタイミングを適切に制御することにより、図3の区間(1)〜(3)のような電圧波形を生成し、Vcを略正弦波状で出力することができる。
なお、図4(e)〜(h)は、交流電源1の極性が図4(a)〜(d)と反転している点のみが異なる。図4(e)〜(h)は、図3の区間(1)’〜(3)’に相当する。
以上、電圧Vcを略正弦波状とするための第1スイッチング手段3と第2スイッチング手段4の動作について説明した。
以上説明したように、本実施の形態1では、従来技術よりも出力電圧レベルを多段化(0、Vdc/2、Vdcの3レベル化)することにより、スイッチング周波数を下げるとともに、高調波電流を抑制してリアクタ5を小型化することを図っている。
なお、説明の都合上、制御手段20の詳細動作については、実施の形態2で説明する。
以上のように、本実施の形態1によれば、第1スイッチング手段3と第2スイッチング手段4を図3〜図4で説明したように駆動制御し、整流器2の入力端子間電圧Vc、即ちコンバータ電圧Vcを3レベルの略正弦波状で出力することができる。
これにより、スイッチング周波数を低周波にしつつ、従来技術のように電源半周期に対して1回または数回スイッチング手段を動作させる手法と比較して、リアクタ5を小型化することができる。
また、本実施の形態1によれば、出力電圧レベルを多段化したため、スイッチング周波数を例えば1kHz〜5kHz程度の低周波で駆動制御するPWM制御を行うことができる。
これにより、高周波PWM制御を行うときのようなノイズ対策のためのコスト上昇を抑えることができる。
これは、コンバータ電圧Vcを正弦波状に出力するのみで、入力電流の制御を実行することなく入力電流を略正弦波状に制御可能であることに起因する。即ち、入力電流制御を行わないので、高周波な制御動作が不要となるからである。
実施の形態2.
実施の形態1では、コンバータ電圧Vcを略正弦波状に出力することにより、入力電流を略正弦波状として高調波を抑えることを説明した。
本発明の実施の形態2では、制御手段20の制御ブロックについて詳細を説明する。回路構成などは、実施の形態1で説明したものと同様である。
図5は、制御手段20の内部構成を示すブロック図である。図5の制御ブロックは、入力電流の瞬時値と正弦波状の指令値とを瞬時的に比較することなくPWMを生成する制御構成の一例である。以下、図5の構成について説明する。
PI制御器30は、電圧検出器21が検出した直流電圧Vdcと、あらかじめ設定された所定値である直流電圧指令値Vdc*との差分を受け取り、VdcをVdc*に近づけるようにPI制御演算を実行する。制御指令は、P軸の電流指令値Ip*として出力される。
PQ変換器31は、電流検出器22が検出した入力電流の瞬時値Isと、電源ゼロクロス検出器23が検出した電源位相θとを受け取り、これらの値を用いて、入力電流の瞬時値Isを有効電力成分(P軸成分)Ipと入力電流の無効電力成分(Q軸成分)Iqとに分離して出力する。
ここで、PQ変換について補足しておく。
一般的にPQ変換は、三相電流などを二軸電流に変換する際に用いられるが、本実施の形態2では、これを単相電流であるIsに用いる。
三相電流をPQ軸電流に変換した場合、有効成分および無効成分を瞬時値として取り出すことができる。しかし、PQ変換を単相電流に適用した場合、変換結果が交流電源1の周波数の2倍で脈動することが知られている(例えば、特開平1−174274号公報)。
したがって、PQ軸電流の瞬時値は、そのままでは単相電流制御には用いることができない。
そこで、本実施の形態2では、交流電源1の周波数の2倍の脈動を除去するため、PQ変換器31の出力に対し、ローパスフィルタLPF32a、32bを適用する。これにより、PQ変換の結果に含まれる脈動を除去し、適切な制御演算を実行することができる。
LPF32a、32bの出力は、単相電流であるIsの有効電力成分電流Ipと無効電力成分電流Iqとなる。
電源力率が100%となったとき、無効電力成分Iqは0となるので、直流電圧Vdcを指令値Vdc*に制御するPI制御器30の出力は、有効電力成分電流の指令値Ip*そのものとなるはずである。
そこで、PI制御器30の出力がIp*そのものになるように、有効電力成分電流Ipとの差分をPI制御器33に入力して制御演算を実行する。同様に、無効電力成分電流Iqも0になるはずなので、Iqと0との差分をPI制御器34に入力して制御演算を実行する。
PI制御器33とPI制御器34の出力は、有効電力成分の電圧指令Vp*と無効電力成分の電圧指令Vq*である。逆PQ変換器35は、電源位相θを用いて、これらの指令値を逆PQ変換する。
この結果、電源力率が100%、換言すると電流の無効電力成分が0、および、あらかじめ設定された直流電圧となる仮想交流電源9の両端電圧の指令値Vc*が得られる。
なお、位相角度θを交流電源1の位相に同期させるため、PLL(Phase Locked Loop)回路等を用いてもよい。これにより、位相角度θの精度を向上させ、高調波電流をさらに低減することができる。
以上説明した手順により、コンバータ電圧の指令値Vc*を決定することができる。
決定したコンバータ電圧の指令値Vc*に基づき第1スイッチング手段3および第2スイッチング手段4のON/OFFタイミングを定める手法としては、例えば一般的なユニポーラ変調を用いることができる。
図6は、各スイッチング手段のON/OFFタイミングを定める変調信号の波形図である。以下、図6について説明する。
図6(a)は第1スイッチング手段3の変調信号、図6(b)は第2スイッチング手段4の変調信号である。図6(a)(b)中の正弦波形は、コンバータ電圧指令値Vc*である。
負極側の絶対値をとれば正極側と一致するので、同図の変調信号はユニポーラ変調方式であるといえる。
図6(a)において、コンバータ電圧Vc*が搬送波である三角波より大きい区間で第1スイッチング手段3をOFFする。
図6(c)は、第1スイッチング手段3のON/OFFタイミングである。Hi側がON、Lo側がOFFである。
また、第2スイッチング手段4はコンバータ電圧指令値Vc*に対し負側となるので、変調信号の波形は図6(a)の位相を180度反転した図6(b)のようになる。
図6(c)と同様にして、第2スイッチング手段4のON/OFFタイミングである図6(d)の波形が得られる。
コンバータ電圧指令値Vc*は、図6(c)(d)の波形を足し合わせることでも得られる。しかし、図6(c)(d)はHi側がスイッチング手段のONであるため、説明を分かり易くするように、Hiを0、Loを1として加算する。
すると、図6(e)のチョッピングされたコンバータ電圧指令値Vc*が得られる。
以上説明したように、ユニポーラ変調を適用して、コンバータ電圧指令値Vc*に基づき第1スイッチング手段3と第2スイッチング手段4のON/OFFタイミングを決定することができる。
図7は、上述のPWM制御を実現する制御ブロック図の例である。図5のような制御ブロックにより、IGBT3a、3bの駆動信号を生成し、以上説明したPWM制御を実現することができる。
以上、第1スイッチング手段3と第2スイッチング手段4のON/OFFタイミングを決定する変調方式について説明した。
以上のように、本実施の形態2では、第1スイッチング手段3および第2スイッチング手段4をPWM動作させることにより、整流器2の入力端子間のコンバータ電圧Vcは、図6(e)に示すような3レベル化されたチョッピング電圧となる。このチョッピング電圧をフィルタリングすると略正弦波状の電圧となる。
チョッピング電圧の電圧レベルは3段階となっているため、2段階のチョッピング波形より電圧分解能が上昇している。そのため、電圧分解能が同一であれば、PWMのキャリア周波数をより低減することができる。
また、本実施の形態2では、入力電流Isの瞬時値と正弦波状の入力電流指令値を比較して両者を近づけるようにPWM制御を実行するのではなく、図5で説明したような制御を実行する。
即ち、電源力率が100%のときはPI制御器30の出力がIp*となる想定の下、正弦波状の入力電流指令値と瞬時値Isを比較するのではなく、PI制御器30を介して直流電圧Vdcと間接的に比較する。
したがって、変動する瞬時値Isと指令値を常に比較しながら制御を実行するわけではないため、高速演算処理を必要とせず、低速の演算処理で電流制御を実現することができる。
また、単相電源に対してPQ変換を行うと、上述のように瞬時電流制御を行いにくくなるが、本実施の形態2では、コンバータ電圧Vcを3レベル化する回路構成とすることでこの課題を補い、低周波PWMでの電流制御が可能となる。
これにより、一般的に15〜20kHz以上の高周波PWMが必要な電流制御を、例えば1kHz〜5kHz程度の低周波PWM制御で実現することが可能となる。
したがって、高周波PWM制御によって生じるノイズ対策のためのコストアップがなくなり、安価に実用化することができる。
また、本実施の形態2の制御手法は、出力直流電圧Vdcを制御手段20にフィードバックして各スイッチング手段を駆動制御し、所望の出力電圧を得るとともに力率=1を実現する手法であると言える。
この点、上記非特許文献1では、スイッチング手段の動作タイミングをあらかじめ演算により求めておいて制御を行う技術が記載されている。
スイッチング手段のON/OFFタイミングは位相角に応じて無限に設定することが可能であるため、演算により求める解の候補は無限に存在する。その前提の下で出力直流電圧Vdcを所望値にするためのON/OFFタイミングを求めることは、事実上非常に困難であった。
そこで、非特許文献1では、GAを用いて最適なON/OFFタイミングを探索する手法が提案されている。
しかし、高調波を抑制することに加えて、出力直流電圧Vdcを所望値にすることのできるON/OFFタイミングを探索する手法までは見出されていない。
さらには、動作する負荷条件が変化する製品や、機種数が多い製品では、このように無限に存在するON/OFFタイミングから最適な解を探索する手法は、実用化しにくい。
本実施の形態2では、あらかじめON/OFFタイミングを演算により求めておくのではなく、フィードバック制御によりON/OFFタイミングを決定するので、動作する負荷条件が変化する製品や、機種数が多い製品でも、容易に実用化することができる。
実施の形態3.
図8は、本発明の実施の形態3に係る交流直流変換装置100の回路図である。
図8の回路では、スイッチング手段の構成を、図1の回路構成から変更した。その他の構成は図1と同様である。
本実施の形態3における「第1整流器」「第2整流器」は、整流器2が相当する。
図8の回路では、単方向通流スイッチング素子であるIGBT3aと4aは、ダイオード整流器14の機能により、図1で説明した双方向スイッチング手段と等価の動作を行うことができる。
したがって、図8の回路構成においても、実施の形態1〜2で説明したものと同様の制御動作を行うことができる。
また、図8のような回路構成により、IGBT3a、4aがON動作するときに、電流が流れるダイオードの数が図1の半分となるので、ダイオードの通流損失を図1の回路構成の半分にすることができる。
これにより、交流直流変換装置100の変換効率を向上させることができる。
以上、本実施の形態3に係る交流直流変換装置100の構成を説明した。
次に、第1ダイオード10と第2ダイオード11について説明する。
第1ダイオード10と第2ダイオード11は、並列接続された第1コンデンサ6と第2コンデンサ7が電荷を有して正電圧を持つ通常状態では不通流となり、OFF状態となるため、接続されていないことと同義である。
一方、交流電源1からの電圧供給がなくなり、かつ直流負荷8での電力消費が0でない状態では、第1コンデンサ6と第2コンデンサ7の電荷はなくなる。
このとき、直流負荷8は直列に接続された第1コンデンサ6と第2コンデンサ7から一様に電荷を消費する。もし第1コンデンサ6と第2コンデンサ7の容量にバラツキがあると、一方のコンデンサの電荷が消費されても、もう一方のコンデンサに電荷が残っているので、出力直流電圧Vdcは0にならない。
直流負荷8は、出力直流電圧Vdcが0になるまで電荷を消費するため、先に電荷が消費された側のコンデンサは帯電量が負となり、負電圧が印加されることになる。
しかし、電圧極性を有する電解コンデンサは、負電圧の印加は許容されない。
そこで、第1ダイオード10と第2ダイオード11を各コンデンサと逆並列に接続することにより、負電圧の印加量がダイオードの順方向電圧降下分を超えることを抑制する。
これにより、コンデンサの故障を防ぎ、信頼性を向上させることができる。この効果は実施の形態1〜2でも同様であることを付言しておく。
実施の形態4.
本発明の実施の形態4では、突入電流の抑制と、そのための交流直流変換装置100の動作開始方法について説明する。
第1スイッチング手段3と第2スイッチング手段4がともにOFFで、かつ直流負荷8が電力を消費している場合、図4(d)のように全波整流状態で各コンデンサに電流が流れていることになる。
このとき、第1スイッチング手段3と第2スイッチング手段4をONさせると、第1コンデンサ6と第2コンデンサ7に充電電流が流れる。この充電電流は、交流直流変換装置100の起動時に大きな突入電流となる。
この大きな電流は、第1スイッチング手段3または第2スイッチング手段4のいずれか片方がONし、全波整流状態から倍電圧整流状態に整流状態が変化することで発生する突入電流であると考えられる。
交流直流変換装置100の起動時に大きな突入電流が流れることは、各スイッチング手段や整流器2など、交流直流変換装置100の各部にストレスを与えるため、できる限り突入電流を抑制することが望ましい。
突入電流を抑制する手法について、図2を用いて説明する。
交流電源1と仮想電圧源9との差電圧により、交流電源1からの入力電流Iが決まる。したがって、各スイッチング手段の動作を開始するとき、交流電源1の電圧よりも仮想電圧源9の電圧が高ければ、突入電流が流れないことは明らかである。
そこで、本実施の形態4では、制御手段20は、第1スイッチング手段3および第2スイッチング手段4の駆動制御を開始する時は、図5に示す制御ブロックから出力される電圧指令Vc*が交流電源1の電圧より高くなり、位相が交流電源1と同位相となるようにする。
制御手段20は、PI制御を用いているため、上記を実現する手法として、PI制御の積分を利用する。
制御手段20は、積分器の初期値として、電圧指令Vc*が交流電源1の電圧よりも高く、交流電源1と同位相となるような値を設定する。
これにより、各スイッチング手段の動作開始時に突入電流が流れることがなく、ソフト起動が実現できる。
具体的には、Q軸電圧指令Vq*=0とすれば、電圧指令Vc*は交流電源1と同位相となる。さらに、電圧指令Vc*のP軸電圧指令Vp*>Vsとなれば、交流電源1の電圧よりも高い電圧をVc*として出力できる。
なお、交流電源1は電圧が変動するため、図示していないが、交流電源1の電圧を検出して、その値以上の値をP軸電圧指令Vp*とするように設定してもよいし、定格電圧よりも明らかに高い電圧、例えば200Vの1.3〜1.5倍以上の電圧、を設定してもよい。いずれの方法であっても同等の効果を有することは言うまでもない。
以上、突入電流を抑制する手法について説明した。
次に、出力直流電圧の急激な上昇を抑制する手法について説明する。
交流直流変換装置100を起動するとき、コンバータ電圧Vcと交流電源1の電圧Vsとの位相差φを0にリセットしておき、起動後に出力直流電圧Vdcを上昇させる。
出力直流電圧Vdcを上昇させるためには、位相差φを遅らせるとよいので、交流直流変換装置100の起動後は位相差φを遅らせるように制御を行うことになる。このとき、出力直流電圧が急激に上昇し、制御系がハンチングする場合がある。
そこで、本実施の形態4では、交流直流変換装置100の起動時に位相差φを進み位相側(例えば−10度)にセットしておく。具体的には、制御手段20は、例えば入力電流の無効電力成分電流が0以下となるような電圧指令Vc*を出力する。
これにより、直流負荷8が軽負荷・重負荷のいずれであっても、起動後の急激な出力直流電圧の上昇を抑制してソフトな起動を実現することができる。
あるいは、制御手段20は、直流電圧指令値Vc*を緩やかに上昇させるように制御を実行してもよい。この場合も同様に、起動後の急激な出力直流電圧の上昇を抑制してソフトな起動を実現することができる。
実施の形態5.
図9は、本発明の実施の形態5に係る交流直流変換装置100の回路図である。
図9の回路は、実施の形態1の図1で説明した回路図における直流負荷8を、インバータ16と永久磁石モータ15に置き換えたものである。また、交流直流変換装置100の出力端に電圧クランプ部17を設けた。さらに、インバータ16の動作を制御するインバータ制御手段24を設けた。
インバータ制御手段24は、その機能を実現する回路デバイスのようなハードウェアで構成することもできるし、マイコンやCPUのような半導体集積回路とその動作を規定するソフトウェアで構成することもできる。
インバータ制御手段24と制御手段20は、単一のCPUなどの演算装置とその動作を規定するソフトウェアを用いて構成し、一体的に構成することができる。
以下では、両者をCPU25に一体化するものとして説明する。この場合、インバータ制御手段24は、交流直流変換装置100の一部と一体化することになる。
インバータ制御手段24と制御手段20を一体的に構成する手法については後述する。
本実施の形態5に係る交流直流変換装置100の動作は、実施の形態1〜4で説明したものと概ね同様である。以下では特に、負荷をインバータ16と永久磁石モータ15に置き換えたことに関する説明を行う。
まずは、図9の回路を電動機駆動装置として用いることにより、電動機の設計自由度を増すことができることについて説明する。その後に、瞬間的な異常電圧上昇を抑制する構成について説明し、続いてインバータ制御手段24を制御手段20と一体的に構成するための手法について説明する。
(1)電動機の設計自由度について
電動機は、同一トルクを出力するために必要な電流が少ないほど、銅損(抵抗×電流の二乗)が少なくなる。
例えば、永久磁石同期電動機の場合、電動機の起電圧定数を高くすることで永久磁石によるトルクが増加するので、電流を少なくしても、同一トルクを出力することができる。
さらには、電流を少なくすると、電動機を駆動するインバータの通流損失およびスイッチング損失を低減させる効果も発揮する。
したがって、電動機の起電圧定数を高くして電流を少なくすることは、高効率化の手段として最も効果的であるといえる。
空気調和機に用いる電動機のように、運転時間が長い低速回転時に高効率となるよう電動機を設計すると、電動機の起電圧定数が上昇する。
急速冷房時や急速暖房時のように電動機が高速回転となる場合において、起電圧定数が高くなると、同一回転数で必要となる電圧が高くなるので、インバータが電動機を駆動するために必要な直流電圧も上昇する。
従来は、この最大回転数と直流電圧の関係を考慮して電動機の仕様を設計しなければならない制約があった。
また、上述のように、直流電圧を上昇させ、起電圧定数を高くすることで、電動機の効率を高めることができるが、一方で、高い直流電圧を提供するため交流直流変換装置100の出力直流電圧Vdcを上昇させると、交流直流変換装置100の変換効率が低下してしまう。
換言すると、交流直流変換装置100の力率が大幅に低下し、高調波電流も増加してしまう。
また、特許文献3〜4に記載の技術のような電源半周期に数回のスイッチングを行う場合は、直流電圧をリアクタ5の電圧降下分だけ上昇させる程度の効果しか発揮することができない。それ以上に直流電圧を上昇させる場合は、力率が大幅に低下し、高調波電流を増大させてしまう。
以上のような理由から、従来の技術では、直流電圧を上昇させ、起電圧定数を高くしても、高効率な電動機駆動装置を提供することが難しかった。
一方、本発明に係る交流直流変換装置100は、低周波のキャリア周波数で制御動作を行うことができるので、出力電圧を上昇させつつ力率低下を抑制して、特許文献1〜2に記載の技術のような昇圧を行う交流直流変換装置よりも、高効率な変換動作を行うことができる。
このことは、本発明の交流直流変換装置100の直流負荷8として、永久磁石モータ15を駆動するインバータ16が接続されたとき、省エネ効果を有効に発揮できることを意味する。
これにより、低速運転時に効率がよくなるように電動機を設計し、電動機を高速回転させるときには、交流直流変換装置100の出力直流電圧を上昇させて最高回転数を確保することができる。
したがって、急速冷房時や急速暖房時などの過負荷運転時でも空気調和機の性能を落とすことなく、低速運転時、換言すると通常使用時の効率を向上させることができる。
したがって、本発明の交流直流変換装置100で起電圧定数の高い電動機を駆動する電動機駆動装置を提供することにより、電動機駆動装置全体と考えた場合の動作効率を向上させ、省エネ性の高い製品を提供できる。
(2)瞬間的な異常電圧上昇の抑制
永久磁石モータ15またはインバータ16の異常、ノイズなどにより、永久磁石モータ15が停止することがある。
この場合、永久磁石モータ15が停止しているときのエネルギーによって、永久磁石モータ15の起電圧定数によっては第1コンデンサ6と第2コンデンサ7の耐圧を超えた電圧が各コンデンサに印加される可能性がある。
そこで、本実施の形態5に係る交流直流変換装置100は、瞬間的な異常電圧上昇を抑制する電圧クランプ部17を備える。
この電圧クランプ部17は、サージクランパやサージアブソーバ、もしくは抵抗とIGBTの直列回路などで構成することができる。瞬間的な電圧上昇を抑制することのできるその他の構成を用いてもよい。
(3)インバータ制御手段24と制御手段20を一体化する手法
制御手段20とインバータ制御手段24は、制御対象がそれぞれ異なるので、異なるキャリア周波数でPWM制御を行う場合がある。また、各検出器などが検出する検出値を互いの制御に用いる可能性がある。
例えば、電圧検出器21が検出した直流電圧Vdcは、インバータ制御手段24にも制御手段20にも使用される。
検出値をCPU25に取り込む際には、所定のサンプリングタイミングで検出する必要がある。この所定のサンプリングタイムは、通常、PWMタイミングと同期している方が望ましい。
即ち、制御手段20とインバータ制御手段24が異なるキャリア周波数でPWM制御を行う場合は、それぞれの周波数に合わせて2種類のサンプリングタイミングで検出値を取得することが望ましい、ということになる。
一方、検出するサンプリングタイミングを制御手段20およびインバータ制御手段24のそれぞれに合わせて2通りとすると、同じ値を検出するための端子が2つ必要となり、コストアップになってしまう。
そこで、本実施の形態5では、CPU25を以下のように構成する。
交流直流変換装置100は、永久磁石モータ15を駆動制御するため、直流電圧Vdcを制御する。そこで、本実施の形態5では、電圧検出手段21の検出値を、まず始めにインバータ制御手段24へ入力する。
CPU25は、インバータ制御手段24がPWM制御を行うタイミングで電圧検出手段21の検出値をサンプリングしてインバータ制御手段24に検出値を引き渡す。
制御手段20は、自己がPWM制御を行うタイミングで、インバータ制御手段24から検出値を取得する。
上記手法より、同じ検出値を取得するための端子は1つでよくなるので、端子を重畳的に持つことによるコストアップを抑制できる。
電圧検出手段21の検出値をまず始めにインバータ制御手段24に引き渡すのは、以下の理由による。
インバータ16は、直流電圧の印加を受けて永久磁石モータ15を駆動する。即ち、インバータ制御手段24にとっては、電圧検出手段21の検出値は入力電圧の検出値としての意味を持つ。
これに対し、交流直流変換装置100にとっての電圧検出手段21の検出値は、自己がその値を一定制御した結果値としての意味を持つ。
したがって、制御因子の時系列として、まずインバータ制御手段24に検出値を提供することが必要となるのである。
一方、入力電流Isは、インバータ16にとってはモータ15が動作した結果であるのに対し、交流直流変換装置100にとっては力率改善の制御演算のための入力値として使用するものである。
したがって、CPU25は、電流検出器22の検出値を、制御手段20がPWM制御を行うタイミングで取得する。インバータ制御手段24は、制御手段20から検出値を取得する。
以上説明した手法により、CPU25の検出ポートを不要に増加させることなく、必要優先度に応じた状態で制御に使用する検出値を互いの制御に取り込むことができる。
これにより、コストアップなしで制御手段20とインバータ制御手段24をCPU25などの単一の半導体集積回路に一体化構成することができ、さらにコスト低減効果を発揮することができる。
実施の形態6.
実施の形態1〜5で説明した交流直流変換装置100は、直流で電力を消費する負荷向けの電源装置に利用することができる。
例えば、空気調和機、冷凍機、洗濯乾燥機、冷蔵庫、除湿器、ヒートポンプ式給湯機、ショーケース、掃除機など家電製品全般に適用することができる。その他、ファンモータや換気扇、手乾燥機などへ適用することもできる。

Claims (12)

  1. 交流電源にリアクタを介して接続される整流器と、
    前記整流器の出力端子間に直列接続された2つのコンデンサと、
    前記整流器の一方の入力端子と前記コンデンサの接続点との間に接続された第1スイッチと、
    前記整流器の他方の入力端子と前記コンデンサの接続点との間に接続された第2スイッチと、
    前記コンデンサと逆並列に接続されたダイオードと、
    前記コンデンサの両端電圧を検出する電圧検出器と、
    前記交流電源から入力する電流を検出する電流検出器と、
    前記第1スイッチと前記第2スイッチを駆動制御する制御手段と、
    を備え、
    前記制御手段は、
    前記電流検出器の検出結果を有効電力成分と無効電力成分に変換したものと、
    前記電圧検出器の検出結果と、
    を用いて、
    前記コンデンサの両端電圧を一定にし、電源力率を改善するように前記第1スイッチおよび前記第2スイッチを駆動制御する
    ことを特徴とする交流直流変換装置。
  2. 交流電源にリアクタを介して接続される第1整流器と、
    前記第1整流器と並列に接続された第2整流器と、
    前記第1整流器の出力端子間に直列接続された2つのコンデンサと、
    前記第2整流器の出力端子間に直列接続された2つのスイッチと、
    前記コンデンサと逆並列に接続されたダイオードと、
    前記コンデンサの両端電圧を検出する電圧検出器と、
    前記交流電源から入力する電流を検出する電流検出器と、
    2つの前記スイッチを駆動制御する制御手段と、
    を備え、
    前記コンデンサの接続点と前記スイッチの接続点は接続されており、
    前記制御手段は、
    前記電流検出器の検出結果を有効電力成分と無効電力成分に変換したものと、
    前記電圧検出器の検出結果と、
    を用いて、
    前記コンデンサの両端電圧を一定にし、電源力率を改善するように前記第1スイッチおよび前記第2スイッチを駆動制御する
    ことを特徴とする交流直流変換装置。
  3. 前記制御手段は、
    前記交流電源の半周期中に、前記整流器が、
    全波整流状態、第1倍圧整流状態、第2倍圧整流状態、電源短絡状態の4つの整流状態となるように、前記スイッチを駆動制御する
    ことを特徴とする請求項1または請求項2記載の交流直流変換装置。
  4. 前記制御手段は、
    前記電流検出器の検出結果を有効電力成分電流と無効電力成分電流に変換し、
    前記有効電力成分電流を用いて前記コンデンサの両端電圧を一定に制御する
    ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の交流直流変換装置。
  5. 前記制御手段は、前記無効電力成分電流を用いて電源力率を制御する
    ことを特徴とする請求項4記載の交流直流変換装置。
  6. 前記制御手段は、
    前記有効電力成分電流と前記無効電力成分電流に含まれる、前記交流電源の2倍の周波数の脈動成分を除去する手段を備え、
    前記脈動を除去した後の前記有効電力成分と前記無効電力成分に基づき、
    前記第1スイッチおよび前記第2スイッチを駆動制御する
    ことを特徴とする請求項4または請求項5記載の交流直流変換装置。
  7. 前記制御手段は、
    前記有効電力成分電流を用いて、前記整流器の入力端子間電圧の有効電力成分電圧の指令値を算出し、
    前記無効電力成分電流を用いて、前記整流器の入力端子間電圧の無効電力成分電圧の指令値を算出し、
    これらの値を用いて前記整流器の入力端子間電圧の指令値を算出し、
    前記整流器の入力端子間電圧をその指令値に近づけるように前記第1双方向スイッチおよび前記第2スイッチを駆動制御する
    ことを特徴とする請求項4ないし請求項6のいずれかに記載の交流直流変換装置。
  8. 前記制御手段は、
    前記スイッチの駆動制御を開始するときには、前記整流器の入力端子間電圧の有効電力成分電圧指令値を前記交流電源の電圧以上とする
    ことを特徴とする請求項4ないし請求項7のいずれかに記載の交流直流変換装置。
  9. 前記制御手段は、
    前記スイッチの駆動制御を開始するときには、前記整流器の入力端子間電圧の無効電力成分電圧指令値を0とする
    ことを特徴とする請求項4ないし請求項8のいずれかに記載の交流直流変換装置。
  10. 前記制御手段は、
    前記スイッチの駆動制御を開始するときには、
    入力電流の無効電力成分が0以下となるように、
    前記整流器の入力端子間電圧の電圧指令値を出力する
    ことを特徴とする請求項4ないし請求項9のいずれかに記載の交流直流変換装置。
  11. 請求項1ないし請求項10のいずれかに記載の交流直流変換装置と、
    前記交流直流変換装置が出力する直流電力を交流電力に変換して永久磁石電動機を駆動するインバータと、
    前記インバータの動作を制御するインバータ制御手段と、
    を備え、
    前記制御手段と前記インバータ制御手段を単一の半導体集積回路上に実装した
    ことを特徴とする電動機駆動装置。
  12. 前記半導体集積回路は、
    前記電圧検出器の検出結果を、前記インバータ制御手段が実行するPWM制御タイミングと同期して取得し、
    前記電流検出器の検出結果を、前記制御手段が実行するPWM制御タイミングと同期して取得する
    ことを特徴とする請求項11記載の電動機駆動装置。
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