JP6636207B2

JP6636207B2 - 電動機の駆動装置および冷凍サイクル適用機器

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Publication number: JP6636207B2
Application number: JP2019504231A
Authority: JP
Inventors: 和徳畠山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2017-03-09
Publication date: 2020-01-29
Anticipated expiration: 2037-03-09
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Description

本発明は、電動機の駆動装置およびそれを備えた冷凍サイクル適用機器に関する。

従来、交流電動機の巻線切替装置において、第１電機子巻線および第２電機子巻線のうち第１電機子巻線にインバータからの供給電力を導く第１状態と、第１電機子巻線および第２電機子巻線の両方にインバータからの供給電力を導く第２状態とを切替え可能なスイッチを設けて、異常検出状態に応じて複数の電機子巻線に加わる電圧を低電圧化する電流経路を形成する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−２２７９８１号公報

特許文献１に記載された技術においては、電機子巻線に接続される三相の線を切替えるためのスイッチに電磁接触器の一種であるリレーを用いた場合に、電機子巻線に過大な電流が流れている状態でスイッチを操作すると、リレー接点の溶着といった不具合に陥る恐れがある。また、リレーの接点側が動作するまでに一定の遅延時間が発生するため、保護動作遅れによる故障が発生した際またはスイッチ自身が故障した際には保護ができない恐れがある。

これに対して、三相の線を切替えるためのスイッチにコンタクタを用いた場合には、サイズの大型化およびコストの増加が生じ、電動機の駆動装置の小型軽量化だけでなく、コスト面での悪化を避けることができない。

また、スイッチに絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを用いた場合には、スイッチをオン状態とした場合に、電流値に応じた損失が発生してしまい、効率の悪化が懸念される。さらに、三相の線を切替えるために３つの絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを用いると、スイッチングタイミングのバラツキにより３つが同時にオン状態とならないため、正常な電流経路が形成されないため、かえって故障を招く恐れがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、異常時における保護機能が向上した電動機の駆動装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、巻線を有する電動機の巻線に接続する端子に接続されて、電動機に交流電圧を印加するインバータと、端子に接続され端子の間の接続状態を切替え可能な切替部と、インバータの入力側の電圧およびインバータの電流の少なくともいずれか一方を検出する検出部と、を備える。本発明は、検出部が検出した検出値に基づいて、切替部に異常が発生したと判定して、端子の間が短絡するようにインバータを制御する制御部をさらに備えることを特徴とする。

本発明に係る電動機の駆動装置は、異常時における保護機能が向上するという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる電動機の駆動装置の一構成例を示す図実施の形態１にかかる電動機のＹ結線の巻線状態を表す結線図実施の形態１にかかる電動機のΔ結線の巻線状態を表す結線図実施の形態１にかかる電動機の巻線状態に依存した回転数と逆起電圧との関係を示す図実施の形態１にかかる逆起電圧の抑制方法における動作波形を表す図実施の形態１にかかる逆起電圧の別の抑制方法における動作波形を表す図実施の形態１にかかる切替部の故障時における電動機の駆動装置の動作を示す図実施の形態１にかかる電動機の駆動装置における制御を説明するフローチャート実施の形態１にかかる冷凍サイクル適用機器の一構成例を示す図本発明の実施の形態２にかかる電動機の駆動装置の一構成例を示す図実施の形態２にかかる切替部の故障状態の一例を表す図実施の形態２にかかる故障時の動作波形を表す図実施の形態２にかかる故障時に３つのスイッチング素子を同時にオンした場合の動作波形を表す図実施の形態２にかかる故障時に２つのスイッチング素子を同時にオンした場合の動作波形を表す図実施の形態２にかかる電動機の駆動装置における制御を説明するフローチャート

以下に、本発明の実施の形態に係る電動機の駆動装置および冷凍サイクル適用機器を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電動機の駆動装置１００の一構成例を示す図である。電動機の駆動装置１００は、交流電源１０に接続され、リアクトル２０と、整流部３０と、コンデンサ４０と、インバータ５０と、切替部６０と、検出部８０と、制御部９０とを備えて、電動機７０を駆動する。ここで、整流部３０は、ダイオードといった整流素子３１〜３４で構成されている。インバータ５０は、整流素子であるダイオードが接続されたスイッチング素子５１〜５６から構成されている。切替部６０は、複数のスイッチである切替器６１〜６３から構成されている。切替器６１〜６３は、一例としてｃ接点型のリレーとして示してある。

電動機７０は、Ｕ相の巻線であるＵ相のコイルに接続される端子Ｕ１および端子Ｕ２と、Ｖ相の巻線であるＶ相のコイルに接続される端子Ｖ１および端子Ｖ２と、Ｗ相の巻線であるＷ相のコイルに接続される端子Ｗ１および端子Ｗ２と、を備える。スイッチング素子５１および５４の接続点である端子５０１と端子Ｕ１とは接続され、スイッチング素子５２および５５の接続点である端子５０２と端子Ｖ１とは接続され、スイッチング素子５３および５６の接続点である端子５０３と端子Ｗ１とは接続されている。切替器６１は端子Ｕ２に接続され、切替器６２は端子Ｖ２に接続され、切替器６３は端子Ｗ２に接続されている。

切替器６１は、第一の方向に切替えることにより端子Ｕ２と端子５０２とを接続し、第二の方向に切替えることにより端子Ｕ２と端子６００とを接続する。切替器６２は、第一の方向に切替えることにより端子Ｖ２と端子５０３とを接続し、第二の方向に切替えることにより端子Ｖ２と端子６００とを接続する。切替器６３は、第一の方向に切替えることにより端子Ｗ２と端子５０１とを接続し、第二の方向に切替えることにより端子Ｗ２と端子６００とを接続する。切替器６１〜６３の接続状態により電動機７０の巻線の状態である巻線状態を切替えることが可能である。具体的には、切替器６１〜６３の接続状態により電動機７０の巻線状態は、Ｙ結線またはΔ結線に切替えが可能になっている。なお、切替部６０により切替えが可能な電動機７０の巻線状態は、Ｙ結線またはΔ結線に限定されるわけではない。

電動機の駆動装置１００においては、交流電源１０からの交流電圧がリアクトル２０および整流部３０を介してコンデンサ４０に供給されて直流電圧が生成され、コンデンサ４０に並列接続されているインバータ５０に直流電圧が供給される。インバータ５０は、切替部６０により巻線状態が切替え可能になっている電動機７０に目標とする交流電圧を印加するよう動作する。

検出部８０は、インバータ５０の入力側の直流電圧を検出する電圧検出手段８１およびインバータ５０に流れる電流を検出する電流検出手段８２から構成される。制御部９０は、検出部８０により検出された電圧、電流またはその両方に基づいて、切替部６０を操作する。すなわち、制御部９０は、切替信号を切替部６０に出力することにより、電動機７０の巻線状態をＹ結線またはΔ結線に切り替えるように切替器６１〜６３を動作させる。さらに、制御部９０は、インバータ５０が目標の電圧を出力するように、インバータ駆動信号をインバータ５０へ出力する。これにより、電動機の駆動装置１００は、電動機７０に目標の電圧を印加して、電動機７０を駆動させることができる。さらに、制御部９０は、検出部８０により検出された電圧、電流またはその両方に基づいて、インバータ５０を制御して以下で説明する保護動作を実行する。

図２は、実施の形態１にかかる電動機７０のＹ結線の巻線状態を表す結線図である。図３は、実施の形態１にかかる電動機７０のΔ結線の巻線状態を表す結線図である。切替部６０の切替器６１〜６３が、図１に示されているように全て第二の方向、即ち端子６００の側に切り替わっている場合は、Ｙ結線の巻線状態になっている。そして、図１の切替器６１〜６３が全て第一の方向に切り替わった場合は、Δ結線の巻線状態になる。以下では、電動機７０の巻線状態をＹ結線またはΔ結線に切り替える理由について、図２および図３を用いて説明する。

図２において、Ｙ結線の電動機７０の線間電圧をＶＹと定義し、Ｙ結線の電動機７０に流れる電流をＩＹと定義する。図３において、Δ結線の電動機７０の線間電圧をＶΔと定義し、Δ結線の電動機７０に流れる電流をＩΔと定義する。すると、ＶＹ＝√３×ＶΔ、√３×ＩＹ＝ＩΔという関係が得らえる。つまり、Δ結線の方がＹ結線より電流は大きくなるが、駆動に必要な電圧を低くすることが可能となる。したがって、同一回転数において電動機７０の端子間に発生する逆起電圧の値を、切替部６０の切替器６１〜６３が切替えることが可能である。

ところで、近年の電動機の省エネルギー化により、電動機７０を構成する回転子には永久磁石を用いたブラシレスＤＣモータが広く用いられている。このようなモータを用いた場合、回転数が上がると逆起電圧が増加し、駆動に必要な電圧値が増加する。ここで、インバータ５０でＹ結線の電動機７０を駆動しようとした場合、回転数が上がると駆動するのに必要となる電圧が大きくなるため、逆起電圧を抑制するために永久磁石の磁力を低下させたり、固定子の巻線を巻ほどいたりするといった対策が必要となる。このような対策をとると、電動機７０およびインバータ５０に流れる電流が増加し、エネルギーの変換効率の悪化がさけられない。そこで、高い回転数で駆動する場合には、電動機７０の巻線状態をＹ結線からΔ結線に切り替える。これにより、電動機７０の駆動に必要な電圧が１／√３となるため、磁力を低下させるまたは巻線を巻ほどくといった対策をとることなく運転を継続することが可能となる。

例えば、電動機７０が空気調和機に用いられる場合、近年の空気調和機においては、運転開始時の設定温度と室温との差が大きい場合においては、設定温度に近づくまでは電動機７０の回転数を上げることで、設定温度に近づけるべく動作するが、設定温度と室温とが概ね一致している状態では、電動機７０の回転数を低下させて運転を行う。回転数を低下させた運転時間の全体の運転時間に占める割合は大きい。そのため、運転時間の長い低回転数で電動機７０を駆動する際には駆動電圧が低いため、電流を低減することが可能なＹ結線とし、高回転数で電動機を駆動する際にはΔ結線とする。これにより、低回転数ではＹ結線とすることでΔ結線に比べて電流値を１／√３にできるだけでなく、低回転数のみを駆動できるように巻線の最適設計をすることが可能となるため、Ｙ結線のみで全回転数域を駆動する従来の巻数設計に比べて、さらに電流値を低減することが可能となる。その結果、インバータ５０の損失を低減することが可能となり、エネルギー変換の高効率化に寄与することが可能となる。

高回転数では電動機７０をΔ結線とすることで、低回転数のみ駆動できるよう設計したＹ結線に対して１／√３の電圧で駆動することが可能となるため、巻線を巻ほどく必要も無く、また必要以上に電流値を増加させる弱め磁束制御を用いることなく、全回転数領域で電動機７０を駆動することが可能となる。

しかし、何らかの異常により切替部６０が動作して電動機７０の巻線状態がΔ結線からＹ結線に戻ることがある。具体的には、制御部９０が出力する一つの切替信号により切替器６１〜６３が全て切り替わる構成であるときに、切替信号にエラーが生じたといった場合である。図４は、実施の形態１にかかる電動機７０の巻線状態に依存した回転数と逆起電圧との関係を示す図である。図４は、電動機７０の巻線状態がＹ結線のときの回転数と逆起電力との関係を実線で、電動機７０の巻線状態がΔ結線のときの回転数と逆起電力との関係を破線で示してある。

上述したように、何らかの異常に起因する故障により、電動機７０の巻線状態がΔ結線からＹ結線に戻った場合には、電動機７０の回転数は変わらずにＹ結線になるため、図４に示すようにΔ結線に比べて√３倍の逆起電圧が発生する。そして、その逆起電圧によりインバータ５０を介してコンデンサ４０が充電される恐れがある。図４に示すように、電動機７０の巻線状態がＹ結線になるとΔ結線の場合に比べて低い回転数で逆起電圧が回路耐圧を超えてしまう。各構成部品の耐電圧を超える過大電圧が電動機の駆動装置１００に入力された場合、電動機の駆動装置１００の故障につながる恐れがある。

過大電圧が発生した場合には、通常は、電圧検出手段８１の出力に基づいて、制御部９０によりインバータ５０の動作を停止させるが、電動機７０の回転を止めない限りは、インバータ５０を構成するスイッチング素子５１〜５６に接続されたダイオードを介したコンデンサ４０への充電を止めることができない。そのため過大電圧に対する保護ができずに、電動機の駆動装置１００の故障につながる恐れがある。

そこで、電圧検出手段８１の出力に基づいて、過大電圧が発生したと制御部９０が判断した場合に、インバータ５０を構成するスイッチング素子５１〜５６のうち、上段のスイッチング素子５１〜５３を制御部９０がオンさせるか、或は下段のスイッチング素子５４〜５６を制御部９０がオンさせると、電動機７０の線間が短絡状態となる。これにより、電動機７０の端子間電圧をほぼゼロにすることが可能となり、過大電圧から電動機の駆動装置１００を保護することができる。また、電動機７０の線間が短絡状態になると、電動機７０内の巻線抵抗により回転によるエネルギーが消費されることで、電動機７０に制動力を与えることが可能となり、電動機７０を速やかに停止させることが可能となる。

ここで、制御部９０がスイッチング素子５４〜５６をオンさせる場合を例にして、図５および図６を用いて以下に説明する。図５は、実施の形態１にかかる逆起電圧の抑制方法における動作波形を表す図である。図６は、実施の形態１にかかる逆起電圧の別の抑制方法における動作波形を表す図である。

スイッチング素子５４〜５６をオンさせることにより、電動機７０の線間を短絡状態にすることが可能であるが、図５に示すように、スイッチング素子５４〜５６を単に全てオンさせて電動機７０を短絡させると瞬間的に突入電流が流れてしまう。この場合、図５に示すように、電動機７０の電流が減磁電流を超えてしまうと、電動機７０を構成する永久磁石を不可逆減磁してしまい、電動機７０の性能低下につながる。また、突入電流によるスイッチング素子５１〜５６の破壊等を招く恐れがある。

このため、図６に示すようにスイッチング素子５４〜５６のオンおよびオフを繰り返すことにより電動機７０の端子の短絡および解放を繰り返し、徐々に短絡時間が長くなるように制御部９０が制御する。このような保護動作により、電動機７０に流れる電流を抑制することが可能となり、コンデンサ４０およびインバータ５０に過大電圧が印加されることを抑制することが可能となり、電動機の駆動装置１００を保護することができる。

しかしながら、電動機の駆動装置１００におけるコンデンサ４０の静電容量は、通常は数１０００μＦと高いため、電動機７０の端子間電圧が過大電圧になっているにも関わらず、コンデンサ４０の充電は静電容量に応じて遅れが生じる。このため、電圧検出手段８１の検出結果に基づいて、制御部９０が過大電圧になったことを判断するまでに過大電圧により電動機の駆動装置１００が破壊される恐れがある。

図７は、実施の形態１にかかる切替部６０の故障時における電動機の駆動装置１００の動作を示す図である。図７には、電動機７０の端子間電圧のピーク値の時間変化を示すグラフと、電圧検出手段８１が検出した電圧の時間変化を示すグラフと、電流検出手段８２が検出した電流のピーク値の時間変化を示すグラフとが時間軸を揃えて上から順に示されている。

ノイズの発生といった故障により、切替部６０が電動機７０の巻線状態をΔ結線からＹ結線に運転中に切り替えてしまった場合の動作について図７を用いて説明する。電動機７０の巻線状態がＹ結線に切り替わったことにより、電動機７０の端子間電圧のピーク値は√３倍になる。すると、電圧検出手段８１の電圧は、コンデンサ４０の静電容量により徐々に上昇を始め、予め定めた過大電圧検出レベルに到達した場合に過大電圧が発生したと判断することができるが、上述したように、検出までに遅延が発生する。これに対して、電流検出手段８２には、コンデンサ４０の電圧と電動機７０の端子間電圧との差分が大きいほど大きな突入電流が流れるため、図７に示すような電流のピーク値が予め定めた過大電流検出レベルに到達する電流が故障発生時に瞬間的に流れる。この電流を電流検出手段８２が検出して制御部９０が逆起電圧を抑制する保護動作を行うことにより、電圧検出手段８１を用いて制御部９０が保護動作を行うよりも迅速に過大電圧から電動機の駆動装置１００を保護することが可能となる。これにより、信頼性の高い電動機の駆動装置１００を得ることが可能となる。

電流検出手段８２については、外来ノイズ等に起因する誤検知を防止するために、ＬＰＦ（Low Pass Filter）といったフィルタを用いてノイズの影響を除去しても良いが、フィルタを用いる場合は、制御部９０による電動機７０の制御に影響を与えない範囲の時定数に設定することが望ましい。具体的には、制御部９０が電動機７０の制御を行うための制御周期以下の時定数に上記フィルタを設定することにより、制御へ影響を与えることなく、ノイズの影響を除外することが可能となる。

図８は、実施の形態１にかかる電動機の駆動装置１００における制御を説明するフローチャートである。図８のフローチャートを用いて制御部９０の動作について以下に説明する。

まず、電圧検出手段８１がコンデンサ４０に充電されている電圧値を検出する。そして、検出された電圧値が閾値以上であるか否かを制御部９０が判断する（ステップＳ００１）。ステップＳ００１における閾値は、上述した過大電圧検出レベルである。検出された電圧値が閾値以上であると制御部９０が判断した場合（ステップＳ００１：Ｙｅｓ）は、切替部６０に何らかの異常が発生したと制御部９０は判定して、ステップＳ００３の処理に進む。検出された電圧値が閾値より小さいと制御部９０が判断した場合（ステップＳ００１：Ｎｏ）は、コンデンサ４０に充電されている電圧値に基づいて判断可能な異常が発生していないので、ステップＳ００２の処理へ移行する。

ステップＳ００２においては、電流検出手段８２により検出された電流値が閾値以上であるか否かを制御部９０が判断する（ステップＳ００２）。ステップＳ００２における閾値は、上述した過大電流検出レベルである。検出された電流値が閾値以上であると制御部９０が判断した場合（ステップＳ００２：Ｙｅｓ）は、切替部６０に何らかの異常が発生したと制御部９０は判定して、ステップＳ００３の処理に進む。検出された電流値が閾値より小さいと制御部９０が判断した場合（ステップＳ００２：Ｎｏ）は、検出された電圧値および電流値により判断可能な異常は発生していないので、処理を終了する。

ステップＳ００１またはステップＳ００２において切替部６０に何らかの異常が発生したと制御部９０が判断した場合は、逆起電圧すなわち回生電圧に対する上述した保護動作を制御部９０が実施する（ステップＳ００３）。

図８のフローチャートを繰り返すことにより、電圧値または電流値がそれぞれの閾値以上である場合は、制御部９０は保護動作を実施することになる。

また、ステップＳ００３におけるスイッチング素子５１〜５３またはスイッチング素子５４〜５６を同時にオンさせるといった保護動作は、検出部８０により検出された電圧値または電流値のいずれか一方の検出値に基づいて実行されてもかまわない。

以上説明した保護動作を実行することにより、切替部６０の異常によりコンデンサ４０に過大な電圧が印加された場合においても、コンデンサ４０が過大に充電されないようになるため、保護機能が向上してコンデンサ４０の破壊を防止することが可能となる。

なお、図６では、保護動作の一例について示したが、コンデンサ４０およびインバータ５０に過大電圧が印加されることを抑制することが可能な保護動作であるならば、これに限定されない。

また、整流部３０を構成する整流素子３１〜３４には、ダイオードを用いることが一般的であるが、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などを用いて、交流電源１０の極性に合わせてオン状態とすることで整流を行うように構成しても良い。

また、インバータ５０を構成するスイッチング素子５１〜５６は、環流ダイオードが並列に接続されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）または環流ダイオードが並列に接続されたＭＯＳＦＥＴにより構成してよいが、スイッチングを行うことが可能であればどのようなものを用いてもかまわない。また、ＭＯＳＦＥＴを用いる場合は、寄生ダイオードを構造上有しているので、環流ダイオードを敢えて並列に接続しなくても同様の効果を得ることができる。

整流素子３１〜３４およびスイッチング素子５１〜５６を構成する材料については、ケイ素（Ｓｉ）だけでなく、ワイドバンドギャップ半導体である炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドといった材料を用いることにより、エネルギー損失をより低減することが可能となる。

切替部６０は、電動機７０の巻線状態を切替えることが可能であれば、どのような方式を用いても良い。したがって、切替器６１〜６３は、図１に示したようなｃ接点型のリレーではなく、ａ接点およびｂ接点のリレーを組み合わせて図１の切替器６１〜６３と同等の動作が実現できるように構成してもよい。また、切替部６０は、電動機７０の巻線状態を切替えることが可能であれば、リレーのみならず、コンタクタといった電磁接触器、半導体を用いたスイッチング素子などで構成してもかまわない。ただし、切替部６０には、機械式のリレー等を用いることにより、半導体で構成した場合のオン状態で発生する導通損失を低減することができるので、より効率の良い電動機の駆動装置１００を得ることが可能となる。

電圧検出手段８１および電流検出手段８２は、制御部９０が動作するために必要な情報を検出可能な位置であれば、図１に示す位置に限定されず、どの位置に設けられていてもかまわない。具体的には、電圧検出手段８１については、コンデンサ４０と並列に設けた抵抗により分圧した電圧を検出する位置に設置することで、コンデンサ４０の電圧、すなわちインバータ５０の入力側の直流電圧をマイコンなどで検出可能な５Ｖ以下の電圧に変換して電圧検出手段８１が検出するようにしても良い。また、電流検出手段８２については、図１に示す位置ではなく、インバータ５０と電動機７０との間の電流を検出するセンサとして設置して、電動機７０に流れる電流を検出するようにしても良い。

また、制御部９０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）またはマイクロコンピュータといった離散システムで構成することが可能であるが、その他にもアナログ回路またはデジタル回路といった電気回路素子などで構成してもよい。

実施の形態１にかかる電動機の駆動装置１００によれば、インバータ５０を構成するスイッチング素子５１〜５６のうち、上段のスイッチング素子５１〜５３、または下段のスイッチング素子５４〜５６をオンし、電動機７０の端子間を短絡するように動作させることで、切替部６０を操作することなく電動機７０の逆起電圧から電動機の駆動装置１００を保護することが可能となる。

すなわち、実施の形態１にかかる電動機の駆動装置１００によれば、異常が発生した際に切替部６０を操作することなく、電動機７０を駆動するインバータ５０を制御することにより、過電圧および過電流の発生を抑制できる。したがって、切替部６０に小型かつ安価で応答性の悪いリレーを用いた場合においても、インバータ５０を用いた保護を行うことで高速かつ確実に過電圧および過電流から電動機の駆動装置１００を保護することが可能となる。さらに、実施の形態１にかかる電動機の駆動装置１００を小型かつ軽量に製造することができるという効果も得られる。

図９は、実施の形態１にかかる冷凍サイクル適用機器３００の一構成例を示す図である。冷凍サイクル適用機器３００は、実施の形態１にかかる電動機の駆動装置１００と、電動機の駆動装置１００により駆動される電動機７０を備えた冷凍サイクル２００と、を備える。電動機７０は、具体的には、冷凍サイクル２００に含まれる圧縮機２１０に備えられている。

冷凍サイクル適用機器３００においては、回転数が低く、軽負荷で運転時間が相対的に長い運転は電動機７０の巻線状態をＹ結線にして実行され、回転数が高く、高負荷な運転は電動機７０の巻線状態をΔ結線にして実行される。このような場合に、電動機７０の巻線状態がΔ結線であるときに、切替部６０の異常に起因する故障が発生して巻線状態がＹ結線になってしまった場合であっても、過大電圧から電動機の駆動装置１００を確実に保護することが可能となり、信頼性の高い冷凍サイクル適用機器３００を得ることが可能となる。

実施の形態２．
図１０は、本発明の実施の形態２にかかる電動機の駆動装置１００の一構成例を示す図である。図１０は、実施の形態１の切替部６０を構成する切替器６１の動作方向が他の切替器６２および６３と異なってしまった故障状態を示す図である。図１１は、実施の形態２にかかる切替部６０の故障状態の一例を表す図である。図１２は、実施の形態２にかかる故障時の動作波形を表す図である。図１３は、実施の形態２にかかる故障時に３つのスイッチング素子５４〜５６を同時にオンした場合の動作波形を表す図である。図１４は、実施の形態２にかかる故障時に２つのスイッチング素子５５，５６を同時にオンした場合の動作波形を表す図である。

切替器６１〜６３は、本来は全てが同一方向に切り替えられることにより、電動機７０の巻線状態をＹ結線またはΔ結線となるように構成されている。しかし、切替器６１〜６３がリレーに代表されるような電磁接触器で構成される場合には、接点溶着といった異常が発生し得る。また、切替器６１〜６３が半導体で構成される場合には、解放または短絡故障といった異常が発生し得る。このような異常が発生した場合に、切替器６１〜６３の内の一つの切替器が他と異なる方向に切り替えられてしまうという故障が生じる。その場合の電動機７０の巻線状態を簡易的に表したものが図１１になる。

図１１において、電動機７０のＶＷ相間の電圧Ｖは２つの巻線に永久磁石の磁束が鎖交するため逆起電圧が誘起され、電動機７０の巻線状態がΔ結線である場合に比べて、図１２に示すように２倍の電圧が発生することとなる。この場合、Δ結線がＹ結線になって√３倍の逆起電圧が発生する場合よりも過大な電圧が印加されることになって、電動機の駆動装置１００が破壊する恐れが高まる懸念がある。

ここで、過大電圧が発生した場合に、インバータ５０を構成するスイッチング素子５１〜５６のうち、実施の形態１のように、上段のスイッチング素子５１〜５３を制御部９０がオンさせるか、或は下段のスイッチング素子５４〜５６を制御部９０がオンさせると、電動機７０の線間が短絡状態となるため、図１３に示したように電動機７０の端子間電圧、すなわち逆起電圧をほぼゼロにすることが可能となる。これにより、過大電圧から電動機の駆動装置１００を保護することができるが、短絡による突入電流から電動機７０を保護するためには、実施の形態１で説明したように短絡および解放を繰り返しながら徐々に短絡時間を増加させて、最終的に短絡状態へ移行する必要がある。

しかし、運転中に切替部６０の異常によって瞬間的にΔ結線の場合に比べて２倍となるような過大電圧が発生するような状況においては、電圧の上昇が早いので、スイッチング素子５１〜５３またはスイッチング素子５４〜５６の短絡動作および解放動作を繰りかえしても図１３に示したような突入電流が発生して電動機７０の電流が増加してしまい、永久磁石の不可逆減磁といったトラブルを招く恐れがある。

そこで、図１１に示すようにＶ相の端子とＷ相の端子との間に過大な電圧が発生することが判明している場合には、インバータ５０を構成するスイッチング素子５１〜５６のうち、Ｖ相とＷ相との間を短絡することが可能な、スイッチング素子５２，５３またはスイッチング素子５５，５６のいずれかを同時にオンさせることにより、図１４に示すように突入電流を発生させることなく、電動機７０の逆起電圧が過大になることを抑制することが可能となる。

スイッチング素子５２，５３またはスイッチング素子５５，５６のいずれかを同時にオンさせることにより、突入電流および過大な逆起電圧を抑制することが可能になる。そして、図１４に示すようにΔ結線時の逆起電圧相当の電圧は常時発生することとなるが、通常使用の範囲内の電圧であるため支障はない。電動機の駆動装置１００にかかる逆起電圧をさらに抑制する場合には、切替部６０に異常が発生した時のような急峻な電圧変化はその後は生じないため、残りのスイッチング素子５１またはスイッチング素子５４をオンおよびオフさせて短絡動作および解放動作を繰り返すことにより突入電流を抑制しながら逆起電圧による影響をさらに抑制することが可能となる。

実施の形態２においては、図１０および図１１に示すような切替部６０を構成する切替器６１が故障した際の動作について説明したが、その他の切替器６２，６３が故障した際にも、最も過大な電圧が発生している相間に対応する電動機７０の端子同士を短絡するように、インバータ５０を構成するスイッチング素子５１〜５６を上記と同様に短絡状態とすることにより上記と同様の効果が得られることは言うまでもない。

図１５は、実施の形態２にかかる電動機の駆動装置１００における制御を説明するフローチャートである。図１５のフローチャートを用いて制御部９０の動作について以下に説明する。

まず、電圧検出手段８１または電流検出手段８２の出力に基づいて、制御部９０が電動機７０の特定の相のみアンバランスしていることを検出する。電圧検出手段８１が検出した電圧値の最大値または電流検出手段８２が検出した電流値の最大値といった検出値に基づいて、制御部９０は電動機７０の特定の相がアンバランスしていることを検出することができる。これにより、制御部９０は電動機７０の逆起電圧が最大となる端子間を特定することができる。これにより、制御部９０は切替部６０の故障個所の特定を行うことができる（ステップＳ１０１）、その後、ステップＳ１０２の処理へ移行する。

次に、電圧検出手段８１がコンデンサ４０に充電されている電圧値を検出する。そして、検出された電圧値が閾値以上であるか否かを制御部９０が判断する（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２における閾値は、実施の形態１の過大電圧検出レベルである。検出された電圧値が閾値以上であると制御部９０が判断した場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）は、切替部６０に何らかの異常が発生したと制御部９０は判定して、ステップＳ１０４の処理に進む。検出された電圧値が閾値より小さいと制御部９０が判断した場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）は、コンデンサ４０に充電されている電圧値に基づいて判断可能な異常が発生していないので、ステップＳ１０３の処理へ移行する。

ステップＳ１０３においては、電流検出手段８２により検出された電流値が閾値以上であるか否かを制御部９０が判断する（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０３における閾値は、実施の形態１の過大電流検出レベルである。検出された電流値が閾値以上であると制御部９０が判断した場合（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）は、切替部６０に何らかの異常が発生したと制御部９０は判定して、ステップＳ１０４の処理に進む。検出された電流値が閾値より小さいと制御部９０が判断した場合（ステップＳ１０３：Ｎｏ）は、検出された電圧値および電流値により判断可能な異常は発生していないので、処理を終了する。

ステップＳ１０２またはステップＳ１０３において、過大な電圧または過大な電流が発生していると判断された場合、切替部６０に何らかの異常が発生したと考えられる。したがって、ステップＳ１０１において特定された切替部６０の故障個所に基づいて、上述したように、最も過大な電圧が発生している相間に対応する電動機７０の端子同士を短絡させることにより、突入電流を発生させずに過大電圧の発生を抑制するような保護動作を実施する（ステップＳ１０４）。なお、ステップＳ１０４におけるスイッチング素子５２，５３またはスイッチング素子５５，５６のいずれかを同時にオンさせるといった保護動作は、検出部８０により検出された電圧値または電流値のいずれか一方の検出値に基づいて実行されてもかまわない。

以上説明した保護動作を実行することにより、切替部６０の異常によってコンデンサ４０に過大な電圧が印加された場合に、コンデンサ４０が過大に充電されないようにすることが可能なだけでなく、切替部６０の故障個所に応じて、逆起電圧が最大となる電動機７０の端子の間が短絡するようにインバータ５０のスイッチング素子５１〜５６を制御することにより、コンデンサ４０の破壊だけでなく、電動機７０の不可逆減磁を防止することが可能となる。

なお、上記では保護動作の具体例の一つについて説明したが、同様の効果が得られるのであれば、これに限定されない。

また、上記においては、電動機７０の巻線状態がＹ結線とΔ結線とに切替え可能な構成であるとして説明したが、各相の巻線の中間点にタップを設置し、運転状況に応じて巻線の巻数を可変することにより巻線状態を切替えることが可能な構成であってもかまわない。このような構成であってもインバータ５０を構成するスイッチング素子５１〜５６を制御することにより、上記と同様の効果が得られることは言うまでもない。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１０交流電源、２０リアクトル、３０整流部、３１〜３４整流素子、４０コンデンサ、５０インバータ、５１〜５６スイッチング素子、６０切替部、６１〜６３切替器、７０電動機、８０検出部、９０制御部、１００電動機の駆動装置、２００冷凍サイクル、３００冷凍サイクル適用機器、５０１〜５０３，６００端子。

Claims

巻線を有する電動機の前記巻線に接続する端子に接続されて、前記電動機に交流電圧を印加するインバータと、
前記端子に接続され前記端子の間の接続状態を切替え可能な切替部と、
前記インバータの入力側の電圧および前記インバータの電流の少なくともいずれか一方を検出する検出部と、
前記検出部が検出した検出値に基づいて、前記切替部に異常が発生したと判定して、前記端子の間が短絡するように前記インバータを制御する制御部と、
を備える
ことを特徴とする電動機の駆動装置。
前記制御部は、前記切替部に異常が発生したと判定した場合に、前記端子の間が短絡および解放を繰り返すように前記インバータを制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の電動機の駆動装置。
前記制御部は、前記電動機の逆起電圧が最大となる前記端子の間が短絡するように前記インバータを制御する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電動機の駆動装置。
前記インバータを構成するスイッチング素子の材料がワイドバンドギャップ半導体である
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の電動機の駆動装置。
前記切替部は、前記電動機の巻線状態をＹ結線またはΔ結線に切替えが可能である
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の電動機の駆動装置。
請求項１から５のいずれか一つに記載の電動機の駆動装置と、
前記電動機を含んだ冷凍サイクルと、
を備える
ことを特徴とする冷凍サイクル適用機器。