專利名稱：變電裝置及利用該裝置的空調(diào)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用大功率因數(shù)的整流回路變電裝置，以及利用該裝置的空調(diào)裝置。
在1994年日本電氣學(xué)會產(chǎn)業(yè)應(yīng)用部門全國大會講演論文集中，披露了一種作為＂三相大功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器＂的大功率因數(shù)整流回路。
圖1示出了這種公知的大功率因數(shù)整流回路，在圖1中，由橋式連接的6個二極管D1-C6構(gòu)成三相整流器9。該整流器9的交流輸入端子分別通過串聯(lián)扼流線圈L1、L2、L3連接至三相交流電源Ps。電源Ps的各輸出連線還分別與星形連接的電容器C1、C2、C3的一端相連接。在整流器9的直流輸出端子間，并聯(lián)連接有斬波器回路10、平滑用電容器CDC和負(fù)荷阻抗RL。斬波器回路10，由分別并聯(lián)連接有反相電壓保護(hù)二極管D7、D8的絕緣柵型雙極三極管(TGBT)TX1、TX2串聯(lián)連接而成，這兩個晶體管TX1、TX2的共接點與電容器C1、C2、C3的共接點，即中性點相連接。連接在電源PS和扼流線圈L1、L2、L3之間的線性阻抗Z1、Z2、Z3，將在后面加以說明。
由于這種大功率因數(shù)整流回路的運(yùn)行原理是公知的，故略去了對它的詳細(xì)說明。若采用這種整流回路，通過采用在斬波器回路10中的晶體管TX1、TX2的柵極g1、g2上，施加其開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于電流頻率(比如說假定電源Ps的頻率為50Hz)的，比如說為10KHz的通、斷信號，而使晶體管TX1、TX2交替通斷的方式，便可以如圖2A-2D所示，使扼流線圈L1、L2、L3電源側(cè)的輸入電壓(圖2A)和線電流(圖2B-2D)，為變形較少的近似正弦波。
該大功率因數(shù)整流回路還具有下述特征，即由于在電容輸入型整流回路中僅加入有若干元件，且在其控制中亦不需要電流值檢測和PWM控制(脈沖寬度調(diào)制控制)等等的復(fù)雜控制，故結(jié)構(gòu)簡單且可以改善線電流波形，提高功率因數(shù)。
圖3示出了一種公知的、適用于該大功率因數(shù)整流回路、向負(fù)載提供交流電的電變換裝置。其中取代圖1中負(fù)載阻抗RL的是，連接在電路上的由雙極晶體管構(gòu)成的逆變器11，和作為其負(fù)載的交換電動機(jī)12。這時，可添加斬波器控制回路22和逆變器控制回路24。斬波器控制回路22用于用由霍爾元件構(gòu)成的電流檢測器HCT檢測流過整流器9和斬波器回路10之間的直流電流，且當(dāng)該檢測出的電流未超過預(yù)定值時給出限定保護(hù)回路21的電流值的信號。逆變器控制回路24用于用低阻抗器RS檢測流過斬波器回路10和逆變器11之間的直流電流，且根據(jù)該檢測值給出將保護(hù)回路23的電流值限制為預(yù)定值的信號。
采用圖3所示的回路，不僅可良好地保持輸入電流波形和功率因數(shù)，而且可實現(xiàn)對裝置整體的保護(hù)，對電動機(jī)12實施可變速控制。
上述厚有的大功率因數(shù)整流回路，當(dāng)輸入電流為1-2[A]左右的較小范圍時，可以良好地保持輸入電流波形和功率因數(shù)。然而當(dāng)輸入電流較大時，電壓波形將會產(chǎn)生畸變。
因此，在圖1的回路中，若電源電壓為100[V]，頻率為50[Hz]，斬波器回路10的開關(guān)頻率為10[KHz]，星形連接的電容器C1、C2、C3的電容為3300[μF]，負(fù)載阻抗RL為187.5[Ω]，扼流線圈L1、L2、L3的電感為1.5[mH]，則當(dāng)輸入電流超過10[A]時，輸入電流和相電壓如圖4所示，從圖中可見，由電流連線通過星形連接的電容器C1、C2、C3流入負(fù)載的電流，會在由此產(chǎn)生的電壓波形畸變的同時，產(chǎn)生由該電壓畸變導(dǎo)致的電流畸變，即產(chǎn)生所謂的振蕩現(xiàn)象。對于這種情況，線阻抗器Z1、Z2、Z3是產(chǎn)生振蕩的原因。
另一方面，由于圖3所示的變電裝置必需設(shè)置兩個保護(hù)回路，即用于保護(hù)斬波器回路10中的晶體管TX1、TX2的保護(hù)回路22，和用于保護(hù)構(gòu)成逆奕器11的開關(guān)元件的保護(hù)回路23，從而使這部分回路的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
而且，原有的裝置在負(fù)載較小時直流電壓將上升，會因過壓而使部件損壞，對此也需要加以改進(jìn)。
本發(fā)明的第一目的是提供一種即使負(fù)載增大而使輸入電流增大時，也能良好地保持輸入電流及輸入電壓波形的變電裝置，以及利用該變電裝置的空調(diào)裝置。
本發(fā)明的第二目的是提供一種即使在配置有反相器的場合，也可以同時使用保護(hù)開關(guān)元件的保護(hù)回路的簡易變電裝置，以及利用該變電裝置的空調(diào)裝置。
為了能實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的變電裝置具有，由若干個二極管呈橋式連接而成的、其交流輸入端子與交流電源相連接的整流器，分別串聯(lián)連接在該整流器和交流電源之間的電源連線上的扼流線圈，和一端分別連接在交流電源和扼流線圈之間的電源連線上，而另一端分別連接在共通點處的星形連線上的電容器，以及包含有串聯(lián)連接在整流器直接輸出端子之間的兩個開關(guān)元件并用遠(yuǎn)高于交流電源頻率的高頻率對兩個開關(guān)元件進(jìn)行交替通斷控制的斬波器回路，該兩個開關(guān)元件的相互連接點與星形連線式電容器的共接點相連接，還包括連接在整流器直接輸出端子之間的平滑電容器，和分別連接在位于交流電源和扼流線圈間的電源連線之間形成環(huán)狀連接的電容器。
對于這種變電裝置，由于設(shè)置有分別連接在設(shè)置在整流器電流側(cè)且位于扼流線圈和電源間的電源連線之間成環(huán)狀連接的電容器，所以即使輸入電流增大，也不會受線阻抗的影響，因此可以良好地保持輸入電流和輸入電壓的波形。
環(huán)狀連接的電容器的電容量，最好是大于星形連接的電容器的電容量，這樣，能可靠地抑制系統(tǒng)振蕩的產(chǎn)生。
該裝置最好還具有，由其電流額定值與斬波器回路中的開關(guān)元件的電流額定值相同的開關(guān)元件構(gòu)成的、將由平滑電容器平滑處理過的直流電變換為交流電并供給負(fù)載的逆變器，檢測整流器輸出電流的電流檢測組件，當(dāng)由該電流檢測回路檢測出的電流值超過預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值時，向斬波器回路和逆變器雙方施加保護(hù)信號的保護(hù)回路。因為構(gòu)成斬波器回路的開關(guān)元件的電流額定值與構(gòu)成逆變器的開關(guān)元件的電流額定值相等，故可以用一個保護(hù)回路保護(hù)斬波器回路和逆變器。
通過設(shè)置用于檢測流過平滑電容器的電流變化分量的方式，便可以選用不使用霍爾元件的通用變流器，進(jìn)而可降低裝置的成本。
還可以配置檢測整流器交流輸入電流或直流輸出電流的電流檢測組件，以及用于當(dāng)由該電流檢測組件檢測出的電流值超過預(yù)先設(shè)定的值時抑制斬波器電路的開關(guān)動作的保護(hù)回路。這樣，可以抑制低負(fù)載時電壓的上升。
最好還配置當(dāng)逆變器由開始動作至經(jīng)過預(yù)定的時間時，或是輸出頻率超過預(yù)定值時，可抑制斬波器回路的開關(guān)動作的保護(hù)回路。通過這種方式，可抑制運(yùn)行開始時的電壓上升。
當(dāng)流過負(fù)載的電流為最小值時，通過可改變斬波器回路開關(guān)元件占空比的保護(hù)回路，可以在實現(xiàn)斬波器回路和逆變器保護(hù)的同時，使電源效率最大。
通過配置由其電流額定值比斬波器回路中使用的開關(guān)元件的電流額定值低的開關(guān)元件構(gòu)成的逆變器的方式，便可以在分別與短路電路相對應(yīng)的斬波器回路和逆變器中，使用電流容量不同的開關(guān)元件，而且通過為兩者設(shè)置共用的保護(hù)閾值的方式，便可以用單一的保護(hù)回路保護(hù)斬波器回路和逆變器。
為了實現(xiàn)前述目的，本發(fā)明還提供了一種空調(diào)裝置，它具有，由若干個二極管橋式連接而成的、其交流輸入端子與交流電流相連接的整流器，分別串聯(lián)連接在與該整流器和交流電源相連接的電源連線上的扼流線圈，其一端分別連接在交流電源和扼流線圈之間的電源連線上、而另一端分別連接在共通點處的星形連接的電容器，包含有串聯(lián)連接在整流器直流輸出端子之間的兩個開關(guān)元件且用遠(yuǎn)高于交流電源頻率的高頻頻率對兩個開關(guān)元件進(jìn)行交替通、斷控制的斬波器回路，所述兩個開關(guān)元件的相互連接點與星形連線式電容器的共接點相連接，連接在整流器直流輸出端子之間的平滑電容器，分別連接在位于交流電源和扼流線圈間的電源連線之間且成環(huán)狀連接的電容器，將由平滑電容器平滑處理過的直流電變換為交流電的逆變器，根據(jù)該逆變器來實施驅(qū)動的壓縮機(jī)電動機(jī)，以及包含有根據(jù)該壓縮機(jī)電動機(jī)施加驅(qū)動的壓縮機(jī)的制冷循環(huán)器。
在這種空調(diào)裝置中，由于采用了能對用于驅(qū)動包含在制冷循環(huán)器中的壓縮器的壓縮機(jī)電動機(jī)的輸入電壓波形畸變起降低、抑制作用的變電裝置，故可以抑制壓縮機(jī)驅(qū)動電動機(jī)的異常聲音的產(chǎn)生，且可以抑制附屬于制冷循環(huán)器的室外送風(fēng)機(jī)和室內(nèi)送風(fēng)機(jī)的各驅(qū)動電動機(jī)的異常聲音的產(chǎn)生。
由于在逆變器的輸出頻率隨空調(diào)負(fù)荷變化而變化的同時，輸出電壓也根據(jù)表示頻率與電壓間關(guān)系的V/F特征曲線相應(yīng)地變化，所以當(dāng)構(gòu)成斬波器回路的兩個開關(guān)元件發(fā)生異常時，隨著這兩個開關(guān)元件處于斷開狀態(tài)，逆變器運(yùn)行，而且可以根據(jù)用于保持壓縮機(jī)驅(qū)動電動機(jī)磁束的另一個V/F特征曲線來改變頻率。即使在構(gòu)成逆變器的開關(guān)元件處于異常狀態(tài)的應(yīng)急運(yùn)行時，隨著這些開關(guān)元件處于斷開狀態(tài)，逆變器運(yùn)行，而且可根據(jù)用于保持壓縮機(jī)驅(qū)動電動機(jī)磁束的另一個V/F特征曲線來改變頻率，進(jìn)而可實現(xiàn)頻率良好的應(yīng)急運(yùn)行。
若選用的構(gòu)成斬波器回路的開關(guān)元件，其電流額定值大于構(gòu)成逆變器的開關(guān)元件的電流額定值，則只要設(shè)定共用的、和制定是否對斬波器回路和逆變器中的各開關(guān)元件實施保護(hù)的電流基準(zhǔn)值，就能即使在斬波器回路和逆變器中選用電流額定值不同的開關(guān)元件時，也可以用設(shè)定有共用保護(hù)閾值的單一保護(hù)回路，對斬波器回路和逆變器雙方實施保護(hù)。
當(dāng)上述空調(diào)裝置的整流器輸入電流減少(或增大)時，由于可減少(或增大)構(gòu)成斬波器回路的開關(guān)元件的開關(guān)頻率和占空比中的至少一方，以便輸入電壓基本保持一定，所以即使負(fù)載變化，也能實施高精度的效率控制。
若從斬波器回路兩端所觀察得到的串聯(lián)RLC等效回路中的電感為L，電容為C，則斬波器回路的開關(guān)頻率可保持在下述范圍內(nèi)。f>1πLC…(1)]]>據(jù)此，可以對變電裝置乃至于空調(diào)裝置進(jìn)行穩(wěn)定的控制。
用低速二極管構(gòu)成整流器，且在連接斬波器回路和平滑電容器的各正極和負(fù)極連接連線上，分別串聯(lián)連接高速二極管，便可以當(dāng)開關(guān)頻率較高時，也能確保所需的電壓。
在各附圖中圖1為原有的變電裝置的回路圖。
圖2A-2D為說明圖1所示變電裝置動作的主要部分的波形圖。
圖3為原有的另一種變電裝置的回路圖。
圖4為說明原有變電裝置在大負(fù)載時動作的波形圖。
圖5為本發(fā)明第一實施例的變電裝置的回路圖。
圖6為說明圖5所示變電裝置動作的輸入電流和相電壓的波形圖。
圖7為本發(fā)明第二實施例的變電裝置的回路圖。
圖8為本發(fā)明第三實施例的變電裝置的回路圖。
圖9為本發(fā)明第四實施例的變電裝置的回路圖。
圖10為說明圖9所示變電裝置動作的流程圖。
圖11A和圖11B為說明圖9所示變電裝置動作的、其主要構(gòu)成要素的電流波形圖。
圖12為本發(fā)明第五實施例的變電裝置的回路圖。
圖13為說明圖12所示變電裝置動作的、表示輸入電流和直流電壓間關(guān)系的曲線圖。
圖14為用于說明圖12所示的變電裝置動作的流程圖。
圖15為用于說明本發(fā)明第六實施例的變電裝置的回路圖。
圖16為用于說明圖15所示變電裝置動作的流程圖。
圖17為用于說明本發(fā)明第七實施例的變電裝置的回路圖。
圖18為用于說明圖17所示變電裝置動作的流程圖。
圖19為說明圖17所示變電裝置動作的、表示其直流電壓和電動機(jī)電流間關(guān)系的曲線圖。
圖20為用于說明本發(fā)明一實施例的空調(diào)裝置的回路圖。
圖21為用于說明本發(fā)明又一實施例的空調(diào)裝置的回路圖。
圖22為用于說明圖21所示空調(diào)裝置動作的流程圖。
圖23為用于說明圖21所示空調(diào)裝置動作的、表示主要部分電流與時間間關(guān)系的曲線圖。
圖24A和圖24B為用于說明圖21所示空調(diào)裝置動作的、分別表示主要部分電壓與電流間關(guān)系以及頻率和電流間關(guān)系的曲線圖。
圖25為用于說明本發(fā)明又一實施例的空調(diào)裝置的回路圖。
圖26A-圖26D為用于說明圖25所示空調(diào)裝置中主要元件的開關(guān)頻率的示意性說明圖。
下面參照附圖詳細(xì)地說明本發(fā)明。
圖5示出了說明本發(fā)明第一實施例的變電裝置的回路圖。在圖中，與前述圖1中變電裝置中元件相同的元件已用相同的標(biāo)號示出，并略去了相應(yīng)的說明。在這里，電容器CX1、CX2、CX3連接在扼流線圈L1、L2、L3電源側(cè)的各電源連線之間。因這些電容器呈環(huán)狀連接，故稱為環(huán)狀連接的電容器，以便與星形連接的電容器C1、C2、C3相區(qū)別。由于環(huán)狀連接的電容器CX1、CX2、CX3，在與負(fù)載電流增大時作為誘發(fā)振蕩起因的線阻抗Z1、Z2、Z3的影響基本上無關(guān)，故當(dāng)其靜電電容量較大時，可使電壓穩(wěn)定。實驗證明，若使電容器CX1、CX2、CX3的電容量比電容器C1、C2、C3的電容量大，便可以大幅度地改善電壓、電流波形。圖6為圖5所示變電裝置的輸入電流和相電壓的波形圖，若與圖4所示的原有裝置的輸入電流和相電壓波形相比較，可知在抑制振蕩現(xiàn)象的同時，還可將畸變抑制到特別小的程度。
圖7是說明第二實施例的變電裝置的回路圖。在這里，采用晶體管TY作為構(gòu)成逆變器11A的IGBT，同時選用其額定值與構(gòu)成斬波器回路10的晶體管TX1、TX2的額定值相同的晶體管作為晶體管TY。眾所周知，若逆變器11A的每一相均含有晶體管串聯(lián)回路，且采用額定值與構(gòu)成斬波器回路10的晶體管TX1、TX2的額定值相同的IGBT作為該晶體管，則可以設(shè)定相同的判定最大許可電流的閾值。而且，根據(jù)使用有霍爾元件的電流檢測器HCT對斬波器回路10輸入側(cè)的線電流，即對流過斬波器回路10的電流和流過逆變器11A的電流的和電流的檢測結(jié)果，保護(hù)回路21A會在電流檢測值超過預(yù)先設(shè)定值時，向斬波器控制回路22和逆變器控制回路24雙方施加抑制電流值的信號。因此，不再需要，比如說，如圖3所示的電流檢測用電阻RS和保護(hù)回路23，從而使這一段裝置簡化。
在圖8所示的回路中，用變流器CT檢測流過平滑電容器CDC的電流的變化部分，并輸入保護(hù)回路21B。一般說來，當(dāng)構(gòu)成斬波器回路10的晶體管TX1、TX2，或是構(gòu)成逆變器11A的晶體管處于短接狀態(tài)而流過大電流時，該電流將通過大阻抗的扼流線圈L1、L2、L3和整流器9向前流動，導(dǎo)致平滑電容器CDC釋放蓄積的電荷。變流器CT將把該過渡電流，即檢測出的電流變化部分施加至保護(hù)回路21B，進(jìn)而當(dāng)檢測出的電流變化部分超過預(yù)先設(shè)定值時，保護(hù)回路21B向斬波器控制回路22和逆變器控制回路24雙方施加抑制電流值的信號。
若采用這種結(jié)構(gòu)，可用通用的變流器CT，取代圖7所示的使用著霍爾元件的電流檢測器HCT，從而可以進(jìn)一步降低裝置成本。
在圖9的變電裝置中，去除了圖8中的變流器CT，而在檢測整流器9的輸出側(cè)設(shè)置了取代它的直流電壓檢測用的電壓檢測器25，并將該電壓檢測器25的電壓檢測信號送入保護(hù)回路21C。因此，該結(jié)構(gòu)是當(dāng)電壓檢測值超過預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值時，保護(hù)回路21C施加改變斬波器回路10的占空比或是頻率的變更指令。
圖10為表示圖9所示裝置中保護(hù)回路21C的處理順序的流程圖。也就是說，步驟101讀取檢測出的電壓值，步驟102判斷該電壓值是否超過基準(zhǔn)值，若未超過則進(jìn)入步驟103，如圖11A所示，將占空比保持為50％；與此相反，若超過時轉(zhuǎn)入程序步驟104，如圖11B所示，將占空比減少至，比如說30％，這樣，即使輸入電流增大，也能良好地保持輸入電流和輸入電壓的波形。而且由于是將直流電壓保持在基準(zhǔn)值之下，因此可用共用的保護(hù)回路21C，不僅對斬波器回路10，同時對構(gòu)成逆變器11A的開關(guān)元件進(jìn)行保護(hù)。
而且，在本實施中是改變斬波器回路10的占空比，但也可以采用改變通、斷頻率的方式，保護(hù)斬波器回路10和逆變器11A免受電壓上升的影響。
在圖12中，是用變流器CT檢測整流器9的輸入電流，并將該檢測信號送入保護(hù)回路21D。保護(hù)回路21D向斬波器控制回路22施加檢測電流未超過預(yù)先設(shè)定值時開關(guān)不動作的保護(hù)信號。
圖12所示變電裝置在負(fù)載變化時，整流器9的輸入電流與直流電壓(電容器CDC的電壓)之間，具有如圖13中實線部所示的遞減函數(shù)的關(guān)系。因此，輸入電流減少而使直流電壓上升。在圖12所示的實施例中，由于可相對于該電壓上升而對構(gòu)成斬波器10和逆變器11A各開關(guān)元件實施保護(hù)，故可當(dāng)整流器9的輸入電流小于一定值ICON時，停止相對于斬波器10的開關(guān)動作。這里，該一定值ICON是相應(yīng)于其直流電壓略高于額定負(fù)載時電壓的電壓值而設(shè)定的。
圖14是表示圖12保護(hù)回路21D處理順序的流程圖。即步驟201讀取用變流器CT檢測出的電流值I0，步驟202判斷該電流值I0是否超過某一定值ICON，若未超過則轉(zhuǎn)入步驟203，抑制晶本管TX1、TX2的開關(guān)動作，若超過該一定值ICON則轉(zhuǎn)入步驟204，使晶體管TX1、TX2作開關(guān)動作。
其結(jié)果是，直流電壓和輸入電流呈圖13中點劃線所示的關(guān)系，故當(dāng)小負(fù)載電壓上升時，也可以對斬波器回路10和逆變器11A進(jìn)行良好的保護(hù)。
而且，在該實施例中是使用變流器CT檢測整流器9的輸入交流電流的，但若檢測整流器9的輸出直流電流，并將其檢測值送入保護(hù)回路21D，也可以實現(xiàn)與上述相同的保護(hù)。此時也可以選擇使用有霍爾元件的電流檢測器。
在圖15所示的實施例中，逆變器控制回路24向保護(hù)回路21E施加使逆變器11A開始控制動作以驅(qū)動電動機(jī)12的信號。保護(hù)回路21E向斬波器控制回路22施加從電動機(jī)12開始啟動至超過一定時間之間不進(jìn)行開關(guān)動作的保護(hù)信號。這時，可設(shè)定相應(yīng)于前述電流值ICON的值為該一定時間。
圖16為表示圖15所示保護(hù)回路21E的處理順序的流程圖。即步驟301判斷電動機(jī)起動后是否已超過一定時間，若未超過則轉(zhuǎn)入步驟302，抑制斬波器回路10的開關(guān)動作，若超過一定值時間時轉(zhuǎn)入步驟303，實施斬波器回路10的開關(guān)動作。
這樣，便可以保護(hù)斬波器回路10和逆變器11A免受啟動時電壓上升的影響。
而且，在本實施例中，輸入逆變器的起動信號在經(jīng)過一定時間之前抑制斬波器回路10的開關(guān)動作，由于逆變器11A起動時的輸出頻率大體與時間成比例上升，故也可以不判斷是否已經(jīng)過了一定時間，而判斷輸出頻率是否超過一定值，并在頻率達(dá)到該一定值之前抑制斬波器回路10的開關(guān)動作，也能獲得同樣的效果。
在圖17所示實施例中，是用交流器CT檢測流入電動機(jī)12的電流，并將該檢測信號送入保護(hù)回路21F。保護(hù)回路21F向保護(hù)回路22施加檢測電流為最小時改變斬波器回路10導(dǎo)通比的信號。
圖18為表示圖17的保護(hù)回路21F處理順序的流程圖。即步驟401檢測、存儲電動機(jī)的電流值In0，隨后步驟402輸出使直流電壓略為上升的信號，即使占空比略為增大的信號，步驟403檢測、存儲此時的電動機(jī)電流值In1。步驟404比較電流值In0和In1，若In1＜In0則返回上述步驟401-404進(jìn)行處理，若In1≥In0則進(jìn)行步驟405以下的處理。
步驟405輸出使直流電壓略為下降的信號，即減小占空比的信號，隨后由步驟406檢測、存儲此時的電動機(jī)電流值IM2。步驟407比較電流值In1和In2，若In2＜In1則返回上述步驟405-407的處理，若In2≥In1，則結(jié)束這一系列步驟，再次進(jìn)行步驟401以下的處理。
圖19示出了相應(yīng)于這種處理的電動機(jī)電流和直流電壓間的關(guān)系。即反復(fù)進(jìn)行步驟401-404時，進(jìn)行的是沿特征曲線R由左向右使電動機(jī)電流最小化的處理，與此相反，反復(fù)進(jìn)行步驟405-407時，進(jìn)行的是沿特征曲線R由右向左使電動機(jī)電流最小化的處理。
其結(jié)果是，用一個保護(hù)回路21F，即可以使流過斬波器回路10和逆變器11A的電流最小化而對它們加以保護(hù)，并使電流效率為最大。
上述各實施例是以適用于三相交流電流的變電裝置為例進(jìn)行說明的，但本發(fā)明并不僅限于此，本發(fā)明也可適用于單相交流電源，或是六相以上的多相交流電源。
而且，上述變電裝置的優(yōu)點，即，既使輸入電流增大時也不會受到線阻抗的不良影響，使輸入電流和輸入電壓波形保持良好，以及能可靠地抑制振蕩等，對使用該裝置的各種裝置都是非常有用的。也就是說，若在使用逆變器進(jìn)行效率控制的空調(diào)裝置中使用上述的變電裝置時，不僅可使電壓波形穩(wěn)定，而且可以抑制由驅(qū)動室外送風(fēng)機(jī)和室內(nèi)送風(fēng)機(jī)的各電動機(jī)產(chǎn)生的異常噪音。下面以利用上述變電裝置的空調(diào)裝置為例進(jìn)行說明。
圖20為使用圖9所示的變電裝置驅(qū)動含有制冷循環(huán)器的壓縮機(jī)的一種結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其中逆變器11A的輸出供給至驅(qū)動壓縮機(jī)31的電動機(jī)32。在這兒，壓縮機(jī)31與四通閥33，室內(nèi)熱交換器34，膨脹閥35及室外熱交換器36等共同構(gòu)成公知的制冷循環(huán)器。它還設(shè)置有用于促進(jìn)室內(nèi)熱交換器34熱交換的室內(nèi)送風(fēng)機(jī)37，和用于促進(jìn)室外熱交換器36熱交換的室外送風(fēng)機(jī)38。室內(nèi)送風(fēng)機(jī)37由電動機(jī)39驅(qū)動，室外送風(fēng)機(jī)38由電動機(jī)40驅(qū)動。電動機(jī)39、40分別通過開關(guān)41，42連接至電源PS，通過圖中未示出的控制裝置對開關(guān)41、42實施導(dǎo)通控制的方式，可由電源PS的電壓驅(qū)動電動機(jī)39、40。這里是以制冷劑沿箭頭A所示方向循環(huán)、呈取暖運(yùn)行模式為例說明的，若是要控制冷模式運(yùn)行，可切換四通閥33，使制冷劑沿與箭頭A所示相反的方向循環(huán)即可。因此，在逆變器11A的輸出頻率相應(yīng)于空調(diào)負(fù)載變化而變化的同時，可根據(jù)預(yù)定的電壓與頻率間的關(guān)系式，即V/F特征曲線來控制電壓。由于相應(yīng)于空調(diào)負(fù)載對壓縮機(jī)31進(jìn)行效率控制運(yùn)行及V/F特征曲線均是公知的，故略去了對它們的詳細(xì)說明。這里的V/F特征曲線通常設(shè)定為正比關(guān)系，若采用圖20的系統(tǒng)，則由于即使變電裝置的輸入電流增大，也可以大大抑制電源側(cè)電壓波形的畸變，故可以抑制因電壓波形畸變所誘發(fā)的電動機(jī)異常噪音的產(chǎn)生。特別是對于空調(diào)裝置的室內(nèi)組件，因為由電壓波形畸變產(chǎn)生的室內(nèi)送風(fēng)機(jī)37用電動機(jī)39的異常噪音會傳播至室內(nèi)，而損壞其舒適性，故通過抑制這一噪音可保持空調(diào)使用的舒適性。而且它還可以抑制室外送風(fēng)機(jī)38用電動機(jī)40產(chǎn)生異常噪音。不僅如此，通過減少輸入電流的波形畸變，還可免受外界噪音的不良影響，減小誤動作的比例，從而提高其可靠性。
因此，在空調(diào)裝置中使用上述的變電裝置時，可獲得高效率運(yùn)行的效果。即由橋式連接的二極管構(gòu)成的整流器9的效率，若以效率可變運(yùn)行時的情況為例，平均為92-94％。而在圖20所示的空調(diào)裝置中，整流器9的效率可高達(dá)98-99％，即提高了6％左右，特別是在過去，低功率時效率較低，且不能充分發(fā)揮其能力，而若采用本實施例，可從低功率至高功率均實現(xiàn)高效率的運(yùn)行。
圖21所示的空調(diào)裝置，是用圖8所示變電裝置驅(qū)動包含在制冷循環(huán)器中的壓縮機(jī)31的。而且它取代了圖8中的保護(hù)回路21B，設(shè)置了功能與其不同的保護(hù)回路21G。在逆變器11A的交流輸出端處連接有驅(qū)動包含在前述制冷循環(huán)器中的壓縮機(jī)31的電動機(jī)32。這時，因斬波器回路10在輸入電流增大時，能確實減少其電壓波形和電流波形的畸變，但當(dāng)斬波器回路10通斷動作時會流過過大的電流。實驗表明，若在這種狀態(tài)下對其實施保護(hù)，即若使斬波器回路10保持為斷狀態(tài)，可使輸入逆變器11A的直流輸入電壓下降。這樣，若斬波器回路10處于保護(hù)狀態(tài)，則無論逆變器11A處于正常條件還是應(yīng)急運(yùn)行狀態(tài)均能保持良好。這種運(yùn)行狀態(tài)稱為倒轉(zhuǎn)運(yùn)行。圖21所示的保護(hù)回路21G，還具有發(fā)出這種倒轉(zhuǎn)運(yùn)行指令的功能。如前所述，逆變器11A相應(yīng)于指定的頻率，其電壓與頻率成一定比例，即可以根據(jù)V/F特征曲線控制輸出頻率和輸出電壓。但這時，當(dāng)逆變器11A輸入電壓下降時為使壓縮機(jī)31具有相同的工作能力，就必須改變V/F特征曲線。
當(dāng)檢測出有流過平滑電容器CDC的突發(fā)電流時，由保護(hù)回路21G判別是斬波器回路10發(fā)生了故障，還是逆變器11A發(fā)生了故障。若經(jīng)判定為斬波器回路10異常而逆變器11A正常時，則向斬波器控制回路22施加保護(hù)斬波器回路10的指令，并向逆變器控制回路24施加改變V/F特征曲線，實施支持運(yùn)行的指令。而且，這里的變更后的V/F特征曲線，應(yīng)具有確保其以前的二次磁束所必需的V/F比。
圖22示出了表示用微計算機(jī)實施保護(hù)回路21G的功能時處理順序的流程圖。即步驟501輸出常規(guī)運(yùn)行指令，步驟502檢測電流是否超過了保護(hù)閾值，如果是，則步驟503使斬波器回路10的晶體管TX1、TX2和逆變器11A的晶體管TY均處于斷開狀態(tài)。然后，步驟504使晶體管TX1、TX2動作，步驟505判斷保護(hù)回路21是否動作。若保護(hù)回路21動作，則為晶體管TX1、TX2異常，晶體管TY正常，步驟506發(fā)出支持模式運(yùn)行指令。這里的支持模式運(yùn)行的含義是，晶體管TX1、TX2斷開、逆變器11A運(yùn)行(晶體管TY導(dǎo)通)和對尋常進(jìn)行顯示。在另一方面，當(dāng)斬波器回路10的晶體管TX1、TX2動作而保護(hù)回路21G不動作時，步驟507使逆變器11A的晶體管TY單獨動作，步驟508判斷保護(hù)回路21G是否動作。若保護(hù)回路21G動作則為晶體管TY異常，向逆變器11A輸出停止指令，相反，若保護(hù)回路21G不動作，則返回步驟501，輸出常規(guī)運(yùn)行指令。
如上所述，若采用該實施例，便可用一個保護(hù)回路21G，對斬波器回路10和逆變器11A雙方實施保護(hù)，而且當(dāng)斬波器回路10發(fā)生故障時，通過應(yīng)急支持運(yùn)行仍可獲得所需的空調(diào)工作能力。
在前述的圖8所示實施例中，是以使斬波器回路10的晶體管TX1、TX2和逆變器11A的晶體管TY具有相同的額定值、且具有共用保護(hù)閾值的一個保護(hù)回路21B為例進(jìn)行說明。然而，若從流過這些晶體管的電流平均值的角度考慮，采用其電流容量比晶體管TY更大的晶體管作為晶體管TX1、TX2，從耐用性的角度看是更為有利的。也就是說，晶體管TX1、TX2彼此各分擔(dān)負(fù)載電流的一半，而逆變器11A的晶體管TY是由三個晶體管各分擔(dān)負(fù)載電流的三分之一。
因此，這些晶體管的短接電流波形，如圖23所示，流過晶體管TX的電流較大，流過晶體管TY的電流較小。在本實施例中若使晶體管TX比晶體管TY的電流容量更大，則即使晶體管TY的短接電流較低，仍可設(shè)置比常規(guī)運(yùn)行閾值RL高的共用保護(hù)閾值GL。若采用這種結(jié)構(gòu)構(gòu)成，便可以獲得耐用性更好的空調(diào)裝置。
另一方面，在構(gòu)成圖20或圖21的空調(diào)裝置的變電裝置中，交流輸入電流和平滑電容器CDC兩端的直流電壓如圖24A中特性曲線VD所示，當(dāng)開關(guān)頻率保持一定時，它具有電流增大(或減小)時電壓降低(或升高)的特性。對此的一種解決方案是，如圖24B所示，相應(yīng)于電流的減小而改變斬波器回路10的開關(guān)頻率f。
圖25示出了采用這種方式而使直流電壓保持一定的一個實施例。該實施例是用圖9所示的變電裝置驅(qū)動包含在制冷循環(huán)器中的壓縮機(jī)31的。在這里，斬波器控制回路22A具有下述功能，即通過電壓檢測器25和保護(hù)回路21C獲得平滑電容器CDC兩端的電壓，并控制開關(guān)頻率f而使該電壓保持一定。在該實施例中，對開關(guān)頻率f增大的處理方式是，在平滑電容器CDC和斬波器回路10之間的正、負(fù)直流電流回路上，分別連接有可響應(yīng)較大電壓變化率的高速二極管HD。也就是說，構(gòu)成整流器9的二極管D1-D6一般為低速二極管，因而二極管D1-D6難以對晶體管TX1、TX2開關(guān)頻率的上升作出響應(yīng)，若采用高速二極管D1-D6構(gòu)成整流器9時，就不再需要加裝高速二極管HD了。
這時，可按下述方式確定斬波器回路10的開關(guān)頻率的范圍。
如圖26A所示，用開關(guān)S表示晶體管TX1、TX2，并分別用電阻器R、電感器L和電容器C表示設(shè)置在電流側(cè)且成星形連接的電容器C1、C2、C3，環(huán)狀連接的電容器CX1、CX2、CX3及扼流線圈L1、L2、L3等等電路元件，則由斬波器回路10處觀察到的等效回路，可表示為包含有開關(guān)S且在RLC串聯(lián)回路中連接有直流電流E的簡易等效回路。這樣，當(dāng)R大體為零時滿足下式的振蕩條件。1LC>(RZL)2…(2)]]>若定義α，β依次為α=R2L]]>β=1LC·(R2L)2]]>若將α，β代入，則開關(guān)閉合后流過的電流i可用下式表示。i=2E4LC·R2·e-at·sinβt…(3)]]>在此，若電阻R基本為零時可有下式R<2LC…(4)]]>因此，電流i的變化如圖26B所示。若取R＝0，則式(3)可變換如下，i=ELC·sintLC…(5)]]>式(5)所示的電流從開始流動到返回為0時的時刻為如圖26c所示的π。在到達(dá)時刻π之前必須對電容L進(jìn)行充電，故有下式成立。tLC<π…(6)]]>對式(6)進(jìn)行整理可得下式。f=1t>1πLC…(7)]]>可在滿足式(7)的條件下，相應(yīng)于L、C選定頻率f，即它不應(yīng)超過圖26D中斜線所限范圍。
比如說，若L＝0.5mH，C＝5μF，則開關(guān)頻率f應(yīng)在6.3KHz以上，若L＝0.2mH，C＝3μF，則開關(guān)頻率f應(yīng)在13KHz以上?？筛鶕?jù)這種分析，確定圖25所示斬波器控制回路22A的開關(guān)步驟f。
因此，可穩(wěn)定地控制電壓。
而且，也可以不使開關(guān)頻率升高(或降低)，而是使各開關(guān)元件的占空比增大(或減小)?；蚴钱?dāng)難以較大地改變開關(guān)元件的頻率時，也可以同時改變開關(guān)頻率和占空比。
權(quán)利要求
1.一種變電裝置，它具有由若干個二極管橋式連接而成的、其交流輸入端子與交流電源相連接的整流器；串聯(lián)連接在與前述整流器和前述交流電源相接的電源連線上的扼流線圈，其一端分別連接在前述交流電源和前述扼流線圈之間的前述電源連線上、其另一端分別連接在共接點上的星形連接的電容器，含有串聯(lián)連接在前述整流器直流輸出端子間的兩個開關(guān)元件的、前述兩開關(guān)元件的相互連接點與前述星形連線電容器的共通接點相連接、且用比前述交流電源頻率高得多的頻率對前述兩個開關(guān)元件進(jìn)行交替通、斷控制的斬波器回路，連接在前述整流器直流輸出端子間的平滑電容器，分別連接在位于前述交流電源和前述扼流線圈之間的前述電源連線間的環(huán)狀連接的電容器。
2.如權(quán)利要求1所述的變電裝置，其中前述環(huán)狀連接的電容器的電容量比前述星形連接的電容器的電容量大。
3.如權(quán)利要求1所述的變電裝置，它還具有由其電流額定值與前述斬波器回路開關(guān)元件的電流額定值相同的開關(guān)元件構(gòu)成的、將由前述平滑電容器平滑處理過的直流電變換為交流電以供給負(fù)載的逆變器，檢測前述整流器輸出電流的電流檢測組件，當(dāng)由該電流檢測組件檢測出的電流值超過預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值時，向前述斬波器回路及前述逆變器雙方施加保護(hù)信號的保護(hù)回路。
4.如權(quán)利要求1所述的變電裝置，它還具有由其電流額定值與前述斬波器回路開關(guān)元件的電流額定值相同的開關(guān)元件構(gòu)成的、將由前述整流器輸出的直流電變換為交流電以供給負(fù)載的逆變器，檢測流過前述平滑電容器的電流變化部分的電流檢測組件，當(dāng)由該電流檢測組件檢測出的電流變化部分超過預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值時，向前述斬波器回路和前述逆變器雙方施加保護(hù)信號的保護(hù)回路。
5.如權(quán)利要求1所述的變電裝置，它還具有檢測在前述平滑電容器兩端產(chǎn)生的直流電壓的電壓檢測組件，當(dāng)由前述電壓檢測組件檢測出的直流電壓未超過預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值時，相對前述斬波器回路的兩個開關(guān)元件修正其占空比或開關(guān)頻率的保護(hù)回路。
6.如權(quán)利要求1所述的變電裝置，它還具有檢測前述整流器的交流輸入電流或直流輸出電流的電流檢測組件，當(dāng)由該電流檢測組件檢測出的電流值超過預(yù)先設(shè)定值時抑制前述斬波器回路開關(guān)動作的保護(hù)回路。
7.如權(quán)利要求1所述的變電裝置，它還具有將已由前述平滑電容器平滑處理過的直流電變換為交流電以供給負(fù)載的逆變器，由前述逆變器開始動作至經(jīng)過預(yù)定時間時，或是輸出頻率超過預(yù)定值時，能抑制前述斬波器回路開關(guān)動作的保護(hù)回路。
8.如權(quán)利要求1所述的變電裝置，它還包括有將已由前述平滑電容器平滑處理過的直流電變換成交換電以供給負(fù)載的逆變器，檢測流過前述負(fù)載的電流的電流檢測組件，以使由該電流檢測組件檢測出的電流值最小化的方式，改變前述斬波器回路開關(guān)元件的占空比的保護(hù)回路。
9.如權(quán)利要求1所述的變電裝置，它還包括有由其電流容量比用于前述斬波器回路的開關(guān)元件的電流容量小的開關(guān)元件構(gòu)成的、將已由前述平滑電容器平滑處理過的直流電變換為交流電以供給負(fù)載的逆變器，檢測前述整流器直流輸出電流的電流檢測組件，當(dāng)由該電流檢測組件檢測出的電流值超過預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值時，向前述斬波器回路及前述逆變器雙方施加保護(hù)信號的保護(hù)回路。
10.如權(quán)利要求1所述的變電裝置，它還具有由其電流容量比用于前述斬波器回路的開關(guān)元件的電流容量小的開關(guān)元件構(gòu)成的、將已由平滑電容器平滑處理過的直流電變換為交流電以供給負(fù)載的逆變器，檢測流過前述平滑電容器的電流變化部分的電流檢測組件，當(dāng)由該電流檢測組件檢測出的電流變化部分超過預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值時，向前述斬波器回路及前述逆變器雙方施加保護(hù)信號的保護(hù)回路。
11.一種空調(diào)裝置，它具有由若干個二極管橋式連接而成的、其交流輸入端子與交流電源相連接的整流器，分別串聯(lián)連接在與前述整流器和前述交流電流相連接的電源連線上的扼流線圈，其一端分別連接在前述交流電源和前述扼流線圈之間的前述電源連線上、其另一端分別連接在共通接點上的星形連接的電容器，含有串聯(lián)連接在前述整流器直流輸出端子間的兩個開關(guān)元件的、前述兩開關(guān)元件的相互連接點與前述星形連接的電容器的共通接點相連接的、且用比前述交流電源的頻率高得多的頻率對前述兩個開關(guān)元件進(jìn)行交替通·斷控制的斬波器回路，連接在前述整流器直流輸出端子間的平滑電容器，分別連接在位于前述交流電源和前述扼流線圈之間的前述電源連線上的環(huán)狀連接的電容器，將前述平滑電容器處理過的直流電變換成交流電并將其供給至用于驅(qū)動包含在制冷循環(huán)器中的壓縮機(jī)的電動機(jī)的逆變器。
12.如權(quán)利要求11所述的空調(diào)裝置，其在前述逆變器相應(yīng)于空調(diào)負(fù)載變化而改變交流輸出頻率的同時，還根據(jù)表示頻率與電壓關(guān)系的預(yù)定的V/F特征曲線改變電壓，當(dāng)構(gòu)成前述斬波器回路的兩個開關(guān)元件處于異常狀態(tài)時，使這些開關(guān)元件處于斷開狀態(tài)而使前述逆變器運(yùn)行，同時根據(jù)可以保持前述壓縮機(jī)驅(qū)動電動機(jī)磁束的另一個V/F特征曲線來改變頻率。
13.如權(quán)利要求11所述的空調(diào)裝置，其中前述斬波器回路由其電流容量比構(gòu)成前述逆變器開關(guān)元件的電流容量大的開關(guān)元件構(gòu)成，且對前述斬波器回路和前述逆變器設(shè)定共用的用于判斷是否對前述斬波器回路和前述逆變器的各開關(guān)元件實施保護(hù)的電流基準(zhǔn)值。
14.如權(quán)利要求11所述的空調(diào)裝置，當(dāng)前述整流器的輸入電流減小(或增大)時，減小(或增大)構(gòu)成前述斬波器回路的開關(guān)元件的開關(guān)頻率和占空比中的至少一個，以使前述逆變器的輸入電壓大體保持一定。
15.如權(quán)利要求14所述的空調(diào)裝置，其中當(dāng)將由前述斬波器回路兩端觀察得到的串聯(lián)RLC等效回路中的電感設(shè)定為L，電容設(shè)定為C時，前述斬波器回路的開關(guān)頻率保持在下式所限定的范圍內(nèi)f>1πLC]]>
16.如權(quán)利要求11所述的空調(diào)裝置，其前述整流器由低速二極管構(gòu)成，且在連接前述斬波器回路和平滑電容器的各正、負(fù)連接線上，分別連接有高速二極管。
全文摘要
變電裝置，它具有橋式連接的整流器，分別串聯(lián)連接在該整流器輸入電源連線上的扼流線圈，由連接在整流器直流端子間的兩個開關(guān)元件串聯(lián)連接而成的、連接在整流器直流端子間的斬波器回路，其一端連接在扼流線圈的電源側(cè)、另一端共接且與斬波器回路的兩個開關(guān)元件的彼此連接點相連接的星形連接的電容器，平滑處理整流器輸出電壓的平滑電容器，以及連接在位于交流電源和扼流線圈間的電源連線上的環(huán)狀連接的電容器。
文檔編號H02M3/155GK1135679SQ9512037
公開日1996年11月13日 申請日期1995年11月17日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月18日
發(fā)明者金沢秀俊, 簑義仁, 山梨泰 申請人:東芝株式會社