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JP6074235B2 - モータ制御装置 - Google Patents

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JP6074235B2 JP2012252025A JP2012252025A JP6074235B2 JP 6074235 B2 JP6074235 B2 JP 6074235B2 JP 2012252025 A JP2012252025 A JP 2012252025A JP 2012252025 A JP2012252025 A JP 2012252025A JP 6074235 B2 JP6074235 B2 JP 6074235B2
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Description

本発明は、モータ制御装置に関し、特に複数のモードでモータを駆動できるようなモータ制御装置に関する。
従来、モータ制御装置では、モータの回転速度を制御するために、モータ制御用のインバータが採用されている。また、モータ制御装置では、整流器から出力される直流電力に変動が含まれているため、その変動を吸収して平滑化するための電解コンデンサが使用されている。
図5は、従来の一般的なモータ制御装置の構成を示す図である。
図5を参照して、ステータに複数相(3相)のコイル、ロータに永久磁石を備えた同期モータ100を駆動するために、モータ制御装置は、インバータ150とコンバータ回路130と交流電源160と、コイル170と、電流センサ180と、コントローラ110とから構成されている。なお、本例においては、交流電源160は、200V、50Hzであるものとする。
同期モータ100はインバータ150によって駆動され、インバータ150にはコンバータ回路130から交流電源160を直流に変換して与えられる。
具体的には、コンバータ回路130は、複数のダイオードで形成されるダイオード全波整流回路120と、母線間の平滑コンデンサ140とを含み、平滑コンデンサの容量は、直流電圧波形のリップルを改善できる程度に十分大きい。
このコンバータ回路130により、交流電源160の交流電圧が直流電圧に変換されてインバータ150に供給される。
コイル170は、コンバータ回路130に供給される交流電源の力率を改善する目的で設けられたものである。
図5に示したような従来の構成においては、モータを駆動する際に、モータ制御装置の周囲の温度に関わらず、電解コンデンサは常に充放電を繰り返しており自己発熱し続ける。電解コンデンサの寿命は、温度依存性が高く、温度が上がるほどその寿命は短くなっていくため、特に周囲の温度が高い条件下で電解コンデンサが動作する場合には、その寿命は大幅に短くなる。つまり、このような従来のモータ制御装置の寿命は、当該モータ制御装置に含まれる電解コンデンサの寿命に大きく影響を受けることになる。
そこで、上記の問題の対策として、交流電源から正弦波PWMコンバータ動作により直流出力を得てからPWMインバータで交流出力を得る方式、スイッチ回路を切り替えてスイッチング制御するマトリクスコンバータ動作により、交流電源の交流電力を直接、振幅や周波数が異なる交流電力に変換する方式、あるいは以下のような方式が開示されている。
特開2008−048587号公報(特許文献1)によると、交流交流電力変換装置が開示されている。交流交流電力変換装置は、交流電源からダイオード整流と同電源に同期した一定の通流幅制御を行うことにより、双方向の電力授受が可能な全波整流回路を通して電圧形インバータにより交流出力を得る。そのため、交流交流電力変換装置は、交流電源と交流出力間でも双方向の電力授受が可能となることから電解コンデンサレスで構成できるとともに、整流回路部でのスイッチング問題を低減する。
特開2008−048587号公報
しかしながら、特許文献1に記載された方式によると、完全に電解コンデンサなしで回路構成されているため、電解コンデンサによる電圧の平滑化が常になされないことになる。当該方式では、電圧が平滑化されないままモータを制御する必要があるため、モータの回転数を細かく安定して制御することが困難となるなどの技術的課題も多い。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、モータの駆動の安定性を確保しつつ、電解コンデンサの寿命を延ばすことが可能なモータ制御装置を提供することを目的とする。
ある実施の形態に従うと、モータを制御するためのモータ制御装置が提供される。モータ制御装置は、単相交流電源を入力とする整流回路と、整流回路で得られた直流電力を平滑化する平滑コンデンサと、整流回路と平滑コンデンサとの間を接続または遮断するためのスイッチと、直流電力を交流電力に変換してモータを駆動するインバータと、スイッチおよびインバータを制御するコントローラとを含む。コントローラは、所定の条件に基づいて、スイッチによる整流回路と平滑コンデンサとの間の接続または遮断を制御する接続制御手段と、所定の条件に基づいて、インバータを第1の制御モードまたは第2の制御モードで制御するインバータ制御手段とを含む。
好ましくは、モータ制御装置の周囲の温度を検出する温度センサをさらに含む。接続制御手段は、検出された温度に基づいて、整流回路と平滑コンデンサとの間の接続または遮断を制御する。
好ましくは、モータ制御装置の使用期間を計時するための計時手段をさらに含む。接続制御手段は、使用期間が予め定められた期間を超えた場合に、検出された温度に基づいて、整流回路と平滑コンデンサとの間の接続または遮断を制御する。
好ましくは、接続制御手段は、モータ制御装置の周囲の温度が予め定められた温度以上である場合に、整流回路と平滑コンデンサとの間を遮断させ、モータ制御装置の周囲の温度が予め定められた温度未満である場合に、整流回路と平滑コンデンサとの間を接続させる。
好ましくは、モータ制御装置は、空気調和機に搭載可能に構成されている。温度センサは、空気調和機に含まれる室外機の周囲の温度を検出する。
モータの駆動の安定性を確保しつつ、電解コンデンサの寿命を延ばすことが可能となる。
実施の形態1に従うモータ制御装置のブロック図である。 電解コンデンサの寿命の温度依存性の一例を示す図である。 実施の形態1に従うコントローラにおける制御方式を説明するためのフローチャートである。 実施の形態2に従うコントローラにおける制御方式を説明するためのフローチャートである。 従来の一般的なモータ制御装置の構成を示す図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
[実施の形態1]
図1は、実施の形態1に従うモータ制御装置のブロック図である。
図1を参照して、実施の形態1に従うモータ制御装置は、ステータに複数相(3相)のコイルとロータに永久磁石とを備えた同期モータ1と、インバータ2と、コンバータ回路3と、交流電源4と、電流センサ5と、モータ電流検出アンプ部6と、ゼロクロス検出部30と、電圧センサ31と、マイクロコンピュータであるコントローラ7とから構成されている。
同期モータ1は、インバータ2によって駆動され、インバータ2にはコンバータ回路3から交流電源4の交流電圧を直流に変換して与えられる。インバータ2は、与えられた直流電力を交流電力に変換して同期モータ1を駆動する。
具体的には、コンバータ回路3は、複数のダイオードを含み、単相の交流電源4を入力とする全波整流回路33が形成される。また、本例では、母線間には、インバータ2に並列に接続された小容量コンデンサ34が設けられる。小容量コンデンサ34は、100μF以下のものを用いることとする。具体的には、負荷側である同期モータ1の回生エネルギーによるインバータ2の半導体素子の耐圧破壊防止を考慮して10〜20μF程度のコンデンサを用いることが好ましい。小容量コンデンサ34の容量は、後述する平滑コンデンサ35の1/100程度の容量である。また、小容量コンデンサ34は、電解コンデンサからなる平滑コンデンサ35とは種類の異なるフィルムコンデンサである。なお、コンバータ回路3は、小容量コンデンサ34を含まない構成であってもよい。
また、母線間には、全波整流回路で得られた直流電力を平滑化するための平滑コンデンサ35と、当該平滑コンデンサ35を母線に接続または遮断させるためのスイッチ36とを含む。具体的には、スイッチ36は、全波整流回路33と平滑コンデンサ35との間を接続または遮断するためのものである。平滑コンデンサ35の容量は、直流電圧波形のリップルを改善できる程度に十分大きいものとする。また、平滑コンデンサ35は、「アレニウスの法則」に従い、以下の図2のような特性を有する。
図2は、電解コンデンサの寿命の温度依存性の一例を示す図である。
図2を参照して、平滑コンデンサ35は、温度が10℃高くなると寿命は1/2となり、逆に10℃低くなると寿命は2倍に延びるという特性を有する。
平滑コンデンサ35は、リップル電流が印加されると、熱損失により自己発熱する。そのため、平滑コンデンサ35の寿命を算出する際には、モータ制御装置の周囲の温度(周囲温度)および自己発熱による温度上昇を考慮しておく必要がある。
なお、本例のように小容量コンデンサ34が設けられる場合であっても、上述したように、小容量コンデンサ34はフィルムコンデンサであるため、高温高湿環境下での使用における劣化を考慮したとしても、電解コンデンサである平滑コンデンサ35と比べて長寿命である。そのため、モータ制御装置全体としての製品寿命は、小容量コンデンサ34の寿命に影響することはなく、平滑コンデンサ35の寿命に大きく影響を受ける。
再び図1を参照して、電流センサ5は、モータコイル端子U,V,W各相の中で特定相(図1ではU相)に流れるモータ電流aを検出する。電流センサ5で検出されたモータ電流は、モータ電流検出アンプ部6に与えられる。
そして、モータ電流検出アンプ部6において、所定量増幅し、そして、オフセット加算したモータ電流信号bがコントローラ7に与えられる。
また、電圧センサ31は、交流電源4の電圧を検出する。電圧センサ31で検出された交流電圧は、ゼロクロス検出部30に与えられる。
そして、ゼロクロス検出部30は、電圧センサ31で検出された交流電圧をモニタリングして0Vを跨ぐ際にゼロクロス点信号を生成してコントローラ7に与える。
温度センサ40は、モータ制御装置の周辺の温度を検出するためのセンサであり、検出された温度を示す温度情報をコントローラ7に与える。
計時部50は、時刻を計時する部位であり、計時した時刻に応じた信号をコントローラ7に送出する。計時部50は、ある局面では、モータ制御装置の使用期間を計時する。ここで、使用期間は、例えば、モータ制御装置が製造された後、出荷される時点から現時点までの期間をいう。コントローラ7は、当該信号に基づき、一定時間が経過した場合に予め定められた処理を実行する。
コントローラ7は、スイッチ36およびインバータ2を制御する。具体的には、コントローラ7は、インバータ制御部10と、接続制御部13と、処理部14とを含む。これらの機能は、基本的には、コントローラ7が図示しないメモリに格納されたプログラムを実行し、コントローラ7の構成要素へ指令を与えることなどによって実現される。なお、これらの機能構成の一部または全部はハードウェアで実現されていてもよい。
処理部14は、ある局面では、温度センサ40から温度情報を取得して、モータ制御装置の周囲温度が予め定められた基準温度以上か否かを判断する。処理部14は、別の局面では、計時部50からの時刻情報を取得して、モータ制御装置の使用期間が予め定められた基準使用期間を超えたか否かを判断し、当該使用期間が基準使用期間を超えたと判断した場合に、さらに当該周囲温度が基準温度以上か否かを判断する。処理部14は、当該判断結果をインバータ制御部10および接続制御部13に出力する。
基準温度は、平滑コンデンサ35の寿命の温度特性に応じて、任意に設定される。平滑コンデンサ35の寿命は、試作の評価時に様々な温度条件で平滑コンデンサ35を測定して算出されることが好ましい。また、基準使用期間は、平滑コンデンサ35の寿命に応じて、任意に設定される。
接続制御部13は、所定の条件(処理部14での判断結果)に基づいて、スイッチ36による全波整流回路33と平滑コンデンサ35との間の接続または遮断を制御する。より具体的には、接続制御部13は、ある局面では、温度センサ40にて検出されたモータ制御装置の周囲温度に基づいて、スイッチ36による全波整流回路33と平滑コンデンサ35との間の接続または遮断を制御する。さらに詳細には、接続制御部13は、当該周囲温度が基準温度以上である場合に、全波整流回路33と平滑コンデンサ35との間を遮断させ、当該周囲温度が基準温度未満である場合に、全波整流回路33と平滑コンデンサ35との間を接続させる。接続制御部13は、別の局面では、使用期間が予め定められた基準期間を超えた場合に、当該周囲温度に基づいて、全波整流回路33と平滑コンデンサ35との間の接続または遮断を制御する。
インバータ制御部10は、当該所定の条件(処理部14での判断結果)に基づいて、インバータ2を第1のモードまたは第2のモードで制御する。より具体的には、インバータ制御部10は、インバータ2を第1のモードで制御するための第1のインバータ制御部11と、インバータ2を第2のモードで制御するための第2のインバータ制御部12とを含む。さらに詳細には、インバータ制御部10は、当該周囲温度が基準温度以上である場合に、第2のモードでインバータ2を制御するための第2のインバータ制御部12として動作(機能)し、当該周囲温度が基準温度未満である場合に、第1のモードでインバータ2を制御するための第1のインバータ制御部11として動作(機能)する。インバータ制御部10は、別の局面では、使用期間が予め定められた基準使用期間を超えた場合に、当該周囲温度に基づいて、第1または第2のモードでインバータ2を制御する。
ここで、インバータ制御部10における制御モードである第1のモードおよび第2のモードについて説明する。上記より、基本的には、接続制御部13において、全波整流回路33と平滑コンデンサ35との間が接続されている状態(スイッチ36がONされている状態)のときには、インバータ制御部10は、第1のインバータ制御部11として動作し、全波整流回路33と平滑コンデンサ35との間が遮断されている状態(スイッチ36がOFFされている状態)のときには、インバータ制御部10は、第2のインバータ制御部12として動作することになる。
スイッチ36がON状態のときには、全波整流回路33と平滑コンデンサ35とが接続されているため、全波整流回路33で得られた直流電圧を平滑化することができ、直流電圧波形のリップルを改善することができる。したがって、インバータ制御部10の第1のモードとしては、例えば、図5で示したコントローラ110において制御される、従来の一般的なPWM(pulse width modulation)スイッチング制御方式が採用される。第1のモードでインバータ2を制御する第1のインバータ制御部11は、平滑化された直流電圧から電圧と極性が変わる交流電圧を作り出すためにインバータ2の駆動素子をオンオフする。そして、第1のインバータ制御部11は、オンオフの時間比率を変えることで出力電圧を変え、スイッチングする組合せを変えることで極性を変える。
これに対して、スイッチ36がOFF状態のときには、全波整流回路33と平滑コンデンサ35とが遮断されるため、全波整流回路33で得られた直流電圧は十分に平滑化することができず、直流電圧波形のリップルは大きくなる。そこで、インバータ制御部10の第2のモードとしては、直流電圧に大きなリップルが発生する条件においても、モータの安定駆動を実現する制御方式が採用される。例えば、特開2011−78153号公報に記載されているように、単相交流電源のゼロクロス点の検出からの経過時間に応じて、モータの回転数を補正することでモータ駆動の安定化を図る制御方式が採用される。
より具体的には、ゼロクロス検出部30は、電圧センサ31で検出された交流電圧をモニタリングして0Vを跨ぐ際にゼロクロス点信号を生成してコントローラ7に与える。コントローラ7の第2のインバータ制御部12は、同期モータ1の目標とする回転数指令を設定し、目標とする回転数に対する補正率データを格納する。第2のインバータ制御部12は、回転数補正率データテーブルからゼロクロス検出部30により生成されたゼロクロス点信号の経過時間に応じた補正率データを抽出し、抽出された補正率データに従って、当該設定された回転数を補正する。第2のインバータ制御部12は、当該補正された回転数指令と時間経過に従って、正弦波データテーブルからモータコイルU,V,W各相に対応した正弦波データを読出すとともに、U相の正弦波データからU相のモータ駆動電圧位相情報を出力する。そして、第2のインバータ制御部12は、正弦波データとデューティ基準値とから各相ごとにインバータ2の駆動素子にPWM波形を出力する。
図3は、実施の形態1に従うコントローラ7における制御方式を説明するためのフローチャートである。
コントローラ7は、モータ制御装置の運転を開始するか否かを判断する(ステップS102)。運転を開始しない場合には(ステップS102においてNOの場合)、コントローラ7は、ステップS102の処理を繰り返す。運転を開始する場合には(ステップS102においてYESの場合)、コントローラ7は、温度センサ40を介してモータ制御装置の周囲の温度情報を取得する(ステップS104)。
次に、コントローラ7は、取得した温度情報に基づいて、当該周囲温度が予め定められた基準温度未満である場合には(ステップS106においてNOの場合)、後述するステップS112以降の処理を実行する。これに対して、当該周囲温度が予め定められた基準温度以上である場合には(ステップS106においてYESの場合)、コントローラ7は、スイッチ36をOFFする(ステップS108)。より具体的には、コントローラ7は、スイッチ36を制御して、全波整流回路33と平滑コンデンサ35との間を遮断させる。次に、コントローラ7は、第2のモードでインバータ2を制御する(ステップS110)。
次に、コントローラ7は、モータ制御装置の運転を停止するか否かを判断する(ステップS116)。運転を停止しない場合には(ステップS116においてNOの場合)、コントローラ7は、ステップS104からの処理を繰り返す。これに対して、運転を停止する場合には(ステップS116においてYESの場合)、コントローラ7は、運転を停止して処理を終了する。
ここで、ステップS112以降の処理について説明する。
モータ制御装置の周囲温度が予め定められた基準温度未満である場合には(ステップS106においてNOの場合)、コントローラ7は、スイッチ36をONする(ステップS108)。より具体的には、コントローラ7は、スイッチ36を制御して、全波整流回路33と平滑コンデンサ35との間を接続させる。次に、コントローラ7は、第1のモードでインバータ2を制御し(ステップS114)、上述したステップS116以降の処理を実行する。
上記において、コントローラ7は、上記のステップS108およびステップS110の順番、またはステップS112およびステップS114の順番を入れ替えて実行してもよい。あるいは、ステップS108およびステップS110の処理、またはステップS112およびステップS114の処理を同時に実行してもよい。
上記によると、コントローラ7は、モータ制御装置の周囲の温度が基準温度以上である場合には、平滑コンデンサ35の寿命に対して厳しい運転条件となるため、母線から平滑コンデンサ35を切り離して第2のモードでインバータ2を制御する。すなわち、周囲の温度が高い厳しい運転条件下においては平滑コンデンサ35を動作させないため、当該平滑コンデンサ35の寿命が大幅に短くなるのを防止することができる。
一方、コントローラ7は、モータ制御装置の周囲の温度が基準温度未満である場合には、平滑コンデンサ35の寿命に対してそれほど厳しい運転条件とはならないため、母線に平滑コンデンサ35を接続させて、第1のモードでインバータを制御する。これは、平滑コンデンサ35を母線から切り離して第2のモードでインバータを制御するよりも、平滑コンデンサ35を母線に接続して第1のモードでインバータを制御する方が安定して同期モータ1を駆動することができ省エネにも貢献することが可能となるためである。
以上から、実施の形態1によると、温度条件に応じて、平滑コンデンサの接続状態およびインバータの制御方式を切り替えることで、モータを安定して駆動させることができるとともに、平滑コンデンサの寿命、しいてはモータ制御装置の寿命を延ばすことが可能となる。
[実施の形態2]
実施の形態2では、実施の形態1に従うコントローラ7における制御方式の変形例について説明する。実施の形態2に従うモータ制御装置の構成については、実施の形態1に従うモータ制御装置(図1)と同様であるため、その詳細な説明は繰り返さない。
図4は、実施の形態2に従うコントローラ7における制御方式を説明するためのフローチャートである。
コントローラ7は、モータ制御装置の運転を開始するか否かを判断する(ステップS102)。運転を開始しない場合には(ステップS102においてNOの場合)、コントローラ7は、ステップS102の処理を繰り返す。運転を開始する場合には(ステップS102においてYESの場合)、コントローラ7は、計時部50を介してモータ制御装置の使用期間が予め定められた基準使用期間を超えているか否かを判断する(ステップS202)。使用期間が基準使用期間を超えている場合には(ステップS202においてYESの場合)、ステップS104以降の処理を実行する。ステップS104以降の処理は図4と同様であるためその詳細な説明は繰り返さない。
これに対して、使用期間が基準使用期間を超えていない場合には(ステップS202においてNOの場合)、ステップS112以降の処理を実行する。ステップS112以降の処理は図4と同様であるためその詳細な説明は繰り返さない。
上記によると、使用期間が基準使用期間を超えていない場合には、モータ制御装置の周囲温度に関わらず、コントローラ7は、スイッチ36をON状態に維持するとともに、第1のモードでインバータ2を制御する。そして、使用期間が基準使用期間を超えた場合に、実施の形態1と同様に、コントローラ7は、モータ制御装置の周囲温度に基づいて、スイッチ36のON/OFFを制御するとともに、第1または第2のモードを切り替えてインバータ2を制御する。
このように、実施の形態2では、基準使用期間を平滑コンデンサ35の寿命がある程度残っている期間に設定しておくことで、その期間は、より安定してモータを駆動するように、モータ制御装置は制御される。そして、平滑コンデンサ35の寿命が少なくなった場合には、実施の形態1と同様の制御がなされる。
以上から、実施の形態2によると、モータの駆動の安定性の確保および省エネへの貢献を最大限に高めつつ、電解コンデンサの寿命、しいてはモータ制御装置の寿命を延ばすことが可能となる。
[実施の形態3]
実施の形態1および2で説明したモータ制御装置は、空気調和機や冷蔵庫などに搭載される圧縮機のモータ制御装置として使用することか可能である。
例えば、空気調和機においては、その室外機にモータ制御装置が搭載可能に構成される。この場合、モータ制御装置に含まれる温度センサ40によって、室外機の周囲の温度(外気温)が検出される。
そのため、熱帯地域など年中気温が高い場所で当該モータ制御装置が搭載された空気調和機が使用される場合であっても、実施の形態1および2で説明した制御方式によって、安定性を確保しつつ電解コンデンサの寿命を延ばすことが可能となるため、空気調和機としての製品寿命も延ばすことが可能となる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許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。
1,100 同期モータ、2,150 インバータ、3,130 コンバータ回路、4,160 交流電源、5,180 電流センサ、6 モータ電流検出アンプ部、7,110 コントローラ、10 インバータ制御部、11 第1のインバータ制御部、12 第2のインバータ制御部、13 接続制御部、14 処理部、30 ゼロクロス検出部、31 電圧センサ、33 全波整流回路、34 小容量コンデンサ、35,140 平滑コンデンサ、36 スイッチ、40 温度センサ、50 計時部、120 ダイオード全波整流回路、170 コイル。

Claims (3)

  1. モータを制御するためのモータ制御装置であって、
    単相交流電源を入力とする整流回路と、
    前記整流回路で得られた直流電力を平滑化する平滑コンデンサと、
    前記整流回路と前記平滑コンデンサとの間を接続または遮断するためのスイッチと、
    直流電力を交流電力に変換して前記モータを駆動するインバータと、
    前記モータ制御装置の周囲の温度を検出する温度センサと、
    前記スイッチおよび前記インバータを制御するコントローラとを備え、
    前記コントローラは、
    前記モータ制御装置の周囲の温度が平滑コンデンサの寿命と温度の関係から設定される基準温度より小さい場合には、前記スイッチにより前記整流回路と前記平滑コンデンサとの間を接続し、モータ制御装置の周囲の温度が前記基準温度以上の場合には、前記スイッチにより前記整流回路と前記平滑コンデンサとの間の遮断を行う接続制御手段と、
    前記モータ制御装置の周囲の温度が前記基準温度より小さい場合には、前記インバータを第1の制御モードで制御し、前記モータ制御装置の周囲の温度が前記基準温度以上の場合には、前記第1の制御モードとは異なり、前記インバータを単相交流電源のゼロクロス点の検出からの経過時間に応じてモータ回転数を補正する制御を行う第2の制御モードで制御するインバータ制御手段とを含む、モータ制御装置。
  2. 前記モータ制御装置の使用期間を計時するための計時手段をさらに備え、
    前記接続制御手段は、前記使用期間が予め定められた期間を超えた場合に、前記検出された温度に基づいて、前記整流回路と前記平滑コンデンサとの間の接続または遮断を制御する、請求項1に記載のモータ制御装置。
  3. 前記モータ制御装置は、空気調和機に搭載可能に構成されており、
    前記温度センサは、前記空気調和機に含まれる室外機の周囲の温度を検出する、請求項1または2に記載のモータ制御装置。
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