JP5703152B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、例えば空気調和機に用いるインバータ装置に関する。

従来、空気調和機のファンモータ等に使用されるブラシレスＤＣモータを駆動する場合、運転開始時の早い段階でモータのロック（拘束状態）を検出し、モータを停止するなどの保護が必要となる。このようなロック検出の手段として、モータの各相巻線に誘起する電圧からロータ位置を検知し、そのロータ位置に基づいてロックを検出する方法が知られている（例えば特許文献１）。

一方、モータの誘起電圧を検出する回路を削除して部品点数を少なくすると同時にモータ効率の向上を得るために各相巻線に対する通電を強制的に切換える強制転流によってモータを起動し、その後、各相巻線に流れる電流（モータ電流という）からロータ速度（＝回転速度）を推定し、その推定ロータ速度が指令速度となるよう各相巻線に対する電力供給を制御するセンサレスのベクトル制御が、用いられている。このようなベクトル制御を用いた場合、モータ電流に基づいてモータのロックを検出することが考えられる。

すなわち、ベクトル制御では、各相巻線に対する通電を強制的に切換える強制転流によってモータを起動し、その後、モータ電流に基づいてベクトル制御によってロータ速度を推定する。ところが、モータがロックした場合でも、モータの各相巻線には電流が流れる。ベクトル制御では、モータがロックしていてもモータ電流が検出されることからロータ速度としてある値を推定してしまい、この状態でのロック検出はできない。このため、その推定ロータ速度を指令速度に近づけるべく、モータへの駆動電流を増加方向に制御する。この駆動電流の増加にもかかわらず、モータがロックしているため推定ロータ速度は上記値のまま上昇せず、モータへの駆動電流をますます増加方向に制御する。その結果、モータ電流がある設定値に達するので、それをモータのロックとして判定することができる。

なお、ファンモータの場合、指令速度が高い状況や負荷が重い状況でモータが正常に起動した際のモータ電流は、モータがロックしているときのモータ電流とほとんど差がないため、モータがロックしていると誤判定する可能性がある。この対策として、起動の開始から所定時間内にモータ電流が設定値に達したとき、モータがロックしていると判定するようにすれば、そのような誤判定を防ぐことができる。

特開平８−８８９９４号公報

しかしながら、上記のベクトル制御では、負荷が軽い状況では指令速度に対するロータ速度の追従性が良くなるため、負荷が軽い状況でモータが正常に起動した際に、起動の開始から所定時間が経過する前にモータ電流がモータロックを判定する設定値に達し、モータがロックしていると誤判定してしまうという問題がある。

本発明の実施形態の目的は、指令速度や負荷にかかわらず、モータのロックを的確に検出できる信頼性にすぐれたインバータ装置を提供することである。

本発明の実施形態のインバータ装置は、直流電圧をスイッチングにより交流電圧に変換してモータに供給するものであって、前記モータに流れる電流を検出する検出手段と、前記モータの各相巻線に対する通電を強制的に切換えることにより前記モータを起動した後、前記検出手段の検出電流から前記モータの回転速度を推定し、この推定回転速度が指令速度となるよう前記スイッチングを制御する制御手段と、前記起動の開始から予め定めた一定時間内に、かつ前記推定回転速度が予め定めた一定値に達しないうちに、前記検出手段の検出電流が予め定めた設定値以上に上昇したとき、前記モータがロックしていると判定する判定手段と、を備える。

一実施形態の構成を示すブロック図。 一実施形態におけるモータ制御部の制御を示すフローチャート。 一実施形態の正常時のモータ電流Ｉおよび推定ロータ速度Ｒの変化を示す図。 一実施形態のロック時のモータ電流Ｉおよび推定ロータ速度Ｒの変化を示す図。

以下、一実施形態のインバータ装置について図面を参照して説明する。
図１に示すように、もっぱら海外で多用されている三相４線式４００Ｖの商用交流電源１のＲ相とＴ相（接地相）との間に、インダクタ２を介して整流回路３が接続される。整流回路３は、商用交流電源１の交流電圧を整流する。この整流回路３の出力端に平滑コンデンサ４を接続し、その平滑コンデンサ４にスイッチング回路５を接続する。スイッチング回路５は、複数のスイッチング素子を有し、これらスイッチング素子のスイッチングにより、整流回路３および平滑コンデンサ４から供給される直流電圧を所定周波数の三相交流電圧に変換する。この三相交流電圧を、駆動電力として、ブラシレスＤＣモータ６の各相巻線に供給する。ブラシレスＤＣモータ６は、空気調和機等の室外ファンを駆動するファンモータとして使用される。なお、ブラシレスＤＣモータ６は、空気調和機の室内ファンを駆動するものでもよい。

スイッチング回路５とブラシレスＤＣモータ６との間の三相ラインに電流検出手段として電流トランス７，８，９をそれぞれ配置し、これら電流トランス７，８，９の出力をモータ制御部１０に供給する。そして、モータ制御部１０には、表示部１１が接続されている。本実施の形態においては、モータの巻線に流れる電流を検出する手段として、電流トランス７，８，９を用いたが、その代わりにスイッチング回路５内の三相分の各下側スイッチング素子と負側電源間にシャント抵抗を挿入し、このシャント抵抗の両端間の
電圧降下に基づき電流を検出してもよい。なお、インバータ装置は、整流回路３以降のすべての各要素で構成されている。モータ制御部１０は、ブラシレスＤＣモータ６の各相巻線に対する通電を強制的に切換えるべくスイッチング回路５のスイッチングを制御し、これによりブラシレスＤＣモータ６を起動するとともに、起動後にはブラシレスＤＣモータ６の各相巻線に流れる電流（モータ電流という）Ｉを電流トランス７，８，９の出力に基づいて検出し、そのモータ電流ＩからブラシレスＤＣモータ６のロータ速度（＝回転速度）Ｒを推定し、この推定ロータ速度（＝推定回転速度）Ｒが外部、たとえば空気調和機の制御回路から入力される指令速度Ｒｔとなるようスイッチング回路５のスイッチングを制御する。各相巻線に対する通電を強制的に切換える制御のことを、強制転流制御という。この強制転流制御を、例えば、起動指令を受けてから一定時間ｔ１行う。モータ電流Ｉの検出、検出したモータ電流Ｉのｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑへの変換、推定ロータ速度Ｒの推定、およびその推定ロータ速度Ｒと指令速度Ｒｔとの比較に基づく制御のことを、ベクトル制御という。このベクトル制御を、上記一定時間ｔ１の経過後から行う。

とくに、モータ制御部１０は、強制転流制御およびベクトル制御の機能のほかに、ブラシレスＤＣモータ６のロックを判定する判定手段、およびこの判定手段でロックが判定されたときにその旨を報知し且つ上記スイッチングを停止する制御手段を有する。上記判定手段は、ブラシレスＤＣモータ６の起動の開始から予め定めた一定時間ｔ２に達しないうちに、かつ上記推定ロータ速度Ｒが予め定めた一定値Ｒｓに達しないうちに、上記モータ電流Ｉが予め定めた設定値Ｉｓ以上に上昇したとき、ブラシレスＤＣモータ６がロックしていると判定する。なお、このロック判定に使用されるモータ電流Ｉは、ベクトル制御上のＩｑの瞬時値が用いられる。

つぎに、モータ制御部１０の制御動作を図２のフローチャートを参照しながら説明する。

モータ制御部１０は、外部から起動指令が入力されると（ステップ１０１のＹＥＳ）、タイムカウントｔを開始し（ステップ１０２）、そのタイムカウントｔが一定時間ｔ１に達するまで強制転流制御を実行する（ステップ１０３、ステップ１０４のＮＯ）。この強制転流制御により、ブラシレスＤＣモータ６が起動する。なお、起動指令は一般的に、指令速度Ｒｔが０からそれ以外の回転数へ立ち上がることで判別される。

モータ制御部１０は、タイムカウントｔが一定時間ｔ１に達すると（ステップ１０４のＹＥＳ）、モータ電流Ｉを検出し（ステップ１０５）、強制転流制御からベクトル制御に移行する（ステップ１０６）。このベクトル制御により、ブラシレスＤＣモータ６の速度が指令速度Ｒｔに向け上昇していく。

モータ制御部１０は、ベクトル制御の実行に伴い、タイムカウントｔが一定時間ｔ２に達しないうちに（ステップ１０７のＹＥＳ）、かつ推定ロータ速度Ｒが一定値Ｒｓに達しないうちに（ステップ１０８のＹＥＳ）、モータ電流Ｉが設定値Ｉｓ以上に上昇するかどうかを判定する（ステップ１０９）。

ブラシレスＤＣモータ６が正常に起動した場合のモータ電流Ｉおよび推定ロータ速度Ｒの変化を図３に示す。この正常時、モータ電流Ｉが一定時間ｔ２内に設定値Ｉｓに達する事態は生じない。すなわち、モータ電流Ｉが設定値Ｉｓに達する前にステップ１０９がＮＯを繰り返している間に、起動時間の判別ステップ１０７または回転数の判別ステップ１０８のいずれかの判断がＮＯとなり、ステップ１０９の判定がなされなくなる。特に、起動時間の判断ステップ１０７の判断は一旦ＮＯとなれば、再度停止して起動しない限り、ＹＥＳに移行することはない。この正常運転中に、モータ制御部１０は、外部から停止指令、指令速度Ｒｔが０となる、を受けた場合（ステップ１１２のＹＥＳ）、スイッチング回路５のスイッチングを停止し（ステップ１１１）、ブラシレスＤＣモータ６を停止させる。

一方、ブラシレスＤＣモータ６が起動前にロックしている場合のモータ電流Ｉおよび推定ロータ速度Ｒの変化を図４に示す。ロック状態であっても、ブラシレスＤＣモータ６の各相巻線に電流が流れる。モータ制御部１０のベクトル制御は、モータ電流Ｉが流れることからロータ速度としてある値を推定し、その推定ロータ速度Ｒを指令速度Ｒｔに近づけるべく、ブラシレスＤＣモータ６への駆動電流を増加方向に制御する。ただし、この駆動電流の増加にもかかわらず、推定ロータ速度Ｒはほぼ一定値のまま上昇しないため、モータ制御部１０のベクトル制御は、ブラシレスＤＣモータ６への駆動電流をますます増加方向に制御する。その結果、モータ電流Ｉは、一定時間ｔ２内（ステップ１０７のＹＥＳ）で、かつ推定ロータ速度Ｒが一定値Ｒｓより低い状態（ステップ１０８のＹＥＳ）で設定値Ｉｓに達する（ステップ１０９のＮＯ）。

指令速度Ｒｔが高い状況やファンの負荷が重い状況でブラシレスＤＣモータ６が正常に起動した場合、モータ電流Ｉが設定値Ｉｓに達することもあるが、その際、モータ電流Ｉが設定値Ｉｓに達するのは一定時間ｔ２の経過後である。この一定時間ｔ２をロック判定の条件として加えているので、指令速度Ｒｔが高い状況や負荷が重い状況での誤判定を防ぐことができる。

ファンの負荷が軽い状況では指令速度Ｒｔに対するロータ速度の追従性が良くなるため、このような状況でブラシレスＤＣモータ６が正常に起動した際に、一定時間ｔ２が経過する前にモータ電流Ｉが設定値Ｉｓに達することもある。しかしながら、この場合、一定時間ｔ２内でモータ電流Ｉが設定値Ｉｓに達する前に推定ロータ速度Ｒが一定値Ｒｓを超える（ステップ１０７のＹＥＳ、ステップ１０８のＮＯ）。したがって、この場合にも、モータ制御部１０は、ロックと判定しない。この結果、正常であるにもかかわらずロック判定されるような誤判定を防止できる。

モータ制御部１０は、タイムカウントｔが一定時間ｔ２に達しないうちに（ステップ１０７のＹＥＳ）、かつ推定ロータ速度Ｒが一定値Ｒｓに達しないうちに（ステップ１０８のＹＥＳ）、モータ電流Ｉが設定値Ｉｓ以上に上昇したとき（ステップ１０９のＹＥＳ）にのみ、ブラシレスＤＣモータ６がロックしていると判定し、その旨を表示部１１の表示により使用者に報知するとともに（ステップ１１０）、ベクトル制御によるスイッチング回路５のスイッチングを停止する（ステップ１１１）。このスイッチングの停止により、ロック状態のブラシレスＤＣモータ６に対する不要な駆動がいつまでも続かず、スイッチング回路５やその他の電気・電子部品を破壊することがない。使用者は、駆動停止の理由がブラシレスＤＣモータ６のロックであることを表示部１１の表示により察知し、修理を依頼することができる。

以上のように、ブラシレスＤＣモータ６のロック判定に３つの条件を設定することにより、指令速度Ｒｔや負荷にかかわらず、ブラシレスＤＣモータ６のロックを的確に検出できる。これにより、インバータ装置としての信頼性が大幅に向上する。

なお、上記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…商用交流電源、３…整流回路、５…スイッチング回路、６…ブラシレスＤＣモータ、７，８，９…電流トランス、１０…モータ制御部、１１…表示部

Claims (2)

1. 直流電圧をスイッチングにより交流電圧に変換してモータに供給するインバータ装置において、
   前記モータに流れる電流を検出する検出手段と、
   前記モータの各相巻線に対する通電を強制的に切換えることにより前記モータを起動した後、前記検出手段の検出電流から前記モータの回転速度を推定し、この推定回転速度が指令速度となるよう前記スイッチングを制御する制御手段と、
   前記起動の開始から予め定めた一定時間内に、かつ前記推定回転速度が予め定めた一定値に達しないうちに、前記検出手段の検出電流が予め定めた設定値以上に上昇したとき、前記モータがロックしていると判定する判定手段と、
   を備えることを特徴とするインバータ装置。
2. 前記制御手段は、前記判定手段でロックが判定されたとき、その旨を報知するとともに、前記スイッチングを停止することを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。

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