JP5195884B2 - 圧縮機駆動方法および圧縮機駆動装置 - Google Patents

Description

この発明は圧縮機駆動方法およびその装置に関し、さらに詳細にいえば、インバータによって同期モータを制御し、同期モータによって圧縮機を駆動する圧縮機駆動方法およびその装置に関する。

圧縮機は空気調和機をはじめとして各種の装置の駆動源として用いられている。

そして、圧縮機を駆動するための装置として、従来から、インバータによって同期モータを制御し、同期モータによって圧縮機を駆動するようにしているとともに、同期モータの回転子の回転位置（以下、ロータ位置と称する）を検出する位置検出部と、検出されたロータ位置を基準としてインバータを電圧制御するインバータ制御部とを含むとともに、モータ電流が過大になった場合にインバータなどのパワー素子を保護するＯＣＰ部を含むものが提案されている。

ここで、位置検出部としては、ホール素子などのセンサを用いるものであってもよいが、同期モータが圧縮機に組み込まれるような場合には、センサを用いない位置検出部、例えば、インバータによる通電角を１２０°に設定し、非通電期間においてモータ誘起電圧を検出することによってロータ位置を検出する位置検出部、または同期モータの固定子巻線の中性点電圧を検出することによってロータ位置を検出する位置検出部を採用することが好ましい。

上記の構成の圧縮機駆動装置を採用すれば、ロータ位置を基準としてインバータを制御して同期モータを運転し、圧縮機を駆動することができる。

特開平１１−３３２２９８号公報 特開平８−１０３０９３号公報 特開昭６３−８７１９５号公報

上記の圧縮機駆動装置を採用した場合には、負荷が過大になり、モータ電流が過大になった場合に、ＯＣＰ部によってインバータなどのパワー素子保護（トリップ）が発生し、圧縮機が停止させられてしまう。

そして、トリップが発生した場合には、確実な起動、圧縮機の保護などを考慮して数分間の待機時間の後に再起動を行うので、圧縮機の停止に伴う不都合が発生する。

例えば、圧縮機が空気調和機用圧縮機である場合には、圧縮機の停止期間において空気調和動作を行うことができないので、室温が目標温度から変動してしまい、不快感を与えることになってしまう。

また、空気調和機用圧縮機においては、通常の運転状態では冷媒ガスを圧縮する動作を行うのであるから、冷媒ガスの圧縮により想定されている最大負荷以下の負荷状態での運転が行われるだけであり、トリップは発生しないものと思われる。しかし、実際には、冷媒を液の状態で吸入する場合があり、この場合には液圧縮を行うことになるので、負荷が過大になってしまい、トリップを発生させてしまう。この結果、上記の不都合が発生してしまう。

この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、負荷が過大になった場合であってもトリップの発生を確実に防止することができる圧縮機駆動方法およびその装置を提供することを目的としている。

請求項１の圧縮機駆動方法は、インバータ（６）によって同期モータ（７）を制御し、同期モータ（７）によって圧縮機（８）を駆動する圧縮機駆動方法において、負荷が過大になった場合にもモータ電流が所定の範囲を越えないようにインバータ（６）を制御し、モータ電流が所定の範囲を規定する上限値に近づき、もしくは等しくなったことに応答して、電流位相を最大トルクを発生できる位相に近づけるものである。

請求項２の圧縮機駆動装置は、インバータ（６）によって同期モータ（７）を制御し、同期モータ（７）によって圧縮機（８）を駆動する圧縮機駆動装置において、負荷が過大になった場合にもモータ電流が所定の範囲を越えないようにインバータ（６）を制御するインバータ制御手段（３）（４）（１０）（１１）（１２）を含み、前記インバータ制御手段（２）（１２）は、モータ電流が所定の範囲を規定する上限値に近づき、もしくは等しくなったことに応答して、電流位相を最大トルクを発生できる位相に近づけるものである。

請求項１の圧縮機駆動方法であれば、モータ電流が所定の範囲を規定する上限値に近づき、もしくは等しくなったことに応答して、電流位相を最大トルクを発生できる位相に近づけるのであるから、モータトルクを最大限利用することができる。

請求項２の圧縮機駆動装置であれば、前記インバータ制御手段として、モータ電流が所定の範囲を規定する上限値に近づき、もしくは等しくなったことに応答して、電流位相を最大トルクを発生できる位相に近づけるものを採用するのであるから、モータトルクを最大限利用することができる。

この発明の圧縮機駆動装置の一実施態様の要部を示すブロック図である。 図１の圧縮機駆動装置により圧縮機を駆動した場合における速度およびモータ電流の変化を示す図である。 従来の圧縮機駆動装置により圧縮機を駆動した場合における速度およびモータ電流の変化を示す図である。 この発明の圧縮機駆動装置の他の実施態様の要部を示すブロック図である。 速度垂下量−指令電流特性の一例を示す図である。 この発明の圧縮機駆動装置のさらに他の実施態様の要部を示すブロック図である。 この発明の圧縮機駆動装置のさらに他の実施態様の要部を示すブロック図である。 回転子の内部に永久磁石を装着してなる永久磁石モータのトルク−電流位相特性を示す図である。

以下、添付図面を参照して、この発明の圧縮機駆動方法およびその装置の実施の態様を詳細に説明する。

図１はこの発明の圧縮機駆動装置の一実施態様の要部を示すブロック図である。

この圧縮機駆動装置は、外部から与えられる速度指令と実速度との差に基づいてＰＩ制御を行ってトルク指令を出力する速度指令部１と、外部から与えられる位相指令およびトルク指令を入力として電流指令を生成する電流指令生成器２と、電流指令を予め設定した電流上限値と比較して、電流指令が電流上限値を越える場合に、電流位相を保持したまま電流指令の大きさを電流上限値で制限する電流リミッタ３と、電流リミッタ３からの電流指令と実電流との差に基づいてＰＩ演算を行って電圧指令を出力する電流制御部４と、電圧指令を入力として、ロータ位置（同期モータの回転子の回転位置）に基づいてｄ−ｑ→３相変換を行って３相電圧指令を出力するｄ−ｑ→３相変換部５と、三相電圧指令に基づいて３相交流電圧を生成し、同期モータ７に印加するインバータ６と、同期モータ７により駆動される圧縮機８と、３相電圧指令を入力として、ロータ位置に基づいて、デッドタイム補償などを行って、実電圧を検出する電圧検出部６ａと、モータ電流を入力として、ロータ位置に基づいて実電流を検出する電流検出部７ａと、実電圧および実電流を入力としてロータ位置（θ）および速度（ω）を検出する位置検出部９と、電流リミッタ３からの電流オーバー値に対して定数Ｋ１を乗算する定数Ｋ１部１０と、外部から与えられる速度指令から定数Ｋ１部１０の出力を減算して補正後の速度指令を得る減算部１１とを有している。

また、電流指令が電流上限値を越えることを条件として電流リミッタ３からＩ項制限指令を速度制御部１に供給して、速度制御部１の内部状態を電流指令が電流上限値を越える前の状態に保持することが好ましく（図１中の破線参照）、速度制御部１にＰＩ演算が発散することを防止することができる。なお、この構成は定数ｋ部１０および減算部１１に代えて採用すればよいが、両者を併用してもよい。

上記の圧縮機駆動装置の作用は次のとおりである。

外部から与えられる速度指令と実速度との差に基づいて速度制御部１によりＰＩ演算を行ってトルク指令を生成し、トルク指令および外部から与えられる位相指令に基づいて電流指令生成器２により電流指令を生成する。

そして、この電流指令が電流上限値を越える場合にのみ電流リミッタ３によって電流指令を制限する。

次いで、電流指令と実電流との差に基づいて電流制御部４によってＰＩ制御を行って電圧指令を生成し、ｄ−ｑ→３相変換部５によって３相電圧指令に変換してインバータ６に供給し、３相交流電圧を同期モータ７に印加して同期モータ７を駆動し、同期モータ７によって圧縮機８を駆動する。

また、以上の動作を行っている間に、電圧検出部６ａによって実電圧を検出し、電流検出部７ａによって実電流を検出し、検出された実電圧および実電流に基づいて位置検出部９によってロータ位置（θ）および速度（ω）を検出（推定）することができるので、検出されたロータ位置（θ）に基づいて同期モータ７への印加電圧を制御し、速度指令に追従すべく同期モータ７を駆動し、ひいては圧縮機８を駆動することができる。

上記の作用を行う場合において、液圧縮などに起因して負荷が過大になった場合には、実速度の低下に伴って、速度制御部１がトルク指令を増加させるとモータ電流（実電流）が増加する。

このようにしてモータ電流が増加し、電流上限値に達すると電流リミッタ３が電流上限値を越えないように電流指令を制限するので、電流制御部４に供給される電流指令が電流上限値を越えることを防止する。そして、このように制限された電流指令に基づいて電流制御部４により電圧指令を生成してインバータ６を制御することにより、モータ電流が過大になることを防止することができる。

すなわち、負荷が過大になった場合にも、モータ電流が所定の範囲を越えないように同期モータ７を制御し、ひいては圧縮機８を駆動することができる。換言すれば、パワーデバイス保護（トリップ）に起因する圧縮機の停止、待機時間などをなくすることができ、圧縮機が空気調和機用圧縮機である場合には、圧縮機の停止に起因する快適性の低下を未然に防止することができる。

さらに、モータ電流の最大値を削減することができるので、インバータ６の容量削減、同期モータ７の最大電流値削減が可能となり、同期モータ・インバータのコストダウンを達成することができる。

次いで、図１の圧縮機駆動装置により圧縮機を駆動し液圧縮を行った場合、および従来の圧縮機駆動装置により圧縮機を駆動し液圧縮を行った場合を説明する。

図１の圧縮機駆動装置により圧縮機を駆動した場合の速度および相電流は、それぞれ図２中（Ａ）（Ｂ）に示すとおりであり、同一の条件で従来の圧縮機駆動装置により圧縮機を駆動した場合の速度および相電流は、それぞれ図３中（Ａ）（Ｂ）に示すとおりであった。

そして、図１の圧縮機駆動装置ではモータ電流のピーク値が３９．６Ａ、最大速度垂下が−４０．６ｒｐｓであった。これに対して、従来の圧縮機駆動装置では、モータ電流のピーク値が５３．６Ａ、最大速度垂下が−３３．１ｒｐｓであった。

したがって、図１の圧縮機駆動装置を採用することにより、モータ電流のピーク値を大幅に低減することができ、インバータ６のＩＧＢＴなどの電流容量を大幅に低減することができる。

また、図１の圧縮機駆動装置において最大速度垂下が大きくなっているのは、モータ電流を制限して過剰なトルクがかかることを制限しているためである。この場合には、モータトルクを制限することになるので、圧縮機メカの保護を達成することができる。

図４はこの発明の圧縮機駆動装置の他の実施態様の要部を示すブロック図である。

この圧縮機駆動装置が図１の圧縮機駆動装置と異なる点は、電流リミッタ３に代えて、電流指令を入力として速度垂下指令を出力し、減算部１１に供給する指令電流検出器１２を設けた点のみである。

前記指令電流検出器１２は、例えば図５に示す速度垂下量−指令電流特性が予め設定されたものであり、指令電流を入力として対応する速度垂下量を出力することができる。

この構成の圧縮機駆動装置を採用した場合には、電流指令が電流上限値に比して十分に小さい場合に、電流指令が制限されない場合における図１の圧縮機駆動装置と同様の作用を行って圧縮機を駆動することができる。

そして、電流指令が電流上限値に近づくと、指令電流検出器１２から対応する速度垂下量を出力し、減算部１１によって速度指令を減少させる（垂下させる）ことができる。

この結果、モータ電流の最大値を削減することができ、インバータ６の容量削減、同期モータ７の最大電流値削減が可能となり、同期モータ・インバータのコストダウンを達成することができる。

また、この圧縮機駆動装置においては、電流上限値の近くで徐々に速度垂下を行うことができるので、図１の圧縮機駆動装置のような急激な電流指令制限処理がなくなり、制御を安定化することができる。

図６はこの発明の圧縮機駆動装置のさらに他の実施態様の要部を示すブロック図である。

この圧縮機駆動装置が図１の圧縮機駆動装置と異なる点は、電流指令を入力として速度垂下指令を出力し、減算部１１に供給する指令電流検出器１２をさらに設けた点のみである。

前記指令電流検出器１２は、例えば図５に示す速度垂下量−指令電流特性が予め設定されたものであり、指令電流を入力として対応する速度垂下量を出力することができる。

この構成の圧縮機駆動装置を採用した場合には、電流指令が徐々に増加する場合には図４と同様の作用を行い、電流指令が電流上限値に近づくと、指令電流検出器１２から対応する速度垂下量を出力し、減算部１１によって速度指令を減少させる（垂下させる）ことができる。

ただし、急速に電流指令値が電流上限値を越えるような急激な速度変動が発生した場合には、図４の圧縮機駆動装置では、十分なモータ電流削減を達成することができなくなる可能性がある。

しかし、この実施態様においては、電流リミッタ３も設けられているので、このような急激な速度変化が発生した場合であっても、電流リミッタ３によって電流指令が電流上限値を越えないように制限することができ、十分なモータ電流削減を達成することができる。

図７はこの発明の圧縮機駆動装置のさらに他の実施態様の要部を示すブロック図である。

この圧縮機駆動装置が図６の圧縮機駆動装置と異なる点は、指令電流検出器１２として、例えば図５に示す速度垂下量−指令電流特性が予め設定され、指令電流の振幅を入力として対応する速度垂下量を出力するとともに、指令電流の位相（指令位相）を入力として［指令位相×｛１−（速度垂下指令）／（電流上限値における速度垂下指令）｝＋最大トルク電流位相×｛（速度垂下指令）／（電流上限値における速度垂下指令）｝］／２の演算を行って電流位相を算出し、電流指令生成器２に供給するものを採用した点のみである。

なお、電流上限値は、電流上限値において速度垂下量が所定値になるように設定されている。

この構成の圧縮機駆動装置を採用した場合には、図６の圧縮機駆動装置の作用に加え、指令電流検出器１２からの電流位相を電流指令生成器２に供給して、電流位相を最大トルクを発生できる位相に近づけることができる。この結果、モータトルクを最大限利用することができる。

例えば、回転子の内部に永久磁石を装着してなる永久磁石モータのトルク−電流位相特性は図８に示すように与えられるので、最大電流における最大トルク電流位相を記憶しておき、上式に基づいて電流位相を算出することによって、電流位相を最大トルクを発生できる位相に近づけることができ、モータトルクを最大限利用することができる。

２ 電流指令生成器
３ 電流リミッタ
４ 電流制御部
６ インバータ
７ 同期モータ
８ 圧縮機
１０ 定数Ｋ１部
１１ 減算部
１２ 指令電流検出器

Claims (2)

1. インバータ（６）によって同期モータ（７）を制御し、同期モータ（７）によって圧縮機（８）を駆動する圧縮機駆動方法において、
   負荷が過大になった場合にもモータ電流が所定の範囲を越えないようにインバータ（６）を制御し、
   モータ電流が所定の範囲を規定する上限値に近づき、もしくは等しくなったことに応答して、電流位相を最大トルクを発生できる位相に近づける、圧縮機駆動方法。
2. インバータ（６）によって同期モータ（７）を制御し、同期モータ（７）によって圧縮機（８）を駆動する圧縮機駆動装置において、
   負荷が過大になった場合にもモータ電流が所定の範囲を越えないようにインバータ（６）を制御するインバータ制御手段（３）（４）（１０）（１１）（１２）を含み、
   前記インバータ制御手段（２）（１２）は、モータ電流が所定の範囲を規定する上限値に近づき、もしくは等しくなったことに応答して、電流位相を最大トルクを発生できる位相に近づけるものである、圧縮機駆動装置。

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