KR20210113368A - 전동기 제어장치 및 제어 방법 - Google Patents

전동기 제어장치 및 제어 방법 Download PDF

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KR20210113368A
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타케히로 고바야시
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도시바 캐리어 가부시키가이샤
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Abstract

실시형태의 전동기 제어장치는 교류 전원, 컨버터, 인버터, 전동기와 제어부를 가진다. 교류 전원은 교류 전력을 공급한다. 컨버터는 상기 교류 전원이 공급하는 상기 교류 전력을 직류 전력으로 변환한다. 인버터는 상기 컨버터에 접속되어 상기 컨버터가 변환하여 출력한 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다. 전동기는 상기 인버터가 변환한 교류 전력에 의해서 회전한다. 제어부는 상기 컨버터로부터 출력되는 전압의 전압치와 상기 인버터가 변환한 교류 전력의 전류치를 바탕으로 상기 전동기의 회전수를 제어한다. 제어부는 상기 전압치와 상기 전류치에 의해서 산출되는 전력치가 소정의 수치를 넘은 경우에 상기 전동기의 회전수를 낮춘다.

Description

전동기 제어장치 및 제어 방법
본 발명의 실시형태는 전동기 제어장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
종래, 공기 조화기에 탑재되는 압축기 등에는 인버터 구동하는 전동기가 이용되는 것이 알려져 있다. 이러한 전동기는 외부의 상용 교류 전원으로부터 공급되는 전류를 정류회로와 인버터 회로에 의해 필요한 주파수로 변환한 유사 교류에 의해서 소정의 회전수로 구동한다. 여기서 전동기로의 출력 전류의 전류치는 입력 전압의 전압치에 의하지 않는 고정치이다. 또한, 종래 인버터 회로에 사용되는 소자 등의 전기 부품은 통전에 의해서 발열하기 때문에 소정의 온도를 넘지 않도록 전류치를 일정 이하로 제한하는 전류 릴리즈 제어가 되고 있었다.
그러나 상용 교류 전원으로부터 공급되는 전력은 전압이 안정되지 않은 경우가 있고, 공급되는 전압의 전압치가 높아지면 출력 전력의 전력치가 필요 이상으로 커져서 발열량이 증가하는 경우가 있었다. 이러한 경우에는 전류 릴리즈 제어만으로는 전기 부품의 발열량의 증가를 억제하지 못하고, 전기 부품의 수명 단축이나 고장의 원인이 되고 있었다.
특허 문헌 1: 일본 특개 2017－208979호 공보 특허 문헌 2: 일본 특개평 6－26695호 공보
본 발명이 해결하려는 과제는 압축기의 발열량 증대를 억제하는 전동기 제어장치 및 제어 방법을 제공하는 것이다.
실시형태의 전동기 제어장치는 교류 전원, 컨버터, 인버터, 전동기와 제어부를 가진다. 교류 전원은 교류 전력을 공급한다. 컨버터는 상기 교류 전원이 공급하는 상기 교류 전력을 직류 전력으로 변환한다. 인버터는 상기 컨버터에 접속되어 상기 컨버터가 변환하여 출력한 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다. 전동기는 상기 인버터가 변환한 교류 전력에 의해서 회전한다. 제어부는 상기 컨버터로부터 출력되는 전압의 전압치와 상기 인버터가 변환한 교류 전력의 전류치를 바탕으로 상기 전동기의 회전수를 제어한다. 제어부는 상기 전압치와 상기 전류치에 의해서 산출되는 전력치가 소정의 수치를 넘은 경우에 상기 전동기의 회전수를 낮춘다.
도 1은 실시형태의 압축 장치 구성의 구체적인 예를 나타내는 도면.
도 2는 실시형태의 관리부의 기능 구성의 구체적인 예를 나타내는 도면.
도 3은 실시형태에서의 관리부가 압축기를 제어하는 구체적인 처리의 흐름을 나타내는 흐름도.
도 4는 압축 장치(100)에 공급되는 전압이 변동했을 때의 전력의 변이의 일례를 나타내는 도면.
이하, 실시형태의 전동기 제어장치 및 제어 방법을 도면을 참조해서 설명한다.
도 1은 실시형태의 압축 장치(100)의 구성의 구체적인 예를 나타내는 도면이다.
압축 장치(100)는 3상 교류 전원(1), 압축기(2), 제어장치인 제어 회로(3) 및 관리부(4)를 갖춘다. 3상 교류 전원(1)은 제어 회로(3)를 통해서 압축기(2)의 전동기(21)에 전력을 공급한다.
3상 교류 전원(1)은 3상 교류의 교류 방식에 의해서 제어 회로(3)에 교류 전력을 공급한다.
압축기(2)는 전동기(21)를 갖춘다. 압축기(2)는 전동기(21)를 회전시켜서 도시하지 않은 압축 기구부를 구동하여 압축기(2)로 흐르는 열매체를 압축시킨다.
제어 회로(3)는 컨버터(31), 콘덴서(32), 인버터(33), 전원측 전류계(34), 전압계(35) 및 압축기측 전류계(36)를 갖춘다.
컨버터(31)는 3상 교류 전원(1)이 공급하는 교류 전력을 직류 전력으로 변환한다. 컨버터(31)는 변환한 직류 전력을 출력한다. 컨버터(31)는 다이오드 브리지 회로(311)를 갖춘다. 컨버터(31) 측의 다이오드 브리지 회로(311)는 리액터(37)를 통해서 3상 교류 전원(1)으로부터 공급되는 전력을 취득한다.
콘덴서(32)는 컨버터(31)에 병렬로 접속된다. 콘덴서(32)는 컨버터(31)가 변환한 직류 전력에 의해서 공급되는 전력을 축전한다.
인버터(33)는 컨버터(31) 및 콘덴서(32)에 병렬로 접속된다. 인버터(33)는 컨버터(31)가 변환하여 출력한 직류 전력을 소정의 주파수의 교류 전력으로 변환하고, 변환 후의 교류 전력을 3상 교류의 교류 방식에 의해서 압축기(2)로 공급한다.
전원측 전류계(34)는 3상 교류 전원이 공급하는 전력을 운반하는 전류로서, 3상 교류 전원(1)과 컨버터(31) 사이를 흐르는 전류의 전류치를 측정한다. 3상 교류 전원(1)과 컨버터(31) 사이를 흐르는 전류란, 3상 교류 전원(1)으로부터 컨버터(31)로 흐르는 선전류이다. 전원측 전류계(34)는 구체적으로는, 3상 중에서 2상에 흐르는 전류를 검출하고, 검출 결과를 바탕으로 2상 각각에 흐르는 전류의 전류치를 산출한다. 전원측 전류계(34)는 3상 중에서 나머지 1상에 흐르는 전류치를, 검출된 2상에 흐르는 전류의 전류치를 바탕으로 산출한다. 또한, 전원측 전류계(34)가 검출하는 전류가 흐르는 3상이란, 3상 교류 전원(1)과 컨버터(31)를 연결하는 3개의 도선을 의미한다. 또한, 전원측 전류계(34)가 검출하는 전류가 흐르는 3상 중에서 2상이란, 3상 교류 전원(1)과 컨버터(31)를 연결하는 3개의 도선 중에서 2개의 도선을 의미한다. 또한, 전원측 전류계(34)가 검출하는 전류가 흐르는 3상 중에서 1상이란, 3상 교류 전원(1)과 컨버터(31)를 연결하는 3개의 도선 중에서 1개의 도선을 의미한다.
전압계(35)는 콘덴서(32) 전압의 전압치를 측정한다.
압축기측 전류계(36)는 인버터(33)가 압축기(2)에 공급하는 3상 전류의 전류치(즉, 인버터(33)로부터 압축기(2)로 흐르는 선전류의 전류치)를 측정한다. 압축기측 전류계(36)는 구체적으로는, 3상 중에서 2상에 흐르는 전류를 검출하고, 검출 결과를 바탕으로 2상의 각각에 흐르는 전류의 전류치를 산출한다. 압축기측 전류계(36)는 3상 중에서 나머지 1상에 흐르는 전류치를, 검출된 2상에 흐르는 전류의 전류치를 바탕으로 산출한다. 또한, 압축기측 전류계(36)가 검출하는 전류가 흐르는 3상이란, 인버터(33)와 압축기(2)를 연결하는 3개의 도선을 의미한다. 또한, 압축기측 전류계(36)가 검출하는 전류가 흐르는 3상 중에서 2상이란, 인버터(33)와 압축기(2)를 연결하는 3개의 도선 중에서 2개의 도선을 의미한다. 또한, 압축기측 전류계(36)가 검출하는 전류가 흐르는 3상 중에서 1상이란, 인버터(33)와 압축기(2)를 연결하는 3개의 도선 중에서 1개의 도선을 의미한다.
관리부(4)는 전원측 전류계(34)의 측정 결과, 전압계(35)의 측정 결과, 압축기측 전류계(36)의 측정 결과를 바탕으로 압축기(2)가 갖추는 전동기(21)의 회전수를 제어한다. 또한, 관리부(4)는 컨버터(31) 및 인버터(33)의 동작을 제어한다.
도 2는 실시형태의 관리부(4)의 기능 구성의 구체적인 예를 나타내는 도면이다.
관리부(4)는 버스로 접속된 CPU(Central Processing Unit)나 메모리나 보조기억장치 등을 갖추어 프로그램을 실행한다. 관리부(4)는 프로그램을 실행함으로써 측정치 취득부(41), 판정부(42) 및 압축기 제어부(43)를 갖추는 장치로 기능한다.
측정치 취득부(41)는 전원측 전류치, 콘덴서 전압치 및 압축기측 전류치를 취득한다. 전원측 전류치는 전원측 전류계(34)가 측정한 전류치이다. 콘덴서 전압치는 전압계(35)가 측정한 전압치이다. 압축기측 전류치는 압축기측 전류계(36)가 측정한 전류치이다.
판정부(42)는 측정치 취득부(41)가 취득한 전원측 전류치, 콘덴서 전압치 및 압축기측 전류치를 바탕으로 전원측 전류치 또는 압축기측 전력이 소정의 수치 이상인지 여부를 판정한다. 압축기측 전력은 콘덴서 전압치 및 압축기측 전류치를 바탕으로 산출되는 수치로서, 전력의 차원을 가지는 수치이다.
판정부(42)는 전원측 전류치 판정부(421) 및 전력 판정부를 가진다.
전원측 전류치 판정부(421)는 측정치 취득부(41)가 취득한 전원측 전류치를 취득하여 전원측 전류치가 미리 정해진 제1의 수치를 넘는지 여부를 판정한다. 미리 정해진 제1의 수치는 어떠한 수치여도 좋고, 예를 들면, 제어 회로(3)가 흐를 수 있는 전류의 전류치의 최대치여도 좋다. 미리 정해진 제1의 수치는 예를 들면, 제어 회로(3)가 흐를 수 있는 전류의 전류치의 최대치보다 소정의 수치만큼 낮은 수치여도 좋다.
전력 판정부(422)는 측정치 취득부(41)가 취득한 콘덴서 전압치 및 압축기측 전류치를 바탕으로 전력에 관한 수치(이하 '전력 관계치'라고 한다.)를 취득한다. 전력 판정부(422)는 취득한 전력 관계치가 미리 정해진 제2의 수치를 넘는지 여부를 판정한다.
전력 관계치는 예를 들면, 이하의 식(1)에 의해서 산출되는 수치(P1)여도 된다.
Figure pct00001
식(1)에 있어서, Vout는 콘덴서 전압치이다. 식(1)에 있어서, Iout는 압축기측 전류치이다. 식(1)에 있어서, α는 3상 교류 전원(1)이 공급하는 교류 전력이 제어 회로(3)에 인가되고 나서 압축기(2)에 도달하기까지 손실되는 전력에 근거하여 Iout×Vout를 보정하는 보정치이다. 보정치(α)는 구체적으로는 1/1-β이다. β는 3상 교류 전원(1)이 공급하는 교류 전력이 제어 회로(3)에 인가되고 나서 압축기(2)에 도달하기까지 손실되는 전력의 전력치의, 3상 교류 전원(1)이 공급하는 교류 전력의 전력치에 대한 비율이다.
전력 관계치는 예를 들면, P2=Iout×Vout에 의해서 산출되는 수치(P2, 즉, 전력의 순간치)여도 좋다. 전력 관계치는 예를 들면, (Iout×Vout)의 시간 평균 수치(즉, 전력량)이어도 좋다.
제2의 수치는 예를 들면, 3상 교류 전원(1)이 공급하는 교류 전력의 전력치여도 좋다.
압축기 제어부는 판정부의 판정 결과를 바탕으로 압축기를 제어한다.
도 3은 실시형태에서의 관리부(4)가 압축기(2)를 제어하는 구체적인 처리의 흐름을 나타내는 흐름도이다.
측정치 취득부(41)가 전원측 전류계(34)가 측정한 입력 전류치(Iin)를 취득한다(스텝 S101). 전원측 전류치 판정부(421)가 스텝 S101에서 취득된 전류치가 제1의 수치보다 큰지 여부를 판정한다(스텝 S102). 스텝 S102에서 전류치가 제1의 수치보다 큰 경우(스텝 S102: YES), 압축기 제어부(43)는 압축기(2) 전동기(21)의 회전수를 소정의 수치까지 낮춘다(스텝 S103).
한편, 스텝 S102에서 전류치가 제1의 수치 이하인 경우(스텝 S102: NO), 측정치 취득부(41)가 콘덴서 전압치를 취득한다(스텝 S104). 스텝 S104 다음에 측정치 취득부(41)가 압축기측 전류치를 취득한다(스텝 S105). 스텝 S104 및 스텝 S105의 처리는 반드시 스텝 S104의 처리 다음에 스텝 S105의 처리가 실행될 필요는 없다. 스텝 S104 및 스텝 S105의 처리는 예를 들면, 스텝 S105 처리 다음에 스텝 S104의 처리가 실행되어도 좋다. 스텝 S104 및 스텝 S105의 처리는 예를 들면, 스텝 S102의 처리 전에 실행되어도 좋다.
스텝 S105 다음에 전원측 전류치 판정부(421)는 콘덴서 전압치 및 압축기측 전류치를 바탕으로 전력 관계치를 취득한다(스텝 S106). 전원측 전류치 판정부(421)는 전력 관계치가 제2의 수치 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S107). 스텝 S107에서 전력 관계치가 제2의 수치 이상인 경우(스텝 S107: YES), 압축기 제어부(43)는 압축기(2) 전동기(21)의 회전수를 소정의 수치까지 낮춘다(스텝 S103).
한편, 스텝 S107에서 전력 관계치가 제2의 수치 미만인 경우(스텝 S107: NO), 관리부(4)는 처리를 종료한다.
도 4는 실시형태의 압축 장치(100)의 입력 전류 릴리즈 시의 전압 변동과 전력 변이의 일례를 나타내는 도면이다. 입력 전류 릴리즈 시란, 입력 전류치(Iin)가 제1의 수치보다 클 때이다.
도 4의 가로축은 3상 교류 전원(1)이 공급하는 전압을 나타낸다. 도 4의 세로축은 전동기(21)에 공급되는 전력을 나타낸다.
입력 전류치(Iin)가 제1의 수치 이하이고 전원측 전류치 판정부(421)에 의한 판정이 실행되지 않는 경우, 입력 전력은 3상 교류 전원(1)이 공급하는 전압에 선형으로 비례한다. 그렇기 때문에, 전원측 전류치 판정부(421)에 의한 판정이 실행되지 않는 경우에는, 전동기(21)에 3상 교류 전원(1)이 공급하는 전력에 따라서 전력이 과잉 공급되는 경우가 있다. 도 4에서 도형(S)이 전동기(21)에 공급되는 과잉 전력을 나타낸다.
도형(S)은 입력 전류치(Iin)가 입력 전류 릴리즈점 이하인 경우, 전동기(21)에 공급되는 과잉 전력이다.
제1의 수치가 입력 전류 릴리즈점 수치인 경우, 전원측 전류치 판정부(421)에 의해서 입력 전류치(Iin)가 입력 전류 릴리즈점 이상이 되는 경우가 없다. 그렇기 때문에, 전원측 전류치 판정부(421)를 갖추는 압축 장치(100)는 3상 교류 전원(1)이 공급하는 전력의 변동에 의해서 전동기(21)로 전력이 과잉 공급되는 것을 억제할 수 있다.
이와 같이 구성된 제어장치인 제어 회로(3) 및 관리부(4)는 전력 판정부(422)를 갖추기 때문에, 인버터로부터 압축기(2)로 공급되는 전력에 근거하여 전동기(21)의 회전수를 제어할 수 있다. 그렇기 때문에, 3상 교류 전원(1)이 공급하는 전압이 불균형하고 소정의 수치보다 높아져서 소비 전력이 커진 경우, 컨버터나 인버터 제어 회로의 회로 손실(발열)이 너무 커지는 경우가 없고, 제어 회로(3)에 넣어진 전기 부품의 발열량 증대를 억제할 수 있다. 이 때문에, 전기 부품의 발열량과 계측하는 온도 센서, 상용 교류 전원으로부터 공급되는 전압을 계측하는 계측 수단 등을 별도로 마련할 필요가 없고, 저가이면서 고품질인 제어장치로 할 수 있다.
또한, 전원 전압이 변동되어 표준보다 높아진 경우에는 소비 전력이 커진다. 소비 전력이 커져도 필요한 냉각(가열) 능력이 확보되어 있으면 문제가 되지 않는다. 이 경우, 이용측 온도 센서의 검지 결과에 의한 능력 제어에 따를 뿐이지만, 소비 전력이 커졌을 때에 컨버터나 인버터 제어 회로의 회로 손실(발열)이 커져서 제어기 부품의 온도 상한을 넘어 버리는 것이다.
이 온도 상한은 예를 들면, 반도체는 한 순간이라도 넘어서는 안 되는 수치라고 규정되어 있고, 마그넷(SW)이나 전해 콘덴서는 설계한 수명보다 짧아진다. 이를 방지하기 위해서, 직류 전압과 부하가 되는 컴프레서의 회전수, 전류치로 소비 전력을 계산한다. 소비 전력을 소정의 수치 이하로 제어함으로써 기기 내의 내부 발열을 일정 이하로 억제할 수 있다.
또한, 이에 따라서 압축기(2)로의 잉여 에너지 입력도 억제할 수 있기 때문에, 압축 장치(100)는 압축기(2) 전동기(21)의 회전수가 필요 이상으로 증대하는 경우가 없다. 그렇기 때문에, 3상 교류 전원(1)이 공급하는 전압이 소정의 수치보다 높은 경우라도 압축기(2)의 발열량 증대를 억제할 수 있다.
또한, 이와 같이 구성된 압축 장치(100)는 전력 판정부(422)를 갖추기 때문에, 제어 회로(3)를 변경하지 않고 제2의 수치를 변경하는 것만으로 200V, 380V, 400V, 440V 등 다른 입력 전압에서 동작할 수 있다. 입력 전압은 3상 교류 전원(1)이 제어 회로(3)에 인가하는 전압이다. 즉, 같은 하드웨어 설계의 압축 장치(100)를 200V~440V까지 다른 입력 전압에서 사용할 수 있다.
또한, 압축 장치(100)는 반드시 200V~400V까지 범위내의 입력 전압에서만 사용될 필요는 없고, 그 이외의 입력 전압(예를 들면, 100V나 600V 등)에서 사용되어도 좋다. 또한, 그 경우에도 전력 판정부(422)를 갖추기 때문에, 압축 장치(100)는 동작한다.
또한, 압축 장치(100)는 3상 교류 전원(1)과 컨버터(31) 사이를 흐르는 선전류의 전류치를 측정할 수 있으면, 전원측 전류계(34)를 1개 갖추어도 좋고, 복수 갖추어도 좋다.
또한, 압축 장치(100)는 콘덴서(32) 전압의 전압치를 측정할 수 있으면, 전압계(35)를 1개 갖추어도 좋고, 복수 갖추어도 좋다.
또한, 압축 장치(100)는 인버터(33)가 압축기(2)에 공급하는 선전류의 전류치를 측정할 수 있으면, 압축기측 전류계(36)를 1개 갖추어도 좋고, 복수 갖추어도 좋다.
또한, 이와 같이 구성된 압축 장치(100)는 전력 판정부(422)를 갖추기 때문에, 압축기(2)의 정격전압의 ±10% 범위내의 입력 전압으로 압축기(2)를 동작시킬 수 있다.
상기 각 실시형태에서는, 관리부(4)의 각 기능부는 소프트웨어 기능부인 것으로 했지만, LSI 등의 하드웨어 기능부여도 된다.
이상 설명한 적어도 하나의 실시형태에 의하면, 전력 판정부(422)를 갖추기 때문에, 인버터(33)로부터 압축기(2)로 공급되는 전력을 바탕으로 압축기(2) 전동기(21)의 회전수를 제어할 수 있다. 그렇기 때문에, 전원이 공급하는 전압이 소정의 수치보다 높은 경우여도 전동기(21)의 회전수를 낮춤으로써 압축기(2)의 발열량 증대를 억제할 수 있다.
본 발명의 몇 가지 실시형태를 설명했지만, 이들 실시형태는 예로 제시한 것으로써 발명의 범위를 한정하는 것을 의도하지 않는다. 이들 실시형태는 그 외의 여러가지 형태로 실시될 수 있고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 생략, 치환, 변경할 수 있다. 이들 실시형태나 그 변형은 발명의 범위나 요지에 포함되는 것과 마찬가지로 특허 청구 범위에 기재된 발명과 균등한 범위에 포함되는 것이다.

Claims (3)

  1. 교류 전력을 공급하는 교류 전원과,
    상기 교류 전원이 공급하는 상기 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와,
    상기 컨버터에 접속되어 상기 컨버터가 변환하여 출력한 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터와,
    상기 인버터가 변환한 교류 전력에 의해서 회전하는 전동기와,
    상기 컨버터로부터 출력되는 전압의 전압치와 상기 인버터가 변환한 교류 전력의 전류치를 바탕으로 상기 전동기의 회전수를 제어하는 제어부,
    를 갖추고,
    상기 제어부는 상기 전압치와 상기 전류치에 의해서 산출되는 전력치가 소정의 수치를 넘은 경우에 상기 전동기의 회전수를 낮추는,
    전동기 제어장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 교류 전원이 공급하는 전류의 전류치가 소정의 수치를 넘은 경우에 상기 전동기의 회전수를 낮추는,
    전동기 제어장치.
  3. 교류 전력을 공급하는 교류 전원과, 상기 교류 전원이 공급하는 상기 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와, 상기 컨버터에 접속되어 상기 컨버터가 변환하여 출력한 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터와, 상기 인버터가 변환한 교류 전력에 의해서 회전하는 전동기와, 상기 컨버터로부터 출력되는 전압의 전압치와 상기 인버터가 변환한 교류 전력의 전류치를 바탕으로 상기 전동기의 회전수를 제어하는 제어부를 갖추는 전동기 제어장치가 실시하는 제어 방법으로써,
    상기 제어부가 상기 전압치와 상기 전류치에 의해서 산출되는 전력치가 소정의 수치를 넘은 경우에 상기 전동기의 회전수를 낮추는 제어 스텝,
    을 가지는 제어 방법.
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