(57)【要約】【課題】高調波電流の抑制を簡単な回路により実現し、かつ、装置のコスト増加を抑える。【解決手段】三相交流電源２の三相交流電力を直流電力に変換する電力変換装置４であって、前記三相交流電力を全波整流する三相ダイオード整流回路３０と、前記三相ダイオード整流回路３０の入力側の各相に設けられた進相コンデンサ４０Ａ〜４０Ｂ、及び直列リアクトル４２Ａ〜４２Ｃと、前記三相ダイオード整流回路３０の出力側に設けられ、所定電圧の前記直流電力を出力する、１個のスイッチング素子５０を有する一石式の昇圧チョッパ回路３４と、を備える構成とした。【選択図】図１
2015023785.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流電源の三相交流電力を直流電力に変換する電力変換装置であって、
前記三相交流電力を全波整流する三相整流回路と、
前記三相整流回路の入力側の各相に設けられた進相コンデンサ、及びリアクトルと、
前記三相整流回路の出力側に設けられ、所定電圧の前記直流電力を出力する、１個のスイッチング素子を有する一石式の昇圧チョッパ回路と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記昇圧チョッパ回路のスイッチング素子のスイッチングのデューティを、前記直流電力の出力電流、又は前記三相交流電力の入力電流に基づいて制御する制御回路を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電力変換装置と、
前記電力変換装置の直流電力によって動作して圧縮機を駆動する直流モータと、
を備えることを特徴とする空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三相交流電源の三相交流電力を直流電力に変換する電力変換技術に係り、特に高調波電流を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
商用の三相交流電源の三相交流電力を直流電力に変換する整流回路を有した電力変換装置が知られており、民生用又は産業用の各種の装置（以下、「負荷装置」と言う）の電源として広く用いられている。整流回路としてはダイオードにより構成された回路が一般的に用いられる。しかしながら、ダイオード等の半導体素子を含む回路は、多くの高調波電流を発生し、負荷装置へ悪影響を及ぼすことが懸念されている。このため、近年、ＩＥＣ（国際電気標準会議）による高調波規制をはじめとし、日本、中国、欧州等でも高調波規制が制定されている。
【０００３】
電力変換の分野では、高調波電流を抑制する技術として、６個の半導体スイッチ（例えばＩＧＢＴ）、及びダイオードから構成された三相ＰＷＭコンバータを整流回路に用いる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。近年では、三相ＰＷＭコンバータとして、汎用のコンバータ、当該コンバータを駆動する駆動回路、及びコンバータの異常動作から半導体スイッチを保護する自己保護回路等を内蔵した、いわゆるインテリジェント・パワーモジュール（ＩＰＭ）と称されるパッケージ化された装置が開発されている。このＩＰＭ電力変換装置に搭載することで高調波電流対策が図られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１１０７８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＩＰＭは、多数の半導体スイッチ、及びダイオードを必要とするために、装置のコストが大幅に増加し、また、多くの半導体スイッチを制御する必要があるため、ＩＰＭの制御が複雑である、という問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、高調波電流の抑制を簡単な回路により実現し、装置のコスト増加が抑えられる電力変換装置、及び空気調和装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、三相交流電源の三相交流電力を直流電力に変換する電力変換装置であって、前記三相交流電力を全波整流する三相整流回路と、前記三相整流回路の入力側の各相に設けられた進相コンデンサ、及びリアクトルと、前記三相整流回路の出力側に設けられ、所定電圧の前記直流電力を出力する、１個のスイッチング素子を有する一石式の昇圧チョッパ回路と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
また本発明は、上記電力変換装置において、前記昇圧チョッパ回路のスイッチング素子のスイッチングのデューティを、前記直流電力の出力電流、又は前記三相交流電力の入力電流に基づいて制御する制御回路を備えることを特徴とする。
【０００８】
また上記目的を達成するために、本発明は、上記の電力変換装置と、前記電力変換装置の直流電力によって動作して圧縮機を駆動する直流モータと、を備えることを特徴とする空気調和装置を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、三相整流回路の出力側に昇圧チョッパ回路を設け、この昇圧チョッパ回路のスイッチング素子の制御により、高調波電流を抑制する構成とした。これにより、ＩＰＭを用いて三相交流電源の三相交流電力を整流する従来の構成に比べ、スイッチング素子の数を減らすことができ、装置コストを抑えつつ、十分に高周波電流を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る空気調和装置の概略構成図である。
【図２】制御回路の制御動作を示すフローチャートである。
【図３】三相交流電力の入力電流波形の一例を示す図であり、（Ａ）は制御テーブルに基づくデューティ制御をした場合を示し、（Ｂ）は制御テーブルに基づくデューティ制御はせずにデューティを固定した場合を示す。
【図４】本発明の第２実施形態に係る空気調和装置の概略構成図である。
【図５】制御回路の制御動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る空気調和装置１の概略構成図である。
この空気調和装置１は、三相交流電源２から供給される三相交流電力を受けて直流電力に変換して出力する電力変換装置４と、この電力変換装置４から供給される直流電力により動作する冷凍システム６とを備えている。
冷凍システム６は、冷媒の圧縮機８、四方弁１０、室外熱交換器１２、膨張弁１４、及び室内熱交換器２０が冷媒を循環する冷凍回路２１を構成するように冷媒配管２６によって接続されている。室外熱交換器１２、及び室内熱交換器２０には、それぞれ熱交換を促すための室外ファン１６、及び室内ファン２２が併設されている。
この冷凍システム６では圧縮機８が圧縮機駆動モータ２８を内蔵する。圧縮機駆動モータ２８はＤＣ（直流）モータであり、電力変換装置４から供給される直流電力を受けて動作する。なお、圧縮機駆動モータ２８には、直流モータに代えて交流モータを用いても良く、この場合には、電力変換装置４と圧縮機駆動モータ２８の間にインバータ回路（直流−交流変換回路）が設けられる。
【００１２】
三相交流電源２は、三相交流電力を供給する商用電源であり、この三相交流電力の電圧、及び周波数は国毎に異なる。例えば日本国では、三相交流電力は、その電圧が２００Ｖ、周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであり、中国では、その電圧が３８０Ｖ、周波数が５０Ｈｚであり、米国ではその電圧が２３０Ｖ、周波数が６０Ｈｚである。
この電力変換装置４の以下に説明する各部の電気・電子部品は、少なくとも、その使用国の三相交流電源２の電圧、及び周波数に適合するように選定されている。
【００１３】
電力変換装置４は、冷凍システム６の上記圧縮機８や室外熱交換器１２等とともに室外機（図示せず）に設置され、図１に示すように、大別すると、三相ダイオード整流回路３０と、力率改善回路３２と、昇圧チョッパ回路３４と、制御回路３６とを備えている。
三相ダイオード整流回路３０は、６個のダイオード素子で構成した３三相フルブリッジ形の全波整流回路である。
【００１４】
力率改善回路３２は、三相ダイオード整流回路３０の入力側（すなわち電源側）に接続され、力率の改善を図るための回路である。具体的には、力率改善回路３２は、受電点での力率を１００％に近付けるために、進み力率を与える進相コンデンサ４０Ａ〜４０Ｃを三相交流電源２の各相に備えている。この力率改善回路３２では、これら進相コンデンサ４０Ａ〜４０Ｃが、いわゆるＹ型結線（スター型とも呼ばれる）により各相の電路に接続されている。さらに、力率改善回路３２は、進相コンデンサ４０Ａ〜４０Ｃにより、各相の電路の高調波成分が増大し、波形のひずみが大きくなるのを抑制するために、進相コンデンサ４０Ａ〜４０Ｃの前段に直列リアクトル４２Ａ〜４２Ｃを備えている。
【００１５】
昇圧チョッパ回路３４は、三相ダイオード整流回路３０の出力側（すなわち負荷側）に接続された一石式の昇圧形のチョッパ回路である。すなわち、昇圧チョッパ回路３４は、チョークコイル４８、スイッチング素子５０、ダイオード５２、及びコンデンサ５４で構成され、スイッチング素子５０が高速にオン／オフすることで、コンデンサ５４に電荷が蓄積される。このコンデンサ５４の両端電圧が電力変換装置４の直流電圧として冷凍システム６に出力される。この昇圧チョッパ回路３４では、スイッチング素子５０に、パワー半導体素子の一例たるＩＧＢＴが用いられている。
【００１６】
制御回路３６は、スイッチング素子５０のゲート端子５０Ｇにゲート駆動信号Ｃａを出力してスイッチング素子５０のオン／オフを制御し、係る制御により、コンデンサ５４の出力電圧を一定に維持し、かつ、高調波電流の抑制が行われる。
【００１７】
詳述すると、昇圧チョッパ回路３４において、チョークコイル４８に流れるリアクトル電流Ｉａの増減は、スイッチング素子５０のオン時間、及びオフ時間によって制御される。すなわち、三相交流電力の入力電流に高調波電流が含まれる場合であっても、スイッチング素子５０のオン／オフの制御によって、リアクトル電流Ｉａが、三相ダイオード整流回路３０の出力電圧Ｖａと同相の波形となるようにできる。これにより、三相交流電力の入力電流の波形、及び位相が整形されることとなり、高調波電流が抑制され、更には力率の改善が図られることとなる。
【００１８】
この電力変換装置４では、力率改善回路３２の入力側のいずれかの相の電路に、入力電流を検出して入力電流検出信号Ｄａを制御回路３６に出力する電流センサ６０が設けられている。
一方、制御回路３６には、入力電流の電流値と、スイッチング素子５０のオン／オフのデューティとを対応付けた制御テーブル６２が予め格納されており、入力電流検出信号Ｄａと制御テーブル６２に基づき、スイッチング素子５０のオン／オフが制御される。
この制御テーブル６２は、この電力変換装置４において、入力電流の電流値と、入力電流の波形、及び位相を整形するためのデューティとを予め対応付けたデータテーブルであり、制御テーブル６２にしたがってスイッチング素子５０が制御されることで、高調波電流が抑制される。
【００１９】
図２は制御回路３６の制御動作を示すフローチャートである。
制御回路３６の制御動作について詳細には、電力変換装置４の動作開始に伴い、制御回路３６は、電流センサ６０からの入力電流検出信号Ｄａに基づき入力電流の電流値を読み取り（ステップＳａ１）、制御テーブル６２を参照してスイッチング素子５０のデューティを決定する（ステップＳａ２）。制御回路３６は、係るデューティに基づきスイッチング素子５０に対してゲート駆動信号Ｃａを出力して、当該スイッチング素子５０のオン／オフを制御する（ステップＳａ３）。そして、制御回路３６は、処理手順をステップＳａ１に戻すことでフィードバック制御を行う。
【００２０】
図３は三相交流電力の入力電流波形の一例を示す図であり、図３（Ａ）は制御テーブル６２に基づくデューティ制御をした場合を示し、図３（Ｂ）は制御テーブル６２に基づくデューティ制御はせずにデューティを固定した場合を示す。
図３（Ｂ）に示すように、制御テーブル６２に基づく制御をしない場合、入力電流波形には、高周波成分に起因する顕著な歪みＸが含まれる。これに対して、図３（Ａ）に示すように、制御テーブル６２に基づく制御をした場合には、歪みＸが解消し、高周波電流が十分に抑制されていることが分かる。
【００２１】
このように本実施形態によれば、三相ダイオード整流回路３０の出力側に昇圧チョッパ回路３４を設け、昇圧チョッパ回路３４のスイッチング素子５０の制御により、高調波電流を抑制する構成とした。これにより、ＩＰＭを用いて三相交流電源２の三相交流電力を整流する従来の構成に比べ、スイッチング素子５０の数を減らすことができ、装置コストを抑えつつ、十分に高周波電流を抑制できる。
特に、昇圧チョッパ回路３４を１つのスイッチング素子５０を用いる一石式とすることで、装置コストが十分に抑えられる。
【００２２】
これに加え、昇圧チョッパ回路３４によって高周波電流を抑制する構成としているため、三相ダイオード整流回路３０の入力側に設けた進相コンデンサ４０Ａ〜４０Ｃには、その容量が小さいものを用いることができる。
詳述すると、三相ダイオード整流回路３０の入力側に、進相コンデンサやリアクトルから成るパッシブフィルタを設けることで、三相交流電力に含まれる高調波電流を抑制する技術もある。この技術に比べ、本実施形態の電力変換装置４によれば、進相コンデンサ４０Ａ〜４０Ｃの容量を数１０分の１程度にまで小さくでき、非常に小型で軽量な装置が実現できる。
【００２３】
［第２実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態に係る空気調和装置１００の概略構成図である。なお、同図において、第１実施形態で説明した部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
同図に示すように、この空気調和装置１００は、電力変換装置１０４が、電流センサ６０に代えて、電圧検出ユニット１７０を備え、この電圧検出ユニット１７０の出力に基づいて制御回路１３６がスイッチング素子５０を制御する点で第１実施形態と構成を大きく異にしている。
【００２４】
電圧検出ユニット１７０は、昇圧チョッパ回路３４の出力段に設けられ、出力電圧（すなわち、コンデンサ５４の両端電圧）を検出し、出力電圧検出信号Ｄｂを制御回路１３６に出力するものである。制御回路１３６は、出力電圧検出信号Ｄｂに基づいて、電力変換装置４の出力電圧が一定に維持されるように、スイッチング素子５０のデューティをフィードバック制御する。
【００２５】
すなわち、図５に示すように、制御回路１３６は、出力電圧検出信号Ｄｂに基づいて、電力変換装置４の出力電圧を読み取り（ステップＳｂ１）、この電力変換装置４の出力電圧の目標値である指令電圧と、出力電圧との差分（偏差）に基づき、この差分を打ち消すように、スイッチング素子５０のデューティを決定する（ステップＳｂ２）。
次いで、制御回路１３６は、係るデューティに基づきスイッチング素子５０に対してゲート駆動信号Ｃａを出力することで、当該スイッチング素子５０のオン／オフを制御し（ステップＳｂ３）、処理手順をステップＳｂ１に戻す。
係る制御により、出力電圧が指令電圧に維持され、出力電圧が安定的に一定に維持される。
【００２６】
そして、制御回路１３６の係る図５に示す制御により、三相交流電力の入力電流に含まれる高調波電流も抑制されることとなる。
【００２７】
これにより、本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、装置コストを抑えつつ、十分に高周波電流を抑制でき、また、三相ダイオード整流回路３０の入力側に設けた進相コンデンサ４０Ａ〜４０Ｃの容量を小さくできる。
【００２８】
なお、上述した各実施形態は、あくまでも本発明の一態様を例示するものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形、及び応用が可能である。
【００２９】
例えば、上述した第１実施形態において、第２実施形態と同様に、電力変換装置４の出力電圧を検出し、この出力電圧の変動を生じさせず、かつ、高調波電流が抑えられるように、入力電流、及び出力電圧に基づき制御回路３６がスイッチング素子５０のデューティを制御しても良い。
【００３０】
例えば、上述した実施形態では、本発明に係る電力変換装置４、１０４が出力する直流電力を空気調和装置１、１００の圧縮機駆動モータ２８の駆動に用いる場合を例示したが、これに限らず、任意の負荷装置の駆動に用いることができる。
【符号の説明】
【００３１】
１、１００  空気調和装置
２  三相交流電源
４、１０４  電力変換装置
６  冷凍システム
８  圧縮機
２１  冷凍回路
２８  圧縮機駆動モータ
３０  三相ダイオード整流回路（三相整流回路）
３２  力率改善回路
３４  昇圧チョッパ回路
３６、１３６  制御回路
４０Ａ〜４０Ｃ  進相コンデンサ
４２Ａ〜４２Ｃ  直列リアクトル（リアクトル）
４８  チョークコイル
５０  スイッチング素子
５０Ｇ  ゲート端子
５２  ダイオード
５４  コンデンサ
６０  電流センサ
６２  制御テーブル
１７０  電圧検出ユニット
Ｃａ    ゲート駆動信号
Ｄａ    入力電流検出信号
Ｄｂ    出力電圧検出信号
【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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