(57)【要約】【課題】トルクリプルに起因した電流歪みによる電源高調波電流特性を改善する。【解決手段】単相交流電源１を入力とする全波整流回路２と、全波整流回路２の出力直流電力を交流電力に変換するインバータ３と、共振周波数が単相交流電源周波数の４０倍以上に設定されインバータ３と単相交流電源１のライン上に配置されたリアクタとインバータの入力側に並列接続されたコンデンサで構成される平滑部４と、インバータ３により駆動されるモータ５を備え、モータ５は、誘起電圧波形の歪率がモータ駆動領域（最大回転数、最大電流）に応じて設定される所定の値以下であるモータ５を用いることにより、トルクリプルに起因した電流歪みによる入力電流の高調波成分を実使用上問題のないレベルで抑制することができる。【選択図】図１
2016005348.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相交流電源を入力とする全波整流回路と、前記全波整流回路の出力直流電力を交流電力に変換するインバータと、共振周波数が前記単相交流電源周波数の４０倍以上に設定され前記インバータと単相交流電源のライン上に配置されたリアクタと前記インバータの入力側に並列接続されたコンデンサで構成される平滑部と、前記インバータにより駆動されるモータを備え、
前記モータは、誘起電圧波形の歪率が、当該モータの駆動最大回転数とモータ最大実効電流値により算出される所定の値以下であることを特徴とするモータインバータ装置。
【請求項２】
前記モータは、誘起電圧波形の基本波に対する５次成分、あるいは７次成分の比率が、下記式（１）を満たすことを特徴とする請求項１に記載のモータインバータ装置。
【数１】
2016005348.tif 000009
誘起電圧波形の基本波成分：Ｖｂａｓｅ
誘起電圧波形の５次成分あるいは７次成分：Ｖ５７
モータ最大実効電流値：Ｉｍａｘ
ＩＥＣで定められる電源高調波規制値（次数）：Ｉ（次数）
【請求項３】
前記モータの駆動最大回転数が、下記式（２）を満たすことを特徴とする請求項２に記載のモータインバータ装置。
【数２】
2016005348.tif 000010
モータ駆動最大回転数：ｆｍａｘ
単相交流電源周波数：ｆｇｅ
モータ極数：Ｐ
【請求項４】
前記モータは、誘起電圧波形の基本波に対する５次成分、あるいは７次成分の比率が、下記式（３）から（５）を満たすことを特徴とする請求項１に記載のモータインバータ装置。
【数３】
2016005348.tif 000011
四捨五入した整数値：Ｚａ
Ｚａが偶数の場合
【数４】
2016005348.tif 000012
Ｚａが奇数の場合
【数５】
2016005348.tif 000013
【請求項５】
前記モータの駆動最大回転数が、下記式（６）を満たすことを特徴とする請求項４に記載のモータインバータ装置。
【数６】
2016005348.tif 000014
【請求項６】
前記モータは空気調和機に具備される圧縮機駆動用モータであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のモータインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単相交流電源を入力として全波整流した出力をスイッチングすることにより得られる可変電圧・可変周波数の交流出力にてモータを駆動するモータインバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のモータインバータ装置は、交流電源を整流し、整流後の直流電力を平滑コンデンサで平滑してインバータにより電動機に電力を供給するものである。この平滑コンデンサは、大型化や、コストアップの要因となっていた。そこで、平滑コンデンサを小容量化、または、設けない構成としたモータインバータ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図７は、特許文献１に記載された従来のモータインバータ装置の概略図である。
【０００４】
図７に示すように、従来のモータインバータ装置は、単相交流電源１１からの交流電圧を直流電圧に整流する整流手段１２と、整流手段１２が出力した直流電圧を交流電圧に変換して電動機１４に印加する電力変換手段１５と、電動機１４に流れる相電流を検出する相電流検出器１６と、電力変換手段１５が電動機１４に印加する電圧を制御する制御手段１７を備えている。
【０００５】
制御手段１７は、電動機１４の磁束の指令値を受け取り、電流の指令値を算出する電流指令生成手段１９と、電動機１４に流す電流の指令値を受け取り、当該電流の指令値に基づいて、電動機１４に流れる電流の波形が、交流電源１１からの交流電圧の波形と相似形状になるように、電動機１４に印加する電圧の指令値を出力する電流制御手段１８と、電動機１４に印加する電圧のスカラー値が、整流手段１２が出力する直流電圧により規定される最大出力電圧以下となるように制限する出力電圧制限手段２０とを備えている。
【０００６】
そして、電流指令生成手段１９は、電動機１４の相抵抗と、電動機１４の相電流に基づいて、相抵抗による電圧降下分を算出し、電動機１４に印加する電圧と、電圧降下分との差分に基づき、電動機１４の総磁束量を算出し、総磁束量を一定に保つように、電流の指令値を算出し、電流の指令値を算出する際には、電流の指令値の振幅を所定の割合で減少させるとともに、所定の値でオフセットさせ、単相交流電源１１のピーク点に相当する位相において、オフセットさせる前と同じ指令値となるように、電流の指令値を演算補正する。
【０００７】
このように等価的にインバータ主回路（電力変換手段１５）に流れ込む電流（つまり入力電流）と一致する電動機１４に流れる電流の波形を単相交流電源１１の電圧の波形と相似形になるように制御することで入力電流の高調波成分を低減する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４６９３９０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記従来のモータインバータ装置では、電動機１４に流れる電流波形を単相交流電源１１の電圧波形と相似形になるように制御することで、入力電流波形の高調波成分を低減さ
せている。
【００１０】
しかしながら、トルクリプルが大きくなる電動機１４を用いた場合、電動機１４の回転数に依存する電流歪み成分がインバータ主回路（電力変換手段１５）に流れ込む電流に重畳することになる。
【００１１】
ここで、単相交流電源１１を整流手段１２で整流した直流電圧が、単相交流電源１１の２倍の周波数で大きく脈動する電源電圧リップルが発生する程度に、インバータ主回路（電力変換手段１５）の入力側に並列接続されるコンデンサの容量を小容量化した場合、入力電流にもトルクリプルに起因する高周波電流歪み成分が含まれることになる。
【００１２】
この高周波電流歪み成分を抑制して単相交流電源１１の電圧波形と相似形になるように入力電流波形（インバータ主回路（電力変換手段１５）に流れ込む電流波形つまり電動機１４に流れる電流波形）を制御するためには、歪み成分の周波数の周期に対し、十分短い周期での電流検出および制御演算が必要となる。そのため高性能のマイクロコンピュータのような制御演算手段が必要となりコストアップに繋がるという課題があった。
【００１３】
また、短い周期で行われた制御演算結果を十分電流波形に伝達反映させるためには、インバータ主回路（電力変換手段１５）を制御駆動させるＰＷＭ周波数の高周波化も合わせて必要となるため、インバータ主回路（電力変換手段１５）におけるスイッチング損失が増大し、システム効率の低下を招くという課題があった。
【００１４】
更に、電動機１４を構成するロータとステータ間のギャップを不等幅に調整することなどでトルクリプルの発生自体を低減することができるが、この場合、モータ効率が低減するという課題があった。
【００１５】
本発明は電動機１４の動作領域（最大回転数と最大電流）に合わせたトルクリプルの少ない電動機１４を用いることで入力電流に含まれる電動機１４の回転数に依存した高周波歪み成分を抑制するモータインバータ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】
【００１６】
上記従来の課題を解決するために、本発明のモータインバータ装置は、単相交流電源を入力とする全波整流回路と、前記全波整流回路の出力直流電力を交流電力に変換するインバータと、共振周波数が前記単相交流電源周波数の４０倍以上に設定され前記インバータと単相交流電源のライン上に配置されたリアクタと前記インバータの入力側に並列接続されたコンデンサで構成される平滑部と、前記インバータにより駆動されるモータを備え、前記モータは、誘起電圧波形の歪率がモータの動作領域に応じた所定の値以下になるようにしたものである。
【００１７】
これによりモータの動作範囲内において、モータのトルクリプルに起因して入力電流に発生する高周波歪み成分を抑制したモータインバータ装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のモータインバータ装置は、モータの動作範囲内において、モータのトルクリプルに起因して入力電流に発生する高周波歪み成分を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態におけるモータインバータ装置の概略図
【図２】本発明の実施の形態におけるモータ誘起電圧波形を示す図
【図３】本発明の実施の形態の各部波形を示す図
【図４】本発明の実施の形態の各部波形を示す図
【図５】本発明の実施の形態の周波数分析を示す図
【図６】電源高調波規制値を示す図
【図７】従来のモータインバータ装置の概略図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
第１の発明は、単相交流電源を入力とする全波整流回路と、前記全波整流回路の出力直流電力を交流電力に変換するインバータと、共振周波数が前記単相交流電源周波数の４０倍以上に設定され前記インバータと単相交流電源のライン上に配置されたリアクタと前記インバータの入力側に並列接続されたコンデンサで構成される平滑部と、前記インバータにより駆動されるモータを備え、前記モータは、誘起電圧波形の歪率が、当該モータの駆動最大回転数とモータ最大実効電流値により算出される所定の値以下であることとすることでモータのトルクリプルに起因して入力電流に発生する電流歪み成分を抑制することができる。
【００２１】
第２の発明は、第１の発明において、前記モータは、誘起電圧波形の基本波に対する５次成分（あるいは７次成分）の比率が、下記式（１）を満たすモータを用いることで、モータのトルクリプルに起因して入力電流に発生する電流歪み成分をＩＥＣ（国際電気標準会議）の電源高調波規制で定められた規制値以内に抑制することができる。
【数１】
2016005348.tif 000003
【００２２】
誘起電圧波形の基本波成分：Ｖｂａｓｅ
誘起電圧波形の５次成分あるいは７次成分：Ｖ５７
モータ最大実効電流値：Ｉｍａｘ
ＩＥＣで定められる電源高調波規制値（次数）：Ｉ（次数）
第３の発明は、第２の発明において、前記モータの駆動最大回転数が、下記式（２）を満たす場合に、上記式（１）式を満たすモータを適用することで、誘起電圧波形の５次成分あるいは７次成分を過剰に抑制することなく、モータ駆動回転数全領域においてモータのトルクリプルに起因して入力電流に発生する電流歪み成分をＩＥＣ（国際電気標準会議）の電源高調波規制で定められた規制値以内に抑制することができる。
【数２】
2016005348.tif 000004
【００２３】
モータ駆動最大回転数：ｆｍａｘ
単相交流電源周波数：ｆｇｅ
モータ極数：Ｐ
第４の発明は、第１の発明において、前記モータは、誘起電圧波形の基本波に対する５
次成分（あるいは７次成分）の比率が、下記式（３）から（５）を満たすモータを用いることで、モータ駆動回転数領域に応じた必要最小限の歪み成分（誘起電圧波形の基本波に対する５次成分あるいは７次成分）抑制で、モータ駆動回転数全領域においてモータのトルクリプルに起因して入力電流に発生する電流歪み成分をＩＥＣ（国際電気標準会議）の電源高調波規制で定められた規制値以内に抑制することができる。
【数３】
2016005348.tif 000005
【００２４】
四捨五入した整数値：Ｚａ
Ｚａが偶数の場合
【数４】
2016005348.tif 000006
【００２５】
Ｚａが奇数の場合
【数５】
2016005348.tif 000007
【００２６】
第５の発明は、第４の発明において、前記モータの駆動最大回転数が、下記式（６）を満たす場合に、上記式（３）から（５）を満たすモータを用いることで、誘起電圧波形の５次成分あるいは７次成分の抑制を必要最小限にしつつ、モータ駆動回転数全領域においてモータのトルクリプルに起因して入力電流に発生する電流歪み成分をＩＥＣ（国際電気標準会議）の電源高調波規制で定められた規制値以内に抑制することができる。
【数６】
2016005348.tif 000008
【００２７】
第６の発明は、第１〜５のいずれか１つの発明において、前記モータは空気調和機に具
備される圧縮機駆動用モータとすることで、空気調和機の能力や圧縮機のシリンダー容積、モータの減磁特性やインバータにおけるパワーデバイスの最大電流定格仕様等によりモータ駆動回転数領域や最大電流が大きく異なるそれぞれの機種に応じて、誘起電圧波形の５次成分あるいは７次成分の抑制を必要最小限にしつつ、モータ駆動回転数全領域においてモータのトルクリプルに起因して入力電流に発生する電流歪み成分をＩＥＣ（国際電気標準会議）の電源高調波規制で定められた規制値以内に抑制することができる。
【００２８】
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。
【００２９】
（実施の形態）
図１は本発明における実施の形態におけるモータインバータ装置の概略図である。図１に示すように、モータインバータ装置は、単相交流電源１を入力とするダイオードブリッジなどで構成される全波整流回路２と、全波整流回路２の出力直流電圧を交流電力に変換する複数の半導体スイッチ素子で構成されるインバータ３と、共振周波数が単相交流電源周波数の４０倍以上に設定されインバータ３と単相交流電源１のライン上に配置されたリアクタとインバータの入力側に並列接続されたコンデンサで構成される平滑部４と、インバータ３により駆動されるモータ５と、モータ５を駆動させるために、インバータ３へＰＷＭ信号を供給マイクロコンピュータ等で構成される制御部６を具備している。モータ５は、誘起電圧波形の歪率がモータ５の動作領域に応じた所定の値以下であることとする。
【００３０】
以上のように構成されたモータインバータ装置において、以下にその動作、作用を説明する。
【００３１】
まず、単相交流電源１に周波数５０Ｈｚの電源を用いた場合、平滑部４を構成するリアクタの容量Ｌ１とコンデンサの容量Ｃ１は、電源高調波電流特性の高性能化を図るため共振周波数ｆｃ＝１／（２π×√（Ｌ１×Ｃ１））が単相交流電源周波数の４０倍以上、すなわち２０００Ｈｚ以上になるように設定する。このため例えば、リアクタンス値Ｌ１＝０．５ｍＨ、キャパシタンス値Ｃ１＝１０μＦのリアクタとコンデンサを用いることで共振周波数ｆｃ（≒２２５０Ｈｚ）＞（４０×５０Ｈｚ（単相交流電源周波数））（＝２０００Ｈｚ）とする。平滑部４を構成するリアクタとコンデンサがこのような値に設定された場合、インバータ３により誘起電圧波形が図２（ａ）に示すような理想的な正弦波波形で歪率の低い（トルクリプルの少ない）永久磁石モータを駆動させると、図１に示す回路構成図におけるインバータ印加電圧Ｖｄｃの波形、入力電流Ｉａｃの波形、インバータ入力電流Ｉｉｎｖ（全波整流回路２の出力直流電流Ｉｄｃ）の波形は、それぞれ図３に示すような関係になる。
【００３２】
ここで、単相交流電源１の半周期をＴ／２、単相交流電源１からモータ５へトルクが供給される期間をＴｏｎ、モータ５からの回生電流により単相交流電源１からモータ５へのトルク供給が遮断される期間（無通電期間）をＴｏｆｆとする。
【００３３】
しかしながら、誘起電圧波形が理想的な正弦波波形であることは稀であり、実際は多くの場合、図２（ｂ）に示すように基本波に対して５次成分や７次成分を含む誘起電圧波形となる。このような歪成分を含んだモータ５を駆動させる場合、トルクリプルの発生により単相交流電源１からモータ５へトルクが供給される期間Ｔｏｎにおいて、インバータ入力電流Ｉｉｎｖの波形にモータ５のトルクリプル成分の影響が現れる。
【００３４】
ここで全波整流回路２の出力直流電流Ｉｄｃは、インバータ入力電流Ｉｉｎｖとコンデンサ充放電電流Ｉｃの和で表されるが、平滑部４を構成するコンデンサの容量は小容量であるため多くの電気エネルギーを蓄積することはなく、フィルタのような役割を果たすこ
とになる。そのため出力直流電流Ｉｄｃはインバータ入力電流Ｉｉｎｖとほぼ等しい（Ｉｄｃ≒Ｉｉｎｖ）と考えても構わない。よって、インバータ入力電流Ｉｉｎｖに現れるトルクリプルの影響はコンデンサで吸収されることなく全波整流回路２の出力直流電流Ｉｄｃおよび入力電流Ｉａｃにも現れることになる。
【００３５】
図４は図２（ｂ）に示すような誘起電圧波形の歪みにより発生するトルクリプルの影響を受けた場合のインバータ印加電圧Ｖｄｃの波形、入力電流Ｉａｃの波形、インバータ入力電流Ｉｉｎｖ（全波整流回路２の出力直流電流Ｉｄｃ）の波形を示している。
【００３６】
図５は図４における入力電流Ｉａｃとインバータ入力電流Ｉｉｎｖ（全波整流回路２の出力直流電流Ｉｄｃ）の波形の周波数分析特性を示した図である。
【００３７】
ここで、モータの極数Ｐ、モータ回転数ｆ［ｒｐｓ］、単相交流電源１の周波数ｆｇｅ［Ｈｚ］とすると、インバータ入力電流Ｉｉｎｖ（≒Ｉｄｃ（全波整流回路ｘの出力直流電流））には（主に５次成分、７次成分の影響により）周波数成分が（６×（Ｐ／２）×ｆ）で表される電流歪み周波数成分が現れ、入力電流Ｉａｃにはインバータ入力電流Ｉｉｎｖに含まれる歪み成分の周波数と単相交流電源１の周波数で変調されたサイドバンド成分（６×（Ｐ／２）×ｆ±ｆｇｅ）が現れる。
【００３８】
このサイドバンド成分の振幅は、モータ５の誘起電圧波形の基本波における５次成分あるいは７次成分の含有比率とモータ電流値によりおおよそ算出することができる。よってモータ５の駆動回転数領域（モータの駆動最大回転数）と最大モータ電流値（モータ最大実効電流値）より算出される電流歪み成分の振幅が、許容範囲内となる歪み特性を有した誘起電圧波形のモータを用いることで電源高調波電流特性の向上を図ることができる。
【００３９】
まず、上側サイドバンド成分（６×（Ｐ／２）×ｆ＋ｆｇｅ）の周波数が単相交流電源１の周波数の３９．５倍以上となる場合について説明する。例えば具体的に６極モータ、単相交流電源１の周波数が５０Ｈｚ、最大モータ回転数が１４０ｒｐｓ、最大モータ電流値が７Ａｒｍｓで、適用する電源高調波規制をＩＥＣ６１０００−３−２（相電流＜１６Ａ）とした場合の説明を行う。
【００４０】
この場合、上側サイドバンド成分の周波数は２５７０Ｈｚとなり単相交流電源１の周波数５０Ｈｚの４０倍（２０００Ｈｚ）を超える。このような場合、上側サイドバンド成分周波数の取り得る範囲内で適用される電源高調波規制値が最も低くなるのは、電源周波数の４０倍の周波数で許容されている規制値となり平均値４６ｍＡ（最大値６９ｍＡ）である。これより誘起電圧波形の基本波に対する５次成分あるいは７次成分の含有比率がおよそ０．６６％以下となるモータを用いることでモータ５のトルクリプルに起因した電流歪みでの電源高調波特性悪化をモータ５の全動作領域で抑制することができる。
【００４１】
次に、上側サイドバンド成分（６×（Ｐ／２）×ｆ＋ｆｇｅ）の周波数が単相交流電源１の周波数の３９．５倍未満となる場合について説明する。例えば具体的に６極モータ、単相交流電源１の周波数が５０Ｈｚ、最大モータ回転数が８０ｒｐｓ、最大モータ電流が６Ａｒｍｓで、適用する電源高調波規制をＩＥＣ６１０００−３−２（相電流＜１６Ａ）とした場合の説明を行う。
【００４２】
この場合、上側サイドバンド成分の周波数は１４９０Ｈｚとなり単相交流電源１の周波数５０Ｈｚの２９．８倍となり四捨五入した整数値は偶数値の３０倍となる。このような場合、上側サイドバンド成分周波数の取り得る範囲内で適用される電源高調波規制値が最も低くなるのは、電源周波数の３０倍の周波数で許容されている規制値となり平均値６１．３ｍＡ（最大値９２ｍＡ）である。これより誘起電圧波形の基本波に対する５次成分あ
るいは７次成分の含有率がおよそ１．０２％以下となるモータ５を用いることでモータ５のトルクリプルに起因した電流歪みでの電源高調波特性悪化をモータ５の全動作領域で抑制することができる。
【００４３】
また、最大回転数が７８ｒｐｓの場合は、上側サイドバンド成分の周波数は１４５４Ｈｚとなり単相交流電源１の周波数５０Ｈｚの２９．０８倍となり四捨五入した整数値は奇数値の２９倍となる。このような場合、上側サイドバンド成分周波数の取り得る範囲内で適用される電源高調波規制値が最も低くなるのは、電源周波数の２８倍の周波数で許容されている規制値となり平均値６５．７ｍＡ（最大値９８．６ｍＡ）である。これより誘起電圧波形の基本波に対する５次成分あるいは７次成分の含有率がおよそ１．０９５％以下となるモータ５を用いることでモータ５のトルクリプルに起因した電流歪みでの電源高調波特性悪化をモータ５の全動作領域で抑制することができる。
【００４４】
このようにモータ５の動作範囲内において最大となる上側サイドバンド周波数が単相交流電源周波数の奇数倍となる場合は、それより１つ低い次数の偶数次（偶数次での最大次数）で許容されている規制値に基づいて許容できるモータ５の誘起電圧波形の歪み率を求める。これは図６に示すように規制値は周波数が高くなるほど小さくなり、かつ隣り合う次数において奇数次より偶数次の方が小さくなるためである。
【００４５】
更に、最大モータ電流を抑制することで許容できるモータ５の誘起電圧波形の基本波に対する５次成分あるいは７次成分の含有率を拡大させることができる。例えば最大回転数７８ｒｐｓにおいてモータ最大電流６Ａｒｍｓを２Ａｒｍｓまで抑制することができれば、モータ５の誘起電圧波形の基本波に対する５次成分あるいは７次成分の含有率はおよそ１．０９５％以下からおよそ３．２８５％以下まで許容範囲を拡大することができる。
【００４６】
以上のようにモータ５の最大回転数、最大モータ電流といった最大モータ駆動範囲に応じて許容できる範囲内の誘起電圧歪みを有したモータ５を用いることで、モータ５のトルクリプルに起因する電流歪み成分の抑制を実現する。
【００４７】
このように本発明では、モータ５のトルクリプルによる入力電流の電源高調波電流特性への悪影響を抑制するため、モータ駆動における最大動作条件に応じて許容される誘起電圧歪みを有したモータ５を用いる。これにより必要以上に誘起電圧歪み率を低減することでモータ効率を低下させることなく、また、歪み抑制のためモータ駆動制御における演算時間を増やすことなく、また特別にＰＷＭ周波数の高周波化を行うことなくトルクリプルに起因する電源高調波電流の改善を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上のように、本発明は従来のモータインバータ装置と比較して、最大回転数や最大電流といったモータの駆動範囲に応じて許容される歪み率を有するモータを使用することでモータ駆動制御にける演算時間の増加を抑制し、特別にＰＷＭ周波数の高周波化を行わなくても、実使用上、問題のないレベルで電源高調波電流特性の向上を実現できる。このため予め製品の能力仕様により最大回転数や最大電流が決められる、あるいは使用するモータの減磁特性やインバータを構成するスイッチング素子の電流定格などで最大電流が規定されることが多いエアコンや冷蔵庫の圧縮機駆動をはじめ様々なモータインバータ装置への応用が可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１  単相交流電源
２  全波整流回路
３  インバータ
４  平滑部
５  モータ
６  制御部
１１  単相交流電源
１２  整流手段
１３  平滑部
１４  電動機
１５  電力変換手段
１６  相電流検出器
１７  制御手段
１８  電流制御手段
１９  電流指令生成手段
２０  出力電圧制限手段
２１  座標変換手段
２２  直流電圧検出手段
２３  電源位相検出器
【図１】
2016005348.tif 000015
【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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