JP2006204050A - 電動機駆動装置およびこれを用いた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストにて、トータル効率の優れた電動機駆動装置を提供する。
【解決手段】交流電源１からの交流電圧を整流し、任意の目標直流電圧となるように、直流電圧へ変換するコンバータ２と、電動機４を概正弦波状または概台形波状の電流にて駆動するインバータ５を備え、インバータ５の変調率に応じて、コンバータ２の目標電圧およびインバータ５の電流位相を予め記憶された補正パターンに基いて補正することで、適切な直流電圧および電流位相で電動機を駆動することにより、トータル効率を高めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスＤＣモータなどの電動機を、任意の回転数で駆動する電動機駆動装置および、これを備えた空気調和機に関する。

インバータ駆動される電動機負荷を有する空気調和機などの機器において、その高効率化の一手法として、電動機のコイル巻線の多く巻き込み、電動機に流れる電流を小さくすることで、主にインバータにおける損失を低減する方法がよく知られている。

しかしながら、この手法を用いる場合には、コイルの巻数にほぼ比例して電動機の誘起電圧が増加することから、電動機の最高回転数を維持するためには、電動機を駆動するインバータへ供給する直流電圧を高くするか、電動機のインバータ駆動における電流位相を大きくする、いわゆる弱め界磁制御量を大きくする必要がある。

従来、この種の電動機駆動装置を備えた空気調和機として、インバータの直流電圧を上昇させる手段と、インバータに弱め界磁制御可能な手段とをもち、これら２つの手段を制御するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図１５は、特許文献１に記載された従来の空気調和機の構成を示すものである。図１５に示す従来の空気調和機は、交流電源１を直流に変換し、直流電圧を上昇させる機能を有する電力変換回路１０１と同期電動機１０２をベクトル制御し、弱め磁束制御（弱め界磁制御）機能を有する電動機制御装置１０３を備えている。

一般に、負のｄ軸電流を増加させる弱め磁束制御を行うと、電動機に流れる電流が増加することから、電動機の駆動効率が低下する。そこで、特許文献１に記載された空気調和機は、交流電源１を直流に変換し、直流電圧を上昇させる機能を有する電力変換回路１０１を備え、弱め磁束制御に優先してインバータへ供給される直流電圧を上昇させる手段を選択し、効率が悪くなる弱め界磁制御の使用頻度を抑えることで、同期電動機１０２の高効率運転をすることができる。
特開２００４−１０１１５１号公報

しかしながら、弱め磁束制御に優先してインバータの直流電圧を上昇させる手段を選択する前記従来の構成では、電動機の巻線数が多く、インバータに必要な直流電圧が高くなると、交流から直流への電力変換回路の効率が低下するため、常に直流電圧を上昇させる手段を優先すると、交流電源からみた電動機駆動におけるトタール効率がかえって低下するという課題があった。すなわち、小型かつ安価でありながら高効率のシステムを構築するためには、ＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）などのインバータ駆動素子の電流容量や、電動機の減磁電流を低く抑える必要があるが、弱め磁束制御では、制御量の増加につれて電動機の駆動電流が増加するために、インバータ駆動手段の電流容量や電動機の減磁電流などから、その制御量は制約を受け、結果として、電動機の巻線増に応じてインバータへ供給する直流電圧を高くする必要がある。

しかしながら、一般に昇圧型のコンバータは、その昇圧率の増加につれて変換効率が低下するため、インバータへ供給する直流電圧がある一定の範囲を超えて高くなる領域においては、弱め磁束制御に優先して昇圧を行う方がかえってトータル効率が低下する。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、小型かつ安価でありながらトータル効率の高い電動機駆動装置またはこれを用いた空気調和機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、本発明の電動機駆動装置およびこれを用いた空気調和機は、交流電源からの交流電圧を所定の直流電圧に整流するコンバータと、コンバータの出力電圧を一定範囲内の任意の目標電圧に近づけるようにコンバータを制御するコンバータ制御手段と、コンバータの出力側に接続され、略正弦波または略台形波状の電流によって電動機を駆動するインバータと、電動機の誘起電圧に対して所定の電流位相をなして電動機電流が流れるように、インバータに駆動信号を与えるインバータ制御手段と、コンバータの直流電圧と電動機の誘起電圧からインバータの変調率を検出する変調率検出手段と、予め電動機の回転数毎に定められた目標電圧ＤＣＶ０および電流位相β０を記憶する第１の記憶手段と、予め変調率毎に定められた目標電圧および電流位相の補正パターンを記憶する第２の記憶手段とを備え、コンバータの目標電圧およびインバータの電流位相を、第１の記憶手段に記憶された目標電圧ＤＣＶ０および電流位相β０と、第２の記憶手段に記憶された補正パターンに基いて算出される補正量△ＤＣＶ、△βとに基いて、それぞれ補正するものである。

また、本発明の電動機駆動装置およびこれを用いた空気調和機は、交流電源の入力電流を検出する入力電流検出手段を具備し、交流電源からの交流電圧を所定の直流電圧に整流するコンバータと、コンバータの出力電圧を一定範囲内の任意の目標電圧に近づけるようにコンバータを制御するコンバータ制御手段と、コンバータの出力側に接続され、略正弦波または略台形波状の電流によって電動機を駆動するインバータと、電動機の誘起電圧に対して所定の電流位相をなして電動機電流が流れるように、インバータに駆動信号を与えるインバータ制御手段と、コンバータの直流電圧と電動機の誘起電圧からインバータの変調率を検出する変調率検出手段と、予め入力電流毎に定められた目標電圧ＤＣＶ０および電流位相β０を記憶する第１の記憶手段と、予め変調率に応じて定められた前記目標電圧および電流位相の補正パターンを記憶する第２の記憶手段とを備え、コンバータの目標電圧およびインバータの電流位相を、第１の記憶手段に記憶された目標電圧ＤＣＶ０および電流位相β０と、第２の記憶手段に記憶された補正パターンに基いて算出される補正量△ＤＣＶ、△βとに基いて、それぞれ補正するものである。

また、本発明の電動機駆動装置およびこれを用いた空気調和機は、交流電源からの交流電圧を所定の直流電圧に整流するコンバータと、コンバータの出力電圧を一定範囲内の任意の目標電圧に近づけるようにコンバータを制御するコンバータ制御手段と、コンバータの出力側に接続され、略正弦波または略台形波状の電流によって電動機を駆動するインバータと、電動機の誘起電圧に対して所定の電流位相をもって電動機電流が流れるように、インバータに駆動信号を与えるインバータ制御手段と、コンバータの直流電圧と電動機の誘起電圧からインバータの変調率を検出する変調率検出手段と、インバータの母線電流を検出する母線電流検出手段を具備し、予め母線電流毎に定められた目標電圧ＤＣＶ０および電流位相β０を記憶する第１の記憶手段と、予め変調率毎に定められた前記目標電圧および電流位相の補正パターンを記憶する第２の記憶手段とを備え、コンバータの目標電圧および前記インバータの電流位相を、第１の記憶手段に記憶された目標電圧ＤＣＶ０および電流位相β０と、第２の記憶手段に記憶された補正パターンに基いて算出される補正量△ＤＣＶ、△βとに基いて、それぞれ補正するものである。

本発明の電動機駆動装置は、インバータへ供給される直流電圧およびインバータの電流位相を、変調率に応じて補正することで、必要以上に直流電圧を高くしたり、弱め磁束制
御量を大きくすることなく、適切な直流電圧および電流位相にて電動機を駆動することができるため、交流電源からみた電動機駆動のトータル効率を高くすることができる。

第１の発明は、交流電源からの交流電圧を所定の直流電圧に整流するコンバータと、コンバータの出力電圧を一定範囲内の任意の目標電圧に近づけるようにコンバータを制御するコンバータ制御手段と、コンバータの出力側に接続され、略正弦波または略台形波状の電流によって電動機を駆動するインバータと、電動機の誘起電圧に対して所定の電流位相をなして電動機電流が流れるように、インバータに駆動信号を与えるインバータ制御手段と、コンバータの直流電圧と電動機の誘起電圧からインバータの変調率を検出する変調率検出手段と、予め電動機の回転数毎に定められた目標電圧ＤＣＶ０および電流位相β０を記憶する第１の記憶手段と、予め変調率毎に定められた前記目標電圧および電流位相の補正パターンを記憶する第２の記憶手段とを備え、コンバータの目標電圧および前記インバータの電流位相を、第１の記憶手段に記憶された目標電圧ＤＣＶ０および電流位相β０と、第２の記憶手段に記憶された補正パターンに基いて算出される補正量△ＤＣＶ、△βとに基いてそれぞれ補正することにより、電動機の回転数から想定される誘起電圧と負荷トルク範囲に対して駆動に必要な直流電圧を確保しつつ、効率がほぼ最適となるあたりの目標電圧ＤＣＶ０および電流位相β０付近において、さらに変調率に応じて必要最低限の昇圧および弱め界磁制御量となるように調整することによって、最適な直流電圧および電流位相にて電動機を駆動することができるので、簡単な構成で負荷条件に応じて必要な直流電圧を確保しつつ、常に高効率な駆動を実現することができる。

第２の発明は、交流電源からの交流電圧を所定の直流電圧に整流するコンバータと、コンバータの出力電圧を一定範囲内の任意の目標電圧に近づけるようにコンバータを制御するコンバータ制御手段と、コンバータの出力側に接続され、略正弦波または略台形波状の電流によって電動機を駆動するインバータと、電動機の誘起電圧に対して所定の電流位相をなして電動機電流が流れるように、インバータに駆動信号を与えるインバータ制御手段と、コンバータの直流電圧と電動機の誘起電圧からインバータの変調率を検出する変調率検出手段と、交流電源からの入力電流を検出する入力電流検出手段と、予め入力電流毎に定められた目標電圧ＤＣＶ０および電流位相β０を記憶する第１の記憶手段と、予め変調率毎に定められた目標電圧および電流位相の補正パターンを記憶する第２の記憶手段とを備え、コンバータの目標電圧および前記インバータの電流位相は、第１の記憶手段に記憶された目標電圧ＤＣＶ０および電流位相β０と、第２の記憶手段に記憶された補正パターンに基いて算出される補正量△ＤＣＶ、△βとに基いて、それぞれ補正することにより、入力電流によって推測される電動機の回転数と負荷トルクの組み合わせ領域において、必要な直流電圧およびトルクを考慮した必要な電流位相を確保した上で効率がほぼ最適となる目標電圧ＤＣＶ０および電流位相β０付近において、さらに変調率に応じて必要最低限の昇圧および弱め界磁制御量となるように調整することによって、最適な直流電圧および電流位相にて電動機を駆動することができるので、簡単な構成で、負荷条件に応じて必要な電流位相を確保しつつ、常に高効率な駆動を実現することができる。

第３の発明は、交流電源からの交流電圧を所定の直流電圧に整流するコンバータと、コンバータの出力電圧を一定範囲内の任意の目標電圧に近づけるように前記コンバータを制御するコンバータ制御手段と、コンバータの出力側に接続され、略正弦波または略台形波状の電流によって電動機を駆動するインバータと、電動機の誘起電圧に対して所定の電流位相をもって電動機電流が流れるように、インバータに駆動信号を与えるインバータ制御手段と、コンバータの直流電圧と電動機の誘起電圧からインバータの変調率を検出する変調率検出手段と、インバータの母線電流を検出する母線電流検出手段と、予め母線電流毎に定められた目標電圧ＤＣＶ０および電流位相β０を記憶する第１の記憶手段と、予め変調率毎に定められた目標電圧および電流位相の補正パターンを記憶する第２の記憶手
段とを備え、コンバータの目標電圧および前記インバータの電流位前記第１の記憶手段に記憶された目標電圧ＤＣＶ０および電流位相β０と、第２の記憶手段に記憶された補正パターンに基いて算出される補正量△ＤＣＶ、△βとに基いて、それぞれ補正することにより、直流電圧および母線電流から、第２の発明に比べてより正確に負荷トルクを推測することができるため、電動機の回転数と負荷トルクの組み合わせにおいて、効率がほぼ最適となる目標電圧ＤＣＶ０および電流位相β０付近にて、さらに変調率に応じて必要最低限の昇圧および弱め界磁制御量となるように調整することによって、最適な直流電圧および電流位相にて電動機を駆動することができるので、簡単な構成で、より負荷条件に適した高効率駆動を実現することができる。

第４の発明は、インバータの変調率が、第１の所定時間以上継続して所定値よりも低い場合にのみ、目標電圧を下げる方向の補正を可能とすることにより、電動機の急加速時等において直流電圧が不足することを防止できるため、安定回転時における目標電圧をより低く設定することができ、電動機をさらに高効率に電動機を駆動することが可能となる。

第５の発明は、インバータの変調率が、第２の所定時間以上継続して所定値よりも低い場合にのみ、電流位相を小さくする方向の補正を可能とすることにより、電動機の急加速時等においてトルク不足となることを防止できるため、安定回転時における電流位相をより低く設定することができ、電動機をさらに高効率に電動機を駆動することが可能となる。

第６の発明は、目標直流電圧補正値△ＶＤＣとして０または負の値をとり、電流位相補正値△βとして正または０の値をとり、目標電圧を低くする方向の補正は、インバータの変調率が第１の変調率以下である場合にのみ行われ、かつ、電流位相を小さくする方向の補正は、第１の変調率よりも高い第２の変調率よりも低い場合にのみ行われ、かつ、目標電圧を高くする方向の補正は、第２の変調率よりも高い第３の変調率よりも高い場合にのみ行われ、電流位相を高くする方向の補正は、第３の変調率よりも高い第４の変調率よりも高い場合にのみ行われ、かつ、少なくとも常に△ＶＤＣまたは△βのいずれか一方の補正量は０であるように制御することで、必要とされるインバータ電圧に対して昇圧作用と弱め界磁作用の増減を独立して操作することがないため、互いに打ち消し合う恐れもなく、変調率に応じて両者の制御が滑らかにつなぐことができるため、負荷条件に応じて複雑な演算をすることなく、いかなる負荷条件においても簡単な制御構成にてインバータの直流電圧を上げるか弱め界磁制御を強くするかの選択を行うことができる。

第７の発明は、電流位相の時間変化率の絶対値が、所定の上限値以下となるように補正されることによって、電動機に流れる電流波形の乱れを抑制することができるため、電動機の加減速時における制御安定性を高めることができる。

第８の発明は、変調率が所定の値を超えると、電動機の回転数指令値を小さくするもので、インバータの直流電圧不足に伴う、脱調等の不安定動作の回避を図るものである。

第９の発明は、空気調和機において、上記第１から第８のいずれかに記載の発明の電動機駆動装置を圧縮機の駆動に用いることによって、空気調和機の特徴である、広範囲の回転数および負荷トルク領域に対して、簡単な構成で、常に最適な直流電圧および電流位相を選択することによって、システムの効率向上を図ることができる。

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）
図１に本発明の実施の形態１における電動機駆動装置のシステム構成を示す。本発明の電動機駆動装置は、交流電源１からの交流電圧を所定の直流電圧に整流するコンバータ２と、コンバータ２の出力電圧を検出し、出力電圧が所定の目標電圧に近づくように制御を行うコンバータ制御手段３と、コンバータ２の出力側に接続されて、直流−交流変換により任意の回転数にて電動機４を駆動するインバータ５と、電動機４の２相の相電流を検出する電流検出器６ａ、６ｂより電動機４の誘起電圧を推定することで電動機４の回転子の磁極位置および回転速度を検出し、所定の電流位相βをなして、略正弦波または略台形波状の電流を流すように、インバータ５へ駆動信号を付与するインバータ制御手段７を備える。

インバータ制御手段７は、電流検出器６ａ，６ｂより電動機の各相電流を検出する電流検出部８と、誘起電圧推定部９と、回転子位置速度推定部１０と、速度制御部１１と、電流制御部１２と、印加電圧信号生成部１３から構成される。

本発明の電動機駆動装置は、外部より与えられる目標速度（回転数）を実現するべく、速度制御部１１は、目標速度ω＊と現在の速度ω（回転子磁極位置速度推定部１０により推定された推定速度の現在値）との速度誤差△ωがゼロとなるように比例積分制御（以下、ＰＩ制御という）により電流指令値Ｉ＊を演算する。

電流制御部１２は、速度制御部１１により演算された電流指令値Ｉ＊と、後述の演算によって求められる電流位相指令値βに基づいて作成される固定子巻線の相電流指令値と、電流検出器６ａ，６ｂおよび電流検出部８から得られる電流検出値との電流誤差がゼロとなるようにＰＩ制御により電圧指令値ｖ＊を演算する。

誘起電圧推定部９は、電流検出器６ａ、６ｂおよび電流検出部８により検出された電動機４の電流検出値と、電圧指令値ｖ＊と、直流電圧検出手段（図示せず）により検出されたインバータ５の直流電圧の情報とに基づいて、電動機４の固定子巻線の各相に生じた誘起電圧を推定する。

回転子位置速度推定部１０は、誘起電圧推定部９により推定された誘起電圧を用いて電動機４における回転子の磁極位置および速度を推定する。この推定された回転子磁極位置の情報に基づいて、電流制御部１２では、インバータ５が電圧指令値ｖ＊に等しい電圧を出力するために、スイッチング素子５ａ〜５ｆを駆動するための信号が生成され、その駆動信号は印加電圧信号生成部１３により、スイッチング素子５ａ〜５ｆを電気的に駆動するためのドライブ信号に変換される。ドライブ信号により各スイッチング素子５ａ〜５ｆが動作する。

以上の構成によって、電動機４の位置センサレス正弦波駆動を行う。（詳細については特許第３４１９７２５号公報を参照）
さらに、本発明の電動機駆動装置は、コンバータ２の出力電圧すなわち、インバータ５の直流電圧と、インバータ制御手段７にて推定された電動機４の誘起電圧とから、インバータ５の変調率を算出する変調率検出手段１４を備え、さらに、予め電動機４の回転数に１対１対応して定められたコンバータ２の目標電圧ＤＣＶ０およびインバータ５の電流位相β０の関係を記憶した第１の記憶手段１５と、予め変調率と１対１対応して定められた目標電圧および電流位相の補正パターンを記憶した第２の記憶手段１６とを備える。

なお、第１の記憶手段１５および第２の記憶手段１６は、マイコン等のメモリで構成され、目標電圧や電流位相およびその補正パターンは、関数や表の形式で、プログラムやデータとして記憶される。

本発明の電動機駆動装置は、コンバータ２の直流電圧指令値Ｖｄｃ＊およびインバータ５の電流位相指令値β＊を、第１の記憶手段１５に記憶された値ＤＣＶ０、β０と、変調率に応じて第２の記憶手段１１に記憶された補正パターンに基いて算出される補正量△ＤＣＶ、△βとの和によって補正する。以下、これらの補正方法について説明を行う。

図２（ａ）は、予め設定された直流電圧設定の一例を示す図である。ＩＰＭＳＭなどの電動機４では、誘起電圧は回転数に比例することから、一般に回転数が高いほどインバータ駆動に高い直流電圧を要する。

コンバータ２は、昇圧型コンバータであることを考慮して、直流電圧指令値は、電動機４が一定の回転数ωａに達するまでは、Ｖ０ａ、回転数がωａを超えてωｂに達するまでは、Ｖ０ａからＶ０ｂまで連続的に増加させている。

回転数がωｂを超える領域では、コンバータ２で使用するＩＧＢＴなどのスイッチング素子の温度や、出力平滑用コンデンサの耐圧などから昇圧可能な電圧に制約を受けるため、目標電圧指令値（センター値）は昇圧限界値以下の値Ｖ０ｂとする。

図２（ｂ）は、予め設定された直流電圧設定の別の一例を示す図である。図２（ｂ）に示すように、階段状に電圧指令値を設けることで、回転数から電圧指令値を求めるのに、ほとんど演算を要しないため、インバータ制御手段７に用いるマイコンの演算時間に余裕がない場合に向いている。

図３は、変調率に対する直流電圧指令の補正パターンの一例を示す図である。補正値△ＶＤＣは、その初期値を０とし、マイコン等の演算手段（図示せず）によって以後、所定時間毎に、変調率検出手段１４によって検出される変調率に応じて以下のように更新される。

すなわち、△ＶＤＣは、変調率がａ未満の場合、△Ｖ１だけ減少、変調率がａ以上ｂ未満の場合、△Ｖ２だけ減少、変調率がｂ以上ｃ未満の場合、△ＶＤＣは増減なしとし、変調率がｃ以上ｄ未満の場合には、△Ｖ３だけ増加、変調率がｄ以上の場合、△Ｖ４だけ増加とする。

直流電圧司令部１７は、第１の記憶手段１５に記憶された電動機４の回転数に対応する直流電圧設定値ＶＤＣ０と、上記のようにして求められた補正値△ＶＤＣとの和
ＶＤＣ＝ＶＤＣ０＋△ＶＤＣ
で算出される電圧をコンバータ２の直流電圧指令値とし、インバータ５の直流電圧を上記の電圧となるようにコンバータ２を駆動する。

上記のような制御を行うことで、基本的にインバータ５の変調率は、上記のｂ以上ｃ未満の値に収束する。そのため、変調率を１００％近くに設定しておくことで、不必要な昇圧をなくすことができ、その結果、コンバータ２における変換効率の向上と、インバータ５および電動機４の効率向上とにより、トータル効率に優れた電動機駆動を実現することが可能となる。

図４は、従来の空気調和機に搭載されている昇圧型のコンバータの変換効率の一例を表したものである。図４に示すように、負荷条件によって、コンバータ２の直流電圧を低くし過ぎると、かえってコンバータ効率が低下する領域が存在する。

したがって、直流電圧指令値が効率最適点（図のＰ点）よりも低い電圧となることを回避するため、電動機４の回転数毎に直流電圧指令値に下限値ＶＤＣｍｉｎを設けておくこ
とが望ましい。

図５は、予め設定された電流位相設定値の一例を示す図である。目標速度ω＊がωｓよりも小さい低速時は効率最適点となる位相β０ｓを設定し、ωｓ以上の高速時では弱め界磁制御を行うため目標速度ω＊に応じて位相を設定し、目標速度ω＊がωｅ以上では上限値β０ｅで制限している。

図６は、変調率に対する電流位相指令の補正パターンの一例を示す図である。変調率がａ未満の場合、電流位相の補正値△βを△β１だけ減少させ、変調率がａ以上ｂ未満の場合、△β２だけ減少させる。また変調率がｂ以上ｃ未満の場合、補正値△βは変更しない。また変調率がｃ以上ｄ未満の場合には、△β３だけ増加させ、変調率がｄ以上の場合、△β４だけ増加させる。

電流位相司令部１８は、第１の記憶手段１５に記憶されている電動機４の回転数に対応する電流位相設定値β０と、上記のようにして求められた電流位相の補正値△βとの和
β＝β０＋△β
で算出される電流位相βをインバータ７の電流位相指令値β＊としてインバータ７を駆動する。

ここで、電流位相βを大きくしすぎると、特に位置センサレス駆動の場合、位置推定精度が低下し、動作が不安定になるため、図６に示すように、安定動作可能な電流位相βの最大値を回転数毎に定め、補正後のβの上限値βｍａｘを制限しておくことが望ましい。

さらに、交流電源１の電圧が低い場合など、電流位相βの上限値βｍａｘまで位相を進めてもなお変調率が高く、所定の変調率の限界値を超える場合には、脱調による停止を防止するため、回転数指令値ω＊を下げる。

次に、加速中など電動機４の回転数が変化する場合における電流位相βの補正方法について記載する。電流位相の設定値β０は、電動機４の回転数変化に対応して、第１の記憶手段１５に記憶されている値に設定する。したがって、図５に示したように、電動機４の回転数変化とともにβ０が変化する領域では、β０は回転数変化とともに増減する。

電流位相指令値βは、β０と補正値△βの和として求められるため、こうして得られた新たなβの変化分は、β０の変化分に△βの変化分を加えた値となる。

上記のように電流位相βを変化させながら電動機を駆動する場合、電動機電流は位相変化のために歪みを生じるため、特にセンサレス駆動の場合には、一定以上の変更速度で電流位相βを変更すると、最悪の場合、脱調停止に至ってしまう。

そこで、βの時間変化率に上下限値を設けておき、βの時間変化率が上下限値を超えるような補正結果となった場合には、βを変化率の上下限値で制限される値になるように△βの再調整を行っている。

以上の補正を行うことによって、加減速中においても安定して電動機４を駆動することができるシステムを構築することができる。

このように、通常は、効率を優先した電流位相設定値β０にしておくことで、インバータ５の直流電圧をさほど要求しない負荷の場合には、効率のよいβ０付近で動作させることができるとともに、回転数の増加や負荷変動により変調率が高くなった場合には、電流位相βを大きくして変調率を下げることで、電圧不足による脱調を防止することができる
。

また同時にインバータ５の変調率にも上限を設けておき、これを超える場合には電動機４の指令回転数を低くすることで、脱調を防止しつつ、電動機の動作範囲を最大限に引き伸ばすことが可能となる。

なお、本実施の形態１では、電動機４の回転数として、指令回転数ω＊を用いたが、回転子位置速度検出部１０で検出される現在の回転数ωを用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。

また、本実施の形態１では、直流電圧および電流位相の補正値△ＶＤＣ、△βの増減量を、変調率に応じて表の形式にて求めたが、各補正値△ＶＤＣ、△βの変更によって変調率が変化する度合いを考慮して予め定められた演算式を用い、ＰＩ制御などによって求めてももちろん構わない。

（実施の形態２）
図７は、本発明の第２の実施の形態における電動機駆動装置のシステム構成を表す。本発明の電動機駆動装置は、実施の形態１の電動機駆動装置のシステム構成に加えて、交流電源１からの入力電流を検出する入力電流検出手段１９を備え、予め入力電流毎に定められた目標電圧設定値ＤＣＶ０および電流位相β０の関係を第１の記憶手段１５に記憶する。交流電源１からの入力は、電源電圧と入力電流および力率の積で与えられ、電動機４の出力は、回転数とトルクの積で与えられる。

したがって、電動機４の回転数使用範囲が狭く、負荷トルクの変動が大きいシステムの場合には、力率がほぼ一定であるとすると、入力電流の大きさを検出することによって、負荷トルクの概略を把握することが可能となる。

本実施の形態における電動機の目標電圧の一例を図８に示す。図８に示すように、入力電流がＩａ未満の場合には、目標電圧はＶ０ａ、入力電流がＩａからＩｂに達するまでは、Ｖ０ａからＶ０ｂまで連続的に増加し、Ｉｂ以上の場合には、Ｖ０ｂで制限される。

直流電圧司令部１７は、第１の記憶手段１５に記憶された、入力電流に対応する直流電圧設定値ＤＣＶ０と、第２の記憶手段１６に記憶された、変調率に対応する目標電圧の補正値△ＶＤＣ（実施の形態１と同様のため記載を省略する）との和
ＶＤＣ＝ＶＤＣ０＋△ＶＤＣ０
で算出される直流電圧をコンバータ２の直流電圧指令値としてコンバータ２を駆動し、インバータ５の直流電圧を調整する。

図９に電流位相設定値βの設定の一例を示す。入力電流がＩｓ未満の場合には、電流位相はβ０ｓ、Ｉｓ以上Ｉｅ以下の場合には、β０ｅまで連続的に増加させ、Ｉｅ以上でβ０ｅに制限される。

電流位相司令部１８は、第１の記憶手段１５に記憶された入力電流に対応する電流位相設定値β０と、第２の記憶手段１６に記憶されている変調率に対応して調整される電流位相の補正値△β（実施の形態１と同様のため記載を省略する）との和
β＝β０＋△β
で算出される電流位相βをインバータ７の電流位相指令値β＊としてインバータ５を駆動する。

一般に高効率モータとして知られるＩＰＭＳＭ（埋込磁石同期モータ）では、電流位相
βを０°よりも進めてリランクタンストルクを利用する領域に効率最適点が存在する。また、その効率最適となる電流位相βは、負荷トルクが大きいほど大きくなる。
したがって、以上のように、入力電流が大きくなるほど電流位相指令β＊を進めるように設定することによって、負荷トルクが大きい負荷ほど、電流位相βを進めた動作点付近にて電動機４を駆動することができるので、常に負荷条件に応じて効率のよい動作点にて電動機４の駆動をすることが可能となる。

なお、本実施の形態では、入力電流のみを用いて電流位相の設定値β０を求めたが、システムにおいて電動機４の回転数は既知であることから、回転数と入力電流の組み合わせによって、回転数および概略負荷トルクをより正確に推測することで、広い回転数範囲においても、精度よく目標電圧ＤＣＶ０および電流位相β０の設定を行うことが可能である。

（実施の形態３）
図１０は、第３の実施の形態における電動機駆動装置の構成を示すものである。実施の形態１のシステム構成に加えて、インバータ５の母線電流を検出する母線電流検出手段２０を備えており、図１１および図１２に示すように、母線電流検出手段２０によって検出される母線電流の大きさに対応して直流電圧設定値ＶＤＣ０および電流位相設定値β０が設定された第１の記憶手段１５を有する。

また、本発明の電動機駆動装置は、電流検出素子６ａ、６ｂの代りに母線電流に流れる瞬時電流を用いる１シャント方式の位置検知方法を用いている。（詳細は、特開２００３−１８９６７０号公報を参照）さらに母線電流を平均化することによって、母線電流を流れる直流電流ＩＤＣを求めている。

インバータ５の直流電圧は既知であることから、インバータ５の直流電圧と直流電流ＩＤＣの積によって、インバータ５へ供給される電力を正確に求めることができるため、交流電源１からの入力電流を用いて推測する場合に比べて、負荷トルクの推測精度がさらに向上する。

上記のような構成にすることで、第２の実施の形態に比べて、負荷トルクの推測精度が向上するため、さらに最適な直流電圧と電流位相にて電動機４を高効率に駆動することが可能となる。

（実施の形態４）
図１３は、第４の実施の形態の、電動機駆動装置を用いた空気調和機のシステム構成を示すものである。空気調和機は、室内ユニット２１と室外ユニット２２とから構成されており、室外ユニット２２は、室内ユニット２１からの指示に基き、冷媒を圧縮する圧縮機の圧縮機電動機２３を駆動する。室外ユニット２２における圧縮機電動機２３の電動機駆動装置については、実施の形態１と同様のシステム構成であるため、記載を省略する。

一般に、インバータタイプの空気調和機では、暖房の立ち上げ時に必要な高回転域から、目標温度に到達して安定状態にある低回転域まで、比較的広範囲の回転数範囲で圧縮機電動機を駆動する必要がある。

また、同一回転数によっても冷房・暖房などの運転モードや、室内外の気温条件によって、その負荷トルクが変化することから、圧縮機駆動に必要な直流電圧および電流位相は、負荷条件によって変化する。

一方、空気調和機においては、速度変化の大きなサーボモータなどと異なり、室温が目
標温度近くに近づくと回転数はほぼ安定していくなど、回転数が比較的緩やかに変化することが多いという特徴をもつ。

そこで、本発明の空気調和機では、インバータ５の直流電圧設定値ＤＣＶ０および電流位相設定値β０を、圧縮機の回転数毎に、速度変化や外乱に対して一定のマージンを設けた上でトータル効率が高くなる組み合わせを予め設定し、これを第１の記憶手段１５に記憶させておく。

あわせて、直流電圧の補正値△ＶＤＣは、０または負の値に制限することで、変調率に応じてインバータ５の直流電圧の低下を行う。さらに、補正後の直流電圧指令値ＶＤＣ＊には、コンバータ２の効率低下防止のために、回転数毎に下限値ＶＤＣｍｉｎが設けられる。

また電流進角の補正値△βは、０または正の値に制限することで、通常は最適な効率で動作し、インバ−タ５の直流電圧が不足する場合にのみ、電流位相指令値β＊を高くして弱め界磁制御量を増加させる。補正後の電流進角指令値β＊には、制御安定性の観点から脱調停止防止のため、上限値βｍａｘが設けられる。

直流電圧と電流進角の補正をそれぞれ独立して行う場合、補正条件となる変調率の設定によっては、直流電圧の低減補正（△ＶＤＣ＜０）と、電流位相の増加補正（△β＞０）が同時に生じる可能性がある。しかしながら、直流電圧の低減補正と電流位相の増加は、互いに効果を打ち消し合うため、これを禁止する必要がある。

また、直流電圧または電流位相のうちの一方の補正を行った場合、それに伴って変調率が変化するため、その結果を受けて、他方の補正が働き、もとの補正効果を打ち消してしまう可能性もある。そこで、本発明の空気調和機では、直流電圧と電流位相の必ず一方の補正量を０とし、常にいずれか一方の補正値だけを変更するように制御している。

図１４に直流電圧補正値△ＶＤＣおよび電流進角補正値△βの補正パターンを示す。直流電圧補正値△ＶＤＣは、変調率が変調率ａ未満の場合、△Ｖ１だけ下げ、変調率がａ以上ｂ未満の場合には△Ｖ２だけ下げ、変調率がｂ以上ｃ未満の場合には変更しない。また、変調率がｃ以上ｄ未満の場合には△Ｖ３だけ上げ、変調率ｄ以上の変調率の場合には、△Ｖ４だけ増加させる。

電流位相補正値△βは、変調率がｅ未満の場合、△β１だけ下げ、変調率がｅ以上ｆ未満の場合には△β２だけ下げ、変調率がｆ以上ｇ未満の場合には変更しない。また、変調率がｇ以上ｈ未満の場合には△β３だけ上げ、変調率ｈ以上の変調率の場合には、△β４だけ増加させる。

ここで、△ＶＤＣを下げる変更を行う基準となる第１の変調率（図のｂ）は、△βを下げる変更を行う基準となる第２の変調率（図のｆ）よりも低く設定される。

補正値△ＶＤＣと補正値△βは、いずれも変調率によって変更される。したがって、目標電圧の補正△ＶＤＣおよび電流位相の補正△βのいずれか一方が常に０となるように連続的に行うためには、第１の変調率を第２の変調率よりも低く設定することが必要である。

上記の関係を満足しない場合には、例えば変調率ｂ以下の状況で直流電圧指令ＶＤＣを下げたい状況にあっても、変調率がｆ以上のために、電流位相補正値△βが０まで下がらず、△ＶＤＣを変更できなくなってしまう。

これを避けるため、第１の変調率を第２の変調率よりも低く設定することで、変調率が低い場合には、たとえ電流位相の補正△βが正の状態からであっても、△βが正の値から０となり、さらに直流電圧の補正が０から負の値へと滑らかに制御状態を切替ることができ、目標電圧の補正△ＶＤＣおよび電流位相の補正△βのいずれか一方を常に０としつつ、徐々に効率を向上させながら、変調率を上げていくことが可能になる。

また△ＶＤＣを上げる変更を行う基準となる第３の変調率（図のｃ）は、△βを上げる変更を行う基準となる第４の変調率（図のｇ）よりも低く設定される。

第３の変調率を第４の変調率よりも高くしておくことで、変調率が高い場は、直流電圧の補正△ＶＤＣが負の状態からであっても、△ＶＤＣが負の値から０となり、さらに電流位相の補正△βが０から正へと滑らかに制御状態を切替ることができ、目標電圧の補正△ＶＤＣおよび電流位相の補正△βのいずれか一方を常に０としつつ、極力効率の低下を抑えつつ、徐々に電動機４の高速駆動へと対応すべく、変調率を下げていくことが可能になる。

さらに、△ＶＤＣを下げる変更を行う基準となる第２の変調率は、△βを上げる変更を行う基準となる第３の変調率よりも低くする。これは、直流電圧指令ＶＤＣ＊を上昇しつつ、電流位相指令β＊を小さくするといった矛盾に陥る変調率を作らないためである。

以上の関係を満足させることにより、直流電圧の低下と電流位相の進角という互いに打ち消し合う動作が生じないことはもちろん、任意の変調率に応じて、いずれかの一方の補正制御のみにて最適な駆動を実現することで、矛盾のない制御を実現することができる。

また、本発明の空気調和機は、圧縮機電動機２３の回転数と変調率を監視し、一定時間内の回転数変化が所定の値よりも小さく、回転数が安定していると見なせる場合にのみ、変調率に応じて目標電圧の補正値を変更することで、△ＶＤＣの負の絶対値を増加させてインバータ５の直流電圧を低下させる。
これにより、圧縮機電動機２３の回転数が安定した状況において、変調率を監視しながら余裕のある範囲内で徐々に直流電圧を下げることができる。

また、ユーザーによる室温設定の変更等に伴って圧縮機電動機２３を加速する場合には、圧縮機電動機２３の回転数に応じて必要なインバータ電圧が増加するため、変調率が高くなった場合には、回転数の安定度には関係なく、補正状況に応じて直流電圧指令ＶＤＣ＊または電流位相指令β＊を増加させる。

また、交流電源１の電圧低下などで電圧不足となる場合にも、早急にインバータ５の直流電圧の上昇および電流位相の進角を進めることで、圧縮機電動機２３の加速ならびに回転数維持に対して影響を及ぼす危険性がなくなるため、安定時におけるインバータ５の直流電圧に対するマージンを低くすることができるので、直流電圧をより低く設定することが可能となる。

以上の制御により、広範囲の回転数範囲を有する空気調和機において、システムの効率を最適にすることが可能となる。

以上のように、本発明にかかる電動機駆動装置は、簡単な構成にて、負荷に応じて最適な直流電圧と電流位相によって電動機を効率よく運転することができるため、冷蔵庫や洗濯機など電動機を用いた他の電化製品への用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における電動機駆動装置のシステム構成図 （ａ）本発明の実施の形態１における直流電圧設定の一例を示す特性図（ｂ）本発明の実施の形態１における直流電圧設定の他の一例を示す特性図 本発明の実施の形態１における直流電圧補正値の補正パターンを示す説明図 従来の昇圧型コンバータの変換効率−直流電圧特性を示す説明図 本発明の実施の形態１における電流位相設定の一例を示す説明図 本発明の実施の形態１における電流位相補正値の補正パターンを示す説明図 本発明の実施の形態２における電動機駆動装置のシステム構成図 本発明の実施の形態２における直流電圧設定の一例を示す説明図 本発明の実施の形態２における電流位相設定の一例を示す説明図 本発明の実施の形態３における電動機駆動装置のシステム構成図 本発明の実施の形態３における直流電圧設定の一例を示す説明図 本発明の実施の形態３における電流位相設定の一例を示す説明図 本発明の実施の形態４における空気調和機のシステム構成図 本発明の実施の形態４における直流電圧および電流位相の補正パターンを示す説明図 従来の空気調和機のシステム構成図

符号の説明

１ 交流電源
２ コンバータ
３ コンバータ制御手段
４ 電動機
５ インバータ
７ インバータ制御手段
１４ 変調率検出手段
１５ 第１の記憶手段
１６ 第２の記憶手段
１９ 入力電流検出手段
２０ 母線電流検出手段
２３ 圧縮機電動機

Claims (9)

1. 交流電源からの交流電圧を所定の直流電圧に整流するコンバータと、前記コンバータの出力電圧を一定範囲内の任意の目標電圧に近づけるように前記コンバータを制御するコンバータ制御手段と、前記コンバータの出力側に接続され略正弦波または略台形波状の電流によって電動機を駆動するインバータと、前記電動機の誘起電圧に対して所定の電流位相をなして電動機電流が流れるように前記インバータに駆動信号を与えるインバータ制御手段と、前記コンバータの直流電圧と前記電動機の誘起電圧から前記インバータの変調率を検出する変調率検出手段と、予め電動機の回転数毎に定められた目標電圧設定値ＤＣＶ０および電流位相設定値β０を記憶する第１の記憶手段と、予め変調率毎に定められた目標電圧および電流位相の補正パターンを記憶する第２の記憶手段とを備え、
   前記コンバータの目標電圧および前記インバータの電流位相は、前記第１の記憶手段に記憶された目標電圧設定値ＤＣＶ０および電流位相設定値β０と、第２の記憶手段に記憶された補正パターンに基いて算出される補正値△ＤＣＶ、△βとに基いて、前記電動機の回転数および変調率に応じて、それぞれ補正されることを特徴とする電動機駆動装置。
2. 交流電源からの交流電圧を所定の直流電圧に整流するコンバータと、前記コンバータの出力電圧を一定範囲内の任意の目標電圧に近づけるように前記コンバータを制御するコンバータ制御手段と、前記コンバータの出力側に接続され略正弦波または略台形波状の電流によって電動機を駆動するインバータと、前記電動機の誘起電圧に対して所定の電流位相をなして電動機電流が流れるように前記インバータに駆動信号を与えるインバータ制御手段と、前記コンバータの直流電圧と前記電動機の誘起電圧から前記インバータの変調率を検出する変調率検出手段と、前記交流電源からの入力電流を検出する入力電流検出手段と、予め入力電流毎に定められた目標電圧設定値ＤＣＶ０および電流位相設定値β０を記憶する第１の記憶手段と、予め変調率毎に定められた目標電圧および電流位相の補正パターンを記憶する第２の記憶手段とを備え、
   前記コンバータの目標電圧および前記インバータの電流位相は、前記第１の記憶手段に記憶された目標電圧設定値ＤＣＶ０および電流位相設定値β０と、第２の記憶手段に記憶された補正パターンに基いて算出される補正量△ＤＣＶ、△βとに基いて、入力電流および変調率に応じて、それぞれ補正されることを特徴とする電動機駆動装置。
3. 交流電源からの交流電圧を所定の直流電圧に整流するコンバータと、前記コンバータの出力電圧を一定範囲内の任意の目標電圧に近づけるように前記コンバータを制御するコンバータ制御手段と、前記コンバータの出力側に接続され、略正弦波または略台形波状の電流によって電動機を駆動するインバータと、前記電動機の誘起電圧に対して所定の電流位相をなして電動機電流が流れるように、前記インバータに駆動信号を与えるインバータ制御手段と、前記コンバータの直流電圧と前記電動機の誘起電圧から前記インバータの変調率を検出する変調率検出手段と、前記インバータの母線電流を検出する母線電流検出手段と、予め母線電流毎に目標電圧設定値ＤＣＶ０および電流位相設定値β０を記憶する第１の記憶手段と、予め変調率毎に定められた目標電圧および電流位相の補正パターンを記憶する第２の記憶手段とを備え、
   前記コンバータの目標電圧および前記インバータの電流位相は、前記第１の記憶手段に記憶された目標電圧設定値ＤＣＶ０および電流位相設定値β０と、第２の記憶手段に記憶された補正パターンに基いて算出される補正量△ＤＣＶ、△βとに基いて、母線電流および変調率に応じて、それぞれ補正されることを特徴とする電動機駆動装置。
4. 目標電圧を低くする方向の補正は、インバータの変調率が第１の所定時間以上継続して所定の値よりも低い場合にのみ行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電動機駆動装置。
5. 電流位相を小さくする方向の補正は、インバータの変調率が、第２の所定時間以上継続して所定の値よりも低い場合にのみ行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電動機駆動装置。
6. 目標直流電圧補正値△ＶＤＣは、０または負の値を、電流位相補正値△βは、正または０の値をとり、少なくとも常に△ＶＤＣまたは△βのいずれか一方の補正量は０であって、目標電圧を低くする補正は、インバータの変調率が第１の変調率以下である場合にのみ行われ、かつ、電流位相を小さくする補正は、変調率が、前記第１の変調率よりも高い第２の変調率以上の場合にのみ行われ、かつ、目標電圧を高くする補正は、前記第２の変調率よりも高い第３の変調率以上である場合にのみ行われ、かつ、電流位相を高くする補正は、前記第３の変調率よりも高い第４の変調率よりも高い場合にのみ行われることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の電動機装置。
7. 電流位相は、電流位相の時間変化率の絶対値が、所定の上限値以下となるように補正されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
8. 変調率が所定の値を超えると、電動機の回転数指令値を低くすることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１つに記載の電動機駆動装置を圧縮機電動機の駆動装置として用いたことを特徴とする空気調和機。

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