JP7150137B2 - モータ駆動装置及び冷凍サイクル適用機器 - Google Patents
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Description
電気抵抗率ρの温度依存性は、下記の式(1)で表されており、式(1)における温度係数αは、「0」より大きい数値を取るため、温度上昇に応じて相抵抗が大きくなることが知られている。仮にモータ電流が同一電流であったとしても、相抵抗が大きくなると、巻線でのジュール損失は大きくなり、モータの内部温度が上昇することとなる。するとモータ相抵抗は更に大きくなり、内部温度が更に上昇することとなる。
モータが出力するトルクは、一般的に、下記の式(2)に示されるようになることが知られている。ここで、誘起電圧定数Φfは、ロータの永久磁石の磁束密度に依存したパラメータであるが、永久磁石の磁束密度にも温度依存性がある。永久磁石の材料により、温度係数が異なるが、基本的に高温になるにつれて、磁束密度が低下する。従って、誘起電圧定数Φfは、高温になるにつれて低下するパラメータであるが、モータ出力トルクτmを一定とした場合、下記の式(2)より電流値が増加する傾向となる。そのため、モータ出力トルクτmと、誘起電圧定数Φfとから、高温になるにつれて、巻線抵抗によるジュール損失が増加する。このため、前述のモータ相抵抗温度係数と同様な傾向になる。
一つの駆動手段(例えば、インバータ)に対して並列に接続されるアクチュエータ(例えば、モータ)の設置環境が異なり、モータ毎に駆動前の内部温度が異なる状態を説明する。
モータ電流が最小となる電流進角β0は、一般的に、下記の式(3)で表される。
図1は、実施の形態1に係るモータ駆動装置100を概略的に示す回路図である。
このモータ駆動装置100は、第1モータ41及び第2モータ42を駆動するためのものである。ここでは、第1モータ41及び第2モータ42は、回転子に永久磁石を有する永久磁石同期モータである。
平滑部3は、コンデンサ等で構成され、整流器2からの直流電力を平滑してインバータ4に供給する。
インバータ4の出力には、第1モータ41と、第2モータ42とが並列に接続されており、インバータ4は、第1モータ41及び第2モータ42を駆動する。具体的には、インバータ4は、第1モータ41及び第2モータ42に三相交流電圧を印加することで、第1モータ41及び第2モータ42を駆動する。
半導体スイッチング素子の寄生ダイオードを還流ダイオードとして用いてもよい。MOSFETの場合は環流のタイミングでMOSFETをON状態とすることにより還流ダイオードと同様の機能を実現することが可能である。
接続切替部8は、図示の例では三つの開閉部9から成る。開閉部9は、第2モータ42と、インバータ4とを接続したり切り離したりすることが可能であり、開閉部9の開閉により同時に運転されるモータの台数を切替えることができる。
開閉部9としては、半導体スイッチング素子の代わりに、機械的なリレー、コンタクタ等の電磁接触器が用いられてもよい。要するに、同様の機能を有するものであれば何が用いられてもよい。半導体スイッチング素子は、上記と同様に、ワイドバンドギャップ半導体を用いることで、低損失化及び高速スイッチング化を実現することが可能となる。
図示してはいないが、第1モータ41とインバータ4との間に接続切替部が設けられてもよい。また、第2モータ42とインバータ4との間、及び、第1モータ41とインバータ4との間の両方に接続切替部が設けられてもよい。
後述するように、インバータ電流検出部5及びモータ電流検出部6により、第1モータ41及び第2モータ42に流れるモータ電流を検出する電流検出部が構成される。なお、第1モータ41に流れるモータ電流を第1モータ電流、第2モータ42に流れるモータ電流を第2モータ電流ともいう。
同様に、インバータ電流の検出には、抵抗の両端電圧から電流値を算出する構成の代わりに、カレントトランス、ホール素子等が用いられてもよい。
図示のように、制御部10は、運転指令部11と、減算部12と、座標変換部13m、13lと、速度推定部14m、14lと、積分部15m、15lと、モータ制御部16と、脈動補償制御部17と、座標変換部18と、PWM信号生成部19と、進角補正部20とを有する。
これは、第1モータ41の相電流iu_m、iv_m、iw_mと、第2モータ42の相電流iu_sl、iv_sl、iw_slとの和がインバータの相電流iu_all、iv_all、iw_allに等しいという関係を利用したものである。
同様に、第2速度推定部14lは、dq軸電流id_sl、iq_sl及び後述のdq軸電圧指令値vd *、vq *に基づいて、第2モータ42の回転数推定値ωslを求める。
同様に、積分部15lは、第2モータ42の回転数推定値ωslを積分することで、第2モータ42の位相推定値θslを求める。
PWM信号UP、VP、WP、UN、VN、WNは、インバータ4に供給され、スイッチング素子の制御に用いられる。
誤差が発生すると第2モータ42の電流脈動が発生し、第2モータ42の脱調、過大電流による発熱による損失悪化のおそれがある。さらに、過大電流に応じて回路遮断が行われて、モータが停止し、負荷の駆動ができなくなるおそれがある。
まず、進角補正部20は、第1モータ41に流れるモータ電流の電流値が、第2モータ42に流れるモータ電流の電流値と等しいか否かを判断する(S10)。第1モータ41に流れるモータ電流の電流値が、第2モータ42に流れるモータ電流の電流値と等しい場合(S10でYse)には、処理はステップS11に進み、第1モータ41のモータ電流の電流値が、第2モータ42のモータ電流の電流値と異なる場合(S10でNo)には、処理はステップS12に進む。
ここで、進角補正部20は、モータ電流として、U相、V相及びW相の何れの相を用いてもよく、また、電流値の形式についても、ピーク値を用いても、実行値を用いてもよい。但し、第1モータ41及び第2モータ42において、比較する電流の相及び形式は、同一とする。
なお、進角補正部20は、制御対象モータのモータ電流の電流値が低下傾向となる進角補正値β’が得られれば、以上のような探索的手法を用いなくてもよい。
tan-1(vq_m */vd_m *)は、第1モータ41を制御するために、インバータ4が出力するd軸電圧指令値vd_m *及びq軸電圧指令値vq_m *の偏角を表している。
図6は、第1モータ41の回転位置推定値θmに対して、第2モータ42の位置推定値θslが遅れ位相である場合を表している。
例えば、図7に示されているように、接続切替部8の開閉部9をOFFにすることで、第1モータ41のみを駆動させた後、一度インバータ4を停止する。そして、接続切替部8の開閉部9をONにして、インバータ4を起動した場合について説明する。
図1に示されているように、実施の形態2に係るモータ駆動装置200は、整流器2と、平滑部3と、インバータ4と、インバータ電流検出部5と、モータ電流検出部6と、入力電圧検出部7と、接続切替部8と、制御部21とを備える。
実施の形態2に係るモータ駆動装置200の、整流器2、平滑部3、インバータ4、インバータ電流検出部5、モータ電流検出部6、入力電圧検出部7及び接続切替部8は、実施の形態1に係るモータ駆動装置100の、整流器2、平滑部3、インバータ4、インバータ電流検出部5、モータ電流検出部6、入力電圧検出部7及び接続切替部8と同様である。
実施の形態2における制御部21の、運転指令部11、減算部12、座標変換部13m、13l、速度推定部14m、14l、積分部15m、15l、モータ制御部16、脈動補償制御部17、座標変換部18及びPWM信号生成部19は、実施の形態1における制御部10の、運転指令部11、減算部12、座標変換部13m、13l、速度推定部14m、14l、積分部15m、15l、モータ制御部16、脈動補償制御部17、座標変換部18及びPWM信号生成部19と同様である。
永久磁石の磁束密度が33%低下することは、モータ定数における誘起電圧定数Φfが33%低下することと同義である。このため、上記の式(2)より、必要トルクを出力する際における必要電流は、約33%増加することとなる。従って、一つの指標としては、モータ電流のアンバランス量を33%以下とすることで、モータ内部の温度を165℃以下に保つことが可能である。
実施の形態3では、冷凍サイクル適用機器としてのヒートポンプ装置の回路構成の一例について説明する。
図8は、実施の形態3に係るヒートポンプ装置900の回路構成図である。
図9は、図8に示すヒートポンプ装置900の冷媒の状態についてのモリエル線図である。図9において、横軸は比エンタルピ、縦軸は冷媒圧力を示す。
そして、熱交換器907で加熱された冷媒は、レシーバ904でさらに加熱され(図9の点8)、圧縮機901に吸入される。
中間圧まで圧縮、加熱された冷媒(図9の点11)に、インジェクション冷媒(図9の点10)が合流して、温度が低下する(図9の点12)。
そして、温度が低下した冷媒(図9の点12)が、さらに圧縮、加熱され高温高圧となり、吐出される(図9の点1)。
ここで、膨張機構911の開度は、マイクロコンピュータ等で構成された制御部により電子制御される。
そして、熱交換器902で加熱された冷媒は、レシーバ904でさらに加熱され(図9の点8)、圧縮機901に吸入される。
圧縮機901内での圧縮動作については、暖房運転時と同様である。
また、水回路913は、水が循環する回路ではなく、他の流体が循環する回路であってもよい。
ここで、制御部10、21は、インバータ4に出力するPWM信号を生成するために用いられる電圧指令値を算出するための印加電圧位相における進み位相角を補正すればよいため、容易に制御対象モータに流れるモータ電流の電流値を小さくすることができる。
Claims (13)
- 回転子に永久磁石を有する第1モータ及び第2モータに接続され、前記第1モータ及び前記第2モータを駆動するインバータと、
前記第1モータに流れるモータ電流である第1モータ電流及び前記第2モータに流れるモータ電流である第2モータ電流を検出する電流検出部と、を備え、
前記インバータは、前記第1モータ及び前記第2モータの内、電流値の大きい方のモータである制御対象モータに流れるモータ電流の電流値のみが小さくなるように、前記第1モータ及び前記第2モータを駆動すること
を特徴とするモータ駆動装置。 - 前記インバータを制御する制御部をさらに備え、
前記インバータは、前記第1モータ及び前記第2モータに三相交流電圧を印加することで、前記第1モータ及び前記第2モータを駆動し、
前記制御部は、前記三相交流電圧の位相を変えることで、前記制御対象モータに流れるモータ電流の電流値が小さくなるように、前記インバータを制御すること
を特徴とする請求項1に記載のモータ駆動装置。 - 前記インバータは、複数のスイッチング素子により直流電圧をスイッチングすることで、前記三相交流電圧を生成し、
前記制御部は、前記複数のスイッチング素子をオン又はオフにするPWM(Pulse Width Modulation)信号を前記インバータに与えることで、前記インバータを制御し、
前記制御部は、前記PWM信号を生成するために用いられる電圧指令値を算出するための印加電圧位相における進み位相角を補正することで、前記制御対象モータに流れるモータ電流の電流値が小さくなるようにすること
を特徴とする請求項2に記載のモータ駆動装置。 - 前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体で構成されること
を特徴とする請求項3に記載のモータ駆動装置。 - 前記制御部は、前記第1モータ電流の電流値と、前記第2モータ電流の電流値とが異なる場合に、前記インバータに、前記制御対象モータに流れるモータ電流の電流値が小さくなるように、前記第1モータ及び前記第2モータを駆動させること
を特徴とする請求項2から4の何れか一項に記載のモータ駆動装置。 - 前記制御部は、前記第1モータ電流の電流値及び前記第2モータ電流の電流値の差分が、予め定められた範囲を超えた場合に、前記インバータに、前記制御対象モータに流れるモータ電流の電流値が小さくなるように、前記第1モータ及び前記第2モータを駆動させること
を特徴とする請求項2から4の何れか一項に記載のモータ駆動装置。 - 前記第1モータ及び前記第2モータの内の少なくとも1台のモータと前記インバータとの接続状態を、接続及び切断との間で切り替える接続切替部をさらに備えること
を特徴とする請求項1から6の何れか一項に記載のモータ駆動装置。 - 前記接続切替部はワイドバンドギャップ半導体で構成されること
を特徴とする請求項7に記載のモータ駆動装置。 - 前記接続切替部は電磁接触器で構成されること
を特徴とする請求項7に記載のモータ駆動装置。 - 請求項1から9の何れか一項に記載のモータ駆動装置を備える冷凍サイクル適用機器。
- 前記冷凍サイクル適用機器の熱交換器が第1部分及び第2部分を有し、
前記第1モータは前記第1部分に対応して設けられており、
前記第2モータは前記第2部分に対応して設けられており、
前記冷凍サイクル適用機器の負荷に応じて、前記第1部分及び第2部分のうちの熱交換動作を行う部分が切り替えられ、
前記第1モータは、前記第1部分が熱交換動作を行うときに前記インバータにより駆動され、
前記第2モータは、前記第2部分が熱交換動作を行うときに前記インバータにより駆動されること
を特徴とする請求項10に記載の冷凍サイクル適用機器。 - 前記第1モータは、前記第1部分に対応して設けられている第1ファンを回転させるために用いられ、
前記第2モータは、前記第2部分に対応して設けられている第2ファンを回転させるために用いられること
を特徴とする請求項11に記載の冷凍サイクル適用機器。 - 前記冷凍サイクル適用機器の圧縮機が第1部分及び第2部分を有し、
前記第1モータが前記第1部分に対応して設けられており、
前記第2モータが前記第2部分に対応して設けられており、
前記冷凍サイクル適用機器の負荷に応じて、前記第1部分及び前記第2部分のうちの圧縮動作を行う部分が切り替えられ、
前記第1モータは、前記第1部分が圧縮動作を行うときに前記インバータにより駆動され、
前記第2モータは、前記第2部分が圧縮動作を行うときに前記インバータにより駆動されること
を特徴とする請求項10に記載の冷凍サイクル適用機器。
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