(57)【要約】  電力変換装置は、交流電源から供給された交流電圧を整流する整流器と、リアクタと、スイッチング素子と、逆流防止素子とを有し、整流器により整流された整流電圧を昇圧し出力電圧として出力するコンバータ部と、コンバータ部から出力される出力電圧を平滑化する平滑コンデンサと、コンバータ部のスイッチング素子の動作を制御するコンバータ制御手段とを備え、コンバータ制御手段は、検出されたコンバータ部からの出力電圧とリアクタに流れるリアクタ電流とに基づき、出力電圧に対する整流電圧の割合に応じたスイッチング指令値を演算するスイッチング指令演算手段と、スイッチング指令演算手段により演算されたスイッチング指令値に基づいて、スイッチング素子の動作を制御するスイッチング制御手段と、スイッチング指令値に基づいて、瞬時停電又は瞬時電圧低下の発生を判定する供給異常判定手段とを有する。
2015045138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から供給された交流電圧を整流する整流器と、
前記整流器の出力端に接続されたリアクタと、前記リアクタに直列接続された逆流防止素子と、前記リアクタと逆流防止素子との間に接続されたスイッチング素子とを有し、前記整流器により整流された整流電圧を昇圧し出力電圧として出力するコンバータ部と、
前記コンバータ部から出力される前記出力電圧を平滑化する平滑コンデンサと、
前記リアクタに流れるリアクタ電流を検出する電流検出部と、
前記コンバータ部から出力される前記出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記コンバータ部の前記スイッチング素子の動作を制御するコンバータ制御手段と
を備え、
前記コンバータ制御手段は、
前記電圧検出部により検出された前記出力電圧と、前記電流検出部により検出された前記リアクタ電流とに基づき、前記出力電圧に対する前記整流電圧の割合に応じたスイッチング指令値を演算するスイッチング指令演算手段と、
前記スイッチング指令演算手段により演算された前記スイッチング指令値に基づいて、前記スイッチング素子の動作を制御するスイッチング制御手段と、
前記スイッチング指令値に基づいて、瞬時停電又は瞬時電圧低下の発生を判定する供給異常判定手段と
を有するものであることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記平滑コンデンサで平滑化された前記コンバータ部の出力を交流電圧に変換するインバータ部をさらに有す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】
前記供給異常判定手段は、前記スイッチング指令値が設定閾値よりも大きい場合、瞬時停電又は瞬時電圧低下が発生していると判定するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記設定閾値は、通常運転時に演算される最大スイッチング指令値よりも大きい値に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記スイッチング指令演算手段は、前記供給異常判定手段において瞬時停電又は瞬時電圧低下が発生していると判定された場合、予め定めた制限スイッチング指令値を出力するものであり、
前記スイッチング制御手段は、前記制限スイッチング指令値に基づいて前記スイッチング素子の駆動を制御するものである
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記制限スイッチング指令値は、復電後の前記リアクタ電流が過電流になるのを防止する値に設定されていることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記コンバータ制御手段は、前記供給異常判定手段において瞬時停電又は瞬時電圧低下が発生していると判定された場合、前記スイッチング指令値の演算のすべてもしくは一部を停止させることを特徴とする請求項５又は６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記供給異常判定手段は、瞬時停電又は瞬時電圧低下が発生していると判定した後に、前記リアクタ電流が設定電流しきい値よりも大きくなった場合、瞬時停電又は瞬時電圧低下から復電したと判定する機能を有するものであり、
前記スイッチング指令演算手段は、前記供給異常判定手段が復電したと判定した場合、前記制限スイッチング指令値の出力を解除し、前記出力電圧に対する前記整流電圧の割合に応じた前記スイッチング指令値の演算を再開するものであることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記リアクタは、前記交流電源が瞬時停電又は瞬時電圧低下から復電してから前記供給異常判定手段が復電したと判定するまでに、前記スイッチング素子が１回以上スイッチングするインダクタンス値を有することを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記スイッチング制御手段は、複数のスイッチング周波数により前記スイッチング素子を駆動させる機能を有しており、
前記瞬時停電又は瞬時電圧低下であると判定された場合、通常運転時よりも高いスイッチング周波数により前記スイッチング素子を駆動するものであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記スイッチング素子および前記逆流防止素子の少なくとも一方は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電力変換装置と、
前記電力変換装置によって駆動されるモータとを備えた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、スイッチング素子を備えた電力変換装置及びそれを用いた空気調和装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の空気調和装置において、モータを高効率で運転し省エネを実現するために、圧縮機又はファン等に使用しているモータはインバータ回路を用いて駆動される方式が主流となっている。この方式において、商用電源から供給される交流電力がＡＣ−ＤＣコンバータで一旦直流に変換され、変換された直流がインバータで任意の電圧及び周波数を持った交流に変換されてモータに供給される。近年では、更なる省エネ性を追求して、インバータの入力側にＤＣ−ＤＣコンバータ（昇圧回路）を設けた電力変換装置が知られている。この昇圧回路は、半導体スイッチング素子のオン／オフ状態により入力電流を制御している。そして、ＡＣ−ＤＣコンバータの整流出力が昇圧回路において昇圧されインバータに入力される方式又は交流電圧がＰＷＭコンバータを用いて直流電圧に変換される方式が知られている。【０００３】
ところで、電力系統に接続されている負荷が急変し、又は電力系統に落雷する等が発生した際に、瞬時停電と呼ばれる短時間の系統遮断が発生する場合がある。さらに、落雷等に起因して瞬時的に電圧が低下する瞬時電圧低下が発生する場合がある。昇圧回路は、半導体スイッチング素子のオン／オフ動作により入力電流を制御しているため、瞬時停電又は瞬時電圧低下による電源電圧の急変動が発生した場合、半導体スイッチング素子が過電流となり、コンバータ部からの出力電圧が急変動する場合がある。このとき、コンバータ部の後段に位置するインバータの動作が不安定になり、モータ等の負荷の運転が脱調により停止する可能性がある。【０００４】
そこで、従来から瞬時停電又は瞬時電圧低下による不具合を防止するために種々の手法が提案されている（例えば特許文献１、２参照）。特許文献１には、入力電圧の異常を検出する異常検出回路を有し、異常検出回路において異常が検出された際にコンバータ部を異常停止させる安定化電源装置が開示されている。特許文献２には、電流値の変動分に基づいて電源電圧が一時的に上昇する異常の発生を判断する電力変換装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１４６０４５号公報
【特許文献２】特許第５０６３３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、瞬間停電又は瞬時電圧低下の他にもシステムの起動時又は停止時等において電圧の変化量が大きくなる状況が存在する。したがって、特許文献１、２のように、瞬間停電又は瞬時電圧低下の異常検出が電流の検知又は電圧の検知により行われる場合、起動時等と区別して瞬間停電又は瞬時電圧低下の発生を検出することが難しい。さらに、正確に判定値を設定しなければ、頻繁に異常が検出されてしまう。一方で、通常運転時の電流又は電圧の変化で誤検知せずに瞬間停電又は瞬時電圧低下の発生を検出するためには、機種毎のチューニングが必要になり、設計負荷が大きくなってしまう。【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、瞬間停電又は瞬時電圧低下の発生を簡便に精度良く検出することができる電力変換装置及びそれを用いた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】
【０００８】
本発明の電力変換装置は、交流電源から供給された交流電圧を整流する整流器と整流器の出力端に接続されたリアクタと、リアクタに直列接続された逆流防止素子と、リアクタと逆流防止素子との間に接続されたスイッチング素子とを有し、整流器により整流された整流電圧を昇圧し出力電圧として出力するコンバータ部と、コンバータ部から出力される出力電圧を平滑化する平滑コンデンサと、リアクタに流れるリアクタ電流を検出する電流検出部と、コンバータ部から出力される出力電圧を検出する電圧検出部と、コンバータ部のスイッチング素子の動作を制御するコンバータ制御手段とを備え、コンバータ制御手段は、電圧検出部により検出された出力電圧と、電流検出部により検出されたリアクタ電流とに基づき、出力電圧に対する整流電圧の割合に応じたスイッチング指令値を演算するスイッチング指令演算手段と、スイッチング指令演算手段により演算されたスイッチング指令値に基づいて、スイッチング素子の動作を制御するスイッチング制御手段と、スイッチング指令値に基づいて、瞬時停電又は瞬時電圧低下の発生を判定する供給異常判定手段とを有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の電力変換装置によれば、スイッチング指令値に基づき瞬時停電又は瞬時電圧低下を検出することにより、瞬時停電時又は瞬時電圧低下時にスイッチング指令値が高くなる知見に基づき、瞬時停電又は瞬時電圧低下を判定するための新たな構成を追加することなく、簡便に精度良く瞬時停電又は瞬時電圧低下を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の電力変換装置の実施形態１を示す回路図である。
【図２】図１の電力変換装置におけるコンバータ制御手段の一例を示すブロック図である。
【図３】図２のスイッチング制御手段の動作例を示すグラフである。
【図４】図１の電力変換装置の瞬時停電時の動作波形を示すグラフである。
【図５】図１の電力変換装置の瞬時電圧低下時の動作波形を示すグラフである。
【図６】図１の電力変換装置の瞬時電圧低下時の動作波形を示すグラフである。
【図７】図１の電力変換装置の動作例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、図面を参照しながら本発明の電力変換装置の実施形態について説明する。図１は本発明の電力変換装置の実施形態１を示す回路図であり、図１を参照して電力変換装置１について説明する。図１の電力変換装置１は、たとえば空気調和装置における圧縮機又は送風機のモータ等の負荷Ｍに接続されており、負荷Ｍに対し所定の周波数の交流電流を供給するものである。電力変換装置１は、整流器２、コンバータ部１０、平滑コンデンサ２０、インバータ部３０を備えている。整流器２は、３相交流電源１００の交流電圧（例えばＡＣ２００Ｖ）を直流電圧に変換するＡＣ−ＤＣコンバータであって、たとえば６個のダイオードをブリッジ接続した３相全波整流器からなっている。
【００１２】
コンバータ部１０は、整流器２から出力された直流電圧を任意の電圧（例えばＤＣ３６５Ｖ等）に昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ（昇圧チョッパ回路）であって、昇圧用のリアクタ１１、逆流防止素子（逆流防止ダイオード）１２、スイッチング素子１３を備えている。リアクタ１１は、整流器２の出力端に接続されており、逆流防止素子１２はリアクタに直列接続されている。そして、スイッチング素子１３は、リアクタ１１と逆流防止素子１２との間に接続されている。スイッチング素子１３は、スイッチング信号ＳＳの入力に従いオン／オフ動作が行われるものであって、このスイッチング信号ＳＳはコンバータ制御手段４０から送られる。特に、コンバータ部１０の出力電圧ＶＬが目標指令電圧Ｖ０になるようにコンバータ制御手段４０により制御される。スイッチング素子１３は、例えばＭＯＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の半導体素子、もしくはたとえばシリコン（Ｓｉ）素子と比較してバンドギャップが大きい炭化ケイ素（ＳｉＣ）素子、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド素子等のワイドバンドギャップ半導体からなっている。
【００１３】
そして、スイッチング素子１３がオンした場合、リアクタ１１に整流器２によって整流された電圧が印加され、逆流防止素子１２により導通が阻止される。一方、スイッチング素子１３がオフした場合、逆流防止素子１２は導通し、リアクタ１１にはスイッチング素子１３のオン時と逆向きの電圧が誘導される。このとき、スイッチング素子１３のオン時にリアクタ１１に蓄積されたエネルギーが、スイッチング素子１３のオフ時に平滑コンデンサ２０側へ移送される。スイッチング素子１３のオンデューティが制御され、コンバータ部１０からの出力電圧ＶＬが制御される。そして、平滑コンデンサ２０は、コンバータ部１０から出力される出力電圧ＶＬを平滑化する。
【００１４】
なお、電力変換装置１は、平滑コンデンサ２０に蓄積された電圧をコンバータ部１０から出力される出力電圧ＶＬとして検出する出力電圧検出センサ５１と、リアクタ１１に流れるリアクタ電流ＩＬを検出する電流検出センサ５２とを備えている。
【００１５】
インバータ部３０は、平滑コンデンサ２０によって平滑され充電された直流電力を交流電力に変換するものであり、複数のスイッチング素子で構成されている。インバータ部３０は、たとえば空気調和装置における圧縮機のモータ等の負荷Ｍに接続されており、負荷Ｍに対し所定の周波数の交流電流を供給する。インバータ部３０の動作はインバータ制御手段３１により制御されている。そして、インバータ制御手段３１は、たとえばＰＷＭ制御によりインバータ部３０の動作を制御するものであって、インバータ部３０に駆動信号を出力して負荷Ｍへ出力される電力の周波数を制御する。なお、モータ電流検出センサ５３が設けられており、インバータ制御手段３１は、モータ電流検出センサ５３により検出された出力電流に基づいて負荷Ｍの回転速度を検出し、インバータ部３０のスイッチング制御を行うようになっている。
【００１６】
図２は電力変換装置におけるコンバータ制御手段の一例を示すブロック図であり、図１及び図２を参照してコンバータ制御手段４０について説明する。なお、図１及び図２のコンバータ制御手段４０の構成は、マイコンに記憶されたプログラムが実行されることにより構築される。コンバータ制御手段４０は、スイッチング素子１３の動作を制御することにより、コンバータ部１０から出力される出力電圧ＶＬを制御するものである。コンバータ制御手段４０は、スイッチング指令演算手段４１、スイッチング制御手段４２、供給異常判定手段４３を備えている。
【００１７】
スイッチング指令演算手段４１は、スイッチング指令値（オンデューティ指令値）Ｄを演算するものであり、電圧指令演算手段４１ａ、電流指令演算手段４１ｂ、規制指令出力手段４１ｃを備えている。電圧指令演算手段４１ａは、目標となる目標指令電圧Ｖ０と、出力電圧検出センサ５１で検出されフィルタ手段４１ｘでノイズ除去された出力電圧ＶＬとの差分から電圧指令値を求めるものである。なお、電圧指令演算手段４１ａにおける電圧指令値の算出手法としては、例えば比例制御もしくは積分制御等の公知の技術を用いることができる。また、フィルタ手段４１ｘはソフトウェア処理によりフィルタリング処理を行う場合について例示しているが、ハードウェア（フィルタ回路）によりフィルタリング処理を行うようにしても良い。
【００１８】
電流指令演算手段４１ｂは、電流検出センサ５２で検出されフィルタ手段４１ｙによりノイズ除去されたリアクタ電流ＩＬと、電圧指令演算手段４１ａにより演算された電圧指令値との差分を用いてスイッチング指令値Ｄを演算するものである。なお、電流指令演算手段４１ｂにおける電流指令値の算出方法としては、例えば比例制御、積分制御、もしくは微分制御等の公知の技術を用いることができる。また、フィルタ手段４１ｘはソフトウェア処理によりフィルタリング処理を行う場合について例示しているが、ハードウェア（フィルタ回路）によりフィルタリング処理を行うようにしても良い。
【００１９】
スイッチング制御手段４２は、スイッチング指令演算手段４１において演算されたスイッチング指令値Ｄを用いてスイッチング信号ＳＳを生成し、スイッチング信号ＳＳに基づいてスイッチング素子１３を制御するものである。具体的には、図３は図２のスイッチング制御手段４２の動作例を示すグラフである。図３に示すように、スイッチング制御手段４２は、所定の周波数（スイッチング周波数ｆｓ）からなる三角波のうち、スイッチング指令値Ｄ以上の期間はオン時間とし、スイッチング指令値よりも小さい期間はオフ期間とするスイッチング信号（パルス信号）ＳＳを生成する。スイッチング指令値Ｄが大きくなるほどオン時間Ｔｏｎは長くなり、小さくなるほどオン時間Ｔｏｎは短くなる。
【００２０】
供給異常判定手段４３は、スイッチング指令値Ｄに基づいて、瞬時停電又は瞬時電圧低下の発生を判定するものである。ここで、図４は図１の電力変換装置の動作波形を示すグラフである。図４に示すように、上述した電力変換装置１において、瞬時停電による電源電圧の急変動が発生する場合がある。このとき、三相交流電源１００からスイッチング素子１３が過電流となり、コンバータ部１０の出力電圧ＶＬが急変動する場合がある。一般的にコンバータ部１０で電圧を昇圧する場合、昇圧前の整流電圧をＶｄ、目標指令電圧をＶ０、スイッチング指令値をＤとすると、下記式（１）のようになる。
【００２１】
［数１］
Ｄ＝（Ｖ０−Ｖｄ）／Ｖ０        ・・・（１）
【００２２】
瞬時停電が発生した場合、電源電圧Ｖｓ＝０（整流電圧Ｖｄ＝０）となり、式（１）におけるスイッチング指令値Ｄ＝１になる。これは、スイッチング素子１３がオンし続けることを意味し、さらには瞬時停電から復電するまでの間、スイッチング素子１３がオンし続けることを意味する。スイッチング素子１３がＯＮし続けた状態で瞬時停電から復帰した場合、一気にインバータ部３０に過大電流が流れてしまう。
【００２３】
また、瞬時停電中はリアクタ電流ＩＬが全く増加しない期間であり、スイッチング指令値Ｄとの差が大きくなる。特に、電圧指令演算手段４１ａや電流指令演算手段４１ｂに積分器を用いた場合、瞬時停電中も各指令値との差が蓄積し続け、制御が破綻する可能性がある。また、蓄積した制御量を元のレベルとするためには蓄積した時間が必要となり、復電時の応答性が悪化する。
【００２４】
そこで、図１及び図２の供給異常判定手段４３は、スイッチング指令値Ｄに基づいて瞬時停電が発生したか否かを判定する。具体的には、供給異常判定手段４３には、瞬時停電の発生を示す設定閾値Ｄｒｅｆが設定されており、スイッチング指令値Ｄが設定閾値Ｄｒｅｆよりも大きくなった場合、瞬時停電が発生したものと判定する。
【００２５】
この設定閾値Ｄｒｅｆはたとえば０．５というように、通常運転では達しないような設定閾値Ｄｒｅｆが設定されている。つまり、三相交流電源１００から供給される電源電圧をＶｓとすると、整流後の整流電圧Ｖｄは最大値が２（１／２）・Ｖｓになり、最小値が６（１／２）・Ｖｓ／２というように、通常運転時の整流電圧Ｖｄの最小値及び最大値は既知である。よって、式（１）に示すように、電源電圧Ｖｓ及び目標指令電圧Ｖ０が決まれば、スイッチング指令値Ｄの最大値及び最小値が決定する。例えば三相交流電源１００からコンバータ部１０へ１７０Ｖが供給され、コンバータ部１０がＤＣ３６５Ｖまで昇圧する場合、通常運転時におけるスイッチング指令値Ｄの最大は０．４３となる。一方、上述したように、瞬時停電が発生した場合には電源電圧が零（整流電圧Ｖｄ＝０）となり、式（１）におけるスイッチング指令値Ｄ＝１．０になる。
【００２６】
したがって、供給異常判定手段４３において、設定閾値Ｄｒｅｆとして、通常運転時に演算される最大のスイッチング指令値よりも大きい値が設定されている。これにより、瞬時停電が発生していないにも拘わらず、異常であると判定する誤検知を防止することができる。特に、スイッチング指令値Ｄは、出力電圧検出センサ５１において検出された出力電圧ＶＬ及び電流検出センサ５２において検出されたリアクタ電流ＩＬにフィルタ処理したものを使用し演算された結果となるため、信頼性が高い判定を行うことができる。
【００２７】
さらに、スイッチング指令演算手段４１は、供給異常判定手段４３においてスイッチング指令値Ｄが設定閾値Ｄｒｅｆよりも大きく異常であると判定された場合、制限スイッチング指令値Ｄｒをスイッチング制御手段４２に出力する規制指令出力手段４１ｃを有している。したがって、スイッチング制御手段４２には制限スイッチング指令値Ｄｒが出力され、スイッチング制御手段４２は、瞬時停止中において、図４に示すように電流は流れないがスイッチング素子１３がＯＮ／ＯＦＦ動作を繰り返すように制御する。
【００２８】
このため、復電の直後において、スイッチング素子１３はスイッチング動作をしている状態になり、リアクタ電流ＩＬは急激に増加することなく、徐々に増加していくことになる。よって、スイッチング指令値Ｄ＝１に設定され、スイッチング素子１３がＯＮ状態で復電することに起因する過電流の発生を防止し、ＯＮ状態のまま復電することによる電流の急成長を防止して過電流の発生を防止することができる。さらに、瞬時停電から復帰した際にすぐさま電流を引き込むことにより、速やかに通常状態に戻すように作用させることができ、異常停止する確率を低減することができる。
【００２９】
また、図２の規制指令出力手段４１ｃは、瞬時停電中において、制限スイッチング指令値Ｄｒを出力しながら、電圧指令演算手段４１ａや電流指令演算手段４１ｂの一部の制御あるいは全ての制御を停止させる機能を有している。これにより、瞬時停電の発生から制限スイッチング指令値Ｄｒによる制御への切り替えの応答性を向上させることができる。すなわち、電圧指令演算手段４１ａ及び電流指令演算手段４１ｂは、検出された電圧及び電流と演算した指令値とを蓄積しながらスイッチング指令値を算出するものであるため、復電時の応答性が悪いという問題がある。また、フィルタ手段４１ｘ、４１ｙがノイズの除去を行うというように、検出センサによって検出された検出値（電圧値及び電流値）を演算で用いる際には、ハードウェア処理及びソフトウェア処理においてノイズを除去するフィルタリング処理を行うことが一般的である。フィルタリング処理はノイズ対策の観点から見ると有効であるが応答性が悪くなる。このため、異常を検出した際に、電圧指令演算手段４１ａ及び電流指令演算手段４１ｂが異常に応じたスイッチング指令値を演算した場合、異常の検出からスイッチング指令値の切り替えまでの応答性が悪くなる場合がある。
【００３０】
そこで、供給異常判定手段４３が異常であると判定した時点で、規制指令出力手段４１ｃは、スイッチング指令値Ｄの演算を停止させ、予め設定された制限スイッチング指令値Ｄｒを出力する。これにより、瞬時停電が生じた際の応答性を向上させることができるため、確実に復電時の過電流の発生を防止することができる。
【００３１】
さらに、供給異常判定手段４３は、瞬時停電が発生した後において、リアクタ電流ＩＬを用いて復電が行われたか否かを判断する機能を有している。供給異常判定手段４３は、リアクタ電流ＩＬが復電しきい値ＩＬｒｅｆ以上であるか否かを判定し、リアクタ電流ＩＬが復電しきい値ＩＬｒｅｆ以上になったときに復電されたと判断する。なお、供給異常判定手段４３において設定される復電しきい値ＩＬｒｅｆは、予め設定されたものであってもよいし、所定の時間間隔でリアクタ電流ＩＬを記憶する機能を有しており、瞬時停電が発生した際に、瞬時停電が発生する直前のリアクタ電流ＩＬを呼び出したものであってもよい。そして、スイッチング指令演算手段４１は、供給異常判定手段４３において復電されたと判定された場合、制限スイッチング指令値Ｄｒの出力を解除し、上述の通り、出力電圧ＶＬ、リアクタ電流ＩＬ及び目標指令電圧Ｖ０に基づくスイッチング指令値Ｄの演算し出力する。
【００３２】
ここで、復電した直後の電流成長量ΔＩはスイッチング素子１３のオン時間Ｔｏｎとリアクタ１１のインダクタンス値とに依存する。すなわち、復電時の電流成長量ΔＩは下記式（２）のように表すことができる。
【００３３】
［数２］
電流成長量ΔＩ＝（整流電圧Ｖｄ／インダクタンス値）×オン時間Ｔｏｎ  ・・・（２）
【００３４】
そして、復電した際には、スイッチング制御手段４２によるスイッチングにより自動的にリアクタ電流ＩＬが流れ出す。上述した制限スイッチング指令値Ｄｒによるスイッチング制御は、スイッチング指令にオン時間Ｔｏｎを規制して復電時の過電流の発生を防止するものである。一方、式（２）において、オン時間Ｔｏｎが短く設定された場合であっても、インダクタンス値が小さすぎると電流成長量ΔＩが大きくなり異常停止しやすくなる。したがって、リアクタ１１は、復電時に少なくとも１回以上のスイッチングできるインダクタンス値を有するものになっている。
【００３５】
具体的には、式（２）に示すように、オン時間Ｔｏｎはスイッチング素子１３のスイッチング周波数ｆｓと制限スイッチング指令値Ｄｒにより定まり、整流電圧Ｖｄは電源電圧Ｖｓより定まる。インダクタンス値が大きければ１回のスイッチングで成長する電流量は小さく、インダクタンス値が小さいほど１回のスイッチングで成長する電流量は大きくなる。そこで、１回のスイッチングで電流が成長した場合でも異常停止しないようにインダクタンス値が選定されている。
【００３６】
なお、インダクタンス値が１回のスイッチングで電流成長量ΔＩになるように選定する場合について例示しているが、スイッチング周波数ｆｓを通常運転時よりも大きくしてオン時間Ｔｏｎを小さくするようにしてもよい。具体的には、スイッチング制御手段４２は、異なるスイッチング周波数ｆｓ１、ｆｓ２（ｆｓ１＜ｆｓ２）を用いてスイッチング信号ＳＳを生成する機能を有しており、通常運転時はスイッチング周波数ｆｓ１を用いてスイッチング信号ＳＳを生成し、異常判定時はスイッチング周波数ｆｓ２を用いてスイッチング信号ＳＳを生成する。つまり、制限スイッチング指令値Ｄｒが設定されていれば、一定のデューティ比からなるスイッチング信号ＳＳが出力される。デューティ比が一定であれば、スイッチング周波数ｆｓ１の場合よりもスイッチング周波数ｆｓ２の場合の方がオン時間Ｔｏｎは小さくなり、上記式（２）に示すように復電時の過電流の発生を防止することができる。特に、スイッチング素子１３として高速スイッチング特性が優れたＳｉＣを用いることで、１回あたりの電流成長量ΔＩを抑制できるとともに、スイッチング損失が小さいために通常運転時の効率改善にも寄与できる。
【００３７】
また、図４において瞬時停電の場合について例示しているが、瞬時電圧低下の場合についても同様である。図５及び図６は瞬時電圧低下が発生した際の動作波形を示すグラフである。なお、図５はリアクタ電流ＩＬが連続になる瞬時電圧低下時の動作波形を示すものであり、図６はリアクタ電流ＩＬが不連続になる瞬時電圧低下時の動作波形を示すものである。図５及び図６に示すように、瞬時電圧低下が生じた際も、スイッチング指令値Ｄは１に向かって急激に上昇するため、供給異常判定手段４３がスイッチング指令値Ｄが設定閾値Ｄｒｅｆよりも大きくなったことを判定し、スイッチング指令演算手段４１が制限スイッチング指令値Ｄｒをスイッチング制御手段４２に出力することになる。
【００３８】
図７は、図１のコンバータ制御手段の動作例を示すフローチャートであり、図１から図７を参照してコンバータ制御手段４０の動作例について説明する。まず、三相交流電源１００から供給される電源電圧Ｖｓが整流器２において整流されて整流電圧Ｖｄとして出力される。その後、整流電圧Ｖｄがコンバータ部１０において昇圧され、出力電圧（直流母線電圧）ＶＬが平滑コンデンサ２０に印加される。この際、コンバータ制御手段４０において出力電圧ＶＬが目標指令電圧Ｖ０になるようにコンバータ部１０の動作が制御される。コンバータ部１０から出力されたインバータ部３０においてＤＣ−ＡＣ変換され、モータ等の負荷Ｍに印加される。
【００３９】
このとき、目標指令電圧Ｖ０、スイッチング指令演算手段４１において、出力電圧ＶＬ及びリアクタ電流ＩＬに基づいてスイッチング指令値Ｄが算出される。そして、スイッチング制御手段４２によりスイッチング指令値Ｄに基づくスイッチング信号ＳＳが生成され、スイッチング素子１３のスイッチング動作が制御される（ステップＳＴ１）。そして、供給異常判定手段４３において、スイッチング指令値Ｄに基づいて瞬時停電又は瞬時電圧低下による異常が発生したか否かが判定される（ステップＳＴ２）。スイッチング指令値Ｄが設定閾値Ｄｒｅｆ以下である場合、瞬時停電が発生していないと判定し、上記コンバータ制御手段４０による自動的なスイッチング制御が継続される（ステップＳＴ１、ＳＴ２）。
【００４０】
一方、スイッチング指令値Ｄが設定閾値Ｄｒｅｆよりも大きい場合、供給異常判定手段４３において瞬時停電又は瞬時電圧低下が発生したと判定される。すると、スイッチング指令演算手段４１において、スイッチング指令値Ｄが制限スイッチング指令値Ｄｒに設定される（ステップＳＴ３）。すると、スイッチング制御手段４２において、制限スイッチング指令値Ｄｒに基づくスイッチング制御が行われる。
【００４１】
さらに、制限スイッチング指令値Ｄｒに基づくスイッチング制御が行われている際に、供給異常判定手段４３において、リアクタ電流ＩＬが電流閾値ＩＬｒｅｆよりも大きくなったか否かが判定される（ステップＳＴ４）。リアクタ電流ＩＬが電流閾値ＩＬｒｅｆ以下である場合、瞬時停電又は瞬時電圧低下が続いていると判定され、制限スイッチング指令値Ｄｒに基づくスイッチング制御が継続する（ステップＳＴ３、ＳＴ４）。
【００４２】
一方、リアクタ電流ＩＬが電流閾値ＩＬｒｅｆよりも大きくなった場合、供給異常判定手段４３において瞬時停電又は瞬時電圧低下から復電したと判定される。すると、スイッチング指令演算手段４１において、制限スイッチング指令値Ｄｒの出力が解除され、出力電圧ＶＬ及びリアクタ電流ＩＬに基づくスイッチング指令値Ｄが算出され、算出されたスイッチング指令値Ｄによるスイッチング制御及び瞬時停電等の検出に基づく制御が行われる（ステップＳＴ１〜ＳＴ４）。
【００４３】
上記実施の形態によれば、スイッチング指令値Ｄに基づき瞬時停電又は瞬時電圧低下を検出することにより、瞬時停電時又は瞬時電圧低下時にスイッチング指令値Ｄが高くなる知見に基づき、瞬時停電又は瞬時電圧低下を判定するための新たな構成を追加することなく、簡便に精度良く瞬時停電又は瞬時電圧低下を検出することができる。
【００４４】
すなわち、従来のように、電源電圧の異常を検知する場合、電源電圧の異常を検知するための異常検知回路が必要になり、また異常検知回路の実装面積が必要となりコストパフォーマンスが悪化する。また、異常検知した際に異常停止する構成であり、瞬時停電または瞬時電圧低下が頻繁に発生する季節では瞬停発生毎にシステムを停止させる必要があるため、ユーザにとって使い勝手が悪い。また、従来のように、電流又は電圧の変化量で電源側の異常を検知する手段では、システムの起動時、または、停止時等電流、電圧の変化量が大きくなる状態が定常運転中に存在するため、判定値の設定に難がある。したがって、正確に判定値を設定しなければ、通常運転時電流、電圧の変化で誤検知してしまうため、機種毎のチューニングが必要のなり設計負荷が大きくなる。
【００４５】
一方、図１〜図７の電力変換装置１において、コンバータ制御手段４０は、通常運転時の制御に用いる既存のセンサを用いて瞬時停電及び瞬時電圧低下を判定することができる。また、瞬時停電及び瞬時電圧低下の判定にコンバータ制御の出力であるスイッチング指令値Ｄを用いるため、従来のように電圧もしくは電流のようなセンサで直接検出した判定値を用いる場合に比べて判定値を容易に設定しやすいため、瞬時停電及び瞬時電圧低下の判定の信頼性を高くすることができる。
【００４６】
また、瞬時停電発生時から復電するまでの間、所定のスイッチング指令値Ｄでスイッチングし続けることにより、復電後に、速やかに通常制御に移行できるとともに、過電流等の異常によりシステムが異常停止する頻度が低下することができる。
【００４７】
本発明の実施形態は、上記実施形態に限定されない。例えば復電の判定において、リアクタ電流ＩＬが復電しきい値ＩＬｒｅｆ以上になったときに復電されたと判定する場合について例示しているが、他の手法により復電を判定するようにしてもよい。例えば、コンバータ制御手段４０は、リアクタ電流ＩＬの変化量もしくは電流が増加し始めてからのスイッチング回数等を用いて判定してもよいし、用途に応じて復電の条件を変更してもよい。
【００４８】
また、図１の供給異常判定手段４３において、設定閾値Ｄｒｅｆと制限スイッチング指令値Ｄｒとが同一の場合について例示しているが、瞬時停電時又は瞬時電圧低下時にスイッチング動作をしているものであればよい。例えば設定閾値Ｄｒｅｆ＝０．５、制限スイッチング指令値Ｄｒ＝０．３というように、制限スイッチング指令値Ｄｒが設定閾値Ｄｒｅｆよりも低い値に設定されていてもよい。これにより、式（２）における復電時のオン時間Ｔｏｎをより短くすることができ、確実に過電流の発生を防止することができる。
瞬時停電発生時も所定値でスイッチングし続け運転断続し、復電後速やかに通常制御に移行できるため、過電流等の異常によりシステムが異常停止する頻度が低下し瞬時停電の耐力を改善することができる。
【００４９】
さらに、上記実施形態において、供給異常が発生したと判定された場合に制限スイッチング指令値Ｄｒを用いてスイッチング動作を行うようにしているが、スイッチング素子１３の動作を停止するようにしてもよい。この場合であっても、スイッチング指令値Ｄに基づいて精度の高い異常の判定が行われているため、瞬間停電等に起因してインバータ部３０又は負荷Ｍ等に異常が生じるのを防止することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１  電力変換装置、２  整流器、１０  コンバータ部、１１  リアクタ、１２  逆流防止ダイオード、１３  スイッチング素子、２０  平滑コンデンサ、３０  インバータ部、３１  インバータ制御手段、４０  コンバータ制御手段、４１  スイッチング指令演算手段、４１ａ  電圧指令演算手段、４１ｂ  電流指令演算手段、４１ｃ  規制指令出力手段、４１ｘ、４１ｙ  フィルタ手段、４２  スイッチング制御手段、４３  供給異常判定手段、５１  出力電圧検出センサ、５２  電流検出センサ、５３  モータ電流検出センサ、１００  三相交流電源、Ｄ  スイッチング指令値、Ｄｒ  制限スイッチング指令値、Ｄｒｅｆ  設定閾値、ｆｓ、ｆｓ１、ｆｓ２  スイッチング周波数、ＩＬ  リアクタ電流、ＩＬｒｅｆ  電流閾値、Ｍ  負荷（モータ）、ＳＳ  スイッチング信号、Ｔｏｎ  オン時間、Ｖ０  目標指令電圧、Ｖｄ  整流電圧、ＶＬ  出力電圧、Ｖｓ  電源電圧、ΔＩ  電流成長量。
【図１】
2015045138.tif 000003
【図２】
2015045138.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015045138.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成27年9月4日(2015.9.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明の電力変換装置は、交流電源から供給された交流電圧を整流する整流器と整流器の出力端に接続されたリアクタと、リアクタに直列接続された逆流防止素子と、リアクタと逆流防止素子との間に接続されたスイッチング素子とを有し、整流器により整流された整流電圧を昇圧し出力電圧として出力するコンバータ部と、コンバータ部から出力される出力電圧を平滑化する平滑コンデンサと、リアクタに流れるリアクタ電流を検出する電流検出部と、コンバータ部から出力される出力電圧を検出する電圧検出部と、コンバータ部のスイッチング素子の動作を制御するコンバータ制御手段とを備え、コンバータ制御手段は、電圧検出部により検出された出力電圧と、電流検出部により検出されたリアクタ電流とに基づき、出力電圧に対する整流電圧の割合に応じたスイッチング指令値を演算するスイッチング指令演算手段と、スイッチング指令演算手段により演算されたスイッチング指令値に基づいて、スイッチング素子の動作を制御するスイッチング制御手段と、スイッチング指令値に基づいて、瞬時停電又は瞬時電圧低下の発生を判定する供給異常判定手段とを有し、スイッチング指令演算手段は、供給異常判定手段において瞬時停電又は瞬時電圧低下が発生していると判定された場合、予め定めた制限スイッチング指令値を出力するものであり、スイッチング制御手段は、制限スイッチング指令値に基づいてスイッチング素子の駆動を制御するものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から供給された交流電圧を整流する整流器と、
前記整流器の出力端に接続されたリアクタと、前記リアクタに直列接続された逆流防止素子と、前記リアクタと逆流防止素子との間に接続されたスイッチング素子とを有し、前記整流器により整流された整流電圧を昇圧し出力電圧として出力するコンバータ部と、
前記コンバータ部から出力される前記出力電圧を平滑化する平滑コンデンサと、
前記リアクタに流れるリアクタ電流を検出する電流検出部と、
前記コンバータ部から出力される前記出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記コンバータ部の前記スイッチング素子の動作を制御するコンバータ制御手段と
を備え、
前記コンバータ制御手段は、
前記電圧検出部により検出された前記出力電圧と、前記電流検出部により検出された前記リアクタ電流とに基づき、前記出力電圧に対する前記整流電圧の割合に応じたスイッチング指令値を演算するスイッチング指令演算手段と、
前記スイッチング指令演算手段により演算された前記スイッチング指令値に基づいて、前記スイッチング素子の動作を制御するスイッチング制御手段と、
前記スイッチング指令値に基づいて、瞬時停電又は瞬時電圧低下の発生を判定する供給異常判定手段と
を有し、
前記スイッチング指令演算手段は、前記供給異常判定手段において瞬時停電又は瞬時電圧低下が発生していると判定された場合、予め定めた制限スイッチング指令値を出力するものであり、
前記スイッチング制御手段は、前記制限スイッチング指令値に基づいて前記スイッチング素子の駆動を制御するものである電力変換装置。
【請求項２】
前記平滑コンデンサで平滑化された前記コンバータ部の出力を交流電圧に変換するインバータ部をさらに有す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】
前記供給異常判定手段は、前記スイッチング指令値が設定閾値よりも大きい場合、瞬時停電又は瞬時電圧低下が発生していると判定するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記設定閾値は、通常運転時に演算される最大スイッチング指令値よりも大きい値に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記制限スイッチング指令値は、復電後の前記リアクタ電流が過電流になるのを防止する値に設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記コンバータ制御手段は、前記供給異常判定手段において瞬時停電又は瞬時電圧低下が発生していると判定された場合、前記スイッチング指令値の演算のすべてもしくは一部を停止させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記供給異常判定手段は、瞬時停電又は瞬時電圧低下が発生していると判定した後に、前記リアクタ電流が設定電流しきい値よりも大きくなった場合、瞬時停電又は瞬時電圧低下から復電したと判定する機能を有するものであり、
前記スイッチング指令演算手段は、前記供給異常判定手段が復電したと判定した場合、前記制限スイッチング指令値の出力を解除し、前記出力電圧に対する前記整流電圧の割合に応じた前記スイッチング指令値の演算を再開するものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記リアクタは、前記交流電源が瞬時停電又は瞬時電圧低下から復電してから前記供給異常判定手段が復電したと判定するまでに、前記スイッチング素子が１回以上スイッチングするインダクタンス値を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記スイッチング制御手段は、複数のスイッチング周波数により前記スイッチング素子を駆動させる機能を有しており、
前記瞬時停電又は瞬時電圧低下であると判定された場合、通常運転時よりも高いスイッチング周波数により前記スイッチング素子を駆動するものであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記スイッチング素子および前記逆流防止素子の少なくとも一方は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電力変換装置と、
前記電力変換装置によって駆動されるモータとを備えたことを特徴とする空気調和装置。
【手続補正書】
【提出日】平成28年12月6日(2016.12.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から供給された交流電圧を整流する整流器と、
前記整流器の出力端に接続されたリアクタと、前記リアクタに直列接続された逆流防止素子と、前記リアクタと逆流防止素子との間に接続されたスイッチング素子とを有し、前記整流器により整流された整流電圧を昇圧し出力電圧として出力するコンバータ部と、
前記コンバータ部から出力される前記出力電圧を平滑化する平滑コンデンサと、
前記リアクタに流れるリアクタ電流を検出する電流検出部と、
前記コンバータ部から出力される前記出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記コンバータ部の前記スイッチング素子の動作を制御するコンバータ制御手段と
を備え、
前記コンバータ制御手段は、
前記電圧検出部により検出された前記出力電圧と、前記電流検出部により検出された前記リアクタ電流とに基づき、前記出力電圧に対する前記整流電圧の割合に応じたスイッチング指令値を演算するスイッチング指令演算手段と、
前記スイッチング指令演算手段により演算された前記スイッチング指令値に基づいて、前記スイッチング素子の動作を制御するスイッチング制御手段と、
前記スイッチング指令値に基づいて、瞬時停電又は瞬時電圧低下の発生を判定する供給異常判定手段と
を有し、
前記スイッチング指令演算手段は、前記供給異常判定手段において瞬時停電又は瞬時電圧低下が発生していると判定された場合、予め定めた制限スイッチング指令値を出力するものであり、
前記スイッチング制御手段は、前記制限スイッチング指令値に基づいて前記スイッチング素子の駆動を制御するものである電力変換装置。
【請求項２】
前記スイッチング制御手段は、前記スイッチング指令値と三角波とに基づいて、前記スイッチング素子の動作を制御する請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記供給異常判定手段は、前記スイッチング指令値が設定閾値よりも大きい場合、瞬時停電又は瞬時電圧低下が発生していると判定するものであり、
前記制限スイッチング指令値が前記設定閾値よりも低い値に設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記設定閾値は、通常運転時に演算される最大スイッチング指令値よりも大きい値に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記制限スイッチング指令値は、復電後の前記リアクタ電流が過電流になるのを防止する値に設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記コンバータ制御手段は、前記供給異常判定手段において瞬時停電又は瞬時電圧低下が発生していると判定された場合、前記スイッチング指令値の演算のすべてもしくは一部を停止させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記供給異常判定手段は、瞬時停電又は瞬時電圧低下が発生していると判定した後に、前記リアクタ電流が設定電流しきい値よりも大きくなった場合、瞬時停電又は瞬時電圧低下から復電したと判定する機能を有するものであり、
前記スイッチング指令演算手段は、前記供給異常判定手段が復電したと判定した場合、前記制限スイッチング指令値の出力を解除し、前記出力電圧に対する前記整流電圧の割合に応じた前記スイッチング指令値の演算を再開するものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記リアクタは、前記交流電源が瞬時停電又は瞬時電圧低下から復電してから前記供給異常判定手段が復電したと判定するまでに、前記スイッチング素子が１回以上スイッチングするインダクタンス値を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記スイッチング制御手段は、複数のスイッチング周波数により前記スイッチング素子を駆動させる機能を有しており、
前記瞬時停電又は瞬時電圧低下であると判定された場合、通常運転時よりも高いスイッチング周波数により前記スイッチング素子を駆動するものであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記スイッチング素子および前記逆流防止素子の少なくとも一方は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記平滑コンデンサで平滑化された前記コンバータ部の出力を交流電圧に変換するインバータ部をさらに有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電力変換装置と、
前記電力変換装置によって駆動されるモータとを備えたことを特徴とする空気調和装置。
【国際調査報告】
2015045138.tif 000010
2015045138.tif 000011
2015045138.tif 000012
2015045138.tif 000013