JP2015023785A - Power conversion device and air conditioner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、三相交流電源の三相交流電力を直流電力に変換する電力変換技術に係り、特に高調波電流を抑制する技術に関する。 The present invention relates to a power conversion technique for converting three-phase AC power of a three-phase AC power source into DC power, and more particularly to a technique for suppressing harmonic current.
商用の三相交流電源の三相交流電力を直流電力に変換する整流回路を有した電力変換装置が知られており、民生用又は産業用の各種の装置(以下、「負荷装置」と言う)の電源として広く用いられている。整流回路としてはダイオードにより構成された回路が一般的に用いられる。しかしながら、ダイオード等の半導体素子を含む回路は、多くの高調波電流を発生し、負荷装置へ悪影響を及ぼすことが懸念されている。このため、近年、IEC(国際電気標準会議)による高調波規制をはじめとし、日本、中国、欧州等でも高調波規制が制定されている。 A power conversion device having a rectifier circuit that converts three-phase AC power of a commercial three-phase AC power source into DC power is known, and various devices for consumer use or industrial use (hereinafter referred to as “load devices”). It is widely used as a power source. As the rectifier circuit, a circuit constituted by a diode is generally used. However, there is a concern that a circuit including a semiconductor element such as a diode generates many harmonic currents and adversely affects the load device. For this reason, in recent years, harmonic regulations have been established in Japan, China, Europe, etc., including harmonic regulations by the IEC (International Electrotechnical Commission).
電力変換の分野では、高調波電流を抑制する技術として、6個の半導体スイッチ(例えばIGBT)、及びダイオードから構成された三相PWMコンバータを整流回路に用いる技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。近年では、三相PWMコンバータとして、汎用のコンバータ、当該コンバータを駆動する駆動回路、及びコンバータの異常動作から半導体スイッチを保護する自己保護回路等を内蔵した、いわゆるインテリジェント・パワーモジュール(IPM)と称されるパッケージ化された装置が開発されている。このIPM電力変換装置に搭載することで高調波電流対策が図られる。 In the field of power conversion, as a technique for suppressing harmonic current, a technique using a three-phase PWM converter including six semiconductor switches (for example, IGBT) and a diode for a rectifier circuit is known (for example, a patent). Reference 1). In recent years, as a three-phase PWM converter, a general-purpose converter, a drive circuit that drives the converter, and a so-called intelligent power module (IPM) that incorporates a self-protection circuit that protects a semiconductor switch from abnormal operation of the converter, etc. Packaged devices are being developed. By mounting on this IPM power converter, a countermeasure against harmonic current can be taken.
しかしながら、IPMは、多数の半導体スイッチ、及びダイオードを必要とするために、装置のコストが大幅に増加し、また、多くの半導体スイッチを制御する必要があるため、IPMの制御が複雑である、という問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、高調波電流の抑制を簡単な回路により実現し、装置のコスト増加が抑えられる電力変換装置、及び空気調和装置を提供することを目的とする。
However, since the IPM requires a large number of semiconductor switches and diodes, the cost of the apparatus is greatly increased, and since it is necessary to control many semiconductor switches, the control of the IPM is complicated. There is a problem.
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a power conversion device and an air conditioner that can suppress harmonic current with a simple circuit and suppress an increase in cost of the device. And
上記目的を達成するために、本発明は、三相交流電源の三相交流電力を直流電力に変換する電力変換装置であって、前記三相交流電力を全波整流する三相整流回路と、前記三相整流回路の入力側の各相に設けられた進相コンデンサ、及びリアクトルと、前記三相整流回路の出力側に設けられ、所定電圧の前記直流電力を出力する、1個のスイッチング素子を有する一石式の昇圧チョッパ回路と、を備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention is a power converter that converts three-phase AC power of a three-phase AC power source into DC power, and a three-phase rectifier circuit that full-wave rectifies the three-phase AC power; A phase advance capacitor and a reactor provided in each phase on the input side of the three-phase rectifier circuit, and one switching element provided on the output side of the three-phase rectifier circuit and outputting the DC power of a predetermined voltage And a one-step boost chopper circuit.
また本発明は、上記電力変換装置において、前記昇圧チョッパ回路のスイッチング素子のスイッチングのデューティを、前記直流電力の出力電流、又は前記三相交流電力の入力電流に基づいて制御する制御回路を備えることを特徴とする。 The present invention further includes a control circuit for controlling the switching duty of the switching element of the step-up chopper circuit based on the output current of the DC power or the input current of the three-phase AC power. It is characterized by.
また上記目的を達成するために、本発明は、上記の電力変換装置と、前記電力変換装置の直流電力によって動作して圧縮機を駆動する直流モータと、を備えることを特徴とする空気調和装置を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention includes the above-described power conversion device, and a DC motor that operates by DC power of the power conversion device to drive a compressor. I will provide a.
本発明によれば、三相整流回路の出力側に昇圧チョッパ回路を設け、この昇圧チョッパ回路のスイッチング素子の制御により、高調波電流を抑制する構成とした。これにより、IPMを用いて三相交流電源の三相交流電力を整流する従来の構成に比べ、スイッチング素子の数を減らすことができ、装置コストを抑えつつ、十分に高周波電流を抑制できる。 According to the present invention, the step-up chopper circuit is provided on the output side of the three-phase rectifier circuit, and the harmonic current is suppressed by controlling the switching element of the step-up chopper circuit. Thereby, compared with the conventional structure which rectifies the three-phase alternating current power of a three-phase alternating current power supply using IPM, the number of switching elements can be reduced and a high frequency current can fully be suppressed, restraining apparatus cost.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
[第1実施形態]
図1は、本実施形態に係る空気調和装置1の概略構成図である。
この空気調和装置1は、三相交流電源2から供給される三相交流電力を受けて直流電力に変換して出力する電力変換装置4と、この電力変換装置4から供給される直流電力により動作する冷凍システム6とを備えている。
冷凍システム6は、冷媒の圧縮機8、四方弁10、室外熱交換器12、膨張弁14、及び室内熱交換器20が冷媒を循環する冷凍回路21を構成するように冷媒配管26によって接続されている。室外熱交換器12、及び室内熱交換器20には、それぞれ熱交換を促すための室外ファン16、及び室内ファン22が併設されている。
この冷凍システム6では圧縮機8が圧縮機駆動モータ28を内蔵する。圧縮機駆動モータ28はDC(直流)モータであり、電力変換装置4から供給される直流電力を受けて動作する。なお、圧縮機駆動モータ28には、直流モータに代えて交流モータを用いても良く、この場合には、電力変換装置4と圧縮機駆動モータ28の間にインバータ回路(直流−交流変換回路)が設けられる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
The
The refrigeration system 6 is connected by a refrigerant pipe 26 so that the
In the refrigeration system 6, the
三相交流電源2は、三相交流電力を供給する商用電源であり、この三相交流電力の電圧、及び周波数は国毎に異なる。例えば日本国では、三相交流電力は、その電圧が200V、周波数が50Hz又は60Hzであり、中国では、その電圧が380V、周波数が50Hzであり、米国ではその電圧が230V、周波数が60Hzである。
この電力変換装置4の以下に説明する各部の電気・電子部品は、少なくとも、その使用国の三相交流電源2の電圧、及び周波数に適合するように選定されている。
The three-phase AC power source 2 is a commercial power source that supplies three-phase AC power, and the voltage and frequency of the three-phase AC power vary from country to country. For example, in Japan, the three-phase AC power has a voltage of 200 V and a frequency of 50 Hz or 60 Hz. In China, the voltage is 380 V and the frequency is 50 Hz. In the United States, the voltage is 230 V and the frequency is 60 Hz. .
The electric / electronic components of each part described below of the power conversion device 4 are selected so as to conform to at least the voltage and frequency of the three-phase AC power source 2 in the country of use.
電力変換装置4は、冷凍システム6の上記圧縮機8や室外熱交換器12等とともに室外機(図示せず)に設置され、図1に示すように、大別すると、三相ダイオード整流回路30と、力率改善回路32と、昇圧チョッパ回路34と、制御回路36とを備えている。
三相ダイオード整流回路30は、6個のダイオード素子で構成した3三相フルブリッジ形の全波整流回路である。
The power conversion device 4 is installed in an outdoor unit (not shown) together with the
The three-phase
力率改善回路32は、三相ダイオード整流回路30の入力側(すなわち電源側)に接続され、力率の改善を図るための回路である。具体的には、力率改善回路32は、受電点での力率を100%に近付けるために、進み力率を与える進相コンデンサ40A〜40Cを三相交流電源2の各相に備えている。この力率改善回路32では、これら進相コンデンサ40A〜40Cが、いわゆるY型結線(スター型とも呼ばれる)により各相の電路に接続されている。さらに、力率改善回路32は、進相コンデンサ40A〜40Cにより、各相の電路の高調波成分が増大し、波形のひずみが大きくなるのを抑制するために、進相コンデンサ40A〜40Cの前段に直列リアクトル42A〜42Cを備えている。
The power
昇圧チョッパ回路34は、三相ダイオード整流回路30の出力側(すなわち負荷側)に接続された一石式の昇圧形のチョッパ回路である。すなわち、昇圧チョッパ回路34は、チョークコイル48、スイッチング素子50、ダイオード52、及びコンデンサ54で構成され、スイッチング素子50が高速にオン/オフすることで、コンデンサ54に電荷が蓄積される。このコンデンサ54の両端電圧が電力変換装置4の直流電圧として冷凍システム6に出力される。この昇圧チョッパ回路34では、スイッチング素子50に、パワー半導体素子の一例たるIGBTが用いられている。
The step-
制御回路36は、スイッチング素子50のゲート端子50Gにゲート駆動信号Caを出力してスイッチング素子50のオン/オフを制御し、係る制御により、コンデンサ54の出力電圧を一定に維持し、かつ、高調波電流の抑制が行われる。
The
詳述すると、昇圧チョッパ回路34において、チョークコイル48に流れるリアクトル電流Iaの増減は、スイッチング素子50のオン時間、及びオフ時間によって制御される。すなわち、三相交流電力の入力電流に高調波電流が含まれる場合であっても、スイッチング素子50のオン/オフの制御によって、リアクトル電流Iaが、三相ダイオード整流回路30の出力電圧Vaと同相の波形となるようにできる。これにより、三相交流電力の入力電流の波形、及び位相が整形されることとなり、高調波電流が抑制され、更には力率の改善が図られることとなる。
More specifically, in the step-
この電力変換装置4では、力率改善回路32の入力側のいずれかの相の電路に、入力電流を検出して入力電流検出信号Daを制御回路36に出力する電流センサ60が設けられている。
一方、制御回路36には、入力電流の電流値と、スイッチング素子50のオン/オフのデューティとを対応付けた制御テーブル62が予め格納されており、入力電流検出信号Daと制御テーブル62に基づき、スイッチング素子50のオン/オフが制御される。
この制御テーブル62は、この電力変換装置4において、入力電流の電流値と、入力電流の波形、及び位相を整形するためのデューティとを予め対応付けたデータテーブルであり、制御テーブル62にしたがってスイッチング素子50が制御されることで、高調波電流が抑制される。
In the power conversion device 4, a
On the other hand, the
The control table 62 is a data table in which the current value of the input current, the waveform of the input current, and the duty for shaping the phase are associated in advance in the power conversion device 4. Switching is performed according to the control table 62. By controlling the
図2は制御回路36の制御動作を示すフローチャートである。
制御回路36の制御動作について詳細には、電力変換装置4の動作開始に伴い、制御回路36は、電流センサ60からの入力電流検出信号Daに基づき入力電流の電流値を読み取り(ステップSa1)、制御テーブル62を参照してスイッチング素子50のデューティを決定する(ステップSa2)。制御回路36は、係るデューティに基づきスイッチング素子50に対してゲート駆動信号Caを出力して、当該スイッチング素子50のオン/オフを制御する(ステップSa3)。そして、制御回路36は、処理手順をステップSa1に戻すことでフィードバック制御を行う。
FIG. 2 is a flowchart showing the control operation of the
In detail, the
図3は三相交流電力の入力電流波形の一例を示す図であり、図3(A)は制御テーブル62に基づくデューティ制御をした場合を示し、図3(B)は制御テーブル62に基づくデューティ制御はせずにデューティを固定した場合を示す。
図3(B)に示すように、制御テーブル62に基づく制御をしない場合、入力電流波形には、高周波成分に起因する顕著な歪みXが含まれる。これに対して、図3(A)に示すように、制御テーブル62に基づく制御をした場合には、歪みXが解消し、高周波電流が十分に抑制されていることが分かる。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an input current waveform of three-phase AC power. FIG. 3A illustrates a case where duty control based on the control table 62 is performed, and FIG. The case where the duty is fixed without control is shown.
As shown in FIG. 3B, when the control based on the control table 62 is not performed, the input current waveform includes a noticeable distortion X due to a high frequency component. On the other hand, as shown in FIG. 3A, when the control based on the control table 62 is performed, it can be seen that the distortion X is eliminated and the high-frequency current is sufficiently suppressed.
このように本実施形態によれば、三相ダイオード整流回路30の出力側に昇圧チョッパ回路34を設け、昇圧チョッパ回路34のスイッチング素子50の制御により、高調波電流を抑制する構成とした。これにより、IPMを用いて三相交流電源2の三相交流電力を整流する従来の構成に比べ、スイッチング素子50の数を減らすことができ、装置コストを抑えつつ、十分に高周波電流を抑制できる。
特に、昇圧チョッパ回路34を1つのスイッチング素子50を用いる一石式とすることで、装置コストが十分に抑えられる。
As described above, according to the present embodiment, the step-up
In particular, when the
これに加え、昇圧チョッパ回路34によって高周波電流を抑制する構成としているため、三相ダイオード整流回路30の入力側に設けた進相コンデンサ40A〜40Cには、その容量が小さいものを用いることができる。
詳述すると、三相ダイオード整流回路30の入力側に、進相コンデンサやリアクトルから成るパッシブフィルタを設けることで、三相交流電力に含まれる高調波電流を抑制する技術もある。この技術に比べ、本実施形態の電力変換装置4によれば、進相コンデンサ40A〜40Cの容量を数10分の1程度にまで小さくでき、非常に小型で軽量な装置が実現できる。
In addition, since the
More specifically, there is a technique for suppressing a harmonic current contained in the three-phase AC power by providing a passive filter including a phase advance capacitor and a reactor on the input side of the three-phase
[第2実施形態]
図4は、本発明の第2実施形態に係る空気調和装置100の概略構成図である。なお、同図において、第1実施形態で説明した部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
同図に示すように、この空気調和装置100は、電力変換装置104が、電流センサ60に代えて、電圧検出ユニット170を備え、この電圧検出ユニット170の出力に基づいて制御回路136がスイッチング素子50を制御する点で第1実施形態と構成を大きく異にしている。
[Second Embodiment]
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of an air-conditioning apparatus 100 according to the second embodiment of the present invention. In addition, in the same figure, about the member demonstrated in 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
As shown in the figure, in the air conditioner 100, the power conversion device 104 includes a
電圧検出ユニット170は、昇圧チョッパ回路34の出力段に設けられ、出力電圧(すなわち、コンデンサ54の両端電圧)を検出し、出力電圧検出信号Dbを制御回路136に出力するものである。制御回路136は、出力電圧検出信号Dbに基づいて、電力変換装置4の出力電圧が一定に維持されるように、スイッチング素子50のデューティをフィードバック制御する。
The
すなわち、図5に示すように、制御回路136は、出力電圧検出信号Dbに基づいて、電力変換装置4の出力電圧を読み取り(ステップSb1)、この電力変換装置4の出力電圧の目標値である指令電圧と、出力電圧との差分(偏差)に基づき、この差分を打ち消すように、スイッチング素子50のデューティを決定する(ステップSb2)。
次いで、制御回路136は、係るデューティに基づきスイッチング素子50に対してゲート駆動信号Caを出力することで、当該スイッチング素子50のオン/オフを制御し(ステップSb3)、処理手順をステップSb1に戻す。
係る制御により、出力電圧が指令電圧に維持され、出力電圧が安定的に一定に維持される。
That is, as shown in FIG. 5, the
Next, the
By such control, the output voltage is maintained at the command voltage, and the output voltage is stably maintained constant.
そして、制御回路136の係る図5に示す制御により、三相交流電力の入力電流に含まれる高調波電流も抑制されることとなる。 The harmonic current included in the input current of the three-phase AC power is also suppressed by the control shown in FIG.
これにより、本実施形態によれば、第1実施形態と同様に、装置コストを抑えつつ、十分に高周波電流を抑制でき、また、三相ダイオード整流回路30の入力側に設けた進相コンデンサ40A〜40Cの容量を小さくできる。
Thus, according to the present embodiment, as in the first embodiment, the high-frequency current can be sufficiently suppressed while suppressing the device cost, and the
なお、上述した各実施形態は、あくまでも本発明の一態様を例示するものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形、及び応用が可能である。 The above-described embodiments are merely illustrative of one aspect of the present invention, and can be arbitrarily modified and applied without departing from the spirit of the present invention.
例えば、上述した第1実施形態において、第2実施形態と同様に、電力変換装置4の出力電圧を検出し、この出力電圧の変動を生じさせず、かつ、高調波電流が抑えられるように、入力電流、及び出力電圧に基づき制御回路36がスイッチング素子50のデューティを制御しても良い。
For example, in the first embodiment described above, as in the second embodiment, the output voltage of the power conversion device 4 is detected, the output voltage does not fluctuate, and the harmonic current is suppressed. The
例えば、上述した実施形態では、本発明に係る電力変換装置4、104が出力する直流電力を空気調和装置1、100の圧縮機駆動モータ28の駆動に用いる場合を例示したが、これに限らず、任意の負荷装置の駆動に用いることができる。
For example, in the above-described embodiment, the case where the DC power output from the power converters 4 and 104 according to the present invention is used to drive the
1、100 空気調和装置
2 三相交流電源
4、104 電力変換装置
6 冷凍システム
8 圧縮機
21 冷凍回路
28 圧縮機駆動モータ
30 三相ダイオード整流回路(三相整流回路)
32 力率改善回路
34 昇圧チョッパ回路
36、136 制御回路
40A〜40C 進相コンデンサ
42A〜42C 直列リアクトル(リアクトル)
48 チョークコイル
50 スイッチング素子
50G ゲート端子
52 ダイオード
54 コンデンサ
60 電流センサ
62 制御テーブル
170 電圧検出ユニット
Ca ゲート駆動信号
Da 入力電流検出信号
Db 出力電圧検出信号
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,100 Air conditioning apparatus 2 Three-phase alternating current power supply 4,104 Power converter 6
32 Power
48
Claims (3)
前記三相交流電力を全波整流する三相整流回路と、
前記三相整流回路の入力側の各相に設けられた進相コンデンサ、及びリアクトルと、
前記三相整流回路の出力側に設けられ、所定電圧の前記直流電力を出力する、1個のスイッチング素子を有する一石式の昇圧チョッパ回路と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。 A power converter that converts three-phase AC power of a three-phase AC power source into DC power,
A three-phase rectifier circuit for full-wave rectification of the three-phase AC power;
A phase advance capacitor provided in each phase on the input side of the three-phase rectifier circuit, and a reactor;
A one-stone boost chopper circuit having one switching element that is provided on the output side of the three-phase rectifier circuit and outputs the DC power of a predetermined voltage;
A power conversion device comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 The power according to claim 1, further comprising a control circuit that controls a switching duty of the switching element of the boost chopper circuit based on the output current of the DC power or the input current of the three-phase AC power. Conversion device.
前記電力変換装置の直流電力によって動作して圧縮機を駆動する直流モータと、
を備えることを特徴とする空気調和装置。 The power conversion device according to claim 1 or 2,
A DC motor that operates by the DC power of the power converter and drives the compressor;
An air conditioner comprising:
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JP2020156233A (en) * | 2019-03-20 | 2020-09-24 | 株式会社富士通ゼネラル | Three-phase rectifier and control method thereof |
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