JPWO2021038817A1

JPWO2021038817A1 - 電動機駆動装置、電動機駆動システム及び冷凍サイクル装置

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Publication number: JPWO2021038817A1
Application number: JP2021541915A
Authority: JP
Inventors: 厚司土谷; 和徳畠山; 慎也豊留
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2021-11-25
Anticipated expiration: 2039-08-30
Also published as: JP7150186B2; WO2021038817A1

Abstract

制御部（１６０）は、インバータ１２０の上アームの三つのスイッチング素子をオフにし、その下アームの三つのスイッチング素子をオンにすることで、インバータ（１２０）から出力される三相交流電圧をゼロにしてから、機械式のスイッチ（１３１、１３２、１３３）に結線状態を切替えさせる。制御部（１６０）は、結線状態の切替後に、インバータ１２０の下アームの三つのスイッチング素子の内の一つのスイッチング素子のオン及びオフを周期的に繰り返した際に電流検出部（１４０）で検出される複数の電流値の時系列において、ゼロよりも大きな電流値が検出される期間から電動機（１）のロータの位置を推定し、検出された電流値及び推定された位置に基づいて、位置センサレス制御を実行する。

Description

本発明は、電動機駆動装置、電動機駆動システム及び冷凍サイクル装置に関する。

室内環境に応じて、電動機の固定子巻線の結線状態を切替える空気調和機が普及している。また、電動機の結線状態の切替えを、電動機の回転動作中に行う技術が提案されている。例えば、特許文献１は、電動機の回転動作中にインバータから電動機に流れる電流がゼロになるようにインバータの出力電圧を制御している期間に、結線切替器を構成するスイッチによる切替え動作を実行して、巻線の結線状態を切替える方法を提案している。

特開２０１３−６２８８８号公報

電動機の結線状態を切替えて、電動機の動作を再開する場合には、回転子であるロータの位置を特定する必要がある。
従来の技術では、インバータと電動機との間の結線中に電流センサを設置して、電流を検出するようにしている。このため、インバータと電動機との間に、コストのかかる電流センサを設けなければならず、さらに、基板上に、電流センサを設けるスペースを確保しなければならず、小型化の妨げとなっている。

そこで、本発明の一又は複数の態様は、電動機の結線状態を切替えて、電動機の動作を再開する際に、センサレスで電動機のロータの位置を容易に算出することができるようにすることを目的とする。

本発明の一態様に係る電動機駆動装置は、ロータを回転させることで動力を発生する電動機の結線状態を切替える機械式のスイッチと、直流電圧の高電位側に位置する上アームの三つのスイッチング素子、及び、前記直流電圧の低電位側に位置する下アームの三つのスイッチング素子を備え、前記直流電圧から三相交流電圧を生成し、前記電動機に前記三相交流電圧を出力するインバータと、前記インバータの前記下アームの前記三つのスイッチング素子と、グランドとの間に配置されたシャント抵抗に流れる電流の電流値を検出する電流検出部と、前記検出された電流値に従って前記インバータを制御することで、前記電動機の位置センサレス制御を実行するとともに、前記機械式のスイッチを制御して前記結線状態を切り替えさせる制御部と、を備え、前記制御部は、前記上アームの前記三つのスイッチング素子をオフにし、前記下アームの前記三つのスイッチング素子をオンにすることで、前記出力される三相交流電圧をゼロにしてから、前記機械式のスイッチに前記結線状態を切替えさせ、前記制御部は、前記結線状態の切替後に、前記下アームの前記三つのスイッチング素子の内の一つのスイッチング素子のオン及びオフを周期的に繰り返した際に前記電流検出部で検出される複数の電流値の時系列においてゼロよりも大きな電流値が検出される期間から前記ロータの位置を推定し、前記検出された電流値及び前記推定された位置に基づいて、前記位置センサレス制御を実行することを特徴とする。

本発明の一又は複数の態様によれば、電動機の結線状態を切替えて、電動機の動作を再開する際に、センサレスで電動機のロータの位置を容易に算出することができる。

電動機駆動装置の構成を概略的に示す回路図である。インバータの構成を概略的に示す回路図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、ハードウェア構成例を示すブロック図である。電動機の結線状態を切替える動作を示すフローチャートである。結線切替処理を示すフローチャートである。電動機の結線状態をＹ結線にして、電圧ゼロ制御を行っている場合における、電動機駆動装置と、電動機とに流れる電流経路の例を示す概略図である。電動機の結線状態をΔ結線にして、電圧ゼロ制御を行っている場合における、電動機駆動装置と、電動機とに流れる電流経路の例を示す概略図である。電動機の結線状態をＹ結線にして、制御部が電流検出制御を行っている場合における、電動機駆動装置と、電動機とに流れる電流経路の第１の例を示す概略図である。電動機の結線状態をＹ結線にして、制御部が電流検出制御を行っている場合における、電動機駆動装置と、電動機とに流れる電流経路の第２の例を示す概略図である。電動機の結線状態をＹ結線にして、制御部が電流検出制御を行っている場合における、電動機駆動装置と、電動機とに流れる電流経路の第３の例を示す概略図である。電動機の結線状態をＹ結線にして、制御部が電流検出制御を行っている場合における、電動機駆動装置と、電動機とに流れる電流経路の第４の例を示す概略図である。第３及び第４の例における電動機駆動装置と、電動機との等価回路を示す回路図である。シャント抵抗に流れる電流の電流値を示すグラフである。電流検出部で検出される電流値の例を示すグラフである。制御部における電動機に流れる電流の電流値と、その周期とを算出する処理を説明する概略図である。電動機における電流ピーク値と、回転数との関係を示すグラフである。電動機におけるトルクと、回転数との関係を示すグラフである。電動機の結線切替動作時の回転数の変化を示すグラフである。インバータにおける定常運転状態と、下アームの全相ＯＮ状態との間に設けられる一次電圧保護動作の例を示す図である。実施の形態に係る電動機駆動装置を備える冷凍サイクル装置を含む空気調和機の構成例を示す概略図である。実施の形態に係る電動機駆動装置を備える冷凍サイクル装置を含むヒートポンプ式の給湯器の構成例を示す概略図である。実施の形態に係る電動機駆動装置を備える冷凍サイクル装置を含む冷蔵庫の構成例を示す概略図である。

実施の形態１．
図１は、電動機１を駆動する電動機駆動装置１００の構成を概略的に示す回路図である。
電動機駆動装置１００は、交流電源２から得られる交流電圧から三相交流電圧を生成して、生成された三相交流電圧を電動機１に出力して、電動機１を駆動する。
電動機１は、図示しないロータを回転させることで動力を発生する。
なお、電動機１及び電動機駆動装置１００の組み合わせを、電動機駆動システムという。

電動機駆動装置１００は、コンバータ１１０と、インバータ１２０と、結線切替器１３０と、電流検出部１４０と、電圧検出部１５０と、制御部１６０とを備える。

コンバータ１１０は、交流電源２からの交流電圧を直流電圧に変換する。
コンバータ１１０は、リアクトル１１１と、整流器としてのブリッジダイオード１１２と、平滑用の電解コンデンサ１１３とを備える。

インバータ１２０は、コンバータ１１０で変換された直流電圧から三相交流電圧を生成する。そして、インバータ１２０は、三相交流電圧を電動機１に出力する。

図２は、インバータ１２０の構成を概略的に示す回路図である。
図２に示されているように、インバータ１２０は、コンバータ１１０から出力される直流電圧の高電位側の上アーム１２１と、その低電位側の下アーム１２４とを備える。
上アーム１２１は、電動機１のＵ相に接続されているＵ相上アーム１２１Ｕと、電動機１のＶ相に接続されているＶ相上アーム１２１Ｖと、電動機１のＷ相に接続されているＷ相上アーム１２１Ｗとを備える。

Ｕ相上アーム１２１Ｕ、Ｖ相上アーム１２１Ｖ及びＷ相上アーム１２１Ｗは、それぞれ、スイッチング素子１２２Ｕ、１２２Ｖ、１２２Ｗと、ダイオード１２３Ｕ、１２３Ｖ、１２３Ｗとを備える。

下アーム１２４は、電動機１のＵ相に接続されているＵ相下アーム１２４Ｕと、電動機１のＶ相に接続されているＶ相下アーム１２４Ｖと、電動機１のＷ相に接続されているＷ相下アーム１２４Ｗとを備える。

Ｕ相下アーム１２４Ｕ、Ｖ相下アーム１２４Ｖ及びＷ相下アーム１２４Ｗは、それぞれ、スイッチング素子１２５Ｕ、１２５Ｖ、１２５Ｗと、ダイオード１２６Ｕ、１２６Ｖ、１２６Ｗとを備える。

上アーム１２１の三相のスイッチング素子１２２Ｕ、１２２Ｖ、１２２Ｗと、下アーム１２４の三相のスイッチング素子１２５Ｕ、１２５Ｖ、１２５Ｗとは、制御部１６０から提供されるインバータ駆動信号Ｓｒ１〜Ｓｒ６によってＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御される。

上アーム１２１のスイッチング素子１２２Ｕ、１２２Ｖ、１２２Ｗと、下アーム１２４のスイッチング素子１２５Ｕ、１２５Ｖ、１２５Ｗとは、例えば、半導体スイッチング素子により構成することができる。

図１に戻り、結線切替器１３０は、電動機１のＵ相の巻線１Ｕ、Ｖ相の巻線１Ｖ及びＷ相の巻線１Ｗに接続される機械式のスイッチである電磁接触器１３１、１３２、１３３を有する。電磁接触器１３１、１３２、１３３は、電磁的に接点が開閉して、接続状態を切替える装置である。電磁接触器１３１、１３２、１３３は、リレー、コンタクタ等とも呼ばれる。

結線切替器１３０は、電磁接触器１３１、１３２、１３３の接点間の接続状態を切替えることによって、電動機１の巻線１Ｕ、１Ｖ、１Ｗの結線状態を切替える。図１に示されている例では、制御部１６０からの切替信号Ｓｗにより、結線切替器１３０の接続状態を切替えることで、電動機１の巻線１Ｕ、１Ｖ、１Ｗの結線状態は、Ｙ結線又はΔ結線に切替えられる。

ここで、電動機１は、三相永久磁石同期電動機である。電動機１の巻線１Ｕ、１Ｖ、１Ｗの端部は、電動機１の外部に引き出されており、インバータ１２０と、結線切替器１３０とに接続されている。

電流検出部１４０は、インバータ１２０の下アーム１２４とグランドとの間に配置されたシャント抵抗に流れる電流の電流値を検出する。電流検出部１４０は、検出された電流値を示す電流情報を制御部１６０に与える。

電圧検出部１５０は、コンバータ１１０から出力される母線電圧の電圧値を検出する。電圧検出部１５０は、検出された電圧値を示す電圧情報を制御部１６０に与える。

制御部１６０は、電圧検出部１５０によって検出される電圧値、電流検出部１４０によって計測される電流値、又は、これらの両方に基づいて、インバータ１２０及び結線切替器１３０を制御する。
例えば、制御部１６０は、電流検出部１４０で検出される電流値に従ってインバータ１２０を制御することで、電動機１の位置センサレス制御を実行する。
また、制御部１６０は、結線切替器１３０を制御することで電動機１の結線状態を切り替えさせる。

具体的には、制御部１６０は、上アーム１２１の三つのスイッチング素子１２２Ｕ、１２２Ｖ、１２２Ｗをオフにし、下アーム１２４の三つのスイッチング素子１２５Ｕ、１２５Ｖ、１２５Ｗをオンにすることで、インバータ１２０から出力される三相交流電圧をゼロにしてから、結線切替器１３０に結線状態を切替えさせる。

また、制御部１６０は、切替えられた結線状態において、下アーム１２４の三つのスイッチング素子１２５Ｕ、１２５Ｖ、１２５Ｗの内の一つのスイッチング素子（例えば、Ｕ相スイッチング素子１２５Ｕ）のオン及びオフを周期的に繰り返した際に電流検出部１４０で検出される複数の電流値の時系列において、ゼロよりも大きな電流値が検出される期間から電動機１の図示しないロータの位置を推定する。さらに、制御部１６０は、検出された電流値及び推定された位置に基づいて、切替えられた結線状態で、位置センサレス制御を実行する。

以上に記載された制御部１６０の一部又は全部は、例えば、図３（Ａ）に示されているように、メモリ１０と、メモリ１０に格納されているプログラムを実行するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等のプロセッサ１１とにより構成することができる。このようなプログラムは、ネットワークを通じて提供されてもよく、また、記録媒体に記録されて提供されてもよい。即ち、このようなプログラムは、例えば、プログラムプロダクトとして提供されてもよい。

また、制御部１６０の一部又は全部は、例えば、図３（Ｂ）に示されているように、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）又はＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）等の処理回路１２で構成することもできる。

図４は、本実施の形態における電動機１の結線状態を切替える動作を示すフローチャートである。
図４に示されているフローチャートでは、第１の結線状態は、Ｙ結線及びΔ結線の何れか一方であり、第２の結線状態は、Ｙ結線及びΔ結線の何れか他方である。

まず、制御部１６０は、結線切替器１３０に切替信号Ｓｗを送ることにより、電動機１の結線状態を第１の結線状態に設定する（Ｓ１０）。

次に、制御部１６０は、電動機１の目標周波数を決定し（Ｓ１１）、電動機１の回転を開始する（Ｓ１２）。
そして、制御部１６０は、位置センサレス制御により、電動機１の駆動制御を実行する（Ｓ１３）。

次に、制御部１６０は、現在の結線状態が第１の結線状態であるか否かを判断する（Ｓ１４）。現在の結線状態が第１の結線状態である場合（Ｓ１４でＹｅｓ）には、処理はステップＳ１５に進み、現在の結線状態が第２の結線状態である場合（Ｓ１４でＮｏ）には、処理はステップＳ１７に進む。

ステップＳ１５では、制御部１６０は、モータ指令（例えば、速度指令等）により、第１の結線状態が適切か否かを判断する。第１の結線状態が適切である場合（Ｓ１５でＹｅｓ）には、処理はステップＳ１９に進み、第１の結線状態が適切ではない場合（Ｓ１５でＮｏ）には、処理はステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６では、制御部１６０は、結線切替処理を実行する。ここでの処理については、図５を用いて詳細に説明する。そして、処理はステップＳ１９に進む。

ステップＳ１４において、現在の結線状態が第２の結線状態であると判断された場合には、ステップＳ１７に進む。ステップＳ１７では、制御部１６０は、モータ指令（例えば、速度指令等）により、第２の結線状態が適切か否かを判断する。第２の結線状態が適切である場合（Ｓ１７でＹｅｓ）には、処理はステップＳ１９に進み、第２の結線状態が適切ではない場合（Ｓ１７でＮｏ）には、処理はステップＳ１８に進む。

ステップＳ１８では、制御部１６０は、結線切替処理を実行する。ここでの処理については、図５を用いて詳細に説明する。そして、処理はステップＳ１９に進む。

ステップＳ１９では、制御部１６０は、ユーザからの指示等により、電動機１の駆動を停止するか否かを判断する。電動機１の駆動を停止しない場合（ステップＳ１９でＮｏ）には、処理はステップＳ１４に戻る。

図５は、結線切替処理を示すフローチャートである。
まず、制御部１６０は、インバータ１２０をＰＷＭ制御することによって電動機１の回転数を上昇させる（Ｓ２０）。

次に、制御部１６０は、電動機１の回転数が予め決められた切替回転数を超えたか否かを判定する（ステップＳ２１）。ここでの切替回転数は、過変調領域の回転数であるものとし、例えば、インバータ１２０の出力電圧の変調率の１．０倍以上の回転率とする。電動機１の回転数が予め決められた切替回転数を超えた場合（Ｓ２１でＹｅｓ）には、処理はステップＳ２２に進み、電動機１の回転数が予め決められた切替回転数を超えていない場合（Ｓ２１でＮｏ）には、処理はステップＳ２０に戻る。

ステップＳ２２では、制御部１６０は、電動機１の位置センサレス制御を停止する。
そして、制御部１６０は、インバータ１２０からの出力電圧をゼロにする電圧ゼロ制御を行う（Ｓ２３）。ここでは、制御部１６０は、インバータ１２０の上アーム１２１を全相ＯＦＦにし、その下アーム１２４を全相ＯＮにする。

具体的には、制御部１６０は、上アーム１２１のスイッチング素子１２２Ｕ、１２２Ｖ、１２２Ｗの全てをＯＦＦにすることで、上アーム１２１を全相ＯＦＦにする。また、制御部１６０は、下アーム１２４のスイッチング素子１２５Ｕ、１２５Ｖ、１２５Ｗの全てをＯＮにすることで、下アーム１２４を全相ＯＮにする。
このとき、インバータ１２０の出力電圧の値はゼロであり、電動機１及び結線切替器１３０に印加される電圧の値もゼロである。

次に、制御部１６０は、結線切替器１３０を制御することで、結線状態を切替える（Ｓ２４）。ここでは、現在の結線状態が第１の結線状態であれば、第１の結線状態から第２の結線状態に切替えられ、現在の結線状態が第２の結線状態であれば、第２の結線状態から第１の結線状態に切替えられる。

次に、制御部１６０は、電流検出制御を実行する（Ｓ２５）。
ここでは、制御部１６０は、インバータ１２０の下アーム１２４の内の一相のＯＮ及びＯＦＦを周期的に切替えることで、インバータ１２０のＮ側に接続されたシャント抵抗に流れる電流の電流値を観測する。

一相のＯＮ及びＯＦＦを切替える周期については、電動機１に流れる電流の周期の半分よりも短い周期である必要があり、例えば、電動機１に流れる電流の周期の半分の２０分の１〜１０分の１程度の周期であることが望ましい。

そして、制御部１６０は、インバータ１２０のＮ側に接続されたシャント抵抗に流れる電流の電流値と、その通流期間とにより、電動機１に流れる電流の電流値及び周期を算出する（Ｓ２６）。ここでの算出の方法については、図１５を用いて詳細に説明する。

そして、制御部１６０は、電動機１に流れる電流の電流値及び周期を算出するために、予め定められた期間が経過したか否かを判断する（Ｓ２７）。予め定められた期間は、ステップＳ２１における切替回転数から計算される電流周期の約５倍以上の期間であるものとする。予め定められた期間が経過した場合（Ｓ２７でＹｅｓ）には、処理はステップＳ２８に進む。予め定められた期間が経過していない場合（Ｓ２７でＮｏ）には、処理はステップＳ２５に戻る。

ステップＳ２８では、制御部１６０は、電流検出制御を終了する。
そして、制御部１６０は、ステップＳ２６で算出された電流値及び周期に基づいて、電動機１の位置センサレス制御を再開する（Ｓ２９）。

図６は、電動機１の結線状態をＹ結線にして、電圧ゼロ制御を行っている場合における、電動機駆動装置１００と、電動機１とに流れる電流経路の例を示す概略図である。
図６に示されているように、インバータ１２０から流れる電流は、電動機１と結線切替器１３０とを介して、Ｙ結線状態を作り出しているのが分かる。

図７は、電動機１の結線状態をＹ結線にして、電圧ゼロ制御を行っている場合における、電動機駆動装置１００と、電動機１とに流れる電流経路の例を示す概略図である。
図７に示されているように、インバータ１２０から流れる電流は、電動機１と結線切替器１３０とを介して、Δ結線状態を作り出しているのが分かる。

図８は、電動機１の結線状態をＹ結線にして、制御部１６０が電流検出制御を行っている場合における、電動機駆動装置１００と、電動機１とに流れる電流経路の第１の例を示す概略図である。

図８は、インバータ１２０から電動機１のＵ相の方向に電流が流れ、かつ、インバータ１２０の下アーム１２４の全相のスイッチング素子１２５Ｕ、１２５Ｖ、１２５ＷがＯＮにされている場合の例である。
この場合には、電流検出部１４０におけるシャント抵抗に電流が流れないため、電流検出部１４０で検出される電流値は「０」である。

図９は、電動機１の結線状態をＹ結線にして、制御部１６０が電流検出制御を行っている場合における、電動機駆動装置１００と、電動機１とに流れる電流経路の第２の例を示す概略図である。

図９は、インバータ１２０から電動機１のＵ相の方向に電流が流れ、かつ、インバータ１２０のＵ相のスイッチング素子１２５ＵがＯＦＦにされている場合の例である。
この場合にも、電流検出部１４０におけるシャント抵抗に電流が流れないため、電流検出部１４０で検出される電流値は「０」である。

図１０は、電動機１の結線状態をＹ結線にして、制御部１６０が電流検出制御を行っている場合における、電動機駆動装置１００と、電動機１とに流れる電流経路の第３の例を示す概略図である。

図１０は、電動機１のＵ相からインバータ１２０の方向に電流が流れ、かつ、インバータ１２０の下アーム１２４の全相のスイッチング素子１２５Ｕ、１２５Ｖ、１２５ＷがＯＮにされている場合の例である。
この場合にも、電流検出部１４０におけるシャント抵抗に電流が流れないため、電流検出部１４０で検出される電流値は「０」である。

図１１は、電動機１の結線状態をＹ結線にして、制御部１６０が電流検出制御を行っている場合における、電動機駆動装置１００と、電動機１とに流れる電流経路の第４の例を示す概略図である。

図１１は、電動機１のＵ相からインバータ１２０の方向に電流が流れ、かつ、インバータ１２０のＵ相のスイッチング素子１２５ＵがＯＦＦにされている場合の例である。
この場合には、Ｕ相のスイッチング素子１２５ＵがＯＦＦに切替えた直後において、インバータ１２０の上アーム１２１のＵ相のダイオード１２３Ｕを介して、電流検出部１４０におけるシャント抵抗に電流が流れる。但し、平滑用の電解コンデンサ１１３が設けられているため、すぐに電流は流れなくなる。

図１２は、図１０及び図１１に示されている第３及び第４の例における電動機駆動装置１００と、電動機１との等価回路を示す回路図である。
図１２に示されているように、図１０及び図１１に示されている第３及び第４の例では、電動機駆動装置１００は、電解コンデンサ１１３と、電流検出部１４０におけるシャント抵抗１４０ａとにより、単純なＲＣ直列回路となり、電動機１は、ロータが回転することで、三相交流電源となる。

このとき、Ｕ相に流れる電流値ｉｓｈは、下記の式（１）で算出することができる。
ｉｓｈ＝（Ｅｖ−Ｖｄｃ）÷Ｒｓｈ（１）
ここで、Ｅｖは、電動機１で発生される三相交流電源から出力される電圧の電圧値であり、Ｖｄｃは、ブリッジダイオード１１２から出力される電圧の電圧値であり、Ｒｓｈは、シャント抵抗１４０ａの抵抗値である。

このため、インバータ１２０の下アーム１２４の一相のスイッチング素子（ここでは、Ｕ相のスイッチング素子１２５Ｕ）をＯＦＦにすると、図１３に示されているように、一瞬だけ、シャント抵抗１４０ａに電流が流れる。
なお、図１３は、シャント抵抗１４０ａに流れる電流の電流値を示すグラフである。図１４の横軸に示されているＯＮ及びＯＦＦは、Ｕ相のスイッチング素子１２５ＵのＯＮ及びＯＦＦを示している。

従って、制御部１６０が電流検出制御を行っている場合において、インバータ１２０の下アーム１２４の一相のスイッチング素子のＯＮ及びＯＦＦを周期的に切替えることにより、その一相において電動機１からインバータ１２０の方向に電流が流れている期間だけ、図１４に示されているように、ゼロよりも大きな電流値が検出される。

なお、図１４に示されているパルス波ＰＡは、スイッチング素子へのインバータ駆動信号を示しており、そのパルス波ＰＡの立ち下がりのタイミングで電流値が検出されている。

図１５は、制御部１６０における電動機１に流れる電流の電流値と、その周期とを算出する処理を説明する概略図である。
図１４で示されているように、制御部１６０が電流検出制御を行っている場合において、インバータ１２０の下アーム１２４の一相のスイッチング素子のＯＮ及びＯＦＦを周期的に切替えることにより、その一相において電動機１からインバータ１２０の方向に電流が流れている期間だけ、ゼロよりも大きな電流値が検出される。

ここで、インバータ１２０の下アーム１２４のＵ相スイッチング素子１２５ＵがＯＦＦになった瞬間にＵ相電流が流れ、その後電解コンデンサ１１３の電荷の充電とともに、シャント抵抗１４０ａに流れる電流値は、ゼロに近づく。そのため、インバータ１２０の下アーム１２４のＵ相スイッチング素子１２５ＵがＯＦＦにするタイミングで、電流値の検出を行うことで、式（２）に示されているように、より正確にＵ相電流の電流値Ｉｕを検出することができる。
Ｉｕ＝Ｉｓｈ（２）
ここで、Ｉｓｈは、インバータ１２０の下アーム１２４のＵ相スイッチング素子１２５ＵがＯＦＦにするタイミングで検出される電流値である。

このため、制御部１６０は、ゼロよりも大きな電流値が検出される期間を期間Ｔｓｈとすると、下記の式（３）により、電動機１に流れる電流の周期Ｔｉを算出することができる。
Ｔｉ＝２×Ｔｓｈ（３）

そして、制御部１６０は、周期Ｔｉが算出されると、検出された電流値により、電動機１に流れる交流電流の波形Ｗｉを特定することができるため、その周期の開始時点ｔ０からの経過時間に応じて、その電流値を算出することができる。

ここでは、一相（例えば、Ｕ相）についての周期と電流値とを説明したが、一相について周期及び電流値を算出すれば、残りの相については、位相をずらすだけで、周期と電流値を算出することができる。
なお、制御部１６０は、一相だけでなく、他の相についても、一相ずつＯＮ及びＯＦＦを切替えることで、その周期及び電流値を算出してもよい。

以上のようにして、電動機１に流れる電流の周期を算出することで、制御部１６０は、下記の式（４）により、角速度Ｗｅを算出することができる。
Ｗｅ＝２π÷Ｔｉ（４）
これにより、制御部１６０は、算出される電流値と、角速度Ｗｅにより、ｄｑ座標上の電圧電流位相を推定し、電動機１のロータ位置を推定することができる。この推定結果から、制御部１６０は、センサレス制御を行うことができる。なお、ｄｑ座標上の電流電圧から電動機１のロータ位置を推定し、センサレス制御を実現する方式に関しては公知の事実であるため、ここでは説明しない。

なお、以上では、電動機１の結線状態がＹ結線である場合を説明したが、Δ結線の場合にも、検出される電流値の値が異なるだけで、Ｙ結線の場合と同様に、電動機１に流れる電流の電圧値及び周期を算出することができる。

次に、電動機１の結線状態を切替える際に、電動機１の回転数を上昇させる理由について説明する。

電動機１が永久磁石同期モータである場合、その電圧方程式は、下記の式（５）で表せる。

但し、Ｖｄは、電動機１のｄ軸電圧、Ｖｑは、電動機１のｑ軸電圧、ｉｄは、電動機１のｄ軸電流、ｉｑは、電動機１のｑ軸電流、ωは、電気角周波数、Ｒは、巻線抵抗、Ｌｄは、電動機１のｄ軸インダクタンス、Ｌｑは、電動機１のｑ軸インダクタンス、φｆは、誘起電圧定数である。

本実施の形態では、結線を切り換える際には、インバータ１２０の出力電圧がゼロにされているため、Ｖ＝０である。
Ｖ＝０の場合には、インバータ１２０の下アーム１２４のスイッチング素子１２５Ｕ、１２５Ｖ、１２５Ｗはオンにされ、電動機１の線間が短絡されているので、Ｖｄ＝Ｖｑ＝０となり、Ｉｄ及びＩｑは、下記の式（６）で表せる。

さらに、電動機１のトルクは、下記の式（７）で表せる。

但し、Ｐ_ｍは、電動機１の極対数である。

上記の式（６）及び式（７）により、Ｒ、Ｌ_ｄ、Ｌ_ｑ及びφｆの電動機定数は、固定値であるため、電動機１のｄｑ軸電流は、電動機１の回転数ωに従って変化し、電動機１のトルクτ_ｍは、ｄｑ軸電流に従って変化する。

ここで、ｄｑ軸電流のピーク値は、下記の式（８）で表すことができる。

横軸を電動機１の回転数、縦軸を電動機１の電流のピーク値とするグラフに、式（８）の軌跡を示すと、図１６のようになる。
図１６に示されているように、電動機１の回転数が大きくなるにつれ、ゼロ電圧出力時のモータ電流の電流値は、ある値に収束する。

さらに、式（８）の軌跡を、横軸を電動機１の回転数、縦軸を電動機１のトルクとするグラフに示すと、図１７のようになる。
図１７に示されているように、電動機１の回転数が大きくなるにつれ、電圧出力ゼロ時の電動機１のブレーキトルクが小さくなる。

ここで、電動機１の回転数変化は、下記の式（９）で表される。

但し、Δωは、電動機１の回転数変動、τ_ｍは、電動機１のトルク、τ_ｌは、負荷トルク、Ｊは、イナーシャを示す。

ゼロ電圧制御時は、電動機１のトルクは、ブレーキトルクτ_ｂとなるため、式（９）では、τ_ｍ＝−τ_ｂとなる。
そのため、ブレーキトルクが小さくなるほど電動機１の回転数変動はより小さくなる。
このため、電動機１の回転数を十分に高くすると、ブレーキトルクが小さくなり、電動機１の結線状態を切替える際に、インバータ１２０の出力電圧をゼロにしても、電動機１の回転数は、低下しにくくなり、結線状態の切替えに伴う影響を最小限にとどめることができるようになる。

本実施の形態では、インバータ１２０からの出力電圧をゼロにする制御なので、出力電圧つまりインバータ１２０の電圧変調率にかかわらず、電圧をゼロにする制御が可能である。よって、より高速回転可能な過変調領域で、電動機１の回転数の低減を抑え、ノンストップのまま電動機１の結線状態を切替えることが可能となる。

図１８は、本実施の形態における電動機１の結線切替動作時の回転数の変化を示すグラフである。
図１８に示されているように、電動機１の回転数を高速になるまで（例えば、過変調領域まで）加速することで、ブレーキトルクの小さい領域で、インバータ１２０の出力電圧をゼロにし、電動機１の回転数低減割合を従来の電流ゼロ制御同等まで高めることができる。

さらに、従来の電流ゼロ制御では不可能であった過変調領域での結線状態の切替えは、本実施の形態が提案する電圧ゼロ制御による方式では可能なため、従来方式よりも高回転での結線切替え動作が可能となる。そのため、過変調領域がより低い回転数に設定されている電動機１への適用、又は、負荷トルクが大きく、切替動作中に回転数がゼロ付近まで落ち込むような電動機１においても、本実施の形態で示されている方式ではノンストップで結線状態を切替えることが可能である。

図１９は、インバータ１２０における定常運転状態と、下アーム１２４の全相ＯＮ状態との間に設けられる一次電圧保護動作の例を示す図である。
図１９に示される例では、インバータ１２０の上アーム１２１を全相ＯＦＦにした際に、下アーム１２４の全相をＯＮ及びＯＦＦを交互に切替えるように、下アーム１２４のスイッチング素子１２５Ｕ、１２５Ｖ、１２５ＷをＰＷＭ信号で制御する。

このように制御することで、上アーム１２１の全相ＯＦＦ時の一次電圧側、即ち、電解コンデンサ１１３側に、急激な還流電流が流れることを抑制することができる。これにより、一次電圧側の構成である電解コンデンサ１１３等の故障の発生を抑制することができる。

図２０は、実施の形態に係る電動機駆動装置１００を備える冷凍サイクル装置８００＃１を含む空気調和機９００の構成例を示す概略図である。
冷凍サイクル装置８００＃１は、四方弁８０２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。

暖房運転時には、実線矢印で示されるように、冷媒が圧縮機８０４で加圧されて送り出され、四方弁８０２、室内の熱交換器８０６、膨張弁８０８、室外の熱交換器８１０及び四方弁８０２を通って圧縮機８０４に戻る。
冷房運転時には、破線矢印で示されるように、冷媒が圧縮機８０４で加圧されて送り出され、四方弁８０２、室外の熱交換器８１０、膨張弁８０８、室内の熱交換器８０６及び四方弁８０２を通って圧縮機８０４に戻る。

暖房運転時には、熱交換器８０６が凝縮器として作用して熱放出を行うことで、室内を暖房し、熱交換器８１０が蒸発器として作用して熱吸収を行う。
冷房運転時には、熱交換器８１０が凝縮器として作用して熱放出を行い、熱交換器８０６が蒸発器として作用し、熱吸収を行うことで、室内を冷房する。膨張弁８０８は、冷媒を減圧して膨張させる。圧縮機８０４は、電動機駆動装置１００によって可変速制御される電動機１によって駆動される。

図２１は、実施の形態に係る電動機駆動装置１００を備える冷凍サイクル装置８００＃２を含むヒートポンプ式の給湯器９０１の構成例を示す概略図である。
図２１に示されるように、冷凍サイクル装置８００＃２では、熱交換器８０６が凝縮器として作用して熱放出を行うことで、水を温め、熱交換器８１０が蒸発器として作用して熱吸収を行う。圧縮機８０４は、電動機駆動装置１００によって可変速制御される電動機１によって駆動される。

図２２は、実施の形態に係る電動機駆動装置１００を備える冷凍サイクル装置８００＃３を含む冷蔵庫９０２の構成例を示す概略図である。
図２２に示されるように、冷凍サイクル装置８００＃３では、熱交換器８１０が凝縮器として作用して熱放出を行い、熱交換器８０６が蒸発器として作用し、熱吸収を行うことで、冷蔵庫内を冷却する。圧縮機８０４は、電動機駆動装置１００によって可変速制御される電動機１によって駆動される。

以上に記載された実施の形態では、制御部１６０は、下アーム１２４の三つのスイッチング素子１２５Ｕ、１２５Ｖ、１２５Ｗの内の第１のスイッチング素子であるＵ相スイッチング素子１２５Ｕのオン及びオフを周期的に繰り返した際に電流検出部１４０で検出される電流値から、第１の相であるＵ相の交流電流の波形を特定することで、Ｕ相の電流値を算出している。また、制御部１６０は、Ｕ相の交流電流の波形の位相をずらすことで、Ｕ相とは異なる第２の相（例えば、Ｖ相）及び第３の相（例えば、Ｗ相）の交流電流の波形を特定して、その第２の相の電流値及びその第３の相の電流値を算出している。
以上により、電動機の結線状態を切替えて、電動機の動作を再開する際に、センサレスで電動機のロータの位置を容易に算出することができる。

なお、本実施の形態については、以上のような例に限定されない。
例えば、第１のスイッチング素子は、Ｖ相スイッチング素子１２５Ｖでもよく、Ｗ相スイッチング素子１２５Ｗでもよい。第１のスイッチング素子がＶ相スイッチング素子１２５Ｖである場合には、第１の相はＶ相となる。また、第１のスイッチング素子がＷ相スイッチング素子１２５Ｗである場合には、第１の相はＷ相となる。

また、制御部１６０は、下アーム１２４の三つのスイッチング素子１２５Ｕ、１２５Ｖ、１２５Ｗの内の第１のスイッチング素子のオン及びオフを周期的に繰り返した際に電流検出部１４０で検出される電流値から、第１の相の交流電流の波形を特定することで、前記第１の相の電流値を算出した後に、第１のスイッチング素子をオンにして、第２のスイッチング素子のオン及びオフを周期的に繰り返した際に電流検出部１４０で検出される電流値から、第２の相の交流電流の波形を特定することで、第２の相の電流値を算出してもよい。
この場合、制御部１６０は、第１の相又は第２の相の交流電流の波形の位相をずらすことで、第１の相及び第２の相とは異なる第３の相の交流電流の波形を特定して、第３の相の電流値を算出すればよい。
ここで、第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子及び第３のスイッチング素子は、下アーム１２４の三相のスイッチング素子１２５Ｕ、１２５Ｖ、１２５Ｗから選択されればよく、選択の方法については、特に制限はない。なお、第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子及び第３のスイッチング素子として選択されたスイッチング素子１２５Ｕ、１２５Ｖ、１２５Ｗに対応して、第１の相、第２の相及び第３の相が決定される。
このように、二つの相の電流値を算出することで、電動機１に流れる電流の電流値をより正確に算出することができる。

さらに、制御部１６０は、下アーム１２４の三つのスイッチング素子１２５Ｕ、１２５Ｖ、１２５Ｗの内の第１のスイッチング素子のオン及びオフを周期的に繰り返した際に電流検出部１４０で検出される電流値から、第１の相の交流電流の波形を特定することで、第１の相の電流値を算出し、その後に、第１のスイッチング素子をオンにして、第２のスイッチング素子のオン及びオフを周期的に繰り返した際に電流検出部１４０で検出される電流値から、第２の相の交流電流の波形を特定することで、第２の相の電流値を算出し、その後に、第２のスイッチング素子をオンにして、第３のスイッチング素子のオン及びオフを周期的に繰り返した際に電流検出部１４０で検出される電流値から、第３の相の交流電流の波形を特定することで、第３の相の電流値を算出してもよい。
ここでも、第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子及び第３のスイッチング素子は、下アーム１２４の三つのスイッチング素子１２５Ｕ、１２５Ｖ、１２５Ｗから選択されればよく、選択の方法については、特に制限はない。なお、第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子及び第３のスイッチング素子として選択されたスイッチング素子１２５Ｕ、１２５Ｖ、１２５Ｗに対応して、第１の相、第２の相及び第３の相が決定される。
このように、三つの相の電流値を算出することで、電動機１に流れる電流の電流値を正確に算出することができる。

なお、第１の相から第３の相に対して電流検出部１４０で電流値を検出する場合には、制御部１６０は、第１の相の電流値、第２の相の電流値及び第３の相の電流値の内の何れか一つが、残りの二つよりも予め定められた閾値以上異なる値となっている場合には、結線切替器１３０に故障が発生していると判断することができる。
これにより、電動機１の結線状態の切り替えを停止する、又は、電動機１の駆動を停止する、といった対応を取ることができるようになる。

以上のように、制御部１６０は、一つの相のオン及びオフを周期的に行うことで検出される電流値がゼロよりも大きくなる期間を二倍することで、電動機１に流れる電流の周期を算出することができるため、その周期に従って、電動機１のロータの位置を容易に算出することができ、位置センサレス制御を容易に再開することができる。

結線切替器１３０として、電磁接触器を用い、インバータ１２０から出力される三相交流電圧をゼロにしてから、結線状態を切り替えることで、電磁接触器の接点用着等の機械故障を抑制することができる。

結線切替器１３０により、電動機１の結線状態を、Ｙ結線及びΔ結線の間で切り替えることで、負荷の状態に応じて、電動機１を効率的に駆動させることができる。

１電動機、１００電動機駆動装置、１１０コンバータ、１１１リアクトル、１１２ブリッジダイオード、１１３電解コンデンサ、１２０インバータ、１２１上アーム、１２１ＵＵ相上アーム、１２１ＶＶ相上アーム、１２１ＷＷ相上アーム、１２２Ｕ、１２２Ｖ、１２２Ｗスイッチング素子、１２３Ｕ、１２３Ｖ、１２３Ｗダイオード、１２４下アーム、１２４ＵＵ相下アーム、１２１ＶＶ相上アーム、１２４ＷＷ相下アーム、１２５Ｕ、１２５Ｖ、１２５Ｗスイッチング素子、１２６Ｕ、１２６Ｖ、１２６Ｗダイオード、１３０結線切替器、１３１、１３２、１３３電磁接触器、１４０電流検出部、１５０電圧検出部、１６０制御部。

Claims

ロータを回転させることで動力を発生する電動機の結線状態を切替える機械式のスイッチと、
直流電圧の高電位側に位置する上アームの三つのスイッチング素子、及び、前記直流電圧の低電位側に位置する下アームの三つのスイッチング素子を備え、前記直流電圧から三相交流電圧を生成し、前記電動機に前記三相交流電圧を出力するインバータと、
前記インバータの前記下アームの前記三つのスイッチング素子と、グランドとの間に配置されたシャント抵抗に流れる電流の電流値を検出する電流検出部と、
前記検出された電流値に従って前記インバータを制御することで、前記電動機の位置センサレス制御を実行するとともに、前記機械式のスイッチを制御して前記結線状態を切り替えさせる制御部と、を備え、
前記制御部は、前記上アームの前記三つのスイッチング素子をオフにし、前記下アームの前記三つのスイッチング素子をオンにすることで、前記出力される三相交流電圧をゼロにしてから、前記機械式のスイッチに前記結線状態を切替えさせ、
前記制御部は、前記結線状態の切替後に、前記下アームの前記三つのスイッチング素子の内の一つのスイッチング素子のオン及びオフを周期的に繰り返した際に前記電流検出部で検出される複数の電流値の時系列においてゼロよりも大きな電流値が検出される期間から前記ロータの位置を推定し、前記検出された電流値及び前記推定された位置に基づいて、前記位置センサレス制御を実行すること
を特徴とする電動機駆動装置。
前記制御部は、前記下アームの前記三つのスイッチング素子の内の第１のスイッチング素子のオン及びオフを周期的に繰り返した際に前記電流検出部で検出される電流値から、第１の相の交流電流の波形を特定することで、前記第１の相の電流値を推定し、
前記制御部は、前記第１の相の交流電流の波形の位相をずらすことで、前記第１の相とは異なる第２の相及び第３の相の交流電流の波形を特定して、前記第２の相の電流値及び前記第３の相の電流値を推定すること
を特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
前記制御部は、前記下アームの前記三つのスイッチング素子の内の第１のスイッチング素子のオン及びオフを周期的に繰り返した際に前記電流検出部で検出される電流値から、第１の相の交流電流の波形を特定することで、前記第１の相の電流値を推定し、
前記制御部は、前記第１のスイッチング素子のオン及びオフを周期的に繰り返した後に、前記第１のスイッチング素子をオンにして、前記下アームの前記三つのスイッチング素子の内の第２のスイッチング素子のオン及びオフを周期的に繰り返した際に前記電流検出部で検出される電流値から、第２の相の交流電流の波形を特定することで、前記第２の相の電流値を推定し、
前記制御部は、前記第１の相又は前記第２の相の交流電流の波形の位相をずらすことで、前記第１の相及び前記第２の相とは異なる第３の相の交流電流の波形を特定して、前記第３の相の電流値を推定すること
を特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
前記制御部は、前記下アームの前記三つのスイッチング素子の内の第１のスイッチング素子のオン及びオフを周期的に繰り返した際に前記電流検出部で検出される電流値から、第１の相の交流電流の波形を特定することで、前記第１の相の電流値を推定し、
前記制御部は、前記第１のスイッチング素子のオン及びオフを周期的に繰り返した後に、前記第１の相のスイッチング素子をオンにして、前記下アームの前記三つのスイッチング素子の内の第２のスイッチング素子のオン及びオフを周期的に繰り返した際に前記電流検出部で検出される電流値から、第２の相の交流電流の波形を特定することで、前記第２の相の電流値を推定し、
前記制御部は、前記第２のスイッチング素子のオン及びオフを周期的に繰り返した後に、前記第２のスイッチング素子をオンにして、前記下アームの前記三つのスイッチング素子の内の第３のスイッチング素子のオン及びオフを周期的に繰り返した際に前記電流検出部で検出される電流値から、第３の相の交流電流の波形を特定することで、前記第３の相の電流値を推定すること
を特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
前記制御部は、前記第１の相の電流値、前記第２の相の電流値及び前記第３の相の電流値の内の何れか一つが、残りの二つよりも予め定められた閾値以上異なる値となっている場合には、前記機械式のスイッチに故障が発生していると判断すること
を特徴とする請求項４に記載の電動機駆動装置。
前記制御部は、前記期間を二倍することで、前記電動機に流れる電流の周期を算出し、前記周期に従って、前記ロータの位置を推定すること
を特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の電動機駆動装置。
前記機械式のスイッチは、電磁接触器であること
を特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の電動機駆動装置。
前記機械式のスイッチは、前記結線状態を、Ｙ結線からΔ結線に、又は、Δ結線からＹ結線に切替える請求項１から７の何れか一項に記載の電動機駆動装置。
請求項１から８の何れか一項に記載された電動機駆動装置と、
前記電動機と、を備えること
を特徴とする電動機駆動システム。
請求項１から８の何れか一項に記載された電動機駆動装置と、
前記電動機と、
前記電動機で発生された前記動力の供給を受ける圧縮機と、を備えること
を特徴とする冷凍サイクル装置。