JP2003309994A

JP2003309994A - リニアコンプレッサ駆動装置

Info

Publication number: JP2003309994A
Application number: JP2002110119A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Sakakibara; 憲一榊原
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2003-10-31

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】高効率運転を実現して運転可変範囲を拡大
し、しかも構成の簡単化を実現する。【解決手段】交流変換回路部１と、リニアコンプレッ
サ２ｃおよび共振コンデンサＣからなる共振回路２と、
リニアスケールなどからなる位置センサ３と、位置セン
サ３から出力される変位振幅および変位振幅指令を入力
としてデューティーを出力する変位振幅制御回路４と、
電源電圧極性、出力電流極性、およびデューティーを入
力としてＰＷＭ変調パターン決定部５とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はリニアコンプレッ
サを駆動するために特に好適な駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧縮機に対する高効率化の要求が高まる
中で、冷蔵庫、空調機等への適用を想定したリニア圧縮
機の検討がなされている。

【０００３】このリニア圧縮機は、モータより直接的に
往復運動が得られるため、機械的効率に優れているだけ
でなく、一定の運転周波数においても、ストローク制御
により吐出量を可変させて能力制御できる特徴を有す
る。

【０００４】さらに、モータとして適用されるリニア振
動アクチュエータにばね共振を用いることにより、圧
縮、膨張に必要な駆動力を不要とすることで入力電力が
低減でき、更なる効率向上が期待できる。

【０００５】リニアモータを駆動するための従来の駆動
装置として、トライアックおよび共振コンデンサを用い
る簡易駆動装置が提案されている（特開２０００−１４
５６３２号公報参照）。

【０００６】この駆動装置については、特開２０００−
１４５６３２号公報において、数１に示す運動方程式、
数２に示す電圧方程式により動作が説明されており、数
２において駆動電圧を増加させると左辺の電流が増加
し、数１の左辺の変位が増加し、駆動電圧により変位が
制御可能であることが記載されている。

【０００７】

【数１】

【０００８】

【数２】

【０００９】なお、Ｍ：質量、Ｋ_r：摩擦定数、Ｋ_s：ば
ね定数、Ｋ_f：推力定数、Ｋ_e：速度起電力定数、Ｆ_g：
圧縮力、ｘ：変位、Ｌ：インダクタンス、r：抵抗、C：
共振コンデンサ、Ｖ：駆動電圧、i：モータ電流

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来の駆動装置におい
ては、位相制御により基本波電圧振幅を制御することに
よって、上述の動作を実現しているが、点狐角を遅らせ
ることにより制御を行っているため、図１に示すように
電源電圧に対して、基本波位相の遅れが発生する。ま
た、駆動電圧とモータ電流の位相を一致させるために、
共振コンデンサＣが設けてあるが、制御変位が大きい場
合、駆動電圧の位相遅れにより、力率が大きく低下する
問題がある。

【００１１】入力力率を８５％前後とする場合、図１を
参照すれば、制御可能な電圧制御範囲は６０％程度とな
り、位相制御角は９０°程度が限界となる。

【００１２】また、数１の運動方程式より、機械系の共
振周波数ｆは数３で表される。

【００１３】

【数３】

【００１４】なお、Ｋ_m：共振ばね定数、Ｋ_g：ガスばね
定数ここで、駆動電圧を下げることによりリニアコンプレッ
サの変位を小さくした場合には、例えば図２に示すよう
に、ガスばねが増加し、数３において、共振周波数が上
昇することになる。

【００１５】また、図３は、数１、数２より得られる、
駆動電圧に対する入力電流の伝達特性を示す図であり、
共振周波数が上昇することにより、電流位相が遅れるこ
とが分かる。したがって、従来のリニアコンプレッサ駆
動装置においては、位相制御による駆動電圧の位相遅れ
のみならず、ガスばねによる電流位相の遅れが加わり、
入力力率が大きく低下するものと考えられる。

【００１６】図４はこれまで述べた、位相制御によるリ
ニアコンプレッサ駆動時における力率低下の問題につい
て、コンプレッサ負荷時、抵抗負荷時の各々における入
力力率の関係を示すことにより、明らかにする図であ
る。

【００１７】両者の特性を比較することにより、コンプ
レッサばね定数の影響により、能力可変時に力率低下が
顕著となることが分かる。

【００１８】ここでは、最大定格において制御位相０で
共振動作が可能となるよう、定数を設定しているが、電
源電圧変動を考慮すると、特に、電源電圧が低下した場
合、変位が小さくなり能力が低下するため、制御位相に
余裕を持つ必要がある。このため、製品ではさらに力率
を低下させて動作させる必要があり、通常、製品に要求
される８５％程度の力率を確保するためには、能力可変
範囲が著しく狭くなってしまうという問題がある。

【００１９】数３で示したガスばねの共振周波数の変化
については、図５に示すような、公知の単相インバータ
を用いて微小な周波数制御及び、振幅制御を行うことに
よって対応することが可能であるが、回路構成が複雑と
なるという新たな問題がある。

【００２０】以上から分かるように、力率悪化は、位相
制御による、駆動電圧の位相遅れ、およびガスばねによ
る共振周波数の変動に起因している。

【００２１】また、交流振幅のみを可変する装置とし
て、図６に示すように、双方向スイッチを用いて、降圧
チョッパを構成し、強制転流により降圧動作を行うよう
にした交流チョッパ回路が一般に知られている。

【００２２】双方向スイッチとしては、位相制御を前提
とするトライアック等の自然転流素子が一般的である
が、消孤動作が不能であるため、ここでは適用すること
ができない。このため、インバータの強制転流に利用さ
れる、単方向素子であるＩＧＢＴ等にて構成するために
は、図６のスイッチ部を単方向素子で置き換える必要が
あり、駆動電位が異なる他、ディスクリート構成を採ら
ざるを得ず、回路構成が複雑化するという問題が生じ
る。

【００２３】

【発明の目的】この発明は上記の問題点に鑑みてなされ
たものであり、高効率運転を実現して運転可変範囲を拡
大し、しかも構成の簡単化を実現することができるリニ
アコンプレッサ駆動装置を提供することを目的としてい
る。

【００２４】

【課題を解決するための手段】請求項１のリニアコンプ
レッサ駆動装置は、交流変換回路によりリニアコンプレ
ッサ駆動用のリニアモータおよび共振コンデンサに交流
電圧を供給するものであって、駆動電圧の位相遅れを抑
制すべく交流変換回路を制御する位相遅れ抑制手段を含
むものである。

【００２５】請求項２のリニアコンプレッサ駆動装置
は、前記位相遅れ抑制手段として、位置センサの変位振
幅と変位振幅指令との偏差に基づいてデューティーを算
出する変位振幅制御手段と、電源電圧の極性および出力
電流の極性に基づいて交流変換回路の各スイッチを制御
する信号を出力する制御信号出力手段とを含むものを採
用するものである。

【００２６】請求項３のリニアコンプレッサ駆動装置
は、前記位相遅れ抑制手段として、共振コンデンサの電
位、出力電圧、出力電流、および変位振幅指令を入力と
し、モータ機器定数を用いてデューティーを算出する変
位振幅制御手段と、電源電圧の極性および出力電流の極
性に基づいて交流変換回路の各スイッチを制御する信号
を出力する制御信号出力手段と、電源電圧およびデュー
ティーを入力として出力電圧を算出する出力電圧算出手
段とを含むものを採用するものである。

【００２７】

【作用】請求項１のリニアコンプレッサ駆動装置であれ
ば、交流変換回路によりリニアコンプレッサ駆動用のリ
ニアモータおよび共振コンデンサに交流電圧を供給する
に当たって、位相遅れ抑制手段によって、駆動電圧の位
相遅れを抑制すべく交流変換回路を制御することができ
る。

【００２８】したがって、インバータ汎用部品で主回路
を構成することができ、回路構成を簡単化することがで
き、しかも、リニアコンプレッサを高効率に運転するこ
とができるとともに、運転可変範囲を拡大することがで
きる。

【００２９】請求項２のリニアコンプレッサ駆動装置で
あれば、前記位相遅れ抑制手段として、位置センサの変
位振幅と変位振幅指令との偏差に基づいてデューティー
を算出する変位振幅制御手段と、電源電圧の極性および
出力電流の極性に基づいて交流変換回路の各スイッチを
制御する信号を出力する制御信号出力手段とを含むもの
を採用するのであるから、電源電圧が変動した場合であ
っても、ガスばねにより決定される力率特性を維持する
ことができるほか、請求項１と同様の作用を達成するこ
とができる。

【００３０】請求項３のリニアコンプレッサ駆動装置で
あれば、前記位相遅れ抑制手段として、共振コンデンサ
の電位、出力電圧、出力電流、および変位振幅指令を入
力とし、モータ機器定数を用いてデューティーを算出す
る変位振幅制御手段と、電源電圧の極性および出力電流
の極性に基づいて交流変換回路の各スイッチを制御する
信号を出力する制御信号出力手段と、電源電圧およびデ
ューティーを入力として出力電圧を算出する出力電圧算
出手段とを含むものを採用するのであるから、位置セン
サを不要とすることができ、しかも、電源電圧が変動し
た場合であっても、ガスばねにより決定される力率特性
を維持することができるほか、請求項１と同様の作用を
達成することができる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、この
発明のリニアコンプレッサ駆動装置の実施の態様を詳細
に説明する。

【００３２】図７はこの発明のリニアコンプレッサ駆動
装置の一実施態様（主回路構成）を示す電気回路図であ
る。

【００３３】ここでは、スナバ等の付加回路は省略して
おり、交流変換回路部１と、リニアモータｒ、Ｌおよび
共振コンデンサＣからなる共振回路２とで構成されてい
る。

【００３４】前記交流変換回路１は、ＬＣフィルタ回路
１ａ、通常の全波インバータブリッジ１ｂ、および半波
ダイオードブリッジ１ｃから構成されており、インバー
タ汎用部品にて構成できる。

【００３５】次に、図７のリニアコンプレッサ駆動装置
の動作原理について説明する。

【００３６】図８は、交流変換回路１の電流、電圧波
形、および各スイッチの動作モードを示す図であり、図
９から図１２は、各動作モードにおける素子の通電状態
をそれぞれ示す図である。

【００３７】交流チョッパは降圧形回路であるため、図
８の波形に示すように入力側では電流が不連続、出力側
では電圧が不連続となり、ＰＷＭ制御により出力電圧が
降圧される。

【００３８】動作モードは、電流位相により、電圧、電
流の極性が各々異なるＩ〜ＩＶのモードからなる。

【００３９】動作モードＩでは、電源電圧と電流の極性
とが互いに異なるため、図８に示すようにスイッチＳ
_１nがＰＷＭ変調されＳ_１ダイオード部とともに負荷を
短絡し、オン状態にあるスイッチＳ_２と入力下側のダイ
オードとを通じて、電源に電力を回生する（図９参
照）。

【００４０】動作モードＩＩでは、スイッチＳ_１がＰＷ
Ｍ変調され入力上側のダイオードとともに負荷に電力を
供給し、オン状態にあるスイッチＳ_２nとＳ_２ダイオー
ド部とを通じて、還流動作を行う（図１０参照）。

【００４１】同様に、動作モードＩＩＩでは、電源電圧
と電流との極性が互いに異なるため、スイッチＳ_２nが
ＰＷＭ変調され、Ｓ_２ダイオード部とともに負荷を短絡
し、オン状態にあるスイッチＳ_１と入力上側のダイオー
ドとを通じて、電源に電力を回生する（図１１参照）。

【００４２】動作モードＩＶでは、スイッチＳ_２がＰＷ
Ｍ変調され、入力下側のダイオードとともに負荷に電力
を供給し、オン状態にあるスイッチＳ_１nとＳ_１ダイオ
ード部とを通じて、還流動作を行う（図１２参照）。

【００４３】図１３は、特開２０００−１４５６３２号
公報の装置（従来装置）によりリニアコンプレッサを駆
動した場合、および図７の装置によりリニアコンプレッ
サを駆動した場合の力率特性を示す図である。なお、両
装置におけるばね定数を互いに等しく設定している。

【００４４】図１３から分かるように、前述のように、
機器力率の下限を０.８５とした場合、従来装置では運
転可変範囲は８０〜１００％程度となる。一方、図７の
装置においては、駆動電圧位相が電源電圧位相と等しく
なるため、運転可変範囲が５０〜１００％となり、運転
可変範囲を３０％程度広げることが可能となる。

【００４５】また、ＰＷＭのデューティーにより電源電
圧に対応可能であるため、電源電圧が変動した場合にお
いてもガスばねにより決定される力率特性を維持するこ
とが可能である。

【００４６】次に、出力制御装置を説明する。

【００４７】図１４は位置センサを用いたリニアコンプ
レッサ駆動装置の他の実施態様を示すブロック図であ
る。

【００４８】この装置が図７の装置と異なる点は、リニ
アスケールなどからなる位置センサ３、位置センサ３か
ら出力される変位振幅および変位振幅指令を入力として
デューティーを出力する変位振幅制御回路４、電源電圧
極性、出力電流極性、およびデューティーを入力として
ＰＷＭ変調パターン決定部５をさらに含む点である。な
お、６はシャント抵抗、２ｃはリニアコンプレッサであ
る。

【００４９】この装置においては、位置センサ３の変位
振幅と変位振幅指令との偏差に基づいて、変位振幅制御
回路４によりＰＷＭデューティーを決定し、ＰＷＭ変調
パターン決定部５は、電源電圧および出力電流の各極性
に基づき、図８に示す動作モードに対応させて各スイッ
チの駆動のためのゲート信号を出力し、電圧振幅を決定
する。

【００５０】また、図１５は、出力電流、電源電圧検出
値、および等価回路定数を用いて数２の関係に基づいて
位置推定を行うリニアコンプレッサ駆動装置のさらに他
の実施態様を示すブロック図である。

【００５１】この装置が図１４の装置と異なる点は、変
位振幅制御回路４に代えて、コンデンサ電位、出力電
流、出力電圧、および変位振幅指令を入力としてデュー
ティーを出力する変位振幅制御回路４ａを採用した点、
および電源電圧とデューティーとに基づいて出力電圧を
得る乗算部７をさらに含む点である。

【００５２】数２を変形すると数４となる。

【００５３】

【数４】数４において、右辺の第１項である駆動電圧Ｖは電源電
圧、およびデューティーより得られる値であり、右辺の
第２項はモータ機器定数、電源電流、およびコンデンサ
電圧により求められる値である。また、左辺の速度起電
力についても既知であるから、得られる速度を積分する
ことにより、変位が推定できる。したがって、図１５の
変位振幅制御回路４ａにより以上の推定演算を行ない、
変位振幅指令との偏差により所要のデューティーを出力
する。ここで、ＰＷＭ変調パターン決定部５の動作は図
１４の場合と同様である。

【００５４】次いで、従来装置による電源高調波発生量
と図１４または図１５の装置による電源高調波発生量と
を対比する。

【００５５】図１６は、従来装置による位相制御時の入
力波形、および電流高調波解析結果を示す図であり、図
１７は、図１４または図１５の装置による入力波形、お
よび電流高調波解析結果を示す図である。なお、電源電
圧：１７３Ｖ、入力電力：６００Ｗ、従来装置の点弧
角：４０°、図１４または図１５の装置のデューティ
ー：０．９４である。

【００５６】従来装置による位相制御時においては、電
流が点弧角により遮断されるため、図１６に示すよう
に、高調波電流発生量が大きく３、５、７次が顕著に表
れている。一方、図１４または図１５のにおいては、入
力電流は不連続であるが、ＬＣフィルタにより十分平滑
化されているので、電流リプルは少なく正弦波状であ
る。この結果、高調波電流発生量を著しく低減できてい
る。

【００５７】ここでは、１シリンダ圧縮機による、推力
の非対杯性のために、両者ともに、偶数次が表れている
が、発生量は僅かである。

【００５８】したがって、以下の効果を奏する。

【００５９】簡単な駆動装置でリニアモータを高力率に
運転することができる。

【００６０】電源電圧の変動に拘わらず、一定の入力力
率を得ることができる。

【００６１】インバータ汎用モジュール部品にて、交流
チョッパ回路を用いた駆動回路を実現することができ
る。

【００６２】交流直接変換方式を採用しているので、直
流部を無くすることができ、寿命部品である大容量電解
コンデンサを不要にでき、長寿命、低コストを実現でき
る。

【００６３】電源を直接高周波にてスイッチングするた
め、位相制御を行う従来装置に比較して、電源高調波の
発生量を低減することができる。

【００６４】

【発明の効果】請求項１の発明は、インバータ汎用部品
で主回路を構成することができ、回路構成を簡単化する
ことができ、しかも、リニアコンプレッサを高効率に運
転することができるとともに、運転可変範囲を拡大する
ことができるという特有の効果を奏する。

【００６５】請求項２の発明は、電源電圧が変動した場
合であっても、ガスばねにより決定される力率特性を維
持することができるほか、請求項１と同様の効果を奏す
る。

【００６６】請求項３の発明は、位置センサを不要とす
ることができ、しかも、電源電圧が変動した場合であっ
ても、ガスばねにより決定される力率特性を維持するこ
とができるほか、請求項１と同様の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】位相制御時における基本波電圧、力率、および
基本波電圧位相を示す図である。

【図２】制御変位とガスばね定数、駆動電圧との関係を
示す図である。

【図３】共振周波数が６０Ｈｚである場合における、駆
動電圧に対する電流の伝達特性を示す図である。

【図４】圧縮機負荷時、抵抗負荷時における位相制御の
力率特性の一例を示す図である。

【図５】従来のリニアコンプレッサ駆動装置の一例を示
す電気回路図である。

【図６】従来の交流チョッパー回路を示す電気回路図で
ある。

【図７】この発明のリニアコンプレッサ駆動装置の主回
路構成を示す電気回路図である。

【図８】図７のリニアコンプレッサ駆動装置の電流、電
圧波形、各スイッチの動作モードを説明する図である。

【図９】動作モードＩの動作を説明する図である。

【図１０】動作モードＩＩの動作を説明する図である。

【図１１】動作モードＩＩＩの動作を説明する図であ
る。

【図１２】動作モードＩＶの動作を説明する図である。

【図１３】従来の装置、図７の装置によりリニアコンプ
レッサを駆動した場合における力率特性を示す図であ
る。

【図１４】この発明のリニアコンプレッサ駆動装置の主
回路を制御する構成の一例を示す図である。

【図１５】この発明のリニアコンプレッサ駆動装置の主
回路を制御する構成の他の例を示す図である。

【図１６】位相制御時の入力波形、および電流高調波解
析結果を示す図である。

【図１７】図１４または図１５のリニアコンプレッサ駆
動装置による制御時の入力波形、および電流高調波解析
結果を示す図である。

【符号の説明】

１ｂ全波インバータブリッジ２ｃリニアコンプレッサ３位置センサ４、４ａ変位振幅制御回路５ＰＷＭ変調パターン決定部７乗算部Ｃ共振コンデンサｒ、Ｌリニアモータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3H045 BA12 DA07 DA08 3H076 AA01 BB32 CC98 5H540 AA10 EE05 EE08 FA12 FC02 FC03 5H750 AA10 BA01 BA05 CC02 CC06 DD26 EE04 FF02 FF07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交流変換回路（１）によりリニアコンプ
レッサ駆動用のリニアモータ（ｒ）（Ｌ）および共振コ
ンデンサ（Ｃ）に交流電圧を供給するリニアコンプレッ
サ駆動装置であって、駆動電圧の位相遅れを抑制すべく交流変換回路（１）を
制御する位相遅れ抑制手段（４）（４ａ）（５）（７）
を含むことを特徴とするリニアコンプレッサ駆動装置。
【請求項２】前記位相遅れ抑制手段（４）（５）は、
位置センサ（３）の変位振幅と変位振幅指令との偏差に
基づいてデューティーを算出する変位振幅制御手段
（４）と、電源電圧の極性および出力電流の極性に基づ
いて交流変換回路（１）の各スイッチを制御する信号を
出力する制御信号出力手段（５）とを含む請求項１に記
載のリニアコンプレッサ駆動装置。
【請求項３】前記位相遅れ抑制手段（４ａ）（５）
（７）は、共振コンデンサ（Ｃ）の電位、出力電圧、出
力電流、および変位振幅指令を入力とし、モータ機器定
数を用いてデューティーを算出する変位振幅制御手段
（４ａ）と、電源電圧の極性および出力電流の極性に基
づいて交流変換回路（１）の各スイッチを制御する信号
を出力する制御信号出力手段（５）と、電源電圧および
デューティーを入力として出力電圧を算出する出力電圧
算出手段（７）とを含む請求項１に記載のリニアコンプ
レッサ駆動装置。