JP2006149122A - 同期電動機の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価な構成で、精度良くかつ制約なく同期電動機の脱調を検出すること。
【解決手段】電圧指令値演算部１６は、出力電流指令Ｉｄ＊と変調周波数Ｆ０で変動する目標運転周波数指令ｆ＊とｄ−ｑ座標電流成分Ｉｄ，Ｉｑとに基づきｄ−ｑ座標における出力電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を求め、出力電圧ベクトル演算部１７に与える。脱調検出部８では、ｄ−ｑ座標電流成分Ｉｄ，Ｉｑと目標運転周波数指令ｆ＊の変調周波数Ｆ０とからトルク電流成分Ｉｑの変調周波数Ｆ０成分Ｉｑω０を抽出し、基準電流Ｉｔｈと抽出したトルク電流成分Ｉｑの変調周波数Ｆ０成分Ｉｑω０との大小関係の比較結果信号Ｓｉを生成し、その比較結果信号Ｓｉから求めた交差回数と回数基準値ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌとの大小関係を比較し、ＰＷＭ信号発生部１９に与える状態信号Ｓｙ＿ｅｒｒを、交差回数が回数基準値ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌを超えないときは脱調した判断して“１”レベルにする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、同期電動機をインバータ制御によって駆動する駆動装置に関し、特に同期電動機の脱調検出機能を備えた駆動装置に関するものである。

同期電動機をインバータ制御によって駆動する駆動装置では、脱調検出を各種の方式で行っているが、例えば特許文献１では、永久磁石型同期電動機を速度・位置センサレスで駆動する電動機駆動システムにおいて、脱調時においてのみ特徴的に現れる物理量つまり電動機制御の安定化のために行っている回転数指令への補正量あるいは軸誤差（軸ずれ量）の演算値に対して基準値を設定し、これらの補正値あるいは軸誤差が予め設定した基準値を上回った場合に、脱調と判断する機能を設け、あるいは、電動機の印加電圧ならびに電流検出値から電動機の無効電力を演算し、この演算結果に基づいて電動機の脱調の有無を判別する機能を設けた例が開示されている。

特開２００３−７９２００号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、確実な脱調検出を行うためには、電動機制御の安定化のために行っている回転数指令への補正量あるいは軸誤差（軸ずれ量）の演算値に対して基準値を設定し、これらの補正値あるいは軸誤差が予め設定した基準値を上回った場合に、脱調と判断する機能を設け、さらに電動機の印加電圧ならびに電流検出値から電動機の無効電力を演算し、この演算結果に基づいて電動機の脱調の有無を判別する機能を設ける必要がある。

したがって、同時に２方式の検出方式が必要であるので、制御が非常に複雑となり、その実現のためには非常に高性能なマイクロプロセッサ等および大容量のメモリを必要とする。また、電動機制御の安定化のために軸ずれ量を用いているので、出力電圧が飽和し、目標電圧と出力電圧とが一致しない高出力領域では軸ずれの推定不能が起こる。さらに、無効電力の計算も不能である。そのため脱調の検出が不可能になるという問題がある。

一方、同期電動機は、換気送風機や冷凍空調装置での送風機にも用いられているが、冷凍空調装置では、送風機用電動機の故障によって脱調が継続すると冷凍空調装置の能力が得られず、また圧縮機や電動機、冷媒配管、インバータ回路などに損傷を与えるので、送風機用電動機の駆動装置では、精度良く脱調を検出して運転の停止・警報措置が採れるようにする必要がある。

反面、換気送風機や冷凍空調装置での送風機は外風の影響に晒された状態で設置されているので、同期電動機が正常である場合でも突風に依って脱調を起こすことがある。この場合には、運転の停止・警報措置を採る必要はないと言えるので、脱調を検出しても運転を停止せずに再起動して良いと考えられる。そして、このような脱調検出機能を備えた送風機用電動機の駆動装置を安価に提供できることも重要である。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、安価な構成で、精度良くかつ制約無く脱調検出が行える脱調検出機能を備えた同期電動機の駆動装置を得ることを目的とする。

また、この発明は、脱調検出時に運転停止と再起動を適切に選択実行することができる同期電動機の駆動装置を得ることを目的とする。

上述した目的を達成するために、この発明は、同期電動機の駆動制御を回転子位置の検出手段によらず前記駆動制御の際に得られるｄ−ｑ座標電流成分を用いたインバータ制御によって行う駆動装置において、目標運転周波数に変動を与えて運転中のトルク電流成分であるｑ軸電流成分を抽出し、前記変動に対応した前記ｑ軸電流成分の応答の有無によって脱調を検出する機構を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、非突極型同期電動機では、ｄ軸とｑ軸のインダクタンスが等しいか異なるかを問わず、目標運転周波数に変動を与えない場合は、ｑ軸電流は直流になる。したがって、変動成分との分離が容易であり、精度良くかつ制約無く脱調が検出できる。また、検出処理系は複雑になることがない。

この発明によれば、安価な構成で、精度良くかつ制約無く脱調検出が行える脱調検出機能を備えた同期電動機の駆動装置を得ることができるという効果を奏する。

以下に図面を参照して、この発明にかかる同期電動機の駆動装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

図１は、この発明の一実施の形態による同期電動機の駆動装置の構成を示すブロック図である。図１において、駆動装置であるインバータ装置１は、直流電源部２が出力する直流電圧に基づき同期電動機３をインバータ制御によって駆動制御する。

同期電動機３は、ここでは、永久磁石型同期電動機（ＰＭＳＭ）を例に挙げて説明するが、その他、ブラシレスＤＣ電動機（ＢＬＤＣＭ）や、リラクタンス電動機（ＲＭ）、シンクロナスリラクタンス電動機（ＳｙＲＭ）、スイッチドリラクタンス電動機（ＳＲＭ）なども同様に適用することができる。

インバータ装置１は、インバータ主回路部４と電流検出部５とインバータ制御部６とを備えている。インバータ制御部６は、電動機制御部７と脱調検出部８とを備えている。

インバータ主回路部４は、直流電源部２の正極母線と負極母線との間に直列に接続された３組のスイッチング素子「１０ａ，１０ｂ」「１０ｃ，１０ｄ」「１０ｅ，１０」と、各スイッチング素子をオン・オフ制御する図示しない駆動回路とを備えている。なお、各スイッチング素子には、環流ダイオード１１が並列に接続されている。図１では、スイッチング素子「１０ａ，１０ｂ」はＵ相用であり、スイッチング素子「１０ｃ，１０ｄ」はＶ相用であり、スイッチング素子「１０ｅ，１０ｆ」はＷ相用であるとしている。

この３組のスイッチング素子「１０ａ，１０ｂ」「１０ｃ，１０ｄ」「１０ｅ，１０」は、図示しない駆動回路からそれぞれの制御電極に電動機制御部９からのＰＷＭ（パルス幅変調）信号「ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮ」に基づく駆動信号が印加されてスイッチング動作を行う。なお、ＰＷＭ信号における添え字の「Ｐ」は上アームスイッチング素子用であることを示し、添え字の「Ｎ」は下アームスイッチング素子用であることを示している。そして、３組のスイッチング素子「１０ａ，１０ｂ」「１０ｃ，１０ｄ」「１０ｅ，１０」それぞれの接続端は、当該インバータ装置１の出力端子に接続される。この出力端子に同期電動機３への電源供給ケーブルが接続される。

電流検出部５は、同期電動機３の運転時にインバータ主回路部４が同期電動機３に与える３相の駆動電流における２相の駆動電流をそれぞれ検出する２つの電流検出器５ａ，５ｂを備えている。図１では、電流検出器５ａはＵ相の駆動電流Ｉｕを検出し、電流検出器５ｂはＶ相の駆動電流Ｉｖを検出するとしている。電流検出部５が検出した２相の駆動電流「Ｉｕ，Ｉｖ」は電動機制御部７に与えられる。

電動機制御部７は、相電流演算部１２と座標変換部１３と変調周波数発生部１４と目標運転周波数生成部１５と電圧指令値演算部１６と出力電圧ベクトル演算部１７と直流電源部２側に配置される直流電圧検出部１８とＰＷＭ信号発生部１９とを備えている。また、脱調検出部８は、周波数成分抽出部２１と電流比較部２２と回数比較部２３とを備えている。

電動機制御部７では、相電流演算部１２にて、電流検出部５が検出した２相の駆動電流「Ｉｕ，Ｉｖ」から３相の駆動電流「Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ」が求められる。座標変換部１３は、相電流演算部１２が求めた３相の駆動電流「Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ」をｄ−ｑ座標上の励磁電流成分Ｉｄとトルク電流成分Ｉｑとに変換し、電圧指令値演算部１６と脱調検出部８内の周波数成分抽出部２１とに与える。なお、相電流演算部１２は、省略可能である。

目標運転周波数生成部１５および周波数成分抽出部２１には、変調周波数発生部１４から変調周波数Ｆ０が入力される。変調周波数発生部１４が発生する変調周波数Ｆ０は、図示しない操作パネル等から指定できるようになっている。また、電圧指令値演算部１６には、外部（例えば当該インバータ装置が組み込まれたシステムのメインコンピュータやマンマシンインタフェースなどの上位装置）から目標運転周波数ｆ０と出力電流指令Ｉｄ＊とが入力される。

電圧指令値演算部１６は、まず、現在運転周波数ｆを外部からの目標運転周波数ｆ０と一致するように操作し、それを目標運転周波数生成部１５に与える。目標運転周波数生成部１５は、電圧指令値演算部１６からの現在運転周波数ｆを変調周波数Ｆ０によって変調し、その変調周波数Ｆ０で変動する目標運転周波数指令（回転速度指令）ｆ＊を生成し、電圧指令値演算部１６に与える。

そして、電圧指令値演算部１６は、目標運転周波数生成部１５からの回転速度指令ｆ＊と、外部からの出力電流指令Ｉｄ＊と座標変換部１３からのｄ−ｑ座標電流成分Ｉｄ，Ｉｑとに基づきｄ−ｑ座標における出力電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を求め、出力電圧ベクトル演算部１７に与える。

出力電圧ベクトル演算部１７は、直流電圧検出部１８が検出した直流電源部１の母線電圧Ｖｄｃと電圧指令値演算部１６からのｄ−ｑ座標における出力電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊とに基づき出力電圧ベクトルＶｘ＊を求め、ＰＷＭ信号発生部１９に与える。このＰＷＭ信号発生部１９には、脱調検出部８内の回数比較部２３から同期電動機３の動作状態を示す２値の状態信号Ｓｙ＿ｅｒｒが入力される。状態信号Ｓｙ＿ｅｒｒは、例えばＳｙ＿ｅｒｒ＝０のときは同期状態を示し、Ｓｙ＿ｅｒｒ＝１のときは脱調状態を示すようになっている。

ＰＷＭ信号発生部１９は、脱調検出部８内の回数比較部２３からの状態信号Ｓｙ＿ｅｒｒを監視し、状態信号Ｓｙ＿ｅｒｒが“０”レベルのときに、出力電圧ベクトル演算部１７からの出力電圧ベクトルＶｘ＊に基づきスイッチング素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆをオン・オフ制御するＰＷＭ信号「ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮ」を発生することを繰り返す。そして、ＰＷＭ信号発生部１９は、状態信号Ｓｙ＿ｅｒｒが“１” レベルになると、直ちにＰＷＭ信号「ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮ」の発生を停止するようになっている。

さて、脱調検出部８では、周波数成分抽出部２１にて、座標変換部１３からのｄ−ｑ座標電流成分Ｉｄ，Ｉｑと目標運転周波数指令ｆ＊の変調周波数Ｆ０とから、トルク電流成分Ｉｑの変調周波数Ｆ０成分Ｉｑω０が抽出され、電流比較部２２に与えられる。

電流比較部２２では、外部から与えられる基準電流Ｉｔｈと周波数成分抽出部２１からのトルク電流成分Ｉｑの変調周波数Ｆ０成分Ｉｑω０との大小関係を比較し、その比較結果信号Ｓｉを回数比較部２３に与える。

回数比較部２３では、電流比較部２２からの比較結果信号Ｓｉによって、トルク電流成分Ｉｑの変調周波数Ｆ０成分Ｉｑω０が基準電流Ｉｔｈを上下した回数を調べ、それと外部から与えられる回数基準値ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌとの大小関係を比較し、ＰＷＭ信号発生部１９に与える上記の状態信号Ｓｙ＿ｅｒｒを、上下した回数が回数基準値ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌを超えるときは同期状態であると判断して“０”レベルにし、超えないときは脱調した判断して“１”レベルにする。

そして、回数比較部２３では、同期電動機３が送風機用電動機である場合は、状態信号Ｓｙ＿ｅｒｒを“１”にしたときは強制的に“０”レベルに戻してＰＷＭ信号発生部１９に再起動をかけることを複数回繰り返し、それでも正規にＳｙ＿ｅｒｒ＝０にできないとき、操作パネル等に異常報知を行う。一方、同期電動機３が送風機用電動機でない場合には、回数比較部２３では、状態信号Ｓｙ＿ｅｒｒを“１”レベルにすると、直ちに操作パネル等に異常報知を行うようになっている。

以下、図１〜図５を参照して、この実施の形態による脱調検出動作について説明する。なお、図２は、図１に示す同期電動機の同期運転時におけるインバータ制御部での脱調検出に関わる要部の動作を説明する動作波形図である。図３は、図１に示す同期電動機の脱調時におけるインバータ制御部での脱調検出に関わる要部の動作を説明する動作波形図である。図４は、図１に示す同期電動機の回転子とインバータ制御部で用いる電気角位相および座標との関係を説明する図である。図５は、図１に示す同期電動機駆動用インバータ装置が備える脱調検出機能を説明するフローチャートである。なお、図２と図３では、同期電動機３の回転子極数が４極である場合の例が示されている。

図２、図３において、波形（ａ）は、インバータ制御部６にて用いている位相角（電気角位相）である。波形（ｂ）は、目標運転周波数生成部１５にて生成される目標運転周波数指令ｆ＊である。波形（ｃ）は、座標変換部１３で求められるｑ軸電流Ｉｑである。波形（ｄ）は、電流比較部２２での比較動作に関わる基準信号Ｉｔｈと変調周波数Ｆ０成分Ｉｑω０である。なお、基準信号Ｉｔｈは、上限値「＋Ｉｔｈ」と下限値「−Ｉｔｈ」を持つとしている。波形（ｅ）は、電流比較部２２が出力する比較結果信号Ｓｉである。

図２に示すように、同期電動機は同期運転時であれば、目標運転周波数指令ｆ＊の変動周期に応じて回転子が微小な振幅で加減速を繰り返すので、ｑ軸にトルク変動が発生しｑ軸電流Ｉｑの振幅が変動する。その結果、変調周波数Ｆ０成分Ｉｑω０は、周期的に上下の基準電流「±Ｉｔｈ」を超える。このため、基準電流「±Ｉｔｈ」と比較した結果である比較結果信号Ｓｉは、基準電流「±Ｉｔｈ」の設定値に応じたパルス幅を持つ周期的なパルス信号となる。

一方、図３に示すように、同期電動機が脱調状態であれば、目標運転周波数指令ｆ＊の変動周期に応じた軸トルクの変動は発生せず、ｑ軸電流Ｉｑの振幅は変動せず一定振幅となる。その結果、変調周波数Ｆ０成分Ｉｑω０は、上下の基準電流「±Ｉｔｈ」の間に収まり、超えることがない。このため、基準電流「±Ｉｔｈ」と比較した結果である比較結果信号Ｓｉは変化せずゼロレベルとなる。

このように、脱調時と同期時とでは、ｑ軸電流が基準電流Ｉｔｈと交差する回数（変動頻度）が異なり、特に脱調時は回転速度に関係なく電動機に応じてその変動頻度が一意に決まる。このため、この違いを検出することで脱調を検出することが可能となる。すなわち、比較結果信号Ｓｉの状態によって、同期電動機が同期状態にあるか脱調状態にあるかを知ることができる。

具体的には、この実施の形態では、図１に示すように、回数比較部２３において、所定時間Ｔｍ内のｑ軸電流Ｉｑと基準電流Ｉｔｈとの交差数を比較結果信号Ｓｉの状態から計測し、交差数の合計が脱調検出回数ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌ以下である場合にのみ脱調と判断するようにしている。

すなわち、一回転中における変動の小さい送風機等の負荷を駆動する電動機では、図２に示すように、同期運転時のｑ軸電流に生じる変動成分（交流成分）は大きく、図３に示す脱調時のｑ軸電流に生じる変動成分（交流成分）は同期時に比べて小さい。したがって、一回転中における変動が小さい送風機等の負荷を駆動する電動機であれば、ｑ軸電流に含まれる変調周波数Ｆ０成分を検出し、その交流成分の大きさが所定値を超えた場合に脱調したと判断すれば良い。

また、一回転中における変動が大きい負荷を駆動する電動機では、同期運転中においてもｑ軸電流に大きな変動が生じる。この場合は、目標運転周波数ｆ＊の変動周期を負荷変動の周期と違う周期を選択し、バンドパスフィルタやＦＦＴ等で選択的に信号成分を抽出することで大きなＳ／Ｎが取れるので、変動の大きい負荷を駆動する電動機の場合でも、同様の方法で精度良く脱調を検出することができる。

次に、図４を参照して、目標運転周波数指令ｆ＊の変動に応じてｑ軸電流Ｉｑに同期時と脱調時とで差異が現れる現象について説明する。図４において、回転子上でＮ極側をｄ軸とし、回転方向に９０度進んだ位相をｑ軸とするのが一般的である。同期電動機の駆動に回転子の位置を検出する位置センサを用いない場合、インバータ制御部６では、回転子のｄ−ｑ軸を正確に捉えることができない。したがって、インバータ制御部６では、推測したｄ−ｑ軸としてγ−δ軸を定義する。γ軸は、ｄ軸からΔθだけ進み位相となっている。また、３相固定座標のＵ相からγ軸を見たインバータ制御部６の位相角を電気角位相θｅとする。

ここでは、表面磁石型同期電動機（ＳＰＭＳＭ）のようなｄ軸とｑ軸のインダクタンスが等しい非突極型電動機について説明する。同期運転状態では、同期電動機３の回転子とインバータ装置１の出力電圧位相とは同期が取れている状態である。このため回転子位相（ｄ−ｑ軸）とインバータ装置１の出力電圧位相（γ−δ軸）との関係が一定の位相差Δθを保った状態、つまりインバータ装置１の出力電圧位相（γ−δ軸）を基準とした場合に、γ軸から見たインダクタンスＬγと、δ軸から見たインダクタンスＬδとは等しくなり、ｄ軸電流Ｉｄ（Ｉγ）とｑ軸電流Ｉｑ（Ｉδ）はほぼ直流となる。

しかしながら、目標運転周波数指令ｆ＊を変動させた場合、その変動に応じて微小な回転むらが生じる。このためインバータ装置１の出力電圧位相（γ−δ軸）と回転子位相（ｄ−ｑ軸）とが一回転中に変動を起こすので、非制御量であるｑ軸電流Ｉｑ（Ｉδ）に変動が発生する。

一方、脱調状態では、回転子は停止しており誘起電圧を発生しないので、目標運転周波数指令ｆ＊の変動に応じた回転むらは発生せず、トルク電流であるｑ軸電流Ｉｑ（Ｉδ）に回転むらに応じた変動を発生しない。

したがって、ｄ軸とｑ軸のインダクタンスが等しい非突極型電動機においても、埋込磁石型同期電動機（ＩＰＭＳＭ）のようなｄ軸とｑ軸のインダクタンスが等しくない非突極型電動機と同様に、回転子一回転中のｄ−ｑ座標における目標運転周波数指令ｆ＊を変動させ、ｑ軸電流Ｉｑの変動数を検出することで、原理的に回転子の動作状態を把握することができ、これにより同期電動機の脱調が検出可能となる。特に、非突極型同期電動機では、変調をかけない場合、ｑ軸電流は直流となるので、変調成分との分離がしやすい。したがって、本方式は非突極型同期電動機において特に感度良く、脱調を検出できる。

要するに、軸ずれの推定式はｄ軸ｑ軸の各インダクタンスに差異のある電動機でしか成り立たないので、ｄ軸ｑ軸の各インダクタンスに差異の少ない電動機では、原理的に脱調検出は困難であるとされていたが、この発明の脱調検出方式では、羽負荷で一回転中のトルク変動により騒音の出やすい送風機でも、ｄ軸ｑ軸の各インダクタンスに差異の少ない電動機を採用することが可能となる。

次に、図５に沿って図１を参照しつつ、この実施の形態による脱調検出動作における各処理動作について説明する。なお、図５では、同期電動機３が換気送風機や冷凍空調装置送風機に用いる同期電動機である場合の駆動装置への適用例が示されている。

図５において、ステップＳＴ１では、同期電動機３の駆動制御が開始すると、電流検出部５にて、少なくとも２相の駆動電流、例えばＵ相とＶ相の駆動電流「Ｉｕ，Ｉｖ」が検出される。これによって相電流演算部１２にて、相電流「Ｉｕ、Ｉｖ」から３相分の相電流「Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ」が演算される（ステップＳＴ２）。そして座標変換部１３にて、３相分の相電流「Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ」がｄ−ｑ座標上の電流「Ｉｄ、Ｉｑ」に座標変換される（ステップＳＴ３）。なお、相電流演算処理（ステップＳＴ２）は省略可能であり、電流検出処理（ステップＳＴ１）から直ぐに座標変換処理（ステップＳＴ３）に進むことも可能である。

次に、周波数成分抽出部２１にて、ｄ−ｑ座標上の電流「Ｉｄ、Ｉｑ」における変調周波数Ｆ０成分Ｉｑω０が抽出されると（ステップＳＴ４）、電流比較部２２にて、変調周波数Ｆ０成分Ｉｑω０と基準電流Ｉｔｈとの大小関係を判断される（ステップＳＴ６）。すなわち、電流比較部２２では、変調周波数Ｆ０成分Ｉｑω０の大きさ｜ＩｑＦ０｜が基準電流Ｉｔｈよりも大きい場合は（ステップＳＴ６：Ｙｅｓ）、比較結果信号Ｓｉを“１”レベルにし（ステップＳＴ７）、変調周波数Ｆ０成分Ｉｑω０の大きさ｜ＩｑＦ０｜が基準電流Ｉｔｈよりも小さい場合は（ステップＳＴ６：Ｎｏ）、比較結果信号Ｓｉを“０”レベルにする（ステップＳＴ８）。

換気送風機や冷凍空調装置送風機においては、電動機の出力トルクに対して慣性モーメントが大きいので、同期状態では僅かな周波数変動でもｑ軸に大きなトルク変動が発生する。したがって、同期状態の検出に充分な比較結果信号Ｓｉが得られる。

次に、回数比較部２３にて、比較結果信号Ｓｉの単位時間あたりの変化数と脱調検出回数ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌとの大小関係が比較される（ステップＳＴ９）。回数比較部２３では「比較結果信号Ｓｉの単位時間あたりの変化数」＞「脱調検出回数ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌ」である（ステップＳＴ９：Ｎｏ）ときは、同期状態であるので、ＰＷＭ信号発生器１９にＳｙ＿ｅｒｒ＝０なる状態信号Ｓｙ＿ｅｒｒを与え、ステップＳＴ１に戻る。

一方、回数比較部２３では「比較結果信号Ｓｉの単位時間あたりの変化数」≦「脱調検出回数ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌ」である（ステップＳＴ９：Ｙｅｓ）ときは、脱調状態であるので、ＰＷＭ信号発生器１９にＳｙ＿ｅｒｒ＝１なる状態信号Ｓｙ＿ｅｒｒを与え、ＰＷＭ信号発生器１９にＰＷＭ信号の発生を停止させる（ステップＳＴ１０）。

そして、回数比較部２３は、ＰＷＭ信号発生器１９にＳｙ＿ｅｒｒ＝１を出力した回数が所定値を超えたか否かを判断し（ステップＳＴ１１）、超えない場合（ステップＳＴ１１：Ｎｏ）はステップＳＴ１に進み、超える場合（ステップＳＴ１１：Ｙｅｓ）はステップＳＴ１２に進む。

すなわち、冷凍空調装置では、送風機用電動機の故障によって脱調が継続すると、冷凍空調装置の能力が得られず、また圧縮機や電動機、冷媒配管、インバータ回路などに損傷を与える。また、換気送風機では、送風機用電動機の故障によって脱調が継続すると、再起動がかかるまでの期間内、本来の換気の機能が得られず、臭気や熱気、湿気などの排出ができなくなる。一方、換気送風機や冷凍空調装置での送風機は外風の影響に晒された状態で設置されているので、同期電動機が正常である場合でも突風に依って脱調を起こすことがある。これの発生頻度は少ない。

そこで、回数比較部２３では、状態信号Ｓｙ＿ｅｒｒを“１”にしたときは強制的に“０”レベルに戻してＰＷＭ信号発生部１９に再起動をかける（ステップＳＴ１１：Ｎｏ）。上記の突風による一過性の脱調では、１回や２回などの少ない再起動回数で正常運転に戻れる場合が多い。一方、製品ライフエンド時の電動機軸受けの潤滑性能低下による温度上昇による軸受けロック、送風機の羽根への異物はさまり等による脱調の場合は、再起動後も頻繁に脱調が発生するので、単位時間あたりの再起動回数を定め、再起動を複数回繰り返す（ステップＳＴ１１：Ｎｏ）。そして、再起動回数が所定値を上回った場合（ステップＳＴ１１：Ｙｅｓ）に再起動をかけるのを直ちに止めて操作パネル等に異常報知を行う（ステップＳＴ１２）。

このように、冷凍空調装置の送風機に用いる同期電動機の駆動装置にこの実施の形態による脱調検出方式を適用すれば、同期電動機の脱調を精度良くしかも適切に検出することができるので、前記のような冷凍空調装置に対する悪影響を抑制することが可能となる。これにより、冷凍空調装置の信頼性を向上することができる。

また、換気送風機に用いる同期電動機の駆動装置にこの実施の形態による脱調検出方式を適用すれば、臭気や熱気、湿気などが排出不能であることが感覚的に顕在化する前に再起動をかけることができるので、換気送風機の信頼性を向上することができる。

そして、この実施の形態による脱調検出方式によれば、精度良く脱調検出が可能であるのに加えて、図５に示したような脱調検出処理をマイクロプロセッサ等で実現する場合、マイクロプロセッサ等の処理負荷は著しく軽く済むので、高精度の脱調検出機能を備えた同期電動機の駆動装置を安価に実現することができる。

ここで、この実施の形態による脱調検出方式は、目標運転周波数指令に変調をかける方式であるが、常時目標周波数に変調をかける必要性は、つまり、常時脱調検出の動作を行う必要性は必ずしもない。脱調検出の応答速度が遅くても良い場合は、間欠的に変調をかける方式でも良い。これによれば、変調をかけることにより、つまり脱調検出動作に起因する電動機電流リップルによる損失を低減することができる。

この措置は、換気扇送風機や冷凍空調装置の送風機のように、脱調に至るような負荷変動が滅多に発生せず、発生した場合でも数１０秒以内に再起動がかかればシステムとして問題ない装置の場合に特に効果がある。例えば、脱調検出のための変調を１００ｍｓの期間内かけ、それを１０秒に一回行うようにすれば、変調による損失の影響を１／１００に低減することができる。具体的には、例えば常時脱調検出動作を行った場合の系全体効率低下が１０％であったとれば、その効率の低下を０．１％に抑えることができる。

また、この実施の形態による脱調検出方式は、目標運転周波数指令に変調をかける方式であるので、静音性が要求される換気送風機や冷凍空調装置の送風機では、騒音や振動の発生有無が問題になる。これに対しては、換気送風機や冷凍空調装置送風機においては、変調に対し慣性モーメントが大きいので、電動機の出力トルクに対する実際の応答が遅く、実際の負荷回転数の変動は小さい。したがって、目標運転周波数指令に変調をかける方式を採用しても騒音振動等は発生し難いので、問題となることは少ない。

しかし、変調周波数が可聴周波数である場合は、変調に伴う耳障りな騒音を感ずる可能性はある。その場合は、図１に示したように、変調周波数発生部１４に操作パネル等から指示を出し、揺らぎ等を持つ周波数を発生させる、あるいは、非可聴周波数を発生させ得るようになっている。これによって、送風機の静音性を確保することができる。

非可聴周波数を発生させる例として、具体的には、例えば、換気送風機や冷凍空調装置の送風機には、４極もしくは８極の電動機が用いられ、最小運転周波数は１０Ｈｚ程度であるので、それ以下の周波数を用いると良い。人間の最低可聴周波数は２０Ｈｚであるので、変調周波数が１０Ｈｚ以下であれば、脱調検出のための変調による可聴騒音は発生しない。

一方、脱調有無の判定方式は、ｑ軸電流の変調周波数成分の変動を基準電流との交差回数に依って行う方式に限定されるものではなく、ｑ軸電流の変調周波数成分の振幅を抽出し、この振幅の差を用いて脱調有無を判定する方式でも良い。ｑ軸電流の変調周波数成分の振幅の抽出は、高感度のバンドパスフィルタ、ＦＦＴ等を用いれば簡単に実現できる。この判定方式によれば、運転トルクに対し僅かなｑ軸トルクの変動に対しても高感度に検出できるので、脱調検出ための変調振幅を小さくでき、変調による損失増加および騒音増加を抑制できる。

また、変調周波数と運転周波数との関係では、電動機の種類に応じて次のように定めることができる。すなわち、同期電動機３として、埋め込み磁石型同期電動機においては、通常の運転時にｑ軸電流の変動が大きいので、通常運転時のｑ軸電流の変動周波数と違う周波数で変調をかけると、検出成分のＳ／Ｎを高く取ることできる。そこで、一般的に、通常運転時のｑ軸電流の変動は運転周波数の高次の成分として現れるので、脱調検出のための変調周波数には、運転周波数と重ならないように運転周波数の最小値以下の固定周波数を用いることができる。

同様に、レシプロ圧縮機もしくはシングルロータリー圧縮機等を駆動する同期電動機においても通常の運転時にｑ軸電流の変動の大きな負荷トルクリップルが発生ずるので、通常運転時のｑ軸電流の変動周波数と違う周波数で変調をかけると、検出成分のＳ／Ｎを高く取ることができる。そこで、一般的に、通常運転時のｑ軸電流の変動は運転周波数の一次およびその高次の成分として現れるので、脱調検出のための変調周波数には、運転周波数と重ならないように運転周波数の最小値以下の固定周波数を用いることができる。

ところで、脱調検出のためのｑ軸の電流を求めるのに、この実施の形態では電動機の相電流を用いたが、ｑ軸電流はインバータ主回路部４の母線電流を用いて求めても良い。これによれば、相電流検出部５が不要となるので、この発明による脱調検出方式は、電流検出にかかるコストが安い母線電流検出型の駆動装置にも適用可能である。

また、以上の説明から理解できるように、この発明による脱調検出方式は、同期電動機の駆動方式として、一次磁束一定制御を用いる場合だけでなく、目標運転周波数に変動を与えることが可能な駆動方式で、同期、非同期でトルク電流に差異が発生し、それが検出可能な駆動装置であれば、同様に適用できるものである。

以上のように、この発明にかかる同期電動機の駆動装置は、安価な構成で精度良く、かつ制約なく同期電動機の脱調を検出するのに有用であり、特に、無騒音でかつ高効率であるので、換気送風機や冷凍空調装置の送風機に用いる同期電動機に適用して信頼性の向上を図るのに適している。

この発明の一実施の形態による同期電動機の駆動装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す同期電動機の同期運転時におけるインバータ制御部での脱調検出に関わる要部の動作を説明する動作波形図である（同期時）。 図１に示す同期電動機の脱調時におけるインバータ制御部での脱調検出に関わる要部の動作を説明する動作波形図である（脱調時）。 図１に示す同期電動機の回転子とインバータ制御部で用いる電気角位相および座標との関係を説明する図である。 図１に示す同期電動機の駆動装置が備える脱調検出機能を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ インバータ装置（駆動装置）
２ 直流電源部
３ 同期電動機
４ インバータ主回路部
５ 電流検出部
５ａ，５ｂ 電流検出器
６ インバータ制御部
７ 電動機駆動部
８ 脱調検出部
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ スイッチング素子
１１ 還流ダイオード
１２ 相電流演算部
１３ 座標変換部
１４ 変調周波数発生部
１５ 目標運転周波数生成部
１６ 電圧指令値演算部
１７ 出力電圧ベクトル演算
１８ 直流電圧検出部
１９ ＰＷＭ信号発生部
２１ 周波数成分抽出部
２２ 電流比較部
２３ 回数比較部

Claims (10)

1. 同期電動機の駆動制御を回転子位置の検出手段によらず前記駆動制御の際に得られるｄ−ｑ座標電流成分を用いたインバータ制御によって行う駆動装置において、
   目標運転周波数に変動を与えて運転中のトルク電流成分であるｑ軸電流成分を抽出し、前記変動に対応した前記ｑ軸電流成分の応答の有無によって脱調を検出する機構、
   を備えたことを特徴とする同期電動機の駆動装置。
2. 前記脱調を検出する機構は、
   前記目標運転周波数に変調をかけて前記同期電動機を駆動制御する電圧ベクトルの生成に用いるｑ軸電流成分に変動を与える変動付与手段と、
   前記同期電動機の駆動制御の際に得られる前記ｑ軸電流成分の過渡応答から脱調有無を検出する脱調検出手段と、
   を備えていることを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の駆動装置。
3. 前記脱調検出手段が同期電動機の脱調を検出したとき同期電動機の駆動停止後に再起動を行い、所定回数の再起動でも同期状態に復帰しないときに同期電動機の駆動を停止して異常報知を行う手段、を備えていることを特徴とする請求項２に記載の同期電動機の駆動装置。
4. 前記同期電動機の駆動制御の際に得られる前記ｄ−ｑ座標電流成分は、前記同期電動機に供給する少なくとも２相の検出駆動電流から生成される、ことを特徴とする請求項２または３に記載の同期電動機の駆動装置。
5. 前記同期電動機の駆動制御の際に得られる前記ｄ−ｑ座標電流成分は、前記同期電動機に供給する駆動電流をインバータ制御により生成するインバータ回路の母線電流から検出される、ことを特徴とする請求項２または３に記載の同期電動機の駆動装置。
6. 前記脱調検出手段は、
   前記同期電動機の駆動制御の際に得られる前記ｑ軸電流成分から前記目標運転周波数の変動周期成分を抽出する手段と、
   抽出された前記ｑ軸電流成分における前記目標運転周波数の変動周期成分が基準値と交差する回数を示す交差判定信号を発生する手段と、
   前記交差判定信号が示す交差回数が同期判定回数を超えないとき脱調検出信号を出力する手段と、
   を備えていることを特徴とする請求項２または３に記載の同期電動機の駆動装置。
7. 前記脱調検出手段は、
   前記同期電動機の駆動制御の際に得られる前記ｑ軸電流成分から前記目標運転周波数の変動振幅成分を抽出する手段と、
   抽出された前記ｑ軸電流成分における前記目標運転周波数の変動振幅成分の振幅値が同期判定基準値を超えないとき脱調検出信号を出力する手段と、
   を備えていることを特徴とする請求項２または３に記載の同期電動機の駆動装置。
8. 前記変動付与手段で用いる変調周波数は、非可聴周波数である、ことを特徴とする請求項２または３に記載の同期電動機の駆動装置。
9. 前記変動付与手段で用いる変調周波数は、運転周波数以下の固定周波数である、ことを特徴とする請求項２または３に記載の同期電動機の駆動装置。
10. 前記変動付与手段では、目標運転周波数に変調をかける操作を間欠的に行う、ことを特徴とする請求項２または３に記載の同期電動機の駆動装置。

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