(57)【要約】【課題】電源力率がよく、静穏性・静寂性の高い直流電源装置を提供する。【解決手段】交流電源１の一端に接続されたリアクター２と、交流電源１の他端とリアクター２の他端とに接続された整流手段３と、交流電源１の同他端とリアクター２の同他端に接続され、リアクター２を介して交流電源１を短絡する短絡手段４と、短絡手段４を制御する制御手段５とを備え、制御手段５が、短絡手段４を制御して、交流電源１の半周期に１度、リアクター２の固有振動数に基づいて算出した期間だけ、短絡する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源の一端に接続されたリアクターと、前記交流電源の他端と前記リアクターとに接続され、交流電圧を直流電圧に整流する整流手段と、前記リアクターを介して前記交流電源を短絡する短絡手段と、前記短絡手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段が、前記短絡手段を制御して、前記交流電源の半周期に１度、前記リアクターの固有振動数に基づいて算出された期間だけ、前記交流電源を短絡することを特徴とする直流電源装置。
【請求項２】
前記制御手段が、前記短絡手段を制御して、前記交流電圧の零点近傍において、前記交流電源の短絡を開始し、前記リアクターの固有周期の整数倍の時間後に短絡を終了することを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷蔵庫、空気調和機、ヒートポンプ式給湯機などに用いられる直流電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電源の交流電圧を整流して直流電圧に変換する直流電源装置において、交流電源からより多くの有効電力を取り出すには、電源力率を改善することが有効な手段として知られている。また、電源力率の改善は、国際電気標準会議（ＩＥＣ）などの高調波電流規制に対応する手段としても知られている。
【０００３】
電源力率を改善する手段は、交流電源の交流電圧が零点を通過してから、交流電源を短絡させるスイッチをオンすることで、適当な短い時間、リアクターを介して交流電源を短絡させ、それまで通電されなかった期間にも交流電流を流し、電源力率を改善するものが示されている。（例えば、特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２７６３４７９号公報（第９−１０頁、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１で示した従来の直流電源装置は、リアクターを介して交流電源を短絡し、交流電流の通電期間を広げることで、電源力率を改善するが、リアクターを介して交流電源を短絡することで、リアクターに交流電流が流れ、リアクター内の巻線に磁束が発生し、吸引力が生じるため、リアクター自体が強制振動を起こし、不快な騒音を発する問題がある。
【０００６】
リアクターの騒音を抑える手段としては、リアクターの剛性を高めることで振動を抑えるものや、防音手段を設けることで外部に騒音を漏らさないものなどが挙げられるが、装置の大型化、コストアップを招く問題がある。
【０００７】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、電源力率を改善しながら、経済的にリアクターの騒音を抑えた直流電源装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る直流電源装置は、交流電源の一端に接続されたリアクターと、前記交流電源の他端と前記リアクターとに接続され、交流電圧を直流電圧に整流する整流手段と、前記リアクターを介して前記交流電源を短絡する短絡手段と、前記短絡手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段が、前記短絡手段を制御して、前記交流電源の半周期に１度、前記リアクターの固有振動数に基づいて算出された期間だけ、前記交流電源を短絡することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の直流電源装置は、リアクターの固有振動数に基づいて、交流電源を短絡する時間を決定することで、電源力率を改善しながら、リアクターの騒音を抑えるという効果を得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係る直流電源装置の電気回路図である。
【図２】実施の形態１に係る動作波形を示す図である。
【図３（ａ）】実施の形態１に係るリアクターの平面図である。
【図３（ｂ）】実施の形態１に係るリアクターの断面図である。
【図４】実施の形態１に係るリアクターの磁気回路図である。
【図５】リアクターの振動波形を示す図である。
【図６】実施の形態１に係るリアクターの振動波形を示す図である。
【図７】実施の形態１に係る制御手段の駆動信号を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る直流電源装置の電気回路図である。
図１において、直流電源装置７は、商用の交流電源１の一端に接続されたリアクター２と、交流電源１の他端とリアクター２の他端に接続された整流手段３と、交流電源１の同他端とリアクター２の同他端に接続された短絡手段４と、交流電源１の零点を検知し、短絡手段４を制御する制御手段５とを備える。整流手段３は、ダイオード３１ａ〜３１ｄで構成された全波整流回路３１と、全波整流回路３１の出力端に接続し、出力電圧を平滑するコンデンサー３２とを有する。短絡手段４は、ダイオード４１ａ〜４１ｄで構成された全波整流回路４１と、制御手段５に基づいて交流電源１を短絡するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）４２とを有する。外部装置の負荷６は、全波整流回路３１の出力端に接続している。
【００１２】
次に、実施の形態１の直流電源装置７における動作原理について説明する。図２は、横軸に時間軸をとり、上段に、交流電圧と２つの交流電流の出力図を、下段に、ＩＧＢＴ４２をオン／オフするタイミング図を示す。
図２において、交流電圧１１は、交流電源１から供給される交流電圧を示し、交流電流１２は、ＩＧＢＴ４２が常にオフとした場合の充電電流を示す。交流電流１２は、交流電源１の電圧とコンデンサー３２の電圧の差からコンデンサーが充電しようとして流れる電流で、通電期間が短く偏りがある。駆動信号１４は、制御手段５が零点検知の直後にＩＧＢＴ４２をオンにしたり、短い時間の後、オフにしたり、ＩＧＢＴ４２を制御するタイミングを示す。交流電流１３は、駆動信号１４に基づいてＩＧＢＴ４２をオン／オフしたときに流れる交流電流である。交流電流１３は、ＩＧＢＴ４２がオンになると、交流電源１が短絡され交流電源１から電流が急激に流れ始め、ＩＧＢＴ４２がオフになると、短絡が開放され一度電流の量は落ちるが、交流電流１２と同じ原理で充電電流が流れることを示す。
本実施の形態１の直流電源装置７は、上記のように交流電圧が零点になった直後から短時間の間、制御手段５でＩＧＢＴ４２をオン／オフして交流電源１を短絡することで、交流電流の通電期間を広げ、電源力率を改善することができる。
【００１３】
次に、リアクター２の構造を記す。図３（ａ）は、本発明の実施の形態１に係るリアクター２の平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の切断線Ａ−Ａにおける断面図である。
図３（ａ）及び（ｂ）において、リアクター２は、中央に四角柱と両端に前記四角柱より若干高い柱を持つＥ鉄心２２と、Ｅ鉄心の四角柱に巻かれている巻線２１と、Ｅ鉄心２２の両端の柱に支えられるように突合せて溶接されているＩ鉄心２３とを備える。Ｅ鉄心２２の四角柱とＩ鉄心２３の突合せ部分には空隙２４がある。リアクター２は、Ｅ鉄心２２に巻かれた巻線２１に交流電流が流れることで、起磁力が生じ、空隙２４が磁気抵抗となる磁気回路を形成する。
【００１４】
図４は、リアクター２を磁気回路としてとらえた等価回路図である。
図４において、Ｕが起磁力、Ｒが磁気抵抗、Φが交番磁束を示す。また、巻線２１に流れる交流電流をＩ、巻線の数をＮとすると、以下の式（１）（２）が成り立つ。
起磁力Ｕ ＝ Ｎ・Ｉ      ・・・・・・・（１）
交番磁束Φ ＝ Ｕ／Ｒ    ・・・・・・・（２）
また、吸引力Ｆは、交番磁束Φの２乗に比例する（Ｆ∝Φ2）。
つまり、交流電流Ｉにより、空隙２４近傍のＥ鉄心２２とＩ鉄心２３に吸引力が生じ、強制振動が発生する。しかも、交流電流ＩはＩＧＢＴ４２をオン／オフした直後に急激に変化するため、空隙２４近傍のＥ鉄心２２とＩ鉄心２３には強い力が働き、固体固有の自由振動が発生する。この自由振動が騒音の原因であり、この自由振動を低減することで、リアクター２の騒音を抑えることができる。
【００１５】
図５は、本発明を適用する前のリアクター２の振動波形を示す図である。
図５において、駆動信号１４は、横軸に時間軸をとり、ＩＧＢＴ４２をオン／オフするタイミング図であり、短絡時間Ｔｂは、直流電源装置７の電源力率を最大にするときの短絡時間を示す。自由振動１５ａは、ＩＧＢＴ４２をオンにしたときに、交流電源１が短絡され、リアクター２に急激に流れ込む交流電流により発生する振動を示す。自由振動１５ｂは、ＩＧＢＴ４２をオフにしたときに、短絡が終わり、リアクター２に流れる交流電流が急激に減少したために発生する振動を示す。自由振動１５は、自由振動１５ａと自由振動１５ｂが合成した、実際にリアクター２に生じる振動であり、自由振動１５ａと自動振動１５ｂが増長する可能性を示している。
【００１６】
図６は、本発明の実施の形態１のリアクター２の振動波形を示す図である。
図６において、駆動信号１６は、横軸に時間軸をとり、ＩＧＢＴ４２をオン／オフ制御したタイミング図であり、短絡時間Ｔは、交流電源１を短絡していた時間を示し、短期間ΔＴは、電源力率を最大にする短絡時間Ｔｂ経過後の僅かな期間を示し、周期Ｔ０と振動数ωは、Ｅ鉄心２２とＩ鉄心２３に生じる固有振動の周期と振動数を示す。それ以外の記号は、図５と同じである。自由振動１５ａは、リアクター２に流れる電流が急増するときに発生する振動で、ｓｉｎ（ωｔ）: ｔは時間  と表すことができる。また、自由振動１５ｂは、リアクター２に流れる電流が激減するときに発生する振動であるため、ｓｉｎ（ωｔ−π）となる。つまり自動振動１５ｂは、自動振動１５ａと半周期の位相差がある。短絡時間ＴがＴ０の整数倍、Ｔ＝ｎ・Ｔ０: ｎ＝１、２、３、…となるとき、自動振動１５は、自動振動１５ａと自動振動１５ｂがお互いに打ち消し合い、振動が低減される。電源力率を最大にする短絡時間Ｔｂに短期間ΔＴを延長し、短絡時間Ｔ＝Ｔｂ＋ΔＴ として制御することで、直流電源装置７の電気力率を最大に近づけ、且つ、リアクター２から発生する騒音を低減することができる。
【００１７】
図７は、本発明の実施の形態１の制御手段の駆動信号を示す図である。
図７において、駆動信号１７〜２１は、横軸に時間軸をとり、ＩＧＢＴ４２をオン／オフ制御するタイミング図である。その他の記号は、図６と同じである。駆動信号１７は、ＩＧＢＴ４２をオンする時間を短絡時間Ｔｂと合わせ、オフする時間を僅かな期間早くして、短絡時間を固有周期Ｔ０の整数倍に合わせる制御タイミングを示す。駆動信号１８は、ＩＧＢＴ４２をオフする時間を短絡時間Ｔｂと合わせ、オンする時間を僅かな期間遅くして、短絡時間を固有周期Ｔ０の整数倍に合わせる制御タイミングを示す。駆動信号１９は、ＩＧＢＴ４２をオフする時間を短絡時間Ｔｂと合わせ、オンする時間を僅かな期間早くして、短絡時間を固有周期Ｔ０の整数倍に合わせる制御タイミングを示す。駆動信号２０及び駆動信号２１は、ＩＧＢＴ４２をオン及びオフする時間を短い期間調整して、短絡時間を固有周期Ｔ０の整数倍に合わせる制御タイミングを示す。駆動信号１７〜２１のいずれの制御方法も、駆動信号１６で制御した時と同様の効果が得られる。もちろん電気力率より静穏化を優先し、短絡時間を固有周期Ｔ０の整数倍にしながら短絡時間Ｔｂよりさらに長くしたり、短くしたりすることもできる。
【００１８】
以上のように本発明の実施の形態１は、リアクター２の固有振動数に基づいて、ＩＧＢＴ４２を駆動し、リアクター２の振動を抑えることができる。その結果、電源力率を改善しながら、リアクター２の騒音を抑えることができる。大きな防音装置や消音装置を付けず、静穏性や静寂性を高める効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００１９】
１  交流電源、２  リアクター、３  整流手段、３１  全波整流回路、３１ａ〜３１ｄ  ダイオード、３２  コンデンサー、４  短絡手段、４１  全波整流回路、４１ａ〜４１ｄ  ダイオード、４２  ＩＧＢＴ、５  制御手段、６  負荷、７  直流電源装置、１１  交流電圧、１２，１３  交流電流、１４，１６，１７，１８，１９，２０，２１  駆動信号、１５，１５ａ，１５ｂ  自由振動、２１  巻線、２２  Ｅ鉄心、２３  Ｉ鉄心、２４  空隙、２５  底板、Ｆ  吸引力、Ｉ  交流電流、Ｒ  磁気抵抗、Ｕ  起磁力、Φ  交番磁束、Ｔｂ，Ｔ  短絡時間、ΔＴ  短期間、Ｔ０  固有周期、ω  固有振動数。
【図１】
2010273506.tif 000003
【図２】
2010273506.tif 000004
【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
2010273506.tif 000006
【図４】
2010273506.tif 000007
【図５】
2010273506.tif 000008
【図６】
2010273506.tif 000009
【図７】
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