电力转换装置和空调机的制作方法

本发明涉及一种用于将由交流电源得到的交流电压转换为直流电压的电力转换装置以及使用了该电力转换装置的空调机。

背景技术：

例如，对于用于进行在空调机等中使用的电动机的驱动控制的马达控制装置，对小型化/削减零部件个数、高效率/高输出化的要求强烈，开发了许多用于实现这些要求的技术。

为了响应对于高效率/高输出化的要求，提出了一种这样的技术：在交流电源的零交点附近使交流电源借助与该交流电源串联连接的电抗器短路，从而改善功率因数并谋求高输出化。

例如，在专利文献1中公开了一种电源装置的技术，即：对交流电源的半周期间内的电抗器的短路次数设置上限值，只有在即使达到预先设定的短路时间的最大值、输出电压也低于目标电压的情况下增加电抗器的短路次数，从而能够兼顾高效率化和高次谐波电流成分的降低。

另外，在专利文献2中公开了一种电源装置的技术，即：将驱动脉冲、即在用于使输出电压上升至目标电压的反馈控制中生成的驱动脉冲分为第1驱动脉冲和第2驱动脉冲，使所述第1驱动脉冲和第2驱动脉冲的脉宽以及它们之间的断开期间为基于反馈控制值的一定时间比率，从而能够兼顾高效率化和高次谐波电流成分的降低。

【专利文献1】参见日本特开2006－174689号公报的0023段

【专利文献2】参见日本特开2014－108041号公报的0013段

但是，在所述专利文献1中，为了补充输出电压相对于目标电压的不足部分，需要与该不足部分的电压变化对应地预先设定电抗器的包括短路次数、短路时间在内的短路动作。因此，存在与电源条件的变化相应的所述短路动作的设定复杂化这样的问题。

另外，在所述专利文献2中，基于反馈控制值使第1及第2驱动脉冲的脉宽和第1及第2驱动脉冲之间的断开期间为一定时间比率，因此例如若将在电源电流较小的低输出区域设定的时间比率应用于电源电流较大的高输出区域，则存在下述问题：短路时间和断开期间都变大，电源的高次谐波电流成分低次成分化，振幅变大。

技术实现要素：

为了解决所述问题，本发明的目的在于提供一种能够使电抗器的短路动作的设定简单化、并且能够抑制电源的高次谐波电流成分的增加的电力转换装置及使用了该电力转换装置的空调机。

为了解决所述问题，本发明的电力转换装置的最主要的特征在于，其包括：整流电路，其对交流电源进行整流；平滑电路，其使所述整流电路的输出平滑；电抗器，其串联连接在从所述交流电源到所述整流电路的路径上；短路动作部，其进行从所述交流电源经由所述电抗器流出的电流的短路动作；以及短路动作控制部，其使短路动作多次进行，所述短路动作控制部使各短路动作的短路动作时间以规定比率增减，并且，使作为短路动作之间的动作的整流动作的整流动作时间按各整流动作成为规定时间。

采用本发明，能够使电抗器的短路动作的设定简单化，并且能够抑制电源的高次谐波电流成分的增加。

附图说明

图1A是表示本发明的实施方式的电力转换装置的整体结构的概略结构图。

图1B是表示本发明的实施方式的电力转换装置的变形例的概略结构图。

图2A是表示电力转换装置中短路动作时的电流路径的概略结构图。

图2B是表示电力转换装置中整流动作时的电流路径的概略结构图。

图3的(a)是交替进行短路动作和整流动作而表现出的电压波形图，图3的(b)是交替进行短路动作和整流动作而表现出的电流波形图。

图4是将图3的(b)的电流波形放大表示的说明图。

图5A是表示电力转换装置动作时(目标电流：4Arms)的电流波形的一例的说明图。

图5B是表示电力转换装置动作时(目标电流：10Arms)的电流波形的一例的说明图。

图6A是将图5A所示的电力转换装置动作时的高次谐波电流成分的限制值和解析值对比表示的说明图。

图6B是将图5B所示的电力转换装置动作时的高次谐波电流成分的限制值和解析值对比表示的说明图。

图7是将电力转换装置应用于进行压缩机驱动马达的驱动控制的用途的空调机的概略结构图。

图8是表示压缩机驱动马达的效率的概略结构图。

符号说明

1A 电力转换装置

1B 电力转换装置

2 交流电源

3 整流电路

4 电抗器

5 平滑电路

6 短路动作部

9 短路动作控制部

100 空调机

105 压缩机驱动马达(电动机)

106 马达控制装置(电力转换装置)

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施方式的电力转换装置以使用了该电力转换装置的空调机。

图1是表示本发明的实施方式的电力转换装置1A的整体结构的概略结构图。图2是表示作为本发明的实施方式的电力转换装置1A的变形例的电力转换装置1B的整体结构的概略结构图。

〔电力转换装置1A的整体结构〕

如图1所示，电力转换装置1A构成为包括：用于对从交流电源2供给来的交流电力进行整流的由第1～第4二极管3a、3b、3c、3d构成的整流电路(整流电路)3A；在从交流电源2到整流电路3的路径上串联连接的电抗器4；使来自整流电路3的输出平滑的平滑电路(平滑电路)5；进行从交流电源2经由电抗器4流出的电流的短路动作的、例如由开关构成的短路动作部6；以及短路动作控制部9。

短路动作控制部9基于交流电源电压检测部7检测的电源电压Vs的检测值以及直流电源电压检测部8检测的输出电压Vd的检测值而输出给短路动作部6的短路动作信号9A，以使输出电压Vd跟随规定的目标电压Ed^*。

对于例如由开关构成的短路动作部6的结构，只要能够进行从交流电源2经由电抗器4流出的电流的短路动作，可以采用任何结构。例如，如图3所示，也可以将属于整流电路3的第3～第4二极管3c、3d例如变更为MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)等半导体元件10a、10b，由整流电路3和半导体元件10a、10b的组合构成短路动作部6。

电力转换装置1A是将从交流电源2供给来的交流的电源电压Vs转换为直流的输出电压Vd、并将该输出电压Vd供给向未图示的负载(变频器，马达等)的变流器(converter)。电力转换装置1A的输入侧与交流电源2相连接，输出侧与所述负载相连接。

〔短路动作、整流动作的说明〕

接着，参照图2A、图2B、图3的(a)、图3的(b)、图4，对短路动作控制部9进行的短路动作、整流动作进行说明。图2A表示短路动作控制部9进行的短路动作时的电流路径，图2B表示短路动作控制部9进行的整流动作时的电流路径。图3的(a)是交替进行短路动作和整流动作而表现出的电压波形图，图3的(b)是交替进行短路动作和整流动作而表现出的电流波形图。

短路动作控制部9如图2A所示通过使由开关构成的短路动作部6的接点断开，来进行使短路电流从交流电源2经由电抗器4流通的短路动作控制。

另外，短路动作控制部9如图2B所示通过使由开关构成的短路动作部6的接点闭合，来进行使电流在交流电源2、电抗器4、整流电路3通过并向平滑电路5流通的整流动作控制。

通过将所述那样的短路动作(图2A)和整流动作(图2B)组合，短路动作控制部9在例如高输入时在电源一个周期的期间内使短路动作和整流动作交替进行。具体而言，短路动作部6进行下述动作控制：在电源电压Vs低于目标电压Ed^*的、前半部分和后半部分中的前半部分的期间(参照图3的(a))内，通过反复交替进行多次(N次)短路动作和整流动作(在图3的(b)的例子中N＝3，参照图4的锯齿状的电流波形)，从而使输出电流Is的波形接近理想的目标电流Is^*的波形。

由此，短路动作控制部9发挥下述功能：使交流电源2的功率因数得到改善，并且使高次谐波电流成分降低，从而将从平滑电路5输出的直流的输出电压保持为恒定。

〔本发明的基本原理〕

接着，参照图4说明本发明的基本原理。图4是将图3的(b)的电流波形放大表示的说明图。

如图4所示，将短路动作的开始时间记作t_n，短路动作时间记作Δton(n)，短路动作的间隔即整流动作时间记作Δt off(n)。于是，短路动作时的电流变化Δi_on(n)、整流动作时的电流变化Δi_off(n)使用电源电压Vs、目标电压Ed^*、电抗器4的电感值L分别表示为下述(式1)、(式2)。

(数学式1)

(数学式2)

另外，对于电源电压Vs超过目标电压Ed^*以后的电流变化i(t)，在将电源电压Vs超过目标电压Ed^*的时间点的时间记作t cross、将当时的电流值记作i_cross(参照图3的(a)、图3的(b))时，表示为下述(式3)。

(数学式3)

将电源电压Vs、目标电流Is^*、目标电压Ed^*、电抗器4的电感值L分别代入所述(式1)～(式3)，从而能够预先通过运算预测反复交替进行短路动作和整流动作时的输出电流Is的波形。由此，在想好了某电源条件(电源电压Vs、目标电流Is^*)时，能够进行这样的设计：考虑满足高次谐波电流限制，适当调整短路动作、整流动作的次数、时间。

但是，即使使用所述(式1)～(式3)获得了满足高次谐波电流限制的短路动作时间、整流动作时间，若这些(短路动作时间、整流动作时间)每当电源条件发生变化都进行设定，则也需要庞大的设定值，用于保存这些设定值的微型电子计算机的存储容量也必须很大。另外，为了使用所述(式1)～(式3)来探索满足高次谐波电流限制的短路动作时间、整流动作时间，需要使微型电子计算机进行庞大的运算，有可能在实用的时间内无法获得满足高次谐波电流限制的短路动作时间、整流动作时间。

这里，研究电源条件发生了变化时的短路动作时间、整流动作时间的变化。

根据(式1)，短路动作时的电流变化Δi_on(n)和短路动作时间Δton(n)之间借助常量(Vs/L)为正比例关系。例如，目标电流Is^*发生变化时(电源电压Vs的输出发生变化)时，则实际流动的输出电流Is也同样需要变化。因此，通过使第n(n为不包括0的自然数)次的短路动作时间Δton(n)以与目标电流Is^*相同比率分别发生变化，能够应对电源条件的变化。

并且，在电源电压Vs发生了变化的情况下，若短路动作时间Δton(n)维持原状，则短路动作时的电流变化幅度Δi_on(n)也发生变化。因此，通过使短路动作时间Δton(n)以抵消电源电压Vs的变化的比率变化，能够应对电源条件的变化。

假设以在某电源条件(电源电压Vs、目标电流Is^*)下满足高次谐波电流限制的方式设定了多次(N次)的各第n次的短路动作时间Δton(n)。此时，使用下述式(4)求出各第n(n为不包括0的自然数)次的规定比率P(n)。

其中，式(4)中右边的分子表示各第n次(n＝1、2、3……，以下相同)的短路动作时间的函数，式(4)中右边的分母表示合计多次(N次)的各第n次的短路动作时间的函数而得到的整体的短路动作时间。

(数学式4)

关于短路动作时间的间隔即整流动作时间，由于不是像短路动作那样向电抗器4储能的动作，因此不会对输出电压控制造成直接影响。但是，在使整流动作时间与短路动作时间同样地按规定比率P(n)变化时，例如，在目标电流Is^*增加的情况下，整流动作时间也增加，因此输出电流Is中包含的低次的高次谐波电流成分增加，难以满足高次谐波电流限制。

因此，某电源条件下满足高次谐波电流限制时的整流动作时间在各第n次之间使用规定时间(固定值)。

《电源条件发生了变化的情况下的短路动作控制部9的动作》

这里，对电源条件发生了变化的情况下的短路动作控制部9的动作进行说明。作为前提，已经预先提供了输出电压Vd(实际电压值)、目标电压Ed^*(电压指令值)、短路动作次数N、各第n次的规定比率P(n)、作为固定值的整流动作时间。

首先，短路动作控制部9判断输出电压Vd(实际电压值)是否大于目标电压Ed^*(电压指令值)(例如(Vd－Ed^*＞0)是否成立)を判断する。

该判断结果为判断(Vd－Ed^*＞0)成立的情况下，短路动作控制部9视为不需要交替进行短路动作和整流动作的动作控制，因而不进行该动作控制。

另一方面，在判断为(Vd－Ed^*＞0)不成立(Vd－Ed^*≤0)的情况下，短路动作控制部9考虑如何能够消除偏差|Vd－Ed^*|，而求出合计各第n次的短路动作时间而得到的整体的短路动作时间。

接着，短路动作控制部9通过将整体的短路动作时间乘以各第n次的规定比率P(n)(参照(式4))，分别求出分配给各第n次的短路动作时间。

接着，短路动作控制部9参照分配给各第n次的短路动作时间以及作为固定值的整流动作时间，在规定时机生成用于交替进行短路动作和整流动作的驱动脉冲信号。

在电源条件(电源电压Vs、目标电流Is^*)发生了变化的情况下，短路动作控制部9通过在基于所述生成的所述驱动脉冲信号的时机使短路动作和整流动作交替进行，来控制输出电流Is，以满足高次谐波电流限制。

另外，短路动作时间的间隔即整流动作时间(规定时间)可以这样求出：从考虑满足高次谐波电流限制而预先适当设定的第2次(n＝2)以后的第n次(n＞1)的周期(例如0.5ms左右)减去该第n次(n＞1)的短路动作时间。

其中，使用第2次(n＝2)以后的第n次(n＞1)的短路动作时间(初次的短路动作时间除外)是因为：初次(n＝1；第1次)的短路动作时间出于确保所需要的升压幅度的目的而大多设定得比较长，因而不适合用作设定整流动作时间(规定时间)时的基础数据。

〔实验结果的公开〕

接着，参照图5A、图5B、图6A、图6B说明电力转换装置1A的实验结果。图5A是表示电力转换装置动作时(目标电流Is^*：4Arms)的电流波形的一例的说明图，图5B是表示电力转换装置动作时(目标电流Is^*：10Arms)的电流波形的一例的说明图。图6A是将图5A所示的电力转换装置动作时的高次谐波电流成分的限制值和解析值对比表示的说明图，图6B是将图5B所示的电力转换装置动作时的高次谐波电流成分的限制值和解析值对比表示的说明图。

《实验条件》

电源条件为：

目标电压Ed^*：270V，电源电压Vs：200Vrms/50Hz，电抗器4的电感值L：5.3mH。

短路动作、整流动作的设定条件为：

短路动作次数为3次(N＝3)，规定比率P(n)为P(n＝1；第1次)：P(n＝2；第2次)：P(n＝3；第3次)＝57.5％：28.5％：14％，整流动作时间(短路动作的间隔：规定时间)为固定值0.29ms。

另外，对于初次(第1次)的短路动作的开始时间，以交流电源的零交点为基准，在目标电流Is^*：4Arms时经过2.5ms后开始，在目标电流Is^*：10Arms时经过2.25ms后(都至少在经过1.5ms后)开始。

《实验结果》

如图5A、图5B所示，在目标电流Is^*：4Arms/10Arms的任意情况下，电力转换装置1A都得到大致相似的波形的输出电流Is。

并且，如图6A、图6B所示，可以确定即使输出电流Is发生变化，至少在次数40以内满足高次谐波电流限制值。

〔电力转换装置1A的结构、作用效果：总结〕

(1)的电力转换装置1A包括：整流电路3，其对交流电源2进行整流；平滑电路5，其使整流电路3的输出平滑；电抗器4，其串联连接在从交流电源2到整流电路3的路径上；短路动作部6，其进行从交流电源2经由电抗器4流出的电流的短路动作；短路动作控制部9，其使短路动作多次(N次)进行。

短路动作控制部9使各短路动作的短路动作时间以规定比率P(n)增减，并且，使作为短路动作之间的动作的整流动作的整流动作时间按各整流动作成为规定时间。

采用(1)(与权利要求1相对应。以下，括号内的编号与权利要求的序号相对应)的电力转换装置1A，短路动作控制部9使短路动作多次(N次)进行时，使各短路动作的短路动作时间以规定比率增减，并且，使作为短路动作之间的动作的整流动作的整流动作时间按各整流动作成为规定时间，因此能使电抗器4的短路动作的设定简单化，并能抑制电源的高次谐波电流成分的增加。结果，能够以较少的短路次数进行所要的升压动作，因此能够实现高效率/高输出化。

另外，(2)的电力转换装置1A在(1)的电力转换装置1A的基础上也可以采用下述结构：各第n次的规定比率P(n)能使用所述(式4)求出。

另外，(3)的电力转换装置1A在(1)或(2)的电力转换装置1A的基础上也可以采用下述结构：所述规定时间(整流动作时间)通过从考虑满足高次谐波电流限制而预先设定的多次(N次)中的任一次的周期减去该次的短路动作时间而求得。

采用(2)、(3)的电力转换装置1A，分别明确示出了在求各第n次的规定比率P(n)时使用的(式4)、规定时间(整流动作时间)的求法，因此能够给出在良好地实施本发明的方面的设计方针。

另外，(4)的电力转换装置1A在(1)～(3)中任一项的电力转换装置1A的基础上也可以采用下述结构：短路动作部6由整流电路和开关元件10a、10b的组合构成。

另外，(5)的电力转换装置1A在(2)的电力转换装置1A的基础上也可以采用下述结构：在交流电源2的电压为200V级、电抗器4的电感为3mH～7mH中的任一值的情况下，各第n次的规定比率P(n)中的一个设定为55％～60％，另一个设定为25％～30％。

另外，(6)的电力转换装置1A在(3)的电力转换装置1A的基础上也可以采用下述结构：所述规定时间(整流动作时间)设定为0.2ms～0.35ms中的任一值。

采用(5)、(6)的电力转换装置1A，分别明确示出了各第n次的规定比率P(n)的实施方式、规定时间(整流动作时间)的实施方式，因此能够给出在良好地实施本发明的方面的具体设计方针。

另外，(7)的电力转换装置1A在(5)或(6)的电力转换装置1A的基础上也可以采用下述结构：多次(N次)的短路动作中的初次(第1次)的短路动作以所述交流电源的零交点为基准，至少在经过1.5ms后开始。

另外，(8)的电力转换装置1A在(5)或(6)的电力转换装置1A的基础上也可以采用下述结构：多次(N次)的短路动作中的初次(第1次)的短路动作在经过了从交流电源2的输出电压达到目标电压的时间点回溯了2.75ms的时间点后开始。

采用(7)、(8)的电力转换装置1A，分别明确示出了决定多次(N次)的短路动作中的初次(第1次)的短路动作的开始时间点时的实施方式，因此能够给出在良好地实施本发明的方面的具体设计方针。

〔电力转换装置1A的应用例〕

接着，参照图7说明将本实施方式的电力转换装置1A应用于进行空调机100中搭载的压缩机驱动马达105的驱动控制的用途的例子。图7是将电力转换装置1A应用于进行压缩机驱动马达105的驱动控制的用途的空调机100的概略结构图。

如图7所示，空调机100由与外部空气进行热交换的室外机101、与室内进行热交换的室内机102、将室外机101和室内机102这两者连接起来的配管103构成。

室外机101由压缩制冷剂的压缩机104、驱动压缩机104的压缩机驱动马达(电动机)105、进行压缩机驱动马达105的驱动控制的马达控制装置(电力转换装置)106、使用压缩制冷剂与外部空气进行热交换的换热器107构成。另外，室内机102由与室内进行热交换的换热器108以及向室内鼓风的鼓风机109构成。

马达控制装置106使用本实施方式的电力转换装置1A。

参照图8说明这样构成的空调机100中所搭载的压缩机驱动马达105以及马达控制装置106的特性。图8是表示压缩机驱动马达105的效率的概略结构图。在图8中，横轴表示压缩机驱动马达105的转速，纵轴表示压缩机驱动马达105和马达控制装置106相配合的效率的关系。

作为表示空调机100的性能的指标，近年来，使用全年能源消耗效率(APF)作为用于进行与实际使用时接近的状态下的评价的指标。APF指标重视低速旋转、低负荷下的效率。因此，通常，压缩机驱动马达105的设计中，以图8所示的效率为峰值的转速N3为较低转速的方式进行马达的低速设计。但是，若进行马达的低速设计，则马达控制装置106能驱动的最高转速N4(参照图8)低，空调机100的最大输出小。

因此，使用电力转换装置1A作为空调机100的马达控制装置106。由此，在压缩机驱动马达105的转速高于N3的高输出时，能够以较少的短路次数进行所要的升压动作。结果，能够获得不会使最高转速N4降低、能够在压缩机驱动马达105的转速处于N3以下的转速区域中实现用实线表示的高效率的驱动控制的空调机100。

〔应用了电力转换装置1A的空调机100的作用效果〕

根据应用了电力转换装置1A的空调机100，不会使被低速、高效率设计的压缩机驱动马达105的最大输出降低，能够实现低输入时的高效率化。换言之，能够谋求兼顾空调机100的高输出化和APF指标的提高。

〔其他实施方式〕

以上说明的实施方式是本发明的具体化的示例。因而，不能由此而限定性解释本发明的保护范围。因为本发明能够在不脱离其要旨或者其主要特征的前提下以各种各样的方式实施。

例如，在本发明的实施方式中，为了容易理解本发明的结构而详细地进行了说明，但是本发明没有限定为必须具有说明的所有结构。并且，能够将某实施方式的结构的一部分置换为其他实施方式的结构，也能够在某实施方式的结构的基础上增加其他实施方式的结构。另外，对于各实施方式的结构的一部分，进行其他结构的追加、削除、置换也是可能的。

另外，所述的各结构、功能、控制部等的一部分或者全部也可以通过例如集成电路等硬件来实现。所述的各结构、功能等也可以通过由处理器解释并执行实现各功能的程序而利用软件来实现。在该情况下，实现各功能的程序、表、文件等信息可以放在存储器、硬盘等记录装置或者闪存卡、DVD(Digital Versatile Disk)等记录介质中。

另外，关于本发明的实施方式中的实验条件，作为短路动作、整流动作的设定条件，列举这样的例子进行了说明：使短路动作次数为3次(N＝3)，规定比率P(n)为P(n＝1；第1次)：P(n＝2；第2次)：P(n＝3；第3次)＝57.5％：28.5％：14％，整流动作时间(短路动作的间隔：规定时间)为固定值0.29ms，，但本发明不限于该例。在不脱离本发明的主旨的范围内，短路动作、整流动作的设定条件可以采用任何值。