JP5116620B2

JP5116620B2 - 電動機の駆動装置並びに冷凍空調装置

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Publication number: JP5116620B2
Application number: JP2008233796A
Authority: JP
Inventors: 和徳畠山; 和憲坂廼邊; 洋介篠本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-09-11
Filing date: 2008-09-11
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2028-09-11
Also published as: JP2010068662A

Description

本発明は、電動機の駆動装置並びにこの駆動装置を備えた冷凍空調装置に関するものである。

従来、電動機の駆動装置の電力を求める方法として、『電動機の制御方法において、電圧指令をＶref 、ｄ軸成分をｖd * 、ｑ軸成分をｖq * 、電圧検出値のｄ軸成分をｖd 、ｑ軸成分をｖq 、電流検出値のｄ軸成分をｉd 、ｑ軸成分をｉqとした場合に、内積（ｖd * ×ｉd ＋ｖq * ×ｉq ）あるいは（ｖd ×ｉd ＋ｖq ×ｉq ）を用いてインバータ出力電力Ｐinv を計算する』というものがある（特許文献１）。
また、『モータ回転角周波数と、トルク指令と、モータ回転子に同期して回転するｄｑ軸直交座標で表わしたｄ軸電圧およびｑ軸電圧と、ｄ軸電流およびｑ軸電流とを入力として、インバータ出力有効電力指令とインバータ出力有効電力とを演算し、かつ当該演算した有効電力が有効電力指令に追従するような電流位相補正値をｄ軸電流指令およびｑ軸電流指令演算の補正値として演算して出力する有効電力制御手段を備えて成る』というものもある（特許文献２）。
さらに、『電気車の速度情報および電動機に供給する電流指令ならびに電動機の電流検出値から得たインバータ電圧指令と電動機に供給する電流指令により電動機の消費電力を求める電力演算装置と、フィルタコンデンサ電圧の検出装置と、電力演算装置の求めた電動機の消費電力とフィルタコンデンサ電圧の目標値とフィルタコンデンサ電圧の検出値を用いてフィルタコンデンサ電圧の制御を行う電圧制御装置を有する』というものもある（特許文献３）。

また、下記特許文献４では、センサレス制御に関する技術が開示されている。

特開平１１−２３５１００号公報（第４頁、図１〜図４）特開２０００−１１６１９８号公報（第１８頁〜第１９頁、図５、図８）特開２００５−２１８１８６号公報（第５頁〜第７頁、図１〜図２）特開２００２−１９１１９７号公報

上記特許文献１に開示されている電力の計算方法を用いた場合、電圧検出値ｖｄ及びｖｑを用いた場合には精度良く電力を計算可能であるが、電圧を検出するための回路が別途必要となり、コストが高くなり実用的でない。また、ｖｄ、ｖｑの代わりにｖｄ＊、ｖｑ＊を用いた場合、インバータに供給されている直流電圧値に対する、電圧指令値の割合である変調率が１を超えるような過変調領域において、電圧指令値と実際に出力される電圧に大きな誤差が生じ正確な電力を計算することができなくなる。
また、上記特許文献２に開示されている従来技術においても、上記特許文献１と同様に過変調領域において、正確な電力を求めることができず、精度良く有効電力制御ができないという課題がある。
さらに、上記特許文献３に開示されている従来技術においても、上記特許文献１及び上記特許文献２と同様に過変調領域において求めた消費電力に誤差が生じ精度良く電圧制御ができないという課題がある。
さらに、上記特許文献４に開示されている従来技術では、過変調領域の運転が可能であるが、この過変調領域において電圧指令値と電動機に印加される電圧が一致せず、電圧指令値と電流から消費電力を正確に推定することが困難であるという課題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、第１の目的は電動機が過変調領域で動作していた場合においても、精度良く電動機の駆動装置の消費電力を演算することが可能な駆動装置並びに冷凍空調装置を得ることにあり、第２の目的は省エネルギー化を実現しＣＯ₂排出量も削減し、また、機器の発熱による経年劣化を抑制可能な信頼性の高い電動機の駆動装置並びに冷凍空調装置を得ることにある。

本発明に係る電動機の駆動装置は、直流電圧を交流電圧に変換して電動機に印加するインバータと、前記電動機に流れる相電流を検出する電流検出手段と、前記インバータに印加される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記インバータが電動機に印加する電圧を制御する制御手段と、位相誤差記憶手段と、を備え、前記制御手段は、前記電流検出手段が検出した相電流を直交２軸座標上の電流としてｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに変換する座標変換手段と、前記座標変換手段の出力と所定の基準値に基づき、前記電動機に印加する前記直交２軸座標上の電圧の指令値としてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を出力する電圧指令値演算手段と、前記直交２軸座標上の電圧指令値であるｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊と、前記直流電圧とにより変調率を求める変調率演算手段と、前記変調率演算手段の出力である前記変調率とその前記変調率に対する出力電圧の割合である電圧利用率を予め求めておき、前記変調率と前記電圧利用率との対応関係を記憶させ、前記電圧利用率を求めるときには、予め記憶させた前記対応関係に基づいて前記変調率から前記電圧利用率を求める電圧利用率演算手段と、前記直交２軸座標上の電圧指令値であるｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊と前記直交２軸座標上の電流であるｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑとの内積を求め、その求めた内積に対して、前記電圧利用率を乗算すると共に前記変調率を除算することにより、前記電動機の消費電力を求める消費電力演算手段と、を備え、前記位相誤差記憶手段は、前記電動機に印加される電圧と前記電圧の指令値との位相誤差と、前記制御手段が有する変調率演算手段または前記制御手段が有する変調率補正手段の出力との関係を予め記憶し、前記消費電力演算手段は、前記電動機の消費電力を求める際に前記位相誤差記憶手段に記憶された位相誤差に基づいて前記電圧指令値演算手段の出力を補正するものである。

本発明に係る電動機の駆動装置によれば、インバータに供給されている直流電圧値に対する、電圧指令値の割合である変調率が１を超えるような過変調領域においても、精度良く消費電力を演算することが可能となる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電動機の駆動装置の構成を示す図である。
図１において、１は直流電源、２は本実施の形態１に係る電動機の駆動装置、３は電動機である。

図２は、電動機３の解析モデル図である。図２には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電機子巻線固定軸が示されている。４は、電動機３の回転子を構成する永久磁石である。永久磁石４が作る磁束と同じ速度で回転する回転座標系において、永久磁石４が作る磁束の方向をｄ軸にとり、ｄ軸に対応する制御上の推定軸をγ軸とする。また、図示していないが、ｄ軸から電気角で９０度進んだ位相にｑ軸をとり、γ軸から電気角で９０度進んだ位相に推定軸であるδ軸をとる。ｄ軸とｑ軸を座標軸に選んだ回転座標系の座標軸をｄｑ軸と呼ぶ。インバータによる制御上の回転座標系はγ軸とδ軸を座標軸に選んだ座標系であり、その座標軸をγδ軸と呼ぶ。

ｄｑ軸は回転しており、その回転速度である電動機３の回転速度を電動機回転速度ω と呼ぶ。γδ軸も回転しており、その回転速度をインバータ回転速度ω１と呼ぶ。また、ある瞬間の回転しているｄｑ軸において、ｄ軸の位相をＵ相の電機子巻線固定軸を基準として電動機回転位相θにより表す。同様に、ある瞬間の回転しているγδ軸において、γ軸の位相をＵ相の電機子巻線固定軸を基準としてインバータ回転位相θ１により表す。そうすると、ｄ軸とγ軸との軸誤差Δθは、Δθ＝θ−θ１で表される。

γδ軸はｄｑ軸を推定しており、実際の運転では軸誤差Δθが小さい所で運転されることもあり、ｄｑ軸とγδ軸は同一と捉えることが可能である。そのため、以下特別なことが無い限り、ｄｑ軸として説明を行うが、γδ軸においても同様の構成で実現できることは言うまでもない。

電動機の駆動装置２は、インバータ主回路５、電流検出手段６、直流電圧検出手段７、インバータ制御手段８を有する。

インバータ主回路５は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子を有し、各スイッチング素子には並列に接続された環流ダイオードを備える。

電流検出手段６は電動機３に流入するＵ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流をそれぞれ検出し、インバータ制御手段８へ出力する。
直流電圧検出手段７は、インバータ主回路５に印加される直流電源１の電圧を検出し、インバータ制御手段８に出力する。
インバータ制御手段８は、電流検出手段６、直流電圧手段７の出力に基づいて駆動信号を出力し、インバータ主回路５内のスイッチング素子のオン・オフを制御する。

インバータ制御手段８は、電流検出手段６の出力Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、直流電圧検出手段７の出力Ｖｄｃ、外部から入力した回転数指令ω＊及びｄ軸電流指令Ｉｄ＊に基づいてインバータ主回路５のスイッチング素子をオン・オフするための駆動信号を出力するものであり、座標変換手段９、電圧利用率演算手段１０、消費電力演算手段１１、印加電圧制御手段１２を有する。

座標変換手段９は、電流検出手段６により出力された電流（Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ）を、印加電圧制御手段１２より得られた電動機回転位相θを用いて、ｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑに変換して出力する。

電圧利用率演算手段１０は、印加電圧制御手段１２から得られた変調率Ｖｋに基づいて、電圧利用率Ｋｖを出力する。

消費電力演算手段１１は、座標変換手段９からの出力（Ｉｄ、Ｉｑ）と、印加電圧制御手段１２から出力されたｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊、変調率Ｖｋ及び電圧利用率演算手段から出力された電圧利用率Ｋｖに基づいて、電動機の駆動装置の消費電力Ｐを演算により求める。消費電力Ｐの演算方法については後述する。

印加電圧制御手段１２は、速度補償手段１３および、積分手段１４、電圧指令演算手段１５、変調率・位相指令演算手段１６、駆動信号生成手段１７を有する。

速度補償手段１３は座標変換手段９より出力されたｑ軸電流Ｉｑに基づいて、回転数指令ω＊を次式（１）により速度補償し、インバータ回転数指令ω１を出力する。

ここで、Ｋｍは定数、ωｓｐｉは定数、ｓはラプラス演算子である。

積分手段１４は速度補償手段１３から出力されたω１を積分し、電動機回転位相θを出力する。

電圧指令演算手段１５はインバータ回転数指令ω１及びｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｄｑ軸の検知電流Ｉｄ、Ｉｑに基づいて、ｄｑ軸の電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を出力する。
なお、上記の例では回転数指令ω＊、およびｄ軸電流指令値Ｉｄ＊に基づいて電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を出力したが、巻線抵抗、巻線インダクタンス、誘起電圧定数等のモータパラメータやトルク指令に基づいて電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を出力してもよい。

変調率・位相指令演算手段１６は、直流電圧検出手段７の出力である直流電圧Ｖｄｃ、およびｄｑ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊、電動機回転位相θに基づいて、変調率Ｖｋおよび位相指令θ＊を出力する。変調率Ｖｋの演算式については後述する。位相指令θ＊については次式（２）に基づいて算出する。

但し、θｖは図５で示すように、回転角θで回転している直交２軸の回転座標に存在する｜Ｖ＊｜とｄ軸とのなす位相角である。

駆動信号生成手段１７は、変調率・位相指令演算手段１６の出力である、変調率Ｖｋおよび位相指令θ＊に基づいて、駆動信号を出力し、インバータ主回路５を動作させて、電動機３を駆動する。

ここで、消費電力演算手段１１における消費電力演算方法の一例について説明する。
電動機３の消費電力つまり有効電力は一般に電動機３に印加される電圧の実効値｜Ｖ｜と、流れる電流の実効値｜Ｉ｜と電圧と電流の位相差φを用いて式（３）で表される。

ここで、電圧および電流のベクトルが図４に示すｄｑ座標上に存在したと仮定し、ｄ軸と電圧とがなす角をθｖ、ｄ軸と電流とがなす角をθｉとすると、式（３）は次式（４）にて表すことが可能となる。

式（４）から明らかなように、電動機３の消費電力Ｐはｄｑ軸の電圧と電流の内積にて求めることが可能となる。つまり、先に説明したγδ軸上の電圧Ｖγ、Ｖδおよび電流Ｉγ、Ｉδを用いて同様に消費電力を求めた場合においても、消費電力演算手段１１は内積により消費電力Ｐを求めており、この内積には軸誤差Φが介在しないため、軸誤差による影響を受けることはないため、γδ軸上でも何ら問題はないことは言うまでもない。

しかしながら、図５に示すように過変調領域においては、電圧ベクトルが出力電圧の制限値を超過しており、実際に出力される電圧は飽和する。従って、変調率Ｖｋの値は次式（５）から明らかなように１より大きい値となる。

つまり、過変調領域において従来技術の通り、電圧指令Ｖｄ＊およびＶｑ＊を用いて電力を求めた場合、実際の消費電力と、消費電力演算値は一致しなくなるという問題が発生する。

そこで、消費電力演算手段１１は次式（６ａ）および式（６ｂ）を用いて変調率１相当の電圧指令Ｖｄ１、Ｖｑ１に変換を行う。

ただし、実際には変調率１を超えても図５中の出力電圧制限値内までは電圧を出力することが可能となる。そこで、電圧利用率演算手段１０は変調率１を超えた領域においては、変調率Ｖｋに対する出力電圧の割合である電圧利用率Ｋｖの関係を図６に示すように予め求めて記憶しておき、消費電力演算手段１１は式（７ａ）および式（７ｂ）に示すように電圧利用率演算手段１０から出力されたＫｖを式（６ａ）および式（６ｂ）に乗ずることで、実際に出力される電圧Ｖｄ＿ｒｅａｌおよびＶｑ＿ｒｅａｌを求めることが可能となる。

そして、消費電力演算手段１１は式（４）のＶｄおよびＶｑに代えて、式（７ａ）および式（７ｂ）のＶｄ＿ｒｅａｌ、Ｖｑ＿ｒｅａｌを用いることで次式（８）に示す消費電力を得ることができる。

図７に本発明の消費電力を求めるためのフローチャートを示す。次に消費電力算出の動作を図７を参照して説明する。消費電力演算手段１１は、変調率Ｖｋが１以下（ステップＳ１でＮｏ）の場合には、消費電力演算手段１１は変調率Ｖｋおよび電圧利用率Ｋｖを１として（ステップＳ２）、式（８）によって電力を求める（ステップＳ３）。また、変調率Ｖｋが１を超える過変調領域（ステップＳ１でＹｅｓ）においては、消費電力演算手段１１は図６の関係に基づき電圧利用率Ｋｖを求め（ステップＳ４）、式（７ａ）（７ｂ）によって実電圧を求め（ステップＳ５）、次に式（８）によって消費電力を求める（ステップＳ６）。これにより、消費電力を精度良く求めることが可能となる。

従って、インバータ制御手段８は、例えば、消費電力演算手段１１によって求めた消費電力Ｐをインバータ制御手段８の外部に設けた液晶等の表示デバイスに表示させてユーザに消費電力Ｐを知らせ、この消費電力Ｐが一定の値に達した場合にブザー等の報知手段にその旨の報知情報を出力して報知することで、エネルギーの無駄遣いを知らせることができ、省エネルギーを図ることが可能となる。

また、インバータ制御手段８は、図３中のｄ軸電流指令値を、求めた消費電力Ｐが最小となるように制御することで、省エネルギー性能を高めることができるため、ＣＯ₂排出量も削減でき、地球温暖化対策が可能な電動機の駆動装置を提供することが可能となる。例えば、図８に示すような消費電力を電動機３の運転中は所定の周期で周期的に次式（９）で示される傾きｄを求め、傾きｄが負のときはｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を増やし、傾きが正になったらｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を減らすようにする。このような操作を周期的に繰り返すことにより、消費電力Ｐの最小値を容易に求めることができる。

但し、Ｐ(ｎ）は現在（ｎとする）の消費電力の演算値、Ｐ(ｎ−１)は１つ前の周期における消費電力の演算値、Ｉｄ＊(ｎ)は現在のｄ軸電流指令値、Ｉｄ＊(ｎ−１)は１つ前の周期におけるｄ軸電流指令値である。
また、消費電力が最小となることにより、発熱等も抑えられるため、熱による経年劣化も少なく、信頼性の高い電動機の駆動装置を提供できるだけでなく、放熱板等も小型化可能となり、低コスト化も図れる。

さらに、インバータ制御手段８は、予め消費電力Ｐの上限値を記憶しておき、その消費電力の上限値を超えないような最大の回転数で電動機を駆動する。これにより、電動機３は最大限の能力を発揮することが可能となり、例えば冷凍空調装置に適用した場合、冷房や暖房能力を大きく向上させることが可能となる。また、消費電力Ｐの上限値を低めに設定することにより、消費電力Ｐを抑えることが可能となり、省エネルギー性の高い電動機の駆動装置を提供することが可能となる。

また、消費電力演算手段１１の出力の変化に基づいて、電動機３の脱調状態を検出する脱調検出手段（図示せず）を設けてもよい。これにより、電動機３にかかる負荷が急変し、電動機３が脱調状態に陥った場合でも、インバータ制御手段８は脱調検出手段の出力に基づいて電動機３の脱調状態を検出することができ、この電動機３を再起動することで、早急な復帰が可能となり、信頼性および顧客満足度の高い電動機の駆動装置を提供することが可能となる。

なお、インバータ制御手段８は、消費電力演算手段１１の出力に基づいて料金計算を行い、外部に設けられた表示装置に表示して課金サービスの支援を行うことも可能である。

実施の形態２．
実施の形態１では、過変調領域において精度良く消費電力を求める方法について説明した。
本発明の実施の形態２では、出力電圧が飽和する過変調領域において電圧指令と出力電圧が１対１で出力されるように変調率Ｖｋを補正した場合に、精度良く消費電力を求める方法について説明する。

図９は、本発明の実施の形態２に係る電動機の駆動装置の構成を示す図である。
実施の形態２は、変調率補正手段１８を備える以外は実施の形態１と何ら変わりはないため、実施の形態１と同じ符号を付して説明を省略する。

まず、変調率補正手段１８について説明する。変調率補正手段１８は変調率・位相指令演算手段１６の出力である変調率Ｖｋを入力として、補正変調率Ｖｋ'を出力し、駆動信号生成手段１７を動作させる。

変調率補正手段１８は、図１０に示すように、変調率Ｖｋが１以下の領域においては、変調率Ｖｋと電圧利用率Ｋｖの関係が線形になっており、電圧指令値に対して出力電圧値は一致する。しかしながら、変調率Ｖｋが１を超える過変調領域においては出力電圧が飽和し、非線形な特性となる。そこで、図１１に示すように変調率Ｖｋに対して電圧利用率Ｋｖが線形特性となるように、図１２に示すように変調率Ｖｋに対して補正変調率Ｖｋ'を用いる。なお、変調率補正手段１８は、過変調領域においてはこの補正変調率Ｖｋ'を変調率Ｖｋに対する電圧利用率Ｋｖの関数の逆関数により算出してもよい。

しかし、この方法を用いた場合、出力電圧を増加させて効果的に電圧を利用できる反面、実施の形態１の方法では精度良く消費電力を求めることができないという課題がある。

そこで、電圧利用率演算手段１０は変調率補正手段１８の出力である補正変調率Ｖｋ'をもとに電圧利用率Ｋｖを求める。次に、求めた電圧利用率Ｋｖと、変調率Ｖｋ、ｄｑ軸電圧および電流を用いて消費電力演算手段１１にて精度良く消費電力Ｐを求めることが可能となる。

よって、出力電圧増加による電動機の能力向上及び、精度良く消費電力を演算可能となるため、演算により求めた消費電力に基づいて消費電力が最小となるよう実施の形態１と同様の方法でｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を制御することにより、省エネルギーかつ高性能な電動機の駆動装置を提供可能である。

実施の形態３．
実施の形態１および実施の形態２ではデッドタイムによる影響が無い場合の、消費電力の演算方法について説明した。
実施の形態３においては、インバータ主回路を駆動する際に、上下スイッチング素子の短絡防止のために用いる短絡防止時間（デッドタイム）による影響を低減させる方法について説明する。

図１３はインバータ主回路５の一例である。インバータ主回路５はここでは６つのスイッチング素子１９ａから１９ｆと、６つの環流ダイオード２０ａから２０ｆで構成される。例えば１９ａをオフさせた瞬間に、１９ｄをオンさせると、同時にオンする時間が発生する可能性があり、インバータ主回路５が破壊に至ることがある。そこで、図１３中に示すようにデッドタイムを設けて同時オンを抑制することで、インバータの破壊を防止する方法が一般的に用いられる。しかし、デッドタイムにより駆動信号が削られることにより、本来出力すべき電圧が出力できない問題があり、電圧指令と実際の出力電圧値が一致しない課題がある。そのため、前述の消費電力計算式にて例えばｄ軸及びｑ軸の電圧指令値Ｖｄ＊およびＶｑ＊を用いた場合、正確な消費電力が求まらない恐れがある。

図１４は、本発明の実施の形態３に係る電動機の駆動装置の構成を示す図である。
実施の形態３は、デッドタイム補正手段２１を備える以外は実施の形態１と何ら変わりはないため、実施の形態１と同じ符号を付して説明を省略する。

デッドタイム補正手段２１はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに基づいてデッドタイム補正量ΔＶｕ、ΔＶｖ、ΔＶｗを生成して、駆動信号生成手段１７に出力することで、デッドタイムにより発生する電圧誤差を補正することで、電圧指令と実際の出力電圧値を一致させることが可能となり、消費電力の計算誤差を低減させることが可能となる。

図１５は一般的なデッドタイム補正の方法を示している。例えばＵ相のデッドタイム補正量ΔＶｕはＵ相電流Ｉｕの極性を用いて次式（１０）で得られる。

ただし、Ｔｄはデッドタイム、fcはキャリア周波数、Vdcは直流電圧である。また、sign関数は次式（１１）の通りである。

同様にＶ相、Ｗ相については次式（１２）及び（１３）となる。

また、インバータ制御手段８より出力される駆動信号をデッドタイム補正する方法以外に、図１６に示すようにｄｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊に、電圧誤差推定手段２２を用いて、デッドタイムにより発生する電圧誤差を考慮することで、実電圧ｄｑ軸の実電圧Ｖｄ＿ｒｅａｌおよびＶｑ＿ｒｅａｌを推定して、電動機の消費電力を精度良く計算する方法について説明する。Ｖｄ＿ｒｅａｌおよびＶｑ＿ｒｅａｌはｄｑ軸の電圧誤差ΔＶｄおよびΔＶｑを用いて表すと次式（１４）となる。

よって、このＶｄ＿ｒｅａｌおよびＶｑ＿ｒｅａｌを式（８）のＶｄ＊およびＶｑ＊と置き換えることで、デッドタイムによる電圧誤差の影響を考慮した精度の良い電動機の消費電力方法を得ることが出来る。

次にＶｄ＿ｒｅａｌおよびＶｑ＿ｒｅａｌの求め方について説明する。図１５によれば、デッドタイムによる電圧誤差分をデッドタイム補正量を用いて、駆動信号生成手段にて駆動信号を補正することで、電圧指令と実際の出力電圧値を一致させることが可能である。つまり、デッドタイム補正量は言い換えれば、デッドタイムにより発生した電圧誤差と見なすことができる。式（１０）、（１２）、（１３）はＵＶＷ相の値であるため、式（１５）に示すように、直交固定子座標のαβ軸の値ΔＶα、ΔＶβに変換を行う。

また、ｄｑ軸上の値には、回転位相θを用いて次式（１６）にて変換可能である。

式（１６）により得られたΔＶｄおよびΔＶｑを式（１４）に適用することで、Ｖｄ＿ｒｅａｌおよびＶｑ＿ｒｅａｌを得ることができる。ここで説明しているデッドタイム補正やデッドタイムによる電圧誤差の求め方は一例であり、その他の方法を用いても問題ないことは言うまでもない。

ただし、この方法を用いた場合に前述のデッドタイム補正を行うと、重複してデッドタイムの補正を行うことになるので、どちらか一方のみを用いる必要があることは言うまでもない。

実施の形態４．
インバータ制御手段８は、通常マイコン等の演算装置にて、ある制御周期毎に電流を検出した後、電圧指令値を演算し、算出された電圧指令値を電圧として電動機に印加する離散的な制御を実施している関係上、図１７に示すように電圧指令と実際の出力電圧の位相に誤差（遅れ）が生じる。また、変調率Ｖｋが１を超える過変調領域においては、出力電圧が制限されるため、図１８に示すように出力電圧が、台形状となり変調率が無限大となると矩形波状となる。そのため、電圧指令に高調波成分が重畳し、同様に電圧指令と実際の出力電圧の位相に誤差が生じる。
実施の形態４においては、電圧指令と出力電圧の位相に誤差が生じた場合の、補正方法について説明する。

図１９は本発明の実施の形態４に係る電動機の駆動装置の構成を示す図である。
実施の形態４は、電圧補正手段２３を備える以外は実施の形態１と何ら変わりはないため、実施の形態１と同じ符号を付して説明を省略する。

電圧補正手段２３は、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を、変調率Ｖｋに応じて補正し、補正電圧ＶｄｈおよびＶｑｈを出力する。

図２０は電圧補正手段２３の動作を示す図である。電圧補正手段２３は電圧位相誤差演算部２４を備える。電圧位相誤差演算手段２４は変調率Ｖｋに基づいて、電圧位相誤差Δθｖを出力する。

ここで、図２１に示すように、電圧ベクトルの長さは変わらず、電圧指令ベクトルと出力電圧ベクトルとの位相がΔθｖずれていた場合、回転行列を用いて出力電圧ベクトルのｄｑ軸電圧ＶｄｈおよびＶｑｈは図２０中に示すように次式（１７）で求められる。

Δθｖについては変調率Ｖｋに依存する傾向にある。そのため、変調率ＶｋとΔθｖの関係を予め求めておき、これをテーブルにしメモリなどの記憶手段に格納しておき、必要時にこれを参照することで、マイコン等の処理装置の負荷を増加させることなく、Δθｖを得ることができ、式（１４）を用いて出力電圧ベクトルのｄｑ軸電圧ＶｄｈおよびＶｑｈを求めることが可能となる。式（６）のＶｄ＊およびＶｑ＊に代えてＶｄｈおよびＶｑｈを用いることで、より精度良く消費電力を求めることが可能となる。

つまり、制御周期を小さくできない安価なシステムにおいても、精度良く消費電力を求めることが可能となり、低コスト化が図れる。

ここで、実施の形態２に示す構成の場合、電圧補正手段２３は変調率Ｖｋに代えて補正変調率Ｖｋ'を用いても何ら問題ないことは言うまでもない。

実施の形態５．
以上の実施の形態１〜４で説明した電動機の駆動装置の活用例として、空気調和機や冷蔵庫などの冷凍空調装置などが挙げられる。

冷凍空調装置は外気温度等の動作環境により、電動機の駆動装置にかかる負荷が大きく変化する特徴を有する。負荷が急変すると、電動機は負荷に耐えきれず脱調等の現象を起こす恐れがある。

そこで、実施の形態１〜４にて説明した消費電力演算手段１１により得られた消費電力に基づいて脱調状態を検知することができ、脱調を検知して速やかに再起動することが可能となり、信頼性の高い冷凍空調装置を提供できる。

また、予め冷凍空調装置の最大消費電力を記憶しておき、その最大消費電力に到達する恐れがある場合、事前に電動機の回転数を低下させるなどの対策を行い、脱調を防止することで運転を継続させることも可能であり、信頼性の高い冷凍空調装置を提供できる。

さらに、予め使用する消費電力を決めておき、決められた消費電力を超えないように電動機を制御することで、消費電力を抑制することができ、ＣＯ₂排出量も削減し、地球温暖化に考慮した冷凍空調装置を提供できる。

本発明の活用例として、圧縮機用インバータや送風機用インバータが挙げられる。また、圧縮機を搭載する活用例として、空気調和機、冷蔵庫、冷凍機、除湿機、給湯機などが挙げられる。さらに、送風機を搭載する活用例として、換気扇、空気清浄機、加湿器などが挙げられる。

電動機の駆動装置の構成を示す図である。電動機の回転に対する座標関係を示す図である。実施の形態１に係る電動機の駆動装置の構成を示す図である。電圧と電流ベクトルの関係を示す図である。変調率と電圧利用率の関係を示す図である。従来の電動機の駆動装置の動作を示す図である。消費電力を求めるためのフローチャートを示す図である。ｄ軸電流指令と消費電力の関係を示す図である。実施の形態２に係る電動機の駆動装置の構成を示す図である。変調率と電圧利用率の関係を示す図である。電圧利用率を線形化する方法を示した図である。変調率に対する補正変調率の関係を示す図である。インバータ主回路５の構成を示す図である。実施の形態３に係る電動機の駆動装置の構成を示す図である。デッドタイムによる電圧誤差の補正について説明するものである。実施の形態３に係るもう一つの電動機の駆動装置の構成を示す図である。電圧指令と出力電圧の位相誤差を表す図である。過変調領域における電圧指令波形を示す図である。実施の形態４に係る電動機の駆動装置の構成を示す図である。電圧補正手段２３の動作を示す図である。出力電圧ベクトルと電圧指令ベクトルの関係を示す図である。

符号の説明

１直流電源、２電動機の駆動装置、３電動機、４永久磁石、５インバータ主回路、６電流検出手段、７直流電圧検出手段、８インバータ制御手段、９座標変換手段、１０電圧利用率演算手段、１１消費電力演算手段、１２印加電圧制御手段、１３速度補償手段、１４積分手段、１５電圧指令演算手段、１６変調率・位相指令演算手段、１７駆動信号生成手段、１８変調率補正手段、１９スイッチング素子、２０環流ダイオード、２１デッドタイム補正手段、２２電圧誤差推定手段、２３電圧補正手段、２４電圧位相誤差算出手段。

Claims

直流電圧を交流電圧に変換して電動機に印加するインバータと、
前記電動機に流れる相電流を検出する電流検出手段と、
前記インバータに印加される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
前記インバータが電動機に印加する電圧を制御する制御手段と、
位相誤差記憶手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記電流検出手段が検出した相電流を直交２軸座標上の電流としてｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに変換する座標変換手段と、
前記座標変換手段の出力と所定の基準値に基づき、前記電動機に印加する前記直交２軸座標上の電圧の指令値としてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を出力する電圧指令値演算手段と、
前記直交２軸座標上の電圧指令値であるｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊と、前記直流電圧とにより変調率を求める変調率演算手段と、
前記変調率演算手段の出力である前記変調率とその前記変調率に対する出力電圧の割合である電圧利用率を予め求めておき、前記変調率と前記電圧利用率との対応関係を記憶させ、前記電圧利用率を求めるときには、予め記憶させた前記対応関係に基づいて前記変調率から前記電圧利用率を求める電圧利用率演算手段と、
前記直交２軸座標上の電圧指令値であるｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊と前記直交２軸座標上の電流であるｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑとの内積を求め、その求めた内積に対して、前記電圧利用率を乗算すると共に前記変調率を除算することにより、前記電動機の消費電力を求める消費電力演算手段と、
を備え、
前記位相誤差記憶手段は、
前記電動機に印加される電圧と前記電圧の指令値との位相誤差と、前記制御手段が有する変調率演算手段または前記制御手段が有する変調率補正手段の出力との関係を予め記憶し、
前記消費電力演算手段は、前記電動機の消費電力を求める際に前記位相誤差記憶手段に記憶された位相誤差に基づいて前記電圧指令値演算手段の出力を補正する
ことを特徴とする電動機の駆動装置。
直流電圧を交流電圧に変換して電動機に印加するインバータと、
前記電動機に流れる相電流を検出する電流検出手段と、
前記インバータに印加される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
前記インバータが電動機に印加する電圧を制御する制御手段と、
位相誤差記憶手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記電流検出手段が検出した相電流を直交２軸座標上の電流としてｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに変換する座標変換手段と、
前記座標変換手段の出力と所定の基準値に基づき、前記電動機に印加する前記直交２軸座標上の電圧の指令値としてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を出力する電圧指令値演算手段と、
前記直交２軸座標上の電圧指令値であるｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊と、前記直流電圧とにより変調率を求める変調率演算手段と、
前記変調率演算手段の出力である前記変調率とその前記変調率に対する出力電圧の割合である電圧利用率を予め求めておき、前記変調率と前記電圧利用率との対応関係を記憶させ、前記電圧利用率を求めるときには、予め記憶させた前記対応関係に基づいて前記変調率から前記電圧利用率を求める電圧利用率演算手段と、
前記直交２軸座標上の電圧指令値であるｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊と前記直交２軸座標上の電流であるｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑとの内積を求め、その求めた内積に対して、前記電圧利用率を乗算すると共に前記変調率を除算することにより、前記電動機の消費電力を求める消費電力演算手段と、
を備え、
前記位相誤差記憶手段は、
前記電動機に印加される電圧と前記電圧の指令値との位相誤差と、前記制御手段が有する変調率演算手段または前記制御手段が有する変調率補正手段の出力との関係を予め記憶し、
前記消費電力演算手段は、前記電動機の消費電力を求める際に前記位相誤差記憶手段に記憶された位相誤差に基づいて前記電圧指令値演算手段の出力を補正し、
前記消費電力演算手段は、前記変調率が１を超えた場合に、前記電圧指令値演算手段の出力を前記変調率で正規化し、更にこの正規化によって得られた結果に前記電圧利用率演算手段の出力を乗算して新たな電圧指令値に変換し、この変換後の電圧指令値に基づいて消費電力を演算することを特徴とする電動機の駆動装置。
直流電圧を交流電圧に変換して電動機に印加するインバータと、
前記電動機に流れる相電流を検出する電流検出手段と、
前記インバータに印加される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
前記インバータが電動機に印加する電圧を制御する制御手段と、
位相誤差記憶手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記電流検出手段が検出した相電流を直交２軸座標上の電流としてｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに変換する座標変換手段と、
前記座標変換手段の出力と所定の基準値に基づき、前記電動機に印加する前記直交２軸座標上の電圧の指令値としてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を出力する電圧指令値演算手段と、
前記直交２軸座標上の電圧指令値であるｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊と、前記直流電圧とにより変調率を求める変調率演算手段と、
前記変調率演算手段によって求められた変調率を補正して出力する変調率補正手段と、
前記変調率補正手段の出力である前記変調率とその前記変調率に対する出力電圧の割合である電圧利用率を予め求めておき、前記変調率と前記電圧利用率との対応関係を記憶させ、前記電圧利用率を求めるときには、予め記憶させた前記対応関係に基づいて前記変調率から前記電圧利用率を求める電圧利用率演算手段と、
前記直交２軸座標上の電圧指令値であるｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊と前記直交２軸座標上の電流であるｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑとの内積を求め、その求めた内積に対して、前記電圧利用率を乗算すると共に前記変調率を除算することにより、前記電動機および前記インバータの消費電力を求める消費電力演算手段と、
を備え、
前記位相誤差記憶手段は、
前記電動機に印加される電圧と前記電圧の指令値との位相誤差と、前記制御手段が有する変調率演算手段または前記制御手段が有する変調率補正手段の出力との関係を予め記憶し、
前記消費電力演算手段は、前記電動機の消費電力を求める際に前記位相誤差記憶手段に記憶された位相誤差に基づいて前記電圧指令値演算手段の出力を補正する
ことを特徴とする電動機の駆動装置。
前記変調率補正手段は、前記変調率が１を超えた場合に、前記変調率を、前記変調率に対する電圧利用率の関数の逆関数により補正することを特徴とする請求項３に記載の電動機の駆動装置。
前記所定の基準値は巻線抵抗、巻線インダクタンス、誘起電圧定数等のモータパラメータ、トルク指令、回転数指令、およびｄ軸電流指令値の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
前記消費電力演算手段は、前記変調率演算手段の出力が１以下の場合には、前記直交２軸座標系の電流及び前記直交２軸座標系の電圧により、前記電動機の消費電力を求めることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
前記電動機に印加される電圧と、前記電圧の指令値との、前記インバータのデッドタイムにより生じる誤差を推定するデッドタイム電圧誤差推定手段を備え、
前記制御手段は、前記デッドタイム電圧誤差推定手段の出力に基づいて前記電圧指令値演算手段の出力を補正することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
前記制御手段は、前記電動機に印加される電圧と、前記電圧の指令値との、前記インバータのデッドタイムにより生じる誤差を前記電流検出手段が検出した相電流に基づいて補正するデッドタイム補正手段を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
前記制御手段は、前記電流検出手段が検出した相電流、前記直流電圧検出手段が検出した直流電圧、前記インバータのキャリア周波数及び前記インバータのデッドタイムの少なくともいずれかによって前記誤差を演算することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の電動機の駆動装置。
前記制御手段は、前記消費電力演算手段の出力が最小電力となるよう前記直交２軸座標上のｄ軸電流の指令値を制御することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
前記制御手段は、前記消費電力演算手段の出力に基づき前記電動機の過負荷状態を検出し、前記電動機が過負荷状態に陥ったことを検出すると、前記電動機の回転速度を低下させることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
前記制御手段は、前記消費電力演算手段の出力に基づき、外部の報知手段に消費電力に応じた表示および報知出力を行うことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
前記消費電力演算手段の出力に基づき、前記電動機の脱調状態を検出する脱調検出手段を備え、
前記制御手段は、前記脱調検出手段が前記電動機の脱調状態を検出すると、前記電動機を再起動することを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
請求項１〜請求項１２のいずれかに記載の電動機の駆動装置と、この駆動装置からの情報に基づき表示などの報知を行う報知手段とを備えたことを特徴とする冷凍空調装置。
請求項１３に記載の電動機の駆動装置を備えたことを特徴とする冷凍空調装置。
前記消費電力演算手段の出力に基づき、料金を求める料金演算手段を備えたことを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の冷凍空調装置。