JP6689688B2 - 電力変換装置、空気調和機および電力変換装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置、空気調和機および電力変換装置の制御方法に関し、より具体的には部品の省略によりコストダウンが見込める電力変換装置、空気調和機および電力変換装置の制御方法に関するものである。

コンバータ回路の入力側の力率を改善する力率改善回路（ＰＦＣ：Power Factor Correction）として、また高調波成分の低減を目的として、いわゆるインターリーブ方式で駆動する力率改善回路が知られている。これは、スイッチング素子を備えた昇圧回路に加え、この昇圧回路を複数系統（相）に分けて設け、これらに属するスイッチング素子の導通タイミングを互いに異ならせ、各相に位相差をもたせる方式である。
インターリーブ方式で駆動する力率改善回路を用いる場合、負荷が小さい状態ではコンバータの容量が過剰となり制御が不安定になる。そこで、負荷の大小を判断し、力率改善回路の系統の切替制御を行っている。例えば、特許文献１には、負荷電流検出回路を設置して圧縮機の電流を検出し、負荷条件に応じて切替制御を行っていることが開示されている。

特開２０１４−３８５７号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された発明では、負荷電流を検出するために従来の装置に対し負荷電流検出回路を新たに設置する必要がある。インバータ制御では出力電流を使用することから出力電流のみの検出を行っており、新たに負荷電流検出用の回路及びセンサ素子等が必要となる。このように新たな部品の追加により、基板面積を圧迫もしくは大型化を余儀なくされるとともに余分なコストがかかってしまうという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、新たにコンバータ回路の入力電流を検出するための回路や部品の搭載を必要としない電力変換装置、空気調和機および電力変換装置の制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電力変換装置、空気調和機および電力変換装置の制御方法は以下の手段を採用する。

本発明の第一態様に係る電力変換装置は、交流電源と、前記交流電源より入力された交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータ回路と、前記コンバータ回路上に並列に設けられ導通タイミングが互いに異なる複数のスイッチング回路を備えた力率改善回路と、前記スイッチング回路の駆動を制御する制御手段と、前記コンバータ回路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インバータ回路と、モータ負荷と、を備え、前記制御手段は、前記インバータ回路の出力電流及び前記モータ負荷の回転速度に基づき推定した前記コンバータ回路の入力電流の容量に応じて前記スイッチング回路の駆動系統の切替を行う。

本構成によれば、力率改善回路のスイッチング回路の駆動系統の切替を行うにあたり、切替の基準となるコンバータ回路の入力電流を、インバータ回路の出力電流及びモータ負荷の回転速度に基づき推定する。これにより、新たにコンバータ回路の入力電流を検出するための回路及びセンサ素子等を設ける必要が無い。よって、基板の大型化を防ぎ、また新たな部品を必要としないため余分なコストを費やすことがない。

上記第一態様では、前記制御手段は、前記インバータ回路の出力電流と前記モータ負荷の回転速度とを関連付けてマッピングした制御マップに基づき前記スイッチング回路の駆動系統の切替を行うことが好ましい。

本構成によれば、制御手段は、インバータ回路の出力電流とモータ負荷の回転速度とを関連付けてマッピングした制御マップに基づきスイッチング回路の駆動系統の切替を行う。例えば負荷が小さい低負荷の場合は、スイッチング回路の昇圧状態が過剰となり異常停止する虞があるが、制御マップを用いることで確実にこれを防ぐことができる。制御マップは、予め実験又はシミュレーション等により得られたデータに基づいて作成されるが、任意に設定することももちろん可能である。

上記第一態様では、前記スイッチング回路は、前記コンバータ回路上に並列に２つ設けられ、前記制御手段は、推定された前記コンバータ回路の入力電流が所定値以上である場合は前記スイッチング回路を２系統駆動し、前記コンバータ回路の入力電流が所定値未満である場合は前記スイッチング回路のいずれか１系統を駆動することが好ましい。

本構成によれば、インバータ回路の出力電流及びモータ負荷の回転速度に基づき推定したコンバータ回路の入力電流の大小により、力率改善回路のスイッチング回路の系統を切り替えることから、負荷の大小を推定した入力電流の大小で置き換えることができ、部品点数を増やすことなく電力変換装置の効率を上げることができる。

本発明の第二態様に係る空気調和機は、上記記載の電力変換装置を備える。

本構成によれば、空気調和機が新たな部品を必要としない電力変換装置を備えていることから、基板の小型化につながり空気調和機の筐体を大きくするまたは設計変更をする必要がなく、また新たな部品を必要としないことで空気調和機のコストアップを抑制することができる。

本発明の第三態様に係る電力変換装置の制御方法は、交流電源と、前記交流電源より入力された交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータ回路と、前記コンバータ回路上に並列に設けられ導通タイミングが互いに異なる複数のスイッチング回路を備えた力率改善回路と、前記スイッチング回路の駆動を制御する制御手段と、前記コンバータ回路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インバータ回路と、モータ負荷と、を備えた電力変換装置の制御方法であって、前記インバータ回路の出力電流及び前記モータ負荷の回転速度に基づき推定した前記コンバータ回路の入力電流の容量に応じて前記スイッチング回路の駆動系統の切替を行う。

本発明によれば、インバータ回路の出力電流及びモータ負荷の回転速度に基づき推定されるコンバータ回路の入力電流の容量に応じて力率改善回路のスイッチング回路の駆動系統の切換を行うので、コンバータ回路の入力電流を検出するための回路や部品を増やす必要が無い。回路や部品の省略により、基板を小型化することができ、コストダウンが見込める。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置を示した概略構成図である。 図１のスイッチング回路の系統の切替状態の例を示したグラフである。

以下に、本発明に係る電力変換装置、空気調和機および電力変換装置の制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本実施形態に係る電力変換装置、空気調和機および電力変換装置の制御方法の概略構成が示されている。
図１に示されるように、電力変換装置１は、交流電源３からの交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータ回路１０と、コンバータ回路１０から出力された直流電力を三相交流電力に変換して圧縮機モータ（モータ負荷）４に出力するインバータ回路２０とを主な構成として備えている。
例えば、電力変換装置１が空気調和機に搭載される場合は、交流電源３の電圧は国内定格の２００Ｖでほぼ一定の値を保つ。

コンバータ回路１０は、交流電源３より入力された交流電力を直流電力に変換する整流回路１１と、整流回路１１の直流出力側に、整流回路１１に並列に接続され電圧を平滑にするコンデンサ１６と、整流回路１１とコンデンサ１６との間に互いに並列に設けられた２つのスイッチング回路１５ａ、１５ｂと、スイッチング回路１５ａ、１５ｂを制御するコンバータ制御部（制御手段）５とを主な構成として備えている。

コンバータ制御部５は、各スイッチング回路１５の昇圧状態の検知および各スイッチング回路１５の電流の検出等を実施し、各スイッチング回路１５の制御を行っている。

スイッチング回路１５ａは、整流回路１１とコンデンサ１６とを接続する正極母線に、直列的に設けられたインダクタ（誘導性素子）１２ａと、インダクタ１２ａの電流出力側に直列に接続されるダイオード１３ａと、インダクタ１２ａとダイオード１３ａとの間に一端が接続され、かつ、整流回路１１と並列に接続されたスイッチング素子１４ａとを有する。
同様に、スイッチング回路１５ｂは、整流回路１１とコンデンサ１６とを接続する正極母線に、直列的に設けられたインダクタ１２ｂと、インダクタ１２ｂの電流出力側に直列に接続されるダイオード１３ｂと、インダクタ１２ｂとダイオード１３ｂとの間に一端が接続され、かつ、整流回路１１と並列に接続されたスイッチング素子１４ｂとを有する。
スイッチング素子１４ａ、１４ｂの一例としては、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）等が挙げられる。スイッチング素子１４ａ、１４ｂは、コンバータ制御部５によってスイッチングが制御される。
本実施形態のスイッチング回路１５ａ及び１５ｂは、力率改善回路１７とされ、インターリーブ回路として互いの導通タイミングが異なっている。
以下の説明において、各スイッチング回路１５を区別する場合は、末尾にａまたはｂのいずれかを付し、各スイッチング回路１５を区別しない場合は、ａまたはｂを省略する。

インターリーブ制御は、電源を複数系統（相）に分けて各相に位相差を持たせることでリップル等を互いに打ち消しあう制御方式である。本実施形態の力率改善回路１７は、２相のインターリーブ方式で駆動する。この場合は、電流位相が１８０度の位相差を持つことでリップルが相殺され、ノイズフィルタ等を軽減することができる。
また、電源を複数系統に分けることで、単数系統の場合よりもインダクタ１２ａ、１２ｂ、ダイオード１３ａ、１３ｂ及びスイッチング素子１４ａ、１４ｂの各容量を低減することができる。これにより各々の部品の小型化がはかれ、各系統での発熱がそれぞれ低減される。また、コストも低減することができる。

インバータ回路２０は、スイッチング素子を備えるブリッジ回路２１と、ブリッジ回路２１におけるスイッチング素子の開閉を制御するインバータ制御部６とを備える。

インバータ制御部６は、例えば、上位装置（図示略）から入力される要求回転数指令に基づいて、各スイッチング素子のゲート駆動信号Ｓｐｗｍを生成し、ブリッジ回路２１に与える。インバータ制御の具体的な手法の一例としては、ベクトル制御、センサレスベクトル制御、Ｖ／Ｆ制御、過変調制御、１パルス制御などが挙げられる。
上記のような制御を実現するために、インバータ回路２０の出力電流Ｉ２を検出する電流検出部７が設けられ、検出値Ｉ２がインバータ制御部６に入力されるようになっている。ここで、電流検出部７は、ブリッジ回路２１とコンデンサ１６の間の負極側電力線に流れる電流を検出し、この検出信号からインバータ回路２０の出力電流Ｉ２を取得することとしてもよい。

コンバータ制御部５及びインバータ制御部６は、例えばＭＰＵ（Micro Processing Unit）であり、各処理を実行するためのプログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体を有しており、ＣＰＵ（Central Processing Unit）がこの記録媒体に記録されたプログラムをＲＡＭ（Random Access Memory）等の主記憶装置に読み出して実行することにより、各処理が実現される。コンピュータ読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリなどが挙げられる。
コンバータ制御部５及びインバータ制御部６は、一つのＭＰＵによって具現化されてもよいし、個別のＭＰＵによって具現化されてもよい。

インターリーブ方式で駆動する電力変換装置１は、一定の負荷を想定してコンバータ回路１０の容量を決定している。そのため、負荷が小さい低負荷の場合は、コンバータ回路１０の容量が過剰となり、制御が不安定になる。すなわち低負荷の場合、各スイッチング回路１５の容量に対し電流が小さいため、各スイッチング回路１５の昇圧状態が過剰となる。コンバータ制御部５は、各スイッチング回路１５の昇圧状態及び電流を検知し、異常であると判断すると制御を止め、異常停止する虞がある。

そこで、電力変換装置１に対する負荷の大きさを推定し、力率改善回路１７のスイッチング回路１５ａ及び１５ｂの系統の切替を行う。負荷が小さい低負荷の場合は、力率改善回路１７のスイッチング回路１５ａまたは１５ｂのいずれか１系統のみを駆動し、負荷が大きい高負荷の場合は、力率改善回路１７のスイッチング回路１５ａ及び１５ｂの２系統をインターリーブ方式で駆動する。

電力変換装置１に対する負荷の大きさは、コンバータ回路１０の入力電流に基づき判断することができる。
まず、コンバータ回路１０の入力電力Ｗ１は、交流電源３の電圧をＶ１、コンバータ回路１０の入力電流をＩ１とすると、以下の（１）式で表される。

Ｗ１＝Ｖ１×Ｉ１ （１）
（１）式において、Ｖ１は、前述したように国内定圧の２００Ｖでほぼ一定の値を保っている。

また、インバータ回路２０の出力電力Ｗ２は、インバータ回路２０の出力電圧をＶ２、インバータ回路２０の出力電流をＩ２、圧縮機モータ４の回転速度をＮ、圧縮機モータ４のトルクをＴとすると、以下の（２）及び（３）式で表される。

Ｗ２＝Ｖ２×Ｉ２ （２）
Ｗ２＝Ｎ×Ｔ （３）
圧縮機モータ４の回転速度Ｎは、インバータ回路２０の出力電圧Ｖ２と同意である。

コンバータ回路１０の入力電力Ｗ１と、インバータ回路２０の出力電力Ｗ２とには以下の（４）式のような関係がある。

Ｗ１＞Ｗ２ （４）
ここで、コンバータ回路１０の入力電力Ｗ１と、インバータ回路２０の出力電力Ｗ２とは、ほぼ同じ値であるとみなすことができる。Ｗ１＝Ｗ２と近似することで、以下の（５）式により、コンバータ回路１０の入力電流Ｉ１を推定することができる。

Ｉ１＝（Ｎ×Ｉ２）／Ｖ１ （５）

以上より、圧縮機モータ４の回転速度Ｎ及びインバータ回路２０の出力電流Ｉ２を検出することで、コンバータ制御部５はコンバータ回路１０の入力電流Ｉ１を推定することができる。この推定されたコンバータ回路１０の入力電流Ｉ１の大きさに基づき、コンバータ制御部５は力率改善回路１７のスイッチング回路１５ａ及び１５ｂの系統の切替を行う。例えば、コンバータ回路１０の入力電流Ｉ１が所定値以上である場合はスイッチング回路１５ａ及び１５ｂを２系統駆動とし、コンバータ回路１０の入力電流Ｉ１が所定値未満である場合はスイッチング回路１５ａまたは１５ｂのいずれか１系統駆動とする。ここで、所定値は、各スイッチング回路１５が異常停止しないコンバータ回路１０の入力電流Ｉ１の下限値である。さらにはこの下限値にマージンを持たせた値としてもよい。

図２は、力率改善回路１７の各スイッチング回路１５の系統の切替状態のマッピングの例を示したグラフである。図２の縦軸はインバータ回路２０の出力電流Ｉ２、横軸は圧縮機モータ４の回転速度Ｎを示す。実線は各スイッチング回路１５の駆動系統切替の境界である。実線よりもインバータ回路２０の出力電流Ｉ２が小さいまたは圧縮機モータ４の回転速度Ｎが小さい領域（図２のＡ領域）はスイッチング回路１５ａまたは１５ｂのいずれか１系統駆動とすることを示し、実線よりもインバータ回路２０の出力電流Ｉ２が大きいまたは圧縮機モータ４の回転速度Ｎが大きい領域（図２のＢ領域）はスイッチング回路１５ａ及び１５ｂを２系統駆動とすることを示す。この境界は、（３）式からインバータ回路２０の出力電力Ｗ２の所定値を表しているといえる。

インバータ回路２０の出力電力Ｗ２の所定値を境界として、力率改善回路１７のスイッチング回路１５の系統を切り替える。これより、コンバータ制御部５は、インバータ回路２０の出力電力Ｗ２がインバータ回路２０の出力電力Ｗ２の所定値未満である場合はスイッチング回路１５ａまたは１５ｂのいずれか１系統駆動とし、インバータ回路２０の出力電力Ｗ２がインバータ回路２０の出力電力Ｗ２の所定値以上である場合はスイッチング回路１５ａ及び１５ｂを２系統駆動とする。
また、インバータ回路２０の出力電力Ｗ２とコンバータ回路１０の入力電流Ｉ１とは（３）式および（５）式より比例の関係にあることから、この境界はコンバータ回路１０の入力電流Ｉ１の所定値を表しているともいえる。

コンバータ制御部５は、図２のグラフを制御マップとし、これに基づき各スイッチング回路１５の制御を行う。制御マップは、予め実験又はシミュレーション等により得られたデータに基づいて作成されるが、任意に設定することももちろん可能である。また、コンバータ制御部５は、制御マップを関数として保持し、これに基づき各スイッチング回路１５の制御を行うとしてもよい。

以上、説明してきたように、本実施形態に係る電力変換装置、空気調和機および電力変換装置の制御方法によれば、以下の作用効果を奏する。

本実施形態によれば、スイッチング回路１５の駆動系統の切替を行うにあたり、切替の基準となるコンバータ回路１０の入力電流Ｉ１を、圧縮機モータ４の回転速度Ｎ及びインバータ回路２０の出力電流Ｉ２に基づき推定することから、新たにコンバータ回路１０の入力電流Ｉ１を検出するための回路及びセンサ素子を設ける必要が無い。これにより、基板を小型化でき、また新たな部品を必要としないため余分なコストを費やすことがない。

また本実施形態によれば、コンバータ制御部５は、圧縮機モータ４の回転速度Ｎとインバータ回路２０の出力電流Ｉ２とを関連付けてマッピングした制御マップに基づきスイッチング回路１５の駆動系統の切替を行う。例えば負荷が小さい低負荷の場合は、スイッチング回路１５の昇圧状態が過剰となり異常停止する虞があるが、制御マップを用いることで確実にこれを防ぐことができる。

また本実施形態によれば、圧縮機モータ４の回転速度Ｎ及びインバータ回路２０の出力電流Ｉ２に基づき推定したコンバータ回路１０の入力電流Ｉ１の大小により、スイッチング回路１５の系統を切り替えることから、負荷の大小を推定したコンバータ回路１０の入力電流Ｉ１の大小で置き換えることができ、部品点数を増やすことなく電力変換装置１の効率を上げることができる。

また本実施形態によれば、空気調和機が新たな部品を必要としない電力変換装置１を備えていることから、基板の小型化につながり空気調和機の筐体を大きくするまたは設計変更をする必要がなく、また新たな部品を必要としないことで空気調和機のコストアップを抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更なども含まれる。

たとえば、上述した各実施形態においては負荷が小さい場合はスイッチング回路１５をいずれか１系統駆動するとしたが、各スイッチング回路１５を交互に選択する、またはランダムに選択する等としてもよい。

１ 電力変換装置
３ 交流電源
４ 圧縮機モータ（モータ負荷）
５ コンバータ制御部（制御手段）
６ インバータ制御部
７ 電流検出部
１０ コンバータ回路
１５ スイッチング回路
１７ 力率改善回路
２０ インバータ回路

Claims (5)

1. 交流電源と、
   前記交流電源より入力された交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータ回路と、
   前記コンバータ回路上に並列に設けられ導通タイミングが互いに異なる複数のスイッチング回路を備えた力率改善回路と、
   前記スイッチング回路の駆動を制御する制御手段と、
   前記コンバータ回路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インバータ回路と、
   モータ負荷と、を備え、
   前記制御手段は、前記インバータ回路の出力電流及び前記モータ負荷の回転速度に基づき推定した前記コンバータ回路の入力電流の容量に応じて前記スイッチング回路の駆動系統の切替を行う電力変換装置。
2. 前記制御手段は、前記インバータ回路の出力電流と前記モータ負荷の回転速度とを関連付けてマッピングした制御マップに基づき前記スイッチング回路の駆動系統の切替を行う請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記スイッチング回路は、前記コンバータ回路上に並列に２つ設けられ、
   前記制御手段は、推定された前記コンバータ回路の入力電流が所定値以上である場合は前記力率改善回路を２系統駆動し、前記コンバータ回路の入力電流が所定値未満である場合は前記スイッチング回路のいずれか１系統を駆動する請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の電力変換装置を備えた空気調和機。
5. 交流電源と、
   前記交流電源より入力された交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータ回路と、
   前記コンバータ回路上に並列に設けられ導通タイミングが互いに異なる２つのスイッチング回路を備えた力率改善回路と、
   前記スイッチング回路の駆動を制御する制御手段と、
   前記コンバータ回路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インバータ回路と、
   モータ負荷と、を備えた電力変換装置の制御方法であって、
   前記インバータ回路の出力電流及び前記モータ負荷の回転速度に基づき推定した前記コンバータ回路の入力電流の容量に応じて前記スイッチング回路の駆動系統の切替を行う電力変換装置の制御方法。
   
   

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