JP5530905B2 - モータ制御装置，空気調和機 - Google Patents

モータ制御装置，空気調和機 Download PDF

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Description

本発明は、抵抗による相電圧検出回路を備え１８０度通電制御を行うモータ制御装置の高効率制御に関する。
例えば、空気調和機の室外機に設けられる室外ファンを駆動する場合、インバータによってモータを起動する前に風によりファンが勝手に回転している（空転している）事がある。このとき、シャント抵抗１本を用いた回路によりセンサレスベクトル制御でモータの駆動を行うとすると、インバータのスイッチング素子がオンオフされていない状態では、モータの誘起電圧による電流が如何なる電流であるかを特定することができない。何故なら、この磁極位置の推定は、インバータがスイッチングするタイミングから、現在シャント抵抗に流れている電流が如何なる電流であるかを論理的に導き出す方法によるものだからである。
そこで特許文献１ではシャント抵抗１本で行うセンサレスベクトル制御に加え、モータの相電圧を検出する手段を設け、インバータのスイッチングによってモータを駆動する前にモータのロータの回転方向，回転速度，磁極位置を検出するモータの制御装置が提案されている。
特許文献１によると、風等の外乱によって勝手にファンが回っている場合、モータの誘起電圧を検出する回路を追加し、インバータがスイッチングする前にロータ磁極位置と回転速度と回転方向を検出することで、起動時に外乱が入っても所望の回転速度に制御する事を可能としている。
一般的な３相交流モータのＰＷＭ制御は３相変調であるが、モータ電流が相電圧ではなく相間電圧により決定されることを利用して、相間電圧を確保しつつ各相電圧を所定期間毎にインバータのスイッチング素子を常時オンすることにより、１相毎に高位電源レベル又は低位電源レベルに電気角π／３（６０度）だけ順次固定してインバータのスイッチング損失を低減できる２相変調が、１９８７年３月の社団法人電気学会発行の書物「半導体電力変換回路」の第１１０，１１１，１２５頁等に解説が述べられている。以下、上記２相変調方式を固定相６０度切り替え方式と呼ぶものとする。３相変調方式の電圧波形を図２に、固定相６０度切り替え方式の電圧波形を図３に示す。
また、１相毎に高位電源レベル又は低位電源レベルに電気角２π／３（１２０度）だけ順次固定してインバータのスイッチング損失を低減し、相電圧の振幅が小さい場合にこの２相変調方式を停止してモータに３相電圧を印加することが、下記の特許文献２，３により提案されている。以下、上記２相変調方式を、固定相１２０度切り替え方式と呼び、特に固定相を直流電圧の高電位に固定するものを上固定相１２０度切り替え方式と呼び、固定相を直流電圧の低電位に固定するものを下固定相１２０度切り替え方式と呼ぶ。それぞれの変調方式の３相の電圧波形を図４，図５に示す。
特許文献２は漏れ電流の最大値を低減するために、回転速度に応じて低速域では漏れ電流の最大値を低減させる変調方式に、中，高速域では速度安定性を確保する変調方式に切り替えることを特徴とするインバータ制御方法である。
特許文献３は高効率運転を実現するために、トルクと回転数のマップまたはｉｑ電流，ｉｄ電流の２次元座標に従い、変調方式を切り替えることを特徴とする制御方法である。
特開２００７−１６６６９５号公報 特開２００６−２１７６７３号公報 特開２００５−２２９６７６号公報
特許文献１のようにモータの相電圧を検出する手段として抵抗を用いた制御方式の場合、通常運転時に相電圧が発生すると、相電圧検出抵抗に電流が流れてしまい、損失が発生する。
相電圧検出抵抗による損失，インバータのスイッチング損失は、変調方式と変調率により変わる。
特許文献１の技術は相電圧検出回路の損失，スイッチング損失が変調方式に変化することを考慮していないため、高効率運転ができなかった。
特許文献２の技術は漏れ電流の最大値の低減が目的で変調方式を変えており、相電圧検出回路の損失，スイッチング損失が変調方式に変化することを考慮していないため、高効率運転ができなかった。さらに回転数で変調方式を変えていたため、インバータの直流電圧が変化した場合に高効率運転ができなかった。
特許文献３の技術は損失低減を目的に変調方式を変えていたが、相電圧検出回路の損失に考慮していなかったため、固定相１２０度切り替え方式を選択した場合、上固定相１２０度切り替え方式か下固定相１２０度切り替え方式かが明示されていなかった。さらに回転数とトルク、もしくはｉｑ電流とｉｄ電流で変調方式を変えていたため、インバータの直流電圧が変化した場合に高効率運転ができなかった。さらに変調方式の切り替えるポイントを２次元座標で決めているために大きな記憶容量が必要であった。
特許文献２と３に共通する課題として変調方式を切り替えるポイントはモータの仕様により変化するということがあった。これはモータの仕様を変えるたびに切り替えポイントを換えることになり、設計の工数が必要となっていた。
本発明は、インバータの直流電圧の変化やさまざまな仕様のモータに対応でき、記憶容量の小さい高効率なモータ制御装置を提供することを目的とする。
本発明のモータ制御装置は、直流電源から３相モータを駆動するインバータを備えたモータ制御装置において、前記直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記モータの相電圧を検出することによりモータ位相を検出する相電圧検出手段とを備え、２種類以上の変調方式を有し、前記インバータにおける損失と前記相電圧検出手段における損失の大きさの関係で決まる所定値に対して変調率が低いときは、下１２０°固定２相変調を選択し、前記インバータにおける損失と前記相電圧検出手段における損失の大きさの関係で決まる所定値に対して変調率が高いときは、６０°固定２相変調を選択する。
本発明のモータ制御装置は、直流電源から３相モータを駆動するインバータを備えたモータ制御装置において、前記直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記モータの相電圧を検出することによりモータ位相を検出する相電圧検出手段とを備え、３種類以上の変調方式を有し、回転数が所定のしきい値より低いときは３相変調を選択し、回転数が所定のしきい値より高く、かつ、前記インバータにおける損失と前記相電圧検出手段における損失の大きさの関係で決まる所定値に対して変調率が低いときは、下１２０°固定２相変調を選択し、回転数が所定のしきい値より高く、かつ、前記インバータにおける損失と前記相電圧検出手段における損失の大きさの関係で決まる所定値に対して変調率が高いときは、６０°固定２相変調を選択する。
本発明によれば、インバータの直流電圧の変化やさまざまな仕様のモータに対応でき、記憶容量が小さい高効率なモータ制御装置が実現できる。
実施例の装置の全体構成を表したブロック図。 ３相変調の電圧波形。 固定相６０°切り替え方式２相変調の電圧波形。 上固定相１２０°切り替え方式２相変調の電圧波形。 下固定相１２０°切り替え方式２相変調の電圧波形。 変調方式と変調率と相電圧検出回路の損失を示したグラフ。 変調方式と変調率と回路の損失を示したグラフ。 ブートストラップ回路を示すブロック図。 直流電圧を制御できるコンバータを表したブロック図。 直流電圧を制御でき直流部にリアクタをもつコンバータを表したブロック図。 全波倍電圧スイッチを備えたコンバータを表したブロック図。
以下、本発明にかかるモータ制御装置について、具体的に説明する。
図１は本発明によるモータ制御装置の実施例を示す回路構成図である。本実施例の制御装置は、直流電源１と、直流電源１から三相交流に変換するインバータ２と、インバータの制御対象である３相同期モータ３と、モータの交流印加電圧を演算しパルス幅変調波信号（ＰＷＭ信号）に変換して出力する制御器４と、直流電源１がインバータ２へ供給する母線電流を検出する電流検出器５と、３相同期モータ３の相電圧を検出する相電圧検出器６と直流電源１の直流電圧を検出する直流電圧検出器７とからなる。
制御器４は、モータ電流再現器４０１，モータ印加電圧演算器４０２，変調率演算器４０３，変調方式選択器４０４，ＰＷＭ信号発生器４０５，回転数・回転方向演算器４０６と、を有している。
電流検出器５は、直流電源１がインバータ２へ供給する母線電流Ｉ０を検出し、モータ電流再現器４０１は、Ｉ０から３相同期モータ３に流れる三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを再現する。モータ印加電圧演算器４０２は、三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，ｗとモータ指令回転数ｆ*から３相同期モータ３に印加すべき三相交流指令電圧Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*を演算する。変調率演算器４０３は直流電圧検出器７から検出した直流電圧Ｖｄとモータ印加電圧演算器４０２から変調率ｋｈを演算する。変調方式選択器４０４はｋｈと記憶して或るしきい値とを比較して変調方式を選択する。ＰＷＭ信号発生器４０５は、上記三相交流指令電圧Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*を変調方式選択器４０４によって選択された変調方式で、パルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）ｕ+，ｕ-，ｖ+，ｖ-，ｗ+，ｗ-を発生する。回転数・回転方向演算器４０６は、相電圧検出器６により検出したＶｕ′，Ｖｖ′，Ｖｗ′に基づいてインバータを起動する前の３相同期モータ３の回転数と回転方向を演算する。
電流検出手段としてシャント抵抗を例として挙げているが、シャント抵抗に代えて電流センサでも上記の起動方法を実現することができる。
通常の制御、特にモータ印加電圧の演算に関しては、例えば特開２００２−２７２１９４号公報に記載されている手法と同様のもので行う。また上記手法以外でもモータ電流の３相、もしくは２相を用いて３相交流指令電圧を計算してもよい。
外乱等によってロータが勝手に回っている（空転している）場合に相電圧検出器６によって外乱時の回転方向および回転数の検出する方法について説明する。３相モータ３はインバータ２がスイッチングする前に外乱によりモータが回転することにより、各相に誘起電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが発生する。これを相電圧検出器６で検出し、線間電圧を計算すると正弦波となるのでモータの回転数，回転方向，位相を計算できる。
次に変調率演算器４０３の計算方法について説明する。変調率とは信号波の振幅と搬送波の振幅の比であるから、インバータのＰＷＭ制御において信号波はモータに印加する正弦波，搬送波は直流電圧の１／２を振幅とする方形波となる。したがってモータに印加する正弦波の振幅をＶｓ*、直流電圧をＶｄとすると変調率ｋｈは次式で計算される。
ｋｈ＝Ｖｓ*／（Ｖｄ／２） ・・・（数式１）
相電圧検出抵抗による損失，インバータのスイッチング損失は、変調方式と変調率により変わる。直流電圧２８０Ｖのとき、各変調方式における変調率と損失の関係を図６に示す。損失の関係は上１２０°固定２相変調＞上下６０°固定２相変調＞３相変調＞下１２０°固定２相変調の順になる。また上下６０°固定２相変調，３相変調を行った場合、損失は変調率の影響は少ない。下１２０°固定２相変調を行った場合、低変調率のとき損失は小で変調率が高くなるほど３相変調時の損失に近づく。上１２０°固定２相変調を行った場合、低変調率のとき損失は大、変調率が高くなるほど３相変調時の損失に近づく。
スイッチング損失も変調方式により変わる。これは電流が大きいときにスイッチングが行われるかどうかによる。３相変調と２相変調を比べると３相変調はスイッチング数が２相変調の３／２になり、かつ電流大のところでのスイッチングが多いため、３相変調の損失が大きい。次に２相変調でも１２０°固定２相変調と上下６０°固定２相変調は比較すると変調率小のときはほぼ同じで変調率大のとき、電流大でスイッチングが入るため下１２０°固定２相変調が上下６０°固定２相変調より損失が大きくなる。
相電圧検出抵抗とＳＷ損失を含めた回路損失と変調率の関係を図７に示す。変調率が高いところ、図７の例では変調率０.８で下１２０°固定２相変調から上下６０°固定２相変調に切り替えると常に高効率運転が実現できる。
切り替える変調率はインバータ回路の損失の大きさと相電圧検出抵抗の損失の大きさの関係で決まり、０.６〜０.９の間で切り替えるのが望ましい。
一般にインバータのパワーデバイスにはＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴが使用されているが、そのゲート駆動には図８に示すようなブートストラップ回路と呼ばれる回路方式が使用される。これは下アームスイッチング素子２０８がオンもしくは下アーム還流ダイオード２１０がオンして相電圧が直流電圧低電位側に電気的に接続されブートストラップダイオード２０２を経由してゲート駆動用電源２０１からブートストラップコンデンサ２０３に充電する回路である。ブートストラップコンデンサ２０３に充電された電圧でドライバ２０５が動作し上アームスイッチング素子２０７をオンすることができる。上アームスイッチング素子２０７がオンまたは上アーム還流ダイオード２０９がオンした場合、相電圧は直流電圧高電位側に電気的に接続されるが、ゲート駆動用電源２０１とブートストラップコンデンサ２０３はブートストラップダイオード２０２で切り離される。先に述べたようにこのコンデンサが充電されるのは下アームスイッチング素子２０７がオンするときか下アーム還流ダイオード２１０がオンするとき（モータ電流正でスイッチング）であるが、２相変調を選択した場合、下アームスイッチング素子２０７も下アーム還流ダイオード２１０もオンされない期間が発生しブートストラップコンデンサの電圧が下がるという問題があった。ブートストラップコンデンサの電圧が低下すると、スイッチング素子のゲート電位が下がり、スイッチング素子の順方向電圧が大きくなり、導通損が多くなり、効率が低下し、最悪の場合スイッチング素子の熱破壊に達する。これはモータが低回転のときほど、下アームスイッチング素子も下アーム還流ダイオードもオンされない期間が長くなり、問題が顕著になる。そこでモータが低回転のときは常に下アームスイッチング素子のスイッチングを行う３相変調を行い、高回転数のときは効率を優先して２相変調を行う。２相変調のときは実施例１のように変調率に従い下１２０°固定２相変調と上下６０°２相変調を選択する。
この実施例により、低回転から安定した回路駆動を行い、高効率運転を実現できる。
３相変調から下１２０°固定２相変調へ切り替える回転数の最適値はブートストラップコンデンサの容量，ドライバの消費電力，モータの極数でも変わるが、ブートストラップコンデンサが数十μＦで消費電力が数ｍＡ、４極モータを考えた場合、１００min-1から４００min-1で切り替えるのが望ましい。
図１の直流電源１に置き換えて図９のコンバータ回路を用いた場合の実施例について説明する。図１０のコンバータ回路は商用電源１０１と、交流電源に直列に接続されたリアクタ１０２と、交流を整流するダイオードブリッジ１０３と、直流電源に含まれる脈動成分を抑制する平滑キャパシタ１０４と双方向性スイッチ１０５を有している。双方向性スイッチは各種構成が提案されているのでここでは説明を省略する。双方向性スイッチをゼロクロス検出器１０６で検出した交流電圧波形に同期させてコンバータ制御手段４０７により短絡動作させることで交流電流を制御し、力率改善，高調波抑制，直流電圧の制御を行う。この制御法については特開平７−７９４６号や特開２００６−１８０７００号やその他提案されている各種方法で行えばよい。本実施例によれば、直流電圧が任意に変化するので変調率に従って変調方式を選択する本発明の利点がよりよく発揮される。また図９のコンバータ回路はリアクタが交流電源に接続されているが、図１０のような直流部にリアクタをもつコンバータ回路を用いてもよい。
図１の直流電源１に置き換えて図１１のコンバータ回路を用いた場合の実施例について説明する。図１１のコンバータ回路は倍電圧コンデンサ１０４ａ，１０４ｂと全波倍電圧切り替えスイッチ１１０を備える。このコンバータ回路は特開平１１−２０６１３０号，特開２０００−１８８８６７号のように制御を行えばよい。本実施例によれば、直流電圧が大きく変化するので変調率に従って変調方式を選択する本発明の利点がよりよく発揮される。
実施例１〜４をファンモータの制御装置に使用すると、風等の外乱によってモータが勝手に回ってしまう可能性がある用途に使用するモータに関しても高効率な制御装置を実現できる。
実施例１〜４を空気調和機の室外ファンモータの制御装置に使用すると、高効率な空気調和機を実現できる。
１ 直流電源
２ インバータ
３ 同期モータ
４ 制御器
５ 電流検出器
６ 相電圧検出器
１０１ 商用電源
１０２ リアクタ
１０３ ダイオードブリッジ
１０４ 平滑キャパシタ
１０５ 双方向性スイッチ
１０６ ゼロクロス検出器
１０７ 直流電圧検出器
１０８ 短絡スイッチ
１０９ 電流検出器
１１０ 全波倍電圧切り替えスイッチ
２０１ ゲート駆動用電源
２０２ ブートストラップダイオード
２０３ ブートストラップコンデンサ
２０４ 下アームドライバ用コンデンサ
２０５ 上アームドライバ
２０６ 下アームドライバ
２０７ 上アームスイッチング素子
２０８ 下アームスイッチング素子
２０９ 上アーム還流ダイオード
２１０ 下アーム還流ダイオード
４０１ モータ電流再現器
４０２ モータ印加電圧演算器
４０３ 変調率演算器
４０４ 変調方式選択器
４０５ ＰＷＭ信号発生器
４０６ 回転数・回転方向演算器
４０７ コンバータ制御手段

Claims (6)

  1. 直流電源から３相モータを駆動するインバータを備えたモータ制御装置において、
    前記直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
    前記モータの相電圧を検出することによりモータ位相を検出する相電圧検出手段とを備え、
    ２種類以上の変調方式を有し、
    前記インバータにおける損失と前記相電圧検出手段における損失の大きさの関係で決まる所定値に対して変調率が低いときは、下１２０°固定２相変調を選択し、
    前記インバータにおける損失と前記相電圧検出手段における損失の大きさの関係で決まる所定値に対して変調率が高いときは、６０°固定２相変調を選択する
    ことを特徴とするモータ制御装置。
  2. 直流電源から３相モータを駆動するインバータを備えたモータ制御装置において、
    前記直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
    前記モータの相電圧を検出することによりモータ位相を検出する相電圧検出手段とを備え、
    ３種類以上の変調方式を有し、
    回転数が所定のしきい値より低いときは３相変調を選択し、
    回転数が所定のしきい値より高く、かつ、前記インバータにおける損失と前記相電圧検出手段における損失の大きさの関係で決まる所定値に対して変調率が低いときは、下１２０°固定２相変調を選択し、
    回転数が所定のしきい値より高く、かつ、前記インバータにおける損失と前記相電圧検出手段における損失の大きさの関係で決まる所定値に対して変調率が高いときは、６０°固定２相変調を選択する
    ことを特徴とするモータ制御装置。
  3. 請求項１又は２のモータ制御装置において、
    前記直流電源として直流電圧を制御するコンバータを備えたモータ制御装置。
  4. 請求項１又は２のモータ制御装置において、
    前記直流電源として全波倍電圧切り替え回路を有するコンバータを備えたモータ制御装置。
  5. 請求項１〜４のいずれかのモータ制御装置において、
    前記３相モータはファンモータであるモータ制御装置。
  6. 請求項１〜５のいずれかのモータ制御装置を搭載したことを特徴とする空気調和機。
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