JP5040193B2 - 動力発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、業務用や一般家庭用や業務用の各種電気機器などに使用される動力発生装置に関するものである。

従来、この種の動力発生装置は、制御手段がインバータ回路からモータに供給される電圧と電流の位相、あるいは無効電流が所定値となるように制御する（例えば、特許文献１参照）。

図６は、特許文献１に記載された従来の動力発生装置のブロック図を示すものである。図６に示すように、交流電力１を整流回路２によって直流電力に変換し、インバータ回路３によってモータ４を駆動し、インバータ回路３の出力電流を電流検出手段５により検出し、無効電流が設定回転数において所定値となるように制御され、簡単な構成でありながら、モータ４の位置検知なし（位置センサレス）に正弦波駆動が行えるものであった。
特開２００５−２０４４３１号公報

しかしながら、前記従来の構成では、無効電流の値を一定に保った場合の電流位相（ｑ軸からの電流進角β）の変化に対する発生トルクの特性として、トルクが極大値をとるβ値がモータ４の特性によって、ほぼ固定されたものとなり、たとえば高速回転時に、弱め界磁制御を多分に活用しようとしてもトルクが極大となるβよりも大きい領域では、安定運転ができずに脱調することから、結果として弱め界磁の効果が小さい小β領域での運転に限定されるものとなり、モータ４は巻線のターン数を小とした仕様とする必要があり、トルク定数（電流に対する発生トルクの係数）が小さいものとなり、高トルクが必要な時には大きな電流を供給する必要があり、インバータ回路３の電流容量として大なるものが必要となり、コストが高いものとなるという課題を有したものとなっていた。

本発明は上記課題を解決するもので、所定位相電流成分検知手段の出力が所定の値に制御することにより、βがより大きい領域でも安定した運転を可能とし、弱め界磁制御をより活用し、トルク定数を高めて高トルク時における必要な電流値を低減し、低コストの装置を実現することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の動力発生装置は、永久磁石と巻線を備えた電動機と、前記電動機の速度に対応する周波数の信号を発生する発振手段を有し、前記巻線に交流電流を供給するインバータ回路を有し、前記インバータ回路は、電動機に供給する電圧位相と所定の位相であり、無効電流の位相からずれた位相の電流成分を検知する所定位相電流成分検知手段を有し、前記電動機に供給される所定位相電流成分検知手段の出力が所定の値となるように、前記電動機に供給する電圧を制御するものである。

これによって、所定位相電流成分検知手段の出力が所定の値に制御された条件でトルクが極大値をとる電流位相βが、無効電流が一定値となるように制御した場合のそれに対して大とすることができ、よってβがより大きい領域でも安定した運転を可能とし、弱め界磁制御をより活用した位置センサなしの正弦波運転を行わせることができるものとなる。

本発明は、電流進角が大きい条件での安定した運転が可能な動力発生装置を実現することができるものとなる。

第１の発明は、永久磁石と巻線を備えた電動機と、前記電動機の速度に対応する周波数の信号を発生する発振手段を有し、前記巻線に交流電流を供給するインバータ回路を有し、前記インバータ回路は、電動機に供給する電圧位相と所定の位相であり、無効電流の位相からずれた位相の電流成分を検知する所定位相電流成分検知手段を有し、前記電動機に供給される所定位相電流成分検知手段の出力が所定の値となるように、前記電動機に供給する電圧を制御することにより、所定位相電流成分検知手段の出力が所定の値に制御された条件でトルクが極大値をとる電流位相βが、無効電流が一定値となるように制御した場合のそれに対して大とすることができ、よってβがより大きい領域でも安定した運転を可能とし、弱め界磁制御をより活用した位置センサなしの正弦波運転を行わせることができるものとなる。

第２の発明は、特に、第１の発明の所定位相電流成分検知手段を、有効電流検知手段と、無効電流検知手段と、合成手段を有し、前記合成手段は、前記有効電流検知手段の出力と前記無効電流検知手段の出力とを所定の比率で合成して出力する構成とすることにより、従来無効電流検知手段を有している場合には、それをそのまま使用した上で、さらに若干の構成を加えることにより実現することができるものとなる。

第３の発明は、特に、第１の発明の所定位相電流成分検知手段を、電圧位相に対して所定位相を持った、ほぼ正弦波の波形を発生する所定位相発振手段を有する構成とすることにより、比較的簡単な構成で高い安定性が実現できるものとなる。

第４の発明は、特に、第１の発明の所定位相と、所定位相電流成分の値の少なくとも一方を、速度に応じて変化させることにより、ある程度の速度範囲における電流の進角値を良好なものとすることが可能となる。

第５の発明は、特に、第４の発明の所定位相と、所定位相電流成分の値の両方を、速度に応じて変化させることにより、より広範囲の速度条件において、電流の進角値を良好なものとすることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における動力発生装置のブロック図である。図１において、回転子１０１は、永久磁石１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄを有し、固定子１０４は、３相の巻線１０５、１０６、１０７を備えた形で、電動機１０８が構成されており、巻線１０５、１０６、１０７に交流電流を供給するインバータ回路１１０が接続されたものとなっている。

ここで、永久磁石１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄは、フェライト製のもので、いずれも表面に設けているが、ネオジウムなど希土類を用いたものを回転子１０１内に埋め込んで設けた構成としてもよい。

インバータ回路１１０は、電動機１０８の速度に対応する周波数の信号を発生する発振手段１１１、発振手段１１１の出力信号をカウントし、電気角を１度の分解能でカウントする電気角カウンタ１１２は電気角θを出力するものとなっている。

回転変換手段１１８は、０から３６０度の範囲内で変化するθ信号を受けるとともに、Ｖａ入力から各相の巻線１０５、１０６、１０７へと出力する電圧の大きさに対応し、電気角θの位相に応じた瞬時値を、Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの各信号として、ＰＷＭインバータ１
１９に出力するものとなっており、ＰＷＭインバータ１１９は、１５．６２５ｋＨｚ、すなわち６４マイクロ秒周期の三角波のキャリア信号と、デジタル的にマグニチュード・コンペアすることにより、ＰＷＭ変調をかけ、３相６石構成のインバータを適度なデッドタイムを含む駆動信号にて、オンオフ制御することにより、働かせるものとなっている。

ＰＷＭインバータ１１９は、３相の各出力電流を、電流検知手段１２１によって検知するものとなっており、電流検知手段１２１の具体構成としては、従来の技術でも用いていた低電位側の３個のスイッチング素子のエミッタ端子に直列に接続した３本の抵抗に発生する電圧を、それぞれのスイッチング素子のオン期間中に検知して、各相の電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗのそれぞれを検知するものとしているが、このような構成以外にも、例えばＤＣＣＴと呼ばれるような、直流電流成分からの周波数特性を持った磁気式の電流検知部品を用いる構成、あるいは３個の低電位側スイッチング素子のエミッタ端子を共通に接続した上で、低電位側の直流入力端子との間に接続した１個の電流検知用の抵抗の電圧を所定のタイミングで検知することにより、３相の各相の電流値を検出するものなども用いることができるものである。

電流検知手段１２１によって検知された３相の各電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、電動機１０８に供給する電圧位相に対して所定の位相ａの電流成分を検知する所定位相電流成分検知手段１２２を有している。

従来の技術においては、インバータ回路から電動機に供給される電圧に対して、電気角９０度ずれた成分である無効電流成分を検知する構成が存在していたが、本実施の形態の所定位相電流成分検知手段１２２については、従来の技術での無効電流の位相をゼロととり、そこからさらに電気角ａだけずれた位相の電流成分が計算されて出力されるものとなっている。

本実施の形態においては、所定位相設定手段１２３からの出力ａは、加算手段１２４によってθと加算されて出力され、電圧位相に対して所定位相を持ち、ほぼ正弦波の波形を発生する所定位相発振手段１２６として機能するものとなり、所定位相発振手段１２６から変換手段１２５に出力された電気角の信号による三角関数（ＳＩＮまたはＣＯＳのいずれか）と乗算される構成となっており、結果としては、所定位相の電流の大きさがＩｐとして出力されるものとなる。

電動機１０８に供給される所定位相電流成分検知手段１２２の出力が所定の値となるように、電動機１０８に供給する電圧が制御されるものとなっている。

ここで、本実施の形態においては、所定位相電流成分検知手段１２２は、位相を示すａ値が、現在の速度ωによって変化するものとしていることから、所定位相は速度に応じて変化するものとなる。

所定位相電流設定手段１３０の出力Ｉｐ＊は、減算手段１３１によって、Ｉｐとの誤差を計算した後、ＰＩアンプ１３２によって、比例要素と時間積分要素で誤差増幅され、Ｖａ値として回転変換手段１１８に出力される構成となっている。

以上の構成により、本実施の形態のインバータ回路１１０は、電動機１０８に供給される所定位相電流Ｉｐが所定の値Ｉｐ＊となるように、電動機１０８に供給する電圧の大きさＶａが制御されるものとなる。

またさらに、本実施の形態においては、所定位相電流設定手段１３０の出力Ｉｐ＊についても、速度ωによって変化するものとしていることから、所定位相電流成分の値Ｉｐに
ついても速度に応じて変化させる構成となっている。

図２は、本実施の形態の動力発生装置の毎分６０００回転におけるトルクと電流位相βのグラフであり、所定位相ａと所定位相電流成分の値は、それぞれアが−３０度と−１．７Ａ、イが−２０度と−０．６Ａ、ウが０度と＋１．０Ａの場合であり、ウの状態はａがゼロとなり、これは無効電流を検知し、それが＋１．０ＡとなるようにＶａ値が制御されるという従来の技術に相当するものとなる。

アの特性においては、トルク値が極大となるβ値は５１度であり、負荷トルクとして必要な値が０．９Ｎｍである場合には、Ｂが動作点となって、β＝４８度での定常動作が行われるものとなる。

また、イではカーブが若干従来の技術のカーブ「ウ」に近づいた特性となり、トルクの極大点Ｃはβ＝４０度となり、０．９Ｎｍにおいての動作点Ｄは、β＝２５度となる。

一方、ウに示される従来の技術においては、トルクの極大点Ｅはβ＝３７度であり、β＞３７度では安定動作は困難となり、０．９Ｎｍでの動作点Ｆでの進角についてはβ＝１９度にとどまるものとなる。

よって、アおよびイに示される本実施の形態においては、トルクがピーク（極大）となる点でのβの値が従来の技術よりも大きく、そのピークよりもβが小さい領域、すなわち定常的な安定動作が可能なβ領域が大きいものとなり、またトルクのピーク値についても、所定位相と所定位相の電流値の値の設定値を電動機１０８の特性などを考慮しながら適切に設定することにより、従来の技術とほぼ同等、あるいはやや大きめの値にすることができるものとなっている。

したがって、より従来の技術に対する、電流位相βが大きい状態においても安定した動作が可能となることから、たとえば高速運転の動作モードが必要な機器などにおいては、弱め界磁を活用した運転も可能となる。

その場合、巻線１０５、１０６、１０７を巻き込んだ誘導起電力の高い電動機１０８の設計とすることもでき、起動時や低速の運転モードにおけるトルクが必要となる機器への応用においては、高トルク時に電動機１０８に供給する電流値を小さく抑えることも可能となり、インバータ回路１１０の電流仕様の低減による装置の小型化、低コスト化なども可能となる。

図３は、本実施の形態の動力発生装置において、毎分６０００回転と毎分３０００回転での特性の比較を図２と同様にグラフ化したものであり、アは毎分３０００回転において−５度と＋０．５Ａ、イは同じく毎分３０００回転であるが、−３０度と−１．７Ａでの制御を行った場合であって、これは図２のア、再度ウにも示す毎分６０００回転での良好な特性が得られる条件として所定位相と所定位相電流成分の設定値をそのまま毎分３０００回転時にも適用したものであるが、毎分３０００回転におけるイの特性はトルクの極大点が発散したものとなり、電動機１０８の安定制御には適していないものとなっている。

すなわち、本実施の形態における動力発生装置に関しては、装置の毎分の回転数が３００回転および６０００回転という条件に変化に応じて、所定位相ａと、所定位相電流成分Ｉｐ値の両方に対して、速度ωに応じた変化がある構成としていることによって、複数の速度での運転が必要な装置、あるいは連続的に速度を変化させながら負荷を駆動する装置などに応用した場合にも、高い安定性が得られるものとなる。

なお、本実施の形態において、毎分３０００回転での特性アにおいては、トルクの極大点Ｈでのβ値は、４７度となり、これは毎分６０００回転のイの極大点β値よりも低いものとなっているため、イよりも電流進角値βは低い値での運転となる傾向はある。

しかしながら、低速時においては、弱め界磁制御はそれほど必要となることはないことから、アであっても十分な性能があげられるものとなる。

なお、本実施の形態においては、所定位相ａと、所定位相電流成分の値Ｉｐの両方を、速度に応じて変化させるものとしているが、必ずしもそのようにしなくてはならないというものではなく、一方のみを速度に応じて変化させるものとしてもよい。

図４には、本実施の形態の動力発生装置において、毎分３０００回転の条件で所定位相ａのみ変化した場合の図２や図３と同様に特性グラフの例を示しているものであって、アは図３のアと全く同様に−５度と＋０．５Ａの条件、またイについては、所定位相ａ＝０度とし、所定位相の電流成分は＋０．５Ａとアと等しいものとしている。

このようにアとイには特性上の違いはあるが、電動機１０８が３０００回転において必要となるトルクがどの程度のものであるか、などの条件によって、適宜設計すればよいことであり、たとえば毎分３０００回転における必要トルクが低い場合などには、イでもよく、要は各速度条件で必要となる負荷トルクにあわせて、所定位相ａと所定位相電流成分の値Ｉｐの値を決めていけば良いものであり、速度に対してのａとＩｐの値の変化の設け方は、全くの自由となる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の第２の実施の形態における動力発生装置のブロック図であって、インバータ回路１４０は、所定位相電流成分検知手段１４２の構成のみが、実施の形態１とは異なっているが、その他の部分の構成については、実施の形態１で使用しているものと同等の構成のものが使用されているものとなっている。

本実施の形態においては、所定位相電流成分検知手段１４２は、有効電流検知手段１４３と、無効電流検知手段１４４は、いずれも入力されたθ値に応じた三角関数との乗算処理を行った結果として、有効電流検知手段１４３は電動機１０８に入力された電圧ベクトルと同相成分の電流、すなわち有効電流Ｉａの値を求め出し、一方の無効電流検知手段１４４は電動機１０８に入力された電圧ベクトルと直交する成分の電流、すなわち無効電流Ｉｒの値を割り出すものとなっている。

そして、本実施の形態においては、所定位相電流成分検知手段１４２は、有効電流検知手段１４３、無効電流検知手段１４４、合成手段１４５を有した構成としており、合成手段１４５は、有効電流検知手段１４３の出力Ｉａと無効電流検知手段１４４の出力Ｉｒに対して、Ｉｐ＝ａ×Ｉａ＋ｂ×Ｉｒの計算を行って出力することにより、所定の比率（ａ：ｂ）で合成して出力するものとなっている。

互いに直交する、有効成分と無効成分に対して、それぞれ係数ａ、ｂを乗算したものを加算するということは、ＣＯＳ関数とＳＩＮ関数を所定の係数を乗じて混合することになり、等価的に位相αと利得γを変化させた、γ×ＳＩＮ（ωｔ＋α）を求め出すことに等しいものとなる。

なお、本実施の形態においても、上式のａやｂの値が、現在の速度ωによって変化するものとすることも可能であり、それらの値を変化させることにより、所定位相と、所定位相電流成分の値の一方または、両方を、速度に応じて変化させる構成とすることができる
ものとなる。

その内の所定位相電流成分の値を変化させるには、（ａ＾２＋ｂ＾２）の平方根が変化するように、各速度におけるａとｂの値を選んでも良く、また実施の形態１と同様に、所定位相電流設定手段１３０の出力Ｉｐ＊を速度に応じて変化させる構成としてもよい。

以上のように、本発明にかかる動力発生装置は、インバータ回路が電動機に供給する電圧位相と所定の位相の電流成分が所定の値となるように、電動機に供給する電圧を制御することにより、大きな電流進角位相βにおいても、安定した運転が可能な動力発生装置が提供できるものとなる。

本発明の実施の形態１における動力発生装置のブロック図 同、動力発生装置の毎分６０００回転におけるトルクと電流位相βのグラフ 同、動力発生装置の毎分６０００回転と毎分３０００回転での特性グラフ 同、動力発生装置の毎分３０００回転において所定位相ａのみ変化した場合の特性グラフ 本発明の実施の形態２における動力発生装置のブロック図 従来の動力発生装置のブロック図

１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ 永久磁石
１０５、１０６、１０７ 巻線
１０８ 電動機
１１０、１４０ インバータ回路
１１１ 発振手段
１２２、１４２ 所定位相電流成分検知手段
１２６ 所定位相発振手段
１４３ 有効電流検知手段
１４４ 無効電流検知手段
１４５ 合成手段

Claims (5)

1. 永久磁石と巻線を備えた電動機と、前記電動機の速度に対応する周波数の信号を発生する発振手段を有し、前記巻線に交流電流を供給するインバータ回路を有し、前記インバータ回路は、電動機に供給する電圧位相と所定の位相であり、無効電流の位相からずれた位相の電流成分を検知する所定位相電流成分検知手段を有し、前記電動機に供給される所定位相電流成分検知手段の出力が所定の値となるように、前記電動機に供給する電圧を制御する動力発生装置。
2. 所定位相電流成分検知手段は、有効電流検知手段と、無効電流検知手段と、合成手段を有し、前記合成手段は、前記有効電流検知手段の出力と前記無効電流検知手段の出力とを所定の比率で合成して出力する請求項１記載の動力発生装置。
3. 所定位相電流成分検知手段は、電圧位相に対して所定位相を持った、ほぼ正弦波の波形を発生する所定位相発振手段を有する請求項１記載の動力発生装置。
4. 所定位相と、所定位相電流成分の値の少なくとも一方を、速度に応じて変化させる請求項１記載の動力発生装置。
5. 所定位相と、所定位相電流成分の値の両方を、速度に応じて変化させる請求項４記載の動力発生装置。