JP2018182975A - 圧縮機モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源電流を高調波の少ない状態に保ちつつ、直流部の平滑コンデンサの大型化を防止できる圧縮機モータ駆動回路を提供する。【解決手段】平滑コンデンサ２の電圧制御系において、所望の直流電圧（Ｖｄｃ＊）になるように、入力電流振幅を調整するとともに、圧縮機モータ４のマグネットトルクに対応する電流（Ｉｑ＊）と回転数（ω＊）との積の情報でも、交流電源電流（Ｉａｃ＊）の振幅を調整するように半導体スイッチ１５２をＰＷＭ制御する制御手段を設ける。これにより、低速回転数域では、負荷への出力電力と入力電力が略釣り合い、脈動が少なくなる高速回転域では、直流電圧制御系により、負荷への出力電力と入力電力が釣り合い、平滑コンデンサ２の電圧変動を低減できる。【選択図】図１

Description

本発明は、商用の単相交流電源を整流して略直流とし、得られた直流を電力変換回路により、再度、任意周波数と任意電圧の交流に変換して、エアコンディショナーなどに用いる冷媒圧縮機を駆動する圧縮機モータを可変速で駆動する装置であり、モータの回転位相毎に必要なトルクが大きく変動する圧縮機構を有しており、商用の交流電源からの電流に含まれる電源高調波の低減や、力率を改善することにより、送電系統の負担を軽減させる技術の高効率な駆動制御に関するものである。

従来、この種の圧縮機モータ駆動回路は、特許文献１に示す方法が提案されている。ここでは、モータ回転位相毎に速度を記憶する手段を設け、同じ回転位相毎に検出された速度を所望値に収束すべく、駆動電圧あるいは駆動電流を調節制御するものである。これにより、瞬時瞬時の回転変動を小さくできるとしている。

さらに、モータの駆動を、回転子に内蔵される磁石の位相に合わせて、２つの軸で記述し、それらの軸に応じた電流成分を制御する、いわゆるベクトル制御に基づいて、変動する負荷トルクに対応させる方法が特許文献２などに紹介されている。

また、モータ駆動するための電源として、商用の交流電源が用いられることが通常行われる。その場合、商用の交流電源を一旦整流して直流として、直流からインバータ回路により、任意の周波数の擬似交流に変換してモータを駆動するが、商用の交流からモータ駆動用の擬似交流までの変換も効率よく実現することが望ましい。さらに、商用交流電源から流入する電流に高調波歪が少なく、電源力率が高いことも望ましい。このためには、中間の直流電圧をできるだけ低く保つことや、整流回路部でも半導体スイッチのオン／オフをできるだけ少なくすることが肝要である。このための方法として、特許文献３に示す方法が提案されている。

特許文献３においては、整流回路部において、半導体スイッチのオン／オフを休止する期間、すなわちオフになる期間を所望値にすべく、直流電圧を調整することにより実現させるものである。

これらの先行技術はそれぞれ独立して実現することを前提としており、同時に充足するための方法は、回転数とトルクとの積であるモータへの投入エネルギと、商用電源から流入するエネルギを瞬時毎にて釣り合わせることであり、その詳細は特許文献４に記載されている。

特開昭６１−１７３６９０号公報 特開２０１０−２５９１３３号公報 国際公開第２０１４／０３４００３号 特開２０１６―１５４４３４号公報

しかしながら、前記従来の構成では、モータのトルクに関する情報が必要であり、トルクを直接検出することや、あるいは、高効率駆動時にはトルクとモータ電流とが比例関係
にあることを用いて、トルクに代わってモータ電流情報を用いるなどをしている。

ところが、冷凍空調機器の密閉型の冷媒圧縮機では、モータを含む内部が高温高圧の雰囲気になるため、モータの回転位相を直接検出することは非常に高価になり困難である。このため、電圧や電流などのモータ駆動情報とモータパラメータを用いてモータの回転位相を推定する方法がとられている。ただし、モータ駆動情報やモータパラメータにはそれぞれ誤差が含まれる可能性があるため、回転位相の推定にも誤差が含まれる可能性がある。推定した回転位相に誤差があると、トルクとモータ電流との間の比例定数が乱されることになる。

また、エアコンディショナーでは、冷暖房運転開始時で室温が所望値に近づくまでの期間や、低外気温時の暖房運転をする場合などでは、圧縮機モータを高速回転させて、大きな冷暖房能力を出させることがある。モータを高速回転させるには高い駆動電圧を必要とし、実際には適用することが困難になる場合もある。しかし、効率を犠牲にすれば、弱め界磁による低い電圧での高速回転駆動が可能になる。この場合、磁束を弱めるための電流であるｄ軸電流が増加して、通常より大きな電流でモータを駆動することになる。
ところが、モータの回転位相の推定において、大きな電流になれば、モータパラメータのバラツキの影響を受けやすくなり、推定誤差が増加する一因になる。また、リラクタンストルクも利用するモータでは、弱め界磁駆動時にはリラクタンストルクの利用率が上昇しており、リラクタンストルクの利用を前提とした、精度の高い回転位相推定が必要になる。図３はこの関係を示す特性図である。すなわち、低回転数領域においては、マグネットトルク主体で駆動するが、高速回転域においては、結果として、リラクタンストルクの利用率が増大していき、前述したように、大きな電流でモータを駆動することになり、推定誤差が増加する一因になる。

すなわち、これら、回転位相推定にまつわる誤差により、特許文献４の方法では、入力電流の変調不足だけでなく、モータへの投入エネルギに相当する量を超えた入力電流変調を行うなどの変調過多を招くこともあり、直流部分の電圧変動を十分に抑圧できない可能性があるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、回転位相推定にまつわる誤差の影響を受けない、直流部分の電圧変動の少ない、圧縮機モータ駆動回路を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、本発明の圧縮機モータ駆動装置は、交流電源に対して、半導体スイッチとリアクタを用いて、流入する電流の高調波成分が少なくなるように制御しながら、電流振幅を調整することにより所望の電圧の直流に変換し、得られた直流を任意の周波数と電圧の擬似交流に再変換することにより、マグネットを含む圧縮機モータを任意の回転速度で駆動する圧縮機モータ駆動装置であって、圧縮機モータの特性値と駆動状態から、圧縮機モータの瞬時瞬時の回転位相を推定し、推定回転位相にもとづき、圧縮機モータを任意の回転速度で駆動するとともに、マグネットトルクの推定情報と圧縮機モータの回転数との積に応じて、前記、交流電源から流入する電流の振幅がさらに調整される手段を具備する。

ここで、回転位相推定あるいは速度推定を前提として、モータのトルクと電流との関係を説明する。モータのトルクのうち、マグネットトルクに比例する電流はｑ軸電流と呼ばれ、マグネットの回転に応じてその軸が回転していく。その比例定数は発電定数といわれ、モータの緒元が確定したら一定値になる。

位相推定のずれをΔとすると、ｑ軸電流の推定値は、ｃｏｓ（Δ）の比率でずれる。つまり、マグネットトルクの推定値も、ｃｏｓ（Δ）の比率でずれる。

一方、リラクタンストルク推定値は、ｑ軸電流とｑ軸と９０度ずれて回転する軸であるｄ軸電流との積に比例するので、位相推定のずれをΔとすると、リラクタンストルク推定値は、
ｃｏｓ（Δ）×ｓｉｎ（Δ）＝０．５×ｓｉｎ（２・Δ）
の比率でずれる。推定ずれΔが大きい値でないとすると、それぞれの変化は
ｃｏｓ（Δ）≒１
０．５×ｓｉｎ（２・Δ）≒Δ
となるので、マグネットトルク推定値は位相推定ずれΔの影響を受けにくい。したがって、リラクタンストルクが小さい駆動条件では、位相推定の影響が小さいため、モータへ供給される電力と、交流電源から供給される電力が略一致するため、中間直流部分の電圧変動が小さくなり、直流電力を一時蓄積する平滑コンデンサの耐電圧を下げることや静電容量を削減することができ、駆動装置の小型化がはかれる。

また、本発明が適用する圧縮機においては、高速回転においては、圧縮機構やモータの慣性モーメントにより回転数の脈動が下がり、瞬時回転速度を一定に保つために瞬時瞬時のトルクを変動させる必要がなくなる。このため、リラクタンストルクも一定でよく、マグネットトルクと回転数の積と圧縮機モータ出力との差は、脈動のない一定値になる。この一定値のずれに対しては、整流回路部の直流電圧フィードバック制御に含まれる積分補償により、容易に解消される。

本発明の圧縮機モータ駆動回路は、位相推定誤差の影響が小さく、モータへ供給される電力と、交流電源から供給される電力が略一致するため、中間直流部分の電圧変動が小さくなり、直流電力を一時蓄積する平滑コンデンサの耐電圧を下げることや静電容量を削減することができ、駆動装置の小型化がはかれる。

本発明の実施の形態１における圧縮機モータ駆動装置の回路ブロック図 本発明の実施の形態１における回転数と負荷トルク発生手段とトルク脈動率との関係特性図 圧縮機モータにおける回転数と負荷トルク発生手段との関係特性図 本発明の別の実施の形態における全体回路構成図 本発明の別の実施の形態における全体回路構成図 本発明の別の実施の形態における全体回路構成図 本発明の別の実施の形態における全体回路構成図 本発明の別の実施の形態における全体回路構成図

第１の発明は、交流電源に対して、半導体スイッチとリアクタを用いて、流入する電流の高調波成分が少なくなるように制御しながら、電流振幅を調整することにより所望の電圧の直流に変換し、得られた直流を任意の周波数と電圧の擬似交流に再変換することにより、マグネットを含む圧縮機モータを任意の回転速度で駆動する圧縮機モータ駆動装置であって、圧縮機モータの特性値と駆動状態から、圧縮機モータの瞬時瞬時の回転位相を推定し、推定回転位相にもとづき、圧縮機モータを任意の回転速度で駆動するとともに、マグネットトルクの推定情報と圧縮機モータの回転数との積に応じて、前記、交流電源から流入する電流の振幅がさらに調整される手段を具備するものである。マグネットトルクの推定情報として、ｑ軸電流に比例定数を乗じたものを用いることができる。また、所望の
直流電圧値と実際の直流電圧とを比較し、その誤差に基づき入力電流振幅を調整する中に、誤差の積分情報を用いるものが含まれているようにする。

これらによって、低速回転域においては、圧縮機モータのトルクは大半がマグネットトルクであるので、入力電力とモータ出力とが略一致し、高速回転域では、圧縮機モータのトルクは一定でよいので、利用しているリラクタンストルクも脈動のない一定値と摺ることが出来る。そして、一定値のずれに対しては、整流回路部の直流電圧フィードバック制御に含まれる積分補償により、容易に解消することができる。

したがって、両方の回転域において、直流電力を一時蓄積する平滑コンデンサの耐電圧を下げることや静電容量を削減することができ、駆動装置の小型化がはかれる。

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における圧縮機モータ駆動装置の全体回路構成図を示すものである。ダイオードブリッジ１５１、リアクタ１５３、半導体スイッチ１５２、ダイオード１５４とで構成される整流回路を経て、平滑コンデンサ２にて平滑することにより、交流電力を直流電力に変換する。得られた直流電力をモータ駆動回路（インバータ回路）３で再度交流電力に変換し、圧縮機モータ４を駆動する。圧縮機モータ４のトルクや速度を直接は検出していない。

圧縮機モータ４とモータ駆動回路（インバータ回路）３の間の結線には電流検出手段１５５が取り付けられ、モータ４に流れる電流を検出できるように構成する。検出された電流をｄｑ変換手段１５６にて回転座標情報に変換し、変換された電流はｄ軸電流（Ｉｄ）、ｑ軸電流（Ｉｑ）と呼ばれ、ｑ軸電流がマグネットトルクに比例する電流であり、ｄ軸電流はｑ軸電流に直交する関係にある電流である。この２種類の電流を位置推定手段１５７に入力する。位置推定手段１５７では、電流情報だけでなく、圧縮機モータ４のインダクタンス情報なども用いて、圧縮機モータ４の回転速度（ω＾）や回転位相（θ＾）を推定する。

推定された回転速度（ω＾）は回転速度の所望値（ω＊）と比較手段９にて比較され、その誤差情報が速度制御の安定化のための速度ＰＩ補償手段１５に送られる。速度ＰＩ補償手段１５で得られた結果はモータ電流指令（Ｉｍ＊）として、所望速度に対してトルクをどのように増減すべきかを示す情報値である。このモータ電流指令（Ｉｍ＊）はｄｑ分配手段１７０により、ｄ軸電流指令（Ｉｄ＊）とｑ軸電流指令（Ｉｑ＊）に分配される。分配された２つの電流指令は比較手段１５８に送られて、実際のモータ電流（ＩｄおよびＩｑ）と比較される。比較の結果、得られた電流誤差は電流制御を安定化するための電流ＰＩ補償手段１５９に送られ、逆ｄｑ変換手段１６０を経て、モータの固定座標に変換されて、ＰＷＭ変換手段１６１にてパルス幅信号に変換され、モータ駆動回路（インバータ回路）３を駆動して、モータの速度制御系を構成する。すなわち、速度制御系は、速度を一定にすべく、モータの所望電流（Ｉｄ＊、Ｉｑ＊）を調整するが、内部ループとして、実際の電流（Ｉｄ、Ｉｑ）が所望電流に近づくようにモータへの印加電圧を調整する、電流制御系を有している。電流制御系が動作することにより、モータの電流（Ｉｄ、Ｉｑ）は所望電流（Ｉｄ＊、Ｉｑ＊）と略一致し、また、速度制御系が動作することにより、回転速度（ω＾）は回転速度所望値（ω＊）に略一致する。

一方、推定された回転位相（θ＾）はｄｑ変換手段１５６や逆ｄｑ変換手段１６０に送られて、モータの駆動制御における座標変換に用いられる。位置推定手段１５７における
処理内容は、たとえば、特許文献２などに記載されているものを使用することができる。

次に整流回路の構成を説明する。交流電源１をダイオードブリッジ１５１にて直流脈流化し、そこからの出力をリアクタ１５３、ダイオード１５４を通じて平滑コンデンサ２に電力を供給する。リアクタ１５３とダイオード１５４との接続点と直流のもう一端子との間に半導体スイッチ１５２を設け、交流電源１を、リアクタ１５３を経由して短絡・開放可能な構成としている。また、電流検出手段５によりリアクタ１５３に流れる電流を検出できるようにしている。

整流回路としての動作を説明する。平滑コンデンサ２の電圧（Ｖｄｃ）を検出し、比較手段２０で所望値（Ｖｄｃ＊）と比較し、その誤差情報を電圧制御安定化のための電圧ＰＩ補償手段２１に入力する。電圧ＰＩ補償手段２１の出力は加算手段２２を経て乗算手段７に入力され、交流電圧波形情報６と乗算され、交流電流の電流所望値（Ｉａｃ＊）を得る。加算手段２２に入力されるもう一方の情報については後述する。

すなわち、平滑コンデンサ２の電圧（Ｖｄｃ）の所望電圧（Ｖｄｃ＊）に対する過不足により、交流電流の電流所望値をその波形を保ったまま調整するようにするものである。このようにして決定された交流電流の所望値（Ｉａｃ＊）は比較手段８に送られ、実際に検出された交流電流（Ｉａｃ）と比較され、その誤差情報を、電流制御を安定化するための電流ＰＩ補償手段１０に入力する。

電流ＰＩ補償手段１０の出力はＰＷＭ変換手段１６５に送られパルス幅信号に変換され、半導体スイッチ１５２をオン・オフ制御する。すなわち、交流電流（Ｉａｃ）を所望値（Ｉａｃ＊）に近づける制御系を構成している。

平滑コンデンサ２の電圧（Ｖｄｃ）の制御系に設けられた加算手段２２へ入力されるもう一方の情報は、モータ駆動制御系からの情報である。具体的には、圧縮機モータ４のマグネットトルクに比例する電流であるｑ軸電流の指令情報（Ｉｑ＊）と圧縮機モータの回転数指令（ω＊）とを乗算手段２３に入力した結果の情報である。

ここで、図３に示したように、圧縮機モータ４の回転数が低いところでは、圧縮機モータ４に必要なトルクの大半をマグネットトルクで賄っている。モータの回転位相を推定しながら駆動する場合でも、マグネットトルクは推定誤差の影響が少ないため、殆ど精度の低下しないトルク推定を行える。

すなわち、低回転域ではマグネットトルクに比例する電流情報を用いるだけで、トルクを精度良く推定することができる。そして乗算手段２３で回転数指令（ω＊）と乗算すれば、モータ４に投入される瞬時の電力情報になる。このモータの瞬時の電力情報を加算手段２２に入力することにより、交流電源１からの電流（Ｉａｃ）が連動するようにその所望値（Ｉａｃ＊）を直接調整してやれば、モータ４の負荷脈動に直接電源電流が連動するようになるので、平滑コンデンサ２によるモータ４の負荷脈動分の調整が不要となり、平滑コンデンサ２の低容量化、低耐電圧化などの小型化が可能になる。しかも、モータ４の負荷トルク検出手段を必要としない。

一方、高回転域では、図３に示すように、必要トルクが増加し、リラクタンストルクの負担率も増加する。しかしながら、図２の、圧縮機モータ４のトルク脈動との関連を示す特性図に示すように、高い回転数になると、トルク脈動率は低下する。この原理は、圧縮機回転数が増大すると、モータや圧縮機構の慣性モーメントにより、負荷トルク脈動をモータトルクで補償しなくても、回転変動が少なくなるためである。この場合、リラクタンストルクの脈動も低下しているので、結果として、直流電圧の脈動変動も大きくならない
。ただし、このままでは、モータのマグネットトルクと回転数で決まる計算値と、電源電流と電源電圧から決まる入力値との間には、脈動を含まないリラクタンストルクに基づく差異が残り、直流電圧は所望値からゆっくりとずれていくことになるが、実際には、図１の電圧ＰＩ補償手段２１の積分作用により、直流電圧の所望値からのずれは解消される。すなわち、増大したリラクタンストルクに基づく誤差は、整流回路側で解消されることになる。

なお、整流回路１１の回路構成方法について以下に述べる。図１では、ダイオードブリッジにより整流したものをリアクタと半導体スイッチとダイオードを用いて実現するものを示したが、特に限定されるものではない。たとえば、本願の図８や特許文献３の図１に示すような、ダイオードブリッジの手前にリアクタと双方向スイッチを設けるものや、特許文献３の図１１に示すように、ダイオードブリッジの一方の直列アームに半導体スイッチをそれぞれ並列接続し、その接続点と電源の間にリアクタを設けるものや、本願の図７や特許文献３の図１２に示すように、ダイオードブリッジの直流側の一端に接続される側に半導体スイッチをそれぞれ並列接続し、その接続点と電源の間にリアクタを設けるものでも同様のことが実現できることは明白である。

同様に、本願の図４に示されているように、基本周波数成分のみを連動させる手段を設けることや、本願の図７、図８、図９に示すように、交流電圧の情報を用いてさらに精度を向上させることや、特許文献３の半導体スイッチのオフになる期間を所望値に保つ制御を併用すべく、本願の図５で開示されているよう構成することも、同様に実現できることは明白である。

以上のように、本発明にかかる圧縮機モータ駆動回路は、中間直流部分の電圧変動が小さくなり、直流電力を一時蓄積する平滑コンデンサの耐電圧を下げることや静電容量を削減することができ、駆動装置の小型化がはかれる。このことは、同じ占有空間では、熱交換器を増大させるなども可能であり、エアコンディショナーや各種ヒートポンプ機器の省エネルギ化もはかれる。

１ 交流電源
２ 平滑コンデンサ
３ モータ駆動回路（インバータ回路）
４ モータ
５、１５５ 電流検出手段
６ 交流電圧波形情報
７、２３ 乗算手段
８、９、２０、１５８，１８１ 比較手段
１０、１５９ 電流ＰＩ補償手段
１１ 整流回路
１２ 速度検出手段
１５ 速度ＰＩ補償手段
１６ 駆動制御回路
１７ 駆動回路
２１ 電圧ＰＩ補償手段
２２ 加算手段
１５１ ダイオードブリッジ
１５２ 半導体スイッチ
１５３ リアクタ
１５４ ダイオード
１５６ ｄｑ変換手段
１５７ 位置推定手段
１６０ 逆ｄｑ変換手段
１６１、１６５ ＰＷＭ変換手段

Claims (4)

1. 交流電源に対して、半導体スイッチとリアクタを用いて、流入する電流の高調波成分が少なくなるように制御しながら、電流振幅を調整することにより所望の電圧の直流に変換し、得られた直流を任意の周波数と電圧の擬似交流に再変換することにより、マグネットを含む圧縮機モータを任意の回転速度で駆動する圧縮機モータ駆動装置であって、圧縮機モータの特性値と駆動状態から、圧縮機モータの瞬時瞬時の回転位相を推定し、推定回転位相にもとづき、圧縮機モータを任意の回転速度で駆動するとともに、マグネットトルクの推定情報と圧縮機モータの回転数との積に応じて、前記、交流電源から流入する電流の振幅がさらに調整される手段を有する、圧縮機モータ駆動装置。
2. マグネットトルクの推定情報として、マグネットトルクに比例する電流の推定値を用いることを特徴とする請求項１記載の圧縮機モータ駆動装置。
3. 前記、電流振幅を調整することにより所望の電圧の直流に変換する手段として、所望の電圧値と実際の直流電圧とを比較し、その誤差に基づき電流振幅を調整する演算の中に、誤差の積分情報を用いるものが含まれていることを特徴とする、請求項１あるいは２のいずれか一項に記載の圧縮機モータ駆動装置。
4. マグネットトルクに比例する電流の推定値の代わりに、マグネットトルクに比例する電流の推定値の指令情報を、回転数の代わりに、回転数指令を用いることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の圧縮機モータ駆動装置。

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