JP2015077003A - 電流形インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交流電動機に対する速度制御範囲を拡大することができる電流形インバータ装置を提供すること。【解決手段】実施形態に係る電流形インバータ装置は、相毎にｍ個（ｍは２以上の整数）の巻線を有するｎ台（ｎは１以上の整数）の交流電動機に対して交流電力を供給するインバータ部と、インバータ部および交流電動機を制御する制御部と、を備える。インバータ部は、交流電動機の相毎にｎ?ｍ＋１個のスイッチング素子が直列接続され、スイッチング素子間のｎ?ｍ個の接続点のそれぞれがｎ台の交流電動機の巻線のうち同一相の異なるｎ?ｍ個の巻線に接続されるスイッチング部を有する。制御部は、交流電動機の回転速度に基づいてｎ?ｍ個の巻線の中から１以上の巻線を交流電力の供給先として選択するモード選択器を有する。【選択図】図１

Description

開示の実施形態は、電流形インバータ装置に関する。

従来、交流電動機の回転速度が高速になった場合に、巻線切替部により交流電動機の固定子巻線を低速用巻線から高速用巻線へ切り替える技術が知られている。

かかる技術は、低速用巻線から高速用巻線へ切り替えることによって高速時に交流電動機で発生する逆起電圧を低減し、これにより、速度制御範囲を広げて低速領域から高速領域までの広範囲な運転を可能とするものである（例えば、特許文献１）。

特許第３９４８００９号公報

しかしながら、交流電動機の巻線状態を切り替える従来技術では、例えば、巻線切替回路を必要とし、さらに交流電動機と巻線切替回路とを接続するための複数の端子や配線が設けられるため、交流電動機の小型化や軽量化の点で課題がある。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、交流電動機の巻線状態を切り替えることなく、インバータ装置内で電力を供給する巻線を選択することにより、交流電動機に対する速度制御範囲を拡大することができる電流形インバータ装置を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る電流形インバータ装置は、インバータ部および制御部を備える。インバータ部は、相毎にｍ個（ｍは２以上の整数）の巻線を有するｎ台（ｎは１以上の整数）の交流電動機に対して交流電力を供給する。制御部は、前記インバータ部および前記交流電動機を制御する。さらに、前記インバータ部は、前記交流電動機の相毎にｎ×ｍ＋１個のスイッチング素子が直列接続され、前記スイッチング素子間のｎ×ｍ個の接続点のそれぞれが前記ｎ台の交流電動機の巻線のうち同一相の異なるｎ×ｍ個の巻線に接続されるスイッチング部を有する。また、前記制御部は、前記交流電動機の回転速度に基づいて前記ｎ×ｍ個の巻線の中から１以上の巻線を前記交流電力の供給先として選択する選択部を有する。

図１は、第１の実施形態に係る電流形インバータ装置を備えるモータ駆動システムの構成図である。 図２は、モータ駆動システムの他の構成図である。 図３は、図１に示す制御部の構成例を示す図である。 図４は、３相ブリッジを有するインバータ部を備える電流形インバータ装置を示す図である。 図５は、９種類の電流経路の電流を電流ベクトルとして空間ベクトルで表した図である。 図６は、ゲート信号の論理値と電流ベクトルとの関係図である。 図７は、ゲート信号出力器の具体的構成の一例を示す図である。 図８は、各相信号出力器の具体的構成の他の例を示す図である。 図９は、第１の制御モードにおいて、Ｕ相からＶ相に流れる電流の流れを示す図である。 図１０は、図９に示す状態での電動機内の電流経路を示す図である。 図１１は、第１の制御モードにおける空間ベクトルを示す図である。 図１２は、第２の制御モードにおいて、Ｕ相からＶ相に流れる電流の流れを示す図である。 図１３は、第２の実施形態に係るモータ駆動システムの制御部の構成図である。 図１４は、図１３に示すモード選択器の構成図である。 図１５は、回転速度と変調信号の大きさとの関係図である。 図１６は、キャリア信号、変調信号、第１モード信号および第２モード信号の波形の一例を示す図である。 図１７は、電動機を加速した場合の第１の制御モードの時比率および第２の制御モードの時比率の関係図である。 図１８は、電動機の回転速度と出力有効電力との関係図である。 図１９は、第３の実施形態に係るモータ駆動システムの構成図である。 図２０は、図１９に示す制御部の構成例を示す図である。 図２１は、図１９に示す駆動出力生成器の具体的構成の一例を示す図である。 図２２は、第４の実施形態に係るモータ駆動システムの構成図である。 図２３は、図２２に示す制御部の構成例を示す図である。 図２４は、第５の実施形態に係るモータ駆動システムの構成図である。 図２５は、図２４に示す制御部の構成例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する電流形インバータ装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

［１．第１の実施形態］
［１．１．モータ駆動システム］
図１は、第１の実施形態に係る電流形インバータ装置を備えるモータ駆動システムの構成図である。図１に示すモータ駆動システム１は、電流形インバータ装置２と、３相交流電動機３（以下、単に電動機３と記載する）と、直流電流源４と、位置検出器１０とを備える。

電流形インバータ装置２は、直流電流源４から供給される直流電力を所望の交流電力へ変換して電動機３へ出力する。なお、電流形インバータ装置２は、図１に示す構成に限定されない。例えば、図２に示すように、電流形インバータ装置２は、３相交流電源４Ａから供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ部１７およびリアクトルＬｄｃを直流電流源として備えてもよい。図２は、モータ駆動システム１の他の構成図である。

図１に示すように、電流形インバータ装置２は、端子Ｔ_P、Ｔ_N、Ｔ_U1、Ｔ_U2、Ｔ_V1、Ｔ_V2、Ｔ_W1、Ｔ_W2と、インバータ部１１と、制御部２０とを備える。

端子Ｔ_U1、Ｔ_V1、Ｔ_W1は、電動機３が備える第１の３相巻線５に接続される。また、端子Ｔ_P、Ｔ_Nは、直流電流源４の正電極と負電極のそれぞれに接続される。さらに、端子Ｔ_U2、Ｔ_V2、Ｔ_W2は、電動機３が備える第２の３相巻線６に接続される。

インバータ部１１は、端子Ｔ_P、Ｔ_Nを介して直流電流源４に接続される。さらに、インバータ部１１は、端子Ｔ_U1、Ｔ_V1、Ｔ_W1および端子Ｔ_U2、Ｔ_V2、Ｔ_W2を介して電動機３に接続される。

制御部２０は、位置検出器１０に接続される。制御部２０は、インバータ部１１および電動機３を制御する。制御部２０は、電動機３のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各相毎に、第１の３相巻線５および第２の３相巻線６に対し、電動機３の回転速度に基づいて一方あるいは両方の３相巻線を選択し、交流電力の供給先とする。これにより、電動機３の巻線状態を切り替えることなく、電動機３に対する速度制御範囲を拡大することができる。インバータ部１１および制御部２０の詳細については後述する。

電動機３は、第１の３相巻線５と、第２の３相巻線６と、回転子９とを備える。例えば、電動機３は、固定子巻線が互いに絶縁された２重巻線により構成された３相２重の巻線を有した電動機、例えば誘導電動機や永久磁石式同期電動機である。第１の３相巻線５の各巻線５ａ、５ｂ、５ｃと第２の３相巻線６の各巻線６ａ、６ｂ、６ｃの巻線数は、それぞれ同一である。巻線５ａの一端は、電流形インバータ装置２が備える端子Ｔ_U1に接続され、巻線５ｂの一端は、端子Ｔ_V1に接続され、巻線５ｃの一端は、端子Ｔ_W1に接続される。また、巻線６ａの一端は、端子Ｔ_U2に接続され、巻線６ｂの一端は、端子Ｔ_V2に接続され、巻線６ｃの一端は、端子Ｔ_W2に接続される。

第１の３相巻線５の各巻線５ａ、５ｂ、５ｃは、第２の３相巻線６の各巻線６ａ、６ｂ、６ｃに対して逆極性となるように配置されている。具体的には、電動機３の各相に対応する２個の巻線は、固定子の同一スロットに挿入されて互いに電磁的に密に結合され、巻線方向は互いに逆極性である。図１において、黒丸は巻線方向の極性を示している。

回転子９は、所定の間隙を介して固定子（第１の３相巻線５と、第２の３相巻線６）に対向して配置されている。なお、巻線５ａ、５ｂ、５ｃの他端は互いに接続されている。また、巻線６ａ、６ｂ、６ｃの他端は互いに接続されている。

図１では、第１および第２の３相巻線５、６は、Ｙ結線で構成した例を示しているが、デルタ結線で構成するようにしてもよい。なお、説明の便宜上、電動機３のＵ相、Ｖ相およびＷ相は、第１の３相巻線５に対してはＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相とし、第２の３相巻線６に対してはＵ２相、Ｖ２相、Ｗ２相として示している。

位置検出器１０は、電動機３の出力軸に接続されている。位置検出器１０は、電動機３の回転子９の位相θ（以下、回転子位相θと記載する）を検出し、制御部２０へ出力する。位置検出器１０は、例えば、エンコーダやレゾルバである。

［１．２．電流形インバータ装置２の詳細］
［１．２．１．インバータ部］
図１に示すように、インバータ部１１は、スイッチング素子部１２と、フィルタ１６ａ、１６ｂとを備える。スイッチング素子部１２は、スイッチング素子部１３〜１５を備える。スイッチング素子部１３、１４、１５は、それぞれ電動機３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応している。

スイッチング素子部１３〜１５は、それぞれ直列に接続された３個のスイッチング素子を有する。具体的には、スイッチング素子部１３は、３つのスイッチング素子Ｑ１ｕ、Ｑ２ｕ、Ｑ３ｕが直列に接続されている。スイッチング素子部１４は、３つのスイッチング素子Ｑ１ｖ、Ｑ２ｖ、Ｑ３ｖが直列に接続されている。スイッチング素子部１５は、３つのスイッチング素子Ｑ１ｗ、Ｑ２ｗ、Ｑ３ｗが直列に接続されている。

スイッチング素子Ｑ１ｕ〜Ｑ３ｕ、Ｑ１ｖ〜Ｑ３ｖ、Ｑ１ｗ〜Ｑ３ｗ（以下、スイッチング素子Ｑｓと総称する場合がある）は、例えば、逆方向阻止形のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。図１では、スイッチング素子Ｑｓは、トランジスタとダイオードの直列接続で示している。なお、スイッチング素子Ｑｓは、ＩＧＢＴとダイオードが直列接続された構成でもよく、また、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）とダイオードが直列接続された構成であってもよい。また、スイッチング素子Ｑｓは、次世代半導体スイッチング素子のＳｉＣ、ＧａＮとダイオードが直列接続された構成であってもよい。

スイッチング素子部１３〜１５は、スイッチング素子Ｑｓ間の２個の接続点がそれぞれ電動機３の同一相の異なる２個の巻線のそれぞれに接続される。具体的には、スイッチング素子部１３では、スイッチング素子Ｑ１ｕ、Ｑ２ｕ間の接続点Ｎ１ｕと電動機３のＵ１相とが接続され、スイッチング素子Ｑ２ｕ、Ｑ３ｕ間の接続点Ｎ２ｕと電動機３のＵ２相とが接続される。

さらに、スイッチング素子部１４では、スイッチング素子Ｑ１ｖ、Ｑ２ｖ間の接続点Ｎ１ｖと電動機３のＶ１相とが接続され、スイッチング素子Ｑ２ｖ、Ｑ３ｖ間の接続点Ｎ２ｖと電動機３のＶ２相とが接続される。また、スイッチング素子部１５では、スイッチング素子Ｑ１ｗ、Ｑ２ｗ間の接続点Ｎ１ｗと電動機３のＷ１相とが接続され、スイッチング素子Ｑ２ｗ、Ｑ３ｗ間の接続点Ｎ２ｗと電動機３のＷ２相とが接続される。

フィルタ１６ａは、Ｕ１相端子Ｔ_U1、Ｖ１相端子Ｔ_V1およびＷ１相端子Ｔ_W1のそれぞれにコンデンサの一端が接続され、これらのコンデンサの他端が共通に接続される。また、フィルタ１６ｂは、Ｕ２相端子Ｔ_U2、Ｖ２相端子Ｔ_V2およびＷ２相端子Ｔ_W2のそれぞれにコンデンサの一端が接続され、これらのコンデンサの他端が共通に接続される。かかるフィルタ１６ａ、１６ｂは、各相のスイッチング素子部１３〜１５から出力される電流の高周波成分を除去する機能を有する。

［１．２．２．制御部２０］
制御部２０は、電動機３を制御する際、電動機３の回転速度に応じた制御モードでゲート信号を生成してインバータ部１１へ出力する。すなわち、制御部２０は、直流電流源４から供給される直流電力をインバータ部１１で交流電力へ変換後、電動機３へ出力して電動機３を制御する。

制御部２０は、電動機３の回転速度により、２つの制御モードを切り替え、インバータ部１１を制御する。制御部２０は、電動機３の回転速度が比較的低い低速領域では、第１の制御モードを選択し、電動機３の回転速度が比較的高い高速領域では、第２の制御モードを選択する。制御部２０は、第１の制御モードを選択した場合、第１および第２の３相巻線５、６のそれぞれに直列に交流電力を供給し、第２の制御モードを選択した場合、第１および第２の３相巻線５、６の一方にのみに交流電力を供給する。電動機３で発生する逆起電圧は、電動機３の回転速度が同じであれば、第１の制御モードに比べ、第２の制御モードの方が低くなる。

このように制御するので、電流形インバータ装置２は、低速領域から高速領域までの広範囲な運転を行うことができる。これらの制御モードについては、順次説明していく。なお、以下においては、ｄ軸電流（界磁電流あるいは磁束電流）およびｑ軸電流（トルク電流）の直交する二軸電流により制御可能な同期電動機をモデルとして制御部２０により電動機３を制御する例を説明するが、制御部２０は他のモデル（制御御方式）により電動機３を制御できる。例えば、制御部２０は、Ｕ、Ｖ、Ｗの相電流に基づき行われるように構成されたＶ／ｆ制御や電動機３が定出力特性を得るのが比較的に容易な誘導電動機である場合も、それらモデルに基づいた制御方式で実施することができる。

図３は、制御部２０の構成例を示す図である。図３に示すように、制御部２０は、速度演算器２１と、モード選択器２２（選択部および第１選択指令器の一例）と、減算器２３と、速度制御器２４と、ｄ軸電流指令生成器２５と、減算器２６と、定出力制御器２７と、モータ定数切替器２８と、ゲート信号生成器２９と、ゲート信号出力器３０とを備える。以下、これらについて、具体的に説明する。

［１．２．２．１．速度演算器２１］
速度演算器２１は、位置検出器１０から出力される回転子位相θに基づいて回転子９の回転速度Ｎｄｅｔを演算し、モード選択器２２、減算器２３および定出力制御器２７へ出力する。速度演算器２１は、例えば、回転子位相θの単位時間あたりの変化量によって回転速度Ｎｄｅｔを求める。

［１．２．２．２．モード選択器２２］
モード選択器２２は、回転速度Ｎｄｅｔに基づき、第１の制御モードと第２の制御モードのいずれかの制御モードを選択する。例えば、モード選択器２２は、回転速度Ｎｄｅｔが設定値Ｎｓ１未満では第１の制御モードを選択し、回転速度Ｎｄｅｔが設定値Ｎｓ１以上では第２の制御モードを選択する。モード選択器２２は、選択した制御モードの情報を速度制御器２４、定出力制御器２７、モータ定数切替器２８およびゲート信号出力器３０へ出力する。

第１の制御モードであることを示す情報は、例えば、論理値が「１」の第１モード信号ＳＡと、論理値が「０」の第２モード信号ＳＢとする。また、第２の制御モードであることを示す情報は、論理値が「０」の第１モード信号ＳＡと、論理値が「１」の第２モード信号ＳＢとする。なお、第１モード信号ＳＡおよび第２モード信号ＳＢは、制御モードの情報の一例であり、これらの信号に限定されるものではない。以下においては、第１モード信号ＳＡおよび第２モード信号ＳＢを総称してモード信号ＳＸ１と記載する。

なお、図３に示すモード選択器２２の例では、回転速度Ｎｄｅｔに基づいて、制御モードの選択を行うものとして説明したが、モード選択器２２は、電動機３の速度情報に応じて制御モードを選択するものであればよい。例えば、電流形インバータ装置２が速度制御を行う場合、モード選択器２２は、速度指令に基づいて制御モードを選択してもよい。

［１．２．２．３．減算器２３および速度制御器２４］
減算器２３は、上位装置（不図示）から出力される速度指令Ｎ^*から回転速度Ｎｄｅｔを減算し、減算結果を速度制御器２４へ出力する。

速度制御器２４は、速度指令Ｎ^*と回転速度Ｎｄｅｔとの差がゼロになるようにｑ軸電流指令Ｉｑ^*を生成し、ゲート信号生成器２９へ出力する。なお、ｑ軸電流指令Ｉｑ^*は、回転子位相θに同期したｄ−ｑ軸回転座標系のｑ軸成分の電流指令である。

また、速度制御器２４は、第１の制御モードと第２の制御モードとの間の切り替え前後で出力有効電力Ｐｅが変化しないように、ｑ軸電流（トルク電流）を制御することもできる。例えば、速度制御器２４は、第１の制御モードから第２の制御モードへ切り替わるときにｑ軸電流指令Ｉｑ^*をＮｂａｓｅ／Ｎｓ１倍に制限し、制御モードの切り替わり前後で出力有効電力Ｐｅの変化を防止する。

一方、速度制御器２４は、第２の制御モードから第１の制御モードへ切り替わるときにｑ軸電流指令Ｉｑ^*をＮｓ１／Ｎｂａｓｅ倍にして、制御モードの切り替わり前後で出力有効電力Ｐｅの変化を防止する。なお、速度制御器２４は、モード信号ＳＸ１の論理値の変化により第１の制御モードと第２の制御モードとの間の切り替えタイミングを検出する。

［１．２．２．４．ｄ軸電流指令生成器２５および減算器２６］
ｄ軸電流指令生成器２５は、ｄ軸電流指令Ｉｄ^**を生成し、減算器２６へ出力する。ｄ軸電流指令Ｉｄ^**は、電動機３が同期電動機の場合、例えば、ゼロであり、誘導電動機の場合、例えば、正の所定値である。減算器２６は、定出力制御器２７から出力されるｄ軸弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃをｄ軸電流指令Ｉｄ^**から減算し、減算結果であるｄ軸電流指令Ｉｄ^*をゲート信号生成器２９へ出力する。

［１．２．２．５．定出力制御器２７］
定出力制御器２７は、速度演算器２１からの回転速度Ｎｄｅｔと、モード選択器２２からのモード信号ＳＸ１の論理値とに応じた弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃを生成し、減算器２６へ出力する。なお、後述のモータ定数切替器２８からのモータ定数を用いて弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃを生成するようにしてもよい。

弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃは、電動機３の回転速度Ｎｄｅｔが基底回転速度値Ｎｂａｓｅに達するまでは略ゼロである。定出力制御器２７は、回転速度Ｎｄｅｔが基底回転速度値Ｎｂａｓｅを超えると、回転速度Ｎｄｅｔの増加に応じて電動機３の界磁を弱める方向に弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃを変化させる。

また、定出力制御器２７は、電動機３の回転速度Ｎｄｅｔが設定値Ｎｓ１になり、第１の制御モードから第２の制御モードに切り替わると、弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃを略ゼロにする。定出力制御器２７は、電動機３の回転速度Ｎｄｅｔが設定値Ｎｓ１を超えると、回転速度Ｎｄｅｔの増加に応じて電動機３の界磁を弱める方向に弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃを変化させる。

なお、回転速度Ｎｄｅｔが基底回転速度値Ｎｂａｓｅ未満の領域は定トルク領域と呼ばれ、回転速度Ｎｄｅｔが基底回転速度値Ｎｂａｓｅ以上の領域と定出力領域と呼ばれることがある。また、弱め界磁制御の方法は弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃによるものに限られず、他の公知技術によって弱め界磁制御を行ってもよい。

［１．２．２．６．モータ定数切替器２８］
モータ定数切替器２８は、モード選択器２２からのモード信号ＳＸ１に従い、制御モードに対応するモータ定数を速度制御器２４および定出力制御器２７へ出力する。ここでは、第１の制御モード用のモータ定数および第２の制御モード用のモータ定数のうち、制御モードに対応するモータ定数がモード信号ＳＸに応じて選択される。これにより、速度制御器２４におけるｑ軸電流指令Ｉｑ^*の生成、および、定出力制御器２７における弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃの生成で用いるモータ定数の情報が適宜切り替え可能となる。モータ定数の情報は、制御モード毎に対応し、例えば、トルク−電流換算係数、固定子抵抗、ｄ軸インダクタンス、ｑ軸インダクタンス、固定子鎖交磁束などがある。

［１．２．２．７．ゲート信号生成器２９］
ゲート信号生成器２９は、速度制御器２４からのｑ軸電流指令Ｉｑ^*と、減算器２６からのｄ軸電流指令Ｉｄ^*とに基づき、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ６を生成し、ゲート信号出力器３０へ出力する。

具体的には、ゲート信号生成器２９は、ｑ軸電流指令Ｉｑ^*、ｄ軸電流指令Ｉｄ^*および回転子位相θに基づき、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の電流指令Ｉｕ^*、Ｉｖ^*、Ｉｗ^*を生成する。例えば、ゲート信号生成器２９は、下記式（１）〜（５）の演算により、電流指令Ｉｕ^*、Ｉｖ^*、Ｉｗ^*を生成する。

ゲート信号生成器２９は、電流指令Ｉｕ^*、Ｉｖ^*、Ｉｗ^*から線間電流指令Ｉｕｗ^*、Ｉｖｕ^*、Ｉｗｖ^*を生成する。例えば、ゲート信号生成器２９は、下記式（６）〜（８）の演算により、線間電流指令Ｉｕｗ^*、Ｉｖｕ^*、Ｉｗｖ^*を生成する。

ゲート信号生成器２９は、線間電流指令Ｉｕｗ^*、Ｉｖｕ^*、Ｉｗｖ^*に基づき、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ６を生成し、ゲート信号出力器３０へ出力する。なお、線間電流指令Ｉｕｗ^*、Ｉｖｕ^*、Ｉｗｖ^*に基づくゲート信号Ｇ１〜Ｇ６の生成は、公知の技術であり、例えば、特開２０１２−１９６１１９号公報に開示された技術が用いられる。

ここで、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ６について説明する。ゲート信号生成器２９は、インバータ部１１に各相２個のスイッチング素子が直列接続された３相ブリッジ（図４参照）をＰＷＭ制御して駆動する信号と同一のゲート信号Ｇ１〜Ｇ６を生成し、ゲート信号出力器３０へ出力する。図４は、３相ブリッジを有するインバータ部を備える電流形インバータ装置を示す図である。

図４に示す電流形インバータ装置１００は、正の直流母線Ｐに接続された３個のスイッチング素子Ｑｐｕ、Ｑｐｖ、Ｑｐｗと、負の直流母線Ｎに接続された３個のスイッチング素子Ｑｎｕ、Ｑｎｖ、Ｑｎｗを備える。以下、スイッチング素子Ｑｐｕ、Ｑｐｖ、Ｑｐｗを上段のスイッチング素子Ｑｐと記載する場合があり、スイッチング素子Ｑｎｕ、Ｑｎｖ、Ｑｎｗを下段のスイッチング素子Ｑｎと記載する場合がある。

ここで、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ６と電動機３を流れる電流経路の関係を説明する。ゲート信号Ｇ１〜Ｇ６は、上段のスイッチング素子Ｑｐと下段のスイッチング素子Ｑｎのそれぞれ各１個が同時に導通するように生成されたゲート信号である。ゲート信号Ｇ１〜Ｇ６がオンにするスイッチング素子Ｑｐ、Ｑｎの組み合わせを、以下のように順次移行させることを考える。
(Ｑｐｕ、Ｑｎｖ)→（Ｑｐｕ、Ｑｎｗ）→（Ｑｐｖ、Ｑｎｗ）→（Ｑｐｖ、Ｑｎｕ）→（Ｑｐｗ、Ｑｎｕ）→（Ｑｐｗ、Ｑｎｖ）

この順次移行に対応して、電動機３を流れる電流の経路は、以下のように移行する。
Ｉｕｖ→Ｉｕｗ→Ｉｖｗ→Ｉｖｕ→Ｉｗｕ→Ｉｗｖ
なお、例えば、Ｉｕｖは、正の直流母線Ｐ→電動機３のＵ相→電動機３のＶ相→負の直流母線Ｎの電流経路に流れる電流を示す。また、例えば、Iｖｕは、正の直流母線Ｐ→電動機３のＶ相→電動機３のＵ相→負の直流母線Ｎの電流経路に流れる電流を示す。

また、(Ｑｐｕ、Ｑｎｕ)、（Ｑｐｖ、Ｑｎｖ）および（Ｑｐｗ、Ｑｎｗ）の組み合わせでは、正の直流母線Ｐと負の直流母線Ｎとの間を短絡する電流経路が形成される。この電流経路は、それぞれ電流Ｉｕｕ、Iｖｖ、Ｉｗｗであり、電動機３に電流は流さない。

次に、上述した９種類の電流経路と空間ベクトル法での電流ベクトルの関係を説明する。図５は、上述した９種類の電流経路の電流Ｉｕｖ、Ｉｕｗ、Ｉｖｗ、Ｉｖｕ、Ｉｗｕ、Ｉｗｖ、Ｉｕｕ、Iｖｖ、Ｉｗｗを電流ベクトルとして空間ベクトルで表した図である。また、図６は、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ６の論理値と電流ベクトルＩｕｖ、Ｉｕｗ、Ｉｖｗ、Ｉｖｕ、Ｉｗｕ、Ｉｗｖ、Ｉｕｕ、Iｖｖ、Ｉｗｗとの関係図である。ゲート信号Ｇ１〜Ｇ６の論理値が「１」のときにスイッチング素子Ｑｐｕ、Ｑｐｖ、Ｑｐｗ、Ｑｎｕ、Ｑｎｖ、Ｑｎｗがオンになり、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ６の論理値が「０」のときにスイッチング素子Ｑｐｕ、Ｑｐｖ、Ｑｐｗ、Ｑｎｕ、Ｑｎｖ、Ｑｎｗがオフになる。ゲート信号Ｇ１〜Ｇ６は、例えば、論理値が「０」のときにＬｏｗレベルの信号であり、論理値が「１」のときにＨｉｇｈレベルの信号である。

ゲート信号生成器２９は、上記式（６）〜（８）で示された線間電流指令Ｉｕｗ^*、Ｉｖｕ^*、Ｉｗｖ^*に基づき、電流ベクトルを、Ｉｕｖ→Ｉｕｗ→Ｉｖｗ→Ｉｖｕ→Ｉｗｕ→Ｉｗｖのように順次移行させるゲート信号Ｇ１〜Ｇ６を生成する。ゲート信号Ｇ１〜Ｇ６は、隣接した３種類のベクトルを用い、空間ベクトル法により合成された信号である。なお、隣接した３種類のベクトルの組み合わせは、例えば、（Iｕｗ、Ｉｖｗ、Iｗｗ）、（Iｗｖ、Ｉｕｖ、Iｖｖ）などがある。なお、空間ベクトル法は周知であるので、その詳細な説明は省略する。

［１．２．２．８．ゲート信号出力器３０］
ゲート信号出力器３０は、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ６に基づき、インバータ部１１のスイッチング素子Ｑｓを駆動するゲート信号Ｇ１ｕ、Ｇ２ｕ、Ｇ３ｕ、Ｇ１ｖ、Ｇ２ｖ、Ｇ３ｖ、Ｇ１ｗ、Ｇ２ｗ、Ｇ３ｗ（以下、ゲート信号Ｇｓと総称する場合がある）を生成する。ゲート信号Ｇ１ｕ〜Ｇ３ｕ、Ｇ１ｖ〜Ｇ３ｖ、Ｇ１ｗ〜Ｇ３ｗのは、それぞれスイッチング素子Ｑ１ｕ〜Ｑ３ｕ、Ｑ１ｖ〜Ｑ３ｖ、Ｑ１ｗ〜Ｑ３ｗを駆動する。

ゲート信号出力器３０から出力されるゲート信号Ｇｓにより、第１の制御モードでは第１および第２の３相巻線５Ｂ、６Ｂの一方が交流電力の供給先になり、第２の制御モードでは第１および第２の３相巻線５Ｂ、６Ｂの両方が交流電力の供給先になる。以下、ゲート信号出力器３０の具体的構成の一例、ゲート信号Ｇｓによるインバータ部１１の制御について、順に説明する。

（ゲート信号出力器３０の具体的構成）
図７は、ゲート信号出力器３０の具体的構成の一例を示す図である。図７に示すように、ゲート信号出力器３０は、Ｕ相信号出力器３１、Ｖ相信号出力器３２と、Ｗ相信号出力器３３とを備える。

Ｕ相信号出力器３１は、Ｕ相のスイッチング素子Ｑ１ｕ、Ｑ２ｕ、Ｑ３ｕを制御するゲート信号Ｇ１ｕ、Ｇ２ｕ、Ｇ３ｕを生成する。Ｖ相信号出力器３２は、Ｖ相のスイッチング素子Ｑ１ｖ、Ｑ２ｖ、Ｑ３ｖを制御するゲート信号Ｇ１ｖ、Ｇ２ｖ、Ｇ３ｖを生成する。Ｗ相信号出力器３３は、Ｗ相のスイッチング素子Ｑ１ｗ、Ｑ２ｗ、Ｑ３ｗを制御するゲート信号Ｇ１ｗ、Ｇ２ｗ、Ｇ３ｗを生成する。

Ｕ相信号出力器３１は、論理積器（ＡＮＤ回路）４１、４２と、論理和器（ＯＲ回路）４３とを備える。論理積器４１は、ゲート信号Ｇ１と第１モード信号ＳＡとの論理積を出力する。論理積器４２は、ゲート信号Ｇ４と第２モード信号ＳＢとの論理積を出力する。論理和器４３は、論理積器４１の出力と論理積器４２の出力との論理和を出力する。

第１の制御モードの場合、第１モード信号ＳＡは、論理値は「１」であり、第２モード信号ＳＢの論理値は「０」であることから、Ｕ相信号出力器３１は、ゲート信号Ｇ１と同一の信号をゲート信号Ｇ１ｕ、Ｇ３ｕとして出力し、ゲート信号Ｇ４と同一の信号をゲート信号Ｇ２ｕとして出力する。

また、第２の制御モードの場合、第１モード信号ＳＡは、論理値は「０」であり、第２モード信号ＳＢの論理値は「１」であることから、Ｕ相信号出力器３１は、ゲート信号Ｇ１と同一の信号をゲート信号Ｇ１ｕとして出力し、ゲート信号Ｇ４と同一の信号をゲート信号Ｇ２ｕ、Ｇ３ｕとして出力する。

Ｖ相信号出力器３２は、Ｕ相信号出力器３１と同様の構成であり、第１の制御モードの場合、ゲート信号Ｇ２と同一の信号をゲート信号Ｇ１ｖ、Ｇ３ｖとして出力し、ゲート信号Ｇ５と同一の信号をゲート信号Ｇ２ｖとして出力する。また、Ｖ相信号出力器３２は、第２の制御モードの場合、ゲート信号Ｇ２と同一の信号をゲート信号Ｇ１ｖとして出力し、ゲート信号Ｇ５と同一の信号をゲート信号Ｇ２ｖ、Ｇ３ｖとして出力する。

Ｗ相信号出力器３３も、Ｕ相信号出力器３１と同様の構成であり、第１の制御モードの場合、ゲート信号Ｇ３と同一の信号をゲート信号Ｇ１ｗ、Ｇ３ｗとして出力し、ゲート信号Ｇ６と同一の信号をゲート信号Ｇ２ｗとして出力する。また、Ｗ相信号出力器３３は、第２の制御モードの場合、ゲート信号Ｇ３と同一の信号をゲート信号Ｇ１ｗとして出力し、ゲート信号Ｇ６と同一の信号をゲート信号Ｇ２ｗ、Ｇ３ｗとして出力する。

なお、上記実施形態では、第２の制御モードにおいて、第１の３相巻線５に電流を供給するようにしたが、第１の３相巻線５に代えて第２の３相巻線６へ電流を供給するようにしてもよい。この場合、Ｕ相信号出力器３１、Ｖ相信号出力器３２およびＷ相信号出力器３３は、例えば、図８に示すように構成される。

図８は、Ｕ相信号出力器３１の具体的構成の他の例を示す図である。なお、Ｖ相信号出力器３２およびＷ相信号出力器３３も、図８に示すＵ相信号出力器３１と同様の構成である。図１２に示すように、Ｕ相信号出力器３１は、論理積器４４、４５と、論理和器４６とを備える。論理積器４４は、ゲート信号Ｇ１と第１モード信号ＳＡとの論理積を出力する。論理積器４５は、ゲート信号Ｇ４と第２モード信号ＳＢとの論理積を出力する。論理和器４６は、論理積器４４の出力と論理積器４５の出力との論理和を出力する。

第１の制御モードの場合、例えば、図８に示すＵ相信号出力器３１は、ゲート信号Ｇ１と同一の信号をゲート信号Ｇ１ｕ、Ｇ２ｕとして出力し、ゲート信号Ｇ４と同一の信号をゲート信号Ｇ３ｕとして出力する。また、第２の制御モードの場合、例えば、図８に示すＵ相信号出力器３１は、ゲート信号Ｇ１と同一の信号をゲート信号Ｇ２ｕとして出力し、ゲート信号Ｇ４と同一の信号をゲート信号Ｇ１ｕ、Ｇ３ｕとして出力する。なお、ゲート信号出力器３０は、図７および図８に示す構成に限定されるものではない。

（ゲート信号Ｇｓによるインバータ部１１の制御）
ゲート信号出力器３０は、モード選択器２２により第１の制御モードが選択されると、インバータ部１１から第１および第２の３相巻線５、６のそれぞれに直列に交流電力を供給するゲート信号Ｇｓを生成してインバータ部１１へ出力する。

第１の制御モードでは、上段および下段のスイッチング素子Ｑｐ、Ｑｎのペア(Ｑ１ｕ、Ｑ３ｕ)、(Ｑ１ｖ、Ｑ３ｖ)、(Ｑ１ｗ、Ｑ３ｗ)は，ゲート信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３でそれぞれ駆動され、また、中段のスイッチング素子Ｑ２ｕ、Ｑ２ｖ、Ｑ２ｗは、ゲート信号Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６でそれぞれ駆動される。

図９は、Ｕ相からＶ相に流れる電流Ｉｕｖの流れを示す図である。図９に示すように、電流Ｉｕｖは、正の直流母線Ｐからスイッチング素子Ｑ１ｕ、Ｕ１端子Ｔ_U1を経由して、電流形インバータ装置２から第１の３相巻線５に流れる。電流Ｉｕｖは、第１の３相巻線５において、Ｕ１相の巻線５ａおよびＶ１相の巻線５ｂを経由して、電流形インバータ装置２のＶ１端子Ｔ_V1に流れる。

電流Ｉｕｖは、Ｖ１端子Ｔ_V1、スイッチング素子Ｑ２ｖ、Ｖ２端子Ｔ_V2を経由して、電流形インバータ装置２から第２の３相巻線６に流れる。電流Ｉｕｖは、第２の３相巻線６において、Ｖ２相の巻線６ｂおよびＵ２相の巻線６ａを経由して、電流形インバータ装置２のＵ２端子Ｔ_U2に流れる。電流Ｉｕｖは、Ｕ２端子Ｔ_U2、スイッチング素子Ｑ３ｕを経由して負の直流母線Ｎに流れる。

図１０は、電動機３内の電流Ｉｕｖの経路を示す図である。図１０に示すように、第１の３相巻線５では、電流がＵ１相からＶ１相へ流れるのに対して、第２の３相巻線６では、電流がＶ２相からＵ２相に流れる。第１の３相巻線５と第２の３相巻線６とは、互いに巻線の極性が逆になるように配置されているため、これらの３相巻線５、６を流れる電流は同一極性で合成された起磁力を発生する。したがって、図１１に示すように、電流形インバータ装置２では、電流形インバータ装置１００（図４参照）における電流ベクトル（図５参照）に対して最大値が２倍の合成電流ベクトルを出力することが可能となる。図１１は、電流形インバータ装置２の空間ベクトルを示す図である。

このように、第１の制御モードでは、インバータ部１１から第１および第２の３相巻線５、６のそれぞれに直列に交流電力が供給される。このため、電流形インバータ装置２では、電流形インバータ装置１００に比べ、低速領域において、相対的に高い逆起電圧を生じさせることができ、相対的に高いトルクを得ることができる。

なお、ゲート信号出力器３０は、第１の制御モードにおいて、電流ベクトルＩｕｖの状態から電流ベクトルＩｕｕへ移行する場合、ゲート信号Ｇ２ｖの論理値を「０」にし、ゲート信号Ｇ２ｕの論理値を「１」にする。これにより、スイッチング素子Ｑ２ｖがオフ、スイッチング素子Ｑ３ｕがオンになり、電流形インバータ装置２から電動機３への電流供給は行われない。

一方、モード選択器２２により第２の制御モードが選択されると、ゲート信号出力器３０は、第１および第２の３相巻線５、６のうち一方の３相巻線のみに交流電力が供給されるようにゲート信号Ｇｓを生成してインバータ部１１へ出力する。

第２の制御モードでは、上段のスイッチング素子Ｑ１ｕ、Ｑ１ｖ、Ｑ１ｗは、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３でそれぞれ駆動され、中段および下段のスイッチング素子Ｑｐ、Ｑｎのペア(Ｑ２ｕ、Ｑ３ｕ)、(Ｑ２ｖ、Ｑ３ｖ)、(Ｑ２ｗ、Ｑ３ｗ)は，ゲート信号Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６でそれぞれ駆動される。

図１２は、Ｕ相からＶ相に通電する電流Ｉｕｖの流れを示す図である。図１２に示すように、電流Ｉｕｖは、正の直流母線Ｐからスイッチング素子Ｑ１ｕ、Ｕ１端子Ｔ_U1を経由して、電流形インバータ装置２から第１の３相巻線５に流れる。電流Ｉｕｖは、第１の３相巻線５において、Ｕ１相の巻線５ａおよびＶ１相の巻線５ｂを経由して、電流形インバータ装置２のＶ１端子Ｔ_V1に流れる。電流Ｉｕｖは、Ｖ１端子Ｔ_V1、スイッチング素子Ｑ２ｖ、Ｑ３ｖを経由して負の直流母線Ｎに流れる。

このように、第２の制御モードでは、インバータ部１１から第１の３相巻線５のみに交流電力が供給される。このため、電動機３の逆起電力は、第１の制御モードに比べて半分になる。これにより、第２の制御モードでは、第１の制御モードに比べ、速度範囲を拡大することができる。

このように、電流形インバータ装置２では、電動機３の回転速度Ｎｄｅｔに応じて制御モードを切り替える。これにより、電動機３に対する速度制御範囲を拡大することができる。

以上のように、第１の実施形態に係る電流形インバータ装置２では、インバータ部１１は、電動機３のＵ相、Ｖ相およびＷ相の相毎に２＋１個のスイッチング素子Ｑｓが直列接続され、スイッチング素子Ｑｓ間の２個の接続点のそれぞれが電動機３の巻線のうち同一相の異なる２個の巻線に接続される。制御部２０は、相毎に２個の巻線に対し、電動機３の回転速度に基づいて一方または両方の巻線を選択し、交流電力の供給先として選択するモード選択器２２を有する。これにより、電流形インバータ装置２では、高速領域において、電動機３に発生する誘起電圧を低減することができ、従来の巻線切替方式と同様に速度制御範囲の拡大が可能となる。

［２．第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係る電流形インバータ装置について説明する。第２の実施形態に係る電流形インバータ装置は、第１の制御モードと第２の制御モードとのスイッチングモードを有する点で、第１の実施形態に係る電流形インバータ装置２と異なる。なお、以下においては、第１の実施形態に係るモータ駆動システム１と異なる点を中心に説明し、第１の実施形態と同様の機能を有する構成要素については同一符号を付して説明を省略する。

［２．１．モータ駆動システム］
図１３は、第２の実施形態に係るモータ駆動システムの制御部の構成図である。第２の実施形態に係る電流形インバータ装置２Ａは、電動機３の回転速度に応じた時比率で、電動機３の相毎に交流電力を供給する巻線の数を繰り返し切り替えるスイッチング制御を行う。これにより、速度制御範囲を拡大しつつ、高効率領域を拡大することができる。なお、第２の実施形態に係るモータ駆動システム１Ａは、電流形インバータ装置２Ａの制御部２０Ａ以外の構成は、モータ駆動システム１と同じであるため、以下のおいては、制御部２０Ａについて詳述する。

［２．２．電流形インバータ装置２Ａの制御部２０Ａ］
図１３に示すように、第２の実施形態に係る電流形インバータ装置２Ａの制御部２０Ａは、速度演算器２１と、モード選択器２２Ａ（選択部、第１および第２選択指令器の一例）と、減算器２３と、速度制御部２４Ａと、ｄ軸電流指令生成器２５と、減算器２６と、定出力制御器２７Ａと、モータ定数切替器２８と、ゲート信号生成器２９と、ゲート信号出力器３０とを備える。以下、モード選択器２２Ａ、速度制御部２４Ａおよび定出力制御器２７Ａについて具体的に説明する。

［２．２．１．モード選択器２２Ａ］
モード選択器２２Ａは、速度演算器２１から出力される回転速度Ｎｄｅｔに応じたオン比率の第１モード信号ＳＡおよび第２モード信号ＳＢを生成してゲート信号出力器３０へ出力する。かかるモード選択器２２Ａは、第１選択指令器として、Ｎｄｅｔ＜Ｎｂａｓｅの場合には第１の制御モードを選択し、Ｎｓ１＜Ｎｄｅｔの場合には第２の制御モードを選択する。なお、オン比率とは、所定単位時間（例えば、後述するキャリア周期Ｔｃ）において論理値が「１」になる割合である。

また、モード選択器２２Ａは、Ｎｂａｓｅ≦Ｎｄｅｔ＜Ｎｓ１の場合、第２選択指令器として、第１の制御モードと第２の制御モードとを回転速度Ｎｄｅｔに応じた時比率で交互に切り替える。なお、モード選択器２２Ａにおいて、第１選択指令器と第２選択指令器とを同じ構成で実現されているが、第１選択指令器と第２選択指令器とは互いに異なる構成または一部が共通する構成であってもよい。なお、時比率とは、所定単位時間（例えば、後述するキャリア周期Ｔｃ）において第１の制御モードおよび第２の制御モードがそれぞれ選択される時間的な割合である。

図１４は、モード選択器２２Ａの構成図である。図１４に示すように、モード選択器２２Ａは、キャリア信号生成器５１と、変調信号生成器５２と、比較器５３と、論理否定器（ＮＯＴ回路）５４とを備える。

キャリア信号生成器５１は、所定周期のキャリア信号Ｓｃを生成して出力する。かかるキャリア信号Ｓｃは、例えば、三角波状の信号または鋸波状の信号である。また、キャリア信号Ｓｃの周期は、例えば、スイッチング素子Ｑｓのターンオン・オフ期間を考慮して、ゲート信号生成器２９が出力するゲート信号Ｇ１〜Ｇ６の生成周期のｐ倍（ｐは自然数）で、かつ、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ６と同期させることが望ましい。

変調信号生成器５２は、速度演算器２１から出力される回転速度Ｎｄｅｔに応じた大きさの変調信号Ｓｍを生成する。図１５は、回転速度Ｎｄｅｔと変調信号Ｓｍの大きさとの関係図である。図１５に示すように、Ｎｄｅｔ＜Ｎｂａｓｅの場合、変調信号Ｓｍの大きさは「０」であり、Ｎｓ１＜Ｎｄｅｔの場合、変調信号Ｓｍの大きさは「１」である。一方、Ｎｂａｓｅ≦Ｎｄｅｔ＜Ｎｓ１の場合、変調信号Ｓｍの大きさは、「０」と「１」の間の（Ｎｄｅｔ−Ｎｂａｓｅ）／（Ｎｓ１−Ｎｂａｓｅ）である。

比較器５３は、キャリア信号Ｓｃと変調信号Ｓｍとを比較し、第２モード信号ＳＢを生成する。具体的には、比較器５３は、変調信号Ｓｍがキャリア信号Ｓｃよりも小さい場合には、論理値が「１」となる第１モード信号ＳＡを出力し、変調信号Ｓｍがキャリア信号Ｓｃ以上の場合には、論理値が「０」となる第２モード信号ＳＢを出力する。論理否定器５４は、第１モード信号ＳＡを入力し、第１モード信号ＳＡの論理値を反転させた第２モード信号ＳＢを出力する。

図１６は、Ｎｂａｓｅ≦Ｎｄｅｔ＜Ｎｓ１の場合における、キャリア信号Ｓｃ、変調信号Ｓｍ、第１モード信号ＳＡおよび第２モード信号ＳＢの波形の一例を示す図である。図１６に示すように、第１モード信号ＳＡは、キャリア周期Ｔｃ毎に、第１期間Ｔ１に論理値が「１」となり、第２期間Ｔ２に論理値が「０」となる。また、第２モード信号ＳＢは、キャリア周期Ｔｃ毎に、第１期間Ｔ１に論理値が「０」となり、第２期間Ｔ２に論理値が「１」となる。

したがって、Ｎｂａｓｅ≦Ｎｄｅｔ＜Ｎｓ１の場合、第１モード信号ＳＡは、論理値が「１」となる時比率がＴ１／Ｔｃで表され、第２モード信号ＳＢは、論理値が「１」となる時比率がＴ２／Ｔｃで表される。これにより、電流形インバータ装置２Ａは、Ｎｂａｓｅ≦Ｎｄｅｔ＜Ｎｓ１の場合、キャリア周期Ｔｃで、第１の制御モードと第２の制御モードが交互にオン・オフされるスイッチングモードを実行する。

一方、Ｎｄｅｔ＜Ｎｂａｓｅの場合、変調信号Ｓｍの大きさは「０」であり、Ｎｓ１≦Ｎｄｅｔの場合、変調信号Ｓｍの大きさは「１」である。したがって、電流形インバータ装置２Ａは、Ｎｄｅｔ＜Ｎｂａｓｅの場合、第１の制御モードで動作し、Ｎｓ１≦Ｎｄｅｔの場合、第２の制御モードで動作する。

図１７は、電動機３を加速した場合の第１の制御モードの時比率および第２の制御モードの時比率の関係図である。図１７に示すように、電動機３を加減速する場合には、第１の制御モードの時比率および第２の制御モードの時比率が０％と１００％との間で連続して変化する。

［２．２．２．速度制御部２４Ａ］
速度制御部２４Ａ（図１３）は、Ｎｂａｓｅ≦Ｎｄｅｔ＜Ｎｓ１の範囲において、例えば、ｑ軸電流指令Ｉｑ^*を（Ｎｂａｓｅ＋Ｎｓ１）／（２Ｎｓ１）倍に制限することができる。また、速度制御部２４Ａは、回転速度Ｎｄｅｔが設定値Ｎｓ１に達した場合、第１の実施形態と同様に、ｑ軸電流指令Ｉｑ^*をＮｂａｓｅ／Ｎｓ１倍に制限することができる。

［２．２．３．定出力制御器２７Ａ］
定出力制御器２７Ａ（図１３）は、Ｎｂａｓｅ≦Ｎｄｅｔ＜Ｎｓ１の範囲において、例えば、弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃを第１の実施形態にて回転速度Ｎｄｅｔが増加して設定値Ｎｓ１に到達する直前のｄ軸電流指令の半分にする。また、定出力制御器２７Ａは、回転速度Ｎｄｅｔが設定値Ｎｓ１に達した場合、第１の実施形態と同様に、弱め界磁制御を解除して、弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃを略ゼロにする。

このような制御により電流形インバータ装置２Ａでは、図１８に示すように特性が変化する電動機を仮想的に運転している場合と同等に電動機３を運転することが可能となる。図１８は、回転速度Ｎｄｅｔと出力有効電力Ｐｅとの関係図である。

このように、電流形インバータ装置２Ａは、電動機３の回転速度に応じた時比率で、電動機３の相毎に交流電力を供給する巻線の数を切り替えるスイッチング制御を行うことによって、速度制御範囲を拡大しつつ、高効率領域を拡大することができる。

［３．第３の実施形態］
次に、第３の実施形態に係る電流形インバータ装置について説明する。第１および第２の実施形態に係る電流形インバータ装置２、２Ａは、第１および第２の制御モードで動作するものであるが、第３の実施形態に係る電流形インバータ装置は、第１および第２の制御モードに加え、第３の制御モードで動作する。なお、以下においては、第１の実施形態に係るモータ駆動システム１と異なる点を中心に説明し、第１の実施形態と同様の機能を有する構成要素については同一符号を付して説明を省略する。

［３．１．モータ駆動システム］
図１９は、第３の実施形態に係るモータ駆動システム１Ｂの構成図である。図１９に示すように、第３の実施形態に係るモータ駆動システム１Ｂは、電流形インバータ装置２Ｂと、電動機３Ｂと、直流電流源４とを備える。

電流形インバータ装置２Ｂは、インバータ部１１および制御部２０Ｂを備える。インバータ部１１は、第１の実施形態に係るインバータ部１１と同様の構成である。一方、制御部２０Ｂは、第１および第２の制御モードに加え、第３の制御モードを実行する点で、制御部２０と異なる。

また、電動機３Ｂは、第１の３相巻線５Ｂの巻線数が第２の３相巻線６Ｂの巻線数に対して２倍である点で、電動機３と異なる。すなわち、巻線５Ｂａ〜５Ｂｃは、巻線６Ｂａ〜６Ｂｃの２倍の巻線数である。

［３．２．制御部２０Ｂ］
制御部２０Ｂは、第１の制御モードで第１および第２の３相巻線５Ｂ、６Ｂに電力供給を行う。制御部２０Ｂは、第２の制御モードで第１の３相巻線５Ｂに電力供給を行う。制御部２０Ｂは、第３の制御モードで第２の３相巻線６Ｂに電力供給を行う。

これにより、電動機３Ｂに同一値の電流を流す場合、第２の制御モードは第１の制御モードに比べて誘起電圧が２／３になり、第３の制御モードは第１の制御モードに比べて誘起電圧が１／３になる。このため、電流形インバータ装置２Ｂは、電流形インバータ装置２に比べ、さらに速度制御範囲を拡大することができる。

図２０は、制御部２０Ｂの構成例を示す図である。図２０に示すように、制御部２０Ｂは、速度演算器２１と、モード選択器２２Ｂ（選択部および第１選択指令器の一例）と、減算器２３と、速度制御器２４Ｂと、ｄ軸電流指令生成器２５と、減算器２６と、定出力制御器２７Ｂと、モータ定数切替器２８Ｂと、ゲート信号生成器２９と、ゲート信号出力器３０Ｂとを備える。以下、モード選択器２２Ｂ、速度制御器２４Ｂ、定出力制御器２７Ｂ、モータ定数切替器２８Ｂおよびゲート信号出力器３０Ｂについて具体的に説明する。

［３．２．１．モード選択器２２Ｂ］
モード選択器２２Ｂは、回転速度Ｎｄｅｔと設定値Ｎｓ１、Ｎｓ２に基づき、第１〜第３の制御モードのいずれかの制御モードを選択する。具体的には、モード選択器２２Ｂは、Ｎｄｅｔ＜Ｎｓ１の場合に第１の制御モードを選択し、Ｎｓ１≦Ｎｄｅｔ＜Ｎｓ２の場合に第２の制御モードを選択し、Ｎｓ２≦Ｎｄｅｔの場合に第３の制御モードを選択する。モード選択器２２Ｂは、選択した制御モードの情報を速度制御器２４Ｂ、定出力制御器２７Ｂ、モータ定数切替器２８Ｂおよびゲート信号出力器３０Ｂへ出力する。

第１の制御モードであることを示す情報は、例えば、論理値が「１」の第１モード信号ＳＡと、論理値が「０」の第２および第３モード信号ＳＢ、ＳＣとする。また、第２の制御モードであることを示す情報は、論理値が「０」の第１および第３モード信号ＳＡ、ＳＣと、論理値が「１」の第２モード信号ＳＢとする。また、第３の制御モードであることを示す情報は、論理値が「１」の第３モード信号ＳＣと、論理値が「０」の第１および第２モード信号ＳＡ、ＳＢとする。

なお、第１〜第３モード信号ＳＡ、ＳＢ、ＳＣは、制御モードの情報の一例であり、これらの信号に限定されるものではない。以下においては、第１〜第３モード信号ＳＡ、ＳＢ、ＳＣを総称してモード信号ＳＸ２と記載する。

［３．２．２．速度制御器２４Ｂ］
速度制御器２４Ｂは、速度指令Ｎ^*と回転速度Ｎｄｅｔとの差がゼロになるようにｑ軸電流指令Ｉｑ^*を生成し、ゲート信号生成器２９へ出力する。速度制御器２４Ｂは、速度制御器２４と同様に、定出力制御器２７Ｂによって弱め界磁制御が行われている場合、ｑ軸電流指令Ｉｑ^*を一定に維持する。また、速度制御器２４Ｂは、速度制御器２４と同様に、制御モードの切り替え前後で出力有効電力Ｐｅが変化しないように、ｑ軸電流（トルク電流）を制御することもできる。

［３．２．３．定出力制御器２７Ｂ］
定出力制御器２７Ｂは、速度演算器２１からの回転速度Ｎｄｅｔと、モード選択器２２Ｂからのモード信号ＳＸ２の論理値とに応じた弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃを生成し、減算器２６へ出力する。例えば、定出力制御器２７Ｂは、第１の制御モードから第２の制御への切り替わり、および、第２の制御モードから第３の制御への切り替わりにおいて、弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃを略ゼロにする。定出力制御器２７Ｂは、回転速度Ｎｄｅｔの増加に応じて電動機３Ｂの界磁を弱める方向に弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃを変化させる。

［３．２．４．モータ定数切替器２８Ｂ］
モータ定数切替器２８Ｂは、モード選択器２２Ｂからのモード信号ＳＸ２に従い、第１〜第３の制御モード用のモータ定数のうちモード信号ＳＸ２に応じた制御モードのモータ定数を選択し、速度制御器２４Ｂおよび定出力制御器２７Ｂへ出力する。これにより、速度制御器２４Ｂにおけるｑ軸電流指令Ｉｑ^*の生成、定出力制御器２７Ｂにおける弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃの生成で用いるモータ定数の情報が適宜切り替えられる。

［３．２．５．ゲート信号出力器３０Ｂ］
ゲート信号出力器３０Ｂは、モード選択器２２Ｂからのモード信号ＳＸ２に従い、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ６からゲート信号Ｇｓを生成する。このゲート信号Ｇｓにより、第１の制御モードでは第１の３相巻線５Ｂが交流電力の供給先になり、第２の制御モードでは第２の３巻線６Ｂが交流電力の供給先になり、第３の制御モードでは第１および第２の３相巻線５Ｂ、６Ｂが交流電力の供給先になる。

図２１は、ゲート信号出力器３０Ｂの具体的構成の一例を示す図である。図２１に示すように、ゲート信号出力器３０Ｂは、Ｕ相信号出力器３１Ｂ、Ｖ相信号出力器３２Ｂと、Ｗ相信号出力器３３Ｂとを備える。Ｕ相信号出力器３１Ｂは、ゲート信号Ｇ１ｕ、Ｇ２ｕ、Ｇ３ｕを生成し、Ｖ相信号出力器３２Ｂは、ゲート信号Ｇ１ｖ、Ｇ２ｖ、Ｇ３ｖを生成し、Ｗ相信号出力器３３Ｂは、ゲート信号Ｇ１ｗ、Ｇ２ｗ、Ｇ３ｗを生成する。

Ｕ相信号出力器３１Ｂは、論理積器６１〜６６と、論理和回路６７、６８とを備える。論理積器６１、６４は、ゲート信号Ｇ１と第１モード信号ＳＡとの論理積を出力する。論理積器６２は、ゲート信号Ｇ１と第２モード信号ＳＢとの論理積を出力する。論理積器６３は、ゲート信号Ｇ４と第３モード信号ＳＣとの論理積を出力する。

論理積器６５は、ゲート信号Ｇ４と第２モード信号ＳＢとの論理積を出力する。論理積器６６は、ゲート信号Ｇ１と第３モード信号ＳＣとの論理積を出力する。論理和回路６７は、論理積器６１〜６３の出力の論理和を出力する。論理和回路６８は、論理積器６４〜６６の出力の論理和を出力する。

第１の制御モードの場合、第１〜第３モード信号ＳＡ〜ＳＣの論理値はそれぞれ、「１」、「０」、「０」である。このため、Ｕ相信号出力器３１Ｂは、ゲート信号Ｇ１と同一の信号をゲート信号Ｇ１ｕ、Ｇ３ｕとして出力し、ゲート信号Ｇ４と同一の信号をゲート信号Ｇ２ｕとして出力する。

また、第２の制御モードの場合、第１〜第３モード信号ＳＡ〜ＳＣの論理値はそれぞれ、「０」、「１」、「０」である。このため、Ｕ相信号出力器３１Ｂは、ゲート信号Ｇ１と同一の信号をゲート信号Ｇ１ｕとして出力し、ゲート信号Ｇ４と同一の信号をゲート信号Ｇ２ｕ、Ｇ３ｕとして出力する。

また、第３の制御モードの場合、第１〜第３モード信号ＳＡ〜ＳＣの論理値はそれぞれ、「０」、「０」、「１」である。このため、Ｕ相信号出力器３１Ｂは、ゲート信号Ｇ１と同一の信号をゲート信号Ｇ３ｕとして出力し、ゲート信号Ｇ４と同一の信号をゲート信号Ｇ１ｕ、Ｇ２ｕとして出力する。

Ｖ相信号出力器３２Ｂは、Ｕ相信号出力器３１Ｂと同様の構成であり、第１の制御モードの場合、ゲート信号Ｇ２と同一の信号をゲート信号Ｇ１ｖ、Ｇ３ｖとして出力し、ゲート信号Ｇ５と同一の信号をゲート信号Ｇ２ｖとして出力する。また、Ｖ相信号出力器３２Ｂは、第２の制御モードの場合、ゲート信号Ｇ２と同一の信号をゲート信号Ｇ１ｖとして出力し、ゲート信号Ｇ５と同一の信号をゲート信号Ｇ２ｖ、Ｇ３ｖとして出力する。また、Ｖ相信号出力器３２Ｂは、第３の制御モードの場合、ゲート信号Ｇ２と同一の信号をゲート信号Ｇ３ｖとして出力し、ゲート信号Ｇ５と同一の信号をゲート信号Ｇ１ｖ、Ｇ２ｖとして出力する。

Ｗ相信号出力器３３Ｂも、Ｕ相信号出力器３１Ｂと同様の構成であり、第１の制御モードの場合、ゲート信号Ｇ３と同一の信号をゲート信号Ｇ１ｗ、Ｇ３ｗとして出力し、ゲート信号Ｇ６と同一の信号をゲート信号Ｇ２ｗとして出力する。また、Ｗ相信号出力器３３Ｂは、第２の制御モードの場合、ゲート信号Ｇ３と同一の信号をゲート信号Ｇ１ｗとして出力し、ゲート信号Ｇ６と同一の信号をゲート信号Ｇ２ｗ、Ｇ３ｗとして出力する。また、Ｗ相信号出力器３３Ｂは、第３の制御モードの場合、ゲート信号Ｇ３と同一の信号をゲート信号Ｇ３ｗとして出力し、ゲート信号Ｇ６と同一の信号をゲート信号Ｇ１ｗ、Ｇ２ｗとして出力する。

以上のように、第３の実施形態に係るモータ駆動システム１Ｂは、互いに巻線数が異なる第１および第２の３相巻線５Ｂ、６Ｂを備える電動機３Ｂを備える。制御部２０Ｂは、電動機３Ｂの速度に基づいて相毎に交流電力の供給先を選択する。すなわち、制御部２０Ｂは、交流電力の供給先を、第１の制御モードでは第１の３相巻線５Ｂとし、第２の制御モードでは第２の３巻線６Ｂとし、第３の制御モードでは第１および第２の３相巻線５Ｂ、６Ｂとする。これにより、電流形インバータ装置２Ｂでは、電動機３Ｂに発生する誘起電圧を２段階に低減することができ、速度制御範囲のさらなる拡大が可能となる。

［４．第４の実施形態］
次に、第４の実施形態に係る電流形インバータ装置について説明する。第１〜第３の実施形態に係る電流形インバータ装置２、２Ａ、２Ｂは、相毎に２つの巻線を有する電動機３、３Ｂを動作させるものとしたが、第４の実施形態に係る電流形インバータ装置は、相毎に４つの巻線を有する電動機を動作させる。以下においては、第１の実施形態に係るモータ駆動システム１と異なる点を中心に説明し、第１の実施形態と同様の機能を有する構成要素については同一符号を付して説明を省略する。

［４．１．モータ駆動システム］
図２２は、第４の実施形態に係るモータ駆動システムの構成図である。図２２に示すように、第４の実施形態に係るモータ駆動システム１Ｃは、電流形インバータ装置２Ｃと、電動機３Ｃと、直流電流源４とを備える。

電動機３Ｃは、固定子巻線が互いに絶縁された４重巻線により構成された３相４重巻線電動機であり、第１〜第４の３相巻線５Ｃ〜８Ｃを有する。各３相巻線５Ｃ〜８Ｃは互いに巻線数は同一であるが、第３の実施形態に係る電動機３Ｂのように巻線数を互いに異なるようにしてもよい。

第１の３相巻線５Ｃの各巻線５Ｃａ、５Ｃｂ、５Ｃｃと第３の３相巻線７Ｃの各巻線７Ｃａ、７Ｃｂ、７Ｃｃは、互いに同一極性であり、第２の３相巻線６Ｃの各巻線６Ｃａ、６Ｃｂ、６Ｃｃおよび第４の３相巻線８Ｃの各巻線８Ｃａ、８Ｃｂ、８Ｃｃに対して逆極性になるように配置される。具体的には、電動機３Ｃの各相に対応する４個の巻線は、固定子の同一スロットに挿入されて互いに電磁的に密に結合し、巻線方向が交互に逆極性になるように配置される。図２２において、黒丸は巻線方向の極性を示している。

電流形インバータ装置２Ｃは、端子Ｔ_U1、Ｔ_U2、Ｔ_V1、Ｔ_V2、Ｔ_W1、Ｔ_W2、Ｔ_U3、Ｔ_U4、Ｔ_V3、Ｔ_V4、Ｔ_W3、Ｔ_W4と、インバータ部１１Ｃと、制御部２０Ｃとを備える。

端子Ｔ_U1、Ｔ_V1、Ｔ_W1は、電動機３Ｃが備える第１の３相巻線５Ｃに接続され、端子Ｔ_U2、Ｔ_V2、Ｔ_W2は、電動機３Ｃが備える第２の３相巻線６Ｃに接続される。また、端子Ｔ_U3、Ｔ_V3、Ｔ_W3は、電動機３Ｃが備える第３の３相巻線７Ｃに接続され、端子Ｔ_U4、Ｔ_V4、Ｔ_W4は、電動機３Ｃが備える第４の３相巻線８Ｃに接続される。

インバータ部１１Ｃは、スイッチング素子部１３Ｃ〜１５Ｃと、フィルタ１６ａ〜１６ｄとを備える。スイッチング素子部１３Ｃは、電動機３ＣのＵ相に対応して設けられ、スイッチング素子部１４Ｃは、電動機３ＣのＶ相に対応して設けられ、スイッチング素子部１５Ｃは、電動機３ＣのＷ相に対応して設けられる。

スイッチング素子部１３Ｃ〜１５Ｃは、それぞれ直列に接続された５個のスイッチング素子を有する。具体的には、スイッチング素子部１３Ｃは、５つのスイッチング素子Ｑ１ｕ〜Ｑ５ｕが直列に接続されて構成され、スイッチング素子部１４Ｃは、５つのスイッチング素子Ｑ１ｖ〜Ｑ５ｖが直列に接続されて構成される。また、スイッチング素子部１５Ｃは、５つのスイッチング素子Ｑ１ｗ〜Ｑ５ｗが直列に接続されて構成される。

スイッチング素子Ｑ４ｕ、Ｑ５ｕ、Ｑ４ｖ、Ｑ５ｖ、Ｑ４ｗ、Ｑ５ｗは、スイッチング素子Ｑ１ｕ等と同様の構成であり、以下、これらのスイッチング素子をスイッチング素子Ｑｓと総称する場合がある。

スイッチング素子部１３Ｃ〜１５Ｃは、スイッチング素子Ｑｓ間の４個の接続点がそれぞれ電動機３Ｃの同一相の異なる４個の巻線のそれぞれに接続される。具体的には、スイッチング素子部１３Ｃでは、接続点Ｎ１ｕ、Ｎ２ｕ、Ｎ３ｕ、Ｎ４ｕがそれぞれ電動機３ＣのＵ１相、Ｕ２相、Ｕ３相、Ｕ４相に接続される。スイッチング素子部１４Ｃでは、接続点Ｎ１ｖ、Ｎ２ｖ、Ｎ３ｖ、Ｎ４ｖがそれぞれ電動機３ＣのＶ１相、Ｖ２相、Ｖ３相、Ｖ４相に接続される。スイッチング素子部１５Ｃでは、接続点Ｎ１ｗ、Ｎ２ｗＮ３ｗ、Ｎ４ｗがそれぞれ電動機３ＣのＷ１相、Ｗ２相、Ｗ３相、Ｗ４相に接続される。

フィルタ１６ａおよびフィルタ１６ｂは、第１の実施形態と同様の構成である。また、フィルタ１６ｃは、端子Ｔ_U3、Ｔ_v3、Ｔ_W3のそれぞれにコンデンサの一端が接続され、これらのコンデンサの他端が共通に接続される。また、フィルタ１６ｄは、端子Ｔ_U4、Ｔ_V4、Ｔ_W4のそれぞれにコンデンサの一端が接続され、これらのコンデンサの他端が共通に接続される。かかるフィルタ１６ａ〜１６ｄにより、各相のスイッチング素子部１３Ｃ〜１５Ｃから出力される電流の高周波成分が除去される。

［４．２．制御部２０Ｃ］
制御部２０Ｃは、第１〜第４の制御モードのうち電動機３Ｃの回転速度に応じた制御モードでゲート信号を生成してインバータ部１１Ｃへ出力する。制御部２０Ｃは、第１の制御モードでは、電動機３Ｃの相毎に４つの巻線に交流電力を供給し、第２の制御モードでは、電動機３Ｃの相毎に３つの巻線に交流電力を供給する。また、制御部２０Ｃは、第３の制御モードでは、電動機３Ｃの相毎に２つの巻線に交流電力を供給し、第４の制御モードでは、電動機３Ｃの相毎に１つの巻線に交流電力を供給する。

制御部２０Ｃは、電動機３Ｃの回転速度が高くなるにつれ、第１の制御モード→第２の制御モード→第３の制御モード→第４の制御モードと切り替えることで、電動機３Ｃの誘起電圧を低減する切り替えを行う。これにより、電流形インバータ装置２Ｃは、速度制御範囲を拡大することができる。

図２３は、制御部２０Ｃの構成例を示す図である。図２３に示すように、制御部２０Ｃは、速度演算器２１と、モード選択器２２Ｃ（選択部および第１選択指令器の一例）と、減算器２３と、速度制御器２４Ｃと、ｄ軸電流指令生成器２５と、減算器２６と、定出力制御器２７Ｃと、モータ定数切替器２８Ｃと、ゲート信号生成器２９と、ゲート信号出力器３０Ｃとを備える。以下、モード選択器２２Ｃ、速度制御器２４Ｃ、定出力制御器２７Ｃ、モータ定数切替器２８Ｃおよびゲート信号出力器３０Ｃについて具体的に説明する。

［４．２．１．モード選択器２２Ｃ］
モード選択器２２Ｃは、回転速度Ｎｄｅｔと設定値Ｎｓ１、Ｎｓ２、Ｎｓ３に基づき、第１〜第４の制御モードのいずれかの制御モードを選択する。具体的には、モード選択器２２Ｃは、Ｎｄｅｔ＜Ｎｓ１の場合に第１の制御モードを選択し、Ｎｓ１≦Ｎｄｅｔ＜Ｎｓ２の場合に第２の制御モードを選択する。また、モード選択器２２Ｃは、Ｎｓ２≦Ｎｄｅｔ＜Ｎｓ３の場合に第３の制御モードを選択し、Ｎｓ３≦Ｎｄｅｔｔの場合に第４の制御モードを選択する。

第１の制御モードであることを示す情報は、例えば、論理値が「１」の第１モード信号ＳＡと、論理値が「０」の第２〜第４モード信号ＳＢ、ＳＣ、ＳＤとする。また、第２の制御モードであることを示す情報は、論理値が「１」の第２モード信号ＳＢと、論理値が「０」の第１、第３および第４モード信号ＳＡ、ＳＣ、ＳＤとする。また、第３の制御モードであることを示す情報は、論理値が「１」の第３モード信号ＳＣと、論理値が「１」の第１．第２および第４モード信号ＳＡ、ＳＢ、ＳＤとする。また、また、第４の制御モードであることを示す情報は、論理値が「１」の第４モード信号ＳＤと、論理値が「１」の第１〜第３モード信号ＳＡ、ＳＢ、ＳＣとする。

なお、第１〜第４モード信号ＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、ＳＤは、制御モードの情報の一例であり、これらの信号に限定されるものではない。以下においては、第１〜第４モード信号ＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、ＳＤを総称してモード信号ＳＸ３と記載する。

図２３に示すモード選択器２２Ｃの例では、回転速度Ｎｄｅｔに基づいて、制御モードの選択を行うものとして説明したが、モード選択器２２Ｃは、モード選択器２２の場合と同様に、電動機３Ｃの回転速度に応じて制御モードを選択するものであればよい。

［４．２．２．速度制御器２４Ｃ］
速度制御器２４Ｃは、速度指令Ｎ^*と回転速度Ｎｄｅｔとの差がゼロになるようにｑ軸電流指令Ｉｑ^*を生成し、ゲート信号生成器２９へ出力する。速度制御器２４Ｃは、速度制御器２４と同様に、定出力制御器２７Ｃによって弱め界磁制御が行われている場合、ｑ軸電流指令Ｉｑ^*を一定に維持する。また、速度制御器２４Ｃは、速度制御器２４と同様に、制御モードの切り替え前後で出力有効電力Ｐｅが変化しないように、ｑ軸電流（トルク電流）を制御することもできる。

［４．２．３．定出力制御器２７Ｃ］
定出力制御器２７Ｃは、速度演算器２１からの回転速度Ｎｄｅｔと、モード選択器２２Ｃからのモード信号ＳＸ３の論理値とに応じた弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃを生成し、減算器２６へ出力する。例えば、定出力制御器２７Ｃは、第１の制御モードから第２の制御への切り替わり、第２の制御モードから第３の制御への切り替わり、および、第３の制御モードから第４の制御への切り替わりにおいて、弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃを略ゼロにする。定出力制御器２７Ｃは、回転速度Ｎｄｅｔの増加に応じて電動機３の界磁を弱める方向に弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃを変化させる。

［４．２．４．モータ定数切替器２８Ｃ］
モータ定数切替器２８Ｃは、モード選択器２２Ｃからのモード信号ＳＸ３に従い、第１〜第４の制御モード用のモータ定数から対応する制御モードのモータ定数を選択し、速度制御器２４Ｃおよび定出力制御器２７Ｃへ出力する。これにより、速度制御器２４Ｃにおけるｑ軸電流指令Ｉｑ^*の生成、定出力制御器２７Ｃにおける弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃの生成で用いるモータ定数の情報が適宜切り替えられる。

［４．２．５．ゲート信号出力器３０Ｃ］
ゲート信号出力器３０Ｃは、モード選択器２２Ｂからのモード信号ＳＸ３に従い、インバータ部１１Ｃのスイッチング素子Ｑｓを駆動するゲート信号Ｇ１ｕ〜Ｇ５ｕ、Ｇ１ｖ〜Ｇ５ｖ、Ｇ１ｗ〜Ｇ５ｗ（以下、ゲート信号Ｇｓと総称する場合がある）を生成する。ゲート信号Ｇ１ｕ〜Ｇ５ｕ、Ｇ１ｖ〜Ｇ５ｖ、Ｇ１ｗ〜Ｇ５ｗは、それぞれスイッチング素子Ｑ１ｕ〜Ｑ５ｕ、Ｑ１ｖ〜Ｑ５ｖ、Ｑ１ｗ〜Ｑ５ｗを駆動する。

ゲート信号出力器３０Ｃは、モード選択器２２Ｃにより第１の制御モードが選択された場合、インバータ部１１Ｃから第１〜第４の３相巻線５Ｃ〜８Ｃのそれぞれに直列に交流電力が供給されるようにゲート信号Ｇｓを生成してインバータ部１１Ｃへ出力する。

第１の制御モードでは、中上段と中下段のスイッチング素子Ｑ２ｕ、Ｑ２ｖ、Ｑ２ｗ、Ｑ４ｕ、Ｑ４ｖ、Ｑ４ｗは、ゲート信号Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６でそれぞれ駆動され、また、それ以外のスイッチング素子Ｑｓは、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３でそれぞれ駆動される。これにより、インバータ部１１Ｃから第１〜第４の３相巻線５Ｃ〜８Ｃへ交流電力が供給される。例えば、ゲート信号出力器３０Ｃは、第１の制御モードにおいて、電流Ｉｕｖを流す場合、ゲート信号Ｇ１ｕ、Ｇ２ｖ、Ｇ３ｕ、Ｇ４ｖ、Ｇ５ｕの論理値を「１」として出力し、それ以外のゲート信号Ｇｓの論理値を「０」として出力する。

また、第２の制御モードでは、中上段、中下段および最下段のスイッチング素子Ｑ２ｕ、Ｑ２ｖ、Ｑ２ｗ、Ｑ４ｕ、Ｑ４ｖ、Ｑ４ｗ、Ｑ５ｕ、Ｑ５ｖ、Ｑ５ｗは、ゲート信号Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６でそれぞれ駆動され、また、それ以外のスイッチング素子Ｑｓは、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３でそれぞれ駆動される。これにより、インバータ部１１Ｃから第１〜第３の３相巻線５Ｃ〜７Ｃのみへ交流電力が供給される。例えば、ゲート信号出力器３０Ｃは、第２の制御モードにおいて、電流Ｉｕｖを流す場合、ゲート信号Ｇ１ｕ、Ｇ２ｖ、Ｇ３ｕ、Ｇ４ｖ、Ｇ５ｖの論理値を「１」として出力し、それ以外のゲート信号Ｇｓの論理値を「０」として出力する。

また、第３の制御モードでは、中上段のスイッチング素子Ｑ２ｕ、Ｑ２ｖ、Ｑ２ｗは、ゲート信号Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６でそれぞれ駆動され、また、それ以外のスイッチング素子Ｑｓは、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３でそれぞれ駆動される。これにより、インバータ部１１Ｃから第１および第２の３相巻線５Ｃ、６Ｃのみへ交流電力が供給される。例えば、ゲート信号出力器３０Ｃは、第３の制御モードにおいて、電流Ｉｕｖを流す場合、ゲート信号Ｇ１ｕ、Ｇ２ｖ、Ｇ３ｕ〜Ｇ５ｕの論理値を「１」として出力し、それ以外のゲート信号Ｇｓの論理値を「０」として出力する。

第４の制御モードでは、最上段のスイッチング素子Ｑ１ｕ、Ｑ１ｖ、Ｑ１ｗは、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３でそれぞれ駆動され、また、それ以外のスイッチング素子Ｑｓは、ゲート信号Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６でそれぞれ駆動される。これにより、インバータ部１１Ｃから第１の３相巻線５Ｃのみへ交流電力が供給される。例えば、ゲート信号出力器３０Ｃは、第４の制御モードにおいて、電流Ｉｕｖを流す場合、ゲート信号Ｇ１ｕ、Ｇ２ｖ〜Ｇ５ｖの論理値を「１」として出力し、それ以外のゲート信号Ｇｓの論理値を「０」として出力する。

なお、ゲート信号出力器３０Ｃは、制御モードに応じた個数の巻線に交流電力を供給することができればよく、上述した構成に限定されるものではない。例えば、ゲート信号出力器３０Ｃは、第４の制御モードにおいて、最下段以外のスイッチング素子Ｑ１ｕ〜Ｑ４ｕ、Ｑ１ｖ〜Ｑ４ｖ、Ｑ１ｗ〜Ｑ４ｗをゲート信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３でそれぞれ駆動し、最下段のスイッチング素子Ｑ５ｕ、Ｑ５ｖ、Ｑ５ｗをゲート信号Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６でそれぞれ駆動するようにしてもよい。

このように、電流形インバータ装置２Ｃは、電動機３Ｃの回転速度が高くなるにつれ、第１の制御モード→第２の制御モード→第３の制御モード→第４の制御モードと切り替えることで、電動機３Ｃの誘起電圧を低減する切り替えを行う。これにより、電流形インバータ装置２Ｃは、速度制御範囲を拡大することができる。

なお、スイッチング部を相毎にｎ＋１個（ｎは２以上の整数）のスイッチング素子Ｑｓを直列接続することによって構成することにより、相毎にｍ個の巻線を有する電動機を制御することができ、相毎に２個や４個の巻線を有する電動機３、３Ｃを制御するものに限定されるものではなく、相毎に３個や５個以上の巻線を有する電動機を制御してもよい。

［５．第５の実施形態］
次に、第５の実施形態に係る電流形インバータ装置について説明する。上述の実施形態に係る電流形インバータ装置２、２Ａ〜２Ｃは、相毎にｍ個（ｍは２以上の整数）以上の巻線を有する電動機３、３Ｂ、３Ｃを動作させるものとしたが、第５の実施形態に係る電流形インバータ装置は、相毎にｍ個の巻線を有するｎ台（ｎは２以上の整数）の電動機を動作させる。以下においては、ｍ＝４、ｎ＝２として第４の実施形態に係るモータ駆動システム１Ｃと異なる点を中心に説明し、第４の実施形態と同様の機能を有する構成要素については同一符号を付して説明を省略する。

［５．１．モータ駆動システム］
図２４は、第５の実施形態に係るモータ駆動システムの構成図である。図２４に示すように、第５の実施形態に係るモータ駆動システム１Ｄは、電流形インバータ装置２Ｄと、電動機３Ｄ、３Ｅと、直流電流源４とを備える。電動機３Ｄ、３Ｅは、それぞれ電動機３と同様の構成である。また、図２４に示す例では、位置検出器１０は、電動機３Ｅの回転速度を検出するが、電動機３Ｄの回転速度を検出するようにしてもよい。

電流形インバータ装置２Ｄは、２つの電動機３Ｄ、３Ｅを同一速度で同期して制御する。電流形インバータ装置２Ｄによる各電動機３Ｄ、３Ｅの制御は、電流形インバータ装置２による電動機３の制御と同様である。

インバータ部１１Ｃと、制御部２０Ｄとを備える。インバータ部１１Ｃは、第４の実施形態に係るインバータ部１１Ｃと同様の構成である。制御部２０Ｄは、第１および第２の制御モードのうち一つの動作モードでインバータ部１１Ｃを制御する。

［５．２．制御部］
図２５は、制御部２０Ｄの構成例を示す図である。図２５に示すように、制御部２０Ｄは、速度演算器２１と、モード選択器２２（選択部および第１選択指令器の一例）と、減算器２３と、速度制御器２４と、ｄ軸電流指令生成器２５と、減算器２６と、定出力制御器２７と、モータ定数切替器２８と、ゲート信号生成器２９と、ゲート信号出力器３０Ｄとを備える。

ゲート信号出力器３０Ｄは、モード選択器２２により第１の制御モードが選択された場合、インバータ部１１Ｃから２つの電動機３Ｄ、３Ｅの３相巻線５、６のそれぞれに直列に交流電力が供給されるようにゲート信号Ｇｓを生成してインバータ部１１Ｃへ出力する。

第１の制御モードでは、中上段と中下段のスイッチング素子Ｑ２ｕ、Ｑ２ｖ、Ｑ２ｗ、Ｑ４ｕ、Ｑ４ｖ、Ｑ４ｗは、ゲート信号Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６でそれぞれ駆動され、また、それ以外のスイッチング素子Ｑｓは、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３でそれぞれ駆動される。これにより、インバータ部１１Ｃから各電動機３Ｄ、３Ｅの２つの３相巻線５、６へ交流電力が供給される。例えば、ゲート信号出力器３０Ｄは、第１の制御モードにおいて、電流Ｉｕｖを流す場合、ゲート信号Ｇ１ｕ、Ｇ２ｖ、Ｇ３ｕ、Ｇ４ｖ、Ｇ５ｕの論理値を「１」として出力し、それ以外のゲート信号Ｇｓの論理値を「０」として出力する。

また、第２の制御モードでは、上中段および中段のスイッチング素子Ｑ２ｕ、Ｑ２ｖ、Ｑ２ｗ、Ｑ３ｕ、Ｑ３ｖ、Ｑ３ｗは、ゲート信号Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６でそれぞれ駆動され、また、それ以外のスイッチング素子Ｑｓは、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３でそれぞれ駆動される。これにより、インバータ部１１Ｃから各電動機３Ｄ、３Ｅの第１の３相巻線５のみへ交流電力が供給される。例えば、ゲート信号出力器３０Ｄは、第３の制御モードにおいて、電流Ｉｕｖを流す場合、ゲート信号Ｇ１ｕ、Ｇ２ｖ、Ｇ３ｖ、Ｇ４ｕ、Ｇ５ｕの論理値を「１」として出力し、それ以外のゲート信号Ｇｓの論理値を「０」として出力する。

なお、ゲート信号出力器３０Ｄは、第２の制御モードにおいて、インバータ部１１Ｃから各電動機３Ｄ、３Ｅの第２の３相巻線６のみへ交流電力を供給するように、ゲート信号Ｇ１ｕ〜Ｇ５ｕ、Ｇ１ｖ〜Ｇ５ｖ、Ｇ１ｗ〜Ｇ５ｗを生成することもできる。

このように、第５の実施形態に係る電流形インバータ装置２Ｄは、相毎に２の巻線を有する２台の電動機３Ｄ、３Ｅを動作させつつ、速度制御範囲を拡大することができる。なお、スイッチング部を相毎にｎ×ｍ＋１個（ｎ、ｍは２以上の整数）のスイッチング素子を直列接続することによって構成することにより、相毎にｍ個の巻線を有するｎ台の電動機を制御することができ、相毎に２個の巻線を有する２台の電動機３Ｄ、３Ｅを制御するものに限定されるものではない。

なお、第５の実施形態に係るモータ駆動システム１Ｄにおいて、電流形インバータ装置２Ｄは、交流電力の供給先として電動機３Ｄの３相巻線と電動機３Ｅの３相巻線とを所定期間毎に交互に切り替えることもできる。これにより、２つの電動機３Ｄ、３Ｅの電流およびトルクをバランスさせることができ、交流電力の供給先として選択する３相巻線の数を増減させることにより、広い範囲でトルク制御および速度制御が可能になる。

例えば、第５の実施形態に係るモータ駆動システム１Ｄにおいて、電流形インバータ装置２Ｄは、交流電力の供給先として組み合わせが異なる３つの３相巻線を所定期間毎に交互に切り替えることもできる。例えば、制御部２０Ｄは、第１の制御モードで、電動機３Ｄの第１および第２の３相巻線５、６と、電動機３Ｅの第１の３相巻線５とに交流電力を供給し、第２の制御モードで、電動機３Ｄの第１の３相巻線５と電動機３Ｅの第１および第２の３相巻線５、６とに交流電力を供給する。制御部２０Ｄは、所定期間毎に第１の制御モードと第２制御モードとを交互に切り替えことにより、２台の電動機３Ｄ、３Ｅに流れる平均電流および平均トルクを同等にする。なお、この場合、制御部２０Ｄにおいて、ゲート信号出力器３０Ｄは、交流電力の供給先として組み合わせが異なる３つの３相巻線を制御モードに応じて切り替える。また、制御部２０Ｄにおいて、モード選択器２２は、オン比率が５０％で第１モード信号ＳＡおよび第２モード信号ＳＢを出力する。

また、第５の実施形態に係るモータ駆動システム１Ｄにおいて、電流形インバータ装置２Ｄは、交流電力の供給先として電動機３Ｄと電動機３Ｅを所定期間毎に交互に切り替えることもできる。制御部２０Ｄは、例えば、第１の制御モードで、電動機３Ｄの第１および第２の３相巻線５、６に交流電力を供給し、第２の制御モードで、電動機３Ｅの第１および第２の３相巻線５、６に交流電力を供給する。制御部２０Ｄは、所定期間毎に第１の制御モードと第２制御モードとを交互に切り替えことにより、２台の電動機３Ｄ、３Ｅに流れる平均電流および平均トルクを同等にする。なお、この場合、制御部２０Ｄにおいて、ゲート信号出力器３０Ｄは、交流電力の供給先として電動機３Ｄと電動機３Ｅとを制御モードに応じて切り替える。また、制御部２０Ｄにおいて、モード選択器２２は、オン比率が５０％で第１モード信号ＳＡおよび第２モード信号ＳＢを出力する。

また、第５の実施形態に係るモータ駆動システム１Ｄにおいて、電流形インバータ装置２Ｄは、交流電力の供給先として電動機３Ｄの一つの３相巻線と電動機３Ｅの一つの３相巻線とを所定期間毎に交互に切り替えることもできる。制御部２０Ｄは、例えば、第１の制御モードで、電動機３Ｄの第１の３相巻線５に交流電力を供給し、第２の制御モードで、電動機３Ｅの第１の３相巻線５に交流電力を供給する。制御部２０Ｄは、所定期間毎に第１の制御モードと第２制御モードとを交互に切り替えことにより、２台の電動機３Ｄ、３Ｅに流れる平均電流および平均トルクを同等にする。なお、この場合、制御部２０Ｄにおいて、ゲート信号出力器３０Ｄは、交流電力の供給先として電動機３Ｄの一つの３相巻線と電動機３Ｅの一つの３相巻線とを制御モードに応じて切り替える。また、制御部２０Ｄにおいて、モード選択器２２は、オン比率が５０％で第１モード信号ＳＡおよび第２モード信号ＳＢを出力する。

なお、第３〜第５の実施形態の上記例では、第１の実施形態に係る電流形インバータ装置２からの変更点について説明したが、第２の実施形態に係る電流形インバータ装置２Ａと同様の処理を行うことにより、高効率領域を拡大することができる。

また、上述においては、制御部２０、２０Ａ〜２０Ｄは、定トルク領域および定出力領域で電動機３を制御するものとして説明したが、定トルク領域のみの制御を行うことができる。この場合、例えば、制御部２０、２０Ａ〜２０Ｄは、低速または停止時の大トルクと、高速運転の能力を兼ね備える必要な用途で電動機３を制御することができる。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１、１Ａ〜１Ｄ モータ駆動システム
２、２Ａ〜２Ｄ、１００ 電流形インバータ装置
３、３Ｂ〜３Ｅ ３相交流電動機
４、１５ 直流電流源
１１、１１Ｃ インバータ部
１２ スイッチング部
１３〜１５、１３Ｃ〜１５Ｃ スイッチング素子部
２０、２０Ａ〜２０Ｄ 制御部
２１ 速度演算器
２２、２２Ａ〜２２Ｃ モード選択器
２４、２４Ａ〜２４Ｃ 速度制御器
２７、２７Ａ〜２７Ｃ 定出力制御器
２８、２８Ｂ、２８Ｃ モータ定数切替器
２９ ゲート信号生成器
３０、３０Ｂ、３０Ｃ ゲート信号出力器

Claims (7)

1. 相毎にｍ個（ｍは２以上の整数）の巻線を有するｎ台（ｎは１以上の整数）の交流電動機に対して交流電力を供給するインバータ部と、
   前記インバータ部および前記交流電動機を制御する制御部と、を備え、
   前記インバータ部は、
   前記交流電動機の相毎にｎ×ｍ＋１個のスイッチング素子が直列接続され、前記スイッチング素子間のｎ×ｍ個の接続点のそれぞれが前記ｎ台の交流電動機の巻線のうち同一相の異なるｎ×ｍ個の巻線に接続されるスイッチング部を有し、
   前記制御部は、
   前記交流電動機の回転速度に基づいて前記ｎ×ｍ個の巻線の中から１以上の巻線を前記交流電力の供給先として選択するモード選択器を有する
   ことを特徴とする電流形インバータ装置。
2. 前記モード選択器は、
   前記交流電動機の回転速度の変化に応じて前記供給先または前記供給先になる前記巻線の数が増減するように前記供給先を選択する第１選択指令器を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電流形インバータ装置。
3. 前記モード選択器は、
   前記交流電動機の回転速度に応じた時比率で所定期間毎に前記供給先または前記供給先になる前記巻線の数が変更されるように前記供給先を選択する第２選択指令器を有する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電流形インバータ装置。
4. 前記制御部は、
   前記交流電動機の回転速度に応じて前記供給先または前記供給先になる前記巻線の数を変更する際に、前記交流電動機の界磁を制御する定出力制御器を有する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の電流形インバータ装置。
5. 前記制御部は、
   前記交流電動機の回転速度に応じて前記供給先または前記供給先になる前記巻線の数を変更する際に、前記交流電動機のトルク電流を制御する速度制御器を有する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の電流形インバータ装置。
6. 前記速度制御器は、
   前記交流電動機のトルク電流を、前記供給先または前記供給先になる前記巻線の数の変更前後で前記交流電力が変化しないように制御する
   ことを特徴とする請求項５に記載の電流形インバータ装置。
7. 前記制御部は、
   前記交流電動機の回転速度に応じて前記供給先または前記供給先になる前記巻線の数を変更する際に、前記交流電動機の制御に用いるモータ定数を切り替えるモータ定数切替器を有する
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の電流形インバータ装置。

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