WO2025121313A1 - Power conversion device and heat pump equipment - Google Patents
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- H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using DC to AC converters or inverters
Definitions
- An embodiment of the present invention relates to a power conversion device that drives a motor with an open winding structure, and a heat pump device equipped with the power conversion device.
- a dual inverter system In order to increase the capacity of the power conversion equipment that drives the motor and to increase the motor's speed, a dual inverter system is known in which an open winding motor, which has independent windings for each phase, is driven by two inverters.
- constantly operating two inverters increases the loss in the switching elements of the inverters.
- operating two inverters is a waste of power, even though the motor could originally be driven by only one inverter.
- a relay is provided in the wiring between the open winding motor and one of the inverters to short-circuit these wirings. At low rotation speeds when the induced voltage of the motor is low, this relay is shorted to change the windings of the open winding motor to a star connection state and drive it with only one inverter, while the other inverter is stopped, reducing power loss.
- Patent document 2 also describes that a single-phase input power conversion device equipped with a small-capacity film capacitor can reduce harmonics in the input current and improve the power factor.
- Patent document 3 also discloses a system that uses a matrix converter in the primary inverter.
- Patent Document 3 makes it possible to control the three-phase input current to a sine wave, but the semiconductor devices for the matrix converter, the choke coils used in the AC filter, and the like must be selected to have a rating equal to or greater than the rated capacity of the power conversion device, resulting in issues such as an increase in the size of the entire power conversion device and increased costs. Therefore, the present invention provides a power conversion device capable of suppressing harmonics with high efficiency even in a dual inverter system, and a heat pump device equipped with the power conversion device.
- the power conversion device of the embodiment includes a rectifier circuit that rectifies an AC voltage supplied from an AC power source, a first storage element connected to the DC side of the rectifier circuit, and a diode and a semiconductor switch connected in parallel to the first storage element.
- the first power converter has one end of a winding of a motor having independent phase windings connected to each phase output terminal, a second power converter has the other end of the winding of the motor connected to each phase output terminal and is configured with a diode and a semiconductor switch, a second storage element connected to the DC side of the second power converter, a reactor branched off from the wiring connecting the AC power source and the rectifier circuit, and a current source between the reactor and the second storage element.
- a third power converter composed of a diode and a semiconductor switch connected to the third power converter; a short circuit arranged to short each phase output terminal of the first power converter or the second power converter; and a control unit that controls the switching of the third power converter so as to suppress harmonics flowing out from the rectifier circuit to the AC power supply side, and switches between an operation mode in which the motor is driven by the first power converter and the second power converter by opening the short circuit, and an operation mode in which the motor is driven by only either the first power converter or the second power converter by closing the short circuit.
- the power conversion device of the embodiment includes a first power converter having one end of a winding of a motor having independent phase windings connected to each phase output terminal, the first power converter being configured with a rectifier circuit that rectifies an AC voltage supplied from an AC power source, a first storage element connected to the DC side of the rectifier circuit, and a diode and a semiconductor switch connected in parallel to the first storage element, the other end of the winding of the motor being connected to each phase output terminal, the second power converter being configured with a diode and a semiconductor switch, the second storage element connected to the DC side of the second power converter, and a diode and a semiconductor switch connected in parallel to the wiring connecting the AC power source and the rectifier circuit.
- the third power converter is composed of a reactor connected in a branched manner, a diode and a semiconductor switch connected between the reactor and the second storage element, and suppresses harmonics; a first short circuit arranged to short-circuit each phase output terminal of the first power converter; a second short circuit arranged to short-circuit each phase output terminal of the second power converter; and a control unit that switches between and executes a plurality of operating modes based on combinations of the short-circuited and open states of the first short circuit and the second short circuit and the drive state of the motor by the first power converter and the second power converter.
- the heat pump device of the embodiment includes the power conversion device of the embodiment and the motor, and drives the compressor with the motor.
- FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a power conversion device in the first embodiment.
- FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the air conditioner.
- FIG. 3 is a flow chart showing the operation mode switching process.
- FIG. 4 is an equivalent diagram of the second operation mode.
- FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a power conversion device in the second embodiment.
- FIG. 6 is a flow chart showing the operation mode switching process.
- FIG. 7 is an equivalent diagram of the third operation mode.
- FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a power conversion device in the third embodiment.
- FIG. 9 is a flow chart showing the operation mode switching process.
- FIG. 10 is an equivalent diagram of the second operation mode.
- FIG. 11 is a diagram showing an equivalent example of the third operation mode.
- FIG. 12 is a flowchart showing the processing contents of the regenerative absorbing operation in the fourth embodiment.
- FIG. 13 is a diagram showing the switching state of each inverter when performing a regenerative absorbing operation.
- FIG. 14 is a timing chart showing current and voltage waveforms corresponding to the processing contents shown in FIG.
- FIG. 15 is a diagram showing the switching state of each inverter when performing a regenerative absorbing operation in the fifth embodiment.
- the power conversion device of this embodiment drives a motor 10.
- the motor 10 may be a three-phase permanent magnet synchronous motor or an induction machine, but in this embodiment, a permanent magnet synchronous motor is used.
- the motor 10 is a so-called open winding motor, and the three-phase windings are not connected to each other, with both terminals being in an open state. In other words, the motor 10 has six winding terminals Ua, Va, Wa, Ub, Vb, and Wb.
- the motor 10 is driven by a dual inverter system using a first inverter 5 and a second inverter 9.
- the first inverter 5 and the second inverter 9 have the same circuit configuration and are a three-phase inverter having three sets of two series-connected switching elements, one on the upper arm side and one on the lower arm side, with the intermediate connection points of each series-connected switching element serving as three output terminals.
- Each phase output terminal of the first inverter 5 is connected to the winding terminals Ua, Va, and Wa of the motor 10, respectively, and each phase output terminal of the second inverter 9 is connected to the winding terminals Ub, Vb, and Wb of the motor 10, respectively.
- the three-phase AC power supply 1 is connected to a rectifier circuit 3 via a three-phase reactor 2.
- the rectifier circuit 3 is configured with six diodes connected in a three-phase bridge.
- a first capacitor 4 and a first inverter 5 are connected to the output terminals of the rectifier circuit 3.
- the second inverter 9 is connected in parallel to both ends of the DC side of the second capacitor 8, which is, for example, an electrolytic capacitor, and the power converter 7.
- Each of the second capacitor 8 and the first capacitor 4 may be a chargeable and dischargeable storage element having a certain amount of capacity, and a storage battery or battery may be used instead of a capacitor.
- the first capacitor 4 corresponds to the first storage element
- the second capacitor 8 corresponds to the second storage element.
- the high-voltage side terminal and the low-voltage side terminal of the first inverter 5, i.e., both ends of the first capacitor 4, are not connected to the second inverter 9, and the second inverter 9 is independent.
- the output terminals of the first inverter 5 and the second inverter 9 are connected only via windings of the motor 10, each phase of which is independent.
- a short circuit 16 is arranged at each phase output terminal of the second inverter 9.
- the short circuit 16 is composed of multiple mechanical relays or multiple semiconductor switches that are simultaneously turned on and off.
- Figure 1 shows the case where a mechanical relay with two contacts is used, and when the short circuit 16 is turned on, one relay contact shorts the U-V phase, and the other relay contact shorts the V-W phase.
- each phase output terminal of the second inverter 9 is shorted, so that the motor 10 is in a star-connected state at the winding terminals Ub, Vb, and Wb.
- the power converter 7, whose DC section is connected to the second capacitor 8, has the same three-phase inverter circuit configuration as the first and second inverters 5 and 9, and each phase output terminal is connected to the three-phase AC power source 1 via a three-phase reactor 6.
- Flywheel diodes are connected in an inverse parallel direction to each of the switching elements that make up the first inverter 5, second inverter 9, and power converter 7. All of these are configured by connecting semiconductor switching elements such as IGBTs in a three-phase bridge configuration, and correspond to the first to third power converters, respectively.
- Current sensors 11U, 11V are arranged in the U and V phases of the power line connecting the three-phase AC power supply 1 and the three-phase reactor 2.
- the W phase current is calculated from the U and V phase currents detected by these current sensors 11U, 11V.
- current sensors 12U, 12V are arranged in the U and V phases of the power line connecting the three-phase AC power supply 1 and the three-phase reactor 6.
- the W phase current flowing through the three-phase reactor 6 is calculated from the U and V phase currents flowing through the three-phase reactor 6 detected by these current sensors 12U, 12V.
- Voltage sensors 13, 14 detect the terminal voltages of the first capacitor 4 and the second capacitor 8, respectively.
- Current sensors 15U, 15V, 15W are arranged between each phase output terminal of the first inverter 5 and the winding terminals Ua, Va, Wa of the motor 10 to detect the current flowing through each motor winding of the motor 10.
- the DC parts of the first inverter 5 and the second inverter 9 are both connected to the same three-phase AC power source 1. Therefore, when the first motor 10 is driven by the dual inverter method using the first inverter 5 and the second inverter 9, a zero-phase current flows in the same direction at a predetermined period in each phase winding. Therefore, current sensors 15U, 15V, 15W are provided corresponding to each phase winding so that the zero-phase current and the current flowing through each motor winding can be detected separately.
- the detection signals output by the above sensors 11 to 15 are input to the control unit 20.
- the control unit 20 is composed of a microcomputer or the like, and controls the switching of each IGBT constituting the first inverter 5, second inverter 9, and power converter 7 based on the detection signals of the above sensors 11 to 15.
- the above configuration excluding the motor 10 constitutes the power conversion device 41.
- FIG 2 shows the configuration of an air conditioner, which is a heat pump device to which the power conversion device 41 is applied.
- heat pump devices to which the power conversion device 41 is applied include hot water generating devices that serve as hot water heaters and hot and cold water generating devices such as chillers.
- the air conditioner 21 is made up of refrigerant piping and signal communication lines that connect the indoor unit 24 and the outdoor unit 35 to each other.
- the outdoor unit 35 is placed outdoors and houses devices such as the control unit 20, compressor 22, outdoor heat exchanger 29, four-way valve 26, pressure reducing device 28, outdoor fan 31, and outdoor fan motor 53.
- the compressor 22 is constructed by housing the compression section 23 and the motor 10 in the same iron sealed container 25, and the rotor shaft of the motor 10 is connected to the compression section 23.
- the compressor 22, four-way valve 26, indoor heat exchanger 27, pressure reducing device 28, and outdoor heat exchanger 29 are connected to form a closed loop by pipes that serve as refrigerant passages.
- the compressor 22 is, for example, a one-cylinder rotary compressor, but is not limited to this and a multi-cylinder rotary compressor, scroll compressor, or reciprocating compressor can also be used.
- the four-way valve 26 is in the state shown by the solid line, and the high-temperature refrigerant compressed in the compression section 23 of the compressor 22 is supplied from the four-way valve 26 to the indoor heat exchanger 27, where it condenses and releases heat into the room, heating the room. It is then decompressed by the pressure reducing device 28, becomes cold, and flows to the outdoor heat exchanger 29, where it absorbs heat from the outside air and evaporates, returning to the compressor 22.
- the four-way valve 26 is switched to the state shown by the dashed line. Therefore, the high-temperature refrigerant compressed in the compression section 23 of the compressor 22 is supplied from the four-way valve 26 to the outdoor heat exchanger 29, where it radiates heat to the outdoors and condenses. It is then depressurized by the pressure reducing device 28, becomes a low-temperature refrigerant, and flows to the indoor heat exchanger 27, where the refrigerant evaporates by absorbing heat from the indoor air, cooling the room and returning to the compressor 22. Then, the indoor and outdoor heat exchangers 27, 29 are blown with an indoor fan 30 and an outdoor fan 31, respectively, and are configured so that the blowing air efficiently exchanges heat between the indoor air and the outdoor air and between the heat exchangers 27, 29 and the indoor air.
- a control unit 20 is provided to control the entire power conversion device 41.
- the control unit 20 operates/stops the compressor 22, i.e., the motor 10, based on instructions from an indoor control unit (not shown) on the indoor unit 24 side, for example.
- the control unit 20 opens and closes the short circuit 16 depending on, for example, the load on the motor 10 and its rotation speed. Specifically, when the motor 10 is under high load, high rotation speed, or when the input power is high, the short circuit 16 is opened to put the motor 10 in an open winding state, and when the load, low rotation speed, or input power is low, the short circuit 16 is shorted to switch the motor 10 to a star connection state.
- the control unit 20 When the short circuit 16 is opened, that is, when the motor 10 is in an open winding state, the control unit 20 performs vector calculations using the current values detected by the current sensors 15U, 15V, and 15W, and the terminal voltages of the first capacitor 4 and the second capacitor 8 detected by the voltage sensors 13 and 14. Based on the calculation results, the control unit 20 operates the switching elements of the first inverter 5 and the second inverter 9 in coordination, and the desired current flows from both inverters 5 and 9 to each winding of the motor 10, thereby driving the motor 10 at a variable speed.
- the control unit 20 performs vector calculations using the current values detected by the current sensors 15U, 15V, and 15W and the terminal voltage of the first capacitor 4 detected by the voltage sensor 13. Based on the calculation results, the control unit 20 appropriately operates only the switching elements of the first inverter 5 to pass the desired current through each winding of the motor 10 and drive the motor 10 at a variable speed.
- the second inverter is turned off and all switching elements are turned off.
- the control unit 20 operates the power converter 7 as an active filter circuit to suppress and reduce harmonics flowing in the power line while the motor 10 is operating, regardless of whether the motor 10 is in an open winding state or a star connection state. Specifically, it extracts harmonic currents from the currents flowing in each phase of the reactor 2 detected by the current sensors 11U and 11V, and controls the operation of each switching element of the power converter 7 so that the reactor currents of each phase detected by the current sensors 12U and 12V, taking into account the terminal voltage of the second capacitor 8, become correction currents that cancel out the harmonic currents flowing in the U, V, and W phases.
- This active filter circuit operation of the power converter 7 makes it possible to make the current flowing from the rectifier circuit 3 to the AC power source 1 closer to a sine wave and suppress power source harmonics.
- the second capacitor 8, which is a storage element, has a certain amount of capacity because it is used as a power source for the correction current output by the active filter circuit. If the motor 10 is in a low load state, causing a very small amount of harmonic current to be generated, the power converter 7 can be stopped to stop the operation of the active filter circuit.
- the motor controllability is improved using a dual inverter consisting of the first inverter 5 and the second inverter 9, and a motor 10 with an open winding configuration. Furthermore, because voltage is applied to the windings of the motor 10 by the two inverters 5 and 9, the operating range of the motor 10 can be expanded. In addition, because the voltage applied to the windings of the motor 10 is multi-level, the iron loss generated in the motor 10 can be reduced.
- the power converter 7 is operated as an active filter circuit that performs switching control so that the current flowing from the rectifier circuit 3 to the AC power supply 1 approaches a sine wave, regardless of the winding state of the motor 10, thereby suppressing the power supply harmonics generated by the power conversion device 41.
- the capacitance of the second capacitor 8 is set to be larger than the capacitance of the first capacitor 4.
- a film capacitor is used for the first capacitor 4
- an electrolytic capacitor is used for the second capacitor 8. This allows the number of electrolytic capacitors used to be reduced, and the life of the power conversion device 42 to be extended.
- the first capacitor 4 only needs to have a capacity that is large enough to cut off high-frequency components generated by switching between the first inverter 5 and the second inverter 9, and that does not allow the current that charges the first capacitor 4 when the power is turned on to exceed the tolerance of the diodes that make up the rectifier circuit 3. This capacity is generally around several tens of ⁇ F. This allows the three-phase reactor 2 to be made smaller.
- the capacity of the second capacitor 8 may be determined based on the compensation capacity of the power converter 7, the output power of the second inverter 9, the ripple current flowing into the second capacitor 8, etc. This capacity is generally on the order of several hundred ⁇ F to several thousand ⁇ F.
- the second capacitor 8 may be any storage element that can be charged and discharged, and a storage battery or battery may be used instead of an electrolytic capacitor. In this case, the storage capacity of the storage element is determined based on the compensation capacity of the power converter 7, the output power of the second inverter 9, the ripple current flowing into the second capacitor 8, etc., just like the second capacitor.
- the control unit 20 opens the short circuit 16 (S0).
- S1 short circuit 16
- the first inverter 5 and the second inverter 9 drive the motor 10 with open windings (S2).
- the power converter 7 is switched and controlled so that the current flowing from the rectifier circuit 3 to the AC power source 1 side approaches a sine wave, and is operated as an active filter circuit. This suppresses harmonics generated on the first inverter 5 side (S3).
- Steps S2 and S3 correspond to the first operation mode. Note that in the initial state, i.e., when the motor 10 is stopped, if a motor start command is not input from the outside (NO in S1), the process returns to step S1 to wait for an instruction, and the state continues as it is.
- step S6 similar to step S3, when the process of operating the power converter 7 as an active filter circuit is performed, the control unit 20 judges whether the input power to the motor 10 exceeds the threshold value ⁇ (S7).
- the threshold value ⁇ is set to be greater than the threshold value ⁇ in order to prevent frequent switching of the short circuit 16. If the input power exceeds the threshold value ⁇ (YES in S7), the short circuit 16 is switched to an open state (S71) and the process returns to step S2. If the input power does not exceed the threshold value ⁇ (NO in S7), the control unit 20 judges whether a motor stop command has been input from the outside (S8). If the motor stop command has not been input (NO in S8), the process returns to step S5.
- Step S8 If the motor stop command has been input (YES in S8), the process stops all switching operations of the first inverter 5, the second inverter 9, and the power converter 7 to stop the motor 10 (S81). Steps S41, S5, and S6 correspond to the second operation mode.
- the first capacitor 4 and the first inverter 5 are connected to the DC side of the rectifier circuit 3 that rectifies the AC voltage supplied from the AC power source 1.
- One end of the winding of the motor 10 with an open winding structure is connected to each phase output terminal of the first inverter 5, and the other end is connected to each phase output terminal of the second inverter 5.
- a short circuit 16 is arranged in each phase output terminal.
- the reactor 6, power converter 7, and second capacitor 8 that are branched off and connected from the wiring that connects the AC power source 1 and the rectifier circuit 3 are connected to the DC side of the second inverter 7.
- the control unit 20 controls the power converter 7 to switch between a first operating mode in which the motor 10 is driven by the first and second inverters 5 and 9 by opening the short circuit 16, and a second operating mode in which the motor 10 is driven by only the first inverter 5 by closing the short circuit 16.
- the motor 10 is driven by the dual inverter method, so that the applied voltage can be increased to expand the operating range of the motor 10, and the applied voltage can be multi-leveled to reduce iron loss in the motor 10.
- the power supply harmonics are generally determined by the capacity of the current smoothing reactor 2 and the first capacitor 4, and the input current cannot be controlled by the first inverter 5 and the second inverter 9.
- the number of insulations in the driving power supply can be reduced and the circuit can be simplified.
- the operation mode is switched to the second operating mode, each phase output of the second inverter 9 is short-circuited by the short circuit 16, and the motor 10 is star-connected and driven only by the first inverter 5, thereby improving efficiency. Furthermore, during the operation of the motor 10, the power converter 7 is operated as a rectifier circuit 3 active filter circuit, so that the power supply harmonics of the power conversion device 41 can be suppressed.
- the second embodiment will be described with reference to FIG. 5.
- the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description will be omitted, and the different parts will be described.
- the short circuit 16 of the power conversion device 41 is arranged on the side of each phase output terminal of the first inverter 5.
- each phase output of the first inverter 9 is short-circuited by the short circuit 16. Therefore, in the control flow chart shown in FIG. 6, in step S9 instead of step S5, the short circuit 16 is shorted to drive the motor 10 only by the second inverter 9. Therefore, as shown in FIG.
- Steps S41, S9, and S10 correspond to the third operation mode.
- step S10 which replaces step S6, the power converter 7 performs harmonic suppression operation on the second inverter 9 side.
- the harmonic suppression operation here is an operation as a PWM rectifier that stably controls the terminal voltage of the second capacitor 8 to a target value.
- the control unit 20 PWM controls each switching element of the power converter 7 so that the voltage between both ends of the second capacitor 8 detected by the voltage sensor 14 becomes a value equal to or higher than the DC voltage value obtained by rectifying the output of the commercial power source 1.
- This terminal voltage control operation of the second capacitor 8 by the power converter 7 can suppress harmonics generated in the second inverter 9.
- the higher the boost voltage of a PWM rectifier the greater the suppression effect of harmonics.
- boost voltage increases, the loss during driving of the motor 10 in the second inverter 9 increases, so it is desirable to set the boost voltage value as low as possible within the range in which the amount of harmonics generated can be suppressed within the target value.
- Other controls are the same as those in the first embodiment.
- a power conversion device 43 of the third embodiment shown in Fig. 8 has a configuration in which, in the power conversion device 42, new short circuits 17 are arranged on the side of each phase output terminal of the second inverter 7. That is, the configuration is a combination of the first and second embodiments.
- step S1 the same step numbers as those in the flowchart of the first embodiment shown in FIG. 6 indicate that the control unit 20 executes the same operations.
- step S1 the initial state
- step S11 the threshold value ⁇
- step S11 the short circuits 16 and 17 are opened in step S111, or if they are already in an open state, the open state is maintained, and steps S2 and S3, that is, the first operation mode, are executed.
- step S11 if the input power Pm does not exceed the threshold value ⁇ in step S11 (NO in S11), the process proceeds to step S12. Note that if there is no motor start command in step S1 (NO in S1), the current state is maintained until there is a motor start command.
- step S12 it is determined whether the input power Pm is equal to or less than the threshold value ⁇ and exceeds the threshold value ⁇ . If it is equal to or less than the threshold value ⁇ and exceeds the threshold value ⁇ (YES in S12), the short circuit 16 is opened and the short circuit 17 is closed (S121), and steps S5 and S6 are executed, i.e., the second operation mode as shown in FIG. 10. If the input power Pm is equal to or less than the threshold value ⁇ in step S12 (NO in S12), the short circuit 16 is closed and the short circuit 17 is opened (S122), and steps S9 and S10 are executed, i.e., the third operation mode as shown in FIG. 11.
- step S8 when it is determined that there is a motor stop command and the answer is "YES,” the operation of the first inverter 5, the second inverter 9, and the power converter 7 is stopped, and the operation of the motor 10 is stopped (S81). Furthermore, both short circuits 16 and 17 are closed (S82) for a very short, predetermined time until the regenerative current disappears, shorting both ends of the windings of motor 10. This causes the regenerative energy to be consumed in motor 10, suppressing an increase in the voltage of the DC section on the inverters 5 and 9 side. After that, when the predetermined time has elapsed, the process returns to the start and repeats the process from step S01.
- short circuits 16, 17 are provided at each phase output terminal of the first inverter 5 and each phase output terminal of the second inverter 9, so that the first to third operating modes can be switched and executed depending on the magnitude of the input power Pm to the motor 10.
- the operation of the first inverter 5, the second inverter 9, and the power converter 7 is stopped, and both the short circuits 16 and 17 are closed (S81, S82) to absorb regenerative power when the motor 10 is stopped.
- an example of regenerative absorption operation using the power conversion device 41 or 42 is shown. This is effective when the capacity of the first capacitor, i.e., the capacitance, is set small to improve the power factor.
- a film capacitor is used for the first capacitor 4
- a large-capacity electrolytic capacitor is used for the second capacitor 8.
- the first capacitor 43 only needs to have a capacity large enough to cut off high-frequency components generated by switching between the first inverter 5 and the second inverter 9, and a small capacity so that the current that charges the first capacitor 43 when the power is turned on does not exceed the tolerance of the diodes that make up the rectifier circuit 3.
- This capacity is generally around several tens of ⁇ F. This also makes it possible to miniaturize the three-phase reactor 2.
- the capacity of the second capacitor 8 is determined based on the compensation capacity of the power converter 7, the output power of the second inverter 9, the ripple current flowing into the second capacitor 8, etc.
- the second capacitor 8 may be any storage element that can be charged and discharged, and a storage battery or battery may be used instead of an electrolytic capacitor.
- FIG. 12 shows the operation flow during regenerative absorption
- FIG. 13 shows only the elements that are energized in the first inverter 5 and the second inverter 9 during regenerative absorption operation.
- the short circuits 16 and 17 are open, so they are not shown in FIG. 13.
- the operation of the short circuits 16 and 17 is also omitted in the operation flow of FIG. 12.
- S21 when the voltage across the first capacitor 4 etc. exceeds a predetermined threshold value (YES in S22), the control unit 20 determines that regeneration has occurred in the first motor 10, and performs the regenerative absorption operation shown in FIG. 13 (S23).
- the power converter 7 is operated as a power regeneration PWM rectifier. That is, the power converter 7 is switched and controlled to absorb the regenerative power of the motor 10; power is returned to the power source 1 side so that the voltage across the second capacitor 8 does not exceed a value within the rated voltage range of the element (S24).
- the first and second inverters 5 and 9 are not driving the motor 10, so no harmonics are generated. Therefore, the power converter 7 does not need to suppress harmonics, and there is no problem in operating the power converter 7 as a power regeneration PWM rectifier.
- step S23 In the regenerative absorption operation in step S23 shown in FIG. 13, all the IGBTs on the upper arm side of the first inverter 5 are turned on, and all the IGBTs on the lower arm side are turned off to form a neutral point for the motor 10. After this, no power flows from the motor 10 to the first capacitor 4, and the first capacitor 4 does not become overvoltage.
- the second inverter 9 is made equivalent to the configuration of the rectifier circuit 3 by turning off all the IGBTs. This allows power to flow from the motor 10 to the second capacitor 8. In this way, by performing the regenerative absorption operation when regeneration occurs by the motor 10, the regenerative power can be absorbed only by the second capacitor 8, which has a relatively large capacity.
- the capacity of the second capacitor 8 is set to a capacity that can absorb the regenerative power generated by the motor 10. Specifically, by setting the capacity of the second capacitor 8 to about several hundred ⁇ F to several thousand ⁇ F, it is possible to prevent overvoltage from occurring even during regeneration. Furthermore, by operating the power converter 7 as a power regenerative PWM rectifier during regenerative absorption operation (S24), it is also possible to reduce the capacity of the second capacitor 8.
- FIG. 14 shows the current and voltage waveforms of each part when the flow shown in FIG. 13 is executed. Note that although the current waveforms are three-phase, they are not shown separately here as there is no need to distinguish between the three phases.
- the "load current” in the figure is the current that passes through the three-phase reactor 2
- the “input current” is the current input from the three-phase AC power source 1 to the three-phase reactors 2 and 6.
- the “power converter current” is the current that flows through the three-phase reactor 6.
- the “capacitor voltage” is the terminal voltage of the second capacitor 8
- the “switching voltage” is the collector-emitter voltage of the IGBT that constitutes the power converter 7.
- the switching voltage is fixed to Vdc, and the load current, input current, and power converter current all become "0", and the regeneration absorption operation ends.
- the power converter 7 operates as a power regeneration PWM rectifier, a sine wave current synchronized with the voltage of the three-phase AC power source 1 flows in the input current.
- a "YES" determination may be made if the voltage of the second capacitor 8 shown in FIG. 14 has become stable.
- the end of the regenerative absorption operation may be determined based on the elapsed time from the start of the operation.
- the fifth embodiment also shows an example of the regenerative absorption operation in the power conversion device 41 or 42.
- Fig. 15 shows only the elements that are energized in the first inverter 5 and the second inverter 9 when the regenerative absorption operation is performed.
- the difference from the third embodiment is that in the first inverter 5, all the IGBTs on the upper arm side are turned off and all the IGBTs on the lower arm side are turned on. In this case, since the IGBTs on the lower arm side are turned on for a long period of time, this is effective when the drive power supply for the second inverter 9 is configured as a bootstrap circuit.
- the generation of regenerative power is detected when the voltage across the first capacitor 4 etc. exceeds a predetermined threshold (S22). Since regenerative power is mainly generated when the motor 10 is suddenly stopped, i.e., when the first inverter 5 and the second inverter are suddenly stopped, the terminal voltage of the first capacitor 4 can be prevented from becoming an overvoltage by performing a regenerative absorption operation when a stop signal for the motor 10 is received from the upper control system or an overcurrent abnormality or the like is detected in the first inverter 5 and the motor 10 must be stopped urgently.
- a predetermined threshold S22
- the control unit 20 may also perform the following control.
- the rectifier circuit 3 and first inverter 5 side are the first drive unit, and the power converter 7 and second inverter 9 side are the second drive unit.
- the control unit 20 performs a fault determination for these first and second drive units. Then, by shorting one of the short circuits 16, 17 connected to the drive unit determined to be in a faulty state, the motor 10 is driven only by the drive unit determined to be in a normal state.
- the semiconductor switch is not limited to an IGBT, but may be, for example, a power MOSFET.
- the AC power supply may be single phase.
- the magnitude relationship between the capacitances C1 and C2 of the first and second capacitors is set to (C1 ⁇ C2), it is not necessary to use a film capacitor for the first capacitor 4 and an electrolytic capacitor for the second capacitor 8.
- the first and second capacitors 4 and 8 may be storage batteries or batteries. In addition, it is not necessary to use a magnitude relationship between the capacitances C1 and C2 to be (C1 ⁇ C2).
- the switching of the operation mode determined in steps S4 and S7 shown in FIG. 6 and steps S11 and S12 shown in FIG. 9 may be performed based on, for example, the rotation speed or the load state other than the input power to the motor.
- the heat pump device is not limited to an air conditioner. Furthermore, the power conversion device may be applied to devices other than heat pump devices.
- 1 is a three-phase AC power source
- 2 is a three-phase reactor
- 3 is a rectifier circuit
- 4 is a first capacitor (first storage element)
- 5 is a first inverter (first power converter)
- 6 is a three-phase reactor
- 7 is a power converter (third power converter)
- 8 is a second capacitor (second storage element)
- 9 is a second inverter (second power converter)
- 10 is a motor
- 16 and 17 are short circuits
- 20 is a control unit
- 21 is an air conditioner
- 22 is a compressor
- 41 and 42 are power conversion devices.
Landscapes
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- Inverter Devices (AREA)
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、オープン巻線構造のモータを駆動する電力変換装置、及びその電力変換装置を備えたヒートポンプ機器に関する。 An embodiment of the present invention relates to a power conversion device that drives a motor with an open winding structure, and a heat pump device equipped with the power conversion device.
モータを駆動する電力変換装置の大容量化やモータの高速化を実現するため、各相毎に独立した巻線を持つオープン巻線モータを、2つのインバータで駆動するデュアルインバータ方式が知られている。しかしながら、常に2つのインバータを動作させると、インバータにおけるスイッチング素子の損失が増加する。特に低負荷状態では、本来1つのインバータのみでモータの駆動が可能であるにもかかわらず、2つのインバータを動作させるのは電力の無駄である。 In order to increase the capacity of the power conversion equipment that drives the motor and to increase the motor's speed, a dual inverter system is known in which an open winding motor, which has independent windings for each phase, is driven by two inverters. However, constantly operating two inverters increases the loss in the switching elements of the inverters. Especially under low load conditions, operating two inverters is a waste of power, even though the motor could originally be driven by only one inverter.
これに対処するため、特許文献1では、オープン巻線モータと1方のインバータとの間の配線に、これらの配線を相互に短絡するリレーを設けている。モータの誘起電圧が低い低回転数時には、このリレーを短絡することでオープン巻線モータの巻線をスター結線状態に変更して1つのインバータのみで駆動し、他方のインバータを停止させて電力損失を低減している。しかしながら、三相入力の電力変換装置では、三相交流のうち最大相から最小相にのみに電流が流れるので、モータ駆動用の電力変換器におけるスイッチングだけでは、入力電流を正弦波に制御することはできない。
To address this issue, in
また、特許文献2には、小容量のフィルムコンデンサを搭載した単相入力の電力変換装置では、入力電流の高調波を低減し、力率を改善できることが記載されている。
前述のデュアルインバータ方式においても、直流部に小容量のコンデンサを使用することはできるが、この場合も三相交流電源を電源とした場合、前述の通りモータ駆動用の電力変換器におけるスイッチングだけでは、入力電流を正弦波に制御することはできない。 In the dual inverter system mentioned above, it is possible to use a small-capacity capacitor in the DC section, but even in this case, if a three-phase AC power supply is used as the power source, the input current cannot be controlled to a sine wave simply by switching in the power converter used to drive the motor, as mentioned above.
また、特許文献3には、1次側のインバータにマトリックスコンバータを適用したシステムが開示されている。
特許文献3の構成では、三相入力電流を正弦波に制御可能となるが、マトリックスコンバータ用の半導体デバイス、交流フィルタに使用されるチョークコイル等は、電力変換装置の定格容量と同等又はそれ以上の定格の部品を選定しなければならず、電力変換装置全体の大型化やコストの増大などの課題が生じる。
そこで、デュアルインバータ方式においても、高効率で高調波を抑制できる電力変換装置、及びその電力変換装置を備えたヒートポンプ機器を提供する。
The configuration of
Therefore, the present invention provides a power conversion device capable of suppressing harmonics with high efficiency even in a dual inverter system, and a heat pump device equipped with the power conversion device.
実施形態の電力変換装置は、交流電源から供給される交流電圧を整流する整流回路と、この整流回路の直流側に接続される第1蓄電素子と、この第1蓄電素子に並列に接続されるダイオード及び半導体スイッチで構成され、各相出力端子に各相巻線が独立したモータの巻線の一端が接続される第1電力変換器と、各相出力端子に前記モータの巻線の他端が接続され、ダイオード及び半導体スイッチで構成される第2電力変換器と、この第2電力変換器の直流側に接続される第2蓄電素子と、前記交流電源と前記整流回路とを接続する配線から分岐して接続されるリアクトルと、このリアクトルと前記第2蓄電素子との間に接続されるダイオード及び半導体スイッチで構成された第3電力変換器と、前記第1電力変換器又は前記第2電力変換器の各相出力端子を短絡するように配置される短絡回路と、前記第3電力変換器を、前記整流回路から前記交流電源側に流出する高調波を抑制するようにスイッチング制御すると共に、前記短絡回路を開放状態にすることで、前記第1電力変換器と前記第2電力変換器により前記モータを駆動する動作モード、及び前記短絡回路を短絡状態にすることで、前記第1電力変換器又は前記第2電力変換器の何れか一方のみにより前記モータを駆動する動作モードを切り換えて実行する制御部と、を備える。 The power conversion device of the embodiment includes a rectifier circuit that rectifies an AC voltage supplied from an AC power source, a first storage element connected to the DC side of the rectifier circuit, and a diode and a semiconductor switch connected in parallel to the first storage element. The first power converter has one end of a winding of a motor having independent phase windings connected to each phase output terminal, a second power converter has the other end of the winding of the motor connected to each phase output terminal and is configured with a diode and a semiconductor switch, a second storage element connected to the DC side of the second power converter, a reactor branched off from the wiring connecting the AC power source and the rectifier circuit, and a current source between the reactor and the second storage element. a third power converter composed of a diode and a semiconductor switch connected to the third power converter; a short circuit arranged to short each phase output terminal of the first power converter or the second power converter; and a control unit that controls the switching of the third power converter so as to suppress harmonics flowing out from the rectifier circuit to the AC power supply side, and switches between an operation mode in which the motor is driven by the first power converter and the second power converter by opening the short circuit, and an operation mode in which the motor is driven by only either the first power converter or the second power converter by closing the short circuit.
また、実施形態の電力変換装置は、交流電源から供給される交流電圧を整流する整流回路と、この整流回路の直流側に接続される第1蓄電素子と、この第1蓄電素子に並列に接続されるダイオード及び半導体スイッチで構成され、各相出力端子に各相巻線が独立したモータの巻線の一端が接続される第1電力変換器と、各相出力端子に前記モータの巻線の他端が接続され、ダイオード及び半導体スイッチで構成される第2電力変換器と、この第2電力変換器の直流側に接続される第2蓄電素子と、前記交流電源と前記整流回路とを接続する配線から分岐して接続されるリアクトルと、このリアクトルと前記第2蓄電素子との間に接続されるダイオード及び半導体スイッチで構成され、高調波を抑制する第3電力変換器と、前記第1電力変換器の各相出力端子を短絡するように配置される第1短絡回路と、前記第2電力変換器の各相出力端子を短絡するように配置される第2短絡回路と、前記第1短絡回路及び前記第2短絡回路の短絡・開放状態と、前記第1電力変換器及び前記第2電力変換器による前記モータの駆動状態との組合せによる複数の動作モードを切り換えて実行する制御部と、を備える。 The power conversion device of the embodiment includes a first power converter having one end of a winding of a motor having independent phase windings connected to each phase output terminal, the first power converter being configured with a rectifier circuit that rectifies an AC voltage supplied from an AC power source, a first storage element connected to the DC side of the rectifier circuit, and a diode and a semiconductor switch connected in parallel to the first storage element, the other end of the winding of the motor being connected to each phase output terminal, the second power converter being configured with a diode and a semiconductor switch, the second storage element connected to the DC side of the second power converter, and a diode and a semiconductor switch connected in parallel to the wiring connecting the AC power source and the rectifier circuit. The third power converter is composed of a reactor connected in a branched manner, a diode and a semiconductor switch connected between the reactor and the second storage element, and suppresses harmonics; a first short circuit arranged to short-circuit each phase output terminal of the first power converter; a second short circuit arranged to short-circuit each phase output terminal of the second power converter; and a control unit that switches between and executes a plurality of operating modes based on combinations of the short-circuited and open states of the first short circuit and the second short circuit and the drive state of the motor by the first power converter and the second power converter.
また、実施形態のヒートポンプ機器は、実施形態の電力変換装置と、前記モータとを備え、前記モータにより圧縮機を駆動する。 The heat pump device of the embodiment includes the power conversion device of the embodiment and the motor, and drives the compressor with the motor.
(第1実施形態)
図1に示すように、本実施形態の電力変換装置は、モータ10を駆動対象とする。モータ10は、三相の永久磁石同期モータや誘導機などが想定されるが、本実施形態では永久磁石同期モータとする。モータ10は、いわゆるオープン巻線モータであり、その三相巻線は、それぞれが互いに結線されず両端子がオープン状態となっている。つまり、モータ10は、6つの巻線端子Ua,Va,Wa,Ub,Vb,Wbを備えている。
First Embodiment
As shown in Fig. 1, the power conversion device of this embodiment drives a
モータ10は、第1インバータ5及び第2インバータ9によるデュアルインバータ方式で駆動される。第1インバータ5及び第2インバータ9は同一の回路構成となっており、上アーム側と下アーム側となる2つの直列接続されたスイッチング素子を3組有し、各直列接続されたスイッチング素子の中間接続点が3つの出力端子となる三相インバータである。第1インバータ5の各相出力端子は、モータ10の巻線端子Ua,Va,Waにそれぞれ接続され、第2インバータ9の各相出力端子は、モータ10の巻線端子Ub,Vb,Wbにそれぞれ接続されている。
The
三相交流電源1には、三相リアクトル2を介して整流回路3が接続されている。整流回路3は、6個のダイオードが三相ブリッジ接続されて構成されている。整流回路3の出力端子には、第1コンデンサ4及び第1インバータ5が接続されている。
The three-phase
第2インバータ9には、例えば、電解コンデンサである第2コンデンサ8及び電力変換器7の直流側の両端部が並列に接続されている。この第2コンデンサ8及び第1コンデンサ4のそれぞれは、ある程度の容量を有する充放電可能な蓄電素子であれば良く、素子をコンデンサに替えて蓄電池やバッテリなどを用いても良い。言い換えると、第1コンデンサ4は第1蓄電素子に該当し、第2コンデンサ8は第2蓄電素子に該当する。第1インバータ5の高圧側端子と低圧側端子、すなわち、第1コンデンサ4の両端は第2インバータ9には接続されておらず、第2インバータ9は独立している。すなわち、第1インバータ5と第2インバータ9とは、それぞれの出力端子がモータ10の各相が独立した巻線を介してのみ接続されていることになる。
The
また、第2インバータ9の各相出力端子には、短絡回路16が配置されている。短絡回路16は、同時にオンオフされる複数の機械式リレー又は複数の半導体スイッチから構成される。図1は、2つの接点を持つ機械式リレーを用いた場合を示しており、短絡回路16がオンになると一方のリレー接点はU-V相間を短絡し、他方のリレー接点はV-W相間を短絡する。すなわち、短絡回路16がオンになると第2インバータ9の各相出力端子が短絡されるので、モータ10は巻線端子Ub,Vb及びWb側でスター結線された状態となる。
Furthermore, a
直流部が第2コンデンサ8に接続されている電力変換器7は、第1、第2インバータ5,9と同一の三相インバータの回路構成を備え、その各相出力端子は、三相リアクトル6を介して三相交流電源1に接続されている。第1インバータ5、第2インバータ9及び電力変換器7を構成するスイッチング素子の各々には、何れもフライホイールダイオードが逆並列方向に接続されている。これらは何れも、例えばIGBT等の半導体スイッチング素子を三相ブリッジ接続して構成されており、それぞれ第1~第3電力変換器に相当する。
The
三相交流電源1と三相リアクトル2とを接続する電源線のU,V相には、電流センサ11U,11Vが配置されている。W相の電流は、これらの電流センサ11U,11Vにより検出されるU,V相電流から、演算によって算出される。また、三相交流電源1と三相リアクトル6とを接続する電源線のU,V相には、電流センサ12U,12Vが配置されている。三相リアクトル6を流れるW相の電流は、これらの電流センサ12U,12Vにより検出される三相リアクトル6を流れるU,V相電流から、演算によって算出される。
電圧センサ13、14は、それぞれ第1コンデンサ4、第2コンデンサ8の端子電圧を検出する。第1インバータ5の各相出力端子とモータ10の巻線端子Ua,Va,Waとの間には、電流センサ15U,15V,15Wが配置され、モータ10の各モータ巻線に流れる電流を検出している。第1インバータ5と第2インバータ9の各直流部は、共に同じ三相交流電源1に接続されている。そのため、第1モータ10を第1インバータ5および第2インバータ9を用いてデュアルインバータ方式で駆動すると、各相巻線に所定の周期で同じ方向に流れる零相電流が発生する。そこで、零相電流及び各モータ巻線に流れる電流をそれぞれ区別して検出できるように、各相巻線に対応して各電流センサ15U,15V,15Wが設けられている。
上記の各センサ11~15により出力される検出信号は、制御部20に入力されている。制御部20は、マイクロコンピュータ等で構成され、各センサ11~15の検出信号に基づいて、第1インバータ5、第2インバータ9及び電力変換器7を構成する各IGBTのスイッチングを制御する。以上の構成において、モータ10を除いたものが電力変換装置41を構成している。
The detection signals output by the above sensors 11 to 15 are input to the
図2は、電力変換装置41が適用されるヒートポンプ機器である空調機の構成を示す。なお、電力変換装置41が適用されるヒートポンプ機器としては、空調機以外に、給湯機となる温水生成装置、チラーのような冷温水生成装置などもある。空調機21は、室内機24と室外機35と各々を接続する冷媒配管及び信号通信線からなる。室内に設置される室内機24は、内部に室内側熱交換器27と室内ファン30を収納する。一方、室外機35は、屋外に配置され、制御部20,圧縮機22、室外側熱交換器29,四方弁26、減圧装置28、室外ファン31および室外ファンモータ53などの機器を収納する。
Figure 2 shows the configuration of an air conditioner, which is a heat pump device to which the
圧縮機22は、圧縮部23とモータ10を同一の鉄製密閉容器25内に収容して構成され、モータ10のロータシャフトが圧縮部23に連結されている。そして、圧縮機22、四方弁26、室内側熱交換器27、減圧装置28、室外側熱交換器29は、冷媒通路たるパイプにより閉ループを構成するように接続されている。なお、圧縮機22は、例えば1シリンダのロータリ圧縮機であるが、これに限らず多気筒のロータリ型圧縮機、スクロール型圧縮機、レシプロ型圧縮機も使用することができる。
The
暖房時には、四方弁26は実線で示す状態にあり、圧縮機22の圧縮部23で圧縮された高温冷媒は、四方弁26から室内側熱交換器27に供給されて凝縮して室内に熱を放出して室内を暖房する。その後、減圧装置28で減圧され、低温となって室外側熱交換器29に流れ、ここで外気から吸熱することで蒸発して圧縮機22へと戻る。
During heating, the four-
一方、冷房時には、四方弁26は破線で示す状態に切り替えられる。このため、圧縮機22の圧縮部23で圧縮された高温冷媒は、四方弁26から室外側熱交換器29に供給されて屋外へと放熱して凝縮する。その後、減圧装置28で減圧され、低温となって室内側熱交換器27に流れ、ここで冷媒は、室内の空気から吸熱することで蒸発し、室内を冷却して圧縮機22へと戻る。そして、室内側、室外側の各熱交換器27、29には、それぞれ室内ファン30、室外ファン31により送風が行われ、その送風によって各熱交換器27、29と室内空気、室外空気の熱交換が効率良く行われるように構成されている。
On the other hand, during cooling, the four-
次に、本実施形態の作用について説明する。この電力変換装置41全体を制御する制御部20が設けられている。制御部20は、例えば室内機24側の図示しない室内制御部からの指示に基づき圧縮機22、すなわちモータ10の運転/停止を行う。そして、制御部20は、モータ10の運転中には、例えばモータ10の負荷やその回転速度に応じて短絡回路16を開閉する。具体的には、モータ10が高負荷時や高回転数時または入力電力が高い場合には、短絡回路16を開放状態にしてモータ10をオープン巻線状態とし、低負荷、低回転時または入力電力が小さい場合には短絡回路16を短絡状態としてモータ10をスター結線状態に切り替える。
Next, the operation of this embodiment will be described. A
短絡回路16を開放状態、すなわち、モータ10をオープン巻線状態にすると、制御部20は、電流センサ15U,15V,15Wが検出する電流値、及び電圧センサ13、14が検出した第1コンデンサ4、第2コンデンサ8の端子電圧を用いてベクトル演算する。制御部20は、その演算結果に基づき第1インバータ5及び第2インバータ9の各スイッチング素子を連携動作させ、両方のインバータ5,9からモータ10の各巻線に所望の電流を流してモータ10を可変速駆動する。
When the
一方、短絡回路16を短絡状態としてモータ10をスター結線状態とした場合、制御部20は、電流センサ15U,15V,15Wが検出する電流値、及び電圧センサ13が検出した第1コンデンサ4の端子電圧を用いてベクトル演算する。制御部20は、その演算結果に基づき第1インバータ5の各スイッチング素子のみを適宜動作させてモータ10の各巻線に所望の電流を流してモータ10を可変速駆動する。このモータ10をスター結線状態で駆動する場合は、第2インバータはオフ状態として、全スイッチング素子はオフされる。
On the other hand, when the
一方、制御部20は、モータ10のオープン巻線状態、スター結線状態のいずれの状態においても、モータ10の運転中には、電力変換器7を、電源ラインに流れる高調波を抑制・低減するようにアクティブフィルタ回路として動作させる。具体的には、電流センサ11U、11Vで検出したリアクトル2の各相に流れる電流から高調波電流を抽出し、第2コンデンサ8の端子電圧を加味して、電流センサ12U,12Vで検出した各相のリアクタ電流が、U,V,W相に流れる高調波電流を打ち消す補正電流となるように電力変換器7の各スイッチング素子の動作を制御する。この電力変換器7のアクティブフィルタ回路動作によって、整流回路3から交流電源1側に流出する電流を正弦波に近付き、電源高調波を抑制することができる。
On the other hand, the
なお、蓄電素子である第2コンデンサ8は、アクティブフィルタ回路が出力する補正電流のための電力源として用いられることから、ある程度の容量を有している。なお、モータ10が低負荷状態などで高調波電流の発生量が非常に少ない状態が生じれば、電力変換器7を停止させて、アクティブフルタ回路動作を停止させることもできる。
The second capacitor 8, which is a storage element, has a certain amount of capacity because it is used as a power source for the correction current output by the active filter circuit. If the
上記のように電力変換装置41を構成することで、第1インバータ5及び第2インバータ9によるデュアルインバータと、オープン巻線構成のモータ10を用いたモータ制御性を向上させる。そして、モータ10の巻線に2台のインバータ5及び9により電圧を印加するので、モータ10の運転範囲を拡大できる。また、モータ10の巻線に印加される電圧がマルチレベルとなるので、モータ10で発生する鉄損を低減できる。
By configuring the
さらに、制御部20により2台のインバータ5及び9の駆動方法を工夫することで、モータ10に印加する電力を一定に制御したり、無効電力注入による高速領域での運転範囲を拡大できる。また、電力変換器7の直流部負極側と、第2インバータの9の直流部負極側とを接続することで、これらの回路の基準電圧が共通になる。これにより、駆動電源の絶縁箇所を減らすことができ、回路規模の大型化やコストの増大を防止できる。
Furthermore, by devising a method for driving the two
一方、低回転のモータ10の低入力電力時には、モータ10の誘起電圧が小さくなるので印加する電圧も低くて良くなり、デュアルインバータ方式で駆動すると通常のように1台のインバータで駆動するよりも、半導体スイッチの導通損失が増える分だけ効率が悪くなる。これに対して、短絡回路16を短絡状態とすることで第2インバータ9の三相出力を短絡し、モータ10をスター結線状態にして第1インバータ5のみで駆動すれば、低回転・低負荷時の駆動効率を向上することができる。高回転時には、短絡回路16を開放状態にすれば、モータ10をオープン巻線駆動することになり、上述した利点を活かせる。
On the other hand, when
さらに、モータ10の運転中は、モータ10の巻線状態にかかわらず、電力変換器7を整流回路3から交流電源1側に流出する電流を正弦波に近付くようにスイッチング制御するアクティブフィルタ回路として動作させることで、電力変換装置41によって生じる電源高調波を抑制することができる。
Furthermore, while the
また、第2コンデンサ8の静電容量を、第1コンデンサ4の静電容量よりも大きく設定している。例えば、第1コンデンサ4にはフィルムコンデンサを、第2コンデンサ8には電解コンデンサを用いる。これにより、使用する電解コンデンサの個数を低減でき、電力変換装置42の寿命を長期化することができる。第1コンデンサ4は、第1インバータ5と第2インバータ9とのスイッチングにより生じる高周波成分をカットできる程度の容量で、且つ電源投入時に第1コンデンサ4を充電する電流が、整流回路3を構成するダイオードの耐量を超えない程度の容量であれば良い。この容量は、一般的に数10μF程度である。これにより、三相リアクトル2を小型化できる。
Furthermore, the capacitance of the second capacitor 8 is set to be larger than the capacitance of the
一方、第2コンデンサ8の容量は、電力変換器7の補償容量や第2インバータ9の出力電力、第2コンデンサ8に流れ込むリップル電流等に基づき決定すれば良い。この容量は、一般的に数100μF~数1000μF程度である。なお、第2コンデンサ8は、充放電可能な蓄電素子であれば良く、電解コンデンサに替えて蓄電池やバッテリなどを用いても良い。この場合、蓄電素子の蓄電容量は、第2コンデンサと同様に電力変換器7の補償容量や第2インバータ9の出力電力、第2コンデンサ8に流れ込むリップル電流等に基づき決定される。
On the other hand, the capacity of the second capacitor 8 may be determined based on the compensation capacity of the
以下、電力変換装置41の一連の動作を説明する。制御部20は、初期状態で短絡回路16を開放状態にしている(S0)。その状態で、図3に示すように、制御部20に対して外部よりモータ起動指令が入力されると(S1のYES)、第1インバータ5及び第2インバータ9によりモータ10をオープン巻線駆動する(S2)。また、電力変換器7を、整流回路3から交流電源1側に流出する電流を正弦波に近付くようにスイッチング制御してアクティブフィルタ回路として動作させる。これにより、第1インバータ5側で発生する高調波を抑制する(S3)。ステップS2及びS3は、第1動作モードに相当する。なお、初期状態、すなわちモータ10の停止状態において、外部よりモータ起動指令が入力されなければ(S1のNO)、指示待ちとしてステップS1に戻り、そのままの状態を継続ずる。
The series of operations of the
続いて、モータ10への入力電力が閾値αを下回ったか否かを判断し(S4)、下回らなければ(S4のNO)ステップS2に戻る。上記の入力電力が閾値αを下回ると(S4のYES)、短絡回路16を短絡状態にして(S41)モータ10を第1インバータ5のみで駆動する(S5)。図4は、この状態を等価的に示している。
Then, it is determined whether the input power to the
次のステップS6で、ステップS3と同様に、電力変換器7をアクティブフィルタ回路として動作させる処理を行うと、制御部20は、モータ10への入力電力が閾値βを上回ったか否かを判断する(S7)。なお、閾値βは、短絡回路16の頻繁な切替えを防止するために閾値β>閾値αに設定される。上記の入力電力が閾値βを上回っていれば(S7のYES)、短絡回路16を開放状態に切り替えてから(S71)、ステップS2に戻る。上記の入力電力が閾値βを上回らなければ(S7のNO)、制御部20に対して外部よりモータ停止指令が入力されたか否かを判断する(S8)。モータ停止指令の入力が無ければ(S8のNO)ステップS5に戻り、モータ停止指令の入力があれば(S8のYES)、第1インバータ5、第2インバータ9、電力変換器7の全てのスイッチング動作を停止させてモータ10を停止させる(S81)。ステップS41、S5及びS6は、第2動作モードに相当する。
In the next step S6, similar to step S3, when the process of operating the
以上のように本実施形態によれば、電力変換装置41において、交流電源1から供給される交流電圧を整流する整流回路3の直流側に、第1コンデンサ4及び第1インバータ5を接続する。第1インバータ5の各相出力端子に、オープン巻線構造のモータ10の巻線の一端を接続し、同他端を第2インバータ5の各相出力端子に接続する。前記各相出力端子には、短絡回路16を配置する。第2インバータ7の直流側には、交流電源1と整流回路3とを接続する配線から分岐して接続されるリアクトル6、電力変換器7及び第2コンデンサ8を接続する。
As described above, according to this embodiment, in the
制御部20は、電力変換器7を、整流回路3から交流電源1側に流出する電流を正弦波に近付くようにスイッチング制御すると共に、短絡回路16を開放状態にすることで、第1及び第2インバータ5及び9によりモータ10を駆動する第1動作モードと、短絡回路16を短絡状態にすることで、第1インバータ5のみでモータ10を駆動する第2動作モードとを切り換えて実行する。
The
第1動作モードにおいて、モータ10をデュアルインバータ方式で駆動することで、印加電圧を増加させてモータ10の運転範囲を拡大でき、印加電圧をマルチレベル化してモータ10での鉄損を低減できる。三相交流電源1を用いた場合、電源高調波は概ね電流平滑用のリアクトル2と第1コンデンサ4の容量で決まり、第1インバータ5及び第2インバータ9によって入力電流を制御することはできない。本実施形態のように、電力変換器7と第2インバータ9との直流部同士を接続することで、駆動電源の絶縁数を低減し、回路の簡略化が可能となる。モータ10の回転数が低く入力電力がある程度小さい状態になると第2動作モードに切り替えて、短絡回路16により第2インバータ9の各相出力を短絡し、モータ10を第1インバータ5のみでスター結線駆動することで効率を向上させることができる。さらに、モータ10の運転中は、電力変換器7を、整流回路3アクティブフィルタ回路として動作させることで、電力変換装置41の電源高調波を抑制できる。
In the first operating mode, the
(第2実施形態)
続いて、第2実施形態について図5を参照して説明する。以下において、第1実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。第2実施形態の電力変換装置42では、電力変換装置41の短絡回路16を、第1インバータ5の各相出力端子側に配置した構成である。第2実施形態では、短絡回路16により第1インバータ9の各相出力が短絡される。このため、図6に示す制御フローチャートでは、ステップS5に替わるステップS9において、短絡回路16を短絡状態にしてモータ10を第2インバータ9のみで駆動することになる。そこで、図5に示すようにモータ10の各相巻線の電流を検出する電流センサ15U,15V,15Wは、モータ10の各相巻線と第2インバータ9との間の配線に移動されている。図7は、この状態を等価的に示している。ステップS41、S9及びS10は、第3動作モードに相当する。
Second Embodiment
Next, the second embodiment will be described with reference to FIG. 5. In the following, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description will be omitted, and the different parts will be described. In the
また、ステップS6に替わるステップS10では、電力変換器7により第2インバータ9側の高調波抑制動作を行なう。ここでの高調波抑制動作は、第2コンデンサ8の端子電圧を目標値となるよう安定的に制御するPWM整流器としての動作になる。ここでは、制御部20は、電圧センサ14によって検出した第2コンデンサ8の両端間電圧を、商用電源1の出力を整流した直流電圧値以上の値となるように電力変換器7の各スイッチング素子をPWM制御する。この電力変換器7による第2コンデンサ8の端子電圧制御動作により、第2インバータ9で生じる高調波を抑制することができる。一般にPWM整流器は、昇圧電圧が高いほど高調波の抑制効果が得られるが、昇圧電圧が高くなると第2インバータ9におけるモータ10駆動時の損失が増大するため、昇圧電圧の値は、高調波の発生量を目標値内に抑えられる範囲でできるだけ低い電圧に設定することが望ましい。その他の制御は第1実施形態と同様である。
In addition, in step S10, which replaces step S6, the
(第3実施形態)
図8に示す第3実施形態の電力変換装置43は、電力変換装置42において、新たな短絡回路17を、第2インバータ7の各相出力端子側に配置した構成である。すなわち、第1、第2実施形態を組み合わせた構成となっている。
Third Embodiment
A
図9に示すフローチャートにおいて、図6に示す第1実施形態のフローチャートと同じステップ番号は、制御部20において同じ動作を実行することを意味している。初期状態で短絡回路16及び17は何れも開放されている(S01)。ステップS1でモータ起動指令ありとして「YES」と判断すると、モータ10に対する入力電力Pmが閾値αを超えているか否かを判断し(S11)、閾値αを超えていれば(S11のYES)、ステップS111で、短絡回路16及び17を開放する、または既に開放状態であればその開放状態を維持して、ステップS2及びS3、つまり第1動作モードを実行する。一方、ステップS11で入力電力Pmが閾値αを超えていなければ(S11のNO)、ステップS12に移行する。なお、ステップS1でモータ起動指令がなければ(S1のNO)、モータ起動指令があるまで、そのままの状態を維持する。
In the flowchart shown in FIG. 9, the same step numbers as those in the flowchart of the first embodiment shown in FIG. 6 indicate that the
ステップS12では、入力電力Pmが閾値α以下で且つ閾値βを超えているか否かを判断し、閾値α以下で且つ閾値βを超えていれば(S12のYES)、短絡回路16を開放状態として、且つ短絡回路17を閉じて(S121)、ステップS5及びS6、つまり、図10に示すように第2動作モードを実行する。ステップS12で入力電力Pmが閾値β以下であれば(S12のNO)、短絡回路16を閉じると共に短絡回路17を開放して(S122)、ステップS9及びS10、つまり図11に示すように第3動作モードを実行する。また、ステップS3,S6及びS10に続くステップS8で、モータ停止指令ありとして「YES」と判断した際には、第1インバータ5,第2インバータ9及び電力変換器7の動作を停止してモータ10の運転を停止する(S81)。さらに、回生電流が消滅するまでのごく短期間の所定時間だけ短絡回路16及び17を共に閉じて(S82)、モータ10の巻線両端を短絡する。これにより、回生エネルギーをモータ10において消費させ、インバータ5及び9側の直流部の電圧が増加することを抑制する。その後、所定時間が経過すれば、開始に戻り、ステップS01からの処理を繰り返す。
In step S12, it is determined whether the input power Pm is equal to or less than the threshold value α and exceeds the threshold value β. If it is equal to or less than the threshold value α and exceeds the threshold value β (YES in S12), the
以上のように第3実施形態によれば、第1インバータ5の各相出力端子と第2インバータ9の各相出力端子とに、それぞれ短絡回路16,17を配置したので、モータ10に対する入力電力Pmの大きさに応じて、第1~第3動作モードを切り替えて実行することができる。
As described above, according to the third embodiment,
(第4実施形態)
第3実施形態においては、第1インバータ5,第2インバータ9及び電力変換器7の動作を停止して短絡回路16及び17を共に閉じる(S81,S82)ことでモータ10停止時の回生電力を吸収させた。第4実施形態においては、電力変換装置41又は42を用いた回生吸収動作の一例を示す。これは、第1コンデンサの容量、つまりキャパシタンスを小さく設定して力率を向上させた場合に有効である。例えば、第1コンデンサ4にはフィルムコンデンサを、第2コンデンサ8には大容量の電解コンデンサ用いる。第1コンデンサ43に、素子単体として経年劣化する程度が小さいフィルムコンデンサを用いることで、電力変換装置42の寿命を長期化することができる。
Fourth Embodiment
In the third embodiment, the operation of the
第1コンデンサ43は、第1インバータ5と第2インバータ9とのスイッチングにより生じる高周波成分をカットできる程度の容量で、且つ電源投入時に第1コンデンサ43を充電する電流が、整流回路3を構成するダイオードの耐量を超えない程度の小容量であれば良い。この容量は、一般的に数10μF程度である。これにより、三相リアクトル2を小型化することもできる。
The
一方、第2コンデンサ8の容量は、電力変換器7の補償容量や第2インバータ9の出力電力、第2コンデンサ8に流れ込むリップル電流などに基づき決定する。なお、第2コンデンサ8は、充放電可能な蓄電素子であれば良く、電解コンデンサに替えて蓄電池やバッテリなどを用いても良い。
On the other hand, the capacity of the second capacitor 8 is determined based on the compensation capacity of the
図12は、回生吸収時の動作フローであり、図13は、回生吸収動作を行う際の、第1インバータ5及び第2インバータ9において通電される素子のみを示している。第4実施形態における回生吸収時には、短絡回路16及び17は開放状態とするため、図13において、短絡回路16及び17の図示は省略している。また、図12の動作フローにおいても、短絡回路16及17の動作は省略している。制御部20は、通常運転時(S21)の実行中において、第1コンデンサ4等の両端電圧が予め定めた閾値を超えると(S22のYES)、第1モータ10における回生が発生したと判断し、図13に示す回生吸収動作を行う(S23)。
FIG. 12 shows the operation flow during regenerative absorption, and FIG. 13 shows only the elements that are energized in the
またこの時、電力変換器7を電力回生PWM整流器として動作させる。つまり、電力変換器7をスイッチング制御して、モータ10の回生電力を吸収するC2;第2コンデンサ8の両端電圧を、素子の定格電圧範囲内の値を超えないように電力を電源1側に戻す(S24)。回生電力の吸収時には第1、第2インバータ5,9共にモータ10の駆動を行っていないので、高調波は発生しない。このため、電力変換器7は高調波の抑制動作を行う必要がなく、電力変換器7を電力回生PWM整流器として動作させても問題はない。そして、前記両端電圧が設定時間以上閾値を下回らない間は(S25のNO)、ステップS3に戻り回生吸収動作を継続する。前記両端電圧が設定時間以上閾値を下回ると(S25のYES)、回生吸収動作及び電力変換器7のスイッチング制御を停止させる(S26)。
Also, at this time, the
図13に示すステップS23における回生吸収動作では、第1インバータ5で上アーム側のIGBTを全てオンにすると共に、下アーム側のIGBTを全てオフにすることでモータ10の中性点を形成する。以後、モータ10から第1コンデンサ4に電力は流入せず、第1コンデンサ4が過電圧となることはない。一方、第2インバータ9については、全てのIGBTをオフにすることで整流回路3の構成と等価にする。これにより、モータ10から第2コンデンサ8に電力が流入する。このように、モータ10による回生発生時に回生吸収動作を行うことで、比較的容量の大きい第2コンデンサ8のみで回生電力を吸収できる。言い換えると、第2コンデンサ8の容量は、モータ10が発生させる回生電力を吸収できる容量に設定される。具体的には、第2コンデンサ8の容量を数100μF~数1000μF程度にすることで、回生時においても過電圧が発生することを防止できる。さらに、回生吸収動作中に電力変換器7を電力回生PWM整流器として動作させる(S24)ことで、第2コンデンサ8の容量を低減させることも可能となる。
In the regenerative absorption operation in step S23 shown in FIG. 13, all the IGBTs on the upper arm side of the
図14は、図13に示すフローを実行した場合における各部の電流及び電圧波形を示す。尚、電流波形については三相であるが、ここでは三相を区別する必要がないので、それらの波形を分けて示していない。図中の「負荷電流」は三相リアクトル2を経た電流であり、「入力電流」は三相交流電源1より三相リアクトル2及び6に入力される電流である。「電力変換器電流」は、三相リアクトル6を流れる電流である。「コンデンサ電圧」は、第2コンデンサ8の端子電圧、「スイッチング電圧」は、電力変換器7を構成するIGBTのコレクタ-エミッタ間電圧である。
FIG. 14 shows the current and voltage waveforms of each part when the flow shown in FIG. 13 is executed. Note that although the current waveforms are three-phase, they are not shown separately here as there is no need to distinguish between the three phases. The "load current" in the figure is the current that passes through the three-
図14において、モータ10の回生が発生じ、図示しない第1コンデンサ4の電圧が閾値まで上昇したところで、回生吸収動作が開始される。回生吸収動作が始まると、一旦、第2コンデンサ8の両端電圧は上昇するが、電力変換器7が電力回生PWM整流器として動作するため、三相交流電源1に回生されて極端に大きく上昇することはなく、徐々に上昇する。その後、モータ10の回生が終了すると、電力回生PWM整流器の動作によって第2コンデンサ8の両端電圧が低下してくる。そして、第2コンデンサ8の両端電圧が閾値を下回った時間が、設定時間以上になったところで電力変換器7のスイッチングが停止し、回生吸収及び電力回生動作が終了する。この結果、スイッチング電圧がVdcに固定され、負荷電流、入力電流、電力変換器電流の全てが「0」となって回生吸収動作が終了する。なお、電力変換器7が電力回生PWM整流器として動作している間は、入力電流に三相交流電源1の電圧に同期した正弦波電流が流れる。
In FIG. 14, regeneration of the
また、ステップS25の回生吸収動作の終了判定では、図14に示す第2コンデンサ8の電圧が安定した状態になった場合に「YES」と判断しても良い。また、実際の回生電力の発生時間は短いため、回生吸収動作の開始からの経過時間で終了を判定しても良い。 In addition, in determining whether the regenerative absorption operation has ended in step S25, a "YES" determination may be made if the voltage of the second capacitor 8 shown in FIG. 14 has become stable. In addition, because the actual time for which regenerative power is generated is short, the end of the regenerative absorption operation may be determined based on the elapsed time from the start of the operation.
(第5実施形態)
第5実施形態も、電力変換装置41又は42における回生吸収動作の一例を示す。図15は図13と同様に、回生吸収動作を行う際の、第1インバータ5及び第2インバータ9において通電される素子のみを示している。第3実施形態と相違するのは、第1インバータ5において、上アーム側のIGBTを全てオフにし、下アーム側のIGBTを全てオンする点である。この場合、下アーム側のIGBTを長時間オンさせることになるので、第2インバータ9の駆動電源を、ブートストラップ回路で構成している場合に有効である。
Fifth Embodiment
The fifth embodiment also shows an example of the regenerative absorption operation in the
(その他の実施形態)
前述の実施形態では、第1コンデンサ4等の両端電圧が予め定めた閾値を超えたことで回生電力の発生を検出した(S22)。回生電力は主としてモータ10の急停止、すなわち第1インバータ5及び第2インバータの急停止時に生じることから、上位制御システム側からモータ10の停止信号を受信したり、又は第1インバータ5において過電流異常等を検知し、モータ10を緊急停止しなければならない場合に回生吸収動作を行うことで、第1コンデンサ4の端子電圧が過電圧になることを防止できる。
Other Embodiments
In the above embodiment, the generation of regenerative power is detected when the voltage across the
また、制御部20により、以下の制御を行なっても良い。整流回路3及び第1インバータ5側を第1駆動部とし、電力変換器7及び第2インバータ9側を第2駆動部とする。制御部20は、これらの第1、第2駆動部について故障判断を行う。そして、故障状態と判断された駆動部側に接続されている短絡回路16,17の何れかを短絡状態とすることで、正常状態と判断された駆動部側のみでモータ10を駆動する。
The
半導体スイッチはIGBTに限ることなく、例えばパワーMOSFET等でも良い。
交流電源は、単相でも良い。
第1、第2コンデンサの容量C1、C2の大小関係を(C1<C2)に設定する際に、必ずしも第1コンデンサ4をフィルムコンデンサ、第2コンデンサ8を電解コンデンサにする必要はない。第1,第2コンデンサ4,8は、蓄電池やバッテリとしても良い。また、容量C1、C2の大小関係は、必ずしも(C1<C2)に設定する必要はない。
The semiconductor switch is not limited to an IGBT, but may be, for example, a power MOSFET.
The AC power supply may be single phase.
When the magnitude relationship between the capacitances C1 and C2 of the first and second capacitors is set to (C1<C2), it is not necessary to use a film capacitor for the
図6に示すステップS4、S7及び図9に示すステップS11,S12にて判断される動作モードの切り替えは、モータへの入力電力に基づく以外に、例えば回転数や負荷状態に基づいて行っても良い。
ヒートポンプ機器は、空調機に限らない。また、電力変換装置をヒートポンプ機器以外に適用しても良い。
The switching of the operation mode determined in steps S4 and S7 shown in FIG. 6 and steps S11 and S12 shown in FIG. 9 may be performed based on, for example, the rotation speed or the load state other than the input power to the motor.
The heat pump device is not limited to an air conditioner. Furthermore, the power conversion device may be applied to devices other than heat pump devices.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be embodied in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included within the scope and gist of the invention, as well as within the scope of the invention and its equivalents as set forth in the claims.
図面中、1は三相交流電源、2は三相リアクトル、3は整流回路、4は第1コンデンサ(第1蓄電素子)、5は第1インバータ(第1電力変換器)、6は三相リアクトル、7は電力変換器(第3電力変換器)、8は第2コンデンサ(第2蓄電素子)、9は第2インバータ(第2電力変換器)、10はモータ、16及び17は短絡回路、20は制御部、21は空調機、22は圧縮機、41及び42は電力変換装置を示す。 In the drawings, 1 is a three-phase AC power source, 2 is a three-phase reactor, 3 is a rectifier circuit, 4 is a first capacitor (first storage element), 5 is a first inverter (first power converter), 6 is a three-phase reactor, 7 is a power converter (third power converter), 8 is a second capacitor (second storage element), 9 is a second inverter (second power converter), 10 is a motor, 16 and 17 are short circuits, 20 is a control unit, 21 is an air conditioner, 22 is a compressor, and 41 and 42 are power conversion devices.
Claims (15)
この整流回路の直流側に接続される第1蓄電素子と、
この第1蓄電素子に並列に接続されるダイオード及び半導体スイッチで構成され、各相出力端子に各相巻線が独立したモータの巻線の一端が接続される第1電力変換器と、
各相出力端子に前記モータの巻線の他端が接続され、ダイオード及び半導体スイッチで構成される第2電力変換器と、
この第2電力変換器の直流側に接続される第2蓄電素子と、
前記交流電源と前記整流回路とを接続する配線から分岐して接続されるリアクトルと、
このリアクトルと前記第2蓄電素子との間に接続されるダイオード及び半導体スイッチで構成された第3電力変換器と、
前記第1電力変換器又は前記第2電力変換器の各相出力端子を短絡するように配置される短絡回路と、
前記第3電力変換器を、前記整流回路から前記交流電源側に流出する高調波を抑制するようにスイッチング制御すると共に、
前記短絡回路を開放状態にすることで、前記第1電力変換器と前記第2電力変換器により前記モータを駆動する動作モード、及び
前記短絡回路を短絡状態にすることで、前記第1電力変換器又は前記第2電力変換器の何れか一方のみにより前記モータを駆動する動作モードを切り換えて実行する制御部と、を備える電力変換装置。 a rectifier circuit that rectifies an AC voltage supplied from an AC power source;
A first storage element connected to a DC side of the rectifier circuit;
a first power converter including a diode and a semiconductor switch connected in parallel to the first storage element, the first power converter having an output terminal for each phase connected to one end of a winding of a motor having independent windings for each phase;
a second power converter including a diode and a semiconductor switch, the second power converter being connected to the other end of the winding of the motor at each phase output terminal;
a second storage element connected to a DC side of the second power converter;
a reactor that is branched off from a line that connects the AC power supply and the rectifier circuit;
a third power converter including a diode and a semiconductor switch connected between the reactor and the second storage element;
a short circuit arranged to short-circuit each phase output terminal of the first power converter or the second power converter;
switching control of the third power converter so as to suppress harmonics flowing out from the rectifier circuit to the AC power supply side;
and a control unit that switches between and executes an operation mode in which the motor is driven by the first power converter and the second power converter by bringing the short circuit into an open state, and an operation mode in which the motor is driven by only one of the first power converter or the second power converter by bringing the short circuit into a short state.
この整流回路の直流側に接続される第1蓄電素子と、
この第1蓄電素子に並列に接続されるダイオード及び半導体スイッチで構成され、各相出力端子に各相巻線が独立したモータの巻線の一端が接続される第1電力変換器と、
各相出力端子に前記モータの巻線の他端が接続され、ダイオード及び半導体スイッチで構成される第2電力変換器と、
この第2電力変換器の直流側に接続される第2蓄電素子と、
前記交流電源と前記整流回路とを接続する配線から分岐して接続されるリアクトルと、
このリアクトルと前記第2蓄電素子との間に接続されるダイオード及び半導体スイッチで構成され、高調波を抑制する第3電力変換器と、
前記第1電力変換器の各相出力端子を短絡するように配置される第1短絡回路と、
前記第2電力変換器の各相出力端子を短絡するように配置される第2短絡回路と、
前記第1短絡回路及び前記第2短絡回路の短絡・開放状態と、前記第1電力変換器及び前記第2電力変換器による前記モータの駆動状態との組合せによる複数の動作モードを切り換えて実行する制御部と、を備える電力変換装置。 a rectifier circuit that rectifies an AC voltage supplied from an AC power source;
A first storage element connected to a DC side of the rectifier circuit;
a first power converter including a diode and a semiconductor switch connected in parallel to the first storage element, the first power converter having an output terminal for each phase connected to one end of a winding of a motor having independent windings for each phase;
a second power converter including a diode and a semiconductor switch, the second power converter being connected to the other end of the winding of the motor at each phase output terminal;
a second storage element connected to a DC side of the second power converter;
a reactor that is branched off from a line that connects the AC power supply and the rectifier circuit;
a third power converter configured to suppress harmonics and including a diode and a semiconductor switch connected between the reactor and the second storage element;
a first short circuit arranged to short-circuit each phase output terminal of the first power converter;
a second short circuit arranged to short-circuit each phase output terminal of the second power converter;
a control unit that switches between and executes a plurality of operating modes based on combinations of short-circuited/opened states of the first short-circuit and the second short-circuit and drive states of the motor by the first power converter and the second power converter.
前記第1短絡回路を開放状態とし、前記第2の短絡回路を短絡状態として、前記第1電力変換器のみで前記モータを駆動すると共に、前記第3電力変換器をアクティブフィルタ回路として動作させる動作モードと、
前記第1短絡回路を短絡状態とし、前記第2短絡回路を開放状態として、前記第2電力変換器のみで前記モータを駆動すると共に、前記第3電力変換器をPWM整流器として動作させる動作モードとを切り換えて実行する請求項2記載の電力変換装置。 an operation mode in which the control unit drives the motor by both the first power converter and the second power converter with the first short circuit and the second short circuit in an open state, and operates the third power converter as an active filter circuit;
an operation mode in which the first short circuit is in an open state, the second short circuit is in a short state, the motor is driven only by the first power converter, and the third power converter is operated as an active filter circuit;
3. The power conversion device according to claim 2, wherein an operating mode is switched between a first operating mode and an operating mode in which the first short-circuit is in a short-circuited state and the second short-circuit is in an open state, and the motor is driven by only the second power converter, and the third power converter is operated as a PWM rectifier.
前記制御部は、前記端子電圧が予め定めた閾値を超えると前記回生吸収動作を行う請求項6記載の電力変換装置。 a voltage detection unit that detects a terminal voltage of the first storage element,
The power conversion device according to claim 6 , wherein the control unit performs the regenerative absorption operation when the terminal voltage exceeds a predetermined threshold value.
前記第3電力変換器と前記第2電力変換器側である第2駆動部と、について故障判断を行い、故障状態と判断された駆動部側に接続されている短絡回路を短絡状態とすることで、正常状態と判断された駆動部側のみで前記モータを駆動する請求項2記載の電力変換装置。 The control unit includes a first drive unit which is a side of the rectifier circuit and the first power converter,
3. The power conversion device according to claim 2, wherein a fault determination is performed for the third power converter and a second drive unit on the second power converter side, and a short circuit connected to the drive unit determined to be in a faulty state is short-circuited, thereby driving the motor only using the drive unit determined to be in a normal state.
前記制御部は、前記短絡回路を開放状態にして、前記第1電力変換器と前記第2電力変換器とにより前記モータを駆動すると共に、前記第3電力変換器をアクティブフィルタ回路として動作させる動作モードと、前記短絡回路を短絡状態にして、前記第2電力変換器のみにより前記モータを駆動すると共に、前記第3電力変換器をPWM整流器として動作させる動作モードとを切り換える請求項1記載の電力変換装置。 the short circuit is arranged to short-circuit each phase output terminal of the first power converter;
2. The power conversion device according to claim 1, wherein the control unit switches between an operating mode in which the short circuit is opened, the motor is driven by the first power converter and the second power converter, and the third power converter is operated as an active filter circuit, and an operating mode in which the short circuit is closed, the motor is driven by only the second power converter, and the third power converter is operated as a PWM rectifier.
前記制御部は、前記短絡回路を開放状態にして、前記第1電力変換器と前記第2電力変換器とにより前記モータを駆動すると共に、前記第3電力変換器をアクティブフィルタ回路として動作させる動作モードと、前記短絡回路を短絡状態にして、前記第1電力変換器のみにより前記モータを駆動すると共に、前記第3電力変換器をアクティブフィルタ回路として動作させる動作モードとを切り換える請求項1記載の電力変換装置。 the short circuit is arranged to short-circuit each phase output terminal of the second power converter;
2. The power conversion device according to claim 1, wherein the control unit switches between an operating mode in which the short circuit is opened, the motor is driven by the first power converter and the second power converter, and the third power converter is operated as an active filter circuit, and an operating mode in which the short circuit is closed, the motor is driven by only the first power converter, and the third power converter is operated as an active filter circuit.
前記モータと、を備え、
前記モータにより圧縮機を駆動するヒートポンプ機器。 A power converter according to any one of claims 1, 2 and 12;
The motor,
A heat pump device in which the motor drives a compressor.
前記モータと、を備え、
前記モータにより圧縮機を駆動するヒートポンプ機器。 The power conversion device according to claim 13;
The motor,
A heat pump device in which the motor drives a compressor.
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2024
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