JP2005124298A - インダクションモータ駆動用インバータ制御装置および空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】 モータ電流の変動量を低減することで、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提供する。
【解決手段】 小容量リアクタ５、小容量コンデンサ６を用い、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４の駆動が困難あるいは不可能となる場合でも、ＰＮ電圧補正手段１０によりインダクションモータ４に印加する電圧をほぼ一定にすることでインダクションモータ４の駆動を維持する。さらに第２モータ電圧指令補正手段１３によりＰＮ電圧検出手段９から得られるインバータ３の直流電圧検出値に基づいてモータ電圧指令補正値の位相角を補正することによりインダクションモータ４への印加電圧のタイミングを変更してモータ電流の変動量を低減させ、損失低減や素子の電流容量低減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のさらなる小型・軽量・低コスト化を図る。
【選択図】 図１

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インダクションモータ駆動用インバータ制御装置ならびにこれ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的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１４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の６６１〜７１１頁参照）。

図１４において、主回路は直流電源装置１４３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１４３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１４２と、交流電源１の力率改善用リアクタ１４１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ω*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７と、Ｖ／Ｆ制御パターン７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指令作成手段８と、モータ電圧作成手段８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１２から構成されている。

なお、一般的なＶ／Ｆ制御パターン７の一例を図１５に示す（例えば、非特許文献１の６６１〜７１１頁参照）。

図１４に示すように速度指令ω*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ω*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ω*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１４２が１５００μＦのとき、力率改善用リアクタ１４１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１６に示す。図１６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１４１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１４１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１４１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、図１７に示すような直流電源装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図１７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。
特開平９−２６６６７４号公報 インバータドライブハンドブック編集委員会編「インバータドライブハンドブック」日刊工業新聞社出版、１９９５年初版

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）とを依然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、モータ電流の変動量を低減することで、さらなる小型・軽量・低コスト化を図ったインダクション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。

前記従来の課題を解決するために、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インダクションモータとを含み、整流回路はダイオードブリッジと、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極めて小容量のリアクタで構成され、インバータの直流母線間には、インダクションモータの回生エネルギーを吸収するための極め
て小容量のコンデンサを設け、外部から与えられるインダクションモータの速度指令値に基づき、インダクション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、
インバータの直流電圧値を検出するＰＮ電圧検出手段と、予め設定されたインバータの直流電圧基準値とＰＮ電圧検出手段から得られる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、モータ電圧指令作成手段から得られるモータ電圧指令値と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、直流電圧検出値に基づいてモータ電圧指令補正値の位相角を補正し、インダクションモータへの印加電圧指令値を作成する第２モータ電圧指令補正手段とを備えるものである。

これによって、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り、さらに第２モータ電圧指令補正手段により直流電圧検出値に基づいてモータ電圧指令補正値の位相角を補正することによりインダクションモータへの印加電圧のタイミングを変更してモータ電流の変動量を低減させ、損失低減や素子の電流容量低減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のさらなる小型・軽量・低コスト化を図ることが可能となる。

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は、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・低コストな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、ＰＮ電圧補正手段によりインダクションモータに印加する電圧をほぼ一定にすることで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り、さらに第２モータ電圧指令補正手段によりＰＮ電圧検出手段から得られるインバータの直流電圧検出値に基づいてモータ電圧指令補正値の位相角を補正することによりインダクションモータへの印加電圧のタイミングを変更してモータ電流の変動量を低減させ、損失低減や素子の電流容量低減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のさらなる小型・軽量・低コスト化を図ることが可能となる。

第１の発明は、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インダクションモータとを含み、整流回路はダイオードブリッジと、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極めて小容量のリアクタで構成され、
インバータの直流母線間には、インダクションモータの回生エネルギーを吸収するための極めて小容量のコンデンサを設け、外部から与えられるインダクションモータの速度指令値に基づき、インダクション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、インバータの直流電圧値を検出するＰＮ電圧検出手段と、予め設定されたインバータの直流電圧基準値とＰＮ電圧検出手段から得られる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、モータ電圧指令作成手段から得られるモータ電圧指令値と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、直流電圧検出値に基づいてモータ電圧指令補正値の位相角を補正し、インダクションモータへの印加電圧指令値を作成する第２モータ電圧指令補正手段とを備えることにより、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り、さらに第２モータ電圧指令補正手段により直流電圧検出値に基づいてモータ電圧指令補正値の位相角を補正することによりインダクションモータへの印加電圧のタイミングを変更してモータ電流の変動量を低減させ、損失低減や素子の電流容量低減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のさらなる小型・軽量・低コスト化を図ることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の第２モータ電圧指令補正手段が、予め設定された直流電圧検出値の基準値を有し、直流電圧検出値が直流電圧検出値の基準値よりも小さい場合のみモータ電圧指令補正値の位相角を補正し、インダクションモータへの印加電圧指令値を作成することにより、より効果的にモータ電流の変動量を低減させ、さらにマイコン等の演算手段における演算量やメモリの低減が図れ、演算手段のコスト低減を図ることができる。

第３の発明は、特に、第２の発明の第２モータ電圧指令補正手段における直流電圧検出値の基準値を、直流電圧基準値とすることにより、さらにマイコン等の演算手段におけるメモリの低減が図れ、演算手段のコスト低減を図ることができる。

第４の発明は、特に、第１の発明の第２モータ電圧指令補正手段が、直流電圧検出値の平均値を導出し、直流電圧検出値が直流電圧検出値の平均値よりも小さい場合のみモータ電圧指令補正値の位相角を補正し、インダクションモータへの印加電圧指令値を作成することにより、あらゆる運転状況に応じてさらに効果的にモータ電流の変動量を低減させることができる。

第５の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の第２モータ電圧指令補正手段が、モータ電圧指令補正値の位相角の補正値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により、インバータ直流電圧が大幅に変動する場合において、モータ電圧指令補正値の位相角の補正値が大幅に変動して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できる。

第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか１つの発明のＰＮ電圧補正手段が、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あり、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インダクションモータの駆動を維持することができる。

第７の発明は、特に、第１〜６のいずれか１つの発明のＰＮ電圧補正手段が、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り、インバータ直流電圧が大幅に変動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できる。

第８の発明は、特に、第１〜７のいずれか１つの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において、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できる。

第９の発明は、特に、第１〜８のいずれか１つの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において、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り、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できる。

第１０の発明は、特に、第１〜９のいずれか１つの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において、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り、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できる。

第１１の発明は、特に、第１〜１０のいずれか１つの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において、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できる。

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）
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５と、小容量コンデンサ６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ω*に対して周期的に変動する速度成分を重畳させることでインダクションモータ４の速度指令補正値を作成する速度指令補正手段１３と、速度指令補正手段１３から得られる速度指令補正値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７と、Ｖ／Ｆ制御パターン７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８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９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９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１０と、モータ電圧指令作成手段８から得られるモータ電圧指令値とＰＮ電圧補正手段１０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１１と、ＰＮ電圧検出手段９から得られるインバータ３の直流電圧検出値に基づいてモータ電圧指令補正値の位相角を補正し、インダクションモータへの印加電圧指令値を作成する第２モータ電圧指令補正手段１３と、第２モータ電圧指令補正手段１３から作成されたモータ印加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１２から構成されている。

なお、Ｖ／Ｆ制御パターン７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１４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８では式（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は式（２）で表されるように速度指令ω*を時間積分することで導出する。

また、図４は本発明に係るＰＮ電圧補正手段１０の第１の実施例を示した図で、ＰＮ電圧補正手段１０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９から得られるインバータ３の直流電圧検出値ｖ_pnを用いて式（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、式（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、式（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１１ではモータ電圧指令値ｖ_u ^*、ｖ_v ^*、ｖ_w ^*とＰＮ電圧
補正係数を用いて式（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。

また、第２モータ電圧指令補正手段１３では、直流電圧基準値Ｖ_pn0と直流電圧検出値ｖ_pnを用いて式（６）のようにモータ電圧指令補正値ｖ_uh ^*、ｖ_vh ^*、ｖ_wh ^*の位相角θ₁を補正する。

ここで、Ｋ_Bは予め設定された制御ゲインであり、実機検証やシミュレーションにより最適な値を設定することができる。

なお、軽負荷時の場合には、予め設定された位相変動量φを用いて式（７）のようにモータ電圧指令補正値ｖ_uh ^*、ｖ_vh ^*、ｖ_wh ^*の位相角θ₁を補正しても良い。

以上により、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・低コストな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、ＰＮ電圧補正手段によりインダクションモータに印加する電圧をほぼ一定にすることで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り、さらに第２モータ電圧指令補正手段によりＰＮ電圧検出手段から得られるインバータの直流電圧検出値に基づいてモータ電圧指令補正値の位相角を補正することによりインダクションモータへの印加電圧のタイミングを変更してモータ電流の変動量を低減させることで損失低減や素子の電流容量低減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の更なる小型・軽量・低コスト化を図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）
本発明に係る第２モータ電圧補正手段の他の実施例に関する具体的な方法について以下に説明する。

本発明に係る第２モータ電圧補正手段の第１の実施例を図２に示す。第２モータ電圧指令補正手段は、予め設定された直流電圧検出値の基準値を有するものであり、図２において、インバータの直流電圧検出値が直流電圧検出値の基準値よりも小さい場合にのみ前述の式（６）もしくは式（７）のようにモータ電圧指令補正値の位相角の補正を行なうものである。

以上により、より効果的にモータ電流の変動量を低減させ、さらにマイコン等の演算手段における演算量やメモリの低減が図れ、演算手段のコスト低減を図ることが可能となる。

さらに、直流電圧検出値の基準値を直流電圧基準値とすることにより、さらにマイコン等の演算手段におけるメモリの低減が図れ、演算手段のコスト低減を図ることが可能となる。

また、本発明に係る第２モータ電圧指令補正手段の第２の実施例を図３に示す。第２モータ電圧指令補正手段は、インバータの直流電圧検出値の平均値を導出するものであり、図３において、インバータの直流電圧検出値が直流電圧検出値の平均値よりも小さい場合にのみ前述の式（６）もしくは式（７）のようにモータ電圧指令補正値の位相角の補正を行なうものである。

以上により、あらゆる運転状況に応じてさらに効果的にモータ電流の変動量を低減させることが可能である。

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６および図７に示す。図６はモータ電圧指令補正値の位相角を補正しない場合の動作結果で、図７は図３の第２モータ電圧指令補正手段（式（６）のようにモータ電圧指令補正値の位相角を補正する）を適用した場合の動作結果であり、図６に対して図７のモータ電流では変動周期が変更され、かつ変動量が低減されていることがわかる。

なお、このときの諸元としては、交流電源は２２０Ｖ（交流電源周波数は５０Ｈｚ）、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、インバータ運転周波数は９６Ｈｚ、インバータキャリア周波数は５ｋＨｚである。

また、本発明に係る第２モータ電圧指令補正手段は、モータ電圧指令補正値の位相角の補正値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。

以上により、インバータ直流電圧が大幅に変動する場合において、モータ電圧指令補正値の位相角の補正値が大幅に変動して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３）
本発明に係るＰＮ電圧補正手段の第２の実施例を図５に示す。図５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、式（８）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５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８および図９に示す。図８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９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８と図９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８もしくは図９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１０に示す。図１０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１０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の設定において、インバータ運転周波数ｆ₁が式（９）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、は予め設定された周波数幅であり、周波数幅△ｆ_d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が式（９）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_d＝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は式（１０）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。

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。

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３で上述したが、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１１〜図１３に示す。それぞれ図１１はキャリア周波数が３．３ｋＨｚ時、図１２は５ｋＨｚ時、図１３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１１のキャリア周波数が３．３ｋＨｚ時には０．８７８、図１２の５ｋＨｚ時には０．９５６、図１３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。

以上のように、本発明にかかるインダクションモータ駆動用インバータ制御装置は、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・低コストな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、ＰＮ電圧補正手段によりインダクションモータに印加する電圧をほぼ一定にすることで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り、さらに第２モータ電圧指令補正手段によりＰＮ電圧検出手段から得られるインバータの直流電圧検出値に基づいてモータ電圧指令補正値の位相角を補正することによりインダクションモータへの印加電圧のタイミングを変更してモータ電流の変動量を低減させ、損失低減や素子の電流容量低減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のさらなる小型・軽量・低コスト化を図ることが可能となるので、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に限らず、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においても本発明は適用できる。

本発明の第1の実施形態の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 本発明に係る第２モータ電圧指令補正手段の第１の実施形態を示す図 本発明に係る第２モータ電圧指令補正手段の第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 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７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８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１４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図 従来の直流電源装置の構成図

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
５ 小容量リアクタ
６ 小容量コンデンサ
７ Ｖ／Ｆ制御パターン
８ モータ電圧指令作成手段
９ ＰＮ電圧検出手段
１０ ＰＮ電圧補正手段
１１ モータ電圧指令補正手段
１２ ＰＷＭ制御手段
１３ 第２モータ電圧指令補正手段
１４１ リアクタ
１４２ 平滑コンデンサ
１４３ 直流電源装置
Ｌｉｎ、Ｌｄｃ リアクトル
Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード
Ｑ１ トランジスタ
Ｇ１ ベース駆動回路
Ｉ１、Ｉ２ パルス発生回路
Ｃ 中間コンデンサ
ＣＤ 平滑コンデンサ
ＲＬ 負荷抵抗
Ｒｄｍ ダミー抵抗

Claims (12)

1. 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インダクションモータとを含み、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極めて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、前記インダクションモータの回生エネルギーを吸収するための極めて小容量のコンデンサを設け、外部から与えられる前記インダクションモータの速度指令値に基づき、前記インダクション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前記モータ電圧指令値の電圧補正を行ない、前記インダクション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、前記直流電圧検出値に基づいて前記モータ電圧指令補正値の位相角を補正し、前記インダクションモータへの印加電圧指令値を作成する第２モータ電圧指令補正手段とを備えたインダクションモータ駆動用インバータ制御装置。
2. 第２モータ電圧指令補正手段は、予め設定された直流電圧検出値の基準値を有し、前記直流電圧検出値が前記直流電圧検出値の基準値よりも小さい場合のみ前記モータ電圧指令補正値の位相角を補正し、インダクションモータへの印加電圧指令値を作成することを特徴とする、請求項１に記載のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置。
3. 第２モータ電圧指令補正手段における直流電圧検出値の基準値は、直流電圧基準値とすることを特徴とする、請求項２に記載のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置。
4. 第２モータ電圧指令補正手段は、ＰＮ電圧検出値の平均値を導出し、直流電圧検出値が前記直流電圧検出値の平均値よりも小さい場合のみ前記モータ電圧指令補正値の位相角を補正し、インダクションモータへの印加電圧指令値を作成することを特徴とする、請求項１に記載のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置。
5. 第２モータ電圧指令補正手段は、前記モータ電圧指令補正値の位相角の補正値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１〜４のいずれかに記載のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置。
6. 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前記ＰＮ電圧補正係数を導出し、前記直流電圧検出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ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置。
7. 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ことを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置。
8. 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１〜７のいずれかに記載のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置。
9. 小容量リアクタと前記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１〜８のいずれかに記載のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置。
10. 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ことを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置。
11. 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ことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載のインダクションモータ駆動用インバータ制御装置。
12. 交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置と、この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１〜１１のいずれかに記載のインダクション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。

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