WO2016190345A1

WO2016190345A1 - 熱源装置

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Publication number: WO2016190345A1
Application number: PCT/JP2016/065427
Authority: WO
Inventors: 圭一石田; 洋平久保田
Original assignee: 東芝キヤリア株式会社
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2016-05-25
Publication date: 2016-12-01
Also published as: JP2018121373A

Abstract

熱源装置は、入力電圧を第１スイッチのオン,オフにより昇圧し逆流阻止用ダイオードを通して出力する昇圧回路と、この昇圧回路の出力を交流変換しモータへの駆動電力として出力するインバータと、前記逆流阻止用ダイオードに並列接続された第２スイッチと、コントローラとを備える。コントローラは、前記モータの動作状態に応じて、昇圧回路の昇圧動作と非昇圧動作を切り替えるとともに、前記第１スイッチのオン,オフによる昇圧動作時にその第１スイッチのオン,オフとは反対の位相で前記第２スイッチをオン,オフし、前記第１スイッチのオフによる非昇圧動作時に前記第２スイッチをオンする。

Description

熱源装置

　本発明の実施形態は、昇圧回路を備えた熱源装置に関する。

　空気調和機等の熱源装置は、圧縮機、この圧縮機のモータに駆動電力を供給するインバータを備える。このインバータの出力周波数を増減することにより圧縮機のモータの回転数が変化し、この回転数に略比例して熱源装置の加熱能力または冷却能力が変化する。

　熱源装置の加熱能力または冷却能力を大きくするためには、よりインバータの出力周波数を増加させることができるようにインバータの入力電圧を昇圧する昇圧回路を設ければよい。昇圧回路は、リアクタ１１、スイッチ素子、逆流阻止用ダイオード、およびコンデンサを含み、そのスイッチ素子のオン,オフにより入力電圧を昇圧し、昇圧した電圧を上記逆流阻止用ダイオードを通して上記コンデンサに印加し、そのコンデンサに生じる電圧を出力する。

特開２０１４－２１２５８８号公報

　上記昇圧回路の逆流阻止用ダイオードは、順方向に流れる電流に対して抵抗値を有する。この抵抗値の存在は、昇圧回路の電力損失につながり、省エネルギー性の面で無視できない。

　また、昇圧回路の昇圧動作時は、スイッチ素子の駆動に要する分の電力損失が発生する。

　本発明の実施形態の目的は、昇圧回路を設けた場合の電力損失を低減できる熱源装置を提供することである。

　請求項１の熱源装置は、入力電圧を第１スイッチのオン,オフにより昇圧し逆流阻止用ダイオードを通して出力する昇圧回路と、この昇圧回路の出力を交流変換しモータへの駆動電力として出力するインバータと、前記逆流阻止用ダイオードに並列接続された第２スイッチと、コントローラとを備える。コントローラは、前記モータの動作状態に応じて、昇圧回路の昇圧動作と非昇圧動作を切り替えるとともに、前記第１スイッチのオン,オフによる昇圧動作時にその第１スイッチのオン,オフとは反対の位相で前記第２スイッチをオン,オフし、前記第１スイッチのオフによる非昇圧動作時に前記第２スイッチをオンする。

一実施形態の構成を示すブロック図。一実施形態の制御を示すフローチャート。一実施形態における昇圧回路の昇圧動作を示すタイムチャート。一実施形態の変形例の構成を示すブロック図。

　以下、一実施形態として、空気調和機等の熱源装置に搭載される冷凍サイクル装置を例に説明する。　
　図１に示すように、交流電源１にダイオードブリッジの全波整流回路２が接続され、その全波整流回路２の出力端に平滑コンデンサ３が接続されている。そして、平滑コンデンサ３の両端に、昇圧回路１０が接続されている。

　昇圧回路１０は、リアクタ１１、スイッチ素子（第１スイッチ）ＳＷ１、逆流阻止用ダイオード１２、およびコンデンサ（電解コンデンサ）１３を含み、スイッチ素子ＳＷ１のオン,オフに伴うリアクタ１１の電荷のチャージ（charge）とディスチャージ（discharge）の繰り返しにより、入力電圧（全波整流回路２の出力電圧）を昇圧し、昇圧した電圧を逆流阻止用ダイオード１２を通してコンデンサ１３に印加し、そのコンデンサ１３に生じる電圧を出力する。また、昇圧回路１０は、スイッチ素子ＳＷ１の継続的なオフにより、入力電圧（全波整流回路２の出力電圧）をリアクタ１１および逆流阻止用ダイオード１２に通してそのまま昇圧することなくコンデンサ１３に印加し、そのコンデンサ１３に生じる電圧を出力する。スイッチ素子ＳＷ１として、例えばＭＯＳＦＥＴを用いる。

　この昇圧回路１０の逆流阻止用ダイオード１２に対し、スイッチ素子（第２スイッチ）ＳＷ２が並列接続される。スイッチ素子ＳＷ２は、オン時にエミッタ・コレクタ間の双方向に電流が流れる双方向性を有し、かつオン時の電力損失が逆流阻止用ダイオード１２の順方向の電力損失より小さい。このスイッチ素子ＳＷ２は、例えばＭＯＳＦＥＴである。

　昇圧回路１０の出力端に、インバータ２０が接続されている。インバータ２０は、昇圧回路１０の出力電圧（直流電圧）をスイッチングにより所定周波数の交流電圧に変換し、その交流電圧をモータ４０Ｍへの駆動電力として出力する。モータ４０Ｍは、冷凍装置に搭載される圧縮機４０の駆動用モータ（例えばブラシレスＤＣモータ）である。

　圧縮機４０は、冷媒を吸込んで圧縮し吐出する。この圧縮機４０の冷媒吐出口に四方弁４１を介して室外熱交換器４２の一端が接続され、その室外熱交換器４２の他端が膨張弁４３を介して室内熱交換器４４の一端に接続されている。室内熱交換器４４の他端は、四方弁４１を介して圧縮機４０の冷媒吸込口に接続されている。これら圧縮機４０、四方弁４１、室外熱交換器４２、膨張弁４３、室内熱交換器４４により、空気調和機用の冷凍サイクルが構成されている。

　昇圧回路１０において、リアクタ１１と逆流阻止用ダイオード１２との間の接続ラインに、かつスイッチ素子ＳＷ１の接続点よりリアクタ１１側の位置に、電流センサ１４が配置されている。電流センサ１４は、リアクタ１１に流れる電流を検知する。また、昇圧回路１０におけるコンデンサ１３の両端に、電圧検出部１５が接続されている。電圧検出部１５は、昇圧回路１０の出力電圧（コンデンサ１３の電圧）Ｖｄｃを検出する。さらに、インバータ２０とモータ４０Ｍとの間の接続ラインに、モータ４０Ｍに流れる電流（相巻線電流）を検知する電流センサ１６，１７，１８が配置されている。

　コントローラ３０に、上記電流センサ１４、上記電圧検出部１５、上記電流センサ１６，１７，１８が接続されているとともに、運転条件設定用の操作部３１が接続されている。

　コントローラ３０は、昇圧回路１０およびインバータ２０を制御するもので、主要な機能として、第１制御部３０ａ，第２制御部３０ｂ，第３制御部３０ｃ，第４制御部３０ｄ，第５制御部３０ｅを有する。　
　第１制御部３０ａは、モータ４０Ｍの速度が圧縮機４０の負荷（＝冷温熱の要求負荷）に応じた目標速度となるように、インバータ２０のスイッチングのオン,オフデューティを制御する。

　第２制御部３０ｂは、第１制御部３０ａの制御による上記オン,オフデューティが所定値Ａ％以上の場合に昇圧回路１０の出力電圧Ｖｄｃが予め定めた目標値となるオン，オフデューティを制御してスイッチ素子ＳＷ１をオン,オフして昇圧回路１０を昇圧動作させ、第１制御部３０ａの制御による上記オン,オフデューティが所定値Ｂ％（＜Ａ％）未満の場合に昇圧回路１０のスイッチ素子ＳＷ１をオフ（継続的にオフ）して昇圧回路１０を非昇圧動作させる。

　もともと、昇圧は、圧縮機４０の回転数を高める場合に必要となり、圧縮機４０を低回転数で運転する場合には不要である。一方、昇圧回路１０を昇圧動作させると、スイッチ素子ＳＷ１のオン，オフ動作による電力損失が発生する。そこで、圧縮機４０の回転数が低い場合には、昇圧回路１０の昇圧動作を停止し、これにより圧縮機４０の低回転数時の効率を向上させる。ここでは、モータの動作状態を示すパラメータとして第１制御部３０ａの制御によるオン,オフデューティの値を用いたが、他にモータの動作状態を示すものとしては、モータの回転数、モータの目標回転数、モータ電流等を用いることが可能である。

　第３制御部３０ｃは、昇圧回路１０の昇圧動作時、スイッチ素子ＳＷ１のオン,オフとは反対の位相でスイッチ素子ＳＷ２をオン,オフする。

　第４制御部３０ｄは、昇圧回路１０の非昇圧動作時、スイッチ素子ＳＷ２をオン（継続的にオン）する。

　第５制御部３０ｅは、第２制御部３０ｂ及び第３制御部３０ｃによるスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２の制御において、スイッチ素子ＳＷ２のオン,オフに際し、スイッチ素子ＳＷ１がオフからオンに切換わる前にスイッチ素子ＳＷ２をオンからオフに切換え、これによりスイッチ素子ＳＷ１がオフからオンに切換わるタイミングとスイッチ素子ＳＷ２がオンからオフに切換わるタイミングとの間に両スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２が共にオフ状態となるデッドタイムｔ１を確保するとともに、スイッチ素子ＳＷ１がオンからオフに切換わった後でスイッチ素子ＳＷ２をオフからオンに切換え、これによりスイッチ素子ＳＷ１がオンからオフに切換わるタイミングとスイッチ素子ＳＷ２がオフからオンに切換わるタイミングとの間に両スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２が共にオフ状態となるデッドタイムｔ２を確保する。

　上記全波整流回路２、昇圧回路１０、インバータ２０、電流センサ１４，１６～１７、電圧検出部１５、およびコントローラ３０などにより、本実施形態の熱源装置が構成されている。

　つぎに、コントローラ３０が実行する制御を図２のフローチャートおよび図３のタイムチャートを参照しながら説明する。図３において、Ｉsw1はスイッチ素子ＳＷ１に流れる電流、Ｉdiは逆流阻止用ダイオード１２に流れる電流、Ｉsw2はスイッチ素子ＳＷ２に流れる電流を示す。

　操作部３１で運転開始操作があった場合（ステップＳ１のＹＥＳ）、コントローラ３０は、昇圧回路１０のスイッチ素子ＳＷ１をオフ（継続的にオフ）して昇圧回路１０を非昇圧動作させ、この状態でインバータ２０の運転を開始して圧縮機４０を起動する（ステップＳ２）。

　この起動に伴い、コントローラ３０は、電流センサ１６～１８の検知電流からモータ４０Ｍの速度を検出し、検出した速度が圧縮機４０の負荷（空調負荷）に応じた目標速度となるようにインバータ２０のスイッチングのオン,オフデューティ（通電率ともいう）を制御する（ステップＳ３）。

　この時点で、コントローラ３０は、昇圧回路１０をまだ昇圧動作させていないので（ステップＳ４のＮＯ）、インバータ２０のスイッチングのオン，オフデューティが所定値Ａ％（例えば最大値１００％）に達しているか否かを判定する（ステップＳ５）。インバータ２０のスイッチングのオン，オフデューティが所定値Ａ％に達していない場合（ステップＳ５のＮＯ）、コントローラ３０は、操作部３１の運転停止操作を監視する（ステップＳ９）。運転停止操作がない場合（ステップＳ９のＮＯ）、コントローラ３０は、ステップＳ３のインバータ出力制御に戻る。

　インバータ２０のスイッチングのオン，オフデューティが最大値１００％に達する状態というのは、インバータ２０の出力電圧をそれ以上高めることができない状態のことであり、インバータ２０の出力電圧をさらに高める必要がある場合には昇圧回路１０の昇圧動作が必要となる。

　インバータ２０のスイッチングのオン，オフデューティが所定値Ａ％に達した場合（ステップＳ５のＹＥＳ）、コントローラ３０は、昇圧回路１０のスイッチ素子ＳＷ１をオン,オフして昇圧回路１０を昇圧動作させる（ステップＳ６）。具体的には、コントローラ３０は、所定周波数のキャリア信号（三角波信号）を電流センサ１４の検知電流（リアクタ電流）のレベルに基づいてＰＷＭ変調することによりスイッチ素子ＳＷ１に対する駆動信号（ＰＷＭ信号）を生成し、その駆動信号のオン，オフデューティを電圧検出部１５の検出電圧（昇圧回路１０の出力電圧）Ｖｄｃが予め定めた目標値となるように制御する。さらに、コントローラ３０は、スイッチ素子ＳＷ１のオン,オフとは反対の位相でスイッチ素子ＳＷ２をオン,オフする。

　スイッチ素子ＳＷ１のオン時、リアクタ１１に対する通電路がスイッチ素子ＳＷ１を介して形成され、リアクタ１１に電荷(エネルギー)がチャージされる。このとき、スイッチ素子ＳＷ２がオフしているので、しかも逆流阻止用ダイオード１２の逆流阻止作用により、コンデンサ１３の電圧がスイッチ素子ＳＷ１を通して放電することはない。

　続いて、スイッチ素子ＳＷ１がオフすると、リアクタ１１から電荷がディスチャージされ、スイッチ素子ＳＷ１の両端に生じる電圧が上昇方向に変化する。このとき、スイッチ素子ＳＷ２がオンしているので、スイッチ素子ＳＷ１の両端に生じる電圧が逆流阻止用ダイオード１２よりも抵抗値の小さいスイッチ素子ＳＷ２を介してコンデンサ１３に印加される。つまり、コンデンサ１３に向かう電流は逆流阻止用ダイオード１２よりも抵抗値の小さいスイッチ素子ＳＷ２を通る。スイッチ素子ＳＷ２に電流が流れることによる電力損失は、逆流阻止用ダイオード１２に電流が流れる場合の電力損失よりも、小さい。

　両スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２が同時にオンすると、コンデンサ１３が短絡されてしまう。これを防止するためにスイッチ素子ＳＷ１がオフからオンに切換わるタイミングとスイッチ素子ＳＷ２がオンからオフに切換わるタイミングとの間に、両スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２が共にオフ状態となるデッドタイムｔ１が確保される。さらに、スイッチ素子ＳＷ１がオンからオフに切換わるタイミングとスイッチ素子ＳＷ２がオフからオンに切換わるタイミングとの間に、両スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２が共にオフ状態となるデッドタイムｔ２が確保される。これらデッドタイムｔ１，ｔ２の確保により、コンデンサ１３の電圧がスイッチ素子ＳＷ１を通して放電する不具合は生じない。デッドタイムｔ１，ｔ２は、互いに同じ時間であっても、互いに異なる時間であってもよく、それぞれ最適な時間が設定される。

　なお、両スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２が共にオフ状態となるデッドタイムｔ１，ｔ２の期間は、入力電圧がリアクタ１１および逆流阻止用ダイオード１２を介してコンデンサ１３に印加されるので、逆流阻止用ダイオード１２に電流が流れるが、デッドタイムｔ１，ｔ２は極めて短いので、逆流阻止用ダイオード１２での電力損失は小さい。

　この昇圧動作の開始に伴い、コントローラ３０は、操作部３１の運転停止操作を監視する（ステップＳ９）。運転停止操作がない場合（ステップＳ９のＮＯ）、コントローラ３０は、ステップＳ３のインバータ出力制御に戻る。

　昇圧動作中（ステップＳ４のＹＥＳ）、コントローラ３０は、インバータ２０のスイッチングのオン，オフデューティが所定値Ｂ％（例えば９０％）未満であるか否かを判定する（ステップＳ７）。インバータ２０のスイッチングのオン，オフデューティが所定値Ｂ％未満でない場合（ステップＳ７のＮＯ）、コントローラ３０は、操作部３１の運転停止操作を監視する（ステップＳ９）。運転停止操作がない場合（ステップＳ９のＮＯ）、コントローラ３０は、ステップＳ３のインバータ出力制御に戻る。

　インバータ２０のスイッチングのオン，オフデューティが所定値Ｂ％未満に低下した場合（ステップＳ７のＹＥＳ）、コントローラ３０は、スイッチ素子ＳＷ１をオフ（継続的にオフ）して昇圧回路１０を非昇圧動作させる（ステップＳ８）。この場合、昇圧回路１０への入力電圧がリアクタ１１およびスイッチ素子ＳＷ２を介してそのまま昇圧されることなくコンデンサ１３に印加され、そのコンデンサ１３に生じる電圧が出力される。

　この非昇圧時も、逆流阻止用ダイオード１２より抵抗値の小さい方のスイッチ素子ＳＷ２を通して電流が流れるので、昇圧回路１０における電力損失は小さい。

　非昇圧時、コントローラ３０は、スイッチ素子ＳＷ１がオンからオフに切換わった後でスイッチ素子ＳＷ２をオフからオンに切換える。これにより、スイッチ素子ＳＷ１がオンからオフに切換わるタイミングとスイッチ素子ＳＷ２がオフからオンに切換わるタイミングとの間に、両スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２が共にオフ状態となるデッドタイムが確保される。よって、コンデンサ１３の電圧がスイッチ素子ＳＷ１を通して放電することはない。

　そして、コントローラ３０は、操作部３１の運転停止操作を監視する（ステップＳ９）。運転停止操作がない場合（ステップＳ９のＮＯ）、コントローラ３０は、ステップＳ３のインバータ出力制御に戻る。運転停止操作があった場合には（ステップＳ９のＹＥＳ）、コントローラ３０は、全ての運転を終了する（ステップＳ１０）。

　以上のように、昇圧回路１０における逆流阻止用ダイオード１２と並列にスイッチ素子ＳＷ２を並列接続し、スイッチ素子ＳＷ１をオン，オフする昇圧時はスイッチ素子ＳＷ２をスイッチ素子ＳＷ１のオン，オフとは反対の位相でオン，オフし、スイッチ素子ＳＷ１をオフする非昇圧時はスイッチ素子ＳＷ２をオンすることにより、昇圧回路１０の電力損失を低減できる。省エネルギー効果の向上が図れる。

　なお、上記実施形態では、１つの逆流阻止用ダイオード１２を有する昇圧回路１０を例に説明したが、図４に示すように、複数たとえば３つの逆流阻止用ダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃを互いに並列接続し、これら逆流阻止用ダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃごとにスイッチ素子（第２スイッチ素子）ＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂ，ＳＷ２ｃを並列接続する構成の昇圧回路１０を採用してもよい。スイッチ素子ＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂ，ＳＷ２ｃは、互いに同期する状態でオンし、互いに同期する状態でオフする。

　スイッチ素子ＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂ，ＳＷ２ｃのオン時は、リアクタ１１側からコンデンサ１３に向かって流れる電流がスイッチ素子ＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂ，ＳＷ２ｃに分流して流れる。デッドタイムにおいてスイッチ素子ＳＷ１とスイッチ素子ＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂ，ＳＷ２ｃが共にオフするタイミングでは、リアクタ１１側からコンデンサ１３に向かって流れる電流が逆流阻止用ダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃに分流して流れる。分流により逆流阻止用ダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃの個々の温度上昇およびその温度上昇に伴う逆流阻止用ダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃの個々の抵抗値増大を抑えることができる。これにより、逆流阻止用ダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃに電流が流れる場合の電力損失を極力抑えることができる。

　上記実施形態では、スイッチ素子ＳＷ２としてＭＯＳＦＥＴを用いたが、オン時に双方向に電流が流れる双方向性を有し且つオン時の抵抗値が逆流阻止用ダイオード１２の順方向の抵抗値より小さいスイッチ素子であれば、ＭＯＳＦＥＴ以外のスイッチ素子を用いてもよい。

　その他、上記実施形態および変形例は、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は意図していない。この新規な実施形態および変形例は、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、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、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…交流電源、２…全波整流回路、１０…昇圧回路、１１…昇圧用のリアクタ、１２…逆流阻止用ダイオード、１３…コンデンサ、ＳＷ１…スイッチ素子（第１スイッチ素子）、ＳＷ２…スイッチ素子（第２スイッチ素子）、１４…電流センサ、１５…電圧検出部、１６～１８…電流センサ、２０…インバータ、３０…制御部、３１…操作部、４０…圧縮機、４０Ｍ…モータ、４１…四方弁、４２…室外熱交換器、４３…膨張弁、４４…室内熱交換器

Claims

　入力電圧を第１スイッチのオン,オフにより昇圧し逆流阻止用ダイオードを通して出力する昇圧回路と、
　前記昇圧回路の出力を交流変換しモータへの駆動電力として出力するインバータと、
　前記逆流阻止用ダイオードに並列接続された第２スイッチと、
　前記モータの動作状態に応じて、昇圧回路の昇圧動作と非昇圧動作を切り替えるとともに、前記第１スイッチのオン,オフによる昇圧動作時にその第１スイッチのオン,オフとは反対の位相で前記第２スイッチをオン,オフし、前記第１スイッチのオフによる非昇圧動作時に前記第２スイッチをオンするコントローラと、
　を備えることを特徴とする熱源装置。
　前記第２スイッチは、オン時の電力損失が前記逆流阻止用ダイオードの順方向の電力損失より小さい双方向性のスイッチ素子である
　ことを特徴とする請求項１記載の熱源装置。
　前記昇圧回路は、前記逆流阻止用ダイオードを経た電圧をコンデンサに印加し、そのコンデンサの電圧を出力する
　ことを特徴とする請求項１記載の熱源装置。
　前記コントローラは、前記昇圧回路の出力電圧が目標値となるように前記第１スイッチのオン，オフデューティを制御する
　ことを特徴とする請求項１記載の熱源装置。
　前記コントローラは、前記第１スイッチがオフからオンに切換わるタイミングと前記第２スイッチがオンからオフに切換わるタイミングとの間に両スイッチが共にオフ状態となるデッドタイムを確保するとともに、前記第１スイッチがオンからオフに切換わるタイミングと前記第２スイッチがオフからオンに切換わるタイミングとの間に両スイッチが共にオフ状態となるデッドタイムを確保する
　ことを特徴とする請求項１記載の熱源装置。
　前記インバータは、前記昇圧回路の出力をスイッチングにより交流変換し前記モータへの駆動電力として出力する、
　前記コントローラは、前記モータの速度が目標速度となるように前記インバータのスイッチングのオン,オフデューティを制御し、このオン,オフデューティが所定値以上の場合に前記第１スイッチをオン,オフし、所定値未満の場合に前記第１スイッチを継続的にオフする、
　ことを特徴とする請求項１記載の熱源装置。