JP7330401B2

JP7330401B2 - 電力変換装置、モータ駆動装置および冷凍サイクル適用機器

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Publication number: JP7330401B2
Application number: JP2022573839A
Authority: JP
Inventors: 慎也豊留; 貴昭 ▲高▼原; 和徳畠山; 謙吾河内
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-01-06
Filing date: 2021-01-06
Publication date: 2023-08-21
Anticipated expiration: 2041-01-06
Also published as: JPWO2022149213A1; WO2022149213A1

Description

本開示は、交流電力を所望の電力に変換する電力変換装置、モータ駆動装置および冷凍サイクル適用機器に関する。

従来、交流電源から供給される交流電力を所望の交流電力に変換し、空気調和機などの負荷に供給する電力変換装置がある。例えば、特許文献１には、空気調和機の制御装置である電力変換装置が、交流電源から供給される交流電力を整流部であるダイオードスタックで整流し、さらに平滑コンデンサで平滑した電力を、複数のスイッチング素子からなるインバータで所望の交流電力に変換し、負荷である圧縮機モータに出力する技術が開示されている。

特開平７－７１８０５号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、平滑コンデンサに大きな電流が流れるため、平滑コンデンサの経年劣化が加速する、という問題があった。このような問題に対して、平滑コンデンサの容量を大きくすることでコンデンサ電圧のリプル変化を抑制する、またはリプルによる劣化耐量の大きい平滑コンデンサを使用する方法が考えられるが、コンデンサ部品のコストが高くなり、また装置が大型化してしまう。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、平滑用のコンデンサの劣化を抑制しつつ、装置の大型化を抑制可能な電力変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る電力変換装置は、商用電源から供給される第１の交流電力を整流する整流部と、整流部の出力端に接続されるコンデンサと、コンデンサの両端に接続され、第２の交流電力を生成してモータに出力するインバータと、コンデンサの電力状態に応じた脈動がモータの駆動パターンに重畳されるようにインバータの動作を制御し、コンデンサの充放電電流を抑制する制御部と、を備える。電力変換装置は、モータの回転速度を制御する定電流負荷制御を優先して行いつつ、モータの振動を低減する脈動負荷補償制御、およびコンデンサの充放電電流を抑制する電源脈動補償制御を行う。

本開示に係る電力変換装置は、平滑用のコンデンサの劣化を抑制しつつ、装置の大型化を抑制できる、という効果を奏する。

実施の形態１に係る電力変換装置の構成例を示す図実施の形態１に係る電力変換装置が備える制御部の構成例を示すブロック図実施の形態１に係る電力変換装置が備える制御部の動作を示すフローチャート実施の形態１に係る電力変換装置が備える制御部を実現するハードウェア構成の一例を示す図実施の形態２に係る冷凍サイクル適用機器の構成例を示す図

以下に、本開示の実施の形態に係る電力変換装置、モータ駆動装置および冷凍サイクル適用機器を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置１の構成例を示す図である。電力変換装置１は、商用電源１１０および圧縮機３１５に接続される。電力変換装置１は、商用電源１１０から供給される電源電圧Ｖｓの第１の交流電力を所望の振幅および位相を有する第２の交流電力に変換し、圧縮機３１５に供給する。電力変換装置１は、リアクトル１２０と、整流部１３０と、電流検出部５０１と、平滑部２００と、インバータ３１０と、電流検出部３１３ａ，３１３ｂと、制御部４００と、を備える。なお、電力変換装置１、および圧縮機３１５が備えるモータ３１４によって、モータ駆動装置２を構成している。

リアクトル１２０は、商用電源１１０と整流部１３０との間に接続される。整流部１３０は、整流素子１３１～１３４によって構成されるブリッジ回路を有し、商用電源１１０から供給される電源電圧Ｖｓの第１の交流電力を整流して出力する。整流部１３０は、全波整流を行うものである。電流検出部５０１は、整流部１３０によって整流され、整流部１３０から平滑部２００に流入される電流、すなわち平滑部２００への入力電流を検出し、検出した電流値を制御部４００に出力する。電流検出部５０１は、コンデンサ２１０の電力状態を検出する検出部である。

平滑部２００は、整流部１３０の出力端に接続される。平滑部２００は、平滑素子としてコンデンサ２１０を有し、整流部１３０によって整流された電力を平滑化する。コンデンサ２１０は、例えば、電解コンデンサ、フィルムコンデンサなどである。コンデンサ２１０は、整流部１３０の出力端に接続され、整流部１３０によって整流された電力を平滑化するような容量を有し、平滑化によりコンデンサ２１０に発生する電圧は商用電源１１０の全波整流波形形状ではなく、直流成分に商用電源１１０の周波数に応じた電圧リプルが重畳した波形形状となり、大きく脈動しない。この電圧リプルの周波数は、商用電源１１０が単相の場合は電源電圧Ｖｓの周波数の２倍成分となり、商用電源１１０が三相の場合は６倍成分が主成分となる。商用電源１１０から入力される電力とインバータ３１０から出力される電力が変化しない場合、この電圧リプルの振幅はコンデンサ２１０の容量によって決まる。例えば、コンデンサ２１０に発生する電圧リプルの最大値が最小値の２倍未満となるような範囲で脈動している。

インバータ３１０は、平滑部２００、すなわちコンデンサ２１０の両端に接続される。インバータ３１０は、スイッチング素子３１１ａ～３１１ｆ、および還流ダイオード３１２ａ～３１２ｆを有する。インバータ３１０は、制御部４００の制御によってスイッチング素子３１１ａ～３１１ｆをオンオフし、整流部１３０および平滑部２００から出力される電力を所望の振幅および位相を有する第２の交流電力に変換、すなわち第２の交流電力を生成して、圧縮機３１５に出力する。電流検出部３１３ａ，３１３ｂは、各々、インバータ３１０から出力される３相の電流のうち１相の電流値を検出し、検出した電流値を制御部４００に出力する。なお、制御部４００は、インバータ３１０から出力される３相の電流値のうち２相の電流値を取得することで、インバータ３１０から出力される残りの１相の電流値を算出することができる。圧縮機３１５は、圧縮機駆動用のモータ３１４を有する負荷である。モータ３１４は、インバータ３１０から供給される第２の交流電力の振幅および位相に応じて回転し、圧縮動作を行う。例えば、圧縮機３１５が空気調和機などで使用される密閉型圧縮機の場合、圧縮機３１５の負荷トルクは定トルク負荷とみなせる場合が多い。モータ３１４について、図１ではモータ巻線がＹ結線の場合を示しているが、一例であり、これに限定されない。モータ３１４のモータ巻線は、Δ結線であってもよいし、Ｙ結線とΔ結線とが切り替え可能な仕様であってもよい。

なお、電力変換装置１において、図１に示す各構成の配置は一例であり、各構成の配置は図１で示される例に限定されない。例えば、リアクトル１２０は、整流部１３０の後段に配置されてもよい。また、電力変換装置１は、昇圧部を備えてもよいし、整流部１３０に昇圧部の機能を持たせるようにしてもよい。以降の説明において、電流検出部５０１、および電流検出部３１３ａ，３１３ｂをまとめて検出部と称することがある。また、電流検出部５０１で検出された電流値、および電流検出部３１３ａ，３１３ｂで検出された電流値を、検出値と称することがある。

制御部４００は、電流検出部５０１から平滑部２００の入力電流の電流値を取得し、電流検出部３１３ａ，３１３ｂからインバータ３１０によって変換された所望の振幅および位相を有する第２の交流電力の電流値を取得する。制御部４００は、各検出部によって検出された検出値を用いて、インバータ３１０の動作、具体的には、インバータ３１０が有するスイッチング素子３１１ａ～３１１ｆのオンオフを制御する。本実施の形態において、制御部４００は、整流部１３０から平滑部２００のコンデンサ２１０に流入する電力の脈動に応じた脈動を含む第２の交流電力をインバータ３１０から負荷である圧縮機３１５に出力するようにインバータ３１０の動作を制御する。平滑部２００のコンデンサ２１０に流入する電力の脈動に応じた脈動とは、例えば、平滑部２００のコンデンサ２１０に流入する電力の脈動の周波数などによって変動する脈動である。これにより、制御部４００は、平滑部２００のコンデンサ２１０に流れる電流を抑制する。なお、制御部４００は、各検出部から取得した全ての検出値を用いなくてもよく、一部の検出値を用いて制御を行ってもよい。

制御部４００は、モータ３１４の速度、電圧、電流のいずれかが所望の状態になるように制御を行う。ここで、モータ３１４が圧縮機３１５の駆動用に使用され、圧縮機３１５が密閉型圧縮機の場合、モータ３１４に回転子位置を検出する位置センサを取り付けることが構造的にもコスト的にも難しいので、制御部４００は、モータ３１４の制御を位置センサレスで行う。モータ３１４の位置センサレス制御方法については、一次磁束一定制御、およびセンサレスベクトル制御の２種類がある。本実施の形態では、一例として、センサレスベクトル制御をベースに説明する。なお、以降で説明する制御方法については、軽微な変更で一次磁束一定制御に適用することも可能である。

つづいて、制御部４００における本実施の形態での特徴的な動作について説明する。図１に示すように、電力変換装置１において、整流部１３０から平滑部２００のコンデンサ２１０への入力電流を入力電流Ｉ１とし、平滑部２００のコンデンサ２１０からインバータ３１０への出力電流を出力電流Ｉ２とし、平滑部２００のコンデンサ２１０の充放電電流を充放電電流Ｉ３とする。入力電流Ｉ１は、商用電源１１０の電源位相、整流部１３０の前後に設置される素子の特性などの影響は受けるものの、基本的に電源周波数の２ｎ倍成分を含む特性を有する。なお、ｎは１以上の整数である。

平滑部２００のコンデンサ２１０として電解コンデンサを用いる場合、充放電電流Ｉ３が大きいとコンデンサ２１０の経年劣化が加速する。充放電電流Ｉ３を減少させ、コンデンサ２１０の劣化を抑制するためには、制御部４００は、コンデンサ２１０への入力電流Ｉ１＝コンデンサ２１０からの出力電流Ｉ２となるようにインバータ３１０を制御すればよい。ただし、出力電流Ｉ２にはＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）に起因するリプル成分が重畳されるため、制御部４００は、リプル成分を加味してインバータ３１０を制御する必要がある。制御部４００は、コンデンサ２１０の劣化を抑制するためには、平滑部２００、すなわちコンデンサ２１０の電力状態を監視し、モータ３１４に適切な脈動を与えて充放電電流Ｉ３が減少するようにすればよい。ここで、コンデンサ２１０の電力状態とは、コンデンサ２１０への入力電流Ｉ１、コンデンサ２１０からの出力電流Ｉ２、コンデンサ２１０の充放電電流Ｉ３、コンデンサ２１０の直流母線電圧Ｖ_ｄｃなどのことである。制御部４００は、これらのコンデンサ２１０の電力状態のうち、少なくともいずれか１つの情報が劣化抑制制御に必要となる。

本実施の形態では、制御部４００は、電流検出部５０１で検出されたコンデンサ２１０への入力電流Ｉ１を用いて、出力電流Ｉ２からＰＷＭリプルを除いた値が入力電流Ｉ１と一致するようにモータ３１４に脈動を加える。すなわち、制御部４００は、電流検出部５０１の検出値、すなわちコンデンサ２１０の電力状態に応じた脈動がモータ３１４の駆動パターンに重畳されるようにインバータ３１０の動作を制御し、コンデンサ２１０の充放電電流Ｉ３を抑制する。制御部４００は、入力電流Ｉ１と出力電流Ｉ２との差分が小さくなるように、モータ３１４の入出力電力の関係からモータ３１４のｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊を制御する。制御部４００は、この制御方法では、インバータ３１０への入力電力とモータ３１４の機械出力との関係を利用して、充放電電流Ｉ３を低減するための理想的なｑ軸電流を算出する。このように、本実施の形態において、制御部４００は、ｄ軸およびｑ軸を有する回転座標系において制御を行う。

電力変換装置１において、電流検出部５０１は、コンデンサ２１０への入力電流Ｉ１の電流値を検出し、電流値を制御部４００に出力する。制御部４００は、コンデンサ２１０からインバータ３１０への出力電流Ｉ２からＰＷＭリプルを除いた値が入力電流Ｉ１と一致するようにインバータ３１０を制御し、モータ３１４に出力される電力に脈動を加える。制御部４００は、出力電流Ｉ２を適切に脈動させることによって、コンデンサ２１０の充放電電流Ｉ３を減少させることができる。前述のように、コンデンサ２１０への入力電流Ｉ１には電源周波数の２ｎ倍成分が含まれることから、出力電流Ｉ２およびモータ３１４のｑ軸電流にも電源周波数の２ｎ倍成分が含まれることになる。そのため、電力変換装置１は、出力電流Ｉ２を適切に脈動させる必要がある。

ここで、圧縮機３１５が空気調和機で使用され、圧縮機３１５の負荷がほぼ一定となる、すなわち三相のインバータ３１０の出力電流Ｉ２の実効値が一定となる場合においても、圧縮機３１５の負荷の種別によっては周期的な回転変動を生ずる機構を有するものがあることが知られている。圧縮機３１５の制御で圧縮機負荷を用いる場合においては、負荷トルクは周期変動を有するものとなっているため、インバータ３１０から出力電流一定、すなわち定トルク出力で圧縮機３１５を駆動すると、トルク差分に起因する速度変動が生じる。速度変動は低速域にて顕著に生じ、高速域に動作点が移動するに連れて速度変動は小さくなる特性がある。また、速度変動分は外部流出するため、振動として外部観測されることとなり、振動対策部品の追加などが必要である。そのため、インバータ３１０から出力される一定電流、すなわち定トルク出力分電流とは別に、脈動トルク、すなわち脈動電流分を圧縮機３１５に流すことで負荷トルク変動に応じたトルクをインバータ３１０から圧縮機３１５に与える方法がとられることが多い。これにより、トルク差分をゼロに近づけることで圧縮機３１５のモータ３１４の速度変動を低減して振動抑制することができる。この結果、インバータ３１０の出力トルクと負荷トルクとのトルク差分はゼロに近づき、圧縮機３１５のモータ３１４の速度変動が低減できるため、振動が抑制できる。このような、モータ３１４の振動を低減する制御を、脈動負荷補償制御と言う。

一方で、この場合、平滑部２００のコンデンサ２１０の充放電電流Ｉ３は、脈動負荷補償制御による操作影響も受けて流入量および流出量が変化するため、コンデンサ２１０の劣化抑制は必ずしも十分に行われているとは言えない。そのため、平滑部２００のコンデンサ２１０の充放電電流Ｉ３を抑制し、コンデンサ２１０の劣化抑制を改善する電源脈動補償制御が必要となる。ここで、電力変換装置１において、モータ３１４の回転速度を制御する定電流負荷制御、脈動負荷補償制御、および電源脈動補償制御が必要となるが、各制御の優先順位を決める必要がある。各制御の優先順位が適切ではない場合、電力変換装置１において、速度指令に対し追従できない、脈動負荷補償が過補償になる、電源脈動補償が満足に制御できないなどの状態、または逆の状態が発生してしまう。

そのため、本実施の形態では、定電流負荷制御、電源脈動補償制御、および脈動負荷補償制御の各制御で使用可能なｑ軸電流指令のリミット値を設定する。具体的には、制御部４００は、インバータ３１０の動作を制御してモータ３１４を駆動する電力変換装置１において速度指令に追従することは必須であることから、定電流負荷制御を優先する。制御部４００は、全体のｑ軸電流指令リミット値から定電流負荷制御で使用するｑ軸電流指令の値を引いた範囲内で、電源脈動補償制御および脈動負荷補償制御の各リミット値を設定し、電源脈動補償制御および脈動負荷補償制御のｑ軸電流指令を生成する。すなわち、制御部４００は、モータ３１４の回転速度を制御する定電流負荷制御を優先して行いつつ、モータ３１４の振動を低減する脈動負荷補償制御、およびコンデンサ２１０の充放電電流Ｉ３を抑制する電源脈動補償制御を行う。

まず、全体のｑ軸電流リミット値Ｉ_ｑｌｉｍについて説明する。全体のｑ軸電流リミット値Ｉ_ｑｌｉｍは、ｄ軸電流ｉ_ｄの値、モータ３１４の速度などによって変化する。ｑ軸電流リミット値Ｉ_ｑｌｉｍを第１のリミット値と称することがある。低速度域におけるモータ３１４の減磁限界、インバータ３１０の最大電流などの観点から、ｑ軸電流リミット値Ｉ_ｑｌｉｍを、例えば、式（１）のように決定する。

式（１）において、Ｉ_{ｒｍｓｌｉｍ}は相電流のリミット値を実効値表記したものを示し、ｉ_ｄ ^＊はｄ軸電流指令を示す。Ｉ_{ｒｍｓｌｉｍ}は、インバータ３１０のハードウェア過電流遮断保護の閾値よりも１０％から２０％程度低めに設定するのが一般的である。高速度域では、電圧飽和の影響によって流せるｑ軸電流が減少してしまう。ｑ軸電流指令が過大な状態になると、積分器のワインドアップ現象によって制御不安定に陥るケースがあることがよく知られている。式（１）では速度上昇に伴う最大ｑ軸電流の低下が考慮されていないため、最大ｑ軸電流の低下を加味した数式を導出する。高速領域では、ｄｑ軸電圧のリミット値をＶ_ｏｍとした場合、Ｖ_ｏｍに対して式（２）の近似式の関係が成り立つ。

式（２）において、Ｖ_ｏｍはｄｑ平面上の電圧制限円の半径である。式（２）は、（ｖ_ｄ ^＊）^２＋（ｖ_ｑ ^＊）^２＝Ｖ_ｏｍ ^２に定常状態の電圧方程式を代入し、電機子抵抗による電圧降下を無視して整理したものである。ここで、式（２）をｑ軸電流ｉ_ｑについて解くと、式（３）が得られる。

したがって、ｄ軸電流ｉ_ｄをリミット値限界まで流したとき、ｑ軸電流リミット値Ｉ_ｑｌｉｍは式（４）のように表される。

なお、電圧が最小になるまでｄ軸電流ｉ_ｄを流した場合、Φ_ａ＋Ｌ_ｄＩ_ｄｌｉｍ＝０となるが、このときは式（５）が成立する。この場合、ｑ軸電流リミット値Ｉ_ｑｌｉｍはモータ３１４の電気角速度ω_ｅに反比例して減少していくことが分かる。

最終的な結論として、ｑ軸電流リミット値Ｉ_ｑｌｉｍは式（１）および式（４）の両方を加味して、式（６）のように設定される。

式（６）において、ＭＩＮは最小のものを選択する関数である。

上記のような演算を行う制御部４００の構成について説明する。図２は、実施の形態１に係る電力変換装置１が備える制御部４００の構成例を示すブロック図である。制御部４００は、回転子位置推定部４０１と、速度制御部４０２と、弱め磁束制御部４０３と、電流制御部４０４と、座標変換部４０５，４０６と、ＰＷＭ信号生成部４０７と、減算部４０８と、分配比乗算部４０９と、脈動負荷補償制御部４１０と、加算部４１１と、減算部４１２と、電源脈動補償制御部４１３と、加算部４１４と、を備える。なお、加算部４１１，４１４でｑ軸電流指令生成部４１５を構成している。

回転子位置推定部４０１は、モータ３１４にかかるｄｑ軸電圧指令ベクトルＶ_ｄｑ ^＊およびｄｑ軸電流ベクトルｉ_ｄｑから、モータ３１４が有する図示しない回転子について、回転子磁極のｄｑ軸での方向である推定位相角θ_ｅｓｔ、および回転子速度である推定速度ω_ｅｓｔを推定する。

速度制御部４０２は、速度指令ω^＊と推定速度ω_ｅｓｔとが一致するようにｑ軸電流指令Ｉ_ｑｓｐを自動調整、すなわち生成する。ｑ軸電流指令Ｉ_ｑｓｐは、前述の定電流負荷制御用の指令である。ｑ軸電流指令Ｉ_ｑｓｐを第１のｑ軸電流指令と称することがある。速度指令ω^＊は、電力変換装置１が冷凍サイクル適用機器として空気調和機などに使用される場合、例えば、図示しない温度センサで検出された温度、図示しない操作部であるリモコンから指示される設定温度を示す情報、運転モードの選択情報、運転開始及び運転終了の指示情報などに基づくものである。運転モードとは、例えば、暖房、冷房、除湿などである。

弱め磁束制御部４０３は、ｄｑ軸電圧指令ベクトルＶ_ｄｑ ^＊の絶対値が電圧リミット値Ｖ_ｌｉｍ ^＊の制限値内に収まるようにｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊を自動調整する。弱め磁束制御は、大別して、電圧制限楕円の方程式からｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊を計算する方法、および電圧リミット値Ｖ_ｌｉｍ ^＊とｄｑ軸電圧指令ベクトルＶ_ｄｑ ^＊との絶対値の偏差がゼロになるようにｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊を計算する方法の２種類があるが、どちらの方法を使用してもよい。

電流制御部４０４は、ｄｑ軸電流ベクトルｉ_ｄｑがｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊およびｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊に追従するようにｄｑ軸電圧指令ベクトルＶ_ｄｑ ^＊を自動調整する。

座標変換部４０５は、推定位相角θ_ｅｓｔに応じて、ｄｑ軸電圧指令ベクトルＶ_ｄｑ ^＊をｄｑ座標から交流量の電圧指令Ｖ_ｕｖｗ ^＊に座標変換する。

座標変換部４０６は、推定位相角θ_ｅｓｔに応じて、モータ３１４に流れる電流Ｉ_ｕｖｗを交流量からｄｑ座標のｄｑ軸電流ベクトルｉ_ｄｑに座標変換する。前述のように、制御部４００は、モータ３１４に流れる電流Ｉ_ｕｖｗについて、インバータ３１０から出力される３相の電流値のうち、電流検出部３１３ａ，３１３ｂで検出される２相の電流値、および２相の電流値を用いて残りの１相の電流値を算出することによって取得することができる。

ＰＷＭ信号生成部４０７は、座標変換部４０５で座標変換された電圧指令Ｖ_ｕｖｗ ^＊に基づいてＰＷＭ信号を生成する。制御部４００は、ＰＷＭ信号生成部４０７で生成されたＰＷＭ信号をインバータ３１０のスイッチング素子３１１ａ～３１１ｆに出力することで、モータ３１４に電圧を印加する。

減算部４０８は、前述のｑ軸電流リミット値Ｉ_ｑｌｉｍから、ｑ軸電流指令Ｉ_ｑｓｐの絶対値を減算し、差分であるｑ軸電流マージンＩ_{ｑｍａｒｇｉｎ}を生成する。ｑ軸電流リミット値Ｉ_ｑｌｉｍは、電流制御部４０４に入力されるｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊に対するリミット値である。ｑ軸電流マージンＩ_{ｑｍａｒｇｉｎ}は、ｑ軸電流リミット値Ｉ_ｑｌｉｍから定電流負荷制御で必要なｑ軸電流指令Ｉ_ｑｓｐの電流分を差し引いた余りであって、脈動負荷補償制御および電源脈動補償制御に対して分配可能な値である。ｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊のことを第２のｑ軸電流指令と称し、ｑ軸電流リミット値Ｉ_ｑｌｉｍのことを第１のリミット値と称することがある。なお、減算部４０８は、Ｉ_ｑｌｉｍ－｜Ｉ_ｑｓｐ｜が速度脈動、母線電圧脈動などの影響を受けるため、式（７）のようにローパスフィルタを用いて平滑化してもよい。

式（７）において、Ｔはフィルタ時定数であって遮断角周波数の逆数を示し、ｓはラプラス変換の変数を示す。つぎに、制御部４００は、ｑ軸電流マージンＩ_{ｑｍａｒｇｉｎ}を脈動負荷補償制御および電源脈動補償制御に対して分配する。

まず、分配比乗算部４０９は、式（８）に示すように、減算部４０８で生成されたｑ軸電流マージンＩ_{ｑｍａｒｇｉｎ}に、モータ３１４の振動を低減する脈動負荷補償制御およびコンデンサ２１０の充放電電流Ｉ３を抑制する電源脈動補償制御の各補償制御に対する分配比Ｋ_{ｍａｒｇｉｎ}を乗算し、脈動負荷補償制御用の電流リミット値Ｉ_{ｑｌｉｍＡＶＳ}を生成する。

ここで、分配比Ｋ_{ｍａｒｇｉｎ}は、ｑ軸電流マージンＩ_{ｑｍａｒｇｉｎ}の分配率であって、０以上１以下の変数である。分配比Ｋ_{ｍａｒｇｉｎ}は、コンデンサ２１０の電力状態、モータ３１４の動作状態、電力変換装置１が冷凍サイクル適用機器として空気調和機に使用される場合における空気調和機の運転状態などによって設定されてもよい。このように、脈動負荷補償制御用の電流リミット値Ｉ_{ｑｌｉｍＡＶＳ}は、ｑ軸電流マージンＩ_{ｑｍａｒｇｉｎ}を用いて設定される。脈動負荷補償制御用の電流リミット値Ｉ_{ｑｌｉｍＡＶＳ}のことを第２のリミット値と称することがある。

脈動負荷補償制御部４１０は、脈動負荷補償制御用の電流リミット値Ｉ_{ｑｌｉｍＡＶＳ}を用いて、脈動負荷補償ｑ軸電流指令Ｉ_ｑａｖｓを生成する。具体的には、脈動負荷補償制御部４１０は、分配比乗算部４０９で生成された脈動負荷補償制御用の電流リミット値Ｉ_{ｑｌｉｍＡＶＳ}の範囲内で脈動負荷補償制御を実施し、脈動負荷補償ｑ軸電流指令Ｉ_ｑａｖｓを生成する。脈動負荷補償ｑ軸電流指令Ｉ_ｑａｖｓのことを第１の補償値と称することがある。脈動負荷補償ｑ軸電流指令Ｉ_ｑａｖｓは、式（９）のように表される。ｑ軸電流マージンＩ_{ｑｍａｒｇｉｎ}、脈動負荷補償制御用の電流リミット値Ｉ_{ｑｌｉｍＡＶＳ}、および脈動負荷補償ｑ軸電流指令Ｉ_ｑａｖｓの大小関係は、Ｉ_{ｑｍａｒｇｉｎ}≧Ｉ_{ｑｌｉｍＡＶＳ}≧Ｉ_ｑａｖｓとなる。

脈動負荷補償制御部４１０において、脈動負荷補償制御用の電流リミット値Ｉ_{ｑｌｉｍＡＶＳ}を使い切らないケースも考えられる。そのため、減算部４１２は、式（１０）に示すように、ｑ軸電流マージンＩ_{ｑｍａｒｇｉｎ}と脈動負荷補償ｑ軸電流指令Ｉ_ｑａｖｓとの差分から、電源脈動補償制御用のリミット値Ｉ_{ｑｌｉｍｄ２ｖ}を生成する。すなわち、電源脈動補償制御用のリミット値Ｉ_{ｑｌｉｍｄ２ｖ}は、ｑ軸電流マージンＩ_{ｑｍａｒｇｉｎ}を用いて設定される。電源脈動補償制御用のリミット値Ｉ_{ｑｌｉｍｄ２ｖ}のことを第３のリミット値と称することがある。

電源脈動補償制御部４１３は、電源脈動補償制御用のリミット値Ｉ_{ｑｌｉｍｄ２ｖ}を用いて、電源脈動補償制御の電流振幅Ｉ_ｑｄ２ｖを生成する。具体的には、電源脈動補償制御部４１３は、電源脈動補償制御の電流振幅Ｉ_ｑｄ２ｖを式（１１）のように決定する。電源脈動補償制御部４１３は、ｑ軸電流指令Ｉ_ｑｓｐの絶対値が電源脈動補償制御用のリミット値Ｉ_{ｑｌｉｍｄ２ｖ}以上の場合、電源脈動補償制御の電流振幅Ｉ_ｑｄ２ｖとして電源脈動補償制御用のリミット値Ｉ_{ｑｌｉｍｄ２ｖ}を選択する。電源脈動補償制御部４１３は、ｑ軸電流指令Ｉ_ｑｓｐの絶対値が電源脈動補償制御用のリミット値Ｉ_{ｑｌｉｍｄ２ｖ}未満の場合、電源脈動補償制御の電流振幅Ｉ_ｑｄ２ｖとしてｑ軸電流指令Ｉ_ｑｓｐの絶対値を選択する。電源脈動補償制御の電流振幅Ｉ_ｑｄ２ｖのことを第２の補償値と称することがある。

ｑ軸電流指令生成部４１５は、ｑ軸電流指令Ｉ_ｑｓｐ、脈動負荷補償ｑ軸電流指令Ｉ_ｑａｖｓ、および電源脈動補償制御の電流振幅Ｉ_ｑｄ２ｖを用いて、ｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊を生成する。具体的には、ｑ軸電流指令生成部４１５において、加算部４１１は、ｑ軸電流指令Ｉ_ｑｓｐと、脈動負荷補償ｑ軸電流指令Ｉ_ｑａｖｓとを加算する。加算部４１４は、加算部４１１の加算結果であるｑ軸電流指令Ｉ_ｑｓｐ＋脈動負荷補償ｑ軸電流指令Ｉ_ｑａｖｓと、電源脈動補償制御の電流振幅Ｉ_ｑｄ２ｖとを加算する。ｑ軸電流指令生成部４１５は、加算部４１４の加算結果を、ｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊として電流制御部４０４に出力する。

以上のことから、制御部４００は、状況に応じて分配比乗算部４０９が適切な分配比Ｋ_{ｍａｒｇｉｎ}を設定することで、速度指令ω^＊に追従しつつ、電源脈動補償制御および脈動負荷補償制御を適切に実施することが可能となる。

なお、制御部４００は、図２の例では、分配比Ｋ_{ｍａｒｇｉｎ}を用いて脈動負荷補償制御用の電流リミット値Ｉ_{ｑｌｉｍＡＶＳ}を生成し、ｑ軸電流マージンＩ_{ｑｍａｒｇｉｎ}と脈動負荷補償ｑ軸電流指令Ｉ_ｑａｖｓとの差分から電源脈動補償制御用のリミット値Ｉ_{ｑｌｉｍｄ２ｖ}を生成していたが、これに限定されない。制御部４００は、図２において脈動負荷補償制御部４１０および電源脈動補償制御部４１３の配置を入れ替え、分配比Ｋ_{ｍａｒｇｉｎ}を用いて電源脈動補償制御用のリミット値Ｉ_{ｑｌｉｍｄ２ｖ}を生成し、ｑ軸電流マージンＩ_{ｑｍａｒｇｉｎ}と電源脈動補償制御の電流振幅Ｉ_ｑｄ２ｖとの差分から脈動負荷補償制御用の電流リミット値Ｉ_{ｑｌｉｍＡＶＳ}を生成してもよい。

図２の例では、分配比乗算部４０９は、差分であるｑ軸電流マージンＩ_{ｑｍａｒｇｉｎ}と分配比Ｋ_{ｍａｒｇｉｎ}とを乗算し、第２のリミット値である脈動負荷補償制御用の電流リミット値Ｉ_{ｑｌｉｍＡＶＳ}を生成する。この場合、第２のリミット値である脈動負荷補償制御用の電流リミット値Ｉ_{ｑｌｉｍＡＶＳ}は、差分であるｑ軸電流マージンＩ_{ｑｍａｒｇｉｎ}と０以上１以下の分配比Ｋ_{ｍａｒｇｉｎ}とを乗算した値である。第３のリミット値である電源脈動補償制御用のリミット値Ｉ_{ｑｌｉｍｄ２ｖ}は、差分であるｑ軸電流マージンＩ_{ｑｍａｒｇｉｎ}から第１の補償値である脈動負荷補償ｑ軸電流指令Ｉ_ｑａｖｓを減算した値である。電源脈動補償制御部４１３は、第３のリミット値である電源脈動補償制御用のリミット値Ｉ_{ｑｌｉｍｄ２ｖ}が第１のｑ軸電流指令であるｑ軸電流指令Ｉ_ｑｓｐの絶対値以下の場合、第２の補償値である電源脈動補償制御の電流振幅Ｉ_ｑｄ２ｖとして第３のリミット値である電源脈動補償制御用のリミット値Ｉ_{ｑｌｉｍｄ２ｖ}を選択する。また、電源脈動補償制御部４１３は、第３のリミット値である電源脈動補償制御用のリミット値Ｉ_{ｑｌｉｍｄ２ｖ}が第１のｑ軸電流指令であるｑ軸電流指令Ｉ_ｑｓｐの絶対値より大きい場合、第２の補償値である電源脈動補償制御の電流振幅Ｉ_ｑｄ２ｖとして第１のｑ軸電流指令であるｑ軸電流指令Ｉ_ｑｓｐの絶対値を選択する。

一方、図２に対して脈動負荷補償制御部４１０および電源脈動補償制御部４１３の配置を入れ替えた例では、分配比乗算部４０９は、差分であるｑ軸電流マージンＩ_{ｑｍａｒｇｉｎ}と分配比Ｋ_{ｍａｒｇｉｎ}とを乗算し、第３のリミット値である電源脈動補償制御用のリミット値Ｉ_{ｑｌｉｍｄ２ｖ}を生成する。この場合、第３のリミット値である電源脈動補償制御用のリミット値Ｉ_{ｑｌｉｍｄ２ｖ}は、差分であるｑ軸電流マージンＩ_{ｑｍａｒｇｉｎ}と０以上１以下の分配比Ｋ_{ｍａｒｇｉｎ}とを乗算した値である。第２のリミット値である脈動負荷補償制御用の電流リミット値Ｉ_{ｑｌｉｍＡＶＳ}は、差分であるｑ軸電流マージンＩ_{ｑｍａｒｇｉｎ}から第２の補償値である電源脈動補償制御の電流振幅Ｉ_ｑｄ２ｖを減算した値である。脈動負荷補償制御部４１０は、第２のリミット値である脈動負荷補償制御用の電流リミット値Ｉ_{ｑｌｉｍＡＶＳ}が第１のｑ軸電流指令であるｑ軸電流指令Ｉ_ｑｓｐの絶対値以下の場合、第１の補償値である脈動負荷補償ｑ軸電流指令Ｉ_ｑａｖｓとして第２のリミット値である脈動負荷補償制御用の電流リミット値Ｉ_{ｑｌｉｍＡＶＳ}を選択する。また、電源脈動補償制御部４１３は、第２のリミット値である脈動負荷補償制御用の電流リミット値Ｉ_{ｑｌｉｍＡＶＳ}が第１のｑ軸電流指令であるｑ軸電流指令Ｉ_ｑｓｐの絶対値より大きい場合、第１の補償値である脈動負荷補償ｑ軸電流指令Ｉ_ｑａｖｓとして第１のｑ軸電流指令であるｑ軸電流指令Ｉ_ｑｓｐの絶対値を選択する。

制御部４００の動作を、フローチャートを用いて説明する。図３は、実施の形態１に係る電力変換装置１が備える制御部４００の動作を示すフローチャートである。制御部４００において、減算部４０８は、ｑ軸電流リミット値Ｉ_ｑｌｉｍとｑ軸電流指令Ｉ_ｑｓｐの絶対値との差分であるｑ軸電流マージンＩ_{ｑｍａｒｇｉｎ}を生成する（ステップＳ１）。分配比乗算部４０９は、ｑ軸電流マージンＩ_{ｑｍａｒｇｉｎ}に、脈動負荷補償制御および電源脈動補償制御の各補償制御に対する分配比Ｋ_{ｍａｒｇｉｎ}を乗算し、脈動負荷補償制御用の電流リミット値Ｉ_{ｑｌｉｍＡＶＳ}を生成する（ステップＳ２）。脈動負荷補償制御部４１０は、脈動負荷補償制御用の電流リミット値Ｉ_{ｑｌｉｍＡＶＳ}の範囲内で脈動負荷補償制御を実施し、脈動負荷補償ｑ軸電流指令Ｉ_ｑａｖｓを生成する（ステップＳ３）。

減算部４１２は、ｑ軸電流マージンＩ_{ｑｍａｒｇｉｎ}と脈動負荷補償ｑ軸電流指令Ｉ_ｑａｖｓとの差分である電源脈動補償制御用のリミット値Ｉ_{ｑｌｉｍｄ２ｖ}を生成する（ステップＳ４）。電源脈動補償制御部４１３は、電源脈動補償制御用のリミット値Ｉ_{ｑｌｉｍｄ２ｖ}を用いて、電源脈動補償制御の電流振幅Ｉ_ｑｄ２ｖを生成する（ステップＳ５）。ｑ軸電流指令生成部４１５は、ｑ軸電流指令Ｉ_ｑｓｐ、脈動負荷補償ｑ軸電流指令Ｉ_ｑａｖｓ、および電源脈動補償制御の電流振幅Ｉ_ｑｄ２ｖを加算して、ｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊を生成する（ステップＳ６）。

つづいて、電力変換装置１が備える制御部４００のハードウェア構成について説明する。図４は、実施の形態１に係る電力変換装置１が備える制御部４００を実現するハードウェア構成の一例を示す図である。制御部４００は、プロセッサ９１およびメモリ９２により実現される。

プロセッサ９１は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）ともいう）、またはシステムＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）である。メモリ９２は、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ（ＥｒａｓａｂｌｅＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＥｒａｓａｂｌｅＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）といった不揮発性または揮発性の半導体メモリを例示できる。またメモリ９２は、これらに限定されず、磁気ディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、またはＤＶＤ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃ）でもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、電力変換装置１において、制御部４００は、全体のｑ軸電流リミット値Ｉ_ｑｌｉｍから定電流負荷制御で使用するｑ軸電流指令Ｉ_ｑｓｐの値を引いた範囲内で、電源脈動補償制御および脈動負荷補償制御の各リミット値を設定し、電源脈動補償制御および脈動負荷補償制御の各補償制御を行うこととした。これにより、電力変換装置１は、平滑用のコンデンサ２１０の劣化を抑制しつつ、電力変換装置１の大型化を抑制することができる。また、電力変換装置１は、モータ３１４の回転速度を制御する定電流負荷制御を優先して行いつつ、モータ３１４の振動を低減する脈動負荷補償制御、およびコンデンサ２１０の充放電電流Ｉ３を抑制する電源脈動補償制御を行うことができる。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係る冷凍サイクル適用機器９００の構成例を示す図である。実施の形態２に係る冷凍サイクル適用機器９００は、実施の形態１で説明した電力変換装置１を備える。実施の形態２に係る冷凍サイクル適用機器９００は、空気調和機、冷蔵庫、冷凍庫、ヒートポンプ給湯器といった冷凍サイクルを備える製品に適用することが可能である。なお、図５において、実施の形態１と同様の機能を有する構成要素には、実施の形態１と同一の符号を付している。

冷凍サイクル適用機器９００は、実施の形態１におけるモータ３１４を内蔵した圧縮機３１５と、四方弁９０２と、室内熱交換器９０６と、膨張弁９０８と、室外熱交換器９１０とが冷媒配管９１２を介して取り付けられている。

圧縮機３１５の内部には、冷媒を圧縮する圧縮機構９０４と、圧縮機構９０４を動作させるモータ３１４とが設けられている。

冷凍サイクル適用機器９００は、四方弁９０２の切替動作により暖房運転又は冷房運転をすることができる。圧縮機構９０４は、可変速制御されるモータ３１４によって駆動される。

暖房運転時には、実線矢印で示すように、冷媒が圧縮機構９０４で加圧されて送り出され、四方弁９０２、室内熱交換器９０６、膨張弁９０８、室外熱交換器９１０及び四方弁９０２を通って圧縮機構９０４に戻る。

冷房運転時には、破線矢印で示すように、冷媒が圧縮機構９０４で加圧されて送り出され、四方弁９０２、室外熱交換器９１０、膨張弁９０８、室内熱交換器９０６及び四方弁９０２を通って圧縮機構９０４に戻る。

暖房運転時には、室内熱交換器９０６が凝縮器として作用して熱放出を行い、室外熱交換器９１０が蒸発器として作用して熱吸収を行う。冷房運転時には、室外熱交換器９１０が凝縮器として作用して熱放出を行い、室内熱交換器９０６が蒸発器として作用し、熱吸収を行う。膨張弁９０８は、冷媒を減圧して膨張させる。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１電力変換装置、２モータ駆動装置、１１０商用電源、１２０リアクトル、１３０整流部、１３１～１３４整流素子、２００平滑部、２１０コンデンサ、３１０インバータ、３１１ａ～３１１ｆスイッチング素子、３１２ａ～３１２ｆ還流ダイオード、３１３ａ，３１３ｂ，５０１電流検出部、３１４モータ、３１５圧縮機、４００制御部、４０１回転子位置推定部、４０２速度制御部、４０３弱め磁束制御部、４０４電流制御部、４０５，４０６座標変換部、４０７ＰＷＭ信号生成部、４０８，４１２減算部、４０９分配比乗算部、４１０脈動負荷補償制御部、４１１，４１４加算部、４１３電源脈動補償制御部、４１５ｑ軸電流指令生成部、９００冷凍サイクル適用機器、９０２四方弁、９０４圧縮機構、９０６室内熱交換器、９０８膨張弁、９１０室外熱交換器、９１２冷媒配管。

Claims

商用電源から供給される第１の交流電力を整流する整流部と、
前記整流部の出力端に接続されるコンデンサと、
前記コンデンサの両端に接続され、第２の交流電力を生成してモータに出力するインバータと、
前記コンデンサの電力状態に応じた脈動が前記モータの駆動パターンに重畳されるように前記インバータの動作を制御し、前記コンデンサの充放電電流を抑制する制御部と、
を備え、
前記モータの回転速度を制御する定電流負荷制御を優先して行いつつ、前記モータの振動を低減する脈動負荷補償制御、および前記コンデンサの充放電電流を抑制する電源脈動補償制御を行う電力変換装置。
前記制御部は、
前記定電流負荷制御用の指令である、ｄ軸およびｑ軸を有する回転座標系における第１のｑ軸電流指令を生成する速度制御部と、
第２のｑ軸電流指令に対する第１のリミット値と前記第１のｑ軸電流指令との差分を用いて設定される第２のリミット値を用いて、前記脈動負荷補償制御用の第１の補償値を生成する脈動負荷補償制御部と、
前記差分を用いて設定される第３のリミット値を用いて、前記電源脈動補償制御用の第２の補償値を生成する電源脈動補償制御部と、
前記第１のｑ軸電流指令、前記第１の補償値、および前記第２の補償値を用いて前記第２のｑ軸電流指令を生成するｑ軸電流指令生成部と、
を備える請求項１に記載の電力変換装置。
前記第２のリミット値は、前記差分と０以上１以下の分配比とを乗算した値であり、
前記第３のリミット値は、前記差分から前記第１の補償値を減算した値であり、
さらに、
前記差分と前記分配比とを乗算し、前記第２のリミット値を生成する分配比乗算部、
を備える請求項２に記載の電力変換装置。
前記電源脈動補償制御部は、
前記第３のリミット値が前記第１のｑ軸電流指令の絶対値以下の場合、前記第２の補償値として前記第３のリミット値を選択し、
前記第３のリミット値が前記第１のｑ軸電流指令の絶対値より大きい場合、前記第２の補償値として前記第１のｑ軸電流指令を選択する、
請求項３に記載の電力変換装置。
前記第３のリミット値は、前記差分と０以上１以下の分配比とを乗算した値であり、
前記第２のリミット値は、前記差分から前記第２の補償値を減算した値であり、
さらに、
前記差分と前記分配比とを乗算し、前記第３のリミット値を生成する分配比乗算部、
を備える請求項２に記載の電力変換装置。
前記脈動負荷補償制御部は、
前記第２のリミット値が前記第１のｑ軸電流指令の絶対値以下の場合、前記第１の補償値として前記第２のリミット値を選択し、
前記第２のリミット値が前記第１のｑ軸電流指令の絶対値より大きい場合、前記第１の補償値として前記第１のｑ軸電流指令を選択する、
請求項５に記載の電力変換装置。
請求項１から６のいずれか１つに記載の電力変換装置を備えるモータ駆動装置。
請求項１から６のいずれか１つに記載の電力変換装置を備える冷凍サイクル適用機器。