JP2012070530A

JP2012070530A - モータ駆動装置

Info

Publication number: JP2012070530A
Application number: JP2010213001A
Authority: JP
Inventors: Masashi Ota; 将志大田; Takashi Oishi; 孝大石; Yoshiyuki Fukazawa; 芳行深澤; Kentaro Miura; 健太郎三浦
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2012-04-05

Abstract

【課題】室外機の温度を検出すること及び搭載圧縮機のモータの温度による減磁特性をテーブルにもち、ハード過電流及びソフト過電流を同時に可変することにより適切な過電流設定値を選択し、各運転条件に応じた過電流設定を可能にする。
【解決手段】減磁電流特性テーブルを備え、且つ前記ブラシレスモータへのモータ相電流を演算する相電流演算手段により、算出されたインバータ出力電流と前記室外機圧縮機の温度を検出する温度検出手段によって閾値電圧を決定するソフト的過電流保護機能と、室外温度により選択される、３値以上の電圧比較手段とを備え、その電圧比較手段を用いたハード的過電流設定値を備え、出力に応じて前記駆動装置からのＰＷＭ信号を遮断し圧縮機を停止させるハード過電流保護手段とソフト過電流保護手段の２種類の過電流保護手段を同時に備える。
【選択図】図６

Description

本発明はモータの駆動装置に関する。

空気調和機に使用される圧縮機用モータには、フェライト系磁石や希土類磁石が採用されている。低コストが求められる場合にフェライト系磁石が採用され高効率が求められる圧縮機用モータには希土類磁石が採用されている。圧縮機用モータの負荷は一様でなく、冷凍サイクルに応じた周波数制御に加え、電源電圧変動などの外的要因により過大な負荷が生じる場合がある。このようなときには、モータ相電流（ステータ電流）に過大な電流が流れ、その過大電流によって発生する磁界により、ロータのフェライト磁石が減磁してしまうことがある。

図１にてフェライト系磁石と希土類系磁石の減磁電流特性の温度依存性を示す。ファライト系磁石は、低温時に減磁が生じやすい特性を示す。また、希土類磁石については、高温時において減磁が生じやすい特性を示すため、高温時において許容されるモータ相電流の上限値が制限される。

空気調和機に使用される圧縮機用モータを制御する制御装置においてＩＰＭ（インテリジェント・パワー・モジュール）や該ＩＰＭを駆動するドライバ回路を用いてインバータを構成し、電動機を駆動している。ＩＰＭは、自己保護機能をもっており圧縮機用モータの磁石が減磁しない電流以下に設定される。過電流検出レベルは、分圧抵抗によって固定値として比較器に入力されている。また、ハード過電流設定値とは別にソフト過電流設定値を設けている。

図２にて過電流設定の概念を説明する。図２は、横軸に駆動時間、縦軸に電流を示している。ａ．領域は、通常の運転上限の電流領域を示している。ｂ．領域、ｃ．領域は、ソフト過電流領域を示している。ｄ．領域は、ハード過電流領域を示している。ｅ．領域は、上記で述べた磁石の減磁領域を示している。短時間に流れる大電流から部品を保護する目的にて設定され、スピードが要求される。ソフト過電流は、運転電流以上の電流の時間的積算による熱的保護を目的として設定されている。積算時間や発生回数によって判定される。

このようにロータの磁石が減磁しないようにインバータの出力電流が減磁電流を超えないよう過電流値を設けている。しかしながら、温度特性を持つ磁石の減磁電流特性に対してインバータ過電流は、一定で設定されている。

従来、ファン用モータの減磁を防止するための手段としてステータに流れる電流が減磁電流を超えない範囲でＰＷＭ通電のデューティ比を設定し、所定の電流制限値温度検出を温度検出手段によって検出される手法も開示されている。

特開２００３−３１９６９０号公報

しかしながら、前記のような従来技術では、温度特性に対して一定の過電流設定値を設定しているため、減磁電流に対して過電流設定値が十分マージンを持っている場合においても、電流ノイズ等にて過電流値を超えてしまう可能性もゼロとは言い切れず、その際は保護機能が働き、インバータの駆動マージンを狭めてしまう課題があり得る。保護機能が働くとリトライ若しくは、停止し、快適な空調環境を維持することができない。

また、前記の減磁を防止するための手段としてステータに流れる電流が減磁電流を超えない範囲でＰＷＭ通電のデューティ比を設定し、所定の電流制限値を超えないようにする手段では、マイクロコンピュータが電流値を検知してデューティ比を減少させるまでにマイクロコンピュータの処理能力に依存する時間だけ遅延が生じてしまうため、電源電圧や負荷の急激な変動により急激に電流が増大した場合にはブラシレスモータの減磁電流を超える電流が流れてしまう可能性がある。

２個のスイッチング素子を順方向に直列接続しその相互接続点をインバータ出力端とするインバータアームを少なくとも３組備えた空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータのステータ巻線に電流を供給するインバータ手段と、前記インバータ手段に流れるＤＣ母線電流を検出し電圧値に変換する電流検出手段と、前記ブラシレスモータを駆動するために前記電流検出手段の出力信号に応じて前記ブラシレスモータへのモータ相電流を演算する相電流演算手段と、前記相電流演算手段の出力に応じ前記ブラシレスモータのロータの磁極位置を推定するロータ磁極位置推定手段と、前記インバータ手段の上アーム及び下アームのそれぞれ少なくとも１相を通電し、通電する相の少なくともいずれかはＰＷＭ通電することによりロータ回転数を調整する制御手段とを備える空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータの駆動装置において、前記ブラシレスモータが搭載される室外機圧縮機、及び付近の温度を検出する温度検出手段と、前記電流検出手段によって得られる前記ブラシレスモータ搭載の室外機温度による減磁電流特性テーブルを備え、且つ前記ブラシレスモータへのモータ相電流を演算する相電流演算手段により、算出されたインバータ出力電流と前記室外機圧縮機の温度を検出する温度検出手段によって閾値電圧を決定するソフト的過電流保護機能と、室外温度により選択される、３値以上の電圧比較手段とを備え、その電圧比較手段を用いたハード的過電流設定値を備え、出力に応じて前記駆動装置からのＰＷＭ信号を遮断し圧縮機を停止させるハード過電流保護手段とソフト過電流保護手段の２種類の過電流保護手段を同時に備えたことを特徴とするモータ駆動装置を目的とする。

本発明は、室外機の温度を検出すること及び搭載圧縮機のモータの温度による減磁特性をテーブルにもち、ハード過電流及びソフト過電流を同時に可変することにより適切な過電流設定値を選択し、各運転条件に応じた過電流設定を可能にする駆動装置である。前記の解決手段は、コストを掛けず、よりインバータの駆動マージンを広げることを実現することができる。

減磁電流の温度特性を説明する図。過電流保護の概念図。従来の実施例における空気調和機の冷凍サイクル図。従来の実施例を説明するインバータ装置のブロック図。本発明の実施例における空気調和機の冷凍サイクル図。本発明の実施例における過電流検出回路のブロック図。

本発明によるインバータ装置の実施例を図３，図４に基づいて説明する。
図３は、一実施の形態による冷凍装置の冷凍サイクル系統図であり、圧縮機１０１，室内熱交換器１０２，室内膨張弁１０４，室外熱交換器１０５，アキュームレータ１０７を順次連結して冷媒を循環させ冷凍サイクルを形成している。そして、室内を冷房する場合、圧縮機１０１で圧縮された冷媒は室外熱交換器１０５で凝縮して液化した後、室内膨張弁１０４で減圧し、室内熱交換器１０２で蒸発して圧縮機１０１に戻る。室内送風機用電動機１０３は室内機１０９の熱交換を促進し、室外送風機用電動機１０６は室外機１０８の熱交換を促進する。

圧縮機１０１は、冷凍サイクルに必要とされる能力に関連して運転周波数を可変制御される電動機１１１により駆動され、運転周波数はインバータ装置２１０により制御される。

冷凍サイクルは、圧縮機１０１の回転数以外に冷媒流量を調整する室内膨脹弁１０４、あるいは室外膨脹弁（図示せず）の開度、室内送風機用電動機１０３及び室外送風機用電動機１０６の回転数，冷房／暖房の運転モードを切り換える四方弁（図示せず）などが制御され、そのための情報として運転モード，温度設定などを行うリモコンによる操作指令信号、各部の温度（圧縮機の吐出ガス温度，外気温度，熱交換器温度，蒸発温度，吸込温度，吹出温度，凍結温度，ガス管温度など）及び圧力（圧縮機の吸入圧力，吐出圧力）を検出した信号などがサイクル制御基板２５０へ入力される。

また、インターフェイス用コネクタ２４０を介してサイクル制御基板２５０から出力されたインバータ要求周波数が入力されると共に、インバータ装置２１０からサイクル制御基板２５０へ運転周波数及び電動機運転電流を出力する。

サイクル制御基板２５０へ入力される検出信号及び指令信号は、インターフェイス用コネクタ２４０を介してマイクロコンピュータ（マイコン）２３１へ入力されることにより、冷凍サイクル制御をインバータ装置２１０にて行い、各種制御機構（室外膨脹弁，室外送風機用電動機１０６，冷房／暖房の運転モードを切り換える四方弁）を制御する。

図４は、従来のインバータ装置のブロック図を示し、能動素子を用いて単相交流電源２５１からの交流電圧を直流にするアクティブコンバータ２２５と、生成された直流を交流に変換して電動機１１１を駆動するインバータ２２１と、アクティブコンバータ２２５に流れる電源電流を検出するシャント抵抗２２５を有する電源電流検出回路２３６と、インバータ２２１に流れる直流電流を検出するシャント抵抗２２４を有する直流電流検出回路２３３と、アクティブコンバータ２２５にて生成された直流電圧を検出する直流電圧検出回路２３８と、アクティブコンバータ２２５とインバータ２２１を制御するマイコン２３１と、インバータパワー半導体をスイッチング動作させるインバータ用ドライバ回路２３２と、アクティブコンバータパワー半導体をスイッチング動作させるアクティブコンバータ用ドライバ回路２３５と、アクティブコンバータ２２５に流れる過大な電源電流を検出する過電流検出回路２３７と、サイクル制御基板２５０との通信をする通信回路２３９と、マイコン２３１及びインバータ用電流検出回路２３３，アクティブコンバータ用電流検出回路２３６，インバータ用ドライバ回路２３２，アクティブコンバータ用ドライバ回路２３５、アクティブコンバータ用過電流検出回路２３６，通信回路２３９とに制御電源を供給する電源回路２３４とが実装されたインバータ制御基板２３０とから構成される。

単相交流電源２５１からの交流電圧はアクティブコンバータ２２５（複数の整流素子２２９がブリッジ結線された回路と、スイッチング素子２２６とファーストリカバリーダイオード２２７を設けた昇圧チョッパ回路で構成され、電源力率を改善し高調波を抑制する機能を有する）にて直流にされ、直流／交流変換器であるインバータ２２１（スイッチング素子２２２が三相ブリッジ結線された電力変換手段）がマイコン２３１で交流周波数として制御され、電動機１１１が駆動される。

アクティブコンバータ２２５において、交流電圧は、複数の整流素子２２９にて整流され、圧縮機１０１に内蔵された電動機１１１を運転または停止する電磁接触器２５３，力率改善用リアクトル２５２，スイッチング素子２２６，ファーストリカバリー素子２２７を介し、平滑コンデンサ２７０に至る。

また、電源投入時などに閉路する電磁接触器２５３が平滑コンデンサ２７０に流れる過大な突入電流で溶着しないよう電磁接触器２５３と並列に突入電流制限抵抗器２５４を設ける。インバータ２２１においては、スイッチング素子２２２がスイッチング時に発生する逆起電力を回生するためにスイッチング素子２２２と併設してフライホイール素子２２３が設けられる。

電動機１１１に供給される電流は、インバータ用シャント抵抗２２４にてインバータパワー半導体に流れる直流電流を検出し、電流検出回路２３３にて電流を増幅してマイクロコンピュータ２３１に取り込まれ、マイクロコンピュータ２３１にて電動機に出力している正弦波交流電流を再現して監視される。

また、単相交流電源２５１からの入力される電流は、アクティブコンバータ用シャント抵抗２２８にて直流電流を検出し、アクティブコンバータ用電流検出回路２３６によって検出された電流はマイクロコンピュータ２３１に取り込まれ、マイクロコンピュータ２３１にて監視される。更に、単相交流電源２５１からの入力される電流は、アクティブコンバータ用シャント抵抗２２８にて直流電流として検出され、アクティブコンバータ用過電流検出回路２３７にて過電流の判定を行い、マイコン２３１にて監視される。

マイコン２３１とスイッチング素子２２２との間にはマイコン２３１からの微弱な信号にてスイッチング素子２２１を駆動できるレベルまで増幅するインバータ用ドライバ回路２３２が設けられる。さらに、マイコン２３１とアクティブ用スイッチング素子２２６との間にはマイコン２３１からの微弱な信号にてスイッチング素子２２６を駆動できるレベルまで増幅するアクティブコンバータ用ドライバ回路２３５が設けられる。

通信回路２３９はサイクル制御基板２５０からの信号が入力されるインターフェイス用コネクタ２４０と、入力された信号をマイコン２３１へ光信号により伝達するフォトカプラ２４１とから構成され、電気的隔離が得られた状態で送受信する。

アクティブコンバータ２２５で生成された直流の一部は、電源回路２３４で高電圧から５Ｖまたは１５Ｖ等の制御電源に調整されて、マイコン２３１及びインバータ用電流検出回路２３３，アクティブコンバータ用電流検出回路２３６，インバータ用ドライバ回路２３２，アクティブコンバータ用ドライバ回路２３５，アクティブコンバータ用過電流検出回路２３７，電圧検出回路２３８，通信回路２４１に供給される。

ＩＰＭ２２１（インテリジェント・パワー・モジュール）は入力された直流を交流に変換し、電動機の運転周波数を可変速で駆動する。またインバータ装置２１０は過電流に対する保護機能と制御電源電圧の低下に対して、インバータ２２１を停止するという保護機能を備えている。各保護機能が作動した時には異常信号をマイコンへ出力し、インバータ２２１を停止させる。インバータはドライバ回路２３２によって制御されているが、ドライバ回路２３２からインバータ２２１へのパルス信号を停止することでインバータ２２１は停止する。

電流検出回路２３６はアクティブコンバータ用シャント抵抗２２８に流れる直流電流を検出し、その電流値は常にマイコンに入力されている。

過電流検出回路２３７はアクティブコンバータ用シャント抵抗とインバータの保護電流と電動機の減磁電流から算出した過電流設定値になるよう分圧抵抗にて基準信号を生成し、比較手段に入力する。アクティブコンバータ用シャント抵抗に流れた電流によって発生した入力信号が基準信号に達した場合に、過電流が流れたと判断し、マイコンへ過電流信号を送信する。過電流信号が送信されるとマイコンは過電流保護機能を作動させインバータ２２１を停止させる。

アクティブコンバータに流れる電流を監視して過電流が流れていないかを見ているが、同様にインバータに流れる電流を監視し過電流が流れていないかを見ることもできる。つまり、シャント抵抗２２４に流れる電流を監視し、過電流が流れていないかを確認することも可能である。シャント抵抗２２４に流れる電流を監視し、シャント抵抗２２４に設定値以上の電流値が流れた場合に、過電流が流れたとすることも可能である。

あるいは、電流検出回路又は過電流検出回路をアクティブコンバータ２２５又はＩＰＭ２２１が内蔵しており、過電流検出を行う構成にすることも可能である。この場合には、過電流を検出した場合には、異常信号をマイコンに送信し、マイコンは保護機能を作動させインバータ２２１を停止させる。

そしてインバータ装置が停止したという異常信号をマイコンへ送信し、マイコンは異常信号を受信したという信号をサイクル制御基板に送信する。サイクル制御基板はインバータ装置が故障しているのかどうかの判断をするため何度かリトライを試みて、所定の回数のリトライを試みても保護機能が作動するようであれば故障であると判断される。

図５は、本発明のサイクル系統図を示す。基本構成は、図３で述べた構成とかわならい。図３との相違点は、圧縮機１０１付近、または、室外機になるべく近い位置にて温度検出手段３０４を儲け、その出力信号をインバータ装置２１０に搭載のマイコンに入力することである。

図６は、本発明のハード過電流検出回路のブロック図を示す。コンバータ又はインバータを流れる過電流を検出する過電流検出手段３０１は電流検出抵抗や電流センサ等があり、電流を電圧に変換するものをいう。入力信号が微小の場合には増幅回路にて増幅して比較手段３０３に入力する。この比較手段は、３つ以上の比較回路を有している。それぞれの比較回路は、異なる基準電圧を有しておりあらかじめ分圧抵抗にて設定される。基準電圧信号の出力は、室外機の温度情報をもとに選択され適したマイコンポートから１つのみから信号が出力される。これにより、適切なハード過電流設定値が設定される。

次に本発明のソフト過電流の設定方法について示す。ハード過電流設定同様に室外機の温度情報とインバータに流れている電流からモータ相電流を演算する相電流演算手段を経て算出される出力電流をもとにあらかじめ温度に応じたソフト過電流レベルのテーブルから適切なソフト過電流設定値を選択する。その際、ハード過電流設定値とソフト過電流設定値の関係は、以下の関係を必ず守っている。
ハード過電流設定値＞ソフト過電流設定値
また、ソフト過電流の判定方法については、室外機の温度情報をもとに時間的範囲と検出回数を同時に可変しても良い。

以上のように、本実施の形態においては、モータの温度減磁特性に応じてハード過電流設定値及びソフト過電流設定値を適切に設定することでインバータ回路への入力信号を遮断することから、応答性の向上を図るとともにインバータの駆動マージンを広げることができる。また、コストをかけることなく前記内容を達成することができる。

１０１圧縮機
１０２室内熱交換器
１０３室内送風機用電動機
１０４室内膨張弁
１０５室外熱交換器
１０６室外送風機用電動機
１０７アキュームレータ
１０８室外機
１０９室内機
１１０空気調和機
１１１圧縮機用電動機
２１０インバータ装置
２２０パワー素子搭載基板
２２１インバータ
２２２インバータ用スイッチング素子
２２３フライホイール素子
２２４インバータ用シャント抵抗
２２５アクティブコンバータ
２２６アクティブコンバータ用スイッチング素子
２２７ファーストリカバリーダイオード
２２８アクティブコンバータ用シャント抵抗
２２９整流素子
２３０インバータ制御基板
２３１マイクロコンピュータ（マイコン）
２３２インバータ用ドライバ回路
２３３インバータ用電流検出回路
２３４電圧検出回路
２３５アクティブコンバータ用ドライバ回路
２３６アクティブコンバータ用電流検出回路
２３７アクティブ用過電流検出回路
２３８電源回路
２３９通信回路
２４０インターフェイス用コネクタ
２４１フォトカプラ
２５０サイクル制御基板
２５１単相交流電源
２５２リアクトル
２５３電磁接触機
２５４電流制限抵抗器
２５５サイクル制御基板
２６０電源入力端子台
２６１電動機出力端子台
２６２ケース
２６３ケースフタ
２６４リードピン
２６５放熱フィン
３０１過電流検出手段
３０２過電流検出レベル作成手段
３０３比較手段
３０４温度検出手段

Claims

２個のスイッチング素子を順方向に直列接続しその相互接続点をインバータ出力端とするインバータアームを少なくとも３組備えた空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータのステータ巻線に電流を供給するインバータ手段と、前記インバータ手段に流れるＤＣ母線電流を検出し電圧値に変換する電流検出手段と、前記ブラシレスモータを駆動するために前記電流検出手段の出力信号に応じて前記ブラシレスモータへのモータ相電流を演算する相電流演算手段と、前記相電流演算手段の出力に応じ前記ブラシレスモータのロータの磁極位置を推定するロータ磁極位置推定手段と、前記インバータ手段の上アーム及び下アームのそれぞれ少なくとも１相を通電し、通電する相の少なくともいずれかはＰＷＭ通電することによりロータ回転数を調整する制御手段とを備える空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータの駆動装置において、前記ブラシレスモータが搭載される室外機圧縮機の温度を検出する温度検出手段と、前記電流検出手段によって得られる前記ブラシレスモータ搭載の室外機温度による減磁電流特性テーブルを備え、且つ前記ブラシレスモータへのモータ相電流を演算する相電流演算手段により、算出されたインバータ出力電流と前記室外機圧縮機の温度を検出する温度検出手段によって閾値電圧を決定するソフト的過電流保護機能と、室外温度により選択される、３値以上の比電圧比較手段とを備え、その電圧比較手段を用いたハード的過電流設定値を備え、出力に応じて前記駆動装置からのＰＷＭ信号を遮断し圧縮機を停止させるハード過電流保護手段とソフト的過電流保護手段の２種類の過電流保護手段を同時に備えたことを特徴とするモータ駆動装置。
前記請求項１によるモータ駆動装置においてハード過電流設定に使用する比較回路を用い、前記比較回路に入力される基準電圧の設定信号は、マイコンより出力されることを特徴とするモータ駆動装置。
前記請求項２にて設定されるハード過電流設定値とを前記請求項１による温度検出手段から出力される信号を検出し、ソフト過電流値も可変され設定されることを特徴とするモータ駆動装置。
前記請求項１にて請求項３の関係が必ずハード過電流設定値＞ソフト過電流設定であることを特徴とするモータ駆動装置。
前記請求項３のソフト過電流の判定方法について、外部温度の信号により判定時間及び検出回数を可変することを特徴とするモータ駆動装置。