JP2012092694A - 圧縮機の駆動装置およびこれを用いた冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の高効率化と低振動化を図る。
【解決手段】ブラシレスＤＣモータ４を有する圧縮機６と、インバータ３と、デューティ演算手段１４と、電流検出手段１６と、デューティ補正手段１７を備え、インバータに流れる電流の包絡線が所定の範囲内に収まるように、デューティ補正手段１７は、デューティ演算手段１４により決定したデューティに補正量を加えるので、ブラシレスＤＣモータ４の損失が低減され、圧縮機６の効率が上がる。
【選択図】図１

Description

本発明は主に冷凍冷蔵庫に用いられるインバータ駆動の圧縮機に関するものであり、特に１回転中に負荷トルクが大きく変動する往復動による圧縮要素を有するレシプロ式圧縮機の駆動装置に関するものである。

従来この種の圧縮機の駆動装置は、ブラシレスＤＣモータの磁極位置検出信号から、回転子の機械的位置、即ち圧縮機の機械工程位置を検出して、検出した機械工程に応じてあらかじめ設定した値でＰＷＭデューティ幅を補正することで、圧縮機の工程中の負荷変動に伴う速度変動を抑制することで、駆動時の振動を抑制している（例えば特許文献１参照）。

図６は特許文献１に記載された従来の圧縮機の駆動装置を示すものである。
図６において、商用電源１００は、日本の場合は１００Ｖ５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電源である。

整流回路１０１は、整流ダイオードと平滑コンデンサから構成され、商用電源１００を直流に変換し、直流１４０Ｖの電圧を得る。

インバータ１０２は３相ブリッジ接続した６個のスイッチング素子とスイッチング素子と逆並列に接続された６個のダイオードからなり、この６個のスイッチング素子を制御することにより、直流電力を任意の電圧、任意の周波数の３相交流電力に変換する。

ブラシレスＤＣモータ１０３は、３相巻線がほどこされた固定子と、永久磁石をもつ回転子を有し、インバータ１０２の３相交流出力により駆動される。

圧縮要素１０４はレシプロ式で、ブラシレスＤＣモータ１０３により駆動される。またこれらを密閉容器に収納することでレシプロ型の圧縮機１０５を構成する。

レシプロ式圧縮機は、ピストンの往復運動にて圧縮を行っており、１回転中に半分は吸入工程、半分は圧縮工程と完全に工程が分かれており、この二つの工程において、必要な負荷トルクが圧縮工程側に集中するために、その負荷トルクは大きく変動する。

駆動装置１０９はインバータ１０２を駆動する。その出力はドライブ手段１１０を介して、インバータ１０２の６個のスイッチング素子を駆動する。

位置検出手段１１１はブラシレスＤＣモータの固定子巻き線に発生する逆起電圧からブラシレスＤＣモータ１０３の回転子の回転位置を検出する。

転流手段１１２は、位置検出手段１１１の出力によりインバータ１０２の６個のスイッチング素子の通電するタイミングを決定する。

回転位置判定手段１１３は、位置検出手段１１１の出力信号を分析して、ブラシレスＤＣモータ１０３の回転子の機械的な回転位置を検出する。

第１ＰＷＭ発生手段１１４は、ブラシレスＤＣモータの速度フィードバック制御により所定のデューティ幅を決定してＰＷＭ信号を出力する。

第２ＰＷＭ発生手段１１５では、第１ＰＷＭ発生手段１１４で決定したデューティより予め定められた所定量のデューティをプラスしたデューティ（例えば、１０％）を発生させる。

選択手段１１６は、回転数が高い場合は第１ＰＷＭ発生手段１１４を選択し、回転数が低い時には、回転位置判定手段１１３による回転位置に応じて、第１ＰＷＭ発生手段または第２ＰＷＭ発生手段を選択する。

合成手段１１７は転流手段１１２の出力と選択手段の出力とを合成し、ドライブ手段１１０に出力し、インバータ１０２を制御する。

特開２００６−２７３２号公報

しかしながら、前記従来の構成では、あらかじめ定められた所定量のデューティ量を補正するため、圧縮機の駆動速度状態や駆動状態などに応じた所定値を、ＲＯＭデータ等に予め準備しておく必要がある。しかしながら状態に応じた最適な補正量を与えるためには圧縮機の駆動状態を細かく分け、補正量を割り当てることで実現できるが、マイクロコンピュータのＲＯＭ容量アップやＥＥＰＲＯＭの使用などコストアップが伴う。

一方、制限されたＲＯＭで補正量を設定するためには、負荷状態に応じた最適な補正量を与えることが困難となり、最適な負荷範囲（例えば負荷状態や圧力状態、速度状態など）を外れた場合、圧縮機の振動を十分抑制できないなどの課題も有する。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、あらゆる圧縮機駆動状態においても低振動、高効率な駆動が実現できる圧縮機の駆動装置を安価に提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の圧縮機の駆動装置は、ＰＷＭ制御のインバータによりブラシレスＤＣモータを有する圧縮機を可変速で駆動するものであり、インバータに流れる電流を電流検出手段により検出し、検出した電流が常に一定となる様に、ＰＷＭデューティを補正するようにしている。

これにより、圧縮工程の負荷変動に伴う電流の脈動を抑制でき、一定の電流をモータに流すことでモータ効率の向上、即ち圧縮機の効率が向上できる。

またインバータに流れる電流（即ち圧縮機の電流）を一定にするためには、電流が少ない区間、即ち圧縮工程の最大負荷となる位置より前の区間にＰＷＭデューティを増加（即ち印加電圧を増加）させ、流れる電流を増やす。ここで圧縮機は比較的慣性モーメントが大きい負荷であるため、印加電圧の増減位置より、角速度への影響が出るポイントは遅れる。したがって、流れる電流が比較的少ない機械工程位置での電流を増加（ＰＷＭデューティを増加して印加電圧を増やす）することで、負荷トルクの大きい機械工程位置での速度低下を抑制でき、圧縮機の振動を低減することができる。

本発明の圧縮機の駆動装置は、圧縮機駆動時のブラシレスＤＣモータの損失低減で、圧
縮機の高効率化（即ちＣＯＰ向上）が出来るとともに、低振動・低騒音化を実現する。

さらに本発明の圧縮機駆動装置を冷蔵庫の冷却サイクルに用いることで、圧縮機の駆動振動抑制による冷蔵庫の静音化と低消費電力の商品を提供することができる。

本発明の実施の形態１における圧縮機駆動装置のブロック図 本発明の実施の形態１における動作を示すフローチャート 圧縮機１回転あたりのトルクと角速度を示したグラフ （ａ）ブラシレスＤＣモータのデューティ補正を行わない場合のＵ相の電流波形図（ｂ）ブラシレスＤＣモータのデューティ補正を行う場合のＵ相の電流波形図 （１）デューティ補正を行わない場合のインバータの電流波形と位置検出タイミングを示すグラフ（２）デューティ補正を行う場合のインバータの電流波形と位置検出タイミングを示すグラフ 従来の圧縮機駆動装置のブロック図

第１の発明は、圧縮要素を有する圧縮機と、前記圧縮要素を駆動する永久磁石を回転子に有したブラシレスＤＣモータと、直流電圧を３相交流に変換して前記ブラシレスＤＣモータに電力を供給するインバータと、前記ブラシレスＤＣモータに印加する電圧を制御して、回転数を可変速して前記圧縮機の冷凍能力を可変とするためのＰＷＭデューティを演算するデューティ演算手段と、前記インバータに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記インバータに流れる電流の包絡線が一定の範囲内に収まるように、デューティ演算手段で決定したブラシレスＤＣモータへの印加電圧を補正するデューティ補正手段を有する圧縮機の駆動装置である。これによりインバータに流れる電流脈動を抑制することができるので、ブラシレスＤＣモータの効率を上げることができ、高効率な圧縮機の駆動装置を提供することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、デューティ補正をする区間は、最大でも前記インバータに流れる電流が最大となる位置の前後３０度を含まないようにしたものである。これによりブラシレスＤＣモータの損失を低減することが出来るとともに、圧縮機の１回転中における負荷トルク変動による圧縮機の速度変動を抑制でき、圧縮機の振動を抑えることができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記電流検出手段は整流回路とインバータ回路の間に直列に設けた抵抗に発生する電圧を検出するものとし、インバータの過電流を検出する保護回路と兼用するものである。これにより電流検出回路を新しく設ける必要がなく、回路の小型化と低コスト化が図れる。

第４の発明は、第１から第３のいずれか１つの発明において、転流手段は通電角が１２０以上、１５０度未満の波形を出力し、インバータを駆動することで、用途に応じたフレキシブルな通電角の選定が可能となる。また、非常に簡潔な制御のため安価なプロセッサの使用が可能であるため、装置の価格を抑えることが出来る。

第５の発明は、第１から第４のいずれか１つの発明において、圧縮機をレシプロ型圧縮機としたものである。これにより駆動による振動が比較的大きいレシプロ圧縮機の低振動化を実現することが出来る。

第６の発明は、第１から第５のいずれか１つの発明の圧縮機駆動装置を冷却サイクルに用いた冷蔵庫である。これにより圧縮機の駆動に伴う振動抑制により、駆動騒音の小さい
冷蔵庫の実現と、高効率化による低消費電力化、さらには冷却システムの低コスト化が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における圧縮機の駆動装置のブロック図である。

図１において、商用電源１から駆動に必要な電力が供給されている。例えば、日本の場合は交流電源であり、１００Ｖ５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの電源である。

整流回路２は、商用電源１を直流に変換する。ここでは整流回路２は全波整流回路で示している。全波整流回路はブリッジ接続された４個のダイオードと平滑コンデンサから一般的には構成される。この回路により、商用電源１の交流１００Ｖから直流の１４０Ｖの電圧を得る。

インバータ３は、整流回路２の直流電圧を３相交流に再度変換する。インバータ３は一般的には３相ブリッジ接続された６個のスイッチング素子（図示ではＩＧＢＴで示す）とスイッチング素子に並列に逆方向接続された６個のダイオードからなる。この６個のスイッチング素子を制御することにより、任意電圧、任意周波数の３相交流電流を得ることができる。

ブラシレスＤＣモータ４は、インバータ３の３相交流出力により駆動される。３相巻線がほどこされた固定子（図示せず）と、永久磁石をもつ回転子（図示せず）からなる。例えば、固定子は９スロットのティースに絶縁紙を介して直接巻線を巻き３相６極巻線をスター結線したものであり、ロータは６枚の永久磁石を表面側にＮ極・Ｓ極と交互に配置された埋め込み磁石型ロータを持つ。

インバータ３からの出力は、任意電圧・任意周波数に設定でき、さらにブラシレスＤＣモータ４は６極であるため、インバータ３の出力周波数の３分の１の周波数（回転数）でブラシレスＤＣモータ４は駆動される。例えばインバータ３の出力周波数が６０Ｈｚの場合はブラシレスＤＣモータ４の回転数は２０ｒ／ｓ、インバータ３の出力周波数が２４０Ｈｚの場合はブラシレスＤＣモータ４の回転数は８０ｒ／ｓで駆動することができる。

圧縮要素５は、ブラシレスＤＣモータ４で駆動され、圧縮仕事を行う。ここでは圧縮要素５はレシプロ式で１回転中に負荷トルクが大きく変動する圧縮要素である。レシプロ式の圧縮要素の場合は、ピストンの往復運動にて圧縮を行っており、１回転中に半分は吸入工程、半分は圧縮工程と完全に工程が分かれており、この二つの工程において、必要な負荷トルクが圧縮工程側に集中するために、その負荷トルクは大きく変動するものである。この負荷トルクの変動は、低速での駆動ほど大きくなり低い速度での駆動において振動が増大するという特性がある。

圧縮機６は、ブラシレスＤＣモータ４と圧縮要素５を密閉容器に収納している。冷媒ガスはどんなものでも良く、代替冷媒（Ｒ−１３４ａなど）や自然冷媒（Ｒ−６００ａ、ＣＯ２など）などどのような冷媒ガスを使用しても良いことはいうまでもない。

圧縮機には圧縮した冷媒を吐出する吐出パイプと、冷媒を吸入する吸入パイプとを有する。吐出パイプには、凝縮器７、減圧器８、蒸発器９などを直列に接続し最後に吸入パイプから圧縮機６に冷媒ガスは還ってくる。このような冷凍空調システムを組むことにより
、凝縮器７側では放熱作用が、蒸発器９側では吸熱作用が起こることにより、加熱または冷却ができることとなる。また、凝縮器７または蒸発器９にファンモータを取り付け、風を送ることにより、熱交換の効率を高めることにより、これらの熱を有効に利用して効率よく加熱または冷却をすることができる。

制御装置１０はインバータ３を駆動する。その出力はドライブ手段１１を介して、インバータ３の６個のスイッチング素子を駆動する。

一般的に永久磁石を回転子にもつブラシレスＤＣモータ４を駆動する時には、その回転子の回転位置を検出しながら、インバータ３の６個のスイッチング素子を最適な位置で転流していくことにより、ブラシレスＤＣモータ４を最適に動かすようにする。

更にこの制御装置１０の中身について詳しく説明する。

位置検出手段１２はブラシレスＤＣモータ４の回転子の回転位置を検出する。一般的にはブラシレスＤＣモータ４の固定子巻線に発生する逆起電圧を検出する方法が良く知られているが、モータ電流や直流部の電流から回転位置を推定する方法なども良く使われている。もちろんホール素子などの磁気センサを用いて直接位置を検知する方法もあるが、圧縮機にはこのようなセンサを取り付けるのは困難であるため、前者の方法（位置センサレス方式）がよく取られている。

このような位置センサレス方式において起動時には位置検出が不可能なため、起動する前に、位置決めと呼ばれるブラシレスＤＣモータ４の所定相（例えばＵ−Ｗ間など）に強制的に通電して回転子を所定位置まで回転させる方法や、所定周波数・所定電圧の交流波形を強制的に印加して回転子を駆動させる強制駆動方式などの制御回路も必要であるが、ここでは省略している。

転流手段１３は、位置検出手段１２の出力によりインバータ３の６個のスイッチング素子の通電するタイミングを決定する。一般的には逆起電圧と位相が一致するようにタイミングを決定するが、磁石埋め込み型モータ（一般的にはＩＰＭモータとも呼ばれる）などの場合は、リラクタンストルクなども考慮し、若干、モータ電流の位相を逆起電圧の位相より進めて運転する場合もある。モータの種類（特にリラクタンス成分の利用量）によりこの位相進みは変化するが、一般的には０度から１５度程度の進角を持たせるのが普通である。また、転流手段１３の通電角は１２０度以上、１５０度未満として用途により通電角を設定する。例えば比較的高速での駆動や、負荷トルクが高い状態で駆動する場合は通電角を大きくすることで、ブラシレスＤＣモータの駆動可能な負荷領域を拡張することができるし、また高効率で運転する場合は、１２０度通電、あるいは静音駆動する場合は、通電角を広げることでモータのコギングトルクに伴う音を抑制する駆動など任意に設定すれば良い。

デューティ演算手段１４では、ブラシレスＤＣモータ４の回転数を所定の回転数で一定にするために、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御のデューティ（所定周期、キャリア周期と呼ばれる、中のオン幅の割合をさす）を演算し、出力する。

電流検出器１５は、インバータ３に流れる電流を検出するものであり、電流センサや抵抗値の非常に小さい固定抵抗などである。

電流検出手段１６は電流検出器１５の出力から、インバータ３に流れる電流を検出するものである。具体的には電流検出器１５として用いた電流センサの出力電圧或いは、抵抗値の小さい（例えば１００ｍΩ程度）固定抵抗に発生する電圧を入力として、Ａ／Ｄ変換
すること等で簡単に構成できる。本発明の実施の形態では、電流検出器として抵抗値の非常小さい固定抵抗を用いており、インバータの過電流を検出するための過電流保護検出回路のシャント抵抗と兼用させている。これにより電流検出回路として新たな回路を付加することなく実現できるため、回路の低コスト化と小型化を実現している。

デューティ補正手段１７は、インバータ３に流れる電流に応じて、デューティ演算手段１４で演算したデューティに対し、所定の値を付加し補正するものである。

合成手段１８は、転流手段１３による転流出力とデューティ演算手段１４およびデューティ補正手段１７により決定したデューティのＰＷＭ信号とを合成し、ドライブ手段１１に出力し、インバータ３を制御する。

以上の様に構成された圧縮機の駆動装置の動作について図１および図２を用いて説明する。

図２は本発明の実施の形態１における動作を示すフローチャートである。

図２において、まずＳＴＥＰ１でブラシレスＤＣモータの駆動速度を検出する。本発明で使用しているモータは同期モータであるのでインバータ３が出している電気的周波数とブラシレスＤＣモータ４の回転動作とは一致しているため、位置検出手段１２の信号を用いて、回転数を検出することができる。ここでは回転数としたが、回転数と同義とみなせるもの、例えば、回転周期や角速度などであってもよい。

次にＳＴＥＰ２で検出した速度が所定の速度以下であるかどうか判定する。ここでいう所定の速度とは低回転数に設定されており、負荷トルクのトルク脈動に起因するレシプロ式圧縮機の振動が大きくなる回転数（例えば、２０ｒ／ｓなど）に設定されている。

この所定の速度より大きな回転数では圧縮機のイナーシャによる慣性力が十分大きいため、負荷トルクの脈動による速度変動への影響は小さく、これに起因する圧縮機の振動も小さい状態にある。従ってこのときＳＴＥＰ３に進み、デューティ演算手段によって演算した所定の速度を維持するために必要なデューティによってインバータ３を駆動する（即ちデューティ補正を行わない）。尚、この所定の速度とは、冷凍空調システムの構成や圧縮機の種類や能力、モータの回転子のイナーシャなどによって決められるもので、圧縮機の低速で発生する負荷トルク脈動による振動を抑えたい回転数を設定する。もちろん周囲環境状態（温度など）や運転状態によって変化する所定値を決めても良い。

一方で、所定の速度以下の場合は、ＳＴＥＰ４に進み、安定運転かどうか判定する。安定運転の判定は冷凍空調システム制御装置（図示せず）における各部の温度条件などや経過時間などから判定してもよい。安定でないと判断された時、すなわち過渡期においては運転が安定していることが重要なので、ＳＴＥＰ３に進み、デューティ演算手段１４によって設定したデューティ幅によりインバータ３を駆動する（即ちデューティ補正を行わない）。

ＳＴＥＰ４で安定運転と判定した場合、ＳＴＥＰ５に進み、デューティ演算手段１４で演算したデューティに、デューティ補正手段１７によって求めたデューティ補正量を付加してインバータを駆動する。

以上の様に動作することで、ブラシレスＤＣモータを所定の速度より低速で駆動する場合、駆動状態が安定したとき、目標速度で駆動するために必要なデューティ（即ちデューティ演算手段で演算されたデューティ）に対し、デューティが補正され、その他の場合は
、デューティ演算手段で決定されたデューティがセットされる。

ここで、圧縮機１回転中におけるトルクおよび速度状態について説明する。図３は、圧縮機１回転あたりのトルクおよび速度状態を示したグラフである。図３において、負荷トルクを実線、モータトルクを破線、圧縮機モータ回転子の角速度を一点鎖線で表している。

図３において、圧縮機はレシプロ式圧縮機であるため、上下死点で機械工程が変化（吸入工程から圧縮工程、あるいは吸入工程から圧縮工程）し、負荷トルク状態が変わる。特に吸入工程から圧縮工程への変移後は、急激に負荷トルクが増加する。一方モータトルクは１回転当たりほぼ一定のトルクを発生する。（厳密に言えば負荷トルクの変化に応じて、特に低速駆動による慣性モーメントが小さいときは、モータトルクも自動的に変化するが、ここでは説明の簡素化のため一定トルクとしている）。

図３に示すように、圧縮機１回転中の瞬時タイミングを見ると、負荷トルクとモータトルクは一致していないため、図３の角速度の変移のように、負荷トルクに対してモータトルクが大きい区間は、圧縮機は加速状態にあり、負荷トルクに対してモータトルクが小さい区間では、圧縮機は減速状態となる。即ち、圧縮機は安定した駆動状態にある場合でも、１回転中で加速と減速を繰り返している。

図４はブラシレスＤＣモータの３相の電流波形である。図４（ａ）はデューティ補正を行わない場合の電流波形であり、相電流の波形は圧縮機１回転中に大きく変動していることが分かる。これは圧縮機の負荷変動状態とほぼ同期し、負荷トルクが大きい区間の電流は大きく、負荷トルクが小さい区間の電流は小さい。この１回転中の負荷トルク変動に伴う電流の変動が、ブラシレスＤＣモータの損失増加につながり一定の速度で駆動している場合と比較してモータ効率は低下する。即ちブラシレスＤＣモータは圧縮機の駆動に用いたとき、圧縮機の負荷変動が原因で効率が低下してしまう。

図５はインバータ３の電流波形と位置検出タイミングを示すグラフである。図５（１）はデューティ補正を行わない場合を示している。図５における波形（ａ）は電流検出器１５の出力（即ちインバータ３に流れる電流）波形であり、簡単のためＰＷＭ信号がオンのタイミングで電流を検出しその瞬時値をプロットすることでインバータに流れる電流を包絡線として表している。実際の電流波形は、ＰＷＭのオンあるいはオフに同期した高周波スイッチング波形を含む。また同図（ｂ）に、位置検出手段１２による誘起電圧ゼロクロスの検出タイミングを示している。本実施の形態におけるブラシレスＤＣモータ４は６極モータを用いるものとして、１回転当たり１８回の位置検出信号が得られる。即ち位置検出信号の発生する時間を計測することで、モータの１／１８回転の時間（すなわち機械角２０度における角速度）が得られる。

図５（１）（ａ）に示すインバータ電流の波形は、ブラシレスＤＣモータ４の３相巻線に流れる電流の和が現れるので、３相分の電流の変動が現れる。即ち図４に示したブラシレスＤＣモータの３相分の電流の正方向の電流が現れる。従って、インバータ３に流れる電流の包絡線を所定の範囲内に収める（即ち、インバータに流れる電流の変動を抑制する）ことで、ブラシレスＤＣモータ４の３相全ての電流の変動を抑制することができ、電流変動に伴うモータ損失の増加を抑えられる。

それでは、インバータ３に流れる電流の変動を抑制する方法について説明する。ＰＷＭ制御のインバータはＰＷＭのオンする時間を可変することで、ブラシレスＤＣモータ４に印加する電圧を制御し、ブラシレスＤＣモータ４に流れる電流を調整できる。本発明の実施の形態１では、デューティ演算手段で演算した、目標とする速度を保持するために必要
なデューティに対し、デューティ補正手段で求めた補正量を付加することで、インバータに流れる電流の変動を抑制するようにしている。

デューティ補正手段によるデューティ補正は、例えば１回転あたりの平均電流や目標電流と、ＰＷＭオン毎に流れる電流を検出し、目標（或いは平均）電流との差分に一定のゲインを付加した量を補正量として、流れる電流を目標（あるいは平均）電流に近づける方法や、最大電流に対して検出した電流が所定の割合以上に小さい区間に所定のゲインで補正し、各区間の電流と最大電流との差分を埋めて行く方法、前回のＰＷＭオン時の電流検出値と今回の検出値との差分から次回のＰＷＭオン幅を補正し、ＰＷＭ周期毎に検出する電流の差分を無くして行く方法、所定の区間毎（例えば位置検出間隔ごと）の電流を積分し、各区間毎の積分電流が一定になる様に補正する方法、あるいは目標速度の１／１８回転時間と、各位置検出信号の間隔との差分から補正する方法など、様々な方法で実現できる。またこれらの方法は、高速演算プロセッサを用いた高度な演算を、リアルタイムに行なう必要も無く、非常にシンプルな方法で実現できるため、装置の低コスト化を実現している。

尚、デューティ補正することで、デューティ演算手段で決定したデューティよりデューティ幅で駆動することになり、過渡的には一時目標速度より高い速度となる可能性もあるが、速度フィードバック制御によりデューティ演算手段では、目標速度より高い速度となるに伴い、デューティ演算手段１４はデューティを下げて、所定の速度で駆動するように動作するため、目標速度での安定した駆動が継続される。更にこのとき最大電流付近（負荷トルクが最大となる付近）でのデューティが低下するので、負荷トルク最大となる付近の電流（最大電流）も低下する。

図５（２）にデューティ補正を実施したときのインバータ３の電流（ａ）包絡線と位置検出タイミング（ｂ）を示している。（ａ）に示すように、デューティ補正を行うことで、インバータ３に流れる電流の包絡線の振幅が抑制されていることが分かる。また、この時の相電流波形が図４（ｂ）であり、１回転当たりの相電流の変動も抑制できていることが分かる。

これによりデューティ補正することで、ブラシレスＤＣモータ４で圧縮機を駆動する際の効率低下を抑制することが出来る。つまり、デューティ補正を行うことで、従来の圧縮機の制御装置と比較して圧縮機の効率（一般的にＣＯＰ）をあげることが出来る。

次に図５において、位置検出タイミング（ｂ）について説明する。図５（１）（ｂ）において、位置検出タイミングは、インバータ電流（ａ）が大きい区間（即ち負荷トルクが高い圧縮工程）位置検出タイミング間隔が粗く、インバータ電流が小さい区間（即ち負荷トルクが小さい吸入工程）では密になっている。位置検出タイミングの間隔とは、モータの１／１８回転周期に当たるため、１回転中において圧縮機の速度が変動していることが分かる。

一方で、デューティ補正を行った図５（２）（ｂ）では、１回転中において位置検出タイミング間隔の差が小さくなっている。即ち、１回転中の圧縮機の速度変動が抑制されている。

これは、圧縮機は慣性モーメントが非常に大きな負荷であるため、デューティ演算手段で求めた基底デューティにデューティ補正量を付加（即ちインバータ出力を増加）しても、圧縮機モータはすぐには反応（即ち加速）せず、一定の機械角遅れた位置から反応（即ち加速）する。従って、負荷トルクが最大となる前の、インバータ電流が低い区間にデューティ補正を行うことで、負荷トルクが最大となる区間で圧縮機が加速され、その結果１
回転中のモータの駆動速度の変動が抑えられた。

圧縮機工程の負荷トルク変動に対するモータの速度変動は、圧縮機の振動発生の主要な要因であるため、本実施の形態によるデューティ補正を行うことで圧縮機の駆動振動も抑制することが出来る。

以上の様に本実施の形態においては、圧縮要素を有する圧縮機と、前記圧縮要素を駆動する永久磁石を回転子に有したブラシレスＤＣモータと、直流電圧を３相交流に変換して前記ブラシレスＤＣモータに電力を供給するインバータと、前記ブラシレスＤＣモータに印加する電圧を制御して、回転数を可変速して前記圧縮機の冷凍能力を可変とするためのＰＷＭデューティを演算するデューティ演算手段と、前記インバータに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段で検出した電流が一定となるように、デューティ電圧演算手段で決定したブラシレスＤＣモータへの印加電圧を補正するデューティ補正手段を有する圧縮機の制御装置である。これによりインバータに流れる電流の包絡線が所定の範囲内に収めることができるので、ブラシレスＤＣモータの効率を上げることができ、高効率な圧縮機の駆動装置を提供することができる。

またデューティ補正手段によるデューティ補正区間の最大を、前記インバータ３に流れる電流が最大となる位置の前後３０度を含まない区間としたことで、圧縮機の１回転中における負荷変動による圧縮機の速度変動を抑制でき、圧縮機の振動を抑えることができる。

また、電流検出手段は整流回路とインバータ回路の間に直列に設けた抵抗に発生する電圧を検出するものとし、インバータの過電流検出回路と兼用することで、電流検出回路を新しく設ける必要がなく、回路の小型化と低コスト化が図れる。

また転流手段は通電角を１２０以上、１５０度未満の波形することで、インバータを駆動することで、用途に応じたフレキシブルな通電角の選定が可能となるとともに、非常に簡潔な制御のため安価なプロセッサの使用が可能であるため、装置の価格を抑えることが出来る。

また、レシプロ型圧縮機を駆動することで、振動が比較的大きいレシプロ圧縮機の低振動化を実現することが出来る。

（実施の形態２）
図１は本発明の第２の実施の形態の圧縮機の駆動装置を用いた冷蔵庫の構成図である。

図１において、本実施の形態ではレシプロ式圧縮機の駆動装置は、冷蔵庫の冷凍サイクルに用いており、蒸発器９は断熱壁１９で囲われた冷蔵庫２０の庫内２１を冷却するようにしている。

本発明のレシプロ式圧縮機を冷蔵庫に用いることで、圧縮機ＣＯＰの向上による冷蔵庫の消費電力量の削減が可能となる。

さらに圧縮機振動の低減による圧縮機駆動振動に伴う騒音低減が可能となり、冷蔵庫の静音化が可能となる。

また冷蔵庫は１日の大半が安定した庫内の冷却状態にあるため、圧縮機は低速で駆動している場合が多い。圧縮機の低速での駆動は冷凍サイクルのシステム効率に繋がり、冷蔵庫の消費電力量低減に大きな効果をもたらす。しかしながら、レシプロ式圧縮機では低速
で駆動するほど、１回転中における負荷トルクの変動が大きく、駆動振動が大幅に上昇してしまう。このためレシプロ式圧縮機では、最低回転数を抑制して省エネ効果を犠牲にしたり、あるいはコストを犠牲にして振動抑制部材を付加したりといった対応が必要であった。

しかし、本発明の圧縮機の駆動装置では、圧縮機の駆動振動を低下するので、これまで以上に圧縮機の低速駆動化が可能となり、冷凍サイクルのシステム効率上昇による冷蔵庫の消費電力量削減が実現できる。

また圧縮機の駆動振動の抑制は、振動抑制部材の付加が不要であり、冷蔵庫の低コスト化が図れる。

さらに圧縮機の駆動振動の抑制は、振動に伴う騒音も低減できるため冷蔵庫の静音化も実現できる。

以上のように本発明にかかる圧縮機の駆動装置は、冷蔵庫・空調機・除湿機・ヒートポンプ給湯器・ポンプなど、モータの１回転当たりの負荷変動が大きく、周期的に負荷トルクが変動する機器に広く適用できる。

２ 整流回路
３ インバータ
４ ブラシレスＤＣモータ
５ 圧縮要素
６ 圧縮機
１０ 制御装置
１３ 転流手段
１４ デューティ演算手段
１５ 電流検出器（抵抗）
１６ 電流検出手段
１７ デューティ補正手段

Claims (6)

1. 圧縮要素を有する圧縮機と、前記圧縮要素を駆動する永久磁石を回転子に有したブラシレスＤＣモータと、直流電圧を３相交流に変換して前記ブラシレスＤＣモータに電力を供給するインバータと、前記ブラシレスＤＣモータに印加する電圧を制御して、回転数を可変速して前記圧縮機の冷凍能力を可変とするためのＰＷＭデューティを演算するデューティ演算手段と、前記インバータに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記インバータに流れる電流の包絡線が所定の範囲内に収まるように、デューティ演算手段で決定したブラシレスＤＣモータへの印加電圧を補正するデューティ補正手段を有する圧縮機の駆動装置。
2. デューティ補正をする区間は、最大でも前記インバータに流れる電流が最大となる位置の前後３０度を含まないようにした請求項１に記載の圧縮機の駆動装置。
3. 前記電流検出手段は整流回路とインバータ回路の間に直列に設けた抵抗に発生する電圧を検出するものとし、インバータの過電流を検出する回路と兼用する請求項１または請求項２に記載の圧縮機の駆動装置。
4. 転流手段は通電角１２０度以上１５０度未満とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧縮機の駆動装置。
5. 前記圧縮機は、往復運動を行なう圧縮要素を持つ、レシプロ式圧縮機である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧縮機の駆動装置。
6. 請求項１から請求項５の少なくとも１項に記載の前記圧縮機の駆動装置を有する冷蔵庫。

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