(57)【要約】      （修正有）【課題】三相モータの負荷状態に応じて三相モータの駆動に必要なトルクを発生する。【解決手段】モータ駆動システム１００の電力変換装置１において、第１インバータ１１は、電源２０（バッテリ）からの直流電力を交流電力に変換して三相モータ３０に出力する。昇圧回路１３は、電源２０からの直流電力を昇圧して出力する。第２インバータ１２は、昇圧回路１３からの直流電力を交流電力に変換して三相モータ３０に出力する。三相モータ３０は、第１〜第６コイル３１〜３６を含む。第１インバータ１１は、第１コイル３１と第２コイル３２との第１接続点ＣＰ１に交流電力のＵ相を出力する。第１インバータ１１は、第３コイル３３と第４コイル３４との第２接続点ＣＰ２に交流電力のＶ相を出力する。第１インバータ１１は、第５コイル３５と第６コイル３６との第３接続点ＣＰ３に交流電力のＷ相を出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源からの直流電力を交流電力に変換して三相モータに出力する第１インバータと、
前記電源からの直流電力を昇圧して出力する昇圧回路と、
前記昇圧回路からの直流電力を交流電力に変換して前記三相モータに出力する第２インバータとを備え、
前記三相モータは、
前記第２インバータと前記三相モータの中性点との間において直列に接続された第１コイルおよび第２コイルと、
前記第２インバータと前記三相モータの中性点との間において直列に接続された第３コイルおよび第４コイルと、
前記第２インバータと前記三相モータの中性点との間において直列に接続された第５コイルおよび第６コイルとを含み、
前記第１インバータは、前記第１コイルと前記第２コイルとの第１接続点に交流電力の第１相を出力し、前記第３コイルと前記第４コイルとの第２接続点に交流電力の第２相を出力し、前記第５コイルと前記第６コイルとの第３接続点に交流電力の第３相を出力する、電力変換装置。
【請求項２】
前記三相モータの負荷状態に応じて、前記三相モータに交流電力を出力するインバータを前記第１インバータおよび前記第２インバータの間で選択的に切り替える制御回路をさらに備える、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記三相モータと前記第１インバータとの接続状態を非導通状態および導通状態の間で切り替えるスイッチング回路をさらに備え、
前記第２インバータが選択されている場合、前記制御回路は、前記スイッチング回路を制御して前記接続状態を非導通状態とし、
前記第１インバータが選択されている場合、前記制御回路は、前記スイッチング回路を制御して前記接続状態を導通状態とする、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記スイッチング回路は、
前記第１インバータと前記第１接続点との間に接続された第１スイッチング素子と、
前記第１インバータと前記第２接続点との間に接続された第２スイッチング素子と、
前記第１インバータと前記第３接続点との間に接続された第３スイッチング素子とを含み、
前記制御回路は、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、および前記第３スイッチング素子を非導通状態とすることにより前記スイッチング回路を非導通状態とし、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、および前記第３スイッチング素子を導通状態とすることにより前記スイッチング回路を導通状態とする、請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記制御回路は、停止している前記三相モータを駆動する場合、前記スイッチング回路を非導通状態としてから前記昇圧回路を動作させ、前記三相モータに前記第２インバータから一定時間の間交流電力を出力し、前記一定時間の経過後、前記昇圧回路を停止するとともに前記スイッチング回路を導通状態とし、前記第１インバータから前記三相モータに交流電力を出力する、請求項３または４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置と、
前記電力変換装置からの交流電力によって駆動される三相モータとを備える、モータ駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源からの直流電力を交流電力に変換して三相モータに出力する電力変換装置およびモータ駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電源からの直流電力を交流電力に変換して三相モータに出力する電力変換装置が知られている。たとえば、特開２０１７−２０４９０２号公報（特許文献１）には、直流電源に並列に接続された２つのインバータから三相モータに交流電力が出力される電力変換装置が開示されている。当該電力変換装置においては、２つのインバータが電源に並列に接続されている。第１インバータが三相モータの第１コイルに接続され、第２インバータが第１コイルと同相の第２コイルに接続されている。当該電力変換装置によれば、三相モータの運転状態に応じて両インバータを同時に作動させて両コイルに同時に電力を供給することにより、三相モータの駆動に必要なトルクを発生することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−２０４９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されている電力変換装置において、第１コイルと第２コイルとは並列に接続されている。そのため、２つのインバータのうち一方のインバータが動作している動作モードから両方のインバータが動作する動作モードに切り替えることにより、三相モータのコイルに出力される電流を増加させることができる。しかし、動作モードを単に切り替えることによっては、電圧を変化させることは困難である。特許文献１に開示されている電力変換装置によると、三相モータの負荷状態によっては三相モータの駆動に必要なトルクを発生することが困難になり得る。
【０００５】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、三相モータの負荷状態に応じて三相モータの駆動に必要なトルクを発生することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る電力変換装置は、第１インバータと、昇圧回路と、第２インバータとを備える。第１インバータは、電源からの直流電力を交流電力に変換して三相モータに出力する。昇圧回路は、電源からの直流電力を昇圧して出力する。第２インバータは、昇圧回路からの直流電力を交流電力に変換して三相モータに出力する。三相モータは、第１〜第６コイルを含む。第１コイルおよび第２コイルは、第２インバータと三相モータの中性点との間において直列に接続されている。第３コイルおよび第４コイルは、第２インバータと三相モータの中性点との間において直列に接続されている。第５コイルおよび第６コイルは、第２インバータと三相モータの中性点との間において直列に接続されている。第１インバータは、第１コイルと第２コイルとの第１接続点に交流電力の第１相を出力する。第１インバータは、第３コイルと第４コイルとの第２接続点に交流電力の第２相を出力する。第１インバータは、第５コイルと第６コイルとの第３接続点に交流電力の第３相を出力する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る電力変換装置によれば、第１接続点、第２接続点、および第３接続点に交流電力を出力する第１インバータ、ならびに昇圧回路からの直流電力を受ける第２インバータにより、三相モータの負荷状態に応じて三相モータの駆動に必要なトルクを発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態に係るモータ駆動システムの構成を示す機能ブロック図である。
【図２】三相モータに交流電力を供給しているインバータとして昇圧側インバータが選択されている場合の電力の主な流れ（太線）を示す図である。
【図３】三相モータに交流電力を供給しているインバータとして、バッテリ側インバータ１１が選択されている場合の電力の主な流れ（太線）を示す図である。
【図４】インバータ制御回路によって行なわれるインバータ切替処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】図１の電力変換装置および三相モータに関する波形図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００１０】
図１は、実施の形態に係るモータ駆動システム１００の構成を示す機能ブロック図である。図１に示されるように、モータ駆動システム１００は、電力変換装置１と、三相モータ３０とを備える。電力変換装置１は、バッテリ２０（電源）からの直流電力を交流電力に変換して三相モータ３０に出力する。三相モータ３０は、電力変換装置１からの交流電力によって駆動される。
【００１１】
電力変換装置１は、インバータ制御回路１０と、バッテリ側インバータ１１（第１インバータ）と、昇圧側インバータ１２（第２インバータ）と、昇圧電源１３（昇圧回路）と、逆流防止回路１４と、昇圧電源制御回路１５とを備える。バッテリ側インバータ１１は、バッテリ２０からの直流電力を交流電力に変換して三相モータ３０に出力する。昇圧電源１３は、バッテリ２０からの直流電力を昇圧して昇圧側インバータ１２に出力する。昇圧側インバータ１２は、昇圧電源１３からの直流電力を交流電力に変換して三相モータ３０に出力する。逆流防止回路１４（スイッチング回路）は、三相モータ３０とバッテリ側インバータ１１との接続状態を非導通状態および導通状態の間で切り替える。
【００１２】
バッテリ側インバータ１１は、スイッチング素子１１１〜１１６を含む。スイッチング素子１１１と１１２とは、バッテリ２０と接地点との間においてこの順に直列に接続されている。スイッチング素子１１３と１１４とは、バッテリ２０と接地点との間においてこの順に直列に接続されている。スイッチング素子１１５と１１６とは、バッテリ２０と接地点との間においてこの順に直列に接続されている。スイッチング素子１１１、１１３、および１１５は、ハイサイドのスイッチング素子であり、バッテリ２０と接地点との間において互いに並列に接続されている。スイッチング素子１１２、１１４、および１１６は、ローサイドのスイッチング素子であり、バッテリ２０と接地点との間において互いに並列に接続されている。
【００１３】
昇圧電源１３は、コイル１３１と、ダイオード１３２と、スイッチング素子１３３と、コンデンサ１３４とを含む。コイル１３１は、バッテリ２０とダイオード１３２のアノードとの間に接続されている。ダイオード１３２のカソードは、昇圧側インバータ１２に接続されている。スイッチング素子１３３は、ダイオード１３２のアノードと接地点との間に接続されている。コンデンサ１３４は、ダイオード１３２のカソードと接地点との間に接続されている。なお、昇圧電源１３は、昇圧チョッパ方式の回路として示されているが、昇圧電源１３は他の方式の回路であってもよい。たとえば、昇圧電源１３は、フライバック方式の回路であってもよい。
【００１４】
昇圧側インバータ１２は、スイッチング素子１２１〜１２６を含む。スイッチング素子１２１と１２２とは、昇圧電源１３と接地点との間においてこの順に直列に接続されている。スイッチング素子１２３と１２４とは、昇圧電源１３と接地点との間においてこの順に直列に接続されている。スイッチング素子１２５と１２６とは、昇圧電源１３と接地点との間においてこの順に直列に接続されている。スイッチング素子１２１、１２３、および１２５は、ハイサイドのスイッチング素子であり、昇圧電源１３と接地点との間で互いに並列に接続されている。スイッチング素子１２２、１２４、および１２６は、ローサイドのスイッチング素子であり、昇圧電源１３と接地点との間で互いに並列に接続されている。
【００１５】
三相モータ３０は、コイル３１〜３６を含む。コイル３１（第１コイル）および３２（第２コイル）は、中性点ＮＰとスイッチング素子１２１および１２２の接続点との間においてこの順に直列に接続されている。コイル３３（第３コイル）および３４（第４コイル）は、中性点ＮＰとスイッチング素子１２３および１２４の接続点との間においてこの順に直列に接続されている。コイル３５（第５コイル）および３６（第６コイル）は、中性点ＮＰとスイッチング素子１２５および１２６の接続点との間においてこの順に直列に接続されている。
【００１６】
コイル３１〜３６には、１２０度通電方式で電圧が印加される。コイル３１および３２、コイル３３および３４、ならびにコイル３５および３６には、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の三相電圧が印加される。Ｖ相の電圧の位相は、Ｕ相の電圧の位相よりも１２０度遅れている。Ｗ相の電圧の位相は、Ｖ相の電圧の位相よりも１２０度遅れている。三相電圧の印加によって回転磁界が形成され、当該回転磁界の強さに応じたトルクが発生する。当該トルクによって、三相モータ３０を回転させることができる。
【００１７】
バッテリ側インバータ１１は、コイル３１と３２との接続点ＣＰ１（第１接続点）に交流電力のＵ相（第１相）を出力する。バッテリ側インバータ１１は、コイル３３とコイル３４との接続点ＣＰ２（第２接続点）に交流電力のＶ相（第２相）を出力する。バッテリ側インバータ１１は、コイル３５と３６との接続点ＣＰ３（第３接続点）に交流電力のＷ相（第３相）を出力する。
【００１８】
昇圧側インバータ１２は、コイル３１と３２に交流電力のＵ相を出力する。昇圧側インバータ１２は、コイル３３と３４に交流電力のＶ相を出力する。昇圧側インバータ１２は、コイル３５と３６に交流電力のＷ相を出力する。
【００１９】
逆流防止回路１４は、スイッチング素子１４１（第１スイッチング素子）と、スイッチング素子１４２（第２スイッチング素子）と、スイッチング素子１４３（第３スイッチング素子）を備える。スイッチング素子１４１は、接続点ＣＰ１とスイッチング素子１１１および１１２の接続点との間に接続されている。スイッチング素子１４２は、接続点ＣＰ２とスイッチング素子１１３および１１４の接続点との間に接続されている。スイッチング素子１４３は、接続点ＣＰ３とスイッチング素子１１５および１１６の接続点との間に接続されている。逆流防止回路１４は、三相モータ３０とバッテリ側インバータ１１との接続状態を非導通状態および導通状態の間で切り替える。
【００２０】
三相モータ３０の駆動に必要なトルクは、三相モータ３０の回転速度に応じて異なる。たとえば、回転している三相モータ３０を駆動するのに必要なトルクは、停止している三相モータ３０を回転させるのに必要なトルクよりも小さい。停止している三相モータ３０の駆動を迅速に開始するとともに、回転している三相モータ３０の効率的な駆動の継続のためには、三相モータ３０の負荷状態に応じて三相モータ３０に供給する交流電力の大きさを変化させる必要がある。
【００２１】
そこで、モータ駆動システム１００においてインバータ制御回路１０は、三相モータ３０の負荷状態に応じて、三相モータ３０に交流電力を出力するインバータをバッテリ側インバータ１１および昇圧側インバータ１２の間で選択的に切り替える。インバータ制御回路１０は、三相モータ３０の負荷状態が高負荷状態である場合（たとえば三相モータ３０が停止している場合）、逆流防止回路１４を非導通状態としてから昇圧電源１３を動作させ、三相モータ３０に昇圧側インバータ１２から一定時間の間交流電力を出力する。インバータ制御回路１０は、当該一定時間の経過後、三相モータ３０の負荷状態が低負荷状態となった場合（たとえば三相モータ３０の回転速度が基準速度以上となった場合）、昇圧電源１３を停止するとともに逆流防止回路１４を導通状態とし、バッテリ側インバータ１１から三相モータ３０に交流電力を出力する。
【００２２】
インバータ制御回路１０は、スイッチング素子１４１〜１４３を非導通状態とすることにより逆流防止回路１４を非導通状態とする。インバータ制御回路１０は、スイッチング素子１４１〜１４３を導通状態とすることにより逆流防止回路１４を導通状態とする。インバータ制御回路１０は、昇圧電源制御回路１５を介して昇圧電源１３の動作を制御する。
【００２３】
三相モータ３０の負荷状態が高負荷状態である場合、昇圧側インバータ１２が選択される。バッテリ２０の電圧が昇圧電源１３によって昇圧されて昇圧側インバータ１２に供給される。昇圧側インバータ１２は、コイル３１および３２、コイル３３および３４、ならびにコイル３５および３６にＵ相電圧、Ｖ相電圧、およびＷ相電圧をそれぞれ印加する。バッテリ２０の電圧から昇圧された三相電圧の各々が２つのコイルに印加されるため、三相モータ３０には比較的大きなトルクが発生する。その結果、停止している三相モータ３０の駆動を迅速に開始することができる。
【００２４】
三相モータ３０の負荷状態が低負荷状態である場合、バッテリ側インバータ１１が選択される。バッテリ側インバータ１１は、バッテリ２０の電圧を受けて三相モータ３０のコイル３２、コイル３４、およびコイル３６にＵ相電圧、Ｖ相電圧、およびＷ相電圧をそれぞれ印加する。バッテリ２０の電圧に対応する三相電圧の各々が１つのコイルに印加されるため、三相モータ３０に発生するトルクが高負荷状態の場合よりも低減される。その結果、回転している三相モータ３０の効率的な駆動を継続することができる。
【００２５】
図２は、三相モータ３０に交流電力を供給しているインバータとして昇圧側インバータ１２が選択されている場合の電力の主な流れ（太線）を示す図である。図３は、三相モータ３０に交流電力を供給しているインバータとして、バッテリ側インバータ１１が選択されている場合の電力の主な流れ（太線）を示す図である。なお、図２および図３においては、逆流防止回路１４の接続状態をわかり易くするため、逆流防止回路１４に含まれるスイッチング素子１４１〜１４３が、半導体素子記号に替えて単純なスイッチ記号で表現されている。
【００２６】
図２に示されるように、昇圧側インバータ１２が選択されている場合、逆流防止回路１４が非導通状態とされている。昇圧側インバータ１２は、コンデンサ１３４からの直流電力を交流電力に変換して、三相モータ３０に出力する。逆流防止回路１４が非導通とされているため、三相モータ３０からバッテリ側インバータ１１に電流は流れない。
【００２７】
図３に示されるように、バッテリ側インバータ１１が選択されている場合、逆流防止回路１４が導通状態とされている。バッテリ側インバータ１１は、バッテリ２０からの直流電力を交流電力に変換して、三相モータ３０に出力する。また、昇圧電源１３は、バッテリ２０から直流電力を受けて、コンデンサ１３４を充電する。
【００２８】
図４は、インバータ制御回路１０によって行なわれるインバータ切替処理の流れを示すフローチャートである。図４に示される処理は、インバータ制御回路１０の統合的な制御を行なう不図示のメインルーチンによってサンプリングタイム毎に呼び出される。以下ではステップを単にＳと記載する。
【００２９】
図４に示されるように、インバータ制御回路１０は、Ｓ１０１において昇圧電源１３の充電が完了したか否かを判定する。昇圧電源１３の充電が完了したか否かは、コンデンサ１３４の電圧が基準電圧以上であるか否かで判定される。基準電圧は、実機実験あるいはシミュレーションによって適宜算出することができる。
【００３０】
コンデンサ１３４の電圧が基準電圧以上である場合（Ｓ１０１においてＹＥＳ）、インバータ制御回路１０は、処理をＳ１０２に進める。コンデンサ１３４の電圧が基準電圧未満である場合（Ｓ１０１においてＮＯ）、インバータ制御回路１０は、処理をＳ１０７に進める。
【００３１】
インバータ制御回路１０は、Ｓ１０２において三相モータ３０が停止状態か否かを判定する。三相モータ３０が停止状態か否かは、三相モータ３０の回転速度が基準速度以下か否かによって判定される。基準速度は、実機実験あるいはシミュレーションによって適宜算出することができる。三相モータ３０の回転速度は、たとえば、ホールセンサ、回転角センサ、あるいは電流センサを用いて検出される。
【００３２】
三相モータ３０の回転速度が基準速度以下である場合（Ｓ１０２においてＹＥＳ）、インバータ制御回路１０は、処理をＳ１０３に進める。三相モータ３０の回転速度が基準速度より大きい場合（Ｓ１０３においてＮＯ）、インバータ制御回路１０は、処理をＳ１０７に進める。
【００３３】
インバータ制御回路１０は、Ｓ１０３においてバッテリ側インバータ１１を停止し、処理をＳ１０４に進める。インバータ制御回路１０は、Ｓ１０４において逆流防止回路１４の接続状態を非導通状態に切り替えて、処理をＳ１０５に進める。インバータ制御回路１０は、Ｓ１０５において昇圧電源１３を停止して処理をＳ１０６に進める。インバータ制御回路１０は、Ｓ１０６において昇圧側インバータ１２を選択し、処理をメインルーチンに返す。
【００３４】
インバータ制御回路１０は、Ｓ１０７において昇圧側インバータ１２を停止して処理をＳ１０８に進める。インバータ制御回路１０は、Ｓ１０８において逆流防止回路１４の接続状態を導通状態に切り替えて、処理をＳ１０９に進める。インバータ制御回路１０は、Ｓ１０９において昇圧電源１３を起動し、処理をＳ１１０に進める。インバータ制御回路１０は、Ｓ１１０においてバッテリ側インバータ１１を選択し、処理をメインルーチンに返す。
【００３５】
図５は、図１の電力変換装置１および三相モータ３０に関する波形図である。図５に示されるように、時刻ｔ１〜ｔ２、およびｔ３〜ｔ５において三相モータ３０は動作している。時刻ｔ１以前、時刻ｔ２〜ｔ３、および時刻ｔ５以降において三相モータ３０は停止している。
【００３６】
時刻ｔ１において停止している三相モータ３０が駆動される場合、時刻ｔ１においてはコンデンサ１３４の電圧が基準電圧より小さいため、バッテリ側インバータ１１によって三相モータ３０の駆動が開始される。時刻ｔ１において、逆流防止回路１４（スイッチング素子１４１〜１４３）の接続状態は、非導通状態から導通状態に切り替えられる。時刻ｔ１〜ｔ２においてコンデンサ１３４が充電される。
【００３７】
時刻ｔ２においてバッテリ側インバータ１１が停止されることにより、三相モータ３０は停止する。時刻ｔ２において、逆流防止回路１４の接続状態は導通状態から非導通状態に切り替えられる。時刻ｔ２においてコンデンサ１３４の電圧は、基準電圧よりも大きい。
【００３８】
時刻ｔ３において停止している高負荷状態の三相モータ３０が駆動される場合、コンデンサ１３４の充電が完了しているため、昇圧側インバータ１２によって三相モータ３０の駆動が開始される。バッテリ２０の電圧が昇圧電源１３によって昇圧されて昇圧側インバータ１２に供給される。そのため、時刻ｔ１においてバッテリ側インバータ１１によって駆動が開始される場合よりも、三相モータ３０が停止している状態から三相モータ３０の回転速度が基準速度に達するまでの時間を短縮することができる。昇圧側インバータ１２は、時刻ｔ３〜ｔ４（基準時間）の間動作する。三相モータ３０の負荷状態は、回転速度の上昇に伴い低下する。
【００３９】
コンデンサ１３４の電圧は、コンデンサ１３４の放電が開始される時刻ｔ３から降下し、時刻ｔ４において基準電圧にほぼ達している。時刻ｔ４において逆流防止回路１４の接続状態は、非導通状態から導通状態に切り替えられる。時刻ｔ４において昇圧側インバータ１２が停止されるとともに、バッテリ側インバータ１１の動作が開始される。すなわち、時刻ｔ４において低負荷状態の三相モータ３０に交流電力を出力するインバータが、昇圧側インバータ１２からバッテリ側インバータ１１に切り替えられる。
【００４０】
バッテリ側インバータ１１は、時刻ｔ４〜ｔ５の間動作する。時刻ｔ５においてバッテリ側インバータ１１が停止されることにより、三相モータ３０は停止する。時刻ｔ５において逆流防止回路１４の接続状態は、導通状態から非導通状態に切り替えられる。
【００４１】
以上、実施の形態に係るモータ駆動システムによれば、三相モータの負荷状態に応じて三相モータの駆動に必要なトルクを発生することができる。
【００４２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４３】
１  電力変換装置、１０  インバータ制御回路、１１  バッテリ側インバータ、１２  昇圧側インバータ、１３  昇圧電源、１４  逆流防止回路、１５  制御回路、２０  バッテリ、３０  三相モータ、３１〜３６，１３１  コイル、１００  モータ駆動システム、１１１〜１１６，１２１〜１２６，１３３，１４１〜１４３  スイッチング素子、１３２  ダイオード、１３４  コンデンサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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