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技術 電動機駆動装置の制御装置

出願人 ダイキン工業株式会社
発明者 安本竜志小林直人北野伸起
出願日 2014年11月6日 (6年11ヶ月経過) 出願番号 2014-225801
公開日 2016年5月23日 (5年5ヶ月経過) 公開番号 2016-092991
状態 特許登録済
技術分野 交流電動機の制御一般 無整流子電動機の制御
主要キーワード 直流線 高電位端 低電位端 ピーク値付近 空気調和機用圧縮機 垂下制御 許容最大値 一次磁束
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (8)

課題

広い運転領域と高い制御性とを両立して電動機を運転できる電動機駆動装置制御装置を提供する。

解決手段

制御信号生成部32は、駆動装置1を制御する制御信号Sを、同期電動機2の回転速度についての回転速度指令値と、回転速度指令値を低下させる速度垂下指令SCとに基づいて生成する。垂下制御部31は、同期電動機2の一次磁束界磁磁束とが成す角度である負荷角所定値よりも大きいときに、回転速度指令値を低下させる。

概要

背景

特許文献1は、同期電動機を制御するインバータ制御方法を記載している。特許文献1では、この同期電動機を流れる電流について、電流上限値を設定している。より具体的には、当該電流についての電流指令値が電流上限値を超えた場合に、その電流指令値を電流上限値に設定している。

特許文献2は、同期電動機を制御するインバータの制御方法を記載している。特許文献2では、例えば同期電動機を流れる電流の位相(同期電動機と同期して回転する、いわゆるd−q回転座標系、に対する位相)が位相限界に達したときに、同期電動機の回転速度を低下させている。

なお本発明に適用可能な制御技術の一例として、特許文献3を掲示する。

概要

広い運転領域と高い制御性とを両立して電動機を運転できる電動機駆動装置制御装置を提供する。制御信号生成部32は、駆動装置1を制御する制御信号Sを、同期電動機2の回転速度についての回転速度指令値と、回転速度指令値を低下させる速度垂下指令SCとに基づいて生成する。垂下制御部31は、同期電動機2の一次磁束界磁磁束とが成す角度である負荷角所定値よりも大きいときに、回転速度指令値を低下させる。

目的

本発明は、広い運転領域と高い制御性とを両立して電動機を運転できる電動機駆動装置の制御装置を提供する

効果

実績

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牽制数
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請求項1

界磁磁束([Λ0])が発生する同期電動機(2)を駆動する電動機駆動装置(1)を制御する制御装置であって、前記電動機駆動装置を制御する制御信号(S)を、前記同期電動機の回転速度(ω1)についての回転速度指令値(ω1*)と、前記回転速度指令値を低下させる速度垂下指令(Sc)とに基づいて生成する制御信号生成部(32)と、前記同期電動機の一次磁束([Λ1])と前記界磁磁束との間の位相差である負荷角(φ)が、所定値(φ_limit)よりも大きいときに、前記速度垂下指令を出力する垂下制御部(31)とを備える、電動機駆動装置の制御装置。

請求項2

前記電動機駆動装置(1)は、同期電動機(2)へと電圧印加して前記同期電動機に電流(iu,iv,iw)を流し、前記所定値は、前記電圧が電圧上限値を採り、かつ前記電流が電流上限値を採るときの前記負荷角である、請求項1に記載の電動機駆動装置の制御装置。

請求項3

前記同期電動機は、空気調和機用圧縮機を駆動する、請求項1または請求項2に記載の電動機駆動装置の制御装置。

技術分野

0001

本発明は、電動機駆動装置制御装置に関する。

背景技術

0002

特許文献1は、同期電動機を制御するインバータ制御方法を記載している。特許文献1では、この同期電動機を流れる電流について、電流上限値を設定している。より具体的には、当該電流についての電流指令値が電流上限値を超えた場合に、その電流指令値を電流上限値に設定している。

0003

特許文献2は、同期電動機を制御するインバータの制御方法を記載している。特許文献2では、例えば同期電動機を流れる電流の位相(同期電動機と同期して回転する、いわゆるd−q回転座標系、に対する位相)が位相限界に達したときに、同期電動機の回転速度を低下させている。

0004

なお本発明に適用可能な制御技術の一例として、特許文献3を掲示する。

先行技術

0005

特許第470661号公報
特許第3622666号公報
特開2014−50172号公報

発明が解決しようとする課題

0006

同期電動機は、電機子巻線を有する電機子と、界磁とを備えている。この同期電動機の出力トルクTeは簡易的には以下の式で表される。

0007

Te=Pn・Λ1・Λ0・sinφc/Ld+Pn・(1/Lq-1/Ld)・Λ0^2・sin(2φc)/2 ・・・(1)
Λ1=V0/ω1/Pn ・・・(2)

0008

ここで、Pn,Λ0,Λ1,Ld,Lq,φc,V0,ω1はそれぞれ同期電動機の極対数、界磁による電機子への鎖交磁束の大きさ(スカラー量)、当該鎖交磁束と電機子反作用による磁束の合成たる一次磁束、電機子巻線のd軸インダクタンス、q軸インダクタンス、同期電動機の負荷角、同期電動機に印加される交流電圧振幅、および、同期電動機の回転速度をそれぞれ示す。また、A^Bは、A,Bをそれぞれ底および指数とした累乗を示す。ただし、式(1)および式(2)では簡易的に電機子巻線の抵抗値を無視している。

0009

図7は、負荷角と出力トルクとの関係(即ち式(1))、および、負荷角と、同期電動機を流れる電流(交流電流の振幅)との関係を概略的に例示するグラフである。図7の例示では、負荷角−出力トルクの関係が曲線101〜104で示され、負荷角−電流の関係が曲線201〜204で示されている。これらの曲線101〜104は、例えば回転速度ω1が等しく、電圧V0を互いに異ならせたときの、負荷角−出力トルクの関係を示している。同様に、曲線201〜204は、回転速度ω1が等しく、電圧V0を互いに異ならせたときの負荷角−電流の関係を示している。図7の例示では、曲線101〜104における電圧V0は、曲線201〜204における電圧V0とそれぞれ等しい。また式(1)および式(2)から理解できるように、電圧V0が大きいほど、出力トルクは大きい。よって曲線101における電圧V0は曲線102における電圧V0よりも大きい。

0010

また、曲線101〜104は、電圧V0が等しく、回転速度ω1を互いに異ならせたときの負荷角−出力トルクの関係を示している、とも把握することができ、同様に、曲線201〜204は、電圧V0が等しく、回転速度ω1を互いに異ならせたときの負荷角−電流の関係を示している、とも把握することができる。曲線101〜204における回転速度ω1は曲線201〜204における回転速度ω1とそれぞれ等しい。また式(1)および式(2)から理解できるように、回転速度ω1が高いほど、出力トルクは小さい。よって曲線101における回転速度ω1は、曲線102における回転速度ω1よりも低い。

0011

図7の例示では、負荷角が小さい領域では、負荷角が増大するほど出力トルクは増大する。また図7に例示する領域では、負荷角が増大するほど出力トルクの負荷角に対する変化率は小さくなっている。つまり出力トルクの傾斜は負荷角が増大するほど緩やかになっている。また、曲線101〜104において、同じ負荷角での出力トルクに対する変化率は、その曲線101から曲線104へ向かうにつれて大きくなる。

0012

図7の例示では、電流は負荷角が増大するほど増大する。また電流は電圧V0が大きいほど大きく、回転速度ω1が高いほど小さい。よって回転速度ω1が等しければ曲線201における電圧V0は曲線202における電圧V0よりも大きく、電圧V0が等しければ曲線201における回転速度ω1は曲線202における回転速度ω1よりも低い。

0013

ところで、出力トルクの負荷角に対する変化率が比較的に大きい場合、負荷角を変更することで出力トルクを高い制御性で制御できる。逆に言えば、出力トルクの当該変化率が比較的に小さい領域では、負荷角を変化させても出力トルクは変化しにくいので、出力トルクを制御しにくい。つまり、出力トルクの制御性が低い。そして負荷角に応じて出力トルクが速やかに変化しなければ、電動機に流れる電流(振幅)のオーバーシュートが生じやすい。

0014

図7において、電流の上限値として電流値Ih1を採用する場合を考慮する。例えば電圧V0が等しければ、回転速度ω1が低いときには、例えば曲線101,201から理解できるように、負荷角および出力トルクはそれぞれ負荷角値φ11および出力トルク値Te11によって上方において制限される。負荷角値φ11は、曲線201において、電流値Ih1が採用されるとき負荷角の値であり、出力トルク値Te11は、曲線101において、負荷角値φ11が採用されるときの出力トルクの値である。これにより、出力トルクの変化率が比較的に小さい領域R11での運転を抑制できる。

0015

一方で、回転速度ω1が高いときには、例えば曲線104,204から理解できるように、出力トルクの変化率が比較的小さい領域R21でも、電動機の運転が行われることになる。つまり制御性の低い運転が行われる。

0016

これを回避すべく、電流の上限値として電流上限値Ih2(<Ih1)を採用すると、回転速度ω1が高いときに、出力トルクをより小さい出力トルク値Te22で制限できるので、領域R21での運転を抑制できる。しかしながら、回転速度が低いときには、出力トルクは、出力トルク値Te11よりも小さい出力トルク値Te21に制限される。つまり、電流上限値Ih2を採用すれば、出力トルク値Te11よりも小さい出力トルク値Te21で出力トルクが制限されるのである。このような制限は運転領域を狭くする。図7では、電流上限値Ih2を採用したときの運転領域がハッチングでしめされている。

0017

なお上述の例では、回転速度の高低を用いて説明したが、電圧の大小を用いても説明できる。

0018

上述の点に鑑みて、本発明は、広い運転領域と高い制御性とを両立して電動機を運転できる電動機駆動装置の制御装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0019

本発明にかかる電動機駆動装置の制御装置の第1の態様は、界磁磁束([Λ0])が発生する同期電動機(2)を駆動する電動機駆動装置(1)を制御する制御装置であって、前記電動機駆動装置を制御する制御信号(S)を、前記同期電動機の回転速度(ω1)についての回転速度指令値(ω1*)と、前記回転速度指令値を低下させる速度垂下指令(Sc)とに基づいて生成する制御信号生成部(32)と、前記同期電動機の一次磁束([Λ1])と前記界磁磁束とが成す角度である負荷角(φ)が、所定値(φ_limit)よりも大きいときに、前記速度垂下指令を出力する垂下制御部(31)とを備える。

0020

本発明にかかる電動機駆動装置の制御装置の第2の態様は、第1の態様にかかる電動機駆動装置の制御装置であって、前記電動機駆動装置(1)は、同期電動機(2)へと電圧を印加して前記同期電動機に電流(iu,iv,iw)を流し、前記所定値は、前記電圧が電圧上限値を採り、かつ前記電流が電流上限値を採るときの前記負荷角である。

0021

本発明にかかる電動機駆動装置の制御装置の第3の態様は、第1または第2の様態にかかる電動機駆動装置の制御装置であって、前記同期電動機は空気調和機用圧縮機を駆動する。

発明の効果

0022

本発明にかかる電動機駆動装置の制御装置の第1の態様によれば、広い運転領域と高い制御性とを両立して電動機を運転できる。

0023

本発明にかかる電動機駆動装置の制御装置の第2の態様によれば、電圧が大きいときであっても、電流が電流上限値を超えることを抑制することができる。

0024

本発明にかかる電動機駆動装置の制御装置の第3の態様によれば、前記同期電動機が圧縮機を駆動するので、負荷増大が起こった場合であっても、同期電動機や電動機駆動装置の運転停止をもたらす過電流を防止し、運転の継続が可能である。

図面の簡単な説明

0025

電動機駆動システムの構成の一例を概略的に示す図である。
駆動装置の構成の一例を概略的に示す図である。
ベクトル図の一例を概略的に示す図である。
負荷角と出力トルクとの関係の一例、および、負荷角と電流との関係の一例を概略的に示す図である。
電流位相と出力トルクとの関係の一例を概略的に示す図である。
負荷角と出力トルクとの関係の一例を概略的に示す図である。
負荷角と出力トルクとの関係の一例、および、負荷角と電流との関係の一例を概略的に示す図である。

実施例

0026

図1は電動機駆動システムの一例を概略的に示す図である。電動機駆動システムは、駆動装置1と制御部3とを備えている。

0027

駆動装置1は同期電動機2を駆動する電動機駆動装置である。例えば駆動装置1はインバータである。駆動装置1は制御部3によって制御されて、入力電圧を所望の交流電圧に変換し、同期電動機2へと出力する。つまり制御部3は電動機駆動装置を制御する制御装置であると言える。

0028

図2は駆動装置1の構成の一例を概略的に示す図である。駆動装置1は、その入力側において直流電源E1に接続される。

0029

駆動装置1は例えば直流線LHLLと、スイッチング素子Sup,Sun,Svp,Svn,Swp,SwnとダイオードDup,Dun,Dvp,Dvn,Dwp,Dwnとを備えている。

0030

直流線LH,LLはそれぞれ直流電源E1の高電位端および低電位端に接続される。よって、直流線LHに印加される電位は直流線LLに印加される電位よりも高い。

0031

スイッチング素子Sxp,Sxn(xはu,v,wを代表する、以下同様)は、例えばトランジスタであって、直流線LH,LLの間において互いに直列に接続される。ダイオードDxp,Dxnはそれぞれスイッチング素子Sxp,Sxnに並列に接続される。ダイオードDxp,Dxnの順方向は直流線LLから直流線LHへと向かう方向である。

0032

スイッチング素子Sxp,Sxnを接続する接続点Px(Pu,Pv,Pw)は、駆動装置1の出力端として機能する。

0033

かかる駆動装置1において、スイッチング素子Sxp,Sxnは制御部3から制御信号を受け取り、当該制御信号に基づいてオンオフする。以下では、各スイッチング素子Sxp,Sxnへの制御信号を総称して、制御信号Sと呼ぶ。制御部3が適切にスイッチング素子Sxp,Sxnのオン/オフを制御することにより、駆動装置1は直流電圧を所望の交流電圧に変換して出力することができる。

0034

再び図1を参照して、駆動装置1から出力される交流電圧は同期電動機2へと入力される。同期電動機2は入力された交流電圧に応じて回転する。この同期電動機2は界磁と電機子とを有している。電機子は電機子巻線を有しており、駆動装置1からの交流電圧はこの電機子巻線に印加される。これにより、電機子巻線に交流電流が流れ、電機子は界磁へと回転磁界を印加する。界磁は電機子へと鎖交する磁束(以下、界磁磁束とも呼ぶ)を発生させる。例えば界磁は永久磁石を有しており、この永久磁石が界磁磁束を発生する。同期電動機2は例えば空気調和機用の圧縮機を駆動する。

0035

なお図1および図2の例示では、同期電動機2は三相の電動機であるので、駆動装置1は三相交流電圧を出力する。ただし、同期電動機2の相数は適宜に変更することができ、駆動装置1が出力する交流電圧の相の数も同期電動機2の相数に応じて、適宜に変更することができる。

0036

制御部3は、(i)同期電動機2の回転速度についての回転速度指令値と、回転速度指令値を低下させる垂下指令(後述)とに基づいて、制御信号Sを生成して、これを駆動装置1へと出力することで、同期電動機2の回転速度を制御するとともに、(ii)同期電動機2の負荷角が所定値よりも大きいときに、同期電動機2の回転速度指令値を低下させる垂下指令を出力する。図1の例示では、垂下制御を行う機能部として垂下制御部31が示され、回転速度指令値に基づいて制御信号Sを生成する機能部として制御信号生成部32が示されている。

0037

なお、この制御部3は例えばマイクロコンピュータ記憶装置を含んで構成される。マイクロコンピュータは、プログラム記述された各処理ステップ(換言すれば手順)を実行する。上記記憶装置は、例えばROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、書き換え可能な不揮発性メモリEPROM(Erasable Programmable ROM)等)、ハードディスク装置などの各種記憶装置の1つ又は複数で構成可能である。当該記憶装置は、各種の情報やデータ等を格納し、またマイクロコンピュータが実行するプログラムを格納し、また、プログラムを実行するための作業領域を提供する。なお、マイクロコンピュータは、プログラムに記述された各処理ステップに対応する各種手段として機能するとも把握でき、あるいは、各処理ステップに対応する各種機能を実現するとも把握できる。また、制御部3はこれに限らず、制御部3によって実行される各種手順、あるいは実現される各種手段又は各種機能の一部又は全部をハードウェアで実現しても構わない。

0038

垂下制御部31は例えば負荷角演算部311と比較器312とを有している。負荷角演算部311は同期電動機2の負荷角を算出する。この負荷角の算出の説明にあたって、まず負荷角について説明する。図3はベクトル図の一例を概略的に示している。図3の例示では、d−q回転座標系とδ−γ回転座標系とが示される。d−q回転座標系は、電気角において互いに直交するd軸およびq軸を有しており、d軸は界磁磁束[Λ0]と同相に設定される。q軸は例えばd軸よりも回転方向に進んでいる。d軸が界磁磁束[Λ0]と同相に設定されるので、d−q回転座標系は同期電動機2と同期して回転する。なお[]はベクトルを示している。また界磁磁束の大きさを界磁磁束Λ0と呼ぶ。

0039

δ−γ回転座標系は、電気角において互いに直交するδ軸およびγ軸を有しており、δ軸は一次磁束[Λ1]と同相に設定される。γ軸は例えばδ軸よりも回転方向に進んでいる。一次磁束[Λ1]とは、界磁磁束[Λ0]と電機子反作用による磁束との合成によって得られる磁束である。電機子反作用による磁束のd軸成分はLd・idで表され、そのq軸成分はLq・iqで表される。Ld,Lqは電機子巻線のd軸インダクタンスおよびq軸インダクタンスをそれぞれ示し、id,iqは同期電動機2に流れる電流のd軸成分(d軸電流)およびq軸成分(q軸電流)をそれぞれ示す。

0040

負荷角φは一次磁束[Λ1]と界磁磁束[Λ0]との間の位相差である。界磁磁束[Λ0]の大きさ、d軸インダクタンスLdおよびq軸インダクタンスLqは同期電動機2の機器定数と考えることができるので、d軸電流idおよびq軸電流iqを検出することで、負荷角φを算出することができる。

0041

ただし本実施の形態では、一例として、制御信号生成部32は一次磁束[Λ1]を制御する一次磁束制御(後述)を実行して、制御信号Sを出力する。この一次磁束制御では、制御座標としてδc−γc回転座標系を採用し、そのδc−γc回転座標系がδ−γ回転座標系に一致するように制御することで、一次磁束[Λ1]を制御する。そのため、制御信号生成部32は、後に概説するようにδc−γc回転座標系における諸量(電流および電圧)を取り扱う。したがって、負荷角φもδc−γc回転座標系における諸量を用いて算出することが望ましい。負荷角φを算出するために、一次磁束制御で用いるδc−γc回転座標系とは別のd−q回転座標系の諸量を算出する必要がないからである。以下に、δc−γc回転座標系における諸量を用いた負荷角φの算出方法の具体例を説明する。

0042

δc−γc回転座標系において以下の式(3)および式(4)が成立する。これらは周知の電圧方程式などに基づいて導くことができる。

0043

Vδc=R・iδc−ω1・Lq・iγc+ω1・Λ0・sinφc ・・・(3)
Vγc=R・iγc+ω1・Lq・iδc+ω1・Λ0・cosφc ・・・(4)

0044

ここで、Vδc,Vγcはそれぞれ駆動装置1が出力する交流電圧のδc軸成分(δc軸電圧)およびγc軸成分(γc軸電圧)を示し、Rは電機子巻線の抵抗値を示し、iδc,iγcはそれぞれ駆動装置1が出力する電流のδc軸成分(δc軸電流)およびγc軸成分(γc軸電流)を示し、ω1はδc−γc回転座標系の回転速度を示し、Λ0は界磁磁束[Λ0]の大きさ(スカラー量)を示し、φcはd軸とδc軸との間の位相差を示す。定常状態においては、δc軸はδ軸とほぼ一致すると考えることができるので、位相差φcは負荷角φとほぼ等しいと考えることができる。よって以下では、負荷角φを負荷角φcとも呼ぶ。

0045

式(3)および式(4)を変形して、負荷角φcを算出すると、以下の式が導かれる。

0046

0047

負荷角演算部311は式(5)に基づいて負荷角φcを算出することができる。よって負荷角演算部311には、式(5)の右辺に示される諸量が入力される。より具体的には、機器定数として予め設定された抵抗値Rおよびq軸インダクタンスLqが負荷角演算部311に入力されるとともに、電圧Vδc,Vγcおよび電流iδc,iγcも負荷角演算部311に入力される。ただし、図1の例示では、電圧Vδc,Vγcに替えて、それらの電圧指令値Vδc*,Vγc*が負荷角演算部311に入力されている。つまり、電圧Vδc,γcは電圧指令値Vδc*,Vγc*とほぼ等しいと考えて、電圧指令値Vδc*,Vγc*を用いているのである。電圧指令値Vδc*,Vγc*の算出は後に概説する。

0048

電流iδc,iγcは例えば次のようにして得ることができる。まず同期電動機2を流れる三相の交流電流iu,iv,iwを、電流検出部4によって検出する。例えば電流検出部4は、駆動装置1の直流線LHまたは直流線LLを流れる直流電流を、駆動装置1のスイッチングパターン(制御信号S)に基づいて決まる相の交流電流として検出する。なお、このような検出方法は周知であるので詳細な説明を省略する。

0049

また電流検出部4はこれに限らず、出力端Pu,Pv,Pwをそれぞれ流れる交流電流iu,iv,iwを直接に検出してもよい。あるいは、交流電流iu,iv,iwの総和がであることに鑑みて、二相の交流電流を検出し、残りの一相は検出した二相に基づいて算出してもよい。

0050

検出された交流電流iu,iv,iwは、制御部3に属する座標変換部33に入力される。座標変換部33は、交流電流iu,iv,iwをUVW固定座標系からδc−γc回転座標系に変換して、電流iδc,iγcを算出する。このような座標変換には、UVW固定座標系とδc−γc回転座標系との間の位相差θ1が必要であり、座標変換部33には位相差θ1も入力される。

0051

負荷角演算部311によって算出された負荷角φcは比較器312に入力される。また比較器312には、例えば予め設定された所定値φc_limitも入力される。比較器312は負荷角φcと所定値φc_limitとを比較し、負荷角φcが所定値φc_limitよりも大きいときに、速度垂下指令SCを制御信号生成部32へと出力する。例えば速度垂下指令SCを活性することで、速度垂下指令SCを出力することができ、速度垂下指令SCを非活性にすることで、速度垂下指令SCの出力を終了することができる。

0052

また制御信号生成部32には、例えば外部のCPUなどから、回転速度ω1についての回転速度指令値ω1*も入力される。なお定常状態ではδc−γc回転座標系における回転速度ω1と、d−q軸回転座標系における回転速度とは互いに一致すると考えられるので、回転速度ω1を同期電動機2の回転速度とみなすことも可能である。よって回転速度指令値ω1*も、同期電動機2の回転速度についての指令値とみなすことができる。

0053

制御信号生成部32は例えば速度制御部321と磁束制御部322とPWM変調部323とを備えている。速度制御部321には、回転速度指令値ω1*と、速度垂下指令SCとが入力される。速度制御部321は速度垂下指令SCが入力されたときには、回転速度指令値ω1*を低下させて更新し、更新後の回転速度指令値ω1*に基づいて、公知の技術により、回転速度ω1を算出する。他方、速度垂下指令SCが入力されないときには、回転速度指令値ω1*をそのまま採用し、その回転速度指令値ω1*に基づいて回転速度ω1を算出する。算出した回転速度ω1は磁束制御部322に出力される。

0054

また速度制御部321は、回転速度ω1を積分して位相差θ1を算出し、これを座標変換部33およびPWM変調部323へと出力する。

0055

磁束制御部322には、一次磁束[Λ1]についての指令値たる一次磁束指令値[Λ1*]、回転速度ω1、および、電流iδc,iγcも入力される。一次磁束指令値[Λ1*]のγc軸成分は例えば零に設定され、δc軸成分は例えば予め設定される。電流iδc,iγcは上述のように座標変換部33によって算出される。磁束制御部322は入力された上記諸量に基づいて電圧指令値Vδc*,Vγc*を生成し、これらをPWM変調部323へと出力する。このような電圧指令値Vδc*,Vγc*の生成自体は公知であり、例えば特許文献3および上記文献などを採用できる。

0056

PWM変調部323は、電圧指令値Vδc*,Vγc*を、δc−γc回転座標系からUVW固定座標系へと変換して、電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を生成する。そして、例えばこれらの電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*とキャリア(例えば三角波)との比較に基づいて制御信号Sを生成し、制御信号Sを駆動装置1へと出力する。

0057

以上のように、回転速度指令値ω1*および一次磁束指令値[Λ1*]に基づいて制御信号Sを生成している。よって制御信号Sに基づく駆動装置1の動作によって、同期電動機2の回転速度および一次磁束が適切に制御される。

0058

しかも本制御部3によれば、同期電動機2の負荷角φcが所定値φc_limitよりも大きいときに、回転速度指令値ω1*を低下させている。例えば同期電動機2の負荷トルクが一定であるときに、回転速度を上昇すべく出力トルクを増大させることを考える。このとき、負荷角φcが増大して所定値φc_limitよりも大きくなると、これ以上、回転速度を上昇できないとして、回転速度指令値ω1*を低下させる。

0059

図4は、負荷角φcと出力トルクとの関係、および、負荷角φcと電流との関係を概略的に例示する図である。図3の曲線101〜104,201〜204は、いずれも図7と同一である。図4の例示では、所定値φc_limitとして、例えば電圧V0が最も大きいときの曲線101において、電流が電流上限値Ih1を採るときの負荷角φcの値(即ち、負荷角値φ11)を採用している。つまり、電圧V0が電圧上限値を採る状態において、電流が電流上限値Ih1を採るときの負荷角φcを採用できる。電圧上限値としては、例えば直流電源E1の直流電源の上限値を採用することができ、電流上限値としては、例えば駆動装置1または同期電動機2の許容最大値のうちの小さい方を採用することができる。

0060

本制御部3によれば、負荷角φcが所定値φc_limitよりも大きくなると、回転速度指令値ω1*を低下させる。これにより、例えば曲線104での回転速度から曲線103での回転速度へ低下させる。かかる制御によって、負荷角φcは例えば負荷角値φc12へと低減する。よって例えば電圧が高いときに、制御性の低い領域R11での運転を抑制できる。しかも、電圧が小さい場合においても、制御性の低い領域R21での運転を抑制することができる。しかも回転速度が低下するので、電流も低下する。これにより、いわゆる過電流を回避することができる。したがって、圧縮機の負荷増大が起こった場合であっても、同期電動機2および駆動装置1の運転停止をもたらす過電流を防止し、運転の継続が可能である。

0061

また図7の例示では、領域R11での運転を避けるべく電流上限値Ih2を採用すると、電圧が大きいときの出力トルクが出力トルク値Te21に制限された。

0062

一方で、本制御部3によれば、図4の例示から理解できるように、回転速度が最も大きい場合において(即ち曲線101において)、従来よりも高い出力トルク値Te11を出力することができる。したがって、電圧が大きいときの運転領域を拡大することができる。図4の例示では、本制御部3における運転領域がハッチングで示されている。

0063

以上のように、本制御部3によれば、電圧が大きいときに出力可能な出力トルクの値を向上でき、電圧が小さいときに高い制御性を維持できる。よって広い運転領域、かつ、高い制御性で同期電動機2を制御することができる。なお上述の例では電圧の大小を用いて説明したが、回転速度を用いて説明することもできる。より具体的には、回転速度が低いときに出力可能な出力トルクの値を向上でき、回転速度が高いときに高い制御性を維持できる。

0064

また上述の所定値φc_limitを採用すれば、電圧が大きいときであっても、電流が電流上限値を超えることを抑制することができる。

0065

次に、電流位相に基づいて垂下制御を行う場合と比較する。ここでいう電流位相とは、q軸と電流(同期電動機2を流れる、回転座標系での電流)との位相角である。電流位相に基づく垂下制御とは、電流位相が所定値β_limitよりも大きいときに回転速度指令値を低下させる制御をいう。

0066

図5は、電流位相と出力トルクとの関係を概略的に例示する図である。曲線411〜414は、互いに異なる電圧での電流位相−出力トルクの関係を示しており、回転速度ω1が等しく、電圧は、その曲線411から曲線414へ向かうにつれて小さくなる。よって曲線411における電圧は曲線412における電圧よりも大きい。

0067

また曲線411〜414は電圧V0が等しく、互いに異なる回転速度での電流位相−出力トルクの関係を示している、とも把握できる。曲線411〜414における回転速度は、その添え字数字が大きいほど高い。よって曲線411における回転速度は曲線412における回転速度よりも低い。

0068

図5の例示では、所定値β_limitは、電圧が最も大きい曲線411において、出力トルクのピーク値を採るときの電流位相値である。しかしながら、図5に例示するように、電圧が小さい曲線414は、負荷角φcが所定値β_limitよりも大きい領域のみに存在しているので、曲線414における電圧を採用しているときには、適切に同期電動機2を運転することができない。

0069

一方で、本制御部3のように、負荷角に基づく垂下制御では、電圧が小さいときであっても適切に同期電動機2を制御できる。その理由を次に説明する。図6は、負荷角φcと出力トルクとの関係を概略的に例示している。曲線401〜404における電圧は、それぞれ曲線411〜414における電圧と同じである。図6から理解できるように、曲線404は、負荷角φcが所定値φc_limitよりも小さい領域にも存在している。よって、曲線404における電圧を採用しているときであっても、適切に同期電動機2を運転することができるのである。

0070

また回転速度を用いて説明することもできる。即ち、高い回転速度を採用しているときであっても(曲線404においても)、適切に同期電動機2を運転することができる。

0071

また、図5三角印で例示するように、出力トルクがピーク値を採るときの電流位相は、電圧および回転速度に応じて大きく変動する一方で、図6に例示するように、出力トルクがピーク値を採る負荷角は、電圧および回転速度が変動しても、比較的小さく変動する。よって、より広い電圧範囲またはより広い回転速度範囲において、所定値φc_limitを出力トルクのピーク値の近傍に設定することができる。つまり、複数の曲線301〜304のいずれにおいても、出力トルクのピーク値付近に、所定値φc_limitを設定できる。例えば電圧が最も高い状態(電圧が上限値を採る状態)において出力トルクがピーク値の約70%〜100%の範囲での負荷角値を採用しても構わない。もちろん、所定値φc_limitの設定としては、制御性も考慮して適宜に設定されればよい。

0072

また所定値φc_limitは電圧および回転速度に依存しない固定値を採用でき、これは制御を簡易にすることができる。

0073

また、上述の例では負荷角演算部311は、式(5)に基づいて負荷角φcを算出しているものの、例えば式(3)および式(4)をそれぞれ変形して得られる以下の式(6)および式(7)のいずれか一方を用いても構わない。

0074

0075

0076

この場合、界磁磁束Λ0が必要となるので、負荷角演算部11には、例えば機器定数として予め設定された界磁磁束Λ0も入力される。

0077

また、三角関数逆関数は演算を困難にする。そこで、式(5)〜式(7)の逆関数の中の式を算出し、その結果と所定値とを比較してもよい。例えば式(5)の逆関数の中の式を算出し、その結果と、予め設定された所定値(=tan(φ_limit))とを比較し、当該結果が所定値よりも大きいときに、回転速度指令値を低下させてもよい。これによれば、演算を容易にすることができる。

0078

また図1の例示では、電圧検出部5が設けられている。電圧検出部5は例えば駆動装置1に入力される直流電圧を検出し、これをPWM変調部323へと出力する。例えばPWM変調部323は、検出された直流電圧が上限値を超えているときに、スイッチング素子Sxp,Sxnをすべてオフする制御信号Sを出力して、同期電動機2の運転を停止する。

0079

また、本発明は、その発明の範囲内において、相互に矛盾しない限り、上記の種々の実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

0080

1駆動装置
3 制御部
31垂下制御部
32制御信号生成部

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