JP2016092991A - 電動機駆動装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広い運転領域と高い制御性とを両立して電動機を運転できる電動機駆動装置の制御装置を提供する。
【解決手段】制御信号生成部３２は、駆動装置１を制御する制御信号Ｓを、同期電動機２の回転速度についての回転速度指令値と、回転速度指令値を低下させる速度垂下指令ＳＣとに基づいて生成する。垂下制御部３１は、同期電動機２の一次磁束と界磁磁束とが成す角度である負荷角が所定値よりも大きいときに、回転速度指令値を低下させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機駆動装置の制御装置に関する。

特許文献１は、同期電動機を制御するインバータの制御方法を記載している。特許文献１では、この同期電動機を流れる電流について、電流上限値を設定している。より具体的には、当該電流についての電流指令値が電流上限値を超えた場合に、その電流指令値を電流上限値に設定している。

特許文献２は、同期電動機を制御するインバータの制御方法を記載している。特許文献２では、例えば同期電動機を流れる電流の位相（同期電動機と同期して回転する、いわゆるｄ−ｑ回転座標系、に対する位相）が位相限界に達したときに、同期電動機の回転速度を低下させている。

なお本発明に適用可能な制御技術の一例として、特許文献３を掲示する。

特許第４７０６６１号公報 特許第３６２２６６６号公報 特開２０１４−５０１７２号公報

同期電動機は、電機子巻線を有する電機子と、界磁とを備えている。この同期電動機の出力トルクＴｅは簡易的には以下の式で表される。

Te=Pn・Λ1・Λ0・sinφc/Ld+Pn・(1/Lq-1/Ld)・Λ0^2・sin(2φc)/2 ・・・（１）
Λ１＝Ｖ０／ω１／Ｐｎ ・・・（２）

ここで、Ｐｎ，Λ０，Λ１，Ｌｄ，Ｌｑ，φｃ，Ｖ０，ω１はそれぞれ同期電動機の極対数、界磁による電機子への鎖交磁束の大きさ（スカラー量）、当該鎖交磁束と電機子反作用による磁束の合成たる一次磁束、電機子巻線のｄ軸インダクタンス、ｑ軸インダクタンス、同期電動機の負荷角、同期電動機に印加される交流電圧の振幅、および、同期電動機の回転速度をそれぞれ示す。また、Ａ＾Ｂは、Ａ，Ｂをそれぞれ底および指数とした累乗を示す。ただし、式（１）および式（２）では簡易的に電機子巻線の抵抗値を無視している。

図７は、負荷角と出力トルクとの関係（即ち式（１））、および、負荷角と、同期電動機を流れる電流（交流電流の振幅）との関係を概略的に例示するグラフである。図７の例示では、負荷角−出力トルクの関係が曲線１０１〜１０４で示され、負荷角−電流の関係が曲線２０１〜２０４で示されている。これらの曲線１０１〜１０４は、例えば回転速度ω１が等しく、電圧Ｖ０を互いに異ならせたときの、負荷角−出力トルクの関係を示している。同様に、曲線２０１〜２０４は、回転速度ω１が等しく、電圧Ｖ０を互いに異ならせたときの負荷角−電流の関係を示している。図７の例示では、曲線１０１〜１０４における電圧Ｖ０は、曲線２０１〜２０４における電圧Ｖ０とそれぞれ等しい。また式（１）および式（２）から理解できるように、電圧Ｖ０が大きいほど、出力トルクは大きい。よって曲線１０１における電圧Ｖ０は曲線１０２における電圧Ｖ０よりも大きい。

また、曲線１０１〜１０４は、電圧Ｖ０が等しく、回転速度ω１を互いに異ならせたときの負荷角−出力トルクの関係を示している、とも把握することができ、同様に、曲線２０１〜２０４は、電圧Ｖ０が等しく、回転速度ω１を互いに異ならせたときの負荷角−電流の関係を示している、とも把握することができる。曲線１０１〜２０４における回転速度ω１は曲線２０１〜２０４における回転速度ω１とそれぞれ等しい。また式（１）および式（２）から理解できるように、回転速度ω１が高いほど、出力トルクは小さい。よって曲線１０１における回転速度ω１は、曲線１０２における回転速度ω１よりも低い。

図７の例示では、負荷角が小さい領域では、負荷角が増大するほど出力トルクは増大する。また図７に例示する領域では、負荷角が増大するほど出力トルクの負荷角に対する変化率は小さくなっている。つまり出力トルクの傾斜は負荷角が増大するほど緩やかになっている。また、曲線１０１〜１０４において、同じ負荷角での出力トルクに対する変化率は、その曲線１０１から曲線１０４へ向かうにつれて大きくなる。

図７の例示では、電流は負荷角が増大するほど増大する。また電流は電圧Ｖ０が大きいほど大きく、回転速度ω１が高いほど小さい。よって回転速度ω１が等しければ曲線２０１における電圧Ｖ０は曲線２０２における電圧Ｖ０よりも大きく、電圧Ｖ０が等しければ曲線２０１における回転速度ω１は曲線２０２における回転速度ω１よりも低い。

ところで、出力トルクの負荷角に対する変化率が比較的に大きい場合、負荷角を変更することで出力トルクを高い制御性で制御できる。逆に言えば、出力トルクの当該変化率が比較的に小さい領域では、負荷角を変化させても出力トルクは変化しにくいので、出力トルクを制御しにくい。つまり、出力トルクの制御性が低い。そして負荷角に応じて出力トルクが速やかに変化しなければ、電動機に流れる電流（振幅）のオーバーシュートが生じやすい。

図７において、電流の上限値として電流値Ｉｈ１を採用する場合を考慮する。例えば電圧Ｖ０が等しければ、回転速度ω１が低いときには、例えば曲線１０１，２０１から理解できるように、負荷角および出力トルクはそれぞれ負荷角値φ１１および出力トルク値Ｔｅ１１によって上方において制限される。負荷角値φ１１は、曲線２０１において、電流値Ｉｈ１が採用されるとき負荷角の値であり、出力トルク値Ｔｅ１１は、曲線１０１において、負荷角値φ１１が採用されるときの出力トルクの値である。これにより、出力トルクの変化率が比較的に小さい領域Ｒ１１での運転を抑制できる。

一方で、回転速度ω１が高いときには、例えば曲線１０４，２０４から理解できるように、出力トルクの変化率が比較的小さい領域Ｒ２１でも、電動機の運転が行われることになる。つまり制御性の低い運転が行われる。

これを回避すべく、電流の上限値として電流上限値Ｉｈ２（＜Ｉｈ１）を採用すると、回転速度ω１が高いときに、出力トルクをより小さい出力トルク値Ｔｅ２２で制限できるので、領域Ｒ２１での運転を抑制できる。しかしながら、回転速度が低いときには、出力トルクは、出力トルク値Ｔｅ１１よりも小さい出力トルク値Ｔｅ２１に制限される。つまり、電流上限値Ｉｈ２を採用すれば、出力トルク値Ｔｅ１１よりも小さい出力トルク値Ｔｅ２１で出力トルクが制限されるのである。このような制限は運転領域を狭くする。図７では、電流上限値Ｉｈ２を採用したときの運転領域がハッチングでしめされている。

なお上述の例では、回転速度の高低を用いて説明したが、電圧の大小を用いても説明できる。

上述の点に鑑みて、本発明は、広い運転領域と高い制御性とを両立して電動機を運転できる電動機駆動装置の制御装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる電動機駆動装置の制御装置の第１の態様は、界磁磁束（［Λ０］）が発生する同期電動機(2)を駆動する電動機駆動装置(1)を制御する制御装置であって、前記電動機駆動装置を制御する制御信号(S)を、前記同期電動機の回転速度(ω1)についての回転速度指令値(ω1*)と、前記回転速度指令値を低下させる速度垂下指令(Sc)とに基づいて生成する制御信号生成部(32)と、前記同期電動機の一次磁束（［Λ１］）と前記界磁磁束とが成す角度である負荷角(φ)が、所定値(φ_limit)よりも大きいときに、前記速度垂下指令を出力する垂下制御部(31)とを備える。

本発明にかかる電動機駆動装置の制御装置の第２の態様は、第１の態様にかかる電動機駆動装置の制御装置であって、前記電動機駆動装置(1)は、同期電動機(2)へと電圧を印加して前記同期電動機に電流(iu,iv,iw)を流し、前記所定値は、前記電圧が電圧上限値を採り、かつ前記電流が電流上限値を採るときの前記負荷角である。

本発明にかかる電動機駆動装置の制御装置の第３の態様は、第１または第２の様態にかかる電動機駆動装置の制御装置であって、前記同期電動機は空気調和機用圧縮機を駆動する。

本発明にかかる電動機駆動装置の制御装置の第１の態様によれば、広い運転領域と高い制御性とを両立して電動機を運転できる。

本発明にかかる電動機駆動装置の制御装置の第２の態様によれば、電圧が大きいときであっても、電流が電流上限値を超えることを抑制することができる。

本発明にかかる電動機駆動装置の制御装置の第３の態様によれば、前記同期電動機が圧縮機を駆動するので、負荷増大が起こった場合であっても、同期電動機や電動機駆動装置の運転停止をもたらす過電流を防止し、運転の継続が可能である。

電動機駆動システムの構成の一例を概略的に示す図である。 駆動装置の構成の一例を概略的に示す図である。 ベクトル図の一例を概略的に示す図である。 負荷角と出力トルクとの関係の一例、および、負荷角と電流との関係の一例を概略的に示す図である。 電流位相と出力トルクとの関係の一例を概略的に示す図である。 負荷角と出力トルクとの関係の一例を概略的に示す図である。 負荷角と出力トルクとの関係の一例、および、負荷角と電流との関係の一例を概略的に示す図である。

図１は電動機駆動システムの一例を概略的に示す図である。電動機駆動システムは、駆動装置１と制御部３とを備えている。

駆動装置１は同期電動機２を駆動する電動機駆動装置である。例えば駆動装置１はインバータである。駆動装置１は制御部３によって制御されて、入力電圧を所望の交流電圧に変換し、同期電動機２へと出力する。つまり制御部３は電動機駆動装置を制御する制御装置であると言える。

図２は駆動装置１の構成の一例を概略的に示す図である。駆動装置１は、その入力側において直流電源Ｅ１に接続される。

駆動装置１は例えば直流線ＬＨ，ＬＬと、スイッチング素子Ｓｕｐ，Ｓｕｎ，Ｓｖｐ，Ｓｖｎ，Ｓｗｐ，ＳｗｎとダイオードＤｕｐ，Ｄｕｎ，Ｄｖｐ，Ｄｖｎ，Ｄｗｐ，Ｄｗｎとを備えている。

直流線ＬＨ，ＬＬはそれぞれ直流電源Ｅ１の高電位端および低電位端に接続される。よって、直流線ＬＨに印加される電位は直流線ＬＬに印加される電位よりも高い。

スイッチング素子Ｓｘｐ，Ｓｘｎ（ｘはｕ，ｖ，ｗを代表する、以下同様）は、例えばトランジスタであって、直流線ＬＨ，ＬＬの間において互いに直列に接続される。ダイオードＤｘｐ，Ｄｘｎはそれぞれスイッチング素子Ｓｘｐ，Ｓｘｎに並列に接続される。ダイオードＤｘｐ，Ｄｘｎの順方向は直流線ＬＬから直流線ＬＨへと向かう方向である。

スイッチング素子Ｓｘｐ，Ｓｘｎを接続する接続点Ｐｘ（Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗ）は、駆動装置１の出力端として機能する。

かかる駆動装置１において、スイッチング素子Ｓｘｐ，Ｓｘｎは制御部３から制御信号を受け取り、当該制御信号に基づいてオン／オフする。以下では、各スイッチング素子Ｓｘｐ，Ｓｘｎへの制御信号を総称して、制御信号Ｓと呼ぶ。制御部３が適切にスイッチング素子Ｓｘｐ，Ｓｘｎのオン／オフを制御することにより、駆動装置１は直流電圧を所望の交流電圧に変換して出力することができる。

再び図１を参照して、駆動装置１から出力される交流電圧は同期電動機２へと入力される。同期電動機２は入力された交流電圧に応じて回転する。この同期電動機２は界磁と電機子とを有している。電機子は電機子巻線を有しており、駆動装置１からの交流電圧はこの電機子巻線に印加される。これにより、電機子巻線に交流電流が流れ、電機子は界磁へと回転磁界を印加する。界磁は電機子へと鎖交する磁束（以下、界磁磁束とも呼ぶ）を発生させる。例えば界磁は永久磁石を有しており、この永久磁石が界磁磁束を発生する。同期電動機２は例えば空気調和機用の圧縮機を駆動する。

なお図１および図２の例示では、同期電動機２は三相の電動機であるので、駆動装置１は三相交流電圧を出力する。ただし、同期電動機２の相数は適宜に変更することができ、駆動装置１が出力する交流電圧の相の数も同期電動機２の相数に応じて、適宜に変更することができる。

制御部３は、(i)同期電動機２の回転速度についての回転速度指令値と、回転速度指令値を低下させる垂下指令（後述）とに基づいて、制御信号Ｓを生成して、これを駆動装置１へと出力することで、同期電動機２の回転速度を制御するとともに、(ii)同期電動機２の負荷角が所定値よりも大きいときに、同期電動機２の回転速度指令値を低下させる垂下指令を出力する。図１の例示では、垂下制御を行う機能部として垂下制御部３１が示され、回転速度指令値に基づいて制御信号Ｓを生成する機能部として制御信号生成部３２が示されている。

なお、この制御部３は例えばマイクロコンピュータと記憶装置を含んで構成される。マイクロコンピュータは、プログラムに記述された各処理ステップ（換言すれば手順）を実行する。上記記憶装置は、例えばＲＯＭ(Read Only Memory)、ＲＡＭ(Random Access Memory)、書き換え可能な不揮発性メモリ（ＥＰＲＯＭ(Erasable Programmable ROM)等）、ハードディスク装置などの各種記憶装置の１つ又は複数で構成可能である。当該記憶装置は、各種の情報やデータ等を格納し、またマイクロコンピュータが実行するプログラムを格納し、また、プログラムを実行するための作業領域を提供する。なお、マイクロコンピュータは、プログラムに記述された各処理ステップに対応する各種手段として機能するとも把握でき、あるいは、各処理ステップに対応する各種機能を実現するとも把握できる。また、制御部３はこれに限らず、制御部３によって実行される各種手順、あるいは実現される各種手段又は各種機能の一部又は全部をハードウェアで実現しても構わない。

垂下制御部３１は例えば負荷角演算部３１１と比較器３１２とを有している。負荷角演算部３１１は同期電動機２の負荷角を算出する。この負荷角の算出の説明にあたって、まず負荷角について説明する。図３はベクトル図の一例を概略的に示している。図３の例示では、ｄ−ｑ回転座標系とδ−γ回転座標系とが示される。ｄ−ｑ回転座標系は、電気角において互いに直交するｄ軸およびｑ軸を有しており、ｄ軸は界磁磁束［Λ０］と同相に設定される。ｑ軸は例えばｄ軸よりも回転方向に進んでいる。ｄ軸が界磁磁束［Λ０］と同相に設定されるので、ｄ−ｑ回転座標系は同期電動機２と同期して回転する。なお［］はベクトルを示している。また界磁磁束の大きさを界磁磁束Λ０と呼ぶ。

δ−γ回転座標系は、電気角において互いに直交するδ軸およびγ軸を有しており、δ軸は一次磁束［Λ１］と同相に設定される。γ軸は例えばδ軸よりも回転方向に進んでいる。一次磁束［Λ１］とは、界磁磁束［Λ０］と電機子反作用による磁束との合成によって得られる磁束である。電機子反作用による磁束のｄ軸成分はＬｄ・ｉｄで表され、そのｑ軸成分はＬｑ・ｉｑで表される。Ｌｄ，Ｌｑは電機子巻線のｄ軸インダクタンスおよびｑ軸インダクタンスをそれぞれ示し、ｉｄ，ｉｑは同期電動機２に流れる電流のｄ軸成分（ｄ軸電流）およびｑ軸成分（ｑ軸電流）をそれぞれ示す。

負荷角φは一次磁束［Λ１］と界磁磁束［Λ０］との間の位相差である。界磁磁束［Λ０］の大きさ、ｄ軸インダクタンスＬｄおよびｑ軸インダクタンスＬｑは同期電動機２の機器定数と考えることができるので、ｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑを検出することで、負荷角φを算出することができる。

ただし本実施の形態では、一例として、制御信号生成部３２は一次磁束［Λ１］を制御する一次磁束制御（後述）を実行して、制御信号Ｓを出力する。この一次磁束制御では、制御座標としてδｃ−γｃ回転座標系を採用し、そのδｃ−γｃ回転座標系がδ−γ回転座標系に一致するように制御することで、一次磁束［Λ１］を制御する。そのため、制御信号生成部３２は、後に概説するようにδｃ−γｃ回転座標系における諸量（電流および電圧）を取り扱う。したがって、負荷角φもδｃ−γｃ回転座標系における諸量を用いて算出することが望ましい。負荷角φを算出するために、一次磁束制御で用いるδｃ−γｃ回転座標系とは別のｄ−ｑ回転座標系の諸量を算出する必要がないからである。以下に、δｃ−γｃ回転座標系における諸量を用いた負荷角φの算出方法の具体例を説明する。

δｃ−γｃ回転座標系において以下の式（３）および式（４）が成立する。これらは周知の電圧方程式などに基づいて導くことができる。

Ｖδｃ＝Ｒ・ｉδｃ−ω１・Ｌｑ・ｉγｃ＋ω１・Λ０・ｓｉｎφｃ ・・・（３）
Ｖγｃ＝Ｒ・ｉγｃ＋ω１・Ｌｑ・ｉδｃ＋ω１・Λ０・ｃｏｓφｃ ・・・（４）

ここで、Ｖδｃ，Ｖγｃはそれぞれ駆動装置１が出力する交流電圧のδｃ軸成分（δｃ軸電圧）およびγｃ軸成分（γｃ軸電圧）を示し、Ｒは電機子巻線の抵抗値を示し、ｉδｃ，ｉγｃはそれぞれ駆動装置１が出力する電流のδｃ軸成分（δｃ軸電流）およびγｃ軸成分（γｃ軸電流）を示し、ω１はδｃ−γｃ回転座標系の回転速度を示し、Λ０は界磁磁束［Λ０］の大きさ（スカラー量）を示し、φｃはｄ軸とδｃ軸との間の位相差を示す。定常状態においては、δｃ軸はδ軸とほぼ一致すると考えることができるので、位相差φｃは負荷角φとほぼ等しいと考えることができる。よって以下では、負荷角φを負荷角φｃとも呼ぶ。

式（３）および式（４）を変形して、負荷角φｃを算出すると、以下の式が導かれる。

負荷角演算部３１１は式（５）に基づいて負荷角φｃを算出することができる。よって負荷角演算部３１１には、式（５）の右辺に示される諸量が入力される。より具体的には、機器定数として予め設定された抵抗値Ｒおよびｑ軸インダクタンスＬｑが負荷角演算部３１１に入力されるとともに、電圧Ｖδｃ，Ｖγｃおよび電流ｉδｃ，ｉγｃも負荷角演算部３１１に入力される。ただし、図１の例示では、電圧Ｖδｃ，Ｖγｃに替えて、それらの電圧指令値Ｖδｃ*，Ｖγｃ*が負荷角演算部３１１に入力されている。つまり、電圧Ｖδｃ，γｃは電圧指令値Ｖδｃ*，Ｖγｃ*とほぼ等しいと考えて、電圧指令値Ｖδｃ*，Ｖγｃ*を用いているのである。電圧指令値Ｖδｃ*，Ｖγｃ*の算出は後に概説する。

電流ｉδｃ，ｉγｃは例えば次のようにして得ることができる。まず同期電動機２を流れる三相の交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを、電流検出部４によって検出する。例えば電流検出部４は、駆動装置１の直流線ＬＨまたは直流線ＬＬを流れる直流電流を、駆動装置１のスイッチングパターン（制御信号Ｓ）に基づいて決まる相の交流電流として検出する。なお、このような検出方法は周知であるので詳細な説明を省略する。

また電流検出部４はこれに限らず、出力端Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗをそれぞれ流れる交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを直接に検出してもよい。あるいは、交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの総和が零であることに鑑みて、二相の交流電流を検出し、残りの一相は検出した二相に基づいて算出してもよい。

検出された交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗは、制御部３に属する座標変換部３３に入力される。座標変換部３３は、交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗをＵＶＷ固定座標系からδｃ−γｃ回転座標系に変換して、電流ｉδｃ，ｉγｃを算出する。このような座標変換には、ＵＶＷ固定座標系とδｃ−γｃ回転座標系との間の位相差θ１が必要であり、座標変換部３３には位相差θ１も入力される。

負荷角演算部３１１によって算出された負荷角φｃは比較器３１２に入力される。また比較器３１２には、例えば予め設定された所定値φｃ＿ｌｉｍｉｔも入力される。比較器３１２は負荷角φｃと所定値φｃ＿ｌｉｍｉｔとを比較し、負荷角φｃが所定値φｃ＿ｌｉｍｉｔよりも大きいときに、速度垂下指令ＳＣを制御信号生成部３２へと出力する。例えば速度垂下指令ＳＣを活性することで、速度垂下指令ＳＣを出力することができ、速度垂下指令ＳＣを非活性にすることで、速度垂下指令ＳＣの出力を終了することができる。

また制御信号生成部３２には、例えば外部のＣＰＵなどから、回転速度ω１についての回転速度指令値ω１*も入力される。なお定常状態ではδｃ−γｃ回転座標系における回転速度ω１と、ｄ−ｑ軸回転座標系における回転速度とは互いに一致すると考えられるので、回転速度ω１を同期電動機２の回転速度とみなすことも可能である。よって回転速度指令値ω１*も、同期電動機２の回転速度についての指令値とみなすことができる。

制御信号生成部３２は例えば速度制御部３２１と磁束制御部３２２とＰＷＭ変調部３２３とを備えている。速度制御部３２１には、回転速度指令値ω１*と、速度垂下指令ＳＣとが入力される。速度制御部３２１は速度垂下指令ＳＣが入力されたときには、回転速度指令値ω１*を低下させて更新し、更新後の回転速度指令値ω１*に基づいて、公知の技術により、回転速度ω１を算出する。他方、速度垂下指令ＳＣが入力されないときには、回転速度指令値ω１*をそのまま採用し、その回転速度指令値ω１*に基づいて回転速度ω１を算出する。算出した回転速度ω１は磁束制御部３２２に出力される。

また速度制御部３２１は、回転速度ω１を積分して位相差θ１を算出し、これを座標変換部３３およびＰＷＭ変調部３２３へと出力する。

磁束制御部３２２には、一次磁束［Λ１］についての指令値たる一次磁束指令値［Λ１*］、回転速度ω１、および、電流ｉδｃ，ｉγｃも入力される。一次磁束指令値［Λ１*］のγｃ軸成分は例えば零に設定され、δｃ軸成分は例えば予め設定される。電流ｉδｃ，ｉγｃは上述のように座標変換部３３によって算出される。磁束制御部３２２は入力された上記諸量に基づいて電圧指令値Ｖδｃ*，Ｖγｃ*を生成し、これらをＰＷＭ変調部３２３へと出力する。このような電圧指令値Ｖδｃ*，Ｖγｃ*の生成自体は公知であり、例えば特許文献３および上記文献などを採用できる。

ＰＷＭ変調部３２３は、電圧指令値Ｖδｃ*，Ｖγｃ*を、δｃ−γｃ回転座標系からＵＶＷ固定座標系へと変換して、電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*を生成する。そして、例えばこれらの電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*とキャリア（例えば三角波）との比較に基づいて制御信号Ｓを生成し、制御信号Ｓを駆動装置１へと出力する。

以上のように、回転速度指令値ω１*および一次磁束指令値［Λ１*］に基づいて制御信号Ｓを生成している。よって制御信号Ｓに基づく駆動装置１の動作によって、同期電動機２の回転速度および一次磁束が適切に制御される。

しかも本制御部３によれば、同期電動機２の負荷角φｃが所定値φｃ＿ｌｉｍｉｔよりも大きいときに、回転速度指令値ω１*を低下させている。例えば同期電動機２の負荷トルクが一定であるときに、回転速度を上昇すべく出力トルクを増大させることを考える。このとき、負荷角φｃが増大して所定値φｃ＿ｌｉｍｉｔよりも大きくなると、これ以上、回転速度を上昇できないとして、回転速度指令値ω１*を低下させる。

図４は、負荷角φｃと出力トルクとの関係、および、負荷角φｃと電流との関係を概略的に例示する図である。図３の曲線１０１〜１０４，２０１〜２０４は、いずれも図７と同一である。図４の例示では、所定値φｃ＿ｌｉｍｉｔとして、例えば電圧Ｖ０が最も大きいときの曲線１０１において、電流が電流上限値Ｉｈ１を採るときの負荷角φｃの値（即ち、負荷角値φ１１）を採用している。つまり、電圧Ｖ０が電圧上限値を採る状態において、電流が電流上限値Ｉｈ１を採るときの負荷角φｃを採用できる。電圧上限値としては、例えば直流電源Ｅ１の直流電源の上限値を採用することができ、電流上限値としては、例えば駆動装置１または同期電動機２の許容最大値のうちの小さい方を採用することができる。

本制御部３によれば、負荷角φｃが所定値φｃ＿ｌｉｍｉｔよりも大きくなると、回転速度指令値ω１*を低下させる。これにより、例えば曲線１０４での回転速度から曲線１０３での回転速度へ低下させる。かかる制御によって、負荷角φｃは例えば負荷角値φｃ１２へと低減する。よって例えば電圧が高いときに、制御性の低い領域Ｒ１１での運転を抑制できる。しかも、電圧が小さい場合においても、制御性の低い領域Ｒ２１での運転を抑制することができる。しかも回転速度が低下するので、電流も低下する。これにより、いわゆる過電流を回避することができる。したがって、圧縮機の負荷増大が起こった場合であっても、同期電動機２および駆動装置１の運転停止をもたらす過電流を防止し、運転の継続が可能である。

また図７の例示では、領域Ｒ１１での運転を避けるべく電流上限値Ｉｈ２を採用すると、電圧が大きいときの出力トルクが出力トルク値Ｔｅ２１に制限された。

一方で、本制御部３によれば、図４の例示から理解できるように、回転速度が最も大きい場合において（即ち曲線１０１において）、従来よりも高い出力トルク値Ｔｅ１１を出力することができる。したがって、電圧が大きいときの運転領域を拡大することができる。図４の例示では、本制御部３における運転領域がハッチングで示されている。

以上のように、本制御部３によれば、電圧が大きいときに出力可能な出力トルクの値を向上でき、電圧が小さいときに高い制御性を維持できる。よって広い運転領域、かつ、高い制御性で同期電動機２を制御することができる。なお上述の例では電圧の大小を用いて説明したが、回転速度を用いて説明することもできる。より具体的には、回転速度が低いときに出力可能な出力トルクの値を向上でき、回転速度が高いときに高い制御性を維持できる。

また上述の所定値φｃ＿ｌｉｍｉｔを採用すれば、電圧が大きいときであっても、電流が電流上限値を超えることを抑制することができる。

次に、電流位相に基づいて垂下制御を行う場合と比較する。ここでいう電流位相とは、ｑ軸と電流（同期電動機２を流れる、回転座標系での電流）との位相角である。電流位相に基づく垂下制御とは、電流位相が所定値β＿ｌｉｍｉｔよりも大きいときに回転速度指令値を低下させる制御をいう。

図５は、電流位相と出力トルクとの関係を概略的に例示する図である。曲線４１１〜４１４は、互いに異なる電圧での電流位相−出力トルクの関係を示しており、回転速度ω１が等しく、電圧は、その曲線４１１から曲線４１４へ向かうにつれて小さくなる。よって曲線４１１における電圧は曲線４１２における電圧よりも大きい。

また曲線４１１〜４１４は電圧Ｖ０が等しく、互いに異なる回転速度での電流位相−出力トルクの関係を示している、とも把握できる。曲線４１１〜４１４における回転速度は、その添え字の数字が大きいほど高い。よって曲線４１１における回転速度は曲線４１２における回転速度よりも低い。

図５の例示では、所定値β＿ｌｉｍｉｔは、電圧が最も大きい曲線４１１において、出力トルクのピーク値を採るときの電流位相値である。しかしながら、図５に例示するように、電圧が小さい曲線４１４は、負荷角φｃが所定値β＿ｌｉｍｉｔよりも大きい領域のみに存在しているので、曲線４１４における電圧を採用しているときには、適切に同期電動機２を運転することができない。

一方で、本制御部３のように、負荷角に基づく垂下制御では、電圧が小さいときであっても適切に同期電動機２を制御できる。その理由を次に説明する。図６は、負荷角φｃと出力トルクとの関係を概略的に例示している。曲線４０１〜４０４における電圧は、それぞれ曲線４１１〜４１４における電圧と同じである。図６から理解できるように、曲線４０４は、負荷角φｃが所定値φｃ＿ｌｉｍｉｔよりも小さい領域にも存在している。よって、曲線４０４における電圧を採用しているときであっても、適切に同期電動機２を運転することができるのである。

また回転速度を用いて説明することもできる。即ち、高い回転速度を採用しているときであっても（曲線４０４においても）、適切に同期電動機２を運転することができる。

また、図５の三角印で例示するように、出力トルクがピーク値を採るときの電流位相は、電圧および回転速度に応じて大きく変動する一方で、図６に例示するように、出力トルクがピーク値を採る負荷角は、電圧および回転速度が変動しても、比較的小さく変動する。よって、より広い電圧範囲またはより広い回転速度範囲において、所定値φｃ＿ｌｉｍｉｔを出力トルクのピーク値の近傍に設定することができる。つまり、複数の曲線３０１〜３０４のいずれにおいても、出力トルクのピーク値付近に、所定値φｃ＿ｌｉｍｉｔを設定できる。例えば電圧が最も高い状態（電圧が上限値を採る状態）において出力トルクがピーク値の約７０％〜１００％の範囲での負荷角値を採用しても構わない。もちろん、所定値φｃ＿ｌｉｍｉｔの設定としては、制御性も考慮して適宜に設定されればよい。

また所定値φｃ＿ｌｉｍｉｔは電圧および回転速度に依存しない固定値を採用でき、これは制御を簡易にすることができる。

また、上述の例では負荷角演算部３１１は、式（５）に基づいて負荷角φｃを算出しているものの、例えば式（３）および式（４）をそれぞれ変形して得られる以下の式（６）および式（７）のいずれか一方を用いても構わない。

この場合、界磁磁束Λ０が必要となるので、負荷角演算部１１には、例えば機器定数として予め設定された界磁磁束Λ０も入力される。

また、三角関数の逆関数は演算を困難にする。そこで、式（５）〜式（７）の逆関数の中の式を算出し、その結果と所定値とを比較してもよい。例えば式（５）の逆関数の中の式を算出し、その結果と、予め設定された所定値（＝ｔａｎ（φ＿ｌｉｍｉｔ））とを比較し、当該結果が所定値よりも大きいときに、回転速度指令値を低下させてもよい。これによれば、演算を容易にすることができる。

また図１の例示では、電圧検出部５が設けられている。電圧検出部５は例えば駆動装置１に入力される直流電圧を検出し、これをＰＷＭ変調部３２３へと出力する。例えばＰＷＭ変調部３２３は、検出された直流電圧が上限値を超えているときに、スイッチング素子Ｓｘｐ，Ｓｘｎをすべてオフする制御信号Ｓを出力して、同期電動機２の運転を停止する。

また、本発明は、その発明の範囲内において、相互に矛盾しない限り、上記の種々の実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 駆動装置
３ 制御部
３１ 垂下制御部
３２ 制御信号生成部

Claims (3)

1. 界磁磁束（［Λ０］）が発生する同期電動機(2)を駆動する電動機駆動装置(1)を制御する制御装置であって、
   前記電動機駆動装置を制御する制御信号(S)を、前記同期電動機の回転速度(ω1)についての回転速度指令値(ω1*)と、前記回転速度指令値を低下させる速度垂下指令(Sc)とに基づいて生成する制御信号生成部(32)と、
   前記同期電動機の一次磁束（［Λ１］）と前記界磁磁束との間の位相差である負荷角(φ)が、所定値(φ_limit)よりも大きいときに、前記速度垂下指令を出力する垂下制御部(31)と
   を備える、電動機駆動装置の制御装置。
2. 前記電動機駆動装置(1)は、同期電動機(2)へと電圧を印加して前記同期電動機に電流(iu,iv,iw)を流し、
   前記所定値は、前記電圧が電圧上限値を採り、かつ前記電流が電流上限値を採るときの前記負荷角である、請求項１に記載の電動機駆動装置の制御装置。
3. 前記同期電動機は、空気調和機用圧縮機を駆動する、請求項１または請求項２に記載の電動機駆動装置の制御装置。

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