(57)【要約】【課題】交流電圧を直接スイッチングして電動機駆動を行う電動機制御装置において、負荷トルク脈動が大きく一回転中の回転速度が安定しない電動機を用いた場合、一回転中の電動機の回転速度を一定に維持した駆動を行うことが出来ないという課題を有していた。【解決手段】インバータ主回路４に入力される交流電圧に合わせて駆動を行う駆動指令と、電動機５の一回転中の回転速度が一定となる速度指令を合成させた出力指令を行う駆動制御部６を備えることにより、使用する電動機のトルク脈動によらずインバータ主回路に交流電圧が印加される電動機制御装置において、電動機の回転速度を一定に維持した駆動を実現させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相交流電源と、該電源出力を単素子で双方向に電流制御を行うことができるスイッチング素子を備え、直接双方向にスイッチングして得た可変電圧・可変周波数の交流出力により電動機を駆動するインバータ主回路と、前記単相交流電源と前記インバータ主回路間の片側のラインに直列接続されたリアクタと、そのリアクタのインバータ主回路側ライン間に並列接続されたコンデンサと、前記インバータ主回路のスイッチング素子のオン、オフ制御を行う駆動制御部を備えた電動機制御装置であって、
前記駆動制御部は、前記電動機の一回転中の速度が一定となるよう速度制御を行うことを特徴とする電動機制御装置。
【請求項２】
前記駆動制御部は、前記インバータ主回路に印加される交流電圧の絶対値と定電圧の差分を用いて印加電圧の変動による回転数変動を補正した速度制御と、前記電動機の電動機トルクと負荷トルクの差分を用いて一回転中の回転速度が一定となる速度制御の両方（合成）を行うことを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
【請求項３】
前記駆動制御部は、前記インバータ主回路に印加される交流電圧の絶対値と定電圧の差分を用いて印加電圧の変動による回転数変動を補正した速度制御、前記電動機の電動機トルクと負荷トルクの差分を用いて一回転中の回転速度が一定となる速度制御の少なくとも一方を行うことを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
【請求項４】
前記リアクタとコンデンサにより決まる共振周波数を単相交流電源周波数の４０倍以上になるよう設定したことを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
【請求項５】
前記電動機を１ピストンロータリコンプレッサに用いたことを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
【請求項６】
前記インバータ主回路が備える双方向スイッチング素子はノーマリオフ型、ダブルゲート型の少なくとも１つの特徴を有するＧａＮで構成される請求項１記載の電動機制御装置。
【請求項７】
空気調和機に具備された請求項１から６の少なくとも１項に記載の電動機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単相交流電源から三相電動機を可変速で駆動できる電動機制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、インバータ主回路に脈動する電圧を印加する電動機制御装置において、負荷トルク変動がある電動機駆動の一回転中の回転速度を一定にすることができない。
【０００３】
図８は、特許文献１に記載される従来の電動機制御装置のブロック構成図、図６は速度指令作成の概略制御ブロック図、図７は、各部の動作波形を示したものである。
【０００４】
従来の電動機制御装置では、図８に示すように交流電源を整流部で整流し平滑部で平滑した直流電圧をインバータ主回路に入力し、駆動制御部により制御されるインバータ主回路により電動機駆動を行う。ここで交流電源に交流電源周波数ｆａｃ＝５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの商用電源を用いた場合、その出力電圧波形は図７（ａ）に示すように周期Ｔａｃ＝２０ｍｓｅｃあるいは１６．７ｍｓｅｃの正弦波状の波形となる。これを複数のダイオードを組み合わせたダイオードブリッジで構成される整流部にて全波整流すると図７（ｂ）に示すように電源周期の半分の周期Ｔａｃ／２で脈動する全波整流波形となる。
【０００５】
次にこの全波整流波形を平滑部により平滑した波形を図７（ｃ）に示す。平滑部を構成するリアクタとコンデンサの値はその共振周波数ｆｃ＝１／（２π＊√（ＬＣ））が交流電源周波数ｆａｃの４０倍以上になるように設定する。例えば、交流電源周波数ｆａｃ＝５０Ｈｚの場合、リアクタンス値０．５ｍＨ、キャパシタンス値１０μＦのリアクタとコンデンサを用いることでｆｃ（＝２２５０Ｈｚ）＞４０＊ｆａｃ（＝５０Ｈｚ）とする。このように平滑部のコンデンサ容量を著しく小さくすることで図７（ｃ）に示すように全波整流波形と同様、交流電源周期の半分の周期Ｔａｃ／２で大きく脈動し、交流入力電流の通電幅は図７（ｄ）に示すように広くなるため高入力力率および電源高調波特性の高性能化を実現することができる。
【０００６】
次に、この周期Ｔａｃ／２で大きく脈動する平滑電圧に対応した従来の電動機駆動指令のブロック図を図８に示す。一定の直流電圧印加時に対して脈動電圧が印加される場合、その差分により駆動指令を作成することにより電圧不足時は不足分を補うように、また電圧過多時は過多分を減少させるよう駆動制御部にて指令を作成しインバータ主回路へ出力を行う。これにより脈動電圧に対応した駆動制御を行う。
【特許文献１】特開２００２−２２３５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の構成による駆動制御では、負荷トルク脈動が大きく一回転中の回転速度が安定しない電動機を用いた場合、一回転中の電動機の回転速度を一定に維持した駆動を行うことが出来ないという課題を有していた。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、大きく脈動する入力電圧に対してはその絶対値と一定電圧との差分を用いて作成する補正値と、大きく脈動する負荷トルクに対しは電動機トルクとの差分により作成する補正値を用い、電動機一回転中の回転速度が一定となる速度指令を行うことで電動機一回転中の回転速度を安定させた駆動を行う電動機制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記従来の課題を解決するために、本発明の電動機制御装置は、インバータ主回路に入力される交流電圧に合わせて駆動を行う駆動指令と、電動機一回転中の回転速度が一定となる速度指令を合成させた出力指令を行う駆動制御部を備えたものである。
【００１０】
これにより使用する電動機のトルク脈動によらずインバータ主回路に交流電圧が印加される電動機制御装置において電動機の回転速度を一定に維持した駆動を実現させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電動機制御装置は、インバータ主回路に印加される交流電圧および電動機のトルク脈動に対応した駆動制御を行うことにより、交流電源電圧を整流する整流部省略による小型化、低コスト化、高効率化の実現および一回転中の回転速度を一定に維持することにより電動機回転による振動、騒音を抑制した駆動を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
第１の発明は、単相交流電源と、該電源出力を単素子で双方向に電流制御を行うことができるスイッチング素子を備え、直接双方向にスイッチングして得た可変電圧・可変周波数の交流出力により電動機電動機を駆動するインバータ主回路と、前記単相交流電源と前記インバータ主回路間に直列接続されるリアクタと、並列接続されるコンデンサと、前記インバータ主回路のスイッチング素子のオン、オフ制御を行う駆動制御部を備えた電動機制御装置において、
前記駆動制御部は、前記電動機の一回転中の速度が一定となるよう速度制御を行うことにより、電動機駆動時の振動、騒音を抑制した駆動を実現させることができる。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明の電動機制御装置において、前記駆動制御部は、前記インバータ主回路に印加される交流電圧の絶対値と定電圧の差分を用いて印加電圧の変動による回転数変動を補正した速度制御、前記電動機の電動機トルクと負荷トルクの差分を用いて一回転中の回転速度が一定となる速度制御の両方（合成）を行うことにより、変動電圧が印加された電動機駆動での振動、騒音の抑制を実現させることができる。
【００１４】
第３の発明は、第１の発明の電動機制御装置において、前記駆動制御部は、前記インバータ主回路に印加される交流電圧の絶対値と定電圧の差分を用いて印加電圧の変動による回転数変動を補正した速度制御、前記電動機の電動機トルクと負荷トルクの差分を用いて一回転中の回転速度が一定となる速度制御の少なくとも一方を行うことにより、交流電圧を整流することなく印加される電圧変動に対する影響を考慮した一回転中の回転速度が一定となる速度制御を行い、変動電圧が印加された電動機駆動での振動、騒音の抑制を実現させることができる。
【００１５】
第４の発明は、前記リアクタとコンデンサにより求められる共振周波数を単相交流電源周波数の４０倍以上になるよう設定することで入力電流の電源高調波特性の高性能化を実現することができる。
【００１６】
第５の発明は、前記電動機電動機を１ピストンロータリコンプレッサに用いることにより、安価な電動機を用いて一回転中の速度が安定した駆動と低振動、低騒音を実現することができる。
【００１７】
第６の発明は、前記インバータ主回路が備える双方向スイッチング素子はノーマリオフ型、ダブルゲート型の少なくとも１つの特徴を有するＧａＮで構成されることにより、イ
ンバータ主回路における動作抵抗低減による導通損失低減、装置の信頼性向上を図ることができる。
【００１８】
第７の発明は、第１から第６の発明のいずれかの電動機制御装置を空気調和機に具備することによりグローバル市場で広く使用され、安価でスタンダードとなっているコンプレッサを用い、安定した駆動と低振動・低騒音を実現することができる。
【００１９】
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。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態における電動機制御装置の構成図を示したものである。
【００２１】
図１の電動機制御装置は、単相交流電源１より電力を供給され、供給された交流電圧をダイオードブリッジで構成された整流回路を介さずに双方向スイッチング素子を備え直接所望の可変電圧・可変周波数の交流出力に変換するインバータ主回路４と、前記インバータ主回路４の出力により駆動される電動機（モータ）５と、前記インバータ主回路に印加される交流電圧に合わせた電動機駆動指令と電動機一回転中の回転速度が一定となる速度指令を合わせた指令をインバータ主回路４に出力するマイコンで構成される駆動制御部６を有している。
【００２２】
また、交流電源１とインバータ主回路４との間には共振周波数が交流電源周波数の４０倍以上になるように設定された、インバータ主回路４より生じるスイッチングノイズの入力側（交流電源１）への流出を防止するために直列接続されたリアクタ２と、インバータ主回路４のスナバとして並列接続されたコンデンサ３を有している。該コンデンサ３は前記リアクタ２よりインバータ主回路側に接続される。
【００２３】
以上のように構成された電動機制御装置について、以下にその動作、作用を説明する。
【００２４】
図２は、本実施の形態における各部の動作波形である。
【００２５】
まず、交流電源１に交流電源周波数ｆａｃ＝５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの商用電源を用いた場合、その出力電圧波形は図２（ａ）に示すように周期Ｔａｃ＝２０ｍｓｅｃあるいは１６．７ｍｓｅｃの正弦波状の波形となる。この出力電圧を共振周波数が交流電源周波数の４０倍以上に設定されたリアクタ２とコンデンサ３（例えばリアクタンス値０．５ｍＨ、キャパスタンス値１０μＦ、共振周波数ｆｃ＝１／（２π＊√（ＬＣ）＝２２５０Ｈｚ＞４０＊ｆａｃ（＝５０Ｈｚ））を介してインバータ主回路４へ供給する。
【００２６】
ここでインバータ主回路４への入力電流波形は図２（ｂ）に示すようにスイッチング波形が重畳した電流波形となる。このため交流電源１とインバータ主回路４の間にリアクタ２を接続することで交流電源（入力）側の電流波形は図２（ｃ）となりスイッチング成分が除去された電流波形となる。またコンデンサ３との共振周波数を交流電源周波数の４０倍以上に設定することで入力電流について電源高調波電流規制の国際規格に対する高性能化を実現することができる。
【００２７】
更に、インバータ主回路４の寄生容量をＣ０とし、波高値Ｖ０の異常な電圧サージが印加された場合（図３（ａ））と比較し、容量Ｃ（Ｃ＞＞Ｃ０）のコンデンサ３をインバータ主回路４に並列接続することで急峻な電圧サージを吸収しＶ０＊Ｃ０／Ｃへ低下させることができ（図３（ｂ））、スナバとしてインバータ主回路４の破壊を防止することができる。
【００２８】
次にインバータ主回路４に印加される交流電圧に対応した駆動指令作成について図５を用いて説明する。整流部７を持たず交流電圧を直接スイッチングする場合、一定の直流電圧印加時に対して交流電圧の絶対値との差分を用いて駆動指令を作成するようにする。つまり電圧不足時には不足分を補うように、また電圧過多時には過多分を減少させるように駆動制御部６にて指令を作成し、インバータ主回路４へ出力を行う。これにより交流電圧に対応した駆動制御を行うことができる。
【００２９】
更に、図４に示すように電動機５の負荷トルクが脈動する場合は、トルク脈動による一回転中の回転速度変動に対しては目標とする一定回転速度との差分により減速時には加速指令、加速時には減速指令を与えるような速度指令を作成する。
【００３０】
これら両指令の合成を駆動制御部６にて作成しインバータ主回路４への出力を行う。これによりインバータ主回路４へ交流電圧が印加される電動機制御装置において負荷トルク脈動の大きくなる１ピストンロータリコンプレッサのような電動機５を用いた場合においても、一回転中の回転速度を一定に維持した低振動・低騒音の安定した駆動を実現することができる。
【００３１】
尚、両指令の合成とは単に二種類の制御を独立に両方行うだけでなく、両者を有機的に組み合わせて行ってもよい。
【００３２】
また、インバータ主回路が備える双方向スイッチング素子はノーマリオフ型、ダブルゲート型の少なくとも１つの特徴を有するＧａＮで構成されることにより、インバータ主回路における動作抵抗低減による導通損失低減、装置の信頼性向上を図ることができる。
【００３３】
以上のように本実施の形態においては交流電圧に対応した駆動指令および一回転中の回転速度が一定となる速度指令を合成したものをインバータ主回路４に出力する駆動制御部６を備えることにより、整流部７、平滑部８省略による装置全体の小型化、低コスト化、高効率化の実現と、負荷トルク脈動の大きな１ピストンロータリコンプレッサのような電動機を用いて一回転中の回転速度が一定となる安定駆動による低振動・低騒音の駆動を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上のように、本発明にかかる電動機制御装置は、整流部および容量の大きな平滑部を必要としないため、装置の小型化、低コスト化、高効率化の実現と、負荷トルク脈動の大きな１ピストンロータリコンプレッサなどの電動機を低振動・低騒音で駆動することができるため、空気調和機など電動機を備えたあらゆる機器への適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態における電動機制御装置のブロック構成図
【図２】本発明の実施の形態におけるインバータ装置の各部動作波形図
【図３】本発明の実施の形態におけるインバータ装置の各部動作波形図
【図４】本発明の実施の形態における電動機の負荷トルク特性図
【図５】本発明の実施の形態における駆動制御部の制御ブロック図
【図６】従来の電動機制御装置におけるブロック構成図
【図７】従来の電動機制御装置における各部動作波形図
【図８】従来の電動機制御装置における駆動制御部の制御ブロック図
【符号の説明】
【００３６】
１  交流電源
２  リアクタ
３  コンデンサ
４  インバータ主回路
５  電動機
６  駆動制御部
７  整流部
８  平滑部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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