JP7069400B2 - 電動機駆動装置及び空気調和機 - Google Patents

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Description

本発明は、電動機駆動装置及び空気調和機に関する。
室内環境に応じて、圧縮機を駆動する電動機の固定子巻線の結線状態を切替える空気調和機が普及している。また、電動機の結線状態の切替えを、電動機の回転動作中に行う技術が提案されている。例えば、特許文献１は、電動機の回転動作中にインバータから電動機に流れる電流がゼロになるようにインバータの出力電圧を制御している期間に、結線切替器を構成するスイッチによる切替え動作を実行して、巻線の結線状態を切替える方法を提案している。
特開２０１３－６２８８８号公報
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、結線切替器による切替え動作時に、スイッチの接点間にインバータの線間電圧に相当する電位差が生じ、接点間にアークが発生する。このため、結線切替器に、接点摩耗又は接点溶着などを原因とする故障が発生しやすいという課題がある。
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、電動機の回転動作中に結線状態の切替えを行っても結線切替器に故障が発生しない電動機駆動装置及びそれを備えた空気調和機を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る電動機駆動装置は、電動機の巻線に接続される電磁接触器を有し、前記電磁接触器の状態を切替えることによって前記巻線の結線状態を切替える結線切替器と、前記結線切替器を介して前記巻線に交流電圧である出力電圧を印加するインバータと、整流回路及びスイッチを有する短絡回路と、前記電磁接触器、前記インバータ、及び前記スイッチを制御する制御部と、を備え、前記スイッチをオンにしたときに、前記短絡回路と前記巻線とによって循環回路が形成され、前記電動機の回転動作中に前記インバータの前記出力電圧をゼロにしている期間であって、且つ前記回転動作によって発生する電流が前記循環回路を循環している期間に、前記結線切替器が前記巻線の前記結線状態を切替えることを特徴としている。
また、本発明の他の態様に係る空気調和機は、電動機と、前記電動機を駆動する上記電動機駆動装置とを備えたことを特徴としている。
本発明によれば、電動機の回転動作中に結線状態の切替えを行っても結線切替器に故障が発生しないという効果が得られる。
本発明の実施の形態に係る空気調和機の構成例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る電動機駆動装置を、電動機及び交流電源とともに示す概略配線図である。 実施の形態に係る電動機駆動装置の動作を示すフローチャートである。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図３のステップＳ２０及びＳ３０の処理の詳細を示すフローチャートである。 実施の形態に係る電動機駆動装置の動作を示すタイミングチャートである。 センサレス制御期間において、結線状態がＹ結線である電動機の巻線と電動機駆動装置の結線切替器とに流れる電流の経路を示す図である。 結線状態の切替え準備期間において、結線状態がＹ結線である電動機の巻線と電動機駆動装置の結線切替器とに流れる電流の経路を示す図である。 結線状態の切替え準備期間において、電動機の巻線と電動機駆動装置の短絡回路とに流れる電流の経路を示す図である。 結線状態の切替え動作完了時において、電動機の巻線と電動機駆動装置の短絡回路とに流れる電流の経路を示す図である。 インバータの上アームが全相ＯＦＦ、下アームが全相ＯＮ、短絡回路のスイッチがＯＦＦである期間において、電動機の巻線と電動機駆動装置とに流れる電動機の回転位置計算用の電流の経路を示す図である。 センサレス制御期間において、結線状態がΔ結線である電動機の巻線と電動機駆動装置の結線切替器とに流れる電流の経路を示す図である。 インバータの出力電圧がゼロであるときの、電動機回転数と電動機電流との関係をグラフで示す図である。 電動機回転数と電動機のブレーキトルクとの関係をグラフで示す図である。 結線状態をＹ結線からΔ結線に切替える切替え動作期間における電動機回転数をグラフで示す図である。 実施の形態の変形例に係る電動機駆動装置の動作を示すタイミングチャートである。 インバータを定常運転状態と下アームの全相ＯＮ状態との間に設けられる一時電圧保護動作の例を示す図である。
以下に、本発明の実施の形態に係る電動機駆動装置及び空気調和機を、図面を参照しながら説明する。以下の実施の形態は、例にすぎず、本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
《１》空気調和機
図１は、本発明の実施の形態に係る空気調和機３の構成例を示す概略図である。図１に示されるように、空気調和機３は、冷媒を圧縮する圧縮機９０１、四方弁９０２、室内の熱交換器９０３、冷媒を減圧して膨張させる膨張弁９０４、室外の熱交換器９０５、圧縮機９０１を駆動する電動機２、及び電動機２を駆動する電動機駆動装置１を備えている。これらの構成要素は、冷凍サイクル装置９００を構成する。空気調和機３は、四方弁９０２の切替えにより暖房運転又は冷房運転を行うことができる。
暖房運転時には、冷媒は、圧縮機９０１で加圧されて送り出され、実線矢印で示される方向に四方弁９０２を通り、室内の熱交換器９０３、膨張弁９０４、室外の熱交換器９０５及び四方弁９０２を通って圧縮機９０１に戻る。暖房運転時には、室内の熱交換器９０３が凝縮器として作用して熱放出を行い、その結果、室内が暖房され、室外の熱交換器９０５が蒸発器として作用して熱吸収を行う。
冷房運転時には、冷媒は、圧縮機９０１で加圧されて送り出され、破線矢印で示される方向に四方弁９０２を通り、室外の熱交換器９０５、膨張弁９０４、室内の熱交換器９０３及び四方弁９０２を通って圧縮機９０１に戻る。冷房運転時には、室外の熱交換器９０５が凝縮器として作用して熱放出を行い、室内の熱交換器９０３が蒸発器として作用し、熱吸収を行い、その結果、室内が冷房される。
電動機駆動装置１は、室内温度及び設定温度などを含む外部からの情報（「室内環境」ともいう。）に基づいて電動機２を変速制御する。また、電動機駆動装置１は、室内環境に基づいて電動機２の結線状態を切替える。本実施の形態では、電動機駆動装置１は、電動機２の回転動作中に結線状態を切替える。また、本実施の形態においては、結線状態が、スター結線（すなわち、Ｙ結線）とデルタ結線（すなわち、Δ結線）との間で切替えられる例を説明する。ただし、結線状態の切替えは、Ｙ結線とΔ結線との間の切替えに限定されない。例えば、結線状態の切替えは、巻線の巻線数の切替えであってもよい。
なお、本実施の形態に係る電動機駆動装置１は、圧縮機用の電動機２の駆動に使用されているが、送風ファン用の電動機などのような他の用途の電動機の駆動に使用されてもよい。
《２》電動機制御装置
《２－１》構成
図２は、本発明の実施の形態に係る電動機駆動装置１を、電動機２及び交流電源１０とともに示す概略配線図である。電動機駆動装置１は、交流電源１０から電力を受け取り、電動機２を駆動する。図２に示されるように、電動機駆動装置１は、コンバータ２０と、インバータ３０と、結線切替器５０と、制御部６０と、短絡回路８０，９０とを備えている。また、電動機駆動装置１は、リアクトル２１と、コンデンサ２２と、電圧検出部４０と、電流検出部７０とを備えてもよい。なお、短絡回路の台数は、２台に限定されず、３台以上であってもよい。
コンバータ２０は、交流電源１０から供給された交流電圧を直流電圧に変換する。コンバータ２０は、直流電圧供給部である。電圧検出部４０は、コンバータ２０から出力される直流電圧である母線電圧を検出する。
インバータ３０は、上アーム３１と下アーム３２とを有している。上アーム３１を構成するＵ，Ｖ，Ｗ相のスイッチング素子と下アーム３２を構成するＵ，Ｖ，Ｗ相のスイッチング素子とは、制御部６０から提供される制御信号Ｓｒ１～Ｓｒ６によってＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御される。上アーム３１を構成するスイッチング素子と下アーム３２を構成するスイッチング素子とは、半導体スイッチング素子である。制御信号Ｓｒ１～Ｓｒ６は、制御信号Ｓｒとも表記する。インバータ３０は、コンバータ２０から母線電圧としての直流電圧を受け取り、所望の周波数の交流電圧を出力する。インバータ３０は、結線切替器５０を介して電動機２の固定子巻線（単に「巻線」ともいう。）２ａ，２ｂ，２ｃに交流（ＡＣ）電圧である出力電圧を印加する。
電動機２は、３相永久磁石同期電動機である。電動機２のＵ，Ｖ，Ｗ相の巻線２ａ～２ｃの端部は、電動機２の外部に引き出されており、インバータ３０と結線切替器５０とに接続されている。
結線切替器５０は、電動機２のＵ，Ｖ，Ｗ相の巻線２ａ～２ｃに接続される切替スイッチである電磁接触器５１，５２，５３を有している。電磁接触器５１～５３は、電磁的に接点が開閉して、状態を切替える装置である。電磁接触器５１～５３は、リレー、コンタクタなどとも呼ばれる。結線切替器５０は、電磁接触器５１～５３の接点間の接続状態を切替えることによって、電動機２の巻線２ａ～２ｃの結線状態を切替える。図２の例では、結線切替器５０の状態の切替えによって、電動機２の巻線２ａ～２ｃの結線状態は、Ｙ結線又はΔ結線に切替えられる。
短絡回路８０，９０は、電流を一方向に流す整流回路８１，９１と、スイッチ８２，９２と、をそれぞれ有している。整流回路８１，９１は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相用のダイオードによって構成されたダイオード整流回路である。スイッチ８２，９２は、動作速度の速い半導体スイッチング素子であることが望ましい。スイッチ８２，９２がオンであるときに、電動機２の回転動作中において巻線２ａ～２ｃにおいて発生した逆起電力による電流が、循環電流として整流回路８１，９１とスイッチ８２，９２に流れることができる。
制御部６０は、電圧検出部４０によって検出される母線電圧、電流検出部７０によって計測される電流、又はこれらの両方に基づいて、インバータ３０を制御する。制御部６０は、例えば、インバータ３０の下アーム３２に接続された電流検出用のシャント抵抗に流れる電流波形を確認し、電動機２の回転位相を計算することが可能である。制御部６０は、インバータ３０に制御信号Ｓｒ、結線切替器５０に制御信号Ｓｗ、短絡回路８０，９０に制御信号Ｃ１，Ｃ２を与える。なお、制御部６０は、プログラムを記憶する記憶部であるメモリと、このプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサとを有してもよい。
インバータ３０による交流の出力電圧の出力を停止している期間、すなわち、インバータ３０の出力電圧がゼロである期間に、スイッチ８２，９２をオンにすることによって、回転動作中の電動機２の巻線２ａ～２ｃの逆起電力によって発生する電流を、短絡回路８０，９０と巻線２ａ～２ｃとによって形成される循環回路に循環電流として流す。結線切替器５０は、循環電流が流れている期間に、電動機２の巻線２ａ～２ｃの結線状態を切替える。
このように、スイッチ８２，９２をＯＮ（オン）とし、上アーム３１及び下アーム３２を全相ＯＦＦ（オフ）とすることで、電動機２に流れている電流は、短絡回路８０，９０を含む経路である循環回路を循環するため、結線切替器５０の電磁接触器５１～５３に電流が流れない。したがって、結線状態の切替えのための結線切替器５０の電磁接触器５１～５３の状態の切替え時に、電磁接触器５１～５３の接点間にアークは発生しない。したがって、電動機の回転動作を停止させずに、結線切替器５０の電磁接触器５１～５３の状態を切替えたとしても、電磁接触器５１～５３に故障は生じない。
《２－２》動作
図３は、本実施の形態に係る電動機駆動装置１の動作を示すフローチャートである。図３において、結線状態ＡとＢは、例えば、Ｙ結線とΔ結線である。ただし、結線状態ＡとＢは、Ｙ結線とΔ結線に限定されない。
図３に示されるように、まず、制御部６０は、電動機２の結線状態をＡに決定し（ステップＳ１）、結線切替器５０に制御信号Ｓｗを送ることで、結線状態をＡにする。次に、制御部６０は、室内環境に基づいて電動機２の目標周波数を決定する（ステップＳ２）。次に、制御部６０は、電動機２の起動制御処理を実行して、電動機２を駆動する（ステップＳ３）。その後、制御部６０は、電流検出部７０で求められた電流値に基づいて、電動機２をセンサレス制御する。ただし、電動機２の回転位置をセンサによって検出し、制御部６０は、この検出値に基づいて電動機２を制御してもよい。
次に、制御部６０は、結線状態がＡであるか否かを判定する（ステップＳ５）。結線状態がＡであれば、制御部６０は、処理をステップＳ５からステップＳ６に進め、結線状態Ａは最適であるか否かを判定する（ステップＳ６）。結線状態Ａが最適であれば、制御部６０は、処理をステップＳ６からステップＳ７に進め、結線状態Ａで電動機２をセンサレス制御する（ステップＳ７）。結線状態Ａが最適でなければ、制御部６０は、処理をステップＳ６からステップＳ２０に進め、電動機２の回転動作中に結線状態をＡからＢに切替えて、結線状態Ｂで電動機２をセンサレス制御する（ステップＳ２０）。ステップＳ２０の処理の詳細は、図４（Ａ）及び図５を用いて後述される。
ステップＳ５において、結線状態がＡでなければ、制御部６０は、処理をステップＳ５からステップＳ８に進め、結線状態Ｂは最適であるか否かを判定する（ステップＳ８）。結線状態Ｂが最適であれば、制御部６０は、処理をステップＳ８からステップＳ９に進め、結線状態Ｂで電動機２をセンサレス制御する（ステップＳ９）。結線状態Ｂが最適でなければ、制御部６０は、処理をステップＳ８からステップＳ３０に進め、電動機２の回転動作中に結線状態をＢからＡに切替えて、結線状態Ａで電動機２をセンサレス制御する（ステップＳ３０）。ステップＳ３０の処理の詳細は、図４（Ｂ）及び図５を用いて後述される。
その後、制御部６０は、駆動停止信号の有無を判定し（ステップＳ１０）、駆動停止信号が有れば、電動機２の動作を停止させる。また、駆動信号が無ければ、制御部６０は、処理をステップＳ１０からステップＳ５に戻す。つまり、制御部６０は、駆動停止信号が入力されるまでの間、ステップＳ５～Ｓ１０，Ｓ２０，Ｓ３０に示される処理を繰り返す。
図４（Ａ）及び（ｂ）は、図３のステップＳ２０及びＳ３０の処理の詳細を示すフローチャートである。また、図５は、本実施の形態に係る電動機駆動装置１の動作を示すタイミングチャートである。なお、図４（Ａ）及び（ｂ）並びに図５において、結線状態ＡとＢは、例えば、Ｙ結線とΔ結線である。ただし、結線状態ＡとＢは、Ｙ結線とΔ結線に限定されない。
図４（Ａ）に示されるように、ステップＳ２０では、制御部６０は、結線状態の切替え指令を出力して（図５における時刻ｔ１）、インバータ３０をＰＷＭ制御することによって電動機２の回転数を上昇させる（ステップＳ２０１、図５における時刻ｔ２～ｔ３）。
次に、制御部６０は、電動機２の回転数が予め決められた切替え回転数を超えたか否かを判定する（ステップＳ２０２）。つまり、制御部６０は、電動機２の回転数を増速して、回転数が過変調領域の切替え回転数になっているか否かを判定する。電動機２の回転数が切替え回転数を超えた場合には、制御部６０は、処理をステップＳ２０２からステップＳ２０３に進め、インバータ３０の上アーム３１を全相ＯＦＦにし、下アーム３２を全相ＯＮにする（ステップＳ２０３、図５における時刻ｔ３）。上アーム３１を全相ＯＦＦにするとは、上アーム３１を構成するＵ，Ｖ，Ｗ相のスイッチング素子の全てをＯＦＦにすることである。下アーム３２を全相ＯＮにするとは、下アーム３２を構成するＵ，Ｖ，Ｗ相のスイッチング素子の全てをＯＮにすることである。このとき、インバータ３０の出力電圧の値はゼロであり、電動機２及び結線切替器５０に印加される電圧の値もゼロである。回転数が切替え回転数以下の場合には、制御部６０は、処理をステップＳ２０２からステップＳ２０１に戻す。
次に、制御部６０は、短絡回路８０，９０のスイッチ８２，９２をＯＮにする（ステップＳ２０４、図５における時刻ｔ４）。短絡回路８０，９０のスイッチ８２，９２をＯＮにするときには、インバータ３０の出力電圧の値はゼロである。
次に、制御部６０は、インバータ３０の上アーム３１を全相ＯＦＦにし下アーム３２を全相ＯＦＦにする（ステップＳ２０５、図５における時刻ｔ５）。下アーム３２を全相ＯＦＦにするとは、下アーム３２を構成するＵ，Ｖ，Ｗ相のスイッチング素子の全てをＯＦＦにすることである。
次に、制御部６０は、結線切替器５０を制御して、結線状態をＡからＢに切替える（ステップＳ２０６、図５における時刻ｔ６～ｔ７）。つまり、結線切替器５０による結線状態の切替えは、インバータ３０の上アーム３１が全相ＯＦＦであり、下アーム３２が全相ＯＦＦであり、短絡回路８０，９０のスイッチ８２，９２がＯＮであるときに、実行される。
次に、制御部６０は、インバータ３０の上アーム３１を全相ＯＦＦにし、下アーム３２を全相ＯＮにする（ステップＳ２０７、図５における時刻ｔ８）。
次に、制御部６０は、短絡回路８０，９０のスイッチ８２，９２をＯＦＦにする（ステップＳ２０８、図５における時刻ｔ９）。
次に、制御部６０は、電動機２の回転位置を計算する（ステップＳ２０８、図５における時刻ｔ１０～ｔ１１）。つまり、制御部６０は、切替え動作の完了後に、短絡回路８０，９０のスイッチ８２，９２の状態をＯＮからＯＦＦに切替え、インバータ３０の下アーム３２から供給される電流に基づいて電動機２の位相を計算する。制御部６０は、計算した位相情報を元に、電動機２を、無制御状態であるフリー回転状態から、電動機２の回転動作を停止させずに、センサレス制御状態に切替える。制御部６０は、結線状態Ｂで電動機２をセンサレス制御する（ステップＳ２０９、図５における時刻ｔ１１以降）。
図４（Ｂ）に示されるステップＳ３０１～Ｓ３１０の処理は、図４（Ａ）に示されるステップＳ２０１～Ｓ２１０の処理と同様である。
図６は、センサレス制御期間（例えば、図５における時刻ｔ３より前）において、結線状態がＹ結線である電動機２の巻線２ａ～２ｃと電動機駆動装置１の結線切替器５０とに流れる電流の経路を示す図である。図６は、例えば、図３のステップＳ７と図４（Ａ）のステップＳ２０１における、電流の経路を示している。図６では、結線状態がＹ結線である電動機２が、電流検出部７０で得られる電流値に基づいて計算された電動機２の回転位置に基づいてセンサレス制御されているときにおける、インバータ３０より下流側における電流の経路を、３重線である太線で示している。
図７は、結線状態の切替え準備期間（例えば、図５における時刻ｔ３）において、結線状態がＹ結線である電動機２の巻線２ａ～２ｃと電動機駆動装置１の結線切替器５０とに流れる電流の経路を示す図である。図７は、例えば、図４（Ａ）のステップＳ２０３における、電流の経路を示している。図７では、結線状態がＹ結線である電動機２が、インバータ３０の上アーム３１が全相ＯＦＦで、下アーム３２が全相ＯＮであるときにおける、インバータ３０より下流側における電流の経路を、３重線である太線で示している。
図８は、結線状態の切替え準備期間（例えば、図５における時刻ｔ５）において、電動機２の巻線２ａ～２ｃと電動機駆動装置１の短絡回路８０，９０とに流れる電流の経路を示す図である。図８は、例えば、図４（Ａ）のステップＳ２０５における、電流の経路を示している。図８では、短絡回路８０，９０のスイッチ８２，９２がＯＮであるときにおける、電動機２の巻線２ａ～２ｃと短絡回路８０，９０を流れる電流経路を、３重線である太線で示している。図８に示されるように、スイッチ８２，９２をＯＮとし、上アーム３１及び下アーム３２を全相ＯＦＦとすることで、電動機２に流れている電流は、短絡回路８０，９０を含む経路によって循環するため、結線切替器５０の電磁接触器５１～５３に電流が流れない。
図９は、結線状態を切替える切替え期間（例えば、図５における時刻ｔ７）において、電動機２の巻線２ａ～２ｃと電動機駆動装置１の短絡回路８０，９０とに流れる電流の経路を示す図である。図９は、例えば、図４（Ａ）のステップＳ２０６における、電流の経路を示している。図９では、短絡回路８０，９０のスイッチ８２，９２がＯＮであるときにおける、電動機２の巻線２ａ～２ｃと短絡回路８０，９０を流れる電流経路を、３重線である太線で示している。図９に示されるように、スイッチ８２，９２をＯＮとし、上アーム３１及び下アーム３２を全相ＯＦＦとすることで、電動機２に流れている電流は、短絡回路８０，９０を含む経路によって循環するため、結線切替器５０の電磁接触器５１～５３に電流が流れない。したがって、結線状態の切替えのための結線切替器５０の電磁接触器５１～５３の状態の切替え時に、電磁接触器５１～５３の接点間にアークは発生しない。したがって、結線切替器５０の電磁接触器５１～５３に、故障が生じない。
図１０は、インバータ３０の上アーム３１が全相ＯＦＦ、下アーム３２が全相ＯＮ、短絡回路８０，９０のスイッチ８２，９２がＯＦＦである期間（例えば、図５における時刻ｔ９）において、電動機２の巻線２ａ～２ｃと電動機駆動装置１とに流れる電動機２の回転位置計算用の電流の経路を示す図である。図１０は、例えば、図４（Ａ）のステップＳ２０９における、電流の経路を、３重線である太線で示している。図１０では、インバータ３０の下アーム３２が全相ＯＮであり、インバータ３０の上アーム３１が全相ＯＦＦであるから、下アーム３２と電動機２の間で電流経路が形成される。そのため、インバータ３０の下アーム３２に接続された電流検出用のシャント抵抗に流れる電流波形を確認し、電動機２の回転位相を計算することが可能となる。
図１１は、センサレス制御期間（例えば、図５における時刻ｔ１１より後）において、結線状態がΔ結線である電動機２の巻線２ａ～２ｃと電動機駆動装置１の結線切替器５０とに流れる電流の経路を示す図である。図１１は、例えば、図４（Ａ）のステップＳ２１０における、電流の経路を示している。図１１では、結線状態がΔ結線である電動機２が、電流検出部７０で得られる電流値に基づいて計算された電動機２の回転位置に基づいてセンサレス制御されているときにおける、インバータ３０より下流側における電流の経路を、３重線である太線で示している。
図１２は、インバータ３０の出力電圧がゼロであるときの、電動機２の回転数である電動機回転数と電動機２に流れる電流である電動機電流との関係をグラフで示す図である。つまり、図１２のグラフは、インバータ３０の出力電圧をゼロにしたときの、電動機２の回転数に対する電流ピーク値の特性を示している。永久磁石同期電動機の電圧方程式は、以下の式１で表されることが知られている。
Figure 0007069400000001
ここで、Ｖｄ，Ｖｑはｄｑ軸電圧、Ｉｄ，Ｉｑはｄｑ軸電流、ωは電気角周波数、Ｒは巻線抵抗、Ｌｄ，Ｌｑはｄｑ軸インダクタンス、φｆは誘起電圧定数を示す。
本実施の形態において、インバータ３０の出力電圧がゼロであるときに結線切替器５０による結線状態の切替えを実行するので、Ｖｄ＝Ｖｑ＝０である。したがって、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑは、以下の式（２）及び（３）で表される。
Figure 0007069400000002
また、電動機トルクτｍは、以下の式（４）で表される。
Figure 0007069400000003
電動機定数（Ｒ，Ｌｄ，Ｌｑ，φｆ）は固定値であるから、上記式（２）から（４）より、電動機２のｄｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑは、電動機２の回転数ωによって変化し、電動機トルクτｍは、ｄｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑによって変化することが分かる。また、電動機電流のピーク値Ｉｐは、以下の式（５）で表すことができる。
Figure 0007069400000004
式（５）より、横軸が電動機回転数を示す座標軸であり、縦軸が電動機電流の電流ピーク値Ｉｐを示す座標軸である座標系において、図１２に示される電動機回転数－電動機電流の特性グラフが得られる。図１２から分かるように、インバータ３０の出力電圧をゼロとした場合には、電動機２の回転数が高くなると、電動機電流がある値に収束する。
図１３は、電動機回転数と電動機２のブレーキトルクＴ（＝τｂ）との関係をグラフで示す図である。図１３は、横軸が電動機回転数を示し、縦軸が電動機２のブレーキトルクＴを示す座標系において、電動機回転数に対する電動機２のブレーキトルクＴの特性を示す。図１３から、電動機回転数が大きくなるにつれて、インバータ３０の出力電圧がゼロであるときの電動機２のブレーキトルクＴが小さくなることが分かる。電動機回転数の変化Δωは、以下の式（６）で表すことができる。
Figure 0007069400000005
ここで、τｍは電動機トルク、τｌは負荷トルク、Ｊはイナーシャを示す。
インバータ３０の出力電圧をゼロにしているときには、電動機トルクτｍは、ブレーキトルクτｂとなる。つまり、インバータ３０の出力電圧をゼロに制御しているときには、τｍ＝－τｂが成立する。したがって、式（６）から、電動機回転数が増加するほど、ブレーキトルクτｂが小さくなり、電動機回転数の変動Δωは小さくなることが分かる。
本実施の形態に係る電動機駆動装置１では、インバータ３０の出力電圧をゼロにする制御を行うので、インバータ３０の電圧変調率にかかわらず、出力電圧をゼロにする制御が可能である。よって、電動機２が、より高速で回転可能な過変調領域でインバータ３０の出力電圧をゼロにする制御を実施すれば、電動機２の回転数の低減を抑制でき、その結果、電動機２の回転動作を停止させずに（すなわち、ノンストップで）、電動機２の結線状態を切替えることが可能である。
このように、スイッチ８２，９２をＯＮ（オン）とし、上アーム３１及び下アーム３２を全相ＯＦＦ（オフ）とすることで、電動機２に流れている電流は、短絡回路８０，９０を含む経路である循環回路を循環するため、結線切替器５０の電磁接触器５１～５３に電流が流れない。したがって、結線状態の切替えのための結線切替器５０の電磁接触器５１～５３の状態の切替え時に、電磁接触器５１～５３の接点間にアークは発生しない。したがって、電動機の回転動作を停止させずに、結線切替器５０の電磁接触器５１～５３の状態を切替えたとしても、電磁接触器５１～５３に故障は生じない。
図１４は、結線状態をＹ結線からΔ結線に切替える場合における電動機２の回転数の変化をグラフで示す図である。図１４に示されるように、電動機２の回転数を高速領域（すなわち、過変調領域）まで加速した後の期間、すなわち、ブレーキトルクτｂが小さい期間に、インバータ３０の出力電圧をゼロにする制御を行うことで、電動機２の回転数の低下を少なくすることができる。言い換えれば、図１４の時刻ｔ５～ｔ８に示される電動機回転数の低下を示す線分の下り勾配を緩やかにすることができる。
さらに、本実施の形態では、過変調領域での電動機２の結線切替えを、インバータ３０の出力電圧をゼロにして実行することができる。このため、従来方式よりも高回転での結線切替え動作が可能である。したがって、過変調領域が、低い回転数に設定している電動機への適用、負荷トルクが大きいので切替え動作中に電動機回転数がゼロ付近まで落ち込むような電動機であっても、電動機の回転を停止させずに（すなわち、ノンストップで）、電動機の結線状態を切替えることができる。
《２－３》変形例
図１５は、本実施の形態の変形例に係る電動機駆動装置の動作を示すタイミングチャートである。図１５は、時刻ｔ３～ｔ３ａに一時電圧保護動作が実行される点において、図５に示されるタイミングチャートと異なる。図１６は、インバータ３０を定常運転状態（時刻ｔ３より前）と下アーム３２の全相ＯＮ状態（時刻ｔ３ａの後）との間に設けられる一時電圧保護動作の例を示す図である。つまり、図１６に示される例では、インバータ３０の下アーム３２のＯＮ出力時、すなわち、図１５における時刻３～ｔ３ａの期間において、インバータ３０の下アーム３２のスイッチング素子をＰＷＭ信号で制御する。このように制御することで、ＰＷＭ全相ＯＦＦ時の一次電圧側すなわちコンデンサ２２側に、急激な回生電流が流れることを抑制することができる。これにより、一次電圧側の構成であるコンデンサ２２などの故障の発生を抑制することができる。
《２－４》効果
本実施の形態によれば、短絡回路８０，９０のスイッチ８２，９２をＯＮにして循環電流が流れる回路を形成し、上アーム３１及び下アーム３２の両方を全相ＯＦＦとすることで、電動機２に流れている電流は、短絡回路８０，９０を含む経路である循環回路を循環し、電磁接触器５１～５３に電流が流れない。したがって、結線状態の切替えのための電磁接触器５１～５３の状態の切替え時に、電磁接触器５１～５３の接点間にアークは発生しない。したがって、電動機の回転動作を停止させずに、結線切替器５０の電磁接触器５１～５３の状態を切替えたとしても、電磁接触器５１～５３に故障は生じない。
また、本実施の形態によれば、電動機２が高速で回転する過変調領域でインバータ３０の出力電圧をゼロにする制御を実施しているので、電動機２の回転動作を停止させずに、電動機２の結線状態を切替えることができる。
また、本実施の形態によれば、制御部６０は、上アーム３１を全相ＯＦＦにしたまま、下アーム３２の全相をオンにし、且つ短絡回路８０，９０のスイッチ８２，９２をＯＦＦにした期間（例えば、図５における時刻ｔ９より後）に、センサレス制御を再開するので、インバータ３０によるＰＷＭ制御の再開時（例えば、図５における時刻ｔ１１）に、直ぐにセンサレス制御を実行することができる。
１ 電動機駆動装置、 ２ 電動機、 ２ａ，２ｂ，２ｃ 巻線、 ３ 空気調和機、 １０ 交流電源、 ２０ コンバータ、 ２１ リアクトル、 ２２ コンデンサ、 ３０ インバータ、 ３１ 上アーム、 ３２ 下アーム、 ４０ 電圧検出部、 ５０ 結線切替器、 ５１，５２，５３ 電磁接触器、 ６０ 制御部、 ７０ 電流検出部、 ８０，９０ 短絡回路、 ８１，９１ 整流回路、 ８２，９２ スイッチ。

Claims (11)

  1. 電動機の巻線に接続される電磁接触器を有し、前記電磁接触器の状態を切替えることによって前記巻線の結線状態を切替える結線切替器と、
    前記結線切替器を介して前記巻線に交流電圧である出力電圧を印加するインバータと、
    整流回路及びスイッチを有する短絡回路と、
    前記電磁接触器、前記インバータ、及び前記スイッチを制御する制御部と、
    を備え、
    前記スイッチをオンにしたときに、前記短絡回路と前記巻線とによって循環回路が形成され、
    前記電動機の回転動作中に前記インバータの前記出力電圧をゼロにしている期間であって、且つ前記回転動作によって発生する電流が前記循環回路を循環している期間に、前記結線切替器が前記巻線の前記結線状態を切替える
    電動機駆動装置。
  2. 前記インバータが前記出力電圧をゼロにする動作及び前記スイッチをオンにする切替えは、前記電動機の回転数を前記インバータの過変調領域まで増速した後に実行される請求項１に記載の電動機駆動装置。
  3. 前記インバータは、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とを有し、
    前記短絡回路の前記スイッチのオフからオンへの切替えは、前記上アームのスイッチング素子をオフにし、前記下アームのスイッチング素子をオンにした切替え準備期間に実行される
    請求項１又は２に記載の電動機駆動装置。
  4. 前記インバータは、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とを有し、
    前記短絡回路の前記スイッチのオフからオンへの切替えは、前記上アームのスイッチング素子をオフにし、前記下アームのスイッチング素子をＰＷＭ制御する保護動作期間の後に、前記上アームのスイッチング素子をオフにしたまま、前記下アームのスイッチング素子をオンにした切替え準備期間に実行される
    請求項１又は２に記載の電動機駆動装置。
  5. 前記インバータが前記出力電圧をゼロにする動作は、前記上アームのスイッチング素子をオフにし、前記下アームのスイッチング素子をオンにした期間の後に、前記上アームのスイッチング素子をオフにしたまま、前記下アームのスイッチング素子をオフにすることによって実行される請求項３又は４に記載の電動機駆動装置。
  6. 前記短絡回路の前記スイッチのオンからオフへの切替えは、前記上アームのスイッチング素子をオフにしたまま、前記下アームのスイッチング素子をオフにした期間の後に、前記上アームのスイッチング素子をオフにしたまま、前記下アームのスイッチング素子をオンにした期間に実行される請求項５に記載の電動機駆動装置。
  7. 前記インバータから前記電動機に供給される電流を検出する電流検出部をさらに備え、
    前記制御部は、前記電流検出部によって検出された電流に基づいて、前記インバータを制御するセンサレス制御を実行する
    請求項１から６のいずれか１項に記載の電動機駆動装置。
  8. 前記インバータから前記電動機に供給される電流を検出する電流検出部をさらに備え、
    前記制御部は、前記上アームのスイッチング素子をオフにしたまま、前記下アームのスイッチング素子をオンにし、且つ前記短絡回路の前記スイッチをオフにした期間に、センサレス制御を再開する
    請求項６に記載の電動機駆動装置。
  9. 前記結線切替器は、前記結線状態を、Ｙ結線からΔ結線に又はΔ結線からＹ結線に切替える請求項１から８のいずれか１項に記載の電動機駆動装置。
  10. 前記短絡回路の前記スイッチは、半導体スイッチング素子である請求項１から９のいずれか１項に記載の電動機駆動装置。
  11. 電動機と、
    前記電動機を駆動する、請求項１から１０のいずれか１項に記載の電動機駆動装置と
    を備えた空気調和機。
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