JP2023025444A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制御可能な回転数の上限を高める。【解決手段】センサレス型のモータに電力を供給する電力変換装置１は、スイッチング素子５１及びダイオード５２が互いに並列接続された複数の回路要素２１、２２、３１、３２、４１、４２を備える。複数の回路要素２１、２２、３１、３２、４１、４２は、三相交流を出力可能に接続される。回路要素２１、２２、３１、３２、４１、４２は、スイッチング素子５１に対して並列接続であると共にダイオード５２に対して直列接続である抵抗器５３をそれぞれ有する。【選択図】図１

Description

本開示は、電力変換装置に関する。

近年、ブラシ付きモータに代わって、ブラシレスモータの利用が進んでいる。ブラシ付きモータは、コイルに供給する電流の方向をブラシによって切り替えている。一方、ブラシレスモータは、コイルに流す電流の方向を制御回路によって電気的に切り替えている。特許文献１～５は、ブラシレスモータに電流を供給する駆動装置を開示する。

特開平３－０８９８８９号公報 特開昭５２－１２４１２号公報 特許第２８１９６５５号 特公昭６１－００３１９３号公報 特開２０１４－１４０２９９号公報

モータの基本的な性能には、トルクや回転数がある。モータの技術分野では、制御可能な回転数の上限を高めることが望まれている。そこで、本開示は、制御可能な回転数の上限を高めることが可能な電力変換装置を説明する。

本開示のセンサレス型のモータに電力を供給する電力変換装置は、スイッチング素子及びダイオードが互いに並列接続された複数の回路要素を備え、複数の回路要素は、三相交流を出力可能に接続され、回路要素は、スイッチング素子に対して並列接続であると共にダイオードに対して直列接続である抵抗器を有する。

電力変換装置は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相として示される三相交流を出力する。これらの出力は、通電する通電期間と通電しない非通電期間とを交互に繰り返す。通電期間から非通電期間に切り替わったとき、モータから電力変換装置に還流電流が流れる。この還流電流は、モータのコイルと電力変換回路の抵抗器とが直列に接続された回路を流れる。コイルと抵抗器とが直列に接続された回路の時定数は、コイルのリアクタンスを分子とし、抵抗器の抵抗値を分母とした式で示される。そうすると、抵抗器の存在によって、時定数は小さくなる。つまり、還流電流の収束期間が短くなる。還流電流の収束期間が短くなると、還流電流に起因する電圧の上昇によって見えなくなっていた誘起電圧が早く見えるようになる。センサレス型のモータは、この誘起電圧を利用してロータの位置を把握している。そうすると、電力変換装置からモータへ提供する三相交流の周波数を高めた場合であっても、誘起電圧が確認可能であるからロータの位置を把握することが可能である。ロータの位置を把握することが可能ということは、換言するとモータが制御可能であるということである。つまり、電力変換装置は、抵抗器の配置によってＲＬ直列回路の時定数が小さくなるという作用の結果、還流電流の収束が早まるので、モータの制御に必要な誘起電圧を早期に確認できるようになるから、制御可能な回転数の上限を高めることができる。

上記の電力変換装置の抵抗器は、ダイオードのカソードとスイッチング素子との間に配置されていてもよい。この構成によっても、制御可能な回転数の上限を高めることができる。

上記の電力変換装置の抵抗器は、ダイオードのアノードとスイッチング素子との間に配置されていてもよい。この構成によっても、制御可能な回転数の上限を高めることができる。

上記の電力変換装置のスイッチング素子は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであってもよい。この構成によっても、制御可能な回転数の上限を高めることができる。

本開示の電力変換装置によれば、制御可能な回転数の上限を高めることができる。

図１は、本開示の電力変換装置とモータとの接続状態を示す回路図である。 図２（ａ）、図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、転流期間を説明するためのグラフである。 図３は、還流電流を説明するための回路図である。 図４は、還流電流を説明するための回路図である。

以下、添付図面を参照しながら本開示の電力変換装置を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示すように、電力変換装置１は、電源９１とモータ９２との間に配置されている。電力変換装置１は、電源９１から受けた電力の態様をモータ９２が要求する電力の態様に変換する。例えば、電源９１は、直流の電力を出力する。モータ９２は、いわゆる三相交流の電力を要求する。そこで、電力変換装置１は、直流の電力を三相交流の電力に変換する。電力変換装置１は、いわゆるＤＣ－ＡＣインバータである。

モータ９２は、ブラシレス型である。モータ９２は、ロータとステータとを有する。ロータは、回転軸と共に回転する磁石を含む。ステータは、例えば、スター結線とされたＵ相コイル９２ｕ、Ｖ相コイル９２ｖ及びＷ相コイル９２ｗを含む。なお、ステータは、デルタ結線であってもよい。

モータ９２は、ブラシレス型であるから、それぞれのコイルに提供する電流の向きを電気的に切り替える。電流の向きは、ロータの回転位置に対応する必要がある。従って、ロータの回転位置を得る必要がある。ロータの回転位置を得る手段として、例えば、ホールセンサといった磁気センサを用いる場合がある。一方、磁気センサを用いることなく、ロータの回転位置を得る手段もある。磁気センサを要しない手段は、センサレス位置検出と呼ばれる。センサレス位置検出では、モータが発生する誘起電圧を利用する。

モータ９２は、いわゆる１２０°通電と称される矩形波駆動方式によって駆動される。矩形波駆動方式では、例えば、Ｕ相は、位相にして１２０°の通電期間と、位相にして６０°の非通電期間と、を繰り返す。Ｖ相、Ｗ相も同様である。

たとえば、Ｕ相が非通電期間であるとき、Ｖ相及びＷ相は通電期間である。非通電期間であるＵ相の端子には、所定の電圧が生じている。この電圧は、Ｕ相コイル９２ｕに回転しているロータの磁石からの磁界が鎖交するために生じる誘起電圧である。

センサレス位置検出では、誘起電圧を基準電圧と比較することによって、ロータの回転位置を得る。例えば、基準電圧を０Ｖとした場合、基準電圧に誘起電圧が交差する点を、ゼロクロスと称する。センサレス位置検出では、ゼロクロスを基準としてモータの回転位置を得る。

電力変換装置１は、ハイ側入力端子１１ａと、ロー側入力端子１１ｂと、Ｕ相端子１２ｕと、Ｖ相端子１２ｖと、Ｗ相端子１２ｗと、を有する。ハイ側入力端子１１ａは、電源９１の正極に接続されている。ロー側入力端子１１ｂは、電源９１の負極に接続されている。なお、ハイ側入力端子１１ａとロー側入力端子１１ｂには、キャパシタ９３が接続されていてもよい。Ｕ相端子１２ｕは、モータ９２のＵ相コイル９２ｕに接続されている。Ｖ相端子１２ｖは、モータ９２のＶ相コイル９２ｖに接続されている。Ｗ相端子１２ｗは、モータ９２のＷ相コイル９２ｗに接続されている。

電力変換装置１は、６個の回路要素を有する。具体的には、電力変換装置１は、ハイ側Ｕ相回路要素２１、ロー側Ｕ相回路要素２２と、ハイ側Ｖ相回路要素３１と、ロー側Ｖ相回路要素３２と、ハイ側Ｗ相回路要素４１と、ロー側Ｗ相回路要素４２と、を有する。

ハイ側Ｕ相回路要素２１は、ロー側Ｕ相回路要素２２に対して直列に接続されている。ハイ側Ｕ相回路要素２１は、ハイ側入力端子１１ａ及びＵ相接続点２３に接続されている。ロー側Ｕ相回路要素２２は、ロー側入力端子１１ｂ及びＵ相接続点２３に接続されている。ハイ側Ｕ相回路要素２１とロー側Ｕ相回路要素２２とが互いに接続されたＵ相接続点２３は、Ｕ相端子１２ｕに接続されている。なお、Ｖ相は、Ｖ相接続点３３などを含み、Ｕ相と同様の接続構成を有する。Ｗ相も、Ｗ相接続点４３などを含み、Ｕ相と同様の接続構成を有する。従って、Ｖ相及びＷ相の接続構成について、詳細な説明は省略する。

６個の回路要素は、それぞれ同じ構成要素を含み、接続構成も同じである。そこで、ハイ側Ｕ相回路要素２１を例に詳細に説明する。

ハイ側Ｕ相回路要素２１は、スイッチング素子５１と、ダイオード５２と、抵抗器５３と、を有する。スイッチング素子５１は、制御信号φの入力に応じて導通と絶縁とを切り替える。スイッチング素子５１として、トランジスタを用いてよい。本開示では、スイッチング素子５１が絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であるとして説明する。スイッチング素子５１のコレクタは、ハイ側入力端子１１ａに接続されている。スイッチング素子５１のエミッタは、Ｕ相接続点２３に接続されている。スイッチング素子５１のゲートは、コントローラ１３から制御信号φを受ける。制御信号φに応じて、コレクタからエミッタへ向かう電流の許可と停止とを切り替えることができる。

ダイオード５２は、一方の方向へ電流が流れること許可すると共に、他方の方向へ電流が流れること禁止する。ダイオード５２のアノードは、Ｕ相接続点２３に接続されている。ダイオード５２のカソードは、抵抗器５３を介してハイ側入力端子１１ａに接続されている。換言すると、ダイオード５２のカソードは、抵抗器５３を介してスイッチング素子５１のコレクタに接続されている。つまり、ダイオード５２は、スイッチング素子５１に対して並列接続されている。より詳細には、ダイオード５２は、スイッチング素子５１に対して逆並列接続されている。

抵抗器５３は、ダイオード５２のカソードとハイ側入力端子１１ａの間に配置されている。換言すると、抵抗器５３は、ダイオード５２のカソードとスイッチング素子５１のコレクタとに接続されている。そうすると、抵抗器５３は、ダイオード５２に対して直列接続されている。また、抵抗器５３は、スイッチング素子５１に対して並列接続されている。

このようなスイッチング素子５１とダイオード５２の接続によれば、Ｕ相接続点２３からハイ側入力端子１１ａの側に向かう電流は常に許可される。一方、ハイ側入力端子１１ａの側から、Ｕ相接続点２３に向かう電流はスイッチング素子５１の状態によって、許可又は禁止される。

以下、電力変換装置１の作用効果について説明する。モータ９２はセンサレス型であることは既に述べた。図２（ａ）は、Ｕ相端子１２ｕにおける端子電圧を示す。グラフＤｔは、端子電圧を示す。グラフＤｎは、誘起電圧を示す。図２（ａ）に示すように、センサレス型である場合には、誘起電圧（グラフＤｎ）のゼロクロスＣを基準として、モータ９２のロータの回転位置を得る。つまり、モータ９２を制御するためには、ゼロクロスＣが検出できることが前提となる。

モータ９２の説明時に、誘起電圧（グラフＤｎ）はコイルの非通電期間Ｓ１に確認できると説明した。しかし、誘起電圧（グラフＤｎ）は、非通電期間Ｓ１のすべてにわたって確認できるものではない。いま、Ｕ相コイル９２ｕ及びＷ相コイル９２ｗに電流が供給されている（つまり、通電期間）であるとする。この場合の回路を、図３に示す。このとき、電流は、電源９１、ハイ側Ｗ相回路要素４１、Ｗ相端子１２ｗ、Ｗ相コイル９２ｗ、Ｕ相コイル９２ｕ、Ｕ相端子１２ｕ、ロー側Ｕ相回路要素２２及びロー側入力端子１１ｂを含む回路を流れる。

次に、通電期間Ｓ２から非通電期間Ｓ１に切り替える。この場合の回路を、図４に示す。具体的には、ロー側Ｕ相回路要素２２のスイッチング素子５１を非導通状態に切り替える。この回路は、ハイ側Ｕ相回路要素２１、ハイ側Ｗ相回路要素４１、Ｗ相端子１２ｗ、Ｗ相コイル９２ｗ、Ｕ相コイル９２ｕ及びＵ相端子１２ｕを含む。この回路は、電源９１を含んでいない。しかし、直前まで電流が供給されていたＵ相コイル９２ｕ及びＷ相コイル９２ｗには、エネルギが蓄積された状態である。その結果、Ｕ相コイル９２ｕ及びＷ相コイル９２ｗに蓄積されたエネルギが、電流となって放出される。この電流を、還流電流と称する。還流電流が流れている期間を、転流期間Ｓ１ａとも称する。

図２（ａ）のグラフＤｔに示されるように、６０°である非通電期間Ｓ１と、１２０°である通電期間Ｓ２とが繰り返されている。非通電期間Ｓ１は、転流期間Ｓ１ａと、非転流期間Ｓ１ｂと、を含む。転流期間Ｓ１ａの間、還流電流は、ハイ側Ｕ相回路要素２１のダイオード５２を流れる。このとき、ハイ側Ｕ相回路要素２１のダイオード５２のカソードは、電源９１の電圧であるから、転流期間Ｓ１ａが流れる期間は、ダイオード５２のアノード電位まで上昇する。つまり、Ｕ相コイル９２ｕの端子電圧は、電源９１の電圧まで上昇する。この電圧は、誘起電圧（グラフＤｎ）より大きい。従って、転流期間Ｓ１ａは、誘起電圧（グラフＤｎ）を確認できない。

転流期間Ｓ１ａは、モータ９２のコイルの特性によって決まる。つまり、モータ９２の回転数には関係しない。例えば、モータ９２の回転数が低い場合を仮定する。モータ９２の回転数は、電力変換装置１が出力する電流の周波数に基づく。モータ９２を低い回転数で動作させるときには、電力変換装置１は、低い周波数の電流を出力する。このとき、非通電期間Ｓ１は、十分に長いので、非転流期間Ｓ１ｂに、誘起電圧（グラフＤｎ）のゼロクロスＣが現れる。つまり、センサレス位置検出動作が可能である。

次に、図２（ｂ）に示すように、モータ９２の回転数が高い場合を仮定する。周波数が高くなるに伴って、非通電期間Ｓ１は短くなる。前述したように、転流期間Ｓ１ａは回転数や周波数には影響されないので、非通電期間Ｓ１が短くなっても、転流期間Ｓ１ａの時間は変わらないから、非転流期間Ｓ１ｂの時間が短くなる。その結果、誘起電圧（グラフＤｎ）のゼロクロスＣが生じるタイミングが転流期間Ｓ１ａに含まれることも生じ得る。この場合には、ゼロクロスＣを検出することができない。つまり、センサレス位置検出動作が不可能である。要するに、モータ９２の回転数を高めると、誘起電圧（グラフＤｎ）が還流電流に起因する電圧に埋もれてしまうので、ゼロクロスＣが検出できなくなってしまう。

そこで、電力変換装置１は、転流期間Ｓ１ａを短くすることにより、ゼロクロスＣを検出可能な周波数帯域を広げる。図４に示す回路において、Ｕ相コイル９２ｕ、Ｗ相コイル９２ｗ及びハイ側Ｕ相回路要素２１の抵抗器５３に注目する。これらの接続構成は、いわゆるＲＬ直列回路の接続構成である。ＲＬ直列回路の時定数（ｔ）は、コイルのリアクタンス（Ｌ）と抵抗器の抵抗値（Ｒ）とを含む下記式によって示される。
ｔ＝Ｌ／Ｒ・・・（１）

そうすると、抵抗器５３の存在によって、時定数が小さくなることがわかる。図２（ｃ）に示すように、還流電流が早期に収束する。換言すると、転流期間Ｓ１ａが短縮される。その結果、非通電期間Ｓ１における非転流期間Ｓ１ｂが長くなるので、周波数を高めた場合でもゼロクロスＣが転流期間Ｓ１ａに埋もれることがない。従って、制御可能な回転数の上限を拡大することができる。

要するに、センサレス型のブラシレスモータに電力を供給する電力変換装置１は、スイッチング素子５１及びダイオード５２が互いに並列接続された複数の回路要素を備える。複数の回路要素は、三相交流を出力可能に接続されている。回路要素は、スイッチング素子５１に対して並列接続であると共にダイオード５２に対して直列接続である抵抗器５３を有する。

電力変換装置１は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相として示される三相交流を出力する。これらの出力は、通電する通電期間Ｓ２と通電しない非通電期間Ｓ１とを交互に繰り返す。通電期間Ｓ２から非通電期間Ｓ１に切り替わったとき、モータ９２から電力変換装置１に還流電流が流れる。この還流電流は、モータ９２のいずれかのコイル９２ｕ、９２ｖ、９２ｗと電力変換装置１のいずれかの抵抗器５３とが直列に接続された回路を流れる。いずれかのコイル９２ｕ、９２ｖ、９２ｗと抵抗器５３とが直列に接続された回路の時定数は、コイル９２ｕ、９２ｖ、９２ｗのリアクタンスを分子とし、抵抗器５３の抵抗値を分母とした式で示される。そうすると、抵抗器５３の存在によって、時定数は小さくなる。つまり、還流電流の収束期間（転流期間Ｓ１ａ）が短くなる。転流期間Ｓ１ａが短くなると、還流電流に起因する電圧の上昇によって見えなくなっていた誘起電圧（グラフＤｎ）が早く見えるようになる。センサレス型のモータ９２は、この誘起電圧（グラフＤｎ）を利用してロータの位置を把握している。そうすると、電力変換装置１からモータ９２へ提供する三相交流の周波数を高めた場合であっても、誘起電圧（グラフＤｎ）のゼロクロスＣが確認可能であるからロータの位置を把握することが可能である。ロータの位置を把握することが可能ということは、換言するとモータ９２が制御可能であるということである。つまり、電力変換装置１は、抵抗器５３の配置によってＲＬ直列回路の時定数が小さくなるという作用の結果、転流期間Ｓ１ａが短くなるので、モータ９２の制御に必要な誘起電圧（グラフＤｎ）のゼロクロスＣを早期に確認できるようになるから、制御可能な回転数の上限を高めることができる。

抵抗器５３は、ダイオード５２のカソードとスイッチング素子５１との間に配置されている。この構成によっても、制御可能な回転数の上限を高めることができる。

電力変換装置１のスイッチング素子５１は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタである。この構成によれば、抵抗器５３を備えた回路要素２１、２２、３１、３２、４１、４２を構成することができる。

以上、本開示の電力変換装置をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本開示の電力変換装置は上記の内容に限定されるものではない。その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

例えば、電力変換装置１の抵抗器５３は、ダイオード５２のアノードとスイッチング素子５１との間に配置されていてもよい。この構成によっても、制御可能な回転数の上限を高めることができる。

１ 電力変換装置
１１ａ ハイ側入力端子
１１ｂ ロー側入力端子
１２ｕ Ｕ相端子
１２ｖ Ｖ相端子
１２ｗ Ｗ相端子
１３ コントローラ
２１ ハイ側Ｕ相回路要素
２２ ロー側Ｕ相回路要素
２３ Ｕ相接続点
３１ ハイ側Ｖ相回路要素
３２ ロー側Ｖ相回路要素
３３ Ｖ相接続点
４１ ハイ側Ｗ相回路要素
４２ ロー側Ｗ相回路要素
４３ Ｗ相接続点
５１ スイッチング素子
５２ ダイオード
５３ 抵抗器
９１ 電源
９２ モータ
９２ｕ Ｕ相コイル
９２ｖ Ｖ相コイル
９２ｗ Ｗ相コイル
９３ キャパシタ
Ｃ ゼロクロス
Ｓ１ 非通電期間
Ｓ１ａ 転流期間
Ｓ１ｂ 非転流期間
Ｓ２ 通電期間
φ 制御信号

Claims (4)

1. センサレス型のモータに電力を供給する電力変換装置であって、
   スイッチング素子及びダイオードが互いに並列接続された複数の回路要素を備え、
   複数の前記回路要素は、三相交流を出力可能に接続され、
   前記回路要素は、前記スイッチング素子に対して並列接続であると共に前記ダイオードに対して直列接続である抵抗器を有する、電力変換装置。
2. 前記抵抗器は、前記ダイオードのカソードと前記スイッチング素子との間に配置されている、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記抵抗器は、前記ダイオードのアノードと前記スイッチング素子との間に配置されている、請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記スイッチング素子は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタである、請求項１～３の何れか一項に記載の電力変換装置。

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