JP4465762B2 - インバータ装置 - Google Patents
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Description
【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に示す。
【0003】
直流電源1は交流電源2を整流回路3により整流し直流電圧を得るように構成される。直流電源1の出力端子はインバータ回路8に接続し、インバータ回路8の出力端子は電動機18に接続し、交流電力を電動機18に供給する。
【0004】
整流回路3はダイオードブリッジ4と平滑コンデンサ5により交流電源1を全波整流して直流電源に変換する。
【0005】
インバータ回路8は高電位側のスイッチング手段9と低電位側のスイッチング手段10からなる直列回路11と、高電位側のスイッチング手段12と低電位側のスイッチング手段13からなる直列回路14と、高電位側のスイッチング手段15と低電位側のスイッチング手段16からなる直列回路17により三相ブリッジの回路構成にしている。スイッチング手段9、10、12、13、15、16はIGBTと逆接続ダイオードの並列回路で構成される。
【0006】
電動機18は永久磁石を有する回転子19と、三相にスター結線された固定子巻線20u、20v、20wを有する固定子20により構成される。
【0007】
制御手段71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、位置検知手段23の出力論理の組み合わせ及び電動機18の回転方向に対応して所定のスイッチング手段9、10、12、13、15、16をオンオフ制御する。同時に制御手段71は、スイッチング手段9、10、12、13、15、16のオン期間中の通電比を制御する。つまり、図9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20u、20v、20wへの印加電圧の平均値を制御している。なお、図9の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。また、別の従来例としては、特に図示していないが、整流回路の出力する直流電圧を可変にするために整流回路3を昇圧回路または、昇降圧回路などの構成にするものもある。
【0008】
【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スイッチング手段の通電比を制御することで電動機の印加電圧を制御するので、所望の回転速度で駆動できるが、前記スイッチング手段の通電比が100%になった状態においては、それ以上の速度で駆動することができないので、複数の動作条件を有する機器においては、不要な動作領域が非常に多い過剰仕様の電動機やインバータ回路を必要とするという課題を有していた。
【0009】
また、別の従来のインバータ装置は整流回路を昇圧回路または昇降圧回路の構成にして、電動機に印加する電圧を拡大し、電動機の動作領域を拡大しているが、前記昇圧回路や前記昇降圧回路を設けるために、制御方式が複雑になったり、部品点数が増え、装置の大型化、高コスト化という課題を有していた。
【0010】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、簡単な回路構成で電動機の動作領域を拡大することを目的にしている。
【0011】
【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、出力に平滑コンデンサを有する直流電源と前記直流電源の出力の一端に接続した整流素子と前記整流素子のもう一方の端子に接続したコンデンサと前記コンデンサに接続し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複数の巻線を有する電動機と前記巻線どうしの接続部と前記直流電源と前記整流素子の接続部の間に接続した開閉手段と前記インバータ回路を構成するスイッチング手段を制御する制御手段を有し、前記インバータ回路は二つのスイッチング手段を直列接続した直列回路を複数設け、前記開閉手段がオフで、前記スイッチング手段がオフの時、発生した回生電流を前記コンデンサが吸収するようにしたものである。
【0012】
これにより、電動機などの負荷からの誘導起電力の短絡を整流素子で阻止することができるとともに、スイッチング手段のオフ時に生じる回生電流をコンデンサで吸収することで、スイッチング手段に印加される電圧が過大となることを防ぐことができ、開閉手段がオンでは半波駆動、開閉手段がオフでは全波駆動が正しく行え、電動機の速度−トルク特性すなわち動作領域を変えることができるので、開閉手段がオン状態のときの巻線への印加電圧は、開閉手段がオフ状態のときの巻線への印加電圧の約二倍になるので、約2倍の速度で電動機を駆動できる。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項1記載の発明は、出力に平滑コンデンサを有する直流電源と、前記直流電源の出力の一端に接続した整流素子と、前記整流素子のもう一方の端子に接続したコンデンサと、前記コンデンサに接続し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複数の巻線を有する電動機と、前記巻線どうしの接続部と前記直流電源と前記整流素子の接続部の間に接続した開閉手段と、前記インバータ回路を構成するスイッチング手段を制御する制御手段を有し、前記インバータ回路は二つのスイッチング手段を直列接続した直列回路を複数設け、前記開閉手段がオフで、前記スイッチング手段がオフの時、発生した回生電流を前記コンデンサが吸収するようにしたものであり、電動機などの負荷からの誘導起電力の短絡を整流素子で阻止することができるとともに、スイッチング手段のオフ時に生じる回生電流をコンデンサで吸収することで、スイッチング手段に印加される電圧が過大となることを防ぐことができ、開閉手段がオンでは半波駆動、開閉手段がオフでは全波駆動が正しく行え、電動機の速度−トルク特性すなわち動作領域を変えることができるので、巻線への印加電圧が開閉手段のオンオフにより約二倍に切り替わるので、開閉手段がオンの場合は、開閉手段がオフの場合に比べ、巻線への電力供給を約四倍にでき、電動機の動作領域を拡大できる。
【0014】
また、本発明の請求項2記載の発明は、上記請求項1記載の発明において、電動機は回転子に永久磁石を有し、固定子に複数の巻線を有するように構成され、前記永久磁石の前記固定子に対する相対的な位置を検知する位置検知手段を有し、制御手段は前記位置検知手段の出力に応じてスイッチング手段を制御するようにしたものであり、巻線への印加電圧が開閉手段のオンオフにより約二倍に切り替わるので、開閉手段がオンの場合は、開閉手段がオフの場合に比べ、巻線に生じる誘導起電力が約二倍になる速度まで電動機を駆動できる。誘導起電力は電動機の速度とは比例関係であるので、電動機の速度を二倍にすることができる。また、回転子に永久磁石を設けることにより、高効率の電動機を駆動するインバータ装置を実現できる。
【0015】
また、本発明の請求項3記載の発明は、上記請求項1または2いずれか記載の発明において、制御手段は、開閉手段がオンのときには、整流素子の接続された電位側のスイッチング手段を全てオフするようにしたものであり、スイッチング手段がオフした際に生じる回生電流を小さくできるのでスイッチング手段の損失を抑えることができる。また、一つのスイッチング手段のみをオンするのでスイッチング手段の駆動電力を抑えることができる。
【0016】
また、本発明の請求項4記載の発明は、上記請求項1または2いずれか記載の発明において、制御手段は、開閉手段がオンのときには、整流素子の接続された電位側のスイッチング手段のうち少なくとも一つをオンするようにしたものであり、スイッチング手段がオフした際に生じる回生電流によりコンデンサが充電されることを防止できるので、コンデンサの電圧が過大になることを防止できる。
【0017】
また、本発明の請求項5記載の発明は、上記請求項1〜4いずれか記載の発明において、制御手段は、電動機の速度が所定速度以内であるときには開閉手段をオフし、所定速度を越えるときには開閉手段をオンするようにしたものであり、電動機を速度に応じて効率良く駆動できる。
【0018】
【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。
【0019】
(実施例1)
図1に本発明の実施例1であるインバータ装置の回路構成を示す。
【0020】
直流電源1は交流電源2を整流回路3により整流し、直流電圧を得るように構成される。
【0021】
整流回路3はダイオードブリッジ4と平滑コンデンサ5で構成される。なお、これは一例であり、二つの平滑コンデンサを直列接続し、この直列回路とダイオードブリッジを接続して倍電圧整流回路を構成してもよいものである。
【0022】
直流電源1の高電位側の端子は整流素子たるダイオード6のアノードに接続し、ダイオード6のカソードはコンデンサ7の高電位側の端子に接続することで、ダイオード6を通じて直流電源1よりコンデンサ7に電力供給をしている。
【0023】
コンデンサ7はインバータ回路8に接続し、インバータ回路8に直流電源を出力する。
【0024】
インバータ回路8は、高電位側のスイッチング手段9と低電位側のスイッチング手段10からなる直列回路11、高電位側のスイッチング手段12と低電位側のスイッチング手段12からなる直列回路14、高電位側のスイッチング手段15と低電位側のスイッチング手段16からなる直列回路18を並列接続し、三相ブリッジで構成されている。
【0025】
スイッチング手段9、10、12、13、15、16はそれぞれ、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を使用してもよいし、双方向スイッチング素子であるトライアックを使用してもよい。
【0026】
電動機18は、永久磁石を備えた回転子19と三相結線された固定子巻線20u、20v、20wを有する固定子20により構成される。
【0027】
開閉手段21は固定子巻線20u、20v、20wの中性点とダイオード6のアノード間に設けられており、リレーで構成されている。しかしながら、パワー半導体素子であるIGBTやMOSFETと逆接続ダイオードの並列回路や双方向スイッチング素子であるトライアックで構成してもよいし、メカニカルラッチ方式のスイッチで構成してもよい。
【0028】
制御手段22は、マイクロコンピュータと複数の論理回路などで構成される。本実施例においては、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9、10、12、13、15、16をオンオフ制御するとともに、電動機18の速度を検知し、この速度に応じて開閉手段21たるリレーをオンオフ制御する。
【0029】
位置検知手段23は、回転子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、25、26は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。ホールIC24、25、26は電気角で約121度間隔になるように固定子20に配設されている。なお、これは一例で固定子巻線20u、20v、20wに生じる逆起電力を検知して、回転子19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。
【0030】
図1に示したインバータ装置の動作について説明する。
【0031】
制御手段22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。本実施例においては、開閉手段21がオフ状態のときには、後で図2を用いて説明するが、位置検知手段23の出力論理に応じて、121度通電形の全波駆動で電動機18を駆動する。このとき、固定子巻線20u、20v、20wへの印加電圧の最大値は全波駆動になるため、直流電源1の出力電圧の約1/2になる。
【0032】
開閉手段21がオン状態のときには、後で図3または図4を用いて説明するが、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18を駆動する。このとき、固定子巻線20u、20v、20wへの印加電圧の最大値は直流電源1の出力電圧になる。従って、開閉手段21がオフ状態のときの約2倍の誘導起電力が生じる速度まで電動機18を駆動できる。一般に、回転子に永久磁石を有するいわゆるDCブラシレスモータにおいては、回転子の固定子巻線に対する相対速度に比例して誘導起電力が生じる。この誘導起電力と固定子巻線への印加電圧の差分の電圧により固定子巻線に電流が供給され、この電流と回転子に設けられた永久磁石によりトルクを発生するものである。つまり、約2倍の速度まで電動機18を駆動できる。しかしながら、同じトルクを出力するためには固定子巻線20u、20v、20wに供給する電流も約2倍になるものである。ここで、ダイオード6、コンデンサ7の作用について説明する。ダイオード6がない場合は開閉手段21がオン状態の時に固定子巻線20u、20v、20wに生じる誘導起電力が短絡されて、電動機18の回転方向とは逆方向にトルクを生じることになる。つまり、ダイオード6を設けることで、固定子巻線20u、20v、20wに生じる誘導起電力の短絡を防止できる。しかし、これだけで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5で吸収できなくなるので、回生電流を吸収できる容量を有するコンデンサ7を設けている。なお、図1には特に示していないが、コンデンサ7に放電用に抵抗を並列接続してもよいし、抵抗とスイッチング素子の直列回路を並列接続してもよい。
【0033】
図2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18の速度−トルク特性を示す。(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2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。これは、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20u、20v、20w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。
【0034】
以上のように、開閉手段21をオンオフして、固定子巻線20u、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18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18の速度−トルク特性すなわち動作領域を変えることができる。なお、図1および図2は本発明の請求項1、2、3、4、5の一実施例を示している。
【0035】
図3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。本実施例におけるインバータ装置は、開閉手段21がオフの状態においては、120度通電の全波で電動機18を駆動する。(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9のオンオフ状態、(e)はスイッチング手段12のオンオフ状態、(f)はスイッチング手段15のオンオフ状態、(g)はスイッチング手段10のオンオフ状態、(h)はスイッチング手段13のオンオフ状態、(i)はスイッチング手段16のオンオフ状態を示している。(j)は固定子巻線20uの電流波形、(k)は固定子巻線20vの電流波形、(l)は固定子巻線20wの電流波形を示している。(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9、12、15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9、10、12、13、15、16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9、10、12、13、15、16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18の回転方向に応じてそれぞれ記憶されている。
【0036】
以上のように、開閉手段21がオフの時には、制御手段22は電動機18が120度通電の全波駆動で動作するように、スイッチング手段9、10、12、13、15、16をオンオフ制御する。しかし、これは一例であり正弦波駆動にしてもよいし、150度通電にしてもよい。
【0037】
図4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。本実施例におけるインバータ装置は、開閉手段21がオンしたときには、120度通電の半波で電動機18を駆動する。(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9のオンオフ状態、(e)はスイッチング手段12のオンオフ状態、(f)はスイッチング手段15のオンオフ状態、(g)はスイッチング手段10のオンオフ状態、(h)はスイッチング手段13のオンオフ状態、(i)はスイッチング手段16のオンオフ状態を示している。(j)は固定子巻線20uの電流波形、(k)は固定子巻線20vの電流波形、(l)は固定子巻線20wの電流波形を示している。図3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9、12、15がオンしたときに流れる方向を正にしている。図4に示したように高電位側のスイッチング手段9、12、15は全てオフ状態となっているため、固定子巻線20u、20v、20w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10、13、16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10、13、16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18の回転方向に応じてそれぞれ記憶されている。なお、電動機18の駆動方式は一例であり、例えば正弦波駆動にしてもよいし、150度通電にしてもよいものである。
【0038】
以上のように、開閉手段21がオンしているときには、高電位側のスイッチング手段を全てオフしているので、低電位側のスイッチング手段のオフ時に生じる回生電流が高電位側のスイッチング手段を構成する逆接続ダイオードに流れるだけとなり、発熱の少ないインバータ装置を実現できる。また、高電位側のスイッチング手段をオンするための電力が必要ないので省電力化を実現できる。なお、図4は本発明の請求項3の一実施例を示している。
【0039】
図5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の動作波形の別の一例を示す。(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9のオンオフ状態、(e)はスイッチング手段12のオンオフ状態、(f)はスイッチング手段15のオンオフ状態、(g)はスイッチング手段10のオンオフ状態、(h)はスイッチング手段13のオンオフ状態、(i)はスイッチング手段16のオンオフ状態を示している。(j)は固定子巻線20uの電流波形、(k)は固定子巻線20vの電流波形、(l)は固定子巻線20wの電流波形を示している。(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9、12、15がオンしたときに流れる方向を正にしている。図5に示したように、スイッチング手段9、10、12、13、15、16はいずれも電気角120度の期間オンするようにしている。なお、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9、10、12、13、15、16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18の回転方向に応じてそれぞれ記憶されている。本実施例では、図5に示すように電動機18を低電位側スイッチング手段10、13、16により半波駆動しながら、同時に予め設定された組み合わせに基づき、高電位側スイッチング手段9、12、15をオンオフ制御することで、低電位側のスイッチング手段10、13、16がオフしたときに生じる回生電流を高電位側スイッチング手段9、12、15を通じて、回生電流の流れていない別の固定子巻線に流すので、コンデンサ7が回生電流により過大に充電されることを防止することができる。なお、図5に示した本実施例におけるスイッチング手段のオンオフ制御は図3に示した開閉手段21のオフ状態におけるスイッチング手段のオンオフ制御と同様である。従って、開閉手段21のオンオフ状態それぞれに対応してスイッチング手段のオンオフ状態を記憶しておく必要がなく、マイクロコンピュータ内のROMを節約できる。また、開閉手段21のオンオフ状態によりスイッチング手段のオンオフ制御を変更する必要がないので、開閉手段21のオンオフ制御を容易にできる。しかし、電動機18の駆動方式は一例であり、高電位側のスイッチング手段が少なくとも一つオンしていればよいものである。なお、図5は本発明の請求項4の一実施例を示している。
【0040】
図6に、本発明の請求項5の一実施例であるインバータ装置の電動機の駆動時のフローチャートを示す。なお、インバータ装置の構成は図1と同様であり、ここでは省略する。
【0041】
図6に示したインバータ装置のフローチャートについて説明する。電動機18の運転が開始されると、ステップ31において制御手段22が開閉手段21たるリレーをオフする。これにより電動機18の固定子巻線20u、20v、20wの中性点は非接続となる。ステップ32では、制御手段22が図3に示したように位置検知手段23たるホールIC24、25、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9、10、12、13、15、16をオンオフ制御することで、電動機18を三相全波で駆動する。ステップ33では、制御手段22が電動機18を三相全波で駆動しながら、電動機18の速度が所定速度Nsであるかを判定する。所定速度Nsの設定は予め制御手段22を構成するマイクロコンピュータのROMに記憶されているものとする。なお、所定速度Nsの設定方法は特に限定するものではないが、本実施例では、図2に示した開閉手段21のオフ状態における速度−トルク特性カーブ(a)と開閉手段21のオン状態における速度−トルク特性カーブ(b)の交差する速度Nsを所定速度にしている。電動機18の速度検知は制御手段22がホールIC24の出力信号の周期を検知することで行っている。より具体的に述べると、制御手段22を構成するマイクロコンピュータ内に設けられたカウンタによりホールIC24のハイ期間を検知することで電動機18の速度を検知している。ステップ33で電動機18の速度が所定速度Nsに達していると判定すると、ステップ34で制御手段22は開閉手段21たるリレーをオンする。これにより、固定子巻線20u、20v、20wの中性点は開閉手段21を通じて直流電源1の高電位側の端子に接続される。その後、ステップ35で、制御手段22は図5に示したようにホールIC24、25、26の出力論理の組み合わせに応じて、スイッチング手段9、10、12、13、15、16をオンオフ制御する。なお、固定子巻線20u、20v、20wの中性点は直流電源1の高電位側の端子に接続しているので、電動機18は、低電位側スイッチング手段10、13、16をオンオフ制御することで三相半波で駆動されることになる。
【0042】
以上のように、電動機18の速度が所定速度Nsより低いときには開閉手段21をオフにして、電動機18を三相全波で駆動し、所定速度Ns以上では開閉手段21をオンにして電動機18を三相半波で駆動することで、電動機18の速度により、より効率の高い駆動方式で電動機18を駆動できる。
【0043】
(実施例3)
図7に、本発明の実施例2のインバータ装置の主要部回路構成図を示す。整流素子たるダイオード41のカソードは直流電源1の低電位側の端子に接続し、ダイオード41のアノードはコンデンサ7の低電位側の端子に接続している。開閉手段42たるリレーはダイオード41のカソード端子と固定子巻線20u、20v、20wの中性点の間に設けられている。制御手段43は位置検知手段23の出力論理に応じてスイッチング手段9、10、12、13、15、16のオンオフ制御を行うとともに、開閉手段21のオンオフ制御を行うものである。その他の構成については図1に示したインバータ装置と同様のものであり、ここでは省略する。
【0044】
図7に示したインバータ装置の動作について説明する。開閉手段42がオフ状態においては、制御手段43は図3に示したように位置検知手段22たるホールIC23、24、25の出力論理に基づいてスイッチング手段9、10、12、13、15、16をオンオフ制御する。これにより、電動機18は三相全波で駆動される。
【0045】
開閉手段43がオン状態においては、制御手段43は整流素子たるダイオード41が設けられている低電位側のスイッチング手段10、13、16を全てオフするとともに、高電位側のスイッチング手段9、12、15を位置検知手段22の出力論理に基づいてオンオフ制御する。これにより、電動機18は三相半波で駆動される。
【0046】
以上のように、本実施例のインバータ装置においても、開閉手段42により固定子巻線20u、20v、20wの中性点と直流電源1の低電位側の端子間を接続したり、切り離すことにより、固定子巻線20u、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18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18の速度−トルク特性すなわち動作領域を変えることができる。なお、図7のインバータ装置における電動機18の速度−トルク特性は図2と同様になるものである。なお、図7は本発明の請求項1、2、3の一実施例を示している。
【0047】
(実施例3)
図8は、本発明の実施例3のインバータ装置を示す。整流素子たるダイオード51のアノード端子は直流電源1の高電位側の端子に接続し、ダイオード51のカソード端子はコンデンサ7の高電位側の端子に接続している。インバータ回路52は高電位側のスイッチング手段53と低電位側のスイッチング手段54からなる直列回路55と高電位側のスイッチング手段56と低電位側のスイッチング手段57からなる直列回路58によりフルブリッジの構成になっている。電動機59は4極の永久磁石を設けた回転子60と、固定子巻線61a、61bを直列接続してなる固定子61により構成されている。開閉手段62はリレーで構成されており、直流電源1の高電位側の端子と固定子巻線61a、61bの接続部の間に設けられている。制御手段63は、マイクロコンピュータや複数の論理回路により構成されており、位置検知手段たるホールIC64の出力論理によりスイッチング手段53、54、56、57をオンオフ制御するとともに開閉手段62をオンオフ制御する。
【0048】
図8に示したインバータ装置の動作について説明する。開閉手段62がオフ状態の時には、制御手段63はホールIC64の出力論理と電動機59の回転方向に応じて、スイッチング手段53、54、56、57をオンオフ制御し、単相全波で電動機59を駆動する。開閉手段62がオン状態の時には、制御手段63は高電位側のスイッチング手段53、56をオフ状態に保持するともに、ホールIC64の出力論理に応じて低電位側のスイッチング手段54、57をオンオフ制御する。
【0049】
以上のように、本実施例のインバータ装置においても、開閉手段62を用いて固定子巻線61a、61bの接続部と直流電源1の高電位側の端子間を接続したり、切り離すことにより、固定子巻線61a、61bへの印加電圧の最大値を切り替えるとともに、電動機59を駆動方法と全波駆動と半波駆動に切り替えるので、電動機59の速度−トルク特性すなわち動作領域を変えることができる。なお、図8に示したインバータ装置は本発明の請求項1、2、3の一実施例に相当する。
【0050】
以上のように、開閉手段をオンオフすることで電動機の固定子に設けられた巻線の接続部を直流電源に接続したり切り離したりできるので、巻線への印加電圧の最大値を切り替えることができる。同時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、本実施例のように回転子に永久磁石を有するDCブラシレスモータにおいては、巻線に生じる誘導起電力の最大値を大きくすることができ、最高速度を大きくできる。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、高速駆動時において固定子巻線への電流供給を増やすことができる。従って高速時のトルク出力を増やすことができることになり、電動機の動作領域を拡大できる。
【0051】
【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、出力に平滑コンデンサを有する直流電源と、前記直流電源の出力の一端に接続した整流素子と、前記整流素子のもう一方の端子に接続したコンデンサと、前記コンデンサに接続し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複数の巻線を有する電動機と、前記巻線どうしの接続部と前記直流電源と前記整流素子の接続部の間に接続した開閉手段と、前記インバータ回路を構成するスイッチング手段を制御する制御手段を有し、前記インバータ回路は二つのスイッチング手段を直列接続した直列回路を複数設け、前記開閉手段がオフで、前記スイッチング手段がオフの時、発生した回生電流を前記コンデンサが吸収するようにしたので、電動機などの負荷からの誘導起電力の短絡を整流素子で阻止することができるとともに、スイッチング手段のオフ時に生じる回生電流をコンデンサで吸収することで、スイッチング手段に印加される電圧が過大となることを防ぐことができ、開閉手段がオンでは半波駆動、開閉手段がオフでは全波駆動が正しく行え、電動機の速度−トルク特性すなわち動作領域を変えることができるので、巻線への印加電圧が開閉手段のオンオフにより約二倍に切り替わるので、開閉手段がオンの場合は、開閉手段がオフの場合に比べ、巻線への電力供給を約四倍にでき、電動機の動作領域を拡大できる。
【0052】
また、本発明の請求項2記載の発明によれば、上記請求項1記載の発明において、電動機は回転子に永久磁石を有し、固定子に複数の巻線を有するように構成され、前記永久磁石の前記固定子に対する相対的な位置を検知する位置検知手段を有し、制御手段は前記位置検知手段の出力に応じてスイッチング手段を制御するようにしたので、巻線への印加電圧が開閉手段のオンオフにより約二倍に切り替わるので、開閉手段がオンの場合は、開閉手段がオフの場合に比べ、巻線に生じる誘導起電力が約二倍になる速度まで電動機を駆動できる。誘導起電力は電動機の速度とは比例関係であるので、電動機の速度を二倍にすることができる。また、回転子に永久磁石を設けることにより、高効率の電動機を駆動するインバータ装置を実現できる。
【0053】
また、本発明の請求項3記載の発明によれば、上記請求項1または2いずれか記載の発明において、制御手段は、開閉手段がオンのときには、整流素子の接続された電位側のスイッチング手段を全てオフするようにしたので、スイッチング手段がオフした際に生じる回生電流を小さくできるのでスイッチング手段の損失を抑えることができる。また、一つのスイッチング手段のみをオンするのでスイッチング手段の駆動電力を抑えることができる。
【0054】
また、本発明の請求項4記載の発明によれば、上記請求項1または2いずれか記載の発明において、制御手段は、開閉手段がオンのときには、整流素子の接続された電位側のスイッチング手段のうち少なくとも一つをオンするようにしたので、スイッチング手段がオフした際に生じる回生電流によりコンデンサが充電されることを防止でき、コンデンサの電圧が過大になることを防止できる。
【0055】
また、本発明の請求項5記載の発明によれば、上記請求項1〜4いずれか記載の発明において、制御手段は、電動機の速度が所定速度以内であるときには開閉手段をオフし、所定速度を越えるときには開閉手段をオンするようにしたので、低速時には電動機を全波駆動し、電動機の全波駆動では達することのできない高速動作領域では電動機を半波駆動するので、前記電動機を速度に応じて効率良く駆動できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例1の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電動機の速度−トルク特性図
【図3】 同インバータ装置の開閉手段21オフ時の主要部動作波形図
【図4】 同インバータ装置の開閉手段21オン時の主要部動作波形図
【図5】 同インバータ装置の開閉手段21オン時の別の一例である主要部動作波形図
【図6】 同インバータ装置の電動機の駆動制御フローチャート
【図7】 本発明の実施例2のインバータ装置の主要部回路構成図
【図8】 本発明の実施例3のインバータ装置の主要部回路構成図
【図9】 従来のインバータ装置の主要部回路構成図
【符号の説明】
1 直流電源
6 ダイオード
7 コンデンサ
8 インバータ回路
9、10、12、13、15、16 スイッチング手段
11、14、17 直列回路
18 電動機
19 回転子
20 固定子
20u、20v、20w 固定子巻線
21 開閉手段
22 制御手段
Claims (5)
- 出力に平滑コンデンサを有する直流電源と、前記直流電源の出力の一端に接続した整流素子と、前記整流素子のもう一方の端子に接続したコンデンサと、前記コンデンサに接続し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複数の巻線を有する電動機と、前記巻線どうしの接続部と前記直流電源と前記整流素子の接続部の間に接続した開閉手段と、前記インバータ回路を構成するスイッチング手段を制御する制御手段を有し、前記インバータ回路は二つのスイッチング手段を直列接続した直列回路を複数設け、前記開閉手段がオフで、前記スイッチング手段がオフの時、発生した回生電流を前記コンデンサが吸収するようにしたインバータ装置。
- 電動機は、回転子に永久磁石を有し、固定子に複数の巻線を有するように構成され、前記永久磁石の前記固定子に対する相対的な位置を検知する位置検知手段を有し、制御手段は前記位置検知手段の出力に応じてスイッチング手段を制御するようにした請求項1に記載のインバータ装置。
- 制御手段は、開閉手段がオンのときには、整流素子の接続された電位側のスイッチング手段を全てオフするようにした請求項1または2に記載のインバータ装置。
- 制御手段は、開閉手段がオンのときには、整流素子の接続された電位側のスイッチング手段のうち少なくとも一つをオンするようにした請求項1または2に記載のインバータ装置。
- 制御手段は、電動機の速度が所定速度以内であるときには開閉手段をオフし、所定速度を越えるときには開閉手段をオンするようにした請求項1〜4のいずれか1項に記載のインバータ装置。
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