(57)【要約】【課題】電力回路の高調波成分を補正するためのシステム、電動機を制御するためのシステム、および冷凍圧縮機を提供すること。【解決手段】本発明はパワーエレクトロニクスおよび電動機の分野に関し、電力システムの高調波成分を補正するためのシステムを説明する。本発明は、高調波成分を補正するためのインダクタの芯に関連したスペースおよび重さの問題を解決し、最大負荷におけるより大きい利用可能電圧および最大負荷におけるより高い回転速度など、電動機の性能優位性も提供する。本発明は冷凍圧縮機において特に有用である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力回路における電流の高調波成分を補正するためのシステムであって、電力回路が最大負荷動作レジーム下で動作するときに飽和するインダクタ（Ｌ）を備えることを特徴とする、システム。
【請求項２】
ａ．整流システムと、
ｂ．電動機を制御するための少なくとも１つのコンバータに関連した少なくとも１つの容量性フィルタと、
ｃ．回路が最大負荷動作レジーム下で動作するときに芯が飽和する少なくとも１つのインダクタ（Ｌ）とを備えることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記コンバータが周波数インバータであることを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記インダクタ（Ｌ）が最大負荷動作レジーム中にインダクタンスの検知可能な減少をもたらすことを特徴とする、請求項２または３に記載のシステム。
【請求項５】
ａ．整流システム（３１）と、
ｂ．容量性フィルタ（３２）と、
ｃ．電動機（３４）を動作させるように構成された周波数インバータ（３３）と、
ｄ．インダクタ（Ｌ）とを備えることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
電動機が最大負荷で動作するときには飽和するインダクタ（Ｌ）を有して電流の高調波成分を補正するための回路を備えることを特徴とする、電動機を制御するためのシステム。
【請求項７】
前記回路が、
ａ．整流システムと、
ｂ．電動機を制御するための少なくとも１つのコンバータに関連した少なくとも１つの容量性フィルタと、
ｃ．電動機が最大負荷動作レジーム下で動作するときに芯が飽和する少なくとも１つのインダクタ（Ｌ）とを備えることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記コンバータが周波数インバータであることを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記インダクタ（Ｌ）が最大負荷動作レジーム中にインダクタンスの検知可能な減少をもたらすことを特徴とする、請求項７または８に記載のシステム。
【請求項１０】
ａ．整流システム（３１）と、
ｂ．容量性フィルタ（３２）と、
ｃ．電動機（３４）を動作させるように構成された周波数インバータ（３３）と、
ｄ．インダクタ（Ｌ）とを備えることを特徴とする、請求項６から９のいずれか一項に記載のシステム
【請求項１１】
請求項６から１０のいずれか一項によって定義された、電動機を制御するためのシステムを備えることを特徴とする、冷凍圧縮機。
【請求項１２】
可変容量圧縮機であることを特徴とする、請求項１１に記載の圧縮機。
【請求項１３】
インダクタ（Ｌ）が、圧縮機のプルダウンサイクル（１０）中には飽和した状態で動作することを特徴とする、請求項１１または１２に記載の圧縮機。
【請求項１４】
最大負荷における回転が、飽和したインダクタが使用されないときに得られる回転よりも速いことを特徴とする、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の圧縮機。
【請求項１５】
飽和したインダクタ（Ｌ）のない圧縮機と比較されたとき、電動機の利用可能な電圧が１０％高いことを特徴とする、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパワーエレクトロニクスおよび電動機の分野に関するものである。より具体的には、本発明は、電力回路における高調波成分を補正するためのシステム、電動機を制御するためのシステム、および冷凍圧縮機を説明する。
【背景技術】
【０００２】
現在、通常は交流電動機である様々なタイプの電動機は、周波数インバータと称されるデバイスを使用して、速度制御、始動、および他のパラメータなど、電動機を制御している。
【０００３】
しかしながら、インバータは非線形の電圧および電流の関数を有し、すなわち直線に従わない。非線形要素は、その給電ラインに多くの低次高調波を混入させて給電を歪ませ、電力品質の低下と配電網の過大化の原因となる。
【０００４】
電流および電圧の歪みの影響のために、設備の電気損が増加するとともにその構成要素（ケーブル、変圧器、キャパシタバンク、電動機など）が過熱し得、力率も低下し得る。これらの状況を考えて、高調波成分を低減するために、インダクタなどのリアクタンス要素が回路網の入力に追加される。
【０００５】
電力システムは、任意のタイプの電動機、冷凍機、圧縮機および／または電力を吸収して消費する他のデバイスであり得る。具体的には、多量の電力を消費する回路では、前記インダクタに大電流が流れる。このインダクタのインダクタンス特性を維持するための寸法取りは、過渡レジームでさえ、インダクタの芯に直接的な影響を与え、したがってインダクタの寸法にも影響が及ぶ。したがって、インダクタが回路においてより大きい空間を占有し、回路が割高で重く、かつ／または非常に大きくなって設備が経済的に実施し難くなること、もしくは結果としてエネルギー消費がより大きくなることが多い。
【０００６】
本発明は、これらの問題の解決策を提供するものである。調査された文献からは、本発明の教示を予期するかまたは示唆する文書は見いだされず、その結果、本明細書で提案される解決策は、発明者の見るところでは現況技術に鑑みて新規性および進歩性を示す。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、電力システムにおける電流の高調波成分を補正するためのシステムにより現況技術の問題を解決することを目的とするものであり、同システムは、最大負荷レジーム中は、芯が飽和した状態で動作するように寸法設定されたインダクタを備えることを特徴とし、従来のインダクタから見て、より小さく、軽く、かつ廉価なインダクタを得ることを可能にするものである。
【０００８】
本発明の目的の１つは、電力回路が最大負荷動作レジーム下で動作するときに飽和するインダクタ（Ｌ）を備える電力回路において、電流の高調波成分を補正するためのシステムである。
【０００９】
本発明の別の目的は、電動機が最大負荷で動作するときに飽和するインダクタ（Ｌ）を有して電流の高調波成分を補正する回路を備える、電動機を制御するためのシステムである。
【００１０】
本発明のまた別の目的は、電動機が最大負荷で動作するときに飽和するインダクタ（Ｌ）を有して電流の高調波成分を補正する回路が備わっている、電動機を制御するためのシステムを備える、冷凍圧縮機である。
【００１１】
本発明のこれらおよび他の目的は、当業者や当分野に興味を持つ会社には容易に理解されるはずであり、それらの再現については、以下の説明において十分詳細に説明する。
【００１２】
以下の図は、本特許出願の内容をよりよく定義して明確にするために提示されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】冷凍圧縮機のプルダウンサイクル中のインダクタンスとインダクタに流れる電流との比較図である。
【図２】従来のインダクタと飽和領域において動作する本発明のシステムの一実施形態のインダクタの両方が飽和領域において動作しているときの電流の比較図である。
【図３】システムの上流に配置された本発明のインダクタ（Ｌ）の一実施形態を示す図である。
【図４】システムの下流に配置された本発明のインダクタ（Ｌ）の第２の実施形態を示す図である。
【図５】インダクタの設計に、磁気素子の断面積であるパラメータＡｅの表示を用いる、
【数１】
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という数学的関係が適用される具体例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
電動機は、様々な用途において電力システムに接続され、その電流消費量が変化し、すなわち、前記電動機は動作電流を使用して、特定の瞬時により多くの電力を必要とし、電流が急激に増加する。この増加は瞬間的であり、通常は短期間である。
【００１５】
本発明は、電力システムにおいて電流の高調波成分を補正するためのシステムを提供するものであり、同システムは、最大負荷動作レジーム中は、芯が飽和した状態で動作するように寸法設定されたインダクタを備えることを特徴とし、従来のインダクタから見て、より小さく、軽く、かつ廉価なインダクタを得ることを可能にするものである。
【００１６】
本発明の目的の１つは、電力回路が最大負荷動作レジーム下で動作するときに飽和するインダクタ（Ｌ）を備える電力回路において、電流の高調波成分を補正するためのシステムである。
【００１７】
一実施形態では、前記システムは次のものを備える：
ａ．整流システム、
ｂ．電動機を制御するための少なくとも１つのコンバータに関連した少なくとも１つの容量性フィルタ、および
ｃ．回路が最大負荷動作レジーム下で動作するときに芯が飽和する少なくとも１つのインダクタ（Ｌ）。
【００１８】
一実施形態では、前記コンバータは周波数インバータである。一実施形態では、前記インダクタ（Ｌ）は、最大負荷動作レジーム中に、インダクタンスの検知可能な減少をもたらす。一実施形態では、前記システムは次のものを備える：整流システム（３１）、容量性フィルタ（３２）、電動機（３４）を動作させるように構成された周波数インバータ（３３）、およびインダクタ（Ｌ）。
【００１９】
本発明の別の目的は、電動機が最大負荷で動作するときに飽和するインダクタ（Ｌ）を有して電流の高調波成分を補正する回路を備える、電動機を制御するためのシステムである。
【００２０】
一実施形態では、前記回路は次のものを備える：
ａ．整流システム、
ｂ．電動機を制御するための少なくとも１つのコンバータに関連した少なくとも１つの容量性フィルタ、および
ｃ．電動機が最大負荷動作レジーム下で動作するときに芯が飽和する少なくとも１つのインダクタ（Ｌ）。
【００２１】
一実施形態では、前記コンバータは周波数インバータである。一実施形態では、前記インダクタ（Ｌ）は、最大負荷動作レジーム中にインダクタンスの検知可能な減少をもたらす。一実施形態では、前記回路は次のものを備える：整流システム（３１）、容量性フィルタ（３２）、電動機（３４）を動作させるように構成された周波数インバータ（３３）、およびインダクタ（Ｌ）。
【００２２】
本発明のまた別の目的は、電動機が最大負荷で動作するときに飽和するインダクタ（Ｌ）を有して電流の高調波成分を補正する回路が備わっている、電動機を制御するためのシステムを備える冷凍圧縮機である。
【００２３】
一実施形態では、圧縮機は可変容量である。一実施形態では、圧縮機が有するインダクタ（Ｌ）は、圧縮機のプルダウンサイクル（１０）中には飽和した状態で動作する。一実施形態では、圧縮機は、最大負荷における回転が、飽和したインダクタが使用されないときに得られる回転よりも速く動作する。
【００２４】
本発明のシステムは、冷凍圧縮機の電動機を含む電動機など、様々な電力システムに適用可能である。
【００２５】
冷凍圧縮機において使用される電動機は、たとえば次の２つのサイクルに従う：プルダウンサイクル（１０）、およびレジームサイクル（１１）すなわち通常動作のサイクル。プルダウンサイクル（１０）は、所望の温度に従って冷凍機の温度を低下させるものであり、冷凍機が最初に起動されるとき、または冷凍機が長い間スイッチを切られていたときに生じる。したがって、プルダウンサイクル（１０）は冷凍機の動作中には生じない。しかしながら、プルダウンサイクルは大電力および大電流を必要とし、このことは、一般に、電流の高調波成分を補正するためにインダクタの寸法が過大になることを意味する。
【００２６】
以下の例は、その実施形態のうちのいくつかにおいて本発明の発明概念の理解を容易にすることを唯一の目的として提示されるものであり、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【００２７】
（例１）
冷凍圧縮機において電力回路の電流の高調波成分を補正するためのシステム。
【００２８】
本発明は、リアクタンス素子としてインダクタ（Ｌ）を備える電力回路における高調波成分を補正するためのシステムを提供するものである。前記インダクタの芯は小さい寸法を与えられているが、最大負荷レジームにおいて、この実施形態では周波数インバータである、コンバータから電動機の制御への最大電流の要件に適合するものである。この実施形態では、最大負荷レジームはプルダウン（１０）時のものであり、このときには電動機の動作温度も最高になる。この実施形態では、インダクタの芯は、可変容量圧縮機のプルダウンサイクル（１０）中には飽和領域で動作するように寸法設定されている。
【００２９】
図１に見られるように、電動機の電流が大きいとき、すなわちプルダウンサイクル（１０）中、インダクタは、芯が飽和した状態で低インダクタンスを示して動作する。したがって、可変容量圧縮機の電流がレジーム状態（１１）すなわち正常動作条件に戻る時点で、インダクタ（Ｌ）は通常状態で動作する。
【００３０】
前記システムのインダクタ（Ｌ）の芯がプルダウンサイクル（１０）中は飽和領域で動作することに留意すれば、過大な寸法を設定する必要はない。したがって、本発明のシステムが備えるインダクタ（Ｌ）の芯は、プルダウンサイクル（１０）中は飽和状態で動作し、インダクタの寸法、原価および重さが低減される。
【００３１】
本発明のインダクタ（Ｌ）の寸法は、式
【数２】
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に基づいて設定され、この式において、図５の例によれば、Ｌはヘンリー（Ｈ）を単位とするインダクタンスに相当し、Ｂは１平方メートル当たりのウェーバ（Ｗｂ／ｍ２）を単位とする磁束密度に相当し、Ａｅは平方メートル（ｍ２）を単位とする磁気素子の断面積に相当し、Ｉはインダクタに流れる電流に相当する。
【００３２】
パラメータＢは、インダクタに使用される芯の材料に関連する透磁率などの量に依存し、芯が飽和するとＢの値が減少し始め、結果的にヘンリー［Ｈ］でのインダクタンス値が減少するので、従来のインダクタは、Ｂの値が芯の飽和領域で動作するのを防止するように構築されなければならない。この現象が起こるのを防止するためにパラメータＡｅが増加され、インダクタの寸法も増加する。
【００３３】
本発明は、非線形要素によってもたらされる高調波成分を低減する、電動機を制御するためのシステムも提供する。このシステムは、交流電圧源（３０）から発される信号を整流する回路またはシステム（３１）から構成されている。一実施形態では、このシステムは、容量性フィルタ（３２）と、周波数インバータ（３３）と、このようにして電動機（３４）に給電するインダクタ（Ｌ）とも備える。
【００３４】
一実施形態では、容量性フィルタは周波数インバータ（３３）に関連付けられており、周波数インバータ（３３）は、可変容量圧縮機のシステムの一体部品である前記電動機（３４）を動作させるように構成されている。
【００３５】
このシステムのインダクタ（Ｌ）は、圧縮機のプルダウンサイクル（１０）中は飽和領域で動作するように寸法設定され、インダクタ（Ｌ）の寸法設定は前述の通りである。したがって、プルダウンサイクル（１０）中、インダクタ（Ｌ）のインダクタンスは、電流が増加することによって減少する。
【００３６】
（例３）
上流に配置されたインダクタを有する高調波成分低減回路を装備した、電動機を制御するためのシステム。
【００３７】
図３に示される一実施形態では、電動機制御回路（３４）に挿入されたインダクタ（Ｌ）は、一方の端子が電源（３０）に接続されており、他方の端子が整流システム（３１）に接続されている。
【００３８】
（例４）
下流に配置されたインダクタを有する高調波成分低減回路を装備した、電動機を制御するためのシステム。
【００３９】
図４に示される別の実施形態では、挿入されたインダクタ（Ｌ）は、一方の端子が周波数インバータ（３３）および容量性フィルタ（３２）に接続されており、他方の端子が周波数インバータ（３３）に接続されている。電動機（３４）を制御するためのシステムに対してインダクタ（Ｌ）を接続する形態は多数あり、提案される２つの実施形態に制限されない。
【００４０】
（例５）
高調波成分低減回路を与えられた圧縮機。
【００４１】
一実施形態では、冷凍圧縮機は可変容量であり、本発明の高調波成分を補正するためのシステムによって制御される電動機を備える。この実施形態では、たとえば可変容量圧縮機を取り付けた冷凍機のプルダウンサイクル（１０）中の圧縮機の動作条件を考慮して、制御回路の寸法および重さが低減されている。
【００４２】
このインダクタは、飽和するとインダクタンスが減少して、圧縮機の利用可能な電圧が低下することへの影響がより小さくなるので、可変容量圧縮機向けにこのインダクタを使用することに由来する利点の中でも、最大負荷における圧縮機の容量（回転）の増加は強調に値するものである。本発明は、最大負荷動作レジーム中に、インダクタンスの検知可能な減少をもたらす。最大負荷における回転速度は、飽和したインダクタが使用されないときの回転速度よりも高い。
【００４３】
高調波成分を制御するためのシステムを装備した圧縮機は、最大負荷レジームにおいて飽和するインダクタを用いる動作のために、利用可能な電圧の増加ももたらし、最大で１０％のこの増加は、飽和およびインダクタの値に依存するものである。
【００４４】
冷凍機用の可変容量圧縮機を用いて行われた試験では、飽和したインダクタを用いる動作による、利用可能な電圧における有益な増加は、１．６％であった。これによって、電動機の回転も１．６％増加した。
【００４５】
当業者であれば本明細書に示された知見を理解するはずであり、示された実施形態と、添付の特許請求の範囲の範囲内に入る他の実施形態とにおいて、本発明を再現し得る。
【符号の説明】
【００４６】
１０  プルダウンサイクル
１１  レジームサイクル、通常動作のサイクル
３０  交流電圧源
３１  整流システム
３２  容量性フィルタ
３３  周波数インバータ
【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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【外国語明細書】
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