JP2005245167A

JP2005245167A - 直流電源装置

Info

Publication number: JP2005245167A
Application number: JP2004054103A
Authority: JP
Inventors: Yukihisa Ninomiya; 恭久二宮
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】交流電圧の変動に拘らず、直流電圧を最適な電圧に調整するとともに、力率の向上を実現すること。
【解決手段】リアクタ７を介して交流電源１を短絡する双方向スイッチ１０と、負荷に印加した直流電圧と目標電圧を比較し、直流電圧が目標電圧に近づくように双方向スイッチの開閉時間を選択する開閉時間選択手段ａと、負荷量に応じた双方向スイッチの開閉時間を記憶する開閉時間記憶手段１８と、開閉時間記憶手段１８で記憶された閉時間を、電源半周期に２回以上の開閉のうち何回目に適用するかを選択する開閉時間選択手段ｂ１９を備え、前記双方向スイッチの電源半周期に２回以上の開閉のうち、少なくとも１回は閉時間選択手段ａで調整された閉時間とし、少なくとも１回は閉時間選択手段ｂで選択された閉時間とすることにより、交流電圧の変動に拘らず、直流電圧を目標値に近づけながら力率を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は空気調和機等に使用される直流電源装置において、特に力率の向上と直流電圧の昇圧を必要とされる直流電源装置に関するものである。

従来、直流電源装置の力率向上と直流電圧の昇圧を同時に達成する手段としては、交流電源を、リアクトルを経由して高周波で短絡する昇圧チョッパ方式が広く知られている。昇圧チョッパ方式では電源力率の向上と高調波電流の抑制とともに、直流電圧を増減させる事により、特に空気調和機の圧縮機モ−タのような運転範囲の広い負荷に対して、運転範囲の拡大とモ−タ効率の最適化が可能である。また、短絡回数を交流電源の半周期に数回に低減する方式も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図７は、特許文献１に記載された従来の直流電源装置を示すものである。図７に示すように、交流電源１と、整流手段６と、リアクタ７と、逆流防止ダイオ−ド２４と、平滑コンデンサ２５と、負荷１１と、ゼロクロス検出手段１２と、リアクタ７を経由して交流電源を短絡する双方向スイッチ１０と、負荷量検出手段１５と、双方向スイッチ１０の開閉を制御する双方向スイッチ制御手段１３と、開閉時間選択手段２６と、開閉時間記憶手段１８から構成され、開閉時間選択手段２６は、負荷量に対応した双方向スイッチ１０の開閉時間を開閉時間記憶手段１８から選択し、双方向スイッチ制御手段１３に伝達し、双方向スイッチ制御手段１３は交流電圧のゼロクロスに同期して、電源の半周期に２回以上、双方向スイッチ１０を制御する方式である。
特開２０００−１２５５４５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、高周波の昇圧チョッパ方式は、高周波スイッチングに伴う発生ノイズの増大や、スイッチング素子の損失が増大することによるシステム効率の低下、制御の複雑性によるコストアップといった課題を有していた。

また、特許文献１に記載の方式は昇圧チョッパ方式に比べてスイッチング回数を低減しながら力率改善を実現したものであるが、双方向スイッチ１０の開閉時間は、あらかじめ記憶手段１８に記憶された、負荷に対応した開閉時間に限られるため、例えば交流電圧の変動や低下などによる直流電圧の低下、それに伴う圧縮機モ−タ回転数の低下への対応が困難であるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電源力率の改善と、圧縮機モ−タに代表される負荷の運転範囲拡大ならびに高効率化を両立する直流電源装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために本発明の直流電源装置は、交流電源と、前記交流電源を整流する整流回路と、前記交流電源と前記整流回路の入力端の間に接続されたリアクタと、互いに直列接続され、前記整流回路の出力端に並列に接続され、直列接続の接続点は前記整流回路の片側の入力端に接続された倍電圧昇圧用コンデンサと、前記倍電圧昇圧用コンデンサおよび前記整流回路の出力端に並列接続された負荷と、負荷に印加される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、交流電源のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と、前記リアクタを介して交流電源を短絡する双方向スイッチと、ゼロクロス検出手段
で検出されたゼロクロス点に同期して、交流電源の半周期に少なくとも２回、交流電源の電源周期に同期して前記双方向スイッチを開閉する双方向スイッチ制御手段と、負荷量を検出する負荷量検出手段と、負荷量に対応した直流電圧の目標値を記憶する目標電圧記憶手段と、直流電圧検出手段で検出された直流電圧が前記目標電圧に近づくように双方向スイッチの閉時間の少なくとも一つを調整する閉時間選択手段ａと、検出した負荷量に対応した前記双方向スイッチの閉時間を記憶する閉時間記憶手段と、前記閉時間記憶手段で記憶された閉時間を、電源半周期に２回以上の開閉のうち何回目に適用するかを選択する閉時間選択手段ｂを備え、前記双方向スイッチの電源半周期に２回以上の開閉のうち、少なくとも１回は前記閉時間選択手段ａで調整された閉時間であり、少なくとも１回は前記閉時間選択手段ｂで選択された閉時間としたものである。

これによって、交流電源の電圧低下等に拘らず、負荷に対して最適の直流電圧を供給でき、空気調和機の圧縮機が負荷である場合は、最高回転数の低下を防ぐことができる。

本発明の直流電源装置は、高力率を維持しながら直流電圧の最適化を実現することができる。

第１の発明は交流電源と、前記交流電源を整流する整流回路と、前記交流電源と前記整流回路の入力端の間に接続されたリアクタと、互いに直列接続され、前記整流回路の出力端に並列に接続され、直列接続の接続点は前記整流回路の片側の入力端に接続された倍電圧昇圧用コンデンサと、前記倍電圧昇圧用コンデンサおよび前記整流回路の出力端に並列接続された負荷と、負荷に印加される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、交流電源のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と、前記リアクタを介して交流電源を短絡する双方向スイッチと、ゼロクロス検出手段で検出されたゼロクロス点に同期して、交流電源の半周期に少なくとも２回、交流電源の電源周期に同期して前記双方向スイッチを開閉する双方向スイッチ制御手段と、負荷量を検出する負荷量検出手段と、負荷量に対応した直流電圧の目標値を記憶する目標電圧記憶手段と、直流電圧検出手段で検出された直流電圧が前記目標電圧に近づくように双方向スイッチの閉時間の少なくとも一つを調整する閉時間選択手段ａと、検出した負荷量に対応した前記双方向スイッチの閉時間を記憶する閉時間記憶手段と、前記閉時間記憶手段で記憶された閉時間を、電源半周期に２回以上の開閉のうち何回目に適用するかを選択する閉時間選択手段ｂを備え、前記双方向スイッチの電源半周期に２回以上の開閉のうち、少なくとも１回は前記閉時間選択手段ａで調整された閉時間であり、少なくとも１回は前記閉時間選択手段ｂで選択された閉時間とすることにより、閉時間選択手段ａで調整された双方向スイッチの開閉により、交流電圧の増減にかかわらず直流電圧を目標値に近づけながら、閉時間選択手段ｂで選択された双方向スイッチの開閉により力率を向上させる事ができる。本発明は、いわゆる倍電圧整流回路をベースとして双方向スイッチにより交流電源を短絡しているが、異なる電源方式においても前記閉時間選択手段ａと閉時間選択手段ｂを設けることにより同様の効果が得られる事はいうまでもない。

第２の発明は、特に、第１の発明の直流電源装置に対して、直流電圧が一定値を超えると前記双方向スイッチ制御手段の制御状態に拘らず、双方向スイッチを強制的に開状態に固定して直流電圧の昇圧を抑制する過電圧保護手段を備えることにより、双方向スイッチ制御手段の異常等が発生した場合においても直流電圧の異常な上昇を抑制することができ、直流電圧が印加される部品の破壊を防ぐことができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の直流電源装置に対して、負荷はインバ−タおよびインバ−タに接続された直流モ−タであり、負荷量検出手段は前記直流モ−タの
負荷を検出することにより、交流電圧の変動に拘らず、直流電圧を負荷である直流モータの効率が最適となる電圧に維持しながら電源力率の向上を実現することができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の直流電源装置を空気調和機の圧縮機の直流電源装置として使用し、開閉時間選択手段ｂは、負荷量に加えて室外温度、圧縮機温度、冷媒の吐出温度の情報に基づいて双方向スイッチの開閉時間を選択することで、圧縮機モ−タの負荷および動作環境に対して最適な直流電圧の供給と、電源力率の向上を両立することができる。

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。

（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直流電源装置のブロック図を示すものである。

図１において、従来の構成と同一の構成要素に対しては同一の符号を付与して説明を省略する。開閉時間選択手段ａ１７は、直流電圧検出手段１４で検出された直流電圧と、目標電圧記憶手段１６に記憶された目標電圧を比較して、直流電圧の検出値が目標電圧に近づくように双方向スイッチ１０の開閉時間を調整して双方向スイッチ制御手段１３に伝え、双方向スイッチ制御手段１３は、伝えられた開閉時間にしたがって、ゼロクロス検出手段１２で検出されたゼロクロス点に同期して、双方向スイッチ１０の開閉動作を行なうものである。また、開閉時間選択手段ｂ１９は、負荷量検出手段１５で検出された負荷量に対応した双方向スイッチ１０の開閉時間を、開閉時間記憶手段１８に記憶された開閉時間から選択し、双方向スイッチ制御手段１３に伝え、双方向スイッチ制御手段１３は伝えられた開閉時間にしたがって双方向スイッチ１０の開閉動作を行なうものである。なお、整流手段６はダイオード２，３，４，５から構成されている。８と９は、互いに直列接続され、整流手段６の出力端に並列に接続され、直列接続の接続点は整流手段６の片側の入力端に接続された倍電圧昇圧用コンデンサである。

以上のような動作を行なうことにより、本実施の形態の直流電源装置は、交流電源１の電圧の変化等にかかわらず、常に負荷１１に印加する直流電圧を目標値に近づけることができ、負荷量に対して最適な直流電圧を供給すると共に、力率の向上を実現する事ができる。

図２および図３において、同一の負荷量で交流電圧が１００Ｖの状態と交流電圧が９０Ｖの状態における、本実施の形態の直流電源装置の動作波形を、双方向スイッチ１０の開閉動作が電源の半周期に２回の場合を例に説明する。

図２は、交流電圧Ｖｉが１００Ｖの場合の本実施の形態の動作波形図である。閉時間ａは、開閉時間選択手段ａ１７で調整された双方向スイッチ１０の閉動作の時間であり、開閉時間選択手段ａ１７は、直流電圧Ｖｄｃを目標電圧に近づけるように閉時間ａを増減させている。ここでは、負荷が安定している状態の動作波形で説明するため、目標電圧と、直流電圧検出手段１４で検出される直流電圧はほぼ同一であるため、直流電圧Ｖｄｃは、目標電圧と、検出される直流電圧を共に示すものとする。また、閉時間ｂは、開閉時間選択手段ｂ１９で選択された双方向スイッチ１０の閉動作の時間であり、負荷量に対応するものである。

図３は、本実施の形態の直流電源装置が、図２の場合と同一の負荷量において、交流電圧Ｖｉが９０Ｖに変化した後、安定動作している状態における動作波形図である。交流電
圧Ｖｉの低下に拘らず負荷量は同一であるため、負荷量に対応した値である目標電圧も図２の場合と同一である。しかしながら、交流電圧が低下したために、直流電圧を図２の状態と同一の電圧に維持するためには、開閉時間選択手段ａ１７は双方向スイッチ１０の閉時間ａを、図２の状態よりも増加させることで、直流電圧を目標電圧に近づけていることが分かる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態における直流電源装置を示すブロック図である。図４において、実施の形態１で使用した図１と同一構成要素には同一の符号を付与して説明を省略する。第一の実施の形態は、双方向スイッチ１０を開閉することによる、直流電圧の昇圧作用を利用して、検出された直流電圧を目標電圧に近づけるものであるが、例えば双方向スイッチ制御手段１３を形成する部品異常が発生した際に、双方向スイッチ１０が必要以上に長時間閉状態を維持し、その結果直流電圧が異常に昇圧され、負荷を形成する部分等の直流電圧が印加される部品の破壊につながり、安全性を損なう危険性を有する。そこで本発明の第２の実施の形態において、過電圧保護手段２０は内部に直流電圧の閾値を記憶し、直流電圧検出手段１４で検出された直流電圧が前記の閾値を超過すると、開閉時間選択手段ａ１７もしくは開閉時間選択手段ｂ１９で選択された閉時間ａ、閉時間ｂに拘らず、双方向スイッチ１０を強制的に開状態に固定して、閾値以上の直流電圧になる事を防止するものである。

以上のような動作を行なうことにより、双方向スイッチ１０の開閉時間の選択もしくは開閉動作の制御に関わるブロックの異常動作等に伴う直流電圧の過剰な上昇を防ぐことができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の第３の実施の形態における直流電源装置を示すブロック図である。図５において、実施の形態１で使用した図１と同一構成要素には同一の符号を付与して説明を省略する。本実施の形態において、負荷はインバ−タ２１およびインバ−タ２１に直結した直流モ−タ２２であり、負荷量検出手段１５はモ−タ２２の負荷を検出するものである。インバ−タ２１で駆動される直流モ−タ２２の一般的な特性として、直流電圧が低い程モ−タ効率が向上する事や、直流電圧が高い程最高回転数が向上する事は良く知られている。本実施の形態３においては、あらかじめ把握している直流モ−タの特性と検出した負荷量に応じて、目標電圧を最適な直流電圧に設定する事により、モ−タ効率の向上と、直流電圧の昇圧による最高回転数の向上を実現することができる。

（実施の形態４）
図６は、本発明の第４の実施の形態における直流電源装置を示すブロック図である。図６において、実施の形態１で使用した図１と同一構成要素には同一の符号を付与して説明を省略する。本実施の形態において、直流電源装置は空気調和機の圧縮機の直流電源装置であり、負荷はインバ−タ２１および圧縮機モ−タ２３である。開閉時間選択手段ｂ１９は、負荷量に加えて室外温度、圧縮機温度、冷媒の吐出温度の情報２１に基づいて双方向スイッチ１０の開閉時間を選択することで、圧縮機モ−タ２３の負荷および動作環境に対して最適な直流電圧の供給と、電源力率の向上を両立することができる。

以上のように、本発明にかかる直流電源装置は、交流電圧の変化に拘らず、負荷に応じた最適な直流電圧の出力と電源力率の向上が可能となるので、洗濯機モ−タ駆動等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における直流電源装置を示すブロック図本発明の実施の形態１における直流電源装置で交流電圧が１００Ｖの場合の動作波形図本発明の実施の形態１における直流電源装置で交流電圧が９０Ｖの場合の動作波形図本発明の実施の形態２における直流電源装置を示すブロック図本発明の実施の形態３における直流電源装置を示すブロック図本発明の実施の形態４における直流電源装置を示すブロック図従来の直流電源装置を示すブロック図

符号の説明

１交流電源
６整流手段
７リアクタ
８倍電圧昇圧用コンデンサａ
９倍電圧昇圧用コンデンサｂ
１０双方向スイッチ
１１負荷
１２ゼロクロス検出手段
１３双方向スイッチ制御手段
１４直流電圧検出手段
１５負荷量検出手段
１６目標電圧記憶手段
１７開閉時間選択手段ａ
１８開閉時間記憶手段
１９開閉時間選択手段ｂ
２０過電圧保護手段
２１インバ−タ
２２モ−タ

Claims

交流電源と、前記交流電源を整流する整流回路と、前記交流電源と前記整流回路の入力端の間に接続されたリアクタと、互いに直列接続され、前記整流回路の出力端に並列に接続され、直列接続の接続点は前記整流回路の片側の入力端に接続された倍電圧昇圧用コンデンサと、前記倍電圧昇圧用コンデンサおよび前記整流回路の出力端に並列接続された負荷と、負荷に印加される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、交流電源のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と、前記リアクタを介して交流電源を短絡する双方向スイッチと、ゼロクロス検出手段で検出されたゼロクロス点に同期して、交流電源の半周期に少なくとも２回、交流電源の電源周期に同期して前記双方向スイッチを開閉する双方向スイッチ制御手段と、負荷量を検出する負荷量検出手段と、負荷量に対応した直流電圧の目標値を記憶する目標電圧記憶手段と、直流電圧検出手段で検出された直流電圧が前記目標電圧に近づくように双方向スイッチの閉時間の少なくとも一つを調整する開閉時間選択手段ａと、検出した負荷量に対応した前記双方向スイッチの開閉時間を記憶する開閉時間記憶手段と、前記開閉時間記憶手段で記憶された開閉時間を、電源半周期に２回以上の開閉のうち何回目に適用するかを選択する開閉時間選択手段ｂを備え、前記双方向スイッチの電源半周期に２回以上の開閉のうち、少なくとも１回は前記開閉時間選択手段ａで調整された閉時間であり、少なくとも１回は前記閉時間選択手段ｂで選択された閉時間である直流電源装置。
直流電圧が一定値を超えると前記双方向スイッチ制御手段の制御状態に拘らず、双方向スイッチを強制的に開状態に固定して直流電圧の昇圧を抑制する過電圧保護手段を備えた請求項１に記載の直流電源装置。
負荷はインバ−タおよびインバ−タに接続された直流モ−タであり、負荷量検出手段は前記直流モ−タの負荷を検出する請求項１乃至２に記載の直流電源装置。
請求項１乃至３のいずれかに記載の直流電源装置を圧縮機の直流電源装置として使用し、開閉時間選択手段ｂは、負荷量に加えて室外温度、圧縮機温度、冷媒の吐出温度の情報に基づいて双方向スイッチの開閉時間を選択することを特徴とする空気調和機。