JP5119025B2 - モータ制御装置、空気圧縮機、空気調和機、乗客コンベアの制御装置及びコンベアの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御の技術について、特にモータを起動するための制御技術に関する。

同期モータを制御して圧縮機を駆動しようとする等、制御指令値として所定の回転数が与えられた場合に、その指令値に従って同期モータを駆動しようとすると、大きなトルクが発生し、場合によってはモータの同期はずれが起こることがある。特許文献１には、ピストンを有し冷媒を圧縮する圧縮機において、液化した冷媒を排出して安定した起動を可能とすることが記載されている。

また、特許文献２は、ピストンを有する気体の圧縮機において、ピストンの位置を所定
の位置に停止させて安定した起動を可能とすることを特徴とするものである。

特開２００３−２８０７３号公報 特開２００６−１６６６５８号公報

同期モータの起動時に同期はずれ(脱調)を起こさないようにするためには、起動に必要な負荷トルクに見合った大きなトルクを出力する必要がある。このためには、同期モータに大きな起動電流を流して起動を行うことが必要となるが、常に大電流を流す起動方法は、スイッチング制御により起動電流を生成する半導体素子(ＩＧＢＴ等)に対して負荷が大きい。このために、半導体素子のパワーサイクル寿命を短くなるという問題があったが、従来技術はこの点について考慮したものではなかった。

例えば、同期モータが空気圧縮機に搭載されている場合、空気圧縮機の起動に必要なトルクが増大することがある。これは、空気圧縮機が圧縮室に潤滑油を供給しながら空気圧縮を行うことによるものであるが、この潤滑油は低温環境において粘度が高くなるため、これにより起動時のトルクが増大するためである。特に潤滑油は温度が低くなると粘度が高くなるため、低温環境において起動する場合に起動トルクは増大する。

従来は、このように起動トルクが増大した場合であっても必ず起動できるように大電流を永久磁石同期モータに流すことで起動を行っていたため、上記したような半導体素子のパワーサイクル寿命が短くなるという問題があった。

また一方で、起動電流を下げて起動を行うと、トルクが足りない場合には、保護機能が働き永久磁石同期モータへの出力が遮断され空気圧縮機を起動することができない。このような場合には空気圧縮機の再起動等の保守作業が必要となり、信頼性の低下につながる。

本発明の目的は、上述の課題を解決することを提案し、半導体素子の寿命を延ばすと共に安定した起動を行えるモータ制御装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、同期モータが搭載された空気圧縮機等の機械を安定して起動し、信頼性の向上を図ることである。

上記目的を解決するために本発明は、例えば請求項に記載の構成とする。

一例を挙げると、同期モータに電流を流すことにより同期モータを制御するモータ制御装置であって、前記同期モータ内部に備えられた温度検出器の検出値を受信する受信部を備え、前記同期モータを起動する際に、前記受信部で受信した温度に応じて、前記同期モータに流す電流の大きさを変えるものである。

上記態様において、前記同期モータに流す電流は、前記温度が低いほど大きくすることが望ましい。

さらに、前記同期モータの起動は、前記同期モータに備えられた電機子巻線に対して特定の相に直流電流を通電することにより行われることが望ましい。

本発明の別態様としては、空気を圧縮する圧縮機本体と、この圧縮機本体を駆動する同期モータと、この同期モータの回転数を制御するモータ制御部と、前記圧縮された空気に油を供給する油供給手段とを備えた空気圧縮機において、前記油の温度を検出する温度検出器を備え、前記圧縮機本体を起動する際に前記検出された温度に応じて前記モータ制御部により前記同期モータに流す電流の大きさを変えて起動されるものである。

上記態様において、圧縮機本体が起動される際に前記検出された温度が設定値以下である場合は第１の起動電流で起動され、前記検出された温度が前記設定値より大きい場合には前記第１の起動電流より小さい第２の起動電流で起動されることが望ましい。

さらに、検出された温度が高いほど前記電流は小さく設定されて起動されることが望ましい。

さらに、前記温度検出器は前記同期モータ内部に設置されていることが望ましい。

また、本発明の別態様としては、冷媒が循環する冷凍サイクルを備えた空気調和機であって、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、この圧縮機を駆動する同期モータと、この同期モータの回転数を制御するモータ制御部と、前記冷媒の温度を検出する温度検出器とを備え、前記圧縮機を起動する際に前記検出された温度に応じて前記モータ制御部により前記同期モータに流す電流の大きさを変えて起動されるものである。

上記態様において、前記冷媒の圧力を検出する圧力検出器を備え、前記検出された温度と前記検出された圧力に応じて前記モータ制御部により前記同期モータに流す電流の大きさを変えて起動されるものである。

さらに、本発明の別態様としては、無端状に連結されて循環移動する複数の踏段と、この踏段と同期して移動する手摺と、前記踏段と手摺を駆動する同期モータと、この同期モータの回転数を制御するモータ制御部とを備えた乗客コンベアの制御装置において、搬送される乗客の重量を検出する検出部を備え、前記乗客コンベアを起動する際に前記検出された重量に応じて前記モータ制御部により前記同期モータに流す電流の大きさを変えて起動されることを特徴とするものである。

上記態様において、前記検出された重量が大きいほど前記電流は大きく設定されて起動されることが望ましい。

さらに、本発明の別態様としては、同期モータによって駆動される複数のローラと、これらのローラを連結する搬送ベルトと、前記同期モータの回転数を制御するモータ制御部を備え、前記ローラが回転し搬送ベルトが移動することにより被搬送物を搬送するコンベアの制御装置において、前記被搬送物の重量を検出する検出部を備え、前記コンベアを起動する際に前記検出された重量に応じて前記モータ制御部により前記同期モータに流す電流の大きさを変えて起動されるものである。

上記態様において、前記検出された重量が大きいほど前記電流は大きく設定されて起動されることが望ましい。

発明の望ましい実施態様によれば、半導体素子の寿命を延ばすモータの制御装置を提供することを提供することができる。

本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施形態の中で明らかにする。

以下、図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

なお、以下の実施形態では、交流電動機として永久磁石同期モータを用いて説明するが、誘導電動機やリラクタンスモータなどの他の交流電動機に関しても、同様に実現可能である。

本発明によるモータ制御装置の実施例１について図を用いて説明する。図１に本発明の一実施形態である交流モータ駆動システムの構成図を示す。

この構成図は、３相の永久磁石同期モータ６と、永久磁石同期モータ６の駆動を制御するモータ制御部１と、永久磁石同期モータ６を駆動する電力変換回路５とを備え、モータ制御部１の内部で、永久磁石同期モータ６の回転子位置の推定演算と速度制御を行う、すなわち、位置センサレス制御を行う。位置センサレス制御においては、モータが回転しないと回転子がどの位置にあるのか判断できないため、どのように電流を流せば起動することができるかわからない。

そのため、本実施例においては、以下に示す方法で永久磁石同期モータを起動・制御することにしている。制御の詳細は後述するが、ここでは起動から位置センサレス制御を行うまでについて簡単に説明する。

図２に示すように、永久磁石モータ６の起動は、任意の相のモータ巻線に、徐々に直流電流を流して永久磁石モータ６の回転子をある位置に固定する位置決め運転により行う。これにより、回転子を所定の位置まで移動することができる。そして位置決め運転により起動した後は、永久磁石同期モータの位置センサレス制御を安定して行うことができる回転数になるまで、ｄ軸電流指令値Ｉｄ*およびｑ軸電流指令値Ｉｑ*と周波数指令ω*にしたがって永久磁石モータ６に印加する電圧を決定する同期運転を行う。この同期運転の後、所定の回転数まで上がった状態で、軸誤差Δθｃがゼロになるようにインバータ周波数指令値ω１*を調整する位置センサレス制御を行う。

位置決め運転により永久磁石同期モータを起動する際には、モータ制御部１からの制御指令により、永久磁石同期モータに起動電流を流す。永久磁石同期モータは起動トルクが何らかの原因で大きくなりすぎると、脱調(同期はずれ)を起こすことがあるが、この脱調の検知は困難であるため、本実施例においては負荷トルクが増大した場合には過電流が発生することを利用し、これを検出した場合に同期モータを停止させることで保護を図っている。この過電流の検出は、ｄ軸検出電流Ｉｄｃと、ｑ軸検出電流Ｉｑｃに基づいて定まるモータ電流Ｉの値により判断される。そして、モータ電流Ｉは、
Ｉ＝√（Ｉｄｃ²＋Ｉｑｃ²）
によって表され、この値が所定の値(例えば４２０Ａ)を越えた場合に、過負荷による過電流が発生しているものと判断され、保護機能が作動し電力変換回路の出力は遮断される。

この過電流発生を判断するモータ電流の値は、パワーモジュールの耐圧等によって決まるが、通常の運転では上記モータ電流の値にならないように約２０％ほどの尤度をもって制御されるように設計される。

しかし、上記保護機能が働く場合は再起動等の保守作業が必要となり、信頼性の低下につながるため、保護機能が働かないように永久磁石同期モータを制御することが求められる。そして、保護機能を働かせることなく確実に起動できるようにするためには、起動トルクの増大に対応できるような大きな起動電流を永久磁石同期モータに流すことが必要となる。

また、永久磁石同期モータに流す電流は電力変換回路５により生成される。電力変換回路５には、電力を制御するパワーＭＯＳＦＥＴや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(ＩＧＢＴ)などのパワーデバイスの駆動回路や自己保護機能を組み込んだパワーモジュールが用いられており、このＩＧＢＴがオン／オフ制御されることにより永久磁石同期モータへ流す電流が生成されている。

次に、半導体素子(ＩＧＢＴ)の寿命について説明する。ＩＧＢＴは電流を流すときにスイッチングを行うため、この際に発熱や温度上昇が発生し、これが繰り返されることにより、パワーモジュール各部の接合、例えばＩＧＢＴと絶縁材との間の半田層、及び、絶縁材と金属ベース板との間の半田層に応力が発生し、この応力が繰り返して半田層に加わる結果、これらの半田層に亀裂が生じるという問題がある。

この問題は、パワーモジュールを構成している材料(セラミックス・銅・シリコン等)の熱膨張係数がそれぞれ異なるため、温度が上昇すると熱膨張係数の違いが応力として内部に発生し、これが半田層に加わることに起因している。そして、半田層の亀裂は、半導体素子において生じる熱の放散を妨げるものであり、温度上昇を繰り返すごとに亀裂が進展し、運転に伴って半導体素子のジャンクション温度が次第に高くなり、ついには許容できる限界値を越えて素子の破壊に至ってしまう可能性がある。なお、このような運転の繰り返し回数に応じた半導体素子の寿命をパワーサイクル寿命と呼ぶ。

次に図３を用いて、一般的な半導体素子(ＩＧＢＴ)のパワーサイクル寿命について説明する。パワーサイクル寿命はジャンクションの温度変化ΔＴｊに反比例する特性があり、図３はその一例を示している。そして、温度変化ΔＴｊが大きいほど許容できる運転の繰り返し回数が少なくなり、パワーサイクル寿命が短くなる。すなわち、温度変化が大きいほど半田層に生ずる応力が大きくなり、これがパワーサイクル寿命を短縮させることになる。

本実施例は、この温度変化ΔＴｊを小さくすることでパワーサイクル寿命を延ばし信頼性を向上させることを目的としている。そしてこのために、起動に必要なトルクが小さい場合には起動電流を低くして起動を行う。それは、負荷トルクが最大となっている場合を想定し、常に起動できるように大電流で起動を行うとパワーサイクル寿命が短くなることを考慮したものである。起動電流を小さくして起動を行うことで、上記温度変化ΔＴｊを小さくしパワーサイクル寿命を延ばすことができる。

具体的な起動方法の例として、永久磁石同期モータが空気圧縮機に搭載された場合を説明する。産業用に広く用いられている空気圧縮機で、およそ５ｋＷから２００ｋＷ容量のものはスクリュー式が大部分である。本実施例においてはこのスクリュー式の空気圧縮機について説明する。

図４に本実施例における空気圧縮機の構成図を示す。空気圧縮機を起動する際、空気圧縮機制御部１０１からの制御指令がモータ制御部１に与えられ、これによりモータ制御部１の信号により永久磁石同期モータが起動する。具体的には図１における電力変換回路５からの電流が永久磁石同期モータ６に流れることで永久磁石同期モータ６が起動し、これにより圧縮機本体１０２が駆動される。空気圧縮機の動作について説明する。

吸込フィルタ１０３から吸込まれた空気は吸込絞り弁１０４を経た後、圧縮機本体１０２のロータ１０５間で圧縮され、吐出口１０６から吐出される。圧縮により発生した圧縮熱を冷却するため、および潤滑とシールのために、圧縮機本体１０２のロータ１０５部に潤滑油が注入される。吐出口１０６から潤滑油とともに吐出された圧縮空気は、オイルセパレータタンク１０７内に流入し、オイルセパレータエレメント１０８で潤滑油と分離され、吐出配管１０９から逆止弁１１０、調圧弁１１１を順次通って、アフタークーラ１１２に流入し、このアフタークーラ１１２において冷却された後、図示しない外部装置へ吐出される。

一方、潤滑油はオイルセパレータタンク１０７内で圧縮空気と分離され、オイルセパレータタンク１０７の底部からオイルクーラ１１３へと導かれる。オイルクーラ１１３で冷却された潤滑油と、オイルクーラを経由しない無冷却の潤滑油とが温調弁１１４内で混合され、圧縮機本体１０２を潤滑する。オイルクーラ１１３及びアフタークーラ１１２は、冷却ファン１１５の冷却風で冷却される。

圧縮機本体１０２のロータ１０５軸と永久磁石同期モータ６軸とは回転をベルト１１６により連結される。永久磁石同期モータ６は、モータ制御部１からの指令により制御され可変速運転が可能になっている。逆止弁１１０の下流側には圧力センサ１１７が設けられ、圧縮機本体１０２から吐出される圧力を検出している。この圧力センサ１１７の出力信号は、入出力部１０６へ入力される。空気圧縮機制御部１０１は、記憶手段とＰＩＤ機能を有しており、記憶された設定圧力と圧力センサ１１７が検出した圧力とを比較し、検出圧力が目標圧力Ｐ０となるような周波数をモータ制御部１に与え、永久磁石同期モータの回転数を変化させる。

圧縮機本体１０２の上流側に設けられる吸込絞り弁１０４の弁板１０４ａは、ピストン１０４ｂが電磁弁１１８側から圧力を受けると閉方向に動作する。つまり、電磁弁１１８が開となると、オイルセパレータ１０８内の高圧力が吸込絞り弁１０４へと導かれ、このピストン１０４ｂへ圧力が付加される。さらに、オイルセパレータ１０８内の空気の一部は、電磁弁１１８が開となると同時に放気配管１１９を経由して吸込絞り弁１０４の吸込側へと放気される。このとき、オリフィス１２０で流量が調整される。放気配管１１９の代わりに、直接大気へ放気する構成にしても良い。

ここで、空気圧縮機の起動トルクが増大する原因について説明する。

図５にスクリュー式の空気圧縮機における圧縮機本体１０２を示す。この図５はロータの回転軸に直交する断面での断面図を示している。図５に示すように雄ロータ１５１と雌ロータ１５２はケーシング１５３内部で一部を重複する円筒形状穴の中に回転自在に収納され、互いの歯が噛み合って回転する。円筒形状の穴の内面は雄ロータ側の壁面１５４と雌ロータ側の壁面１５５からなり圧縮室１５６を形成している。圧縮室１５６はロータの回転によって容積が拡大し次に縮小する。拡大過程にあっては圧縮室１５６に空気を導入する。容積の縮小過程にあっては圧縮室を所定圧力まで内圧が上昇するまで閉じたままとし、その後に開口する位置に吐出ポートを形成しておく。

上記したように本実施例の空気圧縮機は圧縮室１５６に潤滑油を供給し、圧縮室１５６に閉じ込めた空気を潤滑油とともに圧縮する(油冷式あるいは給油式と呼ばれる)。これによれば、内部漏洩流路である外周隙間を潤滑油で満たし、内部漏洩を低減し空気圧縮機のエネルギ効率を向上するものである。しかしながら、空気圧縮機を運転した後、停止すると潤滑油は圧縮室に供給された後であるため、ロータにも油が絡み付いていることがあり、これが原因となって空気圧縮機の起動トルクが増大することがある。これについて説明する。

潤滑油は図６(ａ)に示すように、温度が低いほど粘度が増すという特性をもつ。したがって、圧縮機本体１０２内に十分に油が循環した後に停止を行い、その後低温環境に放置された場合には、油温度は低くなり粘度が高くなる。そして図６(ｂ)に示すように、粘土が高くなれば起動トルクも高くなるため、このような場合に、再び空気圧縮機の起動を行うと粘度の高くなった潤滑油がロータに絡んでいるおり、通常起動時と比較して起動トルクが増大する。これが空気圧縮機の起動トルクが大きくなる原因となる。そしてこれが原因となり、過負荷となると永久磁石同期モータ６を起動することができず、過電流が生じるため、保護機能が働き停止してしまうことになる。

ここで本実施例では、上記したように起動に必要なトルクが小さい場合には永久磁石同期モータへ流す起動電流を小さくして起動を行う。この具体的な起動方法について説明する。

通常、起動に必要なトルクを判断することは難しいため、従来はどのような環境においても起動可能な大きさの電流を永久磁石同期モータに流すことで起動を行っていた。特に位置センサレス制御を行うためには永久磁石同期モータを所定の回転数にまで上げる必要があるため、確実に起動を行うことが制御のうえで必須となるからである。

しかし、この従来の方法によれば、必ず起動はできるもののＩＧＢＴのパワーサイクル寿命が短くなるという課題があった。そこで本実施例は、起動に必要なトルクが小さい場合には、低い起動電流で起動することでＩＧＢＴの長寿命化を図るものである。このために必要となる起動トルクの判断について次に説明する。

上記したように、潤滑油は低温環境においては粘度が高くなり、これに起因して起動トルクの増大が生じる。しかしながら一方で油温度が高くなれば、粘度は低くなるため、起動に必要なトルクは小さくなる。つまり、冬場の早朝などの低温環境を除き、温度が高い場合、あるいは、通常温度である場合には、起動のために大電流を永久磁石同期モータに流す必要は必ずしもない。

すなわち本実施例は、潤滑油の温度によって起動トルクが変化することに着目したものである。これによれば、潤滑油の温度を検出し、この検出値によって永久磁石同期モータへの起動電流の大きさを変えることができる。また、潤滑油の温度の検出は空気圧縮機の圧縮室内に備えられた温度検出器により行い、この温度検出値をモータ制御部に起動指令と共に送信する。モータ制御部においては、送信された温度検出値に応じて、起動電流の大きさを決定して起動を行う。本実施例によれば、温度検出値が高い場合には、電流を下げて起動を行うため、上記したＩＧＢＴのパワーサイクル寿命を延ばすことが可能である。

なお、潤滑油の温度の検出は、圧縮機本体の吐出側に設置された温度検出器で行うことも可能であるが、モータに設置された温度検出器によって行うこととも可能である。つまり、圧縮機本体を駆動するモータは通常、圧縮機本体と直結、あるいは、近い場所に設置されるため、モータに設置された温度検出器で検出された値から潤滑油の温度を推定できる。この場合には、空気圧縮機制御部からの起動指令がモータ制御部に送られたときに、温度検出器の検出値に応じてモータ制御部において起動電流を決定して起動が行われる。

また、具体的な起動電流の決定方法については、所定の温度(例えば５℃)を基準として、起動電流の大きさを変える。つまり、５℃以下では３００Ａのモータ電流を流し、５℃を越えた場合には２００Ａのモータ電流を流すことにより起動を行う。なお、起動電流を変える基準の電流は一箇所に限られない。油粘度が低いほど起動に必要なトルクは大きくなるため、上記基準の電流を多くすればするほど、パワーサイクル寿命の長寿命化に寄与するものと考えられる。これにより、必ず起動するように大電流を流して起動していたのに対して、起動電流を低く抑えられ、ＩＧＢＴの寿命を延ばすことが可能となると共に信頼性の向上が図れる。

以下においては、永久磁石同期モータ制御についての詳細を説明する。

制御装置１は、制御装置１内部の励磁電流方向(磁束軸方向)であるｄｃ軸とトルク電流方向であるｑｃ軸とによる回転座標系ｄｃｑｃ軸上でベクトル制御する。なお、制御装置１の各手段は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、メモリ等のハードウェア及びコンピュータに実行させるプログラムによって実現される。

次に制御部２を構成する各部について説明する。

電圧指令値作成器３では、次式で示すように、ｄ軸およびｑ軸の第２の電流指令値(Ｉｄ**およびＩｑ**)とインバータ周波数指令値ω１*とモータ定数とを用いてベクトル演算を行いＶｄ*およびＶｑ*を出力する。

ここで、（式１）において、Ｒは永久磁石モータ６の一次巻線抵抗値、Ｌｄはｄ軸のインダクタンス、Ｌｑはｑ軸のインダクタンス、Ｋｅは誘起電圧定数である。

軸誤差演算器１０は、ｄ軸検出電流Ｉｄｃと、ｑ軸検出電流Ｉｑｃと、電圧指令値作成器３からのＶｄ*およびＶｑ*とを用いて軸誤差Δθｃを算出する。軸誤差Δθｃは、減算器１１ａにおいて予め設定された軸誤差指令値Δθ* （通常はゼロ）から減算され、この減算値（差分）がＰＬＬ制御器１３によって比例積分制御されることで検出周波数ω１が得られる。後述の位置センサレス制御では、この検出周波数ω１をインバータ周波数指令値ω１* とし、これを積分器９で積分することで永久磁石モータ６の磁極位置を推定する事ができる。この推定による推定磁極位置θｄｃはｄｑ／３φ変換器４と３φ／ｄｑ変換器８に入力され、各ブロックの演算に用いられる。

すなわち、本実施例における制御部２においては、永久磁石モータ６の回転子の実回転座標軸と制御軸との軸誤差Δθｃを算出し、算出した軸誤差Δθｃがゼロになるように、言い換えれば、制御軸が永久磁石モータ６の回転子の実回転座標軸と同一になるようにインバータ周波数指令値ω１*をＰＬＬ(Phase Locked Loop)法を用いて補正し、磁極位置を推定することとしている。

次に、電流制御器４２および４３の構成について説明する。

図７はｄ軸電流制御器４２の構成を示している。上位装置等から与えられるｄ軸電流指令値Ｉｄ*とｄ軸電流検出値Ｉｄｃの偏差を、減算器１１ｂで求め、これに比例ゲインＫｐｄを乗じる比例演算部42Ａの出力信号と、積分ゲインＫｉｄを乗じて積分処理を行う積分演算部４２Ｂの出力信号とを加算して、次式に従い、第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ**を出力する。

図８はｑ軸電流制御器４３の構成を示している。上位装置等から与えられるもしくは速度制御器１４によるｑ軸電流指令値Ｉｑ* とｄ軸電流検出値Ｉｄｃの偏差を減算器１１ｃで求め、これに比例ゲインＫｐｑを乗じる比例演算部４３Ａの出力信号と、積分ゲインＫｉｑを乗じて積分処理を行う積分演算部４３Ｂの出力信号とを加算して、次式に従い、第２のｑ軸電流指令値Ｉｑ**を出力する。

また図９に、速度制御器１４の構成図を示す。制御切替スイッチ１６ａがＢ側に有る場合、上位装置等から与えられる周波数指令値ω* とＰＬＬによるインバータ周波数指令値ω１* の偏差を減算器１１ｄで求め、これに比例ゲインＫｐａを乗じる比例演算部１４Ａの出力信号と、積分ゲインＫｉａを乗じて積分処理を行う積分演算部１４Ｂの出力信号とを加算して、次式に従い、ｑ軸電流指令値Ｉｑ*を出力する。

本実施例において永久磁石同期モータの起動は、位置センサレスのために位置決め運転が最初に行われるが、位置決め運転では、制御切替スイッチ(１６ａおよび１６ｂ)がＡ側にされる。つまり、周波数指令ω*がそのままインバータ周波数指令値ω１*となり、上位コントローラなどの他から与えられるｑ軸電流指令値Ｉｑ*０がそのままＩｑ*となる。永久磁石モータ６に直流を流すためにインバータ周波数指令値ω１*はゼロとする。

位置決め運転が終了後、同期運転へ遷移する。制御切替スイッチ(１６ａおよび１６ｂ)はＡ側のままである。同期運転モードでは、ｄ軸電流指令値Ｉｄ*を一定値のままとし(この起動方法をＩｄ起動と呼ぶ)、インバータ周波数指令値ω１*を増加させる。これにより、永久磁石同期モータ６はインバータ周波数指令値ω１*に追従して加速する。

位置センサレス制御が可能になる周波数になった時点で、制御切替スイッチ(１６ａおよび１６ｂ)をＢ側にして位置センサレス制御へ遷移する。これにより、軸誤差Δθｃと軸誤差指令値Δθ*（通常はゼロ）との差がゼロになるようにＰＬＬ制御器１３が周波数指令値を調整すると共に、周波数指令値ω*とインバータ周波数指令値ω１*との差がゼロになるように速度制御器１４がｑ軸電流指令値(Ｉｑ*)を調整する。Ｉｑ*は、加速トルク分と負荷トルク分に相当する値になり永久磁石同期モータ６は加速する。その後、加速が終了し一定速となると、負荷トルク分に相当する値で一定となる。なお、ｄ軸電流指令値Ｉｄ*は、永久磁石モータが非突極型としているので、位置センサレス制御の間はゼロに設定されている。

本発明によるモータ制御装置の実施例２について図を用いて説明する。

本実施例は、基本的には実施例１と同様の考えに基づき永久磁石同期モータの起動電流を下げるものである。つまり、実施例１では、永久磁石同期モータが空気圧縮機に搭載された場合について説明したが、他の製品に搭載された場合についても同様の考え方で起動することが可能である。

ここでは空調機器や冷蔵庫などに用いられている電動圧縮機に永久磁石同期モータが搭載された場合について説明する。空調機器に用いられる電動圧縮機は、永久磁石同期モータが回転することで冷媒を循環していわゆる冷凍サイクルを構成している。つまり、冷媒ガスを循環させながら圧縮や膨張を行うことによって熱の移動を行うものである。そして、この冷媒には、液化しやすいガス、フロンなどが用いられる。

ところで、電動圧縮機が未使用状態のまま長時間放置されると、動作時にガス状になっていた冷媒が液化して圧縮機内部に残存する場合がある。このような状態において電動圧縮機の起動を行うと、永久磁石同期モータは大きなトルクが必要となる。そこで、このような状態の場合には、起動電流を上げて起動を行うが、そうではない場合には起動電流を低く設定して起動を行うことができる。

空調機器において、起動トルクが高くなっている状態か否かの判断は、冷媒の温度や圧力の検出値を用いて行うことが可能である。これらの情報から電動圧縮機に残存している冷媒の状態がわかるからである。また、タイマーを用いて空調機器を停止した後の時間を測定して、起動トルクが高くなっていることを判断することもできる。つまり、停止後、所定の時間が経過している場合には起動トルクが高くなっていると判断して、起動電流を上げて起動を行う。これにより、ＩＧＢＴの長寿命化が図れると共に、確実に起動を行うことが可能となる。

また、本実施例を適用できるその他の製品として、物を搬送するコンベアがある。コンベアとは輪状にした幅広のベルトを台車の上で回転させ、その上に運搬物を載せて移動させる装置のことである。コンベアはエスカレータなどに採用され、乗客コンベアとして人を運ぶ用途にも用いられている。

図１０は、乗客コンベアの制御装置の全体概略構成図である。エスカレータ２０１は、上階床２０２と下階床２０３との間に設置された枠体２０４と、上面に踏段を有する踏段２０５と、踏段２０５の移動方向両側に立設された欄干２０６と、この欄干２０６の周縁に案内されて移動する移動手摺２０７と、前記踏段２０５への乗り降りを行う乗降床２０８ａ、２０８ｂとを有している。

前記踏段２０５は、踏段チェーン２０９に多数無端状に連結されており、前記枠体２０４内を循環移動するものである。そして、前記踏段チェーン２０９は、前記枠体２０４の長手方向の一側に軸支された駆動スプロケット２１０と、前記枠体２０４の長手方向の他側に軸支された従動スプロケット２１１に巻掛けられている。駆動スプロケット２１０は、近傍に設置されたモータ制御部２１２によって駆動され、前記移動手摺２０７もモータ制御部２１２の動力によって踏段２０５と同期して駆動されている。これは前記モータ制御部２１２によって、永久磁石同期モータ２１２ａが駆動されることによりなされる。

永久磁石同期モータ２１２ａには、商用電源２２０からモータ制御部２１２を介して駆動のための電力が供給される。商用電源２２０に接続されたモータ制御部２１２は、エスカレータ制御装置２４０の制御信号に基き、永久磁石同期モータ２１２ａへ電力を供給し、永久磁石同期モータを可変速制御する。これにより、エスカレータの速度や加減速度を変化させることができる。

乗客コンベアの起動を行う際には、エスカレータ制御装置２４０から、モータ制御部２１２に起動指令が与えられ、これを受けてモータ制御部２１２から永久磁石同期モータ２１２ａに起動電流を流すことで起動が行われる。このときに永久磁石同期モータ２１２ａに要求されるトルクは、乗客コンベアに乗っている人の重量によって異なる。つまり、重要が大きいほど起動に必要なトルクは大きくなる。

そこで、本実施例においては、コンベアに乗っている人の重量を測定するための図示しない検出部を設け、この検出部により検出された重要に応じて、起動電流を変える。つまり、重量が大きいほど、大きな起動電流を永久磁石同期モータに流して起動を行う。これにより、常に大電流で起動を行う場合に比べて電流を大幅に減少することができるため、ＩＧＢＴの長寿命化に寄与することができると共に、省エネルギー化に寄与することが可能である。

なお、ここでは乗客コンベアについて説明しているが、物を搬送するコンベアの場合にも同様に適用可能であり、その場合にはコンベアに搭載されている物の重量に応じて起動電流を変化させることで同様の効果を得ることができる。

以下、本発明による実施例３について説明する。

本実施例は、空気圧縮機に備えられている省エネルギを図るための自動停止機能を利用するものである。この自動停止機能について説明する。

図４の空気圧縮機の構成図に示すように、空気圧縮機には、圧縮機本体の吐出側に吐出される圧力を検出する圧力センサ１０５が備えられており、この圧力センサの出力信号は入出力部１０６へ送られ、空気圧縮機制御部１０１に送られる。そして、空気圧縮機制御部１０１では検出値と予め設定されている目標圧力とを比較し、この検出値が目標圧力となるような周波数をモータ制御部１に与え、これに応じてモータ制御部１は永久磁石同期モータ６の回転数を制御する。これにより、使用空気量の減少に伴い圧縮機本体１０２の回転数を低下することが可能であるが、本実施例ではこの回転数制御を仕様吐出空気量に対して全範囲で行うのではなく、３０％〜１００％の範囲で行う。

図１１に空気圧縮機の制御について、圧縮機本体の回転数と吐出圧力との関係を示す。図１１では目標圧力をＰ０としている。吐出空気量が仕様吐出空気量の３０％以下の運転範囲になり吐出圧力が設定圧力Ｐ１を超えると、圧縮機本体の回転数を、即ち、永久磁石同期モータの回転数を設定下限回転数に保持すると共に、圧縮機本体から吐出された圧縮空気を大気に放気して吐出空気を減圧する無負荷運転を行う。この圧縮空気の放気は、圧縮機本体の吐出側に設けられた放気弁(電磁弁)を開くことにより行われ、これにより圧縮機本体の吐出口における圧力がＰ２に低下し、消費動力を低減することができる。

そして、このときに再び圧力が上昇して設定圧力Ｐ３を超えた場合に、圧縮機本体を停止することで圧力を低減させる。これを本実施例では自動停止機能と呼ぶ。

また、自動停止機能後、圧力が低下し設定圧力Ｐ４より低くなった場合には、圧縮機本体を再起動する。これを本実施例では自動再起動機能と呼ぶ。

このように、空気圧縮機は省エネのために停止・再起動を繰り返して運転が行われるが、これは、空気圧縮機が設置された工場設備等の使用態様によっては、例えば５分に一回など頻繁に行われる。そして、圧縮機本体の再起動には、永久磁石同期モータに電流を流す必要があるため、再起動が頻繁に行われると、ＩＧＢＴのパワーサイクル寿命に与える影響は大きい。

つまり、実施例１において示したように、潤滑油の温度が低い場合を想定して常に大電流で起動を行う場合には、頻繁に再起動が行われることにより、ＩＧＢＴのジャンクション温度の変化が大きくなり、結局はパワーサイクル寿命の寿命が短くなるという問題があった。

ここで、本実施例においては、一旦空気圧縮機を起動して運転を行えば油温度は上昇することに着目した。すなわち、再起動が行われるときには油温度上昇により粘度が下がるため、起動トルクは小さくなり起動電流を小さくすることができる。低温環境での起動であったとしても最初の起動時には大きな起動トルクが必要となるが、上記のように起動・停止が繰り返し行われるような場合には２回目からの起動には起動電流を小さくすることができるため、ＩＧＢＴのジャンクション温度変化ΔＴｊを小さくしパワーサイクル寿命を延ばすことが可能となる。また、従来起動の度に大電流で起動していたことと比べると大幅に電力を消費できるため、省エネルギ化に寄与する空気圧縮機を提供することが可能である。

さらに、本実施例によれば、再起動時には潤滑油の温度が高くなっているものと推定しており、これによれば、潤滑油の温度を検出するための温度検出器が不要となり、コスト低減が図れる。これは、温度検出器がなんかしらの原因で壊れることを想定する必要もなくなるため、起動の確実性を図ることができるといえる。

ここで、空気圧縮機の自動停止機能が働いた後、自動再起動機能により再起動が図られるまでの時間が長過ぎる場合、潤滑油の温度が低くなる可能性があるため、これを考慮したうえで起動電流を下げることができる。つまり、再起動の際の起動電流は、通常の起動時よりも低くして行うが、上記した再起動までの時間が所定時間以上かかっていたときは、通常の起動と同じ起動電流により起動を行う。これにより、潤滑油の温度が低下していた場合であっても確実に起動を図ることが可能となる。

なお、本実施例で示した自動停止機能と自動再起動機能について示したが、上記の方法に限定するものではなく、空気圧縮機を運転開始した後に停止・再起動を行うのであれば適用が可能である。

以下、本発明による実施例４について説明する。

実施例１で説明したように、永久磁石同期モータは、負荷が大き過ぎて過負荷になると同期速度と実際の回転速度とが一致しなくなる、いわゆる、脱調が起きる。そして、ひとたび脱調すると自力で同期状態に復帰することは困難なため、これを回避する必要がある。この脱調の検知は困難であるため、負荷トルクが増大し過負荷となった場合には過電流が発生するので、この過電流を検出した場合に永久磁石同期モータを停止させることで保護を図っている。

ここで、永久磁石同期モータが空気圧縮機に搭載された場合について説明する。空気圧縮機は、圧縮機本体内で潤滑油が圧縮される、いわゆる液圧縮により過大トルクが発生することがあり、この場合には上記したようにモータ制御装置の保護機能が働き永久磁石同期モータへの出力が遮断される。

しかしながら、本実施例の空気圧縮機には自動的に再起動を試みるいわゆるリトライ機能が備わっている。リトライ機能とは、空気圧縮機が様々な環境の下で種々の用途に用いられるため、起動が一時的に不能になる外乱がしばしば発生し得るために備わっている機能である。つまり、空気圧縮機において発生する外乱は、使用側の特殊な使用環境によって例外的に生ずるものも多いため、空気圧縮機としては一時的な外乱によって起動ができない場合でも、自動的に再度の起動を試みる。

本実施例では、このリトライ機能に着目してＩＧＢＴの長寿命化を図るものである。これについて説明する。まず、通常の起動は永久磁石同期モータへ流す起動電流を低く設定(例えば２００Ａ)して行う。そして、永久磁石同期モータのトルクが足りずに起動ができない場合には、過負荷による過電流が発生して保護機能が働き永久磁石同期モータへの電流は遮断されるが、このときには空気圧縮機のリトライ機能が働き永久磁石同期モータの再起動が図られる。そして、本実施例はこのリトライ機能による再起動を行う際の起動電流を通常に比べて高く設定(例えば３００Ａ)して行うことを特徴とする。

このように起動を行うことによって、通常の起動電流を下げることができるため、ＩＧＢＴの長寿命化を図ることができる。そして、リトライ機能が働き再起動が図られるときに、起動電流を上げることにより、起動を確実に行うことが可能となる。さらに、本実施例によれば、通常の起動電流を下げるために空気圧縮機の省エネルギー化が図ることができる。

図１は、実施例１の同期モータ制御システムの構成を説明するための図である。 図２は、実施例１の同期モータを起動してからセンサレス制御を行うまでの遷移を説明するための図である。 図３は、実施例１の半導体素子のパワーサイクル寿命を説明するための図である。 図４は、実施例１の空気圧縮機の構成を説明するための図である。 図５は、実施例１の空気圧縮機の圧縮室を説明するための断面図である。 図６(a)は実施例１の潤滑油の温度と粘度との関係を説明するための図であり、図６(b)は実施例１の潤滑油の粘度と起動トルクとの関係を説明するための図である。 図７は、実施例１のｄ軸電流制御器の一例である。 図８は、実施例１のｑ軸電流制御器の一例である。 図９は、実施例１の速度制御器の一例である。 図１０は、実施例２の乗客コンベアの制御を説明するための図である。 図１１は、実施例３の空気圧縮機の停止・再起動のタイミングを説明するための図である。

符号の説明

１…モータ制御部、５…電力変換回路、６…永久磁石同期モータ、１０１…空気圧縮機制御部、１０２…圧縮機本体１０２、１０３…吸込フィルタ、１０４…吸込絞り弁、１０５…ロータ、１０６…吐出口、１０７…オイルセパレータタンク、１０８…オイルセパレータエレメント、１０９…吐出配管、１１７…圧力センサ、２０１…エスカレータ、２０７…移動手摺、２４０…エスカレータ制御装置。

Claims (10)

1. 同期モータに電流を流すことにより同期モータを制御するモータ制御装置であって、
   前記同期モータ内部に備えられた温度検出器の検出値を受信する受信部を備え、
   前記同期モータを起動する際には前記同期モータに備えられた電機子巻線に対して特定の相に直流電流を通電する位置決め運転を行い、
   前記位置決め運転時には、前記受信部で受信した温度に応じて、前記温度が低いほど大きな直流電流を前記同期モータに流すように電流の大きさを変え、
   前記位置決め運転により起動した後は、前記同期モータの位置センサレス制御を安定して行うことができる回転数になるまで同期運転を行い、
   同期運転の後に位置センサレス制御を行うことを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１において、前記位置センサレス制御では、可変電圧・可変周波数の交流を前記電機子巻線に供給することを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項１または２において、前記同期モータの回転子の位置は、前記同期モータへの電圧指令と前記同期モータに流す電流を用いて推定することを特徴とするモータ制御装置。
4. 空気を圧縮する圧縮機本体と、
   この圧縮機本体を駆動する同期モータと、
   この同期モータの回転数を制御するモータ制御部と、
   前記圧縮された空気に油を供給する油供給手段とを備えた空気圧縮機において、
   前記油の温度を検出する温度検出器を備え、
   前記圧縮機本体が起動される際には前記同期モータに備えられた電機子巻線に対して特定の相に直流電流を通電する位置決め運転を行い、
   前記位置決め運転時には、前記温度検出器で検出された温度が設定値以下である場合は第１の直流電流を、前記温度検出器で検出された温度が設定値より大きい場合には前記第１の直流電流より小さい第２の直流電流を前記同期モータに流すように電流の大きさを変え、
   前記位置決め運転により起動した後は、前記同期モータの位置センサレス制御を安定して行うことができる回転数になるまで同期運転を行い、
   同期運転の後に位置センサレス制御を行うことを特徴とする空気圧縮機。
5. 空気を圧縮する圧縮機本体と、
   この圧縮機本体を駆動する同期モータと、
   この同期モータの回転数を制御するモータ制御部と、
   前記圧縮された空気に油を供給する油供給手段とを備えた空気圧縮機において、
   前記油の温度を検出する温度検出器を備え、
   前記圧縮機本体が起動される際には前記同期モータに備えられた電機子巻線に対して特定の相に直流電流を通電する位置決め運転を行い、
   前記位置決め運転時には、前記温度検出器で検出された温度が高いほど前記同期モータに流す直流電流が小さく設定され、
   前記位置決め運転により起動した後は、前記同期モータの位置センサレス制御を安定して行うことができる回転数になるまで同期運転を行い、
   同期運転の後に位置センサレス制御を行うことを特徴とする空気圧縮機。
6. 請求項４または５において、前記温度検出器は前記同期モータ内部に設置されていることを特徴とする空気圧縮機。
7. 冷媒が循環する冷凍サイクルを備えた空気調和機であって、
   前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
   この圧縮機を駆動する同期モータと、
   この同期モータの回転数を制御するモータ制御部と、
   前記冷媒の温度を検出する温度検出器とを備え、
   前記圧縮機が起動される際には前記同期モータに備えられた電機子巻線に対して特定の相に直流電流を通電する位置決め運転を行い、
   前記位置決め運転時には、前記温度検出器で検出された温度が高いほど前記同期モータに流す直流電流が小さく設定され、
   前記位置決め運転により起動した後は、前記同期モータの位置センサレス制御を安定して行うことができる回転数になるまで同期運転を行い、
   同期運転の後に位置センサレス制御を行うことを特徴とする空気調和機。
8. 請求項７において、前記冷媒の圧力を検出する圧力検出器を備え、
   前記検出された温度と前記検出された圧力に応じて前記モータ制御部により前記同期モータに流す電流の大きさを変えて起動されることを特徴とする空気調和機。
9. 無端状に連結されて循環移動する複数の踏段と、
   この踏段と同期して移動する手摺と、
   前記踏段と手摺を駆動する同期モータと、
   この同期モータの回転数を制御するモータ制御部とを備えた乗客コンベアの制御装置において、
   搬送される乗客の重量を検出する検出部を備え、
   前記乗客コンベアが起動される際には前記同期モータに備えられた電機子巻線に対して特定の相に直流電流を通電する位置決め運転を行い、
   前記位置決め運転時には、前記検出器で検出された重量が大きいほど前記同期モータに流す直流電流が大きく設定され、
   前記位置決め運転により起動した後は、前記同期モータの位置センサレス制御を安定して行うことができる回転数になるまで同期運転を行い、
   同期運転の後に位置センサレス制御を行うことを特徴とする乗客コンベアの制御装置。
10. 同期モータによって駆動される複数のローラと、
    これらのローラを連結する搬送ベルトと、
    前記同期モータの回転数を制御するモータ制御部を備え、
    前記ローラが回転し搬送ベルトが移動することにより被搬送物を搬送するコンベアの制御装置において、
    前記被搬送物の重量を検出する検出部を備え、
    前記コンベアが起動される際には前記同期モータに備えられた電機子巻線に対して特定の相に直流電流を通電する位置決め運転を行い、
    前記位置決め運転時には、前記検出器で検出された重量が大きいほど前記同期モータに流す直流電流が大きく設定され、
    前記位置決め運転により起動した後は、前記同期モータの位置センサレス制御を安定して行うことができる回転数になるまで同期運転を行い、
    同期運転の後に位置センサレス制御を行うことを特徴とするコンベアの制御装置。

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