JP2014057497A

JP2014057497A - インバータ駆動装置およびこれを用いた空気調和装置

Info

Publication number: JP2014057497A
Application number: JP2012202446A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Taniguchi; 喜浩谷口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2014-03-27

Abstract

【課題】電動機の減磁を抑制する。
【解決手段】外風によりファン５３が回転したとき、ファン５３に接続されている電動機５２が発電し、回生電流Ｉｒ１が電動機用インバータ４側に出力される。波形整形手段１２は、電動機用インバータ制御手段１０が電動機用インバータ４を駆動させ、回生検出手段１１により検出された周波数および電流値に基づいて電流波形を正弦波に整形した整形回生電流Ｉｒ２を生成するようにＰＷＭ制御を行う。さらに、圧縮機用インバータ制御手段２０において圧縮機５１に拘束通電が行われているか否かが判断され、圧縮機５１が作動していない場合、拘束通電が圧縮機５１側に行われるように圧縮機用インバータ３へのＰＷＭ制御が開始される。すると、電動機５２により出力された回生電流が拘束通電時の電力として消費される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機のインバータの制御を行うインバータ駆動装置およびこれを用いた空気調和装置に関するものである。

空気調和装置の室外機には、冷媒と空気との熱交換を行う熱交換器に送風するためのファンが取り付けられている。ファンは、たとえばブラシレスＤＣモータ等の電動機により回転するものであって、電動機はインバータ回路から供給される電力により回転している。ここで、外風を受けてファンが回転した場合、ブラシレスＤＣモータにおいて回生電力が発生する。この回生電力がインバータ回路に過電圧等の不具合を生じさせる場合があるため、回生電力の処理として種々の提案がなされている（たとえば特許文献１、２参照）。

特許文献１には、圧縮機モータ用インバータ回路とファンモータ用インバータ回路を有しており、外風等によりファンモータにおいて回生電圧が発生した際に、圧縮機モータ用インバータ回路が駆動することにより、圧縮機用モータにより回生電圧を消費することが開示されている。特許文献２には、外風等によりファンモータにおいて回生電圧が発生した際に、コンデンサを充電する直流電圧が所定の電圧値になるまではファンモータ用インバータ回路のスイッチング動作を行うとともに、直流電圧が所定の電圧値を超えた場合には、インバータ回路のスイッチング動作をオフにしてコンデンサへの充電経路を遮断することが開示されている。

特開２００３−２７４６９４号公報特開２００４−１２５２０９号公報

しかし、特許文献１、２のように回生電力に対する対策を行ったとしても、電動機内部を流れる回生電流によりモータに減磁が発生してしまうという問題がある。すなわち、特許文献１のように圧縮機で回生電力を消費した場合でも、電動機内部には回生電流が流れ、モータに減磁が生じる恐れがある。また、特許文献２に示すように、直流電圧が所定の電圧値を超えた場合にスイッチング動作を停止してしまうと、回転数が大きくなればなるほど高調波によるピークアウトが発生しやすくなるため、電動機の減磁が生じるおそれがあるという問題がある。

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、電動機の減磁を抑制することができるインバータ駆動装置およびこれを用いた空気調和装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係るインバータ駆動装置は、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータから出力される直流電力を任意の周波数の交流電力に変換して圧縮機に供給する圧縮機用インバータと、コンバータから出力される直流電力を任意の周波数の交流電力に変換して電動機に供給する電動機用インバータと、電動機が回生動作をした際、電動機から出力される回生電流の周波数および電流値を検出する電流検出手段と、電流検出手段により検出された回生電流の周波数および電流値を用いて電動機用インバータを駆動させることにより回生電流を整形する波形整形手段とを備えたことを特徴とする。

本発明に係るインバータ駆動装置によれば、外風等によりファンが回転した際、電動機用インバータを作動させて電動機内部を流れる電流波形を整形することにより、電動機内部に流れる電流のピーク値が減磁限界レベルに達するのを防止し、電動機の減磁を抑制することができる。

本発明の空気調和装置の実施形態１を示す構成図である。図１のインバータ駆動装置において回生時に電動機用インバータを動作させた場合の電動機に流れる電流の波形図である。従来の空気調和装置において電動機用インバータを動作させない場合の電動機に流れる電流の波形図である。図１のインバータ駆動装置において回生時に電動機用インバータを動作させた場合の電動機に流れる電流の波形図である。図１のインバータ駆動装置において回生時の直流母線電圧の様子を示すグラフである。図１のインバータ駆動装置の動作例を示すフローチャートである。

実施形態１．
以下、図面を参照しながら本発明のインバータ駆動装置およびこれを用いた空気調和装置の実施形態について説明していく。図１は本発明の空気調和装置の実施形態１を示す構成図であり、図１を参照して空気調和装置１００について説明する。空気調和装置１００は、圧縮機５１、電動機５２、ファン５３、熱源側熱交換器５４、膨張弁５５、利用側熱交換器５６を備えているとともに、圧縮機５１を駆動するとともに熱源側熱交換器５４に送風するための電動機５２およびファン５３を駆動するためのインバータ駆動装置１を有している。

空気調和装置１００において、圧縮機５１に流入した冷媒は、圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり熱源側熱交換器５４に送られる。ガス冷媒は熱源側熱交換器５４においてファン５３から送られる空気との間で熱交換されて液冷媒となり膨張弁５５に送られる。膨張弁５５に流入した液冷媒は減圧されて低圧の二相冷媒となり室内機の利用側熱交換器５６に送られる。その後、室内機の利用側熱交換器５６に送られた冷媒は、室内空気との間で熱交換が行われてガス冷媒となり、再び圧縮機５１に送られる。

ここで、圧縮機５１はたとえば３相のブラシレスＤＣモータを搭載したものであってインバータ駆動装置１により駆動される。同様に、電動機５２はたとえば３相のブラシレスＤＣモータからなるものであって、電動機５２が作動することによりファン５３が回転し熱源側熱交換器５４に送風する。なお、一般的にブラシレスＤＣモータは、回転子（ロータ）に永久磁石を備え、ステータに巻線コイルを備え、ステータの巻線コイルに供給する電力を半導体スイッチによって切替制御することにより回転磁界が形成される。そして、この回転磁界に対して回転子側の永久磁石が吸引・反発することで、回転子が回転する構造を有している。

このインバータ駆動装置１は、コンバータ２、圧縮機用インバータ３、電動機用インバータ４、電動機用インバータ制御手段１０、圧縮機用インバータ制御手段２０を備えている。コンバータ２は、商用電源６０から供給される交流電力を直流電力に変換するものであって、整流器２ａ、直流リアクトル２ｂ、コンデンサ２ｃを有している。

整流器２ａは、たとえばダイオードブリッジ等からなるものであり、商用電源６０から供給される交流電力を直流（脈流）に変換するものである。この整流器２ａには直流リアクトル２ｂを介してコンデンサ２ｃに接続されている。直流リアクトル２ｂは、整流器２ａにより生成された脈流に含まれる高調波成分を抑制する機能を有している。コンデンサ２ｃは、整流器２ａにより直流化された出力電圧の脈動を平滑化して直流に変換し出力するものである。

圧縮機用インバータ３は、コンバータ２により直流に変換された電力を圧縮機５１に任意の周波数の交流電力に変換し圧縮機５１に供給するものである。同様に、電動機用インバータ４は、コンバータ２により直流に変換された電力を圧縮機５１に任意の周波数の交流電力に変換し電動機５２に交流電力を供給するものである。なお、圧縮機用インバータ３と電動機用インバータ４とは並列接続されており、直流母線電圧が共通化されている。また、圧縮機用インバータ３と電動機用インバータ４とは、それぞれ例えばトランジスタ等の半導体による複数のスイッチング素子を各々ブリッジ接続した構成を有しており、たとえばＰＷＭ駆動されるものである。電動機用インバータ４のスイッチング動作は電動機用インバータ制御手段１０により制御されており、圧縮機用インバータ３におけるスイッチング動作は、圧縮機用インバータ制御手段２０により制御されている。

特に、電動機用インバータ制御手段１０は、外風等により力を受けて電動機５２およびファン５３が回転する回生時に電動機用インバータ４を駆動させる機能を有している。すなわち、ファン５３の回転により送風を行うのではなく、外部からファン５３が送風されることにより回転し、その回転によって電動機５２が回生（発電）する。その際に、電動機用インバータ制御手段１０は電動機用インバータ４を駆動するものであって、具体的には回生検出手段１１および波形整形手段１２を備えている。

回生検出手段１１は、外風により電動機５２が回転した際に出力される回生電流Ｉｒ１の周波数および電流値を検出するものであって、回転検出手段１１ａと電流検出手段１１ｂを備えている。回転検出手段１１ａは、電動機５２が外風により回転した際の電動機５２の回転周波数を検出するものである。電流検出手段１１ｂは電動機５２から電動機用インバータ４へ出力される回生電流Ｉｒ１の電流値を検出する。

なお、回生検出手段１１として回転検出手段１１ａと電流検出手段１１ｂとを備える場合について例示しているが、回生の発生および回生電流を検出するものであればその構成を問わない。たとえば回生検出手段１１として回転検出手段１１ａのみを設けるようにしてもよい。すなわち、電動機５２において誘起される回生電力は、電動機５２の回転数に比例するものであるため、回転数（回転周波数）が検出できれば、回生電力を算出することができる。あるいは、回生検出手段１１が電動機５２から電動機用インバータ４に流れ込む回生電流Ｉｒ１の電流値および周波数を検出可能な電流検出手段１１ｂからなるものであってもよい。

波形整形手段１２は、回生検出手段１１により検出された回生電流Ｉｒの周波数および電流値を用いて電動機用インバータ４を駆動させることにより回生電流Ｉｒ１を整形するものである。具体的には、波形整形手段１２は、電動機５１の回転周波数に同期し、かつ回生電流Ｉｒ１の脈動成分（高調波成分）がゼロになるようにＰＷＭ信号を生成し、電動機用インバータ４のスイッチング動作を行う。すると、図２に示すような整形回生電流Ｉｒ２が電動機用インバータ４から出力されるようになる。

ここで、ブラシレスＤＣモータ制御では、ブラシレスＤＣモータからの回生があり電動機用インバータ４がスイッチングしない場合、ブラシレスＤＣモータ内部を流れる回生電流Ｉｒ１の波形は高調波を多く含み、ピーク値が大きくなり、図３に示すように、回生電流Ｉｒ１のピーク値がブラシレスＤＣモータの減磁限界に達し易い状態にある。減磁限界に達するような回生電流Ｉｒ１が発生してしまうと、モータ相電流（ステータ電流）に過大な電流が流れ、その過大電流によって発生する磁界により、ロータ側のフェライト磁石が不可逆減磁して性能低下してしまう。これを防止するためには、減磁限界に達しないようにブラシレスＤＣモータ内部を流れる電流ピーク値に対して十分なマージンを設けて過電流に対する閾値を定めているため、ブラシレスＤＣモータの材質・構造、使用環境に制約があるという問題がある。

そこで、回生時においても電動機用インバータ制御手段１０が電動機用インバータ４を駆動させ、回生検出手段１１により検出された周波数および電流値に基づいて電流波形を正弦波に整形した整形回生電流Ｉｒ２を生成するようにＰＷＭ制御を行う。これにより、電動機５２内に流れる電流のピーク値を抑えることができるため、電動機５２での減磁への影響の低減を図ることができる。また、電動機５２の電流のピーク値を抑えられるため、モータ材質・構造の制約が少なくなり、コストダウンが図れるとともに、外風のエネルギーを使用するため効率を向上させることができる。

なお、波形整形手段１２が、図２に示す正弦波の整形回生電流Ｉｒ２を生成する場合について例示しているが、図４に示す方形波からなる整形回生電流Ｉｒ２を生成するようにスイッチング制御してもよい。さらに、電動機５２の回転駆動時には正弦波によるＰＷＭ駆動を行い、電動機５２の回生動作時には方形波による回生動作を行うようにしてもよい。

さらに、電動機用インバータ４の直流母線電圧Ｖｄｃと電動機５２による回生時の回生電圧Ｖｂが直流母線電圧Ｖｄｃよりも大きくなった場合（Ｖｄｃ＞Ｖｂ）、コンデンサ２ｃ側に整形回生電流Ｉｒ２が流れ込むことになる。直流母線電圧Ｖｄｃが上昇していき、過電圧遮断レベルに達した場合、コンバータ２のコンデンサ２ｃに支障が生じる場合がある。そこで、電動機５２から回生電力が発生した際、回生電力を消費するために圧縮機用インバータ制御手段２０が圧縮機用インバータ３を駆動する機能を有している。

具体的には、圧縮機用インバータ制御手段２０は、母線電圧検出手段２１、拘束通電制御手段２２を有している。母線電圧検出手段２１は、コンバータ２におけるコンデンサ２ｃに印加される直流母線電圧Ｖｄｃを検出するものである。ここで、回生時に検出される直流母線電圧Ｖｄｃは、整形回生電流Ｉｒ２による電力供給分だけ上昇した状態になる。拘束通電制御手段２２は母線電圧検出手段２１により検出された直流母線電圧Ｖｄｃが所定の電圧値になるように圧縮機用インバータ３を駆動して圧縮機５１へ拘束通電を行う。これにより、直流母線電圧Ｖｄｃの上昇分が圧縮機５１の拘束通電で消費されることになる。

図５は、図１のインバータ駆動装置において回生時の直流母線電圧の様子を示すグラフである。図５において、回生が生じていない期間においては直流母線電圧Ｖｄｃは一定の値に保たれている。一方、電動機５２において回生が生じた場合、整形回生電流Ｉｒ２がコンデンサ２ｃに回り込み、直流母線電圧Ｖｄｃが上昇する。このとき、拘束通電制御手段２２は、直流母線電圧Ｖｄｃが過電圧遮断レベルに達することがないように、圧縮機用インバータ３に対しＰＷＭ制御を行い圧縮機５１に拘束通電を行う。これにより、回生電流に起因して直流母線電圧Ｖｄｃが過電圧遮断レベルに達するのを確実に防止することができる。

さらに、一般的に圧縮機５１への寝込み防止対策として、圧縮機５１の運転停止中は、ヒーター等によって圧縮機５１内を加熱し、もしくは圧縮機５１のモータの巻線に通電して加熱するために、拘束通電（圧縮機５１のモータを駆動しない電圧の印加）が行われる。この際に、上述したように回生エネルギーを用いることができるため、回生エネルギーを効率的に利用して待機電力の省エネルギー化を図ることができる。

なお、上述した拘束通電制御手段２２によるインバータ駆動制御は、圧縮機５１が作動していない場合に行われる。ただし、圧縮機用インバータ３が駆動している状態で電動機５２から回生電力が発生した場合であっても、回生電力は圧縮機５１で消費されることになる。また、直流母線電圧Ｖｄｃが回生電流により上昇した場合に圧縮機用インバータ３が作動する場合について例示しているが、直流母線電圧Ｖｄｃが上昇して設定しきい値Ｖｒｅｆよりも大きくなったときに（Ｖｄｃ＞Ｖｒｅｆ）、圧縮機用インバータ３が作動するようにしてもよい。

図６は図１のインバータ駆動装置１の動作例を示すフローチャートであり、図１から図６を参照してインバータ駆動装置１の動作例について説明する。まず、回生検出手段１１の回転検出手段１１ａにおいて電動機５２の回転周波数（回生電流Ｉｒ１の周波数）の検出が開始されるとともに（ステップＳＴ１）、電流検出手段１１ｂにより回生電流Ｉｒ１の電流値の検出が開始される（ステップＳＴ２）。この状態で、外風によりファン５３が回転したとき、ファン５３に接続されている電動機５２が発電し、回生電流Ｉｒ１が電動機用インバータ４側に出力される。すると、回生検出手段１１において回生電流Ｉｒ１の周波数および電流値が検出される（ステップＳＴ３）。このとき、波形整形手段１２は、電動機用インバータ制御手段１０が電動機用インバータ４を駆動させ、回生検出手段１１により検出された周波数および電流値に基づいて電流波形を正弦波に整形した整形回生電流Ｉｒ２を生成するようにＰＷＭ制御を行う（ステップＳＴ４）。

ここで、圧縮機用インバータ制御手段２０において圧縮機５１に拘束通電が行われているか否かが判断される（ステップＳＴ５）。圧縮機用インバータ３が拘束通電を行っている場合、回生により得られた電力が拘束通電として圧縮機５１に供給される。一方、圧縮機５１が作動していない場合、拘束通電が圧縮機５１側に行われるように圧縮機用インバータ３へのＰＷＭ制御が開始される（ステップＳＴ６）。すると、電動機５２により出力された回生電流が拘束通電時の電力として消費される。そして、電動機５２による回生が停止するまで以上のような動作が行われる（ステップＳＴ３〜ステップＳＴ６）。

このように、回生動作時に整形回生電流Ｉｒ２の電流波形を正弦波に制御することにより、電動機（ブラシレスＤＣモータ）５２内に流れる電流波形を正弦波に制御し電流のピーク値を抑えることができるため、電動機５２での減磁への影響の低減を図ることができる。また、電動機５２の電流のピーク値を抑えられるため、モータ材質・構造の制約が少なくなり、コストダウンが図れるとともに、外風のエネルギーを使用するため効率を向上させることができる。

また、回生電流Ｉｒ１の発生により直流母線電圧Ｖｄｃが上昇した場合であっても、上昇分を圧縮機５１の拘束通電として消費することによりコンデンサ等に過電圧遮断レベルに達するような電圧が印加されるのを防止することができる。

本発明の実施形態は上記実施形態に限定されない。たとえば、上記では電流波形を正弦波に制御したが、その他の任意の波形を利用できることは、言うまでもない。また、上記実施形態において、直流母線電圧Ｖｄｃが回生電流により上昇した場合に圧縮機用インバータ３が作動する場合について例示しているが、電動機用インバータ制御手段１０において回生電流を検出した際に、圧縮機用インバータ制御手段２０が圧縮機用インバータ３を駆動して拘束通電を行うようにしてもよい。これらの場合であっても、直流母線電圧Ｖｄｃが過電圧遮断レベルに達するのを防止することができる。

さらに、圧縮機用インバータ制御手段２０は、過電圧レベルに達するのを確実に防止するために、電動機用インバータ制御手段１０により検出された回生電流Ｉｒ１の電流値に基づいて、拘束通電時のＰＷＭ制御する際のデューティ比等を制御して消費電力を調整するようにしてもよい。

１インバータ駆動装置、２コンバータ、２ａ整流器、２ｂ直流リアクトル、２ｃコンデンサ、３圧縮機用インバータ、４電動機用インバータ、１０電動機用インバータ制御手段、１１回生検出手段、１１ａ回転検出手段、１１ｂ電流検出手段、１２波形整形手段、２０圧縮機用インバータ制御手段、２１母線電圧検出手段、２２拘束通電制御手段、５１圧縮機、５２電動機、５３ファン、５４熱源側熱交換器、５５膨張弁、５６利用側熱交換器、６０商用電源、１００空気調和装置、Ｉｒ１回生電流、Ｉｒ２整形回生電流、Ｖｄｃ直流母線電圧。

Claims

交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータから出力される前記直流電力を任意の周波数の交流電力に変換して圧縮機に供給する圧縮機用インバータと、
前記コンバータから出力される前記直流電力を任意の周波数の交流電力に変換して電動機に供給する電動機用インバータと、
前記電動機が回生動作をした際、前記電動機から出力される回生電流の周波数および電流値を検出する回生検出手段と、
前記回生検出手段により検出された前記回生電流の周波数および電流値を用いて前記電動機用インバータを駆動させることにより前記回生電流を整形する波形整形手段と
を備えたことを特徴とするインバータ駆動装置。
前記コンバータの直流母線電圧を検出する母線電圧検出手段と、
前記母線電圧検出手段により検出された前記直流母線電圧が前記回生電流により上昇した際に前記電動機へ拘束通電を行うように前記圧縮機用インバータを駆動する拘束通電制御手段と
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のインバータ駆動装置。
前記回生検出手段が、
前記電動機が外力により回転した際の前記電動機の回転周波数を検出する回転周波数検出手段と、
前記電動機から前記電動機用インバータへ出力される前記回生電流の電流値を検出する電流検出手段と
を備えたものであり、
前記波形整形手段が、前記回転周波数に同期し前記回生電流に含まれる高調波成分を抑制した整形回生電流が出力されるように前記電動機用インバータを駆動するものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインバータ駆動装置。
前記波形整形手段は、正弦波の前記整形回生電流が出力されるように前記電動機用インバータを駆動するものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のインバータ駆動装置。
前記波形整形手段は、方形波の前記整形回生電流が出力されるように前記電動機用インバータを駆動するものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のインバータ駆動装置。
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された前記冷媒と外気との間で熱交換を行う熱源側熱交換器と、
前記熱源側熱交換器に対し送風するファンおよび前記ファンを回転駆動させるための電動機と、
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載されたインバータ駆動装置と
を備えたことを特徴とする空気調和装置。