JP2006166504A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コストや体格が増大することを防止すると共に、スイッチング素子や直流電源などが破壊されることを防止することが可能なインバータ装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 制御装置１１は、３相モータ４２を停止させる際、スイッチング素子３、５、及び７を全てオンさせ、電流センサ８及び９により求められた３相モータ４２のある１相の電流が電流閾値を超えると、スイッチング素子３、５、及び７を全てオフさせ、電圧検出回路１０により求められた直流電源４１の電圧が電圧閾値を超えると、スイッチング素子３、５、及び７を全てオンさせる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数のスイッチング素子によりモータを駆動させるインバータ装置に関し、特に、モータの停止制御に関する。

図４は、既存のインバータ装置を示す図である。
図４に示すインバータ装置４０は、バッテリなどの直流電源４１の直流電力を交流に変換して３相モータ４２を駆動させる。

例えば、インバータ装置４０は、互いに直列に接続された１対のスイッチング素子が３組、それぞれ直流電源４１に並列に接続されて構成され、３組のスイッチング素子のそれぞれの中点と３相モータ４２のＵ相、Ｖ相、及びＷ相のそれぞれの入力とが接続される。そして、インバータ装置４０の各相に設けられるスイッチング素子を順次オン、オフさせることにより３相モータ４２の各相に互いに位相が１２０度づつ異なる交流電力を供給し３相モータ４２を駆動させる。

また、例えば、各スイッチング素子は、３相モータ４２の各相に流れる電流に基づいてＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御され、各相の電流は、各相に設けられる電流センサなどにより求められる。

ところで、このような３相モータ４２を停止させる場合、例えば、インバータ装置４０の外部に抵抗を設け、その抵抗に３相モータ４２を駆動させていたエネルギーを消費させることにより、３相モータ４２を停止させる方法がある。

しかしながら、上記方法では、インバータ装置４０の外部において、エネルギー消費用の抵抗やその抵抗に３相モータ４２を駆動させていたエネルギーを送るためのスイッチなどが必要となるため、その分インバータ装置４０全体のコストや体格が増大してしまうという問題がある。

そこで、例えば、以下に示すような方法が考えられる。
（１）３相モータ４２の各相を互いに短絡させることにより、３相モータ４２を停止させる方法（例えば、特許文献１参照）。

（２）３相モータ４２を駆動させていたエネルギーをインバータ装置４０側に回生させることにより、３相モータ４２を停止させる方法（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−３４８８６８号 （第２〜３頁、第１〜２図） 特開２００２−８４７８０号 （第３〜１０頁、第１〜１０図）

しかしながら、上記（１）の方法では、３相モータ４２の各相を互いに短絡させると、今まで３相モータ４２を駆動させるために各相に流れていた電流が瞬間的に大きくなり、スイッチング素子や３相モータ４２が破壊されるおそれがあるという問題がある。

また、上記（２）の方法では、３相モータ４２を駆動させていたエネルギーを不用意にインバータ装置４０側に回生させてしまうと、インバータ装置４０の入力側に設けられるヒューズが切れたり、直流電源４１が過充電になり、スイッチング素子や直流電源４１などが破壊されるおそれがあるという問題がある。

そこで、本発明は、コストや体格が増大することを防止すると共に、スイッチング素子や直流電源などが破壊されることを防止することが可能なインバータ装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明では、以下のような構成を採用した。
すなわち、本発明のインバータ装置は、モータの各相それぞれに設けられると共に直流電源に並列に接続され、交互にオン、オフすることにより前記直流電源から供給される直流電力を交流に変換し前記モータを駆動させる１対のスイッチング素子と、前記モータの各相の電流を検出する電流検出手段と、前記モータの各相のそれぞれのスイッチング素子のオン、オフを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記モータを停止させる際、前記モータの各相の前記１対のスイッチング素子のうち前記直流電源のマイナス側に接続される下スイッチング素子を全てオンさせ、前記電流検出手段により検出された電流が第１の閾値を超えると、前記モータの各相の前記下スイッチング素子を全てオフさせることを特徴とする。

このように、モータを停止させる際、モータの各相の下スイッチング素子を全てオンさせているので、モータの各相を互いに短絡させることができる。
これにより、今までモータを駆動させていたエネルギーをモータのコイルなどの負荷により電気的に消費させることができ、モータを停止させることができる。

また、電流検出手段により検出された電流が第１の閾値を超えると、モータの各相の下スイッチング素子を全てオフさせているので、今までモータを駆動させていたエネルギーをスイッチング素子側に回生させることができる。

これにより、モータの各相の下スイッチング素子を全てオンさせた際に各相に流れる電流を下げることができる。
また、上記インバータ装置は、前記直流電源の電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記制御手段を、前記電圧検出手段により検出された電圧が第２の閾値を超えると、前記モータの各相の前記下スイッチング素子を全てオンさせるように構成してもよい。

このように、電圧検出手段により検出された電圧が第２の閾値を超えると、モータの各相の下スイッチング素子を全てオンさせているので、１対のスイッチング素子に印加される電圧を降下させることができる。

これにより、モータの各相の下スイッチング素子を全てオフさせた際に１対のスイッチング素子に印加される電圧を降下させることができる。
また、上記インバータ装置の制御手段を、前記電流検出手段により検出された電流が第１の閾値を超えた後、前記電流検出手段により検出された電流が前記第１の閾値よりも小さい第３の閾値を下回ると、前記モータの各相の前記下スイッチング素子を全てオンさせるように構成してもよい。

また、本発明の制御装置は、モータの各相それぞれに設けられると共に直流電源に並列に接続され、交互にオン、オフすることにより前記直流電源から供給される直流電力を交流に変換し前記モータを駆動させる１対のスイッチング素子と、前記モータの各相の電流を検出する電流検出手段とを備えるインバータ装置に設けられ、前記モータの各相のそれぞれのスイッチング素子のオン、オフを制御する制御装置であって、前記モータを停止させる際、前記モータの各相の前記１対のスイッチング素子のうち前記直流電源のマイナス側に接続される下スイッチング素子を全てオンさせ、前記電流検出手段により検出された電流が第１の閾値を超えると、前記モータの各相の前記下スイッチング素子を全てオフさせることを特徴とする。

また、上記制御装置は、前記インバータ装置に前記直流電源の電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記電圧検出手段により検出された電圧が第２の閾値を超えると、前記モータの各相の前記下スイッチング素子を全てオンさせるように構成してもよい。

また、上記制御装置は、前記電流検出手段により検出された電流が第１の閾値を超えた後、前記電流検出手段により検出された電流が前記第１の閾値よりも小さい第３の閾値を下回ると、前記モータの各相の前記下スイッチング素子を全てオンさせるように構成してもよい。

本発明によれば、モータを停止させるために、インバータ装置の外部にエネルギー消費用の抵抗を設ける必要がないので、インバータ装置全体のコストや体格が増大することを防止することができる。

また、モータの各相の下スイッチング素子を全てオンさせた際に各相に流れる電流を下げることができるので、モータの各相の下スイッチング素子を全てオンさせた際に各相に流れる過電流によりスイッチング素子やモータが破壊されることを防止することができる。

また、モータの各相の下スイッチング素子を全てオフさせた際に１対のスイッチング素子に印加される電圧を降下させることができるので、モータの各相の下スイッチング素子を全てオフさせた際に直流電源の電圧が過電圧になることによりスイッチング素子や直流電源が破壊されることを防止することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の実施形態のインバータ装置を示す図である。なお、図４に示すインバータ装置４０と同じ構成には同じ符号を付している。また、３相モータ４２は、コンプレッサ用のモータとする。

図１に示すように、インバータ装置１は、スイッチング素子２〜７と、電流センサ８及び９（電流検出手段）と、電圧検出回路１０（電圧検出手段）と、制御装置１１（制御手段）とを備えて構成されている。

上記スイッチング素子２〜７は、例えば、図１に示すようなＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ以外にもＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などが考えられる。また、スイッチング素子２及び３、スイッチング素子４及び５、並びに、スイッチング素子６及び７は、それぞれ互いに直列に接続され、直流電源４１に並列に接続されている。また、スイッチング素子２及び３の中点は３相モータ４２のＵ相の入力と接続され、スイッチング素子４及び５の中点は３相モータ４２のＶ相の入力と接続され、スイッチング素子６及び７の中点は３相モータ４２のＷ相の入力に接続されている。

上記電流センサ８及び９は、例えば、ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）やホール素子などが考えられ、電流センサ８がＵ相に設けられ、電流センサ９がＷ相に設けられている。

上記電圧検出回路１０は、例えば、抵抗などが考えられ、一方端が直流電源４１のプラス端子とスイッチング素子２のドレインとの間に接続され、他方端が直流電源４１のマイナス端子とスイッチング素子３のソースとの間に接続されている。

上記制御装置１１は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などで構成され、電流センサ８よりＵ相の電流を求め、電流センサ９よりＷ相の電流を求め、残りのＶ相の電流をＵ相の電流とＷ相の電流の合計電流から求め、各相の電流に基づいてドライブ信号を出力している。また、制御装置１１は、電圧検出回路１０の両端電圧により直流電源４１の電圧を求めている。

そして、スイッチング素子２〜７は、それぞれ、制御装置１１から出力されるドライブ信号に基づいてオン、オフすることにより、３相モータ４２の各相に互いに位相が１２０度づつ異なる交流電力を供給し３相モータ４２を駆動させる。

本実施形態のインバータ装置１の特徴とする点は、制御装置１１が、３相モータ４２を停止させる際、スイッチング素子３、５、及び７を全てオンさせ、電流センサ８及び９により求められた３相モータ４２のある１相の電流が電流閾値（第１の閾値）を超えると、スイッチング素子３、５、及び７を全てオフさせ、電圧検出回路１０により求められた直流電源４１の電圧が電圧閾値（第２の閾値）を超えると、スイッチング素子３、５、及び７を全てオンさせる点である。

なお、上記電流閾値は、スイッチング素子２〜７や３相モータ４２が破壊される場合に３相モータ４２の各相に流れる電流よりも少し小さい値に設定されていることが望ましい。また、上記電圧閾値は、スイッチング素子２〜７や直流電源４１が破壊される場合に直流電源４１に印加される電圧よりも少し小さい値に設定されていることが望ましい。

図２は、制御装置１１の動作を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１において、制御装置１１は、３相モータ４２を停止させる旨のモータ停止信号を受け取ると、スイッチング素子３、５、及び７を全てオンさせる。

次に、ステップＳ２において、制御装置１１は、３相モータ４２のある１相の電流が電流閾値以上であるか、または、直流電源４１の電圧が電圧閾値以上であるかを判断する。
上記ステップＳ１のように、スイッチング素子３、５、及び７を全てオンさせると、３相モータ４２の各相は互いに短絡した状態になる。すなわち、スイッチング素子３、５、及び７を全てオンさせると、３相モータ４２の各相が互いに小さい抵抗を介して接続される状態となる。そのため、スイッチング素子３、５、及び７を全てオンさせると、今まで３相モータ４２を駆動させるために３相モータ４２の各相に流れていた電流がそれぞれ瞬間的に大きくなる。

このとき、３相モータ４２のある１相の電流が電流閾値以上である場合、ステップＳ３において、制御装置１１は、スイッチング素子３、５、及び７を全てオフさせ、ステップＳ２に戻る。

そして、このように、スイッチング素子３、５、及び７を全てオフさせると、３相モータ４２の各相に流れていた大きな電流がインバータ装置１側に回生され、直流電源４１の電圧が一時的に上昇する。

このとき、直流電源４１の電圧が電圧閾値以上である場合、ステップＳ４において、制御装置１１は、スイッチング素子３、５、及び７を全てオンさせ、ステップＳ２に戻る。
なお、図２に示すフローチャートは、例えば、フローチャートに対応するプログラムが予めＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などに記録され、ＣＰＵなどによりそのプログラムがＲＯＭやＲＡＭなどから取り出されて実行されることにより実現されてもよい。

このように、本実施形態の制御装置１１は、３相モータ４２を停止させる際、スイッチング素子３、５、及び７を全てオンさせ、３相モータ４２の各相を互いに短絡させている。これにより、制御装置１１は、３相モータ４２へのエネルギーの供給を停止させ、今まで３相モータ４２を駆動させていたエネルギーを３相モータ４２のコイルなどの負荷により電気的に消費させることができ、３相モータ４２を停止させることができる。

このように、本実施形態のインバータ装置１は、外部にエネルギー消費用の抵抗を設ける必要がないので、インバータ装置１全体のコストや体格が増大することを防止することができる。

また、制御装置１１は、３相モータ４２のある１相の電流が電流閾値を超えると、スイッチング素子３、５、及び７を全てオフさせるので、３相モータ４２の電流をインバータ装置１側に回生させることができる。

これにより、スイッチング素子３、５、及び７を全てオンさせることにより３相モータ４２の各相の電流が上昇しても、すぐに３相モータ４２の各相の電流を下げることができるので、スイッチング素子２〜７や３相モータ４２を破壊させないようにすることができる。

また、制御装置１１は、直流電源４１の電圧が電圧閾値を超えると、スイッチング素子３、５、及び７を全てオンさせるので、直流電源４１の電圧を降下させることができる。
これにより、スイッチング素子３、５、及び７を全てオフさせることにより直流電源４１の電圧が上昇しても、すぐに直流電源４１の電圧を降下させることができるので、スイッチング素子２〜７や直流電源４１を破壊させないようにすることができる。

また、制御装置１１は、３相モータ４２を停止させる際、スイッチング素子３、５、及び７を全てオンまたはオフさせるので、スイッチング素子３、５、及び７を全てオフさせ続けることにより３相モータ４２を停止させる場合に比べて、３相モータ４２を駆動させていたエネルギーを早く消費させることができ、３相モータ４２を早く停止させることができる。

次に、電流センサ８及び９により求められた３相モータ４２のある１相の電流（以下、モータ電流という）が電流閾値を超えることによりスイッチング素子３、５、及び７が全てオフしてから再びスイッチング素子３、５、及び７が全てオンするまでの制御装置１１の動作を説明する。

図３は、モータ電流と電流閾値と３相モータ４２の停止制御を復帰させるためのブレーキ制御復帰閾値（第３の閾値）との関係を示す図である。なお、図３に示すグラフの縦軸は電流を示し、横軸は時間を示している。また、図３のＡ１は電流閾値を示し、Ａ２はブレーキ制御復帰閾値を示している。また、図３に示すグラフの下方にはスイッチング素子３、５、及び７のうちのあるスイッチング素子（以下、下スイッチング素子という）のオン、オフを制御させるドライブ信号が示されている。

まず、制御装置１１は、図３に示すタイミングＴ１において、３相モータ４２を停止させる旨のモータ停止信号を受け取ると、スイッチング素子３、５、及び７を全てオンさせる。このとき、モータ電流は上昇する。

そして、図３に示すように、モータ電流が電流閾値Ａ１を超えると、制御装置１１は、タイミングＴ２において、スイッチング素子３、５、及び７を全てオフさせる。このとき、モータ電流は下降する。

次に、制御装置１１は、モータ電流が電流閾値Ａ１を超えると、モータ電流がブレーキ制御復帰閾値Ａ２を下回るか否かを判断し、モータ電流がブレーキ制御復帰閾値Ａ２を下回ると、再びスイッチング素子３、５、及び７を全てオンし、３相モータ４２を停止させる制御に復帰する。

すなわち、図３に示すように、モータ電流が電流閾値Ａ１を超えた後、モータ電流がブレーキ制御復帰閾値Ａ２より下回ると、制御装置１１は、タイミングＴ３において、スイッチング素子３、５、及び７を全てオンし、再び３相モータ４２を停止させる。

なお、上記実施形態では、３相モータ４２を停止させる構成であるが、２相または４相以上のモータを停止させるように構成してもよい。
また、上記実施形態では、直流電源４１からインバータ装置１に直流電力を供給する構成であるが、交流電力を直流電力に変換する直流電源からインバータ装置１に直流電力を供給するように構成してもよい。

また、上記実施形態では、３相モータ４２を停止させる際、スイッチング素子３、５、及び７を全てオンさせる構成であるが、３相モータ４２を停止させる際、３相モータ４２の駆動状況に応じてスイッチング素子３、５、及び７のうち所定の２つのスイッチング素子を共にオンさせるように構成してもよい。

本発明の実施形態のインバータ装置を示す図である。 本発明の実施形態の制御装置の動作を示すフローチャートである。 モータ電流と電流閾値とブレーキ制御復帰閾値との関係を示す図である。 既存のインバータ装置を示す図である。

符号の説明

１ インバータ装置
２〜７ スイッチング素子
８、９ 電流センサ
１０ 電圧検出回路
１１ 制御装置
４０ インバータ装置
４１ 直流電源
４２ ３相モータ

Claims (6)

1. モータの各相それぞれに設けられると共に直流電源に並列に接続され、交互にオン、オフすることにより前記直流電源から供給される直流電力を交流に変換し前記モータを駆動させる１対のスイッチング素子と、
   前記モータの各相の電流を検出する電流検出手段と、
   前記モータの各相のそれぞれのスイッチング素子のオン、オフを制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記モータを停止させる際、前記モータの各相の前記１対のスイッチング素子のうち前記直流電源のマイナス側に接続される下スイッチング素子を全てオンさせ、前記電流検出手段により検出された電流が第１の閾値を超えると、前記モータの各相の前記下スイッチング素子を全てオフさせる、
   ことを特徴とするインバータ装置。
2. 請求項１に記載のインバータ装置であって、
   前記直流電源の電圧を検出する電圧検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記電圧検出手段により検出された電圧が第２の閾値を超えると、前記モータの各相の前記下スイッチング素子を全てオンさせる、
   ことを特徴とするインバータ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のインバータ装置であって、
   前記制御手段は、前記電流検出手段により検出された電流が第１の閾値を超えた後、前記電流検出手段により検出された電流が前記第１の閾値よりも小さい第３の閾値を下回ると、前記モータの各相の前記下スイッチング素子を全てオンさせる、
   ことを特徴とするインバータ装置。
4. モータの各相それぞれに設けられると共に直流電源に並列に接続され、交互にオン、オフすることにより前記直流電源から供給される直流電力を交流に変換し前記モータを駆動させる１対のスイッチング素子と、前記モータの各相の電流を検出する電流検出手段とを備えるインバータ装置に設けられ、前記モータの各相のそれぞれのスイッチング素子のオン、オフを制御する制御装置であって、
   前記モータを停止させる際、前記モータの各相の前記１対のスイッチング素子のうち前記直流電源のマイナス側に接続される下スイッチング素子を全てオンさせ、前記電流検出手段により検出された電流が第１の閾値を超えると、前記モータの各相の前記下スイッチング素子を全てオフさせる、
   ことを特徴とする制御装置。
5. 請求項４に記載の制御装置であって、
   前記インバータ装置は、前記直流電源の電圧を検出する電圧検出手段を備え、
   前記電圧検出手段により検出された電圧が第２の閾値を超えると、前記モータの各相の前記下スイッチング素子を全てオンさせる、
   ことを特徴とする制御装置。
6. 請求項４または請求項５に記載の制御装置であって、
   前記電流検出手段により検出された電流が第１の閾値を超えた後、前記電流検出手段により検出された電流が前記第１の閾値よりも小さい第３の閾値を下回ると、前記モータの各相の前記下スイッチング素子を全てオンさせる、
   ことを特徴とする制御装置。
   
   

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