(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機を駆動する電動機と、この電動機を回転制御するインバータと、交流を直流に変換する整流回路及び直流電圧を昇圧する昇圧回路とを有し前記インバータに直流を供給するコンバータと、このコンバータの出力電圧が複数の直流電圧を出力し得るよう前記昇圧回路を制御する昇圧回路制御手段と、前記複数電圧のそれぞれで前記インバータをパルス幅変調制御するインバータ制御手段と、庫内の温度を設定するための温度設定器とを備え、
前記複数の直流電圧は高中低位の少なくとも３段階の電圧であり、
前記複数の直流電圧のうち高位の電圧及び中位の電圧は前記コンバータの昇圧機能をオンさせて昇圧された電圧とし、かつ、前記複数の直流電圧のうち最も低い低位の電圧は前記コンバータの昇圧機能をオフさせた電圧とし、
前記温度設定器で設定される温度よりも高い温度指令を発生する運転モードを有することを特徴とする冷蔵庫。
【請求項２】
圧縮機を駆動する電動機と、この電動機を回転制御するインバータと、交流を直流に変換する整流回路及び直流電圧を昇圧する昇圧回路とを有し前記インバータに直流を供給するコンバータと、このコンバータの出力電圧が複数の直流電圧を出力し得るよう前記昇圧回路を制御する昇圧回路制御手段と、前記複数の電圧のそれぞれで前記インバータをパルス幅変調制御するインバータ制御手段とを備え、
前記複数の直流電圧は高中低位の少なくとも３段階の電圧であり、
前記複数の直流電圧のうち高位の電圧及び中位の電圧は前記コンバータの昇圧機能をオンさせて昇圧された電圧とし、
前記複数の直流電圧のうち最も低い低位の電圧は前記コンバータの昇圧機能をオフさせた電圧とし、
前記電動機を起動する際における前記インバータに供給する直流電圧を、前記交流を直流に変換した値よりも高くした冷蔵庫。
【請求項３】
前記複数の直流電圧のうち低位の電圧は、前記コンバータの整流回路の出力電圧である請求項１又は２に記載の冷蔵庫。
【請求項４】
前記整流回路と、前記昇圧回路を構成する昇圧チョッパとの間にリアクタを設け、
このリアクタを、小電流域で大きなインダクタンスを呈し、大電流域で小さなインダクタンスを呈するようなリアクタとした請求項１乃至３のいずれかに記載の冷蔵庫。
【請求項５】
請求項４において、前記リアクタは一部に空隙がある環状の芯にコイルが巻回されたものである冷蔵庫。
【請求項６】
前記複数の直流電圧の選択は、前記電動機の回転速度指令及び実回転数に基づいて行われるものである請求項１乃至５のいずれかに記載の冷蔵庫。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流を整流し所望の直流電圧を出力する電源回路と、電動機を駆動する電動機駆動回路から構成されるインバータ冷蔵庫に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、交流を整流して直流に変換する整流回路であって、電源電流の高調波の抑制や、直流電圧の制御を行う電源回路と圧縮機用電動機の駆動回路とを組み合わせ、圧縮機用電動機の速度制御を行う制御装置として、ＰＣＴＪＰ９７／１３３１８号公報（文献１）記載のものがある。
【０００３】
この文献１には、交流電源を直流に変換する整流回路および平滑回路と、スイッチング動作とリアクタ（インダクタンス）によるエネルギー蓄積効果を利用して直流電圧の制御を行うチョッパ回路を有するコンバータ回路と、コンバータ回路の直流側に接続されたインバータ回路および電動機を備えた電動機駆動装置と、前記チョッパ回路のスイッチング動作を制御するコンバータ制御回路と、インバータ回路のスイッチング動作を制御することで、電動機の回転数制御を行うインバータ制御回路と、電動機のロータ位置を検出し速度を演算する速度検出回路と、演算速度値と速度指令値を入力しインバータ制御回路を介して電動機の速度制御を行う速度制御回路と、速度制御回路の出力信号を入力し、この出力信号に従ってコンバータ制御回路を介して直流電圧を制御する直流電圧制御回路とを備えた電動機制御回路が記載されている。
【０００４】
インバータ制御回路は、速度検出回路からの位置信号および速度制御回路からの通流率信号に基づいて、インバータ回路のスイッチング素子を駆動し電動機を駆動する。この速度検出回路は、電動機の誘起電圧を検出し誘起電圧よりロータの位置を算出し、パルス状の位置検出信号を出力すると共に算出した位置信号から速度を演算し速度制御回路に速度検出値として出力する。そして、上記速度制御回路は外部からの速度指令と速度検出値から速度偏差が零になるようにインバータのＰＷＭパルスの通流率信号を算出する。上記インバータ回路、電動機、速度検出回路、インバータ制御回路および速度制御回路により電動機の速度制御が行われる。
【０００５】
コンバータ制御回路は、直流電圧制御回路からの信号に従ってチョッパ回路のスイッチング素子を駆動する。直流電圧制御回路は、直流電圧と速度制御回路の出力信号、例えば通流率信号を検出し、通流率信号が所定値、例えばある通流率範囲の上限に達したら直流電圧を所定の幅だけ上昇させ、通流率信号が下限値に達したら直流電圧を所定の幅だけ降下させるように直流電圧を制御する。上記コンバータ回路、コンバータ制御回路および、直流電圧制御回路によりコンバータの直流電圧制御回路が構成され直流電圧を制御する。
【０００６】
上記文献１に記載の電動機制御装置は、冷蔵庫用に関して記載されていないが、冷蔵庫用圧縮機を駆動する電動機制御装置として直流電圧を制御するいわゆるＰＡＭ制御手段を用いたものが特開平７−２６０３０９号公報（文献２）及び特開平７-１８０９７号公報（文献３）に記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記文献２及び３には、冷蔵庫用圧縮機駆動用電動機の制御装置としてＰＡＭインバータを用いることにより省エネルギー化されることは記載されているが、冷蔵庫として要求される機能を持ちつつ省エネにする具体的構成について何ら記載されていない。また、文献１のような構成では冷蔵庫用として吟味されていないため、更なる省エネについて何ら開示されていない。
【０００８】
また、電動機を駆動するための電源電圧（家庭用コンセントに供給される交流の電圧）は、電気事業法により定められた許容変動量及び家庭内における電圧降下分を考慮すると、基準値の±７．５％になる。従来のような倍電圧回路を用いた電動機の制御装置では、直流ステージの電圧が２６０Ｖ〜３０３Ｖと最大値と最小値との差が４３Ｖにもなり、直流ステージの電圧が低い場合電動機が起動しないということがある。
【０００９】
本発明の目的は、冷蔵庫として要求される機能を持ちつつ省エネルギーを達成し得る冷蔵庫を提供することにある。
【００１０】
本発明の第２の目的は、省エネルギー化を達成しつつ高調波の低減を図った冷蔵庫を提供することにある。
【００１１】
本発明の第３の目的は、電源の電圧が変動しても、圧縮機の起動を行える冷蔵庫を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、圧縮機を駆動する電動機と、この電動機を回転制御するインバータと、交流を直流に変換する整流回路及び直流電圧を昇圧する昇圧回路とを有し前記インバータに直流を供給するコンバータと、このコンバータの出力電圧が複数の直流電圧を出力し得るよう前記昇圧回路を制御する昇圧回路制御手段と、前記複数電圧のそれぞれで前記インバータをパルス幅変調制御するインバータ制御手段と、庫内の温度を設定するための温度設定器とを備え、
前記複数の直流電圧は高中低位の少なくとも３段階の電圧であり、
前記複数の直流電圧のうち高位の電圧及び中位の電圧は前記コンバータの昇圧機能をオンさせて昇圧された電圧とし、かつ、前記複数の直流電圧のうち最も低い低位の電圧は前記コンバータの昇圧機能をオフさせた電圧とし、
前記温度設定器で設定される温度よりも高い温度指令を発生する運転モードを有することにより達成される。
【００１３】
また、上記目的は、圧縮機を駆動する電動機と、この電動機を回転制御するインバータと、交流を直流に変換する整流回路及び直流電圧を昇圧する昇圧回路とを有し前記インバータに直流を供給するコンバータと、このコンバータの出力電圧が複数の直流電圧を出力し得るよう前記昇圧回路を制御する昇圧回路制御手段と、前記複数電圧のそれぞれで前記インバータをパルス幅変調制御するインバータ制御手段とを備え、
前記複数の直流電圧は高中低位の少なくとも３段階の電圧であり、
前記複数の直流電圧のうち高位の電圧及び中位の電圧は前記コンバータの昇圧機能をオンさせて昇圧された電圧とし、
前記複数の直流電圧のうち最も低い低位の電圧は前記コンバータの昇圧機能をオフさせた電圧とし、
前記電動機を起動する際における前記インバータに供給する直流電圧を、前記交流を直流に変換した値よりも高くしたことにより達成される。
【００１４】
また、上記のいずれかの冷蔵庫において、前記複数電圧のうち低位の電圧は、前記コンバータの整流回路の出力電圧であることを特徴とする。
また、上記のいずれかの冷蔵庫において、前記整流回路と、前記昇圧回路を構成する昇圧チョッパとの間にリアクタを設け、このリアクタを、小電流域で大きなインダクタンスを呈し、大電流域で小さなインダクタンスを呈するようなリアクタとしたことを特徴とする。そして、前記リアクタは一部に空隙がある環状の芯にコイルが巻回されたものであることを特徴としている。
さらには、上記のいずれかの冷蔵庫において、前記複数の直流電圧の選択は、前記電動機の回転速度指令及び実回転数に基づいて行われるものであることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
冷蔵庫に対する要求として、調理した食品を冷凍貯蔵する場合に急速に冷凍させる等急速冷凍、短時間に氷を作る急速製氷、更に冷蔵庫は一般家庭において常に電源プラグを入れて使用するため年間電気代が安い（年間の消費電力が少ない）といった省エネルギーであることが挙げられる。急速冷凍及び急速製氷については、圧縮機の回転数を上昇させて冷凍サイクルの冷媒循環量を増すことにより達成されるが、省エネルギーとするためには、圧縮機を低速回転で運転する必要がある。圧縮機を高速回転で運転することと圧縮機を低速回転で運転することを両立させようとすると次のような問題がある。
【００１６】
現在冷蔵庫用圧縮機（主にレシプロタイプ）を動作させる電動機は、回転子に永久磁石が埋め込まれ、固定子にインバータによって回転磁界を発生させることによって回転子を回転させるブラシレス電動機が多く使用されている。このブラシレス電動機の回転数は次の式で表される。
【００１７】
Ｎ＝（Ｖ−ＩＲ）／ｋΦ
ここで、Ｎは電動機の回転数、Ｖは電動機印加電圧、Ｉは電動機電流、Ｒは電動機の内部抵抗、ｋは係数、Φは磁束密度である。
【００１８】
この式からも理解されるように、電動機印加電圧Ｖが大きいほど、また電動機内部抵抗Ｒが小さいほど高速回転が得られる。インバータに入力される直流電圧は、倍電圧回路を用いると１４４Ｖの２倍の２８８Ｖ（負荷を接続すると約２５０Ｖ）が得られるが、電動機の内部抵抗Ｒは電動機を高速回転仕様とするか低速回転仕様とするかで異なり、例えば高速回転仕様とすると、電動機の固定子の巻き数であるターン数を１２０ターン（一例）とすることで内部抵抗Ｒの値を小さくしている。ところが、このように電動機の仕様を高速側に設定すると、低速域において電動機の効率が著しく低下するという問題がある。
【００１９】
一方、電動機の仕様を低速域に合わせる（低速域の効率を高くする）ため、固定子巻き線の巻き数を１４０ターン（一例）とすると、電動機印加電圧Ｖは一定で、電動機内部抵抗Ｒが大きくなることから急速冷凍や急速製氷に必要な回転数を得ることができないといった問題がある。
【００２０】
そこで、本実施の形態では、電動機の仕様を低速域に合わせてインバータ入力電圧を高速域において高くするようにすることで電動機の高速回転を実現するようにした。インバータ入力電圧、即ち直流ステージ電圧を高くするためには、交流を直流に変換するコンバータの後段に昇圧チョッパ（若しくはＰＷＭ制御可能なコンバータ）を設けてこの昇圧チョッパをチョッピング制御する（ＰＡＭ制御）ことにより達成されるが、文献１に記載されているように電動機の全動作領域で昇圧チョッパを動作させると、電動機に印加される電圧が低いところ（低速領域）で電動機効率が悪くなってしまうという問題があった。即ち、冷蔵庫でインバータ制御を行うと、圧縮機用電動機の回転数は、設定される最小回転数で運転されることが多い。この際、コンバータ回路内の昇圧チョッパ回路で、パワー素子のスイッチング動作及びリアクタのエネルギー蓄積効果により、入力電流を強制的に流し電圧を昇圧すると、パワー素子のスイッチング損失により、回路の効率が低下するという問題を有していた。
【００２１】
また、最小回転数でもコンバータ回路内の昇圧チョッパ回路で、パワー素子のスイッチング動作を行い、直流電圧を昇圧すると、直流電圧の最低電圧は、電圧変動を含めると１６３Ｖ以上で制御しなければならない。このため、圧縮機用電動機の設計は、直流電圧の高い点で設計するため最適設計と成らず効率が低下するという問題を有していた。
【００２２】
これは、倍電圧回路を用いない全波整流の場合、直流電圧の大きさは約１４４Ｖであるが、これを最低の通流率で昇圧させて得られる最低直流電圧は約１６３Ｖであるため、回転数を低下させようとすると、ＰＷＭ波形であるパルス幅が細くなり、インバータのオン期間に流れる電流の大きさが大きくなり（ある相のスイッチング素子がオンしている期間に流れる電流の最大値）、還流モード（その相の還流ダイオ−ドに電流が流れている期間）における最低電流との差が大きくなってしまうことによる。この差電流は、脈動磁束密度と比例関係にあり、これが大きいほど鉄損が大きくなってしまう。
【００２３】
この問題を解決するため、本実施の形態では、低速領域において昇圧チョッパをオフすることで直流電圧を更に低くすることとした。直流ステージの電圧を低くした分インバータのＰＷＭのパルス幅を広くすることができる。このようにパルス幅を広くすることで、インバータスイッチング素子の１周期における最大電流値と最小電流値との差を小さくすることができるので、脈動磁束密度を小さくすることができ、その結果、電動機の鉄損を減少させることができる。
【００２４】
さて、上記の如く電動機の鉄損を少なくするために電動機の低速回転域で昇圧チョッパをオフして更に低電圧を実現するのであるが、昇圧チョッパをオフしたことにより入力電流に含まれる高次の高調波が増大するという問題が発生した。昇圧チョッパが動作している領域では、電流指令が入力交流電圧に基づいて作成されているために力率がほぼ１に制御されることで、電流波形は正弦波状になり高調波成分が低減されるのであるが、昇圧チョッパが動作しない領域では、電流波形は、コンバータとインバータ間の直流ステージに設けられたＬＣフィルタのリアクタのインダクタンスＬの大きさによって決まり、Ｌの値が小さいほど波高値が大きく幅が小さい尖頭的な電流が流れ、Ｌの値が大きいほど電流波形が正弦波状になる。そこで、リアクタのインダクタンスを大きくすれば高調波の問題が解決されるのであるが、この高調波を低減しうるリアクタは形状が大きくなり例えば冷蔵庫背面板と冷蔵庫内板との間に設けられる電気品箱に収納することができないという問題がある。
【００２５】
この問題を解決するため、本実施の形態では、低電流域でインダクタンスが大きくなるインダクタンス可変形のリアクタを用いた。このリアクタの形状は、鉄やアモルファス材料にコイルが巻回され、一巡磁気回路が形成されるように構成し、この磁気回路の一部にエアギャップを設けたものである。単にインバータの直流側のリアクタを鉄芯入りとすることは特公昭64-2029号公報に記載されており高調波低減という効果を奏するのであるが、単に鉄芯入りのリアクタでは、リアクタを流れる電流が増大すればするほど小さくなってしまう。これでは、昇圧チョッパをオフしている状態の全域において必要なインダクタンス値を得ることができずその領域中の低速側で高調波が増大するといった問題がある。
【００２６】
本実施の形態では、鉄心等を環状にして一部に空隙を持たせたリアクタとしているので、起動から電流値が上昇しても略一定のインダクタンス値Ｌが維持されるので、電動機の作動領域全域において高調波による影響を最小にすることができる。又、以下に説明するように、本実施の形態では、昇圧チョッパをオフした場合１つの速度（最低速度）で運転するようにしているが、冷蔵庫の機種によってこの最低速度が異なる場合でも、本リアクタのインダクタンス値に略一定部分が存在しているため、その範囲内であれば機種毎にリアクタを変えることなく設計の自由度が広がる。
【００２７】
以下、上記した本発明の一実施の形態を図面を用いて説明する。図１は冷蔵庫の制御装置を説明するものであり、整流回路及び昇圧チョッパ回路を用いたコンバータ回路と、インバータ回路及び圧縮機用電動機からなる電動機駆動回路を備えた電動機制御装置の全体構成図である。
【００２８】
交流電源１は一般にはコンセントであり、冷蔵庫側の差し込みプラグを挿入することによって冷蔵庫に受電される。受電された交流はコンバータ回路２に接続され直流に変換される。コンバータ回路２には、整流回路を構成するダイオード２１、２２、２３、２４、リアクタ２５、ダイオード２６及びトランジスタ等のパワーデバイスであるスイッチング素子２７で構成される昇圧チョッパ回路を介して直流電圧として出力される。コンバータ回路２内の昇圧チョッパ回路はコンバータ回路２内の整流回路の出力側に接続され、前述したパワー素子のスイッチング動作及びリアクタ２５のエネルギー蓄積効果により、入力電流を強制的に流し電圧を昇圧する。昇圧された直流電圧は平滑用コンデンサに供給され安定した直流電圧を出力する。昇圧の仕組みは公知であるが、簡単に説明する。ダイオード２１側がプラスとして、スイッチング素子２７がオンしているとき、電流が、交流電源１、ダイオード２１、リアクタ２５、スイッチング素子２７、ダイオード２４、交流電源１の順に流れリアクタ２５に電磁エネルギーが蓄積される。この時、スイッチング素子２７をオフすると、リアクタ２５から逆流防止用のダイオード２６を介して平滑用のコンデンサ５に電流が流れ、電磁エネルギーがコンデンサ５に移されコンデンサ５の電圧が上昇する。これにより直流ステージ電圧を上昇させるのである。なお、コンバータ２内の抵抗２８は電流検出用の抵抗である。
【００２９】
このコンデンサ５には、電動機を回転させるための回転磁界を発生させる交流に直流を変換するインバータ３が接続されている。インバータ３には圧縮機駆動用電動機４が接続されている。この電動機４が駆動する圧縮機７は、詳細図示しないが、電動機４と共に密閉容器内に収納されており、主にレシプロタイプの圧縮機である。その他、ロータリタイプの圧縮機であっても構わない。
【００３０】
インバータ３は、３相インバータでありスイッチング素子として本実施形態ではＩＧＢＴ（インシュレーテッドゲートバイポーラトランジスタ）３１ａ乃至３２ｃが用いられている。これらスイッチング素子にはそれぞれ並列に還流ダイオード３３ａ乃至３４ｃが接続されている。そして、コンデンサ５から供給される直流を設定された回転数になるよう電動機４の回転位置検出の出力に基づいて１２０度通流を行い、各相の通流期間における通流率の制御（パルス幅制御）を行い電動機４の回転数を制御する。
【００３１】
なお、抵抗６は電流検出用抵抗でこの電流検出値が過電流保護装置１１１に送出され、この電流検出値がスレッシュホールドレベルを超えたときインバータ３を構成するスイッチング素子を全てオフする信号をドライバ１１０に出力し、ドライバ１１０はスイッチング素子をオフする。これはインバータ制御において電流マイナーループを有しないために設けるものである。
【００３２】
温度設定器１３０からの信号である冷凍室設定温度と冷凍室温度検出器１３８からの実冷凍室温度が比較器１００によって比較され温度偏差が速度指令演算器１０１に出力される。最高速度指令までは温度偏差に比例した速度指令が出力されるが、それ以上の偏差では速度指令は一定となる。一方、電動機４の誘起電圧を位置検出器１０２に入力し、この誘起電圧から磁石位置を演算して、この位置信号に基づいて速度演算器１０３によって電動機の回転数（速度）が出力される。この検出された速度は、前述の速度指令（速度指令リミッタ１３６及び選択回路１３７は後述する）と比較器１０４にて比較され速度偏差がインバータＰＷＭデューティ指令器１０５に入力され、この速度偏差に基づいて比例積分演算されて速度偏差が０となるようにパルス幅が決められたパルス列が出力される。また、位置検出器１０２の出力信号は、転流出力器１０８にも入力され、各相のスイッチング素子の１２０度通流の転流タイミング（相毎に１２０度ずれたパルス列）であるパルス列が各スイッチング素子毎に出力される（図は１スイッチング素子分）。各相の下アームを構成するスイッチング素子３２ａ、３２ｂ、３２ｃは、この転流タイミングの期間中オンとなり、上アームを構成するスイッチング素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃには転流タイミングを表すパルス列と先のＰＷＭ信号を表すパルス列とのアンドがアンド回路１０９により取られドライバ１１０を介してオンオフ制御される。
【００３３】
次にコンバータ２の直流ステージ電圧の制御について説明する。本実施の形態における直流ステージの電圧は、高電圧（２８０Ｖ）、中電圧（１７０Ｖ）、低電圧（１２０Ｖ）の３段階に制御され、高電圧及び中電圧では昇圧チョッパ２７をオンオフ制御することでその電圧を実現している。低電圧では昇圧チョッパ２７をオフしてインバータ３の出力パルス幅を太らせることによって省エネルギーに寄与している。
【００３４】
速度演算器１０３にて演算された電動機４の実回転速度及び速度指令発生器１０１にて演算された速度指令は、コンバータＰＡＭ電圧指令発生器１０６及びコンバータ動作判定器１０７に入力される。コンバータＰＡＭ電圧指令発生器１０６では、入力された実速度及び速度指令に基づいて高電圧若しくは中電圧の指令を発生する。この電圧指令値と直流電圧検出回路５０によって検出されたコンデンサ５の両端の電圧である直流電圧とを比較し比例積分回路を介して、コンデンサ５の両端の電圧が選択された高電圧若しくは中電圧になるような電流波高値の指令が出力される。また、コンバータ動作判定器１０７では、入力された実速度及び速度指令に基づいて直流ステージ電圧を低電圧にしなければならないと判定した場合、昇圧チョッパ（以降、スイッチング素子２７を昇圧チョッパ２７という場合もある）をオフする信号であるチョッパオフ信号（ＰＡＭオフ信号）を出力する。
【００３５】
コンバータＰＡＭ電圧指令器１０６からの電流波高値指令は、電圧検出器２９にて検出されたダイオード２１、２２、２３、２４によって全波整流された電圧（脈流）と乗算器２０１によって乗算されて瞬時電流指令となる。この瞬時電流指令と電流検出抵抗２８によって検出された実瞬時電流とが比較器２０２にて比較されその偏差が比較器２０４に入力され、発信器２０３にて生成された鋸歯状波（三角波）と比較されてパルス幅変調信号を得る。この信号がドライブ回路２０５に入力され増幅されて昇圧チョッパ２７のゲート信号となる。このように瞬時電流指令と瞬時電流とを比較して偏差がなくなる方向に制御することで、入力電圧と電流の位相がほぼ等しくなり力率が１に近くなる。このように電流を正弦波状にすることで、高調波を抑制することができる。なお、低電圧が要求されている場合、前述のコンバータ動作判定器１０７の出力であるチョッパオフ信号はドライブ回路２０５に入力され、ゲート信号をブロックして昇圧チョッパ２７のスイッチング動作を停止させる。
【００３６】
点線Ａで囲んだ各要素は、一つの集積回路にパッケージされている。なお、チョッパオフ信号が出力されている間、コンバータＰＡＭ電圧指令器１０６の出力は中電圧指令が出力されており、瞬時電流偏差に基づくチョッピング信号がドライブ回路に出されている。この時、チョッパオフ信号が解除されても直流ステージ電圧が徐々に立ち上がるように集積回路中に構成されている（図示なし）。
【００３７】
上記したコンバータ制御回路は、最近コントロールＩＣ化されており、アナログ電圧を制御することにより直流電圧を制御する方式のものが多数製品化されている。
【００３８】
なお、上記説明した実施形態においては、直流ステージの電圧指令を速度指令値と実際の速度値によって判定しているが、インバータのパルス幅変調信号の通流率に応じて判定してもよい。
【００３９】
次に、コンバータＰＡＭ電圧指令器１０６の詳細を図２に基づいて説明する。速度指令値と実際の速度値に基づいて高電圧若しくは中電圧がプログラム処理によって選択され、この選択された電圧がコンバータ制御回路側で発生し得るようなアナログ電圧による指令を出力するものである。すなわち、抵抗のＲ２とＲ３の分圧値できまる電圧を出力するか、Ｒ３とＲ４を並列接続させＲ３及びＲ４の並列抵抗値とＲ２との分圧値で決まる電圧を出力するかによって直流スーテジ電圧を変更する指令を変更する。
【００４０】
しかし、切替点で直流電圧の大きな変化が生じ、このステップ状の電圧の変化は、インバータのＰＷＭディユーティに悪影響を及ぼすので、本実施の形態では前記プログラム処理による電圧指令が変化しても、アナログ回路により変化が徐々に進行するようにした。以下、説明する。
【００４１】
プログラム処理により出力された直流電圧の指令はスッテプ状に変化する。このステップ状に変化する信号を抵抗Ｒ１とキャパシタＣで時定数をもたせ、徐々に電圧を上昇させる。この電圧と発振回路で形成された三角波をコンパレータで比較する。この発信回路の出力波形の波高値は直流電圧の指令値の電圧以下に設定しておく。コンパレータの出力は、時定数回路の出力が大きいとき出力されるので、時定数回路の出力電圧が徐々に大きくなると共に徐々に幅の広がるパルス列が出力される。そして、コンデンサＣへの充電が完了するとコンパレータはオンを出力する。コンパレータの出力がオンであるときトランジスタＴはオンするので、このときコンバータ制御回路側には、抵抗Ｒ３とＲ４との並列抵抗値とＲ２との分圧による電圧（分圧１という）が出力される（トランジスタＴがオフの時は抵抗Ｒ２とＲ３との分圧（分圧２という））。分圧１と分圧２の電圧が交互に出力され、時定数回路の電圧が立ち上がってくるにつれ分圧１の電圧期間が徐々に長くなり、最終的に分圧１のみの電圧が出力される。このようにコンバータ制御回路側には時定数に応じたデユーテイ幅の違う矩形波が出力される。図示しないが、コンバータ制御回路側には積分回路が内蔵されており、この矩形波をアナログ電圧に変換する。この出力が直流電圧指令となり、この値と実直流電圧とが比較されて電流の波高値指令となる。これらの制御により、直流電圧を切替えた場合の電圧変化を抑制するため、電動機４の回転数脈動を抑えることができる。図４に抵抗Ｒ１とキャパシタＣの時定数を変化させた場合の回転数脈動を示す。時定数が大きい方が回転数の脈動が小さいことがわかる。
【００４２】
尚、本実施の形態では、三角波を形成し抵抗Ｒ１とキャパシタＣで時定数回路を形成しているが、プログラム（ソフト的）に直流電圧指令を時定数に応じたデユーテイ幅の違う矩形波を出力してもよい。
【００４３】
次に圧縮機（電動機）起動時の制御につき説明する。普通家庭等に送電されてくる電気の電圧は、電気事業法に基づく変動範囲が許容されており、また屋内配線による電圧降下を考慮すると、倍電圧表示で２８１±７．５％（２６０Ｖ〜３０３Ｖ）の変動幅となる。このため、電圧が低い場合、圧縮機の起動トルクが大きいこともあいまって、電動機の回転トルクが不足し起動が困難となることもある。本実施の形態では、圧縮機が停止中しているとき、起動指令が出された際、最初に直流電圧指令を高電圧若しくは中電圧に制御して、変動の少ない直流電圧を得た後、電動機の起動を開始するようにしたものである。このようにすることにより、２８１±３％となるので安定した直流電圧が供給され、起動が確実なものとなる。
【００４４】
すなわち、コンバータＰＡＭ電圧指令発生器１０６では、速度演算機１０６の出力である実速度と、選択回路１３７の出力である速度指令とを入力して実速度が０であって速度指令がある場合、圧縮機が起動すると判断して直流電圧指令を高電圧指令とする。図９に示した如く、この電圧下でインバータがスイッチング動作し電動機を起動する。その後、冷凍室温度が温度設定値に近づいてくると中電圧を経て低電圧を指令し、低電圧下で電動機が駆動される。この時、昇圧チョッパはスイッチングを停止しているので、直流電圧は先に説明したように電源電圧の変動により変動する。しかし、電源電圧変動があっても、電動機の誘起電圧が立ち上がっているため、速度フィードバック制御が確立されているので、その速度を維持するためのＰＷＭのパルス幅となるので、電動機は速度指令に追従するように制御される。なお、ＰＡＭをオフして低電圧とした場合、上記のように、インバータはそのパルス幅を太らせて速度指令になるように電動機を制御するが、交流電源電圧の変動幅のうち最低電圧のとき通流率が１００％となるような最低速度が選ばれる。
【００４５】
ここで、急冷凍運転、急製氷運転及びおさえめ運転について説明する。家庭用冷蔵庫におけるホームフリージング性能は、食品中の水分の殆どが凍る最大氷結晶生成帯（−１℃〜−５℃）の通過時間を極力短くすることで、凍結時の細胞組織内の氷結晶の成長を抑え、細胞の破壊による解凍時のドリップ（旨みや栄養分を含んだ液汁）の流出を抑えることができ高品質の凍結ができる。これを実現するため、冷蔵庫の扉に急速冷凍釦（急速製氷釦）１３４を設け、この急速冷凍釦１３４が押下されることによって急速冷凍（製氷）が開始されるようにした。
【００４６】
急速冷凍釦１３４が押下されると急冷回路１３３内のタイマが起動し、急速冷凍釦１３４が手動で解除されるかまたはタイマがオフするまで最長２時間急速冷凍運転が行なわれる。急冷回路１３３では、選択回路１３７に対して電動機回転速度を４２００回転／分（固定）にする速度指令を送出し、選択回路１３７では急冷回路１３３からの速度指令を選択して比較器１０４に出力する。また、電動機速度指令を固定した場合、復帰したときの温度偏差が大きくなり不安定になる場合もあるため、温度指令を通常よりも−７℃低い値とする。このため、温度設定器１３０からの出力に加算器１３５にて−７℃加算して温度指令とする。この温度と実温度との偏差が比較器１００から出力される。急冷回路１３３は、この温度偏差を入力して、急速冷凍運転中に冷凍室温度が庫内温度設定（通常−１８℃）より７℃低い温度を下回ったとき、速度指令を固定値の４２００回転／分から０回転／分にして、冷凍室以外の冷蔵室や野菜室などの冷え過ぎを防止する。冷凍庫温度が上昇して７℃低い設定温度を上回ったとき（ヒステリシスを持っている）、再び電動機速度指令を戻して運転を再開する。この動作が、タイマオフされるまで継続される。
【００４７】
以上の急速冷凍（製氷）運転機能により、最大氷結晶生成帯通過時間を３０分以内とすることができ高品質の冷凍が可能となった。
【００４８】
また、近年、地球温暖化防止策としての社会的要請により冷蔵庫の省エネ化が叫ばれている。この要請に答えるため、本実施の形態に係る冷蔵庫では、その扉に省エネモードを実現するおさえめ釦１３２を設けた。
【００４９】
おさえめ釦１３２が押下されると、おさえめ回路１３１が起動する。おさえめ回路１３１は、温度設定（温度指令）を１℃高めるため、温度設定器１３０の出力に、１℃加算する信号を出力し加算器１３５にて加算し、加算器１３５の出力をおさえめ運転時の温度指令とする。また、おさえめ回路１３１は、速度指令リミッタ１３６に信号を出力し、速度指令発生器１０１の出力である速度指令が３０００回転／分を上回っても３０００回転／分以上の速度指令を後段に出力しないようにした。このように、設定温度を上昇させることにより、温度偏差が小さくなるため、主回路の直流ステージ電圧が低電位を選択される率が高まり、インバータＰＷＭ波形のパルス幅が太くなるので、前述したように、電動機の鉄損が減少し消費電力を少なくすることができる。また、直流ステージ電圧が制御可能となったことから、運転可能な最小回転数を１６００回転／分から２０００回転／分の間にすることができるので、温度偏差が小さいにもかかわらず電動機回転速度が必要以上に大きくなることがないので、電力消費量を低減することができる。さらに、温度偏差が非常に大きい場合であっても、最高速度が３０００回転／分に抑制されるので、このおさえめ釦１３２が押されている間は、むやみに高速回転にならないのでやはり電力消費量を低減できる。
【００５０】
ところで、おさえめ回路１３１は冷凍室温度検出器１３８の出力を入力しており、冷凍室の温度が−１０℃を以上になったことを検知しておさえめ制御を解除する。これは、電動機回転速度３０００回転／分で運転を継続しても庫内温度が上昇してしまうほど負荷が大きいことを意味しているから、この時は、庫内に収納された食品の温度を適正温に保持するため、おさえめ運転を解除して通常運転に戻して庫内を冷却するためである。
【００５１】
なお、急速冷凍運転とおさえめ運転とは両立することができないので、一方が働いているときは他方の釦が押下されても無効にするように構成されている。
【００５２】
次に直流電圧切替とコンバータオン、オフの動作を図３の制御動作説明図を用いて説明する。図３は横軸に圧縮機用モータの回転数、縦軸にモータ印加電圧と通流率をとったグラフであり、負荷が一定の場合である。
【００５３】
圧縮機は動作しているが冷蔵庫の庫内が冷えていない状態では、温度偏差が大きいため、速度指令が大きく実速度も大きい。両者に基づいて直流電圧を高電圧にするという指令が出力されるが、この信号は０Ｖであり、これが時定数回路に出力される。コンバータ制御回路側には、抵抗のＲ２とＲ３の分圧された電圧が供給され、直流電圧は例えば２８０Ｖの高電圧に設定される。この直流電圧が２８０Ｖ時では電動機４の回転数は高速回転で制御される。回転数の可変幅は例えば２７００回転から４２００回転の範囲で制御されるが、インバータ制御回路側において、前述の如く速度偏差による通流率信号をもとにドライブ信号を作成し、インバータ回路３のスイッチング素子（例えばトランジスタ）を駆動し、電動機４の速度制御を行っている。この回転数可変幅に対応する通流率は、例えば４５％から９５％の範囲で制御される。
【００５４】
冷蔵庫の庫内が冷えてきて設定温度に近づいてくると、圧縮機用モータ４の回転数を低下させるが、電動機４の回転数指令が例えば２７００回転を下回り、実回転も２７００回転を下回った場合（インバータ回路３のスイッチング素子への通流率により指令値を決める場合、通流率が例えば４５％以下）に、時定数回路への出力をＨＩＧＨとして、Ｒ３とＲ４を並列接続させ分圧値を変更し、直流電圧を例えば１７０Ｖの中電圧に設定する（Ｂ点）。この際、通流率は例えば９５％となる。
【００５５】
ここで、直流電圧と通流率との積が切り替え前後で一致しなければならないため、直流電圧を下げたとき通流率が１００％を越えない値に設定する必要がある。回転数の可変幅は例えば１６００回転から２７００回転の範囲で制御され、通流率は１６００回転時では例えば５５％となる。
【００５６】
冷蔵庫の庫内がさらに冷えてきて設定温度に近づくと、電動機４の回転数は最低回転数の例えば１６００回転とするが、インバータ３のスイッチング素子への通流率が例えば５５％以下、または電動機４の回転数指令が例えば最低回転数の１６００回転となり、実回転も１６００回転になった場合に、コンバータ制御回路側の制御をオフさせて低電圧とする（Ａ点）。この制御は、前述したコンバータ動作判定器１０７により行われる。ここで直流電圧を下げたとき通流率が１００％を越えない値に設定する必要がある。尚、コンバータ制御回路側の制御をオフさせるのは圧縮機用モータ４の回転数が最小値でなくともよい。
【００５７】
これらの通流率や回転数の値は説明のための便宜上の値である。以上のような動作を繰り返すことにより圧縮機用モータ４の回転数の減速に伴い直流電圧を低下させ、モータの速度制御が可能である。
【００５８】
次に上記とは反対に圧縮機用モータ４が増速する場合について説明する。電動機４が最低回転数で冷蔵庫の扉の開閉や温かい食品が庫内に入り庫内温度が上昇すると先程とは反対に、電動機４の回転数指令が例えば最低回転数以上となり、実回転も最低回転数以上になった場合（インバータ３のスイッチング素子への通流率をみて直流電圧指令を切り替える場合、通流率は例えば５５％以上）に、コンバータ制御回路側の制御をオンさせ（Ａ点）直流電圧を例えば１７０Ｖの中電位に設定する。
【００５９】
さらに、電動機４の回転数を増加させるためには、時定数回路に与える直流電圧指令を０Ｖとして、Ｒ２とＲ３の分圧値に変更し、直流電圧を例えば２８０Ｖの高電圧に設定する。
【００６０】
尚、直流電圧を切替える時は、電動機４の増速と減速時で回転数にヒステリシスを設け、切替時の回転数のハンチングを抑えることが必要である。
【００６１】
また、本発明の実施の形態では直流電圧の切替をコンバータの制御オン、オフを含め、３段切替としているが、これは、直流電圧切替回路９で設定電圧を複数設けることにより更に切替回数を増やすことが可能である。
【００６２】
図５はコンバータ回路２のリアクタ特性を示す。冷蔵庫の庫内が冷えてきて設定温度に近づくと、電動機４の回転数を最低回転数とし、コンバータ制御回路側（昇圧チョッパ２７）の制御をオフさせるが、この際、高調波規制値を満足できなくなる問題がある。冷蔵庫においては高調波規制のガイドラインがクラスＤである。電動機４の回転数制御範囲の全域に渡り、昇圧チョッパ２７を通して直流電圧を制御し力率改善を行うとすれば、リアクタ２５の値は１ｍＨ程度で済む。しかし、昇圧チョッパ２７をオフし、高調波ガイドラインを満足させるには、リアクタ２５の値は１０ｍＨ以上が必要である。このため、前述の如く、リアクタ２５は昇圧チョッパ２７をオフする低入力（低電流）時は１０ｍＨ以上の特性を持ち、昇圧チョッパ２７をオンする高入力（高電流）時は１ｍＨ程度の特性を持ったリアクタ２５とする。これにより、昇圧チョッパ２５をオフしても、高調波ガイドラインを満足させることができる。
【００６３】
図６は、直流電圧切替や最低回転数での昇圧チョッパ２５をオフさせた場合のモータ効率を示す。電動機４の回転数を２７００回転で切替た際、直流電圧は２８０Ｖから１７０Ｖに低下するため、モータ効率は１．２％程度向上する。これは、直流電圧が低下するため、インバータ３の通流率が増加し、モータで損失しているチョッパによる鉄損が低下するためである。また、コンバータ制御をオフさせた場合は、直流電圧が１７０Ｖから１２０Ｖに低下するため、モータ効率は２％程度向上する。この理由を図７に基づいて説明する。図７（ａ）は直流ステージ電圧が高い状態におけるインバータ３のスイッチング素子のＰＷＭ波形である。スイッチング素子がオンしているときはコンデンサ５から電動機電流が流れ、オフすると、還流ダイオードを介して電動機電流は還流し減衰する。このピークツーピークをΔＩＭとする。同様に図７（ｂ）は、直流ステージ電圧を減少させ、（ａ）と同じ電圧が電動機４に印加される通流率とした場合である。この時直流ステージ電圧が低いので、スイッチング素子をオンしても電流の上昇率が小さいため、（ａ）とと比べΔＩＭは小さい。このΔＩＭは電動機の脈動磁束密度を表す値であり、これが小さい方が電動機の鉄損が小さいことを意味している。従って、通流率が大きいほど電動機効率が良くなる。
【００６４】
図８はコンバータ制御をオフさせた場合とオンさせた場合の制御回路の効率を示す。入力（電流）が低下するとコンバータ制御をオフした方が昇圧チョッパを構成するスイッチング素子のスイッチング損失が無くなり、制御回路の効率が向上する。従って、圧縮機用モータ４と同様に、最低回転数での入力が小さいときは、コンバータ制御をオフさせた方がシステム効率が向上する。
【００６５】
以上説明した実施の形態において、種々の数値を示して説明したがこれら数値は一例であり制御思想に合致する限り他の数値であっても差し支えない。
【００６６】
また、本実施の形態を理解しやすくするため制御ブロック図にて説明したが、比較器１００、速度指令発生器１０１、位置検出器１０２、速度演算器１０３、比較器１０４、インバータＰＷＭデューティ指令発生器１０５、コンバータＰＡＭ電圧指令発生器１０６の電圧指令を演算する回路、コンバータ動作判定器１０７、転流出力器１０８、アンド回路１０９、ドライバ、過電流保護回路１１１、おさえめ回路１３１、急冷回路１３３、加算器１３５、速度指令リミッタ１３６、選択回路１３７は、ソフトウエアにて実現することができる。さらにこれにインバータを加えてＬＳＩ化することも可能である。
【００６７】
以上本実施の形態により次の効果がある。圧縮機用モータの設計は、一番利用率の高い点で設計することにより（例えば最低回転数時）、モータの高効率化が図れるため、システムの省エネルギー化となる。冷蔵庫の負荷が高い時は、前述したように直流電圧制御回路により、直流電圧を増加させるため、圧縮機用モータは高速で運転することができる。更に、圧縮機用モータ４の回転数を２７００回転で切替た際、直流電圧は２８０Ｖから１７０Ｖに低下するため、モータ効率は１．２％程度向上する。また、コンバータ制御をオフさせた場合は、直流電圧が１７０Ｖから１２０Ｖに低下するため、モータ効率は２％程度向上するため、更なる省エネルギー化が図れる。また、コンバータ制御をオフすることによりパワー素子のスイッチング損失が無くなり、制御回路の効率も向上する。
【００６８】
直流電圧を切替える別の方法として図１０の全波整流と倍電圧整流切替回路構成を示す。インバータ回路３の電源回路は整流ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４と平滑キャパシタＣ１、Ｃ２とスイッチＳＷ１から構成されている。スイッチＳＷ１はマイコン等からなる制御回路１１によって制御され、このスイッチＳＷ１がオフの時には、全波整流回路が形成され、スイッチＳＷ１がオンの時には、倍電圧整流回路形成される。商用電源が全波整流回路若しくは倍電圧整流回路で整流、平滑されて得られる直流電圧は、インバータ回路３のスイッチング素子に印加され、電動機４が駆動される。
【００６９】
図１１は全波整流から倍電圧整流に切替る際の直流電圧特性を示す。ここで示す直流電圧特性はスイッチＳＷ１をリレーとした場合のものである。このため、全波整流回路から倍電圧整流回路となった時の直流電圧が上昇する時間は５０ｍｓ程度である。この５０ｍｓの間に、制御回路１１は圧縮機用モータ４に印加する電圧を通流率を制御して、設定された回転数になるように制御する。スイッチＳＷ１を半導体素子とした場合は、全波整流回路から倍電圧整流回路への切替のためのスイッチのオン、オフタイミングを制御回路１１によって制御することにより、直流電圧の上昇速度を任意に可変することができる。
【００７０】
尚、図１１に示す直流電圧のリップルは平滑用キャパシタＣ１、Ｃ２の容量によって決まる。このため、リップル電圧を少なくするためには、平滑用キャパシタＣ１、Ｃ２の容量を大きくすればよい。
【００７１】
【発明の効果】
以上本発明により、冷凍、製氷時間を大幅に短縮することができ、しかも省エネルギーモードによりモータ効率が上昇するため電力消費量を低減する冷蔵庫が提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る冷蔵庫の制御ブロック図。
【図２】コンバータＰＡＭ電圧指令発生器の内部構成を示す図。
【図３】モータ印加電圧及び通流率を表す図。
【図４】コンバータＰＡＭ電圧指令発生器の時定数変化特性を示す図。
【図５】コンバータ回路のリアクタの特性を示す図。
【図６】直流電圧切替やコンバータ制御をオフさせた場合のモータ効率を示す図。
【図７】パルス幅変調時のパルス幅を変えたときの電流を示す図。
【図８】コンバータ制御をオフさせた場合とオンさせた場合の制御回路の効率を示す図。
【図９】電動機起動時の直流電圧の推移を示す図。
【図１０】全波整流と倍電圧整流切替回路構成を示す図。
【図１１】全波整流から倍電圧整流に切替る際の直流電圧特性を示す図。
【符号の説明】
１・・・商用電源、２・・・コンバータ、３・・・インバータ、４・・・電動機、１３１・・・おさえめ回路、１３３・・・急冷回路、１０６・・・コンバータＰＡＭ電圧指令発生器、１０７・・・コンバータ動作判定器。
【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】
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【図１１】
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