JP6305546B2 - 電動機駆動装置及びこれを用いた空気調和装置あるいは冷凍空調装置 - Google Patents

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Description

この発明は、負荷状態に応じて制御される電動機駆動装置及びこれを用いた空気調和装置あるいは冷凍空調装置に関するものである。
空気調和装置あるいは冷凍空調装置は、例えば直流ブラシレスモータ等の電動機により駆動する圧縮機を有しており、直流ブラシレスモータはコンバータ及びインバータを有する駆動制御装置によりPWM制御されている。そして、空調負荷等に合わせて圧縮機の容量が調整され、空調負荷が高い場合には大きい出力電圧が印加されるようにPWM信号を制御し、軽負荷状態の場合には小さい出力電圧が印加されるようにPWM信号を制御する。
上述した電動機をパルス幅変調により駆動制御する際、種々の手法が提案されている(特許文献1−3参照)。特許文献1、2には、運転条件に合わせてパルス幅変調に用いるキャリア周波数が変動することにより、安定した運転を可能にすることが開示されている。特許文献3には、直流電流の検出に基づいて、出力させる電圧値の最小値が固定され、あるいはデッドタイムの最小値が変更されることにより、出力電圧のON時間の最小値が設定され、安定した運転を行うことが示されている。
特開2000−316294号公報 特開2008−236944号公報 国際公開第2003/030348号
特許文献1−3のように、直流電圧の変化もしくは直流電流に応じてパルス幅変調の制御方法を調整しても、電動機の制御が不安定になる場合がある。すなわち、例えば空気調和装置あるいは冷凍空調装置において、電源電圧、圧力条件、設置される温度等の使用条件が特定されることにより、性能及び信頼性を最適に発揮できるように制御している。したがって、空気調和装置あるいは冷凍空調装置が軽負荷状態である場合、圧縮機も回転数を上げる必要がなく低回転になるように制御される。ここで、軽負荷状態であって駆動制御装置における母線電圧が高い場合、出力電圧のパルス幅が小さくなりすぎ、デッドタイムの影響等を考慮すると、出力電圧は方形波として出力されず、出力電流は歪んだ波形になり、電動機の制御が不安定になる。
本発明は、上記のよう課題を解決するためになされたもので、電動機が軽負荷状態であっても安定した制御を行うことができる電動機駆動装置及びこれを用いた空気調和装置あるいは冷凍空調装置を提供することを目的とするものである。
本発明の電動機駆動装置は、電動機の駆動を制御する電動機駆動装置であって、交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、コンバータにおいて変換された直流電圧を交流からなる出力電圧に変換して電動機に印加するインバータと、インバータに印加される直流電圧の値を検知する電圧検知部と、インバータの動作を制御する駆動制御部とを有し、駆動制御部は、電動機の運転周波数を設定する周波数設定部と、周波数設定部において設定された運転周波数が設定周波数閾値以下であるか否かを判定する周波数判定部と、直流電圧の値が設定電圧閾値以上であるか否かを判定する電圧判定部と、周波数設定部において設定された運転周波数に基づいてインバータを制御するものであって、周波数判定部により運転周波数が設定周波数閾値以下であると判定されるとともに、電圧判定部により直流電圧が設定電圧閾値以上であると判定された場合、出力電流の歪みが抑制されるようにインバータを制御するインバータ制御部とを備え、インバータ制御部は、運転周波数が設定周波数閾値以下であって直流電圧の値が設定電圧閾値以上であると判定された場合、出力電圧が予め設定された固定出力電圧になるようにインバータを制御し、運転周波数が設定周波数閾値より大きいと判定され、もしくは直流電圧が設定電圧閾値未満であると判定された場合、ベクトル制御によりインバータを制御するものである
本発明によれば、直流電圧値が設定電圧閾値以上であって運転周波数が設定周波数閾値以下である場合、出力電流の歪みを抑制するようにインバータを制御することにより、軽負荷での駆動で直流電圧値が高い場合であっても圧縮機へ供給される電流が歪んだ波形になるのを防止し、安定した制御を行うことができる。
本発明の実施の形態1に係る電動機駆動装置を用いた空気調和装置あるいは冷凍空調装置の一例を示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態1に係る電動機駆動装置の一例を示す構成図である。 図1及び図2の電動機駆動装置の動作例を示すフローチャートである。 固定出力電圧の設定からベクトル制御に移行するまでの一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態2に係る空気調和装置あるいは冷凍空調装置の駆動制御部の動作例を示すフローチャートである。 正弦波PWM制御時に出力される出力電圧及びPWM信号の一例を示すグラフである。 矩形波PWM制御時に出力される出力電圧及びPWM信号の一例を示すグラフである。 本発明の実施の形態3に係る空気調和装置あるいは冷凍空調装置の駆動制御部の動作例を示すフローチャートである。 図7における異なる相の信号波と第1キャリア周波数及び第2キャリア周波数と線間電圧との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態4に係る空気調和装置あるいは冷凍空調装置の駆動制御部の動作例を示すフローチャートである。 図9における第1デッドタイム及び第2デッドタイムに設定した際の信号波のPWM出力及び線間電圧の一例を示すグラフである。 本発明の実施の形態5に係る空気調和装置あるいは冷凍空調装置の駆動制御部の動作例を示すフローチャートである。 図11における出力電圧が第1補正量又は第2補正量により補正された場合の線間電圧の一例を示すグラフである。 本発明の実施の形態6に係る空気調和装置あるいは冷凍空調装置の駆動制御部の動作例を示すフローチャートである。 冷媒としてR410A冷媒を用いた場合の運転範囲における吐出圧力と吸入圧力との関係を示すグラフである。
実施の形態1.
以下、本発明の電動機駆動装置の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図1は本発明の実施の形態1に係る電動機駆動装置を用いた空気調和装置あるいは冷凍空調装置の一例を示す冷媒回路図である。図1の電動機駆動装置1は、交流電源CPから供給される電力を変換し、空気調和装置あるいは冷凍空調装置100における圧縮機2のモータ(負荷)を回転駆動させるものである。空気調和装置あるいは冷凍空調装置100は、室外機1A及び室内機1Bを有しており、室外機1A及び室内機1Bは冷媒配管により接続された冷媒配管を構成している。
室外機1A側には、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機2と、冷房運転と暖房運転とにおいて冷媒流路を切り替える流路切替器3と、冷媒と室外空気とを熱交換する室外熱交換器4と、室外熱交換器4に送風を行う室外ファン5とが設置されている。一方、室内機1B側には、冷媒回路を流れる冷媒を膨張させる絞り装置6と、冷媒と室内空気とを熱交換する室内機側熱交換器7と、室外熱交換器4に送風を行う室内ファン8が設置されている。このうち、圧縮機2は、例えば直流ブラシレスモータからなる電動機Mを有するものであり、電動機Mの動作は電動機駆動装置1により制御されている。
図2は、本発明の実施の形態1に係る電動機駆動装置の一例を示す構成図であり、図1及び図2を参照して電動機駆動装置1について説明する。電動機駆動装置1は、例えば室外機1A側に設けられており、商用電源等から供給される交流電圧を変換して電動機Mに供給する電力変換部20と、電力変換部20の動作を制御する駆動制御部30とを備えている。
電力変換部20は、コンバータ21、コンデンサ22、インバータ23を備えている。コンバータ21は、例えば3相交流電源CPの交流電圧(例えばAC200V)を直流電圧に変換するものであって、たとえば6個のダイオードをブリッジ接続した3相全波整流器からなっている。なお、交流電源CPは3相3線や3相4線などの交流電源(商用電源)からなっている。コンデンサ22は、コンバータ21において変換された直流電圧を平滑させるものである。なお、図2において、コンバータ21とコンデンサ22との間に昇圧チョッパ回路が挿入されたものであってもよい。
インバータ23は、空気調和装置あるいは冷凍空調装置100の圧縮機2のモータ等の電動機Mに接続されており、コンデンサ22に蓄電されている直流電圧を交流からなる出力電圧Voutに変換して電動機Mに供給するものである。インバータ23は、例えば絶縁ゲート入力を持つ複数のスイッチング素子SW1〜SW6と、各スイッチング素子SW1〜SW6に逆並列接続されたダイオードD1〜D6とを有している。なお、上述したコンバータ21とインバータ23には、例えばIGBTやサイリスタ、パワーMOSFET、FWDなどのパワー半導体が用いられており、その材質にはシリコンや炭化シリコン、窒化ガリウム、もしくは炭化ケイ素(SiC)素子等のワイドバンドギャップ半導体が用いられている。そして、インバータ23におけるスイッチング素子SW1〜SW6のスイッチング動作は、駆動制御部30により制御されている。
次に、図2を参照して電力変換部20の動作例について説明する。まず、交流電源CPから交流電圧がコンバータ21に供給され、コンバータ21において直流電圧に整流される。その後、整流された直流電圧はコンデンサ22へ供給され、コンデンサ22において蓄電された電圧がインバータ23に供給される。そして、インバータ23において各スイッチング素子SW1〜SW6がスイッチング制御されることにより、出力電圧Voutが生成され、圧縮機2の電動機Mに供給される。
上述のように、インバータ23の動作は、たとえばDSP等のマイクロコンピュータから構成された駆動制御部30により制御されている。この際、駆動制御部30は、各種センサにより検知された情報に基づいてインバータ23の動作を制御するようになっている。具体的には、図1の電動機駆動装置1は、圧縮機2に吸入される冷媒の吸入圧力を検知する吸入圧力検知部11と、圧縮機2から吐出される冷媒の吐出圧力を検知する吐出圧力検知部12と、圧縮機2に吸入される冷媒の温度を検知する吸入温度検知部13と、圧縮機2から出力される冷媒の温度を吐出温度検知部14と、外気温度を検知する外気温度検知部17とを備えている。また、図2に示すように、電動機駆動装置1は、コンバータ21において変換された(もしくはコンデンサ22に蓄電された)直流電圧Vdcを検知する電圧検知部15と、圧縮機2の電動機Mに流れる電流を検知する電流検知部16とを備えている。そして、駆動制御部30は、これらの各種センサにより検知された情報に基づいてインバータ制御を行うようになっている。
駆動制御部30は、インバータ制御部31、電圧判定部32、周波数判定部33を有している。インバータ制御部31は、電動機Mに印加する出力電圧Voutを設定するものである。インバータ制御部31は、例えば外部から入力される運転周波数指令と、電圧検知部15より検出された直流電圧Vdcとに基づいて、所望の出力電圧Voutを算出する。そして、インバータ制御部31は、算出された出力電圧Voutが得られるように、インバータ23の複数のスイッチング素子を駆動するためのPWM信号を生成する。インバータ制御部31は、インバータ23における上アーム側(スイッチング素子SW1〜SW3側)及び下アーム側(スイッチング素子SW4〜SW6側)のそれぞれにPWM信号を出力する。
電圧判定部32は、電圧検知部15により検知された直流電圧Vdcが設定電圧閾値Vref以上か否かを判定するものである。また、電圧判定部32は、判定結果を固定値設定フラグFRAGとして記憶させる機能を有している。電圧判定部32は、直流電圧Vdcの値が設定電圧閾値Vref以上である場合には固定値設定フラグFRAG=1に設定し、直流電圧Vdcの値が設定電圧閾値Vref未満である場合は固定値設定フラグFRAG=0に設定する。
周波数判定部33は、インバータ制御部31において設定された運転周波数fが設定周波数閾値fref以下であるか否かを判定するものである。周波数判定部33には、例えば25Hzというように予め設定周波数閾値frefが記憶されており、運転周波数fと設定周波数閾値frefとを比較する。空気調和装置あるいは冷凍空調装置100において、空調負荷が高くなるほど圧縮機2に印加する出力電圧Voutを大きくする必要があり、出力電圧Voutを大きくするためには運転周波数fを高くする必要がある。言い換えれば、運転周波数fが設定周波数閾値fref以下である状態は、空調負荷が低い状態であることを意味する。
ここで、軽負荷状態であって母線電圧が高い場合、出力電圧のパルス幅が小さくなりすぎ、デッドタイムの影響等を考慮すると、出力電圧Voutは方形波として出力されず、出力電流は歪んだ波形になり、モータの制御が不安定になる。そこで、電圧判定部32及び周波数判定部33において、空気調和装置あるいは冷凍空調装置100が軽負荷状態であって直流電圧Vdc(母線電圧)が高い状態であるかを判定し、インバータ制御部31は、軽負荷状態であって直流電圧Vdcが高い状態である場合には、出力電圧Voutの歪みが抑制されるようにインバータ23を制御するようになっている。
具体的には、インバータ制御部31は、電圧判定部32により直流電圧Vdcが設定電圧閾値Vref以上であると判定されるとともに、周波数判定部33において運転周波数fが設定周波数閾値fref以下であると判定された場合、予め設定された固定出力電圧Vfixを出力電圧Voutとして設定する。言い換えれば、運転周波数fが低い場合であっても、出力電圧Voutは固定出力電圧Vfix以下に設定されることを防止している。
一方、運転周波数fが設定周波数閾値frefより大きいと判定され、もしくは直流電圧Vdcが設定電圧閾値Vref未満であると判定された場合、インバータ制御部31は、ベクトル制御によりPWM信号を出力する。なお、ベクトル制御は、モータに流れる電流のうち、トルクになる電流(トルク分電流)と回転子に磁界を発生させるための電流(励磁電流)を分けて、モータ電流の方向をベクトル演算し制御することを意味する。
図3は図1及び図2の電動機駆動装置の動作例を示すフローチャートであり、図1から図3を参照して電動機駆動装置1の動作例について説明する。まず、交流電源CPから交流電力が電動機駆動装置1の電力変換部20に供給されると、コンバータ21において直流に変換され、コンデンサ22により平滑化される。この際、電圧検知部15において直流電圧Vdcが検知される(ステップST1)。次に、電圧判定部32において、直流電圧Vdcが設定電圧閾値Vref以上か否かが判定される(ステップST2)。直流電圧Vdcの値が設定電圧閾値Vref以上である場合、固定値設定フラグFRAGが「1」に設定される(ステップST3)。一方、直流電圧Vdcの値が設定電圧閾値Vref未満の場合、固定値設定フラグFRAGが「0」に設定される(ステップST4)。
その後、空気調和装置あるいは冷凍空調装置100の運転が開始されると(ステップST5)、空気調和装置あるいは冷凍空調装置100における室内機1B等の図示しない動作設定装置からインバータ制御部31に運転周波数指令が送信され(ステップST6)、インバータ制御部31において運転周波数fが読み込まれる(ステップST7)。運転周波数fが設定周波数閾値fref以下であるとともに(ステップT8のYES)、固定値設定フラグFRAGが「1」である場合(ステップST9のYES)、インバータ制御部31において出力電圧Voutは固定出力電圧Vfixに設定される(ステップST10)。一方、固定値設定フラグFRAGが「0」である場合(ステップST9のNO)、もしくは運転周波数fが設定周波数閾値frefより大きい場合(ステップST10のNO)、インバータ制御部31においてベクトル制御を用いて出力電圧Voutが設定される。そして、設定された出力電圧VoutになるようにPWM信号がインバータ制御部31からインバータ23へ出力される。
具体例で示すと、直流電圧Vdcの設定電圧閾値Vrefが680V、運転周波数fの設定周波数閾値frefが25Hz、固定出力電圧(最小固定値)Vfixが60Vであり、交流電源が400Vrms又は575Vrmsの交流電力が供給されるものとする。この場合、直流電圧Vdcは、交流電圧の21/2倍となるため、交流電源が400Vrmsの場合には400Vrms×21/2=565Vになり、交流電源が575Vrmsの場合には575Vrms×21/2=813Vになる。
交流電源が575Vrmsである場合、813V(直流電圧Vdc)>680V(設定電圧閾値Vref)であるため(ステップST2)、固定値設定フラグFRAGは「1」になる(ステップST3)。また、交流電源が575Vの場合、例えば室外機の温度が0℃以下で室内機の運転台数が1台のような軽負荷状態のとき、運転周波数fは低くなり例えば15Hzになる。すると、周波数判定部33において15Hz(運転周波数f)<25Hz(設定周波数閾値fref)であると判定され(ステップST8)、固定値設定フラグFRAGは「1」であるため(ステップST9のYES)、出力電圧Voutが固定出力電圧Vfixに設定される(ステップST10)。すなわち、出力電圧Voutの最小値が60Vであるので、出力電圧が60Vを下回る出力設定となる場合は、力率を下げ、出力を60V以下にならないように制御し運転を行う。以上のように、交流電源が575Vrmsと上昇した場合は、不安定な制御が解消され、軽負荷状態での運転が可能になる。
一方、交流電源400Vrmsの場合は、565V(直流電圧Vdc)<680V(設定電圧閾値Vref)になるため(ステップST9)、出力電圧の固定値制御が行われずベクトル制御によりPWM信号が出力される(ステップST11)。よって、ベクトル制御でのPWM出力を行い、最適な運転制御が行われる。このように、運転範囲の全域において効率のよい運転が行われることになる。
実施の形態1によれば、直流電圧Vdcが高く、運転周波数fが設定周波数閾値fref以下になるような軽負荷状態で駆動する場合に、出力電圧Voutに歪みが発生するのを防止するように、固定出力電圧Vfixが出力電圧Voutとして出力されるようにインバータ制御することにより、効率の良い運転を行うことができる。その後、運転周波数fが設定周波数閾値frefより大きくなった場合、インバータ制御部31はベクトル制御へ移行しPWM出力を行うことにより、効率的な運転制御を行うことができる。
すなわち、直流電圧Vdcが高く、且つ、軽負荷状態であるとき、出力電圧Voutの歪みが相対的に大きくなり、電動機Mの制御が不安定な制御になる。ここで、軽負荷状態となるのは運転周波数fが低いときである。このため、運転周波数fが設定周波数閾値frefよりも大きいか否かを判定することにより、軽負荷状態であるか否かを判断する。例えば少ない台数の室内機の運転指令の場合、室外機は低い運転周波数を指令値として制御装置側へ送信するため、運転周波数fは小さくなる。また、軽負荷状態であっても電源電圧が低い場合に出力電圧Voutを固定出力電圧Vfixに設定すると、力率が悪化するために、直流ブラシレスモータの効率を悪化させ、モータの発熱によるモータ破損の原因となる。そこで、インバータ制御部31は、直流電圧Vdcが設定電圧閾値Vref以上であって運転周波数fが設定周波数閾値fref以下である場合に出力電圧Voutが固定出力電圧Vfixになるように設定する。すると、出力電流に歪みが発生するのを防止して圧縮機2が効率の良い運転を行うことができるようになる。
図4は、固定出力電圧の設定からベクトル制御に移行するまでの一例を示すフローチャートである。図4に示すように、起動時において配管内の気化冷媒量が少ない状態であり(ステップST21)、この状態で運転が開始されると(ステップST22)、低い運転周波数fが指令され(ステップST23)、固定出力電圧Vfixに基づくPWM信号の生成が行われる(ステップST24)。出力電圧Voutが固定出力電圧Vfixの場合には力率が低いために無効電力が増加し(ステップST25)、圧縮機2が効率の悪い運転を実施し(ステップST26)、無効電力により圧縮機2内のモータの温度が上がる(ステップST27)。
その後、圧縮機2の運転により配管内の冷媒が薄くなり(ステップST28)、圧縮機2の吸入側の過熱度SHが低くなる(ステップST29)。すると、空気調和装置あるいは冷凍空調装置100の空調能力が低下する(ステップST30)。そのため、駆動制御部30は空調能力を上げるために運転周波数fを最低運転周波数である例えば15Hzから徐々に上げていく。そして、運転周波数fが設定周波数閾値frefより大きくなった場合にベクトル制御に移行する(ステップST31)。これにより、力率が改善され、無効電力が減少し(ステップST32)、圧縮機の効率が良くなることで(ステップST33)、モータの温度が最適な温度になる(ステップST34)。
実施の形態2.
図5は、本発明の実施の形態2に係る空気調和装置あるいは冷凍空調装置の駆動制御部の動作例を示すフローチャートであり、図5を参照して実施の形態2における駆動制御部の動作例について説明する。なお、図5の駆動制御部の動作例において、図1から図4と同一の構成又は工程を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。図5の実施の形態2が、図1から図4の実施の形態1と異なる点は、直流電圧Vdc及び運転周波数fに応じて正弦波PWM方式と矩形波PWM方式とを切替える点である。
図5において、運転周波数fが設定周波数閾値fref以下で、且つ、直流電圧Vdcが設定電圧閾値Vref以上(固定値設定フラグFRAG=1)である場合、インバータ制御部31は、矩形波PWM制御を用いてPWM信号が生成されるように制御する(ステップST40)。一方、運転周波数fが設定周波数閾値frefより大きい、もしくは固定値設定フラグFRAG=0の場合、インバータ制御部31は、正弦波PWM制御を用いてPWM信号が生成されるように制御する(ステップST41)。
図6Aは正弦波PWM制御時に出力される出力電圧及びPWM信号の一例を示すグラフである。図6Aに示すように、正弦波PWM制御方式において、PWM信号のON時間が変化することにより、電動機Mへ印加される出力電圧Voutが正弦波になるように制御し、出力電流も正弦波出力に近い波形となる。そのため、モータの騒音や振動、効率、トルク脈動等の特性は、矩形波PWM制御よりも良くなる。空気調和装置あるいは冷凍空調装置100の場合、通常、モータの騒音や振動などの影響が少ないようにするために正弦波PWM制御を用いてPWM信号を出力している。これにより、出力電圧Voutに歪みが発生するのを防止し、騒音や振動の影響が少なく抑えることができるとともに、電圧ON時間を固定となるため、不安定な制御の解消が可能となる。
図6Bは矩形波PWM制御時に出力される出力電圧及びPWM信号の一例を示すグラフである。矩形波PWM制御時において、ON時間が固定された方形波の出力電圧Voutが圧縮機2の電動機Mへ印加される。この場合、ON時間が固定されているため、出力電流に歪みが生じるのを防止することができる。なお、運転周波数fが高くなるにつれ、あるいは過負荷状態での駆動になるにつれ、電動機Mの振動や騒音が大きくなる。しかしながら、直流電圧Vdcが設定電圧閾値Vref未満であり、もしくは運転周波数fが設定周波数閾値frefより大きくなれば、上述したように正弦波PWM制御を行うようにしている。これにより、高い負荷状態になった場合には、効率的なPWM制御を行うことができる。
上記実施の形態2によれば、直流電圧Vdcが高く、運転周波数fが設定周波数閾値fref以下になるような軽負荷状態で駆動する場合に、出力電流に歪みが発生するのを防止するように、矩形波PWM制御を用いてインバータ制御することにより、効率の良い運転を行うことができる。その後、運転周波数fが設定周波数閾値frefより大きくなった場合、インバータ制御部31は正弦波PWM制御へ移行しPWM出力を行うことにより、効率的な運転制御を行うことができる。
実施の形態3.
図7は、本発明の実施の形態3に係る空気調和装置あるいは冷凍空調装置の駆動制御部の動作例を示すフローチャートであり、図7を参照して実施の形態3における駆動制御部の動作例について説明する。なお、図7の駆動制御部の動作例において、図1から図4と同一の構成又は工程を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。図7の実施の形態3が、図1から図4の実施の形態1と異なる点は、圧縮機2の電動機Mに印加する出力電圧Voutのキャリア周波数を切り替える制御を行う点である。
図7において、運転周波数fが設定周波数閾値fref以下で、且つ、直流電圧Vdcが設定電圧閾値Vref以上(固定値設定フラグFRAG=1)である場合、インバータ制御部31は、第2キャリア周波数fc2を用いてPWM信号が生成されるように制御する(ステップST50)。一方、運転周波数fが設定周波数閾値frefより大きい、もしくは固定値設定フラグFRAG=0の場合、インバータ制御部31は、第1キャリア周波数fc1を用いてPWM信号が生成されるように制御する(ステップST51)。
インバータ制御部31には、2つの異なる第1キャリア周波数fc1及び第2キャリア周波数fc2が予め設定されており、判定結果に応じて第1キャリア周波数fc1もしくは第2キャリア周波数fc2のいずれかを設定しPWM信号を生成する。このうち、第1キャリア周波数fc1は第2キャリア周波数fc2よりも高く設定されており、特に第2キャリア周波数fc2を用いた場合には電圧ON時間が固定となるようなPWM信号が生成されるようになっている。
図8は、図7における異なる相の信号波と第1キャリア周波数及び第2キャリア周波数と線間電圧との関係を示すグラフである。なお、図8(A)は、第1信号波及び第2信号波と第1キャリア周波数及び第2キャリア周波数の関係を示しており、図8(B)は第1キャリア周波数を用いて生成されたPWM信号の一例を示すグラフであり、図8(C)は第2キャリア周波数を用いて生成されたPWM信号の一例を示すグラフである。図8(B)に示すように、第1キャリア周波数fc1を用いた場合、第1信号波及び第2信号波の線間電圧にON時間が短い細い幅の出力電圧Voutが発生する領域がある。一方、図8(C)に示すように、第2キャリア周波数fc2を用いた場合、第1信号波及び第2信号波の線間電圧に細いパルス幅の出力電圧Voutが発生せず、出力電圧Voutのパルス幅は広くなる。これにより、出力電流の歪みによる不安定な制御を解消することができる。
一方、第2キャリア周波数fc2を用いた場合、線間電圧のON時間とOFF時間の幅を大きくなるため、電動機Mへ流れる出力電流の正弦波歪みが大きくなり、この歪みにより電動機Mへの振動や騒音が大きくなる。そして、第2キャリア周波数fc2を継続して用い続けた場合には運転周波数fが高くなるにつれ、すなわち過負荷状態での駆動になるにつれ、モータの振動や騒音が大きくなる。そこで、直流電圧Vdcが高く、運転周波数fが低い場合にのみ、第2キャリア周波数fc2とすることで、騒音や振動の影響が少なく抑えること可能であり、且つ、電圧ON時間を固定となるため、不安定な制御の解消が可能になる。
実施の形態4.
図9は、本発明の実施の形態4に係る空気調和装置あるいは冷凍空調装置の駆動制御部の動作例を示すフローチャートであり、図9を参照して実施の形態3における駆動制御部の動作例について説明する。なお、図9の駆動制御部の動作例において、図1から図4と同一の構成又は工程を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。図9の実施の形態4が、図1から図4の実施の形態1と異なる点は、電動機Mに印加する出力電圧VoutのデッドタイムTdを変動させる点である。
図9に示すように、運転周波数fが設定周波数閾値fref以下であって固定値設定フラグFRAG=1の場合、第2デッドタイムTd2を用いてPWM信号が生成される(ステップST60)。一方、運転周波数fが設定周波数閾値frefより大きい、もしくは直流電圧Vdcが設定電圧閾値Vref未満の場合、第1デッドタイムTd1を用いてPWM信号が生成される(ステップST61)。
インバータ制御部31には、第1デッドタイムTd1と第2デッドタイムTd2とが切り替え可能に記憶されており、判定結果に応じて第1デッドタイムTd1と第2デッドタイムTd2のいずれかを選択し、選択された第1デッドタイムTd1もしくは第2デッドタイムTd2を用いてPWM信号を生成する。このうち、第2デッドタイムTd2は第1デッドタイムTd1よりも短い時間に設定されている。
図10は、図9における第1デッドタイム及び第2デッドタイムに設定した際の信号波のPWM出力及び線間電圧の一例を示すグラフである。なお、図10(A)は第1信号波及び第2信号波とキャリア周波数との関係を示すグラフ、図10(B)は第1デッドタイムTd1を用いた場合の第1信号波のPWM信号の一例を示すグラフ、図10(C)は第2デッドタイムTd2を用いた場合の第2信号波のPWM信号の一例を示すグラフ、図10(D)は第1デッドタイムTd1を用いた場合の線間電圧の一例を示すグラフ、図10(E)は第2デッドタイムTd2を用いた場合の第1信号波のPWM信号の一例を示すグラフ、図10(F)は第2デッドタイムTd2を用いた場合の第2信号波のPWM信号の一例を示すグラフ、図10(G)は第2デッドタイムTd2を用いた場合の線間電圧の一例を示すグラフである。
図10に示すように、第1デッドタイムTd1は第2デッドタイムTd2よりも長いため、第2デッドタイムTd2を用いた場合は、第1デッドタイムTd1を用いた場合よりも電動機Mへ出力される線間電圧のON時間は長くなる。従って、第2デッドタイムTd2を用いることにより、安定した出力電圧Voutの制御が可能になる。
一方、第2デッドタイムTd2を用いた場合、インバータ23に使用されるパワー半導体が短絡する可能性が増加する。例えば、インバータ23は、上下アームとモータ出力3相の6個のパワー半導体を有しており(図2参照)、上下アームが同時にONする短絡状態では、電動機Mに電流が流れず、上下アーム間に大電流が流れて、パワー半導体の寄生抵抗とこの大電流により発熱して熱破損する。また、パワー半導体はPWM信号を受け取った後に反応するまで一定の時間を要する。スイッチング素子SW1〜SW6がON状態になるまでに必要なON時間は、OFF状態になるまでに必要なOFF時間よりも短い。このため、デッドタイムTdの設定時間が短すぎると上下アームのうちどちらかのパワー半導体がOFFになる前に上下アームの逆側のパワー半導体がONになってしまい、同時にONするタイミングが発生して短絡する。そのため、通常、デッドタイムTdは最適に設計されている。
ここで、空気調和装置あるいは冷凍空調装置100で軽負荷となる状態は、気化冷媒が少ない状態である。冷媒は室外温度が低いとき(例えば、0℃以下)液化するので、相対的に気化している冷媒が少なくなる。室外温度が低いときは、室外機1Aに搭載している電動機駆動装置1の温度も低くなる。一般的に、パワー半導体は、温度が低くなるにつれてON時間は長くなりOFF時間は短くなる。例えば、125℃でのON時間が151ns、OFF時間が950nsであるのに対し、25℃でのON時間は158ns、OFF時間は850nsとなる。従って、空気調和装置あるいは冷凍空調装置の場合、軽負荷(低温)時にTd時間の設定値を通常より小さい値に最適化が可能である。
実施の形態4によれば、軽負荷状態の際には第2デッドタイムTd2に設定してPWM信号を生成することにより、軽負荷状態ではON時間が長くなりOFF時間が短くなることを利用して、インバータ23における上下アームの短絡を防止しながら出力電圧Voutに歪みが発生するのを防止して、効率的な運転を行うことができる。
実施の形態5.
図11は、本発明の実施の形態5に係る空気調和装置あるいは冷凍空調装置の駆動制御部の動作例を示すフローチャートであり、図11を参照して実施の形態5における駆動制御部の動作例について説明する。なお、図11の駆動制御部の動作例において、図1から図4と同一の構成又は工程を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。図11の実施の形態5が、図1から図4の実施の形態1と異なる点は、デッドタイムTdに対応して電動機Mに印加する出力電圧Voutを変動させる点である。
デッドタイムTdに対応した出力電圧Voutの補正とは、デッドタイムTdの影響により線間電圧のON時間が小さくなり、実際の出力電圧Voutが出力したい電圧より低くなるため、デッドタイムTd分のOFF時間を見越して出力電圧Voutを補正した指令値を与えることを示す。インバータ制御部31には、出力電圧VoutをデッドタイムTdに対応して補正するための第1補正量Vd1と第2補正量Vd2とが記憶されている。なお、第2補正量Vd2は第1補正量Vd1よりも大きい値を有しており、例えば、第1補正量Vd1は3μsであり第2補正量Vd2は5μsに設定されている。そして、インバータ制御部31は、判定結果に応じて第1補正量Vd1もしくは第2補正量Vd2のいずれかを用いてPWM信号を生成するかを設定し、設定された第1補正量Vd1もしくは第2補正量Vd2に基づいて出力電圧Voutを補正し、PWM信号を生成する。
運転周波数fが設定周波数閾値fref以下で、且つ、固定値設定フラグFRAG=1の場合、第2補正量Vd2を用いて出力電圧Voutを補正し、補正した出力電圧Voutを用いてPWM信号を生成しインバータ23に出力する(ステップST70)。一方、運転周波数fが設定周波数閾値frefより大きい、もしくは固定値設定フラグFRAG=0の場合、第1補正量Vd1を用いて出力電圧Voutを補正し、補正後の出力電圧Voutを用いてPWM信号を生成しインバータ23に出力する(ステップST71)。
図12は、図11において、出力電圧が第1補正量又は第2補正量により補正された場合の線間電圧の一例を示すグラフである。なお、図12(A)は、デッドタイムが第1補正量又は第2補正量により補正された第1信号波及び第2信号波の一例を示すグラフ、図12(B)は第1補正量を用いたときの線間電圧と直流ブラシレスモータに流れる電流及びデッドタイムTdの影響がない場合に電動機に流れる出力電流を示すグラフ、図12(C)は第2補正量の場合の線間電圧と電動機に流れる電流の一例を示すグラフである。図12に示すように、第2補正量Vd2を用いた場合、第1補正量Vd1を用いて補正した場合よりも補正量が大きい分、出力電圧Voutが上がるような指令になる。そのため、信号波も第1補正量Vd1を用いたときよりも第2補正量Vd2を用いた場合の方が振幅が大きくなり、出力電圧VoutのON時間も長くなる。これにより、安定した出力制御できる。
上記実施の形態5によれば、軽負荷状態の際には第2補正量Vd2を用いてPWM信号を生成することにより、軽負荷状態ではON時間が長くなりOFF時間が短くなることを利用し、出力電圧VoutのON時間を長くして出力電流に歪みが発生するのを防止し、効率的な運転を行うことができる。
実施の形態6.
図13は、本発明の実施の形態6に係る空気調和装置あるいは冷凍空調装置の駆動制御部の動作例を示すフローチャートであり、図13を参照して実施の形態3における駆動制御部の動作例について説明する。なお、図13の駆動制御部の動作例において、図1から図12と同一の構成又は工程を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。図13の実施の形態6が、図1から図12の実施の形態1〜5と異なる点は、空気調和装置あるいは冷凍空調装置100の負荷状態を加味して、制御方法を切り替える点である。
すなわち、図13において、インバータ制御部31は、吸入圧力検知部11、吐出圧力検知部12及び外気温度検知部17においてそれぞれ検知された吸入圧力、吐出圧力及び外気温度を負荷状態として取得する(ステップST80)。インバータ制御部31には、予め設定した負荷状態の設定閾値が記憶されており、インバータ制御部31は各外気温度、吐出圧力及び吸入圧力がそれぞれ設定閾値と比較する(ステップST81)。その後、外気温度、吐出圧力及び吸入圧力がそれぞれ設定閾値以下にある軽負荷状態の場合であって(ステップST81のYES)、直流電圧Vdcが設定電圧閾値Vref以上の場合(ステップST2)、軽負荷状態であるとして固定値設定フラグFRAG=1に設定する(ステップST3)。一方、各外気温度、吐出圧力及び吸入圧力のいずれかが設定閾値より大きい場合(ステップST81のNO)、固定値設定フラグFRAG=0に設定する(ステップST4)。その後、実施の形態1〜5に示すような運転周波数f及び固定値設定フラグFRAGの値に応じた運転の制御が行われる。
空気調和装置あるいは冷凍空調装置100の運転状態は、外気温度、室内機の駆動台数もしくは駆動負荷により変動する。例えば、外気温度が低い場合の空気調和装置あるいは冷凍空調装置は、一般的な冷媒の飽和温度表に従い、冷媒の圧力も低下する。圧縮機2の吐出圧力及び吸入圧力は冷媒の圧力に依存するため、外気温度が低下すると吐出圧力及び吸入圧力も低下し、吐出圧力及び吸入圧力が低い軽負荷状態による圧縮機2の運転状態になる。
上記実施の形態6によれば、軽負荷状態であることを確実に検知し、軽負荷状態の際には出力電流に歪みが発生するのを防止し、効率的な運転を行うことができる。例えば、図14は、冷媒としてR410A冷媒を用いた場合の運転範囲における吐出圧力と吸入圧力との関係を示すグラフである。図14において、外気温度が低く、吐出圧力及び吸入圧力が低下した軽負荷状態は、左下の斜線の運転範囲になる。従って、外気温度を読み込み設定値として検知に使用することにより軽負荷状態を検知できるとともに、吐出圧力を設定値として検知に使用することにより、軽負荷状態を検知ができる。外気温度や吐出圧力を利用して軽負荷状態を検知する仕様は空気調和装置あるいは冷凍空調装置100特有の状態である。
1 電動機駆動装置、1A 室外機、1B 室内機、2 圧縮機、3 流路切替器、4 室外熱交換器、5 室外ファン、6 絞り装置、7 室内機側熱交換器、8 室内ファン、11 吸入圧力検知部、12 吐出圧力検知部、13 吸入温度検知部、14 吐出温度検知部、15 電圧検知部、16 電流検知部、20 電力変換部、21 コンバータ、22 コンデンサ、23 インバータ、30 駆動制御部、31 インバータ制御部、32 電圧判定部、33 周波数判定部、100 空気調和装置あるいは冷凍空調装置、CP 交流電源、D1〜D6 ダイオード、f 運転周波数、fc1 キャリア周波数、fc2 キャリア周波数、FRAG 固定値設定フラグ、fref 設定周波数閾値、M 電動機、SH 過熱度、SW1〜SW6 各スイッチング素子、Td デッドタイム、Td1 第1デッドタイム、Td2 第2デッドタイム、Vd1 補正量、Vd2 補正量、Vdc 直流電圧、Vfix 固定出力電圧、Vout 出力電圧、Vref 設定電圧閾値。

Claims (7)

  1. 電動機の駆動を制御する電動機駆動装置であって、
    交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
    前記コンバータにおいて変換された前記直流電圧を交流からなる出力電圧に変換して前記電動機に印加するインバータと、
    前記インバータに印加される前記直流電圧の値を検知する電圧検知部と、
    前記インバータの動作を制御する駆動制御部と
    を有し、
    前記駆動制御部は、
    前記電動機の運転周波数を設定する周波数設定部と、
    前記周波数設定部において設定された前記運転周波数が設定周波数閾値以下であるか否かを判定する周波数判定部と、
    前記直流電圧の値が設定電圧閾値以上であるか否かを判定する電圧判定部と、
    前記周波数設定部において設定された前記運転周波数に基づいて前記インバータを制御するものであって、前記周波数判定部により前記運転周波数が設定周波数閾値以下であると判定されるとともに、前記電圧判定部により前記直流電圧が設定電圧閾値以上であると判定された場合、出力電流の歪みが抑制されるように前記インバータを制御するインバータ制御部とを備え
    前記インバータ制御部は、
    前記運転周波数が設定周波数閾値以下であって前記直流電圧の値が設定電圧閾値以上であると判定された場合、前記出力電圧が予め設定された固定出力電圧になるように前記インバータを制御し、
    前記運転周波数が設定周波数閾値より大きいと判定され、もしくは前記直流電圧が設定電圧閾値未満であると判定された場合、ベクトル制御により前記インバータを制御するものである電動機駆動装置。
  2. 電動機の駆動を制御する電動機駆動装置であって、
    交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
    前記コンバータにおいて変換された前記直流電圧を交流からなる出力電圧に変換して前記電動機に印加するインバータと、
    前記インバータに印加される前記直流電圧の値を検知する電圧検知部と、
    前記インバータの動作を制御する駆動制御部と
    を有し、
    前記駆動制御部は、
    前記電動機の運転周波数を設定する周波数設定部と、
    前記周波数設定部において設定された前記運転周波数が設定周波数閾値以下であるか否かを判定する周波数判定部と、
    前記直流電圧の値が設定電圧閾値以上であるか否かを判定する電圧判定部と、
    前記周波数設定部において設定された前記運転周波数に基づいて前記インバータを制御するものであって、前記周波数判定部により前記運転周波数が設定周波数閾値以下であると判定されるとともに、前記電圧判定部により前記直流電圧が設定電圧閾値以上であると判定された場合、出力電流の歪みが抑制されるように前記インバータを制御するインバータ制御部とを備え
    前記インバータ制御部は、
    前記運転周波数が設定周波数閾値以下であって前記直流電圧の値が設定電圧閾値以上であると判定された場合、矩形波制御を行い、
    前記運転周波数が設定周波数閾値より大きいと判定され、もしくは前記直流電圧が設定電圧閾値未満であると判定された場合、正弦波制御を行うものである電動機駆動装置。
  3. 電動機の駆動を制御する電動機駆動装置であって、
    交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
    前記コンバータにおいて変換された前記直流電圧を交流からなる出力電圧に変換して前記電動機に印加するインバータと、
    前記インバータに印加される前記直流電圧の値を検知する電圧検知部と、
    前記インバータの動作を制御する駆動制御部と
    を有し、
    前記駆動制御部は、
    前記電動機の運転周波数を設定する周波数設定部と、
    前記周波数設定部において設定された前記運転周波数が設定周波数閾値以下であるか否かを判定する周波数判定部と、
    前記直流電圧の値が設定電圧閾値以上であるか否かを判定する電圧判定部と、
    前記周波数設定部において設定された前記運転周波数に基づいて前記インバータを制御するものであって、前記周波数判定部により前記運転周波数が設定周波数閾値以下であると判定されるとともに、前記電圧判定部により前記直流電圧が設定電圧閾値以上であると判定された場合、出力電流の歪みが抑制されるように前記インバータを制御するインバータ制御部と、を備え、
    前記インバータ制御部は、
    第1キャリア周波数と前記第1キャリア周波数よりも小さい第2キャリア周波数とを設定する機能を有するものであり、
    前記運転周波数が設定周波数閾値以下であって前記直流電圧の値が設定電圧閾値以上であると判定された場合、前記第2キャリア周波数を用いて前記インバータを制御し、
    前記運転周波数が設定周波数閾値より大きいと判定され、もしくは前記直流電圧の値が設定電圧閾値未満であると判定された場合、前記第1キャリア周波数を用いて前記インバータを制御するものである電動機駆動装置。
  4. 電動機の駆動を制御する電動機駆動装置であって、
    交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
    前記コンバータにおいて変換された前記直流電圧を交流からなる出力電圧に変換して前記電動機に印加するインバータと、
    前記インバータに印加される前記直流電圧の値を検知する電圧検知部と、
    前記インバータの動作を制御する駆動制御部と
    を有し、
    前記駆動制御部は、
    前記電動機の運転周波数を設定する周波数設定部と、
    前記周波数設定部において設定された前記運転周波数が設定周波数閾値以下であるか否かを判定する周波数判定部と、
    前記直流電圧の値が設定電圧閾値以上であるか否かを判定する電圧判定部と、
    前記周波数設定部において設定された前記運転周波数に基づいて前記インバータを制御するものであって、前記周波数判定部により前記運転周波数が設定周波数閾値以下であると判定されるとともに、前記電圧判定部により前記直流電圧が設定電圧閾値以上であると判定された場合、出力電流の歪みが抑制されるように前記インバータを制御するインバータ制御部と、を備え、
    前記インバータ制御部は、
    第1デッドタイムと前記第1デッドタイムよりも期間が短い第2デッドタイムとを設定する機能を有するものであり、
    前記運転周波数が設定周波数閾値以下であって前記直流電圧の値が設定電圧閾値以上であると判定された場合、前記第2デッドタイムを用いて前記インバータを制御し、
    前記運転周波数が設定周波数閾値より大きいと判定され、もしくは前記直流電圧の値が設定電圧閾値未満であると判定された場合、前記第1デッドタイムを用いて前記インバータを制御するものである電動機駆動装置。
  5. 電動機の駆動を制御する電動機駆動装置であって、
    交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
    前記コンバータにおいて変換された前記直流電圧を交流からなる出力電圧に変換して前記電動機に印加するインバータと、
    前記インバータに印加される前記直流電圧の値を検知する電圧検知部と、
    前記インバータの動作を制御する駆動制御部と
    を有し、
    前記駆動制御部は、
    前記電動機の運転周波数を設定する周波数設定部と、
    前記周波数設定部において設定された前記運転周波数が設定周波数閾値以下であるか否かを判定する周波数判定部と、
    前記直流電圧の値が設定電圧閾値以上であるか否かを判定する電圧判定部と、
    前記周波数設定部において設定された前記運転周波数に基づいて前記インバータを制御するものであって、前記周波数判定部により前記運転周波数が設定周波数閾値以下であると判定されるとともに、前記電圧判定部により前記直流電圧が設定電圧閾値以上であると判定された場合、出力電流の歪みが抑制されるように前記インバータを制御するインバータ制御部と、を備え、
    前記インバータ制御部は、
    前記出力電圧を補正するための第1補正量及び前記第1補正量よりも増加量の大きい第2補正量を記憶したものであり、
    前記運転周波数が設定周波数閾値以下であって前記直流電圧の値が設定電圧閾値以上であると判定された場合、前記第2補正量を用いて前記出力電圧を補正し、
    前記運転周波数が設定周波数閾値より大きいと判定され、もしくは前記直流電圧の値が設定電圧閾値未満であると判定された場合、前記第1補正量を用いて前記インバータを制御するものである電動機駆動装置。
  6. 前記電動機を有する圧縮機と、凝縮器と、絞り装置と、蒸発器とが冷媒配管により接続された冷媒回路を有する空気調和装置あるいは冷凍空調装置であって、
    前記圧縮機の前記電動機を駆動する請求項1〜のいずれか1項に記載の電動機駆動装置を備えた空気調和装置あるいは冷凍空調装置。
  7. 前記圧縮機が吐出した冷媒の吐出圧力を測定する吐出圧力検知部をさらに備え、
    前記インバータ制御部は、前記運転周波数が設定周波数閾値以下であると判定されるとともに、前記電圧判定部により前記直流電圧が設定電圧閾値以上であると判定された場合に加えて、前記吐出圧力検知部により検知された前記吐出圧力が設定閾値以下である場合、出力電流の歪みが抑制されるように前記インバータを制御するものである請求項に記載の空気調和装置あるいは冷凍空調装置。
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