JP7570536B2

JP7570536B2 - 電力変換装置および空気調和機

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Publication number: JP7570536B2
Application number: JP2023570524A
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Inventors: 雄紀谷山; 陽祐蜂矢; 健太湯淺; 朱音本行; 裕一清水; 厚司土谷
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Priority date: 2021-12-27
Filing date: 2021-12-27
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Description

本開示は、交流電源の電力を周波数変換および電圧変換して負荷に供給する電力変換装置および空気調和機に関するものである。

電力変換装置においては、インバータから出力されて電動機を流れる電動機電流に、何らかの要因により、電動機の駆動周波数成分とは異なる脈動成分（以下、ビートと呼称する）が、含まれることがある。何らかの要因とは、例えば、電力変換装置の直流リンク部に、電圧平滑用として大容量の電解コンデンサを設けず、電圧脈動を許容する程度に小容量のフィルムコンデンサまたはセラミックコンデンサを設ける電解コンデンサレスインバータが適用される場合である。電解コンデンサレスインバータは、電解コンデンサの故障リスク、サイズ、およびコストの面でメリットがある一方で、直流リンク電圧の脈動を平滑しないため、電動機電流にビートが重畳して、電動機で振動および騒音が発生するというデメリットがある。

特許文献１では、電解コンデンサレスインバータにおいて、インバータの出力電流のビートを抑制するために、直流リンク部の脈動成分に応じて電動機のｄ軸電圧ベクトルとｑ軸電圧ベクトルの２つの電圧ベクトルの合成電圧ベクトルのｑ軸から見た位相を脈動させる制御を行っている。

特開２０１３－８５４５５号公報

特許文献１においては、ｑ軸電圧ベクトルの位相を任意に制御することを前提にしているが、実際にはｑ軸電圧ベクトルを任意に決定できない動作モードが存在する。例えば、電力変換装置の出力電圧を決定する変調率が１を超えるような過変調動作においては、ｑ軸電圧ベクトルの位相を任意に決めることができないタイミングがある。したがって、このような過変調動作においては、インバータから出力される電流にビートが残存してしまう。

さらに、特許文献１においては、直流リンク電圧の脈動周波数と電動機の駆動周波数の減算の絶対値で求められる差周波数で生じる低周波数のビートに関しては低減できるものの、直流リンク電圧の脈動周波数と電動機の駆動周波数の加算で得られる和周波数で生じる高周波数のビートに関しては低減することが困難である。電動機電流にビートが含まれる場合、電動機電流の振幅が増大して、運転中の騒音、振動の原因となり、電力変換装置の各素子の信頼性が損なわれる。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであり、電動機電流のビートを抑制して、電動機電流の振幅の増大を抑制することができる電力変換装置を得ることを目的としている。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示における電力変換装置は、交流電源から入力される交流電圧を整流して直流リンク電圧に変換する整流部と、整流部で変換された直流リンク電圧が充電されるコンデンサと、コンデンサに充電された直流リンク電圧をスイッチングして交流電圧に変換して負荷に出力する電力印加部と、電力印加部を制御する制御部と、を備える。制御部は、負荷電流に含まれる第１周波数の第１ビートと異なる第２周波数であって、第１ビートと振幅および位相の少なくともいずれか一方が揃った第２ビートが負荷電流に重畳されるように電力印加部を制御することを特徴とする。

本開示における電力変換装置によれば、電動機電流のビートを抑制して、電動機電流の振幅の増大を抑制することができるという効果を奏する。

実施の形態１の電力変換装置の構成を示す回路ブロック図実施の形態１の電力変換装置において、電動機の電動機電流に低周波ビートが重畳しているときの電流波形と、電動機の電動機電流に低周波ビートおよび高周波ビートが重畳しているときの電流波形を示す図実施の形態１の電力変換装置において、電動機の電動機電流に高周波ビートが重畳しているときの電流波形と、電動機の電動機電流に高周波ビートおよび低周波ビートが重畳しているときの電流波形を示す図実施の形態２の電力変換装置の構成を示す回路ブロック図実施の形態２のビート抑止制御器の構成を示す制御ブロック図実施の形態２の電力変換装置において、ビート抑止制御器がない場合の直流リンク電圧と電動機電流と脈動位相との波形を示す図実施の形態２の電力変換装置において、ビート抑止制御器がある場合の直流リンク電圧と電動機電流と脈動位相との波形を示す図実施の形態２の電力変換装置において、相殺電圧計算器を用いない場合の電動機電流のシミュレーション波形とその周波数解析結果とを示す図実施の形態２の電力変換装置において、相殺電圧計算器を用いる場合の電動機電流のシミュレーション波形とその周波数解析結果とを示す図実施の形態３の空気調和機の構成を示す概略図実施の形態１の制御部、実施の形態２の制御部を実現するハードウェア構成の一例を示す図

以下に、実施の形態にかかる電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。実施の形態にかかる電力変換装置は、電解コンデンサレスインバータに適用される。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１の電力変換装置の構成を示す回路ブロック図である。図１において、電力変換装置１００の入力側は交流電源１に接続され、出力側は負荷としての電動機２に接続されている。電力変換装置１００は、交流電源１の電力を任意の周波数および任意の電圧に変換して、負荷である電動機２に供給する。交流電源１は、例えば、三相の商用電源であり、電動機２は、例えば、永久磁石同期電動機である。電力変換装置１００は、整流部３と、コンデンサ４と、電力印加部５と、電流検出部６と、電圧検出部１６と、制御部２０とを備える。電力印加部５は、例えばインバータである。制御部２０は、スイッチング信号生成器７および相殺電圧計算器８を有する。

整流部３は、交流電源１から入力される交流電圧を整流して直流電圧に変換する。整流部３によって整流された直流電圧は、交流電源１の電圧周波数の６倍の周波数で脈動する低次高調波成分を含んでいる。整流部３は、例えば、６つの整流用ダイオードを備えたフルブリッジ回路から構成される。なお、整流部３としては、整流用ダイオードの代わりに、トランジスタなどのスイッチング素子を用いてもよい。

コンデンサ４は、電力変換装置１００の直流リンク部に接続されている。コンデンサ４は、整流部３で変換された直流電圧を充電する。直流リンク部は、電力変換装置１００の直流回路の部分である。コンデンサ４の目的は直流リンク電圧の平滑化であるが、コンデンサ４の容量によっては、整流部３によって整流された直流電圧に高調波成分が残存する場合がある。直流リンク電圧は、整流部３と電力印加部５とを接続している直流回路の電圧である。直流リンク電圧には、コンデンサ４の容量に応じて平滑される高調波成分と平滑されない高調波成分が存在する。平滑されない高調波成分によって、電力印加部５から出力される電動機電流にビートが重畳する。電圧検出部１６は、コンデンサ４の両端にかかる電圧、すなわち直流リンク電圧を検出する。

電力印加部５は、整流部３によって整流された直流電圧を交流電圧に変換し、電動機２に出力する。電力印加部５は、例えば、６つのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を備えたフルブリッジ回路から構成される。また、それぞれのＩＢＧＴには、還流用ダイオードが逆並列で接続される。それぞれのＩＧＢＴは、後述するスイッチング信号生成器７が出力するスイッチング信号に従って、独立にオンオフ動作を行う。このオンオフ動作により、直流電圧が交流電圧に変換される。なお、電力印加部５は、ＩＧＢＴの代わりに、ＭＯＳＦＥＴ（Metal－Oxide－Semiconductor Field－Effect Transistor）などのスイッチング素子を用いてもよい。

電流検出部６は、電動機２に流れる負荷電流である電動機電流を検出し、検出された電動機電流を出力する。電流検出部６は、例えば、ＣＴ（Current Transformer）と呼ばれる計器用変流器を用いた電流センサである。なお、電流検出部６としては、電力変換装置１００の負側直流リンク部に設けられるシャント抵抗を用いた１シャント電流検出方式と呼ばれる手段、あるいは電力印加部５の下側のスイッチング素子と直列に設けられるシャント抵抗を用いた３シャント電流検出方式と呼ばれる手段を用いてもよい。

相殺電圧計算器８は、電流検出部６から入力される電動機電流の検出値に基づいて、電動機電流に重畳されている第１ビートの周波数と、振幅および位相の少なくともいずれか一方とを検出し、検出された第１ビートとは異なる第２周波数のビートを重畳することで電動機電流の振幅が低減できるような相殺電圧を計算する。すなわち、相殺電圧計算器８は、検出した第１ビートと振幅および位相の少なくともいずれか一方が揃った、重畳すべき第２ビートを計算し、計算された第２ビートを含む電圧指令を相殺電圧としてスイッチング信号生成器７に出力する。なお、相殺電圧計算器８は、計算された相殺電圧に対応する相殺電流をスイッチング信号生成器７に出力してもよいし、相殺電圧および相殺電流をスイッチング信号生成器７に出力してもよい。

スイッチング信号生成器７は、外部から入力される速度指令またはトルク指令などの運転指令と、電流検出部６によって検出された電動機電流と、電圧検出部１６によって検出された直流リンク電圧と、相殺電圧計算器８から出力される相殺電圧とに基づいて制御演算を行い、電力印加部５が有する複数のスイッチング素子のオンオフを制御するスイッチング信号を生成して出力する。スイッチング信号生成器７は、例えば、ｄｑ座標系を用いて電動機２に流れる電流をフィードバック制御するベクトル制御を行い、速度およびトルクを制御する。スイッチング信号生成器７は、ｄｑ座標系で計算された電圧指令をＵ相、Ｖ相、Ｗ相を含む三相座標系に変換する。スイッチング信号生成器７は、三相座標系の電圧指令および直流リンク電圧に基づいて、電力印加部５のスイッチング素子をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御するためのＰＷＭ信号を生成する。スイッチング信号生成器７は、生成されたＰＷＭ信号を電力印加部５に出力する。スイッチング信号生成器７では、電動機２の運転周波数に比例した電圧を出力するＶ／ｆ一定制御、電動機２の磁束およびトルクを制御する直接トルク制御を行ってもよい。

スイッチング信号生成器７は、例えば、相殺電圧計算器８から入力される相殺電圧をｄｑ座標系で計算された電圧指令に加算することで、電動機電流に含まれる第１周波数のビート電流とは異なる第２周波数のビート電流が負荷電流に重畳するように電圧指令を補正する。なお、スイッチング信号生成器７は、相殺電圧計算器８から入力される相殺電圧、または相殺電流によって、電流指令を補正してもよい。

相殺電圧によって電圧指令を補正することの意義を説明する。電動機電流に含まれているビートと異なる周波数のビートを重畳することで、ビートによる電動機電流の振幅の増大を低減することができる。例えば、直流リンク部のコンデンサ電圧が脈動し、インバータの出力電流に電流ビートが発生しているときのことを考える。先述の通り、直流リンク部のコンデンサ電圧は、交流電源１が三相交流であるとき、交流電源１の電圧周波数の６倍の周波数で脈動する。このとき、電動機電流にはコンデンサ電圧の脈動周波数と、電動機２の駆動周波数の差の周波数成分を持つ電流ビートと、これらの和の周波数成分をもつ電流ビートとが重畳する。差の周波数成分の電流ビートは、電動機２の駆動周波数よりも低い周波数成分であり、和の周波数成分の電流ビートは、電動機２の駆動周波数よりも高い周波数成分である。そのため、これらのビートをそれぞれ低周波ビート、高周波ビートと呼ぶ。本開示における電力変換装置１００においては、電動機２の駆動周波数に低周波ビートと高周波ビートの何れか一方、または両方が重畳しているときに、電動機電流の振幅が増大することを防ぐ手段を提案する。ビート同士を相殺する方法は複数考えられる。例えば、モータ電流に含まれる低周波ビートの成分に関して、何らかの方法を用いて振幅および位相の少なくとも一方を計算し、計算して得られた振幅および位相の少なくとも一方が揃っている高周波ビートを重畳するという方法が考えられる。ここで、何らかの方法とは、例えばフーリエ級数展開を利用した手法やバンドパスフィルタを使うことが考えられる。高周波ビートを低周波ビートで相殺する場合も同様である。他の方法としては、ｄ軸電流の脈動とｑ軸電流に含まれる脈動成分の振幅および位相の少なくとも一方を揃えることで、低周波ビートと高周波ビートを相殺できることがある。直流リンク部のコンデンサ電圧が脈動しているとき、ｄ軸電流およびｑ軸電流はコンデンサ電圧の脈動周波数と同じ周波数で脈動する。この時、ｄ軸電流およびｑ軸電流に含まれるコンデンサ電圧の脈動周波数と同じ周波数の成分に関して、振幅および位相の少なくとも一方を揃えることで、ＵＶＷ軸で考えた際にモータ電流の低周波ビートと高周波ビートの振幅および位相の少なくとも一方を揃えることができるため、電流ビートを相殺できる。

まず、電動機２の電動機電流に低周波ビートが重畳しているときに、低周波ビートと振幅および位相の少なくともいずれか一方が揃った高周波ビートを新たに重畳することで、電流振幅の増大を低減できることを説明する。振幅が揃ったとは、振幅が等しい状態を表すのみならず、電流振幅の増大を低減できれば、振幅がある程度異なることも含む。位相が揃ったとは、位相が等しい状態を表すのみならず、電流振幅の増大を低減できれば、位相がある程度異なることも含む。電動機電流は正弦波の加算で表現することが可能であるため、一般的な正弦波の加算を考える。電動機２の駆動周波数成分をＡｓｉｎ（ω_ｉｔ）、低周波ビートをＢｓｉｎ｛（ω_ｂ－ω_ｉ）ｔ＋α｝とする。ただし、Ａは電動機２の駆動周波数成分の振幅、Ｂは低周波ビートの振幅、ω_ｉは電動機２の駆動周波数、ω_ｂは直流リンク電圧の脈動周波数、αは電動機２の駆動周波数成分に対する低周波ビートの位相である。このように、電動機２の電動機電流に低周波ビートが重畳しているときに、低周波ビートと振幅および位相の少なくともいずれか一方が揃った高周波ビートを重畳したとする。高周波ビートをＢｓｉｎ｛（ω_ｂ＋ω_ｉ）ｔ＋α｝とすると、電動機電流は、和積の公式などを使って、以下の式（１）のように記載できる。

Ｐ，Ｑを上式のように定義すると、φはＡｓｉｎ（ω_ｉｔ）とＰとを加算した際に生じる位相変化である。ここで、Ｂの大きさがＡに対して十分に小さいとき、以下の式（２）ように近似することができる。

具体的には、電動機２の駆動周波数成分の振幅Ａに対して、低周波ビートの振幅Ｂが１／１０程度に小さいときに近似することが可能である。例えば、Ａ＝５０、Ｂ＝５のとき、Ｑは最大で５０．０６２５で、最小で４９．９３７５であるため、約５０と見なすことができる。以上のように、電動機電流に低周波ビートが重畳しているとき、低周波ビートと振幅及び位相が揃った高周波ビートを重畳することで、低周波ビートによる電流振幅の増大を小さくすることが可能である。

次に電動機電流に低周波ビートが重畳しているときに、高周波ビートを重畳することで電流振幅が低減できることを時系列波形から確認する。例えば、電動機の駆動周波数成分をＡｓｉｎ（ω_ｉｔ）＝５０ｓｉｎ（３５７×２πｔ）、低周波ビートをＢｓｉｎ｛（ω_ｂ－ω_ｉ）ｔ＋α｝＝５ｓｉｎ｛（３６０－３５７）×２πｔ｝＝５ｓｉｎ（３×２πｔ）と仮定して、正弦波を重ね合わせる。この時、高周波ビートは、低周波ビートと振幅および位相の少なくともいずれか一方が揃ったＢｓｉｎ｛（ω_ｂ＋ω_ｉ）ｔ＋α｝＝５ｓｉｎ｛（３６０＋３５７）×２πｔ｝＝５ｓｉｎ（７１７×２πｔ）とする。

図２は、実施の形態１の電力変換装置１００において、電動機２の電動機電流に低周波ビートが重畳しているときの電流波形と、電動機２の電動機電流に低周波ビートおよび高周波ビートが重畳しているときの電流波形を示す図である。図２の上側の波形は、電動機２の電動機電流に低周波ビートが重畳しているときの電流波形であり、５０ｓｉｎ（３５７×２πｔ)＋５ｓｉｎ（３×２πｔ)の波形である。図２の下側の波形は、電動機２の電動機電流に低周波ビートおよび高周波ビートが重畳しているときの電流波形であり、５０ｓｉｎ（３５７×２πｔ)＋５ｓｉｎ（３×２πｔ)＋５ｓｉｎ（７１７×２πｔ)の波形である。上側の波形よりも下側の波形の方が、ビートが低減され、振幅が小さいことがわかる。このように、低周波ビートによる電流ピークの増加を高周波ビートによって相殺することができる。

電動機電流に高周波ビートが重畳しているときに、低周波ビートを重畳する場合も同様である。例えば、電動機２の駆動周波数成分をＡｓｉｎ（ω_ｉｔ）＝５０ｓｉｎ（３５７×２πｔ）、高周波ビートをＢｓｉｎ｛（ω_ｂ＋ω_ｉ）ｔ＋α｝＝５ｓｉｎ｛（３６０＋３５７）×２πｔ｝＝５ｓｉｎ（７１７×２πｔ）と仮定して、正弦波を重ね合わせる。この時、低周波ビートはＢｓｉｎ｛（ω_ｂ－ω_ｉ）ｔ＋α｝＝５ｓｉｎ｛（３６０－３５７）×２πｔ｝＝５ｓｉｎ（３×２πｔ）とする。

図３は、実施の形態１の電力変換装置１００において、電動機２の電動機電流に高周波ビートが重畳しているときの電流波形と、電動機２の電動機電流に高周波ビートおよび低周波ビートが重畳しているときの電流波形を示す図である。図３の上側の波形は、電動機２の電動機電流に高周波ビートが重畳しているときの電流波形であり、５０ｓｉｎ（３５７×２πｔ)＋５ｓｉｎ（７１７×２πｔ)の波形である。図３の下側の波形は、電動機２の電動機電流に高周波ビートおよび低周波ビートが重畳しているときの電流波形であり、５０ｓｉｎ（３５７×２πｔ)＋５ｓｉｎ（７１７×２πｔ)＋５ｓｉｎ（３×２πｔ）の波形である。上側の波形よりも下側の波形のほうが、ビートが低減され、振幅が小さいことがわかる。このように、高周波ビートによる電流ピークの増加を低周波ビートによって相殺することができる。

このように相殺電圧計算器８は、電動機電流に含まれる低周波ビートまたは高周波ビートに応じて、電動機電流に含まれる低周波ビートまたは高周波ビートと振幅および位相の少なくともいずれか一方が揃った高周波ビートまたは低周波ビートを計算する機能を持つ。そのためには、相殺電圧計算器８は、電動機電流に含まれるビートの周波数と、振幅および位相の少なくともいずれか一方とを検出する必要がある。電動機電流に含まれるビートの振幅および位相の少なくともいずれか一方を検出する方法は複数考えられるが、たとえば、バンドパスフィルタを用いて検出してもよいし、ノッチフィルタを用いて検出した値を元の電動機電流から減算して算出してもよいし、フーリエ級数展開を用いて検出してもよい。

相殺電圧計算器８は、検出した低周波ビートまたは高周波ビートに応じて、検出した低周波ビートまたは高周波ビートと振幅および位相の少なくともいずれか一方が揃った、重畳すべき高周波ビートまたは低周波ビートを決定し、決定した高周波ビートまたは低周波ビートを含む電圧指令を相殺電圧としてスイッチング信号生成器７に出力する。スイッチング信号生成器７は、相殺電圧計算器８から入力される相殺電圧を電圧指令に加算することで、電動機電流に低周波ビートが含まれた場合は低周波ビートと振幅および位相の少なくともいずれか一方が揃った高周波ビートが重畳され、電動機電流に高周波ビートが含まれた場合は高周波ビートと振幅および位相の少なくともいずれか一方が揃った低周波ビートが重畳されるように電圧指令を補正する。

このように実施の形態１では、電動機電流に低周波ビートが含まれた場合は低周波ビートと振幅および位相の少なくともいずれか一方が揃った高周波ビートが重畳され、電動機電流に高周波ビートが含まれた場合は高周波ビートと振幅および位相の少なくともいずれか一方が揃った低周波ビートが重畳されるように電圧指令を補正するようにしているので、電動機電流の振幅の増大を抑制して電動機２を運転することができる。このため、運転中の騒音、振動を抑えることができる。また、電流の振幅の増大を抑制することで、電力変換装置１００の各素子の信頼性を向上することもできる。

実施の形態２．
実施の形態２では、電動機電流の振幅の増大をさらに抑制するために、相殺電圧計算器８を用いてビート抑止制御器１１の作用効果を向上させている。図４は、実施の形態２の電力変換装置の構成を示す回路ブロック図である。図５は、実施の形態２のビート抑止制御器１１の構成を示す制御ブロック図である。

図４に示される実施の形態２の電力変換装置５００においては、図１の構成に、速度推定器９、脈動検出器１０およびビート抑止制御器１１が追加されている。また、制御部２０が制御部３０に置換されている。

速度推定器９は、電流検出部６の出力値である電動機電流の検出値と、スイッチング信号生成器７から入力される電圧指令に基づいて、電動機２の回転子の回転速度と磁極位置とを推定する。推定する方法としては、電動機２の速度起電力から算出するのが一般的である。例えば、アークタンジェント法と呼ばれる方法、または適応磁束オブザーバ方式と呼ばれる方法がある。速度推定器９は、推定した磁極位置、すなわち推定位相を、ビート抑止制御器１１へ出力する。

脈動検出器１０は、電圧検出部１６が検出した直流リンク電圧に基づいて脈動周波数を検出し、検出し脈動周波数をビート抑止制御器１１へ出力する。前述したとおり、コンデンサ４は小容量であるため、直流リンク電圧は、交流電源１の電圧周波数の約６倍の周波数で脈動している。脈動検出器１０は、この直流リンク電圧の脈動周波数を正確に求めるものである。脈動周波数を求める手法としては、例えば、検出した直流リンク電圧の値をバンドパスフィルタに通す方法、直流リンク電圧の値をノッチフィルタに通した結果を元の直流リンク電圧の値から減算する方法がある。

ビート抑止制御器１１は、電動機電流の脈動を抑制するように速度推定器９から出力される推定位相を調整する。ビート抑止制御器１１は、図５に示すように、ゲイン付与部１２、積分器１３、および加算器１４を有する。ゲイン付与部１２は、脈動検出器１０の出力値である脈動周波数にゲインＫを乗じる。積分器１３は、ゲイン付与部１２の出力を積分する。加算器１４は、積分器１３の出力に速度推定器９の出力値である推定位相を加算して、調整位相を計算する。ビート抑止制御器１１は、計算された調整位相をスイッチング信号生成器７に出力する。ゲインＫは、交流電源１の電圧周波数、直流リンク電圧の大きさに応じて決定すればよい。ゲインＫは、予め決定された固定値を用いてもよいし、交流電源１および電動機２の状態によって可変の値としてもよい。

スイッチング信号生成器７は、ｄｑ三相座標変換部１５を有し、ビート抑止制御器１１の出力値である調整位相を相殺電圧計算器８の相殺電圧を用いて変化させ、変化させた調整位相に応じて、ｄｑ座標系で計算された電圧指令をＵＶＷの三相座標系に変換する。

ここで、ビート抑止制御器１１の意義を説明する。図６は、実施の形態２の電力変換装置５００において、ビート抑止制御器１１がない場合の直流リンク電圧と電動機電流と脈動位相との波形を示す図である。横軸は時間である。直流リンク電圧には脈動成分が含まれている。ビート抑止制御器１１がない場合、スイッチング信号生成器７は、速度推定器９で推定された推定位相を用いて、ｄｑ座標系から三相座標系への座標変換を行う。この場合、電動機２に印加される電圧が、直流リンク電圧の脈動成分の影響を受けるため、電動機２に流れる電動機電流にビートが重畳している。特に、電動機２の運転周波数と、直流リンク電圧の脈動周波数が近いときに、大きな電流ビートが現れる。

図７は、実施の形態２の電力変換装置５００において、ビート抑止制御器１１がある場合の直流リンク電圧と電動機電流と脈動位相との波形を示す図である。ビート抑止制御器１１がある場合、スイッチング信号生成器７は、ビート抑止制御器１１で計算された調整位相を用いて、ｄｑ座標系と三相座標系との座標変換を行う。この場合、電動機２に印加される電圧から、直流リンク電圧の脈動成分の影響を打ち消すことができるため、電動機２に流れる電流のビートを抑止できる。

しかしながら、ビート抑止制御器１１を用いたとしても、低周波ビートが残存するケースがある。そのような場合でも、相殺電圧計算器８が存在すれば、高周波ビートを用いて電動機電流の振幅を低減できる。先述した通り、例えば、直流リンク電圧が交流電源１の周波数の６倍周波数で脈動している場合には、低周波ビートと高周波ビートの両方が電動機電流に重畳されている。しかしながら、低周波ビートと高周波ビートは式（１）および式（２）で示したように、振幅および位相の少なくともいずれか一方がそろっていない場合には相殺することができない。そのため、電動機電流の振幅は、低周波ビートと高周波ビートの両方の影響を受けて、大幅に増加してしまう。実施の形態２では、相殺電圧計算器８の相殺電圧を用いて、ビート抑止制御器１１で計算される調整位相を変化させることで、電動機電流に重畳される低周波ビートと高周波ビートの振幅および位相の少なくともいずれか一方が揃うように調整することができる。

図８は、実施の形態２の電力変換装置５００において、相殺電圧計算器８を用いない場合の電動機電流のシミュレーション波形とその周波数解析結果とを示す図である。図８の上図に、電動機電流のシミュレーション波形を示し、図８の下図に電動機電流のシミュレーション波形の周波数解析結果を示している。また、図９は、実施の形態２の電力変換装置５００において、相殺電圧計算器８を用いる場合の電動機電流のシミュレーション波形とその周波数解析結果とを示す図である。図９の上図に、電動機電流のシミュレーション波形を示し、図９の下図に電動機電流のシミュレーション波形の周波数解析結果を示している。

図８および図９に示されるように、相殺電圧計算器８を用いない場合と比較して、相殺電圧計算器８を用いた場合には電動機電流の振幅の増大が低減していることがわかる。周波数解析結果を見ると、相殺電圧計算器８を用いない場合も用いる場合も、低周波ビート成分と高周波ビート成分に大きな違いは見られない。それでも相殺電圧計算器８を用いた場合の方が電動機電流の振幅を小さく抑えられているのは、相殺電圧計算器８を用いた場合には低周波ビートと高周波ビートの振幅および位相の少なくともいずれか一方が揃うように調整しているためである。

このように実施の形態２によれば、ビート抑止制御器１１の調整位相を、相殺電圧計算器８からの出力によって変化させているので、電動機電流の振幅をより小さく抑えることができる。

実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態１の電力変換装置１００または実施の形態２の電力変換装置５００を空気調和機に適用するものである。図１０は、実施の形態３の空気調和機の構成を示す概略図である。空気調和機４００は、冷凍サイクル装置３００と送風機４０１を備えている。冷凍サイクル装置３００は、冷媒圧縮装置２００、凝縮器３０１、膨張弁３０２および蒸発器３０３を備える。冷媒圧縮装置２００は、圧縮機２０１と、実施の形態１の電力変換装置１００または実施の形態２の電力変換装置５００を備える。

図１０に示すように、圧縮機２０１と凝縮器３０１との間は配管で接続される。同様に、凝縮器３０１と膨張弁３０２との間、膨張弁３０２と蒸発器３０３との間、蒸発器３０３と圧縮機２０１との間は配管で接続される。これにより、圧縮機２０１、凝縮器３０１、膨張弁３０２および蒸発器３０３には冷媒が循環する。

図１０に示す電動機２は、圧縮機２０１において、冷媒ガスを圧縮して高圧のガスにするために、電力変換装置１００，５００によって可変速制御される電動機である。冷凍サイクル装置３００では、冷媒の蒸発、圧縮、凝縮、膨張という工程が繰り返し行われる。冷媒は、液体から気体へ変化し、さらに気体から液体へ変化することにより、冷媒と機外空気との間で熱交換が行われる。したがって、冷凍サイクル装置３００と機外空気を循環させる送風機４０１とを組み合わせることで、空気調和機４００を構成することができる。

たとえば、電解コンデンサレスインバータを用いて圧縮機２０１の電動機２を駆動させた場合、ビート抑止制御器１１を持たないと、電動機２の運転周波数と直流リンク電圧の脈動周波数が近いときに大きな電流ビートが現れる。この結果、圧縮機２０１または圧縮機２０１に接続されている配管から振動、騒音が発生し、空気調和機４００のユーザーの快適性を損ねる。さらに、電動機２の行う仕事量に脈動がのることになるため、冷媒ガスの圧縮効率も低下する。また、電流ビートの発生する運転周波数を避けて運転をした場合、冷凍サイクル装置３００の最適な運転ができず、サイクル効率の低下を招く。

しかし、空気調和機４００に適用される電力変換装置１００，５００が電解コンデンサレスインバータである場合であっても、ビート抑止制御器１１および相殺電圧計算器８が備わっていることで、安価かつ快適かつ高効率の空気調和機４００を提供することが可能となる。

実施の形態３においては、ビート抑止制御器１１および相殺電圧計算器８を有しているため、電流ビートの発生する運転周波数を避けることなく運転でき、運転領域が広くなる。また、配管を通じた余計な構成を追加することなく、振動、騒音を抑制することができる。よって、実施の形態１、２の効果に加え、空気調和機４００の効率よい運転を実現することを可能とする。

ところで上記説明では、電力変換装置１００，５００の応用例として空気調和機４００を説明したが、その他の機械にも利用できることは、言うまでもない。例えば、ファンまたはポンプといった機械装置に本願の電力変換装置を適用しても良い。

次に、実施の形態１の制御部２０と実施の形態２の制御部３０のハードウェア構成について説明する。図１１は、実施の形態１の制御部２０、実施の形態２の制御部３０を実現するハードウェア構成の一例を示す図である。制御部２０，３０は、プロセッサ９１及びメモリ９２により実現される。

プロセッサ９１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）ともいう）、又はシステムＬＳＩ（Large Scale Integration）である。メモリ９２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read－Only Memory）といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリを例示できる。またメモリ９２は、これらに限定されず、磁気ディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、又はＤＶＤ（Digital Versatile Disc）でもよい。

以上の実施の形態に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１交流電源、２電動機、３整流部、４コンデンサ、５電力印加部、６電流検出部、７スイッチング信号生成器、８相殺電圧計算器、９速度推定器、１０脈動検出器、１１ビート抑止制御器、１２ゲイン付与部、１３積分器、１４加算器、１５ｄｑ三相座標変換部、１６電圧検出部、２０，３０制御部、９１プロセッサ、９２メモリ、１００，５００電力変換装置、２００冷媒圧縮装置、２０１圧縮機、３００冷凍サイクル装置、３０１凝縮器、３０２膨張弁、３０３蒸発器、４００空気調和機、４０１送風機。

Claims

交流電源から入力される交流電圧を整流して直流リンク電圧に変換する整流部と、
前記整流部で変換された直流リンク電圧が充電されるコンデンサと、
前記コンデンサに充電された直流リンク電圧をスイッチングして交流電圧に変換して負荷に出力する電力印加部と、
前記電力印加部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、負荷電流に含まれる第１周波数の第１ビートと異なる第２周波数であって、前記第１ビートと振幅および位相の少なくともいずれか一方が揃った第２ビートが前記負荷電流に重畳されるように前記電力印加部を制御することを特徴とする電力変換装置。
前記制御部は、
前記負荷電流に含まれる第１ビートの振幅および位相の少なくともいずれか一方を検出し、検出した第１ビートと振幅および位相の少なくともいずれか一方が揃った第２ビートを計算し、計算された第２ビートを含む電圧指令を相殺電圧として出力する相殺電圧計算器と、
前記相殺電圧計算器から入力される相殺電圧に基づいて、前記第２ビートが重畳されるように指令値を補正するスイッチング信号生成器と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記相殺電圧計算器は、前記第１ビートが低周波ビートである場合、前記低周波ビートと振幅および位相の少なくともいずれか一方が揃っている高周波ビートを前記第２ビートとして計算し、計算された前記第２ビートを含む前記電圧指令を前記相殺電圧として前記スイッチング信号生成器に出力することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記相殺電圧計算器は、前記第１ビートが高周波ビートである場合、前記高周波ビートと振幅および位相の少なくともいずれか一方が揃っている低周波ビートを前記第２ビートとして計算し、計算された前記第２ビートを含む前記電圧指令を前記相殺電圧として前記スイッチング信号生成器に出力することを特徴とする請求項２または３に記載の電力変換装置。
前記低周波ビートの周波数は、前記負荷の駆動周波数と前記直流リンク電圧の脈動周波数との差の周波数であり、前記高周波ビートの周波数は、前記負荷の駆動周波数と前記直流リンク電圧の脈動周波数との和の周波数であることを特徴とする請求項３または４に記載の電力変換装置。
前記制御部は、
前記負荷電流に基づいて前記負荷の推定位相を求める速度推定器と、
前記直流リンク電圧に基づいて脈動周波数を検出する脈動検出器と、
前記負荷電流の脈動を抑制するように前記速度推定器から出力される推定位相を調整して調整位相を出力するビート抑止制御器と、
をさらに備え、
前記スイッチング信号生成器は、ビート抑止制御器から入力される調整位相と、前記相殺電圧計算器から入力される相殺電圧に基づいて、前記第２ビートが重畳されるように指令値を補正することを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換装置と、冷凍サイクル装置と、送風機と、を備えたことを特徴とする空気調和機。