JP5618899B2 - モータ制御装置および空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、ファンモータ等のフリーランによる直流電圧の過昇防止機能を備えたモータの制御装置およびこれを搭載した空気調和機に関する。

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）ことがある。これをフリーランと呼んでいる。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電動機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。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、電動機の線間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電動機を駆動する前に電動機のロータの回転方向，回転速度，磁極位置を検出する電動機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ことを可能としている。

フリーランもしくはモータ負荷の慣性が大きい場合の減速時や停止時のインバータ制御法については種々提案されている。一般に用いられるのは特許文献２のようにダイナミックブレーキ回路を用いて、回生エネルギーを吸収する方式である。

特許文献３ではダイナミックブレーキ回路はなしでベクトル制御においてｄ軸電流とｑ軸電流でトルクを制御しながら、トルクへの寄与が低いｄ軸電流を増やして回生電力を吸収する方式が提案されている。

特開２００７−１６６６９５号公報 特開平５−７６１９１号公報 特開２００７−１３５４００号公報

風等の外乱によるフリーランでファンモータは発電機となり直流電圧が発生してしまうという問題があった。従来はファンモータが発電機となっても問題が発生しないように家庭用空気調和機ではファンモータの設計点を１０００min^-1で誘起電圧を２６０Ｖ程度にしている。この程度にしておけばフリーランでファンモータが発電機となっても発生する電圧は問題がない。

しかしながらファンモータをより高効率にするためには誘起電圧定数を上げ、同一トルクに対する電流値を下げる必要がある。例えば誘起電圧定数の設計点を１０００min^-1で５００Ｖにすると、ファンモータがフリーランで発生する電圧は大きく、部品の耐圧を超えてしまうという問題があった。

また前記特許文献には次のような問題があった。

特許文献１では上記問題を解決する手法が示されていない。

特許文献２ではダイナミックブレーキ回路を付加するため、回路大，価格アップにつながる。

特許文献３ではベクトル制御を用いる必要があり、ファンモータ制御で広く用いられている１２０°通電方式では使用できない。

そこで本発明の目的は、簡易な校正で効率の高いモータ制御装置を提供することにある。

本発明のモータ制御装置は、直流電源に接続され、三相同期モータを駆動するインバータと、前記インバータを駆動するインバータ駆動回路と、
前記インバータを制御する制御器と、前記三相同期モータとは異なる第２の負荷を駆動する第２の負荷駆動回路とを備え、前記モータ制御装置に関係する特徴量を検出する検出器と、前記第２の負荷駆動回路を前記直流電源に接続し、かつ前記三相同期モータのフリーランにより前記検出器による検出値が上昇しある設定値を超えた場合に、または、検出値から計算したタイミングで、第２の負荷を駆動し、前記検出器は、前記直流電圧を検出する直流電圧検出器であり、前記検出値が前記ある設定値を超えた場合にブレーキ制御を行い、前記第２の負荷を駆動するとともに、前記インバータのブレーキ制御を行う。

本発明によれば、高効率なファンモータの制御装置が実現できる。

実施例１を示す回路構成図。 直流電圧抑制制御有無での風速，回転数，直流電圧の関係を示す図。 実施例２を示す回路構成図。 実施例３を示す回路構成図。 実施例４を示す回路構成図。 実施例５を示す回路構成図。 実施例６を示す回路構成図。 実施例８を示す回路構成図。 空気調和器。 空気調和器の室外機。

以下、本発明のモータ制御装置について、具体的に説明する。

図１は実施例１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の直流電圧脈動を抑制する平滑キャパシタ２と、直流電源１と平滑キャパシタ２から供給される直流電圧を三相交流に変換するインバータ３と、制御対象であるファンモータ４と、ファンモータ４の負荷であるファン５と、インバータ３を制御する制御器６と、制御器６の信号からインバータ３を駆動するインバータ駆動回路７と、直流電源１の直流電圧からインバータ駆動回路６の電源と制御器６の電源をつくる電圧変換器８と、インバータ直流電源１の直流電圧を検出する直流電圧検出器９とからなる。

次にフリーラン時の直流電圧の抑制制御方法について図２を用いて説明する。図２は縦軸にファンモータ４が受けている風の風速、ファンモータ４の回転数、平滑キャパシタ２の直流電圧を示し、横軸に時間を示し、（ａ）は直流電圧抑制制御無の場合、（ｂ）が直流電圧抑制制御有の場合を示している。ファンモータ４がフリーランしているとき、風速が上昇し、フリーランの回転数が上がると図２の（ａ）のようにファンモータ４の線間電圧が平滑キャパシタ２の直流電圧を越え、インバータ３の還流ダイオードを通して平滑キャパシタ２に充電され、直流電圧が上昇し、Ａの電圧に達する。Ａの電圧が部品の耐圧を超えた場合、制御器の故障となる。

これに対して（ｂ）直流電圧抑制制御有の場合、制御器６内の直流電圧抑制制御開始判定器６０１は直流電圧抑制制御を開始する直流電圧Ｂを記憶しており、直流電圧検出器９から検出した直流電圧が電圧Ｂを越えた場合に直流電圧抑制信号発生器６０２に直流電圧抑制制御開始を伝達する。図では簡易に表現している。直流電圧抑制信号発生器６０２はインバータ３の下アームのみオンする。こうすることにより誘起電圧はインバータ３の下アームのスイッチング素子にショートされ、ブレーキトルクとなるが、一般にファンモータは巻き線抵抗が大きくモータはほとんど減速しない。しかし発生した電流はモータの抵抗により消費され平滑キャパシタ２に充電されることはなくなる。平滑キャパシタ２に蓄えられた直流電圧の電力は電圧変換器８を通して制御器６およびインバータ駆動回路７により消費され、直流電圧が低下する。

直流電圧抑制制御開始判定器６０１は直流電圧の抑制制御を停止する電圧Ｃを記憶しており、この停止電圧Ｃより直流電圧が下がると、直流電圧抑制信号発生器６０２に制御停止を伝達する。そして、直流電圧抑制信号発生器６０２はインバータ３の下アームをオフする。

ここでフリーランが続いていればまた直流電圧が上昇し、直流電圧抑制制御開始電圧を超えれば、再び制御器６はインバータ３の下アームをオンし、直流電圧が直流電圧抑制制御停止電圧まで下がれば、制御器６はインバータ３の下アームをオフする。

フリーランが続いている間、このように間欠的に直流電圧抑制制御を行うことで、直流電圧は安全な範囲内に制御される。このように制御する利点はインバータ３の下アームをオンし続けることによるファンモータの巻き線の温度上昇、インバータ３の下アームの素子の温度上昇を抑えられることにある。

インバータ３の下アームをオンしつづけてもファンモータ，素子の温度に問題がないことを確認している場合は一度インバータ３の下アームをオンしたらオフする必要はない。またこの下アームのオンオフを１Ｈｚ〜１００ｋＨｚの周波数で行ってもよい。

フリーラン時ではない通常の制御に関しては、図１の構成を変えないものであればどのような手法を使用してもよい。例えばインバータの母線電流を用いてベクトル制御を行ってもよいし、モータ電流を検出してベクトル制御を行ってもよい。モータの位置検出信号を用いて制御を行ってもよい。モータの位置検出信号を用いて１２０°通電制御を行ってもよい。

図３は実施例２を示す回路構成図である。実施例１と違う点はモータ４のロータ位置を検出する手段として位置検出回路１０と、位置検出回路１０の信号をもとに回転数と回転方向を算出する回転数，回転方向演算器６０３を追加してある。

ファンモータ４がフリーランを行うと位置検出回路１０でファンモータ４の誘起電圧を検出することができる。誘起電圧情報により回転数，回転方向演算器６０３は、フリーラン時の回転数を演算する。ファンモータ４の回転数と直流電圧は比例関係にあり、その係数は誘起電圧定数とよばれている。従って図２における直流電圧抑制制御開始電圧Ｂに相当する回転数Ｂ′は計算できる。フリーランの回転数が回転数Ｂ′を超えたら直流電圧抑制制御を行う。インバータ３の下アームを全相オンすれば、直流電圧は平滑キャパシタ２の容量と電圧変換器８を通る電力によって決まる時定数で減少する。従ってこの平滑キャパシタ２の放電時定数の２〜１０倍の時間がたってから直流電圧抑制制御を停止させればよい。

インバータ３の下アームをオンしつづけてもファンモータ，素子の温度に問題がないことを確認している場合は一度インバータ３の下アームをオンしたらオフする必要はない。またこの下アームのオンオフを高速で行ってもよい。

図３では位置検出回路として誘起電圧を検出する抵抗を例に挙げたが、ホール素子を用いてロータ位置を検出してもよい。

図４は実施例３を示す回路構成図である。実施例２と違う点は母線電流検出器１１を持ち、母線電流検出器１１からの信号を演算する母線電流演算器６０４が追加されている。

ファンモータ４がフリーランを行うとファンモータ４の線間電圧が平滑キャパシタ２の直流電圧を越え、インバータ３の還流ダイオードを通して平滑キャパシタ２に充電される。このとき電流はファンモータの線間電圧が平滑キャパシタ２の直流電圧を越えたときにだけ流れるため、母線電流を積分すれば、平滑キャパシタ２にどれだけ充電したか計算できる。母線電流の積分値がある値を超えたときに直流電圧抑制制御を開始し、平滑キャパシタ２の放電時定数の２〜１０倍の時間がたってから直流電圧抑制制御を停止させる。

インバータ３の下アームをオンしつづけてもファンモータ，素子の温度に問題がないことを確認している場合は一度インバータ３の下アームをオンしたらオフする必要はない。またこの下アームのオンオフを高速で行ってもよい。

また母線電流はファンモータの線間電圧が平滑キャパシタ２の直流電圧を越えたときにだけ流れるため、母線電流のピークを検出すれば回転数が検出できる。よって回路構成は図４でありながら実施例２を実現できる。

図５は実施例４を示す回路構成図である。実施例３と違う点はモータ電流検出器１２を持ち、モータ電流検出器１２からの信号を演算するモータ電流演算器６０５が追加されている。

ファンモータ４がフリーランを行うとファンモータ４の線間電圧が平滑キャパシタ２の直流電圧を越え、インバータ３の還流ダイオードを通して平滑キャパシタ２に充電される。このとき電流はファンモータの線間電圧が平滑キャパシタ２の直流電圧を越えたときにだけ流れるため、モータ電流を積分すれば、平滑キャパシタ２にどれだけ充電したか計算できる。モータ電流の積分値がある値を超えたときに直流電圧抑制制御を開始し、平滑キャパシタ２の放電時定数の２〜１０倍の時間がたってから直流電圧抑制制御を停止させる。

インバータ３の下アームをオンしつづけてもファンモータ，素子の温度に問題がないことを確認している場合は一度インバータ３の下アームをオンしたらオフする必要はない。またこの下アームのオンオフを高速で行ってもよい。

またモータ電流はファンモータの線間電圧が平滑キャパシタ２の直流電圧を越えたときにだけ流れるため、モータ電流のピークを検出すれば回転数が検出できる。よって回路構成は図５でありながら実施例２を実現できる。

図５ではモータ電流検出手段として電流センサを例に挙げているが、下アーム素子とグラウンドの間にシャント抵抗を挿入してもよい。

図６は実施例５を示す回路構成図である。

図１と違うところは直流電源１を商用電源１０１とスイッチ１０２とダイオードスタック１０３に置き換えたところである。スイッチ１０２が閉じている場合は商用電源１０１で発生した交流電圧がダイオードスタック１０３で整流され平滑キャパシタ２に直流電圧として充電される。

三相同期モータ４を使用しない場合、スイッチ１０２は開いている。このとき直流電圧は０となるため、制御器６は動作しない。ここで三相同期モータ４がフリーランにより発電した場合、電圧変換器８が動作開始する直流電圧になると制御器電源電圧とインバータ駆動回路電源電圧が立ち上がり、セット／リセット回路６０８がセット状態になると制御器６は動作可能となる。電圧変換器８の動作が開始する電圧はおよそ６０Ｖである。制御器６が動作可能となったら直流電圧抑制制御を開始させる。インバータ駆動回路電源電圧が立ち上がるまで５秒程度かかる場合があるので制御器６が動作可能となった状態から直流電圧制御を開始するのを５秒程度まで遅らせても良い。平滑キャパシタ２の放電時定数の２〜１０倍の時間がたってから直流電圧抑制制御を停止させる。

インバータ３の下アームをオンしつづけてもファンモータ，素子の温度に問題がないことを確認している場合は一度インバータ３の下アームをオンしたらオフする必要はない。また下アームのオンオフを高速で行ってもよい。

図７は実施例６を示す回路構成図である。

図１と違うところは第２の負荷１３が平滑キャパシタ２に接続され、第２の負荷は第２の負荷制御信号発生器６０６により第２の負荷駆動回路１４で駆動される点である。第２の負荷として好適な例として膨張弁ステッピングモータや四方弁コイルや二方弁コイルが挙げられる。

直流電圧抑制制御として第２の負荷１３を駆動させる。第２の負荷１３が消費する電力がファンモータのフリーランによって発生する電力よりも大きいとき直流電圧を抑制できる。

直流電圧抑制制御は実施例１〜５の方法で行う。

実施例６において第２の負荷１３が消費する電力がファンモータのフリーランによって発生する電力よりも小さいときはインバータ３の下アームを全相オンしつつ第２の負荷１３を駆動させる。

直流電圧抑制制御は実施例１〜５の方法で行う。開始判定は実施例１〜５の方法で行っても下アームの全相オンと第２の負荷１３の駆動はもちろん同時になるとは限らない。数秒ずれる可能性もある。また２個の開始判定値を持ち、第１の判定値で第２の負荷１３を駆動させ、第２の判定値でインバータ３の下アームの全相オンを行ってもよい。またその逆でもよい。また下アームのオンの代わりに下アームのオンオフを高速で行ってもよい。

図８は実施例８を示す回路構成図である。

図７と違うところは第２のインバータ１５が平滑キャパシタ２に接続され、第２のインバータ１５は第２のインバータ制御信号発生器６０７により第２のインバータ駆動回路１６で駆動され第２の三相同期モータ１７が第２のインバータ１５に接続されている点である。

直流電圧抑制制御として第２のインバータ１５を駆動させる。第２のインバータ１５が消費する電力がファンモータのフリーランによって発生する電力よりも大きいとき直流電圧を抑制できる。

直流電圧抑制制御は実施例１〜５の方法で行う。

実施例８において第２の負荷１３が消費する電力がファンモータのフリーランによって発生する電力よりも小さいときはインバータ３の下アームを全相オンしつつ第２のインバータ１５を駆動させる。

直流電圧抑制制御は実施例１〜５の方法で行う。開始判定は実施例１〜５の方法で行っても下アームの全相オンと第２の負荷１３の駆動はもちろん同時になるとは限らない。数秒ずれる可能性もある。また２個の開始判定値を持ち、第１の判定値で第２のインバータ１５を駆動させ、第２の判定値でインバータ３の下アームの全相オンを行ってもよい。またその逆でもよい。また下アームのオンの替わりに下アームのオンオフを高速で行ってもよい。

以上の実施例によるモータ制御装置を搭載する機器として好適な例として空気調和機について図９，図１０を用いて説明する。

空気調和機７０１は室外機７０２を接続配管７０３と介して、室内機７０４へと接続されている。空気調和機７０１の操作は、リモートコントローラ７０６から送信されたデータを室内送受信部７０７で受信し、室内機７０４によって室内空気を調和させる。室外機７０２はモータ制御装置７１１とリアクタ７１７を介して、圧縮機７１５を駆動させる。冷房・除湿・デフロスト運転時は、圧縮機７１５にて圧縮された冷媒は、熱交換器７１２を通り、接続配管７１３を介して室内機７０４へと冷媒を運び運転を行う。熱交換器７１２はファンモータ４によって、ファン５を駆動し送風することで熱交換される。

室外機７０２は室外に置かれるためファンモータ４は風によりフリーラン状態となり、モータ制御装置７１１内の平滑キャパシタ（図示せず）の直流電圧はファンモータ４によって上昇し、モータ制御装置７１１の故障にいたる。従って実施例１〜９で説明した直流電圧抑制制御が必要となる。

なお、以上の各実施例において、直流電圧を検出する直流電圧検出器，三相同期モータの位置検出回路，インバータの母線電流を検出する電流検出器，モータの電流を検出する電流検出器を、モータ制御装置に関係する特徴量を検出する検出器と称することとする。

１ 直流電源
２ 平滑キャパシタ
３ インバータ
４ 三相同期モータ
５ ファン
６ 制御器
７ インバータ駆動回路
８ 電圧変換器
９ 直流電圧検出器
１０ 位置検出回路
１１ 母線電流検出器
１２ モータ電流検出器
１３ 第２の負荷
１４ 第２の負荷駆動回路
１５ 第２のインバータ
１６ 第２のインバータ駆動回路
１７ 第２の三相同期モータ
１０１ 商用電源
１０２ スイッチ
１０３ ダイオードスタック
６０１ 直流電圧抑制制御開始判定器
６０２ 直流電圧抑制信号発生器
６０３ 回転数，回転方向演算器
６０４ 母線電流演算器
６０５ モータ電流演算器
６０６ 第２の負荷制御信号発生器
６０７ 第２のインバータ制御信号発生器
６０８ セット／リセット回路
７０１ 空気調和器
７０２ 室外機
７０３ 接続配管
７０４ 室内機
７０６ リモートコントローラ
７０７ 室内送受信部
７１１ モータ制御装置
７１２ 熱交換器
７１５ 圧縮機
７１７ リアクタ

Claims (16)

1. 直流電源に接続され、三相同期モータを駆動するインバータと、
   前記インバータを駆動するインバータ駆動回路と、
   前記インバータを制御する制御器と、
   前記三相同期モータとは異なる第２の負荷を駆動する第２の負荷駆動回路と
   を備えたモータ制御装置において、
   前記モータ制御装置に関係する特徴量を検出する検出器と、
   前記第２の負荷駆動回路を前記直流電源に接続し、かつ前記三相同期モータのフリーランにより前記検出器による検出値が上昇しある設定値を超えた場合に、または、検出値から計算したタイミングで、第２の負荷を駆動し、
   前記検出器は、前記直流電圧を検出する直流電圧検出器であり、前記検出値が前記ある設定値を超えた場合にブレーキ制御を行い、
   前記第２の負荷を駆動するとともに、前記インバータのブレーキ制御を行うことを特徴とするモータ制御装置。
2. 直流電源に接続され、三相同期モータを駆動するインバータと、
   前記インバータを駆動するインバータ駆動回路と、
   前記インバータを制御する制御器と、
   前記三相同期モータとは異なる第２の負荷を駆動する第２の負荷駆動回路と
   を備えたモータ制御装置において、
   前記モータ制御装置に関係する特徴量を検出する検出器と、
   前記第２の負荷駆動回路を前記直流電源に接続し、かつ前記三相同期モータのフリーランにより前記検出器による検出値が上昇しある設定値を超えた場合に、または、検出値から計算したタイミングで、第２の負荷を駆動し、
   前記検出器は、前記三相同期モータの位置検出回路であり、前記検出値が前記ある設定値を超えた場合にブレーキ制御を行い、
   前記第２の負荷を駆動するとともに、前記インバータのブレーキ制御を行うことを特徴とするモータ制御装置。
3. 直流電源に接続され、三相同期モータを駆動するインバータと、
   前記インバータを駆動するインバータ駆動回路と、
   前記インバータを制御する制御器と、
   前記三相同期モータとは異なる第２の負荷を駆動する第２の負荷駆動回路と
   を備えたモータ制御装置において、
   前記モータ制御装置に関係する特徴量を検出する検出器と、
   前記第２の負荷駆動回路を前記直流電源に接続し、かつ前記三相同期モータのフリーランにより前記検出器による検出値が上昇しある設定値を超えた場合に、または、検出値から計算したタイミングで、第２の負荷を駆動し、
   前記検出器は、前記インバータの母線電流を検出する電流検出器であり、前記検出値から計算したタイミングで、ブレーキ制御を行い、
   前記第２の負荷の駆動を開始するとともに、前記インバータのブレーキ制御を行うことを特徴とするモータ制御装置。
4. 直流電源に接続され、三相同期モータを駆動するインバータと、
   前記インバータを駆動するインバータ駆動回路と、
   前記インバータを制御する制御器と、
   前記三相同期モータとは異なる第２の負荷を駆動する第２の負荷駆動回路と
   を備えたモータ制御装置において、
   前記モータ制御装置に関係する特徴量を検出する検出器と、
   前記第２の負荷駆動回路を前記直流電源に接続し、かつ前記三相同期モータのフリーランにより前記検出器による検出値が上昇しある設定値を超えた場合に、または、検出値から計算したタイミングで、第２の負荷を駆動し、
   前記検出器は、前記モータの電流を検出する電流検出器であり、前記検出値から計算したタイミングで、ブレーキ制御を行い、
   前記第２の負荷の駆動を開始するとともに、前記インバータのブレーキ制御を行うことを特徴とするモータ制御装置。
5. 直流電源に接続され、三相同期モータを駆動するインバータと、
   前記インバータを駆動するインバータ駆動回路と、
   前記インバータを制御する制御器と、
   前記制御器および前記インバータ駆動回路に電源を供給する電圧変換器と
   を備えたモータ制御装置において、
   前記電圧変換器を前記直流電源に接続し、かつ前記三相同期モータのフリーランにより前記制御器が動作可能となってから５秒以内にブレーキ制御を開始することを特徴とするモータ制御装置。
6. 直流電源に接続され、三相同期モータを駆動するインバータと、
   前記インバータを駆動するインバータ駆動回路と、
   前記インバータを制御する制御器と、
   前記三相同期モータとは異なる第２の負荷を駆動する第２の負荷駆動回路と
   を備えたモータ制御装置において、
   前記第２の負荷駆動回路を前記直流電源に接続し、かつ前記三相同期モータのフリーランにより前記制御器が動作可能となってから５秒以内に第２の負荷の駆動を開始することを特徴とするモータ制御装置。
7. 請求項６において、
   前記第２の負荷の駆動を開始するとともに、前記インバータのブレーキ制御を行うことを特徴とするモータ制御装置。
8. 請求項１−５，７の何れかにおいて、ブレーキ制御として、前記インバータの下アームを全相オンすることを特徴とするモータ制御装置。
9. 請求項１−５，７の何れかにおいて、ブレーキ制御として、前記インバータの下アームのオンとオフの繰り返しを１Ｈｚ〜１００ｋＨｚで行うことを特徴とするモータ制御装置。
10. 請求項１−４，７の何れかにおいて、前記第２の負荷はモータであることを特徴とするモータ制御装置。
11. 請求項１−４，７の何れかにおいて、前記第２の負荷は圧縮機用モータであることを特徴とするモータ制御装置。
12. 請求項１−７の何れかにおいて、前記第２の負荷は膨張弁用ステッピングモータであることを特徴とするモータ制御装置。
13. 請求項１−７の何れかにおいて、前記第２の負荷は四方弁用コイルであることを特徴とするモータ制御装置。
14. 請求項１−７の何れかにおいて、前記第２の負荷は二方弁用コイルであることを特徴とするモータ制御装置。
15. 請求項１−１４の何れかにおいて、前記三相同期モータの負荷はファンであることを特徴とするモータ制御装置。
16. 請求項１−１５の何れかに記載のモータ制御装置を室外機に搭載した空気調和機。