JP5449069B2

JP5449069B2 - 冷蔵庫およびそれが有するブラシレスｄｃモータの運転方法

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Publication number: JP5449069B2
Application number: JP2010165140A
Authority: JP
Inventors: 直之小林; 和昭青木; 弘直釜谷; 孝行曵地; 信之長安
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2030-07-22
Also published as: JP2012029440A

Description

本発明は冷蔵庫およびそれが有するブラシレスＤＣモータの運転方法に係り、特にその冷却システムに用いる圧縮機を駆動するのに好適なブラシレスＤＣモータの運転方法に関する。

近年、冷蔵庫の圧縮機用電動機を駆動するインバータ装置では、電動機の回転数に応じて印加する波形の種類を変化させ、高効率化を図っている。インバータ装置を有する冷蔵庫では、インバータ装置が電動機すなわち圧縮機の回転数を制御し、冷蔵庫内の温度が冷却目標温度に対して差が大きい場合には圧縮機を高速で回転させ、早く冷蔵庫内の温度を下げようと動作させる。また、冷蔵庫内の温度が冷却目標温度に対し差が小さい場合には、圧縮機を低速で回転させ、低い消費電力で動作させる。このような冷蔵庫の従来例が、特許文献1に記載されている。

この特許文献１に記載の冷蔵庫では、全波整流回路と倍電圧整流回路とを用いて上記動作を実現しているが、その際これら２つの回路の切替時に大電流が流れることを防止するために、ゼロクロスを検出する回路を設けている。ところで、上記２つの回路の切替が頻繁に生じるとコンバータ装置の信頼性が低下するので、同様の構成を有する特許文献２では、空気調和機においてスイッチング素子の切替え時の設定上限値と下限値にヒステリシス特性を持たせている。

特開２００２−６４９９２号公報特開２００５−２８７１５８号公報

しかし、上記特許文献１に記載の冷蔵庫では、冷蔵庫を高効率化して省エネ運転することについては、十分には考慮されていない。すなわち、整流回路として倍電圧整流回路を動作させている状態で、圧縮機動作を制御する主制御部が電動機の目標回転数を低下させるように指令すると、電動機制御部はブラシレスＤＣモータの回転数を降下させるが、特定の回転数以下まで低下すると、本来高効率な全波整流回路による整流ではなく、効率の低い倍電圧整流回路による整流に頼らざるを得ず、消費電力の面で不具合を生じていた。

また、特許文献２に記載の空気調和機では、冷蔵庫についての発明ではないので、整流回路の単なる頻繁な切替防止について記載されているだけであり、冷蔵庫の高効率化による消費電力の低減については、まったく考慮されていない。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は全波整流回路と倍電圧整流回路とを切り替えて用いるブラシレスＤＣモータを有する冷蔵庫において、高効率な運転を継続して消費電力を低減することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、冷媒が圧縮される圧縮機を有し、この圧縮機を回転駆動するブラシレスＤＣモータと、このブラシレスＤＣモータを回転駆動するために、交流電力を直流電力に変換する整流および平滑回路と、この整流および平滑回路で変換された直流電力から前記ブラシレスＤＣモータに供給する交流電力に変換するインバータ回路と、前記整流および平滑回路と前記インバータ回路に指令して前記ブラシレスＤＣモータを回転制御する電動機制御部と、この電動機制御部に目標回転数を指令し、記憶部が付設された主制御部とを備えた冷蔵庫において、前記整流および平滑回路は、全波整流回路と、倍電圧回路と、これら全波整流回路と倍電圧回路を切り替える手段とを有し、前記記憶部に、前記ブラシレスＤＣモータを増速駆動するときに全波整流回路から倍電圧回路に切り替えるヒステリシス上限回転数と、前記ブラシレスＤＣモータを減速駆動するときに倍電圧回路から全波整流回路に切り替えるヒステリシス下限回転数とを記憶したことにある。

この特徴において、前記記憶部に、前記ブラシレスＤＣモータを減速駆動するときであって前記ヒステリシス上限回転数を超えた回転数からヒステリシス上限回転数とヒステリシス下限回転数の中間の回転数まで減速駆動する際に、ヒステリシス下限回転数よりも低い回転数まで倍電圧回路を用いて前記ブラシレスＤＣモータを減速駆動させてから全波整流回路に切り替えるとき切替え回転数である途中経由回転数を記憶するのが好ましい。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、冷蔵庫用の圧縮機を回転駆動する冷蔵庫用ブラシレスＤＣモータの運転方法であって、整流および平滑回路が有する全波整流回路と、倍電圧回路と、これら全波整流回路と倍電圧回路を切り替える手段とを用いて全波整流駆動と倍電圧駆動とを切替え、前記ブラシレスＤＣモータを増速駆動するときには前記全波整流回路から前記倍電圧回路にヒステリシス上限回転数で切替え、前記ブラシレスＤＣモータを減速駆動するときには倍電圧回路から全波整流回路に上記ヒステリシス上限回転数よりも低い回転数であるヒステリシス下限回転数で切り替え、前記ブラシレスＤＣモータを減速駆動するときであって前記ヒステリシス上限回転数を超えた回転数からヒステリシス上限回転数とヒステリシス下限回転数の中間の回転数まで減速駆動するときは、ヒステリシス下限回転数よりも低い途中経由回転数まで連続的に減速し、その後全波整流駆動に切り替えて目標回転数まで増速させることにある。

そしてこの特徴において、前記途中経由回転数まで減速したときに、予め設定したタイマ時間だけその途中経由回転数で継続的に運転するのがよく、さらにブラシレスＤＣモータを制御する電動機制御部から前記圧縮機を制御する主制御部に、全波整流駆動と倍電圧駆動の切替え情報を送信するものが好ましい。さらにまた、前記主制御部にデータを送信する記憶部を設け、この記憶部に記憶した前記ヒステリシス上限回転数およびヒステリシス下限回転数、途中経由回転数、タイマ時間を用いて全波整流駆動と倍電圧駆動とを切り替えるのがよい。

本発明によれば、全波整流回路と倍電圧整流回路とを切り替えて用いるブラシレスＤＣモータを有する冷蔵庫において、圧縮機のヒステリシス特性を考慮して高効率な運転を継続するので、消費電力を低減できる

本発明にかかる冷蔵庫が備えるブラシレスＤＣモータの制御動作を説明する図で、回転数変化を示すグラフ。図１に示した制御における切替え時の動作を説明する図。本発明に係る冷蔵庫が備えるブラシレスＤＣモータとその制御装置一実施例の制御回路図。本発明にかかる冷蔵庫の回転数制御の一実施例のフローチャート。

本発明に係る冷蔵庫の実施の形態を、図面を用いて説明する。図３に、冷蔵庫の制御回路を、冷却システムが有する圧縮機１０を回転駆動するモータを含めて示す。交流電圧１００Ｖを、２つの整流回路で整流する。すなわち、４個の整流用ダイオードブリッジ接続して構成される全波整流回路１ａと、２個の電解コンデンサを直列に接続して構成される倍電圧回路１ｂである。全波整流回路１ａでは全波整流され、倍電圧回路１ｂでは倍電圧に変換される。

整流された電源電圧は、平滑回路２で平滑化され、変動の少ない直流電圧に変換される。全波整流回路１ａと倍電圧回路１ｂの間には、切替スイッチ３が設けられており、以下に詳細を述べるように運転状況に応じて、全波整流回路１ａと倍電圧回路１ｂとを切り替える。

平滑回路２で平滑化された直流電圧は、インバータ回路４に印加される。インバータ回路４では、ブラシレスＤＣモータ５への三相交流電流に変換する。インバータ回路４は、６個のスイッチング素子を有しており、これらのスイッチング素子を三相のブリッジ接続している。ブラシレスＤＣモータ５は、インバータ回路４から出力された三相交流電流により駆動される。

ブラシレスＤＣモータ５を駆動する際には、電動機制御部７が位置検出器６からの出力結果に基づいてブラシレスＤＣモータ５の回転数を算出する。そして、詳細を後述するように、算出したブラシレスＤＣモータ５の回転数が、主制御部８から指令された圧縮機の目標回転数になるよう、電動機制御部７がインバータ回路４を制御する。圧縮機１０とブラシレスＤＣモータ５とは同一回転数で回転する。電動機制御部７は切替スイッチ３も制御し、ブラシレスＤＣモータ５の回転数に応じて、全波整流回路１ａと倍電圧回路１ｂ間のＯＮ／ＯＦＦを切替える。この切替スイッチ３が全波整流側か（ＯＦＦ状態）、もしくは倍電圧側（ＯＮ状態）かの情報が、電動機制御７から主制御部８へ、送信される。

主制御部８は、図示しない冷蔵室温度センサ入力部や冷却ファン制御入出力部、ダンパー制御入出力部、ヒータ制御部等を含む温度制御部を有し、この温度制御部からの出力に基づいてブラシレスＤＣモータ５の目標回転数を決定し、電動機制御部７に送信する。そして、目標回転数となるよう電動機制御部７からインバータ回路４を制御する。

主制御部８には記憶部９が付設されている。記憶部９には詳細を後述するヒステリシス上限回転数Ｌ２及びヒステリシス下限回転数Ｌ１、途中経由回転数Ｎ１等が記憶されている。記憶部９に予め設定したヒステリシス上限回転数Ｌ２及びヒステリシス下限回転数Ｌ１、途中経由回転数Ｎ１、一定時間待ちタイマＴＭのデータの設定値をもとに、主制御部８が電動機制御部７に目標回転数を指令する。

電動機制御部７は、ブラシレスＤＣモータ５の回転数が主制御部８から送られた目標回転数に近づくよう、インバータ回路４のスイッチング素子を制御する。つまり、位置検出器６から送られてくる実際の回転数を参照しながら、電動機制御部７が算出した回転数が低速の場合には、切替スイッチ３を全波整流回路１ａに切り替え、全波整流で駆動する。逆に、実際の回転数を参照しながら電動機制御部７が算出した回転数が高速の場合には、切替スイッチ３を倍電圧回路１ｂに切り替え、倍電圧で駆動する。

この理由は、全波整流回路１ａを用いてブラシレスＤＣモータ５を高速で駆動しようとしても、逆起電力が増加し回転数が上昇しないからであり、全波整流に代わって電圧の大きい倍電圧回路１ｂを用いて駆動する。反対に、倍電圧回路１ｂを用いてブラシレスＤＣモータ５を低速で駆動させることは可能だが、全波整流回路１ａを用いたときよりも効率が悪いので、低速では効率の良い全波整流で駆動する。

つまり、インバータ回路４に全波整流を印加してブラシレスＤＣモータ５を低速で回転させている状態から、インバータ回路４に倍電圧を印加させる範囲までブラシレスＤＣモータ５の回転数を上昇させる場合には、電動機制御部７は、ブラシレスＤＣモータ５の印加電圧を変化させずに回転数を上昇させていき、途中の所定切替回転数で倍電圧に切り替える。上述とは逆に、インバータ回路４に倍電圧を印加してブラシレスＤＣモータ５を高速で回転させている状態から、インバータ回路４に全波整流を印加させる範囲の回転数までブラシレスＤＣモータ４の回転数を降下させる場合には、ブラシレスＤＣモータ４の印加電圧を一定の状態で回転数を降下させていき、途中の所定切替回転数で全波整流に切り替える。

ここで、全波整流と倍電圧を切り替える切替スイッチ３の切り替えタイミングが重要になる。このタイミングについて、図１および図２を参照しながら説明する。図１は、ブラシレスＤＣモータ５の回転数変化と印加波形の関係を説明する図であり、図２はブラシレスＤＣモータの回転数と効率との関係を、説明する図である。

切替スイッチ３を全波整流側と倍電圧側に切り替える回転数が、例えば１９００ｍｉｎ^−１に設定されていて、目標回転数も１９００ｍｉｎ^−１付近にあったとする。負荷（圧縮機の負荷）の変動が原因でブラシレスＤＣモータ５の回転数がふらつくと、切替スイッチ３が短い時間の間に何度も切り替わる現象が発生する。そこで、この不具合を回避するため、全波整流の状態から回転数を上昇させて倍電圧に切り替える回転数と、倍電圧の状態から回転数を降下させて全波整流に切り替える回転数を異なる値に定め、ヒステリシス領域を設ける。

例えばブラシレスＤＣモータ５に全波整流を印加し、回転数１６００ｍｉｎ^−１で駆動している状態において、主制御部８が目標回転数を２４００ｍｉｎ^−１に変更したら、目標回転数を受信した電動機制御部７は回転数を上昇させる(図２の矢印ａ、ｂ)。そして、２０００ｍｉｎ^−１で切替スイッチ３を倍電圧側に切り替え（図２の矢印ｘ_１）、倍電圧でブラシレスＤＣモータ５を駆動させ(図２の矢印ｃ)、回転数を２４００ｍｉｎ^−１にする。逆に、ブラシレスＤＣモータ５に倍電圧を印加し回転数を２４００ｍｉｎ^−１で駆動しているときに、主制御部８が目標回転数を１６００ｍｉｎ^−１に変更したら、目標回転数を受信した電動機制御部７は、回転数を降下させる(図２の矢印ｄ)。そして、回転数が１８００ｍｉｎ^−１になったら、切替えスイッチ３を全波整流に切り替え(図２の矢印ｘ_２)、全波整流でブラシレスＤＣモータ５を駆動し(図２の矢印ｆ、ｇ)、回転数を１６００ｍｉｎ^−１にする。

以上は、一般的なヒステリシス運転動作であるが、本発明ではさらにブラシレスＤＣモータ５を高効率で運転して消費電力を低減するために、詳細を以下に示す全波整流と倍電圧との切替制御を実施している。図４に示したフローチャートをもあわせて参照して、その制御方法について説明する。この実施例では、ヒステリシス下限回転数よりもさらに低回転数領域に途中経由回転数を設定している。

図４のフローチャートにおいて、電動機制御部７は、ステップＳ１００で制御を開始する。初めに、電動機制御部７は、主制御部８から目標回転数Ｎ２が変更指示されたか否かを調べる(ステップS１１０)。目標回転数Ｎ２の変更指示がない場合は、一旦ブラシレスＤＣモータ５の回転数制御を終了(ステップＳ２００)し、次の割り込み指示または所定時間の経過を待って回転数制御を再開する。

目標回転数Ｎ２の変更が指示されているときは、その指示回転数とヒステリシス上限回転数Ｌ２およびヒステリシス下限回転数Ｌ１との関係をステップＳ１２０、Ｓ１３０で調べる。目標回転数Ｎ２が、ヒステリシス上限回転数Ｌ２とヒステリシス下限回転数Ｌ1とで定まるヒステリシス領域の外にあるときは、目標回転数Ｎ２に対応した全波整流または倍電圧のいずれかに切替えて、目標回転数Ｎ２を設定する(ステップＳ１８０)。

目標回転数Ｎ２がヒステリシス領域にあるときは、それまで設定されていた目標回転数(前回目標回転数)がヒステリシス上限回転数Ｌ２よりも高回転数であるか否かをステップＳ１４０で判断する。この判断は、倍電圧領域から回転数を低下させる制御か否かを判断するものである。ヒステリシス領域内での速度の変化またはヒステリシス下限回転数よりも低速からの増速の場合には、ヒステリシス領域外への目標設定のときと同様に、ステップＳ１８０に進んで、目標回転数をＮ２に設定する。

ヒステリシス上限回転数Ｌ２よりも高速回転のときにヒステリシス領域まで減速させる場合には、ステップＳ１５０に進んで、ヒステリシス下限回転数よりもさらに低い回転数である途中経由回転数Ｎ１に、目標回転数を暫定的に設定する。目標回転数をＮ１に設定したら、回転数安定時間タイマＴＭをカウントし始める(ステップＳ１６０)。所定数だけタイマＴＭがカウントしたら(ステップ１７０参照)、目標回転数をＮ２に設定変更する(ステップＳ１８０)。ここで、回転数安定時間タイマＴＭが所定カウントするまで目標回転数の設定時間を遅らせているのは、主制御部から目標回転数が頻繁に変更指示され、それによりヒステリシス領域内とヒステリシス領域外とを、設定目標回転数が頻繁に往復するのを防止するためである。

さらに具体的な例を、以下に説明する。記憶部９から読み出した設定値が、ヒステリシス上限回転数Ｌ２、Ｌ２＝２０００ｍｉｎ^−１、ヒステリシス下限回転数Ｌ１、Ｌ１＝１８００ｍｉｎ^−１、途中経由回転数Ｎ１、Ｎ１＝１６００ｍｉｎ^−１、一定待ち時間Δｔ、Δｔ＝１分の場合である。

ブラシレスＤＣモータ５を回転駆動して高速回転させるために、全波整流回路１ａを用いてブラシレスＤＣモータ５を立ち上げる。そして、ヒステリシス上限回転数であるＬ２＝２０００ｍｉｎ^−１に達した時間ｔａに、全波整流回路１ａではもはや動力が不足するので、倍電圧回路１ｂに切り替えて増速させる。その後、目標回転数が２４００ｍｉｎ^−１なので、倍電圧回路１ｂ側を使用し続ける。

この状態において、時間ｔｂの時点でブラシレスＤＣモータ５の最終目標回転数がヒステリシス領域の回転数である回転数１９００ｍｉｎ^−１になるよう、主制御部８から変更指示がくる。そこで時間ｔｂになったら、主制御部８から電動機制御部７へ送信される目標回転数を、一旦、ヒステリシス下限回転数Ｌ１よりも確実に低い途中回転数Ｎ１（Ｎ１＝１６００ｍｉｎ^−１）に変更する。このとき倍電圧駆動は継続される。ブラシレスＤＣモータの回転数が、途中経由回転数１６００ｍｉｎ^−１まで低下したことを確認して、切替スイッチ３をＯＦＦ側（全波整流側）に切り替え全波整流とする。すなわち、図２において、矢印ｄ、ｅ、ｈの順に進み、矢印ｘ３の切替を経る。

主制御部８は、電動機制御部７から切替スイッチ３がＯＦＦ状態に切り替わったことを受信して、待ち時間１分が経過すると、目標回転数Ｎ２をヒステリシス領域内の最終目標回転数である１９００ｍｉｎ^−１に設定する。ブラシレスＤＣモータは全波整流で駆動されて、目標回転数Ｎ２になる(図２の矢印ａ、ｂ)。これにより、倍電圧側からヒステリシス領域に入った場合、すなわち減速する場合に効率の良い全波整流回路１ａを用いた運転とすることができる。

なお、ヒステリシス領域で全波整流に変更した後、ブラシレスＤＣモータ５の回転数がふらついて回転数がヒステリシス領域を超える２０００ｍｉｎ^−１以上の高速になると、電動機制御部７は再度倍電圧に変更する。当然ながら、この場合には再度全波整流に戻す制御は実施されない。

また上記実施例では、切替スイッチ３が全波整流と倍電圧の切替を実施している。その際、全波整流では切替スイッチ３が常時ＯＦＦであるが、倍電圧では電源電圧の半波ごとにＯＮ／ＯＦＦを繰り返す。この状態を本実施例では、切替スイッチ３がＯＮであるとしている。

以上述べたように本実施例によれば、ブラシレスＤＣモータの回転数や負荷により、インバータ回路への印加波形を全波整流と倍電圧に切り替えて制御する電動機制御部しか有していなくても、全波整流と倍電圧のヒステリシス領域で回転駆動する場合に、途中経由回転数を設けてブラシレスＤＣモータを効率が良い状態で駆動するので、電力消費を低減できる。また、確実に全波整流の駆動域である途中経由回転数と、ヒステリシス領域の最終目標回転数とに分けて、主制御部８から回転数を複数回指令するようにしたので、ハンチング等の不安定回転を防止できる。

また、上記実施例によれば、ヒステリシス領域で効率の良い全波整流を用いることが可能になる。一定時間経過後(例えば１分後)に本来の目標の回転数に設定することにより、ブラシレスＤＣモータをヒステリシス領域において効率の良い全波整流で駆動させるので、信頼性が向上する。さらに、主制御部が途中経由回転数を設定後に切替えスイッチが全波整流側に切り替わったことを受信するので、ブラシレスＤＣモータをヒステリシス領域において効率の良い全波整流で駆動させることができ、信頼性が向上する。ヒステリシス上限回転数やヒステリシス下限回転数、途中経由回転数、一定時間待ちタイマなどの設定値を記憶部に記憶させたので、同様の制御に対し、機種毎に異なる設定が可能になり、信頼性が向上する。

１ａ全波整流回路
１ｂ倍電圧回路
２平滑回路
３切替えスイッチ
４インバータ回路
５ブラシレスＤＣモータ
６位置検出器
７電動機制御部
８主制御部
９記憶部
１０圧縮機。

Claims

冷媒が圧縮される圧縮機を有し、この圧縮機を回転駆動するブラシレスＤＣモータと、このブラシレスＤＣモータを回転駆動するために、交流電力を直流電力に変換する整流および平滑回路と、この整流および平滑回路で変換された直流電力から前記ブラシレスＤＣモータに供給する交流電力に変換するインバータ回路と、前記整流および平滑回路と前記インバータ回路に指令して前記ブラシレスＤＣモータを回転制御する電動機制御部と、この電動機制御部に目標回転数を指令し、記憶部が付設された主制御部とを備えた冷蔵庫において、
前記整流および平滑回路は、全波整流回路と、倍電圧回路と、これら全波整流回路と倍電圧回路を切り替える手段とを有し、
前記記憶部に、前記ブラシレスＤＣモータを増速駆動するときに全波整流回路から倍電圧回路に切り替えるヒステリシス上限回転数と、前記ブラシレスＤＣモータを減速駆動するときに倍電圧回路から全波整流回路に切り替えるヒステリシス下限回転数とを記憶し、
前記記憶部に、前記ブラシレスＤＣモータを減速駆動するときであって前記ヒステリシス上限回転数を超えた回転数からヒステリシス上限回転数とヒステリシス下限回転数の中間の回転数まで減速駆動する際に、ヒステリシス下限回転数よりも低い途中経由回転数まで連続的に減速し、その後全波整流駆動に切り替えて目標回転数まで増速させることを特徴とする冷蔵庫。
冷蔵庫用の圧縮機を回転駆動する冷蔵庫用ブラシレスＤＣモータの運転方法であって、整流および平滑回路が有する全波整流回路と、倍電圧回路と、これら全波整流回路と倍電圧回路を切り替える手段とを用いて全波整流駆動と倍電圧駆動とを切替え、前記ブラシレスＤＣモータを増速駆動するときには前記全波整流回路から前記倍電圧回路にヒステリシス上限回転数で切替え、前記ブラシレスＤＣモータを減速駆動するときには倍電圧回路から全波整流回路に上記ヒステリシス上限回転数よりも低い回転数であるヒステリシス下限回転数で切り替え、前記ブラシレスＤＣモータを減速駆動するときであって前記ヒステリシス上限回転数を超えた回転数からヒステリシス上限回転数とヒステリシス下限回転数の中間の回転数まで減速駆動するときは、ヒステリシス下限回転数よりも低い途中経由回転数まで連続的に減速し、その後全波整流駆動に切り替えて目標回転数まで増速させることを特徴とする冷蔵庫用ブラシレスＤＣモータの運転方法。
前記途中経由回転数まで減速したときに、予め設定したタイマ時間だけその途中経由回転数で継続的に運転することを特徴とする請求項２に記載の冷蔵庫用ブラシレスＤＣモータの運転方法。
前記ブラシレスＤＣモータを制御する電動機制御部から前記圧縮機を制御する主制御部に、全波整流駆動と倍電圧駆動の切替え情報を送信することを特徴とする請求項３に記載の冷蔵庫用ブラシレスＤＣモータの運転方法。
前記主制御部にデータを送信する記憶部を設け、この記憶部に記憶した前記ヒステリシス上限回転数およびヒステリシス下限回転数、途中経由回転数、タイマ時間を用いて全波整流駆動と倍電圧駆動とを切り換えることを特徴とする請求項４に記載の冷蔵庫用ブラシレスＤＣモータの運転方法。