JP2018196298A - 換気扇装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高力率な換気扇装置を実現する。【解決手段】 電源入力回路のコンデンサの静電容量を少容量とし、平滑機能の低下による出力電圧の低下は、モータ巻線の巻数を低減することで対応する。平滑機能低下による電圧変動は、インバータの入出力電圧比をソフトウェアで制御することで、換気扇の風量の変動範囲を改善し、換気扇の回転数を一定に維持する。【選択図】 図１

Description

本発明は、高力率を実現した換気扇装置に関する。

ブラシレスＤＣモータは、近年の省エネ化の要請の他、長寿命であること、高信頼性、制御性の良さから様々な用途に用いられており、例えば、換気扇や空気清浄機等の送風装置の構成要素としても利用されている。

従来の換気扇用に用いられるブラシレスＤＣモータの駆動回路としては、例えば、下記特許文献１の図１に示すように、商用電源の交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、整流回路の出力側に接続されたインバータ回路と、インバータ回路を制御するマイクロコンピュータ（特許文献１の段落[００１２]参照）を備えて構成されており、整流回路には、特許文献１の段落[００１５]に記載されるとおり平滑用の電解コンデンサが用いられている。

特開２０１２−１３５２１３

以上のように構成されたブラシレスＤＣモータの駆動回路においては、整流回路に静電容量が大きな電解コンデンサが使用されているので、商用電源から駆動装置へ供給される入力電流が大きくなり、力率が低下する問題がある。

力率が低下すると、モータの消費電力に相当する電流より大きな電流が流れるので、その分、前段に設ける受電設備の電流容量を大きくしなければならないし、電力会社の送電設備にも大きな負担となる。

また、力率が８５％以下になると電気料金の割増しが適用されるので、ユーザーの経済的な負担が大きくなる。

そこで、本発明は、ブラシレスＤＣモータの駆動回路の力率を改善し、当該駆動回路を構成要素とした、所謂、高力率型の換気扇装置を提供するものである。

請求項１記載の発明は、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、当該整流回路の出力側に接続されて、整流した直流を平滑するコンデンサを備え、該コンデンサに電解コンデンサと比較して容量の小さなコンデンサを使用してなる電源入力回路と、当該電源入力回路で平滑した直流を交流に変換するインバータ、および、該インバータをスイッチング制御するソフトウェアを備えてなる制御装置と、前記小容量のコンデンサを使用することで発生する前記制御装置の出力電圧の低下によっても回転駆動するよう、換気扇駆動用のモータを構成する磁界発生用の巻線の巻数を減少させて換気扇装置を構成したことに特徴を有する。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のとおり、電源入力回路のコンデンサに静電容量が電解コンデンサと比較して小さなコンデンサを使用した際に生じる平滑機能の低下（電圧変動）を抑制するべく、前記モータへ供給する出力電流が正弦波となるようインバータを前記ソフトウェアによってＰＷＭ制御するように換気扇装置を構成したことに特徴を有する。

請求項１記載の発明によれば、静電容量の小さなコンデンサを使用することによって、電源入力回路への入力電流を抑制することができ、力率を改善することができる。

また、静電容量の小さなコンデンサの使用によって平滑機能が低下し、電圧変動が大きくなって駆動装置の出力電圧が低下する問題が発生するが、モータを構成する磁界発生用の巻線の巻数を減少させることにより、低電圧での駆動を可能とした。

請求項２記載の発明によれば、平滑機能の低下によって発生する電圧変動の対策として、ソフトウェアによってモータへの出力電流が正弦波となるようにインバータをスイッチング制御することて、換気扇の風量の変動範囲を改善することが可能となる。

本発明の換気扇装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図１を用いて説明する。図１は本発明に係る換気扇装置Ａを示すブロック図である。図１に示す換気扇装置Ａは、商用電源１と、商用電源１の交流を直流に変換する整流回路２と、整流回路２から供給される直流を交流に変換して出力するインバータ３と、インバータ３をスイッチング制御する制御装置４、および、インバータ３の出力電圧によって回転駆動するモータ５によって概略構成されている。

整流回路２は整流用のダイオード６と平滑用のコンデンサ７を備えて構成されており、コンデンサ７は電解コンデンサと比較して静電容量の小さい特性を持つ、例えば、フィルムコンデンサを使用する。

インバータ３は複数個のスイッチング素子をブリッジ接続して構成されるものであり、モータ５は例えば、ブラシレスＤＣモータが適用される。

ブラシレスＤＣモータは、永久磁石を有する回転子と三相巻線を有した固定子からなり、インバータ３によって作られた三相の交流電流が固定子の三相巻線に流れることによって回転子を回転させる。

回転子には換気用のファン（換気扇）が取り付けられており、回転子の回転によってファンが回転することにより、換気装置Ａを設置した室内の換気に供される。

なお、図示しないが、ブラシレスＤＣモータは回転子位置を位置センサによって検出し、インバータ３によって固定子の三相巻線に流れる電流を制御している。

このように構成した換気扇装置Ａでは、インバータ３によって風量調節が可能な換気扇を実現することが可能となる。

このような換気扇装置は畜舎用として使用されており、近時の畜産統計によれば、農家一戸当たりの飼育頭数は増加する傾向にあることから、一戸当たりの換気扇の導入数は増加していくと予想される。

一戸当たりの換気扇数が増えると、力率の悪い換気扇は農家の電気料金を引き上げる要因となり、進相コンデンサなどの外部設備費の負担増加に繋がる。

そこで、このような換気扇装置において高力率化を実現するための技術を本発明で提供することとした。以下に本発明の技術的特徴を説明する。

本発明の換気扇装置Ａでは、整流回路２を構成する平滑用のコンデンサにフィルムコンデンサを使用している。フィルムコンデンサは前述したとおり、従来技術で説明した電解コンデンサと比較して静電容量が小さいという特徴がある。

静電容量の大きな電解コンデンサを使用すれば平滑機能が高くなる利点が得られるが、その分、換気扇装置Ａの入力電流が大きくなり、力率が低下してしまう欠点があった。

そこで、本発明では電解コンデンサ（例えば、２００μＦ）と比較して静電容量の小さなフィルムコンデンサ（例えば、１．５μＦ）を用いることとし、入力電流を抑制し、力率を改善（９０％以上）することとした。力率の改善によって、受電設備の電流容量は小さくて済み、電力会社の送電設備への負担を軽減することが可能となるので、電気料金の力率割増しの対象から外れるといった効果が得られる。

一方、静電容量の小さなフィルムコンデンサを用いることによって、コンデンサ７の平滑機能が低下し、インバータ３の供給電圧の変動幅（電圧変動）が大きくなって、モータ５の回転数も変動してしまう。また、電圧変動の増加によって出力電圧が低下するので、モータ５を良好に回転させるためには何らかの措置が必要となる。

その対策として、本発明ではモータ５を構成する固定子の三相巻線の巻数を減らす（１１０巻強→９０巻弱）ことで、低電圧でも回転駆動可能に構成した。巻数の減少幅は、フィルムコンデンサの静電容量との関係で決定し、実際に実機にフィルムコンデンサを使用した際に低下する出力電圧との関係で、低下した出力電流でも良好に回転駆動する巻数まで減少させれば良い。

本発明では、静電容量を２００μＦ→１．５μＦとしたコンデンサを使用することにより低下した出力電圧に対し、巻線の巻数を１１０巻強→９０巻弱とすることで、低下した出力電圧によってもモータ５を良好に回転駆動することが可能となる。

次に、フィルムコンデンサの使用による平滑機能の低下に起因する電圧変動への対策として、制御装置４のソフトウェアによって出力電流が正弦波となるようインバータ３を構成するスイッチング素子をＰＷＭ制御することとした。つまり、インバータ３への供給電圧の変動を吸収するようにインバータ３の入出力電圧比をソフトウェアで制御することとした。

この対策によって、モータ５によって回転するファンの風量の変動範囲が改善され、回転数を一定とすることができるので、換気扇装置としての性能を使用可能なレベルに維持することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、小容量のコンデンサを採用することによって力率を改善し、電気料金の増加や外部設備への投資抑制など、ユーザーの経済的負担を軽減できる。

また、力率改善に反して発生する平滑機能の低下による出力電圧の低電圧化に対しては、モータを構成する巻線の巻数を減少させることで、低電圧でも良好に回転駆動するよう構成することができる。

さらに、平滑機能の低下に起因する電圧変動に対しては、インバータの入出力電圧比をソフトウェアで制御し、換気扇の風量の変動範囲を改善し、換気扇の回転数を一定に維持することが可能となる。

モータの駆動装置として利用可能である。

１ 商用電源
２ 整流回路
３ インバータ
４ 制御装置
５ モータ
６ 整流用のダイオード
７ 平滑用のコンデンサ
Ａ 換気扇装置

Claims (2)

1. 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、当該整流回路の出力側に接続されて、整流した直流を平滑するコンデンサを備え、該コンデンサに電解コンデンサと比較して静電容量の小さなコンデンサを使用してなる電源入力回路と、当該電源入力回路で平滑した直流を交流に変換するインバータ、および、該インバータをスイッチング制御するソフトウェアを備えてなる制御装置と、前記小容量のコンデンサを使用することで発生する前記制御装置の出力電圧の低下によっても回転駆動するよう、換気扇駆動用のモータを構成する磁界発生用の巻線の巻数を減少させて構成したことを特徴とする換気扇装置。
2. 前記ソフトウェアは、前記小容量のコンデンサを採用することで生じる平滑機能の低下（電圧変動）を抑制するべく、前記モータへ供給する出力電流が正弦波となるよう前記インバータをＰＷＭ制御するように構成したことを特徴とする請求項１記載の換気扇装置。

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