JPWO2016167041A1 - モータ駆動装置 - Google Patents
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Abstract
Description
このモータ駆動装置は、受電設備(キュービクルともいう)に接続される。受電設備は、商用三相交流電源の電圧をモータ駆動装置などの機器の運転に見合う電圧に変換する。また、受電設備には、商用三相交流電源への高調波電流の流出量を制限するための規制値が設定される。この規制値の大きさは、受電設備の受電容量に対応する。
この高調波電流の規制に伴い、高調波電流を抑制するための例えば高調波抑制装置(多パルス整流器等)がモータ駆動装置に搭載される。あるいは、モータ駆動装置のコンバータとして昇圧型のPWMコンバータ(PMW : Pulse Width Modulation)が採用され、そのPWMコンバータのスイッチング制御によって高調波電流の発生量が抑制される。
また、PWMコンバータはスイッチングによる電力損失が大きいため、PWMコンバータを採用した場合には電力変換効率の低下を招くという問題がある。また、受電設備の容量や同じ受電設備に接続されている各種負荷によって規制値が異なる。モータ駆動装置が容量の小さな受電設備に接続された場合や、同じ受電設備に接続された負荷の容量が大きい高調波を制御できないインバータ装置を備えた他の機器がある場合には、モータ駆動装置から発生する高調波をできるだけ低減することが望まれる。
また、本実施形態に係るモータ駆動装置の前記制御手段は、前記コンバータが昇圧する電圧値を設定するために、交流電源の電圧値を検出する電源電圧検出手段を備えている。
また、本実施形態に係るモータ駆動装置の前記コンバータが昇圧する電圧値は、交流電源電圧の実効値の√2倍近傍の値である。
さらに、本実施形態に係るモータ駆動装置の前記コンバータが昇圧する電圧値は、交流電源電圧の実効値の√2倍の98%〜102%の範囲である。
さらにまた、本実施形態に係るモータ駆動装置の前記コンバータは、パルス幅変調された所定周期のPWM信号により断続的にオンするスイッチング素子を有するPWMコンバータである。
また、本実施形態に係るモータ駆動装置の前記交流電源は、商用三相交流電源である。
図1に示すように、三相交流電源1に受電設備2が接続され、その受電設備2に本実施形態のモータ駆動装置3が接続されている。そして、モータ駆動装置3の出力端には、直流モータたとえばブラシレスDCモータ(モータ)5が接続されている。受電設備2には、三相交流電源1側への高調波電流の流出量を制限するための規制値が設定されている。この規制値の大きさは、受電設備2の受電容量に比例し、受電容量が大きければ大きくなる。ブラシレスDCモータ5は、設備機器たとえばヒートポンプ式熱源機の圧縮機を駆動するものである。ブラシレスDCモータ5は、複数の相巻線Lu,Lv,Lwを有するステータ(電機子)5a、および複数たとえば4極の永久磁石が埋設されたロータ(回転子)5bを含む。ロータ5bは、相巻線Lu,Lv,Lwに電流が流れることにより生じる磁界とステータ5aの各永久磁石が作る磁界との相互作用により、回転する。
なお、これらの指示・指令は、一般に上位側の制御器、例えば、空調機であれば、空調制御器からコントローラ70に送られてくる。
使用者や設備業者は、モード切替部88のスイッチの位置を手動操作によって変更することで、常に高調波を低減する第1モードと必要時に高調波を低減する第2モードとを切り替えることができる。なお、モード切替部88を、手動操作するのではなく、外部からの通信によって第1モードと第2モードとの切り替えを可能に構成しても良い。
また、電源電圧Vpが190Vの場合には、高調波電流Ihは、PWMコンバータ10の出力電圧Vcの上昇に伴って減少し、出力電圧Vcが265V付近で最も低下した後、増加に転じる。その後、高調波電流Ihは、出力電圧Vcの上昇に伴って増加し、出力電圧Vcが279V付近で高調波電流Ihが一旦ピークとなり、さらに出力電圧Vcの上昇に伴って再び減少に転じる。以後、高調波電流Ihは、出力電圧Vcの上昇に伴い減少していく。そして、出力電圧Vcが292V付近で、高調波電流Ihは、最初に最も低下したところ、すなわち、出力電圧Vcが265V付近の時と同レベルまで低下する。なお、これ以上に出力電圧Vcを増加させるとその増加に伴って高調波電流Ihはさらに低下していく。
また、図3に示すようにモータ負荷の変化は、高調波電流Ihの大きさには影響するが、出力電圧Vcに対する高調波電流Ihの変化の傾向には影響しない。
ここでは、第1電圧値Vc1として、高調波電流Ihが小さく、かつ昇圧電圧の低い無負荷時の全波整流での電圧値近傍の280V(電源電圧Vp×√2×99%)が設定されている。上述のとおり、PWMコンバータ10の無負荷時の全波整流での出力電圧Vcの値近傍である第1電圧値Vc1まで昇圧すれば、ブラシレスDCモータ5の全負荷領域にわたり高調波電流Ihが制限値Ihsを下回る。このため、以後は、ブラシレスDCモータ5の回転数Nを上昇させるためのインバータ40の弱め界磁制御を必要とする場合を除き、PWMコンバータ10の昇圧電圧を変更する必要はない。
最初にモード切替部88で制御内容が複雑な第2モードが設定された場合から説明する。モータ駆動装置3の停止中は、PWMコンバータ10のスイッチングは停止したままで、全波整流の状態にある。この状態において電源電圧検出部78により電源電圧Vp(実効値)が検出される。続いて、外部からの運転制御指令による運転開始(ON)後、第1比較部72aは、高調波電流検出部75の検出する高調波電流値(高調波電流Ih)と制限値設定部76内の制限値Ihsとを比較する。第1比較部72aの比較結果が“高調波電流Ih≦制限値Ihs”の場合には、PWMコンバータ10のスイッチングの停止を継続する。PWMコンバータ10のスイッチング動作を停止させて、昇圧しない全波整流での運転を行うことでPWMコンバータ10のスイッチングによるロスを低減できる。
そして、第1比較部72aの比較結果が“高調波電流Ih>制限値Ihs”となった場合、続いて、第2比較部72bは、モータ回転数指令値Nsが予め上限回転数記憶部89に記憶されている回転数N1を超えているか否かを判定して、インバータ制御部73による弱め界磁制御の実施が必要な領域にあるか否か(進み角θ>0)を判定する。
一方、コンバータ制御部72は、第2比較部72bの比較結果が“モータ回転数指令値Ns>回転数N1”となった時は、インバータ40が弱め界磁制御を必要とする状態にあると判断し、第2電圧値Vc2を昇圧の目標値としてPWMコンバータ10をスイッチング動作させる。
そこで、このようなずれによる制御の不安定を招かないために、コンバータ制御部72は、PWMコンバータ10の出力電圧Vcを第2電圧値Vc2から第1電圧値Vc1に低下させるための条件として、モータ回転数指令値Ns及び実際のブラシレスDCモータ5の回転数Nの両方が(回転数N1−ΔN)より小さくなったことを第5比較部72eの判断条件としても良い。この判断条件は、モータの回転数Nが弱め界磁制御を加える必要がない回転数Nとして、モータ回転数指令値Ns及び実際のブラシレスDCモータ5の回転数Nの両方が(回転数N1−ΔN)より小さい、という条件を用いたものである。
その上で、コンバータ制御部72は、この時点の回転数Nを比較値Ncとしてモータ回転数記憶部90に記憶させる。すなわち、モータ回転数記憶部90は、実運転の環境下で、PWMコンバータ10の出力電圧Vcが第1電圧値Vc1の運転中に、弱め界磁制御を行わなければならなくなる回転数を比較値Ncとして記憶する。そして、第5比較部72eでは、この比較値Ncと実際の運転中の回転数Nを比較しているため、コンバータ制御部72は、より確実に実運転状態における弱め界磁制御の要否(入り・切り)の時期が判断できることになる。
続いて、モード切替部88で、運転中はできるだけ高調波電流Ihを発生させない第1モードが設定された場合のPWMコンバータ10の動作を、図8を用いて説明する。
運転開始の昇圧後の動作は、第2モードと同じであり、上述以外の構成は、第1モードにおいても使用される。
出力電圧目標を第1電圧値Vc1としてPWMコンバータ10の運転中に、モータ5の目標回転数がN1以上となる高速度運転域(回転数N>回転数N1)になると、第2モードの場合と同様に、ブラシレスDCモータ5の回転数Nをさらに上昇させるため、コンバータ制御部72は、PWMコンバータ10の出力電圧Vcの目標値を、第1電圧値Vc1からより高い第2電圧値Vc2に変更して、PWMコンバータ10をスイッチング動作させる。以下、PWMコンバータ10が第2電圧値Vc2以上の電圧値を目標として運転している間や第2電圧値Vc2から第1電圧値Vc1への切り換えにおける各部の動作は、第2モードでの運転中と同じであるため、説明を省略する。
Claims (7)
- 交流電源の電圧を全波整流して直流変換する、またはスイッチングにより昇圧して直流変換するコンバータと、
前記コンバータの出力電圧を交流電圧に変換し、その交流電圧をモータに供給するインバータと、
前記コンバータから流出する高調波電流を検出する高調波電流検出手段と、
第1モードと第2モードを設定可能なモード切替手段と、
前記モード切替手段に第1モードが設定された場合、前記インバータによるモータの運転中は、常に前記コンバータに昇圧を行わせ、前記モード切替手段に第2モードが設定された場合、前記高調波電流検出手段の検出する高調波電流が制限値に達しないうちは前記コンバータのスイッチングを停止して全波整流で直流変換を行わせ、前記高調波電流検出手段の検出する高調波電流が前記制限値に達した場合に、前記コンバータに昇圧を行わせる制御手段と、
を備えることを特徴とするモータ駆動装置。 - 前記制御手段は、前記コンバータが昇圧する電圧値を設定するために、交流電源の電圧値を検出する電源電圧検出手段を備えたことを特徴とする請求項1に記載のモータ駆動装置。
- 交流電源の電圧をスイッチングにより昇圧して直流変換するコンバータと、
前記コンバータの出力電圧を交流電圧に変換し、その交流電圧をモータに供給するインバータと、
交流電源の電圧値を検出する電源電圧検出手段と、
この電源電圧検出手段の検出電圧に応じて前記インバータによるモータの運転中に前記コンバータが昇圧する電圧値を設定する制御手段と、
を備えることを特徴とするモータ駆動装置。 - 前記コンバータが昇圧する電圧値は、交流電源電圧の実効値の√2倍近傍の値であることを特徴とする請求項2または3に記載のモータ駆動装置。
- 前記コンバータが昇圧する電圧値は、交流電源電圧の実効値の√2倍の98%〜102%の範囲であることを特徴とする請求項4に記載のモータ駆動装置。
- 前記コンバータは、パルス幅変調された所定周期のPWM信号により断続的にオンするスイッチング素子を有するPWMコンバータであることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか記載のモータ駆動装置。
- 前記交流電源は、商用三相交流電源であることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか記載のモータ駆動装置。
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