(57)【要約】【課題】  負荷の種別を問わずに使用可能なインバータ装置において、その変換効率を向上させる。【解決手段】  電力回路１０は、直流入力電圧から交流電圧を生成して負荷１０２に供給する。電流センサ２０は、電力回路１０から負荷１０２へ供給する負荷電流を検出する。制御回路３０は、負荷１０２に正弦波電圧を供給したときの負荷電流に基づいてその負荷の種別を推定する。制御回路３０は、負荷がコンデンサ入力負荷であると推定されるときは、電力回路１０にパルス波電圧を生成させ、負荷が抵抗性負荷、誘導性負荷、位相制御負荷であると推定されるときは、電力回路１０に正弦波電圧を生成させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧を生成して負荷に供給するインバータ装置であって、
直流入力電圧から交流電圧を生成する電力回路と、
負荷の種別を推定する推定手段と、
上記推定手段による推定結果に基づいて、パルス波電圧を生成する動作モードまたは正弦波電圧を生成する動作モードで上記電力回路に交流電圧を生成させる制御手段、
を有するインバータ装置。
【請求項２】
上記推定手段は、上記負荷に正弦波電圧を供給したときの負荷電流の導通角に基づいてその負荷の種別を推定する
ことを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
【請求項３】
上記制御手段は、負荷電流の導通角を検出し、接続された負荷が抵抗性負荷、誘導性負荷、または位相制御負荷であると推定されるときは正弦波電圧を供給し、上記負荷がコンデンサ入力負荷であると推定されるときはパルス波電圧を供給する
ことを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ装置。
【請求項４】
交流電圧を生成して負荷に供給するインバータ装置を制御する制御回路であって、
負荷の種別を推定する推定手段と、
上記推定手段による推定結果に基づいて、パルス波電圧を生成する動作モードまたは正弦波電圧を生成する動作モードで、直流入力電圧から交流電圧を生成する電力回路に交流電圧を生成させる制御手段、
を有するインバータ装置の制御回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電圧を生成するインバータ装置に係わる。
【背景技術】
【０００２】
従来より、直流電圧から商用電源周波数（５０／６０Ｈｚ）の交流電圧を生成して負荷に供給するインバータ装置は広く使用されている。そして、これらのインバータ装置としては、図６（ａ）に示すような正弦波電圧を生成するもの、および図６（ｂ）に示すようなパルス波（擬似正弦波）電圧を生成するものが知られている。
【０００３】
いずれのインバータ装置も、基本的には、直流入力電圧を昇圧または降圧した後、スイッチング素子を用いてその直流電圧をスイッチング（チョッパ）することで交流電圧を発生させている。ただし、正弦波電圧を生成する装置では、特許文献１に記載のように、商用電源周波数の数十倍以上の周波数（例えば、数ｋＨｚ）のＰＷＭ信号でスイッチングを行う。そして、このようにしてスイッチングされた電圧を平滑化することにより正弦波電圧が得られる。一方、パルス波電圧を生成する装置においては、商用電源周波数でスイッチングが行われる。
【特許文献１】実開昭５９−１１４７９３号公報（図１、図２、明細書の３〜７ページ）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
正弦波電圧を生成するインバータ装置では、パルス波電圧を生成するインバータ装置と比べると、スイッチング周波数が数十倍以上である。このため、スイッチング損失が大きく、変換効率が低くなってしまう。
【０００５】
一方、パルス波電圧を生成するインバータ装置は、変換効率は高い。しかし、パルス波電圧では、商用電源と同じ周波数であっても、接続される機器によっては動作不良が発生することがある。例えば、上述のようなパルス波電圧を交流モータに供給すると、電圧が急峻に変化する際の高調波によって騒音が発生することがある。すなわち、インバータ装置は、負荷の種別を問わずに使用できるようにするためには、正弦波電圧を生成する機能を備えている必要がある。
【０００６】
本発明の課題は、負荷の種別を問わずに使用可能なインバータ装置において、その変換効率を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のインバータ装置は、交流電圧を生成して負荷に供給するために、電力回路、推定手段、制御手段を備える。電力回路は、直流入力電圧から交流電圧を生成する。推定手段は、負荷の種別を推定する。制御手段は、上記推定手段による推定結果に基づいて、パルス波電圧を生成する動作モードまたは正弦波電圧を生成する動作モードで上記電力回路に交流電圧を生成させる。
【０００８】
上記構成のインバータ装置において、上記負荷がパルス波電圧で駆動可能と推定されるときは、電力回路は、パルス波電圧を生成する。一方、上記負荷がパルス波電圧では動作不良を起こす可能性があると推定されるときは、電力回路は、正弦波電圧を生成する。ここで、正弦波電圧を生成する動作モードは、パルス波電圧を生成する動作モードと比較すると、電力回路におけるスイッチング損が大きくなる。すなわち、パルス波電圧で負荷を駆動可能と推定されるときは、スイッチング損の小さい動作モードが選択される。
【０００９】
上記推定手段は、上記負荷に正弦波電圧を供給したときの負荷電流の導通角に基づいてその負荷の種別を推定するようにしてもよい。負荷に正弦波電圧を供給したときの負荷電流の導通角が小さいときは、その負荷に電圧を連続的に印加する必要がないと考えることができる。よって、この場合、パルス波電圧を生成する動作モードが選択される。この構成は、一般的なインバータ装置が備える電流センサを利用して実現される。
【００１０】
上記制御手段は、負荷電流の導通角を検出し、接続された負荷が抵抗性負荷、誘導性負荷、または位相制御負荷であると推定されるときは正弦波電圧を供給し、上記負荷がコンデンサ入力負荷であると推定されるときはパルス波電圧を供給するようにしてもよい。このとき、導通角が所定値以上であれば、抵抗性負荷、誘導性負荷または位相制御負荷が接続されていると推定し、その負荷の動作不良を確実に回避するために正弦波を供給する。一方、導通角がその所定値より小さければ、コンデンサ入力負荷が接続されていると推定し、スイッチ損の小さいパルス波電圧を供給する。
【００１１】
なお、本発明は、インバータ装置のみに係るものではなく、インバータ装置を制御する制御回路にも及ぶものとする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、負荷の種別に応じてパルス波電圧または正弦波電圧を生成するので、負荷の種別を問わずに使用可能なインバータ装置において変換効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係わるインバータ装置の構成を示す図である。ここで、インバータ装置１は、その入力側に直流電源１０１が接続されており、また、その出力側には負荷１０２が接続されている。そして、インバータ装置１は、電力回路１０、電流センサ２０、制御回路３０を含んで構成されている。
【００１４】
電力回路１０は、電圧変換器１１及びスイッチ回路１２を備える。電圧変換器１１は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータであり、直流電源１０１から与えられる直流電圧を昇圧または降圧する。スイッチ回路１２は、ブリッジ状に接続されたスイッチング素子Ｍ１〜Ｍ４を含んで構成され、制御回路３０が生成する制御信号に従って、直流電源１０１により昇圧または降圧された直流電圧をスイッチング（チョッパ）する。また、スイッチ回路１２の出力は、不図示の出力コンデンサにより平滑化される。これにより、交流電圧が生成される。そして、この交流電圧が負荷１０２に供給される。
【００１５】
電流センサ２０は、負荷電流を検出する。なお、負荷電流とは、インバータ装置１から負荷１０２へ出力される電流を意味するものとする。
制御回路（推定手段、制御手段）３０は、マイコンを含んで構成され、電力回路１０の出力電圧を電圧フィードバック信号としてモニタしながら、負荷１０２に供給すべき交流電圧を電力回路１０に生成させる。このとき、制御回路３０は、スイッチ回路１２を構成するスイッチング素子Ｍ１〜Ｍ４を制御するための制御信号を生成する。また、制御回路３０は、電流センサ２０により検出される負荷電流に基づいて負荷１０２の種別を推定する。そして、その推定結果に基づく動作モードで電力回路１０を動作させる。
【００１６】
次に、図２を参照しながら、負荷電流に基づいて負荷１０２の種別を推定する方法について説明する。なお、図２は、負荷１０２に正弦波電圧を供給したときの負荷電流の波形を示している。
【００１７】
図２（ａ）は、負荷１０２が抵抗性負荷である場合の電流波形を示している。負荷１０２が抵抗性負荷である場合は、電圧に比例する負荷電流が流れるので、正弦波電圧がゼロとなるとき以外は負荷電流が流れることになる。ここで、負荷１０２に供給される正弦波電圧の１／２周期（即ち、０〜１８０度、又は１８０〜３６０度）内において負荷電流が流れる位相範囲を「導通角」と呼ぶこととすると、負荷１０２が抵抗性負荷である場合の導通角は、「１８０度」に近い値になる。なお、抵抗性負荷としては、電球、電熱器などが該当する。また、負荷１０２がモータ等の誘導性負荷であると、電圧位相および電流位相が互いにシフトすることになるが、この場合も導通角は「１８０度」に近い値になる。
【００１８】
図２（ｂ）は、負荷１０２が位相制御負荷である場合の電流波形を示している。位相制御負荷とは、供給される正弦波電圧がそのピーク値よりも小さい所定の電圧に達したときに導通状態に制御される負荷であり、トライアック等を制御素子として使用する機器が該当する。そして、この場合、負荷１０２は、正弦波電圧の位相が「０度〜θ（９０度よりも小さな所定の値）」であるときは非導通状態であり、その位相が「θ〜１８０度」であるときに導通状態となる。正弦波電圧の位相が１８０〜３６０度のときも同様である。すなわち、負荷１０２が位相制御負荷である場合には、導通角は「９０度」よりも大きな値になる。
【００１９】
図２（ｃ）は、負荷１０２がコンデンサ入力負荷である場合の電流波形を示している。コンデンサ入力負荷とは、例えば、図３に示すように、主回路の入力部に整流回路Ｄ１〜Ｄ４およびその整流回路Ｄ１〜Ｄ４により整流された電圧を平滑化するコンデンサＣを備える負荷をいうものとする。ここで、コンデンサＣの電圧Ｖc は概ね一定になる。そして、インバータ装置１から供給される正弦波電圧が電圧Ｖc よりも高ければ、その正弦波電圧によりコンデンサＣは充電される。一方、その正弦波電圧が電圧Ｖc よりも低くなると、コンデンサＣは蓄積した電荷を主回路へ送る。よって、インバータ装置１から負荷１０２へ電流が流れるのは、正弦波電圧が電圧Ｖc よりも高くなる期間のみである。なお、図３に示すダイオードブリッジ回路は一例であり、他の構成であってもよい。また、テレビ、オーディオ機器等の多くの電気機器は、コンデンサ入力負荷である。
【００２０】
図４は、図３に示すコンデンサ入力負荷に正弦波電圧を印加したときの電流波形のシミュレーション結果である。図４に示す例では、位相が０〜５７度、９５〜１８０度のときは、正弦波電圧はコンデンサ電圧Ｖc よりも低く、インバータ装置１から負荷１０２へ負荷電流は流れない。これに対して、位相が５７〜９５度のときは、正弦波電圧がコンデンサ電圧Ｖc よりも高くなり、その正弦波電圧によりコンデンサＣが充電される。よって、この位相範囲では、インバータ装置１から負荷１０２へ負荷電流が流れる。この動作は、基本的に、位相が１８０〜３６０度の範囲においても同様である。すなわち、この実施例における導通角は３８度である。
【００２１】
このように、負荷に正弦波電圧を加えると、その負荷の種別に応じて負荷電流の導通角の大きさが異なる。すなわち、抵抗性負荷、誘導性負荷、位相制御負荷の導通角は「９０度」よりも大きくなる。一方、コンデンサ入力負荷の導通角は、基本的に「９０度」よりも小さくなる。よって、負荷に正弦波電圧を加えれば、負荷電流の導通角に基づいて、その負荷の種別を推定することができる。また、コンデンサ入力負荷は、導通角が小さいので、正弦波電圧の代わりに図６（ｂ）に示すパルス波電圧を使用しても、駆動することが可能である。
【００２２】
そこで、実施形態のインバータ装置１においては、まず、接続された負荷の導通角を検出することによりその負荷の種別を推定する。そして、接続された負荷が抵抗性負荷、誘導性負荷、位相制御負荷であると推定されるときは正弦波電圧を供給し、コンデンサ入力負荷であると推定されるときはパルス波電圧を供給する。
【００２３】
図５は、インバータ装置１の動作を説明するフローチャートである。なお、このフローチャートは、インバータ装置１の電源が投入されたときに実行される。
ステップＳ１では、正弦波電圧を生成して負荷１０２に供給する。なお、正弦波電圧の生成方法は、例えば、上述した特許文献１に記載されている。この場合、正弦波電圧は、その正弦波の数十倍以上の周波数のＰＷＭ信号でスイッチ回路１２を制御することにより生成される。このとき、スイッチ回路１２を制御するためのＰＷＭ信号は、制御回路３０により生成される。
【００２４】
ステップＳ２では、負荷電流が流れる期間を調べる。ここで、負荷電流は電流センサ２０により検知されて制御回路３０に通知される。そして、制御回路３０は、正弦波電圧の任意の周期において負荷電流が流れる期間を検出する。この場合、複数の周期に渡って検出したデータの平均を求めるようにしてもよい。そして、負荷電流が流れていれば、負荷１０２が接続されているものと判断し、ステップＳ３へ進む。
【００２５】
ステップＳ３では、導通角が９０度よりも小さいか否かを調べる。ここで、電流波形および電圧波形の位相が互いに一致または略一致しているものとすると、導通する位相が４５〜１３５度の範囲内であるか否かが調べられる。すなわち、導通角が９０度よりも小さいか否かの判断基準の一例として、「４５〜１３５度」が使用される。そして、導通する位相が４５〜１３５度の範囲内であれば、接続されている負荷がコンデンサ入力負荷であると推定し、ステップＳ４において、正弦波電圧をパルス波電圧に切り替える。すなわち、制御回路３０は、電力回路１０にパルス波電圧を生成させる。なお、パルス波電圧は、商用電源周波数（５０／６０Ｈｚ）での制御信号でスイッチ回路１２を駆動することにより生成される。
【００２６】
ステップＳ２またはステップＳ３において「Ｎｏ」と判断された後、あるいはステップＳ４によりパルス波電圧を生成する動作モードに切り替えられた後は、ステップＳ５において、負荷電流を監視する。そして、負荷電流が一定期間継続してゼロであることが検出されると、接続される負荷が変わった可能性があるため、動作モードをリセットするためにステップＳ１に戻る。
【００２７】
このように、実施形態のインバータ装置１は、接続される負荷がコンデンサ入力負荷であると推定されるときは、その負荷に正弦波電圧を供給する必要がないので、制御回路３０は、電力回路１０にパルス波電圧を生成させる。ここで、パルス波電圧を生成する動作モードは、正弦波電圧を生成する動作モードと比べてスイッチ回路１２のスイッチング回数が数十分の一以下になるので、スイッチング損（スイッチング過渡損失）が大幅に減少する。すなわち、インバータ装置１の変換効率が向上する。
【００２８】
また、接続される負荷が抵抗性負荷、誘導性負荷、位相制御負荷であると推定されるときは、制御回路３０は、電力回路１０に正弦波電圧を生成させる。よって、このような種別の負荷であっても動作不良が生じることはない。
【００２９】
なお、このフローチャートは、インバータ装置１の電源が投入されたときだけでなく、負荷へ供給する電力が変動した場合にも実行されて、負荷の種類に応じて動作モードを切替えるようにすることが好ましい。
【００３０】
また、このフローチャートは、インバータ装置１の電源が投入されたときだけでなく、一定時間ごとに実行されて、負荷の種類に応じて動作モードを切替えるようにすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態に係わるインバータ装置の構成を示す図である。
【図２】インバータ装置の電流／電圧波形を示す図である。
【図３】コンデンサ入力負荷の一例を示す図である。
【図４】図３に示すコンデンサ入力負荷に正弦波電圧を印加したときの電流波形のシミュレーション結果である。
【図５】実施形態のインバータ装置の動作を説明するフローチャートである。
【図６】（ａ）は、正弦波電圧の波形を示す図であり、（ｂ）は、パルス波（擬似正弦波）電圧の波形を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１      インバータ装置
１０    電力回路
１１    電圧変換器
１２    スイッチ回路
２０    電流センサ
３０    制御回路
１０１  入力電源
１０２  負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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