JP2021119726A - モータ駆動装置及び冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】バレーフィル回路を備えた整流回路にノイズ対策を行った際に、直流電源電圧が過度に上昇することを防止する。【解決手段】実施形態のモータ駆動装置は、交流電源より供給される交流電圧を整流するダイオードブリッジ回路,このダイオードブリッジ回路の出力端子間に接続される2つのフィルムコンデンサの直列回路及びバレーフィル回路で構成される整流回路と、モータと、整流回路を介して供給される直流電圧により前記モータを駆動するインバータ回路と、ダイオードブリッジ回路の交流入力側の一方と、直列回路における共通接続点との間に接続されるスイッチと、モータの状態に応じて前記スイッチのオンオフを制御にする制御部とを備える。【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、直流電源の生成にバレーフィル回路を用いるモータ駆動装置,及び当該装置を備えて圧縮機を駆動する冷凍サイクル装置に関する。
例えば特許文献1に開示されているように、バレーフィル回路は、電源回路の力率を改善するために使用され、単相交流電源を整流するダイオードブリッジ回路の出力側に配置される。しかし、バレーフィル回路を介して生成される直流電源をインバータ回路に供給して動作させると、スイッチングノイズが電源側に回り込むという問題がある。
上記のようなスイッチングノイズを除去するには、例えば、交流電源に接続されるダイオードブリッジ回路とバレーフィル回路との間に、ノイズフィルタとして2つのコンデンサを直列に接続し、2つのコンデンサの中間に交流電源の一方を接続することが好ましいことが見出された。ところが、この回路構成の場合、ダイオードブリッジ回路とコンデンサの直列回路とにより倍電圧整流回路が形成されるため、直流電源の電圧が倍電圧整流されて上昇する。すると、装置の低コスト化を図るために耐圧が低い回路素子を使用する際には、それらの耐圧を超えてしまう懸念がある。
そこで、バレーフィル回路を備えた整流回路にノイズ対策を行った際に、直流電源電圧が過度に上昇することを防止できるモータ駆動装置,及び当該装置を備えて圧縮機を駆動する冷凍サイクル装置を提供する。
実施形態のモータ駆動装置は、交流電源より供給される交流電圧を整流するダイオードブリッジ回路,このダイオードブリッジ回路の出力端子間に接続される2つのフィルムコンデンサの直列回路及びバレーフィル回路で構成される整流回路と、モータと、整流回路を介して供給される直流電圧により前記モータを駆動するインバータ回路と、ダイオードブリッジ回路の交流入力側の一方と、直列回路における共通接続点との間に接続されるスイッチと、モータの状態に応じて前記スイッチのオンオフを制御にする制御部とを備える。
(第1実施形態)
以下、第1実施形態について、図1から図7を参照しながら説明する。図2において、ヒートポンプ式冷凍サイクル装置1を構成する圧縮機2は、圧縮機構部3とモータ4を同一の鉄製密閉容器5内に収容して構成され、モータ4のロータシャフトが圧縮機構部3に連結されている。この結果、モータ4の回転により圧縮機構部3が駆動されて、圧縮運転が行われる。そして、この圧縮機2、四方弁6、室内熱交換器7、減圧装置8、室外熱交換器9は、順次、熱伝達媒体流路たるパイプにより閉ループを構成するように接続されて冷凍サイクルを形成している。
以下、第1実施形態について、図1から図7を参照しながら説明する。図2において、ヒートポンプ式冷凍サイクル装置1を構成する圧縮機2は、圧縮機構部3とモータ4を同一の鉄製密閉容器5内に収容して構成され、モータ4のロータシャフトが圧縮機構部3に連結されている。この結果、モータ4の回転により圧縮機構部3が駆動されて、圧縮運転が行われる。そして、この圧縮機2、四方弁6、室内熱交換器7、減圧装置8、室外熱交換器9は、順次、熱伝達媒体流路たるパイプにより閉ループを構成するように接続されて冷凍サイクルを形成している。
圧縮機2は、例えばロータリ型の圧縮機であり、モータ4は、例えば3相IPM(Interior Permanent Magnet)モータ,ブラシレスDCモータである。モータ4の回転数の変化に応じて圧縮機構部3の吐出冷媒量が変化することで圧縮機2の出力が変化し、冷凍サイクルの能力が可変できる。空気調和機Eは、上記のヒートポンプ式冷凍サイクル装置1を有している。
空気調和機Eの暖房運転時には、四方弁6は実線で示す状態にあり、圧縮機2の圧縮機構部3で圧縮された高温冷媒は、四方弁6から室内熱交換器7に供給されて凝縮し、その後、減圧装置8で減圧され、低温となって室外熱交換器9に流れ、ここで蒸発して圧縮機2へと戻る。一方、冷房運転時には、四方弁6は破線で示す状態に切り替えられる。このため、圧縮機2の圧縮部3で圧縮された高温冷媒は、四方弁6から室外熱交換器9に供給されて凝縮し、その後、減圧装置8で減圧され、低温となって室内熱交換器7に流れ、ここで蒸発して圧縮機2へと戻る。
室外熱交換器9は、暖房運転時には蒸発器(吸熱器)として、冷房運転時には凝縮器(放射器)として機能し、室内熱交換器7は、逆に、暖房運転時には凝縮器として、冷房運転時には蒸発器として機能するようになっている。そして、室内側、室外側の各熱交換器7,9には、それぞれファン10,11により送風が行われ、その送風によって各熱交換器7,9と室内空気、室外空気の熱交換が効率良く行われるように構成されている。
室外熱交換器9に送風を行うファン11はプロペラファンであり、ファンモータ12により駆動される。ファンモータ12は、例えばモータ4と同様に効率の高いブラシレスDCモータである。室内熱交換器7に送風を行うファン10は横流ファンであり、ファンモータ13により駆動される。ファンモータ13も、ブラシレスDCモータが用いられることが望ましい。
図1は、本実施形態のモータ駆動装置の回路構成を示す。商用の単相交流電源21は、装置全体に交流電力を供給するもので例えば200V系である。ダイオードブリッジ回路23は、交流電源21に接続されて両極性の交流を整流し、単極性の直流に変換する。交流電源21の一端とダイオードブリッジ回路23との間には、リアクトル22が挿入されている。ダイオードブリッジ回路23の正極側端子,負極側端子にそれぞれ接続される正側電源線24p,負側電源線24n間には、2つのフィルムコンデンサ25a及び25bの直列回路25,並びにバレーフィル回路26が並列に接続されている。
負側電源線24nと正側電源線24pとの間には、順方向の第1ダイオードD1及び第1コンデンサC1からなる第1直列回路と、第2コンデンサC2及び順方向の第2ダイオードD2からなる第2直列回路とが接続されている。第1直列回路,第2直列回路それぞれの共通接続点間には、順方向の第3ダイオードD3及び抵抗Rからなる第3直列回路が接続されている。これら第1〜第3直列回路によりバレーフィル回路26が構成されている。第1及び第2コンデンサC1及びC2は、何れも電解コンデンサである。
そして、ダイオードブリッジ回路23に直接接続されている交流電源21の他端が、小容量のフィルムコンデンサ25a及び25bの共通接続点に、例えばリレーであるスイッチ27を介して接続されている。すなわち、ダイオードブリッジ回路23の交流入力側の一方と、前記直列回路における共通接続点との間に接続されるスイッチ27と、これらのダイオードブリッジ回路23,コンデンサ直列回路25及びバレーフィル回路26によって、整流回路28が構成されている。
バレーフィル回路26の後段には、インバータ回路29が接続されている。インバータ回路29は、スイッチング素子である例えば6個のNチャネルMOSFET30を3相ブリッジ接続して構成されている。インバータ回路29の各相出力端子は、モータ4の各相巻線の一端に接続されている。
制御装置32は、モータ4を駆動するシステムにおける上位の制御装置,例えば空気調和機Eの空調制御部から、圧縮機構部3の目標回転数となる速度指令値が与えられ、速度指令値に検出したモータ速度が一致するように制御を行う。そして、その制御結果に基づいてPWM信号を生成し、インバータ回路29を構成する各FET30のゲートに出力する。また、制御装置32はスイッチ27のオンオフも制御する。制御装置32は、制御部に相当する。
次に、本実施形態の作用について図3から図9を参照して説明する。図3は、制御装置32によるスイッチ27のON/OFF制御に関する処理を示すフローチャートである。モータ4の停止時にスイッチ27がONしていると、交流電源21の電圧が正の周期で上側のフィルムコンデンサ25aが充電され、負の周期で下側のフィルムコンデンサ25bが充電される。したがって、直流バス電圧は整流後の電圧の2倍となる。
図4は、無負荷時における入力電圧波形及び直流バス電圧波形を示す。なお、本図は電源電圧200Vで試験した結果である。スイッチ27がOFFの時は、ダイオードブリッジ回路23のみの単なる全波整流回路となり、直流バス電圧は電源投入時で270Vを超え、そこから徐々に上昇して最終的に電源電圧の√2倍の280V付近で安定する。一方、スイッチ27がONすると、ダイオードブリッジ回路23とフィルムコンデンサ25a及び25bにより倍電圧整流回路が構成される。そのため、スイッチ27のON直後又は電源投入後から、直流バス電圧は、全波整流時の初期電圧である270Vから徐々に上昇し始め、1秒後には電源電圧の2√2倍近傍の550Vまで上昇している。例えば、同図に示すように入力電圧が220Vの場合は、直流バス電圧はその2√2倍の近傍となる620V近くまで上昇する。すると、低コストの素子を使用したインバータ回路29や電解コンデンサC1〜C3では、その耐圧を超えてしまうため、使用できなくなる。
これに対処するため、制御装置32は、モータ4の状態としてモータ4の停止時と運転時とを判断し、その判断結果に基づき、スイッチ27をON,OFFにする。制御装置32は、図3に示すように、圧縮機5(モータ4)が運転中(S1;YES)であればスイッチ(SW)27をONし(S2)、圧縮機5が運転中でなければ、すなわち停止中(S1;NO)であればスイッチ(SW)27をOFF(S3)する。
したがって、モータ4の停止時には(S1;NO)、スイッチ27はOFF(S3)のままとなり、直流部は倍電圧にはならず、通常の全波整流時の電源電圧Vの√2倍で収まる。一方、図7に示すように、モータ4の起動時や起動後(S1;YES)においては、スイッチ27をONしても(S2)モータ4が電力を消費するので倍電圧にはならず、電源電圧Vの√2倍より僅かに高いレベルに収まる。すなわち、同図に示すように、スイッチ27をONにした当初はモータ4での電力消費が少なく無負荷状態に近いため直流バス電圧は上昇し始めるが、負荷が大きくなるにつれて通常値である311V(√2×220V)付近に戻る。また、図7に示すモータ4の軽負荷状態の区間においても、直流バス電圧の上昇はごく僅かであり、モータ4の運転中に直流バス電圧が大きく上昇することはない。
このようにフィルムコンデンサ25a,25bの容量が小さい場合は、起動時を含む軽負荷状態でも直流バス電圧が殆ど上昇しない。但し、フィルムコンデンサ25a,25bの容量がある程度大きくなると、直流バス電圧が電解コンデンサC1〜C3やFET30の定格電圧を超える可能性がある。したがって、そのような事態を招来しないように、フィルムコンデンサ25a,25bの容量は適切に選定する必要がある。
図5は、フィルムコンデンサ25a,25bを設けていない場合,すなわちスイッチ27がOFFと同じ状態でのモータ4の中〜高負荷時の入力電流波形を示している。このようにフィルムコンデンサ25a,25bを設けないと、モータ4運転中はインバータ回路29のスイッチング動作に起因して多数のノイズが発生してしまう。これに対して、図6に示すようにインバータ回路29の動作時は、スイッチ27をON(S2)にしてコンデンサ直列回路25を接続することにより、PWM制御のキャリア周波数成分を除去し、電源力率の改善や入力電流の高調波抑制効果を得ることができる。
フィルムコンデンサ25a,25bは、スイッチングノイズを許容レベルまで吸収,低減できる容量を備え、且つ、モータ4が軽負荷状態でも直流バス電圧が極端に上昇しない範囲で、できるだけ小容量のものを選定する必要がある。回路素子の対圧を考慮すると、ダイオードブリッジ回路23における全波整流電圧の1.15倍程度までは問題なく許容できることから、モータ4が軽負荷状態における直流バス電圧が全波整流電圧の1.15倍以下となるように収めるべきである。このような条件を踏まえると、各フィルムコンデンサ25a,25bの容量は1μF〜10μFの間に設定することが望ましい。尚、フィルムコンデンサ25a,25bのそれぞれの容量はほぼ同一である。
以上のように本実施形態によれば、交流電源21より供給される交流電圧を整流するダイオードブリッジ回路23,ダイオードブリッジ回路23の出力端子間に接続されるコンデンサ直列回路25及びバレーフィル回路26で整流回路28を構成する。インバータ回路29は、整流回路28を介して供給される直流バス電圧によりモータ4を駆動し、モータ4は、空気調和機Eを構成する圧縮機2を駆動する。そして、ダイオードブリッジ回路23の交流入力側の一方と、コンデンサ直列回路25における共通接続点との間にスイッチ27を接続し、制御装置32は、モータ4の状態に応じてスイッチ27のON/OFFを制御する。
具体的には、制御装置32は、モータ4の状態としてモータ4の停止時と運転時とを判断し、停止時にはスイッチ27をOFFにし、運転時にはスイッチ27をONにする。これにより、モータ4の停止時において、各回路素子に過電圧が印加されることを防止できる。
また、フィルムコンデンサ25a,25bの容量を、モータ4の起動時を含む軽負荷時にスイッチ27をONにしても、各回路素子の耐圧を超えて上昇しないように設定したので、各回路素子に過電圧が印加されることを一層確実に防止できる。
(第2実施形態)
以下、第1実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図8に示すように、第2実施形態では、図1に示す構成に電圧検出部である電圧センサ31を追加する。この電圧センサ31は、コンデンサ直列回路25の端子電圧である直流バス電圧を検出して制御装置32に出力する。
以下、第1実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図8に示すように、第2実施形態では、図1に示す構成に電圧検出部である電圧センサ31を追加する。この電圧センサ31は、コンデンサ直列回路25の端子電圧である直流バス電圧を検出して制御装置32に出力する。
制御装置32は、図9に示すように、第1実施形態における制御フローのステップS1〜S3にステップS4〜S7を加えて、電圧センサ31で検出される直流バス電圧によってもスイッチ27のON、OFFを制御する。スイッチ27をONにして圧縮機2が動作している際(S2)に、直流バス電圧と閾値とを比較し、直流バス電圧が閾値αを下回っていれば(S6;NO)圧縮機2の運転を継続する(S7)。閾値αは、例えば交流電源電圧が220Vで、スイッチ27がOFF時の直流バス電圧の最大値は、
220V×√2≒311V
となる。それを例えば1.15倍して、357V程度に設定する。尚、この設定値は、搭載されるインバータ回路29や電解コンデンサC1〜C2の印加電圧の最大許容値及び安全係数を踏まえて設定される。
220V×√2≒311V
となる。それを例えば1.15倍して、357V程度に設定する。尚、この設定値は、搭載されるインバータ回路29や電解コンデンサC1〜C2の印加電圧の最大許容値及び安全係数を踏まえて設定される。
直流バス電圧が閾値α以上となる場合は(S3;YES)、図10に示すように電源電圧の異常上昇の発生時や、図11に示すようにモータ4が停止しているにもかかわらず、制御装置32を構成するマイクロコンピュータが圧縮機2運転中との誤検出したなどの可能性がある。そこで、過電圧を防止するためスイッチ27をOFFにし(S4)、圧縮機2を停止させる(S5)。
以上のように第2実施形態によれば、制御装置32は、スイッチ27をONにした状態で、電圧センサ31が検出した直流バス電圧が閾値α以上になると、スイッチ27をOFFオフにするので、第1実施形態の効果に加え、電源電圧の異常や、モータ4の停止時において圧縮機2を運転中との誤検出した場合などにおいても、各回路素子に過電圧が印加されることを防止できる。
(第3実施形態)
以下、第3実施形態を、第2実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図12に示すように、制御装置32は、モータ4の起動時に(S1;YES)、内蔵しているタイマにより一定時間tを計時してから(S8)スイッチ27をONにする。このため、図13に示すようにモータ4の起動時は、スイッチ27が遅延してONする。これにより、起動初期の直流電圧の上昇を抑制できる。
以下、第3実施形態を、第2実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図12に示すように、制御装置32は、モータ4の起動時に(S1;YES)、内蔵しているタイマにより一定時間tを計時してから(S8)スイッチ27をONにする。このため、図13に示すようにモータ4の起動時は、スイッチ27が遅延してONする。これにより、起動初期の直流電圧の上昇を抑制できる。
一方、運転開始の起動時から所定時間は、モータ4は軽負荷状態でインバータ回路29の出力周波数も低いため、スイッチングノイズのレベルも小さい。そこで、一定時間tを起動からの短時間,例えば数秒程度に設定しておけば、大きなノイズ発生は生じない。これにより、フィルムコンデンサ25a,25bの容量を若干大きくすることができ、高負荷時におけるノイズ抑制効果を高めることが可能となる。
(その他の実施形態)
冷凍サイクル装置は、ヒートポンプ式温水器やチラー等の空気調和機以外に適用されるものでも良い。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
冷凍サイクル装置は、ヒートポンプ式温水器やチラー等の空気調和機以外に適用されるものでも良い。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
図面中、1はヒートポンプ式冷凍サイクル装置、2は圧縮機、4はモータ、21は交流電源、23はダイオードブリッジ回路、25a,25bはコンデンサ、26はバレーフィル回路、28はインバータ回路、31は電圧センサ、32は制御装置である。
Claims (7)
- 交流電源より供給される交流電圧を整流するダイオードブリッジ回路,このダイオードブリッジ回路の出力端子間に接続される2つのフィルムコンデンサの直列回路及びバレーフィル回路で構成される整流回路と、
モータと、
前記整流回路を介して供給される直流電圧により前記モータを駆動するインバータ回路と、
前記ダイオードブリッジ回路の交流入力側の一方と、前記直列回路における共通接続点との間に接続されるスイッチと、
前記モータの状態に応じて前記スイッチのオンオフを制御にする制御部とを備えるモータ駆動装置。 - 前記制御部は、前記モータの状態として、前記モータの停止時と運転時とを判断し、
前記停止時には前記スイッチをオフにし、前記運転時には前記スイッチをオンにする請求項1記載のモータ駆動装置。 - 前記制御部は、前記モータが起動されてから一定時間が経過すると前記スイッチをオンにする請求項1又は2記載のモータ駆動装置。
- 前記直流電圧を検出する電圧検出部を備え、
前記制御部は、前記スイッチをオンにした状態で前記直流電圧が閾値以上になると、前記スイッチをオフにする請求項1から3の何れか一項に記載のモータ駆動装置。 - 前記フィルムコンデンサの容量は、前記モータの軽負荷時に前記スイッチをオンにしても、各回路素子の耐圧を超えて上昇しないように設定されている請求項1から4の何れか一項に記載のモータ駆動装置。
- 前記各フィルムコンデンサの容量は、1μF〜10μFの間に設定されている請求項1から5の何れか一項に記載のモータ駆動装置。
- 請求項1から6の何れか一項に記載のモータ駆動装置を備え、
前記モータにより圧縮機を駆動する冷凍サイクル装置。
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