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JP6533839B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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JP6533839B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、交流電圧を全波整流して昇圧する電力変換装置に関する。
交流電源の電圧を全波整流する全波整流回路、およびこの全波整流回路の出力電圧をスイッチングにより昇圧するコンバータを備え、コンバータの出力電圧Vdcが目標値Vdcrefとなるように(電圧制御)、かつコンバータへの入力電流Iが全波整流波形となるように(電流制御)、コンバータのスイッチングをフィードバック制御する電力変換装置が知られている。コンバータへの入力電流Iを全波整流波形にすることで、上記交流電源と上記全波整流回路との間の電源ラインに流れる電流(電源電流という)が歪みのない正弦波となる。これにより、力率が向上するとともに、電源電流に含まれる高調波成分を抑制できる。上記コンバータとして、例えば昇圧チョッパ形のコンバータが用いられる。
特開2002−84743号公報
上記電力変換装置では、電源電圧が上昇方向に変動したり、負荷が急激に軽くなった場合に、コンバータの出力電圧Vdcが上昇する。この出力電圧Vdcが目標値Vdcrefを超えると、上記電力変換装置は、コンバータのスイッチングのオン,オフデューティを減少方向に調節し、コンバータの昇圧率を低下させる。
ただし、オン,オフデューティが減少してスイッチングのオン期間が短くなり過ぎると、コンバータへの入力電流Iを歪みのない全波整流波形にすることができなくなる。すなわち、スイッチングのオン,オフデューティには、それ以上の低減は許容できないという制御上の下限値がある。このため、電源電圧の上昇方向の変動に際してオン,オフデューティを減少方向に調節しようとしても、オン,オフデューティがこの下限値に達すると、コンバータへの入力電流Iの全波整流波形に歪みが生じてしまう。入力電流Iの全波整流波形に歪みが生じると、上記電源ラインに流れる電源電流の正弦波に歪みが生じる。ひいては、高調波を抑制できない事態となる。
本発明の実施形態の目的は、コンバータへの入力電流を歪みのない全波整流波形に維持することができ、これにより高調波を確実に抑制できる電力変換装置を提供することである。
請求項1の電力変換装置は、交流電源の電圧を全波整流する全波整流回路と、この全波整流回路の出力電圧をスイッチングにより昇圧するコンバータと、このコンバータの出力電圧が目標値となるようにかつ前記コンバータへの入力電流が全波整流波形となるように前記コンバータのスイッチングのオン,オフデューティを制御するとともに、そのオン,オフデューティが所定値まで下降した場合に前記目標値を上昇方向に補正し、所定の制御周期の期間における前記オン,オフデューティの最小値が前記所定値より高い場合は前記目標値を下降方向に補正する制御手段と、を備える。
一実施形態の構成を示すブロック図。 一実施形態における目標値Vdcref、電源電圧Vac、入力電流I、電圧指令値Vrefの関係を示す図。 一実施形態における電圧指令値Vrefが設定値Vrefxに達した場合の入力電流Iの波形を示す図。 一実施形態における目標値Vdcrefと電源電圧Vacのピーク値との差が大きい場合の入力電流Iの波形を示す図。 一実施形態の補正部が実行する制御を示すフローチャート。 一実施形態における目標値Vdcrefが上昇方向に補正される様子を示す図。 一実施形態における目標値Vdcrefが下降方向に補正される様子を示す図。
本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図1に示すように、交流電源1にノイズフィルタ2を介して全波整流回路3が接続され、その全波整流回路3の出力端にコンバータ4が接続されている。ノイズフィルタ2は、コンバータ4のスイッチングに伴って交流電源1の電圧(電源電圧という)Vacに重畳するノイズを除去する。全波整流回路3は、ブリッジ接続した4つのダイオード3a〜3dにより、電源電圧Vacを全波整流する。
全波整流回路3の出力端に接続されるコンバータ4は、例えば昇圧チョッパ形のコンバータであり、エネルギーを蓄えるリアクタ5、このリアクタ5を介して全波整流後の直流電源間を短絡するスイッチング素子(例えばMOSFET)6、このスイッチング素子6に逆並列接続された保護用のダイオード6a、リアクタ5のエネルギーを負荷側に送って負荷側からの電流の逆流を阻止するダイオード7、このダイオード7の出力電圧を平滑する平滑コンデンサ8を含み、後述のコンバータ制御部30から供給される駆動信号(PWM信号)に応じてスイッチング素子6がオン,オフ(スイッチング)を繰返すことにより、入力電圧(全波整流電圧)Vを所定レベル(後述の目標値Vdcref)に昇圧する。スイッチング素子6と全波整流回路3の負側出力端との間の通電ラインに、コンバータ4への入力電流(リアクタ電流)Iを検知する電流センサ9が配置されている。
コンバータ4の出力端にインバータ10が接続されている。インバータ10は、後述のインバータ制御部50から供給される駆動信号(PWM信号)に応じたスイッチングにより、コンバータ4の出力電圧(平滑コンデンサ8の電圧)Vdcを所定周波数F(およびその周波数Fに対応するレベル)の3相交流電圧に変換し出力する。このインバータ10の出力電圧の周波数(出力周波数)Fに応じてブラシレスDCモータ11の速度(回転数)が変化する。ブラシレスDCモータ11は、圧縮機12を駆動する圧縮機モータであり、圧縮機12の密閉ケースに収容されている。圧縮機12は、冷媒を吸込んで圧縮し吐出する。この圧縮機12に、凝縮器(放熱器)13、膨張弁14、蒸発器(吸熱器)15が順次に配管接続されている。この配管接続により、図示矢印のように、圧縮機12の吐出冷媒を凝縮器13および膨張弁14を通して蒸発器15に流し、その蒸発器15から流出する冷媒を圧縮機12に戻す冷凍サイクルが構成されている。凝縮器13は熱を放出し、蒸発器15は熱を吸収する。この放熱および吸熱により、対象物や空間を必要に応じて加熱および冷却することができる。インバータ10とブラシレスDCモータ11との間の通電ラインに、電流センサ16が配置されている。
コンバータ4およびインバータ10に、制御部であるコントローラ20が接続されている。コントローラ20は、コンバータ制御部30、インバータ制御部50、目標値設定部60、選択部61、補正部62を含む。
コンバータ制御部30は、コンバータ4の出力電圧Vdcが目標値Vdcrefとなるように(電圧制御)、かつコンバータ4への入力電流Iが全波整流波形となるように(電流制御)、コンバータ4のスイッチングをパルス幅変調(PWM)制御するもので、減算部31、PI制御器32、乗算部33、位相同期回路部(PLL)34、減算部37、PI制御器38、PWM信号生成部39、キャリア発生部40を含む。
減算部31は、コンバータの出力電圧Vdcと目標値Vdcrefとの偏差ΔVdcを求める。PI制御器32は、減算部31で得られた偏差ΔVdcを入力とする比例・積分演算により、コンバータ4への入力電流Iの値(最大値)を設定するための電流指令値Imaxrefを求める。位相同期回路部34は、交流電源1の電流に同期する全波整流波形の基準電流値Irを発する。乗算部33は、PI制御器32で得られた電流指令値Imaxrefを位相同期回路部34から発せられる基準電流値Irに乗算することにより、その電流指令値Imaxrefを交流電源1の電流(電源電流という)に同期した高調波抑制用の電流指令値Irefに変換する。この電流指令値Irefは、基準電流値Irを電流指令値Imaxrefによって増幅した波形となる。
減算部37は、乗算部33で得られた電流指令値Irefとコンバータ4への入力電流(電流センサ9の検知電流)Iとの偏差ΔIを求める。PI制御器38は、減算部37で得られた偏差ΔIを入力とする比例・積分演算により、パルス幅変調用の電圧指令値Vrefを求める。キャリア発生部40は、所定周波数の三角波状のキャリア信号電圧Vcを発する。
PWM信号生成部39は、キャリア発生部40から発せられるキャリア信号電圧VcをPI制御器38で得られた電圧指令値Vrefでパルス幅変調(電圧比較)することにより、コンバータ4のスイッチング素子6に対するスイッチング用のパルス状の駆動信号(PWM信号)を生成する。つまり、電圧指令値Vrefのレベルに応じて、コンバータ4のスイッチング素子6のスイッチングのオン,オフデューティ(スイッチングの基準周期中におけるオン期間の割合)が決まる。ただし、コンバータ4のスイッチング素子6がオンの駆動信号を受けてから完全にオンするまでには、素子の特性上、遅延時間が存在し、スイッチング素子6がオフの駆動信号を受けて完全にオフするまでにも遅延時間が存在する。これらの遅延時間を加味した上でオン,オフデューティのオン期間を確保する必要がある。また、コンバータ4のスイッチングのオン,オフデューティが減少してスイッチングのオン期間が短くなり過ぎると、コンバータ4への入力電流Iを適切に制御できなくなる。コンバータ4への入力電流Iを減少させることができなくなる。これらの点を考慮し、コンバータ4のスイッチングのオン,オフデューティには、それ以上の低減は許容できないという制御上の下限値(最もオン期間が短い値)が存在する。このため、PWM信号生成部39は、キャリア信号電圧Vcと電圧指令値Vrefとの電圧比較(パルス幅変調)により得られる駆動信号(PWM信号)のオン期間が、オン,オフデューティの下限値となるオン期間よりも短い場合には、オン,オフデューティの下限値となるオン期間の駆動信号を上記電圧比較により得られる駆動信号に置き換えて出力する。
減算部31およびPI制御器32は、電圧制御系として機能する。乗算部33、位相同期回路部34、減算部37、およびPI制御器38は、電流制御系として機能する。
インバータ制御部50は、電流センサ16の検知電流(モータ電流)からブラシレスDCモータ11の速度(回転速度)を推定し、その推定速度が負荷(冷凍負荷)の大きさに対応する目標速度となるようにインバータ10のスイッチングをPWM制御する。
目標値設定部60は、インバータ10の出力電圧が上記目標速度を得るのに必要な最低限のコンバータ4の出力電圧Vdcを、目標値Vdcrefとして設定する。選択部61は、目標値設定部60で設定される目標値Vdcrefと、補正部62で補正される目標値Vdcrefとを比較し、どちらか高い方の目標値Vdcrefを選択して出力する。
補正部62は、コンバータ4のスイッチングのオン,オフデューティが所定値まで下降した場合に目標値Vdcrefを予め定めた一定値ΔVdcrefだけ上昇方向に補正し、そのオン,オフデューティが所定値より高い場合は目標値Vdcrefを一定値ΔVdcrefだけ下降方向に補正する。所定値は、例えば、上述したコンバータ4のスイッチングのオン,オフデューティの制御上の下限値である。
補正部62の動作を具体的に説明する。補正部62は、オン,オフデューティの下限値(所定値)に対応する電圧指令値Vrefを予め設定値Vrefxとして保持している。そして、補正部62は、コンバータ制御部30の位相同期回路部34から発せられる基準電流値Irから電源電圧Vacの変化を捕らえ、捕らえた変化の半周期又はそれ以上の周期の期間ごとに、その期間における最小の電圧指令値Vref(すなわち最小のオン,オフデューティの値)を逐次に更新記憶し、記憶した最小の電圧指令値Vrefと設定値Vrefxとを比較する。最小の電圧指令値Vrefが設定値Vrefxまで下降した場合、補正部62は、次の制御周期(電源電圧Vacの半周期又は予め定められたそれ以上の周期)において、目標値Vdcrefを一定値ΔVdcrefだけ上昇方向に補正する。一方、最小の電圧指令値Vrefが設定値Vrefxより高い場合、補正部62は、次の制御周期において、目標値Vdcrefを一定値ΔVdcrefだけ下降方向に補正する。この補正部62の補正のことをMinimum-Duty制御ともいう。
上記ノイズフィルタ2、全波整流回路3、コンバータ4、電流センサ9、インバータ10、電流センサ16、およびコントローラ20により、本実施形態の電力変換装置が構成されている。
図2に示すように、目標値Vdcrefと電源電圧Vacのピーク値との間にある程度の差がある場合、電圧指令値Vrefは設定値Vrefxまで下降しない。コンバータ4への入力電流Iは、歪みのない全波整流波形となる。すなわち、コンバータ4への入力電流Iは、電源電圧Vacの立上りおよび立下りに合わせて小さい傾きで変化するとともに電源電圧Vacのピーク値付近で最大値となる滑らかな全波整流波形となる。電圧指令値Vrefは、電源電圧Vacの立上り時および立下り時に大きくなり、電源電圧Vacがピーク値となるタイミングで最小値Vrefminとなる。
図3に示すように、電源電圧Vacが上昇方向に変動してそのピーク値が目標値Vdcrefに近づいた場合、その電源電圧Vacの上昇に伴う出力電圧Vdcの上昇に対処するべく、電圧指令値Vrefが下降方向に制御されてコンバータ4のスイッチングのオン,オフデューティが減少する。仮に、補正部62の補正がなければ、電源電圧Vacがピーク値となる前に電圧指令値Vrefが設定値Vrefxに達してしまい(オン,オフデューティが制御上の下限値に達してしまい)、以後のコンバータ4への入力電流Iの全波整流波形に歪みが生じる。
図4に示すように、電源電圧Vacが下降方向に変動してそのピーク値が目標値Vdcrefから大きく離れた場合には、その電源電圧Vacの下降に伴う出力電圧Vdcの下降に対処するべく、電圧指令値Vrefが上昇方向に制御されてコンバータ4のスイッチングのオン,オフデューティが増加する。この動作が制御周期ごとに実施された場合、制御周期中の最小の電圧指令値Vrefが設定値Vrefxから上方に離れるので、補正部62による電圧指令値Vrefの増加補正は行われず、コンバータ4への入力電流Iは歪みのない全波整流波形となる。ただし、この場合、出力電圧Vdcと目標値Vdcrefとの偏差ΔVdcが大きいため、仮に補正部62の補正がなければ、電流指令値Imaxrefが高い状態となる。電流指令値Imaxrefが高くなると、コンバータ4の昇圧率が必要以上に上昇する。こうなると、コンバータ4の電力損失が大きくなってしまう。
これらの不具合が生じないよう、補正部62は、図5のフローチャートに示す制御を実行する。
すなわち、補正部62は、現時点の電圧指令値Vrefと、電源電圧Vacの半周期(制御周期)の期間における電圧指令値Vrefの最小値Vrefminとを、逐次に比較する(ステップS1)。検出した電圧指令値Vrefが最小値Vrefmin未満の場合(ステップS1のYES)、補正部62は、そのときの電圧指令値Vrefを新たな最小値Vrefminとして更新記憶する(ステップS2)。そして、補正部62は、電源電圧Vacの半周期(制御周期)が経過したかどうか判定し(ステップS3)、経過していなければ(ステップS3のNO)、ステップS1,S2の処理を繰り返す。
電源電圧Vacの半周期(制御周期)が経過したとき(ステップS3のYES)、補正部62は、電圧指令値Vrefの最小値Vrefminと設定値Vrefxとを比較する(ステップS4)。最小値Vrefminが設定値Vrefxまで下降した場合(ステップS4のYES)、補正部62は、目標値Vdcrefを一定値ΔVdcrefだけ上昇方向に補正する(ステップS5)。最小値Vrefminが設定値Vrefx超の場合(ステップS4のNO)、補正部62は、目標値Vdcrefを一定値ΔVdcrefだけ下降方向に補正する(ステップS6)。
この補正後、補正部62は、半周期において更新記憶していた最小値Vrefminをクリアし(ステップS7)、ステップS1の処理に戻る。
したがって、図6に示すように、電源電圧Vacが上方方向に変動してそのピーク値が目標値Vdcrefに近づいた場合、初めは電圧指令値Vrefの最小値Vrefminが設定値Vrefxまで下降してコンバータ4への入力電流Iの全波整流波形に歪みが生じるが、電源電圧Vacの半周期ごとに、目標値Vdcrefが一定値ΔVdcrefずつ上昇方向に補正される。やがて、電圧指令値Vrefの最小値Vrefminは設定値Vrefxから少し離れたところに収まるようになり、コンバータ4への入力電流Iを歪みのない全波整流波形に維持することができる。これにより、電源電流が歪みのない正弦波となり、電源電流に含まれる高調波成分を確実に抑制することができる。
図7に示すように、電源電圧Vacが下降方向に変動してそのピーク値が目標値Vdcrefから離れている場合、電圧指令値Vrefは設定値Vrefxより十分に高いところに存する。この場合、コンバータ4への入力電流Iの全波整流波形に歪みは生じないが、出力電圧Vdcと目標値Vdcrefとの偏差ΔVdcが大きいため、電流指令値Imaxrefが高い状態となってコンバータ4の昇圧率が必要以上に上昇する。このままでは、コンバータ4における電力損失が大きくなる。
この場合、電源電圧Vacの半周期ごとに、目標値Vdcrefが一定値ΔVdcrefずつ下降方向に補正される。これにより、コンバータ4の昇圧率が必要以上に上昇する事態を回避することができ、コンバータ4における電力損失が大きくならない。すなわち、制御周期(本実施形態では半周期)中の電圧指令値Vrefの最小値Vrefminが設定値Vrefxより大きい状態に達したところで、次の制御周期における目標値Vdcrefが一定値ΔVdcrefずつ上昇方向に補正される。これにより、電圧指令値Vrefの最小値Vrefminは、設定値Vrefx近傍に収まるようになる。コンバータ4の昇圧率が必要以上に上昇することがなくなり、コンバータ4における電力損失の増大を防ぐことができる。
なお、上記実施形態では、電流センサ9をスイッチング素子6と全波整流回路3の負側出力端との間の通電ラインに配置したが、電流センサ9を全波整流回路3の正側出力端とコンバータ4の正側入力端との間の通電ラインに配置してもよい。
上記実施形態では、制御周期の期間におけるオン,オフデューティ(電圧指令値Vref)が所定値(設定値Vrefx)まで下降した場合に次の制御周期において目標値Vdcrefを一定値ΔVdcrefだけ上昇方向に補正し、制御周期の期間におけるオン,オフデューティの最小値Vrefminが所定値(設定値Vrefx)まで上昇した場合に次の制御周期において目標値Vdcrefを一定値ΔVdcrefだけ下降方向に補正する構成としたが、オン,オフデューティの下降については制御周期の期間を基準にして監視・補正する必要はなく、オン,オフデューティが所定値まで下降した時点で目標値Vdcrefを一定値ΔVdcrefだけ上昇方向に補正してもよい。
上記実施形態では、オン,オフデューティの下限値を所定値(設定値Vrefx)として定めたが、オン,オフデューティの下限値より少し高い値を所定値として定めてもよい。さらに、オン,オフデューティの下限値またはその下限値より少し高い値を第1所定値(設定値Vrefx1)として定めるとともに、その第1所定値よりごくわずかに高い第2所定値(設定値Vrefx2)を定め、所定の制御周期の期間におけるオン,オフデューティ(電圧指令値Vref)が第1所定値まで下降した場合に次の所定の制御周期において目標値Vdcrefを一定値ΔVdcrefだけ上昇方向に補正し、所定の制御周期の期間におけるオン,オフデューティの最小値Vrefminが第2所定値より高い場合に次の所定の制御周期において目標値Vdcrefを一定値ΔVdcrefだけ下降方向に補正する構成としてもよい。これにより目標値Vdcrefの上昇と下降に制御上のヒステリシス特性が確保されるので、目標値Vdcrefの頻繁な変動を防止できる。
この第1所定値および第2所定値を用いる場合も、オン,オフデューティの下降については制御周期の期間を基準にして監視・補正する必要はなく、オン,オフデューティが第1所定値まで下降した時点で目標値Vdcrefを一定値ΔVdcrefだけ上昇方向に補正してもよい。
上記実施形態では、インバータ10の負荷がブラシレスDCモータである場合を例に説明したが、ブラシレスDCモータ以外の機器が負荷である場合にも同様に実施できる。
その他、上記各実施形態および変形は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
本発明の実施形態の電力変換装置は、圧縮機を駆動する圧縮機モータへの電力供給が可能である。

Claims (6)

  1. 交流電源の電圧を全波整流する全波整流回路と、
    前記全波整流回路の出力電圧をスイッチングにより昇圧するコンバータと、
    前記コンバータの出力電圧が目標値となるようにかつ前記コンバータへの入力電流が全波整流波形となるように前記コンバータのスイッチングのオン,オフデューティを制御するとともに、そのオン,オフデューティが所定値まで下降した場合に前記目標値を上昇方向に補正し、所定の制御周期の期間における前記オン,オフデューティの最小値が前記所定値より高い場合は前記目標値を下降方向に補正する制御部と、
    を備えることを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記制御部は、
    前記コンバータの出力電圧Vdcと目標値Vdcrefとの偏差ΔVdcを入力とする比例・積分演算により、前記コンバータへの入力電流Iの値(最大値)を設定するための電流指令値Imaxrefを求め、
    前記交流電源の電流に同期する全波整流波形の基準電流値Irに前記電流指令値Imaxrefを乗算することにより、その電流指令値Imaxrefを前記交流電源の電流に同期する電流指令値Irefに変換し、
    前記電流指令値Irefと前記コンバータへの入力電流Iとの偏差ΔIを入力とする比例・積分演算により、パルス幅変調用の電圧指令値Vrefを求め、
    所定周波数の三角波状のキャリア信号電圧Vcを前記電圧指令値Vrefでパルス幅変調することにより、前記コンバータに対するスイッチング用の駆動信号を生成し、
    前記電圧指令値Vrefが前記所定値に対応する設定値Vrefxまで下降した場合に、前記目標値Vdcrefを上昇方向に補正する
    ことを請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記制御部は、所定の制御周期の期間における前記電圧指令値Vrefの最小値が前記設定値Vrefxより高い場合は前記目標値Vdcrefを下降方向に補正する
    ことを請求項に記載の電力変換装置。
  4. 前記所定値は、前記オン,オフデューティの制御上の下限値またはその下限値より高い値であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  5. 前記所定値は、前記オン,オフデューティの制御上の下限値またはその下限値より高い第1所定値、およびその第1所定値より高い第2所定値であり、
    前記制御部は、前記オン,オフデューティが前記第1所定値まで下降した場合に前記目標値を上昇方向に補正し、前記制御周期の期間における前記オン,オフデューティの最小値が前記第2所定値より高い場合に前記目標値を下降方向に補正する
    ことを特徴とする請求項に記載の電力変換装置。
  6. 前記所定の制御周期は、前記交流電源の電圧の半周期の期間又はそれ以上の期間であることを特徴とする請求項1,3,5のいずれか一項に記載の電力変換装置。
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