JP2016059086A - Motor driving device and electronic equipment using the same - Google Patents

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義典 竹岡
Yoshinori Takeoka
義典 竹岡
田中 秀尚
Hidenao Tanaka
秀尚 田中
前田 志朗
Shiro Maeda
志朗 前田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem that some power source impedance may cause voltage increase due to PWM switching when the capacitance of a smoothing capacitor is reduced to miniaturize the smoothing capacitor.SOLUTION: The carrier frequency is set to be higher than the resonance frequency of a capacitor 103 and a reactor 104, whereby the resonance frequency of an inductance component containing a power source impedance and the capacitor 103 is set to be lower than the resonance frequency between the capacitor 103 and the reactor 104. Therefore, the resonance frequency of the inductance component and the capacitor 103 is not coincident with the carrier frequency, so that voltage increase caused by switching of an inverter 105 can be reduced.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ブラシレスDCモータを駆動するモータ駆動装置およびこれを用いた電気機器に関するものである。   The present invention relates to a motor driving device that drives a brushless DC motor and an electric device using the same.

従来、この種のブラシレス・センサレスDCモータは、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た。位置検出センサをなくす理由は、安価になることや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。   Conventionally, this type of brushless sensorless DC motor is generally driven by detecting the position from the induced voltage or motor current without the rectifier circuit having a sufficiently large smoothing capacitor, the inverter, and the position detection sensor. It was. The reason for eliminating the position detection sensor is that it is inexpensive and it is extremely difficult to attach the position sensor in a high-temperature atmosphere such as a compressor, a refrigerant atmosphere, or an oil atmosphere.

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)。   In recent years, in order to reduce the size of this drive device, efforts have been made to significantly reduce the capacity of the smoothing capacitor of the rectifier circuit (see, for example, Patent Document 1).

図5は、上記特許文献1に記載された従来のモータ駆動装置を示すものである。図5に示すように、単相交流電源1、単層交流電源1を整流するダイオード全波整流回路2、整流回路の出力を平滑する従来の1/100程度の容量の平滑用の小容量のコンデンサ3、コンデンサ3の両端に接続され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(パルス幅変調)インバータ4、インバータ4の出力と接続され3相巻線が施されたブラシレスDCモータ5、ブラシレスDCモータ5の位置を検出する位置検出センサ6、単相交流電源1の電圧v、直流部電流idc、インバータ4の出力電流ia、ib、ic、位置検出センサ6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4のゲートを駆動している制御回路7から構成されている。   FIG. 5 shows a conventional motor driving apparatus described in Patent Document 1. As shown in FIG. 5, a single-phase AC power source 1, a diode full-wave rectifier circuit 2 that rectifies the single-layer AC power source 1, a smoothing small capacity of about 1/100 of the conventional capacity for smoothing the output of the rectifier circuit Capacitor 3, PWM (pulse width modulation) inverter 4 connected to both ends of capacitor 3, and 6 switching elements (including reverse diodes) connected in a three-phase bridge, connected to the output of inverter 4 and three-phase winding The brushless DC motor 5 to which the wire is applied, the position detection sensor 6 that detects the position of the brushless DC motor 5, the voltage v of the single-phase AC power supply 1, the DC current idc, the output currents ia, ib, ic, and the position of the inverter 4 The control circuit 7 is configured to drive the gate of the PWM inverter 4 so that optimum driving can be performed using information such as position information θ from the detection sensor 6 as an input.

特開2002−51589号公報JP 2002-51589 A

しかしながら、上記従来の構成では、実験室など安定化電源のような電源インピーダンスが非常に小さい電源が備わった環境下では問題とならないが、電源事情の悪い地域など電源インピーダンスにインダクタンス成分を持つ場合、小容量のコンデンサと電源インピーダンスのインダクタンス成分の共振周波数とPWMインバータのキャリア周波数が一致する状態が存在する。一致した場合に、コンデンサ容量が小容量であるため直流母線間電圧の上昇が大きくなり、耐圧破壊を防ぐため耐圧の高い高コストな部品の使用が必要という課題を有していた。   However, in the above conventional configuration, there is no problem in an environment equipped with a power source with a very small power source impedance such as a stabilized power source such as a laboratory, but when there is an inductance component in the power source impedance such as an area where power supply conditions are bad, There exists a state in which the resonance frequency of the inductance component of the small-capacitance capacitor and the power source impedance matches the carrier frequency of the PWM inverter. In the case of matching, since the capacitor capacity is small, the rise of the voltage between the DC buses is large, and there is a problem that it is necessary to use high-voltage parts with high withstand voltage in order to prevent withstand voltage breakdown.

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、平滑用のコンデンサの容量を極めて小さくした場合であっても、インバータのスイッチングを起因とした直流母線間電圧上昇の抑制を可能としたモータ駆動装置の提供を目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problem, and even when the capacity of the smoothing capacitor is extremely small, the motor drive that can suppress the increase in the voltage between the DC buses due to switching of the inverter The purpose is to provide a device.

上記従来の課題を解決するために、本発明のモータの駆動装置は、交流電源と、前記交流電源から入力された交流を直流に整流する整流回路と、前記整流回路の入力側もしくは出力側に接続されるリアクタと、前記整流回路の出力側に接続され両端の電圧の最大値が
最小値の2倍以上となるよう値を決定したコンデンサと、前記リアクタと前記コンデンサの共振周波数よりも高いキャリア周波数で前記コンデンサより得られる直流を交流に変換するPWM型のインバータと、前記インバータから得られる交流を入力とし負荷を駆動するモータを有するものである。
In order to solve the above-described conventional problems, a motor driving device according to the present invention includes an AC power source, a rectifier circuit that rectifies AC input from the AC power source into DC, and an input side or an output side of the rectifier circuit. A connected reactor, a capacitor connected to the output side of the rectifier circuit and having a value determined so that the maximum value of the voltage at both ends is at least twice the minimum value, and a carrier higher than the resonance frequency of the reactor and the capacitor A PWM type inverter that converts a direct current obtained from the capacitor at a frequency into an alternating current, and a motor that drives the load using the alternating current obtained from the inverter as an input.

これによって、電源インピーダンスを含んだ場合であっても、回路全体のインダクタンス値が大きくなり、前記コンデンサと前記リアクタおよび電源インピーダンスを含めたインダクタンス成分との共振周波数は前記リアクタと前記コンデンサの共振周波数よりも低くなるだけなので、キャリア周波数は共振周波数よりも必ず高い周波数となり、共振周波数とキャリア周波数が一致することが無くなる。   As a result, even when the power supply impedance is included, the inductance value of the entire circuit is increased, and the resonance frequency of the capacitor and the inductance component including the reactor and the power supply impedance is higher than the resonance frequency of the reactor and the capacitor. Therefore, the carrier frequency is always higher than the resonance frequency, and the resonance frequency and the carrier frequency do not coincide with each other.

本発明のモータ駆動装置は、平滑用コンデンサの容量を極めて小さくしても、インバータのスイッチングに起因する直流母線間電圧の上昇を抑制できる。   The motor drive device of the present invention can suppress an increase in the voltage between the DC buses due to switching of the inverter even if the capacity of the smoothing capacitor is extremely small.

本発明の実施の形態1におけるモータの駆動装置の電気回路構成を示すブロック図The block diagram which shows the electric circuit structure of the drive device of the motor in Embodiment 1 of this invention. 同実施の形態における直流母線間の電圧波形を示すタイミング図Timing chart showing voltage waveform between DC buses in the same embodiment キャリア周波数と共振周波数が一致したときの直流母線間電圧のシミュレーション波形図Simulation waveform diagram of DC bus voltage when carrier frequency and resonance frequency match キャリア周波数を共振周波数の1.5倍にした場合の直流母線間電圧のシミュレーション波形図Simulation waveform diagram of DC bus voltage when carrier frequency is 1.5 times the resonance frequency 従来のモータ駆動装置の電気回路構成を示すブロック図Block diagram showing the electrical circuit configuration of a conventional motor drive device

第1の発明は、交流電源と、前記交流電源から入力された交流を直流に整流する整流回路と、前記整流回路の入力側もしくは出力側に接続されるリアクタと、前記整流回路の出力側に接続され両端の電圧の最大値が最小値の2倍以上となるよう値を決定したコンデンサと、前記リアクタと前記コンデンサの共振周波数よりも高いキャリア周波数で前記コンデンサより得られる直流を交流に変換するPWM型のインバータと、前記インバータから得られる交流を入力とし負荷を駆動するモータを有することにより、電源インピーダンスを含んだ場合であっても、回路全体のインダクタンス値が大きくなりLC共振周波数はリアクタとコンデンサのLC共振周波数よりも低くなるだけなので、前記コンデンサと前記リアクタにより共振周波数の上限を定めることとなり、キャリア周波数はLC共振周波数よりも必ず高い周波数となる。これによって、LC共振周波数とキャリア周波数が一致することが無くなるため、コンデンサが小容量であってもインバータのスイッチングに起因する直流母線間電圧の上昇を抑制できる。   According to a first aspect of the present invention, there is provided an AC power source, a rectifier circuit that rectifies AC input from the AC power source into DC, a reactor connected to an input side or an output side of the rectifier circuit, and an output side of the rectifier circuit A capacitor which is connected and has a value determined so that the maximum value of the voltage at both ends is at least twice the minimum value, and a direct current obtained from the capacitor is converted into an alternating current at a carrier frequency higher than the resonance frequency of the reactor and the capacitor. By having a PWM type inverter and a motor that drives the load using the alternating current obtained from the inverter as an input, the inductance value of the entire circuit becomes large even when the power supply impedance is included, and the LC resonance frequency is Since it is only lower than the LC resonance frequency of the capacitor, the capacitor and the reactor increase the resonance frequency. That and will be determined, the carrier frequency is always higher frequency than the LC resonance frequency. This eliminates the coincidence between the LC resonance frequency and the carrier frequency, so that an increase in the voltage between the DC buses due to switching of the inverter can be suppressed even if the capacitor has a small capacity.

第2の発明は、特に第1の発明の前記リアクタと前記コンデンサの共振周波数が前記交流電源の周波数の40倍よりも高くなるよう前記リアクタと前記コンデンサの値を決定したことにより、LC共振により発生する電流の歪が高調波規制の対象外となり、特別な高調波対策が必要ない安価なモータ駆動装置が提供できる。   According to the second aspect of the invention, in particular, by determining the values of the reactor and the capacitor so that the resonance frequency of the reactor and the capacitor of the first aspect of the invention is higher than 40 times the frequency of the AC power supply. The distortion of the generated current is not subject to harmonic regulation, and an inexpensive motor drive device that does not require special harmonic countermeasures can be provided.

第3の発明は、特に第1または第2の発明のモータ駆動装置を用いた電気機器である。これにより、電気機器として冷蔵庫に用いた場合は、前記モータ駆動装置が小型化できるため一定速駆動を行っている冷蔵庫の少ないスペースに収めることができ、速度変更が可能なより効率の良い冷蔵庫を安価に提供することができる。また、電気機器として送風機に用いた場合は、送風機はイナーシャが非常に大きいため、持ち運びが容易な小型送風機を実現することが可能となる。   The third invention is an electric apparatus using the motor driving device of the first or second invention. Thereby, when used in a refrigerator as an electric device, the motor drive device can be reduced in size so that it can be stored in a small space of a refrigerator that is driven at a constant speed, and a more efficient refrigerator capable of changing the speed. It can be provided at low cost. Further, when the blower is used as an electric device, since the blower has a very large inertia, a small blower that is easy to carry can be realized.

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この発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments.

(実施の形態1)
図1は、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である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram of a motor drive device according to Embodiment 1 of the present invention.

図1において、交流電源101は、日本の場合、電圧が100[V]、周波数が50[Hz]または60[Hz]の一般的な商用の交流電源である。整流回路102は、周知の如く4個のダイオードがブリッジ接続されたものである。   In FIG. 1, an AC power supply 101 is a general commercial AC power supply having a voltage of 100 [V] and a frequency of 50 [Hz] or 60 [Hz] in Japan. As is well known, the rectifier circuit 102 is a bridge connection of four diodes.

コンデンサ103は整流回路102の出力側に接続される。コンデンサ103には小型化のため、小容量のコンデンサを用いており、出力電圧が交流電源周波数の略2倍周波で大きく脈動する。本実施の形態ではコンデンサの容量を3[μF]とする。   The capacitor 103 is connected to the output side of the rectifier circuit 102. The capacitor 103 is a small-capacitance capacitor for miniaturization, and the output voltage pulsates greatly at a frequency that is approximately twice the AC power supply frequency. In this embodiment, the capacitance of the capacitor is 3 [μF].

また、コンデンサ103には、整流回路102との間にコンデンサへの突入充放電電流のピーク値を下げるためのリアクタ104を接続している。コンデンサ103とリアクタ104の共振周波数fLC(LC共振周波数)が交流電源周波数の40倍以上になるように設定し、共振による電流の周波数を電源高調波規制の範囲外とすることで、高調波電流を低減することができる。本実施の形態ではリアクタのインダクタンスを0.5[mH]とする。また、コンデンサ103の容量は電圧の最大値が最小値の2倍以上となる値を設定することで交流電源101の周波数に近い電流波形となり、高調波電流が改善される。   Further, a reactor 104 is connected between the capacitor 103 and the rectifier circuit 102 for reducing the peak value of the inrush charging / discharging current to the capacitor. By setting the resonance frequency fLC (LC resonance frequency) of the capacitor 103 and the reactor 104 to be 40 times or more of the AC power supply frequency, and setting the frequency of the current due to resonance outside the range of the power supply harmonic regulation, the harmonic current Can be reduced. In this embodiment, the inductance of the reactor is 0.5 [mH]. Further, the capacitance of the capacitor 103 becomes a current waveform close to the frequency of the AC power supply 101 by setting a value at which the maximum value of the voltage is twice or more the minimum value, and the harmonic current is improved.

本実施の形態のコンデンサ103の容量を3[μF]としており、負荷が大きな運転条件では直流母線間電圧の最小値はほぼ0[V]まで低下するため、最大値は最小値の2倍以上となっており、高調波電流が改善される。   The capacitance of the capacitor 103 of the present embodiment is 3 [μF], and the minimum value of the voltage between the DC buses is reduced to almost 0 [V] under operating conditions with a large load, so the maximum value is at least twice the minimum value. The harmonic current is improved.

なお、本実施の形態ではリアクタ104は整流回路102とコンデンサ103の間に接続しているが、交流電源101とコンデンサ103を構成するフィルムコンデンサの間に挿入すればよく、整流回路102の前後どちらでも構わない。   In this embodiment, the reactor 104 is connected between the rectifier circuit 102 and the capacitor 103. However, the reactor 104 may be inserted between the AC power source 101 and the film capacitor constituting the capacitor 103. It doesn't matter.

インバータ105はコンデンサ103からの出力電圧をモータ106の駆動のために所望の電圧値・周波数に変換する複数の半導体スイッチング素子により構成されるPWM型のインバータである。   The inverter 105 is a PWM inverter configured by a plurality of semiconductor switching elements that convert an output voltage from the capacitor 103 into a desired voltage value and frequency for driving the motor 106.

モータ106はインダクションモータやブラシレスDCモータなど、インバータ駆動を行うモータであればどんなモータでも構わない。本実施の形態では、ブラシレスDCモータを用いる。ブラシレスDCモータはインダクションモータに比べ、高効率・小型で速度可変範囲も広いため、コンデンサ103の小型化とともに、モータ駆動装置全体の小型化を実現するには非常に有用である。   The motor 106 may be any motor that drives an inverter, such as an induction motor or a brushless DC motor. In this embodiment, a brushless DC motor is used. Since the brushless DC motor is more efficient, smaller, and has a wider speed variable range than the induction motor, it is very useful for reducing the size of the capacitor 103 and the motor driving device as a whole.

モータ106は、永久磁石を有する回転子と、3相巻線を有する固定子とから構成される。モータ106は、インバータ105により作られた3相交流電流がモータ106の固定子の3相巻線に流れることにより、モータ106の回転子を回転させる。モータ106の固定子には、3相スター結線された巻線が施されている。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、モータ106の回転子には、永久磁石を配置している。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でも希土類でも構わない。IPMの場合はリラクタンストルクを利用することができ、直流母線間電圧が脈動し、電圧が低下した電圧値でも進角をつけることで、出力トルクの低下を軽減することができる。   The motor 106 includes a rotor having a permanent magnet and a stator having a three-phase winding. The motor 106 rotates the rotor of the motor 106 when the three-phase alternating current generated by the inverter 105 flows in the three-phase winding of the stator of the motor 106. The stator of the motor 106 is provided with a three-phase star-connected winding. This winding method may be concentrated winding or distributed winding. A permanent magnet is disposed on the rotor of the motor 106. The arrangement method may be a surface magnet type (SPM) or a magnet embedded type (IPM), and the permanent magnet may be a ferrite or a rare earth. In the case of IPM, reluctance torque can be used, and the voltage between the DC buses pulsates, so that the output torque can be reduced by increasing the angle even when the voltage value is reduced.

モータ106の回転子の軸に接続された圧縮要素107は、冷媒ガスを吸入し、圧縮して、吐出する。このモータ106と圧縮要素107とを同一の密閉容器に収納し、圧縮機108を構成する。つまり、本実施の形態のモータ駆動装置の負荷は圧縮機108の圧縮機構となる。圧縮機108の圧縮方式(機構形態)はロータリーやスクロールなど何であっても構わないが、今回はレシプロ型とする。レシプロ型はとくにイナーシャが大きく電圧低下時であっても回転数が低下しにくく、小容量のコンデンサでより滑らかに運転することができる。   A compression element 107 connected to the rotor shaft of the motor 106 draws in refrigerant gas, compresses it, and discharges it. The motor 106 and the compression element 107 are accommodated in the same hermetic container to constitute the compressor 108. That is, the load of the motor drive device of the present embodiment is a compression mechanism of the compressor 108. The compression method (mechanism form) of the compressor 108 may be anything such as a rotary or a scroll, but this time it is a reciprocating type. The reciprocating type has particularly large inertia and is difficult to reduce the rotational speed even when the voltage drops. The reciprocating type can be operated more smoothly with a small capacity capacitor.

また、冷媒ガスはR134a等何であっても構わないが、本実施の形態1においては、R600aを採用している。R600aはR134aとくらべ冷凍能力が低く、圧縮要素107の気筒容積を大きくして冷凍能力の低下を補う。その結果、圧縮機108は、イナーシャが大きくなっている。これにより、電圧低下時であっても、イナーシャによってモータ106が回転するため、速度が低下しにくく、コンデンサ103のコンデンサ容量が小容量であっても、安定した運転が可能となる。   The refrigerant gas may be anything such as R134a, but R600a is adopted in the first embodiment. R600a has a lower refrigeration capacity than R134a, and increases the cylinder volume of the compression element 107 to compensate for a decrease in the refrigeration capacity. As a result, the compressor 108 has a large inertia. As a result, even when the voltage drops, the motor 106 rotates due to inertia, so the speed is unlikely to drop, and stable operation is possible even when the capacitor 103 has a small capacity.

圧縮機108で圧縮された吐出ガスは、凝縮器109、減圧器110、蒸発器111を通って圧縮機108の吸い込みに戻るような冷凍空調システムを構成する。この時、凝縮器109では放熱を、蒸発器111では吸熱を行うので、冷却や加熱を行うことができる。必要に応じて凝縮器109や蒸発器111に送風機等を使い、熱交換をさらに促進することもできる。   The discharge gas compressed by the compressor 108 constitutes a refrigeration air conditioning system that returns to the suction of the compressor 108 through the condenser 109, the decompressor 110, and the evaporator 111. At this time, the condenser 109 radiates heat and the evaporator 111 absorbs heat, so that cooling and heating can be performed. If necessary, a fan or the like can be used for the condenser 109 and the evaporator 111 to further promote heat exchange.

位置検出手段112はモータ106の回転子の磁極位置を検出する。位置を検出する手段としては、圧縮機108の中にモータ106が入っているため、センサを用いることは困難であるが、モータ106の端子電圧に現れる誘起電圧から検出する方法や、モータ106に流れる電流などから計算する方法などがある。本実施の形態では位置検出手段として、誘起電圧から位置を検出するものとする。   The position detector 112 detects the magnetic pole position of the rotor of the motor 106. As a means for detecting the position, since the motor 106 is included in the compressor 108, it is difficult to use a sensor. However, a method of detecting from the induced voltage appearing in the terminal voltage of the motor 106, There is a method of calculating from the flowing current. In the present embodiment, the position is detected from the induced voltage as the position detecting means.

制御手段113は、一定周期出力するパルスのONとOFFの時間の割合を変更するPWM制御によってインバータ105のスイッチング素子を動作させ、位置検出手段112の位置情報をもとに大きく脈動する平滑電圧に対応したモータ駆動指令を与える。   The control means 113 operates the switching element of the inverter 105 by PWM control that changes the ratio of the ON and OFF times of the pulses that are output for a certain period, and generates a smooth voltage that greatly pulsates based on the position information of the position detection means 112. The corresponding motor drive command is given.

PWMのキャリア周波数はLC共振周波数fLCよりも高い周波数として設定する。本実施の形態においてはキャリア周波数をLC共振周波数fLCの1.5倍以上高い8[kHz]とする。   The PWM carrier frequency is set to be higher than the LC resonance frequency fLC. In the present embodiment, the carrier frequency is 8 [kHz], which is 1.5 times higher than the LC resonance frequency fLC.

また、高周波除去するコモンモードフィルタを構成している場合は、コモンモードフィルタのインダクタンス成分とリアクタの合成成分を考慮する。   When a common mode filter that removes high frequency is configured, the inductance component of the common mode filter and the combined component of the reactor are considered.

以上のように構成されたモータの駆動装置について、以下にその動作、作用を説明するまず、コンデンサ103の両端の電圧波形について、図2および図1を用いて説明する。図2は本実施の形態1における直流母線間の電圧波形を示すタイミング図である。   The operation and action of the motor driving apparatus configured as described above will be described below. First, voltage waveforms at both ends of the capacitor 103 will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a timing chart showing a voltage waveform between the DC buses in the first embodiment.

図2において、縦軸には電圧を示し、横軸は時間を示す。波形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103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102の出力電流、すなわちインバータ105への入力電流であるものとする。整流後の電圧の最大値が141[V]、最小値も141[V]と電圧差はほぼ0である。   In FIG. 2, the vertical axis represents voltage, and the horizontal axis represents time. Waveform A is a state when the load current is very small (almost no current flows), and the charge of the capacitor 103 is hardly used, and the voltage is hardly lowered. However, the load current here is the output current of the rectifier circuit 102, that is, the input current to the inverter 105. The maximum value of the voltage after rectification is 141 [V] and the minimum value is 141 [V], so the voltage difference is almost zero.

次に、負荷電流を大きくしていくとコンデンサ103の充電電荷が使われ、波形Bに示
すように瞬時に最低電圧が低下してくる。
Next, as the load current is increased, the charge stored in the capacitor 103 is used, and the minimum voltage decreases instantaneously as shown in the waveform B.

さらに負荷電流を大きくしていくと、コンデンサ103にはほとんど充電電荷が蓄えられず、波形Cに示すように瞬時最低電圧がほとんど0[V]まで低下してくる。   When the load current is further increased, almost no charge is stored in the capacitor 103, and as shown in the waveform C, the instantaneous minimum voltage decreases to almost 0 [V].

このようにコンデンサ103のコンデンサが小容量の場合、負荷電流を取り出すとほとんど平滑されずに入力の交流電源101を全波整流した波形に近づき、交流電源電流の高調波成分を抑制できるとともに、力率が改善されるため交流電源101が出力する電流実行値と電流ピークが低下するため、効率向上や部品温度上昇の低減などが可能となる。その結果、部品定格が低くより安価な部品の採用が可能となる。   In this way, when the capacitor of the capacitor 103 has a small capacity, when the load current is extracted, the input AC power supply 101 is not smoothed and approaches the waveform obtained by full-wave rectification. Since the rate is improved, the current execution value output from the AC power supply 101 and the current peak are reduced, so that the efficiency can be improved and the temperature rise of the parts can be reduced. As a result, it is possible to adopt cheaper parts with lower part ratings.

さらに、交流電源電流の高調波成分を抑制してIEC規格を遵守するために、小容量コンデンサと小容量リアクタとの共振周波数であるLC共振周波数fLCを交流電源周波数fsの40倍よりも大きくなるように小容量コンデンサと小容量リアクタの組み合わせを決定する。   Furthermore, in order to suppress the harmonic component of the AC power supply current and comply with the IEC standard, the LC resonance frequency fLC, which is the resonance frequency of the small-capacitance capacitor and the small-capacity reactor, becomes larger than 40 times the AC power supply frequency fs. Thus, the combination of a small capacitor and a small reactor is determined.

ここで、小容量コンデンサの容量をC[F]、小容量リアクタのインダクタンス値をL[H]とすると、LC共振周波数fLCは数1のように表される。   Here, when the capacitance of the small-capacitance capacitor is C [F] and the inductance value of the small-capacity reactor is L [H], the LC resonance frequency fLC is expressed as Equation 1.

即ち、fLC>40×fsを満たすように小容量コンデンサと小容量リアクタの組み合わせを決定するものである。(IEC規格では交流電源電流の高調波成分において第40次高調波まで規定されているため)。   That is, the combination of the small capacitor and the small reactor is determined so as to satisfy fLC> 40 × fs. (Because the IEC standard specifies the 40th harmonic in the harmonic component of the AC power supply current).

以上により、小容量コンデンサおよび小容量リアクタの組み合わせを決定することで、交流電源電流の高調波成分を抑制して、IEC規格を遵守することが可能となる。   As described above, by determining the combination of the small-capacitance capacitor and the small-capacity reactor, it is possible to suppress the harmonic component of the AC power supply current and comply with the IEC standard.

本実施の形態では、コンデンサ103の容量が3[μF]、リアクタのインダクタンス値が0.5[mH]となっているので、LC共振周波数fLCが約4109[Hz]となり、交流電源101の電源周波数が60[Hz]であったとしても40倍は2400[Hz]となり十分高い共振周波数となっている。   In this embodiment, since the capacitance of the capacitor 103 is 3 [μF] and the inductance value of the reactor is 0.5 [mH], the LC resonance frequency fLC is about 4109 [Hz], and the power source of the AC power source 101 is Even if the frequency is 60 [Hz], 40 times is 2400 [Hz], which is a sufficiently high resonance frequency.

次に、キャリア周波数の決定に関して説明する。1キャリア周期で見た場合、コンデンサ103に流れ込む電流のピークとスイッチングのOFFが一致し、リアクタが流す電流が0になるタイミングでスイッチング素子がONした時に、リアクタ104からコンデンサ103に流れる電流量が最大となるため直流母線間電圧の上昇が最大となる。   Next, the determination of the carrier frequency will be described. When viewed in one carrier cycle, the amount of current flowing from the reactor 104 to the capacitor 103 when the switching element is turned on at the timing when the peak of the current flowing into the capacitor 103 coincides with the switching OFF and the current flowing through the reactor becomes zero. The maximum rise in voltage between the DC buses is maximized.

交流電源101の電圧が120[V]に変動し、キャリア周波数とLC共振周波数fLCが一致したときの直流母線間電圧のシミュレーション波形を図3に示す。図3の縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示している。   FIG. 3 shows a simulation waveform of the DC bus voltage when the voltage of the AC power supply 101 fluctuates to 120 [V] and the carrier frequency and the LC resonance frequency fLC coincide. In FIG. 3, the vertical axis represents voltage, and the horizontal axis represents time.

交流電源101の電圧ピークは170[V]となるが、キャリア周波数とLC共振周波数fLCが一致した場合は図3のように電圧ピーク値が大きく跳ね上がる。また、LC共振周波数fLCを分周した周波数とキャリア周波数が一致しても同様に電圧が上昇する。   The voltage peak of the AC power supply 101 is 170 [V], but when the carrier frequency and the LC resonance frequency fLC coincide with each other, the voltage peak value jumps greatly as shown in FIG. Further, even if the frequency obtained by dividing the LC resonance frequency fLC matches the carrier frequency, the voltage similarly increases.

このような電流の変化が発生する周期はコンデンサ103とリアクタ104の共振周波数となるため、キャリア周期がLC共振周波数fLC以上とすることで電圧上昇が最大となる条件を回避することができる。   Since the cycle in which such a current change occurs is the resonance frequency of the capacitor 103 and the reactor 104, a condition in which the voltage rise is maximized can be avoided by setting the carrier cycle to the LC resonance frequency fLC or higher.

また、同じ共振周波数を持つLCの組合せであっても、コンデンサの容量が小さく、インダクタンス値が大きい程、電圧の上昇が大きくなるため、直流母線間電圧の最大が最小の2倍以上となるような小容量のコンデンサを直流母線間に配した回路構成では特に問題となる。   In addition, even in a combination of LCs having the same resonance frequency, the increase in voltage increases as the capacitance of the capacitor decreases and the inductance value increases, so that the maximum voltage between the DC buses is more than twice the minimum. This is particularly a problem in a circuit configuration in which a small capacitor is arranged between the DC buses.

回路上のLC共振周波数fLCとキャリア周波数の一致を避けるだけであれば、キャリア周波数をLC共振周波数fLCよりも低い値に設定することでも可能となる。しかしながら、このようなキャリア周波数がLC共振周波数fLCよりも低い条件は、実験室など安定化電源を使用しているような電源間環境の良い条件では問題とならないが、電源環境が悪く電源インピーダンスにインダクタンス成分を持つような環境ではスイッチングが起因となる電圧上昇が発生してしまう。電源にインダクタンス成分を持つ場合、共振周波数は電源のインダクタンス成分を加算した値で計算する必要があるため、コンデンサ103とリアクタに電源インピーダンスのインダクタンス成分を加算した値とのLC共振周波数fLCZはコンデンサ103とリアクタ104の共振周波数であるLC共振周波数fLCより低くなる。また、電源インピーダンスのインダクタンス成分は不定であるため、LC共振周波数fLCZの上限はコンデンサ103とリアクタ104の共振周波数で定められるが、下限は定まらず、上限より低い全ての周波数をとりうる。   If only the coincidence between the LC resonance frequency fLC on the circuit and the carrier frequency is avoided, the carrier frequency can be set to a value lower than the LC resonance frequency fLC. However, such a condition that the carrier frequency is lower than the LC resonance frequency fLC is not a problem in a favorable condition between power sources such as a laboratory where a stabilized power source is used. In an environment having an inductance component, a voltage increase due to switching occurs. When the power supply has an inductance component, the resonance frequency needs to be calculated by adding the inductance component of the power supply. Therefore, the LC resonance frequency fLCZ of the capacitor 103 and the value obtained by adding the inductance component of the power supply impedance to the reactor is the capacitor 103. And the LC resonance frequency fLC which is the resonance frequency of the reactor 104. In addition, since the inductance component of the power source impedance is indefinite, the upper limit of the LC resonance frequency fLCZ is determined by the resonance frequency of the capacitor 103 and the reactor 104, but the lower limit is not determined, and all frequencies lower than the upper limit can be taken.

つまり、LC共振周波数fLCよりも低いキャリア周波数を設定した場合、キャリア周波数とLC共振周波数fLCZが一致する可能性があるため、スイッチングを起因とした電圧上昇が発生する可能性がある。一方、LC共振周波数fLCよりも高いキャリア周波数とした場合、LC共振周波数fLCZと一致する可能性がないため、どのような電源環境であっても、スイッチングを起因とした電圧上昇を抑制することができる。   That is, when a carrier frequency lower than the LC resonance frequency fLC is set, there is a possibility that the carrier frequency and the LC resonance frequency fLCZ coincide with each other, so that a voltage increase due to switching may occur. On the other hand, if the carrier frequency is higher than the LC resonance frequency fLC, there is no possibility of matching with the LC resonance frequency fLCZ. Therefore, in any power supply environment, the voltage rise due to switching can be suppressed. it can.

具体的には、LC共振周波数fLCZとキャリア周波数の差が大きい程電圧上昇は抑制されるため、直流母線間の電圧が印加される部品の耐圧を考慮した、キャリア周波数の設定を行う。   Specifically, since the voltage rise is suppressed as the difference between the LC resonance frequency fLCZ and the carrier frequency increases, the carrier frequency is set in consideration of the breakdown voltage of the component to which the voltage between the DC buses is applied.

例えば、交流電源101のバラツキの最大値が120[V]であれば、整流後の最大値は170[V]となる。部品耐圧200[V]のものを使用する場合は、マージンを見て直流母線間電圧の上昇を190[V]以下に抑えることを設計目標とすると、インバータ105のスイッチングを起因とした電圧上昇が20[V]以下になるようキャリアを高くすることで、200[V]耐圧の部品の使用が可能となる。   For example, if the maximum variation of the AC power supply 101 is 120 [V], the maximum value after rectification is 170 [V]. When a component with a withstand voltage of 200 [V] is used, if the design target is to suppress the increase in the voltage between the DC buses to 190 [V] or less in view of the margin, the voltage increase due to the switching of the inverter 105 may occur. By raising the carrier so as to be 20 [V] or less, it becomes possible to use a component having a withstand voltage of 200 [V].

キャリア周波数をLC共振周波数fLCの1.5倍にした場合の直流母線間電圧のシミュレーション波形を図4に示す。図4において、縦軸は電圧をあらわし、横軸は時間を表している。キャリア周波数がLC共振周波数fLCの1.5倍にするとスイッチングを起因とした電圧上昇は、図3と比較しても分かるように、約3割に低下することとなるため、目安としてキャリア周波数はLC共振周波数fLCの1.5倍以上にすることで電圧上昇を大きく改善することができる。   FIG. 4 shows a simulation waveform of the voltage between the DC buses when the carrier frequency is 1.5 times the LC resonance frequency fLC. In FIG. 4, the vertical axis represents voltage, and the horizontal axis represents time. If the carrier frequency is 1.5 times the LC resonance frequency fLC, the voltage rise due to switching will be reduced to about 30% as can be seen from the comparison with FIG. The voltage rise can be greatly improved by setting the LC resonance frequency fLC to 1.5 times or more.

以上のように、本実施の形態において、交流電源101と、交流電源101から出力された交流を直流に整流する整流回路と、前記整流回路の入力側もしくは出力側に接続されるリアクタ104と、整流回路102の出力側に接続され両端の電圧の最大値が最小値の2倍以上となるよう値を決定したコンデンサ103と、リアクタ104とコンデンサ10
3の共振周波数よりも高いキャリア周波数でコンデンサ103より得られる直流を交流に変換するPWM型のインバータ105と、インバータ105から得られる交流を入力とし負荷を駆動するモータ106を有したことにより、電源インピーダンスを含んだ場合であっても、回路全体のインダクタンス値が大きくなりLC共振周波数fLCZはリアクタとコンデンサのLC共振周波数fLCよりも低くなるだけなので、キャリア周波数はLC共振周波数fLCZよりも必ず高い周波数となり、LC共振周波数fLCZとキャリア周波数が一致することが無くなるため、コンデンサが小容量であってもインバータのスイッチングに起因する直流母線間電圧の上昇を抑制できる。
As described above, in the present embodiment, the AC power supply 101, the rectifier circuit that rectifies the alternating current output from the alternating current power supply 101 into direct current, the reactor 104 connected to the input side or the output side of the rectifier circuit, A capacitor 103 connected to the output side of the rectifier circuit 102 and having a value determined so that the maximum value of the voltage at both ends is at least twice the minimum value, the reactor 104 and the capacitor 10
3 having a PWM inverter 105 that converts a direct current obtained from the capacitor 103 into an alternating current at a carrier frequency higher than the resonance frequency 3 and a motor 106 that drives the load using the alternating current obtained from the inverter 105 as an input. Even when impedance is included, since the inductance value of the entire circuit is increased and the LC resonance frequency fLCZ is only lower than the LC resonance frequency fLC of the reactor and the capacitor, the carrier frequency is always higher than the LC resonance frequency fLCZ. Thus, since the LC resonance frequency fLCZ and the carrier frequency do not coincide with each other, an increase in the DC bus voltage due to switching of the inverter can be suppressed even if the capacitor has a small capacity.

また、本実施の形態で、リアクタ104とコンデンサ103の共振周波数が交流電源101の周波数の40倍よりも高くなるようリアクタ104とコンデンサ103の値を決定したことにより、IEC高調波規格範囲内の次数の電源高調波電流が抑制されるため、IEC規格を遵守することが可能となる。さらに、高調波対策として、特別な部品を使用しないため、安価なモータ駆動装置が提供できる。   Further, in the present embodiment, the values of the reactor 104 and the capacitor 103 are determined so that the resonance frequency of the reactor 104 and the capacitor 103 is higher than 40 times the frequency of the AC power supply 101. Since the power harmonic current of the order is suppressed, it becomes possible to comply with the IEC standard. Furthermore, since no special parts are used as a countermeasure against harmonics, an inexpensive motor drive device can be provided.

また、本実施の形態のモータ駆動装置を用いた電気機器であることにより、電気機器として冷蔵庫に用いた場合は、前記モータ駆動装置が小型化できるため一定速駆動を行っている冷蔵庫の少ないスペースに収めることができ、速度変更が可能なより効率の良い冷蔵庫を安価に提供することができる。   In addition, since it is an electric device using the motor drive device of the present embodiment, when used in a refrigerator as an electric device, the motor drive device can be miniaturized, so that there is less space in the refrigerator that is driven at a constant speed. It is possible to provide a more efficient refrigerator that can be housed in a lower speed and that can change speed.

以上のように、本発明にかかるモータの駆動装置は、平滑コンデンサを大幅に小容量化した大きなリプル電圧がある場合でも、位置検出センサを用いることなく、効率を維持しつつ安定した電流供給が可能となり、しかもモータが停止する際の電圧上昇を抑え信頼性が向上しているため、請求項記載のもののみならず、小型のモータ駆動装置を必要とするAV機器(特に小型機器)等にも広く用いることができる。   As described above, the motor drive device according to the present invention can provide a stable current supply while maintaining efficiency without using a position detection sensor even when there is a large ripple voltage with a smoothing capacitor greatly reduced in capacity. Since the reliability is improved by suppressing the voltage rise when the motor stops, not only in the claims, but also in AV equipment (particularly small equipment) that requires a small motor driving device, etc. Can also be widely used.

101 交流電源
102 整流回路
103 コンデンサ
104 リアクタ
105 インバータ
106 モータ
107 圧縮要素
108 圧縮機
109 凝縮器
110 減圧器
111 蒸発器
112 位置検出手段
113 制御手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 AC power supply 102 Rectifier circuit 103 Capacitor 104 Reactor 105 Inverter 106 Motor 107 Compression element 108 Compressor 109 Condenser 110 Decompressor 111 Evaporator 112 Position detection means 113 Control means

Claims (3)

交流電源と、前記交流電源から出力された交流を直流に整流する整流回路と、前記整流回路の入力側もしくは出力側に接続されるリアクタと、前記整流回路の出力側に接続され両端の電圧の最大値が最小値の2倍以上となるよう値を決定したコンデンサと、前記リアクタと前記コンデンサの共振周波数よりも高いキャリア周波数で前記コンデンサより得られる直流を交流に変換するPWM型のインバータと、前記インバータから得られる交流を入力とし負荷を駆動するモータを有するモータ駆動装置。   An AC power source, a rectifier circuit that rectifies AC output from the AC power source into DC, a reactor connected to an input side or an output side of the rectifier circuit, a voltage of both ends connected to the output side of the rectifier circuit A capacitor whose value is determined such that the maximum value is twice or more the minimum value, a PWM inverter that converts direct current obtained from the capacitor into alternating current at a carrier frequency higher than the resonance frequency of the reactor and the capacitor, A motor driving device having a motor that receives an alternating current obtained from the inverter as an input and drives a load. 前記リアクタと前記コンデンサの共振周波数が前記交流電源の周波数の40倍よりも高くなるよう前記リアクタと前記コンデンサの値を決定した請求項1に記載のモータ駆動装置。   The motor driving device according to claim 1, wherein the values of the reactor and the capacitor are determined so that a resonance frequency of the reactor and the capacitor is higher than 40 times a frequency of the AC power supply. 請求項1または2のいずれか1項に記載のモータ駆動装置により駆動されるブラシレスDCモータを備えた電気機器。   The electric equipment provided with the brushless DC motor driven by the motor drive device of any one of Claim 1 or 2.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020182303A (en) * 2019-04-24 2020-11-05 株式会社デンソー Controller of rotary electric machine

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