JP2010081746A - 電動機の駆動装置並びに冷凍空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機が過変調領域で運転しても、精度良く電動機の駆動装置の消費電力を演算でき、省エネルギーとＣＯ₂排出量の削減を図り、機器の発熱による経年劣化の抑制を可能とする。
【解決手段】電流座標変換手段９は電流検出手段６が検出した相電流を直交２軸座標上の電流に変換し、印加電圧制御手段１０は電流座標変換手段９の出力、直流電圧検出手段７の出力、外部からの速度指令及びｄ軸電流指令に基づきタイマ値を出力する。ＰＷＭ生成手段１１は印加電圧制御手段１０の出力に基づきＰＷＭ信号を生成する。出力電圧推定手段１２は印加電圧制御手段１０の出力と直流電圧検出手段７の出力に基づき電動機３に出力される三相の電圧を推定する。電圧座標変換手段１３は出力電圧推定手段１２の出力を直交２軸座標上の電圧に変換し、消費電力演算手段１４は電流座標変換手段９の出力と電圧座標変換手段１３の出力とに基づき電動機３の消費電力を推定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電動機の駆動装置並びにこの駆動装置を備えた冷凍空調装置に関するものである。

従来、電動機の駆動装置の電力を求める方法として、『電動機の制御方法において、電圧指令をＶref 、ｄ軸成分をｖd * 、ｑ軸成分をｖq * 、電圧検出値のｄ軸成分をｖd 、ｑ軸成分をｖq 、電流検出値のｄ軸成分をｉd 、ｑ軸成分をｉqとした場合に、内積（ｖd * ×ｉd ＋ｖq * ×ｉq ）あるいは（ｖd ×ｉd ＋ｖq ×ｉq ）を用いてインバータ出力電力Ｐinv を計算する』というものがある（特許文献１）。
また、『モータ回転角周波数と、トルク指令と、モータ回転子に同期して回転するｄｑ軸直交座標で表わしたｄ軸電圧およびｑ軸電圧と、ｄ軸電流およびｑ軸電流とを入力として、インバータ出力有効電力指令とインバータ出力有効電力とを演算し、かつ当該演算した有効電力が有効電力指令に追従するような電流位相補正値をｄ軸電流指令およびｑ軸電流指令演算の補正値として演算して出力する有効電力制御手段を備えて成る』というものもある（特許文献２）。
さらに、『電気車の速度情報および電動機に供給する電流指令ならびに電動機の電流検出値から得たインバータ電圧指令と電動機に供給する電流指令により電動機の消費電力を求める電力演算装置と、フィルタコンデンサ電圧の検出装置と、電力演算装置の求めた電動機の消費電力とフィルタコンデンサ電圧の目標値とフィルタコンデンサ電圧の検出値を用いてフィルタコンデンサ電圧の制御を行う電圧制御装置を有する』というものもある（特許文献３）。

また、下記特許文献４では、センサレス制御に関する技術が開示されている。

特開平１１−２３５１００号公報（第４頁、図１〜図４） 特開２０００−１１６１９８号公報（第１８頁〜第１９頁、図５、図８） 特開２００５−２１８１８６号公報（第５頁〜第７頁、図１〜図２） 特開２００２−１９１１９７号公報

上記特許文献１に開示されている電力の計算方法を用いた場合、電圧検出値ｖｄ及びｖｑを用いた場合には精度良く電力を計算可能であるが、電圧を検出するための回路が別途必要となり、コストが高くなり実用的でない。また、ｖｄ、ｖｑの代わりにｖｄ＊、ｖｑ＊を用いた場合、インバータに供給されている直流電圧値に対する、電圧指令値の割合である変調率が１を超えるような過変調領域において、電圧指令値と実際に出力される電圧に大きな誤差が生じ正確な電力を計算することができなくなる。
また、上記特許文献２に開示されている従来技術においても、上記特許文献１と同様に過変調領域において、正確な電力を求めることができず、精度良く有効電力制御ができないという課題がある。
さらに、上記特許文献３に開示されている従来技術においても、上記特許文献１及び上記特許文献２と同様に過変調領域において求めた消費電力に誤差が生じ精度良く電圧制御ができないという課題がある。
さらに、上記特許文献４に開示されている従来技術では、過変調領域の運転が可能であるが、この過変調領域において電圧指令値と電動機に印加される電圧が一致せず、電圧指令値と電流から消費電力を正確に推定することが困難であるという課題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、第１の目的は電動機が過変調領域で動作していた場合においても、精度良く電動機の駆動装置の消費電力を演算することが可能な駆動装置並びに冷凍空調装置を得ることにあり、第２の目的は省エネルギー化を実現しＣＯ２排出量も削減し、また、機器の発熱による経年劣化を抑制可能な信頼性の高い電動機の駆動装置並びに冷凍空調装置を得ることにある。

本発明に係る電動機の駆動装置は、直流電圧を交流電圧に変換して電動機に印加するインバータと、電動機に流れる相電流を検出する電流検出手段と、インバータに印加される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、インバータが電動機に印加する電圧を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、電流検出手段の出力を直交２軸座標の電流に変換し、直交２軸座標の電流と所定の基準値に基づき直交２軸座標の電圧指令値を演算した後、直交２軸座標の電圧指令値に基づいて、電動機に印加する三相の電圧指令値を求め、三相の電圧指令値と直流電圧検出手段の出力と直交２軸の電流に基づいて電動機の消費電力を求めるものである。

本発明に係る電動機の駆動装置によれば、制御手段は、電流検出手段の出力を直交２軸座標の電流に変換し、直交２軸座標の電流と所定の基準値に基づき直交２軸座標の電圧指令値を演算した後、直交２軸座標の電圧指令値に基づいて、電動機に印加する三相の電圧指令値を求め、三相の電圧指令値と直流電圧検出手段の出力と直交２軸の電流に基づいて電動機の消費電力を求めるので、インバータに供給されている直流電圧値に対する、電圧指令値の割合である変調率が１を超えるような過変調領域においても、電動機の消費電力を精度良く演算することが可能となる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電動機の駆動装置の構成を示す図である。
図１において、１は直流電源、２は本実施の形態１に係る電動機の駆動装置、３は電動機である。

図２は、電動機３の解析モデル図である。図２には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電機子巻線固定軸が示されている。４は、電動機３の回転子を構成する永久磁石である。永久磁石４が作る磁束と同じ速度で回転する回転座標系において、永久磁石４が作る磁束の方向をｄ軸にとり、ｄ軸に対応する制御上の推定軸をγ軸とする。また、図示していないが、ｄ軸から電気角で９０度進んだ位相にｑ軸をとり、γ軸から電気角で９０度進んだ位相に推定軸であるδ軸をとる。ｄ軸とｑ軸を座標軸に選んだ回転座標系の座標軸をｄｑ軸と呼ぶ。インバータによる制御上の回転座標系はγ軸とδ軸を座標軸に選んだ座標系であり、その座標軸をγδ軸と呼ぶ。

ｄｑ軸は回転しており、その回転速度である電動機３の回転速度を電動機回転速度ω と呼ぶ。γδ軸も回転しており、その回転速度をインバータ回転速度ω１と呼ぶ。また、ある瞬間の回転しているｄｑ軸において、ｄ軸の位相をＵ相の電機子巻線固定軸を基準として電動機回転位相θにより表す。同様に、ある瞬間の回転しているγδ軸において、γ軸の位相をＵ相の電機子巻線固定軸を基準としてインバータ回転位相θ１により表す。そうすると、ｄ軸とγ軸との軸誤差Δθは、Δθ＝θ−θ１ で表される。

γδ軸はｄｑ軸を推定しており、実際の運転では軸誤差Δθが小さい所で運転されることもあり、ｄｑ軸とγδ軸は同一と捉えることが可能である。そのため、以下特別なことが無い限り、ｄｑ軸として説明を行うが、γδ軸においても同様の構成で実現できることは言うまでもない。

電動機の駆動装置２は、インバータ主回路５、電流検出手段６、母線電圧検出手段７、インバータ制御手段８を有する。なお、インバータ制御手段８は制御手段を構成する。

インバータ主回路５は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子を有し、各スイッチング素子には並列に接続された環流ダイオードを備える。

電流検出手段６は電動機３に流入するＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗをそれぞれ検出し、インバータ制御手段８へ出力する。
直流電圧検出手段７は、インバータ主回路５に印加される直流電源１の電圧Ｖｄｃを検出し、インバータ制御手段８に出力する。
インバータ制御手段８は、電流検出手段６、母線電圧手段７の出力に基づいて駆動信号を出力し、インバータ主回路５内のスイッチング素子のオン・オフを制御する。

インバータ制御手段８は、電流検出手段６の出力（Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ）、直流電圧検出手段７の出力Ｖｄｃ、外部から入力した回転数指令ω＊及びｄ軸電流指令Ｉｄ＊に基づいてインバータ主回路５のスイッチング素子をオン・オフするための駆動信号を出力するものであり、電流座標変換手段９、印加電圧制御手段１０、ＰＷＭ生成手段１１、出力電圧推定手段１２、電圧座標変換手段１３、消費電力演算手段１４を有する。

電流座標変換手段９は、電流検出手段６により出力された電流（Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ）を、印加電圧制御手段１２より得られた電動機回転位相θを用いて、ｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑに変換して出力する。

印加電圧制御手段１０は、電流座標変換手段９の出力に基づいて、電動機３に印加する三相の電圧の指令値ないし、インバータ主回路５のスイッチング素子をオン・オフ時間を管理するタイマ値を、ＰＷＭ生成手段１１へ出力する。

ＰＷＭ生成手段１１は印加電圧制御手段１０の出力に基づいて、インバータ主回路５のスイッチング素子をオン・オフするための駆動信号を出力する。

出力電圧推定手段１２は印加電圧制御手段１０の出力および直流電圧検出手段７の出力に基づいて、電動機３に印加される三相の電圧を推定（Ｖｕ＿ｅｓｔ、Ｖｖ＿ｅｓｔ、Ｖｗ＿ｅｓｔ）する。

電圧座標変換手段１３は、印加電圧制御手段１０の出力された三相の電圧推定値（Ｖｕ＿ｅｓｔ、Ｖｖ＿ｅｓｔ、Ｖｗ＿ｅｓｔ）および電動機回転位相θを用いて、ｄ軸電圧推定値Ｖｄ＿ｅｓｔおよびｑ軸電圧推定値Ｖｑ＿ｅｓｔに変換して出力する。

消費電力演算手段１４は、電流座標変換手段９の出力（Ｉｄ、Ｉｑ）、電圧座標変換手段１３の出力（Ｖｄ＿ｅｓｔ、Ｖｑ＿ｅｓｔ）に基づいて、電動機の駆動装置の消費電力Ｐを演算により求める。Ｐの演算方法については後述する。

印加電圧制御手段１２は、速度補償手段１５および、積分手段１６、電圧指令演算手段１７、変調率・位相指令演算手段１８、タイマ生成手段１９を有する。

速度補償手段１３は座標変換手段９より出力されたｑ軸電流Ｉｑに基づいて、回転数指令ω＊を次式（１）により速度補償し、インバータ回転数指令ω１を出力する。

ここで、Ｋｍは定数、ωｓｐｉは定数、ｓはラプラス演算子である。

積分手段１６は速度補償手段１３から出力されたω１を積分し、電動機回転位相θを出力する。

電圧指令演算手段１７はインバータ回転数指令ω１及びｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｄｑ軸の検知電流Ｉｄ、Ｉｑに基づいて、ｄｑ軸の電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を出力する。
なお、上記の例では回転数指令ω＊、およびｄ軸電流指令値Ｉｄ＊に基づいて電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を出力したが、巻線抵抗、巻線インダクタンス、誘起電圧定数等のモータパラメータやトルク指令に基づいて電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を出力してもよい。

変調率・位相指令演算手段１８は、直流電圧検出手段７の出力である直流電圧Ｖｄｃ、およびｄｑ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊、電動機回転位相θに基づいて、変調率Ｖｋおよび位相指令θ＊を出力する。変調率Ｖｋの演算式については後述する。位相指令θ＊については次式（２）に基づいて算出する。

但し、θｖは図５で示すように、回転角θで回転している直交２軸の回転座標に存在する｜Ｖ＊｜とｄ軸とのなす位相角である。

タイマ生成手段１９は、変調率・位相指令演算手段１８の出力である、変調率Ｖｋおよび位相指令θ＊に基づいて、インバータ主回路５のスイッチング素子を駆動するための時間を管理するタイマ値を出力する。

ここで、消費電力演算手段１４における消費電力演算方法の一例について説明する。
電動機３の消費電力つまり有効電力は一般に電動機３に印加される電圧の実効値｜Ｖ｜と、流れる電流の実効値｜Ｉ｜と電圧と電流の位相差φを用いて式（３）で表される。

ここで、電圧および電流のベクトルが図４に示すｄｑ座標上に存在したと仮定し、ｄ軸と電圧とがなす角をθｖ、ｄ軸と電流とがなす角をθｉとすると、式（３）は次式（４）にて表すことが可能となる。

式（４）から明らかなように、電動機３の消費電力はｄｑ軸の電圧と電流の内積にて求めることが可能となる。つまり、先に説明したγδ軸上の電圧Ｖγ、Ｖδおよび電流Ｉγ、Ｉδを用いて同様に消費電力を求めた場合においても、内積により消費電力Ｐを求めており、この内積には軸誤差Φが介在しないため、軸誤差による影響を受けることはないため、γδ軸上でも何ら問題はないことは言うまでもない。

しかしながら、図５に示すように過変調領域においては、電圧ベクトルが出力電圧の制限値を超過しており、実際に出力される電圧は飽和する。従って、変調率Ｖｋの値は次式（５）から明らかなように１より大きい値となる。

つまり、過変調領域において従来技術の通り、電圧指令Ｖｄ＊およびＶｑ＊を用いて電力を求めた場合、実際の消費電力と、消費電力演算値は一致しなくなる問題が発生する。そこで、過変調領域における問題を解決するための、本実施の形態１による消費電力の計算方法について説明する。

ここで、図６にインバータ主回路５の一般的に用いられる６素子のインバータ回路構成を示す。２０ａはＵ相の上側スイッチング素子（ＵＰ）、２０ｂはＶ相の上側スイッチング素子（ＶＰ）、２０ｃはＷ相の上側スイッチング素子（ＷＰ）、２０ｄはＵ相の下側スイッチング素子（ＵＮ）、２０ｅはＶ相の下側スイッチング素子（ＶＮ）、２０ｆはＷ相の下側スイッチング素子（ＷＮ）であり、それぞれのスイッチング素子に環流ダイオード（２１ａ〜２１ｆ）が並列に接続される構成となっている。

ＰＷＭ生成手段１１は図７に示すように、電圧指令Ｖｄ＊およびＶｑ＊と電動機回転位相θに基づいて得られた、各相のスイッチング時間を管理するタイマ値（Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ）と三角波キャリアを比較して、駆動（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を出力する。この場合、下側のスイッチング素子については、同相の上下スイッチング素子を同時にオンして短絡しないように、上側スイッチング素子の駆動信号を反転させて出力する方法を用いることが一般的である。

前述の通り過変調領域では電圧指令のベクトルが出力電圧の制限値以上に電圧を出力することができない。ここで、電動機の駆動装置で一般的に用いられる空間ベクトル変調にて、変調率Ｖｋ≦１の時と、変調率Ｖｋ＞１の時のＵ相タイマ値及びＰＷＭ波形を図８（ａ）および図８（ｂ）に示す。変調率Ｖｋ≦１の時は、出力電圧の制限値以上の電圧指令とならないため、タイマ値つまり電圧指令と出力される電圧は一致する。しかし、変調率Ｖｋ＞１の時は、出力電圧の制限値以上の電圧指令となるため、制限値でタイマ値がリミットされ、制限値以上の電圧を出力できなくなる。そのため、式（４）を用いた場合は過変調領域において正確に消費電力を求めることができなくなる。

ここで、過変調領域に限らず、出力電圧はタイマ値に基づいてスイッチング素子を駆動して生成される。つまり、タイマ値と出力電圧は相関があり、出力電圧推定手段１２は図９に示す方法を用いることにより、電動機３の各相に印加される電圧Ｖｕ＿ｅｓｔ、Ｖｖ＿ｅｓｔ、Ｖｗ＿ｅｓｔを推定することが可能である。
以下、これについて説明する。図１０にインバータの回路を示す。直流電圧Ｖｄｃについては説明の関係上仮想中性点を設定し、Ｖｄｃ／２ずつに分けている。ここで、ＵＰをＯＮ、ＶＰをＯＦＦ、ＷＰをＯＦＦ、ＵＮをＯＦＦ、ＶＮをＯＮ、ＷＮをＯＮとすると、電動機のＵ相電圧ＶｕにはＶｄｃ／２の電圧が印加されることになる。また、ＵＰをＯＦＦ、ＶＰをＯＮ、ＷＰをＯＮ、ＵＮをＯＮ、ＶＮをＯＦＦ、ＷＮをＯＦＦとすると、Ｖｕは−Ｖｄｃ／２の電圧が印加される。このＵＰ等のスイッチング素子の駆動信号は、図８に示すタイマ値を用いて生成している。タイマ値は、直流電圧Ｖｄｃに対して出力したい電圧の比率から０〜１に正規化して求めている。しかしながら、０〜１に正規化しても負の電圧を表すことができないため、０．５を基準として−０．５〜＋０．５の範囲で出力したい電圧の正負を表している。即ち、図９の方式では、０．５からタイマ値を減算し、これにＶｄｃを乗算することで、−Ｖｄｃ／２〜Ｖｄｃ／２を得ており、タイマ値が１の時には−Ｖｄｃ／２の電圧が出力され、タイマ値が０の時にはＶｄｃ／２の電圧が出力されることになる。
なお、図９の方式では、０．５からタイマ値を減算したが、タイマ値から０．５を減算しても良く、同様に−Ｖｄｃ／２〜Ｖｄｃ／２が得られる。この場合、タイマ値が１の時にはＶｄｃ／２の電圧が出力され、タイマ値が０の時には−Ｖｄｃ／２の電圧が出力されることになる。
また、上記の例では正規化に０〜１、あるいは−０．５〜＋０．５の値を用いたが、これに限る必要はなく、他の値の取り方でも実現可能である。

よって三相の推定電圧が求まったため、電圧座標変換手段１３は式（４）に適用するため、三相の推定電圧を電動機回転位相θを用いて次式（６）によりｄｑ軸の電圧指令Ｖｄ＿ｅｓｔ、Ｖｑ＿ｅｓｔに変換する。

今回は、空間ベクトル変調を例にとって説明したが、三相変調や二相変調等の方法で得られた電動機３に印加する三相の電圧指令値もしくはタイマ値を用いても同様に消費電力を演算可能であることは言うまでもない。

消費電力演算手段１４は求めたＶｄ＿ｅｓｔ、Ｖｑ＿ｅｓｔを式（４）のＶｄおよびＶｑに代えて代入して消費電力を求めることで、正確な消費電力を求めることが可能となる。

従って、インバータ制御手段８は、例えば、消費電力演算手段１４によって求めた消費電力Ｐをインバータ制御手段８の外部に設けた液晶等の表示デバイスに表示させてユーザに消費電力Ｐを知らせ、この消費電力Ｐが一定の値に達した場合にブザー等の報知手段にその旨の報知情報を出力して報知することで、エネルギーの無駄遣いを知らせることができ、省エネルギーを図ることが可能となる。

また、インバータ制御手段８は、図３中のｄ軸電流指令値を、求めた消費電力Ｐが最小となるように制御することで、省エネルギー性能を高めることができるため、ＣＯ₂排出量も削減でき、地球温暖化対策が可能な電動機の駆動装置を提供することが可能となる。例えば、図１１に示すような消費電力を電動機３の運転中は所定の周期で周期的に次式（７）で示される傾きｄを求め、傾きｄが負のときはｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を増やし、傾きが正になったらｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を減らすようにする。このような操作を周期的に繰り返すことにより、消費電力Ｐの最小値を容易に求めることができる。

但し、Ｐ(ｎ）は現在（ｎとする）の消費電力の演算値、Ｐ(ｎ−１)は１つ前の周期における消費電力の演算値、Ｉｄ＊(ｎ)は現在のｄ軸電流指令値、Ｉｄ＊(ｎ−１)は１つ前の周期におけるｄ軸電流指令値である。
また、消費電力が最小となることにより、発熱等も抑えられるため、熱による経年劣化も少なく、信頼性の高い電動機の駆動装置を提供できるだけでなく、放熱板等も小型化可能となり、低コスト化も図れる。

さらに、インバータ制御手段８は、予め消費電力Ｐの上限値を記憶しておき、その消費電力の上限値を超えないような最大の回転数で電動機を駆動する。これにより、電動機３は最大限の能力を発揮することが可能となり、例えば冷凍空調装置に適用した場合、冷房や暖房能力を大きく向上させることが可能となる。また、消費電力Ｐの上限値を低めに設定することにより、消費電力Ｐを抑えることが可能となり、省エネルギー性の高い電動機の駆動装置を提供することが可能となる。

また、消費電力演算手段１４の出力の変化に基づいて、電動機３の脱調状態を検出する脱調検出手段（図示せず）を設けてもよい。これにより、電動機３にかかる負荷が急変し、電動機３が脱調状態に陥った場合でも、インバータ制御手段８は脱調検出手段の出力に基づいて電動機３の脱調状態を検出することができ、この電動機３を再起動することで、早急な復帰が可能となり、信頼性および顧客満足度の高い電動機の駆動装置を提供することが可能となる。

なお、インバータ制御手段８は、消費電力演算手段１４の出力に基づいて料金計算を行い、外部に設けられた表示装置に表示して課金サービスの支援を行うことも可能である。

実施の形態２．
実施の形態１ではデッドタイムによる影響が無い場合の、消費電力の演算方法について説明した。
実施の形態２においては、インバータ主回路を駆動する際に、上下スイッチング素子の短絡防止のために用いる短絡防止時間（デッドタイム）による影響を低減させる方法について説明する。

図６において、例えば２０ａをオフさせた瞬間に、２０ｄをオンさせると、同時にオンする時間が発生する可能性があり、インバータ主回路５が破壊に至ることがある。そこで、図１２中に示すようにデッドタイムを設けて同時オンを抑制することで、インバータの破壊を防止する方法が一般的に用いられる。しかし、デッドタイムにより駆動信号が削られることにより、本来出力すべき電圧が出力できない問題があり、タイマ値より求めた電圧推定値と実際に電動機３に出力される電圧値が一致しない。そのため、実施の形態１の構成で消費電力を求めた場合、正確な消費電力が求まらない恐れがある。

図１３は、本発明の実施の形態２に係る電動機の駆動装置の構成を示す図である。
実施の形態２は、デッドタイム補正手段２２を備える以外は実施の形態１と何ら変わりはないため、実施の形態１と同じ符号を付して説明を省略する。

デッドタイム補正手段２１はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに基づいてデッドタイム補正するためのタイマ値ΔＳａ、ΔＳｂ、ΔＳｃを生成して、タイマ値（Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ）を補正して、デッドタイムにより発生する電圧誤差を補正する。それにより、電圧指令と実際の出力電圧値を一致させることが可能となり、消費電力の計算誤差を低減させることが可能となる。

デッドタイム補正を行っている場合は、タイマ値（Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ）と実際に電動機３に印加される電圧は一致するため、特別な補正を行うことなく実施の形態１で述べた方法で消費電力を求めることが可能である。

ただし、デッドタイム補正は予めタイマ値にデッドタイムにより削られる電圧を加算しておくことで、電圧が削られた場合においても電圧指令値通りの電圧を出力することを目的としているため、デッドタイム補正後のタイマ値を用いて、出力電圧を推定すると誤差が生じるため注意を要する。

実施の形態３．
実施の形態２ではデッドタイム補正が行われている場合の、消費電力の演算方法について説明した。
実施の形態３においては、デッドタイム補正が行われていない場合の、消費電力の演算方法について説明する。

図１４は本発明の実施の形態３に係る、電動機の駆動装置の構成を示す図である。実施の形態２は、電圧誤差推定手段２３を備える以外は実施の形態１と何ら変わりはないため、実施の形態１と同じ符号を付して説明を省略する。

電圧誤差推定手段２３はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗおよび直流電圧検出手段７の出力に基づいてデッドタイムによる電圧誤差ΔＶu、ΔＶｖ、ΔＶｗを推定する。

図１５は一般的なデッドタイム補正の方法を示しており、電流極性に応じた電圧の補正量ΔＶｕ、ΔＶｖ、ΔＶｗを求めており、電圧指令値に補正量を加算する。ここで、デッドタイム補正量はつまりデッドタイムによる電圧誤差と言い換えることができ、例えばＵ相の電圧誤差ΔＶｕはＵ相電流Ｉｕの極性を用いて次式（８）で得られる。

ただし、Tdはデッドタイム、fcはキャリア周波数、Vdcは直流電圧である。また、sign関数は次式（９）の通りである。

同様にＶ相、Ｗ相については次式（１０）及び（１１）となる。

以上により求めた電圧誤差ΔＶｕ、ΔＶｖ、ΔＶｗを出力電圧推定手段により得られた電圧推定値Ｖｕ＿ｅｓｔ、Ｖｖ＿ｅｓｔ、Ｖｗ＿ｅｓｔより減ずることで、デッドタイムによる電圧誤差を考慮した電圧推定値Ｖｕ＿ｅｓｔ'、Ｖｖ＿ｅｓｔ'、Ｖｗ＿ｅｓｔ'が得られ、電圧座標手段１３にてｄｑ座標上の電圧推定値Ｖｄ＿ｅｓｔ、Ｖｑ＿ｅｓｔを求めることで、式（４）を用いてより正確な消費電力を求めることが可能となる。

また、図１６に示すように、電圧誤差推定手段２３により、ｄｑ軸上の電圧誤差ΔＶｄおよびΔＶｑを求めて、電圧座標変換手段１３の出力であるＶｄ＿ｅｓｔおよびＶｑ＿ｅｓｔから減ずることでも実現可能である。

ここで、ΔＶｄおよびΔＶｑの求め方について説明する。式（８）、（１０）、（１１）はＵＶＷ相の値であるため、次式（１２）に示すように、まず、直交固定子座標のαβ軸の値ΔＶα、ΔＶβに変換を行う。

また、ｄｑ軸上の値には、電動機回転位相θを用いて次式（１３）にて変換可能である。

式（１３）により得られたΔＶｄおよびΔＶｑを電圧座標変換手段１３の出力であるＶｄ＿ｅｓｔおよびＶｑ＿ｅｓｔから減じ、デッドタイムによる電圧誤差を考慮したｄｑ軸電圧推定値であるＶｄ＿ｅｓｔ'およびＶｑ＿ｅｓｔ'を求めて、式（４）にてより正確な消費電力を求めることが可能となる。

ここで説明しているデッドタイム補正やデッドタイムによる電圧誤差の求め方は一例であり、その他の方法を用いても問題ないことは言うまでもない。ただし、この方法を用いた場合に前述のデッドタイム補正を行うと、重複してデッドタイムの補正を行うことになるので、どちらか一方のみを用いる必要があることは言うまでもない。

実施の形態４．
以上の実施の形態１〜３で説明した電動機の駆動装置の活用例として、空気調和機や冷蔵庫などの冷凍空調装置などが挙げられる。

冷凍空調装置は外気温度等の動作環境により、電動機の駆動装置にかかる負荷が大きく変化する特徴を有する。負荷が急変すると、電動機は負荷に耐えきれず脱調等の現象を起こす恐れがある。

そこで、実施の形態１〜３にて説明した消費電力演算手段１４により得られた消費電力に基づいて脱調状態を検知することができ、脱調を検知して速やかに再起動することが可能となり、信頼性の高い冷凍空調装置を提供できる。

また、予め冷凍空調装置の最大消費電力を記憶しておき、その最大消費電力に到達する恐れがある場合、事前に電動機の回転数を低下させるなどの対策を行い、脱調を防止することで運転を継続させることも可能であり、信頼性の高い冷凍空調装置を提供できる。

さらに、予め使用する消費電力を決めておき、決められた消費電力を超えないように電動機を制御することで、消費電力を抑制することができ、ＣＯ₂排出量も削減し、地球温暖化に考慮した冷凍空調装置を提供できる。

本発明の活用例として、圧縮機用インバータや送風機用インバータが挙げられる。また、圧縮機を搭載する活用例として、空気調和機、冷蔵庫、冷凍機、除湿機、給湯機などが挙げられる。さらに、送風機を搭載する活用例として、換気扇、空気清浄機、加湿器などが挙げられる。

電動機の駆動装置の構成を示す図である。 電動機の回転に対する座標関係を示す図である。 実施の形態１に係る電動機の駆動装置の構成を示す図である。 電圧と電流ベクトルの関係を示す図である。 過変調における電圧指令ベクトルを示す図である。 インバータ主回路５の構成を示す図である。 スイッチング素子２０を駆動するための方法の一例である。 変調率に対するスイッチング素子２０の駆動信号の一例である。 出力電圧推定手段１２の動作を示す図である。 図９を説明するためのインバータの回路図である。 ｄ軸電流指令と消費電力の関係を示す図である。 デッドタイムを説明する図である。 実施の形態２に係る電動機の駆動装置の構成を示す図である。 実施の形態３に係る電動機の駆動装置の構成を示す図である。 デッドタイム補正の一例を示す図である。 実施の形態３に係る電動機の駆動装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ 直流電源、２ 電動機の駆動装置、３ 電動機、４ 永久磁石、５ インバータ主回路、６ 電流検出手段、７ 母線電圧検出手段、８ インバータ制御手段、９ 電流座標変換手段、１０ 印加電圧制御手段、１１ ＰＷＭ生成手段、１２ 出力電圧推定手段、１３ 電圧座標変換手段、１４ 消費電力演算手段、１５ 速度補償手段、１６ 積分手段、１７ 電圧指令演算手段、１８ 変調率・位相指令演算手段、１９ タイマ生成手段、２０ スイッチング素子、２１ 環流ダイオード、２２ デッドタイム補正手段、２３ 電圧誤差推定手段。

Claims (17)

1. 直流電圧を交流電圧に変換して電動機に印加するインバータと、
   前記電動機に流れる相電流を検出する電流検出手段と、
   前記インバータに印加される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
   前記インバータが電動機に印加する電圧を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記電流検出手段の出力を直交２軸座標の電流に変換し、前記直交２軸座標の電流と所定の基準値に基づき直交２軸座標の電圧指令値を演算した後、前記直交２軸座標の電圧指令値に基づいて、前記電動機に印加する三相の電圧指令値を求め、前記三相の電圧指令値と前記直流電圧検出手段の出力と前記直交２軸の電流に基づいて前記電動機の消費電力を求めることを特徴とする電動機の駆動装置。
2. 直流電圧を交流電圧に変換して電動機に印加するインバータと、
   前記電動機に流れる相電流を検出する電流検出手段と、
   前記インバータに印加される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
   前記インバータが電動機に印加する電圧を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   前記電流検出手段が検出した相電流を直交２軸座標上の電流に変換する電流座標変換手段と、
   前記電流座標変換手段の出力および前記直流電圧検出手段の出力と所定の基準値に基づき、直交２軸座標上の電圧指令値を演算したのち、前記電動機に印加する三相の電圧指令値に変換し出力する印加電圧制御手段と、
   前記印加電圧制御手段の出力に基づいて前記インバータを駆動するためのＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ生成手段を備え、
   前記印加電圧制御手段の出力および前記直流電圧検出手段の出力に基づいて、前記電動機に出力される三相の電圧を推定する出力電圧推定手段と、
   前記出力電圧推定手段の出力を直交２軸座標上の電圧に変換する電圧座標変換手段と、
   前記電流座標変換手段の出力と、前記電圧座標変換手段の出力により、前記電動機の消費電力を推定する消費電力演算手段と、を備えたことを特徴とする電動機の駆動装置。
3. 前記制御手段は、前記三相の電圧指令値として前記インバータを駆動するためのＰＷＭ信号を生成するタイマ値を用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機の駆動装置。
4. 前記所定の基準値は巻線抵抗、巻線インダクタンス、誘起電圧定数等のモータパラメータ、トルク指令、回転数指令、およびｄ軸電流指令値の少なくともいずれかであ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の駆動装置。
5. 前記制御手段は、前記相電圧の指令値が前記直流電圧検出手段の出力に基づいて決定される制限値を超過した場合、前記制限値以下となるように前記相電圧の指令値を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
6. 前記制御手段は、前記電動機に印加される電圧と、前記電動機に印加する電圧の指令値との、前記インバータのデッドタイムにより生じる誤差を、前記電流検出手段が検出した相電流に基づいて補正して、前記ＰＷＭ生成手段へ出力するデッドタイム補正手段を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
7. 前記電動機に印加される電圧と、前記印加電圧制御手段によって得られる前記電動機に印加する電圧の指令値との、前記インバータのデッドタイムにより生じる誤差を推定する電圧誤差推定手段を備え、
   前記制御手段は、前記電圧誤差推定手段の出力に基づいて、前記出力電圧推定手段の出力を補正することを特徴とする請求項２に記載の電動機の駆動装置。
8. 前記電動機に印加される電圧と、前記印加電圧制御手段によって得られる前記電動機に印加する電圧の指令値との、前記インバータのデッドタイムにより生じる誤差を推定する電圧誤差推定手段を備え、
   前記制御手段は、前記電圧誤差推定手段の出力に基づいて、前記電圧座標変換手段の出力を補正することを特徴とする請求項２に記載の電動機の駆動装置。
9. 前記制御手段は、前記電流検出手段が検出した相電流、前記直流電圧検出手段が検出した直流電圧、前記インバータのキャリア周波数及び前記インバータのデッドタイムの少なくともいずれかによって前記誤差を演算することを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
10. 前記制御手段は、前記消費電力演算手段の出力が最小電力となるよう前記直交２軸座標上のｄ軸電流の指令値を制御することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
11. 前記制御手段は、前記消費電力演算手段の出力に基づき前記電動機の過負荷状態を検出し、前記電動機が過負荷状態に陥ったことを検出すると、前記電動機の回転速度を低下させることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
12. 前記制御手段は、あらかじめ消費電力の制限値を記憶した消費電力制限値記憶手段を備え、前記消費電力演算手段の出力に基づき、前記消費電力の制限値以内で、前記電動機の回転数を増加させることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
13. 前記制御手段は、前記消費電力演算手段の出力に基づき、外部の報知手段に消費電力に応じた表示および報知を行うことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
14. 前記消費電力演算手段の出力に基づき、前記電動機の脱調状態を検出する脱調検出手段を備え、
    前記制御手段は、前記脱調検出手段が前記電動機の脱調状態を検出すると、前記電動機を再起動することを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
15. 請求項１〜１３のいずれかに記載の電動機の駆動装置と、この駆動装置からの情報に基づき表示などの報知を行う報知手段とを備えことを特徴とする冷凍空調装置。
16. 請求項１４に記載の電動機の駆動装置を備えたことを特徴とする冷凍空調装置。
17. 前記消費電力演算手段の出力に基づき、料金を求める料金演算手段を備えたことを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の冷凍空調装置。

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