JPH1056794A - 無整流子電動機の始動制御方法 - Google Patents

無整流子電動機の始動制御方法

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JPH1056794A
JPH1056794A JP8208370A JP20837096A JPH1056794A JP H1056794 A JPH1056794 A JP H1056794A JP 8208370 A JP8208370 A JP 8208370A JP 20837096 A JP20837096 A JP 20837096A JP H1056794 A JPH1056794 A JP H1056794A
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英樹 吉田
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明伸 竹本
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ブートストラップ方式によるインバータ回路
で、回転子が永久磁石でかつホール素子などの磁極位置
検出手段を持たない無整流子電動機の始動時の回転子位
置決めと始動とを確実に行なうことができるようにす
る。 【解決手段】 始動時のIGBT(スイッチング素子)
3dのオンにより、直流電源4から抵抗5,ダイオード
6aを介してコンデンサ7aが充電し、これがIGBT
3aの直流電源となる。そして、IGBT3a〜3fを
所定時間オフした後、IGBT3a,3eをオンし、無
整流子電動機12の回転子位置決めを行なう。このと
き、直流電源4から抵抗5,ダイオード6bを介してコ
ンデンサ7bが充電し、これがIGBT3bの直流電源
となる。これで無整流子電動機12は始動するが、IG
BT3fがオンすると、直流電源4から抵抗5,ダイオ
ード6cを介してコンデンサ7cが充電し、これがIG
BT3cの直流電源となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、インバータ制御に
よる無整流子電動機の始動方法に係り、特に、インバー
タ回路の上アームのスイッチング素子駆動用電源として
ブートストラップ方式を用いた方法に関する。
【0002】
【従来の技術】無整流子電動機の駆動装置の一例が特公
平6ー46879号公報に記載されている。図4はイン
パータのスイッチング素子としてIGBTを用いた従来
の無整流子電動機の駆動回路の一例を示す回路図であっ
て、1は商用交流電源、2はコンバータ部、3a〜3c
はスイッチング素子としての上アームのIGBT(Insu
lated−Gate Bipolar Transistor)、3d〜3fは下ア
ームのIGBT、4,4a〜4cは直流電源、12は無
整流子電動機である。
【0003】同図において、商用交流電源1より供給さ
れる交流電圧がコンバ−タ部2で整流・平滑され、直流
電圧が生成される。この直流電圧が出力される端子2
a,2b間にIGBT3a〜3fや直流電源4,4a〜
4cから構成されるインバータが接続され、この直流電
圧が供給される。
【0004】このインバータにおいては、上アームのI
GBT3a,3b,3cのコレクタが夫々コンバータ2
の一方の出力端子2aに、エミッタが夫々下アームのI
GBT3d,3e,3fのコレクタに接続されており、
これら下アームのIGBT3d,3e,3fのエミッタ
がコンバータ2の他方の出力端子2bに接続されてい
る。また、IGBT3a,3dの接続点,IGBT3
a,3dの接続点,IGBT3a,3dの接続点は夫々
インパータの出力端子をなしており、無整流子電動機1
2の図示しない3相の巻線に接続されている。さらに、
上アームのIGBT3a,3b,3c夫々のゲート・エ
ミッタ間に直流電源4a,4b,4cが接続され、下ア
ームのIGBT3d,3e,3fのゲートには、共通の
直流電源4から直流電圧が供給されている。
【0005】次に、かかるインバータによる無整流子電
動機12の駆動動作を図5を用いて説明する。
【0006】上アームのIGBT3a,3b,3cに
は、図示しない駆動手段により、T1期間ずつ順にチョ
ッパ信号が供給され、夫々T1期間ずつオン/オフ動作
し、コンバータ2からの直流電圧をチョッピングする。
これとともに、下アームのIGBT3dが上アームのI
GBT3aのオン/オフ期間T1に、下アームのIGB
T3eが上アームのIGBT3bのオン/オフ期間T1
に、下アームのIGBT3fが上アームのIGBT3c
のオン/オフ期間T1に夫々チョッパ信号が供給され、
夫々上アームのIGBT3a,3b,3cとは逆位相で
オン/オフ動作する。また、上アームのIGBT3a,
3b,3cのチョッピング動作期間T1に対して時間T1
/2だけ遅れて、下アームのIGBT3f,3d,3e
の順にT1期間ずつ直流電圧が供給され、夫々T1期間ず
つオン状態が保たれる。
【0007】このようにして、IGBT3aがオン/オ
フ動作するT1期間では、まず、その前半のT1/2の期
間に、下アームのIGBT3eがオン状態となり、コン
バータ2からの直流電流は上アームのIGBT3aでチ
ョッピングされて無整流子電動機12に供給され、下ア
ームのIGBT3eを通ってコンバータ2に戻る。IG
BT3aがオン/オフ動作するT1期間の後半のT1/2
の期間では、下アームのIGBT3fがオン状態とな
り、コンバータ2からの直流電流は上アームのIGBT
3aでチョッピングされて無整流子電動機12に供給さ
れ、下アームのIGBT3fを通ってコンバータ2に戻
る。次のIGBT3bがオン/オフ動作するT1期間で
は、その前半のT1期間に下アームのIGBT3fが、
その後半のT1/2の期間に下アームのIGBT3dが
夫々オン状態となり、さらに次のIGBT3cがオン/
オフ動作するT1期間では、その前半のT1期間に下アー
ムのIGBT3dが、その後半のT1 /2の期間に下ア
ームのIGBT3eが夫々オン状態となり、以上の動作
が繰り返される。
【0008】このように、上アームのIGBT3a〜3
cと下アームのIGBT3d〜3fとのオン/オフ動作
を順次切り換える転流動作を行なうことにより、無整流
子電動機12が駆動される。
【0009】インバータの出力電力を変化させるため
に、このように、上アームのIGBT3a〜3cを1つ
の転流パターン内で高速にオン/オフして出力電圧及び
出力電流をチョッピングするのである。そして、下アー
ムのIGBT3d〜3fも、上アームのIGBT3a〜
3cのオン/オフに同期して、IGBT3a〜3cがオ
フしているときには、同列の下アームのIGBT3d〜
3fをオンするように、チョッピング動作させることに
より、無整流子電動機12の制御応答性を高めるように
している。
【0010】逆に、このような制御応答性をあまり必要
としないときには、図6に示すように、下アームのIG
BT3d〜3fが出力電圧及び出力電流のチョッピング
に関与しないようにしてもよい。この場合、下アームの
IGBT3d〜3fでのスイッチング回数が減少するの
で、スイッチング損失を低減させることができる。
【0011】また、この無整流子電動機12が、その回
転子が永久磁石であって、さらに、ホール素子などの回
転子磁極位置検出手段を持たないときには、始動時、最
初の転流パターンで無整流子電動機12の固定子巻線に
電流を流しても、回転子の磁極の位置によっては、大き
いトルクを得ることができず、すぐに高速回転させるこ
とが難しい。従って、このような場合には、回転子位置
決めを行なった方がよい。これは、回転子をある決めら
れた位置に移動させ、次の転流パターンで最大トルクが
得られるようにするものである。
【0012】ところで、図4に示した従来例において
は、直流電源が4個設けられているが、これは、IGB
T3a〜3fをオン/オフするためには、それらのエミ
ッタが独立であるため、夫々のゲート・エミッタ間に独
立に直流電圧を印加する必要があり、また、下アームの
IGBT3d〜3fは、エミッタが共通であるため、1
つの直流電源を共用できるためである。
【0013】これに対し、かかる構成のインバータにお
いて、直流電源4を上アームのIGBT3a〜3cにも
共用して直流電源を1つだけとする方法もある。図7は
一般的にブートストラップ方式と呼ばれるその一例を示
すものであって、5は抵抗、6a〜6cはダイオード、
7a〜7cはコンデンサであり、図4に対応する部分に
は同一符号をつけて重複する説明を省略する。
【0014】同図において、上アームのIGBT3a,
3b,3c夫々のゲート・エミッタ間にコンデンサ7a
が接続され、また、上アームのIGBT3a,3b,3
c夫々のゲートに抵抗5を介して直流電源4が接続され
ている。
【0015】かかる従来例は、コンデンサ7a,7b,
7cを充電することにより、図4での直流電源4a,4
b,4cの代わりとするものであり、いま、例えば、下
アームのIGBT3dがオンしたとすると、直流電源
4,抵抗5,ダイオード6a,キャパシタ7a及びIG
BT3dからなる閉回路が形成されて電流が流れ、キャ
パシタ7aが直流電源4とほぼ同じ電圧に充電される。
この充電電圧によって上アームのIGBT3aがオンす
るものであり、上アームのIGBT3b,3cについて
も同様である。
【0016】かかる無整流電動機の駆動装置について
も、インバータは図5や図6に示したように動作させ
る。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の従来
例には、次のような問題点がある。即ち、上アームのス
イッチング素子駆動用電源としてブートストラップ方式
によるインバータ回路を用い、回転子が永久磁石で、か
つホール素子などの磁極位置検出手段を持たない無整流
子電動機を駆動する場合、下アームのスイッチング素子
を出力電圧及び出力電流のチョッピングに関与しない制
御とする場合には、無整流子電動機の始動時、ブートス
トラップ回路のコンデンサ7a〜7cが充電されていな
いため、上アームのスイッチング素子がオンすることが
できず、回転子位置決めや始動ができない。
【0018】本発明の目的は、かかる問題を解消し、上
アームにブートストラップ回路を用いて、無整流子電動
機の始動時の回転子位置決めと始動とを確実に行なうこ
とができるようにした無整流子電動機の始動制御方法を
提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、無整流子電動機の始動時、下アームのス
イッチング素子の中で、少なくとも、回転子位置決め時
のスイッチングパターンでオンさせる上アームのスイッ
チング素子と直列接続された下アームの第1のスイッチ
ング素子を所定期間オンし、しかる後、この所定期間に
重ならないように所定時間長のデットタイムを置いて、
この下アームの第1のスイッチング素子と直列接続され
た上アームの第1のスイッチング素子と、それに直列接
続されない下アームの第2のスイッチング素子とを同時
にオンして、始動を開始させる。
【0020】まず、上記の下アームの第1のスイッチン
グ素子をオンにすると、これに直列接続されている上ア
ームの第1のスイッチング素子でブートストラップ回路
のコンデンサが充電され、その充電電圧がこの上アーム
の第1のスイッチング素子のドライブ回路の直流電源電
圧となり、この上アームの第1のスイッチング素子がオ
ンすることができるようになる。
【0021】この下アームの第1のスイッチング素子を
オフにし、上記のデットタイムを経過するようにして直
列接続されている上,下アームの第1,第2のスイッチ
ング素子が同時にオンすることがないようにした後、こ
の上アームの第1のスイッチング素子とこの上アームの
第1のスイッチング素子と直列接続されている下アーム
の第1のスイッチング素子以外の下アームの第2のスイ
ッチングとをオンする。これにより、無整流子電動機の
回転子位置決めが行なわれ、しかる後、かかる状態から
始まる転流パターンで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オン/オフ制御する。こ
れにより、無整流子電動機は始動する。
【0022】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
より説明する。
【0023】図2は本発明による無整流子電動機の始動
制御方法の一実施形態を用いた電動機駆動回路を示す回
路図であって、8はドライブ回路、9は転流信号出力回
路、10はチョッパ信号出力回路、11a〜11cはア
ンドゲートであり、前出図面に対応する部分には同一符
号をつけて重複する説明を省略する。
【0024】図3はこの電動機駆動回路でのインバータ
の電動機駆動動作を示すタイミング図であって、T1
6期間は全て等しい時間長(T1=T2=T3=T4=T5
=T6=t0)であり、かつT5,T6,T4期間は夫々
1,T2,T3期間よりも時間t0/2だけ遅れている。
【0025】この実施形態も、図7で示した従来例と同
様のブートストラップ方式によるものであり、インバー
タは図6で示したように動作するものとする。
【0026】図2において、チョッパ信号出力回路10
はチョッパ信号Aを連続的に出力しており、アンドゲー
ト11a,11b,11cに供給する。転流信号出力回
路9は、T1期間にゲート信号としての転流信号B1を
アンドゲート11aに供給し、次のT2期間にゲート信
号B2をアンドゲート11bに供給し、さらに次のT3
間にゲート信号としての転流信号B3をアンドゲート1
1cに供給する。これにより、ドライブ回路8aは、T
1期間、アンドゲート11aからチョッパ信号Aを受
け、これに応じてIGBT3aをオン/オフ動作させ
る。また、ドライブ回路8bは、T2期間、アンドゲー
ト11bからチョッパ信号Aを受け、これに応じてIG
BT3bをオン/オフ動作させる。さらに、ドライブ回
路8cは、T3期間、アンドゲート11cからチョッパ
信号Aを受け、これに応じてIGBT3cをオン/オフ
動作させる。
【0027】また、転流信号出力回路9は、T1期間の
後半とT2期間の前半とのT5期間に転流信号C1を、T2
期間の後半とT3期間の前半とのT6期間に転流信号C3
を、T3期間の後半とT1期間の前半とのT4期間に転流
信号C3を夫々出力する。ドライブ回路8fは転流信号
1が供給され、これにより、T5期間、IGBT3fを
オン状態に保持し、ドライブ回路8dは転流信号C2
供給され、これにより、T6期間、IGBT3dをオン
状態に保持し、ドライブ回路8eは転流信号C3が供給
され、これにより、T4期間、IGBT3eをオン状態
に保持する。
【0028】以上のように、IGBT3a〜3fを夫々
ドライブ回路8a〜8fによって駆動することにより、
図3に示すように、上アームのIGBT3a〜3cが夫
々転流期間であるT1,T2,T3期間でオン/オフ動作
を繰り返すようにして、無整流子電動機12への出力電
圧及び出力電流のチョッピングを行ない、このチョッピ
ングのデューティ比を可変とすることにより、負荷(即
ち、無整流子電動機12の運転状態)に合わせてインバ
ータの出力が可変となるようにしているが、下アームの
IGBT3d〜3fは、転流信号のみを受けるので、チ
ョッピングには関与していない。
【0029】ここで、無整流子電動機12は、その回転
子が永久磁石であって、ホール素子などの回転子磁極位
置検出手段を持たない。
【0030】次に、図1により、かかる無整流子電動機
12の駆動装置での本発明による無整流子電動機の始動
制御方法の一実施形態を説明する。なお、同図は上アー
ムのIGBT3a〜3cと下アームのIGBT3d〜3
fとの設定されるオン状態の順序を示しており、上アー
ムのIGBT3a〜3cは、そのオン期間、チョッパ動
作を行なう。
【0031】以下、図2に示す無整流子電動機駆動装置
を例にして、この実施形態について説明する。
【0032】無整流子電動機12が停止しているときに
は、コンデンサ7a〜7cには、電荷は蓄えられておら
ず、このままの状態では、IGBT3a〜3cをオンさ
せることができない。
【0033】そこで、図1に示すように、まず、Ta期
間に、IGBT3dをオンさせ、直流電源4,抵抗5,
ダイオード6a,コンデンサ7a及びIGBT3dから
なる閉回路を形成し、これに電流を流してコンデンサ7
aを充電することにより、IGBT3aをオンが可能な
状態にする。
【0034】ここで、IGBT3dがオンしてからt
[sec]経過したときのコンデンサ7aの両端電圧Vc
は、 Vc=(Vs−Vf−Vce){1−exp(−t/CR)} [V] ………(1) 但し、Vs:直流電源4の電圧 Vf:ダイオード6aの順電圧 Vce:IGBT3dのコレクタ・エミッタ飽和電圧 C:コンデンサ7aの静電容量 R:抵抗5の抵抗値 で表わされる。
【0035】いま、Vs=15[V],Vf=0.7
[V],Vce=1[V],C=0.47[μF],R=
100[Ω]として、上記の充電のTa期間を時定数C
Rの3倍のt=141[μsec]に設定すると、コンデ
ンサ7aには、直流電源4の電圧Vsの約95%まで充
電されることになり、IGBT3aはオン可能となる。
【0036】無整流子電動機12の回転子の位置決めを
行なうために、このコンデンサ7aを充電するためのI
GBT3dがオンしているTa期間に続いて、IGBT
3a,3eをオンさせるのであるのであるが、IGBT
3dがオンしている期間にIGBT3aのオン期間が少
しでもかかると、コンバータ2の端子2a,2b間が短
絡状態となり、これらIGBT3a,3dに過大電流が
流れてしまう。
【0037】これを防ぐために、IGBT3dがオンし
ている上記のTa期間が経過すると、全てのIGBT3
a〜3fをオフさせるデッドタイムTbを設ける。ここ
で、IGBT3a〜3cのオン/オフの周期を1〜4
[μsec]とすると、このデッドタイムTbの長さtb
は、この周期よりも長い10[μsec]程度とする。
【0038】このデットタイムTbが経過すると、IG
BT3a,IGBT3eをオンして無整流子電動機12
の固定子巻線に電流を流すことにより、回転子位置決め
を行なう。また、このIGBT3eがオンすることによ
り、直流電源4,抵抗5,ダイオード6b,コンデンサ
7b及びIGBT3eからなる閉回路が形成され、これ
に電流が流れてコンデンサ7aが充電される。
【0039】しかる後、IGBT3aが図3のTa期間
オン状態にあり、その1/2の期間経過してIGBT3
fがオンするようにすることにより、図3に示した通常
の動作に移行することになる。なお、IGBT3fがオ
ンすることにより、直流電源4,抵抗5,ダイオード6
c,コンデンサ7c及びIGBT3fからなる閉回路が
形成され、これに電流が流れてコンデンサ7cが充電さ
れる。
【0040】このようにして、この実施形態では、始動
時、最初に下アームの1つのスイッチング素子をオンし
てこれに直列接続されるコンデンサを充電させ、短絡防
止のためのデットタイムTbを経た後、通常の動作のと
きと同様の順序で各スイッチング素子をオン/オフ動作
させることにより、無整流子電動機12の固定子巻線に
電流が流れてその回転子の位置決めが行なわれるととも
に、上アームの他のスイッチング素子のコンデンサの充
電も順次行なわれて通常の動作に起動することになる。
【0041】従って、回転子が永久磁石であって、ホー
ル素子などの回転子磁極位置検出手段を持たない無整流
子電動機を始動するに際し、上アームのスイッチング素
子の駆動用電圧確保のために、ブートストラップ方式を
用い、また、下アームのスイッチング素子を出力電圧及
び出力電流のチョッピングに関与しない制御とする場合
においても、回転子位置決めを行ない、確実な始動をす
ることができる。
【0042】なお、上記実施形態では、スイッチング素
子にIGBTを用いたが、IGBTに限らず、バイポー
ラトランジスタやMOSFET,サイリスタなどのよう
に、電流のオン/オフが行なえるようなものであるなら
ば、何でもよい。
【0043】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
インバータ回路におけるスイッチング素子の駆動用電源
としてブートストラップ方式を用いて、回転子が永久磁
石であって、かつホール素子などの磁極位置検出手段を
持たない無整流子電動機を駆動するときに、下アームの
スイッチング素子を出力電圧及び出力電流のチョッピン
グに関与しない制御とする場合においても、無整流子電
動機の始動時に確実な回転子位置決めと始動とを行なう
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による無整流子電動機の始動制御方法の
一実施形態を示すタイミング図である。
【図2】本発明による無整流子電動機の始動制御方法を
用いた無整流子電動機を駆動装置の一例を示す回路図で
ある。
【図3】図2に示した無整流子電動機を駆動装置の始動
後の動作を示すタイミング図である。
【図4】電動機の駆動装置の一従来例を示す図である。
【図5】図4に示した駆動装置の一動作例を示すタイミ
ングを示す図である。
【図6】図4に示した駆動装置の他の動作例を示すタイ
ミングを示す図である。
【図7】ブートストラップ方式を用いたインバータによ
る電動機の駆動装置の一従来例を示す回路図である。
【符号の説明】
2 コンバータ部 3a〜3f IGBT 4 直流電源 5 抵抗 6a〜6c ダイオード 7a〜7c コンデンサ 8a〜8f ドライブ回路 9 転流信号出力回路 10 チョッパ信号出力回路 11a〜11c アンドゲート 12 無整流子電動機

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 無整流子電動機の各巻線に電流を供給す
    るために、上アームのスイッチング素子と下アームのス
    イッチング素子との直列回路を該無整流子電動機の巻線
    数だけ備え、かつ該直列回路の夫々にコンバータから直
    流電源電圧が印加されるパワー素子部と、 転流信号を出力する転流信号出力回路と、 チョッパ信号を出力するチョッパ信号出力回路と、 該転流信号と該チョッパ信号とが供給されて、該上アー
    ムの該スイッチング素子を所定の順序で所定の時間ずつ
    オン/オフ動作させるようにした、ブートストラップ回
    路を用いたドライブ回路と、 該転流信号が供給されて、該下アームのスイッチング素
    子を所定の順序で所定の時間ずつオン状態に設定するド
    ライブ回路ととから構成される無整流子電動機の駆動装
    置において、 該無整流子電動機の始動時、第1の期間に、該下アーム
    のスイッチング素子の1つをオンさせ、 次いで、第2の期間に、オンさせた該スイッチング素子
    と直列接続される該上アームのスイッチング素子と、該
    下アームのスイッチング素子のうちのオンさせた該スイ
    ッチング素子とは異なる該スイッチング素子の1つとを
    オンさせることを特徴とする無整流子電動機の始動制御
    方法。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の無整流子電動機の始動制
    御方法において、 前記第1の期間と前記第2の期間との間に、前記第1の
    期間でオンさせた前記下アームのスイッチング素子とこ
    れに直列接続された前記上アームのスイッチング素子と
    を所定の時間同時にオフ状態とする第3の期間を設けた
    ことを特徴とする無整流子電動機の始動制御方法。
  3. 【請求項3】 請求項1または2記載の無整流子電動機
    の始動制御方法において、 前記無整流子電動機は、その回転子が永久磁石であっ
    て、該回転子の磁極位置検出手段を持たない電動機であ
    ることを特徴とする無整流子電動機の始動制御方法。
  4. 【請求項4】 請求項1,2または3記載の無整流子電
    動機の始動制御方法において、 前記第1の期間がの時間長が、前記上アームのスイッチ
    ング素子の前記ドライブ回路で用いられるブートストラ
    ップ回路の充電時定数より長いことを特徴とする無整流
    子電動機の始動制御方法。
  5. 【請求項5】 請求項2,3または4記載の無整流子電
    動機の始動制御方法において、 前記第3の期間の時間長が、前記スイッチング素子のス
    イッチングタイムよりも長いことを特徴とする無整流子
    電動機の始動制御方法。
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EP1267479A1 (fr) * 2001-06-15 2002-12-18 Saia-Burgess Murten AG Moteur à courant continu sans collecteur, procédé de demarrage et utilisation de celui-ci
US8350506B2 (en) 2009-04-02 2013-01-08 Vacon Oyj Frequency converter start-up

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