JP5724567B2 - AC motor winding switching device and AC motor drive system - Google Patents
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Description
本発明は、交流電動機の巻線切替装置及び交流電動機駆動システムに関する。 The present invention relates to an AC motor winding switching device and an AC motor drive system.
従来より工作機械や車両などの駆動源として、交流可変周波数電源により駆動制御を行う交流電動機が広く利用されている。この交流電動機には、電機子として上記の交流可変周波数電源の相数と同じ数の巻線が備えられており、それらの接続構成として例えば3相の場合のY結線やデルタ結線などがある。さらに近年では、この交流電動機の速度制御やトルク制御を目的として、当該交流電動機がその内部に上記電源相数分の巻線の集合を2組備え、それら2組の巻線に対して交流可変周波数電源と接続を切り替えることにより電機子の界磁を段階的に変化させる巻線切替装置が提案されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, AC motors that perform drive control with an AC variable frequency power source have been widely used as drive sources for machine tools and vehicles. This AC motor is provided with the same number of windings as the number of phases of the AC variable frequency power source as an armature, and there are, for example, a Y connection or a delta connection in the case of three phases. Further, in recent years, for the purpose of speed control and torque control of this AC motor, the AC motor has two sets of windings corresponding to the number of power supply phases therein, and the AC variable for these two sets of windings. A winding switching device has been proposed in which the field of the armature is changed stepwise by switching the connection with the frequency power supply.
従来の巻線切替装置の一例として、例えば、特許文献1に記載のものがある。この特許文献1に記載の巻線切替装置は、交流電動機がその内部に上述した2組の巻線を直列に接続して備え、各組の巻線のそれぞれの出力側(交流可変周波数電源から電力が供給される側と反対側)がそれぞれに対応する2つのスイッチの切り替えにより各相の配線の短絡と遮断を切替可能となっている。スイッチによりその出力側が短絡された巻線は、当該スイッチを中性点としてY結線で接続されることになる。つまり2つのスイッチの切り替えの組み合わせによって、2組の巻線のうち交流可変周波数電源に近い方の巻線のみでY結線する状態と、2組の巻線を直列に接続した全体でY結線する状態とに切り替えることが可能となる。
As an example of a conventional winding switching device, for example, there is one described in
一つの巻線のみでY結線した状態では、インピーダンスが低いので高周波領域でも十分な電流を流すことが可能で高速運転に好適となる。また、直列に接続した2つの巻線全体でY結線した状態では、インピーダンスが高いので低周波領域でも十分な電圧を印加することができ、同一電流に対して大きいトルクを発生して低速運転に好適となる。 In a Y-connected state with only one winding, since the impedance is low, a sufficient current can flow even in a high frequency region, which is suitable for high-speed operation. In addition, in the Y-connected state with the entire two windings connected in series, since the impedance is high, a sufficient voltage can be applied even in a low frequency region, and a large torque is generated with respect to the same current for low speed operation. Preferred.
しかしながら、上記従来技術の構成では、2つの巻線の間の電気的接続は常に維持されたままであったため、一方の巻線だけを利用する際にも、他方の巻線におけるリアクタンスや自己誘導起電力などの影響を受けて作動性能に影響を与える恐れがあった。 However, since the electrical connection between the two windings is always maintained in the above prior art configuration, when only one winding is used, the reactance or self-inductive action in the other winding is also used. There was a risk of affecting the operating performance under the influence of electric power.
本発明の目的は、各電機子巻線に対する機能的悪影響を防止しつつ、2つの電機子巻線を円滑に切り替えることができる交流電動機の巻線切替装置及び交流電動機駆動システムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an AC motor winding switching device and an AC motor drive system that can smoothly switch between two armature windings while preventing functional adverse effects on each armature winding. is there.
上記目的を達成するために、第1の発明は、インバータにより給電される交流電動機に備えられた複数相の第1電機子巻線及び第2電機子巻線に係わる巻線切り替えを行う、交流電動機の巻線切替装置であって、前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線とを直列に接続する接続導電路における当該第1電機子巻線と第2電機子巻線との間に配置され、前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線との間の電気的接続を遮断することで前記第1電機子巻線及び前記第2電機子巻線のうち前記第1電機子巻線に前記インバータからの供給電力を導く第1状態と、前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線とを電気的に直列接続して前記第1電機子巻線及び前記第2電機子巻線の両方に前記インバータからの供給電力を導く第2状態とを、切替可能な、第1半導体スイッチ手段と、前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線の間に誘起される電圧が前記第1半導体スイッチ手段の耐圧を超える可能性がある前記インバータ又は前記交流電動機の異常検出状態に対応した、前記巻線切替装置の外部からの非常用切替制御信号に応じて、前記第1電機子巻線及び前記第2電機子巻線の間に誘起される電圧を最小として前記第1半導体スイッチ手段を過電圧から保護する電流経路を形成するための、経路切替手段と、を有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the first aspect of the invention is an AC that switches windings related to a plurality of first armature windings and second armature windings of an AC motor fed by an inverter. A winding switching device for an electric motor, wherein the first armature winding and the second armature winding in a connection conductive path connecting the first armature winding and the second armature winding in series Between the first armature winding and the second armature winding by interrupting the electrical connection between the first armature winding and the second armature winding. A first state in which power supplied from the inverter is guided to the first armature winding, and the first armature winding and the second armature winding electrically connected in series. Switchable between the second state for guiding the power supplied from the inverter to both the winding and the second armature winding A first semiconductor switch means, said inverter or the AC voltage induced between the second armature winding and the first armature winding can exceed the breakdown voltage of the first semiconductor switch means A voltage induced between the first armature winding and the second armature winding in response to an emergency switching control signal from the outside of the winding switching device corresponding to an abnormality detection state of the motor. Path switching means for forming a current path that protects the first semiconductor switch means from overvoltage as a minimum.
本願第1発明では、第1電機子巻線にインバータからの供給電力を導いて作動させる第1状態においては、第1半導体スイッチ手段により第1電機子巻線と第2電機子巻線との間の電気的接続を遮断する。これにより、一方の電機子巻線だけを利用する際にも他方の電機子巻線における影響を受ける従来構造と異なり、第1電機子巻線は、第2電機子巻線からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を発揮することができる。また、第1電機子巻線及び第2電機子巻線の両方にインバータからの供給電力を導いて作動させる第2状態においては、第1半導体スイッチ手段により第1電機子巻線と第2電機子巻線とを電気的に直列接続する。これにより、両方の電機子巻線の作動性能を定格通りに発揮することができる。 In the first invention of the present application, in the first state in which the power supplied from the inverter is guided to the first armature winding to be operated, the first armature winding and the second armature winding are caused by the first semiconductor switch means. Break the electrical connection between. Thus, unlike the conventional structure that is affected by the other armature winding even when only one armature winding is used, the first armature winding is electrically affected by the second armature winding. It is possible to demonstrate the operating performance as rated without being affected. Further, in the second state in which the power supplied from the inverter is guided to both the first armature winding and the second armature winding to be operated, the first armature winding and the second electric machine are driven by the first semiconductor switch means. The child winding is electrically connected in series. Thereby, the operation performance of both armature windings can be exhibited as rated.
また、本願第1発明においては、半導体スイッチ素子で構成する第1半導体スイッチ手段により第1電機子巻線と第2電機子巻線との間の電気的な接続と遮断の切り替えを瞬時に行う。これにより、例えば機械的スイッチ手段の場合に生じるチャタリングなどの電気的衝撃を無くし、2つの電機子巻線の間で上記リアクタンスや自己誘電起電力などによる電磁気的影響を機能的に遮断することができる。 In the first invention of the present application, the electrical connection between the first armature winding and the second armature winding and the switching between the armature winding are instantaneously performed by the first semiconductor switch means constituted by the semiconductor switch element. . This eliminates an electric shock such as chattering that occurs in the case of mechanical switch means, for example, and functionally cuts off the electromagnetic influence due to the reactance or self-dielectric electromotive force between the two armature windings. it can.
これらの結果、各電機子巻線に対する機能的悪影響を防止しつつ、2つの電機子巻線を円滑に切り替えることができる。また、本願第1発明においては、各半導体スイッチ手段、特に2つの電機子巻線の間に配置されている半導体スイッチ手段を過電圧から保護することができる。この結果、交流電動機の駆動制御における安全性を向上することができる。
As a result, it is possible to smoothly switch between the two armature windings while preventing a functional adverse effect on each armature winding. In the first invention of the present application, each semiconductor switch means, in particular, the semiconductor switch means disposed between the two armature windings can be protected from overvoltage. As a result, the safety in the drive control of the AC motor can be improved.
第2発明は、上記第1発明において、前記第1半導体スイッチ手段は、前記第1状態において当該第1状態に対応した第1電気的中性点と前記第1電機子巻線の前記インバータに接続される側と反対側の第1巻線出力端子とを接続するとともに、前記第2状態において前記第1電気的中性点と前記第1巻線出力端子とを遮断する、第1スイッチ手段と、前記第2状態において前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線とを直列に接続するとともに、前記第1状態において前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線とを遮断する、第2スイッチ手段と、を備え、前記第2電機子巻線は、前記第2スイッチ手段に接続される側と反対側の第2巻線出力端子が前記第2状態に対応した第2電気的中性点に接続していることを特徴とする。 According to a second invention, in the first invention, the first semiconductor switch means includes a first electrical neutral point corresponding to the first state and the inverter of the first armature winding in the first state. A first switch means for connecting a first winding output terminal on the opposite side to the connected side, and cutting off the first electrical neutral point and the first winding output terminal in the second state. And in the second state, the first armature winding and the second armature winding are connected in series, and in the first state, the first armature winding and the second armature winding The second armature winding has a second winding output terminal opposite to the side connected to the second switch means corresponding to the second state. The second electrical neutral point is connected.
このように第1半導体スイッチ手段を構成し、第1電気的中性点と第2電気的中性点とを接続することで、2つの電機子巻線を使用したY結線に対する上記第1状態と第2状態との切り替えを簡易な配線構成で実現することができる。また、第1電機子巻線にインバータからの供給電力を導いて作動させる第1状態においては、第2スイッチ手段が第1電機子巻線と第2電機子巻線との間の電気的接続を遮断することで、第1電機子巻線が第2電機子巻線からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を確実に発揮することができる。また、第1電機子巻線と第2電機子巻線の両方が一つのハウジングに収納されて一つのモータを構成する場合、当該ハウジングの内部で上記第2電気的中性点が第2電機子巻線の巻き終わり部分に形成されることで、外部の配線を省略化して交流電動機の組み立てを容易にし、生産性を向上する効果もある。 The first semiconductor switch means is configured as described above, and the first state with respect to the Y connection using two armature windings by connecting the first electrical neutral point and the second electrical neutral point. And the second state can be realized with a simple wiring configuration. Further, in the first state where the power supplied from the inverter is guided to the first armature winding to be operated, the second switch means is electrically connected between the first armature winding and the second armature winding. By shutting off, the first armature winding can reliably exhibit the operating performance as rated without being affected by the electrical influence from the second armature winding. Further, when both the first armature winding and the second armature winding are housed in one housing to constitute one motor, the second electrical neutral point is inside the housing. By being formed at the winding end portion of the sub-winding, it is possible to eliminate the external wiring, facilitate the assembly of the AC motor, and improve the productivity.
第3発明は、上記第2発明において、前記第1半導体スイッチ手段は、さらに、前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線との間の電気的接続を遮断して前記第2電機子巻線に前記インバータからの供給電力を導く第3状態と、前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線とを電気的に並列接続して前記第1電機子巻線及び前記第2電機子巻線の両方に前記インバータからの供給電力を導く第4状態とを、切替可能であり、前記第3状態及び前記第4状態において前記第2電機子巻線の前記第2スイッチ手段に接続される側の第2巻線入力端子を前記インバータに接続するとともに、前記第1状態及び前記第2状態において前記第2巻線入力端子と前記インバータとを遮断する、第3スイッチ手段を備え、前記第1スイッチ手段は、前記第4状態において前記第1電気的中性点と前記第1電機子巻線とを接続し、前記第2スイッチ手段は、前記第3状態及び前記第4状態のいずれにおいても前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線とを遮断する、ことを特徴とする。 According to a third invention, in the second invention, the first semiconductor switch means further cuts off an electrical connection between the first armature winding and the second armature winding, and A third state in which power supplied from the inverter is guided to the armature winding, and the first armature winding and the first armature winding electrically connected in parallel to each other; A fourth state in which power supplied from the inverter is guided to both of the second armature windings can be switched, and the second state of the second armature windings in the third state and the fourth state can be switched. A third switch for connecting the second winding input terminal on the side connected to the switch means to the inverter and shutting off the second winding input terminal and the inverter in the first state and the second state; Means, and the first switch means is the fourth shape. The first electrical neutral point and the first armature winding are connected to each other, and the second switch means is connected to the first armature winding in both the third state and the fourth state. The second armature winding is cut off.
上記第2発明の構成に加えてこのように第1半導体スイッチ手段を構成し、第1電気的中性点と第2電気的中性点とを接続することで、第2電機子巻線にインバータからの供給電力を導いて作動させる第3状態と、第1電機子巻線及び第2電機子巻線の両方に並列に前記インバータからの供給電力を導いて作動させる第4状態とが可能となり、2つの電機子巻線を使用したY結線に対する上記4つの状態の切り替えを簡易な配線構成で実現することができる。また、第2電機子巻線にインバータからの供給電力を導いて作動させる第3状態においては、第2スイッチ手段が第1電機子巻線と第2電機子巻線との間の電気的接続を遮断することで、第2電機子巻線が第1電機子巻線からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を発揮することができる。 In addition to the configuration of the second invention, the first semiconductor switch means is configured in this way, and the first electrical neutral point and the second electrical neutral point are connected, so that the second armature winding is connected. A third state in which the power supplied from the inverter is guided and operated, and a fourth state in which the power supplied from the inverter is guided and operated in parallel with both the first armature winding and the second armature winding are possible. Thus, switching of the above four states with respect to the Y connection using two armature windings can be realized with a simple wiring configuration. Further, in the third state in which the power supplied from the inverter is guided to the second armature winding to be operated, the second switch means is electrically connected between the first armature winding and the second armature winding. By shutting off, the second armature winding can exhibit the operating performance as rated without being affected by the electrical influence from the first armature winding.
第4発明は、上記第2又は第3発明において、第1スイッチ手段及び前記第2スイッチ手段のそれぞれは、少なくとも、前記複数相の相数と同数の絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子を備えることを特徴とする。 According to a fourth invention, in the second or third invention, each of the first switch means and the second switch means includes at least the same number of insulated gate bipolar transistor elements as the number of phases of the plurality of phases. Features.
これにより、各半導体スイッチ手段における切り替え速度を瞬時に行うことが可能となり、切り替え速度が遅い場合に生じるトルク抜けや制動トルクの発生などの電気的衝撃を大幅に軽減させることができる。 Thereby, the switching speed in each semiconductor switch means can be instantaneously performed, and electrical shocks such as torque loss and braking torque generated when the switching speed is slow can be greatly reduced.
第5発明は、上記第4発明において、前記交流電動機の3相の前記第1電機子巻線及び前記第2電機子巻線に対応して、前記第1スイッチ手段及び前記第2スイッチ手段のそれぞれは、3つの絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子を備えることを特徴とする。 According to a fifth invention, in the fourth invention, the first switch means and the second switch means correspond to the three-phase first armature winding and the second armature winding of the AC motor. Each includes three insulated gate bipolar transistor elements.
これにより、一般的に使用されている3相交流電動機への適用が可能となり、各相にそれぞれ対応して個別に接続する各半導体スイッチの素子には耐電流値が比較的低い汎用的な仕様の絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子を使用できる。この結果、発熱を抑制できるとともに巻線切替装置の製造コストを抑えることが可能となる。 As a result, it can be applied to commonly used three-phase AC motors, and general-purpose specifications with relatively low withstand current values for the elements of each semiconductor switch connected individually corresponding to each phase. Insulated gate bipolar transistor elements can be used. As a result, heat generation can be suppressed and the manufacturing cost of the winding switching device can be suppressed.
第6発明は、上記第5発明において、前記第1スイッチ手段の前記3つの絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子と、前記第2スイッチ手段の前記3つの絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子とは、1つの半導体モジュールとして一体化されていることを特徴とする。 A sixth invention is the above-mentioned fifth invention, wherein the three insulated gate bipolar transistor elements of the first switch means and the three insulated gate bipolar transistor elements of the second switch means are one It is integrated as a semiconductor module.
これにより、巻線切替装置が第1スイッチ手段及び第2スイッチ手段として備える6つの絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子を、その周囲の接続配線も含めて汎用的な一つの半導体モジュールで構成することができる。この結果、巻線切替装置の全体における配線の省略化、小型化、及び軽量化が可能となり、例えば電気自動車に適用する場合などにおいて限定された設置空間における配置レイアウトの自由度が向上する。 As a result, the six insulated gate bipolar transistor elements provided in the winding switching device as the first switch means and the second switch means can be constituted by a single general-purpose semiconductor module including the surrounding connection wiring. it can. As a result, the wiring in the entire winding switching device can be omitted, reduced in size, and reduced in weight, and the degree of freedom of the layout in a limited installation space, for example, when applied to an electric vehicle is improved.
第7発明は、上記第4乃至第6発明のいずれかにおいて、前記第1スイッチ手段の前記絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子は、ノーマリオンタイプのスイッチであり、前記第2スイッチ手段の前記絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子は、ノーマリオフタイプのスイッチであることを特徴とする。 According to a seventh invention, in any one of the fourth to sixth inventions, the insulated gate bipolar transistor element of the first switch means is a normally-on type switch, and the insulated gate of the second switch means. The bipolar transistor element is a normally-off type switch.
第1スイッチ手段側にノーマリオンタイプを用いて、第2スイッチ手段側には上記と逆のノーマリオフタイプを用いることにより、第1状態と第2状態とで切り替えを行う際、第1スイッチ手段側と第2スイッチ手段側とで駆動信号を共通化することができる。 When switching between the first state and the second state by using a normally-on type on the first switch means side and a normally-off type opposite to the above on the second switch means side, the first switch means side And the second switch means can share the drive signal.
第8発明は、上記第4乃至第6発明のいずれかにおいて、前記第1スイッチ手段の前記絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子は、ノーマリオフタイプのスイッチであり、前記第2スイッチ手段の前記絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子は、ノーマリオンタイプのスイッチであることを特徴とする。 According to an eighth invention, in any one of the fourth to sixth inventions, the insulated gate bipolar transistor element of the first switch means is a normally-off type switch, and the insulated gate type of the second switch means. The bipolar transistor element is a normally-on type switch.
第2スイッチ手段側にノーマリオンタイプを用いて、第1スイッチ手段側には上記と逆のノーマリオフタイプを用いることにより、第1状態と第2状態とで切り替えを行う際、第1スイッチ手段側と第2スイッチ手段側とで駆動信号を共通化することができる。 By using a normally-on type on the second switch means side and a normally-off type opposite to the above on the first switch means side, when switching between the first state and the second state, the first switch means side And the second switch means can share the drive signal.
第9発明は、上記第1発明において、前記インバータに対して前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線のいずれにも並列に配置され、前記第1状態においては、前記インバータと前記第2電機子巻線との間の電気的接続を遮断して前記第1電機子巻線のみでデルタ結線を構成する前記インバータへの接続と、前記第2状態においては、直列接続した前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線の両方でデルタ結線を構成する前記インバータへの接続とを、切替可能な、第2半導体スイッチ手段を有することを特徴とする。 According to a ninth invention, in the first invention, the inverter is arranged in parallel to both the first armature winding and the second armature winding with respect to the inverter, and in the first state, The electrical connection between the second armature windings is cut off, and the connection to the inverter constituting the delta connection only by the first armature windings, and in the second state, the series connection It has 2nd semiconductor switch means which can switch the connection to the said inverter which comprises delta connection by both 1st armature winding and said 2nd armature winding.
これにより、第1半導体スイッチ手段と第2半導体スイッチ手段の切り替えを組み合わせることで、第1状態では第1電機子巻線のみでデルタ結線を構成してインバータに接続し、第2状態では直列接続した第1電機子巻線と第2電機子巻線の両方でデルタ結線を構成してインバータに接続することができる。そして第1状態においては、第1半導体スイッチ手段が第1電機子巻線と第2電機子巻線との間の直列的な電気的接続を遮断するとともに、第2半導体スイッチ手段がインバータと第2電機子巻線との間の電気的接続を遮断するため、このときデルタ結線を構成する第1電機子巻線は、第2電機子巻線からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を発揮することができる。 Thus, by combining the switching of the first semiconductor switch means and the second semiconductor switch means, in the first state, only the first armature winding constitutes a delta connection and is connected to the inverter, and in the second state is connected in series. Both the first armature winding and the second armature winding can form a delta connection and be connected to the inverter. In the first state, the first semiconductor switch means cuts off the serial electrical connection between the first armature winding and the second armature winding, and the second semiconductor switch means is connected to the inverter and the first armature winding. In order to cut off the electrical connection between the two armature windings, the first armature winding constituting the delta connection at this time is not affected by the electrical influence from the second armature winding, and is in accordance with the rating. Operational performance can be demonstrated.
そして、半導体スイッチ素子で構成する第2半導体スイッチ手段によってもインバータと第2電機子巻線との間の電気的な接続と遮断の切り替えを瞬時に行うため、第1半導体スイッチ手段と同様に電磁気的影響を機能的に遮断することができる。 Also, the second semiconductor switch means constituted by the semiconductor switch element also instantaneously switches between electrical connection and disconnection between the inverter and the second armature winding, and therefore, similarly to the first semiconductor switch means, electromagnetic Functional effects can be blocked functionally.
第10発明は、上記第9発明において、前記第1半導体スイッチ手段は、前記第2状態において前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線とを直列に接続するとともに、前記第1状態において前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線とを遮断する、第2スイッチ手段を備え、前記第2半導体スイッチ手段は、前記第1状態において前記第1電機子巻線のみでデルタ結線を構成するよう、前記第1電機子巻線の前記インバータに接続される側と反対側の第1巻線出力端子を前記インバータに接続するとともに、前記第2状態において前記第1電機子巻線の前記第1巻線出力端子と前記インバータとを遮断する、第4スイッチ手段と、前記第1状態において前記第2電機子巻線の前記第2スイッチ手段に接続される側と反対側の第2巻線出力端子と前記インバータとを遮断するとともに、第2状態において直列接続した前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線の両方でデルタ結線を構成するよう、前記第2電機子巻線の前記第2巻線出力端子と前記インバータとを接続する、第5スイッチ手段と、を備えることを特徴とする。 In a tenth aspect based on the ninth aspect, the first semiconductor switch means connects the first armature winding and the second armature winding in series in the second state, and The first armature winding and the second armature winding in a state are provided with a second switch means for cutting off the first armature winding, and the second semiconductor switch means is only the first armature winding in the first state. The first armature winding of the first armature winding is connected to the inverter on the opposite side of the first winding output terminal to the inverter so that the first armature winding is connected to the inverter. The fourth switch means for cutting off the first winding output terminal of the slave winding and the inverter, and opposite to the side connected to the second switch means of the second armature winding in the first state Side second winding output end And the inverter, and the first armature winding and the second armature winding connected in series in the second state form a delta connection so that the second armature winding 5th switch means which connects a 2nd coil | winding output terminal and the said inverter, It is characterized by the above-mentioned.
このように第1半導体スイッチ手段と第2半導体スイッチ手段を構成し、インバータと接続することで、2つの電機子巻線を使用したデルタ結線に対する上記第1状態と第2状態との切り替えを簡易な配線構成で実現することができる。なお、第1電機子巻線にインバータからの供給電力を導いて作動させる第1状態においては、第2スイッチ手段が第1電機子巻線と第2電機子巻線との間の電気的接続を遮断し、第5スイッチ手段が第2電機子巻線の第2巻線出力端子と前記インバータとの間の電気的接続を遮断することで、第1電機子巻線が第2電機子巻線からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を発揮することができる。 Thus, the first semiconductor switch means and the second semiconductor switch means are configured and connected to the inverter, so that the switching between the first state and the second state for the delta connection using two armature windings is simplified. It can be realized with a simple wiring configuration. In the first state in which the power supplied from the inverter is guided to the first armature winding and operated, the second switch means is electrically connected between the first armature winding and the second armature winding. And the fifth switch means cuts off the electrical connection between the second winding output terminal of the second armature winding and the inverter, so that the first armature winding becomes the second armature winding. The rated operating performance can be achieved without being affected by electrical influences from the wires.
第11発明は、上記第10発明において、前記第1半導体スイッチ手段と前記第2半導体スイッチ手段は、さらに、前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線との間の電気的接続を遮断して前記第2電機子巻線に前記インバータからの供給電力を導く第3状態と、前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線とを電気的に並列接続して前記第1電機子巻線及び前記第2電機子巻線の両方に前記インバータからの供給電力を導く第4状態とを、切替可能であり、前記第1半導体スイッチ手段は、前記第3状態及び前記第4状態において前記第2電機子巻線の前記第2スイッチ手段に接続される側の第2巻線入力端子を前記インバータに接続するとともに、前記第1状態及び前記代2状態において前記第2電機子巻線の前記第2巻線入力端子と前記インバータとを遮断する、第3スイッチ手段を備え、前記第2スイッチ手段は、前記第3状態及び前記第4状態のいずれにおいても前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線とを遮断し、前記第4スイッチ手段は、前記第3状態において前記第1電機子巻線の前記第1巻線出力端子と前記インバータとを遮断し、前記第4状態において前記第1電機子巻線のみでデルタ結線を構成するよう、前記第1電機子巻線の前記第1巻線出力端子を前記インバータに接続し、前記第5スイッチ手段は、前記第3状態及び前記第4状態のいずれにおいても前記第2電機子巻線のみでデルタ結線を構成するよう、前記第2電機子巻線の前記第2巻線出力端子を前記インバータに接続する、ことを特徴とする。
In an eleventh aspect based on the tenth aspect, the first semiconductor switch means and the second semiconductor switch means are further electrically connected between the first armature winding and the second armature winding. And the third state in which the power supplied from the inverter is guided to the second armature winding and the first armature winding and the second armature winding are electrically connected in parallel. A fourth state in which power supplied from the inverter is guided to both the first armature winding and the second armature winding can be switched, and the first semiconductor switch means includes the third state and the fourth state. In the fourth state, a second winding input terminal connected to the second switch means of the second armature winding is connected to the inverter, and the second state in the first state and the
上記第10発明の構成に加えてこのように第1半導体スイッチ手段及び第2半導体スイッチ手段を構成し、インバータと接続することで、第2電機子巻線にインバータからの供給電力を導いて作動させる第3状態と、第1電機子巻線及び第2電機子巻線の両方に並列に前記インバータからの供給電力を導いて作動させる第4状態とが可能となり、2つの電機子巻線を使用したデルタ結線に対する上記4つの状態の切り替えを簡易な配線構成で実現することができる。なお、第2電機子巻線にインバータからの供給電力を導いて作動させる第3状態においては、第2スイッチ手段が第1電機子巻線と第2電機子巻線との間の電気的接続を遮断することで、第2電機子巻線が第1電機子巻線からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を発揮することができる。 In addition to the structure of the tenth aspect of the present invention, the first semiconductor switch means and the second semiconductor switch means are configured as described above, and connected to the inverter to guide the power supplied from the inverter to the second armature winding. And a fourth state in which the power supplied from the inverter is guided and operated in parallel with both the first armature winding and the second armature winding. The above four states can be switched with respect to the used delta connection with a simple wiring configuration. In the third state in which the power supplied from the inverter is guided to the second armature winding to be operated, the second switch means is electrically connected between the first armature winding and the second armature winding. By shutting off, the second armature winding can exhibit the operating performance as rated without being affected by the electrical influence from the first armature winding.
第12発明は、上記第9乃至第11発明のいずれかにおいて、前記経路切替手段は、前記第1半導体スイッチ手段及び前記第2半導体スイッチ手段のうち少なくとも一方を兼ねることを特徴とする。
A twelfth aspect of the invention is characterized in that, in any one of the ninth to eleventh aspects, the path switching unit also serves as at least one of the first semiconductor switch unit and the second semiconductor switch unit.
これにより、非常時のための専用のスイッチを別途設けることなく、簡易な構成で半導体スイッチ手段を過電圧から保護することができる。 Thereby, it is possible to protect the semiconductor switch means from overvoltage with a simple configuration without separately providing a dedicated switch for emergency.
第13発明は、上記第1乃至12発明のいずれかの交流電動機の巻線切替装置を備えた交流電動機駆動システムであって、前記交流電動機は、各相の巻数が同じである複数の電機子巻線を備え、前記巻線切替装置は、複数の半導体スイッチ素子の導通と遮断を適宜組み合わせることで前記複数の電気子巻線を少なくとも3つの巻線状態に切り替え可能とし、かつ、前記交流電動機を駆動するインバータと前記巻線切替装置の切り替え制御を行う切替制御装置を備えたことを特徴とする。
A thirteenth aspect of the present invention is an AC motor drive system including the AC motor winding switching device according to any one of the first to twelfth aspects of the present invention, wherein the AC motor includes a plurality of armatures having the same number of turns in each phase. The winding switching device is capable of switching the plurality of electric coil windings to at least three winding states by appropriately combining conduction and blocking of the plurality of semiconductor switch elements, and the AC motor. And a switching control device that performs switching control of the winding switching device.
第14発明は、上記第13発明において、前記交流電動機駆動システム全体または前記交流電動機駆動システムを備えたアプリケーションにおける各種の異常を検出するセンサをさらに備え、前記切替制御装置が、前記センサの検出信号に基づいて前記巻線切替装置を切替制御することを特徴とするものである。
A fourteenth invention is the above-mentioned thirteenth invention, further comprising a sensor for detecting various abnormalities in the entire AC motor drive system or an application including the AC motor drive system, wherein the switching control device detects a detection signal of the sensor. The winding switching device is switch-controlled based on the above.
これらにより、交流電動機駆動システムあるいはこれらをアプリケーションに適用できる。 Accordingly, the AC motor drive system or these can be applied to an application.
本発明によれば、各電機子巻線に対する機能的悪影響を防止しつつ、2つの電機子巻線を円滑に切り替えることができる。 According to the present invention, it is possible to smoothly switch between the two armature windings while preventing functional adverse effects on the armature windings.
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態による巻線切替装置を備えた交流電動機駆動システムの構成を模式的に示したブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of an AC motor drive system including a winding switching device according to an embodiment of the present invention.
この図1において、交流電動機駆動システム100は、3相交流モータ2を駆動するものであり、インバータ1と、交流電動機としての上記3相交流モータ2と、巻線切替装置3と、センサ4と、切替制御装置5とを備えている。
In FIG. 1, an AC
インバータ1は、この例では半導体で構成する6つのスイッチ素子SWを備えており、そのうち直列に接続した2つのスイッチ素子SWを3組並列に接続したブリッジにより構成されている。このブリッジ全体に単相直流電力を供給し、6つのスイッチ素子SWをそれぞれ適宜の順序により導通と遮断を繰り返すことで、各組における直列接続の2つのスイッチ素子SWの間から3相交流電力U,V,Wがインバータ出力として出力される。
In this example, the
3相交流モータ2は、上記インバータ1から出力された3相交流電源により駆動されるモータであり、図中には電機子として界磁制御を行う巻線のみ示している。本実施形態において用いる3相交流モータ2は、同じ巻数である3つの巻線を3相交流の各相U,V,Wに対応して並列に配置した2つの電機子巻線、すなわち第1電機子巻線11及び第2電機子巻線12を備えている。これら2つの電機子巻線11,12同士は3相交流モータ2内において互いに電気的な接続はなく、それぞれに対し3相交流モータ2外部からの電気的接続が可能な入力端子及び出力端子が設けられている。第1電機子巻線11は、3相交流モータ2外部に対し、第1入力端子(第1巻線入力端子)11a(U1,V1,W1)及び第1出力端子(第1巻線出力端子)11b(U2,V2,W2)で電気的な接続が可能である。第2電機子巻線12は、3相交流モータ2外部に対し、第2入力端子(第2巻線入力端子)12a(U3,V3,W3)及び第2出力端子(第2巻線出力端子)12b(U4,V4,W4)で電気的な接続が可能である(ただし、後述するように第2出力端子12bを外部からは接続させない例外あり)。なお、この3相交流モータ2は、誘導型または同期型、あるいは回転型または直動型のいずれにも適用可能であり、特に図示しないが、2つの電機子巻線11,12はそれら種別の違いに応じて適切に構成・配置すればよい。
The three-
巻線切替装置3は、後に詳述するように複数の半導体スイッチ素子を備えている。そして、それら複数の半導体スイッチ素子の導通と遮断とを適宜の組み合わせで切り替えることで、上述したインバータ出力U,V,W、第1入力端子11a(U1,V1,W1)、第1出力端子11b(U2,V2,W2)、第2入力端子12a(U3,V3,W3)、及び第2出力端子12b(U4,V4,W4)の間の導通と遮断とを切り替える。巻線切替装置3内部の接続回路構成は、本実施形態及び後述する各変形例でそれぞれ異なる(後に詳述)。
The winding
センサ4は、上記インバータ1、3相交流モータ2、及び巻線切替装置3を含めた本実施形態の交流電動機駆動システム100の全体、及びこれを備えたアプリケーション(例えば、電車や電気自動車を含む車両や工作機械など)の全体における、各種の異常を検出し切替制御装置5に検出信号を出力する。
The
切替制御装置5は、特に図示しないCPU、RAM、ROM、及びA/D変換器などで構成される。この切替制御装置5は、特に図示しない上位制御装置からの指令に基づいて、インバータ1に対し適宜の周波数で3相交流電力を出力させるよう、内部の6つのスイッチ素子SWのそれぞれの導通と遮断の切り替え制御を行う。またこれとともに、切替制御装置5は、巻線切替装置3による、インバータ出力と各電機子巻線11,12の各端子11a,11b,12a,12bとの間の導通及び遮断の切り替え制御を行う。なお、本実施形態において、巻線切替装置3は、第1電機子巻線11及び第2電機子巻線12のうち、Y結線とした第1電機子巻線11のみにインバータ出力を導く第1状態と、第1電機子巻線11と第2電機子巻線12とを電気的に直列接続した全体をY結線として両方にインバータ出力を導く第2状態と、センサ4から異常が検出された際に各電機子巻線11,12に加わる電圧を最小にする非常時の状態と、の3つの状態を選択的に切り替える(後に詳述する)。
The switching
図2は、本実施形態における巻線切替装置3及び3相交流モータ2の回路構成を示す図である。この図2において、巻線切替装置3では、インバータ出力がそのまま第1入力端子11aに入力するよう、接続されている。また、第1出力端子11bが、第1スイッチ手段としての第1スイッチS1を介して各相の配線を一点に短絡させる第1電気的中性点13に接続されるとともに、第2スイッチ手段としての第2スイッチS2を介して第2入力端子12aに接続されている。なお、本実施形態では、前述の例外として、第2電機子巻線12の第2出力端子12bは巻線切替装置3に接続されず、3相交流モータ2の内部においてそのまま各相の配線が一点に短絡される第2電気的中性点14に対し、接続されている。
FIG. 2 is a diagram illustrating a circuit configuration of the winding
このうち上記第1スイッチS1と第2スイッチS2は、それぞれ、3相に対応する各配線の電気的な導通と遮断を行う3つの半導体スイッチ素子の集合で構成されている。すなわち、上記切替制御装置5からの切り替え制御によって各スイッチS1,S2単位で個別に切り替え制御が行われ、各スイッチS1,S2のそれぞれにおける3つの半導体スイッチ素子が一括して同じ切り替え動作を行う。
Of these, the first switch S1 and the second switch S2 are each composed of a set of three semiconductor switch elements that electrically connect and disconnect the wirings corresponding to the three phases. That is, switching control is performed individually for each switch S1, S2 by switching control from the switching
また、本実施形態では、各半導体スイッチ素子がIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ)素子で構成されている。そして、図3に示すように第1スイッチS1と第2スイッチS2とを合わせた6つのIGBT素子15A,15B,15C,15D,15E,15Fが、1つの半導体モジュール16Aとして一体化して設けられている。
In the present embodiment, each semiconductor switch element is composed of an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) element. As shown in FIG. 3, six
この半導体モジュール16Aにおいては、直列に接続された2つのIGBT素子15A,15D(そして15B,15E、及び15C,15F)が3組並列に配置されており、各組の両端とそれぞれの直列接続の中間点がモジュール端子として接続可能となっている。このような配線構成で6つのIGBT素子15A〜15Fを備えた半導体モジュール16Aは、多様な構成の回路設計に利用できるため汎用性が高く、現在ではこの半導体モジュール16Aを1つ又は複数組み込んだ半導体パッケージが広く一般的に製造・流通されている。この結果、モジュール単位のコストを比較的低くすることができる。
In this
本実施形態では、上記3組のそれぞれにおいて直列接続された2つのIGBT素子15A,15D(そして15B,15E、及び15C,15F)のうち、各組の一方側の3つのIGBT素子15D,15E,15Fを第1スイッチS1とし、各組の他方に対応側の3つのIGBT素子15A,15B,15Cを第2スイッチS2として利用することができる。そして、対応する組み合わせの3つのモジュール端子(各組における上記直列接続の中間点)をそれぞれ第1出力端子11b、第2入力端子12a、第1電気的中性点13に接続することができる。
In the present embodiment, among the two
以上のように、第1電機子巻線11と第2電機子巻線12とを直列に接続する接続導電路における当該第1電機子巻線11と第2電機子巻線12との間に配置され、半導体スイッチ素子で構成された第1スイッチS1及び第2スイッチS2が、各請求項記載の第1半導体スイッチ手段を構成する。 As described above, between the first armature winding 11 and the second armature winding 12 in the connection conductive path that connects the first armature winding 11 and the second armature winding 12 in series. The first switch S1 and the second switch S2 that are arranged and configured by semiconductor switch elements constitute the first semiconductor switch means described in the claims.
図4は、本実施形態において切替制御装置5が巻線切替装置3の各スイッチS1,S2に対して行う切り替え制御の内容を示すテーブルである。
FIG. 4 is a table showing the contents of the switching control performed by the switching
既に述べたように、本実施形態において巻線切替装置3は、Y結線とした第1電機子巻線11にインバータ出力を導く第1状態と、第1電機子巻線11と第2電機子巻線12とを電気的に直列接続した全体をY結線として両方にインバータ出力を導く第2状態と、センサ4から異常が検出された際に各電機子巻線11,12に加わる電圧を最小にする非常時の状態と、の3つの状態を選択的に切り替える。
As described above, in the present embodiment, the winding
具体的には、図4に示すように、第1状態を実現する際には、切替制御装置5が巻線切替装置3の第1スイッチS1をON(導通;以下同様)とし、第2スイッチS2をOFF(遮断;以下同様)とする。これにより、第1電気的中性点13を接続してY結線された第1電機子巻線11のみがインバータ1に接続される状態、言い換えると、第1電機子巻線11と第2電機子巻線12との間の電気的接続が遮断されて第1電機子巻線11のみにインバータ1からの供給電力が導かれる、上記第1状態に切り替えられる。この際には、インピーダンスが低いため高周波領域でも十分な電流を流すことができ、3相交流モータ2を高速で駆動するのに好適な状態となる。
Specifically, as shown in FIG. 4, when realizing the first state, the switching
また、第2状態を実現する際には、切替制御装置5が巻線切替装置3の第1スイッチS1をOFFとし、第2スイッチS2をONとする。これにより、第1電機子巻線11と第2電機子巻線12とが直列に接続されその全体が第2電気的中性点14を介したY結線となってインバータ1に接続される状態、言い換えると、第1電機子巻線11と第2電機子巻線12とが電気的に直列接続されて第1電機子巻線11及び第2電機子巻線12の両方にインバータ1からの供給電力が導かれる、上記第2状態に切り替えられる。この際には、インピーダンスが高いので低周波領域でも十分な電圧を印加することができ、同一電流に対して3相交流モータ2に大きいトルクを発生させることができ、低速駆動に好適な状態となる。
When realizing the second state, the switching
なお、以上の第1状態と第2状態との切り替えは、例えば3相交流モータ2の回転速度が所定の閾値速度より速い場合は第1状態、遅い場合は第2状態に切り替えるようにしてもよいし、誘起電圧と直流電圧との関係により切り替えるようにしてもよい。
The switching between the first state and the second state described above may be performed by switching to the first state when the rotational speed of the three-
そして上記センサ4から異常が検出された場合には、切替制御装置5が巻線切替装置3の第1スイッチS1をONとし、第2スイッチS2をOFFとすることで、2つの電機子巻線11,12それぞれに加わる電圧を最小にできる上記非常時の状態に切り替えられる。このとき異常を検出したセンサ4から出力される検出信号が各請求項記載の非常用切替制御信号を構成し、第1スイッチS1及び第2スイッチS2が経路切替手段を構成する。
When an abnormality is detected from the
以上説明したように、本実施形態においては、第1電機子巻線11のみにインバータ1からの供給電力を導いて作動させる第1状態において、第2スイッチS2により第1電機子巻線11と第2電機子巻線12との間の電気的接続を遮断する。これにより、一方の電機子巻線だけを利用する際にも他方の電機子巻線における影響を受ける従来構造と異なり、第1電機子巻線11は、第2電機子巻線12におけるリアクタンスや自己誘導起電力などの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を発揮することができる。また、第1電機子巻線11及び第2電機子巻線12の両方にインバータ1からの供給電力を導いて作動させる第2状態においては、第2スイッチS2により第1電機子巻線11と第2電機子巻線12とを電気的に直列接続する。これにより、両方の電機子巻線11,12の作動性能を定格通りに発揮することができる。
As described above, in the present embodiment, in the first state in which the power supplied from the
また、半導体スイッチ素子で構成する第2スイッチS2により、第1電機子巻線11と第2電機子巻線12との間の電気的な導通と遮断の切り替えを瞬時に行う。これにより、例えば機械的スイッチ手段の場合に生じるチャタリングなどの電気的衝撃を無くし、2つの電機子巻線11,12の間で上記リアクタンスや自己誘電起電力などによる電磁気的影響を機能的に遮断することができる。以上の結果、本実施形態においては、各電機子巻線11,12に対する機能的悪影響を防止しつつ、2つの電機子巻線11,12を円滑に切り替えることができる。
In addition, the electrical switch between the first armature winding 11 and the second armature winding 12 is instantaneously switched between the first armature winding 11 and the second armature winding 12 by the second switch S2 formed of a semiconductor switch element. As a result, for example, an electric shock such as chattering that occurs in the case of a mechanical switch means is eliminated, and the electromagnetic influence due to the reactance or self-dielectric electromotive force is functionally cut off between the two
また、この実施形態では特に、2つの電機子巻線11,12を使用したY結線に対する上記第1状態と第2状態との切り替えを、簡易な配線構成で実現することができる。なお、第1電機子巻線11のみにインバータ1からの供給電力を導いて作動させる第1状態においては、第2スイッチS2が第1電機子巻線11と第2電機子巻線12との間の電気的接続を遮断することで、第1電機子巻線11が第2電機子巻線12からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を確実に発揮することができる。また、第1電機子巻線11と第2電機子巻線12の両方を一つのハウジングに収納して一つの3相交流モータ2を構成するようにすれば、当該ハウジングの内部で上記第2電気的中性点14が第2電機子巻線12の巻き終わり部分に形成されることで、外部の配線を省略化して3相交流モータ2の組み立てを容易にし、生産性を向上する効果もある。
In this embodiment, in particular, switching between the first state and the second state for the Y connection using the two
また、この実施形態では特に、3相交流モータ2の3相の第1電機子巻線11及び第2電機子巻線12に対応して、第1スイッチS1と第2スイッチS2のそれぞれが、相数と同数、すなわち3つのIGBT素子15A〜15C(又は15D〜15F)を備えている。これにより、各スイッチS1,S2における切り替え速度を瞬時に行うことが可能となり、切り替え速度が遅い場合に生じるトルク抜けや制動トルクの発生などの電気的衝撃を大幅に軽減させることができる。また、一般的に使用されている3相交流モータ2への適用が可能となり、各相にそれぞれ対応して個別に接続する各半導体スイッチ素子として、耐電流値が比較的低い汎用的な仕様のIGBT素子を使用することができる。この結果、発熱を抑制できるとともに巻線切替装置3の製造コストを抑えることができる。
In this embodiment, in particular, each of the first switch S1 and the second switch S2 corresponds to the three-phase first armature winding 11 and the second armature winding 12 of the three-
また、この実施形態では特に、第1スイッチS1の3つのIGBT素子15D,15E,15Fと、第2スイッチS2の3つのIGBT素子15A,15B,15Cとが、1つの半導体モジュール16Bとして一体化されている。これにより、巻線切替装置3が第1スイッチS1及び第2スイッチS2として備える6つのIGBT素子15A〜15Fを、その周囲の接続配線も含めて汎用的な1つの半導体モジュール16Bで構成できる。この結果、巻線切替装置3の全体における配線の省略化、小型化、及び軽量化を行うことができ、例えば電気自動車に適用する場合などにおいて限定された設置空間における配置レイアウトの自由度が向上する。
In this embodiment, in particular, the three
また、例えば、3相交流モータ2の高速回転時に巻線切替装置3が第2状態(低速適合状態)となった場合には、2つの電機子巻線11,12の間に誘起される電圧が半導体スイッチ素子の耐圧を超える可能性がある。この対策として、本実施形態では特に、インバータ1又は3相交流モータ2の異常検出状態に対応したセンサ4からの検出信号に応じて、第1スイッチS1と第2スイッチS2が、第1電機子巻線11及び第2電機子巻線12に加わる電圧を最小とする電流経路を形成する。すなわち、上記センサ4から異常が検出された場合、つまり、例えば3相交流モータ2に設けたロータリエンコーダなどの速度検出器(特に図示せず)の故障、各種信号線の断線、または速度演算器の誤作動などといった速度検出に関わる異常が検出された場合には、非常時とみなして、切替制御装置5が巻線切替装置3の第1スイッチS1をONとし、第2スイッチS2をOFFとする。この結果、2つの電機子巻線11,12それぞれに加わる電圧を最小として、各半導体スイッチ素子、特に2つの電機子巻線11,12の間に配置されている第2スイッチS2を過電圧から保護することができる。
Further, for example, when the winding
このとき、本実施形態では特に、第1スイッチS1及び第2スイッチS2が、第1電機子巻線11及び第2電機子巻線12に加わる電圧を最小とする上記電流経路を形成する。ことにより、非常時のための専用のスイッチを別途設けることなく、簡易な構成で各半導体スイッチ素子を過電圧から保護することができる。 At this time, particularly in the present embodiment, the first switch S1 and the second switch S2 form the current path that minimizes the voltage applied to the first armature winding 11 and the second armature winding 12. Thus, each semiconductor switch element can be protected from overvoltage with a simple configuration without separately providing a dedicated switch for emergency.
なお、上記図4の表に示すように、第1状態と第2状態のいずれにおいても、第1スイッチS1と第2スイッチS2は互いにON・OFF状態が逆の関係にあり、また第1状態と第2状態の切り替えに伴って第1スイッチS1と第2スイッチS2がそれぞれ逆のON・OFF状態に切り替わることが分かる。この点に着目して、第1スイッチS1をノーマリオンタイプのIGBT素子で構成し、第2スイッチS2をノーマリオフタイプのIGBT素子で構成して、両方のスイッチを共通の制御線で切替制御する構成としてもよい。 As shown in the table of FIG. 4 above, in both the first state and the second state, the first switch S1 and the second switch S2 are in the opposite ON / OFF state, and the first state It can be seen that the first switch S1 and the second switch S2 are switched to the opposite ON / OFF states in accordance with the switching of the second state. Focusing on this point, the first switch S1 is composed of a normally-on type IGBT element, the second switch S2 is composed of a normally-off type IGBT element, and both switches are controlled to be switched by a common control line. It is good.
この場合、共通の制御線において駆動信号が出力されていな通常状態では、ノーマリオンタイプの第1スイッチS1がONとなり、ノーマリオフタイプの第2スイッチS2がOFFとなるので、巻線切替装置3は第1状態に切り替えられる。また、共通の制御線において駆動信号が出力された非通常状態では、ノーマリオンタイプの第1スイッチS1がOFFとなり、ノーマリオフタイプの第2スイッチS2がONとなるので、巻線切替装置3は第2状態に切り替えられる。これにより、切替制御装置5と巻線切替装置3との間の配線を省略化でき、システム全体の構成を簡易化できる。なお、逆に、第1スイッチS1をノーマリオフタイプとし、第2スイッチS2をノーマリオンタイプとしてもよく、この場合には共通の制御線における駆動信号の出力・非出力の切り替えで、上記と逆に第1状態と第2状態とが切り替わる。
In this case, in a normal state where a drive signal is not output on the common control line, the normally-on type first switch S1 is turned on and the normally-off type second switch S2 is turned off. Switch to the first state. In a non-normal state in which a drive signal is output on the common control line, the normally-on type first switch S1 is turned off and the normally-off type second switch S2 is turned on. Switch to 2 state. Thereby, the wiring between the switching
なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を順を追って説明する。なお、上記実施形態と同等の部分については、同じ符号を付し適宜説明を省略又は簡略化する。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit and technical idea of the present invention. Hereinafter, such modifications will be described in order. In addition, about the part equivalent to the said embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted or simplified suitably.
(1)Y結線で第1及び第2状態以外の状態(第3状態及び第4状態)にも切り替える場合
上記実施形態では、第1電機子巻線11だけをY結線で利用する第1状態と、直列接続した第1電機子巻線11と第2電機子巻線12の全体をY結線で利用する第2状態の2通りだけに切り替える構成としていたが、本発明はこれに限られない。例えば、さらに第2電機子巻線12だけをY結線で利用する第3状態と、第1電機子巻線11と第2電機子巻線12の両方をそれぞれY結線として並列に利用する第4状態にも切替可能に構成してもよい。
(1) When switching to a state other than the first and second states (third state and fourth state) in the Y connection In the above embodiment, the first state in which only the first armature winding 11 is used in the Y connection. The first armature winding 11 and the second armature winding 12 connected in series are switched to only the two states of the second state using the Y connection, but the present invention is not limited to this. . For example, a third state in which only the second armature winding 12 is used in the Y connection, and a fourth state in which both the first armature winding 11 and the second armature winding 12 are used in parallel as the Y connection, respectively. It may be configured to be switchable to the state.
図5は、そのような第1変形例における巻線切替装置3A及び3相交流モータ2A(この例では上記3相交流モータ2と同様の構成である)の回路構成を示す図である。この図5において、巻線切替装置3Aは、上記実施形態の図2に示した構成に加えて、第2入力端子12aが第3スイッチ手段としての第3スイッチS3を介してインバータ1に接続されている。特に図示しないが、この第3スイッチS3も、上記同様、また半導体スイッチ素子で構成され、第1スイッチS1及び第2スイッチS2とともに第1半導体スイッチ手段を構成する。
FIG. 5 is a diagram showing a circuit configuration of the winding
図6は、本変形例において切替制御装置5が巻線切替装置3Aの各スイッチS1〜S3に対して行う切り替え制御の内容を示すテーブルである。
FIG. 6 is a table showing the contents of the switching control performed by the switching
上述したように、本変形例において巻線切替装置3Aは、第1状態、第2状態、及び非常時に加えて、第2電機子巻線12だけをY結線で利用する第3状態と、第1電機子巻線11と第2電機子巻線12の両方をそれぞれY結線として並列に利用する第4状態の5つの状態を選択的に切り替えるものである。
As described above, in this modification, the winding
具体的には、図6のテーブルに示すように、第1状態を実現する際には、切替制御装置5が、巻線切替装置3Aの第3スイッチS3をOFFとした状態で、第1スイッチS1をONとし、第2スイッチS2をOFFとする。これにより、上記第1状態へと切り替えられる。また、第2状態を実現する際には、切替制御装置5は、巻線切替装置3Aの第3スイッチS3をOFFとした状態で、第1スイッチS1をOFFとし、第2スイッチS2をONとする。これにより、上記第2状態へと切り替えられる。
Specifically, as shown in the table of FIG. 6, when the first state is realized, the switching
さらに、第3状態を実現する際には、切替制御装置5が巻線切替装置3Aの第1スイッチS1をOFFとし、第2スイッチS2をOFFとし、第3スイッチS3をONとする。これにより、第2電気的中性点14が接続されてY結線された第2電機子巻線12のみがインバータ1に接続される状態、言い換えると、第1電機子巻線11と第2電機子巻線12との間の電気的接続が遮断されて第2電機子巻線12のみにインバータ1からの供給電力が導かれる、上記第3状態に切り替えられる。この際には、第1状態と同等にインピーダンスが低いため高周波領域でも十分な電流を流すことができ、3相交流モータ2Aを高速で駆動するのに好適な状態となる。
Further, when realizing the third state, the switching
また、第4状態を実現する際には、切替制御装置5が巻線切替装置3Aの第1スイッチS1をONとし、第2スイッチS2をOFFとし、第3スイッチS3をONとする。これにより、それぞれY結線された第1電機子巻線11と第2電機子巻線12との両方が並列にインバータ1に接続される状態、言い換えると、第1電機子巻線11と第2電機子巻線12とが電気的に並列接続されて第1電機子巻線11及び第2電機子巻線12の両方にインバータ1からの供給電力を導かれる、上記第4状態に切り替えられる。この際には、第1状態と同等にインピーダンスが低いため高周波領域でも十分な電流を流すことができ、3相交流モータ2Aを高速で駆動するのに好適な状態となる。
When realizing the fourth state, the switching
そして上記センサ4から異常が検出された場合には、切替制御装置5が巻線切替装置3Aの第1スイッチS1をONとし、第2スイッチS2をOFFとし、第3スイッチS3をONとすることで、2つの電機子巻線11,12それぞれに加わる電圧を最小にできる上記非常時の状態に切り替えられる。このとき、各スイッチS1〜S3が経路切替手段を構成する。
If an abnormality is detected from the
以上説明した本変形例によっても、上記実施形態と同様の効果を得る。また、本変形例においては、上記実施形態の第1状態及び第2状態に加えて、第2電機子巻線12のみにインバータ1からの供給電力を導いて作動させる第3状態と、第1電機子巻線11及び第2電機子巻線12の両方に並列に前記インバータ1からの供給電力を導いて作動させる第4状態とが可能となる。これにより、2つの電機子巻線11,12を使用したY結線に対する上記4つの状態の切り替えを簡易な配線構成で実現することができる。なお、第2電機子巻線12のみにインバータ1からの供給電力を導いて作動させる第3状態においては、第2スイッチS2が第1電機子巻線11と第2電機子巻線12との間の電気的接続を遮断することで、第2電機子巻線12が第1電機子巻線11からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を発揮することができる。
Also by this modified example described above, the same effect as the above embodiment is obtained. Further, in the present modification, in addition to the first state and the second state of the above-described embodiment, a third state in which the power supplied from the
なお、上記実施形態では第1スイッチS1と第2スイッチS2の組み合わせで、上記図3に示した一つの半導体モジュール16Aを構成したが、本変形例では第2スイッチS2と第3スイッチS3の組み合わせで一つの半導体モジュールを構成することもできる。
In the above embodiment, the combination of the first switch S1 and the second switch S2 constitutes one
(2)デルタ結線で第1状態と第2状態とに切り替える場合
上記実施形態では、第1状態と第2状態でそれぞれ電機子巻線11,12をY結線で利用していたが、本発明はこれに限られない。例えば、第1状態と第2状態でそれぞれ電機子巻線11,12をデルタ結線で利用するよう構成してもよい。
(2) When switching between the first state and the second state by the delta connection In the above embodiment, the
図7は、そのような第2変形例における巻線切替装置3B及び3相交流モータ2Bの回路構成を示す図である。この図7において、巻線切替装置3Bでは、インバータ出力がそのまま第1入力端子11aに入力するよう、接続されている。また、第1出力端子11bが、第2スイッチ手段としての第2スイッチS2を介して第2入力端子12aに接続されるとともに、第4スイッチ手段としての第4スイッチS4を介してインバータ1に接続されている。また、第2出力端子12bは、第5スイッチ手段としての第5スイッチS5を介してインバータ1に接続されている。
FIG. 7 is a diagram illustrating a circuit configuration of the winding
ここで、第4スイッチS4を介した第1出力端子11bとインバータ1との接続については、対応する相の配線同士を接続するのではなく、第1出力端子11bのU相(図中のU2)をインバータ1のV相(図中のV)に接続し、第1出力端子11bのV相(図中のV2)をインバータ1のW相(図中のW)に接続し、第1出力端子11bのW相(図中のW2)をインバータ1のU相(図中のU)に接続している。これにより、第4スイッチS4を接続した際には、第1電機子巻線11のみでデルタ結線を構成するようになっている。また、第5スイッチS5を介した第2出力端子12bとインバータ1との接続についても同様となっている。
Here, with respect to the connection between the
以上のように、第1電機子巻線11と第2電機子巻線12とを直列に接続する接続導電路における当該第1電機子巻線11と第2電機子巻線12との間に配置され、半導体スイッチ素子で構成された第2スイッチS2が、各請求項記載の第1半導体スイッチ手段を構成する。また、インバータ1に対して第1電機子巻線11と第2電機子巻線12のいずれにも並列に配置され、半導体スイッチ素子で構成される第4スイッチS4と第5スイッチS5とが各請求項記載の第2半導体スイッチ手段を構成する。
As described above, between the first armature winding 11 and the second armature winding 12 in the connection conductive path that connects the first armature winding 11 and the second armature winding 12 in series. The second switch S2, which is arranged and is constituted by a semiconductor switch element, constitutes the first semiconductor switch means described in each claim. Further, a fourth switch S4 and a fifth switch S5, which are arranged in parallel to both the first armature winding 11 and the second armature winding 12 with respect to the
図8は、本変形例において切替制御装置5が巻線切替装置3Bの各スイッチS2,S4,S5に対して行う切り替え制御の内容を示すテーブルである。
FIG. 8 is a table showing the contents of the switching control performed by the switching
上述したように、本変形例において巻線切替装置3Bは、デルタ結線とした第1電機子巻線11のみにインバータ出力を導く第1状態、第1電機子巻線11と第2電機子巻線12とを電気的に直列接続した全体をデルタ結線として両方にインバータ出力を導く第2状態、及びセンサ4から異常が検出された際に各電機子巻線11,12に加わる電圧を最小にする非常時、の3つの状態を選択的に切り替える。
As described above, in this modification, the winding
具体的には、図8のテーブルに示すように、第1状態を実現する際には、切替制御装置5が巻線切替装置3Bの第2スイッチS2をOFFとし、第4スイッチS4をONとし、第5スイッチS5をOFFとする。これにより、インバータ1と第2電機子巻線12との間の電気的接続が遮断されて第1電機子巻線11のみでデルタ結線が構成されインバータ1へ接続される、上記第1状態に切り替えられる。この際には、インピーダンスが低いため高周波領域でも十分な電流を流すことができ、3相交流モータ2Bを高速で駆動するのに好適な状態となる。
Specifically, as shown in the table of FIG. 8, when realizing the first state, the switching
また、第2状態を実現する際には、切替制御装置5が巻線切替装置3Bの第2スイッチS2をONとし、第4スイッチS4をOFFとし、第5スイッチS5をONとする。これにより、直列接続した第1電機子巻線11と第2電機子巻線12との両方でデルタ結線が構成されインバータ1へ接続される、上記第2状態に切り替えられる。この際には、インピーダンスが高いので低周波領域でも十分な電圧を印加することができ、同一電流に対して3相交流モータ2Bに大きいトルクを発生させることができ、低速駆動に好適な状態となる。
When realizing the second state, the switching
なお、以上の第1状態と第2状態の切り替えは、例えば3相交流モータ2Bの回転速度が所定の閾値速度より速い場合は第1状態、遅い場合は第2状態に切り替えるようにしてもよいし、誘起電圧と直流電圧との関係により切り替えるようにしてもよい。
Note that the switching between the first state and the second state described above may be switched to the first state when the rotational speed of the three-
そして上記センサ4から異常が検出された場合には、切替制御装置5が巻線切替装置3Bの第2スイッチS2をOFFとし、第4スイッチS4をONとし、第5スイッチS5をOFFとすることで、2つの電機子巻線11,12それぞれに加わる電圧を最小にできる上記非常時の状態に切り替えられる。このとき第2スイッチS2、第4スイッチS4、及び第5スイッチS5が経路切替手段を構成する。
When an abnormality is detected from the
以上説明したように、本変形例においては、第2スイッチS2、第4スイッチS4、及び第5スイッチS5の切り替えを組み合わせることで、第1状態では第1電機子巻線11のみでデルタ結線を構成してインバータ1に接続し、第2状態では直列接続した第1電機子巻線11と第2電機子巻線12の両方でデルタ結線を構成してインバータ1に接続することができる。そして第1状態においては、第2スイッチS2が第1電機子巻線11と第2電機子巻線12との間の直列的な電気的接続を遮断するとともに、第5スイッチS5がインバータ1と第2電機子巻線12との間の電気的接続を遮断する。これにより、このときデルタ結線を構成する第1電機子巻線11が、上記実施形態と同様、第2電機子巻線12からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を発揮することができる。また、半導体スイッチ素子で構成する第5スイッチS5によってもインバータ1と第2電機子巻線12との間の電気的な導通と遮断の切り替えを瞬時に行う。これにより、前述と同様、電磁気的影響を機能的に遮断することができる。
As described above, in this modification, by combining the switching of the second switch S2, the fourth switch S4, and the fifth switch S5, in the first state, the delta connection is made only by the first armature winding 11. The first armature winding 11 and the second armature winding 12 connected in series in the second state can be connected to the
また、この変形例では特に、2つの電機子巻線11,12を使用したデルタ結線に対する上記第1状態と第2状態との切り替えを、簡易な配線構成で実現することができる。なお、第1電機子巻線11のみにインバータ1からの供給電力を導いて作動させる第1状態においては、第2スイッチS2が第1電機子巻線11と第2電機子巻線12との間の電気的接続を遮断し、第5スイッチS5が第2電機子巻線12の第2出力端子12bとインバータ1との間の電気的接続を遮断することで、第1電機子巻線11が第2電機子巻線12からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を発揮することができる。
In this modification, in particular, switching between the first state and the second state for the delta connection using the two
なお、本変形例では第4スイッチS4と第5スイッチS5の組み合わせでも、上記図3に示したような一つの半導体モジュールを構成できる。 In the present modification, a single semiconductor module as shown in FIG. 3 can also be configured by combining the fourth switch S4 and the fifth switch S5.
(3)デルタ結線で第3状態と第4状態とに切り替える場合
上記第2変形例では、第1電機子巻線11だけをデルタ結線で利用する第1状態と、直列接続した第1電機子巻線11と第2電機子巻線12の全体をデルタ結線で利用する第2状態との、2通りだけに切り替える構成としていたが、これに限られない。例えば、さらに第2電機子巻線12だけをデルタ結線で利用する第3状態と、第1電機子巻線11と第2電機子巻線12の両方をそれぞれデルタ結線として並列に利用する第4状態にも切替可能に構成してもよい。
(3) When switching between the third state and the fourth state by delta connection In the second modified example, the first state in which only the first armature winding 11 is used in the delta connection and the first armature connected in series. The configuration is such that the winding 11 and the second armature winding 12 as a whole are switched in only two ways, that is, in the second state in which the delta connection is used. However, the present invention is not limited to this. For example, the third state where only the second armature winding 12 is used in the delta connection, and the fourth state where both the first armature winding 11 and the second armature winding 12 are used in parallel as the delta connection, respectively. It may be configured to be switchable to the state.
図9は、そのような第3変形例における巻線切替装置3C及び3相交流モータ2Cの回路構成を示す図である。この図9において、巻線切替装置3Cでは、上記第2変形例の図7に示した構成に加えて、第2入力端子12aが、第3スイッチ手段としての第3スイッチS3を介してインバータ1に接続されている。この第3スイッチS3もまた半導体スイッチ素子で構成され、第2スイッチS2とともに第1半導体スイッチ手段を構成する。
FIG. 9 is a diagram showing a circuit configuration of the winding
図10は、本変形例において切替制御装置5が巻線切替装置3Cの各スイッチS2〜S5に対して行う切り替え制御の内容を示すテーブルである。
FIG. 10 is a table showing the contents of the switching control performed by the switching
上述したように、本変形例において巻線切替装置3Cは、第1状態、第2状態、及び非常時に加えて、第2電機子巻線12だけをデルタ結線で利用する第3状態と、第1電機子巻線11と第2電機子巻線12の両方をそれぞれデルタ結線として並列に利用する第4状態の5つの状態を選択的に切り替える。
As described above, in this modification, the winding
具体的には、図10のテーブルに示すように、第1状態を実現する際には、切替制御装置5が巻線切替装置3Cの第2スイッチS2をOFFとし、第3スイッチS3をOFFとし、第4スイッチS4をONとし、第5スイッチS5をOFFとする。これにより、上記第1状態に切り替えられる。また、第2状態を実現する際には、第2スイッチS2をONとし、第3スイッチS3をOFFとし、第4スイッチS4をOFFとし、第5スイッチS5をONとする。これにより、第2状態に切り替えられる。
Specifically, as shown in the table of FIG. 10, when realizing the first state, the switching
さらに、第3状態を実現する際には、切替制御装置5が巻線切替装置3Cの第2スイッチS2をOFFとし、第3スイッチS3をONとし、第4スイッチS4をOFFとし、第5スイッチS5をONとする。これにより、デルタ結線された第2電機子巻線12のみがインバータ1に接続される状態、言い換えると第1電機子巻線11と第2電機子巻線12との間の電気的接続が遮断されて第2電機子巻線12のみにインバータ1からの供給電力が導かれる、上記第3状態に切り替えられる。この際には、第2電機子巻線12の巻数にもよるが、第1状態と同等にインピーダンスが低いため高周波領域でも十分な電流を流すことができ、3相交流モータ2Cを高速で駆動するのに好適な状態となる。
Further, when realizing the third state, the switching
また、第4状態を実現する際には、切替制御装置5が巻線切替装置3Cの第2スイッチS2をOFFとし、第3スイッチS3をONとし、第4スイッチS4をONとし、第5スイッチS5をONとする。これにより、それぞれデルタ結線された第1電機子巻線11と第2電機子巻線12の両方が並列にインバータ1に接続される状態、言い換えると第1電機子巻線11と第2電機子巻線12とが電気的に並列接続されて第1電機子巻線11及び第2電機子巻線12の両方にインバータ1からの供給電力が導かれる、上記第4状態に切り替えられる。この際には、各電機子巻線11,12の巻数にもよるが、第1状態と同等にインピーダンスが低いため高周波領域でも十分な電流を流すことができ、3相交流モータ2Cを高速で駆動するのに好適な状態となる。
When the fourth state is realized, the switching
そして上記センサ4から異常が検出された場合には、切替制御装置5が巻線切替装置3Cの第2スイッチS2をOFFとし、他の第3スイッチS3、第4スイッチS4、及び第5スイッチS5のいずれもONとすることで、2つの電機子巻線11,12それぞれに加わる電圧を最小にできる、上記非常時の状態に切り替えられる。このとき第2スイッチS2、第3スイッチS3、第4スイッチS4、及び第5スイッチS5が経路切替手段を構成する。
When an abnormality is detected from the
本変形例においても、上記第2変形例と同様、上記実施形態と同様の効果を得る。また、本変形例においては、上述したように、上記第2変形例の第1状態及び第2状態に加えて、第2電機子巻線12のみにインバータ1からの供給電力を導いて作動させる第3状態と、第1電機子巻線11及び第2電機子巻線12の両方に並列にインバータ1からの供給電力を導いて作動させる第4状態とが可能となり、2つの電機子巻線11,12を使用したデルタ結線に対する上記4つの状態の切り替えを簡易な配線構成で実現することができる。なお、第2電機子巻線12のみにインバータ1からの供給電力を導いて作動させる第3状態においては、第2スイッチS2が第1電機子巻線11と第2電機子巻線12との間の電気的接続を遮断することで、第2電機子巻線12が第1電機子巻線11からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を発揮することができる。
Also in this modification, the effect similar to the said embodiment is acquired similarly to the said 2nd modification. In the present modification, as described above, in addition to the first state and the second state of the second modification, the power supplied from the
なお、本変形例では、第2スイッチS2と第3スイッチS3の組み合わせの他に、第3スイッチS3と第4スイッチS4の組み合わせや、第4スイッチS4と第5スイッチS5の組み合わせでも、上記図3に示したような一つの半導体モジュールを構成できる。 In this modification, in addition to the combination of the second switch S2 and the third switch S3, the combination of the third switch S3 and the fourth switch S4, or the combination of the fourth switch S4 and the fifth switch S5 is also described above. One semiconductor module as shown in FIG.
(4)Y結線とデルタ結線でそれぞれ第1〜4状態に切り替える場合
上記実施形態及び各変形例では、電機子巻線11,12において、Y結線かデルタ結線のいずれか一方だけを利用していたが、本発明はこれに限られない。例えば、Y結線とデルタ結線とを切り替え可能に構成してもよい。
(4) When switching to the first to fourth states in Y connection and delta connection respectively In the above embodiment and each modification, only one of Y connection or delta connection is used in the
図11は、そのような第4変形例における巻線切替装置3D及び3相交流モータ2D(この例では上記3相交流モータ2Cと同様の構成である)の回路構成を示す図である。この図11において、巻線切替装置3Dは、上記第3変形例の図9に示した構成に加えて、第1出力端子11bが第1スイッチ手段としての第1スイッチS1を介して第1電気的中性点13に接続され、第2出力端子12bが第6スイッチ手段としての第6スイッチS6を介して第2電気的中性点14に接続されている。この第6スイッチS6もまた半導体スイッチ素子で構成されている。
FIG. 11 is a diagram showing a circuit configuration of the winding
図12は、本変形例において切替制御装置5が巻線切替装置3Dの各スイッチS1〜S6に対して行う切り替え制御の内容を示すテーブルである。
FIG. 12 is a table showing the contents of the switching control performed by the switching
基本的に、本変形例における巻線切替装置3Dは、上記実施形態及び各変形例が備えるスイッチを全て備えており、それらの切り替えの組み合わせによってY結線での第1〜第4状態と、デルタ結線での第1〜第4状態と、非常時の状態の合計9つの状態を選択的に切り替えるものである。
Basically, the winding
具体的には、図12のテーブルに示すように、まずY結線において第1状態を実現する際には、切替制御装置5が巻線切替装置3Dの第1スイッチS1をONとし、第2〜6スイッチS2〜S6を全てOFFとする。これにより、Y結線された第1電機子巻線11のみがインバータ1に接続される上記第1状態に切り替えられる。
Specifically, as shown in the table of FIG. 12, first, when realizing the first state in the Y connection, the switching
また、Y結線において第2状態を実現する際には、第1スイッチS1をOFFとし、第2スイッチS2をONとし、第3〜5スイッチS3〜S5をOFFとし、第6スイッチS6をONとする。これにより、第1電機子巻線11と第2電機子巻線12とが直列に接続してその全体が第2電気的中性点14を介したY結線となってインバータ1に接続される上記第2状態に切り替えられる。
Further, when realizing the second state in the Y connection, the first switch S1 is turned OFF, the second switch S2 is turned ON, the third to fifth switches S3 to S5 are turned OFF, and the sixth switch S6 is turned ON. To do. As a result, the first armature winding 11 and the second armature winding 12 are connected in series, and the whole is connected to the
また、Y結線において第3状態を実現する際には、第1〜2スイッチS1〜S2をOFFとし、第3スイッチS3をONとし、第4〜5スイッチS4〜S5をOFFとし、第6スイッチS6をONとする。これにより、Y結線された第2電機子巻線12のみがインバータ1に接続される上記第3状態に切り替えられる。
When realizing the third state in the Y connection, the first and second switches S1 and S2 are turned off, the third switch S3 is turned on, the fourth to fifth switches S4 to S5 are turned off, and the sixth switch S6 is turned ON. As a result, only the second armature winding 12 Y-connected is switched to the third state in which the
また、Y結線において第4状態を実現する際には、第1スイッチS1をONとし、第2スイッチS2をOFFとし、第3スイッチS3をONとし、第4〜5スイッチS4〜S5をOFFとし、第6スイッチS6をONとする。これにより、それぞれY結線された第1電機子巻線11と第2電機子巻線12の両方を並列にインバータ1に接続される上記第4状態に切り替えられる。
Further, when the fourth state is realized in the Y connection, the first switch S1 is turned on, the second switch S2 is turned off, the third switch S3 is turned on, and the fourth to fifth switches S4 to S5 are turned off. The sixth switch S6 is turned on. Thereby, both the 1st armature winding 11 and the 2nd armature winding 12 which were each Y-connected are switched to the said 4th state connected to the
また、デルタ結線において第1状態を実現する際には、第1〜3スイッチS1〜S3をOFFとし、第4スイッチS4をONとし、第5〜6スイッチS5〜S6をOFFとする。これにより、デルタ結線された第1電機子巻線11のみがインバータ1に接続される上記第1状態に切り替えられる。
Further, when realizing the first state in the delta connection, the first to third switches S1 to S3 are turned off, the fourth switch S4 is turned on, and the fifth to sixth switches S5 to S6 are turned off. As a result, only the first armature winding 11 that is delta-connected is switched to the first state in which the
また、デルタ結線において第2状態を実現する際には、第1〜第2スイッチS1〜S2をOFFとし、第3スイッチS3をONとし、第4スイッチS4をOFFとし、第5スイッチS5をONとし、第6スイッチS6をOFFとする。これにより、第1電機子巻線11と第2電機子巻線12とが直列に接続してその全体がデルタ結線となってインバータ1に接続される上記第2状態に切り替えられる。
When realizing the second state in the delta connection, the first to second switches S1 to S2 are turned off, the third switch S3 is turned on, the fourth switch S4 is turned off, and the fifth switch S5 is turned on. And the sixth switch S6 is turned OFF. As a result, the first armature winding 11 and the second armature winding 12 are connected in series, and the entirety thereof becomes a delta connection and is switched to the second state where it is connected to the
また、デルタ結線において第3状態を実現する際には、第1〜2スイッチS1〜S2をOFFとし、第3スイッチS3をONとし、第4スイッチS4をOFFとし、第5スイッチS5をONとし、第6スイッチS6をOFFとする。これにより、デルタ結線された第2電機子巻線12のみがインバータ1に接続される上記第3状態に切り替えられる。
Further, when realizing the third state in the delta connection, the first and second switches S1 and S2 are turned off, the third switch S3 is turned on, the fourth switch S4 is turned off, and the fifth switch S5 is turned on. Then, the sixth switch S6 is turned OFF. As a result, only the second armature winding 12 that is delta-connected is switched to the third state in which the
また、デルタ結線において第4状態を実現する際には、第1〜2スイッチS1〜S2をOFFとし、第3〜5スイッチS3〜S5をONとし、第6スイッチS6をOFFとする。これにより、それぞれデルタ結線された第1電機子巻線11と第2電機子巻線12の両方を並列にインバータ1に接続される上記第4状態に切り替えられる。
Further, when realizing the fourth state in the delta connection, the first and second switches S1 and S2 are turned off, the third to fifth switches S3 to S5 are turned on, and the sixth switch S6 is turned off. As a result, both the first armature winding 11 and the second armature winding 12 respectively connected in delta connection are switched to the fourth state in which the
そして上記センサ4から異常が検出された場合には、切替制御装置5が巻線切替装置3Dの第1スイッチS1と第2スイッチS2だけをONとし、他の第3〜第6スイッチS3〜S6をOFFとすることで、2つの電機子巻線11,12それぞれに加わる電圧を最小にできる非常時の状態に切り替えられる。このとき全ての第1〜6スイッチS1〜S6が経路切替手段を構成する。
When an abnormality is detected from the
本変形例においても、上記実施形態と同様の効果を得る。また、上記したように、Y結線での第1〜4状態と、デルタ結線での第1〜4状態の合計8つの状態を選択的に切り替える配線構成を実現できる。 Also in this modification, the same effect as the above embodiment is obtained. Further, as described above, it is possible to realize a wiring configuration that selectively switches a total of eight states including the first to fourth states in the Y connection and the first to fourth states in the delta connection.
(5)その他
以上においては、スイッチS1〜S6のいずれかが、経路切替手段を兼用したが、これに限られない。すなわち、スイッチS1〜S6とは別体の経路切替手段を設け、これによって、複数の電機子巻線に加わる電圧を最小とする電流経路を形成するようにしてもよい。
(5) Others In the above, any of the switches S1 to S6 also serves as the path switching unit, but is not limited thereto. That is, a path switching unit separate from the switches S1 to S6 may be provided to form a current path that minimizes the voltage applied to the plurality of armature windings.
また、以上においては、3相交流モータ2,2A〜Dを駆動制御する交流電動機駆動システムを例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、4相以上の多相の交流モータを駆動制御するシステムとしてもよい。この場合も同様の効果を得ることができる。また、3つ以上の電機子巻線を備えた交流モータに適用してもよく、その場合にも同様の効果を得ることができる。
In the above description, the AC motor drive system that drives and controls the three-
また、各スイッチS1〜S6は、少なくとも半導体スイッチ素子で構成していればよく、上記IGBT素子以外の半導体スイッチ素子でもよい。この場合も、各電機子巻線に対する機能的悪影響を防止しつつ、2つの電機子巻線を円滑に切り替える、という本来の効果を得ることができる。 Moreover, each switch S1-S6 should just be comprised with the semiconductor switch element at least, and semiconductor switch elements other than the said IGBT element may be sufficient as it. Also in this case, the original effect of smoothly switching between the two armature windings can be obtained while preventing the functional adverse effect on each armature winding.
また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。 In addition to those already described above, the methods according to the above-described embodiments and modifications may be used in appropriate combination.
その他、一々例示はしないが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。 In addition, although not illustrated one by one, the present invention is implemented with various modifications within a range not departing from the gist thereof.
1 インバータ
2 3相交流モータ(交流電動機)
2A〜D 3相交流モータ(交流電動機)
3 巻線切替装置
3A〜D 巻線切替装置
4 センサ
5 切替制御装置
11 第1電機子巻線
11a 第1入力端子
11b 第1出力端子
12 第2電機子巻線
12a 第2入力端子
12b 第2出力端子
13 第1電気的中性点
14 第2電気的中性点
15A〜15F IGBT素子
16A,16B 半導体モジュール
100 交流電動機駆動システム
S1 第1スイッチ
S2 第2スイッチ
S3 第3スイッチ
S4 第4スイッチ
S5 第5スイッチ
S6 第6スイッチ
SW スイッチ素子
1
2A-D 3-phase AC motor (AC motor)
3 Winding
Claims (14)
前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線とを直列に接続する接続導電路における当該第1電機子巻線と第2電機子巻線との間に配置され、前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線との間の電気的接続を遮断することで前記第1電機子巻線及び前記第2電機子巻線のうち前記第1電機子巻線に前記インバータからの供給電力を導く第1状態と、前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線とを電気的に直列接続して前記第1電機子巻線及び前記第2電機子巻線の両方に前記インバータからの供給電力を導く第2状態とを、切替可能な、第1半導体スイッチ手段と、
前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線の間に誘起される電圧が前記第1半導体スイッチ手段の耐圧を超える可能性がある前記インバータ又は前記交流電動機の異常検出状態に対応した、前記巻線切替装置の外部からの非常用切替制御信号に応じて、前記第1電機子巻線及び前記第2電機子巻線の間に誘起される電圧を最小として前記第1半導体スイッチ手段を過電圧から保護する電流経路を形成するための、経路切替手段と、
を有する
ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。 A winding switching device for an AC motor that performs winding switching related to a first armature winding and a second armature winding of a plurality of phases provided in an AC motor fed by an inverter,
The first armature winding and the second armature winding are disposed between the first armature winding and the second armature winding in a connection conductive path that connects the first armature winding and the second armature winding in series. The inverter is connected to the first armature winding of the first armature winding and the second armature winding by cutting off the electrical connection between the child winding and the second armature winding. A first state in which power supplied from the first armature winding and the first armature winding and the second armature winding are electrically connected in series, and the first armature winding and the second armature winding A first semiconductor switch means capable of switching between a second state in which the power supplied from the inverter is guided to both,
Corresponding to an abnormality detection state of the inverter or the AC motor in which the voltage induced between the first armature winding and the second armature winding may exceed the withstand voltage of the first semiconductor switch means The first semiconductor switch means minimizes the voltage induced between the first armature winding and the second armature winding in response to an emergency switching control signal from the outside of the winding switching device. A path switching means for forming a current path that protects against overvoltage ;
A winding switching device for an AC motor, comprising:
前記第1半導体スイッチ手段は、
前記第1状態において当該第1状態に対応した第1電気的中性点と前記第1電機子巻線の前記インバータに接続される側と反対側の第1巻線出力端子とを接続するとともに、前記第2状態において前記第1電気的中性点と前記第1巻線出力端子とを遮断する、第1スイッチ手段と、
前記第2状態において前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線とを直列に接続するとともに、前記第1状態において前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線とを遮断する、第2スイッチ手段と、を備え、
前記第2電機子巻線は、
前記第2スイッチ手段に接続される側と反対側の第2巻線出力端子が前記第2状態に対応した第2電気的中性点に接続していることを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。 In the AC motor winding switching device according to claim 1,
The first semiconductor switch means includes:
In the first state, the first electrical neutral point corresponding to the first state is connected to the first winding output terminal on the opposite side to the side connected to the inverter of the first armature winding. A first switch means for cutting off the first electrical neutral point and the first winding output terminal in the second state;
The first armature winding and the second armature winding are connected in series in the second state, and the first armature winding and the second armature winding are connected in the first state. A second switch means for blocking,
The second armature winding is:
A winding of an AC motor, wherein a second winding output terminal opposite to the side connected to the second switch means is connected to a second electrical neutral point corresponding to the second state. Switching device.
前記第1半導体スイッチ手段は、
さらに、前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線との間の電気的接続を遮断して前記第2電機子巻線に前記インバータからの供給電力を導く第3状態と、前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線とを電気的に並列接続して前記第1電機子巻線及び前記第2電機子巻線の両方に前記インバータからの供給電力を導く第4状態とを、切替可能であり、
前記第3状態及び前記第4状態において前記第2電機子巻線の前記第2スイッチ手段に接続される側の第2巻線入力端子を前記インバータに接続するとともに、前記第1状態及び前記第2状態において前記第2巻線入力端子と前記インバータとを遮断する、第3スイッチ手段を備え、
前記第1スイッチ手段は、前記第4状態において前記第1電気的中性点と前記第1電機子巻線とを接続し、
前記第2スイッチ手段は、前記第3状態及び前記第4状態のいずれにおいても前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線とを遮断する、
ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。 In the AC motor winding switching device according to claim 2,
The first semiconductor switch means includes:
A third state in which electrical connection between the first armature winding and the second armature winding is interrupted to supply power supplied from the inverter to the second armature winding; A first armature winding and a second armature winding are electrically connected in parallel to guide the power supplied from the inverter to both the first armature winding and the second armature winding. 4 states can be switched,
In the third state and the fourth state, a second winding input terminal connected to the second switch means of the second armature winding is connected to the inverter, and the first state and the second state A third switch means for shutting off the second winding input terminal and the inverter in two states;
The first switch means connects the first electrical neutral point and the first armature winding in the fourth state;
The second switch means cuts off the first armature winding and the second armature winding in both the third state and the fourth state;
A winding switching device for an AC electric motor.
第1スイッチ手段及び前記第2スイッチ手段のそれぞれは、
少なくとも、前記複数相の相数と同数の絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子を備える
ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。 In the AC motor winding switching device according to claim 2 or claim 3,
Each of the first switch means and the second switch means includes:
An AC motor winding switching apparatus comprising at least the same number of insulated gate bipolar transistor elements as the number of phases of the plurality of phases.
前記交流電動機の3相の前記第1電機子巻線及び前記第2電機子巻線に対応して、
前記第1スイッチ手段及び前記第2スイッチ手段のそれぞれは、
3つの絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子を備える
ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。 In the AC motor winding switching device according to claim 4,
Corresponding to the first armature winding and the second armature winding of the three-phase AC motor,
Each of the first switch means and the second switch means is
A winding switching device for an AC motor, comprising three insulated gate bipolar transistor elements.
前記第1スイッチ手段の前記3つの絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子と、前記第2スイッチ手段の前記3つの絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子とは、1つの半導体モジュールとして一体化されている
ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。 In the AC motor winding switching device according to claim 5,
The three insulated gate bipolar transistor elements of the first switch means and the three insulated gate bipolar transistor elements of the second switch means are integrated as one semiconductor module. AC motor winding switching device.
前記第1スイッチ手段の前記絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子は、ノーマリオンタイプのスイッチであり、
前記第2スイッチ手段の前記絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子は、ノーマリオフタイプのスイッチである
ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。 In the winding switching device for an AC motor according to any one of claims 4 to 6,
The insulated gate bipolar transistor element of the first switch means is a normally-on type switch,
The winding switching device for an AC motor, wherein the insulated gate bipolar transistor element of the second switch means is a normally-off type switch.
前記第1スイッチ手段の前記絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子は、ノーマリオフタイプのスイッチであり、
前記第2スイッチ手段の前記絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子は、ノーマリオンタイプのスイッチである
ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。 In the winding switching device for an AC motor according to any one of claims 4 to 6,
The insulated gate bipolar transistor element of the first switch means is a normally-off type switch,
The winding switching device for an AC motor, wherein the insulated gate bipolar transistor element of the second switch means is a normally-on type switch.
前記インバータに対して前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線のいずれにも並列に配置され、前記第1状態においては、前記インバータと前記第2電機子巻線との間の電気的接続を遮断して前記第1電機子巻線のみでデルタ結線を構成する前記インバータへの接続と、前記第2状態においては、直列接続した前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線の両方でデルタ結線を構成する前記インバータへの接続とを、切替可能な、第2半導体スイッチ手段を有する
ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。 In the AC motor winding switching device according to claim 1,
Arranged in parallel to both the first armature winding and the second armature winding with respect to the inverter, and in the first state, between the inverter and the second armature winding. Connection to the inverter that forms a delta connection with only the first armature winding by cutting off the electrical connection, and in the second state, the first armature winding and the second electric machine connected in series A winding switching device for an AC motor comprising second semiconductor switch means capable of switching between connection to the inverter constituting a delta connection with both of the child windings.
前記第1半導体スイッチ手段は、
前記第2状態において前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線とを直列に接続するとともに、前記第1状態において前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線とを遮断する、第2スイッチ手段を備え、
前記第2半導体スイッチ手段は、
前記第1状態において前記第1電機子巻線のみでデルタ結線を構成するよう、前記第1電機子巻線の前記インバータに接続される側と反対側の第1巻線出力端子を前記インバータに接続するとともに、前記第2状態において前記第1電機子巻線の前記第1巻線出力端子と前記インバータとを遮断する、第4スイッチ手段と、
前記第1状態において前記第2電機子巻線の前記第2スイッチ手段に接続される側と反対側の第2巻線出力端子と前記インバータとを遮断するとともに、第2状態において直列接続した前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線の両方でデルタ結線を構成するよう、前記第2電機子巻線の前記第2巻線出力端子と前記インバータとを接続する、第5スイッチ手段と、を備える
ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。 In the winding switching device for an AC motor according to claim 9,
The first semiconductor switch means includes:
The first armature winding and the second armature winding are connected in series in the second state, and the first armature winding and the second armature winding are connected in the first state. A second switch means for shutting off;
The second semiconductor switch means includes
In the first state, the first winding output terminal on the side opposite to the side connected to the inverter of the first armature winding is connected to the inverter so that a delta connection is formed only by the first armature winding. A fourth switch means for connecting and disconnecting the first winding output terminal of the first armature winding and the inverter in the second state;
In the first state, the second winding output terminal opposite to the side connected to the second switch means of the second armature winding and the inverter are shut off, and the second state is connected in series in the second state. A fifth switch that connects the second winding output terminal of the second armature winding and the inverter so that both the first armature winding and the second armature winding form a delta connection. A winding switching device for an AC electric motor.
前記第1半導体スイッチ手段と前記第2半導体スイッチ手段は、
さらに、前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線との間の電気的接続を遮断して前記第2電機子巻線に前記インバータからの供給電力を導く第3状態と、前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線とを電気的に並列接続して前記第1電機子巻線及び前記第2電機子巻線の両方に前記インバータからの供給電力を導く第4状態とを、切替可能であり、
前記第1半導体スイッチ手段は、
前記第3状態及び前記第4状態において前記第2電機子巻線の前記第2スイッチ手段に接続される側の第2巻線入力端子を前記インバータに接続するとともに、前記第1状態及び前記代2状態において前記第2電機子巻線の前記第2巻線入力端子と前記インバータとを遮断する、第3スイッチ手段を備え、
前記第2スイッチ手段は、前記第3状態及び前記第4状態のいずれにおいても前記第1電機子巻線と前記第2電機子巻線とを遮断し、
前記第4スイッチ手段は、前記第3状態において前記第1電機子巻線の前記第1巻線出力端子と前記インバータとを遮断し、前記第4状態において前記第1電機子巻線のみでデルタ結線を構成するよう、前記第1電機子巻線の前記第1巻線出力端子を前記インバータに接続し、
前記第5スイッチ手段は、前記第3状態及び前記第4状態のいずれにおいても前記第2電機子巻線のみでデルタ結線を構成するよう、前記第2電機子巻線の前記第2巻線出力端子を前記インバータに接続する、
ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。 In the AC motor winding switching device according to claim 10,
The first semiconductor switch means and the second semiconductor switch means are:
A third state in which electrical connection between the first armature winding and the second armature winding is interrupted to supply power supplied from the inverter to the second armature winding; A first armature winding and a second armature winding are electrically connected in parallel to guide the power supplied from the inverter to both the first armature winding and the second armature winding. 4 states can be switched,
The first semiconductor switch means includes:
In the third state and the fourth state, the second winding input terminal on the side connected to the second switch means of the second armature winding is connected to the inverter, and the first state and the proxy are connected. A third switch means for shutting off the second winding input terminal of the second armature winding and the inverter in two states;
The second switch means interrupts the first armature winding and the second armature winding in both the third state and the fourth state,
The fourth switch means shuts off the first winding output terminal of the first armature winding and the inverter in the third state, and deltas only in the first armature winding in the fourth state. Connecting the first winding output terminal of the first armature winding to the inverter so as to form a connection;
The fifth switch means outputs the second winding output of the second armature winding so that a delta connection is formed only by the second armature winding in both the third state and the fourth state. Connect the terminal to the inverter,
A winding switching device for an AC electric motor.
前記経路切替手段は、
前記第1半導体スイッチ手段及び前記第2半導体スイッチ手段のうち少なくとも一方を兼ねる
ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。 In the winding switching device for an AC motor according to any one of claims 9 to 11,
The route switching means is
A winding switching device for an AC motor, which serves also as at least one of the first semiconductor switch means and the second semiconductor switch means.
前記交流電動機は、
各相の巻数が同じである複数の電機子巻線を備え、
前記巻線切替装置は、
複数の半導体スイッチ素子の導通と遮断を適宜組み合わせることで前記複数の電気子巻線を少なくとも3つの巻線状態に切り替え可能とし、
かつ、
前記交流電動機を駆動するインバータと前記巻線切替装置の切り替え制御を行う切替制御装置を備えたことを特徴とする交流電動機駆動システム。 An AC motor drive system comprising the AC motor winding switching device according to any one of claims 1 to 12,
The AC motor is
Comprising a plurality of armature windings with the same number of turns in each phase;
The winding switching device is
The plurality of electric coil windings can be switched to at least three winding states by appropriately combining conduction and blocking of a plurality of semiconductor switch elements,
And,
An AC motor drive system comprising an inverter that drives the AC motor and a switching control device that performs switching control of the winding switching device.
前記交流電動機駆動システム全体または前記交流電動機駆動システムを備えたアプリケーションにおける各種の異常を検出するセンサをさらに備え、
前記切替制御装置が、
前記センサの検出信号に基づいて前記巻線切替装置を切替制御することを特徴とする交流電動機駆動システム。
The AC motor drive system according to claim 13,
A sensor for detecting various abnormalities in the entire AC motor drive system or an application including the AC motor drive system;
The switching control device is
An AC motor drive system that controls switching of the winding switching device based on a detection signal of the sensor.
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