JP2009201206A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】運転前に直流電源側の電気抵抗診断が可能であり、更には、電気抵抗が大きい場合に電力損失の増大を防止することができるインバータ装置の提供を目的とする。
【解決手段】直流電源に接続されるインバータ回路と、直流電源からの直流電圧を検出する電圧検出器と、モータの運転前においてインバータ回路からモータへ直流電流を出力させて磁石回転子の位置決めを行い、モータの運転時においてはインバータ回路からモータへ交流電流を出力させる制御回路とを備え、磁石回転子の位置決め時、電圧検出器により検出される直流電圧値に基づき直流電源側の電気抵抗を診断する。
【選択図】図６

Description

本発明は、運転前において直流電源側の電気抵抗を診断できるインバータ装置に関するものである。

従来実施されているインバータ装置の回路、作動について以下説明する。図１０に従来のインバータ装置１２０とその周辺の電気回路図を示す。運転前に、センサレスＤＣブラシレスモータ１１（以降モータと称す）を構成する磁石回転子５の位置決めが行われる。位置決めは、インバータ装置１２０からモータ１１を構成する固定子巻線４へ直流電流を出力することで行われる（例えば、特許文献１参照）。図１１（Ａ）は、４極の場合において、固定子巻線４のＵ相とＶ相をＳ極に、Ｗ相をＮ極にして、磁石回転子５を位置決めする場合を示している。固定子巻線４のＳ極には磁石回転子５のＮ極が、固定子巻線４のＮ極には磁石回転子５のＳ極が、それぞれ対向して停止することにより、位置決めされる。このとき、インバータ装置１２０の制御回路１０７は、図１１（Ｂ）に示す如く、固定子巻線４のＷ相からＵ相及びＶ相へ電流が流れるように、スイッチング素子２を制御する。また、制御回路１０７は、電流センサ１０６により、モータの相電流を検出する。

運転時においては、制御回路１０７が、インバータ回路を構成するスイッチング素子２（ＩＧＢＴ、ＦＥＴ，トランジスタ等が用いられる）を制御することにより、バッテリー１からの直流電圧がＰＷＭ変調でスイッチングされ、正弦波状の交流電流がモータ１１を構成する固定子巻線４へ出力される。これにより、モータ１１が駆動される。ダイオード３は、固定子巻線４に流れる電流の循環ルートとなる。電流センサ１０６の検出電流値は、制御回路１０７へ送られ、消費電力算出、スイッチング素子２保護などに用いられ、更には、磁石回転子５の位置推定に用いられる。
特開平１１−３５６０８８号公報（第７頁、第６図）

上記のように、従来のインバータ装置においては、磁石回転子の位置決め後すぐに運転を開始している。そのため、直流電源の内部抵抗が大きい場合、直流電源側の配線抵抗が大きい場合などにおいて、大きな電流が流れるモータ起動時などには、当該抵抗により電力損失が大きくなる。従って、直流電源側の電気抵抗を運転前に診断し適切な処置を講じることが望ましい。また、運転する場合においては、電力損失が大きくならないように対処することが望ましい。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、運転前に直流電源側の電気抵抗診断が可能であり、更には、電気抵抗が大きい場合に電力損失の増大を防止するインバータ装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のインバータ装置は、直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、直流電源からの直流電圧を検出する電圧検出器と、運転前においてインバータ回路からモータへ直流電流を出力させてモータの磁石回転子の位置決めを行い、運転時においてはインバータ回路からモータへ交流電流を出力させる制御回路とを備え、制御回路は、磁石回転子の位置決め時、電圧検出器により検出される直流電圧値に基づき直流電源側の電気抵抗を診断する。

直流電源側には、直流電源の内部抵抗、配線抵抗など電気抵抗が存在する。このため、電流が流れると電圧が低下する。そして、直流電源は性能が低下などにより内部抵抗が大きくなる。また、配線不良などにより配線抵抗は大きくなる。これにより、電流が流れることによる電圧低下が大きくなる。磁石回転子の位置決め時には、直流電流が流される。従って、磁石回転子の位置決め時に、電圧低下の大きさを調べることで、直流電源側の電気抵抗の大小を診断することができる。そして、この運転前の直流電源側の電気抵抗診断は、検査装置の準備などをすることなく実現することができる。また、起動運転前に常に行う磁石回転子の位置決めソフトを応用するのみであるため、当該機能追加はソフト面でも負担が小さい。

本発明のインバータ装置は、運転前に直流電源側の電気抵抗診断が可能であり、更には、電気抵抗が大きい場合に電力損失の増大を防止することができる。

第１の発明のインバータ装置は、直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、直流電源からの直流電圧を検出する電圧検出器と、運転前においてインバータ回路からモータへ直流電流を出力させてモータの磁石回転子の位置決めを行い、運転時においてはインバータ回路からモータへ交流電流を出力させる制御回路とを備え、制御回路は、磁石回転子の位置決め時、電圧検出器により検出される直流電圧値に基づき直流電源側の電気抵抗を診断するものである。

これにより、運転前に直流電源側の電気抵抗の大小を診断することができる。そして、この運転前の直流電源側の電気抵抗診断は、検査装置の準備などをすることなく実現することができる。

第２の発明は、第１の発明のインバータ装置において、直流電源側の電気抵抗診断は直流電源側の温度を考慮して診断するものである。温度が低いと直流電源の内部抵抗は大きい。そのため、温度を考慮することで、直流電源側の電気抵抗診断を正確に行うことができる。

第３の発明は、は第２の発明のインバータ装置において、直流電源側の温度は、磁石回転子の位置決め時において、モータの固定子巻線の抵抗値を算出し当該抵抗値に基づいて算出される温度で代用されるものである。そのため、特段の温度センサなどを設置する必要がない。

第４の発明は、第１乃至第３の発明のインバータ装置において、電気抵抗が大きいと診断された場合には、運転始動時の立上りを緩やかにするものである。これにより、大きな電流が流れるモータ起動時においても、直流電源側の電気抵抗による電力損失を抑制することができる。

第５の発明は、第１乃至第４の発明のインバータ装置において、電気抵抗が大きいと診断された場合には、運転時の最大出力を制限するものである。これにより、大きな電流が流れることを防止し、直流電源側の電気抵抗による電力損失を抑制することができる。

第６の発明は、第１乃至第５の発明のインバータ装置において、電動圧縮機のモータを駆動するものである。電動圧縮機においては、空調立上り時の電流が大きく、定常時の電流も大きいので、直流電源側の電気抵抗を診断し電気抵抗が大きい場合に電力損失の増大を防止する本インバータ装置は有用である。

第７の発明は、第１乃至第６の発明のインバータ装置において、車両に搭載されるものである。車両に搭載される直流電源、配線などは振動など環境が厳しい。そのため、直流電源側の電気抵抗を診断し電気抵抗が大きい場合に電力損失の増大を防止する本インバータ装置は有用である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。尚、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るインバータ装置２０とその周辺の電気回路である。運転前における磁石回転子５の位置決め通電について以下説明する。図２（Ａ）は、４極の場合において、固定子巻線４のＵ相とＶ相をＳ極に、Ｗ相をＮ極にして、磁石回転子５を位置決めする場合を示している。固定子巻線４のＳ極には磁石回転子５のＮ極が、固定子巻線４のＮ極には磁石回転子５のＳ極が、それぞれ対向して停止することにより、位置決めされる。このとき、インバータ装置２０の制御回路７は、図２（Ｂ）に示す如く、固定子巻線４のＷ相からＵ相及びＶ相へ電流が流れるように、スイッチング素子２を制御する。また、制御回路７は、シャント抵抗６からの電圧により、モータの相電流を検出する。

図３に、上記スイッチングに関し、位置決めにおける上アームスイッチング素子のキャリア周期内でのＯＮ期間例を示す。細線はＵ相、中線はＶ相、太線はＷ相である。所定の一定電流が流れるように、通電期間を設定している。例として、バッテリー１の直流電圧をＤＣ３００Ｖ、図４に示す固定子巻線４の各相の抵抗値Ｒを１Ω、キャリア周波数１０ｋＨｚ（キャリア周期１００μＳ）とする。ここで、位置決めにおけるＷ相の相電流値を２０Ａとするためには、固定子巻線４の等価抵抗値が１．５Ωとなるので、ＤＣ３０Ｖ相当を印加する必要がある。ＤＣ３０Ｖは、ＤＣ３００Ｖの１０％である。従って、通電期間のＤｕｔｙ即ちΔｔと表示した前半と後半の期間合計を１０％（１０μＳ）にすればよい。おおよそ１００ｍＳ（キャリア周期１０００回）実行される。図５に、Ｗ相の相電流の時間経過を示す。電流が上昇し上記所定の一定直流電流が流れることにより、磁石回転子５が位置決めされる。

運転時について以下説明する。制御回路７は、モータ１１を構成する磁石回転子５による固定子巻線４の誘起電圧を演算し、磁石回転子５の位置推定を行う。そして、この位置推定、回転数指令信号（図示せず）等に基づき、インバータ回路１０を構成するスイッチング素子２を制御し、バッテリー１からの直流電圧をＰＷＭ変調でスイッチングすることにより、正弦波状の交流電流をモータ１１の固定子巻線４へ出力する。制御回路７は、上アームスイッチング素子Ｕ、Ｖ、Ｗ、下アームスイッチング素子Ｘ、Ｙ、Ｚと、ドライブ回路などを介して接続線１８により接続されており、各スイッチング素子を制御している。スイッチング素子２がＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴの場合はゲート電圧を、パワートランジスタの場合はベース電流を制御する。また、各スイッチング素子Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚに対応するダイオード３を、３Ｕ、３Ｖ、３Ｗ、３Ｘ、３Ｙ、３Ｚと定義する。

次に、位置決め時における直流電源側の電気抵抗診断について以下説明する。図６は、インバータ装置２０の当該作動例を示すフローチャートである。ステップ１０において、上述の位置決めを行う。この時、図３にΔｔと表示した前半と後半の期間において、位置決め電流（上記実施例では２０Ａ）がバッテリー１の直流電源ラインに流れる。この電流は、シャント抵抗６からの電圧により検出される。また、この電流は、バッテリー１（直流電源）側の電気抵抗２５を流れるため、バッテリー１からの直流電圧が低下する。この電圧低下はバッテリー電圧検出器８により検出される。この電圧検出器８は、抵抗によるバッテリー電圧の分圧により簡単に構成できる。また、バッテリー１の直流電圧が変動しても電圧を正確に出力するために設けられているバッテリー電圧検出器でも良い。

ステップ２０において、この電圧低下から電気抵抗２５を算出する。位置決め電流が２０Ａ、電圧低下が２０Ｖならば１Ωとなる。位置決め電流は、シャント抵抗６により検出される値を用いても良い。ここで、電気抵抗の良否判定を１Ωとすると、０．５Ωならば（Ｙ）、ステップ６０に移り通常運転を行う。電気抵抗が１．５Ωならば（Ｎ）、ステップ３０に移り、電気抵抗が大きいことをコントローラ（図示せず）などへ情報送信する。これによりユーザなどが認識できるようにする。そして、ステップ４０に移り、運転始動時の立上りを緩やかにする。これにより、大きな電流が流れるモータ１１の起動時においても、バッテリー１側の電気抵抗による電力損失を抑制することができる。また、ステップ５０に移り、運転時の最大出力を制限する。これにより、大きな電流が流れることを防止し、バッテリー１側の電気抵抗による電力損失を抑制することができる。ステップ４０、ステップ５０は一方だけでも良い。

これらにより、検査装置の準備などをすることなく、運転前にバッテリー１側の電気抵抗診断が可能であり、更には、電気抵抗が大きい場合に電力損失の増大を防止することができる。そして、起動運転前に常に行う磁石回転子５の位置決めソフトを応用するのみであるため、当該機能追加はソフト面でも負担が小さい。ここで、ステップ２０における電気抵抗の良否判定１Ωは、バッテリー１の温度を考慮して変更しても良い。温度が低いとバッテリー１の内部抵抗は大きくなるので、温度が低い場合１．５Ωなどのように変更することで、バッテリー１の電気抵抗診断を正確に行うことができる。この温度は、コントローラ（図示せず）などから情報受信してもよい。また、この温度を、磁石回転子５の位置決め時において、モータ１１の固定子巻線４の抵抗値を算出し当該抵抗値に基づいて算出される温度で代用しても良い。これは、固定子巻線４の抵抗値と固定子巻線４の温度とは線形の関係にあることによる。これによれば、特段の温度センサなどを設置する必要はない。

尚、上記実施の形態において、固定子巻線４のＵ相とＶ相をＳ極に、Ｗ相をＮ極にして、４極の磁石回転子５を位置決めする場合を示したが、これに限るものではなく、固定子巻線４のＳ極Ｎ極の相は任意であり、２極、６極等にも、また、固定子巻線４の２相のみに電流を流す場合にも適用できる。シャント抵抗６は、電源ラインのプラス側に設けても良い。また、下アームスイッチング素子と電源ラインのマイナス側に設けても良い。電流センサとしては、シャント抵抗に限らず、ホール素子を用いた電流センサなど瞬時ピーク電流が検出できるものであれば良い。インバータ回路１０とモータ１１との間に設け、直接モータ電流（相電流）を検出しても良い。起動運転の期間は図５の例に限らず時間など任意で良い。Ｗ相電流について示したが、Ｕ相、Ｖ相に関しても位相が異なるのみで同様な挙動をする。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２に係るインバータ装置２１とその周辺の電気回路図である。実施の形態１における図１に比較し、平滑コンデンサ２４と平滑コンデンサ側の電気抵抗２６が追加され、制御回路７が制御回路９に変更されている。この場合、バッテリー１と平滑コンデンサ２４の並列回路をひとつの直流電源とみなし、実施の形態１と同様に扱えばよい。平滑コンデンサ２４がインバータ装置２１の中ではなく、バッテリー１側に設置されていても同じである。

（実施の形態３）
図８に、電動圧縮機４０の右側にインバータ装置２０を密着させて取り付けた図を示す。金属製筐体３２の中に圧縮機構部２８、モータ１１等が設置されている。冷媒は、吸入口３３から吸入され、圧縮機構部２８（この例ではスクロール）がモータ１１で駆動されることにより、圧縮される。この圧縮された冷媒は、モータ１１を通過する際にモータ１１を冷却し、吐出口３４より吐出される。

インバータ装置２０は電動圧縮機４０に取り付けられるように、ケース３０を使用している。発熱源となるインバータ回路部１０は、低圧配管３８を介して低圧冷媒で冷却される。電動圧縮機４０の内部でモータ１１の固定子巻線４に接続されているターミナル３９は、インバータ回路部１０の出力部に接続される。保持部３５でインバータ装置２２に固定される接続線３６には、バッテリー１への電源線と回転数信号を送信するエアコンコントローラ（図示せず）との信号線がある。

電動圧縮機においては、空調立上り時の電流が大きく、定常時の電流も大きいので、バッテリー１側の電気抵抗を診断し電気抵抗が大きい場合に電力損失の増大を防止する本インバータ装置は有用である。また、圧縮機構部２８から振動を受けるため、バッテリー１側の電気抵抗を診断できる本インバータ装置は有用である。

尚、上記実施の形態において、電動圧縮機の圧縮機構部をスクロールとしたが、これに限るものではない。また、圧縮された冷媒がモータを冷却する高圧型について示したが、低圧型でもよい。インバータ装置２０の温度を、実施の形態におけるバッテリー１の温度の代用にしても良い。

（実施の形態４）
図９は、本発明のインバータ装置を圧縮機に一体に構成（実施の形態３）し、空調装置に適用して車両６０に搭載した一例を示す。インバータ装置一体型電動圧縮機６１及び室外熱交換器６３、室外ファン６２が、車両６０の前方のエンジンルーム（乃至モータルーム）に搭載される。一方、車両室内には室内送風ファン６５、室内熱交換器６７、エアコンコントローラ６４が配置されている。空気導入口６６から車外空気を吸込み、室内熱交換器６７で熱交換した空気を車室内に送風する。

車両に搭載されるバッテリー１、配線などは振動など環境が厳しい。そのため、バッテリー１側の電気抵抗を診断し電気抵抗が大きい場合に電力損失の増大を防止する本インバータ装置は有用である。

尚、上記各実施の形態において、直流電源をバッテリーとしたが、これに限るものではなく、商用交流電源を整流した直流電源などでもよい。モータをセンサレスＤＣブラシレスモータとしたが、リラクタンスモータ等位置決め必要なモータに適用できる。正弦波駆動に限らず位置決め時に相電流の検出が必要となる駆動方式に適用できる。また、ＰＷＭ２相変調においても適用できる。

以上のように、本発明にかかるインバータ装置は、運転前に直流電源側の電気抵抗診断が可能であり、更には、電気抵抗が大きい場合に電力損失の増大を防止することができる。そのため、各種民生用製品、各種産業用機器に適用できる。

本発明の実施の形態１に係るインバータ装置とその周辺の電気回路図 同（Ａ）位置決め時における固定子巻線と磁石回転子の位置関係図、（Ｂ）同位置決め時における固定子巻線の電流説明図 同位置決め時における通電例を示す説明図 同固定子巻線のインピーダンスを示す説明図 同位置決めから運転に渡るＷ相の相電流説明図 同インバータ装置の作動例を示すフローチャート 本発明の実施の形態２に係るインバータ装置とその周辺の電気回路図 本発明の実施の形態３に係るインバータ装置一体型電動圧縮機の断面図 本発明の実施の形態４に係るインバータ装置を搭載した車両の模式図 従来のインバータ装置とその周辺の電気回路図 （Ａ）位置決め時における固定子巻線と磁石回転子の位置関係図、（Ｂ）同位置決め時における固定子巻線の電流説明図

符号の説明

１ バッテリー
２ スイッチング素子
４ 固定子巻線
５ 磁石回転子
７ 制御回路（インバータ装置２０）
９ 制御回路（インバータ装置２１）
８ バッテリー電圧検出器
１０ インバータ回路
１１ センサレスＤＣブラシレスモータ
２０ インバータ装置
２１ インバータ装置
２４ 平滑コンデンサ
２５ 直流電源側の電気抵抗
２６ 平滑コンデンサ側の電気抵抗
４０ 電動圧縮機
６０ 車両

Claims (7)

1. 直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、前記直流電源からの直流電圧を検出する電圧検出器と、運転前において前記インバータ回路からモータへ直流電流を出力させて前記モータの磁石回転子の位置決めを行い、運転時においては前記インバータ回路から前記モータへ交流電流を出力させる制御回路とを備えたインバータ装置において、前記制御回路は、前記磁石回転子の位置決め時、前記電圧検出器により検出される直流電圧値に基づき前記直流電源側の電気抵抗を診断するインバータ装置。
2. 前記直流電源側の電気抵抗診断は前記直流電源側の温度を考慮して診断する請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記直流電源側の温度は、前記磁石回転子の位置決め時において、前記モータの固定子巻線の抵抗値を算出し当該抵抗値に基づいて算出される温度で代用される請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記直流電源側の電気抵抗診断において、電気抵抗が大きいと診断された場合には、運転始動時の立上りを緩やかにする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載のインバータ装置。
5. 前記直流電源側の電気抵抗診断において、電気抵抗が大きいと診断された場合には、運転時の最大出力を制限する請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載のインバータ装置。
6. 電動圧縮機のモータを駆動する請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載のインバータ装置。
7. 車両に搭載される請求項１から請求項６のうちいずれか一項に記載のインバータ装置。

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