JP6591092B2 - コンバータ装置、モータ駆動装置、冷蔵庫、空気調和装置及びヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

コンバータ装置、モータ駆動装置、冷蔵庫、空気調和装置及びヒートポンプ給湯装置 Download PDF

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Description

本発明は、複数のリアクタを備えたコンバータ装置、モータ駆動装置、冷蔵庫、空気調和装置及びヒートポンプ給湯装置に関する。
特許文献１に開示される電源装置には、整流回路の出力が複数の電流経路に分岐され、リアクタ及びスイッチング素子で構成される複数の直列回路が並列に設けられる。スイッチング素子がオフのときに、複数の直列回路のそれぞれに設けられたリアクタの電流は、逆流防止ダイオードを介して平滑コンデンサに供給される。また複数の直列回路のそれぞれに設けられたスイッチング素子は、それぞれが異なる位相で駆動される。これにより複数のスイッチング素子のそれぞれに流れる電流が抑制されると共に、リアクタから出力される電流のリプル成分が抑制される。
特開２００７−１９５２８２号公報
特許文献１に代表される従来の電源装置では、整流回路から出力される電流の値を検出する母線電流検出回路で検出された電流値の出力先がＲＣフィルタであり、ＲＣフィルタの時定数は数十［μｓ］から数百［μｓ］のように長い値である。そのため、複数段の昇圧回路に用いられるインダクタンス値が小さいリアクタの欠相を、母線電流検出回路で検出された電流値に基づいて検出することが困難であった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、昇圧回路を構成するリアクタの値に関わらず昇圧回路の欠相を検出できるコンバータ装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るコンバータ装置は、交流電源から出力される交流電圧を整流する整流回路と、複数のリアクタ、複数のスイッチング素子及び複数の逆流防止素子を含み、整流回路の出力電圧を昇圧する昇圧回路と、昇圧回路の出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、整流回路と昇圧回路の間に流れる電流値を検出する電流検出回路と、第１のフィルタ時定数を有する第１のフィルタ回路と、第１のフィルタ時定数より短い第２のフィルタ時定数を有する第２のフィルタ回路と、電流検出回路で検出された電流値を、第１のフィルタ回路及び第２のフィルタ回路を介して入力して、複数のスイッチング素子の動作を制御する制御部とを備え、制御部は、複数のスイッチング素子を順にオンさせたときに第２のフィルタ回路を介して入力した電流値が規定電流範囲内か否かを判定することによって、欠相の有無を判定することを特徴とする。
本発明に係るコンバータ装置は、昇圧回路を構成するリアクタの値に関わらず昇圧回路の欠相を検出できる、という効果を奏する。
本発明の実施の形態に係るコンバータ装置及びモータ駆動装置の構成図 図１に示す制御部においてリアクタの欠相を検出する動作を説明するためのフローチャート 図１に示す制御部における制御内容の詳細を説明するための図
以下に、本発明の実施の形態に係るコンバータ装置、モータ駆動装置、冷蔵庫、空気調和装置及びヒートポンプ給湯装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態．
図１は本発明の実施の形態に係るコンバータ装置及びモータ駆動装置の構成図である。本実施の形態に係るモータ駆動装置３００は、単相交流電源である交流電源１から供給される交流電力を直流電力に変換した後、当該直流電力を交流電力に変換して、負荷であるモータ４００に供給する装置である。モータ４００としては、冷蔵庫、空気調和装置又はヒートポンプ給湯装置に内蔵される３相同期モータ又は３相誘導モータを例示できる。
モータ駆動装置３００は、交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータ装置１００と、コンバータ装置１００から出力される直流電力を交流電力に変換してモータ４００に供給するインバータ装置２００とを備える。
コンバータ装置１００は、突入電流を防止するための突入電流防止回路３と、交流電源１と突入電流防止回路３との間に設けられ、交流電源１から出力される電流に重畳している高周波ノイズを低減するノイズフィルタ２と、ノイズフィルタ２及び突入電流防止回路３を介して交流電源１から出力される交流電圧を整流する整流回路４と、整流回路４で整流された電圧を昇圧する昇圧回路２０と、昇圧回路２０で昇圧された電圧を平滑する平滑コンデンサ８と、母線電流検出用のシャント抵抗９と、整流回路４の負側出力端子４ｂに接続された電流検出回路である母線電流検出回路１０と、第１のフィルタ時定数を有する第１のフィルタ回路１２と、第１のフィルタ時定数より短い第２のフィルタ時定数を有する第２のフィルタ回路１３と制御部１１とを備える。
母線電流検出回路１０は、整流回路４からインバータ装置２００へ流れる母線電流の値、又はインバータ装置２００から整流回路４へ流れる母線電流の値である母線電流Ｉｄｃを検出し、検出した母線電流Ｉｄｃを第１のフィルタ回路１２及び第２のフィルタ回路１３に出力する。母線電流Ｉｄｃは、母線電流の値に対応する電圧を表す。
整流回路４としては、４つのダイオードを組み合わせて構成される全波整流回路を例示できる。整流回路４は、ダイオード以外にもＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を組み合わせて構成したものでもよい。
昇圧回路２０は、一端が整流回路４の正側出力端子４ａに接続されたリアクタ群５と、モジュール２１とを備える。
リアクタ群５は、並列接続された３つのリアクタ５ａ，５ｂ，５ｃで構成される。３つのリアクタ５ａ，５ｂ，５ｃのそれぞれの一端は整流回路４の正側出力端子４ａに接続される。リアクタ５ａの他端はモジュール２１の第１の入力端子２１ａ３に接続され、リアクタ５ｂの他端はモジュール２１の第２の入力端子２１ａ２に接続され、リアクタ５ｃの他端はモジュール２１の第３の入力端子２１ａ１に接続される。３つのリアクタ５ａ，５ｂ，５ｃのそれぞれには高調波鉄損が小さいコアが用いられるが、当該コアは、制御部１１による昇圧回路２０の制御方法と、コンバータ装置１００の電力変換効率と、昇圧回路２０で発生する熱量と、コンバータ装置１００の重量と、コンバータ装置１００の体積といった要素を考慮して選定したものであればよい。
モジュール２１は、スイッチング素子群であるＭＯＳＦＥＴ群６とダイオード群７とを備え、３つの直列回路２３ａ，２３ｂ，２３ｃが並列接続されたブリッジ回路である。ＭＯＳＦＥＴ群６は３つのスイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ６ａ，６ｂ，６ｃで構成され、ダイオード群７は３つの逆流防止ダイオード７ａ，７ｂ，７ｃで構成される。
直列回路２３ａはＭＯＳＦＥＴ６ａ及び逆流防止ダイオード７ａを直列接続した回路であり、直列回路２３ｂはＭＯＳＦＥＴ６ｂ及び逆流防止ダイオード７ｂを直列接続した回路であり、直列回路２３ｃはＭＯＳＦＥＴ６ｃ及び逆流防止ダイオード７ｃを直列接続した回路である。
ＭＯＳＦＥＴ６ａのドレインは逆流防止ダイオード７ａのアノードに接続され、ＭＯＳＦＥＴ６ａのソースは負側出力端子２１ｂに接続される。負側出力端子２１ｂはシャント抵抗９の一端に接続され、シャント抵抗９の他端は負側直流母線Ｎに接続される。ＭＯＳＦＥＴ６ａのゲートには、制御部１１で生成されたＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）駆動信号Ｘが入力される。ＰＷＭ駆動信号Ｘは、ＭＯＳＦＥＴ６ａをオンオフ動作させる信号である。逆流防止ダイオード７ａのカソードは正側出力端子２１ｃに接続される。正側出力端子２１ｃは正側直流母線Ｐに接続される。
ＭＯＳＦＥＴ６ｂのドレインは逆流防止ダイオード７ｂのアノードに接続され、ＭＯＳＦＥＴ６ｂのソースは負側出力端子２１ｂに接続される。ＭＯＳＦＥＴ６ｂのゲートには、制御部１１で生成されたＰＷＭ駆動信号Ｙが入力される。ＰＷＭ駆動信号Ｙは、ＭＯＳＦＥＴ６ｂをオンオフ動作させる信号である。逆流防止ダイオード７ｂのカソードは正側出力端子２１ｃに接続される。
ＭＯＳＦＥＴ６ｃのドレインは逆流防止ダイオード７ｃのアノードに接続され、ＭＯＳＦＥＴ６ｃのソースは負側出力端子２１ｂに接続される。ＭＯＳＦＥＴ６ｃのゲートには、制御部１１で生成されたＰＷＭ駆動信号Ｚが入力される。ＰＷＭ駆動信号Ｚは、ＭＯＳＦＥＴ６ｃをオンオフ動作させる信号である。逆流防止ダイオード７ｃのカソードは正側出力端子２１ｃに接続される。
正側出力端子２１ｃは、平滑コンデンサ８の正側端子とインバータ装置２００とに接続される。平滑コンデンサ８の負側端子は、母線電流検出回路１０と、シャント抵抗９の他端と、インバータ装置２００とに接続される。
リアクタ５ａ、ＭＯＳＦＥＴ６ａ及び逆流防止ダイオード７ａは、第１のチョッパ回路２２ａを構成する。リアクタ５ｂ、ＭＯＳＦＥＴ６ｂ及び逆流防止ダイオード７ｂは、第２のチョッパ回路２２ｂを構成する。リアクタ５ｃ、ＭＯＳＦＥＴ６ｃ及び逆流防止ダイオード７ｃは、第３のチョッパ回路２２ｃを構成する。
リアクタ５ａは、第１の入力端子２１ａ３を介して、ＭＯＳＦＥＴ６ａ及び逆流防止ダイオード７ａに接続される。リアクタ５ｂは、第２の入力端子２１ａ２を介して、ＭＯＳＦＥＴ６ｂ及び逆流防止ダイオード７ｂに接続される。リアクタ５ｃは、第３の入力端子２１ａ１を介して、ＭＯＳＦＥＴ６ｃ及び逆流防止ダイオード７ｃに接続される。
このように構成されたコンバータ装置１００では、交流電源１から供給される交流電力がノイズフィルタ２及び突入電流防止回路３を介して整流回路４に入力され、整流回路４に入力された交流電力が全波整流される。整流回路４で全波整流された電力は昇圧回路２０で昇圧され、昇圧回路２０で昇圧された電力は平滑コンデンサ８で平滑されてインバータ装置２００に供給される。インバータ装置２００は平滑コンデンサ８で平滑された直流電圧を交流電圧に変換してモータ４００を駆動する。
母線電流検出回路１０で検出された母線電流Ｉｄｃは、第１のフィルタ回路１２及び第２のフィルタ回路１３に入力される。
母線電流検出回路１０と制御部１１との間に設けられた第１のフィルタ回路１２は、通常動作時の母線電流検出用のＲＣフィルタであり、当該ＲＣフィルタは第１のフィルタ時定数を有する。第１のフィルタ時定数は数十［μs］から数百［μs］である。第１のフィルタ回路１２は、母線電流検出回路１０で検出された母線電流Ｉｄｃの値を、フィードバック制御用の信号として制御部１１に出力する。
母線電流検出回路１０と制御部１１との間に設けられた第２のフィルタ回路１３は、リアクタ欠相検出用のＲＣフィルタである。当該ＲＣフィルタは第２のフィルタ時定数を有する。第２のフィルタ時定数は数［μs］である。第２のフィルタ回路１３は、母線電流検出回路１０で検出された母線電流Ｉｄｃの値を制御部１１に出力する。
続いて制御部１１の動作を説明する。
初期状態では制御部１１はＭＯＳＦＥＴ群６を停止させている。そして制御部１１は、通常の制御シーケンスに入る前に、ＭＯＳＦＥＴ群６を構成する３つのＭＯＳＦＥＴ６ａ，６ｂ，６ｃを、ＭＯＳＦＥＴ６ａ、ＭＯＳＦＥＴ６ｂ、ＭＯＳＦＥＴ６ｃの順で、規定の電源位相時に規定秒数だけオンさせる。これにより、各相に電流が流れる。すなわち第１のチョッパ回路２２ａ、第２のチョッパ回路２２ｂ及び第３のチョッパ回路２２ｃのそれぞれに電流が流れる。
各チョッパ回路に流れた電流は母線電流検出回路１０により検出され、検出された母線電流Ｉｄｃは、第１のフィルタ回路１２及び第２のフィルタ回路１３を介して、制御部１１に入力される。
前述したように第１のフィルタ回路１２のＲＣフィルタの時定数は、第２のフィルタ回路１３のＲＣフィルタの時定数よりも長い。そのため制御部１１は、第１のフィルタ回路１２を介して制御部１１に入力された母線電流Ｉｄｃを、リアクタ欠相検出用の電流として、正確に検出することができない。ところが第２のフィルタ回路１３のＲＣフィルタの時定数は、第１のフィルタ回路１２のＲＣフィルタの時定数よりも短いため、制御部１１は、第２のフィルタ回路１３を介して入力された母線電流Ｉｄｃを、リアクタ欠相検出用の電流として検出することができる。
このように制御部１１は、リアクタ欠相検出時においては、第２のフィルタ回路１３を介して入力された母線電流Ｉｄｃを読み込むことにより、第１のチョッパ回路２２ａ、第２のチョッパ回路２２ｂ及び第３のチョッパ回路２２ｃのそれぞれに、規定の電流が流れているか否かを判断し、欠相の有無を判定できる。
ただし言うまでも無く、通常の制御シーケンスを実行するとき、ＲＣフィルタの時定数が短い第２のフィルタ回路１３では、スイッチング素子のオンオフ動作時に発生するノイズを除去しきれない。そのため、第２のフィルタ回路１３を介して入力された母線電流Ｉｄｃを用いた場合、制御部１１では、正確な母線電流の検出が困難である。そのため制御部１１は、通常の制御シーケンスを実行するとき、第１のフィルタ回路１２を介して入力された母線電流Ｉｄｃを用いてフィードバック制御を行う。
図２は図１に示す制御部においてリアクタの欠相を検出する動作を説明するためのフローチャートである。制御部１１は、通常の制御シーケンスを実行する前、３つのＭＯＳＦＥＴ６ａ，６ｂ，６ｃを、ＭＯＳＦＥＴ６ａ、ＭＯＳＦＥＴ６ｂ、ＭＯＳＦＥＴ６ｃの順で、規定の電源位相時に規定秒数だけオンさせることにより、各相に電流を流す。このとき制御部１１は、第２のフィルタ回路１３を介して入力された母線電流Ｉｄｃを検出し、検出した母線電流Ｉｄｃの値が規定以内か否かを判定することにより、欠相の有無を判定する。
図３は図１に示す制御部における制御内容の詳細を説明するための図である。図３には上から順に、交流電源１の電圧波形Ｖｉｎと、ＭＯＳＦＥＴ６ａ、ＭＯＳＦＥＴ６ｂ及びＭＯＳＦＥＴ６ｃのそれぞれのＰＷＭ駆動信号Ｘ，Ｙ，Ｚと、第２のフィルタ回路１３を介して制御部１１に入力される母線電流検出回路１０の母線電流Ｉｄｃとが示される。
図２において、制御部１１は運転開始信号を受信すると（Ｓ１）、運転を開始する前に欠相検出動作を開始する（Ｓ２）。
制御部１１は、３つのＭＯＳＦＥＴ６ａ，６ｂ，６ｃを、ＭＯＳＦＥＴ６ａ、ＭＯＳＦＥＴ６ｂ、ＭＯＳＦＥＴ６ｃの順で、規定の電源位相時に規定秒数だけオンさせる。このとき、３つのＭＯＳＦＥＴ６ａ，６ｂ，６ｃがオンしたことによって流れた電流は、第２のフィルタ回路１３を介して母線電流検出回路１０で検出される。制御部１１は、図３に示すように、母線電流検出回路１０によって検出された電流値である母線電流Ｉｄｃが規定電流範囲Ｒ内か否かを判定する（Ｓ３）。
電流値が規定電流範囲Ｒ内である場合（Ｓ３，Ｙｅｓ）、制御部１１は、運転開始のシーケンスへ移行する（Ｓ４）。
電流値が規定電流範囲Ｒ内ではない場合（Ｓ３，Ｎｏ）、制御部１１は、リアクタ欠相異常が発生していると判定し、運転開始のシーケンスへ移行しない（Ｓ５）。
Ｓ４において運転開始シーケンスへ移行後の制御部１１は、第１のフィルタ回路１２を介して検出された母線電流Ｉｄｃを用いてフィードバック制御を行う。
リアクタ及びスイッチング素子の直列回路が複数段並列に接続された特許文献１に代表される従来の昇圧回路では、リアクタの誤配線、リアクタ断線、又はスイッチング素子の故障によって、欠相となる可能性がある。欠相となった状態で昇圧動作が続けられると、一部のリアクタ及びスイッチング素子に負荷が集中して発熱量が増加するため、部品の寿命が短くなるおそれがある。本実施の形態に係るコンバータ装置１００は、昇圧回路を構成するリアクタの値に関わらず昇圧回路の欠相を検出して、欠相状態で運転が実行されることを防止できる。そのためコンバータ装置１００によれば、欠相が検出された場合でも部品の破損が抑制され、また部品の寿命の低下を抑制できる。
また特許文献１に代表される従来の昇圧回路に欠相が発生した場合、空気調和装置の連続運転が妨げられてユーザの快適性が損なわれ、また省エネ性が損なわれる。これに対して本実施の形態に係るモータ駆動装置３００を空気調和装置に用いることにより、空気調和装置の連続運転が妨げられることがなく、ユーザの快適性が向上すると共に、省エネ性が向上するという効果を奏する。同様に本実施の形態に係るモータ駆動装置３００を冷蔵庫及びヒートポンプ給湯装置に用いることにより、省エネ性が向上するという効果を奏する。
なお本実施の形態に係る昇圧回路２０には３つのチョッパ回路で構成されるチョッパ回路群２２が用いられるが、チョッパ回路群２２は、整流回路４の出力電圧を昇圧可能に構成されていればよく、２つチョッパ回路で構成されたものでもよいし、４つ以上のチョッパ回路で構成されたものでもよい。
また本実施の形態に係る昇圧回路２０は、スイッチング素子の一例としてＭＯＳＦＥＴを用いているが、昇圧回路２０を構成するスイッチング素子は、スイッチング動作が可能なものであればＭＯＳＦＥＴに限定されず、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＩＧＣＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）又はＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）でもよい。
また本実施の形態では、単相交流電源である交流電源１が用いられ、単相整流回路である整流回路４が用いられているが、交流電源１は三相交流電源でもよく、交流電源１に三相交流電源が用いられている場合、整流回路４は三相整流回路でもよい。
また本実施の形態の昇圧回路２０には逆流防止素子としてダイオード群７が用いられているが、逆流防止用の素子として機能する素子であればダイオード群７に限定されず、昇圧回路２０には、ダイオード群７の代わりに、ＩＧＢＴ、ＩＧＣＴ又はＦＥＴといったスイッチング素子を逆流防止素子いてもよい。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
１ 交流電源、２ ノイズフィルタ、３ 突入電流防止回路、４ 整流回路、４ａ 正側出力端子、４ｂ 負側出力端子、５ リアクタ群、５ａ，５ｂ，５ｃ リアクタ、６ ＭＯＳＦＥＴ群、６ａ，６ｂ，６ｃ ＭＯＳＦＥＴ、７ ダイオード群、７ａ，７ｂ，７ｃ 逆流防止ダイオード、８ 平滑コンデンサ、９ シャント抵抗、１０ 母線電流検出回路、１１ 制御部、１２ 第１のフィルタ回路、１３ 第２のフィルタ回路、２０ 昇圧回路、２１ モジュール、２１ａ１ 第３の入力端子、２１ａ２ 第２の入力端子、２１ａ３ 第１の入力端子、２１ｂ 負側出力端子、２１ｃ 正側出力端子、２２ チョッパ回路群、２２ａ 第１のチョッパ回路、２２ｂ 第２のチョッパ回路、２２ｃ 第３のチョッパ回路、２３ａ，２３ｂ，２３ｃ 直列回路、１００ コンバータ装置、２００ インバータ装置、３００ モータ駆動装置、４００ モータ。

Claims (5)

  1. 交流電源から出力される交流電圧を整流する整流回路と、
    複数のリアクタ、複数のスイッチング素子及び複数の逆流防止素子を含み、前記整流回路の出力電圧を昇圧する昇圧回路と、
    前記昇圧回路の出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、
    前記整流回路と前記昇圧回路の間に流れる電流値を検出する電流検出回路と、
    第１のフィルタ時定数を有する第１のフィルタ回路と、
    前記第１のフィルタ時定数より短い第２のフィルタ時定数を有する第２のフィルタ回路と、
    前記電流検出回路で検出された電流値を、前記第１のフィルタ回路及び前記第２のフィルタ回路を介して入力して、前記複数のスイッチング素子の動作を制御する制御部と
    を備え、
    前記制御部は、前記複数のスイッチング素子を順にオンさせたときに前記第２のフィルタ回路を介して入力した前記電流値が規定電流範囲内か否かを判定することによって、欠相の有無を判定することを特徴とするコンバータ装置。
  2. 請求項１に記載のコンバータ装置と、前記コンバータ装置から出力される直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータ装置とを備えたことを特徴とするモータ駆動装置。
  3. 請求項２に記載のモータ駆動装置を備えたことを特徴とする冷蔵庫。
  4. 請求項２に記載のモータ駆動装置を備えたことを特徴とする空気調和装置。
  5. 請求項２に記載のモータ駆動装置を備えたことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
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