JP6150893B2 - 電力変換装置及び冷凍空気調和装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置及び冷凍空気調和装置に関するものである。
可変電圧・可変周波数のインバータ装置等が実用化されるに従って、各種電力変換装置の応用分野が開拓されている。
例えば、電力変換装置に関しては、近年、昇降圧コンバータの応用技術開発が盛んである。一方で、炭化珪素等を材料とするワイドバンドギャップ半導体素子等の開発も盛んに行われている。このような新しい素子に関して、高耐圧であっても電流容量（電流実効値の許容値）の小さい素子に関しては、整流器を中心に実用化されてきている（例えば、特許文献１参照）。
一方、高効率な新しい素子を実用化するには、実用化に向けて多くの課題があり、特に空気調和装置の圧縮機のモータ等に供給するような電力を変換する装置に普及させるにはまだ時間がかかると考えられる。そこで、整流器に流れる電流の一部を別経路で転流する装置（回路）を有することにより、整流器に発生するリカバリー電流を低減させるようにしているものもある。このような装置を設けることでリカバリー電流を大きく低減させることができるが、別経路上の機器等による特性を良好にすることにより、さらにリカバリー電流の低減をはかることができる。
本発明は、上記課題を考慮し、高効率、高信頼性等を確保することができる電力変換装置等を提供するものである。そして、電力変換に係る損失のさらなる低減をはかるようにする。
本発明に係る電力変換装置は、電源と負荷との間で電力変換を行う電力変換装置であって、負荷側から電源側への電流の逆流を防止する整流部を有し、電源からの電力の電圧を所定の電圧に変化させる電圧可変装置と、１次側巻線に流れる電流により誘起される電圧を、電圧可変装置と異なる別経路上の２次側巻線に印加する変圧器を有し、電圧可変装置を流れる電流を別経路に流す転流動作を行う転流装置とを備え、変圧器の２次側巻線は、スペース巻きで巻かれたものを含むものである。
本発明に係る電力変換装置によれば、別経路上に２次側巻線を有する変圧器において、巻線間に距離を持たせて均等に巻いたものを含む構成にするようにしたので、巻線間容量の低減をはかることができ、リカバリー電流の低減をはかりつつ、別経路に電流を流すことによる損失を抑えることができる。
以下、発明の実施の形態に係る電力変換装置等について図面等を参照しながら説明する。ここで、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。そして、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、明細書に記載された形態に限定するものではない。特に構成要素の組み合わせは、各実施の形態における組み合わせのみに限定するものではなく、他の実施の形態に記載した構成要素を別の実施の形態に適用することができる。さらに、添字で区別等している複数の同種の機器等について、特に区別したり、特定したりする必要がない場合には、添字を省略して記載する場合がある。また、図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る電力変換装置を中心とするシステム構成を表す図である。はじめに、図１に基づいて、高効率の電力変換を行うことができる電力変換装置を有するシステムの構成について説明する。
図１は本発明の実施の形態１に係る電力変換装置を中心とするシステム構成を表す図である。はじめに、図１に基づいて、高効率の電力変換を行うことができる電力変換装置を有するシステムの構成について説明する。
図１に示すシステムは、電源１と負荷９との間に電力変換装置が接続されている。電源１は、例えば直流電源、単相電源、三相電源等の各種電源を用いることができる。ここでは、電源１が直流電源であるものとして説明する。また、負荷９は、モータ等、そのモータ等に接続するインバータ装置等である。
電力変換装置は、昇圧装置（昇圧回路）２、転流装置（転流回路）４及び平滑装置（平滑回路）３を有している。電圧可変装置となる昇圧装置２は、電源１からの電力供給に係る印加電圧を所定電圧に昇圧する。転流装置４は、必要なタイミングで昇圧装置２を流れる電流を異なる経路（別経路）に転流する。平滑装置３は、昇圧装置２及び転流装置４の動作に係る電圧（出力電圧）を平滑する。
本実施の形態における昇圧装置２は、例えば電源１の正側又は負側に接続されたリアクトル等で構成する磁気エネルギー蓄積部２１、その後段に接続される昇圧用開閉スイッチ部（電力可変用開閉スイッチ）２２及び整流器等で構成する昇圧用整流部（電力可変用整流器部）２３で構成される。ここで、図１に示すように、昇圧用整流部２３を構成する整流器については、Ｂ点側をアノード側とし、Ｃ点側をカソード側とする。例えばスイッチング素子を有する昇圧用開閉スイッチ部２２は、駆動信号伝達装置７からの駆動信号ＳＡに基づいて開閉を行い、昇圧用開閉スイッチ部２２を介した電源１の正側と負側との間の導通、非導通を制御する。スイッチング素子として用いる半導体素子の種類については特に限定しないが、電源１からの電力供給に耐えることができる高耐圧の素子等を用いる（例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）等）。ここで、図１では示していないが、昇圧用開閉スイッチ部２２は、開閉動作を行うための電力供給をスイッチ動作用の電源から受けている。また、例えばｐｎ接合ダイオード等の整流器で構成する昇圧用整流部２３は、電源１側から負荷９側へ電流（電力）を整流し、負荷９側から電源１側への逆流を防止する逆流防止素子である。本実施の形態では、電源１から負荷９に供給する電力の大きさに合わせて、電流容量が大きい整流器を用いるものとする。また、昇圧用整流部２３における電力（エネルギー）損失を抑えるため、順方向電圧が低い（Ｖｆ特性がよい）素子を用いて整流を行う。逆流防止素子である昇圧用整流部２３と転流装置４とを少なくとも含む装置が、負荷９側から電源１側への電流の逆流を防止する逆流防止装置となる。ここでは、昇圧装置２の昇圧用整流部２３を逆流防止素子としているが、他の素子を逆流防止素子として逆流防止装置を構成することもできる。
図２は本発明の実施の形態１に係る転流装置４の構成例を示す図である。本実施の形態の転流装置４は、変圧器４１と、転流用整流部４２と、変圧器４１を駆動するための変圧器駆動回路４３を構成する素子等から構成される。図２では変圧器４１の１次側、２次側巻線の極性は同一としている。そして、変圧器４１の２次側巻線と転流用整流部４２とが直列接続される。さらに、転流用整流部４２は、昇圧装置２の昇圧用整流部２３と並列接続される。
パルストランス等を有する変圧器４１は変圧器駆動回路４３と転流動作装置を構成する。１次側巻線に電圧を印加し、励磁電流を流すことで２次側巻線に電圧を誘起して電流が流れるようにし、昇圧装置２に流れる電流を転流させる。例えば変圧器４１において、１次側巻線と２次側巻線との巻数比、インダクタンス比等を調整することにより、昇圧用整流部２３（整流器）の逆回復に必要な電圧以上の電圧（約数Ｖ）を発生させつつ、余剰な電圧を抑えるように調整できる。このため、転流装置４側に過大な電流を流す等することなく逆回復を行うことができ、省エネルギーを簡単な方法ではかることができる。また、本実施の形態の変圧器４１は、１次側巻線にリセット巻線を設けている。リセット巻線を設けることで、リセット時において励磁エネルギーを変圧器用電源部４５側に回生させて電力回収を行うことができ、さらなる高効率化をはかることができる。変圧器４１については後にさらに詳しく説明する。
転流用整流部４２は、転流に係る電流（別経路を流れる電流）を整流する。ここで、転流用整流部４２は、例えば電気的特性（特にリカバリー特性）に優れ、電流容量が小さく逆回復の時間がはやい半導体素子を含む整流器を有している。整流器については、電源１から負荷９に供給する電力の経路上にあるため、高耐圧の素子とする。そのため、ここでは、特にリカバリー特性の良いシリコン製ショットキーバリアダイオード、又はＳｉＣ（炭化珪素）、ＧａＮ（ガリウムナイトライド、窒化ガリウム）、ダイヤモンド等を材料とするワイドバンドギャップ半導体で構成する素子を転流用整流部４２の整流器に用いる。
また、本実施の形態では、転流用開閉器４４、変圧器用電源部４５、変圧器駆動用整流部４６及び変圧器用平滑部４７で変圧器駆動回路４３を構成している。例えばトランジスタ等のスイッチング素子を有する転流用開閉器４４は、転流信号伝達装置８からの転流信号ＳＢに基づいて開閉を行い、変圧器用電源部４５から変圧器４１（１次巻線側）への電力供給、供給停止を制御する。ここで、スイッチング素子については、ゲート側と、ドレイン（コレクタ）−ソース（エミッタ）側とを絶縁する絶縁部を有していてもよい。このとき、絶縁部としてフォトカプラ、パルストランス等で構成するとよい。絶縁部を設けることで、転流装置４と制御装置１００等の制御側とを電気的に切り離して、過大な電流等が制御側に流れないようにすることができる。変圧器用電源部４５は、例えば変圧器４１に電力を供給して転流装置４に転流動作を行わせるための電源となる。そして、変圧器用電源部４５が変圧器４１に印加する電圧については、昇圧装置２、転流装置４により平滑装置３に印加される電圧（出力電圧）よりも低くする。ここで、図１では特に示していないが、ノイズ対策、故障時の回路保護等を考慮して、変圧器用電源部４５、転流用開閉器４４及び変圧器４１の１次側巻線を接続している配線経路に、制限抵抗、高周波コンデンサ、スナバ回路、保護回路等を必要に応じて挿入するようにしてもよい。また、変圧器用電源部４５については、昇圧用開閉スイッチ部２２の開閉動作を行わせるための電源と共通にしてもよい。変圧器駆動用整流部４６は、変圧器駆動回路４３に流れる電流を整流して変圧器４１の１次側巻線に電力供給を行う。また、コンデンサ等を有する変圧器用平滑部４７は、変圧器用電源部４５からの電力を平滑して１次側巻線に供給する。変圧器用平滑部４７を設けて平滑を行うことで、例えば変圧器用電源部４５の急激な変動、電流の急峻な跳ね上がり等を抑えることができる。
平滑装置３は、例えば平滑用のコンデンサからなり、昇圧装置２等の動作に係る電圧を平滑して負荷９に印加する。また、電圧検出装置５は平滑装置３によって平滑された電圧（負荷９に印加する負荷電圧）ＶＤＣを検出して、変換した信号Ｖｄｃを制御装置１００に送る。電圧検出装置５は、分圧抵抗によるレベルシフト回路等で構成される。ここで、電圧検出装置５については、必要に応じて、制御装置１００が演算処理等を行う信号（データ）にすることができるように、アナログ／デジタル変換器等を付加した構成としてもよい。
また、本実施の形態のシステムでは、電流検出素子１０及び電流検出装置１１を有している。電流検出素子１０は、電源１と昇圧用開閉スイッチ部２２の負側との接続点とにおける電流を検出する。電流検出素子１０は、例えばカレントトランス、シャント抵抗等により構成する。電流検出装置１１は、増幅回路、レベルシフト回路、フィルタ回路等を有し、電流検出素子１０の検出に係る電流ＩＤＣを、制御装置１００が処理可能な信号Ｉｄｃに変換して送る。ここで、電流検出装置１１が行っている機能を制御装置１００等が代わりに処理できる場合は、回路等を適宜省略することができる。また、図１の電力変換装置では、電圧検出装置５、電流検出素子１０及び電流検出装置１１を有しているが、制御装置１００は、検出に係る電流又は電圧に基づいて信号生成等を行うことができる。このため、電圧検出装置５のみ有するようにしてもよいし、電流検出素子１０及び電流検出装置１１のみ有するようにしてもよい。
制御装置１００は、マイクロコンピュータや、デジタルシグナルプロセッサ等の演算装置、演算装置同様の機能を内部に有する装置等で構成される。本実施の形態では、例えば、電圧検出装置５、電流検出素子１０及び電流検出装置１１の検出に係る電圧、電流に基づいて、昇圧用開閉スイッチ部２２、転流用開閉器４４を動作させる指示のための信号を生成し、昇圧装置２、転流装置４を制御する。ここで、図１では示していないが、制御装置１００は、処理動作を行うための電力供給を、制御装置動作用の電源から受けている。この電源については、変圧器用電源部４５と共通にしてもよい。また、本実施の形態では、制御装置１００は昇圧装置２及び転流装置４の動作を制御するものとして説明するが、これに限定するものではない。例えば、２つの制御装置が、昇圧装置２、転流装置４をそれぞれ制御するようにしてもよい。
駆動信号伝達装置７は、例えば、バッファ、ロジックＩＣ、レベルシフト回路等により構成され、駆動信号ｓａを駆動信号ＳＡに変換して昇圧装置２に伝達する。ただし、例えば、制御装置１００内にその機能を内蔵する場合等であれば、適宜省略可能である。その場合、制御装置１００が送る駆動信号ｓａを駆動信号ＳＡとして、昇圧用開閉スイッチ部２２の開閉操作を直接行うようにすればよい。また、転流信号伝達装置８も、駆動信号伝達装置７と同様に、通常、バッファ、ロジックＩＣ、レベルシフト回路等により構成され、転流信号ｓｂを転流信号Ｓｂに変換して転流装置４に伝達する。ただし、制御装置１００内にその機能を内蔵する場合等であれば、適宜省略可能である。その場合は、制御装置１００が送る転流信号ｓｂを転流信号ＳＢとして、転流用開閉器４４の開閉操作を直接行うようにすればよい。以後、駆動信号ＳＡは制御装置１００からの駆動信号ｓａと同じであるものとし、転流信号ＳＢは転流信号ｓｂと同じであるものとして説明する（このため、以後、駆動信号ｓａ、転流信号ｓｂとする）。
図３は本発明の実施の形態１に係る昇圧用整流部２３の逆回復時におけるリカバリー電流の経路を示す図である。転流信号ｓｂがオフからオンになると、昇圧用整流部２３の逆回復時におけるリカバリー電流は、変圧器４１の２次側巻線（転流用整流部４２との接続側）→転流用整流部４２→昇圧用整流部２３→変圧器４１の２次側巻線（図３のＢ点側）の経路で流れる。
ここで、昇圧用整流部２３の逆回復に係る電流を転流装置４に流すために必要な電圧は、転流装置４の変圧器用電源部４５の電圧レベルに依存する。例えば外部電源等、変圧器用電源部４５をシステムとは独立して電力供給を行えるような場合は変圧器用電源部４５に調整を施せばよい。一方、システム制約により、システム内で必要な電力を作成する電源を利用したいという場合がある。このような場合には、例えばシステム内の制御装置用電源を得る等の目的で設置されるスイッチング電源等の任意の出力を用いることとなる。
転流装置４が転流動作を行うのは、昇圧用整流部２３におけるリカバリー電流発生を抑えるためのものである。このため、昇圧用整流部２３の逆回復に必要な電圧が得られ、対応する電流を流すことができれば、電力変換に直接寄与しない転流動作に係る電力が少ない方が、効率が良く、省エネルギである。しかしながら、この電源が、必ずしも転流装置４の動作において適当な電圧を印加することができない場合もあり得る。昇圧用整流部２３の逆回復に必要な電圧より過大な高電圧が印加され、その電圧に対応する電流が流れると、この電圧とリカバリー電流との積で表される電力分だけリカバリーロスが大きくなることになる。また、適当な電圧を印加するために例えば新たに出力を設ける等、スイッチング電源の多出力化等で対応しようとすると、システムのコストアップに繋がる。
そこで、本実施の形態では、変圧器用電源部４５の電圧レベルに応じて、変圧器４１の巻線比等の設定を創意工夫することで、昇圧用整流部２３の逆回復において、転流装置４側に無駄なく適当な電圧印加及び電流を流すようにしたものである。
変圧器４１の１次側巻線と２次側巻線とにおける巻線比、インダクタンス比によって、２次側巻線に係る電圧と１次側巻線に係る電圧とは一意に定まる。そこで、昇圧装置２の昇圧用整流部２３の逆回復に必要となる適当な電圧を昇圧用整流部２３の両端に印加できるように、回路パターンのインピーダンス、開閉器のオン電圧等を考慮し、転流装置４の変圧器４１の巻線設定を行うとよい。適当な電圧を転流装置４側に印加できるようにしたことで、昇圧用整流部２３の逆回復を必要以上に高い電圧により行うことなく、ロスを少なくすることができる。
図４は本発明の実施の形態１に係る転流用整流部４２の逆回復時におけるリカバリー電流の経路を示す図である。転流信号ｓｂがオンからオフになると、平滑装置３（正側）→転流用整流部４２→変圧器４１の２次側巻線→昇圧用開閉スイッチ部２２→平滑装置３（負側）の経路でリカバリー電流が流れることになる。
以上の結果、実施の形態１のシステムでは、電力変換装置に転流装置４を設け、昇圧装置２を流れる電流を別経路で平滑装置３側に転流させるようにする。例えば昇圧用開閉スイッチ部２２がオン（ターンオン）する前に昇圧用整流部２３を逆回復させるようにする。そして、昇圧用開閉スイッチ部２２がオンすることで流れるリカバリー電流を、順方向電圧は低いが多くのリカバリー電流が流れる昇圧用整流部２３ではなく、逆回復に係る時間が短く、リカバリー特性のよい転流用整流部４２を介して流れるようにする。このため、電力変換装置におけるリカバリー電流を低減することができる。また、転流動作が行われていないとき（通常時）には、順方向電圧が低い昇圧用整流部２３を電流が流れることになるため、昇圧装置２の電力変換における動作中の損失も抑えることができる。このため、例えば、昇圧用整流部２３として電流容量が大きい素子を用いる等しても、昇圧装置２における素子の電流容量、素子のリカバリ特性等に関係なく、リカバリー損失・通流損を低減することができる。したがって、システム全体として、リカバリー電流に起因する損失、及びノイズ量（雑音端子電圧・放射雑音等のレベル）を低減することが可能となる。
ここで、逆回復時の経路において、転流用整流部４２の整流器は静電容量成分（電荷を蓄えるもの。以下、容量成分という）とみなすことができる。リカバリー電流は主に転流用整流部４２の逆回復電荷に依存する。このため、転流用整流部４２に特性が良好な（静電容量が小さい）整流器を用いればリカバリー電流を低減することができる。しかし、図４に示すように、別経路には、転流用整流部４２だけではなく、変圧器４１の２次側巻線が存在する。変圧器４１も巻線間容量も容量成分となる。したがって、別経路における変圧器４１の２次側巻線の巻線間容量を考慮し、巻線間容量の低減をはかることで、リカバリー電流の低減をはかりつつ、別経路に電流を流すことによる損失を抑えることができる。
図５及び図６は本発明の実施の形態１に係る変圧器４１の構成の概略を説明する図である。図５の変圧器４１と図４の変圧器４１とは、変圧器４１を回路接続するためのピン４１Ｂの位置が異なる。図５及び図６に示すように、変圧器４１は、ボビン４１Ａに巻線をすることにより構成する。ここで、巻線は層を成しており、本実施の形態の変圧器４１においては、ボビン４１Ａに三重に巻線することにより、３つの巻線層を有している。各層間は、層間絶縁テープ４１Ｃにより絶縁している。また、最外側の巻層の外表面に外層絶縁テープ４１Ｄを付し、絶縁及び巻線保護をはかっている。さらに、各巻線とボビン４１Ａとの間の空間を埋め、絶縁するためのバリアテープ４１Ｅを付している。ここで、図５及び図６では示していないが、変圧器４１は、ボビン４１Ａの中央部分にコア（フェライト等）を有している。ただし、巻線に絶縁機能を強化したもの（三重絶縁電線等）を用いる場合は、必ずしも、バリアテープ４１Ｅをふさなくてもよい。
次に、変圧器４１に係る容量成分について説明する。ここでは、説明を簡単にするため、１次側巻線とリセット巻線との間の容量、経路自体の容量成分は無視するものとする。一般的に、変圧器における巻線間容量Ｃは、巻線間距離ｄ、巻線断面積Ｓ及び誘電率εを用いて、Ｃ＝ε・Ｓ／ｄと表すことができる。
図７は本発明の実施の形態１に係る変圧器４１の２次側巻線に係る巻線間容量を表す図である。図７に示すように、例えば３ターンの２次側巻線に係る巻線間容量について、ＣＬ２ａ（＝Ｃ）、ＣＬ２ｂ（＝Ｃ）及びＣＬ２ｃ（＝Ｃ／２）とする。したがって、合成した巻線間容量ＣＬ２は次式（１）で表すことができる。（１）式より、巻線間距離ｄを大きくすることで、巻線間容量ＣＬ２を小さくすることができることがわかる。
図８は本発明の実施の形態１に係る別経路における容量について示す図である。逆回復時における別経路における容量成分は、概略、転流用整流部４２を構成する整流器における静電容量ＣＤ２と巻線間容量（合成容量）ＣＬ２のバランスにより定まることになる。例えば、ＣＤ２・ＣＬ２／（ＣＤ２＋ＣＬ２）となる。巻線間距離ｄを大きくすることで、巻線間容量ＣＬ２が小さくなる。したがって、ＣＤ２・ＣＬ２／（ＣＤ２＋ＣＬ２）における分子が大きく、分母が小さくなり、別経路における逆回復時の容量を小さくすることができる。このため、別経路におけるリカバリー電流による損失を低減できる。
図９は本発明の実施の形態１に係る２次側巻線の巻線間隔を説明する模式図である。図９ではボビン４１Ａに巻いた巻線の片側部分を示している。図９に示すように、２次側巻線については、巻線を密に巻くのではなく、略均等となるような距離を保って巻く、スペース巻とする。巻線間に距離を持たせて巻くことにより、リカバリー電流に係る損失を低減することができる。
図１０は本発明の実施の形態１に係る変圧器４１における巻線層の関係を示す図である。図１０では、１次側巻線の巻線層、２次側巻線の巻線層及びリセット巻線の巻線層の関係を示している。図１０ではボビン４１Ａに巻いた巻線の片側部分を示している。
図１０に示すように、本実施の形態では、最内側は１次側巻線の巻線層を形成する。次に２次側巻線の巻線層を形成する。そして、最外側は、１次側の巻線となるリセット巻線の巻線層を形成する。このように、２次側巻線の巻線層を１次側の巻線による巻線層で挟んで巻くサンドイッチ巻とする。
図１０に示すように、本実施の形態では、最内側は１次側巻線の巻線層を形成する。次に２次側巻線の巻線層を形成する。そして、最外側は、１次側の巻線となるリセット巻線の巻線層を形成する。このように、２次側巻線の巻線層を１次側の巻線による巻線層で挟んで巻くサンドイッチ巻とする。
ここで、本実施の形態ではリセット巻線を有しているが、システム条件によって、リセット巻線を設けない場合がある。このような場合には、１次側巻線を２層に分け、２次側巻線を挟んで巻くようにしてもよい。サンドイッチ巻とすることで、１次側の巻線と２次側巻線との結合度が良好となり、２次側巻線に発生する漏れインダクタンスを低減することができる。例えば、転流速度は、２次側の漏れインダクタンスに反比例する。このため、２次側巻線の漏れインダクタンスが小さいほど、高速に転流動作を行うことができる。このため、昇圧用開閉スイッチ部２２を高速で切り替える（高周波スイッチングする）ことができ、例えばＳｉＣ等で構成したデバイスを有効に活用することができる。
実施の形態２．
上述の実施の形態では、転流装置４が転流の対象とする装置を昇圧装置２とし、電源１の電圧を昇圧した電力変換を行う電力変換装置について説明したが、これに限定するものではない。昇圧装置２の代わりに、例えば降圧装置、昇降圧装置等の電圧等を変化させて負荷９に供給する電力の変換を行うことができる電圧可変装置を適用した電力変換装置においても、上述した各実施の形態で説明したことと同様の効果を奏することができる。
上述の実施の形態では、転流装置４が転流の対象とする装置を昇圧装置２とし、電源１の電圧を昇圧した電力変換を行う電力変換装置について説明したが、これに限定するものではない。昇圧装置２の代わりに、例えば降圧装置、昇降圧装置等の電圧等を変化させて負荷９に供給する電力の変換を行うことができる電圧可変装置を適用した電力変換装置においても、上述した各実施の形態で説明したことと同様の効果を奏することができる。
実施の形態３．
図１１は本発明の実施の形態３に係る冷凍空気調和装置の構成図である。本実施の形態では、上述した電力変換装置を介して電力供給を行う冷凍空気調和装置について説明する。図１１の冷凍空気調和装置は、熱源側ユニット（室外機）３００と負荷側ユニット（室内機）４００とを備え、これらが冷媒配管で連結され、主となる冷媒回路（以下、主冷媒回路と称す）を構成して冷媒を循環させている。冷媒配管のうち、気体の冷媒（ガス冷媒）が流れる配管をガス配管５００とし、液体の冷媒（液冷媒。気液二相冷媒の場合もある）が流れる配管を液配管６００とする。
図１１は本発明の実施の形態３に係る冷凍空気調和装置の構成図である。本実施の形態では、上述した電力変換装置を介して電力供給を行う冷凍空気調和装置について説明する。図１１の冷凍空気調和装置は、熱源側ユニット（室外機）３００と負荷側ユニット（室内機）４００とを備え、これらが冷媒配管で連結され、主となる冷媒回路（以下、主冷媒回路と称す）を構成して冷媒を循環させている。冷媒配管のうち、気体の冷媒（ガス冷媒）が流れる配管をガス配管５００とし、液体の冷媒（液冷媒。気液二相冷媒の場合もある）が流れる配管を液配管６００とする。
熱源側ユニット３００は、本実施の形態においては、圧縮機３０１、油分離器３０２、四方弁３０３、熱源側熱交換器３０４、熱源側ファン３０５、アキュムレータ３０６、熱源側絞り装置（膨張弁）３０７、冷媒間熱交換器３０８、バイパス絞り装置３０９及び熱源側制御装置３１０の各装置（手段）で構成する。
圧縮機３０１は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。ここで、圧縮機３０１は、運転周波数を任意に変化させることにより、圧縮機３０１の容量（単位時間あたりの冷媒を送り出す量）を細かく変化させることができるものとする。そして、上述した各実施の形態において説明した電力変換装置が、圧縮機３０１（モータ）を駆動させる電力を供給する電源１と負荷９となる圧縮機３０１等との間に取り付けられている。
油分離器３０２は、冷媒に混じって圧縮機３０１から吐出された潤滑油を分離させるものである。分離された潤滑油は圧縮機３０１に戻される。四方弁３０３は、熱源側制御装置３１０からの指示に基づいて冷房運転時と暖房運転時とによって冷媒の流れを切り換える。また、熱源側熱交換器３０４は、冷媒と空気（室外の空気）との熱交換を行う。例えば、暖房運転時においては蒸発器として機能し、熱源側絞り装置３０７を介して流入した低圧の冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を蒸発させ、気化させる。また、冷房運転時においては凝縮器として機能し、四方弁３０３側から流入した圧縮機３０１において圧縮された冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を凝縮して液化させる。熱源側熱交換器３０４には、冷媒と空気との熱交換を効率よく行うため、熱源側ファン３０５が設けられている。熱源側ファン３０５についても、上述の各実施の形態に記載した電力変換装置を介して電力供給を行い、例えば負荷９となるインバータ装置においてファンモータの運転周波数を任意に変化させてファンの回転速度を細かく変化させるようにしてもよい。
冷媒間熱交換器３０８は、冷媒回路の主となる流路を流れる冷媒と、その流路から分岐してバイパス絞り装置３０９（膨張弁）により流量調整された冷媒との間で熱交換を行う。特に冷房運転時において冷媒を過冷却する必要がある場合に、冷媒を過冷却して負荷側ユニット４００に供給するものである。バイパス絞り装置３０９を介して流れる液体は、バイパス配管を介してアキュムレータ３０６に戻される。アキュムレータ３０６は例えば液体の余剰冷媒を溜めておく手段である。熱源側制御装置３１０は、例えばマイクロコンピュータ等からなる。そして、負荷側制御装置４０４との間で有線又は無線通信することができ、例えば、冷凍空気調和装置内の各種検知手段（センサ）の検知に係るデータに基づいて、インバータ回路制御による圧縮機３０１の運転周波数制御等、冷凍空気調和装置に係る各機器（手段）を制御して冷凍空気調和装置全体の動作制御を行う。また、上述した各実施の形態における制御装置１００が行う処理を、熱源側制御装置３１０が行うようにしてもよい。
一方、負荷側ユニット４００は、負荷側熱交換器４０１、負荷側絞り装置（膨張弁）４０２、負荷側ファン４０３及び負荷側制御装置４０４で構成される。負荷側熱交換器４０１は冷媒と空気との熱交換を行う。例えば、暖房運転時においては凝縮器として機能し、ガス配管５００から流入した冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を凝縮させて液化（又は気液二相化）させ、液配管６００側に流出させる。一方、冷房運転時においては蒸発器として機能し、負荷側絞り装置４０２により低圧状態にされた冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒に空気の熱を奪わせて蒸発させて気化させ、ガス配管５００側に流出させる。また、負荷側ユニット４００には、熱交換を行う空気の流れを調整するための負荷側ファン４０３が設けられている。この負荷側ファン４０３の運転速度は、例えば利用者の設定により決定される。負荷側絞り装置４０２は、開度を変化させることで、負荷側熱交換器４０１内における冷媒の圧力を調整するために設ける。
また、負荷側制御装置４０４もマイクロコンピュータ等からなり、例えば熱源側制御装置３１０との間で、有線又は無線通信することができる。熱源側制御装置３１０からの指示、居住者等からの指示に基づいて、例えば室内が所定の温度となるように、負荷側ユニット４００の各装置（手段）を制御する。また、負荷側ユニット４００に設けられた検知手段の検知に係るデータを含む信号を送信する。
以上のように実施の形態３の冷凍空気調和装置では、上述した各実施の形態における電力変換装置を用いて圧縮機３０１、熱源側ファン３０５等への電力供給を行うようにしたので、高効率、高信頼性、省エネルギーの冷凍空気調和装置を得ることができる。
前述した実施の形態３では、本発明に係る電力変換装置を冷凍空気調和装置に適用する場合について説明したが、これに限定するものではない。ヒートポンプ装置、冷蔵庫等の冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）を利用する装置、エレベータ等の搬送機器等、照明器具（システム）、ハイブリッド車、太陽光発電のパワーコンディショナー等にも適用することができる。
１ 電源、２ 昇圧装置、３ 平滑装置、４ 転流装置、５ 電圧検出装置、７ 駆動信号伝達装置、８ 転流信号伝達装置、９ 負荷、１０ 電流検出素子、１１ 電流検出装置、２１ 磁気エネルギー蓄積部、２２ 昇圧用開閉スイッチ部、２３ 昇圧用整流部、４１ 変圧器、４１Ａ ボビン、４１Ｂ ピン、４１Ｃ 層間絶縁テープ、４１Ｄ 外層絶縁テープ、４１Ｅ バリアテープ、４２ 転流用整流部、４３ 変圧器駆動回路、４４ 転流用開閉器、４５ 変圧器用電源部、４６ 変圧器駆動用整流部、４７ 変圧器用平滑部、１００ 制御装置、３００ 熱源側ユニット、３０１ 圧縮機、３０２ 油分離器、３０３ 四方弁、３０４ 熱源側熱交換器、３０５ 熱源側ファン、３０６ アキュムレータ、３０７ 熱源側絞り装置、３０８ 冷媒間熱交換器、３０９ バイパス絞り装置、３１０ 熱源側制御装置、４００ 負荷側ユニット、４０１ 負荷側熱交換器、４０２ 負荷側絞り装置、４０３ 負荷側ファン、４０４ 負荷側制御装置、５００ ガス配管、６００ 液配管。
Claims (10)
- 電源と負荷との間で電力変換を行う電力変換装置であって、
負荷側から電源側への電流の逆流を防止する整流部を有し、前記電源からの電力の電圧を所定の電圧に変化させる電圧可変装置と、
１次側巻線に流れる電流により誘起される電圧を、前記電圧可変装置と異なる別経路上の２次側巻線に印加する変圧器を有し、前記電圧可変装置を流れる電流を別経路に流す転流動作を行う転流装置とを備え、
前記変圧器の２次側巻線は、スペース巻きで巻かれたものを含む電力変換装置。 - 前記変圧器は、前記１次側巻線の巻線層の間に前記２次側巻線の巻線層を形成した少なくとも三層の巻線層を有する請求項１に記載の電力変換装置。
- 前記変圧器の前記１次側の巻線にリセット巻線を設ける請求項１又は２に記載の電力変換装置。
- 前記変圧器は、少なくとも三層の巻線層を有し、前記１次側巻線の巻線層又は前記リセット巻線の巻線層を、最外側及び最内側の巻線層とする請求項３に記載の電力変換装置。
- 前記変圧器をパルストランスとする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記電圧可変装置は、スイッチングにより電圧可変を行う開閉スイッチ部を有し、前記開閉スイッチ部を閉じる前に前記転流装置に前記転流動作を開始させる請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記電圧可変装置は、リアクトルを含む磁気エネルギー蓄積部を有する請求項１〜６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記電圧可変装置は、スイッチングにより電圧可変を行う開閉スイッチ部を有し、前記開閉スイッチ部は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ又は金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを有する請求項１〜７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記整流部は整流器を有する請求項１〜８のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 請求項１〜９のいずれか一項に記載の電力変換装置を、圧縮機又は送風機の少なくとも一方を駆動するために備えることを特徴とする冷凍空気調和装置。
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