JP3308993B2

JP3308993B2 - 電動機駆動装置及びこれを用いた空気調和機

Info

Publication number: JP3308993B2
Application number: JP25144192A
Authority: JP
Inventors: 基生二見; 保夫能登原; 和雄田原; 誠石井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-09-21
Filing date: 1992-09-21
Publication date: 2002-07-29
Anticipated expiration: 2017-07-29
Also published as: JPH06105563A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インバータを用いた電
動機駆動装置に係り、特に交流電源からの電力を、一旦
この交流電源の電圧よりも高い電圧の直流電力に変換
し、この直流電力をインバータにより交流電力に変換し
て電動機に供給することにより、広範囲にわたる回転速
度制御を行なうようにした電動機駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】インバータを用いた電動機駆動装置の従
来技術としては、例えば特開昭５９−１８１９７３号公
報に記載のように、インバータの出力電圧の制御を、イ
ンバータの入力である直流電圧を制御して行なう領域
と、入力直流電圧は一定のままでインバータの通流率を
制御して行なう領域とに分けて行なう方式の電動機駆動
装置がある。

【０００３】より具体的には、この従来技術による電動
機駆動装置では、インバータ出力電圧指令が予め設定さ
れている直流電圧基準値よりも大きい場合には、インバ
ータの通流率を例えば最大値に固定したままで、直流電
圧をインバータ出力電圧指令に応じて制御し、他方、イ
ンバータ出力電圧指令が上記直流電圧基準値よりも小さ
い場合には、直流電圧は前記直流電圧基準値としたまま
で、インバータの通流率を制御して、インバータの出力
電圧がインバータ出力電圧指令に一致するようにしてい
る。

【０００４】このような従来技術では、電動機の出力が
小さいときには、直流電圧を低い電圧で一定に保つこと
により、インバータのスイッチング損失を低減した上
で、高精度の制御を実現するものであり、また、電動機
出力が大きくなった場合には、インバータでは周波数制
御のみ行い、直流電圧を制御することにより回転数制御
を実現するようにしているのである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術による電
動機駆動装置は、インバータ出力電圧指令と前記直流電
圧基準値の差により直流電圧値を決定しているので、電
流形インバータのように間接的にインバータ出力電圧が
決定されるような場合には、直流電圧の指令値が決定で
きないという問題があった。

【０００６】また、直流電圧が直流電圧基準値より高い
場合に、インバータ出力が最大となるので、例えば電源
入力が単相の場合には、直流電圧に生じた電源変動によ
り、電動機トルク変動や電動機電流に変動が生じる場合
があるという問題があった。

【０００７】さらに、空気調和機で可変速運転を行う場
合には、可変速範囲及び負荷変動範囲が広く、且つ、気
調和機の運転モードにより電動機の運転条件が異なるた
め、従来技術では、必ずしも最適な運転を実現できない
という問題があった。

【０００８】本発明の目的は、上記従来技術の問題に充
分に対処できるようにした電動機駆動装置を提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、入力された交流の電圧より高い直流電圧を得る交流
直流変換手段と、この直流電圧を交流電圧に変換するイ
ンバータと、このインバータにより駆動される電動機を
備え、前記交流直流変換手段を制御する電圧制御手段
と、前記電動機が指令の速度で運転するようにインバー
タ出力電圧をパルス幅変調信号により制御する速度制御
手段を有する電動機駆動装置において、前記インバータ
に入力される直流電圧を前記インバータの出力電圧より
高く制御するようにしたものである。

【００１０】また、上記目的を達成するため、パルス幅
変調信号の通流率と予じめ設定された所定通流率の差、
及び前記直流電圧と予じめ設定された所定電圧の差、ま
たは電源から供給される入力電力、インバータに供給す
る直流電力、電動機に供給するインバータ出力、電動機
の出力のいずれかを検出する検出手段により検出した電
力、または電源から供給される入力電流、インバータに
供給する直流電流、電動機の巻線電流のいずれかを検出
する検出手段により検出した電流値により、直流電圧の
指令値を決定するようにしたものである。

【００１１】さらに、直流電圧をインバータ出力電圧よ
り高く制御する電動機制御手段と、インバータに供給す
る直流電流を検出する手段を備え、直流電源変動が規定
値より小さくなるようにインバータ制御とは独立に直流
電圧を制御するようにしたものである。

【００１２】さらに、直流電圧をインバータ出力電圧よ
り高く制御する電動機制御手段と、交流電源から供給す
る電力、または電流を検出する手段を備え、交流電源か
ら入力する電力を最小とするようにインバータ制御とは
独立に直流電圧を制御するようにしたものである。

【００１３】さらに、前記の電動機駆動装置を用いて空
気調和機の能力制御を行ったものである。

【００１４】

【作用】以上の構成は、パルス幅変調信号の通流率とあ
らかじめ設定された所定通流率の差及び前記直流電圧と
あらかじめ設定された所定電圧の差から電動機に供給し
ている電力を推定し、この電力に応じて直流電圧及びイ
ンバータ出力電圧を決定するように働く。

【００１５】さらに、電源から供給される入力電力(ま
たは電流)、インバータに供給する直流電力(または電
流)、電動機に供給するインバータ出力(または電流)、
電動機の出力のいずれかを検出する検出手段により検出
した検出値とその時点の電圧でインバータが供給できる
最大出力との差を用いて直流電圧及びインバータ出力電
圧を決定する。

【００１６】さらに、直流電圧を前記インバータ出力電
圧より高く制御し、低い直流電圧でインバータ制御を同
時に行うことにより、電源電流または電力を最小とした
り、直流電流の変動幅を所定の範囲内となるように直流
電圧指令値を決定する。

【００１７】さらに、前記の電動機駆動装置を用いて空
気調和機の能力制御を行うことにより、空気調和機の運
転モードに応じた効率、振動最適点での運転を実現す
る。

【００１８】

【実施例】以下、本発明による電動機駆動装置につい
て、図示の実施例により詳細に説明する。図１は、本発
明の第１の実施例で、この実施例は、整流回路２と昇圧
回路３、インバータ４、それに電動機制御装置６からな
り、交流電源１から供給された交流電力を可変電圧、可
変周波数の交流電力に変換し、これを電動機５に供給す
ることにより、この電動機(３相誘導電動機)５を、速度
指令値Ｎ_R に応じて可変速駆動制御するようにしたもの
である。

【００１９】整流回路２は、交流電源１から供給される
交流電圧を整流して昇圧回路３に直流電圧を入力する働
きをする。昇圧回路３は、インダクタンス素子とスイッ
チング素子、それにダイオードとを備え、スイッチング
素子をオンすることにより、インダクタンス素子の出力
側の電路を短絡してインダクタンス素子に直流電流を流
し、エネルギーをインダクタンス素子に蓄えた後、スイ
ッチング素子をオフし、これによりインダクタンス素子
に発生した電圧を入力直流電圧に加算してコンデンサＣ
１に充電させ、入力直流電圧を昇圧する働きをする。

【００２０】そして、このタイプの昇圧回路によれば、
スイッチング素子のオンとオフの時間比(以下、デュー
ティ又は通流率という)を制御することにより、交流側
入力電流が正弦波状に制御され、力率を改善することが
でき、さらに交流側入力電流の大きさ(絶対値)を制御し
て直流電圧の制御(以下、これをＰＡＭ制御という)がで
きる。

【００２１】インバータ４は、昇圧回路３から供給され
る直流電圧をパルス幅変調することにより、再び任意の
周波数の交流に変換し、電動機５に供給する働きをす
る。つまり、電動機５の各相の端子は、インバータ４の
中でスイッチング素子を介して直流電源の正側と負側に
それぞれ接続されており、各相のスイッチング素子のオ
ンオフ動作により、電動機５の端子間に交互に反転して
直流電圧が印加されることになり、電動機５に交流電力
が供給されることになる。

【００２２】電動機５は、インバータ４から供給された
交流電力の周波数及び電流に応じて任意の回転数及びト
ルクで回転し、負荷を駆動する。

【００２３】電動機制御装置６は、磁極位置検出センサ
Ｐ１等から得られる回転信号Ｓ４により電動機５の回転
速度を検出し、速度指令値Ｎ_R に一致するようにインバ
ータ駆動信号Ｓ２を出力する。このインバータ駆動信号
Ｓ２は、インバータ４の各アームに接続されたスイッチ
ング素子をオンオフする信号で、パルス幅変調信号によ
り変調されており、この変調度によりインバータ４の出
力電圧Ｖｉｎｖまたはインバータ出力電流Ｉｉｎｖを制
御する(以下これをＰＷＭ制御という)。

【００２４】また、電動機制御装置６は、直流電圧検出
器Ｒ３により検出した直流電圧検出信号Ｓ３が、電圧指
令値ＶｄＲに一致するように昇圧回路駆動信号Ｓ１を出
力する。この昇圧回路駆動信号Ｓ１は、昇圧回路３のス
イッチング素子をオンオフして、直流電圧を制御するも
のであるが、この電動機制御装置６の詳細について、さ
らに図によって説明する。

【００２５】この電動機制御装置６は、図２に示すよう
に、回転信号Ｓ４から電動機５の回転数を演算し、速度
検出値Ｎを出力する速度演算装置６０５と、速度検出値
Ｎと速度指令値Ｎ_R により、インバータ４への通流率指
令値Ｄ_R 及び昇圧回路３への電圧指令値Ｖ_dR を出力す
る速度制御装置６１０、通流率指令値Ｄ_R からインバー
タ４を駆動するためのインバータ駆動信号Ｓ２を出力す
る通流率作成装置６０３、それに電圧指令値Ｖ_dR に従
って昇圧回路３のスイッチング素子を駆動し、直流電圧
を制御する直流電圧制御装置６０１とから構成されてい
る。

【００２６】また、速度制御装置６１０は、速度検出値
Ｎと速度指令値Ｎ_R とから速度偏差値Ｎｅを算出する速
度制御部６１３と、速度偏差値Ｎｅ又は速度偏差零信号
Ｎ_Zから通流率中間値Ｄ_RM 及び通流率指令値Ｄ_R を算出
する通流率指令部６１２、速度偏差値Ｎｅ又は速度偏差
零信号Ｎ_Z から電圧指令中間値Ｖ_dRM 及び電圧指令値Ｖ
_dR を算出する電圧指令部６１１、それに電動機の運転
状態と通流率及び直流電圧に応じて、速度偏差値Ｎｅを
通流率指令部６１２と電圧指令部６１１の何れに伝達す
るかを選択する切り換え部６１４とで構成されている。

【００２７】そして、この切り換え部６１４は、速度偏
差値Ｎｅと通流率中間値Ｄ_RM 及び電圧指令中間値Ｖ_dRM
に基づいて切り換えを行なう。そして、速度偏差値Ｎ
ｅが通流率指令部６１２に伝達されたときには、速度偏
差値Ｎｅに基づいてＰＷＭ制御が行われ、速度偏差値Ｎ
ｅが電圧指令部６１１に伝達されたときには、速度偏差
値Ｎｅに基づいてＰＡＭ制御が行われ、他方、速度偏差
零信号Ｎ_Z が伝達されているときは、通流率指令部６１
２では最大通流率指令値Ｄ_RMAX が出力され、電圧指令
部６１１では最低直流電圧指令値Ｖ_dRMIN が出力され
る。

【００２８】このように構成した電動機制御装置６は、
運転条件に応じてＰＷＭ制御及びＰＡＭ制御を切り換
え、速度検出値Ｎが速度指令値Ｎ_R に一致するように電
動機５を制御するのである。

【００２９】次に、図３及び図４を用いて、電動機制御
装置６の動作について説明する。なお、図３は、本発明
の一実施例による切り換え部６１４の切り換えアルゴリ
ズムを示し、図４は、電動機制御装置６における電動機
出力に対する直流電圧Ｖ_d と通流率Ｄの関係を示したも
のである。

【００３０】以下、電動機起動状態では、速度制御装置
６１０での初期値として通流率指令値Ｄ_R＝０％、直流
電圧指令値Ｖ_dR＝１５０Ｖが与えられ、切り換え部６１
４により速度偏差値Ｎｅが通流率指令部６１２に接続さ
れているものとし、図３に示すアルゴリズムに沿って説
明する。

【００３１】図３において、まず６２１では、速度偏差
値Ｎｅが正なら加速中、負なら減速中として、加減速の
判定を行っている。そして電動機が加速中ならば６２２
へ進み、ここで通流率中間値Ｄ_RM を用いて通流率指令
値が最大値かどうか判定し、最大通流率ならば６２４に
進み、速度偏差値Ｎｅの伝達先を通流率指令部６１２か
ら電圧指令部６１１に切り換え、昇圧回路３により直流
電圧を制御し、電動機５の速度制御を行う。このとき、
通流率指令部６１２には速度偏差零信号Ｎ_Z が入力され
るため、通流率指令部６１２からは最大通流率指令値Ｄ
_RMAX が出力され、通流率は最大値(ここでは１００％)
に制御される。

【００３２】また、６２１で電動機５が減速中ならば６
２３に進み、電圧指令中間値Ｖ_dRMを用いて直流電圧指
令値が最低直流電圧値になったかどうか判定し、最低直
流電圧値ならば６２５に進み、速度偏差値Ｎｅの伝達先
を電圧指令部６１１から通流率指令部６１２に切り換
え、インバータ４により電動機５に与える電動機電圧を
制御して電動機５の速度制御を行う。このとき、電圧指
令部６１１には速度偏差零信号Ｎ_Z が入力されているた
め、電圧指令部６１１からは最低直流電圧指令値Ｖ
_dRMINが出力され、直流電圧は最低値(ここでは１５０
Ｖ)に制御される。

【００３３】ところで、この実施例では、速度偏差値Ｎ
ｅと通流率中間値Ｄ_RM 及び電圧指令中間値Ｖ_dRM に基
づいて切り換えを行っていたが、電動機の運転状態と通
流率及び直流電圧に関係する値ならどんな値を使用して
もよい。更に言えば、電動機の最大出力点(電圧に対す
る)がわかる値ならどれを使用しても切り換えが可能で
ある。

【００３４】図３に戻り、６２１で電動機５が定速回転
中、又は６２２で通流率指令値が１００％以下、或いは
６２３で直流電圧指令値が１５０Ｖ以上の場合は６２６
に進み、現在の状態を維持する。

【００３５】従って、この電動機駆動装置６によれば、
図４に示すように、電動機５が低出力時は、昇圧回路３
は直流電圧を１５０Ｖに制御し、インバータ４は速度偏
差値Ｎｅに応じて通流率を変更させて電動機電圧を制御
することにより、電動機の速度制御を行なう。そして、
直流電圧が１５０Ｖになった時点で、電動機５が出せる
最大出力になると、ここで通流率指令値Ｄ_R が１００％
になるので、速度偏差値Ｎｅの接続が切り換えられ、電
圧指令値Ｖ_dR が増加し、ここからは昇圧回路３によ
り、図４に示すように、直流電圧Ｖ_D が上昇されてゆ
く。以後、電動機５が高出力状態では、昇圧回路３によ
り電動機電圧を制御することにより電動機の速度制御を
行なう。

【００３６】反対に、電動機５が高出力状態から低出力
状態に変化した場合は、電圧指令値Ｖ_dR が１５０Ｖ以
下になるので、直流電圧が１５０Ｖにまで低下した時点
で電動機５が出せる最大出力点になると、ここで速度偏
差値Ｎｅの接続が切り換えられ、通流率指令値Ｄ_R が低
下し、インバータ４により電動機電圧が下げられ、以
後、インバータ４は速度偏差値Ｎｅに応じて電動機電圧
を制御し、電動機の速度制御を行なうのである。

【００３７】従って、この第１の実施例では、上記動作
を行うことにより、昇圧回路３は直流電圧を必要以上に
上げる必要がなく、昇圧回路３のスイッチングに起因す
る損失を低減できる。また、インバータ４も、直流電圧
が低いためスイッチングに起因する損失を低減でき、さ
らに電動機５にかかる最大電圧(瞬時値)が小さくなるた
め、スイッチングに起因する電動機電流の変動が小さく
なり、このため回転子側に誘起される電動機出力に関係
ない渦電流が低減され、損失を少なくできる。

【００３８】次に、本発明の他の実施例について説明す
る。図５は本発明の第２の実施例で、図１の実施例と同
一符号は同一部分を示す。この図５において、まず入力
電流検出器Ｒ１は、交流電源１から整流装置２に供給さ
れる電流を検出して入力電流検出信号Ｓ５を発生し、電
動機制御装置６０に供給する働きをする。次に直流電流
検出器Ｒ４は、インバータ４に供給される直流電流を検
出した直流電流検出信号Ｓ６を発生し、電動機制御装置
６０に供給する働きをする。

【００３９】図６は、電動機制御装置６０の詳細構成図
で、図２の実施例と同一符号は同一動作、同一部分を示
す。そして、この図６の実施例が、図２の実施例と異な
る部分は、速度制御装置６２０と通流率作成装置６０
７、及び力率改善装置６３０である。

【００４０】速度制御装置６２０は、速度指令値Ｎ_R 及
び速度検出値Ｎに基づいて電流指令値Ｉ_dR 及び電圧指
令値Ｖ_dR を出力し、電動機５の回転数を制御するもの
で、所定の直流電圧において、電動機５に入力されてい
る実際の直流電力が、最大直流電力に等しくなったと
き、ＰＷＭ制御とＰＡＭ制御との切り換えを行なうよう
になっているものである。

【００４１】そこで、この速度制御装置６２０は、速度
偏差値Ｎｅを出力する速度制御部６１３と、速度偏差値
Ｎｅに可変ゲインＫ１を乗じた値に基づいて電圧指令値
Ｖ_dRを算出する電圧指令部６１１、速度偏差値Ｎｅに可
変ゲインＫ２を乗じた値に基づいて電流指令値Ｉ_dR を
算出する電流指令部６１６、直流電流検出信号Ｓ６と直
流電圧検出信号Ｓ３により検出した、その時点での直流
電圧で電動機５に入力できる最大直流電力を演算する最
大電力演算部６３１、入力電流検出信号Ｓ５より入力電
力を演算し、直流電力を推定する入力電力演算部６３
２、それに速度偏差値Ｎｅと最大電力演算部６３１の出
力及び入力電力演算部６３２の出力により可変ゲインＫ
１及びＫ２のゲインを変更する切り換え部６１５とで構
成されている。そして、この実施例では、可変ゲインＫ
１、Ｋ２はどちらか一方がゲイン１のとき、他方はゲイ
ン０になるように設定されている。

【００４２】通流率作成装置６０７は、インバータ４を
駆動し直流電流を制御するもので、電流指令値Ｉ_dR と
直流電流検出信号Ｓ６の偏差に基づいてインバータ駆動
信号Ｓ２を出力する働きをする。力率改善装置６３０
は、昇圧回路３を用いて電源電流を正弦波状に制御(力
率改善)すると同時に、直流電圧を所定の値に制御する
装置で、少なくとも入力電流検出信号Ｓ５を用いて力率
改善制御を行い、電圧指令値Ｖ_dR に基づいて直流電圧
を制御する働きをし、入力電流検出信号Ｓ５と電圧指令
値Ｖ_dR 及び直流電圧検出信号Ｓ３により力率改善と同
時に直流電圧制御ができる昇圧回路駆動信号Ｓ１を出力
するものである。

【００４３】次に、図７は、切り換え回路６１５の切り
換えアルゴリズムを示したもので、この図７での６４１
は、図３の実施例における６２１と同一なので、説明は
省略する。まず、電動機５が加速中の場合には６４２に
進み、最大電力演算部出力と入力電力演算部出力を比較
して差がなくなったら６４４に進む。６４４では、その
時の最大電力演算部出力を基準電力として記憶し、６４
６で可変ゲインＫ１をゲイン１に、可変ゲインＫ２をゲ
イン０に設定する。

【００４４】次に、電動機５が減速中の場合には６４３
に進み、入力電力演算部出力と記憶されている基準電力
を比較し、差がなくなった場合６４５に進み、可変ゲイ
ンＫ１をゲイン０に、可変ゲインＫ２をゲイン１に設定
する。さらに、６４１で電動機５が定速回転中、又は６
４２で入力電力演算部出力が最大電力以下、もしくは６
４３で入力電力演算部出力が基準電力以上の場合は６４
７に進み、現在の状態を維持する。

【００４５】従って、この実施例による電動機駆動装置
６０を、図７の切り換えアルゴリズムに従って動作させ
ると、第１の実施例と同様、図４に示す通り、電動機５
が低出力時は、昇圧回路３は直流電圧を１５０Ｖ(最低
直流電圧指令Ｖ_dRMIN を１５０Ｖに設定した場合)に制
御し、インバータ４は速度偏差値Ｎｅに応じて電動機電
圧を制御し、電動機の速度制御を行なう。そして、直流
電圧が１５０Ｖになって電動機５に入力できる最大直流
電力に、実際の直流電力がなったとき、可変ゲインＫ１
及びＫ２のゲインが切り換えられ、電圧指令値Ｖ_dR が
増加し、昇圧回路３により直流電圧が図４に示す通り上
げられる。以後電動機５が高出力状態では、昇圧回路３
により電動機電圧を制御し電動機の速度制御を行なう。

【００４６】反対に高出力状態から低出力状態に変化す
る場合も、直流電圧が１５０Ｖの時点で電動機５に入力
できる最大出力点になると、可変ゲインＫ１及びＫ２の
ゲインが切り換えられて通流率指令値Ｄ_R が低下し、イ
ンバータ４により電動機電圧が下げられ、以後インバー
タ４は速度偏差値Ｎｅに応じて電動機電圧を制御し、電
動機の速度制御を行なうのである。

【００４７】従って、この第２の実施例によれば、第１
の実施例と同様な効果を得ることができる上、電圧制御
装置に代えて力率改善装置６３０を使用しているため、
電動機５の回転数制御と同時に電源の力率を改善するこ
とができる。また、通流率作成装置６０７では、直流電
流の制御ができるため、高精度な電動機制御ができる。

【００４８】なお、この第２の実施例では、その時点の
電圧で電動機に入力できる最大電力と、電源から供給さ
れる入力電力を用いて可変ゲインＫ１とＫ２のゲインを
切り換えているが、これに代えて、インバータ４に供給
される直流電力や電動機５の出力を使用して切り換える
ようにしてもよい。また、電源電流、直流電流、電動機
巻線電流を用いて切り換えるようにしても、同様の効果
を得ることができる。

【００４９】次に、本発明のさらに別の実施例について
説明する。まず図８は、本発明の一実施例における動作
説明図で、この図は電動機駆動装置の運転特性で。横軸
に電動機出力、縦軸に電圧を示しており、直流電圧Ｖ_d
及びインバータ出力電圧Ｖ_inv を併せて示したものであ
る。この図８から明らかなように、この実施例では、直
流電圧Ｖ_d は電動機出力が小さいときは一定電圧に制御
しており、電動機出力が大きい場合には昇圧比を上げて
より高い電圧に制御するになっており、そして、電動機
出力が大きい場合には、直流電圧Ｖ_d はインバータ出力
電圧Ｖ_inv より高い電圧に保たれるようになっている。

【００５０】ＰＷＭ制御では、インバータがスイッチン
グする際、電動機の各相の巻線にかかる電圧はスイッチ
ング素子のオンオフ状態により直流電圧Ｖ_d と零(或い
は−Ｖ_d)に変化する。このとき、電圧の変化と電流の変
化が重なって発生するため、スイッチング素子には電流
と電圧の積に比例した損失が生じる。

【００５１】また、このとき、電動機の線間電圧が変動
してしまうことにより、電機子巻線電流にスイッチング
周波数の変動成分がのり、回転子側に誘起する電動機出
力に関係しない渦電流が流れて損失を生じる。従って、
電動機出力が小さい場合に低い電圧でスイッチングすれ
ば、これらの損失を低減することができる。しかして、
直流電圧Ｖ_d をインバータ出力電圧Ｖ_inv に等しくした
のでは、インバータの制御による高精度な電動機制御が
できなくなり、電動機を最適な運転条件で運転できず、
効率、制御特性が悪化してしまう。

【００５２】そこで、以下の本発明の実施例では、低い
電圧で動作させることによる低損失特性と、インバータ
制御による制御の高精度性を併わせ持たせ得るようにす
るため、直流電圧Ｖ_d をインバータ出力電圧Ｖ_inv より
少し高く制御し、最適な電動機運転を実現するものであ
る。

【００５３】まず、図９は、本発明の第３の実施例で、
図１又は図５の実施例と同一符号は同一部分を表わす。
次に図１０は、この実施例における電動機制御装置６１
の詳細構成図で、図２の実施例と同一符号は同一部分を
表わしており、この図から明らかなように、この実施例
では、通流率作成装置６０３と速度制御装置６０４、そ
れに速度演算装置６０５からなる電動機制御系と、電圧
制御装置６０１と電圧指令装置６５３及び記憶装置６５
２からなる直流電圧制御系とが独立した構成となってお
り、回転速度制御は電動機制御系によるＰＷＭ制御で行
ない、直流電圧制御は電圧制御系によるＰＡＭ制御で行
なうようになっている。

【００５４】速度制御装置６０４は、速度演算装置６０
５から入力される速度検出値Ｎと、速度指令値Ｎ_R との
差を零とするように、速度制御のみに関連する通流率指
令値Ｄ_R を作成する。また、これと並行して、速度制御
装置６０４は、直流電圧の不足による速度誤差分を速度
偏差値Ｎｅとして出力する。

【００５５】直流電圧制御系は、前記のように、電圧制
御装置６０１、電圧指令装置６５３及び記憶装置６５２
とで構成されており、入力電流検出信号Ｓ５は電圧指令
装置６５３に入力される。記憶装置６５２は読み書き可
能な記憶素子から構成され、その時点で入力電流Ｉ_S が
最も小さくなる電圧指令Ｖ_dRm と、そのときの入力電流
Ｉ_Sm とを記憶している。

【００５６】速度制御装置６０４から供給される速度偏
差値Ｎｅは、電圧指令装置６５３の出力である電圧指令
Ｖ_dR に加算され、直流電圧指令値に対して回転速度誤
差分の補正を行う。これにより速度制御装置で最大通流
率を出力しても速度偏差が零とならない場合には、この
速度偏差信号Ｎｅにより電圧指令を高めに設定する。

【００５７】電圧指令装置６５３は、入力電流検出信号
Ｓ５から得られる入力電流Ｉ_S が、記憶装置６５２に記
憶してある入力電流Ｉ_dm より小さい場合に、その時点
の電圧指令Ｖ_dR 及び入力電流Ｉ_S を、Ｖ_dRm 及びＩ_sm
として記憶装置６５２に記録する。また、この電圧指令
装置６５３は、ある周期で記憶装置６５２に記憶した電
圧指令Ｖ_dRmと、これより少し高い電圧Ｖ_dRm＋Δ、及び
少し低い電圧Ｖ_dRm−Δの少なくとも３種類の電圧を順
に出力する。そして最小入力電流に対応した電圧指令Ｖ
_dRm を出力したときの入力電流値が、記憶装置６５２
に記憶したＩ_smと異なる場合には、これを更新する。

【００５８】次に、この図１０に示した電動機制御装置
６１の動作について、図１１により説明する。いま、あ
る時点で、電圧指令Ｖ_dR としてＶ_d１が出力されていた
とし、この時の入力電流がＩ_S１であり、これらの値が
記憶装置６５２に記憶されていた場合には、ある時間経
過後に電圧指令をＶ_dRm−Δ＝Ｖ_d２に変更する。そうす
ると、これによる入力電流Ｉ_S２は、記憶装置６５２に
記憶してある電流値Ｉ_Smより小さいので、Ｖ_dRm として
直流電圧指令値Ｖ_d２を、Ｉ_Sm として入力電流Ｉ_S２を
記憶する。その後再び電圧指令をＶ_dRm−Δ＝Ｖ_d３に変
更し、これによる直流電圧指令値Ｖ_d３がＶ_dRmとして、
入力電流Ｉ_S３がＩ_Sm として記憶される。

【００５９】従って、その後の電圧指令の変更に対して
は、入力電流はＩ_S４及びＩ_S２となり、これらは共にＩ
_sm より大きいので、記憶装置６５２の内容は更新され
ず、Ｖ_d２〜Ｖ_d３を繰り返し出力するようになり、この
結果、電圧指令Ｖ_dR は入力電流が最も小さい点の近傍
に決定され、効率の良い運転が実現できる。

【００６０】次に、電動機５の回転数や出力トルクが変
化した場合には、Ｖ_dRm を直流電圧指令値としたときの
入力電流が変化し、Ｉ_Sm と異なる値となるので、記憶
装置６５２の内容が更新され、再び入力電流最小値を探
すことになり、従って、この実施例によれば、常に効率
の良い運転制御が得られることになる。

【００６１】図１２は、電動機制御装置６１による制御
の様子を示す波形図で、時刻ｔ１において、速度指令Ｎ
_R が変化したり、負荷が増大するなどの理由により、図
１２の(a)に示すように、電動機出力が変化した場合を
示している。この時点ｔ１で、電圧指令Ｖ_dRm が入力電
流検出信号の最小値と一致しなくなるので、前記のアル
ゴリズムにより、順次、直流電圧を、同図(b)に示すよ
うに変更して行き、同図(c)に示すように電源電流Ｉ_S
が最小になる直流電圧に近づけていく動作が行なわれる
ことになる。

【００６２】入力側の交流電圧が一定の場合は、入力電
流と入力電力が比例しているので、この第３の実施例に
よれば、容易に入力電力最小運転が実現でき、最大効率
運転を得ることができる。なお、交流電圧が変化する場
合には、入力電流の代わりに入力電力を検出して同様の
ことを行えば良い。

【００６３】次に、本発明のさらに別の実施例について
説明する。図１３は、本発明の第４の実施例にかかる電
動機駆動装置を示したもので、図１又は図９の実施例と
同一符号は同一部分を表わす。ここで、直流電流検出器
Ｒ４は、インバータに供給される電流を検出し、直流電
流検出信号Ｓ５を電動機制御装置６２に入力する働きを
する。

【００６４】次に図１４は、この実施例における電動機
制御装置６２の詳細構成図で、この図において、図１０
の実施例と同一符号は同一部分を表わしている。この図
１４において、直流電流検出器Ｒ４から供給される直流
電流検出信号Ｓ６は、通流率作成装置６０７と電流変動
検出装置６５１に入力されている。速度制御装置６０６
は、速度指令値Ｎ_R と速度演算装置６０５から入力され
る速度検出値Ｎとの差が零になるようにするための、速
度制御にだけ関連する電流指令値Ｉ_dR を作成する。

【００６５】通流率作成装置６０７は、電流指令値Ｉ_dR
と直流電流検出値Ｓ６が一致するようにパルス幅変調
したインバータ駆動信号Ｓ２を出力する。電流変動検出
装置６５１は、ある一定時間内の最大電流値と最小電流
値の差である直流電流変動値ΔＩd を出力する。電圧指
令装置６０２は、直流電流変動値ΔＩ_d が、直流電流変
動許容幅Δmaxより大きい場合は直流電圧指令値Ｖ_dR を
増加させ、直流電流変動値ΔＩ_d がこの直流電流変動許
容幅Δmax より小さい場合は直流電圧指令値Ｖ_dR を減
少させる。

【００６６】ここで、直流電圧変動は、ＰＷＭ変調され
た直流電流Ｉ_d が大きくなるにつれて増加する。また、
この直流電流Ｉ_d の大きさは、電動機５の出力が一定で
あれば、直流電圧(Ｖ_d)×直流電流(Ｉ_d)に比例するの
で、直流電圧が低い方が大きくなる。従って、直流電流
変動値ΔＩ_d を直流電流変動許容幅Δmax 内で一定にす
ることにより、直流電圧Ｖ_d はインバータ出力電圧Ｖin
vよりも高く保たれることになる。

【００６７】次に、この電動機制御装置６２の動作につ
いて、図１５により説明する。いま、ある時点で、直流
電圧指令値Ｖ_dR として、直流電圧Ｖ_d１が出力されてい
たとする。そして、このとき、直流電流変動値がΔＩ_d
１であったとすると、ΔＩ_d１＞Δmax なので、直流電
圧指令値Ｖ_dR を増加させてＶ_d２とする。そうすると、
このときの直流電流変動値ΔＩ_d２＞Δmax となるの
で、さらに直流電圧指令値Ｖ_dR を増加してＶ_d３とす
る。そして、この時点で、直流電流変動値ΔＩ_d３＜Δm
ax となり、直流電圧指令値Ｖ_dR は、この値に保たれる
ことになる。これによれば、直流電流変動値ΔＩ_d を電
流変動許容幅Δmax 内に納めた最小の直流電圧での運転
が実現され、従って、この実施例によれば、損失が少な
く、且つ電流変動が少ない運転が実現できるので、電流
変動に起因するトルク変動が少ない状態での運転を容易
に得ることができるこの実施例では、このように、電動
機の回転数や出力トルクが変化した場合は直流電流変動
値ΔＩ_d が変化し、これを許容範囲内とするように電圧
指令Ｖ_dRが変化し、直流電流変動値ΔＩ_d が電流変動許
容値Δmax 内に収まるような直流電圧に調整される。

【００６８】図１６は、電動機制御装置６２により電動
機５を運転した場合の動作を示す波形図で、時刻ｔ１に
おいて、速度指令Ｎ_R が変化したり負荷が増大するなど
の理由で、図１６の(a)に示すように、電動機の回転数
や出力トルクが変化した場合を示している。そうする
と、この時点ｔ１で、同図(b)、(c)に示すように、直流
電圧値Ｖ_d と、直流電流変動値ΔＩｄが変化し、前記
のアルゴリズムにより、順次直流電圧指令値を変更しな
がら、次第に直流電流変動値ΔＩ_d がΔ_max となる電圧
に近づいていくのである。

【００６９】ところで、以上の説明から明らかなよう
に、上記実施例による電動機駆動装置によれば、最適な
電動機運転を容易に得ることができるから、種々の電動
機を用いた装置への適用が可能であるが、ここでは、こ
のような装置の一例として空気調和機に適用した場合に
ついて説明する。

【００７０】図１７は、本発明の一実施例による空気調
和機の運転モードの一例を示したもので、図の横軸は圧
縮機運転用電動機の出力トルクＴを示し、縦軸は、その
回転数を示している。まず、従来の空気調和機では、電
動機を運転するのに、インバータの入力として一定の直
流電圧Ｖ_dc で運転しており、これより直流電圧が低い
範囲のみＰＷＭ制御により利用していた。

【００７１】これに対して、本発明の空気調和機によれ
ば、低負荷時は直流電圧Ｖ_dmin により運転し、これよ
り高い直流電圧が必要な領域ではＰＡＭ制御により直流
電圧を昇圧することで最大入力範囲内の全ての領域を利
用する。これにより、図中の除霜運転と示した点での運
転が可能になり、冷媒をほとんど圧縮せず、単なる冷媒
循環モードでの除霜が可能になり、除霜時の冷風吹き出
しを抑えることができる。また、図中色の濃い部分では
直流電圧が低い状態で運転しているため、損失が抑えら
れ、省エネルギー運転が得られる。

【００７２】

【発明の効果】本発明によれば、パルス幅変調信号の通
流率とあらかじめ設定された所定通流率の差及び前記直
流電圧とあらかじめ設定された所定電圧の差から電動機
に供給している電力を推定し、この電力に応じて直流電
圧及びインバータ出力電圧を決定するので、電動機の制
御法によらず常に所定の切り換えモードや所定の直流電
圧／インバータ出力電圧比を実現する効果がある。

【００７３】さらに、本発明によれば、電源から供給さ
れる入力電力(または電流)、インバータに供給する直流
電力(または電流)、電動機に供給するインバータ出力
(または電流)、電動機の出力のいずれかを検出する検出
手段により検出した検出値とその時点の電圧でインバー
タが供給できる最大出力との差を用いて直流電圧及びイ
ンバータ出力電圧を決定するので、駆動装置の構成によ
り最も容易に検出できる検出値を用いて、常に所定の切
り換えモードや所定の直流電圧／インバータ出力電圧比
を実現する効果がある。

【００７４】さらに、本発明によれば、直流電圧をイン
バータ出力電圧より高く制御することにより、低い直流
電圧でインバータの制御を同時に行うことができるの
で、トルク変動が小さい運転や入力が最も小さい運転な
どの電動機の要求に応じた電動機制御を実現する効果が
ある。

【００７５】さらに、本発明によれば、直流電圧とイン
バータ出力を独立に制御する電動機駆動装置を用いて空
気調和機の能力制御を行うので、空気調和機の運転モー
ドに応じた効率、振動最適点での運転を実現する効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電動機駆動装置の第１の実施例を
示すブロック図である。

【図２】本発明の第１の実施例における電動機制御装置
を示すブロック図である。

【図３】本発明の第１の実施例における切り換え部のＰ
ＷＭ制御／ＰＡＭ制御切り換えアルゴリズムを示す説明
図である。

【図４】本発明の第１の実施例の動作特性図である。

【図５】本発明の第２の実施例を示すブロック図であ
る。

【図６】本発明の第２の実施例における電動機制御装置
を示すブロック図である。

【図７】本発明の第２の実施例における切り換え部のＰ
ＷＭ制御／ＰＡＭ制御切り換えアルゴリズムを示す説明
図である。

【図８】本発明の一実施例における制御の考え方を説明
するための動作特性図である。

【図９】本発明の第３の実施例を示すブロック図であ
る。

【図１０】本発明の第３の実施例における電動機制御装
置を示すブロック図である。

【図１１】本発明の第３の実施例の動作特性図である。

【図１２】本発明の第３の実施例の動作を説明する波形
図である。

【図１３】本発明の第４の実施例を示すブロック図であ
る。

【図１４】本発明の第４の実施例における電動機制御装
置を示すブロック図である。

【図１５】本発明の第４の実施例の動作特性図である。

【図１６】本発明の第４の実施例の動作を説明する波形
図である。

【図１７】本発明による空気調和機の一実施例の運転モ
ードの説明図である。

【符号の説明】

１交流電源２整流回路３昇圧回路４インバータ５電動機６、６０、６１、６２電動機制御装置６０１電圧制御装置６０２、６５３電圧指令装置６０３、６０７通流率制御装置６０５速度演算装置６０４、６０６、６１０、６２０速度制御装置６１４、６１５切り換え部６１１電圧指令部６１２通流率指令部６１６電流指令部６３０力率改善装置６５１電流変動検出装置６５２記憶装置ＮＲ速度指令値Ｎ速度検出値Ｓ１昇圧回路駆動信号Ｓ２インバータ駆動信号Ｓ３直流電圧検出信号Ｓ４回転信号Ｓ５入力電流検出信号Ｓ６直流電流検出信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石井誠栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地株式会社日立製作所栃木工場内 (56)参考文献特開昭63−224698（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−59731（ＪＰ，Ａ) 特開平３−117844（ＪＰ，Ａ) 特開平４−225767（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02M 7/48 F24F 11/02 H02P 7/63

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】スイッチング素子のスイッチング動作に
より直流電圧の大きさを変更する電圧変換回路と、この
電圧変換回路から出力される直流電圧を交流電圧に変換
するインバータと、このインバータにより駆動される電
動機を備え、前記電圧変換回路から出力される前記直流
電圧を制御する直流電圧制御手段と、前記電動機が指令
の速度で運転するように前記インバータの出力電圧をパ
ルス幅変調信号により制御する速度制御手段を有する電
動機駆動装置において、前記速度制御手段は、前記電動機の実速度と速度指令の
偏差が零になるように前記パルス幅変調信号の通流率を
制御すると共に、前記直流電圧の不足分による速度偏差
値を出力するように構成され、前記直流電圧制御手段は、前記電圧変換回路に供給すべ
き所定の直流電圧指令値に、前記速度偏差値分の電圧を
加算して出力するように構成されていることを特徴とす
る電動機駆動装置。
【請求項２】請求項１において、前記直流電圧制御手段は、電源から供給される入力直流
又は入力電力或いは直流電力の何れかに基づいて上記所
定の直流電圧指令値を決定するように構成されているこ
とを特徴とする電動機駆動装置。
【請求項３】請求項１又は請求項２の何れかの電動機
駆動装置を用いて圧縮機用電動機を駆動するように構成
したことを特徴とする空気調和機。