(57)【要約】  【課題】力率制御（電圧・電流の位相差制御）方式のモータ制御装置及びこれを備えた空気調和機において、モータ相電流を低減させた制御を行うこと目的とする。  【解決手段】モータ制御装置１６は、位相差制御部２２へ目標位相差を出力する目標位相差設定部３０を備えている。そして、目標位相差設定部３０は、モータ７ａのトルクの値を検出するトルク算出部２１と、予め実験的に求められ、トルクの値毎にモータ７ａのモータ相電流が最小となる最小電流目標位相差を、算出された運転トルクの値に基づいて抽出して出力する位相差抽出部３２とを備えている。このため、圧縮機７のトルクの値が冷媒負荷の状態によって種々に変化した場合であっても、モータ相電流を低減させた制御を行うことができる。【選択図】図１
2020080582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ相電流とモータ相電圧の位相差を前記モータ相電圧の振幅により制御してモータを駆動するモータ制御装置であって、
前記モータ制御装置は、
前記モータ相電流を検出し同モータ相電流と前記モータ相電圧との位相差が目標位相差となるように前記モータ相電圧の振幅を制御する位相差制御部と、
前記位相差制御部へ前記目標位相差を出力する目標位相差設定手段とを備え、
前記目標位相差設定手段は、
前記モータの運転中のトルクである運転トルクの値毎に前記モータ相電流が最小となる最小電流目標位相差が予め記憶され、前記モータの運転中に入力された前記運転トルクの値と対応する前記最小電流目標位相差を前記目標位相差として出力する位相差抽出手段とを備えたことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記モータ制御装置と、同モータ制御装置で駆動されるモータと、前記モータを備えた圧縮機と、前記モータの運転トルクの値を算出して前記位相差抽出手段に出力するトルク算出手段と、前記圧縮機の吐出圧力を検出する吐出圧力センサとを備え、
前記トルク算出手段は、前記吐出圧力に基づいて前記運転トルクの値を算出することを特徴とする空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機などに用いられる埋込磁石同期モータ（ＩＰＭＳＭ：Interior Permanent Magnet Synchronous Motor  以下、モータという。）の制御装置に関し、特に正弦波駆動方式においてモータ相電圧とモータ相電流との位相差に基づいてモータの制御を行うモータ制御装置及びこれを備えた空気調和機に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機のモータをモータ相電流とモータ相電圧の位相差によって制御する力率制御（電圧・電流の位相差制御）が、例えば、特許文献１に開示されている。この文献に記載のモータ制御装置を図５のブロック図に示す。
【０００３】
図５のモータ制御装置において、位相差制御部１１０の位相差検出部１１１は、モータ１００におけるモータ相電圧とモータ相電流との位相差を検出する。また、電力検出部１１７は、モータ１００の駆動に使用されている電力を検出する。そして、電力最小化部１１８は、検出された電力を最小値に近づける位相差目標値を決定する。そして、位相差制御部１１０は、位相差検出部１１１によって検出された位相差を位相差目標値に近づけるように制御信号を生成する。インバータ部１０２は、この生成された制御信号に基づいてモータ１００を駆動する。
【０００４】
ところで、モータ１００の回転数を一定とし、モータ１００の消費電力を縦軸に、目標位相差を横軸としてその特性をグラフで見た場合、モータの消費電力と目標位相差にはＵ字状の曲線となる特性が存在している。例えば、ある回転数においてモータ１００を制御する目標位相差を例えば５度から４０度まで変化させて、それぞれの目標位相差の場合の消費電力を比較した場合、その消費電力の値が最小となる目標位相差が存在している。このため、電力最小化部１１８は回転数が変化するごとに、目標位相差を順次変更しながらこの消費電力が最小となる目標位相差を探索し、この探索で抽出した目標位相差を位相差制御部１１０へ出力する。この結果、様々な回転数で消費電力を最小にすることができる。
【０００５】
一方、モータ１００を運転中に目標位相差を順次変更しながらこの消費電力が最小となる目標位相差を探索した場合、どの目標位相差が最小の消費電力となるか事前には不明なため、探索の１回目の目標位相差の設定によっては消費電力が最大となり、インバータ部１０２に使用されている部品が劣化したり、モータ相電流が所定値を越えて過電流となる場合がある。
【０００６】
また、このような力率制御方式ではモータ相電圧とモータ相電流の位相差を変化させるためにモータ相電圧を変化させている。具体的には、モータ相電圧の振幅を大きくすることで位相差を大きく、モータ相電圧の振幅を小さくすることで位相差を小さくする。また、モータ相電流はモータのトルクの影響を受けるため、前述した消費電力が最小となる目標位相差において、モータ相電流が必ずしも最小になるとは限らない。
【０００７】
ところで、このような力率制御方式で大型の機器、例えば業務用空調機の圧縮機を制御する場合、モータ相電流も７０〜８０アンペア流れる場合がある。このためインバータ部を構成するＩＰＭ（Intelligent Power Module）もこの電流に耐えるものが必要であるが、電流定格が大きい部品は非常に高価である。また、空調機では過電流防止のために電流を監視しており、前述した消費電力が最小となる目標位相差を探索するために目標位相差を変化させた場合、大きなモータ相電流が流れて過電流となり空調機全体が停止し、安定的な運転ができないなどの問題もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３７４６９１号公報（段落番号００６９〜００８７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は以上述べた問題点を解決し、力率制御（電圧・電流の位相差制御）方式のモータ制御装置及びこれを備えた空気調和機において、モータ相電流を低減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上述の課題を解決するため、本発明の請求項１に記載のモータ制御装置の発明は、
モータ相電流とモータ相電圧の位相差を前記モータ相電圧の振幅により制御してモータを駆動するモータ制御装置であって、
前記モータ制御装置は、
前記モータ相電流を検出し同モータ相電流と前記モータ相電圧との位相差が目標位相差となるように前記モータ相電圧の振幅を制御する位相差制御部と、
前記位相差制御部へ前記目標位相差を出力する目標位相差設定手段とを備え、
前記目標位相差設定手段は、
前記モータの運転中のトルクである運転トルクの値毎に前記モータ相電流が最小となる最小電流目標位相差が予め記憶され、前記モータの運転中に入力された前記運転トルクの値と対応する前記最小電流目標位相差を前記目標位相差として出力する位相差抽出手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の請求項２に記載の空気調和機の発明は、
前記モータ制御装置と、同モータ制御装置で駆動されるモータと、前記モータを備えた圧縮機と、前記モータの運転トルクの値を算出して前記位相差抽出手段に出力するトルク算出手段と、前記圧縮機の吐出圧力を検出する吐出圧力センサとを備え、
前記トルク算出手段は、前記吐出圧力に基づいて前記運転トルクの値を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上の手段を用いることにより、本発明によるモータ制御装置及びこれを備えた空気調和機によれば、モータ相電流を低減させた制御を行うことができる。
また、本発明では位相差抽出手段が入力された運転トルクから最小電流目標位相差を探索することなく抽出できる。このため、背景技術で説明した消費電力が最小となる目標位相差を運転中に変化させて、つまり、相電流を増加/減少させて消費電力の最小点を探索することが無いため、過電流を発生させることなく空調機を安定的に運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明によるモータ制御装置を備えた空気調和機の実施例を示すブロック図である。
【図２】トルクを算出する式である。
【図３】位相差テーブルを説明する説明図である。
【図４】本発明の原理を説明する位相差−モータ相電流特性のグラフである。
【図５】従来のモータ制御装置を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は本発明による空気調和機１を示すブロック図である。
この空気調和機１は三相の交流電源２が接続された室外機４０と、室外機４０と通信接続された室内機５０を備えている。
【００１６】
また、室外機４０は、交流電源２が接続されたモータ制御装置１６と、内部にモータ７ａを備えた圧縮機７と、流量計１７と、四方弁８と、熱交換器９と、電子膨張弁１０と、第１操作弁１１と、第２操作弁１２と、吐出圧力センサ１３と、吸入圧力センサ１４を備えている。なお、吐出圧力センサ１３は検出した圧力を吐出圧力信号として、また、吸入圧力センサ１４は検出した圧力を吸入圧力信号としてそれぞれ出力する。また、流量計１７は冷媒の流量を測定して流量信号として出力する。なお、モータ７ａは内部に図示しない巻線を備えており、この巻線にモータ相電流が流れることでモータ７ａ内部の回転子が回転する。
【００１７】
圧縮機７の吐出口は流量計１７を介して吐出管１５ａで、また、吸入口はガス管１５ｂで、それぞれ四方弁８と接続されている。また、四方弁８は熱交換器９、電子膨張弁１０、第1冷媒管１５ｃ、第２操作弁１２と順次配管で接続されている。さらに四方弁８は、第２冷媒管１５ｄで第１操作弁１１に接続されている。なお、室外機４０と室内機５０は第１操作弁１１と第２操作弁１２を介してそれぞれの冷媒回路が接続されている。一方、吐出圧力センサ１３は吐出管１５ａに、吸入圧力センサ１４はガス管１５ｂにそれぞれ設けられている。
【００１８】
一方、モータ制御装置１６は、交流電源２を整流して直流電圧を出力する整流器３と、整流器３の正極出力端と負極出力端に接続された平滑コンデンサ４と、整流器３の正極出力端と負極出力端のそれぞれが入力端に接続され、入力された直流電圧を変換して三相の交流電圧（モータ相電圧）をモータ７ａに供給するとともに、モータ７ａに印加するモータ相電圧の振幅を制御してモータ７ａを正弦波駆動するインバータ部５と、モータ７ａの３つの巻線のうち１つの巻線に流れるモータ相電流を検出してモータ相電流信号として出力する電流センサ６と、モータ制御装置１６を含む室外機全体を制御する室外機制御部２０を備えている。
【００１９】
そして、室外機制御部２０は、トルク算出部（トルク算出手段）２１と位相差制御部２２と目標位相差設定部（目標位相差設定手段）３０を備えている。モータ制御装置１６においてモータ７ａのトルクは圧縮機７で冷媒を圧縮するための圧力（負荷）で決定されるものである。そして、インバータ部５はこの負荷に対応するトルクでモータ７ａを回転させる必要が有る。一方、室外機４０と室内機５０の冷媒回路に関わる空調負荷の変動によりモータ７ａのトルクが変動する。
【００２０】
具体的には空気調和機１は、設定温度と室温が大きく乖離して空調負荷が大きい場合、この乖離を小さくするように制御を行う。このため、空気調和機１は圧縮機７を高速回転にして圧縮機７の圧力を上昇させる。つまり、圧縮機７の負荷が大きくなる。一方、空気調和機１は、設定温度と室温の乖離が小さくて空調負荷が小さい場合、圧縮機７を低速回転にして圧縮機７の圧力を低下させる。この結果、圧縮機７の負荷が小さくなる。圧縮機７の負荷（圧力）はモータ７ａにとってのトルクであるため、前述のように空調負荷の状態によってトルクが変動することになる。
【００２１】
この変動するトルクを求めるため、トルク算出部２１は入力された、モータ回転数と吐出圧力信号と吸入圧力信号と流量信号に基づいてモータ７ａの運転中のトルクの値を算出して運転トルク値として目標位相差設定部３０へ出力する。なお、トルクの値の算出方法については後で詳細に説明する。
【００２２】
目標位相差設定部３０は内部に記憶しているテーブルを用いて、入力された運転トルク値から目標位相差（後述する最小電流目標位相差）を抽出して位相差制御部２２へ出力する。位相差制御部２２は、入力されたモータ相電流信号と目標位相差に従ってインバータ部５へインバータ制御信号を出力すると共に、モータ７ａの回転数であるモータ回転数をトルク算出部２１へ出力する。なお、位相差制御部２２はモータ７ａを制御するため内部で回転数を監視しており、この回転数の値をモータ回転数として出力する。
【００２３】
目標位相差設定部３０は、入力された運転トルク値と対応する位相差である最小電流目標位相差を抽出して出力する位相差抽出部（位相差抽出手段）３２と、最小電流目標位相差を一時的に記憶し、次に最小電流目標位相差が入力されるまで、すでに記憶している最小電流目標位相差を目標位相差として位相差制御部２２へ出力する位相差記憶部３１を備えている。
【００２４】
次にトルク算出部２１について詳細に説明する。冷媒を循環させる圧縮機の動作中のトルクの値を算出する計算式として例えば図２の式１が知られている。ここでＴｒ：圧縮機トルク［ｋｇｆ・ｍ］、Ｐｄ：吐出圧力［ｋｇｆ／平方センチメートル］、Ｐｓ：吸入圧力［ｋｇｆ／平方センチメートル］、ｋ，ｍ：定数、Ｖｃ：圧縮機吐出量［ｃｃ］である。ここでＶｃはＧｒ：冷媒流量［ｋｇ／ｈ］、Ｎｃ：圧縮機回転数［ｒｐｍ］と時間ｔ［Ｓｅｃ］で算出できるため、最終的にトルクの値は図２の式２で求めることができる。なお、トルクを求める式はこれ以外も知られているため、それらを用いてもよい。
【００２５】
圧縮機のトルクの値は吐出圧力に大きく依存するため、簡易的には式１においてＶｃ：圧縮機吐出量を吐出圧力に係数を乗じたものとして式1を簡略化してもよい。
このようにトルク算出部２１は圧縮機トルクを［ｋｇｆ・ｍ］の単位で算出している。一方、位相差抽出部３２では運転トルクを［Ｎ・ｍ］の単位で取り扱うため、トルク算出部２１は算出結果に単位変換係数：９.８１を乗じて運転トルクを［Ｎ・ｍ］の単位に変換した後に運転トルク値として出力する。
【００２６】
前述したように圧縮機７で冷媒を圧縮するための圧力がモータ７ａの負荷となり、インバータ部５はこの負荷に対応するトルクでモータ７ａを回転させる必要が有る。位相差抽出部３２は、圧縮機７の運転時にモータ７ａに印加されるトルク［単位：Ｎ・ｍ］の値である運転トルク値と、その運転トルク値の時にモータ相電流が最小となる最小電流目標位相差（度）を対応させて格納した図３に示す位相差テーブルを備えている。位相差抽出部３２は、運転トルク値が入力されると、この位相差テーブルから運転トルク値と対応する最小電流目標位相差を抽出し、これを位相差記憶部３１へ出力する。例えば運転トルク値：１０［Ｎ・ｍ］が入力された場合、位相差抽出部３２は、位相差テーブルを参照して最小電流目標位相差：１１.０度を抽出する。
【００２７】
次に位相差テーブルの作成方法について説明する。なお、位相差テーブル作成において、予め実験的に求めた特性に基づいてテーブルの値を決定する。従って本発明において図１の空気調和機１を実験機とする。ただし、位相差抽出部３２の位相差テーブルは未完成のため、最小電流目標位相差の値は手動で変化させる。
【００２８】
図４はモータ７ａに印加される圧縮機７の負荷を固定にすることでモータ７ａのトルクの値を一定にしたまま最小電流目標位相差を手動で変化させ、その時のモータ相電流を測定して太い実線としてグラフ化したものである。なお、トルクの値は１０Ｎ・ｍ、２０Ｎ・ｍ、３０Ｎ・ｍの３つの値を設定してそれぞれモータ相電流を測定した。この結果、この３つの値において位相差を変化させることによりモータ相電流が変化し、かつ、それぞれのトルクの値の場合において必ずモータ相電流が最小となる位相差があった。
【００２９】
例えば、トルクの値が１０Ｎ・ｍの場合は位相差が１１°のとき、モータ相電流が２９．２アンペア、トルクの値が２０Ｎ・ｍの場合は位相差が２３°のとき、モータ相電流が３９．５アンペア、トルクの値が３０Ｎ・ｍの場合は位相差が３６°のとき、モータ相電流が５０．１アンペアとなり、各トルクの値の中では最も小さいモータ相電流（最小電流）となっている。また、トルクの値が大きくなるにつれてこの最小電流となる位相差が大きくなっている。
【００３０】
また、測定した３つのトルクの値以外の場合であっても、そのトルクの値における最小相電流をプロットした軌跡は直線になることを確認した。そこで、トルクの値が１０Ｎ・ｍの場合でモータ相電流が２９．２アンペアの点と、トルクの値が３０Ｎ・ｍの場合でモータ相電流が５０．１アンペアとなる点を結ぶ線を破線で示している。この破線で示されるグラフを最小電流位相差特性線と呼称する。なお、トルクの値が２０Ｎ・ｍの場合でモータ相電流が３９．５アンペアの点はこの最小電流位相差特性線上に存在している。
【００３１】
この最小電流位相差特性線上に各トルクの値における最小電流と、その時の位相差が存在することになる。ここで３つのトルクの値と、各トルクの値における最小電流となる位相差が既知であるため、これらのトルク値の間において、とりうるトルク値、及び、このトルク値における最小電流を示す位相差の値を補間するように算出して格納したものが図３の位相差テーブルである。なお、計算でなく、実際に多数のトルク値において最小電流位相差特性を測定すればさらに正確な位相差テーブルを作成することができる。
【００３２】
室外機制御部２０はこの位相差テーブルに基づいて種々のトルクが必要な場合であっても、インバータ部５がその必要なトルクを発生させる制御を行う。この時、目標位相差設定部３０は、モータ相電流がそのトルクにおける最小電流となる最小電流目標位相差を位相差制御部２２へ出力し、これに従って位相差制御部２２がインバータ部５を駆動する。つまり、モータ７ａの負荷がどのような値になってもインバータ部５内の図示しないＩＰＭに流れる電流を低減する事ができる。また、モータ７ａに流れるモータ相電流も同時に低減する事ができる。
【００３３】
以上説明したように、本発明によるモータ制御装置１６は、位相差制御部２２へ目標位相差（最小電流目標位相差）を出力する目標位相差設定部３０と、モータ７ａの運転トルクの値を検出するトルク算出部２１を備えている。そして、目標位相差設定部３０は予め実験的に求められ、運転トルクの値毎にモータ７ａのモータ相電流が最小となる最小電流目標位相差を、算出された運転トルクの値に基づいて抽出して出力する位相差抽出部３２を備えている。
【００３４】
このため、圧縮機７のトルクの値が負荷の状態によって種々に変化した場合であっても、モータ相電流を低減させた制御を行うことができる。従って、インバータ部５を構成するＩＰＭなどの部品に関して、定格電流の小さい安価な部品を採用できる。この結果、モータ制御装置１６のコストを低減させることができる。
また、背景技術で説明した消費電力が最小となる目標位相差を探索するために目標位相差を変化させることが無いため、空気調和機１を安定的に運転することができる。また、圧縮機７を駆動する電流を低減させることができるため、圧縮機７の発熱低下やモータ７ａ内に備えられている永久磁石の減磁を防止して信頼性を向上させることができる。
【００３５】
なお、本実施例では位相差抽出部３２は位相差テーブルを用いて運転トルクから最小電流目標位相差を抽出しているが、これに限るものでなく、最小電流位相差特性線を計算式として例えば位相差抽出部３２の内部に記憶しておき、入力された運転トルク値を演算し演算結果を最小電流目標位相差として出力してもよい。例えば図３の位相差テーブルにおいて運転トルクの値と最小電流目標位相差を式に表した場合、Ｔｒ：運転トルク［Ｎ・ｍ］、ａ：最小電流位相差特性線の傾き（定数で１．２５）、ｂ：オフセット値（定数で６）、Ｐｈ：最小電流目標位相差［度］とした時、Ｐｈ＝ａ（Ｔｒ−b）＋bとなる。
また、本実施例ではモータ７ａの相電流を電流センサ６で検出しているが、これに限るものでなく、インバータ部５の電源が入力される入力端の直前にシャント抵抗を設け、このシャント抵抗で検出した母線電流に基づいて求めた相電流値を用いてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１  空気調和機
２  交流電源
３  整流器
４  平滑コンデンサ
５  インバータ部
６  電流センサ
７  圧縮機
７ａ  モータ
８  四方弁
９  熱交換器
１０  電子膨張弁
１１  第１操作弁
１２  第２操作弁
１３  吐出圧力センサ
１４  吸入圧力センサ
１５ａ  吐出管
１５ｂ  ガス管
１５ｃ  第１冷媒管
１５ｄ  第２冷媒管
１６  モータ制御装置
１７  流量計
２０  室外機制御部
２１  トルク算出部（トルク算出手段）
２２  位相差制御部
３０  目標位相差設定部（目標位相差設定手段）
３１  位相差記憶部
３２  位相差抽出部（位相差抽出手段）
４０  室外機
５０  室内機
【図１】
2020080582.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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