JP2623526B2 - 圧縮機駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は圧縮機駆動方法に関し、さらに詳細にいえ
ば、インバータ回路を使用して広範囲の運転周波数を選
択することができるようにした圧縮機駆動方法に関す
る。

〈従来の技術〉 従来から空気調和機等における圧縮機を駆動するため
に、広い周波数範囲にわたる駆動制御が可能であるとい
う利点に着目してインバータを使用することが広く行な
われている。

この場合において、圧縮機が軽負荷、低慣性の状態で
あれば、特定の周波数帯で振動が発生し、運転に支障を
及ぼすという問題がある。

この不安定現象は、誘導機の時定数、インバータのパ
ルス幅変調（以下PWMと略称する）のキャリア周波数、
キャリアON/OFFのむだ時間、インバータの出力周波数と
出力電圧との比（以下F/Vと略称する）、機械系の固有
振動数等の要因が複雑に影響し合って発生するものであ
ると考えられており、この不安定現象が発生すると、第
６図Ｂに示すように、基本波（第６図Ａ参照）に他の周
波数成分が重畳された波形となる。

この結果、誘導機に供給される交流の電圧と周波数と
が乱れ、インバータ出力電流の基本波による運転点が、
他の周波数成分によって、異なる運転点に不規則に移行
する、いわゆるトリクリップルが発生することになる。

そして、上記の不安定現象が発生した場合において、
インバータの周波数が被駆動機械系の固有振動数に一致
すると、共振により大きな振動が発生し、運転を継続す
ることができなくなるという問題がある。この問題は、
第７図に示す圧縮機の最大効率線に沿わせて運転を行な
わせようとする場合において、同図中斜線で示す領域と
合致する条件での運転が選択されると、F/Vを変化さ
せ、或は周波数を変化させて運転を行なうことにより、
効率の低下を許容するしかないと思われていた。

このような振動の発生を防止するために、従来は、第
８図に示すように、商用電源（31）からの出力電圧を整
流回路（32）による直流電圧に変換し、平滑回路（33）
により平滑化し、この平滑化直流電圧、およびPWM信号
発生回路（34）からの信号をインバータ回路（35）に供
給することにより、基準となる正弦波に近似され得るス
イッチング信号を出力し、誘導機（36）に供給すること
により、誘導機（36）の出力軸に対して直接、或は間接
に連結された負荷（37）を駆動することができる基本的
な構成に、インバータ回路（35）の入力電流を検出回路
（38）により検出した後、直流カットフィルタ（39）に
より直流成分をカットし、演算回路（40）により必要な
演算を行なって補正データΔｆ（ｔ）を得、周波数設定
器（41）からの周波数データと補正データとを加算した
状態で電圧制御発振器等のV/Fコンバータ（42）に入力
することにより補正後のデータに対応する周波数の信号
を得、この信号をPWM信号発生回路（34）に供給する構
成部分を付加した構成が採用されている。

尚、上記PWM信号発生回路（34）は、上記電圧制御発
振器（42）からの信号を入力としてθ｛＝２π（ｆ＋Δ
ｆ（ｔ））ｔ｝を生成するθ発生部（43）と、θと振幅
設定信号Ｖとを入力として基準正弦波Vcos（θ）を生成
する基準正弦波生成部（44）と、キャリア波生成部（4
5）と、基準正弦波とキャリア波と比較する比較部（4
6）と、比較部（46）からの比較出力に基いてスイッチ
ング信号を生成し、インバータ回路（35）に供給するス
イッチング信号発生部（47）とから構成されている。

即ち、大きな振動が発生する状態が検出された場合
に、補正データに基づいてインバータの周波数を変化さ
せ、不安定現象の発生、ひいては共振に起因する振動の
発生を防止することができる（特開昭56−110497号公報
参照）。

〈発明が解決しようとする問題点〉 上記の構成の誘導機駆動用インバータ制御装置を空気調
和機等の圧縮機の駆動を行なうために使用した場合に
は、常時不安定現象抑制機能が作用する状態に保持され
るのであり、運転周波数を変更しない場合のみならず、
外部指令（例えば空気調和機であれば、外部温度の変動
に対応する指令）に基いて運転周波数を変更する場合に
も不安定現象抑制機能が作用することになる。

そして、運転周波数が変更される場合には、元の運転
状態からみれば不安定現象が発生したのと同様の状態に
なるのであるから、不安定現象抑制機能により、運転周
波数の変更を阻止するように制御されることになる。こ
の場合において、運転周波数の変化率が小さい場合に
は、余り大きな不都合は発生しないと思われるのである
が、運転周波数の変化率が大きい場合（例えば空気調和
機の場合）は、瞬時的に過電流が流れて、安全機能が作
動することにより措置が停止させられ、またはトランジ
スタ等が破壊されてしまうというような問題がある。

〈発明の目的〉 この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであ
り、不安定現象を抑制するための不安定現象抑制機能を
具備させるとともに、外部指令により運転周波数が変更
される場合における過電流の発生、制御素子の破壊等を
効果的に防止することができる圧縮機駆動方法を提供す
ることを目的としている。

〈問題点を解決するための手段〉 上記の目的を達成するための、この発明の圧縮駆動方
法は、圧縮機駆動系の状態量を検出し、この検出された
状態量に基いて、該当時点における基準となる正弦波と
同じ電圧値を出力させるとともに、該正弦波による電流
に含まれる異常電流を抑制させる正弦波の位相を補正値
として算出し、この補正値に基いて基準となる正弦波に
位相変調を施すことにより不安定抑制制御を行なうとと
もに、外部指令に基いて運転周波数を変更する場合に
は、不安定抑制制御を外してから周波数の変更を行な
い、周波数が変更された後、不安定抑制制御を行なわせ
るものである。

〈作用〉 上記の圧縮機駆動方法であれば、インバータ回路を使
用して圧縮機を駆動する圧縮機駆動装置において、圧縮
機駆動系の状態量を検出し、この検出された状態量に基
いて、該当時点における基準となる正弦波と同じ電圧値
を出力させるとともに、該正弦波による電流に含まれる
異常電流を抑制させる正弦波の位相を補正値として算出
し、この補正値に基いて基準となる正弦波に位相変調を
施すことにより、負荷の状態に拘わらずインバータ回路
の出力電流を正弦波に近似させることができ、さらに外
部指令に基いて運転周波数を変更する場合には、不安定
抑制制御を外して運転周波数を変更することにより、運
転周波数変更に対する不安定抑制制御を防止し、運転周
波数を変更した後に不安定抑制制御を行なわせることに
より、再び負荷の状態に拘わらずインバータ回路の出力
電流を正弦波に近似させることができる。

〈実施例〉 以下、実施例を示す添付図面によって詳細に説明す
る。

第１図はこの発明の圧縮機駆動方法を実施するための
装置の電気的構成を示すブロック図である。

図において交流電源（１）からの交流電圧を整流回路
（２）により直流電圧に変換し、平滑回路（３）により
平滑化し、この平滑化直流電圧、およびPWM信号発生回
路（４）からのスイッチング信号をインバータ回路
（５）に供給することにより、基準となる正弦波に近似
され得るスイッチング信号を出力し、誘導機（６）に供
給することにより、誘導機（６）の出力軸に直接、ある
いは間接に連結された圧縮機（７）を駆動することがで
きる基本的な構成を採用しているとともに、以下の如き
不安定現象抑制回路を付加している。

上記不安定現象抑制回路は、インバータ回路（５）の
入力電流の正弦波からのずれ量を検出する検出回路
（８）と、検出回路（８）により検出された電流値に基
づいて演算回路（９）により補正値φ（ｔ）を算出し、
上記PWM信号発生回路（４）に供給するものであり、上
記信号伝達経路の所定位置に、不安定現象抑制機能断続
部（20）を接続している。

上記演算回路（９）は、検出回路（８）により検出さ
れたずれ量を入力として、該当時点における正弦波と同
じ電流値を出力するとともに、該正弦波と逆の電流変化
特性を示す正弦波の位相を補正値φ（ｔ）として出力す
るものである。

上記不安定現象抑制機能断続部（20）は、第２図に示
すように、上記信号伝達経路の途中とアースとの間にト
ランジスタ（21）のコレクタ−エミッタ端子を接続し、
制御機能ON−OFFの指令に応答して動作するスイッチ（2
2）を抵抗（23）を介してトランジスタ（21）のベース
端子と接続し、トランジスタ（21）のベース端子にコン
デンサ（24）を接続している。

また、上記PWM信号発生回路（４）について詳細に説
明すると、クロック発生器（10）からのクロックパルス
を、外部からの周波数設定信号（例えば、空気調和機で
あれば、検出された室温と、設定室温との差に対応する
信号）が制御信号として入力される分周器（11）により
分周し、この分周信号に基づいてθ発生器（12）により
θを生成し、加減算器（13）によりθ信号と上記補正値
φ（ｔ）とを加減算し、この加減算信号θ±φ（ｔ）
と、外部からの振幅設定信号Ｖとに基づいて正弦波発生
器（14）によりVcos（θ±φ（ｔ））を発生させ、この
正弦波Vcos（θ±φ（ｔ））と、キャリア波発生回路
（15）から出力されるキャリア波とを比較器（16）によ
り比較し、比較器（16）からの比較出力に基づいてスイ
ッチング信号発生器（17）により、インバータ回路
（５）に供給すべきスイッチング信号を生成するもので
ある。

以上の構成の圧縮機駆動装置は、不安定現象が発生し
た場合に電流波形が正弦波から大幅にずれた波形となる
ので、この波形のずれを検出回路（８）により検出し、
検出値に基づいて演算回路（９）により補正値φ（ｔ）
を算出する。そして、この補正値φ（ｔ）を、θ発生器
（12）からのθ信号に対して加減算することによりθ±
φ（ｔ）を得、基準となる正弦波Vcosθに対して上記補
正値φ（ｔ）による位相変調を施した正弦波Vcos（θ±
φ（ｔ））を出力し、この正弦波Vcos（θ±φ（ｔ））
とキャリア波とにより正弦波に近似されるべくパルス幅
変調が施されたスイッチング信号を得、このスイッチン
グ信号をインバータ回路（５）に供給することにより、
異常電流脈動を解消させ、圧縮機（７）を、共振による
大きな振動の発生を確実に防止することができる状態で
駆動することができる。

第３図は上記の動作を説明するための波形図であり、
同図Ａは電圧波形を、同図Ｂは電流波形をそれぞれ示し
ている。

同図Ｂの太い実線、破線、二点鎖線はそれぞれ同図Ａ
の実線、破線、二点鎖線に対応する。また、同図Ｂの細
い実線は異常電流の増大、減少を抑制して正弦波に近似
する形状に制御した状態を示す。

同図Ｂの時刻t1において異常電流脈動が検出されれ
ば、同図Ａに実線で示す電圧波形（基準となる電圧波
形）に、破線で示す如き位相変調を施すことにより、異
常電流の増大を抑制し（同図Ｂ中破線参照）（この場合
には、同図Ａに実線で示す電圧波形が該当時点における
基準となる正弦波である）、次に時刻t2において異常電
流脈動が検出されれば、同図Ａに破線で示す電圧波形
に、２点鎖線で示す如き位相変調を施すことにより、異
常電流の減少を抑制し（同図中２点鎖線参照）（この場
合にも、同図Ａに実線で示す電圧波形が該当時点におけ
る基準となる正弦波である）、以下、同様に、位相変調
を反復して行なうことにより、電流波形を正弦波に近似
する形状に制御することができる。

即ち、局部的にみれば周波数が変化したのと同様な状
態になるのであるが、全体的にみれば、位相が変化して
いるだけであって、周波数は変化していない状態にな
り、従来は異常振動が発生して運転の遂行が困難であっ
た最大効率線上での運転を行なうことができる。

尚、上記の説明において補正値が時間変化に存在する
ものとして表されているのは、上記補正値が、入力電流
の変化に基づいて常に算出されているからであり、各瞬
間における電流値に基づいて補正値φ（ｔ）を算出する
ことにより、電流波形を正弦波に近似する波形とするこ
とができる。そして、周波数ｆ＝ｄφ（ｔ）/dtであ
り、補正値の微分の形で変化するのであるから、周波数
変調を行なうものと比較してπ/2だけ進んだものとし
て、即ち予測的なものとして補正を行なうことができ、
反応を速くすることができる。

上記の説明は、外部から指令されている運転周波数が
変動しない場合の動作であるが、外部からの周波数設定
信号により運転周波数を変化させることが指令された場
合には、上記の不安定現象の発生を抑制する機能が働い
ている状態のままであれば、この抑制機能により、周波
数の変化を抑制すべく制御されることになり、瞬間的に
大電流が流れて図示しない過電流保護装置を動作させて
しまうという問題が発生する。

したがって、必要に応じて制御機能をON−OFFさせな
ければならないことになる。

上記制御機能をOFFとする場合には、不安定現象抑制
機能断続部（20）のスイッチ（22）を正電圧側に接続す
ればよく、抵抗（23）とコンデンサ（24）との時定数に
より定まる時定数でベースバイアスが増加するので、ト
ランジスタ（21）が徐々に導通し、フィードバック信号
の出力を徐々に低下させ、制御機能が完全にOFFとなっ
た時点で外部からの周波数設定信号に対応する周波数で
の運転状態に移行させることができる。

また、逆に、制御機能をONとする場合には、スイッチ
（22）アース側に接続すればよく、抵抗（23）とコンデ
ンサ（24）との時定数により定まる時定数でベースバイ
アスが減少するので、トランジスタ（21）が徐々に遮断
し、フィードバック信号の出力を徐々に増加させ、制御
機能が完全にONとなった時点で、再び不安定現象の発生
を抑制することができる運転状態に移行させることがで
きる。

第４図は上記の構成により、運転周波数を35Hzから40
Hzに変更して場合の波形変化を示す図であり、同図Ａは
回転波形の変化を、同図Ｂは電流波形をそれぞれ示して
いる。

この図からも明らかなように、制御機能を徐々にOFF
として運転周被数を変化させ、その後制御機能を徐々に
ONとすることにより、過電流の発生もなく、安定した運
転周波数の変更を行ない得ることが分かる。

第５図は制御機能をONとしたままで運転周波数を変化
させようとした場合の波形変化を示す図であり、この場
合には、周波数の変更を行なっている途中から異常にな
り始め、遂には著しい過電流が発生して、運転の継続が
不可能になることが明らかである。

したがって、この従来例と比較することによっても明
らかなように、制御機能をON−OFFさせて運転周被数を
変更すること、特に制御機能のON−OFFを徐々に行なっ
て運転周波数を変更することが、非常に有効であること
が分かる。

特に、空気調和機に使用される場合であれば、室温が
１℃変化した場合における運転周波数の変動が10数Hzと
なるのであり、しかも室温は人の出入り等により絶えず
変化するのであるから、上記実施例の圧縮機駆動装置を
使用することは非常に有効である。

また、上記実施例においては、平滑化されたインバー
タ回路（５）への入力電流を状態量検出のために使用し
ているが、整流回路（２）の入力電流、整流回路（２）
からの出力電流、平滑化回路（３）に組込まれたコンデ
ンサの端子間電圧、コンデンサのアース側電流、インバ
ータ回路（５）からの出力電流等を状態量検出のために
使用することができる他、圧縮機（７）の回転数、振動
量、負荷により発生させられる音等を状態量検出のため
に使用することができる。

上記圧縮機（７）の振動量を状態量検出のために使用
する場合には、アキュムレータの吸入側等、温度が低い
箇所に、歪センサ等の振動量検出センサを取付ければよ
く、この振動検出センサの取付け状態としては、圧縮機
の回転（ねじれ）方向の振動を良好に検出することがで
きるようにすればよい。

そして、この振動検出センサからの出力信号を演算回
路（８）に供給することにより補正値φ（ｔ）を算出
し、この補正値φ（ｔ）に基いて基準となる正弦波に位
相変調を施すことにより、上記実施例と同様に、異常電
流脈動を解消させ、圧縮機（７）を、共振による大きな
振動の発生を確実に防止することができる状態で駆動す
ることができる。

この場合に、不安定現象と直接関わりを有する振動に
基いて補正を行なうことができるのであるから、必要な
場合にのみ確実な振動抑制を行なわせることが可能とな
る。

また、上記音を状態量検出のために使用する場合に
は、外部雑音を無視し得る状態で取付けられたマイクか
らの出力信号を演算回路（８）に供給することにより補
正値φ（ｔ）を算出し、この補正値θ（ｔ）に基いて基
準となる正弦波に位相変調を施すことにより、上記実施
例と同様に、異常電流脈動を解消させ、圧縮機（７）
を、共振による大きな振動の発生を確実に防止すること
ができる状態で駆動することができる。

この場合には、音に基いて状態量を検出するので、圧
縮機（７）に対して非接触とすることができ、マイクの
取付けの自由度を増大させることができる。

以上はインバータ制御が正常に行なわれている場合の
説明であるが、何らかの原因により検出回路（８）、演
算回路（９）の何れかが故障することも考えられる。

この場合には、上記したような不安定現象の発生を抑
制する機能はなくなるのであるが、出力周波数の暴走現
象が発生することもなく、装置が破壊されるというよう
な不都合は全くない。さらに詳細に説明すれば、検出回
路（８）、および演算回路（９）により得られる補正値
は、単に位相変調を施すためだけのものであり、故障が
発生すれば、未知の所定値に固定された状態になるのみ
であるから、周波数はθ発生器（12）からの出力信号に
依存して設定された状態になり、上記暴走現象が発生す
ることはない。

〈発明の効果〉 以上のようにこの発明では、圧縮機駆動系における状
態量に基いて補正値を算出し、インバータ制御回路の基
準となる正弦波に変調を施すことにより、圧縮機を安全
に運転することができ、また、外部指令により運転周波
数を変更する場合には、不安定現象抑制機能を外した状
態で運転周波数の変個を行ない、その後、再び不安定現
象抑制機能を作用させるようにしているので、不必要に
不安定現象抑制機能が作用して過電流の発生、制御素子
等の破壊等の不都合を生じさせるという問題を確実に解
消させることができ、急激な運転周波数の変更が可能と
なるという特有の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の圧縮機駆動方法を実施するための装
置の電気的構成を示すブロック図、 第２図は不安定現象抑制機能断続部を示す電気回路図、 第３図は不安定現象抑制動作を説明する波形図、 第４図は運転周波数を35Hzから40Hzに変更した場合の波
形変化を示す図、 第５図は制御機能をONとしたままで運転周波数を変化さ
せようとした場合の波形変化を示す図、 第６図は不安定現象が発生した場合の波形の変化を示す
図、 第７図は圧縮機を負荷とした場合の運転特性図、 第８図は誘導機駆動用インバータ制御回路の従来例を示
すブロック図。 （４）……PWM信号発生回路、（５）……インバータ回
路、 （７）……圧縮機、（８）……検出回路、（９）……演
算回路、 （20）……不安定現象抑制機能断続部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福岡 明宏 草津市岡本町字大谷1000番地の２ ダイ キン工業株式会社滋賀製作所内 (56)参考文献 特開 昭60−194791（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−49393（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−49392（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−49391（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】インバータ回路を使用して圧縮機を駆動す
   る圧縮機駆動装置において、圧縮機駆動系の状態量を検
   出し、この検出値に基いて、該当時点における基準とな
   る正弦波と同じ電圧値を出力させるとともに、該正弦波
   による電流に含まれる異常電流を抑制させる正弦波の位
   相を補正値として算出し、この補正値に基いて基準とな
   る正弦波に位相変調を施すことにより不安定抑制制御を
   行なうとともに、外部指令に基いて運転周波数を変更す
   る場合には、不安定抑制制御を外してから周波数の変更
   を行ない、周波数が変更された後、不安定抑制制御を行
   なわせることを特徴とする圧縮機駆動方法。