WO2019026282A1 - 電動機駆動装置および空気調和機 - Google Patents

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state
switching
relay
motor
drive device
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裕卓 ▲徳▼田
和徳 畠山
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三菱電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/16—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring
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    • H02P25/184—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring with arrangements for switching the windings, e.g. with mechanical switches or relays wherein the motor speed is changed by switching from a delta to a star, e.g. wye, connection of its windings, or vice versa
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
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    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation

Definitions

  • the present invention relates to a motor drive device for driving a motor and an air conditioner provided with the motor drive device.
  • the air conditioner adjusts the cooling and heating capabilities in accordance with the number of revolutions or rotational speed of the motor for the compressor.
  • APF Automatic Performance Factor
  • APF is used as an indicator of energy saving of household air conditioners.
  • APF is calculated under five conditions of cooling middle, heating middle, cooling rating, heating rating, and heating low temperature.
  • the cooling middle and the heating middle are low load areas where the motor rotates at low speed
  • the cooling rating, the heating rating, and the heating low temperature are high load areas where the motor rotates at high speed.
  • the low speed rotation indicates a rotation whose rotation speed is slower than a predetermined value
  • the high speed rotation indicates a rotation whose rotation speed is faster than a predetermined value. Since the index of energy saving is calculated at both low speed rotation and high speed rotation, it is desirable for the motor to be able to be highly efficient in a wide range of rotational speed.
  • a brushless DC (Direct Current) motor using a permanent magnet as a rotor is widely used to improve efficiency.
  • a motor such as a brushless DC motor
  • the winding resistance is increased by increasing the number of stator windings of the motor, thereby operating with less current It is conceivable to reduce the inverter loss by doing this.
  • the number of turns of the stator winding that is appropriate for achieving high efficiency is different between low speed rotation and high speed rotation. Therefore, a wire connection switching method is widely adopted in which the stator winding is switched between star connection and delta connection according to the rotational speed.
  • connection switching method when switching from star connection to delta connection, a voltage difference is generated before and after the switching, and an inrush current is generated.
  • the inrush current when switching from the star connection to the delta connection may be greater than the current at the start of direct delta connection. .
  • the increase of the inrush current may cause an electrical trouble.
  • the mechanical shock when switching from star connection to delta connection is larger than that when direct delta connection is started, and causes mechanical problems such as mechanical damage. It could be
  • Patent Document 1 discloses a technique for suppressing a voltage difference at the time of switching from star connection to delta connection.
  • the induction motor control device described in Patent Document 1 includes a first switch for forming a three-phase coil in a star connection, a second switch for forming a three-phase coil in a delta connection, and a circuit for boosting a power supply voltage. Prepare. Then, in the induction motor control device described in Patent Document 1, the voltage of the three-phase coil when a boosted voltage is applied to the star-connected three-phase coil is applied to the power supply voltage to the star-connected three-phase coil.
  • the present invention has been made in view of the above, and is characterized by obtaining a motor drive device capable of suppressing the fluctuation of the current generated at the time of switching the connection state of the motor.
  • an electric motor drive device comprises an inverter for applying electric power to the electric motor and switching states between the first state and the second state. And a plurality of switches for switching the connection state of the motor. The timing at which at least one of the switches switches from the first state to the second state differs from the timing at which the other switches switch from the first state to the second state.
  • the motor drive device has the effect of being able to suppress the fluctuation of the current that occurs when switching the connection state of the motor.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a motor drive device according to a first embodiment.
  • a diagram showing a configuration example of a multi-output power supply circuit according to a first embodiment The figure which shows an example of the timing chart at the time of the control part of Embodiment 1 controlling a switching part.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of switching timing of relays configuring the switching unit of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing another example of switching timing of relays configuring the switching unit of the first embodiment.
  • FIG. 18 shows a configuration example of a processing circuit including a processor according to the first embodiment
  • FIG. 16 shows an example of switching timing of relays constituting the switching unit of the second embodiment.
  • FIG. 16 is a diagram showing another example of switching timing of relays configuring the switching unit of the second embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of a configuration of a motor drive device according to a first embodiment of the present invention.
  • the motor drive device 100 of the present embodiment is connected to the AC power supply 10 and drives the motor 70.
  • the motor drive device 100 includes a reactor 20, a rectifying unit 30, a capacitor 40, an inverter 50, a switching unit 60, a detection unit 80, and a control unit 90.
  • the motor 70 is a three-phase motor, and includes stator windings 71, 72 and 73 corresponding to U-phase, V-phase and W-phase, respectively.
  • a terminal U1 and a terminal U2 are provided at both ends of the stator winding 71, and a terminal V1 and a terminal V2 are provided at both ends of the stator winding 72, and the stator winding 73 is provided at both ends.
  • a terminal W1 and a terminal W2 are provided, respectively.
  • the electric motor 70 is capable of switching the connection state of the stator windings between star connection and delta connection by switching the connection state between the stator windings 71, 72, 73. Configured
  • the rectifying unit 30 includes rectifying elements 31 to 34 such as diodes.
  • the rectifying unit 30 converts alternating current power supplied from the alternating current power supply 10 into direct current power via the reactor 20.
  • the capacitor 40 is connected in parallel to the rectifying unit 30, and smoothes the DC power output from the rectifying unit 30.
  • Inverter 50 is connected in parallel to capacitor 40, and converts the DC power smoothed by capacitor 40 into a power of a desired voltage for applying to motor 70 in accordance with the inverter drive signal output from control unit 90.
  • the electric power is applied to the motor 70.
  • the inverter 50 includes switching elements 51 to 56 which are a plurality of switching elements.
  • the switching element 51 and the switching element 54 are connected in series, the switching element 52 and the switching element 55 are connected in series, and the switching element 53 and the switching element 56 are connected in series.
  • a switching element pair formed of switching element 51 and switching element 54 is called a U-phase arm
  • a switching element pair formed of switching element 52 and switching element 55 is called a V-phase arm.
  • Switching element 53 and switching element The switching element pair 56 is called a W-phase arm.
  • the detection unit 80 includes a voltage detection unit 81 and a current detection unit 82.
  • Voltage detection unit 81 detects the voltage across capacitor 40, and outputs the detected voltage value to control unit 90.
  • the current detection unit 82 detects the current flowing through the inverter 50 and outputs the detected current value to the control unit 90.
  • Control unit 90 controls switching elements 51 to 56 of inverter 50 by PWM (Pulse Width Modulation) control using the voltage value detected by voltage detection unit 81 and the current value detected by current detection unit 82. And generates an inverter drive signal to the inverter 50.
  • the inverter drive signal is generally a signal for turning on or off the switching elements 51-56.
  • the PWM control method in the general motor drive device can be used for the PWM control in the control unit 90, so the detailed description will be omitted.
  • the control unit 90 generates a switching signal for controlling the switching unit 60 and outputs the switching signal to the switching unit 60. Details of a control method of the switching unit 60 in the control unit 90 will be described later.
  • the switching unit 60 includes relays 61, 62, and 63, which are an example of a plurality of switching devices. Although the example which uses the relays 61, 62, and 63 which are c contact relays as a switch is shown below, a switch is not limited to this example, and like relay 61, 62, 63, a stator winding is shown. It is sufficient if it is possible to switch the connection state between 71, 72, 73. That is, the relays 61, 62, 63 are an example of a plurality of switches, and each of the plurality of switches switches the connection state of the motor 70 by switching the state in the first state and the second state. It should be possible to switch.
  • the terminal U1 of the motor 70 is connected to the middle point of the U-phase arm and to the relay 63.
  • the terminal U2 is connected to the relay 61.
  • the terminal V1 is connected to the middle point of the V-phase arm and to the relay 61.
  • the terminal V2 is connected to the relay 62.
  • the terminal W1 is connected to the middle point of the W-phase arm and to the relay 62.
  • the terminal W2 is connected to the relay 63.
  • the relays 61, 62, 63 are turned off or on in accordance with the switching signal output from the controller 90. That is, the control unit 90 controls switching of the relays 61, 62, 63 which are a plurality of switching devices. In the off state, the contacts of the relays 61, 62, 63 are in a non-conductive state, and in the on state, the contacts of the relays 61, 62, 63 are in a conductive state.
  • FIG. 1 shows an example in which all the relays 61, 62, 63 are in the off state.
  • the switching signal is, for example, a binary signal having either a high level or a low level, where the low level indicates the off state and the high level indicates the on state.
  • the correspondence between the value of the switching signal and the contact state of the relays 61, 62, 63 is not limited to this example.
  • Relay 61 is connected to terminal U 2 of motor 70, the middle point of the V-phase arm, relay 62 and relay 63.
  • the terminal U2 is connected to the relay 62 and the relay 63.
  • the terminal U2 is connected to the middle point of the V-phase arm.
  • Relay 62 is connected to terminal V 2 of motor 70, the middle point of W-phase arm, relay 61 and relay 63.
  • the terminal V2 is connected to the relay 61 and the relay 63.
  • the terminal V2 is connected to the middle point of the W-phase arm.
  • Relay 63 is connected to terminal W 2 of motor 70, the middle point of the U-phase arm, relay 61 and relay 62.
  • the terminal W2 is connected to the relay 61 and the relay 62.
  • the terminal W2 is connected to the middle point of the U-phase arm.
  • FIG. 2 is a diagram showing a connection example of the motor drive device 100 and the motor 70 when the connection state of the stator of the motor 70 is delta connection.
  • all the relays 61, 62, 63 are in the on state, and at this time, the terminal U2 is connected to the middle point of the V phase arm, and the terminal V2 is connected to the middle point of the W phase arm, The terminal W2 is connected to the middle point of the U-phase arm, and the connection state of the stator of the motor 70 is delta connection.
  • the correspondence between the on state and the off state of the relays 61, 62, 63 and the connection state is not limited to the example described above, and when the relays 61, 62, 63 are in the on state, star connection is performed. It may be configured to be delta connection when 63 is off. Further, the star connection and the delta connection described above are an example of a plurality of wire connection states of the stator winding, and the present invention is not limited to the above-described example, and is applicable to switching a plurality of wire connection states. is there.
  • FIG. 3 is a connection diagram showing a winding state of star connection of the electric motor 70 according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a connection diagram showing a winding state of delta connection of the motor 70 according to the first embodiment.
  • the star connection is described as a Y connection
  • the delta connection is described as a ⁇ connection.
  • the control unit 90 of the present embodiment controls the switching unit 60 according to the number of rotations. Specifically, for example, when the number of rotations is equal to or less than a predetermined value, the control unit 90 changes the connection state of the motor 70 to star connection, and when the number of rotations exceeds a predetermined value, the connection state of the motor 70 Generates a switching signal so that the delta connection becomes a delta connection.
  • the rotational speed may be instructed by an operation command or the like input from the outside to motor drive device 100, or may be determined by control unit 90 of motor drive device 100.
  • the control unit 90 switches the wire connection state according to the number of rotations, but may switch the wire connection state based on other information. Further, the control unit 90 may switch the connection state using both of the rotation speed and the other information.
  • the line voltage of the motor 70 in the star connection state is defined as VY, and the current flowing through the motor 70 in the star connection state is defined as IY.
  • star connection in the low rotation speed region makes it possible to operate at a current of 1 / ⁇ 3 times that of the delta connection, and it is possible to reduce the loss of the inverter 50.
  • the delta connection in which the number of turns of the stator winding is small it is possible to drive with an induced voltage of 1 / ⁇ 3 times the star connection.
  • it is conceivable to reduce the induced voltage in the high rotational speed region by lowering the magnetic force of the permanent magnet by flux-weakening control it is necessary to flow more current when flux-weakening control is performed, and efficiency is degraded.
  • the use of the delta connection method in the high rotation speed region does not lead to the deterioration of the efficiency due to the use of the flux-weakening control.
  • the star connection in the low rotation speed region and the delta connection in the high rotation speed region it is possible to achieve high efficiency in all the rotation speed regions.
  • the output voltage from the power supply circuit may vary in the other power supply lines via the transformer winding. There is. Therefore, for example, when the control unit 90 and the switching unit 60 supply power from another power supply line of a multi-output power supply circuit, the overcurrent generated in the switching unit 60 supplies power to the control unit 90 which is another power supply line. Can cause fluctuations in the output voltage of the power supply line that supplies the In home power supply circuits, multiple output power circuits are often used, and when the motor 70 and the motor drive device 100 are mounted on a home air conditioner, all the relays 61, 62, 63 are simultaneously turned on. Alternatively, the overcurrent generated by switching to the off state may cause fluctuation in the voltage supplied to the control unit 90.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a multi-output power supply circuit.
  • the power supply circuit 200 shown in FIG. 5 includes a rectifier circuit 110, a transformer 120, a switching control circuit 130, a switching element Q, a resistor R, windings B, n (n is an integer of 2 or more) diodes D1, D2,. , Dn and n capacitors C1, C2, ..., Cn.
  • the transformer 120 includes primary side windings P1, P2 and n secondary side windings S1, S2, ..., Sn.
  • the rectifier circuit 110 converts AC power supplied from the AC power supply 10 into DC power, and supplies DC power to the transformer 120.
  • the transformer 120 generates secondary voltages V1, V2,..., Vn according to the winding ratio of the primary windings P1, P2 and the secondary windings S1, S2,. It outputs to secondary side winding S1, S2, ..., Sn from winding P1, P2.
  • the diodes D1, D2, ..., Dn rectify the secondary voltages V1, V2, ..., Vn respectively, and the capacitors C1, C2, ..., Cn smooth the secondary voltages V1, V2, ..., Vn respectively . From the power supply circuit 200, rectified and smoothed secondary side voltages V1, V2,..., Vn are outputted by different power supply lines.
  • the power supply line of the secondary side voltages V1, V2,..., Vn output from the power supply circuit 200 is partially connected to the feedback circuit 140, and sends a feedback signal to the switching control circuit 130 via the feedback circuit 140. .
  • the switching control circuit 130 adjusts the ratio of the on time and the off time of the switching element Q by using the feedback signal, and controls the primary side current flowing through the resistor R and the winding B, thereby providing the feedback circuit 140 It is possible to control the secondary voltage of the power supply line to be connected.
  • the secondary side voltage of the power supply line connecting the feedback circuit 140 can be controlled by the switching control circuit 130, but can not control the fluctuation of the secondary side voltage of the power supply line not connected to the feedback circuit 140. Therefore, for example, when power is supplied to the switching unit 60 from a power supply line not connected to the feedback circuit 140, when all the relays 61, 62, 63 of the switching unit 60 are simultaneously turned on, an overcurrent occurs. This overcurrent may cause a voltage drop in the voltage generated using the same winding and the secondary side voltage of the other power supply line.
  • the power supply of the control unit 90 becomes unstable due to the above-described overcurrent, causing the control unit 90 to generate a reset. An accompanying malfunction may cause equipment failure or the like.
  • the control unit 90 shifts the switching timing of the relays 61, 62, 63 by individually controlling the switching timings of the relays 61, 62, 63, which are a plurality of switches. In addition to suppressing the influence on the regulation of the power supply circuit 200, it is possible to suppress an increase in the rating of components, an increase in circuit scale, and an increase in cost.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of a timing chart when the control unit 90 of the present embodiment controls the switching unit 60.
  • the first stage of FIG. 6 shows the switching signal which is a signal output from the control unit 90
  • the second stage shows the contact state of the relay constituting the switching unit 60
  • the third stage shows the state of the motor 70.
  • the coil current which is a current which flows through a stator winding is shown.
  • at least one of the relays 61, 62, 63 of the switching unit 60 is shifted in timing of switching from the off state to the on state.
  • the relay whose contact state is shown in the second stage of FIG. 6 is the relay that is switched first among the relays 61, 62, 63 that constitute the switching unit 60. The details of the switching timing of each relay 61, 62, 63 will be described later.
  • the control unit 90 determines that the connection state of the motor 70 is to be changed, and controls the switching unit 60 by the switching signal.
  • the conditions for switching the winding state are determined according to, for example, the number of revolutions as described above, but the conditions for switching the winding state are not limited to this example.
  • each relay of the switching unit 60 when the switching signal is at low level, each relay of the switching unit 60 is in the off state, that is, non-conductive, and when the switching signal is at high level, each relay of the switching unit 60 is Indicates the on state or conduction.
  • the switching signal is generated for each relay of the switching unit 60.
  • the contact state of the relay of the switching unit 60 changes from the nonconductive state to the conductive state. Change.
  • the delay time T0 elapses after the switching signal changes from low level to high level
  • the coil current starts to increase
  • time T1 elapses after the start of increase the coil The current is at a maximum and then the coil current starts to decrease.
  • time T2 elapses after the coil current reaches its maximum, the coil current comes to fall within a certain range, and the coil current is stabilized.
  • the contact state of the relay of the switching unit 60 is switched from the conductive state to the non-conductive state after delay time T3. Change to the state.
  • the horizontal axis in FIG. 6 indicates time.
  • the delay time T3 elapses after the switching signal changes from high level to low level
  • the coil current starts to decrease
  • time T4 elapses after the start of decrease
  • the coil The current is at a minimum and then the coil current starts to increase.
  • the time T5 has elapsed after the coil current is minimized, the coil current comes to fall within a certain range, and the coil current is stabilized.
  • T on the time is a value obtained by adding the T0, T1 and T2. Also, from the timing when the control unit 90 instructs switching from the on state to the off state by the switching signal, that is, the timing when the switching signal changes from high level to low level, the relay is turned off and the coil current is stabilized.
  • the time Toff is a value obtained by adding T3, T4 and T5.
  • An element such as a noise filter or a delay circuit may be added between the control unit 90 and the switching unit 60, or before or after the control unit 90 and the switching unit 60.
  • Element or circuit delay time in the signal transmission occurs, if you add an internal control circuit and the like, the delay time corresponding is of course to be added to at least one of T on and T off.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of switching timings of the relays 61, 62, and 63 constituting the switching unit 60 of the present embodiment.
  • the horizontal axis indicates time.
  • the control unit 90 generates a switching signal so as to change each of the relay 61, the relay 62, and the relay 63 from the off state to the on state.
  • a current 211 shown in FIG. 7 indicates a power supply current which is a current flowing from the switching unit 60 to the power supply circuit 200. The current 211 is once increased at a timing when the relay 61 is turned on, a timing when the relay 62 is turned on, and a timing when the relay 63 is turned on.
  • Comparative Example 210 indicated by a broken line shows an example in which all the relays 61, 62, 63 are simultaneously switched from the off state to the on state.
  • the current rapidly increases as in the comparative example 210, but the current is increased by shifting the switching timing of the relay 61, the relay 62, and the relay 63.
  • the order of switching the relays 61, 62, 63 is not limited to the example shown in FIG. 7, but may be another order such as the order of the relay 63, the relay 62, and the relay 61.
  • FIG. 8 is a diagram showing another example of the switching timing of the relays 61, 62, 63 constituting the switching unit 60 of the present embodiment.
  • the current 212 shown in FIG. 8 simultaneously switches two relays of the relay 61 and the relay 62 among the relays 61, 62, 63 from the off state to the on state, and the switching timing of the relay 63 is the relay 61 and the relay 62. Shows the switching timing of and the power supply current when shifted. As described above, even when the switching timing of one of the three relays is shifted, the effect of suppressing the rapid increase of the current 212 can be obtained as in the example shown in FIG. 7.
  • the timing at which at least one of the plurality of switches switches from the first state to the second state is the timing at which the other switches switch from the first state to the second state, and It is different.
  • the plurality of switches are the relays 61, 62, 63, the first state is the non-energized state, and the second state is the energized state.
  • the timings at which the plurality of switches switch from the first state to the second state do not overlap each other.
  • two of the plurality of switches have the same timing of switching from the first state to the second state.
  • a delay circuit may be used to generate a switching signal shifted in switching timing.
  • the control unit 90 when the operation shown in FIG. 7 is performed, the control unit 90 generates a switching signal corresponding to the relay 61, and outputs the generated switching signal to the relay 61 and to the delay circuit.
  • the delay circuit delays the timing of transition from low level to high level, and outputs the delayed switching signal to the relay 62.
  • the delayed switching signal is again input to the delay circuit, and the delayed switching signal is output to the relay 63. That is, the motor drive device 100 is provided with a delay circuit, and the relays 61, 62, 63 are controlled using a plurality of switching signals corresponding to each, and the control unit 90 switches one of the plurality of switching signals.
  • a plurality of other switching signals may be generated by adding a delay to a single switching signal by a delay circuit.
  • diodes or the like are generally used as the rectifying elements 31 to 34.
  • MOSFETs Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors
  • MOSFETs Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • MOSFETs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • the same effect can be obtained without connecting the freewheeling diodes in parallel since the parasitic diode is provided because of the structure.
  • Silicon (Si) can be used as a material forming at least one of the rectifying elements 31 to and the switching elements 51 to. At least one of the rectifying elements 31 to 34 and the switching elements 51 to 56 may be formed of a wide band gap semiconductor. Further loss can be achieved by configuring at least one of the rectifying elements 31 to 34 and the switching elements 51 to 56 using a wide band gap semiconductor such as silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), or diamond. It is possible to reduce.
  • SiC silicon carbide
  • GaN gallium nitride
  • the switching unit 60 may use any method as long as the winding state of the motor 70 can be switched.
  • the relay of the a contact and the b contact is shown in FIG. The same operation as the relays 61, 62, 63 may be realized.
  • the switching unit 60 may be configured by a switching element or the like formed of an electromagnetic contactor such as a contactor, a semiconductor, or the like, as long as the winding of the motor 70 can be switched. There is no problem with using.
  • the first switching element and the second switching element constitute one switch, and the first switching element is in the ON state and the second switching element is in the OFF state.
  • connection state of the stator windings 71, 72, 73 is switched by switching the state and the second state in which the first switching element is in the off state with the second switching element in the on state.
  • the switching unit 60 is configured using a semiconductor, conduction loss occurs when the switching unit 60 is turned on. For this reason, when a mechanical relay or the like is used, the conduction loss can be reduced, and it is possible to obtain the motor driving device 100 with higher efficiency than in the case of using a semiconductor.
  • the voltage detection unit 81 and the current detection unit 82 may be provided not only at the positions shown in FIG. 1 but also at any positions that can detect information necessary for the control unit 90 to operate. Yes.
  • the voltage detection unit 81 is divided by a resistor provided in parallel with the capacitor 40, and the divided voltage is detected to detect a voltage of, for example, 5 V or less that can be detected by a microcomputer or the like. It may be converted and detected.
  • the current detection unit 82 may be realized by attaching a sensor for detecting current between the inverter 50 and the motor 70, instead of the position shown in FIG.
  • control unit 90 can be configured by a discrete system such as a central processing unit (CPU), a digital signal processor (DSP), or a microcomputer, but it is also configured by an electric circuit element such as an analog circuit or digital circuit. May be That is, the control unit 90 is realized by a processing circuit, and the processing circuit may be dedicated hardware or a processing circuit including a processor such as a CPU.
  • CPU central processing unit
  • DSP digital signal processor
  • microcomputer a microcomputer
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of configuration of a processing circuit including a processor.
  • FIG. 9 shows a configuration example of the processing circuit when the processing circuit for realizing the control unit 90 is a processing circuit including a processor.
  • the processing circuit 300 illustrated in FIG. 9 includes a processor 301, which is a CPU or the like, and a memory 302.
  • the memory 302 corresponds to, for example, a non-volatile or volatile semiconductor memory such as a random access memory (RAM), a read only memory (ROM), a flash memory, or the like.
  • RAM random access memory
  • ROM read only memory
  • flash memory or the like.
  • control unit 90 When the control unit 90 is realized by the processing circuit 300 shown in FIG. 9, a program for realizing the function of realizing the control unit 90 is executed by the processor 301, whereby the function of the control unit 90 is realized. Ru.
  • the memory 302 is also used as a storage area when the processor 301 executes a program.
  • the control unit 90 may be realized by a processing circuit which is a part of dedicated hardware, and the remaining part may be realized by the processing circuit 300 shown in FIG. 9 described above.
  • the operation in the low rotation speed region which is frequently used is performed by star connection, and the operation in the high rotation speed region is performed by delta connection.
  • a plurality of switches constituting the switching unit 60 The switching timing of the motor 70 is controlled by individually controlling the switching timings of the relays 61, 62, and 63, and making at least one switching timing of the plurality of switches different from the switching timing of the other switches. It is possible to suppress current fluctuations that sometimes occur. Thus, the regulation of the power supply circuit 200 can be stabilized, and the highly reliable motor drive device 100 can be obtained.
  • At least one switching timing among relays 61, 62, 63 is a switching timing at which relays 61, 62, 63, which are a plurality of switches constituting switching unit 60, are switched from the off state to the on state.
  • the variation in current is suppressed by making
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of switching timings of the relays 61, 62, 63 constituting the switching unit 60 of the present embodiment.
  • the horizontal axis indicates time.
  • the control unit 90 generates a switching signal so as to change each of the relay 61, the relay 62, and the relay 63 from the on state to the off state.
  • a current 221 shown in FIG. 10 indicates a power supply current which is a current flowing from the switching unit 60 to the power supply circuit. The current 221 is increased after being decreased once at the timing when the relay 61 is turned off, the timing when the relay 62 is turned off, and the timing when the relay 63 is turned off.
  • Comparative Example 220 indicated by a broken line shows the power supply current when all the relays 61, 62, 63 are simultaneously switched from the on state to the off state.
  • the current rapidly changes as in the comparative example 220, whereby the regulation is performed in the other secondary side power supply line through the transformer of the power supply circuit. It may become unstable.
  • the order of switching the relays 61, 62, 63 is not limited to the example shown in FIG. 10, and may be another order such as the order of the relay 63, the relay 62, and the relay 61.
  • FIG. 11 is a diagram showing another example of the switching timing of the relays 61, 62, 63 constituting the switching unit 60 of the present embodiment.
  • the current 222 shown in FIG. 11 simultaneously switches two relays of the relay 61 and the relay 62 from the on state to the off state among the relays 61, 62, 63, and the switching timing of the relay 63 is the relay 61 and the relay 62. Shows the switching timing of and the power supply current when shifted.
  • the current 222 shows an effect of suppressing a rapid fluctuation of the power supply current. be able to.
  • the relays 61 which are a plurality of switches constituting the switching unit 60.
  • the switching timing of 62 and 63 By individually controlling the switching timing of 62 and 63 and making at least one switching timing of the plurality of switching devices different from the switching timing of the other switching device, the fluctuation of the current generated at the time of switching the connection state of the motor 70 It can be suppressed.
  • the regulation of the power supply circuit can be stabilized, and the highly reliable motor drive device 100 can be obtained.
  • the plurality of switches are relays, and as described in the first embodiment, the timing at which at least one of the plurality of switches is switched from the first state to the second state is the other plural switches. Unlike the timing at which the switch switches from the first state to the second state, at least one of the plurality of switches is in the non-energized state in the first state and in the energized state in the second state. The timing at which the second state is switched to the first state may be different from the timing at which the other switches switch from the second state to the first state.
  • the plurality of switches are relays, and as described in the first embodiment, the timing at which at least one of the plurality of switches is switched from the first state to the second state may be another plurality of switches. Unlike the timing at which the device switches from the first state to the second state, the first state may be the energized state and the second state may be the non-energized state.
  • FIG. 12 is a diagram showing a configuration example of an air conditioner according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the air conditioner of the present embodiment includes the motor drive device 100 described in the first embodiment.
  • the compressor 101 incorporating the motor 70 according to the first embodiment, the four-way valve 102, the outdoor heat exchanger 103, the expansion valve 104, and the indoor heat exchanger 105 are connected via the refrigerant pipe 106.
  • a separate type air conditioner is configured with an attached refrigeration cycle.
  • the air conditioner according to the present embodiment may include the motor drive device 100 described in the second embodiment instead of the motor drive device 100 described in the first embodiment.
  • a compression mechanism 107 for compressing the refrigerant and a motor 70 for operating the same are provided in the compressor 101, and the refrigerant circulates from the compressor 101 between the outdoor heat exchanger 103 and the indoor heat exchanger 105 for cooling and heating and the like.
  • a refrigeration cycle to be performed is configured.
  • the structure shown in FIG. 12 is applicable not only to an air conditioner but to a refrigeration cycle apparatus equipped with a refrigeration cycle such as a refrigerator or a freezer.
  • the configuration shown in the above embodiment shows an example of the contents of the present invention, and can be combined with another known technique, and one of the configurations is possible within the scope of the present invention. Parts can be omitted or changed.

Abstract

本発明にかかる電動機駆動装置（１００）は、電動機（７０）に電力を印加するインバータ（５０）と、各々が第１の状態と第２の状態とで状態を切替えることにより、前記電動機の結線状態を切替える複数のリレー（６１，６２，６３）と、を備え、複数のリレー（６１，６２，６３）のうち少なくとも１つが第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングは、他の複数のリレー（６１，６２，６３）が第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングと異なる。

Description

電動機駆動装置および空気調和機
　本発明は、電動機を駆動する電動機駆動装置およびこの電動機駆動装置を備える空気調和機に関する。
　空気調和機は圧縮機用の電動機の回転数すなわち回転速度に応じて冷房および暖房能力を調整している。家庭用の空気調和機の省エネの指標としては、近年ＡＰＦ（Ａｎｎｕａｌ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｆａｃｔｏｒ）が用いられる。ＡＰＦは、冷房中間、暖房中間、冷房定格、暖房定格、暖房低温の５条件において算出される。冷房中間および暖房中間は、電動機が、低速回転を行う低負荷領域であり、冷房定格、暖房定格、および暖房低温は、電動機が高速回転を行う高負荷領域である。低速回転は、定められた値より回転速度が遅い回転を示し、高速回転は定められた値より回転速度が速い回転を示す。低速回転時および高速回転時の両方で省エネの指標が算出されることから、電動機としては幅広い回転数領域で高効率化できることが望ましい。
　圧縮機用の電動機としては、高効率化のために回転子に永久磁石を用いたブラシレスＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｃｕｒｒｅｎｔ）モータが広く用いられている。ブラシレスＤＣモータのような電動機を用いた場合、低速回転において高効率化を実現する方法としては、電動機の固定子巻線の巻数を多くすることで巻線抵抗を上げ、これによって少ない電流で運転することでインバータ損失を低減する方法が考えられる。
　一方、高速回転において高効率化を実現する方法としては、電動機へ印加する電圧を低下させるために、電動機の固定子巻線の巻数を少なくすることにより巻線抵抗を低下させる方法が考えられる。これにより、電動機へ印加される電圧が、電動機を制御するインバータの出力可能な電圧の上限値に到達しにくくなる。
　上述のように、高効率化を実現するために適切となる固定子巻線の巻数は、低速回転時と高速回転時とでは異なっている。このため、回転速度に応じて、固定子巻線をスター結線とデルタ結線とで切替える結線切替方式が広く採用されている。
　上述の結線切替方式では、スター結線からデルタ結線に切替える際に、切替えの前後で電圧差が生じるため突入電流が生じる。特に、電動機の始動時に電動機をスター結線とし、その後デルタ結線に切替える場合、スター結線からデルタ結線に切替える時の突入電流は、直接デルタ結線で始動した場合の電流に比べて、多くなる場合がある。この突入電流の増加は、電気的なトラブルの要因となる可能性がある。さらに、この増加した突入電流が流れることで、スター結線からデルタ結線に切替えた場合の機械的衝撃は、直接デルタ結線で始動した場合に比べ大きくなり、機械的な破損といった機械的なトラブルの要因となる可能性がある。
　特許文献１には、スター結線からデルタ結線への切替え時の電圧差を抑制する技術が開示されている。特許文献１に記載の誘導電動機制御装置は、三相コイルをスター結線にするための第１スイッチと、三相コイルをデルタ結線にするための第２スイッチと、電源電圧を昇圧する回路とを備える。そして、特許文献１に記載の誘導電動機制御装置は、スター結線された三相コイルに昇圧電圧が印加された際の三相コイルの電圧が、スター結線された三相コイルに電源電圧が印加された際の三相コイルの電圧より高く、かつデルタ結線された三相コイルに電源電圧が印加された際の三相コイルの電圧より低くなるよう、電源電圧を昇圧することで、スター結線からデルタ結線に切替える際の電圧差を抑制している。
特開２０１０－１９３７０２号公報
　しかしながら、特許文献１に記載された技術では、２つのスイッチにより三相コイルをスター結線からデルタ結線に切替えるため、例えば電磁接触機の一種であるリレーを用いて三相同時に切り替えた場合、過大な電流が、電動機を駆動する電動機駆動装置内に流れる可能性がある。このため、例えば、電動機駆動装置における制御回路へ電力を供給する電源の出力電圧に変動が生じ、制御回路へ供給される電圧が一時的に低下し、制御回路においてリセットが発生する可能性がある。制御回路がリセットされると、電動機駆動装置内における制御が正常に行われず、機器の故障等を招く可能性がある。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電動機の結線状態の切替時に生じる電流の変動を抑制することができる電動機駆動装置を得ることを特徴とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電動機駆動装置は、電動機に電力を印加するインバータと、各々が第１の状態と第２の状態とで状態を切替えることにより、電動機の結線状態を切替える複数の切替器と、を備える。複数の切替器のうち少なくとも１つが第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングは、他の複数の切替器が第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングと異なる。
　本発明にかかる電動機駆動装置は、電動機の結線状態の切替時に生じる電流の変動を抑制することができるという効果を奏する。
実施の形態１にかかる電動機駆動装置の構成例を示す図 実施の形態１の電動機の固定子の結線状態がデルタ結線となる場合の電動機駆動装置および電動機の接続例を示す図 実施の形態１にかかる電動機のスター結線の巻線状態を表す結線図 実施の形態１にかかる電動機のデルタ結線の巻線状態を表す結線図 実施の形態１の多出力の電源回路の構成例を示す図 実施の形態１の制御部が切替部を制御する際のタイミングチャートの一例を示す図 実施の形態１の切替部を構成するリレーの切替えタイミングの一例を示す図 実施の形態１の切替部を構成するリレーの切替えタイミングの別の一例を示す図 実施の形態１の、プロセッサを備える処理回路の構成例を示す図 実施の形態２の切替部を構成するリレーの切替えタイミングの一例を示す図 実施の形態２の切替部を構成するリレーの切替えタイミングの別の一例を示す図 実施の形態３の空気調和機の構成例を示す図
　以下に、本発明の実施の形態にかかる電動機駆動装置および空気調和機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にかかる電動機駆動装置の構成例を示す図である。本実施の形態の電動機駆動装置１００は、交流電源１０に接続され、電動機７０を駆動する。電動機駆動装置１００は、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とを備える。
　電動機７０は、三相電動機であり、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相にそれぞれ対応する固定子巻線７１、固定子巻線７２および固定子巻線７３を備える。固定子巻線７１の両端には、それぞれ端子Ｕ１および端子Ｕ２が設けられ、固定子巻線７２の両端には、それぞれ端子Ｖ１および端子Ｖ２が設けられ、固定子巻線７３の両端には、それぞれ端子Ｗ１および端子Ｗ２が設けられる。電動機７０は、図１に示すように、固定子巻線７１，７２，７３間の接続状態を切替えることにより、固定子の巻線の結線状態をスター結線とデルタ結線とで切替え可能なように構成される。
　整流部３０は、ダイオード等の整流素子３１～３４を備える。整流部３０は、リアクトル２０を介して、交流電源１０から供給される交流電力を、直流電力に変換する。コンデンサ４０は整流部３０に並列に接続され、整流部３０から出力される直流電力を平滑化する。
　インバータ５０は、コンデンサ４０に並列に接続され、コンデンサ４０により平滑化された直流電力を、制御部９０から出力されるインバータ駆動信号にしたがって電動機７０へ印加するための所望の電圧の電力に変換し、該電力を電動機７０へ印加する。インバータ５０は、複数のスイッチング素子であるスイッチング素子５１～５６を備える。スイッチング素子５１とスイッチング素子５４は直列に接続され、スイッチング素子５２とスイッチング素子５５は直列に接続され、スイッチング素子５３とスイッチング素子５６は直列に接続される。以下、スイッチング素子５１とスイッチング素子５４で構成されるスイッチング素子対をＵ相アームと呼び、スイッチング素子５２とスイッチング素子５５で構成されるスイッチング素子対をＶ相アームと呼び、スイッチング素子５３とスイッチング素子５６で構成されるスイッチング素子対をＷ相アームと呼ぶ。
　検出部８０は、電圧検出部８１および電流検出部８２を有する。電圧検出部８１は、コンデンサ４０の両端電圧を検出し、検出した電圧値を制御部９０へ出力する。電流検出部８２は、インバータ５０に流れる電流を検出し、検出した電流値を制御部９０へ出力する。
　制御部９０は、電圧検出部８１によって検出された電圧値、および電流検出部８２によって検出された電流値を用いて、インバータ５０のスイッチング素子５１～５６をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によって制御するためのインバータ駆動信号を生成し、インバータ駆動信号をインバータ５０へ出力する。インバータ駆動信号は、一般には、スイッチング素子５１～５６をオンまたはオフとするための信号である。制御部９０におけるＰＷＭ制御については一般的な電動機駆動装置におけるＰＷＭ制御方法を用いることができるため、詳細な説明は省略する。また、制御部９０は、切替部６０を制御するための切替信号を生成し、切替信号を切替部６０へ出力する。制御部９０における切替部６０の制御方法の詳細については後述する。
　切替部６０は、複数の切替器の一例であるリレー６１，６２，６３を備える。以下では、切替器としてｃ接点リレーであるリレー６１，６２，６３が用いられる例を示しているが切替器はこの例に限定されず、リレー６１，６２，６３と同様に、固定子巻線７１，７２，７３間の接続状態を切替えることが可能であればよい。すなわち、リレー６１，６２，６３は、複数の切替器の一例であり、複数の切替器は、各々が第１の状態と第２の状態とで状態を切替えることにより、電動機７０の結線状態を切替えることが可能であればよい。
　電動機７０の端子Ｕ１は、Ｕ相アームの中点に接続されるとともに、リレー６３に接続される。端子Ｕ２は、リレー６１に接続される。端子Ｖ１は、Ｖ相アームの中点に接続されるとともに、リレー６１に接続される。端子Ｖ２は、リレー６２に接続される。端子Ｗ１は、Ｗ相アームの中点に接続されるとともに、リレー６２に接続される。端子Ｗ２は、リレー６３に接続される。
　リレー６１，６２，６３は、制御部９０から出力される切替信号にしたがって、接点状態がオフ状態またはオン状態となる。すなわち、制御部９０は、複数の切替器であるリレー６１，６２，６３の切替えを制御する。オフ状態は、リレー６１，６２，６３の接点が非導通の状態であり、オン状態は、リレー６１，６２，６３の接点が導通の状態である。図１は、リレー６１，６２，６３が全てオフ状態である例を示している。切替信号は、例えば、ハイレベルとローレベルとのいずれかの値をとる２値信号であり、ローレベルはオフ状態となることを示し、ハイレベルはオン状態となることを示す。切替信号の値とリレー６１，６２，６３の接点状態との対応はこの例に限定されない。
　リレー６１は、電動機７０の端子Ｕ２、Ｖ相アームの中点、リレー６２およびリレー６３と接続される。リレー６１がオフ状態のとき、端子Ｕ２はリレー６２およびリレー６３と接続される。リレー６１がオン状態のとき、端子Ｕ２はＶ相アームの中点と接続される。リレー６２は、電動機７０の端子Ｖ２、Ｗ相アームの中点、リレー６１およびリレー６３と接続される。リレー６２がオフ状態のとき、端子Ｖ２はリレー６１およびリレー６３と接続される。リレー６２がオン状態のとき、端子Ｖ２はＷ相アームの中点と接続される。リレー６３は、電動機７０の端子Ｗ２、Ｕ相アームの中点、リレー６１およびリレー６２と接続される。リレー６３がオフ状態のとき、端子Ｗ２はリレー６１およびリレー６２と接続される。リレー６３がオン状態のとき、端子Ｗ２はＵ相アームの中点と接続される。
　以上の構成により、リレー６１，６２，６３が全てオフ状態のとき、端子Ｕ２、端子Ｖ２および端子Ｗ２が接続され、電動機７０の固定子の結線状態は、スター結線となる。
　図２は、電動機７０の固定子の結線状態がデルタ結線となる場合の電動機駆動装置１００および電動機７０の接続例を示す図である。図２に示した状態では、リレー６１，６２，６３は全てオン状態であり、このとき、端子Ｕ２はＶ相アームの中点に接続され、端子Ｖ２はＷ相アームの中点に接続され、端子Ｗ２はＵ相アームの中点に接続され、電動機７０の固定子の結線状態は、デルタ結線となる。また、リレー６１，６２，６３のオン状態およびオフ状態と結線状態との対応は上述した例に限定されず、リレー６１，６２，６３がオン状態のときにスター結線となり、リレー６１，６２，６３がオフ状態のときにデルタ結線となる構成でもよい。また、以上述べたスター結線とデルタ結線は、固定子の巻線の複数の結線状態の一例であり、本発明は、上述した例に限定されず、複数の結線状態を切替える場合に適用可能である。
　つぎに、電動機７０の結線状態をスター結線とデルタ結線とで切替えることの効果について説明する。図３は、実施の形態１にかかる電動機７０のスター結線の巻線状態を表す結線図である。図４は、実施の形態１にかかる電動機７０のデルタ結線の巻線状態を表す結線図である。図３および図４では、スター結線をＹ結線と記載し、デルタ結線をΔ結線と記載している。
　本実施の形態の制御部９０は、回転数に応じて、切替部６０を制御する。具体的には、例えば、制御部９０は、回転数が定められた値以下である場合に電動機７０の結線状態がスター結線となり、回転数が定められた値を超える場合に電動機７０の結線状態がデルタ結線となるように、切替信号を生成する。なお、回転数は、電動機駆動装置１００に外部から入力される運転指令等によって指示されてもよいし、電動機駆動装置１００の制御部９０が決定してもよい。ここでは、制御部９０は、回転数に応じて結線状態を切替えるようにしたが、他の情報に基づいて結線状態を切替えるようにしてもよい。また、制御部９０は、回転数と他の情報との両方を用いて結線状態を切替えるようにしてもよい。
　スター結線の状態における電動機７０の線間電圧をＶＹ、スター結線の状態において電動機７０に流れる電流をＩＹと定義し、デルタ結線の状態における電動機７０の線間電圧をＶΔ、デルタ結線の状態において電動機７０に流れる電流をＩΔと定義すると、ＶＹ＝√３×ＶΔ、√３×ＩＹ＝ＩΔの関係式が成り立つ。これはスター結線に対してデルタ結線は、電流は√３倍大きくなるが、駆動に必要な電圧を１／√３倍低くすることが可能であることを示す。
　上記の関係から、低回転数領域ではスター結線にすることで、デルタ結線に比べて１／√３倍の電流で運転することができ、インバータ５０の損失を低減することが可能となる。一方で高回転数領域では固定子巻線の巻数が少ないデルタ結線にすることで、スター結線に比べて１／√３倍の誘起電圧で駆動することが可能となる。また、弱め磁束制御で永久磁石の磁力を下げることにより高回転数領域において誘起電圧を低減する方法も考えられるが、弱め磁束制御を行うとより多くの電流を流す必要があり効率が悪化する。これに対して、高回転数領域でデルタ結線とする方法を用いることで、弱め磁束制御を用いることによる効率の悪化をまねくこともない。低回転数領域ではスター結線とし高回転数領域ではデルタ結線とすることで、全回転数領域で高効率化を図ることが可能となる。
　一方、例えば切替部６０を構成する複数のリレー６１，６２，６３に、安価なリレーを用いた場合、全て同時にオン状態またはオフ状態に切替えると、電動機駆動装置１００内に過電流が発生する。一般には、電動機駆動装置１００の制御部９０および切替部６０には、図１では図示を省略している電源回路から電力が供給される。この場合、リレー６１，６２，６３を全て同時にオン状態またはオフ状態に切替えることによって過電流が生じると、電源回路のレギュレーションが不安定になる、すなわち電源回路の出力電圧に変動が生じる可能性がある。特に、多出力の電源回路が用いられる場合、一部の電源ラインで過電流が発生した場合に、トランスの巻線を介して他の電源ラインにおいて電源回路からの出力電圧に変動が生じる可能性がある。したがって、例えば、制御部９０および切替部６０が多出力の電源回路の別の電源ラインから電源が供給される場合、切替部６０に生じた過電流が他の電源ラインである制御部９０へ電力を供給する電源ラインの出力電圧の変動を生じさせる可能性がある。家庭用の電源回路では、多出力の電源回路が用いられることが多く、電動機７０および電動機駆動装置１００が家庭用の空気調和機に搭載される場合、リレー６１，６２，６３を全て同時にオン状態またはオフ状態に切替えることによって生じる過電流により、制御部９０に供給される電圧に変動が生じる可能性がある。
　図５は、多出力の電源回路の構成例を示す図である。図５に示した電源回路２００は、整流回路１１０、トランス１２０、スイッチング制御回路１３０、スイッチング素子Ｑ、抵抗Ｒ、巻線Ｂ、ｎ（ｎは２以上の整数）個のダイオードＤ１，Ｄ２，…，Ｄｎおよびｎ個のコンデンサＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎを備える。トランス１２０は、一次側巻線Ｐ１，Ｐ２と、ｎ個の二次側巻線Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓｎとを備える。整流回路１１０は、交流電源１０から供給される交流電力を直流電力に変換し、直流電力をトランス１２０に供給する。トランス１２０は、それぞれ一次側巻線Ｐ１，Ｐ２と二次側巻線Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓｎとの巻線比に応じた二次側電圧Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖｎを生成し、一次側巻線Ｐ１，Ｐ２から二次側巻線Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓｎへ出力する。ダイオードＤ１，Ｄ２，…，Ｄｎは二次側電圧Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖｎをそれぞれ整流し、コンデンサＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎは二次側電圧Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖｎをそれぞれ平滑化する。電源回路２００からは、整流され平滑化された二次側電圧Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖｎがそれぞれ異なる電源ラインによって出力される。
　電源回路２００から出力される二次側電圧Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖｎの電源ラインのうちの一部は、フィードバック回路１４０に接続され、フィードバック回路１４０を介してスイッチング制御回路１３０にフィードバック信号を送る。スイッチング制御回路１３０は、フィードバック信号を用いて、スイッチング素子Ｑのオン状態とオフ状態の時間の比を調整し、抵抗Ｒおよび巻線Ｂに流れる一次側電流を制御することにより、フィードバック回路１４０に接続される電源ラインの二次側電圧を制御することが可能である。
　フィードバック回路１４０を接続している電源ラインの二次側電圧はスイッチング制御回路１３０によって制御可能であるが、フィードバック回路１４０に接続されていない電源ラインの二次側電圧の変動については制御できない。このため、例えばフィードバック回路１４０に接続されていない電源ラインから切替部６０に電力が供給される場合、切替部６０のリレー６１，６２，６３を全て同時にオン状態にすると過電流が発生する。この過電流により、同一の巻線を用いて生成される電圧、他の電源ラインの二次側電圧に電圧降下が発生する可能性がある。制御部９０に、電源回路２００の他の電源ラインから電力が供給されている場合、上述した過電流により、制御部９０の電源が不安定になることで制御部９０にリセットが発生し、それに伴う誤動作によって機器の故障等が生じる可能性がある。
　なお、ここでは、トランスを用いた多出力の電源回路を一例として説明しているが、トランスではなくスイッチングレギュレータを用いた降圧型または昇圧型の電源回路においても過電流が発生した場合は同様にレギュレーションが不安定になる可能性がある。
　また、リレー６１，６２，６３を全て同時にオフ状態またはオン状態に切替える場合、過電流および過電圧が発生する可能性があるため、これらの電流および電圧に合わせて電動機駆動装置１００を構成する各部品の部品定格を上げる必要が生じる可能性がある。また、急峻な電流および電圧の変化はノイズ要因になりえるため、図１に示した切替部６０および切替部６０に接続される部品と、図５に示した電源回路２００とにノイズ対策素子またはノイズ対策回路を追加する必要が生じる可能性がある。いずれの場合も回路規模の拡大、部品の大型化、コスト増加というデメリットが生じる可能性がある。
　そこで、本実施の形態では、制御部９０が、複数の切替器であるリレー６１，６２，６３の切替えのタイミングを個別に制御することで、リレー６１，６２，６３の切替えタイミングをシフトさせ、電源回路２００のレギュレーションへの影響を抑制するとともに部品の定格の上昇、回路規模の増大およびコスト増加を抑制する。
　図６は、本実施の形態の制御部９０が切替部６０を制御する際のタイミングチャートの一例を示す図である。図６の１段目には、制御部９０から出力される信号である切替信号を示し、２段目には切替部６０を構成するリレーの接点状態を示し、３段目には電動機７０の固定子巻線を流れる電流であるコイル電流を示す。後述するように、切替部６０を構成する各リレー６１，６２，６３のうち少なくとも１つはオフ状態からオン状態へ切替わる際の切替えのタイミングがシフトさせられる。図６の２段目に接点状態が示されたリレーは、切替部６０を構成するリレー６１，６２，６３のうちの最初に切替えられるリレーである。各リレー６１，６２，６３の切替えタイミングの詳細については後述する。
　制御部９０は、巻線状態の切替えの条件が満たされると、電動機７０の結線状態を変更すると判断し、切替信号によって切替部６０を制御する。巻線状態の切替えの条件は、上述したように例えば回転数に応じて定められるが、巻線状態の切替えの条件はこの例に限定されない。図６に示した例では、切替信号がローレベルのときに、切替部６０の各リレーがオフ状態すなわち非導通であることを示し、切替信号がハイレベルのときに、切替部６０の各リレーがオン状態すなわち導通であることを示す。本実施の形態では、切替信号は、切替部６０のリレーごとに生成される。
　図６の１段目および２段目に示すように、切替信号がローレベルからハイレベルに変化すると、遅延時間Ｔ０の後に、切替部６０のリレーの接点状態は、非導通状態から導通状態に変化する。また、図６の３段目に示すように、切替信号がローレベルからハイレベルに変化してから遅延時間Ｔ０が経過すると、コイル電流は増加し始め、増加し始めてから時間Ｔ１が経過するとコイル電流が最大となり、その後コイル電流が減少しはじめる。コイル電流が最大となってから時間Ｔ２が経過すると、コイル電流が一定の範囲に収まるようになりコイル電流が安定する。
　その後、図６の１段目および２段目に示すように、切替信号がハイレベルからローレベルに変化すると、遅延時間Ｔ３の後に、切替部６０のリレーの接点状態は、導通状態から非導通状態に変化する。図６において横軸は時間を示す。また、図６の３段目に示すように、切替信号がハイレベルからローレベルに変化してから遅延時間Ｔ３が経過すると、コイル電流は減少し始め、減少し始めてから時間Ｔ４が経過するとコイル電流が最小となり、その後コイル電流が増加しはじめる。コイル電流が最小となってから時間Ｔ５が経過すると、コイル電流が一定の範囲に収まるようになりコイル電流が安定する。
　したがって、制御部９０が切替信号によりオフ状態からオン状態への切替えを指示したタイミング、すなわち切替信号がローレベルからハイレベルになったタイミングから、リレーがオン状態となり、コイル電流が安定するまでの時間であるＴｏｎは、Ｔ０、Ｔ１およびＴ２を加算した値となる。また、制御部９０が切替信号によりオン状態からオフ状態への切替えを指示したタイミング、すなわち切替信号がハイレベルからローレベルになったタイミングから、リレーがオフ状態となり、コイル電流が安定するまでの時間であるＴｏｆｆは、Ｔ３、Ｔ４およびＴ５を加算した値となる。
　制御部９０と切替部６０との間、または制御部９０および切替部６０の前段または後段に、ノイズフィルタ等の素子または遅延回路を追加してもよい。信号伝達に遅延時間が生じる素子または回路、内部制御回路等を追加した場合には、対応する遅延時間が、ＴｏｎおよびＴｏｆｆのうちの少なくとも１つに加算されることは言うまでもない。
　図７は、本実施の形態の切替部６０を構成するリレー６１，６２，６３の切替えタイミングの一例を示す図である。図７において、横軸は時間を示す。図７に示した例では、制御部９０はリレー６１、リレー６２、リレー６３の順に、それぞれをオフ状態からオン状態に変化させるように切替信号を生成する。図７に示した電流２１１は、切替部６０から電源回路２００へ流れる電流である電源電流を示す。電流２１１は、リレー６１がオンとなるタイミング、リレー６２がオンとなるタイミング、リレー６３がオンとなるタイミングでそれぞれいったん上昇した後に減少している。一方、破線で示した、比較例２１０は、リレー６１，６２，６３を全て同時にオフ状態からオン状態に切り替えた例を示している。リレー６１，６２，６３を全て同時にオフ状態からオン状態に切り替えると、比較例２１０のように急激に電流が増加するが、リレー６１、リレー６２、リレー６３の切替えタイミングをシフトさせることにより、電流２１１に示すように、電源電流の急激な増加を抑制する効果を得ることができる。なお、リレー６１，６２，６３を切替える順序は図７に示した例に限定されず、リレー６３、リレー６２、リレー６１の順等他の順序であってもよい。
　図８は、本実施の形態の切替部６０を構成するリレー６１，６２，６３の切替えタイミングの別の一例を示す図である。図８に示した電流２１２は、リレー６１，６２，６３のリレーのうち、リレー６１およびリレー６２の２つのリレーを同時にオフ状態からオン状態へ切り替え、リレー６３の切替えタイミングをリレー６１およびリレー６２の切替えタイミングとシフトさせた場合の電源電流を示している。このように、３つのリレーのうちの１つの切替えタイミングをシフトさせた場合でも、図７に示した例と同様に、電流２１２の急激な増加を抑制する効果を得ることができる。
　以上のように、複数の切替器のうち少なくとも１つが第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングは、他の複数の切替器が第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングと異なる。本実施の形態では、複数の切替器はリレー６１，６２，６３であり、第１の状態は、非通電状態であり、第２の状態は通電状態である。図７に示した例では、複数の切替器が第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングは、互いに重複しない。図８にした例では、複数の切替器のうち２つは第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングが同一である。
　図７および図８に例示したように、切替えタイミングをずらした切替信号を生成するために、遅延回路を用いてもよい。例えば、図７に示した動作を行う場合、制御部９０が、リレー６１に対応する切替信号を生成し、生成した切替信号をリレー６１へ出力するとともに遅延回路に出力する。遅延回路は、ローレベルからハイレベルになるタイミングを遅延させ、遅延させた切替信号をリレー６２に出力する。また、遅延させた切替信号を再度遅延回路に入力して、遅延させた切替信号をリレー６３へ出力する。すなわち、電動機駆動装置１００が、遅延回路を備え、リレー６１，６２，６３は、それぞれに対応する複数の切替信号を用いて制御され、制御部９０は、複数の切替信号のうちの１つの切替信号を生成し、他の複数の切替信号は、１つの切替信号に遅延回路により遅延が付加されることによって生成されてもよい。
　なお、整流素子３１～３４としては、ダイオード等を用いることが一般的であるが、例えばＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等を用いて、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、スイッチング素子５１～５６は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴと並列に接続された環流ダイオードとの組み合わせ、等を用いることができるが、スイッチングを行うことが可能であれば、これらに限定されずどのようなものを用いても何ら問題ない。また、ＭＯＳＦＥＴを用いる場合は、構造上寄生ダイオードを有するため敢えて環流ダイオードを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のうち少なくとも１つを構成する材料については、ケイ素（Ｓｉ）を用いることができる。整流素子３１～３４およびスイッチング素子５１～５６のうち少なくとも１つは、ワイドバンドギャップ半導体で形成されてもよい。整流素子３１～３４およびスイッチング素子５１～５６のうち少なくとも１つが、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）、ダイヤモンド等を用いたもので構成することにより、より損失を低減することが可能となる。
　また、切替部６０は、上述したように、電動機７０の巻線状態を切替えられればどのような方式を用いても良く、例えば、ａ接点およびｂ接点のリレーを組合わせて、図１に示したリレー６１，６２，６３と同等の動作が実現できるように構成してもよい。また、リレーに限定されず、コンタクタ等の電磁接触器、半導体等で形成されたスイッチング素子等で切替部６０を構成しても良く、電動機７０の巻線を切替え可能なものであればどんなものを用いても何ら問題ない。スイッチング素子を用いる場合、例えば、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子で１つの切替器を構成し、第１のスイッチング素子がオン状態で第２のスイッチング素子がオフ状態である第１の状態と、第２のスイッチング素子がオン状態で第１のスイッチング素子がオフ状態である第２の状態とを切替えることで、固定子巻線７１，７２，７３の結線状態を切替えるように構成する。ただし、半導体を用いて切替部６０を構成した場合には、オン状態とした場合に、導通損失が発生する。このため、機械式のリレー等を用いると、導通損失を低減することができ、半導体を用いた場合に比べより効率の良い電動機駆動装置１００を得ることが可能となる。
　電圧検出部８１および電流検出部８２は、図１に示す位置だけでなく、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、どの位置に設けても良いことは言うまでもない。例えば電圧検出部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、分圧された電圧を検出するようにすることで、マイコン（マイクロコンピュータ）等で検出可能な例えば５Ｖ以下の電圧に変換して検出するようにしても良い。また電流検出部８２については、図１に示した位置の替わりに、インバータ５０と電動機７０との間に電流を検出するセンサを取り付けることにより実現されてもよい。
　また、制御部９０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、マイコン等の離散システムで構成可能であるが、その他にもアナログ回路、デジタル回路等の電気回路素子等で構成してもよい。すなわち、制御部９０は処理回路に実現され、処理回路は専用ハードウェアであっても、ＣＰＵ等のプロセッサを備える処理回路であってもよい。
　図９は、プロセッサを備える処理回路の構成例を示す図である。図９は、制御部９０を実現する処理回路がプロセッサを備える処理回路である場合の該処理回路の構成例を示している。図９に示した処理回路３００は、ＣＰＵ等であるプロセッサ３０１およびメモリ３０２を備える。メモリ３０２は、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリ等が該当する。
　制御部９０が図９に示した処理回路３００により実現される場合、制御部９０を実現する機能が実現されるためのプログラムが、プロセッサ３０１により実行されることにより制御部９０の機能が実現される。メモリ３０２は、プロセッサ３０１によりプログラムが実行される際の記憶領域としても用いられる。また、制御部９０は、一部が専用のハードウェアである処理回路により実現され、残部が上述した図９に示した処理回路３００により実現されてもよい。
　本実施の形態を空気調和機に適用した場合、使用頻度の高い低回転数領域における運転をスター結線で行い、高回転数領域における運転をデルタ結線で行うことになる。上述したように、本実施の形態では、電動機７０の結線状態を切替えるためにリレー６１，６２，６３の接点状態をオン状態からオフ状態へ切替える際に、切替部６０を構成する複数の切替器であるリレー６１，６２，６３の切替えタイミングを個別に制御し、複数の切替器のうち少なくも１つの切替えタイミングを他の切替器の切替えタイミングと異ならせることで、電動機７０の結線状態の切替時に生じる電流の変動を抑制することができる。これにより、電源回路２００のレギュレーションを安定させることが可能となり、信頼性の高い電動機駆動装置１００を得ることが可能となる。
実施の形態２．
　次に、本発明にかかる実施の形態２の電動機駆動装置１００の動作について説明する。本実施の形態の電動機駆動装置１００および電動機７０の構成は、実施の形態１と同様である。以下、実施の形態１と異なる点を説明し、実施の形態１と重複する説明は省略する。
　実施の形態１においては、切替部６０を構成する複数の切替器であるリレー６１，６２，６３をオフ状態からオン状態にする切替えタイミングを、リレー６１，６２，６３のうち少なくとも１つの切替えタイミングを他と異ならせることで、電流の変動を抑制する例を説明した。
　図１０は、本実施の形態の切替部６０を構成するリレー６１，６２，６３の切替えタイミングの一例を示す図である。図１０において、横軸は時間を示す。図１０に示した例では、制御部９０はリレー６１、リレー６２、リレー６３の順に、それぞれをオン状態からオフ状態に変化させるように切替信号を生成する。図１０に示した電流２２１は、切替部６０から電源回路へ流れる電流である電源電流を示す。電流２２１は、リレー６１がオフ状態となるタイミング、リレー６２がオフ状態となるタイミング、リレー６３がオフ状態となるタイミングでそれぞれいったん低下した後に増加している。
　一方、破線で示した、比較例２２０は、リレー６１，６２，６３を全て同時にオン状態からオフ状態に切り替えた場合の電源電流を示している。リレー６１，６２，６３を全て同時にオン状態からオフ状態に切り替えると、比較例２２０のように急激に電流が変化し、これにより電源回路のトランスを介して他の２次側電源ラインにおいてレギュレーションが不安定になる可能性がある。リレー６１、リレー６２、リレー６３の切替えタイミングをシフトさせることにより、電流２２１に示すように、電源電流の急激な変化を抑制することができる。なお、リレー６１，６２，６３を切替える順序は図１０に示した例に限定されず、リレー６３、リレー６２、リレー６１の順等他の順序であってもよい。
　図１１は、本実施の形態の切替部６０を構成するリレー６１，６２，６３の切替えタイミングの別の一例を示す図である。図１１に示した電流２２２は、リレー６１，６２，６３のリレーのうち、リレー６１およびリレー６２の２つのリレーを同時にオン状態からオフ状態へ切り替え、リレー６３の切替えタイミングをリレー６１およびリレー６２の切替えタイミングとシフトさせた場合の電源電流を示している。このように、３つのリレーのうちの１つの切替えタイミングをシフトさせた場合でも、図１０に示した例と同様に、電流２２２に示すように、電源電流の急激な変動を抑制する効果を得ることができる。
　本実施の形態では、電動機７０の結線状態を切替えるためにリレー６１，６２，６３の接点状態をオフ状態からオン状態へ切替える際に、切替部６０を構成する複数の切替器であるリレー６１，６２，６３の切替えタイミングを個別制御し、複数の切替器のうち少なくも１つの切替えタイミングを他の切替器の切替えタイミングと異ならせることで、電動機７０の結線状態の切替時に生じる電流の変動を抑制することができる。これにより、電源回路のレギュレーションを安定させることが可能となり、信頼性の高い電動機駆動装置１００を得ることが可能となる。
　なお、実施の形態１で述べたオフ状態からオン状態へ切替える際の切替えタイミングのシフト、および実施の形態２で述べたオン状態からオフ状態へ切替える際の切替えタイミングのシフトのうち一方を実施することで、電動機７０の結線状態の切替時に生じる電流の変動を抑制することができるが、両方を実施してもよい。
　すなわち、複数の切替器がリレーであり、実施の形態１で述べたように、複数の切替器のうち少なくとも１つが第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングは、他の複数の切替器が第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングと異なり、第１の状態は非通電状態であり、第２の状態は通電状態であるときに、複数の切替器のうち少なくとも１つが第２の状態から第１の状態に切替わるタイミングは、他の複数の切替器が第２の状態から第１の状態に切替わるタイミングと異なってもよい。
　または、複数の切替器がリレーであり、実施の形態１で述べたように、複数の切替器のうち少なくとも１つが第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングは、他の複数の切替器が第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングと異なり、第１の状態が通電状態であり、第２の状態が非通電状態であってもよい。
実施の形態３．
　図１２は、本発明の実施の形態３の空気調和機の構成例を示す図である。本実施の形態の空気調和機は、実施の形態１で述べた電動機駆動装置１００を備える。本実施の形態の空気調和機は、実施の形態１の電動機７０を内蔵した圧縮機１０１、四方弁１０２、室外熱交換器１０３、膨張弁１０４、室内熱交換器１０５が冷媒配管１０６を介して取り付けられた冷凍サイクルを有して、セパレート形空気調和機を構成している。なお、本実施の形態の空気調和機は、実施の形態１で述べた電動機駆動装置１００の替わりに実施の形態２で述べた電動機駆動装置１００を備えてもよい。
　圧縮機１０１内部には冷媒を圧縮する圧縮機構１０７とこれを動作させる電動機７０が設けられ、圧縮機１０１から室外熱交換器１０３と室内熱交換器１０５間を冷媒が循環することで冷暖房等を行う冷凍サイクルが構成されている。なお、図１２に示した構成は、空気調和機だけでなく、冷蔵庫、冷凍庫等の冷凍サイクルを備える冷凍サイクル装置に適用可能である。
　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。
　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　リレー、７０　電動機、７１～７３　固定子巻線、８０　検出部、８１　電圧検出部、８２　電流検出部、９０　制御部、１００　電動機駆動装置、１０１　圧縮機、１０２　四方弁、１０３　室外熱交換器、１０４　膨張弁、１０５　室内熱交換器、１０６　冷媒配管、１０７　圧縮機構。

Claims (10)

  1. 　電動機に電力を印加するインバータと、
    　各々が第１の状態と第２の状態とで状態を切替えることにより、前記電動機の結線状態を切替える複数の切替器と、
    　を備え、
    　前記複数の切替器のうち少なくとも１つが前記第１の状態から前記第２の状態に切替わるタイミングは、他の前記複数の切替器が前記第１の状態から前記第２の状態に切替わるタイミングと異なることを特徴とする電動機駆動装置。
  2. 　前記複数の切替器が前記第１の状態から前記第２の状態に切替わるタイミングは、互いに重複しないことを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
  3. 　前記複数の切替器のうち２つは前記第１の状態から前記第２の状態に切替わるタイミングが同一であることを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
  4. 　前記複数の切替器の状態の切替えを制御する制御部、を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
  5. 　遅延回路を備え、
    　前記複数の切替器は、それぞれに対応する複数の切替信号を用いて制御され、
    　前記制御部は、前記複数の切替信号のうちの１つの切替信号を生成し、他の前記複数の切替信号は、前記１つの切替信号に前記遅延回路により遅延が付加されることによって生成されることを特徴とする請求項４に記載の電動機駆動装置。
  6. 　前記インバータは複数のスイッチング素子を備え、
    　前記複数のスイッチング素子のうち少なくとも１つはワイドバンドギャップ半導体で形成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
  7. 　前記複数の切替器は、各々がリレーであり、
    　前記第１の状態は非通電状態であり、前記第２の状態は通電状態であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
  8. 　前記複数の切替器のうち少なくとも１つが前記第２の状態から前記第１の状態に切替わるタイミングは、他の前記複数の切替器が前記第２の状態から前記第１の状態に切替わるタイミングと異なることを特徴とする請求項７に記載の電動機駆動装置。
  9. 　前記複数の切替器は、各々がリレーであり、
    　前記第１の状態は通電状態であり、前記第２の状態は非通電状態であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
  10. 　請求項１から９のいずれか１つに記載の電動機駆動装置と、
    　前記電動機駆動装置によって駆動される電動機と、
    　を備えることを特徴とする空気調和機。
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