(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源からの交流電源電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
前記交流電源に直列に接続されるリアクタと、
前記リアクタを介して前記交流電源を短絡する短絡回路と、
前記交流電源電圧が所定の位相検知基準電圧に達した時の前記交流電源電圧の位相を検出して、検出された位相に応じたパルス幅を有するパルス信号を出力する電圧位相検出回路と、
前記電圧位相検出回路からの前記パルス信号に基づいて、前記短絡回路を制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、
前記パルス信号の前記パルス幅と前記交流電源電圧との間の予め定められた関係に基づいて、前記交流電源電圧を推定する推定部と、
前記推定部の推定結果に基づいて、前記短絡回路が前記交流電源を短絡する短絡期間を調整する調整部と、
前記調整部により調整された前記短絡期間の間、前記短絡回路が前記交流電源を短絡するように、前記短絡回路を制御する短絡制御部とを含み、
前記調整部は、
前記推定部によって推定された前記交流電源電圧と前記交流電源電圧の基準レベルとの比較によって、前記直流電圧の目標値である目標電圧を設定する目標電圧設定部と、
前記目標電圧設定部により設定された前記目標電圧に基づいて、前記短絡期間を設定する短絡期間設定部とを有し、
前記目標電圧設定部は、前記推定部によって推定された前記交流電源電圧が、前記交流電源電圧の前記基準レベルより大きい場合には、前記目標電圧を前記直流電圧の基準目標電圧よりも高くする一方で、前記推定部によって推定された前記交流電源電圧が前記基準レベルより小さい場合には、前記目標電圧を前記基準目標電圧よりも低くする、電源装置。
【請求項２】
前記電源装置は、前記コンバータから出力された前記直流電圧を検出するための直流電圧検出回路をさらに含み、
前記短絡期間設定部は、前記直流電圧検出回路によって検出された前記直流電圧よりも前記目標電圧が小さい場合には、前記短絡期間を、現在設定された期間よりも短くする一方で、前記直流電圧検出回路によって検出された前記直流電圧よりも前記目標電圧が大きい場合には、前記短絡期間を現在設定された期間よりも長くする、請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記電源装置は、インバータに直流電圧を供給し、
前記インバータは、前記電源装置からの直流電圧を交流電圧に変換してモータを駆動する、請求項１に記載の電源装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電源装置と、
前記電源装置から供給される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
前記インバータからの交流電圧によって駆動されるモータとを備える、空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換して負荷に供給する電源装置および空気調和機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換して負荷へ供給する直流電源装置として、交流電源をリアクトルによって一定期間、短絡することで、力率の改善あるいは高調波成分の抑制を図る電源装置が知られている。
【０００３】
たとえば特許文献１（特許第３７３４５８３号公報）は、上記構成に加えて、直流電力をパルス幅変調制御によって交流電力に変換するインバータをさらに備えた電源装置を開示する。この電源装置では、インバータを制御するパルス幅変調制御信号のデューティ比に基づいて短絡期間が制御される。
【０００４】
また、特許文献２（特開２００５−１９２２６６号公報）および特許文献３（特開２００８−２５９３９５号公報）は、交流電源のゼロクロス点が検出された時点から交流電源の短絡を開始することを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３７３４５８３号公報
【特許文献２】特開２００５−１９２２６６号公報
【特許文献３】特開２００８−２５９３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の構成を有する電源装置では、交流電源の電源電圧が低下すると、その交流電圧を整流して得られる無負荷時の直流電圧も低下する。それに対して直流電圧の目標値が変化しなければ、短絡手段による直流電圧の上昇幅（昇圧幅）を大きくしなければならない。
【０００７】
しかし、昇圧幅を大きくすることによって、力率の悪化あるいは高調波成分の増大などといった不具合が生じるおそれがある。なお、交流電源の交流電圧が上昇した場合には、逆に無負荷時の直流電圧も上昇するが、この場合にも、直流電圧の目標値が変化しなければ、たとえば力率の悪化といった問題が発生しうる。
【０００８】
上記の特許文献１〜３は、交流電源からの電源電圧が変動する可能性について開示しておらず、したがって、そのような問題に対する具体的な解決策も開示していない。
【０００９】
本発明の目的は、交流電源からの電源電圧の変動によらず安定的に動作可能な電源装置および空気調和機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のある局面に係る電源装置は、交流電源からの交流電源電圧を直流電圧に変換するコンバータと、交流電源に直列に接続されるリアクタと、リアクタを介して交流電源を短絡する短絡回路と、交流電源電圧が所定の位相検知基準電圧に達した時の交流電源電圧の位相を検出して、検出された位相に応じたパルス幅を有するパルス信号を出力する電圧位相検出回路と、電圧位相検出回路からのパルス信号に基づいて、短絡回路を制御する制御回路とを備え、制御回路は、パルス信号のパルス幅に基づいて、交流電源電圧の変動を推定する推定部と、推定部の推定結果に基づいて、短絡回路が交流電源を短絡する短絡期間を調整する調整部と、調整部により調整された短絡期間の間、短絡回路が交流電源を短絡するように、短絡回路を制御する短絡制御部とを含む。
【００１１】
好ましくは、推定部は、パルス幅と交流電源電圧との間の予め定められた関係に基づいて交流電源電圧を推定する。調整部は、推定部によって推定された交流電源電圧と交流電源電圧の基準レベルとの比較によって、直流電圧の目標値である目標電圧を設定する目標電圧設定部と、目標電圧設定部により設定された目標電圧に基づいて、短絡期間を設定する短絡期間設定部とを含む。目標電圧設定部は、推定部によって推定された交流電源電圧が、交流電源電圧の基準レベルより大きい場合には、目標電圧を直流電圧の基準目標電圧よりも高くする一方で、推定部によって推定された交流電源電圧が基準レベルより小さい場合には、目標電圧を基準目標電圧よりも低くする。
【００１２】
好ましくは、電源装置は、コンバータから出力された直流電圧を検出するための直流電圧検出回路をさらに含む。短絡期間設定部は、直流電圧検出回路によって検出された直流電圧よりも目標電圧が小さい場合には、短絡期間を、現在設定された期間よりも短くする一方で、直流電圧検出回路によって検出された直流電圧よりも目標電圧が大きい場合には、短絡期間を現在設定された期間よりも長くする。
【００１３】
好ましくは、電源装置は、インバータに直流電圧を供給する。インバータは、前記電源装置からの直流電圧を交流電圧に変換してモータを駆動する。
【００１４】
本発明の他の局面に係る空気調和機は、上記の電源装置と、電源装置から供給される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、インバータからの交流電圧によって駆動されるモータとを備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、交流電源からの電源電圧の変動によらず、電源装置および空気調和機を安定的に動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係る電源装置を備えた空気調和機の構成を示した回路図である。
【図２】図１に示した推定部２１および短絡期間調整部２２の構成を示したブロック図である。
【図３】交流電源電圧と、電圧位相検出回路から出力されるパルス信号との関係を示した概念図である。
【図４】短絡期間調整部による短絡期間の調整を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具現化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。また、同一および相当部分には同一の参照符号を付して、その説明を原則的に繰り返さないものとする。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態に係る電源装置を備えた空気調和機の構成を示した回路図である。図１を参照して、空気調和機１００は、交流電源１（たとえば商用電源）からの交流電圧を直流電圧に変換する電源装置５０と、電源装置５０からの直流電圧を交流電圧（この例では三相交流電圧）に変換するインバータ回路１０と、インバータ回路１０からの交流電圧によって駆動されるモータ１３を含む圧縮機１２とを備える。
【００１９】
電源装置５０は、交流電源１の一方の出力端にその一端が接続されるリアクタ２と、リアクタ２の他端および交流電源１の他方の出力端に接続されたダイオードブリッジ３と、電解コンデンサ４，５とを備える。ダイオードブリッジ３は交流電源１からの交流電圧（以下、「交流電源電圧」あるいは単に「電源電圧」と呼ぶ場合もある）を直流電圧へと整流する。電解コンデンサ４，５は、ダイオードブリッジ３から出力される直流電圧を平滑化する。ダイオードブリッジ３および電解コンデンサ４，５は、交流電源１からの交流電源電圧を直流電圧に変換するコンバータを構成する。
【００２０】
コンバータから出力された直流電圧Ｖｄｃは、インバータ回路１０に供給される。インバータ回路１０は直流電圧Ｖｄｃを三相交流電圧へと変換して、その三相交流電圧によりモータ１３を駆動する。
【００２１】
電源装置５０は、さらに、ダイオードブリッジ６と、短絡素子７と、制御回路１１とを備える。ダイオードブリッジ６の一方の入力端は、リアクタ２を介して交流電源１の一方の出力端に接続される。ダイオードブリッジ６の他方の入力端は、交流電源１の他方の出力端に接続される。
【００２２】
短絡素子７は、たとえばバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチ素子であり、ダイオードブリッジ６の一方および他方の出力端に接続される。短絡素子７は制御回路１１によりオン・オフされる。短絡素子７がオンすることによって、ダイオードブリッジ６の２つの出力端が短絡される。これにより、リアクタ２およびダイオードブリッジ６を介して交流電源１の一方および他方の出力端が短絡されて、電源装置の力率を改善することが可能になる。
【００２３】
電源装置５０は、さらに、電圧位相検出回路８および直流電圧検出回路９を備える。電圧位相検出回路８は、交流電源電圧が所定の位相検知基準電圧に達した時の交流電源電圧の位相を検出して、その検出された位相に応じたパルス幅を有するパルス信号を出力する。直流電圧検出回路９は、コンバータから出力される直流電圧Ｖｄｃを検出する。
【００２４】
制御回路１１は、たとえばマイクロコンピュータ（マイコン）によって実現される。制御回路１１は、推定部２１と、短絡期間調整部２２と、短絡素子制御部２３と、インバータ制御部２４とを含む。
【００２５】
短絡素子制御部２３は、短絡素子７のオン・オフを制御する。短絡素子７のオン期間すなわち交流電源１の短絡期間は、短絡期間調整部２２によって調整される。たとえば短絡素子制御部２３は、電源電圧の毎周期において、短絡素子７を所定の時間、短絡させる。また、短絡素子制御部２３は、電圧位相検出回路８からのパルス信号のエッジを検出することにより短絡素子７による交流電源１の短絡を開始するタイミングを決定する。
【００２６】
推定部２１は、電圧位相検出回路８から送られたパルス信号のパルス幅に基づいて、交流電源１から出力される交流電源電圧の変動を推定する。短絡期間調整部２２は、推定部２１の推定結果および直流電圧検出回路９からの出力に基づいて、短絡期間を調整する。
【００２７】
インバータ制御部２４は、インバータ回路１０をパルス幅変調（ＰＷＭ）制御する。これによりインバータ回路１０は直流電圧Ｖｄｃを三相交流電圧へと変換する。なお、その際に、直流電圧検出回路９からの出力に基づいてパルス幅を調整することもある。
【００２８】
図２は、図１に示した推定部２１および短絡期間調整部２２の構成を示したブロック図である。図２を参照して、推定部２１は、電源電圧推定部３１と、テーブル３２と、比較部３３とを含む。テーブル３２は、電圧位相検出回路８から出力されたパルス信号のパルス幅と電源電圧との間の対応関係を予め定義するものである。電源電圧推定部３１は、電圧位相検出回路８から出力されたパルス信号およびテーブル３２を用いて、交流電源電圧を推定する。
【００２９】
図３は、交流電源電圧と、電圧位相検出回路から出力されるパルス信号との関係を示した概念図である。図３を参照して、交流電源電圧が変動した際にもその電源周波数は一定に保たれる。したがって、交流電源電圧の周期Ｔ０も一定である。
【００３０】
電圧位相を検知するための位相検知基準電圧は、０Ｖとは異なる所定の電圧に設定される。交流電源電圧が０Ｖを通過してから電圧位相検出のための位相検知基準電圧に達するまでの時間を図３ではＴ１と表わす。交流電源電圧が標準電圧より高くなると時間Ｔ１が短くなる。反対に、交流電源電圧が標準電圧より低くなると時間Ｔ１が長くなる。すなわち、交流電源電圧が位相検知基準電圧に達したときの交流電源電圧の位相は、交流電源電圧の大きさに依存する。
【００３１】
図３に記載した例では、交流電源電圧が位相検知基準電圧よりも高くなった際に、電圧位相検出回路８の出力波形が立上り、Ｈｉ出力となり、一方、交流電源電圧が位相検知基準電圧よりも低くなった際には、電圧位相検出回路８の出力波形が立下がり、Ｌｏｗ出力となる。時間Ｔ２は電圧位相検出回路８の出力波形の立上りから立下りまでの時間であり、電圧位相検出回路８から出力されるパルス信号のパルス幅に相当する。周期Ｔ０が一定であり、かつ時間Ｔ１が電源電圧に応じて変化する。このため、時間Ｔ２は、電源電圧が高いほど長くなり、電源電圧が低いほど短くなる。
【００３２】
なお、交流電源電圧が位相検知基準電圧よりも高くなった際に、電圧位相検出回路８の出力波形がＬｏｗ出力となり、交流電源電圧が位相検知基準電圧よりも低くなった際に、電圧位相検出回路８の出力波形がＨｉ出力となってもよい。また、図３に記載した例では、位相検知基準電圧は正の電圧に設定されているが、回路の極性により、位相検知基準電圧が負の電圧に設定されていてもよい。
【００３３】
図２に戻り、本発明の実施の形態では、図３によって示された関係を利用して電源電圧を推測する。テーブル３２は、時間Ｔ２と交流電源電圧との間の関係を予め定義したものである。この関係は、たとえば実験などによって予め求めることが可能である。電源電圧推定部３１は、テーブル３２および時間Ｔ２から、電源電圧を推定する。比較部３３は、電源電圧推定部３１によって推定された電源電圧を基準値と比較する。基準値は、標準電圧の値である。これにより電源電圧の変動が推定される。
【００３４】
このように、電圧位相検出回路８から出力されるパルス信号の幅を利用して電源電圧を推定することにより、電源電圧を計測するための回路部品を追加する必要なく、電源電圧の値を把握することができる。
【００３５】
さらに、空気調和機の運転により負荷が変動している場合には、直流電圧Ｖｄｃが変動する。無負荷の場合には、電源電圧の√２倍の値が直流電圧の値である。したがって無負荷であれば、直流電圧検出回路９によって検出された直流電圧Ｖｄｃの値から電源電圧を容易に推定できる。しかし、空気調和機の運転時には直流電圧Ｖｄｃが低下する。空気調和機の周囲の環境あるいは温度などに応じて、直流電圧の低下量が変化しうる。このため直流電圧検出回路９によって検出された直流電圧Ｖｄｃからは電源電圧を推定することは困難である。しかしながら本発明の実施の形態によれば、空気調和機の運転により負荷が変動している場合にも電源電圧の推測が可能となる。
【００３６】
一方、短絡期間調整部２２は、目標電圧設定部４１と、短絡期間設定部４２とを含む。目標電圧設定部４１は、直流電圧検出回路９によって検出される直流電圧Ｖｄｃの目標値（目標電圧）を設定する。具体的には、推定部２１によって電源電圧が標準電圧（基準値）より大きいと推定された場合には、目標電圧設定部４１は、目標電圧を、電源電圧が標準電圧である際の目標値である基準目標電圧よりも高くする。逆に、推定部２１によって電源電圧が基準電圧より小さいと推定された場合には、目標電圧設定部４１は、目標電圧を基準目標電圧よりも低くする。基準目標電圧は、実験的に決定される値であり、電源電圧が標準電圧に等しく、かつ、無負荷である場合の直流電圧の値よりも大きい場合もあるし、小さい場合もある。
【００３７】
短絡期間設定部４２は、直流電圧検出回路９によって検出された直流電圧Ｖｄｃよりも目標電圧が小さい場合には、短絡期間を現在設定された期間よりも短くする。逆に、直流電圧検出回路９によって検出された直流電圧Ｖｄｃよりも目標電圧が大きい場合には、短絡期間設定部４２は、短絡期間を現在設定された期間よりも長くする。
【００３８】
図４は、短絡期間調整部による短絡期間の調整を説明するためのフローチャートである。図３および図４を参照して、ステップＳ１において、目標電圧設定部４１は、推定部２１による電源電圧の変動の推定結果を受ける。目標電圧設定部４１は、その推定結果が、電源電圧が基準レベルより高いことを示しているかどうかを判定する。
【００３９】
電源電圧が基準レベルよりも高い場合（ステップＳ１においてＹＥＳ）、処理はステップＳ２に進む。ステップＳ２において、目標電圧設定部４１は、直流電圧Ｖｄｃの目標値（目標電圧）を基準目標電圧よりも高くする。
【００４０】
一方、電源電圧が基準レベルよりも低い場合（ステップＳ１においてＮＯ）、処理はステップＳ３に進む。ステップＳ３において、目標電圧設定部４１は目標電圧を基準目標電圧よりも低くする。ステップＳ２またはＳ３の処理の後、ステップＳ４の処理が実行される。
【００４１】
ステップＳ４において、短絡期間設定部４２は、直流電圧検出回路９から直流電圧Ｖｄｃの検出値を取得する。ステップＳ５において、短絡期間設定部４２は、直流電圧Ｖｄｃの検出値と目標値（目標電圧）とを比較することにより、目標電圧が、検出された直流電圧よりも大きいか否かを判定する。
【００４２】
検出された直流電圧よりも目標電圧が大きい場合（ステップＳ５においてＹＥＳ）、処理はステップＳ７に進む。ステップＳ７において、短絡期間設定部４２は、短絡期間を現在設定されている期間よりも長くする。
【００４３】
一方、検出された直流電圧よりも目標電圧が小さい場合（ステップＳ５においてＮＯ）、処理はステップＳ６に進む。ステップＳ６において、短絡期間設定部４２は、短絡期間を現在設定されている期間よりも短くする。なお、短絡期間が急激に変化することを防止するために、ある時間ごとに一定値ずつ短絡期間を変化させることが好ましい。また、短絡期間設定部４２は、短絡期間の変化量を決定するために、たとえば検出された直流電圧および目標電圧の差分と、短絡期間の変化量との関係を表わすテーブル等を記憶してもよい。
【００４４】
図４の処理について、より具体的に説明する。なお、以下に示した数値は、本発明の理解を容易にするために用いたものであって、本発明を限定するものではない。
【００４５】
無負荷での直流電圧は、交流電源１からの電源電圧の√２倍となるので、無負荷での直流電圧は電源電圧から大まかに計算できる。たとえば電源電圧が２００Ｖであれば、無負荷での直流電圧は２８０Ｖであり、電源電圧が１８０Ｖであれば、無負荷での直流電圧は２５２Ｖとなる。
【００４６】
電源電圧が２００Ｖ（標準電圧）であり、圧縮機１２の回転数が３０００ｒｐｍの際の直流電圧の目標電圧を、たとえば２８０Ｖとする。負荷（圧縮機１２）によって直流電圧Ｖｄｃが低下し、その直流電圧Ｖｄｃの検出値が取得される（ステップＳ４）。目標電圧は、検出された直流電圧よりも大きい（ステップＳ５においてＹＥＳ）。このため、検出された直流電圧Ｖｄｃを昇圧する（電圧を上げる）ために、短絡期間を、現在設定されている期間よりも長くする（ステップＳ７）。
【００４７】
上記のように設定された短絡期間の間、短絡素子７がオンすることによって、直流電圧Ｖｄｃが、低下した分だけ昇圧される。これにより、直流電圧Ｖｄｃを目標値に等しくすることができる。また、ステップＳ４にて検出された直流電圧Ｖｄｃが目標電圧を越えているときは、ステップＳ６に進む。ステップＳ６において、検出された直流電圧Ｖｄｃを降圧する（電圧を下げる）ために、短絡期間を、現在設定されている期間よりも短くする。
【００４８】
一方、推定部２１によって電源電圧が１８０Ｖであると推定された場合、電源電圧（１８０Ｖ）は基準レベル（２００Ｖ）よりも低い。この場合（ステップＳ１においてＮＯ）、目標電圧は、基準電圧（２８０Ｖ）よりも低下させられる（ステップＳ３）。ステップＳ３において、目標電圧は、たとえば２６０Ｖに設定される。以後、ステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６（またはＳ７）の処理が実行され、短絡期間が設定される。その短絡期間の間、短絡素子７がオンすることにより直流電圧Ｖｄｃの昇圧幅を上記の昇圧幅と同程度に設定することができる。
【００４９】
このように本発明の実施の形態によれば、電圧位相検出回路から出力されたパルス信号のパルス幅に基づいて交流電源電圧の変動を推定できる。したがって、電源装置に部品を追加することなく、交流電源の電圧の変動を推測できる。
【００５０】
本発明の実施の形態によれば、推定された電源電圧の変動に基づいて、直流電圧の目標値を適切な値に設定することができる。これにより、交流電源の電源電圧が変動した場合において、力率あるいは高調波成分等考慮した最適な直流電圧が得られるように短絡時間を決定することができる。たとえば、電源電圧が基準レベルよりも低い場合には、目標電圧を基準目標電圧よりも低くする。これにより、直流電圧の昇圧幅を適切な大きさに設定できるので、昇圧幅の増大に起因する、力率の悪化あるいは高調波成分の増大などといった不具合が発生する可能性を小さくできる。
【００５１】
以上説明されるように、本発明の実施の形態によれば、コストを増大させることなく交流電源電圧の変動に強い電源装置および空気調和機を実現できる。
【００５２】
なお、たとえば本実施の形態においては、テーブル３２および時間Ｔ２から電源電圧を推定しているが、時間Ｔ２を変数とした計算式から電源電圧を推定するようにしてもよい。
【００５３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５４】
１  交流電源、２  リアクタ、３，６  ダイオードブリッジ、４，５  電解コンデンサ、７  短絡素子、８  電圧位相検出回路、９  直流電圧検出回路、１０  インバータ回路、１１  制御回路、１２  圧縮機、１３  モータ、２１  推定部、２２  短絡期間調整部、２３  短絡素子制御部、２４  インバータ制御部、３１  電源電圧推定部、３２  テーブル、３３  比較部、４１  目標電圧設定部、４２  短絡期間設定部、５０  電源装置、１００  空気調和機。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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