JP7267450B2 - 電力変換装置、モータ駆動装置、送風機、圧縮機及び空気調和機 - Google Patents

電力変換装置、モータ駆動装置、送風機、圧縮機及び空気調和機 Download PDF

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Description

本発明は、交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に変換する電力変換装置、電力変換装置を備えたモータ駆動装置、モータ駆動装置を備えた送風機及び圧縮機、並びに送風機又は圧縮機を備えた空気調和機に関する。
下記特許文献1には、n相のスイッチング出力段を360°/nの位相差で駆動することにより所望の出力電圧を生成するインタリーブコンバータにおいて、各リアクタの検出電流に基づく電流帰還信号と、電圧帰還信号とに基づいて各相のリアクタに流れるリアクタ電流の平衡制御を行うことが記載されている。
特開2017-208976号公報
しかしながら、特許文献1では、各相におけるリアクタ間の個体差、即ちリアクタ間におけるインダクタ値の差異が考慮されていない。製品の出荷時等において、リアクタ間の個体差を把握することは可能である。一方、製品の使用中において、リアクタ間の個体差は、経年劣化等によってランダムに生じる。リアクタ間に個体差がある場合、特許文献1の技術では、各相のリアクタ電流の平準化が充分に行われない可能性がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、各相におけるリアクタ間に個体差がある場合であっても、リアクタ電流を平準化することができる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、本発明に係る電力変換装置は、1つのリアクタと、少なくとも1つのスイッチング素子とを有する単位コンバータを複数の相数分有し、交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路を有する。また、電力変換装置は、複数のリアクタのそれぞれに流れる電流の合計値を検出する電流検出器と、コンバータ回路の出力電圧を検出する電圧検出器と、を備える。更に、電力変換装置は、電流検出器に1相分の電流が流れるように複数の単位コンバータを動作させる第1の制御器を備える。また、電力変換装置は、電流検出器及び電圧検出器の検出値に基づいて生成したデューティ指令と、キャリア信号との比較結果に基づいて、複数の単位コンバータの動作を制御する第2の制御器を備える。電流検出器の検出値が第1の閾値以下である場合、第1の制御器が起動される。また、電流検出器の検出値が第1の閾値を超えた場合、第2の制御器が起動される。
本発明に係る電力変換装置によれば、各相におけるリアクタ間に個体差がある場合であっても、リアクタ電流を平準化することができるという効果を奏する。
実施の形態1に係る電力変換装置の構成を示す図 実施の形態1に係る電力変換装置の動作説明に使用する波形図 実施の形態1の制御手法の説明に使用するフローチャート 実施の形態1の制御装置内に構成される低電流用制御器の構成例を示すブロック図 図3に示すステップS14の処理の説明に使用するフローチャート 実施の形態1の制御装置内に構成される高電流用制御器の構成例を示すブロック図 図6に示す高電流用制御器内で生成されるキャリア信号の波形例を示す図 実施の形態1に係る電力変換装置の効果の説明に使用する図 実施の形態1に係る電力変換装置の効果の説明に使用する比較図 実施の形態2に係るモータ駆動装置の構成例を示す図 実施の形態2の変形例に係るモータ駆動装置の構成例を示す図 図10に示すモータ駆動装置を空気調和機に適用した例を示す図
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電力変換装置、モータ駆動装置、送風機、圧縮機及び空気調和機について説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。また、以下では、電気的な接続を単に「接続」と称して説明する。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る電力変換装置120の構成を示す図である。実施の形態1に係る電力変換装置120は、コンバータ回路10と、平滑コンデンサ6と、電圧検出器71,72と、電流検出器73と、制御装置200とを備える。
コンバータ回路10は、交流電源1から出力される交流電圧を直流電圧に変換する。平滑コンデンサ6は、コンバータ回路10によって変換された直流電圧を平滑して保持する。
コンバータ回路10は、単位コンバータ100a,100b,100c,100d(以下、適宜「100a~100d」と表記、他の符号の表記も同じ)、整流回路20とを有する。
コンバータ回路10において、単位コンバータ100a~100dは、それぞれが互いに並列に接続されて構成される。単位コンバータ100a~100dは、予め決められた周期に従って順番に動作する。この周期は「インタリーブ周期」と呼ばれる。
整流回路20は、ブリッジ接続される4つのダイオードD21,D22,D23,D24を有する。整流回路20は、交流電源1から出力される交流電圧を整流し、整流後の電圧を単位コンバータ100a~100dに印加する。
単位コンバータ100aは、リアクタ4aと、逆流阻止ダイオード5aと、スイッチング素子3aとを有する。単位コンバータ100bは、リアクタ4bと、逆流阻止ダイオード5bと、スイッチング素子3bとを有する。単位コンバータ100cは、リアクタ4cと、逆流阻止ダイオード5cと、スイッチング素子3cとを有する。単位コンバータ100dは、リアクタ4dと、逆流阻止ダイオード5dと、スイッチング素子3dとを有する。
コンバータ回路10において、1つのリアクタと、1つのスイッチング素子との組み合わせを「相」と定義し、「1相」と数える。
図1は4相の例であり、4相インタリーブ方式の構成である。各相の識別は、a,b,c,dの添字で行っている。以下、各相の動作を「a相」、「b相」、「c相」及び「d相」と記載する場合がある。なお、本発明は、4相のみに限定されるものではなく、2相、3相又は5相以上であってもよい。即ち、本発明は、複数の相数分の単位コンバータを備えたインタリーブ方式の電力変換装置である。
コンバータ回路10は、リアクタ4a~4dの各一端同士が接続される接続点12を有する。接続点12と整流回路20の一端とは、電気配線16aによって接続される。また、コンバータ回路10は、逆流阻止ダイオード5a~5dの各カソード同士が接続される接続点14を有する。接続点14は、平滑コンデンサ6の正極側端子に接続される。
また、単位コンバータ100aにおいて、リアクタ4aの他端は、逆流阻止ダイオード5aのアノードに接続される。リアクタ4aと逆流阻止ダイオード5aとの接続点は、スイッチング素子3aの一端に接続される。単位コンバータ100b~100dも、単位コンバータ100aと同様に構成される。また、単位コンバータ100a~100dにおいて、スイッチング素子3a,3b,3c,3dの各他端同士も接続される。スイッチング素子3a,3b,3c,3dの各他端同士と、整流回路20の他端とは、電気配線16bによって接続される。
スイッチング素子3a~3dの一例は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOSFET)である。MOSFETに代えて、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT)を用いてもよい。
スイッチング素子3a~3dのそれぞれは、ドレインとソースとの間に逆並列に接続されるダイオードを備えている。逆並列の接続とは、MOSFETのドレインとダイオードのカソードとが接続され、MOSFETのソースとダイオードのアノードとが接続されることを意味する。なお、ダイオードは、MOSFET自身が内部に有する寄生ダイオードを用いてもよい。寄生ダイオードは、ボディダイオードとも呼ばれる。
また、スイッチング素子3a~3dは、シリコンにより形成されたMOSFETに限定されず、炭化珪素、窒化ガリウム、酸化ガリウム又はダイヤモンドといったワイドバンドギャップ半導体により形成されたMOSFETでもよい。
一般的にワイドバンドギャップ半導体は、シリコン半導体に比べて耐電圧及び耐熱性が高い。そのため、スイッチング素子3a~3dのそれぞれにワイドバンドギャップ半導体を用いることにより、スイッチング素子の耐電圧性及び許容電流密度が高くなり、スイッチング素子を組み込んだ半導体モジュールを小型化できる。
電流検出器73は、電気配線16bに配置される。電流検出器73は、リアクタ4a~4dのそれぞれに流れるリアクタ電流の合計値である合算電流Idcを検出する。なお、図1では、電流検出器73が電気配線16bに配置される構成を例示しているが、これに限定されない。電流検出器73は、電気配線16aに配置されていてもよい。
電圧検出器71は、交流電源1の出力電圧である交流電圧vacを検出する。電圧検出器72は、平滑コンデンサ6の電圧であるコンデンサ電圧Vdcを検出する。コンデンサ電圧Vdcは、コンバータ回路10の出力電圧でもある。
制御装置200は、プロセッサ200aと、メモリ200bとを備える。制御装置200は、電流検出器73によって検出された合算電流Idcの検出値を受信する。制御装置200は、電圧検出器71によって検出された交流電圧vacの検出値を受信する。制御装置200は、電圧検出器72によって検出されたコンデンサ電圧Vdcの検出値を受信する。
制御装置200は、合算電流Idc、交流電圧vac及びコンデンサ電圧Vdcに基づいて、ゲート信号G3a,G3b,G3c,G3dを生成する。
単位コンバータ100a~100dは、図示を省略したゲート駆動回路を有する。単位コンバータ100aのゲート駆動回路は、制御装置200から出力されるゲート信号G3aを用いて駆動パルスを生成し、生成した駆動パルスをスイッチング素子3aのゲートに印加してスイッチング素子3aを駆動する。
単位コンバータ100bのゲート駆動回路は、制御装置200から出力されるゲート信号G3bを用いて駆動パルスを生成し、生成した駆動パルスをスイッチング素子3bのゲートに印加してスイッチング素子3bを駆動する。
単位コンバータ100cのゲート駆動回路は、制御装置200から出力されるゲート信号G3cを用いて駆動パルスを生成し、生成した駆動パルスをスイッチング素子3cのゲートに印加してスイッチング素子3cを駆動する。
単位コンバータ100dのゲート駆動回路は、制御装置200から出力されるゲート信号G3dを用いて駆動パルスを生成し、生成した駆動パルスをスイッチング素子3dのゲートに印加してスイッチング素子3dを駆動する。
制御装置200の詳細な動作については後述する。なお、制御装置200に入力される検出値のうち、電圧検出器71によって検出される交流電圧vacの検出値は、コンバータ回路10に流れる電流のひずみの改善のために用いられる。このため、コンバータ回路10の基本的な動作に関する制御は、電圧検出器71を有していなくても成立する。
制御装置200において、プロセッサ200aは、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、CPU(Central Processing Unit)、又はDSP(Digital Signal Processor)といった演算手段である。メモリ200bは、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable ROM)、EEPROM(登録商標)(Electrically EPROM)といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリである。
メモリ200bには、上述した制御装置200の機能、及び後述する制御装置200の機能を実行するプログラムが格納されている。プロセッサ200aは、図示しないアナログディジタル変換器及びディジタルアナログ変換器を含むインタフェースを介して必要な情報を授受し、メモリ200bに格納されたプログラムをプロセッサ200aが実行することにより、所要の処理を行う。プロセッサ200aによる演算結果は、メモリ200bに記憶される。
スイッチング素子3a~3dの何れかが制御されてスイッチング動作すると、交流電源1から供給される電力が対応するリアクタに蓄積される。制御装置200は、コンバータ回路10から出力される電圧が所望の電圧となるように、予め決められたデューティでスイッチング素子3a~3dをスイッチング動作させる制御を行う。
次に、実施の形態1に係る電力変換装置120が動作するときに生じ得る各相間のリアクタ電流の偏差について説明する。
図2は、実施の形態1に係る電力変換装置120の動作説明に使用する波形図である。横軸は時間を表している。
図2において、太線の波形は、整流電圧Vsを表している。整流電圧Vsは、整流回路20の出力電圧であり、単位コンバータ100a~100dへの印加電圧でもある。実線で示す4つのパルスは、着目するキャリア周期におけるゲート信号を示している。具体的に、4つのパルスは、時間軸の正方向に向かって左から順に、ゲート信号G3a、ゲート信号G3b、ゲート信号G3c及びゲート信号G3dを表している。
ゲート信号G3a~G3dは、パルス幅変調(Pulse Width Modulation:PWM)信号である。これらのゲート信号に対して、破線で示される、1キャリア周期前の各ゲート信号のパルス幅は、着目するキャリア周期における各ゲート信号のパルス幅よりも広くなっている。また、破線で示される、1キャリア周期後の各ゲート信号のパルス幅は、着目するキャリア周期における各ゲート信号のパルス幅よりも狭くなっている。また、ゲート信号G3a~G3dにおいて、隣接するゲート信号間の間隔は、前述したインタリーブ周期に相当する。
1キャリア周期は、キャリア信号の周期である。1キャリア周期の位相を360°とすると、4相インタリーブ方式の電力変換装置におけるインタリーブ周期は、90°(=360°/4)になる。キャリア信号については、後述する。
次に、各単位コンバータにおいて、スイッチング素子がオンしたときに対応するリアクタに流れるリアクタ電流の変化について説明する。なお、リアクタ電流の変化を「電流リプル」と呼び、単位コンバータ100a~100dにおける電流リプルを、それぞれΔIa,ΔIb,ΔIc,ΔIdと表記する。これらの電流リプルΔIa,ΔIb,ΔIc,ΔIdは、以下の(1)~(4)式で表すことができる。
ΔIa=(Vac_a/La)・Ton_a……(1)
ΔIb=(Vac_b/Lb)・Ton_b……(2)
ΔIc=(Vac_c/Lc)・Ton_c……(3)
ΔId=(Vac_d/Ld)・Ton_d……(4)
上記(1)~(4)式において、La,Lb,Lc,Ldは、リアクタ4a,4b,4c,4dの各インダクタ値である。また、Ton_a,Ton_b,Ton_c,Ton_dは、スイッチング素子3a,3b,3c,3dがオンするときの各オン時間である。また、Vac_a,Vac_b,Vac_c,Vac_dは、スイッチング素子3a,3b,3c,3dがオンしたときの、リアクタ4a,4b,4c,4dの両端に生ずるリアクタ電圧の瞬時値である。
ここで、各単位コンバータへの印加電圧が時間的に一定である場合、単位コンバータ100a~100dにおける各リアクタの個体差が十分に小さければ、リアクタ電圧の瞬時値Vac_a,Vac_b,Vac_c,Vac_dの値も、ほぼ一定となる。即ち、1キャリア周期中において、Vac_a=Vac_b=Vac_c=Vac_dの関係が成立すると見なしてもよい。この場合、1キャリア周期中における各スイッチング素子へのPWM信号のデューティ比を同じ値に設定すれば、1キャリア周期における電流リプルも等しくなる。これにより、1キャリア周期中の各リアクタの平均電流値も等しくなる。
これに対し、実施の形態1に係る電力変換装置120の場合、交流電源1は、電源周期を有する電圧源であるため、各単位コンバータへの印加電圧は、時間的に変化する。図2には、単位コンバータ100bのスイッチング素子3bがオンするときの単位コンバータ100bへの印加電圧が、単位コンバータ100aのスイッチング素子3aがオンするときの単位コンバータ100aへの印加電圧よりも、ΔVsだけ高くなる様子が示されている。
このため、電源周期を有する電圧源である場合、各スイッチング素子を同一のデューティ値のゲートパルスで駆動させると、各リアクタ電流の電流リプルに偏差が発生する。1キャリア周期中における電流リプルが異なるため、1電源周期中における各リアクタ電流の平均値にも偏りが発生する。
上記では、1キャリア周期中における各単位コンバータへの印加電圧の差異に起因する各リアクタ電流の平均値の偏りについて説明したが、各相におけるリアクタ間に個体差がある場合にも、同様な現象が起こる。リアクタ間に個体差がある場合、上記(1)~(4)式におけるインダクタ値La,Lb,Lc,Ldの値が同一ではない。このため、リアクタ電圧の瞬時値Vac_a,Vac_b,Vac_c,Vac_dが同じ値であっても、電流リプルΔIa,ΔIb,ΔIc,ΔIdが異なって来る。従って、各リアクタ電流の平均値にも偏りが発生する。
各単位コンバータへの印加電圧の差異については、キャリア周期を長くすることによって、印加電圧の影響を小さくすることが可能である。これに対して、リアクタ間の個体差はキャリア周期とは無関係である。このため、キャリア周期を長くしても、各リアクタ電流の平均値の偏りを小さくすることができない。
次に、リアクタ間の個体差に起因する各リアクタ電流の平均値の偏りを抑制するための制御手法について説明する。図3は、実施の形態1の制御手法の説明に使用するフローチャートである。図3の各処理は、制御装置200によって実施される。
まず、ステップS11では、合算電流Idcの検出値に基づいて合算電流Idcの実効値Idc_rmsが算出される。次のステップS12では、実効値Idc_rmsと第1の閾値である閾値Aとが比較される。実効値Idc_rmsが閾値A以下である場合(ステップS12,No)、ステップS13に進む。一方、実効値Idc_rmsが閾値Aを超えている場合(ステップS12,Yes)、ステップS15に進む。
ステップS13では、第1の制御器である低電流用制御器が選択される。「低電流用制御器の選択」とは、制御装置200によって、低電流用制御器が起動されることを意味する。低電流用制御器の詳細については、後述する。ステップS13の処理を終えると、ステップS14に進む。ステップS14では、リアクタ間のばらつき度合いを算出する処理が行われる。ステップS14の処理の詳細については、後述する。ステップS14の処理を終えるとステップS11に戻り、ステップS11からの処理が繰り返される。
ステップS15では、第2の制御器である高電流用制御器が選択される。「高電流用制御器の選択」とは、制御装置200によって、高電流用制御器が起動されることを意味する。高電流用制御器の詳細については、後述する。ステップS15の処理を終えると、ステップS11に戻り、ステップS11からの処理が繰り返される。
上記の処理について補足する。ステップS11では、合算電流Idcの実効値Idc_rmsを算出しているが、これに限定されない。実効値Idc_rmsに代えて、1キャリア周期における合算電流Idcの平均値を用いてもよい。
また、上記ステップS12では、合算電流Idcの実効値Idc_rmsと、閾値Aとが等しい場合を“No”と判定しているが、“Yes”と判定してもよい。即ち、実効値Idc_rmsと閾値Aとが等しい場合を“Yes”又は“No”の何れで判定してもよい。
次に、上述した低電流用制御器について説明する。図4は、実施の形態1の制御装置200内に構成される低電流用制御器30の構成例を示すブロック図である。図4に示す低電流用制御器30は、制御装置200に構成される。
低電流用制御器30は、図4に示されるように、差分器31,34と、電圧制御器32と、乗算器33と、ばらつき検知部35と、電流制御器36と、比較器37a,37b,37c,37dと、タイマ38a,38b,38c,38dとを備える。電圧制御器32及び電流制御器36の例は、比例積分(Proportional Integral:PI)制御器である。以下では、電圧制御器32及び電流制御器36がPI制御器である場合を一例として説明する。
差分器31は、電圧指令値Vdc*と、コンデンサ電圧Vdcの検出値との偏差ΔVdcを演算する。電圧指令値Vdc*は、予め定めたコンデンサ電圧Vdcの指令値である。電圧制御器32は、偏差ΔVdcをPI制御することによって、合算電流Idcの振幅指令値Idcrを生成する。
乗算器33では、合算電流Idcの振幅指令値Idcrに対して角周波数ω(=2πf)の正弦波信号の絶対値|sinωt|が乗算される。fは、交流電源1が出力する交流電圧の周波数、即ち電源周波数である。正弦波信号の絶対値|sinωt|は、交流電圧vacの位相に同期した信号であり、交流電圧vacの検出値に基づいて生成される。
差分器34は、乗算器33の出力である合算電流Idcの指令値Idc*と、合算電流Idcとの偏差ΔIdcを演算する。電流制御器36は、偏差ΔIdcをPI制御することによって、デューティ指令Drefを生成する。生成されたデューティ指令Drefは、比較器37a,37b,37c,37dのそれぞれにおける一方の端子(+端子)に入力される。
比較器37aのもう一方の端子(-端子)には、タイマ38aから出力される信号が入力される。比較器37aは、デューティ指令Drefとタイマ38aの出力信号の振幅値とを比較し、その比較結果を出力する。他の比較器37b,37c,37dにおいても同様の処理が行われるが、説明が重複するので、ここでの説明は省略する。図示のように、比較器37aの出力がスイッチング素子3aへのゲート信号G3aとなり、比較器37bの出力がスイッチング素子3bへのゲート信号G3bとなり、比較器37cの出力がスイッチング素子3cへのゲート信号G3cとなり、比較器37dの出力がスイッチング素子3dへのゲート信号G3dとなる。
ばらつき検知部35には、合算電流Idc及び偏差ΔVdcが入力される。ばらつき検知部35は、リアクタ4a~4d間のばらつき度合いを算出する処理を行う。この処理は、前述したステップS14の処理に対応する。「ばらつき度合い」は、リアクタ4a~4d間のばらつきの程度を表す指標であり、合算電流Idcの実効値Idc_rmsに基づいて演算される。ばらつき検知部35は、「ばらつき度合い」を算出する処理を行うため、各タイマの個々の出力を有効又は無効にする制御信号を生成して各タイマに出力する。この制御信号を「タイマ出力制御信号」と呼ぶ。タイマ出力制御信号によって、タイマ38a~38dの個々の出力タイミングが制御される。タイマ38a,38b,38c,38dのそれぞれに入力されるタイマ出力制御信号を「En3a」、「En3b」、「En3c」及び「En3d」と表記する。
図4において、タイマ出力制御信号En3aが「有効」を意味する論理レベルである場合、タイマ38aは有効化され、タイマ38aからは既定の信号が出力される。これにより、比較器37aからは、既定のゲート信号G3aが出力される。また、タイマ出力制御信号En3aが「無効」を意味する論理レベルである場合、タイマ38aは無効化される。図4の構成例の場合、タイマ38aからは「論理1」の信号が出力される。これにより、ゲート信号G3aの出力は停止される。他の比較器37b~37d及びタイマ38b~38dにおいても同様の処理が行われるが、説明が重複するので、ここでの説明は省略する。
図5は、図3に示すステップS14の処理の説明に使用するフローチャートである。図5の各処理は、制御装置200によって実施される。
まず、ステップS141では、タイマ38a~38dが順次選択される。これにより、上述した既定のゲート信号G3a~G3dが生成され、平滑コンデンサ6が充電され、コンデンサ電圧Vdcが上昇する。ステップS142では、偏差ΔVdcの実効値ΔVdc_rmsが演算される。ステップS143では、実効値ΔVdc_rmsと第2の閾値である閾値Bとが比較される。実効値ΔVdc_rmsが閾値B以下である場合(ステップS143,Yes)、ステップS144に進む。一方、実効値ΔVdc_rmsが閾値Bを超えている場合(ステップS143,No)、ステップS141に戻り、ステップS141からの処理が繰り返される。以上のように、ステップS141~S143の処理では、実効値ΔVdc_rmsが閾値B以下になるまで、平滑コンデンサ6に対する充電制御が継続される。
ステップS144では、タイマ38a~38dが順次選択され、それぞれのタイマが選択されたときの各相におけるリアクタ電流の実効値が算出される。なお、ステップS144の処理では、電流検出器73に1相分の電流が流れるように、単位コンバータ100a~100dの動作が制御される。この制御により、電流検出器73は、リアクタ4a~4dのそれぞれに流れる電流、即ち選択された1つのリアクタのみに流れるリアクタ電流の実効値を検出することができる。
ステップS145では、ステップS144で算出されたリアクタ電流の実効値に基づいて、リアクタ4a~4d間のばらつき度合いを表す係数が算出される。ここでは、ばらつき度合いを表す係数を「ばらつき係数」と呼ぶ。ばらつき係数の具体的な算出式は、以下の(5)~(7)式で表すことができる。
k1=Ia_rms/Ib_rms……(5)
k2=Ia_rms/Ic_rms……(6)
k3=Ia_rms/Id_rms……(7)
上記(5)~(7)式において、Ia_rms,Ib_rms,Ic_rms,Id_rmsは、各リアクタ電流の実効値である。ばらつき係数k1,k2,k3は、高電流用制御器で使用される。
ステップS145の処理を終えると、呼び出し元である図3のフローチャートに戻る。図3に示されるように、合算電流Idcの実効値Idc_rmsが閾値A以下である場合には、ステップS14の処理が呼び出されて、上記の演算処理が繰り返し実施される。
上記の処理について補足する。ステップS141,S144では、タイマ38a~38dを順次選択して、既定のゲート信号G3a~G3dを生成しているが、これに限定されない。タイマ38a~38dの選択順序は任意である。
また、ステップS141では、4つのゲート信号を生成して4つの単位コンバータを動作させているが、複数のゲート信号を生成せず、1つのゲート信号によって1つの単位コンバータのみを動作させてもよい。なお、この場合、1つ又は特定のリアクタの温度が上昇しないように、ステップS141の処理の都度、動作させる単位コンバータを切り替えることが好ましいことは言うまでもない。
また、ステップS142では、偏差ΔVdcの実効値ΔVdc_rmsを算出しているが、これに限定されない。実効値ΔVdc_rmsに代えて、1キャリア周期における偏差ΔVdcの平均値を用いてもよい。
また、上記ステップS143では、実効値ΔVdc_rmsと、閾値Bとが等しい場合を“Yes”と判定しているが、“No”と判定してもよい。即ち、実効値ΔVdc_rmsと閾値Bとが等しい場合を“Yes”又は“No”の何れで判定してもよい。
また、上記(5)~(7)式は、a相におけるリアクタ電流の実効値Ia_rmsを基準とする算出式となっている。即ち、上記ステップS145では、a相を基準相としてばらつき係数k1,k2,k3を求めているが、これに限定されない。基準相は、a~d相のうちの何れかの相であればよい。
次に、高電流用制御器について説明する。図6は、実施の形態1の制御装置200内に構成される高電流用制御器40の構成例を示すブロック図である。図6に示す高電流用制御器40は、制御装置200に構成される。図7は、図6に示す高電流用制御器40内で生成されるキャリア信号の波形例を示す図である。
高電流用制御器40は、図6に示されるように、差分器41,44と、電圧制御器42と、乗算器43と、キャリア信号生成部45と、電流制御器46と、比較器47a,47b,47c,47dと、増幅器48b,48c,48dとを備える。電圧制御器42及び電流制御器46の例は、PI制御器である。以下では、電圧制御器42及び電流制御器46がPI制御器である場合を一例として説明する。
差分器41は、電圧指令値Vdc*と、コンデンサ電圧Vdcの検出値との偏差ΔVdcを演算する。電圧制御器42は、偏差ΔVdcをPI制御することによって、合算電流Idcの振幅指令値Idcrを生成する。
乗算器43では、合算電流Idcの振幅指令値Idcrに対して角周波数ω(=2πf)の正弦波信号の絶対値|sinωt|が乗算される。低電流用制御器30と同様に、fは電源周波数を表し、正弦波信号の絶対値|sinωt|は、交流電圧vacの位相に同期した信号である。
差分器44は、乗算器43の出力である合算電流Idcの指令値Idc*と、合算電流Idcとの偏差ΔIdcを演算する。電流制御器46は、偏差ΔIdcをPI制御することによって、デューティ指令Drefを生成する。
キャリア信号生成部45には、合算電流Idcが入力される。キャリア信号生成部45は、合算電流Idcに基づいてキャリア信号Car3a,Car3b,Car3c,Car3dを生成する。
図7には、4相インタリーブ方式の場合の各キャリア信号の例が示されている。4相の場合、各キャリア信号間の位相差は90°である。このため、a相を基準相とするとき、b相のキャリア信号Car3bは、a相のキャリア信号Car3aに対して90°の位相差を有している。また、c相のキャリア信号Car3cは、a相のキャリア信号Car3aに対して180°の位相差を有している。また、d相のキャリア信号Car3dは、a相のキャリア信号Car3aに対して270°の位相差を有している。
なお、図7では、各キャリア信号が、逆のこぎり波である場合を一例として示しているが、これに限定されない。各キャリア信号は、三角波又はのこぎり波であってもよい。
図6に戻り、比較器47aの+端子にはデューティ指令Drefが入力され、比較器47aの-端子にはキャリア信号Car3aが入力される。比較器47aは、デューティ指令Drefとキャリア信号Car3aの振幅値とを比較し、その比較結果を出力する。図示のように、比較器47aの出力がスイッチング素子3aへのゲート信号G3aとなる。
また、比較器47bの+端子には増幅器48bの出力が入力され、比較器47bの-端子にはキャリア信号Car3bが入力される。増幅器48bでは、上記(5)式に示されるばらつき係数k1がゲインとして付与される。即ち、高電流用制御器40で用いられる制御パラメータは、低電流用制御器30を動作させたときの演算結果を用いて設定される。これにより、比較器47bの+端子には、デューティ指令Drefをk1倍した信号が入力される。また、比較器47bの出力は、リアクタ4bのばらつき度合いに応じて調整されたゲート信号G3bとなる。
他の比較器47c,47dにおいても同様の処理が行われる。増幅器48cには、ばらつき係数k2がゲインとして付与される。比較器47cの+端子には増幅器48cの出力が入力され、比較器47cの-端子にはキャリア信号Car3cが入力される。比較器47cの出力は、リアクタ4cのばらつき度合いに応じて調整されたゲート信号G3cとなる。また、増幅器48dには、ばらつき係数k3がゲインとして付与される。比較器47dの+端子には増幅器48dの出力が入力され、比較器47dの-端子にはキャリア信号Car3dが入力される。比較器47dの出力は、リアクタ4dのばらつき度合いに応じて調整されたゲート信号G3dとなる。
なお、図6では、増幅器48b,48c,48dに付与されるゲインを、それぞれk1,k2,k3としているが、各増幅器の特性を考慮した調整用ゲインが付与されることを妨げるものではない。
図8は、実施の形態1に係る電力変換装置120の効果の説明に使用する図である。図9は、実施の形態1に係る電力変換装置120の効果の説明に使用する比較図である。図8及び図9に示す図は、何れも数値シミュレーションを行った結果を示すものである。具体的に、図8は、図6に示す高電流用制御器40において、増幅器48b,48c,48dによるゲイン調整を行った場合のシミュレーション結果である。これに対し、図9は、図6に示す高電流用制御器40において、増幅器48b,48c,48dによるゲイン調整を行わない場合のシミュレーション結果である。図8及び図9において、実線はa相のリアクタ電流の実効値、一点鎖線はb相のリアクタ電流の実効値、二点鎖線はc相のリアクタ電流の実効値、破線はd相のリアクタ電流の実効値を示している。なお、シミュレーションの条件として、インダクタ値La,Lb,Lc,Ldとの間に、La<Lb=Lc=Ldの関係がある。
前述の通り、単位コンバータ100aにおけるリアクタ4aは、他の3つの単位コンバータ100b,100c,100dにおけるリアクタ4b,4c,4dよりもインダクタ値が小さい。このため、ゲイン調整を行わない場合、図9に示されるように、b相、c相及びd相のリアクタ電流の実効値に比べて、a相のリアクタ電流の実効値は大きくなる。一方、実施の形態1におけるゲイン調整を行った場合、図8と図9とを比較すると、a相のリアクタ電流の実効値は小さくなり、b相、c相及びd相のリアクタ電流の実効値は大きくなっている。即ち、図8及び図9には、実施の形態1におけるゲイン調整によって、複数の単位コンバータ間におけるリアクタ電流が平準化されることが示されている。
以上説明したように、実施の形態1に係る電力変換装置は、低電流用制御器と高電流用制御器とを備える。電流検出器の検出値が第1の閾値以下である場合、第1の制御器が起動され、電流検出器の検出値が第1の閾値を超えた場合、第2の制御器が起動される。低電流用制御器は、電流検出器に1相分の電流が流れるように複数の単位コンバータを動作させる。高電流用制御器は、電流検出器及び電圧検出器の検出値に基づいて生成したデューティ指令と、キャリア信号との比較結果に基づいて複数の単位コンバータの動作を制御する。第2の制御器で用いられる制御パラメータは、第1の制御器を動作させたときの演算結果を用いて設定される。制御パラメータは、リアクタ間のばらつき度合いを含むものである。これにより、各相におけるリアクタ間に個体差がある場合であっても、リアクタ電流を平準化することができる。また、リアクタ電流が平準化されるので、特定のリアクタが高温となってしまう状況を回避することができる。これにより、リアクタが大型化するのを回避することができる。
また、実施の形態1に係る電力変換装置では、各相におけるリアクタ電流を個々に検出せずに、各相のリアクタ電流の合計値である合算電流に基づいて上述した制御を行うことができる。これにより、電流検出器の数は1つでよく、インタリーブの相数が増えた場合であっても、電流検出器の増加を抑制することができる。
実施の形態2.
実施の形態2では、実施の形態1で説明した電力変換装置120のモータ駆動装置への適用例について説明する。図10は、実施の形態2に係るモータ駆動装置150の構成例を示す図である。図10に示す実施の形態2に係るモータ駆動装置150では、図1に示す電力変換装置120の構成に、インバータ7a及びモータ7bが追加されている。
インバータ7aの出力側には、モータ7bが接続されている。モータ7bは、負荷機器の一例である。インバータ7aは、平滑コンデンサ6に蓄積された直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力をモータ7bに供給することでモータ7bを駆動する。図10に示すモータ駆動装置150は、送風機、圧縮機及び空気調和機といった製品に適用することが可能である。
図11は、実施の形態2の変形例に係るモータ駆動装置150Aの構成例を示す図である。図11に示すモータ駆動装置150Aでは、図10に示すモータ駆動装置150の構成において、平滑コンデンサ6とインバータ7aとの間に電流検出器74が追加されている。電流検出器74は、コンバータ回路10とインバータ7aとの間に流れる直流電流Idc2を検出する。電流検出器74によって検出された直流電流Idc2の検出値は、制御装置200に入力される。
実施の形態2の変形例に係るモータ駆動装置150Aのように、電流検出器74を備える構成である場合、低電流用制御器30と、高電流用制御器40との切り替えを電流検出器74の検出値に基づいて実施してもよい。具体的な制御は、以下の通りである。なお、電流検出器74を「第2の電流検出器」と呼ぶ場合がある。
制御装置200は、直流電流Idc2の検出値に基づいて、直流電流Idc2の実効値Idc2_rmsを演算する。制御装置200は、実効値Idc2_rmsと第3の閾値である閾値Cとを比較し、実効値Idc2_rmsが閾値C以下である場合、低電流用制御器30を起動する。一方、実効値Idc2_rmsが閾値Cを超えている場合、高電流用制御器40を起動する。電流検出器73に流れる合算電流Idcと、電流検出器74に流れる直流電流Idc2との間には相関関係がある。このため、直流電流Idc2の検出値に基づいて低電流用制御器30と高電流用制御器40との切り替え制御を行ってもよい。この制御によっても、実施の形態1と同等の効果を得ることができる。
なお、上記の制御に代え、直流電流Idc2の実効値Idc2_rmsが閾値C未満である場合に低電流用制御器30を起動し、直流電流Idc2の実効値Idc2_rmsが閾値C以上である場合に高電流用制御器40を起動してもよい。
図12は、図10に示すモータ駆動装置150を空気調和機に適用した例を示す図である。モータ駆動装置150の出力側にはモータ7bが接続されており、モータ7bは、圧縮要素504に連結されている。圧縮機505は、モータ7bと圧縮要素504とを備える。冷凍サイクル部506は、四方弁506a、室内熱交換器506b、膨張弁506c及び室外熱交換器506dを含む態様で構成されている。
空気調和機の内部を循環する冷媒の流路は、圧縮要素504から、四方弁506a、室内熱交換器506b、膨張弁506c、室外熱交換器506dを経由し、再び四方弁506aを経由して、圧縮要素504へ戻る態様で構成されている。モータ駆動装置150は、交流電源1より電力の供給を受け、モータ7bを回転させる。圧縮要素504は、モータ7bが回転することによって、冷媒の圧縮動作を実行し、冷媒を冷凍サイクル部506の内部で循環させることができる。
実施の形態2に係るモータ駆動装置150又は150Aによれば、実施の形態1に係る電力変換装置120を備えて構成される。これにより、実施の形態2に係るモータ駆動装置150又は150Aを適用した送風機、圧縮機及び空気調和機といった製品において、実施の形態1で説明した効果を得ることができる。
また、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、3a,3b,3c,3d スイッチング素子、4a,4b,4c,4d リアクタ、5a,5b,5c,5d 逆流阻止ダイオード、6 平滑コンデンサ、7a インバータ、7b モータ、10 コンバータ回路、20 整流回路、30 低電流用制御器、31,34,41,44 差分器、32,42 電圧制御器、33,43 乗算器、35 ばらつき検知部、36,46 電流制御器、37a,37b,37c,37d,47a,47b,47c,47d 比較器、38a,38b,38c,38d タイマ、40 高電流用制御器、45 キャリア信号生成部、48b,48c,48d 増幅器、71,72 電圧検出器、73,74 電流検出器、100a,100b,100c,100d 単位コンバータ、120 電力変換装置、150,150A モータ駆動装置、200 制御装置、200a プロセッサ、200b メモリ、504 圧縮要素、505 圧縮機、506 冷凍サイクル部、506a 四方弁、506b 室内熱交換器、506c 膨張弁、506d 室外熱交換器。

Claims (13)

  1. 1つのリアクタと、少なくとも1つのスイッチング素子とを有する単位コンバータを複数の相数分有し、複数の相数分の前記単位コンバータは互いに並列に接続され、交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路と、
    複数の前記リアクタのそれぞれに流れる電流の合計値を検出する電流検出器と、
    前記コンバータ回路の出力電圧を検出する電圧検出器と、
    前記電流検出器が1相分の電流を検出できるように複数の前記単位コンバータを順次動作させる第1の制御器と、
    前記電流検出器及び前記電圧検出器の検出値に基づいて生成したデューティ指令と、キャリア信号との比較結果に基づいて、複数の前記単位コンバータの動作を制御する第2の制御器と、
    を備え、
    前記電流検出器の検出値が第1の閾値以下である場合、前記第1の制御器が起動され、
    前記電流検出器の検出値が第1の閾値を超えた場合、前記第2の制御器が起動され、
    前記第2の制御器で用いられる制御パラメータは、複数の前記リアクタ間のインダクタ値のばらつき度合いを表すばらつき係数であり、
    前記第1の制御器は、電圧指令値と前記電圧検出器の検出値との偏差の実効値と第2の閾値とを比較し、前記偏差の実効値が前記第2の閾値以下である場合、前記ばらつき係数を算出する処理を行う
    電力変換装置。
  2. 1つのリアクタと、少なくとも1つのスイッチング素子とを有する単位コンバータを複数の相数分有し、複数の相数分の前記単位コンバータは互いに並列に接続され、交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路と、
    複数の前記リアクタのそれぞれに流れる電流の合計値を検出する電流検出器と、
    前記コンバータ回路の出力電圧を検出する電圧検出器と、
    前記電流検出器が1相分の電流を検出できるように複数の前記単位コンバータを順次動作させる第1の制御器と、
    前記電流検出器及び前記電圧検出器の検出値に基づいて生成したデューティ指令と、キャリア信号との比較結果に基づいて、複数の前記単位コンバータの動作を制御する第2の制御器と、
    を備え、
    前記電流検出器の検出値が第1の閾値以下である場合、前記第1の制御器が起動され、
    前記電流検出器の検出値が第1の閾値を超えた場合、前記第2の制御器が起動され、
    前記第2の制御器で用いられる制御パラメータは、複数の前記リアクタ間のインダクタ値のばらつき度合いを表すばらつき係数であり、
    前記第1の制御器は、前記スイッチング素子を駆動するためのゲート信号の生成に用いるタイマを相ごとに備え、
    複数の前記タイマの出力はタイマ出力制御信号によって制御され、
    前記タイマ出力制御信号は、複数の前記タイマの個々の出力を有効又は無効にする制御信号であり、
    前記タイマの出力が有効である場合には、前記ゲート信号が出力され、前記タイマの出力が無効である場合には前記ゲート信号の出力が停止され、
    前記第1の制御器は、前記ばらつき係数を算出する際には、前記タイマ出力制御信号によって、複数の前記タイマの出力タイミングを制御する
    力変換装置。
  3. 前記第1の制御器は、電圧指令値と前記電圧検出器の検出値との偏差の実効値と第2の閾値とを比較し、
    前記偏差が前記第2の閾値以下である場合、前記ばらつき係数を算出する処理を行う
    請求項に記載の電力変換装置。
  4. 前記第1の制御器は、複数の前記リアクタのそれぞれに流れる電流の実効値に基づいて前記ばらつき係数を算出する
    請求項1から3の何れか1項に記載の電力変換装置。
  5. 記制御パラメータは、前記第1の制御器を動作させたときの演算結果を用いて設定される
    請求項1から4の何れか1項に記載の電力変換装置。
  6. 前記第2の制御器は、前記電流検出器及び前記電圧検出器の検出値に基づいて生成したデューティ指令と、前記ばらつき係数とに基づいて前記スイッチング素子を駆動するためのゲート信号を生成する
    請求項からの何れか1項に記載の電力変換装置。
  7. 複数の前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体により形成されている
    請求項1からの何れか1項に記載の電力変換装置。
  8. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム、酸化ガリウム又はダイヤモンドである
    請求項に記載の電力変換装置。
  9. 請求項1からの何れか1項に記載の電力変換装置と、
    前記電力変換装置から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、を備える
    モータ駆動装置。
  10. 前記コンバータ回路と前記インバータとの間に流れる直流電流を検出する第2の電流検出器を備え、
    前記電流検出器の検出値を用いずに、前記第2の電流検出器の検出値を用いて前記第1の制御器と前記第2の制御器との切り替え制御を行う
    請求項に記載のモータ駆動装置。
  11. 請求項又は10に記載のモータ駆動装置を備える
    送風機。
  12. 請求項又は10に記載のモータ駆動装置を備える
    圧縮機。
  13. 請求項11に記載の送風機及び請求項12に記載の圧縮機の少なくとも一方を備える
    空気調和機。
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