JP5925337B2 - モータ駆動装置及び空気調和機並びにコンバータ装置の制御方法 - Google Patents

モータ駆動装置及び空気調和機並びにコンバータ装置の制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、モータ駆動装置及び空気調和機並びにコンバータ装置の制御方法に関するものである。
従来、交流電源を整流して直流電源に変換する整流回路において、電源電流の高調波を抑制する電源回路とモータ駆動回路とを組み合わせ、モータの速度制御を行うモータ制御装置が知られている。例えば、特許文献１には、電源電流の高調波抑制と直流電圧制御とを同時に行う昇圧手段を用いた力率改善コンバータ回路と、モータを駆動するインバータ回路とによって、直流電圧及びインバータ通流率を制御し、モータの速度制御を行う技術が開示されている。
特許第３４２４４６１号公報
ところで、直流電圧を高くすると、昇圧手段におけるスイッチング頻度が増し、スイッチングによる損失が大きくなる。したがって、直流電圧は可能な限り小さな値に設定されることがスイッチング損失低減の観点から好ましい。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、直流電圧を適切な値に制御することのできるモータ駆動装置及び空気調和機並びにコンバータ装置の制御方法を提供することを目的とする。
本発明の第１態様は、空気調和機に搭載される圧縮機モータを駆動するためのモータ駆動装置であって、交流電源からの交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータ装置と、前記コンバータ装置から出力された直流電力を交流電力に変換して前記圧縮機モータに供給するインバータ装置とを備え、前記コンバータ装置は、前記交流電源より入力された交流電力を直流電力に変換する整流手段と、前記整流手段の直流出力側に、該整流手段に並列に接続された平滑手段と、前記整流手段と前記平滑手段との間に設けられ、スイッチング素子の開閉を行うことにより昇圧を行う少なくとも１つの昇圧手段と、コンバータ制御手段とを備え、前記コンバータ制御手段は、直流電圧指令を設定する指令設定手段と、前記指令設定手段によって設定された前記直流電圧指令に基づいて、前記昇圧手段が備える前記スイッチング素子の開閉を制御するスイッチング制御手段とを有し、前記指令設定手段は、電源入力電流と、該電源入力電流に含まれる高調波を所定の規制値以内に抑制するための第１直流電圧指令とが関連付けられた第１情報を用いて、電源入力電流に応じた第１直流電圧指令を決定する第１指令決定手段と、前記圧縮機モータの回転数と前記圧縮機モータを要求回転数で回転させるための第２直流電圧指令とが関連付けられた第２情報を用いて、前記圧縮機モータの回転数に応じた第２直流電圧指令を決定する第２指令決定手段と、前記第１直流電圧指令及び前記第２直流電圧指令から大きい方を選択して、前記直流電圧指令として前記スイッチング制御手段に与える選択手段とを具備するモータ駆動装置である。
上記モータ駆動装置によれば、電源入力電流に含まれる高調波が所定の規制値以下となり、かつ、圧縮機モータにおいて必要とされる回転数を実現できる最小の直流電圧の値を直流電圧指令として設定することが可能となる。これにより、昇圧手段におけるスイッチング素子の開閉頻度を最低限に抑えることができ、スイッチングによる損失を低減させることが可能となる。
上記モータ駆動装置において、前記電源入力電流に対する第１直流電圧指令の特性は、例えば、電源入力電流の中間領域にピークを取り、該ピークを境に漸減する特性である。
上記モータ駆動装置において、前記圧縮機モータの回転数に対する前記第２直流電圧指令の特性は、該圧縮機モータの逆起電圧特性よりも大きい値に設定されるとともに、該圧縮機モータの逆起電圧と同じ傾向を示すように設定されることが好ましい。
上記のように第２情報が設定されることにより、圧縮機モータにおいて必要とされる回転数を出力可能であり、かつ、スイッチング損失低減の観点から好ましい第２直流電圧指令を決定することが可能となる。
上記モータ駆動装置において、前記電流電圧指令の上限値は当該装置に搭載される電子部品の耐電圧以下に設定され、下限値は前記交流電源から供給される電源入力直流の波高値以上に設定されることが好ましい。
このような上限値及び下限値に設定されることで、電流電圧指令を耐圧の観点及び電源入力電圧の観点から適切な範囲内とすることができる。
本発明の第２態様は、上記いずれかのモータ駆動装置を備える空気調和機である。
本発明の第３態様は、交流電源より入力された交流電力を直流電力に変換する整流手段と、前記整流手段の直流出力側に、該整流手段に並列に接続された平滑手段と、前記整流手段と前記平滑手段との間に設けられた少なくとも１つの昇圧手段とを備えるコンバータ装置と、該コンバータ装置から出力された直流電力を交流電力に変換して空気調和機の圧縮機モータに供給するインバータ装置とを備えるモータ駆動装置に適用される前記コンバータ装置の制御方法であって、電源入力電流と、該電源入力電流に含まれる高調波を所定の規制値以内に抑制するための第１直流電圧指令とが関連付けられた第１情報を用いて、電源入力電流に応じた第１直流電圧指令を決定する第１指令決定工程と、前記圧縮機モータの回転数と前記圧縮機モータを要求回転数で回転させるための第２直流電圧指令とが関連付けられた第２情報を用いて、前記圧縮機モータの回転数に応じた第２直流電圧指令を決定する第２指令決定工程と、前記第１直流電圧指令及び前記第２直流電圧指令から大きい方を直流電圧指令として選択する選択工程と、選択した前記直流電圧指令に基づいて前記昇圧手段が備えるスイッチング素子の開閉制御を行うスイッチング制御工程とを具備するコンバータ装置の制御方法である。
本発明によれば、スイッチング損失を可能な限り低減でき、効率を高めることができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係るモータ駆動装置の概略構成を示した図である。 図１に示したコンバータ制御部の機能ブロック図である。 第１情報の一例を示した図である。 第２情報の一例を示した図である。 コンバータ制御部によって実行される処理の手順を示したフローチャートである。 選択部によって選択される直流電圧指令について説明するための図である。
以下に、本発明の一実施形態に係るモータ駆動装置及び空気調和機並びにコンバータ装置の制御方法について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るモータ駆動装置の概略構成を示した図である。モータ駆動装置１は、空気調和機、特に、室外機の圧縮機モータを駆動するためのモータ駆動装置であり、図１に示すように、交流電源４からの交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータ装置２と、コンバータ装置２から出力された直流電力を三相交流電力に変換して圧縮機モータ１６に出力するインバータ装置３とを主な構成として備えている。
コンバータ装置２は、交流電源４より入力された交流電力を直流電力に変換する整流回路５と、整流回路５の直流出力側に、整流回路５に並列に接続された平滑コンデンサ（平滑手段）１２と、整流回路５と平滑コンデンサ１２との間に、互いに並列に設けられた２つの昇圧回路１０ａ、１０ｂと、昇圧回路１０ａ、１０ｂを制御するコンバータ制御部（コンバータ制御手段）１５とを主な構成として備えている。図１において、昇圧回路１０ａ、１０ｂは２つ設けられているが、１つだけ設けられていてもよい。
昇圧回路１０ａは、整流回路５と平滑コンデンサ１２とを接続する正極母線Ｌｐに、直列的に設けられたインダクタ（誘導性素子）６ａと、インダクタ６ａの電流出力側に直列に接続されるダイオード７ａと、インダクタ６ａとダイオード７ａとの間に一端が接続され、かつ、整流回路５と並列に接続されたスイッチング素子８ａとを有する。
同様に、昇圧回路１０ｂは、整流回路５と平滑コンデンサ１２とを接続する正極母線Ｌｐに、直列的に設けられたインダクタ６ｂと、インダクタ６ｂの電流出力側に直列に接続されるダイオード７ｂと、インダクタ６ｂとダイオード７ｂとの間に一端が接続され、かつ、整流回路５と並列に接続されたスイッチング素子８ｂとを有する。
スイッチング素子８ａ、８ｂの一例としては、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field
Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar
Transistor）等が挙げられる。
インバータ装置３は、６個のスイッチング素子を備えるブリッジ回路１８と、ブリッジ回路１８におけるスイッチング素子の開閉を制御するインバータ制御部１９とを備える。インバータ制御部１９は、例えば、上位装置（図示略）から入力される要求回転数指令に基づいて、各スイッチング素子のゲート駆動信号Ｓｐｗｍを生成し、ブリッジ回路１８に与える。インバータ制御の具体的な手法の一例としては、ベクトル制御、センサレスベクトル制御、Ｖ／Ｆ制御、過変調制御、１パルス制御などが挙げられる。
モータ駆動装置１には、電源入力電流Ｉａを計測するための電流計測部１１、直流電圧Ｖｄｃを計測するための電圧計測部１３が設けられている。電流計測部１１から出力される計測信号は、コンバータ制御部１５に出力される。電圧計測部１３から出力される計測信号は、コンバータ制御部１５及びインバータ制御部１９に出力される。
コンバータ制御部１５及びインバータ制御部１９は、例えば、ＭＰＵ（Micro
Processing Unit）であり、以下に記載する各処理を実行するためのプログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体を有しており、ＣＰＵがこの記録媒体に記録されたプログラムをＲＡＭ等の主記憶装置に読み出して実行することにより、各処理が実現される。コンピュータ読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が挙げられる。
コンバータ制御部１５及びインバータ制御部１９は、一つのＭＰＵによって具現化されてもよいし、個別のＭＰＵによって具現化されてもよい。個別のＭＰＵによって具現化されている場合には、双方によるデータ通信が可能な構成とされている。
図２は、コンバータ制御部１５の機能ブロック図を示した図である。図２に示すように、コンバータ制御部１５は、指令設定部２０と、スイッチング制御部３０とを備えている。指令設定部２０は、直流電圧指令Ｖｄｃ＊を設定する。スイッチング制御部３０は、指令設定部２０によって設定された直流電圧指令Ｖｄｃ＊に基づいて、昇圧回路１０ａ、１０ｂが備えるスイッチング素子８ａ、８ｂの開閉を制御する。
より具体的には、指令設定部２０は、第１指令決定部２１、第２指令決定部２２、及び選択部２３を備えている。
第１指令決定部２１は、電源入力電流Ｉａと、該電源入力電流Ｉａに含まれる高調波を所定の規制値以内に抑制するための第１直流電圧指令Ｖｉ＊とが関連付けられた第１情報を用いて、電源入力電流Ｉａに応じた第１直流電圧指令Ｖｉ＊を決定する。図３に、第１情報の一例を示す。図３において横軸は電源入力電流Ｉａ、縦軸は第１直流電圧指令Ｖｉ＊である。図３に示すように、電源入力電流Ｉａに対する第１直流電圧指令Ｖｉ＊の特性は、電源入力電流Ｉａの最大電流値Ｉｍａｘに対して２０％〜５０％に相当する中間領域にピークを取り、該ピークを取る電源入力電流Ｉｐを境に、電源入力電流Ｉａが増加または減少するにつれて漸減する特性を有する。
例えば、６馬力クラスの空気調和機では、例えば、最大電流値が２５Ａに設定され、第１直流電圧指令Ｖｉ＊のピークが７Ａから１０Ａの間に設定される。例えば、第１直流電圧指令Ｖｉ＊は、中間領域において正弦波を描くように設定されてもよい。
第１情報は、電源入力電流Ｉａをパラメータとする関数で与えられても良いし、図３に示したようなテーブルとして設けられていてもよい。
第２指令決定部２２は、圧縮機モータ１６の回転数ωと第２直流電圧指令Ｖω＊とが関連付けられた第２情報を用いて、圧縮機モータ１６の回転数ωに応じた第２直流電圧指令Ｖω＊を決定する。ここで、圧縮機モータ１６の回転数ωは、インバータ装置３が圧縮機モータ１６の制御に用いる回転数ωを用いればよい。具体的には、インバータ制御部１９からコンバータ制御部１５に供給される回転数ωを用いる。
図４に、第２情報の一例を示す。図４において横軸は圧縮機モータ１６の回転数ω、縦軸は第２直流電圧指令Ｖω＊である。図４に示すように、圧縮機モータ１６の回転数ωに対する第２直流電圧指令Ｖω＊の特性は、該圧縮機モータ１６の逆起電圧特性Ｖｍよりも大きい値に設定されるとともに、該圧縮機モータ１６の逆起電圧Ｖｍと同じ傾向を示すように設定されることが好ましい。
例えば、直流電圧Ｖｄｃを圧縮機モータ１６の要求回転数を実現するのに必要となる直流電圧Ｖｄｃの値よりも小さいに設定してしまうと、高速回転領域において弱め界磁制御が必要となり、損失が大きくなってしまう。逆に、直流電圧Ｖｄｃを圧縮機モータ１６が必要とする値よりも大きい値に設定してしまうと、スイッチングが過剰となり、スイッチング損失が増大する。従って、圧縮機モータ１６の要求回転数が得るために必要とされる最小の第２直流電圧指令を、圧縮機モータ１６の回転数ωに応じて設定することで、スイッチング損失を最低限のレベルに抑えることが可能となる。
第２情報は、圧縮機モータ１６の回転数ωをパラメータとする関数で与えられても良いし、図４に示したようなテーブルとして設けられていてもよい。
第１情報及び第２情報において、第１直流電圧指令Ｖｉ＊及び第２直流電圧指令Ｖω＊の上限値は、モータ駆動装置１に搭載される電子部品（例えば、平滑コンデンサ１２）の耐電圧以下に設定され、下限値は交流電源４から供給される電源入力電流Ｉａの波高値以上に設定される。
選択部２３は、第１直流電圧指令Ｖｉ＊及び第２直流電圧指令Ｖω＊から大きい方を選択して、電流電圧指令Ｖｄｃ＊としてスイッチング制御部３０に与える。
スイッチング制御部３０では、電流計測部１１からの計測信号（すなわち、電源入力電流Ｉａの計測値）及び電圧計測部１３からの計測信号（すなわち、直流電圧Ｖｄｃの計測値）を用いて、直流電圧Ｖｄｃの計測値が直流電圧指令Ｖｄｃ＊になるように、昇圧回路１０ａ、１０ｂのスイッチング素子８ａ、８ｂを制御する。例えば、ＰＡＭ制御を行うことにより、直流電圧Ｖｄｃの計測値を直流電圧指令Ｖｄｃ＊に一致させる。スイッチング制御部３０によるスイッチング制御については、公知の手法を採用でき、ここでの詳しい説明は省略する。
次に上記構成を備えるコンバータ装置２の動作について図５を参照して説明する。
まず、電流計測部１１から電源入力電流Ｉａの計測値が、インバータ制御部１９から圧縮機モータ１６の回転数ωが、電圧計測部１３から直流電圧Ｖｄｃの計測値がコンバータ制御部１５に入力される（図５のステップＳＡ１）。
コンバータ制御部１５の第１指令決定部２１は、入力された電源入力電流Ｉａに対応する第１直流電圧指令Ｖｉ＊を第１情報（図３参照）を用いて決定する（ステップＳＡ２）。同様に、第２指令決定部２２は、入力された圧縮機モータ１６の回転数ωに対応する第２直流電圧指令Ｖω＊を第２情報（図４参照）から決定する（ステップＳＡ３）。続いて、選択部２３では、第１直流電圧指令Ｖｉ＊及び第２直流電圧指令Ｖω＊のうち、値の大きい方を直流電圧指令Ｖｄｃ＊として選択する（ステップＳＡ４）。
例えば、図６（ａ）に示すように、圧縮機モータ１６の回転数ωが低回転数領域の場合には、第２直流電圧指令Ｖω＊は相対的に小さい値（Ｖω＊＝Ｖ１）となるから、電源入力電流Ｉａの広い範囲において、第１直流電圧指令Ｖｉ＊の方が選ばれることとなる。図６（ｂ）に示すように、圧縮機モータ１６の回転数ωが中回転数領域の場合には、低回転数領域に比べて第２直流電圧指令Ｖω＊の値が大きくなるので（Ｖω＊＝Ｖ２＞Ｖ１）、第２直流電圧指令Ｖω＊が選ばれる領域が増える。そして、更に第２直流電圧指令Ｖω＊の値が大きくなる高回転数領域においては（Ｖω＊＝Ｖ３＞Ｖ２）、図６（ｃ）に示すように、電源入力電流Ｉａの広い範囲において、第２直流電圧指令Ｖω＊の方が選ばれることとなる。
選択部２３によって選択された電流電圧指令Ｖｄｃ＊は、スイッチング制御部３０に与えられ、この直流電圧指令Ｖｄｃ＊に基づいて昇圧回路１０ａ、１０ｂのスイッチング素子８ａ、８ｂの開閉が制御される（ステップＳＡ５）。
以上のように、本実施形態に係るモータ駆動装置及び空気調和機並びにコンバータ装置の制御方法によれば、電源入力電流に含まれる高調波が所定の規制値以下となり、かつ、圧縮機モータ１６において必要とされる回転数ωを実現できる最小の直流電圧Ｖｄｃの値を直流電圧指令Ｖｄｃ＊として設定することが可能となる。これにより、昇圧回路１０ａ、１０ｂにおけるスイッチング素子８ａ、８ｂの開閉頻度を最低限に抑えることができ、スイッチングによる損失を低減させることが可能となる。
１ モータ駆動装置
２ コンバータ装置
３ インバータ装置
４ 交流電源
５ 整流回路
８ａ、８ｂ スイッチング素子
１０ａ、１０ｂ 昇圧回路
１１ 電流計測部
１２ 平滑コンデンサ
１３ 電圧計測部
１５ コンバータ制御部
１６ 圧縮機モータ
１９ インバータ制御部
２０ 指令設定部
２１ 第１指令決定部
２２ 第２指令決定部
２３ 選択部
３０ スイッチング制御部

Claims (6)

  1. 空気調和機に搭載される圧縮機モータを駆動するためのモータ駆動装置であって、
    交流電源からの交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータ装置と、
    前記コンバータ装置から出力された直流電力を交流電力に変換して前記圧縮機モータに供給するインバータ装置と
    を備え、
    前記コンバータ装置は、
    前記交流電源より入力された交流電力を直流電力に変換する整流手段と、
    前記整流手段の直流出力側に、該整流手段に並列に接続された平滑手段と、
    前記整流手段と前記平滑手段との間に設けられ、スイッチング素子の開閉を行うことにより昇圧を行う少なくとも１つの昇圧手段と、
    コンバータ制御手段と
    を備え、
    前記コンバータ制御手段は、
    直流電圧指令を設定する指令設定手段と、
    前記指令設定手段によって設定された前記直流電圧指令に基づいて、前記昇圧手段が備える前記スイッチング素子の開閉を制御するスイッチング制御手段と
    を有し、
    前記指令設定手段は、
    電源入力電流と、該電源入力電流に含まれる高調波を所定の規制値以内に抑制するための第１直流電圧指令とが関連付けられた第１情報を用いて、電源入力電流に応じた第１直流電圧指令を決定する第１指令決定手段と、
    前記圧縮機モータの回転数と前記圧縮機モータを要求回転数で回転させるための第２直流電圧指令とが関連付けられた第２情報を用いて、前記圧縮機モータの回転数に応じた第２直流電圧指令を決定する第２指令決定手段と、
    前記第１直流電圧指令及び前記第２直流電圧指令から大きい方を選択して、前記直流電圧指令として前記スイッチング制御手段に与える選択手段と
    を具備するモータ駆動装置。
  2. 前記電源入力電流に対する第１直流電圧指令の特性は、電源入力電流の中間領域にピークを取り、該ピークを境に漸減する特性である請求項１に記載のモータ駆動装置。
  3. 前記圧縮機モータの回転数に対する第２直流電圧指令の特性は、該圧縮機モータの逆起電圧特性よりも大きい値に設定されるとともに、該圧縮機モータの逆起電圧と同じ傾向を示すように設定される請求項１または請求項２に記載のモータ駆動装置。
  4. 前記電流電圧指令の上限値は当該装置に搭載される電子部品の耐電圧以下に設定され、下限値は前記交流電源から供給される電源入力直流の波高値以上に設定される請求項１から請求項３のいずれかに記載のモータ駆動装置。
  5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載のモータ駆動装置を備える空気調和機。
  6. 交流電源より入力された交流電力を直流電力に変換する整流手段と、前記整流手段の直流出力側に、該整流手段に並列に接続された平滑手段と、前記整流手段と前記平滑手段との間に設けられた少なくとも１つの昇圧手段とを備えるコンバータ装置と、該コンバータ装置から出力された直流電力を交流電力に変換して空気調和機の圧縮機モータに供給するインバータ装置とを備えるモータ駆動装置に適用される前記コンバータ装置の制御方法であって、
    電源入力電流と、該電源入力電流に含まれる高調波を所定の規制値以内に抑制するための第１直流電圧指令とが関連付けられた第１情報を用いて、電源入力電流に応じた第１直流電圧指令を決定する第１指令決定工程と、
    前記圧縮機モータの回転数と前記圧縮機モータを要求回転数で回転させるための第２直流電圧指令とが関連付けられた第２情報を用いて、前記圧縮機モータの回転数に応じた第２直流電圧指令を決定する第２指令決定工程と、
    前記第１直流電圧指令及び前記第２直流電圧指令から大きい方を直流電圧指令として選択する選択工程と、
    選択した前記直流電圧指令に基づいて前記昇圧手段が備えるスイッチング素子の開閉制御を行うスイッチング制御工程と
    を具備するコンバータ装置の制御方法。
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