KR101445201B1 - 모터 제어 장치, 및 그것을 이용한 공기 조화기 - Google Patents

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Abstract

PWM 펄스수가 일정한 상태에서 모터 회전수가 고속역이 되면, 저속역에 비해 전압·전류 1주기에 포함되는 PWM 펄스수가 적어지기 때문에, 유기 전압 고차 성분의 차수가 큰 성분의 출력이 곤란해진다. 그래서, 본 발명은 고차 성분을 출력할 수 없게 되어, 역으로 전류 파형이 왜곡되는 사태를 방지하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 모터 구동 장치는, 영구 자석 모터를 구동하는 전력 변환기와, 전력 변환기의 출력 전압을 제어하는 제어 장치와, 유기 전압의 고차 성분을 제어 장치의 전압 지령치에 가산하는 전압 가산부를 구비하고, 영구 자석 모터의 회전수가 높을수록, 제어 장치의 전압 지령치에 가산되는 유기 전압의 고차 성분의 차수가 적다.

Description

모터 제어 장치, 및 그것을 이용한 공기 조화기{MOTOR CONTROL DEVICE, AND AIR CONDITIONER USING THE SAME}
본 발명은 모터 제어 장치의 제어 방법, 및 그것을 이용한 기기, 특히 전류맥동의 억제에 관한 것이다.
공조기(空調機) 등에 사용되고 있는 모터는 소형화, 고효율, 고출력화에의 요구가 강하다.
모터 고정자측을 집중 권선(卷線)화하고, 영구 자석을 모터의 회전자의 내부에 매립한 매립 자석형 모터(이하 「IPM 모터」라고 함)를 채용함으로써, 모터의 소형화, 고효율, 고출력화를 도모할 수 있다.
그러나, IPM 모터의 권선에 유기되는 유기 전압의 파형은 IPM 모터의 회전자의 각도에 대하여 이상적인 정현파 형상으로부터 왜곡된 파형이 된다. 유기 전압 파형의 왜곡에 기인하여, 전류 파형에 왜곡이 발생한다.
특허문헌 1은, 공진형 필터를 이용하여 모터 회전수 변동의 주기적인 성분을 추출하고, 변동의 주기적인 성분을 기초로 토크 전류 지령치를 보정하는 기술을 개시하고 있다. 특허문헌 1에 의하면, 유기 전압 파형의 왜곡에 기인하는 회전수의 변동을 억제할 수 있다.
특허문헌 2는, 모터의 토크 리플과 역(逆)위상의 토크를 생기게 하는 고조파 전류 지령을 연산하고, 고조파 전류를 제어하는 기술을 개시하고 있다. 특허문헌 2에 의하면, 모터 토크의 변동을 저감할 수 있다.
일본국 특개2006-191737호 공보 일본국 특개2004-64909호 공보
특허문헌 1에 기재된 기술에 의하면, 이상적으로는 모터의 유기 전압에 포함되는 모든 고차 성분의 출력이 가능하지만, PWM 펄스수는 유한한 값이기 때문에, 현실적으로는 모터의 유기 전압에 포함되는 모든 고차 성분을 출력할 수 없다.
특히, PWM 펄스수가 일정한 상태에서 모터 회전수가 고속역이 되면, 저속역에 비해 전압·전류 1주기에 포함되는 PWM 펄스수가 적어지기 때문에, 유기 전압 고차 성분의 차수가 큰 성분의 출력이 곤란해진다.
특허문헌 2에 기재된 기술은, 토크 리플과 역위상의 토크를 생기게 하는 고조파 전류 지령을 출력하기 때문에, 전류 파형에 왜곡이 발생한다.
그래서, 본 발명은 고차 성분을 출력할 수 없게 되어, 역으로 전류 파형이 왜곡되는 사태를 방지하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 모터 구동 장치는, 영구 자석 모터에 전력을 공급하는 전력 변환기와, 전력 변환기의 출력 전압을 제어하는 제어 장치와, 영구 자석 모터의 유기 전압의 고차 성분을 제어 장치의 전압 지령치에 가산하는 전압 가산부를 구비하고, 영구 자석 모터의 회전수가 높을수록, 제어 장치의 전압 지령치에 가산되는 유기 전압의 고차 성분의 차수가 적다.
본 발명에 의하면, 고차 성분을 출력할 수 없게 되어, 역으로 전류 파형이 왜곡되는 사태를 방지할 수 있다.
도 1은 실시예 1의 모터 제어 장치의 전체 구성도를 나타내는 블록도.
도 2는 유기 전압 파형이 이상적인 정현파일 경우의 고정 좌표에서의 유기 전압, 지령 전압, 모터 전류의 관계를 나타낸 개요도.
도 3은 유기 전압 파형이 왜곡되었을 경우의 종래 방식에 있어서의 고정 좌표에서의 유기 전압, 지령 전압, 모터 전류의 관계를 나타낸 개요도.
도 4는 유기 전압 파형이 이상적인 정현파일 경우의 회전 좌표에서의 유기 전압, 지령 전압, 모터 전류의 관계를 나타낸 개요도.
도 5는 유기 전압 파형이 왜곡되었을 경우의 종래 방식에 있어서의 회전 좌표에서의 유기 전압, 지령 전압, 모터 전류의 관계를 나타낸 개요도.
도 6은 유기 전압 파형이 왜곡되었을 경우의 실시예 1의 방식에 있어서의 고정 좌표에서의 유기 전압, 지령 전압, 모터 전류의 관계를 나타낸 개요도.
도 7은 유기 전압 파형이 왜곡되었을 경우의 실시예 1의 방식에 있어서의 회전 좌표에서의 유기 전압, 지령 전압, 모터 전류의 관계를 나타낸 개요도.
도 8은 종래 방식에 의해 실기(實機)를 구동했을 경우의 U상 전류의 파형·FFT 해석예.
도 9는 실시예 1의 방식에 의해 실기를 구동했을 경우의 U상 전류의 파형·FFT 해석예.
도 10은 종래 방식과 실시예 1의 방식에 의해 실기를 구동했을 경우의 종합 손실을 비교한 개요도.
도 11은 종래의 PWM 제어 방식의 모터 제어 장치의 전체 구성을 나타내는 블록도.
도 12는 회전 좌표계인 dq축 상에서 인가 전압 지령에 유기 전압 고차 성분을 가산할 경우의 블록도.
도 13은 삼상 교류의 인가 전압 지령에 유기 전압 고차 성분을 가산할 경우의 블록도.
도 14는 유기 전압 고차 성분 진폭치의 설정예를 나타낸 도면.
도 15는 유기 전압 고차 성분 진폭치의 전환 설정예를 나타낸 도면.
도 16은 본 실시예 2에 있어서의 PWM 주파수의 전환 설정예를 나타낸 도면.
도 17은 모터 제어 장치를 이용한 공조기의 전체 구성도.
도 18은 압축기용 모터의 모터 회전수에 대한 효율과 직류 전압·인가 전압 지령의 개략도.
도 19는 본 실시예 3에 있어서의 공조기에 직류 전압 승압 장치를 적용한 전체 구성도.
도 20은 본 실시예 3에 있어서의 압축기용 모터의 모터 회전수에 대한 효율과 직류 전압·인가 전압 지령의 개략도.
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.
[실시예 1]
본 발명의 실시예 1을 설명한다.
본 실시예는, 본 발명의 제어 방법을, 영구 자석 동기(同期) 모터(이하 「모터」라고 함)(3)를 PWM 제어로 구동하는 모터 제어 장치에 적용하고, 전압 지령에 유기 전압 고차 성분을 가산하는 예를 설명한다
우선, 도 1을 이용하여 회로 구성을 설명한다. 모터 제어 장치(1)는, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 전력 변환 회로(4)와, 전력 변환 회로(4)에 흐르는 직류 모선 전류를 검출하는 직류 모선 전류 검출 회로(5)와, 직류 모선 전류 검출 회로(5)에 의해 검출된 직류 모선 전류 정보(5A)를 기초로 벡터 제어를 행하는 제어 장치(6)로 구성되어 있다.
제어 장치(6)는, 벡터 제어부(8), 유기 전압 고차 성분 생성부(9), 전압 가산부(10) 및 PWM 펄스 생성부(7)로 구성된다.
벡터 제어부(8)는, 직류 모선 전류 검출 회로(5)에 의해 검출된 직류 모선 전류 정보(5A)를 기초로 영구 자석 동기 모터(3)에의 기본파 인가 전압 지령(8B)과 영구 자석 동기 모터(3)의 모터 회전수·위상 정보(8A)를 산출한다.
유기 전압 고차 성분 생성부(9)는, 모터 회전수·위상 정보(8A)를 기초로, 영구 자석 동기 모터(3)의 유기 전압 고차 성분(9A)을 전압 가산부(10)에 출력한다.
전압 가산부(10)는, 기본파 인가 전압 지령(8B)에 유기 전압 고차 성분(9A)을 가산하여 인가 전압 지령(10A)을 출력한다.
PWM 펄스 생성부(7)는, 인가 전압 지령(10A)과 캐리어 신호를 기초로 하여 PWM 펄스 신호(7A)로 변환한다.
또한, 전력 변환 회로(4)는, IGBT와 다이오드 등의 반도체 스위칭 소자로 구성된 전력 변환 주회로(41)와, PWM 펄스 생성부(7)로부터의 PWM 펄스 신호(7A)에 의거하여 주회로의 IGBT에의 게이트 신호를 발생하는 게이트·드라이버(42)로 구성되어 있다.
한편, 직류 모선 전류 검출 회로(5)에 의한 상전류 정보의 취득은, 일반적인 방식을 이용하는 것이 가능하며, 검출 방식을 특정하는 것이 아니다. 또한, 벡터 제어부(8)는 특허문헌 1에서 제안되어 있는 방식 등, 일반적인 벡터 제어를 이용함으로써 실현 가능하며, 제어 방식을 특정하는 것이 아니다.
전류 제어기에 의해 전류 파형을 정현파 형상으로 제어하는 벡터 제어를 도 2∼도 5, 도 11을 이용하여 설명한다.
도 11에서, 도 1과 동일 부호는 동일한 기능을 갖는다. 제어 장치(60)에서는, 직류 모선 전류 정보(5A)로부터 재현한 상전류 정보를 기초로 벡터 제어부(8)에서 연산을 행하고 있다.
다음으로, 도 2∼도 5를 이용하여, 유기 전압 파형과 전압·전류의 관계를 설명한다. 도 2는 유기 전압 파형이 이상적인 정현파에 있어서의 고정 좌표계에서의 파형을 나타내고 있다. 도 4는 유기 전압 파형이 이상적인 정현파에 있어서의 영구 자석의 자속을 기준으로 한 회전 좌표계에서의 파형을 나타내고 있다. 도 2의 (a) 및 도 4의 (a)는 유기 전압, 도 2의 (b) 및 도 4의 (b)는 인가 전압 지령, 도 2의 (c) 및 도 4의 (c)는 모터 전류를 나타내고 있다.
도 3은 유기 전압 파형이 왜곡되었을 경우에 있어서의 고정 좌표계에서의 파형을 나타내고 있다. 도 5는 유기 전압 파형이 왜곡되었을 경우에 있어서의 고정 좌표계와 회전 좌표계에서의 파형을 나타내고 있다. 도 3의 (a) 및 도 5의 (a)는 유기 전압, 도 3의 (b) 및 도 5의 (b)는 인가 전압 지령, 도 3의 (c) 및 도 5의 (c)는 모터 전류를 나타내고 있다.
영구 자석 동기 모터의 유기 전압 파형이 이상적인 정현파 형상일 경우, 도 2의 (b) 및 도 2의 (c)에 나타내는 바와 같이 고정 좌표계에서는 인가 전압 지령 및 모터 전류는 정현파 형상의 파형이 된다. 또한, 도 4의 (b) 및 도 4의 (c)에 나타내는 바와 같이 회전 좌표계에서는 인가 전압 지령 및 모터 전류는 일정한 값이 된다.
한편, 유기 전압 파형이 정현파 형상으로부터 왜곡되었을 경우, 이들 왜곡에 기인하여 모터 전류 파형에도 왜곡이 생겨, 진동·소음의 발생, 효율의 저하가 발생한다.
제어 장치(60)의 벡터 제어부(8)는, 도 3의 (b) 및 도 5의 (b)에 나타내는 바와 같이 유기 전압 파형이 왜곡되었을 경우에도 모터 전류가 정현파 형상이 되도록, 상전류 정보를 피드백하여 전압 지령치를 제어하고 있다.
그러나, 전류 제어기의 제어 주기를 고속화하고, 제어의 응답성을 크게 하기 위해서는 마이크로컴퓨터의 연산 능력 등에 의한 한계가 있다. 이 때문에, 유기 전압 파형의 왜곡이 큰 모터를 구동하면, 전류 제어기에 의해 모터 전류에 나타나는 유기 전압의 왜곡의 영향을 충분히 저감할 수 없어, 도 3의 (c) 및 도 5의 (c)에 나타내는 바와 같이 모터 전류 파형에 왜곡이 발생한다.
다음으로, 도 6∼도 10을 이용하여, 유기 전압 파형의 왜곡에 기인하여 생기는 전류 파형의 왜곡을 억제하는 제어를 설명한다.
유기 전압 고차 성분 생성부(9)는, 미리 취득한 유기 전압 파형을 이용하여, 모터 회전수·위상 정보(8A)를 기초로 유기 전압 고차 성분을 생성하고, 유기 전압 고차 성분(9A)을 전압 가산부(10)에 출력한다.
유기 전압 고차 성분 생성부(9)가 출력하는 유기 전압 고차 성분(9A)은, 미리 실험이나 해석에 의해 구한 유기 전압 파형을 기초로 테이블화한 데이터를 이용하여 생성하고 있다. 여기에서, 모터 제어 장치로서 구동하고 있을 경우에도, 예를 들면 모터 공전시의 단자간 전압을 취득함으로써 유기 전압 고차 성분(9A)의 생성·보정을 행하는 것도 가능하다.
전압 가산부(10)는, 벡터 제어부(8)가 출력한 기본파 인가 전압 지령(8B)과 유기 전압 고차 성분 생성부(9)가 출력한 유기 전압 고차 성분(9A)을 가산하고, PWM 펄스 생성부(7)에 출력한다. 구체적으로는, 도 12에 나타내는 바와 같이 모터 회전자의 자석 자속 방향을 기준으로 한 회전 좌표계인 dq 좌표축 상에서, 기본파 인가 전압 지령(8B-d, 8B-q)에 유기 전압 고차 성분(9A-d, 9A-q)을 가산함으로써, 유기 전압 고차 성분을 인가 전압 지령에 가산하는 것이 가능하다.
또한, 도 13에 나타내는 바와 같이 고정 좌표계의 삼상 교류 지령 전압(8B-U, 8B-V, 8B-W)에 유기 전압 고차 성분(9A-U, 9A-V, 9A-W)을 가산하는 방식이어도 된다.
여기에서, 도 6에 유기 전압 고차 성분을 인가 전압에 가산했을 경우에 있어서의 고정 좌표계에서의 개략 파형을 나타내고 있다. 도 7에 유기 전압 고차 성분을 인가 전압에 가산했을 경우에 있어서의 회전 좌표계에서의 개략 파형을 나타내고 있다.
도 6의 (a) 및 도 7의 (a)에 나타내는 바와 같이, 본 방식은, 유기 전압 파형 왜곡의 고차 성분을 유기 전압 고차 성분(9A)으로서 기본파 인가 전압 지령(8B)에 가산한다. 이 때문에, 도 6의 (b) 및 도 7의 (b)에 나타내는 바와 같이 인가 전압 지령(10A)에는 유기 전압 고차 성분(9A)이 인가된 전압이 출력된다. 이에 따라, 도 6의 (c) 및 도 7의 (c)에 나타내는 바와 같이 유기 전압 파형 왜곡에 기인하는 전류 파형의 왜곡을 저감하는 것이 가능해진다.
이와 같이, 유기 전압 고차 성분 생성부(9)는 유기 전압 고차 성분(9A)을 생성하고, 전압 가산부(10)는 유기 전압 고차 성분(9A)을 기본파 인가 전압 지령(8B)에 가산한다. 바꿔 말하면, 전력 변환 회로(4)의 출력 전압에 포함되는 고차 성분은, 모터 유기 전압 고차 성분과 유사한 파형이 출력된다. 따라서, 유기 전압 고차 성분 생성부(9)와 전압 가산부(10)에 의해, 유기 전압 파형의 왜곡에 기인하여 생기는 전류 파형의 왜곡을 억제할 수 있다.
한편, 전류 검출부에 변위가 가해졌을 경우, 특허문헌 1의 기술은 전류 검출 정보로부터 출력 전압 고차 성분을 생성하고 있기 때문에, 출력 전압 고차 성분이 변화한다. 한편, 본 실시예의 기술은, 전류 검출부에 변위가 가해졌을 경우이더라도, 출력 전압 고차 성분의 변화에 영향은 없고, 상술한 바와 같이 모터 유기 전압 고차 성분과 유사한 파형을 출력할 수 있다.
또한, 전력 변환 회로(4)의 출력 전압에 포함되는 고차 성분은, 모터 유기 전압 고차 성분과 완전히 겹쳐 있을 필요는 없고, 유사한 파형이면 전류 파형의 왜곡을 저감할 수 있다.
또한, 실제로는, 유기 전압 고차 성분(9A)의 전체 차수를 기본파 인가 전압 지령(8B)에 인가할 수 없기 때문에, 특정의 차수 성분만이 포함되는 파형이 된다.
도 8 및 도 9에, 유기 전압 고차 성분 중 5차 성분 및 7차 성분을 지령 전압에 가산하여 실기를 구동했을 경우에 있어서의 전류 파형을 나타낸다. 도 8은 유기 전압 고차 성분을 가산하지 않은 종래의 제어 방식에 있어서의 파형이며, 도 9는 유기 전압 고차 성분을 가산한 본 실시예의 제어 방식에 있어서의 파형이다.
도 8의 (a) 및 도 9의 (a)는 모터(3)의 U상에서의 전류를 나타내고 있다. 도 8의 (b) 및 도 9의 (b)는 U상에서의 전류 파형의 FFT 해석 결과를 기본파 성분을 100％로 하여 나타내고 있다.
도 8의 (a) 및 도 8의 (b)에 나타내는 바와 같이, 유기 전압 고차 성분을 가산하지 않을 경우, 유기 전압의 왜곡의 영향으로 전류 파형에도 왜곡이 생겨, 5차·7차의 전류 고차 성분이 크게 발생해 있음을 확인할 수 있다.
한편, 도 9의 (a) 및 도 9의 (b)에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 방식에 의해, 유기 전압 고차 성분을 지령 전압에 가산하면, 모터 전류 파형의 왜곡이 억제되어, 5차·7차의 전류 고차 성분을 저감할 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 도 10에, 유기 전압 고차 성분을 지령 전압에 인가하지 않을 경우에 있어서의 전력 변환 회로와 모터의 손실을 합친 총합 손실을 100％로 하고, 유기 전압 고차 성분을 지령 전압에 가산했을 경우에 있어서의 총합 손실을 나타낸다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 유기 전압 고차 성분을 지령 전압에 가산하고, 전류 고차 성분을 억제함으로써, 총합 손실을 저감할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 의하면, 모터 전류의 고차 성분을 억제하는 것이 가능해진다. 바꿔 말하면, 모터 유기 전압이 왜곡되었을 경우에도, 모터 전류의 고차 성분을 억제하는 것이 가능해진다. 모터 전류의 고차 성분의 억제에 의해, 전류 고차 성분에 기인한 전력 변환기의 출력 전력 고차 성분을 억제하고, 모터 제어 장치의 고효율화를 실현하는 것이 가능해진다.
여기에서, 도 14를 이용하여 유기 전압 고차 성분(9A)을 기본파 인가 전압 지령(8B)에 가산하는 방식의 예로서, 운전 조건에 따라 유기 전압 고차 성분(9A)을 전환하는 방식을 설명한다. 이상적으로는 유기 전압 고차 성분(9A)으로서, 모터의 유기 전압에 포함되는 모든 고차 성분을 출력함으로써, 전류 고차 성분을 억제하는 것이 가능해진다. 그러나, PWM 펄스수가 일정한 상태에서 모터 회전수가 고속역이 되면, 저속역에 비해 전압·전류 1주기에 포함되는 PWM 펄스수가 적기 때문에, 유기 전압 고차 성분의 차수가 큰 성분의 출력이 곤란해진다.
그래서, 도 14에 나타내는 바와 같이, 모터(3)의 회전수에 의해 유기 전압 고차 성분 생성부(9)로부터 차수가 큰 성분의 출력을 정지한다. 여기에서는, 모터(3)의 회전수에 따라, 유기 전압 3·5·7·9·11·13차 성분의 출력을 전환하고 있다.
도 14의 (c)에 나타내는 바와 같이, 모터(3)의 회전수를 가속시켜 회전수 N1 이상이 되었을 경우, 차수가 큰 9·11·13차 성분의 진폭치를 O으로 하여, 유기 전압 고차 성분 생성부(9)로부터의 출력을 정지한다.
또한, 도 14의 (b)에 나타내는 바와 같이 모터 회전수가 N2 이상이 되었을 경우, 5차 ·7차 성분의 진폭치를 O으로 하여, 유기 전압 고차 성분 생성부(9)로부터의 출력을 정지한다.
바꿔 말하면, 회전수 N2 이하에서는, 유기 전압 고차 성분 생성부(9)로부터 출력되는 유기 전압 고차 성분은 3·5·7·9·11·13차의 성분을 포함한다. 회전수 N1∼N2에서는, 유기 전압 고차 성분 생성부(9)로부터 출력되는 유기 전압 고차 성분은 3·5·7차의 성분을 포함한다. 회전수 N2 이상에서는, 유기 전압 고차 성분 생성부(9)로부터 출력되는 유기 전압 고차 성분은 3차 성분을 포함한다.
한편, 전환시의 전류·회전수·토크의 변동을 억제하기 위해, 도 15의 (b)에 나타내는 바와 같이 유기 전압 고차 성분의 진폭치를 회전수 N4에서 회전수 N5까지 일정한 비율로 변화시키는 방식이어도 된다.
또한, 전환을 더 원활하게 하기 위해, 도 15의 (c)에 나타내는 바와 같이 유기 전압 고차 성분의 진폭치를 회전수 N4에서 회전수 N5까지 곡선과 같이 비율을 바꾸면서 변화시키는 방식이어도 된다.
또한, 진폭치의 전환은, 모터(3)의 출력 토크나 직류 모선 전류 정보(5A)를 이용하여 행하는 방식이어도 된다.
이와 같이, 모터 회전수가 고속역일 경우에는, 저속역에 비해 전압·전류 1주기에 포함되는 PWM 펄스수가 적다. 그 때문에, 1주기에 포함되는 PWM 펄스수가 많고 차수가 낮은 유기 전압 고차 성분을 지령 전압에 가산함으로써, 고차 성분을 출력할 수 없게 되어, 역으로 전류 파형이 왜곡되는 사태를 방지할 수 있다.
한편, 모터 회전수가 저속역일 경우에는, 1주기에 포함되는 PWM 펄스수가 많고 차수가 낮은 유기 전압 고차 성분에 대해서도 지령 전압에 가산함으로써, 전류 파형의 왜곡을 억제할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 도 14에 나타내는 바와 같이 3단계의 전환에 대해서 설명했지만, 이에 한정되는 것이 아니다.
다음으로, 도 17, 도 18을 이용하여, 본 실시예의 모터 제어 장치(1)를 공조기(100)의 압축기 구동에 적용한 예를 설명한다.
도 17에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 공조기(100)는, 외기와 열교환을 행하는 실외기(101), 실내와 열교환을 행하는 실내기(102), 양자를 연결하는 배관(103)으로 구성된다. 실외기(101)는, 냉매를 압축하는 압축기(104)와, 그것을 구동하는 압축기 구동 모터(105)와, 그것을 제어하는 모터 제어 장치(1)와, 압축 냉매를 이용하여 외기와 열교환하는 열교환기(107)로 구성된다. 또한, 실내기(102)는, 실내와 열교환을 행하는 열교환기(108)와, 실내에 송풍하는 송풍기(109)로 구성된다.
여기에서, 도 18을 이용하여, 압축기 구동 모터(105)의 효율과 직류 전압·인가 전압 지령에 대해서 설명한다. 도 18의 (a)는, 횡축은 압축기 구동 모터(105)의 회전수를 나타내고, 종축은 압축기 구동 모터(105)의 효율을 나타낸다. 도 18의 (b)는, 횡축은 압축기 구동 모터(105)의 회전수를 나타내고, 종축은 전력 변환 회로(4)에 공급되는 직류 전압과 인가 전압 지령의 진폭치를 나타낸다.
직류 전압이 일정하고 PWM 제어를 이용할 경우, 도 18의 (b)에 나타내는 바와 같이 회전수 N9 이상에서는 인가 전압 지령의 진폭치가 직류 전압을 상회하는 전압 포화 영역이 된다. 전압 포화 영역에서는, 인가 전압 지령 진폭치가 포화하여 제어할 수 없게 되기 때문에, 전력 변환 회로(4)로부터 원하는 유기 전압 고차 성분(9A)을 출력할 수 없게 된다.
따라서, 유기 전압 고차 성분의 가산에 의한 영향을 없애기 위해, 유기 전압 고차 성분 생성부(9)로부터의 출력을 정지하고, 통상의 PWM 제어로 전환하여 구동을 행한다.
이와 같이, 전력 변환 회로(4)의 전력 고차 성분을 저감함으로써, 도 18의 (a)의 일점파선에 나타내는 바와 같이 효율이 피크가 되는 회전수 N9보다 저속 회전의 영역에서, 효율의 향상을 도모하는 것이 가능해진다. 종래의 모터 제어 장치와 동일한 전력 변환 회로의 구성으로 전력 변환 회로의 전력 고차 성분을 줄일 수 있기 때문에, 부품의 추가를 행하지 않고, 공조기의 고효율화를 행하는 것이 가능해진다.
[실시예 2]
도 16을 이용하여, 전력 변환 회로(4)를 구동하는 PWM 주파수를 변경하는 구성으로 한 실시예 2를 설명한다. 한편, 회로 구성은 도 1에 나타내는 모터 제어 장치(1)와 동일하기 때문에, 설명을 생략한다.
상술한 바와 같이, PWM 펄스수가 일정한 상태에서 모터 회전수가 고속역이 되면, 저속역에 비해 전압·전류 1주기에 포함되는 PWM 펄스수가 적어지기 때문에, 유기 전압 고차 성분의 차수가 큰 성분은 전력 변환 회로(4)로부터 출력하는 것이 곤란해진다.
그래서, 본 실시예 2에서는, 도 16에 나타내는 바와 같이 모터 회전수에 따라 PWM 주파수를 변경한다. 여기에서는, 회전수에 따라 PWM 주파수를 f1과 f2로 전환하고 있다. 도 16의 (a)에 나타내는 바와 같이, 모터 회전수를 가속시켜 회전수 N6 이상이 되었을 경우, PWM 주파수를 f2로부터 f1의 상태로 전환한다. 도 16의 (b) 및 도 16의 (c)는 주파수의 변경 방법의 변형예이다.
이와 같이, 모터 회전수에 따라 PWM 주파수를 바꿈으로써, 고속역에서는 PWM 주파수를 크게 하여 전압·전류 1주기에 포함되는 PWM 펄스수를 유지하고, 유기 전압 고차 성분의 차수가 큰 성분의 출력이 가능해진다.
또한, 저속역에서는 PWM 주파수를 작게 함으로써, 스위칭 손실을 저감하여, 모터 제어 장치(1)의 고효율화가 가능해진다.
한편, 모터 회전수에 따라, 본 실시예에서 설명한 PWM 주파수를 변경하는 방식과, 실시예 1에서 설명한 지령 전압에 가산하는 유기 전압 고차 성분의 차수를 변경하는 방식을 조합해도 된다. 이와 같은 2개의 방식을 조합함으로써, PWM 주파수를 크게 하는 것에 기인하는 스위칭 손실의 증대와, 유기 전압 고차 성분의 차수가 큰 성분을 출력하지 않는 것에 기인하는 전류 파형의 왜곡에 의한 효율 저하를 비교하여, PWM 주파수와 유기 전압 고차 성분의 차수를 선택할 수 있다. 예를 들면, 스위칭 손실의 증대가 전류 파형의 왜곡의 억제에 의한 효율 향상 효과보다 클 경우, 유기 전압 고차 성분의 차수가 큰 성분의 출력을 행하지 않도록 함으로써, 종합적인 효율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 도 16에 나타내는 바와 같이 2단계의 전환에 대해서 설명했지만, 이에 한정되는 것이 아니다.
[실시예 3]
도 19, 도 20을 이용하여, 직류 전압 승압 장치(107)를 실시예 3의 공조기(100)의 구성에 적용한 실시예 3을 설명한다.
도 19에 나타내는 바와 같이, 본 실시예는, 모터 구동 장치(106)에 직류 전압 승압 장치(107)를 접속하는 구성이다. 한편, 그 밖의 구성은, 실시예 1의 공조기(100)와 동일하기 때문에, 설명을 생략한다.
여기에서, 도 20을 이용하여, 본 실시예의 압축기 구동 모터(105)의 효율과 직류 전압·인가 전압 지령에 대해서 설명한다. 도 20의 (a)는 압축기 구동 모터(105)의 효율을 나타내고 있다. 도 20의 (b)는 직류 전압과 인가 전압 지령의 진폭치를 나타내고 있다.
실시예 1에서 설명한 바와 같이, 인가 전압 지령의 진폭치가 직류 전압을 상회하는 전압 포화 영역에서는, 인가 전압 지령 진폭치를 제어할 수 없게 되어, 전력 변환 회로(4)로부터 원하는 유기 전압 고차 성분(9A)을 출력할 수 없게 된다.
그래서, 본 실시예의 구성에서는, 도 20의 (b)에 나타내는 바와 같이 전압 포화 영역이 개시하는 회전수 N9 이상에서 직류 전압 승압 장치(107)에 의해 모터 구동 장치(106)에 공급하는 직류 전압의 승압을 행한다. 이에 따라, 회전수 N9 이상이어도 인가 전압 지령 진폭치가 제어 가능해져, 전력 변환 회로(4)로부터 원하는 유기 전압 고차 성분(9A)을 출력하는 것이 가능해진다.
실시예 3의 구성에 의하면, 실시예 1에서 유기 전압 고차 성분 생성부(9)로부터의 출력을 정지하고 있었던 회전수 N9 이상의 영역에서도, 유기 전압 고차 성분(9A)의 출력을 행함으로써, 유기 전압 왜곡에 기인하여 발생하는 모터 전류의 고차 성분을 억제할 수 있다. 따라서, 모터 구동 장치(106)의 손실을 저감하여, 공조기의 고효율화를 행하는 것이 가능해진다.
한편, 본 발명은 실시예 1∼실시예 3에 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형예가 포함되어 있다. 예를 들면, 상기한 실시예는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것이 아니다.
또한, 어느 실시예의 구성의 일부를 다른 실시예의 구성으로 치환하는 것이 가능하며, 또한, 어느 실시예의 구성에 다른 실시예의 구성을 더하는 것도 가능하다.
또한, 각 실시예의 구성의 일부에 대해서, 다른 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것이 가능하다.
또한, 각 구성, 기능, 처리부, 처리 수단 등은, 그들의 일부 또는 전부를, 예를 들면 집적 회로로 설계하는 등에 의해 하드웨어로 실현해도 된다.
또한, 제어선이나 정보선은 설명상 필요하다고 생각되는 것을 나타내고 있고, 제품상 반드시 모든 제어선이나 정보선을 나타내고 있다고는 할 수 없다. 실제로는 거의 모든 구성이 상호 접속되어 있다고 생각해도 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 모터 구동 장치는, 영구 자석 모터에 전력을 공급하는 전력 변환기와, 전력 변환기의 출력 전압을 제어하는 제어 장치와, 영구 자석 모터의 유기 전압의 고차 성분을 제어 장치의 전압 지령치에 가산하는 전압 가산부를 구비하고, 영구 자석 모터의 회전수가 높을수록, 제어 장치의 전압 지령치에 가산되는 유기 전압의 고차 성분의 차수가 적다. 본 발명에 의하면, 고차 성분을 출력할 수 없게 되어, 역으로 전류 파형이 왜곡되는 사태를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 모터 제어 장치는, 영구 자석 모터에 전력을 공급하는 전력 변환기와, 전력 변환기의 출력 전압을 제어하는 제어 장치와, 유기 전압의 고차 성분을 제어 장치의 전압 지령치에 가산하는 전압 가산부를 구비하고, 영구 자석 모터의 회전수가 높을수록, 영구 자석 모터의 PWM 주파수가 높다. 본 발명에 의하면, 회전수의 증가에 의한 전류 1주기에 포함되는 PWM 펄스수의 감소를 억제함으로써, 고차 성분의 출력이 가능해진다.
또한, 본 발명의 모터 제어 장치는, 직류 전원의 직류 전압을 승압하는 승압 회로를 구비하고, 출력 전압의 진폭치가 직류 전압보다 높을 때에는, 승압 회로가 직류 전압을 출력 전압의 진폭치 이상으로 승압한다.
또한, 본 발명의 모터 제어 장치는, 영구 자석 모터의 회전수, 영구 자석 모터의 출력 토크 또는 전력 변환기의 직류 모선 전류에 따라, 유기 전압의 고차 성분 데이터로부터 유기 전압의 고차 성분을 생성하는 유기 전압 고차 성분 생성부를 구비하고, 유기 전압의 고차 성분을 제어 장치의 전압 지령치에 가산한다. 본 발명에 의하면, 간이한 구성으로 유기 전압의 왜곡에 기인하는 전류 파형의 왜곡을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 공기 조화기는, 제어 장치에 의해 제어되는 영구 자석 모터를 갖는 압축기와, 응축기와, 팽창 장치와, 증발기를 구비한다.
1: 모터 제어 장치
2: 직류 전원
3: 영구 자석 동기 모터
4: 전력 변환 회로
5: 직류 모선 전류 검출 회로
6: 제어 장치
7: PWM 펄스 생성부
8: 벡터 제어부
9: 유기 전압 고차 성분 생성부
10: 전압 가산부
41: 전력 변환 주회로
42: 게이트·드라이버

Claims (5)

  1. 영구 자석 모터에 전력을 공급하는 전력 변환기와,
    상기 전력 변환기의 출력 전압을 제어하는 제어 장치와,
    상기 영구 자석 모터의 유기 전압의 고조파 성분을 상기 제어 장치의 전압 지령치에 가산하는 전압 가산부를 구비하고,
    상기 영구 자석 모터의 회전수가 높을수록, 상기 제어 장치의 전압 지령치에 가산되는 상기 유기 전압의 고조파 성분의 차수가 적은 모터 제어 장치.
  2. 영구 자석 모터에 전력을 공급하는 전력 변환기와,
    상기 전력 변환기의 출력 전압을 제어하는 제어 장치와,
    상기 영구 자석 모터의 유기 전압의 고조파 성분을 상기 제어 장치의 전압 지령치에 가산하는 전압 가산부를 구비하고,
    상기 영구 자석 모터의 회전수가 높을수록, 상기 영구 자석 모터의 PWM 주파수가 높은 모터 제어 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    직류 전원의 직류 전압을 승압하는 승압 회로를 구비하고,
    상기 출력 전압의 진폭치가 상기 직류 전압보다 높을 때에는, 상기 승압 회로가 상기 직류 전압을 상기 출력 전압의 진폭치 이상으로 승압하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 영구 자석 모터의 회전수, 상기 영구 자석 모터의 출력 토크 또는 상기 전력 변환기의 직류 모선 전류에 따라, 유기 전압의 고조파 성분 데이터로부터 유기 전압의 고조파 성분을 생성하는 유기 전압 고조파 성분 생성부를 구비하고,
    상기 유기 전압의 고조파 성분을 상기 제어 장치의 전압 지령치에 가산하는 모터 제어 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 기재된 상기 모터 제어 장치에 의해 제어되는 상기 영구 자석 모터를 갖는 압축기와, 응축기와, 팽창 장치와, 증발기를 구비하는 것을 특징으로 하는 공기 조화기.

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