(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源の交流を直流に変換するコンバータと、
このコンバータの出力を交流に変換して電動機へ印加するインバータと、
前記電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
この電流検出手段の検出結果に基づいて前記インバータを制御する制御手段と、
を備えた電動機駆動装置において、
前記制御手段は、
前記電流検出手段によって検出された電流を静止座標系から回転座標系に変換する座標変換手段と、
この座標変換手段の出力に基づいて、電動機出力を一定にするように前記電動機を駆動するための第１の補償量と、前記インバータを駆動するインバータ周波数と前記交流電源の周波数との干渉により発生した電動機電流脈動を抑制するための第２の補償量とを生成し、前記第１の補償量と前記第２の補償量とを外部からの速度指令値に加算して前記電動機を速度制御する速度制御手段と、
を備え、
前記電流検出手段と前記速度制御手段の出力に基づいて前記インバータから電圧を出力することで前記電動機を駆動することを特徴とする電動機駆動装置。
【請求項２】
前記速度制御手段に代えて、前記インバータ周波数と前記インバータのキャリア周波数との干渉により発生した電動機電流脈動を抑制するための第２の補償量を生成し、前記第１の補償量と前記第２の補償量とを外部からの速度指令値に加算して前記電動機を速度制御する速度制御手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の電動機駆動装置。
【請求項３】
前記速度制御手段に代えて、
前記座標変換手段の出力に基づいて、電動機出力を一定にするように前記電動機を駆動するための第１の補償量と、前記インバータを駆動するインバータ周波数と前記交流電源の周波数との干渉により発生した電動機電流脈動と、前記インバータ周波数と前記インバータのキャリア周波数との干渉により発生した電動機電流脈動を抑制するための第２の補償量とを生成し、前記第１の補償量と前記第２の補償量とを外部からの速度指令値に加算して前記電動機を速度制御する速度制御手段、
を備えたことを特徴とする請求項１記載の電動機駆動装置。
【請求項４】
前記速度制御手段は、トルク成分であるｑ軸電流から生成された信号を前記第１の補償量として生成することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電動機駆動装置。
【請求項５】
前記速度制御手段は、電動機駆動における回転座標軸上の電流から脈動成分を抽出する手段と、この手段によって抽出された脈動成分に基づいて前記第２の補償量を生成することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電動機駆動装置。
【請求項６】
前記速度制御手段は、インバータ出力周波数に応じて前記第２の補償量の周波数成分を変化させることを特徴とする請求項５に記載の電動機駆動装置。
【請求項７】
前記速度制御手段は、前記脈動成分の周波数にインバータ出力周波数をオフセットとして加算して前記第２の補償量の周波数成分を生成することを特徴とする請求項５に記載の電動機駆動装置。
【請求項８】
前記電動機として同期電動機もしくは誘導電動機を搭載し、請求項１〜７のいずれかに記載の電動機駆動装置によって駆動されることを特徴とする圧縮機。
【請求項９】
前記電動機は、６極以上の集中巻で構成されることを特徴とする請求項８記載の圧縮機。
【請求項１０】
前記電動機駆動装置は、三相交流電源を三相整流器にて整流することを特徴とする請求項９記載の圧縮機駆動装置。
【請求項１１】
前記電動機駆動装置は、インバータからの出力電圧が直流電圧による最大値以上の値を電動機に印加することを特徴とする請求項９〜１０のいずれかに記載の圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機を可変速駆動する電動機駆動装置および圧縮機駆動装置並びにこの圧縮機駆動装置によって駆動される圧縮機に関するものであり、特に電動機を安定に駆動しつつ、電流脈動を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電源を整流して直流電圧を得るコンバータと、直流電圧を任意の電圧、周波数に変換して電動機を可変速駆動するインバータとから構成される電動機駆動装置は、従来から電動機の回転周波数よりも低い周波数成分で脈動するという課題を有しており、この脈動を抑制する技術が以前より開示されている。
【０００３】
インバータの入力電流または出力電流を検出し、その検出値の変化量もしくは変化速度に応じてインバータの出力周波数を制御して脈動（文献１では乱調現象と記載）を抑制するものがある。（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、コンバータの整流に起因する直流側の脈動を検出し、脈動に応じてインバータ周波数を調整するものもある。（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
さらに、直流電圧を検出し、直流電圧検出値に比例させてインバータ周波数を変化させ、インバータ出力電圧の電圧時間積を正負の両極性で等しくするものもある。（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
また、誘導電動機のトルク変動を検出し、磁束軸成分は脈動した状態で、トルク軸成分のみ一定になるよう電圧ベクトルを調整するものもある。（例えば、特許文献４参照）。
【０００７】
さらに、ｄｑ軸回転座標上でベクトル制御するインバータにおいて、ｄ軸電流またはｑ軸電流の少なくとも一方の電流を用いて、出力電圧の位相角の補正量を演算するものもある。（例えば、特許文献５参照）。
【０００８】
またさらに、交流モータの発生トルク電流をベクトル制御方式により演算し、その発生トルク電流に含まれる脈動成分のみを検出して、この脈動成分が０となるようにインバータの交流出力の周波数または位相を調整するものもある。（例えば、特許文献６参照）。
【０００９】
さらに、電動機の電流から基本波周波数とは異なる低周波成分に相当する脈動電流成分を検出し、この脈動電流成分を電圧指令から減算することで脈動電流を抑制するように制御するものもある。（例えば、特許文献７参照）。
【００１０】
【特許文献１】特開昭５７−４９３９１号公報（第５図、第４頁右下欄第１行〜同欄第２０行）
【特許文献２】特公平７−４６９１８号公報（第１図、第２図、第３頁〜第５頁）
【特許文献３】特公平８−３４６９１号公報（第１図〜第２図、第６図〜第７図、第２頁〜第３頁）
【特許文献４】特許第３３１０１９３号公報（第１図、第２図、段落［００２２］〜［００２７］）
【特許文献５】特許第３６７９９１５号公報（図１、段落［００７２］〜［０１３１］）
【特許文献６】特開２００３−１１１５００号公報（図１、図３〜６、段落［０００６］〜［００１５］）
【特許文献７】特開２００６−３４０４８６号公報（図１、段落［００２４］〜［００３０］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の技術は、電動機の電流の基本波成分よりも低い周波数成分にて脈動（乱調）するが故に、電流、電圧などの何らかの検出値、もしくは、それら検出値を演算することで脈動量を検出している。
【００１２】
この得られた脈動量から、インバータの出力周波数、位相、電圧などインバータから出力する操作量を調整する、もしくは補正することで脈動を抑制するように制御している。
【００１３】
しかしながら、脈動が発生するのは、脈動に対して何も操作しないために発生する。特に、電源ビート現象と呼ばれる脈動があり、電源周波数と電動機の回転周波数とが近接してくると、その周波数差が脈動として現れてくる。
【００１４】
従って、脈動を抑制する制御というのは、脈動に同期させて電動機を制御することと同義となるため、従来の技術は、インバータから出力する操作量を調整する、もしくは補正することで電動機を安定に駆動制御しようとするものである。
【００１５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は、電動機の回転周波数成分よりも低い周波数成分で脈動する場合において、積極的に、脈動を抑制するように、脈動抑制補償器と安定駆動補償器の両方を同時に動作させることで、安定に電動機を駆動しつつ電流脈動を抑制することを可能にする電動機駆動装置および圧縮機駆動装置並びに圧縮機を得るものである。
【００１６】
さらに、第２の目的はすべりのない同期電動機、例えば、永久磁石同期電動機にも応用可能な制御方式を得るものである。
【００１７】
また、第３の目的は回転子位置を検出することなく電動機を駆動する位置センサレス駆動を実現することが可能な電動機駆動制御装置および圧縮機駆動装置並びに圧縮機を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この発明に係る電動機駆動装置は、交流電源の交流を直流に変換するコンバータと、コンバータの出力を交流に変換して電動機へ印加するインバータと、電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段の検出結果に基づいてインバータを制御する制御手段と、を備えた電動機駆動装置であって、制御手段は、電流検出手段によって検出された電流を静止座標系から回転座標系に変換する座標変換手段と、座標変換手段の出力に基づいて、電動機出力を一定にするように前記電動機を駆動するための第１の補償量と、インバータを駆動するインバータ周波数と交流電源の周波数との干渉により発生した電動機電流脈動を抑制するための第２の補償量とを生成し、第１の補償量と第２の補償量とを
外部からの速度指令値に加算して電動機を速度制御する速度制御手段と、を備え、電流検出手段と速度制御手段の出力に基づいてインバータから電圧を出力することで電動機を駆動するものである。
【発明の効果】
【００１９】
この発明の電動機駆動装置は、安定駆動補償器と脈動抑制補償器を並列化し、双方の補償量の加算値を速度指令値に重畳して速度制御値とすることで、電動機を安定に駆動しつつ電流脈動を抑制することができる。
【００２０】
特に、電源周波数とインバータ周波数との干渉、キャリア周波数とインバータ周波数との干渉、など異なる干渉による電流脈動が複数周波数成分として発生していても、同時に電流脈動を抑制することが可能となる。
【００２１】
また、電流脈動を抑制することで、ピーク電流が抑制され、電流ピークによって発生する損失を低減できる。この技術を空気調和機や冷凍機などに適用することにより、電気代の削減、契約電力容量の削減が可能となり、安価に実現することが可能となる。
【００２２】
さらに、省エネルギーのため、集中巻化したことでインピーダンスが低下した電動機にて発生する電流脈動も簡単な構成で抑制することができる。またさらに、単相電源に接続され、極数が２極の電動機だけでなく、三相電源に接続され、６極に極数が増加された電動機であっても、電源周波数に起因する電流脈動を抑制することができ、省エネルギーに貢献することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を示す回路ブロック図である。図１において、１は交流電源、２は交流電源１から供給される交流電力を直流電力へ整流する整流器、３は整流器２の出力側に配置されたリアクタ、４は整流器２の出力を平滑化する平滑コンデンサ、５は電動機、６は電動機５を駆動させるインバータ、７ａおよび７ｂは電動機５に流れる電流を検出する電流検出器、８は電動機５を制御する制御手段、９は整流器２の出力電圧を検出する電圧検出器である。なお、整流器２とリアクタ３と平滑コンデンサ４から交流電源の交流を直流に変換するコンバータが構成される。
【００２４】
さらに、制御手段８は、予め設定された磁束指令に基づいて出力電圧指令を演算する出力電圧演算器１０、電動機５の速度を制御し、脈動を抑制する速度制御器１１、電圧指令の座標変換器１２、電流の座標変換器１３、速度から回転座標角度を演算する積分器１４から構成されている。
【００２５】
次に、動作について図１を用いて概説する。交流電源１から供給される交流電力は、整流器２によって直流電力へ整流され、さらにリアクタ３と平滑コンデンサ４によって平滑される。この直流電力は、インバータ６によって、可変電圧可変周波数の交流電力に変換されて電動機５へ供給され電動機５を駆動する。電圧検出器９は、整流器２の出力電圧を検出し、電流検出器７ａ、７ｂは電動機５に流れる電流を検出する。電流検出器７ａ、７ｂによって検出された電流は座標変換器１３によって静止座標系から電動機の回転速度（インバータの回転速度と同意）で回転する回転座標系へ変換され、ｄｑ軸電流を出力する。速度制御器１１は、外部から設定された速度指令とｄｑ軸電流に基づいてｄｑ軸電流に含まれる脈動を抑制するための補償と電動機５を安定に駆動するため補償を行った速度指令を速度制御値として出力する。積分器１４は速度制御器１１からの速度制御値から回転座標角度を演算する。出力電圧演算器１０は、予め設定された磁束指令と速度制御器１１からの速度指令に基づいてｄｑ軸電流に応じた出力電圧指令を演算する。座標変換器１２は、出力電圧演算器１０からの電圧指令と電圧検出器９からの検出電圧、積分器からの回転座標角度に基づいて電圧指令を回転座標系から静止座標系へ変換し、インバータへ供給する。
【００２６】
次に、電流脈動の発生メカニズムについて説明する。図２に示す回転座標上の電流ベクトルが比較的判り易いため、図２を用いて説明する。図２は、電動機５の回転子位置を示すｄｑ軸座標上で、瞬時電流（図２の太線のベクトル）は、楕円状の軌跡を描くように回転している。この回転方向は、ｄｑ軸回転座標の回転方向と反対向きの回転となっている。この時の電動機電流の平均電流は、座標の原点から楕円の中心に向いた図２に示す点線のベクトルで表される。
なお、脈動電流の楕円状もしくは円状の軌跡に関して、特許文献４の図２，図５（ｃ）〜図８及び数式（２０）、特許文献５の数式（２）に一例が開示されている。
【００２７】
このように、平均電流は安定しているが、瞬時電流が楕円状の軌跡を描いている状態が電流脈動を有している状態となる。
【００２８】
従って、ｄｑ座標軸をこの楕円状の軌道の速度に同期して回転させると、電動機５の電流ベクトルは脈動の楕円軌道が無くなり、電流ベクトルが安定する。この結果、電流脈動の周波数が打ち消され、脈動を抑制することが出来る。
【００２９】
しかし、電流脈動にｄｑ軸座標の速度を同期させるということは、電動機５の回転に電流脈動のムラを与えて電流脈動を抑制していることになるため、電動機５の回転安定性に課題が生じる。
【００３０】
本発明の目的は、電動機５の回転安定性を損なうことなく、電流脈動を抑制して電動機５を駆動することができる電動機駆動装置を提供することにある。
【００３１】
電動機５の電流脈動を抑制することは、電動機の速度制御、言い換えると、回転座標角度を脈動に応じて制御することで実現できる。さらに、電動機を安定駆動するには、速度を安定化するのではなく、電動機出力（トルクと速度の乗算値）の変動を少なくするように速度制御、または、トルク制御することが必要である。例えば、速度制御しつつ、出力トルク変動を少なくするようにｑ軸電流を一定に制御することは特許文献４にも記載があるように一般的である。
【００３２】
しかし、ｑ軸電流を一定になるように制御しながら、電流脈動に同期させて回転座標軸を制御すると、速度は一定とはならなくなるため、電動機出力の変動は小さくならず、同期電動機を安定駆動することは難しく、すべりの有する誘導電動機向けの制御と言える。その理由は、誘導電動機はすべりがダンピングとなり、電動機回転子の速度は略一定が保たれるため、制御が上手く機能するが、同期電動機はインバータによる制御軸と電動機の回転子座標軸（ｄｑ軸）とを同期させて電動機を駆動するため、上手く機能しないためである。
【００３３】
そこで、同期電動機であっても電流脈動を抑制し、かつ、電動機出力の変動を少なくする速度制御器１１を図３に示す。図３において、速度制御器１１は安定駆動補償器１５と脈動抑制補償器１６から構成されている。また、電流の座標変換１３の出力であるｄｑ軸電流は安定駆動補償器１５と脈動抑制補償器１６に入力する。
【００３４】
安定駆動補償器１５は、例えば、出力トルク成分であるｑ軸電流の振幅とは逆位相の速度信号を出力する。このように出力トルクと比例関係にあるｑ軸電流と逆位相成分の出力を速度制御値に加算して出力することで、トルクが増加した場合に速度を低減するように作用する。これにより電動機出力（トルク＊速度）は略一定に保たれ、トルク変動を最少限に抑制するので電動機の安定駆動が実現できる。これにより、同期電動機でも安定駆動することができる。
【００３５】
次に、電流の脈動抑制補償器１６について説明する。ｄ軸電流やｑ軸電流には図２で示すとおり、脈動による楕円状の変動成分が含まれている。ｄ軸もしくはｑ軸上で電流を観測すれば、脈動周波数成分がｄ軸電流もしくはｑ軸電流成分に含まれることになる。そこで、例えば、前述と同様、ｑ軸電流にて観測すると、電動機電流に含まれる電流脈動の周波数成分ωbeatが回転座標軸上では回転座標の周波数ωinvがオフセットとして重畳して観測されるため、q軸電流における電流脈動は、ωinv±ωbeatの周波数として観測される。そこで、この電流脈動にて発生する周波数成分を取り出し、これも速度制御値に加算して出力する。
【００３６】
次に、ｑ軸電流にて観測すると、電動機電流に含まれる電流脈動の周波数成分ωbeatが回転座標上では回転座標の周波数ωinvがオフセットとして重畳して観測されることについて詳細に説明する。
インバータ周波数と電源周波数とによって発生するビート周波数をωbeat（rad/s）、インバータ周波数をωinv（rad/s）、ビート周波数成分の電流をIbeat、インバータ周波数成分の電流をIinvとおくと、静止座標軸上の電流は式（１）で表される。
【００３７】
【数１】
0004776597.tif 000002
【００３８】
次に、インバータ周波数成分の電流Iinvと回転座標の位相ωinv・ｔが同位相と仮定すると式を簡略化でき、インバータ周波数で回転する回転座標変換した電流は式（２）で表される。
【００３９】
【数２】
0004776597.tif 000003
【００４０】
これにより、速度制御器１１からの出力である速度制御値は、安定駆動化するための速度成分と脈動を抑制するための速度成分とを加算した値が出力できる。これを外部からの速度指令値に重畳させて、インバータ出力電圧の回転座標軸の角度として制御されるように積分器１４を介して電圧の座標変換１２へ入力する。
ここで、安定駆動補償器１５は、電動機出力（トルク＊速度）を略一定にするためにトルク変動周波数に合わせて速度成分を逆位相に変化させる。また、トルク変動周波数は電動機回転周波数の極数倍であるため、速度成分の周波数も電動機回転周波数の極数倍となる。一方、ビート周波数ωbeat（rad/s）は低いため、速度制御値として寄与する度合いは安定駆動補償器１５からの速度成分よりもかなり小さいという問題がある。本発明では、脈動抑制補償器１６は回転座標変換に伴うインバータ周波数ωinv（rad/s）をオフセットとしてビート周波数ωbeat（rad/s）に加算するので、速度制御値に寄与できる度合いを安定駆動補償器１５からの速度成分に近づけることができる。
【００４１】
以上のように、速度制御量として、一括して、電動機の安定駆動のための操作量と、電動機の電流脈動を抑制するための操作量を速度指令値に重畳させて制御することで、同期電動機であっても問題なく安定駆動することが可能となる。
【００４２】
これは、電流脈動を回転座標軸上で観測すると、低周波数の電流脈動成分が回転座標軸の周波数成分ωinv（rad/s）だけ高速化して観測される。従って、電流脈動を抽出する場合にはローパスフィルタでなく、それよりも時定数の短いバンドパスフィルタを用いることにより高速応答制御が可能となり、速度制御量として加算できる。
【００４３】
ここで、電流脈動について詳細に説明する。電流脈動は、電動機５の回転数に電動機５の極対数を乗算した電気的周波数、いわゆるインバータ出力周波数が他の周波数に対して干渉して発生する現象である。
【００４４】
図１に示すように交流電源１が三相電源の場合、整流器の出力が電源周波数の６倍の周波数にて脈動する。平滑コンデンサ４の容量が無限であれば、インバータ６へ印加される直流電圧は完全に一定値となる直流電圧となるが、通常、直流電圧は、この電源周波数の６倍の周波数で脈動している。電動機５を駆動するインバータ６のインバータ周波数がこの電源周波数の６倍周波数に近接してくると、その周波数の差で電流脈動が発生する。
【００４５】
よって、インバータ周波数が電源周波数の６倍に近接してくると、電流脈動が増加し、脈動抑制補償器１６からの出力が増加する。元々、安定駆動補償器１５からは安定駆動されるように出力トルクの逆位相の信号が出力されているが、脈動抑制補償器１６からの出力信号が増加され、これら２つの周波数成分を有した速度制御値が出力される。これにより、電源周波数の６倍での電流脈動が抑制される。
【００４６】
近年、地球環境への問題から空気調和機への省エネ要求が強まり、電動機５が誘導電動機から永久磁石電動機へ置きかえられている。永久磁石電動機は、回転子に永久磁石が配置されて磁束を生成するため、２次電流により磁束を発生させる誘導電動機より効率が高い。さらに、磁石も起磁力の高い希土類磁石がフェライト磁石から置き換わっている。
【００４７】
さらに、電動機５の高効率化のため、固定子スロット間のわたり配線が短く製造できる集中巻化されたステータの電動機が実用化されている。集中巻化により、電動機５の相抵抗を低下させることができるが、電動機５のインピーダンスが低下することによって、電流脈動を減衰させるダンピング成分が低下するため、電流脈動が発生し易くなる。さらに、希土類磁石による起磁力増加が、固定子の寸法を小さくしてインピーダンス低下を助長させている。
【００４８】
また、大型の空気調和機の省エネ化を図るため、高効率な電動機５である集中巻の電動機５が採用されている。大型電動機は電流を多く流すため、低インピーダンスとなるように設計されているため、大型の空気調和機では、さらに電流脈動し易い状況にある。そのため、さらに大型である鉄道分野における電気車向け電動機では、以前より電流脈動による課題が顕在化していたが、高効率化への追求による空気調和機分野でも、集中巻化により電流脈動による課題が顕在化し始めている。
【００４９】
さらに、一般的な電動機５は４極であり、大型の電動機も４極が主流であったため、電動機５の回転数の２倍と電源周波数の６倍が近接すると、例えば、電源周波数が５０Hｚの時、回転数が１５０ｒｐｓ（９０００ｒｐｍ）まで高速回転しなければ、近接しないため、非常に稀であった。しかしながら、集中巻化する際に、電動機巻線の加工性や占積率向上による高効率化の観点から集中巻化に伴い６極へ極数アップした電動機が実用化され、そのため、電源周波数の６倍と近接するのが、５０Ｈｚ時において１００ｒｐｓ（６０００ｒｐｍ）と４極の時と比較して、６７％に低速化されることとなり、三相電源であっても電流脈動が発生し易い状況をさらに助長している。
【００５０】
また、電流脈動はキャリア周波数とインバータ周波数との干渉によっても発生する。１〜２ｋHｚ程度のキャリア周波数である電気車などの鉄道分野では、従来から、インバータ周波数とキャリア周波数との干渉による電流脈動が問題となり、キャリア周波数をインバータ周波数と同期させてインバータ周波数とともにキャリア周波数が変化する同期ＰＷＭなどの手法が用いられてきた。
【００５１】
上述の通り、鉄道分野に使用される電動機のようなインピーダンスの低い大容量のモータでは従来から電流脈動は問題となっていた。しかし、空気調和機などに使用される圧縮機モータ用インバータは、ＩＧＢＴなどが用いられ、３ｋＨｚ以上の高いキャリア周波数であったため、インバータ周波数とキャリア周波数との干渉は、周波数成分が高く、電流脈動を引き起こすレベルに無かった。
【００５２】
しかしながら、前述の通り、空気調和機でも省エネのため、電動機５の極数が上昇し、インバータ周波数が上昇したことで、３ｋＨｚ以上のキャリア周波数でも電流脈動が発生することとなった。さらに、集中巻化したことにより、電動機５に流れる電流の高調波成分が増加し、モータのインピーダンスが低下したことで、キャリア周波数とインバータ周波数との干渉による電流脈動が大きくなった。
【００５３】
またさらに、空気調和機では、室内温度が設定温度に近づくと、電動機５の回転数を低下させてエネルギー消費量を抑制する。そのため、回転数の低い動作状態で高効率となるように電動機５を設計しているが、低速回転で高効率となるように設計すると、高効率な永久磁石電動機の場合、最高回転数が低下する課題がある。これは、過変調ＰＷＭにて実現することが知られているが、過変調ＰＷＭの場合、直流電圧の脈動の影響が電動機５へ直接伝わるため、電流脈動が助長されることとなる。
【００５４】
電流脈動が発生すると、ピーク電流大となり、損失が増大することから、省エネルギー性が損なわれる。本発明は、電流脈動が発生するために省エネ化可能な電動機およびその駆動技術を実用化されない用途であっても製品化を実現するために行うものであり、特に電流脈動の抑制により、空気調和機の省エネを推進することを目的とするものである。
【００５５】
換言すると、従来では電流脈動が発生し得なかった用途、特に空気調和機や冷凍機などに使用される圧縮機駆動用の電動機駆動装置で発生する電流脈動を抑制することで、省エネ性能を発揮するように構成したものである。
【００５６】
キャリア周波数との干渉で発生する電流脈動は、上述の通り、キャリア周波数をインバータ周波数と同期させて変える同期ＰＷＭと言った手法で対応可能であるが、この方法は、電動機５の回転数増加と共にキャリア周波数も高くなる。鉄道に乗っている際に、加速と同時にインバータの音色が高く変化することでもわかる。
【００５７】
空気調和機の場合、鉄道用途より電動機５からの電磁騒音の抑制に対する要求が高く、電動機の回転数に応じてキャリア周波数の音色が変わると、騒音対策として、広い範囲の周波数の音を減衰させなければならず、コストアップに繋がるため、同期ＰＷＭが採用しにくい。
【００５８】
また、電磁騒音に対する要求は、鉄道の場合、車両通過時点が最も騒音レベルが高く、車両が離れていると騒音レベルは低くなるが、空気調和機の場合、インバータの搭載された室外機は設置場所が固定されているため、常時、騒音としてユーザーに聴こえている状況となるのでこのことがさらに電磁騒音の抑制に対する要求を高くする要因でもある。
【００５９】
そこで、前述の通り、電動機５の運転により発生する脈動を回転座標軸上で観測し、脈動によって形成される楕円軌跡と同期させて、電動機５を制御する回転座標軸を制御すれば、脈動を抑制できる。これと安定駆動補償器１５を併設することで安定に駆動しつつ、脈動を抑制することが出来る。
【００６０】
ここで、電源周波数とインバータ周波数の干渉、キャリア周波数とインバータ周波数の干渉、この２つの干渉が同時に起こった場合、図４に示すような電流波形になる。図４は、電源周波数６０Ｈｚで、電動機の回転数が１１６ｒｐｓ、６極の電動機をキャリア周波数４ｋＨｚにて動作させた場合の電流波形である。
【００６１】
回転数が１１６ｒｐｓ、６極であるため、インバータ周波数は、３４８Ｈｚとなる。電源周波数が６０Ｈｚなので、電源周波数の６倍は３６０Ｈｚとなり、インバータ周波数３４８Ｈｚとの差分の１２Ｈｚにて電流が脈動していることが図４よりわかる。
【００６２】
次に、キャリア周波数が４ｋＨｚであり、インバータ周波数が３４８Ｈｚであるため、インバータ周波数と電動機電流に含まれる２３次高調波が８００４Ｈｚ、半キャリア周波数が８０００Ｈｚであるため、その差分の４Ｈｚにて脈動していることが図４よりわかる。
【００６３】
このように、２つの干渉が同時に起こると、２つの異なる干渉による脈動が異なる周波数にて発生し、非常に大きな電流脈動となってしまう。
【００６４】
そこで、脈動抑制補償器１６を、例えば、バンドパスフィルタなどで構成すると、２つの異なる干渉成分に対し、双方の干渉成分とも抽出することができる。そして、脈動抑制補償器１６をバンドパスフィルタで構成し、安定駆動補償器１５と並列に構成した速度制御器１１で電動機５を図４と同じ１１６ｒｐｓにて駆動した場合、図５のように概ね電流脈動を抑制することができる。
【００６５】
回転座標軸上の電流脈動成分は、インバータ周波数がオフセットされているため、図６のボード線図に示すようにインバータ周波数の変化と一致させて、バンドパスフィルタの中心通過帯域を変化させることが望ましい。このとき、通過帯域幅は不変にて中心通過帯域を変化させても良いし、キャリア周波数や電源周波数は既知であるため、電流脈動が発生する周波数帯域も算出できるので、インバータ周波数に応じた中心通過帯域と通過帯域幅を予め記憶させておいても良い。
【００６６】
さらに、キャリア周波数や電源周波数が既知であれば、電流脈動成分はインバータ周波数に対し算出される既知となるので、特定周波数のみフーリエ展開して抽出してもよいし、インバータ周波数の数周期分をメモリに記憶させておいてＦＦＴ変換して抽出するように構成しても同等効果を有することは言うまでもない。
【００６７】
ここでは、バンドパスフィルタやフーリエ展開、ＦＦＴ変換などにて脈動抑制補償器１６を構成しているが、電流脈動成分を抽出できるものであれば、どんな手段であっても同等効果を有することは言うまでもない。
【００６８】
尚、図２では楕円状の軌跡を描く瞬時電流のベクトルは、回転座標と反対向きの回転方向と上述したが、必ずしも反対向き方向と限ったことではなく、同回転方向で楕円状の軌跡を描くことがあるがこの場合でも、同等効果を有することはいうまでも無い。
【００６９】
さらに、本発明は速度制御器１１から出力される速度制御値に安定駆動のための補償量と電流脈動を抑制するための補償量を加算するため、速度制御する電動機駆動装置で有れば如何なる装置であっても対応可能となる。
【００７０】
更に言えば、永久磁石電動機などの回転子位置が駆動に必要な電動機に対しても、回転子位置を検出することなく駆動する位置センサレス制御にも速度制御の制御量のみ作用するだけであり、安定駆動のための補償量が速度制御値に加算されているため、本発明の制御を位置センサレス制御の構成内部に簡単に取り込むことができる。
【００７１】
以上のように、安定駆動補償器と脈動抑制補償器を並列化し、双方の補償量の加算値を速度指令値に重畳して速度制御値とすることで、電動機５を安定に駆動しつつ電流脈動を抑制することができる。特に、電源周波数とインバータ周波数、キャリア周波数とインバータ周波数、など異なる干渉要因による電流脈動が複数周波数成分として発生していても、同時に脈動を抑制することが可能となる。
【００７２】
さらに、圧縮機、例えば、レシプロやロータリーなど、に使用された電動機は、圧縮機特有の１回転中のトルク脈動も併せ持つため、電動機を安定駆動させる必要が非常に重要であるが、電流脈動抑制のために安定駆動補償器の電動機駆動への影響を抑制しない分、前述のような圧縮機用途で電流脈動抑制が可能となり、空気調和機への実用化を簡単に実現することができる。
【００７３】
また、電流脈動を抑制することで、ピーク電流が抑制され、電流ピークによって発生する損失を低減できる。これにより、空気調和機や冷凍機などに使用した場合、電気代の削減、契約電力容量の削減が可能となり、安価に実現可能となる。
【００７４】
さらに、省エネルギーのため、集中巻化したことでインピーダンスが低下した電動機にて発生する電流脈動も簡単な構成で抑制することができる。またさらに、三相電源に接続され、６極に極数が増加された電動機であっても、電源周波数に起因する電流脈動を抑制することができ、省エネルギーに貢献することができる。
【００７５】
さらにまた、本発明は、速度制御器の構成変更のみで実現できるため、ソフトウェアのみの対応で実現でき、コストアップ無しで電流脈動抑制を実現できる。さらに言えば、過変調ＰＷＭの状態で大きくなる電流脈動を大幅に抑制することができ、省エネルギーのための技術を損なうことなく、製品化を実現できる技術である。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明の活用例として、圧縮機を搭載している空気調和機のほか、冷蔵庫、除湿器、ヒートポンプ式給湯機、ヒートポンプ式乾燥洗濯機、冷凍機、ショーケースが挙げられる。さらには、洗濯乾燥機、洗濯機、掃除機など圧縮機を搭載していない製品でも適用可能であり、ファンモータなどへの適用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施の形態１を示す回路ブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１を説明する動作状態を示す電圧ベクトル図である。
【図３】本発明の実施の形態１を説明する制御ブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態１における電流脈動した時の電流波形図である。
【図５】本発明の実施の形態１における電流脈動を抑制した時の電流波形図である。
【図６】本発明の実施の形態１を説明するボード線図である。
【図７】本発明の実施の形態１を説明する電動機の固定子構造図である。
【符号の説明】
【００７８】
１  交流電源、２  整流器、３  リアクタ、４  平滑コンデンサ、５  電動機、６  インバータ、７ａ、７ｂ  電流検出器、８  制御手段、９  電圧検出器、１０  出力電圧演算器、１１  速度制御器、１２  電圧指令の座標変換器、１３  電流の座標変換器、１４
積分器、１５  安定駆動補償器、１６  脈動抑制補償器。
【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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