JP5319139B2 - ３相交流モータの巻線切換装置および巻線切換方法 - Google Patents
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Description
本発明は、３相交流モータの巻線を切換えることによって速度制御範囲を拡大する３相交流モータの巻線切換装置および巻線切換方法に関するのであり、車両駆動、工作機械主軸駆動、クレーンの横行・走行、巻取り機、サーボ装置を含む広い範囲の産業分野を対象とするものである。
従来の３相交流モータの巻線切換装置は、各相の巻線が複数の巻線からなり、複数の巻線を互いに連結した連結端子と各相巻線の両端子とをモータ外部に設けた交流モータと、連結端子を適宜切換える巻線切換手段と、交流モータに可変周波の可変電圧を供給する可変周波数電源とを備えた３相交流モータの巻線切換装置において、巻線切換手段が、各相巻線の一端を前記可変周波数電源に接続し、他端と連結端子とを各相毎に各々３相整流手段の交流側入力端子に接続した複数の３相整流手段と、３相整流手段の直流出力側の両端を開閉するように設けた半導体スイッチとからなり、巻線切換えに要する時間を短縮し、半導体スイッチ素子を極力少なくして小形で低コストの３相交流モータの巻線切換装置を提供している（例えば、特許文献１参照）。
また、Ｙ結線用の補正励磁インダクタンス及び補正二次抵抗値を保持するＹ結線用データ保持部とΔ結線用の補正励磁インダクタンス及び補正二次抵抗値を保持するΔ結線用データ保持部とを備える補正値保持手段と、Ｙ結線をΔ結線に切り替える巻線切換指令が入力されると、使用しているＹ結線用の補正励磁インダクタンス及び二次抵抗補正値を前記Ｙ結線用データ保持部に書き込み、Δ結線用データ保持部に書き込まれたΔ結線用の補正励磁インダクタンス及び二次抵抗補正値をリードし、また、Δ結線をＹ結線に切り替える巻線切換指令が入力されると、使用しているΔ結線用の補正励磁インダクタンス及び二次抵抗補正値をΔ結線用データ保持部に書き込み、前記Ｙ結線用データ保持部に書き込まれたＹ結線用の補正励磁インダクタンス及び二次抵抗補正値をリードする補正値切換手段と、を有し、巻線切換を行った直後から励磁インダクタンスの変動およびモータの二次抵抗の変動の影響を受けず、所望の出力トルクを得ているものもある（例えば、特許文献２参照）。
図１１は、従来技術である特許文献１の３相交流モータの巻線切換装置の基本回路構成図である。図１１において、３はインバータ部、４は３相交流モータ、２１は巻線切換部である。また、ＤＢ１およびＤＢ２は３相ダイオードブリッジ、ＳＷ１およびＳＷ２は半導体スイッチ、Ｄ１〜Ｄ４はダイオード、Ｒ１は放電抵抗、Ｃ１はコンデンサである。
３相交流モータ４は、各相の巻線が第１巻線と第２巻線との２つの巻線で構成されており、各相の巻線が第１巻線の一端はインバータ部３に接続し、他端は各相巻線の第２巻線に連結している。
巻線切換部２１は、３相ダイオードブリッジＤＢ１およびＤＢ２、半導体スイッチＳＷ１およびＳＷ２、ダイオードＤ１〜Ｄ４、放電抵抗Ｒ１、およびコンデンサＣ１構成で構成されている。３相ダイオードブリッジＤＢ１の交流入力端子は、各相巻線の第１巻線と第２巻線との連結端子に接続している。３相ダイオードブリッジＤＢ１の直流出力側は、半導体スイッチＳＷ１を並列に接続し、さらに、半導体スイッチＳＷ１がオフのときに、放電抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１を並列に接続した放電回路に電流が流れ、半導体スイッチＳＷ１がオンのときに、その放電回路から半導体スイッチＳＷ１に逆流しない方向にダイオードＤ１およびＤ２を介して、放電回路に接続している。
また、３相ダイオードブリッジＤＢ２の交流入力端子は、各相巻線の第２巻線の他端に接続している。同様に、３相ダイオードブリッジＤＢ２の直流出力側は、半導体スイッチＳＷ２を並列に接続し、さらに、半導体スイッチＳＷ２がオフのときに、放電抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の並列回路に電流が流れ、半導体スイッチＳＷ２がオンのときに、半導体スイッチＳＷ２に逆流しない方向にダイオードＤ３およびＤ４を介して、放電抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の並列回路を接続している。
このようにして、巻線切換部２１を構成して、巻線切換えに要する時間を短縮し、半導体スイッチ素子を極力少なくして小形で低コストの３相交流モータの巻線切換装置を提供している。
３相交流モータ４は、各相の巻線が第１巻線と第２巻線との２つの巻線で構成されており、各相の巻線が第１巻線の一端はインバータ部３に接続し、他端は各相巻線の第２巻線に連結している。
巻線切換部２１は、３相ダイオードブリッジＤＢ１およびＤＢ２、半導体スイッチＳＷ１およびＳＷ２、ダイオードＤ１〜Ｄ４、放電抵抗Ｒ１、およびコンデンサＣ１構成で構成されている。３相ダイオードブリッジＤＢ１の交流入力端子は、各相巻線の第１巻線と第２巻線との連結端子に接続している。３相ダイオードブリッジＤＢ１の直流出力側は、半導体スイッチＳＷ１を並列に接続し、さらに、半導体スイッチＳＷ１がオフのときに、放電抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１を並列に接続した放電回路に電流が流れ、半導体スイッチＳＷ１がオンのときに、その放電回路から半導体スイッチＳＷ１に逆流しない方向にダイオードＤ１およびＤ２を介して、放電回路に接続している。
また、３相ダイオードブリッジＤＢ２の交流入力端子は、各相巻線の第２巻線の他端に接続している。同様に、３相ダイオードブリッジＤＢ２の直流出力側は、半導体スイッチＳＷ２を並列に接続し、さらに、半導体スイッチＳＷ２がオフのときに、放電抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の並列回路に電流が流れ、半導体スイッチＳＷ２がオンのときに、半導体スイッチＳＷ２に逆流しない方向にダイオードＤ３およびＤ４を介して、放電抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の並列回路を接続している。
このようにして、巻線切換部２１を構成して、巻線切換えに要する時間を短縮し、半導体スイッチ素子を極力少なくして小形で低コストの３相交流モータの巻線切換装置を提供している。
図１２は、従来技術である特許文献２の誘導モータの制御装置の電気的定数入れ替えシーケンスのフローチャートである。
ステップ（Ｓ１）で前記巻線切替指令が入力されたかどうか判断し、入力されない場合ステップ（Ｓ３）に進み制御用パラメータの変更をしない。ステップ（Ｓ１）で巻線切替指令が入力された場合ステップ（Ｓ２）に進みΔ結線指令であるか判断する。ステップ（Ｓ２）でΔ結線指令の場合、ステップ（Ｓ４）に進みＹ結線用同定パラメータを前記Ｙ結線用データ保持部に書き込む。次にステップ（Ｓ６）に進みΔ結線用パラメータをメモリーよりリードし前記制御パラメータをリードした前記Δ結線用パラメータに変更する。次にステップ（Ｓ８）に進み前記Δ結線用データ保持部より前記同定パラメータをリードし制御用パラメータを変更する。ステップ（Ｓ２）でＹ結線指令の場合、ステップ（Ｓ５）に進みΔ結線用同定パラメータを前記Δ結線用データ保持部に書き込む。次にステップ（Ｓ７）に進みＹ結線用パラメータをメモリよりリードし前記制御パラメータをリードした前記Ｙ結線用パラメータに変更する。次にステップ（Ｓ９）に進み前記Ｙ結線用データ保持部より前記同定パラメータをリードし制御用パラメータを変更する。
特許第３９４８００９号公報（第３−６頁、図１）
特開平１１−６９８９７号公報（第５−７頁、図２）
ステップ（Ｓ１）で前記巻線切替指令が入力されたかどうか判断し、入力されない場合ステップ（Ｓ３）に進み制御用パラメータの変更をしない。ステップ（Ｓ１）で巻線切替指令が入力された場合ステップ（Ｓ２）に進みΔ結線指令であるか判断する。ステップ（Ｓ２）でΔ結線指令の場合、ステップ（Ｓ４）に進みＹ結線用同定パラメータを前記Ｙ結線用データ保持部に書き込む。次にステップ（Ｓ６）に進みΔ結線用パラメータをメモリーよりリードし前記制御パラメータをリードした前記Δ結線用パラメータに変更する。次にステップ（Ｓ８）に進み前記Δ結線用データ保持部より前記同定パラメータをリードし制御用パラメータを変更する。ステップ（Ｓ２）でＹ結線指令の場合、ステップ（Ｓ５）に進みΔ結線用同定パラメータを前記Δ結線用データ保持部に書き込む。次にステップ（Ｓ７）に進みＹ結線用パラメータをメモリよりリードし前記制御パラメータをリードした前記Ｙ結線用パラメータに変更する。次にステップ（Ｓ９）に進み前記Ｙ結線用データ保持部より前記同定パラメータをリードし制御用パラメータを変更する。
特許文献１に記載の従来の３相交流モータの巻線切換装置は、モータの加減速中に巻線切換えを行うと、巻線切換後に使われなくなるモータの巻線に蓄積されたエネルギーが放出されるため、放電回路が過電圧になることがある。それを防止するため、モータ電流を０にしたりインバータ部をベースブロックしたりして、巻線切換後に使われなくなるモータの巻線に蓄積されたエネルギーを放出した後に巻線を切換えていた。そのために、巻線切換えを行うとトルクが不連続になり、ショックを発生するという問題があった。
また、特許文献２に記載の誘導モータの制御装置は、巻線切換を行った直後から励磁インダクタンスの変動およびモータの二次抵抗の変動の影響を受けず、所望の出力トルクを得るものであるが、トルク指令値が所定値以下の場合にのみ、可能となっている。したがって、モータの加減速中に巻線切換を行う場合には、一旦、加減速を中断して、巻線切換を行わなければならないという問題もあった。
また、巻線指令のみに基づいて制御パラメータを切換えているので、巻線が切換わる速度によって、トルクが不連続になり、ショックを発生するという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、モータの加減速中であっても、モータの電流指令を小さくすることなく巻線切換ができ、巻線切換時のショックが少なく、滑らかな速度が得られる３相交流モータの巻線切換装置を提供することを目的とする。
また、特許文献２に記載の誘導モータの制御装置は、巻線切換を行った直後から励磁インダクタンスの変動およびモータの二次抵抗の変動の影響を受けず、所望の出力トルクを得るものであるが、トルク指令値が所定値以下の場合にのみ、可能となっている。したがって、モータの加減速中に巻線切換を行う場合には、一旦、加減速を中断して、巻線切換を行わなければならないという問題もあった。
また、巻線指令のみに基づいて制御パラメータを切換えているので、巻線が切換わる速度によって、トルクが不連続になり、ショックを発生するという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、モータの加減速中であっても、モータの電流指令を小さくすることなく巻線切換ができ、巻線切換時のショックが少なく、滑らかな速度が得られる３相交流モータの巻線切換装置を提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
本発明は、各相巻線が複数の巻線からなり、前記複数の巻線を互いに連結した連結端子と各相巻線の両端子とをモータ外部に設けた３相交流モータと、各相の出力端子を前記３相交流モータの各相巻線の一端（以下、「始端」という。）に各々接続し、前記３相交流モータに可変周波の可変電圧を供給するインバータ部と、相電圧指令を三角波のキャリア信号と比較して前記インバータ部のスイッチング素子を駆動するゲート信号を発生するＰＷＭパルス発生器と、各々が３相整流手段と前記３相整流手段の直流出力側の両端を開閉するように設けた半導体スイッチと抵抗およびコンデンサからなる並列回路とを備え、前記３相整流手段の直流出力側の両端に、前記半導体スイッチがオフの時に前記３相整流手段から前記並列回路に電流が流れ、前記半導体スイッチがオンの時に前記並列回路から前記半導体スイッチに逆流しない方向に設けられたダイオードを介して前記並列回路を接続し、前記３相交流モータの他端（以下、「終端」という。）および前記連結端子の各々に前記３相整流手段の交流入力端子を各相毎に各々接続し、前記半導体スイッチを速度モードに基づいてオン／オフする複数の巻線切換手段と、巻線切換によって変化する前記３相交流モータのモータ定数および前記モータ定数によって変化する制御パラメータからなる制御定数を格納する制御定数メモリと、前記速度モードに基づいて前記制御定数を切換える制御定数切換スイッチと、モータ速度またはモータ速度指令に基づいて巻線切換速度を決定し、前記速度モードを出力する巻線切換指令発生器と、前記制御定数を入力し、前記３相交流モータの発生するトルクがトルク指令に一致するように制御演算を行い、相電圧指令を出力する制御演算部と、を備えた３相交流モータの巻線切換装置において、
巻線選択信号を同期信号に同期化させて、同期化された巻線選択信号を出力する巻線選択同期器と、前記同期信号、前記速度モード、および演算完了信号に基づいて巻線切換シーケンス制御演算を行い、演算開始信号、定数切換信号、および前記巻線選択信号を出力する巻線切換シーケンス制御部と、前記相電圧指令を前記同期信号に同期化させて、同期化された相電圧指令を出力する電圧指令同期器と、を備え、
前記ＰＷＭパルス発生器は、前記相電圧指令に代えて前記同期化された相電圧指令を三角波のキャリア信号と比較して前記インバータ部のスイッチング素子を駆動するゲート信号を発生し、前記制御演算部は、前記演算開始信号を入力すると、前記制御演算を開始し、前記制御演算が終了すると前記相電圧指令および前記演算完了信号を出力し、前記各巻線切換手段は、前記速度モードに代えて前記同期化された巻線選択信号に基づいて前記半導体スイッチをオン／オフし、前記制御定数切換スイッチは、前記速度モードに代えて前記定数切換信号に基づいて前記制御定数を切換えることを特徴とするものである。
本発明は、各相巻線が複数の巻線からなり、前記複数の巻線を互いに連結した連結端子と各相巻線の両端子とをモータ外部に設けた３相交流モータと、各相の出力端子を前記３相交流モータの各相巻線の一端（以下、「始端」という。）に各々接続し、前記３相交流モータに可変周波の可変電圧を供給するインバータ部と、相電圧指令を三角波のキャリア信号と比較して前記インバータ部のスイッチング素子を駆動するゲート信号を発生するＰＷＭパルス発生器と、各々が３相整流手段と前記３相整流手段の直流出力側の両端を開閉するように設けた半導体スイッチと抵抗およびコンデンサからなる並列回路とを備え、前記３相整流手段の直流出力側の両端に、前記半導体スイッチがオフの時に前記３相整流手段から前記並列回路に電流が流れ、前記半導体スイッチがオンの時に前記並列回路から前記半導体スイッチに逆流しない方向に設けられたダイオードを介して前記並列回路を接続し、前記３相交流モータの他端（以下、「終端」という。）および前記連結端子の各々に前記３相整流手段の交流入力端子を各相毎に各々接続し、前記半導体スイッチを速度モードに基づいてオン／オフする複数の巻線切換手段と、巻線切換によって変化する前記３相交流モータのモータ定数および前記モータ定数によって変化する制御パラメータからなる制御定数を格納する制御定数メモリと、前記速度モードに基づいて前記制御定数を切換える制御定数切換スイッチと、モータ速度またはモータ速度指令に基づいて巻線切換速度を決定し、前記速度モードを出力する巻線切換指令発生器と、前記制御定数を入力し、前記３相交流モータの発生するトルクがトルク指令に一致するように制御演算を行い、相電圧指令を出力する制御演算部と、を備えた３相交流モータの巻線切換装置において、
巻線選択信号を同期信号に同期化させて、同期化された巻線選択信号を出力する巻線選択同期器と、前記同期信号、前記速度モード、および演算完了信号に基づいて巻線切換シーケンス制御演算を行い、演算開始信号、定数切換信号、および前記巻線選択信号を出力する巻線切換シーケンス制御部と、前記相電圧指令を前記同期信号に同期化させて、同期化された相電圧指令を出力する電圧指令同期器と、を備え、
前記ＰＷＭパルス発生器は、前記相電圧指令に代えて前記同期化された相電圧指令を三角波のキャリア信号と比較して前記インバータ部のスイッチング素子を駆動するゲート信号を発生し、前記制御演算部は、前記演算開始信号を入力すると、前記制御演算を開始し、前記制御演算が終了すると前記相電圧指令および前記演算完了信号を出力し、前記各巻線切換手段は、前記速度モードに代えて前記同期化された巻線選択信号に基づいて前記半導体スイッチをオン／オフし、前記制御定数切換スイッチは、前記速度モードに代えて前記定数切換信号に基づいて前記制御定数を切換えることを特徴とするものである。
また、本発明は、前記巻線切換指令発生器は、前記モータ速度または前記モータ速度指令と予め設定された巻線切換速度とに基づいて前記速度モードを決定することを特徴とするものである。
また、本発明は、前記巻線切換指令発生器は、前記モータ速度または前記モータ速度指令が前記予め設定された巻線切換速度よりも小さいときは前記速度モードを低速モードとし、前記モータ速度または前記モータ速度指令が前記予め設定された巻線切換速度よりも大きいときは前記速度モードを高速モードとすることを特徴とするものである。
また、本発明は、前記巻線切換指令発生器は、前記速度モード毎に前記３相交流モータのトルクとモータ速度とに基づいてモータ効率を算出し、前記モータ効率が最大となるモータ速度を前記巻線切換速度とし、前記モータ速度または前記モータ速度指令と前記巻線切換速度とに基づいて前記速度モードを決定することを特徴とするものである。
また、本発明は、前記巻線切換指令発生器は、前記モータ効率が最大となるモータ速度である最大効率切換線をあらかじめテーブル化あるいは近似式により求めておくことを特徴とするものである。
また、本発明は、前記巻線切換指令発生器は、前記速度モードをより低速のモードからより高速のモードへ切換えるときのモータ速度またはモータ速度指令は、前記速度モードをより高速のモードからより低速のモードへ切換えるときのモータ速度またはモータ速度指令よりも大きくすることを特徴とするものである。
また、本発明は、前記巻線切換指令発生器は、前記モータ速度または前記モータ速度指令が前記予め設定された巻線切換速度よりも小さいときは前記速度モードを低速モードとし、前記モータ速度または前記モータ速度指令が前記予め設定された巻線切換速度よりも大きいときは前記速度モードを高速モードとすることを特徴とするものである。
また、本発明は、前記巻線切換指令発生器は、前記速度モード毎に前記３相交流モータのトルクとモータ速度とに基づいてモータ効率を算出し、前記モータ効率が最大となるモータ速度を前記巻線切換速度とし、前記モータ速度または前記モータ速度指令と前記巻線切換速度とに基づいて前記速度モードを決定することを特徴とするものである。
また、本発明は、前記巻線切換指令発生器は、前記モータ効率が最大となるモータ速度である最大効率切換線をあらかじめテーブル化あるいは近似式により求めておくことを特徴とするものである。
また、本発明は、前記巻線切換指令発生器は、前記速度モードをより低速のモードからより高速のモードへ切換えるときのモータ速度またはモータ速度指令は、前記速度モードをより高速のモードからより低速のモードへ切換えるときのモータ速度またはモータ速度指令よりも大きくすることを特徴とするものである。
また、本発明は、前記巻線選択同期器は、モータの駆動が力行状態のときに、巻線をより低速のモード用からより高速のモード用に切換える際は、前記始端に近い側の前記連結端子に接続した前記巻線切換手段と前記始端から遠い側の前記連結端子または前記終端に接続した前記巻線切換手段とを短時間同時にオンさせることを特徴とするものである。
また、本発明は、前記制御演算部は、第１の遅延時間を算出し、前記巻線選択同期器は、前記始端から遠い側の前記連結端子または前記終端に接続した前記巻線切換手段の前記半導体スイッチをオフする信号を、前記始端に近い側の前記連結端子に接続した前記巻線切換手段の前記半導体スイッチをオンする信号よりも前記第１の遅延時間だけ遅らせて出力することを特徴とする。
また、本発明は、前記制御演算部は、モータ速度、電気子鎖交磁束、始端から遠い側の巻線のｑ軸インダクタンス、およびモータ電流に基づいて前記第１の遅延時間を算出することを特徴とするものである。
また、本発明は、前記巻線選択同期器は、前記始端から遠い側の前記連結端子または前記終端に接続した前記巻線切換手段の前記半導体スイッチをオンする信号を、前記始端に近い側の前記連結端子に接続した前記巻線切換手段の前記半導体スイッチをオフする信号よりも第２の遅延時間だけ遅らせて出力することを特徴とするものである。
また、本発明は、前記制御演算部は、第１の遅延時間を算出し、前記巻線選択同期器は、前記始端から遠い側の前記連結端子または前記終端に接続した前記巻線切換手段の前記半導体スイッチをオフする信号を、前記始端に近い側の前記連結端子に接続した前記巻線切換手段の前記半導体スイッチをオンする信号よりも前記第１の遅延時間だけ遅らせて出力することを特徴とする。
また、本発明は、前記制御演算部は、モータ速度、電気子鎖交磁束、始端から遠い側の巻線のｑ軸インダクタンス、およびモータ電流に基づいて前記第１の遅延時間を算出することを特徴とするものである。
また、本発明は、前記巻線選択同期器は、前記始端から遠い側の前記連結端子または前記終端に接続した前記巻線切換手段の前記半導体スイッチをオンする信号を、前記始端に近い側の前記連結端子に接続した前記巻線切換手段の前記半導体スイッチをオフする信号よりも第２の遅延時間だけ遅らせて出力することを特徴とするものである。
また、本発明は、各相巻線が複数の巻線からなり、前記複数の巻線を互いに連結した連結端子と各相巻線の両端子とをモータ外部に設けた３相交流モータと、
各相の出力端子を前記３相交流モータの各相巻線の一端（以下、「始端」という。）に各々接続し、前記３相交流モータに可変周波の可変電圧を供給するインバータ部と、同期化された相電圧指令を三角波のキャリア信号と比較して前記インバータ部のスイッチング素子を駆動するゲート信号を発生し、前記インバータ部に出力するＰＷＭパルス発生器と、各々が３相整流手段と前記３相整流手段の直流出力側の両端を開閉するように設けた半導体スイッチと抵抗およびコンデンサからなる並列回路とを備え、前記３相整流手段の直流出力側の両端に、前記半導体スイッチがオフの時に前記３相整流手段から前記並列回路に電流が流れ、前記半導体スイッチがオンの時に前記並列回路から前記半導体スイッチに逆流しない方向に設けられたダイオードを介して前記並列回路を接続し、前記３相交流モータの他端（以下、「終端」という。）および前記連結端子の各々に前記３相整流手段の交流入力端子を各相毎に各々接続し、前記半導体スイッチを同期化された巻線選択信号に基づいてオン／オフする複数の巻線切換手段と、巻線切換によって変化する前記３相交流モータのモータ定数および前記モータ定数によって変化する制御パラメータからなる制御定数を格納する制御定数メモリと、定数切換信号に基づいて前記制御定数を切換える制御定数切換スイッチと、モータ速度またはモータ速度指令に基づいて巻線切換速度を決定し、前記速度モードを出力する巻線切換指令発生器と、巻線選択信号を同期信号に同期化させて、前記同期化された巻線選択信号を出力する巻線選択同期器と、前記同期信号、前記速度モード、および演算完了信号に基づいて巻線切換シーケンス制御演算を行い、演算開始信号、定数切換信号、および前記巻線選択信号を出力する巻線切換シーケンス制御部と、前記演算開始信号を入力すると、前記制御定数を入力し、前記３相交流モータの発生するトルクがトルク指令に一致するように制御演算を開始し、前記制御演算が終了すると相電圧指令、および前記演算完了信号を出力する制御演算部と、前記相電圧指令を前記同期信号に同期化させて、前記同期化された相電圧指令を出力する電圧指令同期器と、を備えた３相交流モータの巻線切換装置の巻線切換方法において、
前記巻線切換シーケンス制御部は、前記同期信号を入力し、前記同期信号を検知すると前記演算開始信号を出力し、前記演算完了信号が入力されるまで待ち、前記演算完了信号が入力されると前回読み込んだ速度モードを前記巻線選択信号として出力し、新たに前記速度モードを読み込み、前記速度モードを前記定数切換信号として出力し、前記制御演算部は、前記演算開始信号を入力し、前記演算開始信号が入力されると前記制御定数を読み込み、前記制御演算を行い、前記相電圧指令を出力し、前記演算完了信号を出力することを特徴とするものである。
また、本発明は、前記制御演算部は、前記始端から遠い側の前記連結端子または前記終端に接続した前記巻線切換手段の前記半導体スイッチをオン／オフする信号を、前記始端に近い側の前記連結端子に接続した前記巻線切換手段の前記半導体スイッチをオン／オフする信号よりも遅らせる遅延時間を演算することを特徴とするものである。
各相の出力端子を前記３相交流モータの各相巻線の一端（以下、「始端」という。）に各々接続し、前記３相交流モータに可変周波の可変電圧を供給するインバータ部と、同期化された相電圧指令を三角波のキャリア信号と比較して前記インバータ部のスイッチング素子を駆動するゲート信号を発生し、前記インバータ部に出力するＰＷＭパルス発生器と、各々が３相整流手段と前記３相整流手段の直流出力側の両端を開閉するように設けた半導体スイッチと抵抗およびコンデンサからなる並列回路とを備え、前記３相整流手段の直流出力側の両端に、前記半導体スイッチがオフの時に前記３相整流手段から前記並列回路に電流が流れ、前記半導体スイッチがオンの時に前記並列回路から前記半導体スイッチに逆流しない方向に設けられたダイオードを介して前記並列回路を接続し、前記３相交流モータの他端（以下、「終端」という。）および前記連結端子の各々に前記３相整流手段の交流入力端子を各相毎に各々接続し、前記半導体スイッチを同期化された巻線選択信号に基づいてオン／オフする複数の巻線切換手段と、巻線切換によって変化する前記３相交流モータのモータ定数および前記モータ定数によって変化する制御パラメータからなる制御定数を格納する制御定数メモリと、定数切換信号に基づいて前記制御定数を切換える制御定数切換スイッチと、モータ速度またはモータ速度指令に基づいて巻線切換速度を決定し、前記速度モードを出力する巻線切換指令発生器と、巻線選択信号を同期信号に同期化させて、前記同期化された巻線選択信号を出力する巻線選択同期器と、前記同期信号、前記速度モード、および演算完了信号に基づいて巻線切換シーケンス制御演算を行い、演算開始信号、定数切換信号、および前記巻線選択信号を出力する巻線切換シーケンス制御部と、前記演算開始信号を入力すると、前記制御定数を入力し、前記３相交流モータの発生するトルクがトルク指令に一致するように制御演算を開始し、前記制御演算が終了すると相電圧指令、および前記演算完了信号を出力する制御演算部と、前記相電圧指令を前記同期信号に同期化させて、前記同期化された相電圧指令を出力する電圧指令同期器と、を備えた３相交流モータの巻線切換装置の巻線切換方法において、
前記巻線切換シーケンス制御部は、前記同期信号を入力し、前記同期信号を検知すると前記演算開始信号を出力し、前記演算完了信号が入力されるまで待ち、前記演算完了信号が入力されると前回読み込んだ速度モードを前記巻線選択信号として出力し、新たに前記速度モードを読み込み、前記速度モードを前記定数切換信号として出力し、前記制御演算部は、前記演算開始信号を入力し、前記演算開始信号が入力されると前記制御定数を読み込み、前記制御演算を行い、前記相電圧指令を出力し、前記演算完了信号を出力することを特徴とするものである。
また、本発明は、前記制御演算部は、前記始端から遠い側の前記連結端子または前記終端に接続した前記巻線切換手段の前記半導体スイッチをオン／オフする信号を、前記始端に近い側の前記連結端子に接続した前記巻線切換手段の前記半導体スイッチをオン／オフする信号よりも遅らせる遅延時間を演算することを特徴とするものである。
本発明によると、３相交流モータが加減速中であっても、モータの電流指令を小さくすることなく巻線を切換えることができ、３相交流モータのトルクのショックを大幅に減らすことができ、滑らかな速度が得られる。
また、本発明によると、３相交流モータのモータ速度またはモータ速度指令のみに基づいて、巻線切換速度を決定することができる。
また、本明によると、巻線切換によって変化するモータ効率に対応でき、３相交流モータを常に高効率で運転できるようにすることができる。
また、本発明によると、モータ効率が最大となるモータ速度である最大効率切換線をあらかじめテーブル化あるいは近似式により求めているので、巻線切換速度を短時間に求めることができる。
また、本発明によると、巻線切換速度にヒステリシスを設けることができ、巻線切換速度付近でモータを駆動するときでも、巻線切換を安定に行うことができる。
また、本発明によると、３相交流モータのモータ速度またはモータ速度指令のみに基づいて、巻線切換速度を決定することができる。
また、本明によると、巻線切換によって変化するモータ効率に対応でき、３相交流モータを常に高効率で運転できるようにすることができる。
また、本発明によると、モータ効率が最大となるモータ速度である最大効率切換線をあらかじめテーブル化あるいは近似式により求めているので、巻線切換速度を短時間に求めることができる。
また、本発明によると、巻線切換速度にヒステリシスを設けることができ、巻線切換速度付近でモータを駆動するときでも、巻線切換を安定に行うことができる。
また、本発明によると、巻線選択同期器は、モータの駆動が力行状態のときに、巻線をより低速のモード用からより高速のモード用に切換える際は、始端に近い側の連結端子に接続した巻線切換手段と始端から遠い側の連結端子または終端に接続した巻線切換手段とが短時間同時にオンするので、開放される巻線が短絡され、その巻線に蓄積されたエネルギーを短時間に減少させ、切換時に発生する電流の急激な変化を抑制することができ、加速時のショックを更に低減することができる。
また、本発明によると、制御演算部は、第１の遅延時間を算出し、巻線選択同期器は、始端から遠い側の連結端子または終端に接続した巻線切換手段の半導体スイッチをオフする信号を、始端に近い側の連結端子に接続した巻線切換手段の半導体スイッチをオンする信号よりも第１の遅延時間だけ遅らせて出力するので、巻線をより低速のモード用からより高速のモード用に切換えるときに、始端から遠い側の終端側の巻線を第１の遅延時間分短絡し、その巻線に蓄積されていたエネルギーを短時間に減少させることができ、巻線切換時のショックを小さくすることができる。
また、本発明によると、第１の遅延時間は、モータ速度、電気子鎖交磁束、始端から遠い側の巻線のｑ軸インダクタンス、およびモータ電流に基づいて短絡時間を算出するので、最適な遅延時間を求めることができる。
また、本発明によると、巻線選択同期器は、始端から遠い側の連結端子または終端に接続した巻線切換手段の半導体スイッチをオンする信号を、第２の遅延時間だけ遅らせて出力するので、巻線をより高速のモード用からより低速のモード用に切換えるときに、巻線が短時間開放され、その巻線によってブレーキ現象が発生することが防止でき、巻線切換時のショックを小さくすることができる。
また、本発明によると、制御演算部は、第１の遅延時間を算出し、巻線選択同期器は、始端から遠い側の連結端子または終端に接続した巻線切換手段の半導体スイッチをオフする信号を、始端に近い側の連結端子に接続した巻線切換手段の半導体スイッチをオンする信号よりも第１の遅延時間だけ遅らせて出力するので、巻線をより低速のモード用からより高速のモード用に切換えるときに、始端から遠い側の終端側の巻線を第１の遅延時間分短絡し、その巻線に蓄積されていたエネルギーを短時間に減少させることができ、巻線切換時のショックを小さくすることができる。
また、本発明によると、第１の遅延時間は、モータ速度、電気子鎖交磁束、始端から遠い側の巻線のｑ軸インダクタンス、およびモータ電流に基づいて短絡時間を算出するので、最適な遅延時間を求めることができる。
また、本発明によると、巻線選択同期器は、始端から遠い側の連結端子または終端に接続した巻線切換手段の半導体スイッチをオンする信号を、第２の遅延時間だけ遅らせて出力するので、巻線をより高速のモード用からより低速のモード用に切換えるときに、巻線が短時間開放され、その巻線によってブレーキ現象が発生することが防止でき、巻線切換時のショックを小さくすることができる。
また、本発明によると、制御演算部は、遅延時間を算出し、巻線選択同期器は、始端から遠い側の連結端子または終端に接続した巻線切換手段の半導体スイッチをオフする信号を、始端に近い側の連結端子に接続した巻線切換手段の半導体スイッチをオンする信号よりも遅延時間だけ遅らせて出力するので、巻線をより低速のモード用からより高速のモード用に切換えるときに、始端から遠い側の終端側の巻線を遅延時間分短絡し、その巻線に蓄積されていたエネルギーを短時間に減少させることができ、また、始端から遠い側の連結端子または終端に接続した巻線切換手段の半導体スイッチをオンする信号を、始端に近い側の連結端子に接続した巻線切換手段の半導体スイッチをオフする信号よりも半導体スイッチのスイッチング時間だけ遅らせて出力するので、巻線をより高速のモード用からより低速のモード用に切換えるときに、巻線が短時間開放され、その巻線によってブレーキ現象が発生することが防止でき、巻線切換時のショックを小さくすることができる。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
実際の３相交流モータの巻線切換装置には様々な機能や手段が内蔵されているが、図には本発明に関係する機能や手段のみを記載し説明することとする。また、以下同一名称には極力同一符号を付け重複説明を省略する。
実際の３相交流モータの巻線切換装置には様々な機能や手段が内蔵されているが、図には本発明に関係する機能や手段のみを記載し説明することとする。また、以下同一名称には極力同一符号を付け重複説明を省略する。
図１は、本発明の基本構成を示す３相交流モータの巻線切換装置の制御ブロック図である。図１において、１は商用電源、２はコンバータ部、５ａは制御演算部、６はキャリア信号発生器、７はＰＷＭパルス発生器、１０はトルク指令発生器、１１は位置検出器、１２は速度演算部、１３は電流検出器、１４はＡ／Ｄ変換器、２０は巻線切換指令発生器、２２は第１巻線切換手段、２３は第２巻線切換手段、３０は巻線切換シーケンス制御部、３１は制御定数メモリ、３２は制御定数切換スイッチ、３３は電圧指令同期器、３４は巻線選択同期器である。
コンバータ部２は、商用電源１の交流電圧を整流して平滑コンデンサＣで平滑してＤＣ電圧にする。
インバータ部３は、ゲート信号を入力し、ゲート信号によってＩＧＢＴなどのスイッチング素子のオン／オフによりＤＣ電圧を任意の大きさ・周波数の電圧に変換する。
３相交流モータ４は、各相が、Ｕ相第１巻線ＬＵ１とＵ相第２巻線ＬＵ２、Ｖ相第１巻線ＬＶ１とＶ相第２巻線ＬＶ２、Ｗ相第１巻線ＬＷ１とＷ相第２巻線ＬＷ２との２つの巻線がそれぞれ直列に連結されて構成され、巻線の各相の両端および連結端子を外部へ接続可能となっており、一端をインバータ部３の各相の出力端子へそれぞれ接続し、他端を第２巻線切換手段２３へ接続し、連結端子を第１巻線切換手段２２へ接続して、２通りの巻線を選択できる構成となっている。
コンバータ部２は、商用電源１の交流電圧を整流して平滑コンデンサＣで平滑してＤＣ電圧にする。
インバータ部３は、ゲート信号を入力し、ゲート信号によってＩＧＢＴなどのスイッチング素子のオン／オフによりＤＣ電圧を任意の大きさ・周波数の電圧に変換する。
３相交流モータ４は、各相が、Ｕ相第１巻線ＬＵ１とＵ相第２巻線ＬＵ２、Ｖ相第１巻線ＬＶ１とＶ相第２巻線ＬＶ２、Ｗ相第１巻線ＬＷ１とＷ相第２巻線ＬＷ２との２つの巻線がそれぞれ直列に連結されて構成され、巻線の各相の両端および連結端子を外部へ接続可能となっており、一端をインバータ部３の各相の出力端子へそれぞれ接続し、他端を第２巻線切換手段２３へ接続し、連結端子を第１巻線切換手段２２へ接続して、２通りの巻線を選択できる構成となっている。
制御演算部５ａは、演算開始信号を入力すると、トルク指令とモータ電流と制御定数を入力し、３相交流モータ４の発生するトルクがトルク指令に一致するように、制御演算を行い、相電圧指令を電圧指令同期器３３に出力し、演算完了信号を巻線切換シーケンス制御部３０に出力する。
キャリア信号発生器６は、三角波のキャリア信号と同期信号を発生して、三角波のキャリア信号をＰＷＭパルス発生器７に、同期信号を巻線切換シーケンス制御部３０、電圧指令同期器３３、および巻線選択同期器３４に出力する。同期信号は、三角波のキャリア信号と同期したパルス信号である。
ＰＷＭパルス発生器７は、同期化された相電圧指令を三角波のキャリア信号と比較してインバータ部３のスイッチング素子を駆動するゲート信号をインバータ部３へ出力する。
トルク指令発生器１０は、トルク指令を発生して制御演算部５ａおよび巻線切換指令発生器２０へ出力する。
位置検出器１１は、３相交流モータ４の回転子に取り付けられていて、３相交流モータ４の回転位置を検出し、モータ回転位置を速度演算部１２に出力する。
速度演算部１２は、モータ回転位置を入力してモータ速度を演算し、モータ速度を巻線切換指令発生器２０へ出力する。
電流検出器１３は、３相交流モータ４のモータ電流を検出して、Ａ／Ｄ変換器１４へ出力する。Ａ／Ｄ変換器１４は、そのモータ電流をＡ／Ｄ変換して制御演算部５ａへ出力する。
キャリア信号発生器６は、三角波のキャリア信号と同期信号を発生して、三角波のキャリア信号をＰＷＭパルス発生器７に、同期信号を巻線切換シーケンス制御部３０、電圧指令同期器３３、および巻線選択同期器３４に出力する。同期信号は、三角波のキャリア信号と同期したパルス信号である。
ＰＷＭパルス発生器７は、同期化された相電圧指令を三角波のキャリア信号と比較してインバータ部３のスイッチング素子を駆動するゲート信号をインバータ部３へ出力する。
トルク指令発生器１０は、トルク指令を発生して制御演算部５ａおよび巻線切換指令発生器２０へ出力する。
位置検出器１１は、３相交流モータ４の回転子に取り付けられていて、３相交流モータ４の回転位置を検出し、モータ回転位置を速度演算部１２に出力する。
速度演算部１２は、モータ回転位置を入力してモータ速度を演算し、モータ速度を巻線切換指令発生器２０へ出力する。
電流検出器１３は、３相交流モータ４のモータ電流を検出して、Ａ／Ｄ変換器１４へ出力する。Ａ／Ｄ変換器１４は、そのモータ電流をＡ／Ｄ変換して制御演算部５ａへ出力する。
巻線切換指令発生器２０は、トルク指令とモータ速度に基づいて巻線切換速度を決定し、モータ速度またはモータ速度指令がその巻線指令速度よりも高い場合は高速モード、低い場合は低速モードとした速度モードを巻線切換シーケンス制御部３０へ出力する。
巻線切換部２１は、第１巻線切換手段２２と第２巻線切換手段２３とで構成され、速度モードが高速モードのときは第１巻線切換手段２２がオンして連結端子を短絡し、第２巻線切換手段２３がオフして終端を開放する。また、速度モードが低速モードのときは第１巻線切換手段２２オフして連結端子を開放し、第２巻線切換手段２３がオンして終端を短絡する。終端を短絡した場合は巻線インピーダンスが大きくなるため低速で大トルクを得ることができ、連結端子を短絡した場合は、インピーダンスを小さくして高速でトルク発生が可能になる。
巻線切換部２１は、第１巻線切換手段２２と第２巻線切換手段２３とで構成され、速度モードが高速モードのときは第１巻線切換手段２２がオンして連結端子を短絡し、第２巻線切換手段２３がオフして終端を開放する。また、速度モードが低速モードのときは第１巻線切換手段２２オフして連結端子を開放し、第２巻線切換手段２３がオンして終端を短絡する。終端を短絡した場合は巻線インピーダンスが大きくなるため低速で大トルクを得ることができ、連結端子を短絡した場合は、インピーダンスを小さくして高速でトルク発生が可能になる。
巻線切換シーケンス制御部３０は、同期信号、速度モード、および演算完了信号を入力し、巻線切換シーケンス制御を行い、演算開始信号を制御部５ａに、定数切換信号を制御定数切換スイッチ３２に、巻線選択信号を巻線選択同期器３４に出力する。
制御定数メモリ３１は、巻線切換によって変化する３相交流モータのモータ定数やそのモータ定数に対応した各種制御定数を格納するメモリである。本実施例では、高速モードおよび低速モードの２種のデータから構成される。
制御定数切換スイッチ３２は、定数切換信号に基づいて制御定数を切換える。図１では、便宜上、制御定数メモリ３１から出力されたデータをスイッチで切換える表現をしているが、単に、制御定数メモリ３１のアドレスを切換えることでも可能である。
電圧指令同期器３３は、制御演算部５ａから相電圧指令を入力し、同期信号に同期させて、同期化された相電圧指令をＰＷＭパルス発生器７へ出力する。
巻線選択同期器３４は、巻線切換シーケンス制御部３０から巻線選択信号を入力し、同期信号に同期させた巻線切換信号を得て、その巻線切換信号と同じ波形のＳＷ１オンを第１巻線切換手段２２に、巻線切換信号を反転した波形のＳＷ２オンを第２巻線切換手段２３に出力する。
制御定数メモリ３１は、巻線切換によって変化する３相交流モータのモータ定数やそのモータ定数に対応した各種制御定数を格納するメモリである。本実施例では、高速モードおよび低速モードの２種のデータから構成される。
制御定数切換スイッチ３２は、定数切換信号に基づいて制御定数を切換える。図１では、便宜上、制御定数メモリ３１から出力されたデータをスイッチで切換える表現をしているが、単に、制御定数メモリ３１のアドレスを切換えることでも可能である。
電圧指令同期器３３は、制御演算部５ａから相電圧指令を入力し、同期信号に同期させて、同期化された相電圧指令をＰＷＭパルス発生器７へ出力する。
巻線選択同期器３４は、巻線切換シーケンス制御部３０から巻線選択信号を入力し、同期信号に同期させた巻線切換信号を得て、その巻線切換信号と同じ波形のＳＷ１オンを第１巻線切換手段２２に、巻線切換信号を反転した波形のＳＷ２オンを第２巻線切換手段２３に出力する。
図２は、本発明の３相交流モータの巻線切換装置の巻線切換部の基本回路構成の一例を示す図である。図２において、Ｒ２は放電抵抗、Ｃ２はコンデンサである。
図２の例は、基本的には特許文献１に記載の３相交流モータの巻線切換装置と同じであるが、放電抵抗とコンデンサとを並列に接続した放電回路を第１巻線切換手段２２、および第２巻線切換手段２３に、それぞれ個別に設置して巻線切換部２１を構成している。これにより、巻線切換後に使われなくなるモータの巻線に蓄積されたエネルギーをより効果的に吸収することができる。
本発明が、従来技術と異なっている点は、巻線切換シーケンス制御部３０と電圧指令同期器３３と巻線選択同期器３４とを備え、巻線を切換えるタイミングとインバータ部３に出力するゲート信号のタイミングとを一致させて、モータの巻線切換を行っても、巻線切換時のショックがなく、滑らかな回転が得られるようにしている点である。
図２の例は、基本的には特許文献１に記載の３相交流モータの巻線切換装置と同じであるが、放電抵抗とコンデンサとを並列に接続した放電回路を第１巻線切換手段２２、および第２巻線切換手段２３に、それぞれ個別に設置して巻線切換部２１を構成している。これにより、巻線切換後に使われなくなるモータの巻線に蓄積されたエネルギーをより効果的に吸収することができる。
本発明が、従来技術と異なっている点は、巻線切換シーケンス制御部３０と電圧指令同期器３３と巻線選択同期器３４とを備え、巻線を切換えるタイミングとインバータ部３に出力するゲート信号のタイミングとを一致させて、モータの巻線切換を行っても、巻線切換時のショックがなく、滑らかな回転が得られるようにしている点である。
つぎに、詳細な動作を、フローチャートとタイムチャートを用いて説明する。
図３は、本発明の３相交流モータの巻線切換装置の基本動作を示すフローチャートである。
巻線切換シーケンス制御部３０では、ステップＳＴ１で、同期信号が入力されるのを待っている。
また、制御演算部５ａでは、ステップＳＴ３で、演算開始信号が入力されるのを待っている。
同期信号が入力されと、巻線切換シーケンス制御部３０は、ステップＳＴ２に進み、演算開始信号を制御演算部５ａに出力し、ステップＳＴ８に進み演算完了信号を待つ。
演算開始信号が出力されると、制御演算部５ａは、ステップＳＴ４に進み、制御定数を読み込みステップＳＴ５に進む。このとき、トルク指令、モータ電流も読み込む。
ステップＳＴ５で、読み込んだ制御定数、トルク指令、モータ電流に基づいて制御演算を行い相電圧指令を算出し、ステップＳＴ６に進む。
ステップＳＴ６で、相電圧指令を電圧指令同期器３３に出力するし、ステップＳＴ７に進む。
ステップＳＴ７で、演算完了信号を巻線切換シーケンス制御部３０に出力して、ステップＳＴ３に戻りつぎの演算開始信号が入力されるのを待つ。
演算完了信号が入力されると、巻線切換シーケンス制御部３０は、ステップＳＴ９に進み、前回読み込んだ速度モードを巻線選択信号として巻線選択同期器３４に出力してステップＳＴ１０に進む。
ステップＳＴ１０で、新たに速度モードを読み込みステップＳＴ１１に進む。
ステップＳＴ１１では、ステップＳＴ１０で読み込まれた速度モードを定数切換信号として制御定数切換スイッチ３２に出力してステップＳＴ１に戻り、つぎの同期信号を待つ。
この一連の動作を、同期信号を入力する度に繰り返す。
図４は、本発明の３相交流モータの巻線切換装置の基本動作を示すタイムチャートであり、図３の流れを、時間軸で説明するものである。
図３は、本発明の３相交流モータの巻線切換装置の基本動作を示すフローチャートである。
巻線切換シーケンス制御部３０では、ステップＳＴ１で、同期信号が入力されるのを待っている。
また、制御演算部５ａでは、ステップＳＴ３で、演算開始信号が入力されるのを待っている。
同期信号が入力されと、巻線切換シーケンス制御部３０は、ステップＳＴ２に進み、演算開始信号を制御演算部５ａに出力し、ステップＳＴ８に進み演算完了信号を待つ。
演算開始信号が出力されると、制御演算部５ａは、ステップＳＴ４に進み、制御定数を読み込みステップＳＴ５に進む。このとき、トルク指令、モータ電流も読み込む。
ステップＳＴ５で、読み込んだ制御定数、トルク指令、モータ電流に基づいて制御演算を行い相電圧指令を算出し、ステップＳＴ６に進む。
ステップＳＴ６で、相電圧指令を電圧指令同期器３３に出力するし、ステップＳＴ７に進む。
ステップＳＴ７で、演算完了信号を巻線切換シーケンス制御部３０に出力して、ステップＳＴ３に戻りつぎの演算開始信号が入力されるのを待つ。
演算完了信号が入力されると、巻線切換シーケンス制御部３０は、ステップＳＴ９に進み、前回読み込んだ速度モードを巻線選択信号として巻線選択同期器３４に出力してステップＳＴ１０に進む。
ステップＳＴ１０で、新たに速度モードを読み込みステップＳＴ１１に進む。
ステップＳＴ１１では、ステップＳＴ１０で読み込まれた速度モードを定数切換信号として制御定数切換スイッチ３２に出力してステップＳＴ１に戻り、つぎの同期信号を待つ。
この一連の動作を、同期信号を入力する度に繰り返す。
図４は、本発明の３相交流モータの巻線切換装置の基本動作を示すタイムチャートであり、図３の流れを、時間軸で説明するものである。
つぎに、巻線切換によって変化する定数について、同期モータを例にとり説明する。同期モータは、回転子の磁束に同期したｄ−ｑ座標系で電圧電流方程式を求めると以下のようになる。
ただし、pは微分演算子、Ｉｄはｄ軸電流、Ｉｑはｑ軸電流、Ｖｄはｄ軸電圧、Ｖｑはｑ軸電圧、ωはモータの電気角速度、Ｒｍは電気子抵抗、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Φは電気子鎖交磁束である。
式（１）からフィードフォーワードを、
式（１）からフィードフォーワードを、
とすることによって、式（１）のモータはｄ−ｑ座標系における単純なＲＬ負荷とみなすことができるため、次のようなＰＩ制御により電流制御器を構成することができる。
ただし、Ｉｄ ＊，Ｉｑ ＊ はｄ軸およびｑ軸電流指令、ＫＰｄ，ＫＰｑはそれぞれd軸とq軸の比例ゲイン、ＴＩｄ，ＴＩｑはd軸とq軸の積分時定数、vacrd，vacrqはｄ軸とｑ軸のＰＩ制御出力である。
ここで、積分時定数と比例ゲインは一般的にモータ定数を元に決定される。
例えば、積分時定数ＴＩｄ，ＴＩｑ をモータの電気的時定数、
すなわち、ＴＩｄ＝Ｌｄ／Ｒｍ、ＴＩｑ＝Ｌｑ／Ｒｍ
とすることにより、式（３）とモータとの伝達関数は一次遅れ系とみなすことができ、比例ゲインＫＰｄ，ＫＰｑにより応答を設定することができる。この時の応答周波数をｆとすると、
ＫＰｄ＝２πｆＬｄ
ＫＰｑ＝２πｆＬｑ
により比例ゲインを求めることができる。
また、トルクは以下の式のようになる。
ここで、積分時定数と比例ゲインは一般的にモータ定数を元に決定される。
例えば、積分時定数ＴＩｄ，ＴＩｑ をモータの電気的時定数、
すなわち、ＴＩｄ＝Ｌｄ／Ｒｍ、ＴＩｑ＝Ｌｑ／Ｒｍ
とすることにより、式（３）とモータとの伝達関数は一次遅れ系とみなすことができ、比例ゲインＫＰｄ，ＫＰｑにより応答を設定することができる。この時の応答周波数をｆとすると、
ＫＰｄ＝２πｆＬｄ
ＫＰｑ＝２πｆＬｑ
により比例ゲインを求めることができる。
また、トルクは以下の式のようになる。
ただし、Ｐ：極対数である。
電流指令演算器１０は式（４）や最大効率位相、および弱め磁束制御などによりｄ軸およびｑ軸の電流指令を求める。
ここで、図１の３相交流モータの連結端子を各巻線の切換点であるとすると、高速モード時の各モータ定数は以下のようになる。
電機子抵抗：Ｒｈ =Ｒｍ／２
ｄ軸、ｑ軸インダクタンス：Ｌｄｈ = Ｌｄ／４、Ｌｑｈ = Ｌｑ／４
電気子鎖交磁束：Φｈ＝Φ／２
したがって、これらを用いて演算される値、つまり式（２）の演算用の係数、式（３）の制御定数、および式（４）から求められる電流指令演算のために使用される係数のそれぞれを制御定数として、制御定数メモリ３１に保持しておき、巻線切換信号によって切換えるようにする。
ここで、図１の３相交流モータの連結端子を各巻線の切換点であるとすると、高速モード時の各モータ定数は以下のようになる。
電機子抵抗：Ｒｈ =Ｒｍ／２
ｄ軸、ｑ軸インダクタンス：Ｌｄｈ = Ｌｄ／４、Ｌｑｈ = Ｌｑ／４
電気子鎖交磁束：Φｈ＝Φ／２
したがって、これらを用いて演算される値、つまり式（２）の演算用の係数、式（３）の制御定数、および式（４）から求められる電流指令演算のために使用される係数のそれぞれを制御定数として、制御定数メモリ３１に保持しておき、巻線切換信号によって切換えるようにする。
つぎに、図２に基づいて巻線切換動作について説明する。
ＳＷ１をオフ、ＳＷ２をオンとした場合、３相交流モータの終端が短絡されるため、巻線のインピーダンスは最大となる。これを低速モードと呼ぶ。この低速モードでは大トルクを得やすいが、回転数に応じてトルクの発生が困難になってくる。３相交流モータ４が同期モータの場合、モータ速度が速くなるにつれて逆起電圧が高くなり、そのためトルク発生に必要な電圧が得にくくなる。
ＳＷ１をオフ、ＳＷ２をオンとした場合、３相交流モータの終端が短絡されるため、巻線のインピーダンスは最大となる。これを低速モードと呼ぶ。この低速モードでは大トルクを得やすいが、回転数に応じてトルクの発生が困難になってくる。３相交流モータ４が同期モータの場合、モータ速度が速くなるにつれて逆起電圧が高くなり、そのためトルク発生に必要な電圧が得にくくなる。
ＳＷ２をオン、ＳＷ１をオフするとインピーダンスを減少させることができる。これを高速モードと呼ぶ。こうすると逆起電圧が減少するためトルクを得やすくすることができる。このように、低速時はＳＷ１をオフ、ＳＷ２をオン（低速モード）、高速時はＳＷ１をオン、ＳＷ２をオフ（高速モード）とすることにより、低速運転時の高トルクと、高速運転時のトルク発生の両立が可能となる。
加速中に電流が流れている状態で低速モードから高速モードへ移行する際、ＳＷ１とＳＷ２の間に挟まれた巻線のエネルギーはスイッチを切換えると同時に、ＳＷ２と並列に接続されたコンデンサとインバータ側の巻線へ移動する。インバータ側の巻線は、その後、高速モードの制御に従って適切なトルクが得られるように制御される。ただし終端側の巻線のエネルギーのインバータ側巻線に移動する分は、一時的な電流増加となる場合がある。
加速中に電流が流れている状態で低速モードから高速モードへ移行する際、ＳＷ１とＳＷ２の間に挟まれた巻線のエネルギーはスイッチを切換えると同時に、ＳＷ２と並列に接続されたコンデンサとインバータ側の巻線へ移動する。インバータ側の巻線は、その後、高速モードの制御に従って適切なトルクが得られるように制御される。ただし終端側の巻線のエネルギーのインバータ側巻線に移動する分は、一時的な電流増加となる場合がある。
図５は、本発明の３相交流モータの巻線切換装置の第１の実施例において力行時に巻線を低速モードから高速モードに切換えたときのモータ電流の変化を示す図である。図５より、本実施例によれば、切換えた瞬間に一時的に電流増加があるが、その後は制御に従ってトルクが制御されおり、大きなショックとはなっていないことが分かる。
図６は、本発明の３相交流モータの巻線切換装置の第２の実施例におけるトルクとモータ速度とモータ効率との関係の一例を示す概念図である。効率は等高線状に示している。図６（ａ）に低速モードのトルク・速度と効率の関係、図６（ｂ）に高速モードのトルク・速度と効率の関係、図６（ｃ）に巻線切換の最適切換点を示している。図６において、４１は一定速切換線、４２は最大効率切換線である。
巻線切換は実施例１に説明したように逆起電圧に応じて電流が流れにくくなり、逆起電圧は速度に比例して変化するため、ある特定の速度で切換えれば常にトルクを発生できるように切換えられる。また切換速度付近で運転している場合に頻繁に切換動作が発生する場合があるため、ヒステリシスを設け、低速モードから高速モードに切換える速度よりも、高速モードから低速モードに切換える速度を低くすることによって、頻繁に切換が動作するのを防止することができる。
しかし、図６に示したように最大効率点は巻線によって異なっている。最も効率が良い点で運転するためには、切換前と切換後の効率が変わらない点、つまりは図６（ａ）と図６（ｂ）の効率等高線の交点を結んだ点で切換えるのが良い。
図６（ｃ）に２種類の切換線を示している。一定速切換線４１は一定の速度で切換える場合で、最大効率切換線４２は２つの巻線における効率等高線を結んで得られたものである。
最大効率切換線４２をあらかじめテーブル化あるいは近似式により求めておき、巻線切換指令発生器２０にてトルク指令に応じて巻線切換を行う速度を変更するようにすることによって、巻線切換によって変化するモータの特性に応じて常に最大の効率が得られるように運転することができる。
巻線切換は実施例１に説明したように逆起電圧に応じて電流が流れにくくなり、逆起電圧は速度に比例して変化するため、ある特定の速度で切換えれば常にトルクを発生できるように切換えられる。また切換速度付近で運転している場合に頻繁に切換動作が発生する場合があるため、ヒステリシスを設け、低速モードから高速モードに切換える速度よりも、高速モードから低速モードに切換える速度を低くすることによって、頻繁に切換が動作するのを防止することができる。
しかし、図６に示したように最大効率点は巻線によって異なっている。最も効率が良い点で運転するためには、切換前と切換後の効率が変わらない点、つまりは図６（ａ）と図６（ｂ）の効率等高線の交点を結んだ点で切換えるのが良い。
図６（ｃ）に２種類の切換線を示している。一定速切換線４１は一定の速度で切換える場合で、最大効率切換線４２は２つの巻線における効率等高線を結んで得られたものである。
最大効率切換線４２をあらかじめテーブル化あるいは近似式により求めておき、巻線切換指令発生器２０にてトルク指令に応じて巻線切換を行う速度を変更するようにすることによって、巻線切換によって変化するモータの特性に応じて常に最大の効率が得られるように運転することができる。
本実施例が実施例１と異なる点は、巻線を低速モードから高速モードに切換える際、モータの駆動が力行状態のときは、第１巻線切換手段２２と第２巻線切換手段２３とが短時間同時にオンするようにし、高速モードから低速モードに切換える際には、第１巻線切換手段２２と第２巻線切換手段２３とが短時間同時にオフするようにして、モータ電流の急峻な変化を抑制する点である。
３相交流モータを低速モードで運転しているときは、第１巻線切換手段２２の半導体スイッチＳＷ１がオフとなって、モータ巻線ＬＵ１とＬＵ２、ＬＶ１とＬＶ２、ＬＷ１とＬＷ２とが直列に接続され、第１巻線切換手段２３の半導体スイッチＳＷ２がオンとなってＹ接続されたモータ巻線となる。また、交流モータを高速運転しているときは、第１巻線切換手段２２の半導体スイッチＳＷ１がオンとなって、モータ巻線ＬＵ１、ＬＶ１、ＬＷ１とがＹ接続され、モータ巻線ＬＵ２、ＬＶ２、ＬＷ２の一端もＹ接続される。そのとき、第２巻線切換手段２３の半導体スイッチＳＷ２はオフとなって、モータ巻線ＬＵ２、ＬＶ２、およびＬＷ２の他端は開放された状態となる。
そのため、巻線を低速モードから高速モードを切換える際、使用しなくなったモータ巻線ＬＵ２、ＬＶ２、およびＬＷ２に蓄積されているエネルギーを放出する必要がある。このエネルギーの一部はモータ巻線ＬＵ１、ＬＶ１、およびＬＷ１に移動し電流の一時的な増加を招き、最大電流付近で運転している場合は、過電流などの保護機能の誤動作を招く恐れがある。
これを解決するため、実施例３は、第１巻線切換手段２２の半導体スイッチＳＷ１と第２巻線切換手段２３の半導体スイッチＳＷ２の動作タイミングを操作する。
すなわち、力行時に低速モードから高速モードに移行する際、ＳＷ１とＳＷ２を同時にオンとすることで、モータ巻線ＬＵ２、ＬＶ２、およびＬＷ２を短絡し、短時間に使用しなくなったモータ巻線ＬＵ２、ＬＶ２、およびＬＷ２に蓄積されているエネルギーを放出する。
ＳＷ１とＳＷ２とが同時にオンとするようにするには、ＳＷ１をオフからオンにするタイミングは実施例１のタイミングと同じにして、ＳＷ２をオンからオフにするタイミングを遅延させることにより可能となる。
このようにすることにより、電流の大きな変化もなく、短時間で高速モードの電流指令に追従することができ、トルクの変動を更に抑えることができる。
そのため、巻線を低速モードから高速モードを切換える際、使用しなくなったモータ巻線ＬＵ２、ＬＶ２、およびＬＷ２に蓄積されているエネルギーを放出する必要がある。このエネルギーの一部はモータ巻線ＬＵ１、ＬＶ１、およびＬＷ１に移動し電流の一時的な増加を招き、最大電流付近で運転している場合は、過電流などの保護機能の誤動作を招く恐れがある。
これを解決するため、実施例３は、第１巻線切換手段２２の半導体スイッチＳＷ１と第２巻線切換手段２３の半導体スイッチＳＷ２の動作タイミングを操作する。
すなわち、力行時に低速モードから高速モードに移行する際、ＳＷ１とＳＷ２を同時にオンとすることで、モータ巻線ＬＵ２、ＬＶ２、およびＬＷ２を短絡し、短時間に使用しなくなったモータ巻線ＬＵ２、ＬＶ２、およびＬＷ２に蓄積されているエネルギーを放出する。
ＳＷ１とＳＷ２とが同時にオンとするようにするには、ＳＷ１をオフからオンにするタイミングは実施例１のタイミングと同じにして、ＳＷ２をオンからオフにするタイミングを遅延させることにより可能となる。
このようにすることにより、電流の大きな変化もなく、短時間で高速モードの電流指令に追従することができ、トルクの変動を更に抑えることができる。
また、高速モードから低速モードに切換える際には、モータ巻線ＬＵ２、ＬＶ２、およびＬＷ２は切換前には電流０であるため、ＳＷ１とＳＷ２を同時にオンするとブレーキ動作となる。そのため、高速モードから低速モードに切換える際には、ＳＷ１とＳＷ２を同時にオンとならないようにする必要がある。完全に短絡期間をなくすためには半導体スイッチのスイッチング特性に応じて指令としてはＳＷ１とＳＷ２が同時にオフとなる期間を挿入して巻線切換部２１に出力する。
具体的な動作を、図面を使って説明する。
図７は、本発明の３相交流モータの巻線切換装置の第３の実施例を示す制御ブロック図である。図７において、５ｂは制御演算部、３４ａは巻線選択同期器である。
本実施例の制御演算部５ｂが実施例１の制御演算部５ａと異なっている点は、力行時に巻線を低速モードから高速モードに移行する際には、ＳＷ２をオンからオフにするタイミングを遅延させる遅延時間Ｔｄ１を算出し、巻線を高速モードから低速モードに切換える際には、ＳＷ２をオフからオンにするタイミングを遅延させる遅延時間Ｔｄ２を算出し、巻線選択同期器３４ａに出力する点である。
また、本実施例の巻線選択同期器３４ａが実施例１の巻線選択同期器３４と異なっている点は、入力した遅延時間Ｔｄ１またはＴｄ２だけ遅延させてＳＷ２オンを第２巻線切換手段２３に出力する点である。
回生時に巻線を低速モードから高速モードに移行する際に関しては、遅延時間Ｔｄ１を０としても良いが、半導体スイッチのスイッチング時間のバラツキを考慮して、遅延時間を設定しても良い。
また、遅延時間Ｔｄ２は、半導体スイッチのスイッチング時間のバラツキを考慮して、ＳＷ１とＳＷ２とが同時にオフする時間を設定することが好ましい。
図８は、本発明の３相交流モータの巻線切換装置の第３の実施例の動作を示すフローチャートである。
図８において、遅延時間の演算は、ステップＳＴ５ａで、制御演算と同時に行い、ステップＳＴ６ａで、相電圧指令を電圧指令同期器３３に出力すると同時に巻線選択同期器３４ａに出力する。
制御演算部５ｂは、トルク指令、モータ電流、および巻線に対応した制御定数を入力しているので、高速モード／低速モード、力行／回生の判断が可能である。
図９は、本発明の３相交流モータの巻線切換装置の第３の実施例の動作を示すタイムチャートである。
図７は、本発明の３相交流モータの巻線切換装置の第３の実施例を示す制御ブロック図である。図７において、５ｂは制御演算部、３４ａは巻線選択同期器である。
本実施例の制御演算部５ｂが実施例１の制御演算部５ａと異なっている点は、力行時に巻線を低速モードから高速モードに移行する際には、ＳＷ２をオンからオフにするタイミングを遅延させる遅延時間Ｔｄ１を算出し、巻線を高速モードから低速モードに切換える際には、ＳＷ２をオフからオンにするタイミングを遅延させる遅延時間Ｔｄ２を算出し、巻線選択同期器３４ａに出力する点である。
また、本実施例の巻線選択同期器３４ａが実施例１の巻線選択同期器３４と異なっている点は、入力した遅延時間Ｔｄ１またはＴｄ２だけ遅延させてＳＷ２オンを第２巻線切換手段２３に出力する点である。
回生時に巻線を低速モードから高速モードに移行する際に関しては、遅延時間Ｔｄ１を０としても良いが、半導体スイッチのスイッチング時間のバラツキを考慮して、遅延時間を設定しても良い。
また、遅延時間Ｔｄ２は、半導体スイッチのスイッチング時間のバラツキを考慮して、ＳＷ１とＳＷ２とが同時にオフする時間を設定することが好ましい。
図８は、本発明の３相交流モータの巻線切換装置の第３の実施例の動作を示すフローチャートである。
図８において、遅延時間の演算は、ステップＳＴ５ａで、制御演算と同時に行い、ステップＳＴ６ａで、相電圧指令を電圧指令同期器３３に出力すると同時に巻線選択同期器３４ａに出力する。
制御演算部５ｂは、トルク指令、モータ電流、および巻線に対応した制御定数を入力しているので、高速モード／低速モード、力行／回生の判断が可能である。
図９は、本発明の３相交流モータの巻線切換装置の第３の実施例の動作を示すタイムチャートである。
つぎに、遅延時間Ｔｄ１の算出について説明する。
ＳＷ１とＳＷ２が同時にオンとなったとき、モータ巻線ＬＵ２、ＬＶ２、およびＬＷ２における電圧電流方程式は（１）式より、以下のようになる。
ＳＷ１とＳＷ２が同時にオンとなったとき、モータ巻線ＬＵ２、ＬＶ２、およびＬＷ２における電圧電流方程式は（１）式より、以下のようになる。
ただし、pは微分演算子、Ｉｄはｄ軸電流、Ｉｑはｑ軸電流、Ｒ´は電気子抵抗（Ｒ／２）、Ｌｄ´はｄ軸インダクタンス（Ｌｄ／４）、 Ｌｑ´はｑ軸インダクタンス（Ｌｑ／４）、Φ´は電気子鎖交磁束（Φ／２）である。
従って、逆起電圧成分に従って電流が減少していく。しかし、モータ巻線ＬＵ２、ＬＶ２、およびＬＷ２を長時間短絡し続けた場合、負の方向に増加することになり、ブレーキ動作となってしまうため、モータ巻線ＬＵ２、ＬＶ２、およびＬＷ２の短絡時間を操作する必要がある。式（５）から短絡時間を求めるための近似式を求めると、次のようになる。
従って、逆起電圧成分に従って電流が減少していく。しかし、モータ巻線ＬＵ２、ＬＶ２、およびＬＷ２を長時間短絡し続けた場合、負の方向に増加することになり、ブレーキ動作となってしまうため、モータ巻線ＬＵ２、ＬＶ２、およびＬＷ２の短絡時間を操作する必要がある。式（５）から短絡時間を求めるための近似式を求めると、次のようになる。
モータ巻線ＬＵ２、ＬＶ２、およびＬＷ２の短絡時間は極短時間のため、回転数が一定と仮定することができ、式（６）により開放される巻線のq軸インダクタンスと逆起電圧およびq軸電流とから短絡時間Δｔが求められる。短絡時間Δｔが、遅延時間Ｔｄ１に相当する。更にスイッチング特性を考慮し、求めた時間からスイッチングに要する時間を減算することにより、巻線選択同期器３４ａに出力する遅延時間Ｔｄ１を求めてもよい。
図１０は、本発明の３相交流モータの巻線切換装置の第３の実施例において力行時に巻線を低速モードから高速モードに切換えたときのモータ電流の変化を示す図である。
実施例１と比較すると、図５では、巻線切換を行った直後にモータ電流が乱れているが、図１０では、モータ電流が乱れることなく切換っていることが判る。
図１０は、本発明の３相交流モータの巻線切換装置の第３の実施例において力行時に巻線を低速モードから高速モードに切換えたときのモータ電流の変化を示す図である。
実施例１と比較すると、図５では、巻線切換を行った直後にモータ電流が乱れているが、図１０では、モータ電流が乱れることなく切換っていることが判る。
実施例１ないし３においては、交流モータ４の各相巻線が、第１巻線と第２巻線との２つの巻線で構成されており、各相の巻線が第１巻線の一端はインバータ部３に接続し、他端は各相巻線の第２巻線に連結している例について説明したが、本発明は、各相巻線が、３つ以上の巻線が連結して構成されたものであってもよい。
その場合、制御定数メモリ３１を、巻線の数に対応した制御定数を格納できるものとし、制御定数切換スイッチ３２も巻線の数に対応した制御定数を切換できるものであればよく、巻線切換部は、各連結点および終点にそれぞれ巻線切換手段を接続し、隣り合って連結された巻線を切換える巻線切換手段をオン／オフするタイミングを、実施例１〜３の例に従って制御すればよい。
このようにして、本発明の交流モータの巻線切換装置は、各相巻線が３つ以上連結された交流モータであっても、巻線切換を行うことができる。
また、本発明の実施例では、３相交流モータを回転型のモータを前提として説明したが、本発明は、回転型のモータに限定するものではなく、リニアモータであっても適用できるものである。
その場合、制御定数メモリ３１を、巻線の数に対応した制御定数を格納できるものとし、制御定数切換スイッチ３２も巻線の数に対応した制御定数を切換できるものであればよく、巻線切換部は、各連結点および終点にそれぞれ巻線切換手段を接続し、隣り合って連結された巻線を切換える巻線切換手段をオン／オフするタイミングを、実施例１〜３の例に従って制御すればよい。
このようにして、本発明の交流モータの巻線切換装置は、各相巻線が３つ以上連結された交流モータであっても、巻線切換を行うことができる。
また、本発明の実施例では、３相交流モータを回転型のモータを前提として説明したが、本発明は、回転型のモータに限定するものではなく、リニアモータであっても適用できるものである。
１ 商用電源
２ コンバータ部
３ インバータ部
４ ３相交流モータ
５、５ａ、５ｂ 制御演算部
６ キャリア信号発生器
７ ＰＷＭパルス発生器
１０ トルク指令発生器
１１ 位置検出器
１２ 速度演算部
１３ 電流検出器
１４ Ａ／Ｄ変換器
２０ 巻線切換指令発生器
２１ 巻線切換部
２２ 第１巻線切換手段
２３ 第２巻線切換手段
３０ 巻線切換シーケンス制御部
３１ 制御定数メモリ
３２ 制御定数切換スイッチ
３３ 電圧指令同期器
３４、３４ａ 巻線選択同期器
４１ 一定速切換線
４２ 最大効率切換線
ＤＢ１、ＤＢ２ ３相ダイオードブリッジ
ＳＷ１、ＳＷ２ 半導体スイッチ
Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード
Ｒ１、Ｒ２ 放電抵抗
Ｃ 平滑コンデンサ
Ｃ１、Ｃ２ コンデンサ
２ コンバータ部
３ インバータ部
４ ３相交流モータ
５、５ａ、５ｂ 制御演算部
６ キャリア信号発生器
７ ＰＷＭパルス発生器
１０ トルク指令発生器
１１ 位置検出器
１２ 速度演算部
１３ 電流検出器
１４ Ａ／Ｄ変換器
２０ 巻線切換指令発生器
２１ 巻線切換部
２２ 第１巻線切換手段
２３ 第２巻線切換手段
３０ 巻線切換シーケンス制御部
３１ 制御定数メモリ
３２ 制御定数切換スイッチ
３３ 電圧指令同期器
３４、３４ａ 巻線選択同期器
４１ 一定速切換線
４２ 最大効率切換線
ＤＢ１、ＤＢ２ ３相ダイオードブリッジ
ＳＷ１、ＳＷ２ 半導体スイッチ
Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード
Ｒ１、Ｒ２ 放電抵抗
Ｃ 平滑コンデンサ
Ｃ１、Ｃ２ コンデンサ
Claims (12)
- 各相巻線が複数の巻線からなり、前記複数の巻線を互いに連結した連結端子と各相巻線の両端子とをモータ外部に設けた３相交流モータと、
各相の出力端子を前記両端子の一端に各々接続し、前記３相交流モータに可変周波の可変電圧を供給するインバータ部と、
相電圧指令を三角波のキャリア信号と比較して前記インバータ部のスイッチング素子を駆動するゲート信号を発生し、該ゲート信号を前記インバータ部へ出力するＰＷＭパルス発生器と、
前記両端子の他端および前記連結端子の開閉をする半導体スイッチを備え、前記半導体スイッチを巻線選択信号に基づいてオン／オフする複数の巻線切換手段と、
巻線切換によって変化する前記３相交流モータのモータ定数および前記モータ定数によって変化する制御パラメータからなる制御定数を格納する制御定数メモリと、
速度モードに基づいて前記制御定数を切換える制御定数切換スイッチと、
モータ速度またはモータ速度指令に基づいて巻線切換速度を決定し、前記速度モードを出力する巻線切換指令発生器と、
トルク指令に基づき制御演算を行い、相電圧指令を出力する制御演算部と、を備えた３相交流モータの巻線切換装置において、
巻線選択信号を同期信号に同期化させて、同期化された巻線選択信号を前記巻線切換手段の前記半導体スイッチへ出力する巻線選択同期器と、
前記同期信号、前記速度モード、および演算完了信号に基づいて巻線切換シーケンス制御演算を行い、演算開始信号、定数切換信号、および前記巻線選択信号を出力する巻線切換シーケンス制御部と、
前記相電圧指令を前記同期信号に同期化させて、同期化された相電圧指令を出力する電圧指令同期器と、を備え、
前記ＰＷＭパルス発生器は、前記相電圧指令に代えて前記同期化された相電圧指令を三角波のキャリア信号と比較して前記インバータ部のスイッチング素子を駆動するゲート信号を発生し、
前記制御演算部は、前記演算開始信号を入力すると、前記制御演算を開始し、前記制御演算が終了すると前記相電圧指令および前記演算完了信号を出力し、
前記各巻線切換手段は、前記速度モードに代えて前記同期化された巻線選択信号に基づいて前記半導体スイッチをオン／オフし、
前記制御定数切換スイッチは、前記速度モードに代えて前記定数切換信号に基づいて前記制御定数を切換え、
前記巻線切換シーケンス制御部は、前記ＰＷＭパルス発生器から前記インバータ部の前記スイッチング素子へ前記ゲート信号を出力させるタイミングと、前記巻線選択同期器から前記巻線切換手段の前記半導体スイッチへ前記巻線選択信号を出力させるタイミングとを一致させることを特徴とする３相交流モータの巻線切換装置。 - 前記巻線切換指令発生器は、前記モータ速度または前記モータ速度指令と予め設定された巻線切換速度とに基づいて前記速度モードを決定することを特徴とする請求項１に記載の３相交流モータの巻線切換装置。
- 前記巻線切換指令発生器は、前記モータ速度または前記モータ速度指令が前記予め設定された巻線切換速度よりも小さいときは前記速度モードを低速モードとし、前記モータ速度または前記モータ速度指令が前記予め設定された巻線切換速度よりも大きいときは前記速度モードを高速モードとすることを特徴とする請求項２に記載の３相交流モータの巻線切換装置。
- 前記巻線切換指令発生器は、前記速度モード毎に前記３相交流モータのトルクとモータ速度とに基づいてモータ効率を算出し、前記モータ効率が最大となるモータ速度を前記巻線切換速度とし、前記モータ速度または前記モータ速度指令と前記巻線切換速度とに基づいて前記速度モードを決定することを特徴とする請求項１に記載の３相交流モータの巻線切換装置。
- 前記巻線切換指令発生器は、前記モータ効率が最大となるモータ速度である最大効率切換線をあらかじめテーブル化あるいは近似式により求めておくことを特徴とする請求項４に記載の３相交流モータの巻線切換装置。
- 前記巻線切換指令発生器は、前記速度モードをより低速のモードからより高速のモードへ切換えるときのモータ速度またはモータ速度指令は、前記速度モードをより高速のモードからより低速のモードへ切換えるときのモータ速度またはモータ速度指令よりも大きくすることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の３相交流モータの巻線切換装置。
- 前記巻線選択同期器は、モータの駆動が力行状態のときに、巻線をより低速のモード用からより高速のモード用に切換える際は、前記両端子の一端に近い側の前記連結端子に接続した前記巻線切換手段と前記両端子の一端から遠い側の前記連結端子または前記両端子の他端に接続した前記巻線切換手段とを短時間同時にオンさせることを特徴とする請求項１に記載の３相交流モータの巻線切換装置。
- 前記制御演算部は、第１の遅延時間を算出し、前記巻線選択同期器は、前記両端子の一端から遠い側の前記連結端子または前記両端子の他端に接続した前記巻線切換手段の前記半導体スイッチをオフする信号を、前記両端子の一端に近い側の前記連結端子に接続した前記巻線切換手段の前記半導体スイッチをオンする信号よりも前記第１の遅延時間だけ遅らせて出力することを特徴とする請求項７に記載の３相交流モータの巻線切換装置。
- 前記制御演算部は、モータ速度、電気子鎖交磁束、前記両端子の一端から遠い側の巻線のｑ軸インダクタンス、およびモータ電流に基づいて前記第１の遅延時間を算出することを特徴とする請求項８に記載の３相交流モータの巻線切換装置。
- 前記巻線選択同期器は、前記両端子の一端から遠い側の前記連結端子または前記両端子の他端に接続した前記巻線切換手段の前記半導体スイッチをオンする信号を、前記両端子の一端に近い側の前記連結端子に接続した前記巻線切換手段の前記半導体スイッチをオフする信号よりも第２の遅延時間だけ遅らせて出力することを特徴とする請求項１に記載の３相交流モータの巻線切換装置。
- 各相巻線が複数の巻線からなり、前記複数の巻線を互いに連結した連結端子と各相巻線の両端子とをモータ外部に設けた３相交流モータと、
各相の出力端子を前記両端子の一端に各々接続し、前記３相交流モータに可変周波の可変電圧を供給するインバータ部と、
同期化された相電圧指令を三角波のキャリア信号と比較して前記インバータ部のスイッチング素子を駆動するゲート信号を発生し、該ゲート信号を前記インバータ部に出力するＰＷＭパルス発生器と、
前記両端子の他端および前記連結端子の開閉をする半導体スイッチを備え、前記半導体スイッチを同期化された巻線選択信号に基づいてオン／オフする複数の巻線切換手段と、
巻線切換によって変化する前記３相交流モータのモータ定数および前記モータ定数によって変化する制御パラメータからなる制御定数を格納する制御定数メモリと、
定数切換信号に基づいて前記制御定数を切換える制御定数切換スイッチと、
モータ速度またはモータ速度指令に基づいて巻線切換速度を決定し、前記速度モードを出力する巻線切換指令発生器と、
巻線選択信号を同期信号に同期化させて、前記同期化された巻線選択信号を前記巻線切換手段の前記半導体スイッチへ出力する巻線選択同期器と、
前記同期信号、前記速度モード、および演算完了信号に基づいて巻線切換シーケンス制御演算を行い、演算開始信号、定数切換信号、および前記巻線選択信号を出力する巻線切換シーケンス制御部と、
前記演算開始信号を入力すると、前記制御定数を入力し、トルク指令に基づき制御演算を開始し、前記制御演算が終了すると相電圧指令、および前記演算完了信号を出力する制御演算部と、
前記相電圧指令を前記同期信号に同期化させて、前記同期化された相電圧指令を出力する電圧指令同期器と、を備えた３相交流モータの巻線切換装置の巻線切換方法において、
前記巻線切換シーケンス制御部は、前記同期信号を入力し、前記同期信号を検知すると前記演算開始信号を出力し、前記演算完了信号が入力されるまで待ち、前記演算完了信号が入力されると前回読み込んだ前記速度モードを前記巻線選択信号として出力し、新たに前記速度モードを読み込み、前記速度モードを前記定数切換信号として出力し、前記ＰＷＭパルス発生器から前記インバータ部の前記スイッチング素子へ前記ゲート信号を出力させるタイミングと、前記巻線選択同期器から前記巻線切換手段の前記半導体スイッチへ前記巻線選択信号を出力させるタイミングとを一致させ、
前記制御演算部は、前記演算開始信号を入力し、前記演算開始信号が入力されると前記制御定数を読み込み、前記制御演算を行い、前記相電圧指令を出力し、前記演算完了信号を出力することを特徴とする３相交流モータの巻線切換装置の巻線切換方法。 - 前記制御演算部は、前記両端子の一端から遠い側の前記連結端子または前記両端子の他端に接続した前記巻線切換手段の前記半導体スイッチをオン／オフする信号を、前記両端子の一端に近い側の前記連結端子に接続した前記巻線切換手段の前記半導体スイッチをオン／オフする信号よりも遅らせる遅延時間を演算することを特徴とする請求項１１に記載の３相交流モータの巻線切換装置の巻線切換方法。
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