JP5169205B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、業務用や一般家庭用や業務用の各種電気機器などに使用されるインバータ装置に関するものである。

従来、この種のインバータ装置は、制動時（ブレーキ時）にはベクトル制御などによって永久磁石を用いた電動機の電流ベクトルが負のトルク電流Ｉｑを含み、かつＩｄ＜０として直流電圧が過大とならないように制御を行いながら制動される（例えば、特許文献１参照）。

図８は、特許文献１に記載された従来のインバータ装置の制動時におけるベクトル図を示すものである。

図８に示すように、電動機電流Ｉｍのベクトルが、Ｉｑ＜０、Ｉｄ＜０の第３象限となるようにし、かつＶｑ＜０とし、ＶｉとＩｍによるインバータへの回生電力の値が過大となって直流電源の電圧が上がりすぎることの無いように、制御されるものであった。
特開２００１−４６７８０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、抵抗などによる直流電源からの電力吸収がない低コストのインバータ装置とした設計で、直流電源への回生電力を抑えながらブレーキのトルクをなるべく大きくしようとする場合、吸収される動力（機械パワー）はほぼ電動機の内部での損失にする必要があるが、電動機の損失、すなわち銅損と鉄損は、通常の運転（力行時）において、なるべく低損失で運転できるように設計されていることから、制動時に限って損失を大とするのは難しい面がある。

すなわち、鉄損については、通常の運転時の速度において磁路に発生する回転磁界の周波数に対して、十分に低損失となるように設計されているものであり、銅損についても、エナメル線などの電気抵抗が十分低くした設計にされている。

よって、従来の技術において制動時の損失をなるべく大きくするには、電流の絶対値をなるべく大きくして、銅損が大きくなるようにしながら、トルク電流Ｉｑ＜０の値が直流電圧を過大としない範囲で実現されるものとなるが、そのような条件を満たすことのできる電流ベクトルでもブレーキのトルクとしては限度があり、例えば洗濯機として用いた場合には、衣類が入ったドラムの回転を短時間で低下させるのは困難であるという課題を有したものであった。

本発明は上記課題を解決するもので、力行時の電動機損失を十分に抑えた設計でありながら、制動時には電動機損失を大として直流電圧が過大とならない条件での大きな制動トルクの実現、すなわち制動（ブレーキ）性能の高いインバータ装置を実現することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のインバータ装置は、衣類を収納するドラムと、交流電源から直流電圧を発生する直流電源と、前記直流電源から前記交流電源と異なった周波数の交流電源を出力するインバータ回路と、永久磁石および巻き線を有し、前記インバータ回路の出力を受けて前記ドラムを回転駆動する電動機とを有し、前記インバータ回路は、脱水時に前記ドラムを減速する制動時に、ｄ軸電流に出力の基本周波数よりも高い周波数成分を含む電流を供給するとともに、ｑ軸電流を負としかつ前記直流電源の端子電圧監視値が所定値を超えない範囲で前記ｑ軸電流を変化させ、前記インバータ回路と前記電動機間の制動時の電流波形は、力行時よりも歪みを大とするものである。

これによって、制動時の電動機内の損失を増大させることができ、直流電源の過電圧が発生しない条件での大きな制動トルクが得られるものとなる。

本発明は、制動時に電動機での電力損失が大きく、制動性能に優れたインバータ装置を実現することができるものとなる。

本発明は、交流電源から直流電圧を発生する直流電源と、前記直流電源から前記交流電
源と異なった周波数の交流電源を出力するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力を受ける電動機を有し、前記インバータ回路と前記電動機間の制動時の電流波形は、力行時よりも歪みを大とすることによって、制動時の電動機内の損失を増大させることができ、直流電源の過電圧が発生しない条件での大きな制動トルクが得られるものとなる。

また、本発明のインバータ装置の電動機は、永久磁石と巻線を有し、制動時にインバータ回路から前記巻線に供給される電流波形は、前記巻線に回転速度に比例して発生する誘導起電力の周波数よりも高い周波数成分を含むものとすることにより、特に高速で誘導起電力が高い条件であっても、効果的に制動トルクを上げることができる。

また、本発明のインバータ装置のインバータ回路は、制動時にｄ軸電流に出力の基本周波数よりも高い周波数成分を含む電流を供給するものとすることにより、トルク脈動による振動などを抑えながら、高い制動トルクを実現することができるものとなる。

また、本発明のインバータ装置の電動機は誘導電動機とし、制動時のインバータ回路から前記電動機への供給電流に含まれる高周波電流成分に対する同期速度は、実速度よりも高いものとすることにより、永久磁石を使用しない安価な構成でありながら、制動時の制動トルクとしても十分なものが得られる。

また、本発明のインバータ装置を、制動時のインバータ回路から直流電源への回生電力がほぼゼロとすることにより、制動時に、電動機から動力を逆に変換した電力を吸収させるための抵抗器など、コストの高い部品を用いることなく、大きな制動トルクを発生させることができる。

また、本発明のインバータ装置の制動時の前記電動機の鉄損は、銅損よりも大としたことにより、制動時に、電流の高周波成分を効果的に鉄損として吸収して、高い制動性能を上げることができるものとなる。

また、本発明のインバータ装置を、制動時のトルク電流成分を負とするものとすることにより、確実に高い制動トルクを得ることができ、その制動トルクによる直流電源への回生動作も防ぐことができることから、高い制動性能が得られるものとなる。

また、本発明のインバータ装置を、衣類を収納し、電動機で回転駆動されるドラムを有し、脱水時に前記ドラムを減速する際に制動するものとすることにより、衣類が多い条件での脱水時でも、大きな制動トルクによって短時間でドラムの回転を止めることができることから、洗濯作業の時間短縮がはかれるものとなる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、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）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるインバータ装置の回路図である。

図１において、２２０Ｖ５０Ｈｚの交流電源１には、リアクタ２、整流ブリッジ３、電解型のコンデンサ４を有し、無負荷時に３１０Ｖ程度の直流電圧を発生する直流電源５が接続されている。

直流電源５の出力には、インバータ回路６が接続されており、インバータ回路６の出力を受ける電動機７に、電動機７の回転速度に応じた周波数の交流電流を供給する。

３０極の電動機７の速度は、毎分０〜１２００回転となるのに対応して０〜３００Ｈｚに変化するものであり、インバータ回路６は、交流電源１の周波数５０Ｈｚとは異なった周波数か出力されるものとなっている。

インバータ回路６は、ＩＧＢＴ８、９、１０、１１、１２、１３と、駆動回路１４を有しており、位置検知手段１５からの位置信号に従って、ＩＧＢＴ８、９、１０、１１、１２、１３を順序よくオンオフ制御するものとなっている。

本実施の形態においては、電動機７は、永久磁石１８、１９を有する回転子２０、３相の巻線２１、２２、２３を有する固定子２５を備えており、回転子２０は、固定子２５に対して回転自由となるように保持されているものとなっている。

なお、図１においては、永久磁石１８、１９として２個を図示しているが、実際にはＮ極が１５個とＳ極が１５個の合計３０個を持ったものとなっている。

位置検知手段１５は、構造的には固定子２５に取り付けられたものとなっており、回転子２０の回転の角度、すなわち位置情報を、永久磁石１８、１９に反応するホールＩＣ２７、２８、２９によって検出して出力するものとなっている。

本実施の形態における駆動回路１４は、トルク指令値Ｔを受け、位置検知手段１５からの位置信号から、常に永久磁石１８、１９に対して有効なトルクとなる電流、すなわちＩｑの値がトルク指令値Ｔに応じた値となるように、ＩＧＢＴ８、９、１０、１１、１２、１３を１５．６２５ｋＨｚのキャリア周波数でＰＷＭ制御するものとなっている。

トルク指令値Ｔが正である場合には、電動機７から発せられるトルクが正となって「力行」状態となり、負である場合には、電動機７のトルクが負となって、負荷から運動エネルギーを吸収する「制動」状態（ブレーキ）となるが、本実施の形態においては、トルク指令値Ｔの正／負によって、インバータ回路６から電動機７の巻線２１、２２、２３に供給される電流の波形を変化させるものとしており、インバータ回路６と電動機７間の制動時の電流波形は、力行時よりも歪みを大となる構成となっている。

図２は、本実施の形態において、毎分２００回転で回転している時の、インバータ装置の制動時の３相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの波形を示したものである。

一般に、永久磁石を用いた電動機においては、巻線には、回転速度に比例した周波数の誘導起電力が発生するものとなり、毎分２００回転時においては、３０極の電動機の場合、５０Ｈｚの誘導起電力が発生するものとなる。

通常のインバータ装置では、インバータ回路から巻線にその誘導起電力と等しい周波数の交流電流を供給するものとなり、巻線に供給される電流の大きさや位相が、インバータ回路によって適宜制御されて駆動するものとなる。

これに対して、本実施の形態のインバータ装置は、制動時においては図２に示されるように、誘導起電力の周波数５０Ｈｚよりもはるかに高い５ｋＨｚの周波数成分を含むものを、インバータ回路６から巻線２１、２２、２３に供給する電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの波形として持たせている。

図３は、やはり本実施の形態において、毎分２００回転で回転している時の、インバータ回路６から、巻線２１、２２、２３へと供給される３相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの波形を示したものであって、電動機７の速度としては、図２と同等の毎分２００回転ではある
が、ただし図３におけるトルク指令値Ｔは、正の値としている力行時のものとなっている。

図３においては、各電流波形に含まれる周波数成分は、誘導起電力の周波数である５０Ｈｚのみとなっており、図２に示したような５ｋＨｚ成分は含まれたものとはなっていない。

図４は、図２に示した本実施の形態におけるインバータ装置の制動時のＩｄ、Ｉｑの波形を示している。

本実施の形態においては、駆動回路１４が電流ベクトル制御をしており、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑの両者に関して、それぞれの指令値に等しくなるように、制御を行っており、特に制動時においてはトルク電流成分Ｉｑについて、Ｉｑ＝−１Ａという負の値に制御することにより、トルクとして負の値、すなわち電動機７に接続された負荷から機械パワーを吸収して回転速度を低下させるブレーキとして効果的なものとなる。

しかしながら、それだけでは従来の技術で説明した通り、吸収された機械的パワーが、直流電源５に回生電力として発生して、コンデンサ４が充電されて過剰な電圧となってしまう。

ここで本実施の形態においては、特にｄ軸電流（直軸電流）Ｉｄについて、毎分２００回転におけるインバータ回路６の出力の基本周波数である５０Ｈｚよりも高い５ｋＨｚの周波数成分であって、ピークで±０．５Ａの振幅を含む電流が供給されるものとしている。

一般に鉄損は、周波数が高くなるほど増大し、渦電流損など２乗に比例する成分も大きいことから、５ｋＨｚという高周波成分の電流が巻線２１、２２、２３に供給されることにより、５０Ｈｚ成分だけの場合と比較して、電動機７内の鉄損が顕著に増大することになり、銅損と比較しても数倍〜数十倍という値にまで膨れ上がるものとなる。

これによって、前記の機械的パワーが主に鉄損として効果的に消費される結果、直流電源５への回生電力を抑えながら、大きな制動トルクを得ることができるものとなる。

本実施の形態においては、制動時のＩｑ値としては、インバータ回路６から直流電源５への回生電力がほぼゼロとなるように決めているので、その効果が最大限発揮できるものとなっているが、回転速度によって最適値を決めたり、直流電源５の出力電圧、すなわちコンデンサ４の端子電圧などを監視しながら、所定値を越えない範囲でＩｑを変化させるなどしてもよく、いずれの場合でも直流電源５への回生電力がほぼゼロで済むので、別段の電力吸収抵抗などを設ける必要もなく、低コストでありながら大きな制動トルクが得られるインバータ装置が実現できるものとなる。

なお、本実施の形態においては、Ｉｑには高周波電流分が含まれないものとしていることから、瞬時トルクには脈動は発生せず、不要なトルク振動が発生することを防いでいるものとなっている。

ただし、別段の抵抗器などを設けてもよく、その場合にも制動時に鉄損が大きくできるという効果から、前記の抵抗器の電力定格としては小さいもので済むことになり、低コストにできるという効果は、依然として得ることができるものとなる。

図５は、図３で説明した本実施の形態におけるインバータ装置の力行時のＩｄとＩｑの
例を示したものであり、Ｉｑ＝＋１Ａで正のトルクを電動機７から機械的負荷に供給する状態である。

ｄ軸電流Ｉｄについては、Ｉｄ＝−１Ａとしている例を示したものとなっているが、これは弱め界磁の状態としており、より高い回転速度でも駆動することができるため、例えば全自動洗濯機において、脱水時など毎分１０００回転を越える動作も可能であるが、高速回転が必要でない場合には、０としてもかまわない。

説明が多少前後するが、本実施の形態の駆動回路１４は、位置検知手段１５から入力した位置信号ωｔを用い、ｄ軸電流Ｉｄと、ｑ軸電流Ｉｑの瞬時値を、制動時には図４、力行時には図５に示したように、電流ベクトル制御を行って、その結果として、３相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとして、制動時には図２、力行時には図３に示した波形となるものである。

これらの制御において、Ｉｄ、Ｉｑ、ωｔに対して、Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの値は、数式１に示す通りとなる。

なお、本実施の形態においては、高周波分の周波数を５ｋＨｚとし、これは基本波５０Ｈｚの１００倍としているが、たまたま整数倍であったものであって、常に整数倍とすることが必要というものではない。

たまたま整数倍とした場合であっても、高周波成分を含んだ３相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗについて、各相で同じ波形とする必要もない。

したがって、高調波というものでなくても良いものであるので、基本波に対して、周波数が３の倍数に当たる整数倍の周波数の高周波も自由に用いることができる。

（実施の形態２）
図６は、実施の形態２におけるインバータ装置の回路図を示している。

本実施の形態において、交流電源１、直流電源５は実施の形態１と同等のものを用いているが、インバータ回路３５は若干構成が異なるものを使用しており、電動機３６は、回転子３７に短絡した多数の二次導体３８を持つ誘導電動機３６となっている。

インバータ回路３５は、６個のＩＧＢＴ８、９、１０、１１、１２、１３を有している点に関しては、実施の形態１と同様であるが、本実施の形態においては、駆動回路４０、基本波発生手段４１、高周波発生手段４２を有したものを使用している。

基本波発生手段４１は、インバータ回路３５の出力の基本波電圧の大きさＶ１と周波数ｆ１を決めるものであって、高周波発生手段４２は、通常の基本波周波数よりもはるかに高い数百Ｈｚ〜数ｋＨｚ程度の高周波電圧成分Ｖｈと周波数値ｆｈを決定するものとなっている。

駆動回路４０の作用によって、インバータ回路３５の出力電圧として、基本波発生手段４１と高周波発生手段４２からの信号の合成による電圧波形が得られるよう、ＩＧＢＴ８、９、１０、１１、１２、１３をオンオフ制御していくものとなっている。

本実施の形態においては、誘導電動機３６は４極の構成としているため、例えば毎分１８００回転の場合には、インバータ回路３５の出力周波数を６０Ｈｚ程度とすれば、ちょうど同期速度に等しい状態で運転されるものとなり、インバータ回路３５の出力周波数を６０Ｈｚよりも低めにすると、スベリが負となり、制動（ブレーキ）の動作状態となり、機械的負荷から運動エネルギーが吸収される動作となる。

毎分１８００回転の場合の例としては、制動時のインバータ回路３５は、基本波発生手段４１は、Ｖ１＝９０Ｖ、ｆ１＝５５Ｈｚ、高周波発生手段４２は、Ｖｈ＝６０Ｖ、ｆｈ＝７００Ｈｚとするものとなっている。

よって、制動時のインバータ回路３５から電動機３６に供給される電流に含まれる周波数ｆｈを持つ高周波電流成分に対する同期速度は、毎分２１０００回転という高速となり、実速度（毎分１８００回転）よりもはるかに高い状態となっている。

一方、基本波周波数５５Ｈｚに対する同期速度は、毎分１６５０回転と実速度よりも若干低く、スベリが−０．０９程度となるので、回生電力が電動機３６からインバータ回路３５に生ずる要素はあるが、本実施の形態では前述の高周波電流成分の作用によって、鉄損がかなりの値に膨れ上がるものとなり、結果として回生電力が直流電源５に逆流することなしに、電動機３５が吸収した機械パワーは、すべて電動機３６にて消費されるものとなる。

なお、力行時においては高周波発生手段４２は、Ｖｈ＝０Ｖとすることにより、基本波のみの電圧出力で損失の少ない電動機３６の運転が可能となる。

本実施の形態においては、特に電動機３６を誘導電動機３６としていることから、低コストでインバータ装置が実現できるという利点があり、その上で制動時には、十分な制動トルクが得られるものとなる。

（実施の形態３）
図７は、実施の形態３におけるインバータ装置の断面図で、一般に洗濯機、または洗濯乾燥機などと呼ばれる、衣類を洗濯または脱水、もしくは乾燥までを行うインバータ装置となっている。

本実施の形態においては、衣類を収納するドラム５０が、受け筒５１の内側に回転自在に設けられており、水道管５２に接続された給水弁５３、排水管５４に接続された排水弁５５を有している。

制御回路５６は、プリント配線板に複数の電子部品を実装した形で設けられており、給水弁駆動回路５７、排水弁駆動回路５８を有している。

本実施の形態においては、実施の形態１に述べた通りの構成で、交流電源１に接続された直流電源５、インバータ回路６が制御回路５６内に設けられており、電動機７がドラム５０を回転駆動するために設けられ、電動機７には位置検知手段１５が取り付けられているものとなっている点についても、実施の形態１で説明した通りである。

脱水時にドラム５０は、毎分１０００回転以上の高速回転する状態となり、脱水を終了する際には、ドラム５０に蓄えられている運動エネルギーを電動機７で吸収して減速する制動を行うことになる。

制動時の動作として、実施の形態１で説明したものとすることにより、衣類が多い条件での高速の脱水時、すなわち負荷が大きな運動エネルギーを有する状態においても、本実施の形態においては、電動機７の損失を高めた、大きな制動トルクを作用させることが可能となることから、短時間でドラム５０の回転を止めることができる。

したがって、洗濯作業の時間短縮がはかれるものとなる。

なお、本実施の形態では脱水を停止させる場合の減速において、大きな制動トルクが得られるものとしているが、脱水の動作以外に、例えばドラム５０の回転方向を正／逆に頻繁に反転させながら、衣類と洗浄液を含んだ状態で機械力を作用させる洗いを行う場合にも、制動トルクを得る期間は存在するものであり、その制動時に大きな制動トルクを作用させるように用いてもよく、洗濯の性能として高いものが得られるという効果があげられる。

以上のように、本発明にかかるインバータ装置は、制動時に電動機での電力損失が大きく、制動性能に優れたインバータ装置が提供できるものとなる。

本発明の実施の形態１におけるインバータ装置の回路図 同、インバータ装置の制動時の３相の電流波形を示す図 同、インバータ装置の力行時の３相の電流波形を示す図 同、インバータ装置の制動時のＩｄ、Ｉｑ波形を示す図 同、インバータ装置の力行時のＩｄ、Ｉｑ波形を示す図 本発明の実施の形態２におけるインバータ装置の回路図 本発明の実施の形態３におけるインバータ装置の断面図 従来の技術におけるインバータ装置の制動時のベクトル図

１ 交流電源
５ 直流電源
６、３５ インバータ回路
７ 電動機
１８、１９ 永久磁石
２１、２２、２３ 巻線
３６ 電動機（誘導電動機）
５０ ドラム

Claims (1)

1. 衣類を収納するドラムと、交流電源から直流電圧を発生する直流電源と、前記直流電源から前記交流電源と異なった周波数の交流電源を出力するインバータ回路と、永久磁石および巻き線を有し、前記インバータ回路の出力を受けて前記ドラムを回転駆動する電動機とを有し、前記インバータ回路は、脱水時に前記ドラムを減速する制動時に、ｄ軸電流に出力の基本周波数よりも高い周波数成分を含む電流を供給するとともに、ｑ軸電流を負としかつ前記直流電源の端子電圧監視値が所定値を超えない範囲で前記ｑ軸電流を変化させ、前記インバータ回路と前記電動機間の制動時の電流波形は、力行時よりも歪みを大とするインバータ装置。