JP2001314095A - 電動機駆動装置及びこれを用いた空気調和機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 運転状況に応じて最適の条件で電動機を運転
することができ、効率が良く振動の少ない運転が得られ
るようにした電動機制御装置を提供すること。 【解決手段】 整流回路２とインバータ４の間に昇圧回
路３を設け、インバータ４の直流入力電圧を所定の一定
の電圧に保ったままインバータ４をＰＷＭ制御する領域
と、昇圧回路３によりインバータ４の直流入力電圧を変
化させながらインバータ４をＰＡＭ制御する領域とに切
換えて電動機５を制御するようにしたもの。 【効果】 電動機５の出力の広い範囲にわたって効率よ
く制御できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インバータを用い
た電動機駆動装置に係り、特に交流電源からの電力を、
一旦この交流電源の電圧よりも高い電圧の直流電力に変
換し、この直流電力をインバータにより交流電力に変換
して電動機に供給することにより、広範囲にわたる回転
速度制御を行なうようにした電動機駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】インバータを用いた電動機駆動装置の従
来技術としては、例えば特開昭５９−１８１９７３号公
報に記載のように、インバータの出力電圧の制御を、イ
ンバータの入力である直流電圧を制御して行なう領域
と、入力直流電圧は一定のままでインバータの通流率を
制御して行なう領域とに分けて行なう方式の電動機駆動
装置がある。

【０００３】より具体的には、この従来技術による電動
機駆動装置では、インバータ出力電圧指令が予め設定さ
れている直流電圧基準値よりも大きい場合には、インバ
ータの通流率を例えば最大値に固定したままで、直流電
圧をインバータ出力電圧指令に応じて制御し、他方、イ
ンバータ出力電圧指令が上記直流電圧基準値よりも小さ
い場合には、直流電圧は前記直流電圧基準値としたまま
で、インバータの通流率を制御して、インバータの出力
電圧がインバータ出力電圧指令に一致するようにしてい
る。

【０００４】このような従来技術では、電動機の出力が
小さいときには、直流電圧を低い電圧で一定に保つこと
により、インバータのスイッチング損失を低減した上
で、高精度の制御を実現するものであり、また、電動機
出力が大きくなった場合には、インバータでは周波数制
御のみ行い、直流電圧を制御することにより回転数制御
を実現するようにしているのである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術による電
動機駆動装置は、インバータ出力電圧指令と前記直流電
圧基準値の差により直流電圧値を決定しているので、電
流形インバータのように間接的にインバータ出力電圧が
決定されるような場合には、直流電圧の指令値が決定で
きないという問題があった。

【０００６】また、直流電圧が直流電圧基準値より高い
場合に、インバータ出力が最大となるので、例えば電源
入力が単相の場合には、直流電圧に生じた電源変動によ
り、電動機トルク変動や電動機電流に変動が生じる場合
があるという問題があった。さらに、空気調和機で可変
速運転を行う場合には、可変速範囲及び負荷変動範囲が
広く、且つ、気調和機の運転モードにより電動機の運転
条件が異なるため、従来技術では、必ずしも最適な運転
を実現できないという問題があった。

【０００７】本発明の目的は、上記従来技術の問題に充
分に対処できるようにした電動機駆動装置を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、入力された交流の電圧より高い直流電圧を得る交流
直流変換手段と、この直流電圧を交流電圧に変換するイ
ンバータと、このインバータにより駆動される電動機を
備え、前記交流直流変換手段を制御する電圧制御手段
と、前記電動機が指令の速度で運転するようにインバー
タ出力周波数及びインバータ出力電力を制御する速度制
御手段とを有する電動機駆動装置において、前記インバ
ータの出力電力が所定値以上の領域では前記電圧制御手
段により前記インバータの出力電圧を制御し、前記イン
バータの出力電力が前記所定値未満の領域では前記イン
バータをパルス幅変調して出力電圧を制御するようにし
たものである。

【０００９】また、上記目的を達成するため、パルス幅
変調信号の通流率と予じめ設定された所定通流率の差、
及び前記直流電圧と予じめ設定された所定電圧の差、ま
たは入力された交流の電力、インバータに供給する直流
電力、電動機に供給するインバータ出力、電動機の出力
のいずれかを検出する検出手段により検出した電力、ま
たは電源から供給される入力電流、インバータに供給す
る直流電流、電動機の巻線電流のいずれかを検出する検
出手段により検出した電流値により、直流電圧の指令値
を決定するようにしたものである。

【００１０】さらに、直流電圧をインバータ出力電圧よ
り高く制御する電動機制御手段と、インバータに供給す
る直流電流を検出する手段を備え、直流電源変動が規定
値より小さくなるようにインバータ制御とは独立に直流
電圧を制御するようにしたものである。

【００１１】さらに、直流電圧をインバータ出力電圧よ
り高く制御する電動機制御手段と、入力された交流の電
力、または電流を検出する手段を備え、入力する交流の
電力を最小とするようにインバータ制御とは独立に直流
電圧を制御するようにしたものである。

【００１２】さらに、前記の電動機駆動装置を用いて空
気調和機の能力制御を行ったものである。

【００１３】

【作用】以上の構成は、パルス幅変調信号の通流率とあ
らかじめ設定された所定通流率の差及び前記直流電圧と
あらかじめ設定された所定電圧の差から電動機に供給し
ている電力を推定し、この電力に応じて直流電圧及びイ
ンバータ出力電圧を決定するように働く。

【００１４】さらに、電源から供給される入力電力(ま
たは電流)、インバータに供給する直流電力(または電
流)、電動機に供給するインバータ出力(または電流)、
電動機の出力のいずれかを検出する検出手段により検出
した検出値とその時点の電圧でインバータが供給できる
最大出力との差を用いて直流電圧及びインバータ出力電
圧を決定する。

【００１５】さらに、直流電圧を前記インバータ出力電
圧より高く制御し、低い直流電圧でインバータ制御を同
時に行うことにより、電源電流または電力を最小とした
り、直流電流の変動幅を所定の範囲内となるように直流
電圧指令値を決定する。

【００１６】さらに、前記の電動機駆動装置を用いて空
気調和機の能力制御を行うことにより、空気調和機の運
転モードに応じた効率、振動最適点での運転を実現す
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明による電動機駆動装
置について、図示の実施例により詳細に説明する。

【００１８】図１は、本発明の第１の実施例で、この実
施例は、整流回路２と昇圧回路３、インバータ４、それ
に電動機制御装置６からなり、交流電源１から供給され
た交流電力を可変電圧、可変周波数の交流電力に変換
し、これを電動機５に供給することにより、この電動機
(３相誘導電動機)５を、速度指令値Ｎ_R に応じて可変速
駆動制御するようにしたものである。

【００１９】整流回路２は、交流電源１から供給される
交流電圧を整流して昇圧回路３に直流電圧を入力する働
きをする。

【００２０】昇圧回路３は、インダクタンス素子とスイ
ッチング素子、それにダイオードとを備え、スイッチン
グ素子をオンすることにより、インダクタンス素子の出
力側の電路を短絡してインダクタンス素子に直流電流を
流し、エネルギーをインダクタンス素子に蓄えた後、ス
イッチング素子をオフし、これによりインダクタンス素
子に発生した電圧を入力直流電圧に加算してコンデンサ
Ｃ１に充電させ、入力直流電圧を昇圧する働きをする。

【００２１】そして、このタイプの昇圧回路によれば、
スイッチング素子のオンとオフの時間比(以下、デュー
ティ又は通流率という)を制御することにより、交流側
入力電流が正弦波状に制御され、力率を改善することが
でき、さらに交流側入力電流の大きさ(絶対値)を制御し
て直流電圧の制御(以下、これをＰＡＭ制御という)がで
きる。

【００２２】インバータ４は、昇圧回路３から供給され
る直流電圧をパルス幅変調することにより、再び任意の
周波数の交流に変換し、電動機５に供給する働きをす
る。つまり、電動機５の各相の端子は、インバータ４の
中でスイッチング素子を介して直流電源の正側と負側に
それぞれ接続されており、各相のスイッチング素子のオ
ンオフ動作により、電動機５の端子間に交互に反転して
直流電圧が印加されることになり、電動機５に交流電力
が供給されることになる。

【００２３】電動機５は、インバータ４から供給された
交流電力の周波数及び電流に応じて任意の回転数及びト
ルクで回転し、負荷を駆動する。

【００２４】電動機制御装置６は、磁極位置検出センサ
Ｐ１等から得られる回転信号Ｓ４により電動機５の回転
速度を検出し、速度指令値Ｎ_R に一致するようにインバ
ータ駆動信号Ｓ２を出力する。このインバータ駆動信号
Ｓ２は、インバータ４の各アームに接続されたスイッチ
ング素子をオンオフする信号で、パルス幅変調信号によ
り変調されており、この変調度によりインバータ４の出
力電圧Ｖｉｎｖまたはインバータ出力電流Ｉｉｎｖを制
御する(以下これをＰＷＭ制御という)。

【００２５】また、電動機制御装置６は、直流電圧検出
器Ｒ３により検出した直流電圧検出信号Ｓ３が、電圧指
令値ＶｄＲに一致するように昇圧回路駆動信号Ｓ１を出
力する。この昇圧回路駆動信号Ｓ１は、昇圧回路３のス
イッチング素子をオンオフして、直流電圧を制御するも
のであるが、この電動機制御装置６の詳細について、さ
らに図によって説明する。

【００２６】この電動機制御装置６は、図２に示すよう
に、回転信号Ｓ４から電動機５の回転数を演算し、速度
検出値Ｎを出力する速度演算装置６０５と、速度検出値
Ｎと速度指令値Ｎ_R により、インバータ４への通流率指
令値Ｄ_R 及び昇圧回路３への電圧指令値Ｖ_dR を出力す
る速度制御装置６１０、通流率指令値Ｄ_R からインバー
タ４を駆動するためのインバータ駆動信号Ｓ２を出力す
る通流率作成装置６０３、それに電圧指令値Ｖ_dR に従
って昇圧回路３のスイッチング素子を駆動し、直流電圧
を制御する直流電圧制御装置６０１とから構成されてい
る。

【００２７】また、速度制御装置６１０は、速度検出値
Ｎと速度指令値Ｎ_R とから速度偏差値Ｎｅを算出する速
度制御部６１３と、速度偏差値Ｎｅ又は速度偏差零信号
Ｎ_Zから通流率中間値Ｄ_RM 及び通流率指令値Ｄ_R を算出
する通流率指令部６１２、速度偏差値Ｎｅ又は速度偏差
零信号Ｎ_Z から電圧指令中間値Ｖ_dRM 及び電圧指令値Ｖ
_dR を算出する電圧指令部６１１、それに電動機の運転
状態と通流率及び直流電圧に応じて、速度偏差値Ｎｅを
通流率指令部６１２と電圧指令部６１１の何れに伝達す
るかを選択する切り換え部６１４とで構成されている。

【００２８】そして、この切り換え部６１４は、速度偏
差値Ｎｅと通流率中間値Ｄ_RM 及び電圧指令中間値Ｖ_dRM
に基づいて切り換えを行なう。そして、速度偏差値Ｎ
ｅが通流率指令部６１２に伝達されたときには、速度偏
差値Ｎｅに基づいてＰＷＭ制御が行われ、速度偏差値Ｎ
ｅが電圧指令部６１１に伝達されたときには、速度偏差
値Ｎｅに基づいてＰＡＭ制御が行われ、他方、速度偏差
零信号Ｎ_Z が伝達されているときは、通流率指令部６１
２では最大通流率指令値Ｄ_RMAX が出力され、電圧指令
部６１１では最低直流電圧指令値Ｖ_dRMIN が出力され
る。

【００２９】このように構成した電動機制御装置６は、
運転条件に応じてＰＷＭ制御及びＰＡＭ制御を切り換
え、速度検出値Ｎが速度指令値Ｎ_R に一致するように電
動機５を制御するのである。

【００３０】次に、図３及び図４を用いて、電動機制御
装置６の動作について説明する。なお、図３は、本発明
の一実施例による切り換え部６１４の切り換えアルゴリ
ズムを示し、図４は、電動機制御装置６における電動機
出力に対する直流電圧Ｖ_d と通流率Ｄの関係を示したも
のである。

【００３１】以下、電動機起動状態では、速度制御装置
６１０での初期値として通流率指令値Ｄ_R＝０％、直流
電圧指令値Ｖ_dR＝１５０Ｖが与えられ、切り換え部６１
４により速度偏差値Ｎｅが通流率指令部６１２に接続さ
れているものとし、図３に示すアルゴリズムに沿って説
明する。

【００３２】図３において、まず６２１では、速度偏差
値Ｎｅが正なら加速中、負なら減速中として、加減速の
判定を行っている。そして電動機が加速中ならば６２２
へ進み、ここで通流率中間値Ｄ_RM を用いて通流率指令
値が最大値かどうか判定し、最大通流率ならば６２４に
進み、速度偏差値Ｎｅの伝達先を通流率指令部６１２か
ら電圧指令部６１１に切り換え、昇圧回路３により直流
電圧を制御し、電動機５の速度制御を行う。このとき、
通流率指令部６１２には速度偏差零信号Ｎ_Z が入力され
るため、通流率指令部６１２からは最大通流率指令値Ｄ
_RMAX が出力され、通流率は最大値(ここでは１００％)
に制御される。

【００３３】また、６２１で電動機５が減速中ならば６
２３に進み、電圧指令中間値Ｖ_dRMを用いて直流電圧指
令値が最低直流電圧値になったかどうか判定し、最低直
流電圧値ならば６２５に進み、速度偏差値Ｎｅの伝達先
を電圧指令部６１１から通流率指令部６１２に切り換
え、インバータ４により電動機５に与える電動機電圧を
制御して電動機５の速度制御を行う。このとき、電圧指
令部６１１には速度偏差零信号Ｎ_Z が入力されているた
め、電圧指令部６１１からは最低直流電圧指令値Ｖ
_dRMINが出力され、直流電圧は最低値(ここでは１５０
Ｖ)に制御される。

【００３４】ところで、この実施例では、速度偏差値Ｎ
ｅと通流率中間値Ｄ_RM 及び電圧指令中間値Ｖ_dRM に基
づいて切り換えを行っていたが、電動機の運転状態と通
流率及び直流電圧に関係する値ならどんな値を使用して
もよい。更に言えば、電動機の最大出力点(電圧に対す
る)がわかる値ならどれを使用しても切り換えが可能で
ある。

【００３５】図３に戻り、６２１で電動機５が定速回転
中、又は６２２で通流率指令値が１００％以下、或いは
６２３で直流電圧指令値が１５０Ｖ以上の場合は６２６
に進み、現在の状態を維持する。

【００３６】従って、この電動機駆動装置６によれば、
図４に示すように、電動機５が低出力時は、昇圧回路３
は直流電圧を１５０Ｖに制御し、インバータ４は速度偏
差値Ｎｅに応じて通流率を変更させて電動機電圧を制御
することにより、電動機の速度制御を行なう。そして、
直流電圧が１５０Ｖになった時点で、電動機５が出せる
最大出力になると、ここで通流率指令値Ｄ_R が１００％
になるので、速度偏差値Ｎｅの接続が切り換えられ、電
圧指令値Ｖ_dR が増加し、ここからは昇圧回路３によ
り、図４に示すように、直流電圧ＶD が上昇されてゆ
く。以後、電動機５が高出力状態では、昇圧回路３によ
り電動機電圧を制御することにより電動機の速度制御を
行なう。

【００３７】反対に、電動機５が高出力状態から低出力
状態に変化した場合は、電圧指令値Ｖ_dR が１５０Ｖ以
下になるので、直流電圧が１５０Ｖにまで低下した時点
で電動機５が出せる最大出力点になると、ここで速度偏
差値Ｎｅの接続が切り換えられ、通流率指令値Ｄ_R が低
下し、インバータ４により電動機電圧が下げられ、以
後、インバータ４は速度偏差値Ｎｅに応じて電動機電圧
を制御し、電動機の速度制御を行なうのである。

【００３８】従って、この第１の実施例では、上記動作
を行うことにより、昇圧回路３は直流電圧を必要以上に
上げる必要がなく、昇圧回路３のスイッチングに起因す
る損失を低減できる。また、インバータ４も、直流電圧
が低いためスイッチングに起因する損失を低減でき、さ
らに電動機５にかかる最大電圧(瞬時値)が小さくなるた
め、スイッチングに起因する電動機電流の変動が小さく
なり、このため回転子側に誘起される電動機出力に関係
ない渦電流が低減され、損失を少なくできる。次に、本
発明の他の実施例について説明する。

【００３９】図５は本発明の第２の実施例で、図１の実
施例と同一符号は同一部分を示す。この図５において、
まず入力電流検出器Ｒ１は、交流電源１から整流装置２
に供給される電流を検出して入力電流検出信号Ｓ５を発
生し、電動機制御装置６０に供給する働きをする。

【００４０】次に直流電流検出器Ｒ４は、インバータ４
に供給される直流電流を検出した直流電流検出信号Ｓ６
を発生し、電動機制御装置６０に供給する働きをする。

【００４１】図６は、電動機制御装置６０の詳細構成図
で、図２の実施例と同一符号は同一動作、同一部分を示
す。そして、この図６の実施例が、図２の実施例と異な
る部分は、速度制御装置６２０と通流率作成装置６０
７、及び力率改善装置６３０である。

【００４２】速度制御装置６２０は、速度指令値Ｎ_R 及
び速度検出値Ｎに基づいて電流指令値Ｉ_dR 及び電圧指
令値Ｖ_dR を出力し、電動機５の回転数を制御するもの
で、所定の直流電圧において、電動機５に入力されてい
る実際の直流電力が、最大直流電力に等しくなったと
き、ＰＷＭ制御とＰＡＭ制御との切り換えを行なうよう
になっているものである。

【００４３】そこで、この速度制御装置６２０は、速度
偏差値Ｎｅを出力する速度制御部６１３と、速度偏差値
Ｎｅに可変ゲインＫ１を乗じた値に基づいて電圧指令値
Ｖ_dRを算出する電圧指令部６１１、速度偏差値Ｎｅに可
変ゲインＫ２を乗じた値に基づいて電流指令値Ｉ_dR を
算出する電流指令部６１６、直流電流検出信号Ｓ６と直
流電圧検出信号Ｓ３により検出した、その時点での直流
電圧で電動機５に入力できる最大直流電力を演算する最
大電力演算部６３１、入力電流検出信号Ｓ５より入力電
力を演算し、直流電力を推定する入力電力演算部６３
２、それに速度偏差値Ｎｅと最大電力演算部６３１の出
力及び入力電力演算部６３２の出力により可変ゲインＫ
１及びＫ２のゲインを変更する切り換え部６１５とで構
成されている。そして、この実施例では、可変ゲインＫ
１、Ｋ２はどちらか一方がゲイン１のとき、他方はゲイ
ン０になるように設定されている。

【００４４】通流率作成装置６０７は、インバータ４を
駆動し直流電流を制御するもので、電流指令値Ｉ_dR と
直流電流検出信号Ｓ６の偏差に基づいてインバータ駆動
信号Ｓ２を出力する働きをする。

【００４５】力率改善装置６３０は、昇圧回路３を用い
て電源電流を正弦波状に制御(力率改善)すると同時に、
直流電圧を所定の値に制御する装置で、少なくとも入力
電流検出信号Ｓ５を用いて力率改善制御を行い、電圧指
令値Ｖ_dR に基づいて直流電圧を制御する働きをし、入
力電流検出信号Ｓ５と電圧指令値Ｖ_dR 及び直流電圧検
出信号Ｓ３により力率改善と同時に直流電圧制御ができ
る昇圧回路駆動信号Ｓ１を出力するものである。

【００４６】次に、図７は、切り換え回路６１５の切り
換えアルゴリズムを示したもので、この図７での６４１
は、図３の実施例における６２１と同一なので、説明は
省略する。

【００４７】まず、電動機５が加速中の場合には６４２
に進み、最大電力演算部出力と入力電力演算部出力を比
較して差がなくなったら６４４に進む。６４４では、そ
の時の最大電力演算部出力を基準電力として記憶し、６
４６で可変ゲインＫ１をゲイン１に、可変ゲインＫ２を
ゲイン０に設定する。

【００４８】次に、電動機５が減速中の場合には６４３
に進み、入力電力演算部出力と記憶されている基準電力
を比較し、差がなくなった場合６４５に進み、可変ゲイ
ンＫ１をゲイン０に、可変ゲインＫ２をゲイン１に設定
する。

【００４９】さらに、６４１で電動機５が定速回転中、
又は６４２で入力電力演算部出力が最大電力以下、もし
くは６４３で入力電力演算部出力が基準電力以上の場合
は６４７に進み、現在の状態を維持する。

【００５０】従って、この実施例による電動機駆動装置
６０を、図７の切り換えアルゴリズムに従って動作させ
ると、第１の実施例と同様、図４に示す通り、電動機５
が低出力時は、昇圧回路３は直流電圧を１５０Ｖ(最低
直流電圧指令Ｖ_dRMIN を１５０Ｖに設定した場合)に制
御し、インバータ４は速度偏差値Ｎｅに応じて電動機電
圧を制御し、電動機の速度制御を行なう。そして、直流
電圧が１５０Ｖになって電動機５に入力できる最大直流
電力に、実際の直流電力がなったとき、可変ゲインＫ１
及びＫ２のゲインが切り換えられ、電圧指令値Ｖ_dR が
増加し、昇圧回路３により直流電圧が図４に示す通り上
げられる。以後電動機５が高出力状態では、昇圧回路３
により電動機電圧を制御し電動機の速度制御を行なう。

【００５１】反対に高出力状態から低出力状態に変化す
る場合も、直流電圧が１５０Ｖの時点で電動機５に入力
できる最大出力点になると、可変ゲインＫ１及びＫ２の
ゲインが切り換えられて通流率指令値Ｄ_R が低下し、イ
ンバータ４により電動機電圧が下げられ、以後インバー
タ４は速度偏差値Ｎｅに応じて電動機電圧を制御し、電
動機の速度制御を行なうのである。

【００５２】従って、この第２の実施例によれば、第１
の実施例と同様な効果を得ることができる上、電圧制御
装置に代えて力率改善装置６３０を使用しているため、
電動機５の回転数制御と同時に電源の力率を改善するこ
とができる。

【００５３】また、通流率作成装置６０７では、直流電
流の制御ができるため、高精度な電動機制御ができる。

【００５４】なお、この第２の実施例では、その時点の
電圧で電動機に入力できる最大電力と、電源から供給さ
れる入力電力を用いて可変ゲインＫ１とＫ２のゲインを
切り換えているが、これに代えて、インバータ４に供給
される直流電力や電動機５の出力を使用して切り換える
ようにしてもよい。また、電源電流、直流電流、電動機
巻線電流を用いて切り換えるようにしても、同様の効果
を得ることができる。次に、本発明のさらに別の実施例
について説明する。

【００５５】まず図８は、本発明の一実施例における動
作説明図で、この図は電動機駆動装置の運転特性で、横
軸に電動機出力、縦軸に電圧を示しており、直流電圧Ｖ
_d 及びインバータ出力電圧Ｖ_inv を併せて示したもので
ある。

【００５６】この図８から明らかなように、この実施例
では、直流電圧Ｖ_d は電動機出力が小さいときは一定電
圧に制御しており、電動機出力が大きい場合には昇圧比
を上げてより高い電圧に制御するになっており、そし
て、電動機出力が大きい場合には、直流電圧Ｖ_d はイン
バータ出力電圧Ｖ_inv より高い電圧に保たれるようにな
っている。

【００５７】ＰＷＭ制御では、インバータがスイッチン
グする際、電動機の各相の巻線にかかる電圧はスイッチ
ング素子のオンオフ状態により直流電圧Ｖ_d と零(或い
は−Ｖ_d)に変化する。このとき、電圧の変化と電流の変
化が重なって発生するため、スイッチング素子には電流
と電圧の積に比例した損失が生じる。

【００５８】また、このとき、電動機の線間電圧が変動
してしまうことにより、電機子巻線電流にスイッチング
周波数の変動成分がのり、回転子側に誘起する電動機出
力に関係しない渦電流が流れて損失を生じる。

【００５９】従って、電動機出力が小さい場合に低い電
圧でスイッチングすれば、これらの損失を低減すること
ができる。

【００６０】しかして、直流電圧Ｖ_d をインバータ出力
電圧Ｖ_inv に等しくしたのでは、インバータの制御によ
る高精度な電動機制御ができなくなり、電動機を最適な
運転条件で運転できず、効率、制御特性が悪化してしま
う。

【００６１】そこで、以下の本発明の実施例では、低い
電圧で動作させることによる低損失特性と、インバータ
制御による制御の高精度性を併わせ持たせ得るようにす
るため、直流電圧Ｖ_d をインバータ出力電圧Ｖ_inv より
少し高く制御し、最適な電動機運転を実現するものであ
る。

【００６２】まず、図９は、本発明の第３の実施例で、
図１又は図５の実施例と同一符号は同一部分を表わす。

【００６３】次に図１０は、この実施例における電動機
制御装置６１の詳細構成図で、図２の実施例と同一符号
は同一部分を表わしており、この図から明らかなよう
に、この実施例では、通流率作成装置６０３と速度制御
装置６０４、それに速度演算装置６０５からなる電動機
制御系と、電圧制御装置６０１と電圧指令装置６５３及
び記憶装置６５２からなる直流電圧制御系とが独立した
構成となっており、回転速度制御は電動機制御系による
ＰＷＭ制御で行ない、直流電圧制御は電圧制御系による
ＰＡＭ制御で行なうようになっている。

【００６４】速度制御装置６０４は、速度演算装置６０
５から入力される速度検出値Ｎと、速度指令値Ｎ_R との
差を零とするように、速度制御のみに関連する通流率指
令値Ｄ_R を作成する。また、これと並行して、速度制御
装置６０４は、直流電圧の不足による速度誤差分を速度
偏差値Ｎｅとして出力する。

【００６５】直流電圧制御系は、前記のように、電圧制
御装置６０１、電圧指令装置６５３及び記憶装置６５２
とで構成されており、入力電流検出信号Ｓ５は電圧指令
装置６５３に入力される。記憶装置６５２は読み書き可
能な記憶素子から構成され、その時点で入力電流Ｉ_S が
最も小さくなる電圧指令Ｖ_dRm と、そのときの入力電流
Ｉ_Sm とを記憶している。

【００６６】速度制御装置６０４から供給される速度偏
差値Ｎｅは、電圧指令装置６５３の出力である電圧指令
Ｖ_dR に加算され、直流電圧指令値に対して回転速度誤
差分の補正を行う。これにより速度制御装置で最大通流
率を出力しても速度偏差が零とならない場合には、この
速度偏差信号Ｎｅにより電圧指令を高めに設定する。電
圧指令装置６５３は、入力電流検出信号Ｓ５から得られ
る入力電流Ｉ_S が、記憶装置６５２に記憶してある入力
電流Ｉ_dm より小さい場合に、その時点の電圧指令Ｖ_dR
及び入力電流Ｉ_S を、Ｖ_dRm 及びＩ_sm として記憶装置
６５２に記録する。また、この電圧指令装置６５３は、
ある周期で記憶装置６５２に記憶した電圧指令Ｖ
_dRmと、これより少し高い電圧Ｖ_dRm＋Δ、及び少し低い
電圧Ｖ_dRm−Δの少なくとも３種類の電圧を順に出力す
る。そして最小入力電流に対応した電圧指令Ｖ_dRm を出
力したときの入力電流値が、記憶装置６５２に記憶した
Ｉ_smと異なる場合には、これを更新する。

【００６７】次に、この図１０に示した電動機制御装置
６１の動作について、図１１により説明する。

【００６８】いま、ある時点で、電圧指令Ｖ_dR として
Ｖ_d１が出力されていたとし、この時の入力電流がＩ_S１
であり、これらの値が記憶装置６５２に記憶されていた
場合には、ある時間経過後に電圧指令をＶ_dRm−Δ＝Ｖ_d
２に変更する。

【００６９】そうすると、これによる入力電流Ｉ_S２
は、記憶装置６５２に記憶してある電流値Ｉ_Smより小さ
いので、Ｖ_dRm として直流電圧指令値Ｖ_d２を、Ｉ_Sm と
して入力電流Ｉ_S２を記憶する。その後再び電圧指令を
Ｖ_dRm−Δ＝Ｖ_d３に変更し、これによる直流電圧指令値
Ｖ_d３がＶ_dRmとして、入力電流Ｉ_S３がＩ_Sm として記憶
される。

【００７０】従って、その後の電圧指令の変更に対して
は、入力電流はＩ_S４及びＩ_S２となり、これらは共にＩ
_sm より大きいので、記憶装置６５２の内容は更新され
ず、Ｖ_d２〜Ｖ_d３を繰り返し出力するようになり、この
結果、電圧指令Ｖ_dR は入力電流が最も小さい点の近傍
に決定され、効率の良い運転が実現できる。

【００７１】次に、電動機５の回転数や出力トルクが変
化した場合には、Ｖ_dRm を直流電圧指令値としたときの
入力電流が変化し、Ｉ_Sm と異なる値となるので、記憶
装置６５２の内容が更新され、再び入力電流最小値を探
すことになり、従って、この実施例によれば、常に効率
の良い運転制御が得られることになる。

【００７２】図１２は、電動機制御装置６１による制御
の様子を示す波形図で、時刻ｔ１において、速度指令Ｎ
_R が変化したり、負荷が増大するなどの理由により、図
１２の(a)に示すように、電動機出力が変化した場合を
示している。

【００７３】この時点ｔ１で、電圧指令Ｖ_dRm が入力電
流検出信号の最小値と一致しなくなるので、前記のアル
ゴリズムにより、順次、直流電圧を、同図(b)に示すよ
うに変更して行き、同図(c)に示すように電源電流Ｉ_S
が最小になる直流電圧に近づけていく動作が行なわれる
ことになる。

【００７４】入力側の交流電圧が一定の場合は、入力電
流と入力電力が比例しているので、この第３の実施例に
よれば、容易に入力電力最小運転が実現でき、最大効率
運転を得ることができる。

【００７５】なお、交流電圧が変化する場合には、入力
電流の代わりに入力電力を検出して同様のことを行えば
良い。

【００７６】次に、本発明のさらに別の実施例について
説明する。

【００７７】図１３は、本発明の第４の実施例にかかる
電動機駆動装置を示したもので、図１又は図９の実施例
と同一符号は同一部分を表わす。

【００７８】ここで、直流電流検出器Ｒ４は、インバー
タに供給される電流を検出し、直流電流検出信号Ｓ５を
電動機制御装置６２に入力する働きをする。

【００７９】次に図１４は、この実施例における電動機
制御装置６２の詳細構成図で、この図において、図１０
の実施例と同一符号は同一部分を表わしている。

【００８０】この図１４において、直流電流検出器Ｒ４
から供給される直流電流検出信号Ｓ６は、通流率作成装
置６０７と電流変動検出装置６５１に入力されている。

【００８１】速度制御装置６０６は、速度指令値Ｎ_R と
速度演算装置６０５から入力される速度検出値Ｎとの差
が零になるようにするための、速度制御にだけ関連する
電流指令値Ｉ_dR を作成する。

【００８２】通流率作成装置６０７は、電流指令値Ｉ_dR
と直流電流検出値Ｓ６が一致するようにパルス幅変調
したインバータ駆動信号Ｓ２を出力する。

【００８３】電流変動検出装置６５１は、ある一定時間
内の最大電流値と最小電流値の差である直流電流変動値
ΔＩd を出力する。

【００８４】電圧指令装置６０２は、直流電流変動値Δ
Ｉ_d が、直流電流変動許容幅Δmaxより大きい場合は直
流電圧指令値Ｖ_dR を増加させ、直流電流変動値ΔＩ_d
がこの直流電流変動許容幅Δmax より小さい場合は直流
電圧指令値Ｖ_dR を減少させる。

【００８５】ここで、直流電圧変動は、ＰＷＭ変調され
た直流電流Ｉ_d が大きくなるにつれて増加する。また、
この直流電流Ｉ_d の大きさは、電動機５の出力が一定で
あれば、直流電圧(Ｖ_d)×直流電流(Ｉ_d)に比例するの
で、直流電圧が低い方が大きくなる。

【００８６】従って、直流電流変動値ΔＩ_d を直流電流
変動許容幅Δmax 内で一定にすることにより、直流電圧
Ｖ_d はインバータ出力電圧Ｖ_inv よりも高く保たれるこ
とになる。

【００８７】次に、この電動機制御装置６２の動作につ
いて、図１５により説明する。

【００８８】いま、ある時点で、直流電圧指令値Ｖ_dR
として、直流電圧Ｖ_d１が出力されていたとする。そし
て、このとき、直流電流変動値がΔＩ_d１であったとす
ると、ΔＩ_d１＞Δmax なので、直流電圧指令値Ｖ_dR を
増加させてＶ_d２とする。そうすると、このときの直流
電流変動値ΔＩ_d２＞Δmax となるので、さらに直流電
圧指令値Ｖ_dR を増加してＶ_d３とする。そして、この時
点で、直流電流変動値ΔＩ_d３＜Δmax となり、直流電
圧指令値Ｖ_dR は、この値に保たれることになる。これ
によれば、直流電流変動値ΔＩ_d を電流変動許容幅Δma
x 内に納めた最小の直流電圧での運転が実現され、従っ
て、この実施例によれば、損失が少なく、且つ電流変動
が少ない運転が実現できるので、電流変動に起因するト
ルク変動が少ない状態での運転を容易に得ることができ
る この実施例では、このように、電動機の回転数や出力ト
ルクが変化した場合は直流電流変動値ΔＩ_d が変化し、
これを許容範囲内とするように電圧指令Ｖ_dRが変化し、
直流電流変動値ΔＩ_d が電流変動許容値Δmax 内に収ま
るような直流電圧に調整される。

【００８９】図１６は、電動機制御装置６２により電動
機５を運転した場合の動作を示す波形図で、時刻ｔ１に
おいて、速度指令Ｎ_R が変化したり負荷が増大するなど
の理由で、図１６の(a)に示すように、電動機の回転数
や出力トルクが変化した場合を示している。

【００９０】そうすると、この時点ｔ１で、同図(b)、
(c)に示すように、直流電圧値Ｖ_d と、直流電流変動値
ΔＩ_d が変化し、前記のアルゴリズムにより、順次直流
電圧指令値を変更しながら、次第に直流電流変動値ΔＩ
_d がΔmax となる電圧に近づいていくのである。

【００９１】ところで、以上の説明から明らかなよう
に、上記実施例による電動機駆動装置によれば、最適な
電動機運転を容易に得ることができるから、種々の電動
機を用いた装置への適用が可能であるが、ここでは、こ
のような装置の一例として空気調和機に適用した場合に
ついて説明する。

【００９２】図１７は、本発明の一実施例による空気調
和機の運転モードの一例を示したもので、図の横軸は圧
縮機運転用電動機の出力トルクＴを示し、縦軸は、その
回転数を示している。

【００９３】まず、従来の空気調和機では、電動機を運
転するのに、インバータの入力として一定の直流電圧Ｖ
_dc で運転しており、これより直流電圧が低い範囲のみ
ＰＷＭ制御により利用していた。

【００９４】これに対して、本発明の空気調和機によれ
ば、低負荷時は直流電圧Ｖ_dmin により運転し、これよ
り高い直流電圧が必要な領域ではＰＡＭ制御により直流
電圧を昇圧することで最大入力範囲内の全ての領域を利
用する。

【００９５】これにより、図中の除霜運転と示した点で
の運転が可能になり、冷媒をほとんど圧縮せず、単なる
冷媒循環モードでの除霜が可能になり、除霜時の冷風吹
き出しを抑えることができる。また、図中色の濃い部分
では直流電圧が低い状態で運転しているため、損失が抑
えられ、省エネルギー運転が得られる。

【００９６】

【発明の効果】本発明によれば、パルス幅変調信号の通
流率とあらかじめ設定された所定通流率の差及び前記直
流電圧とあらかじめ設定された所定電圧の差から電動機
に供給している電力を推定し、この電力に応じて直流電
圧及びインバータ出力電圧を決定するので、電動機の制
御法によらず常に所定の切り換えモードや所定の直流電
圧／インバータ出力電圧比を実現する効果がある。

【００９７】さらに、本発明によれば、電源から供給さ
れる入力電力(または電流)、インバータに供給する直流
電力(または電流)、電動機に供給するインバータ出力
(または電流)、電動機の出力のいずれかを検出する検出
手段により検出した検出値とその時点の電圧でインバー
タが供給できる最大出力との差を用いて直流電圧及びイ
ンバータ出力電圧を決定するので、駆動装置の構成によ
り最も容易に検出できる検出値を用いて、常に所定の切
り換えモードや所定の直流電圧／インバータ出力電圧比
を実現する効果がある。

【００９８】さらに、本発明によれば、直流電圧をイン
バータ出力電圧より高く制御することにより、低い直流
電圧でインバータの制御を同時に行うことができるの
で、トルク変動が小さい運転や入力が最も小さい運転な
どの電動機の要求に応じた電動機制御を実現する効果が
ある。

【００９９】さらに、本発明によれば、直流電圧とイン
バータ出力を独立に制御する電動機駆動装置を用いて空
気調和機の能力制御を行うので、空気調和機の運転モー
ドに応じた効率、振動最適点での運転を実現する効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電動機駆動装置の第１の実施例を
示すブロック図である。

【図２】本発明の第１の実施例における電動機制御装置
を示すブロック図である。

【図３】本発明の第１の実施例における切り換え部のＰ
ＷＭ制御／ＰＡＭ制御切り換えアルゴリズムを示す説明
図である。

【図４】本発明の第１の実施例の動作特性図である。

【図５】本発明の第２の実施例を示すブロック図であ
る。

【図６】本発明の第２の実施例における電動機制御装置
を示すブロック図である。

【図７】本発明の第２の実施例における切り換え部のＰ
ＷＭ制御／ＰＡＭ制御切り換えアルゴリズムを示す説明
図である。

【図８】本発明の一実施例における制御の考え方を説明
するための動作特性図である。

【図９】本発明の第３の実施例を示すブロック図であ
る。

【図１０】本発明の第３の実施例における電動機制御装
置を示すブロック図である。

【図１１】本発明の第３の実施例の動作特性図である。

【図１２】本発明の第３の実施例の動作を説明する波形
図である。

【図１３】本発明の第４の実施例を示すブロック図であ
る。

【図１４】本発明の第４の実施例における電動機制御装
置を示すブロック図である。

【図１５】本発明の第４の実施例の動作特性図である。

【図１６】本発明の第４の実施例の動作を説明する波形
図である。

【図１７】本発明による空気調和機の一実施例の運転モ
ードの説明図である。

【符号の説明】

１ 交流電源 ２ 整流回路 ３ 昇圧回路 ４ インバータ ５ 電動機 ６、６０、６１、６２ 電動機制御装置 ６０１ 電圧制御装置 ６０２、６５３ 電圧指令装置 ６０３、６０７ 通流率制御装置 ６０５ 速度演算装置 ６０４、６０６、６１０、６２０ 速度制御装置 ６１４、６１５ 切り換え部 ６１１ 電圧指令部 ６１２ 通流率指令部 ６１６ 電流指令部 ６３０ 力率改善装置 ６５１ 電流変動検出装置 ６５２ 記憶装置 ＮＲ 速度指令値 Ｎ 速度検出値 Ｓ１ 昇圧回路駆動信号 Ｓ２ インバータ駆動信号 Ｓ３ 直流電圧検出信号 Ｓ４ 回転信号 Ｓ５ 入力電流検出信号 Ｓ６ 直流電流検出信号

フロントページの続き (72)発明者 田原 和雄 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 石井 誠 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社日立製作所栃木工場内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力された交流の電圧より高い直流電圧
   を得る交流直流変換手段と、この直流電圧を交流電圧に
   変換するインバータと、このインバータにより駆動され
   る電動機を備え、前記直流電圧が指令値に追従するよう
   に前記交流直流変換手段を制御する電圧制御手段と、前
   記電動機が指令の速度で運転するようにインバータ出力
   周波数及びインバータ出力電力を制御する速度制御手段
   とを有する電動機駆動装置において、 前記インバータの出力電力が所定値以上の領域では前記
   電圧制御手段により前記インバータの出力電圧を制御
   し、 前記インバータの出力電力が前記所定値未満の領域では
   前記インバータをパルス幅変調して出力電圧を制御する
   電動機制御手段を設けたことを特徴とする電動機駆動装
   置。
2. 【請求項２】 入力された交流の電圧より高い直流電圧
   を得る交流直流変換手段と、この直流電圧を交流電圧に
   変換するインバータと、このインバータにより駆動され
   る電動機を備え、前記直流電圧が指令値に追従するよう
   に前記交流直流変換手段を制御する電圧制御手段と、前
   記電動機が指令の速度で運転するようにインバータ出力
   周波数及びインバータ出力電力を制御する速度制御手段
   とを有する電動機駆動装置において、 電動機が必要とする電力と、その時点の電圧でインバー
   タが供給できる最大出力との差に応じて前記インバータ
   に供給する直流電圧を制御することを特徴とする電動機
   駆動装置。
3. 【請求項３】 請求項１において、 前記入力された交流の電力、インバータに供給される直
   流電力、電動機に供給されるインバータ出力、電動機の
   出力の少なくとも１種を検出する検出手段を有し、 前記電動機制御手段が、前記検出手段による検出値と、
   その時点の電圧でインバータが供給できる最大電力との
   差に応じて前記領域を識別するように構成されているこ
   とを特徴とする電動機駆動装置。
4. 【請求項４】 入力された交流の電圧より高い直流電圧
   を得る交流直流変換手段と、この直流電圧を交流電圧に
   変換するインバータと、このインバータにより駆動され
   る電動機を備え、前記交流直流変換手段を制御する電圧
   制御手段と、前記電動機が指令の速度で運転するように
   インバータ出力電圧をパルス幅変調信号により制御する
   速度制御手段を有する電動機駆動装置において、 前記インバータに入力される直流電圧を前記インバータ
   の出力電圧より高く制御する電動機制御手段を備えたこ
   とを特徴とする電動機駆動装置。
5. 【請求項５】 圧縮機用電動機をインバータで駆動する
   方式の空気調和機において、 暖房定格運転時または冷房定格運転時の電動機回転数よ
   り高い電動機回転数において、除霜運転を可能とするよ
   うに構成したことを特徴とする空気調和機。
6. 【請求項６】 請求項４において、 前記インバータに供給される直流電流を測定する検出手
   段を設け、 前記交流直流変換手段に、前記検出手段により測定した
   直流電流の変動幅を演算する手段と、 この手段により検出した直流電流の変動幅が所定の範囲
   内におさまるように直流電圧指令値を決定する電圧指令
   装置とを設けたことを特徴とする電動機駆動装置。
7. 【請求項７】 請求項４において、 前記入力された交流の電流又は電力を測定する検出手段
   を設け、 前記交流直流変換手段に、電動機の負荷または回転速度
   が変化した時に、ある時間間隔で直流電圧を変更し、時
   間の経過とともに電流または電力が一定値近傍に近づく
   ように直流電圧指令値を変更する電圧指令装置を設けた
   ことを特徴とする電動機駆動装置。
8. 【請求項８】 請求項４において、 前記インバータに供給される直流電流を測定する検出手
   段を設け、 前記交流直流変換手段に、電動機の負荷又は回転速度が
   変化した時に、ある時間間隔で直流電圧を変更し、時間
   の経過とともに直流電流の変化幅が一定値近傍に近づく
   ように直流電圧指令値を変更する電圧指令装置を設けた
   ことを特徴とする電動機駆動装置。
9. 【請求項９】 請求項１乃至請求項４及び請求項６乃至
   請求項８の何れかの電動機駆動装置を用いて圧縮機用電
   動機を駆動するように構成したことを特徴とする空気調
   和機。
10. 【請求項１０】 圧縮機用電動機をインバータで駆動す
    る方式の空気調和機において、 前記インバータの出力電圧をパルス振幅変調とパルス幅
    変調を用いて制御するように構成したことを特徴とする
    空気調和機。
11. 【請求項１１】 圧縮機用電動機をインバータで駆動す
    る方式の空気調和機において、 前記インバータの出力電圧を前記インバータに入力され
    る入力電圧を用いて制御するように構成したことを特徴
    とする空気調和機。