JP7221418B2 - モータ駆動装置および空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、モータを駆動するモータ駆動装置および空気調和機に関する。

空気調和機の室外機は、モータを駆動するモータ駆動装置を備えている。特許文献１に記載のモータ駆動装置は、交流電源を整流するコンバータ回路と、コンデンサの機能を用いてコンバータ回路から出力された電圧を昇圧する昇圧回路と、昇圧された電圧を用いてモータを駆動するインバータ回路とを備えている。

特開２０１９－８８０４７号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、昇圧回路を用いる場合であっても、昇圧回路を用いない場合と同じ容量のコンデンサを用いて電荷を蓄えているので、昇圧の際に電荷を蓄えるコンデンサを小型化することができなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、昇圧回路を用いつつ、昇圧の際に電荷を蓄えるコンデンサを小型化することができるモータ駆動装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のモータ駆動装置は、交流電源を整流するコンバータ回路と、コンバータ回路から出力された電荷を蓄える第１のコンデンサと、第１のコンデンサを充電することで、コンバータ回路から出力された電圧を昇圧する昇圧回路と、第１のコンデンサから供給される電圧を用いてモータを駆動するインバータ回路と、を備える。第１のコンデンサは、昇圧回路の後段に配置されており、昇圧回路から出力された電荷が第１のコンデンサに蓄えられ、蓄えられた電荷がインバータ回路に供給されることで、コンバータ回路から出力された電圧が昇圧された状態でインバータ回路に供給される。Ｎを１よりも大きな数として昇圧回路がコンバータ回路から出力された電圧をＮ倍に昇圧する場合の第１のコンデンサの容量を第１の容量とし、昇圧回路が無い場合の第２のコンデンサの容量を第２の容量とすると、第１の容量は、第２の容量よりも小さく、かつ第２の容量のＮ分の１以上である。

本発明にかかるモータ駆動装置は、昇圧回路を用いつつ、昇圧の際に電荷を蓄えるコンデンサを小型化することができるという効果を奏する。

実施の形態にかかる空気調和機の構成を示す図 実施の形態にかかるモータ駆動装置の構成を示す図 昇圧回路を備えていないモータ駆動装置の構成を示す図 昇圧回路を備えていないモータ駆動装置の、コンデンサ出力電圧の概略的な波形を示す図 実施の形態にかかるモータ駆動装置の、コンデンサ出力電圧の概略的な波形を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかるモータ駆動装置および空気調和機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、実施の形態にかかる空気調和機の構成を示す図である。空気調和機１００は、室内機１と、室外機４と、表示装置８とを備えている。空気調和機１００は、室内機１と室外機４とが分かれたセパレートタイプの空気調和機である。

室内機１内には、室内制御装置２と、室内ファン３とが設けられている。室外機４内には、室外ファン５と、室外制御装置６と、圧縮機７と、モータ１４とが設けられている。室内制御装置２は、室外制御装置６および表示装置８に接続されている。

室内制御装置２は、室内機１を制御し、室内ファン３は、室内の空気を循環させる。室外制御装置６は、室外機４を制御し、室外ファン５は、室外機４に空気を供給する。圧縮機７は、冷媒を圧縮して空気の温度を変化させる。

表示装置８は、空気調和機１００の運転等の情報を表示する。表示装置８は、空気調和機１００の使用者によって目視可能となっている。室外機４は、圧縮機７を動作させるモータ１４を備えており、室外制御装置６は、モータ１４を駆動するモータ駆動装置２００を備えている。

図２は、実施の形態にかかるモータ駆動装置の構成を示す図である。モータ駆動装置２００は、ブリッジダイオード１０と、昇圧回路１１と、電荷蓄積部１２と、インバータ回路１３とを備えている。モータ駆動装置２００は、基板上に、ブリッジダイオード１０、昇圧回路１１、電荷蓄積部１２、およびインバータ回路１３が配置されることで構成されている。

ブリッジダイオード１０は、交流電源９および電荷蓄積部１２に接続されており、電荷蓄積部１２は、昇圧回路１１およびインバータ回路１３に接続されている。また、インバータ回路１３は、昇圧回路１１、電荷蓄積部１２、およびモータ１４に接続されている。

ブリッジダイオード１０は、コンバータ回路の機能を有しており、交流電源９から印加される三相交流電圧を整流して直流電圧に変換する。ブリッジダイオード１０では、６個のダイオードがブリッジ接続されている。なお、交流電源９から印加される交流電圧が単相である場合、ブリッジダイオード１０は、４個のダイオードがブリッジ接続される。

昇圧回路１１は、ブリッジダイオード１０から出力される電圧を、例えば２倍の電圧に昇圧する回路である。すなわち、昇圧回路１１の例は、倍電圧回路である。なお、昇圧回路１１は、ブリッジダイオード１０から出力される電圧を１．５倍、４倍等の２倍以外の倍数の電圧に昇圧してもよい。すなわち、昇圧回路１１は、ブリッジダイオード１０から出力される電圧より大きな電圧に昇圧するのであれば、何倍に昇圧してもよい。

昇圧回路１１は、リアクタ１１ａと、正極側のスイッチング素子であるスイッチング素子１１ｂと、負極側のスイッチング素子であるスイッチング素子１１ｃと、ダイオード１１ｄと、ダイオード１１ｅとを有している。スイッチング素子１１ｂが第１のスイッチング素子であり、スイッチング素子１１ｃが第２のスイッチング素子である。また、ダイオード１１ｄが第１のダイオードであり、ダイオード１１ｅが第２のダイオードである。なお、昇圧回路１１は、リアクタ１１ａを有していなくてもよい。

リアクタ１１ａは、ブリッジダイオード１０の正極側出力に接続されている。ダイオード１１ｄは、アノード側が、正極側の接続点２１を介してリアクタ１１ａに接続されている。また、ダイオード１１ｄは、カソード側が正極側の接続点２３を介して電荷蓄積部１２に接続されている。

ダイオード１１ｅは、カソード側が、負極側の接続点２２を介してブリッジダイオード１０の負極側出力に接続されている。また、ダイオード１１ｅは、アノード側が、負極側の接続点２４を介して電荷蓄積部１２に接続されている。接続点２１が第１の接続点であり、接続点２２が第２の接続点である。

接続点２１と接続点２２との間には、スイッチング素子１１ｂと、スイッチング素子１１ｃとが直列に接続されている。具体的には、正極側のスイッチング素子１１ｂが、接続点２１および接続点２５に接続され、負極側のスイッチング素子１１ｃが接続点２２および接続点２５に接続されている。すなわち、スイッチング素子１１ｂは、接続点２１を介してダイオード１１ｄのアノード側に接続され、スイッチング素子１１ｃは、接続点２２を介してダイオード１１ｅのカソード側に接続されている。

電荷蓄積部１２は、昇圧回路１１から送られてくる電荷を蓄える。電荷蓄積部１２は、正極側の平滑電解コンデンサであるコンデンサ１２ａと、負極側の平滑電解コンデンサであるコンデンサ１２ｂとを有している。

電荷蓄積部１２では、コンデンサ１２ａとコンデンサ１２ｂとが、接続点２３と接続点２４との間に直列に接続されている。具体的には、正極側のコンデンサ１２ａが、接続点２３および接続点２６に接続され、負極側のコンデンサ１２ｂが接続点２４および接続点２６に接続されている。接続点２３は、ダイオード１１ｄのカソード側およびインバータ回路１３に接続されており、接続点２４は、ダイオード１１ｅのアノード側およびインバータ回路１３に接続されている。すなわち、コンデンサ１２ａは、接続点２３を介して昇圧回路１１の正極側出力に接続され、コンデンサ１２ｂは、接続点２４を介して昇圧回路１１の負極側出力に接続されている。接続点２６は、接続点２５に接続されている。

モータ駆動装置２００では、昇圧回路１１から出力された電荷がコンデンサ１２ａ，１２ｂに蓄えられ、蓄えられた電荷がインバータ回路１３に供給されることで、ブリッジダイオード１０から出力された電圧が昇圧された状態でインバータ回路１３に供給される。この場合において、ダイオード１１ｄ，１１ｅは、コンデンサ１２ａ，１２ｂに蓄えられた電荷が昇圧回路１１に戻らないよう、コンデンサ１２ａ，１２ｂで保持させる。

インバータ回路１３は、電荷蓄積部１２によって平滑された直流電圧を交流電圧に変換してモータ１４に印加する。このように、モータ１４へは、電荷蓄積部１２からインバータ回路１３を介して電源が供給される。

インバータ回路１３は、複数のトランジスタとダイオードをそれぞれ並列に接続し、かつ三相ブリッジにした回路である。具体的には、インバータ回路１３は、３つのレグを有しており、各レグが、正極側の母線と負極側の母線との間で並列に接続されている。第１のレグは、Ｕ相の上アームスイッチング素子と、Ｕ相の下アームスイッチングとが直列に接続された回路部である。第２のレグは、Ｖ相の上アームスイッチング素子と、Ｖ相の下アームスイッチングとが直列に接続された回路部である。第３のレグは、Ｗ相の上アームスイッチング素子と、Ｗ相の下アームスイッチングとが直列に接続された回路部である。インバータ回路１３の正極側の母線は、接続点２３に接続されており、インバータ回路１３の負極側の母線は、接続点２４に接続されている。

なお、図２では、交流電源９を三相電源としているが、交流電源９は、単相電源でもよい。交流電源９が単相電源である場合、コンバータ回路であるブリッジダイオード１０は、単相電源に合わせた構成とされる。モータ１４の一例は、三相モータである。

次に、空気調和機１００の動作について説明する。空気調和機１００では、室外機４の室外制御装置６が、室外ファン５および圧縮機７を駆動し、室内制御装置２が、室外制御装置６から送られてくる信号を受信して室内ファン３を駆動して室内の空気調和を行う。

また、室外制御装置６では、ブリッジダイオード１０が交流電源９を全波整流し、昇圧回路１１が昇圧を行う。そして、電荷蓄積部１２が全波整流および昇圧された電圧を平滑する。さらに、室外制御装置６では、インバータ回路１３が、昇圧および平滑された直流電圧を交流電圧に変換してモータ１４に印加することでモータ１４を駆動する。

図３は、昇圧回路を備えていないモータ駆動装置の構成を示す図である。図３に示すようにモータ駆動装置２０１は、ブリッジダイオード１０と、電荷蓄積部１２Ｘと、インバータ回路１３とを備えている。すなわち、モータ駆動装置２０１は、モータ駆動装置２００と比較して、昇圧回路１１を備えていない。

モータ駆動装置２０１では、ブリッジダイオード１０が、交流電源９、電荷蓄積部１２Ｘおよびインバータ回路１３に接続されており、インバータ回路１３が、電荷蓄積部１２Ｘおよびモータ１４に接続されている。

ブリッジダイオード１０の正極側出力は、正極側の接続点３１を介してインバータ回路１３に接続されている。また、ブリッジダイオード１０の負極側出力は、負極側の接続点３２を介してインバータ回路１３に接続されている。

電荷蓄積部１２Ｘは、ブリッジダイオード１０から出力された電荷を蓄える。電荷蓄積部１２Ｘは、正極側の平滑電解コンデンサであるコンデンサ１２ｃと、負極側の平滑電解コンデンサであるコンデンサ１２ｄとを有している。

電荷蓄積部１２Ｘでは、コンデンサ１２ｃとコンデンサ１２ｄとが、接続点３１と接続点３２との間に直列に接続されている。具体的には、正極側のコンデンサ１２ｃが、接続点３１および負極側のコンデンサ１２ｄに接続され、負極側のコンデンサ１２ｄが接続点３２および正極側のコンデンサ１２ｃに接続されている。すなわち、コンデンサ１２ｃは、接続点３１を介してブリッジダイオード１０の正極側出力およびインバータ回路１３の正極側の母線に接続されている。コンデンサ１２ｄは、接続点３２を介してブリッジダイオード１０の負極側出力およびインバータ回路１３の負極側の母線に接続されている。

コンデンサ１２ｃ，１２ｄの容量は、昇圧回路１１が配置されない場合に要求される大きさである。従来、モータ駆動装置２０１に昇圧回路を配置した場合であっても、容量の大きなコンデンサ１２ｃ，１２ｄをそのまま採用していた。本実施の形態では、モータ駆動装置２００に昇圧回路１１を配置しつつ、第１のコンデンサであるコンデンサ１２ａ，１２ｂの第１の容量を、第２のコンデンサであるコンデンサ１２ｃ，１２ｄの第２の容量よりも小容量としている。例えば、昇圧回路１１が、ブリッジダイオード１０から出力される電圧を２倍の電圧に昇圧する場合、コンデンサ１２ａ，１２ｂの容量は、コンデンサ１２ｃ，１２ｄの容量の２分の１である。

つぎに、モータ駆動装置２００の電荷蓄積部１２でのコンデンサ１２ａ，１２ｂによる電圧の平滑処理、およびモータ駆動装置２０１の電荷蓄積部１２Ｘでのコンデンサ１２ｃ，１２ｄによる電圧の平滑処理について説明する。図４は、昇圧回路を備えていないモータ駆動装置の、コンデンサ出力電圧の概略的な波形を示す図である。図５は、実施の形態にかかるモータ駆動装置の、コンデンサ出力電圧の概略的な波形を示す図である。

図４では、破線で示した電圧波形５２が全波整流された電圧波形であり、実線で示した電圧波形４２がコンデンサ１２ｃ，１２ｄで平滑された後の電圧波形（コンデンサ出力電圧）である。また、図５では、破線で示した電圧波形５１が全波整流された電圧波形であり、実線で示した電圧波形４１がコンデンサ１２ｃ，１２ｄで平滑された後の電圧波形である。ここでは、モータ駆動装置２００，２０１において、交流電源９の出力がピーク電圧１００Ｖであり、インバータ回路１３への入力電圧が８０Ｖである場合について説明する。

昇圧回路を有さないモータ駆動装置２０１においては、電荷蓄積部１２Ｘで平滑された電圧は、図４に示した電圧波形４２となり、８０Ｖを維持するために、あるいは８０Ｖ以下に低下するのを回避するために、リプルを小さくする必要がある。

昇圧回路１１を有するモータ駆動装置２００においては、ブリッジダイオード１０を介した交流電源９の出力電圧は、昇圧回路１１によってピーク電圧２００Ｖの電圧に変換される。そして、モータ駆動装置２００の電荷蓄積部１２で平滑された電圧は、図５に示した電圧波形４１となり、大きなリプルでもインバータ回路１３への入力電圧として８０Ｖを得ることができる。

コンデンサの容量は、以下の式（１）により求めることができる。式（１）において、Ｃはコンデンサの容量、Ｐはコンデンサの出力電力、ｔはコンデンサにおける放電時間、Ｖ０はコンデンサへの充電電圧、Ｖ１はコンデンサの放電電圧である。

昇圧回路を有さないモータ駆動装置２０１と、昇圧回路１１を有するモータ駆動装置２００とで、インバータ回路１３およびモータ１４が同じであるとすると、コンデンサ１２ａ，１２ｂとコンデンサ１２ｃ，１２ｄとで、出力電力Ｐ、放電時間ｔ、放電電圧Ｖ１は同じとなる。ところが、昇圧回路１１を有する場合のコンデンサ１２ａ，１２ｂの充電電圧Ｖ０は、昇圧回路を有さない場合のコンデンサ１２ｃ，１２ｄの充電電圧Ｖ０の２倍となる。コンデンサ１２ａ，１２ｂの充電電圧Ｖ０が第１の充電電圧であり、コンデンサ１２ｃ，１２ｄの充電電圧Ｖ０が第２の充電電圧である。

式（１）より、出力電力Ｐ、放電時間ｔ、放電電圧Ｖ１が同じで、充電電圧Ｖ０が２倍になった場合、電解コンデンサの容量は２分の１に小さくなる。これにより、昇圧回路１１を有するモータ駆動装置２００では、コンデンサ１２ａ，１２ｂの容量を、昇圧回路を有さないモータ駆動装置２０１のコンデンサ１２ｃ，１２ｄの容量よりも小容量にすることができる。

このように、本実施の形態では、モータ駆動装置２００において、昇圧回路１１を配置するとともに、昇圧回路１１を配置しない場合のコンデンサ１２ｃ，１２ｄよりもコンデンサ１２ａ，１２ｂの容量を小さくしている。例えば、Ｎを１よりも大きな数として昇圧回路１１がブリッジダイオード１０から出力される電圧をＮ倍の電圧に昇圧する場合、コンデンサ１２ａ，１２ｂの容量をコンデンサ１２ｃ，１２ｄの容量のＮ分の１としておく。これにより、昇圧回路１１による昇圧の大きさに応じて、コンデンサ１２ａ，１２ｂの容量を小さくすることができる。なお、コンデンサ１２ａ，１２ｂの容量は、コンデンサ１２ｃ，１２ｄの容量のＮ分の１以上であり、かつコンデンサ１２ｃ，１２ｄの容量よりも小さければ何れの容量であってもよい。コンデンサ１２ａ，１２ｂの容量をＣ１とし、コンデンサ１２ｃ，１２ｄの容量をＣ２とした場合、コンデンサ１２ａ，１２ｂの容量の例は、（１／Ｎ）×Ｃ２≦Ｃ１＜Ｃ２を満たす容量である。

コンデンサの外形は容量に比例して大きくなるため、コンデンサが小容量になることで、コンデンサを小型化することが可能となる。したがって、コンデンサ１２ａ，１２ｂの外形寸法は、コンデンサ１２ｃ，１２ｄの外形寸法よりも小さくすることができる。

従来、モータ駆動装置２０１に昇圧回路を配置した場合であっても、容量の大きなコンデンサ１２ｃ，１２ｄをそのまま採用していたのでコンデンサ１２ｃ，１２ｄの外形は大きなままであった。

なお、本実施の形態で説明した交流電源９のピーク電圧の値、インバータ回路１３への入力電圧の値等は一例であり、モータ駆動装置２００へは、他のいかなる値を適用してもよい。

なお、本実施の形態では、コンデンサ１２ａ，１２ｂが電解コンデンサである場合について説明したが、コンデンサ１２ａ，１２ｂを電解コンデンサではなく、フィルムコンデンサとしてもよい。本実施の形態では、コンデンサ１２ａ，１２ｂを小容量にできるので、コンデンサ１２ａ，１２ｂをフィルムコンデンサ等とした場合であっても必要な容量を確保することができる。

また、本実施の形態のモータ駆動装置２００は、モータ１４等の負荷の種類によっては、スイッチング素子１１ｂ，１１ｃを高速にスイッチングさせるといった使い方はしない。このため、モータ駆動装置２００では、負荷の種類によってスイッチング素子１１ｂ，１１ｃの発熱およびノイズが大きくなるようなことはない。したがって、スイッチング素子１１ｂ，１１ｃの寿命が短くなることはない。

このように実施の形態では、Ｎを１よりも大きな数として昇圧回路１１がブリッジダイオード１０から出力された電圧を２倍に昇圧する場合のコンデンサ１２ａ，１２ｂの容量が、昇圧回路が無い場合の容量の２分の１である。したがって、モータ駆動装置２００において、昇圧回路１１を用いつつ、昇圧の際に電荷を蓄えるコンデンサ１２ａ，１２ｂを小型化することができる。

また、小容量のコンデンサ１２ａ，１２ｂを使用できるので、平滑電解コンデンサに限らず、フィルムコンデンサ等を適用することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 室内機、２ 室内制御装置、３ 室内ファン、４ 室外機、５ 室外ファン、６ 室外制御装置、７ 圧縮機、８ 表示装置、９ 交流電源、１０ ブリッジダイオード、１１ 昇圧回路、１１ａ リアクタ、１１ｂ，１１ｃ スイッチング素子、１１ｄ，１１ｅ ダイオード、１２，１２Ｘ 電荷蓄積部、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ コンデンサ、１３ インバータ回路、１４ モータ、２１～２６，３１，３２ 接続点、４１，４２，５１，５２ 電圧波形、１００ 空気調和機、２００，２０１ モータ駆動装置。

Claims (7)

1. 交流電源を整流するコンバータ回路と、
   前記コンバータ回路から出力された電荷を蓄える第１のコンデンサと、
   前記第１のコンデンサを充電することで、前記コンバータ回路から出力された電圧を昇圧する昇圧回路と、
   前記第１のコンデンサから供給される電圧を用いてモータを駆動するインバータ回路と、
   を備え、
   前記第１のコンデンサは、前記昇圧回路の後段に配置されており、前記昇圧回路から出力された電荷が前記第１のコンデンサに蓄えられ、蓄えられた電荷が前記インバータ回路に供給されることで、前記コンバータ回路から出力された電圧が昇圧された状態で前記インバータ回路に供給され、
   Ｎを１よりも大きな数として前記昇圧回路が前記コンバータ回路から出力された電圧をＮ倍に昇圧する場合の前記第１のコンデンサの容量を第１の容量とし、前記昇圧回路が無い場合の第２のコンデンサの容量を第２の容量とすると、
   前記第１の容量は、前記第２の容量よりも小さく、かつ前記第２の容量のＮ分の１以上であるモータ駆動装置。
2. 前記第１のコンデンサは、電解コンデンサである、
   請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記第１のコンデンサは、フィルムコンデンサである、
   請求項１に記載のモータ駆動装置。
4. 前記昇圧回路は、前記コンバータ回路から出力された電圧を２倍に昇圧する倍電圧回路である、
   請求項１から３の何れか１つに記載のモータ駆動装置。
5. 前記昇圧回路は、
   前記コンバータ回路の正極出力側にアノードが接続された第１のダイオードと、
   前記コンバータ回路の負極出力側にカソードが接続された第２のダイオードと、
   前記第１のダイオードのアノードと前記正極出力側とを接続する第１の接続点を介して前記正極出力側に接続された第１のスイッチング素子と、
   前記第２のダイオードのカソードと前記負極出力側とを接続する第２の接続点を介して前記負極出力側に接続された第２のスイッチング素子と、
   を有する、
   請求項１から４の何れか１つに記載のモータ駆動装置。
6. 前記昇圧回路は、
   前記コンバータ回路の正極出力側と前記第１の接続点との間にリアクタが接続されている、
   請求項５に記載のモータ駆動装置。
7. 請求項１から６の何れか１つに記載のモータ駆動装置と、
   前記モータ駆動装置により駆動されるモータを有した圧縮機と、
   を備える空気調和機。

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