JP6410841B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、空調冷熱機器に使用される電力変換装置に関する。

従来、電力変換装置は、交流電源の出力をブリッジダイオードおよび平滑コンデンサによって整流および平滑することで、直流電圧である母線電圧を生成している。母線電圧を生成する際、電力変換装置では、ＰＦＣ（Power Factor Correction）回路または安価な対策としてリアクタを用いることで、高調波成分を減衰させている。このような技術が下記特許文献１において開示されている。

特開２０１１−２３４４２８号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、必要な出力値が大きい場合は平滑コンデンサの容量を大きくする必要があり、この場合、リアクタのみでは高調波規格を満たすことが難しくなる、という問題があった。高調波規格を満たすためにＰＦＣ回路を用いる場合、消費電力が増加し、またコストがかかる、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、簡易な構成で高調波規格を満たすことが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、本発明に係る電力変換装置は、整流回路の出力端と直接または間接的に接続された主回路コンデンサと、前記主回路コンデンサと並列に接続された補償用コンデンサと、前記主回路コンデンサと並列かつ前記補償用コンデンサと直列に接続されたスイッチと、インバータ回路から回転機器へ出力される電力、接続する負荷の動作状態、自装置の周囲温度の情報のうち１つ以上の情報を用いて、前記補償用コンデンサを使用するかどうかを決定し、前記スイッチのオンオフにより高調波成分を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記回転機器の回転数、前記負荷の使用電力量、前記周囲温度の各情報と各情報の状態に対応する前記補償用コンデンサの使用有無の情報とを用いて、前記補償用コンデンサの使用を決定することを特徴とする。

本発明に係る電力変換装置は、簡易な構成で高調波規格を満たすことができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる電力変換装置の構成例を示すブロック図 実施の形態１にかかる制御装置の構成例を示すブロック図 実施の形態１の制御装置がスイッチング素子のオンオフを制御する動作を示すフローチャート 実施の形態１の制御部におけるスイッチング素子のオンオフ決定動作を示すフローチャート 実施の形態１の制御装置のハードウェア構成を示す図 実施の形態２にかかる電力変換装置の構成例を示すブロック図

以下に、本発明の実施の形態に係る電力変換装置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、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の構成例を示すブロック図である。電力変換装置では、交流電源１から出力される交流電源電流がダイオード２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを備える整流回路であるダイオードブリッジ２によって整流され、リアクタ３を経由して平滑コンデンサである主回路コンデンサ４において充電により平滑され、ＧＮＤ（グラウンド）１３を基準にした直流電圧の母線電圧５が生成される。図１において、主回路コンデンサ４は、ダイオードブリッジ２の正側出力端とはリアクタ３を経由して間接的に、ダイオードブリッジ２の負側出力端とは直接接続している。

本実施の形態の電力変換装置では、主回路コンデンサ４と並列に、さらに、負荷補償用の補償用コンデンサ４ａと、主回路コンデンサ４と並列、かつ、補償用コンデンサ４ａと直列にスイッチであるスイッチング素子１４ａを接続している。また、スイッチング素子１４ａと並列にダイオード１６ａが接続されている。補償用コンデンサ４ａは、スイッチング素子１４ａがオンのときは、主回路コンデンサ４と同様に平滑コンデンサとして機能する。補償用コンデンサ４ａが平滑コンデンサとして機能している場合、すなわちスイッチング素子１４ａがオンの場合、電力変換装置では、平滑コンデンサの容量が主回路コンデンサ４のみのときよりも大きくなる。なお、スイッチング素子１４ａは、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor ‐ Field Effect Transistor）である。

電力変換装置では、母線電圧５によって、負荷１７および電力変換装置の各構成に適切な電圧を供給するための電圧変換機７を駆動させている。また、電圧変換機７によって電源電圧Ｖｄｄ８を供給された制御装置９が、インバータ回路１０を制御して回転機器１１を回転させている。詳細には、インバータ回路１０は、インバータスイッチング素子１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ，１００ｆと、対応する各インバータスイッチング素子１００ａ〜１００ｆに各々並列に接続されたダイオード１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ，１０１ｅ，１０１ｆと、を備えており、制御装置９は、各インバータスイッチング素子１００ａ〜１００ｆのオンオフを制御している。母線電圧５とＧＮＤ１３との間に母線電圧抵抗６ａ，６ｂが直列に接続されており、制御装置９には、母線電圧抵抗６ａ，６ｂによって分圧された電圧が入力される。制御装置９は、入力された電圧値をＡＤ変換、直流電圧復元ゲイン乗算などの演算によって電圧値を復元することで母線電圧５を認識し、インバータ回路１０を制御して、適切な電圧を回転機器１１に印加して回転機器１１を回転させる制御を行う。

インバータ回路１０から回転機器１１に印加される電圧、およびインバータ回路１０から回転機器１１に出力されている電流を総じてインバータ出力とする。インバータ出力検出部１８は、インバータ出力を検出し、インバータ出力の情報をインバータ出力周波数検知信号１２ｃにより制御装置９へ出力する。

図２は、実施の形態１にかかる制御装置９の構成例を示すブロック図である。制御装置９は、周囲温度検知信号１２ａ、負荷検知信号１２ｂ、インバータ出力周波数検知信号１２ｃの各信号が入力される信号入力部９１と、入力された各信号の情報に基づいてスイッチング素子１４ａのオンオフを決定してスイッチング素子１４ａを制御する制御部９２と、制御部９２においてスイッチング素子１４ａのオンオフを決定する際に使用する閾値の情報が記憶されている記憶部９３と、制御部９２で決定されたスイッチング素子１４ａのオンオフに基づいて、スイッチング素子１４ａへオンオフ信号１５ａを出力する信号出力部９４と、を備える。なお、制御装置９では、前述のように入力された母線電圧抵抗６ａ，６ｂで分圧された電圧に基づいてインバータ回路１０の各インバータスイッチング素子１００ａ〜１００ｆをオンオフする制御を行っているが、従来と同様のため、一般的な動作についての説明は省略する。

周囲温度検知信号１２ａは、電力変換装置の周囲温度の情報が含まれる信号である。電力変換装置の周囲に設置された図１において図示しないサーミスタが、計測した周囲温度の情報を周囲温度検知信号１２ａによって制御装置９へ出力する。周囲温度を測定する箇所が複数あってサーミスタが複数設置されている場合には、各サーミスタが、周囲温度検知信号１２ａを制御装置９へ出力する。この場合、制御装置９の信号入力部９１には、複数の、例えばｍ個の周囲温度検知信号１２ａが入力される。

負荷検知信号１２ｂは、負荷１７の動作状態の情報が含まれる信号である。負荷１７が、動作しているかどうかを示す情報、動作している場合の使用電力の情報を負荷検知信号１２ｂによって制御装置９へ出力する。図１では負荷１７が１つのみ電圧変換機７に接続されている例を示しているが、負荷１７が複数接続されている場合には、各負荷１７が、負荷検知信号１２ｂを制御装置９へ出力する。この場合、制御装置９の信号入力部９１には、複数の、例えばｍ個の負荷検知信号１２ｂが入力される。負荷１７とは、電力変換装置が空調冷熱機器に搭載されている場合では、ファンなどがある。負荷検知信号１２ｂには、負荷１７がファンの場合であれば、ロックして動作が停止しているなどの異常情報を含めてもよい。

インバータ出力周波数検知信号１２ｃは、インバータ出力の情報が含まれる信号である。インバータ出力検出部１８が、検出したインバータ出力の情報をインバータ出力周波数検知信号１２ｃによって制御装置９へ出力する。回転機器１１が複数あってインバータ出力検出部１８が複数設置されている場合には、各インバータ出力検出部１８が、インバータ出力周波数検知信号１２ｃを制御装置９へ出力する。この場合、制御装置９の信号入力部９１には、複数の、例えばｍ個のインバータ出力周波数検知信号１２ｃが入力される。なお、周囲温度検知信号１２ａ、負荷検知信号１２ｂ、およびインバータ出力周波数検知信号１２ｃについて、複数の場合にｍ個の信号としているが、各信号の数は同じである必要はない。

つづいて、制御装置９がスイッチング素子１４ａのオンオフを制御する動作について説明する。図３は、実施の形態１の制御装置９がスイッチング素子１４ａのオンオフを制御する動作を示すフローチャートである。まず、制御装置９では、信号入力部９１に、制御部９２においてスイッチング素子１４ｂのオンオフを決定する際に必要な、周囲温度検知信号１２ａ、負荷検知信号１２ｂ、インバータ出力周波数検知信号１２ｃ、の各信号が入力される（ステップＳ１）。

制御部９２は、信号入力部９１に入力された各信号の情報に基づいて、スイッチング素子１４ｂのオンオフを決定する（ステップＳ２）。制御部９２は、周囲温度検知信号１２ａによって電力変換装置の周囲温度を認識することができ、負荷検知信号１２ｂによって負荷１７のオンオフおよび使用電力を認識することができ、インバータ出力周波数検知信号１２ｃによって回転機器１１へのインバータ出力から回転機器１１の回転数を認識することができる。

制御部９２は、インバータ出力周波数検知信号１２ｃに基づいて回転機器１１の回転数が高回転であることを認識し、回転機器１１の回転数が記憶部９３に設定されている回転閾値の回転数を超えた場合、信号出力部９４を制御して、スイッチング素子１４ａへ出力されるオンオフ信号１５ａをオンにして補償用コンデンサ４ａを平滑コンデンサとして動作させる。電力変換装置では、補償用コンデンサ４ａに電荷が充電されることで、回転機器１１が高回転状態になっても安定した母線電圧５を生成することができる。

一般的に、空調冷熱機器、例えば冷蔵庫の場合、圧縮機などの回転機器１１が製品全体負荷の割合を大きく占めている。高調波規格は、入力電力が小さくなるほど規格値を満足させることが難しくなる。

そのため、制御部９２では、入力電力が小さい、回転機器１１が回転閾値以下の低回転の状態ではオンオフ信号１５ａをオフにする。電力変換装置では、主回路コンデンサ４および補償用コンデンサ４ａのうち主回路コンデンサ４のみを使用して母線電圧５を生成することで高調波成分を軽減する。一方、制御部９２では、入力電力が大きい、回転機器１１が回転閾値を超えた高回転の状態ではオンオフ信号１５ａをオンにする。電力変換装置では、主回路コンデンサ４および補償用コンデンサ４ａを使用することで母線電圧５を安定させて回転機器１１を回転でき、主回路コンデンサ４および補償用コンデンサ４ａが接続されていても、入力電力が大きいため高調波規格を満足しやすくなる。

同様に、制御部９２は、負荷検知信号１２ｂに基づいて負荷１７の動作状態を把握し、動作している負荷１７で使用される電力が大きく、負荷１７の電力または負荷１７が複数ある場合には各負荷１７の合計電力が記憶部９３に設定されている電力閾値を超えた場合、信号出力部９４を制御して、スイッチング素子１４ａへ出力されるオンオフ信号１５ａをオンにする。一方、制御部９２では、合計電力が電力閾値以下の場合、信号出力部９４を制御して、スイッチング素子１４ａへ出力されるオンオフ信号１５ａをオフにする。

また、電力変換装置では、インバータ回路１０および電圧変換機７からの出力が大きい場合には、電力変換装置の周囲温度が高くなることが想定される。制御部９２は、周囲温度検知信号１２ａに基づいて周囲温度が高いことを認識し、周囲温度が記憶部９３に設定されている温度閾値を超えた場合、信号出力部９４を制御して、スイッチング素子１４ａへ出力されるオンオフ信号１５ａをオンにする。一方、制御部９２では、周囲温度が温度閾値以下の場合、信号出力部９４を制御して、スイッチング素子１４ａへ出力されるオンオフ信号１５ａをオフにする。

上記で説明した制御部９２におけるスイッチング素子１４ａのオンオフ決定動作をフローチャートに基づいて説明する。図４は、実施の形態１の制御部９２におけるスイッチング素子１４ａのオンオフ決定動作を示すフローチャートである。

制御部９２は、回転機器１１の回転数が回転閾値以下であり（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、各負荷の合計電力が電力閾値以下であり（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、周囲温度が温度閾値以下の場合（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、スイッチング素子１４ａへ出力されるオンオフ信号１５ａをオフにする（ステップＳ１４）。

一方、制御部９２は、回転機器１１の回転数が回転閾値を超えた場合（ステップＳ１１：Ｎｏ）、または、各負荷の合計電力が電力閾値を超えた場合（ステップＳ１２：Ｎｏ）、または、周囲温度が温度閾値を超えた場合（ステップＳ１３：Ｎｏ）、スイッチング素子１４ａへ出力されるオンオフ信号１５ａをオンにする（ステップＳ１５）。

図３に戻って、制御装置９では、信号出力部９４が、制御部９２で決定されたオンオフ信号１５ａのオンまたはオフに従って、スイッチング素子１４ａへオンオフ信号１５ａを出力する（ステップＳ３）。

なお、制御部９２は、回転機器１１の回転数、各負荷の合計電力、周囲温度のうち１つでも閾値を超えた場合はスイッチング素子１４ａへ出力されるオンオフ信号１５ａをオンにしているが、一例であり、これに限定するものではない。制御部９２は、回転機器１１の回転数、各負荷の合計電力、周囲温度のうち２つまたは３つ全てについて閾値を超えた場合はスイッチング素子１４ａへ出力されるオンオフ信号１５ａをオンにする決定をしてもよい。また、制御部９２は、回転機器１１の回転数、各負荷の合計電力、周囲温度のうち取得できた情報のみを用いて、すなわち、回転機器１１の回転数、各負荷の合計電力、周囲温度のうち１つ以上の情報を用いて、スイッチング素子１４ａへ出力されるオンオフ信号１５ａをオンにする決定をしてもよい。また、制御部９２は、負荷検知信号１２ｂに異常情報が含まれる場合には、異常情報を用いてスイッチング素子１４ａへ出力されるオンオフ信号１５ａをオンにする決定をしてもよい。

このように、制御装置９では、各負荷状態を読み取り、予め設定された閾値まで到達すると、母線電圧５を生成している補償用コンデンサ４ａに充放電が成されないようにすることで、電力変換回路においてコンデンサ容量による商用電源電流の位相遅れが軽減され、力率が向上し、重負荷から軽負荷まで高調波規格を満足することができる。

ここで、図２に示す制御装置９のブロック図の各構成を実現するハードウェア構成について説明する。図５は、実施の形態１の制御装置９のハードウェア構成を示す図である。制御部９２は、プロセッサ８１がメモリ８２に記憶されたプログラムを実行することにより実現される。信号入力部９１は、入力部８３により実現される。信号出力部９４は、出力部８４により実現される。プロセッサ８１、メモリ８２、入力部９３および出力部８４は、システムバス８５により接続されている。制御装置９では、複数のプロセッサ８１および複数のメモリ８２が連携して図２のブロック図に示す各構成の機能を実行してもよい。制御装置９については、図５に示すハードウェア構成により実現することができるが、ソフトウェアまたはハードウェアのいずれでも実装可能である。制御装置９を１つのＭＣＵ（Micro Controller Unit）で構成してもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、電力変換装置では、制御装置９が、回転機器１１の回転数、負荷の使用電力、周囲温度の情報に基づいて、スイッチング素子１４ａをオンオフし、補償用コンデンサ４ａの充放電を制御することとした。これにより、電力変換装置では、回転機器１１の回転数が変化した場合、負荷の使用電力が変化した場合、周囲温度が変化した場合においても、簡易な構成で高調波規格を満足しつつ安定した動作を得ることができる。また、各情報の条件別にスイッチング素子１４ａをオンオフしているだけなので、複雑なチューニングを必要とせず、開発負荷を軽減することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、補償用コンデンサ４ａの１つのみを制御するため、細かい制御ができない。本実施の形態では、電力変換装置内に、低容量で安価な補償用コンデンサおよびスイッチング素子を複数個設ける場合について説明する。

図６は、本発明の実施の形態２にかかる電力変換装置の構成例を示すブロック図である。電力変換装置は、図１に示す実施の形態１の構成に、ｎ−１個の補償用コンデンサ４ｂ〜４ｎ、ｎ−１個のスイッチング素子１４ｂ〜１４ｎ、およびｎ−１個のダイオード１６ｂ〜１６ｎを追加している。また、信号出力部９４から、オンオフ信号１５ａに加えて、さらに、オンオフ信号１５ｂ〜１５ｎを出力している。

補償用コンデンサ４ｂ〜４ｎは、主回路コンデンサ４と並列に接続されている。また、スイッチング素子１４ｂ〜１４ｎは、主回路コンデンサ４と並列、かつ、各々が対応する補償用コンデンサ４ｂ〜４ｎと直列に接続されている。また、ダイオード１６ｂ〜１６ｎは、各々が対応するスイッチング素子１４ｂ〜１４ｎと並列に接続されている。補償用コンデンサ４ｂ〜４ｎは補償用コンデンサ４ａと同様の構成であり、スイッチング素子１４ｂ〜１４ｎはスイッチング素子１４ａと同様の構成であり、ダイオード１６ｂ〜１６ｎはダイオード１６ａと同様の構成である。なお、補償用コンデンサ４ａ〜４ｎは、各々異なる容量にしてもよい。

制御装置９では、制御部９２が、回転機器１１の回転数、負荷の合計電力、周囲温度の情報に基づいて、図３に示すステップＳ２の処理において、スイッチング素子１４ａ〜１４ｎのオンオフを決定、すなわち、使用する補償用コンデンサの数を決定する。制御部９２は、スイッチング素子１４ａ〜１４ｎのオンオフを制御して、補償用コンデンサ４ａ〜４ｎの充放電を制御する。信号出力部９４は、制御部９２で決定されたスイッチング素子１４ａ〜１４ｎのオンオフに基づいて、スイッチング素子１４ａ〜１４ｎへオンオフ信号１５ａ〜１５ｎを出力する。なお、各補償用コンデンサ４ａ〜４ｎの容量が異なる場合、制御部９２は、各補償用コンデンサ４ａ〜４ｎの組み合わせにより、使用する補償用コンデンサを決定し、スイッチング素子１４ａ〜１４ｎのオンオフを制御する。

制御部９２は、回転機器１１の回転数に対して記憶部９３に設定されている複数の回転閾値を参照し、回転機器１１の回転数と各回転閾値との関係から使用する補償用コンデンサの数を決定することができる。同様に、制御部９２は、負荷の合計電力に対して記憶部９３に設定されている複数の電力閾値を参照し、負荷の合計電力と各電力閾値との関係から使用する補償用コンデンサの数を決定することができる。同様に、制御部９２は、周囲温度に対して記憶部９３に設定されている複数の温度閾値を参照し、周囲温度と各温度閾値との関係から使用する補償用コンデンサの数を決定することができる。

また、制御部９２では、各々の情報に基づいて使用する補償用コンデンサの数を決定するだけでなく、複数の情報を組み合わせることで使用する補償用コンデンサの数を決定してもよい。この場合、制御装置９では、記憶部９３において、各情報の状態に対応する補償用コンデンサ４ａ〜４ｎの使用数の情報を記憶しておく。制御部９２は、回転機器１１の回転数が「○○」、周囲温度が「△△」、合計負荷が「□□」の場合、記憶部９３に登録されている情報を参照し、補償用コンデンサ４ａ〜４ｎのうち「××」個を使用するという決定をすることができる。

なお、このように、記憶部９３に各情報の状態に対応する補償用コンデンサ４ａの使用有無の情報を記憶しておくことで、実施の形態１に適用することも可能である。制御部９２は、回転機器１１の回転数が「○○」、周囲温度が「△△」、合計負荷が「□□」の場合、記憶部９３に登録されている各情報の状態に対応する補償用コンデンサ４ａの使用有無の情報を参照し、補償用コンデンサ４ａの使用を決定することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、電力変換装置では、さらに、補償用コンデンサ４ｂ〜４ｎおよびスイッチング素子１４ｂ〜１４ｎを備え、制御装置９が、回転機器１１の回転数、負荷の使用電力、周囲温度の情報に基づいて、使用する補償用コンデンサを決定することとした。これにより、高調波規格を満足しつつ、実施の形態１よりも、安定した母線電圧５を得るために適切なコンデンサ容量を生成することができる。また、電力変換装置を搭載する機種によって、補償用コンデンサ４ｂ〜４ｎおよびスイッチング素子１４ｂ〜１４ｎの実装または未実装の数を選択することができるため、コストを抑えつつ、高調波規格を満足し安定した動作を得ることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 交流電源、２ ダイオードブリッジ、３ リアクタ、４ 主回路コンデンサ、４ａ〜４ｎ 補償用コンデンサ、５ 母線電圧、６ａ，６ｂ 母線電圧抵抗、７ 電圧変換機、８ 電源電圧、９ 制御装置、１０ インバータ回路、１１ 回転機器、１２ａ 周囲温度検知信号、１２ｂ 負荷検知信号、１２ｃ インバータ出力周波数検知信号、１３ ＧＮＤ、１４ａ〜１４ｎ スイッチング素子、１５ａ〜１５ｎ オンオフ信号、１６ａ〜１６ｎ ダイオード、１７ 負荷、１８ インバータ出力検出部、９１ 信号入力部、９２ 制御部、９３ 記憶部、９４ 信号出力部。

Claims (2)

1. 整流回路の出力端と直接または間接的に接続された主回路コンデンサと、
   前記主回路コンデンサと並列に接続された補償用コンデンサと、
   前記主回路コンデンサと並列かつ前記補償用コンデンサと直列に接続されたスイッチと、
   インバータ回路から回転機器へ出力される電力、接続する負荷の動作状態、自装置の周囲温度の情報のうち１つ以上の情報を用いて、前記補償用コンデンサを使用するかどうかを決定し、前記スイッチのオンオフにより高調波成分を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記回転機器の回転数、前記負荷の使用電力量、前記周囲温度の各情報と各情報の状態に対応する前記補償用コンデンサの使用有無の情報とを用いて、前記補償用コンデンサの使用を決定する、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 整流回路の出力端と直接または間接的に接続された主回路コンデンサと、
   前記主回路コンデンサと並列に接続された補償用コンデンサと、
   前記主回路コンデンサと並列かつ前記補償用コンデンサと直列に接続されたスイッチと、
   インバータ回路から回転機器へ出力される電力、接続する負荷の動作状態、自装置の周囲温度の情報のうち１つ以上の情報を用いて、前記補償用コンデンサを使用するかどうかを決定し、前記スイッチのオンオフにより高調波成分を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記補償用コンデンサおよび前記スイッチを複数備え、
   前記制御装置は、前記回転機器の回転数、前記負荷の使用電力量、前記周囲温度の各情報と各情報の状態に対応する前記補償用コンデンサの使用数の情報とを用いて、前記補償用コンデンサの使用数を決定する、
   ことを特徴とする電力変換装置。

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