JP2009148065A

JP2009148065A - 電動機制御装置及びこれを搭載した空気調和機

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Publication number: JP2009148065A
Application number: JP2007322359A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Kishi; 繁岸
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Global Life Solutions Inc
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2009-07-02

Abstract

【課題】交流電源の復電時に発生する過大電流による素子の破壊を回避可能な電動機制御装置及びこの電動機制御装置を搭載した空気調和機を提供する。
【解決手段】コンデンサインプット型の電源部に交流電源１の瞬時値を検出する瞬時値検出手段１５を設けて、マイクロコンピュータ１３のＡ／Ｄ変換端子に接続する。マイクロコンピュータ１３は、瞬時値検出手段１５の出力信号から交流電源の周期よりも十分短い間隔で交流電源の瞬時値を検出し、検出された今回瞬時値、前回瞬時値及び前々回瞬時値より前記交流電源の最大値を繰り返し求める。また、この求められた交流電源の最大値と予め設定された判定値との大小関係の判定を繰り返し行い、求められた交流電源の最大値が判定値よりも所定時間小さかった場合に停電又は電圧低下が発生したと判定して、電源部及び電動機駆動部の停止信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機制御装置及びこれを搭載した空気調和機に係り、特に、インダクタンスによるエネルギーの蓄積及び開放を利用して力率改善を行う電源装置により駆動される無刷子電動機の制御装置及びこれを搭載した空気調和機の復電時における電源部の破壊を防止する手段と、電源電流に含まれるノイズを抑制する手段とに関する。

整流ダイオードを用いて交流を直流に整流する電源装置は、インダクタンスによるエネルギーの蓄積及び開放を行うリアクタを用いることによって力率をある程度改善することができるが、その反面、リアクタを用いると、電源電流に大きな高調波（ノイズ）が含まれることになり、電源系統に悪影響を与えるおそれがある。従って、この種の電源装置では、電源電流の高調波を抑制することが特に必要となる。

この種の電源装置に適用される電源電流の高調波抑圧手段としては、従来、リアクタを介して交流電源を短絡するスイッチング素子を用いるものが知られている。また、空気調和機に搭載される電動機としては、効率の向上を目的として、永久磁石を有する回転子と三相巻線からなる固定子巻線を有する無刷子電動機を用いるようになっており、この無刷子電動機の駆動を前記電源装置及び前記高調波抑制手段を用いて制御する技術が、従来提案されている（特許文献１参照。）。
特開平３−２８４１６８号公報

特許文献１に記載の電動機制御装置は、電源電流が正弦波となるように、電流検出手段により検出された電源電流の瞬時値を用いてスイッチング素子の通流比を作成する。交流電源の瞬時値は、０から最大値までの間で変化し、電源電流が正弦波になるように作成されたスイッチング素子の通流比は、０から１の間で変化する。通常、電流検出手段には、電源電流に重畳している高調波による誤動作を防止するため、時定数をもったフィルタ部が具備されており、スイッチング素子の通流比は、この電流検出手段に備えられたフィルタ部の時定数によって変化する。

前述のように、交流電源の瞬時値は、０から最大値までの間で変化し、電源電流が正弦波となるように作成されたスイッチング素子の通流比は、０から１の間で変化するので、交流電源の瞬時値が０から最大値の間を変化するときの電源電流の瞬時値の傾きは、ゼロクロス付近では小さく、最大値付近では大きくなる。従って、電源電流が正弦波となるように電流検出手段により検出された電源電流の瞬時値を用いてスイッチング素子の通流比を作成するためには、電流検出手段に備えられたフィルタ部の時定数を電源電流の瞬時値に応じた最適値に適宜切り換えることが望まれる。

また、交流電源より交流直流変換を行い負荷に電力を供給している状態は、電源部の出力である平滑キャパシタの電圧が所定の値になるように負荷電力に応じた電流指令が発生されている。この状態で、交流電源に電圧低下や停電が発生すると、平滑キャパシタの電圧が所定の値になるように電流指令が大きくなる。そして、この電流指令が大きくなった状態で交流電源が復電すると、電流指令発生手段が電流指令を発生させる時間遅れによって電源部に一時的に大きな電源電流が流れ、スイッチング素子が破壊に至る可能性がある。また、このとき平滑キャパシタの電圧が上昇するため、平滑キャパシタや無刷子電動機を駆動するブリッジインバータのスイッチング素子が破壊に至る可能性もある。なお、かかる不都合は、停電後の復電時のみならず、所定値以上の電圧低下を生じた後の復電時にも同様に発生する。

本発明は、かかる従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、まず第１に、交流電源の復電時に発生する過大電流による素子の破壊を回避可能な電動機制御装置及びこの電動機制御装置を搭載した空気調和機を提供することにある。

また第２に、電流検出手段に備えられたフィルタ部の時定数を適宜変更することで、低ノイズにして電源電流を正弦波になるように制御可能な電動機制御装置及びこの電動機制御装置を搭載した空気調和機を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、電動機制御装置及び空気調和機に関して第１に、交流電源を直流に整流する整流ダイオード、インダクタンスによるエネルギーの蓄積及び開放を行うリアクタ、リアクタを介して交流電源を短絡するスイッチング素子、逆阻止ダイオード、及び平滑キャパシタを具備した主回路と、該主回路の入力電流値を検出する電流検出手段、前記主回路の負荷状態を検出して前記スイッチング素子の電流指令値を発生する電流指令発生手段、及び前記入力電流値と前記電流指令値とから前記スイッチング素子の通流比を作成する通流比発生手段を具備した電源部と、永久磁石を有する回転子と三相巻線からなる固定子巻線を有する無刷子電動機を駆動する複数個の電動機駆動用スイッチング素子よりなるブリッジインバータ、前記電動機駆動用スイッチング素子の駆動手段、前記無刷子電動機の回転子磁極位置を検出する磁極位置検出手段、及び前記回転子磁極位置と外部から入力される速度指令に基づいて前記ブリッジインバータを制御するマイクロコンピュータを具備した電動機駆動部とからなる電動機制御装置において、前記交流電源の瞬時値を検出する瞬時値検出手段を設けて前記マイクロコンピュータのＡ／Ｄ変換端子に接続し、前記マイクロコンピュータは、前記瞬時値検出手段の出力信号から前記交流電源の周期よりも十分短い間隔で前記交流電源の瞬時値を検出し、検出された今回瞬時値、前回瞬時値及び前々回瞬時値より前記交流電源の最大値を繰り返し求めると共に、この求められた前記交流電源の最大値と予め設定された判定値との大小関係の判定を繰り返し行い、前記求められた交流電源の最大値が前記判定値よりも所定時間小さかった場合、停電又は電圧低下が発生したと判定して、前記電源部及び前記電動機駆動部の停止信号を出力するという構成にした。

マイクロコンピュータによれば、タイマー割込処理により、瞬時値検出手段から出力される交流電源の周期よりも十分短い間隔で交流電源の瞬時値を検出することができ、検出された今回瞬時値、前回瞬時値及び前々回瞬時値の変化から、交流電源の１周期内の最大値を求めることができる。また、この求められた交流電源の最大値と予め設定された判定値との大小関係を判定することにより、停電が発生したか否かを判定することができる。そして、求められた交流電源の最大値が判定値よりも所定時間小さかった場合に停電又は電圧低下が発生したと判定して、マイクロコンピュータからの指令により電源部及び電動機駆動部を自動的に停止すると、復電時に電源部及び電動機駆動部が停止状態になっているので、仮に復電に伴って過大電流が発生したとしても、電源部及び電動機駆動部に何らの影響も与えることが無く、これらの各部に備えられたスイッチング素子等の破壊を防止することができる。

本発明は、第２に、前記第１の電動機制御装置及び空気調和機において、前記マイクロコンピュータは、前記交流電源の周期よりも十分短い間隔で前記交流電源の瞬時値を検出し、検出された今回瞬時値、前回瞬時値及び前々回瞬時値より前記交流電源のゼロクロス及び最大値を繰り返し求めると共に、求められたゼロクロスと最大値との間に１以上の判定値を設定して、検出された前記交流電源の瞬時値と前記判定値との大小関係を判定し、その判定結果に基づいて、前記交流電源の瞬時値と前記判定値との大小関係に拘わらず電源電流の力率を向上できてノイズが減少されるように、前記電流検出手段に備えられたフィルタ部の時定数を変更するという構成にした。

前述したように、マイクロコンピュータによれば、タイマー割込処理により交流電源の１周期内の最大値を求めることができると共に、同様の処理により、１周期内のゼロクロスを検出することもできる。交流電源の瞬時値のゼロクロス付近は、電圧は小さいが、その時間的な変化率が大きいので、電源部の力率を向上するためにフィルタ部の時定数を小さくする必要があり、フィルタ部の時定数を小さくしても、取り扱う電圧及びスイッチングする電流が小さく、発生するノイズも小さいため、ノイズに起因する誤動作が問題になることもない。一方、交流電源の瞬時値の最大値付近は、電圧は大きいが、その時間的な変化率は小さいので、ノイズに起因する誤動作を防止するためにフィルタ部の時定数を大きくする必要があり、フィルタ部の時定数を大きくしても、取り扱う電圧及びスイッチングする電流が大きいので、力率は低下しない。従って、検出された交流電源の瞬時値と予め設定された判定値との大小関係を判定し、その判定結果に基づいて電流検出手段に備えられたフィルタ部の時定数を適宜変更することにより、力率の低下を招くことなくスイッチングによるノイズの影響の低減を図ることができる。

本発明によると、交流電源に停電又は電圧低下が発生した場合、停電又は電圧低下を検出して電源部及び電動機駆動部を自動的に停止させることができるので、復電時の過大電流による素子の破壊を回避することができる。

また、本発明によると、検出された交流電源の瞬時値と予め設定された判定値との大小関係を判定し、その判定結果に基づいて電流検出手段に備えられたフィルタ部の時定数を適宜変更するので、力率の向上とスイッチングによるノイズの影響の低減を共に図ることができる。

以下、本発明に係る電動機制御装置及びこれを搭載した空気調和機の一実施形態を、図１乃至図６に基づいて説明する。図１は実施形態に係る電動機制御装置の構成図、図２は実施形態に係る電源部の動作説明図、図３は実施形態に係る電動機駆動部の動作説明図、図４は実施形態に係るタイマー割込処理の動作説明図、図５は実施形態に係る停電検出の動作説明図、図６は実施形態に係る定数切り換えの動作説明図である。

図１において、１は交流電源、２は整流ダイオード、３はリアクタ、４はスイッチング素子、５は逆阻止ダイオード、６は平滑コンデンサ、７は入力電流の検出手段、８は電流指令発生手段、９は通流比発生手段であり、以上で電源部を構成している。また、１０はブリッジインバータを構成して無刷子電動機を駆動するスイッチング素子、１１はブリッジインバータのスイッチング素子の駆動手段、１２は磁極位置検出手段、１３はマイクロコンピュータであり、以上で電動機駆動部を構成している。さらに、１４は無刷子電動機、１５は交流電源の瞬時値の検出手段である。

図１に示す所謂コンデンサインプット型の電源部は、スイッチング素子４によるスイッチングを行わない場合、図２（ａ）に示すように、平滑コンデンサ６の電圧より電源電圧が高くなる最大値近傍でのみ電流が流れる。これに対して、電流検出手段７により得られる入力電流情報と電流指令発生手投８より負荷状態に応じて発生される電流指令とに基づいて通流比発生手段９にてスイッチング素子４の通流比を作成し、この通流比発生手段９にて作成された通流比に応じた信号でスイッチング素子４をオンオフさせた場合には、図２（ｂ）に示すように、入力電流波形は正弦波状に流れる。入力電流を正弦波状にする制御方法は種々考案されているが、特許文献１に記載の例では、電流検出手段７により得られる入力電流情報と負荷状態に応じて電流指令を発生する電流指令発生手段８の電流指令との積によりスイッチング素子４のオンオフを制御している。

次に、電動機駆動部の動作について説明する。図３は無刷子電動機１４の固定子巻線の端子電圧に含まれる逆起電力から回転子位置を検出する所謂センサーレス１２０°通電方式による位置検出運転について説明したものである。この方式は、位置検出手段１２の作用により非通電巻線の逆起電力を用いて回転子の磁極位置を検出する。

非通電巻線の逆起電力と中性点電位を比較してクロスする位置を基準位置とし、基準位置から予め設定された電機子巻線の通電相切り換えまでの転流遅延角度に相当する時間経過後に電機子巻線の通電相切り換えを行う位置検出信号を発生する。ここで、基準位置から予め設定された電機子巻線の通電相切り換えまでの転流遅延角度は、図３に示すように、回転子位置が正しく運転されている場合は電気角で３０°である。位置検出手段１２は、３つの相のそれぞれから位置検出信号を作成し、マイクロコンピュータ１３に出力する。マイクロコンピュータ１３は、位置検出信号に基づいて転流処理を行うと共に、無刷子電動機１４の回転速度が速度指令と一致するように速度制御を行う。駆動手段１１は、マイクロコンピュータ１３の出力を増幅してブリッジインバータのスイッチング素子の駆動を行う。スイッチング素子１０は、ブリッジインバータを構成して無刷子電動機に供給する電流を切り換えてこれを駆動する。

以上の動作を行う電源部と電動機駆動部を組み合わせた電動機の制御装置において、交流電源１の瞬時値を検出する瞬時値検出手段１５を設ける。この瞬時値検出手段１５は、整流ダイオード２の出力の電圧を検出するもので、検出波形は、図４に示す全波整流波形となる。マイクロコンピュータ１３は、タイマー割込み処理により、交流電源１の周期よりも十分短い間隔で交流電源１の瞬時値を検出する。図４の例では、時刻ｔｌ，ｔ２，・・・，ｔ７，ｔ８で交流電源１の瞬時値を検出する例をを図示していて、それぞれの交流電源１の瞬時値をｖｌ，Ｖ２，・・・，Ｖ７，Ｖ８で示している。マイクロコンピュータ１３は、直近のタイマ割込み時の交流電源１の瞬時値を今回瞬時値、前回のタイマ割込み時の交流電源１の瞬時値を前回瞬時値、前々回のタイマ割込み時の交流電源１の瞬時値を前々回瞬時値として、図示しない記憶部に格納する。これら３世代の交流電源１の瞬時値を比較することにより、ゼロクロス及び最大値の概略位置を求めることができる。即ち、図４の例においては、時刻ｔ３付近がゼロクロスであり、Ｖ４を今回瞬時値、Ｖ３を前回瞬時値、Ｖ２を前々回瞬時値とするとＶ２＞Ｖ３、Ｖ３＜Ｖ４の関係にある。

前回瞬時値が前々回瞬時値及び今回瞬時値より小さければ前回のタイマ割込みの時刻がゼロクロスとなる。同様に、前回瞬時値が前々回瞬時値及び今回瞬時値より大きければ前回のタイマ割込みの時刻が最大値となる。

このようにして交流電源１の最大値を求めることにより、図５に示すように交流電源１の瞬時値を常時監視し、最大値が予め設定された判定値より所定の時間小さかった場合に停電発生と判定することが可能となる。停電が発生した場合は、電源部及び電動機駆動部に異常が発生する前に運転を停止することにより、電動機の制御装置の誤動作、破壊を防止することができる。なお、図５は電圧低下の例であるが、停電の場合も同様である。

前述のように、本実施形態に係る電動機制御装置は、タイマ割込み処理により交流電源１のゼロクロスと最大値の時刻を求めることができるので、これを利用して、交流電源１の１周期内で電流検出手段７に備えられたフィルタ部の時定数を切り換えることも可能となる。

即ち、フィルタ部の時定数は、スイッチング素子４のスイッチング動作に伴うノイズを抑制するためには、大きい方が好ましい。しかしながら、時定数を大きくすると電源部の本来の目的である力率向上に障害が発生する。これは、電流検出手段により検出された電源電流の瞬時値がフィルタ部の時定数により遅れ位相となり、電源電流が正弦波から外れることによる。

交流電源１の瞬時値のゼロクロス付近においては、電圧は小さいがその時間的な変化率は大きいので、正確な正弦波形の電源電流を得るためにフィルタ部の時定数を小さくする必要がある。一方、交流電源１の瞬時値の最大値付近は、電圧は大きいが、その時間的な変化率は小さいので、フィルタ部の時定数を大きくしても、正確な正弦波形の電源電流が得られる。そして、交流電源１の瞬時値のゼロクロス付近においては、電圧が小さく、スイッチングする電流も小さいので、フィルタ部の時定数を小さくしても、発生するノイズは小さく、力率の向上を図ることができる。一方、交流電源１の瞬時値の最大値付近においては、電圧が大きく、スイッチングする電流も大きいので、フィルタ部の時定数を大きくすることにより、ノイズの低減を図ることができる。

そこで、本実施形態においては、図６に示すように、ゼロクロスと最大値との間に判定値を設定して、検出された交流電源１の瞬時値と判定値との大小関係を判定し、検出された交流電源１の瞬時値が判定値よりも小さい場合には、マイクロコンピュータ１３により電流検出手段７に備えられたフィルタ部の時定数を小さくし、検出された交流電源１の瞬時値が判定値よりも大きい場合には、マイクロコンピュータ１３により電流検出手段７に備えられたフィルタ部の時定数を大きくする。これにより、力率の低下を招くことなくスイッチングによるノイズの影響の低減を図ることができる。

なお、図６の例では、判定値を１つのみ設定し、フィルタ部の時定数の切り換え段数を２段階としたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、２以上の判定値を設定することにより、フィルタ部の時定数の切り換え段数を３段階以上の多段階とすることもできる。

また、前記実施形態では、無刷子電動機１４の位置検出方式として、所謂センサーレス１２０°通電方式を例に挙げて説明したが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、他の位置検出方式及び他の通電方式をとる場合にも、前記実施形態と同様の効果を奏することができる。

実施形態に係る電動機制御装置の構成図である。実施形態に係る電源部の動作説明図である。実施形態に係る電動機駆動部の動作説明図である。実施形態に係るタイマー割込処理の動作説明図である。実施形態に係る停電検出の動作説明図である。実施形態に係る定数切り換えの動作説明図である。

符号の説明

１交流電源
２整流ダイオード
３リアクタ
４スイッチング素子
５逆阻止ダイオード
６平滑コンデンサ
７電流検出手段
８電流指令発生手段
９通流比発生手段
１０無刷子電動機駆動用スイッチング素子
１１スイッチング素子駆動手段
１２磁極位置検出手段
１３マイクロコンピュータ
１４無刷子電動機
１５交流電源の瞬時値検出手段

Claims

交流電源を直流に整流する整流ダイオード、インダクタンスによるエネルギーの蓄積及び開放を行うリアクタ、リアクタを介して交流電源を短絡するスイッチング素子、逆阻止ダイオード、及び平滑キャパシタを具備した主回路と、該主回路の入力電流値を検出する電流検出手段、前記主回路の負荷状態を検出して前記スイッチング素子の電流指令値を発生する電流指令発生手段、及び前記入力電流値と前記電流指令値とから前記スイッチング素子の通流比を作成する通流比発生手段を具備した電源部と、永久磁石を有する回転子と三相巻線からなる固定子巻線を有する無刷子電動機を駆動する複数個の電動機駆動用スイッチング素子よりなるブリッジインバータ、前記電動機駆動用スイッチング素子の駆動手段、前記無刷子電動機の回転子磁極位置を検出する磁極位置検出手段、及び前記回転子磁極位置と外部から入力される速度指令に基づいて前記ブリッジインバータを制御するマイクロコンピュータを具備した電動機駆動部とからなる電動機制御装置において、
前記交流電源の瞬時値を検出する瞬時値検出手段を設けて前記マイクロコンピュータのＡ／Ｄ変換端子に接続し、前記マイクロコンピュータは、前記瞬時値検出手段の出力信号から前記交流電源の周期よりも十分短い間隔で前記交流電源の瞬時値を検出し、検出された今回瞬時値、前回瞬時値及び前々回瞬時値より前記交流電源の最大値を繰り返し求めると共に、この求められた前記交流電源の最大値と予め設定された判定値との大小関係の判定を繰り返し行い、前記求められた交流電源の最大値が前記判定値よりも所定時間小さかった場合、停電又は電圧低下が発生したと判定して、前記電源部及び前記電動機駆動部の停止信号を出力することを特徴とする電動機制御装置。
前記マイクロコンピュータは、前記交流電源の周期よりも十分短い間隔で前記交流電源の瞬時値を検出し、検出された今回瞬時値、前回瞬時値及び前々回瞬時値より前記交流電源のゼロクロス及び最大値を繰り返し求めると共に、求められたゼロクロスと最大値との間に１以上の判定値を設定して、検出された前記交流電源の瞬時値と前記判定値との大小関係を判定し、その判定結果に基づいて、前記交流電源の瞬時値と前記判定値との大小関係に拘わらず電源電流の力率を向上できてノイズが減少されるように、前記電流検出手段に備えられたフィルタ部の時定数を変更することを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
交流電源を直流に整流する整流ダイオード、インダクタンスによるエネルギーの蓄積及び開放を行うリアクタ、リアクタを介して交流電源を短絡するスイッチング素子、逆阻止ダイオード、及び平滑キャパシタを具備した主回路と、該主回路の入力電流値を検出する電流検出手段、前記主回路の負荷状態を検出して前記スイッチング素子の電流指令値を発生する電流指令発生手段、及び前記入力電流値と前記電流指令値とから前記スイッチング素子の通流比を作成する通流比発生手段を具備した電源部と、永久磁石を有する回転子と三相巻線からなる固定子巻線を有する無刷子電動機を駆動する複数個の電動機駆動用スイッチング素子よりなるブリッジインバータ、前記電動機駆動用スイッチング素子の駆動手段、前記無刷子電動機の回転子磁極位置を検出する磁極位置検出手段、及び前記回転子磁極位置と外部から入力される速度指令に基づいて前記ブリッジインバータを制御するマイクロコンピュータを具備した電動機駆動部とからなる電動機制御装置を備えた空気調和機において、
前記交流電源の瞬時値を検出する瞬時値検出手段を設けて前記マイクロコンピュータのＡ／Ｄ変換端子に接続し、前記マイクロコンピュータは、前記瞬時値検出手段の出力信号から前記交流電源の周期よりも十分短い間隔で前記交流電源の瞬時値を検出し、検出された今回瞬時値、前回瞬時値及び前々回瞬時値より前記交流電源の最大値を繰り返し求めると共に、この求められた前記交流電源の最大値と予め設定された判定値との大小関係の判定を繰り返し行い、前記求められた交流電源の最大値が前記判定値よりも所定時間小さかった場合、停電又は電圧低下が発生したと判定して、前記電源部及び前記電動機駆動部の停止信号を出力することを特徴とする空気調和機。
前記マイクロコンピュータは、前記交流電源の周期よりも十分短い間隔で前記交流電源の瞬時値を検出し、検出された今回瞬時値、前回瞬時値及び前々回瞬時値より前記交流電源のゼロクロス及び最大値を繰り返し求めると共に、求められたゼロクロスと最大値との間に１以上の判定値を設定して、検出された前記交流電源の瞬時値と前記判定値との大小関係を判定し、その判定結果に基づいて、前記交流電源の瞬時値と前記判定値との大小関係に拘わらず電源電流の力率を向上できてノイズが減少されるように、前記電流検出手段に備えられたフィルタ部の時定数を変更することを特徴とする請求項３に記載の空気調和機。