JP6367057B2 - 電源装置及びそれを備えた空気調和装置、並びに電源装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電源装置及びそれを備えた空気調和装置、並びに電源装置の制御方法に関するものである。

例えば、空気調和装置等の高調波発生機器から発生される高調波は、使用効率を低下させ、配電・受電設備や周辺工場及びその部品を劣化させる原因となるため、平成６年に通商産業省（現、経済産業省）から「高圧または特別高圧で受電する需要家の高調波抑制対策技術ガイドライン」（以下「高調波抑制対策ガイドライン」という）が発表された。また、平成７年には「高調波抑制対策ガイドライン」を補足、補完する民間の技術指針として、一般社団法人日本電気協会から「高調波抑制対策技術指針」が発行され、需要家は、高調波抑制対策技術指針に基づいて高調波発生機器から発生される高調波を抑制する取り組みを行っている。

下記特許文献１は、室外ユニットおよび室内ユニットに分離して配置されたスプリット型の空気調和装置において、交流電圧を整流する電源装置と、この電源装置の出力を降圧する直流−直流コンバータとを室外ユニットに設け、直流−直流コンバータから室内ユニットに駆動電力を供給する技術が開示されている。

特開平４−６３４０号公報

ところで、需要家が有する高調波発生機器が高調波対策技術指針に適合しているか否かを判定するにあたり高調波流出量の算出が必要であるが、その過程において、（１）高圧受電である、（２）ビルである、（３）進相コンデンサが全て直列リアクトル付きであるという条件を判定し、（１）から（３）の全ての条件を満足していれば検討を終了し、以降のステップにある等価容量の計算及び高調波流出電流の計算を省略できることとされていた。また、平成２６年４月１日には、高調波抑制対策技術指針が改訂され、上述した（１）から（３）の条件に、（４）換算係数Ｋｉ＝１．８を超過する機器なしという条件が加わり、（１）から（４）の全てを満足する場合には、等価容量及び高調波流出電流の計算を省略できることになった。

店舗用の空気調和装置で検討する場合、室外機の電源に三相ブリッジ回路（直流側リアクトルあり、６パルス変換装置）が用いられると高調波の換算係数は１．８とされ、室内機の電源に単相ブリッジ回路（全波整流方式、リアクトルなし）が用いられると高調波の換算係数は２．９とされる。空気調和装置全体の高調波の換算係数としては、室内機と室外機のセットで考える必要があり、この例の店舗用の空気調和装置の高調波換算係数は、１．８〜２．９の間の値となる。そうすると、従来の空気調和装置の場合、上記（４）の条件を満足できないという問題があった。
また、上記特許文献１の方法では、室外ユニットに設けた直流−直流コンバータによって降圧した電力を室内機に供給しており、店舗等の大きな出力を必要とする室内ファンを駆動するには、大きな電流を流す必要があるという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、高調波対策技術指針の高調波流出電流の検討を省略するための条件の一つを満足でき、かつ、室内機の負荷に流れる電流を小さくできる電源装置及びそれを備えた空気調和装置、並びに電源装置の制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、交流電圧を直流電圧に変換するためにダイオードが三相ブリッジ結線され、交流電源を整流する整流手段と、前記整流手段の出力を平滑化する平滑手段と、前記平滑手段と負荷である室外機の電動機との間に接続され、前記平滑手段により平滑化された直流電圧を交流電圧に変換して前記室外機の電動機に供給し、前記室外機の電動機を駆動する第１インバータ手段とを有する室外機用回路と、前記室外機用回路と接続された室内機用回路と、を備える空気調和装置の電源装置であって、前記室内機用回路は、前記空気調和装置の室内機の電動機用の電力を蓄える充電手段と、前記平滑手段の両端電圧が入力され、前記平滑手段により平滑化され、かつ前記充電手段に充電された直流電圧を交流電圧に変換し、前記室内機の電動機を駆動する第２インバータ手段と、を具備する空気調和装置の電源装置を提供する。

本発明によれば、交流電圧が直流電圧に変換されるためにダイオードが三相ブリッジ結線された整流手段によって、交流電源は整流され、整流手段の出力が平滑化され、整流手段により変換された直流電圧は、第１インバータ手段において交流電圧に変換され、室外機の電動機が駆動される。平滑手段の両端電圧が入力され、平滑手段で平滑化された直流電圧は第２インバータ手段によって交流電圧に変換され、室内機の電動機が駆動される。

このように、室外機の電源として利用されている整流手段（三相ブリッジ）の出力をそのまま室内機の電源として用いることにより、従来室内機の電源として交流電圧を単相ブリッジを介して直流電圧に変換していた場合と比較して、単相ブリッジが不要になる等の理由から部品点数を削減することができる。また、三相ブリッジの出力をそのまま室内機の電源として用いるので、室内機には高い電圧を供給できる。これにより、室内機に大きな出力が必要である場合、三相ブリッジの出力より低い電圧を室内機に供給するのと比較して、室内機に流す電流を小さくできる。

従来は、室内機の電源供給は、交流電源を単相ブリッジ結線を介して得ていたため、室外機及び室内機を含む空気調和装置としての換算係数は、単相ブリッジの換算係数（例えば、２．９）と三相ブリッジの換算係数（例えば、１．８）の複数の値に設定されており（つまり、この例では換算係数が１．８〜２．９の間となる）、高調波流出量の検討を省略できなかった。本発明によれば、第２インバータ手段及び第１インバータ手段に共通に接続される三相ブリッジ（整流回路）の換算係数のみ考慮すればよく、三相ブリッジの換算係数が１．８である場合には、高調波流出電流の検討を省略する条件の一つを満足できる。
また、高調波の検討省略条件の一つを満足できていることで、高調波対策検討手順を簡略化でき、高調波対策費用も削減できる。

本発明は、上記空気調和装置の電源装置を備えた空気調和装置を提供する。

本発明は、交流電圧を直流電圧に変換するためにダイオードが三相ブリッジ結線され、交流電源を整流する整流手段と、前記整流手段の出力を平滑化する平滑手段と、前記平滑手段と負荷である室外機の電動機との間に接続され、前記平滑手段により平滑化された直流電圧を交流電圧に変換して前記室外機の電動機に供給し、前記室外機の電動機を駆動する第１インバータ手段とを有する室外機用回路と、前記室外機用回路と接続され、充電手段を有する室内機用回路と、を備える空気調和装置の電源装置の制御方法であって、前記充電手段に、前記空気調和装置の室内機の電動機用の電力を蓄える充電工程と、前記平滑手段の両端電圧が入力され、前記平滑手段により平滑化され、かつ前記充電工程において充電された直流電圧を交流電圧に変換し、前記室内機の電動機を駆動するインバータ工程と、を有する空気調和装置の電源装置の制御方法を提供する。

本発明は、高調波対策技術指針の高調波流出電流の検討を省略するための条件の一つを満足でき、かつ、部品点数を削減して、室内機の負荷に流れる電流を小さくできるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る天井埋込み型空気調和装置の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る天井埋込み型空気調和装置の電源回路の構成を示す概略図である。 従来の店舗用の空気調和装置の電源回路の構成を示す概略図である。

以下に、本発明に係る電源装置及びそれを備えた空気調和装置、並びに電源装置の制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態においては、電源装置を適用する空気調和装置として、店舗用の天井埋め込み型空気調和装置を一例に挙げて説明するが、空気調和装置の形態は特に限定されない。
図１には、本実施形態に係る電源装置を適用する天井埋込み型空気調和装置（以下「空気調和装置」という）の斜視図が示されている。
空気調和装置１は、図１に示されるように、室内の天井に設置される室内機２と、室外に設置される室外機３とを備えて構成されており、この室内機２と室外機３は、液管およびガス管からなる２本の冷媒配管４と電気配線５を介して接続されている。

室外機３は、図１に示されるように、冷媒を圧縮する圧縮機６、冷媒と外気とを熱交換させる室外熱交換器７、室外熱交換器７に外気を流通させる室外ファン８及び制御ボックス９等を備えている。また、室内機２は、図１に示されるように、天井内に設置されるユニット本体１０と、ユニット本体１０の下部に装着される天井パネル１１とを備えている。ユニット本体１０内には、中央部にターボファン１２がファンモータ（図示省略）を介して回転自在に設置され、該ターボファン１２の周りを取り囲むように室内熱交換器１３が設置されている。また、ターボファン１２の下方には、室内空気をターボファン１２に導くベルマウス１４が配置されている。

上記したユニット本体１０の下面を覆うように天井パネル１１が設けられている。天井パネル１１の中央部には、室内空気を吸込むための４角形状の開口（空気吸込み口）１５が設けられており、この開口１５には、吸込みグリル１６が設置されている。吸込みグリル１６は、天井パネル１１に対して、ワイヤ１７、図示省略の昇降モータ等を介して後述するエアフィルタ清掃機構２２を構成するダストボックス３０等と共に室内の床面近くまで降下されるように昇降自在とされている。

天井パネル１１には、空気吸込み口１５の周りを取り囲むように、パネルの４辺に対応した空気吹出し口１８が４箇所に設けられており、該空気吹出し口１８を介して室内熱交換器１３で冷却または加熱された空気が室内に吹出されるようになっている。４つの空気吹出し口１８には、吹出し風の風向を調整するためのフラップ１９がそれぞれ独立して回動可能に設置されている。

図２は、本実施形態に係る空気調和装置１に適用される電源装置２０の概略構成を示した図である。図２に示すように、本実施形態に係る電源装置２０は、交流電源２１と接続されており、室外機用回路２２と、室内機用回路２３と、制御部３０とを備えており、室外機用回路２２と室内機用回路２３とは渡り配線で接続されている。また、室外機用回路２２及び室内機用回路２３と、制御部３０とは情報の授受可能に接続されており、制御部３０から各種制御信号を室外機用回路２２及び室内機用回路２３に出力する。

室外機用回路２２は、交流電源２１から供給される交流電力を直流電力に変換する整流部（整流手段）２４と、直流リアクトルＬと、コンデンサ（平滑手段）Ｃａと、第１インバータ部（第１インバータ手段）２５ａ、２５ｂとを備えており、第１インバータ部２５ａ，２５ｂは、それぞれ負荷となる室外機３のモータ２６ａ，２６ｂを駆動する。モータ２６ａは、例えば、空気調和装置１の室外機３に設けられる圧縮機６であり、モータ２６ｂは、例えば、空気調和装置１の室外機３に設けられる室外ファン８である。

直流リアクトルＬとコンデンサＣａとは直列に接続されており、この直列回路の両端子は、整流部２４の各出力端子にそれぞれ接続されている。
整流部２４は、高調波抑制対策技術指針（（社）日本電気協会）の表２０１−２−１に記載の換算係数Ｋｉが、「１．８」以下である整流回路であり、交流電圧を直流電圧に変換するためにダイオード（図示略）が三相ブリッジ結線されて整流回路を構成しており、交流電源２１を整流する。
コンデンサＣａは、平滑回路を構成し、整流部２４の出力を平滑化する。

第１インバータ部２５ａは、コンデンサＣａと室外機３のモータ２６ａとの間に接続され、コンデンサＣａにより平滑化された直流電圧を交流電圧に変換して室外機３のモータ２６ａに供給し、室外機３のモータ２６ａを駆動する。第１インバータ部２５ｂは、コンデンサＣａと室外機３のモータ２６ｂとの間に接続され、コンデンサＣａにより平滑化された直流電圧を交流電圧に変換して室外機のモータ２６ｂに供給し、室外機３のモータ２６ｂを駆動する。

具体的には、第１インバータ部２５ａ，２５ｂはそれぞれ、例えば、６つのスイッチング素子を備えて構成される三相ブリッジ回路を備えており、直流電圧からＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる三相の駆動電圧を生成し、生成した三相の駆動電圧をモータ２６ａ，２６ｂに供給する。第１インバータ部２５ａ，２５ｂが備えるスイッチング素子のオンオフが、制御部３０（詳細は後述する）によって制御されることにより、モータ２６ａ，２６ｂの速度やトルクが制御される。

室内機用回路２３は、コンデンサＣｃと、第２インバータ部（第２インバータ手段）２５ｃとを備えており、第２インバータ部２５ｃは室内機２のモータ２６ｃを駆動する。モータ２６ｃは、例えば、空気調和装置１の室内機２に設けられるファンモータである。
コンデンサＣｃは、モータ２６ｃ用の電力を室内機用回路２３内に蓄え、第２インバータ部２５ｃに流れるパルス状の電流による内外渡り線の電圧低下を避ける。

第２インバータ部２５ｃは、コンデンサＣａの両端電圧が入力され、コンデンサＣａ及びコンデンサＣｃにより平滑・充電された直流電圧を交流電圧に変換し、空気調和装置１の室内機２のモータ２６ｃを駆動する。ここで、室内機側に入力される電圧は、室内機側から電圧調整されずにそのまま（例えば、コンデンサＣａの端子間電圧が３００〔Ｖ〕であれば、３００〔Ｖ〕が）入力される。
第２インバータ部２５ｃは、例えば、６つのスイッチング素子を備えて構成される三相ブリッジ回路を備えており、直流電圧からＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相の駆動電圧を生成し、生成した３相の駆動電圧をモータ２６ｃに供給する。第２インバータ部２５ｃが備えるスイッチング素子のオンオフが、制御部３０によって制御されることにより、モータ２６ｃの速度やトルクが制御される。

また、室内機２のモータ２６ｃ駆動のために所定の出力を必要とする場合に、例えば、降圧されて小さくされた電圧が室内機２に供給されると、所定の出力を得るために室内機２のモータ２６ｃに大きな電流を流す必要があるが、本実施形態のように整流部２４から出力された電圧が電圧調整されずにそのまま室内機２に入力されれば、室内機２のモータ２６ｃに流す電流は小さくできる。

制御部３０は、例えば、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）であり、処理を実行するためのプログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体を有しており、ＣＰＵがこの記録媒体に記録されたプログラムをＲＡＭ等の主記憶装置に読み出して実行することにより、各処理が実現される。コンピュータ読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が挙げられる。

制御部３０は、例えば、圧縮機６の回転数を上位の制御装置（図示略）から与えられる回転数指令ωに一致させるようなＰＷＭ信号を相毎に生成し、第１インバータ部２５ａに与え、モータ２６ａの速度やトルクを制御する。同様に、制御部３０は、ＰＷＭ信号を相毎に生成し、第１インバータ２５ｂに与えてモータ２６ｂの速度やトルクを制御する。また、制御部３０は、ＰＷＭ信号を相毎に生成し、第２インバータ２５ｃに与えてモータ２６ｃの速度やトルクを制御する。

ここで、本実施形態に係る空気調和装置１に適用される電源装置２０の作用を説明する。交流電源２１から供給される交流電力は、整流部２４にて整流されて直流電力に変換される。変換後の直流電圧は、コンデンサＣａにて平滑化され出力されると第１インバータ部２５ａ，２５ｂに入力される。併せて、コンデンサＣａにて平滑化された直流電圧はそのままの電圧値で、コンデンサＣｃにて充電され、第２インバータ２５ｃに入力される。第１インバータ２５ａ，２５ｂが、制御部３０の制御指令に基づいて、それぞれ接続されるモータ２６ａ，２６ｂを駆動することにより、モータ２６ａ，２６ｂが駆動される。また、第２インバータ２５ｃが、制御部３０の制御指令に基づいて、接続されるモータ２６ｃを駆動することにより、モータ２６ｃが駆動される。

このように、本実施形態においては、室内機２の電圧供給を、室外機３と接続される整流部２４から行うことにしたので、従来、室内機２の電源を交流電源２１から単相ブリッジ回路を介して得ていた場合と比較して、単相ブリッジ回路分の部品を削減することができる。本実施形態における空気調和装置１の高調波は、整流部２４について検討すればよく、すなわち、（単相ブリッジ回路は用いていないため）三相ブリッジ回路の高調波換算係数のみを検討することとなる。

ここで、高調波抑制対策技術指針に示される回路種別毎の高調波換算係数について検討する。以下に述べる高調波換算係数は、高調波抑制対策技術指針に示された換算係数表（表２０１−２−１）に基づく値である。
高調波換算係数は、値が小さいほど高調波が少ないことを示すものである。
高調波抑制対策として、本実施形態の空気調和装置１の回路構成例は、図２で示した通りである。従来の空気調和装置の電源回路の概略構成を図３に示す。図３は、高調波抑制対策技術指針に記載されている店舗用の空調機器の回路例である。図３では、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付している。

図３に示されるように、従来は、室外機３は、上述した本実施形態と同様の構成であり、電源として用いられる整流部２４は、ダイオードが三相ブリッジ接続される回路とし、直流側にリアクトルを用いる６パルス変換装置とするので、高調波換算係数Ｋは、Ｋ３３＝１．８となる。また、室内機２は、交流電源２１と接続されており、交流電圧を単相ブリッジ回路５０によって直流変換している。単相ブリッジ回路５０はリアクトル無し、コンデンサ平滑、及び全波整流方式とする場合には、高調波換算係数はＫ４３＝２．９となる。
このような室外機３及び室内機２を組み合わせた空気調和装置の高調波換算係数は、全ての値を含む範囲、すなわち、従来の空気調和装置の高調波換算係数Ｋは１．８〜２．９の範囲となる。そうすると、高調波抑制対策技術指針の（４）換算係数Ｋｉ＝１．８を超過する機器なしという条件は満たさないこととなる。

本実施形態で示した図２では、室内機２の電源を室外機側から得ており、整流部２４の出力（直流電圧）が室内機２に供給される。本実施形態の室外機３に用いられる整流部２４は、先に述べた通り、ダイオードが三相ブリッジ接続される回路であり、直流側にリアクトルを用いる６パルス変換装置なので、高調波換算係数Ｋは、Ｋ３３＝１．８である。また、本実施形態の室内機２に用いられる電源は、室外機３で求めた整流部２４を用いているので室内機用に別途用意するものはない。そのため、本実施形態に係る空気調和装置１によれば、高調波換算係数Ｋは、「１．８」となる。
つまり、高調波換算係数が１．８以下である三相ブリッジ結線された整流部２４を用い、室内機２の電源を室外機３の整流部２４の出力側から得た本実施形態に記載の空気調和装置１を用いることにより、高調波抑制対策技術指針の１つの条件である、（４）換算係数Ｋｉ＝１．８を超過する機器なしという条件は、満たすことになる。

これにより、本実施形態に示した電源装置２０を用いることにより、従来の店舗用の空気調和装置の電源回路の構成と比較して、高調波を抑制できるとともに、室内機側の部品点数を低減でき、高調波抑制対策検討の簡略化に繋がる。さらには、高調波抑制対策費用が低減できる。

以上説明してきたように、本実施形態に係る空気調和装置１及びその制御方法によれば、ダイオードが三相ブリッジ結線される整流部２４によって交流電源２１は整流され、交流電圧が直流電圧に変換され、整流部２４の出力が平滑化され、整流部２４により変換された直流電圧は、第１インバータ部２５ａ，２５ｂに供給されて交流電圧に変換され、室外機３のモータ２６ａ，２６ｂが駆動される。コンデンサＣａの両端電圧が、室内機２側に入力され、コンデンサＣａで平滑化された直流電圧は、コンデンサＣｃで充電され、第２インバータ部２５ｃによって交流電圧に変換され、室内機２のモータ２６ｃが駆動される。

このように、室外機３の電源として利用されている整流部２４の出力をそのまま室内機２の電源として用いることにより、従来室内機２の電源として交流電圧を単相ブリッジによって直流電圧に変換していた場合と比較して、部品点数を削減することができる。また、三相ブリッジの出力をそのまま室内機２の電源として用いるので高い電圧を用いることができ、低い電圧が室内機２の電源として供給される場合と比較すると、流す電流を小さくすることができる。

従来は、室内機２の電源供給は、交流電源を単相ブリッジ結線を介して得ていたため、室外機３及び室内機２を含む空気調和装置１としての換算係数は、単相ブリッジの換算係数（例えば、２．９）と三相ブリッジの換算係数（例えば、１．８）の複数の値に設定されており（つまり、例では換算係数が１．８〜２．９となる）、高調波流出量の検討を省略できなかった。本実施形態によれば、第２インバータ部２５ｃ及び第１インバータ部２５ａ，２５ｂに共通に接続される三相ブリッジの換算係数Ｋのみ考慮すればよく、三相ブリッジの換算係数Ｋが１．８である場合には、高調波流出電流の検討を省略する条件の一つを満足できる。
また、高調波の検討省略条件の一つを満足できていることで、高調波対策検討手順を簡略化できる。さらに、高調波対策費用も削減できる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

Ｃａ，Ｃｃ コンデンサ
Ｌ 直流リアクトル
１ 空気調和装置
２ 室内機
３ 室外機
２１ 交流電源
２４ 整流部
２５ａ，２５ｂ 第１インバータ部
２５ｃ 第２インバータ部
２６ａ，２６ｂ 室外機モータ
２６ｃ 室内機モータ

Claims (3)

1. 交流電圧を直流電圧に変換するためにダイオードが三相ブリッジ結線され、交流電源を整流する整流手段と、前記整流手段の出力を平滑化する平滑手段と、前記平滑手段と負荷である室外機の電動機との間に接続され、前記平滑手段により平滑化された直流電圧を交流電圧に変換して前記室外機の電動機に供給し、前記室外機の電動機を駆動する第１インバータ手段とを有する室外機用回路と、前記室外機用回路と接続された室内機用回路と、を備える空気調和装置の電源装置であって、
   前記室内機用回路は、前記空気調和装置の室内機の電動機用の電力を蓄える充電手段と、前記平滑手段の両端電圧が入力され、前記平滑手段により平滑化され、かつ前記充電手段に充電された直流電圧を交流電圧に変換し、前記室内機の電動機を駆動する第２インバータ手段と、を具備する空気調和装置の電源装置。
2. 請求項１に記載の空気調和装置の電源装置を備えた空気調和装置。
3. 交流電圧を直流電圧に変換するためにダイオードが三相ブリッジ結線され、交流電源を整流する整流手段と、前記整流手段の出力を平滑化する平滑手段と、前記平滑手段と負荷である室外機の電動機との間に接続され、前記平滑手段により平滑化された直流電圧を交流電圧に変換して前記室外機の電動機に供給し、前記室外機の電動機を駆動する第１インバータ手段とを有する室外機用回路と、前記室外機用回路と接続され、充電手段を有する室内機用回路と、を備える空気調和装置の電源装置の制御方法であって、
   前記充電手段に、前記空気調和装置の室内機の電動機用の電力を蓄える充電工程と、
   前記平滑手段の両端電圧が入力され、前記平滑手段により平滑化され、かつ前記充電工程において充電された直流電圧を交流電圧に変換し、前記室内機の電動機を駆動するインバータ工程と、
   を有する空気調和装置の電源装置の制御方法。

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