JP6041726B2 - 電力変換装置及び空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、昇圧機能を備えた電力変換装置及びその電力変換装置を用いた空気調和装置に関する。

空気調和装置において、省エネを目的として、圧縮機及びファン等に使用されているモータを、インバータで駆動する方式が主流となっている。この方式によれば、先ず、交流をコンバータによって一旦直流に変換し、この直流をインバータによって任意の電圧及び周波数を有する交流に変換する。そして、この任意の電圧及び周波数を有する交流を用いてモータを駆動することによって、モータを高効率で運転させることができる。近年、更なる省エネ性を追求して、インバータの入力側に昇圧回路を設け、この昇圧回路を用いてコンバータが整流した整流出力を昇圧し、この昇圧した整流出力をインバータに入力するようにした空気調和装置が提案されている。

この昇圧回路は、電圧を目標の電圧まで昇圧するために、電圧検出手段及び電圧制御手段を有している。特許文献１には、「平滑素子の出力電圧を検出する電圧検出器と、昇圧チョッパ回路の出力電圧に対する電圧指令と電圧検出器の検出出力との偏差を零に抑制し且つ前記三相整流回路の出力に直流電流を流すための直流電流指令を生成する直流電流指令生成回路と」を備えた電力変換装置が開示されている。

特許第２８６９４９８号公報（請求項１、図１）

しかしながら、特許文献１に開示された電圧検出手段を用いると、周囲温度又はＡＤ変換誤差等の使用環境の影響により、検出される電圧がばらつく。このため、目標とする電圧まで昇圧することができない虞がある。このように、目標電圧まで昇圧されず、目標電圧より低い電圧で制御された場合、昇圧チョッパ回路の後段に配置されたインバータに電圧が充分に供給されない。このため、モータの駆動に必要な電圧が不足することから、高速側において、性能が充分に発揮されない虞がある。

また、特許文献１に開示された電力変換装置のように、電源側の電圧を検出していない場合、電源側の電圧変動（低下）を検出することができない。このため、電源側の電圧が低下していても、常に目標とする電圧まで昇圧してしまうので、昇圧回路は、電源電圧の低下分だけ仕事量が増える。これにより、電力変換装置を備えたモジュールに対し、通常よりも過剰な熱のストレスを与えてしまう。

本発明は、上記のような課題を背景としてなされたもので、使用環境の変化へのロバスト性を確保することができる電力変換装置及びその電力変換装置を用いた空気調和装置を提供するものである。

本発明に係る電力変換装置は、交流電源から供給された交流電圧を整流する整流器と、リアクタ、スイッチング素子及び逆流防止素子を有し、整流器が整流した直流電圧をチョッピングして可変するコンバータ部と、コンバータ部の出力電圧を平滑化する平滑コンデンサと、平滑コンデンサが平滑化したコンバータ部の出力電圧を交流電圧に変換するインバータ部と、リアクタに流れるリアクタ電流を検出する電流検出部と、コンバータ部の出力電圧を検出する出力電圧検出部と、コンバータ部のスイッチング素子を制御する制御部と、を有し、制御部は、目標とする出力電圧である目標指令電圧及び出力電圧検出部が検出したコンバータ部の出力電圧に基づいて、コンバータ部の出力電圧が目標指令電圧に収束するように、電圧指令値を演算する電圧指令演算手段と、電圧指令値及び電流検出部が検出したリアクタ電流に基づいて、電流指令値を演算する電流指令演算手段と、電流指令値に基づいて、スイッチング素子を駆動するパルス信号を生成する駆動パルス生成手段と、を有し、電圧指令演算手段は、目標指令電圧を達成するために必要なスイッチングパルス幅である目標パルス幅及び電流指令値に基づいて、電流指令値が目標パルス幅に収束するように、電圧指令値を補正するものであり、電圧指令演算手段は、電流指令値を平均化する平均値演算手段を有し、電流指令値として、平均化した電流指令値を用いることを特徴とする。

本発明によれば、スイッチング指令（オンデューティ指令値）をフィードバックし、これを目標とするパルス幅に近づけることによって、使用環境の影響のばらつきを軽減しつつ目標電圧に昇圧することができる。

実施の形態１に係る電力変換装置１を示す回路図である。 実施の形態１のコンバータ制御手段１１を示す回路図である。

以下、本発明に係る電力変換装置及びその電力変換装置を用いた空気調和装置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、以下に説明する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、実施の形態１に係る電力変換装置１を示す回路図であり、図２は、実施の形態１のコンバータ制御手段１１を示す回路図である。この図１，図２に基づいて、電力変換装置１について説明する。図１に示すように、電力変換装置１は、整流器３と、コンバータ部８（以下、昇圧回路部）と、平滑コンデンサ９と、インバータ部１２（以下、インバータ回路）とを備えている。このうち、整流器３は、例えば三相交流電源２から供給された交流電圧を直流電圧に変換するものであり、例えば６個のダイオードがブリッジ接続された３相全波整流器である。なお、三相交流電源２から供給される交流電圧は、例えばＡＣ２００Ｖとすることができる。

次に、昇圧回路部８について説明する。昇圧回路部８は、例えば、整流器３から出力された直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ回路（昇圧チョッパ回路）である。この昇圧回路部８は、整流器３から出力された直流電圧を、例えばＤＣ３５０Ｖ等に昇圧する。この昇圧回路部８には、昇圧用のリアクタ５、スイッチング素子６及び逆流防止素子を有しており、このうち、逆流防止素子は、例えば逆流防止ダイオード７とすることができる。また、スイッチング素子６は、予め定められたデューティ比の駆動信号が入力されるものであり、そのスイッチング動作は、後述する制御部１１（以下、コンバータ制御手段）によって、制御されている。なお、スイッチング素子６は、例えばＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ等の半導体素子を用いることができるが、本発明のスイッチング素子６は、これらの半導体素子に限られない。例えば、シリコン（Ｓｉ）素子よりもバンドギャップが大きい炭化ケイ素（ＳｉＣ）素子、窒化ガリウム（ＧａＮ）又はダイヤモンド素子等のワイドバンドギャップ半導体を、本発明のスイッチング素子６とすることもできる。

このスイッチング素子６がオン状態である場合、整流器３によって整流された電圧はリアクタ５に印加され、逆流防止ダイオード７への導通が阻止される。一方、スイッチング素子６がオフ状態である場合、逆流防止ダイオード７は導通し、リアクタ５には、スイッチング素子６がオン状態である場合に印加される電圧と逆向きの電圧が誘導される。そして、スイッチング素子６がオン状態であったときにリアクタ５に蓄積されたエネルギーが、スイッチング素子６がオフしたときに、平滑コンデンサ９に移送される。このとき、スイッチング素子６のオンデューティ（パルスオンオフのタイミング）を制御することによって、昇圧回路部８の出力電圧を制御することができる。なお、電力変換装置１には、電流検出部４が設けられており、この電流検出部４によって、リアクタ５に流れるリアクタ電流が検出されている。

次に、平滑コンデンサ９について説明する。平滑コンデンサ９は、昇圧回路部８の出力電圧、即ち、昇圧回路部８によって昇圧された電圧を平滑化するものである。そして、電力変換装置１には、出力電圧検出部１０が設けられており、この出力電圧検出部１０によって、平滑コンデンサ９に移送された昇圧回路部８の出力電圧（以下、母線電圧）が検出されている。

次に、インバータ回路１２について説明する。インバータ回路１２は、平滑コンデンサ９によって平滑されると共に平滑コンデンサ９に充電された直流電力を、交流電力に変換するものであり、例えば、複数のスイッチング素子で構成されている。このインバータ回路１２は、例えば、空気調和装置の圧縮機に使用されるモータ１５等の負荷に接続されており、負荷に対して、適当な周波数の交流電流を供給する。また、このインバータ回路１２の動作は、インバータ制御手段１３によって制御されており、インバータ制御手段１３が出力する駆動信号に応じて、インバータ回路１２から負荷に出力される電力の周波数が制御されている。なお、インバータ回路１２によって変換された交流電流は、モータ電流検出手段１４によって検出されており、このモータ電流検出手段１４が検出した交流電流に基づいて、インバータ制御手段１３は、インバータ回路１２を駆動する駆動信号を生成する。また、このモータ１５（負荷）には、回転速度を検出するための位置検出手段（図示せず）が接続されている。

次に、昇圧回路部８を制御するコンバータ制御手段１１について説明する。図２に示すように、コンバータ制御手段１１は、電圧指令演算手段２１と、電流指令演算手段２２と、駆動パルス生成手段２３とを備える。スイッチング素子６に対するスイッチング指令（オンデューティ指令値）は、出力電圧検出部１０が検出した母線電圧（昇圧回路部８の出力電圧）及び電流検出部４が検出したリアクタ電流に基づいて、コンバータ制御手段１１で演算されている。先ず、目標とする出力電圧である目標指令電圧、目標とする出力電圧を達成するために必要なスイッチングパルス幅である目標パルス幅、及び出力電圧検出部１０が検出した母線電圧から、電圧指令演算手段２１が、電圧指令値を演算する。具体的には、電圧制御ゲイン２４が、電圧指令値を演算する。次に、この電圧指令値、及び電流検出部４が検出したリアクタ電流から、電流指令演算手段２２が、電流指令値を演算する。この電流指令値は、目標とする出力電圧を達成するために必要なスイッチング素子６に対するスイッチング指令（オンデューティ指令値）である。この電流指令値から、駆動パルス生成手段２３が、スイッチング素子６を駆動するためのパルス信号、即ちＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）指令を生成する。

また、コンバータ制御手段１１を構成している電圧指令演算手段２１には、スイッチング指令（オンデューティ指令値）補正手段２５が設けられている。このスイッチング指令補正手段２５は、先ず、電流指令演算手段２２が演算した電流指令値を、例えば、平均値演算手段２６を用いて平均化する。次に、この平均化した電流指令値を、目標パルス幅（目標とする出力電圧を達成するために必要なスイッチングパルス幅）から減算して、得られた電圧指令値補正量を、電圧指令値の演算にフィードバックする。具体的には、電圧指令演算手段２１によって、母線電圧が、目標指令電圧に電圧指令値補正量を加算したものに収束するように、電圧指令値が演算される。このように、スイッチング指令補正手段２５は、目標パルス幅及び平均化した電流指令値に基づいて、この平均化した電流指令値が目標パルス幅に収束するように、電圧指令値を補正している。

このスイッチング指令補正手段２５において、平均値演算手段２６が設けられている理由について説明する。昇圧回路部８におけるスイッチング素子６は、一般的に、高周波でスイッチングするため、ノイズによる影響が懸念される。また、電源電圧に変動等が生じた場合、スイッチング指令が瞬間的に変動する。本実施の形態では、ノイズによる影響及び電圧変動からのロバスト性を高めて、昇圧回路部８の出力電圧を安定的に制御するために、フィードバックされるスイッチング指令においては、平均値演算手段２６によって平均化された電流指令値の平均値を用いる。なお、電源を三相交流電源２とし、また、整流器３を三相全波整流器とすると、整流器３から出力された電圧の周波数は、電源周波数の６倍となり、スイッチング指令の周波数も、整流器３から出力された電圧に同期して、６倍となる。このため、６倍の周波数の脈動を除去することができる程度のフィルタを用いて平均化する。なお、スイッチング指令補正手段２５においては、平均値に限らず、仕様用途に合わせて、瞬時値を用いて、スイッチング指令を補正してもよい。

次に、スイッチング指令補正手段２５で用いられる目標パルス幅について説明する。この目標パルス幅は、目標とする出力電圧を達成するために必要なスイッチングパルス幅である。昇圧回路部８で電圧を昇圧する場合、整流器３によって整流された電圧をＥｄとし、目標指令電圧（目標とする出力電圧）をＥｏとすると、スイッチング指令Ｄ（目標パルス幅）は、下記式（１）から求められる。

Ｄ＝（Ｅｏ−Ｅｄ）／Ｅｏ・・・・・（１）

また、整流器３によって整流された電圧Ｅｄは、三相交流電源２の電圧をＶｓとすると、その最大値は下記式（２）として算出される。

また、電圧Ｅｄの最小値は下記式（３）として算出される。

即ち、電源電圧及び目標指令電圧が決まれば、スイッチング指令（目標パルス幅）の最大値及び最小値が決定し、この最大値と最小値との和の半分が平均値となる。例えば、三相交流電源２の電圧Ｖｓを２００Ｖとし、目標指令電圧Ｅｏを３５０Ｖとする。Ｖｓが２００Ｖであるから、整流器３によって整流された電圧Ｅｄは、最小値が約２４５Ｖ、最大値が約２８３Ｖとなる。従って、上記式（１）から、スイッチング指令Ｄ（目標パルス幅）は、最小値が約０．１９、最大値が約０．３０となる。この最大値と最小値の和の半分、即ち約０．２５が、スイッチング指令（目標パルス幅）の平均値となる。なお、実際に実機を使用した上で、正確なスイッチング指令（目標パルス幅）の平均値を計測してもよい。このように、電源電圧及び目標指令電圧が決まれば、スイッチング指令（目標パルス幅）が一つに決定するので、このスイッチング指令（目標パルス幅）を利用して、出力電圧検出部１０が検出した母線電圧と、出力電圧の実電圧との誤差分を補正する。

次に、本実施の形態１に係る電力変換装置１の動作について説明する。図１に示すように、先ず、三相交流電源２から供給された交流電圧は、整流器３によって整流される。次に、整流器３が整流した直流電圧は、昇圧回路部８によって昇圧される。そして、昇圧回路部８が昇圧した出力電圧は、平滑コンデンサ９によって平滑化される。その後、平滑コンデンサ９が平滑化した出力電圧は、インバータ回路１２によって交流電圧に変換される。そして、この交流電圧は、モータ１５等の負荷に出力される。

次に、昇圧回路部８のスイッチング素子６を制御するコンバータ制御手段１１の動作について説明する。図１に示すように、先ず、電圧指令演算手段２１において、目標指令電圧及び母線電圧（検出値）に基づいて、電圧制御ゲイン２４が電圧指令値を演算する。次に、この電圧指令値と、リアクタ電流（検出値）に基づいて、電流指令演算手段２２が電流指令値を演算する。そして、この電流指令値に基づいて、駆動パルス生成手段２３が、スイッチング素子６を駆動するパルス信号を生成する。なお、電流指令値は、スイッチング指令補正手段２５における平均値演算手段２６によって平均化され、この平均化された電流指令値が、予め決定された目標パルス幅になるように、目標指令電圧と母線電圧との差分演算にフィードバックされる。その際、出力電圧の実電圧が、目標指令電圧まで誤差なく昇圧できていれば、目標パルス幅から電流指令値（平均値）を減算した電圧指令値補正量は、零となる。一方、母線電圧（検出値）と、実電圧とに差がある場合は、電圧指令値補正量が零ではなくなり、この電圧指令値補正量が、電圧指令値の演算にフィードバックされる。

これにより、出力電圧検出部１０が検出した母線電圧と、出力電圧の実電圧との間に誤差が生じていても、その誤差分を補正して昇圧するため、昇圧回路部８の後段に配置されたインバータ回路１２に、十分な電圧を供給することができる。

また、スイッチング指令補正手段２５によって、電流指令値（スイッチング指令）が、上記式（１）から求めた目標パルス幅に収束するように制御されているため、昇圧回路部８は、常に一定の比率で電源電圧を昇圧することができる。従来の電力変換装置では、何らかの理由で、電源電圧が低下しても、それに関わらず、目標指令電圧まで昇圧しようとする。このため、電源電圧が低下した分だけ、昇圧回路部の仕事量が増加して、電力変換装置を備えたモジュールが発熱する原因となる。これに対し、本実施の形態の電力変換装置１は、電源電圧が低下しても、上記式（１）から求めた目標パルス幅で、スイッチング素子６を動作させるため、電源低下分の余計な仕事をしない。このため、電力変換装置１を備えたモジュールの過剰な発熱が抑制されるので、モジュールの必要寿命の確保及び信頼性の向上が可能である。

一方、従来の電力変換装置では、何らかの理由で、電源電圧が上昇した場合も、それに関わらず、目標指令電圧まで昇圧するだけにとどまる。これに対し、本実施の形態の電力変換装置１は、電源電圧が上昇しても、上記式（１）から求めた目標パルス幅で、スイッチング素子６を動作させるため、モジュールの発熱を増加させることなく、目標指令電圧よりも高い電圧にまで昇圧することができる。このため、昇圧回路部８の後段に配置されたインバータ回路１２に、より高い電圧を供給することができるので、高効率でモータ１５を駆動することができる。

このように、本実施の形態の電力変換装置１を用いることによって、電源電圧が低下したときは、モジュールの発熱を抑制しつつモジュールを動作させ、また、電源電圧が上昇したときは、電源電圧を、より高い電圧にまで昇圧することができる。このため、電力変換装置１を備えたモジュールは、電源環境に適した動作をすることができる。

また、モジュールの耐熱性に余裕があるときは、運転範囲が拡大する場合、即ち、目標指令電圧以上に昇圧することができる場合に限って、スイッチング指令補正手段２５による補正を行うように制御することも可能である。母線電圧が目標指令電圧よりも大きい場合、目標パルス幅から、電流指令値の平均値を減算した電圧指令値補正量は正の数になる。このとき、この電圧指令値補正量を、目標指令電圧と母線電圧との差分演算にフィードバックすることによって、昇圧回路部８によって昇圧された出力電圧は、目標指令電圧よりも高くなる。一方、電圧指令値補正量が負の数であるとき、電圧指令値補正量のフィードバックを行わないため、昇圧回路部８によって昇圧された出力電圧は、電源電圧の変動（低下）にかかわらず、目標指令電圧にまで昇圧される。

このように、電源電圧が低下した場合は、モジュールの発熱は増加するものの目標指令電圧にまで昇圧することによって運転範囲を確保しつつ、電源電圧が上昇した場合は、目標指令電圧よりも高い電圧にまで昇圧することによって、より高効率で運転することができる。即ち、目標指令電圧以上に昇圧することができる場合にのみ、スイッチング指令補正手段２５による補正を行うことによって、常に、目標指令電圧以上の電圧に昇圧することができる。なお、昇圧量の増加によって、発熱量が無視できない程度に増加した場合、従来技術と同様に、失速制御を行って、モジュールを保護する。

なお、スイッチング素子６をＳｉＣのようなワイドバンドギャップ半導体で構成することにより、スイッチング速度を高速化することも可能である。これにより、より細かくスイッチングさせることが可能となるため、更に、スイッチング指令（オンデューティ指令値）のとおりに半導体を動作させることができる。従って、昇圧回路部８の出力電圧を、目標指令電圧に、更に近づけることが可能となる。このように、スイッチング素子６を、ワイドバンドギャップ半導体とすることにより、本実施の形態の電力変換装置１を、より効果的に使用することができる。

実施の形態２．
次に、本発明の電力変換装置を備えた実施の形態２に係る空気調和装置について説明する。本実施の形態２に係る空気調和装置は、本発明の電力変換装置に加えて、この電力変換装置によって駆動されているモータを備えている。このモータは、実施の形態１で述べたように、電源電圧の変動における影響が軽減された電力変換装置によって駆動されている。このため、このモータを備えた空気調和装置は、使用環境の変化へのロバスト性を高めることができる。

１ 電力変換装置、２ 三相交流電源、３ 整流器、４ 電流検出部、５ リアクタ、６ スイッチング素子、７ 逆流防止ダイオード（逆流防止素子）、８ 昇圧回路部（コンバータ部）、９ 平滑コンデンサ、１０ 出力電圧検出部、１１ コンバータ制御手段（制御部）、１２ インバータ回路（インバータ部）、１３ インバータ制御手段、１４ モータ電流検出手段、１５ モータ（負荷）、２１ 電圧指令演算手段、２２ 電流指令演算手段、２３ 駆動パルス生成手段、２４ 電圧制御ゲイン、２５ スイッチング指令補正手段、２６ 平均値演算手段。

Claims (5)

1. 交流電源から供給された交流電圧を整流する整流器と、
   リアクタ、スイッチング素子及び逆流防止素子を有し、前記整流器が整流した直流電圧をチョッピングして可変するコンバータ部と、
   前記コンバータ部の出力電圧を平滑化する平滑コンデンサと、
   前記平滑コンデンサが平滑化した前記コンバータ部の出力電圧を交流電圧に変換するインバータ部と、
   前記リアクタに流れるリアクタ電流を検出する電流検出部と、
   前記コンバータ部の出力電圧を検出する出力電圧検出部と、
   前記コンバータ部のスイッチング素子を制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、
   目標とする出力電圧である目標指令電圧及び前記出力電圧検出部が検出した前記コンバータ部の出力電圧に基づいて、前記コンバータ部の出力電圧が前記目標指令電圧に収束するように、電圧指令値を演算する電圧指令演算手段と、
   前記電圧指令値及び前記電流検出部が検出した前記リアクタ電流に基づいて、電流指令値を演算する電流指令演算手段と、
   前記電流指令値に基づいて、前記スイッチング素子を駆動するパルス信号を生成する駆動パルス生成手段と、を有し、
   前記電圧指令演算手段は、
   前記目標指令電圧を達成するために必要なスイッチングパルス幅である目標パルス幅及び前記電流指令値に基づいて、前記電流指令値が前記目標パルス幅に収束するように、前記電圧指令値を補正するものであり、
   前記電圧指令演算手段は、
   前記電流指令値を平均化する平均値演算手段を有し、
   前記電流指令値として、前記平均化した電流指令値を用いる
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記平均値演算手段は、
   前記電流指令値の定期的な脈動を除去するフィルタを用いて、前記電流指令値を平均化する
   ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 交流電源から供給された交流電圧を整流する整流器と、
   リアクタ、スイッチング素子及び逆流防止素子を有し、前記整流器が整流した直流電圧をチョッピングして可変するコンバータ部と、
   前記コンバータ部の出力電圧を平滑化する平滑コンデンサと、
   前記平滑コンデンサが平滑化した前記コンバータ部の出力電圧を交流電圧に変換するインバータ部と、
   前記リアクタに流れるリアクタ電流を検出する電流検出部と、
   前記コンバータ部の出力電圧を検出する出力電圧検出部と、
   前記コンバータ部のスイッチング素子を制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、
   目標とする出力電圧である目標指令電圧及び前記出力電圧検出部が検出した前記コンバータ部の出力電圧に基づいて、前記コンバータ部の出力電圧が前記目標指令電圧に収束するように、電圧指令値を演算する電圧指令演算手段と、
   前記電圧指令値及び前記電流検出部が検出した前記リアクタ電流に基づいて、電流指令値を演算する電流指令演算手段と、
   前記電流指令値に基づいて、前記スイッチング素子を駆動するパルス信号を生成する駆動パルス生成手段と、を有し、
   前記電圧指令演算手段は、
   前記目標指令電圧を達成するために必要なスイッチングパルス幅である目標パルス幅及び前記電流指令値に基づいて、前記電流指令値が前記目標パルス幅に収束するように、前記電圧指令値を補正するものであり、
   前記電圧指令演算手段は、
   前記出力電圧検出部が検出した前記コンバータ部の出力電圧が前記目標指令電圧よりも大きい場合に、前記電圧指令値を補正する
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 前記スイッチング素子及び前記逆流防止素子のうち、少なくとも一方は、ワイドバンドギャップ半導体で構成されている
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の電力変換装置と、
   この電力変換装置が駆動するモータと、を有する
   ことを特徴とする空気調和装置。

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