JP2013198243A - モータ制御装置、及びこれを用いたモータ駆動装置、圧縮機、冷凍装置、空気調和機、並びにモータ制御方法 - Google Patents

モータ制御装置、及びこれを用いたモータ駆動装置、圧縮機、冷凍装置、空気調和機、並びにモータ制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】モータを安定的に駆動させつつ、モータが有する永久磁石の減磁抑制を適切に行う。
【解決手段】直流電源200からインバータ300に入力される直流電圧を交流電圧に変換し、インバータ300に接続されるモータMの駆動を制御するモータ制御装置100であって、モータMは、低温で減磁しやすい低温減磁特性の永久磁石を有し、モータ温度検出器500によって検出されるモータMの温度が、当該モータMの減磁特性に基づいて定められる第1所定値以下である場合に、モータMの電流変動を抑制する電流変動抑制制御を実行する。
【選択図】図3

Description

本発明は、モータ制御装置、及びこれを用いたモータ駆動装置、圧縮機、冷凍装置、空気調和機、並びにモータ制御方法に関する。
圧縮機に設置されたモータが回転する際に、当該圧縮機の固有振動数に応じたトルク変動がモータで周期的に起こることが知られている。このようなトルク変動が発生した場合、圧縮機で振動や騒音が発生するため、トルク変動を抑制することが求められる。
上記問題に対処する技術として、例えば、特許文献1には、低速回転時など負荷変動が大きい場合にはトルク変動抑制制御を行い、通常運転時には電流変動抑制制御を行う技術について記載されている。
ちなみに、トルク変動抑制制御とは、モータの負荷トルクの変動分を算出し、当該変動分を打ち消すように電流指令値を補正する制御である。また、電流変動抑制制御とは、モータに流れるモータ電流の変動分を算出し、当該変動分を打ち消すように電流指令値を補正する制御である。
特開2007−166690号公報
ところで、モータに用いられる永久磁石は、使用温度及びモータに流れる電流(以下、モータ電流と記す)によって、減磁が起こる場合がある。なお、「減磁」とは、磁石の渦電流損による温度上昇や、コイルに流れる電流による逆磁界などによって、磁石全体の磁気モーメントが減少する現象である。
例えば、フェライト系の永久磁石は低温の環境下で減磁しやすい特性(すなわち、低温減磁特性)を有している。したがって、このような永久磁石を有するモータに低温環境下で大きな電流を流すと、減磁が起こってモータが劣化してしまう可能性がある。
ちなみに、近年、レアメタルの安定的な供給が困難となっており、安価なフェライト磁石が注目されている。
前記した特許文献1に記載の技術では、モータの減磁が起こる可能性について考慮していない。また、モータを低速で回転させる場合にはトルク変動抑制制御を行うが、これによってモータに流れる電流のピーク値(以下、ピーク電流と記す)が大きくなる。
そうすると、特許文献1に記載の技術において、フェライト系の永久磁石を有するモータを低温環境で使用する際にモータを継続的に低速回転で駆動させると、モータの永久磁石が減磁してしまう可能性が高くなる。
また、特許文献1に記載の技術において、フェライト系の永久磁石をモータに使用し、モータの減磁抑制を実施した場合でも、次のような問題が生じる。すなわち、モータの減磁を防止するために減磁電流保護閾値を設定すると、低速回転時などトルク変動が大きいときは、前記したトルク変動抑制制御を行うことによってモータのピーク電流が高くなる。そうすると、モータ電流が前記した減磁電流保護閾値を超えてしまい、モータが停止してしまうという問題が生じる。
そこで、本発明の課題は、モータを安定的に駆動させつつ、モータが有する永久磁石の減磁抑制を適切に行うことにある。
前記課題を達成するために、本発明は、直流電源からインバータに入力される直流電圧を交流電圧に変換し、前記インバータに接続されるモータの駆動を制御するモータ制御装置であって、前記モータは、低温で減磁しやすい低温減磁特性の永久磁石を有し、モータ温度検出手段によって検出される前記モータの温度が、当該モータの減磁特性に基づいて定められる第1所定値以下である場合に、前記モータの電流変動を抑制する電流変動抑制制御を実行することを特徴とする。
本発明のその他の態様については、後記する実施の形態において説明する。
本発明によれば、モータを安定的に駆動させつつ、モータが有する永久磁石の減磁抑制を適切に行うことができる。
本発明の第1実施形態に係るモータ制御装置を用いた空気調和機の室内機、室外機、及びリモコンの正面図である。 空気調和機のシステム構成図である。 圧縮機に設置されたモータを駆動させるモータ駆動装置を含む構成図である。 低温減磁特性を有する永久磁石を用いたモータにおいて、モータ巻線温度に対するモータ減磁電流、及びモータ減磁保護閾値の変化を示す特性図である。 モータ減磁保護部の処理の流れを示すフローチャートである。 モータ制御装置によって駆動が制御されるモータの実回転速度の時間的変化を示す説明図であり、(a)はモータの指令回転速度が回転速度下限値よりも小さい場合であり、(b)はモータの指令回転速度が回転速度下限値以上である場合である。 トルク外乱抑制制御(I制御)を実行しない場合と、トルク外乱抑制制御(I制御)を実行した場合とにおいて、モータの回転速度とピーク電流との関係を示す説明図である。 モータ電流の時間的変化を示す波形図であり、(a)はトルク外乱抑制制御(I制御)を実行しない場合であり、(b)はトルク外乱抑制制御(I制御)を実行した場合である。 本発明の第2実施形態に係るモータ制御装置におけるモータ減磁保護部の処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の第3実施形態に係るモータ制御装置におけるモータ減磁保護部の処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の第4実施形態に係るモータ制御装置を用いた冷凍装置のシステム構成図である。
以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
≪第1実施形態≫
<空気調和機の構成>
図1は、本発明の第1実施形態に係るモータ制御装置を用いた空気調和機の室内機、室外機、及びリモコンの正面図である。
空気調和機Aは、室内機Iuと、室外機Ouと、リモコンReと、を備えている。室内機Iuと室外機Ouとは冷媒配管L(図2参照)で接続されると共に、通信ケーブル(図示せず)を介して互いに情報を送受信するようになっている。
リモコンReはユーザによって操作され、室内機Iuのリモコン受信部Kに対して赤外線信号を送信する。当該信号の内容は、運転要求、設定温度の変更、タイマ、運転モードの変更、停止要求などの指令である。空気調和機Aは、これらの信号に基づいて、冷房モード、暖房モード、除湿モードなどの空調運転を行う。
図2は、空気調和機のシステム構成図である。室内機Iuは、膨張弁4と、室内熱交換器5と、室内ファン5aと、室内制御装置100aと、を備えている。また、室外機Ouは、圧縮機1と、四方弁2と、室外熱交換器3と、室外ファン3aと、室外制御装置100bと、を備えている。
また、圧縮機1と、四方弁2と、室外熱交換器3と、膨張弁4と、室内熱交換器5とは冷媒配管Lで接続され、ヒートポンプサイクルを構成している。
なお、室外機Ouに設置される圧縮機1は、例えばシングルロータリ式であり、モータM(図3参照)の回転に伴って駆動するようになっている。室内制御装置100aは、リモコン受信部K(図1参照)を介してリモコンReからの赤外線信号を受信すると、室外制御装置100bとの間で相互に通信を行いつつ、前記赤外線信号に対応する運転モード(暖房運転、冷房運転など)の空調運転を行うようになっている。
例えば、ユーザの操作によりリモコンReから冷房運転の指令信号を受信すると、通信線を介して室内制御装置100aから通信線を介して室外制御装置100bに前記指令信号が入力され、圧縮機1に設置されているモータM(図3参照)を所定の回転速度で回転させる(図2の破線を参照)。また、室内制御装置100aは室内ファン5aのモータ(図示せず)を回転させ、室外制御装置100bは室外ファン3aのモータ(図示せず)を回転させる。
そして、冷房運転を行う際に室外制御装置100bは、室外熱交換器3を凝縮器として機能させ、室内熱交換器5を蒸発器として機能させるように四方弁2を切り替えて、図の実線矢印で示す向きに冷媒を通流させ、室内制御装置100aは膨張弁4の開度(絞り)を制御する。このようにして、空気調和機Aは、ヒートポンプサイクルを用いて冷房運転を行う。
一方、暖房運転を行う際に、室外制御装置100bは、図の実線矢印で示す向きとは逆向きに冷媒を通流させるように四方弁2を切り替えて暖房運転を行う。なお、暖房運転及び冷房運転における各機器の機能については周知であるから、詳細な説明を省略する。
また、以下の説明において、圧縮機1のモータMを駆動させる制御装置(室外制御装置100b)を、「モータ制御装置100」と記すことがあるものとする。
<モータ駆動装置の構成>
図3は、圧縮機に設置されたモータの駆動を制御するためのモータ駆動装置を含む構成図である。
図3に示すモータ駆動装置Sは、直流電源200から入力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ300と、インバータ300に接続されるモータMの温度を検出するモータ温度検出器500(モータ温度検出手段)と、インバータ300の駆動を制御するモータ制御装置100(制御手段)と、を備えている。
直流電源200は、交流電源201から入力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ202と、コンバータ202の出力側に並列に接続され、コンバータ202から出力される電圧の脈動成分を平滑化する平滑コンデンサCと、を備えている。
また、直流電源200の出力側には、インバータ300が接続されている。インバータ300は、複数のスイッチング素子(図示せず)を有し、駆動信号発生部105から入力されるPWM(Pulse Width Modulation)信号に従って、それぞれのスイッチング素子のON/OFFを切り替え、所定の三相交流電圧をモータMに出力する。そして、当該三相交流電圧に応じた三相交流電流(I,I,I)をモータMの電機子(図示せず)に流入させ、回転磁界を発生させる。
なお、インバータ300が有するスイッチング素子として、例えば、IGBT(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を用いることができる。
モータMは、例えば、永久磁石型同期モータであり、三相巻線を介してインバータ300と接続されている。すなわち、モータMは、三相巻線に流入する交流電流によって生じる回転磁界によって、永久磁石(図示せず)を吸引することにより回転する。
モータMの回転軸は、負荷である圧縮機1の主軸に固定され、モータMの駆動に伴って圧縮機1も駆動するようになっている。ちなみに、圧縮機1として、ピストンを回転運動させるロータリ式の圧縮機の他、2つの渦巻き体の一方を円運動させるスクロール式の圧縮機、ピストンを往復運動させるレシプロ式の圧縮機などを用いることができる。
また、本実施形態では、モータMが有する永久磁石として、低温で減磁しやすい低温減磁特性をもつフェライト磁石を用いることとする。低温減磁特性の詳細については後記する。
電流検出器400は、コンバータ202とインバータ300との間の母線に直列に接続され、インバータ300からの電流Iを検出してモータ電流再現部101に時々刻々と出力する。
また、モータ温度検出器500(モータ温度検出手段)がモータMに設置され、モータMの巻線温度を検出して時々刻々とモータ減磁保護部103に出力する。
<モータ制御装置の構成>
モータ制御装置100(制御手段)は、直流電源200からインバータ300に入力される直流電圧を交流電圧に変換することによって、インバータ300に接続されるモータMの駆動を制御する。
モータ制御装置100は、モータ電流再現部101と、トルク外乱抑制部102と、モータ減磁保護部103と、回転速度指示部104と、駆動信号発生部105と、を備えている。モータ制御装置100の処理は、例えば、マイコン(Microcomputer:図示せず)により実行される。すなわち、モータ制御装置100は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、各種インタフェースなどの電子回路(図示せず)を含んで構成され、ROMに記憶されたプログラムを読み出してRAMに展開し、CPUが各種処理を実行するようになっている。
モータ電流再現部101は、電流検出器400から入力される検出信号に基づいて、モータMに流れるモータ電流を再現し、トルク外乱抑制部102に出力する。
トルク外乱抑制部102は、モータ電流再現部101から入力されるモータ電流と、回転速度指示部104から入力される補正指令回転速度ω2とに基づいて、トルク外乱に起因するトルク変動又電流変動を抑制するための補正信号を駆動信号発生部105に出力する。なお、トルク外乱抑制部102が行う処理の詳細については、後記する。
モータ減磁保護部103は、モータ温度検出器500から入力される温度情報と、外部から入力される指令回転速度ωとに基づいて、モータMの減磁を抑制するための補正指令回転速度ω1を算出する。そして、モータ減磁保護部103は、算出した補正指令回転速度ω1を回転速度指示部104に出力する。
ちなみに、外部から入力される指令回転速度ωは、リモコンRe(図1参照)から入力される設定温度及び運転モード、各種センサから入力される室外温度及び室内温度などに基づいて、室内制御装置100aが備える温調用のマイコンにより設定される値である。例えば、暖房時、リモコンReから設定温度を上げる指令信号を受信した場合、室内制御装置100aは、指令回転速度ωの値を大きくする。
なお、モータ減磁保護部103が行う処理の詳細については後記する。
回転速度指示部104は、モータ減磁保護部103から入力される補正指令回転速度ω1を、モータ電流再現部101から入力されるモータ電流に基づいて補正し、補正指令回転速度ω2を算出し、切替部102c及び駆動信号発生部105にそれぞれ出力する。なお、回転速度指示部104は、モータMが備える永久磁石の磁束位置と、モータ制御装置100の内部で仮定している磁束位置との誤差である軸誤差を推定し、当該推定値に基づいて前記した補正指令回転速度ω2を算出する。
駆動信号発生部105は、回転速度指示部104から入力される補正指令回転速度ω2と、トルク外乱抑制部102から入力される制御信号とに基づいてPWM信号を生成し、インバータ300に出力する。
トルク外乱抑制部102は、トルク変動抑制制御部102a(以下、T制御部と記す)と、電流変動抑制制御部102b(以下、I制御部と記す)と、を有している。
T制御部102aは、周期的に変動するモータMの負荷トルクを抑制するために、モータ電流再現部101によって再現されるモータ電流からトルク変動分(トルク脈動分)を算出し、トルク変動を抑制するための補正信号を生成する。そして、T制御部102aは切替部102cを介して、前記した補正信号を駆動信号発生部105に出力する。
このように、トルク変動抑制制御を行うことによって、モータMが低速回転している際のトルク外乱に起因する振動や脱調などを防止することができる。
I制御部102bは、モータ電流再現部101によって再現されるモータ電流の変動分(電流脈動分)を算出し、この変動分を打ち消すための補正信号を生成する。そして、I制御部102bは切替部102cを介して、前記した補正信号を駆動信号発生部105に出力する。
このように、電流変動抑制制御を行うことによって、モータ電流を正弦波電流に近づけて電流変動を抑制するとともに、有効電流を増加させることができる。
切替部102cは、回転速度指示部104から入力される補正指令回転速度ω2と、モータ電流再現部101から入力される電流情報とに基づいて、モータMの実回転速度ωを推定する。そして、切替部102cは、推定したモータMの実回転速度に基づいて、T制御部102aから入力される補正信号と、I制御部102bから入力される補正信号のうちいずれかを選択し、駆動信号発生部105に出力する。
すなわち、モータの実回転速度ωが所定範囲(K1≦ω<K2:図6参照)である場合、切替部102cは、T制御部102aからの補正信号を駆動信号発生部105に出力する。
一方、モータの実回転速度が所定回転速度K2以上(K2≦ω:図6参照)である場合、切替部102cは、I制御部102bからの補正信号を駆動信号発生部105に出力する。つまり、切替部102cは、モータMが低速回転で駆動している場合にはA接点(図3参照)に切り替え、モータMが高速回転で駆動場合にはB接点(図3参照)に切り替えるようになっている。
<永久磁石の減磁特性と温度閾値の設定>
図4は、低温減磁特性を有する永久磁石を用いたモータにおいて、モータの巻線温度に対するモータ減磁電流、及びモータ減磁保護閾値の変化を示す特性図である。
永久磁石は過度の逆磁界に曝されると減磁を起こして磁性が弱くなり、磁石の特性が劣化する。すなわち、モータMに使用されているコイルに過大な電流が流れると、当該電流によって生じる逆磁界の影響で減磁が起こる。したがって、モータMに過電流が流入しないようにする必要がある。
なお、「モータ減磁電流」とは、所定温度においてモータ電流を除々に増加させた場合に、モータMが有する永久磁石で減磁が生じる際のモータ電流値である。図4に示すように、低温減磁特性を有する永久磁石は、その温度が低くなるにしたがってモータ減磁電流の値が小さくなる(つまり、減磁しやすくなる)。
ちなみに、低温減磁特性を有する永久磁石として、例えば、フェライト磁石が挙げられる。
また、「モータ減磁電流保護閾値」とは、前記した永久磁石の減磁を防止するために、モータ減磁電流より小さくなるように設定される電流閾値であり、モータ巻線温度が低温になるにしたがってモータ減磁電流保護閾値が小さくするように設定されている。ちなみに、図4に示す例では、マイコン処理を簡略化するために、モータ減磁保護閾値の温度特性を複数の線分で表している。
また、図4に示すモータ電流Ithは、トルク変動抑制制御でモータMを駆動する際に生じる電流ピーク値であり、予め実験等によって取得された値である。
本実施形態に係るモータ制御装置100では、モータ温度検出器500から入力されるモータ巻線温度が、温度閾値Tth(図4では、10℃)を下回る環境において、モータ減磁保護閾値Ith(図4では、15A)以上のモータ電流が流れないようにし、永久磁石の減磁を防止している。すなわち、温度閾値Tthは、モータMの減磁特性に基づいて定められる所定値(第1所定値)である。
例えば、モータ巻線温度が10℃以下となっている環境下において、電流変動が大きいトルク変動抑制制御を継続的に行った場合、モータ電流がモータ減磁保護閾値(15A)を超える可能性が高くなる(図4参照)。これは、低温減磁特性の永久磁石をモータMに用いる場合に、低温環境におけるモータ減磁電流の値が小さくなり、それに対応してモータ減磁保護閾値も小さく設定されるためである。
なお、モータ電流がモータ減磁保護閾値Ithを超えた場合には、モータ制御装置100がモータMの駆動を停止させるため、これに伴って圧縮機1の駆動も停止する。したがって、空気調和機Aの快適性が損なわれる虞がある。
このような事態を回避するために、本実施形態では、モータMの巻線温度が、所定のモータ電流Ithに対応する温度閾値Tth(第1所定値)を下回る場合、速やかにI制御に移行してモータMの温度を上昇させつつ減磁を抑制する。
<モータ減磁保護部の処理>
次に、図5に示すフローチャートを用いてモータ減磁保護部103の処理の流れを説明する。
ステップS101においてモータ減磁保護部103は、外部(つまり、温調用のマイコン)から指令回転速度ωが入力されているか否かを判定する。外部から指令回転速度ωが入力されていない場合(S101→No)、モータ減磁保護部103の処理はステップS102に進む。ちなみに、指令回転速度ωが入力されていない場合とは、空気調和機Aの運転が停止しており、リモコンReから室内制御装置100aに指令信号(予約運転を含む)が入力されていない状態である。一方、外部から指令回転速度ωが入力されている場合(S101→Yes)、モータ減磁保護部103の処理はステップS103に進む。
ステップS102においてモータ減磁保護部103は、モータMの駆動開始からの経過時間をクリアする。
ステップS103においてモータ減磁保護部103は、モータ減磁保護中であるか否かを判定する。なお、「モータ減磁保護中」である状態とは、モータMの減磁を抑制するために、補正指令回転速度ω1を目標値としてモータMを駆動させ、電流変動を抑制するI制御を行いつつモータ温度を上昇させる処理を意味している。
モータ減磁保護中である場合(S103→Yes)、モータ減磁保護部103の処理はステップS106に進む。一方、モータ減磁保護中でない場合(S103→No)、モータ減磁保護部103の処理はステップS104に進む。
ステップS104においてモータ減磁保護部103は、モータ温度検出器500から入力されるモータ巻線温度が、モータ巻線温度閾値Tth(第1所定値:図4参照)以下であるか否かを判定する。
モータ巻線温度が温度閾値Tth以下である場合(S104→Yes)、モータ減磁保護部103の処理はステップS105に進む。一方、モータ巻線温度が温度閾値Tthより高い場合(S104→No)、モータ減磁保護部103の処理はステップS107に進む。
ステップS105においてモータ減磁保護部103は、モータ減磁保護中を示すフラグを立てる(つまり、モータ減磁保護中としてセットする)。
次に、ステップS106においてモータ減磁保護部103は、モータMの駆動開始からの経過時間が、回転速度補正時間閾値tthに達しているか否かを判定する。なお、回転速度補正時間閾値tthとは、モータMに電流が流れることによって、モータMの巻線温度が温度閾値Tth以上となる所定時間である(図4参照)。
モータMの駆動開始からの経過時間が回転速度補正時間閾値tthに達している場合(S106→No)、モータ減磁保護部103の処理はステップS107に進む。一方、運転開始からの経過時間が回転速度補正時間閾値tthに達していない場合(S106→Yes)、減磁保護部の処理はステップS108に進む。
ステップS107において、モータ減磁保護部103は、モータ減磁保護中のフラグをクリア(解除)する。
ステップS108においてモータ減磁保護部103は、モータMの駆動開始からの経過時間を更新する。
ステップS109においてモータ減磁保護部103は、外部から入力される指令回転速度ωが、回転速度下限値ωより小さいか否かを判定する。なお、回転速度下限値ωとは、I制御を行うことができる領域(つまり、I制御を行うことが可能となる、モータ回転速度K2以上の領域2;図6(a),(b)参照)の中で、予め設定される所定回転速度である。
指令回転速度ωが回転速度下限値ωより小さい場合(S109→Yes)、モータM減磁保護部103の処理はステップS110に進む。一方、指令回転速度ωが回転速度下限値ω以上である場合(S109→No)、モータ減磁保護部103の処理はステップS111に進む。
ステップS110においてモータ減磁保護部103は、補正指令回転速度ω1を、前記した回転速度下限値ωに設定する。また、ステップS111においてモータ減磁保護部103は、補正指令回転速度ω1を、外部から入力される指令回転速度ωに設定する。
このようにして、モータ減磁保護部103は、図5に示す処理を所定周期で行い、補正指令回転速度ω1を時々刻々と回転速度指示部104に出力する。
図6(a),(b)は、モータ制御装置100によって駆動を制御されるモータMの実回転速度の時間的変化を示す説明図である。なお、図6(a),(b)に示す領域1(モータMの実回転速度ωが、K1≦ω<K2である領域)は、T制御部102a(図3参照)によってトルク変動抑制制御を行う領域である。一方、領域2(モータの実回転速度ωがK2以上である領域)は、I制御部102bによる電流変動抑制制御を行う領域である。
図6(a)は、モータの指令回転速度が回転速度下限値よりも小さい(つまり、図5のステップS109→Yesとなる)場合である。
図6(a)に示すように、モータ制御装置100は、モータMの駆動開始から回転速度下限値ωを目標回転速度としてモータMを加速させる(時刻0〜t1)。ちなみに、モータMの誘起電圧を検出することによる位置センサレス制御が可能となる回転速度K1までは、モータMを強制運転して加速させる。
また、前記したように、回転速度下限値ωとは、I制御が可能となる領域2において予め設定される所定の回転速度である。図6(a)に示すように、指令回転速度ωが回転速度下限値ωを下回っている場合、モータ制御装置100は、補正指令回転速度ω1を回転速度下限値ωに補正してモータMを加速させる(図5のS110参照)。
なお、回転速度下限値ωは、回転速度K2の値に近いほうが好ましい。これによって、より小さい回転速度で電流変動抑制制御を実行できるからである。
そして、モータMの制御は、トルク変動抑制制御(T制御:領域1)を経て、速やかに電流変動抑制制御(I制御:領域2)に移行される。つまり、低温環境においてモータMを駆動(起動)させる場合には、敢えて補正指令回転速度ω1を大きくして速やかに電流変動抑制制御に移行させ、電流変動を抑制する。これによって、モータ電流が減磁電流保護閾値(図4参照)を超えて、モータMが停止してしまう事態を回避することができる。
そして、図6(a)に示すように、モータMの回転速度が回転速度下限値ωに達したら(時刻t1)、モータ制御装置100は、当該回転速度下限値ωを保ちつつモータMを継続的に駆動させる(時刻t1〜t2)。
また、図6(a)に示す時刻0〜t2の間に、モータ電流によってモータMの永久磁石の温度が上昇する。そうすると、図4に示すモータ減磁保護閾値も上昇することとなる。前記したように、図6(a)に示す回転速度補正時間閾値tthは、モータMの巻線温度が、図4に示す温度閾値Tthを超えると推定される所定時間である。
したがって、時刻t2以後に、電流変動が比較的大きいトルク変動抑制制御を行ったとしてもモータ減磁保護閾値との間に余裕ができる。その結果、モータ電流が減磁保護閾値を超えることに伴うモータMの駆動停止を回避できる。
そして、モータMの駆動開始から図6に示す回転速度補正時間閾値tthが経過すると(図5のS106→No)、モータ制御装置100は、「減磁保護中」のフラグを解除し(S107)、補正指令回転速度ω1を指令回転速度ωに修正する(S111)。
なお、図6(b)に示すように、モータMの指令回転速度ωが回転速度下限値ω以上である場合(図5のS109→No)、モータ減磁保護部103は、補正指令回転速度ω1として指令回転速度ωの値を採用する(図5のS111)。すなわち、モータ減磁保護部103は、回転速度補正時間閾値tthが経過した後もモータMの回転速度を指令回転速度ωとして、電流変動抑制制御を維持する。
この場合には、I制御部102bによる電流変動抑制制御を継続することから、モータ電流が減磁電流保護閾値を超える虞はない(図4参照)。
このように、モータ制御装置100は、モータMの巻線温度が所定値以下である場合に、モータMを比較的高速(図6(a)では回転速度下限値ω、図6(b)では指令回転速度ω)で駆動させて電流変動抑制制御を実行する。そして、駆動開始からの経過時間が回転速度補正時間閾値tthに達した場合、モータ制御装置100は、モータ巻線温度が温度閾値Tth以上まで上昇したと推定し、指令回転速度ωを目標回転速度としてT制御又はI制御による定格運転でモータMを駆動させる。
<効果>
本実施形態に係るモータ制御装置100によれば、モータMの起動時には、回転速度下限値ω以上の比較的高い回転速度までモータMを加速させ、速やかにI制御に移行する。そして、回転開始から回転速度補正時間閾値tthが経過するまではI制御を継続することによって電流変動を抑制しつつ、T制御が可能な状態となるようにモータMの巻線温度を上昇させることができる。したがって、低温減磁特性を有するフェライト系の永久磁石を使用した場合でも、モータMの巻線温度の上昇に伴ってモータ減磁保護閾値を高くすることができるので、T制御(又はI制御)によりモータMを指令回転速度ωで駆動させ、圧縮機1を連続駆動することができる。
つまり、本実施形態に係るモータ制御装置100によれば、モータMに使用されている永久磁石の減磁を抑制しつつ、継続的に安定してモータMを駆動させることができる。その結果、快適性に優れた空気調和機Aを提供することができる。
図7は、トルク外乱抑制制御(I制御)を実行しない場合と、トルク外乱抑制制御(I制御)を実行した場合とにおいて、モータMの回転速度とピーク電流との関係を示す説明図である。
図7の破線(比較例)で示すように、トルク外乱抑制制御(I制御)を行わずにモータMを加速させた場合、モータMの回転速度が1500min-1になるとピーク電流が15Aを超え、モータ減磁保護閾値を超えてしまう虞がある(符号Qを参照)。つまり、モータMの温度上昇がモータMの回転速度の上昇に追いつかず、減磁保護を行うためにモータM(つまり、圧縮機1)が停止してしまう可能性がある。
これに対して、本実施形態に係るモータ制御装置では、図7の実線で示すように、モータMの回転速度が1250min-1付近まで上昇したときに、モータ制御装置100の切替部102c(図3参照)によって、T制御(領域1:図6参照)からI制御(領域2:図6参照)に切り替える。これによって、モータ電流の変動(脈動)を抑制し、モータMの回転速度が1500min-1のときのピーク電流を7A程度に抑えることができる(符号Pを参照)。したがって、モータMのピーク電流がモータ減磁保護閾値(図4参照)を超える虞はなく、モータMを安定して継続的に駆動できる。
図8(a)はトルク変動抑制制御(I制御)を実行しない場合において、モータ電流の時間的変化を示す波形図(比較例)である。なお、図8(a)の波形図は、モータMを1500min-1の回転速度で駆動させた場合のモータ電流の時間的変化を示している(図8(b)も同様)。
図7を用いて説明したように、電流変動抑制制御(I制御)を行わずにモータMを加速させると、モータMの回転速度が1500min-1になるとピーク電流が15Aを超え、図8(a)に示す歪んだ波形となる。
図8(b)は本実施形態に係るトルク変動抑制制御(I制御)を実行した場合において、モータ電流の時間的変化を示す波形図である。
本実施形態では、低温減磁特性の永久磁石を用いたモータMの起動時において、モータMを比較的高速回転にしてI制御を行う。したがって、図8(b)に示すように、モータ電流の変動(脈動)を抑制し、ピーク電流を約7Aに抑えることができる(図7参照)。その結果、ピーク電流とモータ減磁保護閾値との間で余裕ができる。
さらに、高速回転を継続することによるモータMの温度上昇によってモータ減磁保護閾値を高くすることができる。したがって、モータM及び圧縮機1を高効率で連続運転でき、空気調和機Aの快適性を維持することができる。
≪第2実施形態≫
次に、第2実施形態について説明する。前記した第1実施形態では、モータ巻線温度を所定値まで上昇させるために、モータ制御装置100が、駆動開始から回転速度補正時間閾値tthが経過するまで減磁保護処理を実行した。これに対して第2実施形態では、モータMの巻線温度を監視することによって減磁保護処理を実行する点が異なる。その他の点については第1実施形態と同様であるから、説明を省略する。
図9は、モータ減磁保護部の処理の流れを示すフローチャートである。図9に示すステップS206,S208以外は、第1実施形態で説明した図5のフローチャートと同様であるから説明を省略する。
モータ減磁保護中である場合(S203→Yes、又は、S205)、モータ制御装置100の処理は、ステップS206に進む。ステップS206において、モータ制御装置100は、モータ温度検出器500から入力されるモータMの巻線温度が、温度閾値Tth2(第2所定値)より小さいか否かを判定する。温度閾値Tth2は予め設定された値(例えば、10℃:図4参照)であり、図示しない記憶手段に記憶されている。
なお、ステップS204の温度閾値Tth1と、ステップS206の温度閾値Tth2とを同一の値としてもよい。
モータMの巻線温度が温度閾値Tth2より小さい場合(S206→Yes)、モータ制御装置100の処理はステップS208に進む。一方、モータ巻線温度が温度閾値Tth2以上である場合(S206→No)、モータ制御装置100の処理はステップS207に進む。
ステップS208においてモータ制御装置100は、モータ巻線温度を更新する。
このように、モータ温度検出器500によって時々刻々と入力されるモータMの巻線温度を直接的に監視し、モータMの巻線温度が所定の温度閾値Tth(例えば、10℃:図4参照)以上となった場合に(図9のS206→No)、モータ減磁保護処理を解除することとしてもよい(S207)。
<効果>
本実施形態に係る空気調和機Aによれば、第1実施形態と同様に、モータMの起動時において、補正指令回転速度を所定値ω以上とする(つまり、モータMを高速回転させる)ことによって、電流変動を抑制するI制御を実行する。そして、前記I制御に従ってモータMを駆動させてモータMの温度を上昇させることによって、低温減磁特性の永久磁石を有するモータMの減磁を抑制しつつ、モータMを継続的に駆動させることができる。
また、第1実施形態では、運転開始からの時間経過によってモータMの巻線温度が所定値まで上昇したことを推定していたが、本実施形態ではモータMの巻線温度を直接的に監視する。したがって、モータMの巻線温度の変化をより正確に把握することができ、モータMの減磁を適切に防止することができる。
≪第3実施形態≫
続いて、第3実施形態について説明する。前記した第1実施形態では、回転開始から減磁保護処理を終了するまでの時間(つまり、回転速度補正時間閾値tth)が予め設定された一定値であったのに対して、第3実施形態では、モータ温度検出器500から入力されるモータMの巻線温度に対応して回転速度補正時間閾値tthを設定する点が異なる。したがって、当該異なる部分について説明し、第1実施形態と重複する部分については説明を省略する。
図10は、モータ減磁保護部の処理の流れを示すフローチャートである。図10に示すフローチャートは、第1実施形態で説明した図5のフローチャートにステップS304aを追加したものである。
ステップS304においてモータ制御装置100は、モータ温度検出器500から入力されるモータMの巻線温度が温度閾値Tthより大きい場合(S304→Yes)、モータ制御装置100の処理はステップS304aに進む。
ステップS304aにおいてモータ制御装置100は、モータ制御装置100はモータ温度検出器500から入力されるモータMの巻線温度に対応して回転速度補正時間閾値tthを設定する。
例えば、回転速度補正時間閾値tthは、モータMの駆動開始時に検出されるモータMの巻線温度が高くなるにつれて回転速度補正時間閾値tthの値を次第に短くするように、所定の関数を用いて適宜設定すればよい。
このようにして、モータMの巻線温度に応じて柔軟に回転速度補正時間閾値tthの値を設定し、モータMの駆動を開始すると速やかに所定の回転速度ω(又はω)まで加速させ、電流変動抑制制御を実行してモータMの減磁を抑制する。
<効果>
本実施形態に係るモータ制御装置100によれば、駆動開始時に検出されるモータMの巻線温度に応じて適切な回転速度補正時間閾値tthを設定できる。例えば、外気温が低い場合には、モータMを所定温度まで温めるために回転速度補正時間閾値tthを長めに設定し、外気温が比較的高い場合には回転速度補正時間閾値tthを短め設定できる。つまり、モータMの減磁保護処理を適切に行うことができると共に、減磁保護処理を行う時間を必要最小限に設定することができる。
したがって、外部から入力される指令回転速度ωの値が回転速度下限値ωより小さい場合でも、速やかにモータ減磁保護処理を終えて、指令回転速度ωを目標回転速度とする通常運転に移行することができる。したがって、モータM(つまり、圧縮機1)の駆動に費やす電力を削減できると共に、快適性に優れた空気調和機Aを提供することができる。
≪第4実施形態≫
続いて、第4実施形態について説明する。前記各実施形態では、モータ制御装置100によってモータMの駆動を制御し、当該モータMに設置される圧縮機1を備えた空気調和機Aについて説明したのに対し、第4実施形態では、前記圧縮機1を備えた冷凍装置Bについて説明する。
なお、前記した空気調和機Aと重複する部分については説明を省略する。
図11は、モータ制御装置を用いた冷凍装置のシステム構成図である。冷凍装置Bは、室内ユニットIuと、室外ユニットOuと、を備えている。
室内ユニットIuは、膨張弁4と、室内熱交換器5と、室内ファン5aと、入出力手段6と、室内制御装置100aと、を備えている。また、室外ユニットOuは、圧縮機1と、室外熱交換器3と、室外ファン3aと、室外制御装置100bと、を備えている。
さらに、圧縮機1と、室外熱交換器3と、膨張弁4と、室内熱交換器5とは、環状に冷媒配管Lで接続され、ヒートポンプサイクルを構成している。
例えば、ユーザの操作により入出力手段6を介してONに切替えられると、室外制御装置100bは、圧縮機1に設置されているモータMを所定の回転速度で回転させ、実線矢印で示す向きに冷媒を通流させる(図1の破線を参照)
また、室内制御装置100aは室内ファン5aを所定の回転速度で回転させ、室外制御装置100bは室外ファン3aを所定の回転速度で回転させる。さらに、室外制御装置100bは、膨張弁4の開度(絞り)を制御する。これによって、室内熱交換器5を蒸発器として機能させ、室外熱交換器3を凝縮器として機能させるようになっている。
なお、図11に示す圧縮機1に設置されるモータMの制御については、前記した各実施形態と同様であるから説明を省略する。
<効果>
本実施形態によれば、モータMに使用されている永久磁石の減磁を抑制しつつ、継続的に安定してモータMを駆動させることができる。したがって、信頼性に優れた冷凍装置Bを提供することができる。
≪変形例≫
以上、本発明に係るモータ制御装置について各実施形態により説明したが、本発明の実施態様はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更などを行うことができる。
例えば、前記各実施形態では、モータ温度検出器500によってモータMの巻線温度を検出する例を示したが、これに限らない。すなわち、圧縮機1の外郭温度、又は圧縮機1の吐出配管温度をモータMの温度として検出し、モータ減磁保護部103に入力してもよい。
また、モータ温度検出器500に加えて、外気温度を検出する外気温度検出器(外気温度検出手段)をさらに備えることとしてもよい。例えば、モータ制御装置100は、外気温度検出器から入力される外気温度が所定値(第3所定値)以下であり、かつ、モータ温度検出器500にから入力されるモータMの巻線温度が温度閾値Tth(第1所定値)以下である場合に減磁保護処理を実行することとしてもよい。
また、外気温度検出器から入力される外気温度と、モータ温度検出器500にから入力されるモータMの巻線温度との差に応じて、モータ制御装置100が減磁保護処理を実行するか否かを決定してもよい。
また、図5に示すフローチャートのステップS104でモータ巻線温度が温度閾値Tth以下であるか否かを判断する前の処理として、空気調和機Aの運転モードが暖房運転であるか否かの判断処理を追加してもよい。暖房運転である場合、モータ制御装置の処理はステップS104に進む。一方、暖房運転でないない場合、モータ制御装置の処理はステップS107に進む。
このような運転モードの判断処理を入れることによって、モータ減磁保護処理を行うべきか否かをより適切に判定することができる。
なお、前記した判定処理を図9又は図10に示すフローチャートに適用してもよい。
また、前記各実施形態では、モータMによって駆動する圧縮機1を備えた空気調和機A又は冷凍装置Bについて説明したが、これに限らない。その他、ヒートポンプサイクルを用いる様々な機器に本発明を適用することができる。
A 空気調和機
B 冷凍装置
L 冷媒配管(配管)
1 圧縮機
2 四方弁
3 室外熱交換器(凝縮器、蒸発器)
3a 室外ファン
4 膨張弁
5 室内熱交換器
100 モータ制御装置(制御手段)
101 モータ電流再現部
102 トルク外乱抑制部
102a T制御部(トルク変動抑制制御部)
102b I制御部(電流変動抑制制御部)
102c 切替部
103 モータ減磁保護部
104 回転速度指示部
105 駆動信号発生部
200 直流電源
300 インバータ
400 電流検出器
500 モータ温度検出器(モータ温度検出手段)
S モータ駆動装置
M モータ

Claims (20)

  1. 直流電源からインバータに入力される直流電圧を交流電圧に変換し、前記インバータに接続されるモータの駆動を制御するモータ制御装置であって、
    前記モータは、低温で減磁しやすい低温減磁特性の永久磁石を有し、
    モータ温度検出手段によって検出される前記モータの温度が、当該モータの減磁特性に基づいて定められる第1所定値以下である場合に、前記モータの電流変動を抑制する電流変動抑制制御を実行すること
    を特徴とするモータ制御装置。
  2. 前記モータのトルク変動を抑制するトルク変動抑制制御部と、
    前記電流変動抑制制御を実行する電流変動抑制制御部と、
    前記モータ温度検出手段によって検出される前記モータの温度が前記第1所定値以下である場合、前記モータの指令回転速度を、前記電流変動抑制制御を実行することが可能な補正指令回転速度とすることによって減磁保護処理を実行するモータ減磁保護部と、
    前記モータの回転速度に応じて前記トルク変動抑制制御部による処理と、前記電流変動抑制制御による処理と、を切り替える切替部と、を備えること
    を特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。
  3. 前記モータ減磁保護部は、
    前記減磁保護処理を、前記モータの駆動開始から所定時間実行すること
    を特徴とする請求項2に記載のモータ制御装置。
  4. 前記モータ減磁保護部は、
    前記モータ温度検出手段によって検出される前記モータの温度に応じて、前記減磁保護処理を実行する前記所定時間を設定すること
    を特徴とする請求項3に記載のモータ制御装置。
  5. 前記モータ減磁保護部は、
    前記モータ温度検出手段から入力される前記モータの動作温度が、前記第1所定値よりも高い第2所定値以上となった場合に、前記減磁保護処理を終了すること
    を特徴とする請求項2に記載のモータ制御装置。
  6. 前記減磁保護処理が終了した後は、外部から入力される指令回転速度に従って前記モータを駆動させること
    を特徴とする請求項2から請求項5のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
  7. 前記永久磁石はフェライト磁石であること
    を特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
  8. 直流電源から入力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータに接続されるモータの温度を検出するモータ温度検出手段と、前記インバータの駆動を制御する制御手段と、を備え、前記インバータからの交流電力によって前記モータを駆動させるモータ駆動装置であって、
    前記モータは、低温で減磁しやすい低温減磁特性の永久磁石を有し、
    前記制御手段は、前記モータ温度検出手段によって検出される前記モータの温度が、当該モータの減磁特性に基づいて定められる第1所定値以下である場合に、前記モータの電流変動を抑制する電流変動抑制制御を実行すること
    を特徴とするモータ駆動装置。
  9. 外気温度を検出する外気温度検出手段をさらに備え、
    前記制御手段は、
    前記外気温度検出手段によって検出される外気温度が第3所定値以下であり、かつ、前記モータ温度検出手段によって検出される前記モータの温度が前記第1所定値以下である場合に、前記モータの電流変動を抑制する電流変動抑制制御を実行すること
    を特徴とする請求項8に記載のモータ駆動装置。
  10. 請求項8又は請求項9に記載の前記モータ駆動装置を備え、当該モータ駆動装置によって前記モータを駆動し、当該駆動によって流体を圧縮する圧縮機構を有すること
    を特徴とする圧縮機。
  11. 前記モータ温度検出手段は、前記モータの巻線温度、前記圧縮機の外郭温度、又は前記圧縮機の吐出配管温度を前記モータの温度として検出すること
    を特徴とする請求項10に記載の圧縮機。
  12. 前記圧縮機構は、ロータリ式、レシプロ式、又はスクロール式であること
    を特徴とする請求項10又は請求項11に記載の圧縮機。
  13. 請求項10から請求項12のいずれか一項に記載の圧縮機と、室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、が環状に配管で接続され、ヒートポンプサイクルを構成すること
    を特徴とする冷凍装置。
  14. 請求項10から請求項12のいずれか一項に記載の圧縮機と、室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、四方弁と、が配管で接続され、ヒートポンプサイクルを構成すること
    を特徴とする空気調和機。
  15. 直流電源からインバータに入力される直流電圧を交流電圧に変換し、前記インバータに接続されるモータの駆動を制御するモータ制御方法であって、
    前記モータは、低温で減磁しやすい低温減磁特性の永久磁石を有し、
    前記モータの温度が、当該モータの減磁特性に基づいて定められる第1所定値以下である場合に、前記モータの電流変動を抑制する電流変動抑制制御を実行すること
    を特徴とするモータ制御方法。
  16. 前記モータのトルク変動を抑制するトルク変動抑制制御と、前記電流変動抑制制御を実行する電流変動抑制制御と、を前記モータの回転速度に応じて切り替えるモータ制御処理と、
    前記モータの動作温度が前記第1所定値以下である場合、前記モータの指令回転速度を、前記電流変動抑制制御を実行することが可能な所定回転速度以上とする減磁保護処理と、を実行すること
    を特徴とする請求項15に記載のモータ制御方法。
  17. 前記減磁保護処理を、前記モータの駆動開始から所定時間実行すること
    を特徴とする請求項16に記載のモータ制御方法。
  18. 前記モータの温度に応じて、前記減磁保護処理を実行する前記所定時間が設定されること
    を特徴とする請求項17に記載のモータ制御方法。
  19. 前記モータの動作温度が、前記第1所定値よりも高い第2所定値以上となった場合に、前記減磁保護処理を終了すること
    を特徴とする請求項18に記載のモータ制御方法。
  20. 前記減磁保護処理が終了した後は、外部から入力される指令回転速度に従って前記モータを駆動させること
    を特徴とする請求項16から請求項19のいずれか一項に記載のモータ制御方法。
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