JP6521131B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータに接続された負荷装置の振動を抑制可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置は、周期的に負荷トルクが変動するモータの出力トルクを周期的に変化させる制御が行われる制御部４０を備える。制御部４０は、直接形の電力変換装置で振動抑制成分を増加するために、負荷トルクの変動周期に応じた周波数を基本波周波数とする負荷トルクの基本波周波数成分と交流電源の電源周波数の４倍成分及び６倍成分のうち少なくとも一方とを含む波形を有した出力トルクを生成する第１制御と、負荷トルクの基本波周波数の２倍成分及び３倍成分のうち少なくとも一方と交流電源の電源周波数の２倍成分とを含む波形を有した出力トルクを生成する第２制御と、の少なくとも一方を行う。【選択図】図２

Description

本開示は、電力変換装置に関するものである。

交流を任意の交流に変換する電力変換装置は、間接形電力変換装置と直接形電力変換装置の２種類に分別できる。前者はエネルギー蓄積要素（大容量コンデンサや大容量インダクタ）を有しており、後者は有していない。そのため、単相の直接形電力変換装置の出力電力は電源周波数の２倍で脈動する。この直接形電力変換装置に分類される構成の１つに、直流リンク部に比較的小容量のコンデンサを設けたものがある。コンデンサが比較的小容量であると、直流電圧は、電源周波数の２倍の脈動成分を有し、電力変換装置の出力も同様に脈動する。

特許文献１には、負荷トルクが周期的に脈動する場合、当該直流電圧で振動抑制するトルク制御の技術が開示されている。特許文献１では、モータの負荷トルク変動の脈動成分及び直流リンク部の直流電圧の脈動成分をモータの出力トルクに重畳させることでトルク制御動作が行われる。

特許第４１９２９７９号公報

上記トルク制御動作では、交流電源の周波数に起因する脈動成分と周期的に変動する負荷トルクの変動周期を基本波周期とする脈動成分とがモータトルクに現れるため、モータに流れるモータ電流のピーク値が増大する。モータ電流には、モータの減磁耐力やデバイス素子の耐力により、モータやデバイス素子が許容可能な限界値である上限値が定められている。

これに対し、上記特許文献１では、モータ電流が増大して上限値を超えないようにするべく、モータのトルク制御量（即ちモータの振動抑制成分）を低下させる制御が、トルク制御動作にて行われる。しかしながら、振動抑制成分が低下すると、モータ電流の増大は抑えられたとしても、モータに接続された負荷装置の振動をかえって増加させてしまう。

本開示の目的は、モータに接続された負荷装置の振動を抑制することである。

本開示の第１の態様は、直接形の電力変換装置であって、複数のスイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）を有し、単相の交流電源（6）から供給された交流電力を所定周波数の三相交流電力に変換し、周期的に負荷トルクが変動するモータ（5）に上記三相交流電力を供給する変換部（13）と、上記スイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）のスイッチング動作を制御する制御部（40）と、を備え、上記制御部（40）は、上記負荷トルクの変動周期に応じた周波数を基本波周波数とする上記負荷トルクの基本波周波数成分と、上記交流電源（6）の電源周波数の４倍成分及び６倍成分のうち少なくとも一方とを含む波形を有した上記モータ（5）の出力トルクを生成する第１制御と、上記負荷トルクの基本波周波数の２倍成分及び３倍成分のうち少なくとも一方と、上記交流電源（6）の電源周波数の２倍成分とを含む波形を有した上記出力トルクを生成する第２制御との少なくとも一方を行うことを特徴とする電力変換装置である。

上記周波数成分により、モータに接続された負荷装置の振動の低減に寄与する周波数成分を従来のトルク制御より増加できる。従って、上記出力トルクにより、負荷装置の振動は低減される。

本開示の第２の態様は、第１の態様において、上記第１制御及び上記第２制御の少なくとも一方によって生成された上記出力トルクを周波数解析した結果には、上記負荷トルクの基本波周波数の整数倍に、上記交流電源（6）の電源周波数の２ｎ倍（ｎ：整数）を加算及び減算した周波数成分を示すスペクトル、が現れることを特徴とする電力変換装置である。

このような出力トルクにより、負荷装置の振動がより確実に抑制される。

本開示の第３の態様は、第１の態様または第２の態様において、上記第１制御において上記出力トルクに上記電源周波数の４倍成分が含まれる場合、該電源周波数の４倍成分の波形の負から正に切り替わる位相は、上記出力トルクに含まれる上記電源周波数の２倍成分の波形が負から正に切り替わる位相を上記電源周波数の２倍成分の位相で0°であるとしたとき、上記電源周波数の２倍成分の位相で２２．５°＋９０ｍ°（ｍ：整数）以上６７．５°＋９０ｍ°以下の範囲内に存在することを特徴とする電力変換装置である。

第１制御において、電源周波数の４倍成分の波形の負から正に切り替わる位相が、電源周波数の２倍成分の位相で２２．５°＋９０ｍ°（ｍ：整数）以上６７．５°＋９０ｍ°以下の範囲内であることにより、更に、モータ（5）に流れる電流ピークを低減することができる。

本開示の第４の態様は、第１の態様または第２の態様において、上記第１制御において上記出力トルクに上記電源周波数の６倍成分が含まれる場合、該電源周波数の６倍成分の波形の負から正に切り替わる位相は、上記出力トルクに含まれる上記電源周波数の２倍成分の波形が負から正に切り替わる位相を上記電源周波数の２倍成分の位相で0°であるとしたとき、上記電源周波数の２倍成分の位相で−１５°＋６０ｍ°（ｍ：整数）以上１５°＋６０ｍ°以下の範囲内に存在することを特徴とする電力変換装置である。

第１制御において、電源周波数の６倍成分の波形の負から正に切り替わる位相が、電源周波数の２倍成分の位相で−１５°＋６０ｍ°（ｍ：整数）以上１５°＋６０ｍ°以下の範囲内であることにより、更に、モータ（5）に流れる電流ピークを低減することができる。

本開示の第５の態様は、第１の態様または第２の態様において、上記第２制御において上記出力トルクに上記負荷トルクの基本波周波数の２倍成分が含まれる場合、該基本波周波数の２倍成分の波形の負から正に切り替わる位相は、上記出力トルクに含まれる上記負荷トルクの基本波波形が負から正に切り替わる位相を上記負荷トルクの基本波周波数成分の位相で0°であるとしたとき、上記負荷トルクの基本波周波数成分の位相で２２．５°＋９０ｍ°（ｍ：整数）以上６７．５°＋９０ｍ°以下の範囲内に存在することを特徴とする電力変換装置である。

第２制御において、負荷トルクの基本波周波数の２倍成分の波形の負から正に切り替わる位相が、負荷トルクの基本波周波数成分の位相で２２．５°＋９０ｍ°（ｍ：整数）以上６７．５°＋９０ｍ°以下の範囲内であることにより、更に、モータ（5）に流れる電流ピークを低減することができる。

本開示の第６の態様は、第１の態様または第２の態様において、上記第２制御において上記出力トルクに上記負荷トルクの基本波周波数の３倍成分が含まれる場合、該基本波周波数の３倍成分の波形の負から正に切り替わる位相は、上記出力トルクに含まれる上記負荷トルクの基本波波形が負から正に切り替わる位相を上記負荷トルクの基本波周波数成分の位相で0°であるとしたとき、上記負荷トルクの基本波周波数成分の位相で−１５°＋６０ｍ°（ｍ：整数）以上１５°＋６０ｍ°以下の範囲内に存在することを特徴とする電力変換装置である。

第２制御において、負荷トルクの基本波周波数の３倍成分の波形の負から正に切り替わる位相が、負荷トルクの基本波周波数成分の位相で−１５°＋６０ｍ°（ｍ：整数）以上１５°＋６０ｍ°以下の範囲内であることにより、更に、モータ（5）に流れる電流ピークを低減することができる。

本開示の第７の態様は、第１の態様から第６の態様のいずれかにおいて、上記出力トルクの平均値が増加する一方で、該出力トルクの平均値に対する上記出力トルクに含まれる上記負荷トルクの基本波周波数成分の比率は、略一定であることを特徴とする電力変換装置である。

負荷トルクの基本波周波数成分は、振動抑制成分と同等である。ここでは、出力トルクの平均値が増加する一方で、トルク制御により振動抑制成分は引き上げられる。従って、負荷装置の振動が確実に抑制される。

本開示の第８の態様は、第１の態様から第７の態様のいずれかにおいて、上記制御部（40）は、上記モータ（5）の１回転毎のトルクピークを略一定にクリップすることにより、上記第１制御及び上記第２制御の少なくとも１つを行うことを特徴とする電力変換装置である。

これにより、出力トルクは、モータに接続された負荷装置の振動の低減に寄与する高調波を有するものとなる。従って、上記出力トルクにより、負荷装置の振動は低減される。

本開示の第９の態様は、第１の態様から第８の態様のいずれかにおいて、上記交流電源（6）の交流電力における電源電圧を整流するコンバータ回路（11）と、上記コンバータ回路（11）の出力に並列に接続されたコンデンサを有し、脈動する直流電圧を出力する直流リンク部（12）とを更に備え、上記変換部（13）は、上記直流リンク部（12）の出力を上記スイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）によりスイッチングして上記三相交流電力に変換するインバータ回路であることを特徴とする電力変換装置である。

このように、直流電圧が脈動する直流リンク部（12）を有する電力変換装置（10）において、上記第１制御及び上記第２制御の少なくとも一方を行うトルク制御が行われることにより、当該電力変換装置（10）に接続されたモータ（5）を駆動源とする負荷装置の振動を、確実に低減することができる。

図１は、電力変換装置の構成を示す回路図である。 図２は、実施形態１に係る制御部の詳細を示すブロック図である。 図３は、実施形態１のトルク制御部の詳細を示すブロック図である。 図４は、負荷トルク基本波整数倍重畳部の詳細を示すブロック図である。 図５は、実施形態１のトルク指令変調部の詳細を示すブロック図である。 図６は、電源周波数２ｎ倍選択部の詳細を示すブロック図である。 図７は、一般的な振動抑制制御を説明するための図である。 図８は、トルク制御部の高調波選択重畳処理の流れを示す図である。 図９は、第１テーブルの概念図である。 図１０は、高調波の位相の範囲を説明する図である。 図１１は、負荷トルクの基本波波形に平均トルクを加算した波形と、第１テーブルを用いて高調波選択重畳処理を行ったトルク制御部の出力波形とを比較した図である。 図１２は、第２テーブルの概念図である。 図１３は、負荷トルクの基本波波形に平均トルクを加算した波形と、第２テーブルを用いて高調波選択重畳処理を行ったトルク制御部の出力波形とを比較した図である。 図１４は、トルク指令変調部の高調波選択処理の流れを示す図である。 図１５は、第３テーブルの概念図である。 図１６は、実施形態１に係る制御部の動作を説明するための図である。 図１７は、実施形態１に係る高調波選択重畳処理の効果を説明するための図である。 図１８は、従来技術のトルク制御による出力トルク波形のＦＦＴ結果と、実施形態１に係るトルク制御による出力トルク波形のＦＦＴ結果とを比較した図である。 図１９は、実施形態２の制御部の詳細を示すブロック図である。 図２０は、実施形態２に係る高調波選択重畳処理の効果を説明するための図である。

≪実施形態１≫
＜概要＞
図１に示すように、電力変換装置（10）は、単相の交流電源（6）と、例えば空気調和装置の冷媒回路における圧縮機の三相交流式のモータ（5）とに接続されている。電力変換装置（10）は、いわゆる直接形電力変換器であって、交流電源（6）から交流電力が供給されると、当該交流電力を、所定電圧及び所定周波数を有する三相交流電力に変換し、当該三相交流電力をモータ（5）に出力する。これにより、モータ（5）は回転駆動し、圧縮機は運転する。

上記モータ（5）の種類については特に限定はないが、例えばＩＰＭモータ（Interior Permanent Magnet Motor）であることができる。

モータ（5）の負荷装置である圧縮機は、例えばロータリー式の圧縮機で構成される。圧縮機では、駆動軸が１回転する際に圧縮トルク（即ちモータ（5）の負荷トルク）が脈動し、これにより振動が生じる。

そこで、本実施形態１に係る電力変換装置（10）は、上記圧縮機の振動が抑制されるように、モータ（5）のトルクが変動する制御構成となっている。

＜電力変換装置の構成＞
図１に示すように、電力変換装置（10）は、コンバータ回路（11）、直流リンク部（12）、インバータ回路（13）及び制御部（40）を備える。

コンバータ回路（11）は、リアクトル（L）を介して単相の交流電源（6）に接続されている。コンバータ回路（11）は、４個のダイオード（D1,D2,D3,D4）がブリッジ状に結線された、所謂ダイオードブリッジ回路によって構成されている。コンバータ回路（11）は、交流電源（6）からの交流電力における電源電圧（Vin）を全波整流する。

直流リンク部（12）は、コンバータ回路（11）の一対の出力ノードの間に接続されることでコンバータ回路（11）の出力に並列に接続されたコンデンサ（C）を有する。直流リンク部（12）は、コンバータ回路（11）の出力（即ち、全波整流された電源電圧（Vin））を入力して直流リンク電圧（Vdc）（直流電圧に相当）を生成する。直流リンク電圧（Vdc）は、電源電圧（Vdc）の周波数に応じて脈動する。

ここで、電源電圧（Vin）の周波数に応じた脈動成分が直流リンク電圧（Vdc）に含まれている理由について説明する。直流リンク部（12）のコンデンサ（C）の容量値は、コンバータ回路（11）の出力をほとんど平滑化することができない一方で、インバータ回路（13）のスイッチング動作（後述）に起因するリプル電圧（スイッチング周波数に応じた電圧変動）を抑制することができるように、設定されている。具体的には、コンデンサ（C）は、一般的な電力変換装置において、コンバータ回路の出力の平滑化に用いられる平滑コンデンサ（例えば電解コンデンサ）の容量値の約０．０１倍の容量値（例えば、数十μＦ程度）を有する小容量コンデンサ（例えば、フィルムコンデンサ）によって構成されている。

このようにコンデンサ（C）が比較的小容量にて構成されているため、直流リンク部（12）ではコンバータ回路（11）の出力が殆ど平滑化されず、その結果、電源電圧（Vin）の周波数に応じた脈動成分（この例では、直流リンク電圧（Vdc）の周波数の２倍の周波数を有する脈動成分）が直流リンク電圧（Vdc）に残留することになる。例えば、直流リンク電圧（Vdc）は、その最大値がその最小値の２倍以上になるように脈動している。

インバータ回路（13）は、変換部である。インバータ回路（13）は、その一対の入力ノードが直流リンク部（12）のコンデンサ（C）の両端に接続され、直流リンク部（12）によって生成された直流リンク電圧（Vdc）をスイッチング動作により三相交流電力に変換してモータ（5）に供給する。インバータ回路（13）は、ブリッジ結線された６つのスイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）と、６つの還流ダイオード（Du,Dv,Dw,Dx,Dy,Dz）とを有する。具体的には、インバータ回路（13）は、２つのスイッチング素子を互いに直列に接続して成る３つのスイッチングレグを有する。３つのスイッチングレグの各々において、上アームのスイッチング素子（Su,Sv,Sw）と下アームのスイッチング素子（Sx,Sy,Sz）との中点は、モータ（5）の各相のコイル（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイル）それぞれに接続されている。６つのスイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）には、６つの還流ダイオード（Du,Dv,Dw,Dx,Dy,Dz）それぞれが逆並列接続されている。これらのスイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）がオン及びオフする動作を繰り返すことにより、直流リンク部（12）から入力された直流リンク電圧（Vdc）は三相交流電圧に変換される。

制御部（40）は、各種素子やマイクロコンピュータ等で構成されている。制御部（40）は、制御信号（G）をインバータ回路（13）に出力して、モータ（5）の回転速度（ω）が、与えられた指令値（以下、速度指令値ωｍ*）に近づくようにインバータ回路（13）の各スイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）のスイッチング動作を制御する。

なお、電力変換装置（10）には、更に、各種検出器が備えられている。当該検出器としては、交流電源（6）の電源電圧（Vin）の電源位相（θin）を検出する電源位相検出部（21）、直流リンク部（12）の直流リンク電圧（Vdc）を検出する電圧検出部（23）、インバータ回路（13）と直流リンク部（12）の負側端子とを繋ぐ配線上に流れる直流リンク電流（idc）を検出する電流検出部（25）、が挙げられる。これらの検出部（21,23,25）の検出結果は、上記制御部（40）に入力され制御に用いられる。

＜制御部の詳細構成＞
制御部（40）は、負荷トルクの変動周期に応じた周波数（詳細には変動周期の逆数）を基本波周波数としたとき、この基本波周波数成分を有するようにモータ（5）の出力トルクを変化させるトルク制御を行う。本実施形態１では、このトルク制御において、負荷トルクの変動周期を基本波周波数とする負荷トルクの基本波周波数成分と、交流電源（6）の電源周波数の４倍成分及び６倍成分のうち少なくとも一方とを含む波形を有した出力トルクを生成する第１制御、及び、モータ（5）の負荷トルクの基本波周波数の２倍成分及び３倍成分のうち少なくとも一方と交流電源（6）の電源周波数の２倍成分とを含む波形を有した出力トルクを生成する第２制御、が行われる。

上記制御を実現するため、制御部（40）は、図２に示すように、モータ電流演算部（41）、モータ電圧演算部（42）、モータ電気角／機械角演算部（43）、モータ速度演算部（44）、速度制御部（45）、トルク制御部（50）、トルク制御重畳部（46）、トルク指令変調部（60）、電流制御部（47）、及びＰＷＭ演算部（48）を有する。

−モータ電流演算部−
モータ電流演算部（41）には、検出された直流リンク電流（idc）と、制御部（40）がインバータ回路（13）に現在出力している制御信号（G）とが入力される。制御信号（G）は、インバータ回路（13）を構成するスイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）それぞれのゲート端子に印加される、いわばゲート信号である。モータ電流演算部（41）は、この制御信号（G）と入力された直流リンク電流（idc）とから、モータ（5）の各相に流れるモータ電流（iu,iv,iw）を算出する。

−モータ電圧演算部−
モータ電圧演算部（42）には、検出された直流リンク電圧（Vdc）と、上記制御信号（G）とが入力される。モータ電圧演算部（42）は、直流リンク電圧（Vdc）と制御信号（G）とに基づいて、モータ（5）の端子間電圧の実効値であるモータ電圧（Vu,Vv,Vw）を算出する。

−モータ電気角／機械角演算部−
モータ電気角／機械角演算部（43）には、モータ電流演算部（41）によって算出されたモータ電流（iu,iv,iw）と、モータ電圧演算部（42）によって算出されたモータ電圧（Vu,Vv,Vw）とが入力される。モータ電気角／機械角演算部（43）は、モータ電流（iu,iv,iw）及びモータ電圧（Vu,Vv,Vw）に基づいて、モータ電気角（θe）を算出する。更に、モータ電気角／機械角演算部（43）は、モータ電気角（θe）をモータ極対数で除算し、その結果をモータ機械角（θm）として算出する。

−モータ速度演算部−
モータ速度演算部（44）には、モータ電気角／機械角演算部（43）によって算出されたモータ機械角（θm）が入力される。モータ速度演算部（44）は、モータ機械角（θm）の変化に応じて、モータ（5）の実際の回転速度（以下、モータ実回転速度（ωm））を算出する。

−速度制御部−
速度制御部（45）には、速度指令値（ωm*）とモータ実回転速度（ω）との偏差が入力される。速度制御部（45）は、この偏差に基づいて例えばＰＩ演算（比例及び積分）を行い、モータ実回転速度（ωm）が速度指令値（ωm*）を追従するように制御するべく、モータ（5）の負荷トルクの平均（以下、平均トルク（Tave））を算出する。速度制御部（45）は、この平均トルク（Tave）を指令値（平均トルク指令値（Tave*））として、トルク制御重畳部（46）に出力する。

なお、平均トルクは、所定の周期で脈動する負荷トルクの平均値である。

−トルク制御部−
トルク制御部（50）には、モータ電気角／機械角演算部（43）によって算出されたモータ機械角（θm）と、モータ電流演算部（41）によって算出されたモータ電流（iu,iv,iw）と、検出された直流リンク電圧（Vdc）とが入力される。また、圧縮機負荷トルクとモータトルクの偏差は加振トルクとなり、この加振トルクによって圧縮機は振動し、モータ機械角（θm）が変動する。トルク制御部（50）は、入力された各種値に基づいて、加振トルクによるモータ機械角（θm）の変動を低減する制御を行うための、振動抑制波形を有する指令値を出力する。

具体的に、トルク制御部（50）は、図３に示すように、１次成分抽出器（52）、増幅器（53）、ピークホールド部（54）、トルク制御量調整部（55）及び負荷トルク基本波整数倍重畳部（56）を有する。

−１次成分抽出器−
１次成分抽出器（52）には、モータ機械角（θm）が入力される。１次成分抽出器（52））は、モータ（5）の負荷トルクの脈動成分のうち、モータ（5）の振動に最も影響を与える一次成分（基本波周波数成分）を、フーリエ変換によって抽出する。

−増幅器−
増幅器（53）は、1次成分抽出部（52）で抽出された一次成分に所定ゲインを乗算して、当該一次成分を増幅させる。

−ピークホールド部−
ピークホールド部（54）には、モータ電流（iu,iv,iw）が入力される。ピークホールド部（54）は、モータ電流（iu,iv,iw）の絶対値の最大値を、所定の判定期間において保持して、ピーク電流（ipeak）を導出する。

−トルク制御量調整部−
トルク制御量調整部（55）には、上記ピーク電流（ipeak）と、増幅された上記一次成分と、検出された直流リンク電圧（Vdc）とが入力される。トルク制御量調整部（55）は、入力されたこれらの値に基づいて、上述した平均トルク指令値（Tave*）に乗算される指令値の基となる値（以下、トルク制御量）を生成し、当該トルク制御量を負荷トルク基本波整数倍重畳部（56）に出力する。

上記トルク制御量は、負荷トルクの基本波周波数成分である。トルク制御重畳部（46）において、平均トルク指令値（Tave*）とトルク制御部（50）の出力とを乗算した後のトルク指令値（T*）の変動幅が、平均トルク指令値（Tave*）と同じである場合の、平均トルクに対する一次成分の振幅の割合を、トルク制御量＝１００％と定義する。

−負荷トルク基本波整数倍重畳部−
負荷トルク基本波整数倍重畳部（56）には、上記トルク制御量、モータ機械角（θm）、上記ピーク電流（ipeak）が入力される。負荷トルク基本波整数倍重畳部（56）は、入力されたこれらの値に応じたトルク制御量に基づいて生成される波形に、高調波を重畳させる処理を行う。

図４に示すように、負荷トルク基本波整数倍重畳部（56）は、ＰＩ制御部（56a）、リミット部（56b）、高調波選択重畳部（56c）を含む。

ＰＩ制御部（56a）では、ピーク電流（ipeak）とその上限値との偏差が入力されると、その偏差に基づいてＰＩ演算（比例及び積分）を行われる。ＰＩ演算の演算結果は、リミット部（56b）において、値がマイナスであるものをカットするリミット処理が行われ、値がプラスであるもののみがピーク低減量（Y）として高調波選択重畳部（56c）に入力される。高調波選択重畳部（56c）は、トルク制御量調整部（55）からのトルク制御量の大小に応じて、負荷トルクの基本波周波数成分（即ち、トルク制御量）に高調波を重畳するか否かを決定する。更に、高調波選択重畳部（56c）は、高調波を重畳する場合は、上記ピーク低減量（Y）に応じてどのような高調波を重畳するかを選択する。

高調波選択重畳部（56c）による上記処理を経て、トルク制御部（50）からは、トルク制御量に基づいて生成される波形に高調波が重畳された後の値が、振動抑制効果を有する指令値として出力される。

高調波選択重畳部（56c）が行う上記処理の詳細については、＜高調波選択重畳処理＞にて述べる。

−トルク制御重畳部−
図２に戻る。トルク制御重畳部（46）には、平均トルク指令値（Tave*）と、上記トルク制御部（50）から出力された上記指令値とが入力される。トルク制御重畳部（46）は、これらを乗算することで、モータの負荷トルクの脈動成分が重畳したトルク指令値（T*）を生成する。当該トルク指令値（T*）は、トルク指令変調部（60）に入力される。

−トルク指令変調部−
トルク指令変調部（60）には、検出された電源電圧（Vin）の電源位相（θin）と、トルク制御重畳部（46）からのトルク指令値（T*）と、モータ電流演算部（41）からのモータ電流（iu,iv,iw）と、上記トルク制御量とが入力される。トルク指令変調部（60）は、交流電源（6）の電源位相（θin）に応じてトルク指令値（T*）を脈動（変調）させる。

具体的に、トルク指令変調部（60）は、図５に示すように、第１係数生成部（61）、第２係数生成部（62）、ピークホールド部（63）、電源周波数２ｎ倍選択部（64）、及び乗算部（65）を有する。なお、“ｎ”は、１以上の整数を表す。

−第１係数生成部及び第２係数生成部−
第１係数生成部（61）には、交流電源（6）の電源位相（θin）が入力される。第１係数生成部（61）は、この電源位相（θin）から正弦値sinθinを生成してこれを２乗する演算を行う。第２係数生成部（62）は、第１係数生成部（61）の演算結果が入力されると、これをＫ倍する演算を行う。

−ピークホールド部−
ピークホールド部（63）には、モータ電流（iu,iv,iw）が入力される。ピークホールド部（63）は、モータ電流（iu,iv,iw）の絶対値の最大値を、所定の判定期間において保持して、ピーク電流（ipeak）を導出する。

−電源周波数２ｎ倍選択部−
電源周波数２ｎ倍選択部（64）には、正弦値sinθinの２乗がＫ倍された値、ピーク電流（ipeak）、及び上記トルク制御量が入力される。電源周波数２ｎ倍選択部（64）は、入力されたこれらの値に基づいてトルク指令値（T*）に重畳される高調波を選択する。

図６に示すように、電源周波数２ｎ倍選択部（64）は、ＰＩ制御部（64a）、リミット部（64b）、高調波選択部（64c）を含む。

ＰＩ制御部（64a）では、ピーク電流（ipeak）とその上限値との偏差が入力されると、その偏差に基づいてＰＩ演算（比例及び積分）を行われる。ＰＩ演算の演算結果は、リミット部（64b）において、値がマイナスであるものをカットするリミット処理が行われ、値がプラスであるもののみが高調波選択部（64c）に入力される。高調波選択（64c）は、入力されたトルク制御量調整部（55）からのトルク制御量の大小に応じて、トルク指令値（T*）に電源周波数高調波の重畳を行うか否かを決定すると共に、高調波を重畳すると決定した場合は重畳対象となる高調波を選択する。

主に高調波選択部（64c）が行う上記処理の詳細については、＜高調波選択重畳処理＞にて述べる。

−乗算部−
図５に戻り、乗算部（65）には、電源周波数２ｎ倍選択部（64）の出力と、トルク指令値（T*）とが入力される。乗算部（65）は、トルク指令値（T*）に電源周波数２ｎ倍選択部（64）の出力を乗算することにより、トルク指令値（T*）を電源周波数２ｎ倍選択部（64）の出力によって変調させる。

−電流制御部−
図２に戻る。電流制御部（47）には、トルク指令変調部（60）の出力等が入力される。電流制御部（47）は、入力されたこれらの値に基づいて電圧指令値（Vdq*）を生成し、この電圧指令値（Vdq*）をＰＷＭ演算部（48）へ出力する。

−ＰＷＭ演算部−
ＰＷＭ演算部（48）には、電流制御部（47）から電圧指令値（Vdq*）、モータ電気角／機械角演算部（43）からモータ電気角（θe）が入力される。ＰＷＭ演算部（48）は、入力されたこれらの値に基づいて、インバータ回路（13）における各スイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）のオン及びオフの動作を制御する制御信号（G）を生成する。これにより、各スイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）は、所定のデューティでオン及びオフすることができる。

＜高調波選択重畳処理＞
圧縮機負荷トルクとモータトルクの偏差は加振トルクとなり、この加振トルクによって圧縮機は振動する。一般的には、圧縮機負荷トルクの最も大きい基本波周波数成分による振動を抑制するため、モータトルクを図７に示すように圧縮機負荷トルクの基本波に合わせて脈動させるトルク制御が行われる。この制御により、圧縮機負荷トルクの基本波と同位相にて、モータトルクは脈動する。

このような制御では、トルク制御量が、圧縮機負荷トルクの最も大きい基本波周波数成分による振動を抑制するための振動抑制成分として用いられる。振動抑制成分を上昇させて加振トルクを低減することで、圧縮機の振動は低減される。

ところが、振動抑制成分が上昇すると、インバータ回路（13）やモータ（5）を流れる電流のピークが上昇してしまう。これに対し、振動抑制成分を低下させると、電流のピークは低下するものの、かえって圧縮機の振動が増加してしまう。即ち、電流ピークの低下と圧縮機の振動抑制とは、トレードオフの関係となっている。

これに対し、本実施形態１に係る制御部（40）は、モータ（5）の出力トルクを変化させるトルク制御において、圧縮機の振動低減と電流ピークの低下とを共に成立させるべく、上記第１制御及び上記第２制御を行う。具体的に、制御部（40）は、上記第１制御及び第２制御として、トルク制御部（50）及びトルク指令変調部（60）の双方にて、トルク制御量に応じて高調波を重畳させるか否かの選択と共に、高調波を重畳させる場合は適切な高調波を選択且つ重畳する高調波選択重畳処理を行う。

以下では、説明の便宜上、第１制御及び第２制御を、トルク制御部（50）での高調波選択重畳処理とトルク指令変調部（60）での高調波選択重畳処理とに分けて説明する。

＜トルク制御部における高調波選択重畳処理＞
トルク制御部（50）における高調波選択重畳処理は、上記第２制御の一部に相当し、高調波選択重畳部（56c）にて行われる。図８は、トルク制御部（50）における高調波選択重畳処理の流れを示す。

図８に示すように、高調波選択重畳部（56c）は、入力されたトルク制御量を所定量（A₁*）と比較する（ステップＳ１１）。なお、所定量（A₁*）は、負荷装置である圧縮機の仕様等に応じて、０以上の任意の値に予め適宜決定されている。

トルク制御量が所定量（A₁*）よりも大きい場合（ステップＳ１１のＹｅｓ）、高調波選択重畳部（56c）は、現時点でのトルク制御量にて、圧縮機の振動が十分に低減されていて、かつモータ電流ピークも上限値以下であると判断し、負荷トルクの基本波周波数成分への高調波の重畳はしないと決定する（ステップＳ１２）。

トルク制御量が所定量（A₁*）以下の場合（ステップＳ１１のＮｏ）、高調波選択重畳部（56c）は、図４に係るリミット部（56b）からのピーク低減量（Y）と、図９に係る第１テーブル（Ta1）の上限値とを比較する（ステップＳ１３）。

ピーク低減量（Y）が第１テーブル（Ta1）の上限値よりも小さい場合（ステップＳ１３のＹｅｓ）、高調波選択重畳部（56c）は、第１テーブル（Ta1）を利用して、ピーク低減量（Y）に応じた高調波の種類を選択して、負荷トルクの基本波周波数成分に重畳する（ステップＳ１４）。ピーク低減量（Y）が第１テーブル（Ta1）の上限値以上の場合（ステップＳ１３のＮｏ）、高調波選択重畳部（56c）は、第２テーブル（Ta2）を利用して、トルク制御量に応じた高調波の種類を選択して、負荷トルクの基本波周波数成分に重畳する（ステップＳ１５）。

ここで、第１及び第２テーブル（Ta1,Ta2）について説明する。

−第１テーブルの作成工程−
第１テーブル（Ta1）は、圧縮機の振動及び電流ピークの双方の低減を目的として、負荷トルクの基本波周波数成分に重畳するべき最適な周波数成分の高調波を定義した情報である。第１テーブル（Ta1）は、上記高調波選択重畳処理を行う前に、以下の工程１〜５を経て作成され、トルク制御部（50）に含まれるメモリ（図示せず）に格納されている。

なお、負荷トルクの基本波周波数成分を“A^*sin(θm+θ₁)”と表すと、負荷トルクの基本波周波数の２次成分は“A₂sin(2(θm+θ₁-θ₂))、負荷トルクの基本波周波数の３次成分は“A₃sin(3(θm+θ₁-θ₃))、負荷トルクの基本波周波数の４次成分は“A₄sin(4(θm+θ1-θ₄))、負荷トルクの基本波周波数の５次成分は“A₅sin(5(θm+θ₁-θ₅))と、それぞれ表すことができる。ここで、“θm+θ1”は、負荷トルクの基本波周波数成分の位相を表している。上記各式の括弧内を展開したときに出現する“2θm+2θ₁-2θ₂”、“3θm+3θ₁-3θ₃”、“4θm+4θ₁-4θ₄”、“5θm+5θ₁-5θ₅”は、各次数成分における位相を表している。

（工程１）：先ず、負荷トルクの基本波周波数成分の振幅の値である“A^*”が、任意の値に決定される。この際、設計仕様である圧縮機の振動量や振動音を考慮して、“A^*”は、これらが許容できるような値に決定されることが好ましい。なお、この工程１において、“A^*”は、A^*= A₁ ^*で固定値である。

（工程２）：次いで、モータ（5）の出力トルクがマイナスとなる場合（マイナストルク）の許容範囲が決定される。モータ（5）の出力トルクがマイナスとなると、モータ（5）から直流リンク部（12）のコンデンサ（C）へとエネルギーの回生動作が生じ、直流リンク電圧（Vdc）が急激に上昇する。この際、エネルギーの回生量によっては、スイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）の耐圧を超える程に直流リンク電圧（Vdc）が上昇して過電圧の状態となり、インバータ回路（13）が故障する虞がある。それ故、このような故障が生じないように、マイナストルクの許容範囲が決定される。

（工程３）：次いで、負荷トルクの基本波周波数成分に重畳する次数成分が選択される。この際、２次成分及び３次成分は必ず選択され、４次以上の成分は任意にて選択される。

（工程４）：次いで、電流ピークを低減できる範囲内の位相が、負荷トルクの基本波周波数の高調波成分の位相として選択される。具体的に、負荷トルクの基本波の波形が負から正に切り替わる位相を０°としたとき、負荷トルクの基本波周波数の２倍成分（２次成分）の波形の負から正に切り替わる位相は、２次成分の位相で図１０（ａ）に示すように０°〜１８０°の範囲、好ましくは“４５°＋１８０ｍ°（ｍ：整数）以上１３５°＋１８０ｍ°以下”の所定範囲Ａ内となるように決定される。この値は、負荷トルクの基本波周波数成分の位相では“２２．５°＋９０ｍ°（ｍ：整数）以上６７．５°＋９０ｍ°”で表される。負荷トルクの基本波周波数の３倍成分（３次成分）の波形の負から正に切り替わる位相は、３次成分の位相で、図１０（ｂ）に示すように“−４５°＋１８０ｍ°（ｍ：整数）以上４５°＋１８０ｍ°以下”の所定範囲Ｂ内となるように決定される。この値は、負荷トルクの基本波周波数成分の位相では“−１５°＋６０ｍ°（ｍ：整数）以上１５°＋６０ｍ°”で表される。

図１０は、２次成分及び３次成分における“2θ₂”と“3θ₃”の値に対するピークトルク低減量を、机上計算によって算出したグラフの一例である。参考までに、図１０（ａ）では、２次成分のみで“2θ₂”の値が０〜１８０°までを例示している。図１０（ａ）に示すように、２次成分では、“2θ₂”が約９０°にてピークトルク低減量が最大となっており、この最大値を中心として±４５°とする範囲が、電流ピークを低減できる所定範囲Ａとして設定されている。図１０（ｂ）に示すように、２次成分と３次成分の両方では、“3θ₃”が約１８０°にてピークトルク低減量が最大となっており、この最大値を中心として±４５°とする範囲が、電流ピークを低減できる所定範囲Ｂとして設定されている。２次成分と３次成分の両方を用いることで所定範囲Ｂにおけるピークトルク低減量は、全体的に、２次成分の所定範囲Ａにおけるピークトルク低減量の最大値よりも高い低減量を呈している。

なお、図１０では、縦軸を電流ではなく“トルク”で表しているが、トルクは、電流と磁束との外積によって求められるため、電流ピークとピークトルクとは相関関係にある。従って、ピークトルク低減量が大きい程、電流ピークの低減量も大きくなる。

（工程５）：次いで、上記工程１〜４の結果に基づいて、トルクピーク（電流ピーク）が徐々に小さくなるよう高調波の振幅の最適化が行われる。

このように、工程１〜工程５を経て、図９に係る第１テーブル（Ta1）が完成する。

図９の第１テーブル（Ta1）は、横軸をピーク低減量（Y）、縦軸を負荷トルクの基本波周波数成分に対する高調波の重畳量（An）とし、ピーク低減量（Y）に対する負荷トルクの基本波周波数の２次成分〜５次成分それぞれの重畳量を表す。例えば、ピーク低減量（Y）が値“Y1”であれば、２次成分〜５次成分それぞれのグラフと図９の縦に延びる破線とが交差する各点における重畳量が、圧縮機の振動及び電流ピークの抑制に効果的な量となっている。

なお、この第１テーブル（Ta1）では、ピーク低減量（Y）を上限値まで変化させて、各ピーク低減量（Y）に対する各成分の重畳量（An）が演算されている。上限値は、高調波を重畳してもトルクピークがこれ以上低下しない場合の、ピーク低減量の限界値である。

−第１テーブルを用いた高調波選択重畳処理の一例−
トルク制御部（50）の高調波選択重畳部（56c）は、入力されたピーク低減量（Y）を上記第１テーブル（Ta1）に当てはめて、負荷トルクの基本波周波数成分に重畳する高調波（２次成分、３次成分等）の重畳量（An）を決定する。高調波選択重畳部（56c）は、トルク制御量である振動抑制成分を１００％の状態で維持しつつ、トルクピークを徐々に下げるように高調波を重畳させていく。

例えば、ピーク低減量（Y）がゼロの場合、第１テーブル（Ta1）に基づけば、２次〜５次成分の重畳はいずれもゼロである。そのため、図１１の“（ａ）Ｙ＝０”に示すように、トルク制御部（50）の出力波形（即ち振動抑制波形）は、負荷トルクの基本波に平均トルクを加算した波形と同一の波形となる。ピーク低減量（Y）がＹ１の場合、負荷トルクの基本波周波数成分に２次〜５次成分の重畳が行われ、図１１の“（ｂ）Ｙ＝Ｙ１”に示すように、トルク制御部（50）の出力波形は、負荷トルクの基本波に平均トルクを加算した波形と同期しているものの、出力波形のピークが負荷トルクの基本波に平均トルクを加算した波形のピークよりも低くなる。ピーク低減量（Y）が上限値の場合、第１テーブル（Ta1）によれば、負荷トルクの基本波周波数成分への２次〜５次成分の重畳量は最大値となり、図１１の“（ｃ）Ｙ＝Ｙ上限”に示すように、トルク制御部（50）の出力波形のピークは、図１１の（ｂ）の出力波形のピークに比べて更に低くなる。

このように、ピーク低減量（Y）が第１テーブル（Ta1）の上限値に近づく程、トルク制御部（50）の出力波形のピーク値が低下する。従って、第１テーブル（Ta1）を用いたトルク制御部（50）による高調波選択重畳処理では、トルク制御部（50）の出力波形のピークと負荷トルクの基本波波形のピークとの偏差分が、圧縮機の振動を抑制しつつ且つ電流ピークを低下する要素となる。

なお、第１テーブル（Ta1）は、上記工程１を含む手法で生成されるため、第１テーブル（Ta1）を用いた高調波選択重畳処理では、負荷トルクの基本波周波数成分の振幅A^*で表されるトルク制御（即ち、振動抑制成分）が固定値A₁ ^*に設定された状態で、電流ピークが低下されると言える。

−第２テーブルの作成工程−
第２テーブル（Ta2）は、図８で説明したように、ピーク低減量（Y）が上記第１テーブル（Ta1）の上限値を超えている場合に用いられる。第２テーブル（Ta2）は、第１テーブル（Ta1）ではこれ以上トルクピーク（電流ピーク）を下げることができない場合に、トルク制御量である振動抑制成分を低下させてトルクピークを下げるために用いられる情報と言える。

図１２に係る第２テーブル（Ta2）は、上述した工程１〜５のうち、工程２〜４と、更に以下の工程６とによって作成される。

（工程６）：上記工程２〜４の結果に基づいて、振動抑制成分であるトルク制御量（即ち、負荷トルクの基本波周波数成分）に応じてトルクピークが最小となるように、高調波の振幅の最適化が行われる。

図１２の第２テーブル（Ta2）は、横軸をトルク制御量、縦軸を負荷トルクの基本波周波数成分に対する高調波の重畳量（An）とし、トルク制御量に対する負荷トルクの基本波周波数の２次成分〜５次成分それぞれの重畳量を表す。この第２テーブル（Ta2）では、トルク制御量を“１００％”から徐々に低下させた際の、各高調波の重畳量（An）が演算されている。

−第２テーブルを用いた高調波選択重畳処理の一例−
トルク制御部（50）の高調波選択重畳部（56c）は、入力されたトルク制御量を上記第２テーブル（Ta2）に当てはめて、トルク制御量（振動抑制成分、即ち負荷トルクの基本波周波数成分）に重畳する高調波（２次成分、３次成分等）の重畳量（An）を決定する。高調波選択重畳部（56c）は、トルク制御量である振動抑制成分を低下させることで、トルクピークを徐々に下げるように高調波を重畳させていく。

例えば、トルク制御量が１００％の場合、第２テーブル（Ta2）に基づけば、２次〜５次成分の重畳量（An）は順に“０．１７”“０．１３”“０．０８”“０．００”と決定される。そのため、図１３の“（ａ）トルク制御量１００％”に示すように、トルク制御部（50）の出力波形のピークは、図１１（ｃ）と同様、基本波波形のピークから低下する。トルク制御量が８５％の場合、図１３の“（ｂ）トルク制御量８５％”に示すように、トルク制御部（50）の出力波形は、負荷トルクの基本波波形と同期しているが、全体的に図１３（ａ）に係る出力波形よりも下方に下がると共にピークが更に低下した形となる。トルク制御量が７０％の場合、図１３の“（ｃ）トルク制御量７０％”に示すように、トルク制御部（50）の出力波形は、全体的には図１３（ｂ）に係る出力波形よりも下方に下がると共にピークが更に低下した形となる。

このように、トルク制御量が低下する程、トルク制御部（50）の出力波形のピーク値が低下する。従って、第２テーブル（Ta2）を用いたトルク制御部（50）による高調波選択重畳処理では、圧縮器の振動の低減は困難であるが、負荷トルクの基本波波形のピークとトルク制御部（50）の出力波形のピークとの偏差分が、電流ピークを低下する要素となる。

なお、第２テーブル（Ta2）は、上記工程１を含まない手法で生成されるため、第２テーブル（Ta2）を用いた高調波選択重畳処理では、負荷トルクの基本波周波数成分の振幅A^*で表されるトルク制御（即ち、振動抑制成分）が可変値となり、電流ピークが低下されると言える。

＜トルク指令変調部の高調波選択重畳処理について＞
トルク指令変調部（60）における高調波選択重畳処理は、上記第２制御の一部と、上記第１制御とに相当し、電源周波数２ｎ倍選択部（64）及び乗算部（65）にて行われる。図１４は、トルク指令変調部（60）における高調波選択重畳処理の一部である、高調波選択の処理の流れを示す。

図１４に示すように、電源周波数２ｎ倍選択部（64）は、入力されたトルク制御量を所定量（A₁ ^*）と比較する（ステップＳ２１）。なお、所定量（A₁*）は、負荷トルクの基本波周波数成分の振幅である。

トルク制御量が所定量（A₁ ^*）よりも大きい場合（ステップＳ２１のＹｅｓ）、上記第１制御の一部が行われる。この場合、電源周波数２ｎ倍選択部（64）は、現時点でのトルク制御量にて、圧縮機の振動が十分に低減されていると判断し、圧縮機の振動及び電流ピークの低減に用いる高調波の選択は行わないと決定する（ステップＳ２２）。この場合、電源周波数２ｎ倍選択部（64）は、電源周波数の２倍成分を出力し、乗算部（65）は、トルク制御重畳部（46）の出力であるトルク指令値（T*）に、上記電源周波数の２倍成分を乗算（印加）する。

トルク制御量が所定量（A₁ ^*）以下の場合（ステップＳ２１のＮｏ）、第２制御が行われる。具体的に、電源周波数２ｎ倍選択部（64）は、図１５に係る第３テーブル（Ta3）を利用して、図６に係るリミット部（64b）からのピーク低減量（Z）に応じた電源周波数の高調波の種類を選択して出力する（ステップＳ２３）。この場合、電源周波数２ｎ倍選択部（64）は、選択された電源周波数の高調波成分を出力し、乗算部（65）は、トルク制御重畳部（46）の出力であるトルク指令値（T*）に、上記電源周波数の高調波成分（即ち、電源周波数の２倍以上の成分）を乗算（印加）する。

図１５は、第２係数生成部（62）に係る係数Ｋが“１”である場合の第３テーブル（Ta3）の一例であって、横軸をピーク低減量（Z）、縦軸を、負荷トルクの基本波周波数成分に対する高調波の重畳量（An）とし、ピーク低減量（Z）に対する電源周波数の２倍の２次成分〜５次成分それぞれの重畳量（An）を表す。図１５の“２次成分”とは、電源周波数の２倍成分の２次成分、即ち、電源周波数の４倍成分に相当する。３次成分とは、電源周波数の２倍成分の３次成分、即ち、電源周波数の６倍成分に相当する。図１５は、図９の第１テーブル（Ta1）における負荷トルクの基本波周波数の高調波成分が、電源周波数の２倍周波数の高調波成分に置き換わったものであって、係数Ｋが“１”の場合の第３テーブル（ta3）は、トルク制御量が１００％である場合の図９の第１テーブル（Ta1）と同様である。

第３テーブル（Ta3）は、第１テーブル（Ta1）の生成手法と同様、工程１〜工程５を経て生成される。この際、工程４では、電流ピークを低減できる範囲内の位相が、電源周波数の２倍成分の高調波の位相として選択される。具体的には、電源周波数の２倍成分の波形が負から正に切り替わる位相を0°であるとしたとき、電源周波数の２倍成分の２次成分（即ち、電源周波数の４倍成分）の波形が負から正に切り替わる位相は、図１０と同様、電源周波数の４倍成分の位相で０°〜１８０°の範囲、好ましくは“４５°＋１８０ｍ°（ｍ：整数）以上１３５°＋１８０ｍ°以下”の所定範囲Ａ内となるように決定される。この値は、電源周波数の２倍成分の位相では“２２．５°＋９０ｍ°（ｍ：整数）以上６７．５°＋９０ｍ°”で表される。電源周波数の２倍成分の３次成分（即ち、電源周波数の６倍成分）の波形の負から正に切り替わる位相は、図１０と同様、電源周波数の６倍成分の位相で“−４５°＋１８０ｍ°（ｍ：整数）以上４５°＋１８０ｍ°以下”の所定範囲Ｂ内となるように決定される。この値は、電源周波数の２倍成分の位相では“−１５°＋６０ｍ°（ｍ：整数）以上１５°＋６０ｍ°”で表される。

第３テーブル（Ta3）においても、ピーク低減量（Z）が第３テーブル（Ta3）の上限値に近づく程、トルク指令変調部（60）の出力波形のピーク値が低下する。従って、第３テーブル（Ta3）を用いたトルク指令変調部（60）による高調波選択重畳処理では、トルク指令変調部（60）の出力波形のピークと負荷トルクの基本波周波数成分のピークとの偏差分が、圧縮機の振動を抑制しつつ且つ電流ピークを低下する要素となる。

＜制御部の動作＞
−高調波選択重畳処理を含む制御部の動作の流れ−
図１６を用いて、制御部（40）におけるトルク制御部（50）、トルク制御重畳部（46）及びトルク指令変調部（60）の動作の流れについて説明する。

図１６では、トルク指令変調部（60）にて高調波選択重畳処理が行われ、次いでトルク制御部（50）にて高調波選択重畳処理が行われた場合を例示する。図１６では、トルク指令変調部（60）内の電源周波数２ｎ倍選択部（64）の出力波形をｇ（ｔ）、トルク制御部（50）の出力波形（即ち、指令値の波形）をｆ（ｔ）として表している。

トルク制御部（50）及びトルク指令変調部（60）の双方にて高調波選択重畳処理が行われていない場合の各出力波形（f(t),g(t)）を、図１６（ａ）の左側グラフに示す。この状態時、トルク制御重畳部（46）では、左側グラフの破線で示されたトルク制御部（50）の出力波形（f(t)）に平均トルク指令（Tave*）が重畳され（Tave*×f(t)）、トルク指令変調部（60）では、トルク制御重畳部（46）の出力であるトルク指令（T*＝Tave*×f(t)）に、左側グラフの実線で示された出力波形（g(t)）が重畳されて出力される（Tave*×f(t)×g(t)）。右側グラフは、トルク制御量を１００％とした場合のトルク指令変調部（60）の出力波形（Tave*×f(t)×g(t)）を表す。

図１６（ｂ）の左側グラフは、トルク指令変調部（60）のみが高調波選択重畳処理を行った場合の各出力波形（f(t),g(t)）を示す。この場合、トルク制御部（50）の出力波形（f(t)）は図１６（ａ）と同一であるが、トルク指令変調部（60）内の電源周波数２ｎ倍選択部（64）の出力波形ｇ（ｔ）は、図１６（ａ）に比べてピークが低下した波形となっている。この状態時に、トルク指令変調部（60）から出力される出力波形（Tave*×f(t)×g(t)）は、右側グラフに示すように、図１６（ａ）から変化したものとなっている。

図１６（ｃ）の左側グラフは、図１６（ｂ）の状態から、更にトルク制御部（50）が高調波選択重畳処理を行った場合の各出力波形（f(t),g(t)）を示す。この場合、トルク制御部（50）の出力波形（f(t)）が、図１６（ｂ）に比べてピークが低減した波形となっているが、トルク指令変調部（60）内の電源周波数２ｎ倍選択部（64）の出力波形g(t)は、図１６（ｂ）と同一である。この状態時に、トルク指令変調部（60）から出力される出力波形（Tave*×f(t)×g(t)）は、右側グラフに示すように、図１６（ｂ）から更に変化したものとなっている。

なお、図１６（ａ）〜（ｃ）において、トルク制御量は１００％のままであるが、平均トルク（Tave）は、“１．００”“１．１７”“１．３７”へと増加している。

−従来のトルク制御と実施形態１に係るトルク制御との対比−
図１７は、横軸を負荷トルクの平均値、縦軸を、負荷トルクの平均値（平均トルク）に対する、モータ（5）に含まれる負荷トルク基本波周波数成分とし、従来のトルク制御と本実施形態１に係るトルク制御とを対比した図である。

図１７の破線で示すように、従来のトルク制御では、出力トルク（モータトルク）に含まれる負荷トルクの基本波周波数成分（即ちトルク制御量）が所定値（A₁*）よりも低い場合、出力トルクの平均値（具体的には平均トルク）の増加に伴ってトルク制御量を低下させることにより電流ピークを低減させている。

これに対し、本実施形態１のトルク制御では、実線で表されるように、出力トルク（モータトルク）に含まれる負荷トルクの基本波周波数成分（即ちトルク制御量）が所定値（A₁*）よりも低い場合、出力トルクの平均値（具体的には平均トルク）が増加するのに伴い、第３テーブル（Ta3）を用いたトルク指令変調部（60）による高調波選択重畳処理、次いで第１テーブル（Ta1）を用いたトルク制御部（50）による高調波選択重畳処理、次いで第２テーブル（Ta2）を用いたトルク制御部（50）による高調波選択重畳処理が、順に行われる。

このような本実施形態１により、出力トルクの平均値（具体的には平均トルク）が増加する一方で、第１及び第３テーブル（Ta1,Ta3）を用いた高調波選択重畳処理が行われる際には、出力トルクに含まれる負荷トルクの基本波周波数成分の比率は、略一定となっている。

即ち、図１７において、従来のトルク制御を表す破線と、本実施形態１のトルク制御を表す実線との間の斜線部分は、従来のトルク制御に比べて本実施形態１では圧縮機の振動抑制量が上昇している部分と言える。

なお、本実施形態１のトルク制御を表す実線には、用いられるテーブルが第１テーブル（Ta1）から第２テーブル（Ta2）へと変化する変曲点が存在する。この変曲点は、図９で説明した第１テーブル（Ta1）のピーク低減量（Y）の上限値に相当する。

図１８は、従来のトルク制御における出力トルクの波形、及び、本実施形態１における出力トルクの波形それぞれについて、周波数解析（ＦＦＴ解析）を行った結果を表す。ただし、この周波数解析では、従来のトルク制御における出力トルクのピークと本実施形態１における出力トルクのピークは等しく、平均トルクは図１７に示す第１テーブル（Ta1）を用いる領域におけるものである。

従来のトルク制御に係る周波数解析結果には、振動抑制に必要な成分である負荷トルクの基本波周波数成分“３０Ｈｚ”を示すスペクトル、直流リンク電圧（Vdc）の脈動周波数成分“１００Ｈｚ”を示すスペクトル、直流リンク電圧（Vdc）の脈動周波数“１００Ｈｚ”に負荷トルクの基本波周波数成分“３０Ｈｚ”を加算及び減算した周波数成分“１３０Ｈｚ”“７０Ｈｚ”を示すスペクトルが、現れている。

これに対し、本実施形態１に係る周波数解析結果には、振動抑制に必要な成分である負荷トルクの基本波周波数の整数倍の周波数成分を示すスペクトル、直流リンク電圧（Vdc）の脈動周波数の整数倍成分（交流電源（6）の電源周波数の２ｎ倍（ｎ：整数）の成分に相当）を示すスペクトル、直流リンク電圧（Vdc）の脈動周波数の整数倍に負荷トルクの基本波周波数の整数倍の周波数を加算及び減算した周波数成分を示すスペクトルが、現れている。即ち、スペクトルの数が、従来のトルク制御に比べて多い。

負荷トルクの基本波周波数成分“３０Ｈｚ”に着目すると、本実施形態１では、従来に比べて振動抑制成分（図１８の縦軸）が増加している。これは、本実施形態１の高調波選択重畳処理が、従来のトルク制御に比べて圧縮機の振動低減に寄与していることを表す。そのため、直流リンク電圧（Vdc）の脈動周波数の整数倍に負荷トルクの基本波周波数の整数倍を加算及び減算した周波数成分を含むようにモータトルクを制御することで、振動抑制成分を増加することができる。

＜効果＞
本実施形態１に係る直接形の電力変換装置（10）では、振動を抑制するためにモータ（5）の出力トルクを変化させるトルク制御が行われる。特に、このトルク制御では、交流電源（6）の電源周波数の４倍成分及び６倍成分のうち少なくとも一方とを含む波形を有した出力トルクを生成する第１制御、及び、モータ（5）の負荷トルクの基本波周波数の２倍成分及び３倍成分のうち少なくとも一方と、交流電源（6）の電源周波数の２倍成分とを含む波形を有した出力トルクを生成する第２制御が行われる（高調波選択重畳処理）。これにより、出力トルクは、圧縮機の振動の低減に寄与する周波数成分を従来のトルク制御より増加できるため、圧縮機の振動は低減される。

高調波選択重畳処理（第１制御及び第２制御）にて生成された出力トルクの周波数解析結果には、図１８に示すように、負荷トルクの基本波周波数の整数倍の周波数に、交流電源（6）の電源周波数の２ｎの周波数を加算及び減算した周波数成分を示すスペクトル、が現れる。図１８によれば、上記周波数成分を含むようにトルク制御することで、負荷トルクの基本波周波数成分“３０Ｈｚ”の振動抑制成分が従来に比べて増加しており、圧縮機の振動がより確実に抑制される。

上記第１制御にて出力トルクに電源周波数の４倍成分（即ち電源周波数の２倍成分の２次成分）が含まれる場合、第３テーブル（Ta3）により、電源周波数の４倍成分の波形が負から正に切り替わる位相は、電源周波数の２倍成分の位相で２２．５°＋９０ｍ°（ｍ：整数）以上６７．５°＋９０ｍ°以下の範囲内となる。これにより、圧縮機の振動低減に加えて、モータ（5）に流れる電流ピークを更に低減することができる。

上記第１制御にて出力トルクに電源周波数の６倍成分（即ち電源周波数の２倍成分の３次成分）が含まれる場合、第３テーブル（Ta3）により、電源周波数の６倍成分の波形が負から正に切り替わる位相は、電源周波数の２倍成分の位相で−１５°＋６０ｍ°（ｍ：整数）以上１５°＋６０ｍ°以下の範囲内となる。これにより、圧縮機の振動低減に加えて、モータ（5）に流れる電流ピークを更に低減することができる。

上記第２制御にて出力トルクに負荷トルクの基本波周波数の２倍成分が含まれる場合、第１テーブル（Ta1）及び第２テーブル（Ta2）により、該基本波周波数の２倍成分の波形が負から正に切り替わる位相は、負荷トルクの基本波周波数成分の位相で２２．５°＋９０ｍ°（ｍ：整数）以上６７．５°＋９０ｍ°以下の範囲内となる。これにより、圧縮機の振動低減に加えて、モータ（5）に流れる電流ピークを更に低減することができる。

上記第２制御にて出力トルクに負荷トルクの基本波周波数の３倍成分が含まれる場合、該基本波周波数の３倍成分の波形が負から正に切り替わる位相は、負荷トルクの基本波周波数成分の位相で−１５°＋６０ｍ°（ｍ：整数）以上１５°＋６０ｍ°以下の範囲内となる。これにより、圧縮機の振動低減に加えて、モータ（5）に流れる電流ピークを更に低減することができる。

図１８に示すように、出力トルクの平均値が増加する一方で、上述した高調波選択重畳処理（第１制御及び第２制御）により、該出力トルクの平均値に対する出力トルクに含まれる負荷トルクの基本波周波数成分の比率は、略一定となる。負荷トルクの基本波周波数成分は、振動抑制成分と同等であるため、本実施形態１の高調波選択重畳処理により振動抑制成分が引き上げられたと言える。従って、圧縮機の振動が確実に抑制される。

また、電力変換装置（10）は、図１に示すように、直流リンク電圧（Vdc）が脈動する直流リンク部（12）を備える。この電力変換装置（10）のトルク制御にて、上述した高調波選択重畳処理（第１制御及び第２制御）が行われる。これにより、電力変換装置（10）に接続されたモータ（5）を駆動源とする圧縮機の振動を、確実に低減することができる。

≪実施形態２≫
上記実施形態１では、高調波を積極的に重畳する高調波選択重畳処理により、圧縮機の振動と電流ピークとを低減する方法について説明した。本実施形態２では、トルクピークを積極的に一定にする制御を行うことで、上記実施形態１で説明したトルク制御部（50）及びトルク指令変調部（60）それぞれにおける高調波選択重畳処理が、結果的に且つ同時になされる場合について説明する。

本実施形態２の電力変換装置（10）は、図１と同様の構成であるが、制御部（40）内部の構成の一部が上記実施形態１と異なっている。

＜制御部の構成＞
図１９に、本実施形態２に係る制御部（40）の詳細を示す。本実施形態２に係る制御部（40）は、図２で説明した上記実施形態１に係る制御部（40）の構成に加え、更にリミット部（70）を含む。図１９では、上記実施形態１に係る制御部（40）と同様の構成には、同様の符合を付している。

＜トルク制御部＞
なお、本実施形態２のトルク制御部（50）は、図示していないが、図３から負荷トルク基本波整数倍重畳部（56）を有さない構成となっている。従って、トルク制御量調整部（55）により演算されたトルク制御量に基づいて生成される波形が、トルク制御部（50）の出力としてトルク制御重畳部（46）に入力される。

＜トルク指令変調部＞
また、本実施形態２のトルク指令変調部（60）は、図示していないが、図５からピークホールド部（63）及び電源周波数２ｎ倍選択部（64）を有さない構成となっている。従って、各係数生成部（61,62）によって、電源電圧の位相（θin）から正弦値sinθinの２乗のＫ倍が算出されると、乗算部（65）によって当該算出結果にトルク指令値（T*）が乗算され、その乗算結果がトルク指令変調部（60）の出力としてリミット部（70）に出力される。

＜リミット部＞
リミット部（70）は、トルク指令変調部（60）から出力された上記乗算結果に基づいて、モータ（5）の１回転毎のトルクピークを略一定にクリップする処理を行う。この処理により、上記実施形態１と同様、出力トルクの波形は、負荷トルクの基本波周波数成分と電源周波数の４倍成分及び６倍成分のうち少なくとも一方とを含み、且つ、モータ（5）の負荷トルクの基本波周波数の２倍成分及び３倍成分のうち少なくとも一方と交流電源（6）の電源周波数の２倍成分とを含んだものとなる。

図１９に示すように、制御部（40）では、トルク制御部（50）の入力側から速度制御部（45）の入力側にかけて、実際のモータ機械角（θm）及びモータ実回転速度（ωm）等を用いたフィードバック制御がなされる。それ故、リミット部（70）がクリップ処理を行った結果は、当該フィードバック制御にて反映され、そのフィードバック制御によって平均トルクやトルク制御量が調整される。クリップ処理が行われても、モータ（5）の出力トルクに含まれる負荷トルク基本波周波数成分（即ち振動抑制成分）は減少しない。

＜制御部の動作＞
図２０に示すように、負荷トルクの基本波周波数成分（即ちトルク制御量）が下限値（A₁*）より高い場合、トルク制御部（50）が負荷トルクの平均値（平均トルク）の増加に伴ってトルク制御量を低下させることにより、電流ピークは低減される。

トルク制御量が下限値（A₁*）以下となると、リミット部（70）は上記クリップ処理を行う。これにより、トルク制御量が下限値（A₁*）以下の部分では、出力トルクの平均値（具体的には平均トルク）が増加する一方で、出力トルクに含まれる負荷トルクの基本波周波数成分の比率は、図２０のグラフのｐ１点からｐ３点までの間、略一定となっている。

図２０（ａ）の左側グラフに示すように、ｐ１点におけるトルク制御部（50）の出力波形（f(t)）及びトルク指令変調部（60）内でトルク指令（T*）に乗算される波形（g'(t)）は、周波数が互いに異なるものの、同じ振幅を有する正弦波である。この場合、図２０（ａ）の右側グラフに示すように、トルク指令変調部（60）から出力される出力波形（Tave*×f(t)×g'(t)）は、そのピークがリミット部（70）にてトルク上限値以下に抑えられた波形となる。なお、図２０（ａ）の右側グラフでは、平均トルク（Tave）を“１．０”、トルク制御量を“１００％”としている。

図２０（ｂ）の左側グラフに示すように、ｐ２点における出力波形（g'(t)）は、ｐ１点における出力波形（g'(t)）と同一であるが、出力波形（f(t)）は、ｐ１点での出力波形（f(t)）に比べて振幅が大きくなっている。一例として、図２０では、図２０（ａ）における出力波形（f(t)）の振幅を１００％とした場合、図２０（ｂ）における出力波形（f(t)）の振幅が約１１９％に増加した場合を例示する。この場合、トルク指令変調部（60）から出力される出力波形（Tave*×f(t)×g'(t)）は、図２０（ｂ）の右側グラフに示すように、図２０（ａ）の右側グラフに比べて全体的に増大しているものの、リミット部（70）におけるクリップ処理により、トルクピークがトルク上限値を超えることはない。従って、トルク制御量は“１００％”のままであるが、平均トルク（Tave）は、“１．５”へと増加している。

＜効果＞
本実施形態２は、上記実施形態１と同様の効果に加え、以下を更に奏する。

本実施形態２では、モータ（5）の１回転毎のトルクピークを略一定にクリップする処理が、リミット部（70）によって行われる。このクリップ処理により、実施形態１で述べた高調波選択重畳処理（第１制御及び第２制御）が実質的に行われる。これにより、出力トルクは、圧縮機の振動の低減に寄与する高調波を有するものとなり、圧縮機の振動は低減される。

≪その他の実施形態≫
上記実施形態１，２では、電力変換装置（10）がコンデンサレスインバータである場合を例示したが、マトリクスコンバータであってもよい。

上記実施形態１，２では、モータ電流（iu,iv,iw）、モータ電圧（Vu,Vv,Vw）及びモータ機械角（θm）それぞれが、演算により求められる場合を例示したが、これらは直接検出されてもよい。例えば、モータ電流（iu,iv,iw）は、インバータ回路（13）とモータ（5）とを繋ぐ各相のハーネス上に電流センサを取り付けることにより検出されてもよいし、モータ機械角（θm）は、モータ（5）にエンコーダを取り付けることで検出されてもよい。

上記実施形態１の図１６では、トルク指令変調部（60）、トルク制御部（50）の順に、高調波選択重畳処理が行われる場合を例示したが、高調波選択重畳処理の処理順はトルク制御部（50）、トルク指令変調部（60）の順であってもよい。

上記実施形態１で説明した各テーブル（Ta1〜Ta3）の生成手法は一例である。各テーブル（Ta1〜Ta3）は、他の手法によって生成されてもよい。

上記実施形態１，２では、第１制御と第２制御の双方が行われる場合を例示したが、第１制御と第２制御のいずれかが行われてもよい。

以上、実施形態及び変形例を説明したが、特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態及び変形例は、本開示の対象の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。

以上説明したように、本開示は、電力変換装置として有用である。

5 モータ
6 交流電源
11 コンバータ回路
12 直流リンク部
13 インバータ回路（変換部）
40 制御部

Claims (9)

1. 直接形の電力変換装置であって、
   複数のスイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）を有し、単相の交流電源（6）から供給された交流電力を所定周波数の三相交流電力に変換し、周期的に負荷トルクが変動するモータ（5）に上記三相交流電力を供給する変換部（13）と、
   上記スイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）のスイッチング動作を制御する制御部（40）と、
   を備え、
   上記制御部（40）は、
   上記負荷トルクの変動周期に応じた周波数を基本波周波数とする上記負荷トルクの基本波周波数成分と、上記交流電源（6）の電源周波数の４倍成分及び６倍成分のうち少なくとも一方とを含む波形を有した上記モータ（5）の出力トルクを生成する第１制御と、
   上記負荷トルクの基本波周波数の２倍成分及び３倍成分のうち少なくとも一方と、上記交流電源（6）の電源周波数の２倍成分とを含む波形を有した上記出力トルクを生成する第２制御と
   の少なくとも一方を行う
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１において、
   上記第１制御及び上記第２制御の少なくとも一方によって生成された上記出力トルクを周波数解析した結果には、上記負荷トルクの基本波周波数の整数倍の周波数に、上記交流電源（6）の電源周波数の２ｎ倍（ｎ：整数）を加算及び減算した周波数成分を示すスペクトル、が現れる
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   上記第１制御において上記出力トルクに上記電源周波数の４倍成分が含まれる場合、該電源周波数の４倍成分の波形の負から正に切り替わる位相は、上記出力トルクに含まれる上記電源周波数の２倍成分の波形が負から正に切り替わる位相を上記電源周波数の２倍成分の位相で0°であるとしたとき、上記電源周波数の２倍成分の位相で２２．５°＋９０ｍ°（ｍ：整数）以上６７．５°＋９０ｍ°以下の範囲内に存在する
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１または請求項２において、
   上記第１制御において上記出力トルクに上記電源周波数の６倍成分が含まれる場合、該電源周波数の６倍成分の波形の負から正に切り替わる位相は、上記出力トルクに含まれる上記電源周波数の２倍成分の波形が負から正に切り替わる位相を上記電源周波数の２倍成分の位相で0°であるとしたとき、上記電源周波数の２倍成分の位相で−１５°＋６０ｍ°（ｍ：整数）以上１５°＋６０ｍ°以下の範囲内に存在する
   ことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１または請求項２において、
   上記第２制御において上記出力トルクに上記負荷トルクの基本波周波数の２倍成分が含まれる場合、該基本波周波数の２倍成分の波形の負から正に切り替わる位相は、上記出力トルクに含まれる上記負荷トルクの基本波波形が負から正に切り替わる位相を上記負荷トルクの基本波周波数成分の位相で0°であるとしたとき、上記負荷トルクの基本波周波数成分の位相で２２．５°＋９０ｍ°（ｍ：整数）以上６７．５°＋９０ｍ°以下の範囲内に存在する
   ことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１または請求項２において、
   上記第２制御において上記出力トルクに上記負荷トルクの基本波周波数の３倍成分が含まれる場合、該基本波周波数の３倍成分の波形の負から正に切り替わる位相は、上記出力トルクに含まれる上記負荷トルクの基本波波形が負から正に切り替わる位相を上記負荷トルクの基本波周波数成分の位相で0°であるとしたとき、上記負荷トルクの基本波周波数成分の位相で−１５°＋６０ｍ°（ｍ：整数）以上１５°＋６０ｍ°以下の範囲内に存在する
   ことを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項において、
   上記出力トルクの平均値が増加する一方で、該出力トルクの平均値に対する上記出力トルクに含まれる上記負荷トルクの基本波周波数成分の比率は、略一定である
   ことを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項において、
   上記制御部（40）は、上記モータ（5）の１回転毎のトルクピークを略一定にクリップすることにより、上記第１制御及び上記第２制御の少なくとも１つを行う
   ことを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項において、
   上記交流電源（6）の交流電力における電源電圧を整流するコンバータ回路（11）と、
   上記コンバータ回路（11）の出力に並列に接続されたコンデンサを有し、脈動する直流電圧を出力する直流リンク部（12）と
   を更に備え、
   上記変換部（13）は、上記直流リンク部（12）の出力を上記スイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）によりスイッチングして上記三相交流電力に変換するインバータ回路である
   ことを特徴とする電力変換装置。

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