JP2006101660A - 電源装置およびこれを用いた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、力率改善型電源装置における、電源電圧の変動に伴う直流電圧の変動の抑制を可能とするもの。
【解決手段】交流電源１を、リアクタ７を経由して短絡する双方向スイッチ１０と、双方向スイッチ制御手段１１と、交流電源のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段１２と、双方向スイッチのオン時間であるΔｔの最大値（Δｔｍａｘ）を決定するΔｔｍａｘ決定手段１４で構成され、双方向スイッチ制御手段１１は、ゼロクロス検出信号からΔｄ経過後にオン動作を、ΔｄからさらにΔｔ経過後にオフ動作を行い、Δｔｍａｘ決定手段は電源電圧検出手段１３で検出された電源電圧に基づいてΔｔｍａｘを増減させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源を整流し、整流回路の出力端子間に、直流電圧の平滑を目的としたコンデンサを接続してなる構成で、電源電圧の変動が発生した場合も安定した直流電圧を出力する力率改善型の電源装置に関するものである。

従来、この種の電源装置としては、図１２に示すような構成において、短絡手段を短絡していない時の直流電圧から、交流電源の電源電圧を推定し、推定された電源電圧に応じてΔｄおよびΔｔを調整する電源装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−７２８０６号公報

しかしながら、上記従来の構成では、短絡手段を短絡していない場合の直流電圧から推定された電源電圧に基づいてゼロクロス検出信号を検出後から前記短絡手段をオンするまでの時間Δｄおよびそのオン時間Δｔを決定しているが、力率改善型の電源装置においては、負荷が大きい時に短絡手段を短絡することにより直流電圧を昇圧するのが一般的であるため、この方式では、高負荷時の電源電圧の低下（例えば、電源インピ−ダンスが大きい電源では、負荷が大きいほど電源電圧が低下する）に対応できないという課題を有していた。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、短絡手段を短絡している状態においても、電源電圧を直接的もしくは間接的に検出し、それに応じてΔｄおよびΔｔを調整することで、電源電圧の変動に拘らず、負荷に対して常に安定した直流電圧を供給し、かつ低コストな構成が実現できる電源装置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、交流電源からの電圧を整流して直流電圧を生成する整流回路と、前記交流電源に直列に接続されたリアクタと、前記整流回路の出力端子間に接続され、負荷に供給する直流電圧を平滑するコンデンサと、前記整流回路の入力端に接続された双方向スイッチと、前記双方向スイッチの開閉を制御する双方向スイッチ制御手段と、交流電源のゼロクロスを検出して双方向スイッチ制御手段に検出信号を入力するゼロクロス検出回路と、交流電源の両端に接続され、電源電圧を検出する電源電圧検出手段と、前記双方向スイッチの電源半周期内における最大オン時間（Δｔｍａｘ）を決定するΔｔｍａｘ決定手段とで構成され、双方向スイッチ制御手段は、ゼロクロス検出信号からΔｄ経過後にオン動作を、ΔｄからさらにΔｔ経過後にオフ動作を行い、またΔｔｍａｘ決定手段は前記電源電圧検出手段で検出された電源電圧に基づいてΔｔｍａｘを決定するものである。Δｔｍａｘ決定手段は、電源電圧が低下した場合にはΔｔｍａｘを増加する事により、直流電圧の昇圧率を増加させることが可能であり、電源電圧の変動に拘らず安定した直流電圧が得られる。

本発明の電源装置およびこれを用いた空気調和機は、交流電圧を整流する整流回路の入力端に接続された双方向スイッチの最大オン時間（Δｔｍａｘ）を、電源電圧に基づいて増減させることで、電源電圧の変動に伴う直流電圧の変動を抑制できるという効果を奏する。

第１の発明は、交流電源からの電圧を整流して直流電圧を生成する整流回路と、前記交流電源に直列に接続されたリアクタと、前記整流回路の出力端子間に接続され、負荷に供給する直流電圧を平滑するコンデンサと、前記整流回路の入力端に接続された双方向スイッチと、前記双方向スイッチの開閉を制御する双方向スイッチ制御手段と、交流電源のゼロクロスを検出して双方向スイッチ制御手段に検出信号を入力するゼロクロス検出回路と、交流電源の両端に接続され、電源電圧を検出する電源電圧検出手段と、検出された電源電圧に基づいて前記双方向スイッチの電源半周期内における最大オン時間（Δｔｍａｘ）を決定するΔｔｍａｘ決定手段とで構成され、前記双方向スイッチ制御手段は、ゼロクロス検出信号からΔｄ経過後にオン動作を、ΔｄからさらにΔｔ経過後にオフ動作を行い、また前記Δｔｍａｘ決定手段は前記電源電圧検出手段で検出された電源電圧に基づいてΔｔｍａｘを決定するもので、この構成をなすことにより、電源電圧の変動に伴う直流電圧の変動を抑制できるという効果を奏する。

第２の発明は、特に第１の発明の直流電圧を検出して双方向スイッチ制御手段に出力する直流電圧検出手段と直流電圧の目標値を記憶する目標電圧記憶手段を有し、前記双方向スイッチ制御手段は、直流電圧が目標値に近づくように、０〜Δｔｍａｘの範囲内で双方向スイッチのオン時間Δｔを増減させるものでこの構成をなすことにより、電源電圧の変動に伴う直流電圧の変動を抑制できるという効果を奏する。

第３の発明は、特に第２の発明の負荷を検出する負荷検出手段を有し、双方向スイッチ制御手段は、負荷検出手段によって検出された負荷に基づいてΔｄを増減させるものでこの構成をなすことにより、電源電圧の変動に伴う直流電圧の変動を抑制できるという効果を奏する。

第４の発明は、特に第１〜３の発明の電源電圧検出手段の代替手段として、交流電源を流れる交流電流を検出する交流電流検出手段と、直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、交流電流値と直流電圧値と双方向スイッチのオン時間Δｔから交流電源の電源電圧を推定する電源電圧推定手段を有し、Δｔｍａｘ決定手段は前記電源電圧推定手段で推定された電源電圧に基づいてΔｔｍａｘを決定するものでこの構成をなすことにより、電源電圧の変動に伴う直流電圧の変動を抑制できるという効果を奏する。

第５の発明は、特に第４の発明の双方向スイッチ制御手段とΔｔｍａｘ決定手段と電源電圧推定手段を一つの演算装置の内部に有するものでこの構成をなすことにより、電源電圧の変動に伴う直流電圧の変動を抑制できるという効果を奏する。

第６の発明は、特に第１〜５の発明の電源装置をインバ−タおよび圧縮機モ−タの電源装置として用いたことを特徴とする空気調和機であり、電源電圧の変動に伴う直流電圧の変動を抑制できるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の請求項１における構成の一実施例を示した図で、交流電源１と、交流電圧を整流して直流電圧を生成する、２〜５の４個の整流素子からなる整流回路６と、交流電源１に直列に接続されたリアクタ７と、整流回路６の出力端子間に互いに直列接続され、負荷９に供給する直流電圧を平滑するコンデンサ８ａおよび８ｂと、整流回路６の入力端子間に接続された双方向スイッチ１０と、双方向スイッチ１０の開閉を制御する双方向スイッチ制御手段１１と、交流電源のゼロクロスを検出して双方向スイッチ制御手段１１
に検出信号を入力するゼロクロス検出手段１２と、交流電源の両端に接続され、電源電圧を検出する電源電圧検出手段１３と、検出された電源電圧に基づいて、双方向スイッチのオン時間であるΔｔの最大値（Δｔｍａｘ）を決定するΔｔｍａｘ決定手段１４で構成される。

以下、図１に示した構成の電源装置の動作について、図２から図４を用いて説明する。図２はＡＣ１００Ｖ（定格電圧）、ＡＣ１７Ａｒｍｓ、Δｄ＝０、Δｔ＝２５００μｓ（＝Δｔｍａｘ１）の場合の電源電圧波形と電流波形と双方向スイッチのオン動作と直流電圧を、電源電圧の１周期において示したものである。ここで、Δｔｍａｘ１は双方向スイッチとして一般的に使用される半導体素子の電流制限値により決定されることが多く、図２における双方向スイッチの電流ピ−ク値は２６．７Ａであるが、図３以降においても前記の２６．７Ａを双方向スイッチ１１の電流制限値として各部動作波形を説明する。

図２においてはΔｔ＝Δｔｍａｘ１（＝２５００μｓ）であるため、直流電圧値（２７２Ｖ）は当該負荷における最大出力電圧である。

図３には、Δｔｍａｘを電源電圧の低下に対応して変化させず、交流電流値を図２と同一とした場合の各部の波形を示す。図３においてはＡＣ９５Ｖ、ＡＣ１７Ａｒｍｓ、Δｄ＝０、Δｔ＝２５００μｓ（＝Δｔｍａｘ１）である。その際の直流電圧はＤＣ２５５Ｖであり、図２の場合（ＡＣ１００Ｖ）に比べて電源電圧の変動により直流電圧も大きく低下する事が分かる。なお、図３におけるスイッチ素子の電流ピ−ク値は２４．９Ａである。

次に図４には、電源電圧が９５Ｖに低下した時、Δｔｍａｘ決定手段がΔｔｍａｘを２６００μｓ（＝Δｔｍａｘ２）に増加させた場合の各部波形を示す。図４においてはＡＣ９５Ｖ、ＡＣ１７Ａｒｍｓ、Δｄ＝０、Δｔ＝２６００μｓ（＝Δｔｍａｘ２）であり、その際の直流電圧はＤＣ２６３Ｖで、図３の場合に対して直流電圧の最大値を増加させる事ができる。なお、図４におけるスイッチ素子の電流ピ−ク値は２６．７Ａであり、双方向スイッチの電流制限値限度までオン時間を広げている事が分かる。

これにより、電源電圧が変動した場合の最大出力電圧に対する影響を抑制することができる。

また、本実施例においては倍電圧整流方式における効果を説明したが、全波整流型の電源装置においても同様の効果が得られることは言うまでもない。

（実施の形態２）
図５は本発明の請求項２における構成の一実施例を示した図で、直流電圧を検出して双方向スイッチ制御手段１１に出力する直流電圧検出手段１５と直流電圧の目標値を記憶する目標電圧記憶手段１６を有し、前記双方向スイッチ制御手段は、直流電圧が目標値に近づくように、０〜Δｔｍａｘの範囲内で双方向スイッチのオン時間Δｔを増減させるもので、電源電圧が変動した場合も安定した直流電圧を供給できる。

（実施の形態３）
図６は本発明の請求項３における構成の一実施例を示した図で、負荷を検出する負荷検出手段１７を有し、双方向スイッチ制御手段１１は、検出された負荷に基づいてΔｄを増減させるもので、直流電圧を目標電圧に近づけながら、負荷に応じた最適の電源力率を実現する事ができる。
負荷に応じてΔｄを増減させた場合の電源力率の改善効果に関して、図７および図８を用いて説明する。

図７はＡＣ１００Ｖ、ＡＣ７．３Ａｒｍｓ、目標電圧＝２４５Ｖ、Δｄ＝０の場合の各部動作波形を示した図である。

この時、直流電圧を目標電圧に合わせるためのΔｔ＝１６００μｓであり、電源力率は８９．３％となる。

一方、図８ではＡＣ１００Ｖ、ＡＣ７．３Ａｒｍｓ、目標電圧＝２４５ＶでΔｄ＝５００μｓの場合の各部動作波形を示した図である。この時、直流電圧を目標電圧に合わせるためのΔｔ＝１２００μｓであり、電源力率は９１．３％となり、Δｄ＝０（図７）の場合に比べて約２％の改善を図ることができる。

（実施の形態４）
図９は本発明の請求項４における構成の一実施例を示した図で、前記電源電圧検出手段の代替手段として、交流電源を流れる交流電流を検出する交流電流検出手段１８と、直流電圧を検出する直流電圧検出手段１５と、交流電流値と直流電圧値と双方向スイッチのオン時間Δｔから交流電源の電源電圧を推定する電源電圧推定手段１９を備えたものである。

図２〜図４から明らかなように、交流電源の電源電圧と交流電流とΔｔが確定すれば、直流電圧は一意に定まるものであり、逆に交流電流と直流電圧とΔｔが確定すれば、電源電圧を推定することができる。

Δｔｍａｘ決定手段１４は、推定された電源電圧に基づいてΔｔｍａｘを決定する。一般的に、双方向スイッチ制御手段等の制御手段は、交流である電源電圧とは基準電位が異なるため、実施の形態１で備えたような直接的な電源電圧検出手段を備えることは部品点数やコストの増加を伴う。

それに対し、交流電流検出手段や直流電圧検出手段は双方向スイッチ制御手段と同一の基準電位で構成できることが多いため、交流電流値と直流電圧値とΔｔから電源電圧値を推定することにより、より低コストな構成で実施の形態１と同等の効果を得る事ができる。

（実施の形態５）
図１０は本発明の請求項５における構成の一実施例を示した図で、前記双方向スイッチ制御手段１１とΔｔｍａｘ決定手段１４と電源電圧推定手段１８を一つの演算装置２０の内部に有するものであり、実施の形態４に記載した構成に比べて、部品点数の減少を図ることができる。

（実施の形態６）
図１１は本発明の請求項６における一実施例を示した図で、請求項１に記載の電源装置を空気調和機のインバ−タ２１および圧縮機モ−タ２２の電源装置として使用するものである。

本構成により、電源電圧の変動に伴う空気調和機の最大能力の変動およびコンプレッサ−の回転数の変動を抑制することができ、安定した冷暖房能力を供給することができる。

本発明の実施例１に係る電源装置の構成図 本発明の実施例１における、電源電圧１００Ｖ（定格）時かつｔｗｍａｘ＝２５００μｓの際の各部動作波形を示す図 本発明の実施例１における、電源電圧９５Ｖかつｔｗｍａｘ＝２５００μｓの際の各部動作波形を示す図 本発明の実施例１における、電源電圧９５Ｖかつｔｗｍａｘ＝２６００μｓの際の各部動作波形を示す図 本発明の実施例２に係る電源装置の構成図 本発明の実施例３に係る電源装置の構成図 本発明の実施例３における、ＡＣ１００Ｖ、ＡＣ７．３Ａｒｍｓ、目標電圧２４５Ｖ、Δｄ＝０、Δｔ＝１６００μｓの際の各部動作波形を示す図 本発明の実施例３における、ＡＣ１００Ｖ、ＡＣ７．３Ａｒｍｓ、目標電圧２４５Ｖ、Δｄ＝５００μｓ、Δｔ＝１２００μｓの際の各部動作波形を示す図 本発明の実施例４に係る電源装置の構成図 本発明の実施例５に係る電源装置の構成図 本発明の実施例６に係る空気調和機の構成図 従来の力率改善型電源装置の一例を示す構成図

符号の説明

１ 交流電源
２、３，４，５ ダイオ−ド素子
６ ブリッジ整流回路
７ リアクタ
８ａ コンデンサａ
８ｂ コンデンサｂ
９ 負荷
１０ 双方向スイッチ
１１ 双方向スイッチ制御手段
１２ ゼロクロス検出手段
１３ 電源電圧検出手段
１４ Δｔｍａｘ決定手段
１５ 直流電圧検出手段
１６ 目標電圧記憶手段
１７ 負荷検出手段
１８ 交流電流検出手段
１９ 電源電圧推定手段
２０ 演算装置
２１ インバ−タ
２２ モ−タ

Claims (6)

1. 交流電源からの電圧を整流して直流電圧を生成する整流回路と、前記交流電源に直列に接続されたリアクタと、前記整流回路の出力端子間に接続され、負荷に供給する直流電圧を平滑するコンデンサと、前記整流回路の入力端に接続された双方向スイッチと、前記双方向スイッチの開閉を制御する双方向スイッチ制御手段と、交流電源のゼロクロスを検出して双方向スイッチ制御手段に検出信号を入力するゼロクロス検出回路と、交流電源の両端に接続され、電源電圧を検出する電源電圧検出手段と、検出された電源電圧に基づいて前記双方向スイッチの電源半周期内における最大オン時間（Δｔｍａｘ）を決定するΔｔｍａｘ決定手段とで構成され、前記双方向スイッチ制御手段は、ゼロクロス検出信号からΔｄ経過後にオン動作を、ΔｄからさらにΔｔ経過後にオフ動作を行い、また前記Δｔｍａｘ決定手段は前記電源電圧検出手段で検出された電源電圧に基づいてΔｔｍａｘを決定することを特徴とする電源装置。
2. 直流電圧を検出して双方向スイッチ制御手段に出力する直流電圧検出手段と直流電圧の目標値を記憶する目標電圧記憶手段を有し、前記双方向スイッチ制御手段は、直流電圧が目標値に近づくように、０〜Δｔｍａｘの範囲内で双方向スイッチのオン時間Δｔを増減させる事を特徴とする、請求項１に記載の電源装置。
3. 負荷を検出する負荷検出手段を有し、双方向スイッチ制御手段は、負荷検出手段によって検出された負荷に基づいてΔｄを増減させる事を特徴とする、請求項２に記載の電源装置。
4. 電源電圧検出手段の代替手段として、交流電源を流れる交流電流を検出する交流電流検出手段と、直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、交流電流値と直流電圧値と双方向スイッチのオン時間Δｔから交流電源の電源電圧を推定する電源電圧推定手段を有し、Δｔｍａｘ決定手段は前記電源電圧推定手段で推定された電源電圧に基づいてΔｔｍａｘを決定することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の電源装置。
5. 双方向スイッチ制御手段とΔｔｍａｘ決定手段と電源電圧推定手段を一つの演算装置の内部に有することを特徴とする、請求項４に記載の電源装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の電源装置をインバ−タおよび圧縮機モ−タの電源装置として用いたことを特徴とする空気調和機。

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