JP4151538B2 - 空気調和機の位相制御装置 - Google Patents

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。

従来の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を直列に接続して駆動回路を形成し、前記交流電源１の電源電圧がゼロ電圧になる点を検知するゼロクロス検出回路４より出力されたゼロクロス信号を制御装置６が受けてトリガ信号を出力し、上記スイッチング素子３を駆動しているものがある。

そして、上記トリガ信号の立ち上がり点を制御してスイッチング回路のオン区間を制御し、モータを位相制御するようにしている。

具体的にはスイッチング素子３には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３はトリガ信号によってオンし、モータに流れる負荷電流がゼロになるとオフする動作を行う。

従って、図２に示すように、電源電圧Ｖのゼロクロス点をゼロクロス検出回路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の立ち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の立ち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２に電力が供給されて回転することになる。そして、上記スイッチング素子３はモータ電流Ｉｍがゼロになるとオフすることにより図２の斜線部のような電源電圧がモータに印加され、上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。
特開平４−３５９６９５号公報

しかしながら前記従来の位相制御装置の制御では、トリガ信号のパルス幅Ｔｇは、スイッチング素子３がオンするのに必要な最小パルス幅に設定されており、電源電圧Ｖとモータ電流Ｉｍとの位相差がない場合にはモータを正確に位相制御することが出来るが、力率の悪いモータを高回転制御すると、前記トリガタイミング区間Ｔｄが短く負荷電流が大きくなり電源電圧Ｖとモータ電流Ｉｍの位相差が大きくなる。

逆にモータを低回転制御すると、上記トリガタイミング区間Ｔｄが長く、モータ電流Ｉｍが小さくなって電源電圧Ｖとモータ電流Ｉｍの位相差が小さくなる。
この結果、トリガ信号のパルス幅Ｔｄを最小パルス幅Ｔｄ（ｍｉｎ）に設定した状態においてモータを高回転制御すると、図３に示すようにトリガ信号ＴＳでモータ電流Ｉｍが流れ初め、このモータ電流Ｉｍがゼロ電流になるゼロ電流点Ｚが電源電圧Ｖのゼロクロス点Ｃより遅れることになる。

すなわち、電源電圧Ｖの半サイクル区間１でオンしたスイッチング素子３は、次の電源電圧Ｖの半サイクル区間２になってもオン状態を維持し続けた後、モータ電流Ｉｍのゼロ電流点Ｚでオフすることになる。このため、前記区間２においてもトリガ信号ＴＳが出力されることになるが、スイッチング素子３がオンしているため、このトリガ信号ＴＳはスイッチング素子３のオン動作に寄与することが出来なくなる。

この結果、モータの印加電圧は図３のＹ−領域斜線部のようになり、電源電圧Ｖの半サイクル毎に異なり、モータの回転数が不安定になる。

そこで、前記回転数の不安定を防止するために図のように、トリガ信号ＴＳのパルス幅Ｔｇを最小パルス幅Ｔｇ（ｍｉｎ）に延長パルス幅Ｔａを加えて長くする。

この結果、電源電圧の半サイクルの区間１でオンしたスイッチング素子３は、次の電源波形の半サイクルの区間２において、モータ電流Ｉｍのゼロ電流点でオフすることになるが、この区間のトリガ信号ＴＳがオン状態にあるので、スイッチング素子３はこのトリガ信号ＴＳによってオン状態を維持することになり、Ｉｍが流れ続け、これによりモータ印加電圧は図３のＸ−領域が追加され、前記モータの回転数不安定が防止される。

ところが、前記トリガ信号ＴＳのパルス幅Ｔｇを長くした状態でモータを低回転すると、図４のように、Ａのトリガ信号ＴＳでモータ電流Ｉｍが流れ始め、電源電圧Ｖのゼロクロス点でゼロクロス信号ＺＳが出力されることになるが、先のゼロクロス信号ＺＳによって出力されたトリガ信号ＴＳがゼロクロス点を跨ったオン状態になる。

そして、モータ電流Ｉｍのゼロ電流点とトリガ信号ＴＳの立ち下がり点との区間がスイッチング回路3をオンするに必要な最小パルス幅Ｔｇ（ｍｉｎ）より大きいと、モータ電流Ｉｍのゼロ電流点でスイッチング素子３がオフすることなくオン状態を維持することになり、次のモータ電流Ｉｍのゼロ電流点でスイッチング素子がオフする。この結果、前記モータの印加電圧は、図４の斜線部となり、電源電圧の半サイクル毎に異なるため、図３と同様にモータの回転数が不安定になる。

そこで、前記モータ回転数の不安定を防止するために、トリガ信号ＴＳのパルス幅Ｔｇを小さくし、トリガ信号ＴＳがゼロクロス点の前で立ち下がるようにする。

この結果、モータ電流Ｉｍのゼロ電流点でスイッチング素子３がオフすることになり、前記モータの回転数不安定が防止される。

以上のように、従来前記モータの回転数を制御するために出力するトリガ信号は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を短く設定して、トリガタイミングによってパルス幅Ｔｇを制御する必要があった。

前記従来の課題を解決するために本発明の空気調和機の位相制御装置は、前記ゼロクロス信号の立ち上がりを電源電圧のゼロクロス点より進み位相に設定し、かつ前記ゼロクロス信号の幅を電源電圧変動と負荷変動およびモータ運転用コンデンサによる電源電圧とモータ電流の位相差、およびゼロクロス検出回路のタイミングばらつきの和の最大値に設定すると共に、トリガ信号の立ち上がりを前記ゼロクロス信号と重ならないように制御し、かつ、ゼロクロス信号の立ち上がりを検出してトリガ信号のパルス幅を制御することによって、安定してモータを制御することを可能にしたものである。

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、トリガ信号のパルス幅の設定を切り換えることなく、低回転から高回転まで安定してモータの回転を制御することができる。

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における空気調和機の位相制御装置の構成を示すブロック図である
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Ｖ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、電源電圧のゼロクロス点Ｃ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、かつ、このゼロクロス信号幅Ｔｗは、電源電圧変動と負荷変動およびモータ運転用コンデンサによる電源電圧とモータ電流の位相差、およびゼロクロス検出回路のタイミングばらつきを考慮した信号幅にあらかじめ設定されている。

トリガ信号ＴＳは、ゼロクロス信号ＺＳからの立ち上がり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以上の値に設定されている。

ここで、位相制御の動作波形について図５を用いて説明する。

図５において、ゼロクロス信号ＺＳは電源電圧Ｖのゼロクロス点Ｃを跨ぐように出力され、その立ち上がりは電源電圧Ｖのゼロクロス点Ｃ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の立ち上がりから所定のトリガタイミング区間Ｔｄの経過後に立ち上がる。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より長い値に設定されているため、トリガ信号ＴＳの立ち上がりで交流モータ２に電流Ｉｍが流れ、次の電流ゼロ点Ｚでスイッチング素子３がオフして交流モータ２への電流Ｉｍは流れなくなり、さらに次のトリガ信号ＴＳの立ち上がりで交流モータ２に電流Ｉｍが流れ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Ｉｍ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６を用いて、電源電圧Ｖに対して、モータ電流Ｉｍの位相が進んだ場合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を小さくすればよい。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Ｉｍは図６のようになる。つまり、電源電圧Ｖがゼロクロス点Ｃになる前に、電流Ｉはゼロ電流点Ｚになる。ここでトリガ信号ＴＳのオフがゼロ電流点Ｚより遅れると、モータ電流Ｉｍが、次の半波でも流れ続け、モータ回転数が不安定になるが、ゼロクロス信号幅Ｔｗは、電流がゼロになる点Ｚよりｔ区間前にくる様に設定してあると共に、トリガ信号ＴＳの立ち下がりはゼロクロス信号ＺＳの立ち上がりにて行われるため、電流のゼロ点Ｚとトリガタイミング区間Ｔｄが重なることなく最高回転数を安定して維持することが出来る。

次に、図７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のゼロクロス点Ｃより後ろのタイミングでモータ電流Ｉｍはゼロ電流点Ｚに達する。ここでもトリガタイミング区間Ｔｇのオフがゼロ電流点Ｚより遅れると、モータ電流Ｉｍが、次の半波でも流れ続け、モータ回転数が不安定になるが、ゼロクロス信号幅Ｔｗは、電流がゼロになる点Ｚよりｔ区間前にくる様設定してあると共に、トリガ信号ＴＳの立ち下がりはゼロクロス信号ＺＳの立ち上がりにて行われるため、電流のゼロ点Ｚとトリガタイミング区間Ｔｄが重なることなく交流モータ２への電流Ｉｍがオフし低回転数を安定して維持することが出来る。

以上のように、ゼロクロス信号の立ち上がりを電源電圧のゼロクロス点より進み位相に設定し、かつ前記ゼロクロス信号の幅を電源電圧変動と負荷変動およびモータ運転用コンデンサによる電源電圧とモータ電流の位相差、およびゼロクロス検出回路のタイミングばらつきの和の最大値に設定すると共に、トリガ信号の立ち上がりを前記ゼロクロス信号と重ならないように制御し、かつ、ゼロクロス信号の立ち上がりを検出してトリガ信号のパルス幅を制御することによって、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。

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。

以上のように本発明の空気調和機の位相制御装置は、低回転から高回転まで安定して位相制御することが可能になるので、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他の家電機器にも適用できる。

本発明の実施の形態１と従来共通の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態１におけるゼロクロス信号、及び、トリガ信号の波形図 本発明の実施の形態１における高回転制御時のゼロクロス信号、及びトリガ信号の波形図 本発明の実施の形態１における低回転制御時のゼロクロス信号、及びトリガ信号の波形図 従来のゼロクロス信号、及びトリガ信号の波形図 従来の高回転制御時におけるゼロクロス信号、及びトリガ信号の波形図 従来の低回転制御時におけるゼロクロス信号、及びトリガ信号の波形図

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 (2)

1. 交流電源と、交流モータと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回転数信号を出力する回転数検出器と、前記交流電源のゼロクロスを検出し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立ち上がりを電源電圧のゼロクロス点より進み位相に設定し、かつ前記ゼロクロス信号の幅を電源電圧変動によるタイミングばらつきと、負荷変動によるタイミングばらつきと、モータ運転用コンデンサによる電源電圧とモータ電流の位相差のばらつき、およびゼロクロス検出回路のタイミングばらつきそれぞれの最大値の和に設定すると共に、トリガ信号の立ち上がりを前記ゼロクロス信号と重ならないように制御し、かつ、ゼロクロス信号の立ち上がりを検出してトリガ信号のパルス幅を制御することを特徴とする空気調和機の位相制御装置。
2. 交流電源と、交流モータとスイッチング素子を直列接続したモータ駆動回路と、前記交流電源のゼロクロスを検出し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立ち上がりを電源電圧のゼロクロス点より進み位相に設定し、かつ前記ゼロクロス信号の幅を電源電圧変動によるタイミングばらつきと、負荷変動によるタイミングばらつきと、モータ運転用コンデンサによる電源電圧とモータ電流の位相差のばらつき、およびゼロクロス検出回路のタイミングばらつきそれぞれの最大値の和に設定すると共に、トリガ信号の立ち上がりを前記ゼロクロス信号と重ならないように制御し、かつ、ゼロクロス信号の立ち上がりを検出してトリガ信号のパルス幅を制御することを特徴とする空気調和機の位相制御装置。
   

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