JP7516284B2 - モータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、互いに非接続状態の複数の相巻線を有するモータを駆動するモータ駆動装置に関する。

空気調和機等の熱源機器の冷凍サイクル装置に搭載される圧縮機の駆動モータとして、複数の相巻線を有する永久磁石同期モータが使用される。また、複数の相巻線を互いに非接続状態とした構成のオープン巻線モータ（Open-Winding Motor）が知られている。

このオープン巻線モータ（モータと略称する）を駆動するモータ駆動装置は、モータの各相巻線の一端への通電を制御する第１インバータ、モータの各相巻線の他端への通電を制御する第２インバータ、各相巻線の他端の相互間に接続される開閉器を備え、この開閉器の閉成により各相巻線をスター結線（星形結線ともいう）して第１インバータをＰＷＭ（パルス幅変調）により単独でスイッチングするスター結線モード、および上記開閉器の開放により各相巻線を非接続状態として第１および第２インバータを互いに連係してＰＷＭスイッチングするオープン巻線モードを、選択的に設定する。オープン巻線モードの設定によりモータを高回転数で駆動することができ、低回転数域でのスター結線モードの設定によりモータを高効率で駆動することができ、よって高回転数から低回転数まで幅広い運転範囲にわたりモータをできるだけ効率よく駆動することが可能となる。これにより、モータの運転範囲の拡大とモータ駆動装置の効率向上を両立させることができる。

スター結線モード時、上記開閉器を通して各相巻線に電流が流れる。運転中の効率向上のため、この電流に対する抵抗をできるだけ小さくするよう機械式の開閉接点を有するリレーが上記開閉器として使用される。ただし、モータの駆動中にリレーの開閉接点に電圧が加わった状態でその開閉接点を開閉すると、開閉接点の両端間にサージ電圧やアーク放電が発生したり、高周波電流が流れるなどの不具合を生じる可能性があり、リレーの寿命に悪影響を与えるとともに、場合によってはインバータの駆動回路やスイッチ素子が破壊に至る可能性もある。

対策として、モータの駆動中にリレーを切替える場合、第２インバータのＰＷＭスイッチングの変調率を０％まで変化させて各相巻線の線間電圧（リレーの開閉接点の両端間の電圧）を０にする疑似中性点動作を実行し、その疑似中性点動作の実行中にリレーの開閉接点を開閉する制御が知られている。

特許第4804381号公報 特開2019-62726号公報

各インバータのスイッチングに際しては、各インバータの構成要素である正側のスイッチ素子および負側のスイッチ素子の同時オンによる短絡を防ぐため、いずれか一方の素子がオンする前に両方のスイッチ素子が共にオフするいわゆるデッドタイムが設定される。

このデッドタイムは、上述の疑似中性点動作中も実行されるため、疑似中性点動作の実行中であっても、このデッドタイムの影響で実際は線間電圧が０とならない期間がごく短時間、散発的に発生する。本発明者らの試験によると、きわめて稀であるが、疑似中性点動作中に線間電圧が０となっていないタイミングでリレー接点の開閉接点が開閉する可能性が、ある程度の確率で発生することが分かった。要するに、疑似中性点動作の実行だけでは上記したサージ電圧、アーク放電、高周波電流などの不具合を十分には回避できない。

本発明の実施形態の目的は、疑似中性点動作の実行中に線間電圧が０とならない期間を短縮または解消できるモータ駆動装置を提供することである。

本発明の第１実施形態のモータ駆動装置は、互いに非接続状態の複数の相巻線を有するモータのモータ駆動装置であって；上側スイッチ素子と下側スイッチ素子の直列回路を複数含み、これら直列回路における上側スイッチ素子と下側スイッチ素子の相互接続点が前記各相巻線の一端に接続される第１インバータと；上側スイッチ素子と下側スイッチ素子の直列回路を複数含み、これら直列回路における上側スイッチ素子と下側スイッチ素子の相互接続点が前記各相巻線の他端に接続される第２インバータと；前記各相巻線の他端の相互間に接続された機械式の開閉接点を有する開閉器と；前記開閉接点の開放により前記各相巻線の他端を非接続状態として前記第１および第２インバータを互いに連係してＰＷＭスイッチングするオープン巻線モード、および前記開閉接点の閉成により前記各相巻線の他端を相互接続して前記第１インバータを単独でＰＷＭスイッチングするスター結線モードを、選択的に設定するコントローラと；を備える。コントローラは、前記開閉器の作動に際し、前記第２インバータのＰＷＭスイッチングの変調率を０％とする疑似中性点動作を実行するとともに、前記第１および第２インバータのＰＷＭスイッチングのキャリア周波数を低下する。

本発明の第２実施形態のモータ駆動装置は、互いに非接続状態の複数の相巻線を有するモータのモータ駆動装置であって；上側スイッチ素子と下側スイッチ素子の直列回路を複数含み、これら直列回路における上側スイッチ素子と下側スイッチ素子の相互接続点が前記各相巻線の一端に接続される第１インバータと；上側スイッチ素子と下側スイッチ素子の直列回路を複数含み、これら直列回路における上側スイッチ素子と下側スイッチ素子の相互接続点が前記各相巻線の他端に接続される第２インバータと；前記各相巻線の他端の相互間に接続された機械式の開閉接点を有する開閉器と；前記開閉接点の開放により前記各相巻線の他端を非接続状態として前記第１および第２インバータを互いに連係してＰＷＭスイッチングするオープン巻線モード、および前記開閉接点の閉成により前記各相巻線の他端を相互接続して前記第１インバータを単独でＰＷＭスイッチングするスター結線モードを、選択的に設定するコントローラと；を備える。コントローラは、前記開閉器の作動に際し、前記第２インバータのＰＷＭスイッチングの変調率を０％とする疑似中性点動作を実行するとともに、その第２インバータのＰＷＭスイッチングのオン，オフデューティを減少側または増加側に所定値だけシフトする。

図１は第１実施形態および第２実施形態の構成を示す回路ブロック図。 図２は第１実施形態の制御を示すフローチャート。 図３は第１実施形態における各リレーの動作およびモータ電流の変化を示すタイムチャート。 図４は第１実施形態における各スイッチ素子のコレクタ・エミッタ間電圧、線間電圧、零軸電流がキャリア周波数の低下により変わる様子を示すタイムチャート。 図５は図４のキャリア周波数の低下に伴い生じる零軸電流、モータ電流、線間電圧の関係を示す波形図。 図６は図４のキャリア周波数の低下がない場合の零軸電流、モータ電流、線間電圧の関係を参考として示す波形図。 図７は第２実施形態の制御を示すフローチャート。 図８は第２実施形態における通常の各インバータのＰＷＭスイッチングの変調率、線間電圧、モータ電流、零軸電流の関係を示す波形図。 図９は図８の第２インバータのＰＷＭスイッチングの変調率の低下に伴い生じる線間電圧、モータ電流、零軸電流の関係を示す波形図。 図１０は図９の第２インバータのＰＷＭスイッチングの変調率が０％まで低下した際の線間電圧、モータ電流、零軸電流の関係を示す波形図。 図１１は図１０の状態において第２インバータのＰＷＭスイッチングのオン，オフデューティを増加側にシフトした際の線間電圧、モータ電流、零軸電流の関係を示す波形図。 図１２は図１１の状態において第２インバータのＰＷＭスイッチングを停止した際の線間電圧、モータ電流、零軸電流の関係を示す波形図。 図１３は図１１の一部を時間的に拡大して示す波形図。 図１４は図８または図９の一部を時間的に拡大して示す波形図。

［１］第１実施形態
図１に示すように、３相商用交流電源１にモータ駆動回路２が接続され、そのモータ駆動回路２にモータ３およびコントローラ４が接続されている。

モータ３は、互いに非接続状態の複数の相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗを有し、空気調和機等の熱源機器の冷凍サイクル用圧縮機を駆動する三相永久磁石同期モータであり、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗのそれぞれ両端となる６つの端子を備えるいわゆるオープン巻線モータ（Open-Winding Motor）である。

モータ駆動回路２は、３相商用交流電源１に接続され、その３相交流電圧を直流電圧に変換し出力するコンバータ１０、このコンバータ１０の出力端からオープン巻線モータ１Ｍの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗのそれぞれ一端となる３つの端子への通電を制御するインバータ（第１インバータ）２０、およびコンバータ１０の出力端からオープン巻線モータ１Ｍの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗのそれぞれ他端となる３つの端子への通電を制御するインバータ（第２インバータ）３０を含む。コンバータ１０をインバータ２０，３０の共通の直流電源とするＤＣリンク共通方式を採用している。コンバータ１０は全波整流器やＰＷＭコンバータ等である。

インバータ２０は、上側スイッチ素子Ｔｕaと下側スイッチ素子Ｔｕbを直列接続しコンバータ１０の出力電圧が印加されるＵ相直列回路、上側スイッチ素子Ｔｖaと下側スイッチ素子Ｔｖbを直列接続しコンバータ１０の出力電圧が印加されるＶ相直列回路、上側スイッチ素子Ｔｗaと下側スイッチ素子Ｔｗbを直列接続しコンバータ１０の出力電圧が印加されるＷ相直列回路を含む三相インバータである。これら直列回路における上側スイッチ素子と下側スイッチ素子の相互接続点Ｘｕ，Ｘｖ，Ｘｗが相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの一端にそれぞれ接続される。

インバータ３０も、インバータ２０と同じく、上側スイッチ素子Ｔｕaと下側スイッチ素子Ｔｕbを直列接続しコンバータ１０の出力電圧が印加されるＵ相直列回路、上側スイッチ素子Ｔｖaと下側スイッチ素子Ｔｖbを直列接続しコンバータ１０の出力電圧が印加されるＶ相直列回路、上側スイッチ素子Ｔｗaと下側スイッチ素子Ｔｗbを直列接続しコンバータ１０の出力電圧が印加されるＷ相直列回路を含む三相インバータである。インバータ３０の直列回路における上側スイッチ素子と下側スイッチ素子の相互接続点Ｙｕ，Ｙｖ，Ｙｗが相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端にそれぞれ接続される。

これらインバータ２０，３０の各スイッチ素子は、例えばＩＧＢＴであり、それぞれのスイッチ素子本体に逆並列接続された還流ダイオード（フリー・ホイール・ダイオードともいう）Ｄを含む。ＩＧＢＴに限らず、ＭＯＳ－ＦＥＴ等の他の半導体スイッチ素子を用いてもよい。

インバータ２０，３０は、Ｕ相直列回路・Ｖ相直列回路・Ｗ相直列回路をブリッジ接続した主回路と、この主回路のスイッチ素子を駆動する駆動回路やスイッチ素子を保護する過電流保護回路などの周辺回路とを、単一のパッケージに収納したモジュールいわゆるＩＰＭ（Intelligent Power Module）が用いられる。なお、全ての各スイッチ素子および駆動回路をディスクリート部品として構成してもよい。インバータ２０，３０はそれぞれ三相インバータであるが、単相インバータを三個使用してインバータ２０，３０をそれぞれ構成してもよい。

モータ１Ｍの相巻線Ｌｕの他端と相巻線Ｌｖの他端の相互間に、機械式の開閉接点を有する開閉器である例えばリレー１２の常開形の開閉接点（リレー接点という）１２ａが接続されている。モータ１Ｍの相巻線Ｌｖの他端と相巻線Ｌｗの他端の相互間に、機械式の開閉接点を有する開閉器である例えばリレー１３の常開形の開閉接点（リレー接点という）１３ａが接続されている。リレー１２，１３は、モータ１Ｍの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端側を共通接続して、モータ１Ｍをスター結線状態に変更するために設けられるものであり、リレー１２，１３が短絡する相巻線は、相巻線Ｌｕの他端と相巻線Ｌｗの他端と、相巻線Ｌｕの他端と相巻線Ｌｖの他端間でも良い。これらリレー１２，１３は、コントローラ４により、励磁電流の供給によるオン（付勢）と励磁電流の遮断によるオフ（消勢）が、互いに同期するタイミングで実行される。２つの常開接点を有する１つのリレーをリレー１２，１３に代えて用いる構成としてもよい。

リレー１２，１３がオンするとリレー接点１２ａ，１３ａが閉成し、相巻線Ｌｕの他端と相巻線Ｌｖの他端が相互接続されるとともに、相巻線Ｌｖの他端と相巻線Ｌｗの他端が相互接続されて、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗがスター結線状態となる。リレー１２,１３がオフするとリレー接点１２ａ，１３ａが開放し、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗが非接続状態つまり電気的に分離したオープン巻線状態となる。このオープン巻線状態では、リレー接点１２ａに相巻線Ｌｕ，Ｌｖの線間電圧Ｅｕｖが加わり、リレー接点１３ａに相巻線Ｌｖ，Ｌｗの線間電圧Ｅｖｗ加わり、リレー接点１２ａ，１３ａの直列回路に相巻線Ｌｗ，Ｌｕの線間電圧Ｅｗｕが加わる。

インバータ２０と相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの一端との間の３つの通電ラインに電流センサ１１ｕ，１１ｖ，１１ｗが配置され、これら電流センサの出力信号がコントローラ４に送られる。電流センサ１１ｕ，１１ｖ，１１ｗは、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに流れる電流（モータ電流という）Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検知する。

コントローラ４は、モータ３の回転速度Ｎが上位の外部制御器５０から指令される目標回転速度Ｎｔとなるようリレー接点１２ａ，１３ａの開閉およびインバータ２０，３０のＰＷＭ（パルス幅変調）によるスイッチング（ＰＷＭスイッチングという）を制御するもので、主制御部４０、電流検出部４１、リレー駆動部４２、タイマー４３，ＰＷＭ信号生成部４４，キャリア周波数切替部４５を含む。外部制御器５０は、例えば空気調和機の制御器である。

電流検出部４１は、電流センサ１１ｕ，１１ｖ，１１ｗで検知されるモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのそれぞれの瞬時値を検出する。リレー駆動部４２は、主制御部４０からの指令に応じてリレー１２，１３を付勢および消勢する。ＰＷＭ信号生成部４４は、外部制御器５０から指令される上記目標回転速度Ｎｔおよび主制御部４０からの指令などに応じてＵ相ＰＷＭスイッチング用の駆動信号（Ｕ相上側駆動信号・Ｕ相下側駆動信号），Ｖ相ＰＷＭスイッチング用の駆動信号（Ｖ相上側駆動信号・Ｖ相下側駆動信号），Ｗ相ＰＷＭスイッチング用の駆動信号（Ｗ相上側駆動信号・Ｗ相下側駆動信号）を生成する。キャリア周波数切替部４５は、ＰＷＭ信号生成部４４のＰＷＭスイッチングのキャリア周波数を主制御部４０からの指令に応じて切替えることが可能である。

主制御部４０は、マイクロコンピュータおよびその周辺回路により構成され、電流検出部４１の検出結果に基づいてモータ３の回転速度Ｎを推定（検出）するとともに、ＰＷＭ信号生成部４４で生成される上記各駆動信号に応じてインバータ２０，３０の各スイッチ素子をオン，オフ駆動する。

主制御部４０は、リレー接点１２ａ，１３ａの開放により相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端を非接続状態としてインバータ２０，３０を互いに連係してＰＷＭスイッチングするオープン巻線モード、及びリレー接点１２ａ，１３ａの閉成により相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端を相互接続してインバータ２０を単独でＰＷＭスイッチングするスター結線モードを、上記推定した回転速度Ｎおよび外部制御器５０からのモード指令などに応じて選択的に設定する。例えば、モータ回転数Ｎが低くてモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが所定値未満となる低負荷時はスター結線モードを設定し、モータ回転数Ｎが上昇してモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの値が所定値以上となる高負荷時はオープン巻線モードを設定する。これによりモータの運転範囲全域で高効率が得られる。

主制御部４０は、インバータ２０，３０の各直列回路における上側スイッチ素子と下側スイッチ素子のオン，オフ駆動に際し、一方のスイッチ素子がオンすると他方のスイッチ素子はオフする相補的動作を行う。この際、直列接続された上側スイッチ素子および下側スイッチ素子が同時にオンしないように、いずれかのスイッチ素子をオフからオンに変更する際には両スイッチ素子が共にオフするデッドタイムｔｄを確保する。

主制御部４０は、リレー接点１２ａ，１３ａの開閉作動に際し、その閉動作前にリレー接点１２ａ，１３ａに加わる線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕが０となるよう、インバータ３０のＰＷＭスイッチングの変調率を０％へと変更してインバータ３０における各上側スイッチ素子と各下側スイッチ素子とを所定のオン，オフデューティたとえばオン，オフデューティ50％で交互にオン，オフする疑似中性点動作を実行する。

主制御部４０は、この疑似中性点動作を実行に伴い、キヤリア周波数切替部４５を制御することでインバータ２０，３０のＰＷＭスイッチングのキャリア周波数を通常の値（第２所定値）たとえば５KHzより低い値（第１所定値）たとえば４KHzに低下させる。

つぎに、主制御部４０が実行する主要な制御を図２のフローチャート、図３・図４のタイムチャート、および図５・図６の波形図を参照しながら説明する。フローチャート中のステップS1，S2…については単にS1，S2…と略称する。

モータ３の駆動中、主制御部４０は、オープン巻線モードからスター結線モードへの切替えが必要か否かを確認するとともに（S1）、スター結線モードからオープン巻線モードへの切替えが必要か否かを確認する（S10）。

オープン巻線モードからスター結線モードへの切替えが必要な場合（S1のYES）、主制御部４０は、インバータ２０の出力電圧がそれまでの２倍となるようインバータ２０のＰＷＭスイッチングの変調率を増加方向へ徐々に変更するとともに、インバータ３０の出力電圧が０となるようインバータ３０のＰＷＭスイッチングの変調率を０％へと徐々に変更し（S2）、これら変更の完了を確認する（S3）。

インバータ３０のＰＷＭスイッチングの変調率を０％へと変更することにより、インバータ３０における各上側スイッチ素子と各下側スイッチ素子とをオン，オフデューティ50％で交互にオン，オフする疑似中性点動作が実行される。これにより、線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕが０に近づく。

上記変調率の変更が完了したとき（S3のYES）、主制御部４０は、疑似中性点動作に入ったとの判断の下に、インバータ２０，３０のＰＷＭスイッチングのキャリア周波数を通常の５KHzより低い４KHzに低下する（S4）。

このキャリア周波数の低下後、主制御部４０は、リレー１２，１３をオン（付勢）する（S5）。そして、このリレー１２，１３のオンから実際にリレー接点１２ａ，１３ａが閉成するまでに要する時間よりも長い一定時間ｔ１がタイマー４３の計時により経過した後（S6のYES）、主制御部４０は、キャリア周波数切替部４５を制御してインバータ２０，３０のＰＷＭスイッチングのキャリア周波数を上記４KHzから通常の５KHzに戻す（S7）。続いて、主制御部４０は、インバータ３０のスイッチングを停止し（S8）、かつインバータ２０の単独のＰＷＭスイッチングを開始し（S9）、これによりスター結線モードへと移行する。この移行後、主制御部４０は、上記S1，S10の判定に戻る。

上記疑似中性点動作の実行中、例えば図１に実線矢印で示すように、相巻線Ｌｕ，Ｌｖからインバータ３０の相互接続点Ｙｕ，Ｙｖに向かってモータ電流Ｉｕ，Ｉｖが流れ、インバータ３０の相互接続点Ｙｗから相巻線Ｌｗに向かってモータ電流Ｉｗが流れるタイミングにおいて、インバータ２０，３０のＰＷＭスイッチングのキャリア周波数が通常の５KHz（キャリア周期Ｔが200μsec）のままであれば、リレー接点１２ａに加わる線間電圧Ｅｕｖは０となるが、リレー接点１３ａに加わる線間電圧Ｅｖｗは図４に示すように上側スイッチ素子と下側スイッチ素子が共にオフするデッドタイムｔｄの期間で０とならない。

この理由は、モータ電流Ｉｕ，Ｉｖの流れ方向とモータ電流Ｉｗの流れ方向とが異なること、および上側スイッチ素子Ｔｕa，Ｔｖa，Ｔｗaおよび下側スイッチ素子Ｔｕb，Ｔｖb，Ｔｗbのいずれかの還流ダイオードＤを通って電流経路が形成されることで、上側スイッチ素子Ｔｗaの両端電圧（コレクタ・エミッタ間電圧）Ｖｗaと下側スイッチ素子Ｔｗbの両端電圧（コレクタ・エミッタ間電圧）Ｖｗbとで定まる相互接続点Ｙｗの電位と、上側スイッチ素子Ｔｕa，Ｔｖaのそれぞれ両端電圧（コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｕa，Ｖｖa）と下側スイッチ素子Ｔｕb，Ｔｖbのそれぞれ両端電圧（コレクタ・エミッタ間電圧）Ｖｕb，Ｖｖbとで定まる相互接続点Ｙｕ，Ｙｖの電位とが、デッドタイムｔｄの期間だけ互いに異なる値となるからである。

仮に、線間電圧Ｅｖｗが０とならないタイミングとリレー接点１３ａが閉成するタイミングとが偶然に重なると、線間電圧Ｅｖｗが０Ｖまで急激に下降することにより、リレー接点１３ａの両端間に放電が生じたり、リレー接点１３ａ間に存在する微小な容量成分を通して急峻な高周波電流が流れる。すなわち、インバータ３０における上側スイッチ素子Ｔｖaおよび下側スイッチ素子ＴｗbであるＩＧＢＴの出力容量（Output Capacitance）すなわちコレクタ・エミッタ間容量が充電されることで、上側スイッチ素子Ｔｖaおよび下側スイッチ素子Ｔｗbがオフであるにもかかわらず、上側スイッチ素子Ｔｖaおよび下側スイッチ素子Ｔｗbのそれぞれ両端電圧が通常のスイッチング動作時の何倍もの速さで急増する。このとき、上側スイッチ素子Ｔｖaおよび下側スイッチ素子Ｔｗbのそれぞれコレクタ・ゲート間寄生容量を通して高周波電流が流れる。

この高周波電流は、上側スイッチ素子Ｔｖaおよび下側スイッチ素子Ｔｗbのそれぞれゲート・エミッタ間寄生容量を通ってそれぞれのエミッタ側へと流れていく。その際、上側スイッチ素子Ｔｖaおよび下側スイッチ素子Ｔｗbのそれぞれゲート・エミッタ間電圧に高周波ノイズが重畳する。下側スイッチ素子Ｔｖbおよび上側スイッチ素子Ｔｗaにおいてはそれぞれの両端電圧が通常のスイッチングの何倍もの速さで急減し、上記と同様の原理にて各スイッチ素子のゲート部に高周波ノイズが重畳する。これらの高周波ノイズのレベルが高かったり、あるいはその高周波ノイズの発生頻度が高いと、各スイッチ素子を駆動する駆動回路の誤動作や、その駆動回路の発振による熱破壊やゲート部の過電圧破壊に至る可能性がある。以上は線間電圧Ｅｖｗの例で説明したが、この現象はいずれの相間においても発生する。

ここで、オープン巻線モードにおいては、インバータ２０とインバータ３０の同相（コモンモード）電圧の差分で発生する零軸電圧がモータ３に印加されることで各相に同相（コモンモード）で流れる成分である零軸電流Ｉｏが流れる。この零軸電流Ｉｏは、モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの各相に同じ方向で、かつ同じ値として重畳する。この零軸電流Ｉｏは、インバータ２０，３０のＰＷＭスイッチングのキャリア周波数が低いほど大きな値となる。

そこで、疑似中性点動作の実行中、モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが上記同様に図１の実線矢印の方向に流れるタイミングにおいて、インバータ２０，３０のＰＷＭスイッチングのキャリア周波数が通常の５KHzより低い４KHz（キャリア周期Ｔが250μsec）とすれば、図１に破線矢印で示すように、インバータ３０の相互接続点Ｙｕ，Ｙｖ，Ｙｗから相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに向かって流れる零軸電流Ｉoのリプル成分が通常の５KHz時より増加する。このとき、相巻線Ｌｗに向かう零軸電流Ｉoは実線矢印で示すモータ電流Ｉｗと流れ方向が同じであり、相巻線Ｌｕ，Ｌｖに向かう零軸電流Ｉo，Ｉoは実線矢印で示すモータ電流Ｉｕ，Ｉｖと流れ方向が逆でしかもモータ電流Ｉｕ，Ｉｖの値より上記リプル成分の増加分だけ大きくなる。

この時点の零軸電流Ｉo，モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ、線間電圧Ｅｖｗの関係、および時間的に拡大した線間電圧Ｅｖｗの波形を図５に示す。すなわち、キャリア周波数を低下したことにより、モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗより大きい零軸電流Ｉoがモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに対し支配的に流れる。この零軸電流Ioのリプル成分がモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの基本波成分よりも大きい場合、モータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの流れ方向が一致し、疑似中性点動作の実行中に、リレー接点１２ａ，１３ａに加わる線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕが０とならない期間の発生を防ぐことができる、あるいは、線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕが０とならない期間を短縮することができる。

線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕが０とならない期間を短縮すれば、線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕが０とならない期間とリレー接点１２ａ，１３ａの閉成のタイミングとが重なる確率を低減することができる。これにより、リレー接点１２ａ，１３ａの両端間にサージ電圧やアーク放電が発生したり、高周波電流が流れるなどの不具合を生じる可能性を低くできる。よってインバータ２０，３０の各スイッチ素子が破壊に至る可能性も低くなる。

ちなみに、キャリア周波数を低下させない場合は、図６に示すように、零軸電流Ｉoがそれほど大きくならないので、リレー接点１２ａ，１３ａに加わる線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗが０とならない期間が長期に渡って発生する。

なお、キャリア周波数を低減することに加え、例えばリレー接点１２ａ，１３ａの配線長を所定以上に長くしてリレー接点１２ａ，１３ａの通電路に所定のインピーダンス成分を持たせる構成を採用すれば、たとえ線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕが０とならない期間とリレー接点１２ａ，１３ａの閉成のタイミングとが重なっても、リレー接点１２ａ，１３ａの両端間にサージ電圧やアーク放電が発生したり高周波電流が流れるなどの不具合を解消することができる。

一方、スター結線モードからオープン巻線モードへの切替えが必要な場合（S1のNO，S10のYES）、主制御部４０は、インバータ２０の出力電圧がそれまでの１／２倍となるようインバータ２０のＰＷＭスイッチングの変調率を減少方向へ徐々に変更するとともに、インバータ３０の出力電圧が０となるようインバータ３０のＰＷＭスイッチングを変調率０％で開始し（S11）、上記変調率の変更の完了を確認する（S12）。インバータ３０のＰＷＭスイッチングを変調率０％で開始することにより、インバータ３０においてオン，オフデューティ50％の疑似中性点動作が開始となる。

上記変調率の変更が完了したとき（S3のYES）、主制御部４０は、疑似中性点動作に入ったとの判断の下に、インバータ２０，３０のＰＷＭスイッチングのキャリア周波数を通常の５KHzから上記４KHzに低下する（S13）。

このキャリア周波数の低下後、主制御部４０は、リレー１２，１３をオフする（S14）。そして、このリレー１２，１３のオフから実際にリレー接点１２ａ，１３ａが開放するまでに要する時間よりも長い一定時間ｔ２がタイマー４３の計時により経過した後（S15のYES）、主制御部４０は、インバータ２０，３０のＰＷＭスイッチングのキャリア周波数を上記４KHzから上記５KHzに戻す（S16）。続いて、主制御部４０は、インバータ２０，３０の出力電圧が上記S11による変更前のインバータ２０の出力電圧と同じ（１倍）となるようインバータ２０，３０のＰＷＭスイッチングの変調率を徐々に変更し（S17）、その変更の完了を確認する（S18）。変更が完了すると（S18のYES）、主制御部４０は、疑似中性点動作が終了したとの判断の下に、インバータ２０，３０の連係のＰＷＭスイッチングを開始し（S19）、これによりオープン巻線モードに移行する。この移行後、主制御部４０は、上記S1，S10の判定に戻る。

このオープン巻線モードへの移行に際しても、疑似中性点動作を実行しかつキャリア周波数を低下することにより、モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗより大きい零軸電流Ｉoがモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに対し支配的に流れる。これにより、疑似中性点動作の実行中に、リレー接点１２ａ，１３ａに加わる線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗが０とならない期間の発生を防ぐことができる、あるいは発生期間を短縮できる。

線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕが０とならない期間を短縮できるので、線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕが０とならない期間とリレー接点１２ａ，１３ａの開放のタイミングとが重なる確率を低減することができる。これにより、リレー接点１２ａ，１３ａの両端間にサージ電圧やアーク放電が発生したり高周波電流が流れるなどの不具合を生じる可能性が低くなり、よってインバータ２０，３０の各スイッチ素子が破壊に至る可能性も低くなる。

上記一定時間ｔ１，ｔ２は互いに同じ時間でよく、かつ、できるだけ短い時間にすることが望ましい。機械式のリレー１２，１３の場合、励磁電流による付勢と消勢から実際にリレー接点１２ａ，１３ａが開閉するまでに10～30msecの遅延がある。これを考慮すると、一定時間ｔ１，ｔ２は50msec～100msec程度が望ましい。

なお、機械式のリレー接点１２ａ，１３ａに代えて半導体スイッチ素子を用いた場合、その半導体スイッチ素子のオンタイミングをμsec単位で制御することが可能である。このため、上記した問題は発生しないが、半導体スイッチ素子はリレーに較べるとオン抵抗が大きく、しかもスター結線時は半導体スイッチ素子に常に電流が流れるため、損失が大きくなり、放熱対策を施さねばならなくなる等の課題がある。
本実施形態では、抵抗が非常に小さい機械式のリレー接点１２ａ，１３ａを用いるので、損失がほぼ発生せず、放熱対策も不要である。

［２］第２実施形態
第２実施形態は、主制御部４０の機能が第１実施形態と少し異なり、その他の構成は第１実施形態の図１と同じである。その同一部分の説明については省略する。
主制御部４０は、リレー接点１２ａ，１３ａの開閉作動に際し、リレー接点１２ａ，１３ａに加わる線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕが０となるよう、インバータ３０のＰＷＭスイッチングの変調率を０％へと変更してインバータ３０における各上側スイッチ素子と各下側スイッチ素子とを所定のオン，オフデューティたとえば50％で交互にオン，オフする疑似中性点動作を実行する。

主制御部４０は、疑似中性点動作の実行によって線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕが０に近づいたところで、インバータ３０のオン，オフデューティを通常の50％から減少側（または増加側）に所定値たとえば3％だけシフトする。さらに、主制御部４０は、キャリア周波数切替部４５を制御してインバータ２０，３０のＰＷＭスイッチングのキャリア周波数を通常の第２所定値たとえば５KHzより高い第３所定値たとえば６KHzに上昇する。

主制御部４０が実行する主要な制御を図７のフローチャート、および図８～図１３の波形図を参照しながら説明する。フローチャートにおいて、第１実施形態の図２と同一部分には同一符号を付している。

オープン巻線モードにおいて、インバータ２０，３０のＰＷＭスイッチングの変調率、線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕ、モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ、零軸電流Ｉoの関係は図８に示す状態となる。零軸電流Ｉoを１つだけ示しているが、実際にはこの零軸電流Ｉoが各相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに流れる。

オープン巻線モードからスター結線モードへの切替えが必要となった場合（S1のYES）、主制御部４０は、モータ３の回転数を概ね維持するために、インバータ２０の出力電圧がそれまでの２倍となるようインバータ２０のＰＷＭスイッチングの変調率を増加方向に徐々に変更するとともに、インバータ３０の出力電圧が０となるようインバータ３０のＰＷＭスイッチングの変調率を０％へと徐々に変更し（S2）、これら変更の完了を確認する（S3）。

これら変調率が変化する過程でのインバータ２０，３０のＰＷＭスイッチングの変調率、線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕ、モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ、零軸電流Ｉoの関係を図９に示す。モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの０レベルを中心とする振幅および零軸電流Ｉoの０レベルを中心とする振幅が図８の場合より増えている。

上記変調率の変更が完了したとき（S3のYES）、主制御部４０は、疑似中性点動作に入ったとの判断の下に、インバータ３０のオン，オフデューティをそれまでの50％から47％にシフトするとともに、インバータ３０のＰＷＭスイッチングのキャリア周波数を通常の５KHzより高い６KHzに上昇させる（S4´）。オン，オフデューティをシフトしても、線間電圧を０にするための疑似中性点動作は続くことに変わりはない。

この時点におけるインバータ２０，３０のＰＷＭスイッチングの変調率、線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕ、モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ、零軸電流Ｉoの関係を図１０に示す。インバータ３０のオン，オフデューティを47％にシフトしたことにより、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗからインバータ３０の相互接続点Ｙｕ，Ｙｖ，Ｙｗに向かって零軸電流Ｉo，Ｉo，Ｉoが流れるとともに、その零軸電流Ｉo，Ｉo，Ｉoが振幅を増しながらその振幅全体が当初の０レベルを中心とするところから正レベル側へ徐々にシフトしていく。

この零軸電流Ｉoの振幅のシフトに伴い、モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗも振幅を増しながらその振幅全体が当初の０レベルを中心とするところから正レベル側へ徐々にシフトしていく。このモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのシフトが進むのに伴い、線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕが０に近づいていく。そして、図１１に示すように、零軸電流Ｉoの振幅全体が０レベルから十分に離れたところで、モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの振幅全体も０レベルから十分に離れ、これにより線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕの発生を防ぐことができる、あるいは発生期間をほぼ０とできる。

こうして、線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕがほぼ０となるころ、主制御部４０は、リレー１２，１３をオンする（S5）。このS5の処理のタイミングを図１１中に矢印で示している。

リレー１２，１３のオンから実際にリレー接点１２ａ，１３ａが閉成するまでに要する時間よりも長い一定時間ｔ１がタイマー４３の計時により経過した後（S6のYES）、主制御部４０は、オン，オフデューティの47％へのシフトを解除してオン，オフデューティを通常の50％に戻すとともに、インバータ３０のＰＷＭスイッチングのキャリア周波数を上記６KHzから通常の５KHzに戻す（S7´）。続いて、主制御部４０は、インバータ３０のスイッチングを停止し（S8）、かつインバータ２０の単独のＰＷＭスイッチングを開始し（S9）、これによりスター結線モードへと移行する。

この時点におけるインバータ２０，３０のＰＷＭスイッチングの変調率、線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕ、モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ、零軸電流Ｉoの関係を図１２に示す。上記S8の処理のタイミングを図１２中に矢印で示している。

以上のように、疑似中性点動作の実行中、インバータ３０のオン，オフデューティを通常の50％から47％にシフトすることにより、リレー接点１２ａ，１３ａに加わる線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕが０とならない期間を短縮または解消できる。

線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕが０とならない期間を短縮または解消できるので、線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕが０とならないままリレー接点１２ａ，１３ａが閉成してしまう確率を低減することができる。これにより、リレー接点１２ａ，１３ａの両端間にサージ電圧やアーク放電が発生したり高周波電流が流れるなどの不具合を生じる可能性が低くなり、よってインバータ２０，３０の各スイッチ素子が破壊に至る可能性も低くなる。

なお、インバータ２０，３０が過電流保護回路を内蔵したＩＰＭである場合、オン，オフデューティのシフトによって零軸電流Ｉoの振幅が増した際に、その過電流保護回路が動作してしまう可能性がある。この不要な動作を防ぐため、上記S4´の処理において、オン，オフデューティをシフトするのに伴い、インバータ３０のＰＷＭスイッチングのキャリア周波数を通常の５KHzより高い６KHzに上昇している。キャリア周波数を通常の５KHzより高い６KHzに上昇させることにより、零軸電流Ｉoのリプル成分が減少する。これにより、過電流保護回路の不要な動作を回避することができる。

図１１のように、零軸電流Ｉoの振幅全体が０レベルから十分に離れた波形、モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの振幅全体も０レベルから十分に離れた波形、これにより線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕが０となる波形の一部を時間的に拡大して示したのが図１３であり、線間電圧が発生している期間は存在しない。これに対し、図８や図９のようにオン，オフデューティのシフトがないときの波形の一部を時間的に拡大して示したのが図１４であり、線間電圧が発生する期間が存在している。

なお、オン，オフデューティをシフトすることに加え、例えばリレー接点１２ａ，１３ａの配線長を所定以上に長くしてリレー接点１２ａ，１３ａの通電路に所定のインピーダンス成分を持たせる構成を採用すれば、たとえ線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕが０とならない期間とリレー接点１２ａ，１３ａの閉成のタイミングとが重なっても、リレー接点１２ａ，１３ａの両端間にサージ電圧やアーク放電が発生したり高周波電流が流れるなどの不具合を生じる可能性を確実に解消することができる。

一方、スター結線モードからオープン巻線モードへの切替えが必要な場合（S1のNO，S10のYES）、主制御部４０は、インバータ２０の出力電圧がそれまでの１／２倍となるようインバータ２０のＰＷＭスイッチングの変調率を減少方向へ徐々に変更するとともに、インバータ３０の出力電圧が０となるようインバータ３０のＰＷＭスイッチングを変調率０％で開始し（S11）、上記変調率の変更の完了を確認する（S12）。インバータ３０のＰＷＭスイッチングを変調率０％で開始することにより、インバータ３０においてオン，オフデューティ50％の疑似中性点動作が開始となる。

上記変調率の変更が完了したとき（S3のYES）、主制御部４０は、疑似中性点動作に入ったとの判断の下に、インバータ３０のオン，オフデューティをそれまでの50％から47％にシフトするとともに、インバータ３０のＰＷＭスイッチングのキャリア周波数を通常の５KHzより高い６KHzに上昇する（S13´）。

このキャリア周波数の低下後、主制御部４０は、リレー１２，１３をオフする（S14）。そして、このリレー１２，１３のオフから実際にリレー接点１２ａ，１３ａが開放するまでに要する時間よりも長い一定時間ｔ２がタイマー４３の計時により経過した後（S15のYES）、主制御部４０は、オン，オフデューティの47％へのシフトを解除してオン，オフデューティを通常の50％に戻すとともに、インバータ３０のＰＷＭスイッチングのキャリア周波数を上記６KHzから通常の５KHzに戻す（S16´）。

続いて、主制御部４０は、インバータ２０，３０の出力電圧が上記S11による変更前のインバータ２０の出力電圧と同じ（１倍）となるようインバータ２０，３０のＰＷＭスイッチングの変調率を徐々に変更し（S17）、その変更の完了を確認する（S18）。変更が完了すると（S18のYES）、主制御部４０は、疑似中性点動作が終了したとの判断の下に、インバータ２０，３０の連係のＰＷＭスイッチングを開始し（S19）、これによりオープン巻線モードに移行する。この移行後、主制御部４０は、上記S1，S10の判定に戻る。

このオープン巻線モードへの移行に際しても、疑似中性点動作の実行中、インバータ３０のオン，オフデューティを通常の50％から47％にシフトするので、リレー接点１２ａ，１３ａに加わる線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕが０とならない期間を短縮または解消できる。

なお、インバータ３０のオン，オフデューティを減少側にシフトしたが、増加側の例えば53％にシフトしてもよい。オン，オフデューティを53％にシフトした場合、インバータ３０の相互接続点Ｙｕ，Ｙｖ，Ｙｗから相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに向かって零軸電流Ｉoが流れ、その零軸電流Ｉoが振幅を増しながらその振幅全体が当初の０レベルを中心とするところから負レベル側へ徐々にシフトしていく。この零軸電流Ｉoの振幅のシフトに伴い、モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗも振幅を増しながらその振幅全体が当初の０レベルを中心とするところから負レベル側へ徐々にシフトしていく。このモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのシフトが進むのに伴い、線間電圧Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕが０に近づいていく。

上記各実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

２…駆動回路、３…オープン巻線モータ、Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗ…相巻線、４…コントローラ、１２，１３…リレー（開閉器）、１２ａ，１３ａ…リレー接点（開閉接点）、２０…インバータ（第１インバータ）、３０…インバータ（第２インバータ）、４０…主制御部

Claims (4)

1. 互いに非接続状態の複数の相巻線を有するモータのモータ駆動装置であって、
   上側スイッチ素子と下側スイッチ素子の直列回路を複数含み、これら直列回路における上側スイッチ素子と下側スイッチ素子の相互接続点が前記各相巻線の一端に接続される第１インバータと、
   上側スイッチ素子と下側スイッチ素子の直列回路を複数含み、これら直列回路における上側スイッチ素子と下側スイッチ素子の相互接続点が前記各相巻線の他端に接続される第２インバータと、
   前記各相巻線の他端の相互間に接続された機械式の開閉接点を有する開閉器と、
   前記開閉接点の開放により前記各相巻線の他端を非接続状態として前記第１および第２インバータを互いに連係してＰＷＭスイッチングするオープン巻線モード、および前記開閉接点の閉成により前記各相巻線の他端を相互接続して前記第１インバータを単独でＰＷＭスイッチングするスター結線モードを、選択的に設定するコントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、前記開閉器の作動に際し、前記第２インバータのＰＷＭスイッチングの変調率を０％とする疑似中性点動作を実行するとともに、前記第１および第２インバータのＰＷＭスイッチングのキャリア周波数を低下する、
   モータ駆動装置。
2. 互いに非接続状態の複数の相巻線を有するモータのモータ駆動装置であって、
   上側スイッチ素子と下側スイッチ素子の直列回路を複数含み、これら直列回路における上側スイッチ素子と下側スイッチ素子の相互接続点が前記各相巻線の一端に接続される第１インバータと、
   上側スイッチ素子と下側スイッチ素子の直列回路を複数含み、これら直列回路における上側スイッチ素子と下側スイッチ素子の相互接続点が前記各相巻線の他端に接続される第２インバータと、
   前記各相巻線の他端の相互間に接続された機械式の開閉接点を有する開閉器と、
   前記開閉接点の開放により前記各相巻線の他端を非接続状態として前記第１および第２インバータを互いに連係してＰＷＭスイッチングするオープン巻線モード、および前記開閉接点の閉成により前記各相巻線の他端を相互接続して前記第１インバータを単独でＰＷＭスイッチングするスター結線モードを、選択的に設定するコントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、前記開閉器の作動に際し、前記第２インバータのＰＷＭスイッチングの変調率を０％とする疑似中性点動作を実行するとともに、その第２インバータのＰＷＭスイッチングのオン，オフデューティを減少側または増加側に所定値だけシフトする、
   モータ駆動装置。
3. 前記コントローラは、前記シフトに伴い、前記第１および第２インバータのＰＷＭスイッチングのキャリア周波数を上昇する、
   請求項２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記モータは熱源機器の冷凍サイクル用圧縮機を駆動するモータである、
   請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。

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