JP4984727B2 - インバータ制御装置と空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ制御装置と空気調和機に関するものである。

従来のインバータ制御装置を搭載した空気調和機においては、圧縮機の運転周波数が、電源周波数の整数倍（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ×ｎ：ｎ＝１、２、３、……）に近い周波数の場合、圧縮機の運転が不安定になったり、異常音や異常振動が発生するなどの問題があった。そこで、圧縮機の運転周波数が電源周波数の整数倍の近くである場合、例えば、電源周波数が５０Ｈｚであれば、５０×ｎ±１Ｈｚの範囲を運転禁止周波数として、その周波数を避けて運転していた。

そこで、運転周波数が、前記運転禁止周波数の範囲にある場合においても、実質的に運転周波数そのもので運転した場合と等価であり、電源周波数の整数倍の近くの周波数で運転することが可能なインバータ制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図５は、上記特許文献１に記載されたインバータ制御装置を搭載した空気調和機のブロック図である。

図５において、交流電源１からの交流電力は、整流手段２によって直流電力に変換され、変換された直流電力は、平滑コンデンサ１１によって平滑され、インバータ３で任意周波数の交流電力に変換される。この交流電力は、モータ４に供給され、モータ４によって圧縮機１２が駆動される。

また、図６は、運転要求周波数ｆ_Ｃが５０Ｈｚである場合、このインバータ制御装置によって実際に運転される周波数を示すグラフである。図６に示すように、電源周波数を５０Ｈｚとして、一定時間Ｔ毎に運転禁止区域ぎりぎりで、第一の運転周波数ｆ_１として、５０Ｈｚ＋２Ｈｚ＝５２Ｈｚで第一の運転時間Ｔ１だけ運転し、次に第二の運転周波数ｆ_２として５０Ｈｚ−２Ｈｚ＝４８Ｈｚで第二の運転時間Ｔ２だけ運転し、次に第一の運転周波数の５２Ｈｚで第一の運転時間Ｔ１だけ運転し、……と以後交互に続け、それぞれの時間Ｔ１とＴ２を、Ｔ１＝Ｔ２として設定しておけば、実質的には、平均値的に５０Ｈｚで運転したのと等価になる。

以上のように、運転禁止周波数の値に応じて、予め２つの周波数とそれに対応する２つの運転時間を定めておき、運転禁止周波数での運転要求がある時、予め定めた２つの周波数でそれぞれに対応する時間だけ交互に運転させることによって、実質的に運転周波数そのもので運転した場合と等価になり、運転禁止周波数での運転を避けることができる。
特開平７−３１１９３号公報

しかしながら、上記従来のインバータ制御装置の構成では、インバータ３の入力側に接続されている整流用の平滑コンデンサ１１が極めて小容量の場合、電源周波数の２倍の周波数（５０Ｈｚなら１００Ｈｚ、または６０Ｈｚなら１２０Ｈｚ）で直流電圧がほぼ０Ｖまで落ち込むので、この電源周波数の２倍の周波数と、禁止周波数よりやや高い運転周波数と禁止周波数よりやや低い運転周波数とで交互に運転した場合、禁止周波数よりやや高い運転周波数の整数倍、および禁止周波数よりやや低い運転周波数の整数倍との周波数の差により、モータ４にうなり音が生じるという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、モータを実質的に電源周波数の２倍の近くの周波数で運転することが可能であり、且つ整流用の平滑コンデンサが極めて小容量であっても、モータのうなり音を抑制することができるインバータ制御装置及び空気調和機を提供することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明のインバータ制御装置は、交流電源を入力とする整流手段と、モータを駆動するために前記整流手段より出力された直流電力を任意の周波数の交流電力に変換するインバータと、前記インバータの周波数を制御する周波数制御手段と、室内温度を設定温度にするための目標周波数を算出する目標周波数演算手段と、前記交流電源の周波数を判定する電源周波数判定手段と、前記モータの周波数を検出するモータ周波数検出手段とを備え、前記整流手段は、前記交流電源を直流電力に変換する
ため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た小容量のリアクタと、前記ダイオードブリッジの直流出力側に接続された極めて小容量のコンデンサとからなり、前記周波数制御手段は、前記目標周波数演算手段から運転要求周波数が入力されると共に、前記電源周波数判定手段と、前記モータ周波数検出手段からの出力に応じて、前記インバータの周波数を時間的に変化させ、前記電源周波数よりも低い前記運転要求周波数を中心に増加と減少が同じ割合となるように、前記モータの周波数を時間的に正弦波状から変化させ、上下非対称の波形状にし、前記電源周波数の２倍に近い側の半端の運転時間が、他方に比べて長くするようにしたので、モータの周波数のｎ倍（ｎ＝１、２、３…）が、交流電源の周波数の２倍に近い範囲にあるときに、インバータの周波数を時間的に変化させるようにすれば、小容量のリアクタとコンデンサ、すなわち小型のリアクタとコンデンサを用いても、うなり音を確実に抑制しながら、モータを実質的に電源周波数の２倍に近い範囲の周波数で運転することが出来る。

また、本発明の空気調和機は、請求項１に記載のインバータ制御装置と、前記インバータ制御装置で制御されるモータと、前記モータで駆動される圧縮機を備えたもので、小容量のリアクタとコンデンサ、すなわち小型のリアクタとコンデンサを用いても、うなり音を確実に抑制しながら、モータを実質的に電源周波数の２倍に近い範囲の周波数で運転することが出来る。

本発明のインバータ制御装置と空気調和機は、モータを実質的に電源周波数の整数倍に近い周波数で運転することが可能であり、且つ整流用の平滑コンデンサが極めて小容量であっても、モータのうなり音を抑制することが出来る。

第１の発明は、交流電源を入力とする整流手段と、モータを駆動するために前記整流手段より出力された直流電力を任意の周波数の交流電力に変換するインバータと、前記インバータの周波数を制御する周波数制御手段と、室内温度を設定温度にするための目標周波数を算出する目標周波数演算手段と、前記交流電源の周波数を判定する電源周波数判定手段と、前記モータの周波数を検出するモータ周波数検出手段とを備え、前記整流手段は、前記交流電源を直流電力に変換するため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た小容量のリアクタと、前記ダイオードブリッジの直流出力側に接続された極めて小容量のコンデンサとからなり、前記周波数制御手段は、前記目標周波数演算手段から運転要求周波数が入力されると共に、前記電源周波数判定手段と、前記モータ周波数検出手段からの出力に応じて、前記インバータの周波数を時間的に変化させ、前記電源周波数よりも低い前記運転要求周波数を中心に増加と減少が同じ割合となるように、前記モータの周波数を時間的に正弦波状から変化させ、上下非対称の波形状にし、前記電源周波数の２倍に近い側の半端の運転時間が、他方に比べて長くするようにしたので、モータの周波数のｎ倍（ｎ＝１、２、３…）が、交流電源の周波数の２倍に近い範囲にあるときに、インバータの周波数を時間的に変化させるようにすれば、小容量のリアクタとコンデンサ、すなわち小型のリアクタとコンデンサを用いても、うなり音を確実に抑制しながら、モータを実質的に電源周波数の２倍に近い範囲の周波数で運転することが出来る。

第４の発明は、請求項１に記載のインバータ制御装置と、前記インバータ制御装置で制御されるモータと、前記モータで駆動される圧縮機を備えたもので、小容量のリアクタとコンデンサ、すなわち小型のリアクタとコンデンサを用いても、うなり音を確実に抑制しながら、モータを実質的に電源周波数の２倍に近い範囲の周波数で運転することが出来る。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるインバータ制御装置のブロック図である。

図１において、本実施の形態におけるインバータ制御装置は、単相の交流電源１を入力とし、整流手段２と、直流電力を任意の周波数の交流電力に変換するインバータ３と、インバータ３から出力された交流電力により駆動されるモータ４と、インバータ２の周波数を制御する周波数制御手段５で構成されている。整流手段２は、交流電力を直流電力に変換するためのダイオードブリッジ（図示せず）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（図示せず）と、前記ダイオードブリッジの直流出力側に接続された極めて小容量のコンデンサ（図示せず）とを備えている。

周波数制御手段５は、室内側の温度を検出する温度センサ９から出力される温度と、温度設定手段１０により設定される温度が目標周波数演算手段６に入力され、室内温度を設定温度にするための運転要求周波数が入力され、交流電源１の周波数を判定する電源周波数判定手段７と、空気調和機に内蔵された圧縮機（図示せず）を駆動するモータ４の周波数を検出するモータ周波数検出手段８からの出力に基づき、インバータ２に駆動信号を出力する。

従来のインバータ制御装置では、交流電源１の電源周波数を５０Ｈｚとした場合、電源周波数の整数倍±１Ｈｚの周波数が禁止周波数とされており、指示周波数が４９Ｈｚである場合、禁止周波数の上限より、やや高い周波数と、禁止周波数の下限よりやや低い周波数とを交互に運転することで、実質的に４９Ｈｚで運転していることと等価となるようにされている。

これに対し、本実施の形態では、図２に示すように、目標周波数演算手段６から入力される運転要求周波数が４５Ｈｚから加速し、最終的に運転要求周波数が４９Ｈｚになった場合、４９Ｈｚを中心に増加と減少が同じ割合となるように、モータ周波数を時間的に正弦波状に変化させたものである。本実施の形態では、振幅を０．５Ｈｚ、周期を０．３３ｓｅｃに設定しているが、もちろんこれは別の数値であっても構わない。

又、図３に示すように、４９Ｈｚを中心に増加と減少が同じ割合となるように、モータ周波数を時間的に正弦波状から変化させ、上下非対称の波形状にし、電源周波数の２倍に近い側の半端の運転時間が、他方に比べて長くするようにしても良い。本実施の形態では、交流電源１の周波数の２倍に近い側の半端の振幅が０．３Ｈｚ、半周期が０．２７８ｓｅｃであり、他方の振幅が０．５Ｈｚ、半周期が０．１６７ｓｅｃとし、モータ周波数を時間的に変化させている。ここで、振幅、周期の値は、もちろん別の数値であっても構わない。

続いて、目標周波数演算手段６から入力される運転要求周波数が、周波数制御手段５に入力されると、運転要求周波数でモータ４が駆動するように周波数制御手段５はインバータ３に駆動信号を出力する。また、交流電源１の周波数が電源周波数判定手段７により判定され周波数制御手段５に入力されるとともに、実際のモータ４の周波数がモータ周波数検出手段８により検出され、周波数制御手段５に入力される。

検出されたモータ周波数のｎ倍（ｎ＝１、２、３…）が運転要求周波数のｎ倍（ｎ＝１、２、３…）と等しくなり、且つ、電源周波数の２倍となった場合、周波数制御手段５は、図２又は図３に示すように、インバータ周波数を時間的に変化させるようにインバータ３に駆動信号を出力する。従って、モータ周波数は、４９Ｈｚを中心に増加・減少と同じ割合で変化することになるので、実質的にモータ周波数を４９Ｈｚで動作させた場合と等価になる。尚、従来の運転禁止周波数の範囲での動作になるが、モータ周波数は常に変化しているので、各周波数での動作が瞬時であることから、不安定な動作となることもなく、安定した動作が可能である。

また、従来の空気調和機では、電源周波数を５０Ｈｚとした場合、電源周波数の整数倍±１Ｈｚの周波数が禁止周波数とされており、指示周波数が４９Ｈｚである場合、禁止周波数の上限より、やや高い周波数と、禁止周波数の下限よりやや低い周波数とを交互に運転することで、実質的に４９Ｈｚで運転していることと等価となるようにされている。しかしながら、整流手段２を構成するダイオードブリッジの直流出力側に接続されている平滑コンデンサ１１が極めて小容量であると、インバータ３の直流母線間電圧は電源周波数の２倍の周期で大きく脈動し、ゼロとなる場合がある。例えば、電源周波数が５０Ｈｚの場合、２倍の１００Ｈｚの周期で大きく脈動し、ゼロとなる場合がある。その結果、モータが禁止周波数の上限より、やや高い周波数である５２Ｈｚ、および禁止周波数の下限よりやや低い周波数である４８Ｈｚで一定期間動作している場合、この５２Ｈｚの２倍である１０４Ｈｚと電源周波数の２倍である１００Ｈｚとの差、および４８Ｈｚの整数倍である９６Ｈｚと電源周波数の２倍である１００Ｈｚとの差がうなり音となり発生する。うなり音周期は、ともに４Ｈｚである。

しかし、本実施の形態では、モータ周波数を図３に示すように変化させた場合は、４８．５Ｈｚ〜４９．３Ｈｚの範囲で動作させているので、その２倍である９７Ｈｚ〜９８．６Ｈｚの周波数と電源周波数の２倍の周波数である１００Ｈｚの周波数の差、すなわち、うなり音は、１．４Ｈｚ〜３Ｈｚとなり、周期は０．３３ｓｅｃ〜０．７１ｓｅｃとなるので、図３のように、１周期を０．４４５（０．２７８＋０．１６７）ｓｅｃで動作させることにより、うなり音周期よりもはやくモータ４の運転周波数を変化させているので、うなり音が生じることがなく、うなり音を抑制することができる。

ここで、変動の１周期は０．４４５ｓｅｃであり、図２に示す周期（０．３３ｓｅｃ）より長くなっている。モータ周波数の変化速度が速すぎるとその変化音が騒音となる場合があるので、図３に示すように、上下非対称な波形状に変化させると、変化速度を遅くすることができ、変化音を抑制することができる。

また、目標周波数演算手段６から入力される運転周波数が４５Ｈｚから４９Ｈｚに加速しているので、上記、周波数の時間的変化を減少側から始めると、周波数が加速から減速と急に変化するため、変化音が生じるので、この場合、周波数を増加側から始めることにより、急な変化がなくなり、変化音を抑制することができる。

図４は、本実施の形態におけるインバータ制御装置で、目標周波数演算手段６から入力される運転要求周波数が５５Ｈｚから減速し、４９Ｈｚになった場合の、実際に運転される周波数の時間的変化を示すグラフである。図４は、最終的な運転要求周波数が４９Ｈｚであることから、４９Ｈｚを中心に増加・減少が同じ割合となるように、モータ周波数の時間的変化を正弦波状に変化させたものである。振幅は０．５Ｈｚ、周期は０．３３ｓｅｃとする。ここで、振幅を０．５Ｈｚ、周期を０．３３ｓｅｃに設定しているが、もちろんこれは別の数値であっても構わない。４９Ｈｚでの動作は実施の形態１に示しているので、省略する。

ここで、目標周波数演算手段６から入力される運転周波数が５５Ｈｚから４９Ｈｚに減速しているので、上記、周波数の時間的変化を増加側から始めると、周波数が減速から加速と急に変化するため、変化音が生じるので、この場合、周波数を減少側から始めることにより、急な変化がなくなり、変化音を抑制することができる。

特に図示しないが、圧縮機を内蔵した空気調和機において、前記圧縮機を駆動するモータを上記実施の形態で述べたインバータ制御装置で制御するようにすれば、小容量のリアクタとコンデンサ、すなわち小型のリアクタとコンデンサを用いて空気調和機の小型化を図ると共に、うなり音を確実に抑制しながら、モータを実質的に電源周波数の２倍に近い範囲の周波数で運転することが出来るので、静音化も同時に図ることが出来る。

本発明のインバータ制御装置は、整流用のコンデンサが極めて小容量であっても、うなり音を抑えながら、モータを実質的に電源周波数の整数倍に近い周波数で運転することができるもので、空気調和機に限らず、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インバータを使用してモータを駆動するインバータ制御装置を搭載した各種機器に適用できる。いずれの機器においても、インバータ制御装置に運転禁止周波数を設定することなく、モータを駆動することができ、機器の設計の自由度を向上させることができる。

本発明の実施の形態１におけるインバータ制御装置のブロック図 同インバータ制御装置による周波数制御を説明するためのグラフ 同インバータ制御装置による他の周波数制御を説明するためのグラフ 同インバータ制御装置による他の周波数制御を説明するためのグラフ 従来のインバータ制御装置を備えた空気調和機のブロック図 同インバータ制御装置による周波数制御を説明するためのグラフ

符号の説明

１ 交流電源
２ 整流手段
３ インバータ
４ モータ
５ 周波数制御手段
６ 目標周波数演算手段
７ 電源周波数判定手段
８ モータ周波数検出手段
９ 温度センサ
１０ 温度設定手段

Claims (2)

1. 交流電源を入力とする整流手段と、モータを駆動するために前記整流手段より出力された直流電力を任意の周波数の交流電力に変換するインバータと、前記インバータの周波数を制御する周波数制御手段と、室内温度を設定温度にするための目標周波数を算出する目標周波数演算手段と、前記交流電源の周波数を判定する電源周波数判定手段と、前記モータの周波数を検出するモータ周波数検出手段とを備え、前記整流手段は、前記交流電源を直流電力に変換するため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た小容量のリアクタと、前記ダイオードブリッジの直流出力側に接続された極めて小容量のコンデンサとからなり、前記周波数制御手段は、前記目標周波数演算手段から運転要求周波数が入力されると共に、前記電源周波数判定手段と、前記モータ周波数検出手段からの出力に応じて、前記インバータの周波数を時間的に変化させ、前記電源周波数よりも低い前記運転要求周波数を中心に増加と減少が同じ割合となるように、前記モータの周波数を時間的に正弦波状から変化させ、上下非対称の波形状にし、前記電源周波数の２倍に近い側の半端の運転時間が、他方に比べて長くするようにしたことを特徴とするインバータ制御装置。
2. 請求項１に記載のインバータ制御装置と、前記インバータ制御装置で制御されるモータと、前記モータで駆動される圧縮機を備えた空気調和機。

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