JP5748694B2 - モータ駆動制御装置、及び冷凍空気調和装置 - Google Patents
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Description
これは冷凍空気調和装置では、定格運転におけるエネルギー消費効率(COP)を高めるため圧縮機用のモータは、定格回転数付近で電源電圧と同じ出力電圧となるように設計することが多く、それを超える過負荷運転時の高速回転域では昇圧コンバータ回路がなければインバータの出力電圧飽和により出力電流が増大しモータ効率やインバータ効率が低下するためである。
このような直流電圧の昇圧コンバータ回路を具備したモータ駆動制御装置では、直流電圧の昇圧が必要な高速回転の運転領域のみ昇圧コンバータ回路を動作させることで、駆動回路の低損失化を図っている。また、昇圧コンバータ回路を動作させることで三相交流電源の電圧不平衡発生時による三相電流の増大または整流後の直流母線電圧の脈動を抑制することができる(例えば、特許文献1参照)。
昇圧コンバータ回路を動作させない運転状態では、三相電源の相間電圧に不平衡(アンバランス)があると、三相全波整流回路で生成する直流電圧の脈動成分がモータの負荷(冷凍空気調和装置の負荷)に比例して大きくなる。
この電圧脈動が大きくなると、平滑コンデンサに流入するリプル電流が増加し、平滑コンデンサ内部の芯温度が上昇することで、寿命劣化や最悪のケースでは防爆弁作動により故障に至るという課題があった。
また、平滑コンデンサの電圧脈動により、モータの運転状態(冷凍空気調和装置の運転状態)によっては、インバータ回路の出力電圧にも脈動を生じ、モータが駆動する圧縮機やファンモータを安定に駆動できずに異常停止してしまうという課題があった。
また、電圧脈動増大による平滑コンデンサの故障を回避するため、所定の電圧脈動幅を超えないように冷凍空気調和装置の能力(負荷)を絞る制御をしているものもあり、冷凍空気調和装置の能力が十分に発揮できないという課題があった。
また、平滑コンデンサの電圧脈動から不平衡を検知した場合にのみ昇圧動作を行う場合は、昇圧後の電圧脈動が減少することによって動作が不安定になるといった課題があった。つまり、モータの負荷が大きく直流電圧の脈動成分が大きい状態において、昇圧動作を開始すると電圧脈動が減少するが、この電圧脈動の減少を検知して昇圧動作を停止すると、モータの負荷が大きいままの状態では直流電圧の脈動成分が大きくなるため、再び昇圧動作が行われることとなり、制御動作が不安定になる。
図1は、この発明の実施の形態1におけるモータ駆動制御装置を備えた冷凍空気調和装置の構成を示す図である。
図1において、1は三相交流電源、2は三相交流電源1の交流電圧を整流する三相整流器である。三相整流器2は6個の整流ダイオードをブリッジ接続した構成となっている。3は昇圧コンバータ回路である。昇圧コンバータ回路3は、リアクタ4と、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)のようなスイッチング素子5と、例えばファストリカバリダイオードのような逆流防止素子6とにより構成される。
7は昇圧コンバータ回路3の出力を平滑する平滑コンデンサである。8はリアクタ4に流れるリアクタ電流を検出する電流検出部、9は昇圧コンバータ回路3の出力電圧(平滑コンデンサ7の両端の電圧)を検出する電圧検出部である。
10は平滑コンデンサ7で平滑された電圧を交流電圧(PWM電圧)に変換して圧縮機30のモータを駆動するインバータ回路である。インバータ回路10は、例えばIGBTのようなスイッチング素子で構成されている。11はインバータ回路10から圧縮機30のモータに供給される電流を検出するモータ電流検出部である。
20はマイクロコンピュータなどにより構成される制御手段である。制御手段20は、電流検出部8、電圧検出部9の出力信号よりスイッチング素子5を動作させる駆動信号を生成する。また、制御手段20は、モータ電流検出部11の検出信号からインバータ回路10を動作させるPWM駆動信号を生成する。
22は回転数記憶手段である。回転数記憶手段22は、昇圧コンバータ回路3の昇圧動作開始時のモータの回転数を記憶する。
23は昇圧レベル最適化手段である。昇圧レベル最適化手段23は、インバータ回路10のインバータ出力周波数に応じた指令電圧値(昇圧レベル)が予め設定されている。例えば、インバータ出力周波数と指令電圧値との対応テーブルを予め記憶する。
24は電源電圧不平衡検出手段である。電源電圧不平衡検出手段24は、昇圧動作中において、三相交流電源の相電圧の不平衡状態を検出する。詳細は後述する。
図2は、この発明の実施の形態1における制御手段の構成を示す図である。なお、図2においては、昇圧コンバータ回路3の制御に関する構成についてのみ図示している。
図2において、201は電圧指令演算手段である。電圧指令演算手段201は、昇圧コンバータ回路3の出力電圧に対する指令電圧値と、電圧検出部9にて検出した昇圧コンバータ回路3の出力電圧検出値とから電圧指令値を演算する。例えば、電圧指令演算手段201は、指令電圧値と出力電圧検出値との差分を入力とし、電圧指令値を操作量として、比例積分制御(PI制御)を行う。
202は電流指令演算手段である。電流指令演算手段202は、電圧指令演算手段201にて演算した電圧指令値と、電流検出部8にて検出したリアクタ電流とから、スイッチング素子5のスイッチング指令(オンデューティ指令値)を演算する。例えば、電流指令演算手段202は、電圧指令値とリアクタ電流との差分を入力とし、スイッチング素子5のオンデューティ比を操作量として、比例積分微分制御(PID制御)を行う。
203は駆動パルス演算手段である。駆動パルス演算手段203は、電流指令演算手段202にて演算したスイッチング指令に基づいて、キャリア周波数に同期してスイッチング素子5のオンデューティを設定した駆動パルス(PWM指令)を生成する。電源電圧不平衡検出手段24は、電流指令演算手段202にて演算されたスイッチング指令に基づいて、三相交流電源1の電圧不平衡を検出する。詳細は後述する。
まず、三相交流電源1の交流電圧は三相整流器2で整流されて直流電圧になる。昇圧コンバータ回路3の昇圧動作が停止状態の場合には、三相整流器2で整流されて直流電圧が平滑コンデンサ7により平滑されてインバータ回路10に入力される。
制御手段20により昇圧コンバータ回路3の昇圧動作が開始されると、昇圧コンバータ回路3のスイッチング素子5のオンオフが制御され、そのチョッピングにより、三相整流器2からの直流電圧は昇圧される。
ここで、昇圧コンバータ回路3において、スイッチング素子5がオンした場合には、逆流防止素子6は導通が阻止され、リアクタ4には三相整流器2によって整流された電圧が印加される。一方、スイッチング素子5がオフした場合には、逆流防止素子6は導通し、リアクタ4には、スイッチング素子5オン時と逆向きの電圧が誘導される。このとき、エネルギーの観点からは、スイッチング素子5のオン時にリアクタ4に蓄積されたエネルギーが、スイッチング素子5のオフ時に負荷であるインバータ回路10へ移送されると見ることができる。したがって、スイッチング素子5のオンデューティを制御することで、昇圧コンバータ回路3の出力電圧を制御することができる。
図3は、この発明の実施の形態1における昇圧コンバータの制御動作を示すフローチャートである。
制御手段20は、インバータ回路10を動作させ圧縮機30のモータが駆動状態において、昇圧コンバータ回路3の制御動作を開始する。なお、初期状態において昇圧コンバータ回路3は停止状態である。
以下、昇圧コンバータ回路3の制御動作を、図3の各ステップに基づき説明する。
直流電圧脈動幅検出手段21は、電圧検出部9により検出された直流電圧の脈動幅(リプル電圧ΔV)を検出する。
制御手段20は、圧縮機30のモータの回転数(以下「圧縮機回転数」ともいう)が、予め設定した高速運転時の回転数(通常昇圧領域)であるか否かを判断する。
圧縮機回転数が高速運転時の回転数の際は、インバータ回路10の出力電圧指令値が、入力電圧(三相整流器2の直流電圧)よりも大きい過変調となるため、三相交流電源1が不平衡状態であるか否かに関わらず昇圧動作を行う必要がある。制御手段20は、昇圧コンバータ回路3のスイッチング素子5を制御して昇圧動作を開始させる。この昇圧動作における指令電圧値(昇圧レベル)については後述する。
これにより、通常の昇圧領域では、後述する電源電圧不平衡検出手段24による検出値が所定値より低い場合であっても昇圧動作が行われる。
一方、圧縮機回転数が高速運転時の回転数(通常昇圧領域)でない場合、ステップS10で検出した直流電圧の脈動幅(リプル電圧ΔV)が、所定の閾値よりも大きいか否かを判断する。この閾値は、平滑コンデンサ7に流入するリプル電流による芯温度上昇値、素子寿命などを考慮し、直流電圧の脈動幅が許容範囲内に収まるような値に設定する。
直流電圧の脈動幅(リプル電圧ΔV)が所定の閾値以下の場合は、ステップS16に進む。
直流電圧の脈動幅(リプル電圧ΔV)が所定の閾値よりも大きい場合、制御手段20は、現在の圧縮機回転数を、昇圧動作開始時の回転数(N1)として回転数記憶手段22に記憶させる。この圧縮機回転数は、インバータ回路10の出力周波数から検知することができる。
(S15)
次に、制御手段20は、昇圧コンバータ回路3のスイッチング素子5を制御して昇圧動作を開始させる。この昇圧動作における指令電圧値(昇圧レベル)について図4により説明する。
昇圧レベル最適化手段23には、インバータ回路10のスイッチングによる損失を低減するために、予めインバータ出力周波数に応じた最適な直流電圧値をテーブル化して記憶している。例えば図4に示すように、インバータ出力周波数(モータの回転数)に応じた母線電圧(インバータ回路10の入力電圧)の関係が予め設定されている。
制御手段20は、昇圧レベル最適化手段23に設定されたテーブルを参照して、インバータ出力周波数に応じた昇圧量(指令電圧値)により、昇圧コンバータ回路3のスイッチング素子5を駆動する。これにより、昇圧動作中においては、母線電圧が、昇圧レベル最適化手段23に設定されたインバータ出力周波数に応じた最適な直流電圧に昇圧される。
ステップS13において、直流電圧の脈動幅(リプル電圧ΔV)が所定の閾値以下の場合、制御手段20は、昇圧コンバータ回路3の昇圧動作を継続して実施しているか否かを判断し、昇圧動作を継続実施していない場合は、ステップS20に進み、昇圧コンバータ回路3の停止処理を行う。
昇圧動作を継続実施している場合、制御手段20は、回転数記憶手段22に記憶された昇圧動作開始時の圧縮機回転数(N1)を参照し、現在の圧縮機回転数が昇圧動作開始時の圧縮機回転数(N1)よりも大きいか否かを判断する。
現在の圧縮機回転数が昇圧動作開始時の圧縮機回転数(N1)よりも大きくない場合、ステップS20に進み、昇圧コンバータ回路3の停止処理を行う。
一方、現在の圧縮機回転数が昇圧動作開始時の圧縮機回転数(N1)よりも大きい場合、上述したステップS15に進み、昇圧コンバータ回路3の昇圧動作を開始(継続)する。
このような動作により、昇圧動作が開始して直流電圧の脈動幅が減少した場合においても、圧縮機回転数が昇圧動作開始時の回転数より高い場合は、常に昇圧コンバータ回路3の昇圧動作を継続することが可能となる。
次に、電源電圧不平衡検出手段24は、昇圧コンバータ回路3のスイッチング素子5を駆動するスイッチング指令の変化から、昇圧動作時における三相交流電源1の不平衡状態を検知する。
昇圧コンバータ回路3により電圧を昇圧する場合、電流指令演算手段202が演算したスイッチング指令値Dには次の関係がある。
図5において、左側は三相交流電源1に電圧不平衡がない場合(電源不平衡なし)を示し、右側は三相交流電源1に電圧不平衡がある場合(電源不平衡あり)を示している。また、上段のグラフは三相交流電源1の各相の電圧波形を示し、中段は三相整流器2の出力電圧Ed(整流後の電圧)を示し、下段はスイッチング指令値Dを示している。
一方、電源不平衡がある場合、図5右側中段に示すように、三相整流器2の出力電圧Edの電圧変動幅(最大値と最小値との差分)は周期により変化し、図5右側下段に示すように、スイッチング指令値Dの変化幅(最大値と最小値との差分)が大きくなる。
このようなことから、三相交流電源1の電圧不平衡を直接検出することなく、スイッチング指令値Dの変化幅を求めることにより、電源不平衡の発生を検知することが可能となる。
電源不平衡の大きさが所定値以下の場合は、ステップS20に進み、昇圧コンバータ回路3の停止処理を行う。
このように、昇圧動作条件が成立し昇圧動作が継続している場合において、電源電圧不平衡検出手段24により検出された不平衡状態が所定値より低下すると、圧縮機回転数が回転数記憶手段22により記憶された回転数より高くても昇圧コンバータ回路3の昇圧動作を停止する。
電源不平衡の大きさが所定値より大きい場合、制御手段20は、昇圧コンバータ回路3の昇圧動作を継続して実施する。
制御手段20は、昇圧コンバータ回路3の停止処理として、回転数記憶手段22に記憶された回転数(N1)をリセットさせる。
(S21)
制御手段20は、昇圧コンバータ回路3のスイッチング素子5の動作を停止させ、昇圧動作を停止させる。
このため、交流電源の相間電圧に不平衡がある場合であっても、平滑コンデンサの寿命劣化を抑制し、制御の安定性の向上および信頼性の向上を図ることができる。
また、電源不平衡時においても冷凍空調能力を過剰に抑制することなく冷凍空気調和装置の性能を十分に発揮することができ、直流平滑コンデンサの保護が可能となる。
図6は、この発明の実施の形態2におけるモータ駆動制御装置を備えた冷凍空気調和装置の構成を示す図である。
図6に示すように、本実施の形態2におけるモータ駆動制御装置は、上記実施の形態1の構成(図1)に加え、入力電力演算手段25と、コンバータ動作可否判定手段26とを備えている。
コンバータ動作可否判定手段26は、入力電力演算手段25により検出された入力電力に基づき、昇圧コンバータ回路3の昇圧動作の可否を判定する。
なお、その他の構成は実施の形態1と同様であり、同一部分には同一の符号を付する。
以下、本実施の形態2における動作を、実施の形態1との相違点を中心に説明する。なお、実施の形態1と同一の動作には、同一のステップ番号を付し説明を省略する。
(S31)
入力電力演算手段25は、インバータ回路10からモータに供給される入力電力を検出する。
コンバータ動作可否判定手段26は、入力電力演算手段25により検出された入力電力が所定電力よりも大きい場合、昇圧動作が可能であると判定し、入力電力演算手段25により検出された入力電力が所定電力以下の場合、昇圧動作が可能でないと判定する。
制御手段20は、コンバータ動作可否判定手段26の判定結果に基づき、昇圧動作が可能である場合はステップS15に進み、昇圧動作が可能でない場合はステップS20に進む。これにより、入力電力が所定電力以下である軽負荷時には、昇圧動作を行わないように制御する。
また、昇圧動作中において、圧縮機回転数が回転数記憶手段22により記憶された回転数N1を上回っている場合においても、コンバータ動作可否判定手段26により否と判断された場合は昇圧動作を停止する。
同様に電源電圧不平衡検出手段24による検出値が所定値を超えている場合においても、コンバータ動作可否判定手段26により否と判断された場合は、昇圧動作を停止する。
このため、入力電力が所定電力以下である軽負荷時には、昇圧動作を行わないように制御することができる。また、昇圧動作を行うと電源電流が不連続となる場合の整流回路の損失を低減させることができ、信頼性が向上できる。
図8は、この発明の実施の形態3におけるモータ駆動制御装置を備えた冷凍空気調和装置の構成を示す図である。
図8に示すように、本実施の形態3におけるモータ駆動制御装置は、上記実施の形態2の構成(図6)に加え、圧縮機30の吐出圧力を検出する高圧圧力検出手段34を備えている。
本実施の形態における入力電力演算手段25は、高圧圧力検出手段34により得られた高圧圧力の検出値と、圧縮機回転数(インバータ出力周波数)とから入力電力を演算する。
なお、その他の構成は実施の形態2の構成(図6)と同様であり、昇圧コンバータ回路3の制御動作も実施の形態2のフローチャート(図7)と同様である。
このような構成においても、上記実施の形態2と同様の効果を得ることができる。
Claims (10)
- 交流電源から供給された交流電圧を整流する整流器と、
リアクタ、スイッチング素子および逆流防止素子を有し、前記整流器の出力電圧をチョッピングにより昇圧する昇圧コンバータ回路と、
前記昇圧コンバータ回路の出力を平滑する平滑コンデンサと、
前記平滑コンデンサで平滑された直流電圧を検出する電圧検出部と、
前記直流電圧を交流電圧に変換し、該交流電圧をモータに供給するインバータ回路と、
前記昇圧コンバータ回路のスイッチング素子を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記電圧検出部により検出された直流電圧の脈動幅が所定の閾値よりも大きくなったとき、前記インバータ回路が交流電圧を供給する前記モータの回転数を記憶するとともに、前記昇圧コンバータ回路による昇圧動作を開始させ、
前記モータの回転数が、記憶した前記回転数よりも大きい場合、前記昇圧コンバータ回路による昇圧動作を継続させる
ことを特徴とするモータ駆動制御装置。 - 前記制御手段は、
前記モータの回転数が、記憶した前記回転数を下回る場合、前記昇圧コンバータ回路による昇圧動作を停止させる
ことを特徴とする請求項1記載のモータ駆動制御装置。 - 前記制御手段は、
前記モータの回転数に応じた指令電圧値が予め設定され、
前記昇圧コンバータ回路による昇圧動作時に、該昇圧コンバータ回路の出力電圧が前記指令電圧値となるように、前記昇圧コンバータ回路のスイッチング素子を制御する
ことを特徴とする請求項1または2記載のモータ駆動制御装置。 - 前記リアクタに流れるリアクタ電流を検出する電流検出部を備え、
前記制御手段は、
前記電圧検出部により検出された前記直流電圧、前記電流検出部により検出された前記リアクタ電流、及び前記昇圧コンバータ回路の指令電圧値に基づき、前記指令電圧に対する前記整流器の出力電圧の割合に応じたスイッチング指令値を求め、
前記スイッチング指令値に基づき、前記昇圧コンバータ回路のスイッチング素子の駆動を制御すると共に、前記交流電源の電圧不平衡の大きさを検出し、
前記交流電源の電圧不平衡の大きさが所定値を下回る場合、前記昇圧コンバータ回路による昇圧動作を停止させる
ことを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載のモータ駆動制御装置。 - 前記インバータ回路から前記モータに供給される入力電力を検出する入力電力検出手段を備え、
前記制御手段は、
前記電圧検出部により検出された直流電圧の脈動幅が所定の閾値よりも大きくなり、且つ、前記入力電力検出手段により検出された入力電力が所定電力よりも大きくなったとき、前記インバータ回路が交流電圧を供給する前記モータの回転数を記憶するとともに、前記昇圧コンバータ回路による昇圧動作を開始させ、
前記モータの回転数が、記憶した前記回転数よりも大きい場合であって、前記入力電力検出手段により検出された入力電力が所定電力よりも大きい場合、前記昇圧コンバータ回路による昇圧動作を継続させる
ことを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載のモータ駆動制御装置。 - 前記入力電力検出手段は、
前記インバータ回路の出力電圧指令値と前記インバータ回路の出力電流とに基づき前記入力電力を演算する
ことを特徴とする請求項5記載のモータ駆動制御装置。 - 前記スイッチング素子および前記逆流防止素子の少なくとも一方は、
ワイドバンドギャップ半導体によって形成されている
ことを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載のモータ駆動制御装置。 - 前記ワイドバンドギャップ半導体は、
炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドである
ことを特徴とする請求項7記載のモータ駆動制御装置。 - 請求項1〜8の何れか一項に記載のモータ駆動制御装置と、
前記モータ駆動制御装置によって駆動されるモータを有する圧縮機と、
前記圧縮機、凝縮器、絞り手段、及び蒸発器を有し、冷媒を循環させる冷媒回路とを備えた
ことを特徴とする冷凍空気調和装置。 - 請求項5記載のモータ駆動制御装置と、
前記モータ駆動制御装置によって駆動されるモータを有する圧縮機と、
前記圧縮機、凝縮器、絞り手段、蒸発器を有し、冷媒を循環させる冷媒回路と、
を有し、
前記入力電力検出手段は、
前記圧縮機の吐出圧力と、前記圧縮機の回転数とに基づき前記入力電力を演算する
ことを特徴とする冷凍空気調和装置。
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