JPWO2017064816A1 - 電力変換装置、および、それを備えた冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の実施の形態1に係る電力変換装置の構成図である。
本実施の形態1に係る電力変換装置は、昇圧コンバーター部3の電流制御に、フィードバック制御手段として、繰り返し制御を行う繰り返し制御部24(後述する図4参照)と、繰り返し制御に用いる位相角算出部11と、を備えたものである。
なお、昇圧コンバーター部3のスイッチング素子8のスイッチングは、スイッチング制御部10によって行われる。
三相交流電源1から供給された交流電圧は、三相整流器2で整流されて直流電圧に変換される。その直流電圧は、スイッチング制御部10により昇圧コンバーター部3のスイッチング素子8のON/OFFが制御され、そのチョッピングにより任意の値に昇圧される。また、スイッチング素子8は、リアクトル電流iLが一定値となるように制御される。最後に、インバーター5により直流電圧が交流電圧に逆変換され、その逆変換された交流電圧により、モーター6がドライブされる。
位相角算出部11は、ゼロクロス検出部15と、制御周波数のクロック16と、位相カウンターA17と、カウンター最大値演算部18と、位相カウンターB19と、を備えている。位相角算出部11は、電圧検出器12から電源電圧vrsが入力され、スイッチング制御部10に電源位相角θを出力する。
次に位相角算出部11の動作について、図2および図3を用いて説明する。
制御周波数のクロック16は、スイッチング素子8のオンデューティの演算に用いられる制御周期毎に動作するクロックである。ここで、制御周波数は、昇圧コンバーター部3のスイッチング素子8のオンデューティを演算する周波数であり、制御周期は、昇圧コンバーター部3のスイッチング素子8のオンデューティを演算する周期である。一方、キャリア周波数とは、演算されたオンデューティをパルス幅に変換(Pulse Width Modulation)する際の周波数で、キャリア周波数の周期でスイッチング素子8はON/OFFする。
このように、カウンター最大値演算部18を用いることで、位相カウンターBのリセット値であるリセット値Nmaxの値を、少しずつ変化させている。
次にスイッチング制御部10の動作について、図4を用いて説明する。
スイッチング制御部10は、フィードバックループとして平滑コンデンサー電圧vdcを制御する電圧制御系と、マイナーループとしてリアクトル電流iLを制御する電流制御系とから構成される。
三相整流器2の直後に昇圧コンバーター部3を用いる構成の場合、電流制御応答を高速にしなければリアクトル電流を一定に制御できない。そこで、この理由について図5および図6を用いて説明する。
リアクトル制御応答を遅くしても、リアクトル電流iLの脈動が小さくなる制御方式の開発が課題であった。これを解決する手段として、繰り返し制御部24を用いたリアクトル電流iLの制御を適用する。
電源電圧の1周期(以下、電源1周期と称する)を複数の電源位相角に分割し、繰り返し制御部24の複数の積分器30に対応させる。例えば制御周波数18000Hz、電源周波数60Hzとした場合、18000÷60=300となり、N=300個の積分器30を用意する。300個の積分器30は各電源位相角に対応させ、ここでは1個の積分器30あたり1.2deg(360deg÷300個)相当の電源位相角となる。
繰り返し制御部24は、電源位相角αに対応付けられた積分器30に電流偏差を蓄積する。そして、電源1周期後の電源位相角αのタイミングに合わせて、積分器30に蓄積された電流偏差を出力する。
位相角算出部11によって算出した電源位相角θを入力アドレス決定部27および出力アドレス決定部28に入力する。そして、入力アドレス決定部27によって、入力された電流偏差を蓄積する積分器30のアドレスを決定し、入力アドレス接続部31によって、減算器22の出力側を、その決定したアドレスの積分器30に接続する。また、出力アドレス決定部28によって、蓄積した電流偏差を出力する積分器30のアドレスを決定し、出力アドレス接続部32によって、その決定したアドレスの積分器30の出力側を、加算器25の入力側に接続する。
誤差蓄積部29には、減算器22によりリアクトル電流指令値i* Lからリアクトル電流iLを減算した電流偏差が入力され、誤差蓄積部29内の各積分器30には、その算出した電流偏差が蓄積される。
図7に示すように、電源周期毎にリアクトル電流iLの脈動が軽減されていることが確認できる。これは、繰り返し制御部24が電源1周期の脈動を各積分器30に蓄積して、次の電源周期、つまり、電源1周期後で誤差を打ち消しているためである。
以下、本実施の形態2について説明するが、実施の形態1と重複するものについては省略し、実施の形態1と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
図8は、本発明の実施の形態2に係る電力変換装置の構成図である。
本実施の形態2では、回路構成を変更し、マルチレベルコンバーターを適用した例である。
次にスイッチング制御部39の動作について、図9を用いて説明する。
本実施の形態2に係るスイッチング制御部39は、実施の形態1と比較すると、中間コンデンサー38の電圧制御系が追加されているが、その他については同一の構成である。
中間電圧制御系は、中間コンデンサー電圧指令値v* mを入力とし、減算器41と、PID制御部42とから構成される。なお、PID制御部42は、比例制御のみの制御器でもよく、比例制御と積分制御および微分制御のいずれかを組み合わせた制御器でもよい。
以下、本実施の形態3について説明するが、実施の形態1および2と重複するものについては省略し、実施の形態1および2と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
図10は、本発明の実施の形態3に係る電力変換装置の構成図である。
本実施の形態3では、回路構成を変更し、降圧コンバーターを適用した例である。
以下、本実施の形態4について説明するが、実施の形態1〜3と重複するものについては省略し、実施の形態1〜3と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
本実施の形態4では、実施の形態1と同じ昇圧コンバーター部3を備えた回路構成とし、図1の回路図を用いる。なお、回路の動作説明は実施の形態1と同じため省略する。
本実施の形態4に係る電力変換装置の構成は実施の形態1と同様であるため、図1に示されるが、位相角算出部11の中身の構成が図11に示されるように一部異なっている。
本実施の形態4に係る位相角算出部11は、ゼロクロス検出部15と、制御周波数のクロック16と、位相カウンターA17と、カウンター最大値演算部18と、位相カウンターB19と、減算器50と、PID制御部51と、を備えている。
なお、PID制御部51は比例制御と積分制御と微分制御の制御器である。なお、PID制御部51は、比例制御のみの制御器でもよく、比例制御と積分制御および微分制御のいずれかを組み合わせた制御器でもよい。
また、PID制御部51は、本発明の「比例制御部」に相当する。
制御周波数とキャリア周波数とを同じに設計することが一般的であるが、キャリア周波数は制御周波数のfcの1/2倍のfc=9kHzや、2倍の36kHz、1/3倍の6kHz、3倍の54kHzにすることもできる。
制御周波数とキャリア周波数とは関係性を持っており、制御周波数を制御することは、キャリア周波数を制御することになる。
以下、本実施の形態5について説明するが、実施の形態1〜4と重複するものについては省略し、実施の形態1〜4と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
本実施の形態5では、実施の形態4の電源位相角θの算出方式を、マルチレベルコンバーターに適用する。
本実施の形態5に係る電力変換装置の回路構成は、図8に示す実施の形態2と同じ構成である。また、位相角算出部11の構成は、図11に示す実施の形態4と同じ構成である。なお、電力変換装置の動作は、実施の形態2および4と同じであるため、説明を省略する。
以下、本実施の形態6について説明するが、実施の形態1〜5と重複するものについては省略し、実施の形態1〜5と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
本実施の形態6では、実施の形態4の電源位相角θの算出方式を、降圧コンバーターに適用する。
本実施の形態6に係る電力変換装置の回路構成は、図10に示す実施の形態3と同じ構成である。また、位相角算出部11の構成は、図11に示す実施の形態4と同じ構成である。なお、電力変換装置の動作は、実施の形態3および4と同じであるため、説明を省略する。
以下、本実施の形態7について説明するが、実施の形態1〜6と重複するものについては省略し、実施の形態1〜6と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
本実施の形態7では、実施の形態1〜6に係る電力変換装置を、圧縮機101および空気調和機に適用した例について説明する。
図12は、本発明の実施の形態7に係る空気調和機の構成図である。
以下、実施の形態1〜6に係る電力変換装置を圧縮機101および空気調和機に適用した場合について、図12を用いて説明する。
なお、冷房動作をするに際し、四方弁102は、予め、圧縮機101から吐出された冷媒が室外熱交換器103へ向かうように、かつ、室内熱交換器105から流出した冷媒が圧縮機101へ向かうように流路を切り替えているものとする。
Claims (11)
- 三相交流電源の少なくとも一つの線間電圧または相電圧を検出する電圧検出器と、
前記三相交流電源を整流する三相整流器と、
リアクトルおよびスイッチング素子を有し、前記三相整流器の出力を昇圧または降圧するコンバーター部と、
前記コンバーター部の出力電圧を平滑する平滑コンデンサーと、
前記スイッチング素子を制御するスイッチング制御部と、
前記電圧検出器により検出した電圧の電源位相角を計算する位相角算出部と、
リアクトル電流を検出する電流検出器と、を備え、
前記スイッチング制御部は、
前記リアクトル電流から電流偏差を算出し、出力する減算器と、
前記減算器が出力した前記電流偏差を蓄積し、前記電源位相角に基づくタイミングで前記電流偏差を出力する繰り返し制御部と、
前記減算器が出力した前記電流偏差と前記繰り返し制御部が出力した前記電流偏差とを加算し、出力する加算器と、
前記加算器が出力した値に基づいて前記スイッチング素子のON/OFF信号を生成するスイッチング信号決定部と、を備え、
前記減算器が出力した前記電流偏差を前記繰り返し制御部が出力した前記電流偏差と前記加算器にて加算する処理を一定周期毎に繰り返すものである
電力変換装置。 - 前記位相角算出部は、
前記コンバーター部の制御周期をクロックとする第一位相カウンターおよび第二位相カウンターを有し、
前記第一位相カウンターは、前記クロック毎にカウントアップした値を出力し、該カウントアップした値は、前記電圧検出器の出力から生成されるゼロクロス信号の1周期毎にリセットされるものであり、
前記第二位相カウンターは、前記クロック毎にカウントアップした値を前記電源位相角として出力し、該カウントアップした値は、前記第一位相カウンターの出力の最大値から決定されるリセット値と同じになったらリセットされるものである
請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記リセット値と、前記第一位相カウンターがリセットされる1クロック前の前記第一位相カウンターの値とを比較し、
前記リセット値の方が大きかった場合は、前記リセット値を1減算し、
前記リセット値の方が小さかった場合は、前記リセット値を1加算する
請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記位相角算出部は、
リセット値指令値から前記リセット値を減算して求めた偏差から制御周波数を出力する比例制御部を備え、
前記比例制御部は、
前記リセット値指令値と前記リセット値とが等しくなるように前記制御周波数を制御し、前記制御周波数に基づいて前記クロックを発生させるものである
請求項2または3に記載の電力変換装置。 - 前記繰り返し制御部は、
前記電源位相角とアドレスが対応付けられた複数の積分器と、
入力された前記電源位相角から、入力された前記電流偏差を蓄積する前記積分器のアドレスを決定する入力アドレス決定部と、該積分器に前記電流偏差を蓄積させる入力アドレス接続部と、
入力された前記電源位相角から、蓄積した前記電流偏差を出力する前記積分器のアドレスを決定する出力アドレス決定部と、該積分器から前記電流偏差を出力させる出力アドレス接続部と、を備えた
請求項1〜4のいずれか一項に記載の電力変換装置。 - 前記繰り返し制御部は、
電源位相角αのアドレスに対応付けられた前記積分器に蓄積された前記電流偏差を、前記三相交流電源の1周期後の前記電源位相角αのタイミングで出力するものである
請求項5に記載の電力変換装置。 - 前記スイッチング制御部は、
前記減算器が出力した前記電源位相角αの前記電流偏差を前記三相交流電源の1周期後の前記電源位相角αのタイミングで前記積分器から出力した前記電流偏差と加算するものである
請求項6に記載の電力変換装置。 - 前記コンバーター部は、
前記リアクトルと、
前記スイッチング素子と、
逆流防止素子と、を備え、
前記リアクトルと前記逆流防止素子とは直列に接続され、
前記リアクトルの一端が前記三相整流器側と接続され、前記逆流防止素子の一端が前記平滑コンデンサー側と接続され、
前記スイッチング素子は、一端が前記リアクトルと前記逆流防止素子との間に接続され、かつ、前記平滑コンデンサーと並列に接続されて構成されている昇圧コンバーターである
請求項1〜7のいずれか一項に記載の電力変換装置。 - 前記コンバーター部は、
前記リアクトルと、
互いに直列に接続された二つの前記スイッチング素子と、
互いに直列に接続された二つの逆流防止素子と、
中間コンデンサーと、を備え、
二つの前記スイッチング素子と二つの前記逆流防止素子とは直列に接続され、かつ、前記平滑コンデンサーと並列に接続され、
前記リアクトルは、一端が前記三相整流器側に接続され、他端が前記スイッチング素子と前記逆流防止素子との間に接続され、
前記中間コンデンサーは、一端が二つの前記スイッチング素子の間に接続され、他端が二つの前記逆流防止素子の間に接続されて構成されているマルチレベルコンバーターである
請求項1〜7のいずれか一項に記載の電力変換装置。 - 前記コンバーター部は、
前記リアクトルと、
前記スイッチング素子と、
逆流防止素子と、を備え、
前記スイッチング素子と前記リアクトルとは直列に接続され、
前記スイッチング素子の一端が前記三相整流器側と接続され、前記リアクトルの一端が前記平滑コンデンサー側と接続され、
前記逆流防止素子は、一端が前記スイッチング素子と前記リアクトルとの間に接続され、かつ、前記平滑コンデンサーと並列に接続されて構成されている降圧コンバーターである
請求項1〜7のいずれか一項に記載の電力変換装置。 - 圧縮機、凝縮器、膨張装置、および、蒸発器が冷媒配管で環状に接続された冷媒回路と、
前記圧縮機に電力を供給して駆動する請求項1〜10のいずれか一項に記載の電力変換装置と、を備えた
冷凍サイクル装置。
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