JPH061419B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 産業上の利用分野 この発明は、たとえば空調装置などで使用される交流電
動機を駆動させる逆変換手段（以下インバータと記す）
を具備した電力変換装置に関し、とくにインバータに直
流電力を供給する太陽電池を具備した装置に関する。

(ロ) 従来の技術 インバータ技術の向上により、汎用電動機を小型・安価
な可変変速装置により駆動することが可能と成り、空調
用コンプレッサにも適用され、優れた省電力効果により
普及が高まっている。一方、省電力化については、太陽
電池の製造技術の向上に伴って一般機器にその発電電力
を利用することが可能となり、自家の消費電力を低減す
る要求が高まりつつある。前記空調装置は、インバータ
によって省電力化がはかられたものの、電力需給の面で
は、夏期におけるピーク電力の発生など問題を含んでい
る。

第５図はインバータ可変速駆動方式を採用した空調装置
における電力変換装置を示すものである。(30)は商用電
源であり、整流回路(31)によって中間直流電源となる。
インバータ(32)は、この直流を再び可変電圧・周波数の
三相交流電力に変換し、モータ(33)を変速制御する。イ
ンバータ(32)は、主回路のトランジスタ(34)〜(39)６個
より成り、一相分の出力電圧は中間直流電源の正負極間
に直列接続された２対のトランジスタアームの相補なス
イッチング動作により、一例として第６図のような疑似
正弦波ＰＷＭ制御が行われる。他の二相についても互い
に１２０°の位相差を持った同じパルス波形を出力し、
三相交流を得る。またもインバータ(32)は前述のように
モータ(33)に対して印加する電圧値と周波数の比が一定
値を持って比例関係にある、いわゆるＶ／Ｆ一定の交流
電圧を出力する。モータ(33)の入力は、一般に圧縮機が
定トルク運転であるから出力周波数に比例した特性とな
る。インバータ(32)は、空調に必要な冷凍能力に応じ
て、前記ＰＷＭパルスを変化させてモータ(33)の回転数
を調節する。(40)はノイズフィルタである。

一方、中間直流電源を太陽電池など直接に直流を発生す
る電源で構成した例としては、特開昭59-70186号公報に
示されているように、インバータは、直流電源との整合
機能が必要となる。つまり、太陽電池であれば最大電力
追尾（直流電圧一定）制御を行ない日射エネルギーの利
用率を高めることが省電力の主旨からも必要である。

第７図はその例を示し、太陽電池(41)の出力電圧を検出
器(42)で検出し、インバータ(32)出力を調節することに
より最大電力動作点にたもつように制御回路(43)は動作
する。

(ハ) 発明が解決しようとする問題点 しかしながら、太陽電池の発電電力は、日射エネルギー
との相関により大きく変化する変動発電であるから、イ
ンバータの必要とする電力以上に発電できる場合に最大
電力追尾制御を行なうことは、空調装置の機能を維持こ
とに不都合な場合がある。従って、通常は、直流動作点
を最大電力点より移動して発電電力を抑制する。逆に、
発電電力が不足する場合においても、同様に空調装置の
機能を充分に発揮できない支障が生じる。

この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので商用電源
に対する省電力化、また合わせてピーク電力の抑制に貢
献すること、更に太陽電池の発電電力を有効に利用する
ことができる電力変換装置を提供しようとするものであ
る。

(ニ) 問題点を解決するための手段 この発明の構成は、商用電源からの交流を整流する整流
手段と、前記整流手段の出力する直流を可変電圧・可変
周波数の交流に変換する逆変換手段とを具備する電力変
換装置において、前記整流手段に並列に接続されて前記
逆変換手段にその発電電力を併給する太陽電池と、前記
太陽電池の発電電圧の変動を検出する電圧検出手段と、
前記発電電圧が所定の電圧を超えた際に前記電圧検出手
段が出力する出力信号に対応して、前記逆変換手段が商
用電源と同一の出力電圧および周波数の交流を出力する
よう逆変換手段を制御する制御手段と、前記逆変換手段
が制御されて商用電源と同一の出力電圧と周波数の交流
を出力した際に前記逆変換手段の出力端を前記整流手段
の入力端に接続する回生接続手段とを具備したことを特
徴する電力変換装置である。

(ホ) 作用 電圧検出手段が、太陽電池の発電電圧が所定の電圧を超
えたことを制御手段に伝達する。これによって、制御手
段は商用電源と同一の出力電圧および周波数の交流を逆
変換手段が出力するよう逆変換手段を制御し、逆変換手
段が商用電源と同一の出力電圧および周波数の交流を出
力した時点で回生接続手段が作動し、太陽電池からの余
剰電力を商用電源へ回生する。

(ヘ) 実施例 以下この発明の実施例を図面にて詳述するが、この発明
が以下の実施例に限定されるものではない。

第１図に示すものは、空調装置にて実施される場合で、
(1)は商用電源で、この実施例においては三相交流であ
り、リアクトル(2)を介して整流手段(3)に接続される。
整流手段(3)はたとえばダイオードで構成される三相全
波整流回路やサイリスタまたはサイリスタとダイオード
で構成される整流回路が好適である。商用電源(1)は整
流手段(3)により整流平滑されて中間直流電源となる。
リアクトル(2)は、コンデンサインプット形整流回路の
特徴であるところの、流通角が狭くて波高値が高い入力
電流波形を抑制し、力率を改善するために挿入するもの
である。(4)は太陽電池で、整流手段(3)からの直流電流
の流入を阻止するダイオード(5)を介して整流手段(3)の
出力端に並列に接続されるもので、その電圧・電流特性
により出力電力が最大値となる最適動作電圧を持ってい
る。最適動作電圧は、太陽電池アレイの直列構成数によ
り調節することが可能であり、中間直流電源の電圧値と
ほぼ同じ値に選ばれる。(6)は逆変換手段（以下インバ
ータと記す）で、ノイズフィルタ(7)を介して整流手段
(3)に接続される。インバータ(6)およびノイズフィルタ
(7)は従来公知のものであってもよい。インバータ(6)は
制御手段(8)によって出力電力を制御される。制御手段
(8)には、太陽電池(4)の発電電圧の変動を検出する電圧
検出手段(9)と、必要な空調装置の冷凍能力に相当する
インバータ(6)の出力周波数を制御手段(8)に指令する空
調制御回路(10)とが接続される。(11)はコンプレッサの
モータであり、インバータ(6)の出力端に接続される。
(12)は回生接続手段で、インバータ(6)の出力電圧を変
成する電圧変成器(13)と、商用電源(1)の出力電圧を変
成する電圧変成器(14)と、電圧変成器(13)と電圧変成器
(14)とが接続されて、インバータ(6)と商用電源(1)との
それぞれの出力電圧と周波数とを比較する同期検定回路
(15)と、同期検定回路(15)がインバータ(6)と商用電源
(1)とのそれぞれの出力電圧と周波数とが同期にした際
に閉成してインバータ(6)の出力端と整流手段(3)の入力
端とを接続する回生スイッチ(16)とで構成される。

つぎに第２〜４図を交じえて、この実施例の動作につい
て説明する。

中間直流電源の電圧値は、負荷であるインバータ(6)が
定格運転時に約250Vとなり、太陽電池(4)が発電してい
ない場合および太陽電池(4)と商用電源の双方からイン
バータ(6)に電力を供給している時の中間直流電源の電
圧は、ほぼ商用電源の電圧によって決定される。

インバータ(6)の入力電力は、空調装置の運転状態によ
り負荷の圧縮機が必要とする動力によって決められる。
従って、太陽電池(4)の発電電力が必要量を上回った場
合は、商用電源(1)からの給電は無く、中間直流電源の
電圧はインバータ入力電力と太陽電池(4)の出力特性に
よってのみ決まる。第２図は、太陽電池(4)の出力特性
と中間直流電源の電圧との関係示している。Ｖ_Ｂは、商
用電源(1)のみ又は太陽電池(4)との併給状態での中間直
流電源の電圧値である。そして太陽電池の最適動作電圧
Ｖ_ｏｐは、併給電圧Ｖ_Ｂと等しく設計される。

いま、インバータ(6)の入力電力をＰ_１とすると、太陽
電池(4)の出力特性が曲線Ｓ_１のときは、直流動作点が
併給電圧Ｖ_Ｂであるから太陽電池(4)の出力電力はＱ_１
であるが、日射が増加し出力特性が曲線Ｑ_２になると直
流動作点は、出力電力がＰ_１と等しい点の動作電圧Ｖ_２
になり、最適動作電圧Ｖ_ｏｐよりはずれて高い電圧にな
る。電圧検出手段(9)は、中間直流電源の電圧値を検出
し、その値が、併給電圧Ｖ_Ｂより高く設定された設定電
圧Ｖ_１をこえると信号「Ｈ」を出力し、また併給電圧Ｖ
_Ｂを下回ると信号「Ｌ」を出力するようなヒステリシス
コンパレータで構成されている。

制御手段(8)は、電圧検出手段(9)の出力が「Ｈ」になる
と、空調機能がその時に必要な電力値を上回る余剰電力
を発電している状態であるが、インバータ(6)の出力周
波数が商用電源(1)の周波数未満であれば出力（インバ
ータ入力）を増加させるためにインバータ(6)の出力周
波数を上昇させる。インバータ(6)の出力が商用電源(1)
の周波数に達しても「Ｈ」の状態であれば、回生スイッ
チ(16)を投入しインバータ(6)の出力端を商用電源(1)に
直結し、中間直流電源の電圧値を設定電圧Ｖ_１に降下さ
せるようにインバータ出力電力を増加させる。この場
合、必要な空調装置の冷凍能力に相当するインバータ
(6)の出力周波数が空調制御回路(10)から指令されてい
るが、前記の電圧検出手段(9)から「Ｈ」信号が出され
ると空調制御回路(10)からの周波数指令に優先してイン
バータ(6)の出力周波数を上昇させ商用電源(1)の周波数
に近づける。電圧変成器13,14は、それぞれ商用電源(1)
およびインバータ出力電圧を同期検出回路(15)の信号レ
ベルまで降圧し、同期検定回路(15)に入力する。制御手
段(8)は、前記のように出力周波数が商用電源(1)の周波
数に一致した状態では、商用電源(1)の電圧とインバー
タ出力電圧の位相を一致させた同期運転状態となる。こ
の状態おいても、なお電圧検出手段(9)の出力が「Ｈ」
であれば、制御手段(8)は、出力周波数を同期状態のま
ま出力電圧のみを上昇させる動作は、前記の通りであ
る。ここで、回生スイッチ(16)の投入は、インバータ出
力が商用電源(1)の電圧と位相同期したことを同期検定
回路(15)により確認して行なわれるから、インバータ
(6)の出力周波数が商用電源(1)に一致すると、モータ(1
1)は一定回転数となり、インバータ(6)の出力は商用電
源(1)の電圧によって拘束される。従って、インバータ
出力電圧を増加させることは結果的に中間直流電源の電
圧を低下させる。第３図は、この実施例の空調装置の冷
凍サイクル装置(17)を示す。コンプレッサ(18)は、15Hz
〜60Hzのモータ駆動周波数で規定の能力を発揮するよう
に設計されている。

第２図を用いて更に詳しく動作を説明すると、点Ｑ
_１は、太陽電池(4)の発電電力とインバータ入力電力が
一致するような日射条件Ｃ_１の場合であり、中間直流電
源の電圧が併給電圧Ｖ_Ｂとなる。ここで日射条件が変わ
り出力特性が曲線Ｓ_２に変化すると、インバータ(6)の
入力が変わらないと仮定すると、中間直流電源の電圧は
Ｖ_２まで上昇するが、電圧検出手段(9)が「Ｈ」を出力
するから制御手段(8)は、出力周波数を増加させてイン
バータ出力（入力）を増加させ、中間直流電源の電圧を
降下させる。中間直流電源の電圧が併給電圧Ｖ_Ｂまで低
下すると電圧検出手段(9)の出力は「Ｌ」となり、今度
は逆にインバータ出力を低下させるように動作し、中間
直流電源の電圧を高める。この様にして、併給電圧Ｖ_Ｂ
と設定電圧Ｖ_１間を往復しながら太陽電池(4)の発電電
力とインバータ(6)の入力（出力電圧・周波数制御）を
バランスさせる。しかしながら、更に日射条件が向上し
て曲線Ｓ_３になると、インバータ出力周波数が上限であ
る商用電源(1)の周波数に達し、それ以上にインバータ
入力電力を増加させることができなくなる。

第４図は、インバータ(6)の動作特性を示し、入力電力
は、破線で表わしたようにコンプレッサ(18)の負荷特性
によりほぼ周波数に比例して増加する。また、出力電圧
は、実線で示すように、60Hz以下では周波数に比例した
特性となる。60Hzに達してもインバータ入力を増加させ
る指令（電圧検出手段(9)の出力が「Ｈ」）がある場合
は、前記の通り同期化の後に商用電源(1)と並列運転し
て出力電圧のみを増加させ（第４図の実線は、並列接続
しない場合を示すが、並列接続されるとインバータ出力
電圧は商用電源(1)の電圧に拘束される）電力回生を行
なう。

以上の動作において、唯一問題となる点は、要求してい
るコンプレッサ(18)の回転数と違う、より高い回転数で
運転され、過剰な冷房能力となることである。この実施
例では、この点を改良するためには、第３図に示すよう
に冷凍サイクル装置(17)には受液器（液だめ）(19)を設
けている。つまり、太陽電池(4)の発電電力量、冷凍能
力および使用条件によって発生する余剰電力又は逆に不
足電力の量に見合った緩衝機能を付加する。

(20)はバルブ、(21)は蒸発器、(22)は凝縮器で、従来公
知のものが使用される。

(ト) 発明の効果 この発明によれば、インバータの出力周波数が商用周波
数まで増加し、かつ中間直流電源の電圧値が一定値以上
になったことにより余剰電力の発生が容易に検出でき回
生動作が正確に行なえる電力変換装置が得られる。また
太陽電池の発電が圧縮機の必要とする電力以上となって
も、太陽電池の発電効率を低下させることが無く、全て
の電力が有効に利用される。したがって、空調装置に利
用された場合、圧縮機の定格以上の太陽電池容量を付設
することが可能となり、発電ピーク時には需要家の消費
電力を節電でき、更に、受液器の容量を適当に設計すれ
ば昼間の発電電力を冷凍液の状態で貯蔵し夜間の冷房に
利用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を含む空調装置の電気回路
図、第２図は太陽電池の出力特性と中間直流電源の電圧
との関係を示すグラフ、第３図は空調装置のうち冷凍サ
イクル装置の構成を示す構成図、第４図はインバータの
動作特性を示すグラフ、第５図は従来例電気回路図、第
６図は第５図のインバータを抑制するＰＷＭパルス波形
図、第７図は他の従来例ブロック図である。 (1)……商用電源、(3)……整流手段、 (4)……太陽電池、(6)……逆変換手段、 (8)……制御手段、(9)……電圧検出手段、 (12)……回生接続手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】商用電源からの交流を整流する整流手段
   と、前記整流手段の出力する直流を可変電圧・可変周波
   数の交流に変換する逆変換手段とを具備する電力変換装
   置において、前記整流手段に並列に接続されて前記逆変
   換手段にその発電電力を併給する太陽電池と、前記太陽
   電池の発電電圧の変動を検出する電圧検出手段と、前記
   発電電圧が所定の電圧を超えた際に前記電圧検出手段が
   出力する出力信号に対応して、前記逆変換手段が商用電
   源と同一の出力電圧および周波数の交流を出力するよう
   逆変換手段を制御する制御手段と、前記逆変換手段が制
   御されて商用電源と同一の出力電圧と周波数の交流を出
   力した際に前記逆変換手段の出力端を前記整流手段の入
   力端に接続する回生接続手段とを具備したことを特徴す
   る電力変換装置。