JP2804796B2 - 電動機制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電動機制御装置に係り、特に、ヒートポン
プ式空気調和機の低外気温度時における暖房運転立上り
時間を短縮する圧縮機に内蔵される電動機、および、そ
の駆動装置に関する。

［従来の技術］ 従来のヒートポンプ式空気調和機は、低外気温度時に
は圧縮機内部の冷媒が冷却して液化するため、冬季の運
転開始時に上記冷媒を気化し、圧縮機の温度を上昇する
に長時間を要し、運転立上り時間を長引くという問題が
あった。

上記問題点を改善するため、実開昭60−92060号公報
に記載のように、圧縮機内部にヒータを設け、上記圧縮
機の運転停止から所定の時間後に上記ヒータを加熱する
ようにし、さらに、上記ヒータとして上記電動機巻線を
利用するようにしていた。

また、特開昭62−13949号公報に記載のように、圧縮
機温度が低い場合には、上記圧縮機用電動機の巻線を所
定時間通電し、熱損を与えて加熱するようにしていた。
このとき、上記巻線の通電方向はスイッチング回路によ
り、上記電動機に回転力を与えないように制御されてい
た。

しかし、前記上記圧縮機用電動機巻線への通電方法
は、複数のスイッチング素子より成る半導体コミュテー
タと、該半導体コミュテータの制御回路において、所定
の気温以下の場合等において、半導体コミュテータの正
側のスイッチング素子１個と、該正側のスイッチング素
子に対応せざる負側の２個のスイッチング素子をオンさ
せるものであった。

［発明が解決しようとする課題］ 上記の通電方法は、常にスイッチング素子をオンし、
電流がながれているため、スイッチング素子の電力損失
も大きく、その温度上昇も高くなっていた。このため、
スイッチング素子を流れる電流を大きくすることができ
ず、圧縮機用電動機の加熱時間を短縮にすることに問題
点を生じていた。

本発明の目的は、かかる従来技術の問題点を解決する
ためになされたものであり、上記スイッチ回路の温度上
昇、すなわち電力損失を低減し、同時に圧縮機加熱時間
を短縮する電動機制御装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、本発明に係る電動機制
御装置の構成は、電動機と、複数のスイッチ素子を選択
的にオンオフして、前記電動機に、回転磁界を発生させ
る電力変換器を備えた電動機制御装置において、 前記複数のスイッチ素子にそれぞれ並列にダイオード
を接続すると共に、一つの界磁巻線の電流経路上流側の
スイッチ素子を選択して高周波でオンオフ制御し、選択
された残りの前記スイッチ素子をオンとし、前記選択さ
れたスイッチ素子がオン時には前記電源側から前記電動
機へ電流を供給し、前記選択されたスイッチ素子がオフ
時には前記電動機コイルの電磁エネルギを還流電流とし
て前記ダイオードを介して該電動機へ供給して、連続電
流を前記電動機の前記一つの界磁巻線から複数の界磁巻
線に分流させる第一のモードと、前記第一のモードで前
記電動機に電流を流した後、選択されたスイッチ素子を
低周波でオンオフにする第二のモードを設け、該第一モ
ードと該第二のモードを交互に繰り返し、前記電動機電
流を制御するようにした ［作用］ 以上のように構成した本発明の電動機制御装置は、上
記電動機電流が間欠的となり、電動機の加熱電流の損失
を少なくなるように制御することができる。

すなわち、上記スイッチ素子の消費電力を増加させず
に、電動機の加熱電流および消費電力を大にして、電動
機の加熱効果を大にすることができる。

例えば、ヒートポンプ空気調和機のように、低温環境
下に置かれ、起動時に加熱を要する電動機装置の加熱時
間を効率良く短縮することができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を各図面を用いて説明する。

［実施例 １］ まず、本発明に係る電動機制御装置に係る実施例を説
明する。

まず、本発明に係る電動機制御装置の第一のモードを
説明する。

第９図は、ヒートポンプ式空気調和機等に用いられる
圧縮機用電動機とその駆動回路を原理的に示す図であ
る。第９図において、電動機制御装置は、交流電源１を
整流回路２により直流に変換し、上記直流電圧をスイッ
チング回路３により数KHzで断続して電動機のステータ
コイル61〜63に印加する。31〜36はスイッチング回路３
を構成するスイッチング素子である所の６個のスイッチ
ング用トランジスタ、41〜46は上記各スイッチング用ト
ランジスタにそれぞれ並列に接続される還流用ダイオー
ドである。各トランジスタは制御回路５によりオン・オ
フ制御される。７は電動機のロータである。

第10図は上記駆動回路を用いて上記ステータコイル61
〜63を加熱する場合の各部の動作波形図である。例え
ば、トランジスタ31がドライブ信号51のように断続して
オンし、トランジスタ34と36がドライブ信号52のように
オンし、その他のトランジスタはすべてオフであるとす
ると、近似的に電動機電流53がステータコイル61を流
れ、ステータコイル62と63を分流する。

トランジスタ31がオンの時に電源より供給された電流
は、トランジスタ31がオフの間、ステータコイルのイン
ダクタンス成分の作用により、ダイオード42を還流する
ので、電動機電流53は上記オフの期間にも連続して流れ
るのである。上記電動機電流53の値は上記断続のオン・
オフ比により制御することが出来る。

第11図は第10図の動作による各部の温度変化を示す図
である。第10図の電動機電流53がステータコイルに流れ
ると、スイッチングトランジスタ31〜36を収容するトラ
ンジスタモジュールの温度は81のように、また、圧縮機
温度は82のように立上り、これが所用の温度84に達する
のに約２時間を要していた。83はトランジスタの最大定
格温度であり、上記トランジスタモジュール温度81がこ
れを超えないように制御されている。

このように、電動機電流53の値は上記断続のオン・オ
フ比により制御することができるので、従来では常にス
イッチング素子をオンし電流が流れて、大きいスイッチ
ング素子の電力損失を生じていたのが、改善されること
になる。

さらに、本発明の係る電動機制御装置の第二のモード
と、該第二のモードと第一のモードの繰返し切り換えた
場合を説明する。

第１図は、本発明に係る電動機制御装置のスイッチン
グトランジスタのドライブ信号と上記電動機電流の波形
図である。第１図の波形54、56、56は、それぞれ第10図
の波形51、52、53に対応している。

第10図に示す第一のモードでは、電動機制御装置は、
スイッチングトランジスタのドライブ信号51に示すよう
に、直流電圧を数KHzの高周波で断続し、これを連続し
て電動機に印加し、電動機電流53を通電するようにして
いた。

これに対し、第１図に示す第二のモードでは、第一の
モードで前記電動機に電流を流した後、選択されたスイ
ッチ素子をオフにする。そして、前記第一のモードと第
二のモードを交互に繰り返し、前記電動機電流を間欠的
となるようにしたものである。

これは、電気的には上記高周波で断続された電流をさ
らに低周波で断続して通電し、スイッチングトランジス
タと圧縮機の温度の立上り時間を、大幅に短縮するよう
にしたものである。

上記実施例の効果は、スイッチグトランジスタの特性
に着目した結果であり、以下にその理由を説明する。

第３図は電動機駆動用として広く市販されているスイ
ッチングトランジスタモジュールに用いられるトランジ
スタの静特性の１例である。第３図は、コレクタ電圧Vc
が約0.75Vを越えるとコレクタ電流Icが流れ始めること
を示している。

このような特性は通常のトランジスタにおいて、程度
の差こそあれ共通する傾向である。上記0.75Vに相当す
る電圧をV1、コレクタ電流Icの立ち上がりの勾配を1/rc
（rcはトランジスタのオン抵抗に相当する）とすると、
オン状態におけるコレクタを電圧Vcは、式（１）で与え
られる。

Vc＝V1＋rc・Ic （Ｉ） 上記Icを抵抗値Rhのヒータに流すとヒータ端の電圧は
Rh・Icとなる。上記ヒータとして電動機巻線を用いる場
合、Rhは電動機巻線抵抗になる。上記Icによって消費さ
れるトランジスタとヒータの電力は、上記二つの電圧に
それぞれIcを乗じた値になる。したがって、トランジス
タがオン状態にあるときはトランジスタとヒータの消費
電力の比を求めると、 トランジスタの消費電力／ヒータの消費電力＝V1＋rc・Ic/Rh・Ic （２） 式（２）は電流Icに対する両瞬時電力の比である。こ
れにより、所定のヒータ消費電力に対してトランジスタ
の消費電力を低く抑えるにはIcを大きく設定すべきこと
がわかる。

しかし、Icを大きくすると上記消費電力の比は改善さ
れるものの、双方の消費電力は共に増加する。そこで、
トランジスタの消費電力を増加させずに圧縮機の加熱時
間を短縮するために、第１図の56に示すように、電動機
電流を間欠的に流すようにする。即ち、大きな電流Icを
間欠的に流し、トランジスタの平均電力が増加しないよ
うにする。

第１図の57は電動機電流56に対応するトランジスタ31
の電流波形である。図示のT1〜T4のように電流57の各流
通時間、周期等を定めると、トランジスタ31の消費電力
Ptは式（３）で与えられる。ただし、Icは電流の平均的
なピーク値とする。

Pt＝ｄ・Ｄ・Ic・V1＋rc・Ic） ｄ＝T1/T2 Ｄ＝T3/T4 （３） 一方、ヒータの消費電力Phは式（４）で与えられる。

Ph＝Ｄ・Ic²・Rh （４） これより、両者の比は（５）式のようになり、式
（２）と同様の形となる。

Pt/Ph＝ｄ（V1＋rc・Ic）/Rh・Ic （５） 式（３）より、トランジスタ31の消費電力PtはIcを増
やしてもｄおよびＤの値を下げることにより、増加させ
ずに済むことがわかる。また、式（５）より、上記Icの
増加によってヒータの消費電力Phを増加することができ
るのである。

第４図は上記本実施例を適用したヒートポンプ式空気
調和機の加熱特性を第一のモードのみの場合と、該第一
のモードと第二のモードとを繰返して用いた場合を測定
した実験結果である。実線は前者の特性で、その電流の
ピーク値は5Aである。点線の特性は、後者の場合で、電
流のピーク値は12.5Aである。

これより、圧縮機温度が例えば、−10℃から30℃に達
する迄の時間を比較すると、第一のモードのみでは約、
2.7時間、本実施例では略、1.3時間を要し、本実施例で
は圧縮機温度の加熱時間は、さらに、第一のモードのみ
の場合より約1/2に短縮されていることがわかる。さら
に、上記トランジスタのモジュールの温度を比較する
と、第一のモードのみの場合が約、65℃に適しているの
に対し、本実施例では電流を5Aから12.5Aに増やしたの
にかかわらず、約60℃と若干低くなっていることがわか
る。

以上により、本実施例を適用すると、トランジスタ温
度を増加させることなく、圧縮機の加熱時間を大幅に短
縮出来ることがわかる。尚、上記実施例は、トランジス
タの特性に合わせた説明をしたが、他のスイッチング素
子を使用した場合でも、そのスイッチング素子の特性に
合わせて同様な制御を行なえば同様な効果が得られる。

上記の第１〜４図では説明の便宜上、第９図の各トラ
ンジスタ31〜36のうち81が第１図の波形54のように断続
し、34と36が65のように断続するとして説明してきた。
この場合、電動機６の巻線62と63の発熱量は巻線61の約
1/4になり、各巻線の加熱量は不均衡になる。

圧縮機を電動機により出来るだけ早く加熱するために
は、各電動機巻線の一様に加熱する方がよい。

なお、第１図のこれらの波形は説明の便宜上、誇張し
て描かれているが、実際のT3、T4等は例えば、５秒、お
よび10秒程度の値であり、また、T3内の断続周波数は3K
Hz程度である。

第５図と第６図は、上記の目的にそって各電動機巻線
を一様に加熱する本実施例の駆動波形図である。第５図
では、上記T3内の断続を順繰りに交替させ、電動機各巻
線を一様に加熱するようにする。

波形91、92、93等をそれぞれ、各スイツチングトラン
ジスタ31、34、36のドライブ信号とすると、時間幅T5で
は第１図と同様な通電が行なわれ、時間幅T6ではトラン
ジスタ31が同33と置き変わり、同34と32が置き替わって
同様の通電を行なう。時間幅T7についても同様である。
以後、上記の動作を時間幅T3内で繰り返すので、各巻線
を均等に加熱することが出来るのである。

第６図では、３個の電動機巻線の中の２個を順繰りに
断続して通電させ、上記２個の巻線を等しく加熱するよ
うにする。時間幅T5ではトランジスタ31と同34が通電
し、時間幅T6では同33と同36が通電し、時間幅T7では同
35と同32が通電する。以後、上記の動作を時間幅T3内で
繰り返すので、各巻線を等しく加熱することが出来るの
である。

なお、この際、上記通電の切り替えの都度、電動機に
トルクが発生し、電動機をコッキングさせる傾向が生じ
るが上記切り替えの頻度が低いため、実用上問題になら
ない。

第７図は上記本発明装置の一実施例を示す図である。
第７図において、第９図の制御回路５に相当する部分が
コンバレータ71、マイクロコンピユータ72、およびドラ
イバ73にて構成されている。

コンパレータ71には圧縮機温度信号、トランジスタ温
度信号、外気温度信号等が入力され、所定の各基準温度
と比較され、上記本発明の圧縮機加熱動作中はマイクロ
コンピュータ72により第１図のトランジスタのドライブ
信号54、55、あるいは第５図、第６図等の上記トランジ
スタのドライブ信号91〜96等に変換され、ドライバ73を
介して各トランジスタ31〜36を駆動する。コンパレータ
71にはこの他に抵抗素子74端の電圧も入力される。

第８図は上記圧縮機加熱動作の系統を示すブロック図
である。上記各温度信号はコンバレータ71を構成する各
比較手段711〜713に入力される。各比較手段711〜713に
はそれぞれの基準温度信号が供給される。741は電動機
６の電流を検出する手段で、第７図の抵抗素子74が該当
する。741の出力も同様に比較手段714にて基準電流値と
比較される。マイクロコンピュータ72内の圧縮機予熱通
電判断手段は上記比較結果により上記圧縮機加熱の必要
性を判断し、駆動手段を介して電動機６に加熱信号を送
る。例えば、圧縮機が停止、即ち、741が電流を検出し
ない場合であって、圧縮機温度信号が所定の値より下が
った場合には、圧縮機の加熱が必要と判断し上記の予熱
信号を生成する。

また、トランジスタ温度信号や電流信号がそれぞれの
基準信号値を超えた場合は電動機６の通電を遮断し、ト
ランジスタや電動機を保護するようにする。

以上、第１〜８図の実施例を用いて説明した本発明が
対象とする電動機は、とくに直流電動機に限定されるも
のではなく、例えば誘電電動機にも適用でき、同様の加
熱効果を得ることができる。

即ち、第７図に示した各電動機巻線61〜63は電動機の
回転磁界を生成するためのものであり、上記回転磁界は
各種の電動機に必要であるからである。したがって、誘
導電動機の回転磁界を生成する巻線に本発明を適用すれ
ば同様の加熱効果が得られるのである。

例えば、商用周波数の誘導電動機の場合においても、
誘導電動機を駆動する交流電圧を第７図のスイッチング
回路３と同様にして、第１図，第５、６図のように断続
制御すれば同様の効果を得ることが出来るのである。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明を適用すると、冬期等の
低外気温時における暖房運転立ち上り時期を短縮したヒ
ートポンプ式空気調和機を提供することができる。同様
に、低温時に予熱を要する電動機装置の運転立上り時期
を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す動作波形図、 第２図は第１図の実施例装置の温度変化を示す図、 第３図は第１図の実施例に引用したスイッチングトラン
ジスタの特性図、 第４図は本発明の実施例装置の温度特性を比較する実験
データ、 第５図、第６図はそれぞれ、本発明の実施例を示す他の
動作波形図、 第７図は本発明の他の実施例を示す図、 第８図は本発明の他の実施例装置の動作を説明するブロ
ック図、 第９図は本発明の実施例の回路図、 第10図は第９図の実施例の動作波形図、 第11図は第９図の実施例の温度特性図、 １……交流電源、２……整流回路、３……スイッチング
回路、31……トランジスタ、41……ダイオード、５……
制御回路、51、91……各スイッチング波形、53……電流
波形、６……電動機、61〜63……電動機巻線、７……ロ
ータ、 71……コンパレータ、72……マイクロコンピユータ、73
……ドライバ、 74……抵抗素子、81、82……各温度特性曲線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−13949（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−14487（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F04B 49/06 F24F 11/02

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電動機と、複数のスイッチ素子を選択的に
   オンオフして、前記電動機に、回転磁界を発生させる電
   力変換器を備えた電動機制御装置において、 前記複数のスイッチ素子にそれぞれ並列にダイオードを
   接続すると共に、一つの界磁巻線の電流経路上流側のス
   イッチ素子を選択して高周波でオンオフ制御し、選択さ
   れた残りの前記スイッチ素子をオンとし、前記選択され
   たスイッチ素子がオン時には前記電源側から前記電動機
   へ電流を供給し、前記選択されたスイッチ素子がオフ時
   には前記電動機の電磁エネルギを還流電流として前記ダ
   イオードを介して該電動機へ供給して、連続電流を前記
   電動機の前記一つの界磁巻線から複数の界磁巻線に分流
   させる第一のモードと、前記第一のモードで前記電動機
   に電流を流した後、選択されたスイッチ素子を低周波で
   オンオフにする第二のモードとを設け、該第一モードと
   該第二のモードを交互に繰り返し、前記電動機電流を制
   御するようにしたことを特徴とする電動機制御装置。