JP6255576B2

JP6255576B2 - 換気装置

Info

Publication number: JP6255576B2
Application number: JP2014012965A
Authority: JP
Inventors: 裕介中島; 山口　雅弘; 雅弘山口; 列樹中島
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2034-01-28
Also published as: JP2015142403A

Description

本発明は、空調装置などのインバータ制御を行うファンモータや換気装置などの換気装置の風量制御方法に関するものである。

従来のこの種の送風装置の制御回路は、以下の構成を有している。まず、交流電源からの交流電力は、交直変換回路にて交流から直流に変換され、さらに、コンデンサにて平滑化される。コンデンサの両端には、直流電圧が発生しており、電流検出器を介してインバータへ入力する。インバータを構成する６つの半導体を相互に動作（スイッチング）させ、モータを駆動する。モータに流れる電流は、インバータ、電流検出器を介して流れるため、電流検出器の両端に誘起される電圧にて電流は検出される。

また、位置センサは、モータの回転による回転子の位置に応じた信号を発生させるように取りつけられている。位置センサからの信号により回転数検出部では、モータの回転数を検出する。ここで検出された回転数は、風量演算部と速度制御部へ出力される。

風量演算部は、電流検出部にて検出されたモータの電流値と回転数検出部にて検出されたモータの回転数からモータと接続されているファンにて発生している風量を演算する。さらに、風量演算部は、演算された出力風量と目標風量との偏差をとり、その偏差が０となるようにモータの動作の目標となる目標回転数を算出する。

速度制御部は、風量演算部にて算出された目標回転数になるようにモータを速度制御する。したがって、モータに接続されているファンにて発生する風量と目標風量とが一致するようになるので、風量を一定に制御するよう行う構成となっていた（たとえば、下記特許文献１）。

また、瞬時停電が発生すると、コンデンサにて平滑化された直流電圧、即ちモータを駆動する電圧が大きく変動することとなり、風量一定制御ができなくなるので、瞬時停電によって直流電圧が低下した際には、直ちに電圧印加をやめることでモータを停止させ、コンデンサの放電をゆるやかにし、瞬時停電保証時間を延長する構成となっていた（たとえば、下記特許文献２）。

特開２００２−１６５４７７号公報実開昭６１−１０７００３号公報

このような従来の送風装置は、風量の算出を電流と回転数を用いて行っているが、電流検出部は、インバータ回路の下段を構成するスイッチング素子の負電位側端子を１本にまとめた箇所と回路グランドとの間に接続される構成になっていた。

このような送風装置における課題としては、モータの電流を電流検出部で測定するが、回路のグランドに接続されているため、モータ電流を３相合成電流でしか検出できない。また、スイッチング素子がドライバ組みになっている場合は、ドライバに必要な電流を検出してしまい正確なモータの相電流が検出できないという課題があった。

更に、送風装置を大風量運転する場合は回路に流れる電流が大きい（例えば１．２Ａ）。一方、前述のドライバに必要な電流は約１０ｍＡとその占める割合は小さく、風量に影響しない。しかし、小風量で運転する場合、回路に流れる電流は、小さく（３０ｍＡ程度）となり、ドライバに必要な電流（１０ｍＡ）の占める割合が大きくなる。そのため、検出する電流は実際の風量に対応する電流値に対して大きな誤差を含み、風量に対して精度よく制御できない。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、モータに流れる電流を精度よく検出し、目標風量に対して精度よく風量制御を行なう換気装置を提供することを目的とする。

また、上記のようにモータの電流を電流検出部で測定し、風量を算出する従来の送風装置においては、モータの位置を電流検出部の出力から算出しているため、瞬時停電などでモータを駆動するための直流電圧が低下した際に、直ちにモータの制御をやめてモータ駆動を停止させる構成にしていた。しかし、一度モータの制御をやめてしまうと、再度モータを駆動させるためにはモータを完全に停止させる必要があり、再起動に時間がかかってしまうためユーザーに不快感を与えてしまうという課題があった。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、瞬時停電時のモータの回転数を瞬時停電保証時間が確保できる最低限の回転数に調整し、瞬時停電時にユーザーに不快感を与えない換気装置を提供することを目的とする。

そしてこの目的を達成するために本発明は、風量を可変できる換気装置であって、
前記換気装置内部には、羽根を駆動するモータと、このモータを制御する制御回路を備え、前記制御回路内部には、上段と下段からなり、相反するＯＮ／ＯＦＦ動作を行う２つのスイッチング素子を直流電圧に直列に接続して成る三つのアームを三相ブリッジ状に結線し、三相ＰＷＭ方式の交流電圧を前記モータに印加するインバータ回路と、このインバータ回路の各相の下段と負電位側の間に相ごとに挿入したシャント抵抗と、このシャント抵抗の端子間電圧を増幅する増幅部と、この増幅部の出力からモータに流れる各相の電流を検出する電流検出部と、この電流検出部で検出された電流に基づいてモータの回転数と位置を算出する回転検出部とを備え、さらに前記制御回路は、
前記換気装置が出力する風量の目標値を演算する目標風量演算部と、前記電流検出部で検出した各相の電流値のうちいずれか１相の電流値と、前記回転検出部が算出した回転数とを入力し、目標風量に対応する電流値と回転数を比較する風量演算部と、この風量演算部の比較結果に基づいて、前記インバータ回路に対してデューティを可変させて前記モータの回転数を制御する速度制御部と、前記モータの駆動電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部にて検出した電圧値を監視して、この電圧値が所定の偏差以上低下したときには、前記電流検出部で検出された電流から前記モータの位置を検知し、検知した位置に応じて前記速度制御部へ前記モータが最低回転数となる指示を行う瞬停時風量演算部を備え、前記速度制御部は前記瞬停時風量演算部からの指示を優先する構成とし、これにより、所期の目的を達成するものである。

また、本発明の換気装置は、制御回路には、前記増幅部の増幅率を変更する増幅率変更手段を備え、この増幅率変更手段は、前記目標風量に基づいて前記風量演算部に入力する電流値を検出するための前記増幅部の増幅率を切り替える構成とし、これにより、所期の目的を達成するものである。

以上のように本発明は、風量を可変できる換気装置であって、前記換気装置内部には、羽根を駆動するモータと、このモータを制御する制御回路を備え、前記制御回路内部には、上段と下段からなり、相反するＯＮ／ＯＦＦ動作を行う２つのスイッチング素子を直流電圧に直列に接続して成る三つのアームを三相ブリッジ状に結線し、三相ＰＷＭ方式の交流電圧を前記モータに印加するインバータ回路と、このインバータ回路の各相の下段と負電位側の間に相ごとに挿入したシャント抵抗と、このシャント抵抗の端子間電圧を増幅する増幅部と、この増幅部の出力からモータに流れる各相の電流を検出する電流検出部と、この電流検出部で検出された電流に基づいてモータの回転数と位置を算出する回転検出部とを備え、さらに前記制御回路は、前記換気装置が出力する風量の目標値を演算する目標風量演算部と、前記電流検出部で検出した各相の電流値のうちいずれか１相の電流値と、前記回転検出部が算出した回転数とを入力し、目標風量に対応する電流値と回転数を比較する風量演算部と、この風量演算部の比較結果に基づいて、前記インバータ回路に対してデューティを可変させて前記モータの回転数を制御する速度制御部と、前記モータの駆動電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部にて検出した電圧値を監視して、この電圧値が所定の偏差以上低下したときには、前記電流検出部で検出された電流から前記モータの位置を検知し、検知した位置に応じて前記速度制御部へ前記モータが最低回転数となる指示を行う瞬停時風量演算部を備え、前記速度制御部は前記瞬停時風量演算部からの指示を優先する構成になっているため、モータの巻線に流れる電流のみを直接検出することが可能となるため、正確にモータ巻線の電流を検出することが可能になり、換気風量を常に一定に保ち、且つ無駄なエネルギーを低減できるという効果を奏する。

また、電圧検出部で瞬時停電時の電圧降下を検知した場合には、瞬停時風量演算部からモータが最低回転数となるデューティを速度制御部へ指示し、通常時の風量演算部からのデューティ指示よりも優先させることで瞬時停電時という短い時間においてもモータを停止させることなくどのような場所に設置された場合でも最短時間で最低回転数に低下させて制御し続けることが可能になり、瞬時停電等に起因する短い時間の電圧変動時においてモータを停止させる必要がなくなり、ユーザーに不快感を与えないという効果を奏する。

同換気装置を天井に取り付けた状態を示す取り付け図同換気装置の制御回路の構成を示したブロック図同換気装置の運転動作を示すフローチャート同換気装置の運転動作を示すフローチャート

本発明の請求項１の換気装置は、風量を可変できる換気装置であって、前記換気装置内部には、羽根を駆動するモータと、このモータを制御する制御回路を備え、前記制御回路内部には、上段と下段からなり、相反するＯＮ／ＯＦＦ動作を行う２つのスイッチング素子を直流電圧に直列に接続して成る三つのアームを三相ブリッジ状に結線し、三相ＰＷＭ方式の交流電圧を前記モータに印加するインバータ回路と、このインバータ回路の各相の下段と負電位側の間に相ごとに挿入したシャント抵抗と、このシャント抵抗の端子間電圧を増幅する増幅部と、この増幅部の出力からモータに流れる各相の電流を検出する電流検出部と、この電流検出部で検出された電流に基づいてモータの回転数と位置を算出する回転検出部とを備え、さらに前記制御回路は、前記換気装置が出力する風量の目標値を演算する目標風量演算部と、前記電流検出部で検出した各相の電流値のうちいずれか１相の電流値と、前記回転検出部が算出した回転数とを入力し、目標風量に対応する電流値と回転数を比較する風量演算部と、この風量演算部の比較結果に基づいて、前記インバータ回路に対してデューティを可変させて前記モータの回転数を制御する速度制御部と、前記モータの駆動電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部にて検出した電圧値を監視して、この電圧値が所定の偏差以上低下したときには、前記電流検出部で検出された電流から前記モータの位置を検知し、検知した位置に応じて前記速度制御部へ前記モータが最低回転数となる指示を行う瞬停時風量演算部を備え、前記速度制御部は前記瞬停時風量演算部からの指示を優先するものである。これにより、モータの巻線に流れる電流のみを直接検出することが可能となるため、正確にモータ巻線の電流を検出することが可能になり、換気風量を常に一定に保つことができる。

また、瞬時停電等に起因する短い時間の電圧変動時にモータを停止させることなくどのような場所に設置された場合でも最短時間で最低回転数に低下させて制御し続けることができる。

また、前記制御回路には、前記増幅部の増幅率を変更する増幅率変更手段を備え、この増幅率変更手段は、前記目標風量に基づいて前記風量演算部に入力する電流値を検出するための前記増幅部の増幅率を切り替える構成を有している。

これにより、目標風量に応じて増幅率の大きさを変更し、モータの巻線に流れる電流を正確に検出することが可能になり、目標風量が小さい場合においても換気風量を常に一定に保つことができる。

また、前記制御回路には、前記増幅部の増幅率を変更する増幅率変更手段を備え、この増幅率変更手段は、前記電流検出部が検出する電流に基づいて、前記風量演算部に入力する電流値を検出するための前記増幅部の増幅率を切り替える構成としてもよい。

これにより、電流検出部が検出する電流に応じて増幅変更手段の大きさを変更し、モータの巻線に流れる電流を正確に検出することが可能になり、目標風量が小さい場合においても換気風量を常に一定に保つことができる。

以下、本発明の一実施形態を、添付の図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
本発明の換気装置の一実施の形態として、建物内の天井に設けられた換気装置によって説明する。

本実施の形態の換気装置は、ＤＣモータの特徴を生かし、低い回転数から高い回転数までの制御を行い、低風量から大風量まで一つの換気装置でまかなうものである。

図１に示すように、本実施の形態の換気装置は、室内１の天井裏２に設置されており、本体３の下方に吸込口３ａを有している。本体３の側面にはアダプタ４が設けられ、排気ダクト５を通して外壁などに設けられている排気口（図示せず）に接続されている。本体３内部には、羽根７と羽根７を回転させるセンサレスブラシレスＤＣモータ８を備え、吸込口３ａには、この吸込口３ａを覆うルーバ９を備える。このルーバ９は室内の空気が通過する通気口を有している。また、センサレスブラシレスＤＣモータ８を駆動する制御回路１０は、換気装置の本体３の内部に配置されている。そして、リモコン装置１１（電源入／切スイッチ１１ａ、ファンノッチ設定スイッチ１１ｂを一体にして構成したスイッチ）は室内の壁に配置され、制御回路１０と接続されている。

図２は、換気装置の本体３の制御回路１０の構成を示したブロック図である。図２において、商用電源１２から供給される交流電圧は、交直変換回路１３にて直流変換した後、平滑コンデンサ１４にて平滑化し、インバータ回路１５に印加する。インバータ回路１５は６個のスイッチング素子を順番に導通させ、センサレスブラシレスＤＣモータ８を駆動している。センサレスブラシレスＤＣモータ８は巻線を巻装した固定子１６と磁石を備えた回転子１７からなる。

また、インバータ回路１５の各相の下段と負電位側の間には、相ごとにシャント抵抗１８が挿入されている。このシャント抵抗１８に流れる電流により発生するシャント抵抗１８の両端の電位差を増幅部１９で増幅する。この増幅部１９の出力から、電流検出部２０は、センサレスブラシレスＤＣモータ８に流れる各相の電流を検出する。回転検出部２５は、この電流検出部２０で検出された電流に基づいてセンサレスブラシレスＤＣモータ８の回転数と位置を算出する。

風量演算部２４は、目標風量Ｑｓに対して、電流検出部２０で検出された電流と、回転検出部２５で検出した回転数に基づいて算出した風量に対して比較し、高いか低いかを判断する。

目標風量演算部２１は、ファンノッチ設定スイッチ１１ｂの設定に対応して目標風量Ｑｓを算出し、この目標風量Ｑｓを風量演算部２４に対して指示する。

増幅率変更手段２２は、目標風量演算部２１が算出した目標風量Ｑｓを入力し、この目標風量Ｑｓの大きさに応じて所定の相の増幅部１９の増幅率を変更する。

速度制御部２３は、インバータ回路１５に対してデューティを出力して、センサレスブラシレスＤＣモータ８の回転数を可変する。

そして、センサレスブラシレスＤＣモータ８は、回転数を可変させて必要な風量を出力する。

また、制御回路１０は、センサレスブラシレスＤＣモータ８の駆動電圧である平滑コンデンサ１４の電圧を検出する電圧検出部２６を備えている。電圧検出部２６は、検出した電圧値を瞬停時風量演算部２７に出力する。

瞬停時風量演算部２７は電圧検出部２６にて検出した電圧値を監視し、この電圧値が所定の偏差以上低下したときには、電流検出部２０で検出した電流からセンサレスブラシレスＤＣモータ８の位置を検知し、検知したセンサレスブラシレスＤＣモータ８の位置に応じて、最低回転数で動作するデューティＲｍｉｎを速度制御部２３へ指示する。速度制御部２３は、瞬停時風量演算部２７からの指示がある場合は風量演算部２４からの指示よりも優先し、インバータ回路１５に対してデューティを出力する。

以下、図３を用いて、本実施の形態の換気装置の動作を説明する。

使用者が、換気装置を運転するためにリモコン装置１１を操作して換気装置の本体３に電源を投入し、ファンノッチ設定スイッチ１１ｂを例えば弱ノッチに設定する。そうすると、制御回路１０に電源が印加されるとともに、目標風量演算部２１がファンノッチ設定スイッチ１１ｂの設定に従って風量演算部２４に対して目標風量Ｑｓを指示する。

目標風量Ｑｓが決定されると、目標風量Ｑｓに従って３相のうちいずれか１相の増幅率を増幅率変更手段２２で変更する。速度制御部２３は、目標風量Ｑｓで決定された値に基づいて、インバータ回路１５にデューティを出力する。

インバータ回路１５にデューティを出力すると、６個のスイッチング素子を順番に導通させ、センサレスブラシレスＤＣモータ８を駆動する。センサレスブラシレスＤＣモータ８が駆動するとシャント抵抗１８に電流が流れる。増幅部１９は、各シャント抵抗１８の両端の電位差を増幅する。電流検出部２０では、増幅した各シャント抵抗１８の両端の電位差を検出し、この電位差をもとにモータ巻線に流れる電流（巻線電流）を相ごとに検出する。検出された巻線電流のうち、２相分を回転検出部２５に入力する。詳しくは後述するが、残りの１相分の巻線電流は、風量演算部２４に入力する。回転検出部２５では２相分の巻線電流からセンサレスブラシレスＤＣモータ８の回転数と位置を算出する。

次に、風量演算部２４では、電流検出部２０で検出された１相分の電流値と回転検出部２５によって検出された回転数から現在の出力風量Ｑｎを算出する。そして、風量演算部２４は、算出された出力風量Ｑｎと目標風量Ｑｓとを比較する。出力風量Ｑｎが目標風量Ｑｓに対して小さい場合は、風量演算部２４は速度制御部２３にデューティを大きく出力する指示を行う。出力風量Ｑｎが目標風量Ｑｓに対して大きい場合は、風量演算部２４は速度制御部２３にデューティを小さく出力する指示を行って、出力風量Ｑｎと目標風量Ｑｓとの偏差を小さくするように制御することとなる。

ここで、出力風量Ｑｎが定格風量に対して十分小さい場合、シャント抵抗１８に流れる電流が小さく、電流検出部２０では、巻線電流に流れる電流を正確に検出し難くなる。そこで、目標風量Ｑｓが所定の風量Ｑａよりも小さい場合には、増幅率変更手段２２は、風量演算部２４に入力する電流値を検出するための増幅部１９の増幅率を上げる処理を行なう。所定の風量Ｑａは、予め記憶された風量の値である。このＱａは、定格風量に対して十分小さく、増幅率を切り替えて検出しないと電流検出部２０で正確な巻線電流の検出ができなくなるような値を設定しておく。

以上のように構成した換気装置は、センサレスブラシレスＤＣモータ８に流れる電流をインバータ回路１５の各相の下段と負電位側の間に相ごとにシャント抵抗１８を挿入し、シャント抵抗１８に流れる電流を検出することにより精度よく巻線電流を検出することができる。また、各相のうちいずれか１相の増幅率を増幅率変更手段２２で変更することで巻線電流を正確に検出することができる。従って、ＤＣモータの特徴を生かした小さい風量から大きい風量までの換気を一つの本体でできる。

また、瞬時停電が起きた場合の動作を図４を用いて説明する。瞬停時風量演算部２７は、内部に電源電圧の下限値（閾値）Ｖ１を記憶している。瞬停時風量演算部２７は、電圧検出部２６からの信号Ｖが閾値Ｖ１よりも小さくなったときに、瞬時停電が発生したと判断する。瞬時停電が発生したと判断したときには、電流検出部２０で検出した電流からセンサレスブラシレスＤＣモータ８の位置を検知し、検知したセンサレスブラシレスＤＣモータ８の位置に応じて、最低回転数で動作するデューティＲｍｉｎを速度制御部２３へ指示する。速度制御部２３は、瞬停時風量演算部２７からの指示がある場合は風量演算部２４からの指示よりも優先し、インバータ回路１５に対してデューティを出力する。そして、センサレスブラシレスＤＣモータ８を最低回転数で動作させることにより、平滑コンデンサ１４の電圧降下がゆるやかになるので、瞬時停電が復帰するまでセンサレスブラシレスＤＣモータ８の制御を継続することが可能となる。すなわち、センサレスブラシレスＤＣモータ８を停止させる必要がなく、ユーザーに不快感を与えない換気装置が構成できる。さらに、風量を一定に保つ制御の場合は、換気装置が設置された場所のダクト抵抗によっては、最低風量＝最低回転数とならない場合があるため、瞬時停電が発生した直後に複雑な風量演算を行うことなく瞬停時風量演算部２７から最低回転数となる指示を行い、この指示を優先することで本発明の換気装置が設置された場所のダクト抵抗に関係なく、センサレスブラシレスＤＣモータ８を最低回転数で動作させることができるため、どのような設置場所においても確実に瞬時停電時には、負荷の少ない状態でセンサレスブラシレスＤＣモータ８を制御することができる。

また、本実施の形態では、センサレスブラシレスＤＣモータ８を用いて構成したが、増幅率を切り替える増幅率変更手段２２は、固定子１６に対する回転子１７の相対的位置を磁気センサの出力を利用して位置検出をしているブラシレスＤＣモータに適用することも可能である。すなわち、シャント抵抗１８をどれか１相に接続し、増幅率変更手段２２は、そのシャント抵抗１８の両端の電位差を増幅する増幅部１９の増幅率を切り替えるという構成においても効果は同じである。

本発明にかかる建物に取り付けられる換気装置は、ダクト抵抗、外風圧に拘わりなく所定の時間内で風量が得られる製品のおいて広く有用である。

１室内
２天井裏
３本体
４アダプタ
５排気ダクト
７羽根
８センサレスブラシレスＤＣモータ
９ルーバ
１０制御回路
１１リモコン装置
１１ｂファンノッチ設定スイッチ
１２商用電源
１３交直変換回路
１４平滑コンデンサ
１５インバータ回路
１６固定子
１７回転子
１８シャント抵抗
１９増幅部
２０電流検出部
２１目標風量演算部
２２増幅率変更手段
２３速度制御部
２４風量演算部
２５回転検出部
２６電圧検出部
２７瞬停時風量演算部

Claims

風量を可変できる換気装置であって、
前記換気装置内部には、羽根を駆動するモータと、
このモータを制御する制御回路を備え、
前記制御回路内部には、
上段と下段からなり、相反するＯＮ／ＯＦＦ動作を行う２つのスイッチング素子を直流電圧に直列に接続して成る三つのアームを三相ブリッジ状に結線し、三相ＰＷＭ方式の交流電圧を前記モータに印加するインバータ回路と、
このインバータ回路の各相の下段と負電位側の間に相ごとに挿入したシャント抵抗と、
このシャント抵抗の端子間電圧を増幅する増幅部と、
この増幅部の出力からモータに流れる各相の電流を検出する電流検出部と、
この電流検出部で検出された電流に基づいてモータの回転数と位置を算出する回転検出部とを備え、
さらに前記制御回路は、前記換気装置が出力する風量の目標値を演算する目標風量演算部と、
前記電流検出部で検出した各相の電流値のうちいずれか１相の電流値と、前記回転検出部が算出した回転数とを入力し、目標風量に対応する電流値と回転数を比較する風量演算部と、
この風量演算部の比較結果に基づいて、前記インバータ回路に対してデューティを可変させて前記モータの回転数を制御する速度制御部と、
前記モータの駆動電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部にて検出した電圧値を監視して、この電圧値が所定の偏差以上低下したときには、前記電流検出部で検出された電流から前記モータの位置を検知し、検知した位置に応じて前記速度制御部へ前記モータが最低回転数となる指示を行う瞬停時風量演算部を備え、
前記速度制御部は前記瞬停時風量演算部からの指示を優先する換気装置。
前記制御回路には、前記増幅部の増幅率を変更する増幅率変更手段を備え、
この増幅率変更手段は、前記目標風量に基づいて前記風量演算部に入力する電流値を検出するための前記増幅部の増幅率を切り替える請求項１記載の換気装置。
前記制御回路には、前記増幅部の増幅率を変更する増幅率変更手段を備え、
この増幅率変更手段は、前記電流検出部が検出する電流に基づいて、前記風量演算部に入力する電流値を検出するための前記増幅部の増幅率を切り替える請求項１記載の換気装置。