JP2016167901A - 同期機用制御装置、圧縮機、電気機器およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】モータを適切に制動できるようにする。【解決手段】直流電源（３，４）が出力する直流電圧（Ｅd）を変調し、負荷（５０）を駆動する同期機（３０）に供給するとともに、少なくとも、前記同期機（３０）を制動する第１のモード（クランプモード）、または、前記負荷（５０）が発生するトルクによって発電し前記直流電源（３，４）に対して回生する第２のモード（回生モード）のうち何れかの動作モードで動作可能な電力変換回路（４０）と、前記直流電圧（Ｅd）に応じて、前記動作モードとして、前記第１または第２のモード（クランプモード，回生モード）のうち何れかを適宜指定する制御部（６）とを設けた。【選択図】図１

Description

本発明は、同期機用制御装置、圧縮機、電気機器およびプログラムに関する。

本技術分野の背景技術として、下記特許文献１の要約書には、「コンプレッサモータの停止時に冷媒の圧力差によりコンプレッサモータが逆回転をしないようにするとともにコンプレッサモータから異常音を発生しないようにしたものである」、「制御装置１４は、インバータ装置１１の正電圧側あるいは負電圧側の全てのスイッチング素子を通電するゼロベクトル通電手段と、正電圧側の１つのスイッチング素子と負電圧側の１つのスイッチング素子を通電する直流励磁通電手段と、コンプレッサモータの運転停止後に前記ゼロベクトル通電手段または前記直流励磁通電手段のいずれかを動作させる逆転を阻止する制動手段とを備えたものである」と記載されている。

特開２０００−２８７４８５号公報

特許文献１に記載の技術によれば、コンプレッサモータの停止時に制動手段を動作させることにより、コンプレッサモータの逆回転や、異常音を抑制できる。しかし、このことは制動手段を動作させる電力を確保できることが前提になっており、停電等によって電力供給が遮断されると、コンプレッサモータを適切に制動することが困難になる。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、モータを適切に制動できる同期機用制御装置、圧縮機、電気機器およびプログラムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明にあっては、直流電源が出力する直流電圧を変調し、負荷を駆動する同期機に供給するとともに、少なくとも、前記同期機を制動する第１のモード、または、前記負荷が発生するトルクによって発電し前記直流電源に対して回生する第２のモードのうち何れかの動作モードで動作可能な電力変換回路と、前記直流電圧に応じて、前記動作モードとして、前記第１または第２のモードのうち何れかを適宜指定する制御部とを有することを特徴とする。

本発明の同期機用制御装置、圧縮機、電気機器およびプログラムによれば、モータを適切に制動できる。

本発明の第１実施形態によるモータ制御システムのブロック図である。 第１実施形態におけるスクロール圧縮機の断面図である。 第１実施形態におけるクランプモードの動作説明図である。 第１実施形態における回生モードの動作説明図である。 第１実施形態における動作モード設定プログラムのフローチャートである。 第１実施形態における回転速度Ｎの変化状況の例を示すグラフである。 本発明の第２実施形態における動作モード設定プログラムのフローチャートである。 本発明の第３実施形態によるモータ制御システムのブロック図である。 第３実施形態におけるクランプモードの動作説明図である。 第３実施形態における回生モードの動作説明図である。

［実施形態の原理］
まず、後述する各実施形態の基本的な原理について説明する。
空気調和機や冷凍機等は、冷媒を圧縮する圧縮機構と、該圧縮機構を駆動するモータと、該モータに電流を供給するインバータとを有している。モータが圧縮機構を駆動すると、圧縮機構の吸入部と吐出部との間に圧力差が生じる。ここで、インバータを突然オフ状態にすると、吸入部と吐出部との間の圧力差によって圧縮機構およびモータが逆回転する。モータとして永久磁石型同期電動機を適用している場合には、圧縮機構およびモータが逆回転すると、過大な誘起電圧が発生し、インバータ内の素子を破壊することがある。また、素子の破壊に至らなかったとしても、逆回転によって異常音が発生するという問題がある。

通常の空気調和機や冷凍機等は、圧縮機構の吸入部または吐出部に逆流防止弁を装着することにより、圧縮機構およびモータの逆回転を防止している。しかし、逆流防止弁を設けることは部品点数の増加によるコストアップにつながる。また、逆流防止弁は冷媒流路における抵抗として作用するため、空気調和機等の効率を下げる点においても不利に働く。特許文献１に記載の技術のように、モータの停止時に制動手段を動作させると、モータの逆回転や、異常音を防止できる。しかし、上述したように、停電等によって電力供給が遮断されると、制動手段を動作させ続けることが困難になるため、逆流防止弁を除去することが事実上不可能になる。

ここで、モータが逆回転することの是非を改めて検討すると、誘起電圧がインバータ内の素子を破壊しない程度の電圧であって、異常音がさほど大きくならない程度に回転速度を抑制できるのであれば、モータの逆回転は、必ずしも忌避する現象ではないと考えることができる。また、モータが永久磁石型同期電動機である場合は、ある程度の回転速度で逆回転させることにより、これを発電機として機能させることができ、制動のための電力を確保することができる。後述する各実施形態は、以上のような観点から、電力を消費しつつモータを制動し、必要に応じてモータの逆回転によって電力を確保することにより、停電時等においても長時間に渡ってモータの制動を継続しようとするものである。

［第１実施形態］
＜第１実施形態の構成＞
次に、図１に示すブロック図を参照し、本発明の第１実施形態によるモータ制御システムのハードウエア構成を説明する。
図１において、モータ３０は永久磁石型同期電動機であり、回転子３６と図示せぬ固定子鉄心とを有している。回転子３６は永久磁石３６ａを埋設し、スクロール型の圧縮機構５０に結合されている。また、固定子鉄心は、回転子３６を囲む略筒状のバックヨークと、バックヨークから回転子３６に向かって突出する複数のティースとを有している。図１に示すＵ相，Ｖ相，Ｗ相の固定子巻線３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗは、これらティースに巻回され、中性点３４において相互に接続されている。

圧縮機構５０は、モータ３０によって駆動されると、吸入管５２から吸入した冷媒を圧縮し、吐出管５４から吐出する。コンバータ部３は、商用電源２から供給された交流電圧Ｖsを直流電圧Ｅdに変換し、電解コンデンサ４を充電する。電力変換装置１は、直流電圧ＥdをＰＷＭ（pulse width modulation）変調し、モータ３０に印加する電力変換回路４０を有している。

電力変換回路４０の内部に設けられた三相ブリッジ回路４１においては、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）１１，１２が直列に接続されている。同様に、ＭＯＳＦＥＴ１３，１４およびＭＯＳＦＥＴ１５，１６も直列に接続され、これら直列回路には、電解コンデンサ４によって直流電圧Ｅdが印加される。ＭＯＳＦＥＴ１１，１２の接続点、ＭＯＳＦＥＴ１３，１４の接続点、およびＭＯＳＦＥＴ１５，１６の接続点は、各々固定子巻線３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗに接続されている。また、各ＭＯＳＦＥＴ１１〜１６には、還流用のダイオード（符号なし）が並列に接続されている。

三相ブリッジ回路４１から固定子巻線３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗに供給される電流をＩu，Ｉv，Ｉwという。なお、これらを総称して、図１に示すように電流Ｉuvwと呼ぶ場合もある。電流Ｉuvwの測定値はインバータ制御部６に供給される。また、交流電圧Ｖsおよび直流電圧Ｅdの測定値もインバータ制御部６に供給される。

インバータ制御部６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６ａと、ＲＯＭ（Read Only Memory）６ｂと、ＲＡＭ（Random Access Memory）６ｃとを有しており、一般的なコンピュータとしての構成を備えている。ＣＰＵ６ａは、ＲＯＭ６ｂに記憶された制御プログラムに基づいて、各種の動作を実行する。ＲＡＭ６ｃは、ＣＰＵ６ａのワークメモリとして用いられる。インバータ制御部６は、電流Ｉuvwに基づいて、回転子３６の位置すなわち回転角θを算出し、回転角θを微分することによって回転速度を算出する。また、インバータ制御部６は、後述する制御プログラムにより、動作モードの切替等の処理を実行する。

さらに、インバータ制御部６は、図示せぬ上位装置等から、モータ３０の目標回転速度等について指令を受けると、現在の回転速度を目標回転速度に近づけ、一致させるような速度指令信号を出力する。パルス制御部７は、この速度指令信号に基づいて、各ＭＯＳＦＥＴ１１〜１６のオン／オフタイミングを決定し、これらＭＯＳＦＥＴのオン／オフを指令する制御信号をゲート・ドライバ４２に供給する。ゲート・ドライバ４２は、これら制御信号に基づいて、各ＭＯＳＦＥＴ１１〜１６にゲート電圧を印加する。

モータ３０および圧縮機構５０は、図２に示すスクロール圧縮機１００を構成する。そこで、図２に示す断面図を参照し、スクロール圧縮機１００の構造を説明する。
スクロール圧縮機１００は、高圧チャンバ方式の密閉型スクロール圧縮機であり、モータ３０と、圧縮機構５０と、これらを収納する筒状縦長の密閉容器１１０とを有している。圧縮機構５０は、密閉容器１１０に固定された固定スクロール５６と、回動自在に構成された旋回スクロール５８とを有している。図示のように、圧縮機構５０は、密閉容器１１０内の上部に配置され、モータ３０は、密閉容器１１０内の下部に配置されている。そして、密閉容器１１０内の底部には、冷凍機油１２０が貯留されている。

密閉容器１１０は、円筒状のケーシング１１２に蓋チャンバ１１４と底チャンバ１１６とを上下に溶接して構成されている。蓋チャンバ１１４には、吸入管５２が設けられている。吸入管５２は、密閉容器１１０をその上面の蓋チャンバ１１４から貫通して圧縮機構５０の吸入側に冷媒ガスを導くためのものである。吸入管５２の底部における破線Ａは、通常のスクロール圧縮機に設けられる逆流防止弁を示す。但し、本実施形態においては、ある程度の逆流を許容しつつモータ３０を制御するものであるため、この逆流防止弁は設けられていない。

圧縮機構５０において圧縮された冷媒は、密閉容器１１０の内部に吐出される。従って、密閉容器１１０の内部空間の大部分は、吐出圧室１１８を構成している。吐出管５４は、密閉容器１１０内の吐出圧室１１８に連通するようにケーシング１１２の側面に接続されている。モータ３０の固定子３５は略筒状に形成され、ケーシング１１２に固定されている。回転子３６は、略円柱状に形成され固定子３５の内側に回転可能に設けられている。そして、回転子３６が回転すると、回転子３６に固定されたクランク軸３８を介して、旋回スクロール５８が旋回運動する。

＜電力変換回路４０の動作モード＞
（第１のモード：クランプモード）
電力変換回路４０は、クランプモード、回生モード、通常モード、およびフリーランモードという４種類の動作モードの何れかにおいて動作する。まず、図３の動作説明図を参照し、クランプモードにおける動作を説明する。クランプモードは、主として停電時に選択され得る動作モードである。クランプモードにおいては、破線で示したＭＯＳＦＥＴ１１，１３，１５がオフ状態にされ、実線で示したＭＯＳＦＥＴ１２，１４，１６がオン状態にされる。これにより、各固定子巻線３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗを相互に接続した状態と等価になり、モータ３０に発電ブレーキがかかり、モータ３０が制動される。

（第２のモード：回生モード）
次に、図４の動作説明図を参照し、回生モードにおける動作を説明する。回生モードも主として停電時に選択され得る動作モードであり、特に電解コンデンサ４から出力される直流電圧Ｅdが低下したときに選択される。回生モードにおいては、破線で示した全てのＭＯＳＦＥＴ１１〜１６がオフ状態にされる。モータ３０が逆回転して各固定子巻線３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗに逆起電力が発生すると、ＭＯＳＦＥＴ１１〜１６に並列に接続された還流用のダイオード（符号なし）を介して電流が流れ、電解コンデンサ４が充電される。

（第３のモード：通常モード）
通常モードは、主として非停電時に選択される動作モードである。通常モードにおいては、インバータ制御部６は、図示せぬ上位装置等から与えられた目標回転速度を実現するように、三相ブリッジ回路４１からＰＷＭ変調波を出力させ、冷媒を圧縮するようにモータ３０を駆動する。

（第４のモード：フリーランモード）
フリーランモードは、モータ３０をフリーラン状態すなわち惰性で回転し続ける状態にする動作モードである。フリーランモードは主として停電時に選択され得る動作モードであり、モータ３０をフリーラン状態にしても差支えないと判断される場合に選択される。フリーランモードにおいては、通常モードと同様に三相ブリッジ回路４１からＰＷＭ変調波が出力されるが、ＰＷＭ変調波の平均値は、各固定子巻線３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗの逆起電力の平均値に等しくなるように制御される。これにより、モータ３０は、電力変換回路４０を切り離した場合と同様に、惰性で回転し続ける。

＜第１実施形態の動作＞
次に、図５および図６を参照し、本実施形態の動作を説明する。なお、図５は、インバータ制御部６内のＲＯＭ６ｂに記憶されＣＰＵ６ａによって実行される動作モード設定プログラムのフローチャートであり、図６は回転速度Ｎの変化状況の例を示すグラフである。図５において処理がステップＳ１０に進むと、商用電源２の交流電圧Ｖsが所定の閾値Ｖsthを超えるか否かが判定される。ここで、閾値Ｖsthは、交流電圧Ｖsの正常な変動範囲よりも低い値に設定されている。従って、交流電圧Ｖsが正常な範囲であれば「Ｙｅｓ」と判定され、処理はステップＳ１６に進む。ステップＳ１６においては、動作モードが通常モードに設定される。

これにより、図示せぬ上位装置等から与えられた目標回転速度を実現するように、三相ブリッジ回路４１からＰＷＭ変調波が出力され、モータ３０が駆動される。以後、同様にステップＳ１０，Ｓ１６の処理が繰り返され、動作モードは通常モードに維持される。ここで、停電が発生すると、交流電圧Ｖsは閾値Ｖsth以下になるため、ステップＳ１０において「Ｎｏ」と判定され、処理はステップＳ１２に進む。ここでは、電解コンデンサ４から出力される直流電圧Ｅdが閾値Ｅdth未満であるか否かが判定される。ここで、閾値Ｅdthは、直流電圧Ｅdの正常な変動範囲よりも低い値に設定されている。

停電が生じた直後においては、直流電圧Ｅdは正常な範囲内にあるため、ステップＳ１２において「Ｎｏ」と判定され、処理はステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、モータ３０の回転速度Ｎが、所定の負値である閾値Ｎth未満であるか否かが判定される。本実施形態においては、通常モードにおけるモータ３０の回転方向（以下、正方向という）における回転速度Ｎを正値で表し、逆方向の回転速度Ｎを負値で表す。停電が生じた直後においては、回転方向は正方向であるため回転速度Ｎは正値である。一方、閾値Ｎthは負値であるから、ここで「Ｎｏ」と判定され、処理はステップＳ２２に進む。

ステップＳ２２においては、動作モードがフリーランモードに設定される。これにより、モータ３０は、電力変換回路４０を切り離した場合とほぼ同様に動作する。以後、ステップＳ１０，Ｓ１２，Ｓ１４を介してステップＳ２２が繰り返し実行され、動作モードはフリーランモードに保持される。停電が生じた直後においては、モータ３０は正方向に回転しているが、吸入管５２と吐出管５４の圧力差により、逆方向の負荷トルクが印加されるので、モータ３０の回転速度Ｎは比較的速い速度で減速してゆき、やがて逆回転が始まる。

ここで、図６を参照し、この段階までの動作について具体例を説明する。図６において時刻ｔ1以前は、所定の正方向の回転速度Ｎでモータ３０が回転している。これは、通常モードの動作である。時刻ｔ1において停電が生じたとすると、上述したように、動作モードはフリーランモードに設定されるので、モータ３０の回転速度Ｎは減少してゆき、やがて逆回転が始まっている。そして、時刻ｔ2において、逆回転中の（負値である）回転速度Ｎが閾値Ｎthよりも低くなっている。

図５に戻り、回転速度Ｎが閾値Ｎthよりも低くなると、ステップＳ１４において「Ｙｅｓ」と判定され、処理はステップＳ２０に進む。ここでは、動作モードがクランプモードに設定される。その後、ステップＳ１０，Ｓ１２，Ｓ１４を介してステップＳ２０が繰り返し実行され、動作モードはクランプモードに保持される。その期間中は、モータ３０に発電ブレーキがかかり、モータ３０が制動されるので、回転速度Ｎが徐々に「０」に近づいてゆく。

やがて、回転速度Ｎが再び閾値Ｎth以上になると、ステップＳ１４において「Ｎｏ」と判定され、ステップＳ２２が実行されるので、動作モードは再びフリーランモードに設定される。なお、閾値Ｎthの絶対値｜Ｎth｜は、比較的低い値に設定するとよい。これにより、逆回転時における異常音の発生を抑制できるとともに、過大な逆起電力による素子の破壊を防止することができる。

以後、同様にして、クランプモードとフリーランモードとが交互に繰り返され、回転速度Ｎは閾値Ｎthを挟んで脈動するように変化する。再び図６を参照すると、時刻ｔ2〜ｔ3の期間が、クランプモードとフリーランモードとが交互に繰り返されている期間であり、回転速度Ｎは閾値Ｎthの付近で脈動するように変動していることが解る。クランプモードおよびフリーランモードにおける消費電力は、通常モードと比較すると、非常に小さいが、多少は電力を消費するため、電解コンデンサ４の直流電圧Ｅdが徐々に低下してくる。

図５に戻り、直流電圧Ｅdが徐々に低下して閾値Ｅdth未満になると、ステップＳ１２において「Ｙｅｓ」と判定され、処理はステップＳ１８に進む。ここでは、動作モードが回生モードに設定される。以後、直流電圧Ｅdが再び閾値Ｅdth以上になるまで、ステップＳ１０，Ｓ１２を介してステップＳ１８が繰り返し実行され、動作モードは回生モードに保持される。直流電圧Ｅdが再び閾値Ｅdth以上になると、回転速度Ｎと閾値Ｎthとの大小関係に基づいて（Ｓ１４）、動作モードとしてクランプモード（Ｓ２０）またはフリーランモード（Ｓ２２）が再び選択されるようになる。

以上のように、回生モード（Ｓ１８）、クランプモード（Ｓ２０）またはフリーランモード（Ｓ２２）が実行されてゆくと、やがて吸入管５２と吐出管５４の圧力差が小さくなってゆく。圧力差が小さくなると、回生モードまたはフリーランモードにおいても回転速度Ｎは「０」に近づいてゆくようになり、その後、モータ３０および圧縮機構５０は自然に停止する。

次に、再び図６を参照し、ここまでの動作について具体例を説明する。図６においては、時刻ｔ3に直流電圧Ｅdが閾値Ｅdth未満になったことを想定している。従って、時刻ｔ3において動作モードは回生モードに切り替えられ、その後、回転速度Ｎの絶対値は増加している。しかし、「回生モード」とは「回生ブレーキをかけている状態」でもあるため、回転速度Ｎの変動は比較的緩やかである。

その後、時刻ｔ4において直流電圧Ｅdが再び閾値Ｅdth以上になったとする。すると、動作モードはクランプモードに切り替えられ、回転速度Ｎは再び「０」に近づいてゆく。その後、吸入管５２と吐出管５４の圧力差が小さくなっていったとすると、回転速度Ｎが閾値Ｎth以上になったとしても（動作モードが回生モードまたはフリーランモードになったとしても）回転速度Ｎはさらに「０」に近づいてゆき、時刻ｔ5には完全に「０」になっている。

以上のように、本実施形態においては、必要に応じてモータ３０を回生モードで駆動できるため、停電時においても制動のための電力を確保しながら、モータ３０を長時間に渡って制動し続けることができる。また、本実施形態においては、直流電圧Ｅdが閾値Ｅdth以上であって回転速度Ｎが閾値Ｎth以上である場合には、フリーランモードが選択される。これにより、圧縮機構５０内の冷媒の流れを比較的速くすることができ、停電発生時からモータ３０が完全停止するまでに要する時間を短くできる点で有利である。

また、上述した説明では、「停電時」においてモータ３０を制御することを想定していたが、「非停電時」においてモータ３０を停止させる場合にも、同様の処理を行ってもよい。すなわち、「非停電時」にモータ３０を停止させる場合に、コンバータ部３の動作をオフ状態にし、「コンバータ部３のオフ状態」を「Ｖs＜Ｖsthの状態」とみなして、上述したものと同様の処理を実行するとよい。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態によるモータ制御システムについて説明する。
第２実施形態のハードウエア構成は、第１実施形態のもの（図１）と同様である。また、第２実施形態における動作モードは、通常モード、クランプモード（図３）または回生モード（図４）のうち何れかであり、フリーランモードは選択されることはない。

次に、図７を参照し、本実施形態の動作を説明する。なお、図７は、本実施形態においてＲＯＭ６ｂに記憶されている動作モード設定プログラムのフローチャートである。
図７において処理がステップＳ１０に進むと、商用電源２の交流電圧Ｖsが所定の閾値Ｖsthを超えるか否かが判定される。ここで「Ｙｅｓ」と判定されると、処理はステップＳ１６に進み、動作モードが「通常モード」に設定される。これらステップＳ１０，Ｓ１６の処理は第１実施形態のもの（図５）と同様である。

停電が生じ、交流電圧Ｖsが閾値Ｖsth以下になると、ステップＳ１０において「Ｎｏ」と判定され処理はステップＳ３０に進み、直流電圧Ｅdが閾値Ｅdth1以上であるか否かが判定される。ここで「Ｙｅｓ」と判定されると、処理はステップＳ３２に進み、動作モードとしてクランプモードが選択され、処理はステップＳ１０に戻る。以後、直流電圧Ｅdが閾値Ｅdth1以上である限り、ステップＳ１０，Ｓ３０を介してステップＳ３２が繰り返し実行され、動作モードはクランプモードに保持される。その後、直流電圧Ｅdが閾値Ｅdth1未満になると、ステップＳ３０において「Ｎｏ」と判定され、処理はステップＳ３４に進む。

ステップＳ３４においては、動作モードが回生モードに設定される。次に、処理がステップＳ３６に進むと、直流電圧Ｅdが閾値Ｅdth2以上であるか否かが判定される。なお、閾値Ｅdth2は、閾値Ｅdth1よりも若干高い値に設定されている。ここで「Ｎｏ」と判定されると処理はステップＳ３４に戻る。以後、直流電圧Ｅdが閾値Ｅdth2以上になるまで、ステップＳ３４，Ｓ３６が繰り返され、動作モードは回生モードに保持される。そして、直流電圧Ｅdが閾値Ｅdth2以上になると、ステップＳ３６において「Ｙｅｓ」と判定され、処理はステップＳ１０を介してステップＳ３０に進む。

上述のように、閾値Ｅdth2は、閾値Ｅdth1よりも若干高いため、先にステップＳ３６において「Ｙｅｓ」と判定されたならば、その直後のステップＳ３０では必ず「Ｙｅｓ」と判定され、ステップＳ３２において動作モードはクランプモードに設定される。その後、直流電圧Ｅdが再び閾値Ｅdth1未満になるまで、動作モードはクランプモードのまま保持される。以後同様に、クランプモード（Ｓ３２）および回生モード（Ｓ３４）が交互に繰り返される。

本実施形態では、閾値Ｅdth1，Ｅdth2に「Ｅdth1＜Ｅdth2」という関係を付したことにより、クランプモード、回生モードの何れも、ある程度の時間継続させることができ、頻繁な動作モードの切替を防止することができる。その後、吸入管５２と吐出管５４の圧力差が小さくなってゆくと、モータ３０および圧縮機構５０は自然に停止する。

以上のように、本実施形態においては、必要に応じてモータ３０を回生モードで駆動できるため、第１実施形態と同様に、停電時においても制動のための電力を確保しながら、モータ３０を長時間に渡って制動し続けることができる。また、本実施形態においては、フリーランモードが採用されていないため、停電時に回転速度Ｎを検出する必要がなくなる。これにより、インバータ制御部６の構成を簡略化でき、コストダウンを実現できる点で有利である。

［第３実施形態］
次に、図８に示すブロック図を参照し、本発明の第３実施形態によるモータ制御システムのハードウエア構成を説明する。なお、図８において、図１の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施形態においては、モータ３０に代えて、図８に示すモータ３０Ａが適用される。モータ３０Ａは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の固定子巻線を有している。まず、Ｕ相について、固定子巻線３１Ｕ，３２Ｕは直列に接続されている。同様に、Ｖ相の固定子巻線３１Ｖ，３２Ｖも直列に接続されており、Ｗ相の固定子巻線３１Ｗ，３２Ｗも直列に接続されている。

そして、固定子巻線３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗは、中性点３４にて相互に接続されている。固定子巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗの端子のうち、固定子巻線３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗに接続されていない側の端子を「第１入力端子」と呼び、固定子巻線３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗに接続されている側の端子すなわちタップ端子を「第２入力端子」と呼ぶ。また、固定子巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗ，３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗを総称して「固定子巻線３１，３２」のように呼ぶ場合がある。

また、本実施形態においては、第１実施形態における電力変換回路４０に代えて、図８に示す電力変換回路４０Ａが適用される。その内部において、三相ブリッジ回路４１の構成は第１実施形態のものと同様であり、ＭＯＳＦＥＴ１１，１２の接続点、ＭＯＳＦＥＴ１３，１４の接続点、およびＭＯＳＦＥＴ１５，１６の接続点は、各々第１入力端子のＵ相，Ｖ相，Ｗ相に接続されている。

また、電力変換回路４０Ａにおいては、他の三相ブリッジ回路４３も設けられている。三相ブリッジ回路４３は、上述したＭＯＳＦＥＴ１１〜１６と同様に接続されたＭＯＳＦＥＴ２１〜２６を有している。ＭＯＳＦＥＴ２１，２２の接続点、ＭＯＳＦＥＴ２３，２４の接続点、およびＭＯＳＦＥＴ２５，２６の接続点の電圧は、各々第２入力端子のＵ相，Ｖ相，Ｗ相に接続されている。ゲート・ドライバ４４は、三相ブリッジ回路４３内のＭＯＳＦＥＴ２１〜２６に対して、ゲート電圧を印加する。

三相ブリッジ回路４１からモータ３０Ａの各相の第１入力端子に供給される電流をＩu1，Ｉv1，Ｉw1という。なお、これらを総称して、図８に示すように電流Ｉuvw1と呼ぶ場合もある。また、三相ブリッジ回路４３からモータ３０Ａの第２入力端子に供給される電流をＩu2，Ｉv2，Ｉw2という。なお、これらを総称して、図８に示すように電流Ｉuvw2と呼ぶ場合もある。

電流Ｉuvw1，Ｉuvw2の測定値はインバータ制御部６に供給される。これにより、インバータ制御部６において、モータ３０Ａの回転角が検出されるとともに、回転角を微分することによって回転速度が算出される。インバータ制御部６は、図示せぬ上位装置等から、モータ３０Ａの目標回転速度等について指令を受けると、現在の回転速度を目標回転速度に近づけ、一致させるような速度指令信号を出力する。パルス制御部７は、この速度指令信号に基づいて、各ＭＯＳＦＥＴ１１〜１６，２１〜２６のオン／オフタイミングを決定し、これらＭＯＳＦＥＴのオン／オフを指令する制御信号をゲート・ドライバ４２，４４に供給する。ゲート・ドライバ４２，４４は、これら制御信号に基づいて、各ＭＯＳＦＥＴ１１〜１６，２１〜２６にゲート電圧を印加する。

本実施形態においては、モータ３０Ａを低速運転する場合は、三相ブリッジ回路４１と、直列接続された固定子巻線３１，３２とを用いて、モータ３０Ａを駆動する。これにより、固定子巻線３２のみを用いる場合と比較して、電流Ｉuvw1を小さくすることができるため、モータ３０Ａを高効率で駆動することができる。一方、モータ３０Ａを高速運転する場合には、三相ブリッジ回路４３と、固定子巻線３２とを用いてモータ３０Ａを駆動する。固定子巻線３２の単独の逆起電力は、直列接続された固定子巻線３１，３２の逆起電力よりも低いため、直流電圧Ｅdを上げることなく高速運転に対応することができる。上述した以外の本実施形態の構成は、第１実施形態のもの（図１，図２）と同様である。

＜電力変換回路４０Ａの動作モード＞
（第１のモード：クランプモード）
第１実施形態と同様に、本実施形態の電力変換回路４０Ａも、クランプモード、回生モード、通常モード、およびフリーランモードという４種類の動作モードの何れかにおいて動作する。まず、図９の動作説明図を参照し、クランプモードにおける動作を説明する。本実施形態においても、クランプモードは、主として停電時に選択され得る動作モードである。

図９に示すクランプモードにおいて、三相ブリッジ回路４１内のＭＯＳＦＥＴ１１〜１６は、全てオフ状態にされる。また、還流用のダイオード（符号なし）も電流が流れないように制御される。具体的には、三相ブリッジ回路４１と電解コンデンサ４とを接続するラインを、アナログスイッチ等を用いて切断状態にするとよい。三相ブリッジ回路４１に電流が流れないため、固定子巻線３１にも電流は流れない。そこで、図９においてこれらの要素を破線で示す。

また、三相ブリッジ回路４３においては、破線で示したＭＯＳＦＥＴ２１，２３，２５がオフ状態にされ、実線で示したＭＯＳＦＥＴ２２，２４，２６がオン状態にされる。これにより、固定子巻線３２を相互に接続した状態と等価になり、モータ３０Ａに発電ブレーキがかかり、モータ３０Ａが制動される。クランプモードにおいて三相ブリッジ回路４３を使用する理由は、固定子巻線３２にて発生する逆起電力は比較的低いため、その逆起電力によって予期せぬ回生動作が起きることを抑制でき、一定条件下で制動を継続できるためである。

（第２のモード：回生モード）
次に、図１０の動作説明図を参照し、本実施形態の回生モードにおける動作を説明する。本実施形態においても、回生モードは主として停電時に選択され得る動作モードであり、三相ブリッジ回路４１，４３内のＭＯＳＦＥＴ１１〜１６，２１〜２６は全てオフ状態にされる。これにより、直列接続された固定子巻線３１，３２の逆起電力により、三相ブリッジ回路４１内の還流用のダイオードを介して電流が流れ、電解コンデンサ４が充電される。

なお、三相ブリッジ回路４３に対しても、固定子巻線３２のみによる逆起電力が印加されるが、この逆起電力は、直列接続された固定子巻線３１，３２の逆起電力によりも低いため、結果的に三相ブリッジ回路４３には電流は流れない。そこで、図１０においては、三相ブリッジ回路４３内の要素は、還流用のダイオードも含めて破線で示しておく。回生モードにおいて三相ブリッジ回路４１を使用する理由は、高い逆起電力によって回生動作をよりスムーズに進めることができるからである。

（第３のモード：通常モード）
本実施形態においても、通常モードは、主として非停電時に選択される動作モードである。通常モードにおいては、インバータ制御部６は、図示せぬ上位装置等から与えられた目標回転速度を実現するように、三相ブリッジ回路４１，４３からＰＷＭ変調波を出力させ、冷媒を圧縮するようにモータ３０Ａを駆動する。上述したように、低速運転時には三相ブリッジ回路４１が駆動され、高速運転時には三相ブリッジ回路４３が駆動される。

（第４のモード：フリーランモード）
本実施形態においても、フリーランモードは、モータ３０Ａをフリーラン状態すなわち惰性で回転し続ける状態にする動作モードであり、主として停電時にモータ３０Ａをフリーラン状態にしても差支えないと判断される場合に選択される。フリーランモードにおいても、低速運転時には三相ブリッジ回路４１からＰＷＭ変調波が出力され、高速運転時には三相ブリッジ回路４３からＰＷＭ変調波が出力される。何れの場合も、ＰＷＭ変調波の平均値は、動作中の三相ブリッジ回路（４１または４３）に印加される逆起電力の平均値に等しくなるように制御される。これにより、モータ３０Ａは、電力変換回路４０Ａを切り離した場合と同様に、惰性で回転し続ける。

＜第３実施形態の動作＞
第３実施形態においては、第１実施形態と同様に、図５に示した動作モード設定プログラムが起動される。但し、通常モード（Ｓ１６）、回生モード（Ｓ１８）、クランプモード（Ｓ２０）、フリーランモード（Ｓ２２）における個々の具体的な動作は、上述したように第１実施形態のものとは若干相違する。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。
第４実施形態のハードウエア構成は、第３実施形態のもの（図８）と同様である。また、第４実施形態において、動作モード設定プログラムは、図７（第２実施形態）のものが適用される。但し、通常モード（Ｓ１６）、クランプモード（Ｓ３２）、回生モード（Ｓ３４）における個々の具体的な動作は、第３実施形態と同様であり、第２実施形態のものとは若干相違する。

［変形例］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、若しくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。

（１）上記各実施形態において、電力変換回路４０，４０Ａはモータ３０，３０Ａに対してＰＷＭ変調波を供給したが、モータ３０，３０Ａに供給する電圧波形はＰＷＭ変調波に限られるものではなく、ＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation）変調波、正弦波、あるいは単なる方形波であってもよい。

（２）上記各実施形態は、空気調和機、冷凍機など、冷媒を圧縮する圧縮機を備えた様々な電気機器に適用することができる。また、冷媒の圧縮とは関係しないが停電時に負荷トルクが印加される種々の電気機器、例えば、クレーン、エレベータ、傾斜ベルトコンベア等にも適用できる。

（３）上記各実施形態におけるインバータ制御部６のハードウエアは一般的なコンピュータによって実現できるため、図５、図７に示したプログラムのみを記憶媒体に格納し、または伝送路を介して頒布してもよい。
（４）図５、図７に示した処理は、上記各実施形態ではプログラムを用いたソフトウエア的な処理として説明したが、その一部または全部をＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit；特定用途向けＩＣ)、あるいはＦＰＧＡ(field-programmable gate array)等を用いたハードウエア的な処理に置き換えても良い。

［構成・効果の総括］
以上のように、第１〜第４実施形態は、直流電源（３，４）が出力する直流電圧（Ｅd）を変調し、負荷（５０）を駆動する同期機（３０，３０Ａ）に供給するとともに、少なくとも、前記同期機（３０，３０Ａ）を制動する第１のモード（クランプモード）、または、前記負荷（５０）が発生するトルクによって発電し前記直流電源（３，４）に対して回生する第２のモード（回生モード）のうち何れかの動作モードで動作可能な電力変換回路（４０，４０Ａ）と、前記直流電圧（Ｅd）に応じて、前記動作モードとして、前記第１または第２のモード（クランプモード，回生モード）のうち何れかを適宜指定する制御部（６）とを有することを特徴とする。

これにより、停電時においても、必要に応じて第２のモード（回生モード）で電力を確保しつつ、第１のモード（クランプモード）によって同期機（３０，３０Ａ）を制動することができる。これら第１〜第４実施形態を圧縮機に適用する場合には、逆流防止弁（図２の破線Ａを参照）を設ける必要がなくなるので、圧縮機のコストダウンを図ることができる。さらに、冷媒流路における抵抗を下げることができるため、運転時の効率も高めることができる。

さらに、第１〜第４実施形態において、直流電源（３，４）は、コンデンサ（４）と、交流電圧（Ｖs）を電源として前記コンデンサ（４）を充電するコンバータ（３）とを有するものであり、前記電力変換回路（４０，４０Ａ）は、前記動作モードとして、前記第１および第２のモード（クランプモード，回生モード）に加えて、前記直流電源（３，４）から出力される電流によって前記負荷（５０）を駆動する第３のモード（通常モード）においても動作可能であり、前記制御部（６）は、前記動作モードとして、前記交流電圧（Ｖs）が所定の交流電圧閾値（Ｖsth）を超えている場合に前記第３のモード（通常モード）を指定するとともに、前記交流電圧（Ｖs）が前記交流電圧閾値（Ｖsth）以下である場合に、前記第１または第２のモード（クランプモード，回生モード）を適宜指定することを特徴とする。

これにより、停電が発生し、交流電圧（Ｖs）が交流電圧閾値（Ｖsth）以下になると、動作モードを第３のモード（通常モード）から、第１または第２のモード（クランプモード，回生モード）に自動的に切り替えることができる。

さらに、第１〜第４実施形態の制御部（６）は、前記交流電圧（Ｖs）が前記交流電圧閾値（Ｖsth）未満であって、前記直流電圧（Ｅd）が所定の第１の直流電圧閾値（Ｅdth，Ｅdth1）未満であるときに、前記動作モードとして前記第２のモード（回生モード）を指定することを特徴とする。これにより、コンデンサ（４）の直流電圧（Ｅd）が下がった際、コンデンサ（４）を自動的に充電することができる。

さらに、第１〜第４実施形態の制御部（６）は、前記交流電圧（Ｖs）が前記交流電圧閾値（Ｖsth）未満であって、前記直流電圧（Ｅd）が前記第１の直流電圧閾値（Ｅdth，Ｅdth1）以上であるときに、前記動作モードとして前記第１のモード（クランプモード）を指定することを特徴とする。これにより、コンデンサ（４）の直流電圧（Ｅd）が第１の直流電圧閾値（Ｅdth，Ｅdth1）以上になると、自動的に第１のモード（クランプモード）を指定することができる。

さらに、第１，第３実施形態の電力変換回路（４０，４０Ａ）は、前記動作モードとして、前記第１，第２および第３のモード（クランプモード，回生モード，通常モード）に加えて、前記同期機（３０，３０Ａ）をフリーラン状態にする第４のモード（フリーランモード）においても動作可能であり、前記制御部（６）は、前記同期機（３０，３０Ａ）の回転速度（Ｎ）が停止状態（速度「０」）を含む所定範囲内（Ｎ≧Ｎth）である場合に、前記動作モードとして前記第４のモード（フリーランモード）を適宜指定することを特徴とする。これにより、同期機（３０，３０Ａ）をフリーラン状態で運転しても差支えない場合は、第４のモード（フリーランモード）によって、速やかに冷媒を流すことができる。

さらに、第２，第４実施形態の制御部（６）は、前記動作モードとして前記第２のモード（回生モード）を選択すると、前記直流電圧（Ｅd）が前記第１の直流電圧閾値（Ｅdth1）よりも高い第２の直流電圧閾値（Ｅdth2）以上になるまで、前記動作モードを前記第２のモード（回生モード）に維持することを特徴とする。これにより、第１および第２のモード（クランプモード，回生モード）の何れも、ある程度の時間継続させることができ、頻繁な動作モードの切替を防止することができる。

さらに、第３，第４実施形態においては、前記同期機（３０Ａ）は、各相毎に設けられた第１の固定子巻線（３１）と、各相の前記第１の固定子巻線（３１）の一端と中性点（３４）との間に接続された第２の固定子巻線（３２）とを有し、前記電力変換回路（４０Ａ）は、各相の前記第１の固定子巻線（３１）の他端に電圧を印加する第１の電圧出力部（４１）と、各相の前記第１および第２の固定子巻線（３１，３２）の接続点に電圧を印加する第２の電圧出力部（４３）とを有するものであり、前記制御部（６）は、前記動作モードとして前記第２のモード（回生モード）を指定する場合には、前記第１の電圧出力部（４１）を介して前記コンデンサ（４）を充電させることを特徴とする。これにより、第１の電圧出力部（４１）に印加される高い逆起電力によって、回生動作をよりスムーズに進めることができる。

さらに、第３，第４実施形態の制御部（６）は、前記動作モードとして前記第１のモード（クランプモード）を指定する場合には、前記第２の電圧出力部（４３）によって前記同期機（３０Ａ）を制動することを特徴とする。第２の固定子巻線（３２）にて発生する逆起電力は比較的低いため、かかる構成により、予期せぬ回生動作が起きることを抑制でき、一定条件下で制動を継続できる。

また、第１〜第４実施形態の圧縮機（１００）にあっては、同期機用制御装置（１）と、前記同期機（３０，３０Ａ）と、冷媒を圧縮する圧縮機構である前記負荷（５０）とを有することを特徴とする。これにより、停電時において圧縮機（１００）の回転を制御することができ、逆流防止弁を設ける必要がなくなるので、圧縮機のコストダウンを図ることができるとともに、運転時の効率も高めることができる。

また、変形例（２）の電気機器にあっては、第１〜第４実施形態の同期機用制御装置（１）を有するので、電気機器のコストダウンを図ることができるとともに、運転時の効率も高めることができる。

１ 電力変換装置（同期機用制御装置）
２ 商用電源
３ コンバータ部（コンバータ、直流電源）
４ 電解コンデンサ（コンデンサ、直流電源）
６ インバータ制御部（制御部）
６ａ ＣＰＵ
６ｂ ＲＯＭ
６ｃ ＲＡＭ
７ パルス制御部
１１〜１６，２１〜２６ ＭＯＳＦＥＴ
３０，３０Ａ モータ（同期機）
３１，３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗ 固定子巻線（第１の固定子巻線）
３２，３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗ 固定子巻線（第２の固定子巻線）
３３，３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗ 固定子巻線
３４ 中性点
３５ 固定子
３６ 回転子
３６ａ 永久磁石
４０，４０Ａ 電力変換回路
４１ 三相ブリッジ回路（第１の電圧出力部）
４３ 三相ブリッジ回路（第２の電圧出力部）
４２，４４ ゲート・ドライバ
５０ 圧縮機構（負荷）
５２ 吸入管
５４ 吐出管
１００ スクロール圧縮機（圧縮機）

Claims (11)

1. 直流電源が出力する直流電圧を変調し、負荷を駆動する同期機に供給するとともに、少なくとも、前記同期機を制動する第１のモード、または、前記負荷が発生するトルクによって発電し前記直流電源に対して回生する第２のモードのうち何れかの動作モードで動作可能な電力変換回路と、
   前記直流電圧に応じて、前記動作モードとして、前記第１または第２のモードのうち何れかを適宜指定する制御部と
   を有することを特徴とする同期機用制御装置。
2. 前記直流電源は、コンデンサと、交流電圧を電源として前記コンデンサを充電するコンバータとを有するものであり、
   前記電力変換回路は、前記動作モードとして、前記第１および第２のモードに加えて、前記直流電源から出力される電流によって前記負荷を駆動する第３のモードにおいても動作可能であり、
   前記制御部は、前記動作モードとして、前記交流電圧が所定の交流電圧閾値を超えている場合に前記第３のモードを指定するとともに、前記交流電圧が前記交流電圧閾値以下である場合に、前記第１または第２のモードを適宜指定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の同期機用制御装置。
3. 前記制御部は、前記交流電圧が前記交流電圧閾値未満であって、前記直流電圧が所定の第１の直流電圧閾値未満であるときに、前記動作モードとして前記第２のモードを指定する
   ことを特徴とする請求項２に記載の同期機用制御装置。
4. 前記制御部は、前記交流電圧が前記交流電圧閾値未満であって、前記直流電圧が前記第１の直流電圧閾値以上であるときに、前記動作モードとして前記第１のモードを指定する
   ことを特徴とする請求項３に記載の同期機用制御装置。
5. 前記電力変換回路は、前記動作モードとして、前記第１，第２および第３のモードに加えて、前記同期機をフリーラン状態にする第４のモードにおいても動作可能であり、
   前記制御部は、前記同期機の回転速度が停止状態を含む所定範囲内である場合に、前記動作モードとして前記第４のモードを適宜指定する
   ことを特徴とする請求項４に記載の同期機用制御装置。
6. 前記制御部は、前記動作モードとして前記第２のモードを選択すると、前記直流電圧が前記第１の直流電圧閾値よりも高い第２の直流電圧閾値以上になるまで、前記動作モードを前記第２のモードに維持する
   ことを特徴とする請求項４に記載の同期機用制御装置。
7. 前記同期機は、各相に設けられた第１の固定子巻線と、各相の前記第１の固定子巻線の一端と中性点との間に接続された第２の固定子巻線とを有し、
   前記電力変換回路は、各相の前記第１の固定子巻線の他端に電圧を印加する第１の電圧出力部と、各相の前記第１および第２の固定子巻線の接続点に電圧を印加する第２の電圧出力部とを有するものであり、
   前記制御部は、前記動作モードとして前記第２のモードを指定する場合には、前記第１の電圧出力部を介して前記コンデンサを充電させる
   ことを特徴とする請求項４に記載の同期機用制御装置。
8. 前記制御部は、前記動作モードとして前記第１のモードを指定する場合には、前記第２の電圧出力部によって前記同期機を制動する
   ことを特徴とする請求項７に記載の同期機用制御装置。
9. 請求項１に記載の同期機用制御装置と、
   前記同期機と、
   冷媒を圧縮する圧縮機構である前記負荷と
   を有することを特徴とする圧縮機。
10. 請求項１に記載の同期機用制御装置を有することを特徴とする電気機器。
11. 直流電源が出力する直流電圧を変調し、負荷を駆動する同期機に供給するとともに、少なくとも、前記同期機を制動する第１のモード、または、前記負荷が発生するトルクによって発電し前記直流電源に対して回生する第２のモードのうち何れかの動作モードで動作可能な電力変換回路と、
    コンピュータである制御部と
    を有する同期機用制御装置に適用されるプログラムであって、前記制御部を、
    前記直流電圧に応じて、前記動作モードとして、前記第１または第２のモードのうち何れかを適宜指定する手段
    として機能させるためのプログラム。

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