KR20180022942A - 전동기 구동 장치 및 냉동 공조 장치 - Google Patents

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Abstract

직류 전원(1)으로부터 변환된 교류 전력에 의해 전동기(4)를 구동하는 전동기 구동 장치(100)는, 펄스폭 변조 신호를 수신하고, 전동기(4)에 교류 전력을 공급하는 인버터(5)와, 펄스폭 변조 신호를 생성하여 인버터(5)에 공급하는 인버터 제어부(8)를 구비하고, 인버터 제어부(8)는, 전동기(4)의 기계각 1주기 내의 제1의 기간에 생성하는 펄스폭 변조 신호의 펄스수를, 전동기(4)의 기계각 1주기 내의 제2의 기간에 생성하는 펄스폭 변조 신호의 펄스수보다도 저하시키고, 제1의 기간은, 부하 토오크가 제2의 기간의 부하 토오크보다도 낮은 기간이다.

Description

전동기 구동 장치 및 냉동 공조 장치
본 발명은, 직류 전력으로부터 변환된 교류 전력에 의해 전동기를 구동하는 전동기 구동 장치 및 냉동 공조 장치에 관한 것이다.
인버터를 구성하는 스위칭 소자의 구동 신호를 생성하는 수법으로서 PWM(Pulse Width Modulation) 변조가 이용되는 것이 많다. PWM 변조는, 스위칭 주기에 대한 ON 시간 및 OFF 시간의 비율을 제어함에 의해, 스위칭 소자가 순간적(瞬時的)으로 출력 가능한 전압을, 스위칭 주기에서의 평균 전압으로서 출력 가능한 변조 방식이다. PWM 변조는, 비동기 PWM 변조와 동기 PWM 변조로 대별된다. PWM 변조에 의한 스위칭 소자 구동 신호의 생성 방법에서는, 출력 전압 지령치와 캐리어와의 대소 관계를 비교하는 반송파 비교 방식이 채용되는 것이 많다.
캐리어 주파수를 출력 전압 지령치의 주파수의 정수배로 제어하는 방식이 동기 PWM 변조이고, 어떤 출력 전압 지령치의 주파수에서도 캐리어 주파수를 일정하게 하는 경우가 비동기 PWM 변조 방식이 된다. 특허 문헌 1에 나타나는 인버터 장치에서는, 동기 PWM 변조 방식이 채용되고, 모터의 가속도 또는 소음에 응하여 PWM 주파수의 변화량을 제어하는 수법이 제안되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본국 특허 제5075892호 공보
특허 문헌 1으로 대표되는 종래의 인버터 장치의 부하인 공조 기기의 압축기에서는, 압축기의 동작 사이클에 의해 부하 토오크가 주기적으로 변동한다. 이와 같이 부하 토오크가 주기적으로 변동하는 부하를 구동하는 경우에도 종래의 인버터 장치에서는 캐리어 주파수가 출력 전압 지령치의 주파수의 정수배로 제어된다. 특허 문헌 1에는, 부하 토오크의 주기적인 변동에 응하여 캐리어 주파수를 변화시켜서 인버터의 출력 전압을 제어함으로써, 인버터의 더한층의 저손실화를 도모하는 것에 관한 구체적인 개시가 이루어져 있지 않다.
본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 인버터의 더한층의 저손실화를 도모할 수 있는 전동기 구동 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 전동기 구동 장치는, 직류 전력으로부터 변환된 교류 전력에 의해 전동기를 구동하는 전동기 구동 장치로서, 펄스폭 변조 신호를 수신하고, 상기 전동기에 상기 교류 전력을 공급하는 인버터와, 상기 펄스폭 변조 신호를 생성하여 상기 인버터에 공급하는 인버터 제어부를 구비하고, 상기 인버터 제어부는, 상기 전동기의 기계각(機械角) 1주기 내의 제1의 기간에 생성하는 상기 펄스폭 변조 신호의 펄스수를, 상기 전동기의 기계각 1주기 내의 제2의 기간에 생성하는 상기 펄스폭 변조 신호의 펄스수보다도 저하시키고, 상기 제1의 기간은, 부하 토오크가 상기 제2의 기간의 부하 토오크보다도 낮은 기간이다.
본 발명에 관한 전동기 구동 장치는, 인버터의 더한층의 저손실화를 도모할 수 있다는 효과를 이룬다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태에 관한 전동기 구동 장치의 구성을 도시하는 도면
도 2는 본 발명의 실시의 형태에 관한 전동기 구동 장치의 전압 지령 생성부의 구성도
도 3은 본 발명의 실시의 형태에 관한 전동기 구동 장치의 펄스수 설정부의 구성도
도 4는 본 발명의 실시의 형태에 관한 전동기 구동 장치의 동기 PWM 제어부의 구성도
도 5는 본 발명의 실시의 형태에 관한 전동기 구동 장치로 구동되는 전동기의 부하인 밀폐형의 압축기의 횡단면도
도 6은 도 5에 도시하는 롤링 피스톤이 1회전할 때의 부하 토오크의 변동을 도시하는 도면
도 7은 본 발명의 실시의 형태에 관한 전동기 구동 장치로 압축기를 구동할 때의 U 상전류와 q축 전류와 압축기의 기계각과 전동기의 전기각과의 관계를 도시하는 도면
도 8은 동기 PWM 변조 방식에 의한 전압 지령과 캐리어파를 도시하는 도면
도 9는 전압 지령과 캐리어파와 PWM 신호와의 관계를 도시하는 도면
도 10은 본 발명의 실시의 형태에 관한 전동기 구동 장치에 의해 캐리어파의 주파수를 변화시킨 경우의 동작을 설명하기 위한 도면
도 11은 전동기에서 생기는 동손과 전동기에서 생기는 철손과 인버터를 구성하는 복수의 반도체 스위칭 소자의 각각의 스위칭 손실을 합계한 회로손을 도시하는 도면
도 12는 본 발명의 실시의 형태에 관한 히트펌프 장치의 구성례를 도시하는 도면
도 13은 히트펌프 장치를 적용한 냉동 공조 장치의 구성도
도 14는 도 13에 도시하는 냉동 공조 장치의 냉매의 상태에 관한 모리엘선도
이하에, 본 발명의 실시의 형태에 관한 전동기 구동 장치 및 냉동 공조 장치를 도면에 의거하여 상세히 설명한다. 또한, 이 실시의 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것이 아니다.
실시의 형태.
도 1은 본 발명의 실시의 형태에 관한 전동기 구동 장치의 구성을 도시하는 도면이다. 전동기 구동 장치(100)는, 직류 전원(1)으로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 복수의 반도체 스위칭 소자(2a부터 2f)와 각각이 반도체 스위칭 소자(2a부터 2f)의 각각에 병렬로 접속된 복수의 다이오드(3a부터 3f)로 구성되고, 도시하지 않은 부하를 구동하는 전동기(4)에 교류 전력을 출력하는 인버터(5)와, 인버터(5)의 입력측에 인가되는 직류 전압의 전압치를 검출하는 전압 검출부(6)와, 인버터(5)에 유입하는 직류 전류의 전류치를 검출하는 전류 검출부(7)를 구비한다.
또한 전동기 구동 장치(100)는, 전압 검출부(6)에서 검출된 전압과 전류 검출부(7)에서 검출된 전류를 입력으로 하여 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation : PWM) 신호(UP, VP, WP, UN, VN, WN)를 생성하여 인버터(5)에 출력하여 인버터(5)를 스위칭 동작시키는 인버터 제어부(8)를 구비한다.
인버터 제어부(8)는, 전동기(4)의 기계각 1주기 내, 즉 전동기(4)에 구동되는 부하의 기계각 1주기 내의 제1의 기간에 생성하는 펄스폭 변조 신호의 펄스수를, 전동기(4)의 기계각 1주기 내의 제2의 기간에 생성하는 펄스폭 변조 신호의 펄스수보다도 저하시키도록 구성되어 있다. 제1의 기간은, 부하 토오크가 제2의 기간의 부하 토오크보다도 낮은 기간이다. 이하에서는 전동기(4)의 기계각 1주기를, 부하의 기계각 1주기라고 바꾸어 읽는다. 인버터 제어부(8)는, 전압 검출부(6)에서 검출된 전압(Vdc)과 전류 검출부(7)에서 검출된 전류(Idc)에 의거하여 전압 지령을 생성하는 전압 지령 생성부(9)와, 전류(Idc)로부터 얻어지는 부하 정보에 의거하여 부하의 기계각 1주기 중에서 PWM 신호의 펄스수를 1회 이상 변화시키는 펄스수 가변부(可變部)(10)를 구비한다.
펄스수 가변부(10)는, 부하에 응한 펄스수를 설정하는 펄스수 설정부(11)와, PWM 신호를 출력하여 반도체 스위칭 소자(2a부터 2f)를 구동하는 동기 PWM 제어부(12)를 구비한다. 펄스수 가변부(10)는, 부하의 기계각 1주기 중에서 PWM 신호의 펄스수를 1회 이상 변화시키고, 또는 전압 지령 생성부(9)에서 생성된 전압 지령의 전기 각 1주기 중에서 PWM 신호의 펄스수를 변화시키고, 또는 전압 지령 생성부(9)에서 생성된 전압 지령의 주파수가 일정치 이하일 때에 PWM 신호의 펄스수를 변화시키고, 또는 부하의 기계각 1주기 내에서의 부하 토오크의 평균치가 일정치 이하일 때에 PWM 신호의 펄스수를 변화시킨다.
또한 본 실시의 형태에서 설명한 직류 전원(1)은 교류 전원을 다이오드 브리지로 정류하여 평활화한 직류 전원이라도 좋고 태양전지 또는 배터리로 대표되는 직류 전원을 이용하여도 좋다. 또한 인버터(5)를 구성하는 복수의 반도체 스위칭 소자(2a부터 2f)는 트랜지스터, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOS-FET(Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor), 사이리스터, 또는 GTO(Gate Turn-Off Thyristor)의 어느 소자라도 좋다.
또한 복수의 반도체 스위칭 소자(2a부터 2f)의 반도체 재료로서는, 주류(主流)인 규소(Silicon : Si)뿐만 아니라, 일반적으로 와이드 밴드 갭 반도체라고 불리는 탄화규소(Silicon Carbide : SiC), 질화갈륨(Gallium Nitride : GaN), 또는 다이아몬드(Carbon : C)의 어느 반도체 재료라도 좋다. 또한 본 실시의 형태에서는, 전압 지령(Vu*)의 하강 제로 크로스점(点)을 전압 위상(θv)의 기준점, 예를 들면 0라디안으로 하고 있지만, 전압 위상(θv)의 기준점은 전압 지령(Vu*)의 하강 제로 크로스점 이외의 위치라도 좋다. 예를 들면 전압 지령(Vv*)의 하강 제로 크로스점 또는 전압 지령(Vw*)의 하강 제로 크로스점을 전압 위상(θv)의 기준점으로 하여도 좋다.
이하, 인버터 제어부(8)의 구성을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시의 형태에 관한 전동기 구동 장치의 전압 지령 생성부의 구성도이다. 전압 지령 생성부(9)는, 전류 검출부(7)에서 검출된 전류(Idc)로부터 전동기(4)에 흐르는 모터 상전류(相電流)(Iu, Iv, Iw)를 복원하는 전류 복원부(3)과, 전류 복원부(3)에서 복원된 모터 상전류(Iu, Iv, Iw)를 전동기(4)의 로터 자극(磁極) 위치(θ)에 의거하여 dq 좌표축의 dq축 전류(Id, Iq)로 변환하는 좌표 변환부인 3상2상 변환부(14)와, 3상2상 변환부(14)에서 변환된 dq축 전류(Id, Iq)와 전압 지령(Vd*, Vq*)에 의거하여 로터 자극 위치(θ)와 전동기(4)의 속도 추정치(ω)를 추정하는 위치 속도 추정부(15)를 구비한다.
또한 전압 지령 생성부(9)는, 위치 속도 추정부(15)에서 추정된 속도 추정치(ω)가 속도 지령치(ω*)에 일치하는 dq 좌표상의 q축 전류의 지령치인 q축 전류 지령(Id*)을 생성하는 전류 지령 생성부(16)와, 3상2상 변환부(14)에서 변환된 d축 전류(Id)가 도시하지 않은 전류 지령 생성부에서 생성된 dq 좌표상의 d축 전류의 지령치인 d축 전류 지령(Id*)에 일치하는 d축 전압 지령(Vd*)을 구함과 함께, q축 전류(Iq)가 전류 지령 생성부(16)에서 생성된 q축 전류 지령(Iq*)에 일치하는 q축 전압 지령(Vq*)을 구하는 dq축 전압 지령 연산부(17)를 구비한다.
또한 전압 지령 생성부(9)는, 전압 검출부(6)에서 검출된 전압(Vdc)과 위치 속도 추정부(15)에서 추정된 로터 자극 위치(θ)에 의거하여, dq축 전압 지령 연산부(17)에서 연산된 dq축 전압 지령(Vd*, Vq*)을 U상, V상, W상의 전압 지령(Vu*, Vv*, Vw*)으로 변환하는 전압 지령 변환부(18)를 구비한다.
전압 지령 변환부(18)는, dq축 전압 지령(Vd*, Vq*)을 전압 지령(Vu*, Vv*, Vw*)으로 변환함과 함께, 전압 지령(Vu*)의 하강 제로 크로스점을 기준점으로 하는 전압 위상(θv)을 출력한다.
또한 전압 지령 생성부(9)의 구성 요소는 어느 것이나 공지이기 때문에 상세한 설명은 생략한다. 전압 지령 생성부(9)는 전동기(4)를 구동 가능한 구성이라면 도시례의 구성으로 한정되지 않는다.
도 3은 본 발명의 실시의 형태에 관한 전동기 구동 장치의 펄스수 설정부의 구성도이다. 펄스수 설정부(11)에서는, 위치 속도 추정부(15)에서 추정된 로터 자극 위치(θ)와 3상2상 변환부(14)에서 변환된 q축 전류(Iq)에 의해, 부하의 기계각 1에 대응한 부하 토오크의 값을 추정하고, 추정한 부하 토오크의 값에 대응한 펄스수(N)를 출력한다. 펄스수(N)는, 동기 PWM 제어로 이용하는 캐리어파의 주파수를 결정하기 위한 값이다.
도 4는 본 발명의 실시의 형태에 관한 전동기 구동 장치의 동기 PWM 제어부의 구성도이다. 동기 PWM 제어부(12)는, 도 2의 전압 지령 변환부(18)로부터 출력된 전압 위상(θv)에 동기시키도록, 도 3의 펄스수 설정부(11)에서 설정된 펄스수(N)에 대응한 주파수의 캐리어파를 생성하는 캐리어 생성부(19)와, 도 2의 전압 지령 변환부(18)에서 변환된 전압 지령(Vu*, Vv*, Vw*)과 캐리어 생성부(19)에서 생성된 캐리어파를 비교하여 PWM 신호(UP, VP, WP, UN, VN, WN)를 생성하는 PWM 신호 생성부(20)를 구비한다.
다음에 전동기(4)의 부하와 전동기 구동 장치(100)의 동작을 관련시켜서 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시의 형태에 관한 전동기 구동 장치로 구동되는 전동기의 부하인 밀폐형의 압축기의 횡단면도이다. 도 5에 도시하는 압축기(30)는, 실린더(31)와, 실린더(31)의 내부에 배치된 롤링 피스톤(32)과, 롤링 피스톤(32)에 관통하는 회전축(33)을 구비하고, 실린더(31)에는 흡입구(34)와 토출구(35)가 형성된다. 회전축(33)은 전동기(4)의 로터에도 관통하고 있고, 롤링 피스톤(32)의 기계각 1주기는 로터의 기계각 1주기와 같다. 실린더실(36)은, 흡입구(34)에 통하는 저압실(36a)과, 토출구(35)에 통하는 고압실(36b)과, 저압실(36a)과 고압실(36b)과, 저압실(36a)과 고압실(36b)을 구획하는 베인(36c)에 의해 구성되어 있다.
도 1에 도시하는 인버터(5)로부터 전동기(4)에 교류 전력이 공급됨에 의해 도 1에 도시하는 전동기(4)의 로터가 회전하고, 로터의 회전축(33)에 마련된 롤링 피스톤(32)이 실린더(31) 내에서 회전한다. 이때 도시하지 않은 흡입 파이프를 통하여 흡입구(34)로부터 저압실(36a) 내에 냉매 가스가 흡입되고, 흡입된 냉매 가스는 실린더실(36)에서 압축되어 토출구(35)에서 토출된다. 도 5(a)는 상사점(top dead center) 근처에 위치하는 롤링 피스톤(32)의 상태를 나타내고, 이때 냉매 가스가 실린더(31) 내에 흡입된다. 도 5(b)는 시계방향으로 회전함에 의해 흡입구(34)로부터 실린더(31) 내에 흡입된 냉매 가스를 압축하면서 하사점(bottom dead center)을 향하는 롤링 피스톤(32)의 상태를 나타낸다.
이때 실린더(31) 내의 냉매 가스가 롤링 피스톤(32)에 의해 압축된다. 도 5(c)는 하사점(bottom dead center)을 통과한 후의 롤링 피스톤(32)의 상태를 나타낸다. 이때 압축된 냉매 가스가 토출구(35)로부터 배출된다.
밀폐형의 압축기(30)에서는, 롤링 피스톤(32)이 1회전하는 동안, 즉 전동기(4)의 로터가 1회전하는 동안에, 냉매의 흡입, 압축, 및 토출이라는 행정을 경유한다. 그때문에 압축기(30)에서는, 기계적인 구조에 기인하여, 롤링 피스톤(32)의 기계각에 응한 압력 변동, 즉 주기적인 부하 토오크의 변동을 수반하는 경우가 있다. 도 5(a)에 도시하는 바와 같이 롤링 피스톤(32)이 상사점(top dead center) 근처에 있는 경우에는 부하 토오크가 가벼워지고, 도 5(b), (c)에 도시하는 바와 같이 롤링 피스톤(32)이 하사점(bottom dead center) 부근에 있는 경우에는 부하 토오크가 무거워진다. 특히 도시례의 밀폐형의 압축기(30)에서는, 롤링 피스톤(32)의 회전수가 저하될 정도로 부하 토오크의 변동이 커지는 경향이 있다.
도 6은 도 5에 도시하는 롤링 피스톤이 1회전할 때의 부하 토오크의 변동을 도시하는 도면이다. 횡축은 롤링 피스톤(32)의 기계각을 나타내고, 종축은 부하 토오크를 나타낸다. 기계각으로 0°부터 α°까지의 범위에서는 부하 토오크가 작고, 기계각으로 α°부터 360°까지의 범위에서는 부하 토오크가 커진다. α°는 예를 들면 기계각으로 200°부터 240°까지의 임의의 각도이다.
전동기 구동 장치(100)에서는, 부하의 기계각 1주기 내 중의 일부의 기간, 예를 들면 도 6에 도시하는 기계각 0°부터 α°까지의 범위를 토오크 소영역으로 하고, 기계각 α°부터 360°까지의 범위를 토오크 대영역으로 하여, 토오크 소영역에서는 PWM 신호의 수를 제2의 값인 펄스수(A)로 하고, 토오크 대영역에서는 PWM 신호의 수를 펄스수(A)보다도 큰 제2의 값인 펄스수(B)로 한다. 토오크 소영역의 펄스수(A)를 저하시킴에 의해, 기계각 0°부터 α°까지의 범위에서, 도 1에 도시하는 복수의 반도체 스위칭 소자(2a부터 2f)의 스위칭 회수가 저감되어, 인버터(5)를 저손실로 구동할 수 있다.
또한 기계각 α°부터 360°까지의 범위에서는 인버터(5)의 출력 전압이 높고, 부하 토오크에 응한 출력 토오크를 얻기 위해서는 조밀한 제어가 필요하게 되는데, 본 실시의 형태에 관한 전동기 구동 장치(100)에 의하면, 기계각 α°부터 360°의 범위에서 복수의 반도체 스위칭 소자(2a부터 2f)를 적절한 스위칭 회수로 제어할 수 있다. 또한 PWM 신호의 펄스수를 기계각에 응한 적절한 값으로 함에 의해, 전동기(4)에 대해 제어성을 열화시키는 일 없니 효율 좋게 동기 PWM 제어가 가능해진다.
도 7은 본 발명의 실시의 형태에 관한 전동기 구동 장치로 압축기를 구동할 때의 U 상전류와 q축 전류와 압축기의 기계각과 전동기의 전기각(電氣角)과의 관계를 도시하는 도면이다. 도 7(a)는 도 1에 도시하는 인버터로부터 출력되는 U 상전류의 파형을 나타낸다. 도 7(b)는 도 2의 3상2상 변환부(14)에서 변환되는 q축 전류(Iq)의 파형을 나타낸다. 도 7(c)는 도 5의 압축기(30)에 내장된 롤링 피스톤(32)의 기계각을 나타낸다. 도 7(d)는 전동기(4)의 전기각을 나타낸다.
도 7에서는, 롤링 피스톤(32)이 상사점(top dead center) 근처에 위치한 때의 기계각을 0라디안으로 가정하고, 또한 전동기(4)의 자극수를 3극으로 가정하고, 도 6에 도시하는 바와 같은 2개의 토오크 영역의 각각에 펄스수를 변화시키지 않은 경우에 있어서의 U 상전류 및 q축 전류(Iq)의 파형이 나타난다.
전술한 바와 같이 부하 토오크와 기계각에는 상관성이 있다. 통상의 경우, 전류와 토오크는 비례 관계에 있는 것을 고려하면, 부하 토오크가 작은 상사점(top dead center) 근처에서는 전동기(4)에 흐르는 전류는 작게 설정하고, 부하 토오크가 큰 하사점(bottom dead center) 근처에서는 전동기(4)에 흐르는 전류는 크게 설정하여 구동하는 것이 적당하다. 부하 토오크의 값은 롤링 피스톤(32)의 기계각 1주기 내에서 특정되기 때문에, 롤링 피스톤(32)이 하사점(bottom dead center) 근처에 위치한 경우의 전류는 클 필요가 있지만, 롤링 피스톤(32)이 상사점(top dead center) 근처에 위치한 때의 전류는 작아도 좋다.
여기서 전동기(4)에 흐르는 전류가 작은 상사점(top dead center) 근처에서는 출력 전압도 작기 때문에, 일반적으로 PWM 신호의 스위칭 회수가 작아도 제어성에 영향을 주지 않는다. 즉 상사점(top dead center) 근처에서는 스위칭 회수를 저감하여도 좋다.
도 8은 동기 PWM 변조 방식에 의한 전압 지령과 캐리어파를 도시하는 도면이다. 도 8의 횡축은 전압 위상(θv)을 나타낸다. 도 8에서는 위로부터 차례로 동기 9 펄스 모드, 동기 6펄스 모드, 및 동기 3펄스 모드에 의한 캐리어파의 파형과 전압 지령(Vu*)이 나타난다. 동기9 펄스 모드에서는 전압 지령(Vu*)의 1주기 중에 9개의 캐리어파가 생성되고, 동기 6펄스 모드에서는 전압 지령(Vu*)의 1주기 중에 6개의 캐리어파가 생성되고, 동기 3펄스 모드에서는 전압 지령(Vu*)의 1주기 중에 3개의 캐리어파가 생성된다. 이와 같이 동기 PWM 제어에서는 캐리어파의 주파수가 전압 지령의 주파수의 정수배로 제어된다.
도 9는 전압 지령과 캐리어파와 PWM 신호와의 관계를 도시하는 도면이다. θ는 로터 자극 위치를 나타내고, θv는 전압 위상을 나타낸다. 전술한 바와 같이 캐리어 생성부(19)에서는, 전압 위상(θv)에 동기시키도록 펄스수(N)에 대응한 주파수의 캐리어파가 생성된다. 펄스수(N)는 도 3에 도시하는 펄스수 설정부(11)에서 설정되는 값이다. 따라서 펄스수(N)가 9인 경우, 캐리어 생성부(19)에서는 전압 지령(Vu*)의 주파수에 대해 캐리어파의 주파수가 9배가 된다. 도 4의 PWM 신호 생성부(20)에서는 전압 위상(θv)을 기준으로 하는 전압 지령(Vu*)과 캐리어파가 비교되고, 도 9에 도시하는 바와 같은 PWM 신호(UP, VP, WP, UN, VN, WN)가 생성된다.
도시례에서는 전압 지령(Vu*)의 1주기 중, 즉 전압 위상(θv)이 0°부터 360°까지의 사이에 PWM 신호 UP의 온 오프가 9회 행하여진다.
도 10은 본 발명의 실시의 형태에 관한 전동기 구동 장치에 의해 캐리어파의 주파수를 변화시킨 경우의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 10의 횡축은 전기각을 나타낸다. 도 10에는, 전동기(4)의 자극수를 3극으로 가정하여, 롤링 피스톤(32)이 1회전하는 동안에 캐리어 생성부(19)에서 생성되는 캐리어파가 나타난다.
도 10(a)에는 일정 주기의 캐리어파가 나타나고, 이 캐리어파는 예를 들면 도 6에 나타내는 토오크 소영역에서의 PWM 신호의 펄스수(A)와 토오크 대영역에서의 PWM 신호의 펄스수(B)가 같은 값일 때에 생성되는 캐리어파이다.
한편, 도 10(b)에는 주기를 변화시킨 캐리어파가 도시된다. 이 캐리어파는, 도 6에 도시하는 토오크 소영역에서의 PWM 신호의 펄스수(A)를 토오크 대영역에서의 PWM 신호의 펄스수(B)보다도 저하시킨 때에 생성되는 캐리어파이다. 본 실시의 형태에 관한 인버터 제어부(8)에서는 도 10(b)에 도시하는 바와 같이 캐리어파가 생성되기 때문에, 부하의 기계각 1주기 내에서 생성되는 PWM 신호의 펄스수가 저감된다.
도 11은 전동기에서 생기는 동손(銅損)과 전동기에서 생기는 철손(鐵損)과 인버터를 구성하는 복수의 반도체 스위칭 소자의 각각의 스위칭 손실을 합계한 회로손을 도시하는 도면이다. 도 11에 도시하는 사양 A는, 부하 토오크의 변동의 유무에 관계없이 전기각 1주기 중의 펄스수를 변화시키지 않고서 통상의 동기 PWM 제어를 행하는 종래의 전동기 구동 장치를 나타낸다.
사양 B는 본 실시의 형태에 관한 전동기 구동 장치(100)를 나타낸다. 예를 들면 사양 A에서는 도 10(a)에 도시하는 캐리어파에서 통상의 동기 PWM 제어가 행하여지고, 사양 B에서는 도 10(b)에 도시하는 캐리어파에서 동기 PWM 제어가 행하여진다. 사양 B에서는, 토오크 소영역에서 드문드문한 PWM 제어가 되기 때문에, 전동기(4)의 고조파 철손은 증가한다. 그런데 토오크 소영역에서는 전류치가 작기 때문에 전동기(4)의 고조파 철손은 약간 증가로 머문다.
한편, 사양 B에서는 토오크 소영역에서 스위칭 손실이 저감한다. 그때문에 사양 B의 손실 합계는 사양 A의 손실 합계보다도 하회하고, 유리한 효과를 얻을 수 있는 경우가 있다. 특히 동손 비율이 큰 전동기를 사용하는 경우, 스위칭 손실이 큰 디바이스, 예를 들면 슈퍼정션 MOS-FET를 사용하는 경우에는 그 경향이 현저해진다.
도 12는 본 발명의 실시의 형태에 관한 히트펌프 장치의 구성례를 도시하는 도면이다. 히트펌프 장치(200)는 공기 조화기 또는 냉동 공조 장치에 적용되고, 전동기 구동 장치(100)와 압축기(30)와 4방밸브(40)와 열교환기(41)와 팽창기구(42)와 열교환기(43)를 구비하고, 압축기(30), 4방밸브(40), 열교환기(41), 팽창기구(42), 및 열교환기(43)가 냉매 배관(44)을 통하여 접속되어 있다. 압축기(30)는 그 내부에 롤링 피스톤(32)과 전동기(4)를 구비한다.
도 13은 히트펌프 장치를 적용한 냉동 공조 장치의 구성도이다. 도 14는 도 13에 도시하는 냉동 공조 장치의 냉매의 상태에 관한 모리엘선도(線圖)이다. 도 13에 도시하는 압축기(30), 열교환기(41), 팽창기구(42), 리시버(45), 내부 열교환기(46), 팽창기구(47) 및 열교환기(43)는, 각각 배관에 의해 접속되고, 당해 배관을 냉매가 순환하는 주냉매 회로를 구성하고 있다. 또한, 압축기(30)의 배출측에는 4방밸브(40)가 마련되어 있고, 냉매의 순환 방향의 전환이 가능하다. 또한 열교환기(43)의 부근에는 팬(48)이 마련되어 있다.
냉동 공조 장치에는, 리시버(45)와 내부 열교환기(46)와의 사이로부터 압축기(30)의 주입 파이프까지를 접속하는 인젝션 회로(49)가 구비되어 있다. 인젝션 회로(49)에는, 팽창기구(50)와 내부 열교환기(46)가 접속되어 있다.
열교환기(41)에는 물이 순환한 물회로(水回路)(51)가 접속된다. 물회로(51)에는, 급탕기, 라디에이터 또는 바닥난방(床暖房)이 구비하는 방열기(放熱器)라는 물을 이용하는 장치가 접속되어 있다.
다음에 도 13과 도 14를 이용하여 냉동 공조 장치의 동작을 설명한다. 우선 냉동 공조 장치가 난방 운전할 때의 동작에 관해 설명한다. 압축기(30)에서 냉매가 압축됨으로써, 도 14의 A점에 도시하는 고온 고압 상태가 된다.
고온 고압 상태의 냉매는 압축기(30)로부터 주 냉매 회로(49)에 토출되고, 주 냉매 회로(49)를 통하여 4방밸브(40)로 이송되고, 4방밸브(40)를 경유한 후에 열교환기(41)로 이송되고, 열교환기(41)에서 열교환됨으로써 냉각되어, 도 14의 B 점에 도시하는 바와 같이 액화된다. 이때 물회로(51)의 물은 냉매로부터 방열된 열에 의해 데워지고, 데워진 물은 난방 또는 급탕 등에 이용된다.
열교환기(41)에서 액화된 냉매는, 팽창기구(42)로 이송되고, 팽창기구(42)에서 감압됨으로써, 도 14의 C점에 도시하는 바와 같이 기액 2상(相) 상태가 된다. 기액 2상 상태의 냉매는, 리시버(45)로 이송되고, 리시버(45)에서 압축기(30)에 이송된 냉매라고 열교환된다. 이에 의해 기액 2상 상태의 냉매는 냉각되어 도 14의 D점에 도시하는 바와 같이 액화한다.
리시버(45)에서 액화된 냉매는, 도면 중의 P점에서 분기되고, 내부 열교환기(46)에 흐르는 냉매는, 내부 열교환기(46)에서 팽창기구(50)로부터 압축기(30)에 이송되는 냉매와 열교환되어, 도 14의 E점에 도시하는 바와 같이 더욱 냉각된다. 또한 팽창기구(50)에서 감압된 냉매는 기액 2상 상태이다. 내부 열교환기(46)에서 냉각된 냉매는, 팽창기구(47)로 이송되어 감압되어, 도 14의 F점에 도시하는 바와 같이 기액 2상 상태가 된다.
팽창기구(47)에서 기액 2상 상태가 된 냉매는, 열교환기(43)에 이송되고, 열교환기(43)에서 외기와 열교환되어, 도 14의 G점에 도시하는 바와 같이 가열된다. 열교환기(43)에서 가열된 냉매는, 4방밸브(40)로 이송되고, 4방밸브(40)를 경유한 냉매는 리시버(45)로 이송된다. 리시버(45)에 이송된 냉매는 도 14의 H점에 도시하는 바와 같이 리시버(45)에서 다시 가열되고, 가열된 냉매는 압축기(30)에 이송된다.
한편, 도 9의 D점에 도시하는 냉매, 즉 P점에서 분기된 타방의 냉매는, 팽창기구(50)에서 도 9의 I점에 도시하는 바와 같이 감압된다. 감압된 냉매는, 내부 열교환기(46)에서 열교환되고, 도 9의 J점에 도시하는 바와 같이 기액 2상 상태가 된다. 내부 열교환기(46)에서 열교환된 냉매는 압축기(30)에 이송된다.
압축기(30)에서는, 도 9의 H점에 도시하는 바와 같이 리시버(45)로부터 압축기(30)에 이송된 냉매가 중간압까지 압축되고, 압축된 냉매는 도 9의 K점에 도시하는 바와 같이 가열된다. 가열된 냉매는, 내부 열교환기(46)에서 열교환된 냉매와 합류한 것으로, 도 9의 L점에 도시하는 바와 같이 그 온도가 저하된다. 그리고, 온도가 저하된 냉매가 압축기(30)에서 다시 압축된다. 가열된 냉매는 도 9의 A점에 도시하는 바와 같이 고온 고압이 되어, 압축기(30)로부터 주냉매 회로(49)에 토출된다.
또한 본 실시의 형태에서는, 직류 전원과 인버터와의 사이에 흐르는 직류 전류를 검출하여 인버터 제어부(8)에 취입하는 예를 설명하였지만, 인버터와 전동기와의 사이에 흐르는 상전류를 검출하는 상전류 검출부를 마련하여, 상전류 검출부에서 검출된 상전류를 인버터 제어부(8)의 제어에서 이용하는 구성이라도 좋다. 이 경우, 도 2에 도시하는 3상2상 변환부(14)에서는 상전류 검출부에서 검출된 상전류를 로터 자극 위치(θ)에 의거하여 dq 좌표축의 dq축 전류(Id, Iq)로 변환된다. 이와 같이 3상2상 변환부(14)에서는 직류 전류 또는 상전류를 이용하여 d축 전류와 q축 전류가 구하여진다.
또한 본 실시의 형태에서는, 도 3에 도시하는 펄스수 설정부(11)에서, q축 전류(Iq)에 의해 부하의 기계각 1에 대응한 부하 토오크의 값을 추정하고 있지만, 부하 토오크와 기계각과의 상관성이 있는 전류 정보를 이용할 수 있으면 좋기 때문에, 펄스수 설정부(11)는, 좌표 변화 후의 직류량인 q축 전류(Iq) 대신에, 모터 상전류(Iu, Iv, Iw)를 이용하여 펄스수를 설정하여도 좋고, q축 전류(Iq) 대신에 3상2상 변환부(14)에서 변환된 d축 전류(Id)를 이용하여도 좋다.
또한 본 실시의 형태에서는 도 6에 도시하는 바와 같이 부하의 기계각 1주기가 토오크 소영역에 대응하는 기간과 토오크 대영역에 대응하는 기간의 2개의 기간으로 나눠진 때의 제어례를 설명하였지만, 기계각 1주기의 분할수는 2개로 한정되는 것이 아니고, 예를 들면 부하의 기계각 1주기는 3개 이상의 기간으로 나눠지고, 펄스수 설정부(11)는, 복수의 기간의 각각의 기간에, 다른 값의 캐리어파의 펄스수를 설정하여도 좋다. 이와 같이 기계각 1주기를 3개 이상의 기간으로 나누어 그 기간에 대응하는 펄스수를 설정함에 의해, 캐리어 주파수를 보다 미세하게 변화시킬 수 있다.
또한 본 실시의 형태에서 인버터 제어부(8)는, 적어도 프로세서와 메모리를 구비하고, 인버터 제어부(8)의 동작은 소프트웨어에 의해 실현할 수 있다.
이상에 설명한 바와 같이 본 실시의 형태에 관한 전동기 구동 장치는, 인버터와, 직류 전원과 인버터의 사이에서 검출된 직류 전압과, 직류 전원과 전동기의 사이에서 검출된 전류를 입력으로 하여, 펄스폭 변조 신호를 생성하여 인버터에 출력하고, 인버터를 스위칭 동작시키는 인버터 제어부를 구비하고, 인버터 제어부는, 부하의 기계각 1주기 내의 제1의 기간에 생성하는 펄스폭 변조 신호의 펄스수를, 부하의 기계각 1주기 내의 제2의 기간에 생성하는 펄스폭 변조 신호의 펄스수보다도 저하시킨다.
이 구성에 의해, 토오크 소영역에서의 PWM 신호의 펄스수가, 토오크 대영역에서의 PWM 신호의 펄스수보다도 저감되고, 토오크 소영역에서의 스위칭 수를 줄일 수가 있어서, 토오크 소영역에서의 회로손을 저감하여, 인버터(5)의 더한층의 저손실화를 도모할 수 있다.
이상의 실시의 형태에 나타낸 구성은, 본 발명의 내용의 한 예를 나타내는 것이고, 다른 공지의 기술과 조합시키는 것도 가능하고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 구성의 일부를 생략, 변경하는 것도 가능하다.
1 : 직류 전원
2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f : 반도체 스위칭 소자
3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f : 다이오드
4 : 전동기
5 : 인버터
6 : 전압 검출부
7 : 전류 검출부
8 : 인버터 제어부
9 : 전압 지령 생성부
10 : 펄스수 가변부
11 : 펄스수 설정부
12 : 동기 PWM 제어부
13 : 전류 복원부
14 : 3상2상 변환부
15 : 위치 속도 추정부
16 : 전류 지령 생성부
17 : dq축 전압 지령 연산부
18 : 전압 지령 변환부
19 : 캐리어 생성부
20 : PWM 신호 생성부
30 : 압축기
31 : 실린더
32 : 롤링 피스톤
33 : 회전축
34 : 흡입구
35 : 토출구
36 : 실린더실
36a : 저압실
36b : 고압실
36c : 베인
40 : 4방밸브
41 : 열교환기
42 : 팽창기구
43 : 열교환기
44 : 냉매 배관
45 : 리시버
46 : 내부 열교환기
47 : 팽창기구
48 : 팬
49 : 인젝션 회로
50 : 팽창기구
51 : 물회로
100 : 전동기 구동 장치
200 : 히트펌프 장치

Claims (11)

  1. 직류 전력으로부터 변환된 교류 전력에 의해 전동기를 구동하는 전동기 구동 장치로서,
    펄스폭 변조 신호를 수신하고, 상기 전동기에 상기 교류 전력을 공급하는 인버터와,
    상기 펄스폭 변조 신호를 생성하여 상기 인버터에 공급하는 인버터 제어부를 구비하고,
    상기 인버터 제어부는, 상기 전동기의 기계각 1주기 내의 제1의 기간에 생성하는 상기 펄스폭 변조 신호의 펄스수를, 상기 전동기의 기계각 1주기 내의 제2의 기간에 생성하는 상기 펄스폭 변조 신호의 펄스수보다도 저하시키고,
    상기 제1의 기간은, 부하 토오크가 상기 제2의 기간의 부하 토오크보다도 낮은 기간인 것을 특징으로 하는 전동기 구동 장치
  2. 제1항에 있어서,
    상기 직류 전원과 상기 인버터와의 사이에 흐르는 직류 전류를 검출하고, 또는 상기 인버터와 상기 전동기와의 사이에 흐른 상전류를 검출하는 전류 검출부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전동기 구동 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는, 상기 직류 전류 또는 상기 상전류를 이용하여 d축 전류와 q축 전류를 구하는 좌표 변환부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전동기 구동 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는, 상기 직류 전류 또는 상기 상전류를 이용하여, 상기 펄스폭 변조 신호를 생성하기 위한 캐리어파의 펄스수를 설정하는 펄스수 설정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전동기 구동 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는, 상기 d축 전류 또는 상기 q축 전류를 이용하여, 상기 펄스폭 변조 신호를 생성하기 위한 캐리어파의 펄스수를 설정하는 펄스수 설정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전동기 구동 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 전동기의 기계각 1주기가 복수의 기간으로 나눠지고,
    상기 펄스수 설정부는, 상기 복수의 기간의 각각의 기간에, 다른 값의 상기 캐리어파의 펄스수를 설정하는 것을 특징으로 하는 전동기 구동 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는, 상기 전동기의 기계각 1주기 중에서 상기 펄스폭 변조 신호의 펄스수를 1회 이상 변화시키는 펄스수 가변부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전동기 구동 장치.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는, 전압 지령의 전기 각 1주기 중에서 상기 펄스폭 변조 신호의 펄스수를 변화시키는 펄스수 가변부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전동기 구동 장치.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는, 전압 지령의 주파수가 일정치 이하일 때에 상기 펄스폭 변조 신호의 펄스수를 변화시키는 펄스수 가변부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전동기 구동 장치.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전동기의 기계각 1주기 내에서의 부하 토오크의 평균치가 일정치 이하일 때에 상기 펄스폭 변조 신호의 펄스수를 변화시키는 펄스수 가변부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전동기 구동 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 전동기 구동 장치를 탑재한 것을 특징으로 하는 냉동 공조 장치.
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