JP7515740B2 - 電力変換装置、電動機駆動装置及び冷凍サイクル適用機器 - Google Patents

Description

本開示は、負荷を駆動する電動機に交流電力を供給する電力変換装置、電動機駆動装置及び冷凍サイクル適用機器に関する。

電力変換装置は、交流電源から印加される電源電圧を整流するコンバータと、コンバータの出力端に接続されるコンデンサと、コンデンサから出力される直流電圧を交流電圧に変換して電動機に印加するインバータとを備える。

下記特許文献１には、圧縮機を駆動する電動機の状態に応じて、負荷トルクの脈動成分であるトルク脈動を適切に補償することで振動の増加を抑制する技術が開示されている。

特開２０１６－０８２６３７号公報

冷凍サイクル適用機器の応用製品の１つである空気調和機においては、電源電流に含まれる高調波成分である電源高調波による障害を抑制するため、電源高調波に関する規制が定められている。例えば、日本国内においては、日本工業規格（ＪＩＳ）によって電源高調波に対して制限値である規格値が定められている。

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、電源高調波に関する考慮がなされていない。このため、特許文献１の技術を使用して、電源周波数と非同期の周波数で電動機のトルク脈動の補償成分を発生させると、電源電流がその極性の正と負との間でアンバランス状態となり、電源高調波が増加して、電源高調波の一部の次数成分が規格値を超えるおそがある。従って、電源高調波の次数成分が規格値を超えないように、何らかの対応が求められる。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、電動機のトルク脈動を補償しつつ、電源高調波の次数成分が規格値を超えないように動作できる電力変換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、本開示に係る電力変換装置は、負荷を駆動する電動機に交流電力を供給する電力変換装置である。電力変換装置は、交流電源から印加される電源電圧を整流するコンバータと、コンバータの出力端に接続されるインバータとを備える。電動機は、負荷の振動を抑制する振動抑制制御の実施時に、電動機の駆動周波数が、継続的に電源電圧の周波数である電源周波数の０．５から０．７５次、及び１．２５から１．６次の範囲内とはならないように駆動される。

本開示に係る電力変換装置によれば、電動機のトルク脈動を補償しつつ、電源高調波の次数成分が規格値を超えないように動作できるという効果を奏する。

実施の形態１に係る電力変換装置の構成例を示す図 実施の形態１に係る電力変換装置が備えるインバータの構成例を示す図 実施の形態１に係る電動機駆動装置における振動抑制制御無しのときの動作の状態を示す図 実施の形態１に係る電動機駆動装置における振動抑制制御有りのときの動作の状態を示す図 実施の形態１に係る電力変換装置が備える制御装置の構成例を示すブロック図 一般的な振動抑制制御の実施時に電源高調波が増加する理由の説明に供する図 実施の形態１における振動抑制制御の実施時において問題となる電源高調波の周波数成分を示す図 実施の形態１に係る制御装置が備える電圧指令値演算部の構成例を示すブロック図 実施の形態１に係る電圧指令値演算部が備える補償値演算部の構成例を示すブロック図 実施の形態１に係る電圧指令値演算部が備える電源高調波規格適合判定部の構成例を示すブロック図 実施の形態１に係る判定部の動作説明に供するフローチャート 実施の形態１に係る電源高調波規格適合判定部が備える電源高調波規格値演算部の構成例を示すブロック図 実施の形態１に係る電源高調波規格値演算部が備える電流高調波限度値演算部の演算処理の説明に供する図 実施の形態１に係る電源高調波規格適合判定部が備える次数成分演算部の構成例を示すブロック図 実施の形態１に係る制御装置が備える運転制御部の構成例を示すブロック図 実施の形態１に係る周波数指令決定部の動作説明に供するフローチャート 実施の形態１に係る電圧指令値演算部が備える速度制御部及びδ軸電流指令値生成部の構成例を示すブロック図 実施の形態１に係る速度制御部及び制限部の動作説明に供するフローチャート 実施の形態１に係る電動機駆動装置において振動抑制制御を最大限に働かせたときに発生し得る電源高調波の偶数次の次数成分を規格値と比較したシミュレーション結果を示す図 実施の形態１に係る電力変換装置が備える制御装置を実現するハードウェア構成の一例を示す図 実施の形態２に係る冷凍サイクル適用機器の構成例を示す図

以下に添付図面を参照し、本開示の実施の形態に係る電力変換装置、電動機駆動装置及び冷凍サイクル適用機器について詳細に説明する。なお、以下の説明において、「接続」という文言は、構成要素同士が直接的に接続される場合と、構成要素同士が他の構成要素を介して間接的に接続される場合との双方を含んでいる。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置２の構成例を示す図である。図２は、実施の形態１に係る電力変換装置２が備えるインバータ３０の構成例を示す図である。電力変換装置２は、交流電源１及び圧縮機８に接続される。圧縮機８は、被駆動時に負荷トルクが周期的に変動する特性を有する負荷の一例である。圧縮機８は、電動機７を有する。電動機７の一例は、３相永久磁石同期電動機である。電力変換装置２は、交流電源１から印加される電源電圧を所望の振幅及び位相を有する交流電圧に変換して電動機７に印加する。電力変換装置２は、リアクタ４と、コンバータ１０と、コンデンサ２０と、インバータ３０と、電圧検出部８２と、電流検出部８３，８４と、制御装置１００とを備える。電力変換装置２と、圧縮機８が備える電動機７とによって、電動機駆動装置５０が構成される。

コンバータ１０は、４つのダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を備える。４つのダイオードＤ１～Ｄ４は、ブリッジ接続され、整流回路を構成する。コンバータ１０は、４つのダイオードＤ１～Ｄ４から構成される整流回路によって、交流電源１から印加される電源電圧を整流する。コンバータ１０において、入力側の一端はリアクタ４を介して交流電源１に接続され、入力側の他端は交流電源１に接続されている。また、コンバータ１０において、出力側はコンデンサ２０に接続されている。なお、リアクタ４は、コンバータ１０とコンデンサ２０との間、即ちコンバータ１０の出力側に接続される構成もある。

コンバータ１０は、整流機能と共に、整流電圧を昇圧する昇圧機能を有するものであってもよい。昇圧機能を有するコンバータは、ダイオードに加え、もしくはダイオードに代え、１以上のトランジスタ素子、もしくはトランジスタ素子とダイオードとが逆並列に接続された１以上のスイッチング素子を備えて構成することができる。なお、昇圧機能を有するコンバータにおけるトランジスタ素子又はスイッチング素子の配置、及び接続は公知であり、ここでの説明は省略する。

コンデンサ２０は、直流母線２２ａ，２２ｂを介してコンバータ１０の出力端に接続される。直流母線２２ａは正側の直流母線であり、直流母線２２ｂは負側の直流母線である。コンデンサ２０は、コンバータ１０から印加される整流電圧を平滑する。コンデンサ２０としては、電解コンデンサ、フィルムコンデンサなどが例示される。

インバータ３０は、直流母線２２ａ，２２ｂを介してコンバータ１０の出力端に接続されると共に、コンデンサ２０の両端に接続される。インバータ３０は、コンデンサ２０によって平滑された直流電圧を圧縮機８への交流電圧に変換して、圧縮機８の電動機７に印加する。電動機７に印加される電圧は、周波数及び電圧値が可変の３相交流電圧である。

インバータ３０は、図２に示すように、インバータ主回路３１０と、駆動回路３５０とを備える。インバータ主回路３１０は、スイッチング素子３１１～３１６を備える。スイッチング素子３１１～３１６の各々には、還流用の整流素子３２１～３２６が逆並列接続されている。

インバータ主回路３１０において、スイッチング素子３１１～３１６としては、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などを想定しているが、スイッチングを行うことが可能な素子であれば、どのようなものを用いてもよい。なお、スイッチング素子３１１～３１６がＭＯＳＦＥＴの場合、ＭＯＳＦＥＴは構造上、寄生ダイオードを有するため、還流用の整流素子３２１～３２６を逆並列接続しなくても同様の効果を得ることができる。

また、スイッチング素子３１１～３１６を形成する材料については、ケイ素（Ｓｉ）だけでなく、ワイドバンドギャップ半導体である炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド等を用いてもよい。ワイドバンドギャップ半導体を用いてスイッチング素子３１１～３１６を形成することにより、損失をより少なくすることが可能となる。

駆動回路３５０は、制御装置１００から出力されるＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号Ｓｍ１～Ｓｍ６に基づいて、駆動信号Ｓｒ１～Ｓｒ６を生成する。駆動回路３５０は、駆動信号Ｓｒ１～Ｓｒ６によってスイッチング素子３１１～３１６のオンオフを制御する。これにより、インバータ３０は、周波数可変、且つ電圧可変の３相交流電圧を、出力線３３１～３３３を介して電動機７に印加することができる。

ＰＷＭ信号Ｓｍ１～Ｓｍ６は、論理回路の信号レベル、例えば、０Ｖ～５Ｖの大きさを持つ信号である。ＰＷＭ信号Ｓｍ１～Ｓｍ６は、制御装置１００の接地電位を基準電位とする信号である。一方、駆動信号Ｓｒ１～Ｓｒ６は、スイッチング素子３１１～３１６を制御するのに必要な電圧レベル、例えば、－１５Ｖ～＋１５Ｖの大きさを持つ信号である。駆動信号Ｓｒ１～Ｓｒ６は、それぞれ対応するスイッチング素子の負側の端子、即ちエミッタ端子の電位を基準電位とする信号である。

電圧検出部８２は、コンデンサ２０の両端電圧を検出することで母線電圧Ｖｄｃを検出する。母線電圧Ｖｄｃは、直流母線２２ａ，２２ｂ間の電圧である。電圧検出部８２は、例えば直列接続された抵抗で分圧する分圧回路を備える。電圧検出部８２は、検出した母線電圧Ｖｄｃを、分圧回路を用いて制御装置１００での処理に適した電圧、例えば５Ｖ以下の電圧に変換し、アナログ信号である電圧検出信号として制御装置１００に出力する。電圧検出部８２から制御装置１００に出力される電圧検出信号は、制御装置１００内の図示しないＡＤ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ）変換部によってアナログ信号からデジタル信号に変換され、制御装置１００での内部処理に用いられる。

電流検出部８３は、交流電源１とコンバータ１０との間に流れる電流である電源電流Ｉｉｎを検出する。電流検出部８３は、検出した電源電流Ｉｉｎを、アナログ信号である電流検出信号として制御装置１００に出力する。電流検出部８３から制御装置１００に出力される電流検出信号は、制御装置１００内の図示しないＡＤ変換部によってアナログ信号からデジタル信号に変換され、制御装置１００での内部処理に用いられる。

電流検出部８４は、直流母線２２ｂに挿入されたシャント抵抗を備える。電流検出部８４は、シャント抵抗を用いて、コンデンサ出力電流ｉｄｃを検出する。コンデンサ出力電流ｉｄｃは、インバータ３０への入力電流、即ちコンデンサ２０からインバータ３０に出力される電流である。電流検出部８４は、検出したコンデンサ出力電流ｉｄｃを、アナログ信号である電流検出信号として制御装置１００に出力する。電流検出部８４から制御装置１００に出力される電流検出信号は、制御装置１００内の図示しないＡＤ変換部によってアナログ信号からデジタル信号に変換され、制御装置１００での内部処理に用いられる。

制御装置１００は、前述したＰＷＭ信号Ｓｍ１～Ｓｍ６を生成してインバータ３０の動作を制御する。具体的に、制御装置１００は、ＰＷＭ信号Ｓｍ１～Ｓｍ６に基づいて、インバータ３０の出力電圧の角周波数ωｅ及び電圧値を変化させる。

インバータ３０の出力電圧の角周波数ωｅは、電動機７の電気角での回転角速度を定めるものである。本稿では、この回転角速度も同じ符号ωｅで表すことにする。電動機７の機械角での回転角速度ωｍは、電動機７の電気角での回転角速度ωｅを極対数Ｐで割ったものに等しい。従って、電動機７の機械角での回転角速度ωｍと、インバータ３０の出力電圧の角周波数ωｅとの間には、以下の（１）式で表される関係がある。なお、本稿では、回転角速度を単に「回転速度」と称し、角周波数を単に「周波数」と称することがある。

ωｍ＝ωｅ／Ｐ …（１）

次に、電動機駆動装置５０における振動抑制制御及びその必要性について、図３及び図４を用いて説明する。図３は、実施の形態１に係る電動機駆動装置５０における振動抑制制御無しのときの動作の状態を示す図である。図４は、実施の形態１に係る電動機駆動装置５０における振動抑制制御有りのときの動作の状態を示す図である。

電動機駆動装置５０の適用例が、例えば空気調和機である場合、圧縮機８の振動を低減するために、電動機7のトルク脈動を補償して、電動機７の回転速度変動が小さくなるように制御することが行われる。電動機７の回転速度変動が小さくなると、圧縮機８の振動が小さくなる。このため、回転速度変動を小さくする制御は、一般的に「振動抑制制御」と呼ばれる。

図３及び図４には、圧縮機８がシングルロータリ圧縮機である場合の電動機７の機械角１回転における圧縮機８の負荷トルク、電動機７の出力トルク、電動機７の回転速度、及び制御装置１００におけるトルク電流補償値の関係が示されている。図３は、制御装置１００が電動機７の出力トルクを一定に制御した状態を示している。一方、図４は、制御装置１００が、電動機７の出力トルクを圧縮機８の負荷トルクに一致させるようにトルク電流補償値を制御して回転速度を一定に制御した状態を示している。

図３から分かるように、制御装置１００が電動機７の出力トルクを一定に制御すると、電動機７の出力トルクと圧縮機８の負荷トルクとの差で回転速度が変動する。回転速度が変動すると、圧縮機８で振動、騒音などが発生する。回転速度の変動が極端に大きくなると、電動機７が脱調し、停止する可能性がある。

そのため、実施の形態１に係る制御装置１００には、電動機７の出力トルクを圧縮機８の負荷トルクに一致させるように制御する振動抑制制御の機能が具備されている。振動抑制制御の詳細については、後述する。

次に、制御装置１００の構成について説明する。図５は、実施の形態１に係る電力変換装置２が備える制御装置１００の構成例を示すブロック図である。制御装置１００は、運転制御部１０２と、インバータ制御部１１０とを備える。また、インバータ制御部１１０は、電流復元部１１１と、３相２相変換部１１２と、γ軸電流指令値生成部１１３と、電圧指令値演算部１１５と、電気位相演算部１１６と、２相３相変換部１１７と、ＰＷＭ信号生成部１１８とを備える。

運転制御部１０２は、外部から指令情報Ｑｅを受ける。運転制御部１０２は、指令情報Ｑｅに基づいて、周波数指令値ωｅ*を生成する。周波数指令値ωｅ*は、以下の（２）式に示すように、電動機７の機械角での回転速度の指令値である回転速度指令値ωｍ*に極対数Ｐを乗算することで求めることができる。

ωｅ*＝ωｍ*×Ｐ …（２）

制御装置１００は、冷凍サイクル適用機器としての空気調和機を制御する場合、指令情報Ｑｅに基づいて、空気調和機の各部の動作を制御する。指令情報Ｑｅは、例えば、図示しない温度センサで検出された温度、図示しない操作部であるリモコンから指示される設定温度を示す情報、運転モードの選択情報、運転開始及び運転終了の指示情報などである。運転モードとは、例えば、暖房、冷房、除湿などである。

また、運転制御部１０２は、電圧指令値演算部１１５から周波数指令値変更フラグωｅ*_ｃ_ｆｌａｇを受ける。周波数指令値変更フラグωｅ*_ｃ_ｆｌａｇは、論理値であり、周波数指令値ωｅ*の変更の要否を示す情報が付されたフラグである。運転制御部１０２は、周波数指令値変更フラグωｅ*_ｃ_ｆｌａｇの値に応じて、要すれば、指令情報Ｑｅに基づいて生成した周波数指令値ωｅ*の値を変更する。周波数指令値変更フラグωｅ*_ｃ_ｆｌａｇの詳細、及び周波数指令値ωｅ*の値をどのように変更するかについては、後述する。

電流復元部１１１は、電流検出部８４で検出されたコンデンサ出力電流ｉｄｃに基づいて、電動機７に流れる相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを復元する。電流復元部１１１は、電流検出部８４で検出されたコンデンサ出力電流ｉｄｃの検出値を、ＰＷＭ信号生成部１１８で生成されたＰＷＭ信号Ｓｍ１～Ｓｍ６に基づいて定められるタイミングでサンプリングすることによって、相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを復元することができる。なお、出力線３３１～３３３に電流検出器を設け、相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを直接検出して３相２相変換部１１２に入力してもよい。この構成の場合、電流復元部１１１は不要である。

３相２相変換部１１２は、電流復元部１１１で復元された相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを、後述する電気位相演算部１１６で生成された電気位相θｅを用いて、励磁電流であるγ軸電流ｉγ、及びトルク電流であるδ軸電流ｉδ、即ちγ－δ軸の電流値に変換する。

γ軸電流指令値生成部１１３は、δ軸電流ｉδに基づいて、励磁電流指令値であるγ軸電流指令値ｉγ*を生成する。より詳細に説明すると、γ軸電流指令値生成部１１３は、δ軸電流ｉδに基づいて、電動機７の出力トルクが設定値以上もしくは最大値となる電流位相角を求め、求めた電流位相角に基づいて、γ軸電流指令値ｉγ*を演算する。なお、電動機７の出力トルクに代えて、電動機７に流れる電動機電流を用いてもよい。この場合、電動機７に流れる電動機電流が設定値以下もしくは最小値となる電流位相角に基づいて、γ軸電流指令値ｉγ*が演算される。

また、図５では、δ軸電流ｉδに基づいてγ軸電流指令値ｉγ*を求める構成が示されているが、この構成に限定されない。δ軸電流ｉδに代え、γ軸電流ｉγに基づいてγ軸電流指令値ｉγ*を求めてもよい。また、γ軸電流指令値生成部１１３は、弱め磁束制御によってγ軸電流指令値ｉγ*を決定してもよい。

電圧指令値演算部１１５は、運転制御部１０２から取得した周波数指令値ωｅ*と、３相２相変換部１１２から取得したγ軸電流ｉγ及びδ軸電流ｉδと、γ軸電流指令値生成部１１３から取得したγ軸電流指令値ｉγ*とに基づいて、γ軸電圧指令値Ｖγ*及びδ軸電圧指令値Ｖδ*を生成する。また、電圧指令値演算部１１５は、γ軸電圧指令値Ｖγ*と、δ軸電圧指令値Ｖδ*と、γ軸電流ｉγと、δ軸電流ｉδとに基づいて、周波数推定値ωｅｓｔを推定する。更に、電圧指令値演算部１１５は、γ軸電流ｉγと、δ軸電流ｉδと、電流検出部８３から取得した電源電流Ｉｉｎとに基づいて、前述した周波数指令値変更フラグωｅ*_ｃ_ｆｌａｇを生成する。

電気位相演算部１１６は、電圧指令値演算部１１５から取得した周波数推定値ωｅｓｔを積分することで、電気位相θｅを演算する。

２相３相変換部１１７は、電圧指令値演算部１１５から取得したγ軸電圧指令値Ｖγ*及びδ軸電圧指令値Ｖδ*、即ち２相座標系の電圧指令値を、電気位相演算部１１６から取得した電気位相θｅを用いて、３相座標系の出力電圧指令値である３相電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*に変換する。

ＰＷＭ信号生成部１１８は、２相３相変換部１１７から取得した３相電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*と、電圧検出部８２で検出された母線電圧Ｖｄｃとを比較することによって、ＰＷＭ信号Ｓｍ１～Ｓｍ６を生成する。なお、ＰＷＭ信号生成部１１８は、ＰＷＭ信号Ｓｍ１～Ｓｍ６を出力しないようにすることによって、電動機７を停止させることも可能である。

次に、前述した振動抑制制御の実施時において、電源高調波が増加する理由について説明する。図６は、一般的な振動抑制制御の実施時に電源高調波が増加する理由の説明に供する図である。

まず、負荷が、例えばシングルロータリ圧縮機、スクロール圧縮機、ツインロータリ圧縮機といったトルク脈動を有する負荷である場合、振動抑制制御が行われる。一般的な振動抑制制御では、電動機７の出力トルクが圧縮機８のトルク脈動に追従するようにトルク電流補償値を発生させてインバータ３０を制御することが行われる。しかしながら、この制御を単純に行うと、［発明が解決しようとする課題］の項においても説明したように、電源電流Ｉｉｎがその極性の正と負との間でアンバランス状態となり、電源高調波が増加して、電源高調波の一部の次数成分が規格値を超えてしまうという問題が生ずる。

図６には、上段部から順に、電源電圧Ｖｉｎ、電源電流Ｉｉｎ及びコンデンサ出力電流ｉｄｃの波形が示されている。図６の横軸は時間を表している。

図６の中段部には、電源電流Ｉｉｎにおける正側の波形のピーク値と負側の波形のピーク値とが異なる様子、即ち電源電流Ｉｉｎの極性の正負間でピーク値がアンバランスとなる状態が示されている。このようなアンバランスが生じると、下段部に示されるように、コンデンサ出力電流ｉｄｃに脈動が生ずる。これにより、電源電流Ｉｉｎには、多くの高調波成分が含まれるようになる。

上述したように、電動機７のトルク脈動を補償する振動抑制制御を実施すると、電源高調波の一部の次数成分が規格値を超えるおそがある。そこで、実施の形態１に係る電力変換装置２が備える制御装置１００は、振動抑制制御の実施時に電源高調波の次数成分が規格値を超えないように電力変換装置２を動作させる制御を行う。

次に、振動抑制制御の実施時に問題となる電源高調波の周波数成分について説明する。まず、電源電流Ｉｉｎにおける支配的な交流成分を列挙すると、以下の通りである。

・電源１ｆ、電源３ｆ、電源５ｆ
・電源１ｆ－｛電源１ｆ－｜電源１ｆ－駆動周波数｜｝…（３－１）
・電源１ｆ＋｛電源１ｆ－｜電源１ｆ－駆動周波数｜｝…（３－２）
・電源３ｆ－｛電源１ｆ－｜電源１ｆ－駆動周波数｜｝…（３－３）
・電源３ｆ＋｛電源１ｆ－｜電源１ｆ－駆動周波数｜｝…（３－４）
・電源５ｆ－｛電源１ｆ－｜電源１ｆ－駆動周波数｜｝…（３－５）
・電源５ｆ＋｛電源１ｆ－｜電源１ｆ－駆動周波数｜｝…（３－６）
・電源１ｆ－｛電源１ｆ－｜電源１ｆ－駆動周波数×２｜｝…（３－７）
・電源１ｆ＋｛電源１ｆ－｜電源１ｆ－駆動周波数×２｜｝…（３－８）
・電源３ｆ－｛電源１ｆ－｜電源１ｆ－駆動周波数×２｜｝…（３－９）
・電源３ｆ＋｛電源１ｆ－｜電源１ｆ－駆動周波数×２｜｝…（３－１０）
・電源５ｆ－｛電源１ｆ－｜電源１ｆ－駆動周波数×２｜｝…（３－１１）
・電源５ｆ＋｛電源１ｆ－｜電源１ｆ－駆動周波数×２｜｝…（３－１２）

上記において、駆動周波数は、電動機７の機械角での回転速度に対応する周波数である。駆動周波数は、制御装置１００によって制御される電動機７の機械角周波数と同義である。なお、機械角周波数の単位を「Ｈｚ」とし、電動機７の機械角での回転速度の単位を「ｒｐｓ」とするとき、両者の値は等しくなる。

また、上記において、「電源１ｆ」は、電源周波数の１倍、即ち電源周波数と同じ周波数の成分である。また、「電源３ｆ」は電源周波数の３倍の成分であり、「電源５ｆ」は電源周波数の５倍の成分である。また、上記（３－１）～（３－１２）式の各周波数成分は、各々の演算式に従って演算される周波数成分である。例えば、上記（３－１）式は、電源１ｆから駆動周波数を引いた値の絶対値を電源１ｆから引き、その引き算の値を更に電源１ｆから引くことで求めた周波数成分である。なお、上記では、電源１ｆ、電源３ｆ及び電源５ｆに関係する交流成分のみを示しているが、これらは支配的な交流成分の一例であり、これらの例に限定されない。

図７には、電源電流Ｉｉｎにおける支配的な周波数成分のうちで、振動抑制制御の実施時において問題となる電源高調波の周波数成分が次数ごとに区分されて示されている。即ち、図７は、実施の形態１における振動抑制制御の実施時において問題となる電源高調波の周波数成分を示す図である。

図７において、表側には、電動機７の回転速度が５［ｒｐｓ］刻みで０から１００［ｒｐｓ］まで記載され、表頭には、２次から６次までの電源高調波の次数成分が記載されている。なお、電源周波数は５０「Ｈｚ」としている。また、各ｎ次（ｎは２以上の整数）の次数成分は、（ｎ－１）.５次～ｎ.５次までの１１個の高調波成分を含むものとして示されている。例えばｎ＝２、即ち２次の場合、（ｎ－１）.５次～ｎ.５次に対応する周波数は、１.５次（７５［Ｈｚ］）、１.６次（８０［Ｈｚ］）、…、２.０次（１００［Ｈｚ］）、…、２.４次（１２０［Ｈｚ］）、及び２.５次（１２５［Ｈｚ］）の１１個の高調波成分である。

ここで、図７の表の数値の意味について説明する。図７には、回転速度３０［ｒｐｓ］の２次成分として、数値列“８０，１２０（９０，１１０）”が記載されている。括弧が付されていない数値は、駆動周波数×１、即ち駆動周波数の１倍の周波数によって生じる成分であり、括弧が付されている数値は、駆動周波数×２、即ち駆動周波数の２倍の周波数によって生じる成分であることを示している。なお、駆動周波数の２倍の周波数によって生じる成分は、駆動周波数の１倍の周波数によって生じる成分に比べて小さい。

上記の数値列において、数値“８０”は、上記の（３－２）式によって生じる成分である。具体的に、電源１ｆ＝５０［Ｈｚ］、駆動周波数（＝回転速度）＝３０［Ｈｚ］の値を上記（３－２）式に代入すると、５０＋｛５０－｜５０－３０｜｝＝８０［Ｈｚ］が得られる。また、数値“１２０”は、上記の（３－３）式によって生じる成分である。具体的に、電源３ｆ＝１５０［Ｈｚ］、駆動周波数＝３０［Ｈｚ］の値を上記（３－３）式に代入すると、１５０－｛５０－｜５０－３０｜｝＝１２０［Ｈｚ］が得られる。また、括弧内の数値“９０”は、上記の（３－８）式によって生じる成分である。具体的に、電源１ｆ＝５０［Ｈｚ］、駆動周波数×２＝６０［Ｈｚ］の値を上記（３－８）式に代入すると、５０＋｛５０－｜５０－６０｜｝＝９０［Ｈｚ］が得られる。また、括弧内の数値“１１０”は、上記の（３－９）式によって生じる成分である。具体的に、電源３ｆ＝１５０［Ｈｚ］、駆動周波数×２＝６０［Ｈｚ］の値を上記（３－９）式に代入すると、１５０－｛５０－｜５０－６０｜｝＝１１０［Ｈｚ］が得られる。他の表中の成分も同様に説明できる。

圧縮機８が、例えばシングルロータリ圧縮機である場合、前述したように機械角１周期中に１回の脈動が起きる。このようなシングルロータリ圧縮機の場合、０～２５［ｒｐｓ］のような低速域において振動抑制制御を行う場合、電動機７の回転速度が瞬間的に０［ｒｐｓ］まで低下するおそれがあり、このような低速域での運転は困難である。なお、低速域では電源電流Ｉｉｎの大きさ自体が小さいので、電源高調波の次数成分が電源高調波の規格値を超えることは殆どないと考えてよい。

また、２５～４０［ｒｐｓ］の中速域では、振動抑制制御を行いつつ、電動機７の回転速度の維持が可能であるが、電源電流Ｉｉｎは低速域に比べて大きくなる。図７の表中の３０，３５［ｒｐｓ］における回転速度の２次から６次の成分を見ると、電源電流Ｉｉｎの支配的な成分が偶数次に偏っていることが分かる。即ち、電動機７の回転速度が３０，３５［ｒｐｓ］である場合、偶数次の高調波成分が厳しくなることが分かる。なお、電源周波数が５０［Ｈｚ］である場合において、３０，３５［ｒｐｓ］の回転速度は、電源周波数の０．６次、０．７次に相当する。

また、電源周波数の倍数成分である５０，１００，１５０［Ｈｚ］に近い周波数成分ほど、電源高調波の大きさは小さくなる。一方、電動機７の回転速度が電源周波数の倍数成分の中間である２５，７５［ｒｐｓ］の場合、電源高調波の大きさは奇数次及び偶数次共に大きくなり、電源高調波の次数成分が電源高調波規格値を超えるおそれがある。２５，７５［ｒｐｓ］の回転速度は、電源周波数の０．５次、１．５次に相当する。

また、図７の表中の６５，７０［ｒｐｓ］の回転速度に着目すると、３０，３５［ｒｐｓ］の回転速度と同様に、電源電流Ｉｉｎの支配的な成分が偶数次に偏っている。即ち、電動機７の回転速度が６５，７０［ｒｐｓ］である場合も、偶数次の高調波成分が厳しくなることが分かる。６５，７０［ｒｐｓ］の回転速度は、電源周波数の１．３次、１．４次に相当する。

また、図７の表中の８０，８５［ｒｐｓ］の回転速度に着目すると、電源電流Ｉｉｎの支配的な成分が偶数次ではなく奇数次に偏っていることが示されている。８０，８５［ｒｐｓ］の回転速度は、電源周波数の１．６次、１．７次に相当する。

以上のことから、電源電流Ｉｉｎの高調波の次数成分が電源高調波規格を満たすように電動機駆動装置５０を運転させたい場合、以下の駆動周波数を回避して運転する手法が考えられる。

＜回避すべき駆動周波数＞
・電源周波数の０．５～０．８次、及び１．３～１．７次

例えば、電源周波数が５０［Ｈｚ］である場合、電源周波数の０．５～０．８次、及び１．３～１．７次は、２５～４０［Ｈｚ］、及び６５～８５［Ｈｚ］に対応する。また、電源周波数が６０［Ｈｚ］である場合、電源周波数の０．５～０．８次、及び１．３～１．７次は、３０～４８［Ｈｚ］、及び７８～１０２［Ｈｚ］に対応する。

なお、上記で示した電源周波数の範囲については、より厳密的な意味を持たせるため、本稿の後半部において、具体的なシミュレーション結果と共に、回避すべき駆動周波数の好ましい範囲を提示する。

上記では、予め定めた駆動周波数を回避することで、電源電流Ｉｉｎの高調波の次数成分が電源高調波規格を満たすようにする手法について説明したが、他の手法も考えられる。例えば、電源電流Ｉｉｎの高調波の次数成分が電源高調波規格を満たしていなければ、駆動周波数を変更する制御も考えられる。以下、この手法について、詳細に説明する。

まず、図８は、実施の形態１に係る制御装置１００が備える電圧指令値演算部１１５の構成例を示すブロック図である。図８に示すように、電圧指令値演算部１１５は、周波数推定部５０１と、減算部５０２，５０９，５１０と、速度制御部５０３と、振動抑制制御部８００と、電源高調波規格適合判定部５０６と、γ軸電流制御部５１１と、δ軸電流制御部５１２とを備えている。

周波数推定部５０１は、γ軸電流ｉγと、δ軸電流ｉδと、γ軸電圧指令値Ｖγ*と、δ軸電圧指令値Ｖδ*とに基づいて、電動機７に印加される電圧の周波数を推定し、推定した周波数を周波数推定値ωｅｓｔとして出力する。

減算部５０２は、周波数指令値ωｅ*に対する、周波数推定部５０１で推定された周波数推定値ωｅｓｔとの差分（ωｅ*－ωｅｓｔ）を算出する。

速度制御部５０３は、回転座標系におけるトルク電流指令値であるδ軸電流指令値ｉδ*を生成する。より詳細に説明すると、速度制御部５０３は、減算部５０２で算出された差分（ωｅ*－ωｅｓｔ）に対して、比例積分演算、即ちＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御を行って、差分（ωｅ*－ωｅｓｔ）をゼロに近付けるδ軸電流指令値ｉδ*を演算する。

振動抑制制御部８００は、速度制御部５０３から取得したδ軸電流指令値ｉδ*と、周波数推定部５０１から取得した周波数推定値ωｅｓｔとに基づいて、負荷である圧縮機８の振動を抑制する振動抑制制御を行う。この機能を実現するため、振動抑制制御部８００は、δ軸電流指令値生成部５０４と、補償値演算部５０５とを備えている。

補償値演算部５０５は、周波数推定値ωｅｓｔに基づいて、振動抑制制御の補償値であるδ軸電流補償値ｉδ_ｔｒｑ*を生成する。具体的には、補償値演算部５０５は、電動機７の出力トルクが圧縮機８の負荷トルクの周期的変動に追従するようにδ軸電流補償値ｉδ_ｔｒｑ*を生成する。δ軸電流補償値ｉδ_ｔｒｑ*は、周波数推定値ωｅｓｔの脈動成分、特に周波数がωｍｎである脈動成分を抑制するための制御量の成分である。ここで、「周波数推定値ωｅｓｔの脈動成分、特に周波数がωｍｎである脈動成分」とは、周波数推定値ωｅｓｔを表す値である直流量の脈動成分、特に脈動周波数がωｍｎである脈動成分を意味する。なお、ｍは直流量に関係するパラメータであり、ｎは電動機７が駆動する負荷である圧縮機８を示すパラメータである。ｎについては、例えば、圧縮機８がシングルロータリ圧縮機である場合は１とし、ツインロータリ圧縮機である場合は２とする。このｎは３以上であってもよい。なお、本稿では、δ軸電流補償値ｉδ_ｔｒｑ*を「トルク電流補償値」又は単に「補償値」と呼ぶことがある。

δ軸電流指令値生成部５０４は、δ軸電流指令値ｉδ*と、δ軸電流補償値ｉδ_ｔｒｑ*とに基づいて、δ軸電流指令値ｉδ**を生成する。δ軸電流指令値ｉδ**は、δ軸電流補償値ｉδ_ｔｒｑ*によって補償されたトルク電流指令値である。なお、本稿において、δ軸電流指令値ｉδ*及びδ軸電流指令値ｉδ**を符号無しで区別する場合には、δ軸電流指令値ｉδ*を「第１のδ軸電流指令値」と呼び、δ軸電流指令値ｉδ**を「第２のδ軸電流指令値」と呼ぶ。

電源高調波規格適合判定部５０６は、γ軸電流ｉγと、δ軸電流ｉδと、γ軸電圧指令値Ｖγ*と、δ軸電圧指令値Ｖδ*と、電源電流Ｉｉｎとに基づいて、周波数指令値変更フラグωｅ*_ｃ_ｆｌａｇを生成する。前述したように、周波数指令値変更フラグωｅ*_ｃ_ｆｌａｇは、周波数指令値ωｅ*の変更の要否を示す情報が付されたフラグである。なお、本稿では、「電源高調波規格適合判定部」を、単に「適合判定部」と呼び、周波数指令値変更フラグωｅ*_ｃ_ｆｌａｇを、単に「フラグ」と呼ぶことがある。

減算部５０９は、γ軸電流指令値ｉγ*に対するγ軸電流ｉγの差分（ｉγ*－ｉγ）を算出する。減算部５１０は、δ軸電流指令値ｉδ**に対するδ軸電流ｉδの差分（ｉδ**－ｉδ）を算出する。

γ軸電流制御部５１１は、減算部５０９で算出された差分（ｉγ*－ｉγ）に対して比例積分演算を行って、差分（ｉγ*－ｉγ）をゼロに近付けるγ軸電圧指令値Ｖγ*を生成する。γ軸電流制御部５１１は、このようなγ軸電圧指令値Ｖγ*を生成することで、γ軸電流ｉγをγ軸電流指令値ｉγ*に一致させる制御を行う。

δ軸電流制御部５１２は、減算部５１０で算出された差分（ｉδ**－ｉδ）に対して比例積分演算を行って、差分（ｉδ**－ｉδ）をゼロに近付けるδ軸電圧指令値Ｖδ*を生成する。δ軸電流制御部５１２は、このようなδ軸電圧指令値Ｖδ*を生成することで、δ軸電流ｉδをδ軸電流指令値ｉδ**に一致させる制御を行う。前述したように、δ軸電流制御部５１２に入力されるδ軸電流指令値ｉδ**には、補償値演算部５０５から取得したδ軸電流補償値ｉδ_ｔｒｑ*が含まれている。従って、δ軸電流制御部５１２が、δ軸電流補償値ｉδ_ｔｒｑ*に基づいて生成したδ軸電圧指令値Ｖδ*に基づいてインバータ３０を制御することで、コンデンサ出力電流ｉｄｃの脈動を抑制することができる。

次に、補償値演算部５０５の構成について説明する。図９は、実施の形態１に係る電圧指令値演算部１１５が備える補償値演算部５０５の構成例を示すブロック図である。補償値演算部５０５は、演算部５５０と、余弦演算部５５１と、正弦演算部５５２と、乗算部５５３，５５４と、ローパスフィルタ５５５，５５６と、減算部５５７，５５８と、周波数制御部５５９，５６０と、乗算部５６１，５６２と、加算部５６３とを備える。

演算部５５０は、周波数推定値ωｅｓｔを積分し、極対数Ｐで除算することによって電動機７の回転位置を示す機械角位相θｍｎを算出する。余弦演算部５５１は、機械角位相θｍｎに基づいて、余弦値ｃｏｓθｍｎを算出する。正弦演算部５５２は、機械角位相θｍｎに基づいて、正弦値ｓｉｎθｍｎを算出する。

乗算部５５３は、周波数推定値ωｅｓｔに余弦値ｃｏｓθｍｎを乗算し、周波数推定値ωｅｓｔの余弦成分ωｅｓｔ・ｃｏｓθｍｎを算出する。乗算部５５４は、周波数推定値ωｅｓｔに正弦値ｓｉｎθｍｎを乗算し、周波数推定値ωｅｓｔの正弦成分ωｅｓｔ・ｓｉｎθｍｎを算出する。乗算部５５３，５５４で算出される余弦成分ωｅｓｔ・ｃｏｓθｍｎ及び正弦成分ωｅｓｔ・ｓｉｎθｍｎには、周波数がωｍｎである脈動成分の他、周波数がωｍｎより高い周波数の脈動成分、即ち高調波成分が含まれている。

ローパスフィルタ５５５，５５６は、伝達関数が１／（１＋ｓ・Ｔｆ）で表される一次遅れフィルタである。ここで、ｓはラプラス演算子である。Ｔｆは時定数であり、周波数ωｍｎよりも高い周波数の脈動成分を除去するように定められる。なお、「除去」には、脈動成分の一部が減衰、即ち低減される場合が含まれるものとする。時定数Ｔｆについては、速度指令値に基づいて運転制御部１０２で設定され、運転制御部１０２がローパスフィルタ５５５，５５６に通知してもよいし、ローパスフィルタ５５５，５５６が保持していてもよい。ローパスフィルタ５５５，５５６については、一次遅れフィルタは一例であって、移動平均フィルタなどであってもよいし、高周波側の脈動成分を除去できればフィルタの種類は限定されない。

ローパスフィルタ５５５は、余弦成分ωｅｓｔ・ｃｏｓθｍｎに対してローパスフィルタリングを行なって、周波数ωｍｎよりも高い周波数の脈動成分を除去し、低周波数成分ωｅｓｔ_ｃを出力する。低周波数成分ωｅｓｔ_ｃは、周波数推定値ωｅｓｔの脈動成分のうち、周波数がωｍｎである余弦成分を表す直流量である。

ローパスフィルタ５５６は、正弦成分ωｅｓｔ・ｓｉｎθｍｎに対してローパスフィルタリングを行なって、周波数ωｍｎよりも高い周波数の脈動成分を除去し、低周波数成分ωｅｓｔ_ｓを出力する。低周波数成分ωｅｓｔ_ｓは、周波数推定値ωｅｓｔの脈動成分のうち、周波数がωｍｎである正弦成分を表す直流量である。

減算部５５７は、ローパスフィルタ５５５から出力された低周波数成分ωｅｓｔ_ｃとゼロとの差分（ωｅｓｔ_ｃ－０）を算出する。減算部５５８は、ローパスフィルタ５５６から出力された低周波数成分ωｅｓｔ_ｓとゼロとの差分（ωｅｓｔ_ｓ－０）を算出する。

周波数制御部５５９は、減算部５５７で算出された差分（ωｅｓｔ_ｃ－０）に対して比例積分演算を行って、差分（ωｅｓｔ_ｃ－０）をゼロに近付ける電流指令値の余弦成分ｉδ_ｔｒｑ_ｃを算出する。周波数制御部５５９は、このようにして余弦成分ｉδ_ｔｒｑ_ｃを生成することで、低周波数成分ωｅｓｔ_ｃをゼロに一致させるための制御を行う。

周波数制御部５６０は、減算部５５８で算出された差分（ωｅｓｔ_ｓ－０）に対して比例積分演算を行って、差分（ωｅｓｔ_ｓ－０）をゼロに近付ける電流指令値の正弦成分ｉδ_ｔｒｑ_ｓを算出する。周波数制御部５６０は、このようにして正弦成分ｉδ_ｔｒｑ_ｓを生成することで、低周波数成分ωｅｓｔ_ｓをゼロに一致させるための制御を行う。

乗算部５６１は、周波数制御部５５９から出力された余弦成分ｉδ_ｔｒｑ_ｃに余弦値ｃｏｓθｍｎを乗算してｉδ_ｔｒｑ_ｃ・ｃｏｓθｍｎを生成する。ｉδ_ｔｒｑ_ｃ・ｃｏｓθｍｎは、周波数ｎ・ωｅｓｔを持つ交流成分である。

乗算部５６２は、周波数制御部５６０から出力された正弦成分ｉδ_ｔｒｑ_ｓに正弦値ｓｉｎθｍｎを乗算してｉδ_ｔｒｑ_ｓ・ｓｉｎθｍｎを生成する。ｉδ_ｔｒｑ_ｓ・ｓｉｎθｍｎは、周波数ｎ・ωｅｓｔを持つ交流成分である。

加算部５６３は、乗算部５６１から出力されたｉδ_ｔｒｑ_ｃ・ｃｏｓθｍｎと、乗算部５６２から出力されたｉδ_ｔｒｑ_ｓ・ｓｉｎθｍｎとの和を求める。補償値演算部５０５は、加算部５６３で求められたものを、δ軸電流補償値ｉδ_ｔｒｑ*として出力する。

次に、電源高調波規格適合判定部５０６の構成について説明する。図１０は、実施の形態１に係る電圧指令値演算部１１５が備える電源高調波規格適合判定部５０６の構成例を示すブロック図である。電源高調波規格適合判定部５０６は、電源高調波規格値演算部７０１と、次数成分演算部７０２と、判定部７０３とを備える。

電源高調波規格値演算部７０１は、γ軸電流ｉγと、δ軸電流ｉδと、γ軸電圧指令値Ｖγ*と、δ軸電圧指令値Ｖδ*とに基づいて、電源高調波規格値Ｉｉｎ_ｌｉｍ_ｎを演算する。電源高調波規格値Ｉｉｎ_ｌｉｍ_ｎは、ある特定の周波数成分が電源高調波規格を満たしているかを判定するための閾値である。電源高調波規格値Ｉｉｎ_ｌｉｍ_ｎは、判定部７０３に入力される。

次数成分演算部７０２は、電流検出部８３から取得した電源電流Ｉｉｎに基づいて、電源電流Ｉｉｎに含まれる特定の次数の高調波成分である次数成分Ｉｉｎ_ｎを演算する。次数成分演算部７０２が演算する次数成分Ｉｉｎ_ｎは、電源高調波規格値演算部７０１が演算する電源高調波規格値Ｉｉｎ_ｌｉｍ_ｎと比較するためのものであり、それぞれの高調波成分の次数は同じである。次数成分Ｉｉｎ_ｎは、判定部７０３に入力される。

図１１は、実施の形態１に係る判定部７０３の動作説明に供するフローチャートである。判定部７０３は、電源高調波規格値演算部７０１から電源高調波規格値Ｉｉｎ_ｌｉｍ_ｎを受領し、次数成分演算部７０２から次数成分Ｉｉｎ_ｎを受領する（ステップＳ１１）。判定部７０３は、１又は複数の特定の次数成分Ｉｉｎ_ｎと、対応する電源高調波規格値Ｉｉｎ_ｌｉｍ_ｎとを比較し（ステップＳ１２）、１又は複数の特定の次数成分Ｉｉｎ_ｎに対し、全ての次数成分Ｉｉｎ_ｎにおいて、Ｉｉｎ_ｎ＜Ｉｉｎ_ｌｉｍ_ｎが成り立つか否かを判定する（ステップＳ１３）。全ての次数成分Ｉｉｎ_ｎにおいて、Ｉｉｎ_ｎ＜Ｉｉｎ_ｌｉｍ_ｎが成り立つ場合（ステップＳ１３，Ｙｅｓ）、電源高調波規格値演算部７０１は、周波数指令値変更フラグωｅ*_ｃ_ｆｌａｇに論理値０を設定し（ステップＳ１４）、設定した周波数指令値変更フラグωｅ*_ｃ_ｆｌａｇを出力する（ステップＳ１６）。一方、全ての次数成分Ｉｉｎ_ｎにおいて、Ｉｉｎ_ｎ＜Ｉｉｎ_ｌｉｍ_ｎが成り立たない場合（ステップＳ１３，Ｎｏ）、即ち少なくとも１つの次数成分Ｉｉｎ_ｎにおいて、Ｉｉｎ_ｎ≧Ｉｉｎ_ｌｉｍ_ｎが成り立つ場合には、周波数指令値変更フラグωｅ*_ｃ_ｆｌａｇに論理値１を設定し（ステップＳ１５）、設定した周波数指令値変更フラグωｅ*_ｃ_ｆｌａｇを出力する（ステップＳ１６）。ここでの論理値１は、周波数指令値ωｅ*の変更を指示する情報である。

なお、図１１のフローでは、全ての次数成分Ｉｉｎ_ｎにおいて、Ｉｉｎ_ｎ＜Ｉｉｎ_ｌｉｍ_ｎが成り立つ場合には論理値０を設定し、少なくとも１つの次数成分Ｉｉｎ_ｎにおいて、ｉｎ_ｌｉｍ_ｎ≧Ｉｉｎ_ｌｉｍ_ｎが成り立つ場合には論理値１を設定しているが、この処理に限定されない。全ての次数成分Ｉｉｎ_ｎにおいて、Ｉｉｎ_ｎ＜Ｉｉｎ_ｌｉｍ_ｎが成り立つ場合には論理値１を設定し、少なくとも１つの次数成分Ｉｉｎ_ｎにおいて、ｉｎ_ｎ≧Ｉｉｎ_ｌｉｍ_ｎが成り立つ場合には論理値０を設定してもよい。即ち、両者を識別できるのであれば、どのような論理値を設定してもよい。

次に、電源高調波規格値演算部７０１について説明する。図１２は、実施の形態１に係る電源高調波規格適合判定部５０６が備える電源高調波規格値演算部７０１の構成例を示すブロック図である。電源高調波規格値演算部７０１は、電動機電力演算部７５１と、電流高調波限度値演算部７５２と、係数乗算部７５３とを備える。

まず、電動機電力演算部７５１は、以下の（４）式を用いて電動機電力Ｗを演算する。

Ｗ＝Ｖγ*・ｉγ＋Ｖδ*・ｉδ …（４）

電流高調波限度値演算部７５２は、電動機電力Ｗに基づいて電流高調波限度値を演算する。係数乗算部７５３は、電流高調波限度値演算部７５２が演算した電流高調波限度値に対して、どの程度のマージンを見込んだ値とするかを決める係数Ｋ１を乗算する。係数乗算部７５３による演算結果は、前述した電源高調波規格値Ｉｉｎ_ｌｉｍ_ｎとして出力される。

次に、電流高調波限度値演算部７５２による具体的な演算例を説明する。図１３は、実施の形態１に係る電源高調波規格値演算部７０１が備える電流高調波限度値演算部７５２の演算処理の説明に供する図である。図１３には、ＪＩＳ_Ｃ_６１０００－３－２に規定されている６００Ｗ超の空気調和機に適用する限度値の計算手順を示す表が示されている。具体的に、図１３の左側には、３次～３９次までの奇数次高調波の最大許容高調波電流の計算式と、２次～４０次までの偶数次高調波の最大許容高調波電流の計算式とが示されている。例えば、５次の最大許容高調波電流は、上記（４）式を用いて演算した電動機電力Ｗを“１．１４＋０．０００７０（Ｗ－６００）”の式に代入して電流高調波限度値を計算する。なお、式中の数値“１．１４”については、機器の定格電圧に基づき、右側の枠内に示されている換算式を用いて換算する。計算例が示されているように、定格電圧が１００Ｖである場合には“１．１４”に代えて“２．６２”を使用し、定格電圧が２００Ｖである場合には“１．１４”に代えて“１．３１”を使用する。また、定格電圧が２００Ｖ、２３０Ｖ、２４０Ｖの場合には、“１．１４”をそのまま使用する。

なお、図１３は一例であり、電流高調波限度値の演算はこの例に限定されない。γ軸電圧指令値Ｖγ*及びδ軸電圧指令値Ｖδ*に代えて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ*、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ*、ｄ軸電流ｉｄ及びｑ軸電流ｉｑを用いて演算してもよい。また、電動機電力演算部７５１と電流高調波限度値演算部７５２との間にＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）を入れ、電動機電力Ｗの演算値に含まれる高調波を除去してから、上述した演算を行ってもよい。また、図１３では、２次～４０次までの高調波成分の演算を行っているが、これらの高調波成分に加え、４０次を超える高調波成分の演算を行ってもよい。

次に、次数成分演算部７０２について説明する。図１４は、実施の形態１に係る電源高調波規格適合判定部５０６が備える次数成分演算部７０２の構成例を示すブロック図である。次数成分演算部７０２は、第１の演算ブロック７０２－１と、第２の演算ブロック７０２－２とを備える。

第１の演算ブロック７０２－１は、電源電流Ｉｉｎに基づいて、（ｎ－１）.５次～ｎ.５次（ｎは２以上の整数）の実効値Ｉｉｎ_ｘを演算する。例えばｎ＝３、即ち３次の高調波成分の場合、（ｎ－１）.５次～ｎ.５次の高調波成分は、２.５次、２.６次、…、３.０次、…、３.４次、及び３.５次の１１個の高調波成分である。第１の演算ブロック７０２－１では、高調波成分の周波数に同期した位相角θｘの余弦値ｃｏｓθｘ及び正弦値ｓｉｎθｘが電源電流Ｉｉｎの検出値に乗算され、ローパスフィルタを通すことで直交成分Ｉｉｎ_ｃ，Ｉｉｎ_ｓが演算される。更に、直交成分Ｉｉｎ_ｃ，Ｉｉｎ_ｓの２乗平方根が演算され、１／√２を乗算することで、（ｎ－１）.５次～ｎ.５次の実効値Ｉｉｎ_ｘが演算される。

第２の演算ブロック７０２－２では、（ｎ－１）.５次～ｎ.５次の各々の実効値Ｉｉｎ_ｘが２乗され、それらの２乗値を加算した加算値の平方根を演算することで、次数成分Ｉｉｎ_ｎが演算される。なお、加算処理においては、１１個の高調波成分の両端に位置する（ｎ－１）.５次及びｎ.５次の成分は、隣接する次数間で重複するため、１／２を乗算してから加算される。

なお、図１４の演算例は一例であり、次数成分Ｉｉｎ_ｎの演算はこの例に限定されない。各次の高調波成分を更に細かく区分して演算してもよい。また、電流高調波限度値の演算と同様に、４０次を超える高調波成分の演算を行ってもよい。

次に、運転制御部１０２について説明する。図１５は、実施の形態１に係る制御装置１００が備える運転制御部１０２の構成例を示すブロック図である。運転制御部１０２は、周波数指令決定部７６０を備える。周波数指令決定部７６０は、周波数指令値変更フラグωｅ*_ｃ_ｆｌａｇの値に応じて、要すれば周波数指令値ωｅ*を変更する制御を行う。

図１６は、実施の形態１に係る周波数指令決定部７６０の動作説明に供するフローチャートである。周波数指令決定部７６０は、電圧指令値演算部１１５から周波数指令値変更フラグωｅ*_ｃ_ｆｌａｇを受領する（ステップＳ２１）。周波数指令決定部７６０は、周波数指令値変更フラグωｅ*_ｃ_ｆｌａｇの内容を確認する（ステップＳ２２）。周波数指令値変更フラグωｅ*_ｃ_ｆｌａｇが論理値１である場合（ステップＳ２２，Ｙｅｓ）、周波数指令決定部７６０は、周波数指令値ωｅ*を変更する（ステップＳ２３）。一方、周波数指令値変更フラグωｅ*_ｃ_ｆｌａｇが論理値１ではない場合（ステップＳ２２，Ｎｏ）、即ち周波数指令値変更フラグωｅ*_ｃ_ｆｌａｇが論理値０である場合、周波数指令決定部７６０は、周波数指令値ωｅ*を変更せず、現在の周波数指令値ωｅ*を維持する（ステップＳ２４）。周波数指令決定部７６０は、ステップＳ２３で変更された周波数指令値ωｅ*、又はステップＳ２４で維持された周波数指令値ωｅ*を電圧指令値演算部１１５に出力する（ステップＳ２５）。

なお、ステップＳ２３において、周波数指令値ωｅ*の変更には、どのような手法が用いられてもよい。例えば、予め設定されたステップ幅で周波数指令値ωｅ*を変更してもよい。但し、前述した回避すべき駆動周波数の範囲内での運転が継続しないように、周波数指令値ωｅ*を変更すべきことは言うまでも無い。

次に、速度制御部５０３及びδ軸電流指令値生成部５０４について説明する。図１７は、実施の形態１に係る電圧指令値演算部１１５が備える速度制御部５０３及びδ軸電流指令値生成部５０４の構成例を示すブロック図である。なお、図１７では、前段の減算部５０２も含めている。

速度制御部５０３は、前述した回転座標系におけるδ軸電流指令値ｉδ*を生成する。具体的に、速度制御部５０３は、比例制御部６１１と、積分制御部６１２と、加算部６１３と、を備える。比例制御部６１１は、減算部５０２から取得した、周波数指令値ωｅ*と周波数推定値ωｅｓｔとの差分（ωｅ*－ωｅｓｔ）に対して比例制御を行い、比例項ｉδ_ｐ*を出力する。積分制御部６１２は、減算部５０２から取得した、周波数指令値ωｅ*と周波数推定値ωｅｓｔとの差分（ωｅ*－ωｅｓｔ）に対して積分制御を行い、積分項ｉδ_ｉ*を出力する。加算部６１３は、比例制御部６１１から取得した比例項ｉδ_ｐ*と、積分制御部６１２から取得した積分項ｉδ_ｉ*とを加算して、δ軸電流指令値ｉδ*を生成する。

また、δ軸電流指令値生成部５０４は、制限部５０４ａと、振動抑制部５０４ｂと、を備える。

制限部５０４ａは、記憶部６３１と、選択部６３２と、リミッタ６３３と、を備える。記憶部６３１は、リミッタ値ｉδ_ｌｉｍ１，ｉδ_ｌｉｍ２を記憶している。即ち、制限部５０４ａは、リミッタ値ｉδ_ｌｉｍ１，ｉδ_ｌｉｍ２を有している。選択部６３２は、記憶部６３１に記憶されているリミッタ値ｉδ_ｌｉｍ１，ｉδ_ｌｉｍ２の何れかを選択し、リミッタ値ｉδ_ｌｉｍとする。リミッタ６３３は、速度制御部５０３で生成されたδ軸電流指令値ｉδ*に対して、リミッタ値ｉδ_ｌｉｍで制限したものをδ軸電流指令値ｉδ_ｌｉｍ*として出力する。

リミッタ値ｉδ_ｌｉｍ１は、電動機７の回転速度が低速領域の場合において、電動機７の電流値に基づいて制限をかけることを想定したものである。このリミッタ値ｉδ_ｌｉｍ１は、電動機７の相電流に対する電流制限値、及びγ軸電流ｉγに基づいて規定することができる。また、リミッタ値ｉδ_ｌｉｍ２は、電動機７の回転速度が中高速領域の場合において、電動機７の電圧値に基づいて制限をかけることを想定したものである。リミッタ値ｉδ_ｌｉｍ２は、γδ軸電圧の制限値、回転座標系のγ軸及びδ軸インダクタンス、γ軸電流ｉγ、電動機７のγδ軸磁束鎖交数及び角周波数ωｅに基づいて規定することができる。

なお、リミッタ値ｉδ_ｌｉｍ１，ｉδ_ｌｉｍ２の算出式は公知であり、ここでの更なる説明は割愛する。また、制限部５０４ａは、リミッタ値ｉδ_ｌｉｍ１，ｉδ_ｌｉｍ２について、自身で演算して求めたものを記憶部６３１に記憶させてもよいし、外部、例えば、運転制御部１０２から取得して記憶部６３１に記憶させてもよい。

振動抑制部５０４ｂは、δ軸電流指令値ｉδ_ｌｉｍ*、リミッタ値ｉδ_ｌｉｍ及びδ軸電流補償値ｉδ_ｔｒｑ*を用いて、δ軸電流指令値ｉδ**を生成する。具体的に、振動抑制部５０４ｂは、減算部６４１と、リミッタ６４３と、加算部６４４とを備える。

減算部６４１は、制限部５０４ａから取得したリミッタ値ｉδ_ｌｉｍとδ軸電流指令値ｉδ_ｌｉｍ*との差分を算出し、δ軸電流補償値ｉδ_ｔｒｑ*に対するリミッタ値ｉδ_ｔｒｑ_ｌｉｍを算出する。

リミッタ６４３は、δ軸電流補償値ｉδ_ｔｒｑ*に対して、リミッタ値ｉδ_ｔｒｑ_ｌｉｍで制限したものをリミッタ後のδ軸電流補償値ｉδ_ｔｒｑ_ｌｉｍ*として出力する。加算部６４４は、δ軸電流指令値ｉδ_ｌｉｍ*と、リミッタ後のδ軸電流補償値ｉδ_ｔｒｑ_ｌｉｍ*とを加算して、δ軸電流指令値Ｉδ**を生成する。

図１７に示す例では、δ軸電流指令値生成部５０４は、前端に制限部５０４ａを設け、後段に振動抑制部５０４ｂを設けている。これにより、δ軸電流指令値生成部５０４は、速度指令に追従できる分のδ軸電流指令を確保しつつ、余っている分を振動抑制制御のδ軸電流指令に使うことができる。

図１８は、実施の形態１に係る速度制御部５０３及び制限部５０４ａの動作説明に供するフローチャートである。速度制御部５０３は、周波数指令値ωｅ*と周波数推定値ωｅｓｔとの差分（ωｅ*－ωｅｓｔ）からδ軸電流指令値ｉδ*を生成する（ステップＳ３１）。制限部５０４ａは、リミッタ値ｉδ_ｌｉｍがδ軸電流指令値ｉδ*より小さい場合（ステップＳ３２，Ｎｏ）、積分制御部６１２の積分項ｉδ_ｉ*を低減させる（ステップＳ３３）。具体的に、制限部５０４ａのリミッタ６３３は、「ｉδ_ｉ*＝ｉδ_ｌｉｍ－ｉδ_ｐ*」、即ち積分項ｉδ_ｉ*の値をｉδ_ｌｉｍ－ｉδ_ｐ*にすることを速度制御部５０３の積分制御部６１２に指示する。一方、リミッタ値ｉδ_ｌｉｍがδ軸電流指令値ｉδ*以上の場合（ステップＳ３２：Ｙｅｓ）、制限部５０４ａのリミッタ６３３は、積分制御部６１２には指示をせず、速度制御部５０３から出力されるδ軸電流指令値ｉδ*を、リミッタ後のδ軸電流指令値ｉδ_ｌｉｍ*として、出力する（ステップＳ３４）。

図１９は、実施の形態１に係る電動機駆動装置５０において振動抑制制御を最大限に働かせたときに発生し得る電源高調波の偶数次の次数成分を規格値と比較したシミュレーション結果を示す図である。具体的に、図１９には、上段側から順に、２次高調波成分、４次高調波成分及び６次高調波成分の振幅値と、対応する規格値とが示されている。図１９の横軸は回転速度を表している。規格値は、４次高調波成分における２０［ｒｐｓ］の回転速度を基準値、即ち“１”としている。また、４次高調波成分における他の回転速度の規格値、並びに、２次高調波成分及び６次高調波成分の規格値は、この基準値を基準にした値としている。このため、縦軸の数値は、各々の高調波成分ごとに異なっている。

図１９の各波形から理解できるように、次数成分が規格値を超えるのは、４次高調波が最も厳しい条件となる。そこで、図１９の中段部の波形に着目し、次数成分が規格値を超える回転速度をそれぞれＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとする。これらの値は、図１９にも示すように、以下の値となる。

Ａ＝２７［ｒｐｓ］＝０．５４次
Ｂ＝３７［ｒｐｓ］＝０．７４次
Ｃ＝６３［ｒｐｓ］＝１．２６次
Ｄ＝７８［ｒｐｓ］＝１．５６次

これらの数値は、図７の表に基づいて説明した数値と若干異なるが、ほぼ同等の値である。本稿では、次数成分が規格値を超えるのを確実に回避できるように、回避すべき駆動周波数の好ましい範囲は、以下の範囲とする。

＜回避すべき駆動周波数＞
・電源周波数の０．５～０．７５次、及び１．２５～１．６次

以上説明したように、実施の形態１に係る電力変換装置によれば、負荷の振動を抑制する振動抑制制御の実施時に、電動機は、電動機の駆動周波数が、継続的に電源電圧の周波数である電源周波数の０．５から０．７５次、及び１．２５から１．６次の範囲内とはならないように駆動される。これにより、電力変換装置は、電動機のトルク脈動を補償しつつ、電源高調波の次数成分が規格値を超えないように電動機を動作させることが可能となる。

また、実施の形態１に係る電力変換装置によれば、制御装置は、電動機の駆動周波数が電源周波数の０．５から０．７５次、又は１．２５から１．６次の範囲内となる場合には、駆動周波数がそれらの範囲外の値となるように、駆動周波数に対応する周波数指令値を変更する。これにより、電源高調波の次数成分が規格値を超えない制御を確実に実施することが可能となる。

また、実施の形態１に係る電力変換装置によれば、電源高調波規格への適合が制御装置の自動的な制御によって実施されるので、コンバータ及びコンバータ周辺の回路定数に関する調整が簡易になり、安価で信頼性が高く、開発負荷の小さい電動機駆動装置を得ることが可能となる。

更に、実施の形態１に係る電力変換装置によれば、電源高調波の低減により、電源力率も上昇するので、無駄な電流を流す必要がなくなる。これにより、コンバータ側の効率を上昇させることができ、且つインバータ及び電動機側に流す電流もより小さくできるので、効率の高い電動機駆動装置を得ることが可能となる。

なお、上記の制御において、振動抑制制御を行う振動抑制制御部は、交流電源とコンバータとの間に流れる電源電流が電源高調波規格を満たしているかを判定したフラグを生成する適合判定部と、フラグの値に応じて、要すれば周波数指令値を変更する運転制御部と、を備えた構成とすることができる。

上記の制御におけるフラグは、電源電流の特定の次数成分が電源高調波規格を満たしているかを判定するための閾値である電源高調波規格値と、電源電流に基づいて演算される高調波の次数成分との比較結果に基づいて生成されることでよい。このフラグには、少なくとも１つの次数成分が電源高調波規格値を超えた場合に、周波数指令値の変更を指示する情報が付されることでよい。このようなフラグを用いれば、運転制御部において、周波数指令値の変更の可否を容易に判断することができる。

次に、電力変換装置２が備える制御装置１００のハードウェア構成について説明する。図２０は、実施の形態１に係る電力変換装置２が備える制御装置１００を実現するハードウェア構成の一例を示す図である。制御装置１００は、プロセッサ２０１及びメモリ２０２により実現される。

プロセッサ２０１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）ともいう）、又はシステムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）である。メモリ２０２は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ－Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリを例示できる。またメモリ２０２は、これらに限定されず、磁気ディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、又はＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）でもよい。

実施の形態２．
図２１は、実施の形態２に係る冷凍サイクル適用機器９００の構成例を示す図である。実施の形態２に係る冷凍サイクル適用機器９００は、実施の形態１で説明した電力変換装置２を備える。実施の形態２に係る冷凍サイクル適用機器９００は、空気調和機、冷蔵庫、冷凍庫、ヒートポンプ給湯器といった冷凍サイクルを備える製品に適用することが可能である。なお、図２１において、実施の形態１と同様の機能を有する構成要素には、実施の形態１と同一の符号を付している。

冷凍サイクル適用機器９００は、実施の形態１における電動機７を内蔵した圧縮機９０１と、四方弁９０２と、室内熱交換器９０６と、膨張弁９０８と、室外熱交換器９１０とが冷媒配管９１２を介して取り付けられている。

圧縮機９０１の内部には、冷媒を圧縮する圧縮機構９０４と、圧縮機構９０４を動作させる電動機７とが設けられている。

冷凍サイクル適用機器９００は、四方弁９０２の切替動作により暖房運転又は冷房運転をすることができる。圧縮機構９０４は、可変速制御される電動機７によって駆動される。

暖房運転時には、実線矢印で示すように、冷媒が圧縮機構９０４で加圧されて送り出され、四方弁９０２、室内熱交換器９０６、膨張弁９０８、室外熱交換器９１０及び四方弁９０２を通って圧縮機構９０４に戻る。

冷房運転時には、破線矢印で示すように、冷媒が圧縮機構９０４で加圧されて送り出され、四方弁９０２、室外熱交換器９１０、膨張弁９０８、室内熱交換器９０６及び四方弁９０２を通って圧縮機構９０４に戻る。

暖房運転時には、室内熱交換器９０６が凝縮器として作用して熱放出を行い、室外熱交換器９１０が蒸発器として作用して熱吸収を行う。冷房運転時には、室外熱交換器９１０が凝縮器として作用して熱放出を行い、室内熱交換器９０６が蒸発器として作用し、熱吸収を行う。膨張弁９０８は、冷媒を減圧して膨張させる。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 交流電源、２ 電力変換装置、４ リアクタ、７ 電動機、８ 圧縮機、１０ コンバータ、２０ コンデンサ、２２ａ，２２ｂ 直流母線、３０ インバータ、５０ 電動機駆動装置、８２ 電圧検出部、８３，８４ 電流検出部、１００ 制御装置、１０２ 運転制御部、１１０ インバータ制御部、１１１ 電流復元部、１１２ ３相２相変換部、１１３ γ軸電流指令値生成部、１１５ 電圧指令値演算部、１１６ 電気位相演算部、１１７ ２相３相変換部、１１８ ＰＷＭ信号生成部、２０１ プロセッサ、２０２ メモリ、３１０ インバータ主回路、３１１～３１６ スイッチング素子、３２１～３２６ 整流素子、３３１～３３３ 出力線、３５０ 駆動回路、５０１ 周波数推定部、５０２，５０９，５１０，５５７，５５８，６４１ 減算部、５０３ 速度制御部、５０４ δ軸電流指令値生成部、５０４ａ 制限部、５０４ｂ 振動抑制部、５０５ 補償値演算部、５０６ 電源高調波規格適合判定部、６３１ 記憶部、６３２ 選択部、６３３，６４３ リミッタ、５１１ γ軸電流制御部、５１２ δ軸電流制御部、５５０ 演算部、５５１ 余弦演算部、５５２ 正弦演算部、５５３，５５４，５６１，５６２ 乗算部、５５５，５５６ ローパスフィルタ、５５９，５６０ 周波数制御部、５６３，６１３，６４４ 加算部、６１１ 比例制御部、６１２ 積分制御部、７０１ 電源高調波規格値演算部、７０２ 次数成分演算部、７０２－１ 第１の演算ブロック、７０２－２ 第２の演算ブロック、７０３ 判定部、７５１ 電動機電力演算部、７５２ 電流高調波限度値演算部、７５３ 係数乗算部、７６０ 周波数指令決定部、８００ 振動抑制制御部、９００ 冷凍サイクル適用機器、９０１ 圧縮機、９０２ 四方弁、９０４ 圧縮機構、９０６ 室内熱交換器、９０８ 膨張弁、９１０ 室外熱交換器、９１２ 冷媒配管、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ ダイオード。

Claims (6)

1. 負荷を駆動する電動機に交流電力を供給する電力変換装置であって、
   交流電源から印加される電源電圧を整流するコンバータと、
   前記コンバータの出力端に接続されるインバータと、
   を備え、
   前記電動機は、前記負荷の振動を抑制する振動抑制制御の実施時に、前記電動機の駆動周波数が、継続的に前記電源電圧の周波数である電源周波数の０．５から０．７５次、及び１．２５から１．６次の範囲内とはならないように駆動される
   電力変換装置。
2. 前記インバータの動作を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、前記駆動周波数が前記電源周波数の０．５から０．７５次、又は１．２５から１．６次の範囲内となる場合には、前記駆動周波数がそれらの範囲外の値となるように前記駆動周波数に対応する周波数指令値を変更する
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御装置は、
   前記振動抑制制御を行う振動抑制制御部と、
   前記交流電源と前記コンバータとの間に流れる電源電流が電源高調波規格を満たしているかを判定したフラグを生成する適合判定部と、
   前記フラグの値に応じて、要すれば前記周波数指令値を変更する運転制御部と、
   を備える請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記フラグは、前記電源電流の特定の次数成分が電源高調波規格を満たしているかを判定するための閾値である電源高調波規格値と、前記電源電流に基づいて演算される高調波の次数成分との比較結果に基づいて生成され、
   少なくとも１つの前記次数成分が前記電源高調波規格値を超えた場合、前記フラグには、前記周波数指令値の変更を指示する情報が付される
   請求項３に記載の電力変換装置。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載の電力変換装置を備える電動機駆動装置。
6. 請求項１から４の何れか１項に記載の電力変換装置を備える冷凍サイクル適用機器。

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