JP2005224075A - インバータ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】モータの巻線保護を的確に行うことができるインバータ装置を提供する。
【解決手段】直流電流をスイッチングさせることにより、疑似交流電流を生成してモータ３を駆動するインバータ装置１０において、モータ３に印加される二次電流に基づいてベクトル制御を実行するコントローラ９を備え、コントローラ９は、二次電流から電流密度を算出し、算出された電流密度に基づいて所定の保護動作を実行する。コントローラ９は、電流密度に基づいてモータ３の運転周波数に制限を加える。
【選択図】図２

Description

本発明は、直流電流をスイッチングさせることで疑似交流電流を生成し、モータを駆動するインバータ装置に関するものである。
従来より例えば車両用の空調装置では、エンジン駆動のコンプレッサによって冷媒回路に冷媒を循環させ、車室内の冷房を行っていたが、近年の環境問題の顕著化に伴い、電気自動車や燃料電池車、ハイブリッド自動車等のモータを使用した自動車が盛んに開発されて来ている。このような自動車では、バッテリーから主軸モータに電源を供給して走行するものであるため、空調装置もバッテリー駆動の電動コンプレッサを使用することになる。
その場合、実際にはバッテリーからの直流電流を複数のスイッチング素子群を備えたインバータにて三相疑似交流電流に変換し、電動コンプレッサのモータに印加して駆動させることになるが、モータの巻線に過大電流が流れると焼損などの不都合が発生するため、保護を行わなければならない。そこで、従来一般的な家庭用空調装置ではインバータに入る前の電源から流れる一次電流を測定して保護を行っていた（例えば、特許文献１参照）。
特許第２６２９６６４号
ここで、上述の如く一次電流を用いてモータ保護を行う場合、下記の如く一次電流からモータに流れる二次電流を計算していた。即ち、電源が三相交流電源の場合、消費電力は、
Ｗ＝√３×Ｖｒｓ×Ｉｒ×ＣＯＳθ１
電源が直流電源の場合、消費電力は、
Ｗ＝Ｖｄｃ×Ｉｄｃ
であり、二次側から求めた消費電力は、
Ｗ＝√３×Ｖｕｖ×Ｉｕ×ＣＯＳθ２
となる（Ｗは消費電力、Ｖｒｓは一次電圧、Ｉｒは一次電流、Ｖｕｖは二次電圧、Ｉｕは二次電流、ＣＯＳθは力率である）。
従って、二次電流Ｉｕは、
Ｉｕ＝（Ｖｒｓ×Ｉｒ×ＣＯＳθ１）／（Ｖｕｖ×ＣＯＳθ２）
又は、
Ｉｕ＝（Ｖｄｃ×Ｉｄｃ）／（√３×Ｖｕｖ×ＣＯＳθ２）
となる。従って、二次電流を求めるためには、力率やＶｒｓ、Ｖｕｖ、Ｖｄｃの値が必要となり、これらに誤差があると二次電流を正確に推定することは困難であった。
本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、モータの巻線保護を的確に行うことができるインバータ装置を提供するものである。
本発明のインバータ装置は、直流電流をスイッチングさせることにより、疑似交流電流を生成してモータを駆動するものであって、モータに印加される二次電流に基づいてベクトル制御を実行するコントローラを備え、このコントローラは、二次電流から電流密度を算出し、算出された電流密度に基づいて所定の保護動作を実行するものである。
請求項２の発明のインバータ装置は、上記においてコントローラは、電流密度に基づいてモータの運転周波数に制限を加えることを特徴とする。
請求項３の発明のインバータ装置は、請求項１においてモータは、冷媒回路のコンプレッサを駆動すると共に、コントローラは、電流密度に基づいて冷媒回路の膨張弁の弁開度に制限を加えることを特徴とする。
請求項４の発明のインバータ装置は、上記各発明においてコントローラは、モータの巻線温度に影響を与える指標に基づき、保護動作を変更することを特徴とする。
本発明では、直流電流をスイッチングさせることにより、疑似交流電流を生成してモータを駆動するインバータ装置において、モータに印加される二次電流に基づいてベクトル制御を実行するコントローラを備え、このコントローラは、二次電流から電流密度を算出し、算出された電流密度に基づいて所定の保護動作を実行するようにしたので、ベクトル制御のために用いる二次電流を利用して、モータに流れる電流値から直接的且つ正確な保護動作を行うことができるようになる。
即ち、二次電流から得られた電流密度が上昇した場合に請求項２の如くコントローラによりモータの運転周波数に制限を加えるようにすれば、電流密度の上昇による巻線の異常過熱等を未然に防止することが可能となる。
また、請求項３の如くモータが冷媒回路のコンプレッサを駆動するものである場合には、コントローラにより電流密度に基づいて冷媒回路の膨張弁の弁開度に制限を加えるようにすれば、弁開度を拡張してコンプレッサの負荷を軽減し、モータ巻線の温度上昇を防ぐことが可能となる。
また、請求項４の如くモータの巻線温度に影響を与える指標に基づき、保護動作を変更するようにすれば、例えば請求項３における冷媒回路のコンプレッサ吐出冷媒温度が上昇したことで運転周波数の制限や弁開度の制限を早期に実行するように変更すれば、モータ巻線の温度上昇をより一層抑制することができるようになる。
以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明を適用した一実施例としての車載用空調装置１の冷媒回路図、図２は車載用空調装置１の電動コンプレッサ２用のモータ３を駆動する本発明のインバータ装置１０の電気回路図である。実施例の車載用空調装置１は、例えばハイブリッド自動車の車室内を空調するもので、電動コンプレッサ２、熱交換器４、膨張弁（電動膨張弁）６、エバポレータ７等の順次環状に配管接続して冷媒回路が構成されている。電動コンプレッサ２は本発明のインバータ装置１０を構成するインバータ主回路８とコントローラ９によって運転周波数を制御される。
電動コンプレッサ２のモータ３が後述する如く運転されると、電動コンプレッサ２内の図示しない圧縮要素が冷媒（二酸化炭素など）を圧縮し、モータ３周囲を経て熱交換器４に吐出する。冷媒はここで放熱した後、膨張弁６で絞られ、エバポレータ７に流入して蒸発する。このときに冷却作用を発揮して車室内を冷房し、電動コンプレッサ２に吸い込まれる循環を繰り返す。尚、コントローラ９にはこの電動コンプレッサ２から吐出された直後の冷媒の温度を検出する温度センサ１１の出力が入力されている。
次に、図２において、１２は自動車のバッテリーであり、このバッテリー１２には保護回路１３を介して前述したインバータ主回路８が接続されている。このインバータ主回路８は複数（実施例では６個）のスイッチング素子群からなり、充電用のコンデンサ１９が並列に接続されている。このインバータ主回路８は保護回路１３を介して印加される直流電流から三相疑似交流電流（ＵＶＷ相）を生成し、モータ３に印加する。
コントローラ９にはインバータ主回路８からモータ３に印加される二次電流（Ｉｕ、Ｉｖ）が入力されており、この二次電流に基づいてベクトル制御によりインバータ主回路８のスイッチング素子群のスイッチングを行い、疑似交流電流の周波数を調整してモータ３の運転（回転数）を制御する。この二次電流の検出にはホール素子を用いる場合や、シャント抵抗から推定する場合がある。また、コントローラ９にはバッテリー１２の電圧（一次電圧）も入力される。
次に、図３を用いてコントローラ９によるモータの巻線保護動作の一実施例について説明する。
コントローラ９はベクトル制御のために使用している二次電流（Ｉｕ）からモータ３の巻線に流れるＵ相電流密度を算出する（巻線断面積で電流値を除する）。そして、このＵ相電流密度が所定の第１の上限値以下の場合には車室内の温度と設定温度などから決定される要求周波数でモータ３を運転する（制限なし）。次に、Ｕ相電流密度が前記第１の上限値より上昇した場合は、要求周波数に拘わらず、モータ３の運転周波数の上昇を禁止する制限を行う。
そして、更に、Ｕ相電流密度が上昇して前記第１の上限値よりも高い第２の上限値より高くなった場合には、要求周波数に拘わらず、モータ３の運転周波数を現在よりも低下させる。そして、最終的には第２の上限値よりも高い第３の上限値にＵ相電流密度が上昇した時点でモータ３を停止させる。
このように、コントローラ３はモータ３に流れる二次電流からモータ３の巻線に流れる電流密度を算出し、この電流密度が上昇した場合に運転周波数に制限を加えていくので、モータ３の巻線温度上昇を未然に回避して焼損などの不都合の発生を防止することができるようになる。
また、コントローラ９は温度センサ１１の出力に基づき、電動コンプレッサ２から吐出された冷媒温度が所定値に上昇した場合には、前記各上限値を低下させ、運転周波数の制限が早期に開始されるように保護動作に変更を加える。この冷媒温度は電動コンプレッサ２内のモータ３周囲を流れて来た冷媒の温度であるので、モータ３の巻線温度に影響を与える指標と云える。即ち、冷媒温度が上昇したと云うことは実際のモータ３の巻線温度も上昇しているものと推定されるので、この実際の巻線温度上昇を検出して保護動作が早期に開始されるように変更することで、巻線保護をより確実に行うことができるようになる。
次に、コントローラ９による保護動作の他の実施例について説明する。コントローラ９はこの場合もベクトル制御のために使用している二次電流（Ｉｕ）からモータ３の巻線に流れるＵ相電流密度を算出する。そして、このＵ相電流密度が所定の上限値以下の場合には車室内の温度と設定温度、冷媒回路内の各部温度などから決定される要求膨張弁開度に膨張弁６の弁開度を調整する。
次に、Ｕ相電流密度が前記上限値より上昇した場合は、要求膨張弁開度に拘わらず、膨張弁６の弁開度を所定ステップ拡張する。このように、コントローラ３はモータ３に流れる二次電流からモータ３の巻線に流れる電流密度を算出し、この電流密度が上昇した場合に膨張弁６の弁開度を絞る制御に制限を加え、弁開度を拡張することで電動コンプレッサの負荷を軽減し、モータ３の巻線温度上昇を未然に回避して焼損などの不都合の発生を防止するものである。
尚、この場合もコントローラ９は温度センサ１１の出力に基づき、電動コンプレッサ２から吐出された冷媒温度が所定値に上昇した場合には、前記上限値を低下させ、膨張弁６の弁開度の拡張を早期に開始するように保護動作に変更を加えるものとする。
また、上記各実施例では自動車の車載用空調装置に本発明を適用したが、それに限らず、家庭用空気調和機等、インバータによってモータを周波数制御する各種装置に本発明は有効である。
本発明を適用した車載用空調装置の冷媒回路図である。 本発明のインバータ装置の電気回路図である。 図２のインバータ装置によるモータ巻線保護動作を説明する図である。
符号の説明
１ 車載用空調装置
２ モータ
３ 電動コンプレッサ
６ 膨張弁
８ インバータ主回路
９ コントローラ
１０ インバータ装置
１１ 温度センサ
１２ バッテリー

Claims (4)

  1. 直流電流をスイッチングさせることにより、疑似交流電流を生成してモータを駆動するインバータ装置において、
    前記モータに印加される二次電流に基づいてベクトル制御を実行するコントローラを備え、該コントローラは、前記二次電流から電流密度を算出し、算出された電流密度に基づいて所定の保護動作を実行することを特徴とするインバータ装置。
  2. 前記コントローラは、前記電流密度に基づいて前記モータの運転周波数に制限を加えることを特徴とする請求項１のインバータ装置。
  3. 前記モータは、冷媒回路のコンプレッサを駆動すると共に、前記コントローラは、前記電流密度に基づいて前記冷媒回路の膨張弁の弁開度に制限を加えることを特徴とする請求項１のインバータ装置。
  4. 前記コントローラは、前記モータの巻線温度に影響与える指標に基づき、前記保護動作を変更することを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３のインバータ装置。
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