JP5168931B2 - 電動機制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、整流回路の出力端子に著しく小容量のコンデンサ、リアクタで構成される平滑回路を接続し出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で大きく脈動するような電動機制御装置において、電動機に必要以上の電流が流れることを制限し装置を保護することを目的とする。

従来、整流回路の出力端子に著しく小容量のコンデンサ、リアクタで構成される平滑回路を接続し出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で大きく脈動するような電動機制御装置では、平滑回路を構成するコンデンサ、リアクタの容量が大きく出力電圧の脈動がほとんどない電動機制御装置と比較して、同一回転数、負荷条件で電動機を駆動させた場合の電動機電流の最大値が高くなる。

図１１は、特許文献１に記載される電動機制御装置において、平滑回路からの出力電圧波形を示したものであり、電動機を駆動させる直交変換回路への供給電圧が大きく落ち込む期間Ｔｄｒｏｐが存在する。このため安定した一定の電圧が供給される場合と比較し、電動機の駆動トルクを維持させるためには電圧供給が不足している分、電流の供給量が増加し、電動機電流の最大値は高くなる。
特開平１０−１５０７９５号公報

このため前記従来の電動機制御装置による駆動では、電動機の駆動トルクを維持させるために必要以上の電流を供給し、磁石の減磁による電動機性能の悪化や構成装置を破壊させる可能性があるという課題を有していた。

本発明は、前記課題を解決するもので電動機電流が所定の電流値以上になると電動機電流を制限し、磁石の減磁による電動機性能の悪化や構成装置の破壊を防ぐ電動機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、本発明の電動機制御装置は、交流電源を整流する整流手段と、整流手段からの出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で脈動する平滑手段と、電動機を駆動するために平滑電圧を所望の交流電圧に変換する直交変換手段と、前記電動機の電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出値に基づき電動機の回転位相を演算する位相演算手段と、電動機の回転数を指示する回転数指令手段と、前記回転数指令手段からの指示回転数と前記位相演算手段から演算される実回転数より電流指令値を演算する電流指令演算手段と、前記電流指令演算手段からの電流指令値に基づき電圧指令値を算出する電圧指令演算手段と、前記電圧指令値から直交変換手段を駆動する信号を生成するＰＷＭ信号発生手段と、電動機電流を制限する電流制限手段を具備した電動機制御装置において、前記電動機の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段からの検出値により電動機電流を制限する制限電流値を設定する制限電流値設定手段と、前記電動機電流が所定の電流値以上にならないように、先ず電動機電流を制限するために電流指令演算手段からの電動機一回転中の電流指令値の変動量を下げて、所定の変動量未満に到達すると電動機回転数を所定の時間下げる制御を行い、それでも前記電動機電流値が許容最大値以上となる場合は、次に電動機電流を制限するための電動機回転数を下げ、前記電動機回転数が所定の回転数未満に到達する場合は、電動機を停止させる前記電流制限手段とを備えるものである。

これにより平滑手段からの出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で大きく脈動する電動機制御装置において、許容以上の電流を電動機に流すことによる電動機性能の悪化や構成装置の破壊を抑制した電動機駆動を実現させることを目的とする。

本発明の電動機制御装置は、平滑回路からの出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で大きく脈動する電動機制御装置において、電動機電流を制限した電動機駆動を実現することが出来る。

第１の発明は、交流電源を整流する整流手段と、整流手段からの出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で脈動する平滑手段と、電動機を駆動するために平滑電圧を所望の交流電圧に変換する直交変換手段と、前記電動機の電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出値に基づき電動機の回転位相を演算する位相演算手段と、電動機の回転数を指示する回転数指令手段と、前記回転数指令手段からの指示回転数と前記位相演算手段から演算される実回転数より電流指令値を演算する電流指令演算手段と、前記電流指令演算手段からの電流指令値に基づき電圧指令値を算出する電圧指令演算手段と、前記電圧指令値から直交変換手段を駆動する信号を生成するＰＷＭ信号発生手段と、電動機電流を制限する電流制限手段を具備した電動機制御装置において、前記電動機の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段からの検出値により電動機電流を制限する制限電流値を設定する制限電流値設定手段と、前記電動機電流が所定の電流値以上にならないように、先ず電動機電流を制限するために電流指令演算手段からの電動機一回転中の電流指令値の変動量を下げて、所定の変動量未満に到達すると電動機回転数を所定の時間下げる制御を行い、それでも前記電動機電流値が許容最大値以上となる場合は、次に電動機電流を制限するための電動機回転数を下げ、前記電動機回転数が所定の回転数未満に到達する場合は、電動機を停止させる前記電流制限手段とを備えたことにより、温度により許容電流の異なる電動機に対して温度によらず必要以上の電流が電動機に流れることで生じる電動機性能の悪化や構成装置の破壊を抑制した電動機駆動を実現させることが出来る。また電動機の駆動状態に即した電流制限を行い、許容以上の電流が電動機に流れることによる電動機性能の悪化や構成装置の破壊を抑制した電動機駆動を実現させることが出来る。また電動機電流を制限しながら電動機の駆動が保証された回転数領域以外での電動機駆動を行わない電動機駆動を実現させることが出来る。

第２の発明は、第１の発明の電動機制御装置において、前記平滑手段は、コンデンサおよびリアクタで構成され、該コンデンサおよびリアクタより求められる共振周波数を交流電源周波数の４０倍以上になるよう設定することにより、整流手段への入力電流の電源高調波特性の高性能化を実現させることが出来る。

第３の発明は、第１または第２のいずれか１つの発明の電動機制御装置において、前記平滑手段を構成するコンデンサにフィルムコンデンサを用いることにより、温度による寿命特性への影響を気にせず使用環境を選択することが出来る。

第４の発明は、第１から第３のいずれか１つの発明の電動機制御装置において、前記電動機に永久磁石（フェライト磁石）を用いた直流モータを具備した１ピストンロータリコンプレッサを適用することにより、グローバル市場で広く使用される安価なスタンダードコンプレッサの駆動において、電動機電流を制限し、低温時（−２０℃）の減磁電流値が常温（＋２０℃）よりも低くなるフェライト磁石の減磁による電動機性能の低下を抑制した安全な駆動を実現することが出来る。

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。なを、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）
図１は、本発明の実施の形態１における電動機制御装置のブロック図を示したものである。

該電動機制御装置は、単相交流電源である商用電源などの交流電源１より電力を供給され、供給された交流電源１を全波整流するダイオードブリッジで構成された整流回路２と、整流回路２からの出力電圧が交流電圧の２倍周波で大きく脈動する平滑回路３と、平滑回路３からの出力電圧を電動機駆動のために所望の交流電圧に変換する半導体スイッチング素子により構成される直交変換回路４と、電動機５に流れる電流を検出するための電流検出回路６と、電流検出回路６からの検出値に基づき電動機５の回転位相を演算する位相演算回路７と、電動機回転数の指令値を与える回転数指令回路８と、回転数指令回路８からの回転数指令値と位相演算回路７から演算される実回転数より電動機５を駆動するための電流指令値を演算する電流指令演算回路９と、電流指令値に基づき電圧指令値を算出する電圧指令演算回路１０と、電圧指令値から直交変換回路４を駆動する信号を生成するＰＷＭ信号発生回路１１と、所定値以上の電動機電流が電流検出回路６から検出されると、電動機５を停止させる、電動機回転数を所定の時間下げる、電流指令演算回路９からの電動機一回転中の電流指令値の変動量を下げる方法のうち少なくとも１つの方法により電動機電流を制限する電流制限回路１２を具備した電動機制御装置において、電動機５の温度を検出する温度検出回路１３と、温度検出回路１３からの検出値により電動機電流を制限する制限電流値を設定する制限電流値設定回路１４を有している。

ここで、電流検出回路６は電動機５の相電流を直接電流センサなどで検出することに限らず、直交変換回路の母線電流からの推定検出を含む。

更に、平滑回路は共振周波数が交流電源周波数の４０倍以上になるように設定された小容量のコンデンサと該コンデンサへの突入充放電電流のピーク値を下げるためのリアクタを有している。

なお、平滑回路３を構成するリアクタは交流電源と平滑回路を構成するコンデンサの間に挿入するため、整流回路の前後どちらでも構わない。

更に、電動機５に温度により減磁電流が異なるフェライト磁石を用いた直流モータを用いている。

以上のように構成された電動機制御装置について、以下にその動作、作用を説明する。

まず、交流電源１に交流電源周波数５０Ｈｚの商用電源を用いた場合、平滑回路３を構成するリアクタとコンデンサの値は、その共振周波数ｆｃ＝１／（２π×√（Ｌ１×Ｃ１））が交流電源周波数の４０倍以上、すなわち２０００Ｈｚ以上になるように設定する。このためリアクタンス値０．５ｍＨ、キャパシタンス値１０μＦのリアクタとコンデンサを用いることでｆｃ（＝２２５０Ｈｚ）＞４０×交流電源周波数（５０Ｈｚ）とする。

このように平滑回路３のコンデンサ容量を著しく小さくすることで交流電源周波数の２倍周波で大きく脈動（リップル率８０％以上）する。このように平滑回路３からの出力電圧が大きく脈動する場合、平滑回路３を構成するコンデンサ容量が十分大きく（例えば数
百μＦ以上）出力電圧の脈動がほとんどない安定した直流電圧となる場合と比較し、同一電動機回転数・出力トルクでは電動機電流のピーク電流値は大きくなる。

このため所定の電流値以上で減磁による性能低下を招く永久磁石や半導体素子を用いた電動機駆動では、電動機５に流れる電流最大値を制限した駆動制御が必要になる。

次に実際の駆動指令と電流制限方法について説明する。図２から図４は電動機一回転中のトルク脈動の有無による指令回転数と指令電流値、実回転数の関係を示す。

スクロールコンプレッサのように低速から高速回転数域まで一回転中のトルク脈動が少ない電動機では、図２に示すように指令回転数Ｆ＿ｔｇｔに対し、一回転中の変動がほとんどない指令電流値Ｉ＿ｔｇｔ＿ｍを与えることで、脈動のない安定した回転数Ｖｍでの電動機駆動を実現できる。

それに対し、１ピストンロータリコンプレッサのように低速回転で一回転中のトルク脈動が大きくなる電動機では、低速で回転駆動させる場合、図３に示すように指令回転数Ｆ＿ｔｇｔに対し、一回転中の変動がほとんどない指令電流値Ｉ＿ｔｇｔ＿ｍを与えると、実回転数が一回転中で大きく脈動（Ｖｍ±ΔＶ）し、それが振動となって装置の揺れにつながる。

この振動を抑制するために図４に示すように指令回転数Ｆ＿ｔｇｔに対し、実回転数の脈動を抑制するために、トルクが不足して実回転数が低下する区間では指令電流値Ｉ＿ｔｇｔ＿ｍよりＩ＿ｔｇｔ＿ｕｐ増加させ、逆にトルク過多により実回転数が上昇する区間では指令電流値Ｉ＿ｔｇｔ＿ｍよりＩ＿ｔｇｔ＿ｄｏｗｎ減少させることで実回転数の脈動を抑制しＶｍでの安定駆動を実現させる。

次に電動機電流を制限する方法について図５から図１０を用いて説明する。

まず、図５は電動機に具備される永久磁石（フェライト磁石）の温度による減磁電流値の変化を示す。ここに示すようにフェライト磁石は例えば常温時（＋２０℃）と比較し、低温時（−２０℃）の減磁電流レベルは低くなるため、温度Ｔａ時の減磁電流レベルをＩａとすると、それよりも温度の高い温度Ｔｂ（＞Ｔａ）での減磁電流レベルはＩｂ（＞Ｉａ）となる。

そこで、温度検出回路による検出値により電動機電流の制限を開始する電流値を図６に示すように切替えることで電動機温度の低い駆動直後から、電動機温度が十分上昇した後の駆動まで電動機が保証する電流値内での駆動を実現する。例えば電動機温度Ｔｃ℃未満では電流制限を開始する電流値をＩＡ、Ｔｃ℃以上ではＩＢとし、制限値を切替えた後は一定時間切替を行わない、あるいは図７に示すように切替温度にヒステリシス幅ΔＴを設けることで不要なハンチング動作を防ぐようにする。

ここでは簡単のため制限電流値のレベルを２段階にしたものについて説明したが、それ以上の切替段を有しても構わない。あるいは温度により線形的に制限電流値を変化させても構わない。

次に図８は回転数制御により電流制限を行う場合の指令回転数の時間変化を示す。ここで検出される電動機電流値をＩ、回転数制御による電流制限を開始する電流値をＩｌｉｍ（電動機温度Ｔｃ℃未満ではＩｌｉｍ＝ＩＡ、Ｔｃ℃以上ではＩｌｉｍ＝ＩＢ）、電動機が許容できる電動機電流の最大値をＩｍａｘ（Ｉｍａｘ＞Ｉｌｉｍ）とする。

まず、スクロールコンプレッサのように一回転中のトルク脈動が少なく指令回転数に対し、ほぼ一定の指令電流値を与える電動機駆動では、電動機電流値Ｉがｔ１でＩ＞Ｉｌｉｍとなると、図８に示すように所定の時間電動機回転数を下げる、つまり電動機回転数をΔＦ＿ｔｇｔ下げることで電動機電流の最大値を抑制する。電動機回転数を下げた後、ｔ２でＩ＜Ｉｌｉｍであれば電動機回転数を元の指令回転数Ｆ＿ｔｇｔに復帰させる。その後、ｔ３で再びＩ＞Ｉｌｉｍとなると電動機回転数をΔＦ＿ｔｇｔ下げる。

電動機回転数をΔＦ＿ｔｇｔ下げたｔ４においてＩ＞Ｉｌｉｍの場合、更に電動機回転数をΔＦ＿ｔｇｔ下げて電動機電流の最大値を抑制する。その後、ｔ５でＩ＜Ｉｌｉｍであれば電動機回転数を元の指令回転数Ｆ＿ｔｇｔに復帰させるために指令回転数を上げる。指令回転数上昇中のｔ６においてＩ＞Ｉｌｉｍとなると電動機回転数をΔＦ＿ｔｇｔ下げ電動機電流の最大値を抑制する。

電動機回転数を下げた後、ｔ７でＩ＜Ｉｌｉｍであれば電動機回転数を元の指令回転数Ｆ＿ｔｇｔに復帰させるために指令回転数を上げる。以上のように電流検出回路により検出される電動機電流値Ｉと電流値Ｉｌｉｍとの比較結果により電動機回転数を増減させる回転数制御を行うことで電動機電流値の最大値をＩｌｉｍ付近で制限する電動機駆動を行う。

ただし、電動機電流値ＩがＩ＞Ｉｍａｘとなるような場合、および回転数制御による電動機回転数が電動機駆動を保証する最低回転数Ｆ＿ｔｇｔ＿ｍｉｎ未満になるような場合は電動機を停止させて電動機電流を制限する。

次に、低速回転域での１ピストンロータリコンプレッサのように一回転中でのトルク脈動が大きく、このトルク脈動による振動を抑制するために指令電流値をトルク脈動に合わせて脈動させ、振動抑制を行っている電動機駆動における電流制限方法について説明する。

このようにトルク脈動による振動を抑制した電動機駆動では、電動機電流の最大値を制限する方法として回転数を増減させる回転数制御より、指令電流値の変動量を増減することにより効果的に電動機電流の最大値を制限できる。

図９は指令電流値の変動量の増減調整を示す。図９（ａ）は指令電流値Ｉ＿ｔｇｔ＿ｍよりトルク脈動に合わせてトルクが不足する区間で指令電流値をＩ＿ｔｇｔ＿ｕｐ１増加させ、トルク過多となる区間で指令電流値をＩ＿ｔｇｔ＿ｄｏｗｎ１減少させることで実回転数を安定させ電動機駆動による振動を抑制した駆動状態の指令電流値を示す。

このような電動機駆動においてＩ＞Ｉｌｉｍとなった場合、図９（ｂ）に示すようにトルク不足区間で増加させる指令電流値の増加分をＩ＿ｔｇｔ＿ｕｐ２（＜Ｉ＿ｔｇｔ＿ｕｐ１）、トルク過多区間で減少させる指令電流値の減少分をＩ＿ｔｇｔ＿ｄｏｗｎ２（＜Ｉ＿ｔｇｔ＿ｄｏｗｎ１）となるよう変動量を減少させることで電動機電流の最大値を制限する。

図１０は指令電流値の変動量を制御することで電流制限を行う場合の指令電流値の変動量の時間変化を示す。ここでは簡単のため指令電流値の変動量は増加分Ｉ＿ｔｇｔ＿ｕｐと減少分Ｉ＿ｔｇｔ＿ｄｏｗｎを同じ値のＩ＿ｔｇｔ＿ｕｐｄｏｗｎとする。

電動機駆動中に電動機電流Ｉがｔ１でＩ＞Ｉｌｉｍとなると指令電流値の変動量をΔＩ＿ｔｇｔ＿ｕｐｄｏｗｎ下げることで電動機電流の最大値を抑制する。指令電流値の変動量を下げた後、ｔ２でＩ＜Ｉｌｉｍであれば指令電流値の変動量を元の変動量Ｉ＿ｔｇｔ
＿ｕｐｄｏｗｎに復帰させる。その後、ｔ３で再びＩ＞Ｉｌｉｍとなると指令電流値の変動量をΔＩ＿ｔｇｔ＿ｕｐｄｏｗｎ下げる。

指令電流値の変動量をΔＩ＿ｔｇｔ＿ｕｐｄｏｗｎ下げたｔ４においてＩ＞Ｉｌｉｍの場合、更に指令電流値の変動量をΔＩ＿ｔｇｔ＿ｕｐｄｏｗｎ下げる。そしてｔ５において、Ｉ＞Ｉｌｉｍの場合、更に指令電流値の変動量をΔＩ＿ｔｇｔ＿ｕｐｄｏｗｎ下げる。電動機電流により調整した指令電流値の変動量がほぼゼロに近いＩ＿ｔｇｔ＿ｕｐｄｏｗｎ＿ｍｉｎに到達したｔ６において、なおＩ＞Ｉｌｉｍの場合、先に説明した回転数制御による電流制御を行う。

その後、元の回転数に復帰した後、ｔ７でＩ＜Ｉｌｉｍとなると指令電流値の変動量をΔＩ＿ｔｇｔ＿ｕｐｄｏｗｎ上げ、ｔ８でＩ＜Ｉｌｉｍであれば更に指令電流値の変動量をΔＩ＿ｔｇｔ＿ｕｐｄｏｗｎ上げ、ｔ９でＩ＞Ｉｌｉｍあれば指令電流値の変動量をΔＩ＿ｔｇｔ＿ｕｐｄｏｗｎ下げて電動機電流の最大値を抑制する。その後Ｉ＜Ｉｌｉｍであればｔ１０より指令電流値の変動量を上げて元のＩ＿ｔｇｔ＿ｕｐｄｏｗｎに復帰させる。このように検出される電動機電流値Ｉと電流値Ｉｌｉｍとの比較結果により指令電流値の変動量を増減させ電動機電流値の最大値をＩｌｉｍ付近で制限する電動機駆動を行う。

ただし、電動機電流値ＩがＩ＞Ｉｍａｘとなるような場合、および指令電流値の変動量がＩ＿ｔｇｔ＿ｕｐｄｏｗｎ＿ｍｉｎ未満に到達して回転数制御による電流制限へ移行した後、電動機回転数が電動機駆動を保証する最低回転数Ｆ＿ｔｇｔ＿ｍｉｎ未満になるような場合は電動機を停止させて電動機電流を制限する。

以上のように本実施の形態においては、電動機の温度を検出する温度検出回路と、前記温度検出回路からの検出値により電動機電流を制限する制限電流値を設定する制限電流値設定回路を備えることで、平滑回路からの出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で大きく脈動するような電動機制御装置において電動機の駆動状態に即して電動機に保証された電流値以上の電流を流すことのない電動機駆動を実現させることが出来る。

以上のように、本発明にかかる電動機制御装置は、電動機電流を保証された電流値内に駆動状態に合わせて効果的に制限することが出来る上、装置の低コスト化・小型化が可能であるため、装置の低コスト化・小型化が求められるあらゆる電動機制御装置に適用できる。

本発明の実施の形態１における電動機制御装置のブロック図 本発明の実施の形態１における指令回転数、指令電流値、実回転数の関係例１を示す図 本発明の実施の形態１における指令回転数、指令電流値、実回転数の関係例２を示す図 本発明の実施の形態１における指令回転数、指令電流値、実回転数の関係例３を示す図 本発明の実施の形態１における電動機減磁電流値の温度特性図 本発明の実施の形態１における制限電流値の切替動作例１を示す図 本発明の実施の形態１における制限電流値の切替動作例２を示す図 本発明の実施の形態１における電流制限回路の動作例１を示す図 本発明の実施の形態１における電流制限回路の動作例２を示す図 本発明の実施の形態１における電流制限回路の動作例３を示す図 従来の電動機制御装置における平滑回路からン出力電圧波形を示す図

符号の説明

１ 交流電源
２ 整流回路
３ 平滑回路
４ 直交変換回路
５ 電動機
６ 電流検出回路
７ 位相演算回路
８ 回転数指令回路
９ 電流指令演算回路
１０ 電圧指令演算回路
１１ ＰＷＭ信号発生回路
１２ 電流制限回路
１３ 温度検出回路
１４ 制限電流値設定回路

Claims (4)

1. 交流電源を整流する整流手段と、整流手段からの出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で脈動する平滑手段と、電動機を駆動するために平滑電圧を所望の交流電圧に変換する直交変換手段と、前記電動機の電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出値に基づき電動機の回転位相を演算する位相演算手段と、電動機の回転数を指示する回転数指令手段と、前記回転数指令手段からの指示回転数と前記位相演算手段から演算される実回転数より電流指令値を演算する電流指令演算手段と、前記電流指令演算手段からの電流指令値に基づき電圧指令値を算出する電圧指令演算手段と、前記電圧指令値から直交変換手段を駆動する信号を生成するＰＷＭ信号発生手段と、電動機電流を制限する電流制限手段を具備した電動機制御装置において、前記電動機の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段からの検出値により電動機電流を制限する制限電流値を設定する制限電流値設定手段と、前記電動機電流が所定の電流値以上にならないように、先ず電動機電流を制限するために電流指令演算手段からの電動機一回転中の電流指令値の変動量を下げて、所定の変動量未満に到達すると電動機回転数を所定の時間下げる制御を行い、それでも前記電動機電流値が許容最大値以上となる場合は、次に電動機電流を制限するための電動機回転数を下げ、前記電動機回転数が所定の回転数未満に到達する場合は、電動機を停止させる前記電流制限手段とを備えたことを特徴とする電動機制御装置。
2. 前記平滑手段は、コンデンサおよびリアクタで構成され、該コンデンサおよびリアクタより求められる共振周波数を交流電源周波数の４０倍以上になるよう設定される請求項１に記載の電動機制御装置。
3. 前記平滑手段を構成するコンデンサにフィルムコンデンサを用いる請求項１または２に記載の電動機制御装置。
4. 前記電動機に永久磁石（フェライト磁石）を用いた直流モータを具備した１ピストンロータリコンプレッサを用いる請求項１から３のいずれか１項に記載の電動機制御装置。

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