JP3955286B2

JP3955286B2 - モータ駆動用インバータ制御装置および空気調和機

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Publication number: JP3955286B2
Application number: JP2004074852A
Authority: JP
Inventors: 光夫河地; 英夫松城; 智弘杉本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Priority date: 2003-04-03
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2007-08-08
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Description

本発明は、小容量リアクタおよび小容量コンデンサを用いたモータ駆動用インバータ制御装置に関し、更に、インバータ装置としてモータ駆動用インバータ制御装置を用いた空気調和機に関するものである。

汎用インバータなどで用いられている一般なインダクションモータ駆動用インバータ制御装置として、図１１に示すようなＶ／Ｆ制御方式のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置がよく知られている（例えば、非特許文献１参照）。

図１１において、主回路は直流電源装置１１３と、インバータ３とインダクションモータ４とから構成されており、直流電源装置１１３については、交流電源１と、整流回路２と、インバータ３の直流電圧源のために電気エネルギーを蓄積する平滑コンデンサ１１２と、交流電源１の力率改善用リアクタ１１１から構成されている。

一方、制御回路では、外部から与えられたインダクションモータ４の速度指令Ｗ^*に基づいてインダクションモータ４に印加するモータ電圧値を決定するＶ／Ｆ制御パターン１３と、Ｖ／Ｆ制御パターン１３から決定されるモータ電圧値に基づいてインダクションモータ４のモータ電圧指令値を作成するモータ電圧作成手段１４と、モータ電圧作成手段１４から作成されたモータ電圧指令値に基づいてインバータ３のＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ制御手段１８から構成されている。

なお、一般的なＶ／Ｆ制御パターン１３の一例を図１２に示す。

図１２に示すように速度指令Ｗ^*に対してインダクションモータ４に印加するモータ電圧値が一義的に決定するような構成となっている。一般的には、速度指令Ｗ^*とモータ電圧値の値をテーブル値としてマイコン等の演算装置のメモリに記憶させ、テーブル値以外の速度指令Ｗ^*に対してはテーブル値から線形補間することでモータ電圧値を導出している。

ここで、交流電源１が２２０Ｖ（交流電源周波数５０Ｈｚ）、インバータ３の入力が１．５ｋＷ、平滑コンデンサ１１２が１５００μＦのとき、力率改善用リアクタ１１１が５ｍＨおよび２０ｍＨの場合における交流電源電流の高調波成分と交流電源周波数に対する次数との関係を図１３に示す。

図１３はＩＥＣ（国際電気標準会議）規格と併せて示したもので、力率改善用リアクタ１１１が５ｍＨの場合には特に第３高調波成分がＩＥＣ規格のそれを大きく上回っているが、２０ｍＨの場合には４０次までの高調波成分においてＩＥＣ規格をクリアしていることがわかる。

そのため特に高負荷時においてもＩＥＣ規格をクリアするためには力率改善用リアクタ１１１のインダクタンス値をさらに大きくするなどの対策を取る必要があり、インバータ装置の大型化や重量増加、さらにはコストＵＰを招くという不都合があった。

そこで、力率改善用リアクタ１１１のインダクタンス値の増加を抑え、電源高調波成分の低減と高力率化を達成する直流電源装置として、例えば図１４に示すような直流電源装置が提案されている。

図１４において、交流電源１の交流電源電圧を、ダイオードＤ１〜Ｄ４をブリッジ接続してなる全波整流回路の交流入力端子に印加し、その出力をリアクトルＬｉｎを介して中間コンデンサＣに充電し、この中間コンデンサＣの電荷を平滑コンデンサＣＤに放電して、負荷抵抗ＲＬに直流電圧を供給する。この場合、リアクトルＬｉｎの負荷側と中間コンデンサＣを接続する正負の直流電流経路にトランジスタＱ１を接続し、このトランジスタＱ１をベース駆動回路Ｇ１で駆動する構成となっている。

また、ベース駆動回路Ｇ１にパルス電圧を印加するパルス発生回路Ｉ１、Ｉ２と、ダミー抵抗Ｒｄｍとをさらに備えており、パルス発生回路Ｉ１、Ｉ２は、それぞれ交流電源電圧のゼロクロス点を検出する回路と、ゼロクロス点の検出から交流電源電圧の瞬時値が中間コンデンサＣの両端電圧と等しくなるまでダミー抵抗Ｒｄｍにパルス電流を流すパルス電流回路とで構成されている。

ここで、パルス発生回路Ｉ１は交流電源電圧の半サイクルの前半にてパルス電圧を発生させ、パルス発生Ｉ２は交流電源電圧の半サイクルの後半にてパルス電圧を発生させるようになっている。

なお、トランジスタＱ１をオン状態にしてリアクトルＬｉｎに強制的に電流を流す場合、中間コンデンサＣの電荷がトランジスタＱ１を通して放電することのないように逆流防止用ダイオードＤ５が接続され、さらに、中間コンデンサＣの電荷を平滑コンデンサＣＤに放電する経路に、逆流防止用ダイオードＤ６と、平滑効果を高めるリアクトルＬｄｃが直列に接続されている。

上記の構成によって、交流電源電圧の瞬時値が中間コンデンサＣの両端電圧を超えない位相区間の一部または全部においてトランジスタＱ１をオン状態にすることによって、装置の大型化を抑えたままで、高調波成分の低減と高力率化を達成することができる。

「インバータドライブハンドブック」の６６１〜７１１頁を参照、インバータドライブハンドブック編集委員会編、１９９５年初版、日刊工業新聞社発行特開平９−２６６６７４号公報

しかしながら、上記従来の構成では、容量の大きな平滑用コンデンサＣＤとリアクトルＬｉｎ（特許文献１では１５００μＦ、６．２ｍＨ時のシミュレーション結果について記載されている）とを以前として有したままであり、さらに中間コンデンサＣとトランジスタＱ１とベース駆動回路Ｇ１とパルス発生回路Ｉ１、Ｉ２とダミー抵抗Ｒｄｍと逆流防止用ダイオードＤ５、Ｄ６と平滑効果を高めるリアクトルＬｄｃとを具備することで、装置の大型化や部品点数の増加に伴なうコストＵＰを招くという課題を有していた。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、交流電源を入力とする整流回路と直流電力から交流電力に変換するインバータを備えたモータ駆動用インバータ制御装置において、前記整流回路はダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続される所定の小容量のリアクタで構成され、前記インバータの直流母線間には、モータの回生エネルギーを吸収するための所定の小容量のコンデンサを設け、外部から与えられる前記モータの速度指令値に基づき、前記モータのモータ電圧指令値を作成するモータ電圧指令作成手段と、前記インバータの直流電圧値を検出するＰＮ電圧検出手段と、予め設定された前記インバータの直流電圧基準値を前記ＰＮ電圧検出手段から得られる前記インバータの直流電圧検出値で除算することによりＰＮ電圧補正係数を導出し、前記直流電圧検出値がゼロ以下の場合には前記ＰＮ電圧補正係数に予め設定されたＰＮ電圧補正係数の最大値を設定するＰＮ電圧補正手段と、前記モータのモータ電圧指令補正値を作成するモータ電圧指令補正手段とを備えたものである。

また、モータのモータ電圧指令補正値を作成するモータ電圧指令補正手段は、モータ電圧指令作成手段から得られる前記モータ電圧指令値と前記ＰＮ電圧補正手段の出力値であるＰＮ電圧補正係数とを掛け合わせることにより求めるものである。

上記の構成によって、小容量コンデンサおよび小容量リアクタを用いることで小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を実現でき、インバータ直流電圧が大幅に変動してモータの駆動が困難あるいは不可能となる場合でも、モータに印加する電圧がほぼ一定となるようにインバータを動作させ、モータの駆動を維持することが可能となる。

上記の構成によって、インバータ直流電圧が大幅に変動しゼロ以下となるような場合にもモータの駆動を維持することが可能となる。

また、ＰＮ電圧補正手段は、ＰＮ電圧補正係数が少なくとも予め設定された上限値もしくは下限値を有するものである。

上記の構成によって、インバータ直流電圧が大幅に変動するような場合でもモータの駆動を維持することが可能であり、さらに予め設定された上限値もしくは下限値を有することで交流電源電流の変動を抑制し、交流電源力率の改善と交流電源電流の高調波成分を抑制することが可能となる。

また、ＰＮ電圧補正手段は、直流電圧検出値が直流電圧基準値よりも大きい場合には直流電圧検出値に比例してＰＮ電圧補正係数を大きくするものである。

上記の構成によって、インバータ直流電圧が大幅に変動するような場合でもモータの駆動を維持することが可能であり、さらにインバータ直流電圧が直流電圧基準値よりも大きい場合にＰＮ電圧補正係数を大きくすることでモータの出力トルクの向上を図ることが可能となる。

また、インバータ運転周波数が交流電源周波数の偶数倍となる共振周波数と、共振周波数を中心としてその前後に予め設定された周波数幅を持たせた周波数範囲内でインバータ運転周波数が定常的に固定されるのを回避するものである。

上記の構成によって、インバータ周波数と交流電源周波数との共振現象を回避することでモータの不安定動作を防止し、安定した駆動を実現することが可能となる。

また、小容量リアクタと小容量コンデンサとの共振周波数を交流電源周波数の４０倍よりも大きくなるように小容量リアクタおよび小容量コンデンサの組み合わせを決定するものである。

上記の構成によって、交流電源電流の高調波成分を抑制し、ＩＥＣ規格をクリアすることが可能である。

また、インバータが停止した際に上昇する直流電圧値の最大値が素子の耐圧よりも小さくなるように小容量コンデンサの容量を決定するものである。

上記の構成によって、インバータ直流電圧の最大値を各駆動素子の耐圧よりも小さくなるように小容量コンデンサの容量を決定することで周辺回路の破壊を防止することが可能となる。

また、予め設定された交流電源力率値を満足するようにインバータのキャリア周波数を決定するものである。

上記の構成によって、予め設定された交流電源力率値を満足することが可能となり、必要最小限のキャリア周波数を設定することにより、インバータ損失を必要最小限に抑制することが可能となる。

上記から明らかなように、本発明は、交流電源を入力とする整流回路と直流電力から交流電力に変換するインバータとモータとを含み、前記整流回路はダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続される所定の小容量のリアクタで構成され、前記インバータの直流母線間には、前記モータの回生エネルギーを吸収するための所定の小容量のコンデンサを設け、外部から与えられる前記モータの速度指令値に基づき、前記モータのモータ電圧指令値を作成するモータ電圧指令作成手段と、前記インバータの直流電圧値を検出するＰＮ電圧検出手段と、予め設定された前記インバータの直流電圧基準値と前記ＰＮ電圧検出手段から得られる前記インバータの直流電圧検出値との比率を導出するＰＮ電圧補正手段と、前記モータのモータ電圧指令補正値を作成するモータ電圧指令補正手段とを備えたものである。そして、前記モータのモータ電圧指令補正値を作成する前記モータ電圧指令補正手段は、モータ電圧指令作成手段から得られる前記モータ電圧指令値と前記ＰＮ電圧補正手段の出力値であるＰＮ電圧補正係数とを掛け合わせることにより求めたものであり、この構成によれば、小容量コンデンサおよび小容量リアクタを用いることで小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を実現でき、インバータ直流電圧が大幅に変動してモータの駆動が困難あるいは不可能となる場合でも、モータに印加する電圧がほぼ一定となるようにインバータを動作させ、モータの駆動を維持することが可能であるという効果を奏する。

また、本発明は、ＰＮ電圧補正手段は、直流電圧基準値を直流電圧検出値で除算することによりＰＮ電圧補正係数を導出し、直流電圧検出がゼロ以下の場合にはＰＮ電圧補正係数に予め設定されたＰＮ電圧補正係数の最大値を設定するもので、この構成によれば、インバータ直流電圧が大幅に変動しゼロ以下となるような場合にもモータの駆動を維持することが可能であるという効果を奏する。

また、本発明は、ＰＮ電圧補正手段は、ＰＮ電圧補正係数が少なくとも予め設定された上限値もしくは下限値を有するもので、この構成によれば、インバータ直流電圧が大幅に変動するような場合でもモータの駆動を維持することが可能であり、さらに予め設定された上限値もしくは下限値を有することで交流電源電流の変動を抑制し、交流電源力率の改善と交流電源電流の高調波成分を抑制することが可能であるという効果を奏する。

また、本発明は、ＰＮ電圧補正手段は、直流電圧検出値が直流電圧基準値よりも大きい場合には直流電圧検出値に比例してＰＮ電圧補正係数を大きくするもので、この構成によれば、インバータ直流電圧が大幅に変動するような場合でもモータの駆動を維持することが可能であり、さらにインバータ直流電圧が直流電圧基準値よりも大きい場合にＰＮ電圧補正係数を大きくすることでモータの出力トルクの向上を図ることが可能であるという効果を奏する。

また、本発明は、インバータ運転周波数が交流電源周波数の偶数倍となる共振周波数と、共振周波数を中心としてその前後に予め設定された周波数幅を持たせた周波数範囲内でインバータ運転周波数が定常的に固定されるのを回避するもので、この構成によれば、インバータ周波数と交流電源周波数との共振現象を回避することでモータの不安定動作を防止し、安定した駆動を実現することが可能であるという効果を奏する。

また、本発明は、小容量リアクタと小容量コンデンサとの共振周波数を交流電源周波数の４０倍よりも大きくなるように小容量リアクタおよび小容量コンデンサの組み合わせを決定するもので、この構成によれば、交流電源電流の高調波成分を抑制し、ＩＥＣ規格をクリアすることが可能であるという効果を奏する。

また、本発明は、インバータが停止した際に上昇する直流電圧値の最大値が素子の耐圧よりも小さくなるように小容量コンデンサの容量を決定するもので、この構成によれば、インバータ直流電圧の最大値を各駆動素子の耐圧よりも小さくなるように小容量コンデンサの容量を決定することで周辺回路の破壊を防止することが可能であるという効果を奏する。

また、本発明は、予め設定された交流電源力率値を満足するようにインバータのキャリア周波数を決定するもので、この構成によれば、予め設定された交流電源力率値を満足することが可能となり、必要最小限のキャリア周波数を設定することにより、インバータ損失を必要最小限に抑制することが可能であるという効果を奏する。

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、以下の実施の形態ではインダクションモータ駆動用インバータ制御装置について説明しているが、本発明はインダクションモータ駆動用インバータ制御装置に限ることなく、全てのモータ駆動用インバータ制御装置に適用できるものである。

（実施の形態１）
本発明の第１の実施形態を示すインダクションモータ駆動用インバータ制御装置のシステム構成図を図１に示す。図１において、主回路は交流電源１と、交流電力を直流電力に変換するダイオードブリッジ２と、小容量リアクタ１１と、小容量コンデンサ１２と、直流電力を交流電力に変換するインバータ３と、インバータ３により変換された交流電力により駆動するインダクションモータ４から構成されている。

一方、制御回路では、外部から与えられたインダクションモータ４の速度指令Ｗ^*に基づいてインダクションモータ４に印加するモータ電圧値を決定するＶ／Ｆ制御パターン１３と、Ｖ／Ｆ制御パターン１３から決定されるモータ電圧値に基づいてインダクションモータ４のモータ電圧指令値を作成するモータ電圧作成手段１４と、インバータ３の直流電圧値を検出するＰＮ電圧検出手段１５と、予め設定されたインバータ３の直流電圧基準値とＰＮ電圧検出手段１５から得られるインバータ３の直流電圧検出値との比率を導出するＰＮ電圧補正手段１６と、モータ電圧指令作成手段１４から得られるモータ電圧指令値とＰＮ電圧補正手段１６の出力値であるＰＮ電圧補正係数とを掛け合わせることによりモータ電圧指令値の電圧補正を行ないインダクションモータ４のモータ電圧指令補正値を作成するモータ電圧指令補正手段１７と、モータ電圧指令補正手段１７から作成されたモータ電圧指令補正値に基づいてインバータ３のＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ制御手段１８から構成されている。

なお、Ｖ／Ｆ制御パターン１３については、上述の従来の技術にて説明しているのでここでは説明を省略する。（図１１のＶ／Ｆ制御方式のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置）
以下では、具体的な方法について説明する。

モータ電圧指令作成手段１４では数（１）で表される演算によりモータ電圧指令値ｖ_u ^*、ｖ_v ^*、ｖ_w ^*を作成する。

ここで、Ｖ_mはＶ／Ｆ制御パターン１３から決定されるモータ電圧値であり、θ₁は数（２）で表されるように速度指令Ｗ^*を時間積分することで導出する。

また、図２は本発明に係るＰＮ電圧補正手段１６の第１の実施例を示した図で、ＰＮ電圧補正手段１６では予め設定されたインバータ３の直流電圧基準値Ｖ_pn0とＰＮ電圧検出手段１５から得られるインバータ３の直流電圧検出値ｖ_pnを用いて数（３）のようにＰＮ電圧補正係数ｋ_pnを導出する。

ここで、本発明では小容量コンデンサを用いているため、直流電圧検出値ｖ_pnがゼロとなる場合が生じるので、ゼロ割防止のための微小項δ₀を設定しておく必要がある。

なお、数（３）の微小項δ₀の代わりに、直流電圧検出値ｖ_pnがゼロ以下の場合においてＰＮ電圧補正係数ｋ_pnに予め設定されたＰＮ電圧補正係数の最大値を設定することでゼロ割防止を図ることができる。

即ち、数（４）のようにＰＮ電圧補正係数ｋ_pnを導出しても良い。

ここで、ｋ_pn__maxは予め設定されたＰＮ電圧補正係数の最大値である。

また、モータ電圧指令補正手段１７ではモータ電圧指令値ｖ_u ^*、ｖ_v ^*、ｖ_w ^*とＰＮ電圧補正係数ｋ_pnを用いて数（５）のようにモータ電圧指令補正値ｖ_uh ^*、ｖ_vh ^*、ｖ_wh ^*を導出する。

以上のように、本実施形態のインバータ制御装置は、ＰＮ電圧補正係数を用いて各相電圧指令値の補正を行なうため、ＰＮ電圧の変動があってもほぼ一定のモータ電圧が印加されるようになり、大容量のコンデンサが不要となり、小容量のコンデンサの使用が可能となる。そして、小容量のコンデンサを使用することにより、入力電流は常にモータへ供給されることになり、入力電流の力率が向上するため、リアクタの小型化が実現できる。そして、小容量リアクタおよび小容量コンデンサを用いることで、小型・軽量・低コストのインダクションモータ駆動用インバータ制御装置を実現でき、インバータ直流電圧が大幅に変動してインダクションモータの駆動が困難あるいは不可能となる場合でも、インダクションモータに印加する電圧がほぼ一定となるようにインバータを動作させ、インダクションモータの駆動を維持することが可能となる。

なお、本発明は上述の実施例のようにＶ／Ｆ制御によるインダクションモータ駆動用インバータ制御装置に限定されるものではなく、周知のベクトル制御によるインダクションモータ駆動用インバータ制御装置においても本発明は適用可能である。

なお、空気調和機における圧縮機駆動モータなどのようにパルスジェネレータ等の速度センサを使用することができない場合や、サーボドライブなどのように速度センサを具備することができる場合のどちらにおいても本発明は適用可能である。

（実施の形態２）
本発明に係るＰＮ電圧補正手段の第２の実施例を図３に示す。図３において、ＰＮ電圧補正係数ｋ_pnは予め設定された上限値ｋ_pn1および下限値ｋ_pn2を有するもので、数（６）のように表される。

ここで、Ｖ_pn1、Ｖ_pn2はそれぞれＰＮ電圧補正係数の上限値ｋ_pn1と下限値ｋ_pn2のときの直流電圧値検出値である。

なお、ＰＮ電圧補正係数ｋ_pnは、必ずしも図３のように上限値ｋ_pn1および下限値ｋ_pn2の両方を有する必要はなく、運転状況に応じてどちらか一方のみ有する場合でも良い。

また、従来のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置（特許文献１の直流電源装置を用いたインダクションモータ駆動用インバータ制御装置も含む）では、１０００μＦを越えるような容量の大きな電解コンデンサに蓄えられる電気エネルギーにより、運転範囲内の負荷条件ならばインダクションモータの駆動を維持することが可能であるが、本発明では小容量リアクタおよび小容量コンデンサを用いており、小容量コンデンサに蓄えられる電気エネルギーが小さいため、電気エネルギーが不足するような場合でもインダクションモータの駆動を維持するためには小容量リアクタの磁気エネルギーを併用するしかないため、インダクションモータの駆動特性と交流電源の電気特性とはトレードオフの関係にある。

そのため、インダクションモータの限界負荷耐量に余裕がある場合には、過分な電圧補正を抑えることで交流電源の電気特性を改善することが可能となる。

ここで、本発明のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置を動作させた場合の結果を図５および図６に示す。図５はＰＮ補正係数ｋ_pnに上限値および下限値のどちらも設定されていない場合の動作結果で、図６はＰＮ補正係数ｋ_pnに上限値ｋ_pn1および下限値ｋ_pn2の両方とも設定されている場合の動作結果であり、図５と図６のリアクタ電流波形（ダイオードブリッジを通った後の電流）を比較すればその効果は明白である。

なお、このときの諸元としては、小容量リアクタのインダクタンス値は２ｍＨ、小容量コンデンサの容量は２５μＦ、交流電源は２２０Ｖ（５０Ｈｚ）、インバータ運転周波数は５７Ｈｚ（ここではモータの極数は２極のため、インバータ運転周波数とモータ速度指令値は等しい）、インバータキャリア周波数は５ｋＨｚである。

以上により、ＰＮ電圧補正係数ｋ_pnは少なくとも予め設定された上限値ｋ_pn1もしくは下限値ｋ_pn2を有することで、交流電源電流の変動を抑制し、交流電源力率の改善と交流電源電流の高調波成分を抑制することが可能である。

（実施の形態３）
本発明に係るＰＮ電圧補正手段の第３の実施例を図４に示す。図４において、直流電圧検出値ｖ_pnが直流電圧基準値Ｖ_pn0よりも大きい場合には直流電圧検出値ｖ_pnに比例してＰＮ電圧補正係数ｋ_pnを大きくするもので、数（７）のように表される。

ここで、δ₀はゼロ割防止のための微小項であり、直流電圧検出値ｖ_pnがＶ_pn0〜Ｖ_pn3の領域ではＰＮ電圧補正係数ｋ_pnが急激に変化しないようにＰＮ電圧補正係数ｋ_pnの導出演算の切替猶予期間を設定し、直流電圧検出値ｖ_pnがＶ_pn4を越える領域ではＰＮ電圧補正係数ｋ_pnの増加時の上限値ｋ_pn4を設定している。

なお、切替猶予期間や上限値ｋ_pn4は必ずしも設定する必要はなく、運転状況に応じては設定しなくとも良い。

また、インダクションモータの出力トルクはモータ印加電圧の２乗に比例することが一般的に知られており（例えば、「インバータドライブハンドブック」の３３頁を参照、インバータドライブハンドブック編集委員会編、１９９５年初版、日刊工業新聞社発行）、インダクションモータの限界負荷耐量が不足する場合には、直流電圧検出値ｋ_pnが直流電圧基準値Ｖ_pn0よりも大きい区間で更なる電圧補正を行なうことでモータ印加電圧を大きくし、インダクションモータの駆動を維持することが可能となる。

以上により、直流電圧検出値ｖ_pnが直流電圧基準値Ｖ_pn0より大きい場合にＰＮ電圧補正係数ｋ_pnを大きくすることでインダクションモータの出力トルクの向上を図ることが可能である。

（実施の形態４）
本発明に係るインバータ運転周波数の設定に関する具体的な方法について以下に説明する。

本発明のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置では小容量コンデンサを用いているため、上述の図５もしくは図６のようにインバータ直流電圧は交流電源周波数ｆ_Sの２倍の周波数で大きく脈動する。

そのため、インバータ運転周波数ｆ₁が交流電源周波数ｆ_Sの偶数倍となる周波数では、インバータ直流電圧が脈動する周波数（交流電源周波数ｆ_Sの２倍の周波数）と同期し共振現象が生じてしまう。

ここで、本発明のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置を動作させた場合の結果を図７に示す。図７はインバータ運転周波数ｆ₁が交流電源周波数ｆ_Sの２倍となる場合の動作結果で、インバータ直流電圧が脈動する周波数と同期して共振現象が生じ、図７においてはモータ電流に負の直流成分が重畳されていることがわかる。

そのため、インダクションモータにはブレーキトルクが発生し、出力トルクの減少やモータ損失が増加するといった悪影響が生じてしまう。

なお、このときの諸元としては、小容量リアクタのインダクタンス値は０．５ｍＨ、小容量コンデンサの容量は１０μＦ、交流電源は２２０Ｖ（５０Ｈｚ）、インバータ運転周波数は１００Ｈｚ（ここではモータの極数は２極のため、インバータ運転周波数とモータ速度指令値は等しい）、インバータキャリア周波数は５ｋＨｚである。

そこで、インバータ運転周波数ｆ₁の設定において、インバータ運転周波数ｆ₁が数（８）となるような場合で定常的に固定されるのを回避する必要がある。

ここで、ｎは整数、△ｆは予め設定された周波数幅であり、周波数幅△ｆに関しては基本的には上述の共振現象の影響が少なくなるように設定しておく。

また、インバータ運転周波数ｆ₁が数（８）で求められる共振周波数を越える場合には、加速あるいは減速といった過渡状態で一気にインバータ運転周波数ｆ₁を変更させ、共振周波数で固定することを回避する。

なお、周波数幅△ｆは必ずしも設定する必要はなく、運転状況（軽負荷時など）によっては設定しなくとも良い（この場合は△ｆ＝０とすれば良い）。

以上により、インバータ周波数と交流電源周波数との共振現象を回避することでインダクションモータの不安定動作を防止し、安定した駆動を実現することが可能となる。

（実施の形態５）
本発明に係る小容量コンデンサおよび小容量リアクタの仕様決定に関する具体的な方法について以下に説明する。

本発明のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置では、交流電源電流の高調波成分を抑制してＩＥＣ規格をクリアするために、小容量コンデンサと小容量リアクタとの共振周波数ｆ_LC（ＬＣ共振周波数）を交流電源周波数ｆ_Sの４０倍よりも大きくなるように小容量コンデンサと小容量リアクタの組み合わせを決定する。

ここで、小容量コンデンサの容量をＣ［Ｆ］、小容量リアクタのインダクタンス値をＬ［Ｈ］とすると、ＬＣ共振周波数ｆ_LCは数（９）のように表される。

即ち、ｆ_LC＞４０ｆ_Sを満たすように小容量コンデンサと小容量リアクタの組み合わせを決定するものである（ＩＥＣ規格では交流電源電流の高調波成分において第４０次高調波まで規定されているため）。

以上により、小容量コンデンサおよび小容量リアクタの組み合わせを決定することで、交流電源電流の高調波成分を抑制して、ＩＥＣ規格をクリアすることが可能となる。

次に、小容量コンデンサの容量の決定について以下に説明する。

インバータが停止した際には、小容量コンデンサがインダクションモータの回生エネルギー（停止直前までインダクションモータのインダクタンス成分に蓄えられていた磁気エネルギー）を吸収してインバータの直流電圧値が上昇するため、そのときの直流電圧の最大値が素子の耐圧よりも小さくなるように小容量コンデンサの容量を決定する。

なお、小容量リアクタのインダクタンス値は上述の方法で自動的に決定することができる。

（実施の形態６）
本発明に係るインバータキャリア周波数の設定に関する具体的な方法について以下に説明する。

本発明のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置では、実施の形態２で説明したが、小容量コンデンサに蓄えられる電気エネルギーが小さいため、電気エネルギーが不足するような場合でもインダクションモータの駆動を維持するためには小容量リアクタの磁気エネルギーを併用するしかないため、リアクタ電流波形（ダイオードブリッジを通った後の電流で、概ね交流電源電流の絶対値をとった電流と等しい）はインバータのキャリア周波数の影響を大きく受けてしまう。

そのため、本発明のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置では、予め設定された交流電源力率値を満足するようにインバータのキャリア周波数を設定する。

ここで、本発明のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置を動作させた場合の結果を図８〜図１０に示す。それぞれ図８はキャリア周波数が３．３ｋＨｚ時、図９は５ｋＨｚ時、図１０は７．５ｋＨｚ時の動作結果であり、リアクタ電流波形を比較すれば、リアクタ電流（もしくは交流電源電流）はキャリア周波数による依存性が大きいことがわかる。

また、それぞれの交流電源力率値をディジタルパワーメータにて測定したところ、図８のキャリア周波数が３．３ｋＨｚ時には０．８７８、図９の５ｋＨｚ時には０．９５６、図１０の７．５ｋＨｚには０．９６２となった。

なお、このときの諸元としては、小容量リアクタのインダクタンス値は０．５ｍＨ、小容量コンデンサの容量は１０μＦ、交流電源は２２０Ｖ（５０Ｈｚ）、インバータ運転周波数は５７Ｈｚ（ここではモータの極数は２極のため、インバータ運転周波数とモータ速度指令値は等しい）、交流電源における入力電力は９００Ｗである。

ここで、例えば予め設定した交流電源力率値が０．９である場合には、キャリア周波数を３．３ｋＨｚ〜５ｋＨｚの間に設定すれば良いことになり、最終的には予め設定した交流電源力率値（この場合は０．９）を満足しつつ、最もキャリア周波数が低くなるように決定する。

以上により、予め設定された交流電源力率値を満足することが可能となり、必要最小限のキャリア周波数を設定することにより、インバータ損失を必要最小限に抑制することが可能となる。
なお、前述の実施の形態ではインダクションモータについて説明を行なったが、本発明はその他のモータについても適用可能なものである。

本発明の第1の実施形態を示すインダクションモータ駆動用インバータ制御装置のシステム構成図本発明に係るＰＮ電圧補正手段の第１の実施形態を示す図本発明に係るＰＮ電圧補正手段の第２の実施形態を示す図本発明に係るＰＮ電圧補正手段の第３の実施形態を示す図本発明のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置の第１の動作結果を示す図本発明のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置の第２の動作結果を示す図本発明のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置の第３の動作結果を示す図本発明のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置の第４の動作結果を示す図本発明のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置の第５の動作結果を示す図本発明のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置の第６の動作結果を示す図一般的なインダクションモータ駆動用インバータ制御装置のシステム構成図一般的なＶ／Ｆ制御パターンの一例を示す図図１１のインダクションモータ駆動用インバータ装置における交流電源電流の高調波成分と交流電源周波数に対する次数との関係を示した線図従来の直流電源装置図

符号の説明

１交流電源
２整流回路
３インバータ
４インダクションモータ
１１小容量リアクタ
１２小容量コンデンサ
１３Ｖ／Ｆ制御パターン
１４モータ電圧指令作成手段
１５ＰＮ電圧検出手段
１６ＰＮ電圧補正手段
１７モータ電圧指令補正手段
１８ＰＷＭ制御手段

Claims

交流電源を入力とする整流回路と直流電力から交流電力に変換するインバータを備えたモータ駆動用インバータ制御装置において、前記整流回路はダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続される所定の小容量のリアクタで構成され、前記インバータの直流母線間には、モータの回生エネルギーを吸収するための所定の小容量のコンデンサを設け、外部から与えられる前記モータの速度指令値に基づき、前記モータのモータ電圧指令値を作成するモータ電圧指令作成手段と、前記インバータの直流電圧値を検出するＰＮ電圧検出手段と、予め設定された前記インバータの直流電圧基準値を前記ＰＮ電圧検出手段から得られる前記インバータの直流電圧検出値で除算することによりＰＮ電圧補正係数を導出し、前記直流電圧検出値がゼロ以下の場合には前記ＰＮ電圧補正係数に予め設定されたＰＮ電圧補正係数の最大値を設定するＰＮ電圧補正手段と、前記モータのモータ電圧指令補正値を作成するモータ電圧指令補正手段とを備えたことを特徴とするモータ駆動用インバータ制御装置。
前記モータのモータ電圧指令補正値を作成する前記モータ電圧指令補正手段は、前記モータ電圧指令作成手段から得られる前記モータ電圧指令値と前記ＰＮ電圧補正手段の出力値であるＰＮ電圧補正係数とを掛け合わせることにより求めることを特徴とする請求項１記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
前記ＰＮ電圧補正手段は、前記ＰＮ電圧補正係数が少なくとも予め設定された上限値もしくは下限値を有することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
前記ＰＮ電圧補正手段は、前記直流電圧検出値が直流電圧基準値よりも大きい場合には直流電圧検出値に比例して前記ＰＮ電圧補正係数を大きくすることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
インバータ運転周波数が交流電源周波数の偶数倍となる共振周波数と、前記共振周波数を中心としてその前後に予め設定された周波数幅を持たせた周波数範囲内で前記インバータ運転周波数が定常的に固定されるのを回避することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
小容量リアクタと小容量コンデンサとの共振周波数を交流電源周波数の４０倍よりも大きくなるように前記小容量リアクタおよび前記小容量コンデンサの組み合わせを決定することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
前記インバータが停止した際に上昇する前記直流電圧値の最大値が素子の耐圧よりも小さくなるように小容量コンデンサの容量を決定することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
予め設定された交流電源力率値を満足するように前記インバータのキャリア周波数を決定することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置と、前記コンバータ装置で変換された直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換して圧縮機駆動モータに供給するインバータ装置とを備えた空気調和機において、前記インバータ装置として、請求項１に記載のモータ駆動用インバータ制御装置を用いることを特徴とする空気調和機。