JP2016001931A

JP2016001931A - インバータ制御装置

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Publication number: JP2016001931A
Application number: JP2014120168A
Authority: JP
Inventors: 光夫河地; Mitsuo Kawachi
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-06-11
Filing date: 2014-06-11
Publication date: 2016-01-07
Anticipated expiration: 2034-06-11
Also published as: JP6286669B2

Abstract

【課題】圧縮機モータの出力トルクが負となる回生モードを設けることで出力トルクの変動範囲を拡大し、モータ発熱効果を最大限高めて圧縮機内部の冷媒温度や潤滑油温度を迅速に上昇させる。
【解決手段】圧縮機モータの出力トルクが所要のトルクとなるようにモータの電流値を制御するインバータ制御装置は、除霜運転モード時に、出力トルクがゼロを含む正となる力行モードと、出力トルクが負となる回生モードを周期的に切り替えるものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、空気調和機等に用いられる圧縮機のモータを任意の回転数で駆動するインバータ制御装置に関するものである。

従来、圧縮機の潤滑油を加熱するための専用の熱源部材を別途設置することなく、熱源部材の取り付け工数を省くと共に、コストの低減を図ることができる圧縮機モータの制御装置として、圧縮機モータの出力トルクが所要のトルクになるように、圧縮機モータを駆動する電流値を制御するトルク制御手段と、圧縮機モータの電流位相を最高効率となる最適ポイントからずらす位相ずらし手段を備え、除霜時に位相ずらし手段を動作させつつ、トルク制御手段を動作させて、モータを駆動するものがある（例えば特許文献１を参照）。

特許文献１に開示された技術によれば、除霜時にモータを駆動する電流の位相を最適ポイントからずらす運転をしつつトルク制御を行うため、モータに過多な電流を負荷してモータの発熱量を増加させ、圧縮機内部の冷媒温度や潤滑油温度を迅速に上昇させることができる。

特開２０１２−２５１７１３号公報

しかしながら、前記従来の構成の制御装置では、トルク制御におけるモータ出力トルクの負荷変動はゼロ以上しか考慮されておらず、最大限のモータ発熱効果が得られていないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、モータ出力トルクが負となる回生モードを設けることでモータ出力トルクの変動範囲を拡大し、モータ発熱効果を最大限高めて圧縮機内部の冷媒温度や潤滑油温度を迅速に上昇させることができるインバータ制御装置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、本発明のインバータ制御装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機を駆動するモータと、直流電力を交流電力に変換し、モータへ電力を供給するインバータと、モータを駆動する電流値を検出する電流検出手段を含み、モータの出力トルクが所要のトルクとなるようにモータを駆動する電流値を制御するインバータ制御装置において、除霜運転モード時に、モータの出力トルクがゼロを含む正の力行モードと、出力トルクが負となる回生モードを周期的に切り替えるものである。

これによって、圧縮機モータの出力トルクが負となる回生モードを設けることで出力トルクの変動範囲を拡大し、モータに過多な電流を負荷してモータの発熱量を増加させ、圧縮機内部の冷媒温度や潤滑油温度を迅速に上昇させることができる。特に空気調和機等の除霜時において、冷媒温度を上昇させることで除霜時間を短縮することができ、迅速に暖房運転に切り替えることができる。

本発明のインバータ制御装置は、モータ出力トルクが負となる回生モードを設けることでモータ出力トルクの変動範囲を拡大し、モータ発熱効果を最大限高めて圧縮機内部の冷媒温度や潤滑油温度を迅速に上昇させることができる。

本発明のインバータ制御装置を用いた冷凍サイクル装置の構成図本発明のインバータ制御装置のシステム構成図本発明の実施の形態１におけるインバータ制御装置における電流指令生成部の構成図本発明の実施の形態２におけるインバータ制御装置における電流指令生成部の構成図本発明の実施の形態３におけるインバータ制御装置における電流指令生成部の構成図電流位相に対するモータトルク特性図本発明のインバータ制御装置の第１の動作特性図本発明のインバータ制御装置の第２の動作特性図本発明のインバータ制御装置の第３の動作特性図本発明のインバータ制御装置の第４の動作特性図本発明のインバータ制御装置における力行回生切替手段の動作説明図

第１の発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機を駆動するモータと、直流電力を交流電力に変換し、モータへ電力を供給するインバータと、モータを駆動する電流値を検出する電流検出手段を含み、モータの出力トルクが所要のトルクとなるようにモータを駆動する電流値を制御するインバータ制御装置において、除霜運転モード時に、モータの出力トルクがゼロを含む正となる力行モードと、出力トルクが負となる回生モードを周期的に切り替えるものであり、圧縮機モータの出力トルクが負となる回生モードを設けることで出力トルクの変動範囲を拡大し、モータに過多な電流を負荷してモータの発熱量を増加させ、圧縮機内部の冷媒温度や潤滑油温度を迅速に上昇させることができる。特に空気調和機等の除霜時において、冷媒温度を上昇させることで除霜時間を短縮することができ、迅速に暖房運転に切り替えることができる。

第２の発明は、特に第１の発明のインバータ制御装置において、モータの電流位相を調整する電流位相調整手段をさらに備え、除霜運転モード時に、電流位相調整手段は、力行モード時はモータの電流位相を出力トルクが最大となる位相から出力トルクが正の範囲内で進み方向に位相を調整し、回生モード時はモータの電流位相を出力トルクが最小となる位相に調整するものであり、力行モード時には圧縮機モータの電流位相を最適ポイントからずらす運転をしつつ、回生モード時には最大限の負トルクを発生させることで、モータ発熱効果を最大限高めて圧縮機内部の冷媒温度や潤滑油温度を一層迅速に上昇させることができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明のインバータ制御装置において、所定時間における力行モード時の出力トルクの累積値に対する回生モード時の出力トルクの累積値の比率の絶対値が３分の１以下となるように回生モードを設けるものであり、回生モードによる過度な負トルクを抑制することで圧縮機モータの駆動を維持することができる。

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）
本発明のインバータ制御装置の冷凍サイクル装置の適用例として、一般家庭で使用されている空気調和機で説明を行う。図１は本発明のインバータ制御装置を備えた冷凍サイクル装置（空気調和機）の構成図である。

冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機３１、冷房暖房運転時の冷媒回路を切り替える四方弁３２、冷房時には凝縮器となり暖房時には蒸発器となる冷媒と外気の熱を交換する室外熱交換器３３、室外熱交換器３３内を流れる冷媒と外気の熱交換を促進する室外ファン３７、冷媒を減圧する絞り装置３４、冷媒と室内空気の熱を交換し冷房時には蒸発器となり暖房時には凝縮器となる室内熱交換器３５、室内熱交換器３５内を流れる冷媒と室内空気の熱交換を促進する室内ファン３８、圧縮機３１の吸い込み側に設けられたアキュムレータ３６を備えている。

室内機４１は、室内熱交換器３５、室内ファン３８を備えている。室外機４２は、圧縮機３１、四方弁３２、室外熱交換器３３、絞り装置３４、アキュムレータ３６、室外ファン３７を備えている。室内機４１と室外機４２は、液側接続管４３とガス側接続管４４で接続されている。

圧縮機３１の内部には、圧縮機モータ５が設けられており、冷媒を圧縮する圧縮機構（図示せず）を回転駆動する。また、圧縮機モータ５は、後述するインバータ制御手段６に電気的に接続されている。

室外機４２は、四方弁３２、絞り装置３４、室外ファン３７等を制御する制御装置（図示せず）を備えている。なお、後述するインバータ制御手段６は、制御装置内に設けられていてもよい。

このように構成された、冷凍サイクル装置について動作を説明する。まず、通常運転モードである冷房運転と暖房運転について説明する。

冷房運転時には、圧縮機３１によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって四方弁３２を通って室外熱交換器３３に送られる。そして、室外ファン３７によって外気と熱交換を促進して放熱し、高圧の液冷媒となり絞り装置３４に送られる。絞り装置３４では減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、液側接続管４３を通って、室内熱交換器３５に送られる。

室内ファン３８によって吸い込まれた室内空気は室内熱交換器３５を通って冷媒と熱交換し、冷媒は室内空気の熱を吸熱し蒸発気化して低温のガス冷媒となる。このとき冷媒によって吸熱された室内空気は温度湿度が低下して室内ファン３８によって室内に吹き出され室内を冷房する。

ガス冷媒は、ガス側接続管４４を通過して四方弁３２に入り、アキュムレータ３６を経て圧縮機３１に戻る。

一方、暖房運転時には、圧縮機３１によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって四方弁３２を通り、ガス側接続管４４に送られる。室内ファン３８によって吸い込まれた室内空気は室内熱交換器３５を通って冷媒と熱交換し、冷媒は室内空気へ熱を放熱し凝縮して高圧の液冷媒となる。このとき室内空気は冷媒の熱を吸熱し温度が上昇した状態で室内ファン３８によって室内に吹き出され室内を暖房する。その後、冷媒は液側接続管４３を通って絞り装置３４に送られ、絞り装置３４において減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、室外熱交換器３３に送られて、室外ファン３７によって外気と熱交換を促進して蒸
発気化し、四方弁３２を経てアキュムレータ３６を通って圧縮機３１へ戻される。

次に、除霜運転モードについて説明する。上述した暖房運転中に室外熱交換器３３に霜が発生し、その霜が成長すると、室外熱交換器３３の通風抵抗が増加して風量が減少し、室外熱交換器３３内の蒸発温度が低下する。室外熱交換器３３の配管温度を検出する温度センサ（図示せず）が、非着霜時に比べて、蒸発温度が低下したことを検出すると、制御装置（図示せず）から暖房運転から移行する除霜運転指示が出力される。

暖房運転から除霜運転に移行すると、四方弁３２が切り換えられ、上述した冷房運転時の冷媒の流れとなる。なお、除霜運転時には、室外ファン３７、室内ファン３８は停止させる。これにより、圧縮機３１によって圧縮された高温の冷媒は、四方弁３２を介して室外熱交換器３３に送られ、室外熱交換器３３に発生した霜を融かすことができる。

除霜運転により、霜が融け、室外熱交換器３３の温度センサの検知値が上昇すると、制御装置から、再び、暖房運転（通常運転モード）へ復帰する除霜運転解除指示が出力される。

図２は、本発明のインバータ制御装置のシステム構成図である。このインバータ制御装置は、商用電源等の交流電源１より電力を供給され、供給された電力を整流する整流手段２と、整流手段２からの出力電圧を平滑する平滑手段３と、平滑手段３からの平滑電圧を所望の周波数、電圧値の交流電圧に変換する直交変換手段４と、圧縮機モータ５を駆動するための情報を直交変換手段４に伝達するインバータ制御手段６を備える。

インバータ制御手段６は、マイクロコンピュータやシステムＬＳＩ等により構成可能なもので、ベースドライバ１０、ＰＷＭ信号生成部１１、電流指令生成部１２、回転子位置速度推定部１３、相電流変換部１４の各機能ブロックを備えている。

相電流変換部１４では電流検出手段７に流れる直交変換手段４の直流側の母線電流を観察し、その母線電流を圧縮機モータ５の相電流に変換する（相電流変換部１４の具体的な方法については例えば特開２００３−１８９６７０号公報等の文献を参照されたい）。

なお、電流センサ等を用いて圧縮機モータ５の相電流を直接検出しても良いことは言うまでもない。

回転子位置速度推定部１３では、相電流変換部１４により変換された圧縮機モータ５の相電流と、ＰＷＭ信号生成部１１で演算される圧縮機モータ５への印加電圧の情報により、圧縮機モータ５の回転子磁極位置と回転速度を推定する（回転子位置速度推定部１３の具体的な方法については例えば特開２００１−３７２８１号公報等の文献を参照されたい）。

ＰＷＭ信号生成部１１では、電流指令生成部１２により導出される電流指令値と、相電流変換部１４より変換された圧縮機モータ５の相電流と、回転子位置速度推定部１３より推定される圧縮機モータ５の回転子磁極位置の情報により、圧縮機モータ５を駆動するためのＰＷＭ信号を生成する。

前述のように求められたＰＷＭ信号は最終的にベースドライバ１０に出力され、直交変換手段４を構成するスイッチング素子を駆動する。

図３は、第１の実施の形態における電流指令生成部１２の構成図である。この電流指令生成部１２は、速度制御部１２ａと、トルク制御部１２ｂと、回転座標系電流指令演算部
１２ｃと、電流位相調整部１２ｄと、運転モード切替部１２ｅの各機能ブロックを備えている。

運転モード切替部１２ｅでは、外部から与えられる除霜運転指示に応じて、通常運転モードと除霜運転モードの運転モードの切り替えを行う。

本発明のインバータ制御装置では、通常運転モード時は力行モード（圧縮機モータ５の出力トルクがゼロを含む正となる場合）のみで圧縮機モータ５を動作させ、除霜運転モード時は力行モードと回生モード（圧縮機モータ５の出力トルクが負となる場合）を周期的に切り替えて圧縮機モータ５を動作させる。

速度制御部１２ａでは、回転子位置速度推定部１３で推定された圧縮機モータ５の速度推定値と外部から与えられる速度指令値との偏差情報に基づいて圧縮機モータ５の回転速度が速度指令値に一致するように第１の電流指令値Ｉｓ１（圧縮機モータ５の出力トルク平均値に相当する電流値）をＰＩ演算等を用いて導出する。

トルク制御部１２ｂでは、回転子位置速度推定部１３で推定された圧縮機モータ５の速度情報に基づいて、圧縮機モータ５の出力トルクと負荷要素が発生する負荷トルクとを一致させるように第２の電流指令値Ｉｓ２（圧縮機モータ５の出力トルク変動値に相当する電流値）を導出し、第１の電流指令値Ｉｓ１と第２の電流指令値Ｉｓ２との合成値である電流指令値Ｉｓを出力する。

第２の電流指令値Ｉｓ２は、例えば次式のように設定する。

Ｉｓ２＝Ｋ×Ｉｓ１×ＳＩＮ（ω１×ｔ＋δ）・・・（１）
ここで、Ｋはゲイン、ω１は速度推定値、δは位相角である。

したがって、第２の電流指令値Ｉｓ２が式（１）のように設定される場合には、電流指令値Ｉｓは次式で表される。

Ｉｓ＝｛１＋Ｋ×ＳＩＮ（ω１×ｔ＋δ）｝×Ｉｓ１・・・（２）
なお、第２の電流指令値Ｉｓ２の導出には特開２００１−３７２８１号公報等の文献に記載されている方法を用いても良いことは言うまでもない。

また、トルク制御部１２ｂでは、運転モード切替部１２ｅから出力される運転モードが通常運転モード時の場合には、例えば式（２）のゲインＫが１より大となる場合でも電流指令値Ｉｓが負とならないように電流指令値Ｉｓに第１の下限値（ゼロ）を設けることにより、力行モードでのみ圧縮機モータ５を動作させることができる。

通常運転モード時の場合の動作波形例を図７と図８に示す。各動作波形について、（ａ）は電流指令値Ｉｓ、（ｂ）はモータ相電流、（ｃ）は圧縮機モータ５の出力トルクである。

ゲインＫが１の場合には、図７（ａ）のように電流指令値Ｉｓは下限値（ゼロ）から最大値（２×Ｉｓ１）の範囲で正弦波状に変化し、図７（ｂ）のようにモータ相電流が変化することで、図７（ｃ）のように出力トルクはゼロ以上の値で正弦波状に変動する。

ゲインＫが１より大となる場合には、図８（ａ）のように電流指令値Ｉｓは下限値側が制限された波形形状となり、図８（ｂ）のようにモータ相電流が変化することで、図８（ｃ）のように出力トルクはゼロ以上の値で下限値側が制限された波形形状で変動する。

さらに、トルク制御部１２ｂでは、運転モード切替部１２ｅから出力される運転モードが除霜運転モード時の場合には、式（２）のゲインを１より大とした上で、電流指令値Ｉｓに第２の下限値（ゼロより小の所定値）を設けることにより、力行モードと回生モードを周期的に切り替えることができる。ただし、ゲインＫを大きくし過ぎると、過度な負トルクが発生して圧縮機モータ５の駆動を維持することが困難となるため、例えば実機試験結果やシミュレーション解析結果等を踏まえて、圧縮機モータ５の駆動が維持できるようなゲインＫや電流指令値Ｉｓの第２の下限値を予め設定する必要がある。

除霜運転モード時の場合の動作波形例を図９に示す。各動作波形について、（ａ）は電流指令値Ｉｓ、（ｂ）はモータ相電流、（ｃ）は圧縮機モータ５の出力トルクである。

図９の動作波形例では、式（２）のゲインＫを１より大とするが、電流指令値Ｉｓの第２の下限値（ゼロより小の所定値）で下限値側を制限しない場合を示しており、図９（ａ）のように電流指令値Ｉｓは負の値もとりながら平均値Ｉｓ１に対して正弦波状に変化し、図９（ｂ）のようにモータ相電流が変化することで、図９（ｃ）のように出力トルクは負の値もとりながら正弦波状に変動する。

図７〜９については、所定の圧縮機モータ仕様において出力トルクの平均値が同一となるようにゲインＫを変化させたものであり、図７の場合（ゲインＫが１で出力トルクの変動範囲がゼロから平均値の２倍）のモータ相電流実効値を１とすると、図９の場合（ゲインＫが１より大、かつ電流指令値Ｉｓに第２の下限値（ゼロより小の所定値）を設ける場合）にはモータ相電流実効値は約１．３７倍となり、モータの発熱量（銅損等）は約１．８７倍となる。このモータ発熱量の増加により、圧縮機内部の冷媒温度や潤滑油温度を迅速に上昇させることができる。

回転座標系電流指令演算部１２ｃでは、運転モード切替部１２ｅから出力される運転モードの情報と、電流位相調整部１２ｄから出力される電流位相βｍ（例えば実機試験結果やシミュレーション解析結果等を踏まえて、予め電源電圧や回転数等のテーブルデータとして電流位相設定値を設けておく）により、回転座標系の電流指令値を導出する。

まず、運転モード切替部１２ｅから出力される運転モードが通常運転モード時の場合には、力行モードでのみ圧縮機モータ５を動作させるため、次式のように回転座標系の電流指令値（Ｉｄｓ、Ｉｑｓ）を導出する。

Ｉｄｓ＝−｜Ｉｓ｜×ＳＩＮ（βｍ）・・・（３）
Ｉｑｓ＝＋｜Ｉｓ｜×ＣＯＳ（βｍ）・・・（４）
ここで、｜Ｉｓ｜は電流指令値Ｉｓの絶対値である。

また、運転モード切替部１２ｅから出力される運転モードが除霜運転モード時の場合には、力行モードと回生モードを周期的に切り替えて圧縮機モータ５を動作させるため、力行モードと回生モードで回転座標系の電流指令値（Ｉｄｓ、Ｉｑｓ）の導出を切り替える。

電流指令値Ｉｓがゼロ以上となる力行モードでは、通常運転モード時と同様に式（３）および式（４）より回転座標系の電流指令値（Ｉｄｓ、Ｉｑｓ）を導出し、電流指令値Ｉｓが負となる回生モードでは、次式のように回転座標系の電流指令値（Ｉｄｓ、Ｉｑｓ）を導出する。

Ｉｄｓ＝−｜Ｉｓ｜×ＳＩＮ（π−βｍ）＝−｜Ｉｓ｜×ＳＩＮ（βｍ）
・・・（５）
Ｉｑｓ＝＋｜Ｉｓ｜×ＣＯＳ（π−βｍ）＝−｜Ｉｓ｜×ＣＯＳ（βｍ）
・・・（６）
したがって、除霜運転モード時の場合には、電流指令値Ｉｓの符号に応じて、力行モードでは式（３）および式（４）より、回生モードでは式（５）および式（６）より回転座標系の電流指令値（Ｉｄｓ、Ｉｑｓ）を導出する。

ＰＷＭ信号生成部１１では、前述のように求められた回転座標系の電流指令値（Ｉｄｓ、Ｉｑｓ）と、圧縮機モータ５の電流検出値（Ｉｄ、Ｉｑ）（相電流変換部１４より変換された圧縮機モータ５の相電流を３相／２相変換することで算出）とが一致するようにＰＩ演算等を用いて回転座標系の電圧指令値（Ｖｄｓ、Ｖｑｓ）が導出される。その回転座標系の電圧指令値（Ｖｄｓ、Ｖｑｓ）を２相／３相変換することで相電圧指令値（Ｖｕｓ、Ｖｖｓ、Ｖｗｓ）が導出され、この相電圧指令値（Ｖｕｓ、Ｖｖｓ、Ｖｗｓ）より圧縮機モータ５を駆動するためのＰＷＭ信号が生成される。

このように、圧縮機モータの出力トルクが負となる回生モードを設けることで出力トルクの変動範囲を拡大し、モータに過多な電流を負荷してモータの発熱量を増加させ、圧縮機内部の冷媒温度や潤滑油温度を迅速に上昇させることができる。特に空気調和機等の除霜時において、冷媒温度を上昇させることで除霜時間を短縮することができ、迅速に暖房運転に切り替えることができる。
（実施の形態２）
以下、本発明の第２の実施の形態におけるインバータ制御装置について説明する。主要なシステム構成については、第１の実施の形態におけるインバータ制御装置と同一であり、説明が重複するため省略し、ここでは構成の異なる電流指令生成部１２に関して、動作が異なる内容についてのみ説明する。

図４は、第２の実施の形態における電流指令生成部１２の構成図である。この電流指令生成部１２は、速度制御部１２ａと、トルク制御部１２ｂと、回転座標系電流指令演算部１２ｃと、電流位相調整部１２ｄと、運転モード切替部１２ｅの各機能ブロックを備えている。

回転座標系電流指令演算部１２ｃ、電流位相調整部１２ｄ以外の各機能ブロックに関しては、第１の実施の形態におけるインバータ制御装置と同一であり、説明が重複するため省略する。

電流位相調整部１２ｄでは、運転モード切替部１２ｅから出力される運転モードの情報により、通常運転モード時と除霜運転モード時とで電流位相を切り替える。

図６はモータ電流値が一定条件下での電流位相に対するモータトルク特性の一例を示したもので、埋め込み磁石界磁型同期モータ（ＩＰＭＳＭ）等、リラクタンストルクを活用するモータでは、マグネットトルクとリラクタンストルクとの合成値がモータの出力トルクとなり、電流位相βｍ１は最大トルクとなる位相、電流位相βｍ３は最小トルク（負トルク）となる位相である。

電流位相調整部１２ｄでは、運転モード切替部１２ｅから出力される運転モードが通常運転モード時の場合には、力行モード（出力トルクがゼロ以上）のみであり、電流位相βｍ（例えば実機試験結果等を踏まえて、予め電源電圧や回転数等のテーブルデータとして電流位相設定値を設けておき、消費電力低減の観点から圧縮機モータ５の動作可能な範囲で電流位相βｍ１（最大トルクとなる位相）を設定するのが好ましい）を出力する。

また、電流位相調整部１２ｄでは、運転モード切替部１２ｅから出力される運転モードが除霜運転モード時の場合には、力行モードと回生モード（出力トルクが負）を周期的に切り替えつつ、モータの発熱効果を最大限高めるため、力行モードでは電流位相βｍ１（最大トルクとなる位相）から出力トルクが正の範囲内で進み方向に位相を調整（電流位相βｍ１から９０ｄｅｇ未満の範囲内で、例えば電流位相βｍ２を設定）することで弱め界磁制御の効果を高め、回生モードでは電流位相βｍ３（最小トルクとなる位相）を設定することで最大限の負トルクを発生させ、力行モードと回生モードの両方のモードで、第１の実施の形態のインバータ制御装置に対してよりモータに過多な電流を負荷することができる。

したがって、電流位相調整部１２ｄでは、通常運転モード時の場合は電流位相βｍの１つの電流位相設定値が、除霜運転モード時の場合は電流位相βｍ２（力行モード）とβｍ３（回生モード）の２つの電流設定値が出力される。

回転座標系電流指令演算部１２ｃでは、運転モード切替部１２ｅから出力される運転モードの情報と、電流位相調整部１２ｄから出力される電流位相（通常運転モード時の場合は電流位相βｍ、除霜運転モード時の場合は電流位相βｍ２とβｍ３）により、回転座標系の電流指令値（Ｉｄｓ、Ｉｑｓ）を導出する。

Ｉｄｓ＝−｜Ｉｓ｜×ＳＩＮ（βｍ）・・・（７）
Ｉｑｓ＝＋｜Ｉｓ｜×ＣＯＳ（βｍ）・・・（８）
ここで、｜Ｉｓ｜は電流指令値Ｉｓの絶対値である。

電流指令値Ｉｓがゼロ以上となる力行モードでは、電流位相βｍ２（力行モード）により、次式のように回転座標系の電流指令値（Ｉｄｓ、Ｉｑｓ）を導出する。

Ｉｄｓ＝−｜Ｉｓ｜×ＳＩＮ（βｍ２）・・・（９）
Ｉｑｓ＝＋｜Ｉｓ｜×ＣＯＳ（βｍ２）・・・（１０）
また、電流指令値Ｉｓが負となる回生モードでは、電流位相βｍ３（回生モード）により、次式のように回転座標系の電流指令値（Ｉｄｓ、Ｉｑｓ）を導出する。

Ｉｄｓ＝−｜Ｉｓ｜×ＳＩＮ（π−βｍ３）＝−｜Ｉｓ｜×ＳＩＮ（βｍ３）
・・・（１１）
Ｉｑｓ＝＋｜Ｉｓ｜×ＣＯＳ（π−βｍ３）＝−｜Ｉｓ｜×ＣＯＳ（βｍ３）
・・・（１２）
したがって、除霜運転モード時の場合には、電流指令値Ｉｓの符号に応じて、力行モードでは式（９）および式（１０）より、回生モードでは式（１１）および式（１２）より回転座標系の電流指令値（Ｉｄｓ、Ｉｑｓ）を導出する。

除霜運転モード時の場合の動作波形例を図１０に示す。各動作波形について、（ａ）は電流指令値Ｉｓ、（ｂ）はモータ相電流、（ｃ）は圧縮機モータ５の出力トルクである。

図１０の動作波形例では、式（２）のゲインＫを１より大とするが、電流指令値Ｉｓの第２の下限値（ゼロより小の所定値）で下限値側を制限しない場合を示しており、図１０（ａ）のように電流指令値Ｉｓは負の値もとりながら平均値Ｉｓ１に対して正弦波状に変化し、図１０（ｂ）のようにモータ相電流が変化することで、図１０（ｃ）のように出力トルクは負の値もとりながら正弦波状に変動する。ただし、図１０では力行モードでは電流位相βｍ２を回生モードでは電流位相βｍ３を切り替えて設定する。

図９（第１の実施の形態におけるインバータ制御装置の動作波形例）および図１０については、所定の圧縮機モータ仕様において出力トルクの平均値が同一となるようにゲインＫおよび電流位相を変化させたものであり、図９の場合（力行モードと回生モードとで共通の電流位相βｍを設定）のモータ相電流実効値を１とすると、図１０の場合（力行モードでは電流位相βｍ２を回生モードでは電流位相βｍ３を切り替えて設定）にはモータ相電流実効値は約１．３７倍となり、モータの発熱量（銅損等）は約１．８７倍となる。このモータ発熱量の増加により、圧縮機内部の冷媒温度や潤滑油温度を一層迅速に上昇させることができる。

このように、圧縮機モータの出力トルクが負となる回生モードを設けることで出力トルクの変動範囲を拡大し、力行モード時には圧縮機モータの電流位相を最適ポイントからずらす運転をしつつ、回生モード時には最大限の負トルクを発生させることで、モータ発熱効果を最大限高めて圧縮機内部の冷媒温度や潤滑油温度を一層迅速に上昇させることができる。特に、空気調和機等の除霜時において、冷媒温度を上昇させることで除霜時間を短縮することができ、一層迅速に暖房運転に切り替えることができる。
（実施の形態３）
以下、本発明の第３の実施の形態におけるインバータ制御装置について説明する。主要なシステム構成については、第１の実施の形態におけるインバータ制御装置と同一であり、説明が重複するため省略し、ここでは構成の異なる電流指令生成部１２に関して、動作が異なる内容についてのみ説明する。

図５は、第３の実施の形態における電流指令生成部１２の構成図である。この電流指令生成部１２は、速度制御部１２ａと、トルク制御部１２ｂと、回転座標系電流指令演算部１２ｃと、電流位相調整部１２ｄと、運転モード切替部１２ｅ、力行回生比演算部１２ｆの各機能ブロックを備えている。

トルク制御部１２ｂ、力行回生比演算部１２ｆ以外の各機能ブロックに関しては、第２の実施の形態におけるインバータ制御装置と同一であり、説明が重複するため省略する。

また、トルク制御部１２ｂの基本的な動作については、第１の実施の形態におけるインバータ制御装置と同様であり、ここでは動作が異なる内容についてのみ説明する。

トルク制御部１２ｂでは、運転モード切替部１２ｅから出力される運転モードが除霜運転モード時の場合には、式（２）のゲインを１より大とした上で、電流指令値Ｉｓに第２
の下限値（ゼロより小の所定値）を設けることにより、力行モードと回生モードを周期的に切り替えることができるが、ゲインＫを大きくし過ぎると、過度な負トルクが発生して圧縮機モータ５の駆動を維持することが困難となるため、第３の実施の形態におけるインバータ制御装置では、後述する力行回生比演算部１２ｆから出力される力行回生比が予め設定された所定値以下となるようにゲインＫを調整する機能を備えている。

除霜運転モード時における電流指令生成部１２の動作概要としては、第１の処理タイミング（所定時間Ｔａ毎）において、トルク制御部１２ｂでは予め設定された初期ゲインＫ１（＞１）に基づいて力行モードと回生モードを周期的に切り替えるための電流指令値Ｉｓを導出し、力行回生比演算部１２ｆでは電流指令値Ｉｓに基づいて力行回生比を導出する。

次に第２の処理タイミングにおいて、トルク制御部１２ｂでは第１の処理タイミングで導出された力行回生比が予め設定された所定値（例えば実機試験結果やシミュレーション解析結果等を踏まえて決定し、好ましくは３分の１）以下か否かを判定し、力行回生比が予め設定された所定値を超える場合には、ゲインＫを初期ゲインＫ１から変化量ΔＫだけ小さくしたゲインＫ２（＝Ｋ１−ΔＫ）とすることで回生モードにおける負トルクが減少する方向に作用させる。逆に、力行回生比が予め設定された所定値以下の場合には、ゲインＫは初期ゲインＫ１から変化量ΔＫだけ大きくしたゲインＫ２（＝Ｋ１＋ΔＫ）とすることで回生モードにおける負トルクが増大する方向に作用させる。このゲインＫ２に基づいて電流指令値Ｉｓを導出し、力行回生比演算部１２ｆで力行回生比を導出する。

以降の処理タイミングでは、第２の処理タイミングと同様の動作を行うことで、回生モードによる過度な負トルクを抑制することで圧縮機モータの駆動を維持することができる
力行回生比演算部１２ｆでは、運転モード切替部１２ｅから出力される運転モードの情報とトルク制御部１２ｂから出力される電流指令値Ｉｓにより、力行モードでの圧縮機モータ５の駆動制御量に対する回生モードでの圧縮機モータ５の駆動制御量の比率（以下、力行回生比と呼称）を導出する。ここでは間接的に出力トルクの情報を得るため、駆動制御量は電流指令値Ｉｓの累積値の絶対値とする。

まず、運転モード切替部１２ｅから出力される運転モードが除霜運転モード時の場合には、力行モードと回生モードを周期的に切り替えて圧縮機モータ５を動作させるため、所定時間Ｔａ（例えば圧縮機モータ５の回転周期の整数倍で設定）における力行モード（電流指令値Ｉｓがゼロ以上）の電流指令値Ｉｓの累積値（ΣＩｓｍ）と、回生モード（電流指令値ｉｓが負）の電流指令値Ｉｓの累積値（ΣＩｓｇ）を導出する。

図１１に力行回生比演算部１２ｆの動作説明図を示す。図１１（ａ）は電流指令値Ｉｓ、図１１（ｂ）は電流指令値Ｉｓの累積値であり、所定時間Ｔａ（この例では圧縮機モータ５の回転周期の３周期分）において電流指令値Ｉｓがゼロ以上となる場合にＩｓを逐次累積した値がΣＩｓｍであり、電流指令値Ｉｓが負となる場合にＩｓを逐次累積した値がΣＩｓｇである。

このように導出した力行モードのＩｓ累積値（ΣＩｓｍ）と回生モードのＩｓ累積値（ΣＩｓｇ）より、次式のように力行回生比を導出する。

力行回生比＝｜ΣＩｓｇ／ΣＩｓｍ｜・・・（１３）
また、運転モード切替部１２ｅから出力される運転モードが通常運転の場合には、力行モードのみで圧縮機モータ５を動作させるため、力行回生比はゼロとする（マイクロコンピュータやシステムＬＳＩ等の演算装置における処理の負担を軽減させるため、Ｉｓ累積値や力行回生比の導出処理は割愛する）。

このように、圧縮機モータの出力トルクが負となる回生モードを設けることで出力トルクの変動範囲を拡大し、力行モード時には圧縮機モータの電流位相を最適ポイントからずらす運転をしつつ、回生モード時には最大限の負トルクを発生させることで、モータ発熱効果を最大限高めて圧縮機内部の冷媒温度や潤滑油温度を一層迅速に上昇させることができる。特に、空気調和機等の除霜時において、冷媒温度を上昇させることで除霜時間を短縮することができ、一層迅速に暖房運転に切り替えることができる。

さらに、所定時間における力行回生比（力行モードのＩｓ累積値に対する回生モードのＩｓ累積値の比率の絶対値）が３分の１以下となるようにトルク制御部１２ｂでゲインＫを調整する機能を備えることで、回生モードによる過度な負トルクを抑制し圧縮機モータの駆動を維持することができる。

以上のように、本発明にかかるインバータ制御装置は、モータ発熱効果を最大限高めて圧縮機内部の冷媒温度や潤滑油温度を迅速に上昇させることが可能となるため、空気調和機、冷蔵庫、冷凍機、ヒートポンプ給湯機等の圧縮機モータを駆動する用途に適用できる。

１交流電源
２整流手段
３平滑手段
３ａリアクタ
３ｂコンデンサ
４直交変換手段
５圧縮機モータ
６インバータ制御手段
７電流検出手段
１０ベースドライバ
１１ＰＷＭ信号生成部
１２電流指令生成部
１２ａ速度制御部
１２ｂトルク制御部
１２ｃ回転座標系電流指令演算部
１２ｄ電流位相調整部
１２ｅ運転モード切替部
１２ｆ力行回生比演算部
３１圧縮機
３２四方弁
３３室外熱交換器
３４絞り装置
３５室内熱交換器
３６アキュムレータ
３７室外ファン
３８室内ファン
４１室内機
４２室外機
４３液側接続管
４４ガス側接続管

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機を駆動するモータと、直流電力を交流電力に変換し、前記モータへ電力を供給するインバータと、前記モータを駆動する電流値を検出する電流検出手段を含み、前記モータの出力トルクが所要のトルクとなるように前記モータを駆動する電流値を制御するインバータ制御装置において、
除霜運転モード時に、前記モータの出力トルクがゼロを含む正となる力行モードと、出力トルクが負となる回生モードを周期的に切り替えることを特徴とするインバータ制御装置。
前記モータの電流位相を調整する電流位相調整手段をさらに備え、
除霜運転モード時に、前記電流位相調整手段は、力行モード時は前記モータの電流位相を出力トルクが最大となる位相から出力トルクが正の範囲内で進み方向に位相を調整し、回生モード時は前記モータの電流位相を出力トルクが最小となる位相に調整することを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。
所定時間における力行モード時の出力トルクの累積値に対する回生モード時の出力トルクの累積値の比率の絶対値が３分の１以下となるように回生モードを設けることを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ制御装置。