(57)【要約】【課題】  単相誘導電動機の制御装置に関し、６つのスイッチング素子で入力力率の改善と単相誘導電動機の高効率駆動を図る。【解決手段】  コンバータ回路２を４つのダイオードと２つのスイッチング素子で構成し、インバータ回路３を２つの電解コンデンサと４つのダイオードと４つのスイッチング素子で構成して、コンバータ回路２で交流リアクタ４の電流を制御するとともに、インバータ回路３で単相誘導電動機５の２つの電動機巻線５ａと５ｂに９０度位相差の疑似正弦波電圧を印加するように制御することにより、６つのスイッチング素子で入力力率の改善と単相誘導電動機の高効率駆動が可能となる。【選択図】  図１  
2005094840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と、前記交流電源からの交流を直流に変換する４個のダイオードと２個のスイッチング素子からなるコンバータ回路と、２個の直列接続された電解コンデンサと４個のスイッチング素子と４個のダイオードからなるインバータ回路と、前記交流電源と前記コンバータ回路との間に接続された交流リアクタと、前記インバータ回路によって駆動される単相誘導電動機と、前記交流電源の電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段と、前記コンバータ回路の出力の直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記直流電圧検出手段の直流電圧検出値が所定の直流電圧基準値に等しくなるように前記ゼロクロス検出手段のゼロクロスタイミング信号と前記直流電圧検出手段の直流電圧検出値に基づき前記コンバータ回路の２個のスイッチング素子を前記交流電源の半周期ごとに交互に１回ないしは数回駆動するためのコンバータ駆動信号を出力する低周波コンバータ駆動信号生成手段と、前記低周波コンバータ駆動信号生成手段のコンバータ駆動信号に基づき前記コンバータ回路の２個のスイッチング素子を駆動するコンバータ駆動手段と、前記単相誘導電動機の回転数指令発生手段と、前記回転数指令発生手段の回転数指令に応じて前記インバータ回路の出力電圧と出力周波数を制御するインバータ制御手段と、前記インバータ制御手段からのインバータ駆動信号に基づいて前記インバータ回路の４個のスイッチング素子を駆動するインバータ駆動手段とを備えた単相誘導電動機の制御装置。
【請求項２】
交流電源と、前記交流電源からの交流を直流に変換する４個のダイオードと２個のスイッチング素子からなるコンバータ回路と、２個の直列接続された電解コンデンサと４個のスイッチング素子と４個のダイオードからなるインバータ回路と、前記交流電源と前記コンバータ回路との間に接続された交流リアクタと、前記交流リアクタに流れる高周波電流を吸収するために前記交流リアクタの前記交流電源側に前記交流電源と並列に挿入されたコンデンサと、前記インバータ回路によって駆動される単相誘導電動機と、前記交流電源に同期したクロック信号を発生する商用クロック発生手段と、前記コンバータ回路の出力の直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記商用クロック発生手段のクロック信号と前記直流電圧検出手段の直流電圧検出値に基づき前記コンバータ回路の直流電圧検出値が所定の直流電圧基準値に等しくなるように前記コンバータ回路の２個のスイッチング素子を半周期ごとに交互に高周波駆動するためのコンバータ駆動信号を発生する高周波パルス発生手段と、前記高周波パルス発生手段のコンバータ駆動信号に基づき前記コンバータ回路の２個のスイッチング素子を駆動するコンバータ駆動手段と、前記単相誘導電動機の回転数指令発生手段と、前記回転数指令発生手段の回転数指令に応じて前記インバータ回路の出力電圧と出力周波数を制御するインバータ制御手段と、前記インバータ制御手段からのインバータ駆動信号に基づいて前記インバータ回路の４個のスイッチング素子を駆動するインバータ駆動手段とを備えた単相誘導電動機の制御装置。
【請求項３】
交流電源と、前記交流電源からの交流を直流に変換する４個のダイオードと２個のスイッチング素子からなるコンバータ回路と、２個の直列接続された電解コンデンサと４個のスイッチング素子と４個のダイオードからなるインバータ回路と、前記交流電源と前記コンバータ回路との間に接続された交流リアクタと、前記交流リアクタに流れる高周波電流を吸収するために前記交流リアクタの前記交流電源側に前記交流電源と並列に挿入されたコンデンサと、前記インバータ回路によって駆動される単相誘導電動機と、前記交流電源の電圧を検出して前記交流電源の電圧に相似した電源電圧検出波形を得るための電源電圧検出手段と、前記交流リアクタに流れる電流を検出するリアクタ電流検出手段と、前記コンバータ回路の出力の直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記直流電圧検出手段の直流電圧検出値と所定の直流電圧基準値との差を前記電源電圧検出手段の電源電圧検出波形と乗算することにより目標リアクタ電流波形を発生して前記リアクタ電流検出手段のリアクタ電流検出波形と等しくなるように前記コンバータ回路の駆動信号を出力する高周波コンバータ駆動信号生成手段と、前記高周波コンバータ駆動信号生成手段のコンバータ駆動
信号に基づき前記コンバータ回路を形成する２個のスイッチング素子を駆動するコンバータ駆動手段と、前記単相誘導電動機の回転数指令発生手段と、前記回転数指令発生手段の回転数指令に応じて前記インバータ回路の出力電圧と出力周波数を制御するインバータ制御手段と、前記インバータ制御手段からのインバータ駆動信号に基づいて前記インバータ回路の４個のスイッチング素子を駆動するインバータ駆動手段とを備えた単相誘導電動機の制御装置。
【請求項４】
電源電圧検出手段に代えて、交流電源の電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段と、前記ゼロクロス検出手段に同期した基準正弦波発生手段とを設け、高周波コンバータ駆動信号生成手段には前記交流電源に相似した電源電圧検出波形の代わりに前記基準正弦波発生手段が出力する基準正弦波を入力するよう構成した請求項３に記載の単相誘導電動機の制御装置。
【請求項５】
単相誘導電動機の回転数を検出する回転数検出手段と、前記回転数検出手段によって検出された回転数と回転数指令発生手段の回転数指令の差に応じてインバータ制御手段に出力電圧と出力周波数の補正値を出力する補正値演算手段とを設け、前記単相誘導電動機の回転数が回転数指令発生手段の回転数指令に一致するよう構成された請求項１から請求項４にいずれか一項に記載の単相誘導電動機の制御装置。
【請求項６】
コンバータ回路を２個のサイリスタと２個のダイオードと２個のスイッチング素子で構成し、ソフトスタート信号生成手段と、サイリスタ駆動手段とを設けた請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の単相誘導電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単相誘導電動機の回転数を制御するとともに入力力率を改善する機能を有する単相誘導電動機の制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、単相誘導電動機の回転数を制御できるインバータ回路を有する装置においては、商用交流電圧歪みの原因となる高調波電流を低減する必要から、交流リアクタあるいは直流リアクタによって入力電流の通流角度を広げるか、もしくは交流リアクタあるいは直流リアクタとスイッチング素子を組み合わせたコンバータ回路を用いて入力力率の改善を図っているものが多く製品化されている。
【０００３】
従来の単相誘導電動機の制御装置としては、４つのスイッチング素子からなるフルブリッジコンバータ回路と６個のスイッチング素子を用いた３相インバータ回路から構成されもの（例えば、特許文献１参照）がある。
【０００４】
以下、図面を参照しながら従来の単相誘導電動機の制御装置について図１４から図１６を用いて説明する。図１４は特許文献１に記載されている従来の単相誘導電動機の制御装置の回路図を示している。交流電源１は単相の商用交流電源であり、フルブリッジコンバータ回路２５は４個のコンバータ用スイッチング素子Ｔｒ１からＴｒ４から構成されている。平滑コンデンサ２６は直流電圧を平滑するためのものである。三相インバータ回路２７は６個のインバータ用スイッチング素子Ｑ１からＱ６からなり、２つの電動機巻線５ａと５ｂとからなる単相誘導電動機５を駆動する。ここで単相誘導電動機５の電動機巻線５ａは三相インバータ回路２７の点ＡＢ間に、電動機巻線５ｂは三相インバータ回路２７の点ＡＣ間に設けられる。なお、点Ａはインバータ用スイッチング素子Ｑ１とＱ２間、点Ｂはインバータ用スイッチング素子Ｑ３とＱ４間、点Ｃはインバータ用スイッチング素子Ｑ５とＱ６間である。
【０００５】
以上のように構成された従来の単相誘導電動機の制御装置において、三相インバータ回路２７の動作タイミング図をＱ１からＱ４のオン、オフ信号と電動機巻線５ａに印加される電圧Ｖａｂについて図１５に示す。また、図１６は従来の単相誘導電動機の制御装置の制御系を示す。図１６に示す制御系は、周波数指令値ｆを設定する周波数指令設定器２８と、周波数指令値ｆから電圧指令値Ｖを演算する電圧指令値演算手段２９と、電圧指令値Ｖに基づきコンバータ用スイッチング素子Ｔｒ１からＴｒ４のオン、オフ制御パルスを出力するコンバータスイッチングパターン生成器３０と、周波数指令値ｆに基づきインバータ用スイッチング素子Ｑ１からＱ６のオン、オフ制御パルスを出力するインバータスイッチングパターン生成器３１とで構成される。ここで、電圧指令値演算手段２９では電圧指令値Ｖと周波数指令値ｆとの関係は、図１６に示すように予め定められているので、周波数指令値ｆから電圧指令値Ｖを求めることができ、フルブリッジコンバータ回路２５によって平滑コンデンサ２６の両端電圧を電圧指令値Ｖに制御するとともに、三相インバータ回路２７によって出力周波数を周波数指令値ｆに制御することで図１５に示すような各部の電圧波形が得られ、図１５における電気角θを適切に選定することにより単相誘導電動機５の騒音を低減できるとともに、入力力率の改善と単相誘導電動機５の回転数を制御することが可能となる。
【特許文献１】特開平７−４６８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の単相誘導電動機の制御装置では、２つの電動機巻線５ａと５ｂに印加できる電圧のパルス幅（図１５における電気角θ）は最大でもπ／２であり、これに対して単相誘導電動機の効率が最大となり、騒音が最低となるのは電動機巻線５ａと５ｂに印加される電圧位相差が９０度の正弦波電圧であるという広く知られた事実から考えると、従来の構成では騒音低減効果は小さく、単相誘導電動機の効率が低いという欠点があった。また、スイッチング素子を合計１０個使用していることから、これらの制御回路と駆動回路とを含めたコストが高く、構成も複雑となるという欠点もあった。
【０００７】
本発明は従来の課題を解決するもので、単相誘導電動機の制御装置のスイッチング素子の数を低減し、かつ、入力力率を改善するとともに単相誘導電動機の各電動機巻線に印加する電圧波形を９０度の位相差を持った疑似正弦波として、回転数を制御することが可能な単相誘導電動機の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】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明の単相誘導電動機の制御装置は、４個のダイオードと２個のスイッチング素子でコンバータ回路を構成し、２個の電解コンデンサと４個のダイオードと４個のスイッチング素子でインバータ回路を構成するものである。
【０００９】
これによって、合計６個のスイッチング素子で単相誘導電動機に印加する電圧波形を位相差９０度の疑似正弦波としつつ回転数を制御することができ、単相誘導電動機を低騒音で効率よく駆動するとともに、入力力率の改善も可能であるという効果を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の単相誘導電動機の制御装置における第１の発明は、４個のダイオードと２個のスイッチング素子でコンバータ回路を構成し、２個の電解コンデンサと４個のダイオードと４個のスイッチング素子でインバータ回路を構成することにより、合計６個のスイッチング素子で単相誘導電動機に印加する電圧波形を位相差９０度の疑似正弦波としつつ回転数を制御することができ、単相誘導電動機を低騒音で効率よく駆動するとともに、入力力率の改善も可能であるという効果を有する。
【００１１】
また、本発明の単相誘導電動機の制御装置における第２の発明は、第１の発明の効果に加え、コンバータ回路を高周波で駆動することにより、交流リアクタのインダクタンス値を小さく設定することができるため軽量化が可能となり、交流リアクタの騒音を低減することができるという効果を有する。
【００１２】
また、本発明の単相誘導電動機の制御装置における第３の発明は、第２の発明の効果に加え、交流リアクタに流れる電流を連続させることにより高周波電流吸収のためのコンデンサ容量を低減できるという効果を有する。
【００１３】
また、本発明の単相誘導電動機の制御装置における第４の発明は、第３の発明では高周波コンバータ駆動信号生成手段に交流電源の電圧に相似した電源電圧検出波形を入力していたことに対して、基準正弦波発生手段が出力する基準正弦波を入力するよう構成したことによって、第３の発明の効果に加えてさらに、交流電源からの入力電流を交流電源の電圧変動や電圧歪みの影響がない正弦波状に制御することが可能であるという効果を有する。
【００１４】
また、本発明の単相誘導電動機の制御装置における第５の発明は、第１から第４のいずれかに記載の発明に、さらに単相誘導電動機の回転数を検出する回転数検出手段と、回転数検出手段によって検出された回転数と回転数指令発生手段の回転数指令の差に応じてイ
ンバータ制御手段に出力電圧と出力周波数の補正値を出力する補正値演算手段とを設けることにより、第１から第４にいずれかに記載の発明の効果に加えて、単相誘導電動機の回転数を回転数指令に一致するよう制御できるという効果を有する。
【００１５】
また、本発明の単相誘導電動機の制御装置における第６の発明は、第１から第５のいずれかに記載の発明に、コンバータ回路を２個のサイリスタと２個のダイオードと２個のスイッチング素子で構成し、ソフトスタート信号生成手段と、サイリスタ駆動手段とを設けることにより、第１から第５のいずれかに記載の発明の効果に加えて、さらに交流電源投入時の突入電流を抑制できるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
第１の発明は、交流電源と、前記交流電源からの交流を直流に変換する４個のダイオードと２個のスイッチング素子からなるコンバータ回路と、２個の直列接続された電解コンデンサと４個のスイッチング素子と４個のダイオードからなるインバータ回路と、前記交流電源と前記コンバータ回路との間に接続された交流リアクタと、前記インバータ回路によって駆動される単相誘導電動機と、前記交流電源の電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段と、前記コンバータ回路の出力の直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記直流電圧検出手段の直流電圧検出値が所定の直流電圧基準値に等しくなるように前記ゼロクロス検出手段のゼロクロスタイミング信号と前記直流電圧検出手段の直流電圧検出値に基づき前記コンバータ回路の２個のスイッチング素子を前記交流電源の半周期ごとに交互に１回ないしは数回駆動するためのコンバータ駆動信号を出力する低周波コンバータ駆動信号生成手段と、前記低周波コンバータ駆動信号生成手段のコンバータ駆動信号に基づき前記コンバータ回路の２個のスイッチング素子を駆動するコンバータ駆動手段と、前記単相誘導電動機の回転数指令発生手段と、前記回転数指令発生手段の回転数指令に応じて前記インバータ回路の出力電圧と出力周波数を制御するインバータ制御手段と、前記インバータ制御手段からのインバータ駆動信号に基づいて前記インバータ回路の４個のスイッチング素子を駆動するインバータ駆動手段とを備え、合計６個のスイッチング素子で前記単相誘導電動機に印加する電圧波形を位相差９０度の疑似正弦波としつつ回転数を制御することができ、前記単相誘導電動機を低騒音で効率よく駆動するとともに、入力力率の改善も可能であるという作用を有する。
【００１７】
第２の発明は、交流電源と、前記交流電源からの交流を直流に変換する４個のダイオードと２個のスイッチング素子からなるコンバータ回路と、２個の直列接続された電解コンデンサと４個のスイッチング素子と４個のダイオードからなるインバータ回路と、前記交流電源と前記コンバータ回路との間に接続された交流リアクタと、前記交流リアクタに流れる高周波電流を吸収するために前記交流リアクタの前記交流電源側に前記交流電源と並列に挿入されたコンデンサと、前記インバータ回路によって駆動される単相誘導電動機と、前記交流電源に同期したクロック信号を発生する商用クロック発生手段と、前記コンバータ回路の出力の直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記商用クロック発生手段のクロック信号と前記直流電圧検出手段の直流電圧検出値に基づき前記コンバータ回路の出力の直流電圧検出値が所定の直流電圧基準値に等しくなるように前記コンバータ回路の２個のスイッチング素子を半周期ごとに交互に高周波駆動するためのコンバータ駆動信号を発生する高周波パルス発生手段と、前記高周波パルス発生手段のコンバータ駆動信号に基づき前記コンバータ回路の２個のスイッチング素子を駆動するコンバータ駆動手段と、前記単相誘導電動機の回転数指令発生手段と、前記回転数指令発生手段の回転数指令に応じて前記インバータ回路の出力電圧と出力周波数を制御するインバータ制御手段と、前記インバータ制御手段からのインバータ駆動信号に基づいて前記インバータ回路の４個のスイッチング素子を駆動するインバータ駆動手段とを備え、合計６個のスイッチング素子で前記単相誘導電動機に印加する電圧波形を位相差９０度の疑似正弦波としつつ回転数を制御することができ、前記単相誘導電動機を低騒音で効率よく駆動するとともに、入力力率の
改善も可能であるという作用に加え、前記コンバータ回路を高周波で駆動することにより、前記交流リアクタのインダクタンス値を小さく設定することができるため軽量化が可能となり、前記交流リアクタの騒音を低減することができるという作用を有する。
【００１８】
第３の発明は、交流電源と、前記交流電源からの交流を直流に変換する４個のダイオードと２個のスイッチング素子からなるコンバータ回路と、２個の直列接続された電解コンデンサと４個のスイッチング素子と４個のダイオードからなるインバータ回路と、前記交流電源と前記コンバータ回路との間に接続された交流リアクタと、前記交流リアクタに流れる高周波電流を吸収するために前記交流リアクタの前記交流電源側に前記交流電源と並列に挿入されたコンデンサと、前記インバータ回路によって駆動される単相誘導電動機と、前記交流電源の電圧を検出して前記交流電源の電圧に相似した電源電圧検出波形を得るための電源電圧検出手段と、前記交流リアクタに流れる電流を検出するリアクタ電流検出手段と、前記コンバータ回路の出力の直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記直流電圧検出手段の直流電圧検出値と所定の直流電圧基準値との差を前記電源電圧検出手段の電源電圧検出波形と乗算することにより目標リアクタ電流波形を発生して前記リアクタ電流検出手段のリアクタ電流検出波形と等しくなるように前記コンバータ回路の駆動信号を出力する高周波コンバータ駆動信号生成手段と、前記高周波コンバータ駆動信号生成手段のコンバータ駆動信号出力に基づき前記コンバータ回路を形成する２個のスイッチング素子を駆動するコンバータ駆動手段と、前記単相誘導電動機の回転数指令発生手段と、前記回転数指令発生手段の回転数指令に応じて前記インバータ回路の出力電圧と出力周波数を制御するインバータ制御手段と、前記インバータ制御手段からのインバータ駆動信号に基づいて前記インバータ回路の４個のスイッチング素子を駆動するインバータ駆動手段とを備え、合計６個のスイッチング素子で前記単相誘導電動機に印加する電圧波形を位相差９０度の疑似正弦波としつつ回転数を制御することができ、前記単相誘導電動機を低騒音で効率よく駆動するとともに、入力力率の改善も可能であるという作用に加え、前記交流リアクタに流れる電流を連続させることにより前記交流リアクタの軽量化と騒音低減とともに、前記コンデンサの容量を低減できるという作用を有する。
【００１９】
第４の発明は、第３の発明において電源電圧検出手段に代えて、交流電源の電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段と、前記ゼロクロス検出手段に同期した基準正弦波発生手段とを設け、高周波コンバータ駆動信号生成手段には前記交流電源に相似した電源電圧検出波形の代わりに前記基準正弦波発生手段が出力する基準正弦波を入力することによって、第３の発明の作用に加えてさらに、前記交流電源からの入力電流を交流電源の電圧変動や電圧歪みの影響がない正弦波状に制御することが可能であるという作用を有する。
【００２０】
第５の発明は、第１から第４のいずれかの発明に、さらに単相誘導電動機の回転数を検出する回転数検出手段と、前記回転数検出手段によって検出された回転数と回転数指令発生手段の回転数指令の差に応じてインバータ制御手段に出力電圧と出力周波数の補正値を出力する補正値演算手段とを設けたものであり、第１から第４にいずれかの発明の作用に加えて、前記単相誘導電動機の回転数が回転数指令発生手段の回転数指令に一致するよう制御できるという作用を有する。
【００２１】
第６の発明は、第１から第５のいずれかの発明において、コンバータ回路を２個のサイリスタと２個のダイオードと２個のスイッチング素子で構成し、ソフトスタート信号生成手段と、サイリスタ駆動手段とを設け、前記ソフトスタート信号生成手段のサイリスタ駆動信号に基づいて前記サイリスタ駆動手段によって前記コンバータ回路の２個のサイリスタを駆動することにより、第１から第５のいずれかの発明の作用に加えて、さらに交流電源投入時の突入電流を抑制できるという作用を有する。
【００２２】
以下、本発明による単相誘導電動機の制御装置の実施の形態について、図面を参照しな
がら説明する。なお、従来と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１による単相誘導電動機の制御装置のブロック図である。図１において、コンバータ回路２は４つのコンバータ用ダイオード２ａ、２ｂ、２ｃｄ、２ｄｄと２つのコンバータ用スイッチング素子２ｃ、２ｄとから構成され、入力力率改善のための交流リアクタ４は交流電源１と２つのコンバータ用スイッチング素子２ｃ、２ｄの接続点との間に接続される。また、交流電源１の他方はコンバータ回路２のコンバータ用ダイオード２ａと２ｂの接続点に接続される。そして、インバータ回路３は電解コンデンサ３ａと３ｂと４つのダイオード３ｃｄから３ｆｄとインバータ用スイッチング素子３ｃから３ｆとで構成される。このインバータ回路３は、電解コンデンサ３ａと３ｂとダイオード３ｃｄと３ｄｄおよびインバータ用スイッチング素子３ｃと３ｄとの組み合わせで構成されるハーフブリッジ回路と、電解コンデンサ３ａと３ｂとダイオード３ｅｄと３ｆｄおよびインバータ用スイッチング素子３ｅと３ｆとの組み合わせで構成されるハーフブリッジ回路の２つの回路を合成したものであり、単相誘導電動機５の電動機巻線５ａは前者のハーフブリッジ回路に接続され、電動機巻線５ｂは後者のハーフブリッジ回路に接続された構成となっている。また、インバータ回路３の電解コンデンサ３ａ、３ｂはコンバータ回路の出力の直流電圧を平滑する役目も担っている。
【００２４】
ゼロクロス検出手段６は交流電源１の電圧ゼロ点を検出するものであり、直流電圧検出手段７はコンバータ回路２の出力の直流電圧を検出するためのものである。そして、低周波コンバータ駆動信号生成手段８はゼロクロス検出手段６と直流電圧検出手段７の直流電圧検出値に基づいてコンバータ駆動手段９に駆動信号を出力する。一方、回転数指令発生手段１０は単相誘導電動機５の回転数指令を出力するものであり、インバータ制御手段１１はその回転数指令に応じてインバータ回路３を駆動する高周波パルス信号を出力し、インバータ駆動手段１２によってインバータ回路を駆動する。
【００２５】
以上の構成において、まずコンバータ回路２の動作について各部の電圧、電流波形を示した図２を用いて説明する。図２は交流電源１の入力電圧Ｖｉと交流リアクタ４を流れるリアクタ電流ＩＬ、コンバータ駆動手段９のコンバータ用スイッチング素子２ｃの駆動出力Ｖｇ１およびコンバータ用スイッチング素子２ｄの駆動出力Ｖｇ２を示したものである。ここで、入力電圧Ｖｉは交流リアクタ４側の電圧が高い半周期を正の半周期とし、逆の場合を負の半周期とする。正の半周期においては、低周波コンバータ駆動信号生成手段８は直流電圧検出手段７によって検出した直流電圧検出値があらかじめ定められた直流電圧基準値と等しくなるように、ゼロクロス点からのコンバータ用スイッチング素子駆動の遅延時間△ｄと導通時間△ｔを定めてコンバータ駆動手段９にコンバータ用スイッチング素子２ｄの駆動信号を出力し、コンバータ用スイッチング素子２ｃの駆動信号は出力しない。このとき、△ｔの期間は駆動出力Ｖｇ２がオンとなるため交流電源１は交流リアクタ４とコンバータ用スイッチング素子２ｄおよびコンバータ用ダイオード２ｂを介して短絡した状態となり、交流リアクタ４に流れる電流は増加して交流リアクタ４にエネルギーが蓄えられる。そして、△ｔの期間経過後、駆動出力Ｖｇ２がオフとなると交流リアクタ４に蓄えられたエネルギーはコンバータ用ダイオード２ｂと２ｃｄを通して直流側に放出される。
【００２６】
また、負の半周期においては低周波コンバータ駆動信号生成手段８はコンバータ駆動手段９にコンバータ用スイッチング素子２ｃの駆動信号を出力し、コンバータ用スイッチング素子２ｄの駆動信号は出力しない。このとき、△ｔの期間は駆動出力Ｖｇ１がオンとなるため交流電源１は交流リアクタ４とコンバータ用スイッチング素子２ｃおよびコンバータ用ダイオード２ａを介して短絡した状態となり、交流リアクタ４に流れる電流は増加し
て交流リアクタ４にエネルギーが蓄えられる。そして、△ｔの期間経過後、駆動出力Ｖｇ１がオフとなると交流リアクタ４に蓄えられたエネルギーはコンバータ用ダイオード２ａと２ｄｄを通して直流側に放出される。これら一連の動作を繰り返すことによって直流電圧を制御する。
【００２７】
なお、低周波コンバータ駆動信号生成手段８は単相誘導電動機５の出力が増加して直流電圧が低下しようとすると、所定の直流電圧基準値と直流電圧検出手段７で検出した直流電圧検出値の差に応じて遅延時間△ｄを減じるとともに、導通時間△ｔを増加させることによって交流リアクタ４に流れる電流を増加させ、リアクタ電流ＩＬの通流区間と波高値を増やすよう制御することで入力力率の改善を図りつつ直流電圧の制御を可能としている。
【００２８】
次に、インバータ回路３の動作について図３と図４を用いて説明する。図３はインバータ制御手段１１が制御するインバータ回路３の出力電圧Ｖｏと出力周波数ｆｏの関係を示したものである。インバータ制御手段１１は回転数指令発生手段１０からの回転数指令に応じて出力周波数ｆｏを制御するが、このとき出力電圧Ｖｏは出力周波数ｆｏと比例した出力電圧になるよう制御する。これはいわゆるＶ／ｆ制御として広く知られた誘導電動機の制御方法である。また、単相誘導電動機５の回転数は滑り無しの状態では極数をＰとすると１２０ｆｏ／Ｐで求めることができるため、出力周波数ｆｏで回転数が制御できるものである。図４はインバータ制御回路１１が発生する高周波パルス波形の変調方法を示した図である。図４において、Ｖｇｃはインバータ用スイッチング素子３ｃの駆動信号を示し、以下同様にＶｇｄはインバータ用スイッチング素子３ｄ、Ｖｇｅはインバータ用スイッチング素子３ｅ、Ｖｇｆはインバータ用スイッチング素子３ｆの駆動信号を示す。図４から判断できるようにインバータ回路３の出力電圧は基本波を正弦波とするパルス幅変調された疑似正弦波である。
【００２９】
また、図４では前述のＶｇｃとＶｇｄを出力するための変調波をｗｂ、ＶｇｅとＶｇｆを出力するための変調波をｗｃとし、搬送波をｆｃとして示しており、搬送波ｆｃを一定として変調波ｗｂとｗｃを位相差９０度を維持したまま、振幅と周波数を変化させてインバータ回路３の出力を図３で示すＶ／ｆ制御とするよう構成することで単相誘導電動機５の回転数を制御している。従って、単相誘導電動機５の騒音を低減しつつ効率よく制御することができる。
【００３０】
本発明の実施の形態１においては、交流リアクタ４を交流電源１の一線とコンバータ用スイッチング素子２ｃと２ｄの接続点との間に接続しているが、交流電源１の他方の一線とコンバータ用ダイオード２ａ、２ｂの接続点との間に接続してもよい。また、低周波コンバータ駆動信号生成手段の駆動信号出力は交流電源１の半周期ごとに１回ずつ△ｔの期間出力しているが、さらなる入力力率改善と交流リアクタ４の騒音低減のために△ｔの期間を２回もしくは３回に分けて出力するようにしても良い。一方、インバータ制御手段１１においては図４に示す変調波ｗｂ、ｗｃの振幅と周波数を変化させてＶ／ｆ制御を実現しているが、搬送波ｆｃの振幅と変調波ｗｂ、ｗｃの周波数を変化させるよう構成しても良い。また、図４においては駆動信号ＶｇｃとＶｇｄ、ＶｇｅとＶｇｆはそれぞれ単に反転した信号となる変調方法について示したが、変調波ｗｂ、ｗｃに対して１８０度位相をずらすことで反転した波形となる変調波ｗｂ’、ｗｃ’を作成し、これを用いて駆動信号Ｖｇｄは変調波ｗｂ’で、駆動信号Ｖｇｆは変調波ｗｃ’で変調するようにしても良い。この場合は、単相誘導電動機５の電動機巻線５ａ、５ｂに印加される疑似正弦波電圧の高周波成分が搬送波ｆｃの周波数の２倍となるため、さらなる騒音低減効果が得られる。
【００３１】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２におけるブロック図である。以下、図５を用いてその構
成を説明する。本実施の形態２においては、実施の形態１におけるゼロクロス検出手段６に代えて商用クロック発生手段１３と、低周波コンバータ駆動信号生成手段８に代えて高周波パルス発生手段１４を設け、新たにコンデンサ１５を追加した構成となっている。
【００３２】
以上のように構成された単相誘導電動機の制御装置の入力力率改善の手段について、以下、図６と図７を用いて説明する。図６は高周波パルス発生手段１４の動作を示すものであり、商用クロック発生手段１３の出力であるクロック信号Ｖｃｌｋと、コンバータ駆動信号の周波数を決定する搬送波ｆｐと、搬送波ｆｐと比較される比較電圧Ｖｃｍｐと、コンバータ駆動手段９へのコンバータ用スイッチング素子２ｃの駆動信号Ｖｓｃと、コンバータ用スイッチング素子２ｄの駆動信号Ｖｓｄとを示している。ここで、比較電圧Ｖｃｍｐは直流電圧検出手段７によって検出された直流電圧検出値と所定の直流電圧基準値との差に応じて、直流電圧検出値が低い場合には低下して駆動信号ＶｓｃとＶｓｄのパルス幅を広げるよう動作し、逆に直流電圧検出値が高い場合には上昇して駆動信号ＶｓｃとＶｓｄのパルス幅を狭めるよう動作する。また、駆動信号Ｖｓｃはクロック信号Ｖｃｌｋがある場合に出力し、逆に駆動信号Ｖｓｄはクロック信号Ｖｃｌｋがない場合に出力するように構成し、交流電源１の半周期ごとに交互に発生するように制御される。
【００３３】
図７は入力力率改善の効果を説明するための各部の電圧電流波形を示すものであり、交流電源１の入力電圧Ｖｉと、交流リアクタ４を流れるリアクタ電流ＩＬと、コンデンサ１５によってリアクタ電流ＩＬの高周波電流を吸収した結果として得られる交流電源１からの入力電流Ｉｉとを示したものである。ここで、リアクタ電流ＩＬは点線で示している。以下、入力電圧Ｖｉは交流リアクタ４側の電圧が高い半周期を正の半周期とし、逆の場合を負の半周期として説明する。
【００３４】
正の半周期においては高周波パルス発生手段１４の駆動信号Ｖｓｄに同期してコンバータ用スイッチング素子２ｄがオン、オフする。このオンの期間には交流電源１は交流リアクタ４とコンバータ用スイッチング素子２ｄおよびコンバータ用ダイオード２ｂを介して短絡した状態となり、交流リアクタ４に流れる電流は増加して交流リアクタ４にエネルギーが蓄えられる。そして、コンバータ用スイッチング素子２ｄがオフとなると交流リアクタ４に蓄えられたエネルギーはコンバータ用ダイオード２ｂと２ｃｄを通して直流側に放出される。この動作を正の半周期の間続けることにより、交流リアクタ４に流れる電流は交流電源１の電圧変化にともない包絡線を正弦波の半波状とした不連続な三角波形となって流れることとなる。
【００３５】
また、負の半周期においても同様に高周波パルス発生手段１４の駆動信号Ｖｓｃに同期してコンバータ用スイッチング素子２ｃがオン、オフする。このオンの期間には交流電源１は交流リアクタ４とコンバータ用スイッチング素子２ｃおよびコンバータ用ダイオード２ａを介して短絡した状態となり、交流リアクタ４に流れる電流は増加して交流リアクタ４にエネルギーが蓄えられる。そして、コンバータ用スイッチング素子２ｃがオフとなると交流リアクタ４に蓄えられたエネルギーはコンバータ用ダイオード２ａと２ｄｄを通して直流側に放出される。この動作を負の半周期の間続けることにより、交流リアクタ４に流れる電流は交流電源１の電圧変化にともない包絡線を正弦波の半波状とした不連続な三角波形となって流れることとなる。このようにして流れるリアクタ電流ＩＬは、コンデンサ１５によってその高周波成分が除去され、交流電源１には正弦波状の入力電流Ｉｉが流れることとなり入力力率の改善が可能となる。
【００３６】
なお、図６および図７においては説明のため搬送波ｆｐが低い周波数の場合で示しているが、実際の適用では数ｋＨｚから数十ｋＨｚの高周波で実現される。
【００３７】
また、本実施の形態２においては単相誘導電動機５の回転数を制御する動作については
実施の形態１と同様である。
【００３８】
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３におけるブロック図である。以下、図８を用いて本発明の実施の形態３における構成を説明する。本実施の形態３は実施の形態１におけるゼロクロス検出手段６に代えて電源電圧検出手段１６を、低周波コンバータ駆動信号生成手段８に代えて高周波コンバータ信号生成手段１７を設け、さらに交流リアクタ４に流れる電流を検出するリアクタ電流検出手段１８を設けた構成となっている。
【００３９】
以上のように構成された単相誘導電動機の制御装置の入力力率の改善手段について、以下その動作を図９を用いて説明する。図９は高周波コンバータ信号生成手段１７の機能ブロックを示したものである。直流電圧検出手段７によって検出された直流電圧検出値は直流電圧基準値と第１の誤差増幅器１７ａによりその差を増幅され、電源電圧検出手段１６によって検出された電源電圧検出波形と乗算器１７ｂによって乗算される。この乗算の結果は電源電圧波形に相似の波形であり、リアクタ電流目標波形となる。そして、このリアクタ電流目標波形はリアクタ電流検出手段１８によって検出されたリアクタ電流検出値と第２の誤差増幅器１７ｃでその差を増幅され、その増幅された結果と搬送波発生手段１７ｄから出力される搬送波と比較器１７ｅで比較される。この比較結果は搬送波によってパルス幅変調された高周波パルス波形であり、これが駆動信号として高周波コンバータ信号生成手段１７からコンバータ駆動手段９に出力され、結果として交流リアクタ４を流れるリアクタ電流波形は交流電源１の電源電圧波形に相似の波形に制御されることとなり、入力力率の改善が図られる。なお、本実施の形態３においては単相誘導電動機５の回転数を制御する動作については実施の形態１と同様である。
【００４０】
（実施の形態４）
図１０は、本発明の実施の形態４におけるブロック図である。以下、図１０を用いて本発明の実施の形態４における構成を示し、入力力率改善の手段について、その動作を説明する。本発明は実施の形態１における低周波コンバータ駆動信号生成手段８に代えて高周波コンバータ信号生成手段１７を設け、さらに交流リアクタ４に流れる電流を検出するリアクタ電流検出手段１８と、基準正弦波発生手段１９を設けた構成となっている。
【００４１】
まず、ゼロクロス検出手段６によって交流電源１に同期した信号を基準正弦波発生手段１９に与え、基準正弦波発生手段１９は交流電源１に同期した基準正弦波を発生し、高周波コンバータ信号生成手段１７に出力する。そして、高周波コンバータ信号生成手段１７は実施の形態３の図９で説明した電源電圧検出波形に代えて、前述の交流電源１に同期した基準正弦波に基づいて交流リアクタ４に流れるリアクタ電流を制御するよう動作することで入力力率の改善が図られる。
【００４２】
なお、本実施の形態４においては単相誘導電動機５の回転数を制御する動作については実施の形態１と同様である。
【００４３】
（実施の形態５）
図１１は、本発明の実施の形態５におけるブロック図である。以下、図１１を用いて本発明の実施の形態５における構成を示し、単相誘導電動機５の回転数を制御する動作について説明する。本発明は実施の形態１の構成に、さらに単相誘導電動機５の回転数を検出する回転数検出手段２０と、回転数検出手段２０によって検出された回転数と回転数指令発生手段１０の回転数指令の差に応じてインバータ出力電圧と出力周波数の補正値を演算する補正値演算手段２１とを設け、補正値演算手段２１の補正値をインバータ制御手段１１に与えるよう構成されている。このように構成することにより、単相誘導電動機５の回転数を回転数指令発生手段１０の回転数指令に一致させることが可能となる。
【００４４】
なお、本実施の形態５においてはコンバータ回路２による入力力率改善の動作については実施の形態１と同様である。
【００４５】
（実施の形態６）
図１２は、本発明の実施の形態６におけるブロック図である。以下、図１２を用いて本発明の実施の形態６における構成を示す。本発明は実施の形態１の構成において、コンバータ回路２を構成するコンバータ用ダイオード２ａ、２ｂに代えてサイリスタ２ｅ、２ｆを用い、さらにソフトスタート回路２２と、サイリスタ駆動手段２３を追加した構成となっている。
【００４６】
以上のように構成された本発明の実施の形態６について、以下、図１３を用いてその動作を説明する。図１３はソフトスタート回路２２の動作タイミングを示したものであり、交流電源１の入力電圧Ｖｉと、のこぎり波Ｖｎと、のこぎり波Ｖｎと比較されるソフトスタート信号Ｖｓと、サイリスタ駆動手段２３に出力するサイリスタ駆動信号Ｖｔと、コンバータ回路２の出力の直流電圧Ｖｄｃをソフトスタート開始から完了までについて示したものである。ここで、のこぎり波Ｖｎは入力電圧Ｖｉに同期するよう生成され、ソフトスタート開始まではソフトスタート信号Ｖｓと交わることがなく、サイリスタ駆動信号Ｖｔは出力されず直流電圧Ｖｄｃもゼロである。そして、ソフトスタート開始の時点からソフトスタート信号Ｖｓは下降し始め、のこぎり波Ｖｎがソフトスタート信号Ｖｓを上回っている区間にサイリスタ駆動信号Ｖｔが出力される。
【００４７】
このようにして、徐々にサイリスタ駆動信号Ｖｔの駆動タイミングを入力電圧Ｖｉのゼロクロス点から広げて行くことにより、サイリスタ２ｅ、２ｆの通流角が広がって行くとともに直流電圧Ｖｄｃも上昇する。そして完全にサイリスタ駆動信号Ｖｔがオン状態となった時点でソフトスタート動作は完了し、この時の直流電圧Ｖｄｃ１は入力電圧Ｖｉのピーク電圧値にほぼ等しくなる。また、ソフトスタート動作完了後はサイリスタ２ｅ、２ｆを常時オン状態に維持することでダイオードと同様と見なすことができる。
【００４８】
以上のように本実施の形態６は、交流電源１の投入時に流れる突入電流の発生を防止することが可能となる。なお、ソフトスタート動作完了後の本発明の実施の形態６におけるコンバータ回路２およびインバータ回路３の動作については実施の形態１と同様である。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
以上のように、本発明にかかる単相誘導電動機の制御装置は、スイッチング素子の数を低減し、かつ、入力力率を改善するとともに単相誘導電動機の各電動機巻線に印加する電圧波形を位相差９０度の疑似正弦波としつつ回転数を制御することが可能となるので、種々の単相誘導電動機の制御装置に適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態１における単相誘導電動機の制御装置を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における単相誘導電動機の制御装置の各部電圧、電流波形図
【図３】本発明の実施の形態１における単相誘導電動機の制御装置のインバータ出力電圧−周波数特性図
【図４】本発明の実施の形態１における単相誘導電動機の制御装置のインバータ出力変調方法説明図
【図５】本発明の実施の形態２における単相誘導電動機の制御装置を示すブロック図
【図６】本発明の実施の形態２における単相誘導電動機の制御装置の高周波パルス発生動作説明図
【図７】本発明の実施の形態２における単相誘導電動機の制御装置の各部電圧、電流波形図
【図８】本発明の実施の形態３における単相誘導電動機の制御装置を示すブロック図
【図９】本発明の実施の形態３における単相誘導電動機の制御装置の高周波コンバータ信号生成手段を示すブロック図
【図１０】本発明の実施の形態４における単相誘導電動機の制御装置を示すブロック図
【図１１】本発明の実施の形態５における単相誘導電動機の制御装置を示すブロック図
【図１２】本発明の実施の形態６における単相誘導電動機の制御装置を示すブロック図
【図１３】本発明の実施の形態６における単相誘導電動機の制御装置のソフトスタート回路の動作を示すタイミング図
【図１４】従来の単相誘導電動機の制御装置を示す回路図
【図１５】従来の単相誘導電動機の制御装置におけるインバータ回路の動作を示すタイミング図
【図１６】従来の単相誘導電動機の制御装置における制御系を示すブロック図
【符号の説明】
【００５１】
１    交流電源
２    コンバータ回路
２ａ，２ｂ，２ｃｄ，２ｄｄ  コンバータ用ダイオード
２ｃ，２ｄ  コンバータ用スイッチング素子
２ｅ，２ｆ  サイリスタ
３    インバータ回路
３ａ，３ｂ  電解コンデンサ
３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ  インバータ用スイッチング素子
３ｃｄ，３ｄｄ，３ｅｄ，３ｆｄ  インバータ用ダイオード
４    交流リアクタ
５    誘導電動機
６    ゼロクロス検出手段
７    直流電圧検出手段
８    低周波コンバータ駆動信号生成手段
９    コンバータ駆動手段
１０  回転数指令発生手段
１１  インバータ制御手段
１２  インバータ駆動手段
１３  商用クロック発生手段
１４  高周波パルス発生手段
１５  コンデンサ
１６  電源電圧検出手段
１７  高周波コンバータ駆動信号生成手段
１８  リアクタ電流検出手段
１９  基準正弦波発生手段
２０  回転数検出手段
２１  補正値演算手段
２２  ソフトスタート回路
２３  サイリスタ駆動手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2005094840.tif 000012
【図１１】
2005094840.tif 000013
【図１２】
2005094840.tif 000014
【図１３】
2005094840.tif 000015
【図１４】
2005094840.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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