JP4561219B2 - モータ駆動用インバータ制御装置およびそれを用いた空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、小容量リアクタおよび小容量コンデンサを用いたモータ駆動用インバータ制御装置およびそれを用いた空気調和機に関するものである。

汎用インバータなどで用いられている一般的なモータ駆動用インバータ制御装置として、図１８に示すようなＶ／Ｆ制御方式のモータ駆動用インバータ制御装置がよく知られている（例えば、非特許文献１参照）。

図１８において、主回路は直流電源装置１８３と、インバータ３とインダクションモータ４とから構成されており、直流電源装置１８３については、交流電源１と、整流回路２と、インバータ３の直流電圧源のために電気エネルギーを蓄積する平滑コンデンサ１８２と、交流電源１の力率改善用リアクタ１８１から構成されている。

一方、制御回路では、外部から与えられたインダクションモータ４の速度指令ω＊に基づいてインダクションモータ４に印加するモータ電圧値を決定するＶ／Ｆ制御パターン７と、Ｖ／Ｆ制御パターン７から決定されるモータ電圧値に基づいてインダクションモータ４のモータ電圧指令値を作成するモータ電圧指令作成手段８と、モータ電圧作成手段８から作成されたモータ電圧指令値に基づいてインバータ３のＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ制御手段１２から構成されている。

なお、一般的なＶ／Ｆ制御パターン７の一例を図１９に示す。

図１９に示すように速度指令ω＊に対してインダクションモータ４に印加するモータ電圧値が一義的に決定するような構成となっている。一般的には、速度指令ω＊とモータ電圧値の値をテーブル値としてマイコン等の演算装置のメモリに記憶させ、テーブル値以外の速度指令ω＊に対してはテーブル値から線形補間することでモータ電圧値を導出している。

ここで、交流電源１が２２０Ｖ（交流電源周波数５０Ｈｚ）、インバータ３の入力が１．５ｋＷ、平滑コンデンサ１８２が１５００μＦのとき、力率改善用リアクタ１８１が５ｍＨおよび２０ｍＨの場合における交流電源電流の高調波成分と交流電源周波数に対する次数との関係を図２０に示す。図２０はＩＥＣ（国際電気標準会議）規格と併せて示したもので、力率改善用リアクタ１８１が５ｍＨの場合には特に第３高調波成分がＩＥＣ規格のそれを大きく上回っているが、２０ｍＨの場合には４０次までの高調波成分においてＩＥＣ規格をクリアしていることがわかる。

そのため特に高負荷時においてもＩＥＣ規格をクリアするためには力率改善用リアクタ１８１のインダクタンス値をさらに大きくするなどの対策を取る必要があり、インバータ制御装置の大型化や重量増加、さらにはコストＵＰを招くという不都合があった。

そこで、力率改善用リアクタ１８１のインダクタンス値の増加を抑え、電源高調波成分の低減と高力率化を達成する直流電源装置として、例えば図２１に示すような直流電源装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図２１において、交流電源１の交流電源電圧を、ダイオードＤ１〜Ｄ４をブリッジ接続してなる全波整流回路の交流入力端子に印加し、その出力をリアクトルＬｉｎを介して中間コンデンサＣに充電し、この中間コンデンサＣの電荷を平滑コンデンサＣＤに放電して、負荷抵抗ＲＬに直流電圧を供給する。この場合、リアクトルＬｉｎの負荷側と中間コン
デンサＣを接続する正負の直流電流経路にトランジスタＱ１を接続し、このトランジスタＱ１をベース駆動回路Ｇ１で駆動する構成となっている。

また、ベース駆動回路Ｇ１にパルス電圧を印加するパルス発生回路Ｉ１、Ｉ２と、ダミー抵抗Ｒｄｍとをさらに備えており、パルス発生回路Ｉ１、Ｉ２は、それぞれ交流電源電圧のゼロクロス点を検出する回路と、ゼロクロス点の検出から交流電源電圧の瞬時値が中間コンデンサＣの両端電圧と等しくなるまでダミー抵抗Ｒｄｍにパルス電流を流すパルス電流回路とで構成されている。

ここで、パルス発生回路Ｉ１は交流電源電圧の半サイクルの前半にてパルス電圧を発生させ、パルス発生Ｉ２は交流電源電圧の半サイクルの後半にてパルス電圧を発生させるようになっている。

なお、トランジスタＱ１をオン状態にしてリアクトルＬｉｎに強制的に電流を流す場合、中間コンデンサＣの電荷がトランジスタＱ１を通して放電することのないように逆流防止用ダイオードＤ５が接続され、さらに、中間コンデンサＣの電荷を平滑コンデンサＣＤに放電する経路に、逆流防止用ダイオードＤ６と、平滑効果を高めるリアクトルＬｄｃが直列に接続されている。

上記の構成によって、交流電源電圧の瞬時値が中間コンデンサＣの両端電圧を超えない位相区間の一部または全部においてトランジスタＱ１をオン状態にすることによって、装置の大型化を抑えたままで、高調波成分の低減と高力率化を達成することができる。
特開平９−２６６６７４号公報 「インバータドライブハンドブック」の６６１〜７１１頁を参照、インバータドライブハンドブック編集委員会編、１９９５年初版、日刊工業新聞社発行

しかしながら、上記従来の構成では、容量の大きな平滑用コンデンサＣＤとリアクトルＬｉｎ（特許文献１では１５００μＦ、６．２ｍＨ時のシミュレーション結果について記載されている）とを依然として有したままであり、さらに中間コンデンサＣとトランジスタＱ１とベース駆動回路Ｇ１とパルス発生回路Ｉ１、Ｉ２とダミー抵抗Ｒｄｍと逆流防止用ダイオードＤ５、Ｄ６と平滑効果を高めるリアクトルＬｄｃとを具備することで、装置の大型化や部品点数の増加に伴なうコストＵＰを招くという課題を有していた。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、モータ電流の変動量を低減することで、さらなる小型・軽量・低コスト化を図ったモータ駆動用インバータ制御装置をおよびそれを用いた空気調和機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、交流電源を入力とする整流回路と直流電力から交流電力に変換するインバータとモータとを含み、整流回路はダイオードブリッジと、ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続される極めて小容量のリアクタで構成され、インバータの直流母線間には、モータの回生エネルギーを吸収するための極めて小容量のコンデンサを設け、外部から与えられるモータの速度指令値に対して周期的に変動する速度成分を重畳させることによりモータの速度指令補正値を作成する速度指令値補正手段と、速度指令補正値に基づき、モータのモータ電圧指令値を作成するモータ電圧指令作成手段と、インバータの直流電圧値を検出するＰＮ電圧検出手段と、予め設定されたインバータの直流電圧基準値とＰＮ電圧検出手段から得られるインバータの直流電圧検出値との比率を導出するＰＮ電圧補正手段と、モータ電圧指令作成手段から得られるモータ
電圧指令値とＰＮ電圧補正手段の出力値であるＰＮ電圧補正係数とを掛け合わせることによりモータ電圧指令値の電圧補正を行ない、モータのモータ電圧指令補正値を作成するモータ電圧指令補正手段とを備えるものである。

上記の構成によって、小容量リアクタおよび小容量コンデンサを用いることで小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を実現でき、インバータ直流電圧が大幅に変動してモータの駆動が困難あるいは不可能となる場合でも、ＰＮ電圧補正手段によりモータに印加する電圧をほぼ一定にすることでモータの駆動を維持することが可能となり、さらに速度指令補正手段によりモータの速度指令値を周期的に変動させることによりモータ電流の変動周期を変更してモータ電流の変動量を低減させ、損失低減や素子の電流容量低減によるモータ駆動用インバータ制御装置のさらなる小型・軽量・低コスト化を図ることが可能となる。

本発明によれば、モータ電流の変動量を低減することで、さらなる小型・軽量・低コスト化を図ったモータ駆動用インバータ制御装置およびそれを用いた空気調和機を提供できる。

第１の発明は、交流電源を入力とする整流回路と直流電力から交流電力に変換するインバータとモータとを含み、整流回路はダイオードブリッジと、ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続される極めて小容量のリアクタで構成され、インバータの直流母線間には、モータの回生エネルギーを吸収するための極めて小容量のコンデンサを設け、外部から与えられるモータの速度指令値に対して周期的に変動する速度成分を重畳させることによりモータの速度指令補正値を作成する速度指令値補正手段と、速度指令補正値に基づき、モータのモータ電圧指令値を作成するモータ電圧指令作成手段と、インバータの直流電圧値を検出するＰＮ電圧検出手段と、予め設定されたインバータの直流電圧基準値とＰＮ電圧検出手段から得られるインバータの直流電圧検出値との比率を導出するＰＮ電圧補正手段と、モータ電圧指令作成手段から得られるモータ電圧指令値とＰＮ電圧補正手段の出力値であるＰＮ電圧補正係数とを掛け合わせることによりモータ電圧指令値の電圧補正を行ない、モータのモータ電圧指令補正値を作成するモータ電圧指令補正手段とを備え、前記ＰＮ電圧補正手段は、直流電圧基準値を直流電圧検出値で除算することによりＰＮ電圧補正係数を導出し、直流電圧検出がゼロ以下の場合にはＰＮ電圧補正係数に予め設定されたＰＮ電圧補正係数の最大値を設定するものである。

上記の構成によって、小容量リアクタおよび小容量コンデンサを用いることで小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を実現でき、インバータ直流電圧が大幅に変動してゼロ以下となりモータの駆動が困難あるいは不可能となる場合でも、ＰＮ電圧補正手段によりモータに印加する電圧をほぼ一定にすることでモータの駆動を維持することが可能となり、さらに速度指令補正手段によりモータの速度指令値を周期的に変動させることによりモータ電流の変動周期を変更してモータ電流の変動量を低減させ、損失低減や素子の電流容量低減によるモータ駆動用インバータ制御装置のさらなる小型・軽量・低コスト化を図ることが可能となる。

第２の発明は、特に、第１の発明の速度指令補正手段は、モータの速度指令値に応じて速度指令補正値の変動幅を決定するものである。

上記の構成によって、モータ電流の変動周期を変更してモータ電流の変動量を低減させ、損失低減や素子の電流容量低減によるモータ駆動用インバータ制御装置のさらなる小型・軽量・低コスト化を図ることが可能となり、さらにモータの速度指令値に対する変動幅
の比率が全運転領域で一律となるため、速度指令値に比例して負荷トルクが増加していく場合にはどの運転領域においても効果的にモータ電流の変動周期を変更してモータ電流の変動量を低減させることが可能となる。

第３の発明は、特に、第２の発明の速度指令補正値の変動幅は、少なくとも予め設定された上限値もしくは下限値を有するものである。

上記の構成によって、特に高速・軽負荷時において必要以上にモータの速度指令値を変動させることを抑制するため、高速・軽負荷時でのモータの不安定動作を防止し、安定した駆動を実現することが可能となる。

第４の発明は、特に、第１の発明の速度指令補正手段は、モータの速度指令値に応じて速度指令補正値の変動周期を決定するものである。

上記の構成によって、モータ電流の変動周期を変更してモータ電流の変動量を低減させ、損失低減や素子の電流容量低減によるモータ駆動用インバータ制御装置のさらなる小型・軽量・低コスト化を図ることが可能となり、さらにモータの速度指令値に対する変動周期の比率が全運転領域で一律となるため、特に高速領域においてはさらに効果的にモータ電流の変動周期を変更してモータ電流の変動量を低減させることが可能となる。

第５の発明は、特に、第４の発明の速度指令補正値の変動周期は、少なくとも予め設定された上限値もしくは下限値を有するものである。

上記の構成によって、特に高速領域において必要以上にモータの速度指令値を変動させることを抑制するため、高速領域でのモータの不安定動作を防止し、安定した駆動を実現することが可能となる。

第６の発明は、特に、第１の発明の速度指令補正値は、少なくとも予め設定された上限値もしくは下限値を有するものである。

上記の構成によって、必要以上にモータの速度指令値を変動させることを抑制するため、モータの不安定動作を防止し、安定した駆動を実現することが可能となり、さらに予め設定された上限値もしくは下限値の大きさにより速度指令値の変動方法が自由に変更できるため、より効果的にモータ電流の変動量を低減するような変動方法を求めることが可能となり、さらなる損失低減や素子の電流容量低減を図ることが可能となる。

第７の発明は、特に、第１の発明の速度指令補正手段は、予め設定された速度指令値の設定値を有し、速度指令値が速度指令値の設定値よりも大きい場合にのみ速度指令補正値を作成し、速度指令値が速度指令値の設定値以下の場合には速度指令値を速度指令補正値とするものである。

上記の構成によって、モータの速度指令値が予め設定された速度指令値の設定値よりも大きい場合のみモータの速度指令値を周期的に変動させることでより効果的にモータ電流の変動量を低減させ、さらにマイコン等の演算手段における演算量やメモリの低減が図れ、演算手段のコスト低減を図ることが可能となる。

第８の発明は、特に、第１の発明の速度指令補正手段は、速度指令値が一定となる場合のみ速度指令補正値を作成し、速度指令値が一定でない場合には速度指令値を速度指令補正値とするものである。

上記の構成によって、モータが加速あるいは減速するといった過渡状態においてはモータの速度指令値を周期的に変動させないようにすることでモータの不安定動作を防止し、安定した駆動を実現することが可能となる。

第９の発明は、特に、第７の発明の速度指令補正手段は、速度指令補正値の切り替えの前後でヒステリシスを具備した速度指令補正切替手段を有するものである。

上記の構成によって、速度指令補正値の切り替えに伴う制御安定性および信頼性の向上が図れ、速度指令値の急峻な変化に伴うハンチングを抑制することが可能となる。

第１０の発明は、特に、第１の発明のＰＮ電圧補正手段は、ＰＮ電圧補正係数が少なくとも予め設定された上限値もしくは下限値を有するものである。

上記の構成によって、インバータ直流電圧が大幅に変動するような場合でもモータの駆動を維持することが可能となり、さらに予め設定された上限値もしくは下限値を有することで交流電源電流の変動を抑制し、交流電源力率の改善と交流電源電流の高調波成分を抑制することが可能となる。

第１１の発明は、特に、第１の発明のインバータ運転周波数が交流電源周波数の偶数倍となる共振周波数と、共振周波数を中心としてその前後に予め設定された周波数幅を持たせた周波数範囲内でインバータ運転周波数が定常的に固定されるのを回避するものである。

上記の構成によって、インバータ周波数と交流電源周波数との共振現象を回避することでモータの不安定動作を防止し、安定した駆動を実現することが可能となる。

第１２の発明は、特に、第１の発明の小容量リアクタと小容量コンデンサとの共振周波数を交流電源周波数の４０倍よりも大きくなるように小容量リアクタおよび小容量コンデンサの組み合わせを決定するものである。

上記の構成によって、交流電源電流の高調波成分を抑制し、ＩＥＣ規格をクリアすることが可能となる。

第１３の発明は、特に、第１の発明のインバータが停止した際に上昇する直流電圧値の最大値が素子の耐圧よりも小さくなるように小容量コンデンサの容量を決定するものである。

上記の構成によって、インバータ直流電圧の最大値を各駆動素子の耐圧よりも小さくなるように小容量コンデンサの容量を決定することで周辺回路の破壊を防止することが可能となる。

第１４の発明は、特に、第１の発明の予め設定された交流電源力率値を満足するようにインバータのキャリア周波数を決定するものである。

上記の構成によって、予め設定された交流電源力率値を満足することが可能となり、必要最小限のキャリア周波数を設定することにより、インバータ損失を必要最小限に抑制することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態においては、インダクションモータ駆動用インバータ制御装置について説明しているが
、インダクションモータ駆動用インバータ制御装置に限ることなく、すべてのモータ駆動用インバータ制御装置に適用できるものである。

（実施の形態１）
本発明の第１の実施形態を示すモータ駆動用インバータ制御装置のシステム構成図を図１に示す。図１において、主回路は交流電源１と、交流電力を直流電力に変換するダイオードブリッジ２と、小容量リアクタ５と、小容量コンデンサ６と、直流電力を交流電力に変換するインバータ３と、インバータ３により変換された交流電力により駆動するインダクションモータ４から構成されている。

一方、制御回路では、外部から与えられたインダクションモータ４の速度指令ω＊に対して周期的に変動する速度成分を重畳させることでインダクションモータ４の速度指令補正値を作成する速度指令補正手段１３と、速度指令補正手段１３から得られる速度指令補正値に基づいてインダクションモータ４に印加するモータ電圧値を決定するＶ／Ｆ制御パターン７と、Ｖ／Ｆ制御パターン７から決定されるモータ電圧値に基づいてインダクションモータ４のモータ電圧指令値を作成するモータ電圧作成手段８と、インバータ３の直流電圧値を検出するＰＮ電圧検出手段９と、予め設定されたインバータ３の直流電圧基準値とＰＮ電圧検出手段９から得られるインバータ３の直流電圧検出値との比率を導出するＰＮ電圧補正手段１０と、モータ電圧指令作成手段８から得られるモータ電圧指令値とＰＮ電圧補正手段１０の出力値であるＰＮ電圧補正係数とを掛け合わせることによりモータ電圧指令値の電圧補正を行ないインダクションモータ４のモータ電圧指令補正値を作成するモータ電圧指令補正手段１１と、モータ電圧指令補正手段１１から作成されたモータ電圧指令補正値に基づいてインバータ３のＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ制御手段１２から構成されている。

なお、Ｖ／Ｆ制御パターン７については、上述の従来の技術にて説明しているのでここでは説明を省略する。（図１８のＶ／Ｆ制御方式のモータ駆動用インバータ制御装置）
以下では、具体的な方法について説明する。

図２は本発明に係る速度指令補正手段１３の第１の実施例を示した図で、速度指令値ω＊（＝２πｆ０）に対して周期的に変動させる速度成分の変動幅を、変動周波数（変動周期の逆数）をｆα、初期値をβ０とすると、式（１）で表される演算により速度指令補正値ωｈ＊を作成する。

なお、変動幅を△ｆ、変動周波数ｆα、初期値β０については、モータ電流の変動量の低減効果が最も大きくなるように予めシミュレーションや実験等により導出した値を設定すれば良い。

また、モータ電圧指令作成手段８では式（２）で表される演算によりモータ電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊を作成する。

ここで、Ｖｍｈは速度指令補正値ωｈ＊に基づいてＶ／Ｆ制御パターン７から決定されるモータ電圧値であり、インバータ３の通電位相角θ１ｈは式（３）で表されるように速度指令補正値ωｈ＊を時間積分することで導出するため、モータ電圧値Ｖｍｈおよび通電位相角θ１ｈの両方とも周期的に変動させることになる。

なお、必ずしもモータ電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊を式（２）から導出する（モータ電圧値Ｖｍｈおよび通電位相角θ１ｈの両方とも周期的に変動させる）必要はなく、通電位相角θ１ｈのみ周期的に変動させても良い。この場合はモータ電圧値Ｖｍｈの代わりに、速度指令値ω＊に基づいてＶ／Ｆ制御パターン７から決定されるモータ電圧値Ｖｍを用いてモータ電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊を導出すれば良い。

また、図８は本発明に係るＰＮ電圧補正手段１０の第１の実施例を示した図で、ＰＮ電圧補正手段１０では予め設定されたインバータ３の直流電圧基準値Ｖｐｎ０とＰＮ電圧検出手段９から得られるインバータ３の直流電圧検出値ｖｐｎを用いて式（４）のようにＰＮ電圧補正係数ｋｐｎを導出する。

ここで、本発明では小容量コンデンサを用いているため、直流電圧検出値ｖｐｎがゼロとなる場合が生じるので、ゼロ割防止のための微小項δ０を設定しておく必要がある。

なお、式（４）の微小項δ０の代わりに、直流電圧検出値ｖｐｎがゼロ以下の場合においてＰＮ電圧補正係数ｋｐｎに予め設定されたＰＮ電圧補正係数の最大値を設定することでゼロ割防止を図ることができる。

即ち、式（５）のようにＰＮ電圧補正係数ｋｐｎを導出しても良い。

ここで、ｋｐｎ−ｍａｘは予め設定されたＰＮ電圧補正係数の最大値である。

また、モータ電圧指令補正手段１１ではモータ電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊とＰＮ電圧補正係数ｋｐｎを用いて式（６）のようにモータ電圧指令補正値ｖｕｈ＊、ｖｖｈ＊、ｖｗｈ＊を導出する。

以上により、小容量リアクタおよび小容量コンデンサを用いることで小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を実現でき、インバータ直流電圧が大幅に変動してモータの駆動が困難あるいは不可能となる場合でも、ＰＮ電圧補正手段によりモータに印加する電圧をほぼ一定にすることでモータの駆動を維持することが可能となり、さらに速度指令補正手段によりモータの速度指令値を周期的に変動させることでモータのモータ印加電圧を周期的に変動させ、モータ電流の変動周期を変更してモータ電流の変動量を低減させることで損失低減や素子の電流容量低減によるモータ駆動用インバータ制御装置の更なる小型・軽量・低コスト化を図ることが可能となる。

なお、本発明は上述の実施例のようにＶ／Ｆ制御によるモータ駆動用インバータ制御装置に限定されるものではなく、周知のベクトル制御によるモータ駆動用インバータ制御装置においても本発明は適用可能である。

なお、空気調和機における圧縮機駆動モータなどのようにパルスジェネレータ等の速度センサを使用することができない場合や、サーボドライブなどのように速度センサを具備することができる場合のどちらにおいても本発明は適用可能である。

（実施の形態２）
本発明に係る速度指令補正手段の他の実施例に関する具体的な方法について以下に説明する。

本発明に係る速度指令補正手段の第２の実施例を図３に示す。図３において、速度指令補正値の変動幅△ｆおよび変動周波数ｆαは速度指令値に比例させている。

なお、必ずしも速度指令補正値の変動幅△ｆと変動周波数ｆαの両方とも速度指令値に比例させる必要はなく、運転状況に応じてどちらか一方のみ速度指令値に比例させても良い。

ここで、本発明のモータ駆動用インバータ制御装置を動作させた場合の結果をおよび図１１に示す。図１０は速度指令値を周期的に変動させない場合の動作結果で、図１１は図３の速度指令補正手段（速度指令補正値の変動幅△ｆおよび変動周波数ｆαの両方とも速度指令値に比例させるもの）を適用した場合の動作結果であり、図１０に対して図１１のモータ電流では変動周期が変更され、かつ変動量が低減されていることがわかる。

なお、このときの諸元としては、交流電源は２２０Ｖ（交流電源周波数は５０Ｈｚ）、小容量リアクタのインダクタンス値は０．５ｍＨ、小容量コンデンサの容量は１０μＦ、インバータ運転周波数は９８Ｈｚ、インバータキャリア周波数は５ｋＨｚである。

以上により、モータ電流の変動周期を変更してモータ電流の変動量を低減させ、損失低減や素子の電流容量低減によるモータ駆動用インバータ制御装置のさらなる小型・軽量・低コスト化を図ることが可能となる。

特に速度指令補正値の変動幅△ｆを速度指令値に比例させる場合には、モータの速度指令値に対する変動幅の比率が全運転領域で一律となるため、速度指令値に比例して負荷トルクが増加していく場合にはどの運転領域においても効果的にモータ電流の変動周期を変更してモータ電流の変動量を低減させることが可能となる。

さらに速度指令値の変動周波数ｆαを速度指令値に比例させる場合には、モータの速度指令値に対する変動周期の比率が全運転領域で一律となるため、特に高速領域においてはさらに効果的にモータ電流の変動周期を変更してモータ電流の変動量を低減させることが可能となる。

また、本発明に係る速度指令補正手段の第３の実施例を図４に示す。図４は図３の速度指令補正手段に制限（上限値）を設けたものであり、速度指令補正値の変動幅△ｆおよび変動周波数ｆαは速度指令値が予め設定された速度ｆＲ以上の高速領域においては一定とさせている。

なお、制限を設けるのは必ずしも上限値だけでなく、運転状況に応じて下限値も併せて設けても良い（下限値のみでも良い）。

なお、必ずしも速度指令補正値の変動幅△ｆと変動周波数ｆαの両方とも速度指令値に制限を設ける必要はなく、運転状況に応じてどちらか一方のみ制限を設けても良い。

以上により、速度指令補正値の変動幅△ｆに制限を設ける場合には、特に高速・軽負荷時において必要以上にモータの速度指令値を変動させることを抑制するため、高速・軽負荷時でのモータの不安定動作を防止し、安定した駆動を実現することが可能となる。

さらに速度指令値の変動周波数ｆαに制限を設ける場合には、特に高速領域において必要以上にモータの速度指令値を変動させることを抑制するため、高速領域でのモータの不安定動作を防止し、安定した駆動を実現することが可能となる。

また、本発明に係る速度指令補正手段の第４の実施例を図５に示す。図５は図２の速度指令補正手段に予め設定された上限値および下限値を設けたものであり、図２では正弦波状に速度指令値を変動させているのに対して、図５では上限値および下限値を設けているため速度指令値が台形波状に変動することになる。

なお、必ずしも速度指令補正値に上限値および下限値を設ける必要はなく、運転状況に
応じてどちらか一方のみ設けても良い。

上記の構成によって、必要以上にモータの速度指令値を変動させることを抑制するため、モータの不安定動作を防止し、安定した駆動を実現することが可能となり、さらに予め設定された上限値もしくは下限値の大きさにより速度指令値の変動方法が自由に変更できるため、より効果的にモータ電流の変動量を低減するような変動方法を求めることが可能となり、さらなる損失低減や素子の電流容量低減を図ることが可能となる。

（実施の形態３）
本発明に係る速度指令補正手段における速度指令補正値の切り替えに関する具体的な方法について以下に説明する。

速度指令補正手段は、予め設定された速度指令値ω＊の設定値ωｃｈを有し、速度指令値ω＊がの設定値ωｃｈよりも大きい場合にのみ速度指令補正値ωｈ＊を作成し、速度指令値ω＊が設定値ωｃｈ以下の場合には速度指令値ω＊を速度指令補正値ωｈ＊とするものである。

即ち、速度指令補正値ωｈ＊は式（７）のように表される。

以上により、モータの速度指令値が予め設定された速度指令値の設定値よりも大きい場合のみモータの速度指令値を周期的に変動させることでより効果的にモータ電流の変動量を低減させ、さらにマイコン等の演算手段における演算量やメモリの低減が図れ、演算手段のコスト低減を図ることが可能となる。

また、速度指令補正手段は、速度指令値が一定となる場合のみ速度指令補正値ωｈ＊を作成し、速度指令値ω＊が一定でない場合には速度指令値ω＊を速度指令補正値ωｈ＊とするものであり、本発明に係る速度指令補正手段における速度指令補正値の切り替えの説明図を図６に示す。図６において、速度指令値ω＊はモータをゼロからω１まで加速させて、ある所定の時間が経過した後、ω１からω２まで減速させて、さらに所定の時間が経過した後、ω２からゼロまで減速させるものである。

そこで、モータが加速あるいは減速している場合（速度指令値ω＊が一定でない場合）には速度指令値ω＊を速度指令補正値ωｈ＊としている。

以上により、モータが加速あるいは減速するといった過渡状態においてはモータの速度指令値を周期的に変動させないようにすることでモータの不安定動作を防止し、安定した駆動を実現することが可能となる。

また、速度指令補正値手段は、速度指令補正値ωｈ＊の切り替えの前後でヒステリシスを具備した速度指令補正切替手段を有するものであり、本発明に係る速度指令補正切替手段の第１の実施例を図７に示す。図７において、速度指令補正値ωｈ＊が周期的に変動している状態から速度指令補正値の切替後の目標値（本発明におけるモータ駆動用インバータ制御装置においては、上述のように速度指令値ω＊としている）へと切り替わる際に両
者の値が違っている場合には、不連続とならないように徐々に速度指令補正値ωｈ＊を切替後の目標値（速度指令値ω＊）へと値を近づけていき、両者が一致した段階で切り替えを終了するものである。

なお、逆に速度指令補正値ωｈ＊が一定値（速度指令値ω＊）から周期的に変動している状態に切り替える場合についても、同様に動作させて両者が一致した段階で切り替えを終了すれば良い。

以上により、速度指令補正値の切り替えに伴う制御安定性および信頼性の向上が図れ、速度指令値の急峻な変化に伴うハンチングを抑制することが可能となる。

（実施の形態４）
本発明に係るＰＮ電圧補正手段の第２の実施例を図９に示す。図９において、ＰＮ電圧補正係数ｋｐｎは予め設定された上限値ｋｐｎ１および下限値ｋｐｎ２を有するもので、式（８）のように表される。

ここで、Ｖｐｎ１、Ｖｐｎ２はそれぞれＰＮ電圧補正係数の上限値ｋｐｎ１と下限値ｋｐｎ２のときの直流電圧値検出値である。

なお、ＰＮ電圧補正係数ｋｐｎは、必ずしも図９のように上限値ｋｐｎ１および下限値ｋｐｎ２の両方を有する必要はなく、運転状況に応じてどちらか一方のみ有する場合でも良い。

また、従来のモータ駆動用インバータ制御装置（特許文献１の直流電源装置を用いたモータ駆動用インバータ制御装置も含む）では、１０００μＦを越えるような容量の大きな電解コンデンサに蓄えられる電気エネルギーにより、運転範囲内の負荷条件ならばモータの駆動を維持することが可能であるが、本発明では小容量リアクタおよび小容量コンデンサを用いており、小容量コンデンサに蓄えられる電気エネルギーが小さいため、電気エネルギーが不足するような場合でもモータの駆動を維持するためには小容量リアクタの磁気エネルギーを併用するしかないため、モータの駆動特性と交流電源の電気特性とはトレードオフの関係にある。

そのため、モータの限界負荷耐量に余裕がある場合には、過分な電圧補正を抑えることで交流電源の電気特性を改善することが可能となる。

ここで、本発明のモータ駆動用インバータ制御装置を動作させた場合の結果を図１２および図１３に示す。図１２はＰＮ補正係数ｋｐｎに上限値および下限値のどちらも設定されていない場合の動作結果で、図１３はＰＮ補正係数ｋｐｎに上限値ｋｐｎ１および下限値ｋｐｎ２の両方とも設定されている場合の動作結果であり、図１２と図１３のリアクタ電流波形（ダイオードブリッジを通った後の電流）を比較すればその効果は明白である。

なお、このときの諸元としては、小容量リアクタのインダクタンス値は２ｍＨ、小容量コンデンサの容量は２５μＦ、交流電源は２２０Ｖ（５０Ｈｚ）、インバータ運転周波数は５７Ｈｚ（ここではモータの極数は２極のため、インバータ運転周波数とモータ速度指令値は等しい）、インバータキャリア周波数は５ｋＨｚである。

以上により、ＰＮ電圧補正係数ｋｐｎは少なくとも予め設定された上限値ｋｐｎ１もしくは下限値ｋｐｎ２を有することで、交流電源電流の変動を抑制し、交流電源力率の改善と交流電源電流の高調波成分を抑制することが可能である。

（実施の形態５）
本発明に係るインバータ運転周波数の設定に関する具体的な方法について以下に説明する。

本発明のモータ駆動用インバータ制御装置では小容量コンデンサを用いているため、上述の図１２もしくは図１３のようにインバータ直流電圧は交流電源周波数ｆＳの２倍の周波数で大きく脈動する。

そのため、インバータ運転周波数ｆ１が交流電源周波数ｆＳの偶数倍となる周波数では、インバータ直流電圧が脈動する周波数（交流電源周波数ｆＳの２倍の周波数）と同期し共振現象が生じてしまう。

ここで、本発明のモータ駆動用インバータ制御装置を動作させた場合の結果を図１４に示す。図１４はインバータ運転周波数ｆ１が交流電源周波数ｆＳの２倍となる場合の動作結果で、インバータ直流電圧が脈動する周波数と同期して共振現象が生じ、図１４においてはモータ電流に負の直流成分が重畳されていることがわかる。

そのため、モータにはブレーキトルクが発生し、出力トルクの減少やモータ損失が増加するといった悪影響が生じてしまう。

なお、このときの諸元としては、小容量リアクタのインダクタンス値は０．５ｍＨ、小容量コンデンサの容量は１０μＦ、交流電源は２２０Ｖ（５０Ｈｚ）、インバータ運転周波数は１００Ｈｚ（ここではモータの極数は２極のため、インバータ運転周波数とモータ速度指令値は等しい）、インバータキャリア周波数は５ｋＨｚである。そこで、インバータ運転周波数ｆ１の設定において、インバータ運転周波数ｆ１が式（９）となるような場合で定常的に固定されるのを回避する必要がある。

ここで、ｎは整数、△ｆｄは予め設定された周波数幅であり、周波数幅△ｆｄに関しては基本的には上述の共振現象の影響が少なくなるように設定しておく。

また、インバータ運転周波数ｆ１が式（９）で求められる共振周波数を越える場合には、加速あるいは減速といった過渡状態で一気にインバータ運転周波数ｆ１を変更させ、共振周波数で固定することを回避する。

なお、周波数幅△ｆｄは必ずしも設定する必要はなく、運転状況（軽負荷時など）によっては設定しなくとも良い（この場合は△ｆｄ＝０とすれば良い）。

以上により、インバータ周波数と交流電源周波数との共振現象を回避することでモータの不安定動作を防止し、安定した駆動を実現することが可能となる。

（実施の形態６）
本発明に係る小容量コンデンサおよび小容量リアクタの仕様決定に関する具体的な方法について以下に説明する。

本発明のモータ駆動用インバータ制御装置では、交流電源電流の高調波成分を抑制してＩＥＣ規格をクリアするために、小容量コンデンサと小容量リアクタとの共振周波数ｆＬＣ（ＬＣ共振周波数）を交流電源周波数ｆＳの４０倍よりも大きくなるように小容量コンデンサと小容量リアクタの組み合わせを決定する。

ここで、小容量コンデンサの容量をＣ［Ｆ］、小容量リアクタのインダクタンス値をＬ［Ｈ］とすると、ＬＣ共振周波数ｆＬＣは式（１０）のように表される。

即ち、ｆＬＣ＞４０ｆＳを満たすように小容量コンデンサと小容量リアクタの組み合わせを決定するものである。（ＩＥＣ規格では交流電源電流の高調波成分において第４０次高調波まで規定されているため）
以上により、小容量コンデンサおよび小容量リアクタの組み合わせを決定することで、交流電源電流の高調波成分を抑制して、ＩＥＣ規格をクリアすることが可能となる。

次に、小容量コンデンサの容量の決定について以下に説明する。

インバータが停止した際には、小容量コンデンサがモータの回生エネルギー（停止直前までモータのインダクタンス成分に蓄えられていた磁気エネルギー）を吸収してインバータの直流電圧値が上昇するため、そのときの直流電圧の最大値が素子の耐圧よりも小さくなるように小容量コンデンサの容量を決定する。

上記の構成によって、インバータ直流電圧の最大値を各駆動素子の耐圧よりも小さくなるように小容量コンデンサの容量を決定することで周辺回路の破壊を防止することが可能となる。

なお、小容量リアクタのインダクタンス値は上述の方法で自動的に決定することができる。

（実施の形態７）
本発明に係るインバータキャリア周波数の設定に関する具体的な方法について以下に説明する。

本発明のモータ駆動用インバータ制御装置では、実施の形態２で上述したが、小容量コンデンサに蓄えられる電気エネルギーが小さいため、電気エネルギーが不足するような場合でもモータの駆動を維持するためには小容量リアクタの磁気エネルギーを併用するしか
ないため、リアクタ電流波形（ダイオードブリッジを通った後の電流で、概ね交流電源電流の絶対値をとった電流と等しい）はインバータのキャリア周波数の影響を大きく受けてしまう。

そのため、本発明のモータ駆動用インバータ制御装置では、予め設定された交流電源力率値を満足するようにインバータのキャリア周波数を設定する。

ここで、本発明のモータ駆動用インバータ制御装置を動作させた場合の結果を図１５〜図１７に示す。それぞれ図１５はキャリア周波数が３．３ｋＨｚ時、図１６は５ｋＨｚ時、図１７は７．５ｋＨｚ時の動作結果であり、リアクタ電流波形を比較すれば、リアクタ電流（もしくは交流電源電流）はキャリア周波数による依存性が大きいことがわかる。

また、それぞれの交流電源力率値をディジタルパワーメータにて測定したところ、図１５のキャリア周波数が３．３ｋＨｚ時には０．８７８、図１６の５ｋＨｚ時には０．９５６、図１７の７．５ｋＨｚには０．９６２となった。

なお、このときの諸元としては、小容量リアクタのインダクタンス値は０．５ｍＨ、小容量コンデンサの容量は１０μＦ、交流電源は２２０Ｖ（５０Ｈｚ）、インバータ運転周波数は５７Ｈｚ（ここではモータの極数は２極のため、インバータ運転周波数とモータ速度指令値は等しい）、交流電源における入力電力は９００Ｗである。

ここで、例えば予め設定した交流電源力率値が０．９である場合には、キャリア周波数を３．３ｋＨｚ〜５ｋＨｚの間に設定すれば良いことになり、最終的には予め設定した交流電源力率値（この場合は０．９）を満足しつつ、最もキャリア周波数が低くなるように決定する。

以上により、予め設定された交流電源力率値を満足することが可能となり、必要最小限のキャリア周波数を設定することにより、インバータ損失を必要最小限に抑制することが可能となる。

以上のように、本発明にかかるモータ駆動用インバータ制御装置は、モータ電流の変動量を低減することで、さらなる小型・軽量・低コスト化を図ることが可能となるので、種々の小容量リアクタおよび小容量コンデンサを用いたモータ等の用途に適用可能である。

本発明の第１の実施形態を示すモータ駆動用インバータ制御装置のシステム構成を示すブロック図 本発明に係る速度指令補正手段の第１の実施形態を示す特性図 本発明に係る速度指令補正手段の第２の実施形態を示す特性図 本発明に係る速度指令補正手段の第３の実施形態を示す特性図 本発明に係る速度指令補正手段の第４の実施形態を示す特性図 本発明に係る速度指令補正手段における速度指令補正値の切り替えを示す特性図 本発明に係る速度指令補正切替手段の第１の実施形態を示す特性図 本発明に係るＰＮ電圧補正手段の第１の実施形態を示す特性図 本発明に係るＰＮ電圧補正手段の第２の実施形態を示す特性図 本発明のモータ駆動用インバータ制御装置の第１の動作結果を示す特性図 本発明のモータ駆動用インバータ制御装置の第２の動作結果を示す特性図 本発明のモータ駆動用インバータ制御装置の第３の動作結果を示す特性図 本発明のモータ駆動用インバータ制御装置の第４の動作結果を示す特性図 本発明のモータ駆動用インバータ制御装置の第５の動作結果を示す特性図 本発明のモータ駆動用インバータ制御装置の第６の動作結果を示す特性図 本発明のモータ駆動用インバータ制御装置の第７の動作結果を示す特性図 本発明のモータ駆動用インバータ制御装置の第８の動作結果を示す特性図 従来のモータ駆動用インバータ制御装置のシステム構成を示すブロック図 従来のＶ／Ｆ制御パターンの一例を示す特性図 従来のモータ駆動用インバータ制御装置における交流電源電流の高調波成分と交流電源周波数に対する次数との関係を示した特性図 従来の直流電源装置を示すブロック図

１ 交流電源
２ 整流回路
３ インバータ
４ モータ
５ 小容量リアクタ
６ 小容量コンデンサ
７ Ｖ／Ｆ制御パターン
８ モータ電圧指令作成手段
９ ＰＮ電圧検出手段
１０ ＰＮ電圧補正手段
１１ モータ電圧指令補正手段
１２ ＰＷＭ制御手段
１３ 速度指令補正手段

Claims (15)

1. 交流電源を入力とする整流回路と直流電力から交流電力に変換するインバータとモータとを含み、前記整流回路はダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続される極めて小容量のリアクタで構成され、前記インバータの直流母線間には、前記モータの回生エネルギーを吸収するための極めて小容量のコンデンサを設け、外部から与えられる前記モータの速度指令値に対して周期的に変動する速度成分を重畳させることにより前記モータの速度指令補正値を作成する速度指令値補正手段と、前記速度指令補正値に基づき、前記モータのモータ電圧指令値を作成するモータ電圧指令作成手段と、前記インバータの直流電圧値を検出するＰＮ電圧検出手段と、予め設定された前記インバータの直流電圧基準値と前記ＰＮ電圧検出手段から得られる前記インバータの直流電圧検出値との比率を導出するＰＮ電圧補正手段と、前記モータ電圧指令作成手段から得られる前記モータ電圧指令値と前記ＰＮ電圧補正手段の出力値であるＰＮ電圧補正係数とを掛け合わせることにより前記モータ電圧指令値の電圧補正を行ない、前記モータのモータ電圧指令補正値を作成するモータ電圧指令補正手段とを備え、前記ＰＮ電圧補正手段は、直流電圧基準値を直流電圧検出値で除算することによりＰＮ電圧補正係数を導出し、前記直流電圧検出がゼロ以下の場合には前記ＰＮ電圧補正係数に予め設定されたＰＮ電圧補正係数の最大値を設定することを特徴とするモータ駆動用インバータ制御装置。
2. 速度指令補正手段は、モータの速度指令値に応じて速度指令補正値の変動幅を決定することを特徴とする請求項１記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
3. 速度指令補正値の変動幅は、少なくとも予め設定された上限値もしくは下限値を有することを特徴とする請求項２記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
4. 速度指令補正手段は、モータの速度指令値に応じて速度指令補正値の変動周期を決定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
5. 速度指令補正値の変動周期は、少なくとも予め設定された上限値もしくは下限値を有することを特徴とする請求項４記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
6. 速度指令補正値は少なくとも予め設定された上限値もしくは下限値を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
7. 速度指令補正手段は、予め設定された速度指令値の設定値を有し、前記速度指令値が前記速度指令値の設定値よりも大きい場合にのみ前記速度指令補正値を作成し、前記速度指令値が前記速度指令値の設定値以下の場合には前記速度指令値を速度指令補正値とすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
8. 速度指令補正手段は、速度指令値が一定となる場合のみ速度指令補正値を作成し、前記速度指令値が一定でない場合には前記速度指令値を前記速度指令補正値とすることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
9. 速度指令補正手段は、速度指令補正値の切り替えの前後でヒステリシスを具備した速度指令補正切替手段を有することを特徴とする請求項７または８記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
10. ＰＮ電圧補正手段は、ＰＮ電圧補正係数が少なくとも予め設定された上限値もしくは下限値を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
11. インバータ運転周波数が交流電源周波数の偶数倍となる共振周波数と、前記共振周波数を中心としてその前後に予め設定された周波数幅を持たせた周波数範囲内で前記インバータ運転周波数が定常的に固定されるのを回避することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
12. 小容量リアクタと小容量コンデンサとの共振周波数を交流電源周波数の４０倍よりも大きくなるように前記小容量リアクタおよび前記小容量コンデンサの組み合わせを決定することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
13. インバータが停止した際に上昇する直流電圧値の最大値が素子の耐圧よりも小さくなるように小容量コンデンサの容量を決定することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
14. 予め設定された交流電源力率値を満足するようにインバータのキャリア周波数を決定することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
15. 圧縮機と、前記圧縮機を駆動する駆動モータと、交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置と、このコンバータ装置で変換された直流電力を交流電力に変換して、前記駆動モータに供給する請求項１〜１４のいずれか１項に記載のモータ駆動用インバータ制御装置とを備えた空気調和機。

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