JP4802609B2 - モータの制御装置及びこれを用いた電気機器、電気掃除機 - Google Patents

Description

本発明は、交流電源に接続する消費者用機器のモータ制御装置に関するものであり、特
にその入力制御に関するものである。

交流電源に接続される機器のモータ制御装置としては、一般的に位相制御方式が広く用いられている。交流電源とモータ及び、前記モータに印加される電圧を位相制御する双方向サイリスタを直列に接続し、前記モータが所定の入力になるように前記双方向サイリスタを所定の位相角でオンするというものである。しかし、常に位相角が一定であるということは、生成される高調波成分も偏り、結果として大きな高調波の発生に繋がる。特に位相角が９０°の時に、生成される高調波が（特に奇数次周波数において）最大となることは既に周知の事実である。この対策として、近年様々な制御装置が提案されおり、その中でも効果の高いものとして、位相角を一定にするのではなく、位相角を狙いの近辺で大小に変化させることにより、生成される高調波の周波数を分散させるというものが挙げられる（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６３−２７４３９６号公報

しかしながら前記従来の構成においては、より高入力のモータに対して高調波を抑えようとする場合には、位相角の変化量をかなり大きく（入力に換算すると、１５００Ｗモータを使用する場合、９０°位相の時に２００Ｗ以上の変化量）取る必要があり、そのために振動が発生して騒音が大きくなるという課題があり、今後の家庭用電化機器の高性能化に伴うモータの高出力化に対して、従来の方式では限界の感があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、従来とは全く異なる方式で、高調波の発生を抑えるとともに、振動、騒音を抑えたモータ制御装置を提供するものである。

前記従来の課題を解決するために本発明は、交流電源に直列に接続されたモータと、前記モータに直列に接続され、前記モータに印加される電圧を位相制御する双方向性サイリスタと、前記双方向性サイリスタに制御信号を送る制御部と、を備え、前記制御部は、交流電源の半周期単位で負荷のオン、オフを行い、かつ連続する複数周期において、交流１周期の前半周期をオンする回数と、後半周期をオンする回数が等しくなるように制御するとともに、交流１周期の前半周期をオンする回数と後半周期をオンする回数とが等しくなるような制御周期（区間Ａ）の途中に、前記モータが所定の入力になるように前記双方向性サイリスタを所定の位相角でオンさせる位相制御を１周期または複数周期（区間Ｂ）を加えており、前記制御部は、前記交流１周期を半周期単位で制御する前記区間Ａにおいて
、前記双方向性サイリスタを所定の位相角でオンさせる位相制御を行っており、前記区間Ａの前記所定の位相角と前記区間Ｂの前記所定の位相角とは別々の位相角に設定されており、前記制御部は、前記区間Ａの前記所定の位相角を前記モータの負荷電流の小さい状態から上昇方向に制御したとき、前記区間Ａの前記所定の位相角がある所定の位相角になった時点で、前記負荷電流はほぼ一定のまま、前記半周期単位の制御から全周期の位相制御に切り替えることを特徴とするモータの制御装置としたことにより、複数周期で合成したモータに印加される電圧は正弦波形となるため、その高調波電流も、急峻な立ち上がりのない正弦波に近い波形となり、高調波（特に低次高調波）の発生は劇的に抑えられるとともに、周期ごとに位相角を変化させることがないため、振動、騒音も抑えられる。

以上のように本発明のモータの制御装置は、高入力のモータに対しても、高調波および振動、騒音を抑えることができる。

第１の発明は、交流電源に直列に接続されたモータと、前記モータに直列に接続され、前記モータに印加される電圧を位相制御する双方向性サイリスタと、前記双方向性サイリスタに制御信号を送る制御部と、を備え、前記制御部は、交流電源の半周期単位で負荷のオン、オフを行い、かつ連続する複数周期において、交流１周期の前半周期をオンする回数と、後半周期をオンする回数が等しくなるように制御するとともに、交流１周期の前半周期をオンする回数と後半周期をオンする回数とが等しくなるような制御周期（区間Ａ）の途中に、前記モータが所定の入力になるように前記双方向性サイリスタを所定の位相角でオンさせる位相制御を１周期または複数周期（区間Ｂ）を加えており、前記制御部は、前記交流１周期を半周期単位で制御する前記区間Ａにおいて、前記双方向性サイリスタを所定の位相角でオンさせる位相制御を行っており、前記区間Ａの前記所定の位相角と前記区間Ｂの前記所定の位相角とは別々の位相角に設定されており、前記制御部は、前記区間Ａの前記所定の位相角を前記モータの負荷電流の小さい状態から上昇方向に制御したとき、前記区間Ａの前記所定の位相角がある所定の位相角になった時点で、前記負荷電流はほぼ一定のまま、前記半周期単位の制御から全周期の位相制御に切り替えることを特徴とするモータの制御装置としたことにより、複数周期で合成したモータに印加される電圧は正弦波形となるため、その高調波電流も急峻な立ち上がりのない正弦波に近い波形となり、高調波（特に低次高調波）の発生は劇的に抑えられるとともに、周期ごとに位相角を変化させることがないため、振動、騒音も抑えられる。

また、交流１周期の前半周期をオンする回数と、後半周期をオンする回数が等しくなるような制御周期（以降区間Ａと呼ぶ）の途中に、モータが所定の入力になるように双方向性サイリスタを所定の位相角でオンさせる位相制御を１周期または複数周期（以降区間Ｂと呼ぶ）加えたことにより、複数周期で合成したモータに印加される電圧は正弦波に近い波形となるため、その高調波電流も急峻な立ち上がりのない正弦波に近い波形となり、高調波の発生は抑えられるとともに、周期ごとに位相角を変化させることがないため、騒音・振動の発生は抑えられる。また、加えた波形の位相制御によって、ある程度の入力コントロールが可能となる。

さらに、交流電源の半周期単位で負荷のオン・オフを行う位相区間（区間Ａ）は、半周期完全オンではなく、モータが所定の入力になるように双方向性サイリスタを所定の位相角でオンさせる位相制御とし、制御周期の途中に加えた、１周期または複数周期（区間Ｂ）の位相制御とは、別々に位相角を設定することにより、複数周期間でのモータに印加される電圧は正弦波に近く、そのため高調波電流波形も正弦波に近く、高調波の発生は抑えられるとともに、周期ごとに位相角を変化させることがないため、騒音・振動の発生は抑えられる。また、各波形を位相制御することにより、より幅の広い入力コントロールが可能となる。

また、区間Ａの位相制御角を、負荷電流の小さい状態から上昇方向に制御したとき、その位相制御角がある所定の位相角になった時点で、負荷電流はほぼ一定のまま、半周期単位の制御から、通常の全周期の位相制御に切替えることにより、複数周期間でのモータに印加される電圧は正弦波に近く、そのため高調波電流波形も正弦波に近く、高調波の発生は抑えられるとともに、周期ごとに位相角を変化させることがないため、騒音・振動の発生は抑えられる。また、各波形を位相制御することにより、より幅の広い入力コントロールが可能となるとともに、所定の位相において、モータが所定の入力になるように双方向性サイリスタを所定の位相角でオンさせる位相制御に切替えた後は、フルに入力コントロールすることが可能となる。

第２の発明は、特に、第１の発明のモータの制御装置を、電気機器にいたことにより、機器から発生する高調波電流および振動、騒音を抑えることが可能となる。

第３の発明は、特に、第１の発明のモータの制御装置を、モータ制御装置を電気掃除機に用いたことにより、電気掃除機から発生する高調波電流および振動、騒音を抑えることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら説明する。尚、この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、本発明の第１の実施の形態について図１および図２を用いて説明する。

図１は実施の形態１のモータの制御装置を示しており、交流電源１に負荷となるモータ２を直列に、さらにモータ２に印加される電圧を制御する双方向性サイリスタ３が直列に接続されている。４は前記双方向性サイリスタ３のゲートに制御信号を送る制御部を表している。図２には、図１の制御部から発せられる前記双方向性サイリスタ３のゲートに入力される制御信号波形（ａ）と、前記モータ２に印加される電圧波形（ｂ）（図中、破線はオフ期間を示す）と、前記モータ２に流れる電流波形（ｃ）との関係を表している。

上記の構成において、動作を説明すると、制御部４より図２の（ａ）のようなパルス状の制御信号が発せられると、そのタイミングに応じて双方向性サイリスタ３がオンし、モータ２に図２の（ｂ）のような波形の電圧が印加される。そして、モータ２には、図２の（ｃ）のような波形の電流が流れることになる。モータ２に印加される電圧は、交流電源波形の半周期単位で負荷のオン・オフが行われ、かつ連続する複数周期において、交流１周期の前半周期をオンする回数と、後半周期をオンする回数が等しくなるように制御部４の信号によって、制御されている。図２では、正の半波が２波分続いた後、負の半波が２波続き、これが制御周期となって、連続的にモータに印加されている。これは、負荷への供給電力という意味では、従来の位相制御で言えば、位相角９０°の制御に相当する。従来の位相制御の場合、この９０°の位相角付近で運転した状態が、高調波電流がもっとも厳しくなるが、本実施の形態の制御によれば、連続する複数周期の波形を合成したものは、正弦波に近いものとなり、同じ負荷電流でありながら、高調波電流を抑えた運転が可能となる。また、電流波形は正弦波に近いため、モータの振動・騒音も抑えられる。なお、連続する正および負の半波は同数であれば、その数に制約はない。

以上のように本実施の形態によれば、従来の位相制御では、高い高調波電流が発生する位相角での運転と同等の負荷電流でありながら、高調波電流、振動および騒音を低く抑えたモータ駆動ができるモータ制御装置を与えるものである。

（実施の形態２）
以下、本発明の第２の実施の形態について、図３および図４を用いて説明する。なお第１の実施の形態と同一構成部品については同一符号を付して、その説明を省略する。

図３に、図１の制御部から発せられる前記双方向性サイリスタ３のゲートに入力される制御信号波形（ａ）と、前記モータ２に印加される電圧波形（ｂ）（図中、破線はオフ期間を示す）と、前記モータ２に流れる電流波形（ｃ）との関係を表している。

上記の構成において、動作を説明すると、制御部４より図３の（ａ）のようなパルス状の制御信号が発せられると、そのタイミングに応じて双方向性サイリスタ３がオンし、モータ２に図３の（ｂ）のような波形の電圧が印加される。そして、モータ２には、図３の（ｃ）のような波形の電流が流れることになるが、図３では、正の半波が２波続いた後、負の半波が２波続く制御周期（区間Ａ）が連続する波形の間に、従来の位相制御１周期分
（区間Ｂ）が加えられている。それらが一つの制御周期となって、連続的にモータに印加されている。これは、第１の実施例に従来の実施例を組み合わせた波形となっており、連続する複数周期の合成波形は、ほぼ正弦波に近いものになる。よって、従来の技術よりも高調波電流、振動・騒音は抑えられる。また、従来の位相制御の部分でモータに供給される電力をある程度制御することができる。さらに、正または負の完全オンの半波に対しても、位相制御を加えることにより、より幅の広い電力の制御が可能となる（図４参照）。

以上のように本発明の実施の形態によれば、負荷への電力コントロールを行いながら、高調波電流、振動および騒音を抑えたモータ制御装置を提供できる。

（実施の形態３）
以下、本発明の第３の実施の形態について、図５を用いて説明する。なお上記実施の形態１、２と同一構成部品については同一符号を付して、その説明を省略する。

図５の波形（ａ）は、図４と同じで、実施の形態２で述べたように、正または負の半波に対して位相制御を行った様子を示しており、図中の位相角αは、半波の位相制御から、従来の全波の位相制御へと切替える所定の位相角を表している。すなわち、半波の位相制御が電力の低い状態から高くなる方向へと進み、位相角αに達したときに、図５の波形（ｂ）のように、通常の全波の位相制御に切替える。このとき、切替え前後でモータの負荷電流の実効値がほぼ同じとなるよう、切替え後の位相角α’を設定する。これにより、モータのトルク変動を少なく出来、幅の広いなめらかな電力コントロールが可能となる。区間Ａの周期を区間Ｂよりも多く設定すれば、周期ごとに位相角を変化させることがないため、騒音・振動の発生は抑えられる。

以上のように本発明の実施の形態によれば、より広範囲な負荷の電力コントロールを行いながら、高調波電流、振動および騒音を抑えたモータ制御装置を提供できる。

以上のように、本発明にかかるモータの制御装置は、高調波電流、振動、騒音の発生を抑えることが可能となり、特にモータ搭載の電気機器において有用であるが、電灯の調光器やヒータ機器等、位相制御で入力制御を行う機器にも利用できる。

本発明の実施の形態１におけるモータの制御装置の回路図 同制御装置のモータに印加される電圧波形と電流波形と制御信号波形の関係図 本発明の実施の形態２におけるモータに印加される電圧波形と電流波形と制御信号波形の関係図 同制御装置のモータに印加される半波位相制御時の電圧波形図 （ａ）本発明の実施の形態３における半波の位相性御時のモータに印加される電圧波形図（ｂ）同、全波の位相性御時のモータに印加される電圧波形図

１ 交流電源
２ モータ
３ 双方向性サイリスタ
４ 制御部

Claims (3)

1. 交流電源に直列に接続されたモータと、前記モータに直列に接続され、前記モータに印加される電圧を位相制御する双方向性サイリスタと、前記双方向性サイリスタに制御信号を送る制御部と、を備え、前記制御部は、交流電源の半周期単位で負荷のオン、オフを行い、かつ連続する複数周期において、交流１周期の前半周期をオンする回数と、後半周期をオンする回数が等しくなるように制御するとともに、交流１周期の前半周期をオンする回数と後半周期をオンする回数とが等しくなるような制御周期（区間Ａ）の途中に、前記モータが所定の入力になるように前記双方向性サイリスタを所定の位相角でオンさせる位相制御を１周期または複数周期（区間Ｂ）を加えており、前記制御部は、前記交流１周期を半周期単位で制御する前記区間Ａにおいて、前記双方向性サイリスタを所定の位相角でオンさせる位相制御を行っており、前記区間Ａの前記所定の位相角と前記区間Ｂの前記所定の位相角とは別々の位相角に設定されており、前記制御部は、前記区間Ａの前記所定の位相角を前記モータの負荷電流の小さい状態から上昇方向に制御したとき、前記区間Ａの前記所定の位相角がある所定の位相角になった時点で、前記負荷電流はほぼ一定のまま、前記半周期単位の制御から全周期の位相制御に切り替えることを特徴とするモータの制御装置。
2. 請求項１に記載のモータの制御装置を用いた電気機器。
3. 請求項１に記載のモータの制御装置を用いた電気掃除機。

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