(57)【要約】【課題】装置の小型化のために容量が極めて小さい平滑用コンデンサにすると、母線電圧のリプルが大きくなってしまい、高価な高速に電圧を検出できる装置が必要になる。そこで、安価で低速な装置であっても安定して動作す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、モータ５と、制御回路６と、電圧検出手段７と、電圧推測手段８を備え、電圧検出手段７により検出された電圧値から、電圧推測手段８によりずれを補正し、補正した値をもとに制御回路６でモータ５に印加する電圧を調整することにより、安価で低速な装置であっても安定して動作することが可能となる。【選択図】図１
2005198378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と、前記交流電源の交流電力を直流電力に整流する整流回路と、前記整流回路より得られる直流電力を交流電力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電力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平滑用コンデンサと、前記インバータの直流母線間に接続される電圧検出手段と、前記電圧検出手段と接続された前記電圧検出手段の値をもとに電圧推測する電圧推測手段と、前記電圧推測手段と接続された前記インバータを制御する制御回路を備え、推測電圧の値をもとに前記制御回路が前記インバータを制御することで、前記モータに印加する電圧を制御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】
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】
前記電圧推測手段が一次式で電圧を近似す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】
前記電圧推測手段が二次式で電圧を近似す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５】
前記電圧推測手段を正弦で近似す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６】
前記電圧推測手段が、前記電源周波数を測定し、周期内の各時刻における平均を算出し電圧を推測することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
【請求項７】
前記電圧推測手段が、前記電源周波数を測定し、一周期前の同時刻の電圧から推測す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８】
前記モータをブラシレスＤＣモータとし、前記インバータの制御方式を矩形波とし、前記ブラシレスＤＣモータのＰＷＭの幅を電圧に応じて変更することを特徴とする請求項１から７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。
【請求項９】
前記モータが、凝縮器、減圧器、蒸発器などと冷凍空調システムを構成する圧縮機を駆動することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のモータ駆動用の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、母線電圧に脈動が現れる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】
従来、この種のモータ駆動用インバータ制御装置は、母線電圧が変動しても動作が安定するよう、変動している電圧をもとにモータヘの電圧の印加時間を調整している。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、特許文献１に記載された従来のモータ駆動用インバータ制御装置を示すものである。図５に示すように、単相交流電源１と、ダイオードブリッジ９と、コンデンサ１０と、ブラシ付ＤＣ電動機１１と、ダイオード１２と、スイッチ手段１３と、制御回路１４と、電圧検出手段１５から構成されている。
【０００４】
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。
【０００５】
まず、ブラシ付ＤＣ電動１１に流れるコンデンサ１０で平滑されてもなお、母線電圧が脈動した電圧であるとき、電圧検出手段１５が検出した電圧が降下しているときは、制御回路１４の信号を受けスイッチ手段１３でデューティ幅を大きくし、電圧が上昇しているときはデューティ幅を小さくする。電圧の脈動に対してデューティ幅を変更し電圧とデューティ幅の積がほぼ一定にすることができたので、ブラシ付ＤＣ電動機１１を効率よく運転できる。
【特許文献１】特開２００１−３３９９７４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、上記従来の構成では、装置の小型化のため平滑用コンデンサを極めて小さくし、母線電圧が０Ｖ近くまで低下してしまうような大きく激しい脈動の場合、非常に高速に電圧を検知し、デューティ幅の変更をしなければならない。
【０００７】
例えば、脈動が大きな電圧で運転を行なっているとき、電圧検出手段で検出した値に応じて制御回路で演算を行い、デューティの割合を変更できるまでに、少なくとも２００μ秒必要だとすると、単相交流電源１の周波数が５０Ｈｚであるとすると電圧の変化として最大１０Ｖの変化がある。実際に必要な時間はもっと長くなり２０Ｖ程度の変化が起こる。
【０００８】
今、電圧が６０Ｖであり、次に検出する電圧が４０Ｖだとすると、６０Ｖのときに比べて１５０％のデューティを出力しなければならない。４０Ｖになるときには必要な電圧に対して６７％しか印加されていない状態になるので、モータの回転が落ち不安定になってしまう。
【０００９】
また、電圧が４０Ｖで次に検出する電圧が６０Ｖであるとすると、６０Ｖで必要なデューティは４０Ｖの時と比べて６７％になる。電圧が６０Ｖになるときには、必要な電圧に対して１５０％の電圧が印加されていることになるので、回転数が上がってしまい、やはり不安定になる。
【００１０】
以上のように、安価な速度の遅い制御装置では、デューティの変更のタイミングがずれ、動作が不安定になってしまうため使用が困難である。つまり、安定した運転を行なおうとすると高価な高速で動作可能な制御装置が必要となり、コストが高くなってしまうという課題を有していた。
【００１１】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、母線電圧が大きく激しく脈動しても、安定した運転を可能にする安価なインバータ駆動用モ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】
【００１２】
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、電圧推測手段を用いることで、母線電圧の脈動を推測し、推測した電圧に基づいてデューティ幅を調整するとしたものである。
【００１３】
これによって、動作速度の遅い部品を使用しても、動作の遅れ分だけ先の時間の電圧を推測することで、電圧の脈動に合致したデューティ幅を出力することができ、母線電圧が大きく激しく脈動しても、安定した効率の良い運転を行なえる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のモータ駆動用インバータ制御装置は、母線電圧が大きく激しく脈動しても、安定した効率の良い運転を行なえる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
請求項１に記載の発明は、単相交流電源と、前記単相交流電源の交流電力を直流電力に整流する整流回路と、前記整流回路より得られる直流電力を交流電力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電力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平滑用コンデンサと、前記インバータの直流母線間に接続される電圧検出手段と、前記電圧検出手段と接続された前記電圧検出手段の値をもとに電圧推測する電圧推測手段と、前記電圧推測手段と接続された前記インバータを制御する制御回路を備え、推測電圧の値をもとに前記制御回路が前記インバータを制御することで、前記モータに印加する電圧を制御することにより、電圧の脈動に装置の速度がついていかなくても、遅延時間だけ先の電圧を推測することにより、電圧の脈動に合致したタイミングでデューティを変更することができるようになり、安定した効率の良い運転を行なうことができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明の整流回路の出力を平滑用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％以上であるとしたことにより、電圧がほぼ０Ｖまで降下するような小さな容量の平滑用コンデンサを使用し、非常に小型のインバータを実現できることになる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の電圧推測手段が一次式で電圧を近似することにより、単純な演算となり、演算能力の低い安価な制御装置で実現可能かつ、演算時間が短いので、比較的短い間隔で電圧を求めることができ、より安定した運転を行なうことができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の電圧推測手段が二次式で電圧を近似することにより、電圧波形が曲線であるということから、精度の高い推測を行なうことができるようになるので、安定した運転を行なうことができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記載の電圧推測手段が正弦で電圧を近似することにより、単相交流電源が供給する電圧が制限であるという特徴から、非常に精度の高い電圧の推測を行なうことができ、より安定した運転を行なうことができる。
【００２０】
請求項６に記載の発明は、請求項１または２に記載の電圧推測手段が電源周波数を測定し、周期内の各時刻における平均を算出し電圧を推測することにより、運転時間が経過するほど、傾向が蓄積され、精度の高い推測を行なうことができるようになるので、安定した運転を行なうことができる。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、請求項１または２に記載の電圧推測手段が電源周波数を測定し、一周期前の同時刻の電圧から推測することにより、推測問隔を短くすることができるので、安定した運転を行なうことができる。
【００２２】
請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれか一項に記載のモータをブラシレスＤＣモータとし、インバータの制御方式を矩形波とし、ブラシレスＤＣモータのＰＷＭの幅を電圧に応じて変更することにより、より細かな制御を行なうことができるので、更に安定した運転を行なうことができる。
【００２３】
請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれか一項に記載のモータが凝縮器、減圧器、蒸発器などと冷凍空調システムを構成する圧縮機を駆動することにより、小型の装置で安定した運転を行なうことができ、小型の冷凍空調システムを構成することができる。
【００２４】
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。
【００２５】
（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平滑用コンデンサ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実際の電圧値と検出した電圧値のタイミングチャートである。
【００２６】
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の交流電力を直流電力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。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。
【００２７】
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。インバータ４のスイッチングを制御するものとして制御回路６を接続している。母線電圧を計測するために母線間に電圧検出手段７、母線電圧から電圧を推測する電圧推測手段８を用意し電圧推測結果を制御回路６への入力としている。電圧推測手段８として一次式による近似を用いる。
【００２８】
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。
【００２９】
まず、モータ５でごくわず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）、（数２）の通り定義するものとする。
【００３０】
【数１】
2005198378.tif 000003
【００３１】
【数２】
2005198378.tif 000004
【００３２】
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。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、リプル含有率は９０％となる。
【００３３】
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。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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。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。
【００３８】
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。
【００３９】
このように非常に高いリプル含有率を持つ場合、電圧の変化にデューティの変化のタイミングを合わせるために、検出した電圧値から、実際の現時点での電圧値を推測することによって、実際の電圧と検出した電圧のずれを補正することができる。図４において、実際の電圧が４０Ｖであるａから、次の検出タイミングでは６０Ｖであるｂとなる。実際の電圧が６０Ｖであるｂと同時刻の検出電圧は４０Ｖのｃとなる。
【００４０】
ここで、電圧推測手段８を１次式で近似し推測するとしたので、１つ前の検出した電圧値ｄとｃの差を求めｃの電圧に差を足すことで、電圧を推測し、この値をもとにデューティを決定する。これは、電圧が増加するときであるが、電圧が低下するときであっても同様に差を求め、演算を行なうことで電圧を推測する。これにより、実際の電圧に値を近づけることができ、モータ５に必要な量の電圧を印加することができる。
【００４１】
以上のように、本実施の形態においては、電圧推測手段８を一次式による近似としたことで、モータ５に印加する電圧を推測した電圧をもとに制御することで、制御回路６で用いている電圧と、実際の電圧値との差が少ないので、安定した運転を行なえる。
【００４２】
さらに、演算が非常に単純であるので、安価な低能力の装置であっても実現可能であり、安価なモータ駆動用インバータ制御装置を提供できる。
【００４３】
さらに、リプル含有率が実使用の範囲でｇ０％以上である極めて小容量の小型のコンデンサ３を選んだので小型のモータ駆動用インバータ制御装置を提供できる。
【００４４】
また、本実施の形態の電圧推測手段８を、二次式による近似とすることで、電圧波形が曲線であるということから、精度の高い推測を行なうことができるようになるので、安定した運転を行なうことができる。
【００４５】
また、本実施の形態の電圧推測手段８を、正弦による近似とすることで、単相交流電源１の供給する電圧が正弦であるという特徴から特に電圧の推測精度が上がり、より安定した運転を行なうことができる。
【００４６】
また、電圧推測手段が、単相交流電源１の周波数を求め、この単相交流電源の１周期のなかの各時刻の平均を回転数ごとに求めておき、時間とモータ５の回転数から即座に電圧を推測するとすることで、運転時間が長くなるにつれ情報が蓄積され、時間が経つほど安定した運転が行なえる。
【００４７】
また、本実施の形態の電圧推測手段８を単相交流電源１の周波数を測定し、一周期前の同時刻の電圧から推測することで、１周期前の電圧を参照するだけで、電圧を推測するのに要する時間が非常に短く、推測間隔を短くすることができ、より細かく印加する電圧を変更できるので安定した運転を行なうことができる。
【００４８】
さらに、演算が簡単であるので、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。
【００４９】
また、本実施の形態のモータ５をブラシレスＤＣモータとし、モータ５に印加する電圧を矩形波とし、ＰＷＭの幅を変更できるようにすることで、電圧の変化が激しいときにはＰＷＭの幅を細くすることで、印加する電圧をより細かく制御することができ、安定した運転を行なうことができる。
【００５０】
さらに、電圧の脈動が小さいときには、印加電圧も少なくなるため、ＰＷＭの幅を大きくすることで、ブラシレスＤＣモータとしたモータ５のロータ位置を検出する精度が高くなり安定した運転を行なうことができる。
【００５１】
また、本実施の形態のモータ５が凝縮器、減圧器、蒸発器などと冷凍空調システムを構成する圧縮機を駆動するものとすることで、小型の装置で安定した運転を行なうことができ、小型の冷凍空調システムを構築することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
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母線電圧の脈動が大きく激しくても、母線の電圧を推測することとしたので、安価な制御装置で安定した運転を可能にし、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】
【００５３】
【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】同実施の形態の実際の電圧値と検出した電圧値のタイミングチャート
【図５】従来のモータ駆動用インバータ制御装置のブロック図
【符号の説明】
【００５４】
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    制御回路
７    電圧検出手段
８    電圧推測手段
【図１】
2005198378.tif 000005
【図２】
2005198378.tif 000006
【図３】
2005198378.tif 000007
【図４】
2005198378.tif 000008
【図５】
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