JP2008043050A - 電動機制御装置及び空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】小型、軽量で、少ないうなり音で、連続的な回転数制御ができる電動機制御装置を提供する。
【解決手段】整流手段２の出力電圧が電源周波数の２倍周波で脈動する平滑手段３と、電動機５駆動用に平滑手段３の出力電圧を交流電圧に変換する直交変換手段４と、電流検出手段６で検出された電動機５の電流値に基づき電動機５の回転位相を演算する位相演算手段７と、電動機５の回転数を指令する回転数指令手段１１からの回転数指令値と位相演算手段７で演算された実回転数より電流指令値を演算する電流指令演算手段８と、電流指令値と電流検出手段６で検出された電流値に基づき電圧指令値を算出する電圧指令演算手段９と、電圧指令値から直交変換手段４を駆動する信号を生成するＰＷＭ信号発生手段１０と、回転数指令値に変動回転数指令値を重畳させる変動回転数指令手段１３を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機を駆動制御する電動機制御装置及び空気調和機に関するものである。

従来、この種の電動機制御装置において、特に、整流手段の出力端子に、著しく小容量のコンデンサとリアクタで構成される平滑手段を接続し、出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で大きく脈動するような電動機制御装置では、交流電源周波数の整数倍と電動機の回転数の整数倍との差であるビート音に起因したうなり音を避けるために、うなり音が発生する可能性のある電動機回転数をスキップして、実際にはうなり音が発生しない回転数での駆動を行っていた（例えば、特許文献１参照）。

図７〜図１０は、上記特許文献１に記載された従来の電動機制御装置において、うなり音を回避するため、うなり音が発生する回転数領域内（ｆｍ１２＜ｆｘ＜ｆｍ１１）の指令回転数ｆｘをｆｍ１２、ｆｍ１０、ｆｍ１１のいずれかにスキップさせる指令回転数ｆｘと出力指令回転数ｆｙを概念的に示した図である。
特開２００６−３４０７０号公報

しかしながら、前記従来の電動機制御装置による駆動では、うなり音を回避するために、うなり音が発生する可能性がある回転数領域をスキップするため、使用できない回転数領域が存在し、特にこの回転数領域が広くなる場合等は、連続的な回転数制御が出来ず、この回転数領域を挟んでハンチングなど安定性に欠けるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、うなり音が発生する回転数領域内の回転数で駆動させながらうなり音の発生を抑制し、円滑に電動機を駆動することが出来る電動機制御装置及び空気調和機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の電動機制御装置は、交流電源を整流する整流手段と、前記整流手段の出力電圧が前記交流電源の周波数の２倍周波で脈動する平滑手段と、電動機を駆動するために前記平滑手段の出力電圧を交流電圧に変換する直交変換手段と、前記電動機の電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出値に基づき前記電動機の回転位相を演算する位相演算手段と、前記電動機の回転数を指令する回転数指令手段と、前記回転数指令手段からの回転数指令値と前記位相演算手段で演算された実回転数より電流指令値を演算する電流指令演算手段と、前記電流指令値と前記電流検出手段で検出された電流値に基づき電圧指令値を算出する電圧指令演算手段と、前記電圧指令値から前記直交変換手段を駆動する信号を生成するＰＷＭ信号発生手段と、前記回転数指令値に変動回転数指令値を重畳させる変動回転数指令手段を備えたもので、うなり音が発生する回転数領域内でうなり音を抑制した電動機駆動を実現させることが出来る。

又、本発明の空気調和機は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電動機制御装置と、前記電動機制御装置で制御される電動機と、前記電動機で駆動される圧縮機を備えたもので、うなり音を抑制しながら、平滑手段を構成するコンデンサおよびリアクタを小容量化することができるので、空気調和機の小型化・軽量化、低コスト化を図ることが出来る。

本発明の電動機制御装置及び空気調和機は、小型、軽量で、且つうなり音が発生する回転数領域内において、うなり音の発生を抑制することが出来る。

第１の発明は、交流電源を整流する整流手段と、前記整流手段の出力電圧が前記交流電源の周波数の２倍周波で脈動する平滑手段と、電動機を駆動するために前記平滑手段の出力電圧を交流電圧に変換する直交変換手段と、前記電動機の電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出値に基づき前記電動機の回転位相を演算する位相演算手段と、前記電動機の回転数を指令する回転数指令手段と、前記回転数指令手段からの回転数指令値と前記位相演算手段で演算された実回転数より電流指令値を演算する電流指令演算手段と、前記電流指令値と前記電流検出手段で検出された電流値に基づき電圧指令値を算出する電圧指令演算手段と、前記電圧指令値から前記直交変換手段を駆動する信号を生成するＰＷＭ信号発生手段と、前記回転数指令値に変動回転数指令値を重畳させる変動回転数指令手段を備えたもので、うなり音が発生する回転数領域内でうなり音を抑制した電動機駆動を実現させることが出来る。

第２の発明は、特に、第１の発明の変動回転数指令手段は、回転数指令手段からの回転数指令値が交流電源の周波数の整数倍と電動機の回転数の整数倍が一致する回転数近傍で、位相演算手段で演算された実回転数が前記回転数指令値に到達後、前記回転数指令値に変動回転数指令値を重畳させるもので、うなり音が発生する回転数領域のみでうなり音抑制のための変動回転数指令値を回転数指令値に重畳させうなり音を抑制した電動機駆動を実現させることが出来る。

第３の発明は、特に、第１又は第２の発明の交流電源の周波数を検出する周波数検出手段を具備したもので、交流電源の周波数の変動に合わせて変動回転数指令値を重畳させる回転数領域を設定し、うなり音を抑制した電動機駆動を実現させることが出来る。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか一つの発明の変動回転数指令手段は、周期性のある変動回転数指令値を回転数指令値に重畳させると共に、前記変動回転数指令値の変動周期を電動機の回転数により調整し、前記変動回転数指令値の変動幅を前記電動機に加わる負荷に応じて調整するもので、うなり音が発生する回転数、負荷状態によらず、うなり音を抑制した電動機駆動を実現させることが出来る。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか一つの発明の平滑手段を、コンデンサおよびリアクタで構成し、該コンデンサおよびリアクタより求められる共振周波数を、交流電源の周波数の４０倍以上になるよう設定したもので、整流手段への入力電流の電源高調波特性の高性能化を実現させることが出来る。

第６の発明は、特に、第１〜４のいずれか一つの発明の平滑手段を、コンデンサおよびリアクタで構成し、前記コンデンサにフィルムコンデンサを用いたもので、温度による寿命特性への影響を気にせず使用環境を選択することが出来る。

第７の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電動機制御装置と、前記電動機制御装置で制御される電動機と、前記電動機で駆動される圧縮機を備えたもので、うなり音を抑制しながら、平滑手段を構成するコンデンサおよびリアクタを小容量化することができるので、空気調和機の小型化・軽量化、低コスト化を図ることが出来る。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
以下に、本発明の第１の実施の形態における電動機制御装置について、図１〜図６を用いて説明する。図１は、本実施の形態における電動機制御装置の制御ブロック図を示したものである。

図１において、本実施の形態における電動機制御装置は、単相交流電源である商用電源などの交流電源１より電力が供給され、供給された交流電源１を全波整流するダイオードブリッジで構成された整流手段２と、前記整流手段２からの出力電圧が交流電圧の２倍周波で大きく脈動する平滑手段３と、前記平滑手段３からの出力電圧を、電動機５を駆動するために所望の交流電圧に変換する半導体スイッチング素子により構成された直交変換手段４と、電動機５に流れる電流を検出するための電流検出手段６と、前記電流検出手段６からの検出値に基づき電動機５の回転位相を演算する位相演算手段７と、電動機５の回転数の指令値を与える回転数指令手段１１と、前記回転数指令手段１１からの回転数指令値と前記位相演算手段７から演算される実回転数より、電動機５を駆動するための電流指令値を演算する電流指令演算手段８と、前記電流指令値と電流検出値に基づき電圧指令値を算出する電圧指令演算手段９と、前記電圧指令値から直交変換手段４を駆動する信号を生成するＰＷＭ信号発生手段１０と、交流電源１の周波数（以下「電源周波数」という）を検出する周波数検出手段１２と、前記周波数検出手段１２と位相演算手段７からの実回転数に基づき変動回転数指令値の回転数指令値への重畳の有無と変動回転数指令値の周期を調整し、前記電流指令演算手段８からの演算値に基づき変動回転数指令値の変動幅を調整する変動回転数指令手段１３を有している。

ここで、電流検出手段６は、電動機５の相電流を直接電流センサなどで検出することに限らず、前記直交変換手段４の母線電流から推定検出するようにしても良い。

更に、前記平滑手段３は、共振周波数が電源周波数の４０倍以上になるように設定された小容量のコンデンサ（図示せず）と該コンデンサへの突入充放電電流のピーク値を下げるためのリアクタ（図示せず）を有している。

なお、前記平滑手段３を構成するリアクタは、交流電源１と平滑手段３を構成するコンデンサの間に挿入するため、整流手段２の前後どちらに配置しても構わない。

更に、変動回転数指令値の変動幅を調整するための負荷検出は、電流指令演算手段８からの演算値に限らず、電流検出手段６からの電流検出値の利用も含むものとする。

以上のように構成された本実施の形態における電動機制御装置について、以下にその動作、作用を説明する。

まず、回転数指令手段１１からの回転数指令値をｆｘ、変動回転数指令手段１３からの変動回転数指令値をｆｘｘ、両指令値の合成指令値をｆｙ（＝ｆｘ＋ｆｘｘ）、電源周波数の整数倍と電動機５の回転数（以下、「電動機回転数」という）の整数倍が一致する回転数をｆｍ１０、この近傍回転数でうなり音が発生する下限回転数をｆｍ１２（＝ｆｍ１０−ｆｂｅａｔ）、上限回転数をｆｍ１１（＝ｆｍ１０＋ｆｂｅａｔ）とする。また、変動回転数指令値の変動周期をＴｘｘ、変動幅をＶｘｘとする。

交流電源１に、電源周波数５０Ｈｚの商用電源を用いた場合、平滑手段３を構成するリアクタとコンデンサの値は、その共振周波数ｆｃ＝１／（２π＊√（Ｌ１＊Ｃ１））が電源周波数の４０倍以上、すなわち２０００Ｈｚ以上になるように設定する。

そこで、例えば、リアクタンス値０．５ｍＨのリアクタと、キャパシタンス値１０μＦ
のコンデンサを用いることで、ｆｃ（＝２２５０Ｈｚ）＞４０＊電源周波数（５０Ｈｚ）とする。このように平滑手段３のコンデンサの容量を著しく小さくすることで、電源周波数の２倍周波で大きく脈動（リップル率８０％以上）する。このように平滑手段３からの出力電圧が大きく脈動する場合、回転数ｆｍ１０には５０ｒｐｓ、１００ｒｐｓ等が適用される。このため、回転数指令手段１１からの回転数指令値ｆｘを、ｆｍ１２＜ｆｍ１０＜ｆｍ１１の範囲内で駆動させる場合、その差分のビート音に起因したうなり音が発生する。

図３〜図６は、うなり音を抑制するための変動回転数指令を示した図である。
まず図２は、うなり音が発生する回転数領域外（ｆｘ＜ｆｍ１２、ｆｘ＞ｆｍ１１）での回転数指令値を示すものである。通常、うなり音が発生しない回転数領域では一定の回転数指令値ｆｘにより電動機５を駆動させる。

次に、うなり音が発生する回転数領域での回転数指令値について説明する。

図３は、回転数指令値ｆｘがうなり音の発生する下限値（ｆｍ１２）と、電源周波数の整数倍と電動機回転数の整数倍が一致する回転数（ｆｍ１０）の間となる場合の変動回転数指令値を示す。ここで、この回転数領域内の回転数指令値ｆｘ１とｆｘ２の大小関係はｆｘ１＜ｆｘ２とする。また、一定回転数駆動を行うと発生するうなり音を抑制するために、電動機回転数を常に微小変動させるが、回転数指令値ｆｘ１に対して変動回転数指令値の変動周期をＴｘｘ１、変動幅をＶｘｘ１とし、回転数指令値ｆｘ２に対して変動回転数指令値の変動周期をＴｘｘ２、変動幅をＶｘｘ２とすると、回転数指令値により変動回転数指令値の変動周期は、Ｔｘｘ１＜Ｔｘｘ２となるような変動回転数指令値を与える。更に、電動機５にかかる負荷状態の変化に対して、例えば負荷が重くなった場合は、図４に示すように、各回転数での変動回転数指令値の変動幅Ｖｘｘ１’、Ｖｘｘ２’はＶｘｘ１＜Ｖｘｘ１’、Ｖｘｘ２＜Ｖｘｘ２’となるような変動回転数指令値を与える。

次に、図５は、回転数指令値が、電源周波数の整数倍と電動機回転数の整数倍が一致する回転数（ｆｍ１０）と、うなり音の発生する上限値（ｆｍ１１）の間となる場合の変動回転数指令値を示すものである。

ここでも、この回転数領域内の回転数指令値ｆｘ１、ｆｘ２の大小関係はｆｘ１＜ｆｘ２とする。また、一定回転数駆動を行うと発生するうなり音を抑制するために、電動機回転数を常に微小変動させるが、回転数指令値ｆｘ１に対して変動回転数指令値の変動周期をＴｘｘ１、変動幅をＶｘｘ１とし、回転数指令値ｆｘ２に対して変動回転数指令値の変動周期をＴｘｘ２、変動幅をＶｘｘ２とすると、回転数指令値により変動回転数指令値の変動周期は、Ｔｘｘ１＞Ｔｘｘ２となるような変動回転数指令値を与える。

更に、電動機５にかかる負荷状態の変化に対して、例えば負荷が重くなった場合は図６に示すように、各回転数での変動回転数指令値の変動幅Ｖｘｘ１’、Ｖｘｘ２’はＶｘｘ１＜Ｖｘｘ１’、Ｖｘｘ２＜Ｖｘｘ２’となるような変動回転数指令値を与える。

以上のように、本実施の形態によれば、うなり音が発生する回転数領域内で回転数指令値により変動回転数指令値の変動周期を調整し、電動機５にかかる負荷により変動幅を調整して、常にうなり音を抑制するために電動機回転数を微小変動させる変動回転数指令手段１３を備えることで、平滑手段３からの出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で大きく脈動するような電動機制御装置においても、うなり音を大幅に抑制した電動機駆動を実現させることが出来る。

又、本実施の形態では、交流電源１の周波数を検出する周波数検出手段１２を備えてい
るので、交流電源１の周波数の変動に合わせて変動回転数指令値を重畳させる回転数領域を設定するようにすれば、交流電源１の周波数の変動にかかわらず、常にうなり音の少ない電動機駆動を提供することが出来る。

なお、上記実施の形態における平滑手段を構成するコンデンサに周囲温度の変化の影響を受けにくいフィルムコンデンサを用いるようにすれば、温度による寿命特性への影響を気にする必要が無いので、電動機制御装置の使用環境を自由に選択することが出来る。

又、空気調和機に、上記実施の形態で述べた電動機制御装置を搭載し、それで、圧縮機（図示せず）を回転駆動する電動機（図示せず）を駆動制御するようにすれば、電動機制御装置の平滑手段を構成するコンデンサおよびリアクタが小容量で、小型、軽量なので、うなり音を抑制しながら、空気調和機の小型化・軽量化、低コスト化を図ることが出来る。

以上のように、本発明にかかる電動機制御装置は、うなり音を抑制しながら連続的な回転数制御を実現できる上、低コスト化・小型化ができるので、電動機制御装置が搭載され低コスト化・小型化が求められるあらゆる機器に広く適用できる。

本発明の実施の形態１における電動機制御装置の制御ブロック図 同電動機制御装置のうなり音が発生しない回転数領域での回転数指令値を示す図 （ａ）、（ｂ）同電動機制御装置の変動回転数指令手段の動作例１を示す図 （ａ）、（ｂ）同変動回転数指令手段の動作例２を示す図 （ａ）、（ｂ）同変動回転数指令手段の動作例３を示す図 （ａ）、（ｂ）同変動回転数指令手段の動作例４を示す図 従来の電動機制御装置における出力指令回転数の概念１を示す図 同出力指令回転数の概念２を示す図 同出力指令回転数の概念３を示す図 同出力指令回転数の概念４を示す図

符号の説明

１ 交流電源
２ 整流手段
３ 平滑手段
４ 直交変換手段
５ 電動機
６ 電流検出手段
７ 位相演算手段
８ 電流指令演算手段
９ 電圧指令演算手段
１０ ＰＷＭ信号発生手段
１１ 回転数指令手段
１２ 周波数検出手段
１３ 変動回転数指令手段

Claims (7)

1. 交流電源を整流する整流手段と、前記整流手段の出力電圧が前記交流電源の周波数の２倍周波で脈動する平滑手段と、電動機を駆動するために前記平滑手段の出力電圧を交流電圧に変換する直交変換手段と、前記電動機の電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出値に基づき前記電動機の回転位相を演算する位相演算手段と、前記電動機の回転数を指令する回転数指令手段と、前記回転数指令手段からの回転数指令値と前記位相演算手段で演算された実回転数より電流指令値を演算する電流指令演算手段と、前記電流指令値と前記電流検出手段で検出された電流値に基づき電圧指令値を算出する電圧指令演算手段と、前記電圧指令値から前記直交変換手段を駆動する信号を生成するＰＷＭ信号発生手段と、前記回転数指令値に変動回転数指令値を重畳させる変動回転数指令手段を備えたことを特徴とする電動機制御装置。
2. 変動回転数指令手段は、回転数指令手段からの回転数指令値が交流電源の周波数の整数倍と電動機の回転数の整数倍が一致する回転数近傍で、位相演算手段で演算された実回転数が前記回転数指令値に到達後、前記回転数指令値に変動回転数指令値を重畳させることを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
3. 交流電源の周波数を検出する周波数検出手段を具備したことを特徴とする請求項１又は２に記載の電動機制御装置。
4. 変動回転数指令手段は、周期性のある変動回転数指令値を回転数指令値に重畳させると共に、前記変動回転数指令値の変動周期を電動機の回転数により調整し、前記変動回転数指令値の変動幅を前記電動機に加わる負荷に応じて調整することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
5. 平滑手段を、コンデンサおよびリアクタで構成し、該コンデンサおよびリアクタより求められる共振周波数を、交流電源の周波数の４０倍以上になるよう設定したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
6. 平滑手段を、コンデンサおよびリアクタで構成し、前記コンデンサにフィルムコンデンサを用いたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の電動機制御装置と、前記電動機制御装置で制御される電動機と、前記電動機で駆動される圧縮機を備えた空気調和機。

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