JP5441862B2 - インバータ制御装置、圧縮機駆動装置、空気調和機 - Google Patents
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Description
このため、インバータ周波数が低い領域で変調率が1を超える状態が発生する場合、電動機によっては前記第1の補償量と前記第2の補償量とが干渉して、電動機電流脈動を十分に抑制できず、最悪過電流遮断により運転を停止してしまう、という問題点があった。
また、第2の目的は、誘起電圧定数の高い高効率な永久磁石型同期電動機をインバータ制御装置の負荷として使用する場合でも、前記電動機電流脈動による騒音を抑制することができるインバータ制御装置、圧縮機駆動装置、および空気調和機を得るものである。
[全体構成]
図1はこの発明の実施の形態1におけるインバータ制御装置の構成を示すブロック図である。
図1に示すように、インバータ制御装置は、コンバータ回路2と、インバータ主回路3と、電流検出手段5a、5bと、電圧検出手段6と、インバータ制御部7とを備えている。
コンバータ回路2は、例えば公知の技術である全波整流回路、倍電圧整流回路で構成される。
ここで、コンバータ回路2は、例えば特許第2763479号公報に記載されているように、インバータ主回路3に供給する直流電圧を昇圧することが可能な回路構成でも良い。また、前記直流電圧を昇降圧できるような回路構成を用いても良い。
インバータ主回路3は、絶縁ゲート入力を持つスイッチング素子SW1〜SW6と逆並列接続されたダイオードD1〜D6、およびスイッチング素子SW1〜SW6を駆動する駆動回路3a〜3fにより構成される。例えば、インバータ主回路3はIPM(Inteligent Power Module)により構成される。
なお、「交流電動機4」は、本発明における「電動機」に相当する。
電流検出手段5aは、前記交流電動機4のU相に流れる電流Iuを検出し、電流検出手段5bは、前記交流電動機4のW相に流れる電流Iwを検出する構成としている。
残りの1相の電流値(この場合、Iv:V相電流)は検出した2相の電流値から、「Iu+Iv+Iw=0」の関係から求めることができる。
ここでは、U相電流とW相電流を検出する構成としているが、他の2相の電流(例えば、U相電流とV相電流)を検出するようにしても良い。また、三相の電流すべてを検出するようにしても良い。
この電流検出手段5a、5bとしては、例えば直流電流も検出可能なDCCTや交流電流を検出可能なACCTを用いることができる。
ここで、PWM駆動信号UP、VP、WPは、インバータ主回路3の上アーム側のPWM駆動信号であり、それぞれスイッチング素子SW1、SW2、SW3の駆動信号となる。
また、PWM駆動信号UN、VN、WNは、インバータ主回路3の下アーム側のPWM駆動信号であり、それぞれスイッチング素子SW4、SW5、SW6の駆動信号となる。
このインバータ制御部7は、例えばマイクロプロセッサにより実現することができる。
続いて、インバータ制御部7の構成について説明する。
インバータ制御部7は、座標変換8と、速度制御器9と、積分器10と、ベクトル演算11と、フィルタ12と、リミッタ13と、変調率演算14と、PWM駆動信号生成15とを備えている。
速度制御器9は、外部から与えられる速度指令と前記d軸電流Id、q軸電流Iqより前記交流電動機4を安定に駆動するための補償を行った速度制御値f1を出力する。
ここで、速度制御値f1は電気角周波数であり、インバータ主回路3を駆動するインバータ周波数に相当する。
なお、以下の説明では、速度制御値f1とインバータ周波数とを混在して記載しているが同じ内容を意味する。
ベクトル演算11は、外部から与えられる磁束指令と、前記d軸電流Idおよびq軸電流Iqと、速度制御値f1と、位相θとにより、出力電圧ベクトルVsの大きさ|Vs|、および位相θsを出力する。
なお、「フィルタ値Vdc_fil」は、本発明における「直流電力の電圧の平均値」に相当する。
PWM駆動信号生成15は、変調率Vkと位相θsより前記インバータ主回路3のスイッチング素子SW1〜SW6をオン・オフ制御するためのPWM駆動信号(UP、UN、VP、VN、WP、WN)を出力する。
次にインバータ制御部7の動作について説明する。
座標変換8は、電流検出手段5a、5bの検出結果(Iu,Iw)を積分器10の出力である位相θに基づき静止座標系から回転座標系(d−q軸)上のd軸電流Id、q軸電流Iqに変換する。座標変換の方法は一般に公知の方法であるため、詳細説明は省略する。
速度制御器9は、外部から与えられる速度指令と前記d軸電流Id、q軸電流Iqより前記交流電動機4を安定に駆動するための補償を行った速度制御値f1を出力する。
例えば、出力トルク成分である前記q軸電流の振幅とは逆位相の補償を行ったものを速度制御値f1として出力する。
積分器10は、前記速度制御値f1を積分して座標変換するための位相θを出力する。
例えば、磁束指令と、d軸電流Id、q軸電流Iq、および速度制御値f1から、d軸電圧指令値Vdおよびq軸電圧指令値Vqを出力する技術としては特開2007−6664号公報がある。
出力電圧ベクトルの大きさ|Vs|および位相θsは、d軸電圧指令値Vd、およびq軸電圧指令値Vqから数式1を用いて求めることができる。
|Vs|=√(Vd2+Vq2)
θs=θ+tan-1(Vq/Vd)
図2において、V0〜V7は基本電圧ベクトルであり、インバータ主回路3のスイッチング素子SW1〜SW6の8つのスイッチング状態と対応する。
上アーム側のスイッチがON状態のときを「1」、OFF状態のときを「0」とすると、基本電圧ベクトルの状態を(SW1,SW2,SW3)で表すことができる。
例えば、基本電圧ベクトルV1は(1,0,0)、基本電圧ベクトルV2は(1,1,0)と表すことができる。
ここで、基本電圧ベクトルV1〜V6の先端を結んだ6角形の範囲がPWM駆動信号として出力できる範囲(インバータ出力限界)である。
そして、前記6角形の内接円が変調率1の場合の出力電圧ベクトルの軌跡である。
つまり、変調率が1を超える場合には、出力電圧ベクトル通りにPWM駆動信号を出力できない領域が発生する。
このフィルタ値Vdc_filは直流電圧Vdcの平均値に相当する値となる。
ここで、直流電圧Vdcの平均値に相当する値を求めるのに一次遅れフィルタ処理を用いているが、他の平均値算出方法を用いても良い。
ここで、交流電源1が単相交流電源の場合は、直流電圧VdcのAC成分は交流電源1の周波数の2倍の成分が現れ、交流電源1が三相交流電源の場合は、直流電圧VdcのAC成分は交流電源1の周波数の6倍の成分が現れる。
なお、前記所定値としては、直流電圧VdcのAC成分より高い周波数を設定する。つまり、交流電源1が単相交流電源の場合、前記所定値を交流電源1の周波数の2倍以上の値とする。また、交流電源1が三相交流電源の場合、前記所定値を交流電源1の周波数の6倍以上の値とする。
リミッタ13の動作については後で詳細に説明する。
Vk=Vs’/{Vdc/(√2)}
出力電圧ベクトルからPWM駆動信号への生成は、公知の技術である空間ベクトルの概念(オーム社「パワーエレクトロニクス回路」電気学会半導体電力変換システム調査専門委員編、2000年11月発行、p171〜p174)を用いて実現できる。
そして、生成されたPWM駆動信号(UP、UN、VP、VN、WP、WN)より前記インバータ主回路3のスイッチング素子SW1〜SW6をオン・オフ制御することで、交流電動機4を駆動する。
続いて、リミッタ13の動作について詳細に説明する。
図4はリミッタ13の速度制御値f1と出力電圧制限値との関係を示す図である。
図4において、Vaは出力電圧ベクトルの大きさ|Vs|を制限する第1出力電圧制限値、Vbは第2出力電圧制限値、fa、fb(fa≦fb)は制限電圧切替周波数である。
なお、「制限電圧切替周波数fa」は、本発明における「所定値」に相当する。
Va=Vdc_fil/(√2)−Vx[V](例えば、Vx:調整電圧=10[V])
Vb=Vdc_fil/(√2)×α[V](例えば、α=1.5)
fa=115[Hz]
fb=130[Hz]
このため、この付近のインバータ周波数で変調率Vkが1を超えていると、出力電圧ベクトル通りにPWM駆動信号を出力できない領域が位相的にわずかにずれながら発生することになる。そのため、電動機電流としてはインバータ周波数と交流電源1の周波数の2倍との差で電流脈動が発生することになる。
このため、前記電圧検出手段6の検出結果(Vdc)に基づくPWM駆動信号の補正が適切に行われる。
そのため、インバータ周波数と交流電源1の周波数との干渉により発生する電動機電流脈動を抑制可能となる。
図6はリミッタあり時の電動機電流波形である。
上記条件において、インバータ周波数が99[Hz]でリミッタ13がないとき(Vk平均値=1.05)の駆動電流波形を図5に示す。
また、同じ条件でリミッタ13があるときの駆動電流波形を図6に示す。
一方、図6ではインバータ周波数と交流電源1の周波数との干渉により発生する電動機電流脈動を抑制できている。
なお、図6では出力電圧ベクトルの大きさ|Vs|を制限しているため、電気角1周期当たりの電動機電流の振幅としてはリミッタ13ありの方が増加することになる。
そのため、インバータ周波数が制限電圧切替周波数fa以上の領域では出力電圧制限値を高くなるように設定している。
また、前記調整電圧Vxは、リミッタ13あり時の電動機電流ピーク値がリミッタ13なし時の電動機電流ピーク値より小さくなるように設定するのが好ましい。
リミッタ13あり時(図6)でもインバータ周波数と交流電源1の周波数との干渉により発生する電動機電流脈動を完全に抑制できていないのはそのためである。
例えば、交流電源1が三相交流電源(周波数50Hz)で、交流電動機4の極数が6極(pp:極対数=3)の場合、制限電圧切替周波数faを、交流電源1の周波数の6倍以上の周波数(例えばfa=345[Hz])、制限電圧切替周波数fbを、交流電源1の周波数の7.8倍の周波数(fb=390[Hz])に設定する。
例えば、コンバータ回路2を昇圧コンバータにより構成し、インバータ制御部7は、インバータ周波数が所定値より低い場合、変調率Vkが1以下となるように、コンバータ回路2を制御して、直流電力の電圧を制御する。
このため、インバータ周波数が低い領域で変調率が1を超える状態が発生する場合でもインバータ周波数と交流電源1の周波数との干渉により発生する電動機電流脈動を電動機によらずに抑制可能とすることができる。
このため、インバータ周波数が低い領域で変調率が1を超える状態が発生する場合でも、電圧検出手段6の検出結果(Vdc)に基づくインバータ主回路3を制御するためのPWM駆動信号の補正が適切に行われる。
よって、インバータ周波数と交流電源1の周波数との干渉により発生する電動機電流脈動を電動機によらずに抑制することができる。
図7はこの発明の実施の形態2におけるインバータ制御装置の構成を示すブロック図である。
図7に示すように、本実施の形態におけるインバータ制御部7は、上記実施の形態1の構成(図1)に対し、フィルタ12、リミッタ13の代わりに、フィルタ16、磁束指令補償17が追加されている。
本実施の形態2におけるベクトル演算11は、磁束指令補償17により補償された磁束指令と、前記d軸電流Idおよびq軸電流Iqと、速度制御値f1と、位相θとにより、出力電圧ベクトルVsの大きさ|Vs|、および位相θsを出力する。
また、本実施の形態2における変調率演算14は、ベクトル演算11から出力された出力電圧ベクトルの大きさ|Vs|と、電圧検出手段6の検出結果(Vdc)とにより、変調率Vkを出力する。
なお、「フィルタ値Vk_fil」は、本発明における「変調率の平均値」に相当する。
なお、本実施の形態における「ベクトル演算11」は、本発明における「ベクトル演算部」に相当する。
なお、本実施の形態における「変調率演算14」は、本発明における「変調率演算部」に相当する。
なお、本実施の形態における「磁束指令補償17」は、本発明における「磁束指令補償部」に相当する。
続いて、フィルタ16、磁束指令補償17の動作について説明する。
フィルタ16は、変調率演算14から出力された変調率Vkを一次遅れフィルタ処理(例えば、フィルタ時定数=50ms)して、フィルタ値Vk_filを出力する。
このフィルタ値Vk_filは変調率Vkの平均値に相当する値となる。
ここで、変調率Vkの平均値に相当する値を求めるのに一次遅れフィルタ処理を用いているが、他の平均値算出方法を用いても良い。
なお、前記所定値としては、直流電圧VdcのAC成分より高い周波数を設定する。つまり、交流電源1が単相交流電源の場合、前記所定値を交流電源1の周波数の2倍以上の値とする。また、交流電源1が三相交流電源の場合、前記所定値を交流電源1の周波数の6倍以上の値とする。
図8において、Vkaは第1変調率制限値、Vkbは第2変調率制限値、fka、fkb(fka≦fkb)は制限変調率切替周波数である。
なお、「制限変調率切替周波数fka」は、本発明における「所定値」に相当する。
Vka=0.95[−]
Vkb=1.5[−]
fka=115[Hz]
fkb=130[Hz]
このため、この付近のインバータ周波数で変調率Vkが1を超えていると、出力電圧ベクトル通りにPWM駆動信号を出力できない領域が位相的にわずかにずれながら発生することになる。そのため、電動機電流としてはインバータ周波数と交流電源1の周波数の2倍との差で電流脈動が発生することになる。
このため、前記電圧検出手段6の検出結果(Vdc)に基づくPWM駆動信号の補正が適切に行われる。
そのため、インバータ周波数と交流電源1の周波数との干渉により発生する電動機電流脈動を抑制可能となる。
なお、上記実施の形態1と同様に、変調率Vkをほぼ1以下となるように制限しているため、電気角1周期当たりの電動機電流の振幅としては制限を実施した場合の方が増加することになる。
そのため、インバータ周波数が制限変調率切替周波数fka以上の領域では変調率制限値を高くなるように設定している。
また、第1変調率制限値Vkaは、磁束指令補償17あり時の電動機電流ピーク値が磁束指令補償17なし時の電動機電流ピーク値より小さくなるように設定するのが好ましい。
例えば、交流電源1が三相交流電源(周波数50Hz)で、交流電動機4の極数が6極(pp:極対数=3)の場合、制限変調率切替周波数fkaを、交流電源1の周波数の6倍以上の周波数(例えばfka=345[Hz])、制限変調率切替周波数fkbを、交流電源1の周波数の7.8倍の周波数(fkb=390[Hz])に設定する。
例えば、コンバータ回路2を昇圧コンバータにより構成し、インバータ制御部7は、インバータ周波数が所定値より低い場合、変調率Vkが1以下となるように、コンバータ回路2を制御して、直流電力の電圧を制御する。
このため、インバータ周波数が低い領域で変調率が1を超える状態が発生する場合でも、電圧検出手段6の検出結果(Vdc)に基づくインバータ主回路3を制御するためのPWM駆動信号の補正が適切に行われる。
よって、インバータ周波数と交流電源1の周波数との干渉により発生する電動機電流脈動を電動機によらずに抑制することができる。
図9はこの発明の実施の形態3における空気調和機の構成を示す図である。
図9において、本実施の形態における空気調和機は、室外機310、室内機320を備える。室外機310には、図示しない冷媒回路に接続され冷凍を循環させる圧縮機311、図示しない熱交換機を送風する室外機用の送風機312を備えている。
圧縮機311、および送風機312には、例えば、誘起電圧定数の高い高効率な永久磁石型同期電動機(永久磁石三相電動機)が搭載されている。
そして、この圧縮機311および送風機312に搭載された永久磁石型同期電動機は、上述した実施の形態1または2のインバータ制御装置により駆動制御される。
なお、圧縮機311を駆動するインバータ制御装置は、本発明の「圧縮機駆動装置」に相当する。
よって、電動機電流脈動による騒音を抑制可能な圧縮機駆動装置および空気調和機を得ることができる。
Claims (10)
- 交流電源の交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路と、
前記直流電力を交流電力に変換して電動機へ印加するインバータ主回路と、
前記電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記直流電力の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電流検出手段の検出結果、前記電圧検出手段の検出結果、および外部から与えられる速度指令に基づいて、前記インバータ主回路をPWM制御するインバータ制御部と
を備え、
前記インバータ制御部は、
前記電動機に流れる電流、および前記速度指令に基づき、前記インバータ主回路を駆動するインバータ周波数を求め、
少なくとも、前記電動機に流れる電流、前記速度指令、および前記インバータ周波数に基づき、前記インバータ主回路に出力させる出力電圧ベクトルを求め、
前記出力電圧ベクトルに基づき、PWM駆動信号を生成して前記インバータ主回路に出力し、
前記インバータ周波数が、前記直流電力の電圧の交流成分の周波数以上の第1所定値より低い場合、
前記出力電圧ベクトルの大きさを前記直流電力の電圧/(√2)で除算した値である変調率が1以下となるように、前記出力電圧ベクトルを制御し、
前記インバータ周波数が、前記第1所定値より高い第2所定値以上の場合、
前記変調率が、1より大きい制限値以下となるように、前記出力電圧ベクトルを制御する
ことを特徴とするインバータ制御装置。 - 前記インバータ制御部は、
前記インバータ周波数が前記第1所定値より低い場合、前記出力電圧ベクトルの大きさを、前記直流電力の電圧の平均値/(√2)以下に制限する
ことを特徴とする請求項1記載のインバータ制御装置。 - 前記インバータ制御部は、
前記電圧検出手段の検出結果をフィルタ処理し、前記直流電力の電圧の平均値を出力するフィルタと、
前記インバータ周波数が前記第1所定値より低い場合、前記出力電圧ベクトルの大きさを、前記直流電力の電圧の平均値/(√2)以下に制限するリミッタと
を備えたことを特徴とする請求項1または2記載のインバータ制御装置。 - 前記インバータ制御部は、
前記インバータ周波数が前記第1所定値より低い場合、前記変調率の平均値が1以下になるように前記出力電圧ベクトルを制御する
ことを特徴とする請求項1記載のインバータ制御装置。 - 前記インバータ制御部は、
外部から与えられる磁束指令を補償する磁束指令補償部と、
補償された前記磁束指令と、前記電動機に流れる電流と、前記インバータ周波数とにより、前記出力電圧ベクトルを出力するベクトル演算部と、
前記ベクトル演算部の出力と前記電圧検出手段の検出結果とにより、前記変調率を出力する変調率演算部と、
前記変調率演算部の出力をフィルタ処理し、前記変調率の平均値を出力するフィルタと
を備え、
前記磁束指令補償部は、
前記インバータ周波数が前記第1所定値より低い場合、前記フィルタから出力された前記変調率の平均値が1以下になるように前記磁束指令を補償する
ことを特徴とする請求項1または4記載のインバータ制御装置。 - 前記交流電源が単相交流電源の場合、前記第1所定値を前記交流電源の周波数の2倍以上、2.6倍未満の値とする
ことを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載のインバータ制御装置。 - 前記交流電源が三相交流電源の場合、前記第1所定値を前記交流電源の周波数の6倍以上、7.8倍未満の値とする
ことを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載のインバータ制御装置。 - 前記コンバータ回路は、変換した前記直流電力の電圧を昇圧する昇圧コンバータにより構成され、
前記インバータ制御部は、
前記インバータ周波数が前記第1所定値より低い場合、前記変調率が1以下となるように、前記直流電力の電圧を制御する
ことを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載のインバータ制御装置。 - 請求項1〜8の何れか1項に記載のインバータ制御装置を備え、
前記電動機は、圧縮機に搭載された永久磁石電動機により構成された
ことを特徴とする圧縮機駆動装置。 - 請求項1〜8の何れか1項に記載のインバータ制御装置と、
前記電動機により駆動され、冷媒を循環させる圧縮機と
を備えたことを特徴とする空気調和機。
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