JP2012050155A - 永久磁石同期電動機の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石同期電動機が脱調により停止した時点で脱調を確実に検出する機能を備えた永久磁石同期電動機の駆動装置を提供する。
【解決手段】永久磁石同期電動機３０をインバータ２０により駆動するための駆動装置であって、インバータ２０の直流電流に基づいて電動機３０の脱調を検出するようにした永久磁石同期電動機の駆動装置において、インバータ２０の直流電流の振動成分を抽出するフィルタ５１と、このフィルタ５１により抽出した振動成分の振幅を演算する振動成分振幅演算器５４と、この演算器５４により演算した振幅が所定の基準値よりも小さくなったときに電動機３０が脱調状態にあることを検出する脱調検出手段５２Ａと、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転子位置や相電流の検出器を持たない永久磁石同期電動機の駆動装置に関し、詳しくは、永久磁石同期電動機の脱調を検出する技術に関するものである。

後述する特許文献１には、回転子位置や相電流の検出器を持たない永久磁石同期電動機をインバータにより駆動する駆動装置として、インバータの直流電流検出値に基づいて、電動機の印加電圧の大きさ及び周波数を制御するものが記載されている。

図３は、この特許文献１に記載された駆動装置の構成図である。
まず、図３における主回路は、直流電源１１と、直流母線１２と、直流電源電圧を所定の大きさ及び周波数の交流電圧に変換するインバータ２０と、回転子位置や相電流の検出器を持たない永久磁石同期電動機３０と、から構成されている。

一方、インバータ２０の半導体スイッチング素子をオンオフするための制御回路は、インバータ２０の出力電圧の周波数指令値ｆ^＊を生成する周波数指令部４１と、インバータ２０の直流電流（母線電流）を検出する電流検出器４２と、母線電流検出値Ｉ_ｄｃ０からインバータ２０のスイッチングに伴う高周波成分を除去するローパスフィルタ４３と、その出力である母線電流平均値Ｉ_ｄｃ及び電圧振幅指令値Ｖ^＊からインバータ２０の出力電流の有効電流Ｉ_δを演算する有効電流演算器４４と、有効電流Ｉ_δの振動成分ΔＩ_δを抽出するハイパスフィルタ４５と、振動成分ΔＩ_δに所定のゲインを乗じて周波数補正量Δｆ^＊を演算する比例演算器４６と、前記周波数指令値ｆ^＊と周波数補正量Δｆ^＊との偏差を求める減算器４７と、その出力を積分して位相角指令値θ^＊を求める積分器４９と、周波数指令値ｆ^＊を電圧振幅指令値Ｖ^＊に変換するｆ／Ｖ変換器４８と、電圧振幅指令値Ｖ^＊及び位相角指令値θ^＊に基づいてインバータ２０の半導体スイッチング素子をオンオフするための駆動パルスを生成するパルス幅変調器６０と、から構成されている。

上記のように、図３に示す駆動装置は、インバータ２０の母線電流のみを検出してインバータ２０の出力電圧を制御する方式であり、駆動装置の回路構成や制御が簡単であるという特徴を有している。
ところで、電動機３０の負荷の急変等により、インバータ２０から電動機３０に印加する電圧の位相と回転子位置の位相とのずれが過大になると、いわゆる脱調状態になって電動機３０を制御できなくなり、電動機３０が組み込まれている装置の運転に支障をきたす。この場合、電動機３０の回転子位置を位置検出器によって検出できれば、脱調を容易に検出することができるが、図３に示したように電動機３０が回転子の位置検出器を持たない場合には、脱調を検出することが困難である。

このため、特許文献１では、以下に述べる方法により電動機３０の脱調を検出している。
まず、図３において、電動機３０によりファン、ポンプ等の負荷を駆動した場合、正常運転時には、直流母線１２に脈動成分のない直流電流が流れる。
一方、脱調が生じると、インバータ２０の出力電圧と電動機３０の誘起電圧とが非同期となり、互いに異なる周波数の電圧が電動機３０のインピーダンスを介して接続されるため、これが擾乱となって電動機３０の相電流が乱れ、インバータ２０の母線電流に振動成分となって現れる。

そこで特許文献１では、図４に示すごとく、電流検出器４２により検出した母線電流Ｉ_ｄｃ０をローパスフィルタ等のフィルタ５１に入力し、少なくともパルス幅変調器６０のスイッチングによる高周波帯域成分を母線電流Ｉ_ｄｃ０から除去する。そして、フィルタ５１から出力される電流（振動成分）Ｉ_ｄｆを脱調検出手段５２に入力して所定の基準値を超えるか否かを判断し、これが基準値を超えた場合は脱調と判断して上位制御器５３に脱調検出信号を送る。そして、脱調検出信号を受けた上位制御器５３は、周波数指令部４１以下の構成要素を介してインバータ２０及び電動機３０の運転を停止している。

特開２００６−３０４４１２号公報（段落［０００３］〜［０００８］，［００１５］〜［００１９］、図１，図３等）

しかるに、図４に示した駆動装置でも、以下のような問題がある。
電動機３０の負荷として、例えば、レシプロコンプレッサが接続されている場合を考える。レシプロコンプレッサは、シリンダー内をピストンが往復運動することによって気体の吸気及び圧縮排気を行うものであり、気体の圧縮時と吸気時とで、コンプレッサを駆動するのに必要なトルクが異なる。この場合、電動機３０の１回転におけるコンプレッサを駆動するためのトルクが変動するので、瞬時電力も変動することとなり、電流検出器４２により検出した母線電流Ｉ_ｄｃ０をフィルタ５１にて処理した電流Ｉ_ｄｆには、脱調状態でなくとも振動成分が現れる。また、この振動成分の振幅は、レシプロコンプレッサの負荷条件（気体の圧力条件）によって変動する。
従って、図４に示した従来技術では、電動機３０の負荷によっては脱調を誤検出してしまうことがあり、電動機３０の脱調を正確に検出することが困難であった。

そこで、本発明の解決課題は、永久磁石同期電動機が脱調により停止した時点で脱調を確実に検出可能とした永久磁石同期電動機の駆動装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、永久磁石同期電動機をインバータにより駆動するための駆動装置であって、前記インバータの直流電流に基づいて前記電動機の脱調を検出するようにした永久磁石同期電動機の駆動装置において、
前記直流電流の振動成分を抽出する抽出手段と、
この抽出手段により抽出した振動成分の振幅を演算する演算手段と、
この演算手段により演算した振幅が所定の基準値よりも小さくなったときに前記電動機が脱調状態にあることを検出する脱調検出手段と、を備えたものである。

本発明によれば、永久磁石同期電動機が脱調により停止した時点で電動機の脱調を確実に検出することができる。特に本発明は、永久磁石同期電動機によりレシプロコンプレッサ等の負荷を駆動している場合に有益である。

本発明の第１実施形態を示す構成図である。 本発明の第２実施形態を示す構成図である。 特許文献１に記載された従来技術の構成図である。 特許文献１に記載された従来技術の構成図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す構成図であり、図４と同一の構成要素には同一の番号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。

すなわち、この第１実施形態では、フィルタ５１の出力電流Ｉ_ｄｆが振動成分振幅演算器５４に入力され、この演算器５４の出力が脱調検出手段５２Ａにおいて所定の基準値（閾値）と比較されている。この脱調検出手段５２Ａは、振動成分振幅演算器５４により演算された振幅が基準値未満であるときに脱調検出信号を出力するものであり、脱調検出信号は図４と同様に上位制御器５３に入力されている。
以下、上記構成により、同期電動機３０の脱調を検出できる理由について説明する。

前述の如く、電動機３０の負荷として、レシプロコンプレッサが接続されている場合を想定する。この場合、電動機３０が脱調するとその回転子はやがて停止に至る。回転子が停止に至った状態においても、インバータ２０は回転子が停止したことを認識できないので、電動機３０の固定子巻線に交流電圧を印加し続ける。このとき、電動機３０の固定子巻線には、インバータ２０の出力電圧と電動機３０のインピーダンスとによって決まる電流が流れる。

ここで、インバータ２０自身の発生損失は少なく、無視できると仮定すると、インバータ２０から電動機３０に供給する電力は、電動機の銅損及び鉄損のみであり、瞬時電力は一定となる。すなわち、電流検出器４２により検出した母線電流Ｉ_ｄｃ０をフィルタ５１によって処理した電流Ｉ_ｄｆは、振動成分が含まれない直流電流となる。
つまり、この実施形態は、電動機３０が脱調して回転子が停止している状況では、脱調せずに正常に運転されている状況と比べてインバータ２０の母線電流Ｉ_ｄｃ０の様子が異なることを利用しており、脱調状態では振動成分振幅演算器５４の出力が基準値よりも小さくなるため、脱調検出手段５２Ａによって脱調を検出することが可能である。

次に、本発明の第２実施形態を図２に基づいて説明する。
この第２実施形態は、振動成分振幅演算器５４によって演算する対象となる電流が第１実施形態と異なっている。すなわち、図１の第１実施形態では、母線電流Ｉ_ｄｃ０をフィルタ５１により処理した電流Ｉ_ｄｆの振幅から脱調を検出していたのに対し、図２の第２実施形態では、母線電流Ｉ_ｄｃ０の平均値Ｉ_ｄｃから求めたインバータ出力電流の有効電流Ｉ_δの振動成分ΔＩ_δに基づいて脱調を検出するようにした。

以下、有効電流Ｉ_δの求め方、及び、有効電流Ｉ_δに基づいて脱調を検出する方法について説明する。
インバータ２０の直流電圧をＥ_ｄｃとすると、インバータ２０の出力電力Ｗ_ｉｎｖは、母線電流Ｉ_ｄｃ０からインバータ２０のスイッチングに伴う高周波成分を除去した平均値Ｉ_ｄｃを用いて、数式１により表すことができる。
［数式１］
Ｗ_ｉｎｖ＝Ｅ_ｄｃ×Ｉ_ｄｃ

一方、同期電動機３０に入力される電力Ｗ_ｍは、電動機３０の印加電圧Ｖ（相電圧振幅）、電動機３０の電流実効値Ｉ_ｒｍｓ、及び、上記印加電圧と電流との位相差φを用いて、数式２のように表される。
［数式２］
Ｗ_ｍ＝３×（Ｖ／√２）×Ｉ_ｒｍｓ×ｃｏｓφ

ここで、電動機３０の電流実効値Ｉ_ｒｍｓと有効電流Ｉ_δとの間には、数式３の関係がある。
［数式３］
Ｉ_δ＝Ｉ_ｒｍｓ×ｃｏｓφ

また、インバータ２０の損失が電動機３０の入力に比べて相対的に小さく、無視できるものとすると、数式４の関係が成り立つ。
［数式４］
Ｗ_ｉｎｖ＝Ｗ_ｍ

よって、数式１〜数式４から、数式５，数式６が成り立つ。
［数式５］
Ｅ_ｄｃ・Ｉ_ｄｃ＝３・Ｖ／√２・Ｉ_δ
［数式６］
Ｉ_δ＝√２・Ｅ_ｄｃ・Ｉ_ｄｃ／（３・Ｖ）

ここで、Ｅ_ｄｃは既知であってＩ_ｄｃは検出可能であり、また、インバータ２０の出力電圧誤差を無視すると共に、電動機３０への印加電圧Ｖを電圧振幅指令値Ｖ^＊により代用すれば、数式６によって有効電流Ｉ_δを求めることができる。つまり、図２における有効電流演算器４４は、数式６により有効電流Ｉ_δを算出可能である。
こうして有効電流Ｉ_δが求められたら、ハイパスフィルタ４５にて有効電流Ｉ_δの振動成分ΔＩ_δを抽出し、その振幅を振動成分振幅演算器５４にて求め、後は、第１実施形態と同様にして脱調を検出する。

第１実施形態では、数式６から分かるように、Ｉ_ｄｃに含まれる振動成分は、出力電圧の大きさに応じて変化する。換言すると、第１実施形態では、出力電圧が低い場合にＩ_ｄｃ（母線電流Ｉ_ｄｃ０）に含まれる振動成分の振幅が小さく見え、脱調を誤検出する恐れがある。
一方、この第２実施形態では、有効電流Ｉ_δに含まれる振動成分ΔＩ_δの振幅から脱調を検出しているので、第１実施形態において生じる問題を回避することができる。

また、前述した、インバータ２０の母線電流Ｉ_ｄｃ０または有効電流Ｉ_δに含まれる振動成分の振幅は、電動機３０の回転子１回転に相当する電気角中の母線電流Ｉ_ｄｃ０または有効電流Ｉ_δの最大値及び最小値から求めることができる。例えば、電動機３０が４極であり、負荷としてのレシプロコンプレッサが電動機３０に機械的に直結されている場合には、電気角２周期で電動機３０の回転子（レシプロコンプレッサ）が１回転するので、母線電流Ｉ_ｄｃ０または有効電流Ｉ_δから振動成分を抽出し、電気角２周期中における振動成分の最大値と最小値とを記憶し、その記憶した値から振動成分の振幅を求めることができる。
なお、振動成分の振幅は状況に応じて変化するから、得られた振幅を電気角２周期毎に更新すればよい。

ここで、第１実施形態及び第２実施形態では、従来技術のように脱調したら即座にこれを検出することができず、電動機３０が停止に至るまでは、脱調を検出できない。しかし、レシプロコンプレッサは機械的摩擦が大きく、電動機３０が脱調してから停止に至るまでの期間が比較的短いため、脱調検出に要する時間は問題にならない。

また、電動機３０の運転開始直後には、レシプロコンプレッサ及び電動機３０からなる装置の特性または気体の特性により、電動機３０を正常に運転できていても、母線電流Ｉ_ｄｃ０または有効電流Ｉ_δに振動成分（脈動）が発生しない場合がある。従って、各実施形態により脱調を誤検出する恐れもあるが、この問題は、電動機３０の運転開始直後は脱調検出機能を無効とし、一定時間が経過してから当該機能を有効にする等の方法により解決可能である。

１１：直流電源
１２：直流母線
２０：インバータ
３０：永久磁石同期電動機
４１：周波数指令部
４２：電流検出器
４３：ローパスフィルタ
４４：有効電流演算器
４５：ハイパスフィルタ
４６：比例演算器
４７：減算器
４８：ｆ／Ｖ変換器
４９：積分器
５１：フィルタ
５２Ａ：脱調検出手段
５３：上位制御器
５４：振動成分振幅演算器

Claims (1)

1. 永久磁石同期電動機をインバータにより駆動するための駆動装置であって、前記インバータの直流電流に基づいて前記電動機の脱調を検出するようにした永久磁石同期電動機の駆動装置において、
   前記直流電流の振動成分を抽出する抽出手段と、
   この抽出手段により抽出した振動成分の振幅を演算する演算手段と、
   この演算手段により演算した振幅が所定の基準値よりも小さくなったときに前記電動機が脱調状態にあることを検出する脱調検出手段と、
   を備えたことを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動装置。

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