JP4692704B2 - 力率改善電源回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気調和機のコンプレッサ等の電源として用いる昇圧チョッパ型の力率改善電源回路に係り、特に詳しくは、低コスト化を実現可能とする力率改善電源回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近の空気調和機等の負荷（例えばコンプレッサのモータ）には、一般的には、インバータ制御が採用されている。インバータ制御は、交流電源を直流電源に変換し、変換された直流電圧をインバータ手段で任意の交流電圧に変換し、モータに印加する。
上記交流電源を直流電源に変換する手段としては、一般的なコンデンサ入力型電源回路が用いられ、これにより、交流電源からの入力交流電流波形が歪波となり、高調波電流が発生する。
【０００３】
入力交流電流波形をほぼ正弦波（正弦波状）とするためには、例えば、図３に示すように、昇圧チョッパ型の力率改善回路（アクティブフィルタ）を含む電源回路を備えた力率改善電源回路が例示される。
図３において、力率改善電源回路は、入力交流電源（商用電源）１を全波整流して直流電圧に変換する整流部２と、この直流電圧を所定電圧に昇圧するとともに、入力交流電流波形を正弦波状に制御するためのアクティブフィルタとを備え、昇圧した電圧を負荷４に供給する。
【０００４】
上記アクティブフィルタは、整流部２の正端子側に直列に接続した昇圧チョークコイル３ａと、昇圧チョークコイル３ａに直列に接続した逆阻止ダイオード３ｂと、昇圧チョークコイル３ａと逆阻止ダイオード３ｂの間で整流部２の負端子側に接続したスイッチング素子（ＩＧＢＴ；絶縁ゲート形トランジスタ）３ｃと、出力電圧を平滑化する平滑コンデンサ３ｄとを備え、直流電圧を昇圧チョークコイル３ａを介してスイッチング素子３ｃによってスイッチングし、このスイッチングされている電圧を逆阻止ダイオード３ｂから平滑コンデンサ３ｄに供給して負荷４の電源電圧とする。
【０００５】
上記力率改善電源回路の制御ブロックは、図４に示す形で表すことができる。なお、図中、図３と同一部分および相当する部分には同一符号を付して重複説明する。
力率改善電源回路の動作を図４を参照して説明すると、まず、出力電圧指令値Ｖｓと出力電圧検出値Ｖｏとの電圧偏差（誤差）Ｖｅを電圧エラーアンプ１０で得、電圧偏差Ｖｅと入力電圧（入力電圧検出値）Ｖｉとを乗算器１１で乗算する。
その乗算結果を入力電流指令値とし、入力電流Ｉが入力電圧Ｖｉに比例するように、つまり力率が１となるように、フィードバック制御を行う。
【０００６】
上記フィードバック制御では、入力電流指令値とフィードバックした入力電流（入力電流検出値）Ｉｉとの電流偏差（誤差）Ｉｅを電流エラーアンプ１２で得、電流偏差Ｉｅと所定周期のこぎり波とをＰＷＭコンパレータ１３に入力して矩形波信号（ゲート信号Ｖｇ）を得、ゲート信号Ｖｇによりスイッチング素子３ｃをスイッチングする。
【０００７】
一方、入力電流Ｉｉに加算器１４で負荷電流を加味し、この結果（電流Ｉｉ）を平滑部（１／ｓＣ）１５の平滑コンデンサ３ｄに充電して出力電圧（出力電圧検出値）Ｖｏに変換するとともに、出力電圧Ｖｏを電圧エラーアンプ１０にフィードバックする。
【０００８】
言い替えると、上記アクティブフィルタにおいては、入力電圧Ｖｉ、入力電流Ｉｉおよび出力電圧Ｖｏを用いて、入力交流電流波形が正弦波状になるように、かつ、出力直流電圧が設定値（出力電圧指令値Ｖｓ）になるように、スイッチング素子３ｃを所定にスイッチングする。
【０００９】
このように、入力交流電流波形を正弦波状とすることにより、入力交流電流波形の歪波が小さくなることから、高調波電流を低減することができ、力率の向上を図ることができる。
なお、アクティブフィルタの動作については既に公知であることから、その詳細な説明を省略する。
【００１０】
ところで、上記出力電圧指令値Ｖｓは、例えば、図５に示すように、分圧回路２０によって制御電源電圧を分圧してスイッチング素子２１でチョッピングするとともに、このチョッピングをマイクロコンピュータからの所定デューティ比のＰＷＭ信号によって行い、そのチョッピングされた電圧をＬＰＦ２２に通して得る。
【００１１】
また、上記力率改善電源回路を空気調和機の電源回路としている用いる場合には、出力電圧Ｖｏを可変する必要があるため、空気調和機の制御手段であるマイクロコンピュータが出力電圧指令値Ｖｓを出力するか、もしくは、例えば、図６に示す電圧検出ゲイン回路を用いる。
【００１２】
図６において、出力電圧Ｖｏを分圧回路２３で分圧するとともに、この電圧をスイッチング素子２４でチョッピングし、このチョッピングをマイクロコンピュータからの所定デューティ比のＰＷＭ信号によって行い、チョッピングされた電圧を、ＬＰＦ２５に通してレファレンス電圧による出力電圧指令値Ｖｓと電圧エラーアンプ２６で比較し、電圧偏差Ｖｅを得ればよい。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記力率改善電源回路においては、高価な乗算器１１が必要とされるため、コスト高になってしまうという欠点がある。
また、上記乗算器１１等の演算等を含めて全てソフトウェアで対処すると、電流制御系については高速の処理速度が要求されるため、高速のマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）、つまり高価なＣＰＵを用いなければならない。しかし、空気調和機等の制御手段としての一般的なマイクロコンピュータはそれほど高速でないため、高速のＣＰＵが必要となり、結果、高コストが避けられない。
【００１４】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、高価な乗算器を用いることなく、また、空気調和機等のそれほど高速でないマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）に簡単な回路を付加するだけの構成により、低コスト化を実現することができるようにした力率改善電源回路を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、交流電源を直流電圧に変換し、この直流電圧をチョークコイルを介してスイッチング素子によってスイッチングし、このスイッチングした電圧をダイオードを介して平滑コンデンサに供給し、この平滑コンデンサによって負荷の電源電圧を得る一方、少なくとも入力交流電流波形が正弦波状になるように上記スイッチング素子をスイッチングする力率改善電源回路であって、上記直流電圧（入力電圧）を検出し、この検出入力電圧をＰＷＭチョッピングして当該入力電流指令値を得るとともに、上記力率改善電源回路の入力電流を検出して入力電流と上記入力電流指令値との電流偏差を得、この電流偏差に応じて上記スイッチング素子のスイッチングをする電流制御系を備えていることを特徴としている。
【００１６】
本発明の力率改善電源回路は、上記直流電圧（入力電圧）を検出し、この検出入力電圧をＰＷＭチョッピングして当該入力電流指令値を得るとともに、上記力率改善電源回路の入力電流を検出して入力電流と上記入力電流指令値との電流偏差を得、この電流偏差に応じて上記スイッチング素子のスイッチングをする電流制御系と、上記力率改善電源回路の出力電圧を検出し、この検出出力電圧と当該出力電圧指令値の電圧偏差に応じて上記入力電圧を所定デューティでＰＷＭチョッピング制御する電圧制御系とを備え、上記電流制御系を高速で処理する一方、上記電圧制御系をその電流制御系よりも低速で処理可能としたことを特徴としている。
【００１７】
本発明の力率改善電源回路は、上記直流電圧（入力電圧）を検出する分圧回路と、この検出入力電圧をＰＷＭチョッピングして当該入力電流指令値を得るスイッチング素子、ＬＰＦおよび電流エラーアンプと、上記力率改善電源回路の入力電流を検出するシャント抵抗と、この入力電流と上記入力電流指令値との電流偏差を得、この電流偏差に応じて上記スイッチング素子をスイッチングするＰＷＭコンパレータと、上記力率改善電源回路の出力電圧を検出する分圧回路と、この検出出力電圧と当該出力電圧指令値の電圧偏差に応じて上記入力電圧を所定デューティでＰＷＭチョッピング制御する制御手段とを備えていることを特徴としている。
【００１８】
上記ＰＷＭチョッピング制御あるいは制御手段は、マイクロコンピュータによるソフトウェア処理で行うとよい。
これにより、電流制御系の高速の処理よりも低速のマイクロコンピュータを用いることができる。この場合、例えば、空気調和機の制御手段であるマイクロンピュータでもよく、つまり、空気調和機に当該力率改善電源回路を搭載することが可能になる。
【００１９】
上記力率改善電源回路は、少なくとも空気調和機のコンプレッサに用いられるとよい。
これにより、力率改善電源回路の低コスト化に伴って、空気調和機の低コスト化が図れる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１および図２を参照して詳しく説明する。
なお、図１中、図４と同一部分および相当する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００２１】
図１において、力率改善電源回路は、入力電圧（当該電源電圧全波整流波形の入力電圧検出値）Ｖｉを分圧回路３０で分圧し、この分圧電圧をスイッチング素子３１でＰＷＭチョッピングし、このチョッピングされている電圧をＬＰＦ３２に通して電流指令値を生成し、この電流指令値と入力電流（フィードバック入力電流検出値）Ｉｉとを電流エラーコンパレータ１２に入力してその電流偏差（誤差）Ｉｅを得るとともに、電流偏差Ｉｅと所定周期のこぎり波とをコンパレータ１３で比較してゲート信号Ｖｇを得、ゲート信号Ｖｇによりスイッチング素子３ｃをスイッチングして得られる入力電流Ｉｉを電流エラーアンプ１２にフィードバックし、入力電流Ｉｉに加算器１４で負荷電流を加味し、この結果（電流Ｉｉ）を平滑部（１／ｓＣ）１５の平滑コンデンサ３ｄに充電して出力電圧（出力電圧検出値）Ｖｏを得る一方、出力電圧Ｖｏをマイクロコンピュータ３３に入力し、マイクロコンピュータ３３によって出力電圧Ｖｏと当該出力電圧指令値Ｖｓをもとにしてスイッチング素子３１のＰＷＭチョッピング信号を生成してフィードバックする。
【００２２】
マイクロコンピュータ３３は、入力出力電圧ＶｏをＡ／Ｄ変換ポート３３ａでデジタル値に変換て検出し、この検出出力電圧値と出力電圧指令値部３３ｂから出力電圧指令値Ｖｓとの電圧偏差（誤差）Ｖｅを加算器３３ｃで求め、電圧偏差Ｖｅを所定の比例積分部（ＰＩ）３３ｄに通して当該ＰＷＭチョッピング信号の所定デューティ比を決定し、所定デューティ比のＰＷＭチョッピング信号をＰＷＭ出力ポート３３ｄからスイッチング素子３１に出力する電圧系のフィードバック制御を行う。
【００２３】
このように、高速の処理速度が要求される電流制御系を電流エラーアンプ１２、コンパレータ１３等のハードウェアで構成し、電流制御系に比べて低速の電圧制御系をマイクロコンピュータ３３で実現していることから、乗算器１１を用いずに済む。また、マイクロコンピュータとして高速のＣＰＵを用いずとも、空気調和機の制御手段であるＣＰＵによっても十分適応でき、これにより、力率改善電源回路の低コスト化が図れる。
【００２４】
上記力率改善電源回路を空気調和機に適用する場合には、例えば、図２に示す構成とすればよい。図２おいて、図１および図３と同一部分および相当する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００２５】
この場合、力率改善電源回路の負荷は、インバータ部４０およびモータ（コンプレッサモータ）４１となる。また、入力電圧Ｖｉは分圧回路３０で、出力電圧Ｖｏは分圧回路４２で、入力電流Ｉｉはシャント抵抗４３でそれぞれ検出される。
また、それら検出端子Ａ，Ｃ，Ｄは、図１に示す回路に接続されるとともに、ゲート号Ｖｇは、端子Ｂに入力されればよい。
【００２６】
これにより、上述したように、乗算器を用いずに、簡単な回路構成の電流エラーアンプ１２およびＰＷＭコンパレータ１３等によって高速の処理速度が要求される電流制御系を実現する一方、電圧制御系をそれほど高速でないマイクロコンピュータ３３等で実現することができる。
したがって、空気調和機等の制御手段であるマイクロコンピュータでも十分に対応することが可能である。
【００２７】
また、電流指令値は、マイクロコンピュータ３３によって直接設定することも可能であるため、力率改善電源回路（コンバータ）の起動時の過電流を抑制することができ、特に空気調和機等の家電機器にとっては信頼性の向上が図れる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、以下に述べる効果を奏する。
本発明の力率改善電源回路は、その電流制御系において入力電圧をＰＷＭチョッピングして当該入力電流指令値を得ていることから、高速処理を必要とする電流制御系に乗算器を用いず、簡単な回路を付加するだけで済み、低コスト化を実現することができるという効果がある。
【００２９】
本発明の力率改善電源回路は、その電流制御系において入力電圧をＰＷＭチョッピングして当該入力電流指令値を得ており、その電圧制御系において出力電圧と当該出力電圧指令値の電圧偏差に応じて前記入力電圧を所定デューティでＰＷＭチョッピング制御していることから、上述した効果に加え、電流制御系よりも低速の処理を可能としている電圧制御系に空気調和機等の制御手段であるマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）を用いることができ、空気調和機等をコストアップさせずに済むという効果がある。
【００３０】
本発明の力率改善電源回路は、入力電圧を検出し、この検出入力電圧をＰＷＭチョッピングして当該入力電流指令値を得るとともに、その力率改善電源回路の入力電流を検出し、この入力電流と前記入力電流指令値との電流偏差を得、電流偏差に応じて当該スイッチング素子をスイッチングする電流制御系と、力率改善電源回路の出力電圧を検出し、検出出力電圧と当該出力電圧指令値の電圧偏差に応じて入力電圧を所定デューティでＰＷＭチョッピング制御する電圧制御系とを備えていることから、上述と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態を示し、力率改善電源回路を制御ブロック的に説明するための概略的回路図。
【図２】図１の力率改善電源回路をモータに適用した場合を説明するための概略的回路図。
【図３】従来の力率改善電源回路を説明するための概略的回路図。
【図４】図３に示す力率改善電源回路の制御系を説明するための概略的ブロック線図。
【図５】図３に示す力率改善電源回路に付加する回路を説明するための概略的回路図。
【図６】図３に示す力率改善電源回路に付加する回路を説明するための概略的回路図。
【符号の説明】
３ａ 昇圧チョークコイル
３ｂ 逆阻止ダイオード
３ｃ スイッチング素子（ＩＧＢＴ）
３ｄ 平滑コンデンサ
１２ 電流エラーアンプ
１３ ＰＷＭコンパレータ
３０ 分圧回路（入力電圧検出手段）
３１ スイッチング素子（ＰＷＭチョッピング）
３２ ＬＰＦ
３３ マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）
３３ａ Ａ／Ｄ変換ポート
３３ｂ 出力電圧指令部
３３ｃ 加算手段
３３ｄ ＰＩ（比例積分部）
３３ｅ ＰＷＭ出力ポート
４２ 分圧回路（出力電圧検出手段）
４３ シャント抵抗（入力電流検出手段）
Ｉｅ 電流偏差（誤差）
Ｉｉ 入力電流
Ｖｅ 電圧偏差（誤差）
Ｖｇ ゲート信号
Ｖｉ 入力電圧
Ｖｏ 出力電圧
Ｖｓ 出力電圧指令値

Claims (5)

1. 交流電源を直流電圧に変換し、該直流電圧をチョークコイルを介してスイッチング手段によってスイッチングし、該スイッチングした電圧をダイオードを介して平滑手段に供給し、該平滑手段によって負荷の電源電圧を得る一方、少なくとも入力交流電流波形が正弦波状になるように前記スイッチング素子をスイッチングする力率改善電源回路であって、前記直流電圧（入力電圧）を検出し、該検出入力電圧をＰＷＭチョッピングして当該入力電流指令値を得るとともに、前記力率改善電源回路の入力電流を検出して該入力電流と前記入力電流指令値との電流偏差を得、該電流偏差に応じて前記スイッチング素子のスイッチングをする電流制御系を備えていることを特徴とする力率改善電源回路。
2. 交流電源を直流電圧に変換し、該直流電圧をチョークコイルを介してスイッチング手段によってスイッチングし、該スイッチングした電圧をダイオードを介して平滑手段に供給し、該平滑手段によって負荷の電源電圧を得る一方、少なくとも入力交流電流波形が正弦波状になるように前記スイッチング手段をスイッチングする力率改善電源回路であって、前記直流電圧（入力電圧）を検出し、該検出入力電圧をＰＷＭチョッピングして当該入力電流指令値を得るとともに、前記力率改善電源回路の入力電流を検出して該入力電流と前記入力電流指令値との電流偏差を得、該電流偏差に応じて前記スイッチング素子のスイッチングをする電流制御系と、前記力率改善電源回路の出力電圧を検出し、該検出出力電圧と当該出力電圧指令値の電圧偏差に応じて前記入力電圧を所定デューティでＰＷＭチョッピング制御する電圧制御系とを備え、前記電流制御系を高速で処理する一方、前記電圧制御系をその電流制御系よりも低速で処理可能としたことを特徴とする力率改善電源回路の制御方法。
3. 交流電源を直流電圧に変換し、該直流電圧をチョークコイルを介してスイッチング手段によってスイッチングし、該スイッチングした電圧をダイオードを介して平滑手段に供給し、該平滑手段によって負荷の電源電圧を得る一方、少なくとも入力交流電流波形が正弦波状になるように前記スイッチング手段をスイッチングする力率改善電源回路であって、前記直流電圧（入力電圧）を検出する入力電圧検出手段と、該検出入力電圧をＰＷＭチョッピングして当該入力電流指令値を得るチョッピング手段と、前記力率改善電源回路の入力電流を検出する入力電流検出手段と、該入力電流と前記入力電流指令値との電流偏差を得、該電流偏差に応じて前記スイッチング素子をスイッチングするスイッチング制御手段と、前記力率改善電源回路の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、該検出出力電圧と当該出力電圧指令値の電圧偏差に応じて前記入力電圧を所定デューティでＰＷＭチョッピング制御する制御手段とを備えていることを特徴とする力率改善電源回路。
4. 前記ＰＷＭチョッピング制御あるいは制御手段は、マイクロコンピュータによるソフトウェア処理で行うようにした請求項１，２または３に記載の力率改善電源回路。
5. 前記力率改善電源回路は、少なくとも空気調和機のコンプレッサに用いられる請求項１，２，３または４に記載の力率改善電源回路。

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