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技術 電動機駆動装置およびこれを用いた空気調和機

出願人 シャープ株式会社新電元工業株式会社
発明者 川嶋信弘大友隆
出願日 1997年6月11日 (23年0ヶ月経過) 出願番号 1997-153208
公開日 1999年1月6日 (21年5ヶ月経過) 公開番号 1999-004596
状態 未査定
技術分野 交流電動機の一次周波数制御 整流装置 交流電動機の制御一般
主要キーワード 電源投入期間 アクティブフィルター ゼロクロス電圧 短絡用リレー 電装回路 回転指令値 通電率制御 交流電圧制御
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (13)

課題

運転状況に応じて、電動機の制御を切り換え、常時最高総合効率で作動する省エネルギータイプの電動機駆動装置を提供する。

解決手段

交流電力整流回路3で整流して平滑回路5で平滑し、平滑した直流電圧インバータ回路6に供給して電動機8を駆動する電動機駆動装置において、電動機8の回転数が予め定めた所定の回転数No以下では、整流回路3の前段または後段に設けた降圧PAM制御回路でインバータ回路6への入力電圧を降圧PAM制御し、上記回転数No以上では、インバータ回路6への入力電圧を一定の高電圧で且つ、電動機8の回転数指令値a6に応じたPWM変調の施された電圧にする。

概要

背景

インバータを用いた電動機駆動装置の従来技術としては、例えば特開昭59−181973号公報に記載のように、インバータの出力電圧の制御をインバータの入力電圧を制御して行う領域と、入力電圧は一定のままでインバータの通電率を制御して行う領域とに分けるものが提案されている。

また、特開平6−105563号公報には、整流回路とインバータ間に昇圧回路を設け、インバータの直流電圧を所定の一定の電圧に保ったままインバータをPWM制御したり、昇圧回路によりインバータの直流入力電圧PAM制御する技術が開示されている。

これらは、いずれもインバータの出力電圧が所定値以下の範囲では、インバータで可変周波数可変電圧を制御して電動機をPWM制御し、インバータの出力電圧が所定値以上の範囲では昇圧PAM制御を行い、インバータ入力電圧(可変電圧)を制御し、インバータでは可変周波数制御のみを行うようにしたもの、またはその中間の処置として昇圧PAM制御とPWM制御を組み合わせたものであった。

図10および図11は、上記の従来例に相当するもので、インバータ6の出力電圧が所定値以下では電動機8をPWM制御し、所定値以上ではインバータへ入力する電圧を昇圧PAM制御するようにしている。両図において、交流電源1より供給される交流電圧は、全波整流器31で整流された後、チョークコイル47,48、パワーデバイス43,44および高速リカバリダイオード45,46より成る電圧制御回路41,42に供給され、ここで昇圧PAM制御される。そして平滑回路5で平滑された直流電圧がインバータ6を介して電動機8に供給される。

ロータ位置検出回路7で検出した電動機8の回転数検出信号a5により、電動機8の回転数を検出し、インバータ6の出力電圧が上記所定値より低いときには、電動機駆動制御回路9より導出される制御信号a3でインバータ6を制御し、インバータ6のPWM制御で電動機8を所定の回転数に駆動する。

また、インバータ6の出力電圧が上記の所定値より高いときには、電動機駆動制御回路9より導出される制御信号a2及びa3で電圧制御回路41、42を昇圧PAM制御するとともにインバータ6を制御し、電動機8の入力電圧を図12に示すように昇圧PAM制御する。図10、11において、23は電圧制御回路41,42の出力電圧を検出する電圧検出回路であり、この電圧検出回路23で検出した直流電圧は制御信号a4として、上記電動機駆動制御回路9に供給する。

概要

運転状況に応じて、電動機の制御を切り換え、常時最高総合効率で作動する省エネルギータイプの電動機駆動装置を提供する。

交流電力を整流回路3で整流して平滑回路5で平滑し、平滑した直流電圧をインバータ回路6に供給して電動機8を駆動する電動機駆動装置において、電動機8の回転数が予め定めた所定の回転数No以下では、整流回路3の前段または後段に設けた降圧PAM制御回路でインバータ回路6への入力電圧を降圧PAM制御し、上記回転数No以上では、インバータ回路6への入力電圧を一定の高電圧で且つ、電動機8の回転数指令値a6に応じたPWM変調の施された電圧にする。

目的

本発明は、上記の問題を解決するため、電動機の回転数が低い領域では降圧PAM制御を行い、回転数が高い領域ではPWM制御を行うようにして、省エネルギー化を図ることを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
7件

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請求項1

交流電圧直流電圧に変換する整流手段と、上記直流電圧を一定電圧に平滑する平滑手段と、該平滑手段により平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ手段と、このインバータ手段により駆動される電動機と、該電動機の回転数指令値に一致するように上記平滑手段により平滑された直流電圧を制御するため上記整流手段の前段または後段に設けた電圧制御手段と、上記電動機を指令の回転数で運転するようにインバータ手段の出力周波数出力電圧を制御する電動機駆動制御手段を設け、上記電動機の回転数が、予め定めた所定の値以下の領域では、上記電圧制御手段で電動機駆動制御手段からの制御信号に応じて、入力電圧オンオフの時間比を制御して所定のレベルの出力電圧を得る降圧PAM制御を行わせて、上記インバータ手段の出力電圧を制御し、上記電動機の回転数が上記所定の値以上の領域では、上記電動機駆動制御手段からの制御信号で上記インバータ手段に入力される信号をPWM制御して、電動機に指令された回転数に応じた電圧を供給するようにしたことを特徴とする電動機駆動装置

請求項2

請求項1記載の電動機駆動装置において、上記整流手段の前段に設けた電圧制御手段は、電圧通電率制御ができる半導体素子であることを特徴とする電動機駆動装置。

請求項3

請求項2記載の電動機駆動装置において、上記半導体素子を短絡する開閉手段を設けたことを特徴とする電動機駆動装置。

請求項4

請求項1記載の電動機駆動装置において、上記整流手段の後段に設けた電圧制御手段は、パワーデバイスチョークコイル高速リカバリダイオード(FRD)で構成した降圧PAM制御回路であることを特徴とする電動機駆動装置。

請求項5

請求項4記載の電動機駆動装置において、上記降圧PAM制御回路を短絡する開閉手段を設けたことを特徴とする電動機駆動装置。

請求項6

請求項1記載の電動機駆動装置において、上記整流手段は、倍電圧整流回路全波整流回路半波整流回路を選択できる選択回路を備え、該選択回路により、上記降圧PAM制御時には、全波整流回路または半波整流回路を選択し、PWM制御時には倍電圧整流回路を選択するようにしたことを特徴とする電動機駆動装置。

請求項7

請求項1から請求項6記載の電動機駆動装置を圧縮機用の電動機駆動装置に用いたことを特徴とする空気調和機

請求項8

請求項7記載の空気調和機において、圧縮機起動時に圧縮機用電動機回転数指令値に応じて上記倍電圧整流回路、全波整流回路、半波整流回路のいずれかの整流回路を選択する選択手段を設けたことを特徴とする空気調和機。

技術分野

0001

本発明は、インバータを用いた電動機駆動装置およびこれを用いた空気調和機係り、インバータの入力電圧可変制御するとともにインバータの出力周波数出力電圧も制御可能とし、電動機に交流電力を供給することにより、回転速度制御を行うようにした電動機駆動装置およびこれを用いた空気調和機に関するものである。

背景技術

0002

インバータを用いた電動機駆動装置の従来技術としては、例えば特開昭59−181973号公報に記載のように、インバータの出力電圧の制御をインバータの入力電圧を制御して行う領域と、入力電圧は一定のままでインバータの通電率を制御して行う領域とに分けるものが提案されている。

0003

また、特開平6−105563号公報には、整流回路とインバータ間に昇圧回路を設け、インバータの直流電圧を所定の一定の電圧に保ったままインバータをPWM制御したり、昇圧回路によりインバータの直流入力電圧PAM制御する技術が開示されている。

0004

これらは、いずれもインバータの出力電圧が所定値以下の範囲では、インバータで可変周波数可変電圧を制御して電動機をPWM制御し、インバータの出力電圧が所定値以上の範囲では昇圧PAM制御を行い、インバータ入力電圧(可変電圧)を制御し、インバータでは可変周波数制御のみを行うようにしたもの、またはその中間の処置として昇圧PAM制御とPWM制御を組み合わせたものであった。

0005

図10および図11は、上記の従来例に相当するもので、インバータ6の出力電圧が所定値以下では電動機8をPWM制御し、所定値以上ではインバータへ入力する電圧を昇圧PAM制御するようにしている。両図において、交流電源1より供給される交流電圧は、全波整流器31で整流された後、チョークコイル47,48、パワーデバイス43,44および高速リカバリダイオード45,46より成る電圧制御回路41,42に供給され、ここで昇圧PAM制御される。そして平滑回路5で平滑された直流電圧がインバータ6を介して電動機8に供給される。

0006

ロータ位置検出回路7で検出した電動機8の回転数検出信号a5により、電動機8の回転数を検出し、インバータ6の出力電圧が上記所定値より低いときには、電動機駆動制御回路9より導出される制御信号a3でインバータ6を制御し、インバータ6のPWM制御で電動機8を所定の回転数に駆動する。

0007

また、インバータ6の出力電圧が上記の所定値より高いときには、電動機駆動制御回路9より導出される制御信号a2及びa3で電圧制御回路41、42を昇圧PAM制御するとともにインバータ6を制御し、電動機8の入力電圧を図12に示すように昇圧PAM制御する。図10、11において、23は電圧制御回路41,42の出力電圧を検出する電圧検出回路であり、この電圧検出回路23で検出した直流電圧は制御信号a4として、上記電動機駆動制御回路9に供給する。

発明が解決しようとする課題

0008

上記従来技術による電動機駆動装置では、電動機回転数が高い範囲で昇圧PAM制御を行っていた。こうすることで電動機をインバータのPWM制御のみで行う場合より高い電動機回転数が得られる。しかし、省エネルギーという観点から見ると昇圧PAM制御での回路損失が無視できないレベルになる。

0009

一般に誘導負荷に対する電動機の効率をPAM制御とPWM制御で比較すると、電動機の回転数と効率の関係は図4に示すようになる。このように電動機の効率がPWM制御よりPAM制御の方が高くなるのは、PWM制御ではスイッチング周波数に伴う高周波電流に起因した鉄損うず電流損)がPAM制御に比べ増大していることがあげられる。そして、電動機の回転数が高くなればなるほどPWM制御のスイッチング周波数が低くなるので上記の鉄損が抑えられ、PAM制御の場合との効率の差が小さくなる。

0010

一方、電動機を駆動する電装回路の効率をPWM制御とPAM制御の場合で比較すると図5に示すようになる。図5に示すように、電動機の回転数に対する電装回路の効率は、回転数の全域に亘って、PWM制御の方が高いが、回転数の低い領域でPWM制御時の効率低下が著しい。

0011

従って、省エネルギーという観点では、上記電動機の効率と電装回路の効率を合わせた総合効率で判断することが必要になる。図6は電動機の回転数に対する総合効率の変化を示すものである。図6から明らかなように、電動機の回転数が高い領域ではPWM制御の方がPAM制御より高効率になるが、回転数の低い領域では逆になる。

0012

上記従来技術は、電動機の回転数が低い領域ではPWM制御を行い、回転数が高い領域では昇圧PAM制御を行っているので、全回転数の領域に亘って、総合効率の低い使い方をしており、省エネルギーの観点から損失が大きいという問題があった。特に近年、電動機を使用した空気調和機等は終日電源投入した状態で使用するケースが増えている。

0013

この場合、電動機の回転数が高いフル稼動状態は時間的に短く、大半は回転数が低い待機状態あるいは一部機能だけが作動している状態にある。従って、電源投入期間の大半を占める回転数が低い領域での効率を上げることは省エネルギーの観点からは極めて重要な問題である。

0014

本発明は、上記の問題を解決するため、電動機の回転数が低い領域では降圧PAM制御を行い、回転数が高い領域ではPWM制御を行うようにして、省エネルギー化を図ることを目的とする。

課題を解決するための手段

0015

本発明は、上記の目的を達成するため、請求項1記載の電動機駆動装置は、交流電圧を直流電圧に変換する整流手段と、上記直流電圧を一定電圧に平滑する平滑手段と、該平滑手段により平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ手段と、このインバータ手段により駆動される電動機と、該電動機の回転数が指令値に一致するように上記平滑手段により平滑された直流電圧を制御するため上記整流手段の前段または後段に設けた電圧制御手段と、上記電動機を指令の回転数で運転するようにインバータ手段の出力周波数と出力電圧を制御する電動機駆動制御手段を設け、上記電動機の回転数が、予め定めた所定の値以下の領域では、上記電圧制御手段で電動機駆動制御手段からの制御信号に応じて、入力電圧のオンオフの時間比を制御して所定のレベルの出力電圧を得る降圧PAM制御を行わせて、上記インバータ手段の出力電圧を制御し、上記電動機の回転数が上記所定の値以上の領域では、上記電動機駆動制御手段からの制御信号で上記インバータ手段に入力される信号をPWM制御して、電動機に指令された回転数に応じた電圧を供給するようにしたことを特徴とする。

0016

上記整流手段の前段に設けた電圧制御手段は、電圧通電率制御ができる半導体素子であり、またこの半導体素子を短絡する開閉手段を設けたことを特徴とする。

0017

また、上記整流手段の後段に設けた電圧制御手段は、パワーデバイス、チョークコイルおよび高速リカバリーダイオードで構成した降圧PAM制御回路であり、またこの降圧PAM制御回路を短絡する開閉手段を設けたことを特徴とする。

0018

上記整流手段は、倍電圧整流回路全波整流回路および半波整流回路を選択できる選択回路を備え、この選択回路により、上記降圧PAM制御時には、全波整流または半波整流を選択し、PWM制御時には倍電圧整流回路を選択するようにしたことを特徴とする。

0019

上記電動機駆動装置を圧縮機用の電動機駆動装置に用いたことを特徴とする空気調和機であり、また、上記空気調和機の圧縮機起動時に圧縮機用電動機回転数指令値に応じて、上記倍電圧整流回路、全波整流回路および半波整流回路のいずれかの整流回路を選択する選択手段を設けたことを特徴とする。

0020

従って、交流電源より供給された交流電圧は、整流手段で直流に変換された後、平滑手段で一定の直流電圧に平滑されインバータ手段に供給される。このインバータ手段は電動機駆動制御手段から供給される制御信号で制御され、電動機に所定の周波数で所定の電圧を供給し、電動機を所定の回転数で回転させる。この場合、上記平滑電圧が所定値より低いときは、上記整流手段の前段または後段に設けた電圧制御手段により、電動機の回転数が指令値に一致するように、上記の平滑された直流電圧を制御し、また、上記平滑電圧が所定値より高いときは電動機が指令の回転数で運転するようにインバータ手段の出力周波数と出力電圧を制御する。

0021

上記平滑電圧が所定値より低い場合、上記電圧制御手段は、上記電動機駆動制御手段からの制御信号で降圧PAM制御され、インバータ手段の入力端子に上記電動機を所定の回転数で回転させるに必要な直流入力電圧を供給する。この場合、インバータ手段は、PWM制御は行わず、電動機に回転数に対応したレベルの電圧を供給する。

0022

逆に上記平滑電圧が所定値より高い場合は、上記電動機駆動制御手段により、上記インバータ手段を制御して電動機を高電圧でPWM制御する。この場合、上記整流手段の前段あるいは後段に設けた電圧制御手段は短絡するか、電圧制御手段に設けた制御素子を常時ONになるように制御する。

0023

従って、電動機は全回転数の範囲に亘って、電動機駆動装置としての総合効率の高い状態で作動させることができ、省エネルギー化を図ることができる。

0024

また、上記整流手段の前段に設けた電圧制御手段は、電圧通電率制御ができるトライアック等の半導体素子で構成されるので、この半導体素子の導通角を電動機駆動制御手段により制御することによって、インバータ手段より電動機に印加する電圧のレベルを簡単に制御することができる。

0025

この制御は、電動機の回転数が予め定めた所定の回転数より低い場合のPAM制御時に行われる。また、トライアック等の半導体素子による電圧通電率制御の精度を上げるために、インバータ手段への入力電圧の所定値で全波整流と半波整流を切り換えるようにしてもよい。この切り換えは、交流電圧のゼロクロス点で行うようにする。

0026

また、上記半導体素子を短絡する開閉手段を設けているので、整流手段の前段に設けた電圧制御手段を選択的に駆動状態にすることができる。即ち、上記開閉手段により、PWM制御を行う上記整流手段の後段に設けた電圧制御手段の作動時には、上記半導体素子を短絡して、整流手段の前段に設けた電圧制御手段が実質的に省かれた状態にする。この場合、上記開閉手段により整流回路の前段に設けた電圧制御手段を短絡する代わりにトライアック等の半導体素子を常時ONにしてもよいが、ON損失が生じ、省エネルギー効果が薄らぐことになる。

0027

上記整流手段の後段には、パワーデバイス、チョークコイルおよび高速リカバリーダイオードで構成した降圧コンバータ回路より成る電圧制御手段が設けられているので、上記パワーデバイスのONデューティを電動機駆動制御手段により制御することによって、降圧PAM制御によるインバータ手段への直流入力電圧の制御を行わせることができ、インバータ手段より電動機に回転数に応じた電圧を供給することができる。この場合もインバータ手段ではPWM制御を行わず周波数のみを制御する。

0028

ここで降圧コンバータ回路による平滑直流電圧制御は、電動機の実回転数目標回転数を電動機駆動制御手段で比較演算し、電動機の実回転数が目標回転数より低い時は、降圧コンバータ回路のパワーデバイスのONデューティを上昇させて、上記平滑直流電圧を上げ、また、電動機の実回転数が目標回転数より高いときは、降圧コンバータ回路のパワーデバイスのONデューティを下げて、上記平滑直流電圧を下げるようにする。

0029

この制御は、電動機の回転数が、予め定められた所定の回転数より低い場合のPAM制御時に行われる。そして、パワーデバイスのONデューティによる電圧制御の精度を上げるため、インバータ手段への入力電圧の所定値で全波整流と半波整流を切り換えるようにし、この切り換えを交流電圧のゼロクロス電圧で行うようにしてもよい。

0030

また、上記降圧コンバータ回路を短絡する開閉手段を設けているので、整流手段の後段に設けた電圧制御手段を選択的に駆動状態にすることができる。即ち、上記開閉手段によりPWM制御時や、上記整流手段の前段に設けた電圧制御手段の作動時には、上記降圧コンバータ回路を短絡して、整流手段の後段に設けた電圧制御手段が実質的に省かれた状態にする。この場合、開閉手段により整流回路の後段に設けた電圧制御手段を短絡する代わりに降圧コンバータ回路のパワーデバイスを常時ONにしてもよいが、ON損失が生じ省エネルギー効果が多少薄らぐことになる。

0031

また、上記整流手段は、選択回路により、倍電圧整流回路、全波整流回路および半波整流回路を選択できるようにしているので、電動機の指令回転数に応じて、電動機に印加する電圧を生成するのに最も適した整流回路を選択することができる。

0032

この場合、電動機の回転数が予め定めた所定の回転数より低く、PAM制御が行われている領域の中でも、回転数が低い場合は、電動機に印加する電圧は最も低くなるので、選択回路により半波整流回路を選択し、PAM制御が行われる領域の中では、回転数が高い場合は選択回路により全波整流回路を選択する。電動機の回転数が予め定めた所定の回転数より高くPWM制御を行う場合は、電動機に印加する電圧は最も高くなるので選択回路により、倍電圧整流回路を選択してインバータ手段への入力直流電圧として高い電圧を生成する。

0033

また、上記の電動機駆動装置を空気調和機の圧縮機用の電動機駆動装置として使用するので、あらゆる負荷状態において総合効率の高い空気調和機を得ることができる。また選択手段により圧縮機の起動時に電動機の回転指令値に応じた電圧を生成するのに適した整流回路を倍電圧整流回路、全波整流回路および半波整流回路より選択することができるので、インバータ手段による圧縮機用電動機の回転制御を効率よく行わせることができる。

発明を実施するための最良の形態

0034

以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。図1は、本発明の電動機駆動装置の構成図であり、図10、11に示す従来例に対応する部分は同一符号で示す。図1において、交流電源1から供給される交流電圧は、整流回路3で整流されて非平滑直流電圧として導出される。この非平滑直流電圧は、平滑回路5で平滑されて直流電圧となり、インバータ入力電圧としてインバータ回路6に供給される。インバータ回路6では入力された直流電圧を可変周波数、可変電圧の交流電圧として電動機8に印加する。

0035

電動機8として誘導電動機、または直流電動機があるが、誘導電動機の場合、インバータ回路の出力周波数、出力電圧で電動機8の回転数を制御し、直流電動機の場合、回転数は入力電圧の値に比例するので、インバータ回路の出力電圧で電動機8の回転数を制御している。

0036

本実施形態では、電動機8として直流電動機を用いた場合の制御について述べる。ここで、上記インバータ回路6の入力電圧を制御する手段として、上記整流回路の前段に電動機駆動制御回路9からの制御信号a1で交流電圧の通電率が制御されるトライアック等の半導体素子で構成した電圧制御回路2を設け、整流回路3の後段には、上記電動機駆動制御回路9からの制御信号a2でONデューティが制御されるパワーデバイス17、高速リカバリーダイオード(FRD)18およびチョークコイル19よりなる降圧コンバータ回路4を設ける。また、上記平滑回路5の平滑直流電圧を検出する手段として、平滑回路5の前段に抵抗10と11より成る分圧回路を設け、この分圧回路で分圧した電圧を制御信号a4として上記電動機駆動制御回路9に入力する。

0037

また、電動機8が直流電動機の場合は、その回転数を検出する回転数検出手段として、インバータ回路6と電動機8の間に電動機8のロータ位置を検出するロータ位置検出回路7を設ける。このロータ位置検出回路7より導出されるロータ位置検出信号a5は、電動機8の回転数演算用信号を兼ねた信号として電動機駆動制御回路9に入力される。

0038

電動機駆動制御回路9では回転数指令値a6と上記ロータ位置検出信号a5より演算した電動機8の回転数を比較して、制御信号a1またはa2を導出し、この制御信号a1またはa2により、電圧制御回路2または降圧コンバータ回路4を制御して、上記インバータ回路6に入力する直流電圧を制御するとともに、インバータ回路6をドライブする制御信号a3を出力する。

0039

図2および図3は、本発明の具体的な回路構成を示すものである。図2は、図1における電圧制御回路2での降圧PAM制御としてトライアック13により交流電圧制御を行った場合の回路例であり、図1に対応する部分には同一符号を付し、説明を省略する。交流電源1より供給される交流電圧は、トライアック13で電圧通電率制御が行われ、リアクトル12を介して、ダイオードブリッジ回路31で構成した全波整流回路31に入力される。

0040

ここで、リアクトル12は力率改善用コイルであり、リレー14はトライアック13の短絡用リレーであり、リレー15は上記ダイオードブリッジ回路31の1辺に直列に設けられ、ダイオードブリッジ回路31を全波整流と半波整流に切り換えるリレーであり、リレー16は充電回路21と共働して、上記ダイオードブリッジ回路31を選択的に倍電圧整流回路に切り換えるリレーである。

0041

上記の構成により、リレー14,15,16のすべてをONにすると倍電圧整流回路となり、上記リレー15をONにし、リレー14,16をOFFにすると全波整流回路になり、リレー14,15,16のすべてをOFFにすると半波整流回路になる。上記ダイオードブリッジ回路31より上述するようにして得られた直流電圧は平滑回路5で平滑され、インバータ入力電圧としてインバータ回路6に入力される。また、この平滑された直流電圧は抵抗10,11で分圧され、インバータ回路6への直流入力電圧を示す制御信号a4として電動機駆動制御回路9に入力される。

0042

電動機駆動制御回路9に回転数指令値a6として入力される電動機8の回転数が予め定めた所定の値より低い場合は、上記リレー14,15,16をすべてOFFにして半波整流にするか、リレー15のみをONにして全波整流にして、トライアック13により電動機8を降圧PAM制御する。

0043

また、電動機駆動制御回路9に回転数指令値a6として入力される電動機8の回転数が予め定めた所定の値より高い場合は、上記リレー14,15,16をすべてONにして倍電圧整流を行わせるとともに、トライアック13を短絡する。そして、インバータ回路6より電動機8を回転させる回転数に応じてパルス幅変調された一定の高い電圧を電動機8に供給し、該電動機をPWM制御する。

0044

ここで、上記トライアック13を用いた電圧制御、即ち降圧PAM制御は、トライアック13の通電率を制御する場合、交流電源1のゼロクロス電圧を基準にして制御するものと、抵抗22を流れる電流を検出しゼロクロス電流を基準として制御する手法があり、いずれの制御を行わせてもよい。

0045

図3は、図2に示すダイオードブリッジ回路31の前段に設けた電圧制御回路2をなくし、降圧PAM制御として整流回路3の後段にパワーデバイス17、高速リカバリーダイオード(FRD)18およびチョークコイル19よりなる降圧型PAM制御を構成する降圧コンバータ回路4を設けるとともに、この降圧コンバータ回路4を選択的に短絡する短絡用リレー20を設けたものであり、上記図1および図2に対応する部分には、同一符号を付し、説明を省略する。

0046

ここで平滑回路5に入力される直流電圧はパワーデバイス17のONデューティにより制御されている。そして、倍電圧整流の場合は、リレー15,16,20のすべてをONにし、全波整流の場合は、リレー15をONにし、リレー16,20をOFFにし、半波整流の場合は、リレー15,16,20のすべてをOFFにする。こうして得られた直流電圧を平滑回路5で平滑し、インバータ入力電圧としてインバータ回路6に入力する。

0047

また、この平滑された直流電圧は抵抗10,11で分圧し、制御信号a4として電動機駆動制御回路9に入力する。この場合、インバータ回路6に入力される直流電圧の電圧検知は上記の抵抗10,11の分圧で行わず、降圧PAM回路を構成する降圧コンバータ回路4のパワーデバイス17のデューティ比に基づいて行うことができ、この場合は上記抵抗10,11を省略することができる。

0048

電動機駆動制御回路9に回転数指令値a6として入力される電動機8の回転数が、予め定めた所定の値より低い場合は、リレー20を開成状態にして降圧コンバータ回路4を動作状態に設定し、同時にリレー16を開成状態にする。そして電動機8の回転数が著しく低い場合は、リレー15を開成して半波整流回路を形成し、電動機8の回転数が著しく低くない場合はリレー15を閉成して全波整流回路を形成する。

0049

そして、上記の半波あるいは全波整流回路で整流された直流電圧は、上記降圧コンバータ回路4で降圧PAM制御され、平滑回路5で平滑されて、電動機8を所定の回転数で回転させるに必要な直流電圧をインバータ回路6に入力する。この場合、電動機8の回転数指令値a6に基づく制御信号a2が電動機駆動制御回路9より導出され、この制御信号a2によりパワーデバイス17のONデューティが制御される。その結果、平滑回路5より電動機8が所定の回転数で回転するに必要な直流電圧をインバータ回路6に供給することができる。

0050

電動機駆動制御回路9に回転数指令値a6として入力される電動機8の回転数が、予め定めた所定の値より高い場合は、リレー20を閉成して、降圧コンバータ回路4を短絡し、リレー15,16を閉成して倍電圧整流回路を形成する。そして、電動機駆動制御回路9より回転数指令値a6に応じた制御信号a3を導出し、この制御信号a3で電動機8を所定の回転数で回転させるに必要なPWM制御された一定レベルの電圧をインバータ回路6に供給し、該インバータ回路6より電動機8に対して回転数に対応した電圧を与え、該電動機8を所定の回転数で回転させる。

0051

電動機8の回転数と効率の関係は、上述するように図4乃至図6に示すようなものになる。即ち、電動機の効率のみを考えると図4に示すように電動機の出力が同一の場合、例えば電動機を空気調和機に用いたときの空気調和機の冷凍能力同一特性の場合、PWM制御よりPAM制御の方が高い効率が得られる。

0052

しかしながら、PAM制御には、図1乃至図3および図8図9に示すような、昇圧PAM方式、昇降圧PAM方式、降圧PAM方式のようにパワーデバイス17を用いた、いわゆるアクティブフィルター方式とトライアック13を用いた電圧制御方式があり、いずれも回路損失が発生する。アクティブフィルター方式での回路損失をPAM制御とPWM制御で比較すると、図5に示すようになり、回路効率はPWM制御の場合の方が高い。

0053

従って、上記図4図5に示す電動機の効率と回路効率を考慮した電動機駆動装置の総合効率は、図6に示すように、電動機8が所定の回転数Noより低い低回転数領域では、PAM制御の方がPWM制御の場合よりも高くなり、上記所定の回転数Noより高い高回転数領域ではPWM制御の方がPAM制御の場合よりも総合効率が高くなる。この場合の上記所定の回転数は、使用する直流電動機の特性や回路特性に依存し、必ずしも一定値ではない。

0054

従って、図1乃至図3に示す上記の実施形態において、降圧PAM制御とPWM制御との切り換えを行う電動機の回転数は、図6に示すPAM制御とPWM制御の総合効率のクロスする回転数Noに設定すればよい。この場合におけるインバータ回路6の入力電圧と出力電圧の関係は図7に示すようになる。電動機の回転数Nと印加電圧Vの関係は、V/N=一定となる比例関係にあるので、点線で示すようにインバータ回路からの出力電圧の上昇に伴い電動機の回転数は上昇する。

0055

インバータ回路6への入力電圧は電動機8が、予め定めた所定の回転数No以下では、降圧PAM制御を行わせるので、電動機の回転数に比例した値の直流電圧となり、電動機が上記の所定の回転数No以上では、PWM制御を行わせるので、高い値の一定電圧となり、電動機の回転数に応じてパルス幅変調された電圧になる。

0056

図8は、PAM制御、PWM制御と倍電圧整流、半波整流、全波整流の切り換え動作を説明するフローチャートであり、図9は、上記図8に示すフローチャートの各状態における電動機8の回転数と上記インバータ回路6より出力する直流電圧の関係を示す図である。

0057

図8に示すフローチャートにおいて、ステップS1で電動機8の回転数が上昇中か下降中かを判断し、上昇中であればステップS2に進み、PAM制御が行われているか、PWM制御が行われているかを判断する。PWM制御中であれば、ステップS3に進み、リレーの切り換えは行わず、PWM制御のままで回転数指令値a6で与えられる回転数まで直流電動機8の回転数を上昇させる。

0058

上記ステップS2でPAM制御中であると判断されると、ステップS4に進み、全波整流であるか半波整流であるかを判断し、全波整流であるとステップS5に進み、半波整流であるとステップS6に進む。上記ステップS5では、その時のインバータ回路6より出力される直流電圧の値が図9に示すDより高いか低いかを判断し、高いときはステップS7で、図2および図3に示す回路のリレー14,16をOFFよりONに切り換えて、全リレー14,15,16をON状態にした倍電圧整流にし、リレー20をOFFするとともにPAM制御からPWM制御に切り換える。上記ステップS5で、インバータ回路6より出力される直流電圧がDより高くない場合はステップS8で全リレー14,15,16の切り換えは行わず、リレー15をON、リレー14,16をOFFにした全波整流を維持させる。

0059

ステップS6では、インバータ回路6より出力される直流電圧が図9に示すBより高いか否かを判断し、Bより高い場合はステップS9に進み、リレー15をONに切り換えて、リレー14,15,16をそれぞれOFF、ON、OFFに設定し、半波整流より全波整流に切り換える。ステップS6でインバータ回路6の出力直流電圧がBより高くない場合は、リレー14,15,16を全てOFFの状態に維持させ、半波整流の状態に保持する。

0060

一方、上記ステップS1で直流電動機8の回転数が下降中であると判断されるとステップS11に進み、PAM制御中か、PWM制御中かの判断を行う。PAM制御中であればステップS12へ、また、PWM制御中であればステップS13に進む。上記ステップS13では、PWM制御中における、インバータ回路6からの出力直流電圧が図9に示すCより高いか否かを判断する。

0061

高い場合はステップS17に進み、全リレー14,15,16をON状態に維持して倍電圧整流状態を保持し、低い場合はステップS18に進み、リレー14と16をONよりOFFに切り換え、リレー14,15,16をそれぞれOFF、ON、OFFの状態にして倍電圧整流より全波整流に切り換える。この時、リレー20をOFFからONに切り換えPWM制御からPAM制御に切り換える。

0062

ステップS12ではPAM制御が全波整流で行われているか、半波整流で行われているかを判断し、全波整流が行われている場合は、ステップS14でインバータ回路6からの出力直流電圧が図9に示すAより低いか否かを判断し、低い場合は、ステップS15に進み、リレー15をONよりOFFに切り換えて、全リレー14,15,16をOFF状態にした半波整流にする。また上記ステップS12で半波整流であると判断した場合及びステップS14でインバータ回路6からの出力直流電圧が図9に示すAより低くない場合はステップS16に進み、リレー14,15,16の切り換えは行わない。

0063

ここで、整流方式の切り換えにはヒステリシス特性を持たせる必要があり、そのしきい値の関係は図8図9に示すようにA<B<C<Dとなる。また、PWM制御から全波PAM制御への切り換えはPWM制御のデューティ比に閾値を設け切り換えるようにしてもよい。

0064

上記の制御を行う電動機駆動装置を空気調和機の圧縮機用の電動機駆動装置として用いることにより、空気調和機の省エネルギー化を図ることができる。また、上述する電動機駆動装置を空気調和機に使う場合、半波整流、全波整流、倍電圧整流の切り換えは、一度圧縮機を停止してから行うようにしてもよい。その際、電動機駆動制御回路9に入力される電動機回転数指令値a6に応じて圧縮機起動時にいずれの整流方式にするかを決定する。

発明の効果

0065

本発明は以上のように、電動機駆動回路の効率を電動機自体の効率だけでなく、回路損失も加味した総合効率でとらえ、この総合効率が高くなるように電動機の回転に応じて、PAM制御とPWM制御を選択するので、回転数の広い範囲で高効率の制御を行わせることができ、電動機駆動装置およびこれを用いた空気調和機の省エネルギー化を図ることができる。また、電動機の低回転数領域のみで降圧PAM制御を行うようにしているので、降圧PAM制御回路を構成するパワーデバイス、チョークコイル等の容量を抑えることができ、回路の低コスト化を図ることができる。

図面の簡単な説明

0066

図1本発明の一実施形態の概要を示す構成図である。
図2本発明の他の実施形態の回路構成図である。
図3本発明の更に他の実施形態の回路構成図である。
図4本発明の動作説明に用いる電動機の特性図である。
図5本発明の動作説明に用いる電動機駆動回路の特性図である。
図6本発明の動作説明に用いる電動機駆動装置の総合特性図である。
図7本発明の動作説明図である。
図8本発明の制御回路の切り換え動作を示すフローチャートである。
図9本発明の動作説明図である。
図10従来例の構成図である。
図11従来例の構成図である。
図12従来例の動作説明図である。

--

0067

1交流電源
2電圧制御回路
3整流回路
4降圧コンバータ回路
5平滑回路
6インバータ回路
7ロータ位置検出回路
8電動機
9電動機駆動制御回路
12リアクトル
13トライアック
14,15,16,20リレー
17パワーデバイス
18高速リカバリーダイオード
19チョークコイル
a1,a2,a3,a4制御信号
a5ロータ位置検出信号
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