JP7023387B2 - モータ制御装置および空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータの駆動を制御するモータ制御装置および空気調和装置に関する。

従来の空気調和装置は、圧縮機および送風機を駆動するために、任意の周波数の交流電圧をモータに供給するインバータ回路を備え、交流電圧をモータに供給してモータの回転速度を制御する。空気調和装置に搭載されるモータは、消費電力を低減するために高効率化が重視される。そのため、空気調和装置に搭載されるモータとして、例えば、回転子構造に永久磁石が配置された永久磁石同期モータが多く用いられる。

空調能力の増大に対応して大容量のモータを駆動するために、複数のモータを備えた空気調和装置が知られている。１つのインバータ回路で、複数のファンに接続されたモータを駆動する空気調和装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された空気調和装置は、インバータ回路と各モータとの間にリレー等のスイッチが設けられ、必要な風量を得るために、スイッチのオンおよびオフを切り替える。また、複数のモータの運転台数を変更できるように、インバータ回路と各モータとの間にリレーを設け、リレーを制御するモータ並列駆動方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

国際公開第２０１８／１８５８７８号 特開２００４－３５０３８５号公報

特許文献１および特許文献２に開示された技術では、リレーに電流が流れている状態で接点をオフした場合、リレーの接点間にアークが発生し、リレーにストレスを与えてしまう。ストレスによってリレーが故障してしまうおそれがある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、駆動するモータの運転台数を切り替える際、継電器を含む機器の故障を防ぐモータ制御装置および空気調和装置を提供するものである。

本発明に係るモータ制御装置は、並列に接続される複数のモータに対して、直流電圧を交流電圧に変換して供給するインバータ回路と、前記複数のモータのそれぞれに流れるモータ電流を検出する電流検出器と、前記複数のモータのうち、少なくとも１台のモータと前記インバータ回路との間に設けられ、前記１台のモータと前記インバータ回路との接続のオン状態およびオフ状態を切り替える継電器と、前記複数のモータのうち、駆動させるモータの台数を切り替えるコントローラと、を有し、前記コントローラは、駆動する２台以上のモータのうち、１台のモータを停止させる際、前記駆動する２台以上のモータに対する電流指令値を低下させるインバータ制御手段と、前記継電器が接続されたモータの前記電流検出器が検出する前記モータ電流である監視電流が小さくなると、停止対象のモータに接続された前記継電器を前記オン状態から前記オフ状態に切り替える台数切替手段と、を有するものである。

本発明に係るモータ制御装置は、並列に接続される複数のモータに対して、直流電圧を交流電圧に変換して供給するインバータ回路と、前記複数のモータのそれぞれに流れるモータ電流を検出する電流検出器と、前記複数のモータのうち、少なくとも１台のモータと前記インバータ回路との間に設けられ、前記１台のモータと前記インバータ回路との接続のオン状態およびオフ状態を切り替える継電器と、前記複数のモータのうち、駆動させるモータの台数を切り替えるコントローラと、を有し、前記コントローラは、駆動するモータの台数を１台増やす際、駆動中のモータの回転数を回転数指令値よりも小さくするインバータ制御手段と、前記駆動中のモータの前記電流検出器が検出する前記モータ電流から推定される回転数である監視回転数が前記回転数指令値よりも小さくなると、起動対象のモータに接続された前記継電器を前記オフ状態から前記オン状態に切り替える台数切替手段と、を有するものである。

本発明に係る空気調和装置は、圧縮機、凝縮器、絞り装置および蒸発器が接続され、冷媒が循環する冷媒回路と、前記凝縮器および前記蒸発器のうち、少なくとも一方に空気を供給する送風機と、前記圧縮機および前記送風機のうち、一方または両方に接続される前記複数のモータと、上記のモータ制御装置と、を有するものである。

本発明によれば、複数のモータはインバータ回路に対して並列に接続されているので、駆動するモータに流れる電流が小さくなると、他のモータおよび継電器に流れる電流も小さくなる。継電器に流れる電流が小さくなってから、継電器の状態が切り替わるため、継電器に対するストレスが軽減し、継電器を含む機器が故障してしまうことを防げる。

本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置の一構成例を示すブロック図である。 図１に示したコントローラの一構成例を示すブロック図である。 図２に示したインバータ制御手段が行うセンサレスベクトル制御を説明するためのブロック図である。 図１に示したモータ制御装置が、駆動させるモータの台数を２台から１台に減らす場合の動作手順を示すフローチャートである。 図３に示した構成において、継電器をオフ状態に切り替える際の別の制御を説明するためのブロック図である。 図１に示したモータ制御装置が、駆動させるモータの台数を１台から２台に増やす場合の動作手順を示すフローチャートである。 図３に示した構成において、駆動するモータが１台の場合の制御を説明するためのブロック図である。 図７に示した構成において、継電器をオン状態に切り替える際の別の制御を説明するためのブロック図である。 図１に示したモータ制御装置が、駆動させるモータの台数を２台から１台に減らす場合の動作手順を示す実施の形態２に係わるフローチャートである。 図１に示したモータ制御装置が、駆動させるモータの台数を１台から２台に減らす場合の動作手順を示す実施の形態２に係わるフローチャートである。 本発明の実施の形態３に係る空気調和装置の一構成例を示す冷媒回路図である。 図１１に示したコントローラの一構成例を示すブロック図である。

実施の形態１．
本実施の形態１のモータ制御装置の構成を説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置の一構成例を示すブロック図である。モータ制御装置３０は、複数のモータ４０ａおよび４０ｂの駆動を制御する装置である。本実施の形態１では、モータ４０ａおよび４０ｂは、永久磁石同期モータである。モータ４０ａおよび４０ｂは、例えば、空気調和装置の圧縮機に設けられる。

モータ４０ａおよび４０ｂは、空気調和装置の圧縮機に限らず、室内機に設けられた負荷側送風機に接続されてもよく、室外機に設けられた熱源側送風機に接続されてもよい。本実施の形態１では、モータ４０ａおよび４０ｂが空気調和装置に設けられている場合で説明するが、モータ４０ａおよび４０ｂが設けられる装置は空気調和装置に限らない。また、本実施の形態１では、制御対象のモータがモータ４０ａおよび４０ｂからなる２台のモータの場合で説明するが、制御対象のモータは３台以上であってもよい。

図１に示すように、モータ制御装置３０は、３相の交流電源１から供給される交流を直流に変換する電力変換回路１０と、複数のモータ４０ａおよび４０ｂと接続されるインバータ回路６と、モータ４０ｂとインバータ回路６との間に接続された継電器９とを有する。また、モータ制御装置３０は、インバータ回路６および継電器９を制御するコントローラ１８を有する。インバータ回路６の出力側に、モータ４０ａおよび４０ｂがインバータ回路６に対して並列に接続されている。

インバータ回路６とモータ４０ａの巻線とを接続する配線には、インバータ回路６からモータ４０ａに流れるモータ電流Ｉｍａを検出する電流検出器８ａが設けられている。インバータ回路６とモータ４０ｂの巻線とを接続する配線には、インバータ回路６からモータ４０ｂに流れるモータ電流Ｉｍｂを検出する電流検出器８ｂが設けられている。

電力変換回路１０は、交流を直流に変換する整流回路２と、整流回路２から出力される電流を平滑化するリアクトル４と、整流回路２から出力される電圧を平滑化する平滑コンデンサ５とを有する。整流回路２は、電流が流れる方向を一方向に整流する逆流防止素子３を有する。電力変換回路１０は、電力変換回路１０の整流動作によって、安定した直流電源電圧をインバータ回路６に出力する。

インバータ回路６は、６個のスイッチング素子７と、６個のスイッチング素子７のそれぞれに並列に接続される還流ダイオード１１とを有する。スイッチング素子７は、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワー半導体素子である。６個のスイッチング素子７は、モータ４０ａおよび４０ｂの各モータに対して、Ｕ相の巻線に接続される２個のスイッチング素子７と、Ｖ相の巻線に接続される２個のスイッチング素子７と、Ｗ相の巻線に接続される２個のスイッチング素子７とに分類される。

インバータ回路６には電力変換回路１０から安定した直流電源電圧が入力される。インバータ回路６は、６個のスイッチング素子７を任意のキャリア周波数でスイッチング動作させることで、直流電源電圧を交流電圧に変換して出力する。インバータ回路６は、モータ４０ａおよび４０ｂを可変速運転させるために、可変周波数で可変電圧を出力する。

継電器９は、モータ４０ｂとインバータ回路６との接続のオン状態およびオフ状態を切り替える。継電器９は、例えば、電磁継電器である。継電器９がオン状態である場合、モータ４０ｂがインバータ回路６と電気的に接続される。継電器９がオフ状態である場合、モータ４０ｂがインバータ回路６から電気的に切り離される。つまり、継電器９がオン状態である場合、モータ４０ａおよび４０ｂの２台のモータが駆動する。継電器９がオフ状態である場合、モータ４０ｂが停止し、モータ４０ａが駆動する。継電器９は、モータ４０ａおよび４０ｂの２台のモータについて、駆動するモータの台数を切り替える役目を果たす。継電器９が電磁継電器である場合、継電器９に設けられたコイルに励磁電圧が印加されると、継電器９は、オフ状態からオン状態に切り替わる。

図２は、図１に示したコントローラの一構成例を示すブロック図である。コントローラ１８は、例えば、マイクロコンピュータである。図１に示すように、コントローラ１８は、プログラムを記憶するメモリ７１と、プログラムにしたがって処理を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）７２とを有する。図２に示すように、コントローラ１８は、インバータ制御手段２１と、台数切替手段２２と、タイマー２３とを有する。ＣＰＵ７２がプログラムを実行することで、インバータ制御手段２１および台数切替手段２２が構成される。

インバータ制御手段２１は、上位の装置から入力される回転数指令値Ｎ＊にしたがって、複数のモータ４０ａおよび４０ｂの回転数を制御する。本実施の形態１では、上位の装置は、空気調和装置の制御装置である。インバータ制御手段２１は、回転数指令値Ｎ＊にしたがって、インバータ回路６が出力するパルス電圧のパルス幅を変調するＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を行う。例えば、モータ４０ａに入力されるモータ電圧Ｖａを大きくする場合、インバータ制御手段２１は、パルス幅を広げる電圧指令値Ｖａ＊をインバータ回路６に出力する。モータ電圧Ｖａを小さくする場合、インバータ制御手段２１は、パルス幅を狭くする電圧指令値Ｖａ＊をインバータ回路６に出力する。電圧指令値Ｖａ＊は、Ｕ相の電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相の電圧指令値Ｖｖ＊、Ｗ相の電圧指令値Ｖｗ＊を含む値である。インバータ制御手段２１は、図に示さない配線を介して平滑コンデンサ５の両端と接続され、平滑コンデンサ５の両端電圧（直流母線電圧）を監視する。

また、インバータ制御手段２１には、駆動させるモータの台数を示す情報である台数指令値Ｓ＊が上位の装置から入力される。インバータ制御手段２１は、モータ４０ａおよび４０ｂが駆動している状況で、駆動させるモータの台数を１台にする旨の台数指令値Ｓ＊が入力されると、モータ４０ａおよび４０ｂに供給する電流を回転数指令値Ｎ＊に対応する電流値指令値よりも小さくする。インバータ制御手段２１は、モータ４０ａが駆動している状況において、駆動させるモータの台数を２台にする旨の台数指令値Ｓ＊が入力されると、モータ４０ａの回転数Ｎａを回転数指令値Ｎ＊よりも小さくする。台数切替手段２２は、上位の装置から入力される台数指令値Ｓ＊が示す台数に対応して、継電器９のオン状態およびオフ状態を制御する。

インバータ制御手段２１は、モータ４０ａおよび４０ｂの回転数を制御するために、スイッチング素子７に出力するパルス電圧の幅およびパルス電圧の出力のタイミングを制御することで、パルス電圧およびキャリア周波数を所望の値に制御する。インバータ制御手段２１は、モータ４０ａおよび４０ｂを所望の回転数で駆動するために回転フィードバック制御を行う。本実施の形態１では、所望の回転数でモータを駆動する回転フィードバック制御の基準モータを、継電器９が接続されていないモータ４０ａとする。そのため、インバータ制御手段２１は、モータ４０ｂに流れるモータ電流Ｉｍｂを小さくする際、モータ４０ａに流れるモータ電流Ｉｍａを小さくするように制御する。

インバータ制御手段２１が行う回転フィードバック制御として、２通りの制御が考えられる。１つ目の制御は、回転子の永久磁石の磁極位置を検出する磁気センサをモータ４０ａに設け、磁気センサが検出する磁極位置に基づいてモータ４０ａの回転を制御するものである。２つ目は、モータ４０ａに印加されるモータ電圧およびモータパラメータ等から磁極位置を推定してモータ４０ａの回転を制御するセンサレスベクトル制御である。本実施の形態１では、インバータ制御手段２１が、電流検出器８ａおよび８ｂによって検出されるモータ電流などを基に、モータ４０ａおよび４０ｂの回転位置を推定するセンサレスベクトル制御を行う場合で説明する。

センサレスベクトル制御では、インバータ制御手段２１は、モータ４０ａおよび４０ｂに流れる電流、モータ４０ａおよび４０ｂに印加される電圧およびモータパラメータなどの情報から、モータ４０ａおよび４０ｂの磁極位置および速度を推定する。モータパラメータは、抵抗値、インダクタンス値、誘起電圧定数および慣性モーメントなどの情報である。

図３は、図２に示したインバータ制御手段が行うセンサレスベクトル制御を説明するためのブロック図である。図３に示すように、インバータ制御手段２１は、位置推定器３１ａおよび３１ｂと、速度制御器３２と、電流補償部３３と、電流制御器３４および３５と、座標変換部３６および３７と、減算器３８ａ～３８ｃとを有する。

位置推定器は、同期して駆動するモータの台数に対応する数だけ設けられる。本実施の形態１では、制御対象のモータがモータ４０ａおよび４０ｂの２台であるため、インバータ制御手段２１は、モータ４０ａに対応する位置推定器３１ａと、モータ４０ｂに対応する位置推定器３１ｂとを有する。

位置推定器３１ａは、モータ電流Ｉｍａ、モータ電圧Ｖｍおよびモータパラメータを含むパラメータ値に基づいて、モータ４０ａの位相θ＿ａおよび速度を推定する。モータ電流Ｉｍａは電流検出器８ａから入力される。モータ電流Ｉｍａは、Ｕ相の電流Ｉｕａ、Ｖ相の電流ＩｖａおよびＷ相の電流Ｉｗａを含む。モータ電圧Ｖｍは、例えば、Ｕ相の電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相の電圧指令値Ｖｖ＊およびＷ相の電圧指令値Ｖｗ＊であり、座標変換部３６から入力される。位置推定器３１ａは、推定した速度を回転数Ｎｐａに換算して減算器３８ａに出力する。位置推定器３１ａは、位相θ＿ａを座標変換部３６および３７に出力する。

位置推定器３１ｂは、モータ電流Ｉｍｂ、モータ電圧Ｖｍおよびモータパラメータを含むパラメータ値に基づいて、モータ４０ｂの回転位置を示す位相θ＿ｂおよび速度を推定する。モータ電流Ｉｍｂは電流検出器８ｂから入力される。モータ電流Ｉｍｂは、Ｕ相の電流Ｉｕｂ、Ｖ相の電流ＩｖｂおよびＷ相の電流Ｉｗｂを含む。位置推定器３１ｂに入力される情報は、全てモータ４０ｂに関する情報である。位置推定器３１ｂは、推定した速度を回転数Ｎｐｂに換算して出力してもよい。

減算器３８ａは、上位の装置から入力される回転数指令値Ｎ＊と、位置推定器３１ａから入力される回転数Ｎｐａとの差である回転数差を算出する。減算器３８ａは、算出した回転差の値を速度制御器３２に出力する。速度制御器３２は、回転数差をゲインＫｃで乗算した結果の制御量、および回転差を時間的に積分処理した制御量のうち、一方の制御量または両方を足し合わせた制御量を算出する。速度制御器３２は、算出した制御量をトルク電流指令値として減算器３８ｂに出力する。

座標変換部３７は、Ｕ相の電流Ｉｕａ、Ｖ相の電流ＩｖａおよびＷ相の電流Ｉｗａを含むモータ電流Ｉｍａが電流検出器８ａから入力される。座標変換部３７には、位置推定器３１ａから位相θ＿ａの値が入力される。座標変換部３７は、３相の電流Ｉｕａ、ＩｖａおよびＩｗａに対して、ｄ軸を磁束の向きに設定し、磁束を発生させる成分である励磁電流および負荷のトルクに対応するトルク電流に変換する。座標変換部３７は、位相情報として、位置推定器３１ａが推定した位相θ＿ａを用いて座標変換を行う。励磁電流はｄ軸電流に相当し、トルク電流はｑ軸電流に相当する。座標変換部３７は、トルク電流の値を減算器３８ｂに出力し、励磁電流の値を減算器３８ｃに出力する。

減算器３８ｂは、速度制御器３２から入力されるトルク電流指令値と、座標変換部３７から入力されるトルク電流との差であるｑ軸電流差を算出する。減算器３８ｂは、算出したｑ軸電流差の値を電流制御器３４に出力する。電流制御器３４は、減算器３８ｂから入力されるｑ軸電流差をゲインＫｄで乗算した結果の制御量、およびｑ軸電流差を時間的に積分処理した制御量のうち、一方の制御量または両方を足し合わせた制御量を算出する。電流制御器３４は、算出した制御量をｑ軸の電圧指令値として座標変換部３６に出力する。電流制御器３４が生成する制御量は第１の制御量に相当する。

電流補償部３３は、複数のモータ４０ａおよび４０ｂのうち、回転フィードバック制御の対象になっていないモータ４０ｂの回転を安定させる役目を果たす。電流補償部３３は、位置推定器３１ａによって推定された位相θ＿ａと、位置推定器３１ｂによって推定された位相θ＿ｂとを基に、モータ４０ａに対するモータ４０ｂの位相差を算出する。そして、電流補償部３３は、算出した位相差からモータ４０ｂの速度変化を推定し、モータ４０ｂの回転を安定にするための補償電流を算出する。電流補償部３３は、算出した補償電流を、モータ４０ａに対する励磁電流指令値として減算器３８ｃに出力する。

減算器３８ｃは、電流補償部３３から入力される励磁電流指令値と、座標変換部３７から入力される励磁電流との差であるｄ軸電流差を算出する。減算器３８ｃは、算出したｄ軸電流差の値を電流制御器３５に出力する。電流制御器３５は、減算器３８ｃから入力されるｄ軸電流差をゲインＫｅで乗算した結果の制御量、およびｄ軸電流差を時間的に積分処理した制御量のうち、一方の制御量または両方を足し合わせた制御量を、ｄ軸の電圧指令値として座標変換部３６に出力する。電流制御器３５が生成する制御量は第２の制御量に相当する。

座標変換部３６は、位置推定器３１ａから位相θ＿ａの値が入力され、電流制御器３４からｑ軸の電圧指令値が入力され、電流制御器３５からｄ軸の電流指令値が入力される。座標変換部３６は、位相θ＿ａを位相情報として、ｑ軸の電圧指令値およびｄ軸の電流指令値を、３相の電圧指令値Ｖ＊に座標変換する。インバータ制御手段２１は、３相の電圧指令値Ｖ＊を、スイッチング素子７のオン時間がキャリア周波数の周期Ｔにおけるパルス幅になるパルス電圧に変換してインバータ回路６に出力する。モータ４０ａの回転子の磁極位置に対応する位相のパルス電圧がインバータ回路６のスイッチング素子７に入力される。インバータ回路６は、所望のインバータ出力電圧を出力できる。

このようにして、インバータ制御手段２１は、位置推定器３１ａが推定する、モータ４０ａの位相および速度の情報をフィードバックすることで、回転数指令値Ｎ＊に対応する所望の回転数でモータ４０ａおよび４０ｂを駆動することができる。また、複数のモータ４０ａおよび４０ｂを駆動する場合、台数に応じた位置推定器を設け、電流補償を行うことで制御の安定性を向上させることができる。また、複数台のモータを駆動する制御システムにおいて、モータ負荷側のダンピング特性が大きい場合または慣性モーメントが大きい場合などは、上記のような電流補償を実施しなくても、回転数が安定に制御できるため、電流補償部３３は設けずに複数台のモータ駆動システムを構築してもよい。その場合の励磁電流指令値は、効率の観点から最適な値に設定するのが一般的である。

なお、位置推定器３１ａおよび３１ｂと、速度制御器３２と、電流補償部３３と、電流制御器３４および３５と、座標変換部３６および３７と、減算器３８ａ～３８ｃは、図１に示したＣＰＵ７２がプログラムを実行することで構成される。これらの構成のうち、一部または全部がＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の専用回路であってもよい。また、本実施の形態１では、説明のために、位置推定器３１ａおよび３１ｂを別々の構成で示したが、これらの構成が１つの位置推定器であってもよい。さらに、電流制御器３４および３５が１つの電流制御器で構成されてもよく、座標変換部３６および３７が１つの座標変換部で構成されてもよい。

次に、本実施の形態１のモータ制御装置３０の動作を説明する。はじめに、モータ制御装置３０が、駆動させるモータの台数を２台から１台に減らす場合の動作を説明する。図４は、図１に示したモータ制御装置が、駆動させるモータの台数を２台から１台に減らす場合の動作手順を示すフローチャートである。ここでは、初期状態として、モータ４０ａおよび４０ｂが駆動している状況であるものとする。

インバータ制御手段２１は、駆動するモータの台数を１台にする旨の台数指令値Ｓ＊が上位の装置から入力されると、モータ電流Ｉｍｂを小さくするために、電圧指令値Ｖ＊を変更する。その際、インバータ制御手段２１は、タイマー２３を起動し、経過時間ｔをタイマー２３に測定させる。そして、インバータ制御手段２１は、モータ電流Ｉｍｂと第１閾値Ｉｔｈ１とを比較する（ステップＳ１０１）。例えば、インバータ制御手段２１は、Ｕ相の電流Ｉｕａ、Ｖ相の電流ＩｖａおよびＷ相の電流Ｉｗａのうち、最大値と第１閾値Ｉｔｈ１とを比較する。モータ電流Ｉｍｂは、インバータ制御手段２１が継電器９の切り替えのタイミングを判定するための監視電流に相当する。

ステップＳ１０１の判定の結果、モータ電流Ｉｍｂが第１閾値Ｉｔｈ１よりも小さい場合、台数切替手段２２は、継電器９をオフ状態にする（ステップＳ１０３）。一方、ステップＳ１０１の判定の結果、モータ電流Ｉｍｂが第１閾値Ｉｔｈ１以上である場合、台数切替手段２２は、ステップＳ１０２の判定処理に進む。

ステップＳ１０２において、インバータ制御手段２１は、モータ電流Ｉｍｂが第２閾値Ｉｔｈ２よりも小さく、かつ経過時間ｔが閾値時間Ｔｔｈよりも大きいか否かを判定する。閾値時間Ｔｔｈは、例えば、数秒である。モータ電流Ｉｍｂが第２閾値Ｉｔｈ２よりも小さく、かつ経過時間ｔが閾値時間Ｔｔｈ秒よりも大きい場合、インバータ制御手段２１は、継電器９をオフ状態にする（ステップＳ１０３）。一方、モータ電流Ｉｍｂが第２閾値Ｉｔｈ２よりも小さい第１条件および経過時間ｔが閾値時間Ｔｔｈよりも大きい第３条件のうち、少なくとも一方が満たされない場合、インバータ制御手段２１は、モータ４０ｂを含む機器の異常と判定する（ステップＳ１０４）。

インバータ制御手段２１は、機器に異常があると判定すると、インバータ回路６の出力を停止させる（ステップＳ１０５）。継電器９の操作については、台数切替手段２２は、電流検出器８ｂにより検出されるモータ電流Ｉｍｂが第２閾値Ｉｔｈ２以下または第１閾値Ｉｔｈ１以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０６の判定の結果、モータ電流Ｉｍｂが第２閾値Ｉｔｈ２以下または第１閾値Ｉｔｈ１以下である場合、台数切替手段２２は、継電器９をオフ状態にする（ステップＳ１０７）。

上述した手順によれば、複数のモータの運転台数を切り替える際、継電器９に発生するストレスを抑制し、継電器９が故障してしまうことを防げる。また、上記の手順によれば、モータの台数切り替える際に、モータ４０ａおよび４０ｂと継電器９とを含む機器の異常状態をいち早く検知することができる。その結果、機器の信頼性を高めることができる。

ステップＳ１０３において、継電器９は、自器に電流が流れている状態で、スイッチ動作を行うと、接点間に印加された電圧に起因してアーク電圧が発生する。アーク電圧が大きいと、継電器９が故障してしまうおそれがある。継電器９にストレスを与えないようにするために、継電器９に流れる電流が０［Ａ］になった状態で、継電器９はスイッチ動作することが望ましい。モータ電Ｉｍｂを０［Ａ］に制御し、台数切替手段２２が継電器９をオフ状態にする方法について説明する。

図５は、図３に示した構成において、継電器をオフ状態に切り替える際の別の制御を説明するためのブロック図である。図３に示した構成では、電流補償部３３が励磁電流指令値を生成し、速度制御器３２がトルク電流指令値を生成している。図５は、駆動するモータを２台から１台に減らす旨の台数指令値Ｓ＊が上位の装置から入力されるタイミングで、インバータ制御手段２１が、励磁電流指令値およびトルク電流指令値のそれぞれを０［Ａ］に設定することを示す。図５に示すようにして、インバータ制御手段２１は、モータ４０ａに流れる電流を０［Ａ］になるようにフィードバック制御を行う。インバータ制御手段２１が速度制御器３２および電流補償部３３を機能しないようにすることで、モータ４０ａに流れる電流を０［Ａ］にすることができる。

本実施の形態１のように、モータ４０ａおよび４０ｂが永久磁石同期モータである場合、回転子の磁石が回転すると、巻線の内部に誘起電圧が発生する。誘起電圧は、一般的に、回転数が高いほど大きい値になり、回転数が低いほど小さい値になる。上述した制御によって、インバータ回路６が生成するインバータ出力電圧とモータ４０ｂの回転によって発生する誘起電圧値とが同位相かつ同値となり、この場合、モータ４０ｂに流れる電流が０［Ａ］になる。図５に示す構成において、励磁電流指令値およびトルク電流指令値のそれぞれを０［Ａ］としてフィードバック制御が行われることで、自動的に誘起電圧値に釣り合うインバータ出力電圧が生成される。なお、モータ４０ｂは、巻線に供給される電流が０［Ａ］となるために、エネルギー供給が遮断されるが、慣性モーメントに対応して回転を継続することになる。

継電器９の保護を目的とすると、制御対象は継電器９に流れる電流であるが、本実施の形態１では、電流制御対象をモータ４０ａとしており、継電器９に流れる電流が０［Ａ］になるように直接に継電器９を制御するわけではない。しかし、本実施の形態１のように、単一のインバータ回路６で複数のモータ４０ａおよび４０ｂを駆動する装置では、インバータ出力電圧はモータ４０ａおよび４０ｂに共通なので、モータ４０ａおよび４０ｂは必ず同じ回転数で制御されることになる。そのため、電流制御対象のモータ４０ａだけでなく、継電器９が接続されているモータ４０ｂもモータ４０ａと同じ回転数となり、同程度の誘起電圧がモータ４０ａおよび４０ｂの両方に発生する。その結果、モータ４０ａに対して、供給する電流をゼロアンペアにするゼロ電流制御を行っても、モータ４０ｂに流れる電流を間接的に０［Ａ］にすることができる。

さらに、継電器９に流れる電流はモータ４０ｂに流れる電流と同等であり、モータ４０ｂに流れる電流は電流検出器８ｂによってモータ電流Ｉｍｂとして検出される。そのため、台数切替手段２２は、電流検出器８ｂによって検出されるモータ電流Ｉｍｂが０［Ａ］であると判定すると、継電器９をオフ状態に変更できると判断し、継電器９へのコイル励磁電圧を０Ｖに変更する。

上述したように、電流制御の対象はモータ４０ａであるため、継電器９が接続されるモータ４０ｂに流れる電流は完全に０［Ａ］にならずに、微小な電流が流れる場合がある。また、電流検出器８ａ、８ｂの検出誤差などの影響により、電流指令値を０［Ａ］としてフィードバック制御を行ったとしても、制御上、誤差が生じるため検出される電流が０［Ａ］にならない場合もある。そのため、接続切替の判定基準となる第１閾値Ｉｔｈ１について、これらの場合を考慮して、マージンを設けた値を閾値とればよい。

また、第２閾値Ｉｔｈ２については、本制御状態の経過時間ｔが閾値時間Ｔｔｈ秒よりも長くなった場合に、継電器９をオフするか否かを判定するための閾値となるが、大きな値に設定した場合、継電器９に対するストレスを与えるものとなる。そのため、継電器９の電流定格値に対してマージンを設けた値としておく必要がある。継電器９の電流定格値よりも大きな値とした場合は継電器９の故障リスクが上がることは言うまでもない。また、本実施の形態であれば、基本的にはステップＳ１０１の判定条件によって継電器９をオフし、外乱などによりその状態の経過時間ｔが閾値時間Ｔｔｈ秒よりも長くなってしまった場合のみ、ステップＳ１０２の判定条件に移行する。そのため、ステップＳ１０２に移行する頻度は少なく、第１閾値Ｉｔｈ１＜第２閾値Ｉｔｈ２としたうえで、第２閾値Ｉｔｈ２＜継電器９の電流定格という関係となるように値を設定しておけば、機器の故障リスクを軽減するとともに迅速な台数の切替制御が可能となる。その結果、信頼性が向上する。

また、図４を参照して説明したように、コントローラ１８は、ステップＳ１０２の判定の結果、ステップＳ１０４に進み、機器に異常があると判定した場合、インバータ回路６の出力を停止させる。継電器９の操作については、電流検出器８ｂにより検出されたモータ電流Ｉｍｂが第２閾値Ｉｔｈ２または第１閾値Ｉｔｈ１以下になると、コントローラ１８は、継電器９をオフ状態にする。インバータ回路６の出力が停止すると、モータ４０ａおよび４０ｂがそれぞれ惰性で回転し、回転数の低下とともに２つのモータ間に流れる電流が減少する。そして、最終的にモータ４０ｂが停止すれば、モータ４０ｂに供給される電流は０［Ａ］となる。すなわち、コントローラ１８は、インバータ回路６の出力を停止させた後、モータ電流Ｉｍｂの減少を確認してから継電器９をオフ状態に切り替える。このように、インバータ回路６の故障などが原因で図４に示したステップＳ１０４の処理に進んだ場合でも、コントローラ１８が継電器９に流れる電流に基づいて継電器９をオフ操作することで、継電器９およびその他の機器に与えるストレスを軽減できる。

次に、モータ制御装置３０が、駆動させるモータの台数を１台から２台に増やす場合の動作を説明する。図６は、図１に示したモータ制御装置が、駆動させるモータの台数を１台から２台に増やす場合の動作手順を示すフローチャートである。ここでは、初期状態として、モータ４０ａが駆動しているが、モータ４０ｂが停止している状況であるものとする。

インバータ制御手段２１は、駆動するモータの台数を２台にする旨の台数指令値Ｓ＊が上位の装置から入力されると、モータ４０ａの回転数Ｎｐａを小さくするために、電圧指令値Ｖ＊を変更する。その際、インバータ制御手段２１は、タイマー２３を起動し、経過時間ｔをタイマー２３に測定させる。そして、インバータ制御手段２１は、回転数Ｎｐａと第１閾値Ｎｔｈ１とを比較する（ステップＳ２０１）。回転数Ｎｐａは、インバータ制御手段２１が継電器９の切り替えのタイミングを判定するための監視回転数に相当する。

ステップＳ２０１の判定の結果、回転数Ｎｐａが第１閾値Ｎｔｈ１よりも小さい場合、台数切替手段２２は、継電器９をオン状態にする（ステップＳ２０３）。一方、ステップＳ２０１の判定の結果、回転数Ｎｐａが第１閾値Ｎｔｈ１以上である場合、台数切替手段２２は、ステップＳ２０２の判定処理に進む。

ステップＳ２０２において、インバータ制御手段２１は、回転数Ｎｐａが第２閾値Ｎｔｈ２よりも小さく、かつ経過時間ｔが閾値時間Ｔｔｈよりも大きいか否かを判定する。回転数Ｎｐａが第２閾値Ｎｔｈ２よりも小さく、かつ経過時間ｔが閾値時間Ｔｔｈ秒よりも大きい場合、インバータ制御手段２１は、継電器９をオン状態にする（ステップＳ２０３）。一方、回転数Ｎｐａが第２閾値Ｎｔｈ２よりも小さい第１条件および経過時間ｔが閾値時間Ｔｔｈよりも大きい第３条件のうち、少なくとも一方が満たされない場合、インバータ制御手段２１は、モータ４０ａを含む機器の異常と判定する（ステップＳ２０４）。

上述した手順によれば、複数のモータの運転台数を切り替える際、継電器９に発生するストレスを抑制し、継電器９およびモータ４０ｂが故障してしまうことを防げる。また、上記の手順によれば、モータの台数切り替える際に、モータ４０ａおよび４０ｂと継電器９とを含む機器の異常状態をいち早く検知することができる。その結果、機器の信頼性を高めることができる。例えば、ステップＳ２０４において、インバータ制御手段２１が機器に異常があると判定すると、インバータ回路６の出力を停止してもよい。この場合、異常の発生した機器が他の機器に影響を及ぼすことを防止できる。

ここで、ステップＳ２０３において、継電器９がオフ状態からオン状態に切り替わるとき、２台のモータ４０ａおよび４０ｂの回転数に起因して過大電流が発生するおそれがある。この場合、モータ減磁および機器故障等に至ることがある。モータ４０ａが駆動中に継電器９をオフ状態からオン状態に切り替える場合、駆動中のモータ４０ａの回転数Ｎを０［ｍｉｎ^－１］とすることが望ましい。回転数Ｎｐａが０［ｍｉｎ^－１］まで小さくなったときに、台数切替手段２２が継電器９をオン状態にする場合について説明する。

図７は、図３に示した構成において、駆動するモータが１台の場合の制御を説明するためのブロック図である。図７に示す構成は、図３に示した構成と比較すると、モータ４０ｂの回転位置を推定する位置推定器３１ｂと、モータ４０ｂの駆動を安定化させる補償電流を算出する電流補償部３３とが設けられておらず、励磁電流指令値として任意の指令値が設定されている。任意の指令値は、モータ４０ａおよび４０ｂの種類に対応する値が選択される。任意の指令値は、例えば、制御対象モータが回転子の表面に永久磁石が設けられた表面磁石型モータの場合は０［Ａ］が望ましく、回転子の内部に永久磁石が設けられた埋め込み型モータの場合はモータの運転効率が最も良くなる値が望ましい。

図８は、図７に示した構成において、継電器をオン状態に切り替える際の別の制御を説明するためのブロック図である。上位の装置が空気調和装置の制御装置である場合、空調能力の増大が必要と判断すると、駆動するモータを２台にする旨の台数指令値Ｓ＊がコントローラ１８に入力される。この場合、インバータ制御手段２１は、図８に示すように、回転数指令値を０［ｍｉｎ^－１］に設定することで、モータ４０ａの回転数をゼロ速度に変化させる。図７に示した構成であれば、モータ４０ａの回転数をフィードバック制御しているため、ゼロ速度状態への変更が容易にできる。

ここで、モータ４０ａをゼロ速度の状態まで速度を低下させる理由を説明する。継電器９を接続するタイミングでモータ４０ａが回転した状態のままだと、継電器９のスイッチ動作のタイミングでモータ４０ａの誘起電圧に起因して、モータ４０ｂに過大な電流が発生してしまうことがある。そのため、モータ４０ａをゼロ速度状態とすることで、モータ４０ｂに過大な電流が流れることを抑制している。モータ４０ｂに流れる電流が大きい場合、モータの減磁が発生する、機器が故障するなどの問題が生じてしまうことがある。

継電器９がオフ状態である場合に、モータ４０ｂが外力によって回転するフリーランの状態になるとき、モータ４０ａとモータ４０ｂの誘起電圧の瞬時的な差分がモータ間に電圧として発生することがある。この場合、より大きな電流がモータ間に流れるため、モータ４０ａをゼロ速度状態まで移行させることで、電流を抑制することができる。

台数切替手段２２は、位置推定器３１ａによって推定されるモータ４０ａの回転数Ｎｐａが０［ｍｉｎ^－１］と判定すると、継電器９をオン状態に変更できると判断し、継電器９のコイルに励磁電圧を印加する。

ただし、電流検出器８ａの検出値およびモータパラメータなどのばらつきに起因して、位置推定器３１ａの推定値と実際のモータ４０ａの回転数とに誤差が生じる。そのため、継電器９にスイッチ動作を行うか否かの判定基準となる回転数閾値Ｎｔｈは、誤差を考慮して設定してもよい。

また、モータの制御において、低速側の制御性、特に、回転数が０［ｍｉｎ^－１］付近での制御性の悪化が想定される。また、モータの回転数に対応して制御アルゴリズムを変更するように構成されている場合もある。このような場合、モータの回転数が所定値に至る前の値を、継電器９に対するスイッチング動作の判定閾値としてもよい。このようにすることで、制御アルゴリズムを変更する必要がなく、制御を簡易化できる効果が得られる。

また、継電器９がオン状態に変更された後、モータ４０ａおよび４０ｂがインバータ回路６に接続されるため、図５に示した構成によって、モータ４０ａおよび４０ｂの回転数が制御される。

駆動するモータを１台から２台に変更する際、モータ４０ａの回転数をゼロに制御したうえで継電器９をオン状態に切り替える。そのため、モータ４０ａの回転を安定的に維持した状態のまま、モータ４０ａおよび４０ｂの運転台数を切り替えることができる。また、継電器９およびモータ４０ｂへの過大電流を抑制し、継電器９に対するストレスを軽減することで、モータ４０ａおよび４０ｂと継電器９とを含む機器の信頼性が向上する。

本実施の形態１のモータ制御装置３０は、インバータ回路６と、モータ４０ａおよび４０ｂに流れるモータ電流を検出する電流検出器８ａおよび８ｂと、モータ４０ｂとインバータ回路６との間に設けられた継電器９と、コントローラ１８とを有する。コントローラ１８は、モータ４０ｂを停止させる際、駆動するモータ４０ａに流れるモータ電流を小さくするインバータ制御手段２１と、モータ４０ｂのモータ電流Ｉｍｂが小さくなると、継電器９をオン状態に切り替える台数切替手段２２とを有する。また、インバータ制御手段２１は、駆動するモータの台数を１台から２台に切り替える際、駆動中のモータ４０ａの回転数を小さくし、台数切替手段２２は、モータ４０ａの回転数Ｎｐａが小さくなると、継電器９をオフ状態からオン状態に切り替える。

本実施の形態１によれば、駆動するモータ４０ａおよび４０ｂのうち、運転台数を１台に切り替える際、駆動するモータ４０ａに流れるモータ電流が小さくなってから、継電器９をオフ状態に切り替える。モータ４０ａおよび４０ｂはインバータ回路６に対して並列に接続されているので、モータ４０ａに流れる電流が小さくなると、モータ４０ｂおよび継電器９に流れる電流も小さくなる。継電器９に流れる電流も小さくなってから、継電器９がオフ状態に切り替わる。また、複数のモータ４０ａおよび４０ｂのうち、運転台数を１台から２台に切り替える際、駆動するモータ４０ａの回転数が小さくなってから、継電器９をオン状態に切り替える。モータ４０ａおよび４０ｂはインバータ回路６に対して並列に接続されているので、モータ４０ａの回転数が小さくなると、モータ４０ａおよび４０ｂと継電器９とに流れる電流も小さくなる。継電器９に流れる電流も小さくなってから、継電器９がオン状態に切り替わる。そのため、継電器９に対するストレスを軽減し、モータ４０ａおよび４０ｂと継電器９とを含む機器が故障してしまうことを防げる。モータ４０ａの電流がゼロアンペアになる前、またはモータ４０ａの回転数がゼロになる前に、継電器９がスイッチング動作するため、継電器９の切替動作時間を短縮できる。

実施の形態２．
本実施の形態２は、実施の形態１で説明したモータ制御装置において、モータの運転台数切替制御に対して回転数条件を追加し、機器の信頼性をより向上させるものである。本実施の形態２では、実施の形態１で説明した構成と同一の構成に同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施の形態２のモータ制御装置の構成は実施の形態１で説明した構成と同様になるため、その詳細な説明を省略する。本実施の形態２のモータ制御装置の動作を説明する。

はじめに、駆動させるモータの台数を２台から１台に減らす場合の動作を説明する。図９は、図１に示したモータ制御装置が、駆動させるモータの台数を２台から１台に減らす場合の動作手順を示す実施の形態２に係わるフローチャートである。実施の形態１と大きく異なる点は、継電器９をオフする判定条件にステップＳ１１２を追加した点である。

図９に示すステップＳ１１２は、モータ４０ａの回転数Ｎｐａを判定条件に用い、モータの回転数Ｎｐａ＜回転数閾値Ｎｔｈ、かつモータ４０ｂのモータ電流Ｉｍｂ＜第２閾値Ｉｔｈ２の両方を満足した場合に、継電器９をオフさせるものである。図９に示すステップＳ１１１、Ｓ１１３およびＳ１１４のそれぞれの処理は図４に示したステップＳ１０１、Ｓ１０２およびＳ１０３のそれぞれの処理と同様になるため、その詳細な説明を省略する。

ステップＳ１１３において、モータ電流Ｉｍｂが第２閾値Ｉｔｈ２よりも小さい第１条件および経過時間ｔが閾値時間Ｔｔｈよりも大きい第３条件のうち、少なくとも一方が満たされない場合、インバータ制御手段２１は、モータ４０ｂを含む機器の異常と判定する（ステップＳ１１５）。インバータ制御手段２１は、機器に異常があると判定すると、インバータ回路６の出力を停止させる（ステップＳ１１６）。継電器９の操作については、台数切替手段２２は、電流検出器８ｂにより検出されるモータ電流Ｉｍｂが第２閾値Ｉｔｈ２以下または第１閾値Ｉｔｈ１以下であるか否かを判定する（ステップＳ１１７）。ステップＳ１１７の判定の結果、モータ電流Ｉｍｂが第２閾値Ｉｔｈ２以下または第１閾値Ｉｔｈ１以下である場合、台数切替手段２２は、継電器９をオフ状態にする（ステップＳ１１８）。

ここで、判定条件にモータ４０ａの回転数Ｎｐａを用いる理由を説明する。実施の形態１でも説明したように、台数を２台から１台に変更するためにモータ電流をゼロアンペアにするような制御手法に切り替えることを考える。モータ４０ａに流れる電流が０［Ａ］になるように制御されるが、この場合、モータの回転によって発生する誘起電圧とインバータが発生する電圧が同位相かつ同値となることで、電流がモータに流れなくなる。このときのモータは慣性によって惰性で回転することになり、この間、モータ４０ａに対して回転数制御は実施されない。しかしながら、位置推定器３１ａが演算動作を行うことで、モータ４０ａの回転数を推定できる。

センサレスベクトル制御のようにモータ定数、モータ電流およびモータ電圧などに基づいて、ＣＰＵ内部でモータの回転数を推定する場合、低回転になるほど推定回転数に誤差が生じ、推定精度が悪化するという課題がある。これは、モータの回転数が小さくなるとモータに印可される電圧も小さくなるため、回転数の推定がインバータ回路で発生する電圧誤差の影響を相対的に受けやすくなるためである。最悪の場合、モータが制御不能になる脱調という現象に至り機器が異常停止することがある。また、これらの現象を防ぐために、高度な演算処理を行うためのＣＰＵが必要になったり、また高精度な電圧センサが必要になったりして、コストアップにつながるという課題がある。

上述したように、台数を２台から１台に切り替える状態では、モータ４０ａの回転数は惰性によって回転され、どこまで回転数が低下するかは不明である。最悪の場合、モータの脱調に至るまで回転数が低下することも考えられる。そのため、その回転数よりも高い範囲で、台数切り替え制御を実施する必要がある。ここで、回転数に対する判定閾値Ｎｔｈを設け、その値を脱調に至る回転数よりも大きな値とすることで、脱調を回避することができる。ステップＳ１１２において、回転数の判定をモータ電流Ｉｍｂ＜第２閾値Ｉｔｈ２の判定条件とのＡＮＤ条件としている理由を説明する。回転数が判定閾値Ｎｔｈよりも下回り、継電器９をオフしようとしても、流れる電流が大きい値であれば継電器９に対してストレスを加えることになる。そのため、ステップＳ１１２は、モータ電流Ｉｍｂ＜Ｉｔｈ２となったときに継電器９をオフ操作することを意味している。なお、電流の第２閾値Ｉｔｈ２の設定については実施の形態１で説明した内容と同一であり、その説明を省略する。

また、図９を参照して説明したように、コントローラ１８は、ステップＳ１１３の判定の結果、ステップＳ１１５に進み、機器に異常があると判定した場合、インバータ回路６の出力を停止させる。継電器９の操作については、電流検出器８ｂにより検出されたモータ電流Ｉｍｂが第２閾値Ｉｔｈ２または第１閾値Ｉｔｈ１以下になると、コントローラ１８は、継電器９をオフ状態にする。インバータ回路６の出力が停止すると、モータ４０ａおよび４０ｂがそれぞれ惰性で回転し、回転数の低下とともに２つのモータ間に流れる電流が減少する。そして、最終的にモータ４０ｂが停止すれば、モータ４０ｂに供給される電流は０［Ａ］となる。すなわち、コントローラ１８は、インバータ回路６の出力を停止させた後、モータ電流Ｉｍｂの減少を確認してから継電器９をオフ状態に切り替える。このように、インバータ回路６の故障などが原因で図９に示したステップＳ１１５の処理に進んだ場合でも、コントローラ１８が継電器９に流れる電流に基づいて継電器９をオフ操作することで、継電器９およびその他の機器に与えるストレスを軽減できる。

さらに、ステップＳ１１１～Ｓ１１３のいずれの条件も満足しない場合、インバータ制御手段２１は、機器が故障していると判断し、ただちにインバータ回路６の電圧出力を停止させるようにする。こうすることで、より早く機器の異常状態を検知することができる。

このように、駆動するモータを２台から１台に変更する際に、モータａの回転数Ｎｐａを検知し、それに対して判定閾値を追加することで、回転数が低下しすぎて制御不能に陥ることを防ぎ、機器が異常停止することを防ぐという効果が得られる。

次に、駆動させるモータの台数を１台から２台に増やす場合の動作を説明する。図１０は、図１に示したモータ制御装置が、駆動させるモータの台数を１台から２台に減らす場合の動作手順を示す実施の形態２に係わるフローチャートである。実施の形態１と大きく異なる点は、継電器９をオンする判定条件にステップＳ２１２を追加した点である。

図１０に示すステップＳ２１２は、モータ４０ａによって発生する回生エネルギーで誘起される電圧である回生電圧に対して判定閾値である電圧閾値Ｖｔｈを設け、Ｎｐａ＜回転数閾値Ｎｔｈ、かつ回生電圧Ｖｋ＜電圧閾値Ｖｔｈの両方を満足した場合に、継電器９をオンさせるものである。回生電圧Ｖｋは、電力変換回路１０の平滑コンデンサ５の電圧の両端電圧（直流母線電圧）の上昇分より算出される。図１０に示すステップＳ２１１、Ｓ２１３、Ｓ２１４およびＳ２１５のそれぞれの処理は図６に示したステップＳ２０１、Ｓ２０２、Ｓ２０３およびＳ２０４のそれぞれの処理と同様になるため、その詳細な説明を省略する。

本実施の形態２においても、駆動するモータの台数を１台から２台に増やす場合、実施の形態１と同様にモータ４０ａに対して速度がゼロとなるように制御を行う。このとき、モータ４０ａが回転している状態でゼロに制御すると、回転しているエネルギーが回生され、インバータの平滑コンデンサ５の電圧の両端電圧（直流母線電圧）が上昇する。また、外力によってモータ４０ａが回されている状態などで、回転数をゼロに制御しようとすると、回生エネルギーが非常に大きくなり、結果、直流母線電圧の電圧上昇によって機器が過電圧を検知して異常停止する課題がある。さらに、最悪の場合、回生電圧が平滑コンデンサ５の部品の耐圧を超え、またはスイッチング素子７の部品耐圧を超えて、機器が破壊するおそれがある。そこで、本実施の形態２では、運転台数を１台から２台に増やすときに実施する、ゼロ回転数制御中において、直流母線電圧に対して電圧閾値Ｖｔｈを設けることで、回生による過電圧異常および機器故障に至る前に継電器９をオンすることを特徴とする。

電圧閾値Ｖｔｈは、機器の過電圧異常を検知する閾値よりも小さい値に設定しておけば、回生によって機器が過電圧異常を検知することなく、運転を継続することができる。また、ステップＳ２１３に示す条件では、回生電圧の判定を回転数Ｎｐａ＜回転数閾値Ｎｔｈの判定条件とのＡＮＤ条件としているが、これは、上述したように、回転数が大きい状態で継電器９をオンした場合に発生する過大な電流による故障を防ぐためのものである。そのため、回生電圧Ｖｋ＜電圧閾値Ｖｔｈ、および回転数Ｎｐａ＜回転数閾値Ｎｔｈの両方の条件が満たされることで、故障するリスクを軽減し、装置全体の信頼性を上げることができる。

さらに、ステップＳ２１１～Ｓ２１３のいずれの条件も満足しない場合は、インバータ制御手段２１は、機器が故障していると判断し、ただちにインバータ回路６の電圧出力を停止させるようにする。こうすることでより早く機器の異常状態を検知することが可能となる。

本実施の形態２によれば、駆動するモータ４０ａおよび４０ｂのうち、運転台数を１台に切り替える際、モータ電流を小さくするだけではなく、モータ回転数による判定を追加することで、モータの回転が低下しすぎて脱調に至る前に継電器９をオフさせる。その結果、機器が異常停止に至ることなく、安定に台数を切り替えることができる。また、本実施の形態２によれば、運転台数を１台から２台に切り替える際、モータの回転数を小さくするだけでなく、モータの回生エネルギーを直流母線電圧の上昇値から検出することで、過電圧異常に至る前に継電器９をオンさせる。その結果、機器が異常停止に至ることなく、安定に台数を切り替えることができる。

実施の形態３．
本実施の形態３は、実施の形態１で説明したモータ制御装置を有する空気調和装置に関するものである。本実施の形態３では、実施の形態１で説明した構成と同一の構成に同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施の形態３の空気調和装置の構成を説明する。図１１は、本発明の実施の形態３に係る空気調和装置の一構成例を示す冷媒回路図である。空気調和装置１００は、室外機５０と、室外機５０と冷媒配管６５で接続される室内機６０とを有する。室外機５０は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機５１と、冷媒の流通方向を切り替える四方弁５２と、冷媒を外気と熱交換させる熱源側熱交換器５３と、外気を熱源側熱交換器５３に供給する熱源側送風機５４と、コントローラ１８ａとを有する。圧縮機５１は、図１に示したモータ４０ａおよび４０ｂを有する。室外機５０は、実施の形態１で説明したモータ制御装置３０を有する。室外機５０は室外機５０には、外気温度を検出する外気温度センサ５８が設けられている。熱源側送風機５４には駆動源としてモータ５７が接続されている。

室内機６０は、高圧の冷媒を減圧して膨張させる絞り装置６１と、冷媒を空調対象空間の空気と熱交換させる負荷側熱交換器６３と、空調対象空間の空気を負荷側熱交換器６３に供給する負荷側送風機６４とを有する。室内機６０には、室温を検出する室温センサ６８が設けられている。負荷側送風機６４には駆動源としてモータ６７が接続されている。

圧縮機５１、熱源側熱交換器５３、絞り装置６１および負荷側熱交換器６３が冷媒配管６５で接続され、冷媒が循環する冷媒回路５５が構成される。空気調和装置１００が冷房運転を行う場合、熱源側熱交換器５３が凝縮器として機能し、負荷側熱交換器６３が蒸発器として機能する。空気調和装置１００が暖房運転を行う場合、熱源側熱交換器５３が蒸発器として機能し、負荷側熱交換器６３が凝縮器として機能する。図１１に示す構成例では、空気調和装置１００の冷凍サイクルを制御する機能を備えたコントローラ１８ａが室外機５０に設けられているが、コントローラ１８ａは室内機６０に設けられていてもよい。

図１２は、図１１に示したコントローラの一構成例を示すブロック図である。コントローラ１８ａは、冷凍サイクル制御手段２０と、インバータ制御手段２１と、台数切替手段２２とを有する。コントローラ１８ａは、図１に示したメモリ７１およびＣＰＵ７２を有する。ＣＰＵがプログラムを実行することで、冷凍サイクル制御手段２０、インバータ制御手段２１および台数切替手段２２が構成される。なお、図１１では、説明のために、モータ制御装置３０とコントローラ１８ａを別々の構成に示しているが、モータ制御装置３０は、図１２に示すインバータ制御手段２１および台数切替手段２２を含む構成である。

冷凍サイクル制御手段２０は、空気調和装置１００が所望の空調能力を得られるように圧縮機５１および絞り装置６１などの冷媒機器の制御量を調節する。例えば、冷凍サイクル制御手段２０は、外気温度センサ５８から入力される外気温度および室温センサ６８から入力される室温を監視し、外気温度および室温の一方または両方の変化に起因して冷凍負荷が増大すると、必要な空調能力を算出する。そして、冷凍サイクル制御手段２０は、算出した空調能力に対応して、圧縮機５１、負荷側送風機６４および熱源側送風機５４の回転数と、絞り装置６１の開度とを制御する。

冷凍サイクル制御手段２０は、圧縮機５１の回転数を制御する場合、空気調和装置１００が必要とする空調能力に対応する回転数指令値Ｎ＊をインバータ制御手段２１に出力する。また、冷凍サイクル制御手段２０は、空気調和装置１００が必要とする空調能力に対応して、モータ４０ａおよび４０ｂのうち、駆動するモータの台数を決定し、台数指令値Ｓ＊をインバータ制御手段２１および台数切替手段２２に出力する。

なお、本実施の形態３の空気調和装置１００における、圧縮機５１のモータ４０ａおよび４０ｂの制御は、実施の形態１で説明した制御と同様になるため、その詳細な説明を省略する。また、本実施の形態３では、圧縮機５１のモータがモータ４０ａおよび４０ｂの２台のモータで構成される場合で説明したが、モータ５７としてモータ４０ａおよび４０ｂが用いられてもよい。さらに、モータ６７としてモータ４０ａおよび４０ｂが用いられてもよい。本実施の形態３では、実施の形態１で説明したモータ制御装置を用いる場合で説明したが、実施の形態２で説明したモータ制御装置を用いてもよい。

本実施の形態３の空気調和装置１００は、圧縮機５１を含む冷媒回路５５と、送風機と、圧縮機５１および送風機のうち、一方または両方に接続される、モータ４０ａおよび４０ｂと、モータ制御装置３０とを有するものである。

本実施の形態３によれば、複数のモータの運転台数を切り替える際に、空気調和装置を停止させることなく、空気調和装置の運転性能に影響を与えずに、安定した空調能力を維持できる。また、継電器９に発生するストレスを抑制し、モータ４０ａおよび４０ｂと継電器９とを含む機器が故障してしまうことを防げる。

例えば、駆動するモータを２台から１台に変更する場合、駆動を維持するモータの電流を０［Ａ］まで小さくしてしまうと、空気調和装置１００の空調能力が低下してしまうことになる。空調能力が一旦低下してしまうと、空調能力が復帰するまでの期間、空調対象空間の空調環境が悪化してしまうおそれがある。また、慣性モーメントの大きいモータの場合、インバータ回路の出力を停止させたとしても、慣性モーメントによってモータが回転し続ける状態となり、再起動不能になる場合があり、停止している時間が長引いてしまうことがある。これに対して、本実施の形態３では、複数のモータの運転台数を切り替える際、駆動するモータの電流を小さくするが、ゼロアンペアになるまで下げないことで、空気調和装置１００を停止させることがない。その結果、安定した空調能力を維持できる。

本実施の形態３において、運転させるモータの台数を２台から１台に変更する場合、電流をゼロ［Ａ］に制御したうえで継電器９をオフ状態にしてもよい。また、運転させるモータの台数を１台から２台に変更する場合、駆動中のモータの回転数をゼロに制御したうえで継電器９をオン状態にしてもよい。この場合、空気調和装置１００の空調能力を安定的に維持した状態のまま、モータ４０ａおよび４０ｂの切替運転が可能となり、空気調和装置１００が停止することを回避できる。また、モータ４０ｂおよび継電器９への過大電流を抑制し、継電器９に対するストレスを軽減することができる。その結果、モータ４０ａおよび４０ｂと継電器９とを含む機器と、空気調和装置１００について、信頼性が向上する。モータ４０ａの電流がゼロアンペアになる前、またはモータ４０ａの回転数がゼロになる前に、継電器９がスイッチング動作するため、継電器９の切替動作時間を短縮できる。

また、実施の形態１において図４および図６を参照して説明した手順を本実施の形態３にも適用することで、モータ４０ａおよび４０ｂと継電器９とを含む機器の異常状態をいち早く検知することができる。その結果、空気調和装置１００の信頼性をより高めることができる。

さらに、本実施の形態３の空気調和装置１００が従来の技術の課題を解決することを説明する。従来の技術として説明したように、空調能力の増大に対応して大容量のモータを駆動するために、複数のモータを備えた空気調和装置が知られている。永久磁石同期モータを駆動する場合、回転子の磁極位置およびモータに流れる電流を磁極センサ等の検出器によって検出させ、モータの回転数を制御する方法が一般的である。しかし、空気調和装置に設けられる圧縮機は内部が高温かつ高圧な状態になるため磁極センサが取り付けられないことがある。そのため、磁極位置を推定してモータの回転数を制御するセンサレス制御が提案されている。センサレス制御では磁極センサが必要ないため、空気調和装置がより安価な構成となる。また、センサレス制御は、圧縮機モータの制御だけではなく、ファンモータの制御にも適用することができる。

しかし、永久磁石同期モータが複数接続される装置の場合、各モータについて、磁極位置に対応する適切な位相でモータを制御する必要があり、１つのモータに対して１つのインバータ回路を適用する装置が一般的であった。そのため、複数のモータを備える装置では、モータの台数に対応するインバータ回路が必要であった。これに対して、特許文献１および特許文献２に開示された技術では、１つのインバータ回路で複数のモータを駆動させるものである。

従来の空気調和装置は、空調負荷が低減した場合に、室外ファンモータの回転数を低下するようにインバータ回路を制御する。一方、特許文献１の空気調和装置のように、複数のモータを搭載した空気調和装置は、モータの回転数を低下させる代わりに、駆動するモータの台数を減らすことで、風量を下げる。

特許文献２に開示された方法では、モータの運転台数を切り替えるためにインバータ回路とモータとの間に設置された電磁継電器を制御して、モータをインバータ回路から切り離すことで、駆動するモータの台数を切り替えている。しかしながら、電磁継電器に電流が流れている状態で接点をオフにした場合、上述したように、電磁継電器の接点間にアークが発生し、部品にストレスを与えることになる。

また、特許文献２の技術が空気調和装置に適用された場合を考える。この場合の空気調和装置は、空調負荷が増大し、駆動するモータを１台から２台に切り替える際、電磁継電器をオンさせる必要がある。このとき、空気調和装置は、１台のモータの回転を制御している状態で２台目のモータをインバータ回路に接続すると、回転子の磁極がインバータ回路の周波数に追従せずに脱調などの制御不能の状態になることがある。その結果、装置が異常停止しまうことになる。

また、複数の永久磁石同期モータを駆動するモータ制御装置を搭載する空気調和装置は、駆動するモータの台数を切り替える制御を行いながら運転する場合、極力、空調能力を低下させないように短時間で台数を切替えることが望ましい。さらに、モータ制御装置は、電磁継電器およびモータに過電流および過電圧などのストレスを与えないように、駆動するモータの切り替え動作を行う必要がある。

このような従来の課題に対して、本実施の形態３の空気調和装置１００は、上述したように、解決することができる。

１ 交流電源、２ 整流回路、３ 逆流防止素子、４ リアクトル、５ 平滑コンデンサ、６ インバータ回路、７ スイッチング素子、８ａ、８ｂ 電流検出器、９ 継電器、１０ 電力変換回路、１１ 還流ダイオード、１８、１８ａ コントローラ、２０ 冷凍サイクル制御手段、２１ インバータ制御手段、２２ 台数切替手段、２３ タイマー、３０ モータ制御装置、３１ａ、３１ｂ 位置推定器、３２ 速度制御器、３３ 電流補償部、３４、３５ 電流制御器、３６、３７ 座標変換部、３８ａ～３８ｃ 減算器、４０ａ、４０ｂ モータ、５０ 室外機、５１ 圧縮機、５２ 四方弁、５３ 熱源側熱交換器、５４ 熱源側送風機、５５ 冷媒回路、５７ モータ、５８ 外気温度センサ、６０ 室内機、６１ 絞り装置、６３ 負荷側熱交換器、６４ 負荷側送風機、６５ 冷媒配管、６７ モータ、６８ 室温センサ、７１ メモリ、７２ ＣＰＵ、１００ 空気調和装置。

Claims (11)

1. 並列に接続される複数のモータに対して、直流電圧を交流電圧に変換して供給するインバータ回路と、
   前記複数のモータのそれぞれに流れるモータ電流を検出する電流検出器と、
   前記複数のモータのうち、少なくとも１台のモータと前記インバータ回路との間に設けられ、前記１台のモータと前記インバータ回路との接続のオン状態およびオフ状態を切り替える継電器と、
   前記複数のモータのうち、駆動させるモータの台数を切り替えるコントローラと、を有し、
   前記コントローラは、
   駆動する２台以上のモータのうち、１台のモータを停止させる際、前記駆動する２台以上のモータに対する電流指令値を低下させるインバータ制御手段と、
   前記継電器が接続されたモータの前記電流検出器が検出する前記モータ電流である監視電流が小さくなると、停止対象のモータに接続された前記継電器を前記オン状態から前記オフ状態に切り替える台数切替手段と、を有する
   モータ制御装置。
2. 前記台数切替手段は、前記監視電流と決められた第１閾値とを比較し、前記監視電流が前記第１閾値より小さい場合、前記継電器を前記オン状態から前記オフ状態に切り替える、請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記インバータ制御手段は、
   前記駆動中のモータの前記モータ電流から推定される位相と前記監視電流から推定される位相との位相差に基づいて、前記停止対象のモータの回転を安定にする励磁電流指令値を算出する電流補償部と、
   回転数指令値と前記駆動中のモータの前記モータ電流を含むパラメータ値から推定される回転数との回転数差に基づいてトルク電流指令値を算出する速度制御器と、
   前記トルク電流指令値と前記駆動中のモータの前記モータ電流に対応するトルク電流との電流差から第１の制御量を算出し、前記励磁電流指令値と前記駆動中のモータの前記モータ電流に対応する励磁電流との電流差から第２の制御量を算出する電流制御器と、
   前記第１の制御量および前記第２の制御量に基づいて前記インバータ回路に出力する電圧指令値を生成する座標変換部と、を有し、
   前記インバータ制御手段は、前記１台のモータを停止させる際、前記電流補償部および前記速度制御器を機能させないようにし、
   前記台数切替手段は、前記監視電流が前記第１閾値まで低減すると、前記継電器を前記オン状態から前記オフ状態に切り替える、請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記インバータ制御手段は、前記監視電流に基づいて前記継電器が接続されたモータの回転数を推定し、
   前記台数切替手段は、前記監視電流が前記第１閾値以上である場合、前記監視電流と前記第１閾値より大きい第２閾値とを比較し、前記インバータ制御手段によって推定された回転数と決められた回転数閾値とを比較し、前記監視電流が前記第２閾値より小さい第１条件と、前記推定された回転数が前記回転数閾値より小さい第２条件との両方の条件が満たされる場合、前記継電器を前記オン状態から前記オフ状態に切り替える、請求項２に記載のモータ制御装置。
5. 前記コントローラは、前記インバータ制御手段が前記駆動する２台以上のモータに流れるモータ電流を小さくしたときから経過時間を測定するタイマーを有し、
   前記台数切替手段は、前記第１条件および前記第２条件のうち、少なくとも一方が満たされない場合、前記経過時間と決められた閾値時間とを比較し、前記第１条件と前記経過時間が前記閾値時間より大きい第３条件との両方の条件が満たされる場合、前記継電器を前記オン状態から前記オフ状態に切り替え、前記第１条件および前記第３条件のうち、少なくとも一方が満たされない場合、前記継電器が接続されたモータを含む機器に異常があると判定する、請求項４に記載のモータ制御装置。
6. 並列に接続される複数のモータに対して、直流電圧を交流電圧に変換して供給するインバータ回路と、
   前記複数のモータのそれぞれに流れるモータ電流を検出する電流検出器と、
   前記複数のモータのうち、少なくとも１台のモータと前記インバータ回路との間に設けられ、前記１台のモータと前記インバータ回路との接続のオン状態およびオフ状態を切り替える継電器と、
   前記複数のモータのうち、駆動させるモータの台数を切り替えるコントローラと、を有し、
   前記コントローラは、
   駆動するモータの台数を１台増やす際、駆動中のモータの回転数を回転数指令値よりも小さくするインバータ制御手段と、
   前記駆動中のモータの前記電流検出器が検出する前記モータ電流から推定される回転数である監視回転数が前記回転数指令値よりも小さくなると、起動対象のモータに接続された前記継電器を前記オフ状態から前記オン状態に切り替える台数切替手段と、を有する
   モータ制御装置。
7. 前記台数切替手段は、前記監視回転数と決められた第１閾値とを比較し、前記監視回転数が前記第１閾値より小さい場合、前記継電器を前記オフ状態から前記オン状態に切り替える、請求項６に記載のモータ制御装置。
8. 前記インバータ制御手段は、
   前記回転数指令値と前記駆動中のモータの前記モータ電流を含むパラメータ値から推定される回転数との回転数差に基づいてトルク電流指令値を算出する速度制御器と、
   前記トルク電流指令値と前記駆動中のモータの前記モータ電流に対応するトルク電流との電流差から第１の制御量を算出し、前記複数のモータの種類に対応する値と前記駆動中のモータの前記モータ電流に対応する励磁電流との電流差から第２の制御量を算出する電流制御器と、
   前記第１の制御量および前記第２の制御量に基づいて前記インバータ回路に出力する電圧指令値を生成する座標変換部と、を有し、
   前記インバータ制御手段は、前記駆動するモータの台数を１台増やす際、前記回転数指令値をゼロに設定し、
   前記台数切替手段は、前記監視回転数が前記第１閾値まで低減すると、前記継電器を前記オン状態から前記オフ状態に切り替える、請求項７に記載のモータ制御装置。
9. 前記インバータ制御手段は、駆動中のモータの前記電流検出器が検出する前記モータ電流に基づいて回生電圧を推定し、
   前記台数切替手段は、前記監視回転数が前記第１閾値以上である場合、前記監視回転数と前記第１閾値より大きい第２閾値とを比較し、前記インバータ制御手段によって推定された回生電圧と決められた電圧閾値とを比較し、前記監視回転数が前記第２閾値より小さい第１条件と、前記推定された回生電圧が前記電圧閾値より大きい第２条件との両方の条件が満たされる場合、前記継電器を前記オフ状態から前記オン状態に切り替える、請求項７に記載のモータ制御装置。
10. 前記コントローラは、前記インバータ制御手段が前記駆動中のモータに流れるモータ電流を小さくしたときから経過時間を測定するタイマーを有し、
    前記台数切替手段は、前記第１条件および前記第２条件のうち、少なくとも一方が満たされない場合、前記経過時間と決められた閾値時間とを比較し、前記第１条件と前記経過時間が前記閾値時間より大きい第３条件との両方の条件が満たされる場合、前記継電器を前記オフ状態から前記オン状態に切り替え、前記第１条件および前記第３条件のうち、少なくとも一方が満たされない場合、前記駆動中のモータを含む機器に異常があると判定する、請求項９に記載のモータ制御装置。
11. 圧縮機、凝縮器、絞り装置および蒸発器が接続され、冷媒が循環する冷媒回路と、
    前記凝縮器および前記蒸発器のうち、少なくとも一方に空気を供給する送風機と、
    前記圧縮機および前記送風機のうち、一方または両方に接続される前記複数のモータと、
    請求項１～１０のいずれか一項に記載のモータ制御装置と、
    を有する空気調和装置。

Images