JPH11155299A - 二相誘導電動機のインバータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 二相誘導電動機をコンデンサを用いることな
く、回転速度を可変したり、駆動効率を容易に向上させ
るようにした。 【解決手段】 第１のスイッチング部２０と第２のスイ
ッチング部２１とを並列に接続して構成した複数の回路
切換手段を具備するインバータ１５と、前記インバータ
１５の第１，第２のスイッチング部２０，２１の両端に
供給する２つの直流電源を直列に接続してなる第１及び
第２の直流電源１２，１３と、更に、第１，第２のスイ
ッチング部２０，２１を構成するスイッチング素子１４
ａ〜１４ｄを個々に駆動制御するインバータ制御部１
６，４１とを具備して構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、今日電気洗濯機や
エアコンの室外器等家電製品に広く使用されている二相
誘導電動機を駆動する際に用いるインバータ装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】これまで、前記二相誘導電動機を駆動さ
せる場合は、一般にコンデンサを用いて運転する駆動方
式が大半であった。前記のコンデンサ運転方式は、例え
ば、図６で示すように、交流電源１に直接接続した二相
誘導電動機２の主巻線（正相側巻線）３と、コンデンサ
４を介して交流電源１に接続した補助巻線（９０°位相
側巻線）５とによって構成されている。

【０００３】そして、前記主巻線３には交流電源１から
直接電源電圧を印加し、補助巻線５にはコンデンサ４を
介して電源電圧を印加する。この結果、主巻線３に流れ
る電流に対して補助巻線５に流れる電流は、前記コンデ
ンサ４によって約９０°の位相差を有する電流となって
通電される。前記主，補助の各巻線３，５への通電によ
って各巻線３，５により作られる磁界は、回転磁界とな
り、回転子６を回転させる。

【０００４】又、前記二相誘導電動機をコンデンサを用
いて駆動する方式に代えて、例えば、単相変圧器を２台
用いてこれをスコット結線により接続し、このスコット
結線を利用して三相交流電源から二相交流電源を得て二
相誘導電動機を駆動することも可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】然るに、前記二相誘導
電動機をコンデンサを用いて駆動する方式においては、
長時間使用に際してコンデンサ自体の特性が変化するこ
とによって、電動機自体の回転が停止したり、あるい
は、電動機に大電流が流れてコイルが発熱し、焼損事故
を誘発するおそれがあった。

【０００６】又、前記コンデンサの特性変化に伴い、９
０°位相差が変化することにより、二相誘導電動機の駆
動効率が大幅に低下するという問題もあった。その上、
二相誘導電動機を可変速運転する場合に際しては、単相
交流電源の周波数を可変させるうえから、補助巻線側に
接続するコンデンサを複数用意し、これを単相交流の周
波数変化にあわせて、その周波数に見合うコンデンサを
選択して切り換える必要があるため非常に面倒であり、
不経済であった。

【０００７】更に、三相交流電源からスコット結線を介
して得た二相交流電源によって二相誘導電動機を駆動す
る場合は、前記二相交流電源が、周波数を固定した三相
交流電源から供給するようになっているため、前記二相
誘導電動機の回転速度を可変することができないという
根本的な問題があった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、二相誘導電動
機をコンデンサを介在させることなくインバータによっ
て駆動させるようにしたインバータ装置において、第１
のスイッチング部と第２のスイッチング部とを並列に接
続して構成した複数のスイッチング素子からなる回路切
換手段を具備するインバータと、前記インバータの第
１，第２のスイッチング部の両端に供給する２つの直流
電源を直列に接続してなる第１及び第２の直流電源と、
更に、第１，第２のスイッチング部を構成するスイッチ
ング素子を個々に駆動制御するインバータ制御部とを具
備して構成したことを特徴とする。

【０００９】又、本発明に用いる前記インバータ制御部
は、第１及び第２のスイッチング部を構成する複数のス
イッチング素子をそれぞれ所定の位相区間において導通
させる信号手段を、方形波信号と正弦波信号とを出力さ
せることができるように構成したことを特徴とする。

【００１０】本発明は、インバータで発生した二相交流
を二相誘導電動機の主巻線と補助巻線とに直接供給して
駆動するようにしたので、コンデンサが不要となり、し
かも、インバータを駆動する場合、前記インバータ自体
を方形波及び正弦波を用いて駆動制御可能に構成したの
で、前者（方形波を用いた駆動）では、電動機の回転速
度が可変でき、後者（正弦波を用いた駆動）では、電動
機自体の駆動効率を著しく向上させることを可能とし
た。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
〜図３によって説明する。図１において、本発明のイン
バータ装置１１は、第１，第２の直流電源１２，１３
と、トランジスタからなるスイッチング素子１４ａ〜１
４ｄによって構成されたインバータ１５と、前記インバ
ータ１５に制御信号を供給するインバータ制御部１６と
からなり、このインバータ装置１１の出力端には、主巻
線（正相側巻線）１７と補助巻線（９０°位相側巻線）
１８とからなる二相誘導電動機１９が接続されている。

【００１２】次に、前記インバータ装置１１の詳細構造
について説明する。最初に、インバータ１５は、２個の
スイッチング素子１４ａ，１４ｂを直列に接続した第１
のスイッチング部２０と、同じくスイッチング素子１４
ｃ，１４ｄを直列接続してなる第２のスイッチング部２
１とによって構成されている。そして、これら第１，第
２のスイッチング部２０，２１は、直列接続した第１，
第２の直流電源１２，１３に通電可能に並列接続されて
おり、又、各スイッチング部２０，２１を構成するスイ
ッチング素子１４ａ〜１４ｄの各ベースは、インバータ
制御部１６の各出力端に接続されている。

【００１３】更に、二相誘導電動機１９の主巻線１７
は、その一方を第１のスイッチング部２０を構成するス
イッチング素子１４ａ，１４ｂの直列接続部の接続点ａ
に接続し、他方は第１，第２の直流電源１２，１３の直
列接続部である接続点ｂに接続する。又、補助巻線１８
は、一方を第２のスイッチング部２１のスイッチング素
子１４ｃ，１４ｄの直列接続部となる接続点ｃと接続
し、他方は主巻線１７の他方と接続点ｄにて接続し、こ
の接続点ｄと直流電源１２，１３の接続点ｂとを例え
ば、共通線ｅを用いて接続する。

【００１４】そして、図１において前記第１のスイッチ
ング部２０の接続点ａと直流電源１２，１３の接続点ｂ
との間で得られる単相交流に相当する位相を備えた出力
（正相側巻線電圧ｅ₁ ）を、二相誘導電動機１９の主巻
線１７に供給し、又、第２のスイッチング部２１の接続
点ｃと前記接続点ｂとの間で得られる前記正相側巻線電
圧ｅ₁ に対して位相が９０°異なる単相交流に相当する
位相を備えた出力（位相側巻線電圧ｅ₂ ）を、補助巻線
１８に供給するように構成されている。

【００１５】つづいて、前記インバータ１５を駆動制御
するインバータ制御部１６の構成を図２によって説明す
る。このインバータ制御部１６は、インバータ１５の各
スイッチング素子１４ａ〜１４ｄを所要の位相区間で導
通させるパルス信号を、必要とする周波数の単相交流の
半サイクル周期における位相の範囲内において出力する
ように構成されている。

【００１６】即ち、例えば、図１に示すインバータ制御
部１６から出力されるパルス信号３０は、第１のスイッ
チング部２０のスイッチング素子１４ａを図３に示す波
形図（方形波）のように、４５°〜１３５°の位相区間
において導通させ、パルス信号３３は第２のスイッチン
グ部２１のスイッチング素子１４ｄを１３５°〜２２５
°の位相区間において導通させ、又、パルス信号３１は
第１のスイッチング部２０のスイッチング素子１４ｂを
２２５°〜３１５°の位相区間で導通させ、更に、パル
ス信号３２は第２のスイッチング部２１のスイッチング
素子１４ｃを３１５°〜４５°の位相区間で導通させる
ことができるように、前記インバータ制御部１６はスイ
ッチング動作可能に構成されている。

【００１７】そして、前記各スイッチング部２０，２１
をスイッチング動作させるためのパルス信号３０〜３３
を所定の順序で出力するインバータ制御部１６は、例え
ば、図２で示すように、一定周期（９０°の位相区間毎
の周期に相当する周期）でクロック信号を出力するクロ
ック回路２２と、クロック信号を４個計数したらリセッ
トする機能を備えたカウンタ回路２３と、カウンタ回路
２３から出力される所定数のパルスに対応してターンオ
ン及びターンオフするフリップフロップ回路ＦＦ₁ 〜Ｆ
Ｆ₄ とによって構成されている。

【００１８】前記インバータ制御部１６において、フリ
ップフロップ回路ＦＦ₁ からは、カウンタ回路２３が１
個計数してリセットする際に出力するパルスＰＳ₁ にて
ターンオンし、クロック回路２２から次のクロックパル
スの入力によりターンオフしてパルス信号３０を出力す
る。

【００１９】フリップフロップ回路ＦＦ₂ からは、カウ
ンタ回路２３が２個計数してリセットする際に出力する
パルスＰＳ₂ にてターンオンし、次のクロックパルスの
入力によりターンオフしてパルス信号３３を出力する。

【００２０】更に、フリップフロップ回路ＦＦ₃ から
は、カウンタ回路２３が３個計数してリセットする際に
出力するパルスＰＳ₃ にてターンオンし、次のクロック
パルスの入力によりターンオフしてパルス信号３１を出
力する。

【００２１】又、フリップフロップ回路ＦＦ₄ からは、
カウンタ回路２３が４個計数してリセットする際に出力
するパルスＰＳ₄ にてターンオンし、次のクロックパル
スの入力によりターンオフしてパルス信号３２を出力す
る。

【００２２】前記のように、リセットされたカウンタ回
路２３が再度計数を繰返すことにより、各フリップフロ
ップ回路ＦＦ₁ 〜ＦＦ₄ がカウンタ回路２３から順次出
力されるパルスＰＳ₁ 〜ＰＳ₄ に対応して前記の如く動
作を繰返し、これにより、各パルス信号３０〜３３をイ
ンバータ制御部１６からインバータ１５の所定のスイッ
チング素子１４ａ〜１４ｄに出力し、該インバータ１５
を駆動制御させる。この結果、カウンタ回路２３から出
力されるパルスＰＳ₁ 〜ＰＳ₄ の出力間隔を、カウンタ
回路２３に入力されるクロックパルスの入力周期にて可
変させることにより、主巻線１７及び補助巻線１８に印
加される電圧周波数を任意に変化させることができる。

【００２３】前記インバータ制御部１６を設けることに
よりインバータ１５は、二相誘導電動機１９の主巻線１
７に対しては、例えば、図３に示すように、正相側巻線
電圧ｅ₁ のような正負の方形波による正相側交流電圧を
直接的に供給し、一方、補助巻線１８に対しては、図３
に示す９０°位相側巻線電圧ｅ₂ のような正負の方形波
による９０°位相交流電圧を直接的に供給して、二相誘
導電動機１９を駆動する。

【００２４】即ち、前記インバータ１５の動作を更に詳
述する。インバータ制御部１６からのパルス信号３０の
出力により、インバータ１５の第１のスイッチング部２
０のスイッチング素子１４ａが導通すると、電源１２−
スイッチング素子１４ａ−主巻線１７−電源１２の経路
で電流が図１のＸ方向に沿って流れ、主巻線１７に通電
される。つづいて、インバータ制御部１６からパルス信
号３３が出力されると、第２のスイッチング部２１のス
イッチング素子１４ｄが導通し、電源１３−補助巻線１
８−スイッチング素子１４ｄ−電源１３の経路で電流が
図１に示すＹ’方向に沿って流れ、補助巻線１８に通電
される。

【００２５】更に、インバータ制御部１６からパルス信
号３１の出力により、第１のスイッチング部２０のスイ
ッチング素子１４ｂが導通し、電源１３−主巻線１７−
スイッチング素子１４ｂ−電源１３の経路で電流がＹ方
向に流れ、主巻線１７に通電される。又、インバータ制
御部１６からパルス信号３２が出力されると、第２のス
イッチング部２１のスイッチング素子１４ｃが導通し、
電源１２−スイッチング素子１４ｃ−補助巻線１８−電
源１２の経路で電流がＸ’方向に流れ、補助巻線１８に
通電される。

【００２６】以上説明したように、本発明のインバータ
装置１１においては、インバータ１５の各スイッチング
素子１４ａ〜１４ｄを、インバータ制御部１６から出力
されるパルス信号３０〜３３により簡単な９０°ステッ
プの方形波のみを用いて駆動させることができるので、
二相誘導電動機１９を図３に示すような正弦波の単相交
流ｅ₁ Ｓ，ｅ₂ Ｓに比べて疑似的な単相交流にて良好に
駆動させることができる。

【００２７】この結果、前記インバータ装置１１によっ
て生成した単相交流を直接的に二相誘導電動機の主巻線
（正相側巻線）１７と補助巻線（９０°位相側巻線）１
８に通電することにより、コンデンサを介在させること
なく二相誘導電動機１９の駆動を可能とするとともに、
インバータ１５のスイッチング周波数を変更することに
よって容易に回転速度を変更しての駆動が可能となる。

【００２８】又、インバータ装置１１は、二相誘導電動
機１９の主巻線１７用のスイッチング部２０と補助巻線
１８用のスイッチング部２１とを相互に切り換えての通
電を可能とし、しかも、前記スイッチング部２０，２１
を相互に切り換えて作動させることと相まって、二相誘
導電動機１９を２つの直流電源１２，１３にて駆動でき
るように構成したので、インバータ１５は最少のスイッ
チング素子１４ａ〜１４ｄを用いて構成することが可能
となり、簡素な構成で経済的に製作でき利便である。

【００２９】次に、前記インバータ装置１１は所定のス
イッチング部２０，２１に方形波状のパルス信号３０〜
３３を出力して疑似的な単相交流を得ることによって、
二相誘導電動機１９を速度制御可能に駆動できるように
した例で説明したが、本発明はこれに限定せず、図４に
示すインバータ制御部４１からインバータ１５に所定の
交流信号（電流）を出力して二相誘導電動機１９を効率
的に駆動する方式を本発明の第２実施例として説明す
る。

【００３０】この場合は、前記第１の実施例のように、
方形波を使用するのではなく、図３にｅ₁ Ｓ，ｅ₂ Ｓで
示すような交流信号の正弦波を備えた出力をインバータ
１５から、二相誘導電動機１９の主巻線１７と補助巻線
１８に供給することにより、二相誘導電動機１９の回転
トルクの脈動を良好に抑制し、静音駆動を実現すること
が可能となる。

【００３１】例えば、図４に示すインバータ制御部４１
からインバータ１５に出力される図１に示す正弦波信号
３０’は、第１のスイッチング部２０のスイッチング素
子１４ａを図５に示す波形図のように、０〜１８０°の
位相区間において導通し、正弦波信号３３’は、第２の
スイッチング部２１のスイッチング素子１４ｄを９０°
〜２７０°の位相区間において導通し、正弦波信号３
１’は、第１のスイッチング部２０のスイッチング素子
１４ｂを１８０°〜３６０°の位相区間において導通
し、更に、正弦波信号３２’は、第２のスイッチング部
２１のスイッチング素子１４ｃを２７０°〜９０°の位
相区間において導通することができるように、前記イン
バータ制御部４１はスイッチング動作可能に構成されて
いる。

【００３２】この場合、例えば図４に示すインバータ制
御部４１からインバータ１５に出力される図１に示す正
弦波信号３０’は、第１のスイッチング部２０のスイッ
チング素子１４ａを図５に示す波形図のように、０°〜
１８０°の位相区間において導通し、正弦波信号３３’
は、第２のスイッチング部２１のスイッチング素子１４
ｄを９０°〜２７０°の位相区間において導通し、正弦
波信号３１’は、第１のスイッチング部２０のスイッチ
ング素子１４ｂを１８０°〜３６０°の位相区間におい
て導通し、更に、正弦波信号３２’は、第２のスイッチ
ング部２１のスイッチング素子１４ｃを２７０°〜９０
°の位相区間において導通することができるように、前
記インバータ制御部４１はスイッチング動作可能に構成
されている。

【００３３】図４はインバータ１５を駆動制御するイン
バータ制御部４１の概略図であり、前記インバータ制御
部４１は図１に示すインバータ１５の上アーム側のスイ
ッチング素子１４ａ，１４ｃを作動させる第１の指令回
路４２と、下アーム側のスイッチング素子１４ｂ，１４
ｄを作動させる第２の指令回路４３とからなり、これら
第１，第２の指令回路４２，４３の各出力端は、それぞ
れ図４で示すように所定のスイッチング素子１４ａ〜１
４ｄと接続されている。

【００３４】前記第１の指令回路４２は、交流電源４４
の入力電圧を所定の電圧に降圧する降圧変圧器等からな
る降圧回路４５と、降圧回路４５の出力を９０°位相を
ずらすための遅相回路４６と、遅相回路４６からの出力
を半波整流する半波整流回路４７と、インバータ１５の
上アームを構成するスイッチング素子１４ａ，１４ｃと
下アームを構成するスイッチング素子１４ｂ，１４ｄと
が短絡するのを阻止するデッドタイム作成回路４８と、
更に、デッドタイム作成回路４８から出力される電圧を
その電圧に見合う電流に変換する電圧・電流変換回路４
９とによって構成され、この第１の指令回路４２の出力
端は、インバータ１５のスイッチング素子１４ａ，１４
ｃと接続する。

【００３５】つづいて、第２の指令回路４３は、基本的
には前記第１の指令回路４２とほぼ同じであるが、遅相
回路４６ａと半波整流回路４７ａとの間に、遅相回路４
６ａにて９０°ずらした位相を更に反転させる機能を備
えて、下アーム側のスイッチング素子１４ｂ，１４ｄを
駆動可能とした位相反転回路５０を、挿設した点のみが
異なり、この第２の指令回路４３はその出力端がスイッ
チング素子１４ｂ，１４ｄと接続されている。そして、
前記位相反転回路５０を除き第２の制御回路４３を構成
する降圧回路４５ａ，遅相回路４６ａ，半波整流回路４
７ａ，デッドタイム作成回路４８ａ，電圧・電流変換回
路４９ａは、第１の制御回路４２と同様に構成されてい
るので説明は省略する。

【００３６】このように、インバータ制御部４１はその
出力端から正弦波信号をインバータ１５の各スイッチン
グ素子１４ａ〜１４ｄに出力し、これら各スイッチング
素子１４ａ〜１４ｄを所定時間（固定）導通させること
により、二相誘導電動機１９に正弦波信号３０’，３
１’，３２’，３３’の正弦波形を有する電流波形に応
じて正弦波形である電流を出力し、前記二相誘導電動機
１９を速度制御を行うことなく、始動トルク及び運転ト
ルクを大きくして効率よく駆動させることが可能とな
る。

【００３７】即ち、前記インバータ制御部４１を用いて
インバータ１５を駆動制御することは、二相誘導電動機
１９の主巻線１７，補助巻線１８に位相が９０°ずれ、
振幅の等しい電流を流すことが可能（スイッチング素子
のベースには振幅の等しいｓｉｎ波及び９０°位相をず
らしたｃｏｓ波の印加が可能）となり、これにより、回
転磁界における磁束の振幅の均一化（磁束真円磁界）を
はかることができ、二相誘導電動機１９を効率的に駆動
することができる。

【００３８】一方、これまでのコンデンサを用いた二相
誘導電動機においては、巻線の抵抗値とリアクタンスと
よりなる合成のインピーダンスによって巻線に流れる電
流の位相にずれが生じ、これによって磁束の真円磁界を
形成することが難しく効率を高めることが困難であっ
た。この結果、磁束の真円磁界を得るには、電流の位相
を常に９０°となるようにし、かつ、主巻線と補助巻線
との磁束の振幅を等しくなるように制御することができ
なかった。然るに、前記インバータ制御部４１を用いて
インバータ１５を制御すれば、主巻線１７と補助巻線１
８に位相が９０°ずれ、振幅の等しい電流を流すことが
でき、これにより両巻線１７，１８に交番磁界が発生
し、巻線の２次側においては交番磁界を打消す方向に磁
束が発生するように電流が流れ、この交番磁界を打消す
方向に発生した磁束によって真円磁界を生じさせること
ができ、この結果、二相誘導電動機１９の駆動効率をコ
ンデンサを用いた場合に比べ飛躍的に向上させることが
できる。

【００３９】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように、コンデ
ンサが存在しなくても、二相誘導電動機の運転が可能と
なるばかりでなく、コンデンサの損傷による運転中の事
故（モータの停止、短絡火災）を解消し、しかも、電動
機の効率化・静音化運転の向上が良好に図れる。従っ
て、家電製品（交流電動機を使用している冷凍機やエア
コンの室外機等）の省力化に寄与できる。

【００４０】又、本発明のインバータ装置は、４つのス
イッチング素子と２つの直流電源を組合せることにより
構成することができるので、構成の簡素化がはかれるこ
とはもとより、経済的な製作が可能となる。しかも、イ
ンバータ自体を方形波あるいは正弦波を用いて駆動制御
することにより、前者では回転速度が可変でき、後者で
は、電動機自体の効率的使用が可能となるため、二相誘
導電動機の使用範囲を著しく拡大できるという利点も備
えている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインバータ装置を示す要部結線構成図
である。

【図２】インバータ制御部の第１実施例を示す要部ブロ
ック構成図である。

【図３】インバータ制御部の第１実施例における信号波
形図である。

【図４】インバータ制御部の第２実施例を示す要部ブロ
ック構成図である。

【図５】同じく第２実施例のインバータ制御部から出力
される信号波形図である。

【図６】従来の二相誘導電動機における要部結線構成図
である。

【符号の説明】

１１ インバータ装置 １２ 第１の直流電源 １３ 第２の直流電源 １４ａ〜１４ｄ スイッチング素子 １５ インバータ １６，４１ インバータ制御部 １７ 主巻線 １８ 補助巻線 １９ 二相誘導電動機 ２０ 第１のスイッチング部 ２１ 第２のスイッチング部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二相誘導電動機をコンデンサを介在させ
   ることなくインバータによって駆動させるようにしたイ
   ンバータ装置において、第１のスイッチング部と第２の
   スイッチング部とを並列に接続して構成した複数のスイ
   ッチング素子からなる回路切換手段を具備するインバー
   タと、前記インバータの第１，第２のスイッチング部の
   両端に供給する２つの直流電源を直列に接続してなる第
   １及び第２の直流電源と、更に、第１，第２のスイッチ
   ング部を構成するスイッチング素子を個々に駆動制御す
   るインバータ制御部とを具備して構成したことを特徴と
   する二相誘導電動機のインバータ装置。
2. 【請求項２】 前記第１，第２の直流電源の接続点に
   は、二相誘導電動機の主巻線と補助巻線との共通接続点
   を共通線により接続したことを特徴とする請求項１記載
   の二相誘導電動機のインバータ装置。
3. 【請求項３】 前記インバータ制御部は、第１及び第２
   のスイッチング部を構成する複数のスイッチング素子を
   それぞれ所定の位相区間において導通させる方形波信号
   を出力させるように構成したことを特徴とする請求項１
   記載の二相誘導電動機のインバータ装置。
4. 【請求項４】 前記インバータ制御部は、第１及び第２
   のスイッチング部を構成する複数のスイッチング素子を
   それぞれ所定の位相区間において連続的に導通させる正
   弦波信号を出力させるように構成したことを特徴とする
   請求項１記載の二相誘導電動機のインバータ装置。