JP4889694B2 - 直流電源装置、それを備えたインバータ装置、及びそのインバータ装置を備えた空気調和機、洗濯機並びに洗濯乾燥機 - Google Patents
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Description
また、第二の目的は、少ない開閉手段が用いられることで電圧降下による効率の悪化が抑制され、それらの開閉手段が適切に制御されることによって低損失かつ高効率な直流電源装置を得るものである。
そして、第三の目的は、上記の直流電源装置を備えることにより、出力側に接続された電動機の低損失かつ高効率な駆動を可能とするインバータ装置を得ることにあり、さらにそのインバータ装置を備えることによって高性能かつ省エネルギーな空気調和機、洗濯機並びに洗濯乾燥機を得るものである。
図1は、本発明の実施の形態1に係る直流電源装置の回路図である。交流電源1は、リアクトル2を介して、交流電源を全波整流するブリッジ整流回路3に接続されている。そのブリッジ整流回路3は、整流用ダイオード3a、3b、3c及び3dで構成されている。ブリッジ整流回路3の出力端には、直列に接続された2つの第一のコンデンサ4a及び4bが並列に接続されている。その2つの第一のコンデンサ4a及び4bの接続点は、ブリッジ整流回路3の交流入力端子の一方に接続されている。また、その直列に接続された2つの第一のコンデンサ4a及び4bの両端には、それぞれ逆流阻止手段5a及び5bを介して、直列に接続された2つの第二のコンデンサ6a及び6bが並列に接続されている。その2つの第二のコンデンサ6a及び6bの接続点は、ブリッジ整流回路3の交流入力端子のもう一方に接続されている。また、その直列に接続された2つの第二のコンデンサ6a及び6bの両端には、負荷7が並列に接続されている。
図2において、交流電源1が負のとき、交流電源1、整流用ダイオード3b、第一のコンデンサ4a、リアクトル2の順で電流が流れる(図2中破線)。すると、第一のコンデンサ4aに交流電源1の交流電圧の略ピーク値が充電される。次に、交流電源1が正のとき、交流電源1、リアクトル2、第一のコンデンサ4a、逆流阻止手段5a、第二のコンデンサ6aの順で電流が流れる(図2中実線)。すると、第二のコンデンサ6aには、交流電源1の交流電圧の略ピーク値と第一のコンデンサ4aの充電電圧が加算された電圧が充電される。第一のコンデンサ4aには交流電源1の交流電圧の略ピーク値が充電されているため、第二のコンデンサ6aには交流電源1の交流電圧のピーク値の略2倍の電圧が充電されることになる。
第二のコンデンサ6a及び6bには交流電源1の交流電圧のピーク値の略2倍の電圧が充電されるため、交流電源1の交流電圧及び第一のコンデンサ4a及び4bの充電電圧に比べて電圧が高い状態になる。そのため、図1から図4に示すように逆流阻止手段5a及び5bが存在しないと、第二のコンデンサ6aから第一のコンデンサ4aに向かって、あるいは、第一のコンデンサ4bから第二のコンデンサ6bに向かって電流が逆流する恐れがある。
第一の開閉手段10(後述の図8参照)及び第二の開閉手段11(後述の図9参照)の両方、又は片方が開放している場合は、第二のコンデンサ6a及び6bには電源電圧と同じ電圧が充電されるため、逆流は発生しない。このとき、制御部51が、ダイオード短絡手段9a及び9bを閉じ、ダイオード8a及び8bを短絡することによって、電流がダイオード8a及び8bを流れることによる電圧降下が防止される。一方、第一の開閉手段10及び第二の開閉手段11が両方閉じられている場合には、逆流する恐れがある。このとき、制御部51が、ダイオード短絡手段9a及び9bを開くことによって、逆流は防止される。
また、第二のコンデンサ6a及び6bの充放電のタイミングが既知である場合において、第二のコンデンサ6a及び6bが充電されている場合には、逆流は生じない。このとき、制御部51が、ダイオード短絡手段9a及び9bを閉じ、ダイオード8a及び8bを短絡することによって、上記と同様に、電圧降下が防止される。一方、第二のコンデンサ6a及び6bが放電されている場合には、逆流する恐れがある。このとき、制御部51が、ダイオード短絡手段9a及び9bを開くことによって、逆流は防止される。
なお、図1において、リアクトル2は、交流電源1に接続される構成のみでなく、図2及び図3におけるコンデンサへの充電経路を含めた全ての閉回路のそれぞれにリアクトル2が存在するように複数設置される構成としてもよい。
図8は、実施の形態2に係る直流電源装置の回路図である。直列に接続された2つの第一のコンデンサ4a及び4bの接続点とブリッジ整流回路3の交流入力端子の一方との間に第一の開閉手段10が備えられている。そして、交流電源1の交流電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段81が、交流電源1と並列に接続されている。ゼロクロス検出手段81の出力側は、制御部51に接続されている。また、出力電圧を検出する出力電圧検出手段82が、直列に接続された2つの第二のコンデンサ6a及び6bの両端に接続されている。出力電圧検出手段82の出力側は、制御部51に接続されている。ゼロクロス検出手段81は、上記のように検出したゼロ点の信号を、制御部51に出力する。また、出力電圧検出手段82は、上記のように検出した出力電圧を、制御部51に出力する。上記の構成以外については、実施の形態1と同じ構成のため、実施の形態1との相違点を中心に説明する。また、ゼロクロス検出手段81の動作については、実施の形態4において後述する。
図9は、実施の形態3に係る直流電源装置の回路図である。直列に接続された2つの第二のコンデンサ6a及び6bの接続点とブリッジ整流回路3の交流入力端子の一方との間に第二の開閉手段11が備えられている。そして、交流電源1の交流電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段81が、交流電源1と並列に接続されている。ゼロクロス検出手段81の出力側は、制御部51に接続されている。また、出力電圧を検出する出力電圧検出手段82が、直列に接続された2つの第二のコンデンサ6a及び6bの両端に接続されている。出力電圧検出手段82の出力側は、制御部51に接続されている。ゼロクロス検出手段81は、上記のように検出したゼロ点の信号を、制御部51に出力する。また、出力電圧検出手段82は、上記のように検出した出力電圧を、制御部51に出力する。上記の構成以外については、実施の形態1と同じ構成のため、実施の形態1との相違点を中心に説明する。また、ゼロクロス検出手段81の動作については、実施の形態4において後述する。
図10は、実施の形態4に係る直流電源装置の回路図である。直列に接続された2つの第一のコンデンサ4a及び4bの接続点とブリッジ整流回路3の交流入力端子の一方との間に第一の開閉手段10が備えられ、直列に接続された2つの第二のコンデンサ6a及び6bの接続点とブリッジ整流回路3の交流入力端子のもう一方との間に第二の開閉手段11が備えられている。そして、交流電源1の交流電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段81が、交流電源1と並列に接続されている。ゼロクロス検出手段81の出力側は、制御部51に接続されている。また、出力電圧を検出する出力電圧検出手段82が、直列に接続された2つの第二のコンデンサ6a及び6bの両端に接続されている。出力電圧検出手段82の出力側は、制御部51に接続されている。ゼロクロス検出手段81は、上記のように検出したゼロ点の信号を、制御部51に出力する。また、出力電圧検出手段82は、上記のように検出した出力電圧を、制御部51に出力する。上記の構成以外については、実施の形態1と同じ構成のため、実施の形態1との相違点を中心に説明する。
、PWM(Pulse Width Modulation)制御によって、交流電源1の周波数より早い周波数で開閉させる動作例について、図11及び図12を参照して説明する。
図11で示されるように、制御部51が、直流電源装置の出力電圧を制御するための出力電圧の指令値をVdc*とし、図10に示される出力電圧検出手段82によって検出される直流電源装置の出力電圧をVdcとする。図11において、加算器51aは、このVdc*とVdcとの偏差ΔVdcを算出し、この偏差ΔVdcをPI制御器51cに出力する。この偏差ΔVdcを受信したPI制御器51cは、PI制御によって変調信号の振幅Aを求める。この振幅Aを受信した変調信号演算部51dは、振幅Aにsin(θ+φ)を乗じて、第一の開閉手段10を駆動するための変調信号Saを求める。ここで、θは交流電源1の電圧位相、φは任意に決定した位相である。また、加算器51bは、第二の開閉手段11を駆動するための変調信号Sbを、1からSaを引いたものとして求める。図12に示されるように、上記の変調信号Sa及びSbは、三角波のキャリア信号と比較され、第一の開閉手段10及び第二の開閉手段11に対する駆動信号が生成される。ここで、第一の開閉手段10に対する駆動信号は、変調信号Saよりキャリア信号の方が小さい場合には0(Low)、そして、大きい場合には1(High)として生成される。また、第二の開閉手段11に対する駆動信号は、変調信号Sbよりキャリア信号の方が小さい場合には1(High)、そして、大きい場合には0(Low)として生成される。
また、上記の変調信号Sa及びSbにおいて、第一の開閉手段10を駆動するために変調信号Sbが用いられ、第二の開閉手段11を駆動するために変調信号Saが用いられても同様のPWM制御が可能である。
また、上記のPWM制御において、実施の形態2に係る、第一の開閉手段10のみを備える直流電源装置については、変調信号Saによって得られる駆動信号のみによって、第一の開閉手段10に対しPWM制御が可能である。そして、実施の形態3に係る、第二の開閉手段11のみを備える直流電源装置についても、変調信号Saにより得られた駆動信号のみによって、第二の開閉手段11に対しPWM制御が可能である。
そして、図13に示されるように、交流電源1の交流電圧のゼロ点から、第一の開閉手段10については、Tdelay1の時間だけ遅らせた所からTon1の時間だけ、第二の開閉手段11については、Tdelay2の時間だけ遅らせた所からTon2の時間だけ、制御部51によって駆動される動作としても、上記と同様の効果を得ることができる。また、図13においては、第一の開閉手段10及び第二の開閉手段11について、ゼロ点から次のゼロ点までの間に、一回だけ駆動される動作が示されているが、複数回駆動される動作としてもよい。また、実施の形態2に係る、第一の開閉手段10のみを備える直流電源装置については、第一の開閉手段10に対して上記の制御が可能である。そして、実施の形態3に係る、第二の開閉手段11のみを備える直流電源装置についても、第二の開閉手段11に対して上記の制御が可能である。
図14は、実施の形態5に係るインバータの接続図である。インバータ52は、実施の形態4に係る直流電源装置の出力側に、負荷として接続されており、また、制御部51の出力側にも接続されている。そして、インバータ52の出力側には、電動機53が接続されている。インバータ装置101は、実施の形態4に係る、交流電源1から電源を供給される直流電源装置と、インバータ52とで構成されている。図14において、インバータ装置101を構成する直流電源装置は、実施の形態4に係るものが示されているが、実施の形態1、2又は3に係る直流電源装置としてもよい。実施の形態5に係る直流電源装置から出力される直流電圧は、インバータ52に供給される。その直流電圧を供給されたインバータ52は、制御部51が出力した制御信号に従って、電動機53に駆動電流を供給し回転させる。
以下に、他の装置に対する、インバータ装置101の適用例を示す。
Claims (27)
- 交流電源をリアクトルを介して全波整流する整流回路と、
前記整流回路の出力端に並列接続された、直列に接続された2つの第一のコンデンサと、
前記直列に接続された2つの第一のコンデンサの両端に接続された2つの逆流阻止手段を介して並列に接続された、直列に接続された2つの第二のコンデンサと、
前記直列に接続された2つの第一のコンデンサの接続点と前記整流回路の交流入力端子の一方との間に設けられた第一の開閉手段と、
前記第一の開閉手段の開閉動作を制御する制御手段と、
を備え、
前記直列に接続された2つの第二のコンデンサの接続点と前記整流回路の交流入力端子のもう一方とが接続され、
前記制御手段によって前記第一の開閉手段が操作されることにより、前記交流電源の交流電圧のピーク値の略2倍から略4倍の間の電圧を、前記直列に接続された2つの第二のコンデンサの両端に並列に接続される負荷に出力する
ことを特徴とする直流電源装置。 - 交流電源をリアクトルを介して全波整流する整流回路と、
前記整流回路の出力端に並列接続された、直列に接続された2つの第一のコンデンサと、
前記直列に接続された2つの第一のコンデンサの両端に接続された2つの逆流阻止手段を介して並列に接続された、直列に接続された2つの第二のコンデンサと、
前記直列に接続された2つの第二のコンデンサの接続点と前記整流回路の交流入力端子の一方との間に設けられた第二の開閉手段と、
前記第二の開閉手段の開閉動作を制御する制御手段と、
を備え、
前記直列に接続された2つの第一のコンデンサの接続点と前記整流回路の交流入力端子のもう一方とが接続され、
前記制御手段によって前記第二の開閉手段が操作されることにより、前記交流電源の交流電圧のピーク値の略2倍から略4倍の間の電圧を、前記直列に接続された2つの第二のコンデンサの両端に並列に接続される負荷に出力する
ことを特徴とする直流電源装置。 - 交流電源をリアクトルを介して全波整流する整流回路と、
前記整流回路の出力端に並列接続された、直列に接続された2つの第一のコンデンサと、
前記直列に接続された2つの第一のコンデンサの両端に接続された2つの逆流阻止手段を介して並列に接続された、直列に接続された2つの第二のコンデンサと、
前記直列に接続された2つの第一のコンデンサの接続点と前記整流回路の交流入力端子の一方との間に設けられた第一の開閉手段と、
前記直列に接続された2つの第二のコンデンサの接続点と前記整流回路の交流入力端子のもう一方との間に設けられた第二の開閉手段と、
前記第一及び第二の開閉手段の開閉動作を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段によって前記第一及び第二の開閉手段が操作されることにより、前記交流電源の交流電圧の略ピーク値から略4倍の間の電圧を、前記直列に接続された2つの第二のコンデンサの両端に並列に接続される負荷に出力する
ことを特徴とする直流電源装置。 - 前記逆流阻止手段は、ダイオードである
ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の直流電源装置。 - 前記ダイオードに並列に接続されたダイオード短絡手段を備えた
ことを特徴とする請求項4記載の直流電源装置。 - 前記制御手段は、前記ダイオードに逆方向電圧が印加されるタイミング以外は前記ダイオード短絡手段によって前記ダイオードを短絡させる
ことを特徴とする請求項5に記載の直流電源装置。 - 前記ダイオード短絡手段は、半導体からなるスイッチング素子である
ことを特徴とする請求項6記載の直流電源装置。 - 前記ダイオード短絡手段は、機械的な開閉器である
ことを特徴とする請求項6記載の直流電源装置。 - 前記ダイオード短絡手段は、双方向スイッチである
ことを特徴とする請求項6記載の直流電源装置。 - 交流電源をリアクトルを介して全波整流する整流回路と、
前記整流回路の出力端に並列接続された、直列に接続された2つの第一のコンデンサと、
前記直列に接続された2つの第一のコンデンサの両端に並列に接続された、直列に接続された2つの第二のコンデンサと、
前記直列に接続された2つの第一のコンデンサの接続点と前記整流回路の交流入力端子の一方との間に設けられた第一の開閉手段と、
前記第一の開閉手段の開閉動作を制御する制御手段と、
を備え、
前記直列に接続された2つの第二のコンデンサの接続点と前記整流回路の交流入力端子のもう一方とが接続され、
前記制御手段によって前記第一の開閉手段が操作されることにより、前記交流電源の交流電圧のピーク値の略2倍から略4倍の間の電圧を、前記直列に接続された2つの第二のコンデンサの両端に並列に接続される負荷に出力する
ことを特徴とする直流電源装置。 - 交流電源をリアクトルを介して全波整流する整流回路と、
前記整流回路の出力端に並列接続された、直列に接続された2つの第一のコンデンサと、
前記直列に接続された2つの第一のコンデンサの両端に並列に接続された、直列に接続された2つの第二のコンデンサと、
前記直列に接続された2つの第二のコンデンサの接続点と前記整流回路の交流入力端子の一方との間に設けられた第二の開閉手段と、
前記第二の開閉手段の開閉動作を制御する制御手段と、
を備え、
前記直列に接続された2つの第一のコンデンサの接続点と前記整流回路の交流入力端子のもう一方とが接続され、
前記制御手段によって前記第二の開閉手段が操作されることにより、前記交流電源の交流電圧のピーク値の略2倍から略4倍の間の電圧を、前記直列に接続された2つの第二のコンデンサの両端に並列に接続される負荷に出力する
ことを特徴とする直流電源装置。 - 交流電源をリアクトルを介して全波整流する整流回路と、
前記整流回路の出力端に並列接続された、直列に接続された2つの第一のコンデンサと、
前記直列に接続された2つの第一のコンデンサの両端に並列に接続された、直列に接続された2つの第二のコンデンサと、
前記直列に接続された2つの第一のコンデンサの接続点と前記整流回路の交流入力端子の一方との間に設けられた第一の開閉手段と、
前記直列に接続された2つの第二のコンデンサの接続点と前記整流回路の交流入力端子のもう一方との間に設けられた第二の開閉手段と、
前記第一及び第二の開閉手段の開閉動作を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段によって前記第一及び第二の開閉手段が操作されることにより、前記交流電源の交流電圧の略ピーク値から略4倍の間の電圧を、前記直列に接続された2つの第二のコンデンサの両端に並列に接続される負荷に出力する
ことを特徴とする直流電源装置。 - 前記開閉手段は、半導体からなるスイッチング素子である
ことを特徴とする請求項1〜請求項3、請求項10〜請求項12のいずれかに記載の直流電源装置。 - 前記開閉手段は、機械的な開閉器である
ことを特徴とする請求項1〜請求項3、請求項10〜請求項12のいずれかに記載の直流電源装置。 - 前記開閉手段は、双方向スイッチである
ことを特徴とする請求項1〜請求項3、請求項10〜請求項12のいずれかに記載の直流電源装置。 - 前記第二のコンデンサは、前記第一のコンデンサよりも高耐圧である
ことを特徴とする請求項1〜請求項15のいずれかに記載の直流電源装置。 - 前記制御手段は、前記第一の開閉手段を前記交流電源の周波数よりも高い周波数で開閉動作させる
ことを特徴とする請求項1、請求項3、請求項10又は請求項12記載の直流電源装置。 - 前記制御手段は、前記第二の開閉手段を前記交流電源の周波数よりも高い周波数で開閉動作させる
ことを特徴とする請求項2、請求項3、請求項11又は請求項12記載の直流電源装置。 - 前記交流電源の交流電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段と、
前記直流電源装置の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記ゼロクロス検出手段によって検出されたゼロクロス検出信号、及び、前記出力電圧検出手段によって検出された出力電圧に基づいて、前記第一の開閉手段をPWM制御によって開閉動作させる
ことを特徴とする請求項17記載の直流電源装置。 - 前記交流電源の交流電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段と、
前記直流電源装置の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記ゼロクロス検出手段によって検出されたゼロクロス検出信号、及び、前記出力電圧検出手段によって検出された出力電圧に基づいて、前記第二の開閉手段をPWM制御によって開閉動作させる
ことを特徴とする請求項18記載の直流電源装置。 - 前記交流電源の交流電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段を備え、
前記制御手段は、前記ゼロクロス検出手段によって検出されたゼロ点から、次に検出されたゼロ点までの間に、前記第一の開閉手段を1回又は複数回、開閉動作させる
ことを特徴とする請求項1、請求項3、請求項10又は請求項12記載の直流電源装置。 - 前記交流電源の交流電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段を備え、
前記制御手段は、前記ゼロクロス検出手段によって検出されたゼロ点から、次に検出されたゼロ点までの間に、前記第二の開閉手段を1回又は複数回、開閉動作させる
ことを特徴とする請求項2、請求項3、請求項11又は請求項12記載の直流電源装置。 - 前記交流電源に接続された前記リアクトルに代えて、前記各コンデンサへの各充電経路ごとにリアクトルを備えた
ことを特徴とする請求項1〜請求項22のいずれかに記載の直流電源装置。 - 請求項1〜請求項23のいずれかの直流電源装置を搭載したインバータ装置。
- 請求項24のインバータ装置を搭載した空気調和機。
- 請求項24のインバータ装置を搭載した洗濯機。
- 請求項24のインバータ装置を搭載した洗濯乾燥機。
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