JP5627701B2 - 3相交流直流変換装置及び3相交流直流変換装置を用いた空気調和機 - Google Patents
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Description
2 3相整流ブリッジ回路
2a〜2f ダイオード
3 3相フルブリッジ回路
3a〜3f FET
4a〜4f 逆阻止ダイオード
5 リアクトル
6 平滑用コンデンサ
7 負荷
8 電源位相検出手段
9 直流電圧検出手段
10 パルス幅変調手段
11 入力側抵抗
12 発光ダイオード
13 ダイオード
14 定電圧電源
15 出力側抵抗
16 フォトトランジスタ
17 3相交流電源の電圧波形
18 フォトトランジスタのエミッタ電位波形
19 上側の直流母線電圧の波形
20 下側の直流母線電圧の波形
21 基準信号
22 三角波
23 PWM信号
101 インバータ負荷
102 モータ
図1は、実施の形態1に係る3相交流直流変換装置の回路構成図である。
図1において、3相交流電源1は、1相分の交流電源1R、1S、1TがY字結線され、その中性点が接地されているものと等価である。これらの交流電源1R〜1Tから出力される電圧の位相は互いに120度ずつずれており、それぞれの交流電源からは、R相電圧、S相電圧、T相電圧が出力されている。
図2において、交流電源1Rの出力は、入力側抵抗11の一端に接続され、入力側抵抗11の他端は、発光ダイオード12のアノード側に接続されている。発光ダイオード12のカソード側は接地されている。また、発光ダイオード12にはダイオード13が並列に接続されており、互いに逆の極性同士が接続されるように構成されている。
(1)電源位相検出手段8の動作
まず、図2及び図3に基づき、電源位相検出手段8の動作について説明する。
図2において、交流電源1Rの電圧が正のときは、発光ダイオード12が導通状態となり発光する。このとき、フォトトランジスタ16も導通状態となり、エミッタ側の電位は0V(以降、L状態、と記す。)となる。一方、交流電源1Rの電圧が負のときは、ダイオード13が導通状態となるが、発光ダイオード12は非導通となり発光しない。このとき、フォトトランジスタ16も非導通状態となり、エミッタ側の電位には定電圧電源の電位が現れる(以降、H状態、と記す)。従って、それぞれの交流電源が正のときには、エミッタ電位はL状態となり、逆に、それぞれの交流電源が負のときには、エミッタ電位はH状態となる動作をする。
3相交流直流変換回路全体の動作について説明する。
図4は、実施の形態1に係る各相の電源電圧とPWM制御されるFET及び通電するリアクトルとの関係を示す図である。図4において、区間1(位相が0度〜60度)の間は、パルス幅変調手段10により、FET3b及びFET3fのゲートに対してPWM信号が出力される。
交流電源1R→リアクトル5a→FET3b→ダイオード2d→交流電源1S
<FET3bがOFFのとき>
交流電源1R→リアクトル5a→逆阻止ダイオード4a→平滑用コンデンサ6→ダイオード2d→交流電源1S
交流電源1T→リアクトル5c→FET3f→ダイオード2d→交流電源1S
<FET3fがOFFのとき>
交流電源1T→リアクトル5c→逆阻止ダイオード4e→平滑用コンデンサ6→ダイオード2d→交流電源1S
交流電源1R→ダイオード2a→FET3c→リアクトル5b→交流電源1S
<FET3cがOFFのとき>
交流電源1R→ダイオード2a→平滑用コンデンサ6→逆阻止ダイオード4d→リアクトル5b→交流電源1S
交流電源1R→ダイオード2a→FET3e→リアクトル5c→交流電源1T
<FET3eがOFFのとき>
交流電源1R→ダイオード2a→平滑用コンデンサ6→逆阻止ダイオード4f→リアクトル5c→交流電源1T
図6は、実施の形態1に係るR相とS相の通電経路を抜粋した回路構成図である。なお、図6においては、図1と同じ構成要素には同じ符号を付しているが、R相とS相との相間電圧を1つの等価な電源に置き換え、相間電圧1RSとして表している。いま、高調波電流を抑制するため、R相を流れる電流iRが正弦波となるように、FETを制御することを考える。このとき、電流iRの振幅をIとし、角周波数をω、時間をtとすると制御目標となる波形は[数1]のようになる。なお角周波数は、交流電源の周波数をfとすれば、ω=2πfより算出することができる。また、電源位相をθとすれば、θ=ωtの関係がある。
図8は、実施の形態2に係る3相交流直流変換装置の回路構成図である。
図8では、図1と同じ構成要素については同じ符号を付している。図1との差異は、3相フルブリッジ回路3において、更にFET3a’〜3f’を追加してブリッジ接続するとともに、追加されたそれぞれのFETに、並列に接続された逆阻止ダイオード4a’〜4f’が接続されている点と、これら追加されたFETがリアクトル5a’〜5c’を介して、3相整流ブリッジ回路と接続されている点である。
Claims (11)
- 3相交流電源に接続されるとともに、2本の直流母線の間に整流素子がブリッジ接続されて構成されている3相整流ブリッジ回路と、
前記3相整流ブリッジ回路の出力側の前記直流母線間に、2つの直列接続されたスイッチング素子が3相分接続されるとともに、前記スイッチング素子のそれぞれに並列接続された逆阻止ダイオードから構成されている3相フルブリッジ回路と、
各相の前記2つの直列接続されたスイッチング素子を構成する前記スイッチング素子同士の接続点と前記3相交流電源の対応する相とを接続するリアクトルと、
前記3相フルブリッジ回路の出力側の直流母線間に接続された平滑用コンデンサと、
前記直流母線間の出力電圧を検出する直流電圧検出手段と、
前記3相交流電源の電源位相を検出する電源位相検出手段と、
前記スイッチング素子を制御するPWM信号を出力するパルス幅変調手段と、
を備え、
前記パルス幅変調手段は、
前記電源位相と前記出力電圧とに基づき、前記PWM信号を出力するものであって、
前記3相交流電源の1相のみが正電圧のときと、前記3相交流電源の1相のみが負電圧のときと、の区分に分けて前記PWM信号を出力する3相交流直流変換装置。 - 前記電源位相検出手段は、
前記3相交流電源に接続された発光ダイオードと、
定電圧源と抵抗を介して接続されるとともに、前記発光ダイオードから発光される光によってスイッチング動作するフォトトランジスタと、
を備えている請求項1に記載の3相交流直流変換装置。 - 前記パルス幅変調手段は、
前記3相交流電源の1相のみが正電圧のときは、他の2相を制御する前記スイッチング素子であって上アーム側の前記スイッチング素子に前記PWM信号を出力し、
前記3相交流電源の1相のみが負電圧のときは、他の2相を制御する前記スイッチング素子であって下アーム側の前記スイッチング素子に前記PWM信号を出力する請求項1又は2に記載の3相交流直流変換装置。 - 前記パルス幅変調手段は、
前記電源位相のみを変数とする式に比例する基準信号を生成するとともに、前記基準信号と三角波との比較に基づき前記PWM信号を出力する請求項1乃至3のいずれかに記載の3相交流直流変換装置。 - 3相交流電源に接続されるとともに、2本の直流母線の間に整流素子がブリッジ接続されて構成されている3相整流ブリッジ回路と、
前記3相整流ブリッジ回路の出力側の前記直流母線間に、2つの直列接続されたスイッチング素子が3相分接続されるとともに、前記スイッチング素子のそれぞれに並列接続された逆阻止ダイオードから構成されている3相フルブリッジ回路と、
各相の前記2つの直列接続されたスイッチング素子を構成する前記スイッチング素子同士の接続点と前記3相交流電源の対応する相とを接続するリアクトルと、
前記3相フルブリッジ回路の出力側の直流母線間に接続された平滑用コンデンサと、
前記直流母線間の出力電圧を検出する直流電圧検出手段と、
前記3相交流電源の電源位相を検出する電源位相検出手段と、
前記スイッチング素子を制御するPWM信号を出力するパルス幅変調手段と、
を備え、
前記パルス幅変調手段は、
前記電源位相と前記出力電圧とに基づき、前記PWM信号を出力し、
前記パルス幅変調手段は、
前記電源位相のみを変数とする式に比例する基準信号を生成するとともに、前記基準信号と三角波との比較に基づき前記PWM信号を出力する3相交流直流変換装置。 - 前記電源位相の1周期を60度ごとの区間に分け、該区間における前記電源位相をθと表したとき、
制御対象となる相の前記リアクトルに、前記制御対象となる相と遅れている相との間の相間電圧が印加される場合は、前記基準信号は、sinθ/sin(θ+30°)に比例しており、
制御対象となる相の前記リアクトルに、前記制御対象となる相と進んでいる相との間の相間電圧が印加される場合は、前記基準信号は、sin(120°+θ)/sin(90°+θ)に比例している請求項4又は5に記載の3相交流直流変換装置。 - 前記3相フルブリッジ回路は、前記2つの直列接続されたスイッチング素子が、前記直流母線間に複数並列接続されて1相分が構成されるとともに、
各相の前記2つの直列接続されたスイッチング素子を構成する前記スイッチング素子同士の接続点と前記3相交流電源の対応する相とがそれぞれリアクトルにより接続されている請求項1乃至6のいずれかに記載の3相交流直流変換装置。 - 前記パルス幅変調手段は、互いに逆位相である前記三角波を用いて2つの前記PWM信号を生成するとともに、
一方の前記PWM信号が、1相分の前記2つの直列接続されたスイッチング素子の該半数を制御し、
他方の前記PWM信号が、その余の1相分の前記2つの直列接続されたスイッチング素子を制御する請求項7に記載の3相交流直流変換装置。 - 前記スイッチング素子がワイドバンドギャップ半導体で構成されている請求項1乃至8のいずれかに記載の3相交流直流変換装置。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体は、窒化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである請求項9に記載の3相交流直流変換装置。
- 請求項1乃至10のいずれかに記載の3相交流直流変換装置の負荷として圧縮機のモータを接続している空気調和機。
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