JP5377500B2 - 過電流検出回路、インバータ、圧縮機、及び空気調和機、並びに過電流検出回路の調整方法 - Google Patents
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Description
また、この誤差により、インバータの運転範囲縮減や、保護動作の信頼性低下、負荷の最大電流上昇による回路大型化・コスト上昇、効率低下などが生じる、という問題点があった。
図1は本発明の実施の形態1に係る過電流検出回路の構成図である。
図1に示すように、本実施の形態1に係る過電流検出回路は、電流検出手段3、過電流レベル生成手段4、過電流検出手段5、調整装置6を有する。
過電流レベル生成手段4は、抵抗値調整部10の抵抗値に応じて基準電圧Vrefを発生する。後述する動作により、抵抗値調整部10は、ザッピングされて抵抗値が調整される。
例えば、過電流検出手段5は、出力電圧Vsensが、基準電圧Vref以上となったとき、過電流検出信号OCTを出力する。
インバータ2は、過電流検出信号OCTが入力されたとき、インバータ2内のスイッチング素子を停止させる。
そして、後述する動作により、調整装置6は、過電流検出信号OCTを監視し、予め定められた精度で、インバータ2の過電流を検出するよう抵抗値調整部10の抵抗値を変化させる。
図2において、Ishは、電流検出手段3の検出部の電流(以下「検出部電流」という。)である。
Iocは、過電流を検出すべき電流値である。
Imは、回路が正常な動作状態にある場合の最大電流値である。
Vocmaxは、検出部にIocが流れている際における、電流検出手段3の出力電圧の許容最大値である。
Vocminは、検出部電流にIocが流れている際における、電流検出手段3の出力電圧の許容最小値である。
以下、基準電圧Vrefの調整動作を、図2の時間軸に沿って説明する。
まず、調整装置6は、電流検出手段3の検出部に、過電流を検出すべき電流値Iocを印加する。
その後、電流検出手段3の出力電圧Vsensを観測し、Iocを印加したときの出力電圧V1を得る。
そして、調整装置6は、V1が許容値内であるかを確認する。即ち、V1が、Vocmin以上Vocmax以下であるかを確認する。
調整装置6は、電流検出手段3の検出部への電流印加を停止する。
次に、調整装置6は、基準電圧Vrefが、V1より小さくなるように調整する。
基準電圧Vrefの調整は、ザッピングにより行う。
ここで、ツェナーダイオードのザッピング動作について図3により説明する。
ザッピングは、ツェナーダイオードに逆バイアス電流(図3のIca)を印加し、短絡破壊を起こすことで、端子間の抵抗値を変化させるものである。
調整装置6は、抵抗値調整部10a、10b、10cに内蔵されたツェナーダイオードをザッピングすることで、直列に接続された抵抗値調整部10a〜10c両端の合成抵抗を所望の抵抗値へと変化させる。
即ち、本実施の形態1における過電流レベル生成手段4の場合では、抵抗値調整部10a、10b、及び10cの各ツェナーダイオードにザッピングを行うことで、電圧の分圧比を変化させ、過電流レベル生成手段4の基準電圧Vrefを段階的に低下させることができる。
次に、調整装置6は、基準電圧Vrefが、V1より小さいか否かを確認する。
調整装置6は、基準電圧VrefがV1より大きいとき、更にツェナーダイオードのザッピングをする。調整装置6は、基準電圧VrefがV1よりも小さくなるまでザッピングを繰り返す。
一方、調整装置6は、基準電圧VrefがV1よりも小さくなったとき、ザッピング動作を終了する。
まず、調整装置6は、電流検出手段3の検出部に、回路が正常な動作状態にある場合の最大電流値Imを印加する。
調整装置6は、過電流検出手段5から過電流検出信号OCTが出力されないことを確認する。
尚、最大電流値Imを印加時に過電流検出信号OCTが出力されたとき、調整装置6は、例えば、固定抵抗の抵抗値が大きい抵抗値調整部10のザッピングを解除し、固定抵抗の抵抗値が小さい抵抗値調整部10をザッピングする。これにより、過電流レベル生成手段4の基準電圧Vrefを上昇させることができる。
その後、調整装置6は、検出部に印加する電流を、Iocに増加する。調整装置6は、過電流検出手段5から過電流検出信号OCTが出力されたことを確認する。
調整装置6は、基準電圧Vrefの調整動作を完了する。
よって、過電流検出回路の初期ばらつきによる異常判断基準値の誤差を縮小することができる。
したがって、電源電圧や電流検出手段3に初期ばらつきを有していても、過電流検出の精度の悪化を抑制することができ、高精度な過電流検出回路を得ることができる。
よって、基板に電子部品を実装した状態で、異常判断基準値を調整することができ、新たに半田工程などを追加することがなく、加工にかかるコストを抑制することができる。
更に、摺動部をもたない固体素子により、基準電圧Vrefを調整できるため、調整後に振動等によって抵抗値が変化する可能性を低下させ、信頼性の高い過電流検出回路を得ることができる。
異常判定基準値がばらつく場合、過電流検出回路を搭載した製品の運転範囲(許容電流範囲)は、異常判定基準値のばらつき範囲の下限値となっても、運転可能な範囲に限定される。
したがって、異常判定基準値の精度向上は、過電流検出回路を搭載した製品の運転範囲を拡大する効果がある。
一方、このインバータ2を使用した製品は、部品ばらつきがある条件下でも動作を補償する必要がある場合が多い。このため、この動作を補償する条件を満たすために、部品である回路素子や負荷の最大電流定格は前記最大電流のばらつきの上限を踏まえて設計される。
したがって、異常判定基準値の精度が向上すると、インバータ2及び負荷の最大電流定格値を低減することが可能となる。また、この結果として、小型化・低コスト化が実現される。
永久磁石型同期電動機7は、磁力によって界磁を発生することで効率の良いシステムを提供することができる。一方、磁石に所定以上の反磁界を与えると、磁力が永久的に低下(減磁)するため、これを防ぐように、過電流検出回路、及び永久磁石型同期電動機7の設計がなされる。
過電流検出回路は、異常判定基準値が減磁レベル以下に設定される。例えば、過電流を検出する電流値として、磁石を減磁させない電流値が設定される。
一方、永久磁石型同期電動機7としては、設計値以上の保磁力を確保することが必要となる。しかし、一般に永久磁石型同期電動機7の保磁力は、コストとの相関があり、低保磁力の材料となる程、安価となる。
したがって、異常判定基準値の精度が向上すると、永久磁石型同期電動機7内に装着される磁石に要求される保磁力を低下することができ、コストの低下を実現することができる。
圧縮機においては、吸入・圧縮・吐出の各工程が、ロータの回転位置に同期して遷移するため、回転中のトルク脈動が少なからず発生することが知られている。
このため、圧縮機ロータを駆動するモータ電流は、実効値に対してピーク値が数倍高くなる。
したがって、このような圧縮機の運転限界は、モータ電流の電流ピーク値と異常判定基準値との関係に大きく依存する。
即ち、本実施の形態のように、異常判定基準値のばらつきを抑制し、異常判定基準値がばらつく範囲の下限値を増加することができれば、圧縮機の運転限界は拡大され、より厳しい運転条件でも過電流による停止を発生することなく運転することが可能となり製品性能を向上することができる。
また、ツェナーダイオードに並列に接続される固定抵抗は、それぞれ異なる値とするようにしても良い。これにより、分解能を向上することができる。
本発明はこれに限るものではなく、Imを印加したときの電圧より、基準電圧Vrefが小さい場合には、基準電圧Vrefを上昇させるように調整することも可能である。
例えば、以下のような構成、動作を行う。
そして、調整装置6は、定常時(初期状態)において、抵抗値調整部10d、10e、及び10fのツェナーダイオードに逆バイアスを印加する。
調整装置6は、基準電圧Vrefを上昇させるとき、抵抗値調整部10d、10e、及び10fの各ツェナーダイオードのうち、任意のツェナーダイオードへの逆バイアスの印加を停止する。
このような動作により、基準電圧Vrefを段階的に上昇させることができる。
したがって、異常判定基準値(基準電圧Vref)が、Iocを印加したときの出力電圧V1以下となり、且つ、Imを印加したときの電圧を超えるように調整することができる。
図4は本発明の実施の形態2に係る過電流検出回路の構成図である。
尚、前述の図1と同一の機能をもつ要素については同一符号を付する。
そして、過電流レベル生成手段4は、抵抗値調整部10の抵抗値に応じて異常判定基準値である基準電圧Vrefを発生する。
レーザ装置11は、抵抗値調整部10の抵抗値を変化させるようにレーザを照射する。
本実施の形態2においては、抵抗値調整部10にレーザを照射して抵抗値を変化させ、基準電圧Vrefを調整する。
尚、前述の図2と同一の信号及び値については同一名称を付する。
以下、基準電圧Vrefの調整動作を、図5の時間軸に沿って説明する。
まず、調整装置6は、電流検出手段3の検出部に、過電流を検出すべき電流値Iocを印加する。
その後、電流検出手段3の出力電圧Vsensを観測し、Iocを印加したときの出力電圧V1を得る。
そして、調整装置6は、V1が許容値内であるかを確認する。即ち、V1が、Vocmin以上Vocmax以下であるかを確認する。
次に、調整装置6は、基準電圧Vrefが、V1より小さくなるように調整する。
基準電圧Vrefの調整は、レーザトリミングにより行う。
ここで、抵抗のレーザトリミングについて図6により説明する。
レーザトリミングは、セラミック基盤上にある抵抗体の一部又は全部をレーザ光で切除することにより、電気的特性を高精度に設定するレーザ加工法である。
図6に示すように、抵抗体にレーザを照射して、矢印xに示すように抵抗体を切除することで端子間の抵抗値を所望の値に増加させることができる。
即ち、本実施の形態2における過電流レベル生成手段4の場合では、抵抗値調整部10の抵抗器にレーザトリミングを行うことで、電圧の分圧比を変化させ、過電流レベル生成手段4の基準電圧Vrefを変化させることができる。
これにより、過電流レベル生成手段4の基準電圧Vrefは徐々に低下する。
調整装置6は、レーザトリミングと同時に、過電流検出信号OCTを監視する。
調整装置6は、過電流検出信号OCTの出力を検知したとき、レーザ装置11からのレーザ照射を停止し、基準電圧Vrefの調整を終了する。
本発明はこれに限るものではなく、基準電圧VrefがV1より小さい場合には、基準電圧Vrefを上昇させるように調整することも可能である。
例えば、以下のような構成、動作を行う。
そして、調整装置6は、基準電圧Vrefを上昇させるとき、抵抗値調整部10bにレーザトリミングを施して抵抗値を上昇させる。
このような動作により、基準電圧Vrefを上昇させることができる。
このような、電流検出手段3の出力電圧Vsensを調整する構成の一例を図7により説明する。
図7において、電流検出手段3の検出部は、レーザの照射により抵抗値が変化する抵抗器により構成される。調整装置6は、電流検出手段3の検出部に対し、レーザを照射するレーザ装置11を備える。
このような構成により、上記の動作と同様に、電流検出手段3の検出部にIocを印加し、V1を得る。
そして、調整装置6は、レーザトリミングにより、電流検出手段3の検出部の抵抗値を上昇させる。これより検出部に生じる電圧が上昇するので、電流検出手段3の出力V1を上昇させることができる。
このような構成であっても、出力電圧V1は、基準電圧Vrefとほぼ同じ値に調整することができる。
したがって、上述した効果と同様の効果を奏することができる。
図8は本発明の実施の形態3に係る過電流検出回路の構成図である。
尚、前述の図1と同一の機能をもつ要素については同一符号を付する。
不揮発性メモリ20は、調整装置6より出力されるVref指令値を記憶する読み書き可能な記憶装置である。
尚、Vref指令値は、本発明における「異常判定基準値に関する情報」に相当する。
尚、前述の図2と同一の信号及び値については同一名称を付する。
以下、基準電圧Vrefの調整動作を、図9の時間軸に沿って説明する。
まず、調整装置6は、電流検出手段3の検出部に、過電流を検出すべき電流値Iocを印加する。
その後、電流検出手段3の出力電圧Vsensを観測し、Iocを印加したときの出力電圧V1を得る。
そして、調整装置6は、V1が許容値内であるかを確認する。即ち、V1が、Vocmin以上Vocmax以下であるかを確認する。
リーダ部21は、不揮発性メモリ20に書き込まれたVref指令値を、D/A変換回路22へ転送する。
D/A変換回路22は、入力されたVref指令値に基づき電圧を発生する。
更に、調整装置6は、このとき過電流検出信号OCTがLow(非検出状態)であることを確認する。
次に、調整装置6は、Vref指令値を構成するデジタル信号の最上位ビット(電圧分解能が最大となるビット)を調整する。
調整装置6は、最上位ビットを1とし、下位のビット全てを0としたVref指令値を不揮発性メモリ20に書き込む。
このとき、調整装置6は、過電流検出信号OCTを監視する。
そして、調整装置6は、過電流検出信号OCTがHigh(過電流検出)であれば、最上位ビットは1に、Lowであれば最上位ビットは0に確定する。
この動作を、Vref指令値を構成するデジタル信号の上位ビットから順にn回実施する。これにより、全てのビットを確定し、調整を完了する。
完了後は、不揮発性メモリ20の内容に基づきVrefが固定され、所望の異常判定基準値に調整される。
このような、使用条件に適した異常判定基準値の設定の例を、実施の形態4にて説明する。
図10は本発明の実施の形態4に係る過電流検出回路の構成図である。
尚、前述の図8と同一の機能をもつ要素については同一符号を付する。
温度補正手段24は、温度センサ23の出力に基づき、不揮発性メモリ20のVref指令値を補正する。
D/A変換回路22は、リーダ部21から入力されたVref指令値に基づき電圧を調整し、過電流検出手段5へ基準電圧Vrefを出力する。
図11(a)は、永久磁石型同期電動機7が有する磁石の保磁力の温度特性を示している。
図11(b)は、温度とVref指令値の補正係数との特性データを示している。
この特性データは、例えば、予め得られた、永久磁石型同期電動機7が有する磁石の保磁力の温度特性(図11(a))から、温度とVref指令値の補正係数との特性データ(図11(b))をデータテーブル化するなどして実現することができる。
これにより、異常判定基準値が一定の場合では実現できなかった、高保磁力温度帯での高負荷駆動を運転可能とすることができる。
このような運転範囲拡大効果について図12により説明する。
図12(a)は異常判定基準値が一定の場合の運転範囲を示している。
図12(b)は本実施の形態4において、永久磁石型同期電動機7の保磁力特性が図11の磁性体Aの場合における運転範囲を示している。
また、モータの運転限界は、電流限界・電力限界・回転数限界があるが、本実施の形態によれば、温度が低い条件での電流限界を拡大することが可能となり、図12(b)に示すように、製品性能を大きく拡大することができる。
例えば、Iocの1/2の大きさとなる定電流を検出部に印加し、このときの出力の2倍の電圧値に基づいて、基準電圧Vrefを調整するようにしても良い。
このようにIocより小さい電流を印加することで、部品破損の低減や寿命の向上を図ることができる。また、調整装置6が有する定電流源の容量を低下させることができ、小型・軽量化を図ることができる。
次に、上記実施の形態1〜4で説明した過電流検出回路による運転範囲拡大の効果をより顕著にもたらす装置について、図13〜図15を用いて説明する。
図14はシングルロータリ圧縮機の動作説明図である。
図15はシングルロータリ圧縮機の負荷トルクとモータ電流を示す図である。
図13において、シングルロータリ圧縮機29は、永久磁石型同期電動機7のロータ7a及びステータ7b、ロータ7aに接続されたシャフト32、ガスの圧縮動作を行うシリンダ30により構成される。
このとき、シャフト32にかかるトルクは、ガスが圧縮されるとともに上昇し、ガスが吐出されるとともに減少する。
永久磁石型同期電動機7(本実施の形態では4極機)は、圧縮機の回転角(クランク角)に応じて負荷トルクが変化する。
また、シャフト32を通じて永久磁石型同期電動機7に負荷トルクが印加されるため、電流としては負荷トルクに応じた脈動が発生する。
このような電流脈動は、電流ピーク値の増大を招き、結果として、異常判定基準値の高い永久磁石型同期電動機7及びインバータ2が特に必要となる。
このため、シングルロータリ圧縮機29を駆動するインバータ2に、上述した実施の形態1〜4で示した過電流検出回路を用いることで、永久磁石型同期電動機7及びインバータ2の小型・低コスト化を実現することができる。
図16は本発明の実施の形態6に係る空気調和機の構成を示す図である。
図16において、本実施の形態における空気調和機は、室外機310、室内機320を備え、室外機310には、図示しない冷媒回路に接続され冷凍サイクルを構成するシングルロータリ圧縮機29、図示しない熱交換機を送風する室外機用の送風機312を備えている。
このような構成により、上記実施の形態1〜5と同様の効果を奏することができる。
特に、永久磁石型同期電動機を駆動するインバータへ適用することによる運転範囲の拡大、回路及び負荷の小型化・低コスト化が図れることから、空気調和機や冷凍機、洗濯乾燥機のほか、冷蔵庫、除湿器、ヒートポンプ式給湯機、ショーケース、掃除機など家電製品全般に適用可能であり、ファンモータや換気扇、手乾燥機などへの適用も可能である。
Claims (13)
- 直流電源とインバータとの間に直列に接続され、前記インバータに流れる電流を検出する電流検出手段と、
異常判定基準値を発生する過電流レベル生成手段と、
前記電流検出手段の出力と前記異常判定基準値とに基づき、前記インバータに対する遮断信号を生成する過電流検出手段と、
前記電流検出手段に定電流を印加したときの出力に基づき、前記過電流レベル生成手段の前記異常判定基準値を補正する調整装置と
を備え、
前記過電流レベル生成手段は、
固定抵抗と、該固定抵抗と並列に接続されるツェナーダイオードとを有する抵抗値調整部を1又は複数備え、前記抵抗値調整部の抵抗値に応じて前記異常判定基準値を発生し、
前記調整装置は、
前記ツェナーダイオードに逆バイアスを印加してザッピングし、前記異常判定基準値を補正することを特徴とする過電流検出回路。 - 直流電源とインバータとの間に直列に接続され、前記インバータに流れる電流を検出する電流検出手段と、
異常判定基準値を発生する過電流レベル生成手段と、
前記電流検出手段の出力と前記異常判定基準値とに基づき、前記インバータに対する遮断信号を生成する過電流検出手段と、
前記電流検出手段に定電流を印加したときの出力に基づき、前記過電流レベル生成手段の前記異常判定基準値を補正する調整装置と
を備え、
前記過電流レベル生成手段は、
レーザ照射により抵抗値が変化する抵抗器を有し、前記抵抗器の抵抗値に応じて前記異常判定基準値を発生し、
前記調整装置は、
レーザを照射するレーザ装置を有し、前記抵抗器にレーザを照射して抵抗値を変化させ、前記異常判定基準値を補正することを特徴とする過電流検出回路。 - 直流電源とインバータとの間に直列に接続され、前記インバータに流れる電流を検出する電流検出手段と、
異常判定基準値を発生する過電流レベル生成手段と、
前記電流検出手段の出力と前記異常判定基準値とに基づき、前記インバータに対する遮断信号を生成する過電流検出手段と、
前記電流検出手段に定電流を印加したときの出力に基づき、前記過電流レベル生成手段の前記異常判定基準値を補正する調整装置と
を備え、
前記過電流レベル生成手段は、
前記異常判定基準値に関する情報が記憶される記憶装置と、
前記記憶装置に記憶された情報に基づき前記異常判定基準値を発生するD/A変換回路とを有し、
前記調整装置は、
前記記憶装置に記憶された前記異常判定基準値に関する情報を変化させ、前記異常判定基準値を補正することを特徴とする過電流検出回路。 - 直流電源とインバータとの間に直列に接続され、前記インバータに流れる電流を検出する電流検出手段と、
異常判定基準値を発生する過電流レベル生成手段と、
前記電流検出手段の出力と前記異常判定基準値とに基づき、前記インバータに対する遮断信号を生成する過電流検出手段と、
前記電流検出手段に定電流を印加したときの出力に基づき、前記電流検出手段の出力を補正する調整装置と
を備え、
前記電流検出手段は、
レーザ照射により抵抗値が変化する抵抗器を有し、前記抵抗器の抵抗値に応じて前記インバータに流れる電流を検出し、
前記調整装置は、
レーザを照射するレーザ装置を有し、前記抵抗器にレーザを照射して抵抗値を変化させ、前記電流検出手段の出力を補正することを特徴とする過電流検出回路。 - 前記電流検出手段に印加される前記定電流の電流値は、過電流を検出すべき電流値であることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の過電流検出回路。
- 前記過電流検出手段は、
前記電流検出手段の出力が、前記異常判定基準値以上となったとき、前記遮断信号を出力し、
前記調整装置は、
前記異常判定基準値が、前記電流検出手段に過電流を検出すべき電流を印加したときの出力以下となり、且つ、前記電流検出手段に正常状態の最大電流を検出すべき電流を印加したときの出力を超えるように、前記異常判定基準値を補正することを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の過電流検出回路。 - 前記インバータによって駆動される負荷は、永久磁石型同期電動機であり、
前記電流検出手段に印加される前記定電流の電流値は、前記永久磁石型同期電動機が有する磁石を減磁させない電流値であることを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の過電流検出回路。 - 前記インバータによって駆動される永久磁石型同期電動機が有する磁石の温度を検出する温度センサと、
前記磁石の温度に基づき、前記異常判定基準値を補正する温度補正手段と
を更に備えたことを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の過電流検出回路。 - 請求項1〜8の何れかに記載の過電流検出回路を搭載したことを特徴とするインバータ。
- 請求項9記載のインバータと、
前記インバータにより駆動される電動機と
を備えたことを特徴とする圧縮機。 - 請求項9記載のインバータと、
前記インバータにより駆動される電動機と、
前記電動機により駆動される圧縮機と
を備えたことを特徴とする空気調和機。 - インバータに流れる電流を検出する電流検出手段と、異常判定基準値を発生する過電流レベル生成手段と、前記電流検出手段の出力と前記異常判定基準値とに基づき前記インバータに対する遮断信号を生成する過電流検出手段とを備え、前記異常判定基準値を調整する過電流検出回路の調整方法であって、
前記電流検出手段に所定の電流を印加する印加ステップと、
前記電流検出手段の出力を検出する検出ステップと、
検出された前記出力に基づき、前記過電流レベル生成手段の抵抗値を変化させて前記異常判定基準値を段階的に調整する調整ステップと
を有することを特徴とする過電流検出回路の調整方法。 - インバータに流れる電流を検出する電流検出手段と、異常判定基準値を発生する過電流レベル生成手段と、前記電流検出手段の出力と前記異常判定基準値とに基づき前記インバータに対する遮断信号を生成する過電流検出手段とを備え、前記異常判定基準値を調整する過電流検出回路の調整方法であって、
前記電流検出手段に所定の電流を印加する印加ステップと、
前記電流検出手段の出力を検出する検出ステップと、
検出された前記出力に基づき、前記過電流レベル生成手段の抵抗値を変化させて前記異常判定基準値を段階的に調整する調整ステップと、
前記所定の電流の電流値を変更し、前記印加ステップから前記調整ステップまでを繰り返すステップと
を有することを特徴とする過電流検出回路の調整方法。
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