JP7745136B2 - 電動機駆動装置 - Google Patents

Description

本開示は、電動機駆動装置に関する。

特許文献１は、電動機駆動装置の小型化あるいは低コスト化を目的として、電動機駆動装置のコンデンサを小容量化する技術を開示する。

特許文献２は、コンデンサを小容量化した場合に、交流電源の力率を高く維持し、交流電源からの電力を有効的に電動機へ供給するための技術を開示する。具体的には、特許文献２は、交流電源からの交流電圧の半周期と同一周期、かつ、交流電源からの交流電力と同一波形の略正弦波状に電動機に流れる電流を制御する技術を開示する。

特開２００２－５１５８９号公報 特開２００３－１６４１７９号公報

本開示は、構成する部品の定格電圧や定格電流、あるいは、電動機の減磁電流を満足するとともに、電動機のトルクや速度などの負荷範囲を拡大する電動機駆動装置を提供する。

本開示における電動機駆動装置は、交流電圧検出手段と、整流回路と、コンデンサと、インバータと、電動機と、直流電圧検出手段と、電流検出手段と、制御部と、を備える。交流電圧検出手段は、交流電源からの交流電圧を検出する。整流回路は、交流電源からの交流電力を入力として直流電力に変換する。コンデンサは、整流回路の出力電圧が交流電源の２倍の周波数で脈動するように容量を設定され、整流回路の出力側に並列接続される。インバータは、コンデンサに印加された電圧を入力として所望の交流電圧に変換する。電動機は、インバータの出力側に設けられる。直流電圧検出手段は、コンデンサに印加された電圧を検出する。電流検出手段は、インバータの入力側に直列に接続された電動機に流れる電流を検出する。制御部は、電動機を所望の負荷で駆動するために必要な情報を、交流電圧検出手段、直流電圧検出手段、電流検出手段からインバータへ伝達する。制御部は、第一のモードと、第二のモードと、を有する。第一のモードは、電動機に流れる直流座標系における電流指令を、交流電源からの交流電力の半周期と同期した略正弦波状に制御しつつ、電流指令のピーク位相が交流電源からの交流電圧のピーク位相よりも遅れるように制御するモードである。第二のモードは、第一のモードの場合と同等のトルクを確保しつつ、交流電源からの交流電圧半周期の間に電動機へ流れる電流の最大値が、第一のモードの場合よりも小さくなるように制御するモードである。制御部は、直流電圧検出手段で検出した値が所定値以上の場合には、第一のモードで電動機に流れる電流を制御し、直流電圧検出手段で検出した値が所定値未満の場合には、第二のモードで電動機に流れる電流を制御する。

本開示における電動機駆動装置は、構成する部品の定格電圧や定格電流、あるいは、電動機の減磁電流を満足するとともに、電動機のトルクや速度などの負荷範囲を拡大できる。

実施の形態１における電動機駆動装置の構成を示す図 実施の形態１における交流電圧と電流との関係を示す図 実施の形態１における交流電圧と進角値との関係を示す図

以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。

なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１～図３を用いて、本開示における電動機駆動装置の一例としての実施の形態１における電動機駆動装置１０を説明する。

[１－１．構成]
図１は、実施の形態１における電動機駆動装置１０の構成を示す図である。図１に示すように、実施の形態１における電動機駆動装置１０は、交流電圧検出手段６と、整流回路２と、コンデンサ３と、インバータ４と、電動機５と、直流電圧検出手段７と、電流検出手段８と、制御部９と、を備える。交流電圧検出手段６は、交流電源１からの交流電圧を検出する。整流回路２は、交流電源１からの交流電力を入力として直流電力に変換する。コンデンサ３は、整流回路２の出力電圧が交流電源１の２倍の周波数で脈動するように容量を設定され、整流回路２の出力側に並列接続される。インバータ４は、コンデンサ３に印加された電圧を入力として所望の交流電圧に変換する。電動機５は、インバータ４の出力側に設けられる。直流電圧検出手段７は、コンデンサ３に印加された電圧を検出する。電流検出手段８は、電動機５に流れる電流を検出する。

また、制御部９は、電動機５を所望の負荷で駆動するために必要な情報を、交流電圧検出手段６と直流電圧検出手段７と電流検出手段８とからインバータ４へ伝達する。

なお、電動機駆動装置１０は、コンデンサ３への充放電電流のピークを低減するために、交流電源１と整流回路２との間に直列にリアクタを設けてもよい。また、交流電圧検出手段６は、ゼロクロス検出回路のように、交流電圧の位相を検出するものであればよく、必ずしも絶対値情報を必要とはしない。

また、制御部９は、ゼロクロス検出部９ａと、交流電源位相・周期計測部９ｂと、速度制御部９ｃと、ｄｑ軸電流指令生成部９ｄと、進角制御部９ｅと、電流制御部９ｆと、三相二相変換部９ｇと、二相三相変換部９ｈと、ＰＷＭ（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号生成部９ｍと、磁極位置・速度推定部９ｊと、電流指令切替部９ｋと、から構成される。なお、制御部９は、プロセッサ及びメモリを有するコンピュータシステムを有している。そして、プロセッサがメモリに格納されているプログラムを実行することにより、コンピュータシステムが制御部９として機能する。プロセッサが実行するプログラムは、ここではコンピュータシステムのメモリに予め記録されているとしたが、メモリカード等の非一時的な記録媒体に記録されて提供されてもよいし、インターネット等の電気通信回線を通じて提供されてもよい。

電流指令切替部９ｋは、直流電圧検出手段７における検出値に基づいて、第一のモードと第二のモードとの間で切替可能に構成されている。速度制御部９ｃのＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ―Ｉｎｔｅｇｒａｌ）演算結果と交流電源位相・周期計測部９ｂとからの情報に基づいて、各モードでは、以下のような直流座標軸（以下、ｄｑ軸と称す）における電流指令が生成される。即ち、第一のモードでは、交流電源１の半周期と同期した周期、かつ、交流電源１の半周期間におけるＰＩ演算結果の面積と等価、さらに、交流電源１の半周期間において直流座標軸における電流指令のピーク位相が、交流電圧のピーク位相よりも遅れた略正弦波状の電流指令が生成される。第二のモードでは、ＰＩ演算結果がｄｑ軸の電流指令とされる。

ここで、「略正弦波」とは「正弦波」及び「正弦波に近い波形」を含む。便宜上、交流電源１の半周期と同期した周期を有する略正弦波のことを、交流電源１からの交流電力と同一波形の略正弦波という。

[１－２．動作]
以上のように構成された電動機駆動装置１０について、以下、その動作、作用について説明する。

まず、交流電源位相・周期計測部９ｂは、交流電源１からの交流電圧がゼロとなるタイミングを計測するゼロクロス検出部９ａからの情報をもとに、交流電源１の位相及び周期を計測する。

磁極位置・速度推定部９ｊは、電動機５の回転子磁極位置及び回転速度を推定する。これらは、電動機５の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に流れ、電流検出手段８で検出される電流と、ＰＷＭ信号生成部９ｍから電動機５の各相に印加されるＰＷＭ信号と、直流電圧検出手段７において検出される直流電圧検出値と、から推定される。

速度制御部９ｃは、電動機５の回転子を駆動したい指示速度と、磁極位置・速度推定部９ｊで推定した電動機５の回転子の速度との差分をＰＩ演算する。

加えて、電流指令切替部９ｋは、直流電圧検出手段７における検出値が、所定値以上の場合には第一のモードとし、所定値未満の場合には第二のモードとする。これにより、直流電圧検出手段７における検出値が所定値以上の場合には、第一のモードでｄｑ軸の電流指令が出力され、直流電圧検出手段７における検出値が所定値未満の場合には、第二のモードでｄｑ軸の電流指令が出力される。

図２は、交流電圧と電流との関係を示す図である。図２に示すように、第一のモードでは、直流電圧の絶対値が大きくなる交流電源１からの交流電圧のピーク位相近傍におけるｄｑ軸の電流指令が低減されることで、瞬間的な負荷が低減されている。

これにより、交流電源１の系統インダクタンス（主に、インピーダンス）が大きい場合でも、インピーダンスの端子電圧及び整流回路２の入力電圧変動が抑制できる。並びに、第二のモードでは、ｄｑ軸の電流指令を略正弦波で制御する場合よりも、交流電源半周期間の電流ピークが抑制できる。

なお、電動機５から交流電源１あるいは整流回路２側あるいはコンデンサ３へ電力が供給される回生状態では、電流指令通りに電動機５のトルクが制御できないため、前述した面積計算から省いてもよい。

なお、電流検出手段８における検出値により、電動機５から交流電源１あるいは整流回路２あるいはコンデンサ３に電流が流れている場合に、回生状態との判定がなされる。

また、三相二相変換部９ｇからの情報により、ｑ軸検出電流が負である場合にも、回生状態との判定がなされる。

さらに、回生状態では、電動機５から交流電源１、あるいは、整流回路２に電力が供給されるため、電動機５の回転子の回転速度は指示速度よりも低下、あるいは、コンデンサ３の直流電圧が交流電源１からの交流電圧よりも高くなる。

このことから、磁極位置・速度推定部９ｊからの電動機５の推定速度が指示速度に対して予め設定した所定速度よりも低下した場合、回生状態との判定がなされてもよい。あるいは、直流電圧検出手段７においての直流電圧の検出値の変化が予め設定した所定量よりも大きく増加した場合にも、回生状態との判定がなされてもよい。

進角制御部９ｅは、予め電動機５の速度やトルクなどに応じた進角値を登録したテーブルを保持する。

図３は、交流電圧と進角値との関係を示す図である。

交流電源１からの電力を有効的に電動機５へ供給するには、電力が電動機５からインバータ４あるいは交流電源１に回生しやすい交流電源１がゼロとなる位相近傍において、回生が生じる位相が短くなるように進角が設定される方が望ましい。また、交流電圧がピークとなる位相近傍では、トルクを出力するのに要する電流が最小となるように進角が設定される方が望ましい。

そのため、図３に示すように電源半周期内で進角値が変更されてもよい。

ｄｑ軸電流指令生成部９ｄは、進角制御部９ｅ、電流指令切替部９ｋ、速度制御部９ｃ及び交流電源位相・周期計測部９ｂからの情報に基づいて、ｄ軸及びｑ軸の電流指令を生成する。

電流制御部９ｆは、ｄｑ軸電流指令生成部９ｄで生成されたｄ軸及びｑ軸の電流指令値と、電流検出手段８で検出された電動機５の各相に流れる電流を三相二相変換部９ｇで変換したｄ軸及びｑ軸の電流検出値との差分をＰＩ演算し、ｄ軸及びｑ軸の電圧指令を生成する。

二相三相変換部９ｈは、電流制御部９ｆからのｄ軸及びｑ軸の電圧指令値と、磁極位置・速度推定部９ｊからの推定磁極位置との情報に基づいて、電動機５の各相（Ｕ、Ｖ、Ｗ相）の電圧指令を生成する。

ＰＷＭ信号生成部９ｍは、二相三相変換部９ｈからの電動機５の各相の電圧指令と、直流電圧検出手段７における検出値とから、電動機５の各相のＰＷＭ信号を生成する。

インバータ４の各スイッチング素子は、ＰＷＭ信号生成部９ｍからのＰＷＭ信号に従いスイッチングを行うことで、電動機５を所望の速度及びトルクで駆動できる。

[１－３．効果等]
以上のように、本実施の形態において、電動機駆動装置１０は、交流電圧検出手段６と、整流回路２と、コンデンサ３と、インバータ４と、電動機５と、直流電圧検出手段７と、電流検出手段８と、制御部９と、を備える。交流電圧検出手段６は、交流電源１からの交流電圧を検出する。整流回路２は、交流電源１からの交流電力を入力として直流電力に変換する。コンデンサ３は、整流回路２の出力電圧が交流電源１の２倍の周波数で脈動するように容量を設定され、整流回路２の出力側に並列接続される。インバータ４は、コンデンサ３に印加された電圧を入力として所望の交流電圧に変換する。電動機５は、インバータ４の出力側に設けられる。直流電圧検出手段７は、コンデンサ３に印加された電圧を検出する。電流検出手段８は、インバータ４の入力側に直列に接続された電動機５に流れる電流を検出する。制御部９は、電動機５を所望の負荷で駆動するために必要な情報を、交流電圧検出手段６、直流電圧検出手段７、電流検出手段８からインバータ４へ伝達する。制御部９は、第一のモードと、第二のモードと、を有する。第一のモードは、電動機５に流れる直流座標系における電流指令を、交流電源１からの交流電力の半周期と同期した略正弦波状に制御しつつ、電流指令のピーク位相が交流電源１からの交流電圧のピーク位相よりも遅れるように制御するモードである。第二のモードは、第一のモードの場合と同等のトルクを確保しつつ、交流電源１からの交流電圧半周期の間に電動機５へ流れる電流の最大値が、第一のモードの場合よりも小さくなるように制御するモードである。

制御部９は、直流電圧検出手段７で検出した値が所定値以上の場合には、第一のモードで電動機５に流れる電流を制御し、直流電圧検出手段７で検出した値が所定値未満の場合には、第二のモードで電動機５に流れる電流を制御する。

これにより、コンデンサ３を小容量化した電動機駆動装置１０は、電動機駆動装置１０を構成する部品の定格電圧や定格電流、あるいは、電動機５の減磁電流を満足するとともに、電動機５のトルクや速度などの負荷範囲を従来よりも拡大することができる。

本開示は、構成する部品の定格電圧や定格電流、あるいは、電動機の減磁電流を満足するとともに、電動機のトルクや速度などの負荷範囲を拡大できる電動機駆動装置を提供できる。このため、例えば、空気調和機や冷蔵庫や掃除機、あるいは洗濯機等の電動機を駆動する用途に適用できる。

１ 交流電源
２ 整流回路
３ コンデンサ
４ インバータ
５ 電動機
６ 交流電圧検出手段
７ 直流電圧検出手段
８ 電流検出手段
９ 制御部
９ａ ゼロクロス検出部
９ｂ 交流電源位相・周期計測部
９ｃ 速度制御部
９ｄ ｄｑ軸電流指令生成部
９ｅ 進角制御部
９ｆ 電流制御部
９ｇ 三相二相変換部
９ｈ 二相三相変換部
９ｊ 磁極位置・速度推定部
９ｋ 電流指令切替部
９ｍ ＰＷＭ信号生成部
１０ 電動機駆動装置

Claims (1)

1. 交流電源からの交流電圧を検出する交流電圧検出手段と、
   前記交流電源からの交流電力を入力として直流電力に変換する整流回路と、
   前記整流回路の出力電圧が前記交流電源の２倍の周波数で脈動するように容量を設定され、前記整流回路の出力側に並列接続されたコンデンサと、
   前記コンデンサに印加された電圧を入力として所望の交流電圧に変換するインバータと、
   前記インバータの出力側に設けられた電動機と、
   前記コンデンサに印加された電圧を検出する直流電圧検出手段と、
   前記インバータの入力側に直列に接続された前記電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記電動機を所望の負荷で駆動するために必要な情報を、前記交流電圧検出手段、前記直流電圧検出手段、前記電流検出手段から前記インバータへ伝達する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記電動機に流れる直流座標系における電流指令を、前記交流電源からの前記交流電力の半周期と同期した略正弦波状に制御しつつ、前記電流指令のピーク位相が前記交流電源からの交流電圧のピーク位相よりも遅れるように制御する第一のモードと、
   前記第一のモードの場合と同等のトルクを確保しつつ、前記交流電源からの交流電圧半周期の間に前記電動機へ流れる電流の最大値が、前記第一のモードの場合よりも小さくなるように制御する第二のモードと、を有し、
   前記直流電圧検出手段で検出した値が所定値以上の場合には、前記第一のモードで前記電動機に流れる電流を制御し、前記直流電圧検出手段で検出した値が前記所定値未満の場合には、前記第二のモードで前記電動機に流れる電流を制御する
   電動機駆動装置。