JPWO2020188884A1 - 電動機制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

実施形態の電動機制御装置は、交流電源と、コンバータと、インバータと、電動機と、制御部とを持つ。交流電源は、交流電力を供給する。コンバータは、前記交流電源が供給する前記交流電力を直流電力に変換する。インバータは、前記コンバータに接続され、前記コンバータが変換し出力した直流電力を交流電力に変換する。電動機は、前記インバータが変換した交流電力によって回転する。制御部は、前記コンバータから出力される電圧の電圧値と前記インバータが変換した交流電力の電流値とに基づいて前記電動機の回転数を制御する。制御部は、前記電圧値と前記電流値とによって算出される電力値が所定の値を超えた場合に、前記電動機の回転数を下げる。

Description

本発明の実施形態は、電動機制御装置および制御方法に関する。

従来、空気調和機に搭載される圧縮機等にはインバータ駆動する電動機が用いられることが知られている。このような電動機は、外部の商用交流電源から供給される電流を整流回路とインバータ回路により必要な周波数に変換した疑似交流によって所定の回転数で駆動する。ここで電動機への出力電流の電流値は入力電圧の電圧値によらない固定値である。また、従来、インバータ回路に使用される素子等の電気部品は通電により発熱するため所定温度を超えないように電流値を一定以下に制限する電流レリース制御がされていた。
しかしながら、商用交流電源から供給される電力は電圧が安定しない場合があり、供給される電圧の電圧値が高くなると出力電力の電力値が必要以上に大きくなり、発熱量が増える場合があった。このような場合には電流レリース制御だけでは、電気部品の発熱量の増加を抑制することができず、電気部品の寿命短縮や故障の原因となっていた。

特開２０１７−２０８９７９号公報 特開平６−２６６９５号公報

本発明が解決しようとする課題は、圧縮機の発熱量の増大を抑制する電動機制御装置および制御方法を提供することである。

実施形態の電動機制御装置は、交流電源と、コンバータと、インバータと、電動機と、制御部とを持つ。交流電源は、交流電力を供給する。コンバータは、前記交流電源が供給する前記交流電力を直流電力に変換する。インバータは、前記コンバータに接続され、前記コンバータが変換し出力した直流電力を交流電力に変換する。電動機は、前記インバータが変換した交流電力によって回転する。制御部は、前記コンバータから出力される電圧の電圧値と前記インバータが変換した交流電力の電流値とに基づいて前記電動機の回転数を制御する。制御部は、前記電圧値と前記電流値とによって算出される電力値が所定の値を超えた場合に、前記電動機の回転数を下げる。

実施形態の圧縮装置の構成の具体例を示す図。 実施形態の管理部の機能構成の具体例を示す図。 実施形態における管理部が圧縮機を制御する具体的な処理の流れを示すフローチャート。 圧縮装置１００に供給される電圧が変動した際の電力の変異の一例を示す図。

以下、実施形態の電動機制御装置および制御方法を、図面を参照して説明する。

図１は、実施形態の圧縮装置１００の構成の具体例を示す図である。
圧縮装置１００は、３相交流電源１、圧縮機２、制御装置である制御回路３及び管理部４を備える。３相交流電源１は、制御回路３を介して圧縮機２の電動機２１に電力を供給する。

３相交流電源１は、３相交流の交流方式によって制御回路３に交流電力を供給する。

圧縮機２は、電動機２１を備える。圧縮機２は、電動機２１を回転させることで、図示しない圧縮機構部を駆動し圧縮機２に流れる熱媒体を圧縮させる。

制御回路３は、コンバータ３１、コンデンサ３２、インバータ３３、電源側電流計３４、電圧計３５及び圧縮機側電流計３６を備える。

コンバータ３１は、３相交流電源１が供給する交流電力を直流電力に変換する。コンバータ３１は、変換した直流電力を出力する。コンバータ３１はダイオードブリッジ回路３１１を備える。コンバータ３１側のダイオードブリッジ回路３１１は、リアクタ３７を介して３相交流電源１から供給される電力を取得する。
コンデンサ３２は、コンバータ３１に並列に接続される。コンデンサ３２は、コンバータ３１が変換した直流電力によって供給される電力を蓄電する。
インバータ３３は、コンバータ３１及びコンデンサ３２に並列に接続される。インバータ３３は、コンバータ３１が変換し出力した直流電力を所定の周波数の交流電力に変換し、変換後の交流電力を３相交流の交流方式によって圧縮機２に供給する。

電源側電流計３４は、３相交流電源が供給する電力を運ぶ電流であって、３相交流電源１とコンバータ３１との間を流れる電流の電流値を測定する。３相交流電源１とコンバータ３１との間を流れる電流とは、３相交流電源１からコンバータ３１に流れる線電流である。電源側電流計３４は、具体的には、３相のうちの２相に流れる電流を検出し、検出結果に基づいて２相のそれぞれに流れる電流の電流値を算出する。電源側電流計３４は、３相のうちの残りの１相に流れる電流値を、検出された２相に流れる電流の電流値に基づいて算出する。なお、電源側電流計３４が検出する電流が流れる３相とは、３相交流電源１とコンバータ３１とを接続する３つの導線を意味する。なお電源側電流計３４が検出する電流が流れる３相のうちの２相とは、３相交流電源１とコンバータ３１とを接続する３つの導線のうちの２つの導線を意味する。なお電源側電流計３４が検出する電流が流れる３相のうちの１相とは、３相交流電源１とコンバータ３１とを接続する３つの導線のうちの１つの導線を意味する。
電圧計３５は、コンデンサ３２の電圧の電圧値を測定する。
圧縮機側電流計３６は、インバータ３３が圧縮機２に供給する３相の電流の電流値（すなわち、インバータ３３から圧縮機２に流れる線電流の電流値）を測定する。圧縮機側電流計３６は、具体的には、３相のうちの２相に流れる電流を検出し、検出結果に基づいて２相のそれぞれに流れる電流の電流値を算出する。圧縮機側電流計３６は、３相のうちの残りの１相に流れる電流値を、検出された２相に流れる電流の電流値に基づいて算出する。なお、圧縮機側電流計３６が検出する電流が流れる３相とは、インバータ３３と圧縮機２とを接続する３つの導線を意味する。なお圧縮機側電流計３６が検出する電流が流れる３相のうちの２相とは、インバータ３３と圧縮機２とを接続する３つの導線のうちの２つの導線を意味する。なお圧縮機側電流計３６が検出する電流が流れる３相のうちの１相とは、インバータ３３と圧縮機２とを接続する３つの導線のうちの１つの導線を意味する。

管理部４は、電源側電流計３４の測定結果と、電圧計３５の測定結果と、圧縮機側電流計３６の測定結果とに基づいて圧縮機２が備える電動機２１の回転数を制御する。また、管理部４は、コンバータ３１及びインバータ３３の動作を制御する。

図２は、実施形態の管理部４の機能構成の具体例を示す図である。
管理部４は、バスで接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリや補助記憶装置などを備え、プログラムを実行する。管理部４は、プログラムの実行によって、測定値取得部４１、判定部４２及び圧縮機制御部４３を備える装置として機能する。

測定値取得部４１は、電源側電流値、コンデンサ電圧値及び圧縮機側電流値を取得する。電源側電流値は、電源側電流計３４が測定した電流値である。コンデンサ電圧値は、電圧計３５が測定した電圧値である。圧縮機側電流値は、圧縮機側電流計３６が測定した電流値である。

判定部４２は、測定値取得部４１が取得した電源側電流値、コンデンサ電圧値及び圧縮機側電流値に基づいて、電源側電流値又は圧縮機側電力が所定の値以上か否かを判定する。圧縮機側電力は、コンデンサ電圧値及び圧縮機側電流値に基づいて算出される値であって、電力の次元を有する値である。

判定部４２は、電源側電流値判定部４２１及び電力判定部を有する。
電源側電流値判定部４２１は、測定値取得部４１が取得した電源側電流値を取得して、電源側電流値が予め定められた第一の値を超えるか否かを判定する。予め定められた第一の値は、どのような値であってもよく、例えば、制御回路３が流すことができる電流の電流値の最大値であってもよい。予め定められた第一の値は、例えば、制御回路３が流すことができる電流の電流値の最大値よりも所定の値だけ低い値であってもよい。

電力判定部４２２は、測定値取得部４１が取得したコンデンサ電圧値及び圧縮機側電流値に基づいて、電力に関する値（以下「電力関係値」という。）を取得する。電力判定部４２２は、取得した電力関係値が、予め定められた第二の値を超えるか否かを判定する。
電力関係値は、例えば、以下の式（１）によって算出される値Ｐ_１であってもよい。

式（１）において、Ｖ_ｏｕｔは、コンデンサ電圧値である。式（１）において、Ｉ_ｏｕｔは、圧縮機側電流値である。式（１）において、αは、３相交流電源１が供給する交流電力が、制御回路３に印加されてから圧縮機２に到達するまでに失われる電力に基づいて、Ｉ_ｏｕｔ×Ｖ_ｏｕｔを補正する補正値である。補正値αは、具体的には、１／１−βである。βは、３相交流電源１が供給する交流電力が、制御回路３に印加されてから圧縮機２に到達するまでに失われる電力の電力値の、３相交流電源１が供給する交流電力の電力値に対する比である。

電力関係値は、例えば、Ｐ_２＝Ｉ_ｏｕｔ×Ｖ_ｏｕｔによって算出される値Ｐ_２（すなわち電力の瞬時値）であってもよい。電力関係値は、例えば、（Ｉ_ｏｕｔ×Ｖ_ｏｕｔ）の時間平均の値（すなわち、電力量）であってもよい。

第二の値は、例えば、３相交流電源１が供給する交流電力の電力値であってもよい。

圧縮機制御部は、判定部の判定結果に基づいて圧縮機を制御する。

図３は、実施形態における管理部４が圧縮機２を制御する具体的な処理の流れを示すフローチャートである。
測定値取得部４１が、電源側電流計３４が測定した入力電流値Iinを取得する（ステップＳ１０１）。電源側電流値判定部４２１が、ステップＳ１０１において取得された電流値が第一の値より大きいか否かを判定する（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２において、電流値が第一の値より大きい場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、圧縮機制御部４３は、圧縮機２の電動機２１の回転数を所定の値まで下げる（ステップＳ１０３）。

一方、ステップＳ１０２において、電流値が第一の値以下の場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、測定値取得部４１が、コンデンサ電圧値を取得する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４の次に、測定値取得部４１が、圧縮機側電流値を取得する（ステップＳ１０５）。ステップＳ１０４及びステップＳ１０５の処理は、必ずしも、ステップＳ１０４の処理の次にステップＳ１０５の処理が実行される必要はない。ステップＳ１０４及びステップＳ１０５の処理は、例えば、ステップＳ１０５の処理の次にステップＳ１０４の処理が実行されてもよい。ステップＳ１０４及びステップＳ１０５の処理は、例えば、ステップＳ１０２の処理の前に実行されてもよい。

ステップＳ１０５の次に、電源側電流値判定部４２１はコンデンサ電圧値及び圧縮機側電流値に基づいて、電力関係値を取得する（ステップＳ１０６）。電源側電流値判定部４２１は、電力関係値が第二の値以上か否かを判定する（ステップＳ１０７）。ステップＳ１０７において、電力関係値が第二の値以上である場合（ステップＳ１０７：ＹＥＳ）、圧縮機制御部４３は、圧縮機２の電動機２１の回転数を所定の値まで下げる（ステップＳ１０３）。

一方、ステップＳ１０７において、電力関係値が第二の値未満である場合（ステップＳ１０７：ＮＯ）、管理部４は処理を終了する。

図４は、実施形態の圧縮装置１００の入力電流レリース時の電圧変動と電力の変異の一例を示す図である。入力電流レリース時とは、入力電流値Iinが第一の値より大きい時である。
図４の横軸は３相交流電源１が供給する電圧を表す。図４の縦軸は、電動機２１に供給される電力を表す。
入力電流値Iinが第一の値以下で、電源側電流値判定部４２１による判定が実行されない場合、入力電力は３相交流電源１が供給する電圧に線形に比例する。そのため、電源側電流値判定部４２１による判定が実行されない場合には、電動機２１には、３相交流電源１が供給する電力に応じて過剰な電力が供給される場合がある。図４において図形Ｓが、電動機２１に供給される過剰な電力を表す。
図形Ｓは、入力電流値Iinが入力電流レリース点以下の場合に、電動機２１に供給される過剰な電力である。
第一の値が、入力電流レリース点の値である場合、電源側電流値判定部４２１によって、入力電流値Iinが入力電流レリース点以上になることがない。そのため、電源側電流値判定部４２１を備える圧縮装置１００は、３相交流電源１が供給する電力の変動によって電動機２１に過剰な電力が供給されることを抑制することができる。

このように構成された、制御装置である制御回路３および管理部４は、電力判定部４２２を備えるため、インバータから圧縮機２に供給される電力に基づいて、電動機２１の回転数を制御することができる。そのため、３相交流電源１が供給する電圧が不均衡で所定の値よりも高くなり消費電力が大きくなった場合に、コンバータやインバータの制御回路の回路ロス（発熱）が大きくなりすぎることがなく、制御回路３に組み込まれている電気部品の発熱量の増大を抑制することができる。このため、電気部品の発熱量と計測する温度センサや、商用交流電源から供給される電圧を計測する計測手段等を別途設ける必要がなく、安価で高品質な制御装置とすることができる。
さらに、電源電圧が変動して標準より高くなった場合に、消費電力が大きくなる。消費電力が大きくなっても、必要な冷却(加熱)能力が確保されていれば問題にならない。この場合、利用側温度センサの検知結果による能力制御に追従するのみだが、消費電力が大きくなった時に、コンバータやインバータの制御回路の回路ロス（発熱）が大きくなり、制御器の部品の温度上限を超えてしまうことである。
この温度の上限は例えば半導体は、一瞬たりとも超えてはならない値と規定されており、マグネットＳＷや電解コンデンサは設計した寿命よりも短くなる。これを防止するために、直流電圧と負荷となるコンプレッサの回転数、電流値で消費電力を計算する。消費電力を所定値以下に制御する事で、機器内の内部発熱を一定以下に抑えることができる。
また、これにともない圧縮機２への余剰なエネルギの入力も抑えることができるため、圧縮装置１００は、圧縮機２の電動機２１の回転数が必要以上に増大することがない。そのため、３相交流電源１が供給する電圧が所定の値よりも高い場合であっても、圧縮機２の発熱量の増大を抑制することができる。

また、このように構成された圧縮装置１００は、電力判定部４２２を備えるため、制御回路３を変更することなく第二の値を変更するだけで、２００Ｖや、３８０Ｖや、４００Ｖや、４４０Ｖ等の異なる入力電圧において動作することができる。入力電圧は、３相交流電源１が制御回路３に印加する電圧である。すなわち、同じハードウェア設計の圧縮装置１００を２００Ｖ〜４４０Ｖまでの異なる入力電圧の元で使用することができる。
なお、圧縮装置１００は、必ずしも２００Ｖ〜４００Ｖまでの範囲内の入力電圧の元でだけ使用される必要はなく、それ以外の入力電圧（例えば、１００Ｖや６００Ｖ等）で使用されてもよい。またその場合でも、電力判定部４２２を備えるために、圧縮装置１００は動作する。

なお、圧縮装置１００は、３相交流電源１とコンバータ３１との間を流れる線電流の電流値を測定可能であれば、電源側電流計３４を１つ備えてもよいし、複数備えてもよい。

なお、圧縮装置１００は、コンデンサ３２の電圧の電圧値を測定可能であれば、電圧計３５を１つ備えてもよいし、複数備えてもよい。

なお、圧縮装置１００は、インバータ３３が圧縮機２に供給する線電流の電流値を測定可能であれば、圧縮機側電流計３６を１つ備えてもよいし、複数備えてもよい。

また、このように構成された圧縮装置１００は、電力判定部４２２を備えるため、圧縮機２の定格電圧の±１０％の範囲内の入力電圧で圧縮機２を動作させることができる。

上記各実施形態では、管理部４の各機能部はソフトウェア機能部であるものとしたが、ＬＳＩ等のハードウェア機能部であってもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、電力判定部４２２を備えるため、インバータ３３から圧縮機２に供給される電力に基づいて、圧縮機２の電動機２１の回転数を制御することができる。そのため、電源が供給する電圧が所定の値よりも高い場合であっても、電動機２１の回転数を下げることで圧縮機２の発熱量の増大を抑制することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

Claims (3)

1. 交流電力を供給する交流電源と、
   前記交流電源が供給する前記交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   前記コンバータに接続され、前記コンバータが変換し出力した直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   前記インバータが変換した交流電力によって回転する電動機と、
   前記コンバータから出力される電圧の電圧値と前記インバータが変換した交流電力の電流値とに基づいて前記電動機の回転数を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記電圧値と前記電流値とによって算出される電力値が所定の値を超えた場合に、前記電動機の回転数を下げる、
   電動機制御装置。
2. 前記制御部は、前記交流電源が供給する電流の電流値が所定の値を超えた場合に、前記電動機の回転数を下げる、
   請求項１に記載の電動機制御装置。
3. 交流電力を供給する交流電源と、前記交流電源が供給する前記交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータに接続され、前記コンバータが変換し出力した直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータが変換した交流電力によって回転する電動機と、前記コンバータから出力される電圧の電圧値と前記インバータが変換した交流電力の電流値とに基づいて前記電動機の回転数を制御する制御部と、を備える電動機制御装置が行う制御方法であって、
   前記制御部が、前記電圧値と前記電流値とによって算出される電力値が所定の値を超えた場合に、前記電動機の回転数を下げる制御ステップ、
   を有する制御方法。

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