WO2023233636A1 - 電力変換装置、モータ駆動装置および冷凍サイクル適用機器 - Google Patents

電力変換装置、モータ駆動装置および冷凍サイクル適用機器 Download PDF

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WO2023233636A1
WO2023233636A1 PCT/JP2022/022548 JP2022022548W WO2023233636A1 WO 2023233636 A1 WO2023233636 A1 WO 2023233636A1 JP 2022022548 W JP2022022548 W JP 2022022548W WO 2023233636 A1 WO2023233636 A1 WO 2023233636A1
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WO
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voltage
filter
power conversion
conversion device
control unit
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Application number
PCT/JP2022/022548
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English (en)
French (fr)
Inventor
裕一 清水
和徳 畠山
Original Assignee
三菱電機株式会社
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

Definitions

  • the present disclosure relates to a power conversion device, a motor drive device, and a refrigeration cycle application device that convert AC power into desired power.
  • a power conversion device that converts commercial AC power into DC voltage once through a rectifier circuit and a smoothing circuit and obtains the desired AC power using an inverter, it is equipped with an inductance element of about several hundred ⁇ H between the rectifier circuit and the smoothing circuit, A structure including a film capacitor of several tens of ⁇ F to several hundred ⁇ F as a capacitor of the smoothing circuit has been proposed.
  • harmonic components of commercial AC power, harmonic components of an output voltage of an inverter, etc. approach the resonant frequency of an LC filter made of an inductance element and a capacitor, the DC voltage pulsates due to resonance.
  • an overvoltage is applied to the inverter, which may cause the power converter to stop or malfunction.
  • Patent Document 1 discloses a technique for controlling an inverter so that the input/output voltage transfer characteristic of the inverter becomes an attenuation characteristic due to a phase lead element and a second-order lag element connected in series. has been done.
  • a method of adding a suppression value to a current control system there is a method of suppressing damping of an LC filter by controlling the active current of an AC load and varying the DC current.
  • a method of adding a suppression value to the voltage control rate there is a method of suppressing damping of the LC filter by varying the DC power by varying the voltage control rate.
  • the present disclosure has been made in view of the above, and aims to provide a power conversion device that can reduce DC voltage pulsations caused by filter resonance without reducing efficiency.
  • a power conversion device includes a rectifier circuit that rectifies a first AC voltage into a DC voltage, and a rectifier circuit that rectifies the DC voltage rectified by the rectifier circuit. It has an inverter section that converts it into an alternating current voltage and outputs it, an inductance element connected between one output terminal of the rectifier circuit and one input terminal of the inverter section, and a capacitor connected between the input terminals of the inverter section.
  • a filter a voltage detection unit that detects a DC voltage that is the voltage across a capacitor, a DC voltage pulsation reduction unit that changes at least one of the resonance frequency of the filter and the Q value that is a Quality Factor of the filter, and an inverter unit. and a control section that controls the DC voltage pulsation reduction section.
  • the control unit determines whether the DC voltage detected by the voltage detection unit is pulsating due to resonance of the filter, controls the DC voltage pulsation reduction unit based on the determination result, and adjusts the resonance frequency and Q value of the filter. change at least one of them.
  • the power converter device has the effect of reducing DC voltage pulsations caused by filter resonance without reducing efficiency.
  • a diagram showing a configuration example of a power conversion device according to Embodiment 1. A diagram illustrating an example of a hardware configuration that implements a control unit included in the power conversion device according to Embodiment 1.
  • a diagram showing a configuration example of a power conversion device according to Embodiment 2 A diagram showing a configuration example of a power conversion device according to Embodiment 3
  • a second diagram showing a configuration example of a power conversion device according to Embodiment 4 Third diagram illustrating a configuration example of a power conversion device according to Embodiment 4 A first flowchart showing a process in which the control unit of the power conversion device according to Embodiment 5 controls the DC voltage pulsation reduction unit
  • a diagram showing a Bode diagram of an RLC series circuit of a power conversion device according to Embodiment 5 A diagram showing an example of a waveform in a state where pulsations occur in the DC voltage due to resonance of the LC filter in the power conversion device according to Embodiment 5.
  • a diagram showing a configuration example of a power conversion device according to Embodiment 6 Flowchart showing a process in which the control unit of the power conversion device according to Embodiment 6 controls the DC voltage pulsation reduction unit
  • a diagram showing a configuration example of a refrigeration cycle application device according to Embodiment 7 A diagram showing an example of the effect obtained by the power conversion device installed in the refrigeration cycle application equipment according to Embodiment 7.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a power conversion device 1 according to the first embodiment.
  • Power conversion device 1 is connected to AC power supply 10 and motor 13.
  • Power conversion device 1 converts a first AC voltage supplied from AC power supply 10 into a second AC voltage having a desired amplitude and phase, and supplies the second AC voltage to motor 13 .
  • the power conversion device 1 includes a rectifier circuit 11, inductance elements 21-1 and 21-2, a switching element 31-2, a capacitor 22-1, a voltage detection section 30, an inverter section 12, and a control section 50. , is provided.
  • the power conversion device 1 and the motor 13 constitute a motor drive device 2. The same applies to subsequent embodiments.
  • the rectifier circuit 11 is a diode bridge that includes six diodes 111 and rectifies the first AC voltage supplied from the AC power supply 10.
  • Inductance elements 21-1 and 21-2 are connected in parallel between one output terminal of rectifier circuit 11 and one input terminal of inverter section 12. In the following description, the inductance elements 21-1 and 21-2 may be referred to as the inductance element 21 if not distinguished.
  • Switching element 31-2 is connected in series with inductance element 21-2. The switching element 31-2 becomes conductive or non-conductive in response to a switching element drive signal from the control section 50. In the following description, the switching element 31-2 may be simply referred to as the switching element 31.
  • the capacitor 22-1 is connected between the input terminals of the inverter section 12, that is, between one input terminal and the other input terminal of the inverter section 12.
  • the inductance elements 21-1, 21-2 and the capacitor 22-1 constitute an LC filter.
  • the LC filter may be simply referred to as a filter. The same applies to subsequent embodiments.
  • the voltage detection unit 30 detects the voltage across the capacitor 22-1 constituting the LC filter, that is, the DC voltage Vdc rectified by the rectifier circuit 11.
  • the inverter unit 12 includes six switching elements 121 and six freewheeling diodes 122 connected in parallel to each switching element 121, and converts the DC voltage Vdc rectified by the rectifier circuit 11 into a second AC voltage. Output. In the example of FIG. 1, the inverter section 12 outputs the second AC voltage to the motor 13, which is a load.
  • the control section 50 controls the operation of the switching element 31-2 and the inverter section 12. The control section 50 generates and outputs a switching element drive signal to the switching element 31-2, and generates and outputs an inverter drive signal to the inverter section 12.
  • the inverter unit 12 is constructed by connecting three series-connected switching elements 121 in parallel using a DC voltage Vdc, which is the voltage across the capacitor 22-1 of the LC filter, as a power source. configured.
  • the inverter unit 12 generates three-phase voltages Vu, Vv, and Vw by driving the switching element 121 corresponding to the inverter drive signal in accordance with the inverter drive signal acquired from the control unit 50, and generates three-phase voltages Vu, Vv, and Vw. Apply voltage to each of the V-phase and W-phase windings.
  • the first AC voltage supplied from the AC power supply 10 is shown as three-phase AC in FIG. 1, it may be single-phase AC.
  • the switching element 121 constituting the inverter section 12 for example, a power transistor, a power MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), an IGBT (Insulated Gate Bipolar A semiconductor switching element such as a transistor may be used.
  • the inverter section 12 may have a configuration in which a free wheel diode 122 is connected in parallel with the switching element 121, that is, a semiconductor switching element, as shown in FIG. 1, in order to suppress surge voltage caused by switching of the switching element 121.
  • the freewheeling diode 122 may be a parasitic diode of a semiconductor switching element, but in the case of a MOSFET, it is also possible to realize the same function by turning it on at the timing of freewheeling.
  • the material constituting the semiconductor switching element is not only silicon (Si), but also wide bandgap semiconductors such as silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), gallium oxide (Ga2O3), and diamond. Low loss and high speed switching can be achieved.
  • the power conversion device 1 includes two inductance elements 21 in parallel in the example of FIG. 1, but it is assumed that it includes m inductance elements 21 in parallel. That is, the LC filter includes m inductance elements 21 in parallel. Note that m is a natural number of 2 or more. Further, although the power converter 1 includes one switching element 31 in the example of FIG. 1, it also includes m-1 switching elements 31 connected in series to each of the m-1 inductance elements 21. shall be taken as a thing. In this embodiment, m-1 switching elements 31 constitute a DC voltage pulsation reducing section 60. That is, the DC voltage pulsation reduction unit 60 includes m-1 switching elements 31 connected in series to each of the m-1 inductance elements 21.
  • the DC voltage pulsation reduction unit 60 changes at least one of the resonance frequency f of the LC filter and the Q value, which is a quality factor of the LC filter.
  • the DC voltage pulsation reducing section 60 changes the resonant frequency f of the LC filter.
  • the power conversion device 1 switches the number of connected inductance elements 21 by making the switching element 31 conductive or non-conductive, and changes the resonance frequency f of the LC filter expressed by equation (1).
  • L is the combined inductance in the LC filter
  • C is the combined capacitance in the LC filter.
  • ⁇ (LC) indicates the square root of LC. The same applies to the handling of ⁇ ( ) in the formulas explained below. Thereby, the power conversion device 1 can operate the inverter unit 12 while avoiding the resonance frequency f of the LC filter, and can suppress pulsations in the DC voltage Vdc.
  • the control unit 50 gradually changes the duty ratio of the switching element 31-2 using PWM (Pulse Width Modulation) control when controlling the switching element 31-2.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • the power conversion device 1 can prevent excessive voltage from being generated in the inductance elements 21-1 and 21-2, and can prevent excessive charging current from flowing to the capacitor 22-1.
  • the control unit 50 can make some of the m-1 switching elements 31 conductive and the remaining switching elements 31 non-conductive. Conditions for the control unit 50 to start controlling the switching element 31-2 will be explained in Embodiment 5, which will be described later.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration that implements the control unit 50 included in the power conversion device 1 according to the first embodiment.
  • the control unit 50 is realized by a processor 91 and a memory 92.
  • the processor 91 is a CPU (Central Processing Unit, also referred to as a central processing unit, a processing unit, an arithmetic unit, a microprocessor, a microcomputer, a processor, a DSP (Digital Signal Processor)), or a system LSI (Large Scale Intel). gration).
  • the memory 92 includes RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), flash memory, EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), and EEP. Non-volatile or volatile memory such as ROM (registered trademark) (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) An example is semiconductor memory.
  • the memory 92 is not limited to these, and may be a magnetic disk, an optical disk, a compact disk, a mini disk, or a DVD (Digital Versatile Disc).
  • the control unit 50 determines whether the DC voltage Vdc detected by the voltage detection unit 30 is pulsating due to resonance of the LC filter. Then, based on the determination result, the DC voltage pulsation reducing section 60 is controlled to change at least one of the resonance frequency f and the Q value of the LC filter. Specifically, the control unit 50 controls conduction or non-conduction of m-1 switching elements 31 based on the determination result, and switches the number of connected inductance elements 21 in the LC filter, thereby increasing the number of inductance elements 21 connected in the LC filter. Change the resonance frequency f. Thereby, by changing the resonance frequency f of the LC filter, the power conversion device 1 can reduce the pulsation of the DC voltage Vdc caused by the resonance of the LC filter without reducing the efficiency.
  • the power conversion device 1 includes a plurality of inductance elements 21, and changes the resonant frequency f of the LC filter by switching the number of connected inductance elements 21.
  • the power converter 1 includes a plurality of capacitors 22 and changes the resonant frequency f of the LC filter by switching the number of capacitors 22 connected.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of the power conversion device 1 according to the second embodiment.
  • the power conversion device 1 includes a rectifier circuit 11, an inductance element 21-1, capacitors 22-1 and 22-2, a switching element 32-2, a voltage detection section 30, an inverter section 12, and a control section 50. , is provided.
  • the capacitors 22-1 and 22-2 may be referred to as capacitors 22 if they are not distinguished from each other.
  • Switching element 32-2 is connected in series with capacitor 22-2. The switching element 32-2 becomes conductive or non-conductive in response to a switching element drive signal from the control section 50.
  • the switching element 32-2 may be simply referred to as the switching element 32.
  • an LC filter is configured by the inductance element 21-1 and the capacitors 22-1 and 22-2.
  • the control section 50 controls the operation of the switching element 32-2 and the inverter section 12.
  • the control section 50 generates and outputs a switching element drive signal to the switching element 32-2, and generates and outputs an inverter drive signal to the inverter section 12.
  • the power conversion device 1 includes two capacitors 22 in parallel in the example of FIG. 3, but it is assumed that it includes n capacitors 22 in parallel. That is, the LC filter includes n capacitors 22 in parallel.
  • n is a natural number of 2 or more.
  • n it may be the same number as m of Embodiment 1, and may be a different number.
  • the power conversion device 1 includes one switching element 32 in the example of FIG. shall be.
  • the n-1 switching elements 32 constitute a DC voltage pulsation reducing section 60. That is, the DC voltage pulsation reduction unit 60 includes n-1 switching elements 32 connected in series to each of the n-1 capacitors 22.
  • the DC voltage pulsation reduction unit 60 changes at least one of the resonance frequency f of the LC filter and the Q value, which is a quality factor of the LC filter.
  • the DC voltage pulsation reducing section 60 changes the resonant frequency f of the LC filter.
  • the power conversion device 1 switches the number of connected capacitors 22 by making the switching element 32 conductive or non-conductive, and changes the resonance frequency f of the LC filter expressed by the above-mentioned formula (1). Thereby, the power conversion device 1 can operate the inverter unit 12 while avoiding the resonance frequency f of the LC filter, and can suppress pulsations in the DC voltage Vdc.
  • the control unit 50 gradually changes the duty ratio of the switching element 32-2 using PWM control when controlling the switching element 32-2. Thereby, the power conversion device 1 can prevent an excessive voltage from being generated in the inductance element 21-1 and prevent an excessive charging current from flowing to the capacitors 22-1 and 22-2. Further, the control unit 50 can make some of the n-1 switching elements 32 conductive and the remaining switching elements 32 non-conductive. Conditions for the control unit 50 to start controlling the switching element 32-2 will be explained in Embodiment 5, which will be described later.
  • the control unit 50 determines whether the DC voltage Vdc detected by the voltage detection unit 30 is pulsating due to resonance of the LC filter. Then, based on the determination result, the DC voltage pulsation reducing section 60 is controlled to change at least one of the resonance frequency f and the Q value of the LC filter. Specifically, the control unit 50 controls conduction or non-conduction of the n-1 switching elements 32 based on the determination result, and switches the number of connected capacitors 22 in the LC filter, thereby reducing the resonance of the LC filter. Change the frequency f. Thereby, the power conversion device 1 can reduce pulsations in the DC voltage Vdc caused by resonance of the LC filter without reducing efficiency. Note that the second embodiment can be used in combination with the first embodiment.
  • Embodiment 3 In Embodiment 1 and Embodiment 2, the case where the resonance frequency f of the LC filter included in the power conversion device 1 is changed has been described. In Embodiment 3, a case will be described in which the Q value of the LC filter included in the power conversion device 1 is lowered.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of the power conversion device 1 according to the third embodiment.
  • the power conversion device 1 includes a rectifier circuit 11, an inductance element 21-1, a capacitor 22-1, a bump resistance 23, a switching element 33, a voltage detection section 30, an inverter section 12, and a control section 50. , is provided.
  • the anti-rush resistor 23 is a resistor provided to prevent excessive charging current from flowing to the capacitor 22-1.
  • the switching element 33 is connected in parallel to the anti-rush resistance 23 .
  • the switching element 33 becomes conductive or non-conductive in response to a switching element drive signal from the control section 50.
  • the resistance value of the thrust protection resistor 23 is larger than the resistance value of the resistance component of the switching element 33 when the switching element 33 is made conductive.
  • an LC filter is configured by the inductance element 21-1 and the capacitor 22-1.
  • the control section 50 controls the operation of the switching element 33 and the inverter section 12.
  • the control section 50 generates and outputs a switching element drive signal to the switching element 33, and generates and outputs an inverter drive signal to the inverter section 12.
  • the power conversion device 1 includes one inductance element 21 and one capacitor 22 as an LC filter.
  • one switching element 33 constitutes a DC voltage pulsation reducing section 60. That is, the DC voltage pulsation reducing unit 60 includes one switching element 33 connected in parallel to one thrust protection resistor 23 .
  • the DC voltage pulsation reduction unit 60 changes at least one of the resonance frequency f of the LC filter and the Q value, which is a quality factor of the LC filter. In this embodiment, a case in which the DC voltage pulsation reducing section 60 changes the Q value of the LC filter will be specifically described.
  • the combined impedance of the RLC series circuit composed of the resistance components of the LC filter, the anti-rush resistor 23, and the switching element 33 is higher than when the switching element 33 is in a conductive state. It is larger in the non-conducting state. Therefore, the power converter 1 can operate with low loss by making the switching element 33 conductive, and by making the switching element 33 non-conductive, the impedance of the RLC series circuit is increased. It is possible to reduce the Q value expressed by equation (2) and suppress the pulsation of the DC voltage Vdc.
  • R, L, and C are the combined resistance, combined inductance, and combined capacitance, respectively, in the RLC series circuit including the LC filter and the anti-rush resistance 23.
  • the control unit 50 gradually changes the duty ratio of the switching element 33 using PWM control when controlling the switching element 33. Thereby, the power conversion device 1 can prevent an excessive voltage from being generated in the inductance element 21-1 and prevent an excessive charging current from flowing to the capacitor 22-1. Conditions for the control unit 50 to start controlling the switching element 33 will be explained in Embodiment 5, which will be described later.
  • the control unit 50 determines whether the DC voltage Vdc detected by the voltage detection unit 30 is pulsating due to resonance of the LC filter. Then, based on the determination result, the DC voltage pulsation reducing section 60 is controlled to change at least one of the resonance frequency f and the Q value of the LC filter. Specifically, the control unit 50 controls conduction or non-conduction of the switching element 33 based on the determination result, and switches the resistance value of the combined resistance of the RLC series circuit including the LC filter and the anti-rush resistance 23. Reduce the Q value of the LC filter. Thereby, the power conversion device 1 can reduce pulsations in the DC voltage Vdc caused by resonance of the LC filter without reducing efficiency. Note that Embodiment 3 can be used in combination with either or both of Embodiment 1 and Embodiment 2.
  • Embodiment 4 a case will be described in which a relay is added to each power conversion device 1 described in Embodiment 1 to Embodiment 3.
  • FIG. 5 is a first diagram showing a configuration example of the power conversion device 1 according to the fourth embodiment.
  • the power converter 1 shown in FIG. 5 has a relay 41-2 added to the power converter 1 of the first embodiment shown in FIG. Relay 41-2 is connected in parallel to switching element 31-2.
  • Relay 41-2 is turned on or off by a relay drive signal from control section 50.
  • Relay 41-2 is included in DC voltage pulsation reduction section 60. That is, the DC voltage pulsation reducing section 60 includes a switching element 31-2 and a relay 41-2.
  • the control unit 50 generates and outputs a switching element drive signal to the switching element 31-2, generates and outputs a relay drive signal to the relay 41-2, and outputs an inverter drive signal to the inverter unit 12. Generate and output.
  • FIG. 6 is a second diagram showing a configuration example of the power conversion device 1 according to the fourth embodiment.
  • the power converter 1 shown in FIG. 6 is obtained by adding a relay 42-2 to the power converter 1 of the second embodiment shown in FIG.
  • Relay 42-2 is connected in parallel to switching element 32-2.
  • Relay 42-2 is turned on or off by a relay drive signal from control unit 50.
  • Relay 42-2 is included in DC voltage pulsation reduction section 60. That is, the DC voltage pulsation reducing section 60 includes a switching element 32-2 and a relay 42-2.
  • the control unit 50 generates and outputs a switching element drive signal to the switching element 32-2, generates and outputs a relay drive signal to the relay 42-2, and outputs an inverter drive signal to the inverter unit 12. Generate and output.
  • FIG. 7 is a third diagram showing a configuration example of the power conversion device 1 according to the fourth embodiment.
  • the power converter 1 shown in FIG. 7 has a relay 43 added to the power converter 1 of the third embodiment shown in FIG. Relay 43 is connected in parallel to switching element 33.
  • the relay 43 is turned on or off by a relay drive signal from the control unit 50.
  • Relay 43 is included in DC voltage pulsation reduction section 60 . That is, the DC voltage pulsation reduction unit 60 includes a switching element 33 and a relay 43.
  • the control unit 50 generates and outputs a switching element drive signal to the switching element 33, generates and outputs a relay drive signal to the relay 43, and generates an inverter drive signal to the inverter unit 12. Output.
  • the control unit 50 of the power converter 1 instead of setting the duty ratio, which is the conduction period of the switching element for a prescribed period, to 100%, the control unit 50 of the power converter 1 makes the relay conductive and the switching element non-conductive. shall be. That is, the control unit 50 performs control to make the switching element non-conductive and to make the relay conductive, instead of controlling the period in which the switching element is made conductive to exceed a specified period. Thereby, the power conversion device 1 can reduce conduction loss of the switching element and realize highly efficient power conversion.
  • Embodiment 5 conditions under which the control unit 50 of the power conversion device 1 determines that the DC voltage Vdc is pulsating due to resonance of the LC filter and start controlling the switching elements will be described.
  • FIG. 8 is a first flowchart showing a process in which the control unit 50 of the power conversion device 1 according to the fifth embodiment controls the DC voltage pulsation reduction unit 60.
  • the control unit 50 acquires the DC voltage Vdc from the voltage detection unit 30 (step S101).
  • Step S102 Yes
  • the control unit 50 switches the connection state of the inductance element 21, the capacitor 22, or the anti-rush resistance 23 (Step S103).
  • the control unit 50 when all the switching elements 31 are non-conductive, the control unit 50 makes some switching elements 31 conductive to increase the number of inductance elements 21 connected to the LC filter. In the first embodiment, when all the switching elements 31 are made conductive, the control unit 50 makes some of the switching elements 31 non-conductive to reduce the number of inductance elements 21 connected to the LC filter.
  • the control unit 50 when all the switching elements 32 are made non-conductive, the control unit 50 makes some switching elements 32 conductive to increase the number of capacitors 22 connected to the LC filter. In the second embodiment, when all the switching elements 32 are made conductive, the control unit 50 makes some of the switching elements 32 non-conductive to reduce the number of capacitors 22 connected to the LC filter.
  • the control unit 50 when the switching element 33 is non-conductive, the control unit 50 makes the switching element 33 conductive to reduce the combined resistance of the RLC series circuit. In the third embodiment, when the switching element 33 is conductive, the control unit 50 makes the switching element 33 non-conductive to increase the combined resistance of the RLC series circuit.
  • control unit 50 may switch the connection states of the inductance element 21, the capacitor 22, and the anti-rush resistance 23 several times in parallel. That is, when the LC filter of the power conversion device 1 includes a plurality of inductance elements 21, a plurality of capacitors 22, and a thrust protection resistor 23, the control unit 50 controls conduction and non-conduction of the switching elements 31, 32, and 33. It is possible to do so.
  • Step S104 the control unit 50 checks whether the motor 13 is stopped.
  • the control unit 50 can determine whether the motor 13 is stopped based on the control state of the inverter unit 12, that is, the output state of the inverter drive signal to the inverter unit 12.
  • step S104: Yes the control unit 50 returns the connection state of the inductance element 21, capacitor 22, or anti-rush resistance 23 to the connection state before switching (step S105). Specifically, the control unit 50 performs an operation opposite to that in step S103.
  • control unit 50 decreases the number of inductance elements 21 when it was increasing the number of inductance elements 21 connected in step S103, and increases it when it decreased the number of inductance elements 21 connected in step S103.
  • the control unit 50 also performs similar control on the capacitor 22 and the anti-rush resistor 23. If the motor 13 is not stopped (step S104: No), the control unit 50 ends the process.
  • FIG. 9 shows a Bode diagram of the circuit
  • FIG. 10 shows an example of a waveform when pulsation occurs in the DC voltage Vdc due to resonance of the LC filter.
  • FIG. 9 is a diagram showing a Bode diagram of the RLC series circuit of the power conversion device 1 according to the fifth embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of a waveform in a state where pulsations occur in the DC voltage Vdc due to resonance of the LC filter in the power conversion device 1 according to the fifth embodiment.
  • the horizontal axis shows time and the vertical axis shows voltage.
  • the larger diagram in FIG. 10 is an enlarged view of the time axis of the upper left diagram.
  • the resonant frequency f of the LC filter is approximately 1600 Hz.
  • the pulsation frequency of the DC voltage Vdc can be detected by measuring the time required until the detected value of the DC voltage Vdc exceeds the prescribed threshold twice. Since the pulsation of the DC voltage Vdc is caused by the resonance of the LC filter, the pulsation frequency of the DC voltage Vdc and the resonance frequency f of the LC filter approximately match. In the example of FIG. 10, the time required for the DC voltage Vdc to exceed the threshold value of 350V twice is approximately 0.0006 seconds, so the period is approximately 1600 Hz, which approximately coincides with the resonant frequency f of the LC filter.
  • control unit 50 measures the time from the timing when the DC voltage Vdc exceeds a specified threshold value until the next specified threshold value is exceeded, and calculates the pulsation frequency of the DC voltage Vdc obtained by the reciprocal of the measured time. If it substantially matches the resonant frequency f of the LC filter, it is determined that the DC voltage Vdc is resonating.
  • the control unit 50 may determine whether the pulsating frequency of the DC voltage Vdc is within the range from the maximum value to the minimum value of the resonance frequency f of the LC filter, taking into account the range of variation. Further, the control unit 50 may use the points at which the gain becomes 0 dB or less from the Bode diagram shown in FIG. 9 for the maximum and minimum values of the resonant frequency f of the LC filter.
  • the control unit 50 controls the DC voltage Vdc. may be determined to be resonating. In this way, when the pulsating frequency of the DC voltage Vdc detected by the voltage detection unit 30 and the resonant frequency f of the LC filter match within the specified error range, the control unit 50 controls the DC voltage Vdc to It can be determined that it is pulsating due to the resonance.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of a state in which the DC voltage Vdc pulsates and the peak-to-peak voltage increases in the power conversion device 1 according to the fifth embodiment.
  • the horizontal axis shows time and the vertical axis shows voltage. The larger diagram in FIG.
  • the control unit 50 obtains a peak-to-peak value every half cycle of the pulsation of the DC voltage Vdc, and determines that the DC voltage Vdc is resonating when the peak-to-peak value is equal to or greater than a prescribed threshold value. In this way, the control unit 50 controls the DC voltage Vdc when the peak-to-peak value of the DC voltage Vdc that occurs every half cycle of the pulsation of the DC voltage Vdc detected by the voltage detection unit 30 exceeds a prescribed threshold value. can be determined to be pulsating due to resonance of the LC filter.
  • the peak-to-peak value can also be obtained by detecting the local maximum value after detecting the local minimum value, but until the local maximum value is detected, the DC voltage Vdc is as shown in Fig. 11. If such an overvoltage protection threshold is exceeded, the equipment in the power converter 1 will stop. Therefore, after detecting the local minimum value and before detecting the local maximum value, the control unit 50 sets the DC voltage Vdc to the overvoltage protection threshold or a prescribed threshold value obtained by multiplying the overvoltage protection threshold by a margin of 1 or less. If it exceeds the value, it is determined that the DC voltage Vdc is resonating.
  • the control unit 50 controls the DC voltage Vdc to match the resonance of the LC filter. It can be determined that the pulse is pulsating.
  • the control unit 50 determines that the DC voltage Vdc is pulsating due to the resonance of the LC filter, the control unit 50 changes the resonance frequency f of the LC filter by the method described in the first embodiment and the second embodiment, or changes the resonance frequency f of the LC filter by the method described in the first embodiment and the second embodiment.
  • the Q value of the LC filter By changing the Q value of the LC filter using the method described in the third embodiment, it is possible to reduce the pulsation of the DC voltage Vdc and prevent the device from being stopped due to overvoltage protection.
  • the control unit 50 performs control as shown in FIG. 12, and when the inverter unit 12 performs an overmodulation operation, controls the switching elements by the methods described in Embodiments 1 to 3.
  • FIG. 12 is a second flowchart showing a process in which the control unit 50 of the power conversion device 1 according to the fifth embodiment controls the DC voltage pulsation reduction unit 60.
  • the control unit 50 acquires the DC voltage Vdc from the voltage detection unit 30 (step S201).
  • Step S202: Yes the control unit 50 switches the connection state of the inductance element 21, the capacitor 22, or the anti-rush resistance 23 (Step S203).
  • step S202: No the control unit 50 returns the connection state of the inductance element 21, capacitor 22, or anti-rush resistor 23 to the connection state before switching (step S204).
  • the processing in step S203 and step S204 is similar to the processing in step S103 and step S105 shown in the flowchart of FIG.
  • control unit 50 can determine that the DC voltage Vdc is pulsating due to the resonance of the LC filter when the inverter unit 12 is performing an overmodulation operation.
  • control unit 50 calculates the output frequency of the inverter unit 12, as shown in FIG. 13, the frequency six times the output frequency of the inverter unit 12 and the resonance frequency f of the LC filter substantially match That is, if they match within a specified range, it may be determined that the DC voltage Vdc resonates.
  • FIG. 13 is a third flowchart showing a process in which the control unit 50 of the power conversion device 1 according to the fifth embodiment controls the DC voltage pulsation reduction unit 60.
  • the control unit 50 acquires the DC voltage Vdc from the voltage detection unit 30 (step S301). If the frequency six times the output frequency of the inverter unit 12 and the resonant frequency f of the LC filter match within the specified error range (step S302: Yes), the control unit 50 controls the inductance element 21 or the capacitor. 22 or the connection state of the anti-rush resistance 23 is switched (step S303).
  • step S302 If the frequency six times the output frequency of the inverter unit 12 and the resonant frequency f of the LC filter do not match within the specified error range (step S302: No), the control unit 50 controls the inductance element 21 or the capacitor. 22 or the impact resistance 23 is returned to the connection state before switching (step S304).
  • the processing in step S303 and step S304 is similar to the processing in step S103 and step S105 shown in the flowchart of FIG.
  • the control unit 50 checks whether the frequency obtained by multiplying the output frequency of the inverter unit 12 by six is within the range from the maximum value to the minimum value of the resonance frequency f of the LC filter, taking into account the range of variation in actual use. All you have to do is judge.
  • the control unit 50 controls It can be determined that the DC voltage Vdc is pulsating due to resonance of the LC filter.
  • the control unit 50 can change the resonance frequency f or Q value of the LC filter in advance before the DC voltage Vdc pulsates, and can stably operate the power converter 1.
  • the output voltage modulation rate Kh is a value that is often used to determine the inverter drive signal for the inverter section 12, and is generally a value calculated in the control section 50 that drives the inverter section 12. 50 processing steps can be suppressed.
  • Embodiment 6 In Embodiments 1 to 6, the case where the power conversion device 1 includes at least one switching element as the DC voltage pulsation reducing section 60 has been described. In Embodiment 6, a case will be described in which power converter 1 does not include a switching element as DC voltage pulsation reducing section 60.
  • FIG. 14 is a diagram showing a configuration example of the power converter 1 according to the sixth embodiment.
  • the power conversion device 1 includes a rectifier circuit 11, an inductance element 21-1, capacitors 22-1 and 22-2, a thrust resistance 23, a relay 42-2, a relay 43, a voltage detection section 30, It includes an inverter section 12 and a control section 50.
  • Relay 42-2 is connected in series with capacitor 22-2.
  • the relay 43 is connected in parallel with the anti-rush resistance 23.
  • Relays 42-2 and 43 are turned on or off by a relay drive signal from control section 50.
  • an LC filter is configured by the inductance element 21-1 and the capacitors 22-1 and 22-2.
  • Control section 50 controls the operations of relays 42-2 and 43 and inverter section 12.
  • the control section 50 generates and outputs relay drive signals to the relays 42-2 and 43, and generates and outputs an inverter drive signal to the inverter section 12.
  • the power conversion device 1 includes two capacitors 22 in parallel in the example of FIG. 14, but it is assumed that it includes n capacitors 22 in parallel. That is, the LC filter includes n capacitors 22 in parallel.
  • n is a natural number of 2 or more. Regarding n, it may be the same number as in the second embodiment, or it may be a different number.
  • the power conversion device 1 includes one relay 42 in the example of FIG. 14, it is assumed that the power converter 1 includes n-1 relays 42 connected in series to each of the n-1 capacitors 22. .
  • n-1 relays 42 and relays 43 constitute a DC voltage pulsation reducing section 60.
  • the DC voltage pulsation reducing unit 60 includes n-1 relays 42 connected in series to each of the n-1 capacitors 22, and a relay 43 connected in parallel to the anti-rush resistor 23.
  • the DC voltage pulsation reduction unit 60 changes at least one of the resonance frequency f of the LC filter and the Q value, which is a quality factor of the LC filter.
  • the relay 42 may be referred to as a capacitor relay
  • the relay 43 may be referred to as an anti-shock resistance relay.
  • FIG. 15 is a flowchart showing a process in which the control unit 50 of the power conversion device 1 according to the sixth embodiment controls the DC voltage pulsation reduction unit 60.
  • the control unit 50 brings the relay 43, which is an anti-rush relay, into a conductive state (step S401).
  • the control unit 50 acquires the DC voltage Vdc from the voltage detection unit 30 (step S402).
  • the control unit 50 brings the relay 43, which is a relay for anti-rush resistance, into a non-conductive state (Step S404).
  • the control unit 50 makes the relay 42, which is a capacitor relay, conductive (step S405).
  • the control unit 50 brings the relay 43, which is an anti-crash resistance relay, into a conductive state (step S406).
  • step S407 the control unit 50 checks whether the motor 13 is stopped.
  • the control unit 50 can determine whether the motor 13 is stopped based on the control state of the inverter unit 12, that is, the output state of the inverter drive signal to the inverter unit 12. If the motor 13 is stopped (step S407: Yes), the control unit 50 returns the connection state of the capacitor 22 to the connection state before switching (step S408). Specifically, the control unit 50 performs an operation opposite to that in step S405. If the motor 13 is not stopped (step S407: No), the control unit 50 ends the process.
  • the control unit 50 changes the resonance frequency f of the LC filter while preventing excessive current from flowing to the capacitor 22 by switching the relay 42 and the relay 43 between conduction and non-conduction according to the flowchart shown in FIG. Therefore, steady conduction loss can be lowered than when using a switching element made of a semiconductor.
  • control unit 50 determines whether or not the inverter unit 12 is performing overmodulation operation, as shown in the flowcharts shown in FIGS. 12 and 13. The determination may be made based on whether or not the frequency six times the output frequency and the resonant frequency f of the LC filter match within a specified error range.
  • the control unit 50 sets the relay 43, which is the anti-rush resistance relay, into a non-conducting state, and then activates the capacitor relays according to the pulsating state of the DC voltage Vdc.
  • a certain relay 42-2 is brought into conduction, and then relay 43, which is an anti-rush relay, is brought into conduction.
  • Embodiment 7 a case will be described in which the power conversion device 1 described in Embodiments 1 to 6 is installed in a refrigeration cycle application device.
  • FIG. 16 is a diagram showing a configuration example of a refrigeration cycle application device 80 according to the seventh embodiment.
  • the refrigeration cycle application device 80 has a configuration in which a compressor 71 , a four-way valve 72 , an internal heat exchanger 73 , an expansion mechanism 74 , and a heat exchanger 75 are sequentially connected via a refrigerant pipe 76 .
  • a compression mechanism 77 that compresses refrigerant
  • a motor 13 that is a compressor motor that operates this compression mechanism 77 are provided. Further, the motor 13 is connected as a load to the inverter section 12 of the power conversion device 1. That is, the refrigeration cycle application device 80 includes any of the power conversion devices 1 described in Embodiments 1 to 6.
  • the switching element 31 connected in series to the inductance element 21 is brought into a conductive state, so that the inductance element 21 Increase the number of parallel connections.
  • the inductance value obtained by combining the inductance elements 21 becomes smaller than when there is only one inductance element 21, and resonance is avoided by increasing the resonant frequency f of the LC filter, and the DC voltage Vdc It is possible to suppress the pulsation of the power converter 1, and it becomes possible to stably operate the power converter 1 or devices such as the motor 13, which is a load connected to the power converter 1.
  • the power converter 1 can use all the output voltage of the inverter section 12 as drive energy for the motor 13, which is a compressor motor, so that the output of the compressor 71 can be increased. It is possible to improve the performance of the equipment.
  • FIG. 17 is a diagram showing an example of the effect obtained by the power conversion device 1 installed in the refrigeration cycle application equipment 80 according to the seventh embodiment.
  • the horizontal axis shows time
  • the vertical axis shows voltage.
  • the upper part of FIG. 17 (a) shows the case where the number of parallel connections of the inductance elements 21 is changed.
  • the upper part of FIG. 17 shows that in the power converter 1 of the first embodiment shown in FIG. 1, the inductance of the inductance elements 21-1 and 21-2 is 0.1 mH, and the electrostatic These are the analysis results when the capacitance is 100 ⁇ F.
  • the resonant frequency f of the LC filter is approximately 1600 Hz from the above equation (1).
  • the DC voltage Vdc pulsates due to resonance.
  • the upper part of FIG. 17 shows the "before switching" state before 1.0 seconds. In the example shown in the upper part of FIG.
  • the control unit 50 of the power conversion device 1 brings the switching element 31-2 into the conductive state at 1.0 seconds.
  • the inductance elements 21-1 and 21-2 are connected in parallel and the combined inductance is reduced, so that the resonance frequency f changes and the pulsation of the DC voltage Vdc can be reduced.
  • FIG. 17 (b) shows the case where the number of parallel connections of the capacitors 22 is changed, and shows the effect obtained with the power converter 1 of the second embodiment shown in FIG. 3.
  • the control unit 50 switches the conduction state of the switching element 32-2 at the time of 1.0 seconds to bring the switching element 32-2 into the conduction state.
  • the lower part of FIG. 17 (c) shows the case where the anti-rush resistors 23 are connected in series, and shows the effect obtained by the power conversion device 1 of the third embodiment shown in FIG. 4.
  • the control unit 50 switches the conduction state of the switching element 33 at the time of 1.0 seconds, and makes the switching element 33 a non-conduction state. In either case, the power conversion device 1 can reduce pulsations in the DC voltage Vdc, as in the case in the upper part of FIG. 17 .
  • the power conversion device 1 reduces the pulsation of the DC voltage Vdc due to the resonance of the LC filter by changing the resonance frequency f or Q value of the LC filter. Therefore, the power converter 1 can be operated stably and with high efficiency.
  • 1 Power conversion device 2 Motor drive device, 10 AC power supply, 11 Rectifier circuit, 12 Inverter section, 13 Motor, 21-1, 21-2 Inductance element, 22-1, 22-2 Capacitor, 23 Brush resistance, 30 Voltage detection section, 31-2, 32-2, 33, 121 switching element, 41-2, 42-2, 43 relay, 50 control section, 60 DC voltage pulsation reduction section, 71 compressor, 72 four-way valve, 73 inside Heat exchanger, 74 Expansion mechanism, 75 Heat exchanger, 76 Refrigerant piping, 77 Compression mechanism, 80 Refrigeration cycle application equipment, 111 Diode, 122 Reflux diode.

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Abstract

電力変換装置(1)は、第1の交流電圧を直流電圧に整流する整流回路(11)と、直流電圧を第2の交流電圧に変換するインバータ部(12)と、整流回路(11)の一方の出力端とインバータ部(12)の一方の入力端との間に接続されたインダクタンス素子(21-1,21-2)およびインバータ部(12)の入力端間に接続されたコンデンサ(22-1)を有するフィルタと、直流電圧を検出する電圧検出部(30)と、フィルタの共振周波数およびQ値のうち少なくとも1つを変化させる直流電圧脈動低減部(60)と、インバータ部(12)および直流電圧脈動低減部(60)を制御する制御部(50)と、を備え、制御部(50)は、直流電圧がフィルタの共振によって脈動しているか否かによって直流電圧脈動低減部(60)を制御し、フィルタの共振周波数およびQ値のうち少なくとも1つを変化させる。

Description

電力変換装置、モータ駆動装置および冷凍サイクル適用機器
 本開示は、交流電力を所望の電力に変換する電力変換装置、モータ駆動装置および冷凍サイクル適用機器に関する。
 整流回路および平滑回路を介して商用交流電力を一度直流電圧に変換し、インバータによって所望の交流電力を得る電力変換装置として、整流回路および平滑回路の間に数百μH程度のインダクタンス素子を備え、平滑回路のコンデンサとして数十μFから数百μFのフィルムコンデンサを備える構成が提案されている。このような電力変換装置は、商用交流電力の高調波成分、インバータの出力電圧の高調波成分などが、インダクタンス素子およびコンデンサから成るLCフィルタの共振周波数に近づくと、共振によって直流電圧が脈動する。電力変換装置は、直流電圧の脈動が大きい場合にはインバータに対して過電圧となり、電力変換装置の停止、故障などを招くおそれがある。
 このような問題に対して、特許文献1には、インバータの入出力電圧の伝達特性が、直列接続された位相進み要素および二次遅れ要素による減衰特性になるようにインバータを制御する技術が開示されている。具体的には、電流制御系に抑制値を加える方式として、交流負荷の有効電流分を制御し、直流電流を変動させることによって、LCフィルタに対するダンピング抑制を行う方式がある。また、電圧制御率に抑制値を加える方式として、電圧制御率を変動させることによって、直流電力を変動させて、LCフィルタに対するダンピング抑制を行う方式がある。このような方式によって、直流電圧の脈動を抑制しつつ、入力電流の歪を抑制することができる。
特許第4067021号公報
 しかしながら、上記従来の技術によれば、直流電圧の脈動を抑制するために、制御によってインバータの直流電流または直流電力を変動させる場合、インバータが出力可能な最大電力の一部を直流電圧の脈動抑制に使用する。そのため、インバータが出力可能な最大電力全てを負荷、例えばモータに供給することができず、モータの最大出力が低下する、という問題があった。
 本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、効率を低下させることなく、フィルタの共振によって発生する直流電圧の脈動を低減できる電力変換装置を得ることを目的とする。
 上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る電力変換装置は、第1の交流電圧を直流電圧に整流する整流回路と、整流回路で整流された直流電圧を第2の交流電圧に変換して出力するインバータ部と、整流回路の一方の出力端とインバータ部の一方の入力端との間に接続されたインダクタンス素子およびインバータ部の入力端間に接続されたコンデンサを有するフィルタと、コンデンサの両端電圧である直流電圧を検出する電圧検出部と、フィルタの共振周波数、およびフィルタのQuality FactorであるQ値のうち少なくとも1つを変化させる直流電圧脈動低減部と、インバータ部および直流電圧脈動低減部を制御する制御部と、を備える。制御部は、電圧検出部で検出される直流電圧がフィルタの共振によって脈動しているか否かを判定し、判定結果に基づいて直流電圧脈動低減部を制御し、フィルタの共振周波数およびQ値のうち少なくとも1つを変化させる。
 本開示に係る電力変換装置は、効率を低下させることなく、フィルタの共振によって発生する直流電圧の脈動を低減できる、という効果を奏する。
実施の形態1に係る電力変換装置の構成例を示す図 実施の形態1に係る電力変換装置が備える制御部を実現するハードウェア構成の一例を示す図 実施の形態2に係る電力変換装置の構成例を示す図 実施の形態3に係る電力変換装置の構成例を示す図 実施の形態4に係る電力変換装置の構成例を示す第1の図 実施の形態4に係る電力変換装置の構成例を示す第2の図 実施の形態4に係る電力変換装置の構成例を示す第3の図 実施の形態5に係る電力変換装置の制御部が直流電圧脈動低減部を制御する処理を示す第1のフローチャート 実施の形態5に係る電力変換装置のRLC直列回路のボード線図を示す図 実施の形態5に係る電力変換装置においてLCフィルタの共振によって直流電圧に脈動が発生している状態の波形の一例を示す図 実施の形態5に係る電力変換装置において直流電圧が脈動し、電圧のピークトゥピークが増大した状態の例を示す図 実施の形態5に係る電力変換装置の制御部が直流電圧脈動低減部を制御する処理を示す第2のフローチャート 実施の形態5に係る電力変換装置の制御部が直流電圧脈動低減部を制御する処理を示す第3のフローチャート 実施の形態6に係る電力変換装置の構成例を示す図 実施の形態6に係る電力変換装置の制御部が直流電圧脈動低減部を制御する処理を示すフローチャート 実施の形態7に係る冷凍サイクル適用機器の構成例を示す図 実施の形態7に係る冷凍サイクル適用機器に搭載される電力変換装置によって得られる効果の例を示す図
 以下に、本開示の実施の形態に係る電力変換装置、モータ駆動装置および冷凍サイクル適用機器を図面に基づいて詳細に説明する。
実施の形態1.
 図1は、実施の形態1に係る電力変換装置1の構成例を示す図である。電力変換装置1は、交流電源10およびモータ13に接続される。電力変換装置1は、交流電源10から供給される第1の交流電圧を所望の振幅および位相を有する第2の交流電圧に変換し、モータ13に供給する。電力変換装置1は、整流回路11と、インダクタンス素子21-1,21-2と、スイッチング素子31-2と、コンデンサ22-1と、電圧検出部30と、インバータ部12と、制御部50と、を備える。なお、電力変換装置1およびモータ13によってモータ駆動装置2を構成している。以降の実施の形態についても同様とする。
 整流回路11は、6つのダイオード111を備え、交流電源10から供給される第1の交流電圧を整流するダイオードブリッジである。インダクタンス素子21-1,21-2は、整流回路11の一方の出力端とインバータ部12の一方の入力端との間に並列に接続される。以降の説明において、インダクタンス素子21-1,21-2を区別しない場合はインダクタンス素子21と称することがある。スイッチング素子31-2は、インダクタンス素子21-2と直列に接続される。スイッチング素子31-2は、制御部50からのスイッチング素子駆動信号によって導通または非導通の状態になる。以降の説明において、スイッチング素子31-2を単にスイッチング素子31と称することがある。コンデンサ22-1は、インバータ部12の入力端間、すなわちインバータ部12の一方の入力端と他方の入力端との間に接続される。なお、インダクタンス素子21-1,21-2およびコンデンサ22-1によってLCフィルタを構成している。以降の説明において、LCフィルタのことを単にフィルタと称することがある。以降の実施の形態についても同様とする。
 電圧検出部30は、LCフィルタを構成するコンデンサ22-1の両端電圧、すなわち整流回路11によって整流された直流電圧Vdcを検出する。インバータ部12は、6つのスイッチング素子121、および各スイッチング素子121に並列に接続された6つの還流ダイオード122を備え、整流回路11によって整流された直流電圧Vdcを第2の交流電圧に変換して出力する。インバータ部12は、図1の例では、負荷であるモータ13に第2の交流電圧を出力する。制御部50は、スイッチング素子31-2およびインバータ部12の動作を制御する。制御部50は、スイッチング素子31-2に対してスイッチング素子駆動信号を生成して出力し、インバータ部12に対してインバータ駆動信号を生成して出力する。
 図1に示すように、インバータ部12は、LCフィルタのコンデンサ22-1の両端電圧である直流電圧Vdcを電源として、6つのスイッチング素子121の直列接続部が並列に3個接続されることで構成される。インバータ部12は、制御部50から取得したインバータ駆動信号に従って、インバータ駆動信号に対応したスイッチング素子121を駆動することで、三相の電圧Vu,Vv,Vwを発生させ、モータ13のU相,V相,W相の巻線それぞれに電圧を印加する。
 なお、交流電源10から供給される第1の交流電圧は、図1においては三相交流として記載しているが、単相交流でもよい。また、インバータ部12を構成するスイッチング素子121としては、例えば、パワートランジスタ、パワーMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの半導体スイッチング素子を用いればよい。また、インバータ部12は、スイッチング素子121のスイッチングによるサージ電圧を抑制する目的で、図1に示すように、スイッチング素子121、すなわち半導体スイッチング素子と並列に還流ダイオード122を接続した構成としてもよい。
 なお、還流ダイオード122については、半導体スイッチング素子の寄生ダイオードであってもよいが、MOSFETの場合、還流のタイミングでON状態とすることにより同様の機能を実現することも可能である。
 また、半導体スイッチング素子を構成する材料は、ケイ素(Si)だけでなく、ワイドバンドギャップ半導体である炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、酸化ガリウム(Ga2O3)、ダイヤモンドなどを用いることで、低損失化、高速スイッチング化を実現できる。
 本実施の形態において、電力変換装置1は、図1の例では2つのインダクタンス素子21を並列に備えているが、m個のインダクタンス素子21を並列に備えるものとする。すなわち、LCフィルタは、並列にm個のインダクタンス素子21を備える。なお、mは2以上の自然数である。また、電力変換装置1は、図1の例では1つのスイッチング素子31を備えているが、m-1個のインダクタンス素子21の各々に直列に接続されたm-1個のスイッチング素子31を備えるものとする。本実施の形態において、m-1個のスイッチング素子31は、直流電圧脈動低減部60を構成している。すなわち、直流電圧脈動低減部60は、m-1個のインダクタンス素子21の各々に直列に接続されたm-1個のスイッチング素子31を備える。直流電圧脈動低減部60は、LCフィルタの共振周波数f、およびLCフィルタのQuality FactorであるQ値のうち少なくとも1つを変化させる。本実施の形態では、具体的に、直流電圧脈動低減部60がLCフィルタの共振周波数fを変化させる場合について説明する。
 電力変換装置1は、制御部50の制御によって、スイッチング素子31の導通または非導通によってインダクタンス素子21の接続数を切り替え、式(1)で表されるLCフィルタの共振周波数fを変化させる。
 f=1/(2π√(LC)) …(1)
 式(1)において、LはLCフィルタにおける合成インダクタンスであり、CはLCフィルタにおける合成静電容量である。また、式(1)において、√(LC)はLCの平方根を示す。以降で説明する式の中の√( )の扱いについても同様とする。これにより、電力変換装置1は、LCフィルタの共振周波数fを回避した状態でインバータ部12を運転し、直流電圧Vdcの脈動を抑制することができる。
 なお、電力変換装置1において、制御部50は、スイッチング素子31-2を制御するうえで、PWM(Pulse Width Modulation)制御を用いてスイッチング素子31-2のデューティ比を徐々に変化させる。これにより、電力変換装置1は、インダクタンス素子21-1,21-2に過大な電圧が発生することを防止し、コンデンサ22-1への過大な充電電流が流れることを防止することができる。また、制御部50は、m-1個のスイッチング素子31のうち、いくつかのスイッチング素子31を導通状態とし、残りのスイッチング素子31を非導通状態にすることが可能である。制御部50がスイッチング素子31-2の制御を開始する条件については、後述する実施の形態5において説明する。
 つづいて、電力変換装置1が備える制御部50のハードウェア構成について説明する。図2は、実施の形態1に係る電力変換装置1が備える制御部50を実現するハードウェア構成の一例を示す図である。制御部50は、プロセッサ91およびメモリ92により実現される。
 プロセッサ91は、CPU(Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、DSP(Digital Signal Processor)ともいう)、またはシステムLSI(Large Scale Integration)である。メモリ92は、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリー、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)、EEPROM(登録商標)(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)といった不揮発性または揮発性の半導体メモリを例示できる。またメモリ92は、これらに限定されず、磁気ディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、またはDVD(Digital Versatile Disc)でもよい。
 以上説明したように、本実施の形態によれば、電力変換装置1において、制御部50は、電圧検出部30で検出される直流電圧VdcがLCフィルタの共振によって脈動しているか否かを判定し、判定結果に基づいて直流電圧脈動低減部60を制御し、LCフィルタの共振周波数fおよびQ値のうち少なくとも1つを変化させる。具体的には、制御部50は、判定結果に基づいてm-1個のスイッチング素子31の導通または非導通を制御し、LCフィルタでのインダクタンス素子21の接続数を切り替えることで、LCフィルタの共振周波数fを変化させる。これにより、電力変換装置1は、LCフィルタの共振周波数fを変化させることで、効率を低下させることなく、LCフィルタの共振によって発生する直流電圧Vdcの脈動を低減することができる。
実施の形態2.
 実施の形態1では、電力変換装置1は、インダクタンス素子21を複数備え、インダクタンス素子21の接続数を切り替えることで、LCフィルタの共振周波数fを変化させていた。実施の形態2では、電力変換装置1は、コンデンサ22を複数備え、コンデンサ22の接続数を切り替えることで、LCフィルタの共振周波数fを変化させる場合について説明する。
 図3は、実施の形態2に係る電力変換装置1の構成例を示す図である。電力変換装置1は、整流回路11と、インダクタンス素子21-1と、コンデンサ22-1,22-2と、スイッチング素子32-2と、電圧検出部30と、インバータ部12と、制御部50と、を備える。以降の説明において、コンデンサ22-1,22-2を区別しない場合はコンデンサ22と称することがある。スイッチング素子32-2は、コンデンサ22-2と直列に接続される。スイッチング素子32-2は、制御部50からのスイッチング素子駆動信号によって導通または非導通の状態になる。以降の説明において、スイッチング素子32-2を単にスイッチング素子32と称することがある。なお、インダクタンス素子21-1およびコンデンサ22-1,22-2によってLCフィルタを構成している。制御部50は、スイッチング素子32-2およびインバータ部12の動作を制御する。制御部50は、スイッチング素子32-2に対してスイッチング素子駆動信号を生成して出力し、インバータ部12に対してインバータ駆動信号を生成して出力する。
 本実施の形態において、電力変換装置1は、図3の例では2つのコンデンサ22を並列に備えているが、n個のコンデンサ22を並列に備えるものとする。すなわち、LCフィルタは、並列にn個のコンデンサ22を備える。なお、nは2以上の自然数である。nについては、実施の形態1のmと同じ数であってもよいし、異なる数であってもよい。また、電力変換装置1は、図3の例では1つのスイッチング素子32を備えているが、n-1個のコンデンサ22の各々に直列に接続されたn-1個のスイッチング素子32を備えるものとする。本実施の形態において、n-1個のスイッチング素子32は、直流電圧脈動低減部60を構成している。すなわち、直流電圧脈動低減部60は、n-1個のコンデンサ22の各々に直列に接続されたn-1個のスイッチング素子32を備える。直流電圧脈動低減部60は、LCフィルタの共振周波数f、およびLCフィルタのQuality FactorであるQ値のうち少なくとも1つを変化させる。本実施の形態では、具体的に、直流電圧脈動低減部60がLCフィルタの共振周波数fを変化させる場合について説明する。
 電力変換装置1は、制御部50の制御によって、スイッチング素子32の導通または非導通によってコンデンサ22の接続数を切り替え、前述の式(1)で表されるLCフィルタの共振周波数fを変化させる。これにより、電力変換装置1は、LCフィルタの共振周波数fを回避した状態でインバータ部12を運転し、直流電圧Vdcの脈動を抑制することができる。
 なお、電力変換装置1において、制御部50は、スイッチング素子32-2を制御するうえで、PWM制御を用いてスイッチング素子32-2のデューティ比を徐々に変化させる。これにより、電力変換装置1は、インダクタンス素子21-1に過大な電圧が発生することを防止し、コンデンサ22-1,22-2への過大な充電電流が流れることを防止することができる。また、制御部50は、n-1個のスイッチング素子32のうち、いくつかのスイッチング素子32を導通状態とし、残りのスイッチング素子32を非導通状態にすることが可能である。制御部50がスイッチング素子32-2の制御を開始する条件については、後述する実施の形態5において説明する。
 以上説明したように、本実施の形態によれば、電力変換装置1において、制御部50は、電圧検出部30で検出される直流電圧VdcがLCフィルタの共振によって脈動しているか否かを判定し、判定結果に基づいて直流電圧脈動低減部60を制御し、LCフィルタの共振周波数fおよびQ値のうち少なくとも1つを変化させる。具体的には、制御部50は、判定結果に基づいてn-1個のスイッチング素子32の導通または非導通を制御し、LCフィルタでのコンデンサ22の接続数を切り替えることで、LCフィルタの共振周波数fを変化させる。これにより、電力変換装置1は、効率を低下させることなく、LCフィルタの共振によって発生する直流電圧Vdcの脈動を低減することができる。なお、実施の形態2については、実施の形態1と併用することが可能である。
実施の形態3.
 実施の形態1および実施の形態2では、電力変換装置1が備えるLCフィルタの共振周波数fを変化させる場合について説明した。実施の形態3では、電力変換装置1が備えるLCフィルタのQ値を低下させる場合について説明する。
 図4は、実施の形態3に係る電力変換装置1の構成例を示す図である。電力変換装置1は、整流回路11と、インダクタンス素子21-1と、コンデンサ22-1と、突防抵抗23と、スイッチング素子33と、電圧検出部30と、インバータ部12と、制御部50と、を備える。突防抵抗23は、コンデンサ22-1へ過大な充電電流が流れることを防止するために備え付けられた抵抗である。スイッチング素子33は、突防抵抗23に並列に接続される。スイッチング素子33は、制御部50からのスイッチング素子駆動信号によって導通または非導通の状態になる。ここでは、スイッチング素子33を導通させた場合のスイッチング素子33の抵抗成分の抵抗値よりも、突防抵抗23の抵抗値の方が大きいものとする。なお、インダクタンス素子21-1およびコンデンサ22-1によってLCフィルタを構成している。制御部50は、スイッチング素子33およびインバータ部12の動作を制御する。制御部50は、スイッチング素子33に対してスイッチング素子駆動信号を生成して出力し、インバータ部12に対してインバータ駆動信号を生成して出力する。
 本実施の形態において、電力変換装置1は、LCフィルタとして、1個のインダクタンス素子21および1個のコンデンサ22を備える。本実施の形態において、1個のスイッチング素子33は、直流電圧脈動低減部60を構成している。すなわち、直流電圧脈動低減部60は、1個の突防抵抗23に並列に接続された1個のスイッチング素子33を備える。直流電圧脈動低減部60は、LCフィルタの共振周波数f、およびLCフィルタのQuality FactorであるQ値のうち少なくとも1つを変化させる。本実施の形態では、具体的に、直流電圧脈動低減部60がLCフィルタのQ値を変化させる場合について説明する。
 また、本実施の形態において、LCフィルタ、突防抵抗23、およびスイッチング素子33の抵抗成分で構成されるRLC直列回路の合成インピーダンスは、スイッチング素子33を導通させた状態よりも、スイッチング素子33が非導通の状態の方が大きくなる。そのため、電力変換装置1は、スイッチング素子33を導通状態とすることで低損失での運転が行うことができ、スイッチング素子33を非導通状態とすることでRLC直列回路のインピーダンスを大きくして、式(2)で表されるQ値を低下させ、直流電圧Vdcの脈動を抑制することができる。
 Q=(1/R)×√(L/C) …(2)
 式(2)において、R、L、およびCは、それぞれ、LCフィルタおよび突防抵抗23によるRLC直列回路における、合成抵抗、合成インダクタンス、および合成静電容量である。
 なお、電力変換装置1において、制御部50は、スイッチング素子33を制御するうえで、PWM制御を用いてスイッチング素子33のデューティ比を徐々に変化させる。これにより、電力変換装置1は、インダクタンス素子21-1に過大な電圧が発生することを防止し、コンデンサ22-1への過大な充電電流が流れることを防止することができる。制御部50がスイッチング素子33の制御を開始する条件については、後述する実施の形態5において説明する。
 以上説明したように、本実施の形態によれば、電力変換装置1において、制御部50は、電圧検出部30で検出される直流電圧VdcがLCフィルタの共振によって脈動しているか否かを判定し、判定結果に基づいて直流電圧脈動低減部60を制御し、LCフィルタの共振周波数fおよびQ値のうち少なくとも1つを変化させる。具体的には、制御部50は、判定結果に基づいてスイッチング素子33の導通または非導通を制御し、LCフィルタおよび突防抵抗23を有するRLC直列回路の合成抵抗の抵抗値を切り替えることで、LCフィルタのQ値を低減させる。これにより、電力変換装置1は、効率を低下させることなく、LCフィルタの共振によって発生する直流電圧Vdcの脈動を低減することができる。なお、実施の形態3については、実施の形態1および実施の形態2のいずれかまたは両方と併用することが可能である。
実施の形態4.
 実施の形態4では、実施の形態1から実施の形態3で説明した各電力変換装置1に対して、リレーを追加する場合について説明する。
 図5は、実施の形態4に係る電力変換装置1の構成例を示す第1の図である。図5に示す電力変換装置1は、図1に示す実施の形態1の電力変換装置1に対して、リレー41-2を追加したものである。リレー41-2は、スイッチング素子31-2に並列に接続される。リレー41-2は、制御部50からのリレー駆動信号によってオンまたはオフの状態になる。リレー41-2は、直流電圧脈動低減部60に含まれる。すなわち、直流電圧脈動低減部60は、スイッチング素子31-2、およびリレー41-2を備える。制御部50は、スイッチング素子31-2に対してスイッチング素子駆動信号を生成して出力し、リレー41-2に対してリレー駆動信号を生成して出力し、インバータ部12に対してインバータ駆動信号を生成して出力する。
 図6は、実施の形態4に係る電力変換装置1の構成例を示す第2の図である。図6に示す電力変換装置1は、図3に示す実施の形態2の電力変換装置1に対して、リレー42-2を追加したものである。リレー42-2は、スイッチング素子32-2に並列に接続される。リレー42-2は、制御部50からのリレー駆動信号によってオンまたはオフの状態になる。リレー42-2は、直流電圧脈動低減部60に含まれる。すなわち、直流電圧脈動低減部60は、スイッチング素子32-2、およびリレー42-2を備える。制御部50は、スイッチング素子32-2に対してスイッチング素子駆動信号を生成して出力し、リレー42-2に対してリレー駆動信号を生成して出力し、インバータ部12に対してインバータ駆動信号を生成して出力する。
 図7は、実施の形態4に係る電力変換装置1の構成例を示す第3の図である。図7に示す電力変換装置1は、図4に示す実施の形態3の電力変換装置1に対して、リレー43を追加したものである。リレー43は、スイッチング素子33に並列に接続される。リレー43は、制御部50からのリレー駆動信号によってオンまたはオフの状態になる。リレー43は、直流電圧脈動低減部60に含まれる。すなわち、直流電圧脈動低減部60は、スイッチング素子33、およびリレー43を備える。制御部50は、スイッチング素子33に対してスイッチング素子駆動信号を生成して出力し、リレー43に対してリレー駆動信号を生成して出力し、インバータ部12に対してインバータ駆動信号を生成して出力する。
 実施の形態4において、電力変換装置1の制御部50は、規定された周期に対するスイッチング素子の導通期間であるデューティ比を100%にする代わりに、リレーを導通状態とし、スイッチング素子は非導通状態とする。すなわち、制御部50は、スイッチング素子を導通状態にする期間が規定された期間を超える制御の代わりに、スイッチング素子を非導通とし、リレーを導通状態にする制御を行う。これにより、電力変換装置1は、スイッチング素子の導通損失を低減でき、高効率な電力変換を実現することができる。
実施の形態5.
 実施の形態5では、電力変換装置1の制御部50が、直流電圧VdcがLCフィルタの共振によって脈動していると判定し、スイッチング素子の制御を開始する条件について説明する。
 図8は、実施の形態5に係る電力変換装置1の制御部50が直流電圧脈動低減部60を制御する処理を示す第1のフローチャートである。制御部50は、電圧検出部30から直流電圧Vdcを取得する(ステップS101)。制御部50は、直流電圧Vdcが脈動している場合(ステップS102:Yes)、インダクタンス素子21またはコンデンサ22または突防抵抗23の接続状態を切り替える(ステップS103)。
 例えば、制御部50は、実施の形態1において、全てのスイッチング素子31を非導通にしていたときはいくつかのスイッチング素子31を導通にしてLCフィルタに接続するインダクタンス素子21を増やす。制御部50は、実施の形態1において、全てのスイッチング素子31を導通にしていた場合はいくつかのスイッチング素子31を非導通にしてLCフィルタに接続するインダクタンス素子21を減らす。または、制御部50は、実施の形態2において、全てのスイッチング素子32を非導通にしていたときはいくつかのスイッチング素子32を導通にしてLCフィルタに接続するコンデンサ22を増やす。制御部50は、実施の形態2において、全てのスイッチング素子32を導通にしていたときはいくつかのスイッチング素子32を非導通にしてLCフィルタに接続するコンデンサ22を減らす。または、制御部50は、実施の形態3において、スイッチング素子33を非導通にしていたときはスイッチング素子33を導通にしてRLC直列回路の合成抵抗を小さくする。制御部50は、実施の形態3において、スイッチング素子33を導通にしていたときはスイッチング素子33を非導通にしてRLC直列回路の合成抵抗を大きくする。
 なお、制御部50は、インダクタンス素子21、コンデンサ22、および突防抵抗23に対する接続状態の切り替えをいくつか並行して行ってもよい。すなわち、制御部50は、電力変換装置1のLCフィルタが複数のインダクタンス素子21、複数のコンデンサ22、および突防抵抗23を備える場合において、スイッチング素子31,32,33の導通および非導通を制御することが可能である。
 制御部50は、直流電圧Vdcが脈動していない場合(ステップS102:No)、モータ13が停止しているか否かを確認する(ステップS104)。制御部50は、インバータ部12に対する制御状態、すなわちインバータ部12へのインバータ駆動信号の出力状態から、モータ13が停止しているか否かを判断することができる。制御部50は、モータ13が停止している場合(ステップS104:Yes)、インダクタンス素子21またはコンデンサ22または突防抵抗23の接続状態を切り替え前の接続状態に戻す(ステップS105)。制御部50は、具体的には、ステップS103のときと反対の動作を行う。例えば、制御部50は、ステップS103で接続するインダクタンス素子21を増やしていたときは減らし、ステップS103で接続するインダクタンス素子21を減らしていたときは増やす。制御部50は、コンデンサ22および突防抵抗23についても同様の制御を行う。制御部50は、モータ13が停止していない場合(ステップS104:No)、処理を終了する。
 以下では、具体的に、図4に示す実施の形態3の電力変換装置1を例にして説明する。図4に示す電力変換装置1において、インダクタンス素子21-1のインピーダンスを0.1mHとし、コンデンサ22-1の容量を100μFとし、突防抵抗23の抵抗値を0.22Ωとした場合のRLC直列回路のボード線図を図9に示し、LCフィルタの共振によって直流電圧Vdcに脈動が発生している状態の波形の一例を図10に示す。図9は、実施の形態5に係る電力変換装置1のRLC直列回路のボード線図を示す図である。図9において、横軸は周波数を示し、縦軸はゲインを示す。図10は、実施の形態5に係る電力変換装置1においてLCフィルタの共振によって直流電圧Vdcに脈動が発生している状態の波形の一例を示す図である。図10において、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。図10において大きく示される図は、左上の図の時間軸を拡大したものである。
 図9に示すように、LCフィルタの共振周波数fは約1600Hzである。ここで、図10に示すように、直流電圧Vdcの検出値が規定された閾値を2回超えるまでに要した時間を計測すれば、直流電圧Vdcの脈動周波数を検出することができる。直流電圧Vdcの脈動はLCフィルタの共振によって生じるため、直流電圧Vdcの脈動周波数およびLCフィルタの共振周波数fはおおよそ一致する。図10の例では、直流電圧Vdcが350Vの閾値を2回超えるまでに要する時間は約0.0006秒であることから周期は約1600Hzとなり、LCフィルタの共振周波数fと略一致する。従って、制御部50は、直流電圧Vdcが規定された閾値を超えたタイミングから次に規定された閾値を超えるまでの時間を計測し、計測した時間の逆数で求めた直流電圧Vdcの脈動周波数がLCフィルタの共振周波数fと略一致した場合、直流電圧Vdcが共振していると判定する。
 なお、略一致としているのは、LCフィルタを構成するインダクタンス素子21の特性、コンデンサ22の特性、回路の特性などのばらつきによって、LCフィルタの共振周波数fがばらつくためである。制御部50は、実使用上はばらつきの範囲を加味して、直流電圧Vdcの脈動周波数が、LCフィルタの共振周波数fの最大値から最小値の範囲内にあるかを判定すればよい。また、制御部50は、LCフィルタの共振周波数fの最大値および最小値について、図9に示すボード線図からゲインが0dB以下となる点を用いてもよい。また、制御部50は、判定の精度を向上させるため、直流電圧Vdcの脈動周波数およびLCフィルタの共振周波数fの略一致が規定された期間内に規定された回数以上発生した場合、直流電圧Vdcが共振していると判定してもよい。このように、制御部50は、電圧検出部30で検出される直流電圧Vdcの脈動周波数とLCフィルタの共振周波数fとが規定された誤差の範囲内で一致した場合、直流電圧VdcがLCフィルタの共振によって脈動していると判定することができる。
 また、LCフィルタの共振が発生した場合、直流電圧Vdcは、脈動するとともに電圧のピークトゥピークが増大する。そのため、制御部50は、図11に示すように、直流電圧Vdcの局所的最大値を検出した後に局所的最小値を検出することによってピークトゥピーク値を求め、ピークトゥピーク値が規定された閾値以上であった場合、直流電圧Vdcが共振していると判定してもよい。図11は、実施の形態5に係る電力変換装置1において直流電圧Vdcが脈動し、電圧のピークトゥピークが増大した状態の例を示す図である。図11において、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。図11において大きく示される図は、左上の図の時間軸を拡大したものである。制御部50は、例えば、直流電圧Vdcの脈動の半周期ごとにピークトゥピーク値を求め、規定された閾値以上であった場合、直流電圧Vdcが共振していると判定する。このように、制御部50は、電圧検出部30で検出される直流電圧Vdcの脈動の半周期ごとに発生する直流電圧Vdcのピークトゥピーク値が規定された閾値を超えた場合、直流電圧VdcがLCフィルタの共振によって脈動していると判定することができる。
 また、局所的最小値を検出した後に局所的最大値を検出することによってもピークトゥピーク値を求めることができるが、局所的最大値を検出するまでの間に直流電圧Vdcが図11に示すような過電圧保護閾値を超えると、電力変換装置1において、機器の停止が生じてしまう。そこで、制御部50は、局所的最小値を検出した後、局所的最大値を検出する前に直流電圧Vdcが過電圧保護閾値、または過電圧保護閾値に1以下のマージンを乗じた規定された閾値を上回った場合、直流電圧Vdcが共振していると判定する。このように、制御部50は、電圧検出部30で検出される直流電圧Vdcが過電圧保護閾値または過電圧保護閾値に1以下のマージンを乗じた閾値を超えた場合、直流電圧VdcがLCフィルタの共振によって脈動していると判定することができる。
 制御部50は、直流電圧VdcがLCフィルタの共振によって脈動していると判定した場合、実施の形態1および実施の形態2で説明した方法によってLCフィルタの共振周波数fを変更する、または実施の形態3で説明した方法によってLCフィルタのQ値を変更することで、直流電圧Vdcの脈動を低減し、機器の過電圧保護による停止を防止することができる。
 また、電力変換装置1においては、インバータ部12が過変調動作を行うと、インバータ部12の出力電力に出力周波数の6倍の高調波成分が生じることが知られている。インバータ部12の出力電力の出力周波数の6倍の高調波成分の周波数とLCフィルタの共振周波数fとが近接すると共振が発生し、直流電圧Vdcが脈動する場合がある。そのため、制御部50は、図12に示すような制御を行い、インバータ部12が過変調動作を行う場合、実施の形態1から実施の形態3で説明した方法によってスイッチング素子を制御する。
 図12は、実施の形態5に係る電力変換装置1の制御部50が直流電圧脈動低減部60を制御する処理を示す第2のフローチャートである。制御部50は、電圧検出部30から直流電圧Vdcを取得する(ステップS201)。制御部50は、インバータ部12が過変調動作をしている場合(ステップS202:Yes)、インダクタンス素子21またはコンデンサ22または突防抵抗23の接続状態を切り替える(ステップS203)。制御部50は、インバータ部12が過変調動作をしていない場合(ステップS202:No)、インダクタンス素子21またはコンデンサ22または突防抵抗23の接続状態を切り替え前の接続状態に戻す(ステップS204)。ステップS203およびステップS204の処理は、図8のフローチャートに示すステップS103およびステップS105の処理と同様である。
 過変調であるか否かについては、例えば、式(3)で表されるインバータ部12の出力電圧変調率Khが1より大きい場合に過変調であるとすればよい。なお、式(3)において、Voはインバータ部12の出力電圧であり、Vdcは電圧検出部30で検出される直流電圧である。
 Kh=(√(2)×Vo)/Vdc …(3)
 このように、制御部50は、インバータ部12が過変調動作をしている場合、直流電圧VdcがLCフィルタの共振によって脈動していると判定することができる。
 また、制御部50は、インバータ部12の出力周波数を演算していることから、図13に示すように、インバータ部12の出力周波数の6倍の周波数とLCフィルタの共振周波数fとが略一致、すなわち規定された範囲内で一致した場合、直流電圧Vdcが共振していると判定してもよい。
 図13は、実施の形態5に係る電力変換装置1の制御部50が直流電圧脈動低減部60を制御する処理を示す第3のフローチャートである。制御部50は、電圧検出部30から直流電圧Vdcを取得する(ステップS301)。制御部50は、インバータ部12の出力周波数の6倍の周波数とLCフィルタの共振周波数fとが規定された誤差の範囲内で一致している場合(ステップS302:Yes)、インダクタンス素子21またはコンデンサ22または突防抵抗23の接続状態を切り替える(ステップS303)。制御部50は、インバータ部12の出力周波数の6倍の周波数とLCフィルタの共振周波数fとが規定された誤差の範囲内で一致していない場合(ステップS302:No)、インダクタンス素子21またはコンデンサ22または突防抵抗23の接続状態を切り替え前の接続状態に戻す(ステップS304)。ステップS303およびステップS304の処理は、図8のフローチャートに示すステップS103およびステップS105の処理と同様である。
 なお、略一致としているのは、LCフィルタを構成するインダクタンス素子21の特性、コンデンサ22の特性、回路の特性などのばらつきによって、LCフィルタの共振周波数fがばらつくためである。制御部50は、実使用上はばらつきの範囲を加味して、インバータ部12の出力周波数を6倍にした周波数が、LCフィルタの共振周波数fの最大値から最小値の範囲内にあるかを判定すればよい。このように、制御部50は、インバータ部12から出力される第2の交流電圧の出力周波数の6倍の周波数とLCフィルタの共振周波数fとが規定された誤差の範囲内で一致した場合、直流電圧VdcがLCフィルタの共振によって脈動していると判定することができる。
 制御部50は、上記のような処理を行うことによって、直流電圧Vdcが脈動する前に予めLCフィルタの共振周波数fまたはQ値を変更しておくことができ、安定して電力変換装置1を運転することができる。また、出力電圧変調率Khはインバータ部12に対するインバータ駆動信号を決定するうえでよく用いられる値であり、一般的にインバータ部12を駆動する制御部50において演算される値であるから、制御部50の処理の増大を抑制することができる。
実施の形態6.
 実施の形態1から6では、電力変換装置1が、直流電圧脈動低減部60として少なくとも1つのスイッチング素子を備える場合について説明した。実施の形態6では、電力変換装置1が、直流電圧脈動低減部60としてスイッチング素子を備えない場合について説明する。
 図14は、実施の形態6に係る電力変換装置1の構成例を示す図である。電力変換装置1は、整流回路11と、インダクタンス素子21-1と、コンデンサ22-1,22-2と、突防抵抗23と、リレー42-2と、リレー43と、電圧検出部30と、インバータ部12と、制御部50と、を備える。リレー42-2は、コンデンサ22-2と直列に接続される。リレー43は、突防抵抗23と並列に接続される。リレー42-2,43は、制御部50からのリレー駆動信号によってオンまたはオフの状態になる。なお、インダクタンス素子21-1およびコンデンサ22-1,22-2によってLCフィルタを構成している。制御部50は、リレー42-2,43およびインバータ部12の動作を制御する。制御部50は、リレー42-2,43に対してリレー駆動信号を生成して出力し、インバータ部12に対してインバータ駆動信号を生成して出力する。
 本実施の形態において、電力変換装置1は、図14の例では2つのコンデンサ22を並列に備えているが、n個のコンデンサ22を並列に備えるものとする。すなわち、LCフィルタは、並列にn個のコンデンサ22を備える。なお、nは2以上の自然数である。nについては、実施の形態2のときと同じ数であってもよいし、異なる数であってもよい。また、電力変換装置1は、図14の例では1つのリレー42を備えているが、n-1個のコンデンサ22の各々に直列に接続されたn-1個のリレー42を備えるものとする。本実施の形態において、n-1個のリレー42、およびリレー43は、直流電圧脈動低減部60を構成している。すなわち、直流電圧脈動低減部60は、n-1個のコンデンサ22の各々に直列に接続されたn-1個のリレー42、および突防抵抗23と並列に接続されたリレー43を備える。直流電圧脈動低減部60は、LCフィルタの共振周波数f、およびLCフィルタのQuality FactorであるQ値のうち少なくとも1つを変化させる。以降の説明において、リレー42をコンデンサ用リレーと称し、リレー43を突防抵抗用リレーと称することがある。
 図15は、実施の形態6に係る電力変換装置1の制御部50が直流電圧脈動低減部60を制御する処理を示すフローチャートである。制御部50は、突防抵抗用リレーであるリレー43を導通状態にする(ステップS401)。制御部50は、電圧検出部30から直流電圧Vdcを取得する(ステップS402)。制御部50は、直流電圧Vdcが脈動している場合(ステップS403:Yes)、突防抵抗用リレーであるリレー43を非導通状態にする(ステップS404)。つぎに、制御部50は、コンデンサ用リレーであるリレー42を導通状態にする(ステップS405)。つぎに、制御部50は、突防抵抗用リレーであるリレー43を導通状態にする(ステップS406)。
 制御部50は、直流電圧Vdcが脈動していない場合(ステップS403:No)、モータ13が停止しているか否かを確認する(ステップS407)。制御部50は、インバータ部12に対する制御状態、すなわちインバータ部12へのインバータ駆動信号の出力状態から、モータ13が停止しているか否かを判断することができる。制御部50は、モータ13が停止している場合(ステップS407:Yes)、コンデンサ22の接続状態を切り替え前の接続状態に戻す(ステップS408)。制御部50は、具体的には、ステップS405のときと反対の動作を行う。制御部50は、モータ13が停止していない場合(ステップS407:No)、処理を終了する。
 制御部50は、図15に示すフローチャートに従ってリレー42およびリレー43の導通および非導通状態を切り替えることで、コンデンサ22へ過大な電流が流れるのを防止しつつ、LCフィルタの共振周波数fを変化させることができ、半導体で構成されたスイッチング素子を用いる場合よりも、定常的な導通損失を低くすることができる。
 なお、制御部50は、図15に示すフローチャートのS403の処理について、図12および図13に示すフローチャートのように、インバータ部12が過変調動作をしているか否か、または、インバータ部12の出力周波数の6倍の周波数とLCフィルタの共振周波数fとが規定された誤差の範囲内で一致しているか否かによって判定してもよい。
 また、制御部50は、図15に示すフローチャートの処理において、突防抵抗用リレーであるリレー43を非導通状態にする場合、突防抵抗用リレーであるリレー43に流れる電流が小さい状態のときに非導通状態とする方が信頼性の面でよい。突防抵抗用リレーであるリレー43に流れる電流を小さくするには、モータ13に流れる電流を一時的にゼロにすればよく、制御部50は、例えば、国際公開第2021/084617号の文献に記載されている方法を行うことができる。
 このように、制御部50は、直流電圧Vdcが脈動している場合、突防抵抗用リレーであるリレー43を非導通状態にした後に直流電圧Vdcの脈動状態に応じた数のコンデンサ用リレーであるリレー42-2を導通状態とし、その後、突防抵抗用リレーであるリレー43を導通状態にする。これにより、本実施の形態において、電力変換装置1は、実施の形態1から実施の形態5の電力変換装置1と比較して、損失を低減し、コストを抑えることができる。
実施の形態7.
 実施の形態7では、実施の形態1から実施の形態6で説明した電力変換装置1を冷凍サイクル適用機器に搭載する場合について説明する。
 図16は、実施の形態7に係る冷凍サイクル適用機器80の構成例を示す図である。冷凍サイクル適用機器80は、圧縮機71と、四方弁72と、内部熱交換器73と、膨張機構74と、熱交換器75とが冷媒配管76を介して順次接続された構成である。圧縮機71の内部には、冷媒を圧縮する圧縮機構77と、この圧縮機構77を動作させる圧縮機モータであるモータ13と、が設けられている。また、モータ13は、電力変換装置1のインバータ部12の負荷として接続される。すなわち、冷凍サイクル適用機器80は、実施の形態1から実施の形態6で説明したいずれかの電力変換装置1を備える。
 冷凍サイクル適用機器80を空気調和機に適用した場合の動作の一例について説明する。冷凍サイクル適用機器80において大きな冷凍能力が必要な場合、圧縮機71の運転周波数およびインバータ部12の出力電圧は増加し、インバータ部12は過変調動作となる。過変調動作時には、モータ13の出力トルクおよびインバータ部12の出力電力に、モータ13の電気角周波数の6倍の高調波成分が重畳することが知られており、この6倍の高調波成分がLCフィルタの共振周波数fに近づくと、共振によって直流電圧Vdcが脈動する。そこで、電力変換装置1は、過変調動作に移行する際、例えば、実施の形態1で説明したようにインダクタンス素子21に直列に接続されたスイッチング素子31を導通状態とすることで、インダクタンス素子21の並列接続数を増加させる。これにより、電力変換装置1は、各インダクタンス素子21を合成したインダクタンス値はインダクタンス素子21が1つの場合よりも小さくなり、LCフィルタの共振周波数fを高くすることで共振を回避し、直流電圧Vdcの脈動を抑制することができ、電力変換装置1または電力変換装置1に接続される負荷であるモータ13などの機器を安定に動かすことが可能となる。また、電力変換装置1は、特許文献1と比較して、インバータ部12の出力電圧を全て圧縮機モータであるモータ13の駆動エネルギーとして使用することができるため、圧縮機71を高出力化することができ、機器の性能向上を実現できる。
 図17は、実施の形態7に係る冷凍サイクル適用機器80に搭載される電力変換装置1によって得られる効果の例を示す図である。図17の各図において、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。
 図17の上段は(a)インダクタンス素子21の並列接続数を変更した場合を示している。具体的には、図17の上段は、図1に示す実施の形態1の電力変換装置1において、インダクタンス素子21-1,21-2のインダクタンスを0.1mHとし、コンデンサ22-1の静電容量を100μFとした場合の解析結果である。LCフィルタの共振周波数fは、前述の式(1)から約1600Hzである。負荷電流にこの共振周波数fと同じ周波数の脈動成分を与えると、共振によって直流電圧Vdcが脈動する。図17の上段において、1.0秒より前の「切り替え前」の状態である。電力変換装置1の制御部50は、図17の上段の例では1.0秒の時点でスイッチング素子31-2を導通状態にしている。これにより、電力変換装置1は、インダクタンス素子21-1,21-2が並列に接続されて合成インダクタンスが下がるため、共振周波数fが変化し、直流電圧Vdcの脈動を低減できる。
 また、図17の中段は(b)コンデンサ22の並列接続数を変更した場合を示しており、図3の示す実施の形態2の電力変換装置1で得られる効果を示している。制御部50は、図17の上段の場合と同様、1.0秒の時点でスイッチング素子32-2の導通状態を切り替え、スイッチング素子32-2を導通状態にしている。また、図17の下段は(c)突防抵抗23を直列に接続した場合を示しており、図4の示す実施の形態3の電力変換装置1で得られる効果を示している。制御部50は、図17の上段の場合と同様、1.0秒の時点でスイッチング素子33の導通状態を切り替え、スイッチング素子33を非導通状態にしている。いずれの場合も、図17の上段の場合と同様、電力変換装置1は、直流電圧Vdcの脈動を低減できる。
 このように、電力変換装置1は、冷凍サイクル適用機器80に搭載された場合においても、LCフィルタの共振周波数fまたはQ値を変化させることで、LCフィルタの共振による直流電圧Vdcの脈動を低減することができ、電力変換装置1を安定かつ高効率に運転することができる。
 以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
 1 電力変換装置、2 モータ駆動装置、10 交流電源、11 整流回路、12 インバータ部、13 モータ、21-1,21-2 インダクタンス素子、22-1,22-2 コンデンサ、23 突防抵抗、30 電圧検出部、31-2,32-2,33,121 スイッチング素子、41-2,42-2,43 リレー、50 制御部、60 直流電圧脈動低減部、71 圧縮機、72 四方弁、73 内部熱交換器、74 膨張機構、75 熱交換器、76 冷媒配管、77 圧縮機構、80 冷凍サイクル適用機器、111 ダイオード、122 還流ダイオード。

Claims (13)

  1.  第1の交流電圧を直流電圧に整流する整流回路と、
     前記整流回路で整流された前記直流電圧を第2の交流電圧に変換して出力するインバータ部と、
     前記整流回路の一方の出力端と前記インバータ部の一方の入力端との間に接続されたインダクタンス素子および前記インバータ部の入力端間に接続されたコンデンサを有するフィルタと、
     前記コンデンサの両端電圧である前記直流電圧を検出する電圧検出部と、
     前記フィルタの共振周波数、および前記フィルタのQuality FactorであるQ値のうち少なくとも1つを変化させる直流電圧脈動低減部と、
     前記インバータ部および前記直流電圧脈動低減部を制御する制御部と、
     を備え、
     前記制御部は、前記電圧検出部で検出される前記直流電圧が前記フィルタの共振によって脈動しているか否かを判定し、判定結果に基づいて前記直流電圧脈動低減部を制御し、前記フィルタの前記共振周波数および前記Q値のうち少なくとも1つを変化させる、
     電力変換装置。
  2.  mを2以上の自然数とし、
     前記フィルタは、並列にm個の前記インダクタンス素子を備え、
     前記直流電圧脈動低減部は、m-1個の前記インダクタンス素子の各々に直列に接続されたm-1個のスイッチング素子を備え、
     前記制御部は、前記判定結果に基づいてm-1個の前記スイッチング素子の導通または非導通を制御し、前記フィルタでの前記インダクタンス素子の接続数を切り替える、
     請求項1に記載の電力変換装置。
  3.  nを2以上の自然数とし、
     前記フィルタは、並列にn個の前記コンデンサを備え、
     前記直流電圧脈動低減部は、n-1個の前記コンデンサの各々に直列に接続されたn-1個のスイッチング素子を備え、
     前記制御部は、前記判定結果に基づいてn-1個の前記スイッチング素子の導通または非導通を制御し、前記フィルタでの前記コンデンサの接続数を切り替える、
     請求項1または2に記載の電力変換装置。
  4.  さらに、
     前記コンデンサに過大な充電電流が流れることを防止する突防抵抗、
     を備え、
     前記直流電圧脈動低減部は、前記突防抵抗に並列に接続されたスイッチング素子を備え、
     前記制御部は、前記判定結果に基づいて前記スイッチング素子の導通または非導通を制御し、前記フィルタおよび前記突防抵抗を有する直列回路の合成抵抗の抵抗値を切り替える、
     請求項1から3のいずれか1つに記載の電力変換装置。
  5.  前記直流電圧脈動低減部は、前記スイッチング素子に並列に接続されたリレーを備え、
     前記制御部は、前記スイッチング素子を導通状態にする期間が規定された期間を超える制御の代わりに、前記スイッチング素子を非導通とし、前記リレーを導通状態にする制御を行う、
     請求項2から4のいずれか1つに記載の電力変換装置。
  6.  さらに、
     前記コンデンサに過大な充電電流が流れることを防止する突防抵抗、
     を備え、
     nを2以上の自然数とし、
     前記フィルタは、並列にn個の前記コンデンサを備え、
     前記直流電圧脈動低減部は、n-1個の前記コンデンサの各々に直列に接続されたn-1個のコンデンサ用リレー、および前記突防抵抗に並列に接続された突防抵抗用リレーを備え、
     前記制御部は、前記直流電圧が脈動している場合、前記突防抵抗用リレーを非導通状態にした後に前記直流電圧の脈動状態に応じた数の前記コンデンサ用リレーを導通状態とし、その後、前記突防抵抗用リレーを導通状態にする、
     請求項1に記載の電力変換装置。
  7.  前記制御部は、前記電圧検出部で検出される前記直流電圧の脈動周波数と前記フィルタの共振周波数とが規定された誤差の範囲内で一致した場合、前記直流電圧が前記フィルタの共振によって脈動していると判定する、
     請求項1から6のいずれか1つに記載の電力変換装置。
  8.  前記制御部は、前記電圧検出部で検出される前記直流電圧の脈動の半周期ごとに発生する前記直流電圧のピークトゥピーク値が規定された閾値を超えた場合、前記直流電圧が前記フィルタの共振によって脈動していると判定する、
     請求項1から7のいずれか1つに記載の電力変換装置。
  9.  前記制御部は、前記電圧検出部で検出される前記直流電圧が過電圧保護閾値または前記過電圧保護閾値に1以下のマージンを乗じた閾値を超えた場合、前記直流電圧が前記フィルタの共振によって脈動していると判定する、
     請求項1から8のいずれか1つに記載の電力変換装置。
  10.  前記制御部は、前記インバータ部が過変調動作をしている場合、前記直流電圧が前記フィルタの共振によって脈動していると判定する、
     請求項1から9のいずれか1つに記載の電力変換装置。
  11.  前記制御部は、前記インバータ部から出力される前記第2の交流電圧の出力周波数の6倍の周波数と前記フィルタの共振周波数とが規定された誤差の範囲内で一致した場合、前記直流電圧が前記フィルタの共振によって脈動していると判定する、
     請求項1から10のいずれか1つに記載の電力変換装置。
  12.  請求項1から11のいずれか1つに記載の電力変換装置を備えるモータ駆動装置。
  13.  請求項1から11のいずれか1つに記載の電力変換装置を備える冷凍サイクル適用機器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2000308205A (ja) * 1999-04-21 2000-11-02 Railway Technical Res Inst 交流電気車駆動装置
WO2018087960A1 (ja) * 2016-11-08 2018-05-17 三菱電機株式会社 力率補償電源装置およびled照明装置

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