JPH0388980A

JPH0388980A - 電動機制御装置

Info

Publication number: JPH0388980A
Application number: JP22438489A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Arakawa; 展昭荒川; Kenichi Iizuka; 健一飯塚; Makoto Ishii; 誠石井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-09-01
Filing date: 1989-09-01
Publication date: 1991-04-15
Anticipated expiration: 2013-09-30
Also published as: JP2804796B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野コ本発明は電動機の加熱装置に関わり、とくに、ヒートポ
ンプ式空気調和機の低外気温度時における暖房運転立ち
上り時間を短縮する、圧縮機に内蔵される電動機、およ
び、その駆動装置に係わる。

［従来の技術］従来のヒートポンプ式空気調和機は、低外気温度時には
圧縮機内部の冷媒が冷却して液化するため、冬季の運転
開始時に上記冷媒を気化し、圧縮機の温度を上昇するに
長時間を要し、運転立上り時間を長引くという問題があ
った。

上記問題点を改善するため、実開昭６０−９２０６０号
公報に記載のように、圧縮機内部にヒータを設け、上記
圧縮機の運転停止から所定の時間後に上記ヒータを加熱
するようにし、さらに、上記ヒータとして上記電動機巻
線を利用するようにしていた。

また、特開昭６２−１３９４９号公報に記載のように、
圧縮機温度が低い場合には、上記圧縮機用電動機の巻線
を所定時間通電し、熱損を与えて加熱するようにしてい
た。このとき、上記巻線の通電方向はスイッチング回路
により、上記電動機に回転力を与えないように制御され
ていた。

第９図は上記ヒートポンプ式空気調和機等に用いられる
圧縮機用電動機とその駆動回路を原理的に示す図である
。第９図において、交流電源１を整流回路２により直流
に変換し、上記直流電圧をスイッチング回路３により数
ｋＨｚで断続して電動機のステータコイル６１〜６３に
印加する。３１〜３６はスイッチング回路３を構成する
スイッチング素子であるところの６個のスイッチング用
トランジスタ、４１〜４６は上記各スイッチング用トラ
ンジスタにそれぞれ並列に接続される還流用ダイオード
である。各トランジスタは制御回路５によりオン・オフ
制御される。７は電動機のロータである。

第１０図は上記駆動回路を用いて上記ステータコイル６
１〜６３を加熱する場合の各部の動作波形図である。例
えば、トランジスタ３１がドライブ信号５１のように断
続してオンし、トランジスタ３４と３６がドライブ信号
５２のようにオンし、その他のトランジスタはすべてオ
フであるとすると、近似的に電動機電流５３がステータ
コイル６１を流れ、ステータコイル６２と６３を分流す
る。

トランジスタ３１がオンの時に電源より供給された電流
は、トランジスタ３１がオフの間、ステータコイルのイ
ンダクタンス成分の作用により、ダイオード４２を還流
するので、電動機電流５３は上記オフの期間にも連続し
て流れるのである。なお、上記電動機電流５３の値は上
記断続のオン・オフ比により制御することが出来る。

第１１図は第１Ｏ図の動作による各部の温度変化を示す
図である。第１０図の電動機電流５３がステータコイル
に流れると、スイッチングトランジスタ３１〜３６を収
容するトランジスタモジュールの温度は８１のように、
また、圧縮機温度は８２のように立上り、これが所用の
温度８４に達するのに約２時間を要していた。８３はト
ランジスタの最大定格温度であり、上記トランジスタモ
ジュール温度８１がこれを超えないように制御されてい
た。

［発明が解決しようとする課題］本発明の目的は上記したスイッチング回路の温度上昇、
即ち電力損失を低減し、同時に圧縮機加熱時間を短縮す
る電動機加熱装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］本発明は上記の目的を達成するために、直流電流をスイ
ッチング回路の複数のスイッチング素子により制御して
電動機の複数の界磁巻線に流す電動機制御装置において
、上記スイッチング素子を回転磁界が発生しない組み合
せでオンするとともに、このオンされたスイッチング素
子を高周波数で断続する区間と低周波数で断続する区間
とに制御するようにする。

上記直流電流は上記電動機の３相の界磁巻線の第１の界
磁巻線を流れ、第２、および、第３の界磁巻線に分流す
るようにし、加熱の際に上記電動機にトルクが発生しな
いようにする。また、第１の界磁巻線を流れ、第２、お
よび、第３の界磁巻線に分流し１次いで、第２の界磁巻
線を流れ、第３、および、第１の界磁巻線に分流し、次
いで、第３の界磁巻線を流れ、第１、および、第２の界
磁巻線を分流するようにし、各界磁巻線が一様に加熱さ
れるようにする。

また、上記直流電流が上記電動機の３相の界磁巻線の第
１と第２の界磁巻線を流れるようにする。

または、上記直流電流が、上記電動機の３相の界磁巻線
の第１の界磁巻線と第２の界磁巻線を流れ、次いで、第
２の界磁巻線と第３の界磁巻線を流れ、次いで、第３の
界磁巻線と第１の界磁巻線を流れるようにする。

さらに、外気温度検出手段、または、上記電動機を収容
する上記電動機装置の温度検出手段、または上記温度検
出手段の双方と、上記２つの温度検出手段が検出する温
度を比較する２つの温度比較手段とを備え、上記２つの
温度比較手段の少なくとも一方の出力により、上記直流
電流が流れ始めるようにする。

［作用コ以上のように構成した本発明の電動機加熱装置は、上記
電動機の加熱電流を損失少なく変調して、その電流値を
制御することができるので、例えば。

ヒートポンプ空気調和機のように、低温環境下に置かれ
、起動時に加熱を要する電動機装置の加熱時間を効率良
く短縮することができる。

［実施例］以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第１図は、本発明の実施例によるスイッチングトランジ
スタのドライブ信号と上記電動機電流の波形図である。

第１図の波形５４．５５．５６は、それぞれ第１０図の
波形５１．５２．５３に対応している。

第１０図に示すように、従来の電動機装置では、スイッ
チングトランジスタのドライブ信号５１に示すように、
直流電圧を数ｋＨｚの高周波で断続し、これを連続して
電動機に印加し、電動機電流５３を通電するようにして
いた。

これに対し本発明の実施例では第１図に示すように、上
記高周波で断続された電流をさらに低周波で断続して通
電し、スイッチングトランジスタと圧縮機の温度の立上
り時間を、従来装置に較べて大幅に短縮するようにする
。

上記本発明の実施例の効果は、スイッチングトランジス
タの特性に着目した結果であり、以下にその理由を説明
する。

第３図は電動機駆動用として広く市販されているスイッ
チングトランジスタモジュールに用いられるトランジス
タの静特性の１例である。第３図は、コレクタ電圧Ｖｃ
が約０．７５Ｖを越えるとコレクタ電流Ｉｃが流れ始め
ることを示している。

このような特性は通常のトランジスタにおいて、程度の
差こそあれ共通する傾向である。上記０゜７５Ｖに相当
する電圧をｖｌ、コレクタ電流Ｉｃの立ち上がりの勾配
を１／ｒｅ（ｒｅはトランジスタのオン抵抗に相当する
）とすると、オン状態におけるコレクタを電圧Ｖｃは式
（１）で与えられる。

Ｖｃ＝Ｖ１＋ｒｃ　・　Ｉ　ｃ　　　　　　　（１）上
記Ｉｃを抵抗値Ｒｈのヒータに流すとヒータ端の電圧は
　Ｒｈ−Ｉｃとなる。上記ヒータとして電動機巻線を用
いる場合はＲｈは電動機巻線抵抗になる。上記Ｉｃによ
って消費されるトランジスタとヒータの電力は、上記二
つの電圧にそれぞれＩｃを乗じた値になる。したがって
、トランジスタがオン状態にあるときはトランジスタと
ヒータの消費電力の比を求めると、トランジスタの消費電力　Ｖ　１　＋　ｒ　ｃ・Ｉｃヒ
ータの消費電力　Ｒｈ−ＩＣ（２）となる。式（２）は電流Ｉｃに対する瞬時電力の比であ
る。これにより、所定のヒータ消費電力に対してトラン
ジスタの消費電力を低く抑えるにはＩｃを大きく設定す
べきことがわかる。

しかし、Ｉｃを大きくすると上記消費電力の比は改善さ
れるものの、双方の消費電力は共に増加する。そこで、
トランジスタの消費電力を増加させずに圧縮機の加熱時
間を短縮するために、第１図５６に示すように、電動機
電流を間歇的に流すようにする。即ち、大きな電流Ｉｃ
を間歇的に流し、トランジスタの平均電力が増加しない
ようにする。

第１図の５７は電動機電流５６に対応するトランジスタ
３１の電流波形である。図示のＴｌ−Ｔ４のように電流
５７の各流通時間、周期等を定めると、トランジスタ３
１の消費電力ｐｔは式（３）で与えられる。ただし、Ｉ
ｃは電流の平均的なピーク値とする。

Ｐｔ＝ｄ−Ｄ・ＩＣ・　（Ｖｌ＋ｒＣ・ＩＣ）ｄ＝Ｔ１
／Ｔ２Ｄ＝Ｔ３／Ｔ４　　　　　　（３）一方、ヒータの消費電力ｐｈは式（４）で与えられる。

Ｐｈ＝Ｄ　・　Ｉ　ｃ２・Ｒｈ　　　　（４）これより
、両者の比は（５）式のようになり、式（２）と同様の
形となる。

Ｐｔ　　　ｄ　（Ｖ１＋ｒｃ・Ｉｃ）Ｐｈ　　　　　　Ｒｈ・Ｉ　Ｃ（５）式（３）より、トランジスタ３１の消費電力ＰｔはＩｃ
を増やしてもＤの値を下げることにより、増加させずに
済むことがわかる。また、式（５）より、上記１ｃの増
加によってヒータの消費電力ｐｔを増加することができ
るのである。

第４図は上記本実施例を適用したヒートポンプ式空気調
和機の加熱特性を従来装置と比較して測定した実験結果
である。実線は第Ｉ１図に示した従来装置の特性で、そ
の電流のピーク値は５Ａである。点線の特性は本発明の
場合で、電流のピーク値は１２．５Ａである。これより
、圧縮機温度が例えば、−１０℃から３０℃に達する迄
の時間を比較すると、従来装置では約、２．７時間、本
装置では略、１．３時間を要し、本実施例により圧縮機
温度の加熱時間は約１／２に短縮されていることがわか
る。さらに、上記トランジスタのモジュールの温度を比
較すると、従来装置が約、６５℃に達しているのに対し
、本装置では電流を５Ａから１２．５Ａに増やしたのに
も拘らず、約６０℃と若干低くなっていることがわかる
。

以上より、本実施例を適用すると、トランジスタ温度を
増加させることなく、圧縮機の加熱時間を大幅に短縮出
来ることがわかる。尚、上記実施例は、トランジスタの
特性に合わせた説明をしたが、他のスイッチング素子を
使用した場合でも、そのスイッチング素子の特性に合わ
せて同様な制御を行なえば同様効果が得られる。

上記の第１〜４図では説明の便宜上、第９図の各トラン
ジスタ３１〜３６のうち３１が第１図の波形５４のよう
に断続し、３４と３６が５５のように断続するとして説
明してきた。この場合、電動機６の巻線６２と６３の発
熱量は巻線６１の約１／４になり、各巻線の加熱量は不
均衡になる。

圧縮機を電動機により出来るだけ早く加熱するためには
、各電動機巻線の一様に加熱する方がよい。

なお、第１図のこれらの波形は説明の便宜上、誇張して
描かれているが、実際のＴ３、Ｔ４等は例えば、５秒、
および１０秒程度の値であり、また、Ｔ３内の断続周波
数は３　ｋ　Ｈｚ程度である。

第５図と第６図は上記の目的に添って各電動機巻線を一
様に加熱する本実施例の開動波形図である。　第５図で
は、上記Ｔ３内の断続を順繰りに交替させ、電動機各巻
線を一様に加熱するようにする。波形９１．９２．９３
等をそれぞれ、各スイッチングトランジスタ３１．３４
．３６のドライブ信号とすると、時間幅Ｔ５では第１図
と同様な通電が行なわれ、時間幅Ｔ６ではトランジスタ
３１が同３３と置き変わり、同３４と３２が置き替わ°
って同様の通電を行なう６時間幅Ｔ７についても同様で
ある。以後、上記の動作を時間幅Ｔ３内で繰り返すので
、各巻線を均等に加熱することが出来るのである。

第６図では、３個の電動機巻線の中の２個を順繰りに断
続して導通させ、上記２個の巻線を等しく加熱するよう
にする。時間幅Ｔ５ではトランジスタ３１と同３４が通
電し、時間＃ｉＴ６では同３３と同３６が通電し、時間
幅Ｔ７では同３５と同３２が通電する。以後、上記の動
作を時間幅Ｔ３内で繰り返すので、各巻線を等しく加熱
することが出来るのである。なお、この際、上記通電の
切り替えの都度、電動機にトルクが発生し、電動機をコ
ツキングさせる傾向が生じるが上記切り替えの頻度が低
いため、実用上問題にならない。

第７図は上記本発明装置の一実施例を示す図である。第
７図において、第９図の制御回路５に相当する部分がコ
ンパレータ７１．マイクロコンピュータ７２．およびド
ライバ７３にて構成されている。コンパレータ７１には
圧縮機温度信号、トランジスタ温度信号、外気温度信号
等が入力され、所定の各基準温度と比較され、上記本発
明の圧縮機加熱動作中はマイクロコンピュータ７２によ
り第１図のトランジスタのドライブ信号５４．５５、あ
るいは第５図、第６図等の上記トランジスタのドライブ
信号９１〜９６等に変換され、ドライバ７３を介して各
トランジスタ３１〜３６を駆動する。コンパレータ７１
にはこの他に抵抗素子７４端の電圧も入力される。

第８図は上記圧縮機加熱動作の系統を示すブロック図で
ある。上記各温度信号はコンパレータ７１を構成する各
比較手段７１１〜７１３に入力される。各比較手段７１
１〜７１３にはそれぞれの基準温度信号が供給される。

７４１は電動機６の電流を検出する手段で、第７図の抵
抗素子７４が該当する。７４１の出力も同様に比較手段
７１４にて基準電流値と比較される。マイクロコンピュ
ータ７２内の圧縮機予熱通電判断手段は上記比較結果に
より上記圧縮機加熱の必要性を判断し、翻動手段を介し
て電動機６に加熱信号を送る０例えば、圧縮機が停止、
即ち、７４１が電流を検出しない場合であって、圧縮機
温度信号が所定の値より下がった場合には、圧縮機の加
熱が必要と判断し上記の予熱信号を生成する。また、ト
ランジスタ温度信号や電流信号がそれぞれの基準信号値
を超えた場合は電動機６の通電を遮断し、トランジスタ
や電動機を保護するようにする。

以上、第１〜８図の実施例を用いて説明した本発明が対
象とする電動機は、とくに直流電動機に限定されるもの
ではなく、例えば誘導電動機にも適用でき、同様の加熱
効果を得ることができる。

即ち、第７図に示した各電動機巻線６１〜６３は電動機
の回転磁界を生成するためものもであり、上記回転磁界
は各種の電動機に必要であるからである。したがって、
誘導電動機の回転磁界を生成する巻線に本発明を適用す
れば同様の加熱効果が得られるのである０例えば、商用
周波数の誘導電動機の場合においても、誘導電動機を駆
動する交流電圧を第７図のスイッチング回路３と同様に
して、第１図、第５．６図のように断続制御すれば同様
の効果を得ることが出来るのである。

［発明の効果］以上詳述したように本発明を適用すると、冬期等の低外
気温時における暖房運転立ち上り時間を短縮したヒート
ポンプ式空気調和機を提供することができる。同様に、
低温時に予熱を要する電動機装置の運転立上り時間を短
縮することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す動作波形図、第２図は本
発明の実施例装置の温度変化を示す図、第３図は本発明
の実施例に引用したスイッチングトランジスタの特性図
、第４図は本発明の実施例装置の温度特性を従来装置と
比較する実験データ、第５図、第６図はそれぞれ１本発
明の実施例を示す他の動作波形図、第７図は本発明の一
実施例を示す図、第８図は本発明の実施例装置の動作を
説明するブロック図、第９図は従来装置の回路図、第１
０図は従来装置の動作波形図、第１１図は従来装置の温
度特性図である。１・・・交流電源、２・・・整流回路、３・・・スイッ
チング回路、３１・・・トランジスタ、４１・・・ダイ
オード、５・・・制御回路、５１．９１・・・各スイッ
チング波形。５３・・・電流波形、６・・・電動機、６エ〜６３・・
・電動機巻線、７・・・ロータ、７１・・・コンパレー
タ、７２・・・マイクロコンピュータ、７３・・・ドラ
イバ、７４・・・抵抗素子、８１．８２・・・各温度特
性曲線。

Claims

【特許請求の範囲】１、直流電流をスイッチング回路の複数のスイッチング
素子により断続制御して電動機の複数の界磁巻線に流す
電動機制御装置において、上記スイッチング素子を回転磁界が発生しない組み合せ
でオンするとともに、このオンされたスイッチング素子
を高周波数で断続する区間と低周波数で断続する区間と
に制御する制御手段を備えたことを特徴とする電動機加
熱装置。２、請求項１において、上記制御手段は、上記直流電流が上記電動機の３相の界
磁巻線の第１の界磁巻線を流れ、第２、および第３の界
磁巻線を分流するように、上記スイッチング回路を制御
するものであることを特徴とする電動機加熱装置。３、請求項１において、上記制御手段は、上記直流電流が、上記電動機の３相の
界磁巻線の第１の界磁巻線を流れ、第２、および、第３
の界磁巻線に分流し、次いで、第２の界磁巻線を流れ、
第３、および、第１の界磁巻線に分流し、次いで、第３
の界磁巻線を流れ、第１、および、第２の界磁巻線に分
流するように、上記スイッチング回路を制御するもので
あることを特徴とする電動機加熱装置。４、請求項１において、上記制御手段は、上記直流電流が上記電動機の３相の界
磁巻線の第１と第２の界磁巻線を流れるように、上記ス
イッチング回路を制御するものであることを特徴とする
電動機加熱装置。５、請求項１において、上記制御手段は、上記直流電流が、上記電動機の３相の
界磁巻線の第１の界磁巻線と第２の界磁巻線を流れ、次
いで、第２の界磁巻線と第３の界磁巻線を流れ、次いで
、第３の界磁巻線と第１の界磁巻線を流れるように、上
記スイッチング回路を制御するものであることを特徴と
する電動機加熱装置。６、請求項１ないし５において、外気温度検出手段または、上記電動機を収容する上記電
動機装置の温度検出手段、または上記温度検出手段の双
方と、上記２つの温度検出手段が検出する温度を比較す
る２つの温度比較手段とを備え、上記２つの温度比較手
段の少なくとも一方の出力により上記制御回路を起動し
て上記直流電流を流すようにしたことを特徴とする電動
機加熱装置。７、請求項１ないし６において、上記電動機を圧縮機に
連結して収容する圧縮機容器を備え、上記圧縮機により
冷媒ガスを圧縮することを特徴とする空気調和機用電動
機加熱装置。