JP2016005348A - Motor inverter device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、単相交流電源を入力として全波整流した出力をスイッチングすることにより得られる可変電圧・可変周波数の交流出力にてモータを駆動するモータインバータ装置に関する。 The present invention relates to a motor inverter device that drives a motor with a variable voltage / variable frequency AC output obtained by switching a full-wave rectified output using a single-phase AC power supply as an input.
従来のモータインバータ装置は、交流電源を整流し、整流後の直流電力を平滑コンデンサで平滑してインバータにより電動機に電力を供給するものである。この平滑コンデンサは、大型化や、コストアップの要因となっていた。そこで、平滑コンデンサを小容量化、または、設けない構成としたモータインバータ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。 A conventional motor inverter device rectifies an AC power supply, smoothes DC power after rectification with a smoothing capacitor, and supplies power to an electric motor by an inverter. This smoothing capacitor has been a cause of increase in size and cost. Thus, a motor inverter device has been proposed in which the smoothing capacitor has a reduced capacity or is not provided (see, for example, Patent Document 1).
図７は、特許文献１に記載された従来のモータインバータ装置の概略図である。 FIG. 7 is a schematic diagram of a conventional motor inverter device described in Patent Document 1. In FIG.
図７に示すように、従来のモータインバータ装置は、単相交流電源１１からの交流電圧を直流電圧に整流する整流手段１２と、整流手段１２が出力した直流電圧を交流電圧に変換して電動機１４に印加する電力変換手段１５と、電動機１４に流れる相電流を検出する相電流検出器１６と、電力変換手段１５が電動機１４に印加する電圧を制御する制御手段１７を備えている。 As shown in FIG. 7, a conventional motor inverter device includes a rectifier 12 that rectifies an AC voltage from a single-phase AC power supply 11 into a DC voltage, and converts a DC voltage output from the rectifier 12 into an AC voltage. 14 includes a power conversion unit 15 to be applied to 14, a phase current detector 16 for detecting a phase current flowing through the motor 14, and a control unit 17 for controlling a voltage applied to the motor 14 by the power conversion unit 15.
制御手段１７は、電動機１４の磁束の指令値を受け取り、電流の指令値を算出する電流指令生成手段１９と、電動機１４に流す電流の指令値を受け取り、当該電流の指令値に基づいて、電動機１４に流れる電流の波形が、交流電源１１からの交流電圧の波形と相似形状になるように、電動機１４に印加する電圧の指令値を出力する電流制御手段１８と、電動機１４に印加する電圧のスカラー値が、整流手段１２が出力する直流電圧により規定される最大出力電圧以下となるように制限する出力電圧制限手段２０とを備えている。 The control means 17 receives the command value of the magnetic flux of the motor 14, receives the command value of the current command generating means 19 for calculating the command value of the current, and the command value of the current flowing through the motor 14, and based on the command value of the current, the motor The current control means 18 for outputting a command value of the voltage applied to the motor 14 and the voltage applied to the motor 14 so that the waveform of the current flowing through the motor 14 is similar to the waveform of the AC voltage from the AC power supply 11. Output voltage limiting means 20 for limiting the scalar value to be equal to or lower than the maximum output voltage defined by the DC voltage output from the rectifying means 12.
そして、電流指令生成手段１９は、電動機１４の相抵抗と、電動機１４の相電流に基づいて、相抵抗による電圧降下分を算出し、電動機１４に印加する電圧と、電圧降下分との差分に基づき、電動機１４の総磁束量を算出し、総磁束量を一定に保つように、電流の指令値を算出し、電流の指令値を算出する際には、電流の指令値の振幅を所定の割合で減少させるとともに、所定の値でオフセットさせ、単相交流電源１１のピーク点に相当する位相において、オフセットさせる前と同じ指令値となるように、電流の指令値を演算補正する。 Then, the current command generator 19 calculates a voltage drop due to the phase resistance based on the phase resistance of the motor 14 and the phase current of the motor 14, and calculates the difference between the voltage applied to the motor 14 and the voltage drop. Based on this, the total magnetic flux amount of the electric motor 14 is calculated, the current command value is calculated so as to keep the total magnetic flux amount constant, and when calculating the current command value, the amplitude of the current command value is set to a predetermined value. The current command value is calculated and corrected so that the current command value is the same as that before the offset in the phase corresponding to the peak point of the single-phase AC power supply 11 while being decreased by a ratio and offset by a predetermined value.
このように等価的にインバータ主回路（電力変換手段１５）に流れ込む電流（つまり入力電流）と一致する電動機１４に流れる電流の波形を単相交流電源１１の電圧の波形と相似形になるように制御することで入力電流の高調波成分を低減する。 In this way, the waveform of the current flowing through the electric motor 14 that is equivalent to the current flowing into the inverter main circuit (power conversion means 15) (that is, the input current) is similar to the waveform of the voltage of the single-phase AC power supply 11. By controlling, the harmonic component of the input current is reduced.
前記従来のモータインバータ装置では、電動機１４に流れる電流波形を単相交流電源１１の電圧波形と相似形になるように制御することで、入力電流波形の高調波成分を低減さ
せている。
In the conventional motor inverter device, the harmonic component of the input current waveform is reduced by controlling the waveform of the current flowing through the motor 14 to be similar to the voltage waveform of the single-phase AC power supply 11.
しかしながら、トルクリプルが大きくなる電動機１４を用いた場合、電動機１４の回転数に依存する電流歪み成分がインバータ主回路（電力変換手段１５）に流れ込む電流に重畳することになる。 However, when the electric motor 14 having a large torque ripple is used, a current distortion component depending on the rotation speed of the electric motor 14 is superimposed on the current flowing into the inverter main circuit (power conversion means 15).
ここで、単相交流電源１１を整流手段１２で整流した直流電圧が、単相交流電源１１の２倍の周波数で大きく脈動する電源電圧リップルが発生する程度に、インバータ主回路（電力変換手段１５）の入力側に並列接続されるコンデンサの容量を小容量化した場合、入力電流にもトルクリプルに起因する高周波電流歪み成分が含まれることになる。 Here, the inverter main circuit (power conversion means 15) is such that the DC voltage obtained by rectifying the single-phase AC power supply 11 with the rectifying means 12 generates a power supply voltage ripple that pulsates at a frequency twice that of the single-phase AC power supply 11. When the capacitance of the capacitor connected in parallel on the input side is reduced, the input current also includes a high-frequency current distortion component due to torque ripple.
この高周波電流歪み成分を抑制して単相交流電源１１の電圧波形と相似形になるように入力電流波形（インバータ主回路（電力変換手段１５）に流れ込む電流波形つまり電動機１４に流れる電流波形）を制御するためには、歪み成分の周波数の周期に対し、十分短い周期での電流検出および制御演算が必要となる。そのため高性能のマイクロコンピュータのような制御演算手段が必要となりコストアップに繋がるという課題があった。 An input current waveform (a current waveform that flows into the inverter main circuit (power conversion means 15), that is, a current waveform that flows into the motor 14) is generated so as to be similar to the voltage waveform of the single-phase AC power supply 11 while suppressing the high-frequency current distortion component. In order to control, it is necessary to perform current detection and control calculation in a sufficiently short period with respect to the frequency period of the distortion component. Therefore, there is a problem that a control calculation means such as a high-performance microcomputer is required, leading to an increase in cost.
また、短い周期で行われた制御演算結果を十分電流波形に伝達反映させるためには、インバータ主回路（電力変換手段１５）を制御駆動させるＰＷＭ周波数の高周波化も合わせて必要となるため、インバータ主回路（電力変換手段１５）におけるスイッチング損失が増大し、システム効率の低下を招くという課題があった。 Further, in order to sufficiently reflect and reflect the control calculation result performed in a short cycle in the current waveform, it is necessary to increase the PWM frequency for controlling and driving the inverter main circuit (power conversion means 15). There is a problem in that switching loss in the main circuit (power conversion means 15) increases, leading to a decrease in system efficiency.
更に、電動機１４を構成するロータとステータ間のギャップを不等幅に調整することなどでトルクリプルの発生自体を低減することができるが、この場合、モータ効率が低減するという課題があった。 Furthermore, the torque ripple generation itself can be reduced by adjusting the gap between the rotor and the stator constituting the electric motor 14 so as to have an unequal width. However, in this case, there is a problem that the motor efficiency is reduced.
本発明は電動機１４の動作領域（最大回転数と最大電流）に合わせたトルクリプルの少ない電動機１４を用いることで入力電流に含まれる電動機１４の回転数に依存した高周波歪み成分を抑制するモータインバータ装置を提供することを目的とする。 The present invention is a motor inverter device that suppresses a high-frequency distortion component that depends on the rotation speed of the motor 14 included in the input current by using the motor 14 with less torque ripple that matches the operating region (maximum rotation speed and maximum current) of the motor 14. The purpose is to provide.
上記従来の課題を解決するために、本発明のモータインバータ装置は、単相交流電源を入力とする全波整流回路と、前記全波整流回路の出力直流電力を交流電力に変換するインバータと、共振周波数が前記単相交流電源周波数の４０倍以上に設定され前記インバータと単相交流電源のライン上に配置されたリアクタと前記インバータの入力側に並列接続されたコンデンサで構成される平滑部と、前記インバータにより駆動されるモータを備え、前記モータは、誘起電圧波形の歪率がモータの動作領域に応じた所定の値以下になるようにしたものである。 In order to solve the above-described conventional problems, a motor inverter device of the present invention includes a full-wave rectifier circuit that receives a single-phase AC power supply, an inverter that converts the output DC power of the full-wave rectifier circuit into AC power, A smoothing unit including a reactor having a resonance frequency set to be 40 times or more of the single-phase AC power supply frequency and a reactor disposed on a line of the inverter and the single-phase AC power supply, and a capacitor connected in parallel to the input side of the inverter; The motor is driven by the inverter, and the motor is such that the distortion rate of the induced voltage waveform is not more than a predetermined value corresponding to the operating region of the motor.
これによりモータの動作範囲内において、モータのトルクリプルに起因して入力電流に発生する高周波歪み成分を抑制したモータインバータ装置を提供することができる。 Accordingly, it is possible to provide a motor inverter device in which a high-frequency distortion component generated in the input current due to the torque ripple of the motor is suppressed within the motor operating range.
本発明のモータインバータ装置は、モータの動作範囲内において、モータのトルクリプルに起因して入力電流に発生する高周波歪み成分を抑制することができる。 The motor inverter device of the present invention can suppress high-frequency distortion components generated in the input current due to the torque ripple of the motor within the motor operating range.
第１の発明は、単相交流電源を入力とする全波整流回路と、前記全波整流回路の出力直流電力を交流電力に変換するインバータと、共振周波数が前記単相交流電源周波数の４０倍以上に設定され前記インバータと単相交流電源のライン上に配置されたリアクタと前記インバータの入力側に並列接続されたコンデンサで構成される平滑部と、前記インバータにより駆動されるモータを備え、前記モータは、誘起電圧波形の歪率が、当該モータの駆動最大回転数とモータ最大実効電流値により算出される所定の値以下であることとすることでモータのトルクリプルに起因して入力電流に発生する電流歪み成分を抑制することができる。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a full-wave rectifier circuit that receives a single-phase AC power supply, an inverter that converts the output DC power of the full-wave rectifier circuit into AC power, and a resonance frequency that is 40 times the single-phase AC power supply frequency. A smoothing unit composed of the reactor set on the line of the inverter and the single-phase AC power source set as described above and a capacitor connected in parallel on the input side of the inverter, and a motor driven by the inverter, The motor generates an input current due to the torque ripple of the motor by assuming that the distortion rate of the induced voltage waveform is not more than a predetermined value calculated by the maximum driving speed of the motor and the maximum motor effective current value. Current distortion component can be suppressed.
第２の発明は、第１の発明において、前記モータは、誘起電圧波形の基本波に対する５次成分（あるいは７次成分）の比率が、下記式（１）を満たすモータを用いることで、モータのトルクリプルに起因して入力電流に発生する電流歪み成分をＩＥＣ（国際電気標準会議）の電源高調波規制で定められた規制値以内に抑制することができる。
誘起電圧波形の基本波成分：Ｖｂａｓｅ
誘起電圧波形の５次成分あるいは７次成分：Ｖ５７
モータ最大実効電流値：Ｉｍａｘ
ＩＥＣで定められる電源高調波規制値（次数）：Ｉ（次数）
第３の発明は、第２の発明において、前記モータの駆動最大回転数が、下記式（２）を満たす場合に、上記式（１）式を満たすモータを適用することで、誘起電圧波形の５次成分あるいは７次成分を過剰に抑制することなく、モータ駆動回転数全領域においてモータのトルクリプルに起因して入力電流に発生する電流歪み成分をＩＥＣ（国際電気標準会議）の電源高調波規制で定められた規制値以内に抑制することができる。
5th order component or 7th order component of the induced voltage waveform: V57
Motor maximum effective current value: Imax
Power harmonic regulation value (order) defined by IEC: I (order)
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, when the maximum driving speed of the motor satisfies the following formula (2), a motor satisfying the above formula (1) is applied, and the induced voltage waveform IEC (International Electrotechnical Commission) power supply harmonic regulation for current distortion components that occur in input current due to motor torque ripple in the entire range of motor drive speeds without excessively suppressing fifth-order or seventh-order components It can be suppressed within the regulation value defined in.
モータ駆動最大回転数：ｆｍａｘ
単相交流電源周波数：ｆｇｅ
モータ極数：Ｐ
第４の発明は、第１の発明において、前記モータは、誘起電圧波形の基本波に対する５
次成分（あるいは７次成分）の比率が、下記式（３）から（５）を満たすモータを用いることで、モータ駆動回転数領域に応じた必要最小限の歪み成分（誘起電圧波形の基本波に対する５次成分あるいは７次成分）抑制で、モータ駆動回転数全領域においてモータのトルクリプルに起因して入力電流に発生する電流歪み成分をＩＥＣ（国際電気標準会議）の電源高調波規制で定められた規制値以内に抑制することができる。
Single-phase AC power supply frequency: fge
Number of motor poles: P
In a fourth aspect based on the first aspect, the motor is provided with 5 for the fundamental wave of the induced voltage waveform.
By using a motor in which the ratio of the next component (or the seventh component) satisfies the following formulas (3) to (5), the minimum necessary distortion component (fundamental waveform of the induced voltage waveform) corresponding to the motor drive rotation speed region is used. The IEC (International Electrotechnical Commission) power supply harmonic regulation defines the current distortion component that occurs in the input current due to motor torque ripple in the entire motor drive speed range. Can be controlled within the limits.
四捨五入した整数値：Ｚａ
Ｚａが偶数の場合
When Za is an even number
Ｚａが奇数の場合
第５の発明は、第４の発明において、前記モータの駆動最大回転数が、下記式（６）を満たす場合に、上記式（３）から（５）を満たすモータを用いることで、誘起電圧波形の５次成分あるいは７次成分の抑制を必要最小限にしつつ、モータ駆動回転数全領域においてモータのトルクリプルに起因して入力電流に発生する電流歪み成分をＩＥＣ（国際電気標準会議）の電源高調波規制で定められた規制値以内に抑制することができる。
第６の発明は、第１〜５のいずれか１つの発明において、前記モータは空気調和機に具
備される圧縮機駆動用モータとすることで、空気調和機の能力や圧縮機のシリンダー容積、モータの減磁特性やインバータにおけるパワーデバイスの最大電流定格仕様等によりモータ駆動回転数領域や最大電流が大きく異なるそれぞれの機種に応じて、誘起電圧波形の５次成分あるいは７次成分の抑制を必要最小限にしつつ、モータ駆動回転数全領域においてモータのトルクリプルに起因して入力電流に発生する電流歪み成分をＩＥＣ（国際電気標準会議）の電源高調波規制で定められた規制値以内に抑制することができる。
A sixth invention is the invention according to any one of the first to fifth inventions, wherein the motor is a compressor driving motor provided in the air conditioner, so that the capacity of the air conditioner, the cylinder volume of the compressor, It is necessary to suppress the 5th or 7th component of the induced voltage waveform according to each model in which the motor drive speed range and the maximum current differ greatly depending on the demagnetization characteristics of the motor and the maximum current rating specification of the power device in the inverter. While minimizing, the current distortion component generated in the input current due to the motor torque ripple in the entire range of motor drive speed is controlled within the regulation value defined by the IEC (International Electrotechnical Commission) power supply harmonic regulation. be able to.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
（実施の形態）
図１は本発明における実施の形態におけるモータインバータ装置の概略図である。図１に示すように、モータインバータ装置は、単相交流電源１を入力とするダイオードブリッジなどで構成される全波整流回路２と、全波整流回路２の出力直流電圧を交流電力に変換する複数の半導体スイッチ素子で構成されるインバータ３と、共振周波数が単相交流電源周波数の４０倍以上に設定されインバータ３と単相交流電源１のライン上に配置されたリアクタとインバータの入力側に並列接続されたコンデンサで構成される平滑部４と、インバータ３により駆動されるモータ５と、モータ５を駆動させるために、インバータ３へＰＷＭ信号を供給マイクロコンピュータ等で構成される制御部６を具備している。モータ５は、誘起電圧波形の歪率がモータ５の動作領域に応じた所定の値以下であることとする。
(Embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram of a motor inverter device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the motor inverter device converts a full-wave rectifier circuit 2 composed of a diode bridge or the like that receives a single-phase AC power supply 1 and an output DC voltage of the full-wave rectifier circuit 2 into AC power. Inverter 3 composed of a plurality of semiconductor switching elements, a reactor arranged on the line of inverter 3 and single-phase AC power supply 1 with a resonance frequency set to 40 times or more of the single-phase AC power supply frequency, and the input side of the inverter A smoothing unit 4 composed of capacitors connected in parallel, a motor 5 driven by the inverter 3, and a control unit 6 composed of a microcomputer or the like that supplies a PWM signal to the inverter 3 to drive the motor 5. It has. The motor 5 is assumed to have a distortion rate of the induced voltage waveform equal to or less than a predetermined value corresponding to the operation region of the motor 5.
以上のように構成されたモータインバータ装置において、以下にその動作、作用を説明する。 The operation and action of the motor inverter device configured as described above will be described below.
まず、単相交流電源１に周波数５０Ｈｚの電源を用いた場合、平滑部４を構成するリアクタの容量Ｌ１とコンデンサの容量Ｃ１は、電源高調波電流特性の高性能化を図るため共振周波数ｆｃ＝１／（２π×√（Ｌ１×Ｃ１））が単相交流電源周波数の４０倍以上、すなわち２０００Ｈｚ以上になるように設定する。このため例えば、リアクタンス値Ｌ１＝０．５ｍＨ、キャパシタンス値Ｃ１＝１０μＦのリアクタとコンデンサを用いることで共振周波数ｆｃ（≒２２５０Ｈｚ）＞（４０×５０Ｈｚ（単相交流電源周波数））（＝２０００Ｈｚ）とする。平滑部４を構成するリアクタとコンデンサがこのような値に設定された場合、インバータ３により誘起電圧波形が図２（ａ）に示すような理想的な正弦波波形で歪率の低い（トルクリプルの少ない）永久磁石モータを駆動させると、図１に示す回路構成図におけるインバータ印加電圧Ｖｄｃの波形、入力電流Ｉａｃの波形、インバータ入力電流Ｉｉｎｖ（全波整流回路２の出力直流電流Ｉｄｃ）の波形は、それぞれ図３に示すような関係になる。 First, when a power supply having a frequency of 50 Hz is used for the single-phase AC power supply 1, the reactor capacitance L1 and the capacitor capacitance C1 constituting the smoothing unit 4 are set to have a resonance frequency fc = 1 / (2π × √ (L1 × C1)) is set to be 40 times or more of the single-phase AC power supply frequency, that is, 2000 Hz or more. Therefore, for example, by using a reactor and a capacitor having a reactance value L1 = 0.5 mH and a capacitance value C1 = 10 μF, the resonance frequency fc (≈2250 Hz)> (40 × 50 Hz (single-phase AC power supply frequency)) (= 2000 Hz) To do. When the reactor and the capacitor constituting the smoothing unit 4 are set to such values, the induced voltage waveform by the inverter 3 is an ideal sine wave waveform as shown in FIG. When a permanent magnet motor is driven, the waveform of the inverter applied voltage Vdc, the waveform of the input current Iac, and the waveform of the inverter input current Iinv (the output direct current Idc of the full-wave rectifier circuit 2) in the circuit configuration diagram shown in FIG. The relationship is as shown in FIG.
ここで、単相交流電源１の半周期をＴ／２、単相交流電源１からモータ５へトルクが供給される期間をＴｏｎ、モータ５からの回生電流により単相交流電源１からモータ５へのトルク供給が遮断される期間（無通電期間）をＴｏｆｆとする。 Here, the half cycle of the single-phase AC power supply 1 is T / 2, the period during which torque is supplied from the single-phase AC power supply 1 to the motor 5 is Ton, and the regenerative current from the motor 5 causes the single-phase AC power supply 1 to the motor 5. A period during which the torque supply is cut off (non-energization period) is Toff.
しかしながら、誘起電圧波形が理想的な正弦波波形であることは稀であり、実際は多くの場合、図２（ｂ）に示すように基本波に対して５次成分や７次成分を含む誘起電圧波形となる。このような歪成分を含んだモータ５を駆動させる場合、トルクリプルの発生により単相交流電源１からモータ５へトルクが供給される期間Ｔｏｎにおいて、インバータ入力電流Ｉｉｎｖの波形にモータ５のトルクリプル成分の影響が現れる。 However, it is rare that the induced voltage waveform is an ideal sine wave waveform. Actually, in many cases, the induced voltage includes a fifth-order component or a seventh-order component with respect to the fundamental wave as shown in FIG. It becomes a waveform. When driving the motor 5 including such a distortion component, the torque ripple component of the motor 5 is added to the waveform of the inverter input current Iinv in the period Ton when torque is supplied from the single-phase AC power supply 1 to the motor 5 due to generation of torque ripple. The effect appears.
ここで全波整流回路２の出力直流電流Ｉｄｃは、インバータ入力電流Ｉｉｎｖとコンデンサ充放電電流Ｉｃの和で表されるが、平滑部４を構成するコンデンサの容量は小容量であるため多くの電気エネルギーを蓄積することはなく、フィルタのような役割を果たすこ
とになる。そのため出力直流電流Ｉｄｃはインバータ入力電流Ｉｉｎｖとほぼ等しい（Ｉｄｃ≒Ｉｉｎｖ）と考えても構わない。よって、インバータ入力電流Ｉｉｎｖに現れるトルクリプルの影響はコンデンサで吸収されることなく全波整流回路２の出力直流電流Ｉｄｃおよび入力電流Ｉａｃにも現れることになる。
Here, the output DC current Idc of the full-wave rectifier circuit 2 is expressed by the sum of the inverter input current Iinv and the capacitor charging / discharging current Ic. However, since the capacitance of the capacitor constituting the smoothing unit 4 is small, many electric It does not store energy and acts like a filter. Therefore, the output DC current Idc may be considered to be substantially equal to the inverter input current Iinv (Idc≈Iinv). Therefore, the influence of torque ripple appearing in inverter input current Iinv is also absorbed in output direct current Idc and input current Iac of full-wave rectifier circuit 2 without being absorbed by the capacitor.
図４は図２（ｂ）に示すような誘起電圧波形の歪みにより発生するトルクリプルの影響を受けた場合のインバータ印加電圧Ｖｄｃの波形、入力電流Ｉａｃの波形、インバータ入力電流Ｉｉｎｖ（全波整流回路２の出力直流電流Ｉｄｃ）の波形を示している。 4 shows the waveform of the inverter applied voltage Vdc, the waveform of the input current Iac, the inverter input current Iinv (full-wave rectifier circuit) when affected by the torque ripple generated by the distortion of the induced voltage waveform as shown in FIG. 2 shows the waveform of the output DC current Idc).
図５は図４における入力電流Ｉａｃとインバータ入力電流Ｉｉｎｖ（全波整流回路２の出力直流電流Ｉｄｃ）の波形の周波数分析特性を示した図である。 FIG. 5 is a diagram showing frequency analysis characteristics of waveforms of the input current Iac and the inverter input current Iinv (the output direct current Idc of the full-wave rectifier circuit 2) in FIG.
ここで、モータの極数Ｐ、モータ回転数ｆ［ｒｐｓ］、単相交流電源１の周波数ｆｇｅ［Ｈｚ］とすると、インバータ入力電流Ｉｉｎｖ（≒Ｉｄｃ（全波整流回路ｘの出力直流電流））には（主に５次成分、７次成分の影響により）周波数成分が（６×（Ｐ／２）×ｆ）で表される電流歪み周波数成分が現れ、入力電流Ｉａｃにはインバータ入力電流Ｉｉｎｖに含まれる歪み成分の周波数と単相交流電源１の周波数で変調されたサイドバンド成分（６×（Ｐ／２）×ｆ±ｆｇｅ）が現れる。 Here, assuming that the number of poles of the motor P, the motor rotation speed f [rps], and the frequency fge [Hz] of the single-phase AC power supply 1, the inverter input current Iinv (≈Idc (the output DC current of the full-wave rectifier circuit x)) Shows a current distortion frequency component whose frequency component is represented by (6 × (P / 2) × f) (mainly due to the influence of the fifth-order component and the seventh-order component), and the inverter input current Iinv appears in the input current Iac. The sideband component (6 × (P / 2) × f ± fge) modulated by the frequency of the distortion component contained in and the frequency of the single-phase AC power supply 1 appears.
このサイドバンド成分の振幅は、モータ５の誘起電圧波形の基本波における５次成分あるいは７次成分の含有比率とモータ電流値によりおおよそ算出することができる。よってモータ５の駆動回転数領域（モータの駆動最大回転数）と最大モータ電流値（モータ最大実効電流値）より算出される電流歪み成分の振幅が、許容範囲内となる歪み特性を有した誘起電圧波形のモータを用いることで電源高調波電流特性の向上を図ることができる。 The amplitude of this sideband component can be roughly calculated from the content ratio of the fifth-order component or seventh-order component in the fundamental wave of the induced voltage waveform of the motor 5 and the motor current value. Therefore, induction having a distortion characteristic in which the amplitude of the current distortion component calculated from the drive rotation speed region of the motor 5 (maximum drive speed of the motor) and the maximum motor current value (motor maximum effective current value) falls within an allowable range. By using a voltage waveform motor, it is possible to improve the power supply harmonic current characteristics.
まず、上側サイドバンド成分（６×（Ｐ／２）×ｆ＋ｆｇｅ）の周波数が単相交流電源１の周波数の３９．５倍以上となる場合について説明する。例えば具体的に６極モータ、単相交流電源１の周波数が５０Ｈｚ、最大モータ回転数が１４０ｒｐｓ、最大モータ電流値が７Ａｒｍｓで、適用する電源高調波規制をＩＥＣ６１０００−３−２（相電流＜１６Ａ）とした場合の説明を行う。 First, the case where the frequency of the upper sideband component (6 × (P / 2) × f + fge) is 39.5 times or more the frequency of the single-phase AC power supply 1 will be described. For example, specifically, a 6-pole motor, the frequency of the single-phase AC power supply 1 is 50 Hz, the maximum motor rotation speed is 140 rps, the maximum motor current value is 7 Arms, and the applied power supply harmonic regulation is IEC61000-3-2 (phase current <16A ).
この場合、上側サイドバンド成分の周波数は２５７０Ｈｚとなり単相交流電源１の周波数５０Ｈｚの４０倍（２０００Ｈｚ）を超える。このような場合、上側サイドバンド成分周波数の取り得る範囲内で適用される電源高調波規制値が最も低くなるのは、電源周波数の４０倍の周波数で許容されている規制値となり平均値４６ｍＡ（最大値６９ｍＡ）である。これより誘起電圧波形の基本波に対する５次成分あるいは７次成分の含有比率がおよそ０．６６％以下となるモータを用いることでモータ５のトルクリプルに起因した電流歪みでの電源高調波特性悪化をモータ５の全動作領域で抑制することができる。 In this case, the frequency of the upper sideband component is 2570 Hz, exceeding 40 times (2000 Hz) of the frequency 50 Hz of the single-phase AC power supply 1. In such a case, the power supply harmonic regulation value applied within the possible range of the upper sideband component frequency becomes the regulation value allowed at a frequency 40 times the power supply frequency, and the average value is 46 mA ( The maximum value is 69 mA). As a result, by using a motor in which the content ratio of the fifth-order component or seventh-order component to the fundamental wave of the induced voltage waveform is about 0.66% or less, the power supply harmonic characteristics deteriorate due to current distortion caused by the torque ripple of the motor 5. Can be suppressed in the entire operation region of the motor 5.
次に、上側サイドバンド成分（６×（Ｐ／２）×ｆ＋ｆｇｅ）の周波数が単相交流電源１の周波数の３９．５倍未満となる場合について説明する。例えば具体的に６極モータ、単相交流電源１の周波数が５０Ｈｚ、最大モータ回転数が８０ｒｐｓ、最大モータ電流が６Ａｒｍｓで、適用する電源高調波規制をＩＥＣ６１０００−３−２（相電流＜１６Ａ）とした場合の説明を行う。 Next, a case where the frequency of the upper sideband component (6 × (P / 2) × f + fge) is less than 39.5 times the frequency of the single-phase AC power supply 1 will be described. For example, specifically, the frequency of the 6-pole motor, single-phase AC power supply 1 is 50 Hz, the maximum motor rotation speed is 80 rps, the maximum motor current is 6 Arms, and the applied power supply harmonic regulation is IEC61000-3-2 (phase current <16A) The case will be described.
この場合、上側サイドバンド成分の周波数は１４９０Ｈｚとなり単相交流電源１の周波数５０Ｈｚの２９．８倍となり四捨五入した整数値は偶数値の３０倍となる。このような場合、上側サイドバンド成分周波数の取り得る範囲内で適用される電源高調波規制値が最も低くなるのは、電源周波数の３０倍の周波数で許容されている規制値となり平均値６１．３ｍＡ（最大値９２ｍＡ）である。これより誘起電圧波形の基本波に対する５次成分あ
るいは７次成分の含有率がおよそ１．０２％以下となるモータ５を用いることでモータ５のトルクリプルに起因した電流歪みでの電源高調波特性悪化をモータ５の全動作領域で抑制することができる。
In this case, the frequency of the upper sideband component is 1490 Hz, 29.8 times the frequency 50 Hz of the single-phase AC power supply 1, and the rounded integer value is 30 times the even value. In such a case, the power supply harmonic regulation value applied within the range that the upper sideband component frequency can take is the lowest, which is a regulation value that is allowed at a frequency 30 times the power supply frequency. 3 mA (maximum value 92 mA). Thus, by using the motor 5 in which the content ratio of the fifth-order component or the seventh-order component with respect to the fundamental wave of the induced voltage waveform is about 1.02% or less, the power supply harmonic characteristics in the current distortion caused by the torque ripple of the motor 5 Deterioration can be suppressed in the entire operation region of the motor 5.
また、最大回転数が７８ｒｐｓの場合は、上側サイドバンド成分の周波数は１４５４Ｈｚとなり単相交流電源１の周波数５０Ｈｚの２９．０８倍となり四捨五入した整数値は奇数値の２９倍となる。このような場合、上側サイドバンド成分周波数の取り得る範囲内で適用される電源高調波規制値が最も低くなるのは、電源周波数の２８倍の周波数で許容されている規制値となり平均値６５．７ｍＡ（最大値９８．６ｍＡ）である。これより誘起電圧波形の基本波に対する５次成分あるいは７次成分の含有率がおよそ１．０９５％以下となるモータ５を用いることでモータ５のトルクリプルに起因した電流歪みでの電源高調波特性悪化をモータ５の全動作領域で抑制することができる。 When the maximum rotational speed is 78 rps, the frequency of the upper sideband component is 1454 Hz, which is 29.08 times the frequency 50 Hz of the single-phase AC power supply 1, and the rounded off integer value is 29 times the odd value. In such a case, the power supply harmonic regulation value applied within the range that can be taken by the upper sideband component frequency is the lowest, which is a regulation value that is allowed at a frequency 28 times the power supply frequency. 7 mA (maximum value 98.6 mA). Thus, by using the motor 5 in which the content ratio of the fifth-order component or the seventh-order component with respect to the fundamental wave of the induced voltage waveform is about 1.095% or less, the power supply harmonic characteristics in the current distortion caused by the torque ripple of the motor 5 Deterioration can be suppressed in the entire operation region of the motor 5.
このようにモータ５の動作範囲内において最大となる上側サイドバンド周波数が単相交流電源周波数の奇数倍となる場合は、それより１つ低い次数の偶数次（偶数次での最大次数）で許容されている規制値に基づいて許容できるモータ５の誘起電圧波形の歪み率を求める。これは図６に示すように規制値は周波数が高くなるほど小さくなり、かつ隣り合う次数において奇数次より偶数次の方が小さくなるためである。 In this way, when the upper sideband frequency that is the maximum within the operating range of the motor 5 is an odd multiple of the single-phase AC power supply frequency, it is allowed at an even-order of the lower order (the maximum order of the even-order). The allowable distortion rate of the induced voltage waveform of the motor 5 is obtained based on the regulated value. This is because, as shown in FIG. 6, the regulation value becomes smaller as the frequency becomes higher, and the even order is smaller than the odd order in the adjacent orders.
更に、最大モータ電流を抑制することで許容できるモータ５の誘起電圧波形の基本波に対する５次成分あるいは７次成分の含有率を拡大させることができる。例えば最大回転数７８ｒｐｓにおいてモータ最大電流６Ａｒｍｓを２Ａｒｍｓまで抑制することができれば、モータ５の誘起電圧波形の基本波に対する５次成分あるいは７次成分の含有率はおよそ１．０９５％以下からおよそ３．２８５％以下まで許容範囲を拡大することができる。 Furthermore, the content rate of the fifth-order component or the seventh-order component with respect to the fundamental wave of the induced voltage waveform of the motor 5 that can be permitted by suppressing the maximum motor current can be increased. For example, if the maximum motor current 6 Arms can be suppressed to 2 Arms at the maximum rotation speed 78 rps, the content of the fifth or seventh order component with respect to the fundamental wave of the induced voltage waveform of the motor 5 is about 1.095% or less to about 3. The allowable range can be expanded to 285% or less.
以上のようにモータ５の最大回転数、最大モータ電流といった最大モータ駆動範囲に応じて許容できる範囲内の誘起電圧歪みを有したモータ５を用いることで、モータ５のトルクリプルに起因する電流歪み成分の抑制を実現する。 As described above, by using the motor 5 having the induced voltage distortion within the allowable range according to the maximum motor driving range such as the maximum rotation speed and the maximum motor current of the motor 5, the current distortion component caused by the torque ripple of the motor 5 is obtained. Realize the suppression.
このように本発明では、モータ５のトルクリプルによる入力電流の電源高調波電流特性への悪影響を抑制するため、モータ駆動における最大動作条件に応じて許容される誘起電圧歪みを有したモータ５を用いる。これにより必要以上に誘起電圧歪み率を低減することでモータ効率を低下させることなく、また、歪み抑制のためモータ駆動制御における演算時間を増やすことなく、また特別にＰＷＭ周波数の高周波化を行うことなくトルクリプルに起因する電源高調波電流の改善を実現することができる。 Thus, in the present invention, in order to suppress the adverse effect of the input current on the power supply harmonic current characteristics due to the torque ripple of the motor 5, the motor 5 having induced voltage distortion that is allowed according to the maximum operating condition in motor driving is used. . As a result, the induction voltage distortion rate is reduced more than necessary, so that the motor efficiency is not lowered, the calculation time in the motor drive control is not increased to suppress the distortion, and the PWM frequency is specially increased. Therefore, it is possible to improve the power supply harmonic current caused by torque ripple.
以上のように、本発明は従来のモータインバータ装置と比較して、最大回転数や最大電流といったモータの駆動範囲に応じて許容される歪み率を有するモータを使用することでモータ駆動制御にける演算時間の増加を抑制し、特別にＰＷＭ周波数の高周波化を行わなくても、実使用上、問題のないレベルで電源高調波電流特性の向上を実現できる。このため予め製品の能力仕様により最大回転数や最大電流が決められる、あるいは使用するモータの減磁特性やインバータを構成するスイッチング素子の電流定格などで最大電流が規定されることが多いエアコンや冷蔵庫の圧縮機駆動をはじめ様々なモータインバータ装置への応用が可能である。 As described above, the present invention can be used for motor drive control by using a motor having a distortion rate that is allowed according to the drive range of the motor, such as the maximum rotation speed and the maximum current, as compared with the conventional motor inverter device. Even if the increase in the calculation time is suppressed and the PWM frequency is not increased particularly, it is possible to improve the power supply harmonic current characteristics at a level where there is no problem in actual use. For this reason, air conditioners and refrigerators where the maximum rotation speed and maximum current are determined in advance according to the product's capacity specifications, or the maximum current is often specified by the demagnetization characteristics of the motor used and the current rating of the switching elements constituting the inverter. It can be applied to various motor inverter devices such as compressor drive.
１ 単相交流電源
２ 全波整流回路
３ インバータ
４ 平滑部
５ モータ
６ 制御部
１１ 単相交流電源
１２ 整流手段
１３ 平滑部
１４ 電動機
１５ 電力変換手段
１６ 相電流検出器
１７ 制御手段
１８ 電流制御手段
１９ 電流指令生成手段
２０ 出力電圧制限手段
２１ 座標変換手段
２２ 直流電圧検出手段
２３ 電源位相検出器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Single-phase alternating current power supply 2 Full wave rectifier circuit 3 Inverter 4 Smoothing part 5 Motor 6 Control part 11 Single-phase alternating current power supply 12 Rectification means 13 Smoothing part 14 Electric motor 15 Power conversion means 16 Phase current detector 17 Control means 18 Current control means 19 Current command generating means 20 Output voltage limiting means 21 Coordinate converting means 22 DC voltage detecting means 23 Power supply phase detector
Claims (6)
前記モータは、誘起電圧波形の歪率が、当該モータの駆動最大回転数とモータ最大実効電流値により算出される所定の値以下であることを特徴とするモータインバータ装置。 A full-wave rectifier circuit that receives a single-phase AC power supply, an inverter that converts the DC power output from the full-wave rectifier circuit into AC power, and a resonance frequency set to 40 times or more of the single-phase AC power supply frequency. And a smoothing unit composed of a reactor arranged on the line of the single-phase AC power source and a capacitor connected in parallel on the input side of the inverter, and a motor driven by the inverter,
The motor inverter device according to claim 1, wherein a distortion rate of the induced voltage waveform is equal to or less than a predetermined value calculated by a maximum driving speed of the motor and a maximum motor effective current value.
誘起電圧波形の５次成分あるいは７次成分：Ｖ５７
モータ最大実効電流値：Ｉｍａｘ
ＩＥＣで定められる電源高調波規制値（次数）：Ｉ（次数） 2. The motor inverter device according to claim 1, wherein a ratio of a fifth-order component or a seventh-order component of the induced voltage waveform to the fundamental wave satisfies the following expression (1).
5th order component or 7th order component of the induced voltage waveform: V57
Motor maximum effective current value: Imax
Power harmonic regulation value (order) defined by IEC: I (order)
単相交流電源周波数：ｆｇｅ
モータ極数：Ｐ The motor inverter device according to claim 2, wherein the maximum drive rotational speed of the motor satisfies the following expression (2).
Single-phase AC power supply frequency: fge
Number of motor poles: P
Ｚａが偶数の場合
When Za is an even number
6. The motor inverter device according to claim 1, wherein the motor is a compressor driving motor provided in an air conditioner.
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| KR101957968B1 (en) * | 2017-10-17 | 2019-03-13 | 엘지전자 주식회사 | Power converting apparatus |
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-
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