JP4640152B2 - 空気調和機用圧縮機の駆動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機用圧縮機の冷媒寝込み防止制御を行う駆動制御装置に関するものである。

空気調和機の室外機において、低温状態での圧縮機停止中には、圧縮機に冷媒が集まる冷媒寝込み現象が発生し、圧縮機の起動負荷が大きくなるため、圧縮機を破損したり、大きな起動電流によりシステム異常と見なされ、起動できなかったり等の問題が発生する。

一般的には、圧縮機にヒーターを取付け、通電・加熱制御を行ったり、停止中の圧縮機モータの巻き線に、圧縮機が運転できないような条件で通電を行い（以下、拘束通電と称する）、圧縮機を予備加熱したりする方法をとっている。
（例えば、特許文献１参照）

特開２０００−２９２０１４号公報（第２―６頁、図１）

従来、拘束通電にて予備加熱する場合、モータが回転しないように小さな電圧を印可するが、例えば、電源電圧が高いため、整流後の直流電圧が高くなる場合は、ＰＷＭパルスのデューティを小さくして調整する。しかしながら、デューティを制御する分解能とマイコン等のＬＳＩ内部の計算構造との関係には限界があり、細かな調整ができない。その一方、直流電圧が高いため、短絡防止時間等が引き起こす出力電圧の誤差も大きく、細かな誤差の修正が必要であるという課題がある。

また、三相出力が三相変調の正弦波電圧でかつＵ相０°、Ｖ相１２０°、Ｗ相２４０°の位相となる状態で、モータを静止させるため、Ｕ相は０°の出力、即ち、直流母線電圧の中間点の電圧となるＰＷＭパルスが出力され続けている。しかしながら、この相に電流が流れておらず、無駄なスイッチングを行っている。前記出力の誤差の課題があり、直流母線電圧の中間点の電圧から誤差を生じると、電流が流れ、モータが静止できなかったり、不必要な電流が流れたりするという課題がある。

さらに、残った二相にのみ電流が流れるため、圧縮機モータの巻き線および駆動制御装置のパワートランジスタは偏った発熱が生じ、放熱設計が難しいという課題もある。

この発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであって、直流電圧が高くなった場合でも、出力電圧の誤差が少なく、無駄なスイッチングをなくし、圧縮機モータおよびパワートランジスタの発熱の偏りをなくすることができる空気調和機用圧縮機の駆動制御装置を得ることを目的としている。

この発明に係わる空気調和機用圧縮機の駆動制御装置は、交流電力を直流電力に変換する整流器と、前記整流器から得られた直流電力を任意の周波数の三相交流電力に変換して圧縮機モータを運転するパワートランジスタと、前記パワートランジスタを駆動する駆動回路と、前記パワートランジスタを通して前記圧縮機モータを運転するための駆動信号を計算、生成するための制御回路とを備え、前記制御回路は、拘束通電を行う場合、前記圧縮機モータへ供給される前記三相交流電力の電圧指令を二相変調とし、前記電圧指令のうちスイッチングを行う二相が交差する所定の位相角にて前記電圧指令を静止した状態で出力することを特徴とする。

この発明に係わる駆動制御装置は、正弦波駆動における三相の電圧指令の内、一相のスイッチングは停止し、他の二相がスイッチングしている電圧位相を使用する。これにより、一相分の無駄なスイッチングが無くなるとともに、三相三線に電流を分散して通電するため、圧縮機モータの巻き線の発熱やパワートランジスタの発熱を分散できる。

また、電圧位相０°出力を使用しないため、微少な出力調整が必要無くなる一方、他の二相のスイッチングが同一ディメンジョンのため、誤差の推測が容易で、出力電圧の誤差を最小にできる。

実施の形態１．
図１はこの発明のすべての実施の形態で共通に用いられる回路図、図２は従来とこの発明の実施の形態を比較するための電圧指令を描いた図、図３は図２(a)で示した位相での電圧指令と出力電圧のデューティの計算結果、図４は図３に基づく状態での各相の電圧・電流の状態を表す図、図５は図４の場合の電流が流れる経路および電圧がかかる経路を表す図、図６は図５の補足説明の図、図７は図２(b)で示した位相での電圧指令と出力電圧のデューティの計算結果、図８は図７に基づく状態での各相の電圧・電流の状態を表す図、図９は図８の場合の電流が流れる経路および電圧がかかる経路を表す図、図１０は図９の補足説明の図を示すものである。

次に動作について説明する。図１において、拘束通電制御では、圧縮機を回転させないようにするため、制御回路５では、図２(a)に示される電圧指令ｕ，ｖ，ｗを所定の位相角で静止した状態で、圧縮機モータの駆動信号、すなわちＰＷＭパルスを生成する。従来は、Ｕ相の位相角が０°となるＡの状態の出力を維持する。本発明の実施形態では、図２(b)のように、電圧指令を三相変調理論から、二相変調理論のものに変え、制御回路５は、Ｕ相の位相角９０°となるＢの状態の出力を維持する。

従来の図２(a)のＡの状態で、電圧指令とＰＷＭパルスのデューティを計算すると、図３の表のようになる。表中、ａは電圧指令の最大値、すなわち変調度であり、ａの値で、印加電圧の実効値を調整する。これを具体的に各相のパルスおよび電圧・電流の状態を示すと、図４のようになる。図４を上から、順に説明していく。図４(a)は、図３に基づく電圧指令ｕ，ｖ，ｗと搬送波ｃａであり、電圧指令ｕ，ｖ，ｗは静止したまま、搬送波のみ０〜１の変化を刻んでいく。これにしたがって、各相のトランジスタの駆動信号を生成すると、図４(b)のようになる。ｕｐ，ｕｎ，ｖｐ，ｖｎ，ｗｐ，ｗｎは、図５のトランジスタ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆの駆動信号を表し、ＬｏでＯＮとなる論理で表されている。この駆動信号に従い、トランジスタを駆動した場合のＵＶ間，ＶＷ間，ＷＵ間の端子間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕを表すと図４(c)のようになり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗは図４(d)のようになる。すなわち、ｕｐがＯＮの場合、ｖｎまたはｗｎがＯＮすると、ＵＶ間またはＵＷ間に電圧が印加され、電流が流れる。同様に、ｖｐがＯＮの場合、ｕｎまたはｗｎがＯＮすると、ＶＵ間またはＶＷ間に、電流が流れる。また、ｗｐがＯＮの場合、ｕｎまたはｖｎがＯＮすると、ＷＵ間またはＷＶ間に、電流が流れる。図４の場合、ＶＷ間に負の電圧が発生するため、図６の太い実線で示されているようにＷ相からＶ相に２１ａの経路で電流が流れる。一方、ＵＶ間とＷＵ間は、ＵＶ間の電圧Ｖｕｖが０［Ｖ］で休止中に、ＷＵ間に電圧Ｖｗｕがかかり、ＷＵ間の電圧Ｖｗｕが０［Ｖ]で休止中に、ＵＶ間に電圧Ｖｕｖがかかるため、図６の２１ｂと２１ｃの経路の電流は交互に流れ、Ｕ相に流れる電流は相殺、０［Ａ］近傍を上下する。ゆえに、見かけ上、Ｕ相の電流は流れないのと同じ状態となる。すなわち、図５のトランジスタ２ｅと２ｄがＯＮのときにだけ、電流２１が、Ｗ相からＶ相に電流が流れることになる。

ただし、Ｕ相の電流は、見かけ上流れないようにしているだけで、ＵＶ間とＷＵ間の電圧の均衡が崩れると大きく変化するという欠陥がある。

本発明の実施形態１では、図２(b)において、固定されない２つの相が交差する位相角において電圧指令を静止する。例えば、
（Ａ）図２(b)のＢの状態で電圧指令を静止する。このときの電圧指令とＰＷＭパルスのデューティの計算は、図７の表のようになる。表中、ｂは変調度となり、印加電圧の実効値を調整するものである。これに基づき、前記同様、具体的に各相の状態を示していくと、図８のようになる。図８の(a)〜(ｄ)の示す信号は前記図４と同様である。ここで、図８(b)のトランジスタの駆動信号は、ｕｐは常時ＯＮ、ｕｎは常時ＯＦＦとなる。また、ｖｐとｗｐ、ｖｎとｗｎは同時にＯＮ・ＯＦＦし、ｖｐ，ｗｐが同時にＯＮのとき、ｖｎ，ｗｎも同時にＯＦＦとなり、ｖｐ，ｗｐが同時にＯＦＦのとき、ｖｎ，ｗｎも同時にＯＮとなる。これを繰り返すため、図８(c)の各相間の端子電圧は、Ｖｖｗは０［Ｖ］となり、ＶｕｖとＶｗｕは正負逆であるが、同じ大きさの電圧が印加される。すなわち、各相の電流は、図１０のように、Ｕ相からＶ相へとＵ相からＷ相へ、２２ａと２２ｂの経路で、同時に電流が流れる。一方、ＶＷ間は、電圧が発生しないため、２２ｃの経路で、どちらの方向にも電流が流れない。ゆえに、図９のトランジスタ２ａと２ｄ、２ｆがＯＮのときにだけ、電流２２が、Ｕ相からＶ相・Ｗ相の両方に流れることになる。

このため、圧縮機モータの巻き線三線に流れ、パワートランジスタ２に流れる電流も３ヶのトランジスタに振り分けられる。また、圧縮機モータの発熱も偏りが無くなり、トランジスタの発熱も分散される。さらに、スイッチングを行っているＶ相、Ｗ相は、同じデューティ比、同じ電流極性であるなど、すべて同じ導通状態となるため、出力の誤差がもたらす影響もＶ相、Ｗ相ともに同じ状態であり、誤差の解析・予測・修正がしやすい。また、Ｕ相は、スイッチングせず、常時導通状態なので、誤差の影響が少ない。

（Ｂ）以上の（Ａ）では、電圧指令をＵ相位相角９０°にするようにしたものであるが、Ｕ相位相角２７０°でも同様な結果が得られる。Ｕ相位相角２７０°とする場合を説明する。Ｕ相位相角２７０°の電圧指令とＰＷＭパルスのデューティの計算は、図１１の表のようになる。ここで、（Ａ）との違いは、Ｕ相がパルス・デューティ０．０％となることで、トランジスタの駆動信号は、ｕｐは常時ＯＦＦ、ｕｎは常時ＯＮとなる。他の相は、ｖｐとｗｐ，ｖｎとｗｎは同時にＯＮ・ＯＦＦし、ｖｐ，ｗｐが同時にＯＮのとき、ｖｎ，ｗｎも同時にＯＦＦとなり、ｖｐ，ｗｐが同時にＯＦＦのとき、ｖｎ，ｗｎも同時にＯＮとなる。そのため、電流の流れる経路としては、Ｖ相からＵ相へとＷ相からＵ相へと同時に電流が流れる。すなわち、図１２にように、トランジスタ２ｅ、２ｃと２ｂがＯＮのとき、電流２３が流れ、（Ａ）と同様な結果が得られる。

（Ｃ）以上の（Ａ），（Ｂ）同様、Ｕ相が位相角３０°、１５０°、２１０°、３３０°でも同じ結果が得られる。図１３の表は、Ｕ相が位相角３０°、図１５の表は、Ｕ相が位相角１５０°、図１７の表は、Ｕ相が位相角２１０°、図１９の表は、Ｕ相が位相角３３０°のときのものである。図１３では、Ｖ相がＰＷＭパルスのデューティが０．０％になり、ｖｎが常時ＯＮ，ｖｐが常時ＯＦＦ、Ｕ相・Ｗ相がスイッチングを行う。すなわち、図１４のようにトランジスタ２ａ、２ｅと２ｄがＯＮのとき、電流２４が流れ、（Ａ），（Ｂ）と同様な結果が得られる。以下同様に、図１５では、Ｗ相がＰＷＭパルスのデューティが０．０％になり、ｗｎが常時ＯＮ，ｗｐが常時ＯＦＦ、Ｕ相・Ｖ相がスイッチングを行い、図１６のようにトランジスタ２ａと２ｃ、２ｆとがＯＮのとき、電流２５が流れる。図１７では、Ｖ相がＰＷＭパルスのデューティが１００．０％になり、ｖｐが常時ＯＮ，ｖｎが常時ＯＦＦ、Ｕ相・Ｗ相がスイッチングを行い、図１８のようにトランジスタ２ｃと２ｂ、２ｆがＯＮのとき、電流２６が流れる。図１９では、Ｗ相がＰＷＭパルスのデューティが１００．０％になり、ｗｐが常時ＯＮ，ｗｎが常時ＯＦＦ、Ｕ相・Ｖ相がスイッチングを行い、図２０のようにトランジスタ２ｅと２ｂ、２ｄがＯＮのとき、電流２７が流れる。それぞれ、（Ａ），（Ｂ）と同様な結果が得られる。

なお、以上の説明では、位相角３０°、９０°、１５０°、２１０°、２７０°、３３０°について説明したが、上記位相角に限定される必要はない。即ち、二相変調方式

において、固定した相以外の他の相同士が多少バランスが崩れて電流が流れても全体として許容範囲内にあれば構わない。

実施の形態２．
以上の実施の形態１に示すいずれかの位相角を拘束通電制御中に選択すれば良いが、拘束通電制御要求の開始・停止毎に、前記位相角を切り替えても良い。この実施の形態の２ではその１例を次に示す。図２１は、その制御フローである。まず、拘束通電制御カウンタを０（Ｓ１）、Ｕ相位相角３０°に設定（Ｓ２）し、拘束通電要求待機状態（Ｓ３）で待機する。このときは、拘束通電は停止状態である。その状態で、拘束通電制御要求（Ｓ４）があった場合、拘束通電に入る（Ｓ５）。次に、拘束通電制御中（Ｓ６）に拘束通電制御停止要求（Ｓ７）があった場合、拘束通電制御を停止する（Ｓ８）。その後、拘束通電制御カウンタを１進め（Ｓ９）、Ｕ相位相角９０°に設定（Ｓ２）し、再び、拘束通電要求待機状態（Ｓ３）での待機に戻る。ただし、拘束通電制御カウンタが５を超える場合は、０に戻す（Ｓ１０、１１）。このような制御により、拘束通電制御を行う毎に、Ｕ相位相角３０°→９０°→１５０°→２１０°→２７０°→３３０°→３０°と切替り、一つの位相角で繰り返し使用するときに比べ、特定のトランジスタと圧縮機モータの特定の巻き線に常に電流が流れ、その経路に存在する部品およびそれら部品の近くに配置された部品だけが常に熱衝撃がかかる状態であったことを回避できる。長期間の通電を行う場合、トランジスタの発熱の偏りや圧縮機モータの巻き線の発熱の偏りを防ぎ、発熱する部品の周辺部品を含めて、経年変化や寿命劣化は緩和される。

実施の形態３．
実施の形態２では、Ｕ相位相角を順番に切り替えたが、切り替える順番は逆方向からでも良い。すなわち、Ｕ相位相角３０°→３３０°→２７０°→２１０°→１５０°→９０°→３０°の順でも良く、その制御フローは、図２２に示す。拘束通電カウンタを進める手段を、逆順とする以外は、実施の形態２と全く同じであり、効果も同じである。

実施の形態４．
実施の形態２，３では、Ｕ相位相角を正順または逆順に切り替える方法を述べたが、切り替える順番はランダムでも良い。その制御フローを図２３に示す。拘束通電カウンタを進める手段を、乱数により選ぶ手段とする以外は、実施の形態２，３と全く同じであり、効果も、実施の形態２，３より、若干、トランジスタと圧縮機モータの巻き線の発熱の偏りが無くなり、熱分散が改善される。

実施の形態５．
実施の形態２，３，４では、実施の形態１の二相変調に基づいて、位相を切り替えて制御する方法について述べたが、位相を切り替える方法については、実施の形態１で述べた効果が薄れ、誤差の制御が困難である課題があるが、従来例の状態でも使える。その場合の制御フローは、図２４、２５、２６のようになる。図２４は、実施の形態２と同じく正順で切り替える場合、図２５は、実施の形態３と同じく逆順で切り替える場合、図２６は、実施の形態４と同じくランダム順で切り替える場合を表す。制御過程の違いは、Ｓ２２、Ｓ２３のステップ部分であり、従来の方法での拘束通電方法から、この発明での拘束通電方法へ、プログラムの小変更または切替えで、スムーズに移行可能である。これにより、同じ制御フローで、必要に応じて、従来の三相変調での拘束通電、この発明の二相変調での拘束通電を使い分けや移行が容易となる。

この発明のすべての実施の形態で共通に用いられる回路図である。 この発明の実施の形態１と従来のものを比較するための電圧指令を描いた図である。 図２のうち従来のものを示した位相での電圧指令と出力電圧のデューティの計算結果を表す表である。 図３に基づく状態での各相の電圧・電流の状態を表す図である。 図４の場合の電流が流れる経路および電圧がかかる経路を表す図である。 図５の補足説明の図である。 図２のうち実施の形態１であるＵ相位相角９０°のときの位相での電圧指令と出力電圧のデューティの計算結果を表す表である。 図７に基づく状態での各相の電圧・電流の状態を表す図である。 図８の場合の電流が流れる経路および電圧がかかる経路を表す図である。 図９の補足説明の図である。 この実施の形態２であるＵ相位相角２７０°のときの位相での電圧指令と出力電圧のデューティの計算結果を表す表である。 図１１の場合の電流が流れる経路および電圧がかかる経路を表す図である。 他の実施の形態であるＵ相位相角３０°としたときの位相での電圧指令と出力電圧のデューティの計算結果を表す表である。 図１３の場合の電流が流れる経路および電圧がかかる経路を表す図である。 他の実施の形態であるＵ相位相角１５０°としたときの位相での電圧指令と出力電圧のデューティの計算結果を表す表である。 図１５の場合の電流が流れる経路および電圧がかかる経路を表す図である。 他の実施の形態であるＵ相位相角２１０°としたときの位相での電圧指令と出力電圧のデューティの計算結果を表す表である。 図１７の場合の電流が流れる経路および電圧がかかる経路を表す図である。 他の実施の形態であるＵ相位相角３３０°としたときの位相での電圧指令と出力電圧のデューティの計算結果を表す表である。 図１９の場合の電流が流れる経路および電圧がかかる経路を表す図である。 他の実施の形態におけるフローチャートである。 他の実施の形態におけるフローチャートである。 他の実施の形態におけるフローチャートである。 他の実施の形態におけるフローチャートである。 他の実施の形態におけるフローチャートである。 他の実施の形態におけるフローチャートである。

１ 交流電源
２ 整流回路
３ パワートランジスタ
４ 駆動回路
５ 制御回路
６ 圧縮機（モータ）

Claims (5)

1. 交流電力を直流電力に変換する整流器と、前記整流器から得られた直流電力を任意の周波数の三相交流電力に変換して圧縮機モータを運転するパワートランジスタと、前記パワートランジスタを駆動する駆動回路と、前記パワートランジスタを通して前記圧縮機モータを運転するための駆動信号を計算、生成するための制御回路とを備え、
   前記制御回路は、拘束通電を行う場合、前記圧縮機モータへ供給される前記三相交流電力の電圧指令を二相変調とし、前記電圧指令のうちスイッチングを行う二相が交差する所定の位相角にて前記電圧指令を静止した状態で出力することを特徴とする空気調和機用圧縮機の駆動制御装置。
2. 前記所定の位相角は、位相角３０°，９０°，１５０°，２１０°，２７０°，３３０°のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機用圧縮機の駆動制御装置。
3. 前記制御回路は、拘束通電を開始・停止する度に、前記所定の位相角を切り替えることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機用圧縮機の駆動制御装置。
4. 前記制御回路は、拘束通電を開始・停止する度に前記所定の位相角を所定の順序で順次切り替えることを特徴とする請求項３に記載の空気調和機用圧縮機の駆動制御装置。
5. 前記制御回路は、拘束通電を開始・停止する度に、前記所定の位相角をランダムに切り替えることを特徴とする請求項３に記載の空気調和機用圧縮機の駆動制御装置。

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