(57)【要約】【課題】ＩＥＣ規格に適合し、かつ高力率化を達成する。【解決手段】交流電源（１００）を入力とするコンバータ（２００）と、コンバータ（２００）からの出力電圧を入力として空気調和装置用モータ（５００）に給電する交流電圧を出力する３相インバータ（４００）と、効率が最大になるようにコンバータ（２００）を制御する制御手段（８００）とを有する。【選択図】  図５
2004215406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源（１００）（１１０）を入力とするコンバータ（２００）（２１０）（２２０）（２３０）と、コンバータ（２００）（２１０）（２２０）（２３０）からの出力電圧を入力として空気調和装置用モータ（５００）に給電する交流電圧を出力する３相インバータ（４００）と、効率が最大になるようにコンバータ（２００）（２１０）（２２０）（２３０）を制御する制御手段（８００）とを含むことを特徴とする空気調和装置用モータ駆動装置。
【請求項２】
交流電源（１００）は３相交流電源（１００）であり、コンバータ（２００）（２２０）は３相コンバータ（２００）（２２０）である請求項１に記載の空気調和装置用モータ駆動装置。
【請求項３】
交流電源（１１０）は単相交流電源（１１０）であり、コンバータ（２１０）（２３０）は単相コンバータ（２１０）（２３０）である請求項１に記載の空気調和装置用モータ駆動装置。
【請求項４】
コンバータ（２００）（２１０）（２２０）（２３０）の入力側に直列に接続されたリアクトル（１０１）および並列に接続されたコンデンサ（１０２）をさらに含む請求項１から請求項３の何れかに記載の空気調和装置用モータ駆動装置。
【請求項５】
コンバータ（２００）（２１０）（２２０）（２３０）は、１対のスイッチング素子の直列回路を相数に応じた数だけ並列接続し、しかも、各スイッチング素子と並列にダイオードを接続してなる請求項１から請求項４の何れかに記載の空気調和装置用モータ駆動装置。
【請求項６】
コンバータ（２００）（２１０）（２２０）（２３０）は、１つのスイッチング素子と、スイッチング素子を挟む順接続の１対のダイオードの直列回路を相数に応じた数だけ並列接続し、しかも、各スイッチング素子と並列に逆接続の１対のダイオードを接続してなる請求項１から請求項４の何れかに記載の空気調和装置用モータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高入力力率で高効率に空気調和装置用モータを駆動する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日では、電気供給のネットワークに種々の消費物が接続されている。一方、これらの消費物は、電力品質のための異なる要求を有している。他方、それらは送電設備網への種々の影響を有している。これらの影響は電力品質へのインパクトを有する。
【０００３】
送電設備網上で、ユーザーの高度な環境上の意識に種々の影響を付加すれば、エネルギー節約装置の要求が増加される。したがって、インバータ技術および高効率モータを採用することは、空気調和機のような家庭用電気器具製品のみならず、種々の分野において増加している。
【０００４】
インバータ技術の魅力的な点は、ドライブの全体効率を高める磁束最適化のために出力周波数および出力電圧を変化させる能力、およびエネルギー効率のために所望の速度でモータを駆動する能力である。
【０００５】
認められているように、インバータ技術は、低コスト／低性能の技術と高コスト／高性能の技術との２つに大別される。
【０００６】
低コスト／低性能の技術は、ダイオードブリッジ、電解コンデンサ、およびインバータからなる。ダイオードブリッジの入力は送電設備網に接続され、出力は電解コンデンサに接続され、それ自身は、ユーザーの要求にしたがう負荷エネルギー制御のために使用されるインバータへの給電のために使用される。
【０００７】
この技術は、次の２つの理由のために広く使用されている。第１の理由は、使用されるスイッチ数の減少に起因する低コストであり、第２の理由は、高調波規制の法的適用に成功することである。
【０００８】
高コスト／高性能の技術は、送電設備網とインバータとの間に挟みこまれた力率修正回路からなる。
【０００９】
この技術は、次の２つの理由のために未だに広くは使用されていない。第１の理由は、使用されるスイッチ数が多いことに起因する高コストであり、第２の理由は、ＰＷＭを生成するために使用されるパワー装置のロスに起因する低効率である。
【００１０】
ＥＭＣ規制により受け入れ可能な入力電流波形を生成する方法が使用される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来から、中間の、および低い電圧を分配するネットワークにおけるパワー電子装置は、ユーザーサイドにおける消費電力品質を制御することによって、および送電設備網サイドでの影響を除去することによって、効率を改善するために使用される。
【００１２】
最もよく知られているのは、図２に示すようなバックトゥーバック・インバータタイプのものである。この技術は、価格および効率において、単純なダイオードブリッジ、および１つの直流リアクトルまたは３つの交流リアクトルからなる従来のインバータ技術（図１参照）には太刀打ちできない。そして、入力電圧の高い値だけから直流電圧を制御することができる。したがって、ＰＡＭとして知られているパルス振幅変調制御ストラテジーを実現するために、送電設備網サイドの電流源コンバータは解として考慮されてきた。しかし、電流源トポロジーは、効率性能が低く、高コストであると知られている。パワー装置技術の早い発展で、状況は変化しつつあり、効率は増加しつつある。しかし、大量生産技術の限定数に起因してコストは依然として太刀打ちできない。
【００１３】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ＩＥＣ規格に適合する高力率を伴う空気調和装置用モータ駆動装置を提供することを目的としている。また、広範囲にわたる入力電源に適用可能な空気調和装置用モータ駆動装置を提供することを他の目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の空気調和装置用モータ駆動装置は、交流電源を入力とするコンバータと、コンバータからの出力電圧を入力として空気調和装置用モータに給電する交流電圧を出力する３相インバータと、効率が最大になるようにコンバータを制御する制御手段とを含んでいる。
【００１５】
請求項２の空気調和装置用モータ駆動装置は、コンバータとして３相コンバータを採用するものである。
【００１６】
請求項３の空気調和装置用モータ駆動装置は、コンバータとして単相コンバータを採用するものである。
【００１７】
請求項４の空気調和装置用モータ駆動装置は、コンバータの入力側に直列に接続されたリアクトルおよび並列に接続されたコンデンサをさらに含むものである。
【００１８】
請求項５の空気調和装置用モータ駆動装置は、コンバータとして、１対のスイッチング素子の直列回路を相数に応じた数だけ並列接続し、しかも、各スイッチング素子と並列にダイオードを接続してなるものを採用するものである。
【００１９】
請求項６の空気調和装置用モータ駆動装置は、コンバータとして、１つのスイッチング素子と、スイッチング素子を挟む順接続の１対のダイオードの直列回路を相数に応じた数だけ並列接続し、しかも、各スイッチング素子と並列に逆接続の１対のダイオードを接続してなるものである。
【００２０】
【作用】
請求項１の空気調和装置用モータ駆動装置であれば、交流電源を入力とするコンバータと、コンバータからの出力電圧を入力として空気調和装置用モータに給電する交流電圧を出力する３相インバータと、効率が最大になるようにコンバータを制御する制御手段とを含んでいるので、全範囲でＩＥＣ規制をクリアすることができ、しかも効率を高めることができるとともに、コストダウンを達成することができる。
【００２１】
請求項２の空気調和装置用モータ駆動装置であれば、コンバータとして３相コンバータを採用するので、３相交流電源に対応できるほか、請求項１と同様の作用を達成することができる。
【００２２】
請求項３の空気調和装置用モータ駆動装置であれば、コンバータとして単相コンバータを採用するので、単相交流電源に対応できるほか、請求項１と同様の作用を達成することができる。
【００２３】
請求項４の空気調和装置用モータ駆動装置であれば、コンバータの入力側に直列に接続されたリアクトルおよび並列に接続されたコンデンサをさらに含むのであるから、コンバータのスイッチング素子のスイッチングに起因する電流リプルを除去できるほか、請求項１から請求項３の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００２４】
請求項５の空気調和装置用モータ駆動装置であれば、コンバータとして、１対のスイッチング素子の直列回路を相数に応じた数だけ並列接続し、しかも、各スイッチング素子と並列にダイオードを接続してなるものを採用するので、請求項１から請求項４の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００２５】
請求項６の空気調和装置用モータ駆動装置であれば、コンバータとして、１つのスイッチング素子と、スイッチング素子を挟む順接続の１対のダイオードの直列回路を相数に応じた数だけ並列接続し、しかも、各スイッチング素子と並列に逆接続の１対のダイオードを接続してなるので、スイッチング損失を低減できるほか、請求項１から請求項４の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、この発明の空気調和装置用モータ駆動装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００２７】
図５はこの発明の空気調和装置用モータ駆動装置の一実施形態を示す概略図である。
【００２８】
この空気調和装置用モータ駆動装置は、３相交流電源１００に対してリアクトル１０１を介して接続された３相コンバータ２００と、３相コンバータ２００の出力端子間に接続された直流コンデンサ３００と、直流コンデンサ３００の端子間電圧を動作電圧とする３相インバータ４００とを有し、この３相インバータ４００の出力を３相負荷（例えば、空気調和装置用モータ）５００に供給している。なお、リアクトル１０１の入力側端子どうしの間にコンデンサ１０２を接続している。ただし、このコンデンサ１０２は省略可能である。また、３相コンバータ２００および３相インバータ４００のスイッチング素子を制御するための制御部８００が設けられている。
【００２９】
３相コンバータ２００および３相インバータ４００のスイッチング素子は、例えば、集積ＩＧＢＴ標準モジュールと同様であり、３相交流電源１００および３相負荷５００の入出力状態に合わせて設計される。
【００３０】
この制御部８００は、直流コンデンサの端子間電圧Ｖｄｃを検出する第１電圧検出部８０１と、３相インバータの入力電流Ｉｄを検出する第１電流検出部８０２と、３相インバータからの２相分の出力電流Ｉｖ、Ｉｗを検出する第２電流検出部８０３、８０４と、３相交流電源の各相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを検出する第２電圧検出部８０５、８０６、８０７と、直流コンデンサの端子間電圧Ｖｄｃ、端子間電圧指令値Ｖｄｃ＊、３相インバータの入力電流Ｉｄを入力として（Ｖｄｃ＊）２／（２Ｖｄｃ／Ｉｄ）の演算を行って３相インバータ側の電力の指令値ＰＲ＊を算出する電力指令算出部８０８と、端子間電圧指令値Ｖｄｃ＊と端子間電圧Ｖｄｃとの差分を算出する差分算出部８０９と、算出された差分を入力として比例・積分演算を行って３相コンバータ側の電力の指令値を出力するＰＩ演算部８１０と、両電力指令値を加算して総電力指令値Ｐ＊を出力する加算部８１１と、総電力指令値Ｐ＊および３相交流電源１０５の各相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを入力としてコンバータ指令値制御演算を行って各相電圧指令値Ｖａ＊、Ｖｂ＊、Ｖｃ＊を出力するコンバータ指令値制御部８１２と、三角波信号を出力する三角波発生部８１３と、各相電圧指令値Ｖａ＊、Ｖｂ＊、Ｖｃ＊および三角波信号を入力として３相コンバータ２００の各相のスイッチング素子に供給すべきゲートドライブ信号Ｓ（ｃｏｎ）を出力するゲートドライブ信号発生部８１４と、トルク指令値ＴＭ＊、効率指令η＊、および空気調和装置用モータ５００の回転子の回転角速度ωを入力としてｄ軸電流指令値ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値ｉｑ＊を出力するｄｑ電流指令発生部８１５と、３相インバータからの出力電流Ｉｖ、Ｉｗ、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊、空気調和装置用モータ５００の回転子の磁極位置θ、および空気調和装置用モータ５００の回転子の回転角速度ωを入力としてインバータ指令値制御演算を行って各相電圧指令値Ｖａ＊、Ｖｂ＊、Ｖｃ＊を出力するインバータ指令値制御部８１６と、各相電圧指令値Ｖａ＊、Ｖｂ＊、Ｖｃ＊、１対のコンデンサの一方の端子間電圧Ｖｄｃ、および３相インバータからの出力電流Ｉｖ、Ｉｗを入力として過電圧制御、過電流制御、および指令値制御を行って各相電圧指令値を出力するインバータ用制御部８１７と、各相電圧指令値および三角波信号を入力として３相インバータの各相のスイッチング素子６０１に供給すべきゲートドライブ信号Ｓ（ｉｎｖ）を出力するゲートドライブ信号発生部８１８と、空気調和装置用モータ５００の回転子の回転角速度ωを入力として出力周波数ｆｏｕｔを出力する出力周波数算出部８１９と、出力周波数ｆｏｕｔを入力としてＶ／ｆの演算を行って出力電圧Ｖｏｕｔを出力する出力電圧算出部８２０と、出力電圧Ｖｏｕｔに所定の係数ｋを乗算して端子間電圧指令値Ｖｄｃ＊を算出する端子間電圧指令値算出部８２１とを有している。
【００３１】
上記の構成の空気調和装置用モータ駆動装置を採用すれば、定電圧、定周波数の３相交流電源１００を可変電圧、可変周波数の３相交流出力電力に変換することができる。
【００３２】
図３に示すように、３相コンバータ２００と３相インバータ４００との間の直流電圧は、空気調和装置用モータ５００に給電する３相インバータ４００の３つの主要な動作点（定格冷房負荷点、定格暖房負荷点、および最大負荷点）におけるコンバータ／インバータの総効率が最大になるように制御されている。この制御方法は、送電設備網側のＰＷＭコンバータおよび負荷側の高電圧モータを使用することにより実現でき、これは、モータの最適能力に必要な交流電圧を与えるために、ＤＣリンクの直流電圧を負荷側のインバータにより必要とされる値に制御することを含む。
【００３３】
したがって、前記３相コンバータ２００は、力率修正および直流電流、直流電圧および入力電圧の瞬時情報に基づくサンプル制御ストラテジーのためのものである。したがって、双方向電力制御が可能である。
【００３４】
前記３相コンバータ２００は、線電圧と共に、各相の正弦波電流を吸収するように動作し、各動作点における最大効率に対応する値となるようにＤＣリンク電圧を制御する。
【００３５】
直流電圧の変化は避けることができないが、出力効率に影響を及ぼさないように、指令値は、電力装置の最大電圧により受け入れ可能な最大許容値に設定される。したがって、負荷側の電力装置の電流定格を低減でき、効率を増加させることができる。
【００３６】
図４は、暖房低音点、暖房定格点、および冷房定格点における総効率をシミュレーションした結果を示す図である。なお、シミュレーション結果としては、左から順に、ダイオードブリッジとインバータとの組み合わせ、コンバータとインバータとの組み合わせ｛送電設備網側電圧が２００Ｖ、ＩＧＢＴの定格電圧が６００Ｖ、モータの定格電圧が２００Ｖ（以下、この組み合わせ状態を単に、２００Ｓ／６ＳＳＩ／２００Ｍと表す）の場合｝、コンバータとインバータとの組み合わせ（２００Ｓ／６ＳＳＩ／３００Ｍ）、コンバータとインバータとの組み合わせ（２００Ｓ／１２ＳＳＩ／３００Ｍ）、コンバータとインバータとの組み合わせ（２００Ｓ／１２ＳＳＩ／４００Ｍ）、コンバータとインバータとの組み合わせ（２００Ｓ／１２ＳＳＩ／５００Ｍ）、コンバータとインバータとの組み合わせ（２００Ｓ／１２ＳＳＩ／６００Ｍ）の場合を表している。
【００３７】
図４から分かるように、コンバータとインバータとの組み合わせ（２００Ｓ／１２ＳＳＩ／４００Ｍ）、コンバータとインバータとの組み合わせ（２００Ｓ／１２ＳＳＩ／５００Ｍ）、コンバータとインバータとの組み合わせ（２００Ｓ／１２ＳＳＩ／６００Ｍ）の何れかを採用し、しかも上記の制御構成を採用することにより、ダイオードブリッジとインバータとの組み合わせを採用した場合よりも高い効率を実現できることが分かる。
【００３８】
図６はこの発明の空気調和装置用モータ駆動装置の他の実施形態を示す概略図である。
【００３９】
この空気調和装置用モータ駆動装置が図５の空気調和装置用モータ駆動装置と異なる点は、３相交流電源１００に代えて単相交流電源１１０に対処できるように、３相コンバータ２００に代えて単相コンバータ２１０を採用した点、および単相化に対応させて制御部８００の構成を簡単化した点のみである。
【００４０】
したがって、単相交流電源１１０に対処でき、しかも図５の空気調和装置用モータ駆動装置と同様の作用を達成することができる。
【００４１】
図７はこの発明の空気調和装置用モータ駆動装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
【００４２】
この空気調和装置用モータ駆動装置が図６の空気調和装置用モータ駆動装置と異なる点は、単相コンバータ２１０の、互いに直列接続された１対づつのスイッチング素子の一方をダイオードで置換した点のみである。
【００４３】
この場合には、単相コンバータ２１０の構成を簡単化することができるとともに、スイッチング素子数の減少に伴って損失を低減できるほか、図６の空気調和装置用モータ駆動装置と同様の作用を達成することができる。
【００４４】
図８はこの発明の空気調和装置用モータ駆動装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
【００４５】
この空気調和装置用モータ駆動装置が図５の空気調和装置用モータ駆動装置と異なる点は、３相コンバータ２００に代えて、異なる構成の３相コンバータ（３相電流源コンバータ）２２０を採用した点、３相コンバータ２２０の出力端子間にリアクトル３０１を接続するとともに、３相コンバータ２２０の一方の出力端子と３相インバータ４００の対応する入力端子との間にダイオード３０２を逆極性となるように接続した点、および制御部８００の一部の構成を３相コンバータ２２０に対応させて変更した点のみである。
【００４６】
３相コンバータ２２０は、各相毎に、１対のダイオードの間にスイッチング素子を接続し、さらに１対の入力ダイオードの直列回路をスイッチング素子と逆極性で並列接続し、入力ダイオードどうしの接続点をリアクトル１０１を介して３相交流電源１００に接続している。
【００４７】
リアクトル３０１とダイオード３０２とは、互いに置換可能である。
【００４８】
制御部８００の対応部分は、電力指令算出部８０８、加算部８１１、コンバータ指令値制御部８１２、およびゲートドライブ信号発生部８１４に代えて、３相交流電源の３相電圧をΔ−Ｙ変換するΔ−Ｙ変換部８２２と、Δ−Ｙ変換された３相交流電圧と直流電圧指令とを入力として３相のそれぞれの交流電圧指令を出力する３相交流電圧指令算出部８２３、８２４、８２５と、三角波信号と直流電流とを入力としてキャリブレーション信号を出力するキャリブレーション信号出力部８２６と、３相のそれぞれの交流電圧指令とキャリブレーション信号とを入力として大小関係を示す信号を出力する比較部８２７、８２８、８２９と、２つの比較信号を入力としてＮＯＲ演算などを行ってゲートドライブ信号を出力するゲートドライブ信号発生部８３０、８３１、８３２とを設けている。
【００４９】
したがって、３相コンバータ２２０のスイッチング素子の数を減少させて効率を向上させることができるほか、図５の空気調和装置用モータ駆動装置と同様の作用を達成することができる。
【００５０】
図９はこの発明の空気調和装置用モータ駆動装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
【００５１】
この空気調和装置用モータ駆動装置が図８の空気調和装置用モータ駆動装置と異なる点は、３相交流電源１００に代えて単相交流電源１１０に対処できるように、３相コンバータ２００に代えて単相コンバータ２３０を採用した点、および単相化に対応させて制御部８００の構成を簡単化した点のみである。
【００５２】
したがって、単相交流電源１１０に対処でき、しかも図８の空気調和装置用モータ駆動装置と同様の作用を達成することができる。
【００５３】
上記の空気調和装置用モータ駆動装置を採用すれば、全範囲にわたってＩＥＣ規制をクリアできる。また、全ての動作点において従来装置よりも高い効率を実現することができる。スイッチング周波数を高めて交流リアクトルのサイズを大幅に小さくし、スイッチング素子の負荷側定格電力を低減し、電源側と負荷側との間の電力の流れの瞬時制御を採用してＤＣリンクのコンデンサを小型化することによりコストダウンを達成することができる。
【００５４】
【発明の効果】
請求項１の発明は、全範囲でＩＥＣ規制をクリアすることができ、しかも効率を高めることができるとともに、コストダウンを達成することができるという特有の効果を奏する。
【００５５】
請求項２の発明は、３相交流電源に対応できるほか、請求項１と同様の効果を奏する。
【００５６】
請求項３の発明は、単相交流電源に対応できるほか、請求項１と同様の効果を奏する。
【００５７】
請求項４の発明は、コンバータのスイッチング素子のスイッチングに起因する電流リプルを除去できるほか、請求項１から請求項３の何れかと同様の効果を奏する。
【００５８】
請求項５の発明は、請求項１から請求項４の何れかと同様の効果を奏する。
【００５９】
請求項６の発明は、スイッチング損失を低減できるほか、請求項１から請求項４の何れかと同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ダイオードブリッジおよびインバータを用いる従来のモータ駆動装置を示す電気回路図である。
【図２】バックトゥーバックインバータ技術を用いる従来のモータ駆動装置を示す電気回路図である。
【図３】直流電圧と負荷との関係を示す図である。
【図４】空気調和装置用モータ駆動装置の効率のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】この発明の空気調和装置用モータ駆動装置の一実施形態を示す概略図である。
【図６】この発明の空気調和装置用モータ駆動装置の他の実施形態を示す概略図である。
【図７】この発明の空気調和装置用モータ駆動装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
【図８】この発明の空気調和装置用モータ駆動装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
【図９】この発明の空気調和装置用モータ駆動装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
【符号の説明】
１００  ３相交流電源    １１０  単相交流電源
１０１  リアクトル    １０２  コンデンサ
２００、２２０  ３相コンバータ    ２１０、２３０  単相コンバータ
３００  コンデンサ    ３０１  リアクトル
３０２  ダイオード    ４００  ３相インバータ
５００  ３相負荷    ８００  制御部
【図１】
2004215406.tif 000003
【図２】
2004215406.tif 000004
【図３】
2004215406.tif 000005
【図４】
2004215406.tif 000006
【図５】
2004215406.tif 000007
【図６】
2004215406.tif 000008
【図７】
2004215406.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成15年6月20日(2003.6.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】ダイオードブリッジおよびインバータを用いる従来のモータ駆動装置を示す電気回路図である。
【図２】バックトゥーバックインバータ技術を用いる従来のモータ駆動装置を示す電気回路図である。
【図３】直流電圧と負荷との関係を示す図である。
【図４】空気調和装置用モータ駆動装置の効率のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】この発明の空気調和装置用モータ駆動装置の一実施形態を示す概略図である。
【図６】この発明の空気調和装置用モータ駆動装置の他の実施形態を示す概略図である。
【図７】この発明の空気調和装置用モータ駆動装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。