JP2004350493A

JP2004350493A - モータ駆動用インバータ制御装置とこれを用いた空気調和機

Info

Publication number: JP2004350493A
Application number: JP2004114497A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Sugimoto; 智弘杉本; Hideo Matsushiro; 英夫松城; Mitsuo Kawachi; 光夫河地; Akihiro Kyogoku; 章弘京極
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2004-12-09
Also published as: CN1551477A; US20040246641A1

Abstract

【課題】各駆動素子の過電圧による破壊を防止することができる小型、軽量で低コストのモータ駆動用インバータ制御装置を提供する。
【解決手段】ダイオードブリッジ６、及びダイオードブリッジ６の交流入力側又は直流出力側に接続される小容量のリアクトル９を含むと共に、交流電源１から入力された第１交流電力を直流電力に変換する整流回路と、整流回路からの直流電力を第２交流電力に変換して、第２交流電力をモータに出力するインバータ１０とを備える。更に、インバータの１０の直流母線間には、モータ１１の回生エネルギーを吸収するための小容量のコンデンサ７と、過電圧でインピーダンスが低下する過電圧保護回路８とを接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、小容量リアクトル及び小容量コンデンサを含むモータ駆動用インバータ制御装置と、このインバータ制御装置を用いた空気調和機とに関する。

従来より、ダイオードを利用した種々の整流方式が知られている。例えば、特許文献１で提案された直流電源装置を図８に示す。この図８に対する記述を引用してその装置の動作を説明することにする。

図８において、交流電源１の交流電源電圧を、ダイオードＤ１〜Ｄ４をブリッジ接続してなる全波整流回路の交流入力端子に印加し、その出力を、リアクトルＬinを介して中間コンデンサＣに充電し、この中間コンデンサＣの電荷を平滑コンデンサＣＤに放電して、負荷抵抗ＲＬに直流電圧を供給する。この場合、リアクトルＬinの負荷側において、全波整流回路と中間コンデンサＣを接続する正負の直流電流経路にトランジスタＱ１を接続し、このトランジスタＱ１をベース駆動回路Ｇ１で駆動する構成となっている。

そして、ベース駆動回路Ｇ１にパルス電圧を印加するパルス発生回路ＰＧ１及びＰＧ２と、ダミー抵抗Ｒdmとを備えている。パルス発生回路ＰＧ１とＰＧ２は、夫々、交流電源電圧のゼロクロス点を検出する回路と、ゼロクロス点の検出から交流電源電圧の瞬時値が中間コンデンサＣの両端電圧と等しくなるまでダミー抵抗Ｒdmにパルス電流を流すパルス電流回路とで構成されている。

ここで、パルス発生回路ＰＧ１は交流電源電圧の半サイクルの前半にてパルス電圧を発生させ、パルス発生回路ＰＧ２は交流電源電圧の半サイクルの後半にてパルス電圧を発生させるようになっている。なお、トランジスタＱ１をオン状態にしてリアクトルＬinに強制的に電流を流す場合、中間コンデンサＣの電荷がトランジスタＱ１を通して放電することのないように逆流防止用ダイオードＤ５が接続され、さらに、中間コンデンサＣの電荷を平滑コンデンサＣＤに放電する経路に、逆流防止用ダイオードＤ６と、平滑効果を高めるリアクトルＬdcとが直列にして挿入されている。

上記の構成によって、交流電源電圧の瞬時値が中間コンデンサＣの両端電圧を超えない位相区間の一部又は全部においてトランジスタＱ１をオン状態にすることによって、装置を大型化を抑えたままで、高調波成分の低減と高力率化を達成することができる。

しかしながら、上記の構成では、１５００μＦの大容量を有する平滑用コンデンサＣＤと６．２ｍＨの大容量を有するリアクトルＬｉｎを設け、更に、中間コンデンサＣと、トランジスタＱ１と、ベース駆動回路Ｇ１と、パルス発生回路ＰＧ１及びＰＧ２と、ダミー抵抗Ｒdmと、逆流防止用ダイオードＤ５及びＤ６と、平滑効果を高めるリアクトルＬdcとを具備したために、装置の大型化や部品点数の増加に伴いコストアップを招いている。

そこで、図５に示すようなモータ駆動用インバータ制御装置が検討されている。図５において、公知のモータ駆動用インバータ制御装置は、交流電源１を入力とする整流回路と、直流電力から交流電力に変換するインバータ１０と、モータ１１を含み、前記整流回路はダイオードブリッジ６と、ダイオードブリッジ６の交流入力側又は直流出力側に接続される極めて小容量のリアクトル９で構成され、インバータ１０の直流母線間には、モータ１１の回生エネルギーを吸収するための極めて小容量のコンデンサ７を接続している。

この構成において、インバータ制御法を確立することで、インバータ直流電圧が大幅に変動してモータ１１の駆動が困難となる場合においても、モータ１１に印加する電圧がほぼ一定となるようにインバータ１０を動作させることができる。すなわち、小容量リアクトル９及び小容量コンデンサ７を用いてモータ１１を駆動することができるので、小形、軽量で低コストのモータ駆動用インバータ制御装置を提供することができる。

一方、従来よりモータ回生時の直流電圧の上昇を抑制する方法が知られている。例えば、特許文献２に提案されたモータ制御機器を図９に示す。

図９の従来のモータ制御機器は、交流電源３１からの交流電圧をダイオードブリッジ等で直流電圧に変換する順変換部３２を備える。又、直列に接続した第１のスイッチング素子３３及び平滑コンデンサ３５と、直列に接続した抵抗器３６及び回生トランジスタ３７とが、順変換部３２の出力端に接続されている。この従来のモータ制御機器は、更に、電源３１の投入時に抵抗器３６を介して平滑コンデンサ３５を充電する第２のスイッチング素子３４と、平滑コンデンサ３５の両端の直流電圧を検出する電圧検出回路３８と、電圧検出回路３８で検出した電圧信号により第１のスイッチング素子３３、第２のスイッチング素子３４及び回生トランジスタ３７を個別にオンオフ制御するスイッチ制御回路３９とを備える。

この従来のモータ制御機器の電源３１の投入時には、第１のスイッチング素子３３と第２のスイッチング素子３４は、スイッチ制御回路３９により、夫々、オフとオンされる。よって、第２のスイッチング素子３４は、抵抗器３６を介して平滑コンデンサ３５を充電して、突入電流を抑制する。よって、この時、抵抗器３６は突入電流抑制抵抗器として機能する。
又、通常動作時には、第１のスイッチング素子３３と第２のスイッチング素子３４は、スイッチ制御回路３９により、夫々、オンとオフされるので、抵抗器３６の発熱を防止できる。
更に、回生時には、回生トランジスタ３７は、スイッチ制御回路３９により、オンされて、抵抗器３６を介して平滑コンデンサ３５の電荷を放電させる。つまり、平滑コンデンサ３５の電荷を抵抗器３６で消費させ、平滑コンデンサ３５の両端の直流電圧が規定値以下になると、回生トランジスタ３７をオフさせて直流電圧の上昇を抑制する。よって、この時、抵抗器３６は回生ブレーキ抵抗器として機能する。
よって、上記構成により、単一の抵抗器３６を、突入電流抑制抵抗器と回生ブレーキ抵抗器として共用できるので、大型の抵抗器を削減できるから、モータ制御機器の小型軽量化及び低コスト化を図ることができる。
特開平９−２６６６７４号公報（段落４３、図１２）特開平１０−１３６６７４号公報

しかしながら、上述した小容量リアクトル９及び小容量コンデンサ７を用いた図５の公知のモータ駆動用インバータ制御装置では、モータ１１が停止した際に、モータ１１の回生エネルギーが小容量のコンデンサ７に吸収されるが、回生エネルギーが大きい場合、コンデンサ７が極めて小容量であるために直流電圧の上昇が大きく、又、突入電流抑制抵抗器と回生ブレーキ抵抗器として共用できる抵抗器３６を用いた図９の従来のモータ制御機器では、回生エネルギーを各駆動素子のブレークダウンよりも先に吸収できないので、回生エネルギーが各駆動素子の耐圧を超えることにより、各駆動素子の破壊に至るという課題を有していた。ここで、用語「ブレークダウン」は、ダイオードに逆方向にかかる電圧が所定値を超えた時、ダイオードが逆電流阻止能力を失って、その逆電流がダイオードに急激に流れ始める現象を意味する。

本発明は、従来技術の上記問題点を解決するためになされたもので、直流電圧値が各駆動素子の耐圧以下に抑制できるモータ駆動用インバータ制御装置と、このインバータ制御装置を用いた空気調和機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のモータ駆動用インバータ制御装置は、複数の第１駆動素子を有するダイオードブリッジ、及びダイオードブリッジの交流入力側又は直流出力側に接続される小容量のリアクトルを含むと共に、交流電源から入力された第１交流電力を直流電力に変換する整流回路と、複数の第２駆動素子を含んで、整流回路からの直流電力を第２交流電力に変換して、第２交流電力をモータに出力するインバータとを備える。更に、モータの回生エネルギーを吸収するための小容量のコンデンサが、インバータの直流母線間に接続される一方、過電圧保護回路が、ダイオードブリッジの第１駆動素子とインバータの第２駆動素子のブレークダウンよりも先に作動するように、インバータの直流母線間にコンデンサと並列に接続されている。

上記の構成によって、モータが停止したことにより、その回生エネルギーによって、直流母線間の電圧が上昇するが、設定した電圧で過電圧保護回路が作動することにより、直流母線間の電圧を、各駆動素子の耐圧以下にすることが可能となる。

小容量のリアクトル及び小容量のコンデンサを用いた本発明のモータ駆動用インバータ制御装置において、直流母線のライン電圧を過電圧から保護するために過電圧保護回路を設けたので、過電圧保護回路が、モータが停止した際に、モータの回生エネルギーにより上昇するライン電圧を各駆動素子の耐圧以下にすることができるから、各駆動素子の過電圧による破壊を防止することができる。
又、上記モータ駆動用インバータ制御装置を設けた本発明の空気調和機では、圧縮機がモータによって常に安定して運転されるから、空気調和機の運転の信頼性を大幅に高めることができる。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照して説明する。以下の図面において従来例と同一構成のものは、同一番号を付して説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかるモータ駆動用インバータ制御装置１００Ａの構成を示す。このモータ駆動用インバータ制御装置１００Ａは、交流電源１からの交流を全波整流する４つのダイオード２〜５で形成されたブリッジ整流回路６と、ブリッジ整流回路６の交流入力側に接続された小容量のリアクトル９と、直流電力から交流電力に変換する３相ブリッジのインバータ１０と、ブリッジ整流回路６の直流側母線に接続されて、モータ１１の回生エネルギーを吸収するための極めて小容量のコンデンサ７と、ブリッジ整流回路６とインバータ１０の駆動素子のブレークダウンよりも先に作動するように、小容量コンデンサ７に並列にブリッジ整流回路６の直流側母線に接続された過電圧保護回路８Ａとを備える。インバータ１０の出力はモータ１１に供給される。なお、小容量のリアクトル９の設置個所は、ブリッジ整流回路６の直流出力端と小容量コンデンサ７との間でも構わない。

過電圧保護回路８Ａとは、それに印加される電圧が規定電圧を上回った時に、インピーダンスが低下して、その過電圧保護回路８Ａ内へ電流をバイパスさせるものであり、実施の形態１では、電圧吸収形素子であるサージアブソーバ１２で形成されている。

モータ駆動用インバータ制御装置１００Ａの動作説明の前に、比較のために、図５の小容量リアクトル９及び小容量コンデンサ７を用いた従来のモータ駆動用インバータ制御装置のモータ１１の停止時の動作を、図６を用いて説明する。

通常、図５の従来のモータ駆動用インバータ制御装置においてモータ１１が正常に動作している場合は、図６（ａ）に示した矢印の向きに電流が流れる。一方、モータ１１が停止した場合、モータ１１のインダクタンス成分により蓄えられていた磁気エネルギーが回生エネルギーとなって、図６（ｂ）に示すように、インバータ１０において各スイッチング素子Ｓに並列接続されていたダイオードＤを通じ矢印の向きに回生電流Ｉ１が流れ小容量コンデンサ７が充電されるので、その充電電圧、つまり直流母線のライン電圧Ｖdcが大きくなる。

そのライン電圧Ｖｄｃは、図７に示すように、Ｖdc(peak)＝１０９５Ｖにもなり、小容量コンデンサ７とインバータ１０の耐圧６００Ｖを超過する結果、小容量コンデンサ７とインバータ１０の破壊に至る。なお、図７は、モータ１１の停止時にモータ１１に流れていた電流の最大値を５１Ａ、小容量コンデンサ７の容量を１０μＦの場合のライン電圧Ｖdc及びモータからの回生電流Ｉ１の各波形を示したものである。

一方、図１に示した本発明のモータ駆動用インバータ制御装置１００Ａでは、ライン電圧Ｖdcが予め設定した直流電圧値になると、サージアブソーバ１２が機能し、図中示した矢印のごとく、回生電流Ｉ１がサージアブソーバ１２に流れることにより、ライン電圧Ｖdcの上昇が抑制される。サージアブソーバ１２で達成される抑制電圧は、小容量コンデンサ７及びインバータ１０の耐圧以下となるように設定される。

過電圧保護回路８Ａとして用いるサージアブソーバ１２には、印加電圧が所定値を下回れば続流を遮断する機能を持つ必要があり、セレン整流器を用いたセレンアブソーバなども使用できる。

従って、本実施の形態のモータ駆動用インバータ制御装置１００Ａでは、過電圧保護回路８Ａが、モータ１１の停止時におけるモータ１１の回生エネルギーによって上昇するライン電圧Ｖｄｃを小容量コンデンサ７及びインバータ１０の耐圧以下にすることができるので、小容量コンデンサ７及びインバータ１０が過電圧により破壊されることを防止することができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２にかかるモータ駆動用インバータ制御装置１００Ｂの構成を示す。モータ駆動用インバータ制御装置１００Ｂでは、実施の形態１のモータ駆動用インバータ制御装置１００Ａの過電圧保護回路８Ａの代わりに、過電圧保護回路８Ｂを用いている。過電圧保護回路８Ｂでは、電圧放電形素子であるガスアレスタ１３を用いると共に、続流遮断のためのサージアブソーバ１４が、ガスアレスタ１３と直列に挿入されている。モータ駆動用インバータ制御装置１００Ｂの他の構成は、実施の形態１のモータ駆動用インバータ制御装置１００Ａと同様であるので、その説明を省略する。

図２のモータ駆動用インバータ制御装置１００Ｂにおいて、小容量コンデンサ７への充電により、ライン電圧Ｖdcが所定値に達すると、ガスアレスタ１３で放電が生じ、回生エネルギーであるモータ電流Ｉ１及び充電された小容量コンデンサ７からの電流が矢印の向きに流れる。

ここで、交流電源１を２２０Ｖ、小容量のリアクトル９を０.５ｍＨ、小容量コンデンサ７を１０μＦ、モータ停止時のモータ１１に流れている電流の最大値を５１Ａ、ガスアレスタ１３の放電開始電圧を５００Ｖとした場合の直流電圧Ｖｄｃ、モータからの回生電流Ｉ１の各波形を図３に示す。

図３に示されるように、ガスアレスタ１３の放電により、ライン電圧Ｖdcは５１７Ｖに抑えられており、小容量コンデンサ７及びインバータ１０の耐圧である６００Ｖ以下にすることができる。

ガスアレスタ１３は一旦、放電が発生すると、ライン電圧Ｖｄｃが放電開始電圧を下回っても放電が継続するが、ある電圧まで低下した時点でサージアブソーバ１４が作用して続流が遮断される。

従って、本実施の形態のモータ駆動用インバータ制御装置１００Ｂでも、過電圧保護回路８Ｂが、モータ１１の停止時におけるモータ１１の回生エネルギーによって上昇するライン電圧Ｖｄｃを小容量コンデンサ７及びインバータ１０の耐圧以下にすることができるので、小容量コンデンサ７及びインバータ１０が過電圧により破壊されることを防止することができる。

（実施の形態３）
図４は、モータ駆動用インバータ制御装置１００を含む、本発明の実施の形態３にかかる空気調和機２００の構成を示す。モータ駆動用インバータ制御装置１００は、実施の形態１のモータ駆動用インバータ制御装置１００Ａ又は実施の形態２のモータ駆動用インバータ制御装置１００Ｂによって形成される。よって、モータ駆動用インバータ制御装置１００の過電圧保護回路８は、モータ駆動用インバータ制御装置１００Ａの過電圧保護回路８Ａ又はモータ駆動用インバータ制御装置１００Ｂの過電圧保護回路８Ｂとして働く。更に、空気調和機２００では、圧縮機１５０がモータ１１に連結されている。

空気調和機２００では、実施の形態１のモータ駆動用インバータ制御装置１００Ａ又は実施の形態２のモータ駆動用インバータ制御装置１００Ｂがモータ駆動用インバータ制御装置１００として使用されるので、モータ駆動用インバータ制御装置１００Ａの過電圧保護回路８Ａ又はモータ駆動用インバータ制御装置１００Ｂの過電圧保護回路８Ｂとして働く過電圧保護回路８が、モータ１１の停止時におけるモータ１１の回生エネルギーによって上昇するライン電圧を小容量コンデンサ７及びインバータ１０の耐圧以下にすることができる。

よって、本実施の形態の空気調和機２００では、モータ駆動用インバータ制御装置１００の過電圧保護回路８が、小容量コンデンサ７及びインバータ１０が過電圧により破壊されることを防止することができるので、圧縮機１５０はモータ１１によって常に安定して運転されるから、空気調和機２００の運転の信頼性を大幅に高めることができる。

本発明のモータ駆動用インバータ制御装置は、直流電圧値を各駆動素子の耐圧以下に確実に抑制することにより、各駆動素子の過電圧による破壊を防止することができる。よって、このモータ駆動用インバータ制御装置を空気調和機に適用した場合、圧縮機はモータによって常に安定して運転されるから、空気調和機の運転の信頼性を大幅に高めることができる。

本発明の実施の形態１にかかるモータ駆動用インバータ制御装置の構成を示す回路図である。本発明の実施の形態２にかかるモータ駆動用インバータ制御装置の構成を示す回路図である。図２のモータ駆動用インバータ制御装置における直流電圧Ｖｄｃとモータからの回生電流Ｉ1の波形を示すグラフである。図１又は図２のモータ駆動用インバータ制御装置を含む、本発明の実施の形態３にかかる空気調和機の構成を示す回路図である。小容量リアクトル及び小容量コンデンサを用いた従来のモータ駆動用インバータ制御装置の構成を示す回路図である。（ａ）と（ｂ）は、図５の従来のモータ駆動用インバータ制御装置の動作を説明する図である。図５の従来のモータ駆動用インバータ制御装置における直流電圧値Ｖｄｃとモータからの回生電流Ｉ1の波形を示すグラフである。特許文献１に開示された従来の直流電源装置の回路図である。特許文献２に開示された従来のモータ制御機器の回路図である。

符号の説明

１交流電源
２、３、４、５ダイオード
６ブリッジ整流回路
７小容量コンデンサ
８過電圧保護回路
８Ａ過電圧保護回路
８Ｂ過電圧保護回路
９小容量のリアクトル
１０インバータ
１１モータ
１２サージアブソーバ
１３ガスアレスタ
１４サージアブソーバ
１００モータ駆動用インバータ制御装置
１００Ａモータ駆動用インバータ制御装置
１００Ｂモータ駆動用インバータ制御装置
１５０圧縮機
２００空気調和機

Claims

複数の第１駆動素子を有するダイオードブリッジ、及び前記ダイオードブリッジの交流入力側又は直流出力側に接続される小容量のリアクトルを含むと共に、交流電源から入力された第１交流電力を直流電力に変換する整流回路と、複数の第２駆動素子を含んで、前記整流回路からの前記直流電力を第２交流電力に変換して、前記第２交流電力をモータに出力するインバータと、前記インバータの直流母線間に接続されて、前記モータの回生エネルギーを吸収するための小容量のコンデンサと、前記ダイオードブリッジの前記第１駆動素子と前記インバータの前記第２駆動素子のブレークダウンよりも先に作動するように、前記インバータの前記直流母線間に前記コンデンサと並列に接続された過電圧保護回路とを備えることを特徴とするモータ駆動用インバータ制御装置。
前記過電圧保護回路が、サージアブソーバによって形成される請求項１記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
前記過電圧保護回路が、サージアブソーバと、前記サージアブソーバに直列接続されたガスアレスタとによって形成される請求項１記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
モータ駆動用インバータ制御装置を含む空気調和機において、
前記モータ駆動用インバータ制御装置が、複数の第１駆動素子を有するダイオードブリッジ、及び前記ダイオードブリッジの交流入力側又は直流出力側に接続される小容量のリアクトルを含むと共に、交流電源から入力された第１交流電力を直流電力に変換する整流回路と、複数の第２駆動素子を含んで、前記整流回路からの前記直流電力を第２交流電力に変換して、前記第２交流電力をモータに出力するインバータと、前記インバータの直流母線間に接続されて、前記モータの回生エネルギーを吸収するための小容量のコンデンサと、前記ダイオードブリッジの前記第１駆動素子と前記インバータの前記第２駆動素子のブレークダウンよりも先に作動するように、前記インバータの前記直流母線間に前記コンデンサと並列に接続された過電圧保護回路とを備えることを特徴とする空気調和機。
前記過電圧保護回路が、サージアブソーバによって形成される請求項４記載の空気調和機。
前記過電圧保護回路が、サージアブソーバと、前記サージアブソーバに直列接続されたガスアレスタとによって形成される請求項４記載の空気調和機。