JP7258235B2 - Drive system and air conditioner - Google Patents
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Description
本開示は、駆動装置及び空気調和装置に関する。本開示は特に結線状態が切替可能なモータをインバータによって駆動する駆動装置及びこの駆動装置を備えた空気調和装置に関する。 The present disclosure relates to drive devices and air conditioners. The present disclosure particularly relates to a drive device for driving a motor whose connection state is switchable by an inverter, and an air conditioner provided with this drive device.
従来、モータの回転数範囲(従って出力の範囲)の拡大のためにモータの固定子巻線(以下単に「巻線」とも言う)の結線状態をスター結線(以下Y結線と称する)とデルタ結線(以下Δ結線と称する)との間で切替えることが知られている。 Conventionally, in order to expand the rotation speed range (and therefore the output range) of the motor, the connection state of the stator windings (hereinafter also simply referred to as "windings") of the motor has been divided into star connection (hereinafter referred to as Y connection) and delta connection. (hereinafter referred to as delta connection).
切替に際しては、切替の際モータに加わるショックを小さくすることが重要である。例えば、永久磁石モータが加減速中であるか否かを回転数センサの出力に基づいて判定し、加減速中である場合には、結線の切替を行わず、加減速中でなくなった時点でこの切替を行うようにすることで、結線の切替を行うことによるショックを低減する技術が開示されている(例えば、特許文献1)。 At the time of switching, it is important to reduce the shock applied to the motor at the time of switching. For example, whether or not the permanent magnet motor is accelerating or decelerating is determined based on the output of the rotation speed sensor. A technique for reducing the shock caused by switching connections by performing this switching has been disclosed (for example, Patent Document 1).
特許文献1に記載の技術において、結線切替装置に電流が流れている状態で結線の切替を行うと、結線切替装置の切替スイッチが損傷を受けるおそれがあるという問題がある。上記の損傷を受けないようにするには、モータの電流をゼロに制御した状態で切替を行うのが望ましい。しかし、モータの電流をゼロにする出力トルクがゼロとなり、モータの速度が低下し、モータが脱調し、停止してしまう課題がある。
In the technique described in
本開示は、結線切替装置によって結線状態を切替えることが可能なモータをインバータによって駆動する駆動装置であって、結線切替装置に損傷を与えることなく、かつモータの速度の低下による脱調、停止等を防ぐことができる駆動装置を提供することを目的とする。 The present disclosure is a drive device that drives a motor with an inverter that can switch the connection state by a connection switching device, and does not damage the connection switching device and prevents loss of synchronism, stoppage, etc. due to a decrease in the speed of the motor. An object of the present invention is to provide a driving device that can prevent
本開示に係る駆動装置は、
負荷に接続されたモータの結線状態を切替える結線切替装置と、電力源に接続され、前記モータに交流電圧を出力するインバータとを備える駆動装置において、
前記モータの電流をゼロに制御する電流ゼロ制御の期間中に前記結線状態が切替えられ、かつ前記電流ゼロ制御の開始時の前記モータの速度が閾値以上であり、
前記インバータの出力電流をI1とし、
前記モータのトルク定数をKtとし、
前記電流ゼロ制御の期間の長さをT0とし、
前記モータの軸イナーシャをJm
とするとき、前記閾値ω0は、
ω0≧I1・Kt・T0/Jm
を満たすように定められる。
A driving device according to the present disclosure includes:
A driving device comprising: a connection switching device for switching a connection state of a motor connected to a load; and an inverter connected to a power source for outputting an AC voltage to the motor,
The connection state is switched during a period of zero current control for controlling the current of the motor to zero, and the speed of the motor at the start of the zero current control is equal to or greater than a threshold;
Letting the output current of the inverter be I1,
Let the torque constant of the motor be Kt,
The length of the period of the current zero control is T0,
Jm is the shaft inertia of the motor.
, the threshold ω0 is
ω0≧I1・Kt・T0/Jm
is determined to satisfy
本開示によれば、結線切替装置に損傷を与えることなく、かつモータの速度の低下による脱調、停止等を防ぐことができる。 According to the present disclosure, it is possible to prevent loss of synchronism, stoppage, etc. due to a decrease in motor speed without damaging the connection switching device.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る駆動装置1の構成を示す回路図である。
図示の駆動装置1は、負荷2に接続されたモータ3を駆動するためのものであり、インバータ4と、結線切替装置5と、電流検出手段6と、制御部7とを有する。
FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of a
The illustrated
インバータ4は、電力源8から電力の供給を受け、モータ3に周波数可変で電圧可変の三相の交流電圧を出力する。交流電圧の周波数は、モータ3の速度が所望の値となるように制御される。
結線切替装置5は、モータ3の結線状態を切替える。The
The
電流検出手段6は、インバータ4の出力相電流を検出する。電流検出手段6は、例えばインバータ4とモータ3とを接続する配線上に設けられたACCT或いはDCCTといった電流センサで構成される。「ACCT」はAlternating Current Current Transducerの略であり、「DCCT」は、Direct Current Current Transducerの略である。
制御部7は、電流検出手段6での検出結果に基づき、インバータ4及び結線切替装置5を制御する。A current detection means 6 detects an output phase current of the
The
モータ3はモータ軸を介して負荷2に接続されている。負荷2は、例えば、空気調和装置の圧縮機の圧縮要素である。
A
モータ3は、例えば、三相永久磁石同期モータであり、3つの相u、v、wの巻線3u、3v、3wの両端部がモータ3の外部に引き出されており、Y結線とΔ結線との間で結線状態の切替が可能なものである。切替は結線切替装置5により行われる。
The
図2(a)及び(b)は、電力源8の構成例を示す。
図2(a)に示される電力源8は、三相の交流電源81aから供給される交流電力を直流電力へ変換するコンバータ82aaと、リアクトル82abと、コンデンサ82acとを有する交直電力変換器82aで構成されている。2A and 2B show configuration examples of the
The
図2(b)に示される電力源8は、単相の交流電源81bから供給される交流電力を直流電力へ変換する周知のコンバータ82baと、リアクトル82bbと、コンデンサ82bcとを有する交直電力変換器82bで構成されている。
The
なお、図2(a)及び(b)には示されていないが、交直電力変換器82a、82bの出力側に直流電圧を昇圧する昇圧回路が挿入されていても良い。昇圧回路は例えばDC-DCコンバータであっても良い。
Although not shown in FIGS. 2A and 2B, a booster circuit for boosting the DC voltage may be inserted on the output side of the AC/
電力源8は、図2(a)及び(b)に示す構成のものの代わりに、直接直流の電源を供給する電池であっても良い。電力源8が電池で構成される場合にも、その出力側に昇圧回路が設けられていても良い。なお、上記の昇圧回路は駆動装置1の一部として構成されていても良い。さらに、交直電力変換器82a又は82b、或いは上記の電池も、駆動装置1の一部として構成されていても良い。
The
インバータ4の出力端子4u、4v、4wは、それぞれ対応する巻線3u、3v、3wの第1の端部3ua、3va、3waに接続されている。
結線切替装置5は、切替器51u、51v、51wを有する。切替器51u、51v、51wとしては、例えば、電磁的に接点が開閉する電磁接触器、例えば、リレー、コンタクターなどと呼ばれるものが用いられる。電磁接触器は、メカリレーとも呼ばれる。
例えば、切替器51u、51v、51wの各々は、2つの状態のいずれかを選択する機能を有する、例えば、c(切替)接点リレーで構成されていても良い。The
For example, each of the
切替器51u、51v、51wは、制御部7から出力された切替制御信号Scにより制御される。切替制御信号Scは、例えば第1の状態と第2の状態のいずれかを取る信号であり、一つの結線状態、例えばY結線状態を選択すべき時は第1の状態、例えばL状態となり、他の結線状態、例えばΔ結線状態を選択すべき時は第2の状態、例えばH状態となる。
The
c(切替)接点リレーで構成される切替器51u、51v、51wは、図3に示すように、共通端子COM、常閉端子NC、常開端子NOの3つの端子を有する。
切替器51u、51v、51wはそれぞれ巻線3u、3v、3wに対応して設けられ、各切替器の共通端子COMは、対応する巻線の第2の端部と接続されており、常閉端子NCは、中性点ノード52に接続されており、常開端子NOは、対応する巻線の次の相の巻線の第1の端部に接続されているいる。ここでは、相順がu、v、wの順である場合を想定しており、例えばu相、v相、w相の次の相はそれぞv相、w相、u相である。The
切替器51u、51v、51wがオフ状態、即ち常閉端子NCが共通端子COMと接続されている状態の場合、巻線3u、3v、3wの第2の端部3ub、3vb、3wbが中性点ノード52で接続され、モータ3がY結線状態となる。
When the
切替器51u、51v、51wがオン状態、即ち常開端子NOが共通端子COMと接続されている状態の場合、巻線3u、3v、3wの各々は、第1の端部3ua、3va、3waがインバータ4の対応する相の出力端子4u、4v、4wに接続され、第2の端部3ub、3vb、3wbがインバータ4の対応する相の次の相の出力端子4v、4w、4uに接続され、モータ3はΔ結線状態となる。
When the
なお、上記の例では、各切替器の常開端子NOを対応する巻線の次の相の巻線の第1の端部に接続し、常閉端子NCを中性点ノード52に接続する構成としたが、各切替器の常開端子NOを中性点ノード52に接続し、常閉端子NCを対応する巻線の次の相の巻線の第1の端部に接続する構成としても良い。
In the above example, the normally open terminal NO of each switch is connected to the first end of the next phase winding of the corresponding winding, and the normally closed terminal NC is connected to the
c(切替)接点リレーの場合、常開端子NOが共通端子COMと接続されるオン状態のときに励磁損失が発生する。励磁損失を小さくするためには、Y結線状態で運転される時間と、Δ結線状態で運転される時間とのいずれが長いかに基づいて、結線切替装置5の接続構成を定めれば良い。例えば、Y結線状態で運転される時間の方が長ければ、結線切替装置5がオフ状態のときにモータ3がY結線状態となるようにするのが良い。
In the case of the c (switching) contact relay, excitation loss occurs when the normally open terminal NO is connected to the common terminal COM in the ON state. In order to reduce the excitation loss, the connection configuration of the
図1及び図3の構成では結線切替装置5の切替器51u、51v、51wの各々として、切替スイッチを用いている。代わりに、常閉スイッチと常開スイッチとの組み合わせで各切替器を構成してもよい。その場合の結線切替装置の構成例を図4に示す。
In the configurations of FIGS. 1 and 3, a switch is used as each of the
図4の構成では、切替器51uとして常開スイッチ51uaと常閉スイッチ51ubとの組合せが用いられ、切替器51vとして常開スイッチ51vaと常閉スイッチ51vbとの組合せが用いられ、切替器51wとして常開スイッチ51waと常閉スイッチ51wbとの組合せが用いられている。
また、図4の配線では、常閉スイッチ51ub、51vb、51wbの一方の端子が、中性点ノード52に接続されている。In the configuration of FIG. 4, a combination of a normally open switch 51ua and a normally closed switch 51ub is used as a
4, one terminals of the normally closed switches 51ub, 51vb, and 51wb are connected to the
図示のように、常閉スイッチ51ub、51vb、51wbが閉じ(オンしており)、常開スイッチ51ua、51va、51waが開いた(オフしている)状態では、モータ3はY結線状態にあり、図示とは逆に、常閉スイッチ51ub、51vb、51wbが開き、常開スイッチ51ua、51va、51waが閉じた状態では、モータ3はΔ結線状態にある。
As shown in the figure, the
なお、常開スイッチ51ua、51va、51waの一方の端子が、中性点ノード52に接続され、常閉スイッチ51ub、51vb、51wbが閉じ、常開スイッチ51ua、51va、51waが開いた状態で、モータ3がΔ結線状態となり、常閉スイッチ51ub、51vb、51wbが開き、常開スイッチ51ua、51va、51waが閉じた状態で、モータ3がY結線状態になる配線としても良い。
One terminal of the normally open switches 51ua, 51va, and 51wa is connected to the
図4に示すように、各切替器を常開スイッチと常閉スイッチとの組合せで構成する場合にも、各スイッチとして、電磁接触器を用いることができる。電磁接触器は、オン時の導通損失が小さいので好適である。 As shown in FIG. 4, even when each switch is composed of a combination of a normally open switch and a normally closed switch, an electromagnetic contactor can be used as each switch. An electromagnetic contactor is preferable because it has a small conduction loss when it is turned on.
図4に示すように、各切替器を常開スイッチと常閉スイッチとの組合せで構成する場合、各スイッチとして、半導体スイッチを用いてもよい。半導体スイッチは、ワイドバンドギャップ半導体(WBG半導体)で構成されたものであっても良い。ワイドバンドギャップ半導体(WBG半導体)は、炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、酸化ガリウム(Ga2O3)、ダイヤモンド等であっても良い。ワイドバンドギャップ半導体(WBG半導体)で構成された半導体スイッチは、オン抵抗が小さく、低損失で素子発熱も少ない。これらはまた、切替動作を速やかに行うことができる。As shown in FIG. 4, when each switch is configured by a combination of a normally open switch and a normally closed switch, a semiconductor switch may be used as each switch. The semiconductor switch may be composed of a wide bandgap semiconductor (WBG semiconductor). Wide bandgap semiconductors (WBG semiconductors) may be silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), gallium oxide (Ga 2 O 3 ), diamond, and the like. A semiconductor switch made of a wide bandgap semiconductor (WBG semiconductor) has a low on-resistance, a low loss, and little element heat generation. They are also capable of rapid switching operations.
以上のように結線切替装置を用いることにより、モータ3の結線状態をY結線とΔ結線との間で切替えることが可能となる。
By using the connection switching device as described above, it is possible to switch the connection state of the
ここで、モータ3としてY結線とΔ結線との間で切替えが可能なものを用いることの利点について説明する。
Here, the advantage of using the
Y結線時の線間電圧をVY、巻線に流れ込む電流をIYとし、Δ結線時の線間電圧をVΔ、巻線に流れ込む電流をIΔとし、各相の巻線に掛る電圧が互いに等しいとすると、以下の式(1)及び(2)の関係がある。
VΔ=VY/√3 (1)
IΔ=√3×IY (2)The line-to-line voltage during Y-connection is VY , the current flowing into the winding is IY , the line-to-line voltage during Δ-connection is VΔ , the current flowing into the winding is IΔ , and the voltage applied to each phase winding. are equal to each other, there is a relationship of the following equations (1) and (2).
V Δ =V Y /√3 (1)
I Δ =√3×I Y (2)
Y結線時の電圧VY及び電流IYと、Δ結線時の電圧VΔ及び電流IΔとが式(1)及び(2)の関係を有するとき、Y結線時とΔ結線時とでモータ3に供給される電力が互いに等しい。つまり、モータ3に供給される電力が互いに等しいとき、Δ結線の方が電流は大きく、駆動に必要な電圧が低い。この性質を利用して、負荷条件等に応じて結線状態を選択することが考えられる。例えば、低負荷時には、Y結線で低速運転し、高負荷時には、Δ結線で高速運転することが考えられる。このようにすれば、低負荷時の効率を向上させ、高負荷時の高出力化も可能となる。When the voltage VY and the current IY in the Y connection and the voltage VΔ and the current IΔ in the Δ connection have the relationship of the formulas (1) and (2), the
特にモータ3が空気調和装置の圧縮機を駆動する用途の場合、三相永久磁石同期モータが広く用いられている。また、近年の空気調和装置においては、室温と設定温度との差が大きいときは、モータ3の高速運転によって室温を設定温度に早く近づけ、室温が設定温度に近いときは、モータ3の低速運転によって室温を維持するようにしている。このように制御する場合、全運転時間に対する低速運転の時間の占める割合が大きい。
Three-phase permanent magnet synchronous motors are widely used, particularly when the
三相永久磁石同期モータを用いた場合、回転数が上がると逆起電力が増加し、駆動に必要な電圧値が増加する。この逆起電力は、上記のようにY結線の方がΔ結線に比べて高い。高速での逆起電力を抑制するために、永久磁石の磁力を小さくしたり、固定子巻線の巻き数を減らしたりすることが考えられる。しかし、そのようにすると、同一出力トルクを得るための電流が増加するため、モータ3及びインバータ4に流れる電流が増加し、効率が低下する。
When a three-phase permanent magnet synchronous motor is used, the back electromotive force increases as the rotation speed increases, and the voltage value required for driving increases. This back electromotive force is higher in the Y-connection than in the Δ-connection, as described above. In order to suppress the back electromotive force at high speed, it is conceivable to reduce the magnetic force of the permanent magnet or reduce the number of turns of the stator winding. However, if this is done, the current required to obtain the same output torque increases, so the current flowing through the
そこで、回転数に応じて結線状態を切替えることが考えられる。例えば、高速運転が必要な場合にはΔ結線状態とする。この場合、駆動に必要な電圧をY結線状態と比較して1/√3にすることができ、巻線の巻数を減らす必要もなく、また、三相永久磁石同期モータにおいてモータ電圧上昇を抑制するための周知の弱め磁束制御を用いる必要がなくなる。 Therefore, it is conceivable to switch the connection state according to the rotation speed. For example, when high-speed operation is required, the Δ connection state is set. In this case, the voltage required for driving can be reduced to 1/√3 compared to the Y connection state, there is no need to reduce the number of winding turns, and the motor voltage rise is suppressed in the three-phase permanent magnet synchronous motor. It eliminates the need to use the well-known flux-weakening control for
一方、低速回転ではY結線状態とすることでΔ結線に比べて電流値を1/√3にできる。さらに、巻線をY結線状態で低速での駆動に適したように設計することが可能となり、Y結線を速度範囲の全域にわたり使用する場合に比べて、電流値を低減することが可能となる。この結果、インバータ4の損失を低減でき、効率を高めることが可能となる。
On the other hand, at low speed rotation, the current value can be reduced to 1/√3 compared to the Δ connection by setting the Y connection state. Furthermore, it becomes possible to design the windings in the Y-connection state so as to be suitable for low-speed driving, and it becomes possible to reduce the current value compared to the case where the Y-connection is used over the entire speed range. . As a result, the loss of the
以上の通り、負荷条件に応じて結線状態を切替えることには効果があり、本実施の形態においては、結線切替装置5によりモータ3の結線状態を切替える。
As described above, switching the connection state according to the load condition is effective, and in the present embodiment, the
インバータ4は、図5に示すように、インバータ主回路41と、駆動回路45とを有し、インバータ主回路41の入力端子は、直流母線4a、4bを介して電力源8の出力端子8a、8bに接続されている。
The
インバータ主回路41は、それぞれスイッチング素子411~416を含む6つのアームを有する。スイッチング素子411~416には、還流用の整流素子421~426が逆並列接続されている。
The inverter
駆動回路45は、制御部7から出力されるPWM信号Sm1~Sm6に基づいて駆動信号Sr1~Sr6を生成して、駆動信号Sr1~Sr6によりスイッチング素子411~416のオン、オフを制御し、これにより、周波数可変で電圧可変の三相交流電圧が出力端子4u、4v、4wからモータ3に印加されるようにする。
The
上記のスイッチング素子411~416及び還流用の整流素子421~426は、ケイ素Siで構成された素子でも、高耐圧、高温動作が可能なワイドバンドギャップ半導体である炭化ケイ素SiC、窒化ガリウムGaN、ダイヤモンド等で構成された素子でも良い。
The switching
制御部7は、その一部又は全部を処理回路で構成し得る。
例えば、制御部7の諸機能をそれぞれ別個の処理回路で実現してもよいし、複数の機能をまとめて1つの処理回路で実現しても良い。
処理回路はハードウェアで構成されていても良くソフトウェアで、即ちプログラムされたコンピュータで構成されていても良い。
制御部7の諸機能のうち、一部をハードウェアで実現し、他の一部をソフトウェアで実現するようにしても良い。The
For example, various functions of the
The processing circuitry may be configured in hardware or software, ie, a programmed computer.
Some of the functions of the
図6は、制御部7の全ての機能を実現するコンピュータ9を、電流検出手段6、インバータ4及び結線切替装置5とともに示す。
FIG. 6 shows a
図示の例ではコンピュータ9は、プロセッサ91及びメモリ92を有する。
メモリ92には、制御部7の諸機能を実現するためのプログラムが記憶されている。In the illustrated example, the
The
プロセッサ91は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、GPU(Graphics Processing Unit)、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ又はDSP(Digital Signal Processor)等を用いたものである。
The
メモリ92は、例えばRAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)若しくはEEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)等の半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、又は光磁気ディスク等を用いたものである。
The
プロセッサ91は、メモリ92に記憶されているプログラムを実行することにより、制御部7の機能を実現する。
制御部7の機能には、電流検出手段6での検出結果に基づいて、インバータ4及び結線切替装置5を制御する機能が含まれる。The
Functions of the
図6のコンピュータは単一のプロセッサを含むが、2以上のプロセッサを含んでいても良い。 Although the computer of FIG. 6 includes a single processor, it may include two or more processors.
制御部7は、モータ3に印加すべき電圧を計算し、電圧指令値を生成し、この電圧指令値に基づいてPWM信号Sm1~Sm6を生成し、インバータ4の各スイッチング素子のオン、オフ動作を制御する。
The
制御部7はまた、モータ3の結線状態を選択するための切替制御信号Scを発生し、結線切替装置5の切替器51u、51v、51wのオン、オフの動作を制御し、これによりモータ3の、Y結線とΔ結線との間での切替えを行なう。
The
結線切替は、結線切替要求に応じて行われる。結線切替要求は、制御部7の内部処理の結果発生される場合と、外部の上位制御部(図示しない)で発生されて、制御部7に伝えられる場合とがある。結線切替は、以下に説明する切替制御シーケンスにおいて、切替が可能と判断されたときに実施される。
Connection switching is performed in response to a connection switching request. The connection switching request may be generated as a result of internal processing of the
本実施の形態の切替制御シーケンスにおいては、モータ3の速度が閾値以上か否かを判断し、モータ3の速度が閾値以上であれば、結線切替を実行する。モータ3の速度が閾値未満であれば、結線切替が実行されない。
なお、閾値は正の値であり、モータ3の速度が閾値以上であるかどうかの判断は、速度の絶対値が閾値以上かどうかの判断を意味する。In the switching control sequence of the present embodiment, it is determined whether or not the speed of the
Note that the threshold is a positive value, and determining whether the speed of the
結線切替は、電流ゼロ制御を行なっている状態で行われる。
電流ゼロ制御とは、インバータ4とモータ3との間に流れる電流がゼロになるようにする制御である。ここでゼロというのは、正確にゼロである状態に限らず、実質的にゼロとみなせるほどゼロに近い場合をも含む。Connection switching is performed in a state where current zero control is performed.
The current zero control is control to make the current flowing between the
電流ゼロ制御を行なうには、例えば、制御部7において、電圧指令値生成部の前段に電流制御系を挿入し、電流指令値としてゼロを選択可能としておき、電流ゼロ制御を実施する際に、電流指令値としてゼロを選択すれば良い。電流制御系の電流指令値としてゼロを選択すれば、モータ3の電流をゼロに一致させるための電圧指令値が生成される。この電圧指令値に基づいてPWM信号Sm1~Sm6を生成し、インバータ4のスイッチング素子411~416のオン、オフ動作を制御することでモータ3の電流をゼロに収束させることができる。
なお、上記の電流制御系は、例えば周知のPI(比例積分)制御系で実現できる。In order to perform zero current control, for example, in the
The current control system described above can be realized by, for example, a well-known PI (proportional integral) control system.
結線状態の切替に際し、電流ゼロ制御を行なうのは以下の理由による。
結線切替装置5の切替動作に際し、切替器51u、51v、51wの共通端子COMは、常開端子NOから常閉端子NCへ、或いは、常閉端子NCから常開端子NOへ接続が切替わる。
この切替動作が、インバータ4とモータ3との間に電流が流れている状態、従って切替器51u、51v、51wに電流が流れている状態で行われると、切替器51u、51v、51wの接点間にアーク放電が発生し、これにより接点溶着等の故障が発生するおそれがある。The reason why current zero control is performed when switching the connection state is as follows.
During the switching operation of the
When this switching operation is performed in a state in which a current is flowing between the
このような故障を回避するため、電流ゼロ制御を、ある期間(電流ゼロ制御期間)T0だけ行って、インバータ4とモータ3との間に流れる電流がゼロに維持し、その状態で、結線切替装置5の切替を行う。こうすることで、切替器51u、51v、51wの接点間にアーク放電が発生することなく切替を行うことが可能となる。
In order to avoid such a failure, the current zero control is performed only for a certain period (current zero control period) T0 to keep the current flowing between the
但し、本実施の形態では、電流ゼロ制御の開始に先立って、モータ3の速度が閾値以上かどうかの判断を行ない、モータ3の速度が閾値以上であれば、電流ゼロ制御及び結線切替を実行し、モータ3の速度が閾値未満であれば、電流ゼロ制御及び結線切替を実行しない。以下、モータ3の速度を単にモータ速度という場合がある。
However, in this embodiment, prior to starting the zero current control, it is determined whether the speed of the
以下、切替制御シーケンスの動作の一例を、図7を参照して説明する。
ここでは、モータ3が通常運転をしているとき、すなわち、モータ3が所望の速度に制御され、モータ3の出力トルクが負荷2の負荷トルクと釣り合った状態で運転している状態で、時刻t1に切替要求が発生し、これに応じて制御部7による制御で切替制御シーケンスが行われる場合を想定する。図7ではまた、切替要求が発生した時刻t1まではモータ3が一定の速度で通常運転しており、時刻t1におけるモータ速度ω1が閾値ω0以上である場合を想定している。通常運転の期間がTnで示されている。An example of the operation of the switching control sequence will be described below with reference to FIG.
Here, when the
この場合、切替制御シーケンスの開始(時刻t1)に当たり、モータ速度ω1が閾値ω0以上であることが確認され、時刻t2に電流ゼロ制御が開始され、時刻t3に電流がゼロに収束し、時刻t4に切替制御信号Scにより結線切替装置5の切替えが指示され(切替制御信号Scが一つの結線状態を指定する状態から他の結線状態を指定する状態に変わり)、結線切替装置5が切替えの指示に応じて切替えを実施し、時刻t5に切替えが完了し、時刻t6に電流ゼロ制御が終了し、通常運転の状態への復帰が行われる。
電流ゼロ制御の開始(t2)から終了(t6)までの期間が電流ゼロ制御期間T0である。In this case, at the start of the switching control sequence (time t1), it is confirmed that the motor speed ω1 is equal to or greater than the threshold ω0, the current zero control is started at time t2, the current converges to zero at time t3, and the current converges to zero at time t4. , the
A period from the start (t2) to the end (t6) of the zero current control is the zero current control period T0.
図7にはまた、電流ゼロ制御期間T0中に速度がω1からωnまで低下し、通常運転の状態への復帰のための再起動はωnを初期値として行われることが示されている。 FIG. 7 also shows that the speed decreases from .omega.1 to .omega.n during the current zero control period T0, and that .omega.n is used as the initial value for restarting to return to normal operation.
切替制御シーケンスの開始の時刻t1と電流ゼロ制御の開始の時刻t2との間は、厳密には制御部7の計算処理に要する時間のための時間差(t2-t1)が存在するが、この時間差は微小であるため、ないものとみなしても良い。すなわち、t1≒t2とみなしても良い。また、この間の速度変化も変化がないものとみなしても良い。すなわち、ω1≒ω2とみなしても良い。 Strictly speaking, there is a time difference (t2-t1) between the time t1 when the switching control sequence is started and the time t2 when the zero current control is started. is so small that it can be regarded as non-existent. That is, it may be considered that t1≈t2. Moreover, the speed change during this period may also be regarded as unchanged. That is, it may be considered that ω1≈ω2.
図7は、切替制御シーケンスの開始時のモータ速度ω1が閾値ω0以上である場合を示しているが、切替制御シーケンスの開始時のモータ速度ω1が閾値ω0未満である場合には、電流ゼロ制御及び結線切替が行われない。
このようにモータ速度ω1に制約を設けるのは、電流ゼロ制御の期間T0中のモータ速度の低下による脱調、停止等が起きないようにするためである。
FIG. 7 shows the case where the motor speed ω1 at the start of the switching control sequence is greater than or equal to the threshold ω0. And connection switching is not performed.
The reason for restricting the motor speed ω1 in this way is to prevent loss of synchronism, stoppage, or the like due to a decrease in the motor speed during the period T0 of zero current control.
上記の電流ゼロ制御期間T0の長さは、制御部7において、電流ゼロ制御の開始の指示が発生されてから、実際にインバータ4とモータ3との間の電流がゼロに収束するまでの時間(電流収束時間)Taと、切替制御信号Scにより結線の切替が指示されてから切替器51u、51v、51wの切替動作が完了するまでの時間(切替動作時間)Tbとの合計以上に設定する必要がある。
The length of the current zero control period T0 is the time from when the
電流収束時間Taは、制御部7の制御系の応答性に依存する。一般には、電流収束時間が、数百マイクロ[s]~数ミリ[s]程度になるように制御系が設計される。
電流収束時間Taとしては、予め定められた長さの時間を用いても良い。即ち、電流ゼロ制御を開始してから、予め定められた時間が経過したら、電流がゼロに収束したとみなしても良い。The current convergence time Ta depends on the responsiveness of the control system of the
A predetermined length of time may be used as the current convergence time Ta. That is, it may be considered that the current has converged to zero after a predetermined time has elapsed since the zero current control was started.
切替動作(切替制御信号Scによる切替の指示)は、上記の電流がゼロに収束した後に、例えば、時刻t1の後、電流収束時間Taに、予め定められた余裕分Tcを加えた時間Te(=Ta+Tc)が経過したときに開始される。具体的には、切替制御信号Scによる切替の指示は、時刻t1から上記の時間Teが経過したときに行われる。 The switching operation (instruction to switch by the switching control signal Sc) is performed after the current converges to zero, for example, after time t1, by adding a predetermined margin Tc to the current convergence time Ta ( =Ta+Tc) has elapsed. Specifically, the switching instruction by the switching control signal Sc is performed when the above time Te has passed from time t1.
切替動作時間Tbは、切替器51u、51v、51wの種類によって異なる。
切替器51u、51v、51wがメカリレーで構成されている場合、切替に要する時間が数百ミリ[s]となり、切替器51u、51v、51wが半導体スイッチで構成されている場合、切替に要する時間が数ミリ[s]となる。
切替動作時間Tbとしても、予め定められた長さの時間を用いても良い。
電流ゼロ制御の終了は、結線の切替が完了した後に、例えば、時刻t4の後、切替動作時間Tbに、予め定められた余裕分Tdを加えた時間Tf(=Tb+Td)が経過したときに行われる。The switching operation time Tb varies depending on the types of the
When the
A predetermined length of time may be used as the switching operation time Tb.
The zero current control is ended after the connection switching is completed, for example, after time t4, when a time Tf (=Tb+Td) obtained by adding a predetermined margin Td to the switching operation time Tb has elapsed. will be
電流ゼロ制御期間T0の長さを、電流収束時間Taに余裕分Tcを加えた時間Teと切替動作時間Tbに余裕分Tdを加えた時間Tfとの和(Te+Tf)に設定することとしても良い。
電流収束時間Ta及び切替動作時間Tbとして予め定められた値を用い場合には、電流ゼロ制御期間T0の長さも予め定められた値に設定することができる。The length of the current zero control period T0 may be set to the sum (Te+Tf) of the time Te obtained by adding the allowance Tc to the current convergence time Ta and the time Tf obtained by adding the allowance Td to the switching operation time Tb. .
When predetermined values are used for the current convergence time Ta and switching operation time Tb, the length of the current zero control period T0 can also be set to a predetermined value.
モータ3に流れる電流がゼロ又はそれに近い状態になると、モータ3で発生するトルクもゼロ又はそれに近い状態になり、モータ3に接続されている負荷2の負荷トルクによりモータ速度が次第に低下する。モータ速度がゼロ又はそれに近い値まで低下すると、モータ3が脱調し、或いは停止してしまう。
脱調或いは停止した状態から通常運転へ復帰させる場合、再始動が円滑に行えないおそれがある。例えば、モータ3に掛る負荷2が、空気調和装置の冷凍サイクルを構成する圧縮機の圧縮要素である場合等には、モータ3の停止により冷媒の状態が不安定な状態になり、その状態では、再始動に必要なトルクが極めて大きくなり、再始動ができないことがある。When the current flowing through the
When returning to normal operation from a step-out or stopped state, there is a possibility that the restart cannot be performed smoothly. For example, when the load 2 applied to the
そのような事態になると、冷媒の状態が十分に安定するのを待ってから、モータ3の再始動を行う必要がある。その場合、再始動までの間、圧縮機による冷媒加圧ができなくなる。このため、空気調和装置を構成する圧縮機の場合、冷房、暖房の動作が長い時間中断することになる。
In such a situation, it is necessary to restart the
そこで、本実施の形態では、電流ゼロ制御開始時におけるモータ速度に制約を設けることで、モータ速度の低下による脱調及び停止等を抑制するように制御する。 Therefore, in the present embodiment, by restricting the motor speed at the start of zero current control, control is performed so as to suppress loss of synchronism, stoppage, etc. due to a decrease in motor speed.
具体的には、電流ゼロ制御によってモータ速度が低下したとしても、モータ速度がゼロ又はそれに近い値まで下がらないようにする。そのため、電流ゼロ制御期間中の速度低下量Δωを推定し、推定された速度低下量(低下量の推定値)Δωに余裕分ωαを加えた値を閾値ω0として、切替制御シーケンスの開始時のモータ速度ω1が閾値ω0以上であることを確認した上で、電流ゼロ制御を開始する。Specifically, even if the motor speed decreases due to current zero control, the motor speed is prevented from decreasing to zero or a value close to it. Therefore, the speed reduction amount Δω during the zero current control period is estimated, and the value obtained by adding the margin ω α to the estimated speed reduction amount (estimated value of the reduction amount) Δω is set as the threshold value ω0, and the switching control sequence is started. After confirming that the motor speed ω1 of is equal to or higher than the threshold value ω0, current zero control is started.
上記のように、切替制御シーケンス開始時のモータ速度ω1と電流ゼロ制御開始時のモータ速度ω2とは等しいとみることができる。従って、切替制御シーケンス開始時のモータ速度ω1が閾値ω0以上であることを確認した上で電流ゼロ制御を開始する場合、電流ゼロ制御開始時のモータ速度ω2が閾値ω0以上であると言える。 As described above, it can be considered that the motor speed ω1 at the start of the switching control sequence and the motor speed ω2 at the start of the zero current control are equal. Therefore, when starting the zero current control after confirming that the motor speed ω1 at the start of the switching control sequence is equal to or higher than the threshold ω0, it can be said that the motor speed ω2 at the start of the zero current control is equal to or higher than the threshold ω0.
切替制御シーケンス開始時のモータ速度ω1が閾値ω0よりも小さいときは、電流ゼロ制御を実施せず、従って、結線切替装置の切替も実施しないようにする。
このような制御を行なうことは、運転継続性を優先していると言える。When the motor speed ω1 at the start of the switching control sequence is smaller than the threshold value ω0, zero current control is not performed, and therefore switching of the connection switching device is not performed.
It can be said that performing such control gives priority to operation continuity.
モータ速度は、モータ3の速度制御で用いられている速度指令値ω*に等しいとみなせば良い。
そのような速度指令値としては、制御部7の内部で計算されるもの、或いは図示しない外部の上位制御部から与えられるものを用いれば良い。The motor speed can be regarded as being equal to the speed command value ω * used in speed control of the
As such a speed command value, a value calculated inside the
制御部7がモータ3の速度制御を行なっている場合、モータ速度が、速度指令値ω*に追従するように制御される。即ち、モータ速度が、速度指令値ω*に追従するように周知のPI(比例積分)制御などを用いて電圧指令値を生成し、この電圧指令値に基づいてPWM信号Sm1~Sm6を生成し、インバータ4のスイッチング素子411~416のオン、オフ動作を制御する。従って、安定した運転をしている間は、モータ速度は速度指令値ω*と一致すると見ることができる。When the
制御部7がモータ3の(速度制御ではなく)トルク制御を行なっている場合は、モータ速度自体は直接には制御されないので、このような場合は、速度指令値ω*を用いることができない。この場合には、モータ速度の推定値ω^を用いても良い。速度推定値ω^は、例えば、電圧指令値或いは電流検出手段6によって検出される電流に基づいて求められる。When the
電流ゼロ制御期間T0中の速度低下量Δωは、推定により求められる。例えば、電流ゼロ制御開始時において、モータ3が所望の速度で制御され、モータ3の出力トルクが負荷2の負荷トルクと釣り合った状態で運転されており、電流ゼロ制御期間T0中の負荷2の負荷トルクTL[Nm]の変化が十分小さいとすると、下記の式(3)が成り立つ。
Δω=TL・T0/Jm (3)The speed reduction amount Δω during the zero current control period T0 is obtained by estimation. For example, at the start of zero current control, the
Δω= TL・T0/Jm (3)
式(3)で、
T0は電流ゼロ制御期間T0の長さを表す。
Jmはモータ3の軸イナーシャ(慣性モーメント)[kg・m2]を表す。モータ3の軸イナーシャJmの値は予め実測等で既知である。
負荷トルクTLの値は負荷2の状態により変化し、かつ計測するのは困難であるため、切替制御シーケンスの開始時の負荷トルクを、モータ3の出力トルクと釣り合っているものとして、下記の式(4)により推定する。
TL≒I1・Kt (4)In formula (3),
T0 represents the length of the current zero control period T0.
Jm represents the shaft inertia (moment of inertia) [kg·m 2 ] of the
Since the value of the load torque TL varies depending on the state of the load 2 and is difficult to measure, the load torque at the start of the switching control sequence is assumed to be in balance with the output torque of the
T L ≈I1·Kt (4)
式(4)で、
I1は、インバータ4の出力電流である。
Ktは、トルク定数Kt[Nm/A]である。In formula (4),
I1 is the output current of the
Kt is a torque constant Kt [Nm/A].
インバータ4の出力電流I1[A]としては、電流検出手段6によって検出されたインバータ4の出力相電流に基づいて算出された値を用いることができる。
As the output current I1[A] of the
インバータ4の出力電流I1は、インバータ4の出力相電流の実効値Irms[A]の√3倍に相当し、周知のd-q軸回転座標系で電流を表した時のモータトルク電流(q軸電流)Iq[A]である。
The output current I1 of the
トルク定数Ktは、結線状態がY結線であるかΔ結線であるかによって異なる。計算(式(4)或いは式(4)から得られる後述の数式で表される計算)には、計算を行う時点での結線状態に応じた値が用いられる。計算は結線の切替前に行われるので、切替前の結線状態におけるトルク定数が用いられる。トルク定数Ktの値は、一般的に既知であり、予め制御部7に記憶されている。
The torque constant Kt differs depending on whether the connection state is Y connection or Δ connection. A value corresponding to the state of connection at the time of calculation is used for the calculation (calculation represented by the formula (4) or the later-described formula obtained from the formula (4)). Since the calculation is performed before switching the connection, the torque constant in the connection state before switching is used. The value of the torque constant Kt is generally known and stored in the
トルク定数Ktは、モータ3が主にマグネットトルクで回転力を得る三相永久磁石同期モータである場合、周知のd-q軸回転座標系で表した永久磁石の磁束Φmとモータ3の極対数との積に相当する。上記の磁束Φmは、一相当たりの電機子鎖交磁束の最大値の√(2/3)倍に相当する。
If the
式(4)を式(3)に代入することで、下記の式(5)が得られる。
Δω=I1・Kt・T0/Jm (5)By substituting the formula (4) into the formula (3), the following formula (5) is obtained.
Δω=I1・Kt・T0/Jm (5)
閾値ω0は式(5)で求められる速度低下量Δω以上の値に定められる。即ち、
ω0≧I1・Kt・T0/Jm (6)
を満たすように定められる。The threshold value ω0 is set to a value equal to or greater than the speed reduction amount Δω obtained by Equation (5). Namely
ω0≧I1·Kt·T0/Jm (6)
is determined to satisfy
例えば、速度低下量Δωに予め定められた余裕分ωαを加えた値を閾値ω0として用いる。即ち閾値ω0は下記の式(7)で与えられる。
ω0=Δω+ωα (7)For example, a value obtained by adding a predetermined margin ω α to the speed reduction amount Δω is used as the threshold ω0. That is, the threshold ω0 is given by the following equation (7).
ω0=Δω+ ωα (7)
上記の式(5)の計算を行うに当たり、出力電流I1としては、計算を行うタイミング又はそれにできるだけ近いタイミングで取得され或いは推定された値を用いることが望ましい。
例えば、式(5)で閾値ω0を計算する場合には、出力電流I1としては、該計算を行う時点での出力電流I1が用いられる。上記の計算は、切替制御シーケンスの開始の直後に行われるので、上記の計算の時点での出力電流I1は、切替制御シーケンスの開始の時点での出力電流I1であると言える。In calculating the above equation (5), it is desirable to use a value acquired or estimated at the timing of the calculation or at a timing as close as possible to the calculation as the output current I1.
For example, when calculating the threshold value ω0 using the equation (5), the output current I1 at the time of the calculation is used as the output current I1. Since the above calculation is performed immediately after starting the switching control sequence, it can be said that the output current I1 at the time of the above calculation is the output current I1 at the time of starting the switching control sequence.
電流ゼロ制御の開始の時点のモータ速度ω2が、上記の閾値ω0以上であることを条件として電流ゼロ制御を実施することで、電流ゼロ制御によるモータ3の脱調及び停止を抑制できる。
By performing the zero current control on the condition that the motor speed ω2 at the start of the zero current control is equal to or greater than the above threshold value ω0, step-out and stoppage of the
上記のようにして結線状態の切替(切替の実行)が終わり、電流ゼロ制御が終わると、これにより切替制御シーケンスが終わる。切替制御シーケンスが終わった後に、モータ3を通常運転の状態に復帰させる。
When the connection state switching (execution of switching) is completed as described above and the current zero control is completed, the switching control sequence is completed. After the switching control sequence ends, the
モータ3を通常運転に復帰させる際、まず、モータ3を再始動させる必要がある。
再始動においては、電圧指令値を生成する際、モータ速度を表す情報が必要となる。
なお、モータ3が三相永久磁石同期モータである場合、磁極位置情報も得られれば、磁極位置に適した位相の電圧指令値を生成することができ、より好適に再始動できる。When returning the
In restarting, information representing the motor speed is required when generating the voltage command value.
When the
モータ3に掛る負荷2が、例えば、空気調和装置の圧縮機の圧縮要素である場合には、圧縮機の内部温度が高温となるため、モータ速度或いは磁極位置を検出するセンサを取り付けることが困難である。従って、再始動時のモータ速度を表す情報をセンサを用いる方法以外の方法で得る必要がある。
When the load 2 applied to the
本実施の形態では、先述の電流ゼロ制御開始時(t2)のモータ速度ω2から、電流ゼロ制御期間T0における速度低下量Δωだけ速度低下したとみなして、ω2からΔωを減じた値を時刻tnの推定速度ω^nとし、ω^nを初期速度として再始動を行わせる。さらに、速度低下量Δωに応じて変化するモータ3の磁極位置(位相)の変化量も合わせて計算することで、再始動開始時の磁極位置も推定できる。
In the present embodiment, the motor speed ω2 at the start of zero current control (t2) is considered to have decreased by the speed decrease amount Δω during the zero current control period T0, and a value obtained by subtracting Δω from ω2 is obtained at time tn. is assumed to be the estimated speed ω̂n, and restart is performed with ω̂n as the initial speed. Furthermore, by also calculating the amount of change in the magnetic pole position (phase) of the
以下、上記の切替制御シーケンスが行われるきの、制御部7の動作を図8を参照して説明する。
The operation of the
図8は処理の手順を示す。
図8の処理は、モータ3の通常運転状態において行われる。
ステップST1では、制御部7は、切替制御シーケンスの開始の要否を判定する。
切替制御シーケンスの開始が必要となるのは、切替要求が発生したときである。FIG. 8 shows the procedure of processing.
The processing in FIG. 8 is performed when the
In step ST1, the
It is when a switching request occurs that the switching control sequence needs to be started.
ステップST1で、切替制御シーケンスの開始が必要と判断すれば(YESであれば)、ステップST2で、制御部7は、切替制御シーケンスを開始する。以下の説明ではこの開始の時刻をt1とする。制御部7はまた、切替制御シーケンスの開始の時刻t1におけるモータ速度を取得する。例えば、時刻t1にモータ3の速度制御で用いられている速度指令値ω*を切替制御シーケンス開始時のモータ速度ω1として取得する。If it is determined in step ST1 that the switching control sequence needs to be started (if YES), the
ステップST1で、切替制御シーケンスの開始が不要と判断すれば(NOであれば)、制御部7は、モータ3の通常運転状態を維持する。即ち、ステップST1の処理を繰り返す。
If it is determined in step ST1 that the switching control sequence does not need to be started (if NO), the
切替制御シーケンスの開始後、制御部7はまず、ステップST3で、閾値ω0を決定する。閾値ω0は、電流ゼロ制御を開始すべきか否かの判定の基準となる。閾値ω0は、式(5)の計算で求められる速度低下量Δωに予め定められた余裕分ωαだけ大きい値、即ち式(7)で表される値に定められる。After starting the switching control sequence, the
ステップST3で、式(5)及び式(7)の計算を行って閾値ω0を求めるに当たり、出力電流I1としては、ステップST3で閾値ω0の計算を行う時点での出力電流I1が用いられる。ステップST3の処理は、ステップST2における切替制御シーケンスの開始の直後に行われるので、ステップST3の処理を行う時点での出力電流I1は、切替制御シーケンスの開始の時点での出力電流I1であると言える。 In step ST3, the output current I1 at the time of calculating the threshold ω0 in step ST3 is used as the output current I1 in calculating the equations (5) and (7) to obtain the threshold ω0. Since the processing of step ST3 is performed immediately after the switching control sequence is started in step ST2, the output current I1 at the time of performing the processing of step ST3 is the output current I1 at the time of starting the switching control sequence. I can say
閾値ω0が決定されると、制御部7は、ステップST4において、ステップST2で取得したモータ速度ω1と、ステップST3で決定された閾値ω0とを比較し、ω1≧ω0か否かの判定を行なう。
When the threshold value ω0 is determined, in step ST4, the
ω1≧ω0と判断すれば(YESであれば)、制御部7は、ステップST5で電流ゼロ制御を開始する。制御部7はまた、この時の時刻を電流ゼロ制御の開始時刻t2として取得し、この時のモータ速度を電流ゼロ制御開始時(t2)のモータ速度ω2として取得する。
If it is determined that ω1≧ω0 (if YES), the
ω1<ω0と判断すれば(ST4でNOであれば)、ステップST1に戻る。即ち、制御部7は、モータ3の結線状態の切替えを行わず、モータ3の通常運転状態を維持する。
If it is determined that ω1<ω0 (if NO in ST4), the process returns to step ST1. That is, the
なお、ステップST4でNOの場合、図8に点線で示すように、ステップST2に戻るようにしても良い。即ち、ω1<ω0と判断された場合、モータ速度ω1の取得、閾値ω0の決定及びω1≧ω0か否かの判断(ST2、ST3及びST4)を繰り返すこととしても良い。 If NO in step ST4, the process may return to step ST2 as indicated by the dotted line in FIG. That is, when it is determined that ω1<ω0, acquisition of the motor speed ω1, determination of the threshold value ω0, and determination of whether ω1≧ω0 (ST2, ST3 and ST4) may be repeated.
ステップST4でYESとなった場合、その直前のステップST2における切替制御シーケンスの開始の時刻t1と、ステップST5における電流ゼロ制御の開始の時刻t2との間の時間差は微小であるため、ないものとみなしても良い。従って、ステップST5では、t2≒t1とみなしても良い。また、この間の速度変化も微小であり、無視しても良い。すなわち、ω2≒ω1とみなしても良い。従って、ステップST4でYESとなる直前のステップST2の処理で取得したω1をそのままω2として用いても良い。 If YES in step ST4, the time difference between the start time t1 of the switching control sequence in the immediately preceding step ST2 and the time t2 of the start of the current zero control in step ST5 is very small, so there is no such difference. You can consider Therefore, in step ST5, it may be considered that t2≈t1. Also, the speed change during this period is very small and can be ignored. That is, it may be considered that ω2≈ω1. Therefore, ω1 obtained in the processing of step ST2 immediately before YES in step ST4 may be used as ω2 as it is.
ステップST5の次に、制御部7は、電流ゼロ制御の開始(t2)から予め定められた時間Te(=Ta+Tc)が経過するのを待ち(ST6)、時間Teが経過したら(ST6でYES)、ステップST7に進む。
After step ST5, the
ステップST7では、制御部7は、切替制御信号Scにより切替動作を指示する。切替動作は、結線切替装置5の切替器51u、51v、51wを動作させることで行われる。制御部7はまた、切替動作の指示の時刻t4を取得する。
At step ST7, the
ステップST7の次に、制御部7は、切替動作の指示(t4)から予め定められた時間Tf(=Tb+Td)が経過するのを待ち(ST8)、時間Tfが経過したら(ST8でYES)、ステップST9に進む。
なお、本実施の形態では、Te(=Ta+Tc)が固定であるので、時刻t4から時間Tf(=Tb+Td)が経過するのを待つのと、時刻t2から期間T0が経過するのを待つのは実質的に同じである。
即ち、ステップST8では、時刻t2から期間T0が経過するのを待つこととしても良い。After step ST7, the
In the present embodiment, since Te (=Ta+Tc) is fixed, waiting for time Tf (=Tb+Td) to elapse from time t4 and waiting for time period T0 to elapse from time t2 are are substantially the same.
That is, in step ST8, it is possible to wait for the period T0 to elapse from time t2.
ステップST9では、制御部7は、電流ゼロ制御を終了し、電流ゼロ制御の終了の時点での、モータ速度を推定する。推定値をω^nで表す。例えば、電流ゼロ制御開始時(ST5:時刻t2)のモータ速度ω2から、期間T0における速度低下量Δωだけ、電流ゼロ制御中に速度低下したとみなして、ω2からΔωを減じた値を時刻tnの推定速度(ω^nとする)としても良い。
At step ST9, the
以上で切替制御シーケンスの一連の動作が終わる。
ステップST10では、制御部7は、推定値ω^nを初期値として通常運転への復帰を行う。A series of operations of the switching control sequence is completed as described above.
In step ST10, the
実施の形態1によれば、結線切替装置5によって結線状態を切替えられるモータ3をインバータ4によって駆動する際に、結線切替装置5の寿命或いは信頼性を向上でき、かつモータ速度の低下による脱調及び停止を防ぐことができる効果がある。
According to the first embodiment, when the
さらに、電流ゼロ制御からモータ3の通常運転に復帰させる場合には、電流ゼロ制御開始時のモータ速度ω2から電流ゼロ制御期間中の速度低下量Δωを減じた値が、再始動する際のモータ3の初期速度となるため、より確実かつ迅速に復帰させることができる効果がある。
Further, when the normal operation of the
上記の実施の形態では、電流検出手段6は、図1では、インバータ4とモータ3とを接続する配線上に備えるACCT或いはDCCTといった電流センサである場合を示しているが、直流母線4a、4b或いはインバータ4の負側のスイッチング素子414、415、416に直列に挿入された周知の相電流検出用のシャント抵抗でも良い。これらの電流検出手段6を用いた場合にも、インバータ4からモータ3に流れる電流を周知の方法で求めることができる。
In the above embodiment, the current detection means 6 is a current sensor such as ACCT or DCCT provided on the wiring connecting the
上記の実施の形態では、電流ゼロ制御において、インバータ4のスイッチング素子411~416のオン、オフ動作を制御することでモータ3の電流をゼロに収束させることとしている。
電流ゼロ制御の他の方法として、インバータ4のスイッチング素子411~416をすべてオフさせても良い。インバータ4のスイッチング素子411~416をすべてオフさせれば、モータ3とインバータ4との間の電流が遮断されてモータ3の電流がゼロに収束する。In the above embodiment, in the current zero control, the current of the
As another method of zero current control, all the switching
実施の形態2.
実施の形態1では、電流ゼロ制御の開始から予め定められた長さの時間が経過したら、ゼロに収束したものとみなして、切替動作を開始している。
代わりに、電流検出手段6によりインバータ4とモータ3との間に流れる電流を検出し、検出された電流がゼロに収束したことを確認し、確認の上で切替動作を開始しても良い。この場合の処理の手順は、図9に示す如くとなる。Embodiment 2.
In
Alternatively, the current detection means 6 may detect the current flowing between the
図9に処理の手順は図8の処理の手順と概して同じであるが、ステップST6の代わりに、ステップST11が設けられている。 The processing procedure in FIG. 9 is generally the same as the processing procedure in FIG. 8, but step ST11 is provided instead of step ST6.
ステップST11では、検出電流がゼロに収束するのを待つ。ここでいう「ゼロ」は、正確にゼロである状態に限らず、実質的にゼロとみなせるほどゼロに近い場合を含む。電流の検出は、例えば電流検出手段6により行い得る。
ステップST11でYESとなれば、ステップST7に進む。At step ST11, it waits until the detected current converges to zero. "Zero" here is not limited to the state of being exactly zero, but includes the state of being so close to zero that it can be regarded as substantially zero. Current detection can be performed by the current detection means 6, for example.
If YES in step ST11, the process proceeds to step ST7.
実施の形態2でも実施の形態1と同様の効果が得られる。さらに、検出電流に基づいて切替の実行(切替器の動作)のタイミングを決めるので、結線切替装置の損傷の回避をより確実に行うことができる。 The same effects as in the first embodiment can be obtained in the second embodiment. Furthermore, since the timing of execution of switching (operation of the switching device) is determined based on the detected current, damage to the connection switching device can be avoided more reliably.
実施の形態3.
実施の形態1では、切替制御シーケンスの開始時(t1)に、モータ速度ω1が閾値ω0以上であることを確認した上で、結線の切替を実行することとし、一方、切替制御シーケンスの開始時(t1)に、モータ速度ω1が閾値ω0未満であるときは、結線の切替を実行せず、モータ速度ω1が閾値以上になるのを待つこととしている。
In the first embodiment, at the start of the switching control sequence (t1), after confirming that the motor speed ω1 is equal to or higher than the threshold value ω0, the connection is switched. At (t1), when the motor speed ω1 is less than the threshold value ω0, switching of the connection is not executed, and the motor speed ω1 is set to be equal to or higher than the threshold value.
これに対して実施の形態3では、切替制御シーケンスの開始時(t1)に、モータ速度ω1が閾値ω0以上である場合には、実施の形態1と同様に、直ちに結線切替を実行する一方、モータ速度ω1が閾値ω0未満である場合には、モータ3を加速し、速度を閾値ω0以上に上昇させた上で、結線の切替を実行する。
On the other hand, in the third embodiment, when the motor speed ω1 is equal to or greater than the threshold value ω0 at the start of the switching control sequence (t1), the connection switching is immediately executed as in the first embodiment. When the motor speed ω1 is less than the threshold value ω0, the
モータ3の加速は以下のように行われる。
例えば、制御部7がモータ3の速度制御を行なっている場合には、速度指令値ω*を変更することで加速を行うことができる。
速度指令値ω*を閾値ω0以上の値に一気に即ちステップ状に切替えても良い。Acceleration of the
For example, when the
The speed command value ω * may be switched to a value equal to or greater than the threshold value ω0 all at once, that is, stepwise.
代わりに、速度指令値ω*を時間の経過とともに次第に大きくしてもよい。次第に大きくする場合、連続的に大きくしても良く、段階的に大きくしても良い。段階的に大きくする場合、例えば、一定の増分を繰り返し加算することとしても良い。Alternatively, the speed command value ω * may be gradually increased over time. When increasing gradually, it may be increased continuously or stepwise. When increasing in steps, for example, it is possible to repeatedly add a constant increment.
加速中のモータ速度が閾値ω0以上になったか否かの判断には、実施の形態1と同様に、速度指令値ω*又は推定値ω^を用いても良い。As in the first embodiment, the speed command value ω * or the estimated value ω̂ may be used to determine whether the motor speed during acceleration is equal to or greater than the threshold value ω0.
例えば、速度指令値ω*をゆっくりと変化させる場合には、加速中のモータ速度が速度指令値ω*に一致すると見ることができる。そこで、モータ速度が速度指令値ω*に等しいと見て、モータ速度が閾値ω0以上かどうかの判断を行なうことができる。
加速中のモータ速度の変化が速く、速度指令値ω*に一致すると見ることができない場合には、モータ速度の推定値ω^を用いることとしても良い。速度推定値ω^は、実施の形態1で述べたように、電圧指令値或いは電流検出手段6によって検出される電流に基づいて求められる。For example, when the speed command value ω * is changed slowly, it can be seen that the motor speed during acceleration matches the speed command value ω * . Therefore, it is possible to judge whether the motor speed is equal to or greater than the threshold value ω0 by considering that the motor speed is equal to the speed command value ω * .
If the motor speed changes rapidly during acceleration and cannot be seen to match the speed command value ω * , the estimated value ω̂ of the motor speed may be used. The estimated speed value ω̂ is obtained based on the voltage command value or the current detected by the current detection means 6, as described in the first embodiment.
モータ速度が閾値ω0以上になったら、加速を終了し、電流ゼロ制御を開始し、電流ゼロ制御期間中に切替を実行する。電流ゼロ制御の開始以降の処理は、実施の形態1と同様である。 When the motor speed becomes equal to or greater than the threshold value ω0, acceleration is terminated, zero current control is started, and switching is performed during the zero current control period. The processing after the start of zero current control is the same as in the first embodiment.
図10は、実施の形態3の駆動装置で切替制御シーケンスを行うときの動作の一例を示す。
図10では、切替要求が発生した時刻t1まではモータ3が一定の速度で通常運転しており、時刻t1におけるモータ速度ω1が閾値ω0未満である場合を想定している。FIG. 10 shows an example of the operation when performing the switching control sequence in the driving device of the third embodiment.
In FIG. 10, it is assumed that the
この場合、切替制御シーケンスの開始(時刻t1)に当たり、モータ速度ω1が閾値ω0未満であることが確認され、モータ3の加速が開始され、時刻t2bにモータ速度が閾値ω0以上になったことが確認されて、加速が終了する。
図10には、加速開始から加速終了までの期間(加速期間)がThで示され、加速終了の時点t2bでのモータ速度がω2で示されている。In this case, at the start of the switching control sequence (time t1), it is confirmed that the motor speed ω1 is less than the threshold ω0, the acceleration of the
In FIG. 10, the period from the start of acceleration to the end of acceleration (acceleration period) is indicated by Th, and the motor speed at time t2b when acceleration is finished is indicated by ω2.
加速が終了すると直ちに電流ゼロ制御が開始される。
電流ゼロ制御の開始の時点は、加速終了の時点t2bに一致する。
電流ゼロ制御の開始以降の処理は、実施の形態1と同じである。即ち、電流ゼロ制御の開始t2bから予め定められた時間Te(=Ta+Tc)が経過すると、切替が指示され(時刻t4)、切替の指示(t4)から、予め定められた時間Tf(=Tb+Td)が経過すると(時刻t6)、電流ゼロ制御が終了し、通常運転への復帰のための処理が行われる。
Current zero control is started as soon as the acceleration ends.
The time point at which the current zero control is started coincides with the time point t2b at which the acceleration ends.
The processing after the start of zero current control is the same as in the first embodiment. That is, when a predetermined time Te (=Ta+Tc) elapses from the start t2b of zero current control, switching is instructed (time t4), and a predetermined time Tf (=Tb+Td) is given from the switching instruction (t4). (time t6), the current zero control ends, and processing for returning to normal operation is performed.
電流ゼロ制御の開始(t2b)から時間Taの経過後(t3)に電流がゼロに収束し、切替の指示(t4)から時間Tbの経過後(t5)に切替の動作が終了する。 The current converges to zero after a lapse of time Ta (t3) from the start of current zero control (t2b), and the switching operation ends (t5) after a lapse of time Tb from the switching instruction (t4).
図10には、電流ゼロ制御期間T0中に速度がω2からωnまで低下し、通常運転の状態への復帰のための再起動はωnを初期値として行われることが示されている。 FIG. 10 shows that the speed decreases from ω2 to ωn during the zero current control period T0, and that ωn is used as the initial value for restarting to return to the normal operation state.
図11は、実施の形態3における処理の手順を示す。
図11に示される手順は、図8と概して同じである。
但し、ステップST5及びST6がステップST5b及びST6bに置き換えられ、、ステップST21及びST22が付加されている。FIG. 11 shows the procedure of processing in the third embodiment.
The procedure shown in FIG. 11 is generally the same as in FIG.
However, steps ST5 and ST6 are replaced with steps ST5b and ST6b, and steps ST21 and ST22 are added.
ステップST4でNOである場合、すなわちω1≧ω0が満たされない場合には、ステップST21に進む。
ステップST21では、制御部7は、モータ3の加速のための制御を行う。制御部7はまた、加速中のモータ速度ω1’を取得する。
モータ3の加速は、速度指令値ω*を一気に閾値ω0以上の値に切替えることで行ってもよく、時間の経過とともに、速度指令値ω*を次第に大きくすることで行っても良い。If NO in step ST4, that is, if ω1≧ω0 is not satisfied, the process proceeds to step ST21.
At step ST21, the
The acceleration of the
速度指令値ω*を次第に大きくする場合には、ステップST21の1回の処理での上昇幅を予め定めておいても良い。
速度指令値ω*をゆっくりと変化させる場合には、加速中のモータ速度ω1’が速度指令値ω*に等しいとみなせる。等しいとみなせない場合には、モータ速度の推定値ω^を求めて、該推定値をモータ速度ω1’として用いる。When the speed command value ω * is gradually increased, the amount of increase in one processing of step ST21 may be determined in advance.
When the speed command value ω * is changed slowly, the motor speed ω1′ during acceleration can be regarded as equal to the speed command value ω * . If they cannot be considered equal, an estimated value ω^ of the motor speed is obtained, and this estimated value is used as the motor speed ω1′.
ステップST22では、制御部7は、加速中のモータ速度ω1’が閾値ω0以上であるか否かの判断をする。
At step ST22, the
ステップST22でYESであれば、ステップST5bに進む。
ステップST22でNOであれば、ステップST21に戻り、ステップST21の加速及びステップST22の判定を繰り返す。If YES in step ST22, the process proceeds to step ST5b.
If NO in step ST22, the process returns to step ST21 to repeat the acceleration in step ST21 and the determination in step ST22.
ステップST5bでは、制御部7は、電流ゼロ制御を開始し、この時の時刻を電流ゼロ制御の開始時刻t2bとして取得し、この時のモータ速度を電流ゼロ制御開始時のモータ速度ω2として取得する。
In step ST5b, the
ステップST6bでは、制御部7は、時刻t2bから時間Teが経過するのを待ち、時間Teが経過したら、ステップST7に進む。
ステップST7以降の処理は、実施の形態1と同じである。In step ST6b, the
The processing after step ST7 is the same as in the first embodiment.
上記のように処理を行う場合、判断がYESとなったステップST22の直前のステップST21の処理が行われた時刻t21と電流ゼロ制御の開始の時刻t2bとの間は、厳密にはステップST22の処理及び制御部7の計算処理(ステップST22)に要する時間のための時間差(t2b-t21)が存在するが、この時間差は微小であるため、この間の速度変化もないものとみなしても良い。すなわち、ω1’≒ω2とみなしても良い。従って、ステップST21で取得したモータ速度ω1’が閾値ω0以上であることを確認した上で電流ゼロ制御を開始する場合、電流ゼロ制御開始時のモータ速度ω2が閾値ω0以上であると言える。
When performing the processing as described above, strictly speaking, between the time t21 when the processing of step ST21 immediately before step ST22 where the determination is YES and the time t2b when the zero current control is started, There is a time difference (t2b-t21) for the time required for the calculation processing (step ST22) of the processing and
実施の形態3では、モータ速度の大小にかかわらずモータ3の結線状態を切替えることが可能となる。従って、負荷条件に応じて結線状態を切替えることによる効果を確実に得ることができる。
In
実施の形態4.
実施の形態3では、ステップST3で決定された閾値ω0をステップST22でも用いている。代わりに、ステップST21における加速の後に、閾値ω0を決定しなおすこととしても良い。この場合、ステップST21における加速の後の出力電流I1を用いて、ステップST3と同様の計算が行われる。
In the third embodiment, the threshold ω0 determined in step ST3 is also used in step ST22. Alternatively, the threshold value ω0 may be re-determined after the acceleration in step ST21. In this case, the same calculation as in step ST3 is performed using the output current I1 after acceleration in step ST21.
図12は、実施の形態4における処理の手順を示す。
図12の処理の手順は図11の処理の手順と概して同じであるが、ステップST23が付加されている。FIG. 12 shows the procedure of processing in the fourth embodiment.
The processing procedure of FIG. 12 is generally the same as the processing procedure of FIG. 11, but step ST23 is added.
ステップST23では、制御部7は、閾値ω0を決定しなおす。決定のしなおしに当たっては、式(5)及び式(7)の計算を行う。但し、出力電流I1として、直前のステップST22における加速の後の状態における出力電流I1を用いる。
In step ST23, the
加速の後の出力電流I1を用いることで、閾値ω0としてより適切な値を得ることができ、加速後のモータ速度ω1’が閾値ω0以上か否かの判定をより適切に行うことができる。 By using the post-acceleration output current I1, a more appropriate value can be obtained as the threshold value ω0, and it is possible to more appropriately determine whether or not the post-acceleration motor speed ω1′ is equal to or greater than the threshold value ω0.
実施の形態5.
図13は、実施の形態5に係る空気調和装置100を電力源8とともに示す。図示の空気調和装置は、室外機101と、室内機102と、空調制御器103とを有する。
室外機101は、駆動装置1と圧縮機110を有する。圧縮機110は、モータ3と、モータ3の負荷2としての圧縮要素111を有する。室外機101はさらに四方弁121と、熱源側熱交換器122と、熱源側膨張弁123とを有する。駆動装置1及びモータ3は、実施の形態1~4で説明したものであっても良い。
FIG. 13 shows an
The
駆動装置1は、電力源8に接続されている。電力源8は、図2(a)又は(b)に示される、直流電力を供給するものであっても良く、交流電力を供給するものであっても良い。電力源8が交流電力を供給するものである場合には、駆動装置1が交直電力変換器を備えるものであれば良い。
The
室内機102は、負荷側膨張弁131と、負荷側熱交換器132とを有する。
四方弁121及び熱源側膨張弁123は、空調制御器103により制御される。The
The four-
圧縮機110の圧縮要素111は、四方弁121、熱源側熱交換器122、熱源側膨張弁123、負荷側膨張弁131、及び負荷側熱交換器132とともに冷媒配管141により互いに接続された冷媒回路を構成しており、冷媒回路に冷媒が流れることによって冷凍サイクルが成立する。
The
冷房運転を行う際は、四方弁121は圧縮機110から吐出された冷媒が熱源側熱交換器122へ向かうように、かつ負荷側熱交換器132から流出した冷媒が圧縮機110へ向かうように流路を切替えられる。
When the cooling operation is performed, the four-
駆動装置1によってモータ3を駆動することで、モータ3に連結された圧縮要素111が冷媒を圧縮して高温高圧の冷媒を吐出する。圧縮機110から吐出された高温高圧の冷媒は、四方弁121を経由して、熱源側熱交換器122へ流入し、熱源側熱交換器122において外部の空気と熱交換して放熱する。熱源側熱交換器122から流出した冷媒は、熱源側膨張弁123において膨張及び減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となった状態で、負荷側膨張弁131において膨張及び減圧されて、負荷側熱交換器132へ流入し、空調対象空間の空気と熱交換して蒸発し、低温低圧の冷媒となって、負荷側熱交換器132から流出する。負荷側熱交換器132から流出した冷媒は、四方弁121を経由して、圧縮機110に吸入され、再び圧縮される。
By driving the
以上の動作が繰り返される。
暖房運転を行う場合には、四方弁121が切替えられて、冷媒の流れが逆になる。The above operations are repeated.
When performing the heating operation, the four-
上記の空気調和装置において、圧縮機110を一度停止させたときは、圧縮機110の故障防止の観点から冷媒圧力の均圧を待ってから圧縮機110を再起動させることが一般的であり、均圧に掛かる時間中はユーザーの快適性を損なうおそれがあった。実施の形態1~4に係る駆動装置1を空気調和装置で用いることで、圧縮機110を停止させずにモータ3の結線切替を行うことが可能となり、空調運転を継続できる。従って、ユーザーの快適性が向上する。
In the air conditioner described above, when the
以上空気調和装置の一例を説明したが、空気調和装置は、上記の例のものに限定されない。
例えば、圧縮機110の圧縮要素111の吸入側に過剰な冷媒を貯留するアキュームレータを設けたものであっても良い。Although one example of the air conditioner has been described above, the air conditioner is not limited to the above example.
For example, an accumulator for storing excessive refrigerant may be provided on the suction side of the
また、駆動装置1、特にそのインバータ4を冷却する目的で、インバータ4の構成要素であるパワーモジュールに冷却プレートを接触させ、該冷却プレートに先述の冷媒配管141をさらに接触させても良い。そうすれば、冷媒配管141に流れる冷媒にインバータ4における発熱を吸熱させることができ、インバータ4の温度上昇を効率的に抑制できる。
For the purpose of cooling the
図13の構成では、室内機102及び室外機101がそれぞれ膨張弁123、131を備える。このような構成は、空気調和装置の冷却能力を2つの膨張弁123、131でそれぞれ独立に制御することができるので、冷媒を細やかに、効率よく制御できる。しかしながら、膨張弁123、131は一方を省略しても良い。即ち、膨張弁123、131を室内機側、室外機側のいずれか一方に備える構成としても良い。
In the configuration of FIG. 13, the
以上のように、実施の形態1~4で説明した駆動装置1を空気調和装置で用いることで、圧縮機110を停止させずにモータ3の結線切替を行うことが可能となり、空調運転を継続できることからユーザーの快適性が向上する効果がある。
As described above, by using the
なお、実施の形態5では、先述の実施の形態1~4に係る駆動装置1を空気調和装置で用いる例を示したが、実施の形態1~4に係る駆動装置1は、空気調和装置の他、ヒートポンプ装置、冷凍装置など冷凍サイクルを有する機器で用いることができる。
In
上記の実施の形態には種々の変形が可能である。
例えば、実施の形態2を実施の形態1に対する変形例として説明したが、実施の形態3及び4にも同様の変形を加えることができる。また、実施の形態1の説明中で種々の変形を記載したが、同様の変形を実施の形態2、3及び4にも適用可能である。Various modifications can be made to the above embodiment.
For example, although Embodiment 2 has been described as a modification of
1 駆動装置、 2 負荷、 3 モータ、 4 インバータ、 4a,4b 直流母線、 4u,4v,4w 出力端子、 5 結線切替装置、 6 電流検出手段、 7 制御部、 8 電力源、 41 インバータ主回路、 45 駆動回路、 51u、51v、51w 切替器、 52 中性点ノード、 81a,81b 単相交流電源、 82a,82b 交直電力変換器、 100 空気調和装置、 101 室外機、 102 室内機、 103 空調制御器、 110 圧縮機、 111 圧縮要素、 121 四方弁、 122 熱源側交換器、 123 熱源側膨張弁、 131 負荷側膨張弁、 132 負荷側交換器、 141 冷媒配管、 411~416 スイッチング素子。
1 drive device 2
Claims (6)
前記モータの電流をゼロに制御する電流ゼロ制御の期間中に前記結線状態が切替えられ、かつ前記電流ゼロ制御の開始時の前記モータの速度が閾値以上であり、
前記インバータの出力電流をI1とし、
前記モータのトルク定数をKtとし、
前記電流ゼロ制御の期間の長さをT0とし、
前記モータの軸イナーシャをJm
とするとき、前記閾値ω0は、
ω0≧I1・Kt・T0/Jm
を満たすように定められる
駆動装置。 A driving device comprising: a connection switching device for switching a connection state of a motor connected to a load; and an inverter connected to a power source for outputting an AC voltage to the motor,
The connection state is switched during a period of zero current control for controlling the current of the motor to zero, and the speed of the motor at the start of the zero current control is equal to or greater than a threshold;
Letting the output current of the inverter be I1,
Let the torque constant of the motor be Kt,
The length of the period of the current zero control is T0,
Jm is the shaft inertia of the motor.
, the threshold ω0 is
ω0≧I1・Kt・T0/Jm
A drive that is defined to satisfy
前記電流ゼロ制御の開始時の前記モータの速度から前記電流ゼロ制御の期間中における前記モータの速度の低下量の推定値を減じた値を初期速度として通常運転制御に復帰する請求項1又は2に記載の駆動装置。 After the end of the current zero control,
3. A value obtained by subtracting an estimated decrease in speed of the motor during the period of the zero current control from the speed of the motor at the start of the zero current control is used as an initial speed to return to the normal operation control. The drive device according to .
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