JP4747899B2

JP4747899B2 - インバータ制御装置及び圧縮機

Info

Publication number: JP4747899B2
Application number: JP2006082295A
Authority: JP
Inventors: 智弘杉本; 正則小川; 忍懸
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2026-03-24
Also published as: JP2007259621A

Description

本発明は、空気調和機などを制御するインバータ制御装置及び圧縮機に関するものである。

空気調和機に内蔵された圧縮機などの制御に用いられる従来のインバータ制御装置は、圧縮機の運転周波数が、電源周波数の整数倍（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ×ｎ（ｎ＝１、２、３、……））に近い周波数の場合、圧縮機の運転が不安定になったり、異常音や異常振動が発生するなどの問題があった。そこで、運転周波数が電源周波数の整数倍の近くである場合、例えば、電源周波数が５０Ｈｚであれば、５０×ｎ±１Ｈｚの範囲を運転禁止周波数として、その周波数を避けて運転していた。

そこで、運転周波数が、前記運転禁止周波数の範囲にある場合においても、実質的に運転周波数そのもので運転した場合と等価であり、電源周波数の整数倍の近くの周波数で運転することが可能な空気調和機の制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この方法を用いた空気調和機のインバータ制御装置について説明する。

図３は、上記特許文献１に開示された空気調和機用のインバータ制御装置のブロック図を示している。

図３において、交流電源１からの交流電力は、整流回路２によって直流電力に変換され、変換された直流電力は、コンデンサ１０によって平滑され、インバータ回路３で任意周波数の交流電力に変換される。この交流電力は、圧縮機１１を駆動するモータ４に供給される。

また、図４は、運転要求周波数ｆ_Ｃが５０Ｈｚである場合、この空気調和機のインバータ制御装置によって実際に運転される周波数を示すグラフである。

図４に示すように、電源周波数を５０Ｈｚとして、一定時間Ｔ毎に運転禁止区域ぎりぎりで、第一の運転周波数ｆ_１として、５０Ｈｚ＋２Ｈｚ＝５２Ｈｚで、第一の運転時間Ｔ１だけ運転し、次に第二の運転周波数ｆ_２として５０Ｈｚ−２Ｈｚ＝４８Ｈｚで第二の運転時間Ｔ２だけ運転し、次に第一の運転周波数の５２Ｈｚで第一の運転時間Ｔ１だけ運転し、……と以後交互に続け、それぞれの時間Ｔ１とＴ２を、Ｔ１＝Ｔ２として設定しておけば、実質的には平均値的に５０Ｈｚで運転したのと等価になる。

運転禁止周波数の値に応じて、予め２つの周波数とそれに対応する２つの運転時間を定めておき、運転禁止周波数での運転要求がある時、予め定めた２つの周波数でそれぞれに対応する時間だけ交互に運転させることによって、実質的に運転周波数そのもので運転した場合と等価になり、運転禁止周波数での運転を避けるようにしていた。
特開平７−３１１９３号公報

しかしながら、上記従来のインバータ制御装置の構成では、インバータ回路３の入力側に接続されている整流用のコンデンサ１０が極めて小容量であると、電源周波数の２倍の
周波数（５０Ｈｚなら１００Ｈｚ、または６０Ｈｚなら１２０Ｈｚ）で直流電圧がほぼ０Ｖまで落ち込むので、この電源周波数の２倍の周波数と、禁止周波数よりやや高い運転周波数と禁止周波数よりやや低い運転周波数とで交互に運転した場合、禁止周波数よりやや高い運転周波数の整数倍、および禁止周波数よりやや低い運転周波数の整数倍との周波数の差により、圧縮機１１にうなり音が生じるという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、圧縮機を実質的に電源周波数の整数倍に近い周波数で運転することができると共に、整流用のコンデンサが極めて小容量であっても、圧縮機のうなり音を抑制することができるインバータ制御装置を提供することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明のインバータ制御装置は、交流電源を入力とし直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路の直流出力側に接続された小容量のコンデンサと、前記直流電力をモータを駆動する任意の周波数の交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の周波数を制御する周波数制御手段と、前記モータの目標運転周波数を入力する目標周波数入力手段と、前記交流電源の周波数を検出する電源周波数検出手段と、前記モータの周波数を検出するモータ周波数検出手段とを備え、前記周波数制御手段は、前記目標周波数入力手段により入力された目標運転周波数と、前記モータ周波数検出手段で検出された前記モータの周波数と、前記電源周波数検出手段で検出された前記交流電源の周波数と前記モータ周波数検出手段で検出された前記モータの周波数との差に基づいて、前記インバータ回路に駆動信号を出力するものとし、前記モータ周波数検出手段で検出されたモータの周波数のｎ倍（ｎは整数）が前記電源周波数検出手段で検出された交流電源の周波数の２倍の値の近傍であるとき、前記周波数制御手段は、前記モータの周波数が上下に幅を持ち、かつ前記モータの周波数のｎ倍と、前記交流電源の周波数の２倍の値との差である周波数の周期以内に、周期的に変化する補正波形運転周波数となるよう制御すると共に、前記補正波形運転周波数は、前記交流電源の周波数および前記交流電源の２倍の周波数を軸に、軸対象となる制御パターンであるとしている。これにより、電源周波数とモータ周波数の差によって、周波数制御手段で周波数を時間的に変化させて、モータで駆動される圧縮機などのうなり音を抑制することができる。

また、本発明の圧縮機は、請求項１に記載のインバータ制御装置で制御されるモータを内蔵したもので、モータでのうなり音が抑制されるので、圧縮機やそれが組み込まれた空気調和機などの機器の運転音や振動が大幅に低減される。

本発明のインバータ制御装置は、圧縮機を実質的に電源周波数の整数倍に近い周波数で運転することが可能であり、且つ整流用の平滑コンデンサが極めて小容量であっても、モータで駆動される圧縮機などのうなり音を抑制することが可能である。

第１の発明は、交流電源を入力とし直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路の直流出力側に接続された小容量のコンデンサと、前記直流電力をモータを駆動する任意の周波数の交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の周波数を制御する周波数制御手段と、前記モータの目標運転周波数を入力する目標周波数入力手段と、前記交流電源の周波数を検出する電源周波数検出手段と、前記モータの周波数を検出するモータ周波数検出手段とを備え、前記周波数制御手段は、前記目標周波数入力手段により入力された目標運転周波数と、前記モータ周波数検出手段で検出された前記モータの周波数と、前記電源周波数検出手段で検出された前記交流電源の周波数と前記モータ周波数検出手段で検出された前記モータの周波数との差に基づいて、前記インバータ回路に駆動信号を出力するものとし、前記モータ周波数検出手段で検出されたモータの周波数のｎ倍（ｎは整数）が前記電源周波数検出手段で検出された交流電源の周波数の２倍の値の近傍であるとき、前記周波数制御手段は、前記モータの周波数が上下に幅を持ち、かつ前記モータの周波数のｎ倍と、前記交流電源の周波数の２倍の値との差である周波数の周期以内に、周期的に変化する補正波形運転周波数となるよう制御すると共に、前記補正波形運転周波数は、前記交流電源の周波数および前記交流電源の２倍の周波数を軸に、軸対象となる制御パターンであるとしている。これにより、電源周波数とモータ周波数の差によって、周波数制御手段で周波数を時間的に変化させて、モータで駆動される圧縮機などのうなり音を抑制することができる。

第２の発明は、圧縮機に、請求項１に記載のインバータ制御装置で制御されるモータを内蔵したもので、モータでのうなり音が抑制されるので、圧縮機やそれが組み込まれた空気調和機などの機器の運転音や振動が大幅に低減される。

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。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
以下に、本発明の第１の実施の形態におけるインバータ制御装置について、図１及び２を用いて説明する。図１は、本実施の形態におけるインバータ制御装置のブロック図である。

図１において、本実施の形態におけるインバータ制御装置は、単相の交流電源１を入力とし、ダイオードブリッジ２ａを用いると共に直流電力に変換する整流回路２と、直流電力を任意の周波数の交流電力に変換するインバータ回路３と、この交流電力により駆動されるモータ４と、モータ４で駆動される圧縮機１１と、ダイオードブリッジ２ａの交流入力側または直流出力側に接続される小容量のリアクタ９と、ダイオードブリッジ２ａの直流出力側に接続される極めて小容量のコンデンサ１０と、インバータ回路３の周波数を制御する周波数制御手段５で構成されている。

周波数制御手段５は、目標周波数入力手段６から運転要求周波数が入力され、モータ４の周波数を検出するモータ周波数検出手段８の出力と、交流電源１の周波数を検出する電源周波数検出手段７の出力とモータ周波数検出手段の出力との差に基づき、インバータ回路３に駆動信号を出力するものである。

ここで、従来の空気調和機のインバータ制御装置では、電源周波数を５０Ｈｚとした場合、電源周波数の整数倍±１Ｈｚの周波数が禁止周波数とされており、指示周波数が４９Ｈｚである場合、禁止周波数の上限より、やや高い周波数と、禁止周波数の下限よりやや低い周波数とを交互に運転することで、実質的に４９Ｈｚで運転していることと等価となるようにされている。

しかしながら、ダイオードブリッジ２ａの直流出力側に接続されているコンデンサ１０が極めて小容量であると、インバータ回路３の直流母線間電圧は、電源周波数の２倍の周期で大きく脈動し、ゼロとなる場合がある。例えば、電源周波数が５０Ｈｚの場合、２倍の１００Ｈｚの周期で大きく脈動し、ゼロとなる場合がある。その結果、モータ４が禁止周波数の上限より、やや高い周波数である５２Ｈｚ、および禁止周波数の下限よりやや低い周波数である４８Ｈｚで一定期間動作している場合、この５２Ｈｚの２倍である１０４Ｈｚと電源周波数の２倍である１００Ｈｚとの差、および４８Ｈｚの整数倍である９６Ｈｚと電源周波数の２倍である１００Ｈｚとの差がうなり音となり発生する。うなり音周期は、ともに４Ｈｚである。

図２の下段は、本実施の形態におけるインバータ制御装置において、目標周波数入力手段６から入力される運転要求周波数が４９Ｈｚである場合、このインバータ制御装置によって実際に運転される周波数の時間的変化（補正波形）を示すグラフである。図２は、運転要求周波数が４９Ｈｚであることから、４９Ｈｚを中心に、上下に幅を持ち、モータ周波数の整数倍の９８Ｈｚと、交流電源の周波数の２倍の１００Ｈｚとの差である２Ｈｚの
周期以内に、周期的に変化させる補正波形運転周波数で運転するようにしたものである。補正波形は、電源周波数に近い側の半端の運転時間が、他方に比べて長くするようにしたものである。実際には交流電源の周波数の５０Ｈｚに近い側の半端の振幅が０．３Ｈｚ、半周期が０．２７８ｓｅｃであり、他方の振幅が０．５Ｈｚ、半周期が０．１６７ｓｅｃとし、モータ周波数を時間的に変化させている。

従って、モータ４の運転周波数は、図２に示すように、４８．５Ｈｚ〜４９．３Ｈｚの範囲で動作させているので、その２倍である９７Ｈｚ〜９８．６Ｈｚの周波数と電源周波数の２倍の周波数である１００Ｈｚの周波数の差がうなり音となる。うなり音は、１．４Ｈｚ〜３Ｈｚとなり、周期は０．３３ｓｅｃ〜０．７１ｓｅｃとなるので、図２のように、１周期を０．４４５（０．１６７＋０．２７８）ｓｅｃで動作させることにより、うなり音周期よりもはやくモータ４の運転周波数を変化させているので、うなり音が生じることがなく、うなり音を抑制することができる。

ここで、振幅を＋０．３Ｈｚ、−０．５Ｈｚ、周期を０．２７８ｓｅｃ、０．１６７ｓｅｃに設定しているが、もちろんこれは別の数値であっても構わない。４９Ｈｚを中心に増加・減少と同じ割合で変化することになるので、実質的にモータ周波数を４９Ｈｚで動作させた場合と等価になる。

また、運転要求周波数が５１Ｈｚの場合は、図２の上段に示すように、５１Ｈｚを中心に、上下に幅を持ち、周期的に変化させる補正運転周波数で運転させる。このとき、補正波形は、交流電源の周波数５０Ｈｚを軸に、軸対象となる制御パターン、すなわち、４９Ｈｚでの補正波形と軸対象になるようにモータ周波数を時間的に変化させたものである。実際には、交流電源の周波数の５０Ｈｚに近い側の半端の振幅が０．３Ｈｚ、半周期が０．２７８ｓｅｃであり、他方の振幅が０．５Ｈｚ、半周期が０．１６７ｓｅｃとし、モータ周波数を時間的に変化させている。従って、モータ４の運転周波数は、図２に示すように、５０．７Ｈｚ〜５１．５Ｈｚの範囲で動作させていることになる。

上記のようにインバータ制御装置を動作させることにより、うなり音周期よりもはやくモータ４の運転周波数を変化させているので、うなり音が生じることがなく、うなり音を抑制することができる。また、電源周波数の５０Ｈｚを軸に、軸対象となる制御パターンで制御することから、例えば、４９Ｈｚの運転要求周波数でのモータ周波数を時間的に変化させる制御パターンを決めることにより、５１Ｈｚの制御パターンも決まることとなり、制御パターンを容易に決めることができる。

また、本発明のインバータ制御装置は、モータ４を駆動することにより動作する圧縮機に適用することができる。

本発明のインバータ制御装置は、うなり音を大幅に抑制することができるもので、冷蔵庫、電気洗濯機、電気乾燥機、電気掃除機、送風機、ヒートポンプ給湯器等各種機器に適用できると共に、機器の設計の自由度を向上させることができる。

本発明の実施の形態１におけるインバータ制御装置を説明するブロック図同インバータ制御装置の周波数制御を説明するためのグラフ従来のインバータ制御装置を搭載した空気調和機の回路図同空気調和機の周波数制御を説明するためのグラフ

符号の説明

１交流電源
２整流回路
３インバータ回路
４モータ
５周波数制御手段
６目標周波数入力手段
７電源周波数検出手段
８モータ周波数検出手段
９リアクタ
１０コンデンサ
１１圧縮機

Claims

交流電源を入力とし直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路の直流出力側に接続された小容量のコンデンサと、前記直流電力をモータを駆動する任意の周波数の交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の周波数を制御する周波数制御手段と、前記モータの目標運転周波数を入力する目標周波数入力手段と、前記交流電源の周波数を検出する電源周波数検出手段と、前記モータの周波数を検出するモータ周波数検出手段とを備え、
前記周波数制御手段は、前記目標周波数入力手段により入力された目標運転周波数と、前記モータ周波数検出手段で検出された前記モータの周波数と、前記電源周波数検出手段で検出された前記交流電源の周波数と前記モータ周波数検出手段で検出された前記モータの周波数との差に基づいて、前記インバータ回路に駆動信号を出力するものとし、
前記モータ周波数検出手段で検出されたモータの周波数のｎ倍（ｎは整数）が前記電源周波数検出手段で検出された交流電源の周波数の２倍の値の近傍であるとき、前記周波数制御手段は、前記モータの周波数が上下に幅を持ち、かつ前記モータの周波数のｎ倍と、前記交流電源の周波数の２倍の値との差である周波数の周期以内に、周期的に変化する補正波形運転周波数となるよう制御すると共に、前記補正波形運転周波数は、前記交流電源の周波数および前記交流電源の２倍の周波数を軸に、軸対象となる制御パターンであることを特徴とするインバータ制御装置。
請求項１に記載のインバータ制御装置で制御されるモータを内蔵した圧縮機。