JP6279089B2 - 電力変換装置及び冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
(電力変換装置の構成)
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態1に係る電力変換装置について説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係る電力変換装置電力の回路図であり、図1を参照しながら電力変換装置の構成について説明する。図1の電力変換装置は、整流回路としての整流器2、リプルフィルタ3、リアクトル電流センサ4、リアクトル5、第一逆流防止ダイオード6、第二逆流防止ダイオード7、第一スイッチング素子8、第二スイッチング素子9、中間コンデンサ11、電圧センサ11a、平滑コンデンサ12、電圧センサ12a、インバータ回路13、モータ電流センサ14、15、MLC駆動回路17、インバータ駆動回路19、制御装置20及び空調機制御装置21を備えている。整流器2は、交流電源1の交流電圧(例えばAC200VまたはAC400V)を直流電圧に変換するものであって、たとえば6個のダイオードをブリッジ接続した3相全波整流器からなっている。
次に、昇圧回路30(マルチレベルコンバータ)の動作を図2を参照しながら具体的に説明する。図2は、図1の電力変換装置のスイッチングパターンごとの電流経路を示す図である。動作説明に際しては、(A)電源電圧の2倍より小さい直流電圧に変換する場合、(B)電源電圧の2倍より大きい直流電圧に変換する場合、(C)電源電圧の2倍の直流電圧に変換する場合の順序で説明する。
(a)図2(a)の経路で電流が流れる場合を説明する。整流器2の出力電圧→リアクトル5→第二逆流防止ダイオード7→中間コンデンサ11→第二スイッチング素子9→整流器2、という順番で電流が流れる。整流器2にて整流された電源電圧のエネルギーがリアクトル5と中間コンデンサ11へと移行する。
(b)次に、第一スイッチング素子8及び第二スイッチング素子9の双方がOFFしている図2(c)の状態の時、リアクトル5に蓄積されたエネルギーが、リアクトル5→第二逆流防止ダイオード7→第一逆流防止ダイオード6→平滑コンデンサ12→整流器2→リアクトル5の順序で電流が流れ、平滑コンデンサ12へとエネルギーが移行する。
(d)次に、第一スイッチング素子8及び第二スイッチング素子9の双方がOFFしている図2(c)の状態の時、リアクトル5に蓄積されたエネルギーが、リアクトル5→第二逆流防止ダイオード7→第一逆流防止ダイオード6→平滑コンデンサ12→整流器2→リアクトル5の順序で電流が流れ、平滑コンデンサ12へとエネルギーが移行する。この一連の動作を繰り返すことによって昇圧電圧が入力電圧の2倍より低い範囲で入力電圧を昇圧することが可能となる。なお、図2の第一スイッチング素子8及び第二スイッチング素子9のスイッチング指令値(オンデューティ指令値)は、MLC制御部39によって演算される。
中間コンデンサ11の電圧を平滑コンデンサ12の電圧Vdcの1/2に制御した例で説明する。図2中のVoutの電圧は図2(a)〜(d)の各状態で次の通りとなる。中間コンデンサ11の電圧がVdc/2に制御されているとき、図2(a)の時はVdc/2、図2(b)の時はVdc/2、図2(c)の時はVdc、図2(d)の時は0Vとなる。そして、上述した通り、2倍昇圧の場合、図2(a)と図2(b)とを交互に繰り返すため、Voutは常にVdc/2となり一定である。
以上のように本実施の形態によれば、昇圧回路30が上記のように構成されており、そして、冷凍空気調和装置(冷凍サイクル装置)の運転状態に応じた情報(モータ回転数等)に応じて第一スイッチング素子8及び第二スイッチング素子9をオン、オフするキャリア周波数を変更するようにしたので、リアクトル5に流れるリプル電流を増加することなく、キャリア周波数を低下させることができる。このため、スイッチング損失を低下させることができる。リプル電流の増加が抑制されるので、リアクトル5及びリプル電流吸収用のフィルタの大型化が避けられ、低コスト化が実現されている。特に、キャリア周波数を低下させる区間(例えば基準とするキャリア周波数の約1/2)では、昇圧回路30の昇圧量を2倍昇圧とすることによって、リアクトル5及び平滑コンデンサ12の最小化が可能になっている。冷凍空気調和装置等の冷凍サイクル装置では、通年エネルギー消費効率(APF)が重視されているが、APFは低速側での効率の寄与度が高いため、低速側にてキャリア周波数低下することによるメリットが大きく、冷凍サイクル装置の運転との相性がよい。
本発明の実施の形態2に係る電力変換装置について、実施の形態1に係る電力変換装置と相違する点を中心に説明する。
図7は、本発明の実施の形態2に係る電力変換装置の構成図である。図8は、図7の電力変換装置の昇圧比、リプル電流及びキャリア周波数の関係を示す図である。本実施の形態のキャリア周波数決定部37は、MLC制御部39から得られる条件によりキャリア周波数を決定する。MLCにおけるキャリア周波数、リプル電流ΔI、昇圧比の関係は、図8に示されるような関係になっている。ここで、昇圧比は、整流器2が出力する電圧と昇圧後の電圧の比率である。キャリア周波数が大きいほどリプル電流が小さくなり、また、昇圧比によりリプル電流が変化することがわかる。リプル電流が昇圧比に対して可変となると、リプル電流を吸収するためのフィルタはリプル電流が最大となるポイントで設計する必要がある。そこで、リプル電流を一定とする制御をする。発生するリプル電流を一定とするためには、各昇圧比に対して目標とするリプル電流と交わる交点のキャリア周波数を選択すればよいことがわかる。つまり、昇圧比に対してキャリア周波数を可変していくこととなる。
系統側へ流出するリプル電流を抑制するためのフィルタは、リプル電流吸収用のフィルタはリプル電流の許容値以下の減衰量となるように設計する必要があるため、リプル電流が最大となる条件で設計する。しかし、最大となるリプル電流を吸収するために必要となるリプルフィルタ3は大型化し、コストアップとなる。しかし、本実施の形態2によれば、発生するリプル電流が一定(又はそれ以下)となることから、リプルフィルタ3を小型化することが可能となり、必要となるコストを低下することが可能となる。
本実施の形態3においては、実施の形態1又は実施の形態2に係る電力変換装置を空気調和機の圧縮機51に適用した例について説明する。
図9は、本発明の実施の形態3に係る空気調和機の構成図である。以下、図9を参照しながら、実施の形態1又は実施の形態2に係る電力変換装置を空気調和機の圧縮機51に適用した場合について説明する。
冷房動作をするに際し、四方弁52は、予め、圧縮機51から吐出された冷媒が室外熱交換器53へ向かうように、かつ、室内熱交換器55から流出した冷媒が圧縮機51へ向かうように流路を切り替えているものとする。電力変換装置101によって圧縮機51のモータ16が回転駆動することによって、モータ16に連結した圧縮機51の圧縮要素51aが冷媒を圧縮し、圧縮機51は高温高圧冷媒を吐出する。圧縮機51から吐出した高温高圧冷媒は、四方弁52を経由して、室外熱交換器53へ流入し、室外熱交換器53において外部の空気と熱交換を実施して放熱する。室外熱交換器53から流出した冷媒は、膨張装置54によって膨張及び減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となり、室内熱交換器55へ流入し、空調対象空間の空気と熱交換を実施して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって、室内熱交換器55から流出する。室内熱交換器55から流出したガス冷媒は、四方弁52を経由して、圧縮機51に吸入され、再び圧縮される。以上の動作が繰り返される。
Claims (11)
- 交流電源から供給された交流電圧を整流する整流器と、
直列に接続された第一逆流防止ダイオード、第二逆流防止ダイオード、第一スイッチング素子及び第二スイッチング素子と、一端が前記整流器側に接続され、他端が前記第二逆流防止ダイオードと前記第一スイッチング素子との接続点に接続されたリアクトルと、前記第二逆流防止ダイオードと前記第一スイッチング素子との直列回路に並列接続された中間コンデンサとを備え、前記整流器の出力電圧を昇圧する昇圧回路と、
前記昇圧回路からの出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、
前記平滑コンデンサに並列接続され、直流電圧を交流電圧に変換して、変換後の交流電圧が供給される装置の一部を構成するモータを駆動するインバータと、
前記インバータを制御するインバータ制御部と、前記インバータ制御部からの情報に基づいてキャリア周波数を決定するキャリア周波数決定部と、前記決定されたキャリア周波数の情報に基づいて、前記第一スイッチング素子及び第二スイッチング素子を制御するMLC制御部とを備え、前記第一スイッチング素子及び第二スイッチング素子を制御する制御装置と
を備え、
前記第二スイッチング素子のオン動作によって前記第二逆流防止ダイオードを介して前記中間コンデンサが充電され、前記第一スイッチング素子のオン動作によって前記第一逆流防止ダイオードを介して前記中間コンデンサが放電され、
前記変換後の交流電圧が供給される装置の運転状態に基づいた情報に応じて、前記第一スイッチング素子及び前記第二スイッチング素子をオン、オフするキャリア周波数を変更する、電力変換装置。 - 前記キャリア周波数決定部は、前記インバータ制御部からの情報であるモータ回転数に基づいてキャリア周波数を決定する、請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記キャリア周波数決定部は、前記インバータ制御部からの情報である昇圧目標電圧に基づいてキャリア周波数を決定する、請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記昇圧回路は、前記整流器の出力の2倍よりも低い微昇圧、前記整流器の出力の2倍である2倍昇圧、及び当該2倍昇圧より高い超2倍昇圧を含む複数の昇圧電圧を選択的に出力し、
前記キャリア周波数決定部は、前記インバータ制御部からの情報であるモータ回転数に基づいて昇圧目標電圧を決定し、当該昇圧目標電圧が前記2倍昇圧以下の領域では、前記2倍昇圧に対応するキャリア周波数を選択する、請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記キャリア周波数決定部が決定するキャリア周波数は、少なくとも2種類のキャリア周波数を有する、請求項1〜4の何れか一項に記載の電力変換装置。
- 前記2種類のキャリア周波数は、nkHzと2nkHzである、請求項5に記載の電力変換装置。
- 前記キャリア周波数決定部は、前記リアクトルに流れるリプル電流が基準値又は基準値以下となるようにキャリア周波数を決定する、請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記キャリア周波数決定部は、前記リプル電流を基準値又は基準値以下とするためのキャリア周波数は、予め定めた昇圧比とリプル電流の関係を用いて、前記昇圧回路の目標昇圧比に基づいてキャリア周波数を決定する、請求項7に記載の電力変換装置。
- 前記目標昇圧比が2倍昇圧又はそれ以下では昇圧比が2倍となるように昇圧量を調整する、請求項8に記載の電力変換装置。
- 前記第一スイッチング素子、前記第二スイッチング素子、前記第一逆流防止ダイオード、及び前記第二逆流防止ダイオードの少なくとも一つは、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されている、請求項1〜9の何れか一項に記載の電力変換装置。
- 圧縮機、凝縮器、膨張装置及び蒸発器が冷媒配管によって環状に接続された冷媒回路と、前記圧縮機に電力を供給して駆動する電力変換装置と、
を備え、
前記電力変換装置として、請求項1〜10の何れか一項に記載の電力変換装置を含む、冷凍サイクル装置。
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