JP3861867B2

JP3861867B2 - 空気調和機の位相制御装置

Info

Publication number: JP3861867B2
Application number: JP2003329641A
Authority: JP
Inventors: 淳小林; 誠堀; 敏明八木
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-09-22
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2023-09-22
Also published as: CN1303754C; JP2005102347A; CN1601883A; MY137173A

Description

本発明は、空気調和機に用いる交流モータの位相制御装置に関するものである。

従来より、この種の位相制御装置は図１に示すように、交流電源１と交流モータ２とスイッチング素子３を直列に接続し駆動回路を形成し、一方、前記交流電源１の電源電圧がゼロ電圧になるポイントを検出するゼロクロス検出回路４と、交流モータ２の回転数を検出する回転数検出器５を設け、前記ゼロクロス検出回路４のゼロクロス信号と前記回転数検出器５の回転数信号を制御装置６が受けてトリガ信号を前記スイッチング素子３に出力し交流モータ２を制御するものがある。制御は、ゼロクロス信号を基にトリガ信号の出力タイミングを制御し、前記回転数検出器５の回転数信号が目標の値となるように前記スイッチング素子３のオン点を制御してスイッチング素子３のオン区間を制御し、交流モータ２を位相制御するものである。

具体的には、前記スイッチング素子３はＳＳＲ（ソリッド・ステート・リレー）が用いられ、このスイッチング素子は、トリガ信号によってオンし、交流モータに流れる負荷電流がゼロ電流になるとオフするものである。

従って、図５に示すように、電源電圧Ｖのゼロクロス点Ｚをゼロクロス検出回路４が検出してゼロクロス信号ＺＳを出力し、このゼロクロス信号ＺＳの立上がりから所定のトリガタイミング区間Ｔｄの経過後にトリガ信号ＴＳを出力する。このトリガ信号ＴＳの立上がりによってスイッチング素子３がオンし、交流モータに電流が流れる。そして、前記スイッチング素子３は、負荷電流がゼロ電流になるとオフするので、交流モータ２の電流Ｉは一点鎖線のようになり、トリガタイミング区間Ｔｄに応じた電力が交流モータ２に供給される。したがって、前記トリガタイミング区間Ｔｄを変更することによって交流モータ２の回転数が制御されることになる。

上述した位相制御装置において、前記トリガ信号ＴＳのパルス幅Ｔｇは、スイッチング素子３がオンするに必要な最小パルス幅Ｔｇ１に設定さている場合、電源電圧Ｖと交流モータ電流Ｉとの位相差がなく、ゼロクロス検出回路４から出力されるゼロクロス信号ＺＳが電源電圧Ｖのゼロ電圧点と誤差なく出力される場合には、交流モータを正確に位相制御することができる。

しかしながら、電源電圧Ｖと交流モータ電流Ｉとの位相差があり、ゼロクロス信号ＺＳの立上がり点が電源電圧Ｖのゼロクロス点ＺよりＴｗ１位相が進んでいる場合、交流モータを高回転制御しようとすると、交流モータを正確に位相制御することができなくなる。

トリガ信号ＴＳのパルス幅Ｔｇを最小パルス幅Ｔｇ１に設定した状態において、交流モータを高回転制御するためにトリガタイミング区間Ｔｄを小さくして行った場合の状態を図６に示す。トリガタイミング区間ＴｄがＴｄ１の場合、トリガ信号ＴＳの立上がりで交流モータ電流Ｉが流れ始め半サイクルの間電流が流れ続ける。トリガタイミング区間ＴｄがＴｄ２になった場合も、トリガ信号ＴＳがオンの期間に交流モータ電流Ｉがゼロ電流になるため、トリガ信号により半サイクルの間電流が流れ続ける。トリガタイミング区間ＴｄがＴｄ３になると、トリガ信号ＴＳがオフした後交流モータ電流Ｉがゼロ電流になるため、交流モータ電流Ｉがゼロ電流になった以降電流が流れず、次のトリガ信号ＴＳでトリガタイミング区間ＴｄがＴｄ４となり立上がると、そのタイミングで交流モータ電流Ｉが流れるが、図６に示したように、交流モータを高回転制御しているにも関わらず、電流が
オンしている期間は短くなり交流モータは低回転になる。

そこで、図７に示すように、トリガ信号ＴＳのパルス幅Ｔｇを最小パルス幅Ｔｇ１より長くしてＴｇ２とすると、トリガタイミング区間ＴｄがＴｄ３になった場合、Ｔｄ４となった場合でも、トリガ信号ＴＳがオンの期間に交流モータ電流Ｉがゼロ電流になるため次の半サイクルの間電流が流れ続け、本来制御しようとしていた高回転制御が達成できる。

ところが、前記トリガ信号ＴＳのパルス幅Ｔｇを長くした状態（Ｔｇ２）で交流モータを低回転制御すると、図８に示すように、トリガタイミング区間Ｔｄの最大値を電源電圧の半周期からトリガ信号ＴＳのパルス幅Ｔｇ２を差し引いた値となるよう制御した場合は、最低回転数が低くならない問題が発生する。

また、図９に示すように、トリガタイミング区間Ｔｄの最大値を電源電圧Ｖの半周期まで許可した場合、トリガ信号ＴＳがオンの期間に交流モータ電流Ｉがゼロ電流になるとその後の半サイクルの間電流が流れ続け高回転になってしまう。そこで、図１０に示すように、トリガ信号ＴＳのパルス幅Ｔｇを短くすることにより、最低回転数が充分低くなるようにしている。

以上のように、交流モータの回転数を制御するために出力するトリガ信号ＴＳを、トリガタイミング区間Ｔｄが短い場合にはパルス幅Ｔｇを長く設定し、トリガタイミング区間Ｔｄが長い場合にはパルス幅Ｔｇを短く設定しトリガタイミングによってパルス幅Ｔｇを変更する必要があった。
特開平０８−２１４５７７号公報

しかしながら、上記従来の構成では低回転制御から高回転制御まで安定して位相制御するためには、トリガ信号ＴＳのパルス幅Ｔｇをトリガタイミング区間Ｔｄに応じて変更する必要があり、トリガ信号ＴＳを出力する制御装置内での処理としてトリガタイミング区間Ｔｄの長さの判定、トリガ信号ＴＳのパルス幅Ｔｇの切り替えが必要となり処理が複雑になる問題があった。

また、トリガ信号ＴＳにおいてトリガ信号のパルス幅Ｔｇ、パルス幅を切り替えるタイミングは、電源電圧変動、交流モータの負荷変動等による交流モータの電圧と電流の位相差、さらには、ゼロクロス検出回路のばらつきによるゼロクロス信号ＺＳのオンタイミングのばらつきの影響などを考慮し決定する必要があった。この結果、機種毎に検討し上記設定値を決定する必要が発生し、開発工数が多くなるという問題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、各種機種に適用可能な制御を提供し、開発工数の削減を図ることを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明は、交流電源と、交流電源で動作する交流モータと、トリガ信号によりオンし且つ負荷電流がゼロになるとオフするスイッチング素子を直列接続したモータ駆動回路と、前記交流モータの回転数を検出して回転数信号を出力する回転数検出器と、前記交流電源から電源電圧を受けて電源電圧のゼロ電圧を検出してゼロクロス信号を出力するゼロクロス検出回路と、前記回転数検出器からの回転数信号と前記ゼロクロス検出回路からのゼロクロス信号に基づいて前記スイッチング素子にトリガ信号を出力して前記交流モータへの供給電力を位相制御する制御装置で構成し、前記ゼロクロス信号のオンタイミングを電源電圧のゼロ電圧点より進み位相とすると共に、前記制御装置か
らのトリガ信号のオン期間であるパルス幅を前記スイッチング素子をオンさせるのに必要な最小パルス幅より大きい値で、かつ、ゼロクロス信号のオンタイミングと電源電圧のゼロ電圧点との位相差以上の値とし、さらに、トリガ信号のオン期間が次のゼロクロス信号のオンタイミングを超える場合はゼロクロス信号のオンタイミングでトリガ信号をオフすることを特徴とするものである。

あるいは回転数検出器からの回転数信号の代わりに、使用する交流モータの標準的な印加電圧対回転数特性データをあらかじめ設定しておき、そのデータを使用するものである。

本構成により、トリガ信号ＴＳのパルス幅をトリガタイミング区間に応じて変更することなく低回転制御から高回転制御まで安定して位相制御することができ、また、従来のように電源電圧変動、交流モータの負荷変動等による交流モータの電圧と電流の位相差による影響などを検討する必要がなく各種機種に適用可能な制御を提供し、開発工数の削減を図ることができる。

以上のように、本発明の空気調和機の位相制御装置によれば、ゼロクロス信号ＺＳのオンタイミングを交流電源のゼロ電圧点より進み位相とすると共に、トリガ信号ＴＳのオン期間であるパルス幅をスイッチング素子をオンさせるのに必要な最小パルス幅より大きい値で、かつ、ゼロクロス信号ＺＳのオンタイミングと電源電圧のゼロ電圧点との位相差以上の値とし、さらに、トリガ信号ＴＳのオン期間が次のゼロクロス信号ＺＳのオンタイミングを超える場合はゼロクロス信号ＺＳのオンタイミングでトリガ信号ＴＳをオフするようにしたため、トリガ信号のパルス幅を切り替える処理を要せず低回転制御から高回転制御まで安定して位相制御することができる。また、ゼロクロス検出回路のばらつきを考慮するだけでよく、従来のように電源電圧変動、交流モータの負荷変動等による交流モータの電圧と電流の位相差による影響などを検討する必要なく各種機種に適用可能な制御を提供することができる。この結果、開発工数を大幅に削減するという効果を奏する。

なお、本実施の形態においては、交流モータ２の回転数を検出し回転数信号を出力する回転数検出器５を設け前記ゼロクロス信号ＺＳと前記回転数信号に基づいてスイッチング素子３を位相制御するためのトリガ信号ＴＳを制御する構成としているが、回転数精度が多少低くても実使用上問題ない場合には回転数検出器５を省略し、実回転数信号を制御目標とする代わりに、あらかじめ設定した使用する交流モータ２の標準的な印加電圧対回転数特性データとゼロクロス信号ＺＳに基づいてトリガ信号ＴＳの出力タイミングを制御してもよい。

以下本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における回路構成図である。

図１において、交流電源１と交流モータ２とスイッチング素子３が直列に接続され交流モータ２の駆動回路が構成されている。前記スイッチング素子３は交流電源１から交流モータ２に供給される電力を制御するもので具体的にはＳＳＲが用いられる。そして、前記スイッチング素子３は制御装置６からトリガ信号ＴＳを受けてオンすることで交流モータ２に電力供給すると共に、交流モータ２の電流がゼロ電流になるとオフするようになっている。

一方、前記交流電源１の電源電圧がゼロ電圧になるポイントを検出するゼロクロス検出回路４と、交流モータ２の回転数を検出する回転数検出器５が設けられ、それらの出力は制御装置６に接続されており、ゼロクロス信号ＺＳおよび、回転数信号を制御装置６に出力するよう構成されている。

前記制御装置６にはトリガ手段７が設けられており、前記ゼロクロス検出回路４のゼロクロス信号ＺＳと前記回転数検出器５の回転数信号を受けてトリガ信号ＴＳを前記スイッチング素子３に出力し交流モータ２を制御する。制御は、ゼロクロス信号ＺＳを基にトリガ信号ＴＳの出力タイミングを制御し、前記回転数検出器５の回転数信号が目標の値となるように前記スイッチング素子３のオン点を制御してスイッチング素子３のオン区間を制御し、交流モータ２を位相制御するものである。

前記ゼロクロス検出回路４は、出力するゼロクロス信号ＺＳが前記交流電源１の電源電圧がゼロ電圧になるポイントより進み位相、つまり、電源電圧のゼロ電圧点ＺよりＴｗだけ早いタイミングで出力されるよう構成されており、トリガ信号ＴＳは、ゼロクロス信号ＺＳからのオンタイミングを目標回転数に応じ変更し出力され、そのオン期間はスイッチング素子３をオンさせるのに必要な最小パルス幅より大きい値で、かつ、ゼロクロス信号ＺＳのオンタイミングと電源電圧のゼロ電圧点との位相差Ｔｗ以上の値に設定されている。

ここで、図２を用いて位相制御の動作波形について説明する。

図２において、ゼロクロス信号ＺＳは電源電圧Ｖのゼロ電圧点を跨ぐように出力され、そのオンタイミングは電源電圧Ｖのゼロ電圧点ＺよりＴｗ位相が進んでいる。交流モータ２の回転数を制御するために、制御装置６からトリガ信号ＴＳが出力されるが、トリガ信号ＴＳはゼロクロス信号ＺＳのオンタイミングから所定のトリガタイミング区間Ｔｄの経過後に立上がる。トリガ信号ＴＳのオン期間であるパルス幅Ｔｇはスイッチング素子３がオンするに必要な最小パルス幅Ｔｇ１より大きい値で、かつ、ゼロクロス信号ＺＳのオンタイミングと電源電圧Ｖのゼロ電圧点Ｚとの位相差Ｔｗ以上の値に設定されているため、トリガ信号ＴＳの立上がりで交流モータ２に電流Ｉが流れ、次の電流ゼロ点でスイッチング素子3はオフし交流モータ２への電流Ｉは流れなくなり、さらに次のトリガ信号ＴＳの立上がりで交流モータ２に電流Ｉが流れることになり位相制御される。トリガタイミング区間Ｔｄを短くすれば交流モータ２に流れる電流Ｉのオフ期間が短くなるため高回転制御となり、トリガタイミング区間Ｔｄを長くすると交流モータ２に流れる電流Ｉのオフ期間が長くなるため低回転制御となる。

次に図３を用いて、高回転制御の動作波形を説明する。

交流モータ２を高回転制御する場合、トリガタイミング区間Ｔｄを短くすればよい。空気調和機の室内用ファンモータの場合、一般に高回転になれば電流位相は電源電圧の位相より進み位相になるため交流モータ２に流れる電流Ｉは図３のようになる。つまり、電源電圧Ｖがゼロ電圧点になる前に、電流Ｉはゼロ電流になる。ここで最高回転数を出力するためにトリガタイミング区間Ｔｄ＝０の場合を考えると、ゼロクロス信号ＺＳのオンタイミングでトリガ信号ＴＳが立上がるが、そのときは交流モータ２に電流が流れている。トリガ信号ＴＳのオン期間であるパルス幅Ｔｇはゼロクロス信号ＺＳのオンタイミングと電源電圧Ｖのゼロ電圧点Ｚとの位相差Ｔｗ以上に設定されている（Ｔｇ＞Ｔｗ）ため、トリガ信号ＴＳの立上がり以降の状態変化は、１：交流モータ２のゼロ電流点、２：電源電圧Ｖのゼロ電圧点、３：トリガ信号ＴＳのオフ点、の順番になるため、トリガ信号ＴＳのオフ点以降も交流モータ２へは電流が流れ続けフル導通となり最高回転数を出力できる。

次に、図４を用いて、低回転制御の動作波形を説明する。

交流モータ２を低回転制御する場合、トリガタイミング区間Ｔｄを長くする。低回転時は、一般に電流位相は電源電圧の位相より遅れ位相になり、電源電圧Ｖのゼロ電圧点より後ろのタイミングで電流Ｉはゼロ電流点になる。トリガタイミング区間Ｔｄを長くし、Ｔｄとトリガ信号ＴＳのオン期間であるパルス幅Ｔｇとを加算した値が電源電圧の半周期を超え、トリガ信号ＴＳがゼロクロス信号ＺＳの立上がり点を超える場合は、ゼロクロス信号ＺＳの立上がり点でトリガ信号ＴＳをオフするように制御される。さらに、トリガタイミング区間Ｔｄの最大値を電源電圧の半周期から、スイッチング素子３がオンするに必要な最小パルス幅Ｔｇ１を差し引いた値に設定するように制御される。最低回転数に制御された場合、交流モータ２の電流位相は電源電圧の位相より遅れており、また、ゼロクロス信号ＺＳの立ち上がりは電源電圧Ｖのゼロ電圧点ＺよりＴｗ位相が進むよう設定されているため、トリガ信号ＴＳの立上がり以降の状態変化は、１：ゼロクロス信号ＺＳの立ち上がり＝トリガ信号ＴＳのオフ点、２：電源電圧Ｖのゼロ電圧点、３：交流モータ２のゼロ電流点、の順番になるため、トリガ信号ＴＳのオフ点より遅れたタイミングで交流モータ２への電流がオフし低回転数で位相制御される。

以上のように、ゼロクロス信号ＺＳのオンタイミングと電源電圧Ｖのゼロ電圧点Ｚとの位相差Ｔｗの設定とそのばらつきのみを考慮しトリガ信号ＴＳのオン期間であるパルス幅Ｔｇを決定することで低回転制御から高回転制御まで安定して位相制御することができる。

以上のように本発明の空気調和機の位相制御装置は、機種による負荷特性等の違いや各種ばらつきの影響を受けることなく低回転から高回転まで安定して位相制御することができるので、交流モータを使用して可変速制御を行うファンヒータ等の家電機器にも適用できる。

本発明と従来共通の回路構成図本発明のゼロクロス信号ＺＳとトリガ信号ＴＳの波形図本発明の高回転制御時のゼロクロス信号ＺＳとトリガ信号ＴＳの波形図本発明の低回転制御時のゼロクロス信号ＺＳとトリガ信号ＴＳの波形図従来のゼロクロス信号ＺＳとトリガ信号ＴＳの波形図従来の高回転制御時のゼロクロス信号ＺＳとトリガ信号ＴＳの波形図従来の高回転制御時で対策を行なった場合のゼロクロス信号ＺＳとトリガ信号ＴＳの波形図従来の低回転制御時のゼロクロス信号ＺＳとトリガ信号ＴＳの波形図従来の低回転制御時の他のゼロクロス信号ＺＳとトリガ信号ＴＳの波形図従来の低回転制御時で対策を行なった場合のゼロクロス信号ＺＳとトリガ信号ＴＳの波形図

符号の説明

１交流電源
２交流モータ
３スイッチング素子
４ゼロクロス検出回路
５回転数検出器
６制御装置
７トリガ手段

Claims

交流電源と、交流電源で動作する交流モータと、トリガ信号によりオンし且つ負荷電流がゼロになるとオフするスイッチング素子を直列接続したモータ駆動回路と、前記交流モータの回転数を検出して回転数信号を出力する回転数検出器と、前記交流電源から電源電圧を受けて電源電圧のゼロ電圧を検出してゼロクロス信号を出力するゼロクロス検出回路と、前記回転数検出器からの回転数信号と前記ゼロクロス検出回路からのゼロクロス信号に基づいて前記スイッチング素子にトリガ信号を出力し前記交流モータへの供給電力を位相制御する制御装置で構成し、前記ゼロクロス信号のオンタイミングを電源電圧のゼロ電圧点より進み位相とすると共に、前記制御装置からのトリガ信号のオン期間であるパルス幅を前記スイッチング素子をオンさせるのに必要な最小パルス幅より大きい値で、かつ、ゼロクロス信号のオンタイミングと電源電圧のゼロ電圧点との位相差以上の値とし、さらに、トリガ信号のオン期間が次のゼロクロス信号のオンタイミングを超える場合はゼロクロス信号のオンタイミングでトリガ信号をオフすることを特徴とする空気調和機の位相制御装置。
交流電源と、交流電源で動作する交流モータと、トリガ信号によりオンし且つ負荷電流がゼロになるとオフするスイッチング素子を直列接続したモータ駆動回路と、前記交流電源から電源電圧を受けて電源電圧のゼロ電圧を検出してゼロクロス信号を出力するゼロクロス検出回路と、前記交流モータの標準的な印加電圧対回転数特性データと前記ゼロクロス検出回路からのゼロクロス信号に基づいて前記スイッチング素子にトリガ信号を出力し前記交流モータへの供給電力を位相制御する制御装置で構成し、前記ゼロクロス信号のオンタイミングを電源電圧のゼロ電圧点より進み位相とすると共に、前記制御装置からのトリガ信号のオン期間であるパルス幅を前記スイッチング素子をオンさせるのに必要な最小パルス幅より大きい値で、かつ、ゼロクロス信号のオンタイミングと電源電圧のゼロ電圧点との位相差以上の値とし、さらに、トリガ信号のオン期間が次のゼロクロス信号のオンタイミングを超える場合はゼロクロス信号のオンタイミングでトリガ信号をオフすることを特徴とする空気調和機の位相制御装置。