JP2001268966A

JP2001268966A - インバータ装置

Info

Publication number: JP2001268966A
Application number: JP2000077593A
Authority: JP
Inventors: Hideki Morozumi; 英樹両角; Kazuhiko Asada; 和彦麻田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-03-21
Filing date: 2000-03-21
Publication date: 2001-09-28

Abstract

(57)【要約】【課題】電動機をインバータ回路により駆動する装置
において、電動機の動作領域を簡単な回路構成、制御方
式で拡大するとともに安定した出力性能を確保する。【解決手段】スイッチング手段１、４からなる直列回
路を複数設けたインバータ回路１０と、電動機１１を構
成する固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗと、開閉手段
２１と、制御手段２２と、固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、
１２ｗに流れる電流に相当する値を検知する電流検知手
段２７とを有し、制御手段２２は電流検知手段２７の出
力と電流設定値をうけてスイッチング手段１、４の導通
比を制御するようにしたので、開閉手段２１のオン、オ
フ状態に応じて固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗに流
れる電流を制御でき、出力トルクの安定性を確保でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般家庭で使用さ
れる電気機器に使用される、電動機を駆動するインバー
タ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のインバータ装置の構成を図１２に
示す。

【０００３】スイッチング手段１、２、３、４、５、６
は各々ＩＧＢＴと逆接続ダイオードの並列回路で構成さ
れている。

【０００４】直列回路７は、高電位側のスイッチング手
段１と低電位側のスイッチング手段４が直列接続されて
構成されている。直列回路８は、高電位側のスイッチン
グ手段２と低電位側のスイッチング手段５が直列接続さ
れて構成されている。直列回路９は、高電位側のスイッ
チング手段３と低電位側のスイッチング手段６が直列接
続されて構成されている。

【０００５】インバータ回路１０は直列回路７、８、９
が並列接続されて構成されている。つまり、インバータ
回路１０はスイッチング手段１、２、３、４、５、６が
三相ブリッジされて構成されている。

【０００６】電動機１１は三相結線された固定子巻線１
２ｕ、１２ｖ、１２ｗを有する固定子１２と永久磁石を
備えた回転子１３により構成されている。

【０００７】直流電源１４は交流電源１５を整流回路１
６により整流し、直流電圧を得るように構成される。整
流回路１６はダイオードブリッジ１７と平滑コンデンサ
１８により全波整流されるように構成されている。

【０００８】直流電源１４の高電位側の端子は整流素子
であるダイオード１９のアノードに接続し、ダイオード
１９のカソードはコンデンサ２０の高電位側の端子に接
続することで、ダイオード１９を通じて直流電源１４よ
りコンデンサ２０に電力供給をしている。

【０００９】コンデンサ２０はインバータ回路１０に接
続し、インバータ回路１０に直流電源を出力する。

【００１０】開閉手段２１は固定子巻線１２ｕ、１２
ｖ、１２ｗの中性点とダイオード１９のアノード間に設
けられており、リレーで構成され、オンオフすることで
直流電源１４の出力を前記中性点に接続したり、切り離
したりしている。

【００１１】制御手段９１は、マイクロコンピュータや
複数の論理回路などで構成され、制御手段９１は位置検
知手段２３の出力論理に応じて所定のスイッチング手段
１〜６をオンオフ制御する。同時に制御手段９１は、ス
イッチング手段１〜６のオン期間中の導通比を制御す
る。つまり、図１２のインバータ装置ではパルス幅変調
（ＰＷＭ）を行うことで、固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、
１２ｗへの印加電圧の平均値を制御している。なお、図
１２に示したインバータ装置では、パルス幅変調を行う
ためのキャリア周波数を約１５．６２５kHzにしてい
る。

【００１２】位置検知手段２３は、回転子１３の永久磁
石の磁極を検知する三つのホールＩＣ２４、２５、２６
により構成され、ホールＩＣ２４〜２６は前記永久磁石
の磁極に応じてハイまたはローを制御手段９１に出力す
る。なお、ホールＩＣ２４〜２６は電気角で約１２０度
間隔になるように固定子１２に配設されている。

【００１３】図１２に示した従来のインバータ装置の動
作について説明する。

【００１４】制御手段９１は、開閉手段２１がオン状態
のときとオフ状態のときそれぞれに対応したスイッチン
グ手段のオンオフ制御を行う。開閉手段２１がオフ状態
のときには、位置検知手段２３の出力論理に応じて、１
２０度通電形の全波駆動で電動機１１を駆動する。この
とき、固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗへの印加電圧
の最大値は全波駆動になるので、直流電源１４の出力電
圧の約１／２になる。

【００１５】開閉手段２１がオン状態のときには、位置
検知手段２３の出力論理に応じて、１２０度通電形の半
波で電動機１１を駆動する。このとき、固定子巻線１２
ｕ、１２ｖ、２０ｗへの印加電圧の最大値は直流電源１
４の出力電圧になる。図１２に示したような回転子に永
久磁石を備える電動機では、永久磁石の回転により固定
子巻線１２ｕ〜１２ｗに生じる誘導起電力の最大値が、
開閉手段２１がオン状態のときと開閉手段２１がオフ状
態のときとでは約２倍変化する。従って、開閉手段２１
がオン状態のときには、オフ状態の時の約２倍の速度ま
で速度領域を広げることができる。

【００１６】しかし、開閉手段２１がオン状態のときに
は、電動機１１を半波で駆動することになるので、同じ
トルクを出力するためには固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、
１２ｗに供給する電流も約２倍になる。

【００１７】ダイオード１９は、開閉手段２１がオン状
態の時に固定子巻線１２ｕ〜１２ｗに生じる誘導起電力
が短絡状態になるのを防止するものであり、この短絡電
流により電動機１１の回転方向とは逆方向のトルクが生
じることを防止している。

【００１８】コンデンサ２０は、スイッチング手段オフ
時に生じる回生電流を平滑コンデンサ１８に代わって吸
収するもので、この回生電流を吸収してもインバータ回
路１０の最大電圧定格まで電圧が上がらないような容量
のものを設けている。

【００１９】図１３に、開閉手段２１をオフした状態に
おけるスイッチング手段、ホールＩＣの動作波形を示
す。（ａ）はホールＩＣ２４の出力波形、（ｂ）はホー
ルＩＣ２５の出力波形、（ｃ）はホールＩＣ２６の出力
波形を示している。（ｄ）はスイッチング手段１のオン
オフ状態、（ｅ）はスイッチング手段２のオンオフ状
態、（ｆ）はスイッチング手段３のオンオフ状態、
（ｇ）はスイッチング手段４のオンオフ状態、（ｈ）は
スイッチング手段５のオンオフ状態、（ｉ）はスイッチ
ング手段６のオンオフ状態を示している。（ｊ）は固定
子巻線１２ｕの電流波形、（ｋ）は固定子巻線１２ｖの
電流波形、（ｌ）は固定子巻線１２ｗの電流波形を示し
ている。

【００２０】（ｊ）、（ｋ）、（ｌ）の固定子巻線に流
れる電流波形は高電位側のスイッチング手段１、２、３
がオンしたときに流れる方向を正にしている。スイッチ
ング手段１〜６はいずれも電気角１２０度の期間オンす
るようにしている。制御手段９１を構成するマイクロコ
ンピュータのＲＯＭには、ホールＩＣ２４〜２６の出力
信号の論理に対応したスイッチング手段１〜６のオンオ
フの組み合わせが記憶されている。この組み合わせは電
動機１１の回転方向に応じてそれぞれ記憶されている。

【００２１】図１４に、開閉手段２１をオンした状態に
おけるスイッチング手段、ホールＩＣの動作波形を示
す。（ａ）はホールＩＣ２４の出力波形、（ｂ）はホー
ルＩＣ２５の出力波形、（ｃ）はホールＩＣ２６の出力
波形を示している。（ｄ）はスイッチング手段１のオン
オフ状態、（ｅ）はスイッチング手段２のオンオフ状
態、（ｆ）はスイッチング手段３のオンオフ状態、
（ｇ）はスイッチング手段４のオンオフ状態、（ｈ）は
スイッチング手段５のオンオフ状態、（ｉ）はスイッチ
ング手段６のオンオフ状態を示している。（ｊ）は固定
子巻線１２ｕの電流波形、（ｋ）は固定子巻線１２ｖの
電流波形、（ｌ）は固定子巻線２ｗの電流波形を示して
いる。

【００２２】図１３と同様に（ｊ）（ｋ）（ｌ）の固定
子巻線に流れる電流波形は高電位側のスイッチング手段
１、２、３がオンしたときに流れる方向を正にしてい
る。高電位側のスイッチング手段１、２、３は全てオフ
状態となっているため、固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１
２ｗの正方向には電流が流れていない。低電位側のスイ
ッチング手段４〜６はいずれも電気角１２０度の期間オ
ンするようにしている。制御手段９１を構成するマイク
ロコンピュータのＲＯＭには、ホールＩＣ２４〜２６の
出力信号の論理に対応したスイッチング手段４〜６のオ
ンオフの組み合わせが記憶されている。この組み合わせ
は電動機１１の回転方向に応じてそれぞれ記憶されてい
る。スイッチング手段１〜３については回転方向に関係
なく全てオフするように記憶されている。

【００２３】図１５に、開閉手段２１のオフ状態とオン
状態それぞれにおける電動機１１の速度と出力トルクの
関係を示す。（ａ）は開閉手段２１のオフ状態での特性
を示している。（ｂ）は開閉手段２１のオン状態での特
性を示している。図１５に示すように、低トルク時に
は、（ｂ）の開閉手段２１がオン状態の時の方が、
（ａ）の開閉手段２１がオフ状態の時に比べ高速まで駆
動できる。同時に、低速時には（ａ）の方が（ｂ）に比
べ高トルクまで駆動できる。

【００２４】図１６に、開閉手段２１のオフ状態とオン
状態それぞれにおける固定子巻線１２ｕ〜１２ｗに流れ
る電流と電動機１１の出力トルクの関係を示す。（ａ）
は開閉手段２１のオフ状態での特性を示している。
（ｂ）は開閉手段２１がオン状態での特性を示してい
る。図１６に示すように、（ａ）の開閉手段オン時と
（ｂ）の開閉手段オフ時とでは電流に対する出力トルク
の割合が約２倍と異なっている。

【００２５】図１５と図１６に示した特性の違いは、前
述したように開閉手段２１をオン、オフすることで、固
定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗへの印加電圧の最大値
を約２倍に切り替えるとともに、電動機１１の駆動方式
を、開閉手段２１のオン時には三相半波駆動、開閉手段
２１のオフ時には三相全波駆動にするためである。

【００２６】以上のように、開閉手段２１をオン、オフ
して、固定子巻線１２ｕ、２０ｖ、２０ｗへの印加電圧
の最大値を切り替えるとともに、電動機１１の駆動方法
を三相全波と三相半波に切り替えるので、電動機１１の
速度−トルク特性すなわち動作領域を広げるものであっ
た。

【００２７】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
インバータ装置は開閉手段２１をオン、オフするととも
に電動機１１の駆動方法を三相全波と三相半波に切り替
えることで、電動機１１の動作領域を広げることができ
るが、同時に固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗに流れ
る電流と電動機１１の出力トルクの比も変わってしまう
ので、開閉手段２１のオン、オフを切り替えた時に出力
トルクが変動し、動作が不安定になったり、あるいは過
電流が流れ、電動機１１やインバータ回路１０の発熱が
大になるという第一の課題を有していた。

【００２８】また、開閉手段２１が故障した場合には、
開閉手段２１のオン状態時の特性または開閉手段２１の
オフ状態時の特性のいずれかの状態でしか駆動できなく
なるという第二の課題を有していた。

【００２９】本発明は上記従来の第一の課題を解決する
もので、電動機の固定子巻線に流れる電流を検知し、制
御することにより開閉手段のオンオフに関わらず安定し
た出力を得られるようにすることを目的にしている。

【００３０】また、本発明は上記従来の第二の課題を解
決するもので、比較的簡単な制御で開閉手段の故障を判
定し、インバータ装置の修理を容易することを目的にし
ている。

【００３１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、二つのスイッチング手段からなる直列回路
を複数設けたインバータ回路と、前記インバータ回路の
出力に接続した電動機と、前記インバータ回路の入力端
子に接続したコンデンサと、直流電源と、前記直流電源
の一端と前記コンデンサの間に接続した整流素子と、前
記直流電源と前記整流素子の接続部と前記電動機を構成
する固定子巻線どうしの接続部との間に接続した開閉手
段と、前記スイッチング手段を制御する制御手段と、前
記固定子巻線に流れる電流に相当する値を検知する電流
検知手段とを有し、前記制御手段は前記電流検知手段の
出力と電流設定値をうけて前記スイッチング手段の導通
比を制御するようにしたものである。

【００３２】これにより、前記固定子巻線への印加電圧
を制御できるので、前記固定子巻線に流れる電流を制御
できるようになる。従って、前記開閉手段のオンオフ状
態に応じて、前記固定子巻線に流れる電流を制御できる
ので、出力トルクの安定性を確保したインバータ装置を
実現できる。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１記載の発明は、
二つのスイッチング手段からなる直列回路を複数設けた
インバータ回路と、前記インバータ回路の出力に接続し
た電動機と、前記インバータ回路の入力端子に接続した
コンデンサと、直流電源と、前記直流電源の一端と前記
コンデンサの間に接続した整流素子と、前記直流電源と
前記整流素子の接続部と前記電動機を構成する固定子巻
線どうしの接続部との間に接続した開閉手段と、前記ス
イッチング手段を制御する制御手段と、前記固定子巻線
に流れる電流に相当する値を検知する電流検知手段とを
有し、前記制御手段は前記電流検知手段の出力と電流設
定値をうけて前記スイッチング手段の導通比を制御する
ようにしたものであり、前記固定子巻線への印加電圧を
制御できるので、前記固定子巻線に流れる電流を制御で
きることになり、前記開閉手段のオンオフ状態に応じて
前記固定子巻線に流れる電流を制御して、出力トルクの
安定性を確保できる。

【００３４】また、本発明の請求項２記載の発明は、請
求項１記載の発明に加えて、制御手段は開閉手段がオフ
状態においては電流設定値が第一の電流制限値を越えな
いようにし、前記開閉手段がオン状態においては前記電
流設定値が第二の電流制限値を越えないようにしたもの
であり、前記開閉手段のオン、オフ状態に対応した最大
の電流値を設定できるので、電動機の動作領域を充分に
利用することができる。また、過大なトルクを出力し
て、前記電動機の出力軸が破損するのを防止することが
できる。

【００３５】また、本発明の請求項３記載の発明は、請
求項１または２に記載の発明に加えて、制御手段は電動
機の運転中に開閉手段がオフ状態からオン状態になると
電流設定値を大きくするようにしたものであり、前記開
閉手段がオフ状態からオン状態になった直後に出力トル
クが半減して、前記電動機が停止したり、低速運転にな
るのを防止して、確実に目標速度まで駆動することがで
きる。

【００３６】また、本発明の請求項４記載の発明は、請
求項１または２に記載の発明に加えて、電動機の速度を
検知する速度検知手段を有し、前記速度検知手段の出力
が所定値を越えると、制御手段は電流検知手段の出力と
電流設定値をうけて開閉手段の導通比を制御するように
したものであり、前記開閉手段の導通比のみで固定子巻
線への印加電圧を制御できるので、前記開閉手段オン直
後に固定子巻線に過大な電流が流れるのを防止すること
ができる。また、スイッチング手段の発熱を防止するこ
とができる。

【００３７】また、本発明の請求項５記載の発明は、請
求項１〜４のいずれか１項に記載の発明に加えて、制御
手段は、スイッチング手段のオン、オフ状態と電流検知
手段の出力により開閉手段の故障判定を行うようにした
ものであり、簡単にインバータ装置の異常を検知でき、
また前記開閉手段を取り替えることにより、インバータ
装置を修理できる。

【００３８】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら説明する。

【００３９】（実施例１）図１に本発明の第１の実施例
であるインバータ装置の主要部回路構成図を示す。

【００４０】スイッチング手段１、２、３、４、５、６
は各々、高周波スイッチングと大電流容量に対応できる
ＩＧＢＴと逆接続ダイオードの並列回路で構成されてい
る。しかし、これに限定するものではなく、ＩＧＢＴの
代わりにトランジスタやＭＯＳＦＥＴを使用してもよ
い。

【００４１】直列回路７は、高電位側のスイッチング手
段１と低電位側のスイッチング手段４が直列接続されて
構成されている。直列回路８は、高電位側のスイッチン
グ手段２と低電位側のスイッチング手段５が直列接続さ
れて構成されている。直列回路９は、高電位側のスイッ
チング手段３と低電位側のスイッチング手段６が直列接
続されて構成されている。

【００４２】インバータ回路１０は直列回路７、８、９
が並列接続されて構成されている。つまり、インバータ
回路１０はスイッチング手段１、２、３、４、５、６が
三相ブリッジされて構成されている。

【００４３】電動機１１は三相結線された固定子巻線１
２ｕ、１２ｖ、１２ｗを有する固定子１２と永久磁石を
備えた回転子１３により構成されている。

【００４４】直流電源１４は交流電源１５を整流回路１
６により整流し、直流電圧を得るように構成される。整
流回路１６はダイオードブリッジ１７と平滑コンデンサ
１８により全波整流されるように構成されている。な
お、これは一例であり、例えば電池で直流電源を構成し
てもよいし、整流回路の構成を倍電圧整流できるように
してもよい。

【００４５】直流電源１４の高電位側の端子は整流素子
であるダイオード１９のアノードに接続し、ダイオード
１９のカソードはコンデンサ２０の高電位側の端子に接
続している。ダイオード１９は、開閉手段２１がオン状
態の時に固定子巻線１２ｕ〜１２ｗに生じる誘導起電力
が短絡状態になるのを防止するものであり、この短絡電
流により電動機１１の回転方向とは逆方向のトルクが生
じることを防止している。

【００４６】コンデンサ２０はインバータ回路１０に接
続し、インバータ回路１０に直流電源を出力する。コン
デンサ２０は、スイッチング手段オフ時に生じる回生電
流を平滑コンデンサ１８に代わって吸収するもので、こ
の回生電流を吸収してもインバータ回路の最大電圧定格
まで電圧が上がらないような容量のものを設けている。

【００４７】開閉手段２１は固定子巻線１２ｕ、１２
ｖ、１２ｗの中性点とダイオード１９のアノード間に設
けられており、リレーで構成される。このリレーは制御
手段２２の出力信号をうけてオン、オフすることで直流
電源１４と固定子巻線１２ｕ〜１２ｗの中性点を接続し
たり、切り離したりする。なおリレーの代わりに、パワ
ー半導体素子であるＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴや双方向ス
イッチング素子であるトライアックを用いてもよいし、
メカニカルラッチ方式のスイッチを用いてもよい。

【００４８】制御手段２２は、マイクロコンピュータや
複数の論理回路、オペアンプなどのアナログＩＣなどで
構成されている。制御手段２２は位置検知手段２３の出
力論理に応じて所定のスイッチング手段１〜６をオンオ
フ制御する。同時に制御手段２２はスイッチング手段４
〜６の導通比をパルス幅変調（ＰＷＭ）で制御して、固
定子巻線１２ｕ〜１２ｗへの印加電圧の平均値を制御し
ている。本実施例では電動機１１の低騒音化のために、
ＰＷＭのキャリア周波数を１５．６２５kHzにしてい
る。

【００４９】スイッチング手段４〜６の導通比は、電流
検知手段２７の出力値が、電流設定手段２８の設定する
電流設定値ＩｓになるようにＰＩ（比例積分）制御によ
り設定する。つまり、電流設定値Ｉｓと電流検知手段２
７の出力値の偏差と、この偏差の積分値により、スイッ
チング手段４〜６の導通比を設定している。開閉手段２
１であるリレーのオンオフについては、電動機１１の目
標速度もしくは速度検知手段２９の出力する検知速度に
より制御する。しかしながら、これは一例であり、高電
位側のスイッチング手段１〜３の導通比を制御するよう
にしてもよいし、導通比の設定をＰＩ制御ではなく、フ
ァジー制御や、データテーブルなどで設定してもよい
し、ＰＷＭのキャリア周波数を可変にしてもよい。

【００５０】位置検知手段２３は、回転子１３の永久磁
石の磁極を検知する三つのホールＩＣ２４、２５、２６
により構成され、ホールＩＣ２４〜２６は前記永久磁石
の磁極に応じてハイまたはローを制御手段２２に出力す
る。なお、ホールＩＣ２４〜２６は電気角で約１２０度
間隔になるように固定子１２に配設されている。なお、
これは一例で固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗに生じ
る誘導起電力を検知して、回転子１３の位置を検知して
もよいし、ロータリエンコーダを用いてもよい。

【００５１】電流検知手段２７は直流電源１４の低電位
側の端子とコンデンサ２０の低電位側の端子間に接続さ
れた大電力対応で低抵抗値の電流検知抵抗と、前記電流
検知抵抗の両端電圧を増幅するオペアンプにより構成さ
れた反転増幅回路と、前記反転増幅回路の出力値をピー
クホールドするダイオードおよびコンデンサで構成され
たピークホールド回路により構成されている。つまり、
本実施例において、電流検知手段２７はインバータ入力
電流のピーク値を検知していることになる。図２および
図３でも示すが、インバータ入力電流のピーク値を検知
することにより、固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗに
流れる電流を全て検知することができるので、固定子巻
線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗにそれぞれ電流トランスなど
を設けるより簡単かつ低コストで構成できる。

【００５２】また、本実施例のように回転子１３が永久
磁石を有するような直流ブラシレスモータにおいては、
電動機１１の速度に関係なく、固定子巻線１２ｕ〜１２
ｗに流れる電流と電動機１１の出力トルクは比例関係に
なるので、電流検知手段２７により固定子巻線１２ｕ〜
１２ｗの電流に相当する値を検知することで、出力トル
クも検知することができる。ただし、これは一例であ
り、前述したように固定子巻線１２ｕ〜１２ｗにそれぞ
れ電流トランスを設けても良いし、直流成分まで測定で
きるホール素子などを用いた構成にしても良い。

【００５３】電流設定手段２８は制御手段２２と同様の
マイクロコンピュータにより構成される。マイクロコン
ピュータ内のＲＯＭには予め電動機１１の出力トルクと
固定子巻線１２ｕ〜１２ｗに流れる電流の関係式が記憶
されており、トルク設定値Ｔｓを入力することで、これ
に対応した電流設定値Ｉｓを制御手段２２に出力する。
なお、この関係式は開閉手段２１がオン状態の時と、オ
フ状態の時では異なるので、本実施例では、それぞれに
対応した関係式をＲＯＭに記憶している。なお、電動機
１１の出力トルクと固定子巻線１２ｕ〜１２ｗに流れる
電流の関係については図５で説明する。

【００５４】速度検知手段２９は所定期間内に生じるホ
ールＩＣ２６のパルス数を８ビットカウンタがカウント
し、この８ビット値に対応した速度の値をマイクロコン
ピュータ内のＲＯＭに記憶しておき、制御手段２２に出
力している。

【００５５】図１に示したインバータ装置の動作につい
て図２および図３を用いて説明する。

【００５６】図２は開閉手段２１がオフ状態におけるス
イッチング手段１〜６、ホールＩＣ２４〜２６、固定子
巻線１２ｕ〜１２ｗに流れる電流、電流検知手段２７が
検知するインバータ入力電流の動作波形を示している。
（ａ）はホールＩＣ２４の出力波形、（ｂ）はホールＩ
Ｃ２５の出力波形、（ｃ）はホールＩＣ２６の出力波形
を示している。（ｄ）はスイッチング手段１のオン、オ
フ状態、（ｅ）はスイッチング手段２のオン、オフ状
態、（ｆ）はスイッチング手段３のオン、オフ状態、
（ｇ）はスイッチング手段４のオン、オフ状態、（ｈ）
はスイッチング手段５のオン、オフ状態、（ｉ）はスイ
ッチング手段６のオン、オフ状態を示している。（ｊ）
は固定子巻線１２ｕの電流波形、（ｋ）は固定子巻線１
２ｖの電流波形、（ｌ）は固定子巻線１２ｗの電流波
形、（ｍ）は電流検知手段２７が検知するインバータ入
力電流波形を示している。

【００５７】（ｊ）、（ｋ）、（ｌ）の固定子巻線に流
れる電流波形は高電位側のスイッチング手段１、２、３
がオンしたときに流れる方向を正にしている。（ｍ）の
インバータ入力電流波形はコンデンサ２０から直流電源
１４へ流れる方向を正にしている。スイッチング手段１
〜６はいずれも電気角１２０度の期間オンするようにし
ている。制御手段２２を構成するマイクロコンピュータ
のＲＯＭには、ホールＩＣ２４〜２６の出力信号の論理
に対応したスイッチング手段１〜６のオンオフの組み合
わせが記憶されている。この組み合わせは電動機１１の
回転方向に応じてそれぞれ記憶されている。

【００５８】また、本実施例では低電位側のスイッチン
グ手段４〜６のオン期間中の導通比をＰＷＭ制御して、
固定子巻線１２ｕ〜１２ｗへの印加電圧の平均値を制御
している。（ｍ）に示したインバータ入力電流は、スイ
ッチング手段４〜６がオンの時に流れるものである。従
って、インバータ入力電流のピーク値を検知することに
より固定子巻線１２ｕ〜１２ｗに流れる電流のピーク値
を検知することができる。

【００５９】図３に、開閉手段２１がオン状態における
スイッチング手段１〜６、ホールＩＣ２４〜２６、固定
子巻線１２ｕ〜１２ｗに流れる電流、電流検知手段２７
が検知するインバータ入力電流の動作波形の一例を示
す。（ａ）はホールＩＣ２４の出力波形、（ｂ）はホー
ルＩＣ２５の出力波形、（ｃ）はホールＩＣ２６の出力
波形を示している。（ｄ）はスイッチング手段１のオ
ン、オフ状態、（ｅ）はスイッチング手段２のオン、オ
フ状態、（ｆ）はスイッチング手段３のオン、オフ状
態、（ｇ）はスイッチング手段４のオン、オフ状態、
（ｈ）はスイッチング手段５のオン、オフ状態、（ｉ）
はスイッチング手段６のオン、オフ状態を示している。
（ｊ）は固定子巻線１２ｕの電流波形、（ｋ）は固定子
巻線１２ｖの電流波形、（ｌ）は固定子巻線１２ｗの電
流波形、（ｍ）は電流検知手段２７が検知するインバー
タ入力電流波形を示している。

【００６０】（ｊ）、（ｋ）、（ｌ）の固定子巻線１２
ｕ〜１２ｗに流れる電流は図２と同様に高電位側のスイ
ッチング手段１〜３がオンしたときに流れる方向を正に
している。（ｍ）の電流検知手段２７が検知するインバ
ータ入力電流はコンデンサ２０から直流電源１４に流れ
る方向を正にしている。制御手段２２を構成するマイク
ロコンピュータのＲＯＭには、図２と同様のホールＩＣ
２４〜２６の出力信号の論理に対応したスイッチング手
段１〜６のオンオフの組み合わせが記憶され、スイッチ
ング手段１〜６がそれぞれ１２０度の期間オンするよう
にしている。

【００６１】図３においては、開閉手段２１を通じて、
直流電源１４と固定子巻線１２ｕ〜１２ｗの中性点が接
続されるため、高電位側のスイッチング手段１〜３をオ
ンしても、固定子巻線１２ｕ〜１２ｗの両端の電圧が同
じなので電流は流れない。従って、低電位側のスイッチ
ング手段４〜６がオンしたときだけ直流電源１４より電
力が供給される三相半波の駆動方式で電動機１１を駆動
することになる。この時、高電位側のスイッチング手段
１〜３をオンするのは、低電位側のスイッチング手段４
〜６がオフしたときに生じる回生電流を高電位側のスイ
ッチング手段１〜３を通じて、別の固定子巻線に流すこ
とにより、コンデンサ２０が回生電流により過大な電圧
まで充電されることを防止するものである。

【００６２】また、本実施例では低電位側のスイッチン
グ手段４〜６のオン期間中の導通比をＰＷＭ制御して、
固定子巻線１２ｕ〜１２ｗへの印加電圧の平均値を制御
している。（ｍ）に示したインバータ入力電流は、スイ
ッチング手段４〜６がオンの時に流れるものである。従
って、インバータ入力電流のピーク値を検知することに
より固定子巻線１２ｕ〜１２ｗに流れる電流のピーク値
を検知することができる。

【００６３】図４に開閉手段２１のオフ状態とオン状態
それぞれにおける電動機１１の速度と出力トルクの関係
を示す。（ａ）は開閉手段２１のオフ状態での特性を示
している。（ｂ）は開閉手段２１のオン状態での特性を
示している。Ｎｓ１は後で説明するが、開閉手段２１の
オン、オフを切り替える速度である。Ｎｓ２は電動機１
１の目標速度を示している。図４に示しているように、
低トルク時には（ｂ）の開閉手段２１がオン状態の時の
方が、（ａ）の開閉手段２１がオフ状態の時に比べ高速
まで駆動できる。同時に、低速時には（ａ）の方が
（ｂ）に比べ高トルクまで駆動できる。

【００６４】図５に、開閉手段２１のオフ状態とオン状
態それぞれにおける固定子巻線１２ｕ〜１２ｗに流れる
電流と電動機１１の出力トルクの関係を示す。（ａ）は
開閉手段２１のオフ状態での特性を示している。（ｂ）
は開閉手段２１がオン状態での特性を示している。Ｔｓ
はトルク設定値でＩｓ１は開閉手段２１がオフ状態での
電流設定値、Ｉｓ２は開閉手段２１がオン状態での電流
設定値である。Ｔｍａｘはトルク制限値で、過大トルク
により電動機１１の出力軸が破損することを防止するた
めに設けている。Ｉｍａｘ１は第一の電流制限値で開閉
手段２１がオフ状態での電流制限値である。Ｉｍａｘ２
は第二の電流制限値で開閉手段２１がオン状態での電流
制限値である。

【００６５】図４と図５に示した特性の違いは、前述し
たように開閉手段２１をオン、オフすることで、固定子
巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗへの印加電圧の最大値を約
２倍に切り替えるとともに、電動機１１の駆動方式を、
開閉手段２１のオン時には三相半波駆動、開閉手段２１
のオフ時には三相全波駆動にするためである。

【００６６】図６に、図１のインバータ装置の駆動フロ
ーチャートを示す。

【００６７】電動機１１の運転が開始されると、ステッ
プ３１で電動機１１の出力トルクＴｓと目標速度Ｎｓ２
が設定される。その後、ステップ３２で三相全波駆動サ
ブルーチンを行う。ステップ３３では速度検知手段２９
が電動機１１の速度を検知し、所定速度Ｎｓ１を検知す
ると、ステップ３４で三相半波駆動サブルーチンを行い
目標速度Ｎｓ２で電動機１１を駆動する。

【００６８】図７は三相全波駆動サブルーチンのフロー
チャートである。三相全波駆動サブルーチンが開始され
ると、ステップ４１で開閉手段２１であるリレーをオフ
する。これにより電動機１１の固定子巻線１２ｕ〜１２
ｗの中性点は非接続となる。ステップ４２では、電流設
定手段２８が、図５に示した電動機１１の出力トルクと
固定子巻線１２ｕ〜１２ｗの電流の関係式に基づいてト
ルク設定値Ｔｓに対応した電流設定値Ｉｓ１を設定す
る。ステップ４３では、制御手段２２が図２に示したよ
うにホールＩＣ２４〜２６の出力論理の組み合わせに対
応してスイッチング手段１〜６をオンオフ制御すること
で、電動機１１を三相全波で駆動するとともに電流設定
値Ｉｓ１と電流検知手段２７の出力値によりＰＩ制御で
スイッチング手段１〜６の導通比を設定する。ステップ
４４で速度検知手段２９の出力値が所定速度Ｎｓ１以上
であるかを判定し、Ｎｓ１以上であるならば三相全波駆
動サブルーチンを終了する。

【００６９】図８は三相半波駆動サブルーチンのフロー
チャートである。三相半波駆動サブルーチンが開始され
ると、ステップ５１で開閉手段２１であるリレーをオン
する。これにより固定子巻線１２ｕ〜１２ｗの中性点と
直流電源１４が接続する。ステップ５２では、電流設定
手段２８が、図５に示した電動機１１の出力トルクと固
定子巻線１２ｕ〜１２ｗの電流の関係式に基づいてトル
ク設定値Ｔｓに対応した電流設定値Ｉｓ２を設定する。
ステップ５３では、制御手段２２が図３に示したように
ホールＩＣ２４〜２６の出力論理の組み合わせに対応し
てスイッチング手段１〜６をオンオフ制御することで、
電動機１１を三相半波で駆動するとともに電流設定値Ｉ
ｓ２と電流検知手段２７の出力値によりＰＩ制御でスイ
ッチング手段４〜６の導通比を設定し、この導通比でス
イッチング手段４〜６をＰＷＭ制御しながら、目標速度
Ｎｓ２まで電動機１１を駆動する。ステップ５４では電
動機１１の負荷が大きくなるなどにより電動機１１の速
度が所定速度Ｎｓ１以下になるかを検知しており、Ｎｓ
１より低ければ三相半波駆動サブルーチンを終了し、再
び三相全波駆動サブルーチンを開始する。

【００７０】以上のように、図１〜８で示したインバー
タ装置においては、回転子１３に永久磁石を有している
ので、電動機１１の出力トルクと固定子巻線１２ｕ〜１
２ｗに流れる電流が比例関係になる。そこで、電動機１
１の出力トルクを設定し、開閉手段２１のオンオフ状態
に応じて、図５に示したトルクと電流の関係式からそれ
ぞれに対応した電流設定値を設定すれば、開閉手段２１
のオン、オフに関係なく安定した出力トルクで電動機１
１を駆動できる。これは本発明の請求項１、３の一実施
例にあたる。なお、図６〜７で示したように所定速度Ｎ
ｓ１で開閉手段２１をオンオフのは、電動機１１をでき
るだけ高効率で駆動するためである。しかしながら、こ
れは一例であり、別の条件で開閉手段２１をオンオフし
てもよい。

【００７１】また、図５に示したように、開閉手段２１
のオンオフ状態に応じて第一の電流制限値Ｉｍａｘ１と
第二の電流制限値Ｉｍａｘ２を設けることにより、電動
機１１の出力トルクを最大限に利用することができ、開
閉手段２１を設けたことにより拡大した動作領域を充分
に利用することができる。これは本発明の請求項２の一
実施例にあたる。

【００７２】（実施例２）図９に本発明の第２の実施例
であるインバータ装置の主要部回路構成図を示す。

【００７３】開閉手段６１は高周波スイッチングと大電
流容量に対応可能なＩＧＢＴ６２とＩＧＢＴ６２と直列
接続したダイオード６３で構成され、ＩＧＢＴ６２とダ
イオード６３の接続点と固定子巻線１２ｕ〜１２ｗの中
性点が接続している。

【００７４】制御手段６４はＩＧＢＴ６２をパルス幅変
調（ＰＷＭ）によりオンオフ制御する。つまり、電動機
１１を低電位側のスイッチング手段４〜６で三相半波で
駆動する場合には、ＩＧＢＴ６２をＰＷＭすることで、
固定子巻線１２ｕ〜１２ｗへの印加電圧の平均値を制御
し、電流検知手段２７の出力が電流設定値になるように
している。ＰＷＭのキャリア周波数は図１のインバータ
装置と同様に１５．６２５kHzとする。

【００７５】なお、その他の構成については実施例１と
同じであるので、説明を省略する。

【００７６】以上のように、開閉手段６１の導通比を制
御すれば、三相半波で駆動する場合においてはインバー
タ回路を構成するスイッチング手段４〜６を高周波スイ
ッチングする必要がないので、スイッチング手段４〜６
の発熱を抑えることができる。開閉手段６１を構成する
ＩＧＢＴ６２の発熱は大きくなるが、一つだけなので、
電流定格の大きなものを用いても、低コストにすること
ができる。これは本発明の請求項４の一実施例にあた
る。

【００７７】（実施例３）図１０に本発明の第３の実施
例であるインバータ装置の故障判定のフローチャートを
示す。インバータ装置の構成は図１と同様である。

【００７８】電動機１１の運転を開始すると、ステップ
７１で故障判定サブルーチンを行い、開閉手段２１の短
絡および断線の判定を行う。異常がなければ、ステップ
７２で電動機１１の出力トルクＴｓの設定および目標速
度Ｎｓ２を設定する。ステップ７３では三相全波駆動サ
ブルーチンを行い、ステップ７４で速度検知手段２９が
電動機１１の速度を検知し、所定速度Ｎｓ１を検知する
と、ステップ７５で三相半波駆動サブルーチンを行い、
電動機１１を目標速度Ｎｓ２で駆動する。ステップ７３
の三相全波駆動サブルーチンとステップ７５の三相半波
駆動サブルーチンは図７に示した三相全波駆動サブルー
チンおよび図８に示した三相半波駆動サブルーチンと同
様である。

【００７９】図１１は故障判定サブルーチンのフローチ
ャートを示している。故障判定サブルーチンがスタート
すると、ステップ８１で制御手段２２が開閉手段２１で
あるリレーにオン信号を出力する。従って、直流電源１
４と固定子巻線１２ｕ〜１２ｗの中性点が接続されてい
るはずなので、低電位側のスイッチング手段４〜６をオ
ンした場合は直流電源１４より電流が供給されるはずで
ある。ステップ８２では、低電位側のスイッチング手段
４〜６を同時に所定の導通比でオンする。この導通比は
固定子巻線１２ｕ〜１２ｗおよびスイッチング手段４〜
６に過電流が流れるのを防止するため小さい方がよい。

【００８０】ステップ８３では電流検知手段２７が電流
を検知したかどうかを制御手段２２が判定し、電流を検
知できていなければ、開閉手段２１の断線故障と考えら
れるので、ステップ８４で電動機１１の動作を停止す
る。電流が検知できた場合は、ステップ８５で制御手段
２２は開閉手段２１にオフ信号を出力する。従って、開
閉手段２１はオフしているはずなので、低電位側スイッ
チング手段４〜６をオンしても直流電源１４より電流は
供給されないはずである。ステップ８６では、低電位側
のスイッチング手段４〜６を同時に所定の導通比でオン
する。この導通比は、ステップ８２と同じ値にしてい
る。ステップ８７では電流検知手段２７が電流を検知し
たかどうかを制御手段２２が判定し、電流を検知した場
合は、開閉手段２１が短絡故障していると考えられるの
で、ステップ８４で電動機１１の動作を停止する。電流
が検知されなかった場合は、正常であると判断し、故障
判定サブルーチンを終了する。

【００８１】以上のように、スイッチング手段４〜６の
オンオフ制御と電流検知手段２７の出力の関係により開
閉手段２１の故障判定ができるので、開閉手段２１の異
常を確認でき、部品の交換が可能になる。従って、低速
駆動中に充分なトルクが出力されないとか、電動機の速
度が目標値まで駆動されないといった異常状態を対策す
ることができる。

【００８２】なお、これは一例であり、スイッチング手
段のオンオフ状態と電流検知手段の出力で判定を行うの
であればその他の方法で故障判定を行っても構わない。
例えば、図２、図３の動作波形より三相全波駆動と三相
半波駆動ではインバータ入力電流の包絡線の周期が異な
ることがわかるので、電流検知手段が電流の周期を検知
できるようにしておき、開閉手段にオフ信号を出力して
いるにも関わらず、電流の周期が三相半波駆動と同じで
あれば、開閉手段は短絡故障していると判定してもよ
い。この場合は電動機の駆動中に開閉手段が故障しても
すぐ検知することができる。これは本発明の請求項５の
一実施例にあたる。

【００８３】なお、本実施例では示していないが、電動
機の構成を誘導電動機やスイッチトリラクタンスモータ
にしてもよい。この場合についても、開閉手段のオン、
オフにより、巻線への最大印加電圧を切り替えるととも
に電動機の駆動方法を全波駆動または半波駆動に切り替
えるので、固定子巻線に流れる電流と出力トルクの関係
が変化する。この関係をマイクロコンピュータ内のＲＯ
Ｍなどに記憶しておけば、開閉手段のオン、オフに対応
して電流設定値を代えることが可能になり、安定したト
ルクで駆動することができる。

【００８４】

【発明の効果】以上のように、本発明の請求項１記載の
発明によれば、二つのスイッチング手段からなる直列回
路を複数設けたインバータ回路と、前記インバータ回路
の出力に接続した電動機と、前記インバータ回路の入力
端子に接続したコンデンサと、直流電源と、前記直流電
源の一端と前記コンデンサの間に接続した整流素子と、
前記直流電源と前記整流素子の接続部と前記電動機を構
成する固定子巻線どうしの接続部との間に接続した開閉
手段と、前記スイッチング手段を制御する制御手段と、
前記固定子巻線に流れる電流に相当する値を検知する電
流検知手段とを有し、前記制御手段は前記電流検知手段
の出力と電流設定値をうけて前記スイッチング手段の導
通比を制御するようにしたので、前記固定子巻線への印
加電圧を制御できるので、前記固定子巻線に流れる電流
を制御できることになり、前記開閉手段のオン、オフ状
態に応じて前記固定子巻線に流れる電流を制御して、前
記開閉手段のオン、オフに関わりなく出力トルクの安定
性を確保できる。

【００８５】また、本発明の請求項２記載の発明によれ
ば、請求項１記載の発明に加えて、制御手段は開閉手段
がオフ状態においては電流設定値が第一の電流制限値を
越えないようにし、前記開閉手段がオン状態においては
前記電流設定値が第二の電流制限値を越えないようにし
たので、前記開閉手段のオンオフ状態に対応した最大の
電流値を設定でき、電動機の動作領域を充分に利用する
ことができる。また、過大なトルクを出力して、前記電
動機の出力軸が破損するのを防止できる。

【００８６】また、本発明の請求項３記載の発明によれ
ば、請求項１または２に記載の発明に加えて、制御手段
は電動機の運転中に開閉手段がオフ状態からオン状態に
なると電流設定値を大きくするようにしたので、前記開
閉手段がオフ状態からオン状態になった直後に出力トル
クが半減して、前記電動機が停止したり、低速運転にな
るのを防止でき、確実に目標速度まで駆動することがで
きる。

【００８７】また、本発明の請求項４記載の発明によれ
ば、請求項１または２に記載の発明に加えて、電動機の
速度を検知する速度検知手段を有し、前記速度検知手段
の出力が所定値を越えると、制御手段は電流検知手段の
出力と電流設定値をうけて開閉手段の導通比を制御する
ようにしたので、前記開閉手段の導通比のみで固定子巻
線への印加電圧を制御できるので、前記開閉手段オン直
後に固定子巻線に過大な電流が流れるのを防止できる。
また、スイッチング手段の発熱を低く抑えることができ
る。

【００８８】また、本発明の請求項５記載の発明によれ
ば、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明に加え
て、制御手段は、スイッチング手段のオンオフ状態と電
流検知手段の出力により開閉手段の故障判定を行うよう
にしたので、簡単にインバータ装置の異常を検知でき、
また前記開閉手段を取り替えることにより、インバータ
装置を修理できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１におけるインバータ装置の主
要部回路構成図

【図２】同インバータ装置の開閉手段オフ時の主要部動
作波形図

【図３】同インバータ装置の開閉手段オン時の主要部動
作波形図

【図４】同インバータ装置の電動機の速度と出力トルク
の特性図

【図５】同インバータ装置の電動機の出力トルクと固定
子巻線電流の特性図

【図６】同インバータ装置の駆動フローチャート

【図７】同インバータ装置の三相全波駆動サブルーチン
のフローチャート

【図８】同インバータ装置の三相半波駆動サブルーチン
のフローチャート

【図９】本発明の実施例２におけるインバータ装置の主
要部回路構成図

【図１０】本発明の実施例３におけるインバータ装置の
駆動フローチャート

【図１１】同インバータ装置の故障判定サブルーチンの
フローチャート

【図１２】従来のインバータ装置の主要部回路構成図

【図１３】同インバータ装置の開閉手段オフ時の主要部
動作波形図

【図１４】同インバータ装置の開閉手段オン時の主要部
動作波形図

【図１５】同インバータ装置の電動機の出力トルクと速
度の特性図

【図１６】同インバータ装置の電動機の出力トルクと固
定子巻線電流の特性図

【符号の説明】

１、２、３、４、５、６スイッチング手段７、８、９直列回路１０インバータ回路１１電動機１２固定子１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ固定子巻線１３回転子１４直流電源１９ダイオード（整流素子）２０コンデンサ２１開閉手段２２制御手段２３位置検知手段２７電流検知手段２８電流設定手段２９速度検知手段６１開閉手段６４制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5H560 AA10 BB04 BB07 BB12 DA02 DA19 DB02 DC12 EB01 EC09 EC10 GG04 JJ01 JJ19 RR05 RR10 SS07 TT07 TT12 TT15 TT20 UA05 UA06 XA02 XA12 5H576 BB06 BB07 CC02 CC05 DD02 DD04 DD07 EE11 EE12 EE14 GG01 GG02 GG04 HA03 HA04 HA08 HB02 JJ03 JJ17 JJ24 LL10 LL22 LL41 LL55 MM01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二つのスイッチング手段からなる直列回路
を複数設けたインバータ回路と、前記インバータ回路の
出力に接続した電動機と、前記インバータ回路の入力端
子に接続したコンデンサと、直流電源と、前記直流電源
の一端と前記コンデンサの間に接続した整流素子と、前
記直流電源と前記整流素子の接続部と前記電動機を構成
する固定子巻線どうしの接続部との間に接続した開閉手
段と、前記スイッチング手段を制御する制御手段と、前
記固定子巻線に流れる電流に相当する値を検知する電流
検知手段とを有し、前記制御手段は前記電流検知手段の
出力と電流設定値をうけて前記スイッチング手段の導通
比を制御するインバータ装置。
【請求項２】制御手段は開閉手段がオフ状態においては
電流設定値が第一の電流制限値を越えないようにし、前
記開閉手段がオン状態においては前記電流設定値が第二
の電流制限値を越えないようにした請求項１に記載のイ
ンバータ装置。
【請求項３】制御手段は電動機の運転中に開閉手段がオ
フ状態からオン状態になると電流設定値を大きくする請
求項１または２に記載のインバータ装置。
【請求項４】電動機の速度を検知する速度検知手段を有
し、前記速度検知手段の出力が所定値を越えると、制御
手段は電流検知手段の出力と電流設定値をうけて開閉手
段の導通比を制御する請求項１または２に記載のインバ
ータ装置。
【請求項５】制御手段は、スイッチング手段のオンオフ
状態と電流検知手段の出力により開閉手段の故障判定を
行う請求項１〜４のいずれか１項に記載のインバータ装
置。