JP2009131118A - インバータ制御装置並びに空気調和装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】出力電流異常判定手段14は、出力電流検出手段11によって検出されたインバータの出力電流の制御周期毎の変化量と次の制御周期における出力電流の予測値とに基づいて異常か否かの判定を行い、異常と判定した場合にはPWM演算手段16にPWM信号の生成を停止させる。また電流変化量に応じて過電流と判定する閾値を変更する。電流変化量を求める検出周期は、モータの特性にあわせて減磁保護ができる周期に設定する。
【選択図】図1
Description
また、ファンモータの減磁保護においても同様にインバータの直流母線電流を検出し、インバータ出力を遮断する構成としていた(例えば、特許文献2参照)。
また圧縮機電流を検出しているACCTセンサーで保護をかけようとしても、上記不正動作時に正弦波電流の正負のバランスが崩れ直流分が重畳した状態に至るとACCTセンサーが磁気飽和を起こして正確な値を検出できなくなるため、減磁保護ができないという問題点があった。
図1は、この発明の実施の形態1における空気調和装置の構成図である。
図1において、空気調和機の冷媒回路は、圧縮機1と、凝縮器2と、絞り手段3と、蒸発器4と、が冷媒配管で順次接続されて構成されている。また、直流電源18は、電源5と、ダイオード等により構成される整流器6と、直流リアクトル7と、直流平滑コンデンサ8と、から構成されている。インバータ9は、直流電源18の直流電力を交流電力に変換して圧縮機1のモータに供給する。
なお、上記直流母線電圧検出手段10、出力電流検出手段11、出力電流変化量演算手段12、出力電流予測値演算手段13、出力電流異常判定手段14、出力周波数設定手段15、PWM演算手段16、インバータ駆動手段17、およびインバータ9はインバータ制御装置を構成し、この内、出力電流変化量演算手段12、出力電流予測値演算手段13、出力電流異常判定手段14、出力周波数設定手段15、PWM演算手段16は、例えばマイクロコンピュータやDSPなどによって構成されている。
なお、減磁電流閾値は温度依存性があるが、ここでは、説明を簡単にするために、常時一定であり、従って、減磁電流閾値も一定であることを前提とする。
次に、実施の形態1の動作を図1と図2を用いて説明する。
図1の空気調和装置において、インバータ9から圧縮機モータへ流れる出力電流は、ACCTセンサーなどの検出素子20によって検出され、出力電流検出手段11へ送られる。出力電流検出手段11は、検出素子20が検出した出力電流を増幅し、A/D変換する。この出力電流検出手段11が検出した出力電流は出力電流変化量演算手段12とPWM演算手段16に送られる。出力電流変化量演算手段12は、出力電流検出手段11から送られた出力電流をアキュムレータレジスタなどの内蔵メモリに1回分記憶しておき、前回値として利用する。即ち、出力電流変化量演算手段12が制御周期毎に出力電流を入力する都度、この出力電流変化量演算手段12によって上記内蔵メモリに記憶された前回値は更新される。また、出力電流変化量演算手段12は、以下の(1)式により出力電流変化量を演算し、算出結果を出力電流予測値演算手段13に出力する。次に出力電流予測値演算手段13は、出力電流検出手段11の検出値と出力電流変化量検出手段12で求めた出力電流変化量から以下の(2)式により出力電流予測値を演算し、算出結果を出力電流異常判定手段14に出力する。
出力電流変化量 = 現在値 − 前回値 ・・・・・・(1)
出力電流予測値 = 現在値 + 出力電流変化量 ・・・(2)
次に出力電流異常判定手段14は、前記出力電流変化量検出手段12で求めた出力電流変化量および前記出力電流予測値演算手段13で求めた出力電流予測値に対して所定の閾値A、Bとそれぞれ比較し、以下の条件が成立した場合に異常と判定する。
出力電流変化量 > 閾値A かつ
出力電流予測値 > 閾値B
PWM演算手段16は、前記出力電流異常判定手段14によって異常と判定された信号を受けると、瞬時にPWM信号をOFFさせ、圧縮機の運転を停止させる。
また図3は、設定された演算周期(制御周期)の時間内で、モータに流れ得る電流の最大変化量とモータの減磁電流に対して許容できる最大許容電流変化量の関係を示した概念図である。図3において、説明を簡単にするためにモータの減磁電流に対して許容できる最大許容電流変化量を一定にしている。
許容できる最大電流変化量は以下の式で求められる。
最大許容電流変化量 = 減磁電流閾値 − 通常運転時最大電流
演算周期(制御周期)は、この最大許容電流変化量を満足するように設定する。
図3で説明すれば、制御周期設定値 < 制御周期T*
また予測値により異常を判定させるため、出力電流を検出するACCTセンサーが磁気飽和を起こして正確な値を検出できなくなる前に圧縮機を停止させることができる。
また、出力電流検出素子としてACCTセンサーを用い、ソフトウェア処理によりモータの減磁保護を実現するので、新たな追加部品が不要となり、安価にモータ減磁保護を行うことができる。また、減磁保護のために設けていたシャント抵抗やDCCTセンサーは不要となるためコスト低減を図ることができる。
実施の形態1では、1回分の出力電流を前回値として内蔵メモリに記憶しておき、出力電流変化量を現在値と前回値から求めるようにしたものであるが、出力電流変化量が急カーブを描いて変化し、モータの減磁保護が緊急に必要となるような場合には、過去の出力電流変化量を複数記憶させ、記憶した出力電流変化量の変化の度合いを制御周期毎に調べることにより減磁電流ラインへの到達時期の予測精度がより高くなり事前に対応することがより容易になる。そこで、この実施の形態2では、算出した出力電流変化量を過去複数回に渡って記憶するための専用のメモリすなわち、出力電流変化量記憶手段を設け、これに基づいて減磁保護を行う態様について説明する。
図4は、この発明の実施の形態2における空気調和装置の構成図であり、図1からの変更点は、出力電流変化量記憶手段19を設けたことである。
次に、この実施の形態2の動作について図4を用いて説明する。実施の形態1との重複説明を避けるために異なる部分のみを説明する。
出力電流変化量検出手段12で求めた過去の出力電流変化量を少なくとも1つ出力電流変化量記憶手段19に記憶しておくことで、出力電流変化量に対してより細かい判定が可能となる。例えば以下の式のように過去2回分の出力電流変化量に対して正常か異常かを判定できる。
出力電流変化量1>閾値A1 かつ
出力電流変化量2>閾値A2
即ち、出力電流変化量1>閾値A1 且つ 出力電流変化量2>閾値A2のとき、出力電流異常判定手段14は異常と判定し、それ以外のときは、正常と判定する。異常と判定したときの動作は実施の形態1と同様である。
これにより、出力電流変化量が急カーブを描いて変化し、モータの減磁保護が緊急に必要となるような場合には、過去の出力電流変化量の変化度合いを制御周期毎に調べることにより次の制御周期に出力電流が異常となることを予測でき、モータを停止することで、圧縮機モータの減磁を保護することができる。
実施の形態2では、出力電流変化量を出力電流変化量記憶手段に記憶しておいた閾値との比較に基づいて異常か否かを判定するようにしたものであるが、過去に算出した複数の出力電流変化量を出力電流変化量記憶手段に記憶しておき、この複数の過去の出力電流変化量との比較に基づいて異常か否かを判定するようにしても良い。この実施の形態3では、このような態様について説明する。
図5は、この発明の実施の形態3における空気調和装置の構成図である。
図において、実施の形態2との相違点は、出力電流変化量平均値演算手段21を追加したことと、出力電流異常判定手段14におけるソフトウェアの処理が若干異なるのみである。
次に、この実施の形態3の動作について図5を用いて説明する。
出力電流変化量検出手段12は、過去に求めた出力電流変化量を複数個、出力電流変化量記憶手段19に記憶しておく。出力電流変化量平均値演算手段21は、出力電流変化量記憶手段19に記憶されたn(nは任意の自然数)個の出力電流変化量を取り出し、例えば以下の式(3)のように過去複数回分の出力電流変化量の平均値を算出する。
出力電流変化量の平均値 = Σ(1,n)出力電流変化量/n・・・(3)
ここで、nはサンプル数を示しており、任意の自然数である。
出力電流異常判定手段14は、出力電流変化量平均値演算手段21によって算出された出力電流変化量の平均値および前記出力電流予測値演算手段13で求めた出力電流予測値に対して所定の閾値C、Dとそれぞれ比較し、以下の条件が成立した場合に異常と判定する。
出力電流変化量の平均値 > 閾値C かつ
出力電流予測値 > 閾値D
出力電流異常判定手段14が異常と判定した場合の以降の動作は実施の形態1と同様なので説明を省略する。
実施の形態3では、過去の複数の出力電流変化量の平均値に基づいて異常か否かを判定するようにしたが、過去の複数の出力電流変化量の内で誤差が大きいものを削除して精度を高めるようにしても良い。この実施の形態4では、このような態様について説明する。
図5は、この発明の実施の形態4でも使用される。
図5において、実施の形態2、3と異なるのは、出力電流変化量平均値演算手段21におけるソフトウェアの処理のみである。
次に、この実施の形態4の動作について図5を用いて説明する。
まず、出力電流変化量検出手段12は、過去に求めた出力電流変化量を複数個、出力電流変化量記憶手段19に記憶しておく。
次に、出力電流変化量平均値演算手段21は、出力電流変化量記憶手段19に記憶された複数の出力電流の内から時間的に連続する所定数の出力電流データを取り出し、式(3)を用いて出力電流変化量の平均値を演算する。次に、算出した出力電流変化量の平均値と上記出力電流変化量記憶手段19から取り出した複数の出力電流との距離を演算し、得られた距離を予め設定した閾値と比較する。そして、この距離が閾値を超えた場合に、誤データとして判定し、このデータを削除する。そして、残った出力電流変化量データを基に式(3)を用いて出力電流変化量の平均値を再演算する。出力電流異常判定手段14は、出力電流変化量平均値演算手段21による再演算の結果得られた出力電流変化量の平均値を基に上記実施の形態3と同様にして出力電流の異常判定を行う。
実施の形態4では、過去の複数の出力電流変化量の平均値を用いて過去の複数の出力電流変化量の内で誤差が大きいものを削除するようにしたが、最小二乗法を用いて過去の複数の出力電流変化量の内で誤差が大きいものを削除して精度を高めるようにしても良い。この実施の形態5では、このような態様について説明する。
図5は、この発明の実施の形態5でも使用される。
図5において、実施の形態4と異なるのは、出力電流変化量平均値演算手段21におけるソフトウェアの処理のみである。
次に、この実施の形態3の動作について図5を用いて説明する。
まず、出力電流変化量検出手段12は、過去に求めた出力電流変化量を複数個、出力電流変化量記憶手段19に記憶しておく。
次に、出力電流変化量平均値演算手段21は、出力電流変化量記憶手段19に記憶された複数の出力電流の内から時間的に連続する所定数の出力電流データを取り出し、最小二乗法によって、出力電流の変化の傾向を最も良く表している近似直線を算出する。この近似直線を組み合わせることで近似曲線を作成することができる。そして、この近似直線上の点と過去の出力電流との距離を算出する。そして、この距離が予め設定した閾値を超えた場合に、誤データとして判定し、このデータを削除する。そして、残ったデータから上記実施の形態4と同様にして出力電流の異常判定を行う。
実施の形態6について説明する。
以上の実施の形態1〜5では、出力電流異常判定手段14が正常か異常かを判定する際の閾値を固定値としていたが、出力電流変化量記憶手段で求めた出力電流変化量に応じて所定の閾値を変更する機能を出力異常判定手段14に追加したものである。
具体的には、出力電流変化量検出手段12で求めた電流変化量に応じて出力電流予測値と比較する所定の閾値を下表のように変更する。
出力電流変化量>E 閾値G
E≧出力電流変化量>F 閾値H
F≧出力電流変化量 閾値J
また、図6は出力電流変化量の大きさに応じて対応する閾値を変更する様子を示す説明図である。
次に、この実施の形態6の動作について図6を用いて説明する。
ここで、出力電流変化量の大きさを示すE、Fの値は E>F の条件の下に任意の値であり、使用するモータの種類に応じて決める。
図6(a)に示すように、出力電流変化量がEより大きいかなり急激な変化であって、現在の出力電流と出力電流変化量から次回の出力電流は明らかに減磁電流ラインを超えてしまうことが予想されるが、現在の出力電流と出力電流変化量に基づいて算出される予測出力電流は減磁電流ライン未満かつ近傍の閾値Jを超えない場合、出力電流異常判定手段14は誤判定を行い、その結果圧縮機を停止せず運転を続行するため、モータの減磁という問題が発生する。
そこで、この問題を防止するために、出力電流異常判定手段14は、まず、出力電流変化量がEより大きい場合に、閾値としてJよりも小さいGを設定する。このGの値は使用するモータの種類に応じて予め決められる。そして、出力電流異常判定手段14は、検出された現在の出力電流値と出力電流変化量とに基づいて次回の出力電流を予測し、この予測された出力電流が閾値Gを超えるか否かを調べ、閾値Gを超えた場合には、減磁電流ラインを超えるおそれがあると判定し、PWM演算手段16にPWM信号の生成を停止させて圧縮機の運転を停止する。
また、図6(b)に示すように、出力電流変化量がEとFの間であるが、現在の出力電流と出力電流変化量から次回の出力電流は明らかに減磁電流ラインを超えてしまうことが予想されるが、現在の出力電流と出力電流変化量に基づいて算出される予測出力電流は減磁電流ライン未満かつ近傍の閾値Jを超えない場合、出力電流異常判定手段14は誤判定を行い、その結果圧縮機を停止せず運転を続行するため、モータの減磁という問題が発生する。
そこで、この問題を防止するために、出力電流異常判定手段14は、上記出力電流変化量と変化量Eとの比較の後、出力電流変化量とFと比較を行い、出力電流変化量がEとFの間の場合に、閾値としてGとJの間のHを設定する。このHの値は使用するモータの種類に応じて予め決められる。そして、出力電流異常判定手段14は、検出された現在の出力電流値と出力電流変化量とに基づいて次回の出力電流を予測し、この予測された出力電流が閾値Hを超えるか否かを調べ、出力電流が閾値Hを超えた場合には、減磁電流ラインを超えるおそれがあると判定し、PWM演算手段16にPWM信号の生成を停止させて圧縮機の運転を停止する。
図6(c)は、出力電流変化量がFよりも小さく、閾値を変更しない場合の動作を示した図である。電流変化量が小さい場合は、閾値Jと比較することで減磁電流ラインを超える前に圧縮機の運転を停止する。
以上のように、出力電流異常判定手段14は出力電流変化量と変化量E、Fとの比較を順次行い、比較に基づいて出力電流予測値と比較する閾値を変更し、異常判定を行うので、より早い段階で異常判定が可能となり、圧縮機モータの減磁保護を行うことができる。
なお、上記の例では閾値を変更する出力電流変化量の条件をE、Fの2つとしたが、3つ以上でも良いことは言うまでもない。この場合も同様の効果を奏する。
Claims (13)
- 直流電力を交流電力に変換してロータに永久磁石を用いたモータを駆動するインバータの直流母線電圧を検出する直流母線電圧検出手段と、
前記インバータの出力電流を検出する出力電流検出手段と、
前記出力電流の変化量を制御周期毎に演算する出力電流変化量演算手段と、
前記出力電流変化量に基づいて次の制御周期の出力電流を予測する出力電流予測値演算手段と、
前記出力電流変化量演算手段の出力と、前記出力電流予測値演算手段の出力とに基づいて正常か異常かを判定する出力電流異常判定手段と、
外部からの入力に基づいて前記インバータの出力周波数を設定する出力周波数設定手段と、
前記直流母線電圧検出手段の検出値と前記出力電流検出手段の検出値と前記出力周波数設定手段の設定値に基づいてPWM信号を生成するPWM演算手段と、
前記PWM演算手段からのPWM信号に応じて前記インバータを駆動するインバータ駆動手段と、を備え、
前記出力電流異常判定手段は、異常と判定した場合には前記PWM演算手段にPWM信号の生成を停止させることを特徴とするインバータ制御装置。 - 前記出力電流異常判定手段は、第1の閾値と第2の閾値を有し、前記出力電流変化量演算手段で求めた出力電流変化量が前記第1の閾値を超え、かつ前記出力電流予測値演算手段で求めた出力電流予測値が前記第2の閾値を超えた場合に異常と判定することを特徴とする請求項1記載のインバータ制御装置。
- 前記出力電流変化量演算手段で求めた過去の出力電流変化量を記憶する出力電流変化量記憶手段を備え、
前記出力電流異常判定手段は、第1の閾値と第2の閾値を有し、前記出力電流変化量記憶手段に記憶された第1の出力電流変化量が前記第1の閾値を超え、かつ前記出力電流変化量記憶手段に記憶された第2の出力電流変化量が前記第2の閾値を超えた場合に異常と判定することを特徴とする請求項1記載のインバータ制御装置。 - 前記出力電流変化量演算手段で求めた過去の出力電流変化量を記憶する出力電流変化量記憶手段と、
前記出力電流変化量演算手段で求めた現在の出力電流変化量と前記出力電流変化量記憶手段が記憶する少なくとも1つの過去の出力電流変化量とに基づいて出力電流変化量の平均値を演算する出力電流変化量平均値演算手段と、を備え、
前記出力電流異常判定手段は、前記出力電流変化量平均値演算手段で求めた出力電流変化量の平均値が所定の閾値を超え、かつ前記出力電流予測値演算手段で求めた出力電流予測値が所定の閾値を超えた場合に異常と判定することを特徴とする請求項1記載のインバータ制御装置。 - 前記出力電流変化量平均値演算手段は、複数の出力電流変化量の内、出力電流変化量の平均値から逸脱している出力電流変化量を特定し、この逸脱している出力電流量を除いたものに基づいて出力電流変化量の平均値を再演算することを特徴とする請求項4記載のインバータ制御装置。
- 前記出力電流変化量平均値演算手段は、前記出力電流変化量演算手段で求めた現在の出力電流変化量と前記出力電流変化量記憶手段が記憶する少なくとも1つの過去の出力電流変化量とに基づいて最小二乗法を用いて出力電流変化量の最適な直線を演算し、前記複数の出力電流変化量の内、出力電流変化量の平均値から逸脱している出力電流変化量を特定し、この逸脱している出力電流量を除いたものに基づいて出力電流変化量の平均値を演算することを特徴とする請求項4記載のインバータ制御装置。
- 前記出力電流変化量平均値演算手段は、現在に近いほど重みを大きくし、過去になるほど重みを小さくして平均をとる、重み付け平均を用いることを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載のインバータ制御装置。
- 前記出力電流異常判定手段は、各制御周期毎に前記異常判定を少なくとも3回行い、異常と判定したものが1回のみであれば、異常でないと判定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バータ制御装置。
- 前記出力電流異常判定手段は、正常か異常かの判定を行う際に、前記出力電流変化量演算手段で求めた電流変化量の大きさに応じて、前記出力電流予測値演算手段で求めた出力電流予測値と比較するべき閾値を変更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バータ制御装置。
- 前記出力電流変化量演算手段は、前記出力電流変化量を求めるための制御周期を、前記モータの特性に応じて実際に流れ得る電流の最大変化量に対して、前記モータの減磁電流を超えないように設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バータ制御装置。
- 前記出力電流検出手段は、ACCTセンサーを用い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バータ制御装置。
- 直流電源と、
この直流電源の直流電力を交流電力に変換してモータを駆動するインバータと、
請求項1〜11のいずれかに記載のインバータ制御装置と、
前記モータを有する圧縮機と、を備えたことを特徴とする空気調和装置。 - 前記モータは、6極以上の集中巻モータであることを特徴とする請求項12記載の空気調和装置。
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