(57)【要約】  【課題】装置の小型化のために容量が極めて小さいコンデンサにし、モータの回生エネルギーの過電圧による各駆動素子の破壊を防止することができるモータ駆動用インバータ制御装置を提供する。  【解決手段】単相交流電源１と、整流回路２と、インバータ４と、モータ５と、直流母線間に接続される極めて小容量のコンデンサ３と、負荷６を備えたことにより、回生エネルギーが発生したときに負６荷により回生エネルギーが消費され、過電圧を防止し、各駆動素子の破壊を防ぐこととなる。【選択図】図１
2006006085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相交流電源と、前記単相交流電源から得られる交流を直流に整流する整流回路と、前記整流回路より得られる直流を交流に変換するインバータと、前記インバータから得られる交流を入力とするモータと、前記インバータの直流母線間に接続される極めて小容量のコンデンサと、前記コンデンサと並列に接続したエネルギーを消費する負荷を備えたことを特徴とするモータ駆動用インバータ制御装置。
【請求項２】
前記整流回路の出力を前記コンデンサで平滑した直流電圧が、実使用の範囲で、リプル含有率が９０％以上であることを特徴とする請求項１記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
【請求項３】
前記インバータの母線電圧間に並列に接続された前記負荷と直列に接続されたスイッチを備え、前記スイッチを動作させることで前記負荷に電流を流すことを制限できることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
【請求項４】
前記スイッチを電圧によりＯＮとＯＦＦを切り換えるスイッチとし、前記負荷と並列に第１の抵抗が接続され、前記第１の抵抗と直列に接続された第２の抵抗を備え、前記第１の抵抗と前記第２の抵抗の間と、前記スイッチの電圧を印加する状態によって前記スイッチのＯＮとＯＦＦの状態が変化する端子を接続することを特徴とした請求項３に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
【請求項５】
前記スイッチのＯＮとＯＦＦを切り換える制御回路を備えたことを特徴とする請求項３に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
【請求項６】
前記負荷を２つ以上複数並列に接続するとし、前記スイッチを各負荷独立に電流を制限できるよう前記負荷と同数のスイッチとした請求項３から５のいずれか一項に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は平滑用コンデンサ容量が極めて小さいモータ駆動用インバータ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、モータ駆動用インバータ制御装置を小型化するために、平滑コンデンサを大幅に小容量化する取り組みがなされている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
以下、図面を参照しながら上記従来のモータ駆動用のインバータ制御装置を説明する。図９は、従来の小容量コンデンサを用いたモータ駆動用インバータ制御装置のブロック図である。
【０００４】
図９に示すように、従来のモータ駆動用インバータ制御装置は、単相交流電源１が供給する電力を整流回路２の入力とし、整流回路２の出力を通常用いられる容量の１／１００程度の容量の小さい平滑用のコンデンサ１６の入力とするように接続されている。
【０００５】
インバータ４は逆向きのスイッチング素子を含む６個のスイッチング素子を３相ブリッジ接続しており、平滑コンデンサ１６と並列に接続されている。
【０００６】
インバータ４の出力を入力とするようモータ５は接続され、制御回路１７は単相交流電源１の電圧ｖ、直流部電流ｉｄｃ、インバータ４の出力電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃ、モータ５の回転位置情報θなどの情報を入力とするよう接続している。
【０００７】
制御回路１７は得られた情報の入力から、最適な駆動ができるようにインバータ４のゲートを駆動している。
【特許文献１】特開２００２−５１５８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来の構成は、モータ５の大きな回生エネルギーが発生した場合、平滑コンデンサ１６が小容量であるため、回生エネルギーを平滑コンデンサ１６が吸収する際に電圧が急激に上昇し、過電圧により各駆動素子を破壊してしまうという欠点があった。
【０００９】
本発明は従来の課題を解決するもので、平滑コンデンサを小容量化したときであっても、モータの回生エネルギーの過電圧による各駆動素子の破壊を防止することができるモータ駆動用のインバータ制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記従来の課題を解決するために、本発明のモータ駆動用インバータ制御装置は、負荷を母線電圧間にコンデンサと並列に接続したものである。
【００１１】
これにより、回生エネルギーが発生したとしても負荷により回生エネルギーが消費され、過電圧を防止し、各駆動素子の破壊を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のモータ駆動用インバータ制御装置は、平滑コンデンサを小容量化したときであっても、モータの回生エネルギーの過電圧による各駆動素子の破壊を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
請求項１に記載のモータ駆動用インバータ制御装置の発明は、単相交流電源と、前記単相交流電源から得られる交流を直流に整流する整流回路と、前記整流回路より得られる直流を交流に変換するインバータと、前記インバータから得られる交流を入力とするモータと、前記インバータの直流母線間に接続される極めて小容量のコンデンサと、前記コンデンサと並列に接続したエネルギーを消費する負荷を備えたものであり、回生エネルギーが発生したときに負荷により回生エネルギーが消費され、過電圧を防止し、各駆動素子の破壊を防ぐことができる。
【００１４】
請求項２に記載のモータ駆動用インバータ制御装置の発明は、請求項１に記載の発明における整流回路の出力をコンデンサで平滑した直流電圧が、実使用の範囲で、リプル含有率が９０％以上であるものであり、電圧がほぼ０Ｖまで降下するような小さな容量のコンデンサを使用し、非常に小型のモータ駆動用制御装置を実現できる。
【００１５】
請求項３に記載のモータ駆動用インバータ制御装置の発明は、請求項１または２に記載の発明において、インバータの母線電圧間に並列に接続された負荷と直列に接続されたスイッチを備え、前記スイッチを動作させることで前記負荷に電流を流すことを制限するものであり、回生エネルギーが発生したときのみ負荷によるエネルギーの消費が行えることとなり、回生エネルギーによる過電圧を防止し、かつ無駄なエネルギーの消費を防ぐことができる。
【００１６】
請求項４に記載のモータ駆動用インバータ制御装置の発明は、請求項３に記載の発明におけるスイッチを電圧によりＯＮとＯＦＦを切り換えるスイッチとし、負荷と並列に第１の抵抗が接続され、前記第１の抵抗と直列に接続された第２の抵抗を備え、前記第１の抵抗と前記第２の抵抗の間と、前記スイッチの電圧を印加する状態によって前記スイッチのＯＮとＯＦＦの状態が変化する端子を接続するものであり、回生エネルギーの発生による電圧の上昇によって、前記負荷で回生エネルギー消費を開始することとなり、回生エネルギーの発生に瞬時に反応し、回生エネルギーを消費することができる。
【００１７】
請求項５に記載のモータ駆動用インバータ制御装置の発明は、請求項３に記載の発明において、スイッチのＯＮとＯＦＦを切り換える制御回路を備えるものであり、制御回路の入力条件によりスイッチを操作し回生エネルギーの消費を制御することとなり、柔軟にエネルギーの消費を行うことができる。
【００１８】
請求項６に記載のモータ駆動用インバータ制御装置の発明は、請求項３から５に記載の発明における負荷を２つ以上複数並列に接続するとし、スイッチを各負荷独立に電流を制限できるよう前記負荷と同数のスイッチとしたものであり、回生エネルギーの消費する速度を変更することとなり、回生エネルギーの大きさに応じて消費する速度を変更することができる。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、従来例または先に説明した実施の形態と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態におけるモータ駆動用のインバータ制御装置のブロック図である。図２は、同実施の形態におけるコンデンサ３の電圧波形を示すタイミングチャートである。図３は、同実施の形態における負荷電流と瞬時最低電圧・リプル含有率を示す特性図である。図４は、同実施の形態における回生エネルギー発生時のコンデンサ３の電圧波形を示すタイミングチャートである。
【００２１】
図１において、単相交流電源１は単相交流１００Ｖであり回路が動作するための電力を供給している。整流回路２は単相交流電源１の交流を直流に変換する全波整流を行なっている。母線電圧間にコンデンサ３を設けることで、最大１４１Ｖ、最低０Ｖで脈動する電圧をある程度、平滑することができる。
【００２２】
コンデンサ３の容量が大きいほど脈動は小さくなり、コンデンサ３の容量が小さいほど脈動が大きくなる。装置の小型化という点から考えると、コンデンサ３の容量は小さいほうが好ましく、極めて小容量のものを用いる。
【００２３】
インバータ４は整流回路２より得られる直流電力を交流電力に変換し、モータ５への入力としている。負荷６はコンデンサ３と並列に接続され、エネルギーの消費を行う。負荷６には例えば、発光ダイオードなどがあり、コストの点から抵抗が望ましい。
【００２４】
以上のように構成された本実施の形態のモータ駆動用インバータ制御装置について、以下その動作を説明する。
【００２５】
まず、モータ５でごく僅かなエネルギーのみが消費されているとする。ここで、単相交流電源１を単相１００Ｖ、５０Ｈｚとしたので、コンデンサ３の両端の電圧が、図２のＡに示すように、１４１Ｖの平滑された電圧となり、平均電圧も１４１Ｖ、リプル電圧は０Ｖ、リプル含有率は０％である。なお、リプル電圧およびリプル含有率は（数１）と（数２）の通り定義するものとする。
【００２６】
【数１】
2006006085.tif 000003
【００２７】
【数２】
2006006085.tif 000004
次にモータ５の消費エネルギーを少し大きくしていくと、コンデンサ３の充電電荷が使われ、Ｂに示すように瞬時最低電圧が低下してくる。ただし、単相交流電源１の電圧から決まる瞬時最高電圧は１４１Ｖで変わらない。
【００２８】
Ｂに示す場合、瞬時最低電圧は４０Ｖであるので、平均電圧が約１１２Ｖであり、リプル電圧は１０１Ｖ、リプエネルギーは９０％となる。
【００２９】
更にモータ５の消費エネルギーを大きくしていくと、コンデンサ３にはほとんど充電電荷が蓄えられず、Ｃに示すように瞬時最低電圧がほとんど０Ｖまで低下してくる。ただし、単相交流電源１の電圧から決まる瞬時最高電圧は１４１Ｖで変わらない。
【００３０】
Ｃに示す場合、瞬時最低電圧は０Ｖであるので、平均電圧が約１００Ｖであり、リプル電圧は１４１Ｖ、リプル含有率は１４１％となる。
【００３１】
このようにコンデンサ３が小容量の場合、負荷電流を取り出すと、ほとんど平滑されず入力の単相交流電源１を全波整流した波形となる。
【００３２】
次に、負荷電流と瞬時最低電圧、リプル含有率との関係について、図３を用いてさらに詳しく説明する。
【００３３】
図３において、横軸は負荷電流であり、縦軸は瞬時最低電圧とリプル含有率を示す。また、実線は瞬時最低電圧の特性を、破線はリプル含有率の特性をそれぞれ示す。
【００３４】
図２において説明を行ったＡに示す電流波形の時はモータ５への入力電流は０Ａであり、瞬時最低電圧１４１Ｖ、リプル含有率０％である。またＢに示す電流波形の時は負荷電流０．２５Ａであり、瞬時最低電圧４０Ｖ、リプル含有率９０％である。
【００３５】
またＣに示す電流波形の時はモータ５への入力電流が０．３５Ａであり、瞬時最低電圧０Ｖ、リプル含有率１４１％である。モータ５への入力電流が０．３５Ａ以上の電流においては瞬時最低電圧、リプル含有率ともに変化はしない。
【００３６】
本実施の形態のモータ駆動用インバータ制御装置においては、実使用範囲はモータ５への入力電流は０．２５Ａ以上１．３Ａ以下であるものとする。実使用範囲において、コンデンサ３は、リプル含有率は常に９０％以上であるような小容量のコンデンサを選定している。
【００３７】
今ここで、使用しているコンデンサ３の耐電圧を４５０Ｖとする。ここで、回生が発生したとすると、従来のように負荷６を接続していない場合は、図４の従来の電圧波形aに示すように、電圧が急激に上昇して、耐電圧である４５０Ｖを超え過電圧となる。
【００３８】
一方、本実施の形態では、負荷６をコンデンサ３と並列に接続しているため、回生エネルギーを負荷６が消費し、図４の負荷６を接続したときの波形ｂに示すように回生エネルギーによる電圧の上昇が耐電圧以下となる。
【００３９】
以上のように、本実施の形態においては単相交流電源１と、単相交流電源１から得られる交流を直流に整流する整流回路２と、整流回路２より得られる直流を交流に変換するインバータ４と、インバータ４から得られる交流を入力とするモータ５と、インバータ４の直流母線間に接続される極めて小容量のコンデンサ３と、コンデンサ３と並列に接続したエネルギーを消費する負荷６を備えたことにより、回生エネルギーが発生したときに負荷６により回生エネルギーが消費され、過電圧を防止し、各駆動素子の破壊を防ぐことができる。
【００４０】
また、本実施の形態ではコンデンサ３で平滑した直流電圧が実使用の範囲で、リプル含有率が９０％以上であるとしたので、小さなコンデンサ３を使用でき非常に小型のモータ駆動用制御装置を実現できる。
【００４１】
（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態におけるモータ駆動用のインバータ制御装置のブロック図である。
【００４２】
図５において、スイッチ７は負荷６と直列に接続され、スイッチ７が動作することにより、負荷６に流れる電流を制限することができるものである。
【００４３】
本実施の形態は、実施の形態１によるモータ駆動用インバータ制御装置にスイッチ７を設けたものである。
【００４４】
以上のように構成されたモータ駆動用インバータ制御装置について、以下その動作を説明する。
【００４５】
まず、回生エネルギーが発生していない状態では、スイッチ７をＯＦＦにし、負荷６に電流を流さないようにする。これにより、モータを駆動しているときには、負荷６によるエネルギー消費はなく、無駄なエネルギー消費を省くことができる。
【００４６】
ここで、回生エネルギーが発生したとするとスイッチ７をＯＮし、負荷６でのエネルギーの消費を開始し、回生エネルギーによる過電圧を防ぐことができる。
【００４７】
以上のように、本実施の形態においては負荷６と直列に接続されたスイッチ７を備え、スイッチ７を動作させることで負荷６に流す電流を制限できるとしたので、回生エネルギーが発生したときのみ負荷６によるエネルギーの消費が行えることとなり、回生エネルギーによる過電圧を防止し、かつ無駄なエネルギーの消費を防ぐことができる。
【００４８】
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３のモータ駆動用のインバータ制御装置のブロック図である。
【００４９】
図６において、第１の抵抗８と第２の抵抗９は直列に接続され、インバータ４の母線電圧間を接続している。第１の抵抗８が１．４１３ＭΩで第２の抵抗９は７ＫΩである。負荷６と直列に接続されたスイッチング素子１０は電圧を印加することでスイッチをＯＮする端子を持つものであり、第１の抵抗８と第２の抵抗９の間の点と、スイッチング素子１０の電圧を印加する状態によってスイッチング素子１０のＯＮとＯＦＦの状態が変化する端子を接続している。スイッチング素子１０は０．７Ｖの電圧を印加することでスイッチをＯＮにする。
【００５０】
本実施の形態は、実施の形態２によるモータ駆動用インバータ制御装置に第１の抵抗８と第２の抵抗９を設け、スイッチ７を電圧により動作するスイッチング素子１０としたものである。
【００５１】
以上のように構成された、モータ駆動用インバータ制御装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００５２】
まず、モータ５がインバータ４により駆動しているとする。ここで、単相交流電源１を単相１００Ｖ、５０Ｈｚとしたので、最大電圧は１４１Ｖとなる。
【００５３】
ここで、回生エネルギーが発生して、母線電圧が１４２Ｖになったとすると、第１の抵抗８にかかる電圧が１４１．３Ｖで第２の抵抗９が０．７Ｖとなる。このとき、スイッチング素子１０に印加される電圧は０．７Ｖとなり、母線電圧が１４２Ｖになった瞬間に負荷６に電流を流し、回生エネルギーをすばやく消費する。エネルギーを消費するのは母線電圧が１４２Ｖを越えている間だけで、１４１Ｖに戻ると、負荷６によるエネルギーの消費は停止する。
【００５４】
以上のように、本実施の形態においては、スイッチを電圧によりＯＮとＯＦＦを切り換えるスイッチング素子１０とし、負荷６と並列に第１の抵抗８が接続され、第１の抵抗８と直列に接続された第２の抵抗９を備え、第１の抵抗８と第２の抵抗９の間とスイッチング素子１０の電圧を印加する状態によってスイッチング素子１０のＯＮとＯＦＦの状態が変化する端子を接続することにより、回生エネルギーの発生による電圧の上昇によって、負荷６で回生エネルギー消費を開始することとなり、回生エネルギーの発生に瞬時に反応し、回生エネルギーを消費することができる。
【００５５】
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４におけるモータ駆動用のインバータ制御装置のブロック図である。
【００５６】
図７において、制御回路１１はモータ駆動用のインバータ制御装置に流れる電流、電圧、モータの位置などを検出しており、スイッチング素子１０の電圧によりＯＮとＯＦＦを切り換える端子に５Ｖの電圧を印加することができるよう接続されている。
【００５７】
本実施の形態は、実施の形態２によるモータ駆動用インバータ制御装置に制御回路１１を設け、スイッチ７をスイッチング素子１０としたものである。
【００５８】
以上のように構成された、モータ駆動用インバータ制御装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００５９】
まず、モータ５がインバータ４により駆動しているとする。このとき、制御回路１１がモータの位置情報、回路に流れる電流、母線の電圧から、あらかじめモータが停止し、回生エネルギーが発生するのを予測し、スイッチング素子１０に電圧を印加し、負荷６に電流をながしエネルギーの消費を開始する。
【００６０】
これにより、回生エネルギーの発生に対して、スイッチング素子１０のＯＮの遅延を気にする必要がなくなる。また、スイッチング素子１０のＯＮとＯＦＦを制御回路１１が短時間で切り換えることで消費エネルギー量を細かく制御できる。
【００６１】
以上のように、スイッチング素子１０のＯＮとＯＦＦを切り換える制御回路１１を設けたことにより、制御回路１１への入力条件によりスイッチを操作し回生エネルギーの消費を制御することとなり、柔軟にエネルギーの消費を行うことができる。
【００６２】
また、本実施の形態の制御回路１１をインバータ４の駆動用制御回路と共用することにより、回生エネルギーによる過電圧を防ぐ、より安価なモータ駆動用インバータ制御装置を提供することが可能となる。
【００６３】
（実施の形態５）
図８は、本発明の実施の形態５におけるモータ駆動用のインバータ制御装置のブロック図である。
【００６４】
図８において、第１の負荷１２と第１のスイッチ１３を直列に接続し、母線電圧間にコンデンサ３と並列に接続している。さらに、第１の負荷１２よりも大きな負荷の第２の負荷１４と第２のスイッチ１５を直列に接続し、母線電圧間にコンデンサ３と並列に接続している。
【００６５】
本実施の形態は、実施の形態２によるモータ駆動用インバータ制御装置の負荷６を第１の負荷１２とし、スイッチ７を第１のスイッチ１３とし、第２の負荷１４と第２のスイッチ１５を設けたものである。
【００６６】
以上のように構成された、モータ駆動用インバータ制御装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００６７】
まず、モータ５がインバータ４により駆動しているとする。このとき、第１のスイッチ１３と第２のスイッチ１５をＯＦＦにし、第１の負荷１２と第２の負荷１４に電流を流さない。
【００６８】
ここで、回生エネルギーが発生したとすると、第１のスイッチ１３をＯＮし第１の負荷１２に電流を流し、回生エネルギーを消費する。回生エネルギーが大きく、第１の負荷１２のエネルギー消費のみでは耐電圧を超えてしまう場合、第２のスイッチ１５をＯＮし、第２の負荷１４に電流を流し、回生エネルギーの消費速度を上げ、過電圧を防ぐこととなる。
【００６９】
以上のように、本実施の形態においては第１の負荷１２と第２の負荷１４の２つの負荷を並列に接続し、直列に接続し、第１の負荷１２と第２の負荷１４に流れる電流を独立に制限できるよう第１のスイッチ１３と第２のスイッチ１５の２つのスイッチを設けたことにより、回生エネルギーの消費する速度を変更することとなり、回生エネルギーの大きさに応じて消費する速度を変更することができる。
【００７０】
さらに、大きな回生エネルギーであっても、耐電圧以下に抑えることができるほど十分大きな負荷を１つ設けることに比べ、一組のスイッチと負荷に流れる電流を小さくすることができ、安価なスイッチを用いることができることとなり、スイッチ１つよりも安価な回路を構成することができ、安価なモータ駆動用インバータ制御装置を提供することができる。
【００７１】
さらに、小さな回生エネルギーしか発生しない装置であっても、第２の負荷１４と第２のスイッチ１５を大きな回生エネルギーを対象とした回路の基板から取り除くだけでよいため、１種類の基板で様々な装置に対応可能となり、安価なモータ駆動用インバータ制御装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
以上のように、本発明にかかるモータ駆動用インバータ制御装置は、非常に小容量の平滑用コンデンサであっても、回生エネルギーを消費する負荷を設けたので過電圧を防ぐ小型の装置を実現できるので、掃除機、洗濯機、冷蔵庫のモータ等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施の形態１におけるモータ駆動用のインバータ制御装置のブロック図
【図２】同実施の形態の平滑用コンデンサの電圧波形を示すタイミングチャート
【図３】同実施の形態の負荷電流と瞬時最低電圧・リプル含有率を示す特性図
【図４】同実施の形態の回生エネルギー発生時の平滑用コンデンサの電圧波形を示すタイミングチャート
【図５】本発明の実施の形態２におけるモータ駆動用のインバータ制御装置のブロック図
【図６】本発明の実施の形態３におけるモータ駆動用のインバータ制御装置のブロック図
【図７】本発明の実施の形態４におけるモータ駆動用のインバータ制御装置のブロック図
【図８】本発明の実施の形態５におけるモータ駆動用のインバータ制御装置のブロック図
【図９】従来のモータ駆動用インバータのブロック図
【符号の説明】
【００７４】
１    単相交流電源
２    整流回路
３    コンデンサ
４    インバータ
５    モータ
６    負荷
７    スイッチ
８    第１の抵抗
９    第２の抵抗
１０  スイッチング素子
１１  制御回路
１２  第１の負荷
１３  第１のスイッチ
１４  第２の負荷
１５  第２のスイッチ
【図１】
2006006085.tif 000005
【図２】
2006006085.tif 000006
【図３】
2006006085.tif 000007
【図４】
2006006085.tif 000008
【図５】
2006006085.tif 000009
【図６】
2006006085.tif 000010
【図７】
2006006085.tif 000011
【図８】
2006006085.tif 000012
【図９】
2006006085.tif 000013