JP7724599B2 - 多相電動機駆動装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、多相電動機駆動装置に関する。

多相電動機駆動装置は、複数の電力変換ユニット（インバータ）を用いて多相電動機を駆動する。多相電動機は、互いに電気的に絶縁された複数の巻線を備える。
多相電動機駆動装置には、複数の電力変換ユニットが一つの直流リンクに並列に接続されているものがある。複数の電力変換ユニットには、その直流リンクから直流電力を夫々受け、直流電力から変換した交流電力を生成し、多相電動機の複数の巻線の夫々に交流電力を夫々供給することによって多相電動機を駆動させるものがある。このような多相電動機駆動装置において、直流リンクの直流電圧をより高めたいという要求があった。

特開平１１－１２７５９３号公報

本発明が解決しようとする課題は、多相電動機に交流電力を供給する複数の電力変換ユニットが接続されている直流リンクの直流電圧をより高めことができる多相電動機駆動装置を提供することである。

実施形態の多相電動機駆動装置は、第１列のM個の単相インバータと、第２列のM個の単相インバータと、を備える。第１列のM個の単相インバータは、直流電源側が互いに直列に接続されて第１列を成すM個の単相インバータであって、２Ｍ個の単相巻線を備える多相電動機の第１群の各巻線に、直流電源から直流リンクに供給される直流電力から変換した単相交流の交流電力をそれぞれ供給する。第２列のM個の単相インバータは、前記直流電源側が互いに直列に接続されて第２列を成すM個の単相インバータであって、前記多相電動機の第２群の各巻線に、前記直流リンクに供給される直流電力から変換した単相交流の交流電力をそれぞれ供給する。前記第１列を成すM個の単相インバータの電源側が、互いに直列に接続され、前記直列に接続された前記第１列を成すM個の単相インバータが前記直流リンクの両極間に接続され、前記第２列を成すM個の単相インバータの電源側が、互いに直列に接続され、前記直列に接続された前記第２列を成すM個のインバータが前記直流リンクの両極間に接続されていて、前記第１列のM個の単相インバータは第１組のインバータ群を成し、前記第２列のM個の単相インバータは第２組のインバータ群を成し、前記第１列のM個の単相インバータのうちの２つの単相インバータを互いに接続する第１接続点と、前記第２列のM個の単相インバータのうちの２つの単相インバータを互いに接続する第２接続点とが等電位になる接続点同士が互いに接続されていて、前記等電位になる接続点同士が前記互いに接続されることにより互いに並列接続された２つの単相インバータから、９０度の位相差を設けた交流を出力させて、Mが２以上の自然数であり、前記第１列と前記第２列のM個の単相インバータの列数が２である。

実施形態の多相電動機駆動装置の構成図。 実施形態の単相インバータの構成図。 実施形態の単相インバータの構成図。 実施形態の実施形態の多相電動機と各単相インバータとの関係を説明するための図。

以下、実施形態の多相電動機駆動装置を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同一または類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。そして、それらの構成の重複する説明は省略する場合がある。なお、電気的に接続されることを、単に「接続される」ということがある。以下の説明に示す「直交する」とは、略直交する場合を含む。なお、「大きさが等しい」場合には、略等しい場合も含む。

図１は、実施形態の多相電動機駆動装置の構成図である。
図１には、多相電動機１と、多相電動機駆動装置２と、速度制御装置４とが示されている。

多相電動機駆動装置２は、単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍと、単相インバータ３１、３２、・・・、３Ｍと、を備える。単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍを纏めて単相インバータ群２０（第１組のインバータ群）と呼ぶ。単相インバータ３１、３２、・・・、３Ｍを纏めて単相インバータ群３０（第２組のインバータ群）と呼ぶ。Ｍは、例えば２以上の自然数である。多相電動機駆動装置２は、単相インバータ群２０と単相インバータ群３０とを夫々稼働させることにより多相電動機１を駆動する。上記の単相インバータ２１等の説明を後述する。

多相電動機駆動装置２は、例えば図示されない整流器の直流側に接続される直流リンクＬＰとＬＮとを備える。例えば、直流リンクＬＰが正極であり、直流リンクＬＮが負極である。直流リンクＬＰと直流リンクＬＮは、図示されない直流電源装置、整流装置、電池、電力用コンデンサなどに接続されている。

単相インバータ群２０に含まれる単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍは、夫々の電源側が、互いに直列に接続されている。直列に接続された単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍが直流リンクＬＰとＬＮの両極間に接続され、直流リンクＬＰとＬＮ側から直流電力の供給を受ける。

単相インバータ群３０についても同様に、単相インバータ群３０に含まれる単相インバータ３１、３２、・・・、３Ｍは、夫々の電源側が、互いに直列に接続されている。直列に接続された単相インバータ３１、３２、・・・、３Ｍが直流リンクＬＰとＬＮの両極間に接続され、直流リンクＬＰとＬＮ側から直流電力の供給を受ける。

多相電動機１は、各相に対応する複数個の巻線（図４参照）を備えており、各巻線の相互間が電気的に絶縁されている。各巻線は、単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍの出力と、単相インバータ３１、３２、・・・、３Ｍの出力とに夫々接続されている。多相電動機１は、単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍと、単相インバータ３１、３２、・・・、３Ｍとから交流電力が各巻線に供給されることによって駆動する。以下、多相電動機１の界磁が永久磁石型であるものを例示して説明するが、これに代えて電磁石型であってもよく、その場合には励磁の磁極方向を永久磁石型の磁石方向に置き換えるとよい。多相電動機１の軸には、図示されない回転角度検出器が取り付けられている。回転角度検出器の出力は、速度制御装置４の入力に接続されている。回転角度検出器は、多相電動機１の軸の機械角を検出し、検出結果である機械角を速度制御装置４に供給する。

速度制御装置４は、各単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍと、単相インバータ３１、３２、・・・、３Ｍとに共通に設けられ、図示されない上位制御装置から送信される速度指令を受ける。この速度指令は、時間的に変化するものであってよい。速度制御装置４は、基本波電流指令ＩＣＯＭを各単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍと、単相インバータ３１、３２、・・・、３Ｍとに送る。各単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍと、単相インバータ３１、３２、・・・、３Ｍは、基本波電流指令ＩＣＯＭに応じた交流電流を多相電動機１の巻線に流す。

図２と図３は、実施形態の単相コンバータセルの構成図である。
図２と図３に、少なくとも１つの半導体素子を備える単相インバータ２１を示す。単相インバータ２１は、例えば図３に示すように複数の半導体素子を組み合わせた単相フルブリッジ型であってもよい。図３に例示する半導体素子は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。半導体素子は、ＩＧＢＴに限らず、ＦＥＴなど他の種類のものでもよい。図２に示す単相インバータ２１の記載は、例えば、図３に示す単相インバータ２１を省略して記載したものであるが、これに制限されることなく、図３以外のチョッパ型の単相インバータを適用してもよい。

図４を参照して、多相電動機１と各単相インバータとの関係について説明する。
図４は、実施形態の多相電動機１と各単相インバータとの関係を説明するための図である。各相の巻線に対応して単相インバータが配置されている。実施形態の場合、Ｍ個の単相インバータが直列に接続された単相インバータ群２０と単相インバータ群３０とが並列に接続されている。それゆえ、単相インバータの総数は、２Ｍ個になる。図４に示す巻線の総数Ｗは、単相インバータの総数に等しく２Ｍ個になる。なお、多相電動機１の各相の巻線は電気的には接続されていないが、異なる相の巻線による磁路がオーバラップするため磁気的に結合されていてもよい。

多相電動機１は、各相の巻線に対応して設けられた各単相インバータによって駆動される。

多相電動機駆動装置２は、例えば、下記の構成を有するとよい。

第１の構成として、単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍと、単相インバータ３１、３２、・・・、３Ｍとのそれぞれが同じ仕様を有するものとする。この場合、各単相インバータの直流電圧の定格値をＶＩＮで表すと、Ｍ個の単相インバータを直列にした単相インバータ群２０の直流電圧の定格値は、（Ｖｉｎ ｘ Ｍ）になる。言い換えれば、単相インバータ単品の直流電圧の定格値のＭ倍になる。つまり、直流リンクの電圧ＶＤＣを、（Ｖｉｎ ｘ Ｍ）まで高めることができる。先に直流リンクの電圧ＶＤＣで規定した場合には、各単相インバータの直流電圧の定格値ＶＩＮは、（ＶＤＣ／Ｍ）になる。各単相インバータの仕様を揃える第１の構成をとることにより、次の第２の構成が可能になる。

第２の構成として、単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍの直流電源側の接続点と、単相インバータ３１、３２、・・・、３Ｍの直流電源側の接続点とについて、互いに等電位になる接続点同士を接続する。例えば、単相インバータ２１と単相インバータ２２の直流電源側が互いに直列に接続されていることにより、単相インバータ２１の直流電源の負極側と単相インバータ２２の直流電源の正極側とが接続されている。この接続点を接続点２１２と呼ぶ。単相インバータ３１と単相インバータ３２とが互いに直列に接続されていることにより、単相インバータ３１の直流電源の負極側と単相インバータ３２の直流電源の正極側とが接続されている。この接続点を接続点３１２と呼ぶ。

例えば、直流リンクＬＰとＬＮ間の電圧を電圧ＶＤＣで示し、単相インバータ群２０内のインバータの個数（直列数）がＭである場合には、接続点２１２の電位は、（ＶＤＣｘ（１－１／Ｍ））になる。同様に接続点３１２の電位も、（ＶＤＣｘ（１－１／Ｍ））になる。上記の計算の結果から、接続点２１２の電位と、接続点３１２の電位とが、等電位になるため、接続点２１２と接続点３１２を接続するとよい。

上記の接続点２１２と接続点３１２の接続と同様に、単相インバータ群２０内のインバータ同士の接続点と、これに対応する単相インバータ群３０内のインバータ同士の接続点とについて、互いに等電位になる接続点同士をそれぞれ接続するとよい。上記のように等電位になる接続点同士を接続することにより、単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍと、単相インバータ３１、３２、・・・、３Ｍとが稼働した時の直流入力側の電位変動の影響を低減させることが可能になる。

第３の構成として、単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍと、単相インバータ３１、３２、・・・、３Ｍとのそれぞれの電源側には、コンデンサがそれぞれ設けられている。各コンデンサは、それぞれに最寄りの単相インバータの稼働状態によって生じる電圧変動の影響を低減させることに寄与する。

例えば、上記の第１の構成から第３の構成までを組み合わせることにより、単相インバータ群２０側のコンデンサと、単相インバータ群３０側のコンデンサの内で、互いに等電位になるもの同士をそれぞれ並列に接続することができ、より直流電源変動を抑制することに寄与する。

上記の実施形態によれば、多相電動機駆動装置２が備える単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍは、複数の巻線を備える多相電動機１の各巻線に、直流リンクに供給される直流電力から変換した交流電力をそれぞれ供給する。単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍの直流電源側が、互いに直列に接続され、その両端が、直流リンクの両極間に接続されることにより、単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍが接続されている直流リンクの直流電圧をより高めことができる。

単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍの出力は、多相電動機１の各巻線にそれぞれ接続されていてよい。これにより、単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍがそれぞれ変換した交流電力を利用して多相電動機１を駆動させることが可能になる。

多相電動機駆動装置２は、単相インバータ群２０（第１列を成す第１組のインバータ群）の他に単相インバータ群３０（第２列を成す第２組のインバータ群）を更に含めて構成してもよい。この場合、単相インバータ群２０と単相インバータ群３０が互いに並列に接続されるとよい。これにより、単相インバータ群の並列数を増やすことにより、直流リンクの電圧を過剰に高めることなく、直流リンクの電圧を高めることができる。

（実施形態の第１変形例）
実施形態の第１変形例について説明する。本変形例の多相電動機１に巻線は、各相の順に、電気角の位相差が略９０度になるように駆動される。

多相電動機１は、単相インバータ群２０の各インバータ（第１インバータ）が供給する第１交流電力に基づいて第１トルクを生成し、単相インバータ群３０の各インバータ（第２インバータ）が供給する第２交流電力に基づいて第２トルクを生成する。このとき、速度制御装置４は、上記の第１トルクにより生じる第１トルク変動と、第２トルクにより生じる第２トルク変動とが互いに打ち消し合うように、単相インバータ群２０と単相インバータ群３０とを制御することにより、トルク変動を抑制することができる。

例えば、単相インバータ群２０の各インバータが出力する第１交流電圧の位相と、単相インバータ群３０の各インバータが出力する第２交流電圧の位相とが、上記の第１トルク変動と第２トルク変動とが互いに打ち消し合うように決定されている。速度制御装置４は、第１交流電圧の位相と第２交流電圧の位相との差が、所望の位相差になるように、単相インバータ群２０の各インバータと、単相インバータ群３０の各インバータの夫々を制御する。

より具体的には、単相インバータ群２０の各インバータが出力する第１交流電圧に係る第１電気角と、単相インバータ群３０の各インバータが出力する第２交流電圧に係る第２電気角とが略直交するように決定されているとよい。

上記の第１変形例によれば、単相インバータ群２０の各インバータが多相電動機１の各巻線に供給する第１交流電力に基づいて、多相電動機１に第１トルク変動が発生する。単相インバータ群３０の各インバータが多相電動機１の各巻線に供給する第２交流電力に基づいて、多相電動機１に第２トルク変動が発生する。速度制御装置４は、第１トルク変動と第２トルク変動とが互いに打ち消し合うように、単相インバータ群２０の各インバータと単相インバータ群３０の各インバータとをそれぞれ制御することにより、直流リンクの直流電圧をより高めるとともに、多相電動機１をより安定に駆動させることができる。

さらに、多相電動機１の巻線の仕様に合わせて、単相インバータ群２０の各インバータが出力する第１交流電圧の位相と、単相インバータ群３０の各インバータが出力する第２交流電圧の位相とが、第１トルク変動と第２トルク変動とが互いに打ち消し合うように決定されていることで、多相電動機１をより安定に駆動させることができる。

上記の場合、単相インバータ群２０の各インバータが出力する第１交流電圧に係る第１電気角と、単相インバータ群３０の各インバータが出力する第２交流電圧に係る第２電気角とが、略直交するように決定されている。例えば、多相電動機１が位相が９０°ずれた第１群の巻線と第２群の巻線を有しているならば、単相インバータ群２０の各単相インバータを第１群の巻線に接続して、単相インバータ群３０の各単相インバータを第２群の巻線に接続する。そして、速度制御装置４は、単相インバータ群２０と単相インバータ群３０が出力する交流の位相が９０°ずれるように、各単相インバータを制御することで、単相インバータ群２０が生成する電力脈動と単相インバータ群３０がが生成する電力脈動とを互いに打ち消し合わせることができる。

（実施形態の第２変形例）
実施形態の第２変形例について説明する。第１変形例は、インバータ群の並列数を２にした事例の説明である。並列数をＰＮに一般化する場合には、上記の電気角の位相差φを次の式（１）を用いて算出するとよい。

φ＝１８０°／ＰＮ ・・・（１）

上記の第２変形例によれば、インバータ群の並列数を増やしても、各インバータ群が生成する電力脈動を互いに打ち消し合わせることができる。

少なくとも上記の実施形態によれば、多相電動機駆動装置２は、単相インバータ群２０に含まれる単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍを備える。単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍは、複数の巻線を備える多相電動機１の各巻線に、直流リンクに供給される直流電力から変換した交流電力をそれぞれ供給する。単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍの直流電源側が、互いに直列に接続され、直列に接続された単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍが、直流リンクの両極間に接続されることにより、多相電動機１に交流電力を供給する単相インバータ２１、２２、・・・、２Ｍが接続されている直流リンクの直流電圧をより高めことができる。

上記の速度制御装置４は、その少なくとも一部を、ＣＰＵなどのプロセッサがプログラムを実行することにより機能するソフトウェア機能部で実現してもよく、全てをＬＳＩ等のハードウェア機能部で実現してもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら実施形態は、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、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

例えば、上記の実施形態の説明では、多相電動機駆動装置２と、速度制御装置４とを分けて構成した事例について説明したが、多相電動機駆動装置２と、速度制御装置４とを一体化することを制限することはなく、多相電動機駆動装置２と、速度制御装置４とを一体化してもよい。

また、上記の説明の多相電動機１の相数に合わせて、多相電動機駆動装置２内の単相インバータ群の並列数と、単相インバータ群内の単相インバータの直列数とを、任意に決めることができる。

１…多相電動機、２…多相電動機駆動装置、４…速度制御装置（制御部）、２０、３０…単相インバータ群（インバータ群）、２１、２２、・・・、２Ｍ、３１、３２、・・・、３Ｍ…単相インバータ（インバータ）、ＬＰ、ＬＮ…直流リンク

Claims (2)

1. 直流電源側が互いに直列に接続されて第１列を成すM個の単相インバータであって、２Ｍ個の単相巻線を備える多相電動機の第１群の各巻線に、直流電源から直流リンクに供給される直流電力から変換した単相交流の交流電力をそれぞれ供給する第１列のM個の単相インバータと、
   前記直流電源側が互いに直列に接続されて第２列を成すM個の単相インバータであって、前記多相電動機の第２群の各巻線に、前記直流リンクに供給される直流電力から変換した単相交流の交流電力をそれぞれ供給する第２列のM個の単相インバータと、
   を備え、
   前記第１列を成すM個の単相インバータの電源側が、互いに直列に接続され、前記直列に接続された前記第１列を成すM個の単相インバータが前記直流リンクの両極間に接続され、
   前記第２列を成すM個の単相インバータの電源側が、互いに直列に接続され、前記直列に接続された前記第２列を成すM個の単相インバータが前記直流リンクの両極間に接続されていて、
   前記第１列のM個の単相インバータは第１組のインバータ群を成し、
   前記第２列のM個の単相インバータは第２組のインバータ群を成し、
   前記第１列のM個の単相インバータのうちの２つの単相インバータを互いに接続する第１接続点と、
   前記第２列のM個の単相インバータのうちの２つの単相インバータを互いに接続する第２接続点とが等電位になる接続点同士が互いに接続されていて、
   前記等電位になる接続点同士が前記互いに接続されることにより互いに並列接続された２つの単相インバータから、９０度の位相差を設けた交流を出力させて、
   Mが２以上の自然数であり、前記第１列と前記第２列のM個の単相インバータの列数が２である
   多相電動機駆動装置。
2. 直流電源側が互いに直列に接続されて第１組のインバータ群を成し、２Ｍ個の単相巻線を備える多相電動機の第１群の各巻線に、直流電源から直流リンクに供給される直流電力から変換した単相交流の交流電力をそれぞれ供給する第１列のM個の単相インバータと、
   前記直流電源側が互いに直列に接続されて第２組のインバータ群を成し、前記多相電動機の第２群の各巻線に、前記直流リンクに供給される直流電力から変換した単相交流の交流電力をそれぞれ供給する第２列のM個の単相インバータと、
   前記第１組のインバータ群の第１インバータが出力する第１交流電圧の位相と、前記第２組のインバータ群の第２インバータが出力する第２交流電圧の位相とに９０度の位相差を設けたことで、前記第１組のインバータ群の第１インバータが供給する第１交流電力の第１電力脈動と、前記第２組のインバータ群の第２インバータが供給する第２交流電力の第２電力脈動とを互いに打ち消し合うように制御する制御部
   を備え、
   前記第１列を成すM個の単相インバータの電源側が、互いに直列に接続され、前記直列に接続された前記第１列を成すM個の単相インバータが前記直流リンクの両極間に接続され、
   前記第２列を成すM個の単相インバータの電源側が、互いに直列に接続され、前記直列に接続された前記第２列を成すM個の単相インバータが前記直流リンクの両極間に接続されていて、
   Mが２以上の自然数であり、前記第１列と前記第２列のM個の単相インバータの列数が２である
   多相電動機駆動装置。