(57)【要約】【課題】小型・軽量・低コストかつ、汎用性の高いマトリックスコンバータを提供する。【解決手段】交流電源１からの交流電力を所望の周波数、所望の電圧を持つ交流電力に変換しモータ４に供給する双方向スイッチ３を含むマトリックスコンバータ２において、前記交流電源からの入力線の一本に接続される前記双方向スイッチと前記モータ間の配線を遮断できる配線接続部５と、前記双方向スイッチをＰＷＭ制御するための信号を出力する制御部６に、前記交流電源からの状態が単相入力なのか三相入力なのかを選択する選択スイッチ１０を設け、前記選択スイッチで三相入力を選択した場合は前記配線接続部における状態を短絡状態にし、前記選択スイッチで単相入力を選択した場合は前記配線接続部における状態を遮断状態にするものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源からの交流電力を所望の周波数、所望の電圧を持つ交流電力に変換しモータに供給する双方向スイッチを含むマトリックスコンバータであって、前記交流電源からの入力線の一本に接続される前記双方向スイッチと前記モータ間の配線を遮断できる配線接続部と、前記双方向スイッチをＰＷＭ制御するための信号を出力する制御部を備え、この制御部に前記交流電源からの状態が単相入力なのか三相入力なのかを選択する選択スイッチを設け、前記選択スイッチで三相入力を選択した場合は前記配線接続部における状態を短絡状態にし、前記選択スイッチで単相入力を選択した場合は前記配線接続部における状態を遮断状態にすることを特徴としたマトリックスコンバータ。
【請求項２】
冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機を駆動するためのモータと、交流電源からの交流電力を可変電圧、可変周波数の交流電力に変換して前記モータに供給する請求項１に記載のマトリックスコンバータとを備えたことを特徴とする空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ駆動用のマトリックスコンバータおよびそれを用いた空気調和機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、三相電源を入力としたマトリックスコンバータによるモータドライブに関しては、数多くの研究がなされている（例えば、特許文献1参照）。
【０００３】
その主回路例を図５に示す。同図は、三相／三相変換のマトリックスコンバータであり、交流電源１の入力電力を三相モータ４の可変速運転が可能となる電力に変換する双方向スイッチ群３で構成されている。
【０００４】
双方向スイッチ群３内の個々の双方向スイッチとは、双方向に電流を流すことができるスイッチングデバイスのことであり、現時点ではこの条件を満足する適当なデバイスが市販されていないため、具体的には図６に示すようなＩＧＢＴ３１、３２とダイオード３３、３４を並列接続したものを直列にして使用するなどの工夫がなされている。
【０００５】
この種のマトリックスコンバータは直流段を必要とせず、大容量のリアクトルやコンデンサなどのエネルギー蓄積要素が不要のため、小型、軽量、安価にすることが可能である。
【０００６】
また、図７に示すように、近年開発が進んでいる逆阻止ＩＧＢＴ３５、３６を逆並列接続し双方向スイッチを実現すれば、１つのスイッチにおいて電流が通過するデバイスが１個のみとなり、導通損失が小さくなることから、電力損失をさらに低減できるなど多くの特徴を有するものである。
【０００７】
これに対し単相電源を入力としたモータドライブに関しては、従来より、整流器にて単相交流を一旦直流に変換し、直流から三相交流を作り出す回路、いわゆる、単相／直流／三相変換回路（交流間接変換回路）が多く用いられている。
【０００８】
この種の変換回路では、なるべく脈動の少ない直流電圧を得るために、大容量の直流コンデンサを直流母線に設置する必要がある。
【０００９】
特に、単相から直流に変換する場合、三相から変換するときと比べ、より大容量の直流コンデンサが必要になる。
【００１０】
直流コンデンサは、自身の寸法・重量が大きいので、変換回路の小型化を阻害する。
【００１１】
また、寿命といった面でも不利であり、定期的に交換する必要があるので、変換装置の維持管理費用の増加を招く問題がある。
【００１２】
更には、有害な電解液を含み、かつ、再利用が困難なので、地球環境へ大きな負担を与える問題がある。
【００１３】
これらの理由から、直流コンデンサを廃止またはその容量を低減化した単相／三相変換回路の要求が高まっている中で、例えば、特許文献１では、図８に示すような単相／三相変換回路が提案されている。
【００１４】
この回路は、２つの双方向スイッチ（Ｓｕｒ及びＳｕｓ，Ｓｖｒ及びＳｖｓ，Ｓｗｒ及びＳｗｓ）が直列に接続されてなる３つの直列スイッチング回路ＳＣ１〜ＳＣ３が並列接続されて構成され、３つの直列スイッチング回路ＳＣ１〜ＳＣ３中の３つの接続点Ｐ１〜Ｐ３と他方の共通接続点ＣＰ２との間に、交流リアクトルＬと切り替え回路ＳＷＣとから構成される交流電力を蓄積するための交流電力蓄積回路ＰＳを設けて、大容量の直流コンデンサを配さなくともモータ駆動が可能としたものである。
【特許文献１】特開２００５−１６０２５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上述した特許文献１に記載された従来型マトリックスコンバータの回路構成では、交流電力蓄積回路ＰＳ内に大容量のリアクトルＬを配さなければならず、装置の小型・軽量・低コストといった面で課題が残る。
【００１６】
また、使用環境における電源状況に応じたものを準備しなければならず、このことは、装置の汎用性といった点で不利である。
【００１７】
具体的には三相電源しかないような設置環境においては、三相／三相変換回路を搭載した装置のみが適用可能で、単相電源しかないような設置環境においては、単相／三相変換回路を搭載した装置のみしか使えないといったことである。
【００１８】
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、小型・軽量・低コストを実現しつつ、使用環境における電源状況にかかわらずモータ駆動が可能となる汎用性の高いマトリックスコンバータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に係るマトリックスコンバータは、交流電源からの交流電力を所望の周波数、所望の電圧を持つ交流電力に変換しモータに供給する双方向スイッチを含むマトリックスコンバータにおいて、前記交流電源からの入力線の一本に接続される前記双方向スイッチと前記モータ間の配線を遮断できる配線接続部と、前記双方向スイッチをＰＷＭ制御するための信号を出力する制御部に、前記交流電源からの状態が単相入力なのか三相入力なのかを選択する選択スイッチを設け、前記選択スイッチで三相入力を選択した場合は前記配線接続部における状態を短絡状態にし、前記選択スイッチで単相入力を選択した場合は前記配線接続部における状態を遮断状態にすることを特徴とするものである。
【００２０】
上記の構成によって、使用環境における電源状況すなわち、単相電源であっても三相電源であっても接続可能で、モータ駆動することができるため、汎用性に優れたマトリックスコンバータを実現できるとともに、特に単相電源に接続して使用する際に、動作に使われない双方向スイッチとモータ間の配線接続を遮断することによって、ノイズなどの影響による誤作動のない、安定したモータ駆動が行える信頼性の高いマトリックスコンバータとすることが可能である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、特にこれまでの単相／三相変換回路の構成と比較して整流器や大容量の直流コンデンサ、あるいは交流電力蓄積回路といったものがないため、小型・軽量・低コストなモータ駆動装置を実現できるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態に係るマトリックスコンバータを用いたモータ駆動装置の基本構成を示す図である。
【００２４】
図１に示すように、本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置は、交流電源１を入力電源とし、出力として三相モータ４が接続されたマトリックスコンバータ２によって構成されている。
【００２５】
マトリックスコンバータ２は、交流電源１の入力電力を三相モータ４の可変速運転が可能となる電力に変換する双方向スイッチ群３と、交流電源１のからの入力線を接続する入力端子７ａ，７ｂ，７ｃと、三相モータ４の各相に繋がる配線を接続する出力端子８ａ，８ｂ，８ｃと、入力端子７ｃに接続されている双方向スイッチと出力端子８ａ，８ｂ，８ｃ間の配線を遮断できるリレーなどによって構成される配線接続部５と、制御部６を有している。
【００２６】
制御部６は、双方向スイッチ群３へのＰＷＭ信号出力や配線接続部５への信号出力などを行うコントローラ９と、交流電源１が単相電源なのか三相電源なのかを選択する選択スイッチ１０を有している。
【００２７】
図１に示した基本構成においては、交流電源１は三相電源であり、交流電源１のからの入力線を接続する入力端子７ａ，７ｂ，７ｃには、それぞれ交流電源１のＲ相，Ｓ相，Ｔ相が接続されている。
【００２８】
また、交流電源１が単相電源なのか三相電源なのかを選択する選択スイッチ１０は、三相電源を選択しており、配線接続部５における状態を短絡状態にコントローラ９は信号出力している。
【００２９】
さらに、コントローラ９は、三相モータ４を駆動するためのｕ相，ｖ相，ｗ相に対する三つの電圧指令通りの出力電圧を実現しつつ、交流電源１からの入力側電流の高調波を少なくするＰＷＭ信号を双方向スイッチ群３の１８個全ての双方向スイッチに出力する。
【００３０】
図２は本発明の実施の形態に係るマトリックスコンバータを用いたモータ駆動装置の基本構成を示す図である。
【００３１】
図２に示した基本構成においては、交流電源１は単相電源であり、交流電源１のからの入力線を接続する入力端子７ａ，７ｂには、それぞれ交流電源１のＬ１相，Ｌ２相が接続されており、入力端子７ｃにはなにも接続されていない開放状態である。
【００３２】
また、交流電源１が単相電源なのか三相電源なのかを選択する選択スイッチ１０は、単相電源を選択しており、配線接続部５における状態を遮断状態にコントローラ９は信号出力している。
【００３３】
さらに、コントローラ９は、三相モータ４を駆動するためのｕ相，ｖ相，ｗ相に対する三つの電圧指令通りの出力電圧を実現しつつ、交流電源１からの入力側電流の高調波を少なくするＰＷＭ信号を双方向スイッチ群３の入力端子７ａ，７ｂに接続されている１２個の双方向スイッチに出力し、入力端子７ｃに接続されている６個の双方向スイッチには、インアクティブレベルの信号を出力する。
【００３４】
以上のように、交流電源１に単相電源を用いる場合は、配線接続部５における状態を遮
断状態にし、入力端子７ｃに接続されている６個の双方向スイッチが電力変換における主回路からは完全に電気的に接続されていない状態にすることで、ノイズなどの影響で装置が誤作動、あるいは破壊するのを防止している。
【００３５】
コントローラ９と双方向スイッチ群３内の全ての双方向スイッチとの間に施される配線には、図３に示すような抵抗器２１とコンデンサ２２からなるフィルタ回路２０を設けるのが一般的であるが、この配線で伝播されるＰＷＭ信号は数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの高周波信号であり、図３に示したフィルタ回路２０の時定数はあまり大きくできない。
【００３６】
すなわち、フィルタ回路２０においてはＰＷＭ信号の周波数よりもさらに高い周波数のノイズのみが除去されるものとしている。
【００３７】
一方、コントローラ９から配線接続部５へ出力される信号は、本モータ駆動装置の電源投入時などに、ＨｉｇｈもしくはＬｏｗのレベル変化があるだけで、モータ駆動中にレベル変化することはない。
【００３８】
そのため、コントローラ９と配線接続部５との間に施される配線上には、コントローラ９と双方向スイッチ群３内の全ての双方向スイッチとの間に設けられたフィルタ回路よりも、そのカットオフ周波数において制約をあまり受けないノイズ除去手段を用いることが可能である。
【００３９】
このことは、コントローラ９と双方向スイッチ群３内の全ての双方向スイッチとの間に設けられるフィルタでは除去しきれないノイズでも、コントローラ９と配線接続部５との間に設けられるフィルタでは除去可能であるということが言える。
【００４０】
よって、交流電源１に単相電源を用いる場合、コントローラ９と入力端子７ｃに接続されている６個の双方向スイッチとの間に施される配線にノイズが発生し、この６個の双方向スイッチが誤作動したとしても、ノイズの影響をほぼ受けない信号によって制御された配線接続部５が遮断状態を維持することで、残り１２個の双方向スイッチによるモータ駆動の誤作動や、電源短絡による装置破壊といった現象を確実に回避することができるのである。
【００４１】
以上のように、本実施形態のマトリックスコンバータを用いたモータ駆動装置は、使用環境における電源状況すなわち、単相電源であっても三相電源であっても接続可能で、モータ駆動することができるため、汎用性に優れたマトリックスコンバータを実現できるとともに、特に単相電源に接続して使用する際に、動作に使われない双方向スイッチとモータ間の配線接続を遮断することによって、ノイズなどの影響による誤作動のない、安定したモータ駆動が行える信頼性の高いマトリックスコンバータとすることが可能となる。
【００４２】
なお、本発明は、周知のベクトル制御やＶ／Ｆ制御といったモータ駆動のアルゴリズムに関して制約を受けるものではなく、三相モータであればあらゆる種類のものに適用可能である。
【００４３】
なお、空気調和機における圧縮機駆動モータなどのようにパルスジェネレータ等の速度センサを使用することができない場合や、サーボドライブなどのように速度センサを具備することができる場合のどちらにおいても本発明は適用可能である。
【００４４】
（実施の形態２）
図４に、上記のモータ駆動装置を利用した空気調和機の構成例を示す。
【００４５】
同図に示すように、空気調和機は、上記のモータ駆動装置１００を用いており、さらに、電動圧縮機８２に加えて、室内ユニット９２、室外ユニット９５及び四方弁９１からなる冷凍サイクルを備えている。室内ユニット９２は室内送風機９３と室内熱交換器９４とから構成され、また室外ユニット９５は室外熱交換器９６、室外送風機９７及び膨張弁９８より構成される。
【００４６】
電動圧縮機８２は三相モータ４により駆動され、三相モータ４はマトリックスコンバータ２により駆動される。冷凍サイクル中は熱媒体である冷媒が循環する。冷媒は電動圧縮機８２により圧縮され、室外熱交換器９６にて室外送風機９７からの送風により室外の空気と熱交換され、また室内熱交換器９４にて室内送風機９３からの送風により室内の空気と熱交換される。
【００４７】
なお、前述の実施の形態では三相モータ４の種類について言及しなかったが、本発明はインダクションモータやＤＣブラシレスモータなどあらゆる三相モータについて適用可能なものであることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、使用環境における電源状況にかかわらずモータ駆動が可能な汎用性の高いマトリックスコンバータを提供し、空気調和機等に使用されるモータの制御装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すモータ駆動装置のシステム構成図
【図２】本発明の第１の実施形態を示すモータ駆動装置のシステム構成図
【図３】本発明の第１の実施形態におけるフィルタ回路図
【図４】本発明の空気調和機の一実施形態を示す構成のブロック図
【図５】一般的な三相／三相変換のマトリックスコンバータ回路図
【図６】双方向スイッチを実現する回路の一例を示す図
【図７】双方向スイッチを実現する回路の一例を示す図
【図８】従来の単相／三相変換のマトリックスコンバータ回路図
【符号の説明】
【００５０】
１  交流電源
２  マトリックスコンバータ
３  双方向スイッチ群
４  三相モータ
５  配線接続部
６  制御部
７ａ〜７ｃ  入力端子
８ａ〜８ｃ  出力端子
９  コントローラ
１０  選択スイッチ
２０  フィルタ回路
２１  抵抗器
２２  コンデンサ
３１，３２  ＩＧＢＴ
３３，３４  ダイオード
３５，３６  逆阻止ＩＧＢＴ
Ｐ１〜Ｐ３  接続点
ＣＰ２  共通接続点
ＰＳ  電力蓄積回路
Ｌ  交流リアクトル
ＳＣ１〜ＳＣ３  直列スイッチング回路
ＳＷＣ  切り替え回路
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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