JP2013198231A - 電動機駆動装置及び電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータの動作中にインバータに印加される直流電圧が変動しないようにし、モータの回転速度に応じて前記直流電圧を可変させる空気調和機の電動機駆動装置及び電力変換器を提供する。
【解決手段】交流入力電源３に接続された整流回路・平滑回路５により、モータ９に電力を供給する電源構成において、交流入力電源３と整流回路・平滑回路５との間に直列に第１、第２の交流リアクタ１３、１５を介在させ、第２の交流リアクタ１５に並列に切替手段１７を接続する。目標回転速度設定手段２１ｂは、室温と設定温度との温度差大を取得し、温度差大に対応する目標回転速度設定値をテーブル２２から求め、リアクタンス可変手段２１ｃは、インバータ７の停止中において、目標回転速度設定値に基づいて切替手段１７をＯＮさせ、インバータ７に印加される直流電圧Ｖｃを高くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機の電動機駆動装置及び電力変換器に関する。

従来の空気調和機は、商用交流電源に接続された整流回路、平滑回路、インバータ、モータ、及びコンプレッサ等で構成されている。この様な構成では、インバータに印加される直流電圧は一定であり、変えることができない。つまり、従来の直流電源（整流回路、平滑回路）は、その直流電圧が一定であるため、負荷が軽く、低い直流電圧で足りる場合でも高い直流電圧がインバータに印加され、インバータのスイッチング素子で不必要なロスが生じていた。したがって、インバータは負荷に応じた最適な効率でモータを駆動制御することはできない。

このような不具合を解消するための方法として、例えば、特許文献１に記載の電源装置は、切替手段により、商用交流電源と整流回路との間に直列に接続された交流リアクタのリアクタンス値を可変可能な技術を開示している。この技術によれば、負荷が軽いときは、商用交流電源と整流回路との間に２個の交流リアクタを接続してリアクタンス値を増加させ、インバータに印加される直流電圧を降下させる。一方、負荷が重いときは、商用交流電源と整流回路との間の交流リアクタを１個にしてリアクタンス値を減少させ、インバータに印加される直流電圧を上昇させている。
このように、前記特許文献１に記載の電源装置は、交流リアクタのリアクタンス値を切り替えることにより、インバータに印加される直流電圧を上昇又は降下させ、インバータによるモータの駆動制御の最適化を行っている。

特開２００５−２９５７５９号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載の電源装置は、電源を投入し、電源立ち上り期間、所定の安定運転を経た後、インバータの動作中に、リアクタンス値を可変させるために、交流リアクタの１個又は２個の個数の切り替えを瞬間的に行なっている。そのため、交流リアクタのリアクタンス値は急激に増加または減少する。前記交流リアクタのリアクタンス値の急激な増加または減少は、インバータに印加される直流電圧を大きく過渡的に変化させる。このため、インバータの出力パルス波形は過渡的に変化し、インバータに駆動制御されるモータの動作は不安定になる。また、同時に、インバータを構成する電子部品は過度な電気的負荷を受けるため、これらの電子部品が劣化する要因となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、インバータの動作中にインバータに印加される直流電圧が過渡的に変化しないようにして、インバータに駆動制御されるモータの出力に応じてインバータに印加される直流電圧を可変させることができる空気調和機の電動機駆動装置及び電力変換器を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明に係わる空気調和機の電動機駆動装置及び電力変換器は以下のように構成した。すなわち、本発明に係わる空気調和機の電力変換器は、交流入力電源（３）に接続される整流回路（５）、平滑回路（５）、インバータ（７）、及びこのインバータ（７）を制御する制御部（２１）を備える電力変換器（６）であって、 前記交流入力電源と前記整流回路との間に直列に介在された交流リアクタ（１３及び１５）を備え、前記制御部は、前記インバータを停止させたときに、前記インバータの出力電力を制御する目標設定値が大きいときに、前記交流リアクタのリアクタンスを低下させ、前記目標設定値が小さいときに前記リアクタンスを大きくさせることを特徴とする。
また、本発明に係わる空気調和機の電動機駆動装置は、前記電力変換器（６）と電動機（９）とを備え、前記インバータ（７）の出力電力を制御する前記目標設定値は、前記電動機（９）の出力、回転速度、及びトルクの何れかを制御する目標設定値であることを特徴とする。 但し、（ ）内の符号は例示である。

本発明によれば、電力変換器は、インバータの停止中において、インバータに駆動される電動機を制御する目標設定値に応じて、交流リアクタのリアクタンスを変化させて、インバータに印加される直流電圧を可変させている。その後、インバータは起動される。そのため、インバータの動作中にインバータに印加される直流電圧は過渡的に変化しない。したがって、本発明の電力変換器は、インバータに駆動制御される電動機に入力されるインバータの出力を不安定にすることなく、インバータによる電動機の駆動制御の最適化を実現することができる。
また、本発明の電動機駆動装置は、前記電力変換器により駆動制御される電動機の動作を不安定にすることなく、電動機を安定して高効率に駆動することができる。

本発明の第１実施形態に係る空気調和機の電動機駆動装置及び電力変換器の概略的な回路図である。 図１に示す目標回転速度設定手段が保持する室温と設定温度との温度差に対する目標回転速度設定値のテーブルを示す図である。 本発明の第２実施形態に係る空気調和機の電動機駆動装置及び電力変換器の要部を示す回路図である。 図３に示す目標回転速度設定手段が保持する室温と設定温度との温度差に対する目標回転速度設定値のテーブルを示す図である。

《本実施形態の概要》
本発明の実施形態に係る空気調和機の電動機駆動装置及び電力変換器は、空気調和機に使用されるコンプレッサを駆動するためのモータを駆動制御するインバータに供給される直流電力の供給源において、交流入力電源（例えば、商用電源）と整流回路との間に直列に接続される複数個（例えば、２個）の単位交流リアクタを切り替え手段により段階的に短絡／開放することにより、交流リアクタのリアクタンス値を変え、インバータに印加される直流電圧を複数段階（例えば２段階）に可変設定するように構成されている。このとき、単位交流リアクタの段階的な短絡／開放は、インバータの停止中において、空気調和機が設置された部屋の室温とあらかじめ設定温度との温度差に対応したモータの目標回転速度設定値に基づいて行われ、インバータに印加される直流電圧は複数段階（例えば、２段階）の直流電圧に切り替えられる。この結果、インバータに駆動制御されるモータを安定的かつ高効率に動作させて消費電力の低減化を図ることが可能となる。

具体的には、空気調和機が設置された部屋の室温とあらかじめ設定温度との温度差が所定値より小さくて、指示される前記温度差に対応したモータの目標回転速度設定値が小さい場合、交流リアクタは、インバータの停止中に、切り替え手段により開放状態にされ、２個の単位交流リアクタは直列に接続される。この２個の単位交流リアクタの合計リアクタンス値は大きくなり、インバータに印加される直流電圧は電圧降下によって低下する。これにより、インバータは、インバータのスイッチング素子のロスが軽減され、低速で回転駆動させるモータを高効率で動作させることが可能となる。

一方、空気調和機が設置された部屋の室温とあらかじめ設定温度との温度差が所定値より大きくて、指示される前記温度差に対応したモータの目標回転速度設定値が大きい場合、２個の単位交流リアクタのうち、１個の単位交流リアクタは、インバータの停止中に、切り替え手段により、短絡状態にされ、残り１個の単位交流リアクタのみとなる。そのリアクタンス値は低下し、電圧降下が小さくなり、インバータに印加される直流電圧は上昇する。これによって、インバータは高速で回転するモータを出力に合わせて高効率で動作させることが可能となる。

これらの動作において、単位交流リアクタの直列個数の切り替えによる直流電圧の複数段階（例えば、２段階）の切り替えは、インバータの停止中において行われる。したがって、インバータの動作中における単位交流リアクタの切り替えに伴うインバータに印加される直流電圧の大きな過渡的な変化は回避されるので、インバータに駆動制御されるモータは安定的に動作することができる。また、インバータを構成する電子部品に過度の電気的負荷が加わらないため、これらの電子部品の品質は良好に維持される。

以下、本発明に係わる空気調和機の電動機駆動装置及び電力変換器について、図面を参照しながら幾つかの実施形態を詳細に説明する。なお、各実施形態を説明するための全図において、同一の要素は原則として同一の符号を付し、繰り返し説明は省略する。

《第１実施形態》
〈電動機駆動装置および電力変換器の構成〉
図1は、本発明の第１実施形態に係る空気調和機１の概略的な回路図である。図１を参照しながら、第１実施形態の空気調和機の構成について簡単に説明する。図１に示すように、空気調和機1は電動機駆動装置２とコンプレッサ１１とで構成されて、電動機駆動装置２は、交流入力電源３に接続されている。
電動機駆動装置２は、電力変換器６と交流モータ（電動機）９とで構成されている。
電力変換器６は、交流入力電源３に接続される直流電源部４、インバータ７、及びモータ９を制御するマイコン（制御部）２１を備えて構成されている。
直流電源部４は 交流入力電源３、インバータ７，及びマイコン（制御部）２１に接続され、交流入力電源３からの交流電圧を直流電圧に変換しインバータ７に印加する。
インバータ７は、直流電源部４、モータ９を制御するマイコン（制御部）２１、及び負荷側のモータ９に電気的に接続されている。
モータ９は、マイコン（制御部）２１からのＰＷＭ制御信号に従いインバータ７により駆動される。そして、モータ９はコンプレッサ１１と回転可能に機械的に接続されている。

直流電源部４、インバータ７、及びマイコン（制御部）２１の構成についてさらに詳しく説明する。
直流電源部４は、交流リアクタ（第１の交流リアクタ１３と第２の交流リアクタ１５）と整流回路・平滑回路５とを備えて構成されている。
直流電源部４は、商用電源などの交流入力電源３と整流回路・平滑回路５との間に、２個の単位交流リアクタとして第１の交流リアクタ１３と第２の交流リアクタ１５とが直列に接続され、かつ、第２の交流リアクタ１５には切替手段１７が並列に接続されている。
切替手段１７は、後述するマイコン（制御部）２１のリアクタンス可変手段２１ｃからのＯＮ／ＯＦＦ信号により短絡（ＯＮ）／開放（ＯＦＦ）する。切替手段１７が短絡の場合は、第１の交流リアクタ１３のみをリアクタとして機能させ、一方、切替手段１７が開放の場合は、第１の交流リアクタ１３と第２の交流リアクタ１５とを直列接続された交流リアクタとして機能させる。
また、整流回路・平滑回路５は、交流入力電源３からの交流電圧を全波整流するためのダイオードブリッジ５ａと、ダイオードブリッジ５ａの接点Ａに直列に一端が接続された直流リアクタ５ｂと、この直流リアクタ５ｂの他端（接点Ｂ）とダイオードブリッジ５ａの接点Ｃとに並列に接続され、該ダイオードブリッジ５ａで全波整流された直流電圧を平滑するためのコンデンサ５ｃとを備えて構成されている。

なお、直流リアクタ５ｂとコンデンサ５ｃとによって逆Ｌ１段の理想的な平滑回路が構成されると共に、直流リアクタ５ｂは、インバータ７のＰＷＭ制御によって発生するスパイク電圧が第１の交流リアクタ１３及び第２の交流リアクタ１５に印加されるのを防止する機能を有している。また、第１の交流リアクタ１３、第２の交流リアクタ１５、及び直流リアクタ５ｂは、交流入力電源３からコンデンサ５ｃに流れる突入電流を制限する機能も有している。
また、図１に破線で示した抵抗５ｄがコンデンサ５ｃに平行に接続されても良い。抵抗５ｄは、インバータ７が停止したときに、インバータに印加される直流電圧が上昇するのを制限する機能を有している。

さらに、インバータ７は、整流回路・平滑回路５の出力側においてコンデンサ５ｃに並列に接続されている。このインバータ７は、三相インバータであって、整流回路・平滑回路５のコンデンサ５ｃが供給する直流電力を駆動源とし、インバータ制御手段２１ｄのＰＷＭ制御部２３から入力されるＰＷＭ制御信号、例えば、キャリア周波数が１０ｋＨｚ（つまり、デューティサイクルが１００μｓ）で制御される矩形波電圧を生成して、三相の交流モータ（モータ）９に電力Ｐを供給している。これによって、インバータ７はモータ９の駆動を行う。なお、インバータ７は単相インバータであってもよいが、その場合にはモータ９は単相モータとなる。

マイコン（制御部）２１は、温度差情報取得手段２１ａと、目標回転速度設定手段２１ｂと、リアクタンス可変手段２１ｃと、及びインバータ制御手段２１ｄとを備えて構成されている。

温度差情報取得手段２１ａは、空気調和機１が設置された部屋の温度（すなわち、室温）を検知する室温センサ１９から取得された室温と、あらかじめ設定されている空気調和機１の設定温度との温度差を算出する機能を有している。
目標回転速度設定手段２１ｂは、温度差情報取得手段２１ａから取得した室温と空気調和機の設定温度との温度差の情報に対応したモータ９の目標回転速度を設定し、目標回転速度の設定値をインバータ制御手段２１ｄに指示する機能を有している。そのため、目標回転速度設定手段２１ｂは、室温と設定温度との温度差の値と、モータ９の目標回転速度の設定値とを対応付けたテーブル２２（図２参照）を備えている。
さらに、目標回転速度設定手段２１ｂは、インバータ制御手段２１ｄにインバータ停止を指示する機能も有している。このインバータ停止の指示は、切換手段１７のＯＮ／ＯＦＦ状態を変更するとき行われ、後述するリアクタンス可変手段２１ｃが切替手段１７にＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する前に行われる。目標回転速度設定手段２１ｂは、切替手段１７のＯＮ／ＯＦＦ動作が完了した後、インバータ制御手段２１ｄにインバータ駆動を指示する。

リアクタンス可変手段２１ｃは、インバータ７が停止状態のときに、目標回転速度設定手段２１ｂから取得した目標回転速度設定値に対応した切替手段１７のＯＮ／ＯＦＦ状態に基づきＯＮ／ＯＦＦ信号を切替手段１７に出力し、切替手段１７をＯＮ（短絡）／ＯＦＦ（開放）させ、直流電源部４の交流リアクタのリアクタンス値を切り替える（可変にする）機能を有している。

インバータ制御手段２１ｄは、目標回転速度設定手段２１ｂから取得した目標回転速度設定値に基づき、目標回転速度設定値と、モータ９に取り付けられた位置センサ２４から回転速度検出手段２５を介して検出されたモータ９の回転速度とを比較しながらＰＷＭ制御部２３からのＰＷＭ制御信号によりインバータ７を駆動制御し、モータ９の回転制御を行う。
また、インバータ制御手段２１ｄは、インバータ７の動作中に目標回転速度設定手段２１ｂからインバータ停止指示を取得した場合は、インバータ７の動作を停止させる。インバータ制御手段２１ｄは、リアクタンス可変手段２１ｃによる切替手段１７のＯＮ／ＯＦＦ動作が完了した後、目標回転速度設定手段２１ｂのインバータ駆動指示により、取得した目標回転速度設定値に基づいてインバータ７を駆動制御して、モータ９の回転制御を再開する。

次に、目標回転速度設定手段２１ｂが保持する室温と設定温度との温度差に対する目標回転速度設定値の対応を示すテーブル２２について説明する。図２は、室温と設定温度との温度差に対する目標回転速度設定値のテーブルを示す図である。

図２に示されるテーブル２２は、温度差（｜室温−設定温度｜）と、目標回転速度設定値と、切替手段ＯＮ／ＯＦＦ状態とを示している。
温度差（｜室温−設定温度｜）の欄は、空気調和機１が設置されている部屋の温度とあらかじめ設定された空気調和機１の設定温度との温度差の絶対値を示している。図２のテーブル２２の温度差（｜室温−設定温度｜）の値は段階的に区分（図２では ΔＴ１、ΔＴ２、・・・、ΔＴｎのｎ個の区分）され、区分された温度差（｜室温−設定温度｜）の値に対して目標回転速度設定値と切替手段ＯＮ／ＯＦＦ状態とが対応するように記載されている。なお、このテーブル２２は、上段の項から下段の項に行くに従って温度差の値が大きくなっている。すなわち、温度差（｜室温−設定温度｜）の値は、ΔＴ１＜ΔＴ２＜・・・＜ΔＴｎとなっている。

目標回転速度設定値の欄は、目標回転速度設定手段２１ｂからインバータ制御手段２１ｄに指示される室温と設定温度との温度差の値に対応した目標回転速度設定値を示している。目標回転速度設定値は、例えば、温度差が大きいときに設定値が大きくなるように対応付けられている。すなわち、目標回転速度設定値は、ω１＜ω２＜・・・＜ωｎとなっている。つまり、室温と設定温度との温度差が大きくなると、コンプレッサ１１は駆動するモータ９の回転速度を速くする必要がある。そのため、図２のテーブル２２は、温度差が大きいときに、モータ９の回転速度を制御するインバータ制御手段２１ｄに指示される目標回転速度設定値が大きくなるように設定されている。

切替手段ＯＮ／ＯＦＦ状態の欄は、目標回転速度設定値に対応した切替手段１７のＯＮ／ＯＦＦ状態を示している。切替手段ＯＮ／ＯＦＦ状態は、温度差が所定値Ｔｃより小さい場合はＯＦＦ状態であり、所定値Ｔｃより大きい場合はＯＮ状態である。なお、所定値Ｔｃ（図２参照）は、例えば、インバータ７に駆動制御されるモータ９の電力効率と回転速度の関係等によりあらかじめ決められている値である。
つまり、温度差が所定値Ｔｃより小さい場合（例えば、ΔＴ１、ΔＴ２、ΔＴ３）は、温度差に対応する目標回転速度設定値（例えば、ω１、ω２、ω３）は小さくなり、切替手段ＯＮ／ＯＦＦ状態はＯＦＦ状態となる。インバータ７に印加される直流電圧Ｖｃは、前述したように、切替手段１７のＯＦＦ動作により、低下する。また、モータ９の出力（機械的出力）は、回転速度に比例し、インバータ７の出力電力Ｐ（電気的出力）と略等しい。そのため、温度差が小さく、モータ９の回転速度が遅いときには、インバータ７の出力電力Ｐは少なくなり、インバータ７は、印加される直流電圧Ｖｃの低下により、スイッチングロスを低減させることが可能となる。

一方、温度差が所定値Ｔｃより大きい場合（例えば、ΔＴ４、ΔＴ５、ΔＴ６、・・・、ΔＴｎ）は、温度差に対応する目標回転速度設定値（例えば、ω４、ω５、ω６、・・・、ωｎ）は大きくなり、切替手段ＯＮ／ＯＦＦ状態はＯＮ状態となる。インバータ７に印加される直流電圧Ｖｃは、前述したように、切替手段１７のＯＮ動作により、上昇する。また、温度差が大きく、モータ９の回転速度が速いときには、インバータ７の出力電力Ｐは大きくなる。そのため、インバータ７は、印加される直流電圧Ｖｃの上昇により、モータ９の大きい出力に応じた効率的な駆動制御が可能となる。

目標回転速度設定手段２１ｂは、温度差と、目標回転速度設定値と、切替手段ＯＮ／ＯＦＦ状態とを対応付けたテーブル２２を保持し、インバータ７は、このテーブル２２を介在させ、温度差に対応した目標回転速度設定値と目標回転速度設定値に対応付けられた切替手段１７のＯＮ／ＯＦＦ動作に伴う直流電圧Ｖｃの切り替えとにより、モータ９を最適な効率で駆動制御することが可能となる。

〈電動機駆動装置及び電力変換回路の動作〉
次に、図１を参照して本実施形態に係る空気調和機１の電動機駆動装置２及び電力変換回路６の動作について説明する。

最初に、室温と設定温度との温度差が所定値Ｔｃより大きい場合の空気調和機１の起動動作を説明する。この起動には、例えば、厳寒の季節又は猛暑の季節で室温と設定温度との温度差はΔＴ６であり、空気調和機１のインバータ７は停止しているものとする。
リモコン２０の操作を介して、空気調和機１の運転操作を開始すると、温度差情報取得手段２１ａは 空気調和機１が設置された部屋の室温を検知する室温センサ１９から取得された室温と、リモコン２０を介して、あらかじめ設定されている空気調和機１の設定温度との温度差を算出する。
次に、目標回転速度設定手段２１ｂは、温度差情報取得手段２１ａから取得した室温と設定温度との温度差に対応する目標回転速度設定値と切替手段ＯＮ／ＯＦＦ状態をテーブル２２（図２参照）から取得する。このとき、目標回転速度の設定値は、温度差ΔＴ６に対応した目標回転速度設定値ω６となる。温度差ΔＴ６は 所定値Ｔｃより大きいため、目標回転速度設定値ω６に対応した切替手段ＯＮ／ＯＦＦ状態はＯＮ状態となる。次に、目標回転速度設定手段２１ｂは、取得した目標回転速度設定値ω６をインバータ制御手段２１ｄに指示する。さらに、インバータ７はまだ停止状態にあるので、目標回転速度設定手段２１ｂは、リアクタンス可変手段２１ｃにより切替手段１７のＯＮ／ＯＦＦ状態をＯＮ状態にした後、インバータ制御手段２１ｄにインバータ駆動指示を出力する。

リアクタンス可変手段２１ｃは、インバータ７の停止中に、目標回転速度設定手段２１ｂから取得した切替手段１７のＯＮ／ＯＦＦ情報（この場合はＯＮ情報）に基づき、切替手段１７にＯＮ信号を出力する。その結果、切替手段１７はＯＮ状態となり、第２の交流リアクタ１５は短絡する。そのため、交流入力電源３と整流回路・平滑回路５との間に直列に接続された交流リアクタは第１の交流リアクタ１３のみが介在する。つまり、交流入力電源３と整流回路・平滑回路５との間のリアクタンス値は低下する。これにより、交流入力電源３と整流回路・平滑回路５との間の交流リアクタによる電圧降下が小さくなり、インバータ７に印加される直流電圧Ｖｃは上昇する。
インバータ制御手段２１ｄは、目標回転速度設定手段２１ｂから目標回転速度設定値ω６を取得し、リアクタンス可変手段２１ｃによる切替手段１７のＯＮ／ＯＦＦ動作に伴う交流リアクタの切り替えが完了した後、目標回転速度設定手段２１ｂからのインバータ駆動指示により、目標回転速度の設定値ω６に基づきインバータ７を駆動制御して、モータ９を起動する。このとき、インバータ７の停止中に、切替手段１７により交流リアクタの切り替えが行われるため、インバータ７の動作中での交流リアクタの切り替えに起因した不具合は回避される。そのため、インバータ７に印加される直流電圧Ｖｃの上昇により、インバータ７は、速い回転速度の出力に応じた最適な効率でモータ９を安定して駆動制御することが可能となる。

次に、室温と設定温度との温度差が所定値Ｔｃより小さい場合の空気調和機１の起動動作を説明する。この起動には、例えば、春又は秋の季節で室温と設定温度との温度差はΔＴ1であり、インバータ７は停止しているものとする。
空気調和機１の運転操作を開始すると、温度差情報取得手段２１ａは、同様に、室温センサ１９から取得された室温と、あらかじめ設定されている設定温度との温度差を算出する。次に、目標回転速度設定手段２１ｂは、温度差情報取得手段２１ａから取得した室温と設定温度との温度差に対応する目標回転速度の設定値と切替手段１７のＯＮ／ＯＦＦ状態をテーブル２２（図２参照）から取得する。このとき、目標回転速度の設定値は温度差ΔＴ１に対応した目標回転速度設定値ω１となる。温度差ΔＴ１は、所定値Ｔｃより小さいため、目標回転速度設定値ω１に対応した切替手段ＯＮ／ＯＦＦ状態はＯＦＦ状態となる。
次に、目標回転速度設定手段２１ｂは、取得した目標回転速度設定値ω１をインバータ制御手段２１ｄに指示する。さらに、インバータ７はまだ停止状態にあるので、目標回転速度設定手段２１ｂは、リアクタンス可変手段２１ｃにより切替手段１７のＯＮ／ＯＦＦ状態をＯＦＦ状態にした後、インバータ制御手段２１ｄにインバータ駆動指示を出力する。

リアクタンス可変手段２１ｃは、インバータ７の停止中に、目標回転速度設定手段２１ｂから取得した切替手段１７のＯＮ／ＯＦＦ情報（この場合はＯＦＦ情報）に基づき、切替手段１７にＯＦＦ信号を出力する（あるいは、ＯＮ信号を停止する）。その結果、切替手段１７はＯＦＦ状態となる。これによって、第２の交流リアクタ１５の短絡回路は開放し、交流入力電源３と整流回路・平滑回路５との間に直列に接続された第１の交流リアクタ１３と第２の交流リアクタ１５の２個の単位交流リアクタンスが介在する。つまり、交流入力電源３と整流回路・平滑回路５との直列回路の間のリアクタンス値は大きくなる。その結果、交流入力電源３と整流回路・平滑回路５との間の交流リアクタによる電圧降下は大きくなり、インバータ７に印加される直流電圧Ｖｃは低下する。
インバータ制御手段２１ｄは、目標回転速度設定手段２１ｂから目標回転速度設定値ω１を取得し、リアクタンス可変手段２１ｃによる切替手段１７のＯＮ／ＯＦＦ動作に伴う交流リアクタの切り替えが完了した後、目標回転速度設定手段２１ｂのインバータ駆動指示により、目標回転速度の設定値ω１に基づき、インバータ７を駆動制御して、モータ９を起動する。このとき、インバータ７の停止中に、切替手段１７により交流リアクタの切り替えが行われるため、インバータの動作中の交流リアクタの切り替えに起因した不具合も回避される。そのため、インバータ７に印加される直流電圧Ｖｃの低下により、インバータ７はスイッチングロスを低減させることができる。そして、インバータ７は、遅い回転速度の低い出力に応じた最適な効率でモータ９を安定して駆動制御することが可能となる。

次に、本実施形態に係わる空気調和機１の電動機駆動装置２及び電力変換器６の動作シーケンスについて説明する。この動作シーケンスは、先に説明した所定値Ｔｃより大きい温度差ΔＴ６で起動した後、空気調和機１の動作により、起動時の温度差ΔＴ６は小さくなり、所定値Ｔｃより小さい温度差ΔＴ３になったとする。

空気調和機１の運転を開始すると、温度差情報取得手段２１ａは室温と設定温度の温度差を算出する。次に、目標回転速度設定手段２１ｂが取得した温度差ΔＴ６に対応した目標回転速度設定値（ω６）と切替手段ＯＮ／ＯＦＦ状態（ＯＮ状態）とをテーブル２２（図２参照）から取得し、目標回転速度設定手段２１ｂは、インバータ制御手段２１ｄに目標回転速度設定値ω６を指示する。このとき、インバータ７はまだ停止中（起動されていない状態）なので、リアクタンス可変手段２１ｃは切替手段１７をＯＮ状態にする。切替手段１７の切り替え動作の完了後、インバータ制御手段２１ｄは、目標回転速度設定手段２１ｂのインバータ駆動指示により、目標回転速度設定値ω６に基づきインバータ７を駆動制御して、モータ９の起動を開始する。インバータ７の停止中に、交流リアクタ切り替えは完了しているので、インバータに印加される直流電圧Ｖｃは高くなっている。そのため、インバータ７は、この様なインバータ起動時において、速い回転速度の出力が必要なときにも、モータ９を安定して駆動制御ができる。

インバータ起動後、空気調和機１の動作により、室温は設定温度に近づく。つまり、温度差はΔＴ６からΔＴ５、ΔＴ４と小さくなる。目標回転速度設定手段２１ｂは、温度差ΔＴ５を取得した後、テーブル２２を参照して、温度差ΔＴ５に対応した目標回転速度設定値（ω５）と切替手段ＯＮ／ＯＦＦ状態（ＯＮ状態）とを得る。このとき、切替手段ＯＮ／ＯＦＦ状態は起動時と同じＯＮ状態なので、切替手段１７のＯＮ／ＯＦＦ切り替え動作は必要でない。そのため、目標回転速度設定手段２１ｂは、インバータ制御手段２１ｄに目標回転速度設定値ω５を指示し、インバータ制御手段２１ｄは、目標回転速度設定値ω５に基づきインバータ７を駆動制御して、運転を続ける。同様に、温度差ΔＴ４においても切替手段ＯＮ／ＯＦＦ状態は同じＯＮ状態と同じなので、目標回転速度設定値ω４をインバータ制御手段２１ｄに指示し、運転を続ける。このときも、切替手段１７はＯＮ状態なので、インバータに印加される直流電圧Ｖｃは高くなっている。
この様に温度差が所定値Ｔｃより大きいときに、インバータ７に印加される直流電圧を上昇させることにより、インバータ７は、起動後の速い回転速度の大きい出力に応じた最適な効率でモータ９を安定して駆動制御することが可能となる。

さらに、運転を続けると、室温がさらに設定温度に近づき、温度差がΔＴ３になったとき、目標回転速度設定手段２１ｂは、温度差ΔＴ３を取得した後、テーブル２２を参照して、温度差ΔＴ３に対応した目標回転速度設定値ω３と切替手段ＯＮ／ＯＦＦ状態（ＯＦＦ状態）とを得る。
この場合、インバータ７は動作中であり、切替手段ＯＮ／ＯＦＦ状態はＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替える必要がある。
そのため、目標回転速度設定手段２１ｂは、インバータ制御手段２１ｄに目標回転速度設定値ω３を指示した後、切替手段１７のＯＮ／ＯＦＦ状態を切り替える前に、目標回転速度設定手段２１ｂはインバータ制御手段２１ｄにインバータ停止指示を出し、インバータ制御手段２１ｄはインバータ７を停止する。そして、リアクタンス可変手段２１ｃは切替手段１７にＯＦＦ信号を出力し、切替手段１７はＯＦＦ状態に切り替わる。
この切り替え完了後、目標回転速度設定手段２１ｂは、インバータ制御手段２１ｄにインバータ駆動指示を出し、インバータ制御手段２１ｄは、目標回転速度設定値ω３に基づきインバータ７を駆動制御して、インバータ７を再起動する。このとき、インバータ７の停止中に、交流リアクタの切り替えは完了しているので、インバータ７に印加される直流電圧Ｖｃは低くなっている。そのため、インバータ７はスイッチングロスを低減することができる。
この様に、インバータ駆動中の場合においても、インバータ７を停止させてから交流リアクタの切り替えを行い、インバータ７に印加される直流電圧を低下させることにより、インバータ７は、遅い回転速度の小さい出力に応じた最適な効率でモータ９を安定して駆動制御することが可能となる。
さらに運転を続けると、室温は設定値に近づき、温度差は、ΔＴ２と小さくなる。切替手段１７のＯＮ／ＯＦＦ切り替え動作は必要でないため、このときの動作は、温度差ΔＴ５、ΔＴ４のときと同様であるので説明を省略する。
以上示したように、空気調和機１の運転中においても、インバータ７の停止中に、交流リアクタの切り替えを行うことにより、インバータの動作中の交流リアクタの切り替えに起因した不具合は回避され、インバータ７は、出力に応じた最適な効率でモータ９を安定して駆動制御することが可能となる。

《第１実施形態の変形例１》
前述した第１実施形態では、複数の交流リアクタを切替手段のＯＮ／ＯＦＦによって交流リアクタの直列接続数を切り替え、インバータ７に印加される直流電圧を可変にした。
これに対して、複数の交流リアクタそれぞれの間の相互インダクタンスＭを変えて、交流入力電源と整流回路との間に直列に接続された交流リアクタの合成リアクタンス値を可変にしてもよい。
具体的には、図１に示した第１の交流リアクタ１３と第２の交流リアクタ１５との間に介在する相互コンダクタンスＭは、それぞれの交流リアクタのお互いの相対的な位置関係に依存する。例えば、第１の交流リアクタ１３と第２の交流リアクタ１５とは同じ単位交流リアクタであり、巻線方向と巻線数とは同じである。そのため、直列に接続した第１の交流リアクタ１３と第２の交流リアクタ１５とを 交流リアクタを構成するお互いのコイルの中心軸を巻線方向を同じにして同一線上に並べ、お互いの距離を変えることにより、交流入力電源と整流回路との間に介在する交流リアクタの合成リアクタンス値を変えることができる。つまり、お互いの距離を近づければ、相互コンダクタンスＭの値は増加し、合成リアクタンスの値は低下する。一方、お互いの距離を離せば、相互コンダクタンスＭの値は減少し、合成リアクタンスの値は増加する。
以上述べたように、交流リアクタお互いの位置関係（距離又はお互いのなす角度、もしくは、距離と角度とを両方）を変えることにより、第１の交流リアクタ１３と第２の交流リアクタ１５の間に介在する相互コンダクタンスＭは変化し、交流リアクタの合成リアクタンス値は可変する。このことにより、第１実施形態で説明した効果と同じ効果が得られる。

《第１実施形態の変形例２》
異なるリアクタンス値の交流リアクタを用いて、切替手段のＯＮ／ＯＦＦによって交流リアクタの直列接続数を切り替える構成も可能である。単位交流リアクタを２個用いる場合、インバータ７に印加される直流電圧はＯＮ状態とＯＦＦ状態の２段階の直流電圧に切り替えられるのと比較して、この場合、インバータ７に印加される直流電圧は、異なるリアクタンス値の２個の交流リアクタを用いて３段階の直流電圧に切り替えることが可能となる。交流リアクタの個数を変えないで、よりきめ細かなモータの駆動制御の最適化が可能となる。

《第１実施形態の変形例３》
また、前述した各実施形態では、インバータ停止中に交流リアクタの切り替えを行うため、インバータ７が駆動している場合、目標回転速度設定手段からインバータ制御手段へのインバータ停止指示によりインバータ７を停止した後、交流リアクタの切り替えを行った。これに対し、目標回転速度設定手段からインバータ制御手段への指示される目標回転速度設定値をゼロにしてインバータ７の出力を止め、交流リアクタの切り替えを行った後、温度差に対応した目標回転速度設定値を指示してインバータ７を再起動してもよい。
《第１実施形態の変形例４》
さらに、交流入力電源と直流電源部との間にＯＮ／ＯＦＦスイッチを直列に接続し、このスイッチをＯＦＦにした状態（すなわち、交流入力電源を切断した状態）で、交流リアクタの切り替えを行なってもよい。

《第２実施形態》
第２実施形態に係る空気調和機１の電動機駆動装置及２び電力変換装置６は、交流入力電源３と整流回路・平滑回路５との間に直列にｎ個の単位交流リアクタと、（ｎ−１）個の単位交流リアクタを段階的に短絡／開放するための（ｎ−１）個の切替手段とを備えて構成される。

図３は、本発明の第２実施形態に係る空気調和機１Ａの主要部を示す回路図である。図３に示した本発明の第２実施形態に係る電動機駆動装置２Ａ及び電力変換装置６Ａは、（ｎ−１）個の単位交流リアクタ１６と、（ｎ−１）個の切替手段１７Ａと、リアクタンス可変手段２１ｅと、及びテーブル２２Ａとを備え、これらの構成は図１に示す第１実施形態に係る構成と異なっている。図３のその他の構成は図１と同一である。以下において、前述の第１実施形態と相違する第２実施形態に係る構成及び動作について説明する。

図３に示すように、ｎ個の単位交流リアクタ（交流リアクタ１３と（ｎ−１）個の単位交流リアクタ１６（１、２、３、…、（ｎ−１）））は、交流入力電源３と整流回路・平滑回路５との間に直列に接続されている。（ｎ−１）個の切替手段１７Ａ（１、２、…、（ｎ−１））は、それぞれ対応する単位交流リアクタ１６（１、２、…、（ｎ−１））に並列に接続され、さらに、それぞれリアクタンス可変手段２１ｅと接続されている。

目標回転速度設定手段２１ｂは、室温と設定温度との温度差の値と、モータ９の目標回転速度の設定値と、（ｎ−１）個の切替手段１７ＡのＯＮ／ＯＦＦ状態とを対応付けたテーブル２２Ａ（図４参照）を備えている。目標回転速度設定手段２１ｂは、テーブル２２Ａを参照して、温度差情報取得手段２１ａから取得した室温と設定温度との温度差に対応した目標回転速度設定値を取得してインバータ制御手段２１ｄに目標回転速度設定値を指示する。また、目標回転速度設定手段２１ｂは、テーブル２２Ａから目標回転速度設定値に対応した（ｎ−１）個の切替手段１７ＡのＯＮ／ＯＦＦ状態を取得して、リアクタンス可変手段２１ｅに出力する。
さらに、目標回転速度設定手段２１ｂは、インバータ制御手段２１ｄにインバータ停止を指示する機能も有している。このインバータ停止の指示は、後述するリアクタンス可変手段２１ｅが（ｎ−１）個の切替手段１７ＡにＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する前に行われる。目標回転速度設定手段２１ｂは、（ｎ−１）個の切替手段１７ＡのＯＮ／ＯＦＦ動作が完了した後、インバータ制御手段２１ｄにインバータ駆動を指示する。

リアクタンス可変手段２１ｅは、インバータ７が停止状態のときに、目標回転速度設定手段２１ｂから取得した目標回転速度の設定値に対応した（ｎ−１）個の切替手段１７ＡのＯＮ／ＯＦＦ状態に基づき、ＯＮ／ＯＦＦ信号をそれぞれ対応する（ｎ−１）個の切替手段１７Ａに出力し、（ｎ−１）個の切替手段１７ＡをＯＮ（短絡）／ＯＦＦ（開放）して、直流電源部４Ａの交流リアクタのリアクタンス値を切り替える（可変にする）機能を有している。

図４は、目標回転速度設定手段２１ｂが保持する室温と設定温度との温度差に対する目標回転速度設定値の対応を示すテーブル２２Ａを示す図である。図４のテーブル２２Ａのそれぞれの欄は図２のテーブル２２と同一の項目を示している。なお、切替手段ＯＮ／ＯＦＦ状態の欄は、（ｎ−１）個の切替手段１７ＡのＯＮ／ＯＦＦ状態を表している。

図４に示すように、室温と設定温度との温度差が最も小さい温度差ΔＴ１の場合は、目標回転速度設定値はω１となり、１〜（ｎ−１）までの（ｎ−１）個の（つまり全ての）切替手段１７ＡはＯＦＦ状態となる（つまり、交流リアクタ１３も含めて直列回路にｎ個の単位交流リアクタが介在する）。また、温度差がΔＴｉ（ｉ＝２、・・・、（ｎ−１））の場合は、目標回転速度設定値はωｉとなり、（ｎ−１）個の切替手段１７Ａにおいて、１〜（ｉ−１）までの切替手段１７ＡはＯＮ状態となり、ｉ〜（ｎ−１）までの切替手段１７ＡはＯＦＦ状態となる（つまり、交流リアクタ１３も含めて直列回路に（ｎ−ｉ＋１）個の単位交流リアクタが介在する）。

このようにして、図４の切替手段ＯＦＦ個数の欄に示したように、室温と設定温度との温度差が大きくなるにしたがって、直列回路に介在する単位交流リアクタの個数（切替手段１７ＡがＯＦＦ状態の個数）は、１個ずつ段階的に減っていく。そして、温度差が最も高いΔＴｎとなったときは、目標回転速度設定値はωｎとなる。また、１〜（ｎ−１）までの全ての切替手段１７ＡはＯＮ状態になり、直列回路に介在する単位交流リアクタは交流リアクタ１３のみとなる。すなわち、インバータ７に印加される直流電圧Ｖｃは、温度差に対応して段階的に交流リアクタを切り替えることにより、介在する交流リアクタによる電圧降下に伴い、ｎ段階に細かく設定されることになる。

このようにして、インバータ７に印加される直流電圧Ｖｃは、室温と設定温度との温度差に対応した目標回転速度設定値に応じて、インバータ７の停止中に、きめ細かくｎ段階に切り替えられる（可変される）。このことにより、室温と設定温度との温度差に対応する目標回転速度の設定値と、目標回転速度設定値に対応して段階的に設定される直流電圧Ｖｃとにより、インバータ７は、よりきめ細かくインバータロスを低減することが可能となる。また、インバータ７は、モータ９の出力に応じて、モータ９をより最適な効率で安定して駆動制御することが可能となる。さらに、交流リアクタンスの切り替えは、インバータ７の停止状態で行われるため、インバータ駆動中の交流リアクタンスの切り替えの伴う前述したような不具合は回避される。

以上説明したように、本発明に係る空気調和機の電動機駆動装置及び電力変換器は、インバータによるモータの駆動制御が最適な効率になるように、インバータ停止中において、室温と設定温度との温度差に対応した目標回転速度設定値に基づいて交流リアクタのリアクタンス値を段階的に変化させ、インバータに印加される直流電圧を段階的に可変させている。これによって、本発明に係る電動機駆動装置及び電力変換器は、インバータ動作中の交流リアクタンスの切替えに伴うインバータに印加される直流電圧を過渡的に変化しないようにして、インバータの出力パルス波形を安定させ、インバータに駆動制御されるモータの不安定動作を回避することが可能となり、安定してモータの駆動制御の最適化を図ることができる。さらに、インバータを構成する電子部品に対する過度の電気的負荷も排除されるため、これらの電子部品の品質は良好に維持することができる。

以上、本発明に係る空気調和機の電動機駆動装置及び電力変換器の実施形態及び変形例について具体的に説明したが、本発明は前述した各実施形態の内容に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることは言うまでもない。

１、１Ａ 空気調和機
２、２Ａ 電動機駆動装置
３ 交流入力電源
５ 整流回路・平滑回路
５ａ ダイオードブリッジ
５ｂ 直流リアクタ
５ｃ コンデンサ
６ 電力変換器
７ インバータ
９ 交流モータ(モータ)
１１ コンプレッサ
１３ 第１の交流リアクタ（単位交流リアクタ）
１５ 第２の交流リアクタ（単位交流リアクタ）
１６ 交流リアクタ
１７、１７Ａ 切替手段
１９ 室温センサ
２１ マイコン（制御部）
２１ａ 温度差情報取得手段
２１ｂ 目標回転速度設定手段
２１ｃ、２１ｅ リアクタンス可変手段
２１ｄ インバータ制御手段
２２、２２Ａ テーブル

Claims (7)

1. 交流入力電源に接続される整流回路、平滑回路、インバータ、電動機、及びこの電動機を制御する制御部を備える電動機駆動装置であって、
   前記交流入力電源と前記整流回路との間に直列に介在された交流リアクタを備え、
   前記制御部は、前記インバータを停止させたときに、前記電動機の出力、回転速度、及びトルクの何れかを制御する目標設定値が大きいときに、前記交流リアクタのリアクタンスを低下させ、前記目標設定値が小さいときに前記リアクタンスを大きくさせることを特徴とする電動機駆動装置。
2. 前記交流リアクタは複数個の単位交流リアクタが直列に接続されて構成され、
   前記制御部は、前記目標設定値に対応して複数個の前記単位交流リアクタの何れか一つ又は複数を段階的に短絡させることを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
3. 前記電動機は、空気調和機のコンプレッサを回転させ、
   前記制御部は、前記電動機の回転速度を制御し、
   前記目標設定値は、目標回転速度値であり、
   前記制御部は、
   前記空気調和機が設置された部屋の室温とあらかじめ設定した設定温度との温度差の情報を取得する温度差情報取得手段と、
   前記温度差情報取得手段が取得した前記温度差の情報に対応する前記目標回転速度を設定する目標回転速度設定手段と、
   前記コンプレッサの回転指示が入力されたときに、前記インバータを駆動させるインバータ駆動手段と、
   前記インバータを駆動する前に、前記電動機の目標回転速度の設定値に対応して前記交流リアクタのリアクタンスを可変させるリアクタンス可変手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電動機駆動装置。
4. 前記回転速度指示手段は、前記温度差の情報と指示すべき前記電動機の目標回転速度とを対応付けたテーブルを備えていることを特徴とする請求項３に記載の電動機駆動装置。
5. 前記リアクタンス可変手段は、前記温度差が大のときに、直列に接続する前記単位交流リアクタの個数を減少させ、前記温度差が小のときに、直列に接続する前記単位交流リアクタの個数を増加させることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の電動機駆動装置。
6. 前記交流リアクタは、単位交流リアクタが２個直列接続されており、
   前記リアクタンス可変手段は、前記温度差が小のときに、前記単位交流リアクタを２個直列に介在させ、前記温度差が大のときに、何れか一方の前記単位交流リアクタを短絡させることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の電動機駆動装置。
7. 交流入力電源に接続される整流回路、平滑回路、インバータ、及びこのインバータを制御する制御部を備える電力変換器であって、
   前記交流入力電源と前記整流回路との間に直列に介在された交流リアクタを備え、
   前記制御部は、前記インバータを停止させたときに、前記インバータの出力電力を制御する目標設定値が大きいときに、前記交流リアクタのリアクタンスを低下させ、前記目標設定値が小さいときに前記リアクタンスを大きくさせることを特徴とする電力変換器。

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