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公開番号2020171174
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201015
出願番号2019072762
出願日20190405
発明の名称整流回路装置
出願人パナソニックIPマネジメント株式会社
代理人個人,個人
主分類H02M 7/12 20060101AFI20200918BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】チョッピング休止位相幅の計測時間を最低回転数に基づき設定する事により、駆動状況の変化が引き起こす電源高調波の変化に対して電圧指令が追従できず、電源高調波を増大させる場合がある。
【解決手段】負荷変動を伴う駆動状況において、電圧指令の更新値に影響を与える第3の制御部223内のチョッピング位相幅検出器212で決定する最大チョッピング休止位相幅の計測時間を、測時間調整部301により最大チョッピング休止位相幅計のばらつきを用いて調整する事で、計測時間が圧縮機の最低回転数で決定される事が無くなり、駆動状況の変化により引き起こされる電源高調波の変化に電圧指令が追従するため、損失を低減しながら電源高調波を規制内に抑える事が出来る。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
半導体スイッチをチョッピング動作させることにより、単相交流電源からの交流電圧、或いは該交流電圧を整流した脈動電圧を、リアクタを介して短絡又は開放し、前記単相交流電源から直流電圧に整流した後、負荷に電力を供給する整流回路装置であって、前記整流回路装置は、前記単相交流電圧の波形と同一周波数の目標電流波形を生成する波形生成部と、前記単相交流電源から流れる交流電流、又は整流後の脈動電流を検出する交流電流検出部と、前記直流電圧を検出する直流電圧検出部と、前記検出された交流電流の波形が実質的に前記目標電流波形となるように前記半導体スイッチのチョッピング動作を制御する第1の制御部と、検出された前記直流電圧が実質的に所定の目標直流電圧となるように前記目標電流波形の振幅を制御する第2の制御部と、前記単相交流電源の電源半周期毎に電源半周期における前記交流電流検出部により検出された交流電流の絶対値の最大値或いは脈動電流の最大値と、同一の前記電源半周期における前記半導体スイッチのチョッピングが連続して停止している期間であるチョッピング休止位相幅とを関連付け、電源周期より長く設定された計測時間内において前記電源半周期毎に検出された前記交流電流の絶対値の最大値或いは前記脈動電流の最大値の中で最も大きな値に関連付けられた前記チョッピング休止位相幅を最大チョッピング休止位相幅とし、電源周期より長く設定された計測時間毎に更新される前記最大チョッピング休止位相幅が実質的に所定の位相幅となる様に前記所定の目標直流電圧を制御する第3の制御部と、複数の前記最大チョッピング休止位相幅から計測時間調整情報を作成し前記第3の制御部へ出力する計測時間調整部とにより構成され、前記第3の制御部は、前記最大チョッピング休止位相幅が前記計測時間調整部の計測時間調整情報により調整された電源周期より長く設定された計測時間毎に更新される事を特徴とする整流回路装置。
続きを表示(約 1,300 文字)【請求項2】
前記計測時間調整部が出力する計測時間調整情報は、前記計測時間調整情報の更新周期毎に作成される最大チョッピング休止位相幅を用いて、予め設定した所定の回数あるいは所定の時間における最大チョッピング休止位相幅のばらつきを求め、前記ばらつきが予め設定した所定の値を越える場合は、現在設定している計測時間よりも次回の計測時間を長く設定する出力である一方、前記ばらつきが前記所定の値を越えない場合は、現在設定している計測時間よりも次回の計測時間を短く設定する出力である事を特徴とする請求項1に記載の整流回路装置。
【請求項3】
前記所定の位相幅は、電源半周期に対して0度から180度の範囲で、負荷の状況、若しくは外部からの指令に応じて変更して設定されるよう構成された請求項1から請求項3の何れか一項に記載の整流回路装置。
【請求項4】
前記負荷の状況の指標として、前記交流電流の値、前記交流電流に基づいて計算される入力電力、または前記整流回路装置の出力電力、或いは前記負荷が任意の電圧と周波数によりモータを駆動するインバータ装置とモータ電流検出器とモータとで構成されている場合、モータに対する回転数又は回転数指令値を用いる様に構成された請求項1から請求項3の何れか一項に記載の整流回路装置。
【請求項5】
前記第3の制御部は、前記単相交流電源の電源半周期において、複数の前記チョッピング休止位相幅が存在するときに、当該期間内のいずれかの位相幅、若しくは合計の位相幅を当該の電源半周期におけるチョッピング休止位相幅とする様に構成された請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の整流回路装置。
【請求項6】
前記第3の制御部は、前記最大チョッピング休止位相幅、または予め設定されている回数による平均値が、実質的に所定の位相幅となるように前記所定の目標直流電圧を制御するよう構成された請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の整流回路装置。
【請求項7】
前記目標電流波形は、前記目標電流波形の瞬時の絶対値が、前記単相交流電源の電源半周期において、(a)当該期間の開始点から、所定の中間点までは、時間経過と共に、増加し、若しくは増加し、かつ、一部期間で一定であるように実質的に単調増加し、(b)前記中間点から終了点までは、時間経過とともに、減少し、若しくは減少し、かつ、一部期間で一定であるように実質的に単調減少した後、ゼロとなる期間を有するように設定された請求項1から請求項6の何れか一項に記載の整流回路装置。
【請求項8】
前記目標電流波形は、前記目標電流波形の瞬時の絶対値が、前記単相交流電源の電源半周期において、(a)当該期間の開始点から、所定の第1の中間点までは、ゼロとなる期間を有し、(b)前記第1の中間点から所定の第2の中間点までは、増加し、若しくは増加し、かつ、一部期間で一定であるように実質的に単調増加し、(c)前記第2の中間点から終了点までは、時間経過と共に、減少し、若しくは減少し、かつ、一部期間で一定であるように実質的に単調減少した後、ゼロとなる期間を有するように設定された請求項1から請求項7の何れか一項に記載の整流回路装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、交流電源からの交流を直流に整流する整流回路装置の制御方法に関し、特に、家庭などの単相交流電源からの交流を整流して略直流を生成する整流回路装置の制御方法に関する。
続きを表示(約 6,300 文字)【0002】
本発明に係る整流回路装置は、直流負荷を駆動する回路装置や、生成された直流をインバータ回路により、再度、任意周波数の交流に変換して、負荷であるモータを可変速度駆動する装置に適用される。
【0003】
本発明に係る整流回路装置は、例えば、圧縮機により冷媒を圧縮することによりヒートポンプを構成し、冷房、暖房、又は食品などの冷凍を行う装置に適用され、そのような装置において電源電流に含まれる高調波成分の低減や、力率を改善することにより、送電系統の負担を軽減させて、高効率に駆動制御を行うものである。
【背景技術】
【0004】
一般にこの種の整流回路装置としては種々のものが提案されている。
【0005】
図15は特許文献1に開示された整流回路装置の構成を示す回路図であり、図16は図15の整流回路装置における制御部の構成を示すブロック図である。
【0006】
図15に示した整流回路装置においては、交流電源1の両出力端子を整流ブリッジ2とリアクタ3aを介して半導体スイッチ3cのオン状態により閉回路を形成して、リアクタ3aに電流を充電し、半導体スイッチ3cがオフ状態になったときに、ダイオード3bにより負荷4に電流を供給する構成である。このように構成することにより、図15の整流回路装置は交流電源1の瞬時電圧が低い期間においても電源電流が流れ、電源電流の高調波成分が少なくなり、力率が改善する構成である。
【0007】
本特許文献においては、半導体スイッチ3cを、交流電源1の周波数よりも十分に高い周波数で、きめ細かくオン/オフ駆動して、交流電源1の交流電圧をチョッピングする(以下、「半導体スイッチをチョッピング動作させる」又は「半導体スイッチによるチョッピング」という。)とき、半導体スイッチ3cに電流が流れるため、回路の損失が発生するという従来の課題に対し、半導体スイッチ3cを常にチョッピング動作させるのではなく、交流位相の特定の期間だけチョッピング動作させ、残りの期間は休止させる方法が提案されている。
【0008】
図15に示した整流回路装置においては、交流電源1からの交流電圧を整流ブリッジ2で整流して、脈動を含む直流電圧に変換した後、その電力がリアクタ3a、ダイオード3bを介して、平滑コンデンサ3dおよび負荷4に供給されており、リアクタ3aを介して、整流ブリッジ2からの出力電圧を半導体スイッチ3cで短絡できるように構成することにより、周知の昇圧チョッパ回路3による力率改善機能つきの整流回路装置が構成されている。
【0009】
図15に示した整流回路装置においては、昇圧チョッパ回路3が、入力電流検出器6および入力電流検出部10で入力電流を検出し、入力電流の波形が入力電圧検出部11で検出した入力電圧波形(電源電圧波形)と同じ形状になるように半導体スイッチ3cをチョッピング動作させ、かつ、出力電圧が所望の電圧になるように、入力電流の大きさを調整している。
【0010】
特に、特許文献1では、半導体スイッチを高調波が少なくなるための最低限の区間のみチョッピング動作させることにより、回路の損失を低減させることを提案している。
【0011】
図16はその提案のための制御方法をブロック図で示したものである。図16において、電源ゼロクロス検出手段5により、電源電圧の位相を検出し、パルスカウンタ13aにより一定の期間のみ、図15の半導体スイッチ3cのチョッピング動作を許可し、それ以外の期間では、半導体スイッチ3cがオフになるように保持している。この制御方法により、電源高調波をほとんど増加させることなく、かつ低損失となる整流回路装置を実現している。
【0012】
また、特許文献2の整流回路装置の制御方法においては、電源電圧の波形を必要とする構成であるが、電源電圧の波形を使用することなく、予め決めた波形により同様の動作を実現する制御方法も提案されている。さらに、特許文献3では目標となる電流波形を有することなく、同様の効果が発揮されることを目的とする簡便な方法も提案されている。
【0013】
なお、図15に示した整流回路装置の場合には、入力電流が一旦整流された後の電流で代用されており、その入力電流の絶対値の情報を得て、この絶対値の大きさを調整する構成である。このように入力電流の絶対値の大きさを調整することは、入力電流の振幅を調整することと等価であることは、広く知られている。
【0014】
ところで、負荷が決まっている条件では、出力電圧が一定になるように制御され、また、半導体スイッチをチョッピング動作させる期間も固定されているため、検出された出力電圧が誤差を含む場合、電流波形が変化してしまう事となる。
【0015】
例えば、実効値200Vの交流を整流して約280Vの直流を得る場合に、直流電圧が1V変化するだけで電流波形が大きく変化する。直流電圧の280Vに対して1Vの精度は、0.3%に相当し、抵抗で電圧を分圧して低い電圧を生成する場合には、非常に高い精度の抵抗が必要になってしまう。このため、従来の整流回路装置においては、出力電圧の検出精度を加味して、変化した電流波形でも高調波が少なくなるように、チョッピングする期間をより長く設定する必要があった。したがって、このような特許文献1に代表されるような整流回路装置においては、チョッピングする期間をより長く設定する事で回路の損失が増加するという課題を有している。
【0016】
加えて、特許文献1に代表されるような整流回路装置は、一般にデジタルコンピュータを用いて実現されるが、高精度な直流電圧の電圧制御を実現しようとすると、直流電圧を高分解能、すなわちビット数の多いアナログ−デジタル変換(以下、「AD変換」という。)器が必要になり、回路負担が大きくなってしまう。この場合においても、実際に制御回路が検出できる検出精度を加味して、変化した電流波形でも高調波が少なくなるように、チョッピングする期間をより長く設定して、回路の損失を少し増加させる必要があるという課題を有している。
【0017】
さらに、特許文献1から特許文献3に示されるような整流回路装置では、出力電圧が低いほど回路の損失が少なくなるが、電源電圧の瞬時値よりも低い電圧に出力電圧を設定しようとした場合、半導体スイッチをチョッピング動作させる期間の交流電圧が出力電圧より低くても、半導体スイッチをチョッピング動作させる期間に昇圧動作により出力電圧が上昇してしまう現象が発生する。このため、回路の損失がより少なく、より低い出力電圧に設定することが難しいという課題を有している。
【0018】
また、特許文献1から特許文献3に示されるような整流回路装置では、チョッピングする期間が一律に設定されており、チョッピングする期間は、想定された最大の入力電力に対して設定されている。このため、このような従来の整流回路装置は、入力電力が小さく電源高調波電流の規制レベルに対して余裕のある状況においても、規定のチョッピング動作を実行しなければならず、その結果、回路の損失を最小に出来ないという課題を有している。
【0019】
それらの課題に対し特許文献4では、出力電圧の検出精度によらず、接続されている負荷の状況、或いは外部からの指令に応じて電源高調波電流を電源高調波規制値以下に低減することができ、かつ回路の損失を低減することができる整流回路装置の制御方法として、以下のものが提案されている。
【0020】
図17は特許文献4に開示された整流回路装置の構成を示す回路図であり、図18は図17の整流回路装置における制御部の構成を示すブロック図である。
【0021】
特許文献4に示す整流回路装置は、半導体スイッチ104a及び104bをチョッピング動作させることにより、単相交流電源1からの交流電圧を、リアクタ102を介して短絡又は開放して、前記単相交流電源1から直流電圧に整流して、負荷に電力を供給する整流回路装置において、交流電圧の波形と同一周波数の目標電流波形を生成する波形生成部(AC電圧位相検出器201、目標電流波形生成器202で構成)と、単相交流電源1から流れる交流電流を検出する交流電流検出器103と、直流電圧を検出する直流電圧検出器110と、検出された交流電流の波形が実質的に目標電流波形となるように半導体スイッチ104a及び104bのチョッピング動作を制御する第1の制御部(乗算器208、減算器209、Iac補償演算器210、PWM変換器211で構成)と、検出された直流電圧が実質的に所定の目標直流電圧となるように目標電流波形の振幅を制御する第2の制御部(減算器206、Vdc補償演算器207で構成)と、前記単相交流電源1の電源半周期に検出される交流電流の最大値と検出されたチョッピング休止位相幅を関連付けて記憶し、電源周期より長い所定の期間内において記憶した中から最も大きな交流電流と関連付けられているチョッピング休止位相幅を抽出し、抽出したチョッピング休止位相幅が実質的に所定の位相幅となる様に前記所定の目標直流電圧を制御する第3の制御部(チョッピング位相幅検出器212、目標位相幅設定器203、減算器204、位相幅補償演算器205で構成)とを備えている。
【0022】
特許文献4によれば、接続された負荷の状況、或いは外部からの指令に応じて所望の位相幅を変化させることが可能であり、大きな電源高調波を含む交流電圧の最大値におけるチョッピング休止位相幅に絞って所望の位相幅と比較し、目標電圧指令を修正することにより、常に回路損失が少なく、かつ電源高調波規制を守りながら整流動作を実現することができる整流回路装置を提供することができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0023】
特開2005−253284号公報
特開2007−129849号公報
特開2000−224858号公報
特許6145896号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0024】
前記従来技術に係る整流回路装置では、入力電圧のピーク付近を中心にスイッチングの無いチョッピング休止位相幅が発生する。ここで、整流回路装置の負荷を、ロータリー圧縮機等の様に、機械角一回転中で負荷が変動する特性を持つものを対象とした場合、チョッピングの無いところでは、負荷の変動に応じた入力電流が流れる為、電源半周期毎に入力電流の波高値は大きく変動し、入力電流の電源高調波を押し上げる。
【0025】
入力電流が電源半周期毎に変動している状況で、最大チョッピング休止位相幅を決めるための計測時間を、電源周期より長い所定の周期で一律に決めた場合、機械角一回転の負荷の変動を捕らえるためには、最短で最低回転数に基づき設定された周期となる。
【0026】
従来技術ではチョッピング休止位相幅が所定のオフ幅となる様に電圧指令を変更するため、電圧指令の変更周期はチョッピング休止位相幅の更新周期となり、最低回転数に制限されてしまう事となる。このため、圧縮機の回転数の変化や環境の変化により引き起こされる電源高調波の変化に対する電圧指令の追従性が遅れる可能性があり、遅れたことで電源高調波が増大する可能性がある。
【0027】
本発明の目的は、上記問題点を解決することであり、入力電流が変動している状況において、最大チョッピング休止位相幅の更新周期を一律とせず、状況に応じて変化させる事で、圧縮機の回転数の変化や環境の変化により引き起こされる電源高調波の変化に対する電圧指令の追従性を改善すると同時に、所望のチョッピング休止位相幅とすべく、入力電圧のピーク値より整流回路装置の出力電圧を低く調整しながら目標直流電圧制御をする事により、高調波を低減する事ができ、かつ回路損失を低減する事ができる整流回路装置を提供する事にある。
【課題を解決するための手段】
【0028】
本発明に係る整流回路装置は、半導体スイッチをチョッピング動作させることにより、単相交流電源からの交流電圧、或いは該交流電圧を整流した脈動電圧を、リアクタを介して短絡又は開放し、前記単相交流電源から直流電圧に整流した後、負荷に電力を供給する整流回路装置であって、前記整流回路装置は、前記単相交流電圧の波形と同一周波数の目標電流波形を生成する波形生成部と、前記単相交流電源から流れる交流電流、又は整流後の脈動電流を検出する交流電流検出部と、前記直流電圧を検出する直流電圧検出部と、前記検出された交流電流の波形が実質的に前記目標電流波形となるように前記半導体スイッチのチョッピング動作を制御する第1の制御部と、検出された前記直流電圧が実質的に所定の目標直流電圧となるように前記目標電流波形の振幅を制御する第2の制御部と、前記単相交流電源の電源半周期毎に電源半周期における前記交流電流検出部により検出された交流電流の絶対値の最大値或いは脈動電流の最大値と、同一の前記電源半周期における前記半導体スイッチのチョッピングが連続して停止している期間であるチョッピング休止位相幅とを関連付け、電源周期より長く設定された計測時間内において、前記電源半周期毎に検出された前記交流電流の絶対値の最大値或いは前記脈動電流の最大値の中で最も大きな値に関連付けられた前記チョッピング休止位相幅を最大チョッピング休止位相幅とし、電源周期より長く設定された計測時間毎に更新される前記最大チョッピング休止位相幅が実質的に所定の位相幅となる様に前記所定の目標直流電圧を制御する第3の制御部と、複数の前記最大チョッピング休止位相幅から計測時間調整情報を作成し前記第3の制御部へ出力する計測時間調整部とにより構成されたものである。
【0029】
これにより、負荷変動を伴う駆動状況において、第3の制御部で決定する電圧指令の更新周期に影響を与える最大チョッピング休止位相幅の計測時間を、計測時間調整部301の出力信号で調整する事ができ、計測時間が圧縮機の最低回転数に制限される事が無くなるため、駆動状況の変化が引き起こす電源高調波の変化に対して電圧指令が追従できる事となる。
【発明の効果】
【0030】
本発明の整流回路装置は、負荷変動を伴う駆動状況において、圧縮機の回転数の変化や環境の変化により引き起こされる電源高調波の変化に対する電圧指令の追従性を改善すると同時に、所望のチョッピング休止位相幅とすべく、入力電圧のピーク値より整流回路装置の出力電圧を低く調整しながら目標直流電圧制御をする事により、電源高調波レベルを抑制しながら、回路損失を低減する事ができる。
【図面の簡単な説明】
(【0031】以降は省略されています)

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