JPWO2017009907A1 - モータ制御装置、圧縮機、及び空気調和機 - Google Patents

Abstract

モータ３０を制御するモータ制御装置２００であって、モータ３０の負荷トルクを検知する負荷トルク検知手段２６と、負荷トルク検知手段２６の検知情報に基づいてモータ３０に流れる電流を制御する電流補正手段２７と、を有し、電流補正手段２７は、負荷トルク検知手段２６が検知した負荷トルクが増加するほどモータ３０に流れる電流を増加させる。

Description

本発明は、各種モータの駆動を制御する機能を備えたモータ制御装置、圧縮機、及び空気調和機に関するものである。

従来から、空気調和機等に設けられる圧縮機のモータを可変速制御するために、整流回路から出力される直流電圧を所定の周期でオン・オフして交流電圧に変換するインバータ回路を備えた空気調和機があった。空気調和機を構成する圧縮機のモータは、高効率化が重視されるため、圧縮機のモータとしては、回転子構造に希土類永久磁石を内部に配置したモータ（以下、永久磁石同期モータと称する）が用いられることが多い。

ここで従来、回転子の永久磁石の磁極位置を位置センサ等によって検出し、電流を検出した磁極位相に基づいて、永久磁石同期モータの回転数を制御する方式が提案されている。また従来、磁束センサを用いないで永久磁石同期モータの回転数を制御する方式（以後、位置センサレス制御と称する）等が提案されている（例えば特許文献１）。特許文献１に記載の位置センサレス制御は、例えば、空気調和機の圧縮機の内部が高温且つ高圧状態であるために圧縮機の内部に磁束センサを設置することができないような場合に適用される。

特開２００３−２５９６８０号公報

しかしながら、従来の空気調和機においては、圧縮機が液冷媒を吸入した場合、モータの負荷トルクが急激に変動してモータが出力可能なトルクを超え、同期はずれ（以下、脱調と称する）という現象が発生して機器が異常停止するという課題があった。

また、特許文献１に記載の位置センサレス制御方式を用いて、モータを制御する場合、回転子の磁極位置を直接検出していないために脱調が生じやすいという課題があった。なお、通常、液冷媒はアキュームレータに溜まるため、圧縮機が液冷媒を吸入することはないが、室外機熱交換器の霜取運転時等において、液冷媒が、アキュームレータに溜められる液冷媒の許容値を超えてアキュームレータに導入されると、圧縮機が液冷媒を吸入することで負荷トルクが急変してモータが脱調する場合がある。

本発明は、上述のような課題を背景としてなされたものであり、モータの負荷トルクが増加した場合における脱調を回避して運転を継続させることができるモータ制御装置、圧縮機、及び空気調和機を得ることを目的としている。

本発明に係るモータ制御装置は、モータを制御するモータ制御装置であって、前記モータの負荷トルクを検知する負荷トルク検知手段と、前記負荷トルク検知手段の検知情報に基づいて前記モータに流れる電流を制御する電流補正手段と、を有し、前記電流補正手段は、前記負荷トルク検知手段が検知した負荷トルクが増加するほど前記モータに流れる電流を増加させるものである。

本発明に係る圧縮機は、本発明のモータ制御装置によって制御される前記モータを備えたものである。

本発明に係る空気調和機は、本発明の圧縮機と、前記モータの電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段によって検出される電流値が電流基準値以上である場合に前記モータ制御装置を停止させる過電流保護手段と、を備えたものである。

本発明によれば、電流補正手段は、負荷トルク検知手段が検知した負荷トルクが増加するほどモータに流れる電流を増加させるため、モータの負荷トルクが増加した場合における脱調を回避して運転を継続させることができる。

本発明の実施の形態１に係る空気調和機１００及びモータ制御装置２００の回路構成及び制御ブロック図を示す概念図である。 本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置２００の磁束ベクトル制御を構成するベクトル図である。 本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置２００の負荷トルク検知手段２６の閾値設定手法の一例を示す概念図である。 本発明の実施の形態２に係る空気調和機１００及びモータ制御装置２００の回路構成と制御ブロック図を示す概念図である。 本発明の実施の形態２に係るモータ制御装置２００の磁束ベクトル制御を構成するベクトル図である。 本発明の実施の形態２に係るモータ制御装置２００の通常時におけるモータ電流と実効値を示した図である。 本発明の実施の形態２に係るモータ制御装置２００のモータロック時におけるモータ電流と実効値を示した図である。 本発明の実施の形態２に係るモータ制御装置２００のモータ欠相時におけるモータ電流と実効値を示した図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。ここで、図１を含む以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。そして、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、明細書に記載された形態に限定するものではない。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る空気調和機１００及びモータ制御装置２００の回路構成及び制御ブロック図を示す概念図である。図２は本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置２００の磁束ベクトル制御を構成するベクトル図である。

図１に示されるように、空気調和機１００は、平滑コンデンサ１０と、インバータ回路１１と、電流検出手段１３と、ゲート駆動回路１４と、過電流保護手段１５と、モータ３０を有する圧縮機２９と、凝縮器３１と、減圧装置３２と、蒸発器３３と、を備える。空気調和機１００は、交流電源の電圧をダイオードブリッジ回路等によって交流電力から直流電力へとＡＣ−ＤＣ変換することでインバータ回路１１への直流の入力電圧を得る。

平滑コンデンサ１０は、整流された際の電圧の脈動を平滑化するものである。インバータ回路１１は、平滑コンデンサ１０により平滑された直流電圧を交流電圧に変換してモータ３０を駆動するものである。インバータ回路１１は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体により構成されたスイッチング素子１２と、スイッチング素子１２がオフされた場合において逆向きの電流（還流電流）を流すための還流用ダイオード素子と、をそれぞれ６個ずつ備える。インバータ回路１１のスイッチング素子１２は、例えば、炭化珪素素子、窒化ガリウム系の素子、又はダイヤモンド素子によって構成される。インバータ回路１１の出力配線はモータ３０に接続されており、インバータ回路１１の出力配線には電流検出手段１３が設けられている。

電流検出手段１３は、例えば、モータ３０に流れる三相電流の全相を検出し、インバータ回路１１の出力配線を流れる電流に応じた電圧又は電流信号を出力するものである。電流検出手段１３は、例えば、モータ３０の電流を検出する電流センサ等で構成されている。電流検出手段１３が検出したモータ３０の電流瞬時値は、マイクロコンピュータ等においてデジタル変換されて内部に取り込まれる。

なお、電流検出手段１３は、モータ３０に流れる２相電流を検出し、検出した２相電流の瞬時値を加算して加算したものを−１倍して残りの１相電流を算出してもよい。また、電流検出手段１３は、一般的にホール素子等が内蔵されているものであれば、流れる電流に応じた磁束を検知して電圧に変換するといったものでもよい。

過電流保護手段１５は、電流検出手段１３によって検出された電流値が予め定められた電流基準値を超えた場合に空気調和機１００の動作を一旦停止させるものであり、インバータ回路１１を保護する機能を有する。モータ３０が永久磁石同期モータで構成される場合には、固定子巻線に一定以上の電流が流れた場合に回転子の永久磁石磁束を弱める減磁と呼ばれる現象が発生する。また、モータ３０が永久磁石同期モータで構成される場合には、固定子巻線に一定以上の電流が流れた場合にインバータ回路１１のＩＧＢＴでの損失が大きくなる。

そこで、上記電流基準値は、例えば、上述した減磁と呼ばれる現象を抑制する観点でモータ３０の減磁レベルに応じて決定される。また、上記電流基準値は、例えば、インバータ回路１１のＩＧＢＴでの損失が大きくなることを抑制する観点で決定される。過電流保護手段１５は、例えば、上述の２つの電流基準値のうち小さい方を超えた場合に、空気調和機１００の動作を一旦停止させる。

なお、過電流保護手段１５は、電子回路等によってハードウェア的に構成するか、又はマイクロコンピュータ等に電流検出信号を入力してデジタル変換処理を行ってソフトウェア的に保護する手段で構成される。過電流保護手段１５が、ソフトウェアによる過電流保護手段１５で構成される場合には、自由に閾値を変更でき、また様々な演算処理を実施することができるため、設計の自由度が広がる。

圧縮機２９は、吸入された冷媒を圧縮して高温及び高圧の冷媒として吐出する、可変容量の圧縮機である。圧縮機２９はモータ３０を備えている。モータ３０は、例えば、省エネ性が高い回転子に永久磁石を用いた構造を有するモータ（永久磁石同期モータ）で構成される。凝縮器３１は、圧縮機２９から吐出された冷媒を凝縮液化する熱交換器である。

減圧装置３２は、凝縮器３１において凝縮液化された冷媒を減圧膨張するものである。蒸発器３３は、減圧装置３２から流出した冷媒を蒸発ガス化するものである。圧縮機２９と、凝縮器３１と、減圧装置３２と、蒸発器３３と、が各々冷媒配管によって順次接続されることで冷凍サイクル装置が構成される。

図１に示されるように、モータ制御装置２００は、座標変換手段２０と、回転数指令生成手段２１と、積分手段２２と、γ軸電流指令テーブル２３と、周波数補償手段２４と、電圧指令演算手段２５と、負荷トルク検知手段２６と、電流補正手段２７と、逆座標変換手段２８と、を備える。

モータ制御装置２００は、電流検出手段１３が検出した電流値に基づいてモータ３０を所望の回転数で制御するようにゲート駆動回路１４を制御する。ゲート駆動回路１４から出力される信号に基づいてＩＧＢＴのゲート―エミッタ端子間に電圧が印可されると、ＩＧＢＴのコレクタ―エミッタ間が導通してモータ３０に対して電圧が印可される。

モータ制御装置２００は、例えば、モータ３０が永久磁石同期モータで構成される場合に、磁束センサ等を用いて永久磁石の磁極位相を検出し、当該磁極位相に基づいて電流を制御する。しかしながら、モータ３０のように内部が高温及び高圧状態になるような環境下において磁束センサを設置することは容易ではないため、空気調和機１００は、位置センサを用いない位置センサレス制御を行うことが多い。本実施の形態１においては、永久磁石同期モータの位置センサレス制御方式の一例として、モータで生じる一次磁束を定められた軸上に一定に保つように出力電圧を制御する磁束ベクトル制御方式について以下説明する。

座標変換手段２０は、モータ回転速度に同期した位相θに基づいて、電流検出手段１３によって検出したモータ３０に流れる三相交流電流を直流電流に変換するものである。座標変換手段２０は、位相θに基づいて、モータ３０で発生する磁束を生成する励磁成分電流Ｉγと、励磁成分電流Ｉγに直交しモータ３０のトルク成分に寄与するトルク成分電流Ｉδと、を出力する。図２に示されるように、モータ３０の永久磁石磁束方向をｄ軸とし、ｄ軸に対して直交する軸をｑ軸とすると、本磁束ベクトル制御で用いるγ―δ軸はｄ−ｑ軸に対してΔθだけずれた位置に制御軸を生成して動作している。

回転数指令生成手段２１は、空気調和機１００が所望の冷凍能力を得るようにモータ３０の回転数の指令値を演算する。また、回転数指令生成手段２１は、より冷凍能力を必要とするような状態、例えば高温度の外気状態での冷房運転時等において、モータ３０の回転数が大きくなるように演算する。回転数指令生成手段２１は、例えば、マイクロコンピュータ等によって構成されている。なお、回転数指令生成手段２１は、モータ３０の回転数だけでなく、ファンモータ回転数、減圧装置３２の絞り開度等各アクチュエータを制御するようにしてもよい。

以下に、座標変換に用いるγ―δ軸で回転する位相θを得る手段について説明する。

式（１）で示すように、モータの回転数は、モータに印可される正弦波電圧の周波数ｆに比例して変化することが知られている。
［数１］
Ｎ［ｍｉｎ^−１］ ＝ １２０×ｆ／ｐ ・・・（１）

ここで、Ｎは１分間あたりのモータの回転数を表しており、単位は［ｍｉｎ^−１］である。ｆはモータに印可される電圧周波数、すなわち本実施の形態１であればインバータ回路１１によって発生する３相交流電圧の周波数［Ｈｚ］である。ｐはモータ３０の磁極の数（以下、極数と称する）である。

式（１）で示されるように、モータの回転数はインバータ出力電圧の周波数に比例し、モータの回転数は極数に反比例する関係となる。このことから、インバータ出力電圧の周波数を制御することでモータの回転数が制御できることが分かる。モータ制御装置２００は、回転数指令生成手段２１が生成した回転数の指令値に対し、比例した電圧周波数を発生させるようにインバータ回路１１を制御する。

ここで、磁束ベクトル制御の特徴の一つとして、上述した回転数指令生成手段２１の指令値から演算される電気角速度を時間積分することでモータ３０の回転数と同期した位相θが得られることが挙げられる。そして、本実施の形態１では、後述する周波数補償手段２４を用いることで、さらに安定にモータ３０を回転できるよう最終的な位相θを得ることができる。

次に周波数補償手段２４の詳細な動作について説明する。周波数補償手段２４は前述した回転数指令値に対して、負荷トルク変動時においても安定に位相追従できるように角速度ωを補償する役割を担う。

例えば、圧縮機２９の吐出圧力が高くなってモータ３０の負荷トルクが増加した場合には、前述したトルク成分電流Ｉδも同様に増加する一方、瞬時的にみれば実際のモータ３０の磁極位相が遅れ位相となる。このとき、周波数補償手段２４は、制御軸であるγ―δ軸を実際の磁極位置に合わせて遅れ位相となるように、トルク成分電流Ｉδに比例した値を用いて負帰還動作させ周波数を補償するように動作させる。これにより、磁極位置を見失うことなく脱調を回避でき、モータ３０を安定に回転させることができる。

また例えば、圧縮機２９の吐出圧力が低くなってモータ３０の負荷トルクが低下した場合には、モータ３０の磁極位置が進み位相となる。このとき、周波数補償量も低減することから、γ−δ軸上で制御しているモータ３０の一次磁束Φも進み位相となるため、磁極位置を見失うことなく安定にモータ３０を回転させることができる。周波数補償手段２４で行う演算式を式（２）に示す。
［数２］
ω ＝ ２×π×ｆ − Ｋ×Ｉδ ・・・（２）
ここで角速度ωは周波数補償手段２４によって補償された最終の角速度である。ｆは圧縮機回転数指令により得られるインバータ出力周波数である。Ｋはトルク成分電流Ｉδに対する周波数補償量の比例ゲインである。

周波数補償ゲインＫを大きくすると、より過敏にトルク変動に対して追従できるが、周波数補償ゲインＫが大きすぎると、制御が不安定となるため、予め最適な値を設定しておく。この周波数補償ゲインＫは、各運転パターンに対して最適な値となるようにマイクロコンピュータ等によってテーブル値として保持しておいてもよい。またここでは、トルク成分電流Ｉδは座標変換された値を用いているが、フィルタリング処理を行い、所定の時定数成分のみ効果を出すような構成としてもよい。

電圧指令演算手段２５では、モータ３０で発生する一次磁束の磁束指令値Φ＊と前述の動作によって得られたＩγ、Ｉδ、モータ３０の抵抗成分、インダクタンス成分、誘起電圧定数、及び角速度ωを用いて、モータ３０で発生する総磁束がγ軸上に予め定められた基準値になるように、磁束指令値Φ＊と演算された一次磁束Φとの差分である磁束誤差Φｅｒｒをフィードバックするような新たな項をモータ電圧方程式に追加し、γ−δ軸で生成すべき電圧指令値Ｖγ＊、Ｖδ＊を得る。ここでモータ３０の抵抗成分、インダクタンス成分、誘起電圧定数等は、固有の値であるため、事前に測定してマイクロコンピュータ等に保持しておく。

本実施の形態１においては、γ軸上に所定の一定磁束を保持するように磁束ベクトル制御を行う。磁束指令値Φ＊はモータ３０が最も効率的に動作するようなポイントを予め測定しておきテーブルとして保持しておくことで、モータ３０を効率的に駆動することができる。

例えば、テーブル化する入力値としてトルク成分電流Ｉδを採用し、各トルク成分電流Ｉδに対して最適な磁束指令値Φ＊を作成して保持するようにする。なお、テーブル化する入力値としてモータ３０の回転数を採用し、モータ３０に対して最適な磁束指令値Φ＊を作成して保持するようにしてもよい。また、一層演算を簡略化するために磁束指令値Φ＊による演算を近似して、Ｉγを指令値として磁束ベクトル制御を構成してもよい。

本実施の形態１では、Ｉγの指令値がγ軸電流指令テーブル２３によって最適な値を予め保持された構成を一例として説明する（γ軸電流指令値Ｉγ＊を補正する電流補正手段２７についての詳細動作については後述する）。

逆座標変換手段２８は、電圧指令演算手段２５によって得られたγ―δ軸上の電圧指令値に基づいて、２軸の直流量を三相交流量に変換して三相交流の電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を得る。なお、逆座標変換手段２８で用いる位相θは、座標変換手段２０と同一の位相θとなる。電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊は、三相正弦波電圧信号であるため、インバータ回路１１のＩＧＢＴ素子をオン・オフするためのＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕａｔｉｏｎ）信号となる。ゲート駆動回路１４は、インバータ回路１１のＩＧＢＴ素子のゲートを駆動するために、Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊から生成されるＰＷＭ信号を±１５Ｖ程度に増幅してＩＧＢＴのゲート―エミッタ間に電圧を印可する。

本実施の形態１では、前述した構成によりモータ３０の一次磁束を予め定められた一定の値かつγ軸上に保つように制御することで、所望の冷凍能力を得るための回転数で圧縮機２９を駆動することができ、永久磁石同期モータの磁極位置センサを用いなくてもモータ３０の回転数を制御することができる。

次に負荷トルク検知手段２６の動作を説明する。上述したように負荷トルクが増加するにつれてトルク成分電流Ｉδが増加するため、負荷トルクの状態はＩδによって検知できるといえる。このＩδが予め定められた所定値を超えた場合に、前述のγ軸電流指令テーブル２３によって決まる指令値に対して、さらに電流値を加算するように、すなわちＩγを大きくすることでモータ３０が脱調しないように制御する。

Ｉδの閾値は、圧縮機２９の通常の運転範囲内では電流補正手段２７が動作せず、圧縮機２９の運転範囲外において負荷トルクが大きくなった場合に電流補正手段２７が動作するように決定される。このようにＩδの閾値を決定することで、圧縮機２９の通常の運転範囲内ではγ軸電流指令テーブル２３の指令値が補正されることはない。したがって、圧縮機２９の通常運転範囲内においては高効率での運転を確保し、冷媒の液バック時等の高負荷トルク条件下のみ脱調しないように空気調和機１００の運転を継続することができる。

なお、圧縮機２９の通常の運転範囲内とは、例えば、モータ３０の負荷トルクが最も大きくなるような過負荷運転を指している。また、圧縮機２９の運転範囲外の条件とは、例えば、冷媒が液バックして圧縮機２９に吸入された場合等を指している。

また、Ｉδの閾値は、一定値ではなくＩδの変化量から決定するようにしてもよい。このようにすれば、事前に負荷トルクの増大の傾向を早期に検知でき、かつノイズ等を誤検知し、圧縮機２９を通常運転範囲内で動作させることができる。

以下に、Ｉδの変化量によって負荷トルク増加を検知する手段について説明する。本制御は、例えば、マイクロコンピュータ等によって行われるものであり、マイクロコンピュータ等は、制御周期毎にＩδを演算し、現在検出しているＩδの検出値、前回値を１サンプリング時間毎にそれぞれの値をメモリに格納し、以下の式（３）のようにそれぞれの差分を算出することでＩδの変化量を求める。
［数３］
Ｉδ変化量＝ 現在Ｉδ検出値 − 前回値 ・・・（３）

図３は本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置２００の負荷トルク検知手段２６の閾値設定手法の一例を示す概念図である。図３の横軸には時間が規定されており、図３の縦軸にはトルク成分電流Ｉδが規定されている。

空気調和機１００が通常運転を行っている場合には、以下の２つの条件（４）及び条件（５）が同時に成立した場合、又はいずれか一方の条件を満足した場合に、圧縮機２９の運転範囲外の負荷トルクが発生したものとして、電流補正手段２７が動作する。
［数４］
現在Ｉδ検出値 ＞ 閾値Ａ ・・・（４）
［数５］
Ｉδ変化量 ＞ 閾値Ｂ ・・・（５）

閾値Ａは、圧縮機２９の通常運転範囲におけるＩδの最大値又は最大値を上回る値に設定される。閾値Ｂは、通常運転範囲内におけるモータ３０のトルクリプルによって発生するトルク成分電流Ｉδの最大変化量又は最大変化量を上回る値に設定される。閾値Ａ及び閾値Ｂの値は、例えば、事前に実機試験を行うことでそれぞれの値を測定して設定されている。トルク成分電流Ｉδの変化量の算出方法については、前述のとおりマイクロコンピュータ等によって検出する１サンプリング時間あたりの検出値の差分を用いる。モータ３０の負荷トルクが増大すればトルク成分電流Ｉδも増加することが一般的に知られているため、閾値Ｂは、変化量が＋側の値が設定されている。

次に電流補正手段２７について説明する。電流補正手段２７は、負荷トルク検知手段２６が検知した負荷トルクが増加するほどモータ３０に流れる電流を増加させるものである。電流補正手段２７は、負荷トルク検知手段２６によって検出した圧縮機２９の通常運転範囲外の負荷トルク状態のときに、γ軸電流指令テーブル２３による電流指令値からさらに電流指令値を増加させるように動作する。なお、電流指令値を増加させる手段としては、例えば、制御周期毎に予め定められた一定の電流指令値を加算することで行われる。モータ３０の負荷トルクが増加しなくなり、Ｉδが、例えば、条件（４）及び条件（５）のうち少なくとも何れかを満足しなくなった場合には、電流補正手段２７は、加算された電流指令値を減算し、元のγ軸電流指令テーブル２３から得られるＩγ電流指令値に戻す制御を行う。

本実施の形態１に係るモータ制御装置２００は、例えば低外気状態等において液冷媒が圧縮機２９に吸入される液バック状態が発生し負荷トルクが急激に増加した状態であっても、γ軸電流指令値を増大させることによりモータ３０に流れる電流が増加してモータ３０が加熱され、圧縮機２９内の液冷媒を気化させることができる。

なお、モータ３０が何らかの異常により回転軸が固定されるようなロック故障が発生した場合には、モータ３０に過大な電流が流れてモータ３０の固定子巻線温度が発熱する場合がある。特に、圧縮機２９の低回転数領域においてモータ３０がロック故障すると、モータ３０に印可されているインバータ出力電圧が小さいために、過電流保護手段１５が動作しない電流範囲で運転が継続される可能性がある。その結果、長時間運転を継続することで、固定子巻線の温度が許容値以上になる場合がある。

しかしながら、本実施の形態１によれば、モータ３０を制御するモータ制御装置２００であって、モータ３０の負荷トルクを検知する負荷トルク検知手段２６と、負荷トルク検知手段２６の検知情報に基づいてモータ３０に流れる電流を制御する電流補正手段２７と、を有し、電流補正手段２７は、負荷トルク検知手段２６が検知した負荷トルクが増加するほどモータ３０に流れる電流を増加させる。このため、圧縮機２９の低回転数領域でのモータロック故障状態であっても、負荷トルク検知手段２６によってロック状態を早期に検知して電流補正手段２７が動作してモータ３０に流れる電流を増加させるため、γ軸電流が大きくなり過電流保護手段１５を動作させることができ、固定子巻線の温度上昇が巻線許容温度を超える前に空気調和機１００を安全に停止させることができる。したがって、モータ３０の負荷トルクが増加した場合における脱調を回避して運転を継続させることができる。

なお、本実施の形態１においては、永久磁石同期モータの位置センサレス制御方式として、磁束ベクトル制御を一例として説明したが、他の位置センサレス制御方式を採用し、負荷トルク検知手段２６によって圧縮機２９の通常運転範囲外の負荷トルクを検知した場合に各電流の指令値を補正するようにしてもよい。このようにしても、モータ３０の脱調を回避して運転を継続させることができる。

また、低外気状態などにおいて液冷媒が圧縮機２９に吸入される液バック状態が発生し負荷トルクが急激に増加した状態であっても、γ軸電流指令値を増大させることによりモータ３０に過大な電流が流れてモータ３０が加熱される。このため、冷媒の液バックを抑制することができ、モータ３０のロック故障において空気調和機１００を停止させることができる。

実施の形態２．
本実施の形態２においては、実施の形態１とは異なり、負荷トルク検知手段２６として、座標変換されたＩδではなく、実効値算出手段２６ａ、不平衡算出手段２６ｂ、力率算出手段２６ｃを用いるようにしたものである。なお、本実施の形態２に係る空気調和機１００は、実施の形態１とは異なる構成及び動作について説明し、実施の形態１の空気調和機１００と同一の構成部材については同一の符号を用いるものとする。

図４は本発明の実施の形態２に係る空気調和機１００及びモータ制御装置２００の回路構成と制御ブロック図を示す概念図である。図５は本発明の実施の形態２に係るモータ制御装置２００の磁束ベクトル制御を構成するベクトル図である。図４に示されるように、モータ制御装置２００は、実効値算出手段２６ａと、不平衡算出手段２６ｂと、力率算出手段２６ｃと、を備える。

実効値算出手段２６ａは、モータ３０の各相電流の実効値（ＲＭＳ）を算出するものである。なお、実効値の演算式は、周知のとおり交流電流１周期における２乗平均値に対して平方根を算出した結果から得られる。なお、交流電流１周期あたりの平均値を算出するとき、マイクロコンピュータの制御周期によるサンプリングから近似して算出してもよいし、交流電流が正弦波であれば、実効値は、瞬時値の最大値に対して√２で除することで算出できることが知られており、１周期あたりの瞬時値に対してピークホールド処理を施し、前述の式から電流実効値を求めてもよい。

不平衡算出手段２６ｂは、実効値算出手段２６ａによって算出されるモータ３０に流れる各相の電流実効値に対して、各相電流の実効値の差分を算出することで不平衡量を算出するものである。計算方法の一例を以下に示す。
ΔＵ−Ｖ ＝ Ｉｕ（実効値）−Ｉｖ（実効値）
ΔＶ−Ｗ ＝ Ｉｖ（実効値）−Ｉｗ（実効値）
ΔＷ−Ｕ ＝ Ｉｗ（実効値）−Ｉｕ（実効値）
通常の圧縮機２９の運転中であれば図６のように３相の電流実効値はバランスしているため、ΔＵ−Ｖ、ΔＶ−Ｗ、ΔＷ−Ｕはほぼ０Ａとなる。モータ３０がロックした状態等では、各相インダクタンスが不平衡になることでモータ３０の三相交流電流が不平衡となる（図７）。また、モータ３０とインバータ回路１１とを接続する配線、又は固定子巻線等が断線した欠相運転状態においては、各相電流実効値の不平衡量より一層が大きくなる（図８）。

力率算出手段２６ｃは、モータ３０の力率を算出するものである。モータ３０の電流瞬時値、各相の電流実効値の不平衡量、及び電圧位相と電流の位相差すなわちモータ３０の力率に基づいて、モータ３０の負荷トルク増加、モータ３０のロック時の状態を検出する。

電流補正手段２７は、例えば、不平衡算出手段２６ｂが算出された各相の電流実効値の差分ΔＵ−Ｖ、ΔＶ−Ｗ、ΔＷ−Ｕのうちのいずれか一つでも予め定めた第１基準値よりも大きい場合に、モータ３０の負荷トルクが増加してモータ３０が異常状態にあるものと判断して、γ軸電流指令値を加算させるようにモータ３０を制御してモータ３０の脱調を回避する。一般的にノイズや電流の歪み度合によって電流実効値が三相それぞれでバランスせず、モータ３０が正常であるにもかかわらずΔＵ−Ｖ、ΔＶ−Ｗ、ΔＷ−Ｕが０にはならないことがあるため、第１基準値は、例えば、予め実機試験等により測定されたモータ３０の通常運転範囲内での各相電流の実効値の差分よりも大きく設定する。さらに、同時に、実際にモータ３０をロックさせた場合における電流実効値の不平衡量を測定することで、より確実に異常を検知できるように閾値を設定する。

電流補正手段２７は、例えば、力率算出手段２６ｃによって算出される力率が第２基準値以下である場合に、モータ３０の負荷トルクが増加してモータ３０が異常状態にあるものと判断して、γ軸電流指令値を加算させるようにモータ３０を制御してモータ３０の脱調を回避する。

ここで、第２基準値は、例えば、予め実機試験等により測定されたモータ３０の通常運転範囲内での力率値の最低値以下の値である。例えば、モータ３０がロック故障した場合等に力率が悪化することが知られており、本実施の形態２のように構成することで、一層確実に圧縮機２９の負荷トルクの急変又はモータ３０の故障状態を検知することができる。

次に、本実施の形態２において、モータ制御装置２００によって演算されるＩγ、ＩδとＶγ、Ｖδに基づいて力率を算出する方法について説明する。力率はモータ３０に印可される電圧と電流との位相差によって求めることができる。

ここで、モータ３０に印可される電圧は、ＶγとＶδのベクトル和となることから、マイクロコンピュータ等によって電圧ベクトル和とγ―δ軸からの位相差θｖを求めればよい。また本実施の形態２による磁束ベクトル制御では、γ軸とδ軸はそれぞれ直交していることから、ＶγとＶδのベクトル和は三平方の定理を用いて求めることができ、電圧ベクトルの位相差について式（６）によって得ることができる（図５）。
［数６］
θｖ ＝ Ｔａｎ^−１（Ｖδ／Ｖγ） ・・・（６）

また、モータ３０に流れる電流は、ＩγとＩδの電流ベクトル和より得ることができる。このため、上述した電圧ベクトルの位相差の説明と同様にして、電流ベクトルの位相差を式（７）によって得ることができる。
［数７］
θｉ ＝ Ｔａｎ^−１（Ｉδ／Ｉγ） ・・・（７）

上記（６）式及び（７）式から得られたθｖとθｉの位相差をθｖ−ｉとすると、力率はＣＯＳ（θｖ−ｉ）として求めることができる。

なお、圧縮機２９の各相における電流実効値の不平衡を算出する不平衡算出手段２６ｂと、モータ３０の力率を算出する力率算出手段２６ｃと、に基づいてモータ３０に流れる電流を制御してもよい。具体的には例えば、電流補正手段２７は、不平衡算出手段２６ｂが算出された各相の電流実効値の不平衡量が予め定めた第１基準値よりも大きい場合、又は力率算出手段２６ｃによって算出される力率が第２基準値以下である場合に、モータ３０が異常状態にあるものと判断して、γ軸電流指令値を加算させるようにモータ３０を制御してモータ３０の脱調を回避してもよい。

なお、モータ制御装置２００は、例えば、電流補正手段２７の開始条件を満足しなくなった場合に、モータ３０が正常に回転復帰したと判断する。モータ３０が正常に回転復帰したことを一層確実に検知する場合には、例えば、モータ制御装置２００は、実効値算出手段２６ａの算出値が所定値以下となった場合に、モータ３０が正常に回転復帰したと判断する。そして、モータ３０が正常に回転復帰すると、電流補正手段２７は、加算したγ軸電流指令値を減算して通常の電流指令値に戻す。

以上のように、本実施の形態２によれば、負荷トルク検知手段２６は、モータ３０の電流実効値を算出する実効値算出手段２６ａと、実効値算出手段２６ａによって算出される三相間の電流実効値の不平衡量を算出する不平衡算出手段２６ｂと、をさらに備え、電流補正手段２７は、不平衡算出手段２６ｂによって算出される不平衡量が第１基準値よりも大きい場合に、負荷トルクが増加したものとしてモータ３０に流れる電流を増加させる。このため、モータ３０の負荷トルク急変時においてモータ３０の脱調を回避し、またモータ３０が何らかの故障状態であっても、γ軸電流を増大させることによって過電流保護手段１５を早く動作させ、空気調和機１００を安全に停止させることが可能となり、機器の信頼性を確保することができる。

また、本実施の形態２によれば、負荷トルク検知手段２６は、モータ３０の力率を算出する力率算出手段２６ｃをさらに備え、電流補正手段２７は、力率算出手段２６ｃによって算出されるモータ３０の力率が第２基準値以下である場合に、負荷トルクが増加したものとしてモータ３０に流れる電流を増加させる。このため、モータ３０の負荷トルク急変時においてモータ３０の脱調を回避し、またモータ３０が何らかの故障状態であっても、γ軸電流を増大させることによって過電流保護手段１５を早く動作させ、空気調和機１００を安全に停止させることが可能となり、機器の信頼性を確保することができる。

また、本実施の形態２によれば、負荷トルク検知手段２６は、モータ３０の電流実効値を算出する実効値算出手段２６ａと、実効値算出手段２６ａによって算出される三相間の電流実効値の不平衡量を算出する不平衡算出手段２６ｂと、モータ３０の力率を算出する力率算出手段２６ｃと、をさらに備え、電流補正手段２７は、不平衡算出手段２６ｂによって算出される不平衡量が第１基準値よりも大きい場合又は力率算出手段２６ｃによって算出されるモータ３０の力率が第２基準値以下である場合に、負荷トルクが増加したものとしてモータ３０に流れる電流を増加させる。このため、モータ３０の負荷トルク急変時においてモータ３０の脱調を回避し、またモータ３０が何らかの故障状態であっても、γ軸電流を増大させることによって過電流保護手段１５を早く動作させ、空気調和機を安全に停止させることが可能となり、機器の信頼性を確保することができる。

１０ 平滑コンデンサ、１１ インバータ回路、１２ スイッチング素子、１３ 電流検出手段、１４ ゲート駆動回路、１５ 過電流保護手段、２０ 座標変換手段、２１ 回転数指令生成手段、２２ 積分手段、２３ γ軸電流テーブル、２４ 周波数補償手段、２５ 電圧指令演算手段、２６ 負荷トルク検知手段、２６ａ 実効値算出手段、２６ｂ 不平衡算出手段、２６ｃ 力率算出手段、２７ 電流補正手段、２８ 逆座標変換手段、２９ 圧縮機、３０ モータ、３１ 凝縮器、３２ 減圧装置、３３ 蒸発器、１００ 空気調和機、２００ モータ制御装置。

本発明に係るモータ制御装置は、モータを制御するモータ制御装置であって、前記モータの負荷トルクを検知する負荷トルク検知手段と、前記負荷トルク検知手段が検知した前記負荷トルクが増加するほど前記モータに流れる電流を増加させる電流補正手段と、を有し、前記負荷トルク検知手段は、前記モータの力率を算出する力率算出手段を備え、前記電流補正手段は、前記力率算出手段によって算出される前記モータの力率が第２基準値以下である場合に、前記負荷トルクが増加したものとして前記モータに流れる電流を増加させるものである。

Claims (11)

1. モータを制御するモータ制御装置であって、
   前記モータの負荷トルクを検知する負荷トルク検知手段と、
   前記負荷トルク検知手段の検知情報に基づいて前記モータに流れる電流を制御する電流補正手段と、を有し、
   前記電流補正手段は、
   前記負荷トルク検知手段が検知した負荷トルクが増加するほど前記モータに流れる電流を増加させる
   モータ制御装置。
2. 前記負荷トルク検知手段は、
   トルク成分電流の大きさ及びトルク成分電流の変化量の少なくとも何れかに基づいて前記負荷トルクを検知する
   請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記モータの総磁束を基準値に保つように制御を行う位置センサレス制御手段を備える
   請求項１又は請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記負荷トルク検知手段は、
   前記モータの電流実効値を算出する実効値算出手段と、
   前記実効値算出手段によって算出される三相間の電流実効値の不平衡量を算出する不平衡算出手段と、をさらに備え、
   前記電流補正手段は、
   前記不平衡算出手段によって算出される前記不平衡量が第１基準値よりも大きい場合に、前記負荷トルクが増加したものとして前記モータに流れる電流を増加させる
   請求項１〜３の何れか一項に記載のモータ制御装置。
5. 前記負荷トルク検知手段は、
   前記モータの力率を算出する力率算出手段をさらに備え、
   前記電流補正手段は、
   前記力率算出手段によって算出される前記モータの力率が第２基準値以下である場合に、前記負荷トルクが増加したものとして前記モータに流れる電流を増加させる
   請求項１〜３の何れか一項に記載のモータ制御装置。
6. 前記負荷トルク検知手段は、
   前記モータの電流実効値を算出する実効値算出手段と、
   前記実効値算出手段によって算出される三相間の電流実効値の不平衡量を算出する不平衡算出手段と、
   前記モータの力率を算出する力率算出手段と、をさらに備え、
   前記電流補正手段は、
   前記不平衡算出手段によって算出される前記不平衡量が第１基準値よりも大きい場合又は前記力率算出手段によって算出される前記モータの力率が第２基準値以下である場合に、前記負荷トルクが増加したものとして前記モータに流れる電流を増加させる
   請求項１〜３の何れか一項に記載のモータ制御装置。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載のモータ制御装置によって制御される前記モータを備えた
   圧縮機。
8. 請求項７に記載の圧縮機と、
   前記モータの電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段によって検出される電流値が電流基準値以上である場合に前記モータ制御装置を停止させる過電流保護手段と、を備えた
   空気調和機。
9. 請求項７に記載の圧縮機と、
   三相交流電源の整流された直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、
   前記平滑コンデンサにより平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、を備えた
   空気調和機。
10. 前記インバータ回路のスイッチング素子は、
    炭化珪素素子、窒化ガリウム系の素子、又はダイヤモンド素子によって構成される
    請求項９に記載の空気調和機。
11. 請求項７に記載の圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器と、が冷媒配管によって接続されて構成された冷凍サイクル回路を有する
    空気調和機。

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