JP2018166374A - 電力変換装置及びそれを備えた熱源ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ装置で生じる高調波電流を低減させるためのアクティブフィルタ装置の設置コストを抑える。【解決手段】インバータ装置（20）は、コンバータ回路（21）とインバータ回路（24）とを有する。交流電源（11）とコンバータ回路（21）とは、電源ライン（12）を介して接続されている。電源ライン（12）には、ノイズフィルタ回路（30）が接続されている。電源ライン（12）におけるノイズフィルタ回路（30）とコンバータ回路（21）との間には、アクティブフィルタ装置（40）が並列接続されている。インバータ装置（20）とアクティブフィルタ装置（40）とは、１つの筐体（15）内に収納されている。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置及びそれを備えた熱源ユニットに関するものである。

従来より、空気調和機では、圧縮機のモータに交流電力を供給するために、インバータ装置が用いられている。インバータ装置は、交流電源の交流電力を直流電力に整流するコンバータ回路と、コンバータ回路の出力電力を所定の周波数の交流電力に変換するインバータ回路とを有し、交流電力を直流電力に整流する際に、電源系統に高調波電流が流れる。

そこで、特許文献１では、アクティブフィルタによって、インバータ装置で生じた高調波電流と同一振幅で位相を１８０°ずらした逆位相の補償電流を生成し、この補償電流によって高調波電流を打ち消すようにしている。

また、アクティブフィルタの設置場所として、特許文献２には、制御器を構成するインバータ主回路を、室外ユニットの筐体内部の中段で且つ正面側に設置する一方、高調波抑制装置が収容されたＡＦ筐体を、室外ユニットの筐体の略中間位置に設置するようにした構成が開示されている。

また、特許文献３には、室外機の筐体内に、インバータ装置を備えた制御機器と、高調波抑制装置の筐体とが配置された構成が開示されている。

特開平１０−２１０６５８号公報 特開２０１２−２２５５３７号公報 特開２０１２−２３７５３３号公報

ところで、従来の発明では、インバータ装置が収納されている筐体とは別体の筐体にアクティブフィルタ装置を収納した上で、インバータ装置とアクティブフィルタ装置とを室外ユニット内に配置するようにしている。

そのため、アクティブフィルタ装置を収納する筐体の部材コストの他にも、アクティブフィルタ装置用の端子台や配線等が別途必要となってしまい、アクティブフィルタ装置の設置コストが増大するという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、インバータ装置で生じる高調波電流を低減させるためのアクティブフィルタ装置の設置コストを抑えることにある。

本発明は、筐体（15）と、該筐体（15）内に収納されたインバータ装置（20）とを備えた電力変換装置を対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、第１の発明は、前記インバータ装置（20）は、交流電源（11）の交流電力を直流電力に整流するコンバータ回路（21）と、該コンバータ回路（21）の出力電力を所定の周波数の交流電力に変換するインバータ回路（24）とを有し、
前記交流電源（11）と前記コンバータ回路（21）とを繋ぐ電源ライン（12）に接続されたノイズフィルタ回路（30）と、
前記筐体（15）内に収納され、前記電源ライン（12）における前記ノイズフィルタ回路（30）と前記コンバータ回路（21）との間に並列接続されて高調波電流を低減するアクティブフィルタ装置（40）とを備えたことを特徴とするものである。

第１の発明では、インバータ装置（20）が収納される筐体（15）内に、アクティブフィルタ装置（40）を一緒に収納するようにしたから、アクティブフィルタ装置（40）を収納するための専用の筐体（15）を別途設ける必要が無い。これにより、筐体（15）の部材コストを抑えるとともに、筐体（15）の設計費、加工費、管理費なども削減することができる。

また、アクティブフィルタ装置（40）を、電源ライン（12）におけるノイズフィルタ回路（30）とコンバータ回路（21）との間に並列接続させたことで、インバータ装置（20）のノイズフィルタ回路（30）をアクティブフィルタ装置（40）にも共通して使用するようにしている。これにより、アクティブフィルタ装置（40）専用のノイズフィルタ回路（30）や端子台等を別途設ける必要が無く、装置全体の小型化や大幅なコストダウンを図ることができる。

第２の発明は、第１の発明において、
前記アクティブフィルタ装置（40）は、
複数のスイッチング素子を有するスイッチング回路（41）と、
前記スイッチング回路（41）の出力電力を平滑化するコンデンサ（42）と、
前記スイッチング回路（41）のスイッチングに伴うノイズを除去するキャリアフィルタ（43）と、
前記スイッチング回路（41）と前記電源ライン（12）とを連系するための連系リアクトル（44）と、
前記スイッチング回路（41）のスイッチングを制御する制御回路（45）とを備え、
前記スイッチング回路（41）、前記コンデンサ（42）、前記キャリアフィルタ（43）、前記連系リアクトル（44）、及び前記制御回路（45）は、同一の基板上に実装されていることを特徴とするものである。

第２の発明では、アクティブフィルタ装置（40）を構成しているスイッチング回路（41）、コンデンサ（42）、キャリアフィルタ（43）、連系リアクトル（44）、及び制御回路（45）が同一の基板上に実装されているから、各回路間を接続するハーネスが不要となり、装置全体の小型化やコストダウンを図ることができる。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記電源ライン（12）を流れる電流を検出するカレントトランス（35）を備え、
前記カレントトランス（35）は、分割型のコアを有することを特徴とするものである。

第３の発明では、分割型のコアを有するカレントトランス（35）を用いることで、電源ライン（12）を端子台から取り外すことなく、カレントトランス（35）に電源ライン（12）を挿通させる作業を行うことができる。

これにより、カレントトランス（35）の組み付け工数を低減するとともに、電源ライン（12）を端子台から取り外した場合に生じるおそれのある誤配線や端子の締め付け不足等の不具合を抑え、電力変換装置の信頼性を確保することができる。

第４の発明は、第１乃至第３の発明のうち何れか１つにおいて、
前記インバータ装置（20）は、複数のスイッチング素子を有する前記インバータ回路（24）のスイッチングを制御する制御回路（25）と、該インバータ回路（24）及び該制御回路（25）に対して電力を供給するスイッチング電源（28）とを有し、
前記スイッチング電源（28）は、前記アクティブフィルタ装置（40）に対しても電力を供給するように構成されていることを特徴とするものである。

第４の発明では、インバータ装置（20）のスイッチング電源（28）を用いて、アクティブフィルタ装置（40）に対しても電力を供給するようにしている。これにより、アクティブフィルタ装置（40）専用のスイッチング電源（28）を別途設ける必要が無く、装置全体の小型化やコストダウンを図ることができる。

第５の発明は、第１乃至第４の発明のうち何れか１つに記載の電力変換装置（10）を備えた熱源ユニットであって、
前記筐体（15）の外部には、空冷ファン（55）が配設され、
前記筐体（15）内における前記空冷ファン（55）の近傍位置には、前記インバータ装置（20）が配設され、
前記筐体（15）内における前記インバータ装置（20）とは反対側の位置には、前記ノイズフィルタ回路（30）と前記アクティブフィルタ装置（40）とが並列に配設されていることを特徴とするものである。

第５の発明では、筐体（15）内における空冷ファン（55）の近傍位置にインバータ装置（20）を配設することで、空冷ファン（55）による空気の流れを利用して、発熱源となるインバータ装置（20）を冷却することができる。

また、ノイズフィルタ回路（30）とアクティブフィルタ装置（40）とを並列に配設することで、各回路間の電気配線を最短距離で接続することができ、装置全体の小型化やコストダウンを図ることができる。

第６の発明は、第１乃至第４の発明のうち何れか１つに記載の電力変換装置（10）を備えた熱源ユニットであって、
前記筐体（15）の外部には、電気配線（13）を介して前記インバータ装置（20）と接続される圧縮機（52）が配設され、
前記圧縮機（52）の上部には、前記電気配線（13）の接続口が設けられ、
前記インバータ装置（20）は、前記筐体（15）内において前記圧縮機（52）よりも上方に配設され、
前記電気配線（13）は、前記インバータ装置（20）の下部側から配索されて前記圧縮機（52）の接続口に接続されていることを特徴とするものである。

第６の発明では、筐体（15）内における圧縮機（52）よりも上方にインバータ装置（20）が配設される。そして、インバータ装置（20）と圧縮機（52）とを繋ぐ電気配線（13）を、インバータ装置（20）の下部側から配索して、圧縮機（52）の上部の接続口に接続するようにしている。

これにより、インバータ装置（20）と圧縮機（52）と繋ぐ電気配線（13）を最短距離で配線することができ、インバータ装置（20）で生じるノイズの影響を最小限に抑えることができる。

本発明によれば、インバータ装置（20）とアクティブフィルタ装置（40）とを同一の筐体（15）内に収納するとともに、ノイズフィルタ回路（30）を共通化することで、装置全体の小型化やコストダウンを図ることができる。

本実施形態１に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。 熱源ユニットの構成を示す概略側面図である。 本実施形態２に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

《実施形態１》
図１は、本実施形態１に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。図１に示すように、電力変換装置（10）は、インバータ装置（20）と、ノイズフィルタ回路（30）と、アクティブフィルタ装置（40）とを備えている。インバータ装置（20）、ノイズフィルタ回路（30）、及びアクティブフィルタ装置（40）は、１つの筐体（15）内に収納されている。

インバータ装置（20）は、三相交流を出力する交流電源（11）からの負荷電流を所望の周波数の電流に変換して、モータ（53）に供給する。モータ（53）は、三相交流モータであり、例えば、空気調和機の冷媒回路に設けられた圧縮機（52）を駆動する（図２参照）。

筐体（15）には、交流電源（11）とインバータ装置（20）とを繋ぐ電源ライン（12）用の電源側端子台（16）と、インバータ装置（20）とモータ（53）とを繋ぐ電気配線（13）用のモータ側端子台（17）とが設けられている。

なお、本実施形態では、交流電源（11）は、三相交流を出力する電源であるとして説明する。しかし、交流電源（11）は、単相の交流や他の数の相の交流を出力する電源であってもよい。

インバータ装置（20）は、コンバータ回路（21）と、リアクトル（22）と、平滑コンデンサ（23）と、インバータ回路（24）と、制御回路（25）とを有する。

コンバータ回路（21）は、電源ライン（12）を介して交流電源（11）に接続され、交流電源（11）から出力された交流を全波整流して、脈動する直流、すなわち、脈流を出力する。コンバータ回路（21）は、複数のダイオードで構成されている。

交流電源（11）とコンバータ回路（21）とを繋ぐ電源ライン（12）には、ノイズフィルタ回路（30）が接続されている。ノイズフィルタ回路（30）は、インバータ回路（24）のスイッチング動作に伴うノイズを除去する。

リアクトル（22）の一端は、コンバータ回路（21）の一方の出力ノードに接続され、リアクトル（22）の他端は、インバータ回路（24）の入力ノードの１つとの間に接続されている。

平滑コンデンサ（23）は、リアクトル（22）の他端とコンバータ回路（21）の他方の出力ノードに接続されている。平滑コンデンサ（23）は、リアクトル（22）を介して、コンバータ回路（21）の出力ノード間に接続されており、平滑コンデンサ（23）には、コンバータ回路（21）から出力される脈動する直流の電圧が与えられている。また、平滑コンデンサ（23）は、インバータ回路（24）の２つの入力ノード間に接続されている。

リアクトル（22）と平滑コンデンサ（23）とは、ＬＣフィルタを構成している。リアクトル（22）のインダクタンス及び平滑コンデンサ（23）のキャパシタンスは、このＬＣフィルタが、インバータ回路（24）の制御信号の生成に用いられるキャリアの周波数と同じ周波数の電流成分を減衰させるように、設定されている。このため、キャリアの周波数と同じ周波数の電流成分が交流電源（11）に流出するのを抑制することができる。

インバータ回路（24）は、複数のスイッチング素子を有する。また、スイッチング素子には、還流ダイオードが逆並列に接続されている。インバータ回路（24）は、その入力電圧を、これらのスイッチング素子のオンオフ動作によって三相交流電圧に変換し、モータ（53）へ供給する。

制御回路（25）は、モータ（53）が所望の速度で回転するようにスイッチング素子を動作させる制御信号を、所定の周波数（例えば５kHz程度）のキャリアを用いて生成し、スイッチング素子に出力する。

電源ライン（12）には、カレントトランス（35）が設けられている。カレントトランス（35）は、電源ライン（12）を流れる電流を検出するものであり、分割型のコアを有する。カレントトランス（35）で検出された電流値は、アクティブフィルタ装置（40）に入力される。

アクティブフィルタ装置（40）は、電源ライン（12）におけるノイズフィルタ回路（30）とコンバータ回路（21）との間に並列接続されている。アクティブフィルタ装置（40）は、カレントトランス（35）によって検出されたインバータ装置（20）に流れる電流値に基づいて、インバータ装置（20）で発生する高調波電流と逆位相の高調波電流を補償することで、インバータ装置（20）から電源ライン（12）へ流出する高調波電流を低減するものである。

具体的に、アクティブフィルタ装置（40）は、複数のスイッチング素子を有するスイッチング回路（41）と、スイッチング回路（41）の出力電力を平滑化するコンデンサ（42）と、スイッチング回路（41）のスイッチングに伴うノイズを除去するキャリアフィルタ（43）と、スイッチング回路（41）と電源ライン（12）とを連系するための連系リアクトル（44）と、スイッチング回路（41）のスイッチングを制御する制御回路（45）とを備えている。

スイッチング回路（41）、コンデンサ（42）、キャリアフィルタ（43）、連系リアクトル（44）、及び制御回路（45）は、同一の基板上に実装されている。これにより、各回路間を接続するハーネスが不要となり、装置全体の小型化やコストダウンを図るようにしている。

キャリアフィルタ（43）は、補償電流の高域成分（スイッチング回路（41）のスイッチングによって生じる電流の成分）を除去する。スイッチング回路（41）は、制御回路（45）によってスイッチング動作が制御されて、交流電源（11）とスイッチング回路（41）との間に流れる電流を制御することによって、インバータ装置（20）から電源ライン（12）へ流出する高調波電流を打ち消す。

図２にも示すように、インバータ装置（20）、ノイズフィルタ回路（30）、及びアクティブフィルタ装置（40）は、１つの筐体（15）内に収納された状態で、熱源ユニット（50）の内部に配設されている。

熱源ユニット（50）は、空気調和機の冷媒回路に設けられた室外機であり、熱源ユニット（50）の本体部（51）内には、圧縮機（52）、空冷ファン（55）、図示しない熱交換器等が配設されている。

空冷ファン（55）は、熱源ユニット（50）の本体部（51）内の上部寄りの位置に配設され、上方に向かって空気を吹き出すようになっている。圧縮機（52）は、熱源ユニット（50）の本体部（51）内の底面に載置されている。

インバータ装置（20）、ノイズフィルタ回路（30）、及びアクティブフィルタ装置（40）が収納された筐体（15）は、熱源ユニット（50）の本体部（51）内に配設されている。

インバータ装置（20）は、筐体（15）内における空冷ファン（55）の近傍位置、つまり、上部寄りの位置に配設されている。これにより、空冷ファン（55）による空気の流れを利用して、発熱源となるインバータ装置（20）を冷却することができる。

ノイズフィルタ回路（30）とアクティブフィルタ装置（40）とは、筐体（15）内におけるインバータ装置（20）よりも下方で並列に配設されている。これにより、各回路間の電気配線を最短距離で接続することができる。

また、熱源ユニット（50）の本体部（51）内では、筐体（15）と圧縮機（52）とが横並びで配設されている。そして、筐体（15）内のインバータ装置（20）と圧縮機（52）とは、電気配線（13）を介して接続されている。

具体的に、圧縮機（52）の上部には、電気配線（13）の接続口が設けられている。そして、インバータ装置（20）は、筐体（15）内において圧縮機（52）よりも上方に配設されている。電気配線（13）は、インバータ装置（20）の下部側から配索されて圧縮機（52）の接続口に接続されている。

これにより、インバータ装置（20）と圧縮機（52）と繋ぐ電気配線（13）を最短距離で配線することができ、インバータ装置（20）で生じるノイズの影響を最小限に抑えることができる。

以上のように、本実施形態１に係る電力変換装置（10）によれば、インバータ装置（20）が収納される筐体（15）内に、アクティブフィルタ装置（40）を一緒に収納するようにしたから、アクティブフィルタ装置（40）を収納するための専用の筐体（15）を別途設ける必要が無い。

また、アクティブフィルタ装置（40）を、電源ライン（12）におけるノイズフィルタ回路（30）とコンバータ回路（21）との間に並列接続させたことで、インバータ装置（20）のノイズフィルタ回路（30）をアクティブフィルタ装置（40）にも共通して使用するようにしている。

これにより、アクティブフィルタ装置（40）専用のノイズフィルタ回路（30）や端子台等を別途設ける必要が無く、装置全体の小型化や大幅なコストダウンを図ることができる。

また、電源ライン（12）を流れる電流を検出するために、分割型のコアを有するカレントトランス（35）を用いるようにしたから、電源ライン（12）を電源側端子台（16）から取り外すことなく、カレントトランス（35）に電源ライン（12）を挿通させる作業を行うことができる。

《実施形態２》
図３は、本実施形態２に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。以下、前記実施形態１と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。

図３に示すように、インバータ装置（20）には、スイッチング電源（28）が設けられている。スイッチング電源（28）は、コンバータ回路（21）の出力ノード間に接続されており、インバータ回路（24）及び制御回路（25）に対して電力を供給する。

さらに、スイッチング電源（28）は、アクティブフィルタ装置（40）の制御回路（45）に対しても電力を供給するように構成されている。

これにより、アクティブフィルタ装置（40）専用のスイッチング電源（28）を別途設ける必要が無く、装置全体の小型化やコストダウンを図ることができる。

《その他の実施形態》
前記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

本実施形態では、熱源ユニット（50）を、空冷ファン（55）を備えた室外機で構成した場合について説明したが、この形態に限定するものではない。例えば、熱源ユニット（50）を、大型空調機器、例えば、空冷チラー、水冷チラー等で構成した場合についても、本実施形態の内容を同様に適用可能である。

また、本実施形態では、インバータ装置（20）とアクティブフィルタ装置（40）とを同一の筐体（15）内に収納するようにしているが、その他のオプション装置をこの筐体（15）内に一緒に収納するようにしてもよい。

例えば、その他のオプション装置として、北米等の電源電圧が高い地域では変圧器を設置し、インド等の電源が不安定な地域では、過電圧抑制装置を設置する等、国や地域等の事情に応じて必要な装置を選択して熱源ユニット（50）に搭載することで、グローバルでの共通設計が可能となる。

以上説明したように、本発明は、インバータ装置で生じる高調波電流を低減させるためのアクティブフィルタ装置の設置コストを抑えることができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

10 電力変換装置
11 交流電源
12 電源ライン
13 電気配線
15 筐体
20 インバータ装置
21 コンバータ回路
24 インバータ回路
25 制御回路
28 スイッチング電源
30 ノイズフィルタ回路
35 カレントトランス
40 アクティブフィルタ装置
41 スイッチング回路
42 コンデンサ
43 キャリアフィルタ
44 連系リアクトル
45 制御回路
52 圧縮機
55 空冷ファン

Claims (6)

1. 筐体（15）と、該筐体（15）内に収納されたインバータ装置（20）とを備えた電力変換装置であって、
   前記インバータ装置（20）は、交流電源（11）の交流電力を直流電力に整流するコンバータ回路（21）と、該コンバータ回路（21）の出力電力を所定の周波数の交流電力に変換するインバータ回路（24）とを有し、
   前記交流電源（11）と前記コンバータ回路（21）とを繋ぐ電源ライン（12）に接続されたノイズフィルタ回路（30）と、
   前記筐体（15）内に収納され、前記電源ライン（12）における前記ノイズフィルタ回路（30）と前記コンバータ回路（21）との間に並列接続されて高調波電流を低減するアクティブフィルタ装置（40）とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１において、
   前記アクティブフィルタ装置（40）は、
   複数のスイッチング素子を有するスイッチング回路（41）と、
   前記スイッチング回路（41）の出力電力を平滑化するコンデンサ（42）と、
   前記スイッチング回路（41）のスイッチングに伴うノイズを除去するキャリアフィルタ（43）と、
   前記スイッチング回路（41）と前記電源ライン（12）とを連系するための連系リアクトル（44）と、
   前記スイッチング回路（41）のスイッチングを制御する制御回路（45）とを備え、
   前記スイッチング回路（41）、前記コンデンサ（42）、前記キャリアフィルタ（43）、前記連系リアクトル（44）、及び前記制御回路（45）は、同一の基板上に実装されていることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記電源ライン（12）を流れる電流を検出するカレントトランス（35）を備え、
   前記カレントトランス（35）は、分割型のコアを有することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１乃至３のうち何れか１つにおいて、
   前記インバータ装置（20）は、複数のスイッチング素子を有する前記インバータ回路（24）のスイッチングを制御する制御回路（25）と、該インバータ回路（24）及び該制御回路（25）に対して電力を供給するスイッチング電源（28）とを有し、
   前記スイッチング電源（28）は、前記アクティブフィルタ装置（40）に対しても電力を供給するように構成されていることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１乃至４のうち何れか１つに記載の電力変換装置（10）を備えた熱源ユニットであって、
   前記筐体（15）の外部には、空冷ファン（55）が配設され、
   前記筐体（15）内における前記空冷ファン（55）の近傍位置には、前記インバータ装置（20）が配設され、
   前記筐体（15）内における前記インバータ装置（20）とは反対側の位置には、前記ノイズフィルタ回路（30）と前記アクティブフィルタ装置（40）とが並列に配設されていることを特徴とする熱源ユニット。
6. 請求項１乃至４のうち何れか１つに記載の電力変換装置（10）を備えた熱源ユニットであって、
   前記筐体（15）の外部には、電気配線（13）を介して前記インバータ装置（20）と接続される圧縮機（52）が配設され、
   前記圧縮機（52）の上部には、前記電気配線（13）の接続口が設けられ、
   前記インバータ装置（20）は、前記筐体（15）内において前記圧縮機（52）よりも上方に配設され、
   前記電気配線（13）は、前記インバータ装置（20）の下部側から配索されて前記圧縮機（52）の接続口に接続されていることを特徴とする熱源ユニット。

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