JP4604760B2

JP4604760B2 - 交流電動機駆動システム

Info

Publication number: JP4604760B2
Application number: JP2005046613A
Authority: JP
Inventors: 章夫鳥羽
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2005-02-23
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2025-02-23
Also published as: JP2006238541A

Description

本発明は、回転型や直動型の交流電動機駆動システムに関し、特に電動機の回転子または可動子の位置センサを有さない、いわゆるセンサレス駆動システムにおいて、電動機が空転している状態からシステムを起動する手段に特徴を有する交流電動機駆動システムに関するものである。

図４は、後述する特許文献１に記載された従来技術に相当するブロック図である。
図４において、スイッチング素子及び受動素子によって構成される電力変換器１は、交流または直流の電源４から電力を供給されて電力変換を行い、回転機としての交流電動機３に電力を供給している。
電力変換器１は、制御部２によって制御されている。交流電動機３は、回転子に界磁極を有しているため、端子を開放した状態で回転子を回転させると誘起電圧を発生する。このような電動機を、本明細書ではまとめて界磁付き電動機（界磁付同期電動機）と呼ぶ。

一般に、界磁付き電動機を駆動するためには、回転子の位置に応じた電圧及び電流を供給する必要がある。回転子の位置を検出するセンサとして、ロータリーエンコーダ等の光電式位置センサや、ホール素子等を用いた電磁式位置センサが知られている。
しかし、信頼性、耐環境性、コスト等の観点から、これらの位置センサを使用しないで回転子位置を推定する、いわゆるセンサレス駆動が要求されている。

このセンサレス駆動を行うために、図４に示す制御部２は以下のように構成されている。
まず、２１は電流変換処理部である。この電流変換処理部２１は、交流電動機３の電流センサ５Ａ，５Ｂから得られた二相の電流から三相電流を合成し、この三相電流を直交回転座標に変換する。

また、２２は制御演算器である。この制御演算器２２は、電力変換器１から交流電動機３に電力を供給している状態で回転子位置を推定し、電力変換器１が供給するべき電圧及び電流を演算して所定のスイッチング素子に与えるオン・オフ信号を出力する。回転子位置の推定に当たり、制御演算器２２は電流変換処理部２１から交流電動機３の電流に関する種々の情報を取得し、これらに基づいて必要な演算を行っている。なお、電流変換処理部２１及び制御演算器２２等により実行される界磁付き電動機のセンサレス駆動技術は周知であるため、ここでは詳述を省略する。

さて、界磁付き電動機の位置センサレス駆動における大きな課題の一つは、回転子が空転している状態から電力変換器を起動する方法（フリーラン起動と呼ぶ）である。
すなわち、図４に示したように、制御系では交流電動機３の電流に基づいて制御を行っているため、電力変換器１が停止していて電流が流れていない状態では、交流電動機３の情報が全く得られない。回転子が停止していれば、例えばある位相で電流が通流するように電力変換器１の出力電圧を調整し、これによって回転子の位置を引き込んでから運転を開始することができる。

しかし、回転子が空転している状態で電力変換器１をランダムに起動して電圧を発生させると、交流電動機３が動的な誘起電圧を発生しているために電流制御が不能になって正常に起動できない場合がある。また、最悪の場合には、過電流によって電力変換器１のスイッチング素子を破損し、交流電動機３が永久磁石を有する場合には不可逆減磁させる危険もある。

このような問題を解決する手段として、交流電動機の空転時に、その巻線を電力変換器によって瞬間的に短絡させ、このときに流れる電流に基づき回転子位置を推定して電力変換器を起動する方法が、特許文献１に開示されている。

この特許文献１には、交流電動機運転用の電力変換器を構成するスイッチング素子のうち少なくとも一つをオンすることにより交流電動機の巻線を短絡し、そのときに流れる巻線電流に基づいて回転子の位置を推定することが開示されている。これは、交流電動機の巻線を短絡した際に誘起電圧によって流れる巻線電流が、交流電動機の回転子の位置と速度、及び交流電動機の回路定数によって一義的に決まるので、この巻線電流を解析することによって回転子の位置及び速度が計算できることに着目したものである。

図４に示す従来技術では、制御部２内のフリーラン起動演算部２３が、上述した巻線短絡のための電力変換器１内のスイッチング素子へのオン・オフ信号の生成、電流変換処理部２１から得られる電流情報に基づく回転子空転時の回転子位置推定演算、及び、得られた回転子位置情報に基づく起動シーケンスの実行を行っている。
そして、電力変換器１の起動後は、通常動作に移行するために、切替スイッチ２４によってフリーラン起動演算部２３側から制御演算器２２側に処理が切り替えられる。この切替スイッチ２４の操作は、制御部２の動作を統括する制御切替部２５が行っている。

更に、他の従来技術として、後述する特許文献２に記載されたブラシレスＤＣ電動機の駆動方法が知られている。
この従来技術は、三相インバータにより回転子位置センサを有しないブラシレスＤＣ電動機を駆動する方法において、空転中のブラシレスＤＣ電動機の回転子速度及び回転子位相を検出する際に、インバータ内の直列接続された二つのスイッチング素子のオン・オフ比率を制御することによって確定される出力電圧値が三相とも同一になるように電圧を出力し、かつ、その際の少なくとも二相分の電動機電流検出値を利用するものである。

さて、特許文献１には、交流電動機の全相巻線を短絡したときの挙動が詳述されているものの、一部の相の巻線のみを短絡して回転子位置を推定する具体的方法については開示されていない。また、通常、電力変換器と交流電動機との間には、フィルタリアクトル等の受動回路部品がしばしば挿入されるが、特許文献１ではこのような場合について特に考慮されていない。更に、特許文献２にも、三相のうち一部の相の巻線のみを短絡して回転子位置を推定する具体的方法は開示されていない。
これらの点に鑑み、多相交流電動機の空転時において、多相のうちの一部の相の巻線を短絡して流れる電流に基づいて回転子や可動子の位置を推定する具体的手段を開示し、電力変換器の起動を確実かつ簡便に行えるようにした交流電動機用電力変換装置が、本出願人による特願２００４−３０６８９０として出願されている。

図５は上記先願にかかる発明の主要部の回路図であり、交流電動機（界磁付き電動機）が三相である場合を示している。
図５において、１０は、ＩＧＢＴ等の自己消弧型スイッチング素子Ｑ_ｕ，Ｑ_ｖ，Ｑ_ｗ，Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚ、及び、これらにそれぞれ逆並列接続されたダイオードＤ_ｕ，Ｄ_ｖ，Ｄ_ｗ，Ｄ_ｘ，Ｄ_ｙ，Ｄ_ｚからなる三相の電力変換器（インバータ）、３０は電力変換器１０により運転される交流電動機である。
電動機３０の空転時において、図５に示す如く、Ｕ相（スイッチング素子Ｑ_ｕ，Ｑ_ｘからなる相）の下アームのスイッチング素子Ｑ_ｘにのみオン信号を与え、残りのスイッチング素子にはオフ信号を与える状態を考える。なお、どのスイッチング素子をオンさせる場合にも、以下の説明は同様に当てはまる。

図６は、スイッチング素子Ｑ_ｘのみをオンした場合の等価回路図であり、電力変換器１０は、実質的にスイッチング素子Ｑ_ｘ及びダイオードＤ_ｘ，Ｄ_ｙ，Ｄ_ｚから構成される。
電動機３０の各相の誘起電圧が三相平衡正弦波であるものとし、回転子における磁極のＮ極の方向をｄ軸とし、ｄ軸とＵ相巻線の励磁軸との間の角度（電気角）をθとすると、回転子が正転する場合（θが増大する方向）には各相の誘起電圧は図７のようになり、また、以上の関係をベクトル図で表すと図９のようになる。すなわち、各相の誘起電圧の値を、それぞれ１２０°の位相差をもつＵ，Ｖ，Ｗ軸に投影し、これら三つのベクトルを合成したものとして図９の誘起電圧ベクトルｅが定義される。この誘起電圧ベクトルｅは、一般にｄ軸と直交するｑ軸に現れ、ｄ−ｑ座標系と共に速度ωで回転する。
ここで、図７に示すように３６０°を６０°ずつに６分割することにより、それぞれを領域<I>〜領域<VI>とする。なお、図７、図９（及び、後述の回転子逆転時に関する図８）において、電気角θ、誘起電圧、及び各領域の位置は整合している。

図６、図７から、回転子の空転時に一つのスイッチング素子のみをオンした場合に電流がどのように流れるかは、各相誘起電圧ｅ_ｕ，ｅ_ｖ，ｅ_ｗの位相（大小関係）によって変わることが分かる。すなわち、次の三つの現象が起こり得る。
（１）電流が流れない。（誘起電圧の状態：領域<III>，<IV>）
（２）ある二相にのみ電流が流れる。（誘起電圧の状態：領域<II>，<V>）
（３）三相すべてに電流が流れる。（誘起電圧の状態：領域<I>，<VI>）
上記（１）〜（３）の現象を利用して電流の流れ方を観測することにより、誘起電圧位相が領域<I>〜領域<VI>のどの状態になっているかを判別することができる。例えば、上述したスイッチング素子Ｑ_ｘのみをオンする場合には、オンした際に（１）〜（３）のうち何れの現象が現れるかによって、対応する誘起電圧の状態が決まり、しかも誘起電圧位相は回転子の位置と同期しているため、回転子の位置を知ることができる。
回転子が逆転する場合（θが減少する方向）には、各相の誘起電圧は図８のようになり、この場合でも、正転時と同様の現象が現れることは明らかである。

更に、上記原理に基づいて、以下に述べるように、より高精度な回転子位置の推定が可能となる。
例えば、上記の例で回転子が正転する場合には、スイッチング素子Ｑ_ｘのみをオンした際に電流が流れない場合、図７から、誘起電圧ベクトルｅは領域<III>または領域<IV>に存在すると判定することができる。この判定を行った後に、スイッチング素子Ｑ_ｘのオン状態を継続または断続する。その間、電流が流れなければ、誘起電圧ベクトルｅは領域<III>または領域<IV>に存在し続けていることになる。
一方、上記の例で回転子が逆転する場合には、スイッチング素子Ｑ_ｘのみをオンした際に電流が流れなければ、図８から、誘起電圧ベクトルｅはやはり領域<III>または領域<IV>に存在すると判定することができる。

やがて、回転子の回転によって各相誘起電圧ｅ_ｕ，ｅ_ｖ，ｅ_ｗの位相が変化し、誘起電圧ベクトルｅが領域<III>または領域<IV>から出ると、電流を阻止していたダイオードＤ_ｙまたはＤ_ｚに順方向電圧が印加され、電流が流れ始める。この電流の通流を検出すれば、誘起電圧ベクトルｅが領域<II>と<III>との境界、または、領域<IV>と<V>との境界の何れかに存在することをピンポイントで特定することができる。換言すれば、誘起電圧の位相を特定することができ、これに同期している回転子の位置を推定することができる。

更に、電流ゼロの状態からＶ相電流が通流してＷ相電流はゼロのままという状態に変化した場合、すなわちダイオードＤ_ｙに電流が流れ、ダイオードＤ_ｚには電流が流れない状態に変化した場合には、各相誘起電圧の大小関係は、
Ｗ相誘起電圧ｅ_ｗ＞Ｕ相誘起電圧ｅ_ｕ＞Ｖ相誘起電圧ｅ_ｖ
であることになるため、図７から分かるように、回転子が正転していること、及び、そのときの電気角が１５０°であることを直ちに判定することができる。
一方、電流ゼロの状態からＷ相電流が通流してＶ相電流はゼロのままという状態に変化した場合、すなわちダイオードＤ_ｚに電流が流れ、ダイオードＤ_ｙには電流が流れない状態に変化した場合には、各相誘起電圧の大小関係は、
Ｖ相誘起電圧ｅ_ｖ＞Ｕ相誘起電圧ｅ_ｕ＞Ｗ相誘起電圧ｅ_ｗ
であることになるため、この場合には回転子が逆転していること、及び、そのときの電気角が２１０°であることを直ちに判定することができる。
また、回転速度の大きさ│ω│については、流れた短絡電流の振幅から計算すればよい。すなわち、無負荷誘起電圧の振幅は速度に比例し、また今回の状況では位相が既知であるため、電流の振幅も回転速度によって一義的に決まるからである。

以上により、回転子の位置と回転方向（ωの極性）、及び回転子の速度│ω│が明らかになるから、ある時刻ｔ_ｓにおける回転子の位置θ_ｓを次の数式１から推定することができ、これによって時刻ｔ_ｓにおける電力変換器１０の起動が可能となる。
［数式１］
θ_ｓ＝θ_０+ω(ｔ_ｓ−ｔ_０)
ただし、θ_０；時刻ｔ_０において判定された回転子の位置
ここで、一連の動作はごく短時間に行われるため、回転子の回転速度ωは一定と見なせるものとしている。

次に、前述のようにスイッチング素子Ｑ_ｘのみをオンして短絡電流を検出した後に、更に６個のスイッチング素子のうちの一つ、代表的にはＱ_ｘ以外のスイッチング素子をオンして短絡電流を流し、前記と同様な操作を実施することによっても回転子の位置や速度を求めることが可能である。特に、２回目のオンの後に電流が流れない場合には、電流が流れるまでオン状態を継続または断続し、電流が流れたら、その時刻をｔ_１とし、判別した回転子の位置をθ_１とすることにより、数式２を用いて回転子の速度ωを極性付きで求めることができる。
［数式２］
ω＝(θ_１−θ_０)／(ｔ_１−ｔ_０)

続いて、上述した簡便な速度検出方法を確実に行う方法を以下に述べる。
上記説明の中で、電流が無通流状態にてスイッチング素子Ｑ_ｘのオン状態を継続し、電流が通流した時点で誘起電圧の位相が判別できることを述べた。このことから、次にどのスイッチング素子をオンした場合に電流が流れない状態になるかを特定することができる。
例えば、電流検出の結果、回転方向が正転で、誘起電圧ベクトルｅが時刻ｔ_０において領域<IV>から<V>に切り替わったことを判別したとする。この場合、誘起電圧ベクトルｅは領域<V>に存在するため、各相の誘起電圧誘起電圧の大小関係は、
Ｗ相誘起電圧ｅ_ｗ＞Ｕ相誘起電圧ｅ_ｕ＞Ｖ相誘起電圧ｅ_ｖ
となっている。

従って、スイッチング素子Ｑ_ｗまたはＱ_ｙを直ちにオンしても、ダイオードＤ_ｚまたはＤ_ｙの作用によって電流は通流しない。続けて、同様にスイッチング素子Ｑ_ｗまたはＱ_ｙのオン状態を継続または断続すれば、やがて回転子の回転によって電流が通流するので、その時刻をｔ_１とし、前述の方法で判別できる回転子の位置をθ_１とすることにより、数式２によって回転子の速度ωを極性付きで求めることができる。

なお、２回目にオンするスイッチング素子をＱ_ｗとすれば、回転子が電気角で６０°回転した時点で領域<VI>に移り、各相の誘起電圧誘起電圧の大小関係は、
Ｕ相誘起電圧ｅ_ｕ＞Ｗ相誘起電圧ｅ_ｗ＞Ｖ相誘起電圧ｅ_ｖ
となるため、電流が通流する。
また、２回目にオンするスイッチング素子をＱ_ｙとすれば、回転子が電気角で１２０°回転した時点で領域<I>に移り、各相の誘起電圧誘起電圧の大小関係は、
Ｕ相誘起電圧ｅ_ｕ＞Ｖ相誘起電圧ｅ_ｖ＞Ｗ相誘起電圧ｅ_ｗ
となるため、電流が通流する。
検出タイミングの誤差を考慮した場合、より長い期間にわたって電流無通流状態が続くＱ_ｙオンのモードを選択する方が、速度の検出誤差は小さくなる。一方、Ｑ_ｗをオンさせるモードを選択すれば、電流がより早く通流するため、電力変換器１０の起動までの時間を短くすることができる。

以上のように、最初のスイッチング素子のオンによって電流が通流しなければ、効率よく回転子の位置を推定できることが分かる。従って、最初にあるスイッチング素子をオンし、電流が流れた場合にはそのスイッチング素子をオフし、全てのスイッチング素子の中から順次一つを選んで電流が通流しなくなるまで同様の動作を繰り返すことが考えられる。
更に、２回目以降に選ぶスイッチング素子はどれでもよいが、オン・オフを繰り返すスイッチング素子を最初に選んだスイッチング素子に限定すれば、新たにスイッチング素子を選ぶ手間が省け、操作を簡単化できる。また、回転子が回転している限り、一つのスイッチング素子のオン・オフを繰り返していればやがて誘起電圧の位相変化によって電流は流れなくなるため、効率的な回転子位置推定を確実に実施することができる。

ここで、上述したフリーラン起動とは直接関係ないが、スイッチング素子の駆動回路について、図５のＵ相アーム部（スイッチング素子Ｑ_ｕ，Ｑ_ｘ、ダイオードＤ_ｕ，Ｄ_ｘ）を例にとって以下に説明する。
図１０において、ＧＤＵ_ｕ，ＧＤＵ_ｘはそれぞれスイッチング素子Ｑ_ｕ，Ｑ_ｘの駆動回路、Ｃ_１はコンデンサ、Ｖ_１は直流電源、Ｄ_１はダイオードである。上記駆動回路Ｑ_ｕ，Ｑ_ｘの電源の負極すなわち基準電位は、スイッチング素子Ｑ_ｕ，Ｑ_ｘの負極（図のようにＩＧＢＴを用いる場合はエミッタ）にそれぞれ接続される。従って、上アームのスイッチング素子Ｑ_ｕの基準電位は、上下アームのスイッチング素子Ｑ_ｕ，Ｑ_ｘのスイッチングによって切り替わる。このことから、上アームのスイッチング素子Ｑ_ｕの駆動回路ＧＤＵ_ｕの電源を下アームのスイッチング素子Ｑ_ｘ用の電源と共用することができず、両電源は独立したものを用意する必要がある。これを最も単純に実現するには、上アームのスイッチング素子Ｑ_ｕ用の電源として、下アームのスイッチング素子Ｑ_ｘ用の電源とは絶縁された電源を用いればよいが、一般に絶縁された電源は高価である。

図１０の回路は、上記の点を考慮して、上アームのスイッチング素子Ｑ_ｕ用の電源を安価に実現する構成の例である。
下アームのスイッチング素子Ｑ_ｘ用の電源には、通常の直流電源Ｖ_１が使用されるが、上アームのスイッチング素子Ｑ_ｕ用の電源にはコンデンサＣ_１が使用される。このコンデンサＣ_１には、下アームのスイッチング素子Ｑ_ｘ、電源Ｖ_１及びダイオードＤ_１の作用により、駆動回路ＧＤＵ_ｕに電力を供給するための電荷が断続的に蓄積（チャージアップ）される。ここでは、このような動作をするための回路をチャージアップ回路と呼ぶ。このチャージアップ回路は、インバータの直流電圧部の負極の電位を基準電位とするものである。

次に、上記チャージアップ動作を説明する。いま、上アームのスイッチング素子Ｑ_ｕがオフ、下アームのスイッチング素子Ｑ_ｘがオンであるとすると、Ｖ_１→Ｄ_１→Ｃ_１→Ｑ_ｘのループ回路が形成されるため、コンデンサＣ_１の電圧が電源Ｖ_１の電圧までチャージアップされる。原理的には、このチャージアップ動作は瞬時に行われるものの、実際には上記ループ回路中に抵抗分やリアクタンス分が存在するため、ある時定数をもってチャージアップがなされる。なお、この時定数は、通常は数［μｓ］〜１［ｍｓ］程度の比較的短いものとなる。

こうしてコンデンサＣ_１がチャージアップされると、駆動回路ＧＤＵ_ｕによってスイッチング素子Ｑ_ｕをオン・オフすることが可能となる。
従って、インバータの通常動作である上下アームのスイッチング素子のオン・オフの繰り返しにより上記チャージアップ動作も同時に行われ、上アームのスイッチング素子Ｑ_ｕ用の駆動回路ＧＤＵ_ｕが常時動作可能な状態に維持される。

上記のチャージアップ回路は、図１１に示すように、一つのアーム部において３個以上の複数のスイッチング素子が直列接続されている場合にも適用することができる。この種のスイッチング素子の直列接続は、高圧インバータや多レベルインバータにおいて用いられる。
なお、図１１において、Ｑ_ｕ１，Ｑ_ｕ２，Ｑ_ｘ１，Ｑ_ｘ２はスイッチング素子、Ｄ_ｕ１，Ｄ_ｕ２，Ｄ_ｘ１，Ｄ_ｘ２，Ｄ_１’，Ｄ_２’，Ｄ_３’はダイオード、ＧＤＵ_ｕ１，ＧＤＵ_ｕ２，ＧＤＵ_ｘ１，ＧＤＵ_ｘ２は駆動回路、Ｃ_ｕ１，Ｃ_ｕ２，Ｃ_ｘ１はコンデンサ、Ｖ_１’は直流電源である。

図１１の回路では、スイッチング素子Ｑ_ｘ１の駆動回路ＧＤＵＱ_ｘ１用のコンデンサＣ_ｘ１のチャージアップはスイッチング素子Ｑ_ｘ２のオンにより、スイッチング素子Ｑ_ｕ２の駆動回路ＧＤＵ_ｕ２用のコンデンサＣ_ｕ２のチャージアップはスイッチング素子Ｑ_ｘ１，Ｑ_ｘ２のオンにより、更に、スイッチング素子Ｑ_ｕ１の駆動回路ＧＤＵ_ｕ１用のコンデンサＣ_ｕ１のチャージアップは、コンデンサＣ_ｕ２のチャージアップ後にスイッチング素子Ｑ_ｕ２をオンすることによって、それぞれなされるものである。
なお、以上のようにスイッチング素子の駆動用電源としてチャージアップ回路を用いる場合には、インバータの通常動作を開始する前に、チャージアップ動作を実施しておく必要がある。

特開平１１−７５３９４号公報（請求項１、段落［０００９］〜［００１２］、図２、図３等）特開平１０−１９１６８５号公報（請求項３、段落［００３８］〜［００４１］、図６等）

さて、インバータの負荷が界磁付き電動機であり、この電動機の空転中に不用意にチャージアップ動作を実施すると、電動機が誘起電圧を発生しているため、チャージアップ動作に伴ってスイッチング素子がオンすることにより、電動機の巻線が短絡されて過大な電流が流れる。この電流により、一般的に装備されている過電流保護手段によってインバータが停止してしまい、正常な動作を行わせることができないという問題がある。

そこで本発明の課題は、チャージアップ回路を有する電力変換器によって界磁付き電動機を駆動するシステムにおいて、電動機が空転している状態でもシステムを正常かつ高精度に起動可能な交流電動機駆動システムを提供することにある。
また、本発明は、電動機の回転方向が正逆何れでもよい場合に、電動機と電力変換器との接続端子の組み合わせを任意とした交流電動機駆動システムを提供することも課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、直流電圧部と、少なくとも２個のスイッチング素子を直列に接続してなりその両端が前記直流電圧部に並列接続された複数個のアーム部と、からなる電力変換器と、この電力変換器により駆動され、かつ、前記複数個のアーム部におけるスイッチング素子同士の接続点に端子がそれぞれ接続される多相の界磁付き電動機と、を有する交流電動機駆動システムにおいて、
前記各スイッチング素子の駆動回路は、前記直流電圧部の負極の電位を基準電位とするチャージアップ回路によって電力を供給され、
前記電動機の空転状態における前記電動機の回転子位置情報を得るために前記スイッチング素子の少なくとも１個をオンする動作が、前記チャージアップ回路のチャージアップ動作を、少なくとも部分的に兼ねることを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、請求項１において、
前記電動機の空転状態における前記電動機の回転子位置情報を得るために、前記スイッチング素子のうち、各アーム部における前記電動機との接続点よりも負極側にある全てのスイッチング素子をオンするものである。

請求項３に記載した発明は、請求項１において、
前記スイッチング素子としての自己消弧型半導体スイッチング素子にダイオードを並列に接続し、
前記電動機の空転状態における前記電動機の回転子位置情報を得るために、
前記スイッチング素子のうち、一つの相のアーム部における前記電動機の接続点よりも負極側にある全ての下アームスイッチング素子をオンし、これにより前記電動機に電流が通流した場合には前記下アームスイッチング素子のうち少なくとも１個のスイッチング素子をオフして電流を消滅させ、前記下アームスイッチング素子をオンしても電流が通流しなくなるまで前記オン・オフ動作を繰り返し、前記下アームスイッチング素子をオンしても電流が通流しなくなったら前記下アームスイッチング素子のオン状態を断続または継続し、
再び電流が通流したら、前記下アームスイッチング素子のうち少なくとも１個のスイッチング素子をオフし、かつ、オンしても電流が通流しない別の相の下アームのスイッチング素子のオン状態を断続または継続し、
上記と同様の動作を全ての相について実施した後にシステムを起動するものである。

請求項４に記載した発明は、請求項３において、
前記電動機の相数が３であり、
前記電力変換器の電流検出手段が三相のうち二相に設けられており、残りの一相の電流を、前記電流検出手段により検出された他の二相の電流値から検出する場合に、
最初にスイッチング素子をオンするアーム部の相を、前記電流検出手段が設けられていない相とするものである。

請求項５に記載した発明は、
多相交流電動機を運転する電力変換器と、前記電動機の巻線電流を所定値に制御するために前記電力変換器を構成するスイッチング素子にオン・オフ信号を生成して出力する制御手段と、を備え、かつ、
前記電動機の回転子の空転時に、前記制御手段により、前記スイッチング素子のうち少なくとも１個をオンさせて前記電動機の巻線を短絡させ、その際に流れる巻線電流に基づき回転子の位置及び回転方向を推定して前記電力変換器を起動する交流電動機駆動システムにおいて、
前記電力変換器の起動後に、その起動前に前記起動手段により推定した回転方向に基づいて運転を継続することにより、前記電動機の各相端子と前記電力変換器の各相出力端子との接続を任意に組み合わせ可能としたものである。
すなわち、電動機の回転方向がどちらでもよい場合、例えば発電機に適用する場合に、フリーラン起動技術を用いることによって電動機と電力変換器とのそれぞれの接続端子の組み合わせを任意としたものである。

本発明によれば、チャージアップ回路を有する電力変換器によって界磁付き電動機を駆動するシステムにおいて、いわゆるフリーラン起動を高精度に実現することができる。
また、電動機と電力変換器との接続端子の組み合わせを任意にすることにより、使い勝手や汎用性を向上させることが可能である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
ここで、以下の説明は、界磁付き電動機の相数が３であり、かつ電力変換器として各アーム部が上下アームとも１個ずつのスイッチング素子により構成されるインバータを用いた構成について行うものとする。ただし、本発明は上述した電動機の相数や、スイッチング素子の数を始めとした電力変換器の構成に何ら限定されるものではない。

まず、請求項１にかかる発明について説明する。
前述したチャージアップ動作は、何れかのアーム部の下アームのスイッチング素子をオンさせることにより行われ、また、界磁付き電動機の回転子位置を推定するために巻線を少なくとも部分的に短絡して電流を通流させる動作は、何れかのアーム部の上下アームのうちの少なくとも１個のスイッチング素子をオンすることにより行われる。
従って、回転子位置を推定するために巻線を短絡する動作を下アームのスイッチング素子をオンさせて行うことにより（言い換えれば、空転状態の電動機の回転子位置情報を得るために電力変換器のスイッチング素子の少なくとも１個をオンする動作が、チャージアップ回路のチャージアップ動作を少なくとも部分的に兼ねることにより）、回転子位置の推定動作とチャージアップ動作とを一度に実施することができ、これによって、両動作を効率よく確実に実現可能となる。
このような着想を具体化すると、以下の通りである。

図１は、請求項２に記載した発明の実施形態を示すタイミングチャートであり、例えば図５における三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）全ての下アームのスイッチング素子Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚを同時にオン・オフ（短絡・開放）させることにより、回転子位置の推定動作とチャージアップ動作とを同時に実行する場合のものである。

図１に示すように、Ｕ，Ｖ，Ｗ相全ての下アームのスイッチング素子Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚに対し、例えば３回のオン・オフ信号を繰り返し与える。このとき流れる短絡電流（Ｕ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流）に基づき、前述した特許文献１の段落［００２１］〜［００４３］に開示されている技術を用いることにより、回転子位置、速度及び回転方向を推測することができる。
この３回のオン・オフ動作により、同時に、各相の上アームのスイッチング素子Ｑ_ｕ，Ｑ_ｖ，Ｑ_ｗの電源としてのコンデンサ（例えばスイッチング素子Ｑ_ｕについては、図１０におけるコンデンサＣ_１）がチャージアップされ、やがて、図１に示す如く、各相の上アームのスイッチング素子Ｑ_ｕ，Ｑ_ｖ，Ｑ_ｗの電源としての各コンデンサの電圧が下アームの駆動電源電圧値に等しくなるため、上アームのスイッチング素子Ｑ_ｕ，Ｑ_ｖ，Ｑ_ｗの駆動回路が動作可能となる。
このように、下アームのスイッチング素子Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚをオン・オフさせることで、回転子位置等の推定及びチャージアップ動作を同時に行うことができ、システムを起動する準備が整うため、速やかに通常動作に移行することができる。

なお、スイッチング素子のオン・オフ動作は３回には限らず、例えば別の種類のチャージアップにおいてより多くの回数が必要となる場合、あるいは回転子位置や速度の推定精度を高めたい場合には、オン・オフ動作の回数を更に増やせばよい。また、これらの要請が少ない場合には、逆に２回に減らしてもよい。
本実施形態によれば、全相同時短絡によって回転子位置等の推定及びチャージアップ動作と位置推定を行えるため、起動時間を短くできるという利点がある。

次に、請求項３に記載した発明の実施形態を説明する。図２は、この実施形態の動作を概念的に表したタイミングチャートである。
本実施形態は、多相のうちの一部の相のみを短絡させる部分相短絡によって回転子位置を推定する場合のものであり、前述した先願に係る特願２００４−３０６８９０に記載された技術を応用している。

図２に示すように、Ｕ，Ｖ，Ｗ相と順番に下アームのスイッチング素子Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚをオンする動作を一巡させ、上記先願に記載された方法で回転子位置、速度及び回転方向を推定し、通常動作に移行する。
すなわち、スイッチング素子Ｑ_ｘをオンさせた場合、図６〜図８により、正転時には回転子位置が電気角で３０°〜１５０°、逆転時には２１０°〜３３０°の範囲内にあれば電流が流れず、このままスイッチング素子Ｑ_ｘのオンを維持すると、Ｕ相とＶ相またはＷ相との大小関係が入れ替わって電流の通流が開始する。このタイミングを検出すれば回転子位置が１５０°または２１０°にあることを検出でき、更に、Ｖ相またはＷ相のどちらに通流したかによって回転方向を判別することができる。図２の場合には、スイッチング素子Ｑ_ｘのオンを維持することによりＵ相及びＶ相に通流しているので、このとき回転子位置が１５０°であり、回転方向は正転であると判別できる。

なお、最初にスイッチング素子Ｑ_ｘをオンさせて直ちに電流が通流してしまう場合には、回転子位置が、Ｕ相無負荷誘起電圧が最小である位相角範囲の上記３０°〜１５０°（正転時）または２１０°〜３３０°（逆転時）に存在しないことになる。このとき、スイッチング素子Ｑ_ｘのオン・オフを繰り返していれば、やがて回転子の回転によってＵ相無負荷誘起電圧が最小となり、スイッチング素子Ｑ_ｘをオンさせても電流が通流しなくなるので、これを確認した後に、スイッチング素子Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚを順番にオンする動作を行えばよい。
図２のタイミングチャートは、上述したスイッチング素子Ｑ_ｘのオン・オフを繰り返して電流が通流しないことを確認した後の動作を示している。

前述したように、例えば回転子位置が１５０°で回転方向が正転であることが判明したら、図２に示すごとくスイッチング素子Ｑ_ｘをオフし、同時にＶ相の下アームのスイッチング素子Ｑ_ｙをオンする。このとき、先に述べたのと同様の原理によって電流は直ちには通流せず、回転子位置が２７０°に達した時点でＶ相及びＷ相間の電流通流が開始する。
こうして２回の電流通流の間に、回転子は電気角で１２０°回転するため、その間の所要時間で１２０°を割ることにより、単位時間当たりの回転角度、すなわち回転速度を知ることができる。
以上により、回転子の位置、速度及び回転方向が分かるため、システムを速やかに起動することが可能である。

本実施形態において、図２に示すようにＵ，Ｖ，Ｗ相と順番に下アームのスイッチング素子Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚをオンする動作は、同時に上アームのスイッチング素子Ｑ_ｕ，Ｑ_ｖ，Ｑ_ｗの駆動回路に対するチャージアップ動作を兼ねている。すなわち、Ｕ相下アームのスイッチング素子Ｑ_ｘのオンにより、Ｕ相上アームのスイッチング素子Ｑ_ｕに接続された電源としてのコンデンサ（図１０におけるコンデンサＣ_１）がチャージアップされてその電圧が下アームの駆動電源電圧値に等しくなり、以下同様に、上アームのスイッチング素子Ｑ_ｖ，Ｑ_ｗに接続されたコンデンサがチャージアップされて各スイッチング素子Ｑ_ｕ，Ｑ_ｖ，Ｑ_ｗの駆動回路が順次、動作可能となる。

この実施形態によれば、オンしても直ちに電流が通流しないアームを選択的にオンすることにより、チャージアップ動作に伴って流れる電流を最小限に抑えることができる。従って、チャージアップ動作に伴って電動機に発生する瞬間的なトルク外乱を抑制することができる。

次いで、図３は請求項４に係る発明の実施形態を示している。なお、図３において、２０は、各相電流に基づいて電力変換器１０の各相上下アームのスイッチング素子に対するゲート信号を生成するフリーラン起動演算部であり、前述した各実施形態によって回転子位置の推定動作とチャージアップ動作とを同時に実行可能である。

三相負荷の中性点電流がゼロの場合、三相電流の合計はゼロとなる。これを利用し、三相インバータでは、図３に示すように電流検出器４０_ｖ，４０_ｗによって二相（例えばＶ相、Ｗ相）の電流のみを検出し、残りの一相（Ｕ相）については、検出した二相の電流を電流演算部５０により加算して符号を反転することにより求める場合が殆どである。
これを数式で表すと、検出する二相の電流をｉ_ｖ，ｉ_ｗ、計算で求める一相の電流をｉ_ｕとすれば、次のようになる。
［数式３］
ｉ_ｕ＝−（ｉ_ｖ＋ｉ_ｗ）

さて、電流検出値には、現実にはゲインの誤差とオフセットが存在する。更にはノイズが重畳するという問題もある。これらの問題による悪影響は、上述のように二相の電流検出値から残りの一相の電流を計算する方式では、計算によって求められる当該一相において最も大きくなる。例えば、数式３から分かるように、オフセットの変動範囲は計算によって求められる相では他の二相の変動範囲の合計になるし、また、検出値に重畳するノイズが同じ波形の場合には、計算により求められる相では振幅が他相の２倍になる。

従って、部分相短絡によってフリーラン起動を行う場合には、最初に通流する相を、計算によって電流値を求める相（図３の例ではＵ相）とすることが好ましい。すなわちその場合、スイッチング素子をオンさせて電流検出を監視する相が電流を直接検出する二相となるため、誤差の影響を受けにくいためである。更に、最初の電流検出において残りの一相を計算する必要がないため、高速動作にも適すると言える。

最後に、請求項５に係る発明の実施形態を説明する。
通常のセンサレス駆動システムでは、電動機の端子をインバータの特定の出力端子に結合する。すなわち、電動機とインバータとの両端子に、三相の場合には例えばＵ，Ｖ，Ｗと名前を付け、これらが一致するように結線を行う。このことにより、各相端子にある相順で電流を通流した場合に、回転子が意図した方向に回転する。
しかし、例えば発電機のように外力によって駆動される場合には、回転方向は外力によって決まるため、センサレス駆動システム側で決定する必要はない。

そこで、以上に述べたようなフリーラン起動技術を使って、回転状態において相順を検出し、検出した相順に基づいて起動後の運転を行うようにすれば、回転方向がどのようになっていても正しい動作を行わせることができる。この方法によれば、各相の相順と回転方向との関係は、起動前に回転子の位置、速度、回転方向を推定する際に決定されるため、事前に発電機とインバータとの端子結合を整合させておく必要はなくなる。
例えば、インバータの出力端子：Ｕ，Ｖ，Ｗを電動機端子：Ｖ，Ｕ，Ｗに順次接続するように設定してもよく、あるいは、インバータの出力端子：Ｕ，Ｖ，Ｗを電動機端子：Ｖ，Ｗ，Ｕに順次接続するように循環させてもよい。
すなわち、発電機端子のインバータ出力端子への結合が一対一でありさえすれば、接続端子の組合せがどのようになされていてもよいことになり、これによって汎用性の向上、及び製造コストや調整コストの低減を図ることができる。

請求項２に記載した発明の実施形態を示すタイミングチャートである。請求項３に記載した発明の実施形態を示すタイミングチャートである。請求項４に記載した発明の実施形態を示す構成図である。特許文献１に記載された従来技術を示す構成図である。先願に記載された発明の主要部を示す構成図である。図５における巻線短絡時の等価回路図である。図６における回転子正転時の各相の誘起電圧を示す図である。図６における回転子逆転時の各相の誘起電圧を示す図である。図６における誘起電圧ベクトルの説明図である。スイッチング素子の駆動回路の構成図である。スイッチング素子の駆動回路の構成図である。

符号の説明

Ｑ_ｕ，Ｑ_ｖ，Ｑ_ｗ，Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚ：自己消弧型スイッチング素子
Ｄ_ｕ，Ｄ_ｖ，Ｄ_ｗ，Ｄ_ｘ，Ｄ_ｙ，Ｄ_ｚ：ダイオード
１０：電力変換器（インバータ）
２０：フリーラン起動演算部
３０：交流電動機（界磁付き電動機）
４０_ｖ，４０_ｗ：電流検出器
５０：電流演算部

Claims

直流電圧部と、少なくとも２個のスイッチング素子を直列に接続してなりその両端が前記直流電圧部に並列接続された複数個のアーム部と、からなる電力変換器と、
この電力変換器により駆動され、かつ、前記複数個のアーム部におけるスイッチング素子同士の接続点に端子がそれぞれ接続される多相の界磁付き電動機と、
を有する交流電動機駆動システムにおいて、
前記各スイッチング素子の駆動回路は、前記直流電圧部の負極の電位を基準電位とするチャージアップ回路によって電力を供給され、
前記電動機の空転状態における前記電動機の回転子位置情報を得るために前記スイッチング素子の少なくとも１個をオンする動作が、前記チャージアップ回路のチャージアップ動作を、少なくとも部分的に兼ねることを特徴とする交流電動機駆動システム。
請求項１に記載した交流電動機駆動システムにおいて、
前記電動機の空転状態における前記電動機の回転子位置情報を得るために、前記スイッチング素子のうち、各アーム部における前記電動機との接続点よりも負極側にある全てのスイッチング素子をオンすることを特徴とする交流電動機駆動システム。
請求項１に記載した交流電動機駆動システムにおいて、
前記スイッチング素子としての自己消弧型半導体スイッチング素子にダイオードを並列に接続し、
前記電動機の空転状態における前記電動機の回転子位置情報を得るために、
前記スイッチング素子のうち、一つの相のアーム部における前記電動機の接続点よりも負極側にある全ての下アームスイッチング素子をオンし、これにより前記電動機に電流が通流した場合には前記下アームスイッチング素子のうち少なくとも１個のスイッチング素子をオフして電流を消滅させ、前記下アームスイッチング素子をオンしても電流が通流しなくなるまで前記オン・オフ動作を繰り返し、前記下アームスイッチング素子をオンしても電流が通流しなくなったら前記下アームスイッチング素子のオン状態を断続または継続し、
再び電流が通流したら、前記下アームスイッチング素子のうち少なくとも１個のスイッチング素子をオフし、かつ、オンしても電流が通流しない別の相の下アームのスイッチング素子のオン状態を断続または継続し、
上記と同様の動作を全ての相について実施した後にシステムを起動することを特徴とする交流電動機駆動システム。
請求項３に記載した交流電動機駆動システムにおいて、
前記電動機の相数が３であり、
前記電力変換器の電流検出手段が三相のうち二相に設けられており、残りの一相の電流を、前記電流検出手段により検出された他の二相の電流値から検出する場合に、
最初にスイッチング素子をオンするアーム部の相を、前記電流検出手段が設けられていない相とすることを特徴とする交流電動機駆動システム。
多相交流電動機を運転する電力変換器と、前記電動機の巻線電流を所定値に制御するために前記電力変換器を構成するスイッチング素子にオン・オフ信号を生成して出力する制御手段と、を備え、かつ、
前記電動機の回転子の空転時に、前記制御手段により、前記スイッチング素子のうち少なくとも１個をオンさせて前記電動機の巻線を短絡させ、その際に流れる巻線電流に基づき回転子の位置及び回転方向を推定して前記電力変換器を起動する起動手段を有する交流電動機駆動システムにおいて、
前記電力変換器の起動後に、その起動前に前記起動手段により推定した回転方向に基づいて運転を継続することにより、前記電動機の各相端子と前記電力変換器の各相出力端子との接続を任意に組み合わせ可能としたことを特徴とする交流電動機駆動システム。