JP6126950B2 - 部分スイッチング回路を備えた電源回路、電源回路の異常検出方法、電源回路の異常検出プログラム、及び空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、部分スイッチング回路を備えた電源回路、電源回路の異常検出方法、電源回路の異常検出プログラム、及び空気調和装置に関するものである。

下記の特許文献１に記載されているように、室内の空気調整を図る空気調和装置は、商用電源に接続する電源回路に、リアクトルと部分スイッチング回路とを設け、交流電力の力率改善や直流電圧の昇圧を行うように構成されている。また、従来技術の空気調和装置（電源回路）は、部分スイッチング回路の短絡故障から回路を保護するために、スイッチング素子と直列にヒューズを挿入することもあった。

特開２００３−１５３５４３号公報 特願２０１２−６８５６２号明細書

このヒューズの溶断は、回路の保護を図れるものの、部分スイッチング回路が機能せず、交流電力の力率改善や直流電圧の昇圧を行うことができないという不具合を生じてしまう。しかしながら、この不具合が生じた電源回路は、力率改善や昇圧を実現できないだけであり、低電圧・低出力での駆動は可能である。

ところで、従来の空気調和装置は、電動機、及びコンプレッサが備えられており、コンプレッサに過大なトルクがかかる重負荷状態になることがあった。この場合、部分スイッチング回路が故障して、低電圧・低出力状態で駆動可能な回転速度であれば、制御部により重負荷状態であると判定されない限り、エラーとして処理されることはなかった。つまり、重負荷で運転するまでは、部分スイッチング回路の故障を検出することができないという問題もあった。

つまり、従来の空気調和装置は、部分スイッチング回路が故障しても、制御部により負荷が軽負荷と判定された場合には、部分スイッチング回路の故障がユーザに報知されないという問題があった。本願の出願人は、このような問題をハードウェアの追加で解決した特許文献２に記載の発明を提案しているが、ハードウェアの追加でなく、プログラム処理で部分スイッチング回路の故障を検知するのが好ましい。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、部分スイッチング回路が正常か異常かを判定することができる部分スイッチング回路を備えた電源回路、電源回路の異常検出方法、電源回路の異常検出プログラム、及び空気調和装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本願発明は、商用電源の一端に接続されたリアクトルと、該リアクトルの他端と前記商用電源の他端との間に接続され、負荷（例えば、インバータ２）に直流電力を供給する順変換回路（例えば、整流回路１２、コンデンサ１３）と、一端が前記リアクトルの負荷側に接続され、前記商用電源の他端との間で、短絡／開放を逐次実行する部分スイッチング回路と、前記順変換回路が発生する直流電圧（例えば、コンデンサ充電電圧）が目標電圧になるように、前記部分スイッチング回路を制御する制御パルスのパルス幅を帰還制御させる制御部とを備えた電源回路であって、
前記制御部は、前記直流電圧が前記目標電圧から所定電圧（例えば、定常偏差／許容電圧幅）以上外れ、且つ、前記制御パルスのパルス幅は、予め設定された最大パルス幅に到達している場合に、前記パルス幅、又は前記目標電圧を可変させて、前記負荷に印加される直流電圧がその変化に追従するときに正常であると判定し、追従しないときに異常と判定することを特徴とする。

電源回路は、故障又は重負荷により、負荷に印加される直流電圧が目標電圧よりも低下することがある。本願発明の電源回路によれば、この直流電圧が低下している場合に、部分スイッチング回路を制御する制御パルスのパルス幅、又は前記目標電圧を可変させて、直流電圧が追従すれば、故障ではなく一時的な重負荷であるので、正常と判定され、直流電圧が追従せず変化しないときには故障であるので、異常と判定される。また、前記目標電圧を可変させて、前記制御パルスのパルス幅設定値がその変化に追従するときに正常であると判定し、追従しないときに異常と判定することもできる。また、これら判定は、従来のハードウェア資源を用いて、プログラムのみで実行される。

以上、本発明によれば、部分スイッチング回路が正常か異常かを判定することができる。

本発明の第１実施形態である電源回路を含む空気調和装置の構成図である。 空気調和装置の制御部の構成を示す構成図である。 電圧制御ルーチンのフローチャートである。 制御パルスの波形図である。 エラー判定シーケンスのフローチャートである。 コンプレッサの動作を説明するための説明図である。 コンプレッサのクランク負荷トルクとトルク値との関係を示す特性図である。 本発明の第２実施形態である電源回路を含む空気調和装置の構成図である。

つぎに、本発明の実施形態に係る空気調和装置について、図面を適宜参照しながら説明する。なお、実施形態の空気調和装置の説明において、技術的に同一要素であるものについては、同一の符号を付している。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態である電源回路を備えた空気調和装置の構成図である。
空気調和装置１は、単相商用電源ＡＣに接続された電源回路１０と、該電源回路１０に接続されたインバータ２と、インバータ２に接続された同期電動機３と、同期電動機３に直結されたコンプレッサ４と、電源回路１０に接続された報知部５とを備えるコンプレッサ装置である。なお、電源回路１０は、力率改善機能や昇圧機能を実現し、報知部５は、これらの機能の何れかが停止し、低出力状態で駆動しているエラー状態であることを使用者に報知するように構成されている。

電源回路１０は、一端が単相商用電源ＡＣの一端に接続されたリアクトル１１と、リアクトル１１の他端と単相商用電源ＡＣの他端との間に接続された整流回路１２と、整流回路１２の正極出力端に接続されたコンデンサ１３と、リアクトル１１の他端と整流回路１２との接続点に一端が接続されたヒューズ１５と、ヒューズ１５の他端と単相商用電源ＡＣの他端との間に接続された部分スイッチング回路１４と、部分スイッチング回路１４及びインバータ２を制御する制御部９とを備える。ここで、整流回路１２及びコンデンサ１３は、順変換回路ともいう。また、ヒューズ１５は、過電流で回路を遮断する保護素子である。

部分スイッチング回路１４は、ヒューズ１５の他端と単相商用電源ＡＣの他端との間に接続された整流回路１８と、整流回路１８の正極出力端にコレクタが接続され、負極出力端にエミッタが接続されたトランジスタ１６と、トランジスタ１６のコレクタ、及びエミッタに並列接続された転流ダイオード１７とを備える。なお、整流回路１２，１８は、単相ブリッジ回路を用いており、トランジスタ１６は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いている。

電源回路１０は、単相商用電源ＡＣから供給される交流電力をリアクトル１１、及び整流回路１２を介して、直流電力に変換し、変換された直流電力をコンデンサ１３に蓄電し、蓄電された直流電力を負荷（インバータ２）に供給するものである。ここで、部分スイッチング回路１４は、トランジスタ１６の短絡時にリアクトル１１に交流電力のエネルギーを蓄え、開放時に単相商用電源ＡＣの交流電圧に重畳させるように、コンデンサ１３に蓄電させる。これにより、単相商用電源ＡＣの実効電圧をＶＡＣとし、トランジスタ１６の短絡時間をＴ_ＯＮ、開放時間をＴ_ＯＦＦとしたとき、コンデンサ１３に充電される直流電圧ＶＤＣの最大値は、
ＶＤＣ＝√２・ＶＡＣ・（１＋Ｔ_ＯＮ／Ｔ_ＯＦＦ）
となり、部分スイッチング回路１４は、昇圧動作を行う。つまり、トランジスタ１６のオン時間Ｔ_ＯＮを長くすると、直流電圧ＶＤＣが高くなる。また、部分スイッチング回路１４は、リアクトル１１に流れる瞬時電流の時間平均値が単相商用電源ＡＣの瞬時電圧に比例するように短絡時間Ｔ_ＯＮ、及び開放時間Ｔ_ＯＦＦを制御することにより、力率改善機能が実現される。

ヒューズ１５は、トランジスタ１６が短絡故障したときに断線するため、回路の加熱・損傷を防止する。また、トランジスタ１６が開放故障したときや、ヒューズ１５が断線したときには、部分スイッチング回路１４が機能しないので、コンデンサ１３に充電される直流電圧ＶＤＣの最大値は、
ＶＤＣ＝√２・ＶＡＣ
となり、昇圧動作が行われなくなる。つまり、トランジスタ１６の開放故障や短絡故障では、低電圧かつ低出力状態となるのみである。

インバータ２は、制御部９が生成するＰＷＭ信号（ＰＷＭ制御信号）により、コンデンサ１３から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、変換された三相交流電力を同期電動機３に供給する。また、インバータ２は、同期電動機３の何れか一の巻線（回転により何れかの２巻線に矩形波電圧が印加されることになるので、他の巻線）に発生する逆起電力を検出して、回転子の回転位置を検出し、位置信号θが制御部９に帰還する。

同期電動機３は、インバータ２が供給する三相交流電力を機械的出力Ｐ_Ｍ（Ｐ_Ｍ＝ωＴ）に変換し、この機械的出力をコンプレッサ４に供給する。ここで、ωは同期電動機３の回転速度であり、Ｔは負荷トルクである。コンプレッサ４は、シングルロータ型のコンプレッサであり、同期電動機３の機械的出力Ｐ_Ｍを用いて、冷媒を吸入、圧縮、吐出する機能を有している。後記するように、コンプレッサ４は、回転位置に応じて負荷トルクＴが異なり、圧縮時に負荷トルクＴが最大になるが、インバータ２、同期電動機３、及びコンプレッサ４は、共通する定格出力を有しているものとする。

制御部９は、マイコン（ＭＰＵ）により構成され、部分スイッチング回路１４のトランジスタ１６のゲートと接続し、ゲート電圧を制御する制御パルスを生成すると同時に、同期電動機３の回転速度ωを制御するために、インバータ２に入力するＰＷＭ信号を生成するものである。報知部５は、制御部９が電源回路１０の力率改善機能や昇圧機能の停止を検出したとき、同期電動機３やコンプレッサ４が低出力状態で駆動していることを使用者に報知するものである。

図２は、制御部の構成図である。
制御部９は、電圧低下エラー判定部２１と、部分ＳＷ故障判定部２２と、ベクトル制御部２３と、出力電圧設定部２４と、ＰＷＭ信号生成部２５と、スイッチング回路制御部２６と、モータ保護部２７と、コンデンサ１３の両端に接続されたＡ／Ｄ変換部２８とを備え、Ａ／Ｄ変換部２８は、コンデンサ１３の直流電圧ＶＤＣを計測して、計測データを電圧低下エラー判定部２１や、スイッチング回路制御部２６に引き渡している。

ベクトル制御部２３は、リモコンからの運転命令信号にしたがって、同期電動機３の回転速度ωを目標回転速度に近づけるような周波数、及び必要なトルクに対応する振幅で変化する三相正弦波の瞬時値である３相電圧指令値を生成し、生成された３相電圧指令値をＰＷＭ信号生成部２５に出力する。

ＰＷＭ信号生成部２５は、ベクトル制御部２３が生成した３相電圧指令値と、三角波信号とを比較して、三相の等価正弦波を生成する。

モータ保護部２７は、電圧低下エラー判定部２１が仮エラー状態を判定したとき、コンプレッサ４の回転速度を低下させた制限動作を行わせる。つまり、モータ保護部２７は、電圧低下エラー判定部２１が仮エラー状態と判断した場合、ベクトル制御部２３に対して、モータ保護部２７が機能しない程度の振幅に制限された三相正弦波の瞬時値である３相電圧指令値を生成させ、同期電動機３の機械的出力Ｐ_Ｍを抑制させている。

出力電圧設定部２４は、インバータ２から同期電動機３に出力される矩形波電圧の最大値を適切にするために、部分スイッチング回路１４による昇圧後のコンデンサ１３の目標電圧（設定ＤＣ電圧）を設定するものである。この目標電圧は、インバータ２の損失を減少させるために、例えば、同期電動機３に印加される三相交流電圧の実効値の√２倍よりも高めに設定することが考えられる。
なお、出力電圧設定部２４は、同期電動機３が重負荷の場合に、同期電動機３が高出力のときに必要となる高い設定ＤＣ電圧に設定している。一方で、出力電圧設定部２４は、同期電動機３が低負荷の場合に、同期電動機３が低出力でも足りるような低い電圧を設定ＤＣ電圧として設定している。これにより、インバータ２のスイッチング損失（電力ロス）が低減するようになっている。
なお、出力電圧設定部２４は、ヒューズ溶断信号を受信した場合には、部分スイッチング回路１４による昇圧ができないため、昇圧しない場合の電圧を設定ＤＣ電圧として設定する。

スイッチング回路制御部２６は、目標電圧と測定された直流電圧ＶＤＣ（現状ＤＣ電圧）との差分の関数として、パルス幅設定値を設定し、このパルス幅設定値の制御パルスをトランジスタ１６のゲートに印加するものである。

電圧低下エラー判定部２１は、コンデンサ１３の直流電圧ＶＤＣが設定ＤＣ電圧（目標電圧）から所定電圧以上外れた状態が規定時間ｔ１以上継続したときに仮エラー状態と判定する。この所定電圧は、設定ＤＣ電圧と実際の直流電圧との間に存在する定常偏差（許容電圧幅）の意味であり、例えば、１０Ｖ，設定ＤＣ電圧の１０％での電圧である。また、規定時間ｔ１は、コンデンサ１３の直流電圧のリップル及びバラツキの周期よりも十分に長い時間であり、例えば、後記するように、コンプレッサ４の半周期の時間に設定することもできる。

部分ＳＷ故障判定部２２は、以下の３つの条件の何れか１つ又はこれらの組み合わせの条件が成立したときに部分ＳＷ回路１４が故障したと判定し、エラー状態を確定する。なお、以下の共通条件「設定ＤＣ電圧未満の状態を規定時間以上保持」は、設定ＤＣ電圧と実際の直流電圧との間には、定常偏差（許容電圧幅）が存在するので、「目標電圧から所定電圧以上外れた状態を規定時間以上保持」と置き換えることができる。

条件１：設定ＤＣ電圧未満の状態を規定時間以上保持
かつ、部分スイッチングのパルス幅設定値が規定値以上（あるいは最大値）
かつ、トランジスタ１６を制御するパルス幅を意図的に可変させ、その変化に測定ＤＣ電圧が追従しない。
条件２：設定ＤＣ電圧未満の状態を規定時間以上保持
かつ、部分スイッチングのパルス幅設定値が規定値以上（あるいは最大値）
かつ、設定ＤＣ電圧を意図的に可変させ、その変化に測定ＤＣ電圧が追従しない。
条件３：設定ＤＣ電圧未満の状態を規定時間以上保持
かつ、部分スイッチングのパルス幅設定値が規定値以上（あるいは最大値）
かつ、設定ＤＣ電圧を意図的に可変させ、その変化に部分スイッチング制御のパルス幅設定値が追従しない。

つまり、部分ＳＷ故障判定部２２は、前記した仮エラー状態において、部分スイッチングのパルス幅設定値が規定値以上（あるいは最大値）になっており、かつ、トランジスタ１６を制御するパルス幅、又は設定ＤＣ電圧を意図的に可変させ、その変化に測定ＤＣ電圧が追従しない、ときに、正式なエラー状態であると確定する。これにより、報知部５がユーザにエラー状態であることを報知する。
この仮エラー状態において、かつ、「部分スイッチングのパルス幅設定値が規定値以上（あるいは最大値）」の場合は、コンプレッサ４の重負荷により、コンデンサ１３に充電される充電電力よりも、放電される放電電力の方が多く、電圧低下が起きている状態である。この状態では、スイッチング回路制御部２６は、設定ＤＣ電圧により決定される値よりも長いパルス幅（あるいは、最大値）を出力して、直流電圧ＶＤＣを高くしようとする。なお、このパルス幅は、予め設定されたリミット値（最大パルス幅）により、制限されている。また、この最大パルス幅は、電源回路１０の定格出力電力により定められる。

このとき、「トランジスタ１６を制御するパルス幅、又は設定ＤＣ電圧を意図的に可変させ、その変化に測定ＤＣ電圧が追従」すれば、単なる一時的な重負荷による電圧低下であったことになり、部分スイッチング回路１４は、正常状態であると判定される。

モータ保護部２７は、図示しない圧力検出手段により検出されたコンプレッサ４の吐出側の冷媒圧力を検出し、この検出情報に基づいて、同期電動機３が過負荷となるか否かについての判定も行っている。これにより、モータ保護部２７は、目標回転速度に対応する回転速度で駆動させると同期電動機３の過負荷状態が継続すると判定した場合に、エラーとして処理し、インバータ２を停止させている。なお、「過負荷」とは、コンプレッサ４で周期的に発生する一時的な「重負荷」とは異なり、定常的な過負荷を意味する。

ＰＷＭ信号生成部２５は、３相電圧指令値が規定する周波数、及び振幅に相当する等価正弦波のＰＷＭ信号を生成して、生成したＰＷＭ信号をインバータ２に出力する。また、スイッチング回路制御部２６は、出力電圧設定部２４が設定した電圧値（設定ＤＣ電圧）を目標値して、部分スイッチング回路１４のトランジスタ１６によるスイッチング機能を制御する。

一方で、部分ＳＷ故障判定部２２が仮エラー状態と判断した場合、ベクトル制御部２３は、同期電動機３の目標回転速度を抑制した３相電圧指令値を生成する。これにより、コンプレッサ４は制限動作となり、モータ保護部２７により「過負荷である」と判定されないため、インバータ２からの交流電力の供給が遮断されることなく、同期電動機３が駆動する。
その結果、目標とする回転速度よりも抑制された回転速度で、同期電動機３が駆動し、空気調和装置１の運転が継続される。

図３は、電圧制御ルーチンのフローチャートである。
出力電圧設定部２４は、コンデンサ１３の直流電圧の目標値（設定ＤＣ電圧）を設定する（Ｓ１０）。そして、スイッチング回路制御部２６は、Ａ／Ｄ変換部２８を用いてコンデンサ１３の直流電圧（現状ＤＣ電圧）を測定する（Ｓ１２）。さらに、スイッチング回路制御部２６は、測定された現状ＤＣ電圧を用いてパルス幅設定値を算出する（Ｓ１４）。このパルス幅設定値は、トランジスタ１６のゲートに印加されるパルス幅の設定値であり、設定ＤＣ電圧と現状ＤＣ電圧との関係から演算される。具体的には、パルス幅設定値は、現状ＤＣ電圧の方が設定ＤＣ電圧よりも高いときには、パルス幅が短く設定され、現状ＤＣ電圧の方が設定ＤＣ電圧よりも低いときには、パルス幅が長く設定される。

さらに、スイッチング回路制御部２６は、Ｓ１４で設定されたパルス幅の制御パルスをトランジスタ１６のゲートに印加する（Ｓ１６）。この制御パルスは、図４に示されるように、ＯＮ時間Ｔ_ＯＮがパルス幅設定値に設定され、スイッチング周波数ｆ＝１／Ｔ＝１／（Ｔ_ＯＮ＋Ｔ_ＯＦＦ）のパルスである。そして、制御部９の処理は、割込みによって停止するまで、Ｓ１２に戻り、スイッチング回路制御部２６は、現状ＤＣ電圧をＡ／Ｄ変換部２８に測定させる。

図５は、エラー判定シーケンスのフローチャートである。
電圧低下エラー判定部２１は、設定ＤＣ電圧未満の状態が規定時間以上経過しているか否か判定する（Ｓ２０）。つまり、電圧低下エラー判定部２１は、Ａ／Ｄ変換部２８にコンデンサ１３の直流電圧ＶＤＣを測定させ、測定された直流電圧ＶＤＣが設定ＤＣ電圧未満か否か判定し、この設定ＤＣ電圧未満の状態が規定時間ｔ１以上経過しているか否か判定する。ここで、規定時間ｔ１は、前記したように、コンデンサ１３の直流電圧ＶＤＣのリップル及びバラツキの周期よりも十分に長い時間である。

設定ＤＣ電圧未満の状態が規定時間以上経過している場合は（Ｙｅｓ）、電圧低下エラー判定部２１は、仮エラー状態を設定し、さらにモータ保護部２７は、コンプレッサ４を制限動作させる（Ｓ２２）。つまり、電圧低下エラー判定部２１は、設定ＤＣ電圧未満の状態が規定時間以上経過しているときに、部分スイッチング回路１４の機能が不完全である仮エラー状態と判定し、モータ保護部２７は、コンプレッサ４の回転速度を低下させる。

そして、電圧低下エラー判定部２１は、部分スイッチングのパルス幅設定値が規定値以上（又は、最大値）か否かを判定する（Ｓ２４）。つまり、電圧低下エラー判定部２１は、設定ＤＣ電圧、及び許容電圧幅で定まるパルス幅の規定値以上か否かを判定する。この結果、電圧低下エラー判定部２１は、重負荷により、直流電圧ＶＤＣが異常に低下したときには、直流電圧ＶＤＣを高くしようとして、パルス幅設定値が予め設定された最大パルス幅に到達するので、この到達状態を判定する。

そして、Ｓ２４の判定において、パルス幅設定値が規定値以上である場合、電圧低下エラー判定部２１は、部分スイッチングのパルス幅、又は設定ＤＣ電圧を可変させ、その変化に測定ＤＣ電圧が追従するか否か判定する（Ｓ２６）。つまり、電圧低下エラー判定部２１は、トランジスタ１６のゲートに印加するパルス幅を強制的に可変させ、コンデンサ１３の直流電圧ＶＤＣが追従するか否か判定する。また、設定ＤＣ電圧を可変させることにより、パルス幅を強制的に可変させることも行う。

そして、Ｓ２６の判定において、測定ＤＣ電圧が追従しなかった場合には、電圧低下エラー判定部２１は、仮エラー状態から正式なエラー状態に遷移し、エラーを確定させる（Ｓ２８）。一方、Ｓ２０の処理で、規定時間以上経過していないとき（Ｎｏ）、Ｓ２４でパルス幅設定値が規定値未満のとき（Ｎｏ）、Ｓ２６で測定ＤＣ電圧が追従するときは、処理は、Ｓ３０に進み、Ｓ２２で設定された仮エラー状態が解除され、コンプレッサ４が通常状態で駆動する。

図６は、コンプレッサ４の断面図である。同図（ａ）は吐出工程を示し、同図（ｂ）は吸入工程を示し、同図（ｃ）は圧縮工程を示している。
コンプレッサ４は、シリンダ４２の内部空間４３で、同期電動機３（図１）によってクランクシャフト４４が反時計方向に回転（左回転）させられる。これによって、コンプレッサ４は、図示しないバネで押圧されたブレード４５がローラ４６に当接し、内部空間４３でローラ４６を偏心しながら反時計方向（図の矢印方向）に回転する。

同図（ａ）に示すように、クランク角度０°（上死点）の吐出工程においては、内部空間３の冷媒が吐出口４９から排出される。吐出工程は、負荷トルクが小さい工程である。同図（ｂ）に示すように、クランク角度６０°の吸入工程において、吸入口４８からシリンダ４２の内部空間４３に冷媒が吸入される。同図（ｃ）に示すように、クランク角度１８０°（下死点）の圧縮工程において、内部空間４３の冷媒が圧縮される。圧縮工程は、負荷トルクが大きくなる工程である。つまり、コンプレッサ４は、偏心したクランクシャフト４４とローラ４６とが内部空間４３を回転することにより、吸入−圧縮−吐出の各工程が行われる。

同期電動機３（図１）の回転速度ωが遅い場合、コンプレッサ４の負荷トルクＴの値は、吐出工程の上死点（図６（ａ））で最小となり、圧縮工程の下死点（図６（ｃ））で最大（負荷トルクピーク値）となる。つまり、コンプレッサ４は、圧縮時に平均トルクよりも重い重負荷状態となるものであり、この重負荷状態は周期的に発生する。

図７は、コンプレッサのクランク角度と負荷トルクとの関係を示す特性図である。コンプレッサ４の負荷状態は、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ４の順番で負荷トルクが大きい。低速回転域の低負荷は、負荷状態Ｌ１である。高速回転域の高負荷は、負荷状態Ｌ４である。
負荷状態Ｌ１の負荷トルクピーク値は、クランク角度１８０［ｄｅｇ］の位置で１である。負荷状態Ｌ２の負荷トルクピーク値は、クランク角度１８０［ｄｅｇ］の位置で２である。負荷状態Ｌ３の負荷トルクピーク値は、クランク角度２３０［ｄｅｇ］の位置で３．５である。負荷状態Ｌ４の負荷トルクピーク値は、クランク角度２６０［ｄｅｇ］で４である。負荷状態Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、及び、Ｌ４の負荷トルクＴは、負荷トルクピーク値を頂点とする山型の曲線のように変化する。

コンプレッサ４（図１）の負荷トルクＴは、負荷状態により負荷トルクピーク値及び対応するクランク角度が変化する。コンプレッサ４の負荷状態は、回転速度ωと温度と動作時間に依存し、特に回転速度による影響が大きい。
高速回転域は、コンプレッサ４の内部圧力が高くなるので、負荷トルクＴが大きくなる。一方、低速回転域は、コンプレッサ４の内部圧力が低くなるので、負荷トルクＴが小さくなる。
負荷トルク曲線は、負荷トルクピーク値がコンプレッサ４の上死点位置（クランク角度３６０［ｄｅｇ］）に近づくように移動する。一方、負荷が軽くなると、負荷トルク曲線は、負荷トルクピーク値がコンプレッサ４の下死点位置（クランク角度１８０［ｄｅｇ］）に近づくように移動する。

つまり、負荷トルクピーク値は、コンプレッサ周期の後半（下死点から上死点）に現れ、高速回転域では、トルクピーク値が上死点側に移動する。このタイミングが重負荷状態であり、同期電動機３のピーク機械的出力、インバータ２のピーク出力電力が増加し、インバータ２のピーク直流入力電力も増加する。電源回路１０（リアクトル１１、及び部分スイッチング回路１４）によるコンデンサ１３（図１）の充電電力がインバータ２のピーク直流入力電力よりも小さいときには、コンデンサ１３の直流電圧がＤＣ設定電圧（目標電圧）よりも一時低下する。このときに、制御部９は、仮エラー状態に設定され、コンプレッサ４が制限動作となる（Ｓ２２，図５）。そして、部分スイッチング回路１４は、ＤＣ設定電圧を維持しようと帰還制御され、パルス幅設定値が規定値を超えた値になる。この状態で、部分スイッチングのパルス幅、又は設定ＤＣ電圧を可変させると、コンデンサ１３の両端電圧が追従することを確認し（Ｓ２６）、仮エラー状態を解除し、コンプレッサ４が通常状態に復帰する（Ｓ３０）。

（第２実施形態）
図８は、本発明の第２実施形態である電源回路を含む空気調和装置の構成図である。
前記実施形態の電源回路１０は、単相商用電源ＡＣの一端と整流回路１２との間にリアクトル１１を挿入し、リアクトル１１と単相商用電源ＡＣの他端との間を部分スイッチング回路１４で短絡／開放したが、単相商用電源ＡＣに整流回路１２を接続し、その正極出力端とコンデンサ１３との間にリアクトル１１を挿入し、リアクトル１１と整流回路１２の負極出力端との間を部分スイッチング回路１４で短絡／開放することもできる。

図８は、本発明の第２実施形態である電源回路を含む空気調和装置の構成図である。
図８において、電源回路１０ａは、単相商用電源ＡＣと電気回路的に接続された整流回路１２と、単相商用電源ＡＣと整流回路１２との間に挿入されたリアクトル１９と、整流回路１２の正極出力端と負極出力端との間に接続されたコンデンサ１３と、リアクトル１９とコンデンサ１３との接続点に一端が接続されたヒューズ１５と、ヒューズ１５の他端と整流回路１２の負極出力端とコンデンサ１３との接続点との間に接続された部分スイッチング回路１４ａとを備える。部分スイッチング回路１４ａは、整流回路１８を備えていない点で前記実施形態の部分スイッチング回路１４と異なり、トランジスタ１６と転流ダイオード１７の並列回路のみで構成されている。その他のインバータ２、同期電動機３、コンプレッサ４、及び報知部５の構成は、前記実施形態の空気調和機１の構成と同様である。

電源回路１０ａで追加されているリアクトル１９は、電源投入時等に整流回路１２のダイオードの接合容量に流れる過渡電流を低減するものである。つまり、部分スイッチング回路１４ａは、整流回路１２により整流されたエネルギーをリアクトル１１に蓄え、この蓄電エネルギーを整流電圧に重畳させてコンデンサ１３に充電する。
このとき、制御部９は、リアクトル１１に流れる電流の時間平均値が単相商用電源ＡＣの瞬時電圧に比例するように制御すれば、力率改善が行われ、比例係数により、昇圧電圧が決定する。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記実施形態は、単相交流電源ＡＣに接続したが、三相交流電源にも接続することもできる。具体的には、三相交流電源のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれにリアクトル１１の一端を接続し、中性点Ｐに整流回路１２，１８を接続することになる。
（２）前記実施形態は、昇圧による力率改善を行ったが、降圧による力率改善も可能である。

１ 空気調和装置
２ インバータ
３ 同期電動機
４ コンプレッサ
５ 報知部
９ 制御部
１０，１０ａ 電源回路
１１，１９ リアクトル
１２ 整流回路
１３ コンデンサ
１４，１４ａ 部分スイッチング回路
１５ ヒューズ
１６ トランジスタ
１７ 転流ダイオード
１８ 整流回路
２１ 電圧低下エラー判定部
２２ 部分ＳＷ故障判定部
２３ ベクトル制御部
２４ 出力電圧値設定部
２５ ＰＷＭ信号生成部
２６ スイッチング回路制御部
２７ モータ保護部
２８ Ａ／Ｄ変換部
４２ シリンダ
４３ 内部空間
４４ クランクシャフト
４５ ブレード
４６ ローラ
４７ シャフト
４８ 吸入口
４９ 吐出口
ＡＣ 単相商用電源
θ 位置信号

Claims (11)

1. 商用電源の一端に接続されたリアクトルと、該リアクトルの他端と前記商用電源の他端との間に接続され、負荷に直流電力を供給する順変換回路と、一端が前記リアクトルの負荷側に接続され、前記商用電源の他端との間で、短絡／開放を逐次実行する部分スイッチング回路と、前記負荷に印加される直流電圧が目標電圧になるように、前記部分スイッチング回路を制御する制御パルスのパルス幅を帰還制御させる制御部とを備えた電源回路であって、
   前記制御部は、
   前記直流電圧が前記目標電圧から所定電圧以上外れ、且つ、前記制御パルスのパルス幅は、予め設定された最大パルス幅に到達している場合に、
   前記パルス幅、又は前記目標電圧を可変させて、前記負荷に印加される直流電圧がその変化に追従するときに正常であると判定し、追従しないときに異常と判定する
   ことを特徴とする電源回路。
2. 前記リアクトルの負荷側と前記部分スイッチング回路との間は、ヒューズを介して接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電源回路。
3. 前記制御パルスのパルス幅は、前記目標電圧と前記直流電圧との差分値の関数として設定されている
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電源回路。
4. 商用電源に接続された整流回路と、該整流回路の出力端に接続されたリアクトルと、一端が前記リアクトルの他端側に接続されたヒューズと、前記ヒューズの他端に接続され、前記整流回路の他の出力端との間で、短絡／開放を逐次実行する部分スイッチング回路と、一端が前記リアクトルの他端側に接続された整流素子と、該整流素子の他端と前記整流回路の他の出力端との間に接続されたコンデンサと、前記コンデンサに印加される直流電圧が目標電圧になるように、前記部分スイッチング回路を制御する制御パルスのパルス幅を帰還制御させる制御部とを備えた電源回路であって、
   前記制御部は、
   前記直流電圧が前記目標電圧から所定電圧以上外れ、且つ、前記制御パルスのパルス幅は、予め設定された最大パルス幅に到達している場合に、
   前記パルス幅、又は前記目標電圧を可変させて、前記直流電圧がその変化に追従するときに正常であると判定し、追従しないときに異常と判定する
   ことを特徴とする電源回路。
5. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の電源回路を備えた空気調和装置。
6. 前記電源回路の出力電力で駆動する電動コンプレッサを備え、
   前記制御部は、
   前記負荷に印加される直流電圧が目標電圧幅から外れている場合に、前記電動コンプレッサの回転速度を制限状態とし、前記正常であると判定したとき、前記制限状態を解除し、前記異常と判定したとき、前記制限状態を継続する
   ことを特徴とする請求項５に記載の空気調和装置。
7. 請求項４に記載の電源回路と、
   前記電源回路の出力電力で駆動する電動コンプレッサとを備えた空気調和装置であって、
   前記制御部は、
   前記コンデンサに印加される直流電圧が目標電圧幅から外れている場合に、前記電動コンプレッサの回転速度を制限状態とし、前記正常であると判定したとき、前記制限状態を解除し、前記異常と判定したとき、前記制限状態を継続する
   ことを特徴とする空気調和装置。
8. 商用電源の一端に接続されたリアクトルと、該リアクトルの他端と前記商用電源の他端との間に接続され、負荷に直流電力を供給する順変換回路と、一端が前記リアクトルの負荷側に接続され、前記商用電源の他端との間で、短絡／開放を逐次実行する部分スイッチング回路と、前記順変換回路が発生する直流電圧が目標電圧になるように、前記部分スイッチング回路を制御する制御パルスのパルス幅を帰還制御させる制御部とを備えた電源回路の異常検出方法であって、
   前記制御部は、
   前記直流電圧が目標電圧幅から外れ、且つ、前記制御パルスのパルス幅は、予め設定された最大パルス幅に到達している場合に、
   前記パルス幅、又は前記目標電圧を可変させて、前記直流電圧がその変化に追従するときに正常であると判定し、追従しないときに異常と判定する
   ことを特徴とする電源回路の異常検出方法。
9. 請求項８に記載の電源回路の異常検出方法を前記制御部のコンピュータに実行させる電源回路の異常検出プログラム。
10. 商用電源の一端に接続されたリアクトルと、該リアクトルの他端と前記商用電源の他端との間に接続される順変換回路と、該順変換回路から直流電力が供給されるインバータと、該インバータが生成する三相交流電力により駆動する三相電動機と、該三相電動機により駆動されるコンプレッサと、一端が前記リアクトルの順変換回路側に接続され、前記商用電源の他端との間で、短絡／開放を逐次実行する部分スイッチング回路と、前記インバータに印加される直流電圧が目標電圧になるように、前記部分スイッチング回路を制御する制御パルスのパルス幅を帰還制御させる制御部とを備えた空気調和装置であって、
    前記制御部は、
    前記直流電圧が前記目標電圧から所定電圧以上外れ、且つ、前記制御パルスのパルス幅は、予め設定された最大パルス幅に到達している場合に、
    前記パルス幅、又は前記目標電圧を可変させて、前記直流電圧がその変化に追従するときに正常であると判定し、追従しないときに異常と判定する
    ことを特徴とする空気調和装置。
11. 商用電源に接続された整流回路と、該整流回路の出力端に接続されたリアクトルと、一端が前記リアクトルの他端側に接続され、前記整流回路の他の出力端との間で、短絡／開放を逐次実行する部分スイッチング回路と、一端が前記リアクトルの他端側に接続された整流素子と、該整流素子の他端と前記整流回路の他の出力端との間に接続されたコンデンサと、前記コンデンサに印加される直流電圧が目標電圧になるように、前記部分スイッチング回路を制御する制御パルスのパルス幅を帰還制御させる制御部とを備えた空気調和装置であって、
    前記制御部は、
    前記直流電圧が前記目標電圧から所定電圧以上外れ、且つ、前記制御パルスのパルス幅は、予め設定された最大パルス幅に到達している場合に、
    前記パルス幅、又は前記目標電圧を可変させて、前記直流電圧がその変化に追従するときに正常であると判定し、追従しないときに異常と判定する
    ことを特徴とする空気調和装置。

Images