(57)【要約】【課題】電源高調波電流を抑制する直流電源装置を提供することを課題とする。【解決手段】本発明の直流電源装置は、ゼロクロス点に同期させてスイッチング手段をオン／オフ制御するスイッチング制御手段を備え、スイッチング制御手段は、ゼロクロス検出手段で検出された交流電源のゼロクロス点から次のゼロクロス点までの間に複数回スイッチングをオンし、交流電源のゼロクロス点から次のゼロクロス点までの間のうちの後半部にスイッチングの最終パルスをオンさせ、最終パルスのゼロクロス点からの遅延時間は入力電流が大きいほど増加させ、最終パルスのオン時間は入力電流が大きいほど増加させるとともに入力電流が大きいほど増加率を減少させる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源より入力された交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記交流電源と前記整流回路との間に接続されたリアクタと、
前記リアクタを介して前記交流電源を短絡するスイッチング手段と、
前記直流電力の目標電圧を設定する目標電圧設定手段と、
前記交流電源の周波数を検出する周波数検出手段と、
前記交流電源の電源電圧を検出する電源電圧検出手段と、
前記交流電源のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出手段と、
前記ゼロクロス点に同期させて前記スイッチング手段をオン／オフ制御するスイッチング制御手段と、を備え、
前記スイッチング制御手段は、
前記ゼロクロス検出手段で検出された前記交流電源のゼロクロス点から次のゼロクロス点までの間に複数回スイッチングをオンし、
前記交流電源のゼロクロス点から次のゼロクロス点までの間のうちの後半部に、前記スイッチングの最終パルスをオンさせ、
前記最終パルスのゼロクロス点からの遅延時間は、入力電流が大きいほど増加させ、
前記最終パルスのオン時間は、入力電流が大きいほど増加させるとともに、入力電流が大きいほど増加率を減少させる
直流電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電源高調波電流を抑制する直流電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する直流電源装置において、多くの有効電力を電源から供給するためには、力率を改善することが有効である。
【０００３】
特許文献１では、交流電源の半周期毎にゼロクロス点を検出し、ゼロクロス点から所定の時間だけ遅延してスイッチング素子をオンし、所定のオン時間後オフする。このような直流電源装置においては、交流電源からの入力電流の通電幅を拡大し、力率を改善するとともにリアクタに蓄えられたエネルギーを平滑コンデンサへ供給することで高い直流電圧を得ることができ、１回しかオンしないことで高い効率で力率改善できる。
【０００４】
また、直流電源装置には低高調波電流も求められており、高力率と低高調波電流を満足するために、リアクタを接続し複数回スイッチング素子をオンすることで、入力電流の波形と直流電圧を制御する方法が提案されている。
【０００５】
特許文献２では、ある第１期間が直流電源装置の負荷の状態に応じて設定され、直流電源装置の負荷が予め設定された第１閾値以上である場合に、設定された第１期間内において、予め設定された所定のタイミングでスイッチング素子を２以上の予め設定された所定回数だけオン状態とするべく、スイッチング素子に対して指示信号が出力される。そして、所定回数のスイッチング素子をオン状態とする期間であるオン期間が、それぞれ第１期間内において前回設定されたオン期間よりも短いオン期間に設定され、設定された所定回数分のオン期間だけスイッチング素子をオン状態とるべく、スイッチング素子に対して指示信号が出力されるため、負荷が変動する場合にも簡素な構成で力率を適正値とすることができる。
【０００６】
特許文献３では、力率の向上と電源高調波電流の抑制の両立させるためには第１のオン時間と第２のオン時間との間の開放時間が重要であることを見出し、目標直流電圧と電源電圧との比の値が所定値未満の場合に、ゼロクロス検出手段で検出された交流電源のゼロクロス点からの半周期中に、スイッチング手段を２回オンし、この２回短絡の１回目と２回目の短絡間隔を、電源周波数が５０Ｈｚの時には０.２〜０.４ｍｓで、電源周波数が６０Ｈｚの時には０.１６〜０.３３ｍｓとし、その後に前記比の値が所定値以上の場合にスイッチング手段の短絡回数を前記比の値に応じて２回よりも多い回数で且つ、組み込まれる機器のモータの運転騒音周波数に対して直流電源装置の騒音周波数が超えない短絡回数に切り替える。このような直流電源装置においては、電源高調波電流を抑制しつつ低負荷では高効率と適宜な力率を実現し、高負荷では高力率と適宜な効率を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−２０１２４８号公報
【特許文献２】特開２００９−１００４９９号広報
【特許文献３】特開２０１１−１０１５０５号広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
現在、家庭用の空気調和機は、環境への配慮が求められ、省資源，省エネを強く要求されるようになった。これは、力率を改善することで、交流電源の供給者の設備負担を軽減することに加えて、機器を接続するブレーカー、またはコンセントの容量を目いっぱいに活用して機器の能力を最大限に発揮させ、実質的に使用者のコストパフォーマンスを良くすることができるためである。しかし、闇雲に短絡すれば良いわけではなく、短絡の仕方や負荷の状況により、電源高調波電流が増加する場合がある。加えて、電子制御機器の急増に伴い電源に悪影響を与える高調波電流の規制に適合する製品が求められている。
【０００９】
特に海外では早くから高調波電流の強制規制を始めており、日本固有の事情は配慮されていないので規制値が厳しい。強制規制を行っている国は年々増加しており、各国はIEC規格を準拠して策定を行っているため、輸出機種にはIEC規格を満足する製品の開発が必要である。
【００１０】
上記先行技術文献ではこれらの要求を部分的に満たすだけであり、次のような問題がある。特許文献１では、直流電圧を高くしようとした場合、短絡した波形は歪んでしまうため、電源高調波電流が多くなり、高い力率を得ながらもIEC規格値を満足できない。また、この発明は電源の半周期に１回だけスイッチングのオン動作をするもので、パルス間隔についての言及が無い。また、IEC規格を満足する製品においては、特許文献２、特許文献３よりも高調波規制を特に優先した制御を行う必要があり、交流電源のゼロクロス点から次のゼロクロス点までの間の後半部についての言及がない。
【００１１】
本発明は、IEC規格を満足するために電源高調波電流を抑制する直流電源装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の直流電源装置は、交流電源より入力された交流電力を直流電力に変換する整流回路と、交流電源と整流回路との間に接続されたリアクタと、リアクタを介して交流電源を短絡するスイッチング手段と、直流電力の目標電圧を設定する目標電圧設定手段と、交流電源の周波数を検出する周波数検出手段と、交流電源の電源電圧を検出する電源電圧検出手段と、交流電源のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出手段と、ゼロクロス点に同期させてスイッチング手段をオン／オフ制御するスイッチング制御手段と、を備え、スイッチング制御手段は、ゼロクロス検出手段で検出された交流電源のゼロクロス点から次のゼロクロス点までの間に複数回スイッチングをオンし、交流電源のゼロクロス点から次のゼロクロス点までの間のうちの後半部にスイッチングの最終パルスをオンさせ、最終パルスのゼロクロス点からの遅延時間は入力電流が大きいほど増加させ、最終パルスのオン時間は入力電流が大きいほど増加させるとともに入力電流が大きいほど増加率を減少させる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電源高調波電流を抑制する直流電源装置を提供することができる。特に、入力電流増加により高調波の３次成分が大きくなるために、最終パルスのゼロクロス点からの遅延時間及びオン時間を入力電流が大きいほど増加させたとしても、最終パルスのオン時間を入力電流が大きいほど増加率を減少させながら増加させるので、高調波の高次の項を抑制させて規格値を満たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１の電源装置の回路構成を示すブロック図
【図２】８パルス目のオン時間を０．０３ｍｓ、０．０８ｍｓ、０．１３ｍｓに設定した時の入力電流、高調波３次成分、５次成分、１１次成分の波形
【図３】入力電流を3Ａ、６Ａ、８Ａ時の入力電流の波形
【図４】電源高調波電流の規格の余裕度を大きく取れる８パルス目のオン時間（a）と遅延時間(ｂ)
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本実施例の直流電源装置は、交流電源より入力された交流電力を直流電力に変換する整流回路と、交流電源と整流回路との間に接続されたリアクタと、リアクタを介して交流電源を短絡するスイッチング手段と、直流電力の目標電圧を設定する目標電圧設定手段と、交流電源の周波数を検出する周波数検出手段と、交流電源の電源電圧を検出する電源電圧検出手段と、交流電源のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出手段と、ゼロクロス点に同期させてスイッチング手段をオン／オフ制御するスイッチング制御手段と、を備え、スイッチング制御手段は、ゼロクロス検出手段で検出された交流電源のゼロクロス点から次のゼロクロス点までの間に複数回スイッチングをオンし、交流電源のゼロクロス点から次のゼロクロス点までの間のうちの後半部に、スイッチングの最終パルスをオンさせ、最終パルスのゼロクロス点からの遅延時間は、入力電流が大きいほど増加させ、最終パルスのオン時間は、入力電流が大きいほど増加させるとともに、入力電流が大きいほど増加率を減少させる。
【００１６】
本発明によれば、電源高調波電流を抑制する直流電源装置を提供することができる。ここで、最終パルスのオン時間の増加は、高調波の抑制に関して、高調波の低次の項(特に３次成分)と高調波の高次の項とでトレードオフの関係になる。例えば、最終パルスのパルスオン時間を入力電流に対して直線的に増やした場合、高調波の高次の項が増加してしまい規格値を満たすことができない可能性がある。そこで本実施例においては、さらに、最終パルスのオン時間を入力電流が大きいほど増加率を減少させながら増加させるので、高調波の高次の項を抑制させて規格値を満たすことができる。さらに、例えば、特許文献２のように、規格値を満たすために負荷に応じて後半部のパルス数を増加させる場合、パルス数を増加させると、ダイオードスタックやＩＧＢＴ等の温度が上昇したり、電器品のノイズが生じる可能性がある。本実施例においては、交流電源のゼロクロス点から次のゼロクロス点までの間のうちの後半部にスイッチングの最終パルスをオンさせ、最終パルスのゼロクロス点からの遅延時間は入力電流が大きいほど増加させ、最終パルスのオン時間は入力電流が大きいほど増加させるとともに入力電流が大きいほど増加率を減少させるので、パルス数を増加させることなく（パルス数の増加を抑制しつつ）、パルス遅延時間とパルスオン時間を変更することで、高調波の高次の項を抑制させて規格値を満たすことができる。
【００１７】
まず、本実施例の直流電源装置の全体構成について図１を用いて説明する。図１は実施例１の電源装置の回路構成を示すブロック図である。直流電源装置１００は図１に示すように、交流電源１０１と負荷１０４に接続され、交流電圧を整流回路１０２で整流し、平滑コンデンサ１０３で平滑して直流電圧に変換し、負荷１０４に電力を供給する。
【００１８】
通常平滑コンデンサ１０３に蓄えられた電荷による直流電圧のため、交流電圧がこの直流電圧を超えたときにしか電流は流れないので、通電区間は短く、電流波形は鋭くとがって力率が悪くなってしまう。これを改善するためリアクタ１０５を接続すると、電流波形の波高値は低くなり、通電区間が後ろに伸び力率が改善される。
【００１９】
交流電源１０１がリアクタ１０５を介して短絡されるようにスイッチング手段１０６が設けられる。また、交流電源１０１のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出手段１０７が接続される。ゼロクロス検出手段１０７で検出されたゼロクロス点に同期させて、スイッチング制御手段１０８でスイッチング手段１０６を駆動する駆動信号を生成し、スイッチング手段１０６を短絡する。
【００２０】
電源高調波電流を抑制するため、スイッチングのオン／オフを複数回行えば、短絡電流のピークが下がるため有効である。シミュレーションによれば、力率に関係してくる３次〜１５次の高調波の抑制にはスイッチング回数を多くすることが有効であるが、１５次〜４０次の高調波電流は逆に増えやすい傾向となる。
【００２１】
日本からの輸出機種向けの製品においては電源として２２０Ｖが使用されることが多い。
【００２２】
また、負荷の最も大きい条件は早朝の暖房の立上がり時であり、圧縮機を高速で駆動し、大きな暖房能力で急速に室内を暖める。このように、暖房能力，冷房能力の大小は負荷量の大小と連動し、空気調和機には負荷量の大小と連動する圧縮機回転数、直流電圧、入力電流、機体各部の温度、冷凍サイクルの温度等に応じた運転が要求される。
【００２３】
電源周波数が５０Ｈｚ,定格８Ａで１５ｍＨのリアクタ,電源２２０Ｖ,スイッチングオン回数８回で入力電流を３Ａ〜８Ａまで１Ａ間隔で変化させ高調波のＩＥＣ規格余裕度（「１００−(最も高い高調波／IEC規格基準)×１００」）を最も大きく取れる設定を検証した。その結果、８回目のスイッチング短絡のみを後半部に行うことで入力電流３Ａ〜８ＡにおいてIEC規格高調波余裕度を１５％以上保つことができた。
【００２４】
この後半部に一回スイッチングをオンさせるオン時間と遅延時間について以下に説明する。
【００２５】
入力電流の変化に対する高調波余裕度は一般的に高負荷になるにつれて厳しくなる。８パルス目のオン時間（後半部のスイッチングオン時間）を０．０３ｍｓで固定した時の３次成分の高調波余裕度を表１に示す。入力電流が大きくなるにつれて波高値が高くなるため波高値とほぼ同じ位置になる３次成分が特に大きくなる。
【００２６】
【表１】
2014180143.tif 000003
【００２７】
ここで入力電流８Ａ時について、８パルス目のオン時間を長く取り入力電流の波形を調整することで、３次、５次成分を小さくすることができる。しかし、このスイッチングオン時間を長く取り過ぎると、高次の項に悪影響を及ぼす。そのため高調波余裕度の高調波次数の切り替わる値が設定点にふさわしくなる。
【００２８】
この入力電流８Ａ時の後半部のスイッチングのオン時間に対する高調波余裕度を表２に示す。また、０．０３ｍｓ、０．０８ｍｓ、０．１３ｍｓの時の入力電流、高調波３次成分、５次成分、１１次成分の波形を図２に示す。この時、波形から８パルス目の位置が１１次成分の波高値の位置に来るため、オン時間が大きくなりすぎると、１１次成分の高調波が大きくなる。そのため８パルス目のオン時間に対する遅延時間について最良な設定がある。
【００２９】
【表２】
2014180143.tif 000004
【００３０】
入力電流が増えるに従い通電区間が後ろに伸び、またリアクタの飽和特性などにより電流波形がより急峻になる。そのため、パルスの遅延時間も入力電流に合わせる必要がある。パルスの遅延時間をゼロクロス点から７．３５ｍｓ、また、パルスオン時間を０．０３ｍｓにした時の入力電流の３Ａ、６Ａ、８Ａ時の波形を図３に示す。
【００３１】
上記の事をふまえ、入力電流３Ａ〜８ＡにおいてＩＥＣ規格高調波余裕度が最も大きくとれる８パルス目のオン時間と遅延時間の最適な解を見つけ、入力電流とオン時間との関係を図４（a）に示し、入力電流と遅延時間との関係を図４(ｂ)に示す。また、各入力電流の高調波余裕度を表３に示す。
【００３２】
【表３】
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【００３３】
入力電流に対して８パルス目のオン時間の傾き（増加率）を少しずつ減らしながら増加させることにより（最終パルスのオン時間を、入力電流が大きいほど増加させるとともに、入力電流が大きいほど増加率を減少させることにより）、少ないパルスでより効果的に高調波余裕度を抑制することができる。また、入力電流が大きいほど遅延時間を長くする（最終パルスのゼロクロス点からの遅延時間を、入力電流が大きいほど増加させる。）。
【符号の説明】
【００３４】
１００  直流電源装置
１０１  交流電源
１０２  整流回路
１０３  平滑コンデンサ
１０４  負荷
１０４ａ  インバータ
１０４ｂ  外部負荷
１０５  リアクタ
１０６  スイッチング手段
１０７  電源電圧・ゼロクロス検出手段
１０８  スイッチング制御手段
１０９  直流電圧検出手段
１１０  インバータドライバ
１１１  マイクロコンピュータ
１１１ａ  周波数検出手段
１１１ｂ，１１１ｄ  Ａ／Ｄ変換部
１１１ｃ，１１１ｅ  ＰＷＭ出力部
１１１ｆ  コンバータ制御手段
１１１ｇ  インバータ制御手段
１１１ｈ  目標電圧設定手段
１１２  入力電流検出手段
１１３  負荷量検出手段
１１４  モータ
１１５  モータ印加電圧検出手段
１１６  モータ回転数検出手段
１１８  周辺情報検出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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