WO2020179041A1

WO2020179041A1 - 電動機制御装置

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Publication number: WO2020179041A1
Application number: PCT/JP2019/008991
Authority: WO
Inventors: 潤起石崎; 康彦和田; 晃弘津村
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2019-03-07
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2020-09-10
Also published as: DE112019007002T5; US20220094284A1; JP7094435B2; US11682989B2; JPWO2020179041A1

Abstract

電動機制御装置は、第１の電動機および第２の電動機が並列に接続され、直流電圧を交流電圧に変換して第１の電動機および第２の電動機に供給する電力変換装置と、第２の電動機と電力変換装置との間に設けられた切替装置と、第１の電動機および第２の電動機に流れる電流を検出する電流検出器と、少なくとも電流検出器によって検出される電流値に基づいて電力変換装置を制御するコントローラとを有し、コントローラは、停止指令を示す通常停止信号を除く、異常発生に起因する異常停止信号が外部から入力されると、電力変換装置の動作を停止する電力制御手段と、電力変換装置の動作が停止すると、切替装置をオン状態からオフ状態に切り替える切替制御手段とを有するものである。

Description

電動機制御装置

　本発明は、２台の電動機を制御する電動機制御装置に関する。

　従来、単一のインバータに複数のモータが並列に接続され、単一のインバータで複数のモータを駆動する駆動装置の一例が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された駆動装置は、インバータと各モータとの間には、リレー等のスイッチが設けられた構成である。この駆動装置は、複数のモータを停止する際、インバータをオフ状態にするとともに複数のモータに対応する複数のスイッチをオフにする。

特開２００７－２５９５５４号公報

　しかし、特許文献１には、インバータ停止時における、スイッチのオフのタイミングが明確に開示されていない。特許文献１に開示された駆動装置では、インバータが完全に停止する前にスイッチがオフになると、複数のモータに電流が供給されている状態で、複数のモータがインバータから切り離される。この場合、複数台のモータ間に流れる電流が循環電流となってしまうことがある。循環電流は交流となる。スイッチをオフにするタイミングを誤ると、循環電流に起因してモータ内にサージが発生し、モータに設けられた永久磁石が減磁に至ってしまうおそれがある。

　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、単一の電力変換装置に並列に接続された２台の電動機の減磁を防止する電動機制御装置を提供するものである。

　本発明に係る電動機制御装置は、第１の電動機および第２の電動機が並列に接続され、直流電圧を交流電圧に変換して前記第１の電動機および前記第２の電動機に供給する電力変換装置と、前記第２の電動機と前記電力変換装置との間に設けられ、前記第２の電動機を前記電力変換装置と電気的に接続するオン状態と前記第２の電動機を前記電力変換装置と電気的に切断するオフ状態とに切り替える切替装置と、前記第１の電動機および前記第２の電動機に流れる電流を検出する電流検出器と、少なくとも前記電流検出器によって検出される電流値に基づいて、前記電力変換装置を制御するコントローラと、を有し、前記コントローラは、停止指令を示す通常停止信号を除く、異常発生に起因する異常停止信号が外部から入力されると、前記電力変換装置の動作を停止する電力制御手段と、前記電力変換装置の動作が停止すると、前記切替装置を前記オン状態から前記オフ状態に切り替える切替制御手段と、を有するものである。

　本発明によれば、異常発生時に電力変換装置の動作を停止し、電力変換装置の動作が停止した後に切替装置をオン状態からオフ状態に切り替えているため、２台の電動機間に流れる循環電流を抑制し、各電動機の減磁を防止することができる。

本発明の実施の形態１に係る電動機制御装置の一構成例を示すブロック図である。図１に示した電力変換装置の一構成例を示すブロック図である。図２に示したインバータに実行されるＰＷＭ制御の一例を示す図である。図１に示したコントローラの一構成例を示す機能ブロック図である。図１に示した電動機制御装置の動作手順を示すフローチャートである。図１に示した３相電力線に流れる相電流の一例を示す図である。図６に示した相電流の破線で示す時刻における電流方向を示す模式図である。図７に示した各相の電流を打ち消す電流方向を示す図である。図６に示した基準電流を打ち消す相電流の一例を示す図である。図９に示した相電流を生じさせるための各スイッチング素子に対する制御を示す図である。図１０に示した、各スイッチング素子へのパルス出力の一例を示す拡大図である。図２に示した負極側のスイッチング素子をオン状態にしたときの相電流の電流方向を示す模式図である。図１に示した電動機の回転を減速させるための各スイッチング素子に対する制御を示す図である。本発明の実施の形態２に係る電動機制御装置の一構成例を示すブロック図である。図１４に示す電力変換装置の一構成例を示すブロック図である。

実施の形態１．
　本実施の形態１の電動機制御装置は、単一のインバータが複数台の電動機を駆動させる構成において、リレー等の切替装置を用いて、駆動する電動機の台数の切替制御を行うものである。

　本実施の形態１の電動機制御装置の構成を説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る電動機制御装置の一構成例を示すブロック図である。電動機制御装置３０は、電源６に接続される電力変換装置２０と、電力変換装置２０の動作を制御するコントローラ７とを有する。電動機制御装置３０の制御対象となる第１の電動機１および第２の電動機２が電力変換装置２０に並列に接続されている。本実施の形態１では、電源６は、電力変換装置２０を介して、第１の電動機１および第２の電動機２に電力を供給する直流電圧電源である。以下では、説明の便宜上、第１の電動機１および第２の電動機２のうち、いずれか１台の電動機を指すとき、単に電動機と称する。

　第１の電動機１は３相電力線１１を介して電力変換装置２０と接続されている。３相電力線１１の途中で３相電力線１２が分岐して第２の電動機２と接続されている。第２の電動機２は、３相電力線１２および３相電力線１１を介して電力変換装置２０と接続されている。

　第１の電動機１および第２の電動機２のそれぞれは、図に示さない回転子および固定子を有する。固定子は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３相の巻線を有する。回転子には永久磁石が設けられている。電力変換装置２０から各電動機に印加される３相電圧にしたがって巻線に電流が流れることで、固定子は、回転子の周囲に回転磁界を発生させる。

　図１に示す構成例では、第１の電動機１には第１のファン３が取り付けられ、第２の電動機２には第２のファン４が取り付けられている。第１の電動機１および第２の電動機２は、例えば、空気調和装置に設けられた送風システムの一部を構成する。

　電動機制御装置３０には、第１の電動機１の巻線に流れる３相電流Ｉｕｖｗ１を検出する第１の電流センサ９と、第２の電動機２の巻線に流れる３相電流Ｉｕｖｗ２を検出する第２の電流センサ１０とからなる電流検出器４０が設けられている。第１の電流センサ９および第２の電流センサ１０は、例えば、ホール素子型電流センサである。ホール素子型電流センサは、測定対象の電流によって発生する磁束を電圧に変換する。ホール素子型電流センサから出力される電圧は測定対象の電流に対応する値に相当する。第１の電流センサ９および第２の電流センサ１０は、信号線を介してコントローラ７と接続されている。第１の電流センサ９および第２の電流センサ１０は、検出する電流値を、信号線を介してコントローラ７に送信する。

　本実施の形態１では、図１に示すように、３相電力線１２に切替装置８が設けられている。切替装置８は信号線を介してコントローラ７と接続されている。切替装置８は、コントローラ７から受信する切替指示信号ＳＷにしたがって、第２の電動機２を電力変換装置２０と電気的に接続するオン状態と、第２の電動機２を電力変換装置２０と電気的に切断するオフ状態との２つの状態を相互に切り替える。切替装置８は、例えば、リレーである。

　コントローラ７は、上位制御部１３および電力変換装置２０と信号線を介して接続されている。上位制御部１３は、信号系統において、コントローラ７の上流側に位置する。上位制御部１３は、コントローラ７に指令を出す制御装置である。指令は、例えば、電動機の回転速度の指令値である速度指令値ω_ｒｅｆ、および電動機の回転の停止を指示する停止指令などである。上位制御部１３は、コントローラ７に停止指令を出す場合、停止指令を示す通常停止信号をコントローラ７に送信する。上位制御部１３は、例えば、図に示さないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）およびメモリを有する構成である。メモリはプログラムを記憶し、ＣＰＵはメモリが記憶するプログラムにしたがって処理を実行する。

　上位制御部１３には、電力変換装置２０における異常発生の有無を判定する判定処理部１３１を有する。切替装置８がオン状態である場合に、電力変換装置２０に異常が発生して動作が停止すると、第１の電動機１と第２の電動機２との間に循環電流が発生してしまうため、異常の有無を判定することは重要である。判定処理部１３１は、電力変換装置２０に異常が発生したと判定すると、異常停止に起因して停止を指示する異常停止信号をコントローラ７に送信する。

　図１に示すブロック図では、コントローラ７および上位制御部１３を別々の構成で示しているが、これらの構成が１つの制御基板に設けられていてもよい。この場合、第１の電流センサ９および第２の電流センサ１０が検出する電流値を含む電流検出情報が判定処理部１３１に入力されてもよい。また、第１の電動機１および第２の電動機２への電力供給に関する回路全体における、配線接続の正誤情報、通信の正常および異常に関する通信接続情報、ならびに母線電圧の変動に関する母線電圧情報が判定処理部１３１に入力されてもよい。判定処理部１３１は、これらの入力情報を用いて、電力変換装置２０だけでなく、第１の電動機１および第２の電動機２への電力供給に関する回路全体について、異常発生の有無を判定してもよい。

　図１に示した電力変換装置２０の構成を説明する。図２は、図１に示した電力変換装置の一構成例を示すブロック図である。電力変換装置２０は、電源６から出力される直流電圧を３相交流電圧に変換するインバータ５を有する。インバータ５は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３相に対応して、一対のスイッチング素子を３組備えている。

　具体的には、インバータ５は、Ｕ相に関して、電源６の正極側に接続されるスイッチング素子５１と、電源６の負極側に接続されるスイッチング素子５２とを有する。スイッチング素子５１には逆流防止素子６１が並列に接続され、スイッチング素子５２には逆流防止素子６２が並列に接続されている。また、インバータ５は、Ｖ相に関して、電源６の正極側に接続されるスイッチング素子５３と、電源６の負極側に接続されるスイッチング素子５４とを有する。スイッチング素子５３に逆流防止素子６３が並列に接続され、スイッチング素子５４に逆流防止素子６４が並列に接続されている。インバータ５は、Ｗ相に関して、電源６の正極側に接続されるスイッチング素子５５と、電源６の負極側に接続されるスイッチング素子５６とを有する。スイッチング素子５５に逆流防止素子６５が並列に接続され、スイッチング素子５６に逆流防止素子６６が並列に接続されている。

　図２において、ＵｐはＵ相の正極側のスイッチング素子５１を示し、ＵｎはＵ相の負極側のスイッチング素子５２を示す。ＶｐはＶ相の正極側のスイッチング素子５３を示し、ＶｎはＶ相の負極側のスイッチング素子５４を示す。ＷｐはＷ相の正極側のスイッチング素子５５を示し、ＷｎはＷ相の負極側のスイッチング素子５６を示す。

　インバータ５には、コントローラ７から３相電圧指令値Ｖｕｖｗ＿ｒｅｆが入力される。インバータ５は、３相電圧指令値Ｖｕｖｗ＿ｒｅｆの波形とキャリア波とを比較し、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御による電力変換を行う。インバータ５は、電源６の直流電圧を３相の交流電圧に変換した電力を、第１の電動機１および第２の電動機２の両方、または第１の電動機１に供給する。

　図３は、図２に示したインバータに実行されるＰＷＭ制御の一例を示す図である。図３の上段の縦軸は３相のスイッチング素子に入力されるパルス出力を示し、下段の縦軸は３相の電流値を示す。図３の横軸は時間である。ＰＷＭ制御は、スイッチング素子のオン状態の時間幅率を示すデューティ比Ｄｒを周期Ｔ毎に変化させることで、電動機に最適な電圧を供給する制御である。図３の上段と下段とを見比べると、上段に示すパルス出力の時系列変化においてデューティ比Ｄｒが大きいほど、下段に示す電流値が大きくなっていることがわかる。

　ここで、スイッチング素子５１～５６および逆流防止素子６１～６６を構成する材料の具体例を説明する。スイッチング素子５１～５６および逆流防止素子６１～６６の基板材料として、珪素（Ｓｉ）を材料とする半導体を用いることが考えられる。スイッチング素子５１～５６および逆流防止素子６１～６６の基板材料として、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）系およびダイヤモンドなどに代表される半導体を材料とするワイドバンドギャップ半導体を用いてもよい。

　ワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子５１～５６および逆流防止素子６１～６６は、耐電圧性および許容電流がともに高いので、素子の小型化を図ることができる。小型化されたスイッチング素子５１～５６および逆流防止素子６１～６６を用いることで、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールを小型化できる。また、ワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子５１～５６および逆流防止素子６１～６６は耐熱性も高い。そのため、インバータ５の放熱に必要な冷却機構を小型化できる。冷却機構とは、例えば、放熱フィンおよび水冷機構などである。また、例えば、冷却方式を水冷方式よりも構造が簡素な空冷方式に変更するなど、冷却方式を簡素化できる。そのため、スイッチング素子５１～５６および逆流防止素子６１～６６を組み込んだ半導体モジュールを、さらに小型化することができる。

　さらに、ワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子５１～５６および逆流防止素子６１～６６は、電力損失が低く、電力変換効率が向上する。このため、高い変換効率で第１の電動機１または第２の電動機２を駆動させることができる。スイッチング素子５１～５６および逆流防止素子６１～６６の両方がワイドバンドギャップ半導体を用いて形成されていることが望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体を用いて形成されていてもよい。

　なお、図１に示す構成において、電源６は電動機制御装置３０に設けられていなくてもよい。また、電源６は直流電圧電源に限らない。電源６は、例えば、３相の交流電圧電源であってもよい。この場合、電力変換装置２０は、３相の交流電圧電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換してインバータ５に出力するダイオード整流回路をさらに有していてもよい。また、本実施の形態１では、電力変換装置２０は主要な構成としてインバータ５以外の構成を有していないため、以下では、電力変換装置２０がインバータ５の場合で説明する。

　続いて、図１に示したコントローラ７の構成を説明する。図４は、図１に示したコントローラの一構成例を示す機能ブロック図である。図１に示すように、コントローラ７は、プログラムを記憶するメモリ７２と、プログラムにしたがって処理を実行するＣＰＵ７１とを有する。図４に示すように、コントローラ７は、インバータ５の出力を制御する電力制御手段７３と、切替装置８を制御する切替制御手段７４とを有する。ＣＰＵ７１がプログラムを実行することで、電力制御手段７３および切替制御手段７４が構成される。

　メモリ７２は、切替装置８の状態切り替えの判定基準として、第１の閾値Ｉｔｈ１および第２の閾値Ｉｔｈ２を記憶する。第１の閾値Ｉｔｈ１は、切替装置８に負担がかからない電流値であり、切替装置８を安全にオン状態からオフ状態に切り替えられる値である。第２の閾値Ｉｔｈ２は、電動機の永久磁石を減磁させる減磁レベルに近い値であり、切替装置に負担がかかる値である。第２の閾値Ｉｔｈ２は、電動機の決められた減磁レベルと電流の変化率とに基づいて算出された値に設定される。第２の閾値Ｉｔｈ２は第１の閾値Ｉｔｈｅ１よりも大きい値である。

　電力制御手段７３は、速度指令値ω_ｒｅｆが上位制御部１３から入力され、３相電流Ｉｕｖｗ１を示す電流値が第１の電流センサ９から入力され、３相電流Ｉｕｖｗ２を示す電流値が第２の電流センサ１０から入力される。電力制御手段７３は、速度指令値ω_ｒｅｆ、３相電流Ｉｕｖｗ１および３相電流Ｉｕｖｗ２に基づいて３相電圧指令値Ｖｕｖｗ＿ｒｅｆを生成する。電力制御手段７３は、３相電圧指令値Ｖｕｖｗ＿ｒｅｆをインバータ５に出力して、インバータ５に対してＰＷＭ制御を行う。

　また、電力制御手段７３は、停止指令による通常停止信号が上位制御部１３から入力されると、各電動機に流れる電流を打ち消すように電力変換装置２０を制御するゼロ電流制御を行う。ゼロ電流制御とは、第１の電流センサ９および第２の電流センサ１０のうち、少なくとも一方の電流センサによって検出された電流値を基に、各電動機に流れる電流を打ち消すパルス出力の指令をインバータ５に出力する制御である。インバータ５がゼロ電流制御にしたがって第１の電動機１および第２の電動機２に電力を供給することで、３相電力線１１および３相電力線１２を介して２つの電動機間に流れる循環電流量が抑制される。このようにして、２つの電動機が通常停止する場合、２つの電動機が減磁されることを防げる。

　電力制御手段７３は、ゼロ電流制御を行った後、第２の電流センサ１０によって検出される電流値が第１の閾値Ｉｔｈ１以下である場合、インバータ５の動作を停止する。一方、電力制御手段７３は、停止指令を示す通常停止信号を除く、異常発生に起因する異常停止信号が上位制御部１３から入力されると、第１の電動機１および第２の電動機の減磁を防止することを優先するために、インバータ５の動作を停止する。

　切替制御手段７４は、電力制御手段７３がインバータ５に対して行う制御に連動して、切替装置８に切替指示信号ＳＷを出力する。切替指示信号ＳＷは、切替装置８に対して、オフ状態からオン状態への切り替えを指示する信号、またはオン状態からオフ状態への切り替えを指示する信号である。

　切替制御手段７４は、電力制御手段７３がゼロ電流制御を行った後、第２の電流センサ１０によって検出される電流値が第１の閾値Ｉｔｈ１以下になると、オン状態からオフ状態への切り替えを指示する切替指示信号ＳＷを切替装置８に送信する。これは、切替装置８がダメージを受けずに、安全にオフ状態に切り替えるためである。

　切替制御手段７４は、異常発生により電力制御手段７３がインバータ５の動作を停止すると、第２の電流センサ１０によって検出される電流値が第２の閾値Ｉｔｈ２以上でも、オン状態からオフ状態への切り替えを指示する切替指示信号ＳＷを切替装置８に送信する。この場合、減磁レベルに近い大きな電流が切替装置８に流れているため、切替装置８がダメージを受け、切替装置８が故障に至ってしまうおそれがある。そのような場合であっても、切替装置８をオフ状態にすることで、２つの電動機間に大きな循環電流が流れることが阻止される。その結果、２つの電動機のうち、いずれか一方の電動機に設けられた永久磁石が減磁してしまうことを防げる。

　なお、本実施の形態１では、コントローラ７がインバータ５、切替装置８、上位制御部および電流検出器４０と有線で通信する場合で説明したが、コントローラ７はこれらの機器およびセンサと無線で通信してもよい。また、上位制御部１３とコントローラ７とが一体に構成されていてもよい。例えば、コントローラ７が上位制御部１３の機能も備えていてもよい。

　次に、図１に示した電動機制御装置３０の動作を説明する。図５は、図１に示した電動機制御装置の動作手順を示すフローチャートである。初期段階として、切替装置８がオン状態であり、電力変換装置２０が第１の電動機１および第２の電動機２の両方に電力を供給している場合で説明する。また、第２の電流センサ１０が切替装置８に流れる電流を検出しているため、第２の電流センサ１０が検出する３相電流Ｉｕｖｗ２を電流値Ｉｄとし、コントローラ７が電流値Ｉｄに基づいて制御する場合で説明する。コントローラ７が制御の判定に用いる電流値は、第１の電流センサ９が検出する３相電流Ｉｕｖｗ１であってもよい。

　コントローラ７は、上位制御部１３から異常停止信号および通常停止信号を受信するか否かを判定する（ステップＳ１０１およびＳ１０２）。コントローラ７は、通常停止信号および異常停止信号のいずれの信号も受信しない場合、ステップＳ１０１に戻り、上位制御部１３から受け取る指令の監視を継続する。

　一方、コントローラ７が、ステップＳ１０１において異常停止信号を上位制御部１３から受信しないが、ステップＳ１０２で通常停止信号を上位制御部１３から受信すると、電力制御手段７３はインバータ５に対してゼロ電流制御を行う（ステップＳ１０３）。電力制御手段７３がゼロ電流制御を行った後、切替制御手段７４は、第２の電流センサ１０によって検出された電流値Ｉｄが第１の閾値Ｉｔｈ１以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。電流値Ｉｄが第１の閾値Ｉｔｈ１以下である場合、切替制御手段７４は、オン状態からオフ状態への切り替えを指示する切替指示信号ＳＷを切替装置８に送信する（ステップＳ１０５）。続いて、電力制御手段７３はインバータ５の動作を停止する（ステップＳ１０６）。

　一方、ステップＳ１０４の判定の結果、電流値Ｉｄが第１の閾値Ｉｔｈ１よりも大きい場合、電力制御手段７３は、ステップＳ１０３に戻り、再度、インバータ５にゼロ電流制御を行う。電流値Ｉｄが第１の閾値Ｉｔｈ１以下になるまで、電力制御手段７３は、ステップＳ１０３の処理を繰り返す。

　ここで、ゼロ電流制御の具体例を、図６～図１１を参照して説明する。図６は、図１に示した３相電力線に流れる相電流の一例を示す図である。図６の縦軸は相電流であり、横軸は時間である。横軸は位相θとしてもよい。図７は、図６に示した相電流の破線で示す時刻における電流方向を示す模式図である。図６の破線で示す時刻における電流を、ゼロ電流制御で打ち消す対象となる基準電流とする。図７には、インバータ５の動作時に各相に流れる電流方向を破線の矢印で示している。ゼロ電流制御を行って、図７に示す電流方向と逆方向に電流を流し、かつ、図６に示す基準電流を打ち消すことを説明する。

　図８は、図７に示した各相の電流を打ち消す電流方向を示す図である。図９は、図６に示した基準電流を打ち消す相電流の一例を示す図である。図９の縦軸は相電流であり、横軸は時間である。横軸は位相θとしてもよい。図７と図８とを比較すると、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相の電流方向が互いに逆方向になっていることがわかる。図９において、時間ｔ０は電動機の回転に対してブレーキを開始する時間である。図９では、各スイッチング素子に対する制御を説明するために、時間を時間ｔ０から時間ｔ６に至るまで、複数の時間間隔に区切っている。ゼロ電流制御は電動機に流れる電流を打ち消すため、図９に示すように、時間経過に伴って、各相に流れる電流がゼロアンペアに収束する。

　図１０は、図９に示した相電流を生じさせるための各スイッチング素子に対する制御を示す図である。図１０の横軸は時間である。図１０の縦軸は、スイッチング素子５１～５６へのパルス出力と、切替装置８の状態とを示す。図１１は、図１０に示した、各スイッチング素子へのパルス出力の一例を示す拡大図である。各スイッチング素子へのパルス出力は波形が細かく、図に示せないため、図１０では、簡略化して矩形状に表示している。図１０には示していないが、各スイッチング素子のパルス出力の波形は、図１１に示すように、流れる電流の大きさに比例してデューティ比Ｄｒが大きくなる波形になっている。

　図９を参照すると、時間ｔ０から時間ｔ１では、Ｕ相電流（＞０）、Ｖ相電流（＜０）およびＷ相電流（＜０）が電動機に流れている。そのため、電力制御手段７３は、図１０に示すように、Ｕ相電流（＜０）、Ｖ相電流（＞０）およびＷ相電流（＞０）となるようにインバータ５を制御する。時間ｔ１から時間ｔ２では、Ｕ相電流（＞０）、Ｖ相電流（＞０）およびＷ相電流（＜０）が電動機に流れているため、電力制御手段７３は、Ｕ相電流（＜０）、Ｖ相電流（＜０）およびＷ相電流（＞０）となるようにインバータ５を制御する。

　時間ｔ２から時間ｔ３では、Ｕ相電流（＜０）、Ｖ相電流（＞０）およびＷ相電流（＜０）が電動機に流れているため、電力制御手段７３は、Ｕ相電流（＞０）、Ｖ相電流（＜０）およびＷ相電流（＞０）となるようにインバータ５を制御する。時間ｔ３から時間ｔ４では、Ｕ相電流（＜０）、Ｖ相電流（＞０）およびＷ相電流（＞０）が電動機に流れているため、電力制御手段７３は、Ｕ相電流（＞０）、Ｖ相電流（＜０）およびＷ相電流（＜０）となるようにインバータ５を制御する。

　時間ｔ４から時間ｔ５では、Ｕ相電流（＜０）、Ｖ相電流（＜０）およびＷ相電流（＞０）が電動機に流れているため、電力制御手段７３は、Ｕ相電流（＞０）、Ｖ相電流（＞０）およびＷ相電流（＜０）となるようにインバータ５を制御する。時間ｔ５から時間ｔ６では、Ｕ相電流（＞０）、Ｖ相電流（＜０）およびＷ相電流（＝０）が電動機に流れているため、電力制御手段７３は、Ｕ相電流（＜０）、Ｖ相電流（＞０）およびＷ相電流（＝０）となるようにインバータ５を制御する。そして、図１０に示すように、時間ｔ６では、Ｕ相電流、Ｖ相電流およびＷ相電流がゼロアンペアになり、切替制御手段７４が切替装置８をオン状態からオフ状態に切り替えている。

　図５に示したステップＳ１０１の判定において、電力制御手段７３は、異常停止信号を上位制御部１３から受信すると、インバータ５の動作を停止する（ステップＳ１０７）。インバータ５の動作が停止した後、電力制御手段７３および切替制御手段７４は、電流値Ｉｄが第２の閾値Ｉｔｈ２以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。ステップＳ１０８において、電流値Ｉｄが第２の閾値Ｉｔｈ２以上である場合、切替制御手段７４は、オン状態からオフ状態への切り替えを指示する切替指示信号ＳＷを切替装置８に送信する（ステップＳ１０９）。これは、切替装置８には負担がかかるが、電動機の減磁を防ぐことを優先するためである。

　ステップＳ１０８の判定で用いられる第２の閾値Ｉｔｈ２は、電動機の減磁レベルと電流の変化率とに基づいて算出されている。そのため、第２の閾値Ｉｔｈ２は、電流の変化率が大きいとき、減磁レベルと第２の閾値Ｉｔｈ２とのマージンが広くなり、逆に電流の変化率が小さいとき、減磁レベルと第２の閾値Ｉｔｈ２とのマージンが狭くなるように、設定されることが望ましい。また、第２の閾値Ｉｔｈ２は、切替装置８がオン状態からオフ状態に切り替わる際に１０［ｍｓ］程度の時間を要することも考慮した上で、減磁レベルと電流の変化率とに基づいて算出されることが望ましい。

　一方、ステップＳ１０８の判定において、電流値Ｉｄが第２の閾値Ｉｔｈ２未満である場合、電力制御手段７３は、３相の正極側または負極側の３つのスイッチング素子をオン状態に維持するオン維持制御を行う（ステップＳ１１０）。これは、第１の電動機１および第２の電動機２の回転を減速させ、３相電力線１１および３相電力線１２に流れる循環電流量を抑制するためである。ここでは、電力制御手段７３は、負極側のスイッチング素子５２、５４および５６に対してオン維持制御を行ったものとする。

　電力制御手段７３および切替制御手段７４は、電力制御手段７３が負極側のスイッチング素子５２、５４および５６がオン状態になってからの経過時間Ｔｐが一定時間Ｔｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１１）。経過時間Ｔｐが一定時間Ｔｔｈになると、電力制御手段７３はスイッチング素子５２、５４および５６をオフ状態にする。また、経過時間Ｔｐが一定時間Ｔｔｈになると、切替制御手段７４は、電動機の回転が十分に減速したと判断し、ステップＳ１０９の処理に進み、切替装置８をオン状態からオフ状態に切り替える。

　ここで、負極側のスイッチング素子５２、５４および５６について、オン状態に維持するオン維持制御の具体例を、図１２および図１３を参照して説明する。図１２は、図２に示した負極側のスイッチング素子をオン状態にしたときの相電流の電流方向を示す模式図である。図１３は、図１に示した電動機の回転を減速させるための各スイッチング素子に対する制御を示す図である。図１３の横軸は時間である。図１３の縦軸は、スイッチング素子５１～５６へのパルス出力と、切替装置８の状態とを示す。

　図１３において、時間ｔ０は電動機の回転に対してブレーキを開始する時間である。図１３に示すように、電力制御手段７３は、正極側のスイッチング素子５１、５３および５５へのパルスをオフ状態とする。時間ｔ０から時間ｔ１まで、電力制御手段７３は、負極側のスイッチング素子５２、５４および５６に対してパルスを出力する。時間ｔ１になると、電力制御手段７３は、負極側のスイッチング素子５２、５４および５６を全てオン状態に維持する。正極側のスイッチング素子５１、５３および５５がオフ状態を維持し、負極側のスイッチング素子５２、５４および５６がオン状態を維持する。これにより、電動機に電流が供給されないが、電動機から電流が流れ出る状態が維持される。時間経過に伴って、電動機に流れる電流が少しずつ小さくなり、電動機の回転が減速する。

　時間ｔ２になると、電力制御手段７３は負極側のスイッチング素子５２、５４および５６の全てをオフ状態に切り替える。時間ｔ２において、切替制御手段７４は、切替装置８をオン状態からオフ状態に切り替える。ここでは、負極側のスイッチング素子５２、５４および５６に対してオン維持制御を行う場合で説明したが、正極側のスイッチング素子５２、５４および５６に対してオン維持制御を行ってもよい。この場合、電力制御手段７３は、一旦、負極側のスイッチング素子５２、５４および５６を全てオン状態にして正極側のスイッチング素子５１、５３および５５のエミッタ電極の電圧が同じになるようにしてから、オン維持制御を行えばよい。

　本実施の形態１では、電動機の減磁レベルを考慮した判定基準として第２の閾値Ｉｔｈ２が設定されている。コントローラ７は、図５を参照して説明したように、電動機への電力供給系統に異常が発生し、電動機に流れる電流値Ｉｄが第２の閾値Ｉｔｈ２以上である場合、切替装置８を第２の電動機２から切り離す。これにより、異常時に電動機に減磁が発生することを防ぐことができる。

　また、本実施の形態１では、切替装置８のダメージを考慮した判定基準として第１の閾値Ｉｔｈ１が設定されている。コントローラ７は、図５を参照して説明したように、停止指令による通常停止時、第１の閾値Ｉｔｈ１を用いて、第２の電動機２からの切替装置８の切り離しのタイミングを制御している。そのため、切り離しによる切替装置８へのストレスを低減でき、切替装置８の寿命が短くなることを抑制できる。また、電動機への電力供給系統に異常が発生した際、電動機に流れる電流値Ｉｄが第２の閾値Ｉｔｈ２未満である場合、コントローラ７は、電動機の回転を減速して切替装置８の切り離しのタイミングを制御している。電動機の回転を減速することで、より早く切替装置８に流れる電流を小さくすることができる。

　通常、切替装置８に大きな電流が流れているとき、切替装置８は、オン状態からオフ状態に切り替えられると、寿命が短くなってしまう。これに対して、本実施の形態１では、コントローラ７がゼロ電流制御またはオン維持制御を行うことで、３相電力線１１および３相電力線１２に流れる循環電流量を抑制できる。その結果、コントローラ７は、安全かつ迅速に切替装置８をオン状態からオフ状態に切り替えることができる。

　なお、図５のステップＳ１０７において、インバータ５を停止する際、電力制御手段７３は、第１の電流センサ９および第２の電流センサ１０のうち、少なくとも一方のセンサによって検出される電流値に基づいて、インバータ５の停止タイミングを決定してもよい。また、ステップＳ１１１において、切替制御手段７４は、切替装置８へのダメージ抑制を目的として、経過時間Ｔｐで判定したが、電流値Ｉｄが第１の閾値Ｉｔｈ１以下か否か（ステップＳ１０４）の判定を行ってもよい。

　また、図５に示したステップＳ１０７において、インバータ５の動作が停止しても、第１の電動機１および第２の電動機２は慣性力で回転するが、空気抵抗によって慣性力が時間経過に伴って小さくなった後、停止に至る。第１の電動機１および第２の電動機２が空気調和装置の室外機に設けられている場合、室外に吹く風の力が強いと、風の力で第１のファン３および第２のファン４が回転することで、第１の電動機１および第２の電動機２が回転することがある。この場合、風の力で第１の電動機１および第２の電動機２は循環電流を打ち消す方向、または循環電流を増やす方向に回転する。本実施の形態１では、風の影響で第１の電動機１および第２の電動機２が回転してしまう場合でも、コントローラ７は、電動機に流れる電流値に基づいて、風の影響も考慮して、切替装置８を第２の電動機２から安全に切り離すことができる。

　本実施の形態１の電動機制御装置３０は、２台の電動機が並列に接続された電力変換装置２０と、第２の電動機２と電力変換装置２０との間に設けられた切替装置８と、２台の電動機に流れる電流を検出する電流検出器４０と、コントローラ７とを有する。コントローラ７は、電力制御手段７３および切替制御手段７４を有する。電力制御手段７３は、停止指令以外の異常発生に起因する停止信号が外部から入力されると、電力変換装置２０の動作を停止する。切替制御手段７４は、電力変換装置２０の動作が停止すると、切替装置８をオフ状態に切り替える。

　本実施の形態１によれば、コントローラ７は、電動機への電力供給系統に異常が発生するなどの異常発生時に電力変換装置２０の動作を停止し、電力変換装置２０の動作が停止した後に切替装置８をオン状態からオフ状態に切り替える。そのため、第１の電動機１および第２の電動機２の間に流れる循環電流を抑制し、第１の電動機１および第２の電動機２に設けられた永久磁石の減磁を防止することができる。

　また、本実施の形態１では、コントローラ７は、停止指令による通常停止時、切替装置８のダメージを考慮した第１の閾値Ｉｔｈ１を判定基準として、切替装置８の切り離しのタイミングを制御している。そのため、切り離しによる切替装置８へのストレスを低減でき、切替装置８の長寿命化を図ることができる。

　また、本実施の形態１では、異常発生時に、コントローラ７は、電流検出器４０によって検出される電流値が減磁レベルを考慮した判定基準である第２の閾値Ｉｔｈ２以上である場合、切替装置８をオン状態からオフ状態に切り替える。これにより、第１の電動機１および第２の電動機２の間に流れる循環電流がより確実に抑制され、第１の電動機１および第２の電動機２に設けられた永久磁石の減磁を防止できる。また、異常発生時に、コントローラ７は、電流検出器４０によって検出される電流値が第２の閾値Ｉｔｈ２未満である場合、電動機の回転を減速して切替装置８の切り離しのタイミングを制御している。電動機の回転を減速することで、切替装置８に流れる電流がより早く小さくなり、安全かつ迅速に切替装置８をオン状態からオフ状態に切り替えることができる。その結果、循環電流が抑制されることで減磁を防止できるだけでなく、切替装置８が故障に至ることを防げる。その結果、切替装置８の交換が不要となり、第２の電動機２をより短期間で再起動することができる。

実施の形態２．
　本実施の形態２は、電流検出器が実施の形態１とは異なる構成である。本実施の形態２では、実施の形態１と同様な構成について同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

　本実施の形態２の電動機制御装置の構成を説明する。図１４は、本発明の実施の形態２に係る電動機制御装置の一構成例を示すブロック図である。図１５は、図１４に示す電力変換装置の一構成例を示すブロック図である。図１４および図１５に示すように、電動機制御装置３０ａでは、図１に示した電流検出器４０の代わりに、電流検出器４０ａが電力変換装置２０ａに設けられている。図１５に示すように、電流検出器４０ａは、シャント抵抗４１～４３を有する。

　シャント抵抗４１～４３は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相に流れる電流に対応する電圧降下を検出する電流検出素子としての役目を果たす抵抗素子である。シャント抵抗４１は、電源６の負極とスイッチング素子５２との間に接続されている。シャント抵抗４２は、電源６の負極とスイッチング素子５４との間に接続されている。シャント抵抗４３は、電源６の負極とスイッチング素子５６との間に接続されている。

　電流検出器４０ａは、Ｕ相に流れる電流に対応する検出値として、シャント抵抗４１に電流が流れることで生じる降下電圧ｄＶｕを検出する。電流検出器４０ａは、Ｖ相に流れる電流に対応する検出値として、シャント抵抗４２に電流が流れることで生じる降下電圧ｄＶｖを検出する。電流検出器４０ａは、Ｗ相に流れる電流に対応する検出値として、シャント抵抗４３に電流が流れることで生じる降下電圧ｄＶｗを検出する。電流検出器４０ａは、検出された各相の降下電圧ｄＶｕ、ｄＶｖおよびｄＶｗを合算して合計降下電圧Ｖｓｕｍを算出し、合計降下電圧Ｖｓｕｍをコントローラ７に送信する。コントローラ７は、合計降下電圧Ｖｓｕｍから電動機に流れる電流を算出する。

　なお、図１５では、シャント抵抗４１～４３が、スイッチング素子５２、５４および５６と電源６の負極との間に設けられる場合を示しているが、スイッチング素子５１、５３および５５と電源６の正極との間に設けられていてもよい。また、本実施の形態２の電動機制御装置３０ａの動作については、実施の形態１で説明した動作と同様になるため、その詳細な説明を省略する。

　本実施の形態２によれば、電動機に流れる電流を検出するセンサとして第１の電流センサ９および第２の電流センサ１０を設けなくても、電流検出素子としてシャント抵抗４１～４３を含む電流検出器４０ａを、インバータ５が設けられる基板に実装できる。そのため、電動機制御装置の製造コストを安価に抑えることができる。

　また、３相の電流に対応してシャント抵抗４１～４３を設けることで、いずれか１つのシャント抵抗が過電流等に起因して破壊されたとしても、電流検出器４０ａは、残りの２つのシャント抵抗による合計降下電圧をコントローラ７に提供できる。コントローラ７は、電流検出器４０ａから受信する合計降下電圧に基づいて、検出できない相電流を他の２つの相電流を用いて補間処理することで、インバータ５の制御を維持できる。

　なお、上述の実施の形態１および２では、第１の電動機１および第２の電動機２のそれぞれにファンが取り付けられた構成の場合で説明したが、電動機に接続される構成はファンに限らない。ファン以外の機器が接続される電動機を制御対象としてもよく、ファン以外の機器が接続される電動機を駆動させる技術に実施の形態１および２を適用してもよい。また、実施の形態１および２では、１台のインバータ５に対して２台の電動機が並列に接続される構成の場合で説明したが、接続される電動機の台数は２台に限らない。インバータ５に３台以上の電動機が並列に接続されてもよい。

　例えば、Ｎを３以上の整数としたとき、Ｎ台の電動機を制御対象とする電動機制御装置の場合を説明する。この場合、１台を第１の電動機１とし、残りの（Ｎ－１）台を第２の電動機２とする。そして、電動機制御装置には、第２の電動機２の台数に対応して、（Ｎ－１）台の切替装置８が設けられる。このような構成においても、電動機制御装置は、電力変換装置２０および各切替装置８に対して、実施の形態１および２で説明した制御と同様に制御を行うことができる。

　１　第１の電動機、２　第２の電動機、３　第１のファン、４　第２のファン、５　インバータ、６　電源、７　コントローラ、８　切替装置、９　第１の電流センサ、１０　第２の電流センサ、１３　上位制御部、２０、２０ａ　電力変換装置、３０、３０ａ　電動機制御装置、４０、４０ａ　電流検出器、４１～４３　シャント抵抗、５１～５６　スイッチング素子、６１～６６　逆流防止素子、７１　ＣＰＵ、７２　メモリ、７３　電力制御手段、７４　切替制御手段、１３１　判定処理部。

Claims

　第１の電動機および第２の電動機が並列に接続され、直流電圧を交流電圧に変換して前記第１の電動機および前記第２の電動機に供給する電力変換装置と、
　前記第２の電動機と前記電力変換装置との間に設けられ、前記第２の電動機を前記電力変換装置と電気的に接続するオン状態と前記第２の電動機を前記電力変換装置と電気的に切断するオフ状態とに切り替える切替装置と、
　前記第１の電動機および前記第２の電動機に流れる電流を検出する電流検出器と、
　少なくとも前記電流検出器によって検出される電流値に基づいて、前記電力変換装置を制御するコントローラと、を有し、
　前記コントローラは、
　停止指令を示す通常停止信号を除く、異常発生に起因する異常停止信号が外部から入力されると、前記電力変換装置の動作を停止する電力制御手段と、
　前記電力変換装置の動作が停止すると、前記切替装置を前記オン状態から前記オフ状態に切り替える切替制御手段と、
を有する電動機制御装置。
　前記電力制御手段は、
　前記通常停止信号が外部から入力されると、前記電流検出器によって検出される電流を打ち消すように前記電力変換装置を制御するゼロ電流制御を実行し、前記電流検出器によって検出される電流値が決められた第１の閾値以下になると、前記電力変換装置の動作を停止し、
　前記切替制御手段は、
　前記ゼロ電流制御が実行された後、前記電流検出器によって検出される電流値が前記第１の閾値以下になると、前記切替装置を前記オン状態から前記オフ状態に切り替える、請求項１に記載の電動機制御装置。
　前記切替制御手段は、
　前記電力変換装置の動作が停止した後、前記電流検出器によって検出される電流値が決められた第２の閾値以上である場合、前記切替装置を前記オン状態から前記オフ状態に切り替える、請求項１または２に記載の電動機制御装置。
　前記電力変換装置は、前記第１の電動機および前記第２の電動機の各電動機に設けられた３相の巻線に対応して、正極側のスイッチング素子および負極側のスイッチング素子からなる一対のスイッチング素子を３組備えたインバータを有し、
　前記電力制御手段は、
　前記電力変換装置の動作が停止した後、前記電流検出器によって検出される電流値が前記第２の閾値未満である場合、前記３相の全ての相の正極側または負極側の３つの前記スイッチング素子をオン状態に維持して前記各電動機の回転を減速させ、
　前記切替制御手段は、
　前記各電動機の回転が減速した後、前記切替装置を前記オン状態から前記オフ状態に切り替える、請求項３に記載の電動機制御装置。
　前記電流検出器は、
　前記３相に対応して、前記正極側または前記負極側の３つの前記スイッチング素子と前記直流電圧を出力する電源との間に設けられた３つの抵抗素子を有する、請求項４に記載の電動機制御装置。
　前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体を用いた素子である、請求項４または５に記載の電動機制御装置。
　前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系またはダイヤモンドを材料とする、請求項６に記載の電動機制御装置。
　前記電力制御手段は、
　前記切替装置が前記オン状態である場合に、前記電流検出器によって検出される電流値に基づいて、前記電力変換装置の動作を停止する、請求項１～７のいずれか一項に記載の電動機制御装置。
　複数の前記第２の電動機が前記電力変換装置に並列に接続され、
　前記複数の第２の電動機に対応して、複数の前記切替装置を有する、請求項１～８のいずれか一項に記載の電動機制御装置。