(57)【要約】【課題】単相交流電源で機械的な整流子を有しないモータを任意の速度で可変速駆動できるようにする。【解決手段】単相電源の電流波形が電圧と同期した相似形になるように、三相誘導モータへの印加電圧と印加周波数を、単相電源電圧が印加電圧よりも大きい場合には印加電圧を調整し、単相電源電圧が印加電圧よりも小さい場合には印加周波数を調整することによって、三相誘導モータから常に回転トルクを発生する。【選択図】  図１
2004248395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング動作により単相交流電源を疑似三相交流に変換してモータを駆動する電力変換手段と、単相交流電源の電圧及び電流を検出する手段と、検出した電圧と電流にもとづいて前記電力変換手段を制御する制御手段より構成され、前記制御手段は前記単相交流電源の電流が前記交流電源の電圧と同期した略相似形になるように前記疑似三相交流の周波数と電圧を操作制御するモータ駆動装置であって、前記電力変換手段の出力電圧が、出力可能な最大電圧を下回っているときには、前記疑似三相交流の出力電圧を第一の制御モードで操作制御し、前記電力変換手段の出力電圧が出力可能な電圧の最大値になっているときには、前記疑似三相交流の周波数を第二の制御モードで制御し、前記第二の制御モードにおける制御周波数が前記第一の制御モードでの周波数を上回らない周波数になるときには、前記第一の制御モードに切り替えることを特徴とするモータ駆動装置。
【請求項２】
単相交流電源を整流し、三相ブリッジ回路のスイッチング動作により疑似三相交流に変換してモータを駆動する電力変換手段と、整流後の前記電圧及び前記三相ブリッジ回路への電流を検出する手段と、検出した電圧と電流にもとづいて前記電力変換手段を制御する制御手段より構成され、前記制御手段は検出した前記電流が整流後の前記電圧と同期した略相似形になるように前記疑似三相交流の周波数と電圧を操作制御するモータ駆動装置であって、前記疑似三相交流への電力変換手段の出力電圧が、出力可能な最大電圧を下回っているときには、前記疑似三相交流の出力電圧を第一の制御モードで制御し、前記電力変換手段の出力電圧が出力可能な電圧の最大値になっているときには、前記疑似三相交流の周波数を第二の制御モードで制御し、前記第二の制御モードにおける、制御周波数が前記第一の制御モードでの周波数を上回らない周波数になるときには、前記第一の制御モードに切り替えることを特徴とするモータ駆動装置。
【請求項３】
スイッチング動作するスイッチが２つのＩＧＢＴの組合わせによりなることを特徴とする、請求項１記載のモータ駆動装置。
【請求項４】
スイッチング動作するスイッチが１つのＩＧＢＴと４つのダイオードの組合わせによりなることを特徴とする、請求項１記載のモータ駆動装置。
【請求項５】
スイッチング動作するスイッチが２つのＩＧＢＴと２つのダイオードの組合わせによりなることを特徴とする、請求項１記載のモータ駆動装置。
【請求項６】
三相ブリッジ回路への電流検出手段の検出値が所定値を超えた場合にはモータ駆動を停止することを特徴とする、請求項２記載のモータ駆動装置。
【請求項７】
整流回路と三相ブリッジ回路との間に抵抗を挿入し、前記抵抗の両端の電圧をもって電流を検出することを特徴とする、請求項６記載のモータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭で一般に用いられる単相交流電源でモータを駆動する各種機器において、効率よく、静粛に可変速駆動を行うものであり、かつ、駆動回路を小型にて実現しうるものであり、掃除機、空気清浄器、除湿機などの可搬型の機器に適用した場合、特に大きな効果を発揮する、モータ駆動技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、家庭用の電源、すなわち単相の交流電源を用いて、モータを駆動する方法としては、誘導モータに始動用さらには進相の目的でコンデンサをつけて、駆動する方法や、単相交流のまま駆動できる整流子モータを用いる方法や、交流を一旦整流して平滑した後、インバータ回路を用いて別の周波数に変換してから誘導モータや同期モータを駆動する方法が用いられてきた。
【０００３】
図７は、誘導モータ７２に始動及び進相用のコンデンサ８６を追加して駆動する方法の構成を示したものである。誘導モータ７２は主巻線と補助巻線とで構成され、補助巻線は始動及び進相用のコンデンサ８６を経由して単相電源１に接続されている。なお、このモータの回転速度を変えるには、巻線パラメータが変わるタップを設けて接続を切り替えることによって実現する。
【０００４】
コンデンサ８６の容量を変更することにより誘導モータ７２のトルク−回転数特性が変化することにより、すべり量が変化して回転数を調整することが可能である。さらに、大きな回転数の変更には、モータ７２の極対数を、たとえば、２極、４極と変更することができる巻線仕様とすることで、例えば６０Ｈｚの電源であれば、３６００ｒｐｍ近傍、１８００ｒｐｍ近傍の回転数を実現することができる（例えば、特許文献１参照）。
図８は、整流子モータ８２を可変速駆動するための回路構成である。交流電源１とモータ８２の間にトライアック８４などの交流スイッチを配置し、整流子モータ８２へ印加される交流電圧の実効値を制御することにより、整流子モータ８２を可変速駆動する。
印加電圧を調整することにより、電源周波数に制約されない高速回転可能なモータを設計することが可能である（例えば、特許文献２参照）。
図９は、インバータでモータを駆動する回路図である、交流電源１は、整流回路３、平滑コンデンサ１６を経て、略直流電源に変換され、三相ブリッジ回路１０４で任意の周波数の疑似三相交流電源に変換されて、三相モータ２を駆動する。交流電源と整流回路との間に挿入されているコイル１８は、電源力率および電源高調波特性を改善するためのものである。
モータ２は三相の誘導モータを使用することができるので、モータ駆動の電源周期による逆トルクは発生しないし、回転子に接触部分もないので、モータ２そのものは高効率でしかも可変速駆動できる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０９−３１２９４５号公報
【特許文献２】
特開平０５−０３１０５９号公報
【非特許文献１】
長竹  和夫  編著、「家電用  モータ・インバータ技術」
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の方法ではそれぞれ以下のような課題を有している。まず、図７に示した始動および進相用コンデンサを用いる方法では、極対数は２よりも小さい値がないので、電源周波数を超える回転数、例えば６０Ｈｚ電源であれば３６００ｒｐｍ以上の回転数を実現することは不可能である。また、回転数を連続的に幅広く変化させることも困難である。また、誘導モータは力率が１にはできないので、単相電源の場合、駆動電源の１周期のうちのある期間は必ず逆のトルクを発生してしまうので、三相モータに比べて振動が大きいという課題もある。
次に、図８に示した交流スイッチを用いる場合では、整流子モータは回転子のコイルへの電力供給が必要で、ブラシによる接触給電を行っている。この給電を安定に行うためには、接触力が必要であり、このため、モータの機械損失が増加してしまう。また、ブラシの接触部分の接点の安定性のために、化学的に安定している材料を使用する必要もあり、さらには、ブラシと整流子との間で通電が切り替わるため、切換時の電気ノイズの発生を抑える必要もあるなど、接触および接触の切換にまつわって注意すべき点が多くがある。また、整流子モータ８２もコイルのインダクタンスがあるので、電圧と電流との間には位相ずれがあり、単相の場合には、駆動電源周期の一定期間には逆トルクを発生してしまう期間が存在し、三相モータに比べて振動が大きいという課題もある。
【０００７】
そして、図９に示した、インバータを用いる場合では、単相交流電源１に対して、整流した脈流電圧を平滑する必要があり、これには大型のコンデンサ１６を必要とする。さらに、コンデンサ１６で平滑する整流回路部分３は、単相電源１に対しては、交流入力電圧が高いときだけ電流が流れるため、電源電流が断続的になり、電源力率も低く、電源高調波電流を多く発生していた。
【０００８】
これを改善するために、整流回路のコンデンサ１６の手前もしくはダイオード３の手前に大型のリアクトルコイル１８を配置して電源電流を平滑させる方法や、整流回路自体を制御可能な半導体デバイスを用いて構成して、電源力率が１、すなわち電源電流が電圧と同じ位相の正弦波状になるように制御する方法が用いられている。ただし、この場合でも、平滑コンデンサ１６やリアクトルコイル１８は必要であり、これらを含めた回路を、小型化するのは困難であった。
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、リアクトルコイルや平滑コンデンサなどの電力蓄積素子を必要としないで、単相電源から、任意の速度で、回転子への接触による給電をすることなく、モータを可変速駆動するモータ駆動装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、スイッチング動作により単相交流電源を疑似三相交流に変換してモータを駆動する電力変換手段と、単相交流電源の電圧及び電流を検出する手段と、検出した電圧と電流にもとづいて前記電力変換手段を制御する制御手段より構成され、前記制御手段は前記単相交流電源の電流が前記交流電源の電圧と同期した略相似形になるように前記疑似三相交流の周波数と電圧を操作制御するモータ駆動装置であって、前記電力変換手段の出力電圧が、出力可能な最大電圧を下回っているときには、前記疑似三相交流の出力電圧を第一の制御モードで操作制御し、前記電力変換手段の出力電圧が出力可能な電圧の最大値になっているときには、前記疑似三相交流の周波数を第二の制御モードで制御し、前記第二の制御モードにおける制御周波数が前記第一の制御モードでの周波数を上回らない周波数になるときには、前記第一の制御モードに切り替えるものである。
【００１０】
また本発明は、単相交流電源を整流し、三相ブリッジ回路のスイッチング動作により疑似三相交流に変換してモータを駆動する電力変換手段と、整流後の前記電圧及び前記三相ブリッジ回路への電流を検出する手段と、検出した電圧と電流にもとづいて前記電力変換手段を制御する制御手段より構成され、前記制御手段は検出した前記電流が整流後の前記電圧と同期した略相似形になるように前記疑似三相交流の周波数と電圧を操作制御するモータ駆動装置であって、前記疑似三相交流への電力変換手段の出力電圧が、出力可能な最大電圧を下回っているときには、前記疑似三相交流の出力電圧を第一の制御モードで制御し、前記電力変換手段の出力電圧が出力可能な電圧の最大値になっているときには、前記疑似三相交流の周波数を第二の制御モードで制御し、前記第二の制御モードにおける、制御周波数が前記第一の制御モードでの周波数を上回らない周波数になるときには、前記第一の制御モードに切り替えるものである。
上記の構成により、電源電流が交流電圧と同期した相似形になる制御によって、電源力率が高くなり、また電源電圧が低い期間には、モータ駆動周波数を上げることにより、誘導モータの励磁電流よりもトルク電流が多い状態を発生せしめ、回転数が高いにもかかわらず回生ブレーキを発生しない状態となり、単相交流電力のエネルギーを蓄積することなく、誘導モータを可変速駆動できる駆動装置が得られる。
また本発明は、スイッチング動作するスイッチが２つのＩＧＢＴの組合わせによりなるものである。
また本発明は、スイッチング動作するスイッチが１つのＩＧＢＴと４つのダイオードの組合わせによりなるものである。
また本発明は、スイッチング動作するスイッチが２つのＩＧＢＴと２つのダイオードの組合わせによりなるものである。
また本発明は、三相ブリッジ回路への電流検出手段の検出値が所定値を超えた場合にはモータ駆動を停止するものである。
また本発明は、整流回路と三相ブリッジ回路との間に抵抗を挿入し、前記抵抗の両端の電圧をもって電流を検出するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
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。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の全体構成を示す図である。図１において、単相電源１からの電力は、双方向のスイッチングデバイス８の三相ブリッジ回路により構成される疑似三相電力変換回路４を経て、三相誘導モータ２に接続されている。疑似三相電力変換回路４の制御は、単相電源１の入力電圧「Ｖａｃ」、入力電流「Ｉａｃ」と三相誘導モータ２への一次周波数指令「ω」を制御回路７に入力し、以下、図２および図３を用いて説明する演算を行って、疑似三相電力変換回路４を操作制御する。
【００１３】
図２は制御回路７における、制御情報の流れを示すブロック回路図である。単相電源１の電圧「Ｖａｃ」の情報は、係数変換手段２０、および比較手段３１、および三相変換出力手段１４へと送られる。係数変換手段２０では、係数
を乗算することにより、振幅が１に正規化された正弦波情報になる。
【００１４】
得られた正弦波情報は乗算手段２１へ送られ、検出された電源電流「Ｉａｃ」をもとに、平均化された電流振幅値を平均化手段２２にて得られた電流の平均値と乗算する。
【００１５】
乗算手段２１の出力は、電流指令値として比較手段２３に送られ、瞬時電流値「Ｉａｃ」と比較され、電流誤差情報を得る。電流誤差情報は、モータ用電圧Ｖｍの補償演算手段２４およびモータ用周波数ωの補償演算手段２５に送られる。モータ用電圧Ｖｍの補償演算手段２４では、モータ印加電圧Ｖｍの操作制御が安定に行われるための、ＰＩＤ制御などの補償演算が行われる。演算結果は加算手段３０に送られモータの一次周波数指令ω１から予め決められた電圧への変換手段２６を経由して得られた電圧と加算される。加算手段３０の出力はモータへの印加電圧Ｖｍとして三相変換出力手段１４へと入力される。
【００１６】
また、モータ用周波数ωの補償演算手段２５では、モータへの印加周波数ωの操作制御が安定に行われるための、ＰＩＤ制御などの補償演算が行われる。演算結果はスイッチ手段２７および比較手段２８へと送られる。スイッチ手段２７では、前述の比較手段３１の比較結果が正、すなわち、演算によるモータ用の印加電圧Ｖｍが実際の電源電圧Ｖａｃよりも大きいときに、スイッチがモータ用周波数ωの補償演算手段の出力側に切り替わり、三相変換出力手段１４へと送られる。また、モータ用周波数ωの補償演算手段２５の出力値と一次周波数指令ω１は比較手段２８へも送られている。比較手段２８の出力が正、すなわち、一次周波数指令ω１がモータ用周波数ωの補償演算手段２５の出力よりも大きいときには、スイッチ手段２７は一次周波数指令ω１側に切替わり、三相変換出力手段１４へと送られる。
【００１７】
三相変換出力手段１４では、モータへの印加電圧情報Ｖｍ、電源電圧値Ｖａｃ、周波数ωをもとに、互いに１２０度位相のずれた三相正弦波電圧をパルス幅変調によって発生し、モータ２を駆動する。
【００１８】
図４は図２の制御を実現したときの誘導モータ２の線間電圧波形の例である。破線は実現可能な線間電圧の最大値を示しており、この破線で挟まれた電圧を超えた出力を発生することはできない。可能な最大線間電圧が十分にあるときには、電圧の制御となり、可能な最大線間電圧が少ないときには、周波数の制御が実施され、モータの回転周波数よりも大幅に高い周波数が印加され、回生を回避して、モータからトルクを発生させることが可能になる。
【００１９】
そして図３は、本実施の形態において入力電圧Ｖａｃと入力電流Ｉａｃがともに正弦波で同相のとき、すなわち電源力率が１のときのモータの発生トルク波形を示すものである。モータ駆動装置への電源からの出力は電圧と電流の積である。一方、モータおよび駆動される負荷システムには慣性量があり、電源の周波数でのパワーの変動のモータ出力への影響はあまりない。つまり、モータの回転数はほぼ一定になっていると言える。モータの出力は回転数とトルクとの積であるので、発生するトルクの波形は、電圧と電流の積の波形、すなわち入力電力の波形と同じになる。そして、力率が１に制御できているので、トルクは常にプラス方向になっている。
【００２０】
また図５は、図１で示した疑似三相電力変換回路４を構成する、双方向のスイッチングデバイスのいくつかの構成例を示したものである。同図（ａ）は高い逆耐電圧を有するＩＧＢＴを逆方向に接続して構成するものである。また（ｂ）はダイオード４個とＩＧＢＴ１個で構成するものである。（ｃ）および（ｄ）はＩＧＢＴとダイオードの並列接続を２段に接続したものである。本発明の実施にはいずれのデバイスでも実現可能である。また、ＩＧＢＴ以外のスイッチングデバイスを用いても構成することも可能である。
【００２１】
（実施の形態２）
図６は、双方向のスイッチングデバイスを用いない全体構成の回路図であり、主回路構成は、図９の従来のインバータによるものから、平滑用コンデンサ１６と力率改善用のリアクトルコイル１８を取り除き、整流ダイオードブリッジ３と三相ブリッジ回路１０４との間の部分に電流検出手段１０５および電圧検出手段１０６を加えた構成である。制御回路６７の基本的な制御方法は図２の場合とほぼ同じである。制御は、交流側の電圧Ｖａｃと電流Ｉａｃとの代りに、整流後の電圧Ｖｄｃと電流Ｉｄｃに入れかえることで実現できる。すなわち、電圧および電流の波形が正弦波ではなく、正弦波の絶対値になる。当然ながら、図１での構成と同様に、交流電源の電圧Ｖａｃ、と交流電源からの電流Ｉａｃに基づく制御でも実現できることはいうまでもない。
【００２２】
なお、本実施の形態の説明では、単相交流電源からＩＧＢＴなどのスイッチング素子により直接電力を変換する方法で説明し、リアクトルコイルや大型コンデンサなどのエネルギ蓄積素子を不要にすることができるが、各種ノイズの影響を少なくして制御信号処理をより安定にするために、回路の各部に小型のコンデンサを具備する場合もあるが、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの単相商用電源の電力脈動の影響を緩和するものではなく、本発明の主旨に影響を与えるものではない。
【００２３】
また、実施例では電流の検出手段として、専用のセンサを用いるような説明をしているが、電流の検出方法としては、抵抗を挿入してその両端の電圧を測定するなどの方法でも実現できることはいうまでもない。特に実施の形態２においては、略直流部分の電流検出を抵抗を用いて行うことは、従来より三相ブリッジ回路の過電流保護などでも用いられており、その抵抗を兼用することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明のモータ駆動装置によれば、リアクトルコイルや平滑コンデンサなどの体積や重量の大きいエネルギ蓄積部品を必要としないので、駆動回路を小型にすることができる効果や、誘導モータを任意の速度で可変速駆動することができるので、モータ部分の堅牢性が向上するという効果や、電源力率が高いので、同じ電源プラグからより多くの電力を取り出せる効果や、ブレーキトルクを発生する期間がないので、静粛に駆動できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における全体構成を示す回路図
【図２】本発明の実施の形態１における制御回路のブロック回路図
【図３】本発明の実施の形態１における入力およびトルク波形図
【図４】本発明の実施の形態１における線間電圧波形図
【図５】本発明の実施の形態１における他の双方向スイッチングデバイスの図
【図６】本発明の実施の形態２における全体構成を示す回路図
【図７】従来の単相モータ駆動回路図
【図８】従来の整流子モータ駆動回路図
【図９】従来のインバータによるモータ駆動回路図
【符号の説明】
１  単相電源
２  誘導モータ
４  三相変換回路
５  電流検出手段
６  電圧検出手段
７  制御回路
８  スイッチングデバイス
【図１】
2004248395.tif 000003
【図２】
2004248395.tif 000004
【図３】
2004248395.tif 000005
【図４】
2004248395.tif 000006
【図５】
2004248395.tif 000007
【図６】
2004248395.tif 000008
【図７】
2004248395.tif 000009
【図８】
2004248395.tif 000010
【図９】
2004248395.tif 000011