(57)【要約】【課題】  電流指令値の大きさや運転状態にかかわらず、かつ駆動中においても確実に断線検出を行うことができる電力変換装置を提供する。【解決手段】  直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子からなる電力変換回路と、電力変換回路の出力側に接続される負荷と、電力変換回路の直流側に流れる直流電流を検出する手段と、電力変換回路のスイッチング素子の動作を制御する電圧指令値作成手段と、断線検出手段とを備え、その断線検出手段は、電力変換回路の電圧最大相または電圧最小相の電流が直流電流に流れている期間における直流電流検出値を用いて、負荷の断線または前記電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断することである。【選択図】図１
2010011636.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子からなる電力変換回路と、
前記電力変換回路の出力側に接続される負荷と、
前記電力変換回路の直流側に流れる電流を検出する直流電流検出手段と、
前記電力変換回路のスイッチング素子を制御する制御回路と、を有し、
前記電力変換回路の電圧最大相または電圧最小相の電流が直流電流に流れている期間における前記直流電流検出手段の直流電流検出値を用いて、負荷の断線または前記電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断する断線検出手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記断線検出手段は、前記直流電流検出値の積分値を用いて、負荷の断線または前記電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載のいずれかの電力変換装置において、
負荷の断線または前記電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断した際、外部に知らせる異常通知手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１に記載のいずれかの電力変換装置において、
負荷の断線または前記電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断した際、駆動するモータへの電圧印加を停止する停止制御手段またはモータを減速させた後に停止する減速停止制御手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１に記載のいずれかの電力変換装置は１つのパッケージに収納されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子からなる電力変換回路と、
前記電力変換回路の出力側に接続される負荷と、
前記電力変換回路の直流側に流れる電流を検出する直流電流検出手段と、
前記電力変換回路のスイッチング素子を制御する制御回路と、を有し、
前記制御回路は、電圧指令値を出力する電圧指令値作成手段を有し、前記電圧指令値作成手段は前記電力変換回路のスイッチング素子を制御する周期の１／２周期の整数倍周期で電圧指令値を変更し、
前記断線検出手段は、前記電圧指令値作成手段が電圧指令値を変更したときの、前記電力変換回路の電圧最大相または電圧最小相の電流が直流電流に流れている期間における前記直流電流検出手段の直流電流検出値を用いて、負荷の断線または前記電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断することを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項６に記載の電力変換装置において、
前記電圧指令値作成手段は、電圧指令値を作成する際のｄ軸電流指令値を変更し、
前記断線検出手段は、前記電圧指令値作成手段がｄ軸電流指令値を変更したときの、前記電力変換回路の電圧最大相または電圧最小相の電流が直流電流に流れている期間における前記直流電流検出手段の直流電流検出値を用いて、負荷の断線または前記電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断することを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項６に記載の電力変換装置において、
前記断線検出手段は、前記電圧指令値作成手段が電圧指令値を変更する前および変更した後の、前記電力変換回路の電圧最大相または電圧最小相の電流が直流電流に流れている期間における前記直流電流検出手段の直流電流検出値の差を用いて、負荷の断線または前記電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断することを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項６に記載の電力変換装置において、
前記断線検出手段は、前記電力変換回路の電圧最大相または電圧最小相の電流が直流電流に流れている期間における前記直流電流検出手段の直流電流検出値の積分値を用いて、負荷の断線または前記電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
請求項６に記載のいずれかの電力変換装置において、
負荷の断線または前記電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断した際、外部に知らせる異常通知手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
請求項６に記載のいずれかの電力変換装置において、
負荷の断線または前記電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断した際、駆動するモータへの電圧印加を停止する停止制御手段またはモータを減速させた後に停止する減速停止制御手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１２】
直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子からなる電力変換回路と、
前記電力変換回路の出力側に接続される負荷と、
前記電力変換回路の直流側に流れる電流を検出する直流電流検出手段と、
前記電力変換回路のスイッチング素子を制御する制御回路と、を有し、
前記電力変換回路の電圧最大相または電圧最小相の電流が直流電流に流れている期間における前記直流電流検出手段の直流電流検出値を用いて、負荷の断線または前記電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断する断線検出手段を備える電力変換装置を用いた圧縮機用電動機。
【請求項１３】
直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子からなる電力変換回路と、
前記電力変換回路の出力側に接続される負荷と、
前記電力変換回路の直流側に流れる電流を検出する直流電流検出手段と、
前記電力変換回路のスイッチング素子を制御する制御回路と、を有し、
前記電力変換回路の電圧最大相または電圧最小相の電流が直流電流に流れている期間における前記直流電流検出手段の直流電流検出値を用いて、負荷の断線または前記電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断する断線検出手段を備える電力変換装置と、
圧縮機と、
を有する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、パルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）により制御される電力変換回路を備えた電力変換装置に係り、特に電力変換回路の出力側に接続された負荷の断線検出方法に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、断線検出方法として、負荷（モータ）の相電流を検出して断線検出を行う方法や、モータ起動前に断線検出用の運転状態を設けて断線検出を行う方法など、多数の断線検出方法が提案されている。
【０００３】
上記のモータ相電流を検出する方法としては、特許文献１には、相電流のリプルの変化量に基づいて断線検出を行う方式が開示されている。また、モータ起動前に断線検出用の運転状態を設ける方法としては、特許文献２に、起動前に直流電圧を印加して電力変換回路の直流側に流れる電流を検出して断線検出を行う方式が開示されている。さらに、特許文献３には、ある条件下（モータの角速度が所定値以上かつモータ電流指令値が所定値以上）においてのみ断線検出を行う方法が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３０５１７５号公報
【特許文献２】特開２００７−１４３２４４号公報
【特許文献３】特許第３８０１４７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のモータ相電流を検出する方法の一例を、図１６，図１７を用いて説明する。図１６はモータ駆動装置の概略構成図、図１７は正常および断線時の電流変化（リプル）を示している。なお、本例においては、モータとしてブラシ（陽極ブラシ９５ａ，陰極ブラシ９５ｂ）および整流子を備えた直流モータ９０を例としている。図１７（ａ）は正常な場合における電流変化（リプル）を示している。同図においては、電流変化量（最大値と最小値の差）は、Ｉ＿１となっている。一方、図１７（ｂ）はモータの巻線がある相が断線した場合における電流変化を示している。同図においては、電流変化量は、Ｉ＿２となっており、正常時（図１７（ａ））と比べて大きくなっている。制御回路９４は予め記憶された判定基準値と、電流センサ９３で検出した電流変化量を比較することで、モータ巻線の断線を検出できる。
【０００６】
しかしながら、この方法では、判定基準値を適切な値にすることが必須である。そのため、判定基準値を負荷の大きさや周囲温度において変更する必要がある。つまり、負荷条件が大幅に変わる用途に適用することは難しい。また、電流変化量に基づいているため、検出精度の関係から、ある程度電流が流れている条件下でないと適用できない。さらに、どの相のモータ巻線が断線しているかは判定できない。
【０００７】
次に起動前に断線検出用の運転状態を設ける方法の一例を、図１８を用いて説明する。本例では、モータ９６を起動する前に直流電圧９９をモータに印加して、その際に電力変換回路９８の直流側にあるシャント抵抗９７に流れる電流を検出して断線検出を行う。直流電圧９９をモータ９６に印加するためには、例えば図１８（ａ）のように、Ｕ相の上側のスイッチング素子（Ｕ＋）と、Ｖ相およびＷ相の下側のスイッチング素子（Ｖ−およびＷ−）をオンさせ、その他のスイッチング素子はオフさせる。この時、電力変換回路９８およびモータ９６には図中に矢印で示した経路で電流が流れる。ここで、もし、Ｕ相のモータ巻線が断線している場合は、シャント抵抗９７には電流が流れない。したがって、シャント抵抗９７に流れる電流を検出することで断線検出を行える。しかし、もし、Ｖ相またはＷ相のどちらか一方が断線していた場合は、他方の相の経路にて電流が流れるため、その場合はこの電流経路では断線検出を行えない。そこで、各相のスイッチング状態を変えて（例えば、図１８（ｂ）や図１８（ｃ））順次シャント抵抗９７に流れる電流を検出する必要がある。
【０００８】
本例では、直流電圧印加時の電流を検出する事を前提としており、起動前にしか断線検出を行えない。言い換えると、駆動中に断線検出を行えない。そのため、一旦起動したら長時間駆動し続ける用途では、断線を検出するまでの時間がかかってしまう。また、各相のスイッチング状態を順次変えて検出するため、例えば短時間起動が要求される用途への適用は困難である。
【０００９】
以上のように、従来のモータ相電流を検出して行う方法と起動前に断線検出用の運転状態を設ける方法における問題点は、ある程度電流が流れていることが必要であること、適用できる条件が限られてしまうこと、駆動中に断線検出を行えないこと等である。また、前記特許文献３の技術においては、ある条件下においてのみの断線検出方法であり、運転状態にかかわらず断線検出を行えない。
【００１０】
そこで、本発明は、これらの課題を解決し、電流指令値の大きさや運転状態にかかわらず、かつ駆動中においても確実に断線検出を行うことができる電力変換装置を提供することを目的とするものである。
【００１１】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規の特徴は、本明細書の記述および添付図面に記す。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子からなる電力変換回路と、電力変換回路の出力側に接続される負荷と、電力変換回路の直流側に流れる電流を検出する直流電流検出手段と、電力変換回路のスイッチング素子を制御する制御回路と、を有し、電力変換回路の電圧最大相または電圧最小相の電流が直流電流に流れている期間における直流電流検出手段の直流電流検出値を用いて、負荷の断線または電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断する断線検出手段を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、その際に、断線検出手段が、前記直流電流検出値の積分値を用いて、負荷の断線または電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断し、負荷の断線または電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断した際、外部に知らせる異常通知手段を備えることを特徴とする。
【００１４】
さらに、負荷の断線または電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断した際、駆動するモータへの電圧印加を停止する停止制御手段またはモータを減速させた後に停止する減速停止制御手段を備え、電力変換装置が、１つのパッケージに収納されていることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子からなる電力変換回路と、電力変換回路の出力側に接続される負荷と、電力変換回路の直流側に流れる電流を検出する直流電流検出手段と、電力変換回路のスイッチング素子を制御する制御回路と、を有し、制御回路は、電圧指令値を出力する電圧指令値作成手段を有し、電圧指令値作成手段は電力変換回路のスイッチング素子を制御する周期の１／２周期の整数倍周期で電圧指令値を変更し、断線検出手段は、電圧指令値作成手段が電圧指令値を変更したときの、電力変換回路の電圧最大相または電圧最小相の電流が直流電流に流れている期間における直流電流検出手段の直流電流検出値を用いて、負荷の断線または電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断することを特徴とする。
【００１６】
また、電圧指令値作成手段は、電圧指令値を作成する際のｄ軸電流指令値を変更し、断線検出手段は、電圧指令値作成手段がｄ軸電流指令値を変更したときの、電力変換回路の電圧最大相または電圧最小相の電流が直流電流に流れている期間における直流電流検出手段の直流電流検出値を用いて、負荷の断線または電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断し、断線検出手段は、電圧指令値作成手段が電圧指令値を変更する前および変更した後の、電力変換回路の電圧最大相または電圧最小相の電流が直流電流に流れている期間における直流電流検出手段の直流電流検出値の差を用いて、負荷の断線または電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断することを特徴とする。
【００１７】
さらに、断線検出手段は、電力変換回路の電圧最大相または電圧最小相の電流が直流電流に流れている期間における直流電流検出手段の直流電流検出値の積分値を用いて、負荷の断線または電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子からなる電力変換回路と、電力変換回路の出力側に接続される負荷と、電力変換回路の直流側に流れる電流を検出する直流電流検出手段と、電力変換回路のスイッチング素子を制御する制御回路と、を有し、電力変換回路の電圧最大相または電圧最小相の電流が直流電流に流れている期間における直流電流検出手段の直流電流検出値を用いて、負荷の断線または電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断する断線検出手段を備える電力変換装置を圧縮機用電動機に用いることを特徴とする。
【００１９】
さらに、上記電力変換器と、圧縮機とを空気調和機に用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によって得られる効果は、電流指令値の大きさや運転状態に関わらず、かつ駆動中においても確実に断線検出が可能となることである。
【００２１】
また、上位のシステム制御に頼らず電力変換装置で断線検出を行えるために、より安全な電力変換装置を実現できることである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は、直流電力を交流電力に変換する２つ以上のスイッチング素子からなる電力変換回路と、電力変換回路の出力側に接続される負荷と、電力変換回路の直流側に流れる直流電流を検出する手段と、電力変換回路のスイッチング素子の動作を制御する制御回路と、断線検出手段とを備え、その断線検出手段は、電力変換回路の電圧最大相または電圧最小相の電流が直流電流に流れている期間における直流電流検出値を用いて、負荷の断線（電力変換回路と負荷の接続の断線も含む）または前記電力変換回路のスイッチング素子の異常を判断することである。
【００２３】
負荷の断線やスイッチング素子の異常の判断に用いる直流電流検出値は、直流電流検出値を積分した値とする方法もある。
【００２４】
制御回路内の電圧指令値作成手段は、電力変換回路のスイッチング素子を制御する周期の１／２周期の整数倍周期で電圧指令値を変更する。電圧指令値の変更方法は、ある期間ｄ軸電流指令値を変更する方法と、ＰＷＭキャリア信号である三角波の山と谷の周期（ＰＷＭキャリア周期の半周期）で電圧指令値に所定値を加減算する方法と、ＰＷＭキャリア周期の半周期の整数倍周期で電圧指令値に所定値を加減算する方法がある。断線検出手段では、電圧指令値を変更した前後での直流電流検出値の差、または電圧指令値を変更したときの直流電流検出値の積分値を用いて断線を判断する。
【００２５】
負荷の断線またはスイッチング素子の異常を判断したら、停止制御手段または減速停止制御手段によって、モータへの電圧印加を即座に停止するか、減速をさせてから電圧印加を停止する。
【００２６】
上記のように、負荷に印加する電圧指令値を調整し、電力変換回路の電圧最大相または電圧最小相の電流が直流電流に流れている期間における直流電流検出値を用いることで断線検出を実現している。これにより、電流指令値の大きさや運転状態に関わらず、かつ駆動中においても断線検出が可能となる。
【００２７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２８】
＜実施の形態１＞  
本実施の形態では、負荷としてモータを例に説明する。
【００２９】
先ず、本発明に係わる電力変換装置の実施の形態１について説明する。図１に、電力変換装置であるモータ駆動装置の全体構成図を示す。本実施の形態のモータ駆動装置１２（電力変換装置）は、スイッチング素子９からなるインバータ回路３（電力変換回路）と、シャント抵抗５と、電圧指令値作成手段１と、ＰＷＭパルス生成器１０４と、直流電流検出回路６と、モータ電流検出手段７と、断線検出手段８と、ドライブ回路２で構成される。なお、電圧指令値作成手段１と、ＰＷＭパルス生成器１０４と、モータ電流検出手段７と、断線検出手段８は、マイコン（マイクロコンピュータ）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）などの半導体集積回路によって１つの制御回路１０に収めることも可能である。
【００３０】
電圧指令値作成手段１は、後述するモータ電流検出手段７で検出したモータ電流検出値やモータ定数を基に３相電圧指令値２４を作成する。モータ４は、例えば回転子が永久磁石で構成され、この回転子の周囲に交流磁界を形成するための巻線が複数個配置されている永久磁石モータである。永久磁石モータを駆動する場合、例えば、電圧指令値作成手段１は、図２に示すように、３相交流軸のモータ電流検出値１２２をｄｑ変換によりｄｑ軸電流へ座標変換する３Φ／ｄｑ変換器１０１と、ｄ軸およびｑ軸の電流指令値（Ｉｄ*およびＩｑ*）とｄ軸およびｑ軸の電流検出値（ＩｄｃおよびＩｑｃ）とインバータ回路３から出力される交流電圧の角周波数指令値ω*を用いてｄ軸およびｑ軸電圧指令値を演算する電圧指令値作成器１０２と、ｄｑ軸を３相交流軸へ座標変換するｄｑ／３Φ座標変換器１０３により構成できる。なお、回転子磁石の磁束方向の位置をｄ軸、そこから回転方向に電気角で９０度進んだ位置をｑ軸と定義する。
【００３１】
３Φ／ｄｑ変換器１０１とｄｑ／３Φ座標変換器１０３で使用する位相θｃは、回転子に位置センサを取り付け、そのセンサで検出した値を使っても良いし、電圧指令値や電流検出値などから回転子位置を推定した値を使っても良い。
【００３２】
電圧指令値作成器１０２では、例えば、式（１）および式（２）の様にベクトル演算を行い、ｄｑ軸の電圧指令値（Ｖｄ*およびＶｑ*）を得る。
【００３３】
Ｖｄ*＝Ｒ×Ｉｄ*−ω*×Ｌｑ×Ｉｑ*              ・・・式（１）
Ｖｑ*＝Ｒ×Ｉｑ*＋ω*×Ｌｄ×Ｉｄ*＋ω*×Ｋｅ   ・・・式（２）
ここで、Ｒはモータの巻線抵抗値、Ｌｄはｄ軸のインダクタンス、Ｌｑはｑ軸のインダクタンス、Ｋｅは誘起電圧定数である。なお、永久磁石モータを駆動する際、ｄ軸電流指令値Ｉｄ*にはゼロが与えられる場合が多い。
【００３４】
電圧指令値作成器１０２では、モータ４に流れる電流を電流指令値通りにするために、ｄｑ軸の電流検出値（Ｉｄｃ，Ｉｑｃ）を使用してｄｑ軸電流指令値（Ｉｄ*，Ｉｑ*）またはｄｑ軸電圧指令値（Ｖｄ*，Ｖｑ*）を変更しても良い。
【００３５】
ＰＷＭパルス生成器１０４では、３相電圧指令値２４をＰＷＭキャリア信号である三角波と比較し、各スイッチング素子９を制御するためのＰＷＭ信号２０（図１のＵｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎに相当）を得る。
【００３６】
ドライブ回路２は、ＰＷＭ信号２０を基にスイッチング素子９を駆動するドライブ信号を出力する。インバータ回路３には直流電圧源１１が印加されており、ドライブ回路２から出力されるドライブ信号に応じて、各スイッチング素子９をオンオフし、モータ４に３相の交流電圧を印加する。インバータ回路３の直流側にはシャント抵抗５が接続されている。シャント抵抗５はインバータ回路３に流れる過電流を検出し、スイッチング素子９を保護するために接続されていることが多い。本実施例では、シャント抵抗５をスイッチング素子の保護のために使用するだけでなく、モータ電流の検出やモータ４の断線またはインバータ回路３の異常の検出にも使用する。そのため、スイッチング素子９の保護のためにもともと必要であったシャント抵抗５を用いて断線検出を行う方法は、部品点数の削減や基板面積の削減に大変有効である。
【００３７】
直流電流検出回路６は、シャント抵抗５の両端の電圧を増幅し、直流電流検出値２１を制御回路１０に出力する。直流電流検出回路６は、例えばＯＰアンプなどによって構成され、制御回路１０に入力するのに適した電圧に増幅する。制御回路１０がマイコンの場合は、例えば最大５Ｖの電圧となるように増幅し、その増幅した直流電流は、モータ電流検出手段７内でＡ／Ｄ変換器（図示していない）によってデジタル信号に変換する。
【００３８】
次に、モータ電流検出手段７におけるモータ電流検出方法について図３を用いて説明する。図３は、ＰＷＭキャリア信号と、電圧指令値作成手段１の内部で作成される各相の電圧指令値と、各相のスイッチング素子９の動作を示す各相のインバータ駆動信号（図１のＰＷＭ信号２０に相当）と、シャント抵抗５に流れる直流電流の関係を示している。インバータ駆動信号は、同図では、Ｈｉｇｈレベルがスイッチング素子の上アームオン、Ｌｏｗレベルがスイッチング素子の下アームオンとして表している。
【００３９】
図３からわかるように、Ｗ相のみが下アームオンしており、Ｕ相とＶ相が上アームオンしている期間ＡおよびＤにおいては逆極性のＷ相モータ電流が観測できる。また、Ｖ相とＷ相が下アームオンしており、Ｕ相のみが上アームオンしている区間ＢおよびＣにおいては同極性のモータ電流が観測できる。このように、それぞれの区間でそれぞれのモータ電流を観測することができるので、これらを検出して組み合わせることで３相のモータ電流を再現することができる。再現したモータ電流２２は、電圧指令値を作成などに用いられる。なお、図３においては、モータ４のインダクタンスが大きい場合を示しており、インバータ回路３のスイッチングによるリプル電流は省略している。
【００４０】
このように、シャント抵抗５に流れる直流電流から各相のモータ電流を検出する場合には、断線検出手段８において、電力変換回路の電圧最大相または電圧最小相の電流が直流電流に流れている期間（図３の期間Ａ，期間Ｂ，期間Ｃ，期間Ｄ）に検出した直流電流値の絶対値と、予め設定しておいた判定値を比較し、電流検出値の絶対値が判定値よりも小さい場合は、その相のモータ巻線が断線（電力変換回路と負荷の接続の断線も含む）しているか、スイッチング素子９の異常かを検出することができる。
【００４１】
また、断線検出を瞬時に行わなくても良い場合には、断線検出手段８において次の方法で検出することも有効である。すなわち、電力変換回路の電圧最大相または電圧最小相の電流が直流電流に流れている期間に検出した直流電流値の絶対値を、予め定めた期間積分する。言い換えると、断線検出手段８が連続時間系の場合は、図３の斜線または格子柄で塗りつぶした期間の面積を求めることであり、離散時間系の場合は、電力変換回路の電圧最大相または電圧最小相の電流が直流電流に流れている期間に検出した直流電流値の絶対値を積算することである。なお、直流電流値の絶対値の積分は、予め定めた期間連続して積分しても、ある時間毎に複数回予め定めた期間積分しても良い。次に、その積分した直流電流積分値と予め設定しておいた判定値を比較し、直流電流積分値が判定値よりも小さい場合は、その相のモータ巻線が断線しているか、スイッチング素子９の異常かを検出することができる。この検出方法を用いると誤判定を少なくすることができるため、モータ４に流れている電流が小さい条件において特に有効である。
【００４２】
また、断線しているか否かの判定時間が条件によって長くなったり短くなったりしても良い場合には、断線検出手段８において次の方法で検出する事も有効である。すなわち、電力変換回路の電圧最大相または電圧最小相の電流が直流電流に流れている期間に検出した直流電流値を積分し、予め定めた判定値に達するまでの経過時間を測定する。その経過時間が予め設定しておいた判定時間値よりも長い場合には、その相のモータ巻線が断線しているか、スイッチング素子９の異常かを検出することができる。
【００４３】
このように、直流電流の積分値または積分に要する時間による断線検出方法は、等価的に高周波ノイズを排除できるため、直流電流を検出する過程で不規則なノイズが多く含まれてしまう用途においても誤判定を避けることができる。
【００４４】
次に、電流指令値が非常に小さい場合において特に有効な断線検出方法について図４〜図７を用いて説明する。図４は、モータ４の回転数が高く負荷が軽い条件における各相の電圧指令値とシャント抵抗に流れる直流電流の関係を示している。モータ４の回転数が高いため、式（２）の誘起電圧定数Ｋｅに関する項によってｑ軸電圧指令値Ｖｑ*は大きくなっている。一方、電流指令値は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ*はゼロに設定されており、ｑ軸電流指令値Ｉｑ*は負荷が軽いため小さくなっている。そのため、モータ４に流れる電流は小さくなっている。モータ電流が小さい場合には電流検出を行うことが難しく、その理由について説明する。
【００４５】
例えば、シャント抵抗値Ｒｓが５ｍΩ、シャント抵抗５に流れる最大電流値Ｉｍａｘが２５Ａ、制御回路１０に入力可能な最大電圧ＰＶが５Ｖであると仮定し、直流電流検出回路６は±２５Ａの電流値を最大電圧ＰＶの１／２（＝２.５Ｖ）を中心に０から５Ｖ（最大電圧ＰＶ）の増幅信号として出力する場合、直流電流検出回路６の増幅ゲインＧ＿ｏｐは２０倍程度にする。なお、通常は直流電流検出回路６の増幅ゲインを小さめに設定し、直流電流検出回路６の電流検出可能範囲をモータ４に流れる電流の最大値よりも大きくする。モータ電流検出手段７内のＡ／Ｄ変換器（図示していない）の分解能Ｄ＿ａｄが１０bitであると仮定した場合、電流検出分解能Ａ＿ｒｅｓは例えば次の式（３）で求めることができ、およそ５０ｍＡ／digitとなる。
【００４６】
Ａ＿ｒｅｓ＝ＰＶ／（Ｒｓ×Ｇ＿ｏｐ×Ｄ＿ａｄ）  ・・・式（３）
ここで、モータ電流検出手段７内のＡ／Ｄ変換器（図示していない）の誤差が４ｄｉｇｉｔで、直流電流検出関係（Ａ／Ｄ変換器の基準電源や直流電流検出回路６での増幅誤差など）の誤差が５％であると仮定した場合、およそ２３０ｍＡ以下程度の電流検出値は正しいとは限らない。そのため、電流指令値が２３０ｍＡ以下程度の場合は、モータ巻線が断線またはスイッチング素子の異常により電流は流れていないものの、電流検出の検出誤差の影響によって、誤検出しているおそれがある。このように、モータ電流値が小さい条件においては、電流検出を行うのは難しい。なお、この問題は、シャント抵抗に流れる直流電流から各相のモータ電流を検出する電流検出方式に限らず、各相のモータ電流を電流センサで検出をして断線検出を行う方式についても同様である。
【００４７】
しかし、モータ巻線が断線した状態で駆動し続けることは、たとえ負荷が軽い場合であっても、例えばモータの制御不能に陥るなど電力変換装置に悪影響がある。そのため、軽負荷の状態においても、言い換えると、モータ電流が小さい状態においても断線検出を行うことは重要である。
【００４８】
一般に、モータ４のＬｄとＬｑの差が小さい場合（突極性が無いと近似できる場合）はｄ軸電流がモータの発生トルクに与える影響は小さい。そこで、例えば、図５の様にｄ軸電流指令値Ｉｄ*を予め設定した所定値まで一時的に増加させ、ｄ軸電流指令値Ｉｄ*がゼロでは無い期間において、その時のモータ電流検出値から断線検出を行う。なお、図５では、ｄ軸電流指令値を一次関数状に増加させているがステップ的に増加させても良い。また、判定期間は電流検出が行える期間以上あれば良く、つまりＰＷＭキャリア半周期以上あれば断線検出を行える。
【００４９】
一方、モータ４のＬｄとＬｑの差を無視できない場合、つまりモータ４に突極性がある場合は次の方法で断線検出を行うのが有効である。図６に示すように、電圧最大相（図６ではＵ相）の電圧指令値をＰＷＭキャリア周期の前半の半周期と後半の半周期で変更する。具体的には、前半の半周期でもともとのＵ相電圧指令値Ｖｕ*＿０に断線検出電圧指令ΔＶを加算し、後半の半周期ではΔＶを減算する。この結果、前半の半周期では、Ｕ相モータ電流はΔＩだけ増加し、直流電流のＵ相電流検出可能期間の電流（図中の格子柄で塗りつぶした期間）も同様にΔＩだけ増加する。しかし、モータ巻線に断線やスイッチング素子に異常がある場合は、ΔＩは発生しない。これを利用し、ΔＶを加える前後の直流電流検出値を比較することによって断線検出を行える。ΔＶの値は、モータのインダクタンス値によって異なるが、ΔＩが電流検出分解能以上となる値にすれば良い。Ｕ相電圧指令値Ｖｕ*＿０にΔＶを加算することで、前半の半周期ではＵ相電圧はΔＶだけ大きく出力されることになるが、後半の半周期でＵ相電圧をΔＶだけ小さく出力するため、ＰＷＭキャリア周期で見ると結果として同じ電圧が出力されることになり、モータ制御に与える影響はほとんどない。さらに、ΔＶを加減算はＰＷＭキャリア１周期において行う必要は無く、例えば図７の様に、ΔＶを複数のＰＷＭキャリア半周期にわたって減算しても良い。なお、図７においては、ＰＷＭキャリア半周期の３個分でΔＶを減算しているため、図中のＮは３となる。また、ΔＶの加算タイミングには特に制約は無く、例えば次の方法がある。前半の半周期でΔＶを減算し後半の半周期でΔＶを加算する、１番目の半周期でΔＶ／３を減算し２番目の半周期でΔＶを加算し３番目と４番目のＰＷＭキャリア半周期にてそれぞれΔＶ／３を減算する、ΔＶの加減算の順序を毎回変更するなどがある。
【００５０】
図６および図７においては、電圧最大相の電圧指令値を変更する方法について説明したが、同じ方法を電圧最小相にも適用可能である。
【００５１】
このように、電圧指令値をＰＷＭキャリア周期の前半の半周期と後半の半周期で変更する方式は、電流指令値が小さい場合においても断線検出を行える。さらに、本方式は起動中の適用に限らず、モータが停止している場合にも適用可能である。これらのことから、本方式は電流指令値の大きさや、モータの駆動条件や運転状態にかかわらず、かつ駆動中においても確実に断線検出を行える非常に有効な断線検出方法である。
【００５２】
＜実施の形態２＞  
本発明に係わる電力変換装置（モータ駆動装置）の実施の形態２について、図８から図１０を用いて断線検出後の動作について説明する。本実施の形態における断線検出手段２０８は、断線検出方法は実施の形態１と同じで、断線検出後に断線検出信号２０１を出力するのが異なる。この断線検出信号２０１を、図２に示した角周波数指令調整手段２０２（停止制御手段または減速停止制御手段）およびＰＷＭパルス生成器２０４に入力する。角周波数指令調整手段２０２は、断線検出信号２０１が入力されると角周波数指令値を減少させる。
【００５３】
モータを急停止させても問題が無い場合は、図９（ａ）に示すように、断線検出信号２０１が入力される（図中の断線判定の箇所）と同時に電圧指令値作成器１０２に出力する角周波数指令値ω**をゼロにする。さらに、電圧指令値作成器１０２に出力するｄｑ軸電流指令値（Ｉｄ**およびＩｑ**）もゼロにする。これにより、モータへの電圧印加を停止できる。
【００５４】
一方、図１０に示すようなモータを流体循環ポンプ３０１の動力としては、急にモータを停止すると流体循環経路３０２の一部の圧力が急激に変化して破損をする恐れがある。このような場合には、図９（ｂ）に示すように、断線を判定した後に角周波数指令値ω**を所定の減速レートで減少させ、その減速期間に流体循環サイクルの弁３０３等を調整し、安全に停止することができる。
【００５５】
＜実施の形態３＞  
本発明に係わる電力変換装置の実施の形態３について図１１を用いて説明する。本実施の形態の電力変換装置は、モータ駆動装置１２を１つのパッケージに収め、モジュール化した構成となっている。図１１に示すように、下部パッケージ３００内に収納されたパワー部（インバータ回路３およびシャント抵抗５）と、制御回路１０と直流電流検出回路６とドライブ回路２を搭載したサブ基板３１７とに、大きく２つに分かれて構成されている。本図では、説明のために、下部パッケージ３００とサブ基板３１７が離れているが、実際は一体となっている。下部パッケージ３００内にはアルミ基板３０１が配置されており、アルミ基板３０１上には、スイッチング素子９およびシャント抵抗５などが実装されている。直流電圧源１１は端子３０５ｂから入力され、出力の交流電力は端子３０５ｃから出力される。下部パッケージ３００とサブ基板３１７とは、端子３０６により接続され、情報のやり取りを行っている。制御回路１０はマイコン３１６で構成され、サブ基板３１７に実装されている。すなわち、スイッチング素子などのパワー系と、マイコン３１６などの制御系とを分離して配置し、制御系がパワー系から発生するノイズの影響を受けないようにしている。これにより、断線検出の誤判定を減らすことができる。直流電流検出回路６はシャント抵抗５の両端の電圧を増幅し、マイコン３１６に入力する。マイコンから出力されたＰＷＭ信号はドライブ回路２に入力され、スイッチング素子９を駆動できる信号レベルに増幅される。また、サブ基板３１７上には、他の電力変換装置や上位の制御系と通信を行ったり、情報のやり取りを行ったりするためのコネクタ３０７が実装されている。
【００５６】
なお、アルミ基板３０１上に実装するスイッチング素子はベアチップに限らず、パッケージ品を実装する事も可能である。また、パワー系のスイッチング素子と制御系のマイコン３１６との間にシールド板などを配置することで、単一のアルミ基板上にパワー系のスイッチング素子９などと共に、制御系のマイコン３１６を実装することも可能である。
【００５７】
電力変換装置を図１１に示すように１つのパッケージに収めることで、例えば電力変換装置を製品に組み込む前に、断線検出手段８を用いてスイッチング素子９の試験を行うことができる。端子３０５ｃに試験用のモータまたは巻線を接続し、所定の電流値を流す。その時に、断線検出手段８によってスイッチング素子３０２の異常判定を行う。異常が無く合格品となった場合には、サブ基板３１７上にあるＬＥＤを点灯させる。もし、スイッチング素子９の異常（例えばハンダ不良など）があった場合には、ＬＥＤを点滅させ、試験者に知らせる。このように、電力変換装置のみで断線検出が行えるようになると、製品に組み込む前にスイッチング素子９の異常を判定でき、速やかに対応ができるようになる。
【００５８】
＜実施の形態４＞
本発明に係わる電力変換装置の実施の形態４について図１２を用いて説明する。図１２は本発明による電力変換装置をエアコンの圧縮機駆動システムに適用した際の、エアコンの室外機の模式図である。モジュール化された電力変換装置４０１は、配線４０２により圧縮機４０３と接続されており、圧縮機内のモータを駆動して冷媒の圧縮を行う。圧縮された高圧の冷媒は、配管４０４を通って熱交換器４０５を通りそこで熱を放出する。本図においては示していないが、室外機４００と対になる室内機がある。冷媒は室内機の熱交換器では低圧となり、熱を吸収して圧縮機４０３へと戻ってくる。なお、冷媒動作と暖房動作では、室内機と室外機を通る冷媒の流れが逆になり、室内機の熱交換器で熱を放出する。
【００５９】
本発明の電力変換装置をエアコンの圧縮機駆動システムに適用することによって、例えば、温度設定値と実際の室内の温度がほぼ等しくなった状態や除霜運転状態においても、つまり、電力変換装置の負荷が軽くなった状態においても断線検出が可能となる。
【００６０】
エアコンサイクル側でなんらかの別方式によって断線検出を行っている場合には、電力変換装置内の断線検出と二重系となり、安全性が向上する。
【００６１】
＜実施の形態５＞  
本発明に係わる制御回路１０は、マイコンやＤＳＰなどの半導体集積回路を用いてソフトウェアで実現されることが多い。この場合、断線検出手段８が正しく実現できたかどうかの検証が難しいという欠点がある。そこで、本実施の形態においては、本発明に関する断線検出手段８が正しく実現できたことを確認するための動作検証方法について、図１３と図１４を用いて説明する。
【００６２】
検証のためには、インバータ回路３とモータ４の間にブレーカなどの遮断器５０２を設置する。遮断器５０２は、モータ４に接続される配線の内、任意の相の巻線または全相の巻線を遮断することができる。動作検証は、モータ４を駆動中に、遮断器５０２によってＵ相への配線を遮断し（遮断する相はいずれの相でも可）、その前後における、制御マイコン５１０（制御回路１０に相当）が出力するＰＷＭ信号２０と、シャント抵抗５から検出した直流電流検出値２１を測定器５０１にて観測する。なお、インバータ回路３は交流電圧を出力するため、電力変換回路の電圧最大相と電圧中間相と電圧最小相の関係は、時間的に変化する。そのため、必ずしも全てのＰＷＭ信号２０を同時に観測する必要は無い。測定器５０１の制約により、全てのＰＷＭ信号２０を同時に観測するのが困難な場合は、どれか１つの波形を観測すれば問題ない。
【００６３】
図１４に、遮断後のＵ相のＰＷＭ信号を示す。断線の判定期間においては、判定期間外のＰＷＭ信号と比較し、ＰＷＭキャリア信号の上りの区間におけるＵ相上アームオンの期間が長くなっており、逆に下りの区間におけるＵ相上アームオンの期間が短くなっていれば、実施の形態１で説明した突極性モータに適した断線検出を正しく行えていることが確認できる。なお、本発明における断線検出は、Ｕ相電圧が電圧最大相または電圧最小相となる期間において判定が可能なため、モータに印加する交流電圧の周期が一定であれば、判定期間は電気角１２０度となる。
【００６４】
次に、突極性が無いと近似できるモータの場合における検証方法について説明する。この場合は、モータの相電流を観測すると、より容易に検証できる。図１５は、遮断器５０２で全相の巻線を遮断した前後の３相モータ電流波形を示している。モータ４を無負荷状態で駆動すると、ｑ軸電流指令値はゼロとなる。そのため、ＰＷＭ信号２０はオンオフの比率がほぼ５０％ずつになる。ただし、デッドタイム補償などによって、一方の比率が多少大きくなる場合もある。このとき、断線検出のために図５のようにｄ軸電流指令値を増加させると、３相の電圧指令値の振幅が大きくなる。したがって、ＰＷＭ信号２０のオンオフの比率が電気角３６０度において増減する。このような波形を確認することで、本発明の断線検出方法が正しく実現できたことを確認できる。
【００６５】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、パルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）により制御される電力変換回路を備えた電力変換装置に係り、特に電力変換回路の出力側に接続された負荷の断線検出方法に適用して有効である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施の形態１において、モータ駆動装置を示す全体構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１において、電圧指令値作成手段を示す構成図である。
【図３】本発明の実施の形態１において、直流電流からモータ電流を検出する方法を説明するための波形図である。
【図４】本発明の実施の形態１において、モータの回転数が高く負荷が軽い場合に相当する場合における、直流電流の波形図である。
【図５】本発明の実施の形態１において、ｄ軸電流指令値の変更例を示す波形図である。
【図６】本発明の実施の形態１において、電圧指令値変更の第１の例を示す波形図である。
【図７】本発明の実施の形態１において、電圧指令値変更の第２の例を示す波形図である。
【図８】本発明の実施の形態２において、断線検出後の動作を説明するための構成図である。
【図９】本発明の実施の形態２において、停止制御手段と減速停止制御手段の動作を説明するための波形図である。
【図１０】本発明の実施の形態２において、本発明を流体循環サイクルに適用した場合の全体構成図である。
【図１１】本発明の実施の形態３において、電力変換装置を１つのモジュールとしたときの斜視図である。
【図１２】本発明の実施の形態４において、本発明をエアコンの圧縮機駆動システムに適用した場合の模式図である。
【図１３】本発明の実施の形態５において、本発明の検証を行う際の全体構成図である。
【図１４】本発明の実施の形態５において、ＰＷＭ信号確認波形の第１の例を示す波形図である。
【図１５】本発明の実施の形態５において、ＰＷＭ信号確認波形の第２の例を示す波形図である。
【図１６】特許文献１の全体構成図である。
【図１７】特許文献１のモータ電流波形である。
【図１８】特許文献２の電流経路図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  電圧指令値作成手段
２  ドライブ回路
３  インバータ回路
４  モータ
５  シャント抵抗
６  直流電流検出回路
７  モータ電流検出手段
８  断線検出手段
１２  モータ駆動装置
２０  ＰＷＭ信号
２１  直流電流検出値
１０２  電圧指令値作成器
１０４  ＰＷＭパルス生成器
２０２  角周波数指令調整手段
５１０  制御マイコン
【図１】
2010011636.tif 000003
【図２】
2010011636.tif 000004
【図３】
2010011636.tif 000005
【図４】
2010011636.tif 000006
【図５】
2010011636.tif 000007
【図６】
2010011636.tif 000008
【図７】
2010011636.tif 000009
【図８】
2010011636.tif 000010
【図９】
2010011636.tif 000011
【図１０】
2010011636.tif 000012
【図１１】
2010011636.tif 000013
【図１２】
2010011636.tif 000014
【図１３】
2010011636.tif 000015
【図１４】
2010011636.tif 000016
【図１５】
2010011636.tif 000017
【図１６】
2010011636.tif 000018
【図１７】
2010011636.tif 000019
【図１８】
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