JP5643211B2 - コンプレッサ、可変容量コンプレッサ、及び冷却システム用の可変速電気モータを駆動するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

この発明は、モータの電流のフリーホイール（free-wheel）期間内での、出口（outlet）段階（インバータブリッジ）での能動スイッチ（例えばＭＯＳＦＥＴ）の駆動により、冷却システム内での可変容量コンプレッサ（ＶＣＣ）の駆動に使用される周波数インバータの効率を向上することを目的として、コンプレッサ、可変容量コンプレッサ、及び冷却システム用の可変速電気モータを駆動するためのシステム及び方法に関連する。

最も厳しい効率の要件を満たすために、国内及び商用の冷却システムは共に、可変容量コンプレッサを使用する選択肢を有する。可変容量コンプレッサは、その名のとおり、システムの要件に従って、冷媒ガスがポンプで注入される速度（より厳密には、循環速度）を変化させることにより、冷却容量が調整されるのを可能にする。

可変容量コンプレッサは、モータの回転速度の変化により、冷媒ガスの最低循環速度から最高循環速度への移行を達成する。回転の変化は、周波数インバータとして知られる電子制御の使用を通じて達成される。周波数インバータは、モータに印加される電流及び周波数を調整する。

周波数インバータは、パルス幅変調（ＰＷＭ）を使用する。換言すれば、モータに印加される電流のパルス幅が、ＰＷＭ変調器により制御される。ＰＷＭ変調器は、要求される回転に比例してパルスの幅（持続時間）を定義すると共に、電源の負荷及び電流に従ってパルスの幅を調整する。モータに印加される電流は、パルス状であり、一般に数ｋＨｚの整流周波数を有する。

ＰＷＭ変調は、３つのアームの組により形成されるインバータブリッジを使用して、モータの相に印加される。各アームは、モータの３つの相の１つに電流を印加することを担う。インバータブリッジの各アームは、２つの能動半導体スイッチ（ＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴ）、以後能動スイッチと表す、を備える。各能動スイッチは並列に、同じアームの相補能動スイッチが遮断位置（cut-off position）にある（開放している、または電流を導通していない）ときに、モータの相を通って電流を導通するために、分極（polarized）受動半導体スイッチ（ＤＩＯＤＥ）、以後受動スイッチと表す、を有する。３相インバータブリッジのこの古典的な構成において、各アームの２つの能動スイッチの１つ（上位（upper）スイッチ）は、直流リンク（ＤＣ ＬＩＮＫ）の正極に接続され、相補スイッチ（下位（lower）スイッチ）は、ＤＣ ＬＩＮＫの負極に接続される。モータの相は、同じアームの２つのスイッチの中間点で接続される。

異なるアームの上位及び下位の２つの能動スイッチに命令を与えると、ＤＣ ＬＩＮＫから電気モータに電気エネルギの転送が起こる。電流は、ＤＣ ＬＩＮＫにより形成される閉路（通常、電解コンデンサにより得られるエネルギの貯蔵段階から構成される）を通り、能動上位スイッチを通り、電気モータの第１の相を通り、電気モータの第２の相を通り、この第２の相に接続される下位スイッチを通り、ＤＣ ＬＩＮＫに戻ることにより循環する。

ＰＷＭ変調の目的は、整流期間内の一定期間内でＤＣ ＬＩＮＫの電流を制限することにより、モータに印加される平均瞬間電流を調整することなので、２つの主要な状態、即ち、上記のように、モータへのエネルギの転送が起こる第１の状態と、以前導通していた上位能動スイッチが遮断（開放）され、モータにエネルギを転送しない第２の状態とが起こる。しかし、電流は、負荷（モータ）の誘導性（inductive nature）により循環し続け、同じ下位能動スイッチを通り、以前導通していた能動スイッチに相補的な能動スイッチに並列の受動スイッチ（ＤＩＯＤＥ）を通る新たな循環経路を見付ける。電流は、ゼロに達しなければ、上位能動スイッチが導通するように再び命令される次の整流期間の開始まで、この回路を通って循環し続けるだろう。モータへのエネルギの転送がない（ダイオードの導通がある）この期間は、モータの電流のフリーホイール段階として知られ、フリーホイール電流として参照される。フリーホイール電流が次の整流期間の開始前にゼロに達すれば、このフリーホイール回路内のダイオードは電流を妨げるだろう。

ＰＷＭ変調は、モータに供給される電圧及び基本電流を整えるために、所定の関数を観測する。この関数は、モータの型及び制御に依存して、様々な型（正弦形、方形、台形等）であり得る。しかし、電圧及び電流がモータに印加される方法にかかわらず、より厳密にはＰＷＭ変調が従う関数から独立して、同じアームの上位能動スイッチが遮断（開放）される瞬間から、下位能動半導体に並列のダイオードを通って、フリーホイール電流の導通が常にあるだろう。結果として、このフリーホイール電流は、このフリーホイールダイオード内に導通の損失を引き起こす。損失は、フリーホイール電流の量及びダイオードの導通特性、例えば直流分極（direct polarization）及び動作インピーダンスの接合の電圧等、に比例する。

高効率冷却システムにおいて、可変容量コンプレッサを使用すると、フリーホイール電流に起因する損失は、システムが殆どの時間動作し続ける動作の段階で、より厳密にはコンプレッサの内部モータが低回転及び低瞬間電力（または定常状態電力）の状態にあり、システムが熱平衡の状態にあるときに、重要になる。

最新技術において、ＩＧＢＴ型及びＭＯＳＦＥＴ型の能動スイッチが共に使用される。ＩＧＢＴの場合、フリーホイールダイオードが、意図的に並列に、一般にＩＧＢＴ能動スイッチと同じ筐体内に設置される。ＭＯＳＦＥＴの場合、フリーホイールダイオードが、同じ筐体で並列に存在し、一般に悪い整流特性（低整流ダイオード）、及びＩＧＢＴと共に使用されるダイオードと同様の導通を有する部品になる。

どちらの場合も、このフリーホイールダイオード内の導通による損失、及びエネルギのより大きな損失を引き起こすことは、インバータブリッジの温度のより大きな上昇、及び結果として生じる、製品の信頼性への否定的な影響の一因ともなる。他方、電子部品に対して最大動作温度を設定することは、インバータブリッジにより処理される、限られた量のエネルギをもたらす。この点において、導通損失を低減することは、同じ最大量の温度を維持する一方で、処理されるエネルギの上限を引き上げることの一因となる。

本発明の目的は、可変容量コンプレッサを備える冷却システム内で使用される周波数インバータ内での相補ＰＷＭ変調の技術の使用を通じて、
− 冷却システム内の可変容量コンプレッサ（ＶＣＣ）内で使用されるインバータ内のフリーホイール電流により引き起こされる導通損失を低減するために、相補ＰＷＭ変調を使用し、
− 定常状態条件で動作するときに、フリーホイール電流による導通損失を低減することにより、冷却システムの全体効率を向上させ、
− ＶＣＣコンプレッサを備える冷却システムが市場により要求される最高効率基準を達成できるように貢献し、
− フリーホイール電流による導通損失の低減を通じて動作温度を低減することにより、電子回路の信頼性を向上させ、
− 同じ量のフリーホイール電流に対する温度のより小さな上昇により、（電子部品の最大安全動作温度により制限される）最大処理エネルギが増加することを可能にし、
− フリーホイール電流による導通損失の低減により、インバータブリッジ内に生成される熱の散逸に関連する材料及び／またはコストの低減を可能にすることである。

概括的に言えば、本発明の目的は、可変容量コンプレッサを操作するために使用される周波数インバータ内での、同じインバータブリッジアームの、２つのＭＯＳＦＥＴ能動スイッチの相補駆動技術、即ち相補ＰＷＭ変調としても知られる方法、の使用により達成される。

本発明の目的を実現する方法の１つは、通常フリーホイール電流を導通する受動半導体（ＤＩＯＤＥ）内の導通損失を低減する、公知の方法の使用による。これらの目的を達成するために、一般に「相補ＰＷＭ変調」として知られるこの方法は、高効率冷却システム内のインバータの操作で使用される。システムは、ＰＷＭ変調された信号により操作される可変速電気モータに電気的に接続されるインバータブリッジを備える。ＰＷＭ変調は、モータへのエネルギ転送がある期間（または「Ｔ_ＯＮ」期間）及び電流がフリーホイールの状態で循環する期間（または「Ｔ_ＯＦＦ」期間）により識別される２つの主要な段階からなる。使用される方法は、同じアームの能動スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）の組を相補的に操作して、フリーホイール電流が、フリーホイールダイオードではなく、導通するように命令されたＭＯＳＦＥＴ能動スイッチの経路を通って循環するようにするという主要な目的を有する。

また、本発明の教示に従って、所望の目的は、電気モータに電気的に接続されるインバータブリッジを備え、インバータブリッジは相補ＰＷＭ変調により操作される、コンプレッサ用の可変速電気モータの、駆動システムを通じて達成される。相補ＰＷＭ変調は、電気モータの回転で操作されるが、その回転は、参照回転に対して大幅に低い。相補ＰＷＭ変調速度は、参照電力に対して大幅に低い電気モータの電力で操作される。

さらに、本発明の目的は、電気モータに電気的に接続されるインバータブリッジを備える、コンプレッサ用の可変速電気モータの、駆動システムを通じて達成される。インバータブリッジは、能動スイッチでできており、能動スイッチは、受動スイッチと並列に１つずつ接続される。各受動スイッチは、２つの受動端子を備え、各能動スイッチは、２つの能動端子を備える。各能動スイッチは、それぞれの受動スイッチと共に単一のケーシングを形成する。能動スイッチは、調整可能な時間に導通を開始する。能動スイッチは、それぞれの受動スイッチの受動端子間の電圧より大幅に小さい、能動端子間の電圧により導通を開始する。

また、目的は、インバータブリッジ及び電気モータを使用し、電気モータからの電力信号の取得段階と、電気モータからの回転信号の取得段階と、電気モータからの電力信号の、参照電力量との比較段階と、電気モータからの回転信号の、参照回転量との比較段階と、回転及び電力の比較の結果がそれぞれの参照量より低い量を示すときの、相補ＰＷＭ変調を通じたインバータブリッジの操作段階とを有する、コンプレッサ用の可変速電気モータの、駆動方法により達成される。

本発明の目的はまた、ここに説明するように、操作システムにより供給される可変容量コンプレッサを通じて達成される。

最後に、目的は、本発明の教示に従って、電気モータ制御システムを備える冷却システムを通じて達成される。

本発明は、追って、図面に基づいてより詳細に説明されるだろう。図面は、以下を示す。

最も基本的な部品を備える周波数インバータの出口段階。 ２つの主要な段階、即ちＴ_ＯＮ及びＴ_ＯＦＦ、及び最新技術に従って変調で電流により取られる経路を示す、従来のＰＷＭの動作の例。 ２つの主要な段階を示し、第２の段階（図２（ｂ））でフリーホイール電流が能動スイッチを通って循環し、損失の低減を得て、可変容量コンプレッサを使用する冷却システムに対して本発明の目的を達成することを示す、本発明で使用されるものに従う、相補ＰＷＭの動作の例。 従来のＰＷＭ法及び相補ＰＷＭ法を使用する、図２及び図３に示される例に含まれる３つの能動スイッチの操作信号を示す。 インバータブリッジの３つのアームに適用される相補動作を示す。

図１は、最も基本的な部品を備える周波数インバータの出口段階を例示する。図には、能動スイッチ及び受動スイッチ（それぞれＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４、Ｓ_５、Ｓ_６及びＤ_１、Ｄ_２、Ｄ_３、Ｄ_４、Ｄ_５、Ｄ_６）の、６組の並列接続により形成される、インバータブリッジ１１が示される。ＰＷＭ型のコマンド信号が印加され、コマンド信号はＴ_ＯＮ期間及びＴ_ＯＦＦ期間にそれぞれオン状態及びオフ状態を仮定できる。周波数インバータはまた、基本回路と、キャパシタＣ_ＬＩＮＫにより形成されるエネルギ貯蔵段階とを備える。電気モータ１０は、３つの誘導素子１、２、及び３により示され、各誘導素子は、３相モータの１つの相を示す。

図１に示されるインバータブリッジは、モータの相に、Ｃ_ＬＩＮＫ素子に貯蔵されたエネルギを供給する。Ｃ_ＬＩＮＫは、ここに示されない古典的な素子を介して外部電源（例えば、交流電流電気網に接続される整流ブリッジ、代替エネルギ源に接続される他のエネルギ変換段階等）から電気エネルギを受信する。誘導素子１、２、及び３は、電気モータ１０を示し、電気モータ１０は、例えば冷却システムの冷却ガス圧縮ポンプ、または電気モータ１０に接続される別の負荷を操作する。それゆえに、インバータブリッジスイッチ内の導通損失の低減のための行動が、システムの全体効率を増大させることは明らかである。

図２（ａ）は、従来のＰＷＭサイクルを示す。第１の段階で、電気モータ１０へのエネルギ転送は、例えばＭＯＳＦＥＴ型の、能動スイッチＳ_１及びＳ_４により形成される経路を通る。このことは、導通抵抗による、両スイッチ内のエネルギ損失をもたらす。Ｓ_１が開放するように命令された瞬間から、電流は受動スイッチＤ_２（Ｓ_２に逆並列のダイオードにより示される−図２（ｂ）に示される状況を参照）を通って循環を維持する。エネルギ損失は、受動スイッチＤ_２及び能動スイッチＳ_４の導通により起こる。整流期間の終わりに、能動スイッチＳ_１の導通への命令により、新たなサイクルが始まる。

上位スイッチ及び下位スイッチの他の組み合わせは、図２に説明されるものと（示される電気的配置の観点から）同じ方法で、電気エネルギの供給が必要とされる相に依存して動作する（例えば、同じものが、Ｓ_３、Ｓ_６、及びＤ_４の組やＳ_５、Ｓ_２、及びＤ_６の組、Ｓ_１、Ｓ_６、及びＤ_２の組等に適用される）。

図３は、図２の比較図を示し、本発明の目的を達成するために一連の能動スイッチを操作することにおいて行われる変更を示す。

第１の段階は、図２に示されるもの（上記を参照）と異ならない、換言すれば、同じ閉路が、電気モータ１０へのエネルギの供給の間の電流循環に対して維持され、また、２つのＭＯＳＦＥＴ型の能動スイッチの導通により同じ損失を維持することが分かる。電流がフリーホイールで循環する、第２の主要なＰＷＭ段階で既に、以前開放していたものに相補的なスイッチが意図的に操作され、例ではＳ_２が操作される。このことは、電流が、受動スイッチＤ_２の代わりに、能動スイッチＳ_２の経路を通って循環することを可能にする。

電流は、能動スイッチＳ_２の端子間の電圧降下が受動スイッチＤ_２の導通に必要な電圧降下より小さいという条件で、能動スイッチＳ_２を通って優先的に循環する。本発明の目的は、主に定常状態の動作条件で冷却システムの効率を増大させること（低消費）なので、インバータブリッジにより導通される電流は、低振幅であり、それゆえに導通による損失を低減し、電流が能動スイッチを通って、より厳密にはＭＯＳＦＥＴ経路を通って循環することを可能にすることに注目できる。

図３は、ＰＷＭ整流期間の２つの主要な段階、即ち、電気モータ１０へのエネルギの転送が実現される第１の段階（図３（ａ）を参照）と、電流がフリーホイールで循環する第２の段階（図３（ｂ）を参照）とだけを示すことに注目すべきである。しかし、相補ＰＷＭ変調を得るために、上位能動スイッチ（この例ではＳ_１）の開放と、同じアームの下位能動スイッチ（この例ではＳ_２）の操作との間に、通常、最小限の時間間隔がある。

上記の例を参照して、概括的に言えば、上位能動スイッチＳ_１、Ｓ_３、及びＳ_５は１次能動スイッチと命名され、下位スイッチＳ_２、Ｓ_４、及びＳ_６は２次能動スイッチと命名され得る。従って、本発明の教示が実装されると、供給時間Ｔ_ＯＮの状態と切断時間Ｔ_ＯＦＦの状態との間を入れ替えることにより、２次能動スイッチは、１次能動スイッチＳ_１、Ｓ_３、Ｓ_５の切断時間Ｔ_ＯＦＦよりわずかに短い継続時間である相補供給時間Ｔ_ＯＮ−Ｃにより供給される。優先的に、２次能動スイッチＳ_２、Ｓ_４、Ｓ_６の操作は、不感時間Ｔ_Ｍの後にだけ起こるようにすべきである。不感時間Ｔ_Ｍは、１次スイッチＳ_１、Ｓ_３、Ｓ_５の切断から計数される。

同じ論理がスイッチの再接続に適用される。即ち、２次能動スイッチＳ_２、Ｓ_４、Ｓ_６は、１次能動スイッチＳ_１、Ｓ_３、Ｓ_５が再び操作される前に切断され、２次能動スイッチＳ_２、Ｓ_４、Ｓ_６は、１次能動スイッチＳ_１、Ｓ_３、Ｓ_５の操作の前に不感時間Ｔ_Ｍにより切断される。換言すれば、類推的に、新たな整流期間の始まりにおける、下位スイッチの開放と上位スイッチの操作との間の最小限の時間間隔（不感時間Ｔ_Ｍ）が使用される。

不感時間としても知られる、最小限の時間間隔Ｔ_Ｍの主要な目的は、同じアームの２つのスイッチ、例えばＳ_１とＳ_２、Ｓ_３とＳ_４、及びＳ_５とＳ_６、の間に同時に起こる導通がないことを保証することである。この状況は、Ｃ_ＬＩＮＫキャパシタの短絡と、含まれる部品への永続的な損傷の可能性とをもたらすだろう。

上位スイッチ及び下位スイッチの他の組み合わせは、図３に示されるものと同じ方法で、電気エネルギが供給される相に依存して動作する（例えば、同じものが、Ｓ_３、Ｓ_６、及びＳ_４の組やＳ_５、Ｓ_２、及びＳ_６の組、Ｓ_１、Ｓ_６、及びＳ_２の組等に適用される）。

図４は、従来のＰＷＭ法と、相補ＰＷＭ法とを使用して、図２及び図３により示される例に含まれる３つの能動スイッチの操作信号を示す。相補変調が使用されると、フリーホイール電流がＭＯＳＦＥＴ経路を通って循環することが分かる（不感時間Ｔ_Ｍに関する相補時間Ｔ_ＯＮ−Ｃの間に起こる供給もまた図４（ｂ）に示される）。Ｓ_２のドレインを通る電流は、能動スイッチＳ_１のために定義される同じ極性を維持するように、図の第２の枠内に負の極性を有して示される。電流はそれゆえに、能動スイッチＳ_２のソース端子を通って流入し、電流のフリーホイール期間に、即ちＳ_１により取られた経路により以前中断された相補時間Ｔ_ＯＮ−Ｃにより、ドレイン端子から流出する。

図４に示される相補ＰＷＭ変調は、インバータの異なる動作点を通って維持され得るか、または維持され得ない。電気モータの電流がより高いというより高負荷条件で、導通におけるＭＯＳＦＥＴ端子間の電圧は、並列のフリーホイールダイオードの直接導通電圧より高いことがあり得る。この状況において、電流は、逆並列のスイッチに与えられる命令から独立して、ダイオードを通って循環する。

本発明の目的のために、コンプレッサ用の可変速電気モータの駆動システムは、電気モータ１０に電気的に接続されるインバータブリッジ１１を備える。インバータブリッジ１１は、既述のように、相補ＰＷＭ変調により操作される。

相補ＰＷＭは、追ってより詳細に説明するように、参照回転に関して大幅に低い電気モータ１０の回転で、かつ参照電力に関して大幅に低い電気モータ１０の電力で操作される。

コンプレッサ用の可変速電気モータの本駆動システムのインバータブリッジ１１は、能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４、Ｓ_５、Ｓ_６）を備える。能動スイッチは、受動スイッチ（Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３、Ｄ_４、Ｄ_５、Ｄ_６）と１つずつ並列に接続される。各受動スイッチは２つの受動端子を備え、各能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４、Ｓ_５、Ｓ_６）は２つの能動端子を備える。優先的に、受動スイッチはダイオード半導体素子である。

本発明において、ＰＷＭ変調は、能動スイッチ及び受動スイッチが、電気モータ１０に供給される電圧（Ｖ_Ｍ）に接続される期間により形成される。電圧（Ｖ_Ｍ）は、供給期間（Ｔ_ＯＮ）の間に接続され、期間（Ｔ_ＯＦＦ）の間に切断される。

本発明の教示によれば、能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４、Ｓ_５、Ｓ_６）は、電気モータ１０に選択的にかつ連続的に電気を供給するために、２つ一組で直列に互いに電気的に接続される。既述のように、能動スイッチ及び受動スイッチは互いに接続され、１次能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_３、Ｓ_５）のグループと、２次能動スイッチ（Ｓ_２、Ｓ_４、Ｓ_６）のグループとを形成する。

それゆえに、本発明において、１次能動スイッチは供給時間及び切断時間（Ｔ_ＯＮ、Ｔ_ＯＦＦ）によりＰＷＭ変調で操作される。システムは、１次能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_３、Ｓ_５）と２つ一組で直列にそれぞれ接続される２次能動スイッチ（Ｓ_２、Ｓ_４、Ｓ_６）が、１次能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_３、Ｓ_５）の切断時間（Ｔ_ＯＦＦ）の間に供給されるように構成される。

能動スイッチ及び受動スイッチの各組は、単一のセットまたは物理的なケーシングを有する。さらに、能動スイッチが、調節可能な導通時間に、それぞれの受動スイッチの受動端子間の電圧より大幅に低い能動端子間の電圧に基づいて導通を開始することが認められ得る。この時点において、参照電力が、可変速電気モータの操作のために定義される。

フリーホイール電流によるインバータブリッジ内の損失の低減は、可変容量コンプレッサが動作している時点に依存して、ほどほどに大きな成果を伴って得られる。コンプレッサへの内部モータの回転、処理電力、供給網からの交流電圧のレベル、及び他の要因は、インバータブリッジにより処理される電流の振幅を定義し、それゆえに相補ＰＷＭ変調を使用することの意義を明確にする。

それゆえに、操作の最も関係のある時点だけに変調の使用を制限し、相補ＰＷＭ変調が必要でない状況でインバータブリッジの制御の複雑さを低減することが可能である。操作のこれらの時点は、インバータのために最適化された操作を決定するために、コンプレッサの仕事のための参照時点として使用される。

さらなる理解のために、インバータの参照時点を決定するために使用されてもよい主要なパラメータを以下に説明する。

Ｐ_ＭＯＳ＜Ｐ_Ｄのとき相補ＰＷＭ変調の使用は有利なので、参照回転はインバータブリッジ１１の操作のためのサイクリック比Ｄに比例して、参照電力は電流Ｉ_ＡＶＧ及びＩ_ＲＭＳに比例して、決定される。

操作の時点の定義はまた、相補ＰＷＭ変調の使用の有無で異なる変数を調査して、周波数インバータのエネルギ効率の向上を監視することにより、実験的に行われ得る。

本提案を検証し、インバータブリッジの最適な操作時点を特定するために、コンプレッサのモータが試験された。例において、モータは１２００ｒｐｍ及び１６００ｒｐｍで操作された。相補ＰＷＭ変調は２．５ｋＨｚの整流周波数で導入された。試験は、２５℃の周辺温度で、ＭＯＳＦＥＴ ＩＲＦ８４０ＡＳ型のトランジスタを使用して行われた。しかし、他の型のトランジスタも、インバータブリッジの実装のために使用され得る。

以下の表１及び表２は、相補ＰＷＭ変調を使用して達成される効率（Ｂ）と、従来の変調に関連する効率（Ａ）との間で比較が行われることを可能にする。

表１及び表２に示されるデータは、低電力で相補ＰＷＭ変調により達成される効率が、４０Ｗでの効率よりも優れており、低電力での提案システムの最善の操作条件が認められることを示す。同様に、以下の表３及び表４は、１６００ｒｐｍの回転でＰＷＭ変調を使用して達成された効率を示す。

表３及び表４に示されるデータはまた、相補ＰＷＭ変調が、低回転（１２００ｒｐｍ）で動作するモータに対して得られるものより小さいが、１６００ｒｐｍの回転に対して従来の変調と比較してよりよい性能を発揮することを示す。

受動スイッチ（ダイオード）により導通される平均電流及び能動スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴトランジスタ）により導通される実効電流は、電流の振幅及び導通の時間に依存するので、これらの量はモータの回転に直接影響されることが強調されるべきである。

表１〜表４に示されるデータは、本発明の教示に基づくインバータの効率の向上を裏付ける。さらに、効率のこの向上は、専らインバータにより得られ、モータにより得られるのではないことに注目すべきである。なぜなら、モータの効率は、ＰＷＭ変調または従来の変調により変更されないからである。上記のように、本発明の教示から、システム全体に対する全体効率の向上は、相補ＰＷＭ変調の解決法を使用して達成されることが確認された。

最初に、コンプレッサ用の可変速電気モータの本駆動システムは、（電気モータ（１０）が参照回転に対して大幅に低い回転速度で動作するときにインバータブリッジ（１１）内で印加される）相補ＰＷＭ変調により操作される。ここに説明する実験的な試験に対して、参照回転は、約２３００ｒｐｍに決定された。それゆえに、この参照を下回る回転量に対して、インバータブリッジに対して得られる効率の向上が確認された。優先的に、操作は、電流Ｉ_ＡＶＧ及びＩ_ＲＭＳの関数として決定される参照電力に対して大幅に低い、電気モータ（１０）の電力で行われる。

上記のように、相補ＰＷＭ変調は、上位能動スイッチ及び下位能動スイッチの３つの組（インバータブリッジの３つのアーム）に印加される。

相補ＰＷＭ変調の方法の例が、図５に示される。この場合において、ブラシレス直流モータを使用する応用に対して、能動スイッチの操作列が示される。この図は、Ｓ_１とＳ_２、Ｓ_３とＳ_４、Ｓ_５とＳ_６というスイッチの組に印加される相補ＰＷＭ変調を明確に示す。図５により示される例において、一定のサイクリック比（Ｔ_ＯＮ／Ｔ_ＯＦＦ比）は、電気モータ１０の相の各組の動作の間、維持される。しかし、相補ＰＷＭは、この例の変形にも適用され得る。サイクリック比は、例えばサイクリック比の正弦形の変調、または負荷調整、補償等のためにサイクリック比に適用される様々な変調のような、他の一時的または離散的な関数に従って調整される。

さらに、コンプレッサ用の可変速電気モータの駆動方法は、インバータブリッジ１１及び電気モータ１０を使用し、
ｉ．電気モータ１０から電力信号を取得するステップと、
ｉｉ．電気モータ１０から回転信号を取得するステップと、
ｉｉｉ．電気モータ１０の電力信号を参照電力量と比較するステップと、
ｉｖ．電気モータ１０の回転信号を参照回転量と比較するステップと、
ｖ．ｉｉｉ及びｉｖの比較の結果が参照量を下回る量を示すと、相補ＰＷＭ変調によりインバータブリッジ１１を駆動するステップとを有する。

本発明の実装に関して、システムは、例えばＰＷＭを通じて可変容量コンプレッサＶＣＣに適用でき、インバータブリッジにより制御される、電気モータ１０を制御できる電子制御回路（不図示）を提供されるべきである。冷却システムの効率の向上を達成するために、電子制御回路は、同じアームの能動スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）の組を相補的に操作し（相補ＰＷＭ）、フリーホイール電流がフリーホイールダイオードではなく、導通するように命令された能動スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）の経路を通って循環することを保証するように構成されるべきである。

それゆえに、本発明で定義された目的、及び実験的な試験の結果は、冷却システムの全体効率が導通による損失の低減により向上することを裏付ける。特にコンプレッサに適用できる、モータの操作のための提案ＰＷＭ変調は、操作の電子回路及びシステム全体に対してより高い信頼性を提供すると共に、装置に対してより低い動作温度を考慮する。

本発明の教示に従った操作システムを備える可変容量コンプレッサが提供されると共に、本駆動システムを備える冷却システムが提供される。

最後に、今日の冷却装置において損失を低減することの必要性及び困難性を考慮すると、従来技術の解決法、特に従来の変調の使用により達成されるものと比較して、本発明は、相補ＰＷＭ法を使用して、冷却システムに対して効率の大幅な向上を提供することに注意する。

好ましい実施形態の例を説明したが、本発明の範囲は、他の可能な変形に及び、可能な均等物を含む、添付の請求項の内容によってのみ限定されることを理解すべきである。

Claims (19)

1. コンプレッサ用の可変速電気モータを駆動するためのシステムであって、
   電気モータ（１０）に電気的に接続されるインバータブリッジ（１１）を備え、前記電気モータ（１０）は、能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４、Ｓ_５、Ｓ_６）により形成されるインバータブリッジ（１１）により操作され、前記能動スイッチは、受動スイッチ（Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３、Ｄ_４、Ｄ_５、Ｄ_６）と並列に１つずつ接続され、アームは、２つの能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４、Ｓ_５、Ｓ_６）により形成され、
   前記インバータブリッジ（１１）は、ＰＷＭ変調及び相補ＰＷＭ変調により操作され、前記相補ＰＷＭ変調は、同じアームの能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４、Ｓ_５、Ｓ_６）の組を、フリーホイール電流が前記能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４、Ｓ_５、Ｓ_６）を通って循環し、前記フリーホイール電流が前記受動スイッチ（Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３、Ｄ_４、Ｄ_５、Ｄ_６）を通って循環するのを妨げるように、相補的に操作するように構成され、前記インバータブリッジ（１１）の操作サイクリック比の関数として決定される参照回転より低い前記電気モータ（１０）の回転及び平均フリーホイール電流（Ｉ_ＡＶＧ）及び実効フリーホイール電流（Ｉ_ＲＭＳ）の関数として決定される参照電力より低い前記電気モータ（１０）の電力で、前記相補ＰＷＭ変調は、操作され、前記参照回転以上の前記電気モータ（１０）の回転又は前記参照電力以上の前記電気モータ（１０）の電力で、前記ＰＷＭ変調は、操作されることを特徴とする、システム。
2. 前記相補ＰＷＭ変調は、前記電気モータ（１０）に供給される電圧（Ｖ_Ｍ）に前記能動スイッチ及び受動スイッチが接続される期間により形成され、前記電圧（Ｖ_Ｍ）は、供給時間（Ｔ_ＯＮ）の間に接続され、切断時間（Ｔ_ＯＦＦ）の間に切断されることを特徴とする、請求項１に記載の、コンプレッサ用の可変速電気モータを駆動するためのシステム。
3. 前記能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４、Ｓ_５、Ｓ_６）は、前記電気モータ（１０）に選択的かつ連続的に供給するために、２つ一組で直列に互いに電気的に接続され、前記能動スイッチ及び受動スイッチは、１次能動スイッチの群（Ｓ_１、Ｓ_３、Ｓ_５）及び２次能動スイッチの群（Ｓ_２、Ｓ_４、Ｓ_６）を形成するように、互いに接続されることを特徴とする、請求項２に記載の、コンプレッサ用の可変速電気モータを駆動するためのシステム。
4. 前記１次能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_３、Ｓ_５）は、前記供給時間及び切断時間（Ｔ_ＯＮ、Ｔ_ＯＦＦ）により前記相補ＰＷＭ変調で操作され、前記システムは、前記１次能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_３、Ｓ_５）に２つ一組で直列にそれぞれ接続される前記２次能動スイッチ（Ｓ_２、Ｓ_４、Ｓ_６）が、前記１次能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_３、Ｓ_５）の切断時間（Ｔ_ＯＦＦ）の間に供給されるように構成されることを特徴とする、請求項３に記載の、コンプレッサ用の可変速電気モータを駆動するためのシステム。
5. 前記２次能動スイッチ（Ｓ_２、Ｓ_４、Ｓ_６）への供給は、相補供給時間（Ｔ_ＯＮ−Ｃ）の間に起こるように構成され、前記相補供給時間は、前記１次能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_３、Ｓ_５）の切断時間（Ｔ_ＯＦＦ）より僅かに短い持続時間を有することを特徴とする、請求項４に記載の、コンプレッサ用の可変速電気モータを駆動するためのシステム。
6. 前記受動スイッチ（Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３、Ｄ_４、Ｄ_５、Ｄ_６）は、ダイオードであり、前記ダイオードは、前記能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４、Ｓ_５、Ｓ_６）の導通の間の、ドレイン端子及びソース端子の間の電圧降下より大きい導通電圧を有することを特徴とする、請求項５に記載の、コンプレッサ用の可変速電気モータを駆動するためのシステム。
7. フリーホイール電流は、ドレイン端子及びソース端子の間の電圧降下がそれぞれの受動スイッチ（Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３、Ｄ_４、Ｄ_５、Ｄ_６）の電圧降下より小さいという条件で、所与の能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４、Ｓ_５、Ｓ_６）の前記ドレイン端子及びソース端子を通って循環することを特徴とする、請求項６に記載の、コンプレッサ用の可変速電気モータを駆動するためのシステム。
8. コンプレッサ用の可変速電気モータを駆動するための方法であって、
   インバータブリッジ（１１）及び電気モータ（１０）を使用し、
   ｉ．前記電気モータ（１０）から電力信号を取得するステップと、
   ｉｉ．前記電気モータ（１０）から回転信号を取得するステップと、
   ｉｉｉ．前記電気モータ（１０）の電力信号を、平均フリーホイール電流（Ｉ_ＡＶＧ）及び実効フリーホイール電流（Ｉ_ＲＭＳ）の関数として決定される参照電力量と比較するステップと、
   ｉｖ．前記電気モータ（１０）の回転信号を、前記インバータブリッジ（１１）の操作サイクリック比の関数として決定される参照回転量と比較するステップと、
   ｖ．ｉｉｉ及びｉｖの比較の結果が前記参照量より低い量を示すと、相補ＰＷＭ変調により前記インバータブリッジ（１１）を駆動し、ｉｉｉ又はｉｖの比較の結果が前記参照量以上の量を示すと、ＰＷＭ変調により前記インバータブリッジ（１１）を駆動するステップとを有し、前記相補ＰＷＭ変調は、フリーホイール電流が前記インバータブリッジの能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４、Ｓ_５、Ｓ_６）を通って循環し、前記フリーホイール電流が前記インバータブリッジ（１１）の受動スイッチ（Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３、Ｄ_４、Ｄ_５、Ｄ_６）を通って循環するのを妨げるように構成されることを特徴とする、方法。
9. 前記能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４、Ｓ_５、Ｓ_６）は、前記電気モータ（１０）に選択的かつ連続的に供給するために、２つ一組で直列に互いに電気的に接続され、１次能動スイッチの群（Ｓ_１、Ｓ_３、Ｓ_５）及び２次能動スイッチの第２の群（Ｓ_２、Ｓ_４、Ｓ_６）を形成することを特徴とする、請求項８に記載の、コンプレッサ用の可変速電気モータを駆動するための方法。
10. 前記能動スイッチは、前記受動スイッチ（Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３、Ｄ_４、Ｄ_５、Ｄ_６）と並列に１つずつ接続されることを特徴とする、請求項９に記載の、コンプレッサ用の可変速電気モータを駆動するための方法。
11. 各能動スイッチは、２つの能動端子を備え、各受動スイッチは、それぞれの能動スイッチに接続される２つの受動端子を備え、能動スイッチ及び受動スイッチの各組に対して単一のケーシングを形成することを特徴とする、請求項１０に記載の、コンプレッサ用の可変速電気モータを駆動するための方法。
12. 前記参照電力は、前記能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４、Ｓ_５、Ｓ_６）が調節可能な導通時間に導通を開始する時点で、前記能動スイッチの前記能動端子間の電圧がそれぞれの受動スイッチの端子間の電圧より小さいときに定義されることを特徴とする、請求項１１に記載の、コンプレッサ用の可変速電気モータを駆動するための方法。
13. 前記２次能動スイッチ（Ｓ_２、Ｓ_４、Ｓ_６）は、前記１次能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_３、Ｓ_５）の群からのそれぞれの組と直列に接続されるものであることを特徴とする、請求項９に記載の、コンプレッサ用の可変速電気モータを駆動するための方法。
14. 前記相補ＰＷＭ変調による前記２次能動スイッチ（Ｓ_２、Ｓ_４、Ｓ_６）の駆動は、前記１次スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_３、Ｓ_５）の切断時間（Ｔ_ＯＦＦ）の間に行われることを特徴とする、請求項９に記載の、コンプレッサ用の可変速電気モータを駆動するための方法。
15. 前記２次能動スイッチ（Ｓ_２、Ｓ_４、Ｓ_６）は、前記１次能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_３、Ｓ_５）の前記切断時間（Ｔ_ＯＦＦ）より短いまたは等しい持続時間を有する相補供給時間（Ｔ_ＯＮ−Ｃ）の間に供給されることを特徴とする、請求項１４に記載の、コンプレッサ用の可変速電気モータを駆動するための方法。
16. 前記相補ＰＷＭ変調による前記２次能動スイッチ（Ｓ_２、Ｓ_４、Ｓ_６）の駆動は、前記１次スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_３、Ｓ_５）の切断から計数される不感時間（Ｔ_Ｍ）の後に行われることを特徴とする、請求項９に記載の、コンプレッサ用の可変速電気モータを駆動するための方法。
17. 前記２次能動スイッチ（Ｓ_２、Ｓ_４、Ｓ_６）は、前記１次能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_３、Ｓ_５）が再び操作される前に切断され、前記２次能動スイッチ（Ｓ_２、Ｓ_４、Ｓ_６）は、前記１次能動スイッチ（Ｓ_１、Ｓ_３、Ｓ_５）の操作前の不感時間（Ｔ_Ｍ）の間に切断されることを特徴とする、請求項９に記載の、コンプレッサ用の可変速電気モータを駆動するための方法。
18. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載のコンプレッサ用の可変速電気モータを駆動するためのシステムにより供給されることを特徴とする、可変容量コンプレッサ。
19. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載のコンプレッサ用の可変速電気モータを駆動するためのシステムを備えることを特徴とする、冷却システム。

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