JP4792826B2

JP4792826B2 - 単相誘導モータの起動回路

Info

Publication number: JP4792826B2
Application number: JP2005175266A
Authority: JP
Inventors: 豊池田; 宏樹田中; 俊春広田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2025-06-15
Also published as: US20060017418A1; JP2006060992A; US7005827B2

Description

本発明は、単相誘導モータの起動回路に関するものである。

まず、電気冷蔵庫用コンプレッサ等に使用される単相誘導モータのための従来の起動回路を説明する。従来の単相誘導モータの起動回路は、モータを起動させる補助コイルに、モータ起動用正特性サーミスタおよびトライアックが直列に接続されている。また、モータ起動用正特性サーミスタにはトライアック制御用正特性サーミスタが並列に接続され、このトライアック制御用正特性サーミスタの一方の端子はトライアックのゲート端子に接続されている。

かかる単相誘導モータの起動回路では、トライアックのゲート端子にトライアック制御用正特性サーミスタを通じてトリガ信号が印加されることによりトライアックが通電され、モータ起動用正特性サーミスタを介して補助コイルにモータ起動用電流が流れる。そして、モータの起動が完了した一定時間後には、モータ起動用正特性サーミスタがその自己発熱に基づく抵抗値の上昇により、補助コイルに流れる電流を小さくするとともに、トライアック制御用正特性サーミスタがその自己発熱に基づく抵抗値の上昇により、トライアックのゲート端子に加わる電流を小さくしてトライアックをオフ状態とする。この回路では、トライアック制御用正特性サーミスタを、モータ起動用正特性サーミスタに比べて熱容量の小さいもので構成できるため、消費電力を小さくすることができる。

しかしながら、かかる単相誘導モータの起動回路では、変化する使用温度の下で、モータが起動を完了する所定の時間範囲（通常、１〜１０秒）内に、電流を確実に遮断する、といった適正な制御が困難な場合があった。すなわち、低温下に置かれるときは、トライアック制御用正特性サーミスタが自己発熱により抵抗値を上昇させるまでに比較的長時間を必要としたし、他方で高温下に置かれるときは、すでに抵抗値が上昇しているためモータを適正に起動できないことがあった。

そこで、特許文献１に開示されるように、トライアック制御用正特性サーミスタの２５℃での抵抗値（以下、「Ｒ２５」という。）が３００〜３０００Ω、体積が３０〜６０ｍｍ³、およびＲ２５の２倍になるときの温度（キュリー温度）が７０〜１２５℃であることを特徴としているモータ起動用回路がある。この回路では、使用温度の変化にかかわらず、モータが起動を完了する所定の時間範囲内で、補助コイルに流れる電流を確実に遮断できるので、モータ起動後の消費電力を小さくすることができる。また、特許文献２には、トライアック制御用正特性サーミスタの体積を小さくすることで消費電力を小さくできることが開示されている。
特開平９−２８５１６８号公報特開平６−３３９２９１号公報

しかしながら、近年さらなる消費電力の低減が求められ、また、ユーザーからの部品の小型化の要求も強い。そして、さらなる消費電力の低減にはトライアック制御用正特性サーミスタの小型化が効果的である。そこで、トライアック制御用正特性サーミスタの小型化の実現が課題となるが、特許文献１、２におけるトライアック制御用正特性サーミスタでは体積を３０ｍｍ³未満にすることは困難であった。図２はキュリー温度が７０℃のトライアック制御用正特性サーミスタを用いた場合であって、使用温度が１００℃のときのトライアック制御用正特性サーミスタの体積と遮断時間との関係を示している。そして、図２に示すように、体積を３０ｍｍ³未満にすると遮断時間が大きく変化する領域になってしまい、かかるばらつきによりモータを確実に起動させることが難しかった。

そこで、本発明の目的は、体積の小さいトライアック制御用正特性サーミスタを用いて消費電力の小さい単相誘導モータの起動回路を提供することにある。

上記問題点を解決するために、本発明の単相誘導モータの起動回路は、（ａ）モータの起動時に動作する補助コイルとモータの定常回転駆動を行う主コイルとを備えたモータ駆動回路に組み込まれる単相誘導モータの起動回路であって、（ｂ）前記補助コイルに直列に接続されるモータ起動用正特性サーミスタおよびトライアックと、（ｃ）前記モータ起動用正特性サーミスタに並列に接続されるとともに、その一方の端子が前記トライアックのゲート端子に接続されるトライアック制御用正特性サーミスタとを備え、（ｄ）前記トライアック制御用正特性サーミスタのＲ２５の２倍になるときの温度が７０〜１２５℃であり、その体積が４．５ｍｍ³以上３０ｍｍ³未満であり、かつ、前記トライアック制御用正特性サーミスタの使用温度が−１０〜８５℃であるとき、電源電圧の実効値をＶ、前記トライアック制御用正特性サーミスタの抵抗値をＲ、前記トライアックがオンするゲート電流をＩとして、（√２×Ｖ×ｓｉｎ４５°）／Ｒ≧Ｉが成り立つとともに、使用温度２５℃における前記トライアックがオンするゲート電流Ｉが２０ｍＡ以下であることを特徴とする。

本発明者らが鋭意研究した結果、トライアック制御用正特性サーミスタの体積を３０ｍｍ³未満にするためには、トライアック制御用正特性サーミスタの特性だけでなく、電源電圧とトライアックのゲート特性を選択すればよいことがわかった。

すなわち、特許文献１に記載の単相誘導モータの起動回路では、トライアック制御用正特性サーミスタの特性のみ規定されており、電源電圧とトライアックのゲート特性については考慮されていなかった。しかし、使用する電源電圧およびトライアックのゲート特性を選択すれば、体積が３０ｍｍ³未満のトライアック制御用正特性サーミスタを用いても、問題なくモータを起動させられることを見出したのである。

トライアックはゲート電流によりオンまたはオフするが、トライアックをオンまたはオフするゲート電流の大きさは、使用するトライアックによって異なる。また、ゲート電流は、電源電圧とトライアック制御用正特性サーミスタの抵抗値によって変化をする。よって、トライアック制御用正特性サーミスタの特性に加えて、電源電圧およびトライアックのゲート特性を選択することにより、トライアック制御用正特性サーミスタの体積が３０ｍｍ³未満でも遮断時間のばらつきを少なくしてモータを確実に起動することができるのである。そして、電源電圧の瞬時値をＶｉ、トライアック制御用サーミスタの抵抗値をＲ、トライアックがオンするゲート電流をＩとしたとき、Ｖｉ／Ｒ≧Ｉが成り立てばトライアックがオンして起動電流が流れる。

ところで、３０ｍｍ³未満という小さな体積において、遮断時間のばらつきを少なくするための手段の一つとしては、トライアック制御用正特性サーミスタの抵抗値を大きくしてサーミスタの自己発熱量を小さくする手段がある。自己発熱量を小さくすれば、抵抗値の上昇が緩やかになり、遮断時間を安定させることができる。しかし、トライアック制御用正特性サーミスタの抵抗値をあまりに大きくすると、ゲート電流が減少し、起動不良を発生してしまう。

つまり、図３はゲート電流および起動電流の波形であるが、図３に示すように、ゲート電流は交流波形のため、ゼロクロス付近のゲート電流は小さく、ゼロクロス付近ではトライアックはオンしない。ゲート電流の瞬時値が、トライアックがオンする電流値（図３に波線９で示す）を超えてから、起動電流が流れるのである。このため、起動電流はゲート電流より点弧が遅れた状態（点弧遅れ角）になり、起動電流の実効値が減少する。その結果モータの起動トルクが減少して、起動不良が発生するのである。

ここで、点弧遅れ角とモータの起動状態との関係を実験したところ、図４に示すように、点弧遅れ角が４５°以下ではモータは起動したが、点弧遅れ角が６０°以上ではモータが起動しないことがあった。そこで、モータを起動させるためには起動電流の点弧遅れ角が４５°以下とされなければならない。ところで、電源電圧の実効値をＶ、トライアック制御用正特性サーミスタの抵抗値をＲとした場合、位相θのときのゲート電流の大きさＩθは、Ｉθ＝（√２×Ｖ×ｓｉｎθ）／Ｒである。そして、点弧遅れ角を４５°以下とするためには、位相が４５°以下でトライアックがオンしなければならない。

以上から、電源電圧の実効値をＶ、トライアック制御用正特性サーミスタの抵抗値をＲ、トライアックがオンするゲート電流をＩとして、（√２×Ｖ×ｓｉｎ４５°）／Ｒ≧Ｉが成り立てばモータを起動することができる。
ここで、３０ｍｍ³未満とういう小さな体積において、遮断時間のばらつきを少なくするためには、トライアック制御用正特性サーミスタの抵抗値を大きくし、自己発熱量を小さくする必要がある。このためには、使用温度２５℃の時にトライアックがオンするゲート電流が２０ｍＡ以下のトライアックを用いる必要がある。

なお、図５はトライアック制御用正特性サーミスタの体積と１００Ｖの電圧により消費される電力との関係であるが、図５に示すように、トライアック制御用正特性サーミスタの体積を４．５ｍｍ³より小さくしても消費電力はほとんど低減しない。また、体積を小さくしすぎるとサーミスタの温度上昇速度が速くなるため、モータが起動する前にトライアック制御用正特性サーミスタの温度が上昇してその抵抗値が増加し、トライアックをオフしてしまう。他方で、トライアック制御用サーミスタの体積を３０ｍｍ³以上に大きくすると、体積増加に対する電力増加率が大きくなり、不要な電力を消費してしまう。そこで、トライアック制御用正特性サーミスタの体積は４．５ｍｍ³以上３０ｍｍ³未満とする。また、トライアック制御用正特性サーミスタは、ＢａＴｉＯ３系半導体からなる正特性サーミスタを用いている。

ここで、体積が３０ｍｍ³未満のトライアック制御用正特性サーミスタを用いて、遮断時間のばらつきを少なくすることができるかを実験した。図２に示したように、特許文献１に記載のモータ起動用回路では、トライアック制御用正特性サーミスタの体積が３０ｍｍ³未満となると、体積の変化に対して遮断時間が大きく変化する領域になってしまい、遮断時間のばらつきがあった。しかし、図６に示すように、使用温度２５℃の時にトライアックがオンするゲート電流が２０ｍＡ以下のトライアックを用いて（√２×Ｖ×ｓｉｎ４５°）／Ｒ≧Ｉが成り立つ単相誘導モータの起動回路では、体積が４．５ｍｍ³以上３０ｍｍ³未満のトライアック制御用正特性サーミスタを用いても、トライアック制御用正特性サーミスタでの自己発熱量を抑えることで体積の変化に対する抵抗の上昇が緩やかにできるので、遮断時間のばらつきを少なくすることができた。すなわち、使用温度２５℃の時にトライアックがオンするゲート電流が２０ｍＡ以下のトライアックを用いた場合には、遮断時間のばらつきを抑えてモータを確実に起動させることができる。また、さらに自己発熱量を抑えるために、使用温度２５℃の時にトライアックがオンするゲート電流が１６ｍＡ以下のトライアックを用いることが望ましい。

また、本発明の単相誘導モータの起動回路は主に冷蔵庫のコンプレッサーに使われるものであり、その使用温度は−１０〜８５℃である。よって、使用温度が−１０〜８５℃の時に（√２×Ｖ×ｓｉｎ４５°）／Ｒ≧Ｉが成り立てばよい。

以上から、本発明にかかる単相誘導モータの起動回路によれば、トライアック制御用正特性サーミスタの使用温度が−１０〜８５℃であるときに、電源電圧の実効値をＶ、制御用正特性サーミスタの抵抗値をＲ、トライアックがオンするゲート電流をＩとしたとき、使用温度２５℃の時にトライアックがオンするゲート電流が２０ｍＡ以下のトライアックを用いて、（√２×Ｖ×ｓｉｎ４５°）／Ｒ≧Ｉが成り立つようにすることにより、トライアック制御用正特性サーミスタの体積を小さくして、消費電力を小さくすることができる。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施例に係る単相誘導モータの起動回路を示す回路図である。

モータ１は、このモータ１の起動時に動作する補助コイル２と、モータ１の定常回転駆動を行う主コイル３とを有している。このようなモータ駆動回路に組み込まれる第１の実施例に係る単相誘導モータの起動回路は、モータを起動させる補助コイル２に、モータ起動用正特性サーミスタ４およびトライアック７が直列に接続されている。また、モータ起動用正特性サーミスタ４にはトライアック制御用正特性サーミスタ８が並列に接続され、このトライアック制御用正特性サーミスタ８の一方の端子はトライアック７のゲート端子Ｇに接続されている。また、トライアック制御用正特性サーミスタは、ＢａＴｉＯ３系半導体からなる正特性サーミスタを用いている。

モータ１には、スイッチ５を介して、電源６が接続される。スイッチ５を閉じて電源６をモータ１に供給すると、モータ１の起動の初期には、モータ起動用正特性サーミスタ４を介して、比較的大きな電流が補助コイル２に流れ、モータ１を起動させる。このような単相誘導モータの起動回路では、起動時においてモータ１の電源６が供給されると、トライアック７のゲート端子Ｇにトライアック制御用正特性サーミスタ８を通じてトリガ信号が印加されることによりトライアック７が通電され、モータ起動用正特性サーミスタ４を介して補助コイル２にモータ起動用電流が流れる。そして、モータの起動が完了した一定時間後には、モータ起動用正特性サーミスタ４が、その自己発熱に基づく抵抗値の上昇により、補助コイル２に流れる電流を小さくするとともに、トライアック制御用正特性サーミスタ８が、その自己発熱に基づく抵抗値の上昇により、トライアック７のゲート端子Ｇに加わる電流を小さくし、トライアック７をオフ状態とする。

ここで、本実施例における単相誘導モータの起動回路は、電源電圧が２２０Ｖであり、使用温度が−１０℃の時にトライアックがオンするゲート電流が２０ｍＡのトライアック７を用いている。また、トライアック制御用正特性サーミスタ８としては、素子サイズの直径が２．５ｍｍ、厚みが２．５ｍｍ、体積が１２．３ｍｍ³であり、−１０℃の抵抗値が１１ｋΩのものを使用している。

ところで、図７に示すように、かかるトライアック制御用正特性サーミスタ８を用いた場合、使用温度である−１０〜８５℃の範囲で、起動電流の点弧遅れ角が最も大きくなるのは−１０℃の時点である。すなわち、正特性サーミスタは抵抗値が最小になる温度以下になると抵抗値が上昇するため、キュリー温度が８５℃であるトライアック制御用正特性サーミスタ８の抵抗値の温度特性は、図７に示すようになっている。また、図８に示すように、トライアックがオンするゲート電流は、−１０〜８５℃の範囲では−１０℃において最も大きくなる。よって、これら抵抗値およびトライアックがオンする電流値の関係により、−１０℃の時点で点弧遅れ角が最も大きくなるのである。この結果、−１０℃の時点で、（√２×Ｖ×ｓｉｎ４５°）／Ｒ≧Ｉが成り立てば、使用温度である−１０〜８５℃の範囲内で、モータ１を起動することができる。また、使用温度２５℃の時にトライアックがオンするゲート電流が２０ｍＡ以下のトライアックを用いている。

そして、本実施例に係る単相誘導モータの起動回路を（√２×Ｖ×ｓｉｎ４５°）／Ｒ≧Ｉにあてはめると、２２０／１１０００（＝０．０２）≧０．０２となり、本実施例の単相誘導モータの起動回路では（√２×Ｖ×ｓｉｎ４５°）／Ｒ≧Ｉが成り立つ。

実際に、かかる第１の実施例に係る単相誘導モータの起動回路ではモータ１を正常に起動させることができた。

なお、素子サイズの直径が１．５ｍｍ、厚みが２．５ｍｍ、体積が４．４ｍｍ³であるトライアック制御用正特性サーミスタ、および素子サイズの直径が３．５ｍｍ、厚みが２．５ｍｍ、体積が２４．１ｍｍ³であるトライアック制御用正特性サーミスタ８を用いてもモータ１を正常に起動させることができた。このように、使用温度２５℃の時にトライアックがオンするゲート電流が２０ｍＡ以下のトライアックを用いて√２×Ｖ×ｓｉｎ４５°）／Ｒ≧Ｉが成り立つ単相誘導モータの起動回路では、体積が４．５ｍｍ³以上３０ｍｍ³未満のトライアック制御用正特性サーミスタを用いても、トライアック制御用正特性サーミスタでの自己発熱量を抑えることで体積の変化に対する遮断時間の変化が小さくできるので、遮断時間のばらつきを少なくすることができた。すなわち、使用温度２５℃の時にトライアックがオンするゲート電流が２０ｍＡ以下のトライアックを用いた場合には、遮断時間のばらつきを抑えてモータを確実に起動させることができる。

このように、本発明によれば、単相誘導モータの起動回路に含まれるトライアック制御用正特性サーミスタの体積を小さくすることができ、部品の小型化および消費電力の低減を図ることができる。

図１は、本発明の第２の実施例に係る単相誘導モータの起動回路を示す回路図である。図１は第１の実施例に係る単相誘導モータの起動回路でもあるが、本実施例の単相誘導モータの起動回路を説明するためのものでもある。なお、図１に示した回路の一般的な構成の説明については前述の説明を援用する。

ここで、本実施例にかかる単相誘導モータの起動回路は、電源電圧が１００Ｖであり、使用温度が−１０℃の時にトライアックがオンするゲート電流が３０ｍＡのトライアックを用いている。そして、モータ起動用正特性サーミスタ４に並列に接続され、かつその一方の端子がトライアック７のゲート端子Ｇに接続されたトライアック制御用正特性サーミスタ８としては、素子サイズの直径が２．５ｍｍ、厚みが２．５ｍｍ、体積が１２．３ｍｍ³であり、−１０℃の抵抗値が３．３ｋΩのものを使用している。

実施例１と同様で図７に示すように、抵抗値およびトライアックがオンする電流値の関係により、使用温度である−１０〜８５℃の範囲で、起動電流の点弧遅れ角が最も大きくなるのは−１０℃の時点である。よって、−１０℃の時点で、（√２×Ｖ×ｓｉｎ４５°）／Ｒ≧Ｉが成り立てば、使用温度である−１０〜８５℃の範囲内で、モータ１を起動することができる。また、使用温度２５℃の時にトライアックがオンするゲート電流が２０ｍＡ以下のトライアックを用いている。

そして、本実施例に係る単相誘導モータの起動回路を（√２×Ｖ×ｓｉｎ４５°）／Ｒ≧Ｉにあてはめると、１００／３３００≧０．０３となり、本実施例の単相誘導モータの起動回路では（√２×Ｖ×ｓｉｎ４５°）／Ｒ≧Ｉが成り立つ。

実際に、かかる実施例２の単相誘導モータの起動回路ではモータ１を正常に起動させることができた。

なお、素子サイズの直径が１．５ｍｍ、厚みが２．５ｍｍ、体積が４．４ｍｍ³であるトライアック制御用正特性サーミスタ、および素子サイズの直径が３．５ｍｍ、厚みが２．５ｍｍ、体積が２４．１ｍｍ³であるトライアック制御用正特性サーミスタを用いてもモータ１を正常に起動させることができた。このように、使用温度２５℃の時にトライアックがオンするゲート電流が２０ｍＡ以下のトライアックを用いて√２×Ｖ×ｓｉｎ４５°）／Ｒ≧Ｉが成り立つ単相誘導モータの起動回路では、体積が４．５ｍｍ³以上３０ｍｍ³未満のトライアック制御用正特性サーミスタを用いても、トライアック制御用正特性サーミスタでの自己発熱量を抑えることで体積の変化に対する遮断時間の変化が小さくできるので、遮断時間のばらつきを少なくすることができた。すなわち、使用温度２５℃の時にトライアックがオンするゲート電流が２０ｍＡ以下のトライアックを用いた場合には、遮断時間のばらつきを抑えてモータを確実に起動させることができる。

［図１］本発明の単相誘導モータの起動回路を示す回路図である。
［図２］特許文献１で開示されるモータの起動回路に含まれるトライアック制御用正特性
サーミスタの体積と遮断時間との関係を示す。
［図３］単相誘導モータの起動回路におけるゲート電流および起動電流の波形を示す。
［図４］単相誘導モータの起動回路におけるゲート電流に対する起動電流の点弧遅れ角と
モータの起動状態の関係を示す。
［図５］単相誘導モータの起動回路に含まれるトライアック制御用正特性サーミスタの体
積と１００Ｖの電圧により消費される電力との関係を示す。
［図６］本発明の単相誘導モータの起動回路に含まれるトライアック制御用正特性サーミ
スタの体積と遮断時間との関係を示す。
［図７］単相誘導モータの起動回路に含まれるトライアック制御用正特性サーミスタの抵
抗値と使用温度の関係を示す。
［図８］単相誘導モータの起動回路に含まれるトライアックがオンするゲート電流と使用
温度の関係を示す。

符号の説明

１モータ
２補助コイル
３主コイル
４モータ起動用正特性サーミスタ
５スイッチ
６電源
７トライアック
８トライアック制御用正特性サーミスタ
９トライアックがオンする電流値
Ｇゲート端子

Claims

モータの起動時に動作する補助コイルとモータの定常回転駆動を行う主コイルとを備えたモータ駆動回路に組み込まれる単相誘導モータの起動回路であって、
前記補助コイルに直列に接続されるモータ起動用正特性サーミスタおよびトライアックと、
前記モータ起動用正特性サーミスタに並列に接続されるとともに、その一方の端子が前記トライアックのゲート端子に接続されるトライアック制御用正特性サーミスタとを備え、前記トライアック制御用正特性サーミスタのＲ２５の２倍になるときの温度が７０〜１２５℃であり、前記トライアック制御用正特性サーミスタの体積が４．５ｍｍ³以上３０ｍｍ³未満であり、かつ、前記トライアック制御用正特性サーミスタの使用温度が−１０〜８５℃であるとき、電源電圧の実効値をＶ、前記トライアック制御用正特性サーミスタの抵抗値をＲ、前記トライアックがオンするゲート電流をＩとして、（√２×Ｖ×ｓｉｎ４５°）／Ｒ≧Ｉが成り立つとともに、使用温度２５℃における前記トライアックがオンするゲート電流Ｉが２０ｍＡ以下であることを特徴とする単相誘導モータの起動回路。