WO2022176015A1 - 電力変換装置および空気調和機 - Google Patents

Abstract

第１の交流電圧を整流する整流回路（２１０）と、整流回路（２１０）に接続されるリアクタ（２２０）と、整流回路（２１０）の出力端に接続されるコンデンサ（２３０）と、コンデンサ（２３０）に接続され、複数のスイッチング素子（２４１～２４６）の動作によって第２の交流電圧を生成し、固定子および回転子を有するモータ（３１０）に印加するインバータ（２４０）と、複数のスイッチング素子（２４１～２４６）の動作を制御する制御部（２７０）と、を備え、制御部（２７０）は、回転子を回転させないよう、モータ（３１０）の圧縮運転のときよりも高周波数の第２の交流電圧をインバータ（２４０）からモータ（３１０）に印加させ、高周波数の第２の交流電圧がインバータ（２４０）からモータ（３１０）に印加されることで発生する回生電流によって、損傷なくコンデンサ（２３０）に電流が流れ込む。

Description

電力変換装置および空気調和機

　本開示は、交流電圧を直流電圧に変換し、さらに直流電圧を交流電圧に変換する電力変換装置および空気調和機に関する。

　従来、インバータを有する駆動制御装置において、低温状態で停止中に、空気調和機などの冷凍サイクル装置用の圧縮機に液冷媒が集まる冷媒寝込み現象が発生することがある。冷媒寝込み現象が発生すると、圧縮機の起動負荷が大きくなることで圧縮機の破損につながる、圧縮機の起動の際に大きな電流がインバータに流れてシステム異常と判断され、圧縮機の起動ができなくなる、などの不具合が発生する。

　このような問題に対して、特許文献１には、駆動制御装置が、圧縮機のモータを拘束通電して加熱し、冷媒寝込み現象を解消するための拘束通電制御を行う技術が開示されている。特許文献１に記載の駆動制御装置は、安定的な拘束通電出力を実現して冷媒寝込み現象を高効率に抑制することができるとともに、ヒータなどの加熱部品が不要なことからコストアップを抑制することができる。特許文献１に記載の駆動制御装置では、拘束通電を行うためにインバータが備えるスイッチング素子を高周波スイッチングすることによって、モータのインピーダンス特性から無効電力成分が支配的なモータ電流が発生する。モータ電流はコンデンサに回生され、回生された電流はコンデンサにエネルギーとしてチャージされる。

特開２０１２－６７７０６号公報

　近年、電力変換装置において、高調波改善、力率改善、機器の小型化などの目的で整流回路の後段のコンデンサの容量を小さくすることが行われている。しかしながら、コンデンサの容量の小さい電力変換装置で特許文献１のように高周波スイッチングを行うと、回生された電流がコンデンサにエネルギーとしてチャージされることになるが、コンデンサに蓄えられるエネルギー量が少ない。そのため、コンデンサの容量の小さい電力変換装置では、コンデンサの容量の大きい電力変換装置と比較して、エネルギーのチャージが速く、コンデンサ両端電圧の変化量が大きくなる。コンデンサの容量の小さい電力変換装置は、コンデンサが過充電状態になってコンデンサの両端電圧である母線電圧が上昇し、コンデンサ、インバータが備えるスイッチング素子などの耐電圧を超えてしまう可能性がある、という問題があった。

　本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、コンデンサの容量を抑制しつつ、冷媒寝込みを解消する際の拘束通電制御において素子への影響を回避可能な電力変換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、本開示に係る電力変換装置は、第１の交流電圧を整流する整流回路と、整流回路に接続されるリアクタと、整流回路の出力端に接続されるコンデンサと、コンデンサに接続され、複数のスイッチング素子の動作によって第２の交流電圧を生成し、固定子および回転子を有する圧縮機モータに印加するインバータと、複数のスイッチング素子の動作を制御する制御部と、を備える。制御部は、回転子を回転させないよう、圧縮機モータの圧縮運転のときよりも高周波数の第２の交流電圧をインバータから圧縮機モータに印加させる。高周波数の第２の交流電圧がインバータから圧縮機モータに印加されることで発生する回生電流によって、損傷なくコンデンサに電流が流れ込む。

　本開示に係る電力変換装置は、コンデンサの容量を抑制しつつ、冷媒寝込みを解消する際の拘束通電制御において素子への影響を回避できる、という効果を奏する。

実施の形態１に係る電力変換装置を備える空気調和機の構成例を示す図 実施の形態１に係る電力変換装置の構成例を示す第１の図 実施の形態１に係る電力変換装置の構成例を示す第２の図 実施の形態１に係る電力変換装置の制御部が生成するＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号の例を示す図 実施の形態１に係る電力変換装置が備えるインバータのスイッチング素子のスイッチング状態における各部の電圧および電流の例を示す図 実施の形態１に係る電力変換装置が備えるインバータのスイッチング素子に対するＰＷＭ信号およびモータのＵ相に流れるモータ電流の例を示す図 実施の形態１に係る電力変換装置においてＶ０ベクトル状態のときの電流経路の例を示す図 実施の形態１に係る電力変換装置においてＶ４ベクトル状態のときの電流経路の例を示す第１の図 実施の形態１に係る電力変換装置においてＶ４ベクトル状態のときの電流経路の例を示す第２の図 実施の形態１に係る電力変換装置においてＶ７ベクトル状態のときの電流経路の例を示す図 実施の形態１に係る電力変換装置においてＶ３ベクトル状態のときの電流経路の例を示す第１の図 実施の形態１に係る電力変換装置においてＶ３ベクトル状態のときの電流経路の例を示す第２の図 実施の形態１に係る電力変換装置が備える制御部を実現するハードウェア構成の一例を示す図 実施の形態２に係る電力変換装置の構成例を示す図 実施の形態３に係る電力変換装置の構成例を示す図

　以下に、本開示の実施の形態に係る電力変換装置および空気調和機を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る電力変換装置２００を備える空気調和機３００の構成例を示す図である。空気調和機３００は、電源１００と、電力変換装置２００と、モータ３１０を有する圧縮機３２０と、四方弁３３０と、室外熱交換器３４０と、膨張弁３５０と、室内熱交換器３６０と、冷媒配管３７０と、を備える。図１において、圧縮機３２０、四方弁３３０、室外熱交換器３４０、膨張弁３５０、および室内熱交換器３６０は、冷媒配管３７０を介して接続されている。圧縮機３２０の内部には、図示しない圧縮機機構を動作させるモータ３１０が設けられている。モータ３１０は、固定子および回転子を有する構成である。モータ３１０は、電力変換装置２００によって生成された所望の電圧および周波数を有する交流電圧が入力されることによって、駆動する圧縮機モータである。空気調和機３００は、圧縮機３２０の内部のモータ３１０が回転することによって圧縮機３２０の内部の冷媒が圧縮され、冷媒配管３７０を介して冷媒が室外熱交換器３４０および室内熱交換器３６０の間を循環することによって、空調制御を行うことができる。電力変換装置２００とモータ３１０とは電気的に接続され、電力変換装置２００は電源１００と接続されている。電力変換装置２００は、電源１００から供給される交流電圧を用いて、モータ３１０に供給する交流電圧を生成する。

　電力変換装置２００の構成について説明する。図２は、実施の形態１に係る電力変換装置２００の構成例を示す第１の図である。電力変換装置２００は、前述のように、電源１００、および圧縮機３２０が備えるモータ３１０に接続されている。図２は、電源１００が三相交流電源の場合の例を示している。電力変換装置２００は、整流回路２１０と、リアクタ２２０と、コンデンサ２３０と、インバータ２４０と、電圧検出部２５０と、電流検出部２６０と、制御部２７０と、を備える。電力変換装置２００では、整流回路２１０、リアクタ２２０、およびコンデンサ２３０によってコンバータが構成されている。

　整流回路２１０は、６つのダイオード素子２１１～２１６を備え、電源１００から供給される三相交流電圧を直流電圧に整流、すなわち変換する。リアクタ２２０は、一端が整流回路２１０の出力端の一端に接続される。コンデンサ２３０は、一端がリアクタ２２０の他端に接続され、他端が整流回路２１０の出力端の他端に接続される。すなわち、コンデンサ２３０は、リアクタ２２０を介して、整流回路２１０の出力端に接続される。インバータ２４０は、複数のスイッチング素子２４１～２４６を備える。インバータ２４０は、コンデンサ２３０の両端に接続され、複数のスイッチング素子２４１～２４６の動作、すなわちオンオフによって交流電圧を生成する。インバータ２４０は、生成した交流電圧をモータ３１０に印加する。電圧検出部２５０は、コンデンサ２３０の両端電圧であってインバータ２４０に入力される直流電圧、すなわち母線電圧Ｖｄｃを検出し、検出値を制御部２７０に出力する。電流検出部２６０は、インバータ２４０からモータ３１０に流れる電流を検出し、検出値を制御部２７０に出力する。モータ３１０は、図２の例では、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相を有する三相モータである。

　制御部２７０は、電圧検出部２５０および電流検出部２６０から取得した検出値に基づいて、電力変換装置２００の動作を制御する。具体的には、制御部２７０は、インバータ２４０が備えるスイッチング素子２４１～２４６の動作、すなわちオンオフを制御するための駆動信号、例えば、ＰＷＭ信号を生成してインバータ２４０に出力する。制御部２７０は、ＰＷＭ信号によって、インバータ２４０、すなわちスイッチング素子２４１～２４６の動作を制御する。また、制御部２７０は、図示しないセンサなどを用いて、圧縮機３２０の内部の温度、冷媒の状態などを取得し、冷媒寝込みが発生しているか否かを判定する。制御部２７０は、圧縮機３２０の停止時に冷媒寝込みが発生したと判定した場合、インバータ２４０のスイッチング素子２４１～２４６に対して、モータ３１０が圧縮機３２０に対して通常の圧縮運転をさせるときよりも周波数の高い高周波数のＰＷＭ信号を出力する。すなわち、制御部２７０は、モータ３１０の回転子を回転させないよう、モータ３１０の圧縮運転のときよりも高周波数の交流電圧をインバータ２４０からモータ３１０に印加させる。これにより、インバータ２４０は、モータ３１０に対して高周波数の交流電圧を印加することができ、モータ３１０を加熱することで圧縮機３２０の内部の油に溶け込む冷媒を気化させ、冷媒寝込みを改善させることができる。

　電力変換装置２００に接続される電源１００について、図２では三相交流電源の場合の例を示したが、単相交流電源であってもよい。図３は、実施の形態１に係る電力変換装置２００の構成例を示す第２の図である。図３は、電源１００が単相交流電源の場合の例を示している。図３に示す電力変換装置２００では、整流回路２１０は、４つのダイオード素子２１１～２１４を備え、電源１００から供給される単相交流電圧を直流電圧に整流、すなわち変換する。また、図３に示す電力変換装置２００では、リアクタ２２０および電流検出部２６０の配置が図２に示す電力変換装置２００と異なる。電流検出部２６０については、電源１００によらず、図２の場合または図３の場合のどちらの配置であってもよい。以降では、電源１００が単相交流電源の場合の図３に示す電力変換装置２００を例にして説明する。また、以降の説明において、電源１００から整流回路２１０に供給される交流電圧を第１の交流電圧と称し、インバータ２４０からモータ３１０に印加される交流電圧を第２の交流電圧と称することがある。

　電力変換装置２００の制御部２７０が生成するＰＷＭ信号について説明する。図４は、実施の形態１に係る電力変換装置２００の制御部２７０が生成するＰＷＭ信号の例を示す図である。制御部２７０は、電圧検出部２５０および電流検出部２６０から取得した検出値に基づいてモータ３１０の各相に対する電圧指令信号Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を生成し、電圧指令信号Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊とキャリア信号との比較によって、インバータ２４０のスイッチング素子２４１～２４６に対するＰＷＭ信号ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮを生成する。図４は、具体的に、制御部２７０が、モータ３１０のＵ相を対象として、電圧指令信号Ｖｕ＊とキャリア信号との比較によって、スイッチング素子２４１に対するＰＷＭ信号ＵＰ、およびスイッチング素子２４２に対するＰＷＭ信号ＵＮを生成する例を示している。図４で示されるＶｄｃは、電圧検出部２５０で検出されたコンデンサ２３０の両端電圧である母線電圧Ｖｄｃである。制御部２７０は、同様の手法によって、モータ３１０のＶ相に対応するスイッチング素子２４３，２４４に対するＰＷＭ信号ＶＰ，ＶＮを生成し、モータ３１０のＷ相に対応するスイッチング素子２４５，２４６に対するＰＷＭ信号ＷＰ，ＷＮを生成することができる。制御部２７０は、インバータ２４０のスイッチング素子２４１～２４６を、対応するＰＷＭ信号がハイのときにオンにさせ、ローのときにオフにさせることによって、インバータ２４０に所望の周波数および電圧値の交流電圧を生成させ、モータ３１０に印加させることができる。

　ここで、電力変換装置２００が備えるコンデンサ２３０の容量について説明する。図３に示すような構成の電力変換装置２００で使用されるコンデンサ２３０は、整流回路２１０で交流電圧が整流された直流電圧に対して平滑化する目的の場合、容量の大きなものが使用される。電力変換装置２００は、整流回路２１０で交流直流変換された電圧を大容量のコンデンサ２３０に蓄えることで、インバータ２４０に安定した直流電圧を提供し、モータ３１０に対して一定の印加電圧を供給できる。しかしながら、直流電圧の平滑化のためにコンデンサ２３０の容量を大きくすることは、電力変換装置２００のコストアップ、サイズアップに影響を及ぼす。また、電源１００に流れる電流は、コンデンサ２３０入力型の回路構成によって、電源高調波が悪化する。リアクタ２２０を大型化することで電源高調波を改善できるが、この場合も、電力変換装置２００のコストアップ、サイズアップに影響を及ぼす。

　上記のような問題に対して、コンデンサ２３０の容量を小さくすることで、コスト低減、装置の小型化、電源高調波改善などを実現できる。一方で、コンデンサ２３０の容量を小さくした場合、コンデンサ２３０に蓄えられるエネルギー量も小さくなるため、インバータ２４０、モータ３１０などで必要とされるエネルギー量が同一であれば、コンデンサ２３０が供給できるエネルギーも早めに減少してしまう。そのため、電力変換装置２００において、インバータ２４０に供給される電圧は、「コンデンサ２３０から供給される直流電圧」、および「電源電圧を整流した直流電圧」の２系統が存在することになる。

　図５は、実施の形態１に係る電力変換装置２００が備えるインバータ２４０のスイッチング素子２４１，２４３，２４５のスイッチング状態における各部の電圧および電流の例を示す図である。図５（ａ）は、コンデンサ２３０の両端電圧である母線電圧Ｖｄｃおよび電源１００の電源電圧Ｖｓを示している。図５（ｂ）は、ＰＷＭ信号ＵＰに基づくスイッチング素子２４１のオンオフを示している。図５（ｃ）は、ＰＷＭ信号ＶＰ，ＷＰに基づくスイッチング素子２４３，２４５のオンオフを示している。図５（ｄ）は、インバータ２４０からモータ３１０に流れるＵ相のモータ電流Ｉｕを示している。図５（ｅ）は、インバータ２４０に入力されるインバータ入力電流Ｉｄｃ、整流回路２１０から出力される整流回路出力電流Ｉｉｎ、およびコンデンサ２３０に入力されるコンデンサ入力電流Ｉｃｃを示している。図５（ｅ）において、インバータ入力電流Ｉｄｃとコンデンサ入力電流Ｉｃｃとを加算したものが、整流回路出力電流Ｉｉｎとなる。図５（ｅ）において、回生と示されている区間が、モータ３１０からコンデンサ２３０に回生電流が流れる区間である。回生と示されている区間では、図５（ａ）に示すように、コンデンサ２３０の両端電圧である母線電圧Ｖｄｃが上昇する。

　電力変換装置２００において、制御部２７０の制御によってインバータ２４０が備えるスイッチング素子２４１～２４６を高周波スイッチングする拘束通電、すなわちモータ誘導加熱では、モータ３１０のインダクタンス成分によって無効電流が多く流れる。モータ３１０に流れる電流は、インバータ２４０のスイッチング素子２４１～２４６に対するＰＷＭ信号によって、回生電流としてコンデンサ２３０に流れる条件が存在する。例えば、コンデンサ２３０の容量が大きく、インバータ２４０に供給される直流電圧がコンデンサ２３０から供給される直流電圧のみの場合、高周波スイッチングによる回生電流はコンデンサ２３０にチャージされ、コンデンサ２３０の両端電圧、すなわち母線電圧Ｖｄｃは大きく変化しない。一方で、コンデンサ２３０の容量が小さく、インバータ２４０に供給される直流電圧として「コンデンサ２３０から供給される直流電圧」および「電源電圧Ｖｓを整流した直流電圧」の２系統がある場合、高周波スイッチングの状態がゼロベクトルから実ベクトルに移行し、電流極性が反転するまでの間、コンデンサ２３０にエネルギーが回生する。

　コンデンサ２３０に回生されるエネルギーには、電源１００からモータ３１０に直接電力供給された分のエネルギーも含まれる。電力変換装置２００では、整流回路２１０が備えるダイオード素子２１１～２１４によって回生電流が電源１００に回生されず、コンデンサ２３０に蓄えられるため、母線電圧Ｖｄｃの値は増加する。コンデンサ２３０は、特に容量が小さい場合、回生によって過大な母線電圧Ｖｄｃの値になる可能性がある。

　本実施の形態では、電力変換装置２００として、コスト低減、サイズの小型化、信頼性確保、電源高調波改善などの目的でコンデンサ２３０の容量を小さくし、インバータ２４０に供給される直流電圧が「コンデンサ２３０から供給する直流電圧」および「電源電圧Ｖｓを整流した直流電圧」の２系統が存在する場合を想定する。電力変換装置２００は、インバータ２４０が備えるスイッチング素子２４１～２４６の高周波スイッチングによってモータ３１０を加熱して圧縮機３２０の冷媒寝込みを改善しつつ、高周波スイッチング時にコンデンサ２３０の電圧が過大になることを防止する。具体的には、電力変換装置２００において、コンデンサ２３０の容量の値に下限値を設け、回生電力が制御電源などによって消費させられるような構成とすることで、母線電圧Ｖｄｃの上昇によるコンデンサ２３０の破壊、インバータ２４０のスイッチング素子２４１～２４６の破壊などを回避するように適切なコンデンサ２３０の容量を選定する。電力変換装置２００において、制御部２７０は、整流回路２１０からインバータ２４０に直接電力供給される電力を用いて、インバータ２４０に高周波数の交流電圧を生成させる。電力変換装置２００では、高周波数の交流電圧がインバータ２４０からモータ３１０に印加されることで発生する回生電流によって、損傷なくコンデンサ２３０に電流が流れ込む。

　電力変換装置２００における、冷媒寝込み改善時の高周波スイッチング制御について説明する。制御部２７０は、圧縮機３２０の運転停止中、圧縮機３２０、室外熱交換器３４０、室内熱交換器３６０などの温度、冷媒状態などに基づいて、冷媒寝込みが発生しているか否かを判定する。制御部２７０は、冷媒寝込みが発生していると判定した場合、ＰＷＭ信号によってインバータ２４０に高周波数の交流電圧を発生させ、モータ３１０に高周波数の交流電圧を印加させる。これにより、制御部２７０は、モータ３１０のインダクタンス成分による誘導加熱、および抵抗成分による銅損加熱によって圧縮機３２０の内部のモータ３１０を温めることで、圧縮機３２０の内部の油、冷媒などを温めて冷媒寝込みを解消することができる。

　制御部２７０は、電圧検出部２５０および電流検出部２６０から取得した検出値に基づいて、式（１）、式（２）、および式（３）に示すように、モータ３１０の各相に対する電圧指令信号Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を生成する。

　Ｖｕ＊＝Ａｃｏｓθ　…（１）
　Ｖｖ＊＝Ａｃｏｓ［θ－２π／３］　…（２）
　Ｖｗ＊＝Ａｃｏｓ［θ＋２π／３］　…（３）

　制御部２７０は、図４に示すように式（１）～式（３）で得られた電圧指令信号Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊と、規定された周波数で振幅Ｖｄｃ／２のキャリア信号とを比較し、大小関係に基づいてＰＷＭ信号ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮを生成する。なお、制御部２７０は、上記の手法に限定されず、二相変調、三次高調波重畳変調、空間ベクトル変調などを用いて、ＰＷＭ信号ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮを生成してもよい。

　制御部２７０は、冷媒寝込み改善の高周波スイッチングでは、圧縮動作時の運転周波数より高い周波数でインバータ２４０のスイッチング素子２４１～２４６を動作させ、高周波数の交流電圧をモータ３１０に印加させる。圧縮動作時の運転周波数は、１ｋＨｚ以下の周波数である。これにより、制御部２７０は、モータ３１０で回転トルク、振動などが発生すること無く、また高周波数の交流電圧の印加によるモータ３１０の鉄損、モータ３１０の巻線に流れる電流によって発生する銅損などを利用することで、効率よくモータ３１０を加熱させることが可能となる。モータ３１０が加熱されることによって、圧縮機３２０内に滞留する液冷媒は、加熱されて気化し、圧縮機３２０の外部へと漏出される。制御部２７０は、このような冷媒漏出が規定された量、または規定された時間行われた場合、寝込み状態から正常状態に復帰したか否かを判定し、正常状態に復帰したと判定したときはモータ３１０の加熱を終了させる。

　また、制御部２７０は、インバータ２４０からモータ３１０に印加する高周波数の交流電圧の周波数を１４ｋＨｚ以上にすることで、モータ３１０の鉄心の振動音がほぼ可聴範囲外となり、騒音を低減させることもできる。また、モータ３１０が磁石埋め込み型モータである場合、高周波磁束が鎖交する回転子表面も発熱部となるため、冷媒接触面増加、圧縮機構への速やかな加熱などが実現され、効率の良い冷媒の加熱が可能となる。

　本実施の形態では、電力変換装置２００は、インバータ２４０から高周波数の交流電圧をモータ３１０に印加させる加熱を行うので、高周波数によってインダクタンス成分が大きくなり、巻線インピーダンスが高くなる。そのため、電力変換装置２００は、モータ３１０の巻線に流れる電流が小さくなって銅損は減るものの、その分高周波数の交流電圧の印加による鉄損が発生し、効果的に加熱することができる。さらに、電力変換装置２００は、モータ３１０の巻線に流れる電流が小さいため、インバータ２４０の損失も小さくなり、より損失を低減した加熱が可能となる。

　つぎに、電力変換装置２００が備えるコンデンサ２３０の容量による高周波スイッチング時の電流および母線電圧Ｖｄｃについて説明する。まず、高周波スイッチング時の電力変換装置２００での電流経路について説明する。図６は、実施の形態１に係る電力変換装置２００が備えるインバータ２４０のスイッチング素子２４１～２４６に対するＰＷＭ信号ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮおよびモータ３１０のＵ相に流れるモータ電流Ｉｕの例を示す図である。電力変換装置２００では、制御部２７０が生成するスイッチング素子２４１～２４６に対するＰＷＭ信号によって、図６に示すように、電圧ベクトルが、Ｖ０（ＵＰ＝ＶＰ＝ＷＰ＝０）→Ｖ４（ＵＰ＝１，ＶＰ＝ＷＰ＝０）→Ｖ７（ＵＰ＝ＶＰ＝ＷＰ＝１）→Ｖ３（ＵＰ＝０，ＶＰ＝ＷＰ＝１）→Ｖ０（ＵＰ＝ＶＰ＝ＷＰ＝０）→…の順で変化する。図６に示すように、Ｖ４ベクトル印加時には＋Ｉｕのモータ電流が流れ、Ｖ３ベクトル印加時には－Ｉｕのモータ電流がモータ３１０のＵ相の巻線に流れる。

　電力変換装置２００は、Ｖ４ベクトルおよびＶ３ベクトルのベクトルパターンが図４に示すように１キャリア周期（１／ｆｃ）の間に現れるため、キャリア周波数ｆｃに同期した交流電流を発生することが可能となる。図６に示すＶ０→Ｖ４→Ｖ７→Ｖ３→Ｖ０ベクトル時の電力変換装置２００での電流経路を図７から図１２に示す。

　図７は、実施の形態１に係る電力変換装置２００においてＶ０ベクトル状態のときの電流経路の例を示す図である。Ｖ０ベクトルは、インバータ２４０のスイッチング素子２４１～２４６に対するＰＷＭ信号がＵＰ＝ＶＰ＝ＷＰ＝０、ＵＮ＝ＶＮ＝ＷＮ＝１の場合である。Ｖ０ベクトルの場合、電流はインバータ２４０とモータ３１０との間で流れることになる。

　図８は、実施の形態１に係る電力変換装置２００においてＶ４ベクトル状態のときの電流経路の例を示す第１の図である。Ｖ４ベクトルは、インバータ２４０のスイッチング素子２４１～２４６に対するＰＷＭ信号がＵＰ＝ＶＮ＝ＷＮ＝１、ＵＮ＝ＶＰ＝ＷＰ＝０の場合である。図８は、Ｖ４ベクトル状態、かつ回生時の状態を示している。図８の状態では、モータ３１０のＵ相からスイッチング素子２４１を経由して、コンデンサ２３０に回生電流が流れる。

　図９は、実施の形態１に係る電力変換装置２００においてＶ４ベクトル状態のときの電流経路の例を示す第２の図である。図９は、Ｖ４ベクトル状態、かつ整流回路２１０を介して電源１００、およびコンデンサ２３０からインバータ２４０に電流が流れている状態を示している。図９の状態では、コンデンサ２３０の容量が小さいことから、整流回路２１０を介して電源１００から多くの電流がインバータ２４０に流れ、コンデンサ２３０から少しの電流がインバータ２４０に流れている。

　図１０は、実施の形態１に係る電力変換装置２００においてＶ７ベクトル状態のときの電流経路の例を示す図である。Ｖ７ベクトルは、インバータ２４０のスイッチング素子２４１～２４６に対するＰＷＭ信号がＵＰ＝ＶＰ＝ＷＰ＝１、ＵＮ＝ＶＮ＝ＷＮ＝０の場合である。Ｖ７ベクトルの場合、電流はインバータ２４０とモータ３１０との間で流れることになる。

　図１１は、実施の形態１に係る電力変換装置２００においてＶ３ベクトル状態のときの電流経路の例を示す第１の図である。Ｖ３ベクトルは、インバータ２４０のスイッチング素子２４１～２４６に対するＰＷＭ信号がＵＰ＝ＶＮ＝ＷＮ＝０、ＵＮ＝ＶＰ＝ＷＰ＝１の場合である。図１１は、Ｖ３ベクトル状態、かつ回生時の状態を示している。図１１の状態では、モータ３１０のＶ相およびＷ相からスイッチング素子２４３，２４５を経由して、コンデンサ２３０に回生電流が流れる。

　図１２は、実施の形態１に係る電力変換装置２００においてＶ３ベクトル状態のときの電流経路の例を示す第２の図である。図１２は、Ｖ３ベクトル状態、かつ整流回路２１０を介して電源１００、およびコンデンサ２３０からインバータ２４０に電流が流れている状態を示している。図１２の状態では、コンデンサ２３０の容量が小さいことから、整流回路２１０を介して電源１００から多くの電流がインバータ２４０に流れ、コンデンサ２３０から少しの電流がインバータ２４０に流れている。

　高周波数の交流電圧として、インバータ２４０からモータ３１０に正の電圧と負の電圧とが交互に印加される。正の電圧と負の電圧との間で、モータ３１０の線間が短絡される。本実施の形態において、電力変換装置２００では、図８で示したＶ４ベクトル時および図１１で示したＶ３ベクトル時のように、インバータ２４０の入力電圧からモータ３１０へ高周波数の交流電圧を生成して印加する場合に回生電流が発生する。具体的には、高周波数の交流電圧が実ベクトルであるＶ４ベクトルおよびＶ３ベクトルの出力状態で電流極性が反転するまでの間、モータ３１０からコンデンサ２３０に回生電流が流れる。前述のように、この回生電流に起因して、コンデンサ２３０の容量の大きい電力変換装置２００であれば、コンデンサ２３０のチャージ電流としてコンデンサ２３０の両端電圧の上昇は緩やかであるが、電力変換装置２００が備えるコンデンサ２３０の容量が小さくなるにつれて、同一の回生電流であってもコンデンサ２３０の両端電圧、すなわち母線電圧Ｖｄｃの電圧変化率は大きくなる。コンデンサ２３０の電圧変化率ΔＶｃｃは式（４）のように表される。

　ΔＶｃｃ＝１／Ｃ×（ｉ＊ｄｔ）　…（４）

　式（４）において、Ｃはコンデンサ２３０の容量であり、ｉはコンデンサ２３０に流れる電流である。式（４）で示されるように、例えば、コンデンサ２３０に流れる回生電流が同じであっても、コンデンサ２３０の容量Ｃを１／１０００程度に小さくすると、コンデンサ２３０の両端電圧も１０００倍程度大きくなる。コンデンサ２３０の両端電圧が大きくなると、コンデンサ２３０の設計耐圧を超えて破壊するリスクがあり、耐圧の大きなコンデンサ２３０を使用することは電力変換装置２００のコストアップになってしまう。また、コンデンサ２３０の両端電圧とは、前述のようにインバータ２４０の入力電圧となる母線電圧Ｖｄｃである。母線電圧Ｖｄｃが増加すると、インバータ２４０の耐圧を上回る可能性があり、コンデンサ２３０と同様、耐圧の大きなスイッチング素子を使用すると電力変換装置２００のコストアップにつながる。

　そのため、本実施の形態では、電力変換装置２００で使用するコンデンサ２３０の容量を、回生電流発生時のエネルギー、すなわちモータ３１０のインダクタンス成分に蓄えられる一相当たり「１／２＊Ｌ＊ｉ^２」のエネルギーを十分に吸収できるコンデンサ容量とする。なお、Ｌはモータ３１０のインダクタンス成分におけるインダクタンスである。具体的には、電力変換装置２００で使用するコンデンサ２３０の容量を１０ｕＦ以上とすることで、電力変換装置２００で使用される素子の破壊を回避しつつ、電力変換装置２００のコスト低減、電力変換装置２００のサイズの小型化などを実現できる。図５（ａ）の例では、電力変換装置２００において、母線電圧Ｖｄｃが上昇したときの電圧が、素子破壊電圧以下になるようにする。また、電力変換装置２００は、使用するコンデンサ２３０の容量を１５０ｕＦ以下にすることで、高調波の力率改善効果が得られる。これにより、電力変換装置２００は、電力変換装置２００で使用される素子の破壊を回避しつつ、電力変換装置２００のコスト低減、電力変換装置２００のサイズの小型化などを実現でき、さらに高調波の力率改善効果が得られる。このように、コンデンサ２３０は、インバータ２４０からモータ３１０に高周波数の交流電圧が印加されるスイッチング素子２４１～２４６の動作状態において、モータ３１０から供給される電力によって定格電圧を超過しない静電容量に設定される。また、コンデンサ２３０は、整流回路２１０からインバータ２４０に直接電力供給可能な静電容量に設定される。

　つづいて、電力変換装置２００が備える制御部２７０のハードウェア構成について説明する。図１３は、実施の形態１に係る電力変換装置２００が備える制御部２７０を実現するハードウェア構成の一例を示す図である。制御部２７０は、プロセッサ９１およびメモリ９２により実現される。

　プロセッサ９１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）ともいう）、またはシステムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ　Ｓｃａｌｅ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）である。メモリ９２は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　Ｅｒａｓａｂｌｅ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）といった不揮発性または揮発性の半導体メモリを例示できる。またメモリ９２は、これらに限定されず、磁気ディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、またはＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃ）でもよい。

　以上説明したように、本実施の形態によれば、電力変換装置２００は、空気調和機３００で使用される圧縮機３２０などで冷媒寝込みが発生した場合、インバータ２４０から圧縮運転時よりも高周波数の交流電圧をモータ３１０に印加することによって、冷媒寝込みを改善することができる。また、電力変換装置２００では、インバータ２４０から高周波数の交流電圧をモータ３１０に印加することによってモータ３１０で発生する回生電流がコンデンサ２３０に流れてくる場合において、回生電流によって発生するエネルギーをコンデンサ２３０が蓄えられる程度にコンデンサ２３０の容量を小さくしておく。これにより、電力変換装置２００は、コスト低減、サイズの小型化、信頼性確保、電源高調波改善などの効果を得ることができるとともに、母線電圧Ｖｄｃの上昇によるコンデンサ２３０、インバータ２４０のスイッチング素子２４１～２４６などの素子の破壊を回避することができる。このように、電力変換装置２００は、コンデンサ２３０の容量を抑制しつつ、冷媒寝込みを解消する際の拘束通電制御において、電力変換装置２００の素子への影響を回避できる。

実施の形態２．
　実施の形態１では、モータ３１０で発生した回生電流がインバータ２４０を介してコンデンサ２３０に流れることを想定していた。実施の形態２では、モータ３１０で発生した回生電流を他の用途に使用する場合について説明する。

　図１４は、実施の形態２に係る電力変換装置２００ａの構成例を示す図である。電力変換装置２００ａは、図２または図３に示す実施の形態１の電力変換装置２００に対して、ダイオード素子２８１、コンデンサ２８２、およびインバータ２８３を追加したものである。なお、図１４では、記載を簡潔にするため、電圧検出部２５０、電流検出部２６０、および制御部２７０の記載を省略しているが、実際には電力変換装置２００ａは、電圧検出部２５０、電流検出部２６０、および制御部２７０を備えているものとする。

　電力変換装置２００ａは、ダイオード素子２８１およびコンデンサ２８２を直列接続した回路を、コンデンサ２３０とインバータ２４０との間に並列に設けている。すなわち、インバータ２４０の入力端と並列に回生電流用のコンデンサ２８２が設けられている。電力変換装置２００ａは、モータ３１０で発生した回生電流によってコンデンサ２８２にエネルギーを蓄える、すなわちコンデンサ２８２を充電する。電力変換装置２００ａは、コンデンサ２８２に充電された電力を用いて、インバータ２８３を制御して、例えば、空気調和機３００の図示しないファンを駆動させるためのモータ４００を駆動させることができる。また、電力変換装置２００ａは、コンデンサ２８２に充電された電力を用いて、空気調和機３００用の制御電源５００を生成する。電力変換装置２００ａは、このようにモータ３１０で発生した回生電流を用いることで、回生電流によるコンデンサ２３０の両端電圧、すなわち母線電圧Ｖｄｃの上昇を抑制することができる。コンデンサ２８２の容量については、コンデンサ２３０の容量との関係で、規定された容量以上になるように設定される。

　なお、電力変換装置２００ａにおいて、コンデンサ２３０とは別にコンデンサ２８２を設ける場合について説明したが、これに限定されない。電力変換装置２００ａは、コンデンサ２３０に充電された電力を用いて、インバータ２８３を制御してモータ４００を駆動させてもよいし、制御電源５００を生成してもよい。

実施の形態３．
　実施の形態１では、モータ３１０で発生した回生電流がインバータ２４０を介してコンデンサ２３０に流れることを想定していた。実施の形態３では、モータ３１０で発生した回生電流を他の回路に流す場合について説明する。

　図１５は、実施の形態３に係る電力変換装置２００ｂの構成例を示す図である。電力変換装置２００ｂは、図２または図３に示す実施の形態１の電力変換装置２００に対して、整流回路２９１、スイッチ２９２、およびコンデンサ２９３を追加したものである。なお、図１５では、記載を簡潔にするため、電圧検出部２５０、電流検出部２６０、および制御部２７０の記載を省略しているが、実際には電力変換装置２００ｂは、電圧検出部２５０、電流検出部２６０、および制御部２７０を備えているものとする。

　電力変換装置２００ｂにおいて、整流回路２９１は、モータ３１０で発生した回生電流を整流し、コンデンサ２９３に出力する。制御部２７０は、スイッチ２９２を制御して、回生電流をコンデンサ２９３に充電すなわち吸収する期間、およびコンデンサ２９３から整流回路２９１を介してモータ３１０に電力を供給する期間においてスイッチ２９２をオンする。制御部２７０は、その他の期間ではスイッチ２９２をオフする。電力変換装置２００ｂは、このようにモータ３１０で発生した回生電流を蓄えることで、回生電流によるコンデンサ２３０の両端電圧、すなわち母線電圧Ｖｄｃの上昇を抑制することができる。

　また、コンデンサ２９３についても、コンデンサ２３０と同様の容量の設定にすることによって、電力変換装置２００ｂのコスト低減、電力変換装置２００ｂのサイズの小型化などを実現できる。

　以上の実施の形態に示した構成は、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、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、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。

　１００　電源、２００，２００ａ，２００ｂ　電力変換装置、２１０，２９１　整流回路、２１１～２１６，２８１　ダイオード素子、２２０　リアクタ、２３０，２８２，２９３　コンデンサ、２４０，２８３　インバータ、２４１～２４６　スイッチング素子、２５０　電圧検出部、２６０　電流検出部、２７０　制御部、２９２　スイッチ、３００　空気調和機、３１０，４００　モータ、３２０　圧縮機、３３０　四方弁、３４０　室外熱交換器、３５０　膨張弁、３６０　室内熱交換器、３７０　冷媒配管、５００　制御電源。

Claims (8)

1. 　第１の交流電圧を整流する整流回路と、
   　前記整流回路に接続されるリアクタと、
   　前記整流回路の出力端に接続されるコンデンサと、
   　前記コンデンサに接続され、複数のスイッチング素子の動作によって第２の交流電圧を生成し、固定子および回転子を有する圧縮機モータに印加するインバータと、
   　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、前記回転子を回転させないよう、前記圧縮機モータの圧縮運転のときよりも高周波数の第２の交流電圧を前記インバータから前記圧縮機モータに印加させ、
   　前記高周波数の第２の交流電圧が前記インバータから前記圧縮機モータに印加されることで発生する回生電流によって、損傷なく前記コンデンサに電流が流れ込む電力変換装置。
2. 　前記制御部は、前記整流回路から前記インバータに直接電力供給される電力を用いて、前記インバータに前記高周波数の第２の交流電圧を生成させる、
   　請求項１に記載の電力変換装置。
3. 　前記コンデンサは、前記インバータから前記圧縮機モータに前記高周波数の第２の交流電圧が印加される前記スイッチング素子の動作状態において、前記圧縮機モータから供給される電力によって定格電圧を超過しない静電容量に設定される、
   　請求項２に記載の電力変換装置。
4. 　前記コンデンサは、前記整流回路から前記インバータに直接電力供給可能な静電容量に設定される、
   　請求項２または３に記載の電力変換装置。
5. 　前記高周波数の第２の交流電圧として前記インバータから前記圧縮機モータに正の電圧と負の電圧とが交互に印加され、前記正の電圧と前記負の電圧との間で前記圧縮機モータの線間が短絡される、
   　請求項１から４のいずれか１つに記載の電力変換装置。
6. 　前記インバータの入力端と並列に回生電流用コンデンサが設けられ、前記回生電流用コンデンサの容量は規定された容量以上に設定される、
   　請求項１から５のいずれか１つに記載の電力変換装置。
7. 　前記高周波数の第２の交流電圧が実ベクトルの出力状態で電流極性が反転するまでの間、前記圧縮機モータから前記コンデンサに回生電流が流れる、
   　請求項１から６のいずれか１つに記載の電力変換装置。
8. 　請求項１から７のいずれか１つに記載の電力変換装置を備える空気調和機。

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