JP6758490B2 - 同期電動機制御装置及び熱交換器ユニット - Google Patents

Description

本発明は、単一のインバータ装置を用いて１台以上の同期電動機の回転を制御する同期電動機制御装置及び熱交換器ユニットに関する。

ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）ブラシレスモータの起動時における同期引き込み方法について、従来技術の一例を説明する。２台のモータのステータコイルに直流電圧が印加されると、２台のモータのステータコイルに同じ直流電流が流れてステータの各磁極が同一極性に励磁される。すると、永久磁石を備えた各モータのロータが同じ位相角度の位置に引き寄せられる。このとき、各モータのロータは位相角度が一致しているので、印加電圧の増加に伴って２台のモータは同期して加速する（例えば、特許文献１参照）。

上述の同期引き込み方法では、インバータの出力電流が二分されるため、大きな起動トルクを得ることができないという問題がある。この問題に対して、特許文献１では、２台のモータの起動のタイミングをずらすことを提案している。

特開２００４−３５０３８５号公報

特許文献１に開示された方法では、モータの起動時にロータの永久磁石の磁束ベクトルとステータコイルに生じる磁界の磁束ベクトルとのなす角度が１８０°近傍であると、同期引き込みに必要な回転トルクが発生せず、引き込み動作が困難な場合がある。この場合、起動に失敗してしまうおそれがある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、同期電動機の同期引き込みをより確実に行うことができる同期電動機制御装置及び熱交換器ユニットを提供するものである。

本発明に係る同期電動機制御装置は、並列に接続された複数の同期電動機の運転を制御する同期電動機制御装置であって、速度指令値に対応した電圧指令値を出力する制御部と、前記電圧指令値にしたがって直流電圧を前記複数の同期電動機に供給するインバータと、前記インバータから前記複数の同期電動機へ供給される電流を検知する電流センサと、を有し、前記制御部は、前記複数の同期電動機を起動する起動制御モードと、起動後の前記複数の同期電動機の回転を一定の速度まで加速する通常制御モードとを有し、前記起動制御モード時に、電圧ベクトルの方向がそれぞれ異なる前記電圧指令値を複数回前記インバータに出力し、前記起動制御モード時に第１電圧指令値を前記インバータに出力した後、前記電流センサが検知した電流から算出される相電流が予め決められた閾値以下になると、前記第１電圧指令値とは異なる第２電圧指令値を前記インバータに出力するものである。

本発明は、電圧ベクトルの方向が異なる電圧指令値を複数回設定する。これにより、同期電動機に１回目に印加される直流電圧の電圧ベクトルと回転子の磁石磁束ベクトルとのなす角度が同期引き込みに必要な回転トルクを発生しない角度であっても、他のいずれかの直流電圧の印加時に同期引き込みを行うことができる。そのため、同期引き込みの確実性を増加させることができる。

本発明の実施の形態１における同期電動機制御装置の一構成例を示す制御ブロック図である。 図１に示したインバータの一構成例を示すブロック図である。 図１に示した制御部が行う同期引き込み制御の原理を説明するための一例を示す図である。 図１に示した制御部が行う同期引き込み制御の原理を説明するための一例を示す図である。 図１に示した制御部が行う同期引き込み処理の手順を示すフローチャートである。 図１に示した制御部が図５のフローチャートにしたがって動作したときのタイムチャートである。 本発明の実施の形態２における同期電動機制御装置の一構成例を示す制御ブロック図である。 図７に示した制御部が行う起動制御処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２における同期電動機制御装置の変形例を示す制御ブロック図である。 本発明の実施の形態３における熱交換器ユニットの一構成例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態３における制御部が行う起動制御処理の手順を示すフローチャートである。

実施の形態１．
本実施の形態１について、図１から図６を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態１における同期電動機制御装置の一構成例を示す制御ブロック図である。図１に示すように、同期電動機制御装置２０は、制御部６と、座標変換部５と、直流電源４と、直流電圧を３相電圧に変換するインバータ３とを有する。インバータ３には、同期電動機制御装置２０の制御対象となる第１同期電動機１及び第２同期電動機２が並列接続されている。

第１同期電動機１は３相電力線１７を介してインバータ３と接続されている。第２同期電動機２は、３相電力線１７の途中から分岐した３相電力線１８を介してインバータ３と接続されている。第１同期電動機１及び第２同期電動機２のそれぞれは、永久磁石が設けられた回転子（不図示）と、印加される３相電圧にしたがって回転子の周囲に回転磁界を発生させる固定子（不図示）とを有する。直流電源４は、例えば、図示しない整流回路を備えているが、外部の３相電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換して出力する回路であればよい。

制御部６は、図示しない上位の制御装置から入力される速度指令値ωに基づいて２軸の電圧指令値Ｖｄ及びＶｑを設定し、電圧指令値Ｖｄ及びＶｑを座標変換部５に出力する。また、制御部６は、速度指令値ωを積分処理して位相指令値θを算出し、位相指令値θを座標変換部５に出力する。制御部６は、例えば、マイクロコンピュータである。

制御部６は、動作モードとして、同期引き込みを行って第１同期電動機１及び第２同期電動機２を起動する起動制御モードと、起動後の第１同期電動機１及び第２同期電動機２の回転を一定の速度まで加速した後、速度を維持する通常制御モードとを有する。同期引き込みとは、同期電動機の永久磁石と回転磁界との間に生じる磁気吸引力が同期電動機に回転トルクを生じさせ、回転磁界の回転に同期電動機の回転を同期させることである。いずれの動作モードにおいても、第１同期電動機１及び第２同期電動機２には、位相指令値θに対応する同位相の電力が供給される。

座標変換部５は、制御部６から受け取る電圧指令値Ｖｄ及びＶｑと位相指令値θとに基づいて、電圧指令値Ｖｄ及びＶｑを３相電圧指令値Ｖｕｖｗに変換してインバータ３に出力する。

以下では、動作モードを区別しない場合、２軸の電圧指令値をＶｄ及びＶｑ、３相電圧指令値をＶｕｖｗ、速度指令値をω、位相指令値をθとそれぞれ表す。起動制御モードでは、Ｖｄ＝Ｖｄ＿ｒｅｆ、Ｖｑ＝Ｖｑ＿ｒｅｆ、Ｖｕｖｗ＝Ｖｕｖｗ＿ｒｅｆ、ω＝ω＿ｒｅｆ、θ＝θ＿ｒｅｆとする。通常制御モードでは、Ｖｄ＝Ｖｄ＊、Ｖｑ＝Ｖｑ＊、Ｖｕｖｗ＝Ｖｕｖｗ＊、ω＝ω＊、θ＝θ＊とする。

図２は、図１に示したインバータの一構成例を示すブロック図である。インバータ３は、６個のスイッチング素子３２と、各スイッチング素子３２に並列に設けられた逆流防止素子３３とを有する。図２に示すように、２個のスイッチング素子３２が３組設けられ、これら３つの組はＵ相、Ｖ相及びＷ相に対応する。インバータ３は、座標変換部５から受け取る３相電圧指令値Ｖｕｖｗに対応して直流電源４の直流電圧をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御し、直流電圧を３相電圧に変換して第１同期電動機１及び第２同期電動機２に供給する。

ここで、スイッチング素子３２及び逆流防止素子３３の構成例を説明する。スイッチング素子３２及び逆流防止素子３３には、一般的には珪素（Ｓｉ）を材料とする半導体を用いるのが主流である。スイッチング素子３２及び逆流防止素子３３の基板材料として、珪素の代わりに、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）及びダイヤモンドに代表される半導体を材料とするワイドバンドギャップ半導体を用いてもよい。

ワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子３２及び逆流防止素子３３は、耐電圧性、許容電流がともに高く、これらの素子を小型化できる。小型化されたスイッチング素子３２及び逆流防止素子３３を用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールを小型化することができる。また、ワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子３２及び逆流防止素子３３は耐熱性も高く、インバータ３の放熱に必要な冷却機構（例えば、放熱フィン、水冷機構など）を小型化できる。さらに、冷却方式を簡素化（例えば、水冷方式から構造が簡素な空冷方式への変更）することもできる。そのため、スイッチング素子３２及び逆流防止素子３３を組み込んだ半導体モジュールの一層の小型化を実現できる。

また、ワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子３２及び逆流防止素子３３は、電力損失が低く、電力変換効率が向上するため、高い変換効率で第１同期電動機１又は第２同期電動機２を駆動させることができる。スイッチング素子３２及び逆流防止素子３３の両方がワイドバンドギャップ半導体を用いて形成されていることが望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体を用いて形成されていてもよい。

次に、第１同期電動機１及び第２同期電動機２に対して、起動制御モード時に制御部６が行う同期引き込み制御の原理を説明する。図３及び図４は、図１に示した制御部が行う同期引き込み制御の原理を説明するための一例を示す図である。図３及び図４では、固定の電機子の座標軸をα軸、β軸と定義し、回転子の座標軸をｄ軸、ｑ軸と定義したときの磁束と電圧のベクトルを示す。

はじめに、図３と図４を対比しながら、同期引き込み制御の原理を説明する。図３と図４に示す磁石磁束ベクトルΦ１と磁石磁束ベクトルΦ２は、それぞれ第１同期電動機１と第２同期電動機２の永久磁石の磁束の向きを表している。これら磁石磁束ベクトルΦ１及びΦ２の方向は、第１同期電動機１及び第２同期電動機２が停止する度に毎回異なる。つまり、これら磁石磁束ベクトルΦ１及びΦ２の方向は起動毎に常に同じ向きになるとは限らない。

図３では、磁石磁束ベクトルΦ１及び磁石磁束ベクトルΦ２がｄ軸上に設定された第１電圧指令値Ｖ１に対して１８０°の位相差がある場合を示している。一方、図４は、磁石磁束ベクトルΦ１がｄ軸上に設定された第１電圧指令値Ｖ１に対して１８０°の位相差があるが、磁石磁束ベクトルΦ２はｄ軸上に設定された第１電圧指令値Ｖ１に対してＸ°（Ｘ＜１８０°）の位相差がある場合を示している。なお、図３及び図４に示す第１電圧指令値Ｖ１及び第２電圧指令値Ｖ２は式（１）に基づいて算出される。

式（１）において、Ｖｄ＿ｒｅｆ（ｎ）はｄ軸の電圧指令値であり、Ｖｑ＿ｒｅｆ（ｎ）はｑ軸の電圧指令値であり、Ｖ（ｎ）は電圧指令値を表している。ｎは１以上の整数である。なお、図３及び図４では、第１同期電動機１及び第２同期電動機２に印加される直流電圧の電圧ベクトルを、説明の便宜上、電圧指令値Ｖ（ｎ）として表示している。実際には、電圧指令値Ｖ（ｎ）に対応する３相電圧をインバータ３が第１同期電動機１及び第２同期電動機２に印加する。

図３において、制御部６は、起動制御モードで第１電圧指令値Ｖ１を設定する。このときに設定された第１電圧指令値Ｖ１のベクトル方向をｄ軸と定義する。インバータ３が第１電圧指令値Ｖ１に対応する３相電圧を第１同期電動機１及び第２同期電動機２に印加する。このときの電圧印加が後述の第一の直流電圧指令値印加処理に相当する。インバータ３から印加される電圧に対応して各同期電動機の固定子に発生する磁界の向きは第１電圧指令値Ｖ１のベクトル方向と一致する。図３の場合、第１電圧指令値Ｖ１と磁石磁束ベクトルΦ１及びΦ２とのなす角度が１８０°なので、同期引き込みに必要な回転トルクが回転子に発生せず、磁石磁束ベクトルΦ１及びΦ２は同じ位置に固定された状態を保つ。その結果、同期引き込みに失敗する。

続いて、制御部６は、第２電圧指令値Ｖ２を設定する。第２電圧指令値Ｖ２の電圧ベクトルは第１電圧指令値Ｖ１の電圧ベクトルとは方向が異なる。このときに設定された第２電圧指令値Ｖ２のベクトル方向を再度ｄ軸と定義する。インバータ３が第２電圧指令値Ｖ２に対応する３相電圧を第１同期電動機１及び第２同期電動機２に印加する。このときの電圧印加が後述の第二の直流電圧指令値印加処理に相当する。図４の場合、第１電圧指令値Ｖ１と異なるベクトル方向に第２電圧指令値Ｖ２が設定されるため、第２電圧指令値Ｖ２のベクトルと磁石磁束ベクトルΦ１及びΦ２とのなす角度は１８０°未満となる。

例えば、第２電圧指令値Ｖ２による電圧ベクトル方向と磁石磁束ベクトルΦ１及びΦ２との位相差を９０°とする。インバータ３から印加される電圧に対応して第１同期電動機１及び第２同期電動機２のそれぞれの固定子に発生する磁界の向きは、第２電圧指令値Ｖ２のベクトル方向と一致する。このとき、同期引き込みに必要な回転トルクが発生する。再定義したｄ軸、つまり、第２電圧指令値Ｖ２に対応して印加された電圧のベクトル方向に磁石磁束ベクトルΦ１及びΦ２が一致するように、第１同期電動機１及び第２同期電動機２の回転子が回転する。以上で、同期引き込みが完了する。

次に、図４の場合について詳しく説明する。制御部６は、起動制御モードで第１電圧指令値Ｖ１を設定する。このときに設定された第１電圧指令値Ｖ１のベクトル方向をｄ軸と定義する。第一の直流電圧指令値印加処理として、インバータ３が第１電圧指令値Ｖ１に対応する３相電圧を第１同期電動機１及び第２同期電動機２に印加する。図４の場合、第１電圧指令値Ｖ１と磁石磁束ベクトルΦ１とのなす角度が１８０°なので、同期引き込みに必要な回転トルクが発生せず、磁石磁束ベクトルΦ１は同じ位置に固定された状態を保つ。一方、磁石磁束ベクトルΦ２は同期引き込みに必要な回転トルクが発生して、第一の電圧指令値印加処理で印加された電圧ベクトル方向に磁石磁束ベクトルΦ２が一致するように、第２同期電動機２の回転子が回転する。

続いて、制御部６は、第２電圧指令値Ｖ２を設定する。このときに設定された第２電圧指令値Ｖ２のベクトル方向を再度ｄ軸と定義する。第二の直流電圧指令値印加処理として、インバータ３が第２電圧指令値Ｖ２に対応する３相電圧を第１同期電動機１及び第２同期電動機２に印加する。第１電圧指令値Ｖ１と異なるベクトル方向に第２電圧指令値Ｖ２が設定されるため、第２電圧指令値Ｖ２のベクトルと磁石磁束ベクトルΦ１及びΦ２とのなす角度が１８０°未満となる。図４の場合、第２電圧指令値Ｖ２の電圧ベクトル方向に対して、磁石磁束ベクトルΦ１の位相差は反時計周りに９０°であり、磁石磁束ベクトルΦ２の位相差は時計回りに９０°である。このとき、同期引き込みに必要な回転トルクが第１同期電動機１及び第２同期電動機２の両方に発生する。再定義したｄ軸のベクトル方向、つまり、第二直流電圧指令値印加処理で設定された電圧のベクトル方向に磁石磁束ベクトルΦ１及びΦ２が一致するように、第１同期電動機１及び第２同期電動機２の回転子が回転する。以上で、同期引き込みが完了する。

次に、第１同期電動機１及び第２同期電動機２に対して、制御部６が行う同期引き込み制御の手順を説明する。図５は、図１に示した制御部が行う同期引き込み処理の手順を示すフローチャートである。制御部６は、第１同期電動機１及び第２同期電動機２の起動時に、同期引き込み処理（ステップＳ６１）による同期引き込み制御を行う。同期引き込み処理（ステップＳ６１）では、第一の直流電圧指令値印加処理（ステップＳ６１１）と第二の直流電圧指令値印加処理（ステップＳ６１２）とを行う。つまり、ステップＳ６１において、電圧ベクトルの方向がそれぞれ異なる電圧指令値を複数回設定し、それぞれの電圧指令値に対応する直流電圧を第１同期電動機１及び第２同期電動機２に対して印加する処理を行う。

第一の直流電圧指令値印加処理（ステップＳ６１１）において、制御部６が、２軸の電圧指令値Ｖｄ＿ｒｅｆ及びＶｑ＿ｒｅｆと位相指令値θ＿ｒｅｆとを調整することで、インバータ３が第１同期電動機１及び第２同期電動機２に直流電圧を印加する。例えば、制御部６は、ｄ軸の電圧指令値Ｖｄ＿ｒｅｆとして、第１同期電動機１又は第２同期電動機２が減磁する電流以下の値に第１同期電動機１又は第２同期電動機２の相抵抗を乗じた値を設定する。制御部６は、ｑ軸の電圧指令値Ｖｑ＿ｒｅｆに０［Ｖ］を設定する。制御部６は、位相指令値θ＿ｒｅｆに０°を設定する。

座標変換部５は、制御部６が設定した電圧指令値Ｖｄ＿ｒｅｆ及びＶｑ＿ｒｅｆと位相指令値θ＿ｒｅｆとに応じた３相電圧指令値Ｖｕｖｗ＿ｒｅｆをインバータ３に出力する。インバータ３は、座標変換部５から受け取る３相電圧指令値Ｖｕｖｗ＿ｒｅｆに対応して第１同期電動機１及び第２同期電動機２の固定子に直流電圧を印加する。直流電圧が印加された固定子は、回転子の周囲に磁界を発生させる。このときの磁界の磁束の向きは、ステップＳ６１１で設定された電圧指令値Ｖｄ＿ｒｅｆ及びＶｑ＿ｒｅｆと位相指令値θ＿ｒｅｆとで決まる。

続いて、図５に示す第二の直流電圧指令値印加処理（ステップＳ６１２）において、制御部６は、２軸の電圧指令値Ｖｄ＿ｒｅｆとＶｑ＿ｒｅｆにステップＳ６１１で印加した値と異なる値を設定し、又は、位相指令値θ＿ｒｅｆを異なる値に設定する。つまり、ステップＳ６１２では、直流電圧は、ステップＳ６１１の直流電圧とは電圧ベクトルの向きが異なるように出力される。例えば、制御部６は、ステップＳ６１２において、２軸の電圧指令値Ｖｄ＿ｒｅｆ及びＶｑ＿ｒｅｆにステップＳ６１１で設定した値と同じ値を設定し、位相指令値θ＿ｒｅｆに９０°を設定する。この設定により、第１同期電動機１及び第２同期電動機２に印加される電圧ベクトルの向きを変えることができる。第１同期電動機１及び第２同期電動機２の回転子の周囲に発生する磁界の磁束の向きは、ステップＳ６１２で設定された電圧指令値Ｖｄ＿ｒｅｆ及びＶｑ＿ｒｅｆと位相指令値θ＿ｒｅｆとで決まる。

図６は、図１に示した制御部が図５のフローチャートにしたがって動作したときのタイムチャートである。図６の上段及び下段のタイムチャートの横軸はいずれも時間［ｓｅｃ］である。上段のタイムチャートの縦軸は運転指令の有無を示す。ここでは、速度指令が入力された場合を運転指令有りとし、速度指令が入力されない場合を運転指令無しとする。上段のタイムチャートにおいて、０（運転指令無し）は第１同期電動機１及び第２同期電動機２が停止状態であることを表し、１（運転指令有り）は第１同期電動機１及び第２同期電動機２が駆動状態であることを表している。速度指令が入力される場合、制御部６は、速度指令値ω＿ｒｅｆが増加したら起動制御モードに入り、同期引き込みが完了したら通常制御モードに入る。また、下段のタイムチャートの縦軸は、インバータ３の出力電圧であり、第１同期電動機１及び第２同期電動機２に印加される電圧値［Ｖ］を表している。

図６を参照して、時刻Ｔ１から時刻Ｔ６までの期間を複数に分け、各期間における制御部６の動作を説明する。制御部６は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ５までは第１同期電動機１及び第２同期電動機２に対して起動制御モードで動作し、時刻Ｔ５以降になると、起動制御モードから通常制御モードに移行する。制御部６が起動制御モードから通常制御モードに移行すると、第１同期電動機１及び第２同期電動機２が加速する。以下に、各期間におけるインバータ出力電圧の状態を詳細に説明する。

図６に示すように、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間は、上述したように起動制御モードが実行され、図５を参照して説明した第一の直流電圧指令値印加処理（ステップＳ６１１）に基づいて、インバータ出力電圧が第１同期電動機１及び第２同期電動機２に印加される。制御部６は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間を、電圧指令値に応じて決定する。制御部６は、電圧指令値を低く設定すれば、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間を長くし、電圧指令値を高く設定すれば、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間を短くする。

続いて、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３の期間においては、２軸の電圧指令値Ｖｄ＿ｒｅｆとＶｑ＿ｒｅｆはともに０［Ｖ］が設定される。そのため、インバータ出力電圧は０［Ｖ］となる。第一の直流電圧指令値印加処理（ステップＳ６１１）による電流が、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３の期間として３相電力線１７において脈動しなくなる時間を予め設定すればよい。具体的には、第一の直流電圧指令値印加処理（ステップＳ６１１）で設定した第１電圧指令値Ｖ１と磁石磁束ベクトルΦ１と、それらのなす角に応じて３相電力線１７の電流脈動幅を予め推定することができる。そのため、制御部６は、このなす角を１８０°としたときの電流脈動幅の推定値にもとづいて時刻Ｔ２から時刻Ｔ３の期間を設定する。

時刻Ｔ３から時刻Ｔ４の期間においては、図５を参照して説明した第二の直流電圧指令値印加処理（ステップＳ６１２）に基づいて、インバータ出力電圧が第１同期電動機１及び第２同期電動機２に印加される。図６に示すインバータ出力電圧のうち、破線で囲まれた部分が直流電圧であることを示している。時刻がＴ１からＴ２の期間では、固定子が発生する磁界の磁束の方向は一定である。また、時刻がＴ３からＴ４の期間でも、固定子が発生する磁界の磁束の方向は一定であるが、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間の場合の磁界の磁束の方向とは異なる方向である。

続いて、時刻がＴ４からＴ５の期間は、２軸の電圧指令値Ｖｄ＿ｒｅｆとＶｑ＿ｒｅｆはともに０［Ｖ］が設定される。このタイミングで同期引き込みが完了する。そのため、インバータ出力電圧は０［Ｖ］となる。その後、制御部６は、時刻がＴ５以降の期間は上述したように運転指令が通常制御モードに設定し、速度指令ω＊に基づいて電圧指令値Ｖｄ＊及びＶｑ＊と位相指令値θ＊とを設定して座標変換部５に出力する。座標変換部５は、電圧指令値Ｖｄ＊及びＶｑ＊を３相電圧指令値Ｖｕｖｗ＊に変換してインバータ３に出力する。インバータ出力電圧の増加とともに第１同期電動機１及び第２同期電動機２の回転が加速していき、時刻Ｔ６で回転は一定の速度となる。通常制御モードでは、図６に示すインバータ出力電圧は３相の交流電圧である。

なお、図６に示すタイムチャートでは、時刻がＴ４からＴ５にインバータ３の出力電圧が０［Ｖ］になる期間が設けられているが、起動制御モードの時間を短縮したい場合、時刻Ｔ４の直後に動作モードを起動制御モードから通常制御モードに切り替えて、第１同期電動機１及び第２同期電動機２の回転の加速を開始してもよい。

本実施の形態１では、２台の同期電動機を用いて同期引き込み制御を実施しているが、１台が同期電動機でその他の電動機が同期電動機以外の電動機、例えば、誘導電動機であってもよい。この場合でも、１台の同期電動機に電圧指令値を上記のように複数回設定することで、同期引き込みの確実性を増加させることができる。

また、図３及び図４では、ｑ軸の電圧指令値Ｖｑ＿ｒｅｆ＝０［Ｖ］であり、電圧指令値Ｖ（ｎ）のベクトルの大きさ及び向きはｄ軸の電圧指令値Ｖｄ＿ｒｅｆ（ｎ）の場合で説明したが、この場合に限定されない。電圧指令値Ｖ（ｎ）の電圧ベクトルの向きは、２軸の電圧指令値Ｖｄ＿ｒｅｆ及びＶｑ＿ｒｅｆの合成ベクトルで決まる。

本実施の形態１の同期電動機制御装置２０は、速度指令値に対応した電圧指令値を出力する制御部６と、電圧指令値にしたがって直流電圧を第１同期電動機１に供給するインバータ３と、を有し、制御部６は、第１同期電動機１の起動制御モード時に、電圧ベクトルの方向がそれぞれ異なる電圧指令値を複数回インバータ３に出力するものである。

電圧ベクトルの方向が異なる電圧指令値を複数回設定することで、第１同期電動機１に１回目に印加される直流電圧の電圧ベクトルと回転子の磁石磁束ベクトルとのなす角度が同期引き込みに必要な回転トルクを発生しない角度であっても、他のいずれかの直流電圧の印加時に同期引き込みを行うことができ、同期引き込みの確実性を増加させることができる。

また、本実施の形態１では、制御部６は、起動制御モード時に第１電圧指令値Ｖ１をインバータ３に出力した後、第１電圧指令値Ｖ１の電圧ベクトルに対して１８０°未満の位相差を設けた第２電圧指令値Ｖ２をインバータ３に出力する。第１同期電動機１に１回目に印加される直流電圧の電圧ベクトルと回転子の磁石磁束ベクトルとのなす角度が１８０°近傍で同期引き込みに必要な回転トルクが発生しなくても、第２電圧指令値による直流電圧の印加時に同期引き込みを行うことができ、同期引き込みの確実性を増加させることができる。

また、本実施の形態１において、制御部６は、第２電圧指令値Ｖ２の電圧ベクトルに第１電圧指令値Ｖ１の電圧ベクトルに対して９０°の位相差を設けてもよい。制御対象が第１同期電動機１である場合、第１電圧指令値Ｖ１に基づく直流電圧の電圧ベクトルと回転子の磁石磁束ベクトルとのなす角度が１８０°近傍（１８０°を中心に一定の範囲）であると、第２電圧指令値Ｖ２に基づく電圧印加によって最大の回転トルクが第１同期電動機１に発生する。制御対象が第１同期電動機１と第２同期電動機２である場合、起動制御モードの開始時に第１同期電動機１と第２同期電動機２との永久磁石の極性が逆の場合でも、同期引き込みの確実性が増す効果を奏する。

さらに、本実施の形態１のように、インバータ３に複数の同期電動機が並列接続されていてもよい。この場合、起動制御モード時に複数の同期電動機が同位相状態でなくても、複数の電圧設定のうち、いずれかの電圧設定で複数の同期電動機のそれぞれに同期引き込みが生じる効果が得られる。

実施の形態２．
本実施の形態２について、図７及び図８を参照して説明する。図７は、本発明の実施の形態２における同期電動機制御装置の一構成例を示す制御ブロック図である。本実施の形態２においては、実施の形態１と同様な構成についての詳細な説明を省略する。

図７に示すように、同期電動機制御装置２０ａは、図１を参照して説明した同期電動機制御装置２０と比較すると、第１電流センサ７、第２電流センサ８及びリレー９が追加された構成である。第１電流センサ７は３相電力線１７に設置されている。第２電流センサ８は３相電力線１８に設置されている。リレー９は３相電力線１８に設置されている。

第１電流センサ７は、第１同期電動機１に入力される３相電流Ｉｕｖｗ１を検知して制御部６に伝送する。また、第２電流センサ８は、第２同期電動機２に入力される３相電流Ｉｕｖｗ２を検知して制御部６に伝送する。

制御部６は、起動制御モードで第１電圧指令値Ｖ１を座標変換部５を介してインバータ３に出力した後、第１電流センサ７が検知する３相電流Ｉｕｖｗ１を用いて第１同期電動機１の相電流を算出し、相電流が予め設定された閾値以下であるか否かを判定する。相電流が閾値以下になると、制御部６は、第１電圧指令値Ｖ１に対して電圧ベクトルの位相差が１８０°未満（例えば、９０°）になる第２電圧指令値Ｖ２を設定する。また、制御部６は、第１電圧指令値Ｖ１をインバータ３に出力した後、相電流が閾値以下になると、リレー９をオン状態に設定する旨の切替指示信号ＳＷをリレー９に送信する。

リレー９は、制御部６から切替指示信号ＳＷを受け取ると、切替指示信号ＳＷにしたがって、インバータ３と第１同期電動機１とを接続する３相電力線１７に第２同期電動機２を接続し、あるいは、３相電力線１７から第２同期電動機２を切り離す。切替指示信号ＳＷは、例えば、リレー９に対して、オフ状態からオン状態へ切り替え、又はオン状態からオフ状態への切り替えを指示するものである。

リレー９がオフ状態であるとき第２同期電動機２がインバータ３と電気的に切り離された状態になる。例えば、第１同期電動機１及び第２同期電動機２のそれぞれに負荷となるファン（不図示）が接続されている場合を考える。この場合、外風等の外乱トルクによって第２同期電動機２が回転しても、リレー９がオフ状態なら、第２同期電動機２が第１同期電動機１と接続されていないので、第２同期電動機２の回転で発生する回生電流の第１同期電動機１に対する影響を遮断できる。

次に、第１同期電動機１及び第２同期電動機２に対して、制御部６が行う起動制御について説明する。図８は、図７に示した制御部が行う起動制御処理の手順を示すフローチャートである。図８に示す手順では、実施の形態１で説明した図５のフローチャートと比較すると、第一の直流電圧指令値印加処理（ステップＳ６１１）と第二の直流電圧指令値印加処理（ステップＳ６１２）との間にリレー切替処理（ステップＳ６１３）が追加されている。また、図８では、第二の直流電圧指令値印加処理（ステップＳ６１２）の後に、第三の直流電圧指令値印加処理（ステップＳ６１４）が追加されている。図８に示す手順では、初期状態として、制御部６はリレー９をオフ状態にしておく。

第一の直流電圧指令値印加処理（ステップＳ６１１）と第二の直流電圧指令値印加処理（ステップＳ６１２）は実施の形態１で説明した処理と同様なため、その詳細な説明を省略する。本実施の形態２では、リレー切替処理（ステップＳ６１３）及び第三の直流電圧指令値印加処理（ステップＳ６１４）について、詳細に説明する。

図８に示すように、リレー切替処理（ステップＳ６１３）は、判定処理（ステップＳ６３１）と切替処理（ステップＳ６３２）とを有する。制御部６は、第１電流センサ７から３相電流Ｉｕｖｗ１の情報を取得すると、３相電流Ｉｕｖｗ１から実効値電流Ｉ１を演算により求める。そして、判定処理（ステップＳ６３１）において、制御部６は、実効値電流Ｉ１と予め設定された実効値電流の閾値Ｉ_ｔｈとを比較する。制御部６は、実効値電流Ｉ１が閾値Ｉ_ｔｈ未満になると、切替処理（ステップＳ６３２）に進み、実効値電流Ｉ１が閾値Ｉ_ｔｈ以上であると、判定処理（ステップＳ６３１）を維持する。例えば、実効値電流の閾値Ｉ_ｔｈとして、同期引き込みが完了して相電流が安定しているときの電流値が予め設定される。

切替処理（ステップＳ６３２）において、制御部６は、リレー９をオフ状態からオン状態に切り替える。その結果、第２同期電動機２は、３相電力線１７及び１８を介して、インバータ３及び第１同期電動機１と電気的に接続される。制御部６がリレー切替処理（ステップＳ６１３）を実行することで、電流が脈動していないタイミングでリレー切替が実行され、図６に示したタイムチャートの時刻Ｔ３で第１同期電動機１又は第２同期電動機２に過電流が流れることを抑制できる。

第二の直流電圧指令値印加処理（ステップＳ６１２）の後、第三の直流電圧指令値印加処理（ステップＳ６１４）において、制御部６は、ステップＳ６１１とステップＳ６１２とは異なる電圧ベクトル方向の直流電圧を第１同期電動機１及び第２同期電動機２に印加するための第３電圧指令値Ｖ３を設定する。例えば、制御部６は、第３電圧指令値Ｖ３として、ステップＳ６１１で設定した２軸の電圧指令値Ｖｄ＿ｒｅｆ及びＶｑ＿ｒｅｆを設定し、位相指令値θ＿ｒｅｆに４５°を設定する。

本実施の形態２では、制御部６は、第１電圧指令値Ｖ１をインバータ３に出力した後、第１電流センサ７が検知した電流を参照し、第１同期電動機１の相電流が閾値以下になると、第２電圧指令値Ｖ２をインバータ３に出力する。１回目の電圧指令値による電流が３相電力線１７で脈動しなくなってから、他の電圧指令値による電圧を第１同期電動機及び第２同期電動機２に印加することができ、同期引き込みの確実性が増す。

また、本実施の形態２では、制御部６は、第１電圧指令値Ｖ１をインバータ３に出力した後、リレー９をオフ状態からオン状態に切り替える。この場合、１回目の電圧指令値に対応する直流電圧が第１同期電動機１に印加されたときによる脈動が第２同期電動機２に影響することを抑制し、第２同期電動機２に過電流が流れることを抑制でき、同期引き込みの確実性を増加させることができる。

ここで、本実施の形態２の変形例を説明する。図９は、本発明の実施の形態２における同期電動機制御装置の変形例を示す制御ブロック図である。

図９に示す同期電動機制御装置２０ｂは、図７に示した同期電動機制御装置２０ａと比較すると、リレー９ａの構成が異なる。具体的には、図９に示すリレー９ａは、オフ状態であるとき、第２同期電動機２の入力端子同士を接続する構成である。図９に示す構成によれば、リレー９ａがオフ状態になっているときに、第２同期電動機２は回転がブレーキされた状態となる。例えば、第２同期電動機２の回転子にファン（不図示）が取り付けられている場合、第２同期電動機２の停止時に、外風によりファンが回転するフリーランが発生することを抑制できる。

実施の形態３．
本実施の形態３について、図１０及び図１１を参照して説明をする。本実施の形態３では、実施の形態１で説明した同期電動機制御装置２０を適用した製品の一例として、空調用の熱交換器ユニットの場合を説明する。

図１０は、本発明の実施の形態３における熱交換器ユニットの一構成例を示す斜視図である。熱交換器ユニットは、同期電動機制御装置２０と、第１同期電動機１及び第２同期電動機２と、第１ファン１０及び第２ファン１１と、圧縮機１２と、上位制御部１３と、第１熱交換器１５及び第２熱交換器１６と、これらの構成を収容するケーシング１４とを有する。図１０は、ケーシング１４内部において、上記構成を説明するために、透視図で表している。図１０に示すように、熱交換器ユニットには、第１ファン１０及び第２ファン１１と圧縮機１２とを連通する風路が形成されている。

第１ファン１０は第１同期電動機１の回転子に取り付けられ、第２ファン１１は第２同期電動機２の回転子に取り付けられている。第１同期電動機１は同期電動機制御装置２０と３相電力線１７を介して接続されている。第２同期電動機２は３相電力線１８を介して３相電力線１７と接続されている。

３相電力線１７に第１電流センサ７が設けられ、３相電力線１８に第２電流センサ８が設けられている。第１電流センサ７及び第２電流センサ８は図１に示した制御部６と接続されている。第１電流センサ７は、第１同期電動機１から出力される電流Ｉｕｖｗ１を検知して同期電動機制御装置２０に伝送する。第２電流センサ８は、第２同期電動機２から出力される電流Ｉｕｖｗ２を検知して同期電動機制御装置２０に伝送する。

圧縮機１２、第１熱交換器１５及び第２熱交換器１６は冷媒配管（不図示）を介して負荷側ユニット（不図示）と接続されている。第１熱交換器１５及び第２熱交換器１６は、ケーシング１４の側面に垂直な面に平行な熱交換面を有している。図１０では、ケーシング１４の４つの側面のうち、第１熱交換器１５及び第２熱交換器１６がそれぞれ１つの側面に設けられている場合を示しているが、複数の側面に設けられていてもよい。例えば、第１熱交換器１５が第１同期電動機１及び第１ファン１０を囲むように、ケーシング１４の３つの側面に設けられていてもよい。

上位制御部１３は、圧縮機１２の駆動状況に応じて、同期電動機制御装置２０に速度指令値ωを伝送し、圧縮機１２に運転指令ＤＳを伝送する。上位制御部１３は、例えば、マイクロコンピュータである。同期電動機制御装置２０は、実施の形態１で説明したように、入力を速度指令値ωとし、出力を３相電圧として第１同期電動機１及び第２同期電動機２を制御する。

第１同期電動機１は回転エネルギーを第１ファン１０に伝える。第２同期電動機２は回転エネルギーを第２ファン１１に伝える。第１ファン１０は、第１同期電動機１から受け取る回転エネルギーを流体エネルギーに変換し、上位制御部１３から出力された速度指令値ω＿ｒｅｆに応じた風を発生させる。第２ファン１１は、第２同期電動機２から受け取る回転エネルギーを流体エネルギーに変換し、上位制御部１３から出力された速度指令値ω＿ｒｅｆに応じた風を発生させる。

圧縮機１２は、上位制御部１３からの運転指令ＤＳに応じて圧縮機１２内のモータを駆動させる。負荷が高くなるほど圧縮機１２の内部の発熱量が増すが、第１ファン１０又は第２ファン１１が回転することで圧縮機１２に風があたり、圧縮機１２は冷却される。

ケーシング１４は、図１０に示した同期電動機制御装置２０及び圧縮機１２などを含む構成を収容し、側面から空気を取り込むことができる構成である。すなわち、ケーシング１４の側面には、空気を吸い込む吸込み口（不図示）が形成されている。ケーシング１４の、第１ファン１０及び第２ファン１１のそれぞれの上方には、空気を吹き出す吹出し口１９が形成されている。

第１ファン１０又は第２ファン１１が回転することで、ケーシング１４の側面から空気が取り込まれ、取り込まれた空気が第１熱交換器１５及び第２熱交換器１６で冷媒と熱交換され、熱交換された空気がケーシング１４の上方に吹き出される。また、第１ファン１０又は第２ファン１１が回転することで、第１同期電動機１、第２同期電動機２及び圧縮機１２が発生する熱もケーシング１４の外に放熱される。ケーシング１４の内部が連通しているため、第１ファン１０又は第２ファン１１が回転動作することで、第１熱交換器１５及び第２熱交換器１６だけでなく、第１同期電動機１、第２同期電動機２及び圧縮機１２にも送風することができる。

上述の構成により、同期電動機制御装置２０は、第１同期電動機１及び第２同期電動機２に取り付けられた第１ファン１０及び第２ファン１１の回転数を制御することで、第１ファン１０及び第２ファン１１の回転数に応じて発生する風量を制御し、圧縮機１２からの発熱を抑制する。

次に、第１同期電動機１及び第２同期電動機２に対して、同期電動機制御装置２０が行う起動制御について説明する。図１１は、本発明の実施の形態３における制御部が行う起動制御処理の手順を示すフローチャートである。図１１において、図１に示した制御部６は、初期回転数推定（ステップＳ６２）、ブレーキ制御（ステップＳ６３）及び同期引き込み処理（ステップＳ６１）の順で処理を実行する。

第１ファン１０又は第２ファン１１にフリーランが発生してしまうことがある。第１同期電動機１又は第２同期電動機２の起動前にフリーランが発生しているか否かを判定するために、フリーラン回転数を推定する必要がある。そこで、図１１に示す初期回転数推定（ステップＳ６２）において、制御部６は、第１電流センサ７又は第２電流センサ８が検知する電流から誘起電圧を算出し、誘起電圧からフリーラン回転数を推定する。

第１同期電動機１又は第２同期電動機２がフリーランで回転している場合、起動前に回転を減速する必要がある。制御部６は、推定したフリーラン回転数から第１同期電動機１又は第２同期電動機２が回転していると判定すると、ブレーキ制御（ステップＳ６３）において、インバータ３に設けられたスイッチング素子３２の下アームを短絡させる。これにより、第１同期電動機１又は第２同期電動機２のフリーランによる回転を減速させることができる。その後、同期引き込み処理（ステップＳ６１）において、制御部６は、実施の形態１で説明した処理と同様の処理を実行する。

本実施の形態３の熱交換器ユニットは、同期電動機制御装置２０と、第１同期電動機１と、第１同期電動機１が回転させる第１ファン１０と、第１ファン１０が送風した空気を冷媒と熱交換させる第１熱交換器１５とを有する。同期電動機制御装置２０が第１同期電動機１の同期引き込みを確実に行うことで、起動後の第１ファン１０の回転数を制御し、第１ファン１０の回転数に応じて発生する風量を制御できる。その結果、第１熱交換器１５において冷媒が空気と効率良く熱交換することができる。また、熱交換器ユニットには圧縮機１２と第１ファン１０及び第２ファン１１とを連通する風路が形成されているため、圧縮機１２からの発熱を抑制することができる。

また、本実施の形態３では、制御部６は、第１電流センサ７及び第２電流センサ８が検知する電流情報を参照して第１同期電動機１及び第２同期電動機２が起動前にフリーランで回転しているか否か推定し、回転している同期電動機があると、その回転をインバータ３に減速させるブレーキ制御を行う。起動前の第１同期電動機１又は第２同期電動機２がフリーランで回転していても、フリーランによる回転を減速し、起動前に回転子の磁石磁束ベクトル方向を固定することができる。そのため、実施の形態１で説明した同期引き込み処理を行うことができ、同期引き込みの確実性が増す効果を奏する。

なお、上述の実施の形態１〜３では、実施の形態毎に同期電動機制御装置及び制御方法を説明したが、これらの実施の形態で説明した内容を組み合わせもよく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で本発明の同期電動機制御装置及び制御方法を適用することができる。実施の形態１〜３では、２台の同期電動機が並列に接続される場合で説明したが、並列に接続される同期電動機の数は３台以上であってもよく、また、制御対象の同期電動機が１台であってもよい。実施の形態３において、３台以上の同期電動機が並列に接続される場合、同期電動機の数に対応して、熱交換器、ファン及び吹出し口がそれぞれ３つ以上設けられていてもよい。

例えば、実施の形態３の熱交換器ユニットに、実施の形態２の同期電動機制御装置２０ａを適用することもできる。実施の形態３の熱交換器ユニットに実施の形態２で説明した制御方法を適用することで、低負荷時に一方の第２同期電動機２を停止させて、低消費電力化を達成することができる。

また、実施の形態２の変形例を、実施の形態３の熱交換器ユニットに適用すれば、変形例の効果がより顕著となる。図９を参照して説明したように、リレー９ａがオフ状態になっているとき、第２同期電動機２は回転がブレーキされた状態になる。このとき、第２ファン１１の回転が抑制されるため、第２ファン１１の上方の吹出し口１９からの空気の吐き出しが抑制される。その結果、第１熱交換器１５を通る空気の風量の低下が抑制されるため、第１熱交換器１５が効率よく熱交換を行うことができる。なお、３台以上の同期電動機が並列に接続される場合、同期電動機の数に対応して、リレー９ａが３つ以上設けられていてもよい。

さらに、実施の形態３では、同期電動機制御装置が空調用に使用される場合の一例を説明したが、実施の形態１〜３又はこれらの実施の形態の組み合せによる同期電動機制御装置を、車両用など、その他の用途にも利用することができる。

１ 第１同期電動機、２ 第２同期電動機、３ インバータ、４ 直流電源、５ 座標変換部、６ 制御部、７ 第１電流センサ、８ 第２電流センサ、９、９ａ リレー、１０ 第１ファン、１１ 第２ファン、１２ 圧縮機、１３ 上位制御部、１４ ケーシング、１５ 第１熱交換器、１６ 第２熱交換器、１９ 吹出し口、２０、２０ａ、２０ｂ 同期電動機制御装置、３２ スイッチング素子、３３ 逆流防止素子。

Claims (8)

1. 並列に接続された複数の同期電動機の運転を制御する同期電動機制御装置であって、
   速度指令値に対応した電圧指令値を出力する制御部と、
   前記電圧指令値にしたがって直流電圧を前記複数の同期電動機に供給するインバータと、
   前記インバータから前記複数の同期電動機へ供給される電流を検知する電流センサと、
   を有し、
   前記制御部は、
   前記複数の同期電動機を起動する起動制御モードと、起動後の前記複数の同期電動機の回転を一定の速度まで加速する通常制御モードとを有し、
   前記起動制御モード時に、電圧ベクトルの方向がそれぞれ異なる前記電圧指令値を複数回前記インバータに出力し、
   前記起動制御モード時に第１電圧指令値を前記インバータに出力した後、前記電流センサが検知した電流から算出される相電流が予め決められた閾値以下になると、前記第１電圧指令値とは異なる第２電圧指令値を前記インバータに出力する、
   同期電動機制御装置。
2. 前記制御部は、前記起動制御モード時に前記第１電圧指令値を前記インバータに出力した後、該第１電圧指令値の電圧ベクトルに対して１８０°未満の位相差を設けた前記第２電圧指令値を前記インバータに出力する、請求項１に記載の同期電動機制御装置。
3. 前記第２電圧指令値は、前記第１電圧指令値の電圧ベクトルに対して９０°の位相差を有する、請求項２に記載の同期電動機制御装置。
4. 前記複数の同期電動機のうち、少なくとも１台の同期電動機と前記インバータとの間に設けられ、該１台の同期電動機を該インバータに接続するオン状態と該１台の同期電動機を該インバータから切り離すオフ状態とを有するリレーをさらに有し、
   前記制御部は、
   前記起動制御モード時に第１電圧指令値を前記インバータに出力した後、前記リレーをオフ状態からオン状態に切り替える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の同期電動機制御装置。
5. 前記リレーは、前記オフ状態に、前記インバータから切り離された同期電動機の入力端子同士を接続する、請求項４に記載の同期電動機制御装置。
6. 前記制御部は、
   前記起動制御モードの開始時に前記複数の同期電動機が回転していると、前記複数の同期電動機の回転を前記インバータに減速させる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の同期電動機制御装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の同期電動機制御装置と、
   前記複数の同期電動機と、
   前記複数の同期電動機に対応して取り付けられた複数のファンと、
   前記複数のファンに対応して設けられ、前記ファンが送風した空気を冷媒と熱交換させる複数の熱交換器と、
   を有する熱交換器ユニット。
8. 前記複数の同期電動機、前記複数のファン及び前記複数の熱交換器を収容し、該複数のファンが空気を吹き出す複数の吹出し口が設けられたケーシングをさらに有し、
   前記複数の同期電動機のそれぞれに、該同期電動機を前記インバータに接続するオン状態と該同期電動機を前記インバータから切り離して該同期電動機の入力端子同士を接続するオフ状態とを有するリレーが接続されている、請求項７に記載の熱交換器ユニット。

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