JP2021093778A - インバータ装置及び洗濯機 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子用の温度センサや電流センサ等を設けることなく、スイッチング素子の過熱に対する保護動作を行うことができるインバータ装置を提供する。【解決手段】インバータ装置は、インバータ回路と、昇圧回路と、電圧検出部と、インバータ回路及び昇圧回路を制御する制御回路と、インバータ回路及び昇圧回路が搭載される回路基板の周囲温度を検出する温度センサとを備える。昇圧回路は、スイッチング素子を含むチョッパ回路として構成される。制御回路は、スイッチング素子のスイッチング制御を一定周期で行うと共に、一定周期中のスイッチング回数を駆動用電源の電圧に応じて可変制御し、温度センサにより検出された温度とスイッチング回数とに基づいて推定されるスイッチング素子の負荷であるスイッチング負荷を、予め設定された閾値と比較した結果に応じて、インバータ回路及び昇圧回路のうち少なくとも一方の制御態様を変更する。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、モータを駆動するインバータ回路に供給する駆動用電源を昇圧する昇圧回路を備えたインバータ装置,及びそのインバータ装置を備える洗濯機に関する。

一般に、スイッチング素子を用いる回路においては、スイッチング素子の温度が上昇することに伴い素子が破壊に至ることを防止するため、スイッチング素子の温度を監視し、必要に応じて保護動作を行っている。

特開２０１７−８６５６９号公報 特開２０１４−４５８３６号公報

しかしながら、そのためには、スイッチング素子用の温度センサや、スイッチング素子を介して流れる電流を検出する電流センサ等を別途設ける必要があり、コストアップの要因となっていた。

そこで、スイッチング素子用の温度センサや電流センサ等を設けることなく、スイッチング素子の過熱に対する保護動作を行うことができるインバータ装置,及びそのインバータ装置を備える洗濯機を提供する。

実施形態のインバータ装置は、モータを駆動するインバータ回路と、
このインバータ回路に供給する駆動用電源を昇圧する昇圧回路と、
前記駆動用電源の電圧を検出する電圧検出部と、
前記インバータ回路及び前記昇圧回路を制御する制御回路と、
前記インバータ回路及び前記昇圧回路が搭載される回路基板の周囲温度を検出する温度センサとを備え、
前記昇圧回路は、スイッチング素子を含むチョッパ回路として構成され、
前記制御回路は、前記スイッチング素子のスイッチング制御を一定周期で行うと共に、前記一定周期中のスイッチング回数を前記駆動用電源の電圧に応じて可変制御し、
前記温度センサにより検出された温度と前記スイッチング回数とに基づいて推定される前記スイッチング素子の負荷であるスイッチング負荷を、予め設定された閾値と比較した結果に応じて、前記インバータ回路及び前記昇圧回路のうち少なくとも一方の制御態様を変更する。

第１実施形態であり、縦型洗濯機の構成を概略的に示す縦断側面図 インバータ装置の構成を示す回路図 洗濯及び脱水運転中における昇圧制御を中心に示すフローチャート 第２実施形態であり、洗濯及び脱水運転中における昇圧制御を中心に示すフローチャート 第３実施形態であり、洗濯及び脱水運転中における昇圧制御を中心に示すフローチャート 第４実施形態であり、洗濯運転中における昇圧制御を中心に示すフローチャート

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態の洗濯機１は、縦型の全自動洗濯機であり、家電機器に相当する。図１において、洗濯機１の外殻は、外箱２と、外箱２の上部に装着されたトップカバー３とにより構成されている。トップカバー３には、図示しない洗濯物出入口を開閉する洗濯蓋４が開閉可能に設けられている。外箱２内には、水槽５が配設されている。水槽５は、底部が閉塞され且つ上面が開口した円筒容器状をなしていて、外箱２の四隅に設けられた吊り棒６ａと図示しないコイルばねを主体に構成された防振装置６を介して弾性的に吊り下げ支持されている。水槽５の中心軸線は上下方向に指向している。

水槽５の内部には、洗濯槽と脱水槽を兼ねた回転槽７が収容配置されている。回転槽７も底部が閉塞され上面が開口した円筒容器状をなしている。回転槽７は、中心軸線を上下方向に指向させた状態で、その中心軸線を中心に回転可能とされている。回転槽７は、周壁部に多数の脱水孔８を有するとともに、上端部にバランスリング９を備えている。各脱水孔８は、回転槽７の周壁部を厚さ方向に貫通していて、回転槽７の内外を連通させている。回転槽７には、トップカバー３の洗濯物出入口を通して洗濯物が出し入れされる。回転槽７内の底部には、撹拌体１０が回転可能に配設されている。この場合、水槽５と回転槽７で槽体３０を構成している。

水槽５の下方には、洗濯および脱水用の洗濯機モータ１１およびクラッチ機構１２が設けられている。洗濯機モータ１１は、例えばアウターロータ型の３相のＤＣブラシレスモータである。洗濯機モータ１１が有するロータの回転位置は、ロータ位置検知部に相当する図示しない回転センサ，例えば３つの磁気的な位置センサにより検出される。

クラッチ機構１２は、洗濯機モータ１１により撹拌体１０だけを回転させる場合と、撹拌体１０と回転槽７を一体的に回転させる場合とを切り替えるためのものである。水槽５の底部に形成された排水口１３には、排水弁１４を介して排水ホース１５が接続されている。排水弁１４が開放されると、回転槽７内および水槽５内の水が排水ホース１５を通して機外へ排出される。

この場合、クラッチ機構１２と排水弁１４は、水槽５の底部下面に設けられた切替用モータ１６により連動して切り替え操作される。具体的には、切替用モータ１６により排水弁１４を開放動作させた場合には、クラッチ機構１２は、洗濯機モータ１１により撹拌体１０と回転槽７を一体的に回転させるように切り替えられる。また、排水弁１４を閉鎖動作させた場合には、クラッチ機構１２は、洗濯機モータ１１により撹拌体１０だけを独立させて回転させるように切り替えられる。なお、切替用モータ１６の代わりに電磁ソレノイドを用いる構成とすることもできる。

外箱２内の下部には、運転制御部を構成する制御装置１８が設けられている。また、トップカバー３の内部には、安全レバー１９によって操作される安全スイッチ２０が設けられている。安全レバー１９は、トップカバー３の下部から水槽５の外周面と外箱２の内面との間に位置するように垂下する状態に設けられている。安全スイッチ２０は、水槽５が揺れて水槽５の外面が安全レバー１９に当接することに伴い操作されることで、水槽５の揺れが大きいことを検出する。

トップカバー３の上面における前部，図１中の左側には、操作パネル２１が設けられている。操作パネル２１には、表示部や操作入力部２３が設けられている。トップカバー３内には、回転槽７内および水槽５内へ給水するための給水弁や、水槽５内の水位を検出するための水位センサが設けられている。給水弁には、図示はしないが水道の蛇口に接続された給水ホースが接続されていて、その給水弁が開放されると、水道水が、図示しない注水口を通して回転槽７内ひいては水槽５内に供給される。

図２は、洗濯機１に搭載され、昇圧回路を備えるインバータ装置３１の構成を示す。１００Ｖの商用交流電源には、一端側にリアクトル３２を介して、４つのダイオードをブリッジ接続してなる整流ブリッジ回路３３が接続される。整流ブリッジ回路３３の出力端子間には、スイッチング素子であるＩＧＢＴ３４のコレクタ，エミッタと、ダイオード３５及び平滑コンデンサ３６の直列回路とが並列に接続されている。ＩＧＢＴ３４のコレクタ，エミッタ間には、フリーホイールダイオード３７が接続されている。

平滑コンデンサ３６の両端には、インバータ回路４０が接続されている。インバータ回路４０は、６個のＩＧＢＴ４１を３相ブリッジ接続して構成されている。ＩＧＢＴ１１のコレクタ，エミッタ間には、フリーホイールダイオード４２が接続されている。インバータ回路４０の各相出力端子は、洗濯機モータ１１のスター結線されている各相固定子巻線の一端にそれぞれ接続されている。

インバータ回路４０の負側と制御回路グランドとの間には、シャント抵抗４４が接続されている。シャント抵抗４４の両端は、図示しないがマイクロコンピュータ４５の入力端子にそれぞれ接続されている。以下、マイコン４５と称す。シャント抵抗４４は、インバータ回路４０を介してモータ１１に通電される相電流を検出するもので、本実施形態では１シャント電流検出方式を採用している。マイコン４５は、シャント抵抗４４の端子電圧を所定のタイミングでＡ／Ｄ変換して読み込むことで、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相電流を検出する。そして、マイコン４５は、検出した電流に基づいてＰＷＭ信号を生成し、インバータ回路４０を構成する各ＩＧＢＴ４１にゲート信号として出力する。

また、マイコン４５は、ＩＧＢＴ３４にもゲート信号を出力する。そして、リアクトル３２，整流ブリッジ回路３３，ＩＧＢＴ３４，ダイオード３５，平滑コンデンサ３６及びマイコン４５により、昇圧回路４７が構成されている。昇圧回路４７は、リアクトル４２を用いた昇圧動作を行わない場合には、１００Ｖの交流電源を全波整流し、約１４１Ｖの直流電圧をインバータ回路４０等に供給する。

ＩＧＢＴ３４のオンオフ制御は、マイコン４２からのパルス指令により制御される。ＩＧＢＴ３４がＯＮすると、交流電源からリアクトル４２，整流ブリッジ回路４３，ＩＧＢＴ３４を介して短絡電流が流れ，このとき短絡電流が磁気エネルギーとしてリアクタ４２に蓄えられる。ＩＧＢＴ３４がＯＦＦすると、蓄えられた磁気エネルギーが解放され、ダイオード３５を介してインバータ回路４０に供給される電圧が昇圧される。ＩＧＢＴ３４への指令パルスをコントロールすることにより昇圧レベルが変更可能となる。

インバータ回路４０の入力端子間には、分圧抵抗回路４８が接続されており、その分圧点はマイコン４５の入力端子に接続されている。これにより、マイコン４５は、インバータ回路４０に供給される駆動電源電圧を検知する。シャント抵抗４４には、下側の３相のうち１相のＩＧＢＴ４１がＯＮしており、且つ他の２相のＩＧＢＴ４１がＯＦＦしているタイミングでモータ１１の巻線と同じ電流が発生するので、正負の電圧が発生する。この正負の電圧は、図示しないレベルシフト用分圧抵抗によりプラス側にレベルシフトされて、マイコン４５のＡ／Ｄ端子に入力される。

マイコン４５は、ＰＷＭの搬送波周期毎に下相のＩＧＢＴ４１がオンするタイミングで、最低２相分の電圧を変換する。またマイコン４５の内部には、インバータ回路４０の上下アームが短絡した場合に、回路の破壊を防止するために過電流検出を行なう機能がある。過電流として、例えば１５Ａに相当する比較電圧を検知すると、ＰＷＭ信号の出力が直ちに遮断されて回路部品の破損を防ぐ。マイコン４５は、前述した３つの位置センサの情報からモータ１１の現在のロータの位置を推測してベクトル制御を行い、ＰＷＭ信号の出力を制御してモータ１１のｄ軸，ｑ軸電流を適切に発生させる。また、マイコン４５は、推測したロータ位置を微分することでモータ１１の回転数についても推測する。マイコン４５は、制御回路及び回転数検出部に相当する。

周囲温度センサ４９は、インバータ装置３１が搭載されている回路基板の周辺に取り付けられており、基板近くの周囲温度を検出して検出信号をマイコン４５に入力する。回路基板のサイズは、例えば３０ｃｍ×１５ｃｍ程度である。

次に、本実施形態の作用について図３から図５を参照して説明する。洗い運転時には、水を含んだ衣類が回転槽７の内底部にある撹拌体１０の凹凸形状部分に引っ掛かるため、モータ１１に大きな負荷がかかる。すると、モータに通電される電流量が増加するので電源電圧が低下する。本実施形態の構成では倍電圧整流回路を用いていないので、昇圧回路４７が昇圧動作を行わない場合の電源電圧は、ＤＣ１４０Ｖ程度である。電源電圧の不足によるモータエラーを防止するため。本実施形態では、洗い運転時にはモータ１１の起動前に昇圧動作を行い、モータ１１の負荷が小さい脱水運転時にはモータ１１の起動後に昇圧動作を行う。

図３は、洗濯及び脱水運転中における昇圧制御を中心に示すフローチャートである。洗い又は脱水運転を開始すると、マイコン４５はらモータ１１の駆動を開始させ（Ｓ１）、周囲温度センサ４９によりその時点の周囲温度を検出してメモリに記録すると（Ｓ２）、昇圧回路４７による昇圧動作を開始させる（Ｓ３）。

洗い又は脱水運転が継続中であれば（Ｓ４；ＹＥＳ）、マイコン４５は、駆動電圧の目標電圧と現在の電圧との差分と、昇圧回路４７のＩＧＢＴ３４を前回にスイッチングさせた回数であるパルス数より、今回のパルス数を決定する（Ｓ５）。このパルス数の決定は、例えば商用交流電源電圧の半周期毎に行われる。ここでの半周期は、一定周期の一例である。そして、昇圧動作を開始した時点からのパルス数を累積すると（Ｓ６）、その時点のパルスの累積数から温度の上昇分を推定する（Ｓ７）。

次に、ステップＳ２で記録した周囲温度と、ステップＳ７で推定した温度上昇分とを加算した値を閾値と比較する（Ｓ８）。閾値は、例えば事前に昇圧動作におけるパルス数に対するＩＧＢＴ３４の温度上昇特性を測定しておき、ＩＧＢＴ３４の過熱による破損を防止できる温度に設定する。加算した温度が閾値以下であれば（ＮＯ）ステップＳ４に戻り、閾値を超えていれば（ＹＥＳ）モータ１１の出力を低下させる（Ｓ９）。それから、ステップＳ４に戻る。

ここで、「加算した温度」は、ＩＧＢＴ３４がスイッチング動作したことに伴い上昇した温度に相当することから、スイッチング負荷の一例である。また、「モータ出力を低下させる」ことは、インバータ回路４０及び昇圧回路４７のうち少なくとも一方の制御態様を変更することを意味する。

以上のように本実施形態によれば、インバータ回路４０は、洗濯運転を行うための回転駆動力を発生させるモータ１１を駆動する。昇圧回路４７は、ＩＧＢＴ３４を含むチョッパ回路として構成され、インバータ回路４０に供給する駆動用電源を昇圧する。マイコン４５は、ＩＧＢＴ３４のスイッチング制御を一定周期で行うと共に、その一定周期中のスイッチング回数であるパルス数を駆動用電源の電圧に応じて可変制御する。そして、モータ１１を駆動する前に検出された温度と前記パルス数とに基づいてその時点の温度を推定し、推定した温度と予め設定された閾値とを比較した結果に応じて、モータ１１の出力を低下させる。

このように構成すれば、ＩＧＢＴ３４の温度を直接検出するためのセンサを別途設けずともＩＧＢＴ３４の温度を推定して、過熱による破損を防止できる。具体的には、マイコン４５は、累積した昇圧動作におけるパルス数に応じて温度を推定するので、周囲温度センサ４９に検出された初期の周囲温度をベースとして、その時点の温度を妥当に推定できる。更に、マイコン４５は、推定した温度が閾値を超えるとモータ１１の出力を低下させるので、駆動用電源電圧を大きく上昇させる必要がなくなることでＩＧＢＴ３４の温度上昇を抑制できる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図４に示す第２実施形態では、ステップＳ６，Ｓ７に替えてステップＳ１１〜Ｓ１３を実行する。ステップＳ１１では、今回のパルス数が例えば「２０」以上か否かを判断し、「２０」以上であれば（ＹＥＳ）カウント数ｎをインクリメントする（Ｓ１２）。そして、カウント数ｎに基づいて温度の上昇度合いを推定する（Ｓ１３）。また、ステップＳ８で「ＹＥＳ」と判断すると、昇圧動作における目標電圧を例えば２０Ｖ低下させる（Ｓ１４）。「２０」は所定回数の一例である。

以上のように第２実施形態によれば、マイコン４５は、ステップＳ２で記録した周囲温度と昇圧動作におけるパルス数が所定回数を超えた頻度に応じて推定する。この場合も、その時点の温度を妥当に推定できる。また、マイコン４５は、推定した温度が閾値を超えると昇圧回路４７の目標昇圧電圧を低下させることでで、ＩＧＢＴ３４の温度上昇を抑制できる。

（第３実施形態）
図５に示す第３実施形態では、第２実施形態のステップＳ１４に替えてステップＳ１５を実行する。ステップＳ１５では、昇圧動作における最大パルス数を例えば「１５」に制限する。この場合も、第２実施形態と同様に目標昇圧電圧を低下させることになるので、ＩＧＢＴ３４の温度上昇を抑制できる。

（第４実施形態）
図６に示す第４実施形態は、洗い運転のみについての処理である。洗い運転を開始すると、マイコン４５は、例えば回転数が１００ｒｐｍである水流Ａに設定し（Ｓ２１）、それからステップＳ１〜Ｓ８を実行する。ステップＳ２２は、ステップＳ４に替わる判断ステップである。そして、ステップＳ８で「ＹＥＳ」と判断すると、例えば回転数が５０ｒｐｍである水流Ｂに変更する（Ｓ２３）。これにより、第１実施形態のステップＳ９と同様に、モータ１１の出力を低下せることができる。

（その他の実施形態）
一定周期や所定回数，モータ１１の電力を低下させる態様については適宜変更して良い。
スイッチング素子はＩＧＢＴに限らない。
回転槽がドラムであるドラム式洗濯機に適用しても良い。
洗濯用モータを駆動するものに限らず、その他一般的なモータを駆動対象とするインバータ装置に適用できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は洗濯機、１１は洗濯機モータ、３４はＩＧＢＴ、４０はインバータ回路、４５はマイクロコンピュータ、４７は昇圧回路、４９は周囲温度センサを示す。

Claims (7)

1. モータを駆動するインバータ回路と、
   このインバータ回路に供給する駆動用電源を昇圧する昇圧回路と、
   前記駆動用電源の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記インバータ回路及び前記昇圧回路を制御する制御回路と、
   前記インバータ回路及び前記昇圧回路が搭載される回路基板の周囲温度を検出する温度センサとを備え、
   前記昇圧回路は、スイッチング素子を含むチョッパ回路として構成され、
   前記制御回路は、前記スイッチング素子のスイッチング制御を一定周期で行うと共に、前記一定周期中のスイッチング回数を前記駆動用電源の電圧に応じて可変制御し、
   前記温度センサにより検出された温度と前記スイッチング回数とに基づいて推定される前記スイッチング素子の負荷であるスイッチング負荷を、予め設定された閾値と比較した結果に応じて、前記インバータ回路及び前記昇圧回路のうち少なくとも一方の制御態様を変更するインバータ装置。
2. 前記制御回路は、前記スイッチング負荷を、累積したスイッチング回数に応じて推定する請求項１記載のインバータ装置。
3. 前記制御回路は、前記スイッチング負荷を、前記一定周期内のスイッチング回数が所定回数を超えた頻度に応じて推定する請求項１記載のインバータ装置。
4. 前記制御回路は、前記スイッチング負荷が前記閾値を超えると、前記モータの出力を低下させる請求項１から３の何れか一項に記載のインバータ装置。
5. 前記制御回路は、前記スイッチング負荷が前記閾値を超えると、前記昇圧回路の目標昇圧電圧を低下させる請求項１から４の何れか一項に記載のインバータ装置。
6. 前記制御回路は、前記推定した温度が前記閾値を超えると、前記スイッチング素子のスイッチング回数を低減させる請求項１から５の何れか一項に記載のインバータ装置。
7. 請求項１から５の何れか一項に記載のインバータ装置と、
   このインバータ装置により駆動制御され、洗濯物を撹拌する駆動力を発生させるモータとを備える洗濯機。

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