JP6486224B2 - 二相誘導モータの制御装置およびヒートポンプ機器 - Google Patents

Description

この発明は、二相誘導モータの制御装置、および二相誘導モータで駆動される圧縮機を備えたヒートポンプ機器に関し、たとえば、空気調和機などにおいて好適に用いられるものである。

二相誘導モータは、二相の固定子巻線（主巻線および補助巻線）によって回転磁界を生成し、この回転磁界によって回転子を駆動するものである。通常は、補助巻線にコンデンサを接続することによって、主巻線を流れる電流と補助巻線を流れる電流とに９０°の位相差を生じさせる方式（ランニングコンデンサ方式）が用いられる。これに対して、ランニングコンデンサを設けずに、インバータ回路によって生成した二相交流電流を主巻線および補助巻線に供給するインバータ駆動方式も用いられている。さらに、上記のランニングコンデンサ方式とインバータ駆動方式とを切替えて二相誘導モータを駆動する方法も提案されている。

たとえば、特許文献１（特開２０１０−１０１５１８号公報）は、通常時は、インバータ駆動方式で二相誘導モータを駆動し、インバータの故障時にランニングコンデンサ方式によって二相誘導モータを駆動する運転制御方法を開示する。

特許文献２（実開昭６３−５５７９８号公報）に開示された制御回路は、ランニングコンデンサ方式の誘導モータを、商用電源およびインバータ電源の各々で駆動できるようにしたものであり、上記の特許文献１に開示されたものとは構成が異なる。具体的にこの文献の場合、補助巻線に接続された複数のコンデンサの接続が切替可能になっており、これらのコンデンサは商用電源での運転時に並列接続され、インバータ電源での運転時に直列接続される。

特開２０１０−１０１５１８号公報 実開昭６３−５５７９８号公報

本願の発明者は、ランニングコンデンサ方式の二相誘導モータとインバータ駆動方式の二相誘導モータとを比較検討した結果、これまで十分に認識されてこなかった以下のような問題点があることを見出した。すなわち、ランニングコンデンサ方式の二相誘導モータは、回路構成がシンプルであるために低コストであるが、モータ起動時に非常に大きなモータ電流が流れるという問題がある。入力される交流電源電圧が大きい場合には電源ブレーカが作動する場合もあり得る。一方、インバータ駆動方式の場合には、起動時のモータ電流は大幅に低減できるが、インバータの変換効率に限界があるために固定子巻線に印加する電圧が不足し、結果としてモータの回転速度を十分に上げられないという問題がある。

この発明は上記の問題点を考慮してなされたものであり、その主な目的は、二相誘導モータの制御装置において、起動時のモータ電流のピーク値を抑制するとともにモータ電圧ができるだけ制限されないようにすることである。

この発明は、一局面において、二相誘導モータの制御装置である。二相誘導モータは、回転磁界を生成するための第１巻線および第２巻線を含む。制御装置は、切替回路と、第１の駆動回路と、第２の駆動回路と、制御部とを備える。切替回路は、単相交流電圧の供給先を切替える。第１の駆動回路は、切替回路から供給された単相交流電圧を第１巻線に印加するとともにコンデンサを介して第２巻線に印加する。第２の駆動回路は、コンバータおよびインバータを含む。コンバータは、切替回路から供給された単相交流電圧を直流電圧に変換する。インバータは、コンバータの出力直流電圧を２相交流電圧に変換し、変換した２相交流電圧を第１および第２巻線に印加する。制御部は、切替回路の切替制御を行うことによって、単相交流電圧の実効値または振幅が閾値以下の場合に、第１の駆動回路を用いて二相誘導モータの起動および運転を行い、単相交流電圧の実効値または振幅が閾値を超える場合に、第２の駆動回路を用いて二相誘導モータの起動および運転を行う。

第１の駆動回路によって二相誘導モータが駆動される場合、単相交流電圧の実効値または振幅が増加するにつれて、二相誘導モータの起動時における第１および第２巻線の電流ピーク値は増加する。この場合、好ましくは、起動時の電流ピーク値が上限値に達したときの単相交流電圧の実効値または振幅を第１の基準値とすると、閾値は第１の基準値に等しく設定される。

第２の駆動回路によって二相誘導モータが駆動される場合、単相交流電圧の実効値または振幅が増加するにつれて、二相誘導モータの最大回転速度は増加する。この場合、好ましくは、第２の駆動回路によって駆動された場合の二相誘導モータの最大回転速度が、第１の駆動回路によって駆動された場合の二相誘導モータの回転速度に達したときの単相交流電圧の実効値または振幅を第２の基準値とすると、第１の基準値が第２の基準値未満の場合、閾値は第１の基準値に等しく設定され、第１の基準値が第２の基準値以上の場合、閾値は第２の基準値に等しく設定される。

この発明は、他の局面において、ヒートポンプ機器である。ヒートポンプ機器は、冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮器を通過した冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張弁を通過した冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器を通過した冷媒を圧縮し、圧縮した冷媒を凝縮器に吐出する圧縮機とを備える。圧縮機は、圧縮機構を駆動する二相誘導モータと、二相誘導モータを制御する上記の制御装置とを含む。

好ましくは、制御部は、圧縮機の運転を開始する直前の凝縮器の温度または凝縮器の周辺温度に基づいて閾値を設定する。

この発明によれば、起動時のモータ電流のピーク値を抑制するとともにモータ電圧ができるだけ制限されないように二相誘導モータを制御することができる。

第１の実施形態による二相誘導モータの制御装置の構成を示すブロック図である。 二相誘導モータのモータ電圧およびモータ電流の波形の一例を示す図である。 第１の実施形態による二相誘導モータの運転制御手順を示すフローチャートである。 入力電源電圧の実効値と二相誘導モータの最大回転速度および起動時のモータ電流のピーク値との関係を概略的に示す図である。 図４で負荷トルクが大きい場合において、電圧ＶＢ１を閾値に設定した場合の二相誘導モータの特性を示す図である。 図４で負荷トルクが小さい場合において、電圧ＶＢ２を閾値に設定した場合の二相誘導モータの特性を示す図である。 図３のステップＳ１１０で用いられる閾値の設定方法の一例を示すフローチャートである。 図３のステップＳ１１０で用いられる閾値の設定方法の変形例を示すフローチャートである。 空気調和機の冷媒回路を模式的に示す図である。 二相誘導モータの始動時の負荷トルクと凝縮器温度との関係を模式的に示す図である。 図３のステップＳ１１０で用いられる閾値と圧縮機停止時の凝縮器温度との関係の一例を模式的に示す図である。 図３のステップＳ１１０で用いられる閾値と圧縮機停止時の凝縮器温度との関係の他の例を模式的に示す図である。 空気調和機の圧縮機で用いられる二相誘導モータの運転制御手順を示すフローチャートである。

以下、実施形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。

＜第１の実施形態＞
［二相誘導モータの制御装置の構成］
図１は、第１の実施形態による二相誘導モータの制御装置の構成を示すブロック図である。図１を参照して、二相誘導モータ２を駆動制御する制御装置１０は、切替回路２０と、第１の駆動回路３０と、第２の駆動回路６０と、交流電圧検出器７０，７３，７４と、交流電流検出器７１，７２と、制御部６１とを含む。

二相誘導モータ２は、回転子３と、固定子巻線としての主巻線４および補助巻線５とを含む。回転子３として、たとえば、かご型回転子を用いることができる。図１において、主巻線４に印加された電圧をＶｍａｉｎとし、主巻線４に流れる電流をＩｍａｉｎとする。補助巻線５に印加された電圧をＶａｕｘとし、補助巻線５に流れる電流をＩａｕｘとする。主巻線４に流れる電流Ｉｍａｉｎの位相と補助巻線５に流れる電流Ｉａｕｘの位相とを異ならせることによって回転磁界が形成され、この回転磁界によって回転子３が回転駆動される。

制御装置１０において、切替回路２０は、制御部６１からの制御信号ＳＷ１に基づいて、単相交流電源１からの単相交流電圧を第１の駆動回路３０に供給する場合と第２の駆動回路６０に供給する場合とのいずれかに切替え可能に構成されている。

具体的に、図１の例では、切替回路２０は、切替スイッチ２１，２４を含む。切替スイッチ２１は入力端子２２と出力端子２３ａ，２３ｂとを含み、切替スイッチ２４は入力端子２５と出力端子２６ａ，２６ｂとを含む。単相交流電源１は、切替スイッチ２１の入力端子２２と切替スイッチ２４の入力端子２５との間に接続される。切替スイッチ２１，２４を第１の出力端子２３ａ，２６ａの側にそれぞれ切替えることによって、単相交流電源１からの電圧は第１の駆動回路３０に供給される。逆に、切替スイッチ２１，２４を第２の出力端子２３ｂ，２６ｂの側にそれぞれ切替えることによって、単相交流電源１からの電圧は第２の駆動回路６０に供給される。

第１の駆動回路３０は、切替回路２０を介して供給された単相交流電圧に基づいて、ランニングコンデンサ方式によって二相誘導モータ２を駆動する。駆動回路３０は、コンデンサ３１と開閉回路３２とを含む。

コンデンサ３１は、補助巻線５を流れる電流Ｉａｕｘの位相を、主巻線４を流れる電流Ｉｍａｉｎの位相よりも９０°遅らせるために設けられている。具体的に、切替スイッチ２１の第１の出力端子２３ａは、主巻線４の一方端（ノードＮ１）と接続されるとともに、コンデンサ３１を介して補助巻線５の一方端（ノードＮ２）と接続される。切替スイッチ２４の第１の出力端子２６ａは、主巻線４の他方端および補助巻線５の他方端（両者の共通ノードＮ３）と接続される。

開閉回路３２は、コンデンサ３１の一方端と二相誘導モータ２のノードＮ１との間に接続された開閉スイッチ３３と、コンデンサ３１の他方端と二相誘導モータ２のノードＮ２との間に接続された開閉スイッチ３４とを含む。開閉スイッチ３３，３４は、制御部６１からの制御信号ＳＷ２に基づいてオンまたはオフに切替わる。具体的に、切替回路２０を介して単相交流電源１からの電圧が第１の駆動回路３０に供給されている場合には、開閉スイッチ３３，３４はオン状態に設定される。逆に、単相交流電源１からの電圧が第２の駆動回路６０に供給されている場合には、開閉スイッチ３３，３４はオフ状態に設定される。これによって、コンデンサ３１が二相誘導モータ２から切り離される。

第２の駆動回路６０は、切替回路２０を介して供給された単相交流電圧に基づいて、インバータ駆動方式によって二相誘導モータ２を駆動する。第２の駆動回路６０は、切替回路２０を介して供給された単相交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ４０と、コンバータ４０の出力直流電圧を二相交流電圧に変換して固定子巻線に供給するインバータ５０とを含む。

図１の例では、コンバータ４０は、ダイオード４１，４２，４３，４４によって構成されるダイオードブリッジ整流回路と平滑コンデンサ４５とを含む。平滑コンデンサ４５に代えて、力率改善コンバータを設けても構わない。

インバータ５０は、６個の半導体スイッチング素子５１〜５６と、これらの半導体スイッチング素子に対して並列かつ逆バイアス方向にそれぞれ接続された６個のダイオードとを含む。図１の場合、半導体スイッチング素子５１〜５６の各々はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）によって構成されるが、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）またはバイポーラトランジスタなどであっても構わない。

以下、半導体スイッチング素子５１〜５６の接続について説明する。半導体スイッチング素子５１，５２は、コンバータ４０の高電圧側の出力ノードＮｐと低電圧側の出力ノードＮｎとの間に直列に接続される。半導体スイッチング素子５１，５２の接続ノードＮａは、二相誘導モータ２のノードＮ１と接続される。同様に、半導体スイッチング素子５３，５４は、出力ノードＮｐ，Ｎｎ間に直列に、かつ直列接続された半導体スイッチング素子５１，５２の全体と並列に接続される。半導体スイッチング素子５３，５４の接続ノードＮｂは、二相誘導モータ２のノードＮ２と接続される。半導体スイッチング素子５５，５６は、出力ノードＮｐ，Ｎｎ間に直列に、かつ直列接続された半導体スイッチング素子５１，５２の全体および直列接続された半導体スイッチング素子５３，５４の全体と並列に接続される。半導体スイッチング素子５５，５６の接続ノードＮｃは、二相誘導モータ２のノードＮ３と接続される。

次に、インバータ５０の動作について簡単に説明する。半導体スイッチング素子５１〜５６のスイッチングは、制御部６１からの制御信号Ｓ１〜Ｓ６によってそれぞれ制御される。最初に、半導体スイッチング素子５１，５６がオン状態となり、他のスイッチング素子がオフ状態になることによって、主巻線４に正方向の主電流Ｉｍａｉｎが流れる。次に、半導体スイッチング素子５３，５６がオン状態になり、他のスイッチング素子がオフ状態になることによって、補助巻線５に正方向の補助電流Ｉａｕｘが流れる。次に、半導体スイッチング素子５２，５５がオン状態となり、他のスイッチング素子がオフ状態になることによって、主巻線４に負方向の主電流Ｉｍａｉｎが流れる。次に、半導体スイッチング素子５４，５５がオン状態となり、他のスイッチング素子がオフ状態になることによって、補助巻線５に負方向の補助電流Ｉａｕｘが流れる。以下、上記の制御が繰り返されることによって回転磁界が生成される。

交流電圧検出器７０は、単相交流電源１から入力される入力電源電圧Ｖｉｎを検出する。交流電流検出器７１は、主巻線４に供給される主電流Ｉｍａｉｎを検出する。交流電流検出器７２は、補助巻線５に供給される補助電流Ｉａｕｘを検出する。交流電圧検出器７３は、主巻線４に印加される電圧Ｖｍａｉｎを検出する。交流電圧検出器７４は、補助巻線５に印加される電圧Ｖａｕｘを検出する。

制御部６１は、ＣＰＵおよびメモリなどを含むマイクロコンピュータを基に構成され、二相誘導モータ２の制御装置１０全体の動作を制御する。たとえば、制御部６１は、検出された入力電圧Ｖｉｎ、主巻線４の電流検出値Ｓａおよび電圧検出値Ｓｃ、ならびに補助巻線５の電流検出値Ｓｂおよび電圧検出値Ｓｄに基づいて、インバータ５０を構成する半導体スイッチング素子５１〜５６のスイッチングをそれぞれ制御するための制御信号Ｓ１〜Ｓ６を生成する。さらに、制御部６１は、入力電源電圧Ｖｉｎの実効値または振幅に基づいて、切替回路２０の切替えならびに開閉回路３２の開閉をそれぞれ制御するための制御信号ＳＷ１，ＳＷ２を生成する。切替回路２０の制御方法の詳細については、図３〜図８を参照して後述する。

［ランニングコンデンサ方式とインバータ駆動方式の各々の問題点について］
以下、ランニングコンデンサ方式で二相誘導モータを駆動する場合、ならびにインバータ駆動方式で二相誘導モータを駆動する場合の各々の問題点について説明する。

図２は、二相誘導モータのモータ電圧およびモータ電流の波形の一例を示す図である。図２（Ａ）は、ランニングコンデンサ方式で二相誘導モータを起動して運転する場合のモータ電圧およびモータ電流の波形の一例を示す。図２（Ｂ）は、インバータ駆動方式で二相誘導モータを起動して運転する場合のモータ電圧およびモータ電流の波形の一例を示す。図２（Ａ）および（Ｂ）のいずれの場合も入力交流電圧の実効値は２００Ｖであるとする。

図２（Ａ）を参照して、横軸の時間が２００ｍ秒のときに二相誘導モータが起動される。ランニングコンデンサ方式の場合には、起動時に、２００Ｖの実効値の交流電圧が二相誘導モータの主巻線４および補助巻線５に急に印加されることになるので、過剰なモータ電流が起動時に流れるという問題点がある。図２（Ａ）の場合に、起動時のモータ電流のピーク値は約３８Ａである。起動時のピーク電流値は、入力交流電圧の実効値が増加するほど増加する。この結果、単相交流電源１の入力部に通常設けられている過電流ブレーカ（図１において不図示）が動作する場合がある。

図２（Ｂ）を参照して、横軸の時間が０．２秒のときに二相誘導モータが起動される。インバータ駆動方式の場合は、インバータから出力される電流および電圧の振幅ならびに周波数を制限することによって、起動時のモータ電流にピーク値が生じないようにすることができる。図２（Ｂ）のピーク電流値は４Ａまで低減されている。しかしながら、インバータの変換効率に限界があるので（特に、二相モータは三相モータに比べて変換効率が低くなる）、ランニングコンデンサ方式の場合に比べてモータ電圧が低くなる。図２（Ｂ）のモータ電圧は約１００Ｖである。インバータ駆動方式の場合のモータ電圧は、入力交流電圧の実効値が増加するほど増加する。

［制御部の動作］
以上の問題点を考慮して、この実施形態の制御装置１０の制御部６１は、以下のように二相誘導モータの運転制御を行う。

図３は、第１の実施形態による二相誘導モータの運転制御手順を示すフローチャートである。図１および図３を参照して、まず、制御部６１は、二相誘導モータ２の起動前に、交流電圧検出器７０を用いて単相交流電源１からの入力電圧Ｖｉｎの実効値（または振幅値）を検出する（ステップＳ１００）。この結果、入力電圧Ｖｉｎの実効値（または振幅値）が予め設定された閾値を超えている場合には（ステップＳ１１０でＹＥＳ）は、制御部６１は、切替回路２０の接続を第２の駆動回路６０側（インバータ５０側）に切替える（ステップＳ１２０）。そして、制御部６１は、インバータ５０によって二相誘導モータ２を起動し、運転する（ステップＳ１３０）。

一方、入力電圧Ｖｉｎの実効値（または振幅値）が閾値以下の場合には（ステップＳ１１０でＮＯ）は、制御部６１は、切替回路２０の接続を第１の駆動回路３０側（ランニングコンデンサ回路側）に切替える（ステップＳ１４０）。そして、制御部６１は、第１の駆動回路３０（ランニングコンデンサ回路）によって二相誘導モータ２を起動し、運転する（ステップＳ１５０）。

以上の制御によって、起動時のモータ電流のピーク値を抑制するとともにモータ電圧ができるだけ制限されないようにすることができる。以下、上記の閾値の決定方法について説明する。以下の説明では、切替回路２０の接続を第１の駆動回路３０側に切替えて、二相誘導モータ２を起動して運転する場合を第１の運転モードと称し、切替回路２０の接続を第２の駆動回路６０側に切替えて、二相誘導モータ２を起動して運転する場合を第２の運転モードと称する。

［運転制御の際の閾値の設定手順］
図４は、入力電源電圧の実効値と二相誘導モータの最大回転速度および起動時のモータ電流のピーク値との関係を概略的に示す図である。

図４の上側のグラフを参照して、第１の運転モード（ランニングコンデンサ方式）の場合、二相誘導モータの回転速度Ｒ１は、入力電源電圧Ｖｉｎの周波数で決まる一定値になる。第２の運転モード（インバータ駆動方式）の場合、二相誘導モータ２の最大回転速度Ｒ２は、電源電圧Ｖｉｎの実効値（または振幅値）が増加するほど増加する。第１の運転モードの場合の回転速度Ｒ１の特性曲線と第２の運転モードの場合の最大回転速度Ｒ２の特性曲線との交点における電圧をＶＣとする。

図４の下側のグラフを参照して、第２の運転モード（インバータ駆動方式）の場合、起動時のモータ電流のピーク値ＩＰ２は、入力電源電圧Ｖｉｎの実効値（または振幅値）によらず比較的低い値に抑制することができる。一方、第１の運転モード（ランニングコンデンサ方式）の場合、起動時のモータ電流のピーク値ＩＰ１は、電源電圧Ｖｉｎの実効値（または振幅値）が増加するほど増加する。さらに、二相誘導モータ２の負荷トルクが大きい程、起動時のピーク電流は増大する。

ここで、モータ電流の上限値をＢＬとする。上限値ＢＬは、二相誘導モータの固定子巻線の定格電流およびコンデンサ３１の耐圧などを考慮して決定されるが、通常は、制御装置１０の入力側に設けられた過電流ブレーカの動作電流よりも若干低い値に設定される。図４を参照して、ランニングコンデンサ方式におけるモータ電流のピーク値ＩＰ１が上限値ＢＬに達したときの電圧をＶＢとする（負荷トルクが大きい場合をＶＢ１とし、負荷トルクが小さい場合ＶＢ２とする）。一実施例では、この電圧ＶＢが前述の二相誘導モータの運転制御の場合の閾値に設定される。変形例では、電圧ＶＣが電圧ＶＢよりも小さい場合には、電圧ＶＣが閾値に設定され、電圧ＶＣが電圧ＶＢ以上の場合には、電圧ＶＢが閾値に設定される。以下、図面を参照してさらに詳しく説明する。

図５は、図４で負荷トルクが大きい場合において、電圧ＶＢ１を閾値に設定した場合の二相誘導モータの特性を示す図である。図５を参照して、ランニングコンデンサ方式における入力電源電圧Ｖｉｎの実効値が電圧ＶＢ１に等しいとき、モータ電流のピーク値ＩＰ１がモータ電流の上限値ＢＬに等しくなったとする。この場合において、入力電源電圧Ｖｉｎの実効値が電圧ＶＢ１（＝閾値）以下の場合に、制御部６１は、第１の運転モード（ランニングコンデンサ方式）で二相誘導モータ２を起動して運転する。入力電源電圧Ｖｉｎの実効値が電圧ＶＢ１（＝閾値）を超えている場合には、制御部６１は、第２の運転モード（インバータ制御方式）で二相誘導モータ２を起動して運転する。このような運転制御によって、起動時のモータ電流のピーク値が上限値ＢＬを超えないようにできるともに、入力電源電圧Ｖｉｎの実効値が比較的大きい場合に、ランニングコンデンサ方式の場合よりもモータの回転速度を上昇させることができる。

図６は、図４で負荷トルクが小さい場合において、電圧ＶＢ２を閾値に設定した場合の二相誘導モータの特性を示す図である。図６を参照して、ランニングコンデンサ方式における入力電源電圧Ｖｉｎの実効値が電圧ＶＢ２に等しいとき、モータ電流のピーク値ＩＰ１がモータ電流の上限値ＢＬに等しくなったとする。この場合において、入力電源電圧Ｖｉｎの実効値が電圧ＶＢ２（＝閾値）以下の場合に、制御部６１は、第１の運転モード（ランニングコンデンサ方式）で二相誘導モータ２を起動して運転することができる。入力電源電圧Ｖｉｎの実効値が電圧ＶＢ２（＝閾値）を超えている場合には、制御部６１は、第２の運転モード（インバータ制御方式）で二相誘導モータ２を起動して運転することができる。

ただし、図６の場合には、変形例として、電圧ＶＢ２よりも低い電圧ＶＣを閾値に設定してもよい。電圧ＶＣにおいて、インバータ駆動方式の場合の最大回転速度Ｒ２がランニングコンデンサ方式の場合の回転速度Ｒ１に等しくなるので、電圧ＶＣにおいて運転モードを切替えることによって、二相誘導モータの最大回転数をより上昇させることができるからである。

以上を総括して、図３のフローチャートのステップＳ１１０で用いられる閾値の設定方法について説明する。

図７は、図３のステップＳ１１０で用いられる閾値の設定方法の一例を示すフローチャートである。図７の手順に従って閾値が予め設定される。

図１および図７を参照して、まず、切替回路２０の接続をランニングコンデンサ回路（第１の駆動回路３０）側に切替える（ステップＳ２００）。次に、入力電源電圧Ｖｉｎの実効値を徐々に増加させながら、第１の運転モード（ランニングコンデンサ方式）で二相誘導モータ２を起動することを繰返す。そして、起動時のピーク電流が上限値（ブレーカ動作電流よりも若干低い値）に等しくなったときの入力電源電圧ＶＢを特定する（ステップＳ２１０）。この入力電源電圧ＶＢが閾値に設定される（ステップＳ２５０）。

図８は、図３のステップＳ１１０で用いられる閾値の設定方法の変形例を示すフローチャートである。図８の手順に従って閾値が予め設定される。

図１および図８を参照して、まず、切替回路２０の接続をランニングコンデンサ回路（第１の駆動回路３０）側に切替える（ステップＳ２００）。この接続状態で、入力電源電圧Ｖｉｎの実効値を徐々に増加させながら、第１の運転モード（ランニングコンデンサ方式）で二相誘導モータ２を起動することを繰返す。そして、起動時のピーク電流が上限値（ブレーカ動作電流よりも若干低い値）に等しくなったときの入力電源電圧ＶＢを特定する（ステップＳ２１０）。

次に、切替回路２０の接続をインバータ（第２の駆動回路６０）側に切替える（ステップＳ２２０）。この接続状態で、入力電源電圧Ｖｉｎの実効値を徐々に増加させながら、第２の運転モード（インバータ駆動方式）で二相誘導モータ２を運転する。そして、モータの最大回転速度がランニングコンデンサ方式での回転速度に等しくなったときの入力電源電圧ＶＣを検出する（ステップＳ２３０）。

上記の電圧ＶＢが電圧ＶＣよりも小さい場合には（ステップＳ２４０でＹＥＳ）、電圧ＶＢが閾値に設定される（ステップＳ２５０）。電圧ＶＢが電圧ＶＣ以上の場合には（ステップＳ２４０でＮＯ）、電圧ＶＣが閾値に設定される（ステップＳ２６０）。

［効果］
以上の二相誘導モータの駆動装置によれば、起動時のモータ電流のピーク値を抑制するとともにモータ電圧ができるだけ制限されないように二相誘導モータを制御できる。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態では、第１の実施形態の二相誘導モータの制御装置を、ヒートポンプ機器の圧縮機に適用した場合について説明する。以下では、空気調和機を例に挙げて説明するが、以下の実施形態は、空気調和機以外のヒートポンプ機器（たとえば、冷蔵庫、給湯機など）にも適用可能である。

［空気調和機の冷媒回路］
図９は、空気調和機の冷媒回路を模式的に示す図である。図９を参照して、空気調和機１００は、室外機側の熱交換器（以下「室外熱交換器」という）１０１と、膨張弁１０２と、室内機側の熱交換器（以下「室内熱交換器」という）１０３と、四方弁１０４と、圧縮機１０５とを含み、それらが順に閉ループ状に接続されている。圧縮機１０５は、冷媒を圧縮する。室外熱交換器１０１は、室外の空気および冷媒の間で熱交換する。膨張弁１０２は、冷媒の流量を調整するために制御される。室内熱交換器１０３は、室内の空気および冷媒の間で熱交換する。四方弁１０４は、冷房運転および暖房運転において冷媒の巡回方向を切替える。

圧縮機１０５の圧縮機構を駆動するためのモータとして第１の実施形態で説明した二相誘導モータ２が用いられる。さらにこの二相誘導モータの制御装置として第１の実施形態で説明した制御装置１０が用いられる。

冷房運転時には、図９の実線の矢印で示されるように、圧縮機１０５、四方弁１０４、室外熱交換器１０１、膨張弁１０２、室内熱交換器１０３、四方弁１０４、圧縮機１０５の順に冷媒が巡回する。この場合、室外熱交換器１０１が、圧縮された高温の冷媒を凝縮して液化させるための凝縮器として機能し、室内熱交換器１０３が、液化された冷媒を蒸発させることで冷媒を低温の気体に変化させるための蒸発器として機能する。暖房運転時には、図９の破線の矢印で示されるように、圧縮機１０５、四方弁１０４、室内熱交換器１０３、膨張弁１０２、室外熱交換器１０１、四方弁１０４、圧縮機１０５の順に冷媒が巡回する。この場合、室外熱交換器１０１が蒸発器として機能し、室内熱交換器１０３が凝縮器として機能する。

空気調和機は、さらに、室外熱交換器１０１の温度を測定するための温度センサ１０６と、圧縮機１０５の出口での冷媒温度である吐出温度を測定するための温度センサ１０７と、室内熱交換器１０３の温度を測定するための温度センサ１０８とを含む。これらの温度センサ１０６，１０７，１０８は、たとえばサーミスタである。室外熱交換器１０１用の温度センサ１０６および室内熱交換器１０３用の温度センサ１０８はいずれも、熱交換器の入口と出口の中間に配置される。したがって、通常の場合には、これらの熱交換器が凝縮器として機能するときに検出される温度は冷媒の凝縮温度であり、蒸発器として機能するときに検出される温度は冷媒の蒸発温度である。

さらに、外気温を測定するための温度センサ（不図示）が室外熱交換器１０１を収納する室外機に取り付けられ、室内温度を測定するための温度センサ（不図示）が室内熱交換器１０３を収納する室内機に取り付けられている。これの温度センサもたとえばサーミスタによって構成することができる。

なお、本実施の形態では、暖房運転および冷房運転を切替え可能として説明するが、空気調和機は、暖房運転および冷房運転の一方のみ可能であってもよい。その場合、室外熱交換器１０１および室内熱交換器１０３の機能は、凝縮器または蒸発器として固定される。

［二相誘導モータの運転制御について］
図９に示す冷媒回路を駆動するヒートポンプ機器の場合、圧縮機１０５を駆動する二相誘導モータの負荷トルクは圧縮機１０５の出力側の冷媒温度によって変化する。したがって、冷媒温度に応じて図３のステップＳ１１０で用いられる閾値が変化することになる。以下、この点について詳しく説明する。

図１０は、二相誘導モータの始動時の負荷トルクと凝縮器温度との関係を模式的に示す図である。図９および図１０を参照して、二相誘導モータの起動時の負荷トルクは、起動直前の圧縮機１０５の出力側の冷媒温度、すなわち、凝縮器の温度に依存する。具体的には、凝縮器の温度が増加するにつれて二相誘導モータの起動時の負荷トルクが増加する。なお、圧縮機１０５の停止時には、凝縮器の温度は凝縮器の周辺温度（冷房運転時の外気温、暖房運転時の室内温度）に等しいので、凝縮器の温度に代えて凝縮器の周辺温度を圧縮機の出力側の冷媒温度としてもよい。

図１１は、図３のステップＳ１１０で用いられる閾値と圧縮機停止時の凝縮器温度との関係の一例を模式的に示す図である。図７で説明した方法で閾値を設定する場合には、図１１に示すように、圧縮機停止時（起動直前）の凝縮器の温度が増加するほど、閾値はより小さな値に設定される。なぜなら、凝縮器の温度が増加するほど（すなわち、冷媒温度が増加するほど）二相誘導モータの起動時の負荷トルクが増加するので、起動時のモータ電流のピーク値がより増加するからである。

図１２は、図３のステップＳ１１０で用いられる閾値と圧縮機停止時の凝縮器温度との関係の他の例を模式的に示す図である。図８で説明した方法で閾値を設定する場合には、図１１に示すように、圧縮機停止時（起動直前）の凝縮器の温度が閾値温度Ｔｔｈ以下の場合には、閾値は一定値ＶＣに設定される。図４、図６、および図８で説明したように、凝縮器温度が比較的低い場合、すなわち、負荷トルクが比較的小さい場合には、図４および図６の電圧ＶＣに閾値を設定することができるからである。逆に、圧縮機停止時（起動直前）の凝縮器の温度が閾値温度Ｔｔｈを超えている場合には、圧縮機停止時（起動直前）の凝縮器の温度が増加するほど、閾値はより小さな値に設定される。図４、図５、および図８で説明したように、凝縮器温度が比較的高い場合、すなわち、負荷トルクが比較的大きい場合には、起動時のモータ電流のピーク値が上限値ＢＬを超えないように、図４および図５の電圧ＶＢ１に閾値を設定する必要があるからである。

図１３は、空気調和機の圧縮機で用いられる二相誘導モータの運転制御手順を示すフローチャートである。以下の説明において、図１の制御部６１は、温度センサを用いた温度の検出および空気調和機全体の制御も行う。

図１、図９、および図１３を参照して、まず、制御部６１は、冷房運転を開始する場合には（ステップＳ１０でＹＥＳ）、二相誘導モータ２の起動前に、外気温（または室外熱交換器１０１の温度）を、温度センサを用いて検出する（ステップＳ２０）。制御部６１は、検出した外気温（または室外熱交換器１０１の温度）に基づいて閾値を決定する（ステップＳ３０）。閾値と外気温（室外熱交換器１０１の温度）との関係の一例は、図１１または図１２に示されている。この関係は、予め実験的に決定され、制御部６１を構成するコンピュータのメモリに記憶される。

一方、制御部６１は、暖房運転を開始する場合には（ステップＳ１０でＮＯ）、二相誘導モータ２の起動前に、室内温度（または室内熱交換器１０３の温度）を、温度センサを用いて検出する（ステップＳ３０）。制御部６１は、検出した室内温度（または室内熱交換器１０３の温度）に基づいて閾値を決定する（ステップＳ４０）。閾値と室内温度（室内熱交換器１０３の温度）との関係の一例は、図１１または図１２に示されている。この関係は、予め実験的に決定され、制御部６１を構成するコンピュータのメモリに記憶される。

次に、制御部６１は、交流電圧検出器７０を用いて単相交流電源１からの入力電圧Ｖｉｎの実効値（または振幅値）を検出する（ステップＳ１００）。この結果、入力電圧Ｖｉｎの実効値（または振幅値）がステップＳ３０またはＳ５０で設定した閾値を超えている場合には（ステップＳ１１０でＹＥＳ）は、制御部６１は、切替回路２０の接続を第２の駆動回路６０側（インバータ５０側）に切替える（ステップＳ１２０）。そして、制御部６１は、インバータ５０によって二相誘導モータ２を起動し、運転する（ステップＳ１３０）。

一方、入力電圧Ｖｉｎの実効値（または振幅値）が閾値以下の場合には（ステップＳ１１０でＮＯ）は、制御部６１は、切替回路２０の接続を第１の駆動回路３０側（ランニングコンデンサ回路側）に切替える（ステップＳ１４０）。そして、制御部６１は、第１の駆動回路３０（ランニングコンデンサ回路）によって二相誘導モータ２を起動し、運転する（ステップＳ１５０）。

以上の制御によって、起動時のモータ電流のピーク値を抑制するとともにモータ電圧ができるだけ制限されないように、圧縮機用の二相誘導モータを制御することができる。

＜第３の実施形態＞
空気調和機で冷房運転または暖房運転を行う場合には、室内温度が設定温度に達したら圧縮機（すなわち、二相誘導モータ）を停止し、室内温度と設定温度との差の絶対値が所定値以上の場合に圧縮機（すなわち、二相誘導モータ）の運転を開始するように圧縮機の運転制御が行われる場合がある。このように圧縮機をオンオフ制御する場合にも、停止時の凝縮器温度（または凝縮器周辺温度）に基づいて、次に圧縮機を始動するときの運転モードを第１の運転モードおよび第２の運転モードのいずれかに切替えることができる。これによって、第２の実施形態の場合と同様に、起動時のモータ電流のピーク値を抑制するとともにモータ電圧ができるだけ制限されないように、圧縮機用の二相誘導モータを制御することができる。

＜付記＞
以下、以上の各実施形態で開示された発明の一部を列挙する。

（１）二相誘導モータ２の制御装置１０が提供される。二相誘導モータ２は、回転磁界を生成するための第１巻線４および第２巻線５を含む。制御装置１０は、切替回路２０と、第１の駆動回路３０と、第２の駆動回路６０と、制御部６１とを備える。切替回路２０は、単相交流電圧の供給先を切替える。第１の駆動回路３０は、切替回路２０から供給された単相交流電圧を第１巻線４に印加するとともにコンデンサ３１を介して第２巻線５に印加する。第２の駆動回路６０は、コンバータ４０およびインバータ５０を含む。コンバータ４０は、切替回路２０から供給された単相交流電圧を直流電圧に変換する。インバータ５０は、コンバータ４０の出力直流電圧を２相交流電圧に変換し、変換した２相交流電圧を第１巻線４および第２巻線５に印加する。制御部６１は、切替回路２０の切替制御を行うことによって、単相交流電圧の実効値または振幅が閾値以下の場合に、第１の駆動回路３０を用いて二相誘導モータ２の起動および運転を行い、単相交流電圧の実効値または振幅が閾値を超える場合に、第２の駆動回路６０を用いて二相誘導モータ２の起動および運転を行う。

（２） 上記（１）において、第１の駆動回路３０によって二相誘導モータ２が駆動される場合、単相交流電圧の実効値または振幅が増加するにつれて、二相誘導モータ２の起動時における第１および第２巻線の電流ピーク値は増加する。起動時の電流ピーク値が上限値ＢＬに達したときの単相交流電圧の実効値または振幅を第１の基準値ＶＢとすると、閾値は第１の基準値ＶＢに等しく設定される。

（３） 上記（２）において、第２の駆動回路６０によって二相誘導モータ２が駆動される場合、単相交流電圧の実効値または振幅が増加するにつれて、二相誘導モータ２の最大回転速度は増加する。第２の駆動回路６０によって駆動された場合の二相誘導モータ２の最大回転速度が、第１の駆動回路３０によって駆動された場合の二相誘導モータ２の回転速度に達したときの単相交流電圧の実効値または振幅を第２の基準値ＶＣとすると、第１の基準値ＶＢが第２の基準値ＶＣ未満の場合、閾値は第１の基準値ＶＢに等しく設定され、第１の基準値ＶＢが第２の基準値ＶＣ以上の場合、閾値は第２の基準値ＶＣに等しく設定される。

（４） ヒートポンプ機器１００は、冷媒を凝縮させる凝縮器（１０１または１０３）と、凝縮器を通過した冷媒を膨張させる膨張弁１０２と、膨張弁を通過した冷媒を蒸発させる蒸発器（１０３または１０１）と、蒸発器を通過した冷媒を圧縮し、圧縮した冷媒を凝縮器に吐出する圧縮機１０５とを備える。圧縮機１０５は、圧縮機構を駆動する二相誘導モータ２と、二相誘導モータ２を制御する上記（１）に記載の制御装置１０とを含む。

（５） 上記（４）において、制御部６１は、圧縮機１０５の運転を開始する直前の凝縮器（１０１または１０３）の温度または凝縮器の周辺温度に基づいて上記の閾値を設定する。

（６） 上記（５）において、制御部６１は、凝縮器（１０１または１０３）の温度または凝縮器の周辺温度が増加するほど閾値を減少させる。

（７） 上記（５）において、制御部６１は、凝縮器（１０１または１０３）の温度または凝縮器の周辺温度が基準温度Ｖｔｈ未満の場合には、閾値を凝縮器の温度または凝縮器の周辺温度によらない一定値ＶＣに設定する。制御部６１は、凝縮器（１０１または１０３）の温度または凝縮器の周辺温度が基準温度Ｖｔｈ以上の場合には、凝縮器の温度または凝縮器の周辺温度が増加するほど、閾値を減少させる。

（８） 上記（５）において、ヒートポンプ機器は、空気調和機であり、四方弁をさらに備える。四方弁は、冷房運転時に圧縮機から凝縮器としての室外熱交換器に冷媒が流れ、暖房運転時に圧縮機から凝縮器としての室内熱交換器に冷媒が流れるように、冷媒の流路を切替える。制御部６１は、冷房運転時に室外熱交換器１０１の温度または外気温に基づいて閾値を設定する。制御部６１は、暖房運転時に室内熱交換器１０３の温度または室内温度に基づいて閾値を設定する。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 単相交流電源、２ 二相誘導モータ、３ 回転子、４ 主巻線（第１巻線）、５ 補助巻線（第２巻線）、１０ 制御装置、２０ 切替回路、３０ 第１の駆動回路（ランニングコンデンサ回路）、３１ コンデンサ、３２ 開閉回路、４０ コンバータ、５０ インバータ、５１〜５６ 半導体スイッチング素子、６０ 第２の駆動回路、６１ 制御部、７０，７３，７４ 交流電圧検出器、７１，７２ 交流電流検出器、１００ 空気調和機（ヒートポンプ機器）、１０１ 室外熱交換器、１０２ 膨張弁、１０３ 室内熱交換器、１０４ 四方弁、１０５ 圧縮機、１０６，１０７，１０８ 温度センサ。

Claims (5)

1. 二相誘導モータの制御装置であって、
   前記二相誘導モータは、回転磁界を生成するための第１巻線および第２巻線を含み、
   前記制御装置は、
   単相交流電圧の供給先を切替える切替回路と、
   前記切替回路から供給された前記単相交流電圧を前記第１巻線に印加するとともにコンデンサを介して前記第２巻線に印加する第１の駆動回路と、
   コンバータおよびインバータを含む第２の駆動回路とを備え、
   前記コンバータは、前記切替回路から供給された前記単相交流電圧を直流電圧に変換し、
   前記インバータは、前記コンバータの出力直流電圧を２相交流電圧に変換し、変換した前記２相交流電圧を前記第１および第２巻線に印加し、
   さらに、前記切替回路の切替制御を行うことによって、前記単相交流電圧の実効値または振幅が閾値以下の場合に、前記第１の駆動回路を用いて前記二相誘導モータの起動および運転を行い、前記単相交流電圧の実効値または振幅が前記閾値を超える場合に、前記第２の駆動回路を用いて前記二相誘導モータの起動および運転を行う制御部とを備える、二相誘導モータの制御装置。
2. 前記第１の駆動回路によって前記二相誘導モータが駆動される場合、前記単相交流電圧の実効値または振幅が増加するにつれて、前記二相誘導モータの起動時における前記第１および第２巻線の電流ピーク値は増加し、
   前記起動時の電流ピーク値が上限値に達したときの前記単相交流電圧の実効値または振幅を第１の基準値とすると、前記閾値は前記第１の基準値に等しく設定される、請求項１に記載の二相誘導モータの制御装置。
3. 前記第２の駆動回路によって前記二相誘導モータが駆動される場合、前記単相交流電圧の実効値または振幅が増加するにつれて、前記二相誘導モータの最大回転速度は増加し、
   前記第２の駆動回路によって駆動された場合の前記二相誘導モータの最大回転速度が、前記第１の駆動回路によって駆動された場合の前記二相誘導モータの回転速度に達したときの前記単相交流電圧の実効値または振幅を第２の基準値とすると、前記第１の基準値が前記第２の基準値未満の場合、前記閾値は前記第１の基準値に等しく設定され、前記第１の基準値が前記第２の基準値以上の場合、前記閾値は前記第２の基準値に等しく設定される、請求項２に記載の二相誘導モータの制御装置。
4. 冷媒を凝縮させる凝縮器と、
   前記凝縮器を通過した前記冷媒を膨張させる膨張弁と、
   前記膨張弁を通過した前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器を通過した前記冷媒を圧縮し、圧縮した前記冷媒を前記凝縮器に吐出する圧縮機とを備え、
   前記圧縮機は、
   圧縮機構を駆動する二相誘導モータと、
   前記二相誘導モータを制御する請求項１に記載の制御装置とを含む、ヒートポンプ機器。
5. 前記制御部は、前記圧縮機の運転を開始する直前の前記凝縮器の温度または前記凝縮器の周辺温度に基づいて前記閾値を設定する、請求項４に記載のヒートポンプ機器。