JP2004129357A - インバ−タエアコン - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で高力率と高調波抑制と出力電圧の可変範囲の拡大による圧縮機の最高回転数増が実現できるインバ−タエアコンを提供する。
【解決手段】整流回路の２つの出力端間に接続されたコンデンサ回路と、整流回路の一方の入力端と前記コンデンサ回路内の一つの接続点との間に接続された第１のスイッチ手段７と、整流回路２の他方の入力端と前記コンデンサ回路内の接続点との間に接続された第２のスイッチ手段８を備え、前記第１および第２のスイッチ手段７、８を適切に切り替えることにより高力率と高調波抑制とを両立させ、かつエアコンの最大能力および効率を向上する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、整流回路を用いたコンバ−タを備えるインバ−タエアコンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、コンバ−タとしてダイオ−ドを利用した整流回路を搭載したインバ−タエアコンが知られている。
【０００３】
図１５にブリッジ整流回路を利用した倍電圧整流回路を備えたインバ−タエアコンの回路構成の一例および電流の動きを示す。１０はインバ−タ部、１１は電動機部を示している。この倍電圧整流回路は、交流電源電圧を直流電圧に変換する整流回路２を備えている。
【０００４】
図１５（ａ）は、交流電源１からの交流が正の半周期の間における電流の流れを示している。電流は矢印で示したように交流電源１・整流回路２・コンデンサ４・交流電源１の順に流れるループと、交流電源１・整流回路２・平滑コンデンサ６・コンデンサ５・交流電源１の順に流れるループに分かれ、平滑コンデンサ６の両端において正の電圧Ｖｏを取り出すことができる。
【０００５】
図１５（ｂ）は、交流電源１からの交流が負の半周期の間における電流の流れを示している。電流は矢印で示したように交流電源１・コンデンサ５・整流回路２・交流電源１の順に流れるループと、交流電源１・コンデンサ４・平滑コンデンサ６・整流回路２・交流電源１に流れるループに分かれ、正の電圧Ｖｏを取り出すことができる。すなわち、交流電源１からの交流入力は倍電圧整流され、正の直流電圧が得られることになる。
【０００６】
図１６は図１５に示すインバ−タエアコンにおけるコンバータの出力電圧と圧縮機１１の回転数およびインバータ部への通流率の関係を示している。コンバータの出力電圧は電源電圧と圧縮機の負荷によって定まる固定値であるため、圧縮機１１の回転数はインバータ部への通流率を可変することによって制御される。
【０００７】
したがってインバータ部への通流率が上限値に達した時点が圧縮機１１の最高回転数である（例えば非特許文献１参照）。
【０００８】
【非特許文献１】
河内　健、“電源系統における高周波歪み規制と対策／測定技術“
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記のような従来のコンバ−タを備えたインバ−タエアコンでは、交流電源１の電圧がコンデンサ４またはコンデンサ５の電圧より高い期間しか入力電流が流れないため力率が低く、電源高調波も大きくなるとともに、負荷が上昇するに伴い出力電圧が下降するため、圧縮機１１の最高回転数が上昇しないという課題があった。
【００１０】
通常高調波の改善策としては交流電源１と整流回路２との間にリアクタを接続する方法が用いられるが、この方法では高調波は抑制できても力率が約７０％程度しか得られないため、電源系統に負担をかけるという課題があった。
【００１１】
また出力電圧を上昇させるための改善策としては、高周波スイッチング式の昇圧型コンバ−タを搭載する方法が用いられるが、この方式では高周波スイッチング用の素子を用いることによるコストアップおよび高周波スイッチングに伴う発生ノイズの増加という課題があった。
【００１２】
また一般的に圧縮機１１の負荷を固定した場合、コンバータの出力電圧が低い時、すなわちインバータ部への通流率が高い時に、圧縮機１１の効率が良化することが知られているが、コンバータの出力電圧は電源電圧と圧縮機１１の負荷によって定まる固定値であるため、インバータエアコンの高効率化が困難であった。
【００１３】
本発明のインバ−タエアコンは、前記のような従来の問題を解決するものであり、高力率、高調波抑制と出力電圧の可変範囲の拡大による圧縮機１１の最高回転数の増加と高効率化が実現できるインバ−タエアコンを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、２つの入力端と２つの出力端とを有し、前記入力端の一方にリアクトルを介して交流電源に接続されて交流電源電圧を直流電圧に変換する整流回路と、直列に接続された複数のコンデンサからなり前記整流回路の２つの出力端間に接続されたコンデンサ回路と、前記整流回路の一方の入力端と前記コンデンサ回路内のコンデンサ間の一つの接続点との間に接続された第１のスイッチ手段と、整流回路の他方の入力端と前記コンデンサ回路内のコンデンサ間の前記接続点との間に接続された第２のスイッチ手段を備えたコンバ−タと、前記交流電源の位相を検出する電源位相検出手段と、前記電源位相検出手段の信号に基づき前記第１及び第２のスイッチ手段を制御する制御手段と、前記コンバ−タの直流出力電圧を交流電圧に変換するインバータ部およびインバータ部への通流率を変更することによりインバータ部出力周波数またはインバータ部出力電圧を制御する回転数制御手段とからなるインバータと、このインバ−タにより駆動される電動圧縮機（以下、圧縮機）とを備えたもので、前記第１のスイッチ手段と前記第２のスイッチ手段を適切に導通させることにより、入力電流の高調波の抑制と高力率化が両立でき、かつ交流電源の電圧値の２倍〜２２倍以上の直流出力電圧が得られ、しかもその出力電圧値が制御可能となるため、圧縮機の最大回転数の増加と高効率化が可能となる。
【００１５】
また本発明は、制御手段は第１の動作モードと第２の動作モードからなり、前記第１の動作モードは第１のスイッチ手段を電源電圧の半周期において電源電圧のゼロクロスのΔｄ（０≦ｄ）後からオン期間△ｔ（０≦ｔ）の間だけ連続的にオンに制御しかつ第２のスイッチ手段を常時オフに制御し、第２の動作モードは前記第１のスイッチ手段を電源電圧の半周期において電源電圧のゼロクロスのΔｄ（０≦ｄ）後からオン期間△ｔ（０≦ｔ）の間だけ連続的にオンに制御しかつ第２のスイッチ手段を常時オンに制御し、交流電源から流入する入力電流の高調波とコンバ−タの直流出力電圧を制御するものである。
【００１６】
また本発明は、コンバ−タの直流出力電圧を検出するコンバータ出力電圧検出手段を備え、かつ制御手段にあらかじめ一定の目標出力電圧を記憶させた記憶手段を有し、コンバータ出力電圧が目標電圧以下であれば△ｔを増加し、コンバータ出力電圧が目標電圧を超えていれば△ｔを減少することで、コンバータ出力電圧が常に目標電圧の近傍に近づくように△ｔを制御するものであり、これにより負荷変動が発生した場合でも安定した出力電圧が得られることになり、安定した圧縮機回転数制御が可能となる。
【００１７】
また本発明は、コンバータの入力電流を検出する負荷検出手段を設け、かつ制御手段にあらかじめ入力電流に応じたΔｄとΔｔの組み合わせを記憶させた記憶手段を有し、前記負荷検出手段の出力に基づき前記記憶手段から入力電流に応じたΔｄとΔｔの組み合わせを選択するもので、これにより負荷変動に対し常に最適な動作点でコンバ−タを駆動することができるため、エアコンの消費電力を低減することができる。
【００１８】
また本発明は、コンバータの入力電流を検出する負荷検出手段を設け、負荷検出手段の出力が一定値に達した時、入力電流がより小さくなるようにΔｄとΔｔの組み合わせを選択するもので、これにより高負荷時に最高力率点でコンバ−タを駆動することが可能となるため、コンセントの最大容量を効率的に活用することができ、エアコンの最高能力を向上することができる。
【００１９】
また本発明は、電動機回転数を検出する電動機回転数検出手段を設け、かつ制御手段の内部にあらかじめ前記電動機回転数に応じたΔｄとΔｔの組み合わせを記憶する記憶手段を有し、前記電動機回転数検出手段の出力に基づき前記記憶手段から回転数に応じたΔｄとΔｔの組み合わせを選択するもので、これにより負荷変動に対し常に最適な動作点でコンバ−タを駆動することが可能であり、エアコンの消費電力を低減することができる。
【００２０】
また本発明は、制御手段の内部にあらかじめ電動機指令回転数に応じたΔｄとΔｔの組み合わせを記憶する記憶手段を有し、電動機指令回転数に基づいてΔｄとΔｔの組み合わせを選択するもので、これにより負荷変動に対し常に最適な動作点でコンバ−タを駆動することが可能であり、エアコンの消費電力を低減することができる。
【００２１】
また本発明は、コンバータの入力電流を検出する負荷検出手段を備え、かつ制御手段の内部にあらかじめ電動機の回転数または電動機の指令回転数または負荷検出手段の出力の少なくとも１つに応じたコンバータの目標出力電圧を記憶させた記憶手段を有し、出力電圧検出手段の出力に基づき前記記憶手段に記憶された目標出力電圧に近づくようにΔｔを選択し、かつ電動機の回転数制御手段がインバータ部への通流率を可変することによって圧縮機の回転数を制御するもので、これにより比較的軽負荷の領域では安定した圧縮機の回転数制御が可能となる。また高負荷の領域では出力電圧を上昇させることにより圧縮機の最高回転数を増加することができるため、エアコンの最高能力が向上する。
【００２２】
また本発明は、制御手段はコンバータ出力電圧が記憶手段にあらかじめ定められた所定値になるようにΔｔを０≦Δｔ≦ｔ１の範囲で選択し、かつインバータ部への通流率を可変することによって電動機の回転数を制御する第一の領域と、Δｔをｔ１に固定して、インバータ部への通流率を可変することによって電動機の回転数を可変する第二の領域を有するもので、軽負荷時に必要以上にコンバ−タの直流出力電圧が上昇することを防止しており、インバ−タエアコンの電子制御装置における各素子の耐圧破壊を防止することができる。
【００２３】
また本発明は、電動機回転数制御手段におけるインバータ部への通流率の増減速度が、制御手段におけるΔｔの増減速度を常に上回るもので、これにより安定した圧縮機回転数制御を実現することができる。
【００２４】
また本発明は、Δｔの増減速度と逆変換部への通流率の変更速度の少なくとも一方を、電動機の回転数または電動機の指令回転数または負荷検出手段の出力の少なくとも１つに応じて変更するものであり、負荷に応じた最適な圧縮機の回転数の変更速度と安定した圧縮機の回転数制御をともに実現することができる。
【００２５】
また本発明は、入力電流を検出する負荷手段を備え、入力電流が所定値を超えていればΔｔ＞０の状態、所定値以下であればΔｔ＝０の状態とするもので、軽負荷時に必要以上にコンバ−タの直流出力電圧が上昇することを防止しており、インバ−タエアコンの電子制御装置における各素子の耐圧破壊を防止することができる。
【００２６】
また本発明は、入力電流の所定値が冷房運転時と暖房運転時で異なるもので、それぞれの運転時において最適な切り替え点でコンバ−タを駆動することが可能であり、エアコンの消費電力を低減することができる。
【００２７】
また本発明は、電動機の回転数を検出する回転数検出手段を備え、電動機の回転数が所定値を超えていればΔｔ＞０、所定値以下であればΔｔ＝０とするもので、軽負荷時に必要以上にコンバ−タの直流出力電圧が上昇することを防止しており、インバ−タエアコンの電子制御装置における各素子の耐圧破壊を防止することができる。
【００２８】
また本発明は、電動機回転数の所定値が冷房運転時と暖房運転時で異なるもので、それぞれの運転時において最適な切り替え点でコンバ−タを駆動することが可能であり、エアコンの消費電力を低減することができる。
【００２９】
また本発明は、電動機の指令回転数が所定値を越えていればΔｔ＞０の状態、所定値以下であればΔｔ＝０とするもので、軽負荷時に必要以上に出力電圧が上昇することを防止しており、インバ−タエアコンの電子制御装置における各素子の耐圧破壊を防止することができる。
【００３０】
また本発明は、電動機の指令回転数の所定値が冷房運転時と暖房運転時で異なるもので、それぞれの運転時において最適な切り替え点でコンバ−タを駆動することが可能であり、エアコンの消費電力を低減することができる。
【００３１】
また本発明は、電源周波数を検出する電源周波数検出手段を備え、かつ制御手段の内部にあらかじめ電動機回転数に応じたΔｄを記憶する記憶手段を有し、前記電源周波数検出手段の出力に基づき電源周波数に応じたΔｄを選択するもので、前記第１のスイッチ手段の制御を容易にするものである。
【００３２】
また本発明は、制御手段は、Δｔが所定値より大きくなったときに、第１及び第２のスイッチ手段を制御するために用いる動作モードを第１の動作モードから第２の動作モードへ切換え、Δｔが所定値より小さくなったときに、第１及び第２のスイッチ手段を制御するために用いる動作モードを第２の動作モードから第１の動作モードへ切換えるもので、比較的軽負荷の領域ではエアコンの消費電力を低減することができる。また高負荷の領域では出力電圧を上昇させることにより圧縮機の最高回転数を増加することができるため、エアコンの最高能力が向上する。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下に、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。従来例と同一構成のものは、同一番号を付して説明する。
【００３４】
（実施の形態１）
図１（ａ）は本発明に係るインバータエアコンの回路構成の概略を示した図である。同図に示すようにインバータエアコンは、交流電源１からの電圧をリアクトル３を介して入力し整流する整流回路２と、コンデンサ４、５と、整流回路２の各ハーフブリッジの中点とコンデンサ４、５間の接続点とを接続する第１のスイッチ手段７、第２のスイッチ手段８を備えたコンバ−タと、前記交流電源の位相を検出する電源位相検出手段１４と、電源位相検出手段１４の信号に基づきスイッチ７およびスイッチ８を制御する制御手段９と、前記コンバ−タの直流出力電圧を交流電圧に変換するインバータ部およびインバータ部への通流率を変更することによりインバータ部出力周波数または逆変換部出力電圧を制御する圧縮機回転数制御手段とからなるインバータ１０と、このインバ−タ１０により駆動される電動圧縮機１１（以下、圧縮機）とを備える。
【００３５】
整流回路２は２つのダイオードのハーフブリッジからなる。なお、図１（ｂ）に示す様に、平滑用コンデンサ６をコンデンサ４およびコンデンサ５に並列に設けてもよい。
【００３６】
また、図１（ｃ）に示す様に、コンデンサはコンデンサ４とコンデンサ５の２個に限らず、コンデンサ１２、１３のように偶数個設けることができる。
【００３７】
以上のように構成されるインバータエアコンは、第１のスイッチ手段７、第２のスイッチ手段８のオン・オフの状態に応じて２つの動作モード（モード１、モード２）で動作する。
（１）モード１：制御手段９の指令に基づき、第２のスイッチ手段８は常時オフに制御された状態で、第１のスイッチ手段７がパルス幅制御される。モード１においては電源電圧のおよそ√２倍〜２√２倍の範囲の直流出力電圧が得られる。（２）モード２：制御手段９の指令に基づき、第２のスイッチ手段８は常時オン又はパルス幅制御される状態で、第１のスイッチ手段７はパルス幅制御される。モード２においては倍電圧整流回路ベースの回路構成となるため、電源電圧の２√２倍以上の直流出力電圧まで得ることができる。
【００３８】
第１および第２のスイッチ手段７、８のパルス幅制御は、それらに対して出力される制御パルスのパルス幅を制御することで行なわれる。
【００３９】
ここで、制御パルスは、電源電圧の半周期毎に１つだけ出力される。以下、このような半周期毎に１つのみ出力されるパルスによるスイッチング制御を「１パルス制御」という。
【００４０】
この１パルス制御は、パルス幅制御におけるキャリア周期を電源電圧の半周期に設定した場合の制御と同等である。１パルス制御では電源周波数の２倍の１００Ｈｚ又は１２０Ｈｚといった低速スイッチング動作を基本とする。したがって、アクティブフィルタ方式のように数十ｋＨｚの高速スイッチング動作がなく、発生ノイズが小さい。
【００４１】
そのため、ノイズ対策のための回路を簡略化でき、スペースや、コストを削減できるという利点がある。
【００４２】
また、本発明では、モード１、モード２いずれの動作モードにあっても、第２のスイッチ手段８は、オン固定またはオフ固定のいずれかに制御されており、モード切換時を除いて基本的にスイッチング動作を必要としない。したがって、第２のスイッチ手段８にはリレー等の比較的低速なスイッチ素子を用いることが可能である。
【００４３】
図２を用いてインバータエアコンの各動作モードでの動作を説明する。
図２（ａ）は各スイッチの状態に対応した直流出力電圧の変化を示し、図２（ｂ）は第１のスイッチ手段７のデューティ比の変化の様子を、図２（ｃ）は第２のスイッチ手段８のオン・オフ状態を示している。図２に示すように、モード１においては、第２のスイッチ手段８が常時オフの状態で、第１のスイッチ手段７が要求される直流出力電圧に応じてパルス幅制御される。
【００４４】
すなわち、モード１において、より高い直流出力電圧を得たいときは第１のスイッチ手段７の制御パルスのパルス幅をより大きくしていく。その際、第１のスイッチ手段７に対するデューティ比が所定値（図２の場合１００％）に達し（このとき、電源周波数の半周期中第１のスイッチ手段７がオンに制御される）、さらに、それ以上の直流出力電圧が要求される場合、第１のスイッチ手段７のパルス幅をそれ以上に制御することができないため、動作モードをモード１からモード２に切り換える。
【００４５】
モード１からモード２への切換の前後では、第１のスイッチ手段７のデューティ比が１００％から０％に切換えられ、第２のスイッチ手段８がオフからオンに切換えられる。このとき、切換前後の回路はいずれも倍電圧整流回路そのものであることから、切換前後における直流出力電圧の変動は生じない。
【００４６】
さらに、モード２では、第２のスイッチ手段８は常時オンに制御され、第１のスイッチ手段７は直流出力電圧に応じてパルス幅制御される。モード２においては倍電圧整流回路ベースの回路構成となるため、モード１の場合に比しておよそ２倍の直流出力電圧が得られる。モード２において直流出力電圧を低下させていく場合は、第１のスイッチ手段７のデューティ比が所定値に達したときに、第２のスイッチ手段８をオンからオフに切換え、第１のスイッチ手段７のデューティ比を０％から１００％にすることによりモード２からモード１への切換えを行なう。
【００４７】
図３は、本実施形態のインバータエアコンのモード１における、第１および第２のスイッチ手段７、８に対する制御パルス、電源電圧、入力電流、直流出力電圧（平滑コンデンサ６の両端電圧）、コンデンサ４、５の接続点の電圧の各々の波形を示した図である。同図に示すように、第１のスイッチ手段７の制御パルスは電源電圧のゼロクロス位置において出力され、電源電圧の半周期毎に１つだけ出力されている。
【００４８】
図に示すように、この制御パルスによって、入力電流は、電源電圧がコンデンサ４、５の中点電圧以上になった時点から流れ始める。つまり、期間Ａの間、余分に入力電流を導通させることが可能となり、このように電流導通期間を拡張できることから力率を改善できる。さらに、入力電流の波形を電源電圧の波形に近づけることができるため高周波規制をクリアすることができる。
【００４９】
図２で制御パルスがある程度大きくなるまで出力電圧が上昇していないが、これは、制御パルスが小さい区間では電源電圧が小さく、入力電流が流れないためである。
【００５０】
なお、モード切換時においては、第２のスイッチ手段８は電源電圧のゼロクロスの位置でオン／オフが切換えられるのが好ましい。
【００５１】
図４は、本実施形態のインバータエアコンのモード２における、第１および第２のスイッチ手段７、８に対する制御パルス、電源電圧及び入力電流の波形を示した図である。同図においては、第１のスイッチ手段７の制御パルスは電源電圧のゼロクロス位置から△ｄだけ遅延された後に出力されている。
【００５２】
△ｄは高調波規制をクリア可能な値に設定する必要がある。△ｄは、負荷出力が小さくなるほど大きい値とした方が高調波規制をクリヤしやすいが必ずしも必要ではないので、△ｄ＝０としてもよい（すなわち、第１のスイッチ手段７の制御パルスをゼロクロスのタイミングで出力するようにしてもよい）。
【００５３】
モード１では、制御パルスがオンとなっても、電源電圧がコンデンサ４、５の中点電圧以上となる時点以降でないと入力電力が流れ始めなかったのに対し、モード２では第１のスイッチ手段７の制御パルスがオンになると同時に入力電流が流れ始めている。
【００５４】
以上のように、第１のスイッチ手段７をオンすることによってパルス幅の期間△ｔの間、余分に入力電流を導通させることが可能となるため、モード１の場合と同様に電流導通期間を拡張でき、力率を改善できる。さらに、入力電流の波形を電源電圧の波形に近づけることができ、高周波規制をクリアすることができる。
【００５５】
図５はモード切換時の電源電圧及び入力電流の変化を説明した図である。
同図に示すように、モード切換の直前、直後においてほとんど同じ電流波形が得られている。これにより、モード切換時において電流波形の変化がなく、出力電圧範囲内で直流出力電圧を滑らかに変更できる。すなわち、目標出力電圧の変更時における電圧の急変を抑制できる。
【００５６】
以上のように、前記コンバータの直流出力電圧を低電圧に制御した時には圧縮機の高効率運転が可能となり、エアコンの効率が上昇する。また、直流出力電圧を高電圧に制御した時には圧縮機の最高回転数の上昇が可能となり、エアコンの最大能力が上昇する。また、エアコンの最大入力電力は一般的に
最大入力電力＝入力電圧×最大入力電流×力率
で表される。入力電圧は固定であり、最大入力電流はコンセントの最大容量で制限されるため、力率を向上させることにより最大入力電力が上昇する。その結果として、エアコンの最大能力を向上させることができる。また、モード切換時の電源電圧の急変を抑制できるため、エアコンを安定して運転することが可能となる。
【００５７】
（実施の形態２）
図６は図１に出力電圧検出手段１５を追加し、その出力に基づき前記制御手段９が前記第１のスイッチ手段７のオン期間Δｔを設定するものである。圧縮機の回転数制御の安定性は出力電圧の変動に大きな影響を受ける。従って上記構成において出力電圧検出手段１５は出力電圧を検出し、前記制御手段９に伝達する。そして前記制御手段９はあらかじめ定められた出力電圧になるように前記Δｔを設定する。そして圧縮機の速度制御手段はインバ−タへの通流率を可変することにより圧縮機の回転数を制御する。
【００５８】
以上の動作により、負荷変動・電源電圧変動の有無にかかわらず出力電圧を一定にすることができ、安定した圧縮機回転数制御が可能となる。
【００５９】
（実施の形態３）
図７は図１に負荷検出手段１６と、制御手段９の内部に電源電圧のゼロクロスから前記第１のスイッチ手段７がＯＮとなるまでの遅延時間ΔｄおよびΔｔを記憶する記憶手段９ａを追加したものである。
【００６０】
以上の構成において、記憶手段９ａには、負荷の大きさに応じて最適なΔｄ、Δｔの値をあらかじめ求めたテーブルを記憶させておき、負荷検出手段１６の出力を受けて、負荷の大きさに応じたΔｄ、Δｔをテーブルから読み出し、それらに基づき前記第１のスイッチ手段７を駆動するものである。
【００６１】
以上の動作により、あらゆる負荷に対して最適な力率と出力電圧値、および高調波抑制効果が得られることとなる。
【００６２】
（実施の形態４）
図７の構成において、制御手段９は負荷検出手段１６の出力を受けて、前記出力があらかじめ定められた大きさに達した場合、ΔｔもしくはΔｄを増減することにより、前記出力がより小さくなる組み合わせを選択し、それに基づき前記第１のスイッチ手段７を駆動するものである。
【００６３】
以上の動作により、特に高負荷時に最適な力率を得ることができ、電源容量を有効利用することができ、エアコンの最大能力を向上することができる。
【００６４】
（実施の形態５）
図８は図１に圧縮機回転数検出手段１７と、前記制御手段９の内部にΔｄおよびΔｔを記憶する記憶手段９ａを追加したものである。以上の構成において、記憶手段９ａには、圧縮機１１の回転数に応じて最適なΔｄ、Δｔの値をあらかじめ求めたテーブルを記憶させておき、圧縮機回転数検出手段１７の出力を受けて、回転数に応じたΔｄ、Δｔをテーブルから読み出し、それらに基づき前記第１のスイッチ手段７を駆動するものである。
【００６５】
以上の動作により、あらゆる回転数に対して最適な力率と出力電圧値、および高調波抑制効果が得られることとなる。
【００６６】
（実施の形態６）
図９は図１に出力電圧検出手段１５と、圧縮機回転数検出手段１７を追加したものである。また図１０は以上の構成において、圧縮機１１の回転数に応じて制御手段９がΔｔを設定し前記第１のスイッチ手段７を駆動して、出力電圧を所定値に制御しながら、インバ−タへの通流率を可変することにより圧縮機１１の回転数を制御する第一の領域と、インバ−タへの通流率を固定し出力電圧を可変することにより圧縮機１１の回転数を制御する第二の領域と、出力電圧とインバ−タへの通流率を共に可変して圧縮機１１の回転数を制御する第三の領域とを備えた場合の出力電圧とインバ−タへの通流率および圧縮機回転数の関係を示したものである。
【００６７】
上記構成において第一の領域では出力電圧検出手段１５はコンバ−タの直流出力電圧を検出し、制御手段９に伝達する。そして制御手段９はあらかじめ定められた出力電圧になるようにΔｔを設定し第１のスイッチ手段７を駆動する。また第二の領域では圧縮機回転数検出手段１７は圧縮機１１の回転数を検出し、制御手段９に伝達する。
【００６８】
そして制御手段９は圧縮機１１が所定の回転数になるようにΔｔを設定し、第１のスイッチ手段７を駆動する。
【００６９】
第三の領域では、圧縮機回転数検出手段１７は圧縮機１１の回転数を検出し、制御手段９に伝達する。そして制御手段９は圧縮機１１が所定の回転数になるようにΔｔを設定し、第１のスイッチ手段７を駆動するとともに、インバ−タ制御におけるインバ−タへの通流率をΔｔの増減に併せて増減させる。
【００７０】
以上の様に△ｔを設定し、第１のスイッチ手段７を制御することにより、第一の領域では負荷変動、出力電圧変動の有無にかかわらず出力電圧を一定にすることができ、安定した圧縮機回転数制御が可能となる。また、各回転数においてコンバ−タおよびインバ−タのト−タル効率が最適となるような出力電圧をあらかじめ定めておくことにより、エアコンの高効率化が実現できる。
【００７１】
第二の領域では、インバ−タへの通流率が１００％の状態で圧縮機１１の回転数制御を行うことができるため、インバ−タのスイッチング素子の損失が減少し、高効率化を図ることができるとともに、出力電圧を上昇させることにより回転数を増加することができるため、圧縮機１１の最高回転数が上昇し、エアコンの最大能力が上昇する。
【００７２】
第三の領域では、インバ−タへの通流率と出力電圧を共に上昇させることにより、インバ−タへの通流率のみで圧縮機１１の回転数を制御する領域と、出力電圧のみで圧縮機１１の回転数を制御する領域の端境期を設けることで、領域間の移行時にも、圧縮機１１の回転数をスム−ズに変化させることができる。
【００７３】
（実施の形態７）
図１１は図９の構成において、出力電圧が常に一定となるよう制御手段９がΔｔを０≦Δｔ≦ｔ１において設定し、インバ−タへの通流率を可変することにより圧縮機１１の回転数を制御する第一の領域と、Δｔをｔ１に固定し、インバ−タへの通流率を可変することにより圧縮機１１の回転数を制御する第二の領域とを備えた場合のΔｔと出力電圧およびインバ−タへの通流率の関係を示したものである。
【００７４】
上記構成において出力電圧検出手段１５はコンバ−タの直流出力電圧を検出し、制御手段９に伝達する。そして制御手段９は出力電圧があらかじめ定められた所定値になるように０≦Δｔ≦ｔ１の範囲でΔｔを設定する。
【００７５】
第一の領域では、コンバ−タの出力電圧はあらかじめ定められた所定値に制御され、インバ−タへの通流率を可変することにより圧縮機１１の回転数を制御する。負荷が上昇していく場合、Δｔを増加させることによってコンバ−タの直流出力電圧を所定値に制御するため、ある負荷ではΔｔ＝ｔ１に到達し、第二の領域に移行する。
【００７６】
第二の領域では、コンバ−タの出力電圧はあらかじめ定められた所定値よりも低い電圧であるが、それにかかわらず制御手段９はΔｔ＝ｔ１に固定し、インバ−タへの通流率を可変することにより圧縮機１１の回転数を制御する。Δｔをｔ１に固定した状態で負荷が下降することによりコンバ−タの出力電圧が上昇し、あらかじめ定められた所定値に到達すると、第二の領域から第一の領域に移行する。
【００７７】
上記構成により、Δｔの上限値を定めることにより、高調波電流を適切に抑制しながら、出力電圧が必要以上に上昇するのを防止することができる。
【００７８】
また、第１のスイッチ手段７の最大容量はΔｔの最大値に依存するため、Δｔの上限値を定めることにより、第１のスイッチ手段７の最大容量を制限することができ、素子の小型化・コストダウンが可能となる。さらに、Δｔを固定した領域では、インバ−タへの通流率のみで圧縮機の回転数を制御できるため、圧縮機の回転数制御が簡略化できる。
【００７９】
（実施の形態８）
図６の構成において、制御手段９はあらかじめ定められた出力電圧になるようにΔｔを設定し、インバ−タへの通流率を増減することにより圧縮機の回転数を制御する。この場合の、圧縮機の回転数を制御するインバ−タへの通流率の増減速度と、コンバ−タの直流出力電圧を制御するΔｔの増減速度が圧縮機の回転数に及ぼす影響について説明する。
【００８０】
例えばインバ−タへの通流率を増加させて圧縮機の回転数を上昇させた時、同時に負荷が上昇するため、出力電圧が減少する。そこで、制御手段９は、あらかじめ定められた出力電圧になるようΔｔを増加させて、出力電圧を上昇させる。
【００８１】
この際、インバ−タへの通流率の増減速度が遅いと、出力電圧の上昇に対してインバ−タへの通流率の減少が間に合わず、圧縮機の回転数がさらに上昇し、定められた回転数を超えてしまう場合が生じ、安定した回転数制御が困難となるという様に、コンバ−タの直流出力電圧制御とインバ−タの圧縮機回転数制御が互いに干渉しあう可能性がある。そこで、インバ−タの通流率の増減速度を、Δｔの増減による直流出力電圧の上昇・下降速度を充分上回る速度に設定することにより、圧縮機の回転数は直流出力電圧の変化に極めて短時間で対応することが可能となり、安定した回転数制御が可能となる。
【００８２】
（実施の形態９）
図１２は図７の構成において、入力電流値が所定値以下であればΔｔ＝０、所定値を超えていればΔｔ＞０とした場合の入力電流とΔｔの関係を示したものである。負荷が小さい場合、Δｔ＝０とすることにより、直流出力電圧が必要以上に上昇する可能性がある。
【００８３】
以上の構成において、制御手段９は負荷検出手段１６から伝達された入力電流が所定値以下であればΔｔ＝０を選択し、所定値を超えていればΔｔ＞０を選択することにより、直流出力電圧の異常な上昇を防止することができる。
【００８４】
（実施例１０）
図１３は図８の構成において、圧縮機の回転数が所定値以下であればΔｔ＝０、所定値を超えていればΔｔ＞０とした場合の圧縮機の回転数とΔｔの回転数の関係を示したものである。
【００８５】
以上の構成において、制御手段９は圧縮機回転数検出手段１７から伝達された回転数が所定値以下であればΔｔ＝０を選択し、所定値を超えていればΔｔ＞０を選択することにより、直流出力電圧の異常な上昇を防止することができる。
【００８６】
（実施の形態１１）
図１４は図７に電源周波数検出手段１４ａを追加し、その出力に基づき制御手段９がΔｄを設定するものである。前記Δｄは特定の負荷変動範囲においては、負荷に応じて細かな調整をせず一定値としても適切な力率と高調波抑制効果が得られる。一方、電源周波数に対しては５０Ｈｚ、６０Ｈｚに応じてそれぞれ適切な値に切り換える必要がある。
【００８７】
従って上記構成において電源周波数検出手段１４ａは電源周波数を検出し、制御手段９に伝達する。そして制御手段９は電源周波数に応じてあらかじめ定められたΔｄを設定し、それに基づいて第１のスイッチ手段７を駆動する。
【００８８】
以上の動作により、特定の負荷領域においてΔｄを一定値とすることができ、制御を簡単にすることができ、かつ電源周波数のいかんにかかわらず適切な力率と出力電圧値、および高調波抑制効果が得られることとなる。
【００８９】
なお、本願の上記各実施の形態では、インバータエアコンの圧縮機について説明したが、他の電動機、例えば、送風装置の電動機であっても技術的に同様であり、何ら支障はない。
【００９０】
【発明の効果】
以上のように本発明のインバ−タエアコンによれば、コンバ−タの整流回路の直流出力端に接続された複数個のコンデンサ間の接続点と整流回路の交流入力端子との間にそれぞれ第１および第２のスイッチ手段を設け、第１および第２のスイッチ手段を適切に駆動し、圧縮機の回転数制御方式を適切に切り替えることにより高力率と高調波抑制とを両立させることができ、かつエアコンの最大能力および効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るインバ−タエアコンの構成図
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るコンバ−タの動作を説明する図
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る電源電圧、入力電流、出力電圧、コンデンサの中点電位および第１および第２のスイッチ手段７、８のＯＮ／ＯＦＦを示す図
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る電源電圧、入力電流、および第１および第２のスイッチ手段７、８のＯＮ／ＯＦＦを示す図
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る動作モードの切り替え時における電源電圧、入力電流、出力電圧および第１および第２のスイッチ手段７、８のＯＮ／ＯＦＦを示す図
【図６】本発明の第２の実施の形態に係るインバ−タエアコンの構成図
【図７】本発明の第３および第４の実施の形態に係るインバ−タエアコンの構成図
【図８】本発明の第５の実施の形態に係るインバ−タエアコンの構成図
【図９】本発明の第６の実施の形態に係るインバ−タエアコンの構成図
【図１０】本発明の第６の実施の形態に係る圧縮機回転数制御を説明する図
【図１１】本発明の第７の実施の形態に係る圧縮機回転数制御を説明する図
【図１２】本発明の第９の実施の形態に係る入力電流とΔｔの関係を説明する図インバ−タエアコンの構成図
【図１３】本発明の第１０の実施の形態に係る回転数とΔｔの関係を説明する図
【図１４】本発明の第１１の実施の形態に係るインバ−タエアコンの構成図
【図１５】従来のインバ−タエアコンにおけるコンバ−タの一例に係る回路図
【図１６】従来のインバ−タエアコンにおける圧縮機回転数制御を説明する図
【符号の説明】
１　交流電源
２　整流回路
３　リアクタ
４、５　コンデンサ
６　平滑コンデンサ
７、８　第１および第２のスイッチ手段
９　制御手段
１０　インバータ
１１　圧縮機
１２、１３　コンデンサ
１４　電源位相検出手段
１５　出力電圧検出手段
１６　負荷検出手段
１７　圧縮機回転数検出手段
９ａ　記憶手段
１４ａ　電源周波数検出手段

Claims (19)

1. ２つの入力端と２つの出力端とを有し前記入力端の一方にリアクトルを介して交流電源に接続されて交流電源電圧を直流電圧に変換する整流回路と、直列に接続された複数のコンデンサからなり前記整流回路の２つの出力端間に接続されたコンデンサ回路と、前記整流回路の一方の入力端と前記コンデンサ回路内のコンデンサ間の一つの接続点との間に接続された第１のスイッチ手段と、整流回路の他方の入力端と前記コンデンサ回路内のコンデンサ間の前記接続点との間に接続された第２のスイッチ手段を備えたコンバ−タと、前記交流電源の位相を検出する電源位相検出手段と、前記電源位相検出手段の信号に基づき前記第１及び第２のスイッチ手段を制御する制御手段と、前記コンバ−タの直流出力電圧を交流電圧に変換する逆変換部および逆変換部への通流率を変更することにより逆変換部出力周波数または逆変換部出力電圧を制御する回転数制御手段とからなるインバータと、このインバ−タにより駆動される電動機を搭載したインバータエアコン。
2. 制御手段は第１の動作モードと第２の動作モードからなり、前記第１の動作モードは第１のスイッチ手段を電源電圧の半周期において電源電圧のゼロクロスのΔｄ（０≦ｄ）後からオン期間△ｔ（０≦ｔ）の間だけ連続的にオンに制御しかつ第２のスイッチ手段を常時オフに制御し、第２の動作モードは前記第１のスイッチ手段を電源電圧の半周期において電源電圧のゼロクロスのΔｄ（０≦ｄ）後からオン期間△ｔ（０≦ｔ）の間だけ連続的にオンに制御しかつ第２のスイッチ手段を常時オンに制御し、交流電源から流入する入力電流の高調波とコンバ−タの直流出力電圧を制御することを特徴とした請求項１に記載のインバータエアコン。
3. コンバ−タの直流出力電圧を検出するコンバータ出力電圧検出手段を備え、かつ制御手段にあらかじめ一定の目標出力電圧を記憶させた記憶手段を有し、コンバータ出力電圧が目標電圧以下であれば△ｔを増加し、コンバータ出力電圧が目標電圧を超えていれば△ｔを減少することで、コンバータ出力電圧が常に目標電圧の近傍に近づくように△ｔを制御する請求項２に記載のインバータエアコン。
4. コンバータの入力電流を検出する負荷検出手段を設け、かつ制御手段にあらかじめ入力電流に応じたΔｄとΔｔの組み合わせを記憶させた記憶手段を有し、前記負荷検出手段の出力に基づき前記記憶手段から入力電流に応じたΔｄとΔｔの組み合わせを選択する請求項２に記載のインバータエアコン。
5. コンバータの入力電流を検出する負荷検出手段を設け、負荷検出手段の出力が一定値に達した時、入力電流がより小さくなるようにΔｄとΔｔの組み合わせを選択する請求項２に記載のインバ−タエアコン。
6. 電動機回転数を検出する電動機回転数検出手段を設け、かつ制御手段の内部にあらかじめ前記電動機回転数に応じたΔｄとΔｔの組み合わせを記憶する記憶手段を有し、前記電動機回転数検出手段の出力に基づき前記記憶手段から回転数に応じたΔｄとΔｔの組み合わせを選択する請求項２に記載のインバータエアコン。
7. 制御手段の内部にあらかじめ電動機指令回転数に応じたΔｄとΔｔの組み合わせを記憶する記憶手段を有し、電動機指令回転数に基づいてΔｄとΔｔの組み合わせを選択する請求項２に記載のインバータエアコン。
8. コンバータの入力電流を検出する負荷検出手段を備え、かつ制御手段の内部にあらかじめ電動機の回転数または電動機の指令回転数または負荷検出手段の出力の少なくとも１つに応じたコンバータの目標出力電圧を記憶させた記憶手段を有し、出力電圧検出手段の出力に基づき前記記憶手段に記憶された目標出力電圧に近づくようにΔｔを選択し、かつ電動機の回転数制御手段がインバータ部への通流率を可変することによって圧縮機の回転数を制御する第一の領域と、前記インバータ部への通流率を固定し、かつ前記制御手段が電動機回転数検出手段の出力に基づきΔｔを増減することによりコンバータ出力電圧を可変して電動機の回転数を制御する第二の領域と、前記制御手段におけるΔｔと逆変換部への通流率を同時に可変することにより電動機の回転数を制御する第三の領域を有する請求項２に記載のインバ−タエアコン。
9. 制御手段はコンバータ出力電圧が記憶手段にあらかじめ定められた所定値になるようにΔｔを０≦Δｔ≦ｔ１の範囲で選択し、かつインバータ部への通流率を可変することによって電動機の回転数を制御する第一の領域と、Δｔをｔ１に固定して、インバータ部への通流率を可変することによって電動機の回転数を可変する第二の領域を有する、請求項２に記載のインバ−タエアコン。
10. 電動機回転数制御手段におけるインバータ部への通流率の増減速度が、制御手段におけるΔｔの増減速度を常に上回る請求項２に記載のインバ−タエアコン。
11. Δｔの増減速度と逆変換部への通流率の変更速度の少なくとも一方を、電動機の回転数または電動機の指令回転数または負荷検出手段の出力の少なくとも１つに応じて変更する、請求項１０に記載のインバ−タエアコン。
12. 入力電流を検出する負荷手段を備え、入力電流が所定値を超えていればΔｔ＞０の状態、所定値以下であればΔｔ＝０の状態とする請求項２〜請求項１１に記載のインバータエアコン。
13. 入力電流の所定値が冷房運転時と暖房運転時で異なる請求項１２に記載のインバータエアコン。
14. 電動機の回転数を検出する回転数検出手段を備え、電動機の回転数が所定値を超えていればΔｔ＞０、所定値以下であればΔｔ＝０とする、請求項２〜請求項１１に記載のインバータエアコン。
15. 電動機回転数の所定値が冷房運転時と暖房運転時で異なる、請求項１４に記載のインバータエアコン。
16. 電動機の指令回転数が所定値を越えていればΔｔ＞０の状態、所定値以下であればΔｔ＝０とする、請求項２〜請求項１１に記載のインバータエアコン。
17. 電動機の指令回転数の所定値が冷房運転時と暖房運転時で異なる、請求項１６に記載のインバータエアコン。
18. 電源周波数を検出する電源周波数検出手段を備え、かつ制御手段の内部にあらかじめ電動機回転数に応じたΔｄを記憶する記憶手段を有し、前記電源周波数検出手段の出力に基づき電源周波数に応じたΔｄを選択する請求項２〜請求項１７に記載のインバータエアコン。
19. 制御手段は、Δｔが所定値より大きくなったときに、第１及び第２のスイッチ手段を制御するために用いる動作モードを第１の動作モードから第２の動作モードへ切換え、Δｔが所定値より小さくなったときに、第１及び第２のスイッチ手段を制御するために用いる動作モードを第２の動作モードから第１の動作モードへ切換えることを特徴とする請求項２〜請求項１８記載のインバータエアコン。

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