JP2006322675A - 空気調和機のファンモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空気調和機のファンモータ制御装置において、交流ファンモータの回転数を制御することで生じる、騒音、振動、ノイズの発生を低減した快適性の高い空気調和機を提供する。
【解決手段】ファンを回転させる交流ファンモータ３と交流ファンモータ３の回転数を制御する制御用マイクロコンピュータ１とマイクロコンピュータ１から出力される電源周期に同期しない制御信号によりオンオフするゼロクロス検出機能を持った半導体スイッチング素子（ファンモータ駆動手段２）から構成される。制御信号を電源の周期と非同期とすることで、交流ファンモータ３の特定周波数での回転脈動及び振動が発生しない。また、ゼロクロス検出機能を持つ半導体スイッチング素子は制御信号に関係なく、ゼロクロスポイントでオンオフするため、ノイズの発生もない。
【選択図】図１

Description

本発明はマイクロコンピュータで制御され冷暖房を行う空気調和機に係り、特に、送風装置に用いられる交流ファンモータの回転数を制御する制御装置に関するものである。

冷暖房を行う空気調和機にあっては、冷暖房の種々の運転モード設定や室内外の温度によって、空気調和機の室外機においてファンモータの回転数制御を行っている。従来、交流ファンモータの回転数制御方法としては、位相制御方式が知られている。図４は、特許文献１に示されている従来の位相制御による回転数制御装置の全体構成図であり、図５は従来の回転数制御装置における制御フローチャートである。

図４において、６１は交流電源であり、交流電源６１の一方はトライアック６２を通して交流モータ６３に接続され、もう一方は交流モータ６３及びゼロクロスタイミング検出手段６７に接続されている。ゼロクロスタイミング検出手段６７の出力は位相制御出力手段６６に接続されている。交流モータ６３には回転速度検出手段６４が接続され、回転速度検出手段６４の出力は、出力決定手段６５を通して位相制御出力手段６６に接続されている。位相制御出力手段６６の出力はトライアック６２に接続されている。

次に、図５に示すフロチャートを用いて、回転数制御についての動作を説明する。ステップＳ１０１では、回転速度検出手段６４にて現在の交流モータ６３の回転数を検出する。ステップＳ１０２では回転速度検出手段６４より出力された回転数を事前設定されている目標回転数と比較し、回転速度が目標回転速度の許容範囲外にあるときは、ステップＳ１０３でゼロクロスタイミング検出手段６７と位相制御出力手段６６にてゼロクロスタイミングに対するトリガーポイントの位置を前回よりもずらして導通角を設定し、交流モータ６３を目標回転数に近づけるためにトライアック６２を動作させステップＳ１０１に戻る。また、ステップＳ１０２で目標回転速度の許容範囲内にあるときには、ステップＳ１０４で位相制御手段６６にて導通角の設定変更は行わずステップＳ１０１に戻る。

また、回転数制御の従来技術として、例えば、特許文献２には、交流電源と交流モータとの間に接続されたスイッチをオンオフ制御するスイッチング信号のデューティ比を変えることによって、このスイッチをオンオフして回転数を制御する方法が示されている。この引用文献２の技術では電源波形のゼロクロスに関係なくスイッチをオンオフしている。
特開昭６４−５５０８９号公報 特開２０００−１７９９２５号公報

上述の引用文献１に示すような従来の制御方法によれば、図３（ｂ）に示すように、電源電圧がゼロクロスポイント以外でスイッチング素子がオンされるため、スイッチング素子がオンする時に急激な突入電流が流れる。したがって、この突入電流により高調波及びノイズが発生するという課題が生じた。また、所定の条件下では、電源波形の周期毎に通電率が固定であるため（図３の（ｂ）の例では、ｔ２が所定制御条件下で周期毎に一定である）、その固定通電率に基づく特定の周波数において回転脈動が生じ、そのため、振動及び騒音が発生し使用者に不快感を与える等の課題があった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、交流電源のゼロクロスポイントでオンオフすることにより、急激な突入電流をなくして高調波及びノイズの発生を抑え、また、モータへの通電率をランダムに変動させることによって特定周波数での振動及び騒音を最小限にすることのできる空気調和機のファンモータ制御装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
圧縮機、四方弁、室外熱交換器を有する室外機と、二方弁、室内熱交換器を有する室内機と、前記室外機と前記室内機を接続する配管と、を備えた空気調和機において、
前記室外機は、冷・暖房の運転モード設定と室内外の温度をもとに回転数制御される交流ファンモータを有し、
前記交流ファンモータは、前記交流電源の波形のゼロクロス検出機能を有する半導体スイッチング素子からなるファンモータ駆動手段により駆動され、
前記ファンモータ駆動手段の前流側に、前記運転モード設定と前記室内外温度に基づいた前記半導体スイッチング素子へのスイッチング素子制御信号を決定する制御信号決定手段を有し、
前記スイッチング素子制御信号と前記ゼロクロス検出機能により、前記交流電源波形のゼロクロスからの半波成分を通電単位としてランダムに前記交流電源をオンオフして前記回転数制御する構成とする。

本発明によると、交流ファンモータの回転数制御によって発生する、騒音、振動、ノイズをなくすることができ、空気調和機の快適性及び商品性を高めることができる。

本発明の実施形態に係る空気調和機のファンモータ制御装置について、図１〜図３を参照しながら以下詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に係る空気調和機のファンモータ制御装置の全体構成を示すブロック図である。図２は本実施形態に係るファンモータ制御装置の動作を示すフローチャートである。図３は本発明の実施形態に関する制御方式を従来技術の制御方式との対比で示すタイミング波形チャートである。

図１において、３はファンを回転させるファンモータであり、４はファンモータ３の回転数を検出する回転数検出手段、８はファンモータ３の予め設定された回転数（冷・暖房時の運転モードや室内外の温度や交流電源周波数に基づいて設計時に予め規定された回転数）と検出された実際の回転数の比較を行いその回転数差を出力する回転数比較手段、９は回転数比較手段８からの回転数差出力からファンモータ３の回転数を制御するための制御信号のデューティ比を補正する制御信号補正手段、５は商用電源のゼロクロスタイミングを検出するゼロクロスタイミング検出手段であり、６はゼロクロスタイミング検出手段５からのゼロクロス信号により、商用電源周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）を判定する商用電源周波数判定手段である。

また、７は商用電源周波数判定手段６の出力、並びに空気調和機の種々の運転モード及び室内外の温度により、マイクロコンピュータ１のＥＥＰＲＯＭに格納された、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚにおいて最も高効率でファンモータ３を駆動することができる制御データ（この制御データはオンオフのスイッチング信号でオンオフのデューティ比を予め実験等で決定しておく、後述する図３のスイッチング素子制御信号のデータに対応する）を決定する制御データ決定手段である。ここで、マイクロコンピュータ１は、商用電源周波数判定手段６、制御データ決定手段７、回転数比較手段８、制御信号補正手段９から成り立っている。

また、２は制御信号補正手段９からの出力により、ファンモータ３を回転させるファンモータ駆動手段である。ファンモータ駆動手段２は、ゼロクロス検出機能を内蔵する半導体素子であり、例えばソリッドステートリレー（ＳＳＲ）を用いてもよい（このＳＳＲは内部にトライアックを含む構成である）。この半導体素子は入力される制御信号がオンされると、内蔵されたゼロクロス回路により交流電圧がゼロ電圧付近でトリガーし、トライアックがオンする。次に、制御信号がオフした場合は、負荷電流はトライアックのラッチング作用により負荷電流のゼロ付近（ゼロまでは保持されて）でオフされる。

換言すると、後述する図３の（ａ）の波形図からも明らかなように、スイッチング素子制御信号がオンであるときに商用電源がゼロクロスするとゼロクロスした電源をオンし、一旦オンすれば当該制御信号のオンオフに関わらず、次のゼロクロスまで電源とラッチしてオンする。商用電源がゼロクロスのときに制御信号がオフになっておれば、次の電源はオフされるのである。

次に、本実施形態に係るファンモータ制御装置の動作について、図２のプログラムフローチャートにより説明する。プログラムがスタートすると、ステップＳ１１では、ゼロクロスタイミング検出手段５で検出された商用電源のゼロクロスパルスを商用電源周波数判定手段６に入力する。次に、ゼロクロスパルスの時間間隔を商用電源周波数判定手段６により測定し、５０Ｈｚか６０Ｈｚかの判定をステップＳ１２で行う。この結果からステップＳ１３では、予め設定された、制御データの５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ用のどちらを使用するかを決定する。ここで、制御データ決定手段７では、前述したように種々の運転モードや室内外の温度環境に基づいて予め制御データを設定しておき、この設定された制御データをもとに、さらに商用電源の周波数によっても制御データが決定されるようになっている。

ファンモータ３は、ステップＳ１３で決定された制御データを基にＳ１４にて駆動されるが、この制御データは、電源周期とは非同期に出力されるため、ファンモータ３への通電率は、例えば図３（ａ）に示すように、周期Ｔ１では通電率１００％、Ｔ２では５０％とランダムに変化する。換言すると、図３の（ａ）でスイッチング素子制御信号として表示する制御データは、商用電源の周期と全く無関係に設定されるものであるので（運転モード、室内外の温度、商用電源周波数をもとに独自に設定される）、同一の制御条件下（運転モード、温度、電源周波数が同一）でも通電率はＴ１とＴ２周期で異なるものとなる。これに対して、従来技術では、図３の（ｂ）に示すように、制御データであるトライアックトリガ信号は電源周期に同期して出力され、同一の制御条件下ではファンモータ印加電圧波形は通電率が一定値となり、この同一波形の印加電圧はその特定周波数で振動と騒音を発生することとなる。

このように、ファンモータ印加電圧の通電率が一定の場合或る固有周波数において振動が発生すると仮定すると、従来技術ではその固有周波数に該当するときにその振動が持続することになるが、本実施形態では図３の（ａ）に示すように、ファンモータ印加電圧が同一制御条件下でも通電の周期が一定でないので、振動が持続することはないものである。

図３の（ａ）を参照して、繰り返して具体的に説明すると、図３の（ａ）の中段に示す「スイッチング素子制御信号」は、制御データ決定手段７からの出力信号であり、この出力信号は、図３の（ｂ）に示す「トライアックトリガ信号」が電源周期に同期した信号であるのに対して、交流電源の波形周期に何等依存することなく、制御データ決定手段７がその入力信号に基づいて独自に決定する任意のデューティ比をもつオンオフ信号である。このスイッチング素子制御信号と、半導体スイッチング素子に内蔵のゼロクロス回路からの交流電源ゼロクロス信号とによって、交流電源の半波成分毎の電圧が生成されて（この生成の態様は上述したとおり）、ファンモータ印加電圧（図３の（ａ）の下段図）としてファンモータに印加される。

ここで、スイッチング素子制御信号のデューティ比を可変制御すると（デューティ比の変更は、基本的には制御データ決定手段７の決定手法に因るが、これ以外にも回転数比較手段８からの出力信号によっても変更できる）、所定の電源周期毎（図３（ａ）でＴ１やＴ２）で通電する半波成分の個数が変わることとなる。図３に示す具体例では、Ｔ１周期で１００％、Ｔ２周期で５０％通電することとなる（Ｔ２周期で１つの半波成分が通電であれば２５％通電）。このように、制御データ決定手段７がその入力信号データに基づいて決定した一定の出力値によって、上述のような１００％通電周期と５０％通電周期が現出するのであり、これによって振動が持続することはなくなる。この際（前記一定の出力値の下で）、Ｔ１やＴ２の周期毎に何％の通電周期とするかは、スイッチング素子制御信号の波形成形の仕方により、適宜に設計し得る。制御データ決定手段７からの出力値が一定であるとの制御条件下で（制御条件が変更すれば当然に出力値は可変する）、交流電源波形のゼロクロスからの半波成分を通電単位として、ランダムに交流電源をオンオフして（適宜の電源周期毎に交流電源の半波成分を適宜にオンオフして）、ファンモータを回転数制御することが本発明の特徴の１つである。

次に、ステップＳ１５で回転数を検出し、ステップＳ１６、Ｓ１７で予め設定された所定の回転数と検出された実際の回転数の差から設定された回転数になるように、制御データのデューティ比を補正する。以後、ステップＳ１４に戻ってこのループを繰り返す。なお、空気調和機は、その基本的構成として、圧縮機、四方弁、膨張弁又はキャピラリチューブ及び室外熱交換器等を有した室外機と、二方弁及び室内熱交換器等を有した室内機とが配管で接続された冷凍サイクルを具備するものである。

以上説明したように、本発明の実施形態では、半導体スイッチング素子のオンオフに際して、ゼロクロスタイミング検出機能を設け、制御信号に関係なく、交流電源のゼロクロスポイントでオンオフすることにより、突入電流をなくして、高調波及びノイズの発生を抑えるものである。また、制御信号を交流電源の周期と非同期（図３（ａ）参照）にすることにより、モータへの通電率がランダム（電源周波数の１／２サイクル単位）に変動し、特定周波数での振動及び騒音を最小限にするものである。

さらに、本実施形態では、位相制御とは異なり、ゼロクロスタイミング検出手段で一度５０Ｈｚ／６０Ｈｚの決定をしてしまえば（例えば、空気調和機の使用開始初期の一度）、以降、制御のために商用周波数信号の入力は必要なくなるので、商用電源にノイズが重畳されてもファンモータの回転数制御に影響を与えることはない（図３の（ｂ）に示す従来の制御方式では、商用電源にノイズが重畳されて仮にゼロとなると、ゼロクロス信号の生成に影響を及ぼし、引いてはファンモータ印加電圧の波形生成に悪影響を及ぼすこととなる）。

このように、本発明の実施形態に係る空気調和機のファンモータ制御装置は、交流モータと交流電源との間に接続された、ゼロクロスタイミング検出機能を持つ半導体スイッチと、この半導体スイッチをオンオフする電源周波数に非同期な制御信号を出力し、この制御信号のデューティ比を変えることによって、交流モータの回転数を制御する制御部とを備えることを特徴としている。

また、本実施形態のファンモータ制御装置は、交流電源のゼロクロスタイミングを検出するゼロクロスタイミング検出手段を有し、このゼロクロスタイミング検出手段からの出力により、交流電源の周波数を判定する周波数判定手段と、この周波数判定手段により判定された周波数により、予め設定された制御データの５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ用のどちらを使用するかを決定する制御データ決定手段（入力信号としては冷暖房の種々の運転モード設定と室内外の温度があり、これ以外に交流電源の周波数をも入力信号とする）とを備えることを特徴とする。

また、本実施形態のファンモータ制御装置は、交流モータの回転数を検出する回転数検出手段と、この回転数検出手段にて検出された実際の回転数と予め規定された所定の回転数（設計事項で決まる回転数）を比較する回転数比較手段と、この回転数比較手段からの出力により、半導体スイッチをオンオフする制御信号のデューティ比を補正し、交流モータの回転数を一定に保つ手段とを備えることを特徴とする。

本発明の実施形態に係る空気調和機のファンモータ制御装置の全体構成を示すブロック図である。 本実施形態に係るファンモータ制御装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に関する制御方式を従来技術の制御方式との対比で示すタイミング波形チャートである。 従来技術に関する空気調和機のファンモータ制御装置を示すブロック配線図である。 従来技術に関する空気調和機のファンモータ制御装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ マイクロコンピュータ
２ ファンモータ駆動手段
３ ファンモータ
４ 回転数検出手段
５ ゼロクロスタイミング検出手段
６ 商用電源周波数判定検出手段
７ 制御データ決定手段
８ 回転数比較手段
９ 制御信号補正手段
６１ 交流商用電源
６２ トライアック
６３ ファンモータ
６４ 回転速度検出手段
６５ 出力決定手段
６６ 位相制御出力手段
６７ ゼロクロスタイミング検出手段

Claims (4)

1. 圧縮機、四方弁、室外熱交換器を有する室外機と、二方弁、室内熱交換器を有する室内機と、前記室外機と前記室内機を接続する配管と、を備えた空気調和機において、
   前記室外機は、冷・暖房の運転モード設定と室内外の温度をもとに回転数制御される交流ファンモータを有し、
   前記交流ファンモータは、前記交流電源の波形のゼロクロス検出機能を有する半導体スイッチング素子からなるファンモータ駆動手段により駆動され、
   前記ファンモータ駆動手段の前流側に、前記運転モード設定と前記室内外温度に基づいた前記半導体スイッチング素子へのスイッチング素子制御信号を決定する制御信号決定手段を有し、
   前記スイッチング素子制御信号と前記ゼロクロス検出機能により、前記交流電源波形のゼロクロスからの半波成分を通電単位としてランダムに前記交流電源をオンオフして前記回転数制御する
   ことを特徴とする空気調和機のファンモータ制御装置。
2. 請求項１において、
   前記半導体スイッチング素子に入力される前記スイッチング素子制御信号は、前記交流電源の波形と非同期であることを特徴とする空気調和機のファンモータ制御装置。
3. 請求項１または２において、
   前記交流ファンモータの実際の回転数を検出し、
   前記検出した実際の回転数と予め設定された回転数を比較してその回転数差を求め、
   前記回転数差によって前記スイッチング素子制御信号のデューティ比を補正する
   ことを特徴とする空気調和機のファンモータ制御装置。
4. 請求項１、２又は３において、
   前記交流電源のゼロクロスタイミングを検出するゼロクロスタイミング検出手段を設け、
   前記検出手段で検出したゼロクロスタイミングを用いて前記交流電源の周波数を判定し、
   前記判定した交流電源周波数を前記制御信号決定手段に入力することによって、前記交流電源周波数が前記スイッチング素子制御信号の一つの決定要因となる
   ことを特徴とする空気調和機のファンモータ制御装置。

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