WO2016147337A1

WO2016147337A1 - 高調波抑制装置および空調ユニット

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Publication number: WO2016147337A1
Application number: PCT/JP2015/058026
Authority: WO
Inventors: 山本　圭一
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2015-03-18
Filing date: 2015-03-18
Publication date: 2016-09-22

Abstract

　高調波抑制装置１００は、交流電源１に配線部２００を介して接続された装置１０が発生する高調波電流を抑制する高調波抑制装置１００であって、配線部２００に流れる電流のうちの、高調波成分を含む装置電流Ｉｄｅｖを検出する装置電流検出部１０２と、装置電流Ｉｄｅｖに含まれる高調波成分を抑制する、複数の高調波抑制部１２０と、装置電流検出部１０２が検出した装置電流Ｉｄｅｖを用いて、複数の高調波抑制部１２０のそれぞれを制御する制御部１１０と、を有する、ものである。

Description

高調波抑制装置および空調ユニット

　この発明は、拡張性が向上された高調波抑制装置および該高調波抑制装置を備えた空調ユニットに関するものである。

　従来から、送配電線路に接続され系統電源への高調波電流の流出を抑制する電力用アクティブフィルタが知られている（特許文献１参照）。

特開平１１－１２２８１７号公報

　しかしながら、特許文献１に記載されているような従来の高調波抑制装置は、装置のインバータ負荷の容量に合わせて構成を大きく変更しなければならず、拡張性が低い等の課題がある。

　この発明は、上記のような課題を背景としてなされたものであり、拡張性が向上された高調波抑制装置および該高調波抑制装置を備えた空調ユニットを得ることを目的としている。

　この発明に係る高調波抑制装置は、交流電源に配線部を介して接続された装置が発生する高調波電流を抑制する高調波抑制装置であって、配線部に流れる電流のうちの、高調波成分を含む装置電流を検出する装置電流検出部と、装置電流に含まれる高調波成分を抑制する、複数の高調波抑制部と、装置電流検出部が検出した装置電流を用いて、複数の高調波抑制部のそれぞれを制御する制御部と、を有する、ものである。

　また、この発明に係る空調ユニットは、上記の高調波抑制装置と装置と配線部とを備え、装置は、インバータ圧縮機を含む空気調和機である、ものである。

　この発明によれば、拡張性が向上された高調波抑制装置および該高調波抑制装置を備えた空調ユニットを得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る装置ユニットの一例を模式的に記載した図である。図１に記載の高調波抑制装置の動作の一例を説明する図である。図１に記載の高調波抑制装置の比較例１である。この発明の実施の形態２に係る装置ユニットの一例を模式的に記載した図である。図４に記載の高調波抑制装置の動作の一例を説明する図である。

　以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図中、同一または相当する部分には、同一符号を付して、その説明を適宜省略または簡略化する。また、各図に記載の構成について、その形状、大きさおよび配置等は、この発明の範囲内で適宜変更することができる。

　実施の形態１．
［装置ユニット］
　図１は、この発明の実施の形態１に係る装置ユニットの一例を模式的に記載した図である。装置ユニット３００は、交流電源１から電力の供給を受けて動作する装置１０と、交流電源１と装置１０とを接続する配線部２００と、装置１０が発生する高調波電流を抑制する高調波抑制装置１００と、を含んでいる。例えば、装置ユニット３００は、空気調和機の室外ユニットである装置１０を含む、空調ユニットである。装置１０は、例えば、交流電源１から供給された交流電力を変換する電力変換部１２と、電力変換部１２が変換した電力を受けて動作する負荷１８とを含んでいる。装置１０が空気調和機の室外ユニットである場合には、負荷１８は、例えばインバータで制御されるインバータ圧縮機を含んでいる。なお、交流電源１は、例えば三相交流電源であるが、単相交流電源であってもよい。図１に示す例では、この実施の形態の理解を容易にするために、１本の線で交流電源１と装置１０とが接続された模式的な図となっているが、交流電源１と装置１０とを接続する配線部２００の数は、交流電源１の種類等に応じて、適宜変更される。

　電力変換部１２は、コンバータ部１４とインバータ部１６とを含んでいる。コンバータ部１４は、例えばコンバータ回路を含んで構成されており、交流電源１から入力された交流電力を直流電力に変換するものである。インバータ部１６は、例えばインバータ回路を含んで構成されており、コンバータ部１４が出力した直流電力を、負荷１８を駆動する交流電力に変換するものである。電力変換部１２が電力の変換を行うと、電力変換部１２と交流電源１とを接続する配線部２００を伝って、交流電源１に高調波電流が流入するため、高調波抑制装置１００は、高調波電流を抑制するように動作する。

［高調波抑制装置］
　高調波抑制装置１００は、装置電流検出部１０２と制御部１１０と記憶部１１８と複数の高調波抑制部１２０とを含んでいる。装置電流検出部１０２は、装置１０に流れる装置電流Ｉｄｅｖを検出するものである。装置１０が高調波電流を発生するため、装置電流検出部１０２が検出する装置電流Ｉｄｅｖには、高調波成分が含まれている。制御部１１０は、装置電流検出部１０２が検出した装置電流Ｉｄｅｖに応じて、高調波抑制部１２０のそれぞれを制御するものである。制御部１１０は、例えば、複数の高調波抑制部１２０と並列に接続されており、複数の高調波抑制部１２０の制御を同期して行うことができる。記憶部１１８は、例えば不揮発性メモリを含んで構成されており、制御部１１０が複数の高調波抑制部１２０のそれぞれを制御するためのデータ等を記憶している。

　高調波抑制部１２０のそれぞれは、装置１０が発生する高調波電流を抑制するものである。この実施の形態の高調波抑制部１２０のそれぞれは、例えば、アクティブフィルタを含んで構成されており、配線部２００に装置１０と並列に接続されている。例えば、アクティブフィルタを含む高調波抑制部１２０のそれぞれは、装置１０が発生する高調波電流とは逆位相の抑制電流Ｉｆを流すことで、高調波電流を抑制する。高調波抑制部１２０のそれぞれは、制御部１１０からの指示に従って、抑制電流Ｉｆの大きさを調整することができる。高調波抑制装置１００は、高調波抑制部１２０のそれぞれが流す抑制電流Ｉｆを合算した抑制電流Ｉｆａを流すことで、装置１０が発生する高調波電流を抑制する。高調波抑制部１２０のそれぞれは、例えば、全ての高調波抑制部１２０が動作することで、少なくとも装置１０が発生する高調波電流が最大となったときの高調波電流を抑制することができるように構成されている。例えば、図１に示す例では、３つの高調波抑制部１２０を含んでおり、高調波抑制部１２０のそれぞれは、装置１０が発生する最大の高調波電流の３分の１以上の電流を流すことができるように構成されている。なお、高調波抑制部１２０の数量は、３つに限定されるものではなく、２つ以上であればよい。

　また、高調波抑制部１２０のそれぞれは、抑制する高調波電流の次数が制限されていてもよい。例えば、この実施の形態の例では、高調波抑制部１２０のそれぞれは、１３次以上の高周波電流は抑制せず、５次、７次、および１１次の高調波電流を抑制するように構成されている。高調波抑制部１２０のそれぞれが抑制する高調波電流の次数を制限することによって、高調波抑制部１２０を小型化し、且つ高調波抑制部１２０の構成を簡略化することができるため、高調波抑制装置１００の小型化および低コスト化等を達成することができる。なお、高調波抑制部１２０のそれぞれの仕様は異なっていてもよいが、高調波抑制部１２０の仕様を共通化することによって、高調波抑制装置１００を低コスト化することができる。

　制御部１１０は、アナログ回路、デジタル回路、ＣＰＵ、またはこれらのうちの２つ以上の組み合わせを含んで構成されており、例えば、処理部１１２とＤ／Ａ変換部１１４と絶縁部１１６とを含んでいる。処理部１１２は、装置電流検出部１０２が検出した装置電流Ｉｄｅｖを用いて、高調波抑制部１２０のそれぞれを制御する制御信号を生成するものである。例えば、処理部１１２が生成する制御信号はデジタル信号であり、Ｄ／Ａ変換部１１４でアナログ信号に変換される。Ｄ／Ａ変換部１１４で変換されたアナログ信号は、絶縁部１１６を介して、複数の高調波抑制部１２０のそれぞれに入力される。絶縁部１１６は、光結合方式のフォトカプラ等であってもよく、磁気結合方式または容量結合方式のアイソレータ等であってもよい。なお、絶縁部１１６がデジタル信号を入力して動作するものである場合には、Ｄ／Ａ変換部１１４を省略することができる。また、処理部１１２がアナログの制御信号を出力するものである場合にも、Ｄ／Ａ変換部１１４を省略することができる。

［高調波抑制装置の動作］
　次に、図２を用いて、この実施の形態の高調波抑制装置１００の動作の一例を説明する。図２は、図１に記載の高調波抑制装置の動作の一例を説明する図である。この実施の形態の高調波抑制装置１００は、装置１０が発生する高調波電流を抑制しつつ、装置１０が発生する高調波電流の大きさ等に応じて、動作させる高調波抑制部１２０の数量を変更する動作数変更動作と、高調波抑制部１２０の動作時間を均一化するように、動作させる高調波抑制部１２０を切り替えるローテーション動作とを実行する。

　まず、図２に記載のステップＳ０２にて、図１に記載の制御部１１０は、装置電流検出部１０２が検出した装置電流Ｉｄｅｖの電流値を取得する。ステップＳ０４にて、制御部１１０は、ステップＳ０２で取得した電流値に応じた、高調波抑制部１２０の動作数を決定する。例えば、ステップＳ０２で取得した電流値が小さい場合には、高調波抑制部１２０の動作数を少なくし、ステップＳ０２で取得した電流値が大きい場合には、高調波抑制部１２０の動作数を多くする。高調波抑制部１２０の動作数は、例えば、ステップＳ０２で取得した電流値のピーク値の大きさに応じて決定される。なお、高調波抑制部１２０の動作数は、装置電流Ｉｄｅｖに含まれる高調波成分の次数と各次数の電流値に応じて決定されてもよい。例えば、制御部１１０は、ステップＳ０２で取得した電流値を用いて、フーリエ変換等を行って、装置電流Ｉｄｅｖに含まれる高調波成分の次数と各次数の電流値を演算することができる。装置電流Ｉｄｅｖのピーク値の大きさに応じて、高調波抑制部１２０の動作数を決定する場合には、高調波抑制部１２０の動作数を容易に決定することができる。また、装置電流Ｉｄｅｖに含まれる高調波成分の演算を行って、高調波抑制部１２０の動作数を決定する場合には、高調波電流の抑制を精度良く行うことができる。

　ステップＳ０６にて、制御部１１０は、記憶部１１８から、高調波抑制部１２０のそれぞれの優先順位に関する優先順位データを取得する。高調波抑制部１２０の優先順位は、動作させる高調波抑制部１２０の優先順位であり、例えば、高調波抑制部１２０のそれぞれの動作時間に対応するものである。例えば、動作時間が長い高調波抑制部１２０は優先順位が低く、動作時間が短い高調波抑制部１２０は優先順位が高い。

　ステップＳ０８にて、制御部１１０は、高調波抑制部１２０の動作数を変更するか否かを判断する。高調波抑制部１２０の動作数を変更するか否かの判断は、ステップＳ０４で決定された高調波抑制部１２０の動作数と、現在動作している高調波抑制部１２０の動作数と、を比較することによって行われる。

　ステップＳ０８にて、高調波抑制部１２０の動作数を変更すると判断した場合には、ステップＳ１０に進み、制御部１１０は、動作させる高調波抑制部１２０の数量を変更し、ステップＳ０２に戻る。ステップＳ１０にて、動作させる高調波抑制部１２０の数量を減少する場合には、制御部１１０は、運転優先度が低い高調波抑制部１２０を優先的に停止し、運転優先度が高い高調波抑制部１２０を優先的に動作させるとよい。また、ステップＳ１０にて、動作させる高調波抑制部１２０の数量を増加する場合には、制御部１１０は、運転優先度が高い高調波抑制部１２０を優先的に動作させるとよい。上記のように、運転優先度が高い高調波抑制部１２０を優先的に動作させることによって、高調波抑制部１２０のそれぞれの動作時間を平均化させることができるため、高調波抑制装置１００の長寿命化および高信頼性化を達成することができる。

　ステップＳ０８にて、高調波抑制部１２０の動作数を変更しないと判断した場合には、ステップＳ１２に進み、制御部１１０は、動作させる高調波抑制部１２０を切り替えるローテーションを行うか否かを判断する。動作させる高調波抑制部１２０のローテーションは、動作させる高調波抑制部１２０の数量が、全ての高調波抑制部１２０の数量と比較して少ない場合に行われる。このときに、制御部１１０は、高調波抑制部１２０のそれぞれの動作時間を利用して、高調波抑制部１２０のそれぞれの動作時間を平均化させるように、動作させる高調波抑制部１２０を切り替えるとよい。例えば、制御部１１０は、動作していない高調波抑制部１２０の動作時間と、動作している高調波抑制部１２０の動作時間と、を比較して、その差が予め定められた時間よりも長くなった場合に、動作させる高調波抑制部１２０のローテーションを実行する。ステップＳ１２にて、ローテーションを行うと判断した場合には、ステップＳ１４にてローテーションを実行し、ステップＳ０２に戻る。また、ステップＳ１２にて、ローテーションを行わないと判断した場合には、ローテーションを行わずに、ステップＳ０２に戻る。

　上記のように、この実施の形態の高調波抑制装置１００は、複数の高調波抑制部１２０を含んで構成されている。そのため、この実施の形態によれば、装置１０が発生する高調波電流の大きさに合わせて、高調波抑制部１２０の数量を決定するのみで、装置１０が発生する高調波電流を抑制することができる高調波抑制装置１００が得られる。
　例えば、図３は、図１に記載の高調波抑制装置の比較例１である。図３に示すように、比較例１の高調波抑制装置５００は、１つの高調波抑制部１５０を含んでおり、装置１０が発生する高調波電流を、１つの高調波抑制部１５０で抑制する構成である。比較例１の高調波抑制装置５００では、装置１０のインバータ負荷の容量の大きさに合わせて、１つの高調波抑制部１５０の容量が決定されるため、装置１０のインバータ負荷の容量が大きい場合には、１つの高調波抑制部１５０の容量を大容量化しなければならない。その結果、比較例１の構成では、高調波抑制部１５０が大型化し且つ高コスト化してしまう。さらに、比較例１の高調波抑制装置５００では、高調波抑制部１５０を、インバータ負荷の容量の大きさに合わせた専用の設計とする必要性があるため、高調波抑制装置５００のラインナップが増加し、高コスト化してしまう。
　比較例１の高調波抑制装置５００と比較して、図１に記載の、この実施の形態の高調波抑制装置１００は、高調波抑制部１２０の数量を決定するのみで、装置１０のインバータ負荷の容量に対応した高調波抑制装置１００が得られる。この実施の形態では、高調波抑制部１２０のそれぞれを、大容量化することなく、小容量のものとすることができるため、高調波抑制装置１００の小型化および低コスト化を実現することができる。さらに、この実施の形態によれば、高調波抑制部１２０を共通の設計とすることによって、高調波抑制部１２０を低コスト化することができるため、高調波抑制装置１００の低コスト化を実現することができる。

　また、この実施の形態によれば、装置１０が発生する高調波電流の大きさ等に応じて、動作させる高調波抑制部１２０の動作数を変更しているため、例えば、装置１０が発生する高調波電流が小さいときには、動作させる高調波抑制部１２０の数量を減少させることができる。その結果、この実施の形態によれば、高調波抑制部１２０の動作時間を低減させることができるため、高調波抑制装置１００の長寿命化および高信頼性化を達成することができる。なお、この実施の形態の高調波抑制装置１００は、装置１０が空気調和機の室外機等の、運転状態に応じて消費電力が大きく変動するものである場合に、上記の効果が顕著となる。

　さらに、この実施の形態によれば、複数の高調波抑制部１２０のうちの一部が動作している場合に、動作させる高調波抑制部１２０を切り替えるローテーション制御を行っている。その結果、この実施の形態によれば、複数の高調波抑制部１２０のそれぞれの動作時間を平均化させることができるため、高調波抑制装置１００の長寿命化および高信頼性化を達成することができる。

　さらに、この実施の形態によれば、１つの装置電流検出部１０２と１つの制御部１１０を含んで構成された１つの制御系が、複数の高調波抑制部１２０の制御を行う構成であるため、制御系の低コスト化が達成されている。

　実施の形態２．
　図４は、この発明の実施の形態２に係る装置ユニットの一例を模式的に記載した図であり、図５は、図４に記載の高調波抑制装置の動作の一例を説明する図である。図１に記載の実施の形態１の装置ユニット３００の高調波抑制装置１００と比較して、図４に記載の実施の形態２の装置ユニット３００Ａの高調波抑制装置１００Ａは、高調波成分が抑制された電源電流Ｉａｃを検出する電源電流検出部１０４をさらに有する。電源電流検出部１０４は、配線部２００の、複数の高調波抑制部１２０との接続部よりも、交流電源１側に配設されている。以下の説明では、実施の形態１と重複する部分については、説明を省略する。

　図４に示すように、この実施の形態では、制御部１１０Ａは、装置電流検出部１０２が検出した装置電流Ｉｄｅｖと、電源電流検出部１０４が検出した電源電流Ｉａｃとを用いて、高調波抑制部１２０のそれぞれを制御して、高調波電流を抑制している。したがって、この実施の形態の高調波抑制装置１００Ａによれば、図５に示すように、電源電流検出部１０４が検出した電源電流Ｉａｃを用いて、高調波抑制装置１００Ａが流す抑制電流Ｉｆａを調整することができるため、高調波抑制装置１００Ａが高調波電流を抑制する際の、過補償および補償不足等を調整することができる。

　さらに、この実施の形態の高調波抑制装置１００Ａは、装置電流検出部１０２が検出した装置電流Ｉｄｅｖと、電源電流検出部１０４が検出した電源電流Ｉａｃと、を用いて、高調波抑制部１２０の異常を判断することができる。なぜなら、高調波抑制部１２０に異常が発生した場合には、電源電流Ｉａｃの高調波成分が大きくなり、または電源電流Ｉａｃが異常値となる。また、この実施の形態の高調波抑制装置１００Ａによれば、例えば、動作させる高調波抑制部１２０を切り替えながら、異常状態の高調波抑制部１２０を判定し、異常状態となった高調波抑制部１２０以外の高調波抑制部１２０で、装置１０が発生する高調波電流を抑制することができる。上記のように、この実施の形態の高調波抑制装置１００Ａは、冗長性が向上されており、高調波抑制装置１００Ａの長寿命化および高信頼性化が達成されている。なお、高調波抑制装置１００Ａが図示を省略してある報知装置を備えている場合には、異常状態の高調波抑制部１２０が発生した場合に、報知装置から音または光等で、高調波抑制装置１００Ａが異常状態である旨を報知させることもできる。

　この発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々に改変することができる。すなわち、上記の実施の形態の構成を適宜改良してもよく、また、少なくとも一部を他の構成に代替させてもよい。さらに、その配置について特に限定のない構成要件は、実施の形態で開示した配置に限らず、その機能を達成できる位置に配置することができる。

　例えば、高調波抑制装置１００は、装置１０に組み込まれ、装置１０と一体的に構成されていてもよい。

　１　交流電源、１０　装置、１２　電力変換部、１４　コンバータ部、１６　インバータ部、１８　負荷、１００　高調波抑制装置、１００Ａ　高調波抑制装置、１０２　装置電流検出部、１０４　電源電流検出部、１１０　制御部、１１０Ａ　制御部、１１２　処理部、１１４　Ｄ／Ａ変換部、１１６　絶縁部、１１８　記憶部、１２０　高調波抑制部、１５０　高調波抑制部、２００　配線部、３００　装置ユニット、３００Ａ　装置ユニット、５００　高調波抑制装置、Ｉａｃ　電源電流、Ｉｄｅｖ　装置電流、Ｉｆ　抑制電流、Ｉｆａ　抑制電流。

Claims

　交流電源に配線部を介して接続された装置が発生する高調波電流を抑制する高調波抑制装置であって、
　前記配線部に流れる電流のうちの、高調波成分を含む装置電流を検出する装置電流検出部と、
　前記装置電流に含まれる高調波成分を抑制する、複数の高調波抑制部と、
　前記装置電流検出部が検出した装置電流を用いて、前記複数の高調波抑制部のそれぞれを制御する制御部と、を有する、
　高調波抑制装置。
　前記制御部は、前記装置電流検出部が検出した装置電流を用いて、前記複数の高調波抑制部のうちの、動作させる高調波抑制部の数量を変更する、
　請求項１記載の高調波抑制装置。
　前記制御部は、前記装置電流検出部が検出した装置電流の大きさに応じて、前記動作させる高調波抑制部の数量を変更する、
　請求項２記載の高調波抑制装置。
　前記制御部は、前記動作させる高調波抑制部の数量が、前記複数の高調波抑制部の全ての数量と比較して少ない場合に、前記複数の高調波抑制部のうちの、動作させる高調波抑制部を切り替えてローテーションさせる、
　請求項２または請求項３に記載の高調波抑制装置。
　前記制御部は、前記複数の高調波抑制部のそれぞれと並列に接続されている、
　請求項１～請求項４の何れか１項に記載の高調波抑制装置。
　前記複数の高調波抑制部のそれぞれは、前記配線部に前記装置と並列に接続され、前記装置電流に含まれる高調波成分とは逆位相の抑制電流を流すフィルタを含む、
　請求項１～請求項５の何れか１項に記載の高調波抑制装置。
　前記配線部の、前記複数の高調波抑制部との接続部よりも、前記交流電源側に配設され、電源電流を検出する電源電流検出部をさらに含み、
　前記制御部は、前記装置電流検出部が検出した装置電流に加えて、前記電源電流検出部が検出した電源電流を用いて、前記複数の高調波抑制部のそれぞれの制御を行う、
　請求項６記載の高調波抑制装置。
　前記制御部は、前記装置電流検出部が検出した装置電流と前記電源電流検出部が検出した電源電流とを利用して、前記複数の高調波抑制部のそれぞれの異常判定を行い、前記異常判定の結果、異常と判定された高調波抑制部以外の高調波抑制部で前記高調波成分を抑制する制御を行う、
　請求項７記載の高調波抑制装置。
　前記複数の高調波抑制部は、抑制する高調波成分の次数が制限されている、
　請求項１～請求項８の何れか１項に記載の高調波抑制装置。
　請求項１～請求項９の何れか１項に記載の高調波抑制装置と前記装置と前記配線部とを備え、
　前記装置は、インバータ圧縮機を含む空気調和機である、
　空調ユニット。