KR101973925B1 - 모터 구동 장치 - Google Patents

Abstract

전력 변환 효율의 저하를 최대한 발생시키지 않고 수전 설비 등의 상황에 따라서 고조파의 발생을 제어할 수 있는 모터 구동 장치를 제공한다. 교류 전원의 전압을 전파 정류해서 직류 변환하거나, 또는 스위칭에 의해 승압해서 직류 변환하는 컨버터와, 컨버터의 출력 전압을 교류 전압으로 변환해서 모터에 공급하는 인버터와, 제1 모드와 제2 모드를 설정 가능한 모드 전환 수단과, 제1 모드 설정 시는, 항상 컨버터에 승압을 행하게 하고, 제2 모드 설정 시는, 발생하는 고조파 전류가 제한값에 달하지 않는 동안에는 컨버터를 전파 정류로 직류 변환을 행하게 하고, 고조파 전류가 제한값에 도달한 경우, 컨버터에 승압을 행하게 하는 제어 수단을 구비한다.

Description

모터 구동 장치{MOTOR DRIVING DEVICE}

본 발명은, 교류 전원의 전압을 직류 전압으로 변환하고, 그 직류 전압을 소정 주파수의 교류 전압으로 변환하고, 그 교류 전압을 모터의 구동 전력으로서 출력하는 모터 구동 장치에 관한 것이다.

교류 전원의 전압을 컨버터로 직류 전압으로 변환하고, 그 직류 전압을 인버터로 소정 주파수의 교류 전압으로 변환하고, 그 교류 전압을 모터의 구동 전력으로서 출력하는 모터 구동 장치가 알려져 있다.

이 모터 구동 장치는, 수전 설비(큐비클이라고도 함)에 접속된다. 수전 설비는, 상용 삼상 교류 전원의 전압을 모터 구동 장치 등의 기기의 운전에 알맞은 전압으로 변환한다. 또한, 수전 설비에는, 상용 삼상 교류 전원으로의 고조파 전류의 유출량을 제한하기 위한 규제값이 설정된다. 이 규제값의 크기는, 수전 설비의 수전 용량에 대응한다.

이 고조파 전류의 규제에 수반하여, 고조파 전류를 억제하기 위한, 예를 들어 고조파 억제 장치(다펄스 정류기 등)가 모터 구동 장치에 탑재된다. 또는, 모터 구동 장치의 컨버터로서 승압형 PWM 컨버터(PMW : Pulse Width Modulation)가 채용되고, 그 PWM 컨버터의 스위칭 제어에 의해 고조파 전류의 발생량이 억제된다.

(특허문헌 1) 일본 특허 공개 제2004-263887호 공보

그러나, 고조파 억제 장치는 고액이다.

또한, PWM 컨버터는 스위칭에 의한 전력 손실이 크기 때문에, PWM 컨버터를 채용한 경우에는 전력 변환 효율의 저하를 초래한다는 문제가 있다. 또한, 수전 설비의 용량이나 동일한 수전 설비에 접속되어 있는 각종 부하에 따라 규제값이 상이하다. 모터 구동 장치가 용량이 작은 수전 설비에 접속되었을 경우나, 동일한 수전 설비에 접속된 부하의 용량이 큰 고조파를 제어할 수 없는 인버터 장치를 구비한 다른 기기가 있을 경우에는, 모터 구동 장치로부터 발생하는 고조파를 가능한 한 저감시킬 것이 요망된다.

본 실시 형태의 목적은, 비용의 상승이나 전력 변환 효율의 저하를 최대한 발생시키지 않고, 수전 설비 등의 상황에 따라서 고조파의 발생을 제어할 수 있는 모터 구동 장치를 제공하는 것이다.

본 실시 형태에 따른 모터 구동 장치는, 교류 전원의 전압을 전파 정류해서 직류 변환하거나, 또는 스위칭에 의해 승압해서 직류 변환하는 컨버터와, 상기 컨버터의 출력 전압을 교류 전압으로 변환하고, 그 교류 전압을 모터에 공급하는 인버터와, 상기 컨버터로부터 유출되는 고조파 전류를 검출하는 고조파 전류 검출 수단과, 제1 모드와 제2 모드를 설정 가능한 모드 전환 수단과, 상기 모드 전환 수단으로 제1 모드가 설정된 경우, 상기 인버터에 의한 모터의 운전 중에는, 항상 상기 컨버터에 승압을 행하게 하고, 상기 모드 전환 수단으로 제2 모드가 설정된 경우, 상기 고조파 전류 검출 수단이 검출하는 고조파 전류가 제한값에 도달하지 않을 동안에는 상기 컨버터의 스위칭을 정지해서 전파 정류로 직류 변환을 행하게 하고, 상기 고조파 전류 검출 수단이 검출하는 고조파 전류가 상기 제한값에 도달한 경우에, 상기 컨버터에 승압을 행하게 하는 제어 수단을 구비하고 있다.

또한, 본 실시 형태에 따른 모터 구동 장치의 상기 제어 수단은, 상기 컨버터가 승압하는 전압값을 설정하기 위해서, 교류 전원의 전압값을 검출하는 전원 전압 검출 수단을 구비하고 있다.

또한, 본 실시 형태에 따른 모터 구동 장치는, 교류 전원의 전압을 전파 정류 직류 변환하거나, 또는 스위칭에 의해 승압해서 직류 변환하는 컨버터와, 상기 컨버터의 출력 전압을 교류 전압으로 변환하고, 그 교류 전압을 모터에 공급하는 인버터와, 교류 전원의 전압값을 검출하는 전원 전압 검출 수단과, 이 전원 전압 검출 수단의 검출 전압에 따라서 상기 인버터에 의한 모터의 운전 중에 상기 컨버터가 승압하는 전압값을 설정하는 제어 수단을 구비하고 있다.

또한, 본 실시 형태에 따른 모터 구동 장치의 상기 컨버터가 승압하는 전압값은, 교류 전원 전압의 실효값의 √2배 근방의 값이다.

또한, 본 실시 형태에 따른 모터 구동 장치의 상기 컨버터가 승압하는 전압값은, 교류 전원 전압의 실효값의 √2배의 98％ 내지 102％의 범위이다.

또한, 본 실시 형태에 따른 모터 구동 장치의 상기 컨버터는, 펄스폭 변조된 소정 주기의 PWM 신호에 의해 단속적으로 온으로 하는 스위칭 소자를 갖는 PWM 컨버터이다.

또한, 본 실시 형태에 따른 모터 구동 장치의 상기 교류 전원은, 상용 삼상 교류 전원이다.

본 발명에 따르면, 비용의 상승이나 전력 변환 효율의 저하를 최대한 발생시키지 않고, 수전 설비 등의 상황에 따라서 고조파의 발생을 제어할 수 있는 모터 구동 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 일 실시 형태의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는 일 실시 형태에서의 전원 전압과 컨버터의 출력 전압 및 고조파 전류와의 관계를 도시하는 도면(그래프)이다.
도 3은 일 실시 형태에서의 부하와 컨버터의 출력 전압 및 고조파 전류와의 관계를 도시하는 도면(그래프)이다.
도 4는 일 실시 형태에 따른 전파 정류 시(PWM 컨버터가 정지 시)의 모터의 부하와 고조파 전류와의 관계를 도시하는 도면이다.
도 5는 일 실시 형태에 따른 모터의 회전수와 동 실시 형태에서의 약화 계자 제어의 리드 각과의 관계를 도시하는 도면이다.
도 6은 일 실시 형태에 따른 제2 모드 설정 시의 모터 회전수와 컨버터의 출력 전압과의 관계(동작예)를 도시하는 도면이다.
도 7은 일 실시 형태의 변형예에서의 특징 부분을 도시하는 블록도이다.
도 8은 일 실시 형태에 따른 제1 모드 설정 시의 모터 회전수와 컨버터의 출력 전압과의 관계(동작예)를 도시하는 도면이다.

이하, 본 발명의 일 실시 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 삼상 교류 전원(1)에 수전 설비(2)가 접속되고, 그 수전 설비(2)에 본 실시 형태의 모터 구동 장치(3)가 접속되어 있다. 그리고, 모터 구동 장치(3)의 출력 단에는, 직류 모터, 예를 들어 브러시리스 DC 모터(모터)(5)가 접속되어 있다. 수전 설비(2)에는, 삼상 교류 전원(1)측으로의 고조파 전류의 유출량을 제한하기 위한 규제값이 설정되어 있다. 이 규제값의 크기는, 수전 설비(2)의 수전 용량에 비례하여, 수전 용량이 크면 커진다. 브러시리스 DC 모터(5)는, 설비 기기, 예를 들어 히트 펌프식 열원기의 압축기를 구동하는 것이다. 브러시리스 DC 모터(5)는, 복수의 상(相) 권선(Lu, Lv, Lw)을 갖는 스테이터(전기자)(5a), 및 복수 예를 들어 4극의 영구 자석이 매설된 로터(회전자)(5b)를 포함한다. 로터(5b)는, 상 권선(Lu, Lv, Lw)에 전류가 흐름으로써 발생하는 자계와 스테이터(5a)의 각 영구 자석이 만드는 자계와의 상호 작용에 의해 회전한다.

모터 구동 장치(3)는, PWM 컨버터(컨버터)(10), 평활 콘덴서(30), 인버터(40), 및 컨트롤러(MCU: Micro Control Unit)(70)를 포함한다. 인버터(40)의 출력 단에, 브러시리스 DC 모터(5)의 상 권선(Lu, Lv, Lw)이 접속되어 있다.

PWM 컨버터(10)는, 리액터(11, 12, 13), 이들 리액터(11, 12, 13)(및 수전 설비(2))를 통해서 삼상 교류 전원(1)에 접속되는 다이오드(21a 내지 26a)의 브리지 회로, 및 이들 다이오드(21a 내지 26a)에 병렬 접속된 스위칭 소자, 예를 들어 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)(21 내지 26)를 포함한다. PWM 컨버터(10)는, 삼상 교류 전원(1)의 전압을, 삼상 정현파 변조 방식을 사용한 IGBT(21 내지 26)의 스위칭(단속적인 온)에 의해 승압 및 직류 전압으로 변환한다. 후술하는 컨버터 제어부(72)가, 전원 전류의 위상에 동기시켜 IGBT(21 내지 26)의 온, 오프 듀티를 조정함으로써, 승압 전압은 가변된다. 또한, PWM 컨버터(10)는, IGBT(21 내지 26)의 스위칭 정지에 의해, 삼상 교류 전원(1)의 전압을 다이오드(21a 내지 26a)로 전파 정류 한다. PWM 컨버터(10)의 출력 전압이 평활 콘덴서(30)에 인가된다. 또한, 다이오드(21a 내지 26a)는, IGBT(21 내지 26)의 회생용 다이오드이다.

인버터(40)는, IGBT(41, 42)를 직렬 접속하고, 그 IGBT(41, 42)의 상호 접속점이 브러시리스 DC 모터(5)의 상 권선(Lu)에 접속되는 U상용 직렬 회로, IGBT(43, 44)를 직렬 접속해서 그 IGBT(43, 44)의 상호 접속점이 브러시리스 DC 모터(5)의 상 권선(Lv)에 접속되는 V상용 직렬 회로, 및 IGBT(45, 46)를 직렬 접속해서 그 IGBT(45, 46)의 상호 접속점이 브러시리스 DC 모터(5)의 상 권선(Lw)에 접속되는 W상용 직렬 회로를 포함한다. 인버터(40)는, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(평활 콘덴서(30)의 전압)(Vc)을 각 IGBT의 스위칭에 의해 소정 주파수의 삼상 교류 전압으로 변환해서, 각 IGBT의 상호 접속점으로부터 출력한다. 또한, IGBT(41 내지 46)에는, 회생용 다이오드(프리 휠 다이오드)(41a 내지 46a)가 역병렬 접속되어 있다.

인버터(40)의 출력 단과 브러시리스 DC 모터(5)와의 사이의 통전로에는, 모터 전류(상 권선 전류) 검지용 전류 센서(51, 52, 53)가 배치되어 있다. 수전 설비(2)와 리액터(11, 12, 13)와의 사이의 통전로에, 입력 전류 검지용 전류 센서(61, 62, 63)가 배치되어 있다. 이들 전류 센서(61, 62, 63)의 검지 결과가 컨트롤러(70)에 공급된다.

여기에서는, 전류 센서(61, 62, 63)를 각 상에 설치하고 있지만, 삼상 중의 2상에만 전류 센서를 설치하고, 이 2상의 전류값으로부터 나머지 1상의 전류값을 계산으로 산출해도 된다. 마찬가지로 모터 전류 검지용 전류 센서(51, 52, 53)에 대해서도, 삼상 중의 2상에만 전류 센서를 설치하고, 이 2상의 전류값으로부터 나머지 1상의 전류값을 계산으로 산출해도 된다. 또한, 전류 센서(51, 52, 53) 대신에, 직류 라인에 1개의 션트 저항을 설치하고, 인버터(40)의 통전 타이밍과의 조합에 기초해서 브러시리스 DC 모터(5)의 각 상전류를 검지해도 된다.

컨트롤러(70)는, 상술한 컨버터(10) 및 인버터(40)의 동작을 제어하는 제어부로서 기능한다. 컨트롤러(70)는, 직류 전압 검출부(직류 전압 검출 수단)(71), 컨버터 제어부(제어 수단)(72), 인버터 제어부(인버터 제어 수단)(73), 고조파 전류 검출부(고조파 전류 검출 수단)(75), 제한값 설정부(제한값 설정 수단)(76), 승압값 설정부(승압값 설정 수단)(77), 전원 전압 검출부(전원 전압 검출 수단)(78), 전원 전류값 기억부(전원 전류값 기억 수단)(79), 및 상한 회전수 기억부(상한 회전수 기억 수단)(89)를 포함한다.

또한 컨트롤러(70)에는, 외부로부터 운전 제어 지령으로서, 모터 구동 장치(3)의 온/오프 지시 및 온 중의 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)를 지정하기 위한 모터 회전수 명령값(모터(5)의 목표 회전수)(Ns)이 입력되어 있다. 이 모터 회전수 명령값(Ns)은, 컨버터(10)를 제어하는 컨버터 제어부(72) 및 인버터(40)를 제어하는 인버터 제어부(73)에 공급된다.

또한, 이들의 지시·명령은, 일반적으로 상위측의 제어기, 예를 들어 공조기라면, 공조 제어기로부터 컨트롤러(70)에 보내져 온다.

전원 전압 검출부(78)에는, 수전 설비(2)를 통한 삼상 교류 전원(1)의 삼상 전원 라인이 입력되어 있다. 전원 전압 검출부(78)는, 삼상 교류 전원(1)의 전원 전압값(실효값)(Vp)(이하, 전원 전압(Vp)이라고 함)을 검출한다. 이하, 설명에서는, 「삼상 교류 전원(1)」은, 모터 구동 장치(10)에 공급되는 삼상 교류 전원을 의미하고, 본 실시 형태에서는, 수전 설비(2)를 통한 후의 교류 전원이 된다. 이 전원 전압(Vp)은, 모터 구동 장치(3)에서는, 입력 전압을 의미한다. 전원 전압 검출부(78)에서 검출된 전원 전압(Vp)은, 승압값 설정부(77)에 입력되어, 후술하는 승압값 설정부(77)에서의 PWM 컨버터(10)의 승압 전압의 목표값의 설정에 사용된다.

PWM 컨버터(10)의 출력에 접속된 직류 전압 검출부(71)는, PWM 컨버터(10)의 출력 전압값(Vc)(이하, 출력 전압(Vc)이라고 함)을 검출한다. 직류 전압 검출부(71)에서 검출된 출력 전압(Vc)은, 컨버터 제어부(72) 및 인버터 제어부(73)에 공급된다. 인버터 제어부(73)에서는 브러시리스 DC 모터(5)를 구동하기 위한 센서리스·벡터 제어에 이 데이터가 사용된다.

모드 전환부(모드 전환 수단)(88)는, 컨버터 제어부(72)에 접속되어 있다. 모드 전환부(88)는, 2개의 위치를 수동으로 전환 가능한 딥 스위치 등을 포함한다.

사용자나 설비 업자는, 모드 전환부(88)의 스위치의 위치를 수동 조작에 의해 변경함으로써, 항상 고조파를 저감시키는 제1 모드와 필요 시에 고조파를 저감시키는 제2 모드를 전환할 수 있다. 또한, 모드 전환부(88)를, 수동 조작하는 것이 아니라, 외부로부터의 통신에 의해 제1 모드와 제2 모드와의 전환을 가능하게 구성해도 된다.

사용자나 설비 업자는, 모터 구동 장치(10)의 설치 시 등에, 모터 구동 장치(10)가 접속되어 있는 수전 설비(2) 및 이 수전 설비(2)에 접속되어 있는 다른 부하를 확인하고, 가능한 한 고조파 전류의 저감이 필요한 경우에는, 모드 전환부(88)를 제1 모드로 설정한다. 한편, 모터 구동 장치(10)로부터 발생하는 고조파 전류값만을 규제값의 범위 내에 수용하는 것만으로 충분한 경우에는, 사용자나 설비 업자는, 모드 전환부(88)를 제2 모드로 설정한다. 또한, 후술하는 바와 같이 모터 구동 장치(10)의 효율은, 제2 모드가 제1 모드보다도 더 높다.

컨버터 제어부(72)는, 모드 전환부(88)에 제1 모드가 설정되면, 모터(5)의 구동 중에는, 항상 고조파 전류를 저감시키도록 컨버터(10)를 승압 동작시킨다. 한편, 컨버터 제어부(72)는, 제2 모드가 설정되면, 상황에 따라서 컨버터(10)의 승압 동작을 온, 오프 제어한다. 또한, 컨버터 제어부(72)는, 컨버터(10)의 승압 운전을 행하는 경우에는, 전류 센서(61, 62, 63)의 검지 전류 및 전압 검출부(71)가 검출한 출력 전압(Vc)을 입력으로 하고, 출력 전압(Vc)이 목표값이 되도록 PWM 컨버터(10)의 IGBT(21 내지 26)의 스위칭을 제어한다.

고조파 전류 검출부(75)는, 전류 센서(61, 62, 63)의 검지 전류 변화를 푸리에 급수 전개해서 제어에 필요한 차수의 고조파 전류값을 산출하여, 컨버터 제어부(72)에 공급한다. 일반적으로 5차 고조파 전류가 가장 크고, 규제값에 대한 허용 폭도 적기 때문에, 고조파 전류 검출 수단(75)은, 대표적으로 5차 고조파를 산출한다. 고조파 전류 검출부(75)가 검출하는 고조파 전류가 규제값을 초과하여, PWM 컨버터(10)의 승압 동작이 행하여진 직후에, 컨버터 제어부(72)는, 전원 전류값 기억부(79)에 대하여 전원 전류값을 기억하는 명령을 내린다. 전원 전류값 기억부(79)는, 그때의 전원 전류값(Ip)(이하, 전류 기억값(Ip)이라고 함)을 기억하고, 유지한다.

또한, 이 전원 전류값 기억부(79)는, 제2 모드에서 운전 중에 승압 동작이 해제된 경우, 또는 운전 정지 등으로 PWM 컨버터(10)의 스위칭 동작이 정지한 시점에서, 전원 전류값의 기억을 해제(리셋)한다. 고조파 전류 검출 수단(75) 및 전원 전류값 기억부(79)는, 모드 전환부(88)에서 제2 모드가 설정된 경우에만 기능하고, 제1 모드가 설정된 경우에는 사용되지 않는다.

컨버터 제어부(72)는, 인버터 제어부(73)로부터 인버터(40)가 모터(5)에 공급하는 통전 파형의 온, 오프 듀티(듀티)(D)의 데이터나 인버터(40)로 구동되는 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)의 데이터(추정 데이터 포함함) 등의 PWM 컨버터(10)의 제어에 필요한 후술하는 데이터를 수취하고 있다.

인버터 제어부(73)는, 전류 센서(51, 52, 53)의 검지 결과에 기초하여 브러시리스 DC 모터(5)의 로터 위치 및 회전수(N)(회전 속도라고도 함)를 추정하고, 그 추정 회전수(N)가 목표 회전수(Ns)가 되도록 인버터(40)에서의 IGBT(41 내지 46)의 온, 오프 듀티를 제어하는 센서리스·벡터 제어를 행한다. 즉, 인버터 제어부(73)는, 저속도 운전 영역에서는 듀티(D)를 작게 해서 인버터(40)의 출력 전압을 저하시키고, 중속도 운전 영역부터 고속도 운전 영역에서는 듀티(D)를 크게 해서 인버터(40)의 출력 전압을 높이는 제어를 행한다.

인버터 제어부(73)는, 듀티(D)가 제어의 상한, 즉 풀 듀티에 도달한 경우, 또한 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)를 높이기 위해서 부의 계자 성분 전류(-Id)를 주입하는 약화 계자 제어에 의해 브러시리스 DC 모터(5)의 로터 위치에 대한 통전 타이밍을 빠르게 한다(리드 각(θ)을 증가시킴). 이에 의해, 브러시리스 DC 모터(5)에서의 역기전력을 극복하도록 브러시리스 DC 모터(5)에 전류가 유입되어, 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)가 상승한다.

상술한 바와 같이, 고조파 전류 검출부(75)는, PWM 컨버터(10)로부터 수전 설비(2)(및 상용 삼상 교류 전원(1))측에 유출되는 고조파 전류(Ih)를 전류 센서(61, 62, 63)의 검지 결과에 기초하여 검출한다. 또한, 이 전류 센서(61, 62, 63)의 검지 전류는, PWM 컨버터의 스위칭 제어에도 사용된다.

제한값 설정부(76)는, PWM 컨버터(10)로부터 수전 설비(2)(및 상용 삼상 교류 전원(1))측으로의 고조파 전류(Ih)의 유출량을 제한하기 위한 고조파 전류의 제한값(Ihs)을 기억하고, 그 값을 컨버터 제어부(72)에 공급한다. 이 제한값(Ihs)은, 수전 설비(2)에 대하여 설정되는 규제값의 범위 내에서 할당되는 것이다. 제한값(Ihs)은, 외부로부터의 명령에 따라서 제한값 설정부(76)에 가변 설정된다. 이 외부로부터의 명령은 통신을 사용한 입력이어도 되고, 설치 시에 설비 업자가 수동으로 설정해도 된다. 이 제한값 설정부(76)도 모드 전환부(88)에서 제2 모드가 설정된 경우에만 기능하고, 제1 모드가 설정된 경우에는 사용되지 않는다.

승압값 설정부(77)에는, 전원 전압 검출부(78)에서 검출된 삼상 교류 전원(1)의 전원 전압(실효값)(Vp)이 입력된다. 승압값 설정부(77)는, 이 전원 전압(Vp)에 기초하여 PWM 컨버터(10)의 승압의 목표값인 제1 전압값(Vc1) 및 제2 전압값(Vc2)(Vc1<Vc2)을 산출해서 설정하여, 컨버터 제어부(72)에 공급한다. 이 승압의 목표값인 제1 전압값(Vc1) 및 제2 전압값(Vc2)은, 고조파를 저감시킴과 함께 손실을 저감시키기 위해서 바람직한 전압값으로 되어 있다.

여기서, 제1 전압값(Vc1) 및 제2 전압값(Vc2)의 설정에 대해 설명한다. 삼상 정현파 변조 방식을 사용해서 승압 동작하는 PWM 컨버터(10)로부터 수전 설비(2)(및 삼상 교류 전원(1))측에 유출되는 고조파 전류(Ih)의 특성을, 도 2, 도 3에 도시한다. 도 2에서는, 비교를 위하여, 교류 전원의 전원 전압(Vp)으로서 190V 및 200V의 2개의 상태에서 인버터(40)의 모터 부하(L)를 일정하게 하고, PWM 컨버터(10)의 출력(승압) 전압(Vc)을 변화시킨 것이다. 또한, 도 3은, 교류 전원의 전원 전압(Vp)을 일정하게 하고 모터 부하를 변화시킨 경우의 고조파 전류(Ih)의 변화를 나타내고 있다.

도 2의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 전원 전압(Vp)이 200V인 경우에는, 고조파 전류(Ih)는, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)의 상승에 수반해서 감소하여, 출력 전압(Vc)이 280V 부근에서 가장 저하된 후, 증가로 돌아선다. 그 후, 고조파 전류(Ih)는, 출력 전압(Vc)의 상승에 수반해서 증가하여, 출력 전압(Vc)이 294V 부근에서 고조파 전류(Ih)가 일단 피크가 되고, 또한 출력 전압(Vc)의 상승에 수반해서 다시 감소로 돌아선다. 이후, 고조파 전류(Ih)는, 출력 전압(Vc)의 상승에 수반해서 감소해 나간다. 그리고, 출력 전압(Vc)이 307V 부근에서, 고조파 전류(Ih)는, 최초로 가장 저하된 시점, 즉, 출력 전압(Vc)이 279V 부근일 때와 동 레벨까지 저하된다. 또한, 그 이상으로 출력 전압(Vc)을 증가시키면, 그 증가에 수반해서 고조파 전류(Ih)는 더 저하되어 간다.

또한, 전원 전압(Vp)이 190V인 경우에는, 고조파 전류(Ih)는, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)의 상승에 수반해서 감소하여, 출력 전압(Vc)이 265V 부근에서 가장 저하된 후, 증가로 돌아선다. 그 후, 고조파 전류(Ih)는, 출력 전압(Vc)의 상승에 수반해서 증가하여, 출력 전압(Vc)이 279V 부근에서 고조파 전류(Ih)가 일단 피크가 되고, 또한 출력 전압(Vc)의 상승에 수반해서 다시 감소로 돌아선다. 이후, 고조파 전류(Ih)는, 출력 전압(Vc)의 상승에 수반해서 감소해 나간다. 그리고, 출력 전압(Vc)이 292V 부근에서, 고조파 전류(Ih)는, 최초로 가장 저하된 시점, 즉, 출력 전압(Vc)이 265V 부근일 때와 동 레벨까지 저하된다. 또한, 그 이상으로 출력 전압(Vc)을 증가시키면, 그 증가에 수반해서 고조파 전류(Ih)는 더 저하되어 간다.

또한, 도 3에 도시한 바와 같이 모터 부하의 변화는, 고조파 전류(Ih)의 크기에는 영향을 미치지만, 출력 전압(Vc)에 대한 고조파 전류(Ih)의 변화의 경향에는 영향을 미치지 않는다.

이것을 전원 전압(Vp)과의 관계로부터 분석하면, 고조파 전류(Ih)는, 출력 전압(Vc)이 전원 전압(Vp)×√2 부근, 보다 엄밀하게는 전원 전압(Vp)×√2×99％에서 가장 저하되고, 일단, 전원 전압(Vp)×√2×104％ 부근에 달한 시점에서 최대가 되고, 그 후, 출력 전압(Vc)이 전원 전압(Vp)×√2×109％ 정도가 된 시점에서 전원 전압(Vp)×√2 부근과 동일한 값까지 저하되게 된다. 또한, 도 2의 그래프 중의 ( ) 내의 숫자는, 이해하기 쉽게 하기 위해서, 각각의 부분에서의 출력 전압(Vc)의 전원 전압 전원 전압(Vp)×√2에 대한 비율을 ％로 나타낸 것이다.

한편, PWM 컨버터(10)의 특성상, 승압 전압을 높게 하면 할수록 IGBT(21 내지 26)의 스위칭 손실에 의해 효율이 저하된다. 이러한 특성으로부터, 고조파 전류(Ih)를 제한값(Ihs) 내의 낮은 값으로 억제하면서, 손실이 적은 고효율의 운전을 행하게 하기 위해서, 제1 전압값(Vc1)으로서는, 가능한 한 낮은 승압 전압으로 고조파 전류(Ih)를 저감시킬 수 있는 범위가 되는 전원 전압(Vp)×√2 부근을 선정한다. 구체적으로는, 전원 전압(Vp)×√2×(98％ 내지 102％)가 선정된다. 한편, 제2 전압값(Vc2)은, 승압했음에도 불구하고 고조파 전류(Ih)가 많아져버리는 피크의 전원 전압(Vp)×√2×104％ 부근을 사용하지 않고, 출력 전압(Vc)이 제1 전압값(Vc1)=전원 전압(Vp)×√2와 동일 정도로 고조파 전류(Ih)를 저감시킬 수 있는 값이 되는 전원 전압(Vp)×√2×109％ 근방으로 설정된다.

이렇게 전원 전압 검출부(78)에서 검출된 전원 전압(Vp)에 따라서 PWM 컨버터(10)의 승압 목표값인 제1 전압값(Vc1) 및 제2 전압값(Vc2)(Vc1<Vc2)을 설정함으로써, 제1 전압값(Vc1)과 제2 전압값(Vc2)의 사이에, PWM 컨버터(10)로부터 유출되는 고조파 전류(Ih)의 피크값이 존재하게 되고, 모터 구동 장치(3)는, 이 피크값 근방의 출력 전압(Vc)을 사용하지 않는 승압을 행할 수 있어, 고조파 전류(Ih)가 낮은 운전이 가능해진다.

또한, 리액터(11 내지 13)의 리액턴스 값은, 모터 부하(L)(소비 전류/전력)가 정격 부하 또는 정격 부하보다 큰 부하 영역에서 PWM 컨버터(10)가 승압 동작했을 경우에 효율이 가장 좋아지는 값으로 선정되어 있다. 그 결과, 모터 부하(L)가 중부하인 영역을 초과해서 정격 부하 또는 정격 부하보다 큰 부하 영역에서는, 고조파 전류(Ih)가 저하된다. 즉, 고조파 전류(Ih)는, PWM 컨버터(10)에 의한 승압 동작에 대하여 모터 부하(L)가 저부하 영역에서 가장 작고, 계속해서 정격 부하 또는 정격 부하보다 큰 부하 영역에서 크고, 중부하의 영역에서 가장 커진다. 또한, 리액터(11 내지 13)의 리액턴스 값은, PWM 컨버터(10)가 무부하 시의 전파 정류에서의 출력 전압값 근방이 되는 전원 전압(Vp)×√2까지 승압했을 경우, 브러시리스 DC 모터(5)의 전체 부하 영역에 걸쳐 고조파 전류(Ih)가 제한값(Ihs)을 하회하는 값으로 설정되어 있다.

이하, 삼상 교류 전원으로서(200V)의 상용 삼상 전원을 사용한 경우를 예로 들어 설명한다.

여기에서는, 제1 전압값(Vc1)으로서, 고조파 전류(Ih)가 작고, 또한 승압 전압이 낮은 무부하 시의 전파 정류에서의 전압값 근방의 280V(전원 전압(Vp)×√2×99％)가 설정되어 있다. 상술한 바와 같이, PWM 컨버터(10)의 무부하 시의 전파 정류에서의 출력 전압(Vc)의 값 근방인 제1 전압값(Vc1)까지 승압하면, 브러시리스 DC 모터(5)의 전체 부하 영역에 걸쳐 고조파 전류(Ih)가 제한값(Ihs)을 하회한다. 이 때문에, 이후에는, 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)를 상승시키기 위한 인버터(40)의 약화 계자 제어를 필요로 하는 경우를 제외하고, PWM 컨버터(10)의 승압 전압을 변경할 필요는 없다.

PWM 컨버터(10)로부터 수전 설비(2)(및 상용 삼상 교류 전원(1))측에 유출되는 고조파 전류(Ih)는, 도 4에 도시한 바와 같이, PWM 컨버터(10)를 스위칭 정지시킨, 즉, 전파 정류 상태에서는, 브러시리스 DC 모터(5)의 부하(L)에 따라서 변화한다. 부하(L)가 L0 미만인 저부하(저속도) 운전 영역에서는, 전파 정류만으로도 고조파 전류(Ih)가 제한값(Ihs)에 달하지 않는다. 따라서, 모터 부하(L)가 L0 미만인 저속도 운전 영역에서는, 고조파 전류(Ih)가 제한값(Ihs)을 초과하지 않는 한 PWM 컨버터(10)를 스위칭 정지에 의해 전파 정류시키는 것이 PWM 컨버터(10)의 전력 손실이 더 적어진다. 즉, 모터 구동 장치(3)의 전력 변환 효율이 향상된다.

또한, 모터 부하(L)가 L0을 초과한 후, 또한 모터 부하(L)가 증가해 나가면, 고조파 전류(Ih)는 일단 상승한 후에 서서히 저하되어 가는 경향이 있다. 이것은, 모터측에서의 소비 전력이 증가하고, 전류의 기본파가 증가해 가기 때문이라고 생각된다.

계속해서, 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)와 약화 계자 제어의 리드 각(θ)과의 관계를 도 5에 도시한다. 도면 중의 실선은, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)이 제1 전압값(Vc1)의 상태에 있는 경우를 나타내고 있다. 모터(5)의 회전수(N)의 증가에 대처하기 위해 인버터(40)의 출력 전압을 높이기 위한 온, 오프 듀티의 증대가 한계치가 되면(회전수(N1)), 모터 회전수 명령값(Ns)에 도달시키기 위해서, 인버터 제어부(73)에서는 모터(5)의 회전수(N)를 높이기 위한 약화 계자 제어의 실행이 필요하게 된다. 단, 약화 계자 제어의 제어량인 리드 각(θ)이 과대한 상한값(θs) 이상(모터(5)의 회전수(N)가 N2 이상)이 되면, 인버터 제어부(73)의 센서리스·벡터 제어가 불안정해지고, 모터 구동 장치(3)가 그때의 회전수(N)에 알맞는 전력을 출력할 수 없게 되어, 브러시리스 DC 모터(5)가 실속(탈조)할 가능성이 발생한다.

이 대책으로서, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제2 전압값(Vc2)인 전원 전압(Vp)×√2×109％ 및 그 이상으로 상승시킴으로써, 동일한 리드 각(θ)이어도, 브러시리스 DC 모터(5)를 실속시키지 않고 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)를 상승시킬 수 있다. 도 5 중의 일점쇄선은, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제2 전압값(Vc2)(=전원 전압(Vp)×√2×109％)으로 상승시켰을 경우의 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)에 대한 리드 각(θ)의 변화를 나타내고 있다. 약화 계자 제어는, 출력 전압(Vc)이 제1 전압값(Vc1)의 상태에서는 회전수(N1)로부터 리드 각(θ)이 증가하고, 회전수(N2)에서, 리드 각(θ)의 상한값(θs)에 달하는데, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제2 전압값(Vc2)으로 증가시키면, 우측 방향으로 시프트하고, 회전수(N3)(>N1)에서 리드 각(θ)이 들어가기 시작해서, 회전수(N4)(>N3)에서 리드 각(θ)의 상한값(θs)에 달한다.

이상과 같이, 모터 구동 장치(3)는, PWM 컨버터(10)의 승압 전압을 높임으로써, 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수 범위를 확대하는 것이 가능하고, 나아가서는, 브러시리스 DC 모터(5)가 탑재되는 히트 펌프식 열원기의 최대 능력을 높일 수 있어, 히트 펌프식 열원기의 능력 범위의 확대에 기여할 수 있다.

리드 각(θ)이 들어가기 시작하는, 즉 약화 계자 제어가 시작되는 회전수(N1, N3)는, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)과 브러시리스 DC 모터(5)의 역기전압(e)(유기 전압)으로 결정된다. 역기전압(e)은, 모터(5)의 권선 직경, 권취수 및 브러시리스 DC 모터(5)의 자석의 자속에 기초하여 계산되는 모터 상수인 유기 전압 계수(Ke)에 그때의 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)를 곱함으로써(e=Ke×N) 산출 가능하다. 적어도, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)이 이 역기전압(e)보다도 높지 않으면 모터 권선에 전류는 흘릴 수 없다. 이러한 점에서, 모터 상수를 사전에 측정·계산해 두면, 출력 전압(Vc)에 대응한 리드 각(θ)이 들어가기 시작하는 회전수 (N1)이나 (N3)은, 브러시리스 DC 모터(5)의 사양에 기초하여 미리 결정할 수 있다. 후술하는 바와 같이 본 실시 형태에서는, PWM 컨버터(10)를 제어하기 위해서 회전수(N1 및 N3)가 컨버터 제어부(72) 내의 상한 회전수 기억부(89)에 미리 기억되어 있다.

본 실시 형태에서는, 컨버터 제어부(72)는, 브러시리스 DC 모터(5)에 대하여 높은 회전수(N)가 요구되었을 경우, 즉 운전 제어 명령 중의 모터 회전수 명령값(Ns)이 높은 경우에는, 먼저, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)이 제1 전압값(Vc1)이면, 리드 각(θ)을 넣지 않는 상태에서 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)가 더 이상 올라갈 수 없게 된 시점, 즉, 모터 회전수(N)가 N1이 된 시점에서, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제2 전압값(Vc2)으로 증가시킨다. 그래도 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)가, 모터 회전수 명령값(Ns)에 도달할 수 없는 경우, 즉, 모터 회전수 명령값(Ns)이 회전수(N3)를 초과하는 경우에는, 컨버터 제어부(72)는, 리드 각(θ)을 증가시킨다.

또한, 컨버터 제어부(72)는, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)이 제2 전압값(Vc2)의 상태에서, 리드 각(θ)이 상한값(θs)에 달해도 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)가 모터 회전수 명령값(Ns)에 도달할 수 없는 경우에는, 리드 각(θ)을 상한값(θs)에 유지한 상태에서 PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제2 전압값(Vc2)으로부터 더 상승시켜 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)를 모터 회전수 명령값(Ns)에 도달시키도록 되어 있다.

또한, 삼상 교류 전원(1)으로서 상용 400V 삼상 교류 전원을 사용한 경우에는, 전원 전압 검출부(78)에 의해 수전 설비(2)를 통해서 입력되는 PWM 컨버터(10)로의 입력 전압, 즉 전원 전압(Vp)이 400V인 것이 검출되고, 제1 전압값(Vc1)은, 전원 전압(Vp)의 √2배인 566V 근방의 값, 예를 들어 565V로 설정되고. 제2 전압값(Vc2)은, 전원 전압(Vp)의 √2배인 1.09배 이상의 값, 예를 들어 617V로 설정된다.

또한 삼상 교류 전원(1)으로서, 상용 삼상 교류 전원이 아니라, 자가 발전 설비를 사용한 경우에도, 전원 전압 검출부(78)에 의해 전원 전압(Vp)(실효값)이 검출되고, 제1 전압값(Vc1)에는, 전원 전압(Vp)×√2배 근방이 되는 전원 전압(Vp)×√2×(98％ 내지 102％)의 범위에 있는 값, 제2 전압값(Vc2)에는, 전원 전압(Vp)×√2의 109％ 이상의 값이 설정된다.

일본 국내에서는 상용 삼상 교류 전원의 전원 전압(Vp)이 변동되는 경우는 거의 없다. 또한, 기기가 운전을 시작하면, 그 운전에 의해 노이즈 등이 발생하므로, 전원 전압 검출부(78)에 의한 전원 전압(Vp)의 검출은, 모터 구동 장치(3)의 운전 개시 전, 즉, PWM 컨버터(10) 및 인버터(40)가 정지하고 있는 상태에서 행하는 것이 정밀도 면에서 바람직하다.

또한, 삼상 교류 전원(1)이, 전원의 정비가 불충분한 지역의 전원 장치나 용량이 작은 자가 발전 장치 등의 경우에는, 동일한 전원에 접속되어 있는 다른 부하의 운전의 영향으로 전압 강하 등의 변동이 발생하는 경우도 있다. 이러한 전압 변동이 발생할 가능성이 있을 경우에는, 항상 전원 전압 검출부(78)에 의해 전원 전압(Vp)을 검출하고, 이 값을 기초로 제1 전압값(Vc1)과 제2 전압값(Vc2)을 설정하도록 하면, 모터 구동 장치(3)는, 전압 변경이 발생해도 고조파 전류(Ih)의 증가를 방지할 수 있다.

운전 중의 전압 변경을 고려하지 않아도 되면, 인버터(40)가 동작하기 전, 즉 모터(5) 구동 전의 컨버터(10)의 각 스위칭 소자도 오프하고 있는 (전파 정류) 상태에서 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 직류 전압 검출부(71)에서 검출하여, 이 검출 결과로부터 전원 전압(Vp)을 산출해도 된다. 이 경우, 전파 정류 시의 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)은, 본래, 전원 전압(Vp)×√2가 되는데, 삼상 교류 전원(1)과 컨버터(10)의 사이에 개재하는 리액터(11 내지 13) 등의 회로 소자가 전압 저하를 초래하기 때문에, 미리, 이 전압 저하분을 보상하도록 계산식을 설정해 두는 것이 바람직하다. 전파 정류 시의 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 사용해서 삼상 교류 전원(1)의 전원 전압(Vp)을 검출하도록 하면, 검출 정밀도는 약간 저하되지만, 직류 전압 검출부(71)를 전원 전압 검출부(78)와 겸용할 수 있어, 삼상 교류 전원(1)의 삼상 전원 라인에 접속해서 전압을 검출하는 전원 전압 검출부(78)를 없앰으로써 모터 구동 장치(3)의 비용 절감이 가능하게 된다.

컨버터 제어부(72)는, PWM 컨버터(10)의 스위칭 동작의 온, 오프 및 출력 전압(Vc)의 제어를 행하는, 예를 들어 마이크로컨트롤러(MCU)를 포함하고, 고조파 전류(Ih)의 억제에 관계되는 주요한 기능으로서, 제1 비교부(제1 비교 수단)(72a), 제2 비교부(제2 비교 수단)(72b), 제3 비교부(제3 비교 수단)(72c), 제4 비교부(제4 비교 수단)(72d), 제5 비교부(제5 비교 수단)(72e)를 포함한다. 이들 비교부(72a 내지 72e)의 기능은, 마이크로컨트롤러의 프로그램 또는 논리 회로에 의해 달성된다. 또한, 상술한 고조파 전류 검출부(75)는, 고조파 전류값의 검출에 푸리에 급수 전개의 고도의 연산이 필요해지기 때문에, 논리 회로로 구성하는 것보다도 동일한 마이크로컨트롤러에 의한 프로그램 처리를 사용하는 것이 회로 구성을 더 간소화할 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이 PWM 컨버터(10)의 컨버터 제어부(72)와 인버터(40)의 인버터 제어부(73)는, 동작 중에 모터 회전수(N) 등의 다양한 데이터를 교환할 필요가 있다. 이 때문에, 각각의 제어부(72, 73)의 하드 구성을 따로따로 하는 것보다도, 각각의 제어부의 기능을 프로그램한 하나의 마이크로컨트롤러(MCU)로 구성하는 것이 바람직하다.

먼저, 가능한 한 모터 구동 장치(3)의 고조파 전류(Ih)의 저감을 할 필요가 있다고 해서 모드 전환부(88)에서 제1 모드가 설정된 경우, 컨버터 제어부(72)는, 컨트롤러(70)에 입력되는 운전 제어 신호에 기초한 모터 구동 장치(3)의 운전 개시 시에 인버터(40)의 운전 개시와 거의 동시에 PWM 컨버터(10)의 스위칭을 개시한다. 이때의 PWM 컨버터(10)의 출력 목표 전압으로서 제1 전압값(Vc1)이 설정된다. 또한, 운전 제어 신호는, 모터(5)를 구동하기 위한 모터 구동 장치(3)에 대한 외부로부터의 명령이며, 모터(5)의 운전·정지 및 운전 중의 회전수 지시를 포함한다.

한편, 모터 구동 장치(3)의 고효율 운전을 중시해서 고조파 전류(Ih)의 저감이 필요해졌을 경우에만 고조파 전류(Ih)를 저감시키도록 모드 전환부(88)에서 제2 모드가 설정된 경우, 컨버터 제어부(72)는, 모터 구동 장치(3)의 운전 개시에는, PWM 컨버터(10)의 스위칭을 행하지 않는, 즉 전파 정류로 한다.

이하, 모터 구동 장치(3)의 동작을, PWM 컨버터(10)의 제어를 주체로 설명한다.

<제2 모드 설정 시>

최초로 모드 전환부(88)에서 제어 내용이 복잡한 제2 모드가 설정된 경우부터 설명한다. 모터 구동 장치(3)의 정지 중에는, PWM 컨버터(10)의 스위칭은 정지한 상태에서, 전파 정류의 상태에 있다. 이 상태에서 전원 전압 검출부(78)에 의해 전원 전압(Vp)(실효값)이 검출된다. 계속해서, 외부로부터의 운전 제어 명령에 의한 운전 개시(ON) 후, 제1 비교부(72a)는, 고조파 전류 검출부(75)가 검출하는 고조파 전류값(고조파 전류(Ih))과 제한값 설정부(76) 내의 제한값(Ihs)을 비교한다. 제1 비교부(72a)의 비교 결과가 "고조파 전류(Ih)≤제한값(Ihs)"인 경우에는, PWM 컨버터(10)의 스위칭의 정지를 계속한다. PWM 컨버터(10)의 스위칭 동작을 정지시켜, 승압하지 않는 전파 정류에서의 운전을 행함으로써 PWM 컨버터(10)의 스위칭에 의한 손실을 저감시킬 수 있다.

회전수(N)의 상승 등에 따라 어느 정도 모터 부하(L)가 커지고, 전류가 상승해 가면, 고조파 전류(Ih)가 증가하기 시작한다.

그리고, 제1 비교부(72a)의 비교 결과가 "고조파 전류(Ih)>제한값(Ihs)"이 되었을 경우, 계속해서, 제2 비교부(72b)는, 모터 회전수 명령값(Ns)이 미리 상한 회전수 기억부(89)에 기억되어 있는 회전수(N1)를 초과하고 있는지 여부를 판정하고, 인버터 제어부(73)에 의한 약화 계자 제어의 실시가 필요한 영역에 있는지 여부(리드 각(θ)>0)를 판정한다.

도 6에서는, 도 5에 맞춘 리드 각(θ)과 회전수(N)를 나타내고 있다. 컨버터 제어부(72)는, 제2 비교부(72b)의 비교 결과가 "회전수(N1)≤모터 회전수 명령값(Ns)"인 경우에 승압값 설정부(77) 내의 제1 전압값(Vc1)을 승압의 목표값으로 해서 PWM 컨버터(10)를 스위칭 동작시키는 한편, 제2 비교부(72b)의 비교 결과가 "모터 회전수 명령값(Ns)>회전수(N1)"가 되었을 때, 승압값 설정부(77) 내의 제2 전압값(Vc2)을 승압의 목표값으로 해서 PWM 컨버터(10)를 스위칭 동작시킨다. 현실적으로는, 리드 각(θ)을 넣기 전에 브러시리스 DC 모터(5)의 전류가 증가하여, 고조파 전류값(고조파 전류(Ih))이 제한값(Ihs)을 초과하기 때문에, 컨버터 제어부(72)는, PWM 컨버터(10)가 스위칭 동작하고 있지 않은 상태에서 제2 전압값(Vc2)을 승압의 목표값으로 해서 PWM 컨버터(10)를 스위칭 동작 개시시키는 경우는 없다.

여기서, PWM 컨버터(10)가 승압 동작 정지(전파 정류)로부터 제1 전압값(Vc1)을 목표로 승압을 시작한 후, 모터 부하(L)가 저하되어 전파 정류에 의해서만 고조파 전류(Ih)가 제한값(Ihs) 이하에서 운전 가능한 경우에는, 모터 구동 장치(3)는, 가능한 한 PWM 컨버터(10)의 승압 동작을 정지시키는 것이 효율 면에서 바람직하다. 이 때문에, 모터 구동 장치(3)는, 제2 모드에서는, 전파 정류에 의해서만 고조파 전류(Ih)가 제한값(Ihs) 이하에서 운전 가능한 것을 판단하고, PWM 컨버터(10)의 승압 동작을 정지시킬 필요가 있다. 그러나, 모터 구동 장치(3)는, 일단, PWM 컨버터(10)의 승압 동작을 개시하면 고조파 전류(Ih)가 대폭 저하되기 때문에, 실측한 고조파 전류값을 제한값(Ihs)과 비교해서 승압의 온/오프를 행하면 빈번히 온, 오프를 반복해버려, 운전 전환 시의 손실이 많아짐과 함께, 안정된 운전을 할 수 없게 된다.

이것을 방지하기 위해서 제한값(Ihs)에 히스테리시스를 두었다고 해도 PWM 컨버터(10)의 승압 동작에 의해 고조파 전류(Ih)가 대폭 저하되기 때문에, 매우 큰 히스테리시스(디퍼렌셜)를 두지 않으면 안되고, 결국, PWM 컨버터(10)의 승압 동작을 정지할 수 있는 범위가 좁아져, 효율적이지 않다.

그래서, 컨버터 제어부(72)는, 제2 모드 중에는, PWM 컨버터(10)의 승압 동작을 정지하는 조건으로서, 고조파 전류(Ih) 이외의 모터 구동 장치의 동작에 관련된 물리적 파라미터를 사용한다. 고조파 전류(Ih) 이외의 물리적 파라미터로서는, 브러시리스 DC 모터(5)의 부하(L)에 관련된 파라미터가 바람직하다. 파라미터에는 예를 들어, 삼상 교류 전원(1)에 흐르는 전류, 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N), 모터 전류, 모터 구동 장치(3)의 직류 부분의 전류, 모터 구동 장치(3)의 소비 전력, 브러시리스 DC 모터(5)의 소비 전력 등이 있다. 또한, 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수 명령값(Ns)은, 모터(5)의 회전수(N)와 대략 일치하기 때문에, 간접적으로 모터(5)의 부하(L)에 관련된 파라미터가 되므로, 컨버터 제어부(72)는, 이 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수 명령값(Ns)을 PWM 컨버터(10)의 승압 동작을 정지하는 조건에 사용해도 된다.

이 실시 형태에서는, 파라미터로서 삼상 교류 전원(1)의 전류를 사용한 방법을 설명한다. 여기서, 삼상 교류 전원(1)의 전류값(실효값)을 사용하는 경우에는, 약간의 배려가 필요하게 된다. PWM 컨버터(10)가 승압 동작 정지 중(전파 정류)에서 승압 동작으로 이행하면, 스위칭에 의해 역률이 크게 개선된다. 이에 수반하여 삼상 교류 전원(1)의 전류값이 작아진다. 따라서, PWM 컨버터(10)가 승압 동작 정지 중의 전류값과 PWM 컨버터(10)가 승압 동작 중의 전류를 비교해서 PWM 컨버터(10)를 승압 동작에서 정지(전파 정류)로 전환하려고 하면, 역률 변화에 의한 전류값 변화를 미리 예측해서 설정값을 정할 필요가 있어 번거롭다. 나아가, 모터 부하(L)의 상태에 따라 역률도 변화하므로 설정값의 결정이 어렵다.

그래서, 컨버터 제어부(72)는, PWM 컨버터(10)를 승압 동작에서 승압 동작 정지로 전환할 때의 삼상 교류 전원(1)의 전류값의 기준값으로 PWM 컨버터(10)가 승압 동작을 개시한 후의 값을 사용한다. 이에 의해, 컨버터 제어부(72)는, 모터 부하(L)가 변화해도 적절한 전환을 할 수 있어, PWM 컨버터(10)가 승압과 정지를 반복하는 것을 없앨 수 있다.

먼저, 제1 비교부(72a)의 비교 결과가, 그때까지 "고조파 전류(Ih)≤제한값(Ihs)"이었던 것이, "고조파 전류(Ih)>제한값(Ihs)"으로 변화한 경우에, 컨버터 제어부(72)는, 상술한 PWM 컨버터(10)의 제1 전압값(Vc1)으로의 승압 운전을 개시한다(도 6 중, L0점). 컨버터 제어부(72)는, 이 PWM 컨버터(10)의 승압 운전을 개시한 후, 전원 전류값 기억부(79)에 대하여 전원 전류값을 기억하는 명령을 내린다. 이 명령에 기초하여 전원 전류값 기억부(79)는, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)이 제1 전압값(Vc1)으로 안정된 직후의 전원 전류값(Ip1)을 기억하고, 유지한다.

컨버터 제어부(72)는, PWM 컨버터(10)가 제1 전압값(Vc1)으로 승압 중에는, 그 내부의 제3 비교부(72c)에서, 항상 실제의 삼상 교류 전원(1)의 전류값(I)과 전원 전류값 기억부(79)에 기억한 전류 기억값(Ip1)으로부터 미리 정해진 작은 히스테리시스분의 값(디퍼렌셜)(Δ)을 차감한 값(전류 기억값(Ip1)-Δ)을 비교하고 있다. 또한, 전류값의 검출은, 컨버터 제어부(72)의 내부에 설치된 입력 전류 검출부(도시 생략)에서 실행된다. 그리고, 실제의 삼상 교류 전원(1)의 전류값(I)이 (전류 기억값(Ip1)-Δ) 이하로 되었을 때, 컨버터 제어부(72)는, PWM 컨버터(10)의 동작을 정지시키고, 전파 정류로 전환한다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 고조파 전류(Ih)는 모터 부하(L)에 따라서 변동된다. 이 때문에, 고조파 전류(Ih)가 제한값(Ihs)을 초과했을 때의 모터 부하(L)보다도 낮은 모터 부하(L)이면, 고조파 전류값은 제한값(Ihs)을 초과하지 않는다. 따라서, 고조파 전류값이 제한값(Ihs)을 초과했을 때의 모터 부하(L)에 대응하는 전류 기억값(Ip1)에서 약간 낮은 값(전류 기억값(Ip1)-Δ)을 기준으로 PWM 컨버터(10)의 동작을 정지시켜도, 모터 부하(L)가 변동되지 않는 한 고조파 전류(Ih)가 제한값(Ihs)을 초과하는 상태로는 되지 않고, 모터 구동 장치(3)는, 전파 정류만으로 안정되게 운전을 계속할 수 있어, 효율의 향상이 도모된다.

또한, 컨버터 제어부(72)는, PWM 컨버터(10)가 제1 전압값(Vc1)으로 승압 중에는, 제2 비교부(72b)에서 항상 모터 회전수 명령값(Ns)이 상한 회전수 기억부(89)에 미리 기억되어 있는 회전수(N1)를 초과하고 있는지 여부를 판정하고, 인버터 제어부(73)에 의한 약화 계자 제어의 실시가 필요한 영역에 있는지 여부를 판별한다. 구체적으로는, "모터 회전수 명령값(Ns)>회전수(N1)"가 되었을 경우에는, 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)를 높이기 위해서는 약화 계자가 필요(리드 각(θ)>0)하게 되기 때문에, 컨버터 제어부(72)는, 약화 계자 제어가 시작되기 전의, 이 시점에서 PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)이 제2 전압값(Vc2)이 되도록 PWM 컨버터(10)를 제어한다.

그 결과, 인버터 제어부(73)는, 약화 계자 제어를 행하지 않고, 회전수(N3)까지 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)를 상승시킬 수 있다. 이후, 모터 회전수 명령값(Ns)이 상승하여, 회전수(N3)보다 커진 경우, 인버터 제어부(73)는 약화 계자 제어를 행한다.

제4 비교부(72d)는, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)이 제2 전압값(Vc2) 이상의 상태에서 동작하여, 모터 회전수 명령값(Ns)과 상한 회전수 기억부(89)에 기억된 회전수(N4)를 비교하고 있다. 모터 회전수 명령값(Ns)이 회전수(N4)보다도 커진 경우, 컨버터 제어부(72)는, 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)가 모터 회전수 명령값(Ns)에 도달할 때까지 PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 상승시킨다. 한편, 모터 회전수 명령값(Ns)이 저하되어 가면 그것에 맞춰서 컨버터 제어부(72)는, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 저하시킨다.

계속해서, 모터 회전수 명령값(Ns)이 저하되어, 모터 회전수 명령값(Ns)이 회전수(N4)보다 작아진 것을 제4 비교부(72d)가 검출하면, 컨버터 제어부(72)는, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제2 전압값(Vc2)으로 고정 제어한다. 그 결과, 모터 회전수 명령값(Ns)이 회전수 (N3)과 (N4)의 사이에서는 PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)이 제2 전압값(Vc2)으로 고정되고, 인버터 제어부(73)는, 약화 계자 제어에 의한 리드 각(θ)을 모터 회전수 명령값(Ns)에 알맞는 값으로 변경한다.

제5 비교부(72e)는, 컨버터 제어부(72)가 제2 전압값(Vc2)을 승압의 목표값으로 해서 PWM 컨버터(10)를 스위칭 동작시키고 있는 동안에, 모터 회전수 명령값(Ns)에 대해서 "회전수(N1)-ΔN≤모터 회전수 명령값(Ns)"의 판정을 실시한다. 여기서, ΔN은, 미리 정해진 작은 히스테리시스분의 값(디퍼렌셜)이며, 1 내지 3rps 정도의 범위로 설정되어 있다. 제5 비교부(72e)가, "회전수(N1)-ΔN≤모터 회전수 명령값(Ns)"으로 된 것, 즉, 약화 계자 제어를 가할 필요가 없는 회전수(N)로 된 것을 판정하면, 컨버터 제어부(72)는 승압의 목표값을 제2 전압값(Vc2)에서 제1 전압값(Vc1)으로 변경하고, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제1 전압값(Vc1)으로 저하시킨다.

이상과 같이, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)이 제2 전압값(Vc2)의 상태에서의 약화 계자 제어의 필요 여부를 제5 비교부(72e)가 모터 회전수 명령값(Ns)과의 비교에 의해 판별하여, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제2 전압값(Vc2)에서 제1 전압값(Vc1)으로 전환하기 때문에, 컨버터 제어부(72)는, 출력 전압(Vc)이 제2 전압값(Vc2)에서 제1 전압값(Vc1)으로 저하된 시점에서 바로 약화 계자 제어가 필요하게 되거나, 제1 전압값(Vc1)으로 저하시킨 출력 전압(Vc)을 단시간에 다시 제2 전압값(Vc2)으로 증가시키거나 하는 경우가 없어진다. 이 때문에, 모터 구동 장치(3)는, 출력 전압(Vc)의 안정된 제어가 가능해서, 불필요하게 높은 전압으로 운전을 계속하지 않고도 효율이 향상된다.

여기서, 제1 비교부(72a) 내지 제5 비교부(72e)의 검출 내용과 그것에 기초한 컨버터 제어부(72)의 동작을 통합해서 설명한다.

제1 비교부(72a)는, PWM 컨버터(10)가 정지해서 전파 정류의 상태에 있을 때, 고조파 전류 검출부(75)가 검출하는 고조파 전류값(고주파 전류(Ih))과 제한값 설정부(76) 내의 제한값(Ihs)을 비교한다. 컨버터 제어부(72)는, 제1 비교부(72a)의 비교 결과가 "고조파 전류(Ih)≤제한값(Ihs)"인 경우에는 PWM 컨버터(10)의 스위칭의 정지를 계속하고, "고조파 전류(Ih)>제한값(Ihs)"이 되었을 경우에는 PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)이 제1 전압값(Vc1)으로 되도록 승압 운전한다.

제2 비교부(72b)는, 인버터(40)가 약화 계자 제어를 필요로 하는 상태에 있는지 여부를 판단하는 것으로, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)이 제1 전압값(Vc1)으로 승압 운전 중에, 모터 회전수 명령값(Ns)을 상한 회전수 기억부(89)에 기억되어 있는 회전수(N1)와 비교한다. 컨버터 제어부(72)는, 제2 비교부(72b)의 비교 결과가 "회전수(N1)≤모터 회전수 명령값(Ns)"인 경우에는, 인버터(40)가 약화 계자 제어를 필요로 하지 않는 상태에 있다고 판단하여, 그대로 제1 전압값(Vc1)을 승압의 목표값으로 해서 PWM 컨버터(10)를 스위칭 동작시킨다.

한편, 컨버터 제어부(72)는, 제2 비교부(72b)의 비교 결과가 "모터 회전수 명령값(Ns)>회전수(N1)"로 되었을 때는, 인버터(40)가 약화 계자 제어를 필요로 하는 상태에 있다고 판단하여, 제2 전압값(Vc2)을 승압의 목표값으로 해서 PWM 컨버터(10)를 스위칭 동작시킨다.

제3 비교부(72c)는, PWM 컨버터(10)가 제1 전압값(Vc1)으로 승압 중에, 실제의 삼상 교류 전원(1)의 전류값(I)과 (전류 기억값(Ip1)-Δ)를 비교하고 있다. 컨버터 제어부(72)는, 검출한 전류값(I)이 (전류 기억값(Ip1)-Δ) 이하로 되었을 때, PWM 컨버터(10)의 동작을 정지하고, 전파 정류로 전환한다.

제4 비교부(72d)는, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)이 제2 전압값(Vc2) 이상의 상태 하에서, 모터 회전수 명령값(Ns)과 상한 회전수 기억부(89)에 기억된 회전수(N4)를 비교하고 있다. 컨버터 제어부(72)는, 제4 비교부(72d)가, 모터 회전수 명령값(Ns)이 회전수(N4)보다 작아진 것을 검출하고, 이 검출에 기초하여 PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제2 전압값(Vc2)으로 제어한다.

또한, 제5 비교부(72e)는, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)이 제2 전압값(Vc2)의 상태에 있을 때, 모터 회전수 명령값(Ns)과 미리 정해진 회전수(N1)에서 히스테리시스분의 값(ΔN)을 차감한 (회전수(N1)-ΔN)을 비교한다. 컨버터 제어부(72)는, 모터 회전수 명령값(Ns)이 (회전수(N1)-ΔN)보다 작아졌을 경우, 모터의 회전수(N)가 약화 계자 제어를 가할 필요가 없는 회전수가 되었다고 판단하고, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제2 전압값(Vc2)에서 제1 전압값(Vc1)으로 저하시킨다.

또한, 컨버터 제어부(72)는, 모터 회전수 명령값(Ns)이 회전수(N4)보다 작아진 것을 제4 비교부(72d)가 검출해서 PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제2 전압값(Vc2)으로 제어한 후, 제5 비교부(72e)가, 모터 회전수 명령값(Ns)이 회전수(N1)-Δ보다 작아진 것을 검출할 때까지는 PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제2 전압값(Vc2)으로 고정 제어한다.

상술한 컨버터 제어부(72)에 의한 실제의 모터 구동 장치(3)의 운전 제어 동작 예를 도 6에 기초하여 설명한다. 인버터(40)의 운전 개시 시는, PWM 컨버터(10)의 정지 상태를 유지하고, 전파 정류만으로 운전을 개시한다(도 6 중의 원점). 그 후, 인버터(40)의 출력 주파수, 즉 모터(5)의 회전수(N)가 상승함에 수반하여 모터 부하(L)가 증가하고, 전류가 증가한다. 또한, 도 6 중, 모터 부하(L)의 0 내지 L0의 소 부하(저회전수) 구간에서는, 인버터(40)의 출력 전류가 커짐에 따라서, 평활 콘덴서(30)로부터 인버터(40)측에 흐르는 전류가 증가하고, 직류 전압(Vc)은 저하되어 간다.

컨버터 제어부(72)는, PWM 컨버터(10)로부터 유출되는 고조파 전류(Ih)가 제한값(Ihs)에 달하지 않는 동안에는(저속도 운전 영역; L<L0), PWM 컨버터(10)의 스위칭 정지를 계속하고, PWM 컨버터(10)는, 입력 전압을 전파 정류한다. 그 후, 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)의 증가 등에 의해 모터 부하(L)가 증가하여, 어느 정도 전류가 커지면, 고조파 전류(Ih)가 증가해 간다. 컨버터 제어부(72)는, 고조파 전류(Ih)가 제한값(Ihs)에 도달한 경우(중속도 운전 영역; L≥L0), 제1 전압값(Vc1)(=280V)(전원 전압(Vp)×√2×99％))을 승압의 목표값으로 해서, PWM 컨버터(10)의 스위칭 동작을 개시한다.

이 PWM 컨버터(10)에 의한 제1 전압값(Vc1)으로의 승압의 결과, 컨버터 제어부(72)는, 중속도 영역(회전수(N)<회전수(N1))에서, 고조파 전류(Ih)를 제한값(Ihs) 이하로 유지할 수 있다. 한편, PWM 컨버터(10)가 제1 전압값(Vc1)을 승압의 목표값으로 해서 스위칭 동작을 행하고 있는 상태에서, 삼상 교류 전원(1)의 전류값(I)이, (전류 기억값(Ip1)-Δ) 이하로 되었을 때(도 6 중 A점) 컨버터 제어부(72)는, PWM 컨버터(10)의 동작을 정지시키고, 전파 정류로 전환한다. 이 동작에 의해, 모터 구동 장치(3)는, 고조파 전류(Ih)를 제한값(Ihs) 내로 억제하면서 효율이 좋은 운전이 가능하게 된다.

또한, 회전수(N)가 회전수(N1) 이상이 되는 고속도 운전 영역(회전수(N)>회전수(N1))이 되면, 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)를 상승시키기 위해서, 컨버터 제어부(72)는, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)의 목표값을, 제1 전압값(Vc1)에서 보다 높은 제2 전압값(Vc2)으로 변경하여, PWM 컨버터(10)를 스위칭 동작시킨다. 또한, 본 실시 형태에서는, 제2 전압값(Vc2)으로서, 전원 전압(Vp)(=200V)×√2×109％≒307V가 설정되어 있다.

여기에서는, 컨버터 제어부(72)는, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제1 전압값(Vc1)에서 제2 전압값(Vc2)으로 상승시킴으로써, 도 2에 도시되는 제1 전압값(Vc1)과 제2 전압값(Vc2)의 사이에 존재하는 고조파 전류(Ih)가 많이 발생하는 피크 부분(294V 근방)을 건너뛰어, 고조파 전류(Ih)가 증가하는 출력 전압의 영역을 사용하지 않도록 하고 있다.

또한, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제1 전압값(Vc1)에서 제2 전압값(Vc2)으로 상승시킬 때는, 컨버터 제어부(72)는, PWM 컨버터(10)의 제어상 서서히 출력 전압(Vc)을 상승시키게 된다. 이 때문에, 제1 전압값(Vc1)과 제2 전압값(Vc2)과의 사이에 존재하는 고조파 전류(Ih)의 발생 피크를 통과하게 되는데, 빠른 변화 속도로 출력 전압(Vc)을 상승시킴으로써, 큰 고조파 전류(Ih)의 발생은 단시간으로 한정할 수 있어, 그 영향을 배제할 수 있다.

이와 같이, 컨버터 제어부(72)는, 제2 전압값(Vc2)이 되도록 PWM 컨버터(10)를 스위칭 동작시킴으로써, PWM 컨버터(10)의 스위칭에 의한 전력 손실을 가능한 한 억제하면서, 브러시리스 DC 모터(5)를 실속시키지 않고 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)를 상승시킬 수 있다.

또한, 모터 회전수(N)를 회전수(N3) 이상으로 증가시키는 경우에는, 인버터 제어부(73)가, 리드 각(θ)을 증가시켜 나간다(도 6 중, 회전수(N)가 N3 내지 N4인 구간).

그 후, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제2 전압값(Vc2)까지 상승시키고, 또한 인버터 제어부(73)가 리드 각(θ)을 상한값(θs)까지 진행시켜도, 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)를 상승시킬 수 없게 되면(모터 회전수 명령값(Ns)>회전수(N4)), PWM 컨버터(10)는, 출력 전압(Vc)을 제2 전압값(Vc2)로부터 더욱 높은 출력 전압이 되도록 동작한다. 그 결과, 브러시리스 DC 모터(5)는 원하는 고회전수에 이를 수 있다. 이렇게 모터 회전수(N)가 N4 이상인 영역에서는, 리드 각(θ)은 상한값(θs)을 유지한 상태에서 모터(5)가 모터 명령 회전수(Ns)가 되도록 PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)이 제어된다.

한편, PWM 컨버터(10)가 제2 전압값(Vc2) 이상의 출력 전압으로 운전 중에 모터 명령 회전수(Ns)가 N4 이하로 저하되면, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)이 제2 전압값(Vc2)으로 되고, 모터 명령 회전수(Ns)가 또한 (회전수(N1)-ΔN) 이하로 저하될 때까지 PWM 컨버터(10)는 출력 전압(Vc)을 제2 전압값(Vc2)으로 고정 유지한다.

PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)이 제2 전압값(Vc2)에 있는 상태에서, 모터 명령 회전수(Ns)가 (회전수(N1)-ΔN)으로 저하되면, 컨버터 제어부(72)는, PWM 컨버터(10)의 출력 목표 전압을 제1 전압값(Vc1)으로 저하시킨다. 그 결과, 모터 구동 장치(3)는, 안정된 출력 전압(Vc)의 제어가 가능하게 되고, 또한 불필요한 승압을 방지하여, 고조파 전류(Ih)를 제한값(Ihs) 내로 억제하면서 효율이 좋은 운전이 가능하게 된다.

모터 구동 장치(3)는, 제2 모드에서는, 이상의 제어에 의해, PWM 컨버터(10)의 채용에 수반하는 전력 변환 효율의 저하를 가능한 한 억제하면서, 고조파 전류(Ih)의 발생량을 저감시킬 수 있고, 고가의 고조파 억제 장치를 탑재할 필요가 없어, 비용의 상승을 억제할 수 있다. 또한, 모터 구동 장치(3)는, 모터(5)의 회전수(N)를 올리기 위한 승압을 행함으로써, 효율적으로 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)를 상승시킬 수 있다. 또한, 불필요한 높은 전압으로의 승압을 행하지 않고, 필요 충분한 승압 전압으로 운전할 수 있어, 기기의 효율이 향상된다.

또한, 컨버터 제어부(72)는, 제5 비교부(72e)에서, 모터 회전수 명령값(Ns)이 (회전수(N1)-ΔN)보다 작아졌을 경우, 모터(5)의 회전수(N)가 약화 계자 제어를 가할 필요가 없는 회전수(N)에 이르렀다고 판단하여, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제2 전압값(Vc2)에서 제1 전압값(Vc1)으로 저하시킨다. 통상 모터의 회전수(N)는, 모터 회전수 명령값(Ns)과 일치하지만, 과도적인 상황 하에서는, 인버터(40)의 제어 지연에 의해 회전수(N)와 모터 회전수 명령값(Ns)에 어긋남이 발생하는 경우가 있다.

그래서, 이러한 어긋남에 의한 제어의 불안정을 초래하지 않기 위해서, 컨버터 제어부(72)는, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제2 전압값(Vc2)에서 제1 전압값(Vc1)으로 저하시키기 위한 조건으로서, 모터 회전수 명령값(Ns) 및 실제의 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N) 양쪽이 (회전수(N1)-ΔN)보다 작아진 것을 제5 비교부(72e)의 판단 조건으로 해도 된다. 이 판단 조건은, 모터의 회전수(N)가 약화 계자 제어를 가할 필요가 없는 회전수(N)로서, 모터 회전수 명령값(Ns) 및 실제의 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N) 양쪽이 (회전수(N1)-ΔN)보다 작다는 조건을 사용한 것이다.

상술한 실시 형태에서는, 컨버터 제어부(72)는, 인버터(40)에 있어서 약화 계자 제어의 필요 여부를, 모터 목표 회전수(Ns)와 상한 회전수 기억부(89)에 미리 기억한 모터(5)의 회전수(N1)에 기초하여 판단하고, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)의 제1 전압값(Vc1)에서 제2 전압값(Vc2)으로의 전환 및 제2 전압값(Vc2)에서 제1 전압값(Vc1)으로의 전환을 행하였다. 이 전환 기준이 되는 회전수(N1)를 결정하는 바탕이 된 역기전압(e)은, 모터(5)의 권선 직경, 권취수 및 모터(5)의 자석의 자속에 기초하여 계산되는 모터 상수인 유기 전압 계수(Ke)를 사용하고 있다. 이 유기 전압 계수(Ke)를 결정하기 위한 모터(5)의 자석의 자속 등은, 그 자석의 온도에 따라 약간이지만 변화한다. 그래서, 약화 계자 제어의 필요 여부를 브러시리스 DC 모터(5)의 상황에 맞추어 보다 정확하게 검출하고, 판단하기 위한 변형예를, 도 7을 참조하여 설명한다.

도 7은, 도 1로부터의 변경 부분만 발췌해서 나타내고 있다. 이 변형예에서는, 제2 비교부(72b)와 제5 비교부(72e)의 입력 및 비교 대상이 상술한 실시 형태에서 변경되어 있다. 또한, 상한 회전수 기억부(89)로의 모터(5)의 회전수(N1)의 기억은 불필요하게 되고, 그 대신에 컨버터 제어부(72)에 지시에 기초한 특정한 타이밍에서 그 시점의 모터 회전수(N)를 기억하는 모터 회전수 기억부(모터 회전수 기억 수단)(90)가 추가되어 있다. 그 밖의 구성은, 상술한 실시 형태와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.

컨버터 제어부(72)에는, 인버터 제어부(73)로부터 상시, 모터 회전수(N) 및 인버터(40)의 스위칭에서의 듀티(D)가 입력되어 있다. 제2 비교부(72b)에는, 모터 회전수 명령값(Ns), 모터 회전수(N) 및 듀티(D)가 입력되어 있다. 이들 데이터에 기초하여 인버터(40)의 약화 계자 제어의 필요 여부가 판별된다. PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)이 제1 전압값(Vc1)으로 승압 운전 중에 있어서, 듀티(D)가 최대(풀 듀티)가 되고, 또한 모터 회전수 명령값(Ns)이 현재의 모터 회전수(N)보다도 높은 것(모터 회전수 명령값(Ns)>회전수(N))을 제2 비교부(72b)가 검출하면, 컨버터 제어부(72)는, 제1 전압값(Vc1) 하에서는, 약화 계자 제어를 행할 필요가 있다고 판단하고, 제2 전압값(Vc2)을 승압의 목표값으로 해서 PWM 컨버터(10)를 스위칭 동작시킨다. 그 결과, 모터 구동 장치(3)는, 약화 계자 제어를 행하지 않고, 모터(5)의 회전수(N)를 상승시킬 수 있다.

동시에, 컨버터 제어부(72)는, 제2 비교부(72b)가, 듀티(D)가 최대가 되고, 또한 "모터 회전수 명령값(Ns)>회전수(N)"를 검출했을 때, 모터 회전수 기억부(90)에 대하여 그 시점의 모터 회전수(N)를 비교값(Nc)으로서 기억시킨다.

한편, 제5 비교부(72e)에는, 이 모터 회전수 기억부(90)의 비교값(Nc)과 모터 회전수(N)가 입력된다. 제5 비교부(72e)는, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)이 제2 전압값(Vc2)의 상태에 있을 때, 모터 회전수(N)와, 비교값(Nc)에서 히스테리시스분의 값(ΔN)을 차감한 (회전수(Nc)-ΔN)을 비교한다. 이 제5 비교부(72e)의 비교 결과에 기초하여, 컨버터 제어부(72)는, 모터 회전수(N)가 (회전수(Nc)-ΔN)보다 작아졌을 경우(회전수(N)<회전수(Nc-ΔN)), PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제2 전압값(Vc2)에서 제1 전압값(Vc1)으로 저하시킨다.

이 변형예에서는, 컨버터 제어부(72)는, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)이 제1 전압값(Vc1)의 운전 중에, 제2 비교부(72b)가, 듀티(D)가 최대가 되고, 또한 모터 회전수 명령값(Ns)이 현재의 모터 회전수(N)보다도 높은 것을 검출함으로써, 약화 계자 제어가 시작되는 상태를 판별하고 있다.

그리고 나서, 컨버터 제어부(72)는, 이 시점의 회전수(N)를 비교값(Nc)으로서 모터 회전수 기억부(90)에 기억시킨다. 즉, 모터 회전수 기억부(90)는, 실제 운전의 환경 하에서, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)이 제1 전압값(Vc1)의 운전 중에, 약화 계자 제어를 행해야만 하는 회전수를 비교값(Nc)으로서 기억한다. 그리고, 제5 비교부(72e)에서는, 이 비교값(Nc)과 실제의 운전 중의 회전수(N)를 비교하고 있기 때문에, 컨버터 제어부(72)는, 보다 확실하게 실제 운전 상태에서의 약화 계자 제어의 필요 여부(온·오프)의 시기가 판단 가능하게 된다.

이 때문에, 모터 구동 장치(3)는, 이 제5 비교부(72e)의 비교 결과에 기초하여, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제2 전압값(Vc2)에서 제1 전압값(Vc1)으로 저하시킨 직후에 약화 계자 제어가 필요해져, 다시 PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제1 전압값(Vc1)에서 제2 전압값(Vc2)으로 상승시켜야만 하는 사태를 야기하지 않고, 낮은 승압 전압으로 함으로써 효율이 좋은 안정된 운전이 가능하게 된다.

또한, 모두 고조파 전류(Ih)에 대한 제한값(Ihs)이 수전 설비(2)에 설정되는 규제값의 범위 내의 값으로서 정해지는 구성으로 했지만, 수전 설비(2)에 설정되는 규제값과는 관계없이 제한값(Ihs)을 독자적으로 설정해도 된다.

이상의 설명에서는, 컨버터 제어부(72)는, 제2 비교부(72b)에서 약화 계자 제어를 필요로 하는 상태를 검출(모터 회전수(N1)의 상태)하여, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제1 전압값(Vc1)에서 제2 전압값(Vc2)으로 승압하고, 약화 계자 제어의 동작을 늦췄지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 컨버터 제어부(72)는, 제2 비교부(72b)의 비교 조건을 변경함으로써, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)이 제1 전압값(Vc1)의 상태를 유지해서 약화 계자 제어를 동작시켜 모터(5)의 회전수(N)를 상승시키고, 그 후, 약화 계자 제어에 의한 리드 각(θ)이 상한값(θs)에 달한 것을 검출(모터 회전수(N2)의 상태)한 시점에서 PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)을 제1 전압값(Vc1)에서 제2 전압값(Vc2)으로 승압해서 모터 회전수 명령값(Ns)에 도달시키도록 해도 된다.

<제1 모드 설정 시>

계속해서, 모드 전환부(88)에서, 운전 중에는 가능한 한 고조파 전류(Ih)를 발생시키지 않는 제1 모드가 설정된 경우의 PWM 컨버터(10)의 동작을, 도 8을 사용해서 설명한다.

제1 모드가 설정되면, 컨트롤러(70)에 입력되는 운전 제어 신호에 기초한 모터 구동 장치(3)의 운전 개시 시에, 컨버터 제어부(72)는, 인버터(40)의 운전 개시와 동시, 또는, 극히 짧은 시간 지연 후, PWM 컨버터(10)의 스위칭을 개시한다. 이때의 PWM 컨버터(10)의 출력 목표 전압에는 제1 전압값(Vc1)이 설정된다.

제1 모드가 설정된 경우, 모터(5)의 운전 중, 즉 인버터(40)의 동작 중에는, PWM 컨버터(10)의 스위칭은 정지하지 않고, 항상 승압이 실시되어, 전파 정류 상태로 되지 않는다. 그 결과, 제1 모드에서는, 모터 구동 장치(3)의 운전 중에는, 항상 고조파 전류(Ih)를 저감시킬 수 있다. 이 때문에, 제1 모드에서는, 제2 모드에서 PWM 컨버터(10)의 스위칭 동작/정지(전파 정류)를 판단하기 위해서 설치된 고조파 전류 검출부(75), 제한값 설정부(76), 제1 비교부(72a), 제3 비교부(72c)는 사용되지 않는다.

운전 개시의 승압 후의 동작은 제2 모드와 동일하고, 상술한 것 이외의 구성은 제1 모드에서도 사용된다.

모터 구동 장치(3)의 운전 개시 시에, PWM 컨버터(10)는, 컨버터 제어부(72)에 의해 출력 전압(Vc)의 목표가 제1 전압값(Vc1)으로 설정되어 스위칭 동작을 개시한다.

출력 전압 목표를 제1 전압값(Vc1)로 해서 PWM 컨버터(10)의 운전 중에, 모터(5)의 목표 회전수가 N1 이상이 되는 고속도 운전 영역(회전수(N)>회전수(N1))이 되면, 제2 모드의 경우와 마찬가지로, 브러시리스 DC 모터(5)의 회전수(N)를 더욱 상승시키기 때문에, 컨버터 제어부(72)는, PWM 컨버터(10)의 출력 전압(Vc)의 목표값을, 제1 전압값(Vc1)에서 보다 높은 제2 전압값(Vc2)으로 변경하고, PWM 컨버터(10)를 스위칭 동작시킨다. 이하, PWM 컨버터(10)가 제2 전압값(Vc2) 이상의 전압값을 목표로 해서 운전하고 있는 동안이나 제2 전압값(Vc2)에서 제1 전압값(Vc1)으로의 전환에서의 각 부의 동작은, 제2 모드에서의 운전 중과 동일하기 때문에, 설명을 생략한다.

이상과 같이, 본 실시 형태에 따른 모터 구동 장치(3)에 의하면, 모드 전환부(88)에 의해 제1 모드를 설정함으로써, 모터 구동 장치(3)로부터 발생하는 고조파 전류(Ih)를 항상 저감시킬 수 있고, 모터 구동 장치(3)가, 용량이 작은 수전 설비(2)에 접속되었을 경우나, 동일한 수전 설비(2)에 접속된 고조파를 제어할 수 없는 인버터 장치를 구비한 다른 부하의 용량이 큰 경우에도 과대한 고조파 전류(Ih)의 발생을 방지할 수 있다. 한편, 본 실시 형태에 따른 모터 구동 장치(3)는, 수전 설비(2)에 여유가 있을 경우에는, 모드 전환부(88)에 의해 제2 모드를 설정함으로써, 모터 구동 장치(3)로부터 나오는 고조파 전류값이 규제값을 초과하지 않는 범위에서는, PWM 컨버터(10)를 전파 정류로 함으로써 효율이 높은 운전이 가능하게 된다.

또한, 본 실시 형태에 따른 모터 구동 장치(3)는, 제2 모드에서, 모터 구동 장치(3)로부터 발생하는 고조파 전류(Ih)를 검출하고, 이것이 미리 설정한 고조파 전류(Ih)의 제한값(Ihs)을 초과한 시점에서 PWM 컨버터(10)를 전파 정류에서 제1 전압값(Vc1)으로의 승압 동작으로 전환했지만, 미리 고조파 전류(Ih)가 제한값(Ihs)을 초과한다고 생각되는 모터(5)의 회전수(N) 또는 전류값을 설정값으로서 기억해 두고, 모터(5)의 회전수(N) 또는 전류값이 그 설정값을 초과한 시점에서, 전파 정류에서 제1 전압값(Vc1)으로의 승압 동작으로 전환해도 된다.

그 밖에, 상기 복수의 실시 형태는, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 실시 형태 및 변형예는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 부분적인 구성 요소의 치환, 조합, 구성 요소의 변경을 행할 수 있다. 이들 실시 형태나 변형은, 발명의 범위는 요지에 포함됨과 함께, 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등의 범위에 포함된다.

1 : 삼상 교류 전원 2 : 수전 설비
3 : 모터 구동 장치 5 : 브러시리스 DC 모터
10 : PWM 컨버터 11 내지 13 : 리액터
21a 내지 26a : 다이오드 21 내지 26 : IGBT(스위칭 소자)
30 : 평활 콘덴서 40 : 인버터
41 내지 46 : IGBT(스위칭 소자) 51 내지 53, 61, 62, 63 : 전류 센서
70 : 컨트롤러 71 : 직류 전압 검출부
72 : 컨버터 제어부(제어 수단)
73 : 인버터 제어부(인버터 제어 수단)
75 : 고조파 전류 검출부(고조파 전류 검출 수단)
76 : 제한값 설정부
77 : 승압값 설정부(승압값 설정 수단)
78 : 전원 전압 검출부(전원 전압 검출 수단)
79 : 전원 전류값 기억부(전원 전류값 기억 수단)
88 : 모드 전환부(모드 전환 수단)
89 : 상한 회전수 기억부(상한 회전수 기억 수단)
90 : 모터 회전수 기억부(모터 회전수 기억 수단)

Claims (3)

1. 교류 전원의 전압을 스위칭에 의해 승압해서 직류 변환하는 컨버터와,
   상기 컨버터의 출력 전압을 교류 전압으로 변환하고, 그 교류 전압을 모터에 공급하는 인버터와,
   교류 전원의 전압값을 검출하는 전원 전압 검출 수단과,
   이 전원 전압 검출 수단의 검출 전압에 따라서 상기 인버터에 의한 모터의 운전 중에 상기 컨버터가 승압하는 전압값을 설정하는 제어 수단
   을 구비하고,
   상기 컨버터가 승압하는 전압값은, 교류 전원 전압의 실효값의 √2배의 98％ 내지 102％의 범위인 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 컨버터는, 펄스폭 변조된 소정 주기의 PWM 신호에 의해 단속적으로 온하는 스위칭 소자를 갖는 PWM 컨버터인 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 교류 전원은 상용 삼상 교류 전원인 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.

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