(57)【要約】【課題】小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を提供する。【解決手段】小容量リアクタおよび小容量コンデンサを用いることで小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を実現でき、モータの急峻な周波数変更の際に、回生エネルギーにより上昇する直流電圧を、電圧クランプ手段を設けることにより、インバータ母線における構成要素の耐圧以下にすることが可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源を入力とする整流回路と直流電力から交流電力に変換するインバータと負荷モータとを含み、前記整流回路はダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続される小容量のリアクタで構成され、前記インバータの直流母線間には極めて小容量のコンデンサと、前記コンデンサに並列に電圧クランプ手段を備え、前記電圧クランプ手段における作動電圧をインバータ母線における構成要素の耐圧以下にする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】
モータの運転周波数変更時におけるインバータの直流母線間電圧が前記電圧クランプ手段の作動電圧を超えない範囲でモータ運転周波数の変更速度を変更し、インバータ駆動の異常時のみ前記電圧クランプ手段を動作させ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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ駆動用インバータ制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ダイオードを利用した種々の整流方式が知られている。例えば図４に示すような直流電源装置が提案されている。
【０００３】
図４において、交流電源１の交流電源電圧を、ダイオードＤ１〜Ｄ４をブリッジ接続してなる全波整流回路の交流入力端子に印加し、その出力をリアクトルＬｉｎを介して中間コンデンサＣに充電し、この中間コンデンサＣの電荷を平滑コンデンサＣＤに放電して、負荷抵抗ＲＬに直流電圧を供給する。この場合、リアクトルＬｉｎの負荷側と中間コンデンサＣを接続する正負の直流電流経路にトランジスタＱ１を接続し、このトランジスタＱ１をベース駆動回路Ｇ１で駆動する構成となっている。
【０００４】
また、ベース駆動回路Ｇ１にパルス電圧を印加するパルス発生回路Ｉ１、Ｉ２と、ダミー抵抗Ｒｄｍとをさらに備えており、パルス発生回路Ｉ１、Ｉ２は、それぞれ交流電源電圧のゼロクロス点を検出する回路と、ゼロクロス点の検出から交流電源電圧の瞬時値が中間コンデンサＣの両端電圧と等しくなるまでダミー抵抗Ｒｄｍにパルス電流を流すパルス電流回路とで構成されている。
【０００５】
ここで、パルス発生回路Ｉ１は交流電源電圧の半サイクルの前半にてパルス電圧を発生させ、パルス発生Ｉ２は交流電源電圧の半サイクルの後半にてパルス電圧を発生させるようになっている。
【０００６】
なお、トランジスタＱ１をオン状態にしてリアクトルＬｉｎに強制的に電流を流す場合、中間コンデンサＣの電荷がトランジスタＱ１を通して放電することのないように逆流防止用ダイオードＤ５が接続され、さらに、中間コンデンサＣの電荷を平滑コンデンサＣＤに放電する経路に、逆流防止用ダイオードＤ６と、平滑効果を高めるリアクトルＬｄｃが直列に接続されている。
【０００７】
上記の構成によって、交流電源電圧の瞬時値が中間コンデンサＣの両端電圧を超えない位相区間の一部または全部においてトランジスタＱ１をオン状態にすることによって、装置の大型化を抑えたままで、高調波成分の低減と高力率化を達成することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
次に、従来よりモータ回生時の直流電圧の上昇を抑制する方法が知られている。
例えば図５に示すような電動機制御機器が提案されている。
【０００９】
図５において、交流電源３１をダイオードブリッジ等で直流電圧に変換する順変換部３２の出力端に、第１のスイッチング素子３３と直列に接続した平滑コンデンサ３５、および抵抗器３６と直列に接続した回生トランジスタ３７をそれぞれ接続し、電動機制御機器の電源投入時に前記抵抗器３６を介して平滑コンデンサ３５を充電する第２のスイッチング素子３４と、平滑コンデンサ３５の両端の直流電圧を検出する電圧検出回路３８と、電圧検出回路３８で検出した電圧信号により第１のスイッチング素子３３と第２のスイッチング素子３４および回生電圧トランジスタ３７を個別にＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチ制御回路３９で構成されている。
【００１０】
電源投入時には、スイッチ制御回路３９により第１のスイッチング素子３３はＯＦＦ、第２のスイッチング素子３４はＯＮされており、抵抗器３６と第２のスイッチング素子３４を通して平滑コンデンサ３５を充電して突入電圧を抑制する。
【００１１】
また、通常動作時には、スイッチ制御回路３９により第１のスイッチング素子３３がＯＮ、第２のスイッチング素子３４がＯＦＦされ、抵抗器３６の発熱を防止できる。さらに、回生時には回生トランジスタ３７がＯＮして抵抗器３６を介して平滑コンデンサ３５の電荷を放電させる。つまり平滑コンデンサ３５の電荷を抵抗器３６で消費させ、平滑コンデンサ３５の両端の直流電圧が規定値以下になると、回生トランジスタ３７をＯＦＦさせ直流電圧の上昇を抑制している。
【００１２】
上記構成により、一つの抵抗器３６で突入電流抑制抵抗器と回生ブレーキ抵抗器を共有でき、大型の抵抗器を削減できることから、電動機制御機器の小型軽量化および低コストが図れる（例えば、特許文献２参照）。
【００１３】
【特許文献１】
特開平９−２６６６７４号公報
【特許文献２】
特開平１０−１３６６７４号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例に示している特許文献１のような構成では、容量の大きな平滑用コンデンサＣＤとリアクトルＬｉｎ（特許文献１では１５００μＦ、６．２ｍＨ時のシミュレーション結果について記載されている）とを有しており、さらに中間コンデンサＣとトランジスタＱ１とベース駆動回路Ｇ１とパルス発生回路Ｉ１、Ｉ２とダミー抵抗Ｒｄｍと逆流防止用ダイオードＤ５、Ｄ６と平滑効果を高めるリアクトルＬｄｃとを具備することで、装置の大型化や部品点数の増加に伴ないコストＵＰを招いている。
【００１５】
次に、装置の小型・軽量・低コスト化を実現するために、前記平滑用コンデンサおよび前記リアクトルを小容量にすることが考えられるが、前期平滑用コンデンサが小容量であると、モータからの回生エネルギーによって、インバータ直流母線間の電圧が上昇するという課題を有している。この課題を解決するために、従来例に示している特許文献２のようなブレーキ回路が知られている。
【００１６】
しかしながら、上記のような構成では、大型の抵抗器および回生トランジスタを有しており、さらに電圧検出回路およびスイッチ制御回路とを具備することから、装置の大型化やコストＵＰを招き、また回生時の制御が複雑になるという課題を有していた。
【００１７】
本発明のモータ駆動用インバータ制御装置は、前記のような従来の問題を解決するものであり、小型・軽量・低コスト、また直流電圧をインバータ母線における構成要素の耐圧以下に抑制できるモータ駆動用インバータ制御装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【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のモータ駆動用インバータ制御装置は、図１に示すように、交流電源１を入力とする整流回路と、直流電力から交流電力に変換して負荷モータ１１に給電するインバータ１０とを備える。整流回路はダイオードブリッジ６と、ダイオードブリッジ６の交流入力側または直流出力側に接続される小容量のリアクタ９で構成され、インバータ１０の直流母線には、負荷モータ１１の回生エネルギーを吸収するための小容量のコンデンサ７と、小容量コンデンサ７に並列に電圧クランプ手段８を備えたものである。
【００１９】
上記の構成によって、小容量コンデンサおよび小容量リアクタを用いることにより、小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を実現でき、負荷モータ１１の運転周波数が急峻に変更すると、その回生エネルギーによって、インバータ直流母線間の電圧が上昇するが、設定した電圧で電圧クランプ手段８を動作させることにより、インバータ直流母線間の電圧をインバータ母線における構成要素の耐圧以下にすることが可能となる。
【００２０】
また、本発明であるモータ駆動用インバータ制御装置は、モータの運転周波数変更時におけるインバータの直流母線間電圧が前記電圧クランプ手段の作動電圧を超えない範囲でモータの運転周波数変更速度を変更し、インバータ駆動の異常時のみ電圧クランプ手段を動作させるものである。
【００２１】
上記の構成によって、通常運転時はインバータ直流母線間の電圧をクランプさせることなく、負荷モータ１１の安定した駆動を実現でき、インバータ駆動の異常時は、インバータ直流母線間の電圧上昇をインバータ母線における構成要素の耐圧以下にすることが可能となる。
【００２２】
【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。なお、従来例と同一構成のものは、同一番号を付して説明する。
【００２３】
（実施の形態１）
本発明の第１の実施形態であるモータ駆動用インバータ制御装置のシステム構成図を図１に示す。図１の装置は、交流電源１と、交流電源からの交流を全波整流する４つのダイオード２〜５で形成されたブリッジ整流回路６と、ブリッジ整流回路６の交流入力側に挿入された小容量のリアクタ９と、ブリッジ整流回路６の直流側母線に接続した極めて小容量のコンデンサ７と、小容量コンデンサ７に並列に接続された電圧クランプ手段８と、直流電力から交流電力に変換するインバータ１０とを備え、そのインバータ１０の出力は負荷モータ１１に供給される。尚、小容量リアクタ９の設置箇所はブリッジ整流回路６の直流出力端と小容量コンデンサ７との間でも構わない。
【００２４】
次に、前記小容量コンデンサ７および小容量リアクタ９の仕様決定に関する具体的な方法について以下に説明する。
【００２５】
本発明のモータ駆動用インバータ制御装置では、交流電源電流の高調波成分を抑制してＩＥＣ規格をクリアするために、小容量コンデンサ７と小容量リアクタ９との共振周波数ｆＬＣ（ＬＣ共振周波数）を交流電源周波数ｆＳの４０倍よりも大きくなるように小容量コンデンサ７と小容量リアクタ９の組み合わせを決定する。
【００２６】
ここで、小容量コンデンサ７の容量をＣ［Ｆ］、小容量リアクタ９のインダクタンス値をＬ［Ｈ］とすると、ＬＣ共振周波数ｆＬＣは式（１）のように表される。
【００２７】
【数１】
2005039902.tif 000003
【００２８】
即ち、ｆＬＣ＞ｆＳを満たすように小容量コンデンサ７と小容量リアクタ９の組み合わせを決定するものである。（ＩＥＣ規格では交流電源電流の高調波成分において第４０次高調波まで規定されているため）
以上により、小容量コンデンサ７および小容量リアクタ９の組み合わせを決定することで、交流電源電流の高調波成分を抑制して、ＩＥＣ規格をクリアすることが可能となる。
次に、本発明であるモータ駆動用インバータ制御装置のモータの急峻な運転周波数変更時におけるデバイスの保護方法について以下に説明する。
【００２９】
まず、モータの急峻な運転周波数変更時の動作を説明する。
【００３０】
通常、負荷モータ１１が正常に動作している場合、図２の矢印に示すように電流が流れる。ここで、負荷モータ１１の周波数を減速した場合、フリーラン停止より短い時間で減速しようとすると、負荷モータ１１は与えられた周波数に相応した同期速度以上で回るため発電機となり、モータおよび負荷の慣性エネルギーはインバータに回生される。この時、インバータ１０の直流母線間の電圧は、回生エネルギーにより、上昇する。回生エネルギーが大きい場合、インバータ１０の直流母線間に接続されたコンデンサ７が小容量であると、回生エネルギーにより上昇する直流電圧がインバータ母線における構成要素の耐圧を超過してしまい、破壊に至ることがある。
【００３１】
そこで、本発明である図１のモータ駆動用インバータ制御装置に示すように、インバータ１０の直流母線間の電圧が設定した値に達すると、電圧クランプ手段８が動作するように、小容量コンデンサ７に並列に接続する。この電圧クランプ手段は、パワーツェナーなどの電圧吸収形素子や、その他電圧上昇を抑制することができるものであれば構わない。直流電圧が設定した値に達すると、電圧クランプ手段８が機能し、図３に示した矢印のように、回生エネルギーであるモータ電流および充電された小容量コンデンサ７からの電流が流れることにより、直流電圧の電圧上昇が抑制される。電圧クランプ手段８で達成される抑制電圧は、インバータ母線における構成要素の耐圧以下となるようにスペックを選定する。
【００３２】
以上のように、急峻なモータ周波数変更時における負荷モータ１１の回生エネルギーによって上昇する直流電圧を、インバータ母線における構成要素の耐圧以下にすることができる。
【００３３】
（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態であるモータ駆動用インバータ制御装置について、以下に説明する。
実施の形態１でも示しているように、負荷モータ１１を減速した場合、モータおよび負荷の慣性エネルギーはインバータに回生される。この時、インバータ１０の直流母線間の電圧は、回生エネルギーにより、Ｖ２まで上昇する。回生前のインバータ１０の直流母線間の電圧をＶ１、小容量コンデンサの容量をＣ［Ｆ］とすると、回生エネルギーにより小容量コンデンサ７に蓄えられるエネルギー（電力量）ＰＣは式（２）のように表される。
【００３４】
ＰＣ＝１／２・Ｃ・（Ｖ２２−Ｖ１２）・・・・・・・・・・・・・・（２）
ここで、Ｖ２がインバータ母線における構成要素の耐圧以下に設定した電圧クランプ手段８における作動電圧を超えると、前記作動電圧で制限されてしまい、負荷モータ１１の安定な駆動が望めない。そこで、通常動作時は、Ｖ２が電圧クランプ手段８の作動電圧を超えないように、負荷モータ１１の運転周波数の減速（変更）速度を決定する。また、インバータ駆動の異常時のみ電圧クランプ手段８を動作させる。
【００３５】
以上のように、通常運転時はインバータの直流母線間の電圧をクランプさせることなく、負荷モータ１１の安定した駆動を実現でき、インバータ駆動の異常時のみ直流電圧をクランプし、電圧上昇を抑え、インバータ母線における構成要素の耐圧以下にすることができる。
【００３６】
なお、実施の形態１および実施の形態２で説明した本発明は、インバータ回路を使用してモータを駆動するモータ駆動用インバータ制御装置に適用できる。例えば、インバータ回路を搭載した空気調和機、冷蔵庫、電気洗濯機、電気乾燥機、電気掃除機、送風機、ヒートポンプ給湯器等である。いずれの製品についても、モータ駆動用インバータ装置を小型化、軽量化することで、製品の設計の自由度が向上し、安価な製品を提供することができる。
【００３７】
【発明の効果】
上記から明らかなように、本発明であるモータ駆動用インバータ制御装置は、小容量のリアクタ、および極めて小容量のコンデンサを備えるもので、この構成によれば、小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を実現できる。
【００３８】
また、本発明は、電圧クランプ手段を設けることで、急峻なモータの運転周波数変更時に、負荷モータ１１の回生エネルギーにより上昇するインバータ１０の直流母線間の電圧をインバータ母線における構成要素の耐圧以下にすることができる。
【００３９】
また、本発明であるモータ駆動用インバータ制御装置は、負荷モータ１１の運転周波数変更時におけるインバータ１０の直流母線間電圧が前記電圧クランプ手段８の作動電圧を超えない範囲で負荷モータ１１の運転周波数変更速度を変更し、インバータ駆動の異常時のみ電圧クランプ手段８を動作させるものである。
【００４０】
上記の構成によって、通常運転時はインバータ１０の直流母線間の電圧をクランプさせることなく、負荷モータ１１の安定した駆動を実現でき、インバータ駆動の異常時はインバータ１０の直流母線間の電圧上昇を、インバータ母線における構成要素の耐圧以下にすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１のモータ駆動用インバータ制御装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態１の通常動作時のモータ駆動用インバータ制御装置の動作説明図
【図３】本発明の実施の形態１の回生時のモータ駆動用インバータ制御装置の動作説明図
【図４】従来の直流電源装置の構成図
【図５】従来の電動機制御機器の構成図
【符号の説明】
１  交流電源
６  ブリッジ整流回路
７  小容量コンデンサ
８  電圧クランプ手段
９  小容量リアクタ
１０  インバータ
１１  負荷モータ
【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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