JP2010130875A - ファン駆動装置及びこれを搭載した空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】外風によって発生するファンの回転による起電力のエネルギーを回生して利用し、待機電力削減及び消費電力低減を実現するファン駆動装置を得る。
【解決手段】インバータ４は、スイッチング素子１５ａ〜１５ｆ及びダイオード１６ａ〜１６ｆによって構成される三相ブリッジ型インバータとし、外部からの運転指令に基づいてインバータ４のスイッチング素子１５ａ〜１５ｆに対して制御信号を出力し、その開閉動作をＰＷＭ制御する制御手段７を備えている。制御手段７は、回生動作モードと定電圧動作モードとを切り替える動作モード切替手段８と、制御情報等を記憶するメモリ１７を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ファン駆動装置に関し、特に屋外等外部から風を受ける環境に設置されるファンに関するものである。

従来のファン駆動装置として、永久磁石モータを用いたファンが強風によって高速回転することによる回路損傷を回避することを目的として、出力電圧の位相を調整することによって直流電圧の上昇を抑制するものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１６０９１６号公報（第４、５頁、図１）

しかしながら、上記のファン駆動装置は、強風で回転させられることにより端子間に起電圧が生じ、この起電圧がインバータの直流電圧を越えた場合、回路定格を越える懸念から保護動作を実施しているが、強風による回転エネルギーは装置内で使用されること無く消費されており、エネルギー利用ができていないという問題がある。
また、複数の室内機が接続される室外機は、いずれの室内機の運転要求にも応じる必要があることから待機用の電源が必要であり、この待機電力によるエネルギーの無駄があるという問題もある。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、外風によって発生するファンの回転による起電力のエネルギーを回生して利用し、待機電力削減及び消費電力低減を実現するファン駆動装置を得ることを目的とする。

本発明に係るファン駆動装置は、交流電源を整流及び平滑し、平滑コンデンサに直流電圧を発生させるコンバータと、該コンバータが発生させる直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、該インバータによって駆動され、接続されるファンを回転駆動させる永久磁石型同期電動機と、前記インバータを制御する制御手段と、を備え、該制御手段は、前記ファンが外風によって受ける回転動力を電気エネルギーに変換し前記平滑コンデンサに電力を蓄える回生動作モード及び前記ファンの前記回転動力を電気エネルギーに変換し前記平滑コンデンサの両端電圧を所定の値に保持するように制御する定電圧動作モードの二つの動作モードを有し、該二つの動作モードを切り替える動作モード切替手段を有することを特徴とする。

本発明に係るファン駆動装置によれば、外風によって発生するファンの回転による起電力のエネルギーを回生することができ、待機電力削減及び消費電力低減を実現できる。また、その実現にかかる構成要素はインバータ、回転検出手段、そして、直流電圧検出手段等、通常モータ駆動装置が備える要素であるため、極めて安価に実現できる。

実施の形態１．
（ファン駆動装置の全体構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係るファン駆動装置の構成図である。
図１において、交流電源１は、その交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ２に接続され、そのコンバータ２の出力側には負荷としてＤＣ／ＤＣコンバータ３が接続されている。また、コンバータ２の出力側には、さらにコンバータ２が出力する直流電圧を交流電圧に変換するインバータ４が接続されている。このインバータ４の入力側には電流検出手段１３が設置されており、これによってインバータ４に入力される電流Ｉｄｃが検出される。なお、この電流検出手段１３は、インバータ４の出力側に設置され、インバータ４の出力電流を検出するものとしてもよい。インバータ４の出力側には、永久磁石型同期電動機であるブラシレスＤＣモータ５が接続されており、インバータ４から出力される交流電圧によって回転駆動する。このブラシレスＤＣモータ５の回転軸には、ファン６が連結されており、ブラシレスＤＣモータ５の回転動作に伴って回転し風力（以下、ファン風という）を発生させる。また、ブラシレスＤＣモータ５には、ファン６の回転数Ｎを検出する回転数検出手段１４が設置されている。コンバータ２は、交流電源１に接続されるリアクトル９、そのリアクトル９を介して交流電源１と接続される整流手段１０、及びその整流手段１０の出力側に接続され、整流手段１０が出力する電圧を平滑する平滑コンデンサ１１によって構成されている。この平滑コンデンサ１１の両端には、直流電圧検出手段１２が接続されており、平滑コンデンサ１１の両端電圧Ｖｄｃを検出する。インバータ４は、スイッチング素子１５ａ〜１５ｆ及びダイオード１６ａ〜１６ｆによって構成される三相ブリッジ型インバータである。また、外部からの運転指令を入力し、その指令に基づいてインバータ４のスイッチング素子１５ａ〜１５ｆに対して制御信号を出力し、その開閉動作をＰＷＭ制御する制御手段７が備えられている。この制御手段７は、直流電圧検出手段１２によって検出された平滑コンデンサ１１の両端電圧Ｖｄｃ、電流検出手段１３によって検出された電流Ｉｄｃ、及び回転数検出手段１４によって検出されたファン６の回転数Ｎの値を入力する。さらに、制御手段７は、後述する回生動作モードと定電圧動作モードとを切り替える動作モード切替手段８と制御情報等を記憶するメモリ１７とを備えている。なお、メモリ１７は、制御手段７の外部に備えられ、制御手段７との間で情報が送受信される構成としてもよい。上記のコンバータ２、ＤＣ／ＤＣコンバータ３、インバータ４、ブラシレスＤＣモータ５、制御手段７、直流電圧検出手段１２、電流検出手段１３及び回転数検出手段１４によってファン駆動装置３１が構成されている。

（ファン駆動装置の回生動作）
図２は、同ファン駆動装置が外風を受けている場合の制御手段７の動作を示すフローチャートである。ここで、本発明でいう外風とは、図１で示されるように、ファン６の回転によって発生するファン風ではなく、外部からファン６が受ける風を示すものとする。また、通常、ファン６は、外部からの運転指令がＯＮの状態（回転要求有り）とＯＦＦの状態（回転要求無し）を有し、その運転指令がＯＮの状態では、制御手段７は、ファン６の回転数を所定の回転数に制御する等の回転制御を実施するが、本発明においては運転指令がＯＦＦの状態を前提とした発明であるため、この場合の動作のみについて説明する。以下、図２及び図３を用いて、ファン駆動装置３１の動作について説明する。

まず、制御手段７は、メモリ１７に記憶されているＰＷＭデューティ比及びＰＷＭ増減フラグを初期化する（ステップＳ１）。次に、外部からの運転指令がＯＦＦであるかどうかを判定する（ステップＳ２）。その判定の結果、運転指令がＯＮである場合は、通常のファン駆動動作であるので、後述する制御中フラグをＯＦＦとし（ステップＳ４）、処理を終了する。一方、運転指令がＯＦＦである場合、ファン６の回転数Ｎが、発電を維持できる最小の回転数である発電維持下限回転数Ｎｅｎよりも大きいかどうかを判定する（ステップＳ３）。その判定の結果、回転数Ｎが発電維持下限回転数Ｎｅｎ以下である場合、後述する制御中フラグをＯＦＦとし（ステップＳ４）、処理を終了する。一方、回転数Ｎが発電維持下限回転数Ｎｅｎよりも大きい場合、メモリ１７に記憶されている前回回生電力Ｐ（ｔ−１）を最新回生電力Ｐ（ｔ）によって更新し、直流電圧検出手段１２によって検出された両端電圧Ｖｄｃ及び電流検出手段１３によって検出された電流Ｉｄｃに基づいて現在（時刻ｔとする）の回生電力を演算し、新たに最新回生電力Ｐ（ｔ）としてメモリ１７に記憶する（ステップＳ５）。

次に、回転数Ｎと、外風による発電が可能となるカットイン回転数Ｎｃｉとを比較し発電可能であるかどうかを判定する（ステップＳ６）。その判定の結果、回転数Ｎがカットイン回転数Ｎｃｉ以下である場合、発電のためのファン６の回転数が不足していると判断し、制御中フラグがＯＮであるかどうか判定する（ステップＳ７）。その判定の結果、この制御中フラグがＯＦＦである場合、制御中フラグをＯＮにし（ステップＳ８）、ＰＷＭデューティ比を０％に設定し、ＰＷＭ増減フラグを「増加」に設定してメモリ１７に記憶させ（ステップＳ９）、ＰＷＭデューティ比を０％としてＰＭＷ制御、すなわち、インバータ４の下アーム側のスイッチング素子１５ｄ〜１５ｆをＯＦＦとするＰＷＭ制御信号を出力し（ステップＳ１５）、ステップＳ２へ戻る。一方、この制御中フラグがＯＮである場合には、後述するステップＳ１０へ進む。また、ステップＳ７において、回転数Ｎがカットイン回転数Ｎｃｉより大きい場合、回転数Ｎが外風が強風であることによって発電ができなくなるカットアウト回転数Ｎｃｏよりも大きいかどうか、又は、平滑コンデンサ１１の両端電圧Ｖｄｃが、その所定の電圧上限値Ｖｄｃｍａｘよりも大きいかどうかを判定する（ステップＳ１０）。その判定の結果、回転数Ｎがカットアウト回転数Ｎｃｏよりも大きい、又は、両端電圧Ｖｄｃが電圧上限値Ｖｄｃｍａｘよりも大きい場合、ＰＷＭデューティ比を１００％に設定し、ＰＷＭ増減フラグを「減少」に設定してメモリ１７に記憶させ（ステップＳ１１）、ＰＷＭデューティ比を１００％としてＰＷＭ制御、すなわち、インバータ４の下アーム側のスイッチング素子１５ｄ〜１５ｆをＯＮとするＰＷＭ制御信号を出力し、ブラシレスＤＣモータ５の端子を電気的に短絡状態とさせ（ステップＳ１５）、ステップＳ２へ戻る。このとき、ブラシレスＤＣモータ５の端子電圧には電圧が発生しないため、平滑コンデンサ１１への電力の回生は無く、その両端電圧Ｖｄｃは上昇しない。一方、回転数Ｎがカットアウト回転数Ｎｃｏ以下であり、かつ、両端電圧Ｖｄｃが電圧上限値Ｖｄｃｍａｘ以下である場合、以下で説明する回生動作モードで動作することによって、山登り法による回生運転が実施される。まず、最新回生電力Ｐ（ｔ）と前回回生電力Ｐ（ｔ−１）とを比較する（ステップＳ１２）。その比較の結果、最新回生電力Ｐ（ｔ）が前回回生電力Ｐ（ｔ−１）以下である場合、ＰＷＭ増減フラグを反転してメモリ１７に記憶させ（ステップＳ１３）、そのＰＷＭ増減フラグに基づきＰＷＭデューティ比を算出してメモリ１７に記憶させる（ステップＳ１４）。一方、最新回生電力Ｐ（ｔ）が前回回生電力Ｐ（ｔ−１）よりも大きい場合、ＰＷＭ増減フラグはそのままとし、ＰＷＭデューティ比を算出してメモリ１７に記憶させる（ステップＳ１４）。ステップＳ１４におけるＰＷＭデューティ比を算出後、そのＰＷＭデューティ比に基づいてＰＷＭ制御信号を出力する（ステップＳ１５）。以上のような回生動作モードによって、最大電力点で回生するように制御される。このとき、平滑コンデンサ１１に並列に接続される負荷であるＤＣ／ＤＣコンバータ３には、前述の回生電力が流入することから、交流電源１からの電力供給が減少し、ファン駆動装置の消費電力が抑制される。

また、ステップＳ１０において、平滑コンデンサ１１の両端電圧Ｖｄｃが過電圧、すなわちＶｄｃ＞Ｖｄｃｍａｘとなった場合には、負荷であるＤＣ／ＤＣコンバータ３の電力消費によって徐々にＶｄｃは低下していく。その後、両端電圧Ｖｄｃが電圧上限値Ｖｄｃｍａｘ以下となると、再び回生動作が実施され、両端電圧Ｖｄｃが上昇し、これを繰り返すことによって両端電圧Ｖｄｃは定電圧になるように制御される。ここで、この両端電圧Ｖｄｃが定電圧に維持される動作モードを定電圧動作モードという。以上のように、外風の風速の状態において発電しうる最大の回生電力点で回生動作するように制御される回生動作モードと両端電圧Ｖｄｃが定電圧に維持される定電圧動作モードとが制御手段７が有する動作モード切替手段８によって適宜切り替えられて回生動作が実施される。

なお、ステップＳ１０においては、ファン６の回転数Ｎ及び平滑コンデンサ１１の両端電圧Ｖｄｃの値に基づいて判定が実施されているが、これに限らず、回転数Ｎのみ、又は、両端電圧Ｖｄｃのみに基づいて判定が実施されるものとしてもよく、電流検出手段１３によって検出される電流Ｉｄｃに基づいて判定が実施されるものとしてもよい。

図３は、同ファン駆動装置が外風を受けている場合の制御手段の動作を示すタイムチャートである。以下、外風の風速が変化する場合のファン６の回転数Ｎ、回生電力及び平滑コンデンサ１１の両端電圧Ｖｄｃ等の挙動を、図３を参照しながら説明する。
まず、外風が発生するとファン６の回転数Ｎが上昇し、回転数Ｎがカットイン回転数Ｎｃｉに達すると、ＰＷＭデューティ比が徐々に増加して発電が開始され回生電力も増加していき、平滑コンデンサ１１が充電され両端電圧Ｖｄｃが増加する。その外風の風速の状態において発電しうる最大の回生電力点近傍になると、ＰＷＭデューティ比が増減を繰り返し、略最大効率動作点に安定する。さらに外風風速が増加し、両端電圧Ｖｄｃが上昇して電圧上限値Ｖｄｃｍａｘに達すると、ＰＷＭデューティ比は１００％、すなわち、インバータ４の下アーム側のスイッチング素子１５ｄ〜１５ｆがＯＮとなり、回生電力を０として、Ｖｄｃの上昇を抑制するように動作する。

（実施の形態１の効果）
以上のような構成及び動作によって、外風によって発生するファン６の回転による起電力のエネルギーを回生することができ、待機電力削減及び消費電力低減を実現できる。
また、その実現にかかる構成要素はインバータ、回転数検出手段、そして、直流電圧検出手段等、通常のモータ駆動装置が備える要素であるため、極めて安価に実現できる。
そして、ファン６の回転による回生動作によって充電される平滑コンデンサ１１の両端電圧Ｖｄｃを定電圧に制御することができるので過電圧による回路の損傷を回避することができる。
さらに、実施の形態１では回生電力及び両端電圧Ｖｄｃの制御方式としてインバータ４の下アームのみを使用するようにしたため、両端電圧Ｖｄｃが低く、インバータ４の上アームの駆動電圧が不足となっても動作が可能であり、信頼性の高い装置とすることができる。

なお、上記の回生動作はインバータ４における下アームのみに対するＰＷＭ制御によって実施されているが、これに限られるものではなく、上アームのみに対するＰＷＭ制御によっても実施可能である。
また、この回生動作の制御方法としてスイッチング素子のＰＷＭ制御を用いているが、これに限られるものではなく、特許文献１に係る送風機駆動装置において実施されている電圧位相の移相制御によっても可能である。

実施の形態２．
（空気調和機の全体構成）
図４は、本発明の実施の形態２に係る空気調和機の回路構成図であり、図５は、同空気調和機における室外機の外観斜視図である。
実施の形態２に係る空気調和機内を循環する冷媒流路は、圧縮機３２、四方弁３３、室外機熱交換器３４、膨張弁３５、室内機熱交換器３６、そして再び四方弁３３を経由して圧縮機３２に戻るという順序で冷媒配管で接続されて構成されている。室外機熱交換器３４にはファン６が設置されており、そのファン６はファン駆動装置３１に接続されている。そのファン駆動装置３１は、交流電源１から交流電圧の供給を受ける。室内機熱交換器３６には室内ファン３７が設置されており、その室内ファン３７は室内ファンモータ３８に接続されている。前述の圧縮機３２、四方弁３３、室外機熱交換器３４、ファン駆動装置３１及びファン６から室外機２１が構成されており、また、膨張弁３５、室内機熱交換器３６、室内ファン３７及び室内ファンモータ３８から室内機２２が構成されている。

（空気調和機の基本動作）
圧縮機３２に流入した冷媒は、圧縮され高温高圧のガス冷媒となって、四方弁３３を経由し室外機熱交換器３４へ送られる。室外機熱交換器３４へ流入したガス冷媒は、ファン駆動装置３１の駆動によって回転するファン６によって送り込まれた空気と熱交換が実施され凝縮して液冷媒となり、膨張弁３５に送られる。膨張弁３５に流入した液冷媒は、減圧され低圧の二相冷媒となり、室内機熱交換器３６へ送られる。室内機熱交換器３６に流入した二相冷媒は、室内ファンモータ３８の駆動によって回転する室内ファン３７によって送り込まれた空気と熱交換が実施され蒸発してガス冷媒となり、四方弁３３を経由して再び圧縮機３２に送られる。以後、上記の動作が繰り返される。

図５において示されるように、室外機２１のファン６が外部から外風を受けると、ファン６は回転動力を受け、その回転に伴ってファン駆動装置３１内部において起電力が発生し、実施の形態１と同様の回生動作が実施される。

（空気調和機の電源配線形態）
図６は、同空気調和機の電源配線形態の例を示す図である。
図６において（ａ）は、室内機２２がコンセント２５を介して商用電源から交流電力を受け、室外機２１に電力を供給する室内機受電形を示す図であり、（ｂ）は、室外機２１がコンセント２５を介して商用電源から交流電力を受け、室内機２２に電力を供給する室外機受電形を示す図であり、そして（ｃ）は、室外機２１及び室内機２２がそれぞれコンセント２５を介して独立に商用電源から交流電力を受ける独立受電形を示す図である。このとき、いずれの電源配線形態においても、室内機２２側にコントローラ（図示せず）やリモコン等による制御が実施されるため、室内機２２は常時待機状態とするための電源が必要となる。（ａ）の場合、室内機２２が運転指令を検出した後、室外機２１側へ電源を供給するとともに運転指令を送信するように構成すると、室外機２１の待機電力を０とすることが容易に実現できる。（ｂ）及び（ｃ）の場合、室外機２１は直接商用電源から電源供給を受けるので、待機電力を省くことができず、エネルギーロスが発生する。

実施の形態２に係る空気調和機は、図６における（ｂ）又は（ｃ）で示される電源配線形態となっており、実施の形態１と同様の回生動作が実施されることで、室外機２１で発生する待機電力を削減する。なお、図６における（ｂ）又は（ｃ）で示されるように、室外機２１を共通とし、室内機２２が複数設置される構成としてもよい。

（実施の形態２の効果）
以上の構成及び動作によって、実施の形態１と同様に外風によって発生するファン６の回転による起電力のエネルギーを回生することができ、待機電力削減及び消費電力低減を実現する空気調和機を得ることができる。
また、図６における（ｂ）及び（ｃ）で示される電源配線形態においては、空気調和機の全消費電力に占める室外機の待機電力の比率が大きいため、ファン６の回転によって発生する回生電力によって、待機電力削減及び消費電力低減の効果は大きい。

実施の形態２において空気調和機の待機電力削減効果を例示したが、屋外の送風機が独立受電となるシステムであれば幅広く適用可能であり、例えば、ヒートポンプ式給湯機又は防霜扇等にも適用が可能である。

本発明の実施の形態１に係るファン駆動装置の構成図である。 同ファン駆動装置が外風を受けている場合の制御手段の動作を示すフローチャートである。 同ファン駆動装置が外風を受けている場合の制御手段の動作を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態２に係る空気調和機の回路構成図である。 同空気調和機における室外機の外観斜視図である。 同空気調和機の電源配線形態の例を示す図である。

符号の説明

１ 交流電源、２ コンバータ、３ ＤＣ／ＤＣコンバータ、４ インバータ、５ ブラシレスＤＣモータ、６ ファン、７ 制御手段、８ 動作モード切替手段、９ リアクトル、１０ 整流手段、１１ 平滑コンデンサ、１２ 直流電圧検出手段、１３ 電流検出手段、１４ 回転数検出手段、１５ａ〜１５ｆ スイッチング素子、１６ａ〜１６ｆ ダイオード、１７ メモリ、２１ 室外機、２２ 室内機、２５ コンセント、３１ ファン駆動装置、３２ 圧縮機、３３ 四方弁、３４ 室外機熱交換器 ３５ 膨張弁、３６ 室内機熱交換器、３７ 室内ファン、３８ 室内ファンモータ。

Claims (9)

1. 交流電源を整流及び平滑し、平滑コンデンサに直流電圧を発生させるコンバータと、
   該コンバータが発生させる直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
   該インバータによって駆動され、接続されるファンを回転駆動させる永久磁石型同期電動機と、
   前記インバータを制御する制御手段と、
   を備え、
   該制御手段は、
   前記ファンが外風によって受ける回転動力を電気エネルギーに変換し前記平滑コンデンサに電力を蓄える回生動作モード及び前記ファンの前記回転動力を電気エネルギーに変換し前記平滑コンデンサの両端電圧を所定の値に保持するように制御する定電圧動作モードの二つの動作モードを有し、
   該二つの動作モードを切り替える動作モード切替手段を有する
   ことを特徴とするファン駆動装置。
2. 前記ファンの回転数を検出する回転数検出手段を備え、
   前記動作モード切替手段は、前記回転数検出手段によって検出された前記回転数を前記二つの動作モードの切り替えの判断要素の一つとする
   ことを特徴とする請求項１記載のファン駆動装置。
3. 前記平滑コンデンサの両端電圧を検出する電圧検出手段を備え、
   前記動作モード切替手段は、前記電圧検出手段によって検出された前記両端電圧を前記二つの動作モードの切り替えの判断要素の一つとする
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のファン駆動装置。
4. 前記インバータの入力電流又は出力電流を検出する電流検出手段を備え、
   前記動作モード切替手段は、前記電流検出手段によって検出された前記入力電流又は前記出力電流を前記二つの動作モードの切り替えの判断要素の一つとする
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のファン駆動装置。
5. 前記ファンの回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記平滑コンデンサの両端電圧を検出する電圧検出手段と、
   を備え、
   前記動作モード切替手段は、前記回転数検出手段によって検出された回転数が所定回転数よりも高い場合又は前記電圧検出手段によって検出された前記両端電圧が所定電圧よりも高い場合に前記定電圧動作モードに切り替える
   ことを特徴とする請求項１記載のファン駆動装置。
6. 前記制御手段は、前記回生動作モードにおいて、前記インバータの下アームのみ又は上アームのみにおけるスイッチング素子の開閉動作をＰＷＭ制御する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のファン駆動装置。
7. 室外機、室内機並びに該室外機及び該室内機を接続する冷媒配管で構成され、
   前記室外機は、請求項１〜請求項６のいずれかに記載のファン駆動装置を備える
   ことを特徴とする空気調和機。
8. 前記室外機は１台であり、前記室内機は複数台である
   ことを特徴とする請求項７記載の空気調和機。
9. 前記室外機は、商用電源から直接電源供給される
   ことを特徴とする請求項７又は請求項８記載の空気調和機。

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