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JP4123598B2 - Inverter device - Google Patents
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JP4123598B2 - Inverter device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エアコン・冷蔵庫・食器洗い機・電気洗濯機などに使用されるインバータ装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図14に示す従来のインバータ装置は、交流電源1、整流平滑回路2、インバータ回路3、3相の電機子巻線8・9・10を有する電動機4、永久磁石5・6を有する回転子7、ホールIC40・41・42によって構成し、永久磁石5・6の位置を磁気的に検知する位置検知手段43を備えている。
【0003】
速度設定手段12は、電動機4の回転速度の設定を行うものである。
【0004】
整流平滑回路2は、チョークコイル18、整流器19、電解式のコンデンサ20・21によって構成され、整流器19は、ブリッジ形に接続されたダイオード22・23・24・25によって構成され、交流電源1を倍電圧整流して直流電圧をインバータ回路3に出力するものとなっている。
【0005】
インバータ回路3は、IGBTと逆導通用のダイオードを並列接続して構成したスイッチング素子26・27・28・29・30・31を有する3相の仕様となっている。
【0006】
制御回路44は、位置検知手段43からの信号と、速度設定手段12の出力信号から、スイッチング素子26・27・28・29・30・31に対してオンオフ制御を行うものとなっている。
【0007】
図15は、制御回路44の位置検知手段43からの入力信号S1・S2・S3と出力V1・V2・V3・V4・V5・V6のオンオフ波形を示したものである。
【0008】
図15において、(ア)はホールIC40の出力信号S1、(イ)はホールIC41の出力信号S2、(ア)はホールIC42の出力信号S3、(エ)はスイッチング素子26用のオンオフ信号V、(オ)はスイッチング素子27用のオンオフ信号V2、(カ)はスイッチング素子28用のオンオフ信号V3、(キ)はスイッチング素子29用のオンオフ信号V4、1(ク)はスイッチング素子30用のオンオフ信号V5、(ケ)はスイッチング素子31用のオンオフ信号V6を示している。
【0009】
すなわち、インバータ回路3が3相6石の構成としていることから、ホールIC40・41・42の数も3個とすることにより、電気角60度毎にスイッチング素子の切り換えを行うものとしている。
【0010】
以上の構成において、従来の技術のインバータ装置は、いわゆるDCブラシレスモータとして動作し、位置検知手段43において、永久磁石5・6の位置を検知しながら、スイッチング素子26〜31のオンオフを行っており、各スイッチング素子に対して電気角120度の間オン状態としているが、特に低電位側のスイッチング素子29・30・31については、電気角120度の期間中、約15kHzの周波数でオンオフを繰り返すものとなっている。
【0011】
そのオン期間の比率、すなわちデューティ(導通比率)を変化することにより、等価的に電動機4に対して、整流平滑回路2の出力電圧に前記デューティ値を乗じた値がインバータ回路3に入力されている状態に近くなり、よって電動機4の速度を加減することができるものとなる。
【0012】
制御回路44は、位置検知手段44から入力される信号の周波数から電動機4の速度を検知し、それが速度設定手段12の値と等しくなるように、前記デューティ値を加減するものである。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術においては、電動機の速度を速度設定手段の出力値と等しくするために、フィードバック制御によりデューティ値を加減する必要がある。
【0014】
ここで、電動機4の負荷の変化などに対する前記フィードバック制御の応答性と、速度および電動機4への供給電流の安定性を確保するためには、制御回路44内に電動機44への電流を検知する電流検知器や電流マイナーループと呼ばれるような、トルク指令に対しする実働電流値の差を誤差増幅し、PI制御などを用いて、デューティ値を加減する構成と、速度設定手段12と実速度の差を同様にPI制御などのフィードバック制御を用いてトルク指令値を出力させ、前述の電流マイナーループの設定値とするというような複雑な構成となるという第1の課題が有った。
【0015】
また、一般に良く用いられるようなインバータ回路3と電動機4を3相の構成とした場合、位置検知手段43には、3個のホールICが必要となり、位置検知手段43の構成が複雑となると同時に、位置検知手段43と制御回路44を結ぶ配線の数が多くなりやはり装置が複雑になるという第2の課題を有していた。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記第1〜第2の課題解決するために、同期電動機と、前記同期電動機に交流電流を供給するインバータ回路と、速度設定手段と、位置検知手段を有し、前記電動機は、電機子巻線を有する第1の物体と、前記第1の物体と相対的に可動であり、永久磁石を有する第2の物体からなり、前記位置検知手段は前記第2の物体の永久磁石の位置を検知し、前記インバータ回路の出力周波数は、前記速度設定手段の出力に応じた値とし、前記インバータ回路の出力電圧値は、出力電圧位相と前記位置検知手段の出力信号の位相角がほぼ一定となる値とする構成としたことにより、特に電流マイナーループや速度フィードバックループなどを用いなくとも、前記速度設定手段の出力に応じた周波数を前記同期電動機に与えることにより、比較的簡単な構成で速度の応答性を確保することが可能となり、また位置検知手段の構成についても、例えば3相6石のインバータ回路構成においても、ホールICは1個でも動作するものとなり、簡単な構成とすることができるものとなる。
【0017】
また、第1〜第課題解決するために、請求項1記載のインバータ装置の前記インバータ回路の出力電流を、ほぼ正弦波とすることにより、やはり電流マイナーループや速度フィードバックループなどを用いなくとも、前記速度設定手段の出力に応じた周波数を前記同期電動機に与えることにより、比較的簡単な構成で速度の応答性を確保することが可能となり、また電流値の低減による装置全体の効率向上が実現でき、その上、電機子巻線の電流波形を正弦波に近づけて低騒音化を図ることもできるものとなる。
【0018】
【発明の実施の形態】
請求項1記載の発明は、同期電動機と、前記同期電動機に交流電流を供給するインバータ回路と、速度設定手段と、位置検知手段を有し、前記電動機は、電機子巻線を有する第1の物体と、前記第1の物体と相対的に可動であり、永久磁石を有する第2の物体からなり、前記位置検知手段は前記第2の物体の永久磁石の位置を検知し、前記インバータ回路の出力周波数は、前記速度設定手段の出力に応じた値とし、前記インバータ回路の出力電圧値は、出力電圧位相と前記位置検知手段の出力信号の位相角がほぼ一定となる値とする構成としたことにより、特に電流マイナーループや速度フィードバックループなどを用いなくとも、前記速度設定手段の出力に応じた周波数を前記同期電動機に与えることにより、比較的簡単な構成で速度の応答性を確保することが可能となり、また位置検知手段の構成についても、例えば3相6石のインバータ回路構成においても、ホールICは1個でも動作するものとなり、簡単な構成とすることができるものとなる。
【0019】
請求項記載の発明は、請求項1記載のインバータ装置の前記インバータ回路の出力電流を、ほぼ正弦波とすることにより、やはり電流マイナーループや速度フィードバックループなどを用いなくとも、前記速度設定手段の出力に応じた周波数を前記同期電動機に与えることにより、比較的簡単な構成で速度の応答性を確保することが可能となり、また電流値の低減による装置全体の効率向上が実現でき、その上、電機子巻線の電流波形を正弦波に近づけて低騒音化を図ることもできるものとなる。
【0020】
【実施例】
(実施例1)
以下、本発明の実施例について説明する。図1は本発明の第1の実施例のインバータ装置を備えた全自動の電気洗濯機の回路構成の一例を示したものである。
【0021】
図1においては、100V60Hzの交流電源1、交流電源1を整流する整流平滑回路2、整流平滑回路2の出力に接続したインバータ回路3、インバータ回路3の出力に接続した同期電動機4を有している。
【0022】
同期電動機4は電機子巻線8・9・10を有し、これをケイ素鋼板を積層して構成した鉄心に巻いて実現した、一般にステータと呼ばれる第1の物体45と、外側にN極が出る極性に着磁したフェライト製の永久磁石5、外側にS極が出る極性に着磁したフェライト製の永久磁石6によって構成し、一般にロータと呼ばれる第2の物体7から成り立っている。
【0023】
位置検知手段11は、ホールICによって構成され、第2の物体7の対向している永久磁石5・6がいずれの磁極であるかを検知することにより第1の物体45に対する第2の物体7の角度を検知するものとなっている。
【0024】
速度設定手段12は、同期電動機4の回転の速度設定値に応じた電圧を出力するものであり、本実施例においては、速度設定手段12の出力を発振回路13に入力しており、発振回路13は入力された電圧値に応じた周波数のパルス列を出力する電圧制御形の発振回路として動作するものとなっている。
【0025】
発振回路13の出力は、分配器14に入力され、3相のインバータ回路3に対して6個のスイッチング素子を電気角で120度期間だけオンとし、240度期間をオフとする信号を出力するものとなっている。
【0026】
電圧制御回路15は、インバータ回路3を構成している6個のスイッチング素子の内の低電位側の3個に対して、上述の120度オン期間について、15.6キロヘルツのPWMを行うものとなっており、これによってほぼ等価的にインバータ回路3の出力電圧は整流平滑回路2から供給される直流電圧にPWMの導通比(デューティ)を乗じた値の電圧が供給されている状態となる。
【0027】
なお、本実施例においては、電圧制御回路15は、低電位側のスイッチング素子に対してPWMの制御を行っているが、高電位側のスイッチング素子に対してPWMの制御を行っても良く、また高電位側のスイッチング素子と低電位側のスイッチング素子を、電気角60度毎に、交互にPWM制御することにより、インバータ回路3の出力電流のdi/dtを抑え、電磁音を低減した運転音の静かなインバータ装置を実現してもよい。
【0028】
位相検知回路16は、本実施例においては、分配器14のQ6信号、すなわちW相の低電位側スイッチング素子の120度のオンオフ信号と、位置検知手段11から出力されるハイローの信号とを読み込み、この二つの信号の立ち上がりのタイミングが同時である場合には0ボルトを出力し、両者のタイミングにズレがある場合には、いずれが進んでいるかによって極性が変化し、またズレの絶対値の大きさに比例して絶対値も変化するアナログ信号を出力するものとなっている。
【0029】
なお、本実施例では位相検知回路16は、位置検知手段11から信号の位相が遅れている場合には正の電圧を出力し、位置検知手段11から信号の位相が進んでいる場合には負の電圧を出力するものなっている。
【0030】
誤差増幅器17は、位相検知回路16の出力を増幅して出力するものであり、フィードバック制御の安定性を確保するため、一次遅れ成分を有するPI補償器として動作するものとなっており、また定常偏差をほぼ零にするため、ω=0においては、電圧利得が80dBという高い値としている。
【0031】
図2は、実施例1のインバータ装置の整流平滑回路2とインバータ回路3の詳細回路を示したものである。
【0032】
図2において、5mHのインダクタンスを有するチョークコイル18、整流器19、560マイクロファラッドの静電容量を有する電解式のコンデンサ20・21により構成されており、整流器19は4本のシリコン形のダイオード22・23・24・25をブリッジ接続して構成されている。
【0033】
コンデンサ20・21は、直列接続した上、その接続点を交流電源1の一端に接続することにより、いわゆる倍電圧整流回路として動作し、交流電源1の電圧がAC100Vである場合、コンデンサ20・21にはいずれも約140Vの直流電圧が充電され、インバータ回路3に約280Vの直流電圧が入力されるものとなっている。
【0034】
インバータ回路3は、IGBTと逆導通用のダイオードからなるスイッチング素子26・27・28・29・30・31により、3相6石構成としている。
【0035】
図3は、実施例1のインバータ装置の電圧制御回路15の詳細回路を示したものである。
【0036】
図3において、AND回路32・33・34、一般にコンパレータなどと称されるオープンコレクタ出力を有する電圧比較器35、15.6kHzの周波数で三角波を出力する三角波発振回路36、電圧比較器35の出力端子を引き上げるプルアップ用の抵抗37、直流電源38により構成されている。
【0037】
図4は、実施例1のインバータ装置の分配器14の入出力動作波形を示したものである。
【0038】
図4において、(ア)は発振回路13からB端子に入力されるパルス波形、(イ)は出力端子Q1の信号波形、(ウ)は出力端子Q2の信号波形、(エ)は出力端子Q3の信号波形、(オ)は出力端子Q4の信号波形、(カ)は出力端子Q5の信号波形、(キ)は出力端子Q6の信号波形を示しており、B端子からの入力されるパルス列の1発1発に対して、その立ち上がりタイミング毎に、各出力のハイローを切り換え、したがってB端子の立ち上がりの間隔が電気角60度に相当するものとなる。
【0039】
図5は、発振回路13の入出力特性を示しているものであり、実施例1においては、A端子からの入力電圧が1V上昇する毎に、60Hzのパルス周波数が増加するものとなっている。
【0040】
以上の構成において、動作の説明を行う。
【0041】
同期電動機4を600rpmで駆動したい場合においては、速度設定手段12から1Vの電圧が出力され、発振回路13のA端子に入力される。
【0042】
発振回路13は、図5に示すごとくの特性であることから、60Hzのパルス列が、分配器14のB端子に入力される。
【0043】
分配器14は、図4に示す動作となることから、Q1〜Q6にはいずれも10Hzのオンオフ信号が出力され、インバータ回路3は10Hzの出力を同期電動機4に出力する。
【0044】
同期電動機4は、本実施例では2極であるため、10Hzの周波数において600rpmにて回転するものとなる。
【0045】
ここで、位相検知回路16は、Y端子から入力される位置検知手段11の出力信号とX端子から入力されるQ6信号の立ち上がりのエッジのタイミング差を検知して、位置検知手段11の信号の方が進んでいる場合に負のアナログ電圧を出力する。
【0046】
すると、その出力が誤差増幅器17によって増幅され、電圧制御回路15のD端子の電圧を減少させることから、同期電動機4に入力される電圧が低下し、誘導起電力の位相に対するインバータ回路の出力電圧(端子電圧と同等)の位相が次第に進んでいくことから、相対的に位置検知手段11からの信号が遅れていくというフィードバック制御がかかり、最終的にはd−q平面上の所定の向きに端子電圧Vaのベクトルが位置するようになり、すなわち電圧相差角δが所定の値に制御されるものとなる。
【0047】
実施例1で、δ=0とした場合におけるベクトル図は、ちょうど従来の技術で説明したものと同じ図16に示しているものとなり、すなわち、端子電圧Vaのベクトルはq軸上に乗った状態となって、位置検知手段11が1個のホールICで構成したものでありながらも、従来の技術と同等の動作が行われるものとなる。
【0048】
図16においては、δ=0となっているが、電流位相βが負の値となり、正の直軸電流Idが若干流れている状態となっている。
【0049】
しかしながら、請求項1は特にδ=0に限定しているものではなく、例えば位置検知手段11を構成しているホールICのを、本実施例の位置から回転方向とは逆向きにずらすことにより、ずらせた電気角に相当する電圧位相角δにフィードバック制御させるようにしてもよい。
【0050】
したがって、例えば定格運転条件において、電流位相βがほぼ零となるような電圧位相角δになるように位置検知手段11の位置を調節したり、あるいは電気的に位相をずらす回路を設けることなどにより、ちょうど従来の技術で3個のホールICで構成していた位置検知手段に進角を設けたものと同様に、高効率や高力率を実現する効果を上げることも可能である。
【0051】
(実施例2)
以下、本発明の第2の実施例について説明する。図6は、本実施例におけるインバータ装置のブロック図を示したものである。
【0052】
図6においては、電流検知回路46が、インバータ回路3のW相の出力の電流を検知し、その電流IWの瞬時値が正でハイを出力し、負であればローを出力する構成となっている。
【0053】
実施例2においては、位相検知回路17のY端子は、電流検知回路46からの信号を受けるものとなっている。
【0054】
移相回路47は、電流検知回路46の出力信号の位相を遅らせることにより、インバータ回路3の出力電圧、すなわち同期電動機4の入力電圧のベクトルと、電流ベクトルが同相となった状態において、位相検知回路16のX・Yの両端子に入力される信号の立ち上がりのタイミングが等しくなるようにする作用を有するものであり、電気角で約30度の遅れ位相を持ったものとなっている。
【0055】
実施例2においても、位相検知回路16は、X端子から入力される移相回路47の出力信号とY端子から入力されるQ6信号の立ち上がりのエッジのタイミング差を検知して、Xの信号の方が進んでいる場合に正のアナログ電圧を出力する。
【0056】
その他の構成については、図1と同等の構成となっている。
【0057】
以上の構成において、実施例1と同様に速度設定手段12から600rpmの設定速度信号が出力されると、発振回路13と、分配回路14を経て、インバータ回路3の各スイッチング素子がオンオフ動作し、同期電動機4がインバータ回路3から供給される10ヘルツの周波数に同期して600rpmで回転するものとなる。
【0058】
ここで、同期電動機4の入力電圧、すなわちインバータ回路3の出力電圧と、電流検知回路46で検知された電流の位相が位相検知回路16で比較され、電流位相が進んでいる場合には、X端子がY端子に対して進相であるため、正のアナログ信号を出力するものとなる。
【0059】
誤差増幅器17は、位相検知回路16の出力を増幅し、電圧制御回路15のD端子の電圧を引き上げる動作を行うことから、PWM制御のデューティ値が増大し、インバータ回路3の出力電圧は上昇するものとなる。
【0060】
すると、同期電動機4の電流位相は次第に遅れていき、βは小となるとともに、電圧に対する電流の進相角も、低減していって、定常的には電圧と電流のベクトルが同相となる。
【0061】
図7は、電圧と電流の位相差がゼロとなった状態におけるベクトル図を示しているものであり、同期電動機4の力率はほぼ1となり、電流位相角β(電圧相差角δも同等)は正の値となり、いずれもd−q平面上の第2象限に位置するものとなる。
【0062】
この状態においては、電流Iaは、若干の負の直軸電流Id成分を含んだものとなる。
【0063】
なお、本実施例においては、特に移相回路47を設け、電気角で約30度の位相遅れを生じさせた結果、上述のような電圧位相と電流位相を同位相に制御するものとなっている。
【0064】
しかしながら、請求項2において、必ずしも図7に示したような、電圧位相と電流位相が等しい状態とすることが絶対的な条件ではなく、例えば移相回路47の遅れ位相角を加減することによって、電圧位相が電流位相に対して、例えば電気角で15度の進相となるという様な位相角を設定してもよく、その場合には、インバータ回路3から見た同期電動機4の力率としては、1よりも小の遅れ力率となるが、例えば定格負荷条件における電流Iaのd−q平面上の位相をほぼβ=0の条件とすることも可能であり、磁束と電流との直交性による高効率での運転も可能となるものとなる。
【0065】
(実施例3)
以下、本発明の第3の実施例について説明する。図8は、本実施例のインバータ装置のブロック図を示したものである。
【0066】
図8においては、実施例1で説明したようなホールICによって構成した位置検知手段11と、実施例2にて説明を行った電流検知回路46が設けられており、位相検知回路16は位置検知手段11からの信号をY端子から入力し、電流検知回路46からの信号をX端子に入力した構成となっている。
【0067】
実施例3においても、位相検知回路16は、X端子の信号とY端子の信号のエッジのタイミング差を検知して、Xの信号の方が進んでいる場合に正のアナログ電圧を出力する。
【0068】
その他の構成要素に関しては、実施例1と同等のものとなっている。
【0069】
以上の構成において、実施例1と同様に速度設定手段12から600rpmの設定速度信号が出力されると、発振回路13と、分配回路14を経て、インバータ回路3の各スイッチング素子がオンオフ動作し、同期電動機4がインバータ回路3から供給される10ヘルツの周波数に同期して600rpmで回転するものとなる。
【0070】
ここで、位置検知手段11の出力電圧、すなわち永久磁石5・6の磁極と、電流検知回路46で検知された電流の位相が位相検知回路16で比較され、電流位相が進んでいる場合には、X端子がY端子に対して進相であるため、正のアナログ信号を出力するものとなる。
【0071】
誤差増幅器17は、位相検知回路16の出力を増幅し、電圧制御回路15のD端子の電圧を引き上げる動作を行うことから、PWM制御のデューティ値が増大し、インバータ回路3の出力電圧は上昇するものとなる。
【0072】
すると、同期電動機4の電流位相は次第に遅れていき、βは小となり、定常的には永久磁石5・6による磁束φaと電流のベクトルが同相となる。
【0073】
図9は、電流の位相角βがゼロとなった状態におけるベクトル図を示しているものであり、同期電動機4の力率は1よりも若干低い値(遅れ位相)となるが、電流位相角βはゼロの値となり、いずれもq軸上に位置するものとなる。
【0074】
この状態においては、直軸電流Id成分はゼロとなり、第2の物体7の構成として、直軸インダクタンスLdと横軸インダクタンスLqが等しい、SPMと呼ばれるものとしては、同一のトルクを得るための最小電流値とすることができるものとなる。
【0075】
なお、実施例1〜実施例3においては、いわゆるSPMと呼ばれる構成で第2の物体7を構成しているが、特にこのような構成に限定されるされるものではなく、例えば永久磁石を鉄心内に埋め込んで構成した構成で第2の物体を実現することにより、横軸インダクタンスLqを直軸インダクタンスLdの値に比べて大としてもよい。
【0076】
その場合には、電流位相角βが正の領域において、リラクタンス力(トルク)が、いわゆるフレミングの左手の法則によって発生するBIL力(トルク)に加わるため、結果的に同期電動機に供給される電流の大きさを小とすることができ、装置の高効率化を図ることも可能となる。
【0077】
その効果を得るためには、実施例1〜実施例3における定常状態での電流位相角βをより進めるように移相回路の遅れ位相値を設定したり、位置検知手段のホールICの位置を設定したりするものとなる。
【0078】
また、実施例1〜実施例3においては、同期電動機4の極数を2極としているが、特に2極にこだわるものではなく、4極、6極、8極…などであってもよい。
【0079】
(実施例4)
以下、本発明の第4の実施例について説明する。図10は、本実施例のインバータ装置のブロック図を示している。
【0080】
図10においては、電流検知回路48は、インバータ回路3のW相の出力電流IWの位相ではなく、大きさ(振幅)を検知するものである。
【0081】
なお、本実施例においては、電流検知回路48は、インバータ回路3の出力に接続しているが、インバータ回路3の入力側に接続してもよく、インバータ回路3の入力電流のピーク値を検知するピークホールド回路などを設けることにより、PWM制御中においてもインバータ回路3から同期電動機4に出力される電流の大きさを検知させることができることを発明者らは確認している。
【0082】
追尾回路49は、毎秒2回の頻度で、PWMのデューティ値をプラスマイナス2/256の幅で増減しながら、デューティ値を電圧制御回路15のD端子に出力し、同時に電流検知回路48からの出力信号をZ端子より入力し、Z端子から入力される電圧値が常に最小となるように、デューティ値を出力するものである。
【0083】
すなわち、仮にデューティ値を減らして、D端子への出力電圧を減じた時に、Z端子に入力される電圧も減少した場合には、さらにデューティ値を減少させ、逆にZ端子に入力される電圧が増加した場合には、さらにデューティ値を増加させるものとなっている。
【0084】
また、デューティ値を増加し、D端子への出力電圧を増やした時に、Z端子に入力される電圧も増加した場合には、デューティ値を減少させ、逆にZ端子に入力される電圧が減少した場合には、さらにデューティ値を減少させるものとなっている。
【0085】
その他の構成要素については、実施例1と同等のものを使用している。
【0086】
以上の構成において、動作の説明を行う。
【0087】
図11は、運転速度と、負荷のトルクを固定した条件における実施例4のインバータ回路4の出力電圧と、インバータ回路4の出力電流の関係を示しているものである。
【0088】
一般に永久磁石を使用した同期電動機においては、端子電圧、すなわちインバータ回路4の出力電圧がある値の条件において、その入力電流、すなわちインバータ回路4の出力電流の大きさが最小となるという特性がある。
【0089】
図11においては、A点において、電流値が最小となっており、これよりも電圧値を増加させると遅れ位相の電流が流れて、電流値が増加し、逆にA点よりも電圧値を減少させた場合には進み位相の電流が流れて、やはり電流値が増加するというものとなる。
【0090】
実施例4においては、追尾回路49の作用により、常にZ端子に入力される電圧値が最小になるように電圧制御回路15への電圧出力がなされることから、図11のA点での運転が行われることになり、結果的に同期電動機4の電機子巻線8・9・10の銅損なども最小に抑えることができ、高効率の運転が可能となるものとなる。
【0091】
ここで、第2の物体7として、直軸インダクタンス値Ldと横軸インダクタンス値Lqがほぼ等しいSPMと呼ばれるような構成としている場合には、ほぼ図9にしめすようなβ=0の状態となる。
【0092】
(実施例5)
以下、本発明の第5の実施例について説明する。図12は、本実施例のインバータ装置の第2の物体の断面図を示している。
【0093】
図12においては、ケイ素鋼板をプレス機で打ち抜いたものを積層して構成した鉄心50内に、永久磁石51・52・53・54を設けたもので、永久磁石51・52は、外側をN極に着磁され、永久磁石53・54は、外側をS極に着磁されている。
【0094】
このような永久磁石埋め込み式の構成により、横軸インダクタンスLqが直軸インダクタンスLdに比して大となる逆突極と呼ばれる特性となり、特に電流位相βを正とした場合に、リラクタンス力(トルク)を併用して運転を行うことができるものとなり、トルクに比して電流値を抑えた高効率の運転が可能となるものとなる。
【0095】
その他の構成要素としては、実施例4に述べたものと同等のものとなっている。
【0096】
ただし、図12に示した第2の物体は、4極の構成としているため、3相の電機子巻線8・9・10に関しては、いずれも4極の構成としているものである。
【0097】
実施例5においては、特に実施例4に述べたように電流検知回路の出力値が最小になるように運転がなされることから、図12に示している第2の物体を用いた場合には、負荷条件に応じて、かつ横軸インダクタンスLqと直軸インダクタンスLdの値において、最も電流値が小さくなる条件で運転がなされるものとなる。
【0098】
したがって、例えばDCブラシレスモータで、負荷条件毎に電流値が最小となる電流位相βをマイクロコンピュータなどに記憶させておいて、制御を行わせるというような構成に比して、極めて簡単な構成でありながら、あらゆる負荷条件において電流最小となる条件に自動的に運転条件がシフトされるものとなり、各構成部品のバラツキなどが生じていても、それらの条件下で電流の最小の条件にマッチした動作が実現されるものとなる。
【0099】
(実施例6)
以下、本発明の第6の実施例について説明する。図13は、本実施例のインバータ装置のインバータ回路の出力電流波形を示したものである。
【0100】
図13において、(ア)、(イ)、(ウ)はそれぞれU相、V相、W相の出力電流波形を示している。
【0101】
実施例6においては、3相6石構成のインバータ回路の各スイッチング素子のオンオフのPWMを一周期内で変化させることにより、U・V・Wの各相電圧がほぼ正弦波変調された電圧となるように運転がなされており、電流波形についてもほぼ正弦波に近くなることから、とりわけ同期電動機から発せられる電磁音が抑えられ、運転音が静かなインバータ装置を実現することができるものとなっている。
【0102】
ここで、従来の技術に述べたホールICを用いた位置検知手段の代用として、第2の物体の永久磁石の磁束が第1の物体の電機子巻線を切ることにより発生する誘導起電力から、位置検知を行うという構成も用いられることがあった。
【0103】
特にエアコンや、冷蔵庫用にコンプレッサ内に組み込まれた、ハーメチックモータと称されるような装置においては、冷媒内に電動機が設けられる関係上、ホールIC等の設置が非常に困難な状況であることから、上述のような誘導起電力からの位置検知がよく行われるものとなっていた。
【0104】
しかしながら、そのような位置検知方法は、3相6石構成のインバータ回路では、12
0度通電と呼ばれるように、各スイッチング素子のオン期間の幅をいずれも電気角で120度とし、U・V・Wの各相について、高電位側のスイッチング素子のオン期間と低電位側のスイッチング素子のオン期間との間には、電気角で60度の期間、高電位側スイッチング素子と低電位側スイッチング素子がどちらもオフの状態となり、この期間において、インバータ回路の出力端子の電圧が前記誘導起電力がそのまま逆印加されるものであることから、ローパスフィルタ等を通した後、コンパレータ等を用いて、そのゼロ点を検知し、ホールICを用いたのと同等の位置検知手段が構成されるものとなるものであった。
【0105】
したがって、図13に示したような正弦波の運転をさせて、運転音の静かな装置を実現しようとした場合、高電位側スイッチング素子と低電位側スイッチング素子が共にオフとなる60度の期間が無くなることから、誘導起電力から位置検知を行うことはできなくなるものであった。
【0106】
実施例6においては、誘導起電力を検知することを必要としないものであるので、図13にしめすような動作波形でインバータ回路を運転した場合においても、例えば実施例2・実施例4の構成に示しているように位置検知手段を使用せずに構成ができることから、前記のコンプレッサ用としても運転音が静かな装置を実現するための構成として用いることができる。
【0107】
また、例えばホールICを使用した構成についても、やはり正弦波運転による運転音の低減の効果が期待でき、その上で、ホールICの数を例えば1個で構成するということも可能となる。
【0108】
また実施例5に示しているような、横軸インダクタンスLqが直軸インダクタンスLdに比して大となる逆突極特性を用いて、リラクタンストルクを得る構成とした場合にも、運転音の低減効果に加えて、高効率も実現することができるものとなる。
【0109】
また、実施例1〜実施例6において、速度設定手段12の設定速度が高い場合には、PWMのデューティを100%として、インバータ回路の出力電圧を最大にしても、電流の進み位相の状態での運転となる。
【0110】
したがって、その場合には効率や同期電動機の入力の力率の面では、幾分低下することになるが、低トルクで高速回転が必要な動作モードが存在する装置においては、同期電動機の起電力定数Keを高めに設計しておいて、トルク定数Ktが大となるものとしておけば、低速域で高トルクが必要な場合にインバータ回路の出力電流値が低減でき、合理的な運転が可能となる。
【0111】
【発明の効果】
以上のように、請求項1記載の発明は、同期電動機と、前記同期電動機に交流電流を供給するインバータ回路と、速度設定手段と、位置検知手段を有し、前記電動機は、電機子巻線を有する第1の物体と、前記第1の物体と相対的に可動であり、永久磁石を有する第2の物体からなり、前記位置検知手段は前記第2の物体の永久磁石の位置を検知し、前記インバータ回路の出力周波数は、前記速度設定手段の出力に応じた値とし、前記インバータ回路の出力電圧値は、出力電圧位相と前記位置検知手段の出力信号の位相角がほぼ一定となる値とする構成としたことにより、特に電流マイナーループや速度フィードバックループなどを用いなくとも、前記速度設定手段の出力に応じた周波数を前記同期電動機に与えることにより、比較的簡単な構成で速度の応答性を確保することが可能となり、また位置検知手段の構成についても、例えば3相6石のインバータ回路構成においても、ホールICは1個でも動作するものとなり、簡単な構成とすることができるものとなる。
【0112】
また、請求項記載の発明は、特に、インバータ装置の前記インバータ回路の出力電流をほぼ正弦波とすることにより、やはり電流マイナーループや速度フィードバックループなどを用いなくとも、前記速度設定手段の出力に応じた周波数を前記同期電動機に与えることにより、比較的簡単な構成で速度の応答性を確保することが可能となり、また電流値の低減による装置全体の効率向上が実現でき、その上、電機子巻線の電流波形を正弦波に近づけて低騒音化を図ることもできるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例1におけるインバータ装置のブロック回路図
【図2】 同インバータ装置の整流平滑回路とインバータ回路の詳細回路図
【図3】 同インバータ装置の電圧制御回路の詳細回路図
【図4】 同インバータ装置の分配器の入出力波形図
【図5】 同インバータ装置の発振回路の入出力特性図
【図6】 実施例2におけるインバータ装置のブロック回路図
【図7】 同インバータ装置のベクトル図
【図8】 実施例3におけるインバータ装置のブロック回路図
【図9】 同インバータ装置のベクトル図
【図10】 実施例4におけるインバータ装置のブロック回路図
【図11】 同インバータ装置の同期電動機の動作特性図
【図12】 実施例5における第2の物体の断面図
【図13】 実施例6におけるインバータ回路の動作波形図
【図14】 従来の技術のインバータ装置のブロック回路図
【図15】 同インバータ装置の制御回路の入出力波形図
【図16】 同インバータ装置のベクトル図
【符号の説明】
4 同期電動機
3 インバータ回路
12 速度設定手段
11 位置検知手段
8・9・10 電機子巻線
45 第1の物体
5・6 永久磁石
7 第2の物体
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an inverter device used in an air conditioner, a refrigerator, a dishwasher, an electric washing machine, and the like.
[0002]
[Prior art]
14 includes an AC power source 1, a rectifying / smoothing circuit 2, an inverter circuit 3, a motor 4 having three-phase armature windings 8, 9, and 10, and a rotor 7 having permanent magnets 5 and 6. The position detecting means 43 is configured by Hall ICs 40, 41 and 42 and magnetically detects the positions of the permanent magnets 5 and 6.
[0003]
The speed setting unit 12 sets the rotation speed of the electric motor 4.
[0004]
The rectifying and smoothing circuit 2 includes a choke coil 18, a rectifier 19, and electrolytic capacitors 20 and 21, and the rectifier 19 includes diodes 22, 23, 24, and 25 connected in a bridge shape. The voltage doubler rectifies and outputs a DC voltage to the inverter circuit 3.
[0005]
The inverter circuit 3 has a three-phase specification having switching elements 26, 27, 28, 29, 30, and 31 configured by connecting IGBTs and reverse conducting diodes in parallel.
[0006]
The control circuit 44 performs on / off control on the switching elements 26, 27, 28, 29, 30, and 31 from the signal from the position detection means 43 and the output signal from the speed setting means 12.
[0007]
FIG. 15 shows ON / OFF waveforms of the input signals S1, S2, and S3 and the outputs V1, V2, V3, V4, V5, and V6 from the position detecting unit 43 of the control circuit 44.
[0008]
15, (a) is the output signal S1 of the Hall IC 40, (A) is the output signal S2 of the Hall IC 41, (A) is the output signal S3 of the Hall IC 42, (D) is the on / off signal V for the switching element 26, (E) is an on / off signal V2 for the switching element 27, (f) is an on / off signal V3 for the switching element 28, (g) is an on / off signal V4 for the switching element 29, and (k) is an on / off signal for the switching element 30. Signals V5 and (K) indicate the on / off signal V6 for the switching element 31.
[0009]
That is, since the inverter circuit 3 has a three-phase six-stone configuration, the number of Hall ICs 40, 41, and 42 is also set to three, so that switching elements are switched every 60 electrical angles.
[0010]
In the above configuration, the inverter device of the prior art operates as a so-called DC brushless motor, and the position detecting means 43 turns on and off the switching elements 26 to 31 while detecting the positions of the permanent magnets 5 and 6. The switching elements 29, 30 and 31 on the low potential side are repeatedly turned on and off at a frequency of about 15 kHz during the period of 120 electrical degrees. It has become a thing.
[0011]
By changing the ratio of the ON period, that is, the duty (conduction ratio), a value obtained by multiplying the output voltage of the rectifying / smoothing circuit 2 by the duty value is equivalently input to the inverter circuit 3 with respect to the electric motor 4. Thus, the speed of the electric motor 4 can be adjusted.
[0012]
The control circuit 44 detects the speed of the electric motor 4 from the frequency of the signal input from the position detection means 44 and adjusts the duty value so that it becomes equal to the value of the speed setting means 12.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above prior art, in order to make the speed of the motor equal to the output value of the speed setting means, it is necessary to adjust the duty value by feedback control.
[0014]
Here, in order to ensure the responsiveness of the feedback control to the load change of the motor 4 and the stability of the speed and the supply current to the motor 4, the current to the motor 44 is detected in the control circuit 44. A configuration called a current detector or a current minor loop, which amplifies the difference between the actual current values for the torque command and adds or subtracts the duty value using PI control, etc., and the speed setting means 12 and the actual speed Similarly, there is a first problem that the difference is a complicated configuration in which a torque command value is output using feedback control such as PI control to obtain the set value of the current minor loop.
[0015]
Further, when the inverter circuit 3 and the electric motor 4 that are generally used have a three-phase configuration, the position detection unit 43 requires three Hall ICs, and at the same time the configuration of the position detection unit 43 becomes complicated. The second problem is that the number of wires connecting the position detecting means 43 and the control circuit 44 is increased and the apparatus is complicated.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides the above first to second. Task The Resolution In order to do so, a synchronous motor, an inverter circuit that supplies an alternating current to the synchronous motor, speed setting means, and position detection means, the motor includes a first object having an armature winding, The position detection means detects the position of the permanent magnet of the second object, the output frequency of the inverter circuit is: By setting the value according to the output of the speed setting means, the output voltage value of the inverter circuit is a value that makes the output voltage phase and the phase angle of the output signal of the position detection means substantially constant, Even without using a current minor loop or speed feedback loop, the frequency response according to the output of the speed setting means is given to the synchronous motor to ensure speed response with a relatively simple configuration. Rukoto is possible, also for the constitution of the position detecting means, for example, even in the inverter circuit configuration of the 3-phase 6 stone, the Hall IC becomes shall operate in one, and it can be a simple structure.
[0017]
Also, first to first 2 of Task The Resolution To claim 1 By setting the output current of the inverter circuit of the mounted inverter device to a substantially sine wave, the frequency corresponding to the output of the speed setting means can be set to the synchronous motor without using a current minor loop or a speed feedback loop. This makes it possible to ensure speed response with a relatively simple configuration, and to improve the overall efficiency of the device by reducing the current value. In addition, the current waveform of the armature winding is a sine wave. It is also possible to reduce the noise by approaching.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The invention according to claim 1 includes a synchronous motor, an inverter circuit that supplies an alternating current to the synchronous motor, speed setting means, and position detection means, and the electric motor has an armature winding. An object and a second object movable relative to the first object and having a permanent magnet; and the position detecting means detects a position of the permanent magnet of the second object; The output frequency is a value according to the output of the speed setting means, and the output voltage value of the inverter circuit is a value that makes the output voltage phase and the phase angle of the output signal of the position detection means almost constant. Therefore, even if a current minor loop, a speed feedback loop, etc. are not used, a frequency corresponding to the output of the speed setting means is given to the synchronous motor, so that the speed can be adjusted with a relatively simple configuration. As for the position detection means, for example, even in the case of a three-phase six-stone inverter circuit structure, even one Hall IC can be operated, and the structure can be simplified. It becomes.
[0019]
Claim 2 The described invention is claimed. 1 By setting the output current of the inverter circuit of the mounted inverter device to a substantially sine wave, the frequency corresponding to the output of the speed setting means can be set to the synchronous motor without using a current minor loop or a speed feedback loop. This makes it possible to ensure speed response with a relatively simple configuration, and to improve the overall efficiency of the device by reducing the current value. In addition, the current waveform of the armature winding is a sine wave. It is also possible to reduce the noise by approaching.
[0020]
【Example】
(Example 1)
Examples of the present invention will be described below. FIG. 1 shows an example of a circuit configuration of a fully automatic electric washing machine including an inverter device according to a first embodiment of the present invention.
[0021]
In FIG. 1, a 100 V 60 Hz AC power source 1, a rectifying and smoothing circuit 2 for rectifying the AC power source 1, an inverter circuit 3 connected to the output of the rectifying and smoothing circuit 2, and a synchronous motor 4 connected to the output of the inverter circuit 3 are provided. Yes.
[0022]
The synchronous motor 4 has armature windings 8, 9, and 10, which are realized by winding them around an iron core formed by laminating silicon steel plates, and a first object 45 generally called a stator, and an N pole on the outside. It is composed of a ferrite permanent magnet 5 magnetized to a polarity that exits and a ferrite permanent magnet 6 magnetized to a polarity that the S pole is exposed to the outside, and is composed of a second object 7 generally called a rotor.
[0023]
The position detecting means 11 is constituted by a Hall IC, and detects the magnetic poles of the opposing permanent magnets 5 and 6 of the second object 7, thereby detecting the second object 7 relative to the first object 45. The angle is detected.
[0024]
The speed setting means 12 outputs a voltage corresponding to the rotation speed setting value of the synchronous motor 4, and in this embodiment, the output of the speed setting means 12 is input to the oscillation circuit 13, and the oscillation circuit 13 operates as a voltage control type oscillation circuit that outputs a pulse train having a frequency corresponding to the input voltage value.
[0025]
The output of the oscillation circuit 13 is input to the distributor 14 and outputs a signal for turning on the six switching elements in the electrical angle only for a 120-degree period and turning off the 240-degree period for the three-phase inverter circuit 3. It has become a thing.
[0026]
The voltage control circuit 15 performs PWM of 15.6 kilohertz for the above-described 120-degree on-period for three of the six switching elements constituting the inverter circuit 3 on the low potential side. Thus, the output voltage of the inverter circuit 3 is almost equivalently supplied with a voltage obtained by multiplying the DC voltage supplied from the rectifying and smoothing circuit 2 by the PWM conduction ratio (duty).
[0027]
In the present embodiment, the voltage control circuit 15 performs PWM control on the switching element on the low potential side. However, the voltage control circuit 15 may perform PWM control on the switching element on the high potential side. In addition, the high-potential side switching element and the low-potential side switching element are alternately PWM-controlled every 60 degrees of electrical angle, thereby suppressing di / dt of the output current of the inverter circuit 3 and reducing electromagnetic noise. An inverter device with quiet sound may be realized.
[0028]
In this embodiment, the phase detection circuit 16 reads the Q6 signal of the distributor 14, that is, the 120-degree on / off signal of the W-phase low potential side switching element and the high / low signal output from the position detection means 11. When the rise timings of these two signals are the same, 0 volt is output. When there is a deviation between the timings of the two signals, the polarity changes depending on which is advanced, and the absolute value of the deviation is An analog signal whose absolute value changes in proportion to the magnitude is output.
[0029]
In the present embodiment, the phase detection circuit 16 outputs a positive voltage when the phase of the signal is delayed from the position detection unit 11 and is negative when the phase of the signal is advanced from the position detection unit 11. It is intended to output a voltage of.
[0030]
The error amplifier 17 amplifies and outputs the output of the phase detection circuit 16 and operates as a PI compensator having a first-order lag component in order to ensure the stability of feedback control. In order to make the deviation substantially zero, the voltage gain is as high as 80 dB at ω = 0.
[0031]
FIG. 2 shows detailed circuits of the rectifying / smoothing circuit 2 and the inverter circuit 3 of the inverter device according to the first embodiment.
[0032]
In FIG. 2, a choke coil 18 having an inductance of 5 mH, a rectifier 19, and electrolytic capacitors 20 and 21 having a capacitance of 560 microfarads are formed. The rectifier 19 includes four silicon diodes 22 and 23.・ 24 and 25 are connected by bridge connection.
[0033]
The capacitors 20 and 21 are connected in series and connected to one end of the AC power source 1 to operate as a so-called voltage doubler rectifier circuit. When the voltage of the AC power source 1 is 100 V AC, the capacitors 20 and 21 are connected. Each is charged with a DC voltage of about 140 V, and a DC voltage of about 280 V is input to the inverter circuit 3.
[0034]
The inverter circuit 3 has a three-phase, six-stone configuration with switching elements 26, 27, 28, 29, 30, and 31 formed of IGBTs and diodes for reverse conduction.
[0035]
FIG. 3 shows a detailed circuit of the voltage control circuit 15 of the inverter device according to the first embodiment.
[0036]
In FIG. 3, AND circuits 32, 33, and 34, a voltage comparator 35 having an open collector output generally called a comparator, a triangular wave oscillation circuit 36 that outputs a triangular wave at a frequency of 15.6 kHz, and an output of the voltage comparator 35 A pull-up resistor 37 for pulling up the terminal and a DC power supply 38 are included.
[0037]
FIG. 4 shows input / output operation waveforms of the distributor 14 of the inverter device according to the first embodiment.
[0038]
4, (a) is a pulse waveform input from the oscillation circuit 13 to the B terminal, (A) is a signal waveform at the output terminal Q1, (C) is a signal waveform at the output terminal Q2, and (D) is an output terminal Q3. (E) shows the signal waveform at the output terminal Q4, (f) shows the signal waveform at the output terminal Q5, and (g) shows the signal waveform at the output terminal Q6, and shows the pulse train input from the B terminal. For each shot, the output is switched between high and low at each rise timing, and the rise interval of the B terminal corresponds to an electrical angle of 60 degrees.
[0039]
FIG. 5 shows the input / output characteristics of the oscillation circuit 13. In the first embodiment, every time the input voltage from the A terminal increases by 1V, the pulse frequency of 60 Hz increases. .
[0040]
The operation of the above configuration will be described.
[0041]
When it is desired to drive the synchronous motor 4 at 600 rpm, a voltage of 1 V is output from the speed setting means 12 and input to the A terminal of the oscillation circuit 13.
[0042]
Since the oscillation circuit 13 has characteristics as shown in FIG. 5, a 60 Hz pulse train is input to the B terminal of the distributor 14.
[0043]
Since the distributor 14 operates as shown in FIG. 4, an on / off signal of 10 Hz is output to each of Q <b> 1 to Q <b> 6, and the inverter circuit 3 outputs an output of 10 Hz to the synchronous motor 4.
[0044]
Since the synchronous motor 4 has two poles in this embodiment, the synchronous motor 4 rotates at 600 rpm at a frequency of 10 Hz.
[0045]
Here, the phase detection circuit 16 detects the timing difference between the rising edge of the output signal of the position detection means 11 inputted from the Y terminal and the Q6 signal inputted from the X terminal, and the signal of the position detection means 11 is detected. A negative analog voltage is output when the direction is advanced.
[0046]
Then, the output is amplified by the error amplifier 17 and the voltage at the D terminal of the voltage control circuit 15 is decreased, so that the voltage input to the synchronous motor 4 is lowered and the output voltage of the inverter circuit with respect to the phase of the induced electromotive force. Since the phase of the terminal voltage (equivalent to the terminal voltage) gradually advances, feedback control that the signal from the position detecting means 11 is relatively delayed is applied, and finally in a predetermined direction on the dq plane. The vector of the terminal voltage Va is located, that is, the voltage phase difference angle δ is controlled to a predetermined value.
[0047]
In the first embodiment, the vector diagram when δ = 0 is the same as that described in the related art in FIG. 16, that is, the vector of the terminal voltage Va is on the q axis. Thus, even though the position detecting means 11 is constituted by one Hall IC, an operation equivalent to the conventional technique is performed.
[0048]
In FIG. 16, δ = 0, but the current phase β is a negative value, and the positive direct-axis current Id is slightly flowing.
[0049]
However, claim 1 is not particularly limited to δ = 0. For example, the Hall IC constituting the position detecting means 11 is shifted from the position of this embodiment in the direction opposite to the rotation direction. Alternatively, feedback control may be performed to a voltage phase angle δ corresponding to the shifted electrical angle.
[0050]
Therefore, for example, by adjusting the position of the position detection means 11 so that the voltage phase angle δ is such that the current phase β is substantially zero under rated operating conditions, or by providing a circuit that electrically shifts the phase. It is possible to increase the effect of realizing a high efficiency and a high power factor, just as in the case where the position detection means constituted by three Hall ICs in the prior art is provided with an advance angle.
[0051]
(Example 2)
The second embodiment of the present invention will be described below. FIG. 6 shows a block diagram of the inverter device in the present embodiment.
[0052]
In FIG. 6, the current detection circuit 46 detects the current of the W-phase output of the inverter circuit 3, and outputs a high value when the instantaneous value of the current IW is positive, and outputs a low value when it is negative. ing.
[0053]
In the second embodiment, the Y terminal of the phase detection circuit 17 receives a signal from the current detection circuit 46.
[0054]
The phase shift circuit 47 delays the phase of the output signal of the current detection circuit 46 to detect the phase in a state where the current vector is in phase with the output voltage of the inverter circuit 3, that is, the vector of the input voltage of the synchronous motor 4. The circuit 16 has an effect of making the rising timings of the signals input to both the X and Y terminals equal, and has a delayed phase of about 30 degrees in electrical angle.
[0055]
Also in the second embodiment, the phase detection circuit 16 detects the timing difference between the rising edge of the output signal of the phase shift circuit 47 input from the X terminal and the Q6 signal input from the Y terminal, and When the direction is advanced, a positive analog voltage is output.
[0056]
Other configurations are the same as those in FIG.
[0057]
In the above configuration, when a set speed signal of 600 rpm is output from the speed setting means 12 as in the first embodiment, each switching element of the inverter circuit 3 is turned on and off via the oscillation circuit 13 and the distribution circuit 14. The synchronous motor 4 rotates at 600 rpm in synchronization with the frequency of 10 hertz supplied from the inverter circuit 3.
[0058]
Here, the input voltage of the synchronous motor 4, that is, the output voltage of the inverter circuit 3, and the phase of the current detected by the current detection circuit 46 are compared by the phase detection circuit 16, and if the current phase is advanced, X Since the terminal is in phase with the Y terminal, a positive analog signal is output.
[0059]
Since the error amplifier 17 amplifies the output of the phase detection circuit 16 and raises the voltage at the D terminal of the voltage control circuit 15, the duty value of the PWM control increases and the output voltage of the inverter circuit 3 increases. It will be a thing.
[0060]
Then, the current phase of the synchronous motor 4 is gradually delayed, β becomes small, and the phase advance angle of the current with respect to the voltage is also reduced, so that the voltage and current vectors are constantly in phase.
[0061]
FIG. 7 shows a vector diagram in a state where the phase difference between the voltage and the current is zero. The power factor of the synchronous motor 4 is almost 1, and the current phase angle β (the voltage phase difference angle δ is also equal). Becomes a positive value and both are located in the second quadrant on the dq plane.
[0062]
In this state, the current Ia includes a slight negative direct-axis current Id component.
[0063]
In the present embodiment, in particular, the phase shift circuit 47 is provided, and as a result of causing a phase delay of about 30 degrees in electrical angle, the voltage phase and the current phase as described above are controlled to the same phase. Yes.
[0064]
However, in claim 2, it is not always an absolute condition that the voltage phase and the current phase are equal as shown in FIG. 7. For example, by adjusting the delay phase angle of the phase shift circuit 47, A phase angle such that the voltage phase is, for example, an electrical angle of 15 degrees with respect to the current phase may be set. In that case, the power factor of the synchronous motor 4 as viewed from the inverter circuit 3 is set. The delay power factor is smaller than 1, but for example, the phase on the dq plane of the current Ia in the rated load condition can be set to a condition of approximately β = 0, and the orthogonality between the magnetic flux and the current is obtained. It is possible to operate with high efficiency due to the characteristics.
[0065]
(Example 3)
The third embodiment of the present invention will be described below. FIG. 8 shows a block diagram of the inverter device of this embodiment.
[0066]
In FIG. 8, the position detection means 11 constituted by the Hall IC as described in the first embodiment and the current detection circuit 46 described in the second embodiment are provided, and the phase detection circuit 16 is provided with position detection. The signal from the means 11 is input from the Y terminal, and the signal from the current detection circuit 46 is input to the X terminal.
[0067]
Also in the third embodiment, the phase detection circuit 16 detects the timing difference between the edges of the signal at the X terminal and the signal at the Y terminal, and outputs a positive analog voltage when the X signal is advanced.
[0068]
Other components are the same as those in the first embodiment.
[0069]
In the above configuration, when a set speed signal of 600 rpm is output from the speed setting means 12 as in the first embodiment, each switching element of the inverter circuit 3 is turned on and off via the oscillation circuit 13 and the distribution circuit 14. The synchronous motor 4 rotates at 600 rpm in synchronization with the frequency of 10 hertz supplied from the inverter circuit 3.
[0070]
Here, the output voltage of the position detection means 11, that is, the magnetic poles of the permanent magnets 5 and 6, and the phase of the current detected by the current detection circuit 46 are compared by the phase detection circuit 16, and the current phase is advanced. Since the X terminal is in phase with the Y terminal, a positive analog signal is output.
[0071]
Since the error amplifier 17 amplifies the output of the phase detection circuit 16 and raises the voltage at the D terminal of the voltage control circuit 15, the duty value of the PWM control increases and the output voltage of the inverter circuit 3 increases. It will be a thing.
[0072]
Then, the current phase of the synchronous motor 4 gradually lags, β becomes small, and the magnetic flux φa generated by the permanent magnets 5 and 6 and the current vector are constantly in phase.
[0073]
FIG. 9 shows a vector diagram in a state where the current phase angle β is zero. The power factor of the synchronous motor 4 is slightly lower than 1 (lagging phase), but the current phase angle β is zero, both on the q axis Position Will be placed.
[0074]
In this state, the direct current Id component is zero, and the configuration of the second object 7 is the minimum for obtaining the same torque as what is called SPM, where the direct inductance Ld and the horizontal inductance Lq are equal. The current value can be obtained.
[0075]
In the first to third embodiments, the second object 7 is configured with a so-called SPM configuration. However, the second object 7 is not particularly limited to this configuration. For example, a permanent magnet is an iron core. By realizing the second object with a configuration that is embedded inside, the horizontal axis inductance Lq may be larger than the value of the direct axis inductance Ld.
[0076]
In this case, in the region where the current phase angle β is positive, the reluctance force (torque) is added to the BIL force (torque) generated by the so-called Fleming's left-hand rule, and as a result, the current supplied to the synchronous motor Therefore, the efficiency of the apparatus can be improved.
[0077]
In order to obtain the effect, the delay phase value of the phase shift circuit is set so as to further advance the current phase angle β in the steady state in the first to third embodiments, or the position of the Hall IC of the position detecting means is set. Or set it.
[0078]
In the first to third embodiments, the number of poles of the synchronous motor 4 is two. However, it is not particularly limited to two poles, and may be four poles, six poles, eight poles, or the like.
[0079]
Example 4
The fourth embodiment of the present invention will be described below. FIG. 10 shows a block diagram of the inverter device of this embodiment.
[0080]
In FIG. 10, the current detection circuit 48 detects not the phase of the W-phase output current IW of the inverter circuit 3 but the magnitude (amplitude).
[0081]
In the present embodiment, the current detection circuit 48 is connected to the output of the inverter circuit 3, but may be connected to the input side of the inverter circuit 3 to detect the peak value of the input current of the inverter circuit 3. The inventors have confirmed that the magnitude of the current output from the inverter circuit 3 to the synchronous motor 4 can be detected even during PWM control by providing a peak hold circuit or the like.
[0082]
The tracking circuit 49 outputs the duty value to the D terminal of the voltage control circuit 15 while increasing / decreasing the PWM duty value in a range of plus / minus 2/256 at a frequency of twice per second, and simultaneously outputs the duty value from the current detection circuit 48. An output signal is input from the Z terminal, and the duty value is output so that the voltage value input from the Z terminal is always minimized.
[0083]
That is, if the voltage input to the Z terminal also decreases when the duty value is decreased and the output voltage to the D terminal is decreased, the duty value is further decreased, and conversely the voltage input to the Z terminal. When the value increases, the duty value is further increased.
[0084]
Also, when the duty value is increased and the output voltage to the D terminal is increased, if the voltage input to the Z terminal also increases, the duty value is decreased, and conversely the voltage input to the Z terminal decreases. In such a case, the duty value is further reduced.
[0085]
Other components are the same as those in the first embodiment.
[0086]
The operation of the above configuration will be described.
[0087]
FIG. 11 shows the relationship between the operation speed, the output voltage of the inverter circuit 4 of Example 4 and the output current of the inverter circuit 4 under the condition that the load torque is fixed.
[0088]
In general, a synchronous motor using a permanent magnet has a characteristic that the magnitude of the input current, that is, the output current of the inverter circuit 4 is minimized under the condition that the terminal voltage, that is, the output voltage of the inverter circuit 4 is a certain value. .
[0089]
In FIG. 11, the current value is minimum at point A, and if the voltage value is increased further than that, a delayed phase current flows, the current value increases, and conversely, the voltage value is increased from point A. If it is decreased, a lead phase current flows, and the current value also increases.
[0090]
In the fourth embodiment, since the voltage output to the voltage control circuit 15 is always made by the action of the tracking circuit 49 so that the voltage value input to the Z terminal is minimized, the operation at the point A in FIG. As a result, the copper loss of the armature windings 8, 9, and 10 of the synchronous motor 4 can be minimized, and high-efficiency operation is possible.
[0091]
Here, when the second object 7 is configured to be called SPM in which the direct-axis inductance value Ld and the horizontal-axis inductance value Lq are substantially equal, β = 0 as shown in FIG. 9 is obtained. .
[0092]
(Example 5)
The fifth embodiment of the present invention will be described below. FIG. 12 shows a cross-sectional view of the second object of the inverter device of this embodiment.
[0093]
In FIG. 12, permanent magnets 51, 52, 53 and 54 are provided in an iron core 50 formed by laminating silicon steel sheets punched with a press machine. The permanent magnets 53 and 54 are magnetized on the outside to the S pole.
[0094]
Such a permanent magnet embedded configuration has a characteristic called a reverse salient pole in which the horizontal axis inductance Lq is larger than the direct axis inductance Ld. In particular, when the current phase β is positive, the reluctance force (torque ) Can be used in combination, and high-efficiency operation with a current value suppressed as compared to torque becomes possible.
[0095]
Other components are the same as those described in the fourth embodiment.
[0096]
However, since the second object shown in FIG. 12 has a four-pole configuration, all of the three-phase armature windings 8, 9, and 10 have a four-pole configuration.
[0097]
In the fifth embodiment, since the operation is performed so that the output value of the current detection circuit is minimized as described in the fourth embodiment, in the case of using the second object shown in FIG. The operation is performed under the condition that the current value becomes the smallest in accordance with the load condition and in the values of the horizontal axis inductance Lq and the direct axis inductance Ld.
[0098]
Therefore, for example, in a DC brushless motor, the current phase β that minimizes the current value for each load condition is stored in a microcomputer or the like, and compared with a configuration in which control is performed. However, the operating conditions are automatically shifted to the conditions that minimize the current under all load conditions, and even if there are variations in each component, etc., the minimum current conditions are met under those conditions. Operation will be realized.
[0099]
(Example 6)
The sixth embodiment of the present invention will be described below. FIG. 13 shows the output current waveform of the inverter circuit of the inverter device of this embodiment.
[0100]
In FIG. 13, (a), (b), and (c) show output current waveforms of the U phase, the V phase, and the W phase, respectively.
[0101]
In the sixth embodiment, the on / off PWM of each switching element of the inverter circuit having a three-phase six-stone structure is changed within one cycle, whereby the voltage of each phase of U, V, and W is substantially sinusoidally modulated. Since the current waveform is almost a sine wave, electromagnetic noise generated from the synchronous motor can be suppressed, and an inverter device with quiet operation sound can be realized. ing.
[0102]
Here, as an alternative to the position detection means using the Hall IC described in the prior art, from the induced electromotive force generated when the magnetic flux of the permanent magnet of the second object cuts the armature winding of the first object. In some cases, a configuration in which position detection is performed is also used.
[0103]
Especially in devices such as air conditioners and refrigerators that are built in compressors, called hermetic motors, the installation of Hall ICs etc. is extremely difficult due to the provision of an electric motor in the refrigerant. Therefore, position detection from the induced electromotive force as described above is often performed.
[0104]
However, such a position detection method is not suitable for an inverter circuit having a three-phase six-stone configuration.
As called 0 degree energization, the width of the ON period of each switching element is set to 120 degrees in electrical angle, and the ON period of the high potential side switching element and the low potential side of each phase of U, V, and W are Between the ON period of the switching element, both the high potential side switching element and the low potential side switching element are in the OFF state for a period of 60 degrees in electrical angle. During this period, the voltage at the output terminal of the inverter circuit is Since the induced electromotive force is reversely applied as it is, after passing through a low-pass filter or the like, the zero point is detected using a comparator or the like, and a position detection means equivalent to that using the Hall IC is provided. It was to be composed.
[0105]
Therefore, when a sine wave operation as shown in FIG. 13 is performed to achieve a quiet operation device, a period of 60 degrees in which both the high potential side switching element and the low potential side switching element are off. Therefore, the position cannot be detected from the induced electromotive force.
[0106]
In the sixth embodiment, since it is not necessary to detect the induced electromotive force, even when the inverter circuit is operated with the operation waveform shown in FIG. 13, for example, the configurations of the second and fourth embodiments. Since the configuration can be made without using the position detecting means as shown in Fig. 5, it can be used as a configuration for realizing an apparatus having quiet operation sound even for the compressor.
[0107]
In addition, for example, a configuration using Hall ICs can also be expected to reduce the operation sound by sine wave operation, and further, for example, the number of Hall ICs can be configured by one.
[0108]
Further, even when a configuration is used in which reluctance torque is obtained by using a reverse salient pole characteristic in which the horizontal axis inductance Lq is larger than the direct axis inductance Ld as shown in the fifth embodiment, the operation noise is reduced. In addition to the effect, high efficiency can also be realized.
[0109]
In the first to sixth embodiments, when the set speed of the speed setting unit 12 is high, even if the PWM duty is set to 100% and the output voltage of the inverter circuit is maximized, the current is in the state of the leading phase. Driving.
[0110]
Therefore, in this case, the efficiency and the power factor of the input of the synchronous motor are somewhat reduced. However, in an apparatus having an operation mode that requires a low torque and high-speed rotation, the electromotive force of the synchronous motor If the constant Ke is designed to be high and the torque constant Kt is large, the output current value of the inverter circuit can be reduced when high torque is required in the low speed range, and rational operation is possible. Become.
[0111]
【The invention's effect】
As described above, the invention according to claim 1 includes a synchronous motor, an inverter circuit that supplies an alternating current to the synchronous motor, a speed setting unit, and a position detection unit, and the motor includes an armature winding. And a second object that is movable relative to the first object and has a permanent magnet, and the position detecting means detects the position of the permanent magnet of the second object. The output frequency of the inverter circuit is a value corresponding to the output of the speed setting means, and the output voltage value of the inverter circuit is a value at which the output voltage phase and the phase angle of the output signal of the position detection means are substantially constant. With this configuration, it is relatively easy to provide the synchronous motor with a frequency corresponding to the output of the speed setting means without using a current minor loop or a speed feedback loop. As a result, it is possible to ensure speed responsiveness, and the position detection means, for example, in a three-phase six-stone inverter circuit structure, can operate even one Hall IC. Will be able to do.
[0112]
Claims 2 In particular, the invention according to the present invention makes it possible to set the frequency according to the output of the speed setting means without using a current minor loop or a speed feedback loop by making the output current of the inverter circuit of the inverter device substantially sinusoidal. By giving to the synchronous motor, it becomes possible to ensure speed responsiveness with a relatively simple configuration, and it is possible to improve the efficiency of the entire device by reducing the current value, and in addition, the current of the armature winding Noise can be reduced by making the waveform close to a sine wave.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block circuit diagram of an inverter device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a detailed circuit diagram of a rectifying / smoothing circuit and an inverter circuit of the inverter device.
FIG. 3 is a detailed circuit diagram of a voltage control circuit of the inverter device.
[Fig. 4] Input / output waveform diagram of the distributor of the inverter device
FIG. 5 is an input / output characteristic diagram of the oscillation circuit of the inverter device.
6 is a block circuit diagram of an inverter device according to Embodiment 2. FIG.
FIG. 7 is a vector diagram of the inverter device.
FIG. 8 is a block circuit diagram of an inverter device according to a third embodiment.
FIG. 9 is a vector diagram of the inverter device.
FIG. 10 is a block circuit diagram of an inverter device according to a fourth embodiment.
FIG. 11 is an operating characteristic diagram of the synchronous motor of the inverter device.
12 is a cross-sectional view of a second object in Embodiment 5. FIG.
FIG. 13 is an operation waveform diagram of the inverter circuit according to the sixth embodiment.
FIG. 14 is a block circuit diagram of a conventional inverter device.
FIG. 15 is an input / output waveform diagram of the control circuit of the inverter device.
FIG. 16 is a vector diagram of the inverter device.
[Explanation of symbols]
4 Synchronous motor
3 Inverter circuit
12 Speed setting means
11 Position detection means
8. 9, 10 Armature winding
45 First object
5.6 Permanent magnet
7 Second object

Claims (2)

同期電動機と、前記同期電動機に交流電流を供給するインバータ回路と、速度設定手段と、位置検知手段とを備え、前記電動機は、電機子巻線を有する第1の物体と、前記第1の物体と相対的に可動であり、永久磁石を有する第2の物体とを有し、前記位置検知手段は前記第2の物体の永久磁石の位置を検知し、前記インバータ回路の出力周波数は、前記速度設定手段の出力に応じた値とし、前記インバータ回路の出力電圧値は、出力電圧位相と前記位置検知手段の出力信号の位相角がほぼ一定となる値とするインバータ装置。  A synchronous motor; an inverter circuit that supplies an alternating current to the synchronous motor; a speed setting unit; and a position detection unit. The motor includes a first object having an armature winding, and the first object. And a second object having a permanent magnet, the position detecting means detects the position of the permanent magnet of the second object, and the output frequency of the inverter circuit is the speed An inverter device having a value corresponding to the output of the setting means, and an output voltage value of the inverter circuit having a value at which an output voltage phase and a phase angle of an output signal of the position detecting means are substantially constant. インバータ回路の出力電流は、ほぼ正弦波である請求項1記載のインバータ装置。Output current of the inverter circuit, according to claim 1 Symbol placement of inverter device is substantially sinusoidal.
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