特許 6357489 電力変換装置、設備機器、及び設備機器システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6357489

(24)【登録日】2018年6月22日

(45)【発行日】2018年7月11日

(54)【発明の名称】電力変換装置、設備機器、及び設備機器システム

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20180702BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/48 E

【請求項の数】7

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2015-558825(P2015-558825)

(86)(22)【出願日】2015年1月16日

(86)【国際出願番号】JP2015051088

(87)【国際公開番号】WO2015111517

(87)【国際公開日】20150730

【審査請求日】2016年4月1日

(31)【優先権主張番号】特願2014-11722(P2014-11722)

(32)【優先日】2014年1月24日

(33)【優先権主張国】JP

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】505461072

【氏名又は名称】東芝キヤリア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001737

【氏名又は名称】特許業務法人スズエ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小林 壮寛

(72)【発明者】

【氏名】松本 勇司

(72)【発明者】

【氏名】温品 治信

(72)【発明者】

【氏名】久保田 洋平

(72)【発明者】

【氏名】石田 圭一

(72)【発明者】

【氏名】小川 慧

【審査官】 遠藤 尊志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−１６６３５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０９５２１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２５０５９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／００−７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

三相交流電源の電圧を昇圧および直流変換して出力するとともに、この出力電圧の値に応じて当該入力側の高調波電流の値が変化するＰＷＭコンバータと、
前記ＰＷＭコンバータの出力電圧を交流電圧に変換するインバータと、
前記高調波電流の制限値を入力するための入力部と、
前記入力部に入力される制限値に応じて前記ＰＷＭコンバータの出力電圧を制御するコントローラと、
を備えることを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

前記コントローラは、
前記入力部で入力される前記制限値を記憶する記憶部、
を含む、
ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記コントローラは、
前記制限値のデータ通信による入力を受ける通信部と、
前記通信部で受けた前記制限値を記憶する記憶部と、
を含む、
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電力変換装置。

【請求項4】

請求項３記載の電力変換装置を複数備えた設備機器であって、
前記各電力変換装置を総合的に制御する総合コントローラを備え、
前記総合コントローラは、前記各設備機器が接続される受電設備に設定されている“高調波電流の規制値”に基づく前記設備機器用の制限値の範囲内で前記電力変換装置用の制限値を定め、これら電力変換装置用の制限値を前記各電力変換装置の前記各コントローラに通知する
ことを特徴とする設備機器。

【請求項5】

前記総合コントローラは、前記各電力変換装置における前記各ＰＷＭコンバータのスイッチング動作台数を制御することを特徴とする請求項４記載の設備機器。

【請求項6】

請求項４記載の設備機器を複数備えた設備機器システムであって、
前記各設備機器を制御するセンターコントローラを備え、
前記センターコントローラは、前記各設備機器が接続される受電設備に設定されている“高調波電流の規制値”に基づく前記設備機器システム用の制限値の範囲内で前記各設備機器用の制限値を定め、これら設備機器用の制限値を前記各設備機器の前記各総合コントローラに通知する
ことを特徴とする設備機器システム。

【請求項7】

前記設備機器は、前記インバータにより駆動される圧縮機を備えた熱源機であることを特徴とする請求項４または請求項５記載の設備機器または請求項６記載の設備機器システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、交流電源の電圧を直流に変換しその直流電圧を所定周波数の交流電圧に変換する電力変換装置、この電力変換装置を備えた設備機器、及び上記電力変換装置を備えた設備機器システムに関する。

【背景技術】

【0002】

電力消費の大きい設備機器（equipment）は、受電設備（キュービクル）に接続される。この受電設備には、商用交流電源側への高調波電流の流出量を規制するための規制値が設定される。この規制値の大きさは、受電設備の電力容量に比例する。なお、高調波電流は、インバータを搭載した設備機器いわゆるインバータ搭載機器で発生し、商用交流電源に直接接続される交流モータ（誘導電動機）では発生しない。

【0003】

受電設備には、空気調和機、照明器具、エレベータ等の様々な設備機器が接続される。これら接続機器のうち、インバータ搭載機器の比率が高い場合には、高調波電流の発生量が上記規制値を超える可能性がある。

【0004】

高調波電流の発生量が上記規制値を超えないようにするためには、受電設備を電力容量の大きいものに変更するか、あるいはインバータ搭載機器と受電設備との間の電源ラインに高調波抑制装置を配置する必要がある。インバータ搭載機器に直流変換器として昇圧型のＰＷＭコンバータを組み込み、そのＰＷＭコンバータのスイッチングによって高調波電流を低減させる方法もある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開2004-120878号公報

【特許文献2】特開2004-263887号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、電力容量の大きい受電設備は高額であり、高調波抑制装置も高額である。また、ＰＷＭコンバータのスイッチング素子は電力損失が大きいため、ＰＷＭコンバータのスイッチングによる高調波電流の低減は設備機器の効率低下を招くという問題がある。

【0007】

本実施形態の目的は、高額の受電設備や高調波抑制装置を要することなく、しかも設備機器の効率低下を招くことなく、高調波電流をその高調波次数にかかわらず確実に低減できる電力変換装置と設備機器及び設備機器システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

請求項１の電力変換装置は、三相交流電源の電圧を昇圧および直流変換して出力するとともに、この出力電圧の値に応じて当該入力側の高調波電流の値が変化するＰＷＭコンバータと、このＰＷＭコンバータの出力電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記高調波電流の制限値を入力するための入力部と、この入力部に入力される高調波電流の制限値に応じて前記ＰＷＭコンバータの出力電圧を制御するコントローラと、を備える。

【0009】

請求項５の設備機器は、請求項４記載の電力変換装置を複数備えたものであって、前記各電力変換装置を総合的に制御する総合コントローラを備える。この総合コントローラは、前記各設備機器が接続される受電設備に設定されている“高調波電流の規制値”に基づく前記設備機器用の制限値の範囲内で前記電力変換装置用の制限値を定め、これら電力変換装置用の制限値を前記各電力変換装置の前記各コントローラに通知する。

【0010】

請求項７の設備機器システムは、請求項５記載の設備機器を複数備えた設備機器システムであって、前記各設備機器を制御するセンターコントローラを備える。このセンターコントローラは、前記各設備機器が接続される受電設備に設定されている“高調波電流の規制値”に基づく前記設備機器システム用の制限値の範囲内で前記各設備機器用の制限値を定め、これら設備機器用の制限値を前記各設備機器の前記各総合コントローラに通知する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１および第２実施形態の構成を示すブロック図。

【図2】各実施形態のコンバータ用のＰＷＭ信号生成を示す図。

【図3】各実施形態における高調波電流の制限値をインバータ比率および高調波次数をパラメータとして示す図。

【図4】各実施形態におけるコンバータの出力電圧と５次高調波電流との関係を示す図。

【図5】各実施形態において発生する高調波電流の値をコンバータの出力電圧および高調波次数をパラメータとして示す図。

【図6】各実施形態におけるコンバータの出力電圧と効率との関係を示す図。

【図7】第１実施形態の制限値設定部に記憶されている制御用データを示す図。

【図8】各実施形態の制御を示すフローチャート。

【図9】第２実施形態における高調波電流の算出値に応じたコンバータの出力電圧の変化を示す図。

【図10】第３実施形態の構成を示すブロック図。

【図11】第３実施形態の制御条件を示す図。

【図12】第４実施形態における負荷と効率との関係を示す図。

【図13】第４実施形態における負荷と高調波電流との関係を示す図。

【図14】第５実施形態の要部の構成を示すブロック図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

［１］第１実施形態
本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。この第１実施形態の電力変換装置は、特定の設備機器である例えば空調機などのヒートポンプ式熱源機に組み込まれ、そのヒートポンプ式熱源機内の圧縮機を駆動する。

【0013】

図１に示すように、商用の三相交流電源１の相ラインＲ，Ｓ，Ｔに受電設備（キュービクル）１０が接続され、その受電設備１０に本実施形態の電力変換装置１００が接続される。電力変換装置１００は、特定の設備機器である例えば空調用のヒートポンプ式熱源機に組み込まれ、そのヒートポンプ式熱源機内の圧縮機の駆動モータに対する駆動電力を出力するもので、受電設備１０に接続されるコンバータ（ＰＷＭコンバータともいう）２、このコンバータ２の出力端に接続された平滑コンデンサ４、この平滑コンデンサ４に接続されたインバータ５を含む。このインバータ５の出力端に、上記圧縮機モータである例えばブラシレスＤＣモータ６の相巻線Ｌｕ．Ｌｖ．Ｌｗが接続される。

【0014】

コンバータ２は、リアクタ２１，２２，２３、これらリアクタ２１，２２，２３を介して三相交流電源１に接続されるダイオード３１ａ〜３６ａのブリッジ回路、これらダイオード３１ａ〜３６ａに並列接続されたスイッチング素子たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）３１〜３６を有し、受電設備１０から供給される三相交流電圧をＩＧＢＴ３１〜３６のオン，オフスイッチングにより昇圧および直流変換する。例えば、コンバータ２は、200Ｖの交流電圧を300Ｖ程度の直流電圧に変換する。このコンバータ２の出力電圧Ｖｃが平滑コンデンサ４に印加される。

【0015】

なお、コンバータ２は、ＩＧＢＴ３１〜３６のオン，オフスイッチングの停止により、受電設備１０から供給される三相交流電圧をダイオード３１ａ〜３６ａにより全波整流する。

【0016】

ダイオード３１ａ〜３６ａのブリッジ回路は、ダイオード３１ａ，３２ａの直列回路、ダイオード３３ａ，３４ａの直列回路、ダイオード３５ａ，３６ａの直列回路により構成される。ダイオード３１ａ，３２ａの相互接続点が受電設備１０を介して三相交流電源１のＲ相に接続され、ダイオード３３ａ，３４ａの相互接続点が受電設備１０を介して三相交流電源１のＳ相に接続され、ダイオード３５ａ，３６ａの相互接続点が受電設備１０を介して三相交流電源１のＴ相に接続される。ダイオード３１ａ〜３６ａは、ＩＧＢＴ３１〜３６の回生用ダイオードである。

【0017】

インバータ５は、ＩＧＢＴ５１，５２を直列接続しそのＩＧＢＴ５１，５２の相互接続点がブラシレスＤＣモータ６の相巻線Ｌｕに接続されるＵ相用直列回路、ＩＧＢＴ５３，５４を直列接続しそのＩＧＢＴ５３，５４の相互接続点がブラシレスＤＣモータ６の相巻線Ｌｖに接続されるＶ相用直列回路、ＩＧＢＴ５５，５６を直列接続しそのＩＧＢＴ５５，５６の相互接続点がブラシレスＤＣモータ６の相巻線Ｌｗに接続されるＷ相用直列回路を含み、平滑コンデンサ４の電圧を各ＩＧＢＴのスイッチングにより所定周波数の三相交流電圧に変換し各ＩＧＢＴの相互接続点から出力する。なお、ＩＧＢＴ５１〜５６には、逆並列に、回生用ダイオード（フリー・ホイール・ダイオード）５１ａ〜５６ａが接続されている。回生用ダイオード５１ａ〜５６ａには、損失低減のためにファースト・リカバリー・ダイオードを用いることが望ましい。

【0018】

ブラシレスＤＣモータ６は、星形結線された３つの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗを有する固定子、および永久磁石を有する回転子により構成される。相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに電流が流れることにより生じる磁界と永久磁石が作る磁界との相互作用により、回転子が回転する。

【0019】

受電設備１０とコンバータ２との間の通電路に、入力電流検知用の電流センサ（電流検知手段）７１，７２，７３が配設される。インバータ５の出力端とブラシレスＤＣモータ６との間の通電路に、出力電流（相巻線電流）検知用の電流センサ８１，８２，８３が配設される。これら電流センサ７１〜８３の検知結果がコントローラ９０に供給される。コントローラ９０は、電流センサ８１，８２，８３の検知電流値に基づいてインバータ５をセンサレス・ベクトル制御することにより、ブラシレスＤＣモータ６を駆動する。また、平滑コンデンサ４の両端に、電圧検出部６０が接続される。電圧検出部６０は、コンバータ２の出力電圧（インバータ５への入力電圧）Ｖｃを検出する。この検出結果がコントローラ９０に供給される。

【0020】

コントローラ９０は、主要な機能として、第１制御部９１、第２制御部９２、第３制御部９３、制限値設定部（メモリ）９４、入力部９５、および通信部９６を含む。

【0021】

第１制御部９１は、図２に示すように、所定周波数のキャリア信号（三角波信号）Ｅｏを正弦波信号Ｅｒ，Ｅｓ，Ｅｔでパルス幅変調（ＰＷＭ；キャリア信号Ｅｏと正弦波信号Ｅｒ，Ｅｓ，Ｅｔとを電圧比較）することによりＰＷＭ信号Ｄｒ，Ｄｓ，Ｄｔを生成し、生成したＰＷＭ信号Ｄｒ，Ｄｓ，Ｄｔによりコンバータ２のＩＧＢＴ３１〜３６をオン，オフ駆動する。正弦波信号Ｅｒ，Ｅｓ，Ｅｔは、出力電圧Ｖｃの目標値および電流センサ７１，７２，７３の検知結果などに基づいて生成され、三相交流電源１のＲ相電圧，Ｓ相電圧，Ｔ相電圧（電流）の周期に同期する。

【0022】

第２制御部９２は、所定周波数のキャリア信号（三角波信号）Ｅｉｏを正弦波信号Ｅｕ，Ｅｖ，Ｅｗでパルス幅変調（ＰＷＭ；キャリア信号Ｅｉｏと正弦波信号Ｅｕ，Ｅｖ，Ｅｗとを電圧比較）することによりＰＷＭ信号Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗを生成し、生成したＰＷＭ信号Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗによりインバータ５のＩＧＢＴ５１〜５６をオン，オフ駆動する。正弦波信号Ｅｕ，Ｅｖ，Ｅｗは、電流センサ８１，８２，８３の検知結果に基づいて生成され、ブラシレスＤＣモータ６の相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに誘起する電圧の周期に同期する。

【0023】

第３制御部９３は、コンバータ２の入力側（電力変換装置１００の入力側）に生じる高調波電流Ｉｎが予め定められた電力変換装置用の制限値Ｉｎｓに収まるように、制限値設定部９４に記憶されている制御用データに応じて、かつ上記第１制御部９１を介して、コンバータ２の出力電圧Ｖｃを制御する。上記制限値Ｉｎｓは、受電設備１０に対し設定される“高調波電流Ｉｎの規制値Ｉｎｏ”の範囲内で、受電設備１０に接続される各設備機器の個々に設定される。上記制御用データは、コンバータ２の入力側に生じる高調波電流Ｉｎが制限値Ｉｎｓ内に収まり得るコンバータ２の出力電圧Ｖｃのうち最小値（目標値）Ｖｃminをインバータ５の負荷に対応付けて定めたもので、入力部９５の手操作や通信部９６からのデータ入力によって制限値設定部９４に記憶される。入力部９５は、キーボードや切替スイッチなど、データを入力できるものであればどのような機器でもよい。通信部９６は、外部のシステム制御器１０１から送信される制御用データを受信し、それを制限値設定部９４に入力する。

【0024】

なお、第３制御部９３は、具体的には、インバータ５の実際の負荷の大きさに対応する最小値Ｖｃminを制限値設定部９４から読出し、コンバータ２の出力電圧Ｖｃが上記読出した最小値Ｖｃminとなるように、第１制御部９１における正弦波信号Ｅｒ，Ｅｓ，Ｅｔの電圧レベルを調整（ＰＷＭ信号Ｄｒ，Ｄｓ，Ｄｔのオン，オフデューティを調整）する。つまり、最小値Ｖｃminが、コンバータ２の出力電圧Ｖｃの目標値となる。

【0025】

ここで、インバータ５の実際の負荷の大きさは、ブラシレスＤＣモータ６の消費電力である。ブラシレスＤＣモータ６の消費電力は、電圧検出部６０の検出結果および電流センサ８１，８２，８３の検知結果を用いて算出してもよいし、入力側の電流センサ７１，７２，７３の検知結果を用いて算出してもよい。

【0026】

コンバータ２の基本的な動作について説明する。
三相交流電源１のＲ相電圧が正レベルとなる位相では、三相交流電源１からリアクタ２１および正側ダイオード３１ａを通って平滑コンデンサ４に電流が流れ、平滑コンデンサ４を経た電流が、先ず負側ダイオード３４ａおよびリアクタ２２を通って三相交流電源１のＳ相に戻り、次にＲ相電圧の位相が進むにつれ、負側ダイオード３６ａおよびリアクタ２３を通って三相交流電源１のＴ相に戻る経路が形成される。そして、この動作に加え、コントローラ９０で生成されるＰＷＭ信号Ｄｒに応じてＩＧＢＴ３２がオン，オフを繰り返す。ＩＧＢＴ３２のオン時、ダイオード３１ａ，３２ａの相互接続点がコンバータ２の負側出力端と導通し、三相交流電源１に対してリアクタ２１、ＩＧＢＴ３２、負側ダイオード３４ａ、リアクタ２２を介した短絡路が形成される。この短絡路の形成により、リアクタ２１，２２にエネルギ（電荷）が蓄えられる。リアクタ２１，２２に蓄えられたエネルギは、ＩＧＢＴ３２のオフ時に平滑コンデンサ４に供給される。このエネルギ供給により、昇圧がなされる。

【0027】

三相交流電源１のＳ相電圧が正レベルとなる位相では、三相交流電源１からリアクタ２２および正側ダイオード３３ａを通って平滑コンデンサ４に電流が流れ、平滑コンデンサ４を経た電流が、先ず負側ダイオード３６ａおよびリアクタ２３を通って三相交流電源１のＴ相に戻り、次にＳ相電圧の位相が進むにつれ、負側ダイオード３２ａおよびリアクタ２１を通って三相交流電源１のＲ相に戻る経路が形成される。そして、この動作に加え、コントローラ９０で生成されるＰＷＭ信号Ｄｓに応じてＩＧＢＴ３４がオン，オフを繰り返す。ＩＧＢＴ３４のオン時、ダイオード３３ａ，３４ａの相互接続点がコンバータ２の負側出力端と導通し、三相交流電源１に対してリアクタ２２、ＩＧＢＴ３４、負側ダイオード３６ａ、リアクタ２３を介した短絡路が形成される。この短絡路の形成により、リアクタ２２，２３にエネルギ（電荷）が蓄えられる。リアクタ２２，２３に蓄えられたエネルギは、ＩＧＢＴ３４のオフ時に平滑コンデンサ４に供給される。このエネルギ供給により、昇圧がなされる。

【0028】

三相交流電源１のＴ相電圧が正レベルとなる位相では、三相交流電源１からリアクタ２３および正側ダイオード３５ａを通って平滑コンデンサ４に電流が流れ、平滑コンデンサ４を経た電流が、先ず負側ダイオード３２ａおよびリアクタ２１を通って三相交流電源１のＲ相に戻り、次にＴ相電圧の位相が進むにつれ、負側ダイオード３４ａおよびリアクタ２２を通って三相交流電源１のＳ相に戻る経路が形成される。そして、この動作に加え、コントローラ９０で生成されるＰＷＭ信号Ｄｔに応じてＩＧＢＴ３６がオン，オフを繰り返す。ＩＧＢＴ３６のオン時、ダイオード３５ａ，３６ａの相互接続点がコンバータ２の負側出力端と導通し、三相交流電源１に対してリアクタ２３、ＩＧＢＴ３６、負側ダイオード３２ａ、リアクタ２１を介した短絡路が形成される。この短絡路の形成により、リアクタ２３，２１にエネルギ（電荷）が蓄えられる。リアクタ２３，２１に蓄えられたエネルギは、ＩＧＢＴ３６のオフ時に平滑コンデンサ４に供給される。このエネルギ供給により、昇圧がなされる。

【0029】

Ｒ相入力電圧，Ｓ相入力電圧，Ｔ相入力電圧のそれぞれが負レベルとなる位相では、正側ダイオード３１ａ，３３ａ，３５ａと並列接続のＩＧＢＴ３１，３３，３５がオン，オフを繰り返す。これらＩＧＢＴ３１，３３，３５のオン，オフに伴う動作については、正負が反対となるだけで、基本的には正レベル期間と同じ動作パターンとなる。よって、その詳細な説明は省略する。

【0030】

次に、インバータ５の動作に伴ってコンバータ２の入力側に生じる高調波電流Ｉｎ、およびその高調波電流Ｉｎを制限するための制限値Ｉｎｓについて説明する。

【0031】

受電設備１０から三相交流電源１側への高調波電流Ｉｎの流出量を規制するための規制値Ｉｎｏが、受電設備１０に接続された各インバータ搭載機器の総定格消費電力に応じて、定められる。この規制値Ｉｎｏから、受電設備１０に接続された各インバータ搭載機器から発生する高調波電流Ｉｎをそれぞれ制限するための制限値Ｉｎｓが決定される。制限値Ｉｎｓは、１つのインバータ搭載機器で発生してもよい高調波電流Ｉｎの上限の値であり、規制値Ｉｎｏからの計算により決定される。

【0032】

制限値Ｉｎｓの例をインバータ比率（50％，75％，100％）および高調波次数（5次・7次・11次・13次）をパラメータとして図３に示している。一般に規制の対象となるのは次数が40次までの高調波電流Ｉｎであるが、次数が13次を超える高調波電流Ｉｎについては発生値自体が低くなるため図３には示していない。インバータ比率とは、受電設備１０に接続される１つまたは複数のインバータ搭載機器の総定格消費電力が受電設備１０の電力容量（受電容量ともいう）に占める割合（％）のことである。

【0033】

インバータ比率50％の場合、受電設備１０の電力容量に占めるインバータ搭載機器の総定格消費電力の割合が50％で、受電設備１０の電力容量に占める非インバータ搭載機器の総定格消費電力の割合が最大50％である。インバータ比率75％の場合、受電設備１０の電力容量に占めるインバータ搭載機器の総定格消費電力の割合が75％で、受電設備１０の電力容量に占める非インバータ搭載機器の総定格消費電力の割合が最大25％である。インバータ比率100％の場合、受電設備１０に接続されている設備機器の全てがインバータ搭載機器で、受電設備１０の電力容量に占めるインバータ搭載機器の総定格消費電力の割合が100％である。

【0034】

図３に示す制限値Ｉｎｓは、インバータ比率が大きいほど小さく、かつ高調波次数が高いほど小さい。実際には、各高調波次数の制限値Ｉｎｓには相関関係があり、いずれかの高調波次数における制限値Ｉｎｓが決まれば、他の高調波次数における制限値Ｉｎｓは計算により求めることができる。

【0035】

ここで、コンバータ２のＩＧＢＴ３１〜３６をスイッチングした場合に発生する5次高調波電流Ｉｎのシミュレーション結果を図４に示す。コンバータ２のＩＧＢＴ３１〜３６をスイッチングした場合に発生する5次高調波電流Ｉｎは、コンバータ２の所定値（例えば290Ｖ）以上の昇圧領域において、コンバータ２の出力電圧Ｖｃが高いほど小さくなる。なお、シミュレーションおよび実機での実験結果によれば、7次高調波電流Ｉｎも同様の傾向を示す。

【0036】

5次や7次より高い次数の高調波電流Ｉｎは、コンバータ２の出力電圧Ｖｃの上昇に対して、一律に減少することなく、若干の増減を繰り返す。このような高い次数の高調波電流Ｉｎについては、もともと規制値Ｉｎｏそのものが小さいので、コンバータ２の昇圧領域においては考慮する必要がない。
コンバータ２への入力電圧が例えば200Ｖでインバータ５の定格負荷が例えば6.7ｋＷの場合に発生する5次・7次・11次・13次の高調波電流Ｉｎの値を、コンバータ２の出力電圧Ｖｃをパラメータとしてシミュレーションして求めた結果を図５に示す。図５中の“昇圧なし”は、コンバータ２のＩＧＢＴ３１〜３６をオン，オフスイッチングせず、コンバータ２をダイオード３１ａ〜３６ａのみにより全波整流させた場合（非スイッチング動作）を示している。

【0037】

また、コンバータ２の出力電圧Ｖｃと電力変換装置１００の効率（電力変換効率）との関係を図６に示す。出力電圧Ｖｃが高いほど、効率が低下する。これは、コンバータ２におけるＩＧＢＴ３１〜３６のスイッチングオン時間が増加してＩＧＢＴ３１〜３６のオン抵抗による電力損失が増える等の影響による。

【0038】

以上のことから、高調波電流Ｉｎを制限値Ｉｎｓ内に抑えながら効率をできるだけ低下させないようにするには、高調波電流Ｉｎが制限値Ｉｎｓ内に収まる範囲でコンバータ２の出力電圧Ｖｃをできるだけ低い値に制御することが好適であることが分かる。この制御の実現のため、コンバータ２の入力側に生じる高調波電流Ｉｎが制限値Ｉｎｓに収まり得るコンバータ２の出力電圧Ｖｃのうち、できるだけ低い値である最小値Ｖｃminが、インバータ５の負荷をパラメータとする制御用データとして、コントローラ９０の制限値設定部９４に記憶されている。なお、従来のＰＷＭコンバータのスイッチングによる高調波電流の低減は、予め定められた大きな電圧をＰＷＭコンバータから一律に出力するための一定のＰＷＭ信号によってＰＷＭコンバータをスイッチングするだけである。

【0039】

コントローラ９０の第３制御部９３は、インバータ５の実際の負荷の大きさに対応する最小値Ｖｃminを制限値設定部９４から読出し、コンバータ２の出力電圧Ｖｃが上記読出した最小値Ｖｃminとなるように、コンバータ２のＩＧＢＴ３１〜３６をオン，オフ制御（ＰＷＭスイッチング制御）する。

【0040】

制限値設定部９４内の制御用データは、例えば図７に示すように、インバータ５の負荷に応じて異なる複数の最小値Ｖｃminをインバータ比率（50％，75％，100％）および5次高調波電流Ｉｎの制限値（4Ａ，3Ａ，2Ａ）Ｉｎｓに対応付けたものである。

【0041】

例えばコンバータ２への入力電圧が200Ｖ、インバータ５の定格負荷が6.7ｋＷ、インバータ比率が50％の場合、各インバータ搭載機器の１台当りの制限値Ｉｎｓは5次高調波電流Ｉｎに対して4Ａとなる。この場合、第３制御部９３は、インバータ５の実際の負荷がそのインバータ５の定格負荷の25％であれば最小値Ｖｃminとして“Ｖｃａ１”を読出し、インバータ５の実際の負荷がそのインバータ５の定格負荷の50％であれば最小値Ｖｃminとして“Ｖｃｂ１”を読出し、インバータ５の実際の負荷がそのインバータ５の定格負荷の75％であれば最小値Ｖｃminとして“Ｖｃｃ１”を読出し、インバータ５の実際の負荷がそのインバータ５の定格負荷の100％であれば最小値Ｖｃminとして“Ｖｃｄ１”を読出す。なお、最小値Ｖｃａ１〜Ｖｃｄ１の関係は、Ｖｃａ１＜Ｖｃｂ１＜Ｖｃｃ１＜Ｖｃｄ１である。そして、第３制御部９３は、コンバータ２の出力電圧Ｖｃが上記読出した最小値Ｖｃmin（Ｖｃａ１〜のいずれか）となるように、コンバータ２のＩＧＢＴ３１〜３６をオン，オフ制御（ＰＷＭスイッチング制御）する。これにより、電力変換装置１００の効率をできるだけ低下させずに、電力変換装置１００から生じる5次高調波電流Ｉｎを制限値Ｉｎｓである4Ａ内に収めることができる。

【0042】

例えばコンバータ２への入力電圧が200Ｖ、インバータ５の定格負荷が6.7ｋＷ、インバータ比率が75％の場合、各インバータ搭載機器の１台当りの制限値Ｉｎｓは5次高調波電流に対して3Ａとなる。この場合、第３制御部９３は、インバータ５の実際の負荷がそのインバータ５の定格負荷の25％であれば最小値Ｖｃminとして“Ｖｃａ２”を読出し、インバータ５の実際の負荷がそのインバータ５の定格負荷の50％であれば最小値Ｖｃminとして“Ｖｃｂ２”を読出し、インバータ５の実際の負荷がそのインバータ５の定格負荷の75％であれば最小値Ｖｃminとして“Ｖｃｃ２”を読出し、インバータ５の実際の負荷が定格負荷の100％であれば最小値Ｖｃminとして“Ｖｃｄ２”を読出す。なお、最小値Ｖｃａ２〜Ｖｃｄ２の関係は、Ｖｃａ２＜Ｖｃｂ２＜Ｖｃｃ２＜Ｖｃｄ２である。そして、第３制御部９３は、コンバータ２の出力電圧Ｖｃが上記読出した最小値Ｖｃmin（Ｖｃａ２〜Ｖｃｄ２のいずれか）となるように、コンバータ２のＩＧＢＴ３１〜３６をオン，オフ制御（ＰＷＭスイッチング制御）する。これにより、電力変換装置１００の効率をできるだけ低下させずに、電力変換装置１００から生じる5次高調波電流Ｉｎを制限値Ｉｎｓである3Ａ内に抑えることができる。

【0043】

例えばコンバータ２への入力電圧が200Ｖ、インバータ５の定格負荷が6.7ｋＷ、インバータ比率が100％の場合、各インバータ搭載機器の１台当りの制限値Ｉｎｓは5次高調波電流に対して2.0Ａとなる。この場合、第３制御部９３は、インバータ５の実際の負荷がそのインバータ５の定格負荷の25％であれば最小値Ｖｃminとして“Ｖｃａ３”を読出し、インバータ５の実際の負荷がそのインバータ５の定格負荷の50％であれば最小値Ｖｃminとして“Ｖｃｂ３”を読出し、インバータ５の実際の負荷がそのインバータ５の定格負荷の75％であれば最小値Ｖｃminとして“Ｖｃｃ３”を読出し、インバータ５の実際の負荷がそのインバータ５の定格負荷の100％であれば最小値Ｖｃminとして“Ｖｃｄ３”を読出す。なお、最小値Ｖｃａ２〜Ｖｃｄ２の関係は、Ｖｃａ３＜Ｖｃｂ３＜Ｖｃｃ３＜Ｖｃｄ３である。そして、第３制御部９３は、コンバータ２の出力電圧Ｖｃが上記読出した最小値Ｖｃmin（Ｖｃａ３〜Ｖｃｄ３のいずれか）となるように、コンバータ２のＩＧＢＴ３１〜３６をオン，オフ制御（ＰＷＭスイッチング制御）する。これにより、電力変換装置１００の効率をできるだけ低下させずに、電力変換装置１００から生じる5次高調波電流Ｉｎを制限値Ｉｎｓである2Ａ内に抑えることができる。

【0044】

なお、図４に示した通り、出力電圧Ｖｃが高いほど、高調波電流Ｉｎを低減できる。したがって、インバータ比率が高いほど（制限値Ｉｎｓが低いほど）、出力電圧Ｖｃの最小値Ｖｃminを高くしなければならない。この点を考慮し、Ｖｃａ１＜Ｖｃａ２＜Ｖｃａ３、Ｖｃｂ１＜Ｖｃｂ２＜Ｖｃｂ３、Ｖｃｃ１＜Ｖｃｃ２＜Ｖｃｃ３、Ｖｃｄ１＜Ｖｃｄ２＜Ｖｃｄ３の関係となっている。

【0045】

これら最小値Ｖｃminは、電力変換装置１００を搭載したインバータ搭載機器であるヒートポンプ式熱源機の製造時などに実施される試験によって定められる。これら最小値Ｖｃminの基になる制限値Ｉｎｓは、受電設備１０の電力容量、インバータ比率、インバータ５の定格負荷に応じて決定される。したがって、ヒートポンプ式熱源機の設置先が予め決まっている場合には、その設置場所の状況に合わせた制御用データがヒートポンプ式熱源機の製造時に決定される。この制御用データを、ヒートポンプ式熱源機の製造時に制限値設定部９４に記憶させてもよいし、ヒートポンプ式熱源機の設置時にその設置現場において作業員が作成して入力部９５から制限値設定部９４に逐次に入力し記憶させてもよい。

【0046】

なお、受電設備１０に設定される“高調波電流Ｉｎの規制値Ｉｎｏ”は、高調波次数によって異なる。各高調波次数における規制値Ｉｎｏには相関関係があり、いずれかの高調波次数における規制値Ｉｎｏが決まれば、他の高調波次数における規制値Ｉｎｏは計算により求めることができる。このため、特定の高調波次数における制限値Ｉｎｓを設定すれば、規制値Ｉｎｏの算定と同じ計算式により他の高調波次数における制限値Ｉｎｓは一義的に定まる。

【0047】

以上の説明においては、分かり易いように5次高調波電流Ｉｎを制限値Ｉｎｓ内に収めることについて述べたが、実際には、図７の制御用データに含まれる最小値Ｖｃminは、5次以上の規制がかかるすべての高調波次数における高調波電流Ｉｎがそれぞれの制限値Ｉｎｓの範囲内に収まる値に定められる。

【0048】

実際の制御を図８のフローチャートに従って説明する。
コントローラ９０は、電力変換装置１００が搭載されているヒートポンプ式熱源機の冷凍負荷の大きさを検出し（ステップＳ１）、その検出結果に対応する周波数Ｆの交流電圧をインバータ５から出力させる（ステップＳ２）。このインバータ５の出力により、ブラシレスＤＣモータ６が可変速駆動される。ヒートポンプ式熱源機の冷凍負荷は、空調負荷、冷却負荷、加温負荷などである。

【0049】

電力変換装置１００に対し、上述のように、高調波電流Ｉｎを制限値Ｉｎｓ内に収めるための制御用データが制限値設定部９４に記憶されている。コントローラ９０は、電圧検出部６０で検出される出力電圧Ｖｃの値や電流センサ８１，８２，８３で検知されるインバータ５の出力電流値などからインバータ５の負荷の大きさを検出する（ステップＳ３）。そして、コントローラ９０は、上記検出した負荷の大きさに対応する最小値Ｖｃminを制限値設定部９４から読出し、コンバータ２の出力電圧Ｖｃが上記読出した最小値Ｖｃminとなるようにコンバータ２のＩＧＢＴ３１〜３６をＰＷＭスイッチング制御する。これにより、電力変換装置１００の効率をできるだけ低下させることなく、電力変換装置１００から生じる高調波電流Ｉｎをその高調波次数にかかわらず制限値Ｉｎｓ内に確実に抑えることができる。よって、受電設備１０を大容量の高額なものへと変更する必要がなく、受電設備１０と電力変換装置１００との間に高額の高調波抑制装置を設置する必要もない。

【0050】

しかも、高調波電流Ｉｎが制限値Ｉｎｓ内に収まる範囲でコンバータ２の出力電圧Ｖｃができるだけ低い値となるので、コンバータ２による電力損失を最小限に抑えることができ、ひいては電力変換装置１００の効率が向上する。

【0051】

なお、コントローラ９０の第１制御部９１は、電圧検出部６０で検出される出力電圧Ｖｃが最小値Ｖｃminとなるように、ＰＷＭ信号生成用の正弦波信号Ｅｒ，Ｅｓ，Ｅｔの電圧レベルをフィードバック制御する。このフードバック制御は、具体的には、出力電圧Ｖｃが最小値Ｖｃmin−α（αは余裕値で小さい値である）以上の場合には、ＰＷＭ信号生成用の正弦波信号Ｅｒ，Ｅｓ，Ｅｔの電圧レベルを上昇させることで出力電圧Ｖｃを低下させ、出力電圧Ｖｃが最小値Ｖｃmin−α未満の場合には、ＰＷＭ信号生成用の正弦波信号Ｅｒ，Ｅｓ，Ｅｔの電圧レベルを低下させることで出力電圧Ｖｃを上昇させる。これにより、出力電圧Ｖｃは、最小値Ｖｃmin近くの値に概ね保たれる。なお、正弦波信号Ｅｒ，Ｅｓ，Ｅｔの電圧レベルの調整には、電流センサ７１，７２，７３の検知電流値を用いたベクトル制御が用いられる。

【0052】

［２］第２実施形態
本発明の第２実施形態について説明する。
第１実施形態では、高調波電流Ｉｎが制限値Ｉｎｓに収まり得る出力電圧Ｖｃの最小値Ｖｃminをインバータ５の負荷（25％，50％，75％，100％）をパラメータとして制限値設定部９４に記憶する構成であるため、インバータ５の負荷の大きさに対応した多数の最小値Ｖｃminを制限値設定部９４に記憶する必要がある。

【0053】

また、通常、インバータ５の負荷の大きさはステップ状に変化しない。このため、インバータ５の負荷の大きさに逐次に対応するためには、さらに多数の最小値Ｖｃminを用意するか、あるいは飛び飛びに定めた各最小値Ｖｃminの相互間に存する最小値Ｖｃminを直線補完等の計算によって求める必要がある。さらに、第１実施形態では、高調波電流Ｉｎが制限値Ｉｎｓに収まり得る出力電圧Ｖｃの最小値Ｖｃminを試験によって確認しながら定めているが、インバータ５の負荷以外の外部環境（温湿度等）が高調波電流値に影響を及ぼすことを考慮しながらあらゆる条件で試験を行うことは困難である。このため、制限値Ｉｎｓに対してある程度の余裕を持たせた状態で最小値Ｖｃminを定めなければならない。この余裕分は、実際の運転状況によっては、電力変換装置１００の効率を無駄に低下させてしまう可能性がある。

【0054】

これらの点を考慮し、第２実施形態では、電力変換装置１００から発生する高調波電流Ｉｎそのものを検出し、その検出値Ｉｎをコンバータ２の出力電圧Ｖｃの制御にフィードバックする。これにより、電力変換装置１００から発生する高調波電流Ｉｎを確実に制限値Ｉｎｓ内に収めながら、電力変換装置１００の効率を高めることができる。

【0055】

コントローラ９０の制限値設定部９４は、特定の次数の高調波電流Ｉｎに対する電力変換装置用の制限値Ｉｎｓそのものを制御用データとして予め記憶している。最小値Ｖｃminのデータは、制限値設定部９４に記憶しない。さらに、コントローラ９０は、図１に破線で示す高調波算出部９７を含む。高調波算出部９７は、抑制する必要のある次数の高調波電流Ｉｎを、入力電流検知用の電流センサ７１，７２，７３の検知結果をフーリエ変換することにより算出する。

【0056】

コントローラ９０の第３制御部９３は、高調波算出部９７の算出値Ｉｎと制限値設定部９４内の制限値Ｉｎｓとを比較し、算出値Ｉｎが制限値Ｉｎｓ内に収まる範囲でコンバータ２の出力電圧Ｖｃが最も低くなるようにそのコンバータ２の出力電圧Ｖｃを制御する。

【0057】

具体的には、第３制御部９３は、図９に示すように、高調波算出部９７の算出値Ｉｎと、制限値Ｉｎｓおよびその制限値Ｉｎｓに対して定めた設定値“Ｉｎｓ−ΔＩ１”“Ｉｎｓ−ΔＩ２”とを、比較する。設定値“Ｉｎｓ−ΔＩ１”は、制限値Ｉｎｓより所定値ΔＩ１だけ低い値である。設定値“Ｉｎｓ−ΔＩ２”は、制限値Ｉｎｓより所定値ΔＩ２（＞ΔＩ１）だけ低い値である。

【0058】

高調波算出部９７の算出値Ｉｎが上昇して設定値“Ｉｎｓ−ΔＩ２”に達した場合（図中Ａ点）、コントローラ９０は、コンバータ２の出力電圧Ｖｃを一定値だけ上昇させる。この上昇にもかかわらず、高調波算出部９７の算出値Ｉｎがさらに上昇して制限値Ｉｎｓに達した場合（図中Ｂ点）、コントローラ９０は、コンバータ２の出力電圧Ｖｃをさらに一定値だけ上昇させる。ここで、出力電圧Ｖｃの上昇は、コンバータ２に対するＰＷＭ信号のオン,オフデューティを上げることで実行される。逆に出力電圧Ｖｃの低下は、コンバータ２に対するＰＷＭ信号のオン,オフデューティを下げることで実行される。

【0059】

出力電圧Ｖｃの上昇によって算出値Ｉｎが設定値“Ｉｎｓ−ΔＩ１”まで低下した場合（図中Ｃ点）、コントローラ９０は、コンバータ２の出力電圧Ｖｃを一定値だけ下降させる。この出力電圧Ｖｃの下降により算出値Ｉｎが再び上昇して制限値Ｉｎｓに達した場合（図中Ｄ点）、コントローラ９０は、コンバータ２の出力電圧Ｖｃをさらに一定値だけ上昇させる。

【0060】

要約すると、コントローラ９０は、算出値Ｉｎが低い値から設定値“Ｉｎｓ−ΔＩ２”に達した場合に、出力電圧Ｖｃを上昇させる。設定値“Ｉｎｓ−ΔＩ２”以上の状態において、コントローラ９０は、算出値Ｉｎが制限値Ｉｎｓに達した場合に出力電圧Ｖｃを上昇させ、算出値Ｉｎが“Ｉｎｓ−ΔＩ１”まで低下した場合に出力電圧Ｖｃを下降させる。

【0061】

この結果、第１実施形態と同様に、電力変換装置１００の高効率な運転が可能となる。制限値設定部９４に多数のデータを記憶する必要がなく、最小値Ｖｃminを求めるための直線補完等の計算も不要となる。この第２実施形態においては、制限値Ｉｎｓが決まれば、あとは電流センサ７１，７２，７３を用いて高調波電流Ｉｎを算出し、この算出値Ｉｎに従ってコンバータ２の出力電圧Ｖｃをフィードバック制御するだけである。また、コンバータ２に対するスイッチング用のＰＷＭ信号を生成する際に用いる電流センサ７１，７２，７３を高調波電流Ｉｎの算出に兼用しているため、電力変換装置１００の回路構成が簡素化できる。

【0062】

また、この第２実施形態においては、高調波算出部９７の算出値Ｉｎに応じてコンバータ２の出力電圧Ｖｃをフィードバック制御する構成であるから、受電設備１０を大容量の高額なものへ変更する必要がなく、受電設備１０と電力変換装置１００との間に高額の高調波抑制装置を設置する必要もなく、高調波電流Ｉｎをその次数にかかわらず確実に低減できる。しかも、出力電圧Ｖｃを不必要に上昇させることがないため、電力変換装置１００の高効率な運転が可能となる。

【0063】

また、受電設備１０から共に電力が供給される複数のヒートポンプ式熱源機を備えた大規模設備においては、これら複数のヒートポンプ式熱源機を上位のシステム制御器１０１によって統括的に制御してもよい。この場合、各ヒートポンプ式熱源機のコントローラ９０は、高調波算出部９７の算出値Ｉｎをシステム制御器１０１に送る。システム制御器１０１は、各ヒートポンプ式熱源機のコントローラ９０から送られる算出値Ｉｎを受け、これら算出値Ｉｎの合計値と受電設備１０における“高調波電流Ｉｎの規制値Ｉｎｏ”とを比較し、この比較結果に応じて各ヒートポンプ式熱源機に対する制限値Ｉｎｓを設定する。そして、システム制御器１０１は、設定した制限値Ｉｎｓを各ヒートポンプ式熱源機のコントローラ９０にそれぞれ送る。各ヒートポンプ式熱源機のコントローラ９０は、システム制御器１０１から送られる制限値Ｉｎｓを通信部９６で受け、受けた制限値Ｉｎｓを制限値設定部９４に記憶する。これにより、受電設備１０から共に電力が供給される複数のヒートポンプ式熱源機を備えた大規模設備においても、各ヒートポンプ式熱源機の電力変換装置１００から発生する高調波電流Ｉｎをそれぞれ制限値Ｉｎｓ内に収めながら、各電力変換装置１００の高効率な運転が可能となる。

【0064】

ここで、システム制御器１０１は、コンバータ２がスイッチング動作中（運転中）の電力変換装置１００から発生する高調波電流の算出値Ｉｎだけでなく、コンバータ２のスイッチング動作が停止中の電力変換装置１００から発生する高調波電流の算出値Ｉｎも集めて合計する必要がある。このため、少なくともインバータ５が動作中の電力変換装置１００のコントローラ９０は、コンバータ２が停止（全波整流）している場合でも、高調波算出部９７の算出値Ｉｎをシステム制御器１０１へと送る。
他の構成および動作は第１実施形態と同じである。よって、その説明は省略する。

【0065】

［３］第３実施形態
第３実施形態では、１つの冷凍負荷（空調負荷，冷却負荷，加温負荷等）に接続される１つの設備機器であるヒートポンプ式熱源機が、複数台たとえば４台の圧縮機を備える。このヒートポンプ式熱源機は、図１０に示すように、上記４台の圧縮機をそれぞれ駆動する４台のブラシレスＤＣモータ６、これらブラシレスＤＣモータ６への駆動電力を出力する４台の電力変換装置１００、これら電力変換装置１００の各コントローラ９０を総合的に制御する１つの総合コントローラ１５０を含む。各電力変換装置１００の構成は、第１実施形態と同じである。

【0066】

上記４台の圧縮機は、空気や媒体（水等）を冷却または加熱するための１つの冷凍サイクルの構成要素として、互いに並列接続される。この１つの冷凍サイクルは、１つの利用側熱交換器、あるいは互いに並列接続された複数の利用側熱交換器を含む。

【0067】

各電力変換装置１００の総定格消費電力は、第１実施形態の１つの電力変換装置１００の定格消費電力の４倍に相当する。よって、インバータ比率50％の場合に各電力変換装置１００から発生する5次高調波電流Ｉｎの合計値Ｉｎ´に対する制御器用（熱源機用）の制限値Ｉｎｓ´は、図３に示した電力変換装置用の制限値Ｉｎｓ＝4.0Ａの４倍の16Ａ（＝4.0Ａ×４）となる。

【0068】

１つの冷凍負荷を４台の圧縮機（ブラシレスＤＣモータ６）で駆動するので、各電力変換装置１００におけるインバータ５の出力周波数Ｆは互いに同じ値に設定される。つまり、各ブラシレスＤＣモータ６は、互いに同じ回転数で駆動される。

【0069】

コンバータ２のスイッチング動作中は、スイッチングに伴う電力損失が生じるため、コンバータ２がスイッチング動作なしで全波整流のみ行う場合よりも、電力変換装置１００の効率が低下する（図１２参照）。したがって、各電力変換装置１００から発生する高調波電流Ｉｎの合計値Ｉｎ´を上記制限値Ｉｎｓ´内に収めながら各電力変換装置１００の高効率を得るためには、各コンバータ２のスイッチング動作台数をできるだけ少なくすればよい。

【0070】

総合コントローラ１５０内のメモリ１５１には、上記設備機器用の制限値Ｉｎｓ´（＝16Ａ）が、ヒートポンプ式熱源機の製造時または設置時に入力されて記憶される。上記したように、例えば、インバータ比率50％の場合に各電力変換装置１００から発生する5次高調波電流Ｉｎの合計値に対する設備機器用の制限値Ｉｎｓ´は16Ａである。なお、前述した通り、5次高調波電流Ｉｎの合計値に対する設備機器用の制限値Ｉｎｓ´が定まれば、他の次数の高調波電流Ｉｎの合計値に対する設備機器用の制限値Ｉｎｓ´は計算により求まる。

【0071】

さらに、総合コントローラ１５０内のメモリ１５１には、図１１に示す制御条件が記憶される。この制御条件は、１台のコンバータ２がスイッチング動作なしで全波整流のみ行う非昇圧モード時にそのコンバータ２から流出する高調波電流Ｉｎの値（非昇圧モード値という）Ｉｎｙと、そのコンバータ２をスイッチング動作（昇圧動作）させてそのコンバータ２の出力電圧Ｖｃを最大レベルに至らせた場合にそのコンバータ２から流出する高調波電流Ｉｎの値（昇圧モード最小値という）Ｉｎｘとを、１台のインバータ５の負荷に対応付けたものである。

【0072】

すなわち、１台のインバータ５の負荷がそのインバータ５の定格負荷の25％である場合、非昇圧モード値ＩｎｙはＩｎｙ１であり、昇圧モード最小値ＩｎｘはＩｎｘ１である（Ｉｎｙ１＞Ｉｎｘ１）。１台のインバータ５の負荷がそのインバータ５の定格負荷の50％である場合、非昇圧モード値ＩｎｙはＩｎｙ２であり、昇圧モード最小値ＩｎｘはＩｎｘ２である（Ｉｎｙ２＞Ｉｎｘ２）。１台のインバータ５の負荷がそのインバータ５の定格負荷の75％である場合、非昇圧モード値ＩｎｙはＩｎｙ３であり、昇圧モード最小値ＩｎｘはＩｎｘ３である（Ｉｎｙ３＞Ｉｎｘ３）。１台のインバータ５の負荷がそのインバータ５の定格負荷の100％である場合、非昇圧モード値ＩｎｙはＩｎｙ４であり、昇圧モード最小値ＩｎｘはＩｎｘ４である（Ｉｎｙ４＞Ｉｎｘ４）。

【0073】

総合コントローラ１５０は、各インバータ５の負荷を各コントローラ９０を介してそれぞれ検出し、検出した各負荷に対応する非昇圧モード値Ｉｎｙおよび昇圧モード最小値Ｉｎｘに基づき、４台の電力変換装置１００から発生する高調波電流Ｉｎの合計値を設備機器用の制限値Ｉｎｓ´内に収めることが可能な各コンバータ２のスイッチング動作台数を決定する。

【0074】

以下、5次高調波電流Ｉｎを抑制するための計算例について説明するが、実際には、総合コントローラ１５０は、抑制が必要な全ての次数の高調波電流Ｉｎに対して同様の計算を行う。この計算に基づき、総合コントローラ１５０は、抑制が必要な全ての次数の高調波電流値Ｉｎの合計値がそれぞれ設備機器用の制限値Ｉｎｓ´内に収まるように、各コンバータ２のスイッチング動作台数を決定する。

【0075】

例えば、25％負荷時の非昇圧モード値Ｉｎｙ１が6.0Ａで最小値Ｉｎｘ１が0.3Ａの場合、総合コントローラ１５０は、２台のコンバータ２のスイッチング動作を停止して残り２台のコンバータ２をスイッチング動作させる。これにより、各電力変換装置１００から発生する高調波電流Ｉｎの合計値は、“6.0Ａ＋6.0Ａ＋0.3Ａ＋0.3Ａ＝12.6Ａ”となり、設備機器用の制限値Ｉｎｓ´（＝16Ａ）内に収まる。しかも、この場合、２台のコンバータ２はスイッチング動作しないので、その２台のコンバータ２が存する２台の電力変換装置１００の効率が向上する。

【0076】

さらに、この場合、設備機器用の制限値Ｉｎｓ´（＝16Ａ）と、各電力変換装置１００から発生する高調波電流Ｉｎの合計値12.6Ａとの間に、3.4Ａの余裕分が生じる。一方、高調波電流Ｉｎを低減するためにはコンバータ２の出力電圧Ｖｃを高めればよいが、第１実施形態の図６に示した通り、出力電圧Ｖｃが高くなるほど電力変換装置１００の効率が低下する。そこで、スイッチング動作するコンバータ２の出力電圧Ｖｃを上記3.4Ａの余裕分だけ下げるようにすれば、さらなる効率向上を図ることができる。

【0077】

これを実現するべく、総合コントローラ１５０は、スイッチング動作する２台のコンバータ２から流出することが可能な高調波電流Ｉｎの値“＝16Ａ−（6.0Ａ＋6.0Ａ）＝4Ａ”をそのスイッチング動作する２台のコンバータ２に対する許容値ΔＩｎとして選定する。

【0078】

総合コントローラ１５０は、上記選定した許容値ΔＩｎ（＝4Ａ）を、スイッチング動作する２台のコンバータ２で按分する。そして、総合コントローラ１５０は、按分した許容値ΔＩｎ（＝2Ａ）を、スイッチング動作する２台のコンバータ２が含まれる各電力変換装置１００のコントローラ９０に対し、それぞれ電力変換装置用の制限値Ｉｎｓｚとして割当てて通知する。同時に、総合コントローラ１５０は、スイッチング動作を止めてもよい２台のコンバータ２のスイッチング動作を停止する。

【0079】

スイッチング動作する２台のコンバータ２をそれぞれ制御する各コントローラ９０は、上記通知された制限値Ｉｎｓｚ（＝2Ａ）に対応する出力電圧Ｖｃの最小値Ｖｃminを得るためのＰＷＭ信号を図７の制御用データから生成し、生成したＰＷＭ信号によりコンバータ２をＰＷＭスイッチングする。この際のコンバータ２の動作は第１実施形態と同じである。これにより、スイッチング動作する２台のコンバータ２から流出する高調波電流Ｉｎをそれぞれ電力変換装置用の制限値Ｉｎｓｚ（＝2Ａ）内に収めることができる。これにより、スイッチング動作する２台のコンバータ２の出力電圧Ｖｃを低減することができ、さらなる効率向上が図れる。

【0080】

なお、スイッチング動作する２台のコンバータ２から流出する高調波電流Ｉｎをそれぞれ電力変換装置用の制限値Ｉｎｓｚ（＝2Ａ）内に収めるための各コントローラ９０の制御は、第２実施形態で説明した構成及び制御を用いてもよい。

【0081】

以上のように、第３実施形態においては、複数の電力変換装置１００を含むヒートポンプ式熱源機において、各電力変換装置１００から発生する高調波電流Ｉｎの合計値を設備機器用の制限値Ｉｎｓ´（＝16Ａ）内に収めながら、各電力変換装置１００の高効率な運転が可能となる。

【0082】

この第３実施形態の処理のアルゴリズムの一例は、次の通りである。
各電力変換装置１００から発生する高調波電流Ｉｎの合計値に対する制限値Ｉｎｓ´（＝16Ａ）をスイッチング動作なしの１つのコンバータ２から流出する高調波電流Ｉｎの値6.0Ａで除算し、その除算結果2.66Ａの整数“2”をスイッチング動作なしの１つのコンバータ２から流出する高調波電流の値6.0Ａに乗算し、その乗算結果12Ａを制限値Ｉｎｓ´（＝16Ａ）から減算する。この減算結果4.0Ａが、スイッチング動作する残りのコンバータ２から流出することが可能な高調波電流Ｉｎの許容値ΔＴｎである。そして、全てのコンバータ２の台数“４台”から上記除算結果2.66Ａの整数“2”を減算し、その減算結果“2”（スイッチング動作するコンバータ２の台数Ｎに相当する）を最小値Ｉｎｘに乗算し、この乗算結果“Ｎ×Ｉｎｘ”と許容値ΔＴｎ（＝4.0Ａ）とを比較し、“Ｎ×Ｉｎｘ”≦ΔＴｎの条件が満足されれば、許容値ΔＴｎ（＝4.0Ａ）をスイッチング動作するコンバータ２の台数Ｎで除算し、この除算結果をコンバータ１台当たりの制限値Ｉｎｓｚとして割当てる。

【0083】

一方、スイッチング動作するコンバータ２の台数Ｎが“2”で、乗算結果“Ｎ×Ｉｎｘ”と許容値ΔＴｎ（＝4.0Ａ）との関係が“Ｎ×Ｉｎｘ”＞ΔＴｎの場合、スイッチング動作するコンバータ２の台数Ｎを１台増加させる。こうして、“（Ｎ＋１）×Ｉｎｘ”≦ΔＴｎの条件を満たす状態となるまでコンバータ２のスイッチング動作台数Ｎを増加させ、この条件が満足されたときのスイッチング動作台数Ｎで許容値ΔＴｎ（＝4.0Ａ）を除算し、この除算結果をスイッチング動作させるべきコンバータ１台当たりの制限値Ｉｎｓｚとしてコントローラ９０に通知する。この制限値Ｉｎｓｚの通知を受けたコントローラ９０は、その制限値Ｉｎｓｚを制限値設定部９４に記憶し、第１実施形態または第２実施形態に基づき自らのＰＷＭスイッチングを制御してそれぞれの制限値Ｉｎｓｚ内でできるだけ出力電圧Ｖｃが低くなる運転を実行する。

【0084】

したがって、受電設備１０を大容量の高額なものへ変更する必要なく、受電設備１０と各電力変換装置１００との間に高額の高調波抑制装置を設置する必要もなく、各電力変換装置１００から発生する高調波電流Ｉｎをその次数にかかわらず確実に低減しながら、各電力変換装置１００の高効率な運転が実行できる。

【0085】

［４］第４実施形態
第３実施形態では複数の電力変換装置１００におけるインバータ５の出力周波数Ｆが互いに同じ値に設定されるヒートポンプ式熱源機の制御について説明したが、第４実施形態では複数の電力変換装置１００におけるインバータ５の出力周波数Ｆが互いに異なる値に設定されるヒートポンプ式熱源機の制御について説明する。この制御以外の構成は、第３実施形態の図１０と同じである。

【0086】

図１２は、１つのインバータ５の負荷とそのインバータ５を含む電力変換装置１００の効率との関係を示す。図１２中の破線はコンバータ２をスイッチング動作なしで全波整流のみ行わせる非昇圧モード時の効率を示し、図１２中の実線はコンバータ２をスイッチング動作させる昇圧モード時の効率を示す。

【0087】

コンバータ２をスイッチング動作させる昇圧モード時は、コンバータ２をスイッチング動作なしで全波整流のみ行わせる非昇圧モード時よりも、電力変換装置１００の効率が低下する。さらに、コンバータ２をスイッチング動作させる昇圧モード時の電力変換装置１００の効率の低下度は、インバータ５の負荷が小さい（消費電力が小さい）場合に大きく、インバータ５の負荷が大きい場合には小さい傾向にある。

【0088】

一方、コンバータ２をスイッチング動作なしで全波整流のみ行わせる非昇圧モード時に電力変換装置１００から発生する高調波電流値Ｉｎと同電力変換装置１００におけるインバータ５の負荷との関係を図１３に示す。すなわち、インバータ５の負荷が大きいほど（インバータ５の消費電力が大きくてコンバータ２への入力電流が大きい）、高調波電流Ｉｎが大きくなる。この関係は、いずれの高調波次数においても同じ傾向にある。

【0089】

以上のことから、各インバータ５が互いに独立して動作する場合には、負荷の大きい側のインバータ５に対応するコンバータ２をスイッチング動作させた方が、負荷の小さい側のインバータ５に対応するコンバータ２をスイッチング動作させるよりも、全体としての効率が上がることになる。

【0090】

各電力変換装置１００から発生する高調波電流Ｉｎの合計値Ｉｎ´に対する設備機器用の制限値Ｉｎｓ´は、受電設備１０における“高調波電流Ｉｎの規制値Ｉｎｏ”および受電設備１０におけるインバータ比率に応じて決まる。総合コントローラ１５０は、第３実施形態と同じく、スイッチング動作させないことが可能なコンバータ２の台数を算出する。この算出に際し、スイッチング動作させないことが可能なコンバータ２として、負荷の小さいインバータ５に対応するコンバータ２を負荷の小さい順に選定する。

【0091】

例えば、総合コントローラ１５０は、４台のインバータ５を25％負荷，50％負荷，75％負荷，100％負荷でそれぞれ運転して、いずれか２台のコンバータ２をスイッチング動作させないことが可能である場合、25％負荷および50％負荷に対応する２台のコンバータ２をスイッチング動作させない。そして、総合コントローラ１５０は、スイッチング動作させる２台のコンバータ２のうち、最も負荷の大きい100％負荷に対応するコンバータ２を高調波電流Ｉｎの発生値が最大限に小さくなるようにスイッチング動作させるとともに、そのスイッチング動作によって生じる“高調波電流Ｉｎの発生値の余裕分”を75%負荷に対応するコンバータ２側の電力変換装置用の制限値Ｉｎｓｚとして割当てて各コントローラ９０に通知する（制限値設定部９４に記憶する）。制限値Ｉｎｓｚは、下式により算出する。
Ｉｎｓｚ＝Ｉｎｓ´−Ｉｎ１−Ｉｎ２−Ｉｎｘ
Ｉｎｓ´は、上記のように、各電力変換装置１００から発生する高調波電流Ｉｎの合計値Ｉｎ´に対する設備機器用の制限値である。Ｉｎｙ１は、25％負荷のインバータ５に対応するコンバータ２の非昇圧モード時の高調波電流Ｉｎの値（非昇圧モード値）である。Ｉｎｙ２は、50％負荷のインバータ５に対応するコンバータ２の非昇圧モード時の高調波電流Ｉｎの値（非昇圧モード値）である。Ｉｎｘ４は、100％負荷のインバータ５に対応するコンバータ２をスイッチング動作（昇圧動作）させてその出力電圧Ｖｃを最大レベルに至らせた場合にそのコンバータ２から流出する高調波電流Ｉｎの最小値（昇圧モード最小値）である。これらＩｎｙ１，Ｉｎｙ２，Ｉｎｘ４は、図１１に示したものと同じである。

【0092】

総合コントローラ１５０は、４台の電力変換装置１００のコントローラ９０からそれぞれの負荷データを受信し、これら負荷データと上記設備機器用の制限値Ｉｎｓ´に基づいて、コンバータ２のスイッチング動作および非スイッチング動作を指示するとともに、スイッチング動作させるコンバータ２に対する電力変換装置用の制限値Ｉｎｚを割当てて各コントローラ９０に通知する。各コントローラ９０は、総合コントローラ１５０から通知された制限値Ｉｎｚに従って各コンバータ２をＰＷＭスイッチング制御する。具体的な個々のコンバータ２の動作および制御は、第１実施形態または第２実施形態と同じである。

【0093】

以上の制御により、受電設備１０を大容量の高額なものへ変更する必要なく、受電設備１０とヒートポンプ式熱源機（各電力変換装置１００）との間に高額の高調波抑制装置を設置する必要もなく、ヒートポンプ式熱源機（各電力変換装置１００）から発生する高調波電流Ｉｎをその次数にかかわらず確実に低減しながら、各電力変換装置１００の高効率な運転が実行できる。

【0094】

［５］第５実施形態
図１４に示すように、多数のヒートポンプ式熱源機２００ａ，２００ｂ…２００ｎおよびセンターコントローラ２０１を含む設備機器システム２００が受電設備１０に接続される。ヒートポンプ式熱源機２００ａ，２００ｂ…２００ｎは、水配管２０２ａ，２０２ｂを介して、１つまたは複数の冷凍負荷（空調負荷，冷却負荷，加温負荷等）の例えば貯湯タンクに接続される。この貯湯タンク内の水が上記水配管２０２ｂによりヒートポンプ式熱源機２００ａ，２００ｂ…２００ｎに導かれて加熱され、これらヒートポンプ式熱源機２００ａ，２００ｂ…２００ｎで加熱された水が上記水配管２０２ａによって上記貯湯タンクに供給される。

【0095】

ヒートポンプ式熱源機２００ａは、第３実施形態で示した４つの電力変換装置１００および１つの総合コントローラ１５０を含む。このヒートポンプ式熱源機２００ａにおける各電力変換装置１００の出力周波数Ｆは、第３実施形態と同じく、互いに同じ値に設定される。他のヒートポンプ式熱源機２００ｂ…２００ｎも、ヒートポンプ式熱源機２００ａと同じ構成である。

【0096】

センターコントローラ２０１は、ヒートポンプ式熱源機２００ａ，２００ｂ…２００ｎの総合コントローラ１５０をそれぞれ制御する。また、センターコントローラ２０１は、ヒートポンプ式熱源機２００ａ，２００ｂ…２００ｎから発生する高調波電流Ｉｎの合計値Ｉｎｍに対する設備機器システム用の制限値Ｉｎｍｓを内部メモリに予め記憶している。制限値Ｉｎｍｓは、受電設備１０に設定されている“高調波電流Ｉｎの規制値Ｉｎｏ”および受電設備１０におけるインバータ比率に応じて決まる。

【0097】

センターコントローラ２０１は、ヒートポンプ式熱源機２００ａ，２００ｂ…２００ｎの個々に対する設備機器用の制限値Ｉｎｓ´を設備機器システム用の制限値Ｉｎｍｓ内で分配的に定め、その各制限値Ｉｎｓ´をヒートポンプ式熱源機２００ａ，２００ｂ…２００ｎのコントローラ９０にそれぞれ通知する。このセンターコントローラ２０１の具体的な制御について説明する。

【0098】

まず、センターコントローラ２０１は、第４実施形態の総合コントローラ１５０と類似し、スイッチング動作させないことが可能なコンバータ２が含まれるヒートポンプ式熱源機の台数を選定する。この選定に際し、スイッチング動作させないことが可能なコンバータ２が含まれるヒートポンプ式熱源機として、負荷の小さいインバータ５が含まれるヒートポンプ式熱源機を負荷の小さい順に割当てる。この割当てを受けたヒートポンプ式熱源機の総合コントローラ１５０は、当該ヒートポンプ式熱源機内の全てのコンバータ２のスイッチング動作を停止する。

【0099】

続いて、センターコントローラ２０１は、負荷の大きいインバータ５が含まれるヒートポンプ式熱源機の総合コントローラ１５０に対し、そのヒートポンプ式熱源機から発生する高調波電流Ｉｎが最も小さくなる運転を指示する。この指示を受けた総合コントローラ１５０は、当該ヒートポンプ式熱源機内の全てのコンバータ２の出力電圧Ｖｃが許容範囲内で最も高いレベルとなる制御を各コントローラ９０に指示する。そして、センターコントローラ２０１は、スイッチング動作させるコンバータ２が含まれる１つまたは複数のヒートポンプ式熱源機のうち、最も負荷の小さいインバータ５が含まれるヒートポンプ式熱源機に対し、高調波電流値Ｉｎの残りの余裕分を制限値Ｉｎｓ´として通知する。この通知を受けたヒートポンプ式熱源機の総合コントローラ１５０は、第３実施形態と同じようにその内部の各電力変換装置１００に対して電力変換装置用の制限値Ｉｎｓを割当てる。この割当てを受けた電力変換装置１００のコントローラ９０は、受けた制限値Ｉｎｓを制限値設定部９４に記憶し、当該電力変換装置１００から発生する高調波電流Ｉｎがその制限値Ｉｎｓに収まるようにコンバータ２をＰＷＭスイッチング制御する。

【0100】

［６］変形例
なお、上述の各実施形態においては、高調波電流Ｉｎの制限値Ｉｎｓを受電設備１０に設定されている“高調波電流Ｉｎの規制値Ｉｎｏ”の範囲で割当てる場合を例に説明したが、受電設備１０とは無関係の規制値が各電力変換装置１００の個々に設定され場合には、その規制値をそのまま制限値Ｉｎｓとして定めてもよい。

【0101】

上記各実施形態では、インバータ５の負荷がブラシレスＤＣモータ６である場合を例に説明したが、ブラシレスＤＣモータ６に限らず、種々の負荷への適用が可能である。また、設備機器がヒートポンプ式熱源機である場合を例に説明したが、ヒートポンプ式熱源機に限らず、コンバータおよびインバータを搭載した設備機器いわゆるインバータ搭載機器であれば、種々のインバータ搭載機器への適用が可能である。

【0102】

上記実施形態および変形例は、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。この新規な実施形態および変形例は、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、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、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。

【産業上の利用可能性】

【0103】

本発明の電力変換装置は、ヒートポンプ式熱源機等への利用が可能である。

【符号の説明】

【0104】

１…三相交流電源、２…コンバータ、４…平滑コンデンサ、５…インバータ、６…ブラシレスＤＣモータ（負荷）、１０…受電設備、２１，２２，２３…リアクタ、３１ａ〜３６ａ…ダイオード、３１〜３６…ＩＧＢＴ（スイッチング素子）、５１〜５６…ＩＧＢＴ（スイッチング素子）、６０…電圧検出部、７１，７２，７３…電流センサ、８１，８２，８３…電流センサ、９０…コントローラ、９１…第１制御部、９２…第２制御部、９３…第３制御部、９４…制限値設定部、９５…入力部、９６…通信部、９７…高調波算出部、１００…電力変換装置、１０１…システム制御器、１５０…総合コントローラ、２００…設備機器システム、２００ａ，２００ｂ…２００ｎ……ヒートポンプ式熱源機、２０１…センターコントローラ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】