JP2017184310A - モータ制御装置及び圧縮機 - Google Patents
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Abstract
Description
以下、第1の実施形態に係るモータ制御装置について、図1〜図2を参照しながら詳細に説明する。
図1は、第1の実施形態に係るモータ制御装置の全体構成を示す図である。
図1に示すモータ制御装置1は、三相交流電力に基づいて動作する三相モータ2を制御する。本実施形態に係るモータ制御装置1は、三相モータ2とともに、空気調和機などに搭載される圧縮機に搭載される。
なお、三相モータ2は、図1に示すように、三相交流電力のu相、v相、w相のそれぞれに対応する3つのモータ巻線(u相モータ巻線20、v相モータ巻線21及びw相モータ巻線22)を内蔵している。三相モータ2はいわゆるY結線の三相モータであって、u相モータ巻線20、v相モータ巻線21及びw相モータ巻線22は、後述する巻線切替回路12を通じて、第1中性点Y0又は第2中性点Y1の何れかにて結線される。
図1に示すように、インバータ回路11は、u相、v相、w相からなる三相交流電力を出力する。出力された三相交流電力は、三相モータ2にて受電され、当該三相モータ2の回転駆動に寄与する。
なお、以下の説明において、2つの低ターン側スイッチ120a、120bを総称して「低ターン側スイッチ120」とも記載する。また、2つの高ターン側スイッチ121a、121bを総称して「高ターン側スイッチ121」とも記載する。
より具体的には、図1に示すように、低ターン側スイッチ120aは、第1中性点Y0とu相モータ巻線20上の低ターン側接続点N200との間に接続される。また、低ターン側スイッチ120bは、第1中性点Y0とw相モータ巻線22上の低ターン側接続点N220との間に接続される。
また、第1中性点Y0と、3つのモータ巻線のうちの1つ(v相モータ巻線21)における低ターン側接続点N210との間にはスイッチ等は設けられておらず、低ターン側短絡線A0によって短絡されている。
ここで、低ターン側接続点N200は、u相モータ巻線20において、インバータ回路11から第1巻線部20aを経た所で設けられた接続点である。また、低ターン側接続点N210は、v相モータ巻線21において、インバータ回路11から第1巻線部21aを経た所で設けられた接続点である。そして、低ターン側接続点N220は、w相モータ巻線22において、インバータ回路11から第1巻線部22aを経た所で設けられた接続点である。
より具体的には、図1に示すように、高ターン側スイッチ121aは、第2中性点Y1とu相モータ巻線20上の高ターン側接続点N201との間に接続される。また、高ターン側スイッチ121bは、第2中性点Y1とw相モータ巻線22上の高ターン側接続点N221との間に接続される。
また、第2中性点Y1と、3つのモータ巻線のうちの1つ(v相モータ巻線21)における高ターン側接続点N211との間にはスイッチ等は設けられておらず、高ターン側短絡線A1によって短絡されている。
ここで、高ターン側接続点N201は、u相モータ巻線20において、インバータ回路11から第1巻線部20a及び第2巻線部20bの両方を経た所で設けられた接続点である。また、高ターン側接続点N211は、v相モータ巻線21において、インバータ回路11から第1巻線部21a及び第2巻線部21bの両方を経た所で設けられた接続点である。そして、低ターン側接続点N220は、w相モータ巻線22において、インバータ回路11から第1巻線部22a及び第2巻線部22bの両方を経た所で設けられた接続点である。
コントローラ10のモータ駆動制御部10aは、例えば、良く知られているPWM(Pulse Width Modulation)制御に基づく制御信号をインバータ回路11に向けて出力する。モータ駆動制御部10aは、上位機器からの(圧縮機に対する)運転指令に応じた制御信号を適宜出力することで、所望に三相モータ2を回転駆動させる。
コントローラ10の巻線切替制御部10bは、運転指令に応じて三相モータ2を所定の判定閾値よりも低い回転数で回転させる場合(以下、「低速運転時」とも記載)に、巻線切替回路12に対し、2つの低ターン側スイッチ120を“OFF”とし、2つの高ターン側スイッチ121を“ON”とする制御を行う。また、巻線切替制御部10bは、運転指令に応じて三相モータ2を所定の判定閾値以上の高い回転数で回転させる場合(以下、「高速運転時」とも記載)に、巻線切替回路12に対し、2つの低ターン側スイッチ120を“ON”とし、2つの高ターン側スイッチ121を“OFF”とする制御を行う。
図2は、第1の実施形態に係る双方向スイッチの構成を示す図である。
図2に示すように、低ターン側スイッチ120には、単一のトライアックS1が用いられる。トライアックS1は、一般に広く知られているトライアックであって、2つのサイリスタが組み合わされて一体とされた半導体素子である。トライアックS1は、コントローラ10(図1)からの制御信号により“ON”状態となった場合に、双方向に(第1中性点Y0から各モータ巻線に、及び、各モータ巻線から第1中性点Y0に)電流を流すことができる。また、トライアックS1は、抵抗成分が比較的小さいため導通損失が小さい。
なお、本実施形態においては、2つの高ターン側スイッチ121は、図2に示す低ターン側スイッチ120と同様の構成であるため、図示を省略する。
以上の通り、三相モータ2における第1中性点Y0と、低ターン側接続点N200、N210の各々との間に接続された2つの低ターン側スイッチ120と、三相モータ2における第2中性点Y1と、高ターン側接続点N201、N202の各々との間に接続された2つの高ターン側スイッチ121と、を備えている。また、低ターン側スイッチ120及び高ターン側スイッチ121は、トライアックS1(半導体素子からなる双方向スイッチ)である。
そうすると、第1中性点Y0を介した低ターン側接続点N200と低ターン側接続点N210との間の交流電流、第1中性点Y0を介した低ターン側接続点N210Nと低ターン側接続点N220との間の交流電流、及び、第1中性点Y0を介した低ターン側接続点N220と低ターン側接続点N200との間の交流電流の全てが遮断される。
更に、低速運転時においては、巻線切替制御部10bからの制御信号により、2つの高ターン側スイッチ121が“ON”となる。これにより、第2中性点Y1とu相モータ巻線20の高ターン側接続点N201との間、及び、第2中性点Y1とw相モータ巻線22の高ターン側接続点N221との間が短絡される。
そうすると、第2中性点Y1を介した高ターン側接続点N201と高ターン側接続点N211との間の交流電流、第2中性点Y1を介した高ターン側接続点N211Nと高ターン側接続点N221との間の交流電流、及び、第2中性点Y1を介した高ターン側接続点N221と高ターン側接続点N201との間の交流電流の全てが流れる。
これにより、u相モータ巻線20においては、第1巻線部20a及び第2巻線部20bの両方に電流が流れ、第1巻線部20a及び第2巻線部20bの合計巻き数に応じたトルクが発生する。同様に、v相モータ巻線21においては、第1巻線部21a及び第2巻線部201の合計巻き数に応じたトルクが発生する。更に、w相モータ巻線22においては、第1巻線部22a及び第2巻線部22bの合計巻き数に応じたトルクが発生する。
そうすると、第1中性点Y0を介した低ターン側接続点N200と低ターン側接続点N210との間の交流電流、第1中性点Y0を介した低ターン側接続点N210Nと低ターン側接続点N220との間の交流電流、及び、第1中性点Y0を介した低ターン側接続点N220と低ターン側接続点N200との間の交流電流の全てが流れる。
更に、高速運転時においては、巻線切替制御部10bからの制御信号により、2つの高ターン側スイッチ121が“OFF”となる。これにより、第2中性点Y1とu相モータ巻線20の高ターン側接続点N201との間、及び、第2中性点Y1とw相モータ巻線22の高ターン側接続点N221との間が開放される。
そうすると、第2中性点Y1を介した高ターン側接続点N201と高ターン側接続点N211との間の交流電流、第2中性点Y1を介した高ターン側接続点N211Nと高ターン側接続点N221との間の交流電流、及び、第2中性点Y1を介した高ターン側接続点N221と高ターン側接続点N201との間の交流電流の全てが遮断される。
これにより、u相モータ巻線20においては、第1巻線部20aのみに電流が流れ、第1巻線部20aのみの巻き数に応じたトルクが発生する。同様に、v相モータ巻線21においては、第1巻線部21aのみの巻き数に応じたトルクが発生する。更に、w相モータ巻線22においては、第1巻線部22aのみの巻き数に応じたトルクが発生する。ただし、トルクの発生に寄与する各モータ巻線の巻き数が小さいため、回転速度に応じた逆起電力が低減される。
また、本実施形態においては、巻線切替回路12を構成する低ターン側スイッチ120及び高ターン側スイッチ121の全てが半導体素子(トライアックS1)からなり、当該半導体素子により双方向の電流(交流電流)の導通/開放がなされる。これにより、メカスイッチを用いる場合よりも高い信頼性(耐久性)を得ることができる。
このように、本実施形態に係るモータ制御装置1によれば、三相モータ2を流れる交流電流は多くとも2つの半導体素子を通過するのみとなる。したがって、モータ電流が通過する半導体素子の数を少なくすることができるため、巻線切替回路12に生じる導通損失を低減することができる。
これにより、低ターン側短絡線A0及び高ターン側短絡線A1を流れる交流電流は通過する半導体素子の数が一つのみとなるので、一層導通損失を低減することができる。
また、巻線切替回路12の構成素子数を減らすことができるので、省スペース化、低コスト化を図ることができる。
以上、第1の実施形態に係るモータ制御装置1について詳細に説明したが、モータ制御装置1の具体的な態様は、上述のものに限定されることはなく、要旨を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を加えることは可能である。
また、モータ制御装置1は、更に、第2中性点Y1と、v相モータ巻線21における高ターン側接続点N211との間に、半導体素子からなる高ターン側スイッチ121を有していてもよい。即ち、u相モータ巻線20、v相モータ巻線21及びw相モータ巻線22の全てに高ターン側スイッチ121が接続される態様であってもよい。
このようにしても、三相モータ2を流れる交流電流は2つの半導体素子を通過するのみとなるので、巻線切替回路12に生じる導通損失を低減することができる。
例えば、低ターン側スイッチ120がu相モータ巻線20及びv相モータ巻線21に接続され、低ターン側短絡線A0がw相モータ巻線22に接続される態様、若しくは、低ターン側スイッチ120がv相モータ巻線21及びw相モータ巻線22に接続され、低ターン側短絡線A0がu相モータ巻線20に接続される態様であってもよい。
高ターン側スイッチ121及び高ターン側短絡線A1についても同様である。
次に、第2の実施形態に係るモータ制御装置について、図3を参照しながら詳細に説明する。
図3は、第2の実施形態に係る双方向スイッチの構成を示す図である。
図3に示すように、低ターン側スイッチ120は、2つの逆阻止IGBT素子S2(Reverse Blocking Insulated Gate Bipolar Transistor:RB−IGBT)が並列に接続されてなる。逆阻止IGBT素子S2は、コントローラ10(図1)からの制御信号により“ON”状態となった場合に、一方の逆阻止IGBT素子S2が第1中性点Y0から各モータ巻線に向けて電流を流し、他方の逆阻止IGBT素子S2が各モータ巻線から第1中性点Y0に向けて電流を流す。
なお、本実施形態においては、2つの高ターン側スイッチ121(図1)は、図3に示す低ターン側スイッチ120と同様の構成であるため、図示を省略する。
このように、第2の実施形態においても、三相モータ2を流れる交流電流は多くとも2つの半導体素子を通過するのみとなる。したがって、モータ電流が通過する半導体素子の数を少なくすることができるため、巻線切替回路12に生じる導通損失を低減することができる。
10 コントローラ
10a モータ駆動制御部
10b 巻線切替制御部
11 インバータ回路
12 巻線切替回路
120 低ターン側スイッチ
121 高ターン側スイッチ
Y0 第1中性点
Y1 第2中性点
A0 低ターン側短絡線
A1 高ターン側短絡線
2 三相モータ
20 u相モータ巻線(モータ巻線)
21 v相モータ巻線(モータ巻線)
22 w相モータ巻線(モータ巻線)
20a、21a、22a 第1巻線部
20b、21b、22b 第2巻線部
N200、N210、N220 低ターン側接続点
N201、N211、N221 高ターン側接続点
S1 トライアック
S2 逆阻止IGBT素子
Claims (5)
- 三相交流電力で動作する三相モータに内蔵された3つのモータ巻線の巻き数を切り替えるモータ制御装置であって、
前記三相モータにおける第1中性点と、3つの前記モータ巻線のうちの少なくともいずれか2つにおける低ターン側接続点との間に接続された低ターン側スイッチと、
前記三相モータにおける第2中性点と、3つの前記モータ巻線のうちの少なくともいずれか2つにおける高ターン側接続点との間に接続された高ターン側スイッチと、
を備え、
前記低ターン側スイッチ及び前記高ターン側スイッチは、
半導体素子からなる双方向スイッチである
モータ制御装置。 - 前記第1中性点と、3つの前記モータ巻線のうちの1つにおける低ターン側接続点との間を短絡する低ターン側短絡線と、
前記第2中性点と、3つの前記モータ巻線のうちの1つにおける高ターン側接続点との間を短絡する高ターン側短絡線と、
を備える請求項1に記載のモータ制御装置。 - 前記双方向スイッチは、トライアックである
請求項1又は請求項2に記載のモータ制御装置。 - 前記双方向スイッチは、2つの逆阻止IGBT素子が並列に接続されてなる
請求項1又は請求項2に記載のモータ制御装置。 - 請求項1から請求項4の何れか一項に記載のモータ制御装置と、
前記三相モータと、
を備える圧縮機。
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