JP2006304444A - モータ駆動装置と冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】小型・低コスト・高信頼性を実現するモータ駆動装置を提供する
【解決手段】交流電源１を入力として全波整流をする小容量のコンデンサ４を持つ整流回路２と、整流回路２の出力を入力としてモータ６を駆動するインバータ３およびインバータ３を制御するインバータ制御部３７と、モータ６が急停止した場合に発生する回生エネルギーを吸収する為の回生処理回路３３および、回生処理回路３３に蓄積されたエネルギーを電圧として検出する回生処理回路電圧検出手段３８を備え、回生処理回路電圧検出手段３８で検出した電圧が所定のレベルより高い場合、モータ６を停止することで、コンデンサ４容量の小容量化による小型化、低コスト化が図れると共に、モータ６の急停止時の回生による装置の故障を回避でき高い信頼性を確保できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷蔵庫やエアコンなどの冷凍空調システムの圧縮機などに搭載されるブラシレスＤＣモータの駆動装置と、それを用いた冷蔵庫に関するものである。

従来、この種の冷凍空調システムにおける圧縮機などに搭載されるブラシレスＤＣモータの駆動装置は、一般的には十分大きな平滑用コンデンサを有した整流回路と、インバータと、位置検出センサをなくし誘起電圧またはモータ電流から位置検出をすることより駆動されている。これは圧縮機などの高温雰囲気・冷媒雰囲気・オイル雰囲気などで位置センサを取り付けることが著しく困難であったためである。

また、近年この駆動装置を小型化するために、整流回路の平滑用コンデンサを大幅に小容量化する取組みもなされている（例えば特許文献１参照）。

図９は特許文献１に記載された、従来のブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図を示すものである。

図９に示すように、単相交流電源１０１にダイオード全波整流回路１０２が接続されており、さらにそのダイオード全波整流回路１０２の出力側に平滑コンデンサ１０３が並列に接続されている。この平滑コンデンサ１０３は、十分に小さい容量のもので、従来の１／１００程度の容量のコンデンサである。

ＰＷＭ（パルス幅変調）インバータ１０４は、６個のスイッチング素子（逆向きのダイオードを含む）を３相ブリッジ接続している。ＰＷＭインバータ１０４の入力は平滑コンデンサ１０３の両端に接続されている。

３相巻線が施されたモータ１０５は、ＰＷＭインバータ１０４の出力に接続されており、このＰＷＭインバータ１０４により駆動されるものである。

制御回路１０６は、単相交流電源１０１の電圧ｖ、直流部電流ｉｄｃ、ＰＷＭインバータ１０４の出力電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃ、モータ１０５の位置検出センサ１０７からの位置情報θなどの情報を入力として、最適な駆動ができるようにＰＷＭインバータ１０４のゲートを駆動している。
特開２００２−５１５８９号公報

しかしながら、上記従来の構成では、位置検出センサ１０７であるエンコーダやホール素子などがついているものでは直流電圧が低下しても位置検出は可能ではあるが、圧縮機のように位置検出センサ１０７を取り付けることができないような用途では使用できない。

一般的に、位置検出センサなしでブラシレスＤＣモータを駆動する方法として知られているのは、モータの誘起電圧を検出する方法と、モータ電流から回転位置を検出する方法などである。

しかし、この位置検出が可能な状態は、平滑コンデンサが十分に大きくリプル電圧が小さい場合である。この時には誘起電圧やモータ電流は安定するので十分安定した位置検出ができるが、この従来例のように平滑コンデンサを大幅に小容量化すると、インバータの入力電圧のリプルが大幅に増加するので、特に電圧の低いとき誘起電圧が検出できなくなったり、電圧が低いため位置検出に必要なモータ電流を流したりすることができない。

その結果、直流電圧が低いときの位置検出が不可能となり、タイミングが大幅にずれた転流を行い、効率ダウンを引き起こすとともに、最悪の場合大きな電流が流れてしまい、モータが停止や装置の故障の原因となるという課題を有していた。

さらに、上記従来の構成では、平滑コンデンサの容量が非常に小さいため、モータが脱調等により急停止した場合に発生する回生エネルギーを吸収する場がなく、回生の発生によりモータ駆動装置を破壊する危険性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、モータの急停止時の回生エネルギーによる装置の故障を防止できるモータの駆動装置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装置は、モータが急停止した場合に発生する回生エネルギーを吸収する回生処理回路と、前記回生処理回路に蓄積されたエネルギーを電圧として検出する回生処理回路電圧検出手段とを備え、前記回生処理回路電圧検出手段により検出した電圧が所定の電圧より高い場合に、インバータ制御部が、モータを停止状態にするのである。

上記構成において、モータが急停止した場合に発生する回生エネルギーを回生処理回路で吸収し、回生処理回路に蓄積されたエネルギーの量を回生処理回路電圧検出手段が電圧で検出し、その回生処理回路電圧検出手段の検出電圧に応じて、モータの駆動装置が故障しないようにインバータ制御部が保護動作を行う。したがって、回生処理回路に蓄積されているエネルギーを監視することで、平滑コンデンサ容量を大幅に小容量化したモータ駆動装置の信頼性を向上することで実用性を高めるものである。

本発明のモータ駆動装置は、モータが急停止した場合に発生する回生エネルギーを回生処理回路で吸収し、回生処理回路に蓄積されたエネルギーの量を回生処理回路電圧検出手段が電圧で検出し、その回生処理回路電圧検出手段の検出電圧に応じて、モータの駆動装置が故障しないようにインバータ制御部が保護動作を行う。したがって、平滑回路のコンデンサ容量を大幅に小容量化することで小型化・低コスト化を図るとともに、装置の高い信頼性を実現するものである。

また回生エネルギー消費回路により、回生処理回路に蓄積されたエネルギーの消費を促進することで、回生発生によりモータを停止した場合でも再起動までの時間を短縮することができる。

また回生エネルギー消費回路を、インバータ制御部の電源回路と兼ねることで、回生エネルギー消費回路を別途設ける必要が無く装置の簡素化と低コスト化が図れる。

また、モータの起動は、回生処理回路電圧検出手段で検出した電圧が所定の値よりより低いときとすることで、装置の信頼性を向上出来ると共に、回生発生により停止した場合の再起動のタイミングを最適に保つことができる。

また、回生処理回路は、第２整流回路のダイオードと、回生吸収部のコンデンサとで構成することで、回生処理回路を非常に安価に構成することができる。

また、モータ駆動装置が、冷凍空調システムを構成するレシプロ型圧縮機を駆動する場合、インバータに大きなリプルを含む電圧を入力した場合でも、振動・騒音の影響を受けにくく、低騒音・低振動の駆動システムを低価格で提供することができる。

また、冷凍空調システムの冷媒が比較的冷凍能力が低いＲ６００ａである場合は、圧縮機ピストンの大型化によるイナーシャ増大により、インバータ入力に大きなリプルを含むモータ駆動システムにおいて、さらに低騒音・低振動の冷凍空調システムを実現することができる。

また、圧縮機が冷蔵庫の冷却システムを構成する場合、回路の小型化に伴い庫内の容積を大きくすることが可能であるとともに、回生による回路故障で庫内温度上昇を防止することができる。

請求項１に記載のモータ駆動装置の発明は、交流電源と、前記交流電源を入力として全波整流をする小容量のコンデンサを持つ整流回路と、前記整流回路の出力を入力とするインバータと、前記インバータにより駆動されるモータと、前記インバータを制御するインバータ制御部と、前記モータが急停止した場合に発生する回生エネルギーを吸収する回生処理回路と、前記回生処理回路に蓄積されたエネルギーを電圧として検出する回生処理回路電圧検出手段とを備え、前記回生処理回路電圧検出手段により検出した電圧が所定の電圧より高い場合、前記インバータ制御部は、前記モータを停止状態にするものである。

上記構成において、モータが急停止した場合に発生する回生エネルギーを回生処理回路で吸収し、回生処理回路に蓄積されたエネルギーの量を回生処理回路電圧検出手段が電圧で検出し、その回生処理回路電圧検出手段の検出電圧に応じて、モータの駆動装置が故障しないようにインバータ制御部が保護動作を行う。

これにより、モータの運転中は回生が発生した場合でも、回生処理回路は確実に回生エネルギーを吸収できるため、平滑回路のコンデンサ容量を大幅に小容量化することで小型化・低コスト化を図ることができるとともに、装置の高い信頼性を実現する。

請求項２に記載のモータ駆動装置の発明は、請求項１に記載の発明に加えて、さらに、回生処理回路に蓄積されたエネルギーを消費する回生エネルギー消費回路を有するものであり、回生処理回路に蓄積されたエネルギー消費が促進され、回生処理回路電圧検出手段で検出される電圧が所定の電圧まで低下するまでの時間が短縮されるので、回生発生によりモータを停止した場合でも再起動までの時間を短縮することができる。

請求項３に記載のモータ駆動装置の発明は、請求項２に記載の発明における回生エネルギー消費回路が、インバータ制御部の電源回路を兼ねるものであり、回生エネルギー消費回路を別途設ける必要が無く装置の簡素化と低コスト化が図れる。

請求項４に記載のモータ駆動装置の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発明におけるインバータ制御部が、回生処理回路電圧検出手段により検出した電圧が所定の電圧より高くなったことによりモータを停止させたときは、前記回生処理回路電圧検出手段で検出した電圧が所定の電圧より低くなった後に、前記モータの再起動を行うものであり、モータの起動時は回生処理回路電圧検出手段で検出した電圧が、所定の値より低い場合とすることで、モータの駆動時は常に回生処理回路に蓄積されているエネルギーは所定のレベル以下に保たれ、モータの急停止により回生が発生した場合、回生処理回路で確実に回生エネルギーを吸収出来る結果、装置の信頼性を向上することができる。さらに、回生発生により停止した場合、回生処理回路に蓄積されているエネルギーのレベルを監視し、所定のレベルまで低下したとき再起動を図るため、起動のタイミングを最適に保つことができる。

請求項５に記載のモータ駆動装置の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発明における回生処理回路が、ダイオードからなる第２整流回路と、コンデンサからなる回生吸収部とで構成され、前記回生吸収部は、インバータ制御部の電源回路への供給電源として兼ね備えるものであり、回生処理回路は、シンプルな構成となり、非常に安価に実現することができる。

請求項６に記載のモータ駆動装置の発明は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の発明におけるモータが、冷凍空調システムを構成するレシプロ型圧縮機を駆動するものであり、圧縮機が慣性モーメント（イナーシャ）が大きいレシプロ型の構成である場合、整流回路のコンデンサが小容量である故にインバータの入力電圧に大きなリプルを含む場合でも、モータの回転ムラによる振動増大や騒音増大等の影響を受けず、大容量の平滑コンデンサを整流回路に使用したモータ駆動装置と同等の振動・騒音で有りながら小型・低コストの圧縮機駆動システムを提供することが可能である。

請求項７に記載のモータ駆動装置の発明は、請求項６に記載の発明における圧縮機の冷媒が、Ｒ６００ａであるものであり、冷凍能力が低いＲ６００ａを冷媒に使う場合、所定の冷凍能力を確保するためには、圧縮機のピストンが大きくなることから、モータの慣性モーメント（イナーシャ）がＲ１３４ａ等の冷凍能力が高い冷媒を使用した圧縮機より大きくなり、入力リプル電圧の影響をさらに受けにくく、小容量コンデンサ駆動において非常に安定した駆動が実現できる。

請求項８に記載の冷蔵庫の発明は、請求項６または請求項７に記載のモータ駆動装置を有するものであり、モータ急停止による回生が発生した場合も、回路の故障を防止することが出来るため、回路故障による庫内の不冷等で食品の腐敗等のロスを省くことができる。また回路の小型化により同一外観で庫内の容量を大きくすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、従来例または先に説明した実施の形態と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。尚、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１におけるモータ駆動装置のブロック図であり、図２は本発明の実施の形態１における圧縮機の断面図を示している。

図１において、交流電源１は整流回路２に接続している。整流回路２は、４個のダイオード３ａ〜３ｄをブリッジ接続した整流ブリッジ３と小容量のコンデンサ４で構成され、ブリッジ接続されたダイオード３ａ〜３ｄで全波整流した電圧を小容量コンデンサ４に入力する。なお、小容量コンデンサ４は、１μＦの積層セラミックコンデンサである。

積層セラミックコンデンサは、近年高耐圧で大容量のコンデンサがチップで実現できるようになってきている。従来、このコンデンサには、主に大容量(２００Ｗ出力の場合には数百μＦ)の電解コンデンサが使われていたため、これにより非常に小型の駆動装置が実現できることになる。さらに電解コンデンサは、使用周囲温度や経年劣化等による容量抜け等による寿命を考慮する必要があるが、本実施の形態では、電解コンデンサを使用しないことで、装置の信頼性を向上することができる。

また、従来、このコンデンサは、一般的にはインバータ５の出力容量（ＷまたはＶＡ）や駆動装置全体の入力容量（ＷまたはＶＡ）から、直流電圧のリプル含有量やリプル電流による平滑用コンデンサの耐リプル電流の特性などからコンデンサの容量を決定する。

これらの条件を加味して、一般的には２〜４μＦ／Ｗ程度の容量を確保する。すなわち２００Ｗの出力容量の場合は４００〜８００μＦ程度の電解コンデンサを使用していた。これに対し、本実施の形態１では、コンデンサ４には０．１μＦ／Ｗ以下の容量を持つコンデンサを使用する。すなわち２００Ｗの出力容量の場合は２０μＦ以下のコンデンサを使用することになる。

インバータ５は、スイッチング素子５ａ〜５ｆと、逆向きに接続されたダイオード５ｇ〜５ｌとをセットにした回路を、６回路３相ブリッジ接続している。なお本実施の形態ではＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を使用している。

モータ６は、インバータ５の３相出力により駆動される。モータ６の固定子には３相スター結線された巻線が施され、この巻き方は集中巻であっても、分布巻であっても構わない。また回転子は希土類永久磁石を有しており、その配置方法は表面磁石型（ＳＰＭ）でも磁石埋め込み型（ＩＰＭ）であっても構わず、また永久磁石はフェライト系磁石でも希土類系磁石でも構わない。

なお、本実施の形態１のモータは、回転子に永久磁石を配置したブラシレスＤＣモータとしているが、モータ固定子の相対位置を電流検出により検出する場合、インダクションモータであっても、シンクロナスリラクタンスモータであっても構わない。尚、永久磁石には希土類系磁石を用いることで、マグネット使用重量をフェライト系磁石と同量使用する場合、モータ効率を向上することができ、またフェライト系磁石を用いたモータと同等性能のモータとする場合は、マグネット重量を低減することが出きるためモータ重量を軽量化することができる。

圧縮要素７は、モータ６の回転子の軸に接続され、冷媒ガスを吸入し、圧縮して吐出する。このモータ６と圧縮要素７とを同一の密閉容器８に収納し、圧縮機９を構成する。圧縮機９で圧縮された吐出ガスは、凝縮器１０、減圧器１１、蒸発器１２を通って圧縮機９の吸い込みに戻るような冷凍空調システムを構成し、凝縮器１０では放熱、蒸発器１２では吸熱を行うので、冷却や加熱を行うことができる。

尚、必要に応じて、凝縮器１０や蒸発器１２に送風機などを使い、熱交換をさらに促進することもある。また本実施の形態では、冷凍空調システムは冷蔵庫の庫内１３を蒸発器１２により冷却する構成としている。

図２において、密封容器８内には、オイル１４を貯溜すると共にＲ６００ａの冷媒１５が封入され、固定子１６と回転子１７からなるブラシレスＤＣモータ６およびこれによって駆動される圧縮要素７がスプリング等により弾性的に支持されており、モータの回転による振動が圧縮機外部に漏れにくい構成となっている。

圧縮要素７は、回転子１７が固定された主軸部１８および偏芯軸部１９から構成されたクランクシャフト２０の主軸部１８を軸支するとともに、圧縮室２１を有するシリンダ２２と、圧縮室２１内で往復運動するピストン２３と、偏芯軸部１９とピストン２３を連結する連結手段２４を備え、レシプロ型の圧縮機構を構成している。

従って、本実施の形態においては、インバータの入力電圧に大きなリプルを含む場合でも、イナーシャが大きいレシプロ型圧縮機の特徴と構造から、リプルによる振動および振動に伴う騒音が圧縮機外部に漏れにくくなっている。

尚、本実施の形態１では、Ｒ１３４ａ冷媒と比較して冷凍能力の低いＲ６００ａを用いているので、同等の冷却性能を確保するためには、Ｒ１３４ａ用圧縮機より圧縮室容積を大きくする必要があり、ピストンが大型化する。従って、モータイナーシャが増大するため、整流回路のコンデンサを非常に小さい容量としても、インバータ入力に大きなリプル電圧を含んだ場合も振動および騒音の影響をさらに受けにくくなる。

図１において、位置検出手段２５は、モータ６の誘起電圧またはモータ電流からモータ６の回転子１７の回転位置を検出する。本実施の形態１では、誘起電圧から回転子の回転位置を検出する方法であり、インバータ５は１２０度通電の矩形波ＰＷＭインバータとし、常時通電されていない相から誘起電圧のゼロクロス点を検出し、回転位置を検出する方法について説明するが、通電角１２０度以上、１８０度以下の任意の波形を生成し、モータ電流から回転子の相対位置を検出する方式であっても構わない。

位置推定手段２６は、位置検出手段２５が正常に位置検出しているときは、その検出タイミングの時間測定を行っている。このタイミング時間をベースに位置推定を行い駆動出力を出している。電圧検出手段２７は、コンデンサ４の両端電圧を検出し、その電圧値があらかじめ設定された所定値より大きいか小さいか判断を行う。

切換手段２８は、電圧検出手段２７の出力を入力とし、位置検出手段２５と位置推定手段２６のいずれかを選択し出力する。転流手段２９は、切換手段２８の出力を入力とし、インバータ５の６個のスイッチング素子５ａ〜５ｆのＯＮ／ＯＦＦを制御するものである。回転数検出手段３０は、切替手段２８の出力（即ち、位置検出手段２５または位置推定手段２６の出力）からモータ６の現在の駆動速度を検出する。

回転数指令手段３１は、外部からの入力情報等（例えば温度情報や、スイッチ入力等）からモータ６の駆動すべき回転数を決定する。速度制御手段３２は回転数指令手段３１で決定した指令回転数と、回転数検出手段３０で検出した現在のモータの駆動回転数との差により、実際の駆動回転数を、指令回転数に近づけるようにＰＷＭデューティ制御やモータ電流制御により速度制御を行う。

尚、速度制御手段３２でのモータ駆動回転数制御において、ベクトル制御を実施することで、負荷状態や運転状態等により最小電流最大トルク制御、最高効率制御、弱め磁束制御等を行うことも可能である。

回生処理回路３３は、ダイオードで形成された第２整流回路３４と、回生吸収部３５を直列接続された回路で形成され、モータ６が脱調等で急停止した場合に発生する回生エネルギーを急峻に吸収することで、回生による装置の故障を防止している。尚、第２整流回路３４はダイオード、回生吸収部３５はコンデンサで構成することで、回生処理回路３３を非常に簡素な回路で、安価に構成できる。

インバータ制御電源回路３６はインバータ制御部３７に供給する電源回路であり、回生処理回路３３の回生吸収部３５のコンデンサ両端電圧を入力としている。回生吸収部３５の両端電圧は、整流回路２の出力を回生処理回路３３の第２整流回路３４を介して電荷をチャージし平滑しており、通常約１４０Ｖの電圧を保ちインバータ制御電源３６に供給する。この様に本発明の実施の形態１では、回生処理回路３３と、インバータ制御電源の整流平滑回路とを兼用し、回路の小型化、簡素化、低コスト化を図っている。

回生処理回路電圧検出手段３８は、回生処理回路３３の回生吸収部３５の電圧を監視するものであり、この出力を速度制御手段３２に入力する。回生処理回路電圧検出手段３８で検出した回生吸収部３５の両端電圧が所定レベル以上のとき、速度制御手段３２は回転数指令手段３１からの指令回転数に関わらず、モータ６を停止する。

尚、インバータ制御部３７は、位置検出手段２５、位置推定手段２６、電圧検出手段２７、切換手段２８、転流手段２９、回転数検出手段３０、速度制御手段３２、回生処理回路電圧検出手段３８により構成され、インバータ制御電源回路３６から電源を供給され、モータ６をインバータ５で駆動する為の制御を行う。

また、回生吸収部３５のコンデンサに蓄積された回生エネルギーを、インバータ制御電源回路３６と、インバータ制御電源回路３６を介してインバータ制御部３７が消費することから、インバータ制御電源回路３６とインバータ制御部３７は、回生エネルギー消費回路３９としての役割を果たしている。

以上のように構成されたモータの駆動装置についてその動作を説明する。

交流電源１の出力は整流回路２のブリッジ接続されたダイオード３ａ〜３ｄで全波整流されるが、コンデンサ４は従来に比べて非常に小容量であるため、その出力電圧（コンデンサ４の両端の電圧）は平滑されず、大きなリプルを持ったものとなる。

位置検出手段２５は、誘起電圧またはモータ電流からモータ６の回転子の回転位置を検出するものであるから、整流ブリッジ３の出力電圧が低い時、所望の電圧または電流が十分に確保できないため、その位置検出は不可能となる。

一方、位置推定手段２６は、位置検出手段２５の位置検出のタイミングを常に検出しており、位置検出信号が入力されなかった場合、前のタイミングと同一のタイミングで位置推定信号を出力する。

電圧検出手段２７で検出したコンデンサ４の両端の電圧が、あらかじめ設定された所定値（本実施の形態１では５０Ｖとする）より高ければ、切換手段２８は位置検出手段２６の信号を選択・切換し、転流手段２９に出力する。逆に所定値より低ければ切換手段２８は位置推定手段２６の信号を選択・切換し、転流手段２９に出力する。

ここで図は省略しているが、コンデンサ４の両端電圧が変化するのを電圧検出手段２７で検出し、出力のＰＷＭ制御のデューティにフィードフォワード制御を行い、インバータ５の出力の電圧または電流を一定にするように制御を行う。すなわち、速度制御で得られた基底デューティに対しコンデンサ４の両端電圧が高い場合は、デューティを低くし、逆に低い場合は、デューティを高くすることによって出力の電圧または電流を調整することにより、モータ６を滑らかに駆動する。

次に、コンデンサ４の両端の電圧波形について、図３および図１を用いて説明する。図３は本発明の実施の形態１におけるコンデンサ４の電圧波形を示すタイミングチャートである。

図３において、縦軸には電圧を示し、横軸は時間を示す。また交流電源１は１００Ｖ、５０Ｈｚの交流電源とした。

点線Ａは非常に負荷電流が小さい（ほとんど電流は流れていない）時の状態で、コンデンサ４の充電電荷がほとんど使われず電圧の低下はほとんどない。ただし、ここでいう負荷電流は整流回路２の出力電流、すなわちインバータ５への入力電流であるものとする。平均電圧は１４１Ｖであり、リプル電圧は０Ｖ、リプル含有率は０％である。なお、リプル電圧およびリプル含有率は、次式の通り定義するものとする。

次に負荷電流を大きくしていくと、コンデンサ４の充電電荷が使われ、一点鎖線Ｂに示すように瞬時最低電圧が低下してくる。ただし、電源電圧から決まる瞬時最高電圧は１４１Ｖで変わらない。一点鎖線Ｂに示す場合、瞬時最低電圧は４０Ｖであるので、平均電圧が約１１２Ｖであり、リプル電圧は１０１Ｖ、リプル含有率は９０％となる。

更に負荷電流を大きくしていくと、コンデンサ４には、ほとんど充電電荷が蓄えられず、実線Ｃに示すように瞬時最低電圧が、ほとんど０Ｖまで低下してくる。ただし、電源電圧から決まる瞬時最高電圧は１４１Ｖで変わらない。実線Ｃに示す場合、瞬時最低電圧は０Ｖであるので、平均電圧が約１００Ｖであり、リプル電圧は１４１Ｖ、リプル含有率は１４１％となる。

このようにコンデンサ４が小容量の場合、負荷電流を取り出すと、ほとんど平滑されず入力の交流電源１を全波整流した波形となる。

次に、負荷電流と瞬時最低電圧、リプル含有率との関係について、図４を用いてさらに詳しく説明する。図４は本実施の形態１における負荷電流と瞬時最低電圧・リプル含有率を示す特性図である。

図４において、横軸は負荷電流であり、縦軸は瞬時最低電圧とリプル含有率を示す。また、実線は瞬時最低電圧の特性を、点線はリプル含有率の特性をそれぞれ示す。

図３において説明を行った点線Ａに示す電流波形の時は負荷電流０Ａであり、瞬時最低電圧１４１Ｖ、リプル含有率０％である。また、一点鎖線Ｂに示す電流波形の時は負荷電流０．２５Ａであり、瞬時最低電圧４０Ｖ、リプル含有率９０％である。また実線Ｃに示す電流波形の時は負荷電流０．３５Ａであり、瞬時最低電圧０Ｖ、リプル含有率１４１％である。０．３５Ａ以上の電流においては瞬時最低電圧、リプル含有率ともに変化はしない。

本発明の実施の形態１におけるモータの駆動装置では、実使用範囲は負荷電流０．２５Ａ以上１．３Ａ以下であるものとする。実使用範囲においては、リプル含有率は常に９０％以上であるような小容量のコンデンサ４を選定している。

本実施の形態１においては、前述したように５０Ｖ以下において位置検出ができない状態であり、その結果、実使用範囲のいずれにおいても位置検出が不可能な部分を含まれることとなる。

次に、図１における動作を更に詳しく図５と図１とを用いて説明する。図５は、本実施の形態１におけるインバータ制御部の動作を示すフローチャートである。

まずＳＴＥＰ１において、電圧検出手段２７で直流電圧Ｖｄｃを検出する。ここでいう直流電圧Ｖｄｃはコンデンサ４の両端電圧である。次にＳＴＥＰ２において、位置検出ができなくなる電圧の所定値５０Ｖと比較し、５０Ｖ未満であれば、ＳＴＥＰ３に進む。

ＳＴＥＰ３において、切換手段２８は位置推定手段２６を選択し、切り換える。位置推定手段２６では、ＳＴＥＰ４に示すように、位置検出信号が前の変化から一定時間経過したかどうかを判断する。この一定時間は位置検出により予め決められた時間であり、回転数によりその時間は変化するものである。

一定時間が経過していなければ、そのまま通過・完了し、一定時間が通過していれば、ＳＴＥＰ５に進み、転流すなわち位置検出を行ったものとしてインバータ５のスイッチング素子５ａ〜５ｆを転流手段２９で切り換える動作を行う。

また、ＳＴＥＰ２において、位置検出ができなくなる電圧の所定値５０Ｖと比較し、５０Ｖ以上であれば、ＳＴＥＰ６に進む。ＳＴＥＰ６において、切換手段２８は位置検出手段２５を選択し切り換える。位置検出手段２５では、ＳＴＥＰ７に示すように、位置検出信号が前の変化から状態が変化したかどうかを判断する。

ＳＴＥＰ７で状態が変化していなければ、そのまま通過・完了し、状態が変化していれば、ＳＴＥＰ８に進み、転流すなわち位置検出を行ったものとしてインバータ５のスイッチング素子５ａ〜５ｆを転流手段２９で切り換える動作を行う。

これらの動作を一定時間内に繰り返すことにより、常に電圧検出手段２７で直流電圧の状態を検出し、その状態によって位置検出手段２５と位置推定手段２６との信号を切換手段２８で切り換えることができ、直流電圧の低い位置検出ができない状態においても転流動作を行うことができ、運転を継続することができる。

以上説明した動作を行った場合の波形について、さらに図６と図１を用いて説明する。図６は、本実施の形態１の各部の波形を示すタイミングチャートである。

図６において、（Ａ）は直流電圧であり、コンデンサ４の両端の電圧である。（Ｂ）は電圧検出であり、電圧検出手段２７の出力である。電圧検出手段２７では、（Ａ）の直流電圧を所定電圧（本実施の形態１では５０Ｖ）と比較した結果を出力し、５０Ｖ以上であればＨｉｇｈレベルを、５０Ｖ未満であればＬｏｗレベルの信号を出力する。図６においては時間Ｔ６，Ｔ７において直流電圧が５０Ｖ以下である場合を示す。

（Ｃ）は位置検出であり、位置検出手段２５の出力を示す。また、（Ｄ）は位置推定であり、位置推定手段２６の出力を示す。直流電圧が５０Ｖ以上の時は位置検出が可能で、図６の時間Ｔ１〜Ｔ５，Ｔ８〜Ｔ１２の区間では位置検出を正常な状態で行うことができる。

一方、図６の時間Ｔ６，Ｔ７では、直流電圧が５０Ｖ未満であるので、位置検出手段２５からの位置検出信号が出てこない。または、出てきたとしてもタイミングの全く合っていない誤動作を引き起こす信号が発生する可能性が高い。

そこで、時間Ｔ６，Ｔ７においては、転流に位置推定手段２６の信号を使用する。位置推定手段２６では、前の転流のタイミングＴ５からの時間を計測しており、あらかじめ決められた所定時間が経過すると時間Ｔ６のタイミングで転流を行う。

また同様に、時間Ｔ７でも時間Ｔ６から所定時間経過後に転流を行う。ここでいう所定時間は、正常に位置検出ができている時間、例えば、時間Ｔ４〜Ｔ５間の時間を測定し、所定時間としている。

以上のように、時間Ｔ１〜Ｔ５および時間Ｔ８〜Ｔ１２においては、切換手段２８は位置検出手段２５の出力を選択し出力する。また、時間Ｔ６，Ｔ７においては、切換手段２８は位置推定手段２６の出力を選択し出力する。切換手段２８の出力は、転流手段２９に入力され、転流手段２９ではインバータ５の６個のスイッチング素子５ａ〜５ｆを、図６の（Ｅ）〜（Ｊ）に示すようにＯＮ／ＯＦＦさせる。尚、図６においてはＨｉｇｈレベルがＯＮ、ＬｏｗレベルがＯＦＦとする。

インバータ５の出力電圧波形の一例として、図６（Ｋ）にＵ相電圧を示す。出力の最大電圧は直流電圧により規制され、Ｕ相電圧の包絡線（破線で示す）は（Ａ）の直流電圧に一致する。前述した通り、直流電圧の電圧レベルによりＰＷＭ制御のデューティを変更しているので、図６（Ｋ）に示すとおり、電圧の低いところ（例えば時間Ｔ５〜Ｔ６間）ではデューティを高くし、電圧の高いところ（例えば時間Ｔ１１〜Ｔ１２間）ではデューティを低くしている。これにより電圧変動による電流の不安定を未然に防止する。

図７は、本実施の形態１におけるの小容量コンデンサ４と、回生吸収部３５の両端電圧値を示すタイミングチャートである。

今ここで、使用している小容量コンデンサ４とインバータ５の耐電圧を４５０Ｖとする。ここでモータ６が脱調等で急停止したことで、回生が発生したとすると、小容量コンデンサ４のみであれば、図７の実線の電圧波形aに示すように、小容量コンデンサ４の両端電圧が急激に上昇して、耐電圧４５０Ｖを超え過電圧となり、装置が故障してしまう可能性がある。

一方、本実施の形態１では、インバータ５と並列に、第２整流回路３４と回生吸収部３５を直列接続した回生処理回路３３を接続することで、回生により発生したエネルギーを回生吸収部３５が吸収する。

従って、図７の点線の電圧波形ｂに示す様に、回生電力による電圧上昇を小容量コンデンサ４とインバータ５の耐電圧以下に抑えることができ、回生による機器の故障を回避できる。しかし吸収し蓄積した回生エネルギーを消費せず、再度モータ６を駆動する場合、数度の回生エネルギーを吸収できるだけの大型で大容量の回生処理コンデンサを使用することで対応できるが、回生の発生頻度やエネルギーにより回生処理用コンデンサ両端電圧が上昇し、回生を吸収出来ない状態に陥る可能性がある。

従って、本発明の実施の形態１では、回生処理回路３３の回生吸収部３５の両端には、回生エネルギー消費回路３９として、インバータ制御部３７とこれに電源を供給するインバータ制御電源回路３６が接続されているため、回生によるエネルギーでチャージされた電荷は、インバータ制御電源回路３６とインバータ制御部３７にて消費され、回生処理回路３３の回生吸収部３５の両端電圧は図７の破線の電圧波形ｃに示すように、通常時（本実施の形態１では１４０Ｖ程度）のレベルまで回復していく。

このように、回生エネルギー消費回路３９をインバータ制御電源回路３６とインバータ制御部３７とすることで、回生エネルギー消費回路３９を特別に設ける必要がなく、回路の小型化、簡素化および低コスト化が可能となる。

図８は、回生吸収部３５の両端電圧と、モータ６の目標回転数を示すタイミングチャートである。

図８において、回生吸収部３５の両端は、整流回路２の出力を第２整流回路を介して電荷が充電され、通常約１４０Ｖの電圧を保っており、速度制御手段３２は、回転数指令手段３１に指示された回転数で、モータ６を駆動するように速度制御を行う（０からＴ０の区間）。

ここで、Ｔ０において、モータ６が脱調等により急停止し、回生が発生した場合、回生吸収部３５の両端電圧は急峻に上昇するが、回生処理回路電圧検出手段３７によって検出された回生吸収部３５の両端電圧がＶ１以上となったとき、速度制御手段３２は回転数指令手段３１の指示する回転数に関わらず、モータ６を停止状態にするため、転流手段２９にモータ６を停止するための出力をインバータ５に送る。

回生吸収部３５の両端電圧は回生エネルギーを吸収しVｐに達したのち、蓄積されたエネルギーは、インバータ制御電源３６およびインバータ制御電源３６を介して、インバータ制御部３８により消費され、時間経過と共に低下してくる（Ｔ１からＴ２の区間）。

そして回生吸収部３５の両端電圧がＶ２まで低下したとき、速度制御手段３２は、回転数指令手段３１による指令回転数でモータ６を駆動する（Ｔ２以降の区間）。

なお、冷凍空調システムを構成する圧縮機９の場合は、モータ６停止後、冷凍システムの圧力バランスがある程度安定するまでの時間が必要であり、圧力バランスが不平衡な状態でモータの起動を試みた場合、始動トルク不足で脱調等が発生し起動が出来ない場合があるため、回生吸収部３５の両端電圧がＶ２まで低下しても、モータ停止タイミング（Ｔ１）から一定時間経過するまでは、モータの起動を遅らせることで、安定した再起動性能を確保することができる。

次に、整流回路２に小容量のコンデンサ４を用いたモータ駆動装置により冷蔵庫の圧縮機９を駆動する場合について説明する。

瞬時停電等により圧縮機９が脱調した時発生する回生エネルギーが原因で、モータ駆動装置が故障し、冷蔵庫内の温度上昇で庫内収納食品の腐敗等が懸念される。

しかし、本実施の形態のモータ駆動装置は、整流回路２に小容量のコンデンサ４を用いながらも、回生が発生した場合も、その発生したエネルギーを回生処理回路３３により瞬時に吸収し、さらに再起動時は、回生処理回路３３に蓄えられているエネルギーが、再度回生が発生した場合でも十分吸収できるレベルとなっているため、回生によるモータ駆動装置の故障を回避でき冷蔵庫の信頼性を向上することができる。

また、回生処理回路３３に蓄えられた回生エネルギーは、回生エネルギー消費回路３９で消費されるため、回生処理回路３３に蓄積されたエネルギーは所定のレベルまで早く低下させることが可能であり、脱調による停止の時間を短縮出来ることで、圧縮機９停止による庫内温度の上昇を最低限に抑えることができる。

以上の様に本実施の形態においては、交流電源１を全波整流する整流回路２の平滑コンデンサ４容量が非常に小さく、大きなリプルを含む電圧波形をインバータ５に入力してモータ６を駆動するモータ駆動装置において、モータ６が脱調等により急停止した場合に発生する回生エネルギーを急峻に吸収する回生処理回路３３と、回生処理回路３３の電圧を検出する回生処理回路電圧検出手段３８を備え、回生処理回路電圧検出手段３８で検出した電圧が所定の電圧より低下しない場合、インバータ制御部３７は、モータ６を停止状態にすることで、モータ６の運転中は回生が発生した場合でも、回生処理回路３３は確実に回生エネルギーを吸収できるため、平滑回路のコンデンサ４容量を大幅に小容量化することで小型化・低コスト化を図ることができるとともに、装置の高い信頼性を実現できる。

さらに本構成では、整流回路２のコンデンサ４の容量が非常に小さいことから、交流電源に含まれる高調波電流成分を低減できることとなり、高調波対応のためのリアクタ等高調波対応回路が不要または小型化することが可能であり、さらなる装置の小型化と低コスト化が実現できる。

また、回生エネルギー消費回路３９により、回生処理回路３３に蓄積されたエネルギーを消費することで、回生処理回路３３に蓄積されたエネルギー消費が促進され、回生処理回路電圧検出手段３８で検出される電圧が所定の電圧まで低下する時間が短縮されるので、回生発生によりモータ６を停止した場合でも、再起動までの時間を短縮することができる。

また、回生エネルギー消費回路３９は、インバータ制御部３７の電源回路を兼用することで、回生エネルギー消費回路３９を別途設ける必要が無く、装置の簡素化と低コスト化、小型化が図れる。

また、モータ６の起動時は、回生処理回路電圧検出手段３８で検出した電圧が、所定の値より低い場合とすることで、モータ６の駆動時は常に回生処理回路３３に蓄積されているエネルギーは所定のレベル以下に保たれ、モータ６が急停止し回生が発生したとしても回生処理回路３３で確実に回生エネルギーを吸収出来る結果、装置の信頼性を向上出来ることができる。

さらに、回生発生により停止した場合、回生処理回路３３に蓄積されているエネルギーのレベルを監視し、所定のレベルまで低下したとき再起動を図るため、起動のタイミングを最適に保つことができる。

また、回生処理回路３３は第２の整流回路３４と、回生吸収部３５とで構成し、第２の整流回路３４はダイオード、回生吸収部３５はコンデンサとすることで、回生処理回路３３は非常にシンプルな構成となり、回生処理回路３３を非常に安価に構成することができる。

また、モータ６は冷凍空調システムを構成する圧縮機９を駆動するもので、特に慣性モーメント（イナーシャ）が大きいレシプロ型の構成であれば、整流回路２のコンデンサ４が小容量である故にインバータ３の入力電圧に大きなリプルを含む場合でも、モータ６の回転ムラによる振動増大や騒音増大等の影響を受けず、大容量の平滑コンデンサを整流回路に使用したモータ駆動装置と同等の振動・騒音で有りながら、モータ駆動装置の小型・低コストの圧縮機駆動システムを提供することが可能である。

また、冷凍空調システムの冷媒がＲ６００ａである場合、冷凍能力が低く所定の冷凍能力を確保するためには、圧縮機９のピストンが大きくなることからモータ６の慣性モーメント（イナーシャ）がＲ１３４ａ等の冷凍能力が高い冷媒を使用した圧縮機より大きくなり、入力リプル電圧の影響をさらに受けにくく、小容量コンデンサ駆動において非常に安定した駆動が実現できる。

また、冷蔵庫の圧縮機９を駆動する場合、整流回路２に小容量のコンデンサ４を用いながらも、回生が発生した場合も、その発生したエネルギーを回生処理回路３３により瞬時に吸収し、さらに再起動時は、回生処理回路３３に蓄えられているエネルギーが、再度回生が発生した場合でも十分吸収できるレベルとなっているため、回生によるモータ駆動装置の故障を回避でき、冷蔵庫の信頼性を向上することができる。

さらに、回生処理回路３３に蓄えられたエネルギーは、回生エネルギー消費回路で消費され、蓄積されたエネルギーは所定のレベルまで早く低下するので、脱調による停止の時間を短縮出来ることで、圧縮機９停止による庫内温度の上昇を最低限に抑えることができる。さらに本発明のモータ駆動装置は小型化が可能なことから、モータ駆動装置の設置スペースを低減できるため、従来のモータ駆動装置を用いた従来の冷蔵庫と同一外観サイズで有りながら、冷蔵庫内の容積を大きくすることが可能である。

以上のように本発明のモータ駆動装置は、平滑コンデンサを大幅に小容量化したことで大きなリプルを含む電圧をインバータに入力した場合でも、位置検出センサなしでモータは停止することなく安定駆動出来る上に、モータの急停止による回生を素早く吸収することで、装置の故障を防止することから、小型、低コスト化が図れ、且つ高い信頼性を確保できることから、ＡＶ機器（特に小型機器）などのモータが非常に小さくてセンサをつけることが困難な場合や回路を非常に小型化したい場合などの用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１におけるモータ駆動装置のブロック図 本発明の実施の形態１における圧縮機の断面図 本発明の実施の形態１におけるコンデンサ４の電圧波形を示すタイミングチャート 本発明の実施の形態１における負荷電流と瞬時最低電圧・リプル含有率を示す特性図 本発明の実施の形態１におけるインバータ制御部の動作を示すフローチャート 本発明の実施の形態１における各部の波形を示すタイミングチャート 本実施の形態１におけるの小容量コンデンサ４と、回生吸収部３５の両端電圧値を示すタイミングチャート 回生吸収部の両端電圧と、モータの目標回転数を示すタイミングチャート 特許文献１における従来のモータ駆動装置のブロック図

符号の説明

１ 交流電源
２ 整流回路
４ コンデンサ
５ インバータ
６ モータ
９ 圧縮機
１５ 冷媒
３３ 回生処理回路
３４ 第２整流回路
３５ 回生吸収部
３６ インバータ制御電源回路
３７ インバータ制御部
３８ 回生処理回路電圧検出手段
３９ 回生エネルギー消費回路

Claims (8)

1. 交流電源と、前記交流電源を入力として全波整流をする小容量のコンデンサを持つ整流回路と、前記整流回路の出力を入力とするインバータと、前記インバータにより駆動されるモータと、前記インバータを制御するインバータ制御部と、前記モータが急停止した場合に発生する回生エネルギーを吸収する回生処理回路と、前記回生処理回路に蓄積されたエネルギーを電圧として検出する回生処理回路電圧検出手段とを備え、前記回生処理回路電圧検出手段により検出した電圧が所定の電圧より高い場合、前記インバータ制御部は、前記モータを停止状態にすることを特徴とするモータ駆動装置。
2. 回生処理回路に蓄積されたエネルギーを消費する回生エネルギー消費回路を有する請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 回生エネルギー消費回路は、インバータ制御部の電源回路を兼ねることを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動装置。
4. インバータ制御部は、回生処理回路電圧検出手段により検出した電圧が所定の電圧より高くなったことによりモータを停止させたときは、前記回生処理回路電圧検出手段で検出した電圧が所定の電圧より低くなった後に、前記モータの再起動を行う請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
5. 回生処理回路は、ダイオードからなる第２整流回路と、コンデンサからなる回生吸収部とで構成され、前記回生吸収部は、インバータ制御部の電源回路への供給電源として兼ね備える請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
6. モータは、冷凍空調システムを構成するレシプロ型圧縮機を駆動するものである請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
7. 圧縮機の冷媒は、Ｒ６００ａであることを特徴する請求項６に記載のモータ駆動装置。
8. 請求項６または請求項７に記載のモータ駆動装置を有する冷蔵庫。

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