JP6195307B2 - 整流装置及びモータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、力率改善回路を備える整流装置及び該整流装置を備えるモータ駆動装置に関するものである。

従来、商用交流電源から供給される交流入力電圧を直流電圧に変換する整流装置が知られている。この整流装置には、一般的に、力率改善及び高調波抑制の目的で力率改善回路が設けられている（例えば、特許文献１−４参照）。
力率改善回路として、例えば、インダクタと、該インダクタに対する短絡路形成用のスイッチング素子とからなり、スイッチング素子のスイッチングにより、入力電流波形を正弦波に追従させるアクティブフィルタが知られている。

特開２０１０−２３３４３９号公報 特開２０１０−８４９６８号公報 特開２０１３−２５１９４９号公報 特開２０１２−１７５７６７号公報

ところで、上記力率改善回路による効果を得るためには、低インピーダンスの安定した電源を使用することが条件となる。仮に、インピーダンスの高い不安定な電源を使用した場合には、力率改善回路が適切に作動せず、異音が生ずるなどの意図しない挙動が発生する可能性がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、不安定な入力電源電圧を速やかに検知し、異音等の発生を防止することのできる整流装置及びモータ駆動装置を提供することを目的とする。

本発明の第１態様は、インダクタと、該インダクタに対応して設けられたスイッチング素子とを備える力率改善回路を備える整流装置であって、入力電源電圧が所定の閾値以上の期間を検出する検出手段と、前記検出手段によって検出された検出時間が予め設定されている正常範囲内であるか否かを判定する判定手段と、前記検出時間が前記正常範囲を外れている場合に、前記力率改善回路の動作を停止させる停止手段とを具備し、前記検出手段は、前記入力電源電圧の絶対値が所定値以上である場合に作動するフォトカプラと、前記フォトカプラの出力がハイの状態において導通状態となるスイッチング素子と、前記スイッチング素子が導通状態においてローの信号が入力され、該スイッチング素子が遮断状態においてハイの信号が入力される入力部と、前記入力部においてローの信号が継続的に入力されている期間を計時する計時部とを具備する整流装置である。

上記構成によれば、入力電源電圧が所定の閾値以上である期間が検出手段により検出され、判定手段によって該検出時間が所定の正常範囲内であるか否かが判定される。これにより、入力電源電圧が不安定な状態にあることを容易に検出することが可能となる。そして、判定手段によって、検出時間が正常範囲外であると判定された場合には、停止手段によって力率改善回路の動作が停止される。これにより、不安定な電源電圧が入力されている場合には、速やかに力率改善回路の動作を停止させることができ、異音が生ずるなどの意図しない挙動の発生を未然に防ぐことが可能となる。
上記「入力電源電圧が所定の閾値以上」とは、極性の正負を問わない。例えば、図６に示すように、入力電源電圧が正の閾値（＋α）以上である期間、入力電源電圧が負の閾値（−α）以下である期間の両方の意味を含むものとする。また、入力電源電圧が正の閾値以上であるときの期間のみを検出することとしてもよいし、入力電源電圧が負の閾値以下であるときの期間のみを検出することとしてもよいし、あるいは、両方の期間をそれぞれ検出することとしてもよい。

上記整流装置において、前記検出手段の前記フォトカプラ及び前記スイッチング素子は、ゼロクロス点を検出するゼロクロス検出回路と併用してもよい。
このように、ゼロクロス検出回路と回路の一部を併用することにより、装置の小型化及び低コスト化を図ることが可能となる。

本発明の第２態様は、上記の整流装置を備えるモータ駆動装置である。
上記モータ駆動装置は、前記停止手段によって前記力率改善回路の動作が停止された後に当該モータ駆動装置が運転停止した場合であって、当該モータ駆動装置の起動指令が入力された場合には、前記検出手段によって検出された検出時間が前記正常範囲内であるか否かを判定し、正常範囲内である場合に、前記力率改善回路の動作を再開させることとしてもよい。あるいは、上記モータ駆動装置は、前記停止手段によって前記力率改善回路の動作が停止された場合において、該動作停止から所定の時間が経過した後に、前記判定手段が、前記検出手段によって検出された検出時間が前記正常範囲内であるか否かを判定し、正常範囲内である場合に、前記力率改善回路の動作を再開させることとしてもよい。
このように、入力電圧が安定していることが確認できた場合には、力率改善回路の動作を再開させるので、高調波成分の少ない高効率の電力をモータに供給することが可能となる。

本発明の第３態様は、上記モータ駆動装置を備える空気調和装置である。
本発明の第４態様は、インダクタと、該インダクタに対応して設けられたスイッチング素子とを備える力率改善回路を備える整流装置の制御方法であって、入力電源電圧の絶対値が予め設定された閾値以上である期間を検出するステップと、検出した検出時間が予め設定されている正常範囲内であるか否かを判定するステップと、前記検出時間が前記正常範囲を外れている場合に、前記力率改善回路の動作を停止させるステップとを備え、前記検出するステップは、前記入力電源電圧の絶対値が予め設定されている閾値以上である場合にフォトカプラを作動させ、前記フォトカプラの出力がハイの状態においてスイッチング素子が導通状態となり、前記スイッチング素子が導通状態においてローの信号が入力され、前記スイッチング素子が遮断状態においてハイの信号が入力され、前記ローの信号が継続的に入力されている期間を計時する整流装置の制御方法である。

本発明によれば、不安定な入力電源電圧を速やかに検知でき、異音等の発生を防止することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るモータ駆動装置の一構成例を示した図である。 図１に示した制御装置の機能ブロック図である。 力率改善回路を動作させない場合の入力電流波形のシミュレーション結果の一例を示した図である。 力率改善回路を動作させた場合の入力電流波形のシミュレーション結果の一例を示した図である。 図１に示したゼロクロス検出回路のハードウェア構成の一例を示した図である。 検出部によって検出される検出時間について説明するための図である。

以下に、本発明に係るモータ駆動装置を空気調和装置の圧縮機モータの駆動装置として適用した場合における一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るモータ駆動装置の一構成例を示した図である。図１に示すように、モータ駆動装置１は、交流電源２からの交流電圧を直流電圧に変換する整流装置３と、整流装置３から出力された直流電圧を三相交流電圧に変換するインバータ装置４とを備えている。インバータ装置４から出力された三相交流電圧は、空気調和装置の圧縮機モータ５に供給される。

整流装置３は、力率改善回路１１と、全波整流回路１３と、平滑コンデンサ１４と、制御装置１５と、ゼロクロス検出回路１６とを主な構成として備えている。本実施形態において、力率改善回路１１は、交流電源２と全波整流回路１３との間に設けられている。また、力率改善回路１１は、インダクタ１１ａと、インダクタ１１ａに対応するスイッチング素子１１ｂとから構成されている。ここで、力率改善回路１１は、全波整流回路１３と平滑コンデンサ１４との間に設けられていてもよい。力率改善回路１１の設置位置及び回路構成については、図１に示す例に限定されず、力率改善及び高調波抑制の少なくともいずれか一方の効果を実現するものであれば、その構成や設置位置は問わない。

ゼロクロス検出回路１６は、交流電源２から入力される入力電圧のゼロクロス点を検出するためのものである。なお、このゼロクロス検出回路１６は、後述するように、交流電源２が安定しているかを検出するための検出部３１としての機能の一部も担っている。ゼロクロス検出回路１６からのゼロクロス信号は、制御装置１５に出力される。
また、交流電源２と全波整流回路１３との間には、図示しない入力電流検出部が設けられており、この入力電流検出部によって検出された入力電流信号が制御装置１５に出力される。

制御装置１５は、例えば、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）であり、以下に記載する各部の機能を実現するためのプログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体を有しており、ＣＰＵがこの記録媒体に記録されたプログラムをＲＡＭ等の主記憶装置に読み出して実行することにより、以下の各処理が実現される。コンピュータ読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が挙げられる。

図２は、制御装置１５の機能ブロック図である。図２に示すように、制御装置１５は、力率改善制御部２１と、入力電源監視部２２とを主な構成として備えている。
力率改善制御部２１は、入力電流波形を正弦波に近づけるようにスイッチング素子１１ｂを駆動するためのスイッチング駆動信号を生成する。例えば、力率改善制御部２１は、ゼロクロス検出回路１６によって検出されたゼロクロス点の付近において、スイッチング素子１１ｂを導通させ、電流を増幅させる。図３に力率改善回路１１を動作させない場合の入力電流波形のシミュレーション結果を、図４に力率改善回路１１を動作させた場合の入力電流波形のシミュレーション結果を示す。ここで、図４には、入力電圧のゼロクロス点を基準点として、半周期に所定のパルスを印加した場合、ここでは具体例として、４回スイッチング素子１１ｂを導通させた場合の入力電流波形が示されている。また、この例では、１パルスから３パルスまでがゼロクロス点から９０°の位相角までに印加され、４パルス目は１８０°の位相角付近で印加されている。このように、力率改善回路１１を作動させることにより、入力電流のひずみを低減させることが可能となる。

ここで、例えば、入力電源電圧が不安定である場合、力率改善回路１１を作動させても力率改善や高調波抑制の効果をあまり得られないことがある。例えば、図４に示したように、半周期に４パルスを印加して、スイッチング素子１１ｂを４回導通させる制御を行う場合、入力電源電圧が不安定な場合には、スイッチング素子１１ｂの導通タイミングがずれる傾向があり、仮に、入力電流のピーク値付近（例えば、９０°の位相角）でスイッチング素子１１ｂが導通された場合には、過電流が流れることとなり、異音の発生や素子劣化（ひどい場合には、素子損傷や基板損傷）が生ずる可能性がある。したがって、本実施形態では、このような事態が生じないように、入力電源監視部２２（図２参照）を設け、入力電源電圧を監視し、入力電圧が安定している期間において力率改善回路１１を動作させるようにしている。

具体的には、入力電源監視部２２は、検出部３１と、判定部３２と、停止部３３とを備えている。
検出部３１は、入力電源電圧が所定の閾値以上の期間を検出する。ここで、検出部３１は、上述したように、その機能の一部をゼロクロス検出回路１６に担わせている。図５に、ゼロクロス検出回路１６のハードウェア構成の一例を示す。なお、図５において、Ｐ１、Ｐ２は、図１におけるＰ１、Ｐ２に対応している。図５に示すように、ゼロクロス検出回路１６は、入力電源電圧の絶対値が所定値以上である場合に作動するフォトカプラ４１と、フォトカプラ４１の出力がハイの状態において導通状態となるトランジスタ（スイッチング素子）４２とを備えている。トランジスタ４２が導通している場合には、制御装置（ＭＰＵ）１５の入力ポートＩＮ＿１にはローの信号が入力され、トランジスタ４２が遮断されている場合には、制御装置１５の入力ポートＩＮ＿１にはハイの信号が入力される。検出部３１は、入力ポートＩＮ＿１にローの信号が継続的に入力されている期間を計時し（計時部）、その結果を判定部３２に出力する。

判定部３２は、検出部３１によって検出された検出時間が予め設定されている正常範囲内であるか否かを判定する。正常範囲は、入力電源の周波数、フォトカプラの特性、及び許容誤差（％）に応じて設定される。
停止部３３は、判定部３２によって検出時間が正常範囲を外れていると判定された場合に、力率改善制御部２１に対して動作停止指令を出力する。これにより、力率改善制御部２１による力率改善制御が停止され、スイッチング素子１１ｂがオフ状態で維持される。

次に、上述したモータ駆動装置１の動作について説明する。
モータ駆動装置１において、交流電源２から供給される交流電圧は、全波整流回路１３により直流電圧に変換され、インバータ装置４に供給される。このとき、ゼロクロス検出回路１６によって検出される信号等に基づいて、制御装置１５の力率改善制御部２１がスイッチング駆動信号を生成することにより、力率改善回路１１のスイッチング素子１１ｂのスイッチングが制御される。これにより、正弦波に近い入力電流がインバータ装置４に供給されることとなる。インバータ装置４では、整流装置３からの直流電圧が三相交流電圧に変換され、圧縮機モータ５に供給される。

また、ゼロクロス検出回路１６からの信号に基づいて検出部３１が検出時間を計時する。具体的には、入力ポートＩＮ＿１にロー信号が継続的に入力されている期間を計時する。これにより、例えば、図６に示すように、正の閾値＋α以上の入力電圧が得られている期間が計時される。なお、図６では、正の閾値＋α以上の入力電圧が得られている期間のみが計時されているが、これに代えて、あるいは、これに加えて、入力電圧が負の閾値−α以下の入力電圧が得られている期間を計時することとしてもよい。

図６において、（ａ）は正常な場合、（ｂ）は入力電圧が不安定な場合を例示した図である。図６（ｂ）に示すように、入力電圧が不安定な場合には、検出部３１によって検出される検出時間（図のハッチング部分）が短くなるため、後述する判定部３２により異常判定がなされることとなる。

判定部３２は、検出部３１によって検出された検出期間（換言すると、図６におけるハッチング部分の長さ）が所定の正常範囲内か否かを判定し、判定結果を停止部３３に出力する。停止部３３は、判定部３２によって正常範囲外であると判定された場合には、力率改善制御部２１に対して動作停止指令を出力する。これにより、力率改善回路１１の動作が停止される。この結果、例えば、図６（ｂ）に示したように、入力電圧の変動が大きく、不安定な場合には、力率改善制御部２１による力率制御が停止される。これにより、例えば、入力電流のピーク値付近でスイッチング素子１１ｂが導通することによる過電流の発生等を防止することができ、異音の発生や素子劣化を未然に防ぐことが可能となる。

また、このようにして力率改善制御が停止された後においては、力率改善回路１１の動作が停止したままの状態でモータ駆動装置１の運転が続けられる。そして、モータ駆動装置１の運転が停止した後、再起動された場合には、上記入力電源監視部２２による入力電圧のモニタが行われ、検出部３１によって検出された検出時間が正常範囲内である場合には、停止部３３から力率改善制御部２１に対して再開指令が出力される。力率改善制御部２１は、再開指令が入力されると、力率改善回路１１の制御を開始する。
なお、以降においても、入力電源監視部２２による入力電圧の監視は継続的に行われ、検出時間が正常範囲を逸脱した場合に、力率改善制御が停止される。
また、上記例では、入力電圧が不安定になることにより、力率改善制御が一旦停止された後においては、モータ駆動装置１が再起動されるまで、力率改善制御は再開されなかったが、これに代えて、力率改善制御を停止させてから所定時間経過後において検出部３１による検出時間の検出を行い、この検出時間が正常範囲内であった場合には、力率改善制御を再開させるようにしてもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る整流装置３及びモータ駆動装置１によれば、不安定な電源電圧が入力されている場合には、速やかに力率改善回路の動作を停止させることが可能となる。これにより、異音が生ずるなどの意図しない挙動の発生を未然に防ぐことができるという効果を得ることができる。

本発明は、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々変形実施が可能である。

１ モータ駆動装置
２ 交流電源
３ 整流装置
４ インバータ装置
５ 圧縮機モータ
１１ 力率改善回路
１１ａ インダクタ
１１ｂ スイッチング素子
１３ 全波整流回路
１４ 平滑コンデンサ
１５ 制御装置
１６ ゼロクロス検出回路
２１ 力率改善制御部
２２ 入力電源監視部
３１ 検出部
３２ 判定部
３３ 停止部
４１ フォトカプラ
４２ トランジスタ

Claims (7)

1. インダクタと、該インダクタに対応して設けられたスイッチング素子とを備える力率改善回路を備える整流装置であって、
   入力電源電圧が所定の閾値以上の期間を検出する検出手段と、
   前記検出手段によって検出された検出時間が予め設定されている正常範囲内であるか否かを判定する判定手段と、
   前記検出時間が前記正常範囲を外れている場合に、前記力率改善回路の動作を停止させる停止手段と
   を具備し、
   前記検出手段は、
   前記入力電源電圧の絶対値が所定値以上である場合に作動するフォトカプラと、
   前記フォトカプラの出力がハイの状態において導通状態となるスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子が導通状態においてローの信号が入力され、該スイッチング素子が遮断状態においてハイの信号が入力される入力部と、
   前記入力部においてローの信号が継続的に入力されている期間を計時する計時部と
   を具備する整流装置。
2. 前記検出手段の前記フォトカプラ及び前記スイッチング素子は、ゼロクロス点を検出するゼロクロス検出回路と併用される請求項１に記載の整流装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の整流装置を備えるモータ駆動装置。
4. 前記停止手段によって前記力率改善回路の動作が停止された後に当該モータ駆動装置が運転停止した場合であって、当該モータ駆動装置の起動指令が入力された場合には、前記検出手段によって検出された検出時間が前記正常範囲内であるか否かを判定し、正常範囲内である場合に、前記力率改善回路の動作を再開させる請求項３に記載のモータ駆動装置。
5. 前記停止手段によって前記力率改善回路の動作が停止された場合において、該動作停止から所定の時間が経過した後に、前記判定手段が、前記検出手段によって検出された検出時間が前記正常範囲内であるか否かを判定し、正常範囲内である場合に、前記力率改善回路の動作を再開させる請求項３に記載のモータ駆動装置。
6. 請求項３から請求項５のいずれかに記載のモータ駆動装置を備える空気調和装置。
7. インダクタと、該インダクタに対応して設けられたスイッチング素子とを備える力率改善回路を備える整流装置の制御方法であって、
   入力電源電圧の絶対値が予め設定された閾値以上である期間を検出するステップと、
   検出した検出時間が予め設定されている正常範囲内であるか否かを判定するステップと、
   前記検出時間が前記正常範囲を外れている場合に、前記力率改善回路の動作を停止させるステップとを備え、
   前記検出するステップは、
   前記入力電源電圧の絶対値が予め設定されている閾値以上である場合にフォトカプラを作動させ、
   前記フォトカプラの出力がハイの状態においてスイッチング素子が導通状態となり、
   前記スイッチング素子が導通状態においてローの信号が入力され、前記スイッチング素子が遮断状態においてハイの信号が入力され、
   前記ローの信号が継続的に入力されている期間を計時する整流装置の制御方法。

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