马达控制装置.pdf

马达控制装置(10)包括电力转换部(40)和马达控制部(41)，电力转换部(40)具有整流来自交流电源(31)的交流电压的整流电路(20)、接收整流电路(20)的输出从电容(13)的两端输出具有脉动的整流电压的电容电路(22)、接收整流电压向马达(30)输出交流电流的转换电路(25)，马达控制部(41)通过控制转换电路(25)控制马达(30)。马达控制部(41)进行对应于马达(30)的负荷扭矩改变马达(30)的输出扭矩的扭矩控制动作。

1.  一种马达控制装置，在压缩机压缩流体的压缩冲程中，控制一次旋转中产生负荷扭矩变动的压缩机马达(30)，其特征在于：
包括电力转换部(40)和马达控制部(41)，
该电力转换部(40)具有整流电路(20)、电容电路(22)和换流电路(25)，该整流电路(20)整流来自交流电源(31)的交流电压，该电容电路(22)接收该整流电路(20)的输出后从电容(13)两端输出具有脉动的整流电压，该换流电路(25)接收该整流电压向上述马达(30)输出交流电流，
该马达控制部(41)通过控制上述换流电路(25)来控制上述马达(30)，另外，
上述马达控制部(41)进行扭矩控制动作，即对应于上述马达(30)的负荷扭矩的变动而改变该马达(30)的输出扭矩。

2.  根据权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于：
包括电流检测部(43)，该电流检测部(43)是用于检测上述马达(30)的电流值的，
上述马达控制部(41)在上述扭矩控制动作中调节扭矩控制量，使得上述电流检测部(43)检测的马达(30)电流值，为不超过基于上述换流电路(25)的开关元件(14)的峰值额定电流的上限值，或为不超过基于上述马达(30)特性的上限值。

3.  根据权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于：
上述马达控制部(41)相对于上述交流电源(31)的相位调节上述马达(30)的相位，使得在上述扭矩控制动作时流过上述马达(30)的电流峰值变小。

4.  根据权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于：
上述马达控制部(41)构成为在上述扭矩控制动作时禁止上述马达(30)的旋转速度维持在从该马达(30)产生蜂鸣音的旋转速度区域的范围内。

5.  根据权利要求1至4的任何一项所述的马达控制装置，其特征在于：
上述换流电路(25)的开关元件(14)是宽带隙半导体元件。

6.  根据权利要求5所述的马达控制装置，其特征在于：
上述换流电路(25)的开关元件(14)是碳化硅元件。

马达控制装置
技术领域
本发明涉及包括整流电路、电容电路、和转换电路的压缩机马达用马达控制装置。
背景技术
迄今为止，众所周知的控制压缩机马达的马达控制装置，都是将来自交流电源的交流电压由整流电路整流后再将包含脉动的整流电压几乎不进行平滑就输入换流电路。这种马达控制装置的一例揭示在专利文献1中。
具体地讲，专利文献1的马达控制装置，包括单相二极管全波整流电路、小容量平滑电容、和控制用PWM换流器。小容量平滑电容，是以前的马达控制装置的平滑电容的1/100程度的容量的电容。为此，这个马达控制装置，不是为一定电压的电容，由单相二极管全波整流电路全波整流了的整流电压，基本不被平滑而成如图7所示那样的波形就输入控制用PWM换流器。控制用PWM换流器接收了整流电压后向马达输出多相交流电。这种马达控制装置，因为电容是小容量而可能得到小型化和低成本的结果。
另一方面，如专利文献2所揭示的那样，进行对应于压缩机马达在一次旋转中所产生的负荷扭矩的变动而改变输出扭矩的扭矩控制的马达控制装置已为所知。例如，旋转式压缩机等的压缩机中，在吸入、压缩、喷出的一连串流体压缩冲程中马达的负荷扭矩呈周期性变动。为此，马达的输出扭矩一定的话，压缩机的旋转速度就会改变而使压缩机产生振动。扭矩控制，就是为抑制这样的压缩机振动而进行的控制。
(专利文献1)日本公开专利2002-51589号公报
(专利文献2)日本公开专利平2-17884号公报
(发明所要解决的现有技术问题)
然而，迄今为止，具有被整流电路整流了的脉动的整流电压基本不进行平滑就输入换流电路，该换流电路的马达控制装置中不存在能够实施扭矩控制的装置。为此，使用这种马达控制装置控制压缩机马达的情况下，不能抑制压缩机的振动。
发明内容
本发明是鉴于上述各点而发明的，其目的在于：在由整流电路整流了的具有脉动的整流电压输入换流电路的压缩机马达用马达控制装置中，控制压缩机的振动。
(为解决现有技术问题的方法)
第一方面的发明是以在压缩机压缩流体的压缩冲程中，控制一次旋转中产生负荷扭矩变动的压缩机马达30的马达控制装置10为对象的。并且，这个马达控制装置10包括电力转换部40和马达控制部41。该电力转换部40具有整流来自交流电源31的交流电压的整流电路20、接收该整流电路20的输出后从电容13两端输出具有脉动的整流电压的电容电路22、和接收该整流电压向上述马达30输出交流电流的换流电路25，马达控制部41通过控制上述换流电路25来控制上述马达30，另外，上述马达控制部41进行扭矩控制动作，即对应于上述马达30的负荷扭矩变动而改变该马达30的输出扭矩。
第二方面的发明是在上述第一方面的发明中，包括为检测上述马达30的电流值的电流检测部43，上述马达控制部41在上述扭矩控制动作中调节扭矩控制量，使得上述电流检测部43检测的马达30电流值为不超过基于上述换流电路25的开关元件14的峰值额定电流的上限值，或为不超过基于上述马达30特性的上限值。
第三方面的发明是在上述第一或第二方面的发明中，马达控制部41相对于上述交流电源31的相位调节上述马达30的相位，使得在上述扭矩控制动作时流过上述马达30的电流峰值变小。
第四方面的发明是在上述第一至第三的任何一方面的发明中，上述马达控制部41构成为在上述扭矩控制动作时禁止上述马达30的旋转速度维持在从该马达30产生蜂鸣音的旋转速度区域的范围内。
第五方面的发明是在上述第一至第四的任何一方面的发明中，上述换流电路25的开关元件14是宽带隙半导体元件。
第六方面的发明是在上述第五发明中，上述换流电路25的开关元件14是碳化硅(SiC)元件。
—作用—
第一方面的发明中，马达控制部41进行扭矩控制动作。扭矩控制动作中，马达控制部41通过对应马达30的负荷扭矩变动控制换流电路25来改变马达30的输出扭矩。
第二方面的发明中，马达控制部41在扭矩控制动作中调节扭矩控制量。在此，进行扭矩控制动作的话，由于交流电源31的频率引起的脉动成分、和马达30的一次旋转中发生的负荷扭矩变动的脉动成分重叠，所以与不进行扭矩控制动作的情况相比马达30的电流峰值变大。因此，扭矩控制量越大流过马达30的电流峰值也就越大。这个第二发明中是通过马达控制部41在扭矩控制动作中调节扭矩控制量使马达30的电流值不超过上限值，所以换流电路25的开关元件14的电流值也不超过这个上限值。
第三方面的发明中，马达控制部41相对于交流电源31的相位调节马达30的相位。在此，与相对于交流电源31的相位马达30的相位为不同的状态的相比，如图5所示，流过马达30的电流峰值相互不同。马达控制部41，例如相对于流过马达30的电流峰值成为最小的交流电源31的相位预先记忆马达30的相位，相对于交流电源31的相位调节马达30的相位使得扭矩控制动作中流过马达30的电流的峰值变小。由此，换流电路25的开关元件14的电流峰值也变小。
第四方面的发明中，马达控制部41不维持马达30的旋转速度处于扭矩控制动作时从马达30产生蜂鸣音的旋转速度的区域范围内。也就是，即便是马达30的旋转速度临时进入蜂鸣音产生的旋转速度区域范围内，也不会连续保持在这个范围内。因此，抑制了扭矩控制动作时从马达30产生蜂鸣音。
第五方面的发明中，开关元件14是宽带隙半导体元件。宽带隙半导体元件与通常使用的硅元件相比是带隙大的半导体，又由于耐热性高，与相同元件的电流容量相比可以增大峰值额定电流。
第六方面的发明中，开关元件14是碳化硅(SiC)元件。碳化硅(Si C)元件是宽带隙半导体元件的一种，在相同元件的电容方面与通常使用的硅元件相比可以增大额定电流。
—发明效果—
本发明中，马达控制部41进行对应马达30一次旋转中发生的负荷扭矩的变动而改变马达30的输出扭矩的扭矩控制动作。在由整流电路20整流了的整流电压基本没有平滑就输入换流电路25的马达控制装置10在其中进行扭矩控制动作的话，由交流电源31的频率引起的脉动成分、和马达30的一次旋转中产生的负荷扭矩变动的脉动成分重叠，如图2所示，马达30的输出扭矩的波形或流过马达30的电流的波形成为包含脉冲的波形。在此，进行这个包含脉冲的波形的频率解析的话，由于交流电源31的频率引起的脉动成分显著的显现，能够确认负荷扭矩变动的脉动成分降低。并且，显著显现的脉动成分，例如交流电源31为50Hz的情况成为100Hz的脉动成分，若是100Hz的高频脉动成分由马达30的惯性效果，这个脉动成分对马达30的旋转速度的影响少。因此，由于整流电路20整流的整流电压基本不被平滑就输入换流电路25在马达控制装置10进行扭矩控制动作，就可以抑制压缩机的振动。
还有，第二方面的发明中，马达控制部41在扭矩控制动作中调节扭矩控制量，使换流电路25的开关元件14的电流值不超过基于它的峰值额定电流的上限值，或者是不超过基于上述马达30的特性的上限值。因此，换流电路25的开关元件14的电流值不超过峰值额定电流，所以就可以防止开关元件14的损伤，也就可以提高马达控制装置10的可信度。
还有，第三方面的发明中，马达控制部41在扭矩控制动作中相对于交流电源31的相位调节马达30的相位使得换流电路25的开关元件14的电流峰值变小。因此，可以降低换流电路25的开关元件14损伤的危险性，所以就可以提高马达控制装置10的可信度。还有，如上述第二方面的发明那样调节扭矩控制量使马达30的电流值不达到一定的上限值的情况下，通过调节就可以增大可能的扭矩控制量的上限值。
还有，第四方面的发明中，扭矩控制动作时，马达控制部41使马达30的旋转速度不维持在从马达30产生蜂鸣音的旋转速度区域的范围内，所以抑制了从马达30发生的蜂鸣音。因此，由扭矩控制动作抑制了振动进一步提高了压缩机的静稳性。
还有，第五方面的发明中，开关元件14与通常使用的硅元件相比从相同元件的电容比较是可以增大峰值额定电流的宽带隙半导体元件。因此，扭矩控制动作之际开关元件14的电流值的峰值不容易超过峰值额定电流，所以就可以提高马达控制装置10的可信度。
还有，第六方面的发明中，开关元件14是与通常使用的硅元件相比在相同元件的电容条件下相比较的话，能够增大的峰值额定电流的碳化硅(SiC)元件。因此，扭矩控制动作之际开关元件14的电流的峰值不容易超过峰值额定电流，所以就可以提高马达控制装置10的可信度。
附图说明
图1是本发明的实施方式所涉及的马达控制装置的概略构成图。
图2是表示本发明的实施方式所涉及的马达控制装置的扭矩控制动作时的马达负荷扭矩、马达输出扭矩、马达的电流值的变动状况的图表。
图3是表示每个扭矩控制量时本发明的实施方式所涉及的马达控制装置的扭矩控制动作时的马达负荷扭矩、马达输出扭矩、马达的电流值的变动状况的图表，图3(a)是扭矩控制量100％、图3(b)是扭矩控制量50％、图3(c)是扭力控制量0％的图表。
图4是本发明的实施方式的变形例1所涉及的马达控制装置的概略构成图。
图5是为说明本发明的实施方式的变形例1所涉及的马达控制装置的扭矩控制动作时相对于交流电源的相位调节马达的相位的动作的图表，图5(a)是表示交流电源的相位的图表，图5(b)是表示调节马达相位前的马达负荷扭矩、马达输出扭矩、马达的电流值的变动状况的图表，图5(c)是表示调节马达相位后的马达负荷扭矩、马达输出扭矩、马达的电流值的变动状况的图表。
图6是本发明的实施方式的变形例2所涉及的马达控制装置的概略构成图。
图7是表示输入转换器的脉动电流的波形的图表。
(符号说明)
10  马达控制装置
14  开关元件
20  整流电路
25  转换电路
30  马达
31  交流电源
40  电力转换部
41  马达控制部
43  电流检测部
具体实施方式
以下，基于附图详细说明本发明的实施方式。
—马达控制装置的构成—
本实施方式的马达控制装置10例如连接于空气调和装置的制冷剂回路的单缸旋转式压缩机的DC无刷扁平马达30上。如图1所示，这个马达控制装置10包括电力转换部40、马达控制部41、电流检测部43、和负荷扭矩检测部42。还有，电力转换部40包括整流电路20、电容电路22、和换流电路25。另外，压缩机还可以是旋转式压缩机以外的压缩机，也可以是多个汽缸的压缩机。还有，马达也可以是DC无刷扁平马达以外的马达。
整流电路20是为整流来自交流电源31的交流电压的。整流电路20是由四个二极管12连接成电桥状构成的。整流电路20在输入一侧连接交流电源31。还有，整流电路20和电容电路22之间的正极母线上设置了扼流器27。
电容电路22连接在整流电路20输出一侧的正极母线和负极母线之间。电容电路22上，设置了与以前的马达控制装置中使用的电容相比容量小的电容13。电容13的容量例如为1μF～5μF。电容电路22接收整流电路20的输出，输出具有来自电容13的两端的交流电源31两倍频率的脉动。
换流电路25是为了供给马达30多相交流(本实施方式中为三相交流)的。换流电路25中，由两个开关元件14串联连接的三个电路，在正极母线和负极母线之间并列连接而成。这三个电路的开关元件14之间，连接于马达30的三相线圈(uvw)的各个端子上。还有，各开关元件14上，并联连接二极管15。开关元件14中，例如使用功率MOSFET、IGBT等。还有，开关元件14由硅元件构成。
电流检测部43是为检测马达30电流值的。电流检测部43，为了时常能够检测电流值，至少连接三相线圈(uvw)和换流电路25之间三条电线中的两条。
负荷扭矩检测部42是为检测马达30的负荷扭矩的。负荷扭矩检测部42，构成为基于电流检测部43检测的电流值检测马达30的负荷扭矩。
马达控制部41构成为对换流电路25的开关元件14输出驱动信号接通/断开(ON/OFF)这个开关元件14。马达控制部41通过接通/断开开关元件14调节马达30的旋转速度或输出扭矩。还有，马达控制部41构成为进行例如当马达30低速运转时，对应马达30的负荷扭矩的变动而改变马达30的输出扭矩的扭矩控制动作。扭矩控制动作中，马达控制部41对应马达30的负荷扭矩变动，调节驱动信号中电压指令或电流指令的变动量。由此，调节开关元件14的载流频率内接通(ON)时间。
—马达控制装置的动作—
以下，说明马达控制装置10中马达控制部41的扭矩控制动作。另外，扭矩控制动作之际，马达控制部41中输入负荷扭矩检测部42检测的表示马达30的负荷扭矩的负荷扭矩信号、和电流检测部43检测的表示马达30的电流值的马达电流信号。
首先，马达控制部41基于负荷扭矩检测部42的负荷扭矩信号，调节驱动信号中的电压指令或电流指令的变动量，对应马达30的负荷扭矩变动而改变马达30的输出扭矩。并且，马达控制部41将调节了电压指令或电流指令的变动量的驱动信号向各开关元件14输出，接通/断开各开关元件14。由此，如图2所示，与马达30的负荷扭矩变动同期改变马达30的输出扭矩。另外，马达控制部41调节了电压指令或电流指令的变动量的话，开关元件14的载流频率内的接通时间也被调节。
另外，马达控制部41上，基于开关元件14的峰值额定电流的值，设定为马达30电流的上限值。上限值是比开关元件14的峰值额定值只小一点的值。马达控制部41在扭矩控制动作之际，为使马达30的电流值不超过上限值，调节马达30的输出扭矩的变动量的扭矩控制量。
具体地讲，马达控制部41为调节扭矩控制量，基于电流检测部43的马达电流信号，调节驱动信号中的电压指令或电流指令的变动量输出驱动信号。调节电压指令或电流指令的变动量的话，载波频率内的接通时间也被调节，扭矩控制量也被调节。图3中，表示扭矩控制量不同情况下的马达30的输出扭矩的变动状况或马达30的电流值的变动状况。马达控制部41用扭矩控制量50％进行扭矩控制动作的话，压缩机的振动不进行扭矩控制动作的情况变为一半。另外，上限值，可以基于马达30的特性设定。
—实施方式的效果—
本实施方式中，马达控制部41进行对应马达30一次旋转中产生的负荷扭矩变动而改变马达30的输出扭矩的扭矩控制动作。整流电路20整流了的整流电压基本没有平滑就输入换流电路25在马达控制装置10中进行扭矩控制动作的话，交流电源31的频率的两倍的脉动成分、和马达30的一次旋转中产生的负荷扭矩变动的脉动成分重叠，马达30的输出扭矩波形以及流过马达30的电流的波形，如图2所示，成为包含脉冲(beat)的波形。在此，进行这个包含脉冲的波形的频率解析的话，显著的显示交流电源31的频率的两倍的脉动成分，确认了能够降低负荷扭矩变动的脉动成分。并且，显著显示的脉动成分，例如交流电源31为50Hz的情况变成100Hz的脉动成分，只要是100Hz程度高的频率的脉动成分由于马达30的惯性(inertia)效果，这个脉动成分对马达30的旋转速度的影响小。因此，由整流电路20整流了的整流电压基本没有平滑就输入给换流电路25在马达控制装置10内进行扭矩控制动作，由此，可以抑制压缩机的振动。
还有，本实施方式中，马达控制部41调节扭矩控制动作中的扭矩控制量，使换流电路25的开关元件14的电流值不超过基于它的峰值额定电流的上限值。因此，换流电路25的开关元件14的电流值不超过它的峰值额定电流，所以可以防止开关元件14的损伤，还可以提高马达控制装置10的可信度。
—实施方式的变形例1—
说明实施方式的变形例1。这个变形例1中，如图4所示，马达控制装置10，包括电源相位检测部45和马达相位检测部46。
具体地讲，电源相位检测部45构成为检测交流电源31的相位。还有，马达相位检测部46构成为基于马达30的电流值检测马达30的相位。另外，马达相位检测部46还可以是构成为基于马达30的电压值检测马达30的相位，或者由安装在马达30上的相位检测感应器构成。
这个马达控制装置10中，扭矩控制动作之际马达控制部41中输入电源相位检测部45检测的表示交流电源31的相位的电源相位信号、和马达相位检测部检测的表示马达30相位的马达相位信号。还有，马达控制部41中记忆了流过马达30的电流峰值最小时对于交流电源31相位的马达30的相位。例如，马达控制部41，对于如图5(a)所示的交流电源31的相位，将做为如图5(b)所示的马达30的相位状态，做为流过马达30的电流峰值最小状态而记忆。
马达控制部41基于电源相位信号和马达相位信号，掌握对于当时的交流电源31的相位的马达30相位的状况。并且，马达控制部41，调节马达30的相位，通过增加或减少马达30的频率，使它接近(成为)预先记忆的对于交流电源31的相位的马达30的相位状态。例如，马达控制部41认识到对于交流电源31的相位马达30的相位现在呈图5(c)的状态的话，临时增加马达30的频率，将对于交流电源31的相位的马达30的相位调节为图5(b)的状态。
另外，马达控制部41，当进行扭矩控制动作之际马达30的旋转周期不成为交流电源31的半周期的整数倍的情况，调节马达30的频率使马达30的旋转周期变成交流电源31的半周期的整数倍。
这个变形例1中，马达控制部41在扭矩控制动作中相对交流电源31的相位调节马达30的相位使马达30的电流峰值变小，所以转换电路25的开关元件14的电流峰值变小。因此，就可以降低转换电路25的开关元件14损伤的危害性，也就可以提高马达控制装置10的可信度。还有，如上述实施方式那样调节扭矩控制量使马达30的电流值不达到一定的上限值的情况，也可以增大能够调节的扭矩控制量。由此，就可以降低压缩机的振动。
—实施方式的变形例2—
说明实施方式的变形例2。这个变形例2中，如图6所示，马达控制部41包括蜂鸣旋转速度记忆部47。蜂鸣旋转速度记忆部47，将发生蜂鸣音的马达30的旋转速度区域做为蜂鸣音发生区域记忆。蜂鸣音发生区域，例如在设计时由进行的试验导出，记忆在蜂鸣旋转速度记忆部47中。
这个马达控制装置10中，马达控制部41，构成为禁止扭矩控制动作时马达30的旋转速度维持在蜂鸣发生区域的范围内。也就是，马达控制部41，控制马达30的旋转速度使在扭矩控制动作时马达30的旋转速度不在成为蜂鸣发生区域状态连续。例如，要将马达30的旋转速度从比蜂鸣发生区域小的值调节到大的值的情况下，马达30的旋转速度要临时通过蜂鸣发生区域。但是，由马达控制部41的动作可以防止马达30的旋转速度保持在蜂鸣发生区域的范围内。
这个变形例2中，因为抑制了马达30产生的蜂鸣音，也就抑制了由于扭矩控制动作的振动进一步提高了压缩机的静稳性。
(其他的实施方式)
上述实施方式中，还可以是以下的构成。
上述实施方式中，开关元件14还可以是例如碳化硅(SiC)元件、氮化镓(GaN)元件、金刚石(diamond)元件等的宽带隙半导体元件。宽带隙半导体元件，与硅元件相比是带隙大的半导体元件，耐热性高，与相同元件的电流容量相比可以增大电流的峰值额定值。另外，宽带隙半导体元件至少是具有1.2eV以上，最好的是具有2.0eV以上的带隙。
另外，以上的实施方式，从本质上说是最好的示例，本发明无意限制它的适用物或用途范围。
—产业上的实用性—
正如以上所说明的那样，本发明对于包括整流电路和转换电路的压缩机的马达用马达控制装置是有用的。