JP6255573B2 - 換気装置 - Google Patents

Description

本発明は、空調装置などのインバータ制御を行うファンモータや換気装置などの換気装置の風量制御方法に関するものである。

従来のこの種の送風装置の制御回路は、以下の構成を有している。まず、交流電源からの交流電力を交直変換回路にて交流から直流に変換し、コンデンサにて平滑化する。コンデンサの両端には、直流電圧が発生しており、電流検出器を介してインバータへ入力する。インバータを構成する６つの半導体を相互に動作（スイッチング）させ、モータを駆動する。モータに流れる電流は、インバータ、電流検出器を介して流れるため、電流検出器の両端に誘起される電圧にて電流は検出される。

また、位置センサは、モータの回転による回転子の位置に応じた信号を発生させるように取りつけられている。位置センサからの信号により回転数検出部では、モータの回転数を検出する。ここで検出された回転数は、風量演算部と速度制御部へ出力される。また、風量演算部は、電流検出部にて検出されたモータの電流値と回転数検出部にて検出されたモータの回転数からモータと接続されているファンにて発生している風量を演算する。

風量演算部では、回転数検出部により検出された回転数と電流検出部により検出された電流から風量演算部にて風量を演算し、目標回転数算出部にて演算された演算風量と目標風量との偏差をとり、その偏差が０となるようにモータの動作の目標となる目標回転数を算出する。速度制御部は風量演算部にて算出された目標回転数になるようにモータを速度制御する。したがって、モータに接続されているファンにて発生する風量と目標風量とが一致するようになるので、風量を一定に制御するよう行う構成となっていた（たとえば、下記特許文献１）。

特開２００２−１６５４７７号公報

このような従来の送風装置は、風量の算出を電流と回転数を用いて行っているが、電流検出部は、インバータ回路の下段を構成するスイッチング素子の負電位側端子を１本にまとめた箇所と回路グランドとの間に接続される構成になっていた。

このような送風装置における課題としては、モータの電流を電流検出部で測定するが、回路のグランドに接続されているため、モータ電流を３相合成電流でしか検出できず、また、スイッチング素子がドライバ組みになっている場合は、ドライバに必要な電流を検出してしまい正確なモータの相電流が検出できないという課題があった。

更に、送風装置を大風量運転する場合は回路に流れる電流が大きい（例えば１．２Ａ）。一方、前述のドライバに必要な電流は約１０ｍＡとその占める割合は小さく、風量に影響しない。しかし、小風量で運転する場合、回路に流れる電流は、小さく（３０ｍＡ程度）となり、ドライバに必要な電流（１０ｍＡ）の占める割合が大きくなる。そのため、検出する電流は実際の風量に対応する電流値に対して大きな誤差を含み、風量に対して精度よく制御できない。

更に、送風装置を小風量で運転する場合、回路に流れる電流が小さくなるため、実際の風量に対する電流値に対して認識誤差が大きくなり、精度よく制御できない。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、モータに流れる電流を精度よく検出し、目標風量に対して精度よく風量制御を行なう換気装置を提供することを目的とする。

そしてこの目的を達成するために本発明は、風量を可変できる換気装置であって、
この換気装置内部には、羽根を駆動するモータと、このモータを制御する制御回路を備え、この制御回路内部には、上段と下段からなり、相反するＯＮ／ＯＦＦ動作を行う２つのスイッチング素子を直流電圧に直列に接続して成る三つのアームを三相ブリッジ状に結線し、三相ＰＷＭ方式の交流電圧を前記モータに印加するインバータ回路と、このインバータ回路に商用電源を整流平滑した後に所望の直流電圧を生成する直流電圧可変手段を具備した電源回路と、このインバータ回路の各相の下段と負電位側の間に相ごとに挿入したシャント抵抗と、このシャント抵抗の端子間電圧を増幅する増幅部と、この増幅部の出力からモータに流れる各相の電流を検出する電流検出部と、この電流検出部で検出された電流に基づいてモータの回転数と位置を算出する回転検出部と、
目標風量を指示する目標風量指示部と、前記電流検出部で検出した各相の電流値のうちいずれか１相の電流値と、前記回転検出部が算出した回転数とを入力して現在の出力風量を算出し、算出された前記出力風量と前記目標風量とを比較する風量演算部と、前記風量演算部の比較結果に基づいて、前記インバータ回路に対してデューティを可変させて前記モータの回転数を制御する速度制御部を備え、前記直流電圧可変手段は、前記目標風量指示部が指示する目標風量に応じて出力する直流電圧を可変することにより、所期の目的を達成するものである。

以上のように本発明は、風量を可変できる換気装置であって、
この換気装置内部には、羽根を駆動するモータと、このモータを制御する制御回路を備え、この制御回路内部には、上段と下段からなり、相反するＯＮ／ＯＦＦ動作を行う２つのスイッチング素子を直流電圧に直列に接続して成る三つのアームを三相ブリッジ状に結線し、三相ＰＷＭ方式の交流電圧を前記モータに印加するインバータ回路と、このインバータ回路に商用電源を整流平滑した後に所望の直流電圧を生成する直流電圧可変手段を具備した電源回路と、このインバータ回路の各相の下段と負電位側の間に相ごとに挿入したシャント抵抗と、このシャント抵抗の端子間電圧を増幅する増幅部と、この増幅部の出力からモータに流れる各相の電流を検出する電流検出部と、この電流検出部で検出された電流に基づいてモータの回転数と位置を算出する回転検出部と、目標風量を指示する目標風量指示部と、前記電流検出部で検出した各相の電流値のうちいずれか１相の電流値と、前記回転検出部が算出した回転数とを入力して現在の出力風量を算出し、算出された前記出力風量と前記目標風量とを比較する風量演算部と、前記風量演算部の比較結果に基づいて、前記インバータ回路に対してデューティを可変させて前記モータの回転数を制御する速度制御部を備え、前記直流電圧可変手段は、前記目標風量指示部が指示する目標風量に応じて出力する直流電圧を可変するため、モータの巻線に流れる電流のみを直接検出することが可能となり、さらに目標風量に応じて出力する直流電圧を可変させて、小風量の場合には、直流電圧を小さく生成して、モータの巻線に流れる電流を増加させることにより、風量演算部が認識する電流値を増加させて、認識誤差を少なくすることにより、正確にモータ巻線の電流を検出することが可能になり、換気風量を常に一定に保ち、且つ無駄なエネルギーを低減できるという効果を奏する。

同換気装置を天井に取り付けた状態を示す取り付け図 同換気装置の制御回路の構成を示したブロック図 同換気装置の運転動作を示すフローチャート

本発明の請求項１の換気装置は、風量を可変できる換気装置であって、
この換気装置内部には、羽根を駆動するモータと、このモータを制御する制御回路を備え、この制御回路内部には、上段と下段からなり、相反するＯＮ／ＯＦＦ動作を行う２つのスイッチング素子を直流電圧に直列に接続して成る三つのアームを三相ブリッジ状に結線し、三相ＰＷＭ方式の電圧を前記モータに印加するインバータ回路と、このインバータ回路に商用電源を整流平滑した後に所望の直流電圧を生成する直流電圧可変手段を具備した電源回路と、このインバータ回路の各相の下段と負電位側の間に相ごとに挿入したシャント抵抗と、このシャント抵抗の端子間電圧を増幅する増幅部と、この増幅部の出力からモータに流れる各相の電流を検出する電流検出部と、この電流検出部で検出された電流に基づいてモータの回転数と位置を算出する回転検出部と、目標風量を指示する目標風量指示部と、前記電流検出部で検出した各相の電流値のうちいずれか１相の電流値と、前記回転検出部が算出した回転数とを入力して現在の出力風量を算出し、算出された前記出力風量と前記目標風量とを比較する風量演算部と、前記風量演算部の比較結果に基づいて、前記インバータ回路に対して、デューティを可変させて前記モータの回転数を制御する速度制御部を備え、前記直流電圧可変手段は、前記目標風量指示部が指示する目標風量に応じて出力する直流電圧を可変するもの
である。

これにより、モータの巻線に流れる電流のみを直接検出することが可能となり、さらに目標風量に基づいて、小風量の場合には、直流電圧を小さく可変して、モータの巻線に流れる電流を増加させることにより、風量演算部が認識する電流値を増加させて、認識誤差を少なくすることにより、正確にモータ巻線の電流を検出することが可能になり、換気風量を常に一定に保つことができる。

また、制御回路には、前記増幅部の増幅率を変更する増幅率変更手段を備え、この増幅
率変更手段は、前記目標風量に基づいて前記増幅部の増幅率を切り替える構成を有している。

これにより、目標風量に応じて増幅変更手段の大きさを変更し、モータの巻線に流れる電流を正確に検出することが可能になり、目標風量が小さい場合においても換気風量を常に一定に保つことができる。

また、前記制御回路には、前記増幅部の増幅率を変更する増幅率変更手段を備え、この増幅率変更手段は、前記電流検出部が検出する電流に基づいて前記増幅部の増幅率を切り替える構成としてもよい。

これにより、電流検出部が検出する電流に応じて増幅変更手段の大きさを変更し、モータの巻線に流れる電流を正確に検出することが可能になり、目標風量が小さい場合においても換気風量を常に一定に保つことができる。

以下、本発明の一実施形態を、添付の図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
本発明の換気装置の一実施の形態として、建物内の天井に設けられた換気装置によって説明する。

本実施の形態の換気装置は、ＤＣモータの特徴を生かし、低い回転数から高い回転数までの制御を行い、低風量から大風量まで一つの換気装置でまかなうものである。

図１に示すように、本実施の形態の換気装置は、室内１の天井裏２に設置されており、本体３の下方に吸込口３ａを有している。本体３の側面にはアダプタ４が設けられ、排気ダクト５を通して外壁などに設けられている排気口（図示せず）に接続されている。本体３内部には、モータとして、羽根７と羽根７を回転させるセンサレスブラシレスＤＣモータ８を備え、吸込口３ａには、この吸込口３ａを覆うルーバ９を備える。このルーバ９は室内の空気が通過する通気口を有している。また、センサレスブラシレスＤＣモータ８を駆動する制御回路１０は、換気装置の本体３の内部に配置されている。そして、リモコン装置１１（電源入／切スイッチ１１ａ、ファンノッチ設定スイッチ１１ｂを一体にして構成したスイッチ）は室内の壁に配置され、制御回路１０と接続されている。

図２は、換気装置の本体３の制御回路１０の構成を示したブロック図である。図２において、商用電源１２から供給される交流電圧は、交直変換回路１３にて直流変換した後、直流電圧可変手段１４が後述する方法で所望の直流電圧を生成する。生成された直流電圧は平滑コンデンサ１６にて平滑化し、インバータ回路１７に印加される。インバータ回路１７は６個のスイッチング素子を順番に導通させ、センサレスブラシレスＤＣモータ８を駆動している。センサレスブラシレスＤＣモータ８は巻線を巻装した固定子１１８と磁石を備えた回転子１９からなる。

また、インバータ回路１７の各相の下段と負電位側の間には、相ごとにシャント抵抗２０が挿入されている。このシャント抵抗２０に流れる電流により発生するシャント抵抗２０の両端の電位差を増幅部２１で増幅する。この増幅部２１の出力から、電流検出部２２は、センサレスブラシレスＤＣモータ８に流れる各相の電流を検出する。回転検出部２３は、この電流検出部２２で検出された電流に基づいてセンサレスブラシレスＤＣモータ８の回転数と位置を算出する。

風量演算部２４は、後述する目標風量Ｑｓに対して、電流検出部２２で検出された電流と、回転検出部２３で検出した回転数に基づいて算出した風量に対して比較し、高いか低いかを判断する。

目標風量指示部２５は、ファンノッチ設定スイッチ１１ｂの設定に対応して、目標風量Ｑｓを決定する。そして、目標風量指示部２５は、風量演算部２４に目標風量Ｑｓを伝達するとともに、直流電圧可変手段１４、増幅率変更手段２６に対して目標風量Ｑｓを伝達する。直流電圧可変手段１４は、この目標風量Ｑｓに応じて、出力する直流電圧を変更する。

増幅率変更手段２６は、目標風量指示部２５が決定した目標風量Ｑｓを入力し、この目標風量Ｑｓの大きさに応じて所定の相の増幅部２１の増幅率を変更する。

詳しくは後述するが、速度制御部２７は、風量演算部２４が出力する現在の出力風量Ｑｎと目標風量Ｑｓの比較結果に基づいて、インバータ回路１７に対してデューティを出力して、センサレスブラシレスＤＣモータ８の回転数を制御する。

このようにして、センサレスブラシレスＤＣモータ８は、回転数を可変させて必要な風量を出力する。

以下、図３を用いて、本実施の形態の換気装置の動作を説明する。

使用者が、換気装置を運転するためにリモコン装置１１を操作して換気装置の本体３に電源を投入し、ファンノッチ設定スイッチ１１ｂを例えば弱ノッチに設定する。そうすると、制御回路１０に電源が印加されるとともに、目標風量指示部２５はファンノッチ設定スイッチ１１ｂの設定「弱ノッチ」に従って、弱ノッチに対応する目標風量Ｑｓを決定する。この目標風量Ｑｓの決定方法は、メモリに記憶されたテーブルを参照して決定してもよいし、予め設定された算出式に基づいたものでもよい。この目標風量Ｑｓは、風量演算部２４、直流電圧可変手段１４、増幅率変更手段２６に伝達される。

直流電圧可変手段１４は、出力する直流電圧を入力された目標風量Ｑｓに応じて変更する。

ここで、直流電圧可変手段１４によって出力される電圧は、弱ノッチの場合に出力する最大デューティ（例えば、９５％）の場合に、所定の目標風量を満足できる出力電圧となるように設定している。これにより、モータの巻線に流れる電流が増加することになり、風量演算部２４が認識する電流値が増加する。

目標風量Ｑｓが決定されると、目標風量Ｑｓに従って３相のうちいずれか１相の増幅率を増幅率変更手段２６で変更する。速度制御部２７は、風量演算部２４が出力する現在の出力風量と目標風量Ｑｓの比較結果に基づいて、インバータ回路１７にデューティを出力する。

インバータ回路１７にデューティを出力すると、６個のスイッチング素子を順番に導通させ、センサレスブラシレスＤＣモータ８を駆動する。センサレスブラシレスＤＣモータ８が駆動するとシャント抵抗２０に電流が流れる。増幅部２１は、各シャント抵抗２０の両端の電位差を増幅する。電流検出部２２では、増幅した各シャント抵抗２０の両端の電位差を検出し、この電位差をもとにモータ巻線に流れる電流（巻線電流）を相ごとに検出する。検出された巻線電流のうち、２相分を回転検出部２３に入力する。詳しくは後述するが、残りの１相分の巻線電流は、風量演算部２４に入力する。回転検出部２３では２相分の巻線電流からセンサレスブラシレスＤＣモータ８の回転数と位置を算出する。

次に、風量演算部２４では、電流検出部２２で検出された１相分の電流値と回転検出部２３によって検出された回転数から現在の出力風量Ｑｎを算出する。そして、風量演算部２４は、算出された出力風量Ｑｎと目標風量Ｑｓとを比較する。出力風量Ｑｎが目標風量Ｑｓに対して小さい場合は、風量演算部２４は速度制御部２７にデューティを大きく出力する指示を行う。出力風量Ｑｎが目標風量Ｑｓに対して大きい場合は、風量演算部２４は速度制御部２７にデューティを小さく出力する指示を行って、出力風量Ｑｎと目標風量Ｑｓとの偏差を小さくするように制御することとなる。

ここで、出力風量Ｑｎが定格風量に対して十分小さい場合、シャント抵抗２０に流れる電流が小さく、電流検出部２２では、巻線電流に流れる電流を正確に検出し難くなる。そこで、目標風量Ｑｓが所定の風量Ｑａよりも小さい場合には、増幅率変更手段２６は、風量演算部２４に入力する電流値を検出するための増幅部２１の増幅率を上げる処理を行なう。所定の風量Ｑａは、予め記憶された風量の値である。このＱａは、定格風量に対して十分小さく、増幅率を切り替えて検出しないと電流検出部２２で正確な巻線電流の検出ができなくなるような値を設定しておく。

以上のように構成した換気装置は、センサレスブラシレスＤＣモータ８に流れる電流をインバータ回路１７の各相の下段と負電位側の間に相ごとにシャント抵抗２０を挿入し、シャント抵抗２０に流れる電流を検出することにより精度よく巻線電流を検出することができる。

また、目標風量Ｑｓに応じて、直流電圧可変手段１４によって出力する直流電圧を変更する。特に、小風量の場合には、出力する直流電圧を小さくして、センサレスブラシレスＤＣモータ８の巻線に流れる電流を増加させる。このようにして、風量演算部２４が認識する電流値を増加させて、認識誤差を少なくすることにより、正確にモータ巻線の電流を検出するため、換気風量を常に一定に保つことができる。

また、各相のうちいずれか１相の増幅率を増幅率変更手段２６で変更することで巻線電流を正確に検出することができる。従って、ＤＣモータの特徴を生かした小さい風量から大きい風量までの換気を一つの本体でできる。

また、本実施の形態では、増幅率変更手段２６は、目標風量Ｑｓに対応して増幅率を切り替える構成としたが、電流検出部２２が検出した電流値に基づいて増幅率を切り替えてもよい。

また、本実施の形態では、センサレスブラシレスＤＣモータ８を用いて構成したが、増幅率を切り替える増幅率変更手段２６は、固定子１８に対する回転子１９の相対的位置を磁気センサの出力を利用して位置検出をしているブラシレスＤＣモータに適用することも可能である。すなわち、シャント抵抗２０をどれか１相に接続し、増幅率変更手段２６は、そのシャント抵抗２０の両端の電位差を増幅する増幅部２１の増幅率を切り替える構成においても効果は同じである。

また、目標風量指示部２５は、リモコン装置１１で設定したノッチを入力としているが、本体内にスイッチを設け、そのスイッチで設定したノッチを入力としてもよい。

本発明にかかる建物に取り付けられる換気装置は、ダクト抵抗、外風圧に拘わりなく所定の時間内で風量が得られる製品のおいて広く有用である。

１ 室内
２ 天井裏
３ 本体
４ アダプタ
５ 排気ダクト
７ 羽根
８ センサレスブラシレスＤＣモータ
９ ルーバ
１０ 制御回路
１１ リモコン装置
１１ａ 電源入／切スイッチ
１１ｂ ファンノッチ設定スイッチ
１２ 商用電源
１３ 交直変換回路
１４ 直流電圧可変手段
１５ 電源回路
１６ 平滑コンデンサ
１７ インバータ回路
１８ 固定子
１９ 回転子
２０ シャント抵抗
２１ 増幅部
２２ 電流検出部
２３ 回転検出部
２４ 風量演算部
２５ 目標風量指示部
２６ 増幅率変更手段
２７ 速度制御部

Claims (3)

1. 風量を可変できる換気装置であって、
   この換気装置内部には、
   羽根を駆動するモータと、
   このモータを制御する制御回路を備え、
   この制御回路内部には、
   上段と下段からなり、相反するＯＮ／ＯＦＦ動作を行う２つのスイッチング素子を直流電圧に直列に接続して成る三つのアームを三相ブリッジ状に結線し、三相ＰＷＭ方式の電圧を前記モータに印加するインバータ回路と、
   このインバータ回路に商用電源を整流平滑した後に所望の直流電圧を生成する直流電圧可変手段を具備した電源回路と、
   このインバータ回路の各相の下段と負電位側の間に相ごとに挿入したシャント抵抗と、
   このシャント抵抗の端子間電圧を増幅する増幅部と、
   この増幅部の出力からモータに流れる各相の電流を検出する電流検出部と、
   この電流検出部で検出された電流に基づいてモータの回転数と位置を算出する回転検出部と、
   目標風量を指示する目標風量指示部と、
   前記電流検出部で検出した各相の電流値のうちいずれか１相の電流値と、前記回転検出部が算出した回転数とを入力して現在の出力風量を算出し、算出された前記出力風量と前記目標風量とを比較する風量演算部と、
   前記風量演算部の比較結果に基づいて、前記インバータ回路に対して、デューティを可変させて前記モータの回転数を制御する速度制御部を備え、
   前記直流電圧可変手段は、前記目標風量指示部が指示する目標風量に応じて出力する直流電圧を可変する換気装置。
2. 前記制御回路には、前記増幅部の増幅率を変更する増幅率変更手段を備え、
   この増幅率変更手段は、前記目標風量に基づいて前記増幅部の増幅率を切り替える請求項１記載の換気装置。
3. 前記制御回路には、前記増幅部の増幅率を変更する増幅率変更手段を備え、
   この増幅率変更手段は、前記電流検出部が検出する電流に基づいて前記増幅部の増幅率を切り替える請求項１記載の換気装置。

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