JP6293491B2 - インバータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機等に使用されるインバータを制御するインバータ制御装置に関するものであり、特に、トルク制御を行うインバータ制御装置に関する。

従来のトルク制御手段を備えたインバータ制御装置は、空気調和機に用いられる圧縮機等の周期的な負荷変動を伴う電動機を制御しており、電動機１回転中の負荷トルク変動に伴って周期的に変動する回転速度に合わせて、電動機の出力トルクすなわち回転数指令を変動させることで、電動機の回転速度変動を抑えて振動抑制を実現している（例えば、特許文献１参照）。

上記のようなトルク制御手段を備えたインバータ制御装置は、電動機の指令周波数ごとに発生する負荷トルク変動に合わせて、必要トルクに応じた振動補償周波数を出力することによって、電動機１回転中の指令周波数と周期変動する位相を変動させている。

特許第３７６６３４８号公報

従来のインバータ制御装置は、電動機が低回転で振動補償による周波数変動の大きい場合には、目標周波数と振動補償周波数の加算で算出される指令周波数が０以下になってしまう状態が想定されたため、指令周波数すなわち指令角速度の下限値を０[rad/s]で設定していた。しかしながら、指令角速度が下限値である０になると、出力する位相が変化しなくなるため、電動機が回転できないまま通電し続けるという状態が発生して、電動機巻線の絶縁破壊や空気調和機としての能力不足によるユーザの不快感を招く恐れがあった。

また、上記のように電動機が低回転で振動補償による周波数変動の大きい場合には、低回転の目標周波数を基準にして振動補償による大きな周波数変動を印加するため、実際の電動機回転と出力回転周波数が瞬間的に大きく異なる状態が発生して脱調してしまう等の問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電動機が回転できないまま通電し続ける状態が発生するのを防止可能なインバータ制御装置を得ることを目的とする。

また、電動機が低回転で運転中に振動補償による周波数変動が大きい場合でも、実際の電動機回転と出力回転周波数が瞬間的に大きく異なる状態が発生するのを防止可能なインバータ制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電動機を駆動するためのインバータを制御するインバータ制御装置であって、前記インバータに対して出力する制御情報としての角速度指令および位相を目標角速度および振動補償角速度に基づいて算出する周波数演算部と、前記位相の出力値を監視して時間あたりの変化量を算出するとともに、算出した変化量と異常検知判定のためのしきい値とを比較する位相監視部と、前記変化量が前記しきい値を下回っている状態においては前記周波数演算部に対して前記インバータへの出力値を０とするよう指示する運転・停止指令部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、電動機が無回転の状態で巻線への通電を継続してしまう現象が発生するのを防ぐことができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかるインバータ制御装置の構成例を示す図である。 図２は、通常運転時の電動機のロータが一回転する際の角速度指令ω1と位相θmの出力値の一例を示す図である。 図３は、位相変化量が全く無い状態での角速度出力および位相出力の一例を示す図である。 図４は、Δθを説明するための図である。 図５は、実施の形態１にかかるインバータ制御装置の特徴的な動作を示すフローチャートである。 図６は、電動機の目標周波数ωと位相変化量Δθの関係を示す図である。 図７は、負荷トルクＴと異常判定値αの関係を示す図である。 図８は、実施の形態４にかかるインバータ制御装置の構成例を示す図である。 図９は、実施の形態４にかかるインバータ制御装置が出力する角速度指令ω1と位相θmの一例を示す図である。 図１０は、電動機の目標周波数ωと角速度指令ω1の下限値ｘの関係を示す図である。

以下に、本発明にかかるインバータ制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかるインバータ制御装置の構成例を示す図である。なお、図１においては、インバータ制御装置３によって制御されるインバータ２およびインバータ２によって駆動される電動機１も併せて記載している。

インバータ制御装置３は、インバータ２の制御のための周波数演算を行う周波数演算部４と、周波数演算部４からインバータ２に対して出力される位相を監視する位相監視部５と、位相監視部５による監視結果に応じて周波数演算部４へ動作指令を行う運転・停止指令部６とを備えている。これらの周波数演算部４、位相監視部５および運転・停止指令部６は、その一部または全てを、例えば、マイクロコンピュータによって実現することができる。

次に、インバータ制御装置３の全体動作について説明する。

図１に示すように、インバータ制御装置３の周波数演算部４は、目標角速度ω*と、振動抑制のための振動補償角速度ωtrqを加算して、角速度指令ω1と位相θmを求めている。この角速度指令ω1および位相θmをインバータ２へ出力すると、これらの値に従った動作をインバータ２が行い、電動機１を駆動する。

通常運転時、すなわち位相が電動機のロータの回転と連動して変化している場合、周波数演算部４は、目標角速度ω*(＝ωref)に振動補償角速度ωtrqを加算することで、インバータ２へ出力する制御情報（角速度指令ω1および位相θm）を生成する。通常運転時においては、電動機１のロータの一回転における角速度指令ω1と位相θmの出力値が、例えば図２に示したものとなる。なお、図２に示したものは、一般的な電動機における角速度指令ω1と位相θmの例であり、図２には目標角速度ω*と振動補償角速度ωtrqも併せて示している。

図示したように、振動補償角速度ωtrqは電動機ロータの一回転に合わせて、正弦波状に出力を変動させるため、電動機一回転中の角速度指令ω1はロータ位相に合わせて変化し、位相θmも角速度指令ω1に追従して加減速量が変化している。

ここで、目標周波数の設定値ωrefすなわち目標角速度ω*が小さく、振動補償角速度ωtrqが大きい場合には、角速度指令ω1が０以下の状態が発生しうる。通常は０未満の出力による逆回転を防止するため、角速度指令ω1に下限値リミッタ(ω1≧０)を設けて角速度指令ω1を０以上に制限している。実際に、ω1≧０のリミッタを設けた状態での角速度指令ω1、位相θmの概念図を図３に示す。ここで、角速度指令ω1が下限リミッタである０になると、位相θmが電動機回転と連動して変化できず、位相θmが固定となる状態が発生する。この状態は、角速度指令ω1が０のままだと位相θmを進めることができないため、電動機への位相出力も変化できない、すなわち無回転のインバータ出力が電動機１へ送られる状態が発生する。

本実施の形態のインバータ制御装置は、上記の位相θmを監視して位相変化量Δθを求め、位相出力固定の状態を検出する。すなわち、図１に示した位相監視部５が、位相θmを常に監視し、図４のように、ｔ秒間を監視期間として、単位時間あたりの位相θmの変化量であるΔθを算出している。

図５のフローチャートに基づき位相監視部５と運転・停止指令部６の動作を説明する。上述したように、位相監視部５では、位相変化の監視時間をｔ秒間として位相θmの変化量Δθを算出し（ステップＳ１）、位相状態判定、すなわちΔθと位相変化量の異常判定値αの比較を行う。具体的には、α≦Δθか否かを判定する（ステップＳ２）。

位相監視部５がΔθ＜αと判定した場合（ステップＳ２：Ｎｏ）、運転・停止指令部６は、電動機１へのインバータ出力で位相出力固定または変化が非常に少ない状態となり、電動機１の実回転とインバータ出力の位相が大きく異なっているものと判断して、停止指令（ω*＝０）を周波数演算部４へ送信する。この停止指令を受けた場合、周波数演算部４は、インバータ２の制御を停止する（インバータ２への出力値ω1およびθmを０にする）ことにより、電動機１に対する駆動電力の出力を停止させる。

一方、位相監視部５がα≦Δθと判定した場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、運転・停止指令部６は、電動機１へのインバータ出力が正常と判断し、運転継続の指令を周波数演算部４へ送信する（ステップＳ３）。

なお、上記は位相変化量Δθの異常判定値をαとした場合の一例であり、異常判定値αは０以上の値であれば良い。

また、運転・停止指令部６は、周波数演算部４に対して停止指令（ω*＝０）を送信した場合、予め規定されている一定時間が経過した時点で停止指令の出力を終了し、運転を再開させる。周波数演算部４は、停止指令が運転・停止指令部６から入力されなくなると、インバータ２の制御を再開する（角速度指令ω1および位相θmの出力を再開する）。なお、Δθ＜αの場合、運転・停止指令部６は、周波数演算部４への停止指令（ω*＝０）の出力を１回だけ行い（極短時間だけ停止指令を出力し）、周波数演算部４は、停止指令を受けるとインバータ２の制御を一旦停止し、停止してから規定時間（予め規定されている一定時間）が経過した時点でインバータ２の制御を自律的に再開するようにしてもよい。

以上のように、本実施の形態のインバータ制御装置においては、インバータ２へ出力する位相値（θm）が変化しない状態を検出し、位相値が変化しない場合にはインバータ２の制御を停止する。これにより、電動機１が無回転の状態で巻線への通電を継続してしまう現象が発生するのを防ぐことができる。

空気調和機では、電動機無回転の場合に冷媒が循環せず、電動機の冷却作用が働かなくなることによって、巻線の温度上昇による絶縁破壊の恐れがある。本実施の形態の制御（電動機の無回転状態を検知できるようにして、無回転状態においては電送機の巻線への通電を停止させる制御）を用いることで、絶縁破壊による故障を防止することができる。

また、冷媒が循環しないことで空気調和機としての機能が働かず、ユーザに不快感を与える可能性があるが、この状態を早期に検出して停止・再起動することによってユーザの不快感を最小限に抑えることができる。

実施の形態２．
実施の形態１で説明したインバータ制御装置３（図１参照）において、位相監視部５が算出する位相変化量Δθを目標周波数に応じて可変させるようにしてもよい。

図６に示したように、電動機１の目標周波数（目標角速度）が低い場合（ω*＝ωa）、秒間単位時間当たりのモータ位相変化量Δθが少なくなる傾向がある。そのため、電動機１の目標周波数が低い場合は位相変化の監視時間ｔを長く設定する（ｔ＝ｔ１）。一方、電動機１の目標周波数が高い場合は（ω*＝ωb）、単位時間当たりのモータ位相変化量が大きくなる傾向があるため、位相変化の監視時間ｔを短く設定する（ｔ＝ｔ２）。

以上のように、位相変化の監視時間ｔを目標周波数に応じて可変させることで、目標周波数毎に停止させるべき最適な位相変化量Δθ（Δθ1、Δθ2）を設定することが可能となる。これにより、目標周波数が変化した場合に位相出力固定誤検出を防止することができ、目標周波数に応じて最適な位相変化量Δθを設定することが可能となる。

実施の形態３．
また、実施の形態１で説明したインバータ制御装置３（図１参照）において、位相監視部５が使用する位相変化量の異常判定値αを、負荷トルクＴによって可変させるようにしてもよい。

図７に示したように、負荷トルクＴが小さい場合は（Ｔ＝Ｔa）、一般的に振動補償角速度ωtrqの振幅を小さく設定する。そのため、負荷トルクＴが小さい場合は位相変化量の異常判定値αとして小さい値（α＝α１）を使用するように設定する。一方、負荷トルクＴが大きい場合には（Ｔ＝Ｔb）、振動補償角速度ωtrqの振幅を大きく設定するため、位相変化量の異常判定値αとして大きい値（α＝α２）を使用するように設定する。

以上のように、位相変化量の異常判定値αを負荷トルクＴに応じて可変させることで、トルク制御による出力、すなわち振動補償角速度ωtrqに応じて位相変化量の異常判定値αを設定することができる。これにより、電動機１の種類やトルク制御の出力に合わせて最適な異常判定値αを設定することが可能となり、安定した異常判定を実現できる（異常判定を高精度に行うことができる）。

実施の形態４．
図８は、実施の形態４にかかるインバータ制御装置３ａの構成例を示す図である。インバータ制御装置３ａはインバータ２の制御のための周波数演算を行う周波数演算部４ａを備えている。この周波数演算部４ａは、実施の形態１で説明したインバータ制御装置３の周波数演算部４と同様に、目標角速度ω*と、振動抑制のための振動補償角速度ωtrqを加算して、角速度指令ω1と位相θmを求め、この角速度指令ω1および位相θmをインバータ２へ出力することによってインバータ２を制御する。図示を省略しているが、周波数演算部４ａにおいては、角速度指令ω1に下限リミッタを設けている。例えば、下限リミッタをｘ[rad/s]とし、周波数演算部４ａは角速度指令ω1としてｘ[rad/s]以上の値をインバータ２へ出力する。ただし、ｘ[rad/s]は０より大きい値とする。

実施の形態１でも説明したように、目標周波数の設定値ωrefすなわち目標角速度ω*が小さく、振動補償角速度ωtrqが大きい場合には、角速度指令ω1が０以下の状態が発生しうる。通常は０未満の出力による逆回転を防止するため、下限値リミッタ(ω1≧０)を設けて角速度指令ω1を０以上に制限している。

これに対して、本実施の形態のインバータ制御装置３ａにおいては、上述したようにω1≧ｘのリミッタを設けている。そのため、図９に示したように、角速度指令ω1の下限値はｘ[rad/s]となり、ω1は常に０より大きい値となるので、位相θmの出力が固定されることは無い。

このように、本実施の形態のインバータ制御装置において、周波数演算部は、角速度指令ω1として０よりも大きい値を出力するので、位相θmが固定されることが無くなり、実施の形態１から３と同様に、電動機１が無回転の状態で巻線への通電を継続してしまう現象が発生するのを防ぐことができる。

また、空気調和機では、電動機無回転の場合に冷媒が循環せず、電動機の冷却作用が働かなくなることによって、巻線の温度上昇による絶縁破壊の恐れがあるが、本実施の形態の制御を用いることにより、絶縁破壊による故障を防止することができる。

また、電動機１の指令回転数と実回転数が瞬間的に大きく異なる状態が発生して電動機が脱調してしまうのを防止することができる。

実施の形態５．
実施の形態４で説明したインバータ制御装置３ａにおいて、角速度指令ω1の下限値であるｘ[rad/s]を目標周波数に応じて可変させるようにしてもよい。

図１０に示したように、目標周波数が小さい場合は（ω＝ωa）、目標角速度ω*に振動補償角速度ωtrqを加算した角速度指令ω1も小さくなり、目標周波数が大きい場合には（ω＝ωb）、角速度指令ω1も大きくなる傾向がある。そのため、目標周波数ωが小さい場合には角速度指令ω1の下限値ｘを小さい値に設定し（ｘ＝ｘ1）、目標周波数ωが大きい場合には角速度指令ω1の下限値ｘを大きい値に設定（ｘ＝x2）する。

以上のように、角速度指令ω1の下限値ｘ[rad/s]を目標周波数に応じて可変させることで、最適な下限値ｘを使用した制御が可能となり、電動機回転に対して必要な角速度指令を保持しながら、位相θmが固定となる状態を回避することができる。

以上のように、本発明にかかるインバータ制御装置は、空気調和機等に使用されるインバータを制御するためのインバータ制御装置として有用である。

１ 電動機、２ インバータ、３，３ａ インバータ制御装置、４，４ａ 周波数演算部、５ 位相監視部、６ 運転・停止指令部。

Claims (3)

1. 電動機を駆動するためのインバータを制御するインバータ制御装置であって、
   前記インバータに対して出力する角速度指令および位相を目標角速度および振動補償角速度に基づいて算出する周波数演算部と、
   前記位相の出力値の時間あたりの変化量を算出するとともに、算出した変化量としきい値とを比較する位相監視部と、
   前記変化量が前記しきい値を下回っている場合に前記周波数演算部に対して前記角速度指令および位相を０とするよう指示する運転・停止指令部と、
   を備えることを特徴とするインバータ制御装置。
2. 前記位相の変化量を算出する際の監視期間の長さを前記目標角速度に応じて決定した長さとすることを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。
3. 前記しきい値を前記電動機の負荷トルクに応じて決定した値とすることを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。

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