KR101962552B1

KR101962552B1 - 전력 변환 장치 및 압축기 구동 장치

Info

Publication number: KR101962552B1
Application number: KR1020177009769A
Authority: KR
Inventors: 요스케 시노모토; 코이치 아리사와; 타카시 야마카와; 유지 타카야마
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2014-09-17
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2019-03-26
Also published as: KR20170054472A; US20170302217A1; US10177703B2; EP3197044B1; JPWO2016042628A1; CN107078680A; CN107078680B; EP3197044A4; EP3197044A1; JP6195676B2; WO2016042628A1

Abstract

교류 전원(1)으로부터의 전력으로 전동기(5)를 구동하는 전동기 구동 장치(100), 또는 상기 전동기(5)로부터 대지(E2)에 흐르는 영상전류를 검출하는 누설전류 검출부(21)와, 상기 누설전류 검출부(21)에서 검출된 상기 영상전류에 의거하여, 상기 교류 전원(1)에 동기한 주기성의 제어 신호를 생성하는 누설전류 제어부(22)와, 상기 누설전류 제어부(22)로부터의 상기 제어 신호에 의거하여, 상기 영상전류와 역위상이 되는 역상전류를 생성하여 출력하는 역상전류 생성부(23)를 구비한다.

Description

전력 변환 장치 및 압축기 구동 장치{POWER CONVERSION DEVICE AND COMPRESSOR DRIVING DEVICE}

본 발명은, 대지로의 누설전류를 저감하는 전력 변환 장치 및 압축기 구동 장치에 관한 것이다.

종래, 전동기를 구동하는 전동기 구동 장치에서, 대지로 누설하는 전류를 저감하는 제어가 행하여지고 있다. 예를 들면, 하기 특허 문헌 1에서는, 역상 전압 발생부에서, 미리, 정현파의 테이블 데이터와 함께, 누설전류가 최소가 되도록 역상 전압의 위상 및 진폭을 조정하여 얻어지는 보정 테이블 데이터를 메모리에 기억하여 두고, 누설전류를 상쇄하는 전류를 전원 접지점에 주입하는 기술이 개시되어 있다.

또한, 하기 특허 문헌 2에서는, 누설되는 전류 캔슬러 회로에서, 누설 저감 구동 수단의 PWM(Pulse Width Modulation) 제어의 듀티를 선정하는 테이블을 구비하는 기술이 개시되어 있다.

또한, 하기 특허 문헌 3에서는, 인버터 장치에서, 부유 커패시턴스를 통하여 대지에 흐르는 누설 전류분을 미리 검출하여 기억 회로에 기억하고, 교류 전동기에 흐르는 검출 전류로부터 기억 회로의 누설 전류분을 감산함으로써, 교류 전동기에 흐르는 정확한 전류를 얻는 기술이 개시되어 있다.

또한, 하기 특허 문헌 4에서는, 공조기의 압축기 구동 장치에서, 커먼 모드 코일로 영상전류인 누설전류를 검출하고, 검출한 전류를 지우도록 몸체 접지점을 향하여 역상전류를 주입하여, 누설전류를 제로화 하도록 보상하는 기술이 개시되어 있다.

특허 문헌 1 : 일본 특개평10-154921호 공보 특허 문헌 2 : 일본 특개2004-364344호 공보 특허 문헌 3 : 일본 특개평7-322686호 공보 특허 문헌 4 : 일본 특개2000-152692호 공보

그렇지만, 특허 문헌 1 및 2의 기술에 의하면, 미리 누설전류가 저감하도록 전동기를 구동하는 인버터의 구동 신호를 이용하여 역상전류를 주입함으로써 누설전류를 저감하고 있다. 그 때문에, 이상적이라면 누설전류는 저감하지만, 제품을 구성하는 부품의 편차에 의해서는 역상전류의 위상과 누설전류의 위상이 일치하고, 누설전류가 증가하는 역보상이 될 가능성이 있다는 문제가 있다.

또한, 특허 문헌 3의 기술에 의하면, 인버터 장치는, 누설전류를 기억하여 두고, 전동기를 구동할 때에 누설전류분을 전동기 전류로부터 감산하지만, 누설전류를 저감하는 것은 아니다.

또한, 특허 문헌 4의 기술에 의하면, 압축기 구동 장치는, 커먼 모드 코일로 검출한 누설전류를 지우는 보상 동작을 하고 있지만, 누설전류를 검출하고 나서 보상 동작을 하기 때문에 지연이 발생하고, 검출한 누설전류에 동기한 보상을 할 수가 없고, 또한, 보상량이 적다라는 문제가 있다.

본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 누설전류를 보상하는 동작의 지연을 없애고, 또한, 역보상하는 일 없이 누설전류를 저감 가능한 전력 변환 장치 및 압축기 구동 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 교류 전원으로부터의 전력으로 전동기를 구동하는 전동기 구동 장치, 또는 상기 전동기로부터 대지에 흐르는 영상전류를 검출하는 누설전류 검출부와, 상기 누설전류 검출부에서 검출된 상기 영상전류에 의거하여, 상기 교류 전원에 동기한 주기성의 제어 신호를 생성하는 누설전류 제어부와, 상기 누설전류 제어부로부터의 상기 제어 신호에 의거하여, 상기 영상전류와 역위상이 되는 역상전류를 생성하여 출력하는 역상전류 생성부를 구비한다.

본 발명에 관한 전력 변환 장치 및 압축기 구동 장치는, 누설전류를 보상하는 동작의 지연을 없애고, 또한, 역보상하는 일 없이 누설전류를 저감할 수 있다는 효과를 이룬다.

도 1은 실시의 형태 1에 관한 전력 변환 장치 및 전동기 구동 장치의 한 구성례를 도시하는 회로 블록도
도 2는 누설전류를 상쇄하는 보상 동작의 원리를 나타내는 이미지 파형을 도시하는 도면
도 3은 실시의 형태 1에 관한 누설전류 제어부의 한 구성례를 도시하는 회로 블록도
도 4는 실시의 형태 1에 관한 역상전류 생성부의 한 구성례를 도시하는 회로 블록도
도 5는 실시의 형태 2에 관한 누설전류 제어부 및 역상전류 생성부의 한 구성례를 도시하는 회로 블록도
도 6은 실시의 형태 3에 관한 전력 변환 장치 및 전동기 구동 장치의 한 구성례를 도시하는 회로 블록도
도 7은 실시의 형태 4에 관한 전력 변환 장치 및 전동기 구동 장치의 한 구성례를 도시하는 회로 블록도
도 8은 실시의 형태 5에 관한 전력 변환 장치 및 전동기 구동 장치의 한 구성례를 도시하는 회로 블록도
도 9는 실시의 형태 6에 관한 전력 변환 장치 및 전동기 구동 장치의 한 구성례를 도시하는 회로 블록도
도 10은 실시의 형태 6에 관한 교류 직류 변환부의 한 구성례를 도시하는 회로 블록도
도 11은 실시의 형태 6에 관한 교류 직류 변환부의 한 구성례를 도시하는 회로 블록도
도 12는 실시의 형태 7에 관한 전동기의 고정자의 한 예를 도시하는 단면도

이하에, 본 발명에 관한 전력 변환 장치 및 압축기 구동 장치의 실시의 형태 를 도면에 의거하여 상세히 설명한다. 또한, 이 실시의 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것이 아니다.

실시의 형태 1.

도 1은, 본 실시의 형태에 관한 전력 변환 장치 및 전동기 구동 장치의 한 구성례를 도시하는 회로 블록도이다. 전력 변환 장치(110)는, 전동기 구동 장치(100)에 접속하고 있다. 전동기 구동 장치(100)는, 교류 전원(1)으로부터 출력되어 노이즈 필터(2)로 필터 처리되고, 전력 변환 장치(110) 경유로 입력되는 교류 전력을 정류하는 정류기(3)와, 리액터(4)와, 전동기(5)를 구동하는 인버터 주회로(6)와, 평활 콘덴서(7)와, 인버터 주회로(6)를 제어하는 인버터 제어부(8)와, 전동기(5)의 전류를 검출하는 전류 검출기(9a, 9b)와, 평활 콘덴서(7)의 전압을 검출하는 전압 검출기(10)를 구비한다. 전동기 구동 장치(100)에서는, 정류기(3), 리액터(4) 및 평활 콘덴서(7)로 교류 직류 변환부를 구성하고 있다. 전력 변환 장치(110)는, 전동기(5)로부터 대지(E2)에 누설되는 누설전류를 저감하는 제어를 행한다.

전동기(5)에 관해서는, 예를 들면, 도 1에 도시하는 바와 같이 압축기(200)에 내장되는 형태가 있지만, 전동기(5)의 용도는 이것으로 한정하는 것이 아니다. 또한, 전동기(5)가 압축기(200)에 내장되는 경우, 전력 변환 장치(110)와 접속하고 있는 전동기 구동 장치(100)를 이용한 압축기 구동 장치가, 압축기(200)를 구동하는 구성이 된다. 이후의 실시의 형태에 관해서도 마찬가지라고 한다.

우선, 도 1에서 누설전류가 흐르는 경로에 관해 설명한다. 전동기(5)를 구동시키기 위해, 인버터 제어부(8)는, 전류 검출기(9a, 9b)에서 검출된 전동기 전류와 전압 검출기(10)에서 검출된 직류 전압에 의거하여, 인버터 주회로(6)를 제어하여 인버터 주회로(6)로부터 전동기(5)에 전압을 출력한다. 인버터 주회로(6)로부터 출력하는 전압은, 일반적으로는 PWM 제어되기 때문에, 캐리어 주파수로 새겨진 전압이 된다. 전동기(5)의 회전 주파수보다도 캐리어 주파수의 쪽이 높은 주파수이기 때문에, 도 1에서는 도시하지 않지만, 전동기(5) 내부의 권선과 몸체 사이의 부유 용량을 통하여 어스점(点)인 대지(對地)(E2)에 누설전류가 흐른다. 즉, 전동기(5)의 몸체로부터 대지(E2)에 전류가 흐른다. 도 1에서는 접속되어 있지 않지만, 교류 전원(1)에 접속된 어스점인 대지(E1)는 전기적으로는 대지(E2)와 연결되어 있기 때문에, 대지(E2)로부터 대지(E1)에 전류가 흐른다.

전동기(5)의 부유 용량으로부터 누설되는 전류가 누설전류이지만, 대지(E2)에의 부유 용량은, 전동기(5)뿐만 아니라 그 밖에도 많은 부위, 예를 들면, 전동기 구동 장치(100)도 갖고 있다. 또한, 공기 조화기에 사용되는 압축기(200)에 내장된 전동기(5)인 경우, 특히, 전동기(5)로부터의 대지 부유 용량이 크고, 누설전류가 문제가 된다. 압축기(200) 내부를 냉매가 흐르는데, 냉매는, 유전율을 갖는 도전성의 물질이다. 공기 조화기의 경우, 냉매가 전동기(5)의 권선에 접촉하고, 또한, 냉매가 압축기(200)의 몸체에도 접촉하고 있기 때문에, 전동기(5)가 갖는 부유 용량이 특히 크다는 과제가 있다.

전술한 특허 문헌 1 및 2에 기재와 같게, 미리 결정된 방법으로 인버터 제어부(8)로부터의 신호를 이용하는 경우, 역보상에 의해 누설전류가 증가할 가능성이 있기 때문에 보상은 억제하는 기미가 된다. 따라서 전술한 특허 문헌 4에 기재한 바와 같이, 누설전류를 검출하고, 검출한 누설전류를 0으로 하도록 제어하는 것이 역보상을 억제하는데 효과적이다. 한편으로, 특허 문헌 4에서 기재하고 있는 검출하고 나서 보상전류를 대지에 주입하는 방법에서는, 응답 지연이 발생하기 때문에 검출한 누설전류에 동기한 보상을 할 수가 없다. 일반적으로, 특허 문헌 1 및 2에 기재된 방법은 오픈 루프형, 특허 문헌 4에 기재된 방법은 피드백형으로 분류된다.

본 실시의 형태 에서는, 피드백형의 제어를 행하는 전력 변환 장치(110)에서, 부유 용량으로부터 대지로 누설되는 누설전류를 저감하고, 또한 역보상을 억제한다. 전력 변환 장치(110)는, 영상전류인 누설전류를 검출하는 누설전류 검출부(21)와, 누설전류 검출부(21)에서 검출된 누설전류에 의거하여, 누설전류 검출로부터 역상전류의 출력까지의 응답 지연을 진전 보상하면서, 누설전류를 저감하도록 제어하는 누설전류 제어부(22)와, 누설전류 제어부(22)로부터의 제어 신호에 의거하여, 전동기(5)로부터 대지(E2)에 누설되는 누설전류를 상쇄하기 위해, 누설전류와 역위상의 전류를 생성하여 대지(E2)에 주입하는 역상전류 생성부(23)를 구비한다.

도 2는, 누설전류를 상쇄하는 보상 동작의 원리를 나타내는 이미지 파형을 도시하는 도면이다. 여기서는, 도 1에 대해 구성을 간략화하여 표시하고 있다. 전력 변환 장치(110)의 역상전류 생성부(23)는, 전동기(5)로부터 누설되는 누설전류와 역위상이 되는 역상전류를 출력하고 있다. 전동기(5)로부터 누설되는 누설전류는, 대지(E2)로부터 대지(E1)를 통하여 교류 전원(1)으로부터 전동기 구동 장치(100)에 순환하고 있다. 따라서 누설전류 검출부(21)에서는, 교류 전원(1)로부터 출력되는 전류를 검출함으로써, 전동기(5)에서 누설되는 누설전류를 검출할 수 있다. 또한, 누설전류 검출부(21)에서는, 교류 전원(1)로부터 출력되는 전류를 검출함으로써, 도시하지 않지만, 전동기 구동 장치(100)에서 누설되는 누설전류에 대해서도 검출할 수 있다. 또한, 누설전류 검출부(21)에서 검출된 누설전류가 0이 되면, 전동기(5)로부터 누설되는 전류뿐만 아니라, 그 밖의 부분, 예를 들면, 전동기 구동 장치(100)에서 누설되는 누설전류 전부를 억제하게 된다.

여기서, 누설전류 검출부(21)에서 검출된 누설전류를 상쇄하도록 순식간(瞬時)에 역상전류를 응답 시간 지연하여 제로로 출력할 수 있으면 좋지만, 현실적으로는 무리이고, 응답 시간분만 위상이 어긋나면, 어긋난 분(分)이 역보상량이 될 가능성이 있다. 그래서, 본 실시의 형태의 전력 변환 장치(110)에서는, 기억 수단을 이용하여 반복 제어로 억제한다. 반복 제어란, 어느 주기성이 있는 변화의 데이터를 주기분 전부 기억하고, 주기성이 있는 변화가 반복하여 발생한다는 전제하에서 기억하고 있는 데이터에 의거하여 제어하는 수법이다.

도 3은, 본 실시의 형태에 관한 누설전류 제어부(22)의 한 구성례를 도시하는 회로 블록도이다. 누설전류 제어부(22)에는, 누설전류 검출부(21)에서 검출된 누설전류가 입력된다. 누설전류 제어부(22)는, 검출된 누설전류를 상쇄하기 위한 제어 신호를 역상전류 생성부(23)에 출력하는데, 누설전류 검출부(21)에서 검출된 누설전류를 그대로 사용하면, 누설전류 제어부(22)의 내부에 있는 연산부(31)에서의 연산 시간분만큼 출력이 지연되어, 역상전류 생성에 지연이 생긴다.

누설전류는, 노이즈의 일종으로 할당되지만, 노이즈 중에서도 비교적 주파수가 낮은 노이즈로 위치매겨지고, 특히, 교류 전원(1)의 주파수의 주기성을 갖는다. 그래서, 누설전류 제어부(22)는, 교류 전원(1)의 출력 주파수의 1주기분의 누설전류 데이터의 기억 수단인 축적부(32)를 마련한다. 축적부(32)에 관해서는, 예를 들면, 교류 전원(1)의 1주기분의 누설전류 데이터를 기억 가능한 시프트 레지스터 형식으로 구성할 수 있지만, 이것으로 한정되지 않고 다른 구성이라도 좋다. 누설전류 제어부(22)에서는, 누설전류 검출부(21)에서 검출되어 입력된 누설전류 데이터를, 연산부(31)를 경유하여 축적부(32)에 축적한다.

연산부(31)는, 역상전류 생성부(23)를 위해, 누설전류의 역상전류가 출력되어 상쇄되도록, 교류 전원(1)에 동기한 주기성이 있는 제어 신호를 연산한다. 그 연산은, 축적부(32)에 축적되어 있는 1주기분의 누설전류 데이터 중 가장 오래된 데이터에 의해 수 샘플 새로이, 예를 들면, 도3에 나타내는 예에서는 3샘플 새로운 데이터에 의거하여 행해진다. 축적부(32)에 축적되어 있는 가장 오래된 데이터에 의해 3샘플 새로운 데이터는 교류 전원(1)의 1주기 전의 누설전류 데이터가 현재의 누설전류의 상태에 상당하는 것으로 한 경우에 현재의 상태 보다 3샘플 진전된 상태의 데이터에 상당한다.

역상전류를 생성하기 위해 사용하는 누설전류 데이터는 교류 전원(1)의 1주기 전의 것이지만, 누설전류는 교류 전원(1)과 동주기의 주기성을 갖고 있는 것을 이용하여, 전력 변환 장치(110)에서는, 축적부(32)를 이용한 것으로 진전하여 보상을 실현할 수 있다. 또한, 축적부(32)에 주기성 데이터인 누설전류 데이터를 축적하여 두는데, 1주기가 아니라, 2주기라도 3주기라도 좋다. 축적하는 주기가 커지면 그만큼 축적에 필요한 데이터 용량이 증가하지만, 예를 들면, 복수 주기의 데이터를 이용하여 평균화함으로써, 돌발적인 노이즈의 영향을 회피할 수 있다. 축적부(32)에서는, 진전 보상의 효과와의 관계에서, 효과적인 주기의 데이터를 축적하면 좋다.

또한, 도 3에서는 상기의 가장 오래된 데이터에 의해 3샘플 새로운 누설전류 데이터를 연산에 이용하고 있지만, 한 예이고, 연산부(31)의 연산에 의한 시간 지연에 대응하여 설정하면 좋고, 3샘플이 아니더라도 같은 효과를 가짐은 말할 필요도 없다. 또한, 누설전류 검출부(21)에서 검출된 누설전류 데이터를 축적부(32)에 축적하는 경우에 관해 설명했지만, 이것으로 한정하는 것이 아니다. 예를 들면, 축적부(32)에서는, 역상전류의 지령치를 축적하여도 좋고, 역상전류를 생성하는 과정의 데이터를 축적하는 것이라도 효과에 다름이 없음은 말할 필요도 없다.

도 4는, 본 실시의 형태에 관한 역상전류 생성부(23)의 한 구성례를 도시하는 회로 블록도이다. 도 1에 도시하는 바와 같이 평활 콘덴서(7)의 양단 전압을 P점, N점이라고 하면, 그 P점, N점에 접속되는 점을 도 4에 도시한다. 역상전류 생성부(23)는, 평활 콘덴서(7)의 양단 전압으로부터 전력 공급이 되고, 누설전류 제어부(22)로부터의 제어 신호에 의거하여 누설전류의 역상전류를 생성하고, 어스점인 대지(E2)에 역상전류를 주입하다. 또한, 도 4에서는, 저항과 콘덴서로 이루어지는 직렬 회로의 임피던스(43)를 통하여 주입하는 구성으로 하고 있지만, 콘덴서뿐이라도, 인덕턴스 등의 유도성 요소가 포함되어 있어도 좋다. 전동기(5)를 모의(模擬)할 수 있는 임피던스라면, 회로 구성은 한정하지 않는다.

또한, 도 4에서는 토템폴형의 트랜지스터(41, 42)로 회로를 구성하고 있지만, PNP형과 NPN형의 상하가 반대의 구성이라도 좋고, 트랜지스터가 아니더라도, 역상전류를 주입할 수 있는 구성이라면 동등 효과를 갖는다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시의 형태에 의하면, 전력 변환 장치(110)에서는, 누설전류 검출부(21)가 누설전류를 검출하고, 누설전류 제어부(22)에서는, 누설전류 검출부(21)에서 검출된 영상전류인 누설전류의 데이터를 축적부(32)에 축적하고, 연산부(31)가 연산 시간에 의거하여 축적부(32)에 축적되어 있는 1주기분의 누설전류 데이터 중 가장 오래된 데이터 보다 수샘플 새로운 데이터를 이용하여 누설전류를 상쇄하는 역상전류를 생성하기 위한 제어 신호를 생성하고, 역상전류 생성부(23)가, 누설전류 제어부(22)로부터의 제어 신호에 의거하여 역상전류를 생성하여 어스점에 출력하는 것으로 하였다. 이에 의해, 전력 변환 장치(110)는, 검출한 누설전류에 대해 진전 보상을 할 수 있기 때문에, 누설전류를 보상하는 경우에 있어서, 보상 동작 지연을 없애고, 또한, 역보상하는 일 없이 누설전류를 저감할 수 있다.

실시의 형태 2.

누설전류 제어부(22) 및 역상전류 생성부(23)의 구성에 관해서는, 도 3, 4에 도시하는 구성으로 한정하는 것이 아니고 3상 구성으로 하여도 좋다.

도 5는, 본 실시의 형태에 관한 누설전류 제어부 및 역상전류 생성부의 한 구성례를 도시하는 회로 블록도이다. 도 3, 4와 다른 점은, 3상 구성으로 하고 있는 점이다. 누설전류 제어부(22a)는, 3상 분배부(33)를 마련하고, 각 제어 신호에 관해 120도의 위상차를 갖게 한 제어 신호로 한다. 역상전류 생성부(23a)도 3상 구성으로 하고, 상(相)마다 트랜지스터(41a, 41b, 41c, 42a, 42b, 42c)를 구비하고, 또한, 상마다 저항과 콘덴서로 이루어지는 직렬 회로를 구비한 임피던스(44)를 마련하고 있다. 트랜지스터(41a)와 트랜지스터(42a)로 하나의 상에, 트랜지스터(41b)와 트랜지스터(42b)로 하나의 상에, 트랜지스터(41c)와 트랜지스터(42c)로 하나의 상에 대응하고 있다. 전동기(5)는, 일반적으로 3상 전동기가 주류이다. 3상 전동기가 주류인 이유는, 단상 전동기 등과 비교하여 효율이 높기 때문이다.

임피던스(44)를 3상 구성으로 함으로써, 전동기(5)를 정확하게 모의할 수 있고, 역상전류 생성부(23a)에서, 누설전류에 대한 역상전류의 주입을 더욱 정밀도 좋게 실시할 수 있다라는 효과를 이룬다.

실시의 형태 3.

도 6은, 본 실시의 형태에 관한 전력 변환 장치 및 전동기 구동 장치의 한 구성례를 도시하는 회로 블록도이다. 도 1에 도시하는 실시의 형태 1의 전동기 구동 장치(100)에서는, 평활 콘덴서(7)의 양단 전압으로부터 역상전류 생성부(23)에 대해 전력 공급하고 있다. 본 실시의 형태 에서는, 전동기 구동 장치(100a)로부터가 아니고, 정류기(3)보다도 교류 전원(1)측부터 역상전류 생성부(23)에 대해 전력 공급하는 구성으로 하고 있다. 정류기(3)보다도 교류 전원(1)측은 교류 전압이기 때문에, 정류기(3)와 다른 정류기(50)와, 평활 콘덴서(51)를 구비하고, 직류 전압을 생성하여 역상전류 생성부(23)에 공급하는 직류 전압 생성부(120)를 마련하고 있다. 직류 전압 생성부(120)는, 전력 변환 장치(110)와 접속하고 있다.

또한, 도 6에서는, 누설전류 검출부(21)보다도 교류 전원(1)측부터 전력 공급을 행하도록 하고 있다. 이것은, 인버터 주회로(6)에서 누설한 성분을 정확하게 검출하는 것을 목적으로 한 배치이다. 또한, 역상전류 생성부(23)에서의 누출도 적지 않게 발생하기 때문에, 도시하지 않지만, 누설전류 검출부(21)와 정류기(3)와의 사이에서 역상전류 생성부(23)에 전력 공급하는 구성으로 하여도 좋다. 이 경우, 전력 변환 장치(110)는, 역상전류 생성부(23)의 누설전류도 포함하여 억제하도록 역상의 누설전류를 주입한 동작을 하게 된다.

실시의 형태 4.

도 7은, 본 실시의 형태에 관한 전력 변환 장치 및 전동기 구동 장치의 한 구성례를 도시하는 회로 블록도이다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 누설전류 검출부(21)를, 전동기 구동 장치(100b)의 직류측에 배치하는 것도 가능하다. 이 때, 누설전류 검출부(21)를 커먼 모드 코일로 구성하는 경우, 직류 여자에 의한 오동작의 가능성이 있기 때문에 코일의 설계로 대응한다.

실시의 형태 5.

도 8은, 본 실시의 형태에 관한 전력 변환 장치 및 전동기 구동 장치의 한 구성례를 도시하는 회로 블록도이다. 도 1에 도시하는 전동기 구동 장치(100)에 대해, 또한, 평활 콘덴서(52, 53)를 추가하고 있다. 도 8에 도시하는 바와 같이, 전력 변환 장치(110)에서는, 전동기(5)의 대지(E2)가 아니라, 전동기 구동 장치(100c)의 평활 콘덴서(52, 53)로 구성되는 직류 전압의 반분, 즉, 1/2의 전위점에 누설전류의 역위상이 되는 역상전류를 주입할 수도 있다. 이것은, 직류 전압의 1/2이 등가적으로 대지(E2)의 전위 변동과 동의(同義)가 되는 것을 의미하고 있고, 이 직류 전압의 1/2의 전위 변동분만큼 누설전류가 흐르게 된다. 따라서 전력 변환 장치(110)에서는, 누설전류가 억제되도록 전동기 구동 장치(100c)의 직류 전압의 1/2의 전위를 변동시킴으로써, 등가적으로 역상전류를 주입하고 있게 된다. 또한, 이 때, 역상전류 생성부(23)에 대해, 교류측부터 전력 공급하도록 구성한다.

또한, 도시하지 않지만, 교류측의 누설전류 검출부(21)와 역상전류 생성부(23)의 전류 주입점을 반대로 하고, 직류측에서 누설전류를 검출하고, 교류측의 1/2의 전위점에 역상전류를 주입하는 것으로도 등가적으로 동의가 되는 것은 말할 필요도 없다.

또한, 지금까지의 실시의 형태에서는, 노이즈 필터(2)보다도 하류측에 전력 변환 장치(110)의 각 구성을 배치하고 있다. 이것은, 노이즈 필터(2)가 본래, 교류 전원(1)으로부터의 누설전류 등의 노이즈 성분을 제거하는 작용에 특화시키는 것을 목적으로 하고 있기 때문이다. 전동기 구동 장치로부터 누설되는 누설전류에 관해, 전동기 구동 장치와 전력 변환 장치(110)의 사이만 순환하도록 구성하면, 대지(E2)로의 유출은 없어지고, 유출에 의한 인체에의 영향도 없어진다.

실시의 형태 6.

도 9는, 본 실시의 형태에 관한 전력 변환 장치 및 전동기 구동 장치의 한 구성례를 도시하는 회로 블록도이다. 지금까지의 실시의 형태의 전동기 구동 장치에서는, 교류 직류 변환부는 전부 전파정류라고 칭하여지는 변환 방식으로 기재하고 있지만, 도 9에 도시하는 전동기 구동 장치(100d)와 같이, 스위칭 하는 액티브형의 교류 직류 변환부(130)라도, 전력 변환 장치(110)의 동작에 특히 변화는 없고, 같은 효과를 가짐은 말할 필요도 없다.

도 9에 도시하는 교류 직류 변환부(130)는, 정류기(3), 리액터(4), 평활 콘덴서(7)와 함께, 교류측에 스위칭 소자를 갖는 쌍방향 스위칭 회로(11)를 구비하는 구성으로 하고 있는데, 도 10, 11에 도시하는 교류 직류 변환부라도 동등 효과를 갖는다.

도 10, 11은, 본 실시의 형태에 관한 교류 직류 변환부의 한 구성례를 도시하는 회로 블록도이다. 도 10에 도시하는 교류 직류 변환부(130a)는, 정류기(3)와, 리액터(4)와, 평활 콘덴서(7a, 7b)와, 쌍방향 스위칭 회로(11a, 11b)를 구비한다. 또한, 도 11에 도시하는 교류 직류 변환부(130b)는, 정류기(3)와, 리액터(4a, 4b)와, 평활 콘덴서(7)와, 편방향 스위칭 회로(12a, 12b)를 구비한다. 도 10에 도시하는 교류 직류 변환부(130a) 및 도 11에 도시하는 교류 직류 변환부(130b)는, 교류 전원(1)의 피크 전압치 이상으로 직류 전압을 승압하는 것이 가능하다. 전동기 구동 장치(100d)에서는, 전동기(5)에 출력하는 전압이 높은 쪽이, 전동기(5)로부터의 누설전류가 증가한다. 따라서 이들의 교류 직류 변환부를 구비하는 전동기 구동 장치와 전력 변환 장치(110)와의 조합은 양호하고, 전력 변환 장치(110)가 누설전류를 저감하는 제어를 행함으로써, 보다 효과를 늘린다고 말할 수 있다.

누설전류 검출부(21)에 관해서는 커먼 모드 코일로서 기재하고 있지만, 누설전류를 검출할 수 있다면, 커먼 모드 코일로 한정하는 것이 아니고, 예를 들면, 전류를 검출한 CT(Current Transformer)에서 전류의 불평형성을 검출하여도 좋고, 전압 검출기에서 영상 전압을 검출하여도 좋다. 또한, 트랜스를 마련함으로써, 절연한 전압 또는 전류를 검출하도록 구성하여도 좋다.

전력 변환 장치(110)에서는 승압에 의해 증가하는 누설전류를 저감할 수 있기 때문에, 전동기 구동 장치(100d)에서, 고효율의 고전압 전동기를 사용할 수 있고, 기기 전체에서의 고효율화에 기여할 수 있다.

실시의 형태 7.

도 12는, 본 실시의 형태에 관한 전동기(5)의 고정자의 한 예를 도시하는 단면도다. 해칭한 부분이 고정자를 나타내고, 안에 ×가 있는 ○의 부분이 권선을 나타낸다. 또한, 도 12에서는 도시되어 있지 않지만, 고정자와 권선의 사이에는 얇은 절연재가 배치되어 있는 것으로 한다. 전동기(5)는, 에너지 절약화가 진전되면, 고정자에 배치하는 권선과 고정자 사이의 절연 거리가 짧아진다. 절연 거리가 짧아질수록 부유 용량이 커지고, 누설전류가 흐르기 쉬워진다. 권선과 고정자와의 절연을 위해, 종래, 플라스틱 수지로 절연재를 구성하고 있지만, 전동기(5)의 고효율화를 위해, 매우 얇은 필름형상의 절연재, 예를 들면, 두께가 1㎜보다도 얇은 재료가 채용되고, 이에 의해 더욱 누설전류가 증가하고 있다.

도 12에 도시하는 집중권의 전동기(5)에서 필름형상의 절연재가 마련됨으로써 증가하는 누설전류를, 전력 변환 장치(110)가 저감함으로써, 전동기 구동 장치(100)에서의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 종래에서는 승압 가능한 교류 직류 변환부가 누설전류 때문에 사용할 수가 없다, 또는, 승압을 적게 하여 동작시킴으로써 손실을 증가시키고 있는 경우에도, 전력 변환 장치(110)를 마련함으로써, 승압 가능한 교류 직류 변환부를 사용하여 기기 전체로의 고효율화에 기여할 수 있다.

이것은, 전동기(5)가 인버터 주회로(6)에 의해 구동 동작하기 때문에, 인버터 주회로(6)에 입력되는 직류 전압에 의해, 구동 동작 범위가 변화한다. 특히, 회전자에 영구자석을 사용한 전동기(5)인 경우, 영구자석이 회전함에 의해 고정자측의 코일에 자석의 자속이 쇄교함으로써 유기전압이 발생한다.

전동기(5)의 유기전압과 인버터 주회로(6)로부터 출력하는 전압과의 전위차에 의해, 전동기(5)에 흐르는 전류가 제어될 수 있고, 전류에 비례한 토오크를 전동기(5)는 출력할 수 있다. 출력 토오크는 전류×고정자 코일 권수의 승산치에 비례하기 때문에, 권수를 증가하면 전류를 증가시키지 않고서, 권수를 그대로 하고 전류 증가시와 동등 토오크를 전동기(5)에서 출력할 수 있다. 역으로, 전류를 증가시키면, 전동기(5)에서의 동손 및 인버터 주회로(6)에서의 도통 손실이 증가하고, 전동기 구동 장치(100)의 손실이 증가하게 된다.

그래서, 전력 변환 장치(110)는, 영구자석을 사용한 전동기(5)를 구동하는 인버터 주회로(6)를 이용한 전동기 구동 장치(100)와 함께 사용한다. 또한, 도 10, 11에 도시하는 직류 전압을 승압할 수 있는 교류 직류 변환부(130a, 130b)를 이용함으로써, 승압하여 고전압을 공급할 수 있다.

따라서, 고전압을 공급 가능한 교류 직류 변환부(130a, 130b)를 전동기 구동 장치의 구성으로 함으로써, 영구자석을 사용한 전동기(5)에서, 권수를 증가시켜서 고전압화함으로써, 권수를 그대로 하여 전류 증가시와 동등 토오크를, 전류의 증가 없이 출력할 수 있다.

이에 의해, 고전압화한 전동기(5) 등을 구동하는 전동기 구동 장치에서는, 효율을 높일 수 있다. 효율을 높이도록 구성함으로써 증가한 누설전류는, 병렬로 구성되어 있는 전력 변환 장치(110)가 누설전류를 억제하기 위해, 원래의 권수의 전동기(5)를 갖는 전동기 구동 장치와 동등 레벨 이하까지 누설전류를 저감할 수 있다.

이와 같이, 에너지 절약화 된 전동기(5)에 의해 대지(E2)와의 부유 용량이 커져도, 전력 변환 장치(110)에 의해 누설전류를 저감할 수 있기 때문에, 전동기 구동 장치의 효율을 향상시킬 수 있다.

실시의 형태 8.

지금까지의 실시의 형태에서, 전력 변환 장치(110)를 슈퍼 정션 구조의 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)라고 칭하여지는 MOSFET로 구성함으로써, 더한층의 저손실화를 실현할 수 있고, 고효율의 전력 변환 장치(110)를 제공할 수 있다. 또한, 슈퍼 정션 구조란, 통상의 MOSFET보다도 깊은 P층을 갖는 구조이고, 깊은 P층이 N층과 넓게 접함으로써 낮은 온 저항이면서 높은 전압 내력을 갖는 것이 알려져 있다.

또한, 전력 변환 장치(110)의 회로를 구성하는 스위칭 소자 또는 다이오드에 관해, GaN(질화갈륨), SiC(실리콘카바이드), 다이아몬드 등의 와이드 밴드 갭 반도체로 구성하여도 더한층의 저손실의 전력 변환 장치(110)를 제공할 수 있음은 말할 필요도 없다. 또한, 와이드 밴드 갭 반도체를 사용함으로써 내전압성이 높고, 허용 전류 밀도도 높아지기 때문에, MOSFET의 소형화가 가능하고, 이들의 소자를 조립한 반도체 모듈의 소형화가 가능해진다. 내열성도 높기 때문에, 히트 싱크의 방열 핀의 소형화도 가능해진다. 전력 변환 장치(110)에서는, 모든 스위칭 소자 또는 다이오드에 와이드 밴드 갭 반도체를 적용하지 않고, 적어도 하나 이상의 부품에 적용하도록 하여도 좋다.

또한, 와이드 밴드 갭 반도체를 사용함으로써, 누설전류를 저감하는 전력 변환 장치(110)에서는, 대역이 넓은 누설전류의 저감을 위해, 보다 고주파로 동작함으로써 누설전류를 저감할 수 있다. 고주파로 동작시킴으로써 손실이 커지고, 또한 누설전류가 증가한 것에 연결되지만, 와이드 밴드 갭 반도체에서는 고주파 동작 특성이 양호하기 때문에, 전력 변환 장치(110)에 적용한 것은 알맞다고 말할 수 있다. 와이드 밴드 갭 반도체를 적용함으로써, 전력 변환 장치(110)에서는, 보다 누설전류의 저감 대역을 넓게 할 수 있고, 보다 한층 누설전류를 저감할 수 있음과 함께, 고주파로 동작시켜도 손실이 증가하지 않고, 권수 증가한 전동기(5)로 고효율화한 전동기 구동 장치(100)의 에너지 절약성을 해치는 일이 없이 구성할 수 있다.

또한, 교류 전원(1)에 관해서는 단상 전원으로 기재하고 있지만, 단상 전원으로 한정하는 것이 아니고, 3상 전원이라도 동등 효과를 가짐은 말할 필요도 없다.

이상으로 설명한 전력 변환 장치의 활용례로서, 영구자석 전동기를 구동하는 전동기 구동 장치와 함께 이용함에 의해 에너지 절약성의 실현 외에, 냉매에 의한 부유 용량이 큰 전동기를 탑재하는 압축기로부터의 누설전류를 대폭적으로 저감할 수 있기 때문에, 공기 조화기, 냉동기, 냉장고, 제습기, 진열장, 히트 펌프 식의 세탁 건조기, 히트 펌프식의 급탕기 등 가전 제품 전반에 적용 가능하고, 청소기, 팬 모터, 환기 팬, 손 건조기, 유도가열 전자 조리기 등에의 적용도 가능하다.

1 : 교류 전원 2 : 노이즈 필터
3, 50 : 정류기 4, 4a, 4b : 리액터
5 : 전동기 6 : 인버터 주회로
7, 7a, 7b, 51, 52, 53 : 평활 콘덴서
8 : 인버터 제어부 9a, 9b : 전류 검출기
10 : 전압 검출기 11, 11a, 11b : 쌍방향 스위칭 회로
12a, 12b : 편방향 스위칭 회로 21 : 누설전류 검출부
22, 22a : 누설전류 제어부 23, 23a : 역상전류 생성부
31 : 연산부 32 : 축적부
33 : 3상 분배부
41, 41a, 41b, 41c, 42, 42a, 42b, 42c : 트랜지스터
43, 44 : 임피던스
100, 100a, 100b, 100c, 100d : 전동기 구동 장치
110 : 전력 변환 장치
120 직류 전압 생성부
130, 130a, 130b : 교류 직류 변환부
200 : 압축기

Claims

교류 전원으로부터의 전력으로 전동기를 구동하는 전동기 구동 장치, 또는 상기 전동기 중 어느 하나로부터 대지에 흐르는 영상전류를 검출하는 누설전류 검출부와,
상기 누설전류 검출부에서 검출된 상기 영상전류를 입력하여, 상기 교류 전원에 동기한 주기성의 제어 신호를 생성하는 누설전류 제어부와,
상기 제어 신호를 입력하여, 상기 영상전류와 역위상이 되는 역상전류를 생성하여 출력하는 역상전류 생성부를 구비하고,
상기 누설전류 제어부는, 상기 누설전류 검출부에서 검출된 데이터를 축적하는 축적부를 구비하고,
상기 누설전류 제어부는, 상기 누설전류 검출부에서 검출된 상기 영상전류를 상기 데이터로서 상기 축적부에 출력함과 함께, 상기 축적부에 축적된 과거의 데이터에 의거하여 상기 제어 신호를 상기 역상전류 생성부에 출력하고,
상기 축적부는, 상기 교류 전원의 적어도 1주기분의 누설전류 데이터를 기억 가능한 시프트 레지스터 형식으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
교류 전원으로부터의 전력으로 전동기를 구동하는 전동기 구동 장치 또는 상기 전동기 중 어느 하나로부터 대지에 흐르는 제1 영상 전류 및 상기 제1 영상 전류보다도 앞에 대지에 흐르는 제2 영상 전류를 검출하는 누설전류 검출부와,
상기 누설전류 검출부에서 검출된 상기 제1 영상 전류 및 상기 제2 영상 전류를 입력하여, 상기 교류 전원에 동기한 주기성의 제어 신호를 생성하는 누설전류 제어부와,
상기 제어 신호를 입력하여, 상기 제2 영상 전류와 역위상으로 되며, 상기 제1 영상 전류와 동기되는 역상 전류를 생성하여 출력하는 역상 전류 생성부를 구비하고,
상기 누설전류 제어부는, 상기 누설전류 검출부에서 검출된 데이터를 축적하는 축적부를 구비하고,
상기 누설전류 제어부는, 상기 누설전류 검출부에서 검출된 상기 제1 영상 전류 및 상기 제2 영상 전류를 상기 데이터로서 상기 축적부에 출력함과 함께, 상기 축적부에 축적된 과거의 데이터에 의거하여 상기 제어 신호를 상기 역상 전류 생성부에 출력하고,
상기 축적부는, 상기 교류 전원의 적어도 1주기분의 누설전류 데이터를 기억 가능한 시프트 레지스터 형식으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제2항에 있어서,
상기 누설전류 검출부에서 검출된 데이터인 상기 제1 영상 전류 및 상기 제2 영상 전류의 데이터는, 상기 교류 전원에 동기한 주기 데이터인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 전동기가 내장된 압축기를 구동하는 상기 전동기 구동 장치와 접속하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제4항에 있어서,
권선과 고정자의 절연에 필름형상의 절연재를 이용한 상기 전동기를 구동하는 상기 전동기 구동 장치와 접속하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제4항에 있어서,
상기 교류 전원의 피크 전압치 이상으로 직류 전압을 승압하는 교류 직류 변환부를 구비한 상기 전동기 구동 장치와 접속하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
회로를 구성하는 스위칭 소자 또는 다이오드 중 하나 이상의 부품에 와이드 밴드 갭 반도체를 사용하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제1항 또는 제2항에 기재된 전력 변환 장치를 이용한 것을 특징으로 하는 압축기 구동 장치.
제1항에 있어서,
상기 축적부는, 상기 교류 전원의 복수의 주기분의 누설전류 데이터를 기억 가능한 시프트 레지스터 형식으로 구성되고,
상기 누설전류 제어부는, 상기 복수의 주기분의 데이터를 평균화한 데이터를 이용하여, 상기 제어 신호를 상기 역상전류 생성부에 출력하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제2항에 있어서,
상기 축적부는, 상기 교류 전원의 복수의 주기분의 누설전류 데이터를 기억 가능한 시프트 레지스터 형식으로 구성되고
상기 누설전류 제어부는, 상기 복수의 주기분의 데이터를 평균화한 데이터를 이용하여, 상기 제어 신호를 상기 역상전류 생성부에 출력하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
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