JP6180635B2 - 電力変換装置、除湿機、空調装置および冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置、除湿機、空調装置および冷凍装置に関する。

従来、空調機ではインバータ駆動が一般化している。ここで、インバータおよびインバータと接続する電動機では、キャリア周波数の影響により、スイッチング素子のスイッチングに起因したノイズであるキャリアノイズが発生する。キャリアノイズは、キャリア周波数によって騒音レベルが異なる。キャリアノイズを低減する対策に、キャリア周波数周辺の音を低減させるために吸音材または遮音材を用いる方法がある。また、下記特許文献１において、キャリア周波数を人間の可聴帯域外の高周波に設定することで、静粛化を達成する電動機駆動装置の技術が開示されている。

特開平７−１６７４８０号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、キャリア周波数を高く設定するため、インバータ内のスイッチング素子では、損失増加およびインバータの高出力時のオン抵抗損失によって部品温度が上昇し、故障するおそれがある。そのため、電流容量の大きいスイッチング素子の使用またはインバータを搭載する装置側での放熱対策の追加によりコストアップする、という問題があった。また、回路の大型化に伴い装置が大型化する、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、騒音の増大を抑制しつつ、小型軽量化および低コスト化を実現可能な電力変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、交流電力を出力して電動機を駆動する電力変換装置であって、スイッチング素子の駆動により、入力された直流電力を交流電力に変換して出力するスイッチング回路と、キャリア周波数を制御して前記スイッチング素子の駆動を制御可能な駆動制御手段と、を備え、前記駆動制御手段は、前記キャリア周波数での前記スイッチング素子の駆動に起因して前記電動機および前記電力変換装置で発生するノイズを合わせたキャリアノイズの騒音レベルについて、規定のキャリア周波数におけるキャリアノイズの騒音レベルの閾値を設定し、また、電力変換装置および電動機を含む同一筐体内においてキャリア周波数によらず発生する複数のノイズ発生源からの駆動ノイズの騒音レベルに対し、電動機を含むノイズ発生源について、駆動ノイズの騒音レベルが規定のキャリア周波数で設定された閾値の騒音レベルとなる回転数の閾値を設定し、電動機を含むノイズ発生源の回転数と回転数の閾値とに基づいて、キャリア周波数を制御し、電動機を含むノイズ発生源の回転数が回転数の閾値を超えた場合、キャリア周波数を規定のキャリア周波数に制御して現在よりも小さくし、キャリアノイズの騒音レベルを、複数の各駆動ノイズの騒音レベルより小さくする。

本発明にかかる電力変換装置は、騒音の増大を抑制しつつ、小型軽量化および低コスト化を実現できる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１の電力変換装置の構成例を示す図である。 図２は、実施の形態１にかかるＰＷＭ信号の生成処理の一例を示すフローチャートである。 図３は、実施の形態１にかかるＰＷＭ信号の論理の一例を示す図である。 図４は、実施の形態１にかかる圧縮機および送風機の回転数と騒音の特性を示す図である。 図５は、Ｕ相変調信号とキャリア周波数が低い場合のＵ相上アーム駆動信号を示す図である。 図６は、Ｕ相変調信号とキャリア周波数が高い場合のＵ相上アーム駆動信号を示す図である。 図７は、実施の形態２の除湿機を示す側断面図である。

以下に、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの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の電力変換装置１０の構成例を示す図である。電力変換装置１０は、交流電力を出力する交流電源１に接続されたリアクタ２と、交流電力を直流電力に整流する、整流素子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを備えた整流器３と、整流された直流電圧を平滑化する平滑回路である平滑コンデンサ４と、平滑コンデンサ４に並列接続され、直流電力を交流電力に変換して出力し、電動機６を駆動するインバータ５と、を備える。

インバータ５は、電圧検出部１１と、スイッチング回路１２と、電流検出部１５と、駆動制御部１６と、を備える。

電圧検出部１１は、例えば、抵抗およびコンデンサを含む分圧回路と、ＡＤ（Analog Digital）変換器と、増幅器とを用いて構成され、直流電圧Ｖｄｃを検出する。電圧検出部１１は、検出した直流電圧Ｖｄｃを駆動制御部１６に出力する。駆動制御部１６では、内蔵するＡＤ変換器および他の機器を用いて、直流電圧Ｖｄｃの値を直流電圧Ｖｄｃの情報を示すデータに変換する。なお、電圧検出部１１による直流電圧Ｖｄｃを検出する方法は一例であり、これに限定するものではない。他の方法を用いて直流電圧Ｖｄｃを検出してもよい。

スイッチング回路１２は、直流電圧Ｖｄｃの印加方向に沿って上流側で高電圧側となる各相上側アームと、各相上側アームに対応し、直流電圧Ｖｄｃの印加方向に沿って下流側で低電圧側となる各相下側アームと、から構成される三相のアームを備える。具体的に、スイッチング回路１２は、スイッチング素子であって、各相上側アームであるＭＯＳ−ＦＥＴ１３ｕ，１３ｖ，１３ｗと、各相下側アームであるＭＯＳ−ＦＥＴ１４ｕ，１４ｖ，１４ｗと、を備える。スイッチング回路１２は、駆動制御部１６からの各ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎに従って各ＭＯＳ−ＦＥＴ１３ｕ，１３ｖ，１３ｗ，１４ｕ，１４ｖ，１４ｗを駆動し、直流電力を交流電力に変換して出力する。

電流検出部１５は、電動機６のｕ相電流Ｉｕを検出する電流検出素子１５ａと、ｗ相電流Ｉｗを検出する電流検出素子１５ｂと、を備える。本実施の形態では、電流検出部１５は、電流検出素子１５ａ，１５ｂの両端電圧を検出して駆動制御部１６に出力する。駆動制御部１６では、内蔵するＡＤ変換器および他の機器を用いて、電流検出部１５で検出された電流検出素子１５ａ，１５ｂの両端電圧を、電圧値を表す数値のデータに変換し、電動機６に流れるｕ相電流Ｉｕおよびｗ相電流Ｉｗの情報を示すデータに換算する。また、駆動制御部１６では、３相電流の総和が０になるという３相平衡インバータの特徴を利用して、ｖ相電流Ｉｖの情報を示すデータを求める。なお、電流検出部１５による電動機６に流れる各相電流を導出する方法は一例であり、これに限定するものではない。他の方法を用いて各相電流を導出してもよい。また、電流検出部１５は、三相分の電流検出素子を備える構成とすることも可能である。

駆動制御部１６は、制御部１７と、駆動部１８と、を備える。

制御部１７は、電圧検出部１１からの情報よりスイッチング回路１２の入力電圧値を検出し、電流検出部１５からの情報より電動機６への出力電流値を検出し、入力電圧値および出力電流値に基づいて、スイッチング回路１２を制御する駆動信号を出力する。

制御部１７は、ＰＷＭを用いた電動機駆動制御を行う。本実施の形態では、磁極位置センサを付加せず、制御部１７は、各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗおよび直流電圧Ｖｄｃに基づいて、各ＭＯＳ−ＦＥＴ１３ｕ，１３ｖ，１３ｗ，１４ｕ，１４ｖ，１４ｗを駆動する各ＰＷＭ信号Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎの基となる各ＰＷＭ原信号Ｔｕｐ，Ｔｕｎ，Ｔｖｐ，Ｔｖｎ，Ｔｗｐ，Ｔｗｎを生成する。制御部１７は、各ＰＷＭ原信号Ｔｕｐ，Ｔｕｎ，Ｔｖｐ，Ｔｖｎ，Ｔｗｐ，Ｔｗｎを駆動部１８に出力して、スイッチング回路１２の駆動を制御する。

駆動部１８は、例えば、バッファと、ロジックＩＣと、レベルシフト回路を用いて構成され、制御部１７からの各ＰＷＭ原信号Ｔｕｐ，Ｔｕｎ，Ｔｖｐ，Ｔｖｎ，Ｔｗｐ，Ｔｗｎに基づいて、各ＰＷＭ信号Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎを生成する。駆動部１８は、各ＰＷＭ信号Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎをスイッチング回路１２に出力して、スイッチング回路１２の各ＭＯＳ−ＦＥＴ１３ｕ，１３ｖ，１３ｗ，１４ｕ，１４ｖ，１４ｗを駆動する。

図１では、駆動制御部１６は、制御部１７および駆動部１８の２つの構成を備えているが、一例であり、制御部１７内に駆動部１８の機能を内蔵してもよい。この場合、制御部１７が、各ＰＷＭ信号Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎを生成してスイッチング回路１２に出力することで、スイッチング回路１２の各ＭＯＳ−ＦＥＴ１３ｕ，１３ｖ，１３ｗ，１４ｕ，１４ｖ，１４ｗを直接駆動制御する。

なお、図１において図示していないが、電動機６を含む負荷には圧縮機がある。また、電力変換装置１０および負荷の圧縮機を含む同一筐体のユニット、例えば除湿機には、送風機が接続されている。駆動制御部１６は、圧縮機とともに、送風機の動作も制御する。本実施の形態では、駆動制御部１６は、圧縮機および送風機により発生するノイズの騒音レベルに基づいて、スイッチング回路１２を駆動する際のキャリア周波数を切り換える制御を行う。なお、送風機についても、圧縮機と同様、電動機６を含む負荷とすることも可能である。図１において、電力変換装置１０では、１つの電動機６が接続されているが、一例であり、２つ以上の電動機６を接続することも可能である。駆動制御部１６は、電力変換装置１０に２つ以上の電動機６が接続されている場合、各電動機６を含む各負荷について独立して制御を行う。

つづいて、駆動制御部１６において、各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗおよび直流電圧Ｖｄｃに基づいて、スイッチング回路１２に出力する各ＰＷＭ信号Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎを生成する処理について説明する。図２は、実施の形態１にかかるＰＷＭ信号の生成処理の一例を示すフローチャートである。

駆動制御部１６において、制御部１７は、まず、電流検出部１５により検出された検出値に基づいて、各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを算出する（ステップＳ１）。

つぎに、制御部１７は、各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを座標変換してγ軸電流を示す励磁電流Ｉγと、δ軸電流を示すトルク電流Ｉδとを算出する。具体的に、制御部１７は、次式（１）に示す変換行列［Ｃ₁］と各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗとを乗算することにより励磁電流Ｉγとトルク電流Ｉδとを算出する（ステップＳ２）。なお、式（１）中のθはインバータ回転角を示し、回転方向が時計回りの場合を示している。

なお、パルスエンコーダに代表される回転子位置を検出するセンサを用いる場合、回転子の電気角周波数とインバータ装置の回転周波数とはほぼ一致するので、回転子の電気角周波数とインバータ装置とが同一周波数で回転する座標系をｄｑ座標系と一般的に称する。一方、本実施の形態のように、回転子位置を検出するセンサを用いない場合、ｄｑ軸座標を正確に捉えることができず、実際にはｄｑ座標系に対して位相差Δθだけずれてスイッチング回路１２が運転される。このような場合を想定して、一般的に、インバータ装置の出力電圧と同一周波数で回転する座標系をγδ座標系と称し、回転座標系とは区別して扱う。本実施の形態では、回転子位置を検出するセンサを用いない場合の例を示しているので、上記の慣例を踏襲してγおよびδを添え字とする。

図２に戻って、制御部１７は、励磁電流Ｉγ、トルク電流Ｉδおよび外部からの周波数指令ｆ^*から速度制御を含む各種ベクトル制御を行い、例えば、次式（２）を用いて次回のγ軸電圧指令Ｖγ^*およびδ軸電圧指令Ｖδ^*を算出する（ステップＳ３）。

つぎに、制御部１７は、式（１）の逆行列［Ｃ₁］^-1である次式（３）を用いて各相電圧指令Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*を算出する（ステップＳ４）。

つぎに、制御部１７は、スイッチング回路１２の各相電圧指令Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*と電圧検出部１１により検出された直流電圧Ｖｄｃとの比率、すなわち、直流電圧Ｖｄｃに対しての各相電圧指令Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*の比率に基づいて、１キャリア周期中における各ＭＯＳ−ＦＥＴ１３ｕ，１３ｖ，１３ｗ，１４ｕ，１４ｖ，１４ｗのＯＮ時間またはＯＦＦ時間を演算し、各ＰＷＭ原信号Ｔｕｐ，Ｔｕｎ，Ｔｖｐ，Ｔｖｎ，Ｔｗｐ，Ｔｗｎを生成する（ステップＳ５）。

そして、駆動部１８は、制御部１７から出力された各ＰＷＭ原信号Ｔｕｐ，Ｔｕｎ，Ｔｖｐ，Ｔｖｎ，Ｔｗｐ，Ｔｗｎに基づいて、各ＰＷＭ信号Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎを生成する（ステップＳ６）。以降、駆動制御部１６では、ステップＳ１からステップＳ６を繰り返すことにより、各ＰＷＭ信号Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎを適時出力して、スイッチング回路１２の各ＭＯＳ−ＦＥＴ１３ｕ，１３ｖ，１３ｗ，１４ｕ，１４ｖ，１４ｗを駆動し、電動機６を駆動する。

図３は、実施の形態１にかかるＰＷＭ信号の論理の一例を示す図である。図３に示すように、各相の上側アームであるＭＯＳ−ＦＥＴ１３ｕ，１３ｖ，１３ｗのオン期間と下側アームであるＭＯＳ−ＦＥＴ１４ｕ，１４ｖ，１４ｗのオン期間とが同時に生じて短絡回路を形成しないように、各相の上側アームあるいは下側アームのターンオフと各相の下側アームあるいは上側アームのターンオンとの間に、デッドタイムＴｄが設けられている。

なお、本実施の形態では、回転子位置を検出するセンサを用いず、コストの上昇を抑制しているが、回転子位置を検出するセンサを用いることにより、回転子の電気角周波数とスイッチング回路１２側の回転周波数とはほぼ一致するので、高精度なＰＷＭ制御を行うことが可能となる。

つづいて、上記のＰＷＭ信号の生成処理において、キャリア周波数を切り換える処理について説明する。

図４は、実施の形態１にかかる圧縮機および送風機の回転数と騒音の特性を示す図である。横軸は回転数を示し、縦軸は騒音を示す。まず、駆動制御部１６において、制御部１７は、キャリア周波数１３ｋＨｚにおけるキャリアノイズの騒音レベルである閾値＃１を設定する。インバータ５の負荷電流は想定される最大とする。そして、制御部１７は、図４に示す圧縮機および送風機の回転数と騒音の特性に基づいて、圧縮機および送風機で発生するノイズの騒音レベルが、キャリア周波数１３ｋＨｚ時のキャリアノイズの騒音レベルである閾値＃１以上となる圧縮機および送風機の回転数である閾値＃１ａおよび閾値＃１ｂを、キャリア周波数の切り換え判定の条件に設定する。

ここで、キャリア周波数１３ｋＨｚにおけるキャリアノイズとは、スイッチング回路１２と、圧縮機と、送風機において、キャリア周波数１３ｋＨｚを用いたことによってスイッチング素子である各ＭＯＳ−ＦＥＴ１３ｕ，１３ｖ，１３ｗ，１４ｕ，１４ｖ，１４ｗの駆動、すなわちスイッチングに起因して発生するノイズである。キャリアノイズは、キャリア周波数によって騒音レベルが異なるノイズである。キャリアノイズは、複数のノイズ発生源がある場合は、各ノイズ発生源からのノイズを合わせてもよい。一方で、図４に示す圧縮機および送風機の騒音レベルは、例えば、動作音のようにキャリア周波数によらず発生するノイズのレベルを示す。キャリア周波数によらず発生するノイズを駆動ノイズとする。

なお、制御部１７は、電流検出部１５で検出された電動機６への電流値によって電動機６の回転数を把握できる。制御部１７は、複数の電動機６が接続され、電動機６を含む圧縮機および電動機６を含む送風機が電力変換装置１０に接続されている場合、電流検出部１５で検出された電動機６への電流値によって、圧縮機および送風機の回転数を把握することができる。

つぎに、制御部１７は、キャリア周波数１３ｋＨｚの場合と同様に、キャリア周波数１０．７ｋＨｚにおけるキャリアノイズの騒音レベルである閾値＃２を設定する。同様に、インバータ５の負荷電流は想定される最大とする。そして、制御部１７は、図４に示す圧縮機および送風機の回転数と騒音の特性に基づいて、圧縮機および送風機で発生するノイズの騒音レベルが、キャリア周波数１０．７ｋＨｚ時のキャリアノイズの騒音レベルである閾値＃２以上となる圧縮機および送風機の回転数である閾値＃２ａおよび閾値＃２ｂを、キャリア周波数の切り換え判定の条件に設定する。

制御部１７は、各キャリア周波数でのキャリアノイズの騒音レベルの特性と圧縮機および送風機の各回転数での騒音レベルの特性との関係に基づいて、キャリアノイズおよび駆動ノイズの騒音レベルがともに小さい低騒音領域においてキャリア周波数１６ｋＨｚで運転中に、圧縮機の回転数が増加して閾値＃１ａを超えた場合、または送風機の回転数が増加して閾値＃１ｂを超えた場合、キャリア周波数を１６ｋＨｚから１３ｋＨｚに低下させる制御を行う。同様に、制御部１７は、キャリア周波数１３ｋＨｚで運転中に、圧縮機の回転数が増加して閾値＃２ａを超えた場合、または送風機の回転数が増加して閾値＃２ｂを超えた場合、キャリア周波数を１３ｋＨｚから１０．７ｋＨｚに低下させる制御を行う。なお、上記のキャリア周波数１０．７ｋＨｚはＪＩＳ（Japanese Industrial Standards） Ｃ１５０９に定められた騒音のＡ特性のグラフより、人間の聴覚の周波数特性上、高周波数領域側で騒音Ａ特性が約−３ｄＢとなる周波数である。

図５は、Ｕ相変調信号とキャリア周波数が低い場合のＵ相上アーム駆動信号を示す図である。また、図６は、Ｕ相変調信号とキャリア周波数が高い場合のＵ相上アーム駆動信号を示す図である。図５および図６においてＵ相変調信号は同様の波形である。図５に示すＵ相上アーム駆動信号、すなわちＰＷＭ信号の波形は圧縮機または送風機の回転数が図６に示す場合よりも高い状態を示し、図６に示すＵ相上アーム駆動信号、すなわちＰＷＭ信号の波形は圧縮機または送風機の回転数が図５に示す場合よりも低い状態を示す。

図４から図６より、制御部１７は、圧縮機または送風機の回転数が高いほどキャリア周波数を低くする制御を行う。これは、例えば、電力変換装置１０、圧縮機、および送風機が同一筐体内に設置されたユニットにおいて、圧縮機または送風機の回転数が低いときは圧縮機または送風機においてキャリア周波数によらず発生する駆動ノイズは小さいので、制御部１７は、キャリア周波数に起因するキャリアノイズを低くするため、キャリア周波数を高くする。一方で、圧縮機または送風機の回転数が高くなると圧縮機または送風機においてキャリア周波数によらず発生する駆動ノイズは大きくなる。そのため、キャリア周波数を低くしてキャリア周波数に起因するキャリアノイズが大きくなっても、キャリアノイズが駆動ノイズより小さければ、同一筐体のユニットにおいて、圧縮機または送風機の駆動ノイズによってキャリアノイズは目立たない。このように、制御部１７は、キャリアノイズの騒音レベルが、圧縮機または送風機の駆動ノイズの騒音レベルより小さくなる範囲でキャリア周波数を制御する。

制御部１７は、圧縮機または送風機の回転数が高いほどキャリア周波数を低く制御するので、スイッチング回路１２での高負荷時の温度上昇を抑えることができる。

なお、制御部１７がキャリア周波数を制御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く、駆動部１８においてキャリア周波数を制御してもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、電力変換装置１０では、キャリア周波数を切り換える制御を行い、電力変換装置１０と、電動機６を含む負荷である圧縮機、または送風機、または圧縮機および送風機が同一筐体内に設置されたユニットにおいて、スイッチング素子である各ＭＯＳ−ＦＥＴ１３ｕ，１３ｖ，１３ｗ，１４ｕ，１４ｖ，１４ｗのキャリア周波数での駆動に起因して負荷および電力変換装置１０で発生するノイズを合わせたキャリアノイズの騒音レベルを、同一筐体内においてキャリア周波数によらず発生する複数のノイズ発生源からの駆動ノイズの騒音レベルより小さくすることとした。これにより、ユニット全体での騒音レベルの増大を抑制でき、また、高負荷時におけるスイッチング損失を低減することができるため、温度上昇の抑制によるユニットの小型化および軽量化を実現でき、高性能化が可能となる。また、電力変換装置１０において放熱対策が不要となるため、低コスト化を実現できる。

なお、ノイズ発生源が複数あ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。ノイズ発生源が１つの場合にも適用可能である。また、ノイズ発生源については、電動機６の動作によって駆動する圧縮機または送風機の負荷に限定するものではなく、電動機６を対象としてもよい。

また、図４に示す圧縮機の騒音について、騒音レベルは回転数のみではなく、トルク、または動作の変動によっても変化する。そのため、制御部１７では、圧縮機について、複数の要素を考慮して閾値を設定することで、適切なキャリア周波数の切り換えが可能となり、騒音レベルの増大を抑制し、スイッチング損失を低減する効果を得ることができる。

同様に、図４に示す送風機の騒音について、騒音レベルは回転数のみではなく、トルク、または設置された環境の湿度および風路によっても変化する。そのため、制御部１７では、送風機について、複数の要素を考慮して閾値を設定することで、適切なキャリア周波数の切り換えが可能となり、騒音レベルの増大を抑制し、スイッチング損失を低減する効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、同一筐体内においてキャリア周波数によらず駆動ノイズを発生する複数のノイズ発生源の対象を圧縮機および送風機で説明したが、同一筐体内にあって、キャリア周波数によらず駆動ノイズを発生する他の構成、例えば、コンバータを対象にしてもよい。電力変換装置１０において、交流電源１に接続されたリアクタ２に電流が流れることで発生する電磁騒音がある。特に、電源力率改善および高調波抑制、また、平滑コンデンサ４の電圧制御のためにスイッチング手段を用いたアクティブコンバータの場合、スイッチングに起因した電流変動により大きなノイズが発生する。なお、リアクタ２の空隙部に非磁性体のスペーサを挿入することでも騒音レベルを抑制することが可能である。圧縮機および送風機は、例えば、除湿機、空調装置、冷凍装置に使用されており、特に、圧縮機は、冷凍サイクルを構成する装置に使用される。

また、同一筐体内にある圧縮機、送風機、およびリアクタ２について、各共振周波数をずらすことで、駆動ノイズの重畳を抑制することが可能である。また、キャリア周波数を各共振周波数と異なる周波数とすることで、駆動ノイズの重畳を抑制することが可能である。なお、各共振周波数をずらす、また、キャリア周波数を各共振周波数と異なる周波数とすることについては、圧縮機、送風機、およびリアクタ２に限定するものではなく、同一筐体内にあって、キャリア周波数によらず駆動ノイズを発生する他の構成を対象にしてもよい。

また、本実施の形態では、圧縮機と送風機について、個別に閾値を設定してキャリア周波数の切り換え判定の対象としたが、これに限定するものではない。圧縮機と送風機の各駆動ノイズの騒音レベルを合成したノイズの騒音レベルを用いて、キャリア周波数の切り換え判定の対象とすることも可能である。電力変換装置１０では、制御部１７は、キャリアノイズの騒音レベルを、複数の駆動ノイズを合成したノイズの騒音レベルより小さくする制御を行う。

また、本実施の形態では、電動機６を含む負荷を圧縮機または送風機としたが、一例であり、電動機６を含む負荷については他の構成を用いることも可能である。

また、本実施の形態では、キャリア周波数の切り換えにおいて使用する周波数を１６ｋＨｚ，１３ｋＨｚおよび１０．７ｋＨｚとしたが、一例であり、他の値を用いてもよい。例えば、キャリア周波数を、１０．７ｋＨｚから２０．０ｋＨｚの周波数範囲でいくつか選択してもよい。キャリア周波数の切り換えに使用する周波数は、３つに限定するものではなく、２つ以上あればよい。

また、キャリア周波数におけるキャリアノイズの騒音レベルを設定する際に、インバータ５の負荷電流を想定される最大としたが、これに限定するものではなく、負荷電流以外の条件を用いてもよい。

また、キャリア周波数におけるキャリアノイズの騒音レベルを設定する際に、使用者の聴覚感度に基づいて駆動ノイズの周波数によって補正を行うことで、より適切に騒音レベルを設定することが可能となる。また、駆動ノイズの騒音レベルについては、オーバーオール値でもよい。

また、本実施の形態では、各キャリア周波数でのキャリアノイズの騒音レベルの特性と圧縮機および送風機の各回転数での騒音レベルの特性との関係に基づいて回転数を指標にキャリア周波数を切り換えるが、キャリア周波数の切り換えに使用する指標はこれに限定するものではない。例えば、筐体内に複数の騒音計を設置し、騒音計で測定したキャリアノイズの騒音レベルの測定値、および騒音計で測定した駆動ノイズの騒音レベルの測定値に基づいて、キャリア周波数を切り換える制御を行ってもよい。

なお、整流器３の整流素子３ａ〜３ｄ、およびスイッチング回路１２のスイッチング素子であるＭＯＳ−ＦＥＴ１３ｕ，１３ｖ，１３ｗ，１４ｕ，１４ｖ，１４ｗの各半導体素子に、一般的には珪素（Ｓｉ：シリコン）を材料とするＳｉ系半導体を用いるのが主流であるが、炭化珪素（ＳｉＣ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）またはダイヤモンドを材料とするワイドバンドギャップ半導体（以下、ＷＢＧ半導体とする）を用いてもよい。

ＷＢＧ半導体によって形成された半導体素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高い。そのため、半導体素子の小型化が可能であり、小型化された半導体素子を用いることにより、整流器３およびスイッチング回路１２の小型化が可能となる。また、小型化された整流器３およびスイッチング回路１２を用いることで、電力変換装置１０の小型化および軽量化が可能となる。

また、ＷＢＧ半導体によって形成された半導体素子は、耐熱性も高い。そのため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化、または水冷部の空冷化が可能であるので、電力変換装置１０の一層の小型化が可能になる。

さらに、ＷＢＧ半導体によって形成された半導体素子は、電力損失が低い。そのため、半導体素子の高効率化が可能であり、その結果、電力変換装置１０の高効率化が可能になる。

また、各半導体素子がＷＢＧ半導体によって形成されていることが望ましいが、各半導体素子のうちの１つがＷＢＧ半導体によって形成されていてもよく、一部の半導体素子に用いた場合においても、上述した効果を得ることが可能である。

また、ＷＢＧ半導体を用いることにより、高いキャリア周波数でのスイッチングほど高い損失低減効果を得ることが可能である。そのため、本実施の形態での１０ｋＨｚ以上での高周波スイッチングの際には、高い損失低減効果が得られることは言うまでもない。

また、電力変換装置１０では、平滑コンデンサ４に電解コンデンサを用いないで、フィルムコンデンサまたはセラミックコンデンサを用いてケミコンレスインバータ化してもよい。電力変換装置１０では、コンデンサの小型化による制御基板の小型化、および電源高調波を抑制することが可能となり、リアクタ２の小型化が可能となる。

実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１の電力変換装置１０の制御対象を除湿機とする。図７は、実施の形態２の除湿機２０を示す側断面図である。除湿機２０は、実施の形態１の図１に示す電力変換装置１０および電動機６を用いた負荷が同一筐体内に搭載されたユニットである。図７において、蒸発器２００は吸い込み口２０１の下流側の風路２０２に設けられている。さらに風路２０２の下流には、凝縮器２０３と、送風ダクト２０４と、送風機２０５と、吹き出しダクト２０６と、が設けられている。また、吹き出しダクト２０６を介して風向可変ベーン２０７を有する吹き出し口２０８が設けられている。また、蒸発器２００の下方に設けられているドレン口２０９の斜め下方には、タンク２１０が設置され、ドレン口２０９とタンク２１０とはパイプで接続されている。

また、蒸発器２００と凝縮器２０３は、底板２１１の上に取り付けられて直流ブラシレスモータを搭載した圧縮機２１２に冷媒配管にて連結され、冷凍サイクルを構成している。電力変換装置２１３は、圧縮機２１２に搭載された直流ブラシレスモータの回転速度を可変に駆動する。除湿機２０は、除湿機本体２１６に各構成を収納することで、持ち運びができるように構成されている。ここで、電力変換装置２１３は、実施の形態１の電力変換装置１０とする。

つぎに、除湿機２０の動作について説明する。圧縮機２１２が運転を開始すると、圧縮された高温高圧の冷媒ガスが凝縮器２０３に流れ込み、凝縮器２０３は高温に保たれる。また、凝縮器２０３の冷媒ガスは、送風機２０５の動作により吸い込み口２０１からの吸い込み空気２１４により冷却されて凝縮し、高温高圧の気液混合状態となって凝縮器２０３から流出し、さらに図示しない絞り装置、例えば、毛細管または膨張弁を通ることにより減圧されて低温低圧の冷媒液となり、蒸発器２００に流入する。蒸発器２００の冷媒液は、吸い込み空気２１４により加熱されて蒸発して低圧の冷媒ガスとなり、圧縮機２１２に吸入される。

吸い込み空気２１４は、蒸発器２００で冷却されることにより、空気温度が低下して飽和水蒸気より多く含まれていた水分が結露する。結露した水分は、ドレンパン２１５によって受けられ、ドレン口２０９を通ってタンク２１０内に貯められる。このようにして、吸い込み空気２１４は、蒸発器２００を通過することにより冷却されて絶対湿度が低下する。その後、絶対湿度の低下した吸い込み空気２１４は、凝縮器２０３を通過することにより加熱され、常温の除湿空気となって送風ダクト２０４を通り、送風機２０５により吹き出しダクト２０６を通り吹き出し口２０８より放出される。したがって、除湿機２０では、設置された室内の温度を低下させることなく除湿を行い、排出風を用いて洗濯物の乾燥を行うことができる。

本実施の形態において、単一のユニットにて構成される除湿機２０は、通常屋内で使用される。そのため、除湿機２０は、人が近くで生活をする場所で運転する可能性が高く、電力変換装置２１３のスイッチング回路１２のスイッチングによるキャリアノイズを含めた除湿機２０からのノイズを低く抑制する必要がある。

したがって、電力変換装置２１３は、実施の形態１で説明した電力変換装置１０と同様に、キャリアノイズの騒音レベルと圧縮機および送風機による駆動ノイズの騒音レベルの関係に基づいて、キャリア周波数を切り換える制御を行うことで、複数のノイズの重畳による悪化を抑制しつつ、スイッチング損失を抑制することが可能となる。

本実施の形態において、実施の形態１で説明した電力変換装置１０と同様の電力変換装置２１３を用いた除湿機２０は、高負荷時のスイッチング損失を抑制することが可能となるため、電力変換装置２１３の小型化が可能であり、低コストを実現でき、また、持運び性を高めることが出来る。

また、電力変換装置２１３をケミコンレスインバータ化することで、コンデンサの小型化による制御基板の小型化、および電源高調波を抑制することが可能となり、リアクタ２の小型化が可能となる。その結果、除湿機２０の小型および軽量化が可能となる。また、除湿機２０では、上部の重量部品を抑制することが可能となるため、重心のバランスが改善され、安定性を向上させることが可能である。

また、除湿機２０のように持運んで使用するユニットの場合、電源コンセントの抜差しの頻度が高く、電源投入時の過大な突入電流による部品の故障または劣化の防止のため、保護回路を用いる対策による大型化およびコストＵＰが発生する。しかしながら、電力変換装置２１３を、電解コンデンサを用いないケミコンレスインバータ化することで突入電流の発生を抑制することが可能なため、除湿機２０の小型および軽量化、また低コストを実現することが可能である。

なお、本実施の形態では、具体的に実施の形態１で説明した電力変換装置１０を備え、図１に示す電動機６を用いた負荷を含めて全てを同一筐体内に備える除湿機２０について説明したが、一例であり、これに限定するものではない。電力変換装置１０については、例えば、空調装置および冷凍装置にも適用可能である。

以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、電力変換に有用であり、特に、電動機と接続する場合に適している。

１ 交流電源、２ リアクタ、３ 整流器、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ 整流素子、４ 平滑コンデンサ、５ インバータ、６ 電動機、１０ 電力変換装置、１１ 電圧検出部、１２ スイッチング回路、１３ｕ，１３ｖ，１３ｗ，１４ｕ，１４ｖ，１４ｗ ＭＯＳ−ＦＥＴ、１５ 電流検出部、１５ａ，１５ｂ 電流検出素子、１６ 駆動制御部、１７ 制御部、１８ 駆動部、２０ 除湿機、２００ 蒸発器、２０１ 吸い込み口、２０２ 風路、２０３ 凝縮器、２０４ 送風ダクト、２０５ 送風機、２０６ 吹き出しダクト、２０７ 風向可変ベーン、２０８ 吹き出し口、２０９ ドレン口、２１０ タンク、２１１ 底板、２１２ 圧縮機、２１３ 電力変換装置、２１４ 吸い込み空気、２１５ ドレンパン、２１６ 除湿機本体。

Claims (16)

1. 交流電力を出力して電動機を駆動する電力変換装置であって、
   スイッチング素子の駆動により、入力された直流電力を交流電力に変換して出力するスイッチング回路と、
   キャリア周波数を制御して前記スイッチング素子の駆動を制御可能な駆動制御手段と、
   を備え、
   前記駆動制御手段は、前記キャリア周波数での前記スイッチング素子の駆動に起因して前記電動機および前記電力変換装置で発生するノイズを合わせたキャリアノイズの騒音レベルについて、規定のキャリア周波数におけるキャリアノイズの騒音レベルの閾値を設定し、また、前記電力変換装置および前記電動機を含む同一筐体内において前記キャリア周波数によらず発生する複数のノイズ発生源からの駆動ノイズの騒音レベルに対し、前記電動機を含むノイズ発生源について、駆動ノイズの騒音レベルが前記規定のキャリア周波数で設定された閾値の騒音レベルとなる回転数の閾値を設定し、前記電動機を含むノイズ発生源の回転数と前記回転数の閾値とに基づいて、前記キャリア周波数を制御し、
   前記電動機を含むノイズ発生源の回転数が前記回転数の閾値を超えた場合、前記キャリア周波数を前記規定のキャリア周波数に制御して現在よりも小さくし、前記キャリアノイズの騒音レベルを、複数の各駆動ノイズの騒音レベルより小さくする、
   電力変換装置。
2. 交流電力を出力して電動機を駆動する電力変換装置であって、
   スイッチング素子の駆動により、入力された直流電力を交流電力に変換して出力するスイッチング回路と、
   キャリア周波数を制御して前記スイッチング素子の駆動を制御可能な駆動制御手段と、
   を備え、
   前記駆動制御手段は、前記キャリア周波数での前記スイッチング素子の駆動に起因して前記電動機および前記電力変換装置で発生するノイズを合わせたキャリアノイズの騒音レベルについて、規定のキャリア周波数におけるキャリアノイズの騒音レベルの閾値を設定し、また、前記電力変換装置および前記電動機を含む同一筐体内において前記キャリア周波数によらず発生する複数のノイズ発生源からの駆動ノイズの騒音レベルに対し、前記電動機を含むノイズ発生源について、駆動ノイズの騒音レベルが前記規定のキャリア周波数で設定された閾値の騒音レベルとなる回転数の閾値を設定し、前記電動機を含むノイズ発生源の回転数と前記回転数の閾値とに基づいて、前記キャリア周波数を制御し、
   前記電動機を含むノイズ発生源の回転数が前記回転数の閾値を超えた場合、前記キャリア周波数を前記規定のキャリア周波数に制御して現在よりも小さくし、前記キャリアノイズの騒音レベルを、複数の駆動ノイズを合成したノイズの騒音レベルより小さくする、
   電力変換装置。
3. 交流電力を出力して電動機を駆動する電力変換装置であって、
   スイッチング素子の駆動により、入力された直流電力を交流電力に変換して出力するスイッチング回路と、
   キャリア周波数を制御して前記スイッチング素子の駆動を制御可能な駆動制御手段と、
   を備え、
   前記駆動制御手段は、前記キャリア周波数での前記スイッチング素子の駆動に起因して前記電動機および前記電力変換装置で発生するノイズを合わせたキャリアノイズの騒音レベルについて、規定のキャリア周波数におけるキャリアノイズの騒音レベルの閾値を設定し、また、前記電力変換装置および前記電動機を含む同一筐体内において前記キャリア周波数によらず発生する複数のノイズ発生源からの駆動ノイズの騒音レベルに対し、前記電動機を含むノイズ発生源について、駆動ノイズの騒音レベルが前記規定のキャリア周波数で設定された閾値の騒音レベルとなる回転数の閾値を設定し、前記電動機を含むノイズ発生源の回転数と前記回転数の閾値とに基づいて、前記キャリア周波数を制御し、
   複数の規定のキャリア周波数についてキャリアノイズの騒音レベルの閾値を前記複数の規定のキャリア周波数毎に設定し、また、前記電動機を含むノイズ発生源について、駆動ノイズの騒音レベルが前記複数の規定のキャリア周波数で設定された各閾値の騒音レベルとなる回転数の各閾値を設定し、前記電動機を含むノイズ発生源の回転数と前記回転数の各閾値とに基づいて、前記キャリア周波数を制御し、
   前記電動機を含むノイズ発生源の回転数が前記回転数の閾値を超えた場合、前記キャリア周波数を前記回転数の閾値に対応する規定のキャリア周波数に制御して現在よりも小さくし、前記キャリアノイズの騒音レベルを、複数の各駆動ノイズの騒音レベルより小さくする、
   電力変換装置。
4. 交流電力を出力して電動機を駆動する電力変換装置であって、
   スイッチング素子の駆動により、入力された直流電力を交流電力に変換して出力するスイッチング回路と、
   キャリア周波数を制御して前記スイッチング素子の駆動を制御可能な駆動制御手段と、
   を備え、
   前記駆動制御手段は、前記キャリア周波数での前記スイッチング素子の駆動に起因して前記電動機および前記電力変換装置で発生するノイズを合わせたキャリアノイズの騒音レベルについて、規定のキャリア周波数におけるキャリアノイズの騒音レベルの閾値を設定し、また、前記電力変換装置および前記電動機を含む同一筐体内において前記キャリア周波数によらず発生する複数のノイズ発生源からの駆動ノイズの騒音レベルに対し、前記電動機を含むノイズ発生源について、駆動ノイズの騒音レベルが前記規定のキャリア周波数で設定された閾値の騒音レベルとなる回転数の閾値を設定し、前記電動機を含むノイズ発生源の回転数と前記回転数の閾値とに基づいて、前記キャリア周波数を制御し、
   複数の規定のキャリア周波数についてキャリアノイズの騒音レベルの閾値を前記複数の規定のキャリア周波数毎に設定し、また、前記電動機を含むノイズ発生源について、駆動ノイズの騒音レベルが前記複数の規定のキャリア周波数で設定された各閾値の騒音レベルとなる回転数の各閾値を設定し、前記電動機を含むノイズ発生源の回転数と前記回転数の各閾値とに基づいて、前記キャリア周波数を制御し、
   前記電動機を含むノイズ発生源の回転数が前記回転数の閾値を超えた場合、前記キャリア周波数を前記回転数の閾値に対応する規定のキャリア周波数に制御して現在よりも小さくし、前記キャリアノイズの騒音レベルを、複数の駆動ノイズを合成したノイズの騒音レベルより小さくする、
   電力変換装置。
5. 前記複数のノイズ発生源のうち、前記電動機を含むノイズ発生源は、圧縮機および送風機である、
   請求項１から４のいずれか１つに記載の電力変換装置。
6. 前記複数のノイズ発生源のうち、前記電動機を含むノイズ発生源は、圧縮機、および送風機であり、前記電動機を含まないノイズ発生源はコンバータである、
   請求項１から４のいずれか１つに記載の電力変換装置。
7. 前記コンバータは、アクティブコンバータである、
   請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記圧縮機は、冷凍サイクルを構成する圧縮機である、
   請求項５から７のいずれか１つに記載の電力変換装置。
9. 前記駆動ノイズの騒音レベルはオーバーオール値である、
   請求項１から８のいずれか１つに記載の電力変換装置。
10. 前記駆動ノイズの騒音レベルは使用者の聴覚感度に基づいて周波数補正可能とする、
    請求項１から９のいずれか１つに記載の電力変換装置。
11. 前記キャリア周波数の周波数の範囲は、１０．７ｋＨｚから２０．０ｋＨｚとする、
    請求項１から１０のいずれか１つに記載の電力変換装置。
12. 整流回路において交流電力から変換された直流電力を平滑化して前記スイッチング回路に出力する平滑回路、
    を備え、
    前記平滑回路のコンデンサを、セラミックコンデンサまたはフィルムコンデンサとする、
    請求項１から１１のいずれか１つに記載の電力変換装置。
13. 前記スイッチング素子を含む半導体素子にワイドバンドギャップ半導体を用いる、
    請求項１から１２のいずれか１つに記載の電力変換装置。
14. 請求項１から１３のいずれか１つに記載の電力変換装置を備える除湿機。
15. 請求項１から１３のいずれか１つに記載の電力変換装置を備える空調装置。
16. 請求項１から１３のいずれか１つに記載の電力変換装置を備える冷凍装置。

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