JP6978661B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。

空気調和機等では、モータを駆動させるために、電力変換装置が設けられる。電力変換装置は、例えば、コンバータ回路（ダイオードブリッジ回路）とインバータ回路とを用いて構成することが多く、このような電力変換装置でモータに電力を供給する場合には、モータからの回生電力を吸収する目的で、コンバータ回路とインバータ回路との間の直流回路部（以下、ＤＣリンク部とも呼ぶ）に、電解コンデンサとダイオードを有するクランプ回路が設けられる場合がある（例えば特許文献１を参照）。

特開２００７−２９５６８６号公報

前記クランプ回路で用いられる電解コンデンサは、その温度が低温になるほどＥＳＲ（等価直列抵抗）が大きくなり、その結果、低温時に容量低下してしまうという特性がある。このように、電解コンデンサが低温になることによって容量が低下すると、クランプ回路のクランプ機能（ここでは回生電力を吸収する機能）が低下し、ＤＣリンク部の電圧が必要以上に跳ね上がってしまう可能性がある。これに対しては、電解コンデンサの容量を十分に大きくすれば対策は可能であるが、電解コンデンサのサイズやコストが大きくなってしまうという問題がある。

本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、電力変換装置に用いられるクランプ回路の低温時における性能低下を低減することを目的としている。

前記の課題を解決するため、第１の態様は、
交流を直流に変換するコンバータ回路（11）と、
前記コンバータ回路（11）の出力端子間に接続されたコンデンサ（12）と、
前記コンバータ回路（11）が出力した直流を交流に変換するインバータ回路（13）と、
前記コンデンサ（12）に接続され、前記インバータ回路（13）が出力した交流で動作する負荷からの回生電力を受けるクランプ回路（16）と、
を備え、
前記クランプ回路（16）は、１つの電解コンデンサ（16a）、若しくは直列接続された複数の電解コンデンサ（16a）によって構成されたコンデンサ回路（17）と、ダイオード（18）とが接続されて構成され、
前記電解コンデンサ（16a）は、前記コンバータ回路（11）の通電中に発熱する抵抗器（15a,16b）によって加熱されることを特徴とする電力変換装置である。

この構成では、抵抗器（15a,16b）によってコンデンサ（12）が加熱され、雰囲気が低温であっても、コンデンサ（12）のＥＳＲ（等価直列抵抗）の増加が抑制される。

また、第２の態様は、第１の態様において、
前記抵抗器（15a,16b）は、前記電解コンデンサ（16a）が実装された回路基板（20）上であって、該電解コンデンサ（16a）の裏側に実装されていることを特徴とする電力変換装置である。

この構成では、コンデンサ（12）の比較的近傍から抵抗器（15a,16b）の熱を伝えることができる。

また、第３の態様は、第１又は第２の態様において、
前記コンデンサ回路（17）は、直列接続された複数の前記電解コンデンサ（16a）を備えるとともに、前記電解コンデンサ（16a）のそれぞれに前記抵抗器（16b）が並列に接続されており、
前記電解コンデンサ（16a）を加熱する前記抵抗器（15a,16b）は、前記電解コンデンサ（16a）に並列接続された前記抵抗器（16b）であることを特徴とする電力変換装置である。

この構成では、コンデンサ（12）の比較的近傍に設けられる抵抗器（15a,16b）によって、コンデンサ（12）が加熱される。

また、第４の態様は、第１から第３の態様の何れかにおいて、
前記コンバータ回路（11）の出力電圧を前記抵抗器（15a）で分圧して測定する電圧測定部（15）を備え、
前記電解コンデンサ（16a）を加熱する前記抵抗器（15a,16b）は、前記電圧測定部（15）が備えている前記抵抗器（15a）であることを特徴とする電力変換装置である。

この構成では、コンデンサ（12）の比較的近傍に設けられる抵抗器（15a,16b）によって、コンデンサ（12）が加熱される。

第１の態様によれば、低温時におけるクランプ回路の性能低下を低減することが可能になる。

また、第２の態様によれば、効果的に電解コンデンサを加熱することが可能になる。

また、第３の態様や第４の態様によれば、電解コンデンサの加熱に用いる抵抗器を容易に実装することが可能になる。

図１は、本発明の実施形態の電力変換装置の構成例を示すブロック図である。 図２は、クランプ回路付近の実装状態を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《発明の実施形態》
図１は、本発明の実施形態の電力変換装置（10）の構成例を示すブロック図である。電力変換装置（10）は、コンバータ回路（11）、コンデンサ（12）、インバータ回路（13）、リアクトル（L）、制御部（14）、電圧測定部（15）、及びクランプ回路（16）を備えている。この電力変換装置（10）には交流電源（30）（例えば三相の商用交流電源）が接続されており、交流電源（30）が出力した交流を三相交流に変換し、負荷であるモータ（40）に供給する。この例では、モータ（40）は、空気調和機の冷媒回路に設けられた圧縮機に組み込まれ、圧縮機が備える圧縮機構を駆動するものである。この例では、モータ（40）には、永久磁石埋込型のモータ(Interior Permanent Magnet Motor、略称ＩＰＭモータ）が採用されている。

コンバータ回路（11）は、ブリッジ接続された６つのダイオード（D1〜D6）を備え、交流電源（30）から入力された交流を全波整流する。

コンデンサ（12）は、コンバータ回路（11）の正及び負の出力ノードの間に接続され、該コンデンサ（12）の両端に生じた直流電圧がインバータ回路（13）の入力ノードに印可されている。また、図１に示すように、コンバータ回路（11）の正極側の出力ノードとコンデンサ（12）の間にはリアクトル（L）が挿入されている。

本実施形態のコンデンサ（12）は、インバータ回路（13）のスイッチング素子（後述）がスイッチング動作する際に生じるリプル電圧（電圧変動）のみを平滑化可能な静電容量を有している。すなわち、コンデンサ（12）は、コンバータ回路（11）によって整流された電圧（電源電圧に応じて変動する電圧）を平滑化するような静電容量を有さない小容量のコンデンサである。この例では、コンデンサ（12）には、フィルムコンデンサが採用されている。

インバータ回路（13）は、複数のスイッチング素子（13a）のスイッチング状態をそれぞれ変化させて、コンバータ回路（11）が出力した直流を交流に変換してモータ（40）に供給する。具体的には、インバータ回路（13）は、図１に示すように、ブリッジ接続された６つのスイッチング素子（13a）を有し、スイッチング素子（13a）のそれぞれには、還流ダイオード（13b）が接続されている。

制御部（14）は、マイクロコンピュータと、それを動作させるためのソフトウエアを格納したメモリディバイス（前記マイクロコンピュータが内蔵するものでもよい）を用いて構成されている。制御部（14）は、モータ（40）を所望の運転状態に制御するために、スイッチング素子（13a）への指令（以下、スイッチング指令（G）と呼ぶ）を生成して各スイッチング素子（13a）に出力する。スイッチング指令（G）は、各スイッチング素子（13a）のオンオフを切り換えるための信号であり、例えば、モータ（40）の目標回転速度と現在の回転速度の偏差に応じて生成される。

電圧測定部（15）は、ＤＣリンク部の電圧を検出する回路である。電圧測定部（15）は、直列接続された複数個の分圧抵抗（15a）を備えている。この分圧抵抗（15a）は、本発明の抵抗器の一例である。分圧抵抗（15a）によって構成された直列回路（15c）は、その一端が、ＤＣリンク上であって、リアクトル（L）とインバータ回路（13）の入力端子との間の接続されている。また、直列回路（15c）の他端はアースされている。そして、直列回路（15c）では、所定の分圧抵抗（15a）の一端が、制御部（14）に接続され、その分圧抵抗（15a）の一端における電圧が制御部（14）によって読み取れるようになっている。制御部（14）は、分圧抵抗（15a）から読み取った電圧を基にコンバータ回路（11）のＤＣリンク部の電圧を算出し、算出値をインバータ回路（13）の制御等に利用する。

〈クランプ回路〉
本実施形態のように、インバータ回路（13）に誘導性の負荷であるモータ（40）が接続されている場合には、インバータ回路（13）の運転状態に応じて、モータ（40）から電力が回生される場合がある。クランプ回路（16）は、インバータ回路（13）が出力した交流で動作する負荷からの回生電力を受ける（吸収する）回路である。

前記目的を果たすため、本実施形態のクランプ回路（16）は、コンデンサ回路（17）と、ダイオード（18）とが直列接続されて構成されている。そして、クランプ回路（16）の一端がコンデンサ（12）の正側（コンバータ回路（11）の正極に繋がる側）に接続され、他端がコンバータ回路（11）の負側端子に電気的に接続されている。

コンデンサ回路（17）は、複数（この例では２つ）の電解コンデンサ（16a）と、複数（この例では２つ）のバランス抵抗（16b）とを備えている。コンデンサ回路（17）では、これらの電解コンデンサ（16a）は直列接続され、各電解コンデンサ（16a）にバランス抵抗（16b）が並列接続されている。電解コンデンサ（16a）に電圧が印可されると、バランス抵抗（16b）に電流が流れることになる。バランス抵抗（16b）は、直列接続した電解コンデンサ（16a）における、電圧バランスを保つために挿入する分圧抵抗器である。これらのバランス抵抗（16b）は、本発明の抵抗器（16b）の一例である。

そして、クランプ回路（16）では、ダイオード（18）のカソードは、コンデンサ（12）の正極に電気的に接続され、アノードがコンデンサ回路（17）の一端に接続されている。また、コンデンサ回路（17）の他端は、コンバータ回路（11）の負側端子に電気的に接続されている。

〈クランプ回路（16）等の実装〉
電力変換装置（10）では、コンバータ回路（11）、コンデンサ（12）、インバータ回路（13）、リアクトル（L）、制御部（14）、電圧測定部（15）、及びクランプ回路（16）は、１つの回路基板（20）上に実装されている。図２は、クランプ回路（16）付近の実装状態を模式的に示す図である。この例では、バランス抵抗（16b）には、いわゆるチップ抵抗（面実装用の抵抗器）が採用されている。図２に示すように、バランス抵抗（16b）は、電解コンデンサ（16a）が実装された回路基板（20）上であって、電解コンデンサ（16a）の裏側に実装されている。

〈電力変換装置（10）の動作〉
電力変換装置（10）の起動過程では、まず、コンバータ回路（11）に通電される。それにより、制御部（14）も動作可能になる。本実施形態の制御部（14）は、この時点で、空気調和機のユーザ等からの指令（例えばリモートコントローラを介した指令）を受付可能な状態となっている。制御部（14）がユーザ等からの指令を受けるまでは、インバータ回路（13）には、制御部（14）からスイッチング指令（G）は入力されておらず、インバータ回路（13）では、何れのスイッチング素子（13a）にも電流は流れていない。

一方、コンバータ回路（11）に通電中は、クランプ回路（16）では、直列接続の電解コンデンサ（16a）の両端に電圧が印可され、バランス抵抗（16b）に電流が流れている。それにより、バランス抵抗（16b）は、発熱することになる。バランス抵抗（16b）は、電解コンデンサ（16a）が実装された回路基板（20）上であって、電解コンデンサ（16a）の裏側に実装されているので、バランス抵抗（16b）の熱は、回路基板（20）を介して、電解コンデンサ（16a）に伝わる。すなわち、コンバータ回路（11）に通電させると、バランス抵抗（16b）の熱によって、電解コンデンサ（16a）が加熱されることになる。それにより、コンデンサ（12）の雰囲気が比較的低温であっても、コンデンサ（12）のＥＳＲ（等価直列抵抗）の増加が抑制される。

なお、制御部（14）がスイッチング指令（G）を出力すると、インバータ回路（13）では、各スイッチング素子（13a）のオンオフ状態が適宜切り替わり、直流から交流への変換が行われ、その交流は負荷(モータ（40）)に供給される。その際、運転状態に応じ、モータ（40）からは、交流電力がインバータ回路（13）の還流ダイオード（13b）等を介してコンデンサ（12）やクランプ回路（16）に回生される。クランプ回路（16）では、その交流電力を吸収する。

〈本実施形態における効果〉
以上の通り、本実施形態によれば、コンバータ回路（11）に通電された時点で、抵抗器（16b）によって電解コンデンサ（16a）が加熱される。すなわち、インバータ回路（13）が起動する前に、電解コンデンサ（16a）を加熱することが可能になる。したがって、本実施形態では、雰囲気温度が低温であっても、電解コンデンサ（16a）の容量低下が低減され、その結果、クランプ回路（16）の性能低下を低減することが可能になる。

《その他の実施形態》
なお、電解コンデンサ（16a）の加熱に用いる抵抗器は例示であり、コンバータ回路（11）の通電中に電流が流れる抵抗器であれば、前記実施形態で例示した抵抗器以外の採用も可能である。例えば、電圧測定部（15）の分圧抵抗（15a）によって電解コンデンサ（16a）を加熱してもよい。電圧測定部（15）は、電解コンデンサ（16a）の比較的近傍に設けられると考えられる。そのため、電解コンデンサ（16a）を加熱可能な位置に分圧抵抗（15a）を容易に実装することができる。

また、電解コンデンサ（16a）の加熱に、バランス抵抗（16b）と、電圧測定部（15）の分圧抵抗（15a）の双方を用いてもよい。

また、コンデンサ回路（17）の回路構成も例示であり、例えば、１つの電解コンデンサ（16a）でコンデンサ回路（17）を構成することも可能である。この場合には、バランス抵抗（16b）は不要であり、既述のように、電圧測定部（15）の分圧抵抗（15a）等を用いて電解コンデンサ（16a）を加熱すればよい。

また、電解コンデンサ（16a）を加熱する抵抗器の実装位置も例示であり、回路基板（20）における電解コンデンサ（16a）の裏側部分には限定されない。要は、抵抗器の熱が電解コンデンサ（16a）に伝わる位置であれば何れの位置でもよいのである。

また、電力変換装置（10）に接続する交流電源は、三相交流電源には限定されない。単相交流電源と接続するようにコンバータ回路（11）を構成しても同様の効果を得ることができる。

本発明は、電力変換装置として有用である。

１０ 電力変換装置
１１ コンバータ回路
１２ コンデンサ
１３ インバータ回路
１５ 電圧測定部
１５ａ 分圧抵抗（抵抗器）
１６ クランプ回路
１６ａ 電解コンデンサ
１６ｂ バランス抵抗（抵抗器）
１７ コンデンサ回路
１８ ダイオード
２０ 回路基板

Claims (3)

1. 交流を直流に変換するコンバータ回路（11）と、
   前記コンバータ回路（11）の出力端子間に接続されたコンデンサ（12）と、
   前記コンバータ回路（11）が出力した直流を交流に変換するインバータ回路（13）と、
   前記コンデンサ（12）に接続され、前記インバータ回路（13）が出力した交流で動作する負荷からの回生電力を受けるクランプ回路（16）と、
   を備え、
   前記クランプ回路（16）は、１つの電解コンデンサ（16a）、若しくは直列接続された複数の電解コンデンサ（16a）によって構成されたコンデンサ回路（17）と、ダイオード（18）とが接続されて構成され、
   前記電解コンデンサ（16a）は、前記コンバータ回路（11）の通電中に発熱する抵抗器（15a,16b）によって加熱され、
   前記抵抗器（15a,16b）は、前記電解コンデンサ（16a）が実装された回路基板（20）上であって、該電解コンデンサ（16a）の裏側に実装されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 交流を直流に変換するコンバータ回路（11）と、
   前記コンバータ回路（11）の出力端子間に接続されたコンデンサ（12）と、
   前記コンバータ回路（11）が出力した直流を交流に変換するインバータ回路（13）と、
   前記コンデンサ（12）に接続され、前記インバータ回路（13）が出力した交流で動作する負荷からの回生電力を受けるクランプ回路（16）と、
   を備え、
   前記クランプ回路（16）は、１つの電解コンデンサ（16a）、若しくは直列接続された複数の電解コンデンサ（16a）によって構成されたコンデンサ回路（17）と、ダイオード（18）とが接続されて構成され、
   前記電解コンデンサ（16a）は、前記コンバータ回路（11）の通電中に発熱する抵抗器（15a,16b）によって加熱され、
   前記コンデンサ回路（17）は、直列接続された複数の前記電解コンデンサ（16a）を備えるとともに、前記電解コンデンサ（16a）のそれぞれに前記抵抗器（16b）が並列に接続されており、
   前記電解コンデンサ（16a）を加熱する前記抵抗器（15a,16b）は、前記電解コンデンサ（16a）に並列接続された前記抵抗器（16b）であることを特徴とする電力変換装置。
3. 交流を直流に変換するコンバータ回路（11）と、
   前記コンバータ回路（11）の出力端子間に接続されたコンデンサ（12）と、
   前記コンバータ回路（11）が出力した直流を交流に変換するインバータ回路（13）と、
   前記コンデンサ（12）に接続され、前記インバータ回路（13）が出力した交流で動作する負荷からの回生電力を受けるクランプ回路（16）と、
   を備え、
   前記クランプ回路（16）は、１つの電解コンデンサ（16a）、若しくは直列接続された複数の電解コンデンサ（16a）によって構成されたコンデンサ回路（17）と、ダイオード（18）とが接続されて構成され、
   前記電解コンデンサ（16a）は、前記コンバータ回路（11）の通電中に発熱する抵抗器（15a,16b）によって加熱され、
   前記コンバータ回路（11）の出力電圧を前記抵抗器（15a）で分圧して測定する電圧測定部（15）を備え、
   前記電解コンデンサ（16a）を加熱する前記抵抗器（15a,16b）は、前記電圧測定部（15）が備えている前記抵抗器（15a）であることを特徴とする電力変換装置。

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