JP2012244869A - 圧縮機駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
三相センサレスＤＣブラシレスモータによって圧縮機の圧縮機構部を駆動するインバータを備えた圧縮機駆動装置には、低コストで高効率な省エネルギー性が求められている。
【解決手段】
インバータの三相スイッチング回路は、電圧の印加方向に沿って上流側となるＩＧＢＴおよび下流側となるスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴまたはＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ素子を備え、ＤＣブラシレスモータの起動時に、１つのＩＧＢＴをオンするとともに別の直列回路の２つのスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴまたはＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ素子をオンしてＤＣブラシレスモータのロータの位置決めを行う位置決め通電手段を備えた。
【選択図】図２

Description

本発明の実施の形態は、ヒートポンプ式冷凍サイクルに用いられる圧縮機を駆動する圧縮機駆動装置に関する。

空調機や給湯器等に用いられるヒートポンプ式冷凍サイクル装置には、冷媒を圧縮する圧縮機が使用されている。圧縮機は、一般的にモータと圧縮機構部が１つの密閉型ケースに収められた密閉型圧縮機が多用される。圧縮機のモータには、高効率の三相センサレスＤＣブラシレスモータが用いられ、このモータがインバータを含む圧縮機駆動装置によって可変速駆動される。
このような圧縮機駆動装置によって空調機や給湯器等の熱負荷に合わせて圧縮機モータを可変速駆動することで冷媒の流量を可変制御して必要十分な空調・給湯能力を、高効率で発揮させることができる。
圧縮機駆動装置のインバータにおいては、三相センサレスＤＣブラシレスモータを駆動するために、直流電源に対して２個のスイッチング素子を直列に接続した回路を並列に３回路設け、この直列回路中の各スイッチング素子間の接続点をモータ巻線の１つにそれぞれ接続している。 この合計６個のスイッチング素子を適切なタイミングでＯＮ／ＯＦＦ制御することでモータ巻線に三相出力が供給される。
そして、圧縮機の起動時には、モータのロータ位置を所定位置に合わせるためにインバータから位置決め用の通電が行われ、ロータの位置決めが行われた後、各巻線への通電（強制転流）が行われ、所定時間後にモータ電流に基づくベクトル制御が開始され、所定周波数でＤＣブラシレスモータが駆動される。
一方、従来、インバータを構成する６個のスイッチング素子には、一般的にＩＧＢＴが用いられているが、スイッチング素子における損失を低減し、更なる高効率化のためにスイッチング素子としてスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴや炭化ケイ素を用いたＳｉＣスイッチング素子が採用されたり、採用の検討が行われている。
（特許文献１、２参照）

特開２００８−１７５４７６号公報 特開２００６−４２５２９号公報

スーパージャンクションＭＯＳＦＥＴやＳｉＣの高効率のスイッチング素子は、高額であり、コストアップになってしまうという問題がある。 このため、特許文献１に示されるようにインバータの上流側のスイッチング素子にはＩＧＢＴを使用し、下流側の３個のスイッチング素子のみにスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴを採用するということが行われている。
しかしながら、位置決めの通電においては、上流側の２つのスイッチング素子と下流側の１つのスイッチング素子をオンさせる効率の低い通電パターンが用いられており、位置決め通電における効率化がなされていない。
また、一部のＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ素子では、駆動電圧に制約があり、特殊な駆動回路を用いなくてはならなくなるという問題があり、ＳｉＣをスイッチング素子に用いる場合においても、できるだけ、ＳｉＣスイッチング素子の数を少なくしながら高効率を得ることが望まれる。

本発明の第１の実施形態は、三相センサレスＤＣブラシレスモータによって圧縮機構部を駆動するインバータは、電圧の印加方向に沿って上流側となるＩＧＢＴおよび下流側となるスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴを備えた直列回路を三相分備え、これら直列回路におけるＩＧＢＴとスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴの相互接続点が前記三相センサレスＤＣブラシレスモータに接続されるスイッチング回路を備える。さらに、この三相センサレスＤＣブラシレスモータの起動時に、各直列回路のうち１つの直列回路のＩＧＢＴをオンするとともに別の２つの直列回路のスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴをオンして三相センサレスＤＣブラシレスモータのロータの位置決めを行う位置決め通電手段を備えた圧縮機駆動装置である。
また、本発明の第２の実施形態では、三相センサレスＤＣブラシレスモータによって圧縮機構部を駆動するインバータは、電圧の印加方向に沿って上流側となるＩＧＢＴおよび下流側となるＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ素子を備えた直列回路を三相分備え、これら直列回路におけるＩＧＢＴとＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ素子の相互接続点が前記三相センサレスＤＣブラシレスモータに接続されるスイッチング回路を備える。さらに、この三相センサレスＤＣブラシレスモータの起動時に、各直列回路のうち１つの直列回路のＩＧＢＴをオンするとともに別の２つの直列回路のＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ素子をオンして前記三相センサレスＤＣブラシレスモータのロータの位置決めを行う位置決め通電手段を備えた圧縮機駆動装置である。

本発明の第１の実施形態に係る圧縮機駆動装置の回路ブロック図。 同実施形態の圧縮機ロータの位置決めを説明するためのインバータとモータの模式図。 インバータのスイッチング素子における電流―損失特性を示すグラフ。 第１または第２の実施形態の圧縮機駆動装置を用いた冷凍サイクル装置の冷凍サイクル図。

本発明の第１の実施形態について、図１乃至図４を用いて説明する。

本発明の第１の実施形態に係る圧縮機駆動装置の回路ブロック構成を図１に示す。圧縮機駆動装置１は、商用交流電源１０に接続され、この商用交流電源１０から電力が供給される。圧縮機駆動装置１は、三相出力を行うインバータ２とこのインバータ２を駆動するための制御回路３を備えている。

インバータ２は、商用交流電源１０に接続され、交流電圧を直流に変換する整流回路５、この整流回路５の整流出力を平滑するコンデンサ６と三相スイッチング回路７から構成される。

三相スイッチング回路７では、コンデンサ６によって平滑された直流電源に対し、電圧の印加方向に沿って上流側にＩＧＢＴ素子Ｕ，Ｖ，Ｗを備え、下流側にスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴ素子Ｘ，Ｙ，Ｚを備えた直列回路を三相分備え、これら直列回路におけるＩＧＢＴ素子Ｕ，Ｖ，ＷとスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴＸ，Ｙ，Ｚの相互接続点が三相センサレスＤＣブラシレスモータＭに接続されている。さらに三相スイッチング回路７は、直流電源の負側と各スーパージャンクションＭＯＳＦＥＴＸ，Ｙ，Ｚとの各々の間に電流検出用のシャント抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３が接続されている。

ＤＣブラシレスモータＭは、密閉型圧縮機１２の内部に収納されている。ＤＣブラシレスモータＭのロータの回転軸Ｓは、同様に密閉型圧縮機１２の内部に収納されている回転式の圧縮機構部ＣＭに直結されている。 このため、ＤＣブラシレスモータＭが回転すれば、圧縮機構部ＣＭが圧縮動作を行うようになっている。

インバータ２の三相スイッチング回路７における各スイッチング素子Ｕ，Ｖ，ＷとＸ，Ｙ，Ｚを制御する制御回路３には、電流検出用の各シャント抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３と各スーパージャンクションＭＯＳＦＥＴＸ，Ｙ，Ｚとの接続点が接続され、さらに制御回路３には直流電源の負側が入力されている。制御回路３内に設けられた運転手段８は、ＤＣブラシレスモータＭの運転中に、各接続部分から各々のシャント抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の両端間に生じる電圧を検出し、この電圧を元に各シャント抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に流れる電流を算出し、その結果に応じて各スイッチング素子Ｕ，Ｖ，Ｗ及びＸ，Ｙ，ＺのＯＮ／ＯＦＦタイミングを制御して、ＤＣブラシレスモータＭを所定の回転数で駆動する。

さらに、制御回路３は、圧縮機１２を停止状態から起動させる際に、ＤＣブラシレスモータＭのロータを所定位置に移動させ、その位置に固定させるための位置決め通電手段４を備えている。ＤＣブラシレスモータＭの停止中には、ロータの回転方向の位置は定まっていない。このような状態から各スイッチング素子Ｕ，Ｖ，ＷとＸ，Ｙ，ＺのＯＮ／ＯＦＦを制御して強制転流運転を行い、同期運転に持っていくことも可能であるが、停止中のロータの位置が定まらないため、その停止位置によっては同期運転となるまでに時間が掛かるという問題がある。

そこで、位置決め通電手段４は、外部から圧縮機駆動装置１に対して起動指令が入力されると、これに応答し、上流側のＩＧＢＴ素子Ｕ，Ｖ，Ｗのいずれか１つをオンさせるとともに、オンさせたＩＧＢＴ素子が連なっている直列回路以外の２つの直列回路のスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴをオンする。このオン時間は、なるべく短いほうが消費電流の点から望ましいが、あまりに短いと停止しているロータが本来位置すべき場所まで移動することができないことになってしまう。したがって、オン時間は、ロータが位置決めできる最短時間に設定することが望ましく、おおよそ１〜３秒程度が設定される。ＤＣブラシレスモータＭの巻線に対して、このような通電を行うことで、ＤＣブラシレスモータＭのロータは、その通電パターンに対応した特定の位置に固定される。

位置決め通電手段４によるＤＣブラシレスモータＭにおける位置決め状態を、具体的に図２の模式図を用いて説明する。
上述のとおり、位置決め通電手段４は、上流側のＩＧＢＴ素子Ｕ，Ｖ，Ｗのいずれか１つをオンさせるとともに、オンさせたＩＧＢＴ素子が連なっている直列回路以外の２つの直列回路のスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴをオンする。ここでは、図２（ａ）に示すように、インバータ２内の三相スイッチング回路７の上流側のＩＧＢＴ素子Ｕと下流側の２つのスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴ素子Ｙ，Ｚを同時にオンさせる場合で説明する。なお、オンさせたスイッチング素子と直列接続されているスイッチング素子Ｖ、Ｗ、Ｘは、当然オフ状態を維持する。

圧縮機１２のＤＣブラシレスモータＭとして、図２（ｂ）に、インナーロータ方式の集中巻きタイプの２極モータを例として示している。ＤＣブラシレスモータＭは、シャフトSと一体化された円筒形の積層鉄板で構成されたロータＲと、このロータＲの周囲を囲む中空円筒形のステータＳＴ、このステータＳＴからロータＲ側に伸びた歯部（ティース）Ｔ、各歯部に巻回された三相巻線Ｖ１，Ｕ１，Ｗ１からなる。ロータＲの中心は圧縮機構部ＣＭと連結されたシャフトＳが貫通しており、シャフトＳとロータＲの外周面との間に磁石ＭGが埋め込まれている。モータＭは、２極モータであるため、ロータＲ内には２つの磁石がシャフトＳを挟んで対向して配置されている。

ここで、図２（ａ）に示すようなスイッチング素子の駆動を行うと、各巻線Ｖ１，Ｕ１，Ｗ１に流れる電流によって歯部Ｔに磁界が発生し、この発生磁界によってロータＲ内の磁石ＭＧが引き寄せられるかもしくは反発する。磁界の方向は、巻線の巻回方向に依存するが、この場合には、巻線Ｕ１の方向に磁石ＭＧのＳ極が引き寄せられ、ロータＲは、図２（ｂ）に示す位置まで回転し、巻線Ｕ１の巻回されているティースＴの中心と外側がＳ極となる磁石ＭＧの中心とが一致する位置に固定される。

なお、ＤＣブラシレスモータＭとして、インナーロータ方式の集中巻きタイプの４極モータを用いた場合には図２（ｃ）に示す場所が位置決めの位置となる。この場合、各相の巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１が巻回されるティースＴは、それぞれの相に対して２つとなり、かつ同じ相の巻線が巻回される２つのティースＴは、モータＭの中心に対して対向する場所に位置する。そしてロータＲに設けられる磁石ＭＧとして、モータＭの中心に対して90度ごとに位置がずれて、隣り合う磁石の磁極が反対となる4個の磁石が配置される。そして、ロータＲの外周側に位置する２つの外側がＳ極となる磁石ＭＧがそれぞれ巻線Ｕ１を巻回したティースＴに対向する位置で固定される。

図２（ｂ）、（ｃ）では、ＤＣブラシレスモータＭとして磁石ＭＧをロータＲ内部に埋め込んだ磁石内部埋め込み型モータで説明したが、ロータＲの外側表面に磁石ＭＧを貼り付けたタイプのモータを用いても良い。さらに、ＤＣブラシレスモータＭを集中巻きの例で説明したが分布巻きとしてもよく、分布巻きの場合も集中巻きと同じように巻線Ｕ１によって生じる磁界の中心と一つの磁石ＭＧの中心とが一致する位置で位置決めされる。

また、位置決め通電手段４の通電パターンとして上流側のＩＧＢＴ素子Ｕと下流側の２つのスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴ素子Ｙ，Ｚを同時にオンさせる場合で説明したが、上流側のＩＧＢＴ素子Ｖと下流側の２つのスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴ素子Ｘ，Ｚを同時にオンさせる通電方法や、上流側のＩＧＢＴ素子Ｗと下流側の２つのスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴ素子Ｘ，Ｙを同時にオンさせる通電方法でもよい。これらの通電パターンの違いによってロータＲの位置決め位置は異なることになるが、その後の運転手段８による強制転流運転の際に、その位置決め位置から起動開始するように通電開始時にオンさせるスイッチング素子を選定すれば円滑な起動が可能となる。

位置決め後、運転手段８は、その固定された位置から圧縮機構部CMが圧縮動作を行う所定の回転方向にロータＲが回転するように、スイッチング素子Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ．Ｚを選択的にＯＮ／ＯＦＦし、強制転流動作を所定時間行なう。その後、巻線に流れる電流がある程度大きくなってきたところ、すなわち回転速度がある程度大きくなってきたところ（速度起電力がある程度大きくなってきた時）で３つのシャント抵抗Ｒ１〜Ｒ３を流れる電流を検出し、ロータの速度推定、つまり、位置推定を開始する。ロータＲの位置推定は、特定の通電タイミングにおいてシャント抵抗Ｒ１〜Ｒ３から検出された電流からモータ方程式を解いて速度を求め、この速度を積分することで行われる。そして、ロータＲ位置の推定が開始されると、強制転流を終了し、推定されたロータＲの位置に基づくベクトル制御を開始し、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ時間を調整したPWM通電が行われる。

６個のすべてのスイッチング素子をスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴ素子とした場合は、効率は向上できるが、高コストになってしまう。したがって、三相分の6個のスイッチング素子について、上流側となる３つのスイッチング素子をＩＧＢＴ素子とし、下流側のスイッチング素子として3個のスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴを用いて、低コスト化とスイッチング素子の効率向上を図り、かつインバータの起動時には、位置決め通電手段４によって上流側のＩＧＢＴ素子Ｕ，Ｖ，Ｗのいずれか１つをオンさせるとともに、オンさせたＩＧＢＴ素子が連なっている直列回路以外の２つの直列回路のスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴをオンさせることで位置決め時の通電においても消費電力の低減を図っている。 なお、位置決め通電手段４では、位置決め用の通電においてオンさせた素子を連続的にオンのまま通電し続けると、場合によって大電流が流れる可能性もあるため、オンさせる素子に対し、そのオン時間のデューティーを制限して、ＯＮ／ＯＦＦ制御を行なう。

すなわち、図３のグラフの一点鎖線で示すように、低・中負荷域ではスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴ素子の損失は、図３の実線で示すＩＧＢＴ素子よりもオン抵抗が小さいため、小さくなる。そして、位置決め通電手段４による位置決めのための通電は、モータMを連続的に回転させるわけではないが、巻線に短絡的に電流が流れるので、上述の位置決め通電手段４におけるＯＮデューティー制御によってオンしている素子に流れる電流は概ね中程度の領域、即ち、中負荷域の導通となる。

したがって、従来のように上流側の２個のＩＧＢＴ素子をオンさせ、下流側の1個のスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴ素子をオンさせるよりも、上流側のＩＧＢＴ素子Ｕ，Ｖ，Ｗのいずれか１つをオンさせるとともに、オンさせたＩＧＢＴ素子が連なっている直列回路以外の２つの直列回路のスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴをオンしたほうが電力損失を少なくすることができ、省エネルギーとなる。 以上のような素子選定と位置決め通電手段４の通電パターンを設定することで、コストと省エネルギーのバランスを最適化することができる。

続いて、本発明の第２の実施形態について、説明する。この第２の実施形態ではインバータ２の三相スイッチング回路７内のスイッチング素子のみが第１の実施形態と異なり、回路構成は図１に示すものと同一である。

第２の実施形態では、三相スイッチング回路７内のスイッチング素子として上流側のスイッチング素子Ｕ，Ｖ，Ｗには、第１の実施形態と同様にＩＧＢＴ素子を使用し、下流側のスイッチング素子Ｘ，Ｙ，Ｚに、炭化ケイ素を用いたＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ素子を使用する。ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ素子はスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴよりも高温環境下で動作可能であるとともに、さらにオン抵抗が小さく、オン損失が少ない。すなわち、図３の破線で示すようにＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ素子の損失は、ＩＧＢＴ素子よりも損失が少ないスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴよりもさらに損失が少なく、低負荷から高負荷のほぼ全領域においてＩＧＢＴ素子よりも高効率であり、省エネルギーとなる。
そこで、モータＭの起動時に、位置決め通電手段４は、三相スイッチング部７の各直列回路のうち１つの直列回路のＩＧＢＴをオンするとともに別の２つの直列回路のＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ素子をオンしてモータＭのロータＲの位置決めを行う。この通電パターンは、第１の実施形態と同様であり、この通電によるロータＲの位置も第１の実施形態と同じである。

上述したようにＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ素子は、スーパージャンクションＭＯＳＦＥＴ素子よりもオン抵抗が小さく、オン損失が少ないため、位置決め通電手段４による位置決め用の通電において、第１の実施形態よりもさらに省エネルギーとなる。

第１、第２の実施形態で説明した圧縮機駆動装置１を用いたヒートポンプ式冷凍サイクルを図４に示す。ヒートポンプ式冷凍サイクルは、圧縮機駆動装置１で可変速駆動される圧縮機１２、冷媒の流通方向を変更する四方弁２５、利用側熱交換器２６、膨張弁２７、熱源側熱交換器２８、及び四方弁２５を通過して圧縮機１２へと戻るように順次接続された冷媒配管で構成される。
例えば、この冷凍サイクル装置が空気調和機に用いられる場合、利用側熱交換器２６及び熱源側熱交換器２８は、フィンドチューブタイプの空気熱交換器であり、この熱交換器に通風するためのファン２９、３０が設けられている。
冷凍サイクルが運転されると圧縮機駆動装置１により圧縮機１２が回転して冷媒が圧縮され、吐出された高温高圧冷媒が四方弁２５を経由して熱源側熱交換器２８に流れる。熱源側熱交換器２８ではファン２９によって送風される外気によって熱源側熱交換器２８が冷却され、サイクル中の高温高圧冷媒が熱交換(凝縮)し、低温となる。その後、熱源側熱交換器２８内の冷媒は、膨張弁２７で減圧され、液化して利用側熱交換器２６に流れる。利用側熱交換器２６ではファン３０の通風による低温の冷媒が室内空気と熱交換（蒸発）し、室内に冷気を吹出し室内を空調する。一方、四方弁２５を反転させると、利用側熱交換器２６に圧縮機１２の高温吐出冷媒が導かれ、室内を暖房することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されない。さらに、本発明の実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、本発明の実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…圧縮機駆動装置、２…インバータ、３…制御回路、４…位置決め通電手段、５…整流回路、６…コンデンサ、７…三相スイッチング回路、８…運転手段、１０…商用電源、１２…圧縮機、２５…四方弁、２６…利用側熱交換器、２７…膨張弁、２８…熱源側熱交換器、２９、３０…ファン、Ｍ…三相ＤＣブラシレスモータ、ＣＭ…圧縮機構部、Ｕ，Ｖ，Ｗ…上流側スイッチング素子、Ｘ，Ｙ，Ｚ…下流側スイッチング素子、Ｒ…ロータ、Ｓ…シャフト、Ｕ１，Ｖ１、Ｗ１、Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１…巻線、Ｔ…歯部、ＭＧ…磁石、ＳＴ…ステータ

Claims (2)

1. 三相センサレスＤＣブラシレスモータによって圧縮機構部を駆動するインバータを備えた圧縮機駆動装置において、
   前記インバータは、電圧の印加方向に沿って上流側となるＩＧＢＴおよび下流側となるスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴを備えた直列回路を三相分備え、これら直列回路におけるＩＧＢＴとスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴの相互接続点が前記三相センサレスＤＣブラシレスモータに接続されるスイッチング回路からなり、
   前記三相センサレスＤＣブラシレスモータの起動時に、各直列回路のうち１つの直列回路のＩＧＢＴをオンするとともに別の２つの直列回路のスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴをオンして前記三相センサレスＤＣブラシレスモータのロータの位置決めを行う位置決め通電手段を備えていることを特徴とする圧縮機駆動装置。
2. 三相センサレスＤＣブラシレスモータによって圧縮機構部を駆動するインバータを備えた圧縮機駆動装置において、
   前記インバータは、電圧の印加方向に沿って上流側となるＩＧＢＴおよび下流側となるＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ素子を備えた直列回路を三相分備え、これら直列回路におけるＩＧＢＴとＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ素子の相互接続点が前記三相センサレスＤＣブラシレスモータに接続されるスイッチング回路からなり、
   前記三相センサレスＤＣブラシレスモータの起動時に、各直列回路のうち１つの直列回路のＩＧＢＴをオンするとともに別の２つの直列回路のＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ素子をオンして前記三相センサレスＤＣブラシレスモータのロータの位置決めを行う位置決め通電手段を備えていることを特徴とする圧縮機駆動装置。

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