JP3701039B2 - 振動型圧縮機の制御方式 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、振動型圧縮機の制御方式、特にスイッチング素子を備え、直流を交流に変換するインバータ回路部で振動型圧縮機が駆動される構成の振動型圧縮機の制御方式において、振動型圧縮機の機械的な振動周期の変動に応じ、当該振動周期に同期した周波数の交流電圧を発生させ、振動型圧縮機を効率よく駆動するようにした振動型圧縮機の制御方式に関するものである
【0002】
【従来の技術】
振動型圧縮機の機械的な共振周波数(振動周期)はその構造上予め定まってしまうので、直流電源、例えばバッテリを駆動源とする従来の振動型圧縮機の制御方式においては、バッテリ電圧を基に一定の固定した周波数の交流電圧を発生させ、この周波数の交流電圧を振動型圧縮機に供給するようにしていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、振動型圧縮機は負荷変動によって、また使用環境によっても振動型圧縮機の共振周波数が変わるので、従来の様に振動型圧縮機に供給する電源周波数を一定にしていたのでは効率が悪い欠点があった。
【0004】
特にバッテリを駆動源とする場合には効率の良い制御方式が望まれる。
そこで本願出願人は、振動型圧縮機に流れる電流の波形を検出抵抗で検出し、当該電流波形の半周期に現れる2つの山をとらえるために、半周期の電流波形を前半と後半との真ん中で分け、前半の山の部分と後半の部分とにおいてその各平均値や積分値が等しくなるような周波数の交流電圧を発生させ、振動型圧縮機に供給する構成の出願を先に行った(特願平5−252772号)。
【0005】
本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、かつ、上記の先に出願したものを更に改良したもので、スイッチング素子を備え、直流を交流に変換するインバータ回路部で振動型圧縮機が駆動される構成の振動型圧縮機の制御方式において、電流波形の半周期における前半のピーク値と後半のピーク値とを一致させるべく、前半のピークの保持曲線と半周期の電流波形の積分曲線とを用い、両者が交差したタイミングでスイッチング素子を強制的に反転させる制御を行わせることにより、インバータ回路部から振動型圧縮機の共振周波数に一致する周波数の交流電流を発生させ、振動型圧縮機を駆動するようにした振動型圧縮機の制御方式を提供することを目的としている。
【0006】
なお、特許出願人は振動型圧縮機における電気的振動系の振動周期を機械的振動系の固有振動周期(共振周波数)に一致させることにより、振動型圧縮機を常に最適な条件のもとで駆動できる出願を行っている(特開昭61−173676)。
【0007】
そして振動型圧縮機に印加される駆動電圧の周波数が最適周波数の場合、振動型圧縮機に流れる半周期の電流波形の前半と後半のピーク値とが、ほぼ等しくなることも判明している。
【0008】
【課題を解決しようとする手段】
上記の目的を解決するために、本発明の振動型圧縮機の制御方式はスイッチング素子を備え、直流を交流に変換するインバータ回路部で振動型圧縮機が駆動される振動型圧縮機の制御方式において、振動型圧縮機に流れる電流を検出する電流検出手段と、スイッチング素子をスイッチングさせるためのパルスを生成するパルス発生部と、電流検出手段に流れる電流波形の半周期毎に、その電流波形のピークを保持するピーク保持回路及び当該半周期の電流波形を積分する積分回路を備え、当該電流波形の半周期における前半のピーク値と後半のピーク値とが、上記ピーク保持回路の保持曲線と上記積分回路の積分曲線との交点で一致するように予め上記ピーク保持回路および積分回路の各時定数を選んでおき、ピーク保持回路の保持曲線と上記積分回路の積分曲線とが一致したとき上記パルス発生部の出力パルスを強制的に反転させるパルス強制反転回路と、パルス発生部が発生させるパルスに基づいて、上記スイッチング素子をドライブするドライブ回路とを備え、振動型圧縮機の共振周波数に一致する周波数の交流電圧を発生させ、当該交流電圧で振動型圧縮機を駆動するようにしたことを特徴としている。
【0009】
【作用】
振動型圧縮機の電流波形の半周期における前半のピーク値と後半のピーク値とが一致するピーク保持回路の保持曲線と積分回路の積分曲線との交差タイミングに、パルス強制反転回路からスイッチング素子を強制的に反転させる制御信号が生成されるので、振動型圧縮機の振動周期と一致した周期の交流電圧で振動型圧縮機を駆動することができる。
【0010】
【実施例】
図1は本発明に係る振動型圧縮機の制御方式の一実施例構成を示している。
同図において、1は振動型圧縮機、2は直流電源、3はインバータ回路部、4,5はFETトランジスタ、6はシャント抵抗、7はパルス発生部、8はパルス強制反転回路、9はドライブ回路を表している。
【0011】
振動型圧縮機1は低電圧の交流電圧、例えは12V系或いは24V系で動作する冷蔵庫の圧縮機である。
直流電源2は上記振動型圧縮機1の駆動電源であり、その他各制御回路の各電源ともなっている。
【0012】
インバータ回路部3は、2つのFETトランジスタ4,5を備えており、当該FETトランジスタ4とFETトランジスタ5とが交互にオンとなって交流電圧を発生させ、振動型圧縮機1に当該交流電圧を供給するものである。
【0013】
シャント抵抗6は振動型圧縮機1に流れる電流を検出するものである。
パルス発生部7はインバータ回路部3の2つのFETトランジスタ4,5をスイッチングさせるためのパルスを発生するものであり、その出力パルスの発振周期が外部トリガの入力によって可変されるようになっているものである。
【0014】
パルス強制反転回路8は、シャント抵抗6に流れる電流波形の半周期毎に、その電流波形のピーク値を保持するピーク保持回路11及び当該半周期の電流波形を積分する積分回路12を備え、当該電流波形の半周期における前半のピーク値と後半のピーク値とが、上記ピーク保持回路11の保持曲線と上記積分回路12の積分曲線との交点で一致するように、予め上記ピーク保持回路11および積分回路12の各時定数が選ばれており、ピーク保持回路11の保持曲線と上記積分回路12の積分曲線とが一致したときトリガ信号を発生させ、上記パルス発生部7の出力パルスを強制的に反転させるものである。後に図2を用いて更に詳しく説明する。
【0015】
ドライブ回路9は、パルス発生部7が発生させるパルスに基づいて、インバータ回路部3の2つのFETトランジスタ4,5を交互にオンに制御するものである。
【0016】
図2はパルス強制反転トリガの発生タイミング波形説明図を示している。
同図において、上側の実線AはFETトランジスタ5がオンしたときシャント抵抗6に流れる振動型圧縮機1の電流を適宜に増幅した後の反転電流波形であり、点線Bはその電流波形において前半のピーク値を保持した後、所定の時定数で放電する放電電流波形であり、一点破線Cは上記振動型圧縮機1の電流を適宜に増幅した後の反転電流波形Aを積分したときの積分電流波形である。下側の実線Dはトリガ信号発生のタイミングを示すトリガ波形である。
【0017】
前述した如く、電源側の電気的振動系の振動周期を振動型圧縮機1の機械的振動系の固有振動周期に一致させるとき振動型圧縮機1が最大の効率で駆動され、その最適周波数で駆動された場合の電流波形では、その半周期の前半と後半のピーク値がほぼ等しくなっている。
【0018】
そこで前もって実験を行い、前半のピーク値を保持した後、所定の時定数で放電するピーク保持回路11の放電電流波形、すなわち保持曲線と、電流波形を所定の時定数で積分したときの積分回路12の積分電流波形、すなわち積分曲線とが交差するようにし、その交差タイミングが後半のピークとなるタイミングと一致するようにピーク保持回路11及び積分回路12の各時定数を設定しておく。そしてこの交点発生のタイミングで上記電気的振動系の振動周期を強制的に終了させ、次の振動周期を開始させることにより電源側の電気的振動系の振動周期を振動型圧縮機1の機械的振動系の固有振動周期に一致させることができるようになる。この交点発生のタイミングで下側実線Dのトリガ信号を発生させる。
【0019】
このように構成された本発明の振動型圧縮機の制御方式の動作を説明する。
パルス発生部7は、非安定マルチバイブレータとして動作するタイマIC13(例えばNE555)を備えている。そのピン番号3から出力するパルスのオンオフ時間は、ピン番号6,7に図示の如く接続された抵抗R1,R2、コンデンサC1によって定まり、通常においてはオン時間T1=0.693(R1+R2)・C1、オフ時間T2=0.693・R2・C1で表される。本発明では抵抗R2を抵抗R1に比べ小さく選び、デューティ比が50%のパルスを発振させるようにしている。
【0020】
或いはデューティ比が50%のパルスを発振させるために、タイマIC13のパルスを2倍にして発振させ、フリップフロップ回路で1/2分周して得るようにしてもよい。
【0021】
当該タイマIC13のピン番号5には、パルス強制反転回路8が接続されており、後に説明するように当該パルス強制反転回路8から出力される図2で説明したタイミングのトリガ信号により、ピン番号3のオフ(L)の出力を強制的にオン(H)にさせる。
【0022】
以下図3の動作説明タイムチャートを参照しながら説明する。
タイマIC13のピン番号3の出力パルスがHになると(図3▲1▼)、ドライブ回路9内のトランジスタTR1がオンとなり、従って次段のトランジスタTR2,TR3がオンとなる。トランジスタTR2のオンにより、FETトランジスタ5がオンとなる(図3▲3▼)。一方、トランジスタTR3のオンにより、FETトランジスタ4はオフとなる(図3▲2▼)。従って振動型圧縮機1にはFETトランジスタ5を介して直流電源2の−12Vが供給される。
【0023】
この振動型圧縮機1に電圧を印加すべき時間は振動型圧縮機1の構造上その最適時間が経験的に決まっていて、上記オン時間T1に設定される。
このオン時間T1が経過すると、タイマIC13のピン番号3の出力パルスがLとなり(図3▲1▼)、逆にMOS−FETトランジスタ4がオン、FETトランジスタ5がオフに制御される(図3▲2▼,▲3▼)。
【0024】
この様にタイマIC13が出力するパルスの1周期毎に、FETトランジスタ4,5がそれぞれ交互に反転し、タイマIC13の発振周波数に応じた交流電圧がインバータ回路部3から発生する。この発振周波数は、例えば50Hzが使用される。
【0025】
振動型圧縮機1に流れる電流はシャント抵抗6によって検出されており(図3▲4▼)、このシャント抵抗6で検出された電流はパルス強制回路8内のOPアンプ14で適宜に増幅され、その負の電流部分だけが反転して取り出される(図3▲5▼)。この電流はピーク保持回路11と積分回路12にそれぞれ入力される。
【0026】
ピーク保持回路11では、抵抗R3とR4とで上記電流を分圧し、ダイオードD2、コンデンサC2及び抵抗R5で、上記の抵抗R3とR4とで分圧された電流のピーク値が検出され、ホールドされる。この電流波形のピーク値が検出され後は、コンデンサC2と抵抗R5との時定数C2・R5により時間の経過とともに図2で説明した保持曲線に従って放電する(図3 (6) )。
【0027】
一方、積分回路12に入力されたOPアンプ14の電流波形は、コンデンサC3と抵抗R6との時定数C3・R6により時間の経過とともにその電荷がコンデンサC3に充電され、図2で説明した積分曲線に従って充電する(図3 (7) )。
【0028】
ピーク保持回路11の保持曲線に従って放電される放電電圧は、積分回路12の積分曲線に従って充電される充電電圧とOPアンプ15で比較される。ピーク保持回路11の放電電圧が積分回路12の充電電圧より低くなろうとしたとき、すなわち積分回路12の積分曲線の充電電圧Xがピーク保持回路11の保持曲線の放電電圧Eより僅かに超えたとき、OPアンプ15の出力はHからLに反転し、後に説明する様に、直ちにLからHに反転する。すなわちパルス強制反転回路8からトリガ信号が発生する(図3▲8▼)。
【0029】
このトリガ信号はタイマIC13のピン番号5に入力される。当該タイマIC13のピン番号5は、ピン番号3から出力されるパルスの上記オン時間T1のコントロール入力となっており、ピン番号5に入力する電圧はピン番号6のコンデンサC1の充電電圧と比較され、ピン番号5の電圧がピン番号6の電圧より低いとき、ピン番号3の出力パルスが反転するようにコントロールされる。通常、当該ピン番号5は電源電圧Vccの2/3に設定されていてピン番号6に入力するコンデンサC1の充電電圧より高くなっている(図3▲9▼)。しかしながら図3▲9▼に示されている様に、上記トリガ信号が入力することにより、ピン番号6の電圧が2/3Vccに到達する前に、ピン番号5の電圧はピン番号6のコンデンサC1の充電電圧より低くなり、トリガされて、このタイミングでピン番号3の出力パルスは強制的にHからLへ反転させられる。すなわちピン番号3のオン時間T1は強制的に終了とされ、上記のオフ時間T2が発動する(図3▲1▼)。
【0030】
このオフ時間T2の発動により、FETトランジスタ4,5はそれぞれ反転し、振動型圧縮機1にはFETトランジスタ4を介して+12Vが印加される。このときシャント抵抗6により振動型圧縮機1に流れる正の電流が検出されるが、この正の電流はパルス強制反転回路8のOPアンプ14でカットされる。従ってこのオフ時間T2の間、積分回路12の充電電圧は放電されるようになり、その充電電圧はピーク保持回路11の放電電圧に比べて低くなり、上記オフ時間T2の発動後OPアンプ15は直ちにLからHとなる。従って図3▲8▼,▲9▼で示されたトリガ信号が発生する。
【0031】
この時オフ時間T2は2/3Vccよりも低い電圧から始まるため、オフ時間T2が上記のT2=0.693・R1・C1より短くなるが、ほぼ一定のオフ時間が得られる。本発明でのオフ時間T2の値はこの短くなることを考慮して定められる。
【0032】
なお図3▲9▼の1/3Vcc及び2/3Vccのレベルは、タイマIC13のピン番号5は使用されずピン番号6のコンデンサC1の充電電圧がこのレベルに到達したときピン番号3に、オン時間、オフ時間をそれぞれ発動させるレベルを表している。
【0033】
この様にして、パルス強制反転回路8から出力されるトリガ信号により、タイマIC13のピン番号3から発振する出力パルスのオフ時間T2の開始が強制的に変えられ、振動型圧縮機1の振動周期に同期化させられる。つまり電気的振動系の振動周期を振動型圧縮機1の機械的振動系の固有振動周期に一致させることができるようになり、振動型圧縮機1を最大の効率で駆動できるようになる。
【0034】
上記の説明ではパルス発生部8にタイマIC13を使用しているが、トリガ信号で出力パルスが反転する他の回路、例えばタイマIC以外で構成された単安定マルチバイブレータなどを用いることができる。
【0035】
また振動型圧縮機1に流れる電流を検出するシャント抵抗6に替え、ホール素子によるカレントトランス、FETトランジスタのドレインソース間抵抗Vds、ヒューズを用いてもよい。
【0036】
本発明の制御方式を備えた振動型圧縮機1が自動車に搭載されている場合など、直流電源2としてバッテリの使用の他、商用交流電源で使用したいとき、次の様なAC/DC自動変換装置を用いることにより、振動型圧縮機1を駆動することができる。
【0037】
図4はAC/DC自動変換装置の一実施例構成を示している。
同図において、AC/DC自動変換装置20は、スイッチング電源21、商用交流電源30をスイッチング電源21に入力するためのACコンセント22、シガーライタプラグ31から得られた自動車のバッテリ電圧とスイッチング電源21からの直流電圧を出力するプラグ23、リレー24、ダイオード25、コンデンサ26を備えている。
【0038】
リレー24の接点はノーマルメイクのものが用いられ、ACコンセント22に商用交流電源30が接続されたとき、ダイオード25を介してリレー24が付勢され、そのノーマルメイクの接点がオープンとなり、スイッチング電源21でDC変換された直流電圧がシガーライタプラグ31からの直流電圧に優先し、プラグ23に出力する。
【0039】
40は本発明の制御方式の振動型圧縮機装置であり、当該振動型圧縮機装置40側にコンセント41とターミナル42とを備えている。AC/DC自動変換装置20側のプラグ23が当該振動型圧縮機装置40側のコンセント41に差し込まれたとき、商用交流電源30或いはシガーライタプラグ31から得られた直流電圧が、上記説明の図1の直流電源2に入力し、当該直流電源2で±12V、±5V、の電圧が生成される。
【0040】
また振動型圧縮機装置40側のターミナル42に、自動車以外の他のバッテリを接続することができる。
商用交流電源30を用いて振動型圧縮機装置40側に直流電圧を供給しているとき、リレー24の接点は上記説明の如くオープンになっているが、溶融等でその接点がショートしている場合、シガーライタプラグ31には直流の12Vがかかるだけで、人間に特に危害を与えることはない。
【0041】
またシガーライタプラグ31から得られた自動車のバッテリ電圧で振動型圧縮機装置40側に直流電圧を供給しているとき、ACコンセント22に電圧が発生しないので、このときも人間に特に危害を与えることはない。
【0042】
スイッチング電源21内のコンデンサ27は、商用交流電源30を用いてAC運転しているとき、スイッチング電源21の直流電圧を平滑化しているが、シガーライタプラグ31を用いてDC運転しているとき、シガーライタプラグ31の直流電圧を平滑化できる。
【0043】
AC/DC自動変換装置20を二点鎖線で分け、図示のY、Zを振動型圧縮機装置40側のコンセント41或いはターミナル42に接続できるようにしておいてもよい。このときAC/DC自動変換装置20の構成は簡単な構成となる。
【0044】
【発明の効果】
以上説明した如く、本発明によれば、振動型圧縮機の振動周期に強制的に同期したパルスを発生させ、当該パルスを基に直流を交流に変換するスインチング素子をオンオフさせるようにしたので、常に振動型圧縮機の共振周期に追従した周波数の交流電圧を発生させることができ、振動型圧縮機を最大の効率で駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る振動型圧縮機の制御方式の一実施例構成である。
【図2】パルス強制反転トリガの発生タイミング波形説明図である。
【図3】動作説明タイムチャートである。
【図4】AC/DC自動変換装置の一実施例構成である。
【符号の説明】
1 振動型圧縮機
2 直流電源
3 インバータ回路部
4,5 FETトランジスタ
6 シャント抵抗
7 パルス発生部
8 パルス強制反転回路
9 ドライブ回路
11 ピーク保持回路
12 積分回路
Claims (1)
- スイッチング素子を備え、直流を交流に変換するインバータ回路部で振動型圧縮機が駆動される振動型圧縮機の制御方式において、
振動型圧縮機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
スイッチング素子をスイッチングさせるためのパルスを生成するパルス発生部と、
電流検出手段に流れる電流波形の半周期毎に、その電流波形のピークを保持するピーク保持回路及び当該半周期の電流波形を積分する積分回路を備え、当該電流波形の半周期における前半のピーク値と後半のピーク値とが、上記ピーク保持回路の保持曲線と上記積分回路の積分曲線との交点で一致するように予め上記ピーク保持回路および積分回路の各時定数を選んでおき、ピーク保持回路の保持曲線と上記積分回路の積分曲線とが一致したとき上記パルス発生部の出力パルスを強制的に反転させるパルス強制反転回路と、
パルス発生部が発生させるパルスに基づいて、上記スイッチング素子をドライブするドライブ回路
とを備え、振動型圧縮機の共振周波数に一致する周波数の交流電圧を発生させ、当該交流電圧で振動型圧縮機を駆動するようにしたことを特徴とする振動型圧縮機の制御方式。
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