JPWO2020035926A1 - 電動機駆動装置及び空気調和機 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は特に2台のインバータを用いて広い速度範囲にわたって電動機を運転させる電動機駆動装置に関する。
電動機の複数の巻線の第1の端部に接続された第1のインバータと、
前記複数の巻線の第2の端部に接続された第2のインバータと、
前記複数の巻線の前記第2の端部を互いに接続する短絡回路とを備え、
前記電動機は、前記短絡回路がオンして前記第2の端部を互いに短絡させ、前記第1のインバータから出力された交流電圧が前記第1の端部に印加されるスター結線モード、または前記短絡回路がオフして、前記第1のインバータから出力された交流電圧が前記第1の端部に印加されるとともに、前記第2のインバータから出力された交流電圧が前記第2の端部に印加される協調運転モードで駆動される。
図1は、本発明の実施の形態1の電動機駆動装置2を電動機1とともに示す図である。
図示の電動機駆動装置2は、電動機1を駆動するためのものであり、第1のインバータ3と、第2のインバータ4と、短絡回路5と、コンデンサ6と、電圧検出部7と、電流検出素子8と、制御部100とを有する。
巻線1u、1v、1wの各々は両端(引出線)が電動機1の外部に引き出されており、各々独立に外部との接続が可能である。
電圧検出部7は、コンデンサ6の両端子間の電圧(母線電圧)Vdcを検出する。
電流検出素子8は、母線BLbに流れる電流(母線電流)Idcを検出する。
第1及び第2のインバータ3、4の各々は3相ブリッジ回路で構成され、3つの上側アームと、3つの下側アームとを有する。
第2のインバータ4は、3つの上側アーム411〜413と、3つの下側アーム414〜416とを有する。
第2のインバータ4は、交流側端子(出力端子)が巻線1u、1v、1wの第2の端部1ub、1vb、1wbに接続されている。
また、各インバータの全アームをオフすることを単に当該インバータをオフすると言うこともある。
後述のように、各半導体スイッチがMOSFETで構成される場合、上記の一方の主端子はドレインであり、上記の他方の主端子はソースである。
MOSFETは、Siで構成されたものに限定されず、SiC、GaN、Ga2O3などのワイドギャップ半導体で構成されたものであっても良い。
半導体スイッチがMOSFETで構成される場合、各半導体スイッチに逆並列接続される還流用ダイオードは当該半導体スイッチの寄生ダイオードであっても良い。
以下では、半導体スイッチを単にスイッチと言う場合がある。
単独運転モードにおいては、電動機1は第1のインバータ3のみによって駆動される。協調運転モードにおいては、電動機1は第1のインバータ3及び第2のインバータ4の双方によって駆動される。
Y結線状態での駆動をY結線モードでの駆動と言い、Δ結線状態での駆動をΔ結線モードでの駆動と言う。
図示の制御部100は、運転指令部102と、dq軸電流算出部104と、速度推定部106と、積分部108と、電圧指令生成部110と、スイッチング信号生成部112と、短絡制御部114とを有する。
運転指令部102はまた、後述の推定された回転速度ωmを受け、切替制御信号Swa、Swbを出力する。
dq軸電流算出部104は、例えば、電流検出素子8で検出された母線電流Idcから3相電流ium、ivm、iwmを算出し、算出された3相電流ium、ivm、iwmを位相角θmを用いてdq軸電流idm、iqmに変換する。
PWM信号Sb1〜Sb6は第2組のスイッチング信号として第2のインバータ4の6つのアームのオン、オフの制御に用いられる。
dq軸電圧指令値Vd*、Vq*に基づくdq軸電圧指令値Vd1*、Vq1*、Vd2*、Vq2*の生成は例えば以下の式(1a)〜(1d)に従って行われる。
Vq1*=k1×Vq* (1b)
Vd2*=k2×Vd* (1c)
Vq2*=k2×Vq* (1d)
k1=1
k2=0
とされる。
k1=1/√3
k2=1/√3
とされる。
その理由については後述する。
座標変換においては、位相角θmから、座標変換部203内に記憶されている遅れ角β1を減算した値(θm−β1)を用いる。
遅れ角β1としては、Y結線モードでは0度を用い、Δ結線モードでは30度を用いる。遅れ角β1の選択は、切替制御信号Swaに基づいて行われる。
座標変換においては、位相角θmから、座標変換部204内に記録されている遅れ角β2を減算した値(θm−β2)を用いる。
遅れ角β2としては、150度が用いられる。
Y結線モードにおいては、上記のように、dq軸電圧指令値Vd2*、Vq2*がゼロとなるので、座標変換部204から出力される3相電圧指令値Vu2*、Vv2*、Vw2*もゼロとなる。
インバータ3が3相電圧指令値Vu1*、Vv1*、Vw1*に応じたPWM信号Sa1〜Sa6によって制御されるとき、3相電圧指令値Vu1*、Vv1*、Vw1*がゼロでなければ、インバータ3は、交流電圧を出力するための動作(交流電圧出力動作)を行う。
インバータ4が3相電圧指令値Vu2*、Vv2*、Vw2*に応じたPWM信号Sb1〜Sb6によって制御されるとき、3相電圧指令値Vu2*、Vv2*、Vw2*がゼロでなければ、インバータ4は、交流電圧を出力するための動作(交流電圧出力動作)を行う。
短絡回路5のオン、オフの制御はスイッチング信号Scu、Scv、Scwにより行われる。スイッチング信号Scu、Scv、Scwはそれぞれ半導体スイッチ51u、51v、51wのオン、オフの制御に用いられる。例えば、スイッチング信号Scu、Scv、Scwを第1の値(例えばLow)にすれば、半導体スイッチ51u、51v、51wはオフとなり、スイッチング信号Scu、Scv、Scwを第2の値(例えばHigh)にすれば、半導体スイッチ51u、51v、51wはオンとなる。
この状態で、第1のインバータ3に交流電圧を出力させることで、電動機1をY結線状態で駆動することができる。
この場合、第1及び第2のインバータ3、4から出力される電圧の電圧値(振幅或いは実効値)が同じで、位相が120度異なるものとすることで、電動機をΔ結線状態で駆動することができる。
電位差ベクトルVuv、Vvw、Vwuの方向は、巻線1u、1v、1wのベクトル軸Bu、Bv、Bwの方向に一致する。
Vub=Vva (2a)
Vvb=Vwa (2b)
Vwb=Vua (2c)
の関係がある。
Vuv=Vua−Vub=Vua−Vva (3a)
Vvw=Vva−Vvb=Vva−Vwa (3b)
Vwu=Vwa−Vwb=Vwa−Vua (3c)
の関係を有し、それらのベクトルVuv、Vvw、Vwvの向きは、巻線1u、1v、1wのベクトル軸Bu、Bv、Bwの方向に一致する。
制御部100は、電動機1の回転速度ωmが閾値ωmcより大きいか否かを判定する(ステップST1)。
制御部100は、回転速度ωmが閾値ωmc以下の場合(ステップST1でNo)、Y結線モードで電動機1を駆動する(ステップST3)。
運転指令部102は、速度推定部106で推定された回転速度ωmを受け、回転速度ωmが閾値ωmc以下かどうかの判断をし、判断結果に応じた切替制御信号Swa、Swbを出力し、切替制御信号Swa、Swbにより、スイッチング信号生成部112及び短絡制御部114を制御する。
短絡回路5をオンして、巻線1u、1v、1wの第2の端部1ub、1vb、1wbを互いに短絡させ、第1のインバータ3のみに交流電圧を出力させ電動機1をY結線状態で駆動させる場合、短絡回路5を流れる電流は2つの半導体素子しか経由しない。例えば、コンデンサ6の正側端子からスイッチ331、U相巻線1u、短絡回路5、W相巻線1w、スイッチ336、電流検出素子8、コンデンサ6の負側に流れる電流を考えると、短絡回路5内ではスイッチ51uとダイオード52wの2つの素子しか経由しない。そのため、損失が比較的小さい。
まず、Y結線モードからΔ結線モードへ切替える際の手順を説明する。
この状態からインバータ4が交流電圧出力動作を開始することで、例えば図5に示される状態となる。
Δ結線モードにおいて、短絡回路5のスイッチ51u、51v、51wがすべてオフのときに流れる電流の経路は、例えば図5に示す如くである。
この状態から短絡回路5がオンとなることで、例えば、図4に示される状態となる。
上記の実施の形態1では、Y結線モードからΔ結線モードへの切替えの際に、短絡回路5をオンからオフに切替えた後に第2のインバータ4に交流電圧出力動作を開始させ、Δ結線モードからY結線モードへの切替えの際に、第2のインバータ4の交流電圧出力動作の停止の後に短絡回路5のオフからオンへの切替えを行っている。
Δ結線モードからY結線モードへの切替えの際には、第2のインバータ4を交流電圧を出力する状態から、「3相オン」の状態に切替え、その状態で短絡回路5をオフからオンに切替え、その後第2のインバータ4を「3相オン」の状態から、全アームオフの状態に切替える。
図15に示される制御部100bは、図2の制御部100と概して同じであるが、図2の運転指令部102及びスイッチング信号生成部112の代わりに運転指令部102b及びスイッチング信号生成部112bを備えている。
運転指令部102bは、切替制御信号Swa、Swbに加えて切替制御信号Swcを出力する。
スイッチング信号生成部112bは、第2組のスイッチング信号Sb1〜Sb6の代わりに、第2組のスイッチング信号Se1〜Se6を出力する。
図16のスイッチング信号生成部112bは、図3のスイッチング信号生成部112と概して同じであるが、3相オン制御部207と選択部208とが付加されている。
まず、Y結線モードからΔ結線モードへの切替えについて図17を参照して説明する。
図19に示される例では、第2のインバータ4は上アームが全てオンで且つ下アームが全てオフである状態にあり、第1のインバータ3のスイッチ331、332、356がオンである期間に短絡回路5がオフになると、それまで巻線1u、1v、1wに流れていた電流が、図19に示すように、ダイオード451、452、スイッチ433を通る経路で流れるようになる。
Δ結線モードでは、短絡回路5はオフであり、第1及び第2のインバータ3、4がともに交流電圧を出力している。
図19又は図20に例示される状態になった後、短絡回路5がオンとなり、第2のインバータ4がオフとなり、Y結線モードに移行する。
代わりに、3相オン信号をPWM信号生成部206に生成させるようにしても良い。即ち、PWM信号生成部206として、3相電圧指令値Vu2*、Vv2*、Vw2*に応じたPWM信号又は3相オン信号を選択的に出力し得るものを用い、切替制御信号Swcにより3相電圧指令値Vu2*、Vv2*、Vw2*に応じたPWM信号又は3相オン信号をスイッチング信号として出力させるようにしても良い。
実施の形態1では、協調運転モードでの駆動の例としてΔ結線での駆動を説明したが、協調運転での駆動は、Δ結線での駆動に限定されない。例えば、協調運転での駆動として、電動機をY結線状態とΔ結線状態の中間の状態(以下単に「中間状態」と言う)で駆動することも可能である。
図23は、中間状態における電圧ベクトルを示す。
そのようにすることで、回転速度の上昇とともに、電動機1をY結線に近い状態からΔ結線に近い状態に次第に変化させることができる。
Y結線の場合の総合効率は、図7で示したのと同じである。
図24の値ωmaは、図7の値ωmaと同じ値或いは値ωmaに近い値である。
図24の値ωmbは、図7の値ωmbと同じ値或いは値ωmbに近い値である。
図25に示される制御部100cは、図2の制御部100と概して同じであるが、図2の運転指令部102及びスイッチング信号生成部112の代わりに運転指令部102c及びスイッチング信号生成部112cを備えている。
中間モードを選択したら、制御部100cは、電動機1を中間モードで駆動する。
制御部100cは、電動機1の回転速度ωmが閾値ωmaより大きいか否かを判定する(ステップST4)。
制御部100cは、回転速度ωmが閾値ωma以下の場合(ステップST4でNo)、電動機1をY結線モードで駆動する(ステップST6)。
運転指令部102cは、選択したモードに応じた切替制御信号Swa、Swbを出力し、切替制御信号Swa、Swbにより、スイッチング信号生成部112c及び短絡制御部114を制御する。
図27のスイッチング信号生成部112cは、図3のスイッチング信号生成部112と概して同じであるが、図3の指令値変換部201、座標変換部203、204の代わりに、指令値変換部201c、座標変換部203c、204cを備える。
指令値変換部201cは、上記の式(1a)〜(1d)に従って、dq軸電圧指令値Vd1*、Vq1*、Vd2*、Vq2*を算出するに当たり、変換係数k1、k2の値を、Y結線モードと中間モードとで異なる方法で決定する。変換係数の値の決定は、切替制御信号Swa及び回転速度ωmに基づいて行われる。
Y結線モードでは、
k1=1、k2=0とし、
中間モードでは、
回転速度ωmの上昇とともに、係数k1を次第に小さくし、係数k2を次第に大きくする。
座標変換部203cは、Y結線モードにおいては座標変換部203と同様に座標変換を行う。
例えば座標変換部203cは、回転速度ωmを変数とする予め定められた関数によって遅れ角β1を求める。
Y結線モードでの動作と中間モードでの動作との切替えは切替制御信号Swaに基づいて行われる。
遅れ角β2は、上記のように回転速度ωmに関係なく150度に固定されている。
Y結線モードにおいては、上記のように、dq軸電圧指令値Vd2*、Vq2*がゼロとなるので、座標変換部204cから出力される3相電圧指令値Vu2*、Vv2*、Vw2*もゼロとなる。
但し、実施の形態1、2の説明中の「Δ結線モード」を「中間モード」と読み替える必要がある。
ここでいう運転状態は、例えば電動機の回転速度又は電動機の負荷の大きさである。例えば電動機の回転速度が低い時、或いは電動機の負荷が小さい時はY結線状態で電動機を駆動し、電動機の回転速度が高い時、或いは電動機の負荷が大きいときは協調運転モード(Δ結線モード又は中間モード)で電動機を駆動することができる。そのようにすることで、運転状態の如何を問わず、電動機を高効率で駆動することができる。
上記の電動機駆動装置2は、例えば、空気調和機における電動機の駆動に用いることができる。
図28の冷凍サイクル900は四方弁902の切替動作により暖房運転又は冷房運転をすることができる。
圧縮機904は可変速制御される電動機1によって駆動される。
そのようにすることで、負荷の大きさの如何を問わず、空調機を高効率で運転することができる。
Claims (14)
- 電動機の複数の巻線の第1の端部に接続された第1のインバータと、
前記複数の巻線の第2の端部に接続された第2のインバータと、
前記複数の巻線の前記第2の端部を互いに接続する短絡回路とを備え、
前記電動機は、前記短絡回路がオンして前記第2の端部を互いに短絡させ、前記第1のインバータから出力された交流電圧が前記第1の端部に印加されるスター結線モード、または前記短絡回路がオフして、前記第1のインバータから出力された交流電圧が前記第1の端部に印加されるとともに、前記第2のインバータから出力された交流電圧が前記第2の端部に印加される協調運転モードで駆動される
電動機駆動装置。 - 前記電動機の運転状態に応じて前記スター結線モード又は前記協調運転モードの選択が行われる請求項1に記載の電動機駆動装置。
- 前記運転状態が前記電動機の速度又は負荷の大きさである請求項2に記載の電動機駆動装置。
- 前記電動機の速度が閾値よりも低いときは前記スター結線モードが選択され、前記電動機の速度が前記閾値よりも高いときは、前記協調運転モードが選択される請求項3に記載の電動機駆動装置。
- 前記スター結線モードから前記協調運転モードへの切替えの際、前記短絡回路がオンからオフに切替わった後に、前記第2のインバータによる交流電圧の出力が開始される請求項1から4のいずれか1項に記載の電動機駆動装置。
- 前記協調運転モードから前記スター結線モードへの切替えの際、前記第2のインバータによる交流電圧の出力が停止した後に、前記短絡回路がオフからオンに切替えられる請求項1から5のいずれか1項に記載の電動機駆動装置。
- 前記スター結線モードから前記協調運転モードへの切替えの際、前記第2のインバータが、上アームのスイッチがすべてオンで且つ下アームのスイッチがすべてオフの状態、又は前記下アームのスイッチがすべてオンで且つ前記上アームのスイッチがすべてオフの状態になった後に、前記短絡回路がオンからオフに切替えられる請求項1から4のいずれか1項に記載の電動機駆動装置。
- 前記協調運転モードから前記スター結線モードへの切替えの際、前記第2のインバータが、上アームのスイッチがすべてオンで且つ下アームのスイッチがすべてオフの状態、又は前記下アームのスイッチがすべてオンで且つ前記上アームのスイッチがすべてオフの状態になった後に、前記短絡回路がオフからオンに切替えられる請求項1から4のいずれか1項に記載の電動機駆動装置。
- 前記協調運転モードがデルタ結線モードである請求項1から8のいずれか1項に記載の電動機駆動装置。
- 前記協調運転モードが中間モードである請求項1から8のいずれか1項に記載の電動機駆動装置。
- 前記短絡回路は、前記複数の巻線の前記第2の端部と共通接続ノードとを短絡する複数の半導体スイッチを有する請求項1から10のいずれか1項に記載の電動機駆動装置。
- 前記半導体スイッチがワイドギャップ半導体によって構成されたものである請求項11に記載の電動機駆動装置。
- 前記ワイドギャップ半導体はSiC又はGaNである請求項12に記載の電動機駆動装置。
- 請求項1から13のいずれか1項に記載の電動機駆動装置を備える空気調和機。
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