JP2006157987A - インバータ回路及びインバータ回路を用いた圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの負荷状態にかかわらず、キャリア周波数の切り替えによりスイッチング素子の過熱による破損を確実に防ぎ、安全に保護することができるインバータ回路。
【解決手段】周囲温度を検出する温度検出手段１１０と、ＤＣモータ回転数を算出し、周囲温度とＤＣモータ回転数よりキャリア周波数を決定するキャリア周波数決定手段１０９と、決定されたキャリア周波数に切り替える電圧制御手段１０８を備えることで、周囲温度とＤＣモータ回転数に応じたキャリア周波数の切り替えを行う。
この発明により、スイッチング素子の過熱による破損を確実に防ぎ、安全に保護することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＷＭ制御されるスイッチング素子によりＤＣモータを駆動するインバータ回路に関するもので、特に冷蔵庫用圧縮機の駆動に好適なものである。

従来、この種のインバータ回路においてモータ負荷を監視して過負荷と判断された場合にキャリア周波数を下げて運転することにより発熱量の抑制と磁気騒音の低減とをほぼ同時に満足させるものがある（例えば、特許文献１参照）。

以下、図面を参照しながら上記従来のインバータ回路について説明する。

図５は特許文献１に記載された従来のインバータ回路の回路図、図６は過負荷検出回路の回路図である。

図５において、キャリア発生器１１はキャリア周波数ＣＡを発生し、ＰＷＭ制御回路１２はこのキャリア周波数ＣＡと制御信号とを比較し、その比較結果に応じて変換器主回路のスイッチング素子１５をＰＷＭ制御し、その出力によってモータ１３が駆動する。

以上のように構成されたインバータ回路について、以下その作用を説明する。

磁気騒音を低減すべくキャリア周波数を高くして運転すると、スイッチング素子１５の発熱量が増大するため、スイッチング素子１５の温度が定格に収まるようキャリア周波数を適宜に選んで運転するとともに、負荷状態をＰＷＭ制御回路１２の出力電流によって監視し、過負荷検出器１４により過負荷と判断された場合キャリア周波数ＣＡを低減する。

すなわち、図６のようにコンパレータ１６、フィルタ１７等を設け、まずコンパレータ１６にて負荷状態の検出信号ＤＥを基準の信号Ｓ００と比較し、ＤＥ＞Ｓ００となったら過負荷状態としてスイッチＳＷをオンとする。

一方、検出信号ＤＥと基準の信号Ｓ００の差が減算器ＡＤＩを介して得られるので、この差の信号がスイッチＳＷを経てフィルタ１７に入力される。このフィルタ１７の時定数Ｔ１は、モータ１３の加減速時間をＴ２とすると、Ｔ１＞Ｔ２となるようにしておく。

これは、モータ加減速時には時間Ｔ２だけ過負荷レベル相当の電流を流すのが一般的であるためで、フィルタ１７により一定の時間Ｔ１を確保するようにする。つまり、この場合のフィルタは一種の遅延要素として作用する。フィルタ１７の出力Ｓ１は加減算器ＡＤ２に与えられ、ここで定格負荷状態となるように予め設定された設定値Ｓ０１との差Ｓ２が求められ、この差Ｓ２に応じてキャリア周波数ＣＡが低減される。
特開平５−２２７７９３号公報

しかしながら、上記従来の構成では、モータ負荷のみを監視するため、モータが過負荷状態でない場合でもスイッチング素子付近の温度が高い場合スイッチング素子が過熱して破損する恐れがあるという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、一般に冷蔵庫等では庫内温度が高いときは回転数を高く制御するためモータ負荷は大きくなることより、周囲温度と回転数によりキャリア周波数の制御を行うことでモータの負荷状態だけではなく周囲温度の上昇に対しても、スイッチング素子の過熱による破損を防ぎ、保護することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明のインバータ回路は周囲温度とＤＣモータ回転数を検出してキャリア周波数を決定し変更するもので、回転数が高くモータ負荷が大きいときに周囲温度が高ければキャリア周波数を低くしスイッチング素子の温度上昇を抑え、回転数が高くても周囲温度が低ければ高いキャリア周波数で運転し、圧縮機からのキャリアによる騒音を小さく運転でき、回転数が低くモータ負荷が小さいときには周囲温度が高ければキャリア周波数を低く運転し、スイッチング素子の過熱による破損の恐れがある場合、モータの負荷状態だけでなく周囲温度の影響を加えてキャリア周波数の切り替えスイッチング素子の温度を許容値を超えないよう運転できる。

本発明のインバータ回路は、モータの負荷状態だけでなく周囲温度の影響を加えてキャリア周波数を変更し、スイッチング素子の過熱による破損を防ぐことができる。

請求項１に記載の発明は、複数個のスイッチング素子をブリッジ結線したパワー部と、ＤＣモータの回転子の位置を検出すると共に位置検出信号を発生する位置検出手段と、位置検出手段の出力をもとにインバータ回路の動作を決定し転流パルスを出力する転流手段と、ＤＣモータの回転数を可変にする電圧の制御を行う電圧制御手段と、転流手段の出力と前記電圧制御手段の出力によりパワー部を動作させるドライブ手段と、インバータ回路の周囲温度を検出する温度検出手段と、運転回転数を検出し温度検出手段で検出された周囲温度と前記運転回転数によりキャリア周波数を決定し、電圧制御手段にキャリア周波数を送出するキャリア決定手段とを備えたもので、周囲温度とＤＣモータ回転数を検出してキャリア周波数を決定し切り替えることにより、モータの負荷状態だけでなく周囲温度の影響を加えてキャリア周波数を変更し、スイッチング素子の過熱による破損を防ぐことができる。

請求項２に記載の発明は、運転回転数ごとに周囲温度によるキャリア周波数の決定を変更するキャリア決定手段を備えたもので、運転する回転数に応じてキャリア周波数を切り替える周囲温度が決まるため運転する回転数に応じた周囲温度でキャリアを変更でき最適な周囲温度でスイッチング素子の過熱による破損を防ぎ、保護することができる。

請求項３に記載の発明は、温度検出手段で検出された周囲温度により停止信号を送出する保護手段を備えたもので、請求項１に記載の発明の効果に加えてキャリア周波数を切り替えても温度上昇が抑えられない場合には温度検出手段により運転を停止し、スイッチング素子の過熱による破損を確実に防ぎ、安全に保護することができる。

請求項４に記載の内容は、請求項１から３のいずれか１項に記載のインバータ回路を用いたもので、品質・信頼性・安全性の高い圧縮機を提供することができる。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるインバータ回路のブロック図、図２は同実施の形態の回転数の変化によるＤｕｔｙ変化を示す図、図３は同実施の形態の運転回転数における周囲温度によるキャリア周波数切り替えを示す図、図４は同実施の形態のインバータ回路の動作を示すフローチャートである。

図１において、ＡＣ／ＤＣ変換手段１０１は商用電源１０２に接続され、商用交流電圧を直流電圧に変換する。パワー部１０３はＡＣ／ＤＣ変換手段１０１に接続され出力はＤＣモータ１０４に接続されている。

ＤＣモータ１０４は冷蔵庫等を冷却する圧縮機１１４に組み込まれている。

パワー部１０３は、６つのＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）と言われるスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６より構成されており、また、６つのＩＧＢＴは三相ブリッジ接続されている。

制御回路１０５は、位置検出手段１０６、転流手段１０７、電圧制御手段１０８、キャリア周波数決定手段１０９、温度検出手段１１０、合成手段１１１、ドライブ手段１１２より構成されている。

位置検出手段１０６は、ＤＣモータ１０４の逆起電圧から回転子の位置を検出し、位置検出信号を転流手段１０７、電圧制御手段１０８、キャリア周波数決定手段１０９に送出する。

転流手段１０７は、位置検出手段１０６の出力に応じて、合成手段１１１に駆動する転流パルスを送出する。

電圧制御手段１０８は、位置検出手段１０６の位置検出信号を一定期間カウントしたり、パルス間隔を測定することによりＤＣモータ１０４の回転速度を検出し、指定された回転数でＤＣモータ１０４が運転するよう電圧を制御する。

また電圧制御手段１０８は保護手段１１３を内蔵しており、保護手段１１３はインバータ回路の周囲温度が一定温度を超えた場合電圧制御手段１０８の出力を停止する。

このときの制御方法は指定された回転数よりＤＣモータ１０４の回転数が遅い場合は、図２（ａ）に示すようにパルスのＤｕｔｙを上昇させＤＣモータ１０４に印加される電圧を上昇させ、指定された回転数よりＤＣモータ１０４の回転数が速い場合は、図２（ｂ）に示すようにパルスのＤｕｔｙを下降させＤＣモータ１０４に印加される電圧を下降させ、いわゆるＰＷＭによる電圧制御を行う。ここでＤｕｔｙはＯＮ時間とＯＦＦ時間を合わせた時間に対するＯＮ時間の比率である。また、パルスのＯＮ時間とＯＦＦ時間を合わせた時間の逆数がキャリア周波数である。

合成手段１１１は転流手段１０７と電圧制御手段１０８の出力の論理積をドライブ手段１１２に出力し、ドライブ手段１１２はパワー部１０３を構成するスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６を駆動する。

温度検出手段１１０は、外気温度やＡＣ／ＤＣ変換手段１０１、制御回路１０５が構成される基板の周囲温度、またはそれらが収納されるケース内外といったインバータ回路の周囲温度を検出し電圧制御手段１０８、キャリア周波数決定手段１０９に送出する。

キャリア周波数決定手段１０９は、位置検出手段１０６から送出された位置信号からＤＣモータ１０４の回転数を算出し、温度検出手段１１０より得られる周囲温度から運転すべきキャリア周波数を決定し、電圧制御手段１０８に決定したキャリア周波数を送出し、電圧制御手段１０８はそのキャリア周波数で回転数が指示された回転数となるようにＤｕｔｙを決定する。

ここでキャリア周波数決定手段１０９のキャリア周波数の決定は図３に示すように、ＤＣモータ１０４の回転数ごとキャリア周波数を切り替える周囲温度を決めており、たとえば回転数が１０００ｒ／ｍｉｎの時には周囲温度がＡ℃以上でキャリア周波数を３ｋＨｚで運転し、Ａ℃未満でキャリア周波数を１０ｋＨｚで運転する。また、回転数が２０００ｒ／ｍｉｎの時には周囲温度がＢ℃以上でキャリア周波数を３ｋＨｚで運転し、Ｂ℃未満でキャリア周波数を１０ｋＨｚで運転し、回転数が３０００ｒ／ｍｉｎの時には周囲温度がＣ℃以上でキャリア周波数を３ｋＨｚで運転し、Ｃ℃未満でキャリア周波数を１０ｋＨｚで運転する。

そして周囲温度の関係はＡ℃＞Ｂ℃＞Ｃ℃となっている。これは回転数が低い方がモータ負荷は小さくモータ負荷によるパワー部１０３の温度上昇は低く、回転数が高い方がモータ負荷は大きくモータ負荷によるパワー部１０３の温度上昇は高い。

またキャリア周波数は低い方がパワー部１０３の温度上昇は低く、キャリア周波数は高い方がパワー部１０３の温度上昇は高くなるが、圧縮機の騒音はキャリア周波数が高い方が低くなるため高いキャリア周波数で運転するのが望ましい。

このため低い回転数ではモータ負荷によるパワー部１０３の温度上昇が低いため、周囲温度が高くなっても高いキャリア周波数で運転し、高い回転数ではモータ負荷によるパワー部１０３の温度上昇が高いため、低い周囲温度で高いキャリア周波数を低く切り替えるものである。

また温度検出手段１１０の温度が一定温度以上になれば保護手段１１３がこれを検出し電圧制御手段１０８が出力を停止し、ＤＣモータ１０４を停止する。

以上のように構成されたインバータ回路について、以下その動作、作用を図４を用いて説明する。

図４において冷蔵庫制御回路から圧縮機を運転する回転数を受けるとＳＴＥＰ１で温度検出手段１１０は周囲温度を検出しＳＴＥＰ２でキャリア周波数決定手段１０９は位置検出手段１０６の位置信号からＤＣモータ１０４の回転数を算出する。ＳＴＥＰ３でキャリア周波数決定手段１０９は回転数が１０００ｒ／ｍｉｎ以下かを判断し、１０００ｒ／ｍｉｎ以下であればＳＴＥＰ４に進み、１０００ｒ／ｍｉｎを超えていればＳＴＥＰ５に進む。

ＳＴＥＰ４ではキャリア周波数決定手段１０９は周囲温度がＡ℃以上かを判断しＡ℃以上であればＳＴＥＰ６に進みキャリア周波数を１０ｋＨｚに決定し電圧制御手段１０８にキャリア周波数を送出する。また、周囲温度がＡ℃未満であればＳＴＥＰ７に進みキャリア周波数を３ｋＨｚに決定し電圧制御手段１０８にキャリア周波数を送出する。

ＳＴＥＰ５ではキャリア周波数決定手段１０９は回転数が２０００ｒ／ｍｉｎ以下かを判断し、２０００ｒ／ｍｉｎ以下であればＳＴＥＰ８に進み、２０００ｒ／ｍｉｎを超えていればＳＴＥＰ９に進む。ＳＴＥＰ８ではキャリア周波数決定手段１０９は周囲温度がＢ℃以上かを判断しＢ℃以上であればＳＴＥＰ６に進みキャリア周波数を１０ｋＨｚに決定し電圧制御手段１０８にキャリア周波数を送出する。また、周囲温度がＢ℃未満であればＳＴＥＰ７に進みキャリア周波数を３ｋＨｚに決定し電圧制御手段１０８にキャリア周波数を送出する。

ＳＴＥＰ９ではキャリア周波数決定手段１０９は周囲温度がＣ℃以上かを判断しＣ℃以上であればＳＴＥＰ６に進みキャリア周波数を１０ｋＨｚに決定し電圧制御手段１０８にキャリア周波数を送出する。また、周囲温度がＢ℃未満であればＳＴＥＰ７に進みキャリア周波数を３ｋＨｚに決定し電圧制御手段１０８にキャリア周波数を送出する。

そして電圧制御手段１０８は決められたキャリア周波数でＤＣモータ１０４の回転数が指示された回転数となるようにＤｕｔｙを制御する。

更にＳＴＥＰ６及びＳＴＥＰ７で電圧制御手段１０８にキャリア周波数を送出したあと、ＳＴＥＰ１０に進み電圧制御手段１０８及び転流手段１０７は周囲温度が一定以上かを判断し周囲温度が高ければＳＴＥＰ１１で合成手段１１１への信号送出を停止しＤＣモータ１０４を停止し、ＳＴＥＰ１に戻り、以降同様の動作を繰り返す。

インバータ制御をする場合、ＤＣモータに対してキャリア周波数のパルス状電圧を印加するためＤＣモータ電流に高調波成分が含まれ、これが原因でＤＣモータは磁気騒音を発生するが、キャリア周波数を高くすることで、この磁気騒音を低減することができる。

しかしながら、キャリア周波数を高くするとスイッチング素子のスイッチング回数が増えるためにスイッチングロスが増え、スイッチング素子の発熱が増え破損の可能性が高まる。

そのため本実施の形態では、図３に示すように、温度検出手段１１０で検出した周囲温度と、キャリア周波数決定手段１０９にて算出した回転数で、回転数に応じたキャリア周波数を決定し、電圧制御手段１０８で決定されたキャリア周波数に切り替える。

図３のキャリア周波数の設定は、磁気騒音の低減のために可能な限り高いキャリア周波数で運転し、しかも、周囲温度が高いときには、スイッチング素子の破損を防止するために、キャリア周波数は低くなるように設定されている。

そのため、周囲温度が高いほどキャリア周波数は低く設定されている。

また、ある時点で周囲温度が同じでも、ＤＣモータ回転数が高い方がスイッチング素子に流れる電流が大きいため、発熱が大きい。このためスイッチング素子の破損を防ぐため、周囲温度が同じでも、回転数が高いほどキャリア周波数は低く設定されている。

上記形態により、周囲温度とＤＣモータ回転数に応じて可能な限り高いキャリア周波数で運転することによりＤＣモータの磁気騒音を低減することができ、かつ、周囲温度とＤＣモータ回転数を検出することでキャリア周波数の制御を行い、モータの負荷状態にかかわらずスイッチング素子の過熱による破損を防ぎ、保護することができる。

また、キャリア周波数を切り替えるための周囲温度を検出する温度検出手段１１０の出力でキャリア周波数を切り替えてもスイッチング素子の過熱による破損を防げない場合は出力を停止し、スイッチング素子の過熱による破損を防ぎ、保護することができる。

以上のように、本発明にかかるインバータ回路及び圧縮機はスイッチング素子の過熱による破損を防ぎ、安全に保護することができるという機能を有するので、圧縮機を駆動するインバータ回路、特にインバータ回路に内蔵されるスイッチング素子の保護を求められるインバータ回路に広く適用できる。

本発明の実施の形態１におけるインバータ回路のブロック図 本発明の実施の形態１における回転数の変化によるＤｕｔｙ変化を示す図 本発明の実施の形態１における運転回転数における周囲温度によるキャリア周波数切り替えを示す図 本発明の実施の形態１におけるインバータ回路の動作を示すフローチャート 従来のインバータ回路の回路図 従来のインバータ回路の過負荷検出回路の回路図

符号の説明

１０３ パワー部
１０４ ＤＣモータ
１０６ 位置検出手段
１０７ 転流手段
１０８ 電圧制御手段
１０９ キャリア周波数決定手段
１１０ 温度検出手段
１１２ ドライブ手段
１１３ 保護手段
１１４ 圧縮機
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６ スイッチング素子

Claims (4)

1. 複数個のスイッチング素子をブリッジ結線したパワー部と、ＤＣモータの回転子の位置を検出すると共に位置検出信号を発生する位置検出手段と、前記位置検出手段の出力をもとに前記インバータ回路の動作を決定し転流パルスを出力する転流手段と、ＤＣモータの回転数を可変にする電圧の制御を行う電圧制御手段と、前記転流手段の出力と前記電圧制御手段の出力により前記パワー部を動作させるドライブ手段と、インバータ回路の周囲温度を検出する温度検出手段と、運転回転数を検出し前記温度検出手段で検出された周囲温度と前記運転回転数によりキャリア周波数を決定し、前記電圧制御手段に前記キャリア周波数を送出するキャリア決定手段とを備えたインバータ回路。
2. 運転回転数ごとに周囲温度によるキャリア周波数の決定を変更するキャリア決定手段を備えた請求項１記載のインバータ回路。
3. 温度検出手段で検出された周囲温度により停止信号を送出する保護手段を備えた請求項１または２に記載のインバータ回路。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のインバータ回路を用いた圧縮機。

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