JP2013046539A - モータ駆動用インバータ制御回路およびそれを用いた電気掃除機 - Google Patents

Abstract

【課題】商用電源と蓄電池を併用する場合においても、小型で安価な構成の効率の高いインバータ制御回路を提供することを目的とする。
【解決手段】インバータ制御回路は商用電源１を入力とし、交流電圧を整流する全波整流用ダイオードブリッジ３と、全波整流用ダイオードブリッジ３に接続され整流された電圧を昇圧する昇圧回路６と、昇圧回路６の入力側に蓄電池４を有し、商用電源１または蓄電池４のいずれか一方を電源として使用するための切換え手段と、直流電力から交流電力に変換するインバータ９と、インバータ９を制御しＰＷＭ制御またはＰＡＭ制御でモータ１０を駆動する制御手段１２とを備え、制御手段１２は、商用電源１を電源として使用する場合は、ＰＷＭ制御でモータ１０を駆動し、蓄電池４を電源として使用する場合は、ＰＡＭ制御でモータ１０を駆動させる構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、負荷例えばモータを駆動させるために、直流を交流に変換させるインバータ制御回路に関するものである。

従来、この種のインバータ制御回路では例えば、特許文献１のように蓄電池を備えたものがある。図３に示すようにこの種の蓄電式の装置は、負荷としてはモータを備えており、このモータはダイオードで構成されるブリッジ回路を備えたコンバータ部と、インバータ部とを備えた電力変換回路を介して主電源線に接続されている。一方、蓄電池は、上記電力変換回路のコンバータ部とは別に設けられ、ダイオードで構成されるブリッジ回路を備えたコンバータ部を介して商用電源に接続され、使用状況に応じて商用電源と蓄電池を切り換えてモータを駆動している。

特開平６−１３７６５１号公報

しかしながら、前記従来の構成においては、使用状況に応じて蓄電池や商用電源を切り換えたり、蓄電池の充電を効率良く行なうことについては述べられているが、商用電源を使用する場合と、蓄電池を使用する場合において、回路効率を向上させるためのインバータの制御方法については言及されていない。

また、蓄電池を電源としてモータを駆動する場合に商用電源と同等の電源電圧を得ようとすると、バッテリーが大きくなったり、バッテリーのコスト増につながるという課題を有していた。

また、バッテリーの容量を小さくした場合は、バッテリーの電圧を昇圧して交流電源と同等の電圧にすることは可能であるが、昇圧する電圧値が大きく、昇圧回路部の損失が大きくなり、回路効率が低下するという課題を有していた。

本願発明は、前記従来の課題を解決するもので、蓄電池を電源としてモータを駆動する場合においても、蓄電池の容量を大きくすることなく、回路効率を高めることができるインバータ制御回路を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のインバータ制御回路は商用電源を入力とし、交流電圧を整流する全波整流回路と、全波整流回路に接続され整流された電圧を平滑、昇圧する昇圧回路と、昇圧回路の入力側に蓄電池を有し、商用電源または蓄電池のいずれか一方を電源として使用するための切換え手段と、複数個のスイッチング素子を有し直流電力から交流電力に変換するインバータと、インバータを制御しＰＷＭ制御またはＰＡＭ制御でモータを駆動する制御手段とを備え、制御手段は、商用電源を電源として使用する場合は、ＰＷＭ制御でモータを駆動し、蓄電池を電源として使用する場合は、ＰＡＭ制御でモータを駆動する構成とした。

これにより蓄電池を使用してモータを駆動する場合においても蓄電池の容量を大きくす
ることなく、回路効率を高めることができ、また蓄電池の小型化も図ることができる。

本発明のインバータ制御回路は、商用電源または、蓄電池を電源としてモータを駆動することができ、蓄電池の容量を大きくすることなく、蓄電池を使用する場合においても回路効率の良い、高効率のモータ駆動用インバータ制御回路を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態におけるインバータ制御回路の回路構成図 同、インバータ制御回路の商用電源と蓄電池を切り換えるための回路構成図 従来の蓄電池を備えたインバータ制御回路の構成図

第１の発明は、商用電源を入力とし、交流電圧を整流する全波整流回路と、前記全波整流回路に接続され整流された電圧を平滑、昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路の入力側に蓄電池を有し、前記商用電源または前記蓄電池のいずれか一方を電源として使用するための切換え手段と、複数個のスイッチング素子を有し直流電力から交流電力に変換するインバータと、前記インバータを制御しＰＷＭ制御またはＰＡＭ制御でモータを駆動する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記商用電源を電源として使用する場合は、ＰＷＭ制御でモータを駆動し、前記蓄電池を電源として使用する場合は、ＰＡＭ制御でモータを駆動することを特徴としている。これにより、蓄電池の容量を大きくすることなく、蓄電池を使用する場合においても回路効率の良い、高効率のモータ駆動用インバータ制御回路を実現することが可能となる。

第２の発明は、電気掃除機のファンモータの駆動回路が、請求項１記載のインバータ制御回路により構成されたことを特徴としている。これにより、小型で効率の良い電気掃除機を提供することが可能となる。

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。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、モータ駆動用インバータ制御回路を例とした本実施の形態１の主要回路構成を示すものであり、電力変換回路、インバータ回路を示す。商用電源１より与えられる交流電力は、リレー２がオンしている場合は、全波整流用ダイオードブリッジ３で直流に交換される。４は蓄電池であり、５は蓄電池４を使用する際に商用電源１と蓄電池４を切り換えるリレー５である。商用電源１を使用する場合は、リレー２をオンし、リレー５をオフしておき、蓄電池を使用する場合は、リレー５をオンし、リレー２をオフにして使用する。

６は昇圧回路であり、７は直流電圧検出部である。８は平滑用の電解コンデンサである。直流電力は、スイッチング素子および、それに並列に接続されたダイオードにより構成されるインバータ９の上アーム側のスイッチング回路と、下アーム側のスイッチング回路による直列回路を３相分有し、これら直列回路における上アームと下アームの相互接続点が、負荷であるモータ１０に接続された回路に供給される。

制御手段１２は、モータ１０が所望の回転数で回転するような交流電力を回路が出力するように、インバータ９のスイッチング素子のスイッチングを制御する。また、磁極検知用の位置センサ１１を設置し、位置センサ１１からの信号を基に、制御手段１２から駆動信号を発生させている。また、制御手段１２は、昇圧回路６により所望の直流電圧値とな
るように、スイッチング素子６ｂのスイッチングを制御している。

以上のように構成されたモータ駆動装置において、以下その動作、作用を説明する。まずリレー２がオン、リレー５がオフの時の状態で商用電源１を使用する場合について説明する。商用電源１から供給される交流電力を全波整流用ダイオードブリッジ３は全波整流して昇圧回路６に直流電圧を入力している。

昇圧回路６はインダクタンス６ａと、スイッチング素子６ｂ、ダイオード６ｃを備えており、スイッチング素子６ｂをオンすることにより、インダクタンス６ａの出力側の電路を短絡してインダクタンス６ａに直流電流を流し、エネルギーをインダクタンス６ａに蓄えた後、スイッチング素子６ｂをオフすることで、インダクタンス６ａに発生した電圧を入力直流電圧に加算して平滑用電解コンデンサ８に充電させ、入力直流電圧を昇圧している。

制御手段１２は直流電圧検出部７で検出した直流電圧検出信号Ｓ２が所定の値となるように、スイッチング素子６ｂをスイッチング信号Ｓ１により制御する。インバータ９は、昇圧回路６から供給される直流電圧をパルス幅変調することにより、任意の周波数の交流に変換し、モータ１０に供給される。

モータ１０はインバータ９から供給された交流電力の周波数及び電流に応じて任意の回転数及びトルクで回転しファン等の負荷を駆動する。また、制御手段１２は、磁極検知用の位置センサ１１から得られる回転信号Ｓ３によりモータ１０の回転速度を検出し、所定の回転速度となるようにインバータ９のスイッチング素子に対して駆動信号Ｓ４を出力する。このインバータ駆動信号Ｓ４は、インバータ９のスイッチング素子をオンオフする信号で、パルス幅変調信号により変調されており、この変調度によりインバータ９の出力電圧または、出力電流を制御する（ＰＷＭ制御）。

次にリレー２がオフ、リレー５がオンの時の状態で蓄電池４を使用する場合について説明する。蓄電池４を使用する場合においても商用電源１と同様に昇圧回路６により直流の電圧を昇圧するが、インバータ９のスイッチング素子のオンとオフの時間比を一定とし、昇圧回路６で直流電圧の大きさを制御することでモータ１０の速度制御を行なうようにする（ＰＡＭ制御）。

これにより、インバータ９のスイッチング素子のスイッチング損失がＰＷＭ制御に比べて低減させることが可能となる。例えばＰＷＭ制御の場合は、商用電源に１００Ｖａｃを使用し、昇圧する直流電圧値を１５０Ｖｄｃとしてモータを駆動する場合、商用電源の場合は昇圧する値も小さく、昇圧回路のスイッチング素子やダイオードなどの損失も小さいが、蓄電池を使用し３０Ｖｄｃなど比較的小容量の蓄電池を使用する場合は、直流電圧値を１５０Ｖｄｃに昇圧しなければならなくなり、昇圧回路の損失も大きくなってしまう。

そこで蓄電池の場合にＰＡＭ制御を行なうことで、インバータのスイッチング損失を低減して、回路全体の効率を落とすことなくモータを駆動することが可能となる。また大容量の電池を使用することなく、また小容量の電池を使用した場合も回路効率を落とすことなく使用できるため、小型化、低コストが実現でき、小容量の蓄電池でもモータを駆動させる時間を長くすることが可能となる。

次に、図２において電気掃除機に本実施の形態のモータ駆動用インバータ制御回路が搭載された場合の商用電源１と蓄電池４を切り換える動作を説明する。１３は電気掃除機を運転するための運転スイッチであり、１４は商用電源１か蓄電池４のどちらを使用するかを設定する切り替えスイッチである。利用者が商用電源１を使用して電気掃除機を運転す
る場合は、切り換えスイッチ１４で商用電源を設定する。制御手段１２はリレー２をオンし、リレー５をオフする。そして、運転スイッチ１３をオンして電気掃除機を運転する。蓄電池４を使用する場合も同様に、切り換えスイッチ１４と運転スイッチ１３を使用して、電気掃除機を運転する。

尚、本実施の形態では商用電源１と蓄電池４を使用する際に利用者がスイッチを押して電源の切り換えを行なっているが、入力電圧を検出して電気掃除機が商用電源につながれているかどうかを判断し、つながっている場合は商用電源で電気掃除機の運転を行い、つながっていない場合は蓄電池で電気掃除機を運転するようにして、切り換えスイッチを削除しても良い。

尚、商用電源と蓄電池を切り換える手段としてリレーを用いたが、ＦＥＴ等の損失の低い半導体素子を用いても良いものである。

以上のように、本発明にかかるモータ駆動用インバータ制御回路は、商用電源と蓄電池を併用する場合のインバータ制御回路に用いられ、低コスト化、小型化、高効率の特徴が必要なインバータ制御回路について有用である。

１ 商用電源
２ リレー
３ 全波整流用ダイオードブリッジ
４ 蓄電池
５ リレー
６ 昇圧回路
７ 直流電圧検出部
８ 平滑用電解コンデンサ
９ インバータ
１０ モータ
１１ 位置センサ
１２ 制御手段

Claims (2)

1. 商用電源を入力とし、交流電圧を整流する全波整流回路と、前記全波整流回路に接続され整流された電圧を平滑、昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路の入力側に蓄電池を有し、前記商用電源または前記蓄電池のいずれか一方を電源として使用するための切換え手段と、複数個のスイッチング素子を有し直流電力から交流電力に変換するインバータと、前記インバータを制御しＰＷＭ制御またはＰＡＭ制御でモータを駆動する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記商用電源を電源として使用する場合は、ＰＷＭ制御でモータを駆動し、前記蓄電池を電源として使用する場合は、ＰＡＭ制御でモータを駆動することを特徴とするモータ駆動用インバータ制御回路。
2. モータを駆動する制御回路が請求項１記載のインバータ制御回路により構成されたことを特徴とする電気掃除機。