(57)【要約】【課題】電源高調波規制に適合させながら、平滑コンデンサを小型化させること。【解決手段】規制限度内で固定値の高調波電流波形と、整流装置に接続された負荷に応じて可変される正弦波電流波形の合計を指示電流として、実際の電流との差異に基づいて前記短絡と開放の比率を調整する。固定値の高調波電流波形は、各次数の振幅は、規制限度値とほぼ等しく、かつ、基本波を正弦関数した場合のゼロ位相でそれぞれがゼロ位相になる奇数次の正弦関数群の和とし、可変される正弦波電流値が所定の値よりも小さい場合には、前記高調波電流波形を連動して縮小する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相交流電源をリアクタを介して半導体スイッチで短絡せしめ、半導体スイッチを開放したときに、リアクタを流れる電流がダイオードを介して平滑手段に流れ込むことにより単相交流電源の電流を制御する整流装置であって、規制限度内の高調波電流波形と、整流装置に接続された負荷に応じて可変される正弦波電流波形の合計を指示電流として、実際の電流との差異に基づいて前記短絡と開放の比率を調整することを特徴とする整流装置。
【請求項２】
高調波電流波形は、各次数の振幅は、規制限度値と略等しく、かつ、基本波を正弦関数で表現した場合のゼロ位相でそれぞれがゼロ位相になる奇数次の正弦関数群の和であることを特徴とする、請求項１記載の整流装置。
【請求項３】
可変される正弦波電流値が所定の値よりも小さい場合には、前記高調波電流波形を連動して縮小し、所定の値よりも大きい場合には、前記高調波電流波形を縮小しないことを特徴とする、請求項１または２に記載の整流装置。
【請求項４】
所定の値が６００Ｗ前後に相当する電流値であることを特徴とする請求項３に記載の整流装置。
【請求項５】
単相交流電源をダイオードで整流したのち、リアクタを介して半導体スイッチで短絡せしめ、半導体スイッチの開放時に、リアクタを流れる電流が、前述とは別のダイオードを介して、平滑手段に流れ込むことにより単相交流電源の電流を制御する、請求項１〜４に記載の整流装置であって、単相交流電源の位相がゼロもしくは１８０度における電流指示値を、その直前もしくは直後の電流指示値で置き換えることを特徴とする整流装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家庭などの単相交流電源を整流して略直流とし、直流負荷を駆動するものや、得られた直流をインバータ回路により、再度、任意周波数の交流に変換して、交流電動機の可変速度駆動するもの、例えば、電動圧縮機により冷媒を圧縮することによりヒートポンプを構成し、冷房、暖房、あるいは食品などの冷凍を行うものに適用させるものであり、その中での電源電流に含まれる高調波成分の低減制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
トランジスタなどの半導体スイッチは、高速に電力をスイッチングできるという利点を有しているが、逆電圧の印加に対する耐性が弱く、交流電源を用いて、交流電動機の可変駆動を行う場合などでは、一旦、直流に変換してから、再度別の交流に変換する手段がよく用いられている。
【０００３】
図８は、特許文献１に記載された従来の回路構成を示すものである。図８に示すように、交流電源１２と、リアクタ１３と、ダイオードブリッジ（整流器）１１と、半導体スイッチ（スイッチング素子）１６と、ダイオード１７、平滑コンデンサ１４と制御手段１９から構成されている。スイッチング素子１６とダイオード１７およびリアクタ１３とで昇圧チョッパ回路１５を構成し、平滑コンデンサ１４の直流電圧よりも交流電源１２の電圧が低い期間でも平滑コンデンサ１４へ電流を自在に流すことができるようにしている。制御手段１９では、交流電圧波形情報２０と関数発生器２３の加算波形と交流電流検出手段２１より得られた交流電流波形が等しくなるように、スイッチング素子１６を駆動する。関数発生器２３には、直流出力のリップル電圧が少なくなるような歪み波形が発生されるようにあらかじめ決めておく。
【０００４】
直流負荷１８としては、例えば、インバータ回路の半導体スイッチ群をオンオフ制御することにより、圧縮機などが駆動されて、ヒートポンプ動作が行われる。
【０００５】
特に、交流電源１が単相交流の場合、電源電圧がゼロになる瞬間があり、高力率で動作していても、電源周波数の２倍の周波数で、電力が脈動しており、その脈動を吸収するために、平滑コンデンサ１４は、長期間の脈動に耐えうる性能のものを選択する必要がある。
【０００６】
図９は従来例の動作波形であり、（ｂ）のような歪みを発生させ、正弦波である（ａ）に加算することで、電流指令（ｃ）が得られ、制御された結果、ＤＣ電圧のリップル電圧が波形（ｅ）のごとく、小さくできることを示している。つまり、（ｂ）のような歪みを加算することにより、ＤＣ電圧のリップル電圧が小さくなり、結果として、平滑コンデンサ１４の小型化がはかれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６４−７４０６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の構成では、交流電源の電圧波形を用いているため、系統の影響などにより電圧波形が歪んでいる場合には、高調波の電流が増加しすぎてしまう可能性がある。また、電圧波形の歪みによっては、リップル電圧が逆に増加してしまう場合もあ
る。また、家庭用空調装置などでは、天候や外気温度などで負荷が時々刻々と変化するが、このように、直流負荷の状況が時々刻々と変化する場合に、どのような関数を発生させればよいのか、という本質的な命題に対して、具体的な手法が開示されていない。たとえば最大負荷時に最適な関数出力であっても、その使用頻度が低ければ効果が少なくなる。特に、インバータエアコンなどの空調装置などでは、もっとも使用頻度が高いのは、負荷がそれほど大きくないところである。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、家電機器などにおける電源高調波規制の国際規格である、ＩＥＣ６１０００−３−２  Ｃｌａｓｓ−Ａに適合しつつ、平滑部のＤＣリップルを減少させることを実現するものであり、任意の負荷で、かつ電源電圧の歪みにも対応できる方法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】
【００１０】
平滑部分のリップルを小さくするには、正弦波の逆数の電流を流せば解決できるが、この場合、含まれる高調波電流は非常に大きいものになり、高調波規制規格を守れなくなるし、力率も４０％程度に低下してしまう。
【００１１】
そこで、前記従来の課題を解決するために、本発明の整流装置は、交流電源の位相を検出する手段を有し、交流電源の基本波形を正弦波としたときに、基本波のゼロ位相で各高調波成分もゼロ位相となる正弦波群であり、かつ高調波規制規格を上回らない振幅の奇数次の高調波信号を全て加算した波形の発生手段と、前記基本波の発生手段を具備し、前記基本波の発生手段の出力は、直流電圧と所望の直流電圧と実際の直流電圧との偏差とに基づいて、振幅調整され、調整された振幅情報が所定の値以下の場合には、前記奇数次の高調波加算波形出力を所定値との比率で減衰させしめる可変減衰手段を経由し、振幅調整された基本波と可変減衰手段を経由した奇数次高調波加算波形出力とを加算した結果を交流電流指令とする。
【００１２】
一定以上の負荷状態では、高調波規制で許容される高調波電流の範囲では、平滑部分のリップルを完全に打ち消すことができない値であるため、許容される最大の高調波電流を加算した電流波形をあたえることにより、高調波規制に適合する範囲で、平滑部分のリップルを最小にする電流波形が常に得られることになる。
【００１３】
さらに、高調波成分は全て無効電力となり、正弦波部分の振幅を調べることにより、有効電力を知ることができ、負荷の値を知ることができる。
【００１４】
また、一定以下の負荷である場合には、一定値に対する比率で、許容される高調波電流値を減衰させる。これにより、非常に負荷が小さい場合には、高調波規制で許容される高調波電流を加算しなくても、平滑部分のリップルを最小にすることができる。
【００１５】
また、交流電源を整流してから、リアクタを介して短絡／開放することにより、リアクタを流れる電流は単一の極性になり、絶対値化した交流電流指令のゼロ位相および１８０度位相近傍の指令情報を非ゼロにする。これにより、整流後の電流が急激に変化できない特性を利用して、整流後の電流が非ゼロの値のまま、前段の整流回路の動作により、交流電源側での極性切り替えが瞬時に実現され、ゼロ位相および１８０度位相での電流を急峻に切り替えることができる。これにより、実電流波形の精度を高めることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の整流装置は、任意の負荷で、電源電圧波形に影響されずに、電源高調波を抑圧しながら、平滑手段を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態における整流装置の全体回路ブロック図
【図２】本発明の実施の形態における高調波波形を具体的に示す波形図
【図３】本発明の実施の形態における中負荷における波形図
【図４】本発明の実施の形態における重負荷における波形図
【図５】入力電流とＤＣ電圧のリップルの関係を示す波形図
【図６】電源高調波規制のＩＥＣ６１００−３−２Ｃｌａｓｓ−Ａの規制電流値を示すグラフ
【図７】本発明の実施の形態における波形改善の原理を示す波形図
【図８】従来の整流装置の全体回路ブロック図
【図９】従来の整流装置の動作原理を示す波形図
【図１０】本発明の実施の形態における別の整流装置の全体回路ブロック図
【図１１】本発明の実施の形態における別の整流装置の全体回路ブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
第１の発明は、規制限度内で固定値の高調波電流波形と、整流装置に接続された負荷に応じて可変される正弦波電流波形の合計を指示電流として、実際の電流との差異に基づいて前記短絡と開放の比率を調整することにより、高調波規制を守ることができる整流装置を実現することができる。
【００１９】
第２の発明は、特に、第１の発明の固定値の高調波電流波形を各次数の振幅は、規制限度値とほぼ等しく、かつ、基本波を正弦関数した場合のゼロ位相でそれぞれがゼロ位相になる奇数次の正弦関数群の和とすることにより、入力電力の瞬時値の変動が少なくなり、平滑コンデンサを小型化することができる。
【００２０】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明の高調波電流波形を負荷が小さいときに、高調波電流波形を連動して縮小することにより、高調波規制で許容される高調波電流を加算しなくても、平滑部分のリップルを最小にすることができる。
【００２１】
第４の発明は、単相交流電源をダイオードで整流したのち、リアクタを介して半導体スイッチで短絡せしめ、半導体スイッチの開放時に、リアクタを流れる電流が請求項１記載のダイオードを介して、平滑手段に流れ込むことにより単相交流電源の電流を制御する請求項１〜３に記載の整流装置であって、単相交流電源の位相がゼロもしくは１８０度における電流指示値を、その直前もしくは直後の電流指示値で置き換える。これにより、リアクタを流れる電流は単一の極性になり、整流後の電流が急激に変化できない特性を利用して、整流後の電流が非ゼロの値のまま、前段の整流回路の動作により、交流電源側での極性切り替えが瞬時に実現され、ゼロ位相および１８０度位相での電流を急峻に切り替えることができる。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における整流装置の全体回路ブロック図を示すものである。
【００２４】
図１において、交流電源１２を整流ダイオードブリッジ１１、リアクタ１３と経由して半導体スイッチ１６で短絡できるように構成している。この短絡経路には電流検出手段２１を具備し、交流電源からの電流を検出できるようにしている。また、リアクタ１３と半導体スイッチ１６の接続点にはダイオード１７を介して、整流ダイオードブリッジ１１の
一端との間に、平滑コンデンサ１４と直流負荷１８を接続している。また、この回路を制御する制御回路１１９には、交流電圧情報、交流電源からの電流情報、直流出力電圧情報が入力され、半導体スイッチ１６をＯＮ／ＯＦＦ駆動情報を出力する。この回路構成は、交流電源の瞬時電圧よりも直流電圧Ｖｄｃを高くしておけば、ダイオード１７による逆阻止動作により、交流電源から任意の電流波形で負荷に電力を供給することができるので、電源力率や電源高調波の改善に用いることができる。
【００２５】
以上のように構成された整流装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００２６】
まず、交流電源１２より、制御回路１１９では、位相検出手段１０１により、交流電源の電圧の位相情報を検出する。この検出方法については、同一発明者などによる下記の特許文献に記載された方法などがある。
【００２７】
この方法などで検出された交流電圧位相情報「θ」をもとに、瞬時の電流指令情報を算出する。ひとつは正弦波の波形発生手段１０４に入力されて、その電圧位相「θ」に応じた正弦波の瞬時値を得る。得られた正弦波の瞬時値は乗算手段１０５に入力される。乗算手段１０５には、所望の直流電圧Ｖｄｃ＊と実際の直流電圧Ｖｄｃとの差異を比較器１０７で得て、制御が安定になるための補償手段１０６を経た情報を入力している。すなわち、直流出力電圧の偏差に対応して、正弦波の情報を拡大縮小するようにする。つまり、出力電圧が所望よりも低ければ、正弦波の振幅が拡大され、所望よりも高ければ、正弦波の振幅は縮小される。これにより、負荷が変化した場合でも、所望の直流電圧を維持する制御が実現する。
【００２８】
もうひとつは、高調波波形の発生手段１０２に入力される。高調波波形の具体的な波形を図２に附す。この波形の算出方法は後述する。高調波波形の発生手段１０２の出力は、乗算手段１０３を経由して、加算手段１０９に送られ、前述の正弦波を拡大縮小した結果と加算する。乗算手段１０３では、前述の正弦波の振幅を決めている補償手段１０６の出力結果から減衰指令発生手段１０８を経由した情報を入力している。減衰指令発生手段１０８は、補償手段１０６の出力が所定以上であれば、減衰させず、所定以下の場合はその比率で減衰させる指令を発生させる。
【００２９】
すなわち、補償手段１０６の出力が一定以下であれば、高調波波形の発生手段１０２の出力を減衰させるものである。振幅調整された、高調波波形情報と正弦波波形情報は加算手段１０９により加算され、さらにその情報は、絶対値化手段１１０で絶対値に変換されて、交流入力電流の絶対値の指令情報｜Ｉａｃ｜＊とする。指令情報｜Ｉａｃ｜＊は比較手段１１１に送られ、電流検出手段２１の出力情報と比較される。電流検出手段２１は交流電源１２をダイオードブリッジ１１で整流された後の電流を検出しているため。交流電流の絶対値情報｜Ｉａｃ｜を得るものである。
【００３０】
比較手段１１１の出力は、補償手段１１２を経由して、パルス幅変調手段１１３に送られ、半導体スイッチ１６をパルス駆動する。半導体スイッチ１６をオンする比率が長くなると、リアクタ１３の電流が増加していき、結果として。負荷１８に大きい電力を供給することができる。
【００３１】
次に、高調波波形の発生手段１０２について詳細を説明する。波形は図２に示す波形であるが、この波形そのものは、電源高調波規制の国際規格である、ＩＥＣ６１０００−３−２  Ｃｌａｓｓ−Ａの値より導出する。図６は、この規格における、交流電圧実効値が２３０Ｖのときの、許容電流の実効値である。すなわち、どの負荷状態でも、３次高調波は２．３Ａ以下、５次高調波は１．１４Ａ、７次高調波は０．７７Ａ以下にしなければならない。この規定は、次数が高くなると小さい値になるものの。４０次まで規定されてい
る。図２の波形は、下記の式のように、これらのうち奇数次分を全て同一位相で開始する正弦関数として加算したものである。
【００３２】
【数１】
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【００３３】
図３は、入力電力１．５ＫＷにおける電流波形と瞬時電力の波形である。左側の波形（ａ）は正弦波のみで制御されている場合を示している。１．５ＫＷ相当の正弦波に上述の高調波を加算すると交流電流波形は同図（ｂ）の中段のような波形になる。そして、瞬時電力波形は同図（ｂ）の下段のような波形になる。
【００３４】
このとき、交流電流の瞬時最大値は、正弦波の約８４％に低下しており、また、瞬時電力の瞬時最大値も約７５％に低下している。この結果、平滑コンデンサ１４が補償しないといけない電力リップルが少なくなるので、平滑コンデンサ１４に小型のものを用いることができる。
【００３５】
図４は、入力電力３ＫＷにおける電流波形と瞬時電力の波形である。左側の波形（ａ）は正弦波のみで制御されている場合を示している。３ＫＷ相当の正弦波に上述の高調波を加算すると交流電流波形は同図（ｂ）の中段のような波形になる。そして、瞬時電力波形は同図（ｂ）の下段のような波形になる。このとき、交流電流の瞬時最大値は、正弦波の約８７％に低下しており、また、瞬時電力の瞬時最大値も約８７％に低下している。この結果、１．５ＫＷのときと同様の効果が得られる。
【００３６】
本発明の方法で、電力リップルが少なくなり、平滑コンデンサ１４が小型化できる原理を図５を用いて説明する。瞬時の電力が一定になれば、平滑コンデンサが最小化できるということから、交流電流波形は電圧波形の逆数波形になることがわかる。すなわち、同図（ｂ）の中段のような電流波形が必要になる。この波形には非常に大きな奇数次の高調波が含まれており、入力電力が約５７０Ｗ以上では、全ての次数で高調波規制値を超過する値になる。また、この高調波群は、基本波を正弦関数とした場合に、全ての奇数次の位相が、同じゼロ位相から開始する正弦関数である。この結果、平滑コンデンサを小型化し、かつ、高調波規制に適合するためには、規制値内の高調波を含有することが最良になる。
【００３７】
また、入力電力が小さく、基本波が少ない場合には、このような規制限度値の高調波を加算する必要がないので、入力電力が減少しているところでは、それに応じて高調波波形を減衰させていけばよい。しかも、基本波の振幅は有効電力を反映しているので、基本波の振幅情報により判断することができる。基本波の振幅情報は、図１における補償手段１０６の出力情報そのものであるので、新たな計算手段などを必要としない。
【００３８】
以上のように、本実施の形態においては、電源高調波規制範囲内の電流を加算することにより、任意の負荷状態において、高調波規制に適合することと、平滑コンデンサの小型化をはかることができる。
【００３９】
また、本実施の形態の回路構成を、図１０に示すように、リアクタ１３を交流電源側に配置し、ダイオードブリッジの一部に半導体スイッチ１０１６ａ、１０１６ｂを追加する混合ブリッジ回路構成や、図１１のように、リアクタ１３を交流電源側に配置し、ダイオードブリッジの手前で、双方向の半導体スイッチ１１１６を短絡／開放させることでも同様の機能を実現することができる。しかも、図１０や図１１の場合には、通過する素子数が少ないので、回路効率がよいという効果を得ることができる。
【００４０】
なお、実施の形態では、高調波の波形の値は規制値をそのまま使用して説明しているが、これは電流の指令値であり、電流検出感度のばらつきや制御精度の不完全さを想定して、規制値より少ない目の値を使用することについても、本発明の基本原理から容易に考えられることである。
【００４１】
（実施の形態２）
図７は、本発明における、波形をさらに改善するための手法を説明するための波形図である。全体回路構成は、図１の構成と同じである。
まず、同図（ａ）では、交流電圧位相に応じて、中上段の高調波を含んだ交流電流指令が作成される。次に、この電流指令に対して、絶対値手段により絶対値をとると、中段の波形になる。この波形に対して電流検出を行って電流制御を行う場合、電流制御が完全にできるとは限らない。
【００４２】
特に、電流検出して指令との誤差を用いるフィードバック制御では、急峻な変化に対しては遅れを生じることが多い。中下段のように、電圧位相がゼロおよび１８０度の急峻な波形に少し遅れを含んで追従することになる。この波形を交流側でみると、下段のように、新たなひずみを有している波形になる。
【００４３】
これらを改善させる動作波形を同図（ｂ）に示す。同図（ｂ）の中段波形では、同図（ａ）の場合と異なり、ゼロもしくは１８０度の位相において、本来は電流指令がゼロになるべきところを前後の値で代用し、ゼロではない値にしている。このようにすることにより、電流指令の絶対値では急峻な成分が少なくなっていることがわかる。電流の指令に急峻な成分が少ないため、実際の電流の追従性がよくなる。この波形を交流側でみると、下段のように、整流ダイオードブリッジ１７で正と負が自動的に切り替えられるため、交流側では電流が大きく変化できる。その結果、電流指令波形に対するひずみが軽減される。
【００４４】
このようにすることにより、電流のフィードバック制御系の追従性をあげることなく、新たなひずみ発生が少ない交流電流波形を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように、本発明にかかる整流装置は、高調波規制に適合しつつ、任意の負荷状態で常に電力脈動が少なくなるよう動作するので、平滑コンデンサの小型化が可能になる。さらに、回路上での瞬時の最大電流も少なくなるので、その他の回路部品の小型化も可能になる。
【００４６】
特に、インバータエアコンなどの空調装置のみならず、運転範囲幅の大きい直流負荷、たとえば、多彩な調理方法を実現すべく、パワー調節幅の大きい電子レンジなどの加熱調理機器にも適用することが可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１２  交流電源
１６  半導体スイッチ
１４  平滑コンデンサ
１０１  位相検出手段
１０２  高調波波形発生手段
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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