JP7287759B2 - アクティブフィルタ装置、空調システム、高調波抑制方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、アクティブフィルタ装置、空調システム、高調波抑制方法及びプログラムに関する。

空調システムでは、インバータを用いて、圧縮機等を所望に回転駆動させることが知られている。このような空調システムでは、交流電力を直流に変換する整流回路の特性により、高調波が生じ易い。そのため、特に大きな電力を必要とする室外機側にアクティブフィルタを搭載し、高調波の抑制が図られている。

上述のアクティブフィルタに関連し、特許文献１には、室外電源装置及び室内電源装置へ入力される交流電流を検出する電流検出部と、電流検出部の電流検出結果に基づいて、交流電流の高調波成分を低減させる制御を行う高調波抑制部とを備えた空気調和装置が開示されている。

特開２００４－３６４４９１号公報

上述したように、空調システムで消費される電力は、室外機が支配的である。そのため、通常は、アクティブフィルタは室外機の動作で生じる高調波を抑制するように機能する。しかしながら、この場合、室内機の動作に基づいて発生する高調波については何らの抑制もされていないことになる。

他方、特許文献１のように、空調システム全体に入力される交流電流の高調波成分を抑制すべく、室外電源装置及び室内電源装置へ入力される交流電流を検出しようとする場合、室外機、室内機それぞれへの電流供給の分岐点よりも上流側で電流検出を行う必要がある。そうすると、大電流を検出可能な電流センサを用意する必要が生じ、製造コストの増加を招く。

本発明の目的は、安価な構成で、空調システムの駆動時における高調波の抑制効果を一層高めることができるアクティブフィルタ装置、空調システム、高調波抑制方法及びプログラムを提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、アクティブフィルタ装置は、交流電源に接続され、当該交流電源から室内機に向けて交流電力を供給するための室内機用電力線を有する室外機に搭載されるアクティブフィルタ装置である。アクティブフィルタ装置は、前記室外機が具備する整流回路の出力側を短絡可能に接続されたスイッチング素子と、前記整流回路の出力側に流れる電流を検出可能に設置された室外機電流検出センサと、前記室内機用電力線に流れる電流を検出可能に設置された室内機電流検出センサと、前記室外機電流検出センサを介して室外機電流を取得し、前記室内機電流検出センサを介して室内機電流を取得し、前記室外機電流及び前記室内機電流の総和である全電流が正弦波となるように前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うアクティブフィルタ制御部と、を備える。

また、本発明の第２の態様によれば、前記室外機電流検出センサは、シャント抵抗による電圧降下に基づいて、前記整流回路の出力側に流れる電流を検出する。

また、本発明の第３の態様によれば、前記室内機電流検出センサは、クランプ式の電流センサである。

また、本発明の第４の態様によれば、空調システムは、上述のアクティブフィルタ装置を備える。

また、本発明の第５の態様によれば、高調波抑制方法は、交流電源に接続され、当該交流電源から室内機に向けて交流電力を供給するための室内機用電力線を有する室外機に搭載され、前記室外機が具備する整流回路の出力側を短絡可能に接続されたスイッチング素子と、前記整流回路の出力側に流れる電流を検出可能に設置された室外機電流検出センサと、前記室内機用電力線に流れる電流を検出可能に設置された室内機電流検出センサと、を備えるアクティブフィルタ装置を用いた高調波抑制方法である。高調波抑制方法は、前記室外機電流検出センサを介して室外機電流を取得するステップと、前記室内機電流検出センサを介して室内機電流を取得するステップと、前記室外機電流及び前記室内機電流の総和である全電流が正弦波となるように前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うステップと、を有する。

また、第６の態様によれば、プログラムは、交流電源に接続され、当該交流電源から室内機に向けて交流電力を供給するための室内機用電力線を有する室外機に搭載され、前記室外機が具備する整流回路の出力側を短絡可能に接続されたスイッチング素子と、前記整流回路の出力側に流れる電流を検出可能に設置された室外機電流検出センサと、前記室内機用電力線に流れる電流を検出可能に設置された室内機電流検出センサと、を備えるアクティブフィルタ装置のコンピュータに、前記室外機電流検出センサを介して室外機電流を取得するステップ、前記室内機電流検出センサを介して室内機電流を取得するステップ、前記室外機電流及び前記室内機電流の総和である全電流が正弦波となるように前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うステップを実行させる。

上記態様のうち少なくとも１つの態様によれば、安価な構成で、空調システムの駆動時における高調波の抑制効果を一層高めることができる。

第１の実施形態に係る空調システムの全体構成を示す図である。 第１の実施形態に係るアクティブフィルタ制御部の処理フローを示す図である。 第１の実施形態に係るアクティブフィルタ装置の作用、効果を説明するための図である。 第１の実施形態に係るアクティブフィルタ装置の作用、効果を説明するための図である。

＜第１の実施形態＞
以下、第１の実施形態に係るアクティブフィルタ装置、及び、これを備える空調システムについて、図１～図４を参照しながら説明する。

（車載空調機制御装置の全体構成）
図１は、第１の実施形態に係る空調システムの全体構成を示す図である。
空調システム１は、室外機１Ａ及び室内機１Ｂを有してなる空調システムである。本実施形態に係る空調システム１は、いわゆるパッケージエアコンであって、室外機１Ａが交流電源２に接続される。ここで、交流電源２は、通常の商用電力系統である。この場合、室外機１Ａは、交流電源２から直接供給される交流電力に基づいて動作する。また、室内機１Ｂは、室外機１Ａから分岐する電力線（後述する室内機用電力線ＰＢ）を介して交流電力の供給を受け、これに基づいて動作する。
このように、本実施形態に係る空調システム１の室外機１Ａは、交流電源２から室内機１Ｂに向けて交流電力を供給するための室内機用電力線ＰＢを有する。

なお、以下の説明では、室外機１Ａ及び室内機１Ｂそれぞれが具備する各構成において、交流電源２に近い側を「上流側」とも表記し、負荷（圧縮機用モータ１３ａ等）に近い側を「下流側」とも表記する。

図１に示すように、室外機１Ａは、アクティブフィルタ装置１０と、整流回路１１と、インバータ回路１２ａ、１２ｂと、圧縮機用モータ１３ａと、ファンモータ１３ｂと、を備えている。また、アクティブフィルタ装置１０は、アクティブフィルタ制御部１００と、アクティブフィルタ回路１０１と、室外機電流検出センサ１０２と、室内機電流検出センサ１０３とを有してなる。更に、アクティブフィルタ回路１０１は、スイッチング素子ＳＷ１と、リアクタＬ１と、ダイオードＤ１と、電解コンデンサＣ１とを有してなる。

室外機１Ａは、電源接続端子Ｔを介して交流電源２に接続される。
交流電源２から供給された交流電力は、まず、室外機１Ａ内部の主電力線Ｐによって伝送される。主電力線Ｐは、空調システム１（室外機１Ａ及び室内機１Ｂ）全体に供給される交流電力（交流電流）を伝送する電力線である。図１に示すように、主電力線Ｐは、その下流側において、室外機用電力線ＰＡ及び室内機用電力線ＰＢに分岐する。
室外機用電力線ＰＡは、交流電源２から供給される交流電力（交流電流）のうち、室外機１Ａの負荷（圧縮機用モータ１３ａ、ファンモータ１３ｂ）を駆動させるための交流電力を伝送する電力線である。
室内機用電力線ＰＢは、交流電源２から供給される交流電力（交流電流）のうち、室内機１Ｂの負荷（ファンモータ１６）を駆動させるための交流電力を伝送する電力線である。

室外機１Ａの整流回路１１は、室外機用電力線ＰＡを通じて伝送された交流電力を整流する回路である。整流回路１１は、例えば、一般的なダイオードブリッジ全波整流回路等であってよい。整流回路１１の出力線である高電位出力線αからは、整流後の高電位が出力される。整流回路１１の出力線である低電位出力線βからは、整流後の低電位が出力される。

インバータ回路１２ａ、１２ｂは、整流回路１１によって整流され、電解コンデンサＣ１等によって平滑化されてなる直流電圧に基づいて、所望の交流電力を生成するための電力変換回路である。インバータ回路１２ａ及びインバータ回路１２ｂは、高電位出力線α及び低電位出力線βに対し、互いに並列に接続される。インバータ回路１２ａは、圧縮機用モータ１３ａを所望する回転数で回転駆動させるための交流電力を生成する。また、インバータ回路１２ｂは、ファンモータ１３ｂを所望する回転数で回転駆動させるための交流電力を生成する。

次に、室外機１Ａに搭載されたアクティブフィルタ装置１０の各構成について詳しく説明する。

アクティブフィルタ制御部１００は、いわゆるマイコンであって、予め用意されたプログラムに従って動作する。アクティブフィルタ制御部１００は、後述する室外機電流検出センサ１０２、室内機電流検出センサ１０３から取得する電流検出結果に基づいて、アクティブフィルタ回路１０１が具備するスイッチング素子ＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦを制御する。アクティブフィルタ制御部１００の具体的な動作については後述する。

アクティブフィルタ回路１０１は、整流回路１１とインバータ回路１２ａ（及びインバータ回路１２ｂ）との間に設けられる。
アクティブフィルタ回路１０１の電解コンデンサＣ１は、整流回路１１の高電位出力線αと低電位出力線βとの間に接続され、整流回路１１によって整流された電圧を平滑化し、直流電圧を生成する。
アクティブフィルタ回路１０１のスイッチング素子ＳＷ１は、ＯＮ状態となった場合に、整流回路１１の高電位出力線αと低電位出力線βとの間を接続（短絡）する。スイッチング素子ＳＷ１がＯＮ状態になると、瞬時的に高電位出力線αから低電位出力線βに電流が流れようとするが、リアクタＬ１によって当該電流の変化が抑制される。アクティブフィルタ制御部１００によってスイッチング素子ＳＷ１が適切にスイッチングされることで、整流回路１１の出力側（下流側）に流れる電流が全体として正弦波に形成される。ダイオードＤ１は、スイッチング素子ＳＷ１がＯＮした際に、下流側からの電流の逆流を防止する。

室外機電流検出センサ１０２は、低電位出力線βのうち、スイッチング素子ＳＷ１よりも上流側に設置される抵抗素子（シャント抵抗）である。この抵抗素子に発生する降下電圧は、整流回路１１の出力側（アクティブフィルタ回路１０１、インバータ回路１２ａ、圧縮機用モータ１３ａ等）に流れる電流を示す。なお、室外機電流検出センサ１０２が配置される位置は、本実施形態に限定されず、例えば高電位出力線αに設けられていてもよい。

室内機電流検出センサ１０３は、クランプ式の電流センサであって、室内機用電力線ＰＢに設置される。

次に、室内機１Ｂについて説明する。
図１に示すように、室内機１Ｂは、整流回路１４と、インバータ回路１５とファンモータ１６とを有してなる。
整流回路１４は、室外機１Ａが具備する整流回路１１と同様に、交流電源２から供給される交流電力を整流する。整流回路１４によって整流された電圧は、電解コンデンサＣ２及びリアクタＬ３によって平滑化される。
インバータ回路１５は、整流回路１４によって整流され、電解コンデンサＣ２等によって平滑化されてなる直流電力を、所望の交流電力に変換する。インバータ回路１５は、ファンモータ１６を回転駆動させるための交流電力を生成する。

（アクティブフィルタ制御部の処理フロー）
図２は、第１の実施形態に係るアクティブフィルタ制御部の処理フローを示す図である。
図２に示す処理フローは、空調システム１の稼働中、アクティブフィルタ制御部１００によって定常的に繰り返し実行される。

アクティブフィルタ制御部１００は、室外機電流検出センサ１０２（シャント抵抗）に生じる電圧降下に基づいて室外機１Ａの整流回路１１の出力側に流れる電流を取得する（ステップＳ０１）。以下、室外機電流検出センサ１０２を通じて取得される電流を「室外機電流」とも記載する。
次に、アクティブフィルタ制御部１００は、室内機電流検出センサ１０３を通じて、室内機用電力線ＰＢに流れる電流を取得する（ステップＳ０２）。以下、室内機電流検出センサ１０３を通じて取得される電流を「室内機電流」とも記載する。
次に、アクティブフィルタ制御部１００は、ステップＳ０１で取得した室外機電流と、ステップＳ０２で取得した室内機電流との総和である全電流を演算する（ステップＳ０３）。
次に、アクティブフィルタ制御部１００は、ステップＳ０３で演算した全電流が全体として正弦波となるために、整流回路１１の出力側で更に流すべき電流（以下、「アクティブフィルタ出力電流」とも記載する。）の量を演算する（ステップＳ０４）。
そして、アクティブフィルタ制御部１００は、ステップＳ０４で求めたアクティブフィルタ出力電流の演算値に応じて、スイッチング素子ＳＷ１をＯＮ／ＯＦＦさせるスイッチング制御信号を出力する（ステップＳ０５）。

（作用、効果）
図３、図４は、それぞれ、第１の実施形態に係るアクティブフィルタ装置の作用、効果を説明するための図である。
まず、図３を参照しながら、本実施形態の対比例に係るアクティブフィルタ装置による作用を説明する。ここで、「対比例に係るアクティブフィルタ装置」は、第１の実施形態に係る室内機電流検出センサ１０３を具備せず、室外機電流検出センサ１０２によって検出される電流のみに基づいて高調波の抑制を行うアクティブフィルタ装置であるものとする。

図３に示す室外機電流ＩＡ’は、アクティブフィルタ装置の適用前の室外機電流（室外機電流検出センサ１０２によって検出される電流）である。アクティブフィルタ装置が適用されない場合、整流回路１１の出力側に流れる電流は、急峻に変化し、高調波を含むものとなる。対比例に係るアクティブフィルタ装置は、室外機電流検出センサ１０２を通じて当該電流を取得し、スイッチング素子ＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。これにより、正弦波に形成された室外機電流ＩＡを得ることができる（図３上段の図参照）。
しかしながら、実際には、図３に示すように、室内機電流ＩＢも高調波を含む電流となっている（図３中段の図参照）。そのため、空調システム１全体に流れる電流（全電流Ｉ）は、室内機電流ＩＢに基づく高調波成分が含まれている（図３下段の図参照）。

次に、図４を参照しながら、第１の実施形態に係るアクティブフィルタ装置１０による作用を説明する。

図２で説明した処理フローによれば、図４に示すように、アクティブフィルタ制御部１００は、室外機電流ＩＡと室内機電流ＩＢとの総和である全電流Ｉが正弦波となるようにアクティブフィルタ回路１０１の制御を行う（図２のステップＳ０４）。この結果として、アクティブフィルタ制御部１００は、室外機電流ＩＡが、目標とすべき正弦波から室内機電流ＩＢを差し引いた電流波形となるようにスイッチング制御を行う。

以上のとおり、第１の実施形態に係るアクティブフィルタ装置１０によれば、室内機１Ｂに流れる電流を含む全電流Ｉが正弦波となるように制御される（図４参照）。したがって、高調波の抑制効果を一層高めることができる。
また、第１の実施形態に係るアクティブフィルタ装置１０は、室外機１Ａのうち、室内機用電力線ＰＢに流れる電流のみを検出可能な室内機電流検出センサ１０３を有している。

ここで、室内機１Ｂに流れる電流を含む全電流Ｉを正弦波とする場合、主電力線Ｐ（図１参照）に流れる電流を検出すればよいとも考えられる。しかしながら、主電力線Ｐに流れる電流は室外機１Ａ、室内機１Ｂ両方に流れる電流の総和であるから、大電流が流れることとなる。大電流を検出可能な電流センサは、サイズが大きく、かつ、高価なものとなるため、省サイズ、省コストの観点から不利になる。
他方、室内機用電力線ＰＢに流れる電流のみに限れば、クランプ式の電流センサを小さく安価なものとすることができる。

以上のとおり、本発明に係るいくつかの実施形態を説明したが、これら全ての実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。上述の実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上述の実施形態及びその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 空調システム
１Ａ 室外機
１Ｂ 室内機
１０ アクティブフィルタ装置
１００ アクティブフィルタ制御部
１０１ アクティブフィルタ回路
１０２ 室外機電流検出センサ
１０３ 室内機電流検出センサ
１１ 整流回路
１２ａ、１２ｂ インバータ回路
１３ａ 圧縮機用モータ
１３ｂ ファンモータ
１４ 整流回路
１５ インバータ回路
１６ ファンモータ
２ 交流電源
Ｔ 電源接続端子
Ｐ 主電力線
ＰＡ 室外機用電力線
ＰＢ 室内機用電力線
ＳＷ１ スイッチング素子
Ｄ１ ダイオード
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ リアクタ
Ｃ１、Ｃ２ 電解コンデンサ

Claims (4)

1. 交流電源に接続され、当該交流電源から室内機に向けて交流電力を供給するための室内機用電力線を有する室外機に搭載されるアクティブフィルタ装置であって、
   前記室外機が具備する整流回路の出力側を短絡可能に接続されたスイッチング素子と、
   前記整流回路の出力側に流れる電流を検出可能に設置された室外機電流検出センサと、
   前記室内機用電力線に流れる電流を検出可能に設置された室内機電流検出センサと、
   前記室外機電流検出センサを介して室外機電流を取得し、前記室内機電流検出センサを介して室内機電流を取得し、前記室外機電流及び前記室内機電流の総和である全電流が正弦波となるように前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うアクティブフィルタ制御部と、を備え、
   前記室外機電流検出センサは前記整流回路の下流側に設けられたシャント抵抗であり、かつ、前記室内機電流検出センサは前記整流回路の上流側から分岐して室内機へと向かう前記室内機用電力線に設けられたクランプ式の電流センサである、
   アクティブフィルタ装置。
2. 請求項１に記載のアクティブフィルタ装置を備える
   空調システム。
3. 交流電源に接続され、当該交流電源から室内機に向けて交流電力を供給するための室内機用電力線を有する室外機に搭載され、前記室外機が具備する整流回路の出力側を短絡可能に接続されたスイッチング素子と、前記整流回路の出力側に流れる電流を検出可能に設置された室外機電流検出センサと、前記室内機用電力線に流れる電流を検出可能に設置された室内機電流検出センサと、を備えるアクティブフィルタ装置を用いた高調波抑制方法であって、
   前記室外機電流検出センサを介して室外機電流を取得するステップと、
   前記室内機電流検出センサを介して室内機電流を取得するステップと、
   前記室外機電流及び前記室内機電流の総和である全電流が正弦波となるように前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うステップと、
   を有し、
   前記室外機電流検出センサは前記整流回路の下流側に設けられたシャント抵抗であり、かつ、前記室内機電流検出センサは前記整流回路の上流側から分岐して室内機へと向かう前記室内機用電力線に設けられたクランプ式の電流センサである、
   高調波抑制方法。
4. 交流電源に接続され、当該交流電源から室内機に向けて交流電力を供給するための室内機用電力線を有する室外機に搭載され、前記室外機が具備する整流回路の出力側を短絡可能に接続されたスイッチング素子と、前記整流回路の出力側に流れる電流を検出可能に設置された室外機電流検出センサと、前記室内機用電力線に流れる電流を検出可能に設置された室内機電流検出センサと、を備えるアクティブフィルタ装置のコンピュータに、
   前記室外機電流検出センサを介して室外機電流を取得するステップ、
   前記室内機電流検出センサを介して室内機電流を取得するステップ、
   前記室外機電流及び前記室内機電流の総和である全電流が正弦波となるように前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うステップ
   を実行させるプログラムであって、
   前記室外機電流検出センサは前記整流回路の下流側に設けられたシャント抵抗であり、かつ、前記室内機電流検出センサは前記整流回路の上流側から分岐して室内機へと向かう前記室内機用電力線に設けられたクランプ式の電流センサである、
   プログラム。

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