JP3837943B2

JP3837943B2 - refrigerator

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Publication number: JP3837943B2
Application number: JP29331898A
Authority: JP
Inventors: 純一高木; 誠石井; 展昭荒川; 武若田部; 英樹吉田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-09-03
Filing date: 1998-10-15
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2018-10-15
Also published as: JP2000146392A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流を整流し所望の直流電圧を出力する電源回路と、電動機を駆動する電動機駆動回路から構成されるインバータ冷蔵庫に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、交流を整流して直流に変換する整流回路であって、電源電流の高調波の抑制や、直流電圧の制御を行う電源回路と圧縮機用電動機の駆動回路とを組み合わせ、圧縮機用電動機の速度制御を行う制御装置として、ＰＣＴＪＰ９７／１３３１８号公報（文献１）記載のものがある。
【０００３】
この文献１には、交流電源を直流に変換する整流回路および平滑回路と、スイッチング動作とリアクタ（インダクタンス）によるエネルギー蓄積効果を利用して直流電圧の制御を行うチョッパ回路を有するコンバータ回路と、コンバータ回路の直流側に接続されたインバータ回路および電動機を備えた電動機駆動装置と、前記チョッパ回路のスイッチング動作を制御するコンバータ制御回路と、インバータ回路のスイッチング動作を制御することで、電動機の回転数制御を行うインバータ制御回路と、電動機のロータ位置を検出し速度を演算する速度検出回路と、演算速度値と速度指令値を入力しインバータ制御回路を介して電動機の速度制御を行う速度制御回路と、速度制御回路の出力信号を入力し、この出力信号に従ってコンバータ制御回路を介して直流電圧を制御する直流電圧制御回路とを備えた電動機制御回路が記載されている。
【０００４】
インバータ制御回路は、速度検出回路からの位置信号および速度制御回路からの通流率信号に基づいて、インバータ回路のスイッチング素子を駆動し電動機を駆動する。この速度検出回路は、電動機の誘起電圧を検出し誘起電圧よりロータの位置を算出し、パルス状の位置検出信号を出力すると共に算出した位置信号から速度を演算し速度制御回路に速度検出値として出力する。そして、上記速度制御回路は外部からの速度指令と速度検出値から速度偏差が零になるようにインバータのＰＷＭパルスの通流率信号を算出する。上記インバータ回路、電動機、速度検出回路、インバータ制御回路および速度制御回路により電動機の速度制御が行われる。
【０００５】
コンバータ制御回路は、直流電圧制御回路からの信号に従ってチョッパ回路のスイッチング素子を駆動する。直流電圧制御回路は、直流電圧と速度制御回路の出力信号、例えば通流率信号を検出し、通流率信号が所定値、例えばある通流率範囲の上限に達したら直流電圧を所定の幅だけ上昇させ、通流率信号が下限値に達したら直流電圧を所定の幅だけ降下させるように直流電圧を制御する。上記コンバータ回路、コンバータ制御回路および、直流電圧制御回路によりコンバータの直流電圧制御回路が構成され直流電圧を制御する。
【０００６】
上記文献１に記載の電動機制御装置は、冷蔵庫用に関して記載されていないが、冷蔵庫用圧縮機を駆動する電動機制御装置として直流電圧を制御するいわゆるＰＡＭ制御手段を用いたものが特開平７−２６０３０９号公報（文献２）及び特開平７-１８０９７号公報（文献３）に記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記文献２及び３には、冷蔵庫用圧縮機駆動用電動機の制御装置としてＰＡＭインバータを用いることにより省エネルギー化されることは記載されているが、冷蔵庫として要求される機能を持ちつつ省エネにする具体的構成について何ら記載されていない。また、文献１のような構成では冷蔵庫用として吟味されていないため、更なる省エネについて何ら開示されていない。
【０００８】
また、電動機を駆動するための電源電圧（家庭用コンセントに供給される交流の電圧）は、電気事業法により定められた許容変動量及び家庭内における電圧降下分を考慮すると、基準値の±７．５％になる。従来のような倍電圧回路を用いた電動機の制御装置では、直流ステージの電圧が２６０Ｖ〜３０３Ｖと最大値と最小値との差が４３Ｖにもなり、直流ステージの電圧が低い場合電動機が起動しないということがある。
【０００９】
本発明の目的は、冷蔵庫として要求される機能を持ちつつ省エネルギーを達成し得る冷蔵庫を提供することにある。
【００１０】
本発明の第２の目的は、省エネルギー化を達成しつつ高調波の低減を図った冷蔵庫を提供することにある。
【００１１】
本発明の第３の目的は、電源の電圧が変動しても、圧縮機の起動を行える冷蔵庫を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、圧縮機を駆動する電動機と、この電動機を回転制御するインバータと、交流を直流に変換する整流回路及び直流電圧を昇圧する昇圧回路とを有し前記インバータに直流を供給するコンバータと、このコンバータの出力電圧が複数の直流電圧を出力し得るよう前記昇圧回路を制御する昇圧回路制御手段と、前記複数電圧のそれぞれで前記インバータをパルス幅変調制御するインバータ制御手段と、庫内の温度を設定するための温度設定器とを備え、
前記複数の直流電圧は高中低位の少なくとも３段階の電圧であり、
前記複数の直流電圧のうち高位の電圧及び中位の電圧は前記コンバータの昇圧機能をオンさせて昇圧された電圧とし、かつ、前記複数の直流電圧のうち最も低い低位の電圧は前記コンバータの昇圧機能をオフさせた電圧とし、
前記温度設定器で設定される温度よりも高い温度指令を発生する運転モードを有することにより達成される。
【００１３】
また、上記目的は、圧縮機を駆動する電動機と、この電動機を回転制御するインバータと、交流を直流に変換する整流回路及び直流電圧を昇圧する昇圧回路とを有し前記インバータに直流を供給するコンバータと、このコンバータの出力電圧が複数の直流電圧を出力し得るよう前記昇圧回路を制御する昇圧回路制御手段と、前記複数電圧のそれぞれで前記インバータをパルス幅変調制御するインバータ制御手段とを備え、
前記複数の直流電圧は高中低位の少なくとも３段階の電圧であり、
前記複数の直流電圧のうち高位の電圧及び中位の電圧は前記コンバータの昇圧機能をオンさせて昇圧された電圧とし、
前記複数の直流電圧のうち最も低い低位の電圧は前記コンバータの昇圧機能をオフさせた電圧とし、
前記電動機を起動する際における前記インバータに供給する直流電圧を、前記交流を直流に変換した値よりも高くしたことにより達成される。
【００１４】
また、上記のいずれかの冷蔵庫において、前記複数電圧のうち低位の電圧は、前記コンバータの整流回路の出力電圧であることを特徴とする。
また、上記のいずれかの冷蔵庫において、前記整流回路と、前記昇圧回路を構成する昇圧チョッパとの間にリアクタを設け、このリアクタを、小電流域で大きなインダクタンスを呈し、大電流域で小さなインダクタンスを呈するようなリアクタとしたことを特徴とする。そして、前記リアクタは一部に空隙がある環状の芯にコイルが巻回されたものであることを特徴としている。
さらには、上記のいずれかの冷蔵庫において、前記複数の直流電圧の選択は、前記電動機の回転速度指令及び実回転数に基づいて行われるものであることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
冷蔵庫に対する要求として、調理した食品を冷凍貯蔵する場合に急速に冷凍させる等急速冷凍、短時間に氷を作る急速製氷、更に冷蔵庫は一般家庭において常に電源プラグを入れて使用するため年間電気代が安い（年間の消費電力が少ない）といった省エネルギーであることが挙げられる。急速冷凍及び急速製氷については、圧縮機の回転数を上昇させて冷凍サイクルの冷媒循環量を増すことにより達成されるが、省エネルギーとするためには、圧縮機を低速回転で運転する必要がある。圧縮機を高速回転で運転することと圧縮機を低速回転で運転することを両立させようとすると次のような問題がある。
【００１６】
現在冷蔵庫用圧縮機（主にレシプロタイプ）を動作させる電動機は、回転子に永久磁石が埋め込まれ、固定子にインバータによって回転磁界を発生させることによって回転子を回転させるブラシレス電動機が多く使用されている。このブラシレス電動機の回転数は次の式で表される。
【００１７】
Ｎ＝（Ｖ−ＩＲ）／ｋΦ
ここで、Ｎは電動機の回転数、Ｖは電動機印加電圧、Ｉは電動機電流、Ｒは電動機の内部抵抗、ｋは係数、Φは磁束密度である。
【００１８】
この式からも理解されるように、電動機印加電圧Ｖが大きいほど、また電動機内部抵抗Ｒが小さいほど高速回転が得られる。インバータに入力される直流電圧は、倍電圧回路を用いると１４４Ｖの２倍の２８８Ｖ（負荷を接続すると約２５０Ｖ）が得られるが、電動機の内部抵抗Ｒは電動機を高速回転仕様とするか低速回転仕様とするかで異なり、例えば高速回転仕様とすると、電動機の固定子の巻き数であるターン数を１２０ターン（一例）とすることで内部抵抗Ｒの値を小さくしている。ところが、このように電動機の仕様を高速側に設定すると、低速域において電動機の効率が著しく低下するという問題がある。
【００１９】
一方、電動機の仕様を低速域に合わせる（低速域の効率を高くする）ため、固定子巻き線の巻き数を１４０ターン（一例）とすると、電動機印加電圧Ｖは一定で、電動機内部抵抗Ｒが大きくなることから急速冷凍や急速製氷に必要な回転数を得ることができないといった問題がある。
【００２０】
そこで、本実施の形態では、電動機の仕様を低速域に合わせてインバータ入力電圧を高速域において高くするようにすることで電動機の高速回転を実現するようにした。インバータ入力電圧、即ち直流ステージ電圧を高くするためには、交流を直流に変換するコンバータの後段に昇圧チョッパ（若しくはＰＷＭ制御可能なコンバータ）を設けてこの昇圧チョッパをチョッピング制御する（ＰＡＭ制御）ことにより達成されるが、文献１に記載されているように電動機の全動作領域で昇圧チョッパを動作させると、電動機に印加される電圧が低いところ（低速領域）で電動機効率が悪くなってしまうという問題があった。即ち、冷蔵庫でインバータ制御を行うと、圧縮機用電動機の回転数は、設定される最小回転数で運転されることが多い。この際、コンバータ回路内の昇圧チョッパ回路で、パワー素子のスイッチング動作及びリアクタのエネルギー蓄積効果により、入力電流を強制的に流し電圧を昇圧すると、パワー素子のスイッチング損失により、回路の効率が低下するという問題を有していた。
【００２１】
また、最小回転数でもコンバータ回路内の昇圧チョッパ回路で、パワー素子のスイッチング動作を行い、直流電圧を昇圧すると、直流電圧の最低電圧は、電圧変動を含めると１６３Ｖ以上で制御しなければならない。このため、圧縮機用電動機の設計は、直流電圧の高い点で設計するため最適設計と成らず効率が低下するという問題を有していた。
【００２２】
これは、倍電圧回路を用いない全波整流の場合、直流電圧の大きさは約１４４Ｖであるが、これを最低の通流率で昇圧させて得られる最低直流電圧は約１６３Ｖであるため、回転数を低下させようとすると、ＰＷＭ波形であるパルス幅が細くなり、インバータのオン期間に流れる電流の大きさが大きくなり（ある相のスイッチング素子がオンしている期間に流れる電流の最大値）、還流モード（その相の還流ダイオ−ドに電流が流れている期間）における最低電流との差が大きくなってしまうことによる。この差電流は、脈動磁束密度と比例関係にあり、これが大きいほど鉄損が大きくなってしまう。
【００２３】
この問題を解決するため、本実施の形態では、低速領域において昇圧チョッパをオフすることで直流電圧を更に低くすることとした。直流ステージの電圧を低くした分インバータのＰＷＭのパルス幅を広くすることができる。このようにパルス幅を広くすることで、インバータスイッチング素子の１周期における最大電流値と最小電流値との差を小さくすることができるので、脈動磁束密度を小さくすることができ、その結果、電動機の鉄損を減少させることができる。
【００２４】
さて、上記の如く電動機の鉄損を少なくするために電動機の低速回転域で昇圧チョッパをオフして更に低電圧を実現するのであるが、昇圧チョッパをオフしたことにより入力電流に含まれる高次の高調波が増大するという問題が発生した。昇圧チョッパが動作している領域では、電流指令が入力交流電圧に基づいて作成されているために力率がほぼ１に制御されることで、電流波形は正弦波状になり高調波成分が低減されるのであるが、昇圧チョッパが動作しない領域では、電流波形は、コンバータとインバータ間の直流ステージに設けられたＬＣフィルタのリアクタのインダクタンスＬの大きさによって決まり、Ｌの値が小さいほど波高値が大きく幅が小さい尖頭的な電流が流れ、Ｌの値が大きいほど電流波形が正弦波状になる。そこで、リアクタのインダクタンスを大きくすれば高調波の問題が解決されるのであるが、この高調波を低減しうるリアクタは形状が大きくなり例えば冷蔵庫背面板と冷蔵庫内板との間に設けられる電気品箱に収納することができないという問題がある。
【００２５】
この問題を解決するため、本実施の形態では、低電流域でインダクタンスが大きくなるインダクタンス可変形のリアクタを用いた。このリアクタの形状は、鉄やアモルファス材料にコイルが巻回され、一巡磁気回路が形成されるように構成し、この磁気回路の一部にエアギャップを設けたものである。単にインバータの直流側のリアクタを鉄芯入りとすることは特公昭64-2029号公報に記載されており高調波低減という効果を奏するのであるが、単に鉄芯入りのリアクタでは、リアクタを流れる電流が増大すればするほど小さくなってしまう。これでは、昇圧チョッパをオフしている状態の全域において必要なインダクタンス値を得ることができずその領域中の低速側で高調波が増大するといった問題がある。
【００２６】
本実施の形態では、鉄心等を環状にして一部に空隙を持たせたリアクタとしているので、起動から電流値が上昇しても略一定のインダクタンス値Ｌが維持されるので、電動機の作動領域全域において高調波による影響を最小にすることができる。又、以下に説明するように、本実施の形態では、昇圧チョッパをオフした場合１つの速度（最低速度）で運転するようにしているが、冷蔵庫の機種によってこの最低速度が異なる場合でも、本リアクタのインダクタンス値に略一定部分が存在しているため、その範囲内であれば機種毎にリアクタを変えることなく設計の自由度が広がる。
【００２７】
以下、上記した本発明の一実施の形態を図面を用いて説明する。図１は冷蔵庫の制御装置を説明するものであり、整流回路及び昇圧チョッパ回路を用いたコンバータ回路と、インバータ回路及び圧縮機用電動機からなる電動機駆動回路を備えた電動機制御装置の全体構成図である。
【００２８】
交流電源１は一般にはコンセントであり、冷蔵庫側の差し込みプラグを挿入することによって冷蔵庫に受電される。受電された交流はコンバータ回路２に接続され直流に変換される。コンバータ回路２には、整流回路を構成するダイオード２１、２２、２３、２４、リアクタ２５、ダイオード２６及びトランジスタ等のパワーデバイスであるスイッチング素子２７で構成される昇圧チョッパ回路を介して直流電圧として出力される。コンバータ回路２内の昇圧チョッパ回路はコンバータ回路２内の整流回路の出力側に接続され、前述したパワー素子のスイッチング動作及びリアクタ２５のエネルギー蓄積効果により、入力電流を強制的に流し電圧を昇圧する。昇圧された直流電圧は平滑用コンデンサに供給され安定した直流電圧を出力する。昇圧の仕組みは公知であるが、簡単に説明する。ダイオード２１側がプラスとして、スイッチング素子２７がオンしているとき、電流が、交流電源１、ダイオード２１、リアクタ２５、スイッチング素子２７、ダイオード２４、交流電源１の順に流れリアクタ２５に電磁エネルギーが蓄積される。この時、スイッチング素子２７をオフすると、リアクタ２５から逆流防止用のダイオード２６を介して平滑用のコンデンサ５に電流が流れ、電磁エネルギーがコンデンサ５に移されコンデンサ５の電圧が上昇する。これにより直流ステージ電圧を上昇させるのである。なお、コンバータ２内の抵抗２８は電流検出用の抵抗である。
【００２９】
このコンデンサ５には、電動機を回転させるための回転磁界を発生させる交流に直流を変換するインバータ３が接続されている。インバータ３には圧縮機駆動用電動機４が接続されている。この電動機４が駆動する圧縮機７は、詳細図示しないが、電動機４と共に密閉容器内に収納されており、主にレシプロタイプの圧縮機である。その他、ロータリタイプの圧縮機であっても構わない。
【００３０】
インバータ３は、３相インバータでありスイッチング素子として本実施形態ではＩＧＢＴ（インシュレーテッドゲートバイポーラトランジスタ）３１ａ乃至３２ｃが用いられている。これらスイッチング素子にはそれぞれ並列に還流ダイオード３３ａ乃至３４ｃが接続されている。そして、コンデンサ５から供給される直流を設定された回転数になるよう電動機４の回転位置検出の出力に基づいて１２０度通流を行い、各相の通流期間における通流率の制御（パルス幅制御）を行い電動機４の回転数を制御する。
【００３１】
なお、抵抗６は電流検出用抵抗でこの電流検出値が過電流保護装置１１１に送出され、この電流検出値がスレッシュホールドレベルを超えたときインバータ３を構成するスイッチング素子を全てオフする信号をドライバ１１０に出力し、ドライバ１１０はスイッチング素子をオフする。これはインバータ制御において電流マイナーループを有しないために設けるものである。
【００３２】
温度設定器１３０からの信号である冷凍室設定温度と冷凍室温度検出器１３８からの実冷凍室温度が比較器１００によって比較され温度偏差が速度指令演算器１０１に出力される。最高速度指令までは温度偏差に比例した速度指令が出力されるが、それ以上の偏差では速度指令は一定となる。一方、電動機４の誘起電圧を位置検出器１０２に入力し、この誘起電圧から磁石位置を演算して、この位置信号に基づいて速度演算器１０３によって電動機の回転数（速度）が出力される。この検出された速度は、前述の速度指令（速度指令リミッタ１３６及び選択回路１３７は後述する）と比較器１０４にて比較され速度偏差がインバータＰＷＭデューティ指令器１０５に入力され、この速度偏差に基づいて比例積分演算されて速度偏差が０となるようにパルス幅が決められたパルス列が出力される。また、位置検出器１０２の出力信号は、転流出力器１０８にも入力され、各相のスイッチング素子の１２０度通流の転流タイミング（相毎に１２０度ずれたパルス列）であるパルス列が各スイッチング素子毎に出力される（図は１スイッチング素子分）。各相の下アームを構成するスイッチング素子３２ａ、３２ｂ、３２ｃは、この転流タイミングの期間中オンとなり、上アームを構成するスイッチング素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃには転流タイミングを表すパルス列と先のＰＷＭ信号を表すパルス列とのアンドがアンド回路１０９により取られドライバ１１０を介してオンオフ制御される。
【００３３】
次にコンバータ２の直流ステージ電圧の制御について説明する。本実施の形態における直流ステージの電圧は、高電圧（２８０Ｖ）、中電圧（１７０Ｖ）、低電圧（１２０Ｖ）の３段階に制御され、高電圧及び中電圧では昇圧チョッパ２７をオンオフ制御することでその電圧を実現している。低電圧では昇圧チョッパ２７をオフしてインバータ３の出力パルス幅を太らせることによって省エネルギーに寄与している。
【００３４】
速度演算器１０３にて演算された電動機４の実回転速度及び速度指令発生器１０１にて演算された速度指令は、コンバータＰＡＭ電圧指令発生器１０６及びコンバータ動作判定器１０７に入力される。コンバータＰＡＭ電圧指令発生器１０６では、入力された実速度及び速度指令に基づいて高電圧若しくは中電圧の指令を発生する。この電圧指令値と直流電圧検出回路５０によって検出されたコンデンサ５の両端の電圧である直流電圧とを比較し比例積分回路を介して、コンデンサ５の両端の電圧が選択された高電圧若しくは中電圧になるような電流波高値の指令が出力される。また、コンバータ動作判定器１０７では、入力された実速度及び速度指令に基づいて直流ステージ電圧を低電圧にしなければならないと判定した場合、昇圧チョッパ（以降、スイッチング素子２７を昇圧チョッパ２７という場合もある）をオフする信号であるチョッパオフ信号（ＰＡＭオフ信号）を出力する。
【００３５】
コンバータＰＡＭ電圧指令器１０６からの電流波高値指令は、電圧検出器２９にて検出されたダイオード２１、２２、２３、２４によって全波整流された電圧（脈流）と乗算器２０１によって乗算されて瞬時電流指令となる。この瞬時電流指令と電流検出抵抗２８によって検出された実瞬時電流とが比較器２０２にて比較されその偏差が比較器２０４に入力され、発信器２０３にて生成された鋸歯状波（三角波）と比較されてパルス幅変調信号を得る。この信号がドライブ回路２０５に入力され増幅されて昇圧チョッパ２７のゲート信号となる。このように瞬時電流指令と瞬時電流とを比較して偏差がなくなる方向に制御することで、入力電圧と電流の位相がほぼ等しくなり力率が１に近くなる。このように電流を正弦波状にすることで、高調波を抑制することができる。なお、低電圧が要求されている場合、前述のコンバータ動作判定器１０７の出力であるチョッパオフ信号はドライブ回路２０５に入力され、ゲート信号をブロックして昇圧チョッパ２７のスイッチング動作を停止させる。
【００３６】
点線Ａで囲んだ各要素は、一つの集積回路にパッケージされている。なお、チョッパオフ信号が出力されている間、コンバータＰＡＭ電圧指令器１０６の出力は中電圧指令が出力されており、瞬時電流偏差に基づくチョッピング信号がドライブ回路に出されている。この時、チョッパオフ信号が解除されても直流ステージ電圧が徐々に立ち上がるように集積回路中に構成されている（図示なし）。
【００３７】
上記したコンバータ制御回路は、最近コントロールＩＣ化されており、アナログ電圧を制御することにより直流電圧を制御する方式のものが多数製品化されている。
【００３８】
なお、上記説明した実施形態においては、直流ステージの電圧指令を速度指令値と実際の速度値によって判定しているが、インバータのパルス幅変調信号の通流率に応じて判定してもよい。
【００３９】
次に、コンバータＰＡＭ電圧指令器１０６の詳細を図２に基づいて説明する。速度指令値と実際の速度値に基づいて高電圧若しくは中電圧がプログラム処理によって選択され、この選択された電圧がコンバータ制御回路側で発生し得るようなアナログ電圧による指令を出力するものである。すなわち、抵抗のＲ２とＲ３の分圧値できまる電圧を出力するか、Ｒ３とＲ４を並列接続させＲ３及びＲ４の並列抵抗値とＲ２との分圧値で決まる電圧を出力するかによって直流スーテジ電圧を変更する指令を変更する。
【００４０】
しかし、切替点で直流電圧の大きな変化が生じ、このステップ状の電圧の変化は、インバータのＰＷＭディユーティに悪影響を及ぼすので、本実施の形態では前記プログラム処理による電圧指令が変化しても、アナログ回路により変化が徐々に進行するようにした。以下、説明する。
【００４１】
プログラム処理により出力された直流電圧の指令はスッテプ状に変化する。このステップ状に変化する信号を抵抗Ｒ１とキャパシタＣで時定数をもたせ、徐々に電圧を上昇させる。この電圧と発振回路で形成された三角波をコンパレータで比較する。この発信回路の出力波形の波高値は直流電圧の指令値の電圧以下に設定しておく。コンパレータの出力は、時定数回路の出力が大きいとき出力されるので、時定数回路の出力電圧が徐々に大きくなると共に徐々に幅の広がるパルス列が出力される。そして、コンデンサＣへの充電が完了するとコンパレータはオンを出力する。コンパレータの出力がオンであるときトランジスタＴはオンするので、このときコンバータ制御回路側には、抵抗Ｒ３とＲ４との並列抵抗値とＲ２との分圧による電圧（分圧１という）が出力される（トランジスタＴがオフの時は抵抗Ｒ２とＲ３との分圧（分圧２という））。分圧１と分圧２の電圧が交互に出力され、時定数回路の電圧が立ち上がってくるにつれ分圧１の電圧期間が徐々に長くなり、最終的に分圧１のみの電圧が出力される。このようにコンバータ制御回路側には時定数に応じたデユーテイ幅の違う矩形波が出力される。図示しないが、コンバータ制御回路側には積分回路が内蔵されており、この矩形波をアナログ電圧に変換する。この出力が直流電圧指令となり、この値と実直流電圧とが比較されて電流の波高値指令となる。これらの制御により、直流電圧を切替えた場合の電圧変化を抑制するため、電動機４の回転数脈動を抑えることができる。図４に抵抗Ｒ１とキャパシタＣの時定数を変化させた場合の回転数脈動を示す。時定数が大きい方が回転数の脈動が小さいことがわかる。
【００４２】
尚、本実施の形態では、三角波を形成し抵抗Ｒ１とキャパシタＣで時定数回路を形成しているが、プログラム（ソフト的）に直流電圧指令を時定数に応じたデユーテイ幅の違う矩形波を出力してもよい。
【００４３】
次に圧縮機（電動機）起動時の制御につき説明する。普通家庭等に送電されてくる電気の電圧は、電気事業法に基づく変動範囲が許容されており、また屋内配線による電圧降下を考慮すると、倍電圧表示で２８１±７．５％（２６０Ｖ〜３０３Ｖ）の変動幅となる。このため、電圧が低い場合、圧縮機の起動トルクが大きいこともあいまって、電動機の回転トルクが不足し起動が困難となることもある。本実施の形態では、圧縮機が停止中しているとき、起動指令が出された際、最初に直流電圧指令を高電圧若しくは中電圧に制御して、変動の少ない直流電圧を得た後、電動機の起動を開始するようにしたものである。このようにすることにより、２８１±３％となるので安定した直流電圧が供給され、起動が確実なものとなる。
【００４４】
すなわち、コンバータＰＡＭ電圧指令発生器１０６では、速度演算機１０６の出力である実速度と、選択回路１３７の出力である速度指令とを入力して実速度が０であって速度指令がある場合、圧縮機が起動すると判断して直流電圧指令を高電圧指令とする。図９に示した如く、この電圧下でインバータがスイッチング動作し電動機を起動する。その後、冷凍室温度が温度設定値に近づいてくると中電圧を経て低電圧を指令し、低電圧下で電動機が駆動される。この時、昇圧チョッパはスイッチングを停止しているので、直流電圧は先に説明したように電源電圧の変動により変動する。しかし、電源電圧変動があっても、電動機の誘起電圧が立ち上がっているため、速度フィードバック制御が確立されているので、その速度を維持するためのＰＷＭのパルス幅となるので、電動機は速度指令に追従するように制御される。なお、ＰＡＭをオフして低電圧とした場合、上記のように、インバータはそのパルス幅を太らせて速度指令になるように電動機を制御するが、交流電源電圧の変動幅のうち最低電圧のとき通流率が１００％となるような最低速度が選ばれる。
【００４５】
ここで、急冷凍運転、急製氷運転及びおさえめ運転について説明する。家庭用冷蔵庫におけるホームフリージング性能は、食品中の水分の殆どが凍る最大氷結晶生成帯（−１℃〜−５℃）の通過時間を極力短くすることで、凍結時の細胞組織内の氷結晶の成長を抑え、細胞の破壊による解凍時のドリップ（旨みや栄養分を含んだ液汁）の流出を抑えることができ高品質の凍結ができる。これを実現するため、冷蔵庫の扉に急速冷凍釦（急速製氷釦）１３４を設け、この急速冷凍釦１３４が押下されることによって急速冷凍（製氷）が開始されるようにした。
【００４６】
急速冷凍釦１３４が押下されると急冷回路１３３内のタイマが起動し、急速冷凍釦１３４が手動で解除されるかまたはタイマがオフするまで最長２時間急速冷凍運転が行なわれる。急冷回路１３３では、選択回路１３７に対して電動機回転速度を４２００回転／分（固定）にする速度指令を送出し、選択回路１３７では急冷回路１３３からの速度指令を選択して比較器１０４に出力する。また、電動機速度指令を固定した場合、復帰したときの温度偏差が大きくなり不安定になる場合もあるため、温度指令を通常よりも−７℃低い値とする。このため、温度設定器１３０からの出力に加算器１３５にて−７℃加算して温度指令とする。この温度と実温度との偏差が比較器１００から出力される。急冷回路１３３は、この温度偏差を入力して、急速冷凍運転中に冷凍室温度が庫内温度設定（通常−１８℃）より７℃低い温度を下回ったとき、速度指令を固定値の４２００回転／分から０回転／分にして、冷凍室以外の冷蔵室や野菜室などの冷え過ぎを防止する。冷凍庫温度が上昇して７℃低い設定温度を上回ったとき（ヒステリシスを持っている）、再び電動機速度指令を戻して運転を再開する。この動作が、タイマオフされるまで継続される。
【００４７】
以上の急速冷凍（製氷）運転機能により、最大氷結晶生成帯通過時間を３０分以内とすることができ高品質の冷凍が可能となった。
【００４８】
また、近年、地球温暖化防止策としての社会的要請により冷蔵庫の省エネ化が叫ばれている。この要請に答えるため、本実施の形態に係る冷蔵庫では、その扉に省エネモードを実現するおさえめ釦１３２を設けた。
【００４９】
おさえめ釦１３２が押下されると、おさえめ回路１３１が起動する。おさえめ回路１３１は、温度設定（温度指令）を１℃高めるため、温度設定器１３０の出力に、１℃加算する信号を出力し加算器１３５にて加算し、加算器１３５の出力をおさえめ運転時の温度指令とする。また、おさえめ回路１３１は、速度指令リミッタ１３６に信号を出力し、速度指令発生器１０１の出力である速度指令が３０００回転／分を上回っても３０００回転／分以上の速度指令を後段に出力しないようにした。このように、設定温度を上昇させることにより、温度偏差が小さくなるため、主回路の直流ステージ電圧が低電位を選択される率が高まり、インバータＰＷＭ波形のパルス幅が太くなるので、前述したように、電動機の鉄損が減少し消費電力を少なくすることができる。また、直流ステージ電圧が制御可能となったことから、運転可能な最小回転数を１６００回転／分から２０００回転／分の間にすることができるので、温度偏差が小さいにもかかわらず電動機回転速度が必要以上に大きくなることがないので、電力消費量を低減することができる。さらに、温度偏差が非常に大きい場合であっても、最高速度が３０００回転／分に抑制されるので、このおさえめ釦１３２が押されている間は、むやみに高速回転にならないのでやはり電力消費量を低減できる。
【００５０】
ところで、おさえめ回路１３１は冷凍室温度検出器１３８の出力を入力しており、冷凍室の温度が−１０℃を以上になったことを検知しておさえめ制御を解除する。これは、電動機回転速度３０００回転／分で運転を継続しても庫内温度が上昇してしまうほど負荷が大きいことを意味しているから、この時は、庫内に収納された食品の温度を適正温に保持するため、おさえめ運転を解除して通常運転に戻して庫内を冷却するためである。
【００５１】
なお、急速冷凍運転とおさえめ運転とは両立することができないので、一方が働いているときは他方の釦が押下されても無効にするように構成されている。
【００５２】
次に直流電圧切替とコンバータオン、オフの動作を図３の制御動作説明図を用いて説明する。図３は横軸に圧縮機用モータの回転数、縦軸にモータ印加電圧と通流率をとったグラフであり、負荷が一定の場合である。
【００５３】
圧縮機は動作しているが冷蔵庫の庫内が冷えていない状態では、温度偏差が大きいため、速度指令が大きく実速度も大きい。両者に基づいて直流電圧を高電圧にするという指令が出力されるが、この信号は０Ｖであり、これが時定数回路に出力される。コンバータ制御回路側には、抵抗のＲ２とＲ３の分圧された電圧が供給され、直流電圧は例えば２８０Ｖの高電圧に設定される。この直流電圧が２８０Ｖ時では電動機４の回転数は高速回転で制御される。回転数の可変幅は例えば２７００回転から４２００回転の範囲で制御されるが、インバータ制御回路側において、前述の如く速度偏差による通流率信号をもとにドライブ信号を作成し、インバータ回路３のスイッチング素子（例えばトランジスタ）を駆動し、電動機４の速度制御を行っている。この回転数可変幅に対応する通流率は、例えば４５％から９５％の範囲で制御される。
【００５４】
冷蔵庫の庫内が冷えてきて設定温度に近づいてくると、圧縮機用モータ４の回転数を低下させるが、電動機４の回転数指令が例えば２７００回転を下回り、実回転も２７００回転を下回った場合（インバータ回路３のスイッチング素子への通流率により指令値を決める場合、通流率が例えば４５％以下）に、時定数回路への出力をＨＩＧＨとして、Ｒ３とＲ４を並列接続させ分圧値を変更し、直流電圧を例えば１７０Ｖの中電圧に設定する（Ｂ点）。この際、通流率は例えば９５％となる。
【００５５】
ここで、直流電圧と通流率との積が切り替え前後で一致しなければならないため、直流電圧を下げたとき通流率が１００％を越えない値に設定する必要がある。回転数の可変幅は例えば１６００回転から２７００回転の範囲で制御され、通流率は１６００回転時では例えば５５％となる。
【００５６】
冷蔵庫の庫内がさらに冷えてきて設定温度に近づくと、電動機４の回転数は最低回転数の例えば１６００回転とするが、インバータ３のスイッチング素子への通流率が例えば５５％以下、または電動機４の回転数指令が例えば最低回転数の１６００回転となり、実回転も１６００回転になった場合に、コンバータ制御回路側の制御をオフさせて低電圧とする（Ａ点）。この制御は、前述したコンバータ動作判定器１０７により行われる。ここで直流電圧を下げたとき通流率が１００％を越えない値に設定する必要がある。尚、コンバータ制御回路側の制御をオフさせるのは圧縮機用モータ４の回転数が最小値でなくともよい。
【００５７】
これらの通流率や回転数の値は説明のための便宜上の値である。以上のような動作を繰り返すことにより圧縮機用モータ４の回転数の減速に伴い直流電圧を低下させ、モータの速度制御が可能である。
【００５８】
次に上記とは反対に圧縮機用モータ４が増速する場合について説明する。電動機４が最低回転数で冷蔵庫の扉の開閉や温かい食品が庫内に入り庫内温度が上昇すると先程とは反対に、電動機４の回転数指令が例えば最低回転数以上となり、実回転も最低回転数以上になった場合（インバータ３のスイッチング素子への通流率をみて直流電圧指令を切り替える場合、通流率は例えば５５％以上）に、コンバータ制御回路側の制御をオンさせ（Ａ点）直流電圧を例えば１７０Ｖの中電位に設定する。
【００５９】
さらに、電動機４の回転数を増加させるためには、時定数回路に与える直流電圧指令を０Ｖとして、Ｒ２とＲ３の分圧値に変更し、直流電圧を例えば２８０Ｖの高電圧に設定する。
【００６０】
尚、直流電圧を切替える時は、電動機４の増速と減速時で回転数にヒステリシスを設け、切替時の回転数のハンチングを抑えることが必要である。
【００６１】
また、本発明の実施の形態では直流電圧の切替をコンバータの制御オン、オフを含め、３段切替としているが、これは、直流電圧切替回路９で設定電圧を複数設けることにより更に切替回数を増やすことが可能である。
【００６２】
図５はコンバータ回路２のリアクタ特性を示す。冷蔵庫の庫内が冷えてきて設定温度に近づくと、電動機４の回転数を最低回転数とし、コンバータ制御回路側（昇圧チョッパ２７）の制御をオフさせるが、この際、高調波規制値を満足できなくなる問題がある。冷蔵庫においては高調波規制のガイドラインがクラスＤである。電動機４の回転数制御範囲の全域に渡り、昇圧チョッパ２７を通して直流電圧を制御し力率改善を行うとすれば、リアクタ２５の値は１ｍＨ程度で済む。しかし、昇圧チョッパ２７をオフし、高調波ガイドラインを満足させるには、リアクタ２５の値は１０ｍＨ以上が必要である。このため、前述の如く、リアクタ２５は昇圧チョッパ２７をオフする低入力（低電流）時は１０ｍＨ以上の特性を持ち、昇圧チョッパ２７をオンする高入力（高電流）時は１ｍＨ程度の特性を持ったリアクタ２５とする。これにより、昇圧チョッパ２５をオフしても、高調波ガイドラインを満足させることができる。
【００６３】
図６は、直流電圧切替や最低回転数での昇圧チョッパ２５をオフさせた場合のモータ効率を示す。電動機４の回転数を２７００回転で切替た際、直流電圧は２８０Ｖから１７０Ｖに低下するため、モータ効率は１．２％程度向上する。これは、直流電圧が低下するため、インバータ３の通流率が増加し、モータで損失しているチョッパによる鉄損が低下するためである。また、コンバータ制御をオフさせた場合は、直流電圧が１７０Ｖから１２０Ｖに低下するため、モータ効率は２％程度向上する。この理由を図７に基づいて説明する。図７（ａ）は直流ステージ電圧が高い状態におけるインバータ３のスイッチング素子のＰＷＭ波形である。スイッチング素子がオンしているときはコンデンサ５から電動機電流が流れ、オフすると、還流ダイオードを介して電動機電流は還流し減衰する。このピークツーピークをΔＩＭとする。同様に図７（ｂ）は、直流ステージ電圧を減少させ、（ａ）と同じ電圧が電動機４に印加される通流率とした場合である。この時直流ステージ電圧が低いので、スイッチング素子をオンしても電流の上昇率が小さいため、（ａ）とと比べΔＩＭは小さい。このΔＩＭは電動機の脈動磁束密度を表す値であり、これが小さい方が電動機の鉄損が小さいことを意味している。従って、通流率が大きいほど電動機効率が良くなる。
【００６４】
図８はコンバータ制御をオフさせた場合とオンさせた場合の制御回路の効率を示す。入力（電流）が低下するとコンバータ制御をオフした方が昇圧チョッパを構成するスイッチング素子のスイッチング損失が無くなり、制御回路の効率が向上する。従って、圧縮機用モータ４と同様に、最低回転数での入力が小さいときは、コンバータ制御をオフさせた方がシステム効率が向上する。
【００６５】
以上説明した実施の形態において、種々の数値を示して説明したがこれら数値は一例であり制御思想に合致する限り他の数値であっても差し支えない。
【００６６】
また、本実施の形態を理解しやすくするため制御ブロック図にて説明したが、比較器１００、速度指令発生器１０１、位置検出器１０２、速度演算器１０３、比較器１０４、インバータＰＷＭデューティ指令発生器１０５、コンバータＰＡＭ電圧指令発生器１０６の電圧指令を演算する回路、コンバータ動作判定器１０７、転流出力器１０８、アンド回路１０９、ドライバ、過電流保護回路１１１、おさえめ回路１３１、急冷回路１３３、加算器１３５、速度指令リミッタ１３６、選択回路１３７は、ソフトウエアにて実現することができる。さらにこれにインバータを加えてＬＳＩ化することも可能である。
【００６７】
以上本実施の形態により次の効果がある。圧縮機用モータの設計は、一番利用率の高い点で設計することにより（例えば最低回転数時）、モータの高効率化が図れるため、システムの省エネルギー化となる。冷蔵庫の負荷が高い時は、前述したように直流電圧制御回路により、直流電圧を増加させるため、圧縮機用モータは高速で運転することができる。更に、圧縮機用モータ４の回転数を２７００回転で切替た際、直流電圧は２８０Ｖから１７０Ｖに低下するため、モータ効率は１．２％程度向上する。また、コンバータ制御をオフさせた場合は、直流電圧が１７０Ｖから１２０Ｖに低下するため、モータ効率は２％程度向上するため、更なる省エネルギー化が図れる。また、コンバータ制御をオフすることによりパワー素子のスイッチング損失が無くなり、制御回路の効率も向上する。
【００６８】
直流電圧を切替える別の方法として図１０の全波整流と倍電圧整流切替回路構成を示す。インバータ回路３の電源回路は整流ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４と平滑キャパシタＣ１、Ｃ２とスイッチＳＷ１から構成されている。スイッチＳＷ１はマイコン等からなる制御回路１１によって制御され、このスイッチＳＷ１がオフの時には、全波整流回路が形成され、スイッチＳＷ１がオンの時には、倍電圧整流回路形成される。商用電源が全波整流回路若しくは倍電圧整流回路で整流、平滑されて得られる直流電圧は、インバータ回路３のスイッチング素子に印加され、電動機４が駆動される。
【００６９】
図１１は全波整流から倍電圧整流に切替る際の直流電圧特性を示す。ここで示す直流電圧特性はスイッチＳＷ１をリレーとした場合のものである。このため、全波整流回路から倍電圧整流回路となった時の直流電圧が上昇する時間は５０ｍｓ程度である。この５０ｍｓの間に、制御回路１１は圧縮機用モータ４に印加する電圧を通流率を制御して、設定された回転数になるように制御する。スイッチＳＷ１を半導体素子とした場合は、全波整流回路から倍電圧整流回路への切替のためのスイッチのオン、オフタイミングを制御回路１１によって制御することにより、直流電圧の上昇速度を任意に可変することができる。
【００７０】
尚、図１１に示す直流電圧のリップルは平滑用キャパシタＣ１、Ｃ２の容量によって決まる。このため、リップル電圧を少なくするためには、平滑用キャパシタＣ１、Ｃ２の容量を大きくすればよい。
【００７１】
【発明の効果】
以上本発明により、冷凍、製氷時間を大幅に短縮することができ、しかも省エネルギーモードによりモータ効率が上昇するため電力消費量を低減する冷蔵庫が提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る冷蔵庫の制御ブロック図。
【図２】コンバータＰＡＭ電圧指令発生器の内部構成を示す図。
【図３】モータ印加電圧及び通流率を表す図。
【図４】コンバータＰＡＭ電圧指令発生器の時定数変化特性を示す図。
【図５】コンバータ回路のリアクタの特性を示す図。
【図６】直流電圧切替やコンバータ制御をオフさせた場合のモータ効率を示す図。
【図７】パルス幅変調時のパルス幅を変えたときの電流を示す図。
【図８】コンバータ制御をオフさせた場合とオンさせた場合の制御回路の効率を示す図。
【図９】電動機起動時の直流電圧の推移を示す図。
【図１０】全波整流と倍電圧整流切替回路構成を示す図。
【図１１】全波整流から倍電圧整流に切替る際の直流電圧特性を示す図。
【符号の説明】
１・・・商用電源、２・・・コンバータ、３・・・インバータ、４・・・電動機、１３１・・・おさえめ回路、１３３・・・急冷回路、１０６・・・コンバータＰＡＭ電圧指令発生器、１０７・・・コンバータ動作判定器。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an inverter refrigerator including a power supply circuit that rectifies AC and outputs a desired DC voltage, and an electric motor drive circuit that drives an electric motor.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a rectifier circuit that rectifies alternating current and converts it to direct current, and combines a power supply circuit that controls harmonics of a power supply current and controls direct current voltage with a drive circuit for a compressor motor, and a compressor motor. As a control device for performing the speed control, there is one described in PCTJP 97/13318 (Reference 1).
[0003]
This document 1 discloses a rectifier circuit and a smoothing circuit for converting an AC power source into a DC, a converter circuit having a chopper circuit for controlling a DC voltage using an energy storage effect by a switching operation and a reactor (inductance), a converter An electric motor drive device including an inverter circuit and an electric motor connected to the DC side of the circuit, a converter control circuit that controls the switching operation of the chopper circuit, and a motor speed control by controlling the switching operation of the inverter circuit An inverter control circuit that detects the rotor position of the motor and calculates a speed; a speed control circuit that inputs a calculation speed value and a speed command value and controls the speed of the motor via the inverter control circuit; Input the output signal of the speed control circuit and control the converter according to this output signal Motor control circuit and a DC voltage control circuit for controlling the DC voltage through a road is described.
[0004]
The inverter control circuit drives the electric motor by driving the switching element of the inverter circuit based on the position signal from the speed detection circuit and the conduction rate signal from the speed control circuit. This speed detection circuit detects the induced voltage of the electric motor, calculates the position of the rotor from the induced voltage, outputs a pulsed position detection signal, calculates the speed from the calculated position signal, and sends it to the speed control circuit as a speed detection value. Output. The speed control circuit calculates a duty ratio signal of the PWM pulse of the inverter so that the speed deviation becomes zero based on the speed command from the outside and the speed detection value. The speed control of the motor is performed by the inverter circuit, the electric motor, the speed detection circuit, the inverter control circuit, and the speed control circuit.
[0005]
The converter control circuit drives the switching element of the chopper circuit in accordance with a signal from the DC voltage control circuit. The DC voltage control circuit detects the DC voltage and the output signal of the speed control circuit, such as a duty ratio signal, and when the duty ratio signal reaches a predetermined value, for example, the upper limit of a certain duty ratio range, The DC voltage is controlled so as to decrease the DC voltage by a predetermined width when the duty ratio signal reaches the lower limit. The converter circuit, the converter control circuit, and the DC voltage control circuit constitute a converter DC voltage control circuit to control the DC voltage.
[0006]
Although the electric motor control device described in the above-mentioned document 1 is not described for a refrigerator, an electric motor control device for driving a refrigerator compressor uses a so-called PAM control means for controlling a DC voltage. No. (Reference 2) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-18097 (Reference 3).
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
References 2 and 3 describe that energy is saved by using a PAM inverter as a control device for a compressor driving motor for a refrigerator. There is no description of the general structure. Moreover, since it is not examined for refrigerators in the structure like literature 1, it is not disclosed at all about the further energy saving.
[0008]
In addition, the power supply voltage for driving the electric motor (AC voltage supplied to the household outlet) is ± 7 of the reference value in consideration of the allowable fluctuation amount defined by the Electricity Business Act and the voltage drop in the home. .5%. In a conventional motor control device using a voltage doubler circuit, the DC stage voltage is 260V to 303V, the difference between the maximum value and the minimum value is 43V, and the motor does not start when the DC stage voltage is low. There is.
[0009]
The objective of this invention is providing the refrigerator which can achieve energy saving, having the function requested | required as a refrigerator.
[0010]
A second object of the present invention is to provide a refrigerator that achieves energy saving while reducing harmonics.
[0011]
A third object of the present invention is to provide a refrigerator capable of starting the compressor even when the voltage of the power supply fluctuates.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  The object is to drive a compressor, an inverter for controlling the rotation of the motor,A rectifier circuit that converts alternating current to direct current and a booster circuit that boosts a direct current voltage;InverterDirectlyWith a converter supplying the flowA booster circuit control means for controlling the booster circuit so that an output voltage of the converter can output a plurality of DC voltages; an inverter control means for controlling the inverter with pulse width modulation with each of the plurality of voltages; A temperature setting device for setting the temperature,
  The plurality of DC voltages are at least three levels of high, middle, and low levels,
  Among the plurality of DC voltages, a high voltage and a middle voltage are voltages boosted by turning on the boosting function of the converter, and the lowest low voltage among the plurality of DC voltages is a boost voltage of the converter. With the voltage turned off,
  Having an operation mode for generating a temperature command higher than the temperature set by the temperature setter;Is achieved.
[0013]
  Also,UpNoteThe targetAn electric motor that drives the compressor; an inverter that controls rotation of the electric motor; a rectifier that converts alternating current into direct current; and a booster circuit that boosts direct current voltage; and a converter that supplies direct current to the inverter; Boost circuit control means for controlling the boost circuit so that the output voltage can output a plurality of DC voltages; and inverter control means for pulse width modulation control of the inverter with each of the plurality of voltages,
  The plurality of DC voltages are at least three levels of high, middle, and low levels,
  Among the plurality of DC voltages, a high voltage and a middle voltage are voltages boosted by turning on the boost function of the converter,
  The lowest lowest voltage among the plurality of DC voltages is a voltage obtained by turning off the boosting function of the converter,
  The DC voltage supplied to the inverter when starting the electric motor is higher than the value obtained by converting the AC to DCIs achieved.
[0014]
  In any one of the refrigerators described above, a lower voltage among the plurality of voltages is an output voltage of a rectifier circuit of the converter.
  In any one of the refrigerators described above, a reactor is provided between the rectifier circuit and the boost chopper constituting the boost circuit, and the reactor exhibits a large inductance in a small current region and a small inductance in a large current region. It is characterized by making it a reactor which exhibits. The reactor is characterized in that a coil is wound around an annular core having a gap in part.
  Furthermore, in any one of the above refrigerators, the selection of the plurality of DC voltages is performed based on a rotation speed command and an actual rotation speed of the electric motor.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Demand for refrigerators includes quick freezing, such as quick freezing when cooking foods are stored frozen, quick ice making to make ice in a short time, and since refrigerators are always used with ordinary power plugs in ordinary households, there is an annual electricity bill It is energy saving that it is cheap (low annual power consumption). For quick refrigeration and quick ice making, it is achieved by increasing the number of revolutions of the compressor and increasing the amount of refrigerant circulating in the refrigeration cycle. However, in order to save energy, it is necessary to operate the compressor at a low speed. . There are the following problems when trying to achieve both the operation of the compressor at high speed and the operation of the compressor at low speed.
[0016]
Currently, motors that operate refrigerator compressors (mainly reciprocating types) are often used as brushless motors in which permanent magnets are embedded in the rotor and the rotor is rotated by generating a rotating magnetic field in the stator. Yes. The rotation speed of this brushless motor is expressed by the following equation.
[0017]
N = (V-IR) / kΦ
Here, N is the rotational speed of the motor, V is the voltage applied to the motor, I is the motor current, R is the internal resistance of the motor, k is a coefficient, and Φ is the magnetic flux density.
[0018]
As understood from this equation, the higher the motor applied voltage V and the smaller the motor internal resistance R, the higher the rotation speed. When the voltage doubler circuit is used, the DC voltage input to the inverter is 288V (about 250V when the load is connected), which is twice 144V. However, the internal resistance R of the motor can be either high-speed or low-speed. For example, in the case of high-speed rotation specifications, the value of the internal resistance R is reduced by setting the number of turns, which is the number of windings of the stator of the motor, to 120 turns (one example). However, when the specification of the electric motor is set to the high speed side as described above, there is a problem that the efficiency of the electric motor is remarkably lowered in a low speed region.
[0019]
On the other hand, if the number of windings of the stator winding is 140 turns (one example) in order to match the motor specifications to the low speed range (increase the efficiency in the low speed range), the motor applied voltage V is constant and the motor internal resistance R is Since it becomes large, there exists a problem that the rotation speed required for quick freezing and quick ice making cannot be obtained.
[0020]
Therefore, in the present embodiment, the high-speed rotation of the motor is realized by increasing the inverter input voltage in the high-speed range by matching the specifications of the motor with the low-speed range. In order to increase the inverter input voltage, that is, the DC stage voltage, a boost chopper (or a PWM controllable converter) is provided after the converter that converts AC to DC, and the boost chopper is chopped (PAM control). However, as described in Document 1, when the boost chopper is operated in the entire operation region of the motor, the motor efficiency is deteriorated at a low voltage (low speed region) applied to the motor. There was a problem. That is, when inverter control is performed in a refrigerator, the rotation speed of the compressor motor is often operated at a set minimum rotation speed. At this time, if the voltage is boosted by forcibly flowing the input current due to the switching operation of the power element and the energy storage effect of the reactor in the boost chopper circuit in the converter circuit, the efficiency of the circuit is reduced due to the switching loss of the power element. Had the problem.
[0021]
In addition, when the boosting chopper circuit in the converter circuit performs the switching operation of the power element and boosts the DC voltage even at the minimum rotation speed, the minimum DC voltage must be controlled at 163 V or more including the voltage fluctuation. For this reason, the design of the electric motor for the compressor has a problem that the efficiency is lowered because it is not an optimum design because it is designed at a high DC voltage.
[0022]
This is because, in the case of full-wave rectification without using a voltage doubler circuit, the magnitude of the DC voltage is about 144V, but the minimum DC voltage obtained by boosting this with the lowest conduction ratio is about 163V. If the rotational speed is reduced, the pulse width of the PWM waveform becomes narrower and the magnitude of the current that flows during the ON period of the inverter increases (the maximum value of the current that flows while the switching element of a certain phase is ON). ), The difference from the lowest current in the reflux mode (period in which current flows through the reflux diode of the phase) becomes large. This difference current is proportional to the pulsating magnetic flux density, and the iron loss increases as this difference increases.
[0023]
In order to solve this problem, in the present embodiment, the DC voltage is further lowered by turning off the boost chopper in the low speed region. The PWM pulse width of the inverter can be increased by reducing the voltage of the DC stage. By widening the pulse width in this way, the difference between the maximum current value and the minimum current value in one cycle of the inverter switching element can be reduced, so that the pulsating magnetic flux density can be reduced. As a result, the electric motor Iron loss can be reduced.
[0024]
Now, in order to reduce the iron loss of the motor as described above, the boost chopper is turned off in the low-speed rotation region of the motor to realize a further lower voltage, but the higher order included in the input current by turning off the boost chopper. There was a problem that the higher harmonics increased. In the region where the step-up chopper is operating, since the current command is created based on the input AC voltage, the power factor is controlled to approximately 1, so that the current waveform becomes sinusoidal and the harmonic components are reduced. However, in the region where the step-up chopper does not operate, the current waveform is determined by the magnitude of the inductance L of the reactor of the LC filter provided in the DC stage between the converter and the inverter, and the peak value increases as the value of L decreases. A sharp current with a large and small width flows, and the current waveform becomes a sine wave as the value of L increases. Therefore, if the inductance of the reactor is increased, the problem of harmonics can be solved. However, the shape of the reactor that can reduce the harmonics is increased, for example, an electrical product provided between the refrigerator back plate and the refrigerator inner plate. There is a problem that it cannot be stored in a box.
[0025]
In order to solve this problem, the present embodiment uses a variable inductance reactor in which the inductance increases in a low current region. The reactor has a shape in which a coil is wound around iron or an amorphous material to form a circular magnetic circuit, and an air gap is provided in a part of the magnetic circuit. Simply setting the reactor on the DC side of the inverter to be iron core is described in Japanese Patent Publication No. 64-2029, which has the effect of reducing harmonics. As the value increases, it becomes smaller. In this case, there is a problem that a necessary inductance value cannot be obtained in the entire region where the step-up chopper is turned off, and harmonics increase on the low speed side in the region.
[0026]
In the present embodiment, since the reactor is a reactor having an annular iron core or the like and having a gap in part, a substantially constant inductance value L is maintained even if the current value rises from the start. The influence of harmonics can be minimized over the entire area. Further, as described below, in this embodiment, when the boost chopper is turned off, the operation is performed at one speed (minimum speed). However, even if the minimum speed differs depending on the refrigerator model, Since there is a substantially constant portion in the inductance value of the reactor, the degree of freedom of design can be expanded without changing the reactor for each model within that range.
[0027]
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 illustrates a control device for a refrigerator, and is an overall configuration diagram of an electric motor control device including a converter circuit using a rectifier circuit and a boost chopper circuit, and an electric motor drive circuit including an inverter circuit and an electric motor for a compressor. is there.
[0028]
The AC power supply 1 is generally an outlet, and is supplied to the refrigerator by inserting a plug on the refrigerator side. The received AC is connected to the converter circuit 2 and converted to DC. The converter circuit 2 outputs a DC voltage via a step-up chopper circuit including a diode 21, 22, 23, 24, a reactor 25, a diode 26, and a switching device 27 that is a power device such as a transistor. Is done. The step-up chopper circuit in the converter circuit 2 is connected to the output side of the rectifier circuit in the converter circuit 2, and the input current is forced to flow and the voltage is stepped up by the switching operation of the power element and the energy storage effect of the reactor 25 described above. . The boosted DC voltage is supplied to the smoothing capacitor and outputs a stable DC voltage. The mechanism of boosting is well known, but will be described briefly. When the diode 21 side is positive and the switching element 27 is on, current flows in the order of the AC power source 1, the diode 21, the reactor 25, the switching element 27, the diode 24, and the AC power source 1, and electromagnetic energy is accumulated in the reactor 25. The At this time, when the switching element 27 is turned off, a current flows from the reactor 25 to the smoothing capacitor 5 through the backflow prevention diode 26, and electromagnetic energy is transferred to the capacitor 5 to increase the voltage of the capacitor 5. This increases the DC stage voltage. The resistor 28 in the converter 2 is a current detection resistor.
[0029]
The capacitor 5 is connected to an inverter 3 that converts direct current into alternating current that generates a rotating magnetic field for rotating the electric motor. A compressor driving motor 4 is connected to the inverter 3. Although not shown in detail, the compressor 7 driven by the electric motor 4 is housed in a sealed container together with the electric motor 4, and is mainly a reciprocating type compressor. In addition, it may be a rotary type compressor.
[0030]
The inverter 3 is a three-phase inverter, and IGBTs (insulated gate bipolar transistors) 31a to 32c are used as switching elements in this embodiment. These switching elements are connected in parallel with reflux diodes 33a to 34c, respectively. Based on the output of the rotational position detection of the electric motor 4 so that the direct current supplied from the capacitor 5 becomes the set rotational speed, 120 degree conduction is performed, and the conduction rate control (pulse) in the conduction period of each phase is performed. Width control) and the number of revolutions of the motor 4 is controlled.
[0031]
The resistor 6 is a current detection resistor, and this current detection value is sent to the overcurrent protection device 111. When this current detection value exceeds the threshold level, a signal for turning off all the switching elements constituting the inverter 3 is sent to the driver. 110, the driver 110 turns off the switching element. This is provided because there is no current minor loop in the inverter control.
[0032]
The freezer compartment set temperature, which is a signal from the temperature setter 130, and the actual freezer compartment temperature from the freezer compartment temperature detector 138 are compared by the comparator 100, and the temperature deviation is output to the speed command calculator 101. A speed command proportional to the temperature deviation is output up to the maximum speed command, but the speed command becomes constant at a deviation larger than that. On the other hand, the induced voltage of the electric motor 4 is input to the position detector 102, the magnet position is calculated from the induced voltage, and the speed calculator 103 outputs the rotational speed (speed) of the electric motor based on this position signal. This detected speed is compared with the above-described speed command (speed command limiter 136 and selection circuit 137 will be described later) by comparator 104, and the speed deviation is input to inverter PWM duty command unit 105, and based on this speed deviation. Thus, a pulse train whose pulse width is determined so that the speed deviation becomes 0 by the proportional integration calculation is output. Further, the output signal of the position detector 102 is also input to the commutation output unit 108, and each pulse train that is a commutation timing of 120 degrees commutation of each phase switching element (pulse train shifted by 120 degrees for each phase) is provided. It is output for each switching element (the figure shows one switching element). The switching elements 32a, 32b, and 32c that constitute the lower arm of each phase are turned on during the commutation timing, and the switching elements 31a, 31b, and 31c that constitute the upper arm have a pulse train indicating the commutation timing and the previous one. An AND circuit 109 takes an AND with the pulse train representing the PWM signal, and the ON / OFF control is performed via the driver 110.
[0033]
Next, control of the DC stage voltage of converter 2 will be described. The voltage of the DC stage in the present embodiment is controlled in three stages of high voltage (280V), medium voltage (170V), and low voltage (120V), and the boost chopper 27 is controlled on and off at the high voltage and medium voltage. That voltage is realized. At a low voltage, the boost chopper 27 is turned off to increase the output pulse width of the inverter 3, thereby contributing to energy saving.
[0034]
The actual rotational speed of the electric motor 4 calculated by the speed calculator 103 and the speed command calculated by the speed command generator 101 are input to the converter PAM voltage command generator 106 and the converter operation determination unit 107. Converter PAM voltage command generator 106 generates a high voltage or medium voltage command based on the input actual speed and speed command. This voltage command value is compared with the DC voltage that is the voltage across the capacitor 5 detected by the DC voltage detection circuit 50, and the voltage across the capacitor 5 is selected as a high or medium voltage via the proportional integration circuit. A current peak value command is output. Further, when converter operation determination unit 107 determines that the DC stage voltage should be lowered based on the input actual speed and speed command, booster chopper (hereinafter, switching element 27 is sometimes referred to as boost chopper 27). A chopper off signal (PAM off signal) which is a signal for turning off the signal is output.
[0035]
The current peak value command from the converter PAM voltage command device 106 is multiplied by the voltage (pulsating current) rectified by the diodes 21, 22, 23 and 24 detected by the voltage detector 29 by the multiplier 201. Instantaneous current command. The instantaneous current command and the actual instantaneous current detected by the current detection resistor 28 are compared by the comparator 202, and the deviation is input to the comparator 204. The sawtooth wave (triangular wave) generated by the transmitter 203 and The pulse width modulation signal is obtained by comparison. This signal is input to the drive circuit 205 and amplified to become a gate signal for the boost chopper 27. Thus, by comparing the instantaneous current command with the instantaneous current and controlling in such a direction that there is no deviation, the phase of the input voltage and the current are almost equal and the power factor is close to 1. Thus, harmonics can be suppressed by making the current sinusoidal. When a low voltage is required, the chopper off signal that is the output of the converter operation determination unit 107 is input to the drive circuit 205 to block the gate signal and stop the switching operation of the boost chopper 27.
[0036]
Each element surrounded by a dotted line A is packaged in one integrated circuit. While the chopper off signal is being output, the output of the converter PAM voltage command device 106 is the medium voltage command, and the chopping signal based on the instantaneous current deviation is output to the drive circuit. At this time, the integrated circuit is configured so that the DC stage voltage gradually rises even when the chopper off signal is released (not shown).
[0037]
The above-described converter control circuit has recently been made into a control IC, and a number of products that control a DC voltage by controlling an analog voltage have been commercialized.
[0038]
In the embodiment described above, the voltage command of the DC stage is determined by the speed command value and the actual speed value, but may be determined according to the conduction rate of the pulse width modulation signal of the inverter.
[0039]
Next, details of converter PAM voltage command device 106 will be described with reference to FIG. Based on the speed command value and the actual speed value, a high voltage or a medium voltage is selected by a program process, and a command based on an analog voltage that can be generated on the converter control circuit side is output. That is, depending on whether a voltage determined by the divided voltage values of the resistors R2 and R3 is output, or a voltage determined by dividing the parallel resistance values of R3 and R4 and the divided voltage value of R2 by connecting R3 and R4 in parallel, the DC state Change the command to change the voltage.
[0040]
However, a large change in the DC voltage occurs at the switching point, and this step-like voltage change adversely affects the PWM duty of the inverter. Therefore, in this embodiment, even if the voltage command by the program processing changes, The change gradually progressed by the circuit. This will be described below.
[0041]
The DC voltage command output by the program process changes stepwise. A signal that changes in a stepwise manner is given a time constant by the resistor R1 and the capacitor C, and the voltage is gradually increased. This voltage and the triangular wave formed by the oscillation circuit are compared by a comparator. The peak value of the output waveform of the transmission circuit is set to be equal to or less than the voltage of the DC voltage command value. Since the output of the comparator is output when the output of the time constant circuit is large, the output voltage of the time constant circuit gradually increases, and a pulse train that gradually widens is output. When the charging of the capacitor C is completed, the comparator outputs ON. Since the transistor T is turned on when the output of the comparator is on, at this time, a voltage (referred to as voltage division 1) is output to the converter control circuit side by the parallel resistance value of the resistors R3 and R4 and the voltage divided by R2. (When the transistor T is off, the voltage is divided by the resistors R2 and R3 (referred to as voltage division 2)). Divided voltage 1 and divided voltage 2 are alternately output, and the voltage period of divided voltage 1 gradually increases as the voltage of the time constant circuit rises, and finally the voltage of only divided voltage 1 is output. . In this manner, rectangular waves having different duty widths corresponding to the time constant are output to the converter control circuit side. Although not shown, an integrating circuit is built in the converter control circuit side, and converts this rectangular wave into an analog voltage. This output becomes a DC voltage command, and this value is compared with the actual DC voltage to become a current peak value command. With these controls, voltage fluctuations when the DC voltage is switched are suppressed, so that the rotational speed pulsation of the motor 4 can be suppressed. FIG. 4 shows the rotational speed pulsation when the time constants of the resistor R1 and the capacitor C are changed. It can be seen that the larger the time constant, the smaller the pulsation of the rotational speed.
[0042]
In the present embodiment, a triangular wave is formed and a time constant circuit is formed by the resistor R1 and the capacitor C. However, a rectangular wave with a different duty width corresponding to the time constant is applied to the program (software) according to the time constant. It may be output.
[0043]
Next, control at the time of starting the compressor (electric motor) will be described. The voltage range of electricity transmitted to ordinary households is allowed to vary based on the Electricity Business Law, and 281 ± 7.5% (260V to 303V) in double voltage display, considering the voltage drop due to indoor wiring. ) Fluctuation range. For this reason, when the voltage is low, the starting torque of the compressor is large, and the rotational torque of the electric motor is insufficient, which may make starting difficult. In this embodiment, when the start-up command is issued when the compressor is stopped, the DC voltage command is first controlled to a high voltage or a medium voltage to obtain a DC voltage with less fluctuation, The activation of the electric motor is started. By doing so, 281 ± 3% is obtained, so that a stable DC voltage is supplied and startup is ensured.
[0044]
That is, in converter PAM voltage command generator 106, when the actual speed that is the output of speed calculator 106 and the speed command that is the output of selection circuit 137 are input and the actual speed is 0 and there is a speed command, It is determined that the compressor is started, and the DC voltage command is set as a high voltage command. As shown in FIG. 9, under this voltage, the inverter performs a switching operation to start the motor. Thereafter, when the freezer temperature approaches the temperature set value, the low voltage is commanded through the medium voltage, and the motor is driven under the low voltage. At this time, since the boost chopper stops switching, the DC voltage fluctuates due to the fluctuation of the power supply voltage as described above. However, even if there is a power supply voltage fluctuation, since the induced voltage of the motor is rising, the speed feedback control is established, so the PWM pulse width is used to maintain the speed. It is controlled to follow. When the PAM is turned off to make the voltage low, the inverter controls the electric motor so that the pulse width is increased and the speed command is obtained as described above. However, the minimum voltage of the fluctuation range of the AC power supply voltage is controlled. Sometimes the lowest speed is chosen so that the flow rate is 100%.
[0045]
Here, the quick freezing operation, the quick ice making operation, and the restraining operation will be described. Home freezing performance in home refrigerators is achieved by shortening the passage time of the maximum ice crystal formation zone (-1 ° C to -5 ° C) where most of the water in the food freezes as much as possible, so that the ice crystals in the cell tissue during freezing , And the outflow of drip (fluid containing umami and nutrients) at the time of thawing due to cell destruction can be suppressed, and high quality freezing can be achieved. In order to realize this, a quick freezing button (rapid ice making button) 134 is provided on the door of the refrigerator, and quick freezing (ice making) is started when the quick freezing button 134 is pressed.
[0046]
When the quick freezing button 134 is pressed, a timer in the quick cooling circuit 133 is started, and the quick freezing operation is performed for a maximum of 2 hours until the quick freezing button 134 is manually released or the timer is turned off. The rapid cooling circuit 133 sends a speed command for setting the motor rotation speed to 4200 rpm (fixed) to the selection circuit 137, and the selection circuit 137 selects the speed command from the rapid cooling circuit 133 and outputs it to the comparator 104. To do. In addition, when the motor speed command is fixed, the temperature deviation at the time of return becomes large and may become unstable. Therefore, the temperature command is set to a value lower by −7 ° C. than usual. For this reason, the output from the temperature setter 130 is added by −7 ° C. by the adder 135 to obtain a temperature command. A deviation between this temperature and the actual temperature is output from the comparator 100. The rapid cooling circuit 133 inputs this temperature deviation, and when the freezer temperature falls below 7 ° C. lower than the internal temperature setting (normally −18 ° C.) during the quick freezing operation, the speed command is set to a fixed value of 4200 revolutions. Reduce from 0 / min to 0 rotation / min to prevent refrigeration rooms and vegetable rooms other than freezing rooms from becoming too cold. When the freezer temperature rises and exceeds the set temperature lower by 7 ° C. (has hysteresis), the motor speed command is returned again and the operation is resumed. This operation is continued until the timer is turned off.
[0047]
With the above quick freezing (ice making) operation function, the maximum ice crystal formation zone passage time can be made within 30 minutes, and high quality freezing has become possible.
[0048]
In recent years, the demand for energy saving in refrigerators has been screamed in response to social demands as a measure to prevent global warming. In order to answer this request, the refrigerator according to the present embodiment is provided with a press button 132 for realizing the energy saving mode on the door.
[0049]
When the press button 132 is pressed, the press circuit 131 is activated. In order to increase the temperature setting (temperature command) by 1 ° C., the suppression circuit 131 outputs a signal for adding 1 ° C. to the output of the temperature setting device 130 and adds the signal by the adder 135 to suppress the output of the adder 135. Use the temperature command during operation. The restraining circuit 131 outputs a signal to the speed command limiter 136, and outputs a speed command of 3000 rpm or more to the subsequent stage even if the speed command output from the speed command generator 101 exceeds 3000 rpm. I tried not to. As described above, since the temperature deviation is reduced by increasing the set temperature, the rate at which the DC stage voltage of the main circuit is selected at a low potential is increased, and the pulse width of the inverter PWM waveform is increased. In addition, the iron loss of the electric motor can be reduced and the power consumption can be reduced. Further, since the DC stage voltage can be controlled, the minimum operable rotation speed can be set between 1600 rotations / minute and 2000 rotations / minute, so that the motor rotation speed can be increased despite a small temperature deviation. Since it does not become larger than necessary, power consumption can be reduced. Furthermore, even if the temperature deviation is very large, the maximum speed is suppressed to 3000 revolutions / minute, so that while the restraint button 132 is pressed, it does not rotate at an unnecessarily high speed, so it still consumes power. The amount can be reduced.
[0050]
By the way, the press circuit 131 receives the output of the freezer temperature detector 138, detects that the temperature of the freezer has exceeded -10 ° C., and cancels the press control. This means that the load is so large that the internal temperature rises even if the operation is continued at an electric motor rotational speed of 3000 rotations / min. At this time, the temperature of the food stored in the internal storage In order to maintain the temperature at an appropriate temperature, the operation is canceled to return to the normal operation and cool the interior.
[0051]
It should be noted that the quick freezing operation and the restraining operation cannot be made compatible, so that when one of them is working, it is configured to be invalidated even if the other button is pressed.
[0052]
Next, DC voltage switching and converter on / off operations will be described using the control operation explanatory diagram of FIG. FIG. 3 is a graph in which the horizontal axis represents the number of rotations of the compressor motor, and the vertical axis represents the motor applied voltage and the conduction ratio, in which the load is constant.
[0053]
In the state where the compressor is operating but the refrigerator is not cooled, the temperature deviation is large, so the speed command is large and the actual speed is large. A command to increase the DC voltage to a high voltage is output based on both, but this signal is 0 V, and this is output to the time constant circuit. A voltage obtained by dividing the resistors R2 and R3 is supplied to the converter control circuit side, and the DC voltage is set to a high voltage of, for example, 280V. When the DC voltage is 280 V, the rotation speed of the electric motor 4 is controlled at high speed. The variable range of the rotational speed is controlled in the range of 2700 to 4200 rotations, for example. On the inverter control circuit side, a drive signal is created based on the conduction rate signal due to the speed deviation as described above, and the inverter circuit 3 A switching element (for example, a transistor) is driven to control the speed of the electric motor 4. The flow rate corresponding to the rotation speed variable width is controlled in the range of 45% to 95%, for example.
[0054]
When the inside of the refrigerator cools and approaches the set temperature, the rotation speed of the compressor motor 4 is reduced. However, the rotation speed command of the motor 4 falls below, for example, 2700 rotations, and the actual rotation also falls below 2700 rotations. In this case (when the command value is determined by the flow rate to the switching element of the inverter circuit 3, the flow rate is 45% or less, for example), the output to the time constant circuit is set to HIGH, and R3 and R4 are connected in parallel to divide the voltage. The value is changed and the DC voltage is set to a medium voltage of 170 V, for example (point B). At this time, the flow rate is, for example, 95%.
[0055]
Here, since the product of the DC voltage and the conduction rate must match before and after switching, it is necessary to set the conduction rate to a value that does not exceed 100% when the DC voltage is lowered. The variable range of the rotational speed is controlled in the range of 1600 to 2700 rotations, for example, and the flow rate is 55% at 1600 rotations, for example.
[0056]
When the inside of the refrigerator is further cooled and approaches the set temperature, the rotation speed of the motor 4 is set to, for example, 1600 rotations, which is the minimum rotation speed, but the conduction rate to the switching element of the inverter 3 is, for example, 55% or less, or the motor For example, when the rotation speed command of 4 is the minimum rotation speed of 1600 rotations and the actual rotation is also 1600 rotations, the control on the converter control circuit side is turned off and the voltage is lowered (point A). This control is performed by the converter operation determination unit 107 described above. Here, when the DC voltage is lowered, it is necessary to set the conduction rate so as not to exceed 100%. It should be noted that the rotational speed of the compressor motor 4 may not be the minimum value for turning off the control on the converter control circuit side.
[0057]
These values of the flow rate and the rotational speed are values for convenience of explanation. By repeating the operation as described above, the DC voltage is reduced with the reduction in the rotational speed of the compressor motor 4, and the motor speed can be controlled.
[0058]
Next, the case where the speed of the compressor motor 4 is increased will be described. When the electric motor 4 is opened and closed, the door of the refrigerator is opened and warm food enters the cabinet, and the temperature inside the cabinet rises, contrary to the previous case, the rotational command of the electric motor 4 becomes, for example, the minimum number of revolutions or more and the actual rotation is also the lowest. When the rotation speed is exceeded (when the DC voltage command is switched by looking at the current flow rate to the switching element of the inverter 3, the current flow rate is 55% or higher, for example), the control on the converter control circuit side is turned on (point A) ) Set the DC voltage to a medium potential of, for example, 170V.
[0059]
Further, in order to increase the rotation speed of the electric motor 4, the DC voltage command given to the time constant circuit is changed to 0V, and the divided voltage value of R2 and R3 is changed, and the DC voltage is set to a high voltage of 280V, for example.
[0060]
When the DC voltage is switched, it is necessary to provide hysteresis in the rotational speed at the time of acceleration and deceleration of the electric motor 4 to suppress hunting of the rotational speed at the time of switching.
[0061]
In the embodiment of the present invention, the switching of the DC voltage is performed in three stages including on / off of the control of the converter, but this is achieved by providing a plurality of set voltages in the DC voltage switching circuit 9 to further increase the number of switching times. It is possible to increase.
[0062]
FIG. 5 shows the reactor characteristics of the converter circuit 2. When the inside of the refrigerator cools and approaches the set temperature, the rotation speed of the motor 4 is set to the minimum rotation speed, and the control on the converter control circuit side (boost chopper 27) is turned off. At this time, the harmonic regulation value is satisfied. There is a problem that can not be done. For refrigerators, harmonic regulation guidelines are class D. If the DC voltage is controlled through the step-up chopper 27 and the power factor is improved over the entire rotation speed control range of the electric motor 4, the value of the reactor 25 may be about 1 mH. However, in order to turn off the boost chopper 27 and satisfy the harmonic guidelines, the value of the reactor 25 needs to be 10 mH or more. For this reason, as described above, the reactor 25 has a characteristic of 10 mH or more at a low input (low current) when the boost chopper 27 is turned off, and a characteristic of about 1 mH at a high input (high current) when the boost chopper 27 is turned on. A reactor 25 is provided. Thereby, even if the boost chopper 25 is turned off, the harmonic guideline can be satisfied.
[0063]
FIG. 6 shows the motor efficiency when the DC voltage switching and the boost chopper 25 at the minimum rotation speed are turned off. When the rotational speed of the electric motor 4 is switched at 2700 rotations, the direct current voltage decreases from 280V to 170V, so the motor efficiency is improved by about 1.2%. This is because the DC voltage is lowered, and thus the conduction rate of the inverter 3 is increased, and the iron loss due to the chopper lost in the motor is lowered. In addition, when the converter control is turned off, the DC voltage is reduced from 170V to 120V, so that the motor efficiency is improved by about 2%. The reason for this will be described with reference to FIG. FIG. 7A shows a PWM waveform of the switching element of the inverter 3 in a state where the DC stage voltage is high. When the switching element is on, the motor current flows from the capacitor 5. When the switching element is off, the motor current is circulated and attenuated via the freewheeling diode. Let this peak-to-peak be ΔIM. Similarly, FIG. 7B shows a case where the DC stage voltage is decreased and the same voltage as in FIG. 7A is applied to the electric motor 4. At this time, since the DC stage voltage is low, even if the switching element is turned on, the rate of increase in current is small, so ΔIM is small compared to (a). This ΔIM is a value representing the pulsation magnetic flux density of the electric motor, and a smaller value means that the iron loss of the electric motor is smaller. Therefore, the motor efficiency is improved as the conduction ratio is increased.
[0064]
FIG. 8 shows the efficiency of the control circuit when the converter control is turned off and when it is turned on. When the input (current) decreases, the switching loss of the switching elements constituting the boost chopper is eliminated when the converter control is turned off, and the efficiency of the control circuit is improved. Therefore, like the compressor motor 4, when the input at the minimum rotational speed is small, the system efficiency is improved by turning off the converter control.
[0065]
In the embodiment described above, various numerical values are shown and described. However, these numerical values are merely examples, and other numerical values may be used as long as they match the control concept.
[0066]
Further, the control block diagram has been described to facilitate understanding of the present embodiment, but the comparator 100, speed command generator 101, position detector 102, speed calculator 103, comparator 104, inverter PWM duty command generation 105, a circuit for calculating a voltage command of the converter PAM voltage command generator 106, a converter operation determination unit 107, a commutation output unit 108, an AND circuit 109, a driver, an overcurrent protection circuit 111, a restraining circuit 131, a quenching circuit 133 The adder 135, the speed command limiter 136, and the selection circuit 137 can be realized by software. Furthermore, an inverter can be added to the LSI.
[0067]
As described above, the present embodiment has the following effects. The compressor motor is designed with the highest utilization factor (for example, at the minimum rotation speed), so that the motor efficiency can be improved, and the system energy can be saved. When the load on the refrigerator is high, the DC voltage is increased by the DC voltage control circuit as described above, so that the compressor motor can be operated at a high speed. Furthermore, when the rotation speed of the compressor motor 4 is switched at 2700 rpm, the DC voltage decreases from 280V to 170V, so that the motor efficiency is improved by about 1.2%. In addition, when the converter control is turned off, the DC voltage is reduced from 170V to 120V, and the motor efficiency is improved by about 2%, so that further energy saving can be achieved. Further, by turning off the converter control, the switching loss of the power element is eliminated, and the efficiency of the control circuit is improved.
[0068]
As another method for switching the DC voltage, the full-wave rectification and voltage doubler rectification switching circuit configuration of FIG. 10 is shown. The power supply circuit of the inverter circuit 3 includes rectifier diodes D1, D2, D3, D4, smoothing capacitors C1, C2, and a switch SW1. The switch SW1 is controlled by a control circuit 11 such as a microcomputer. When the switch SW1 is off, a full-wave rectifier circuit is formed, and when the switch SW1 is on, a voltage doubler rectifier circuit is formed. A DC voltage obtained by rectifying and smoothing the commercial power supply with a full-wave rectifier circuit or a voltage doubler rectifier circuit is applied to the switching element of the inverter circuit 3 to drive the electric motor 4.
[0069]
FIG. 11 shows the DC voltage characteristics when switching from full wave rectification to voltage doubler rectification. The DC voltage characteristics shown here are those when the switch SW1 is a relay. For this reason, the time for the DC voltage to rise when the full-wave rectifier circuit is changed to the voltage doubler rectifier circuit is about 50 ms. During this 50 ms, the control circuit 11 controls the ratio of the voltage applied to the compressor motor 4 so as to achieve the set rotational speed. When the switch SW1 is a semiconductor element, the control circuit 11 controls the on / off timing of the switch for switching from the full-wave rectifier circuit to the voltage doubler rectifier circuit so that the rate of increase of the DC voltage is arbitrarily variable. can do.
[0070]
Note that the ripple of the DC voltage shown in FIG. 11 is determined by the capacitances of the smoothing capacitors C1 and C2. For this reason, in order to reduce the ripple voltage, the capacitances of the smoothing capacitors C1 and C2 may be increased.
[0071]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the refrigeration and ice making time can be significantly shortened, and the motor efficiency is increased by the energy saving mode, so that a refrigerator that reduces power consumption can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a control block diagram of a refrigerator according to the present embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing an internal configuration of a converter PAM voltage command generator.
FIG. 3 is a diagram showing a motor applied voltage and a conduction rate.
FIG. 4 is a view showing a time constant change characteristic of a converter PAM voltage command generator.
FIG. 5 is a diagram illustrating the characteristics of a reactor of a converter circuit.
FIG. 6 is a diagram showing motor efficiency when DC voltage switching and converter control are turned off.
FIG. 7 is a diagram showing a current when a pulse width is changed during pulse width modulation.
FIG. 8 is a diagram showing the efficiency of the control circuit when the converter control is turned off and when it is turned on.
FIG. 9 is a diagram showing a change in DC voltage when the motor is started.
FIG. 10 is a diagram showing a full-wave rectification and voltage doubler rectification switching circuit configuration.
FIG. 11 is a diagram showing DC voltage characteristics when switching from full wave rectification to voltage doubler rectification.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Commercial power source, 2 ... Converter, 3 ... Inverter, 4 ... Electric motor, 131 ... Stopping circuit, 133 ... Quenching circuit, 106 ... Converter PAM voltage command generator 107: Converter operation determination unit.

Claims

An electric motor that drives the compressor; an inverter that controls rotation of the electric motor; a rectifier that converts alternating current into direct current; and a booster circuit that boosts direct current voltage; and a converter that supplies direct current to the inverter ; Boosting circuit control means for controlling the boosting circuit so that the output voltage can output a plurality of DC voltages, inverter control means for pulse width modulation controlling the inverter with each of the plurality of voltages, and setting the temperature in the cabinet And a temperature setter for
The plurality of DC voltages are at least three levels of high, middle, and low levels,
Among the plurality of DC voltages, a high voltage and a middle voltage are voltages boosted by turning on the boosting function of the converter, and the lowest low voltage among the plurality of DC voltages is a boost voltage of the converter. With the voltage turned off,
A refrigerator having an operation mode for generating a temperature command higher than a temperature set by the temperature setter .

A motor that drives the compressor, an inverter controlling the rotation electric motor, a converter for supplying direct current to the inverter and a booster circuit for boosting the rectifier circuit and the DC voltage converting alternating current into direct current, the converter comprising of a step-up circuit control means output voltage to control the output to give so that the booster circuit a plurality of DC voltage, and an inverter control unit for pulse width modulation controlling said inverter in each of the plurality of voltages,
The plurality of DC voltages are at least three levels of high, middle, and low levels,
Among the plurality of DC voltages, a high voltage and a middle voltage are voltages boosted by turning on the boost function of the converter,
The lowest low voltage among the plurality of DC voltage and the voltage was turned off the boost function of the converter,
A refrigerator in which a DC voltage supplied to the inverter when starting the electric motor is higher than a value obtained by converting the alternating current into direct current .

Low voltage among the previous SL plurality of DC voltage, a refrigerator according to claim 1 or 2 which is the output voltage of the rectifier circuit of the converter.

Said rectifying circuit, a reactor between a step-up chopper constituting the booster circuit provided,
The reactor exhibits a large inductance with a small current region, the refrigerator according to any one of claims 1 to 3 was reactor, such as exhibiting a small inductance with a large current region.

5. The refrigerator according to claim 4, wherein the reactor is obtained by winding a coil around an annular core having a gap in part.

Selection of the previous SL plurality of DC voltage, a refrigerator according to any one of claims 1 to 5 are intended to be performed based on the rotational speed command and the actual rotational speed of the electric motor.