CN101911473B

CN101911473B - 三相交流电动机的绕组切换装置

Info

Publication number: CN101911473B
Application number: CN2008801228323A
Authority: CN
Inventors: 东川康儿; 山田健二; 山中克利
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2028-11-28
Also published as: TWI383575B; WO2009084354A1; CN101911473A; JP4662316B2; TW200941917A; US20120206083A1; US8269450B2; JPWO2009084354A1; US20100237815A1; US8183817B2

Abstract

本发明提供三相交流电动机的绕组切换装置，其能够快速地进行电动机电流的切换，将正弦波电流的错乱抑制为最小限度，并且还能够检测误接线和部件异常，预防异常运转及装置损坏的发生。在绕组切换部（2（11））中，在逆变器（7）的直流正侧母线（9）与直流负侧母线（10）之间，串联连接有正侧充电电阻器（5（14））、负侧充电电阻器（21（22））以及电容器（6（15）），电容器正侧与二极管部（3（12））的负极连接，在将电容器电位设为与逆变器直流母线电压值相同的状态下，进行高速绕组和低速绕组的切换。另外，通过状态检测器（25（27））和比较器（26（28））来检测误接线和部件异常。

Description

三相交流电动机的绕组切换装置

技术领域

本发明涉及通过切换三相交流电动机的绕组来扩大速度控制范围的三相交流电动机的绕组切换装置，其针对的对象是包含车辆驱动、机床主轴驱动、伺服装置的产业领域。

背景技术

在由逆变器驱动的机床主轴及车辆驱动装置中，采用了绕组切换方法，作为既能在低速区得到足够大的扭矩又能实现高速区中的运转的手段（例如，参照专利文献1）。

图5是示出现有的三相交流电动机的绕组切换装置的一例的图。根据图5，对现有的绕组切换装置进行说明。

对于三相交流电动机111，在电动机外部，设有各相绕组的中间抽头（TU2、TV2、TW2）、各相绕组的卷绕起始端子和卷绕结束端子，各相绕组的卷绕起始端子（TU1、TV1、TW1）与逆变器117连接，卷绕结束端子（TU3、TV3、TW3）与绕组切换部121的全波整流部122连接，中间抽头与绕组切换部112的全波整流部113连接。全波整流部113的输出与半导体开关114连接，并且，与由电阻器116和电容器115构成的缓冲电路连接。为了防止从缓冲电路向半导体开关114发生逆流，***了二极管119、120。由接受来自逆变器117的控制部的信号的驱动电路118，来控制半导体开关114的接通/断开。这里，虽然只对绕组切换部112进行了说明，但绕组切换部121也是按照同样的原理进行连接。

通过以上结构来进行三相交流电动机111的运转。当要在低速下得到足够大的扭矩时，将与中间抽头（TU2、TV2、TW2）相连的绕组切换部112中的半导体开关114断开，将与各相绕组的卷绕结束端子（TU3、TV3、TW3）相连的绕组切换部121中的半导体开关123接通。由此，能够增加绕组数量，产生较大的扭矩。另外，当在高速区中运转时，为了抑制三相交流电动机绕组的反向电动势，将与中间抽头（TU2、TV2、TW2）相连的绕组切换部112中的半导体开关114接通，将与各相绕组的卷绕结束端子（TU3、TV3、TW3）相连的绕组切换部121中的半导体开关123断开。

这样，现有的绕组切换装置通过半导体开关来进行绕组切换部的全波整流部输出的接通/断开，根据速度区来切换三相交流电动机的绕组数量，由此，得到了大范围的输出特性。

专利文献1：日本特开2003-111492号公报（第6页，图1）

关于现有的绕组切换装置，例如，在将绕组从低速绕组切换成高速绕组时，残留在电动机绕组TU2-TU3、TV2-TV3、TW2-TW3中的电流不会迅速变为0，因此，仍然有电动机电流经由全波整流器122和半导体开关123而继续流动。因此，本来在全波整流器113和半导体开关114中流动的正弦波电流发生错乱。而且，有电流流过构成缓冲电路的电阻器125，造成正弦波电流错乱。

这样，存在如下问题：当电动机绕组从励磁状态转变为非励磁状态时，蓄积在电动机绕组电感中的能量进行释放，因此，无法瞬间进行电流切换，本来应该是正弦波的电动机电流发生了错乱。

例如在机床主轴驱动装置中，上述问题将导致输出脉动及速度脉动的产生，对加工产品的质量带来不良影响。并且，电动机电流的错乱还会对电流控制带来不良影响。

另外，分离成2个部件的绕组切换部112和121分别控制低速区和高速区的运转，因此，对它们进行控制的信号也被分离为低速绕组控制信号和高速绕组控制信号。但是，当进行部件组装时，在错误地将高速侧的控制信号接线到低速侧、将低速侧的控制信号接线到高速侧的情况下（通常不会出现这样的错误布线），在低速区运转时，为了得到期望的扭矩所需电流大幅度增加，将引起过电流等异常运转。并且，在高速运转时，电动机各相的感应电压异常上升，导致驱动电动机的逆变器以及绕组切换装置的功率半导体开关元件发生过电压而损坏。另外，当绕组切换部的功率半导体开关元件发生故障时，将引起单相运转或过电流运转等异常运转。

发明内容

本发明正是鉴于这样的问题而完成的，其目的在于提供这样的三相交流电动机的绕组切换装置：该三相交流电动机的绕组切换装置能够加快电动机电流的切换，将正弦波电流的错乱抑制为最小限度，并且，能够检测误接线及装置故障，从而预防异常运转和装置损坏的发生。

为了解决上述问题，本发明构成如下。

权利要求1所述的发明是一种三相交流电动机的绕组切换装置，其具有：三相交流电动机，该三相交流电动机的各相绕组具有中间抽头，且在电动机外部设有所述中间抽头、卷绕起始端子以及卷绕结束端子；逆变器，其向所述三相交流电动机的所述各相绕组的所述卷绕起始端子提供可变频率的可变电压；多个绕组切换部，它们分别对所述各相绕组的所述中间抽头和所述卷绕结束端子进行适当的切换；以及驱动电路，其接受来自所述逆变器的驱动信号，控制所述绕组切换部，该绕组切换装置的特征在于，所述绕组切换部分别具有：二极管部，在该二极管部中，3个二极管的各负极彼此共同连接在一起；切换开关部，在该切换开关部中，与3个功率半导体开关元件分别反向并联连接有二极管，所述功率半导体开关元件的各发射极彼此共同连接在一起，所述功率半导体开关元件的各集电极分别与所述二极管部的各二极管的正极连接，所述功率半导体开关元件的各集电极与所述二极管部的各二极管的正极之间的各连接点，分别与所述三相交流电动机的所述各相绕组的所述卷绕结束端子或所述中间抽头连接；电位固定部，在该电位固定部中，正侧充电电阻器的一端与所述逆变器的直流正侧母线连接，所述正侧充电电阻器的另一端与电容器的正侧连接，所述电容器的负侧与负侧充电电阻器的一端连接，所述负侧充电电阻器的另一端与所述逆变器的直流负侧母线连接，所述电容器的正侧与所述二极管部的各二极管的彼此共同连接在一起的负极连接；以及保护二极管部，该保护二极管部的各正极分别与所述电位固定部的电容器的负侧连接，各负极分别与所述二极管部的各二极管的正极和所述切换开关部的各功率半导体开关元件的集电极之间的各连接点连接。

权利要求2所述的发明的特征在于，在权利要求1所述的三相交流电动机的绕组切换装置中，具有：状态检测器，其检测构成所述切换开关部的功率半导体开关元件的导通状态；以及比较器，其根据所述状态检测器的输出信号和所述驱动信号，检测绕组切换部的异常。

权利要求3所述的发明的特征在于，在权利要求2所述的三相交流电动机的绕组切换装置中，所述状态检测器检测所有的所述功率半导体开关元件均处于导通状态的情况以及所有的所述功率半导体开关元件均处于非导通状态的情况。

权利要求4所述的发明的特征在于，在权利要求2所述的三相交流电动机的绕组切换装置中，所述状态检测器具有绝缘功能。

权利要求5所述的发明的特征在于，在权利要求2所述的三相交流电动机的绕组切换装置中，所述比较器具有异或电路，根据所述状态检测器的输出信号与所述驱动信号的逻辑异或，来检测绕组切换部的异常。

根据权利要求1所述的发明，能够提供这样的交流电动机的绕组切换装置：该绕组切换装置具有电位固定部，在该电位固定部中，在控制二极管部的正极端子与三相交流电动机的中间抽头相连的切换开关部的功率半导体开关元件时，将绕组切换部的二极管部的负极的电位保持为直流母线电压值，因此，能够释放蓄积在电动机电感中的能量，能够瞬间地进行电流切换，能够在电动机电流波形不发生错乱的情况下，快速地切换三相交流电动机的绕组。

另外，根据权利要求2至5所述的发明，能够提供这样的交流电动机的绕组切换装置：该绕组切换装置通过状态检测器检测切换开关部的功率半导体开关元件的导通状态，对状态检测器的输出信号与驱动切换开关部的驱动信号进行比较，由此，能够检测绕组切换部的误接线和切换开关部的故障等的异常，预防异常运转及装置损坏的发生。

另外，根据权利要求4所述的发明，状态检测器具有绝缘功能，因此，即使逆变器的控制部、主电路部以及绕组切换部的工作电位不同，也能够检测绕组切换部的异常。

附图说明

图1是示出本发明的三相交流电动机的绕组切换装置的第1实施例的图。

图2是示出本发明的三相交流电动机的绕组切换装置的第1实施例的绕组切换时的动作波形（仿真波形）的图。

图3是示出本发明的三相交流电动机的绕组切换装置的第2实施例的图。

图4是示出本发明的三相交流电动机的绕组切换装置的第2实施例中的状态检测器以及比较器的电路结构的一例的详细图。

图5是示出现有的三相交流电动机的绕组切换装置的一例的图。

标号说明

1、111三相交流电动机；2、11、112、121绕组切换部；3、12二极管部；4、13切换开关部；5、14正侧充电电阻器；6、15、115、124电容器；7、117逆变器；8、16、118、127驱动电路；9直流正侧母线；10直流负侧母线；17、18驱动信号；19、20保护二极管部；21、22负侧充电电阻器；23、24电位固定部；25、27状态检测器；26、28比较器；113、122全波整流器；114、123半导体开关；116、125电阻器；119、120、128、129二极管；251光耦合器；252上拉电阻器；253NOR门；254NAND门；255、275绕组切换部接通状态信号；256、276*绕组切换部断开状态信号；261、262XOR门；263OR门；264、284绕组切换部异常信号。

具体实施方式

下面，参照附图，说明本发明的实施方式。

在实际的逆变器中，内置有各种功能和单元，而在附图中，仅记载并说明与本发明相关的功能和单元。另外，下文中，针对相同的名称，尽量标注相同的标号，并省略重复的说明。

实施例1

图1是示出本发明的三相交流电动机的绕组切换装置的第1实施例的图。在图1中，1是三相交流电动机，2和11是绕组切换部，3和12是二极管部，4和13是切换开关部，5和14是正侧充电电阻器，6和15是电容器，7是逆变器，8和16是驱动电路，9是直流正侧母线，10是直流负侧母线，17和18是驱动信号，21和22是负侧充电电阻器，23和24是电位固定部。

逆变器7由控制部和主电路构成。

对于三相交流电动机1，在电动机外部，设有各相绕组各自的1个中间抽头（TU2、TV2、TW2）、各相绕组的卷绕起始端子（TU1、TV1、TW1）和卷绕结束端子（TU3、TV3、TW3）。

三相交流电动机1的各相绕组的卷绕起始端子（TU1、TV1、TW1）与逆变器7连接，卷绕结束端子（TU3、TV3、TW3）与绕组切换部11连接，中间抽头（TU2、TV2、TW2）与绕组切换部2连接。

驱动电路8从逆变器7的控制部接收驱动信号17，驱动绕组切换部2，向切换开关部4输出控制信号。另外，驱动电路16从逆变器7的控制部接收驱动信号18，驱动绕组切换部11，向切换开关部13输出控制信号。

这里，首先对绕组切换部2进行说明。

绕组切换部2由二极管部3、切换开关部4、电位固定部23以及保护二极管部19构成。

二极管部3由3个二极管构成，各二极管的负极彼此共同连接在一起。

切换开关部4由3个功率半导体开关元件及分别与这3个功率半导体开关元件反向并联连接的二极管构成，各功率半导体开关元件的集电极分别与二极管部3的各二极管的正极连接，各功率半导体开关元件的发射极彼此共同连接在一起。

二极管部3的各二极管的正极与切换开关部4的各功率半导体开关元件的集电极之间的各连接点，按照各相，分别与三相交流电动机1的各相绕组的中间抽头（TU2、TV2、TW2）连接。

电位固定部23由正侧充电电阻器5、电容器6和负侧充电电阻器21构成，正侧充电电阻器5的一端与逆变器部7的直流正侧母线9连接，正侧充电电阻器5的另一端与电容器6的正侧连接。电容器6的负侧与负侧充电电阻器21的一端连接，负侧充电电阻器21的另一端与直流负侧母线10连接。电容器6的正侧和充电电阻器5之间的连接点，与二极管部3的共同连接在一起的负极相连。

保护二极管部19的各二极管的正极分别与电容器6的负侧连接，负极分别与各相绕组的中间抽头（TU2、TV2、TW2）连接。

这里，功率半导体开关元件使用了IGBT的符号，不过，只要根据电压/电流而使用最佳的功率半导体开关元件即可。

并且，绕组切换部11采用了与绕组切换部2完全相同的连接结构。

绕组切换部11由二极管部12、切换开关部13、电位固定部24以及保护二极管部20构成。

二极管部12由3个二极管构成，各二极管的负极彼此共同连接在一起。

切换开关部13由3个功率半导体开关元件及分别与这3个功率半导体开关元件反向并联连接的二极管构成，各功率半导体开关元件的集电极分别与二极管部12的各二极管的正极连接，各功率半导体开关元件的发射极彼此共同连接在一起。

二极管部12的各二极管的正极与切换开关部13的各功率半导体开关元件的集电极之间的各连接点，按照各相，分别与三相交流电动机1的卷绕结束端子（TU3、TV3、TW3）连接。

电位固定部24由正侧充电电阻器14、电容器15和负侧充电电阻器22构成，正侧充电电阻器14的一端与逆变器部7的直流正侧母线9连接，充电电阻器14的另一端与电容器15的正侧连接。电容器15的负侧与负侧充电电阻器22的一端连接，负侧充电电阻器22的另一端与直流负侧母线10连接。电容器15的正侧和正侧充电电阻器14之间的连接点，与二极管部12的共同连接在一起的负极相连。

保护二极管部20的各二极管的正极分别与电容器15的负侧连接，负极分别与各相绕组的卷绕结束端子（TU3、TV3、TW3）连接。

当要将切换开关部4接通时，向切换开关部4的所有功率半导体开关元件输出接通信号。于是，在被施加了正向电压的功率半导体开关元件中有电流流过，在被施加了反向电压的功率半导体开关元件中没有电流流过，不过，在与该被施加了反向电压的功率半导体开关元件反向并联连接的二极管中，有电流流过，三相交流电动机1的各相绕组的中间抽头（TU2、TV2、TW2）处于彼此短接的状态。

当要将切换开关部4断开时，向切换开关部4中的所有功率半导体开关元件输出断开信号。于是，切换开关部4中的所有功率半导体开关元件均断开，三相交流电动机1的各相绕组的中间抽头（TU2、TV2、TW2）处于开路状态。

另外，当要将切换开关部13接通时，向切换开关部13的所有功率半导体开关元件输出接通信号。于是，在被施加了正向电压的功率半导体开关元件中有电流流过，在被施加了反向电压的功率半导体开关元件中没有电流流过，不过，在与该被施加了反向电压的功率半导体开关元件反向并联连接的二极管中，有电流流过，三相交流电动机1的卷绕结束端子（TU3、TV3、TW3）处于彼此短接的状态。

当要将切换开关部13断开时，向切换开关部13的所有功率半导体开关元件输出断开信号。于是，切换开关部13中的所有功率半导体开关均断开，三相交流电动机1的卷绕结束端子（TU3、TV3、TW3）处于开路状态。

接着，说明三相交流电动机1在高速运转时的动作。

在该情况下，将切换开关部4接通，将切换开关部13断开。由此，通过切换开关部4，使三相交流电动机1的各相绕组的中间抽头（TU2、TV2、TW2）处于彼此短接的状态，成为由TU1-TU2、TV1-TV2、TW1-TW2构成的星形接线方式。

由此，与使各相绕组的卷绕结束端子（TU3、TV3、TW3）成为短接状态的情况相比，绕组数量减少，抑制了三相交流电动机1的反向电动势，因此，能够流过充足的电流，能够进行高速运转。

另外，在低速运转的情况下，将切换开关部13接通，将切换开关部4断开。由此，通过切换开关部13，使三相交流电动机1的卷绕结束端子（TU3、TU3、TW3）处于短接状态，各相绕组成为由TU1-TU3、TV1-TV3、TW1-TW3构成的星形接线方式，能够在低速下得到充足的扭矩。这样，通过根据运转速度对切换开关部4以及切换开关部13进行控制，能够得到大范围的输出特性（速度-扭矩控制范围）。

本发明与现有技术的不同之处在于：电容器是在充电状态下连接在绕组切换部中，由此来对电流进行瞬间切换；从逆变器7的直流负侧母线10经由保护二极管部19以及保护二极管部20而分别连接到各相绕组的中间抽头（TU2、TV2、TW2）以及各相绕组的卷绕结束端子（TU3、TV3、TW3）连接。

在现有的绕组切换方式中，存在如下问题：当电动机绕组从励磁状态转变为非励磁状态时，蓄积在电动机电感中的能量进行释放，因此，电流不会瞬间进行切换，从而电动机电流发生错乱。而在本发明的绕组切换方式中，是通过使电容器在充电状态下连接在绕组切换部中来进行电流的瞬间切换，因此，不会使电动机的电流波形发生错乱。

这里，说明电容器在充电状态下被连接到绕组切换部中时，能够对电流进行瞬间切换的原因，

在绕组切换时，为了使残留在电动机绕组中的电流迅速变为0，只要提高电流减小率即可。电流减小率di/dt如式1所示。

di/dt＝V/L （式1）

这里，V是电容器电压，L是电动机绕组电感。

通过将电容器电压V保持为高电位，能够提高电流减小率，能够使电流迅速变为0。

对从低速绕组转变为高速绕组时的上述工作进行说明。

当从低速绕组转变为高速绕组时，切换开关部4接通，切换开关部13断开。

电容器15经由正侧充电电阻器14和负侧充电电阻器22而连接在逆变器7的直流正侧母线9与直流负侧母线10之间，预先进行了初始充电。当在该状态下对电动机绕组进行切换时，即，当将切换开关部13断开时，蓄积在电动机电感中的能量经由二极管部12而被电容器15吸收。此时，电容器15的电压从初始充电电压值（直流母线电压值）上升，流过电动机绕组的电流迅速变为0。

图2是示出本发明的三相交流电动机的绕组切换装置的第1实施例中进行绕组切换时的工作波形（仿真波形）的图。图2（a）是电容器的电压波形，图2（b）是流过电动机绕组的电流的波形。在图2（a）中，A为本发明的方式中初始充电电压为350V的情况下电容器的电压波形，B为现有方式中未进行初始充电的情况下电容器的电压波形。另外，在图2（b）中，C为本发明的方式中初始充电电压为350V的情况下流过电动机绕组的电流波形，D为现有方式中未进行初始充电的情况下流过电动机绕组的电流波形。

针对电容器的初始充电电压为350V和0V的情况进行比较，在初始充电电压为350V时，电流减小率高，从而迅速变为0。

由此可知，根据电容器有无进行初始充电，流过电动机绕组的电流变化到0的时间不同。

当切换开关部4处于断开状态时，在绕组切换部2中没有电动机电流通过，因此，当接通切换开关部4时，切换开关部4中的功率半导体开关元件的公共连接点成为电动机中性点，电动机电流将流过三相交流电动机1的绕组TU1-TU2、TV1-TV2、TW1-TW2、切换开关部4的功率半导体开关元件及与这些功率半导体开关元件反向并联连接的二极管。

另外，从高速绕组转变为低速绕组时的原理也是完全相同的。

接着，对从高速绕组转变为低速绕组时的动作进行说明。

当从高速绕组转变为低速绕组时，切换开关部13接通，切换开关部4断开。

电容器6经由正侧充电电阻器5和负侧充电电阻器21而连接在逆变器7的直流正侧母线9与直流负侧母线10之间，预先进行了初始充电。当在该状态下对电动机绕组进行切换时，即，当将切换开关部4断开时，蓄积在电动机电感中的能量经由二极管部3而被电容器6吸收。此时，电容器6的电压从初始充电电压值（直流母线电压值）上升，流过电动机绕组的电流迅速变为0。

另外，通过将切换开关部13接通，从而切换开关部13的功率半导体开关元件的公共连接点成为电动机中性点，电动机电流将流过三相交流电动机1的绕组TU1-TU3、TV1-TV3、TW1-TW3、切换开关部13的功率半导体开关元件及与这些功率用半导体开关元件反向并联连接的二极管。

通过按照以上结构进行动作，可提供能够在电动机电流波形不发生错乱的情况下快速地切换三相交流电动机的绕组的三相交流电动机的绕组切换装置。

接着，对保护二极管部的动作进行说明。

***保护二极管部19以及20的目的在于：当在电动机驱动中出现了某些异常而导致逆变器7的主电路部发生了基极封锁（Base Block）时，保护二极管部19以及20确保因电动机电感引起的回流电流的路径，防止逆变器7、绕组切换部2以及绕组切换部11的损坏。

当三相交流电动机在通电中出现了某些异常（例如电动机锁定等）而导致逆变器7的主电路部发生了基极封锁时，如果存在保护二极管部19以及保护二极管部20，则对于因流过电动机绕组电感的电流引起的能量Q，通过对设置在逆变器7的主电路部中的电解电容器（未图示）、电容器6以及电容器15进行充电，从而该能量Q得到消耗。

能量Q如（式2）所示。

Q＝（1/2）×L×i² （式2）

这里，L是电动机绕组的电感，i是流过电动机绕组的电流。

下面，具体地说明能量路径。

假设这样的情况：在U相电动机绕组的中间抽头TU2的点，从电动机流向逆变器流入电动机电流。在该情况下，回流电流在这样的闭环电路中流动：在该闭合回路中，以中间抽头TU2为起点，回流电流流过逆变器内部的续流二极管（freewheel diode），对阻抗比电容器6小的主电路电容器进行充电，经过直流负侧母线10，经由保护二极管部19，将中间抽头TU2作为终点。此时，如果不存在保护二极管部19，则不能确保回流电流的路径，从而无法吸收因流过电动机绕组的电流引起的能量Q，进而，逆变器7的直流正侧母线电压值将急剧上升，导致逆变器7和绕组切换部损坏。

为了在不设置保护二极管部19以及保护二极管部20的状态下防止这样的损坏，需要提高逆变器7的主电路部、绕组切换部2以及11的耐压性。

通过按照以上结构进行动作，能够提供这样的三相交流电动机的绕组切换装置：其即使不提高逆变器7的主电路部、二极管部3和12、以及切换开关部4和13的耐压性，也能够防止电动机异常时因回流电流引起的装置损坏。

在实施例1中，说明了三相交流电动机1的各相绕组的中间抽头为1个的例子，不过，在三相交流电动机1的各相绕组的中间抽头为2个以上的情况下，也是同样。

例如，如果三相交流电动机1的各相绕组的中间抽头为2个，则将绕组切换部的个数设为3个，如果三相交流电动机1的各相绕组的中间抽头为3个，则将绕组切换部的个数设为4个，像以上情况等，只要设置了比三相交流电动机1的各相绕组的中间抽头的个数多1个的绕组切换部，即可通过对三相交流电动机1的各相绕组的卷绕结束端子以及所述中间插头分别进行适当的切换，来实施绕组切换。

[实施例2]

图3是示出本发明的三相交流电动机的绕组切换装置的第2实施例的图。在图3中，25和27是状态检测器，26和28是比较器，255和275是绕组切换部接通状态信号，256和276是*绕组切换部断开状态信号，264和284是绕组切换部异常信号。

与实施例1的不同之处在于，在本实施例中，具有：状态检测器，其检测绕组切换部中构成切换开关部的各功率半导体开关元件的导通状态；比较器，其根据状态检测器的检测结果和从逆变器的控制部输出的驱动信号，检测绕组切换部的异常。

首先，对状态检测器以及比较器的动作概要进行说明。

状态检测器25检测构成切换开关部4的各功率半导体开关元件的导通状态，并且，当构成切换开关部4的各功率半导体开关元件均处于导通状态时，状态检测器25向比较器26输出高电平（High）的绕组切换部接通状态信号255，而当构成切换开关部4的各功率半导体开关元件均处于非导通状态时，状态检测器25向比较器26输出低电平（Low）的*绕组切换部断开状态信号256。

另外，状态检测器27检测构成切换开关部13的功率半导体开关元件的导通状态，并且，当构成切换开关部13的各功率半导体开关元件均处于导通状态时，状态检测器27向比较器28输出高电平（High）的绕组切换部接通状态信号275，而当构成切换开关部13的各功率半导体开关元件均处于非导通状态时，状态检测器27向比较器28输出低电平（Low）的*绕组切换部断开状态信号276。

比较器26根据绕组切换部接通状态信号255、*绕组切换部断开状态信号256以及来自逆变器7的控制部的驱动信号17，检测绕组切换部的异常，如果绕组切换部存在异常，则将绕组切换部异常信号264设定成高电平（High），并将其输出到逆变器7的控制部。

另外，比较器28根据绕组切换部接通状态信号275、*绕组切换部断开状态信号276以及来自逆变器7的控制部的驱动信号18，检测绕组切换部的异常，如果绕组切换部存在异常，则将绕组切换部异常信号284设定成高电平（High），并将其输出到逆变器7的控制部。

逆变器7的控制部输入绕组切换部异常信号264和绕组切换部异常信号284，只要至少任意一方为高电平，则判断为异常，并进行适当的处理，例如将逆变器7的主电路部切断等。

接着，对状态检测器以及比较器的结构例及动作进行详细说明。

图4是示出本发明的三相交流电动机的绕组切换装置的第2实施例中的状态检测器以及比较器的一例的详细图，其是关于绕组切换部2的部分。

与绕组切换部11相关的状态检测器27以及比较器28也是同样的，因此省略它们的说明。

在图4中，251是光耦合器（3个），252是上拉电阻器（6个），253是NOR（或非）门，254是NAND（与非）门，261和262是XOR（异或）门，263是OR（或）门。

首先说明状态检测器25的结构。

状态检测器25由3个光耦合器251、6个上拉电阻器252、3输入NOR门253以及3输入NAND门254构成。

3个光耦合器251的各发光二极管的正极分别经由上拉电阻器252与切换开关部4的功率半导体开关元件的门控驱动用电源V_D连接。

另外，3个光耦合器251的各发光二极管的负极分别与切换开关部4的各功率半导体开关元件的集电极连接。

切换开关部4的各功率半导体开关元件的发射极均与门控驱动用电源的地G_D连接，因此，这里无需进行特别处理。

3个光耦合器251的各光电晶体管的发射极均与控制用电源的地G_L连接。

3个光耦合器251的各光电晶体管的集电极分别经由上拉电阻器252与控制用电源V_L连接，并且，分别与NOR门253以及NAND门254的各输入端连接。

NOR门253的输出为绕组切换部接通状态信号255，NAND门254的输出为*绕组切换部断开状态信号256。

在本实施例中，状态检测器25使用了光耦合器251，具有绝缘功能，而在逆变器7的控制部、主电路部以及绕组切换部在相同电位下工作的情况下，状态检测器25不需要具有绝缘功能。

接着，对状态检测器25的动作进行说明。

当切换开关部4的各功率半导体开关元件导通时，从门控驱动用电源V_D，在上拉电阻252、光耦合器251、功率半导体开关元件、门控驱动用电源的地G_D的路径中，流过电流，光耦合器251中的光电晶体管导通。于是，NOR门253以及NAND门254的所有输入端子均成为低电平（LOW），因此，作为NOR门253的输出的绕组切换部接通状态信号255为高电平（High），作为NAND门254的输出的*绕组切换部断开状态信号256也为高电平（High）。

另外，当切换开关部4的各功率半导体开关元件截止时，在光耦合器251的发光二极管中没有电流流过，光耦合器251的光电晶体管也截止。于是，NOR门253以及NAND门254的所有输入端子均为高电平（High），因此，作为NOR门253的输出的绕组切换部接通状态信号255为低电平（LOW），作为NAND门254的输出的*绕组切换部断开状态信号256也为低电平（LOW）。

接下来，对比较器26的结构进行说明。

比较器26由XOR门261、XOR门262以及OR门263构成。

XOR门261输入绕组切换部接通状态信号255以及驱动信号17，向OR门263输出它们的逻辑“异或”。

XOR门262输入*绕组切换部接通状态信号256以及驱动信号17，向OR门263输出它们的逻辑“异或”。

OR门263输入XOR门261以及XOR门262的输出信号，将它们的逻辑“或”作为绕组切换部异常信号264输出到逆变器7的控制部。

接下来，对比较器26的动作进行说明。

当切换开关部4的所有功率半导体开关元件均处于导通状态时，绕组切换部接通状态信号255和*绕组切换部断开状态信号256均为高电平（High）。而且，由于驱动信号17为高电平（High），因此，XOR门261和XOR门262的输出为低电平（Low），作为OR门263的输出的绕组切换部异常信号264为低电平（Low）。

并且，当切换开关部4的所有功率半导体开关元件均处于非导通状态时，绕组切换部接通状态信号255和*绕组切换部断开状态信号256均为低电平（Low）。而且，由于驱动信号17为低电平（Low），因此，XOR门261和XOR门262的输出为低电平（Low），作为OR门263的输出的绕组切换部异常信号264为低电平（Low）。

这样，在绕组切换部2正常工作的情况下，绕组切换部异常信号264必定为低电平（Low）。

但是，即使驱动信号17为高电平（High），但只要当切换开关部4的功率半导体开关元件中的任意一个处于非导通状态时，绕组切换部接通状态信号255就将为低电平（Low），且*绕组切换部断开状态信号256为高电平（High）。于是，由于驱动信号17为高电平（High），因此，XOR门261的输出为高电平（High），XOR门262的输出为低电平（Low），作为OR门263的输出的绕组切换部异常信号264为高电平（High）。

另外，即使驱动信号17为低电平（Low），但只要当切换开关部4的功率半导体开关元件中的任意一个处于导通状态时，绕组切换部接通状态信号255就将为低电平（Low），且*绕组切换部断开状态信号256为高电平（High）。于是，由于驱动信号17为低电平（Low），因此，XOR门261的输出为低电平（Low），作为XOR门262的输出为高电平（High），作为OR门263的输出的绕组切换部异常信号264为高电平（High）。

这样，在绕组切换部2存在异常的情况下，绕组切换部异常信号264必定为高电平（High）。

因此，可通过逆变器7的控制部监视绕组切换部异常信号264的状态，当其为高电平（High）时，判断为绕组切换部发生了异常，使主电路的工作停止。

根据本实施例，可提供这样的三相交流电动机的绕组切换装置：该绕组切换装置通过状态检测器检测切换开关部的功率半导体开关元件的导通状态，对状态检测器的输出信号与驱动切换开关部的驱动信号进行比较，由此，能够检测绕组切换部的误接线以及切换开关部的故障等的异常，因此，能够预防异常运转及装置损坏的发生。

根据本发明，能够实现要求大范围恒定输出特性的电动机驱动，因此，能够应用于机床主轴驱动装置以及混合动力汽车及电动汽车等的车辆驱动装置。

Claims

1.一种三相交流电动机的绕组切换装置，其具有：三相交流电动机，该三相交流电动机的各相绕组具有中间抽头，且在电动机外部设有所述中间抽头、卷绕起始端子以及卷绕结束端子；逆变器，其向所述三相交流电动机的所述各相绕组的所述卷绕起始端子提供可变频率的可变电压；多个绕组切换部，它们分别对所述各相绕组的所述中间抽头和所述卷绕结束端子进行适当的切换；以及驱动电路，其接受来自所述逆变器的驱动信号，控制所述绕组切换部，

该绕组切换装置的特征在于，

所述绕组切换部分别具有：

二极管部，在该二极管部中，3个二极管的各负极彼此共同连接在一起；

切换开关部，在该切换开关部中，与3个功率半导体开关元件分别反向并联连接有二极管，所述功率半导体开关元件的各发射极彼此共同连接在一起，所述功率半导体开关元件的各集电极分别与所述二极管部的各二极管的正极连接，所述功率半导体开关元件的各集电极与所述二极管部的各二极管的正极之间的各连接点分别与所述三相交流电动机的所述各相绕组的所述卷绕结束端子或所述中间抽头连接；

电位固定部，在该电位固定部中，正侧充电电阻器的一端与所述逆变器的直流正侧母线连接，所述正侧充电电阻器的另一端与电容器的正侧连接，所述电容器的负侧与负侧充电电阻器的一端连接，所述负侧充电电阻器的另一端与所述逆变器的直流负侧母线连接，所述电容器的正侧与所述二极管部的各二极管的彼此共同连接在一起的负极连接；以及

保护二极管部，该保护二极管部的各正极分别与所述电位固定部的电容器的负侧连接，各负极分别与所述二极管部的各二极管的正极和所述切换开关部的各功率半导体开关元件的集电极之间的各连接点连接。

2.根据权利要求1所述的三相交流电动机的绕组切换装置，其特征在于，该绕组切换装置具有：

状态检测器，其检测构成所述切换开关部的功率半导体开关元件的导通状态；以及

比较器，其根据所述状态检测器的输出信号和所述驱动信号，检测绕组切换部的异常。

3.根据权利要求2所述的三相交流电动机的绕组切换装置，其特征在于，

所述状态检测器检测所有的所述功率半导体开关元件均处于导通状态的情况以及所有的所述功率半导体开关元件均处于非导通状态的情况。

4.根据权利要求2所述的三相交流电动机的绕组切换装置，其特征在于，

所述状态检测器具有绝缘功能。

5.根据权利要求3所述的三相交流电动机的绕组切换装置，其特征在于，

所述比较器具有异或电路，根据所述状态检测器的输出信号与所述驱动信号的逻辑异或，来检测绕组切换部的异常。