(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転速度に対する電気的特性を低速用特性と高速用特性とで切り替え可能な交流電動機に交流電力を供給する電力供給部と、
前記交流電動機の前記電気的特性を切り替える切替制御部と、を備え、
前記切替制御部は、
前記交流電動機の回転速度に基づき、前記交流電動機の前記電気的特性を前記低速用特性と前記高速用特性とで交互に、前記電力供給部の出力周波数よりも高い周波数で切り替えるスイッチング制御を実行する
ことを特徴とするインバータ装置。 
【請求項２】
前記切替制御部は、
前記交流電動機の速度が所定の範囲にある場合、当該交流電動機の速度に応じた時比率で、前記スイッチング制御を実行する
ことを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。 
【請求項３】
前記切替制御部は、
前記交流電動機の前記電気的特性を前記低速用特性および前記高速用特性のうち一方の特性状態から、他方の特性状態に移行する場合に、前記一方の特性状態の時間を短くしながら前記一方の特性状態と前記他方の特性状態を交互に、前記電力供給部の出力周波数よりも高い周波数で切り替えるスイッチング制御を実行する
ことを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。 
【請求項４】
前記交流電動機は、巻線状態を低速用巻線と高速用巻線とで切り替えることによって前記電気的特性を切り替え可能であり、
前記切替制御部は、
前記交流電動機の回転速度に基づき、前記交流電動機の巻線状態を前記低速用巻線と前記高速用巻線とで交互に、前記電力供給部の出力周波数よりも高い周波数で切り替えるスイッチング制御を実行する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のインバータ装置。 
【請求項５】
前記交流電動機は、極数を切り替えることによって前記電気的特性を切り替え可能であり、
前記切替制御部は、
前記交流電動機の回転速度に基づき、前記交流電動機の極数を低速用極数と高速用極数とで交互に、前記電力供給部の出力周波数よりも高い周波数で切り替えるスイッチング制御を実行する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のインバータ装置。 
【請求項６】
前記電力供給部は、
スイッチング素子を有する電力変換部と、
電圧指令と搬送波との比較に基づきＰＷＭ信号を出力して前記スイッチング素子を制御するＰＷＭ信号生成器と、を備え、
前記切替制御部は、
前記搬送波に同期して前記スイッチング制御を実行する
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のインバータ装置。 
【請求項７】
前記電力供給部は、
スイッチング素子を有する電力変換部と、
電圧指令と搬送波との比較に基づきＰＷＭ信号を出力して前記スイッチング素子を制御するＰＷＭ信号生成器と、を備え、
前記切替制御部は、
前記搬送波と非同期で前記スイッチング制御を実行する
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のインバータ装置。 
【請求項８】
電動機定数および制御パラメータを含む設定データに基づき、トルク指令から前記電圧指令を生成する指令生成部を備え、
前記切替制御部は、
前記スイッチング制御に応じた前記設定データをテーブルまたは演算式を用いて取得し前記指令生成部へ出力する
ことを特徴とする請求項６または７に記載のインバータ装置。 
【請求項９】
回転速度に対する電気的特性を低速用特性と高速用特性とで切り替え可能な交流電動機と、
前記交流電動機に交流電力を供給する電力供給部と、
前記交流電動機の前記電気的特性を切り替える切替制御部と、を備え、
前記切替制御部は、
前記交流電動機の回転速度に基づき、前記交流電動機の前記電気的特性を前記低速用特性と前記高速用特性とで交互に、前記電力供給部の出力周波数よりも高い周波数で切り替えるスイッチング制御を実行する
ことを特徴とする電動機ドライブシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示の実施形態は、インバータ装置および電動機ドライブシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、交流電動機の電気的特性の切り替えとして交流電動機の電機子巻線を切り替えることによって、低速領域から高速領域までの広範囲な運転を可能とする巻線切り替え方式が知られている。
【０００３】
従来の巻線切り替え方式では、巻線切り替えによるショックを低減するために、たとえば、交流電動機の回転数が急激に変化している状況での巻線切り替えを禁止するといった対策が採られていた（特許文献１参照）。
【０００４】
しかし、このような対策を採ると、たとえば低速から高速まで連続的に加速するような場合に効率が悪く、また、十分なトルクを得ることもできないといった問題があった。そこで、本願出願人は、加減速中であっても巻線切り替えによるショックを低減することができるインバータ装置を特許文献２において提案した。
【０００５】
特許文献２に記載のインバータ装置は、電圧指令が、交流電動機へ出力可能な最大電圧値を超えると、ｄ軸電流指令の補正値であるｄ軸電流指令補正値を演算し、演算したｄ軸電流指令補正値を用いてｄ軸電流指令を補正する界磁弱め制御を行う。かかる界磁弱め制御において、特許文献２に記載のインバータ装置では、ｄ軸電流指令補正値を巻線切替前に予め算出しておき、巻線切り替えのタイミングで、予め算出しておいたｄ軸電流指令補正値を用いてｄ軸電流指令を補正する。
【０００６】
これにより、巻線切り替えによるショックの発生原因の一つであるｄ軸電流指令補正値の演算遅れを無くすことができ、加減速中においてもスムーズな巻線切替が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０６−２２５５８８号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２に記載のインバータ装置では、ｄ軸電流指令補正値を巻線切替前に予め算出しておき、かかるｄ軸電流指令補正値を用いたｄ軸電流指令の補正を巻線切り替えのタイミングで行うため、処理が複雑となっていた。
【０００９】
実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、交流電動機の電気的特性の切り替えによる影響を容易に低減することができるインバータ装置および電動機ドライブシステム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】
【００１０】
実施形態の一態様に係るインバータ装置は、電力供給部と、切替制御部とを備える。前記電力供給部は、回転速度に対する電気的特性を低速用特性と高速用特性とで切り替え可能な交流電動機に交流電力を供給する。前記切替制御部は、前記交流電動機の電気的特性を切り替える。また、前記切替制御部は、前記交流電動機の回転速度に基づき、前記交流電動機の電気的特性を前記低速用特性と前記高速用特性とで交互に、前記電力供給部の出力周波数よりも高い周波数で切り替えるスイッチング制御を実行する。
【発明の効果】
【００１１】
実施形態の一態様によれば、交流電動機の電気的特性の切り替えによる影響を容易に低減することができるインバータ装置および電動機ドライブシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る電動機ドライブシステムを示す図である。
【図２】図２は、中速運転において、インバータ装置から交流電動機へ出力される電圧波形の一例を示す図である。
【図３】図３は、図１に示す電力変換部および巻線切替器の構成を示す回路図である。
【図４】図４は、図１に示すインバータ装置の制御部の具体的構成を示す図である。
【図５】図５は、電流制御器の具体的構成の一例を示す図である。
【図６】図６は、定出力制御器の具体的構成の一例を示す図である。
【図７】図７は、交流電動機の回転速度と、誘起電圧値と、巻線状態との関係を示す図である。
【図８】図８は、交流電動機の巻線状態が低速用巻線と高速用巻線のスイッチング状態である場合のインバータ装置の出力電圧波形の一例を示す図である。
【図９】図９は、回転速度と巻線切替信号のオン比率との関係を示す図である。
【図１０】図１０は、巻線切替信号の波形の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、交流電動機を加速した場合のスイッチング素子のオン比率、低速用巻線および高速用巻線の時比率の関係を示す図である。
【図１２】図１２は、電動機ドライブシステムにおける交流電動機の回転速度と誘起電圧値との関係を示す図である。
【図１３】図１３は、第１の実施形態に係る電動機ドライブシステムの他の構成を示す図である。
【図１４】図１４は、第２の実施形態に係るインバータ装置の制御部の構成を示す図である。
【図１５】図１５は、交流電動機を低速領域から高速領域まで加速した場合のスイッチング素子の状態および巻線切替信号の状態を示す図である。
【図１６】図１６は、第３の実施形態に係るドライブシステムの構成を示す図である。
【図１７】図１７は、図１６に示す第１切替器および第２切替器を構成する各スイッチの一例を示す図である。
【図１８】図１８は、第４の実施形態に係るドライブシステムの構成を示す図である。
【図１９】図１９は、第５の実施形態に係るドライブシステムの構成を示す図である。
【図２０】図２０は、交流電動機の回転速度と、誘起電圧値と、巻線状態との関係を示す図である。
【図２１】図２１は、第６の実施形態に係るドライブシステムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本願の開示するインバータ装置および電動機ドライブシステム（以下、単に「ドライブシステム」と記載する）の実施形態を詳細に説明する。なお、回転速度に対する交流電動機の電気的特性を切り替える例として、第１〜第５の実施形態では、交流電動機の巻線状態を切り替える例を説明し、第６の実施形態では、交流電動機の極数を切り替える例を説明するが、これらの実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１４】
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態に係るドライブシステムについて説明する。図１は、第１の実施形態に係るドライブシステムを示す図である。
【００１５】
図１に示すように、第１の実施形態に係るドライブシステム１００は、交流電動機４０と、インバータ装置２０と、直流電圧源３０と、位置検出器４１と、巻線切替器６０とを備える。
【００１６】
インバータ装置２０は、電力変換部２１（電力供給部の一例）と、制御部２２とを備える電力変換装置である。電力変換部２１は、制御部２２により制御される。インバータ装置２０は、入力端子Ｔｐ、Ｔｎおよび出力端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗを備えており、直流電圧源３０から入力端子Ｔｐ、Ｔｎを介して供給される直流電力を電力変換部２１により３相交流電力へ変換して出力端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗから出力する。
【００１７】
直流電圧源３０は、交流電源と整流回路とを備え、インバータ装置２０に直流電力を供給する。直流電圧源３０は、たとえばバッテリなどのように整流回路を伴わない直流電源であってもよい。
【００１８】
交流電動機４０は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３相の電機子巻線を含む３相交流電動機であり、インバータ装置２０の出力端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗから出力される電圧（以下、出力端子電圧と記載する）により駆動される。かかる交流電動機４０には、各相に電機子巻線の両端を引き出す接続端子Ａ１〜Ａ６と中間点を引き出す接続端子Ｂ１〜Ｂ３とが設けられる。
【００１９】
接続端子Ａ１〜Ａ３のそれぞれは、各相の電機子巻線の一端に設けられ、インバータ装置２０の出力端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗに接続される。また、各相における電機子巻線の終端に設けられた接続端子Ａ４〜Ａ６および中間点に設けられた接続端子Ｂ１〜Ｂ３に対して巻線切替器６０が接続される。
【００２０】
位置検出器４１は、交流電動機４０の出力軸に接続され、交流電動機４０の回転子の位相θ（以下、回転子位相θと記載する）を検出する。位置検出器４１は、たとえばエンコーダやレゾルバなどである。
【００２１】
巻線切替器６０は、各相における電機子巻線の結線を切り替える。巻線切替器６０は、交流電動機４０の接続端子Ａ４〜Ａ６に接続される第１切替器６１と、交流電動機４０の接続端子Ｂ１〜Ｂ３に接続される第２切替器６２とを備える。かかる巻線切替器６０は、インバータ装置２０の制御部２２によって制御される。巻線切替器６０および制御部２２が巻線制御部の一例である。
【００２２】
制御部２２は、第１切替器６１を動作させることによって、交流電動機４０の電機子巻線の終端を短絡して交流電動機４０の巻線状態を切り替える。これにより、交流電動機４０のインピーダンスが最大の状態となる。この巻線状態を低速用巻線（低速用特性の一例）と呼ぶ。なお、回転速度が高速になるに従い交流電動機４０の誘起電圧が大きくなり、出力端子電圧が飽和しやすくなるため、比較的低い速度で界磁弱め制御が開始される。なお、出力端子電圧は、交流電動機４０の誘起電圧と交流電動機４０の一次側インピーダンスによる電圧降下分とを含む電圧である。
【００２３】
一方、制御部２２は、第２切替器６２を動作させることによって、交流電動機４０の電機子巻線の中間点を短絡して交流電動機４０の巻線状態を切り替える。これにより、交流電動機４０のインピーダンスが減少する。この巻線状態を高速用巻線（高速用特性の一例）と呼ぶ。交流電動機４０の巻線状態が高速用巻線である場合、インピーダンスを減少させることで誘起電圧が減少する。
【００２４】
制御部２２は、低速運転時は第１切替器６１を動作させ、高速運転時は第２切替器６２を動作させることによって巻線状態を切り替える。
【００２５】
さらに、制御部２２は、低速用巻線による低速運転と高速用巻線による高速運転との間に、交流電動機４０の巻線状態を低速用巻線と高速用巻線とを交互に切り替えるスイッチング制御を実行する。
【００２６】
図２は、低速用巻線と高速用巻線による運転（以下、中速運転と記載する）において、インバータ装置２０から交流電動機４０へ出力される電圧波形の一例を示す図である。図２に示すように、中速運転では、インバータ装置２０の出力周波数よりも高い周波数でスイッチング制御が実行される。
【００２７】
制御部２２は、スイッチング制御において巻線状態を低速用巻線にする時間と高速用巻線にする時間との比率を交流電動機４０の速度に応じて調整する。これにより、低速用巻線の場合の電圧と高速用巻線の場合の電圧との中間の電圧を得ることができる。したがって、従来のように低速用巻線による低速運転と高速用巻線による高速運転とを切り替える場合に比べ、加減速中であっても急激な巻線特性の変動を抑えて巻線切り替えによる影響を抑制できる。
【００２８】
しかも、これにより、界磁弱め制御によることなく誘起電圧の増加を抑えることができるので、高効率となる速度領域を拡大することもできる。
【００２９】
以下、第１の実施形態に係るインバータ装置２０および巻線切替器６０の具体的な構成について説明する。まず、巻線切替器６０の具体的構成を説明し、次に、インバータ装置２０の具体的構成を説明する。
【００３０】
［巻線切替器６０の構成例］
図３は、電力変換部２１および巻線切替器６０の構成を示す回路図である。上述したように、巻線切替器６０は、交流電動機４０の接続端子Ａ４〜Ａ６に接続される第１切替器６１と、交流電動機４０の接続端子Ｂ１〜Ｂ３に接続される第２切替器６２と、論理否定（ＮＯＴ）回路Ｉｎｖ１とを備える。巻線切替器６０は、これら第１切替器６１および第２切替器６２を用いて交流電動機４０の電機子巻線の終端あるいは中間点を短絡することによって交流電動機４０の巻線特性を切り替える。
【００３１】
図３に示すように、第１切替器６１は、３相ダイオードブリッジＤＢ１と、スイッチング素子ＳＷ１１と、抵抗素子Ｒ１と、コンデンサ素子Ｃ１と、ダイオードＤ１１、Ｄ１２とを備える。３相ダイオードブリッジＤＢ１の交流入力端子Ｔｕ１、Ｔｖ１、Ｔｗ１は、交流電動機４０の接続端子Ａ４〜Ａ６に接続される。
【００３２】
スイッチング素子ＳＷ１１は、３相ダイオードブリッジＤＢ１の直流出力側に接続され、３相ダイオードブリッジＤＢ１の直流出力間の接続や開放を行う。かかるスイッチング素子ＳＷ１１は、たとえば、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴのような自己消弧形の半導体スイッチング素子である。
【００３３】
抵抗素子Ｒ１およびコンデンサ素子Ｃ１は、ダイオードＤ１１、Ｄ１２を介して３相ダイオードブリッジＤＢ１の直流出力側に接続される。これら抵抗素子Ｒ１およびコンデンサ素子Ｃ１によって巻線切り替え時に放出されるエネルギーによって発生するサージ電圧は効果的に吸収される。
【００３４】
第２切替器６２は、第１切替器６１と同様の回路であり、３相ダイオードブリッジＤＢ２と、スイッチング素子ＳＷ１２と、抵抗素子Ｒ２と、コンデンサ素子Ｃ２と、ダイオードＤ１３、Ｄ１４とを備える。３相ダイオードブリッジＤＢ２の交流入力端子Ｔｕ２、Ｔｖ２、Ｔｗ２は、交流電動機４０の接続端子Ｂ１〜Ｂ３に接続される。なお、抵抗素子Ｒ２およびコンデンサ素子Ｃ２は、第１切替器６１の抵抗素子Ｒ１およびコンデンサ素子Ｃ１と共用することもできる。
【００３５】
第１切替器６１および第２切替器６２は、制御部２２から出力される後述の巻線切替信号Ｓａにより制御される。制御部２２からＬｏｗレベルの巻線切替信号Ｓａが出力されると、論理否定回路Ｉｎｖ１によってＨｉｇｈレベルの信号がスイッチング素子ＳＷ１１へ入力されてスイッチング素子ＳＷ１１がオン状態になる。また、Ｌｏｗレベルの巻線切替信号Ｓａによりスイッチング素子ＳＷ１２はオフ状態になる。これにより、交流電動機４０の接続端子Ｂ１〜Ｂ３が短絡され、交流電動機４０の巻線状態が低速用巻線になる。
【００３６】
一方、制御部２２からＨｉｇｈレベルの巻線切替信号Ｓａが出力されると、論理否定回路Ｉｎｖ１によってＬｏｗレベルの信号がスイッチング素子ＳＷ１１へ入力されてスイッチング素子ＳＷ１１がオフ状態になる。また、Ｈｉｇｈレベルの巻線切替信号Ｓａによりスイッチング素子ＳＷ１２がオン状態になる。これにより、交流電動機４０の接続端子Ａ４〜Ａ６が短絡され、交流電動機４０の巻線状態が高速用巻線になる。
【００３７】
なお、第１切替器６１によって交流電動機４０の巻線状態が低速用巻線になり、第２切替器６２によって交流電動機４０の巻線状態が高速用巻線になればよく、第１切替器６１および第２切替器６２の構成は図３に示す構成に限られない。
【００３８】
［インバータ装置２０の構成］
次に、第１の実施形態に係るインバータ装置２０の構成について図３および図４を用いて説明する。図４は、第１の実施形態に係るインバータ装置２０の制御部２２の具体的構成を示す図である。
【００３９】
図４に示すように、インバータ装置２０の制御部２２は、トルク指令発生器１と、電流指令演算器２と、電流制御器３と、ＰＷＭ信号生成器４と、電流検出器５と、Ａ／Ｄ変換器６とを備える。さらに、制御部２２は、電圧検出器７と、定出力制御器８と、速度演算器９と、巻線切替信号発生器１０と、定数切替器１１とを備える。なお、巻線切替信号発生器１０、定数切替器１１および巻線切替器６０が巻線切替制御部の一例である。
【００４０】
トルク指令発生器１は、交流電動機４０の発生するトルク量の目標値であるトルク指令Ｔ_refを生成し、かかるトルク指令Ｔ_refを電流指令演算器２および定出力制御器８へ出力する。なお、トルク指令Ｔ_refは、図示していないインバータ装置２０の外部制御器から入力されてもよい。
【００４１】
電流指令演算器２は、トルク指令発生器１からのトルク指令Ｔ_refおよび定数切替器１１からの電動機定数や制御パラメータに基づいて、ｄ軸電流指令Ｉd_refおよびｑ軸電流指令Ｉq_refを生成する。
【００４２】
電流指令演算器２は、たとえば、トルク−電流換算係数Ｋ、ｄ軸方向と直交する方向ベクトルであるｑ軸方向を基準とした電流位相βに基づきｄ軸電流指令Ｉd_ref１を算出する。電流指令演算器２は、かかるｄ軸電流指令Ｉd_ref１に定出力制御器８からの定出力量Ｉd_refcを加算しｄ軸電流指令Ｉd_refとして電流制御器３へ出力する。
【００４３】
また、電流指令演算器２は、たとえば、電機子巻線のｄ軸インダクタンス値Ｌｄ、電機子巻線のｑ軸インダクタンス値Ｌｑに基づきｑ軸電流指令Ｉq_refを算出し、算出したｑ軸電流指令Ｉq_refを電流制御器３へ出力する。
【００４４】
電流制御器３は、電流指令演算器２からのｄ軸電流指令Ｉd_refおよびｑ軸電流指令Ｉq_refに応じた電流が交流電動機４０に流れるように制御して電圧指令Ｖd_ref、Ｖq_refを生成し、かかる電圧指令Ｖd_ref、Ｖq_refを各相の電圧指令Ｖu_ref、Ｖv_ref、Ｖw_refへ変換する。そして、電流制御器３は、電圧指令Ｖd_ref、Ｖq_refを定出力制御器８へ、電圧指令Ｖu_ref、Ｖv_ref、Ｖw_refをＰＷＭ信号生成器４へ出力する。
【００４５】
図５は、電流制御器３の具体的構成の一例を示す図である。図５に示すように、電流制御器３は、座標変換器７０、７７と、減算器７１、７２と、ｄ軸電流制御器７３と、ｑ軸電流制御器７４とを備える。
【００４６】
座標変換器７０は、回転子位相θに基づき、Ａ／Ｄ変換器６からの検出電流値Ｉu_fb、Ｉv_fbを電流フィードバック値Ｉd_fb、Ｉq_fbへ座標変換する。減算器７１は、ｄ軸電流指令Ｉd_refからｄ軸電流フィードバック値Ｉd_fbを減算し、減算結果をｄ軸電流制御器７３へ出力する。また、減算器７２は、ｑ軸電流指令Ｉq_refからｑ軸電流フィードバック値Ｉq_fbを減算し、減算結果をｑ軸電流制御器７４へ出力する。
【００４７】
ｄ軸電流制御器７３は減算器７１による減算結果が０になるように制御し、ｑ軸電流制御器７４は、減算器７２による減算結果が０になるように制御する。ｄ軸電流制御器７３およびｑ軸電流制御器７４は、たとえば、ＰＩ（比例積分）制御を行い、それぞれ電圧指令Ｖd_ref、Ｖq_refを出力する。
【００４８】
座標変換器７７は、回転子位相θに基づき電圧指令Ｖd_ref、Ｖq_refをＵ相、Ｖ相およびＷ相の電圧指令Ｖu_ref、Ｖv_ref、Ｖw_refへ変換し、かかる電圧指令Ｖu_ref、Ｖv_ref、Ｖw_refをＰＷＭ信号生成器４へ出力する。
【００４９】
図４に戻って制御部２２の説明を続ける。ＰＷＭ信号生成器４は、内部で生成した搬送波信号Ｖｔと電流制御器３からの電圧指令Ｖu_ref、Ｖv_ref、Ｖw_refとの比較結果に基づいてＰＷＭ信号Ｓ１〜Ｓ６を生成し、電力変換部２１へ出力する。電力変換部２１は、たとえば、図３に示すように、３相ブリッジ接続されたスイッチング素子Ｓｗ１〜Ｓｗ６と、これらスイッチング素子Ｓｗ１〜Ｓｗ６のそれぞれに逆並列接続されたダイオードＤ１〜Ｄ６とを備える。
【００５０】
制御部２２は、ＰＷＭ信号Ｓ１〜Ｓ６によってスイッチング素子Ｓｗ１〜Ｓｗ６をオン／オフ制御することで、電力変換部２１から交流電動機４０に対して所期の周波数および電圧値の電圧を出力させる。
【００５１】
図４に示す電流検出器５は、交流電動機４０の巻線に流れる電流を検出する。かかる電流検出器５によって検出された電流値Ｉu_fb、Ｉv_fbは、Ａ／Ｄ変換器６へ出力される。
【００５２】
Ａ／Ｄ変換器６は、電流検出器５の検出電流値Ｉu_fb、Ｉv_fbをデジタル信号へ変換する。かかるＡ／Ｄ変換器６によってデジタル信号へ変換された検出電流値Ｉu_fb、Ｉv_fbは、電流制御器３へ出力される。
【００５３】
電圧検出器７は、直流電圧源３０の電圧値、具体的には直流電圧源３０が接続されたインバータ装置２０の入力端子Ｔｐ、Ｔｎ間の直流電圧値Ｖbatを検出し、検出した直流電圧値Ｖbatを定出力制御器８へ出力する。
【００５４】
定出力制御器８は、電圧指令Ｖd_ref、Ｖq_refから求めた電圧指令の振幅値Ｖfb（以下、電圧振幅値Ｖfbと記載する）が、電圧検出器７の直流電圧値Ｖbatに基づく出力可能な最大電圧値Ｖmaxに達した場合、これら電圧指令Ｖd_ref、Ｖq_refおよび最大電圧値Ｖmaxに基づいて定出力量Ｉd_refcを算出する。算出される定出力量Ｉd_refcは、界磁弱め制御に用いられる。このように、電圧振幅値Ｖfbと最大電圧値Ｖmaxの値に基づき定出力制御が行われる。
【００５５】
図６は、定出力制御器８の具体的構成の一例を示す図である。図６に示すように、定出力制御器８は、振幅演算器８１と、減算器８２と、ＰＩ制御器８３と、リミッタ８４と、フィルタ８５とを備える。
【００５６】
振幅演算器８１は、電圧指令Ｖd_ref、Ｖq_refから電圧振幅値Ｖfbを算出し、算出した電圧振幅値Ｖfbを電圧フィードバック値Ｖfbとして減算器８２へ出力する。
【００５７】
減算器８２は、最大電圧値Ｖmaxから電圧フィードバック値Ｖfbを減算し、減算結果をＰＩ制御器８３へ出力する。最大電圧値Ｖmaxは、電圧検出器７からの直流電圧値Ｖbat、または、直流電圧値Ｖbatに図示していない係数を乗算するなどして決定される。
【００５８】
ＰＩ制御器８３は、減算器８２の減算結果をＰＩ（比例積分）制御を行い、電圧フィードバック値Ｖfbが最大電圧値Ｖmaxを超えないように動作する。かかる目的を達するため、リミッタ８４は、ＰＩ制御器８３の出力が正の値の場合は０に制限し、負の値である場合には所定の値で制限し、フィルタ８５へ出力する。リミッタ８４の出力値は、フィルタ８５を介して定出力量Ｉd_refcとして出力される。なお、フィルタ８５は必要に応じて設けられればよい。
【００５９】
図４に戻って制御部２２の説明を続ける。速度演算器９は、位置検出器４１からの回転子位相θに基づいて交流電動機４０の回転速度ωを演算する。演算された回転速度ωは、巻線切替信号発生器１０へ出力される。
【００６０】
巻線切替信号発生器１０は、巻線切替器６０に対して巻線切替信号Ｓａを出力することによって巻線切り替えを実行させる。具体的には、巻線切替信号発生器１０は、速度演算器９からの回転速度ωに応じた巻線切替信号Ｓａを生成し、かかる巻線切替信号Ｓａを巻線切替器６０および定数切替器１１へ出力する。
【００６１】
巻線切替信号Ｓａは、ＰＷＭ信号生成器４からの搬送波信号Ｖｔと同期した信号であり、たとえば、搬送波信号Ｖｔを分周した信号に基づき作成される。搬送波信号Ｖｔの周波数は、たとえば、１０ｋ（Ｈｚ）であり、搬送波信号Ｖｔを分周した信号の周波数は、たとえば、１ｋ（Ｈｚ）である。なお、制御部２２による巻線切替処理については、図７〜図１３を用いて後述する。
【００６２】
定数切替器１１は、低速用および高速用の電動機定数や制御パラメータ用データ（以下、設定データと記載する）を保持しており、巻線切替信号発生器１０からの巻線切替信号Ｓａに従って選択した設定データを電流指令演算器２へ出力し、交流電動機４０の巻線状態と一致する電動機定数や制御パラメータに切り替える。
【００６３】
定数切替器１１が保持する設定データとしては、たとえば、トルク−電流換算係数Ｋ、電流位相β、電機子巻線インダクタンス値Ｌｄ、Ｌｑ、電機子鎖交磁束Φ、電機子巻線抵抗値Ｒなどがある。
【００６４】
かかる定数切替器１１は、切替器２３、低速用設定データ２４、中速用設定データテーブル２５および高速用設定データ２６を有する。中速用設定データテーブル２５には、巻線切替信号Ｓａの時比率に対応させた設定データが設定される。
【００６５】
定数切替器１１は、巻線切替信号Ｓａに応じて切替器２３を切り替え、低速用設定データ２４、中速用設定データテーブル２５および高速用設定データ２６の中から巻線切替信号Ｓａに応じた設定データを取得して出力する。なお、中速用設定データテーブル２５に代えて巻線切替信号Ｓａに応じた設定データを演算する演算式によって巻線切替信号Ｓａに応じた設定データを出力してもよい。
【００６６】
［制御部２２による巻線切替処理］
次に、制御部２２による巻線切替処理について具体的に説明する。制御部２２は、速度演算器９からの回転速度ωに応じて、交流電動機４０の巻線状態を低速用巻線、低速用巻線と高速用巻線のスイッチング状態、および、高速用巻線のいずれかに設定する。
【００６７】
図７は、交流電動機４０の回転速度ωと、誘起電圧値と、巻線状態との関係を示す図である。図７に示すように、回転速度ωが第１基準回転速度ωBL以下である低速領域の場合、巻線切替信号発生器１０は、Ｌｏｗレベルの巻線切替信号Ｓａを巻線切替器６０へ出力する。これにより、交流電動機４０の巻線状態は低速用巻線になる。なお、第１基準回転速度ωBLは、たとえば、巻線状態が低速用巻線における交流電動機４０の誘起電圧値が最大電圧値Ｖmaxとなる回転速度ωである。
【００６８】
また、回転速度ωが第２基準回転速度ωBH以上である高速領域の場合、巻線切替信号発生器１０は、Ｈｉｇｈレベルの巻線切替信号Ｓａを巻線切替器６０へ出力する。これにより、交流電動機４０の巻線状態は高速用巻線の状態になる。なお、第２基準回転速度ωBHは、たとえば、巻線状態が高速用巻線における交流電動機４０の誘起電圧値が最大電圧値Ｖmaxとなる回転速度ωである。
【００６９】
一方、回転速度ωが第１基準回転速度ωBL超で第２基準回転速度ωBH未満である中速領域の場合、巻線切替信号発生器１０は、回転速度ωに応じた時比率でＨｉｇｈレベルになる所定周波数（たとえば、１ｋＨｚ）の巻線切替信号Ｓａを巻線切替器６０へ出力する。これにより、交流電動機４０の巻線状態は低速用巻線と高速用巻線とが交互に切り替えられる。
【００７０】
回転速度ωが第１基準回転速度ωBL超で第２基準回転速度ωBH未満である場合に、交流電動機４０の巻線状態が低速用巻線の状態であれば、交流電動機４０の誘起電圧値が最大電圧値Ｖmaxに達するため、界磁弱め制御により交流電動機４０の誘起電圧値が最大電圧値Ｖmaxに維持される。一方、交流電動機４０の巻線状態が高速用巻線であれば交流電動機４０の誘起電圧値は最大電圧値Ｖmaxに達しない。
【００７１】
そこで、回転速度ωが第１基準回転速度ωBL超で第２基準回転速度ωBH未満である場合、交流電動機４０の巻線状態を低速用巻線と高速用巻線とを交互に切り替え、界磁弱め制御によらずに交流電動機４０の誘起電圧値を最大電圧値Ｖmax以下に維持する。
【００７２】
これにより、図８に示すように、低速用巻線による電圧（以下、低速巻線電圧と記載する）と高速用巻線による電圧（以下、高速巻線電圧と記載する）との間の電圧（以下、中速巻線電圧と記載する）を作り出すことができる。図８は、交流電動機４０の巻線状態が低速用巻線と高速用巻線のスイッチング状態である場合のインバータ装置２０の出力電圧波形の一例を示す図である。
【００７３】
中速運転における中速巻線電圧は、図８に示すように、低速用巻線による電圧と高速用巻線による電圧で生成される。そのため、中速運転において交流電動機４０の巻線状態が低速用巻線である時間（以下、低速巻線時間と記載する）と高速用巻線である時間（以下、高速巻線時間と記載する）とを調整することで中速巻線電圧を低速巻線電圧と高速巻線電圧との間で任意に調整することができる。これにより、交流電動機４０の軸出力としては定出力制御となる領域を、低速用巻線での定トルク制御と高速用巻線での定トルク制御を交互に切り替え、高効率領域を拡大することができる。
【００７４】
図９は、回転速度ωと巻線切替信号Ｓａのオン比率Ｔｒとの関係を示す図である。オン比率Ｔｒは、ＬｏｗレベルとＨｉｇｈレベルの比であり、低速巻線時間が１００％の場合、オン比率Ｔｒが１００％であり、高速巻線時間が１００％の場合、オン比率Ｔｒが０％である。図９に示すように、回転速度ωが第１基準回転速度ωBL以下である場合、オン比率Ｔｒが１００％であり、回転速度ωが第２基準回転速度ωBH以上である場合、オン比率Ｔｒが０％である。
【００７５】
回転速度ωが第１基準回転速度ωBL超で第２基準回転速度ωBH未満である場合、回転速度ωが速くなるほど、０％に近づくようにオン比率Ｔｒが設定される。図１０は、巻線切替信号Ｓａの波形の一例を示す図である。図１０に示すように、巻線切替信号Ｓａは周期ＴC毎にＬｏｗレベルとなるオン期間ＴLとＨｉｇｈレベルとなるオフ期間ＴHが設定される。巻線切替信号Ｓａのオン比率Ｔｒは、ＴL／ＴCで表される。
【００７６】
巻線切替信号Ｓａは、上述したように、定数切替器１１へ入力される。これにより、巻線切替信号Ｓａに応じた設定データが定数切替器１１から出力される。具体的には定数切替器１１は、巻線切替信号Ｓａのオン比率Ｔｒが０％である場合、切替器２３を低速用設定データ２４に切り替え、設定データを低速用設定データ２４から取得して出力する。一方、巻線切替信号Ｓａのオン比率Ｔｒが１００％である場合、定数切替器１１は、切替器２３を高速用設定データ２６に切り替え、設定データを高速用設定データ２６から取得して出力する。
【００７７】
また、定数切替器１１は、巻線切替信号Ｓａの時比率が０％を超え１００％未満である場合、切替器２３を中速用設定データテーブル２５に切り替える。中速用設定データテーブル２５には、巻線切替信号Ｓａのオン比率Ｔｒに応じた設定データが設定されており、定数切替器１１は、巻線切替信号Ｓａのオン比率Ｔｒに応じた設定データを中速用設定データテーブル２５から取得して出力する。これにより、設定データを連続的に切り替えることができる。
【００７８】
なお、図４に示す例では、巻線切替信号Ｓａのオン比率Ｔｒに応じた設定データをテーブルに設定するようにしたが、演算テーブルに代えて巻線切替信号Ｓａのオン比率Ｔｒに応じた設定データを演算する演算式によって巻線切替信号Ｓａのオン比率Ｔｒに応じた設定データを出力してもよい。
【００７９】
このように、定数切替器１１は、巻線切替信号Ｓａに応じた設定データを出力し、かかる設定データが電流指令演算器２へ入力される。これにより、電流指令演算器２において交流電動機４０の巻線状態と一致する電動機定数や制御パラメータに切り替えられる。
【００８０】
図１１は、交流電動機４０を加速した場合のスイッチング素子Ｓｗ１１、Ｓｗ１２のオン比率、低速用巻線および高速用巻線の時比率の関係を示す図である。図１１に示すように、交流電動機４０を加減速する場合には、低速用巻線の時比率および高速用巻線の時比率が０％と１００％との間で連続して変化し、また、定数切替器１１から出力される設定データも同様に連続的に変化する。
【００８１】
したがって、本実施形態に係るドライブシステム１００では、図１２に示すように特性が変化する交流電動機を仮想的に運転している場合と同等に交流電動機４０を運転することが可能となる。図１２は、ドライブシステム１００における交流電動機４０の回転速度ωと誘起電圧値との関係を示す図である。
【００８２】
このように、本実施形態に係るドライブシステム１００は、回転速度ωに応じた時比率で低速用巻線と高速用巻線とを交互に切り替えることによって、高効率領域をさらに拡大することができ、また、交流電動機４０の巻線状態を急に切り替える場合に比べ、巻線切り替えによる影響を低減できる。
【００８３】
また、上述したように、巻線切替信号発生器１０は、巻線切替信号ＳａをＰＷＭ信号生成器４からの搬送波信号Ｖｔと同期する信号としており、これにより、巻線切り替えによるスイッチングノイズの影響をさらに抑えることができる。
【００８４】
なお、巻線切替信号Ｓａは、図１３に示すように、ＰＷＭ信号生成器４からの搬送波信号Ｖｔと同期しない信号であってもよい。図１３は、第１の実施形態に係るドライブシステムの他の構成を示す図である。図１３に示すドライブシステム１００Ａでは、インバータ装置２０の巻線切替信号発生器１０とは別に、巻線切替器６０Ａに巻線切替信号発生器６４を設けている。これにより、インバータ装置２０と巻線切替器６０Ａとが離れた場所にある場合に、ゲーブルの引き回し処理を軽減することができ、独立した制御が可能となる。
【００８５】
また、巻線切替信号Ｓａを搬送波信号Ｖｔと同期する信号として、巻線切り替えを行った場合、電流検出器５による検出電流値Ｉu_fb、Ｉv_fbの検出タイミングと交流電動機４０の巻線切り替えタイミングが一致する場合がある。交流電動機４０の巻線切り替え直後では、交流電動機４０の巻線状態が変化すると検出電流値Ｉu_fb、Ｉv_fbの精度が悪くなる。
【００８６】
そこで、制御部２２は、交流電動機４０の巻線切り替えタイミングで電流検出器５が検出した検出電流値Ｉu_fb、Ｉv_fbを用いず、たとえば、一つ前のタイミングで検出した検出電流値Ｉu_fb、Ｉv_fbを用いて電圧指令Ｖd_ref、Ｖq_refを生成する。これにより、電力変換部２１からの電圧出力の精度劣化を抑制することができる。
【００８７】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係るドライブシステムについて説明する。第１の実施形態に係るドライブシステム１００では、低速用巻線と高速用巻線のスイッチング制御により交流電動機４０を中速運転したが、第２の実施形態に係るドライブシステムでは、中速運転に代えて移行動作で交流電動機４０を運転する。なお、以下においては、第１の実施形態に係るドライブシステム１００と異なる点を中心に説明し、第１の実施形態と同様の機能を有する構成要素については同一符号を付して説明を省略する。
【００８８】
図１４は、第２の実施形態に係るインバータ装置２０の制御部２２Ａの構成を示す図である。かかる図１４では、巻線切替信号発生器１０Ａおよび定数切替器１１Ａのみを示しており、その他の構成は省略している。
【００８９】
巻線切替信号発生器１０Ａは、回転速度ωが基準回転速度ωBR以下である場合、Ｌｏｗレベルの巻線切替信号Ｓａ１を巻線切替器６０へ出力し、回転速度ωが基準回転速度ωBR以上である場合、Ｈｉｇｈレベルの巻線切替信号Ｓａ１を巻線切替器６０へ出力する。
【００９０】
一方、加速により基準回転速度ωBR超へ変化する場合、また、減速により基準回転速度ωBR未満へ変化する場合、巻線切替信号発生器１０Ａは、時間に伴って時比率が０％と１００％との間で連続的に変化する巻線切替信号Ｓａ１を巻線切替器６０へ出力する。これにより、交流電動機４０の巻線状態が低速用巻線と高速用巻線とに交互に切り替えられながら、低速動作から高速動作への移行、および、高速動作から低速動作への移行が行われる。巻線切替信号Ｓａ１は、第１の実施形態に係る巻線切替信号Ｓａと同様に、所定周波数（たとえば、１ｋＨｚ）のパルス信号である。
【００９１】
図１５は、交流電動機４０を低速領域から高速領域まで加速した場合のスイッチング素子Ｓｗ１１、Ｓｗ１２の状態および巻線切替信号Ｓａ１の状態を示す図である。図１５に示すように、交流電動機４０を低速領域から高速領域まで加速した場合、低速領域では、巻線切替信号Ｓａ１がＬｏｗレベルであり、スイッチング素子Ｓｗ１１がオン、スイッチング素子Ｓｗ１２がオフになって、交流電動機４０の巻線状態が低速用巻線になる。
【００９２】
その後、回転速度ωが基準回転速度ωBRを超えて高速領域になると、所定時間Ｔａの間、巻線切替信号Ｓａ１が時間に伴って時比率が０％から１００％まで連続的に変化し、スイッチング素子Ｓｗ１１、Ｓｗ１２が巻線切替信号Ｓａ１の時比率に応じてオン／オフされる。そして、所定時間Ｔａが経過すると、巻線切替信号Ｓａ１がＨｉｇｈレベル（時比率が１００％）となり、スイッチング素子Ｓｗ１１がオフ、スイッチング素子Ｓｗ１２がオンになって、交流電動機４０の巻線状態が高速用巻線になる。
【００９３】
このように、巻線切替信号発生器１０Ａは、低速用巻線および高速用巻線のうち一方の巻線が電力変換部２１に接続された状態から、他方の巻線を電力変換部２１に接続した状態へ移行する場合に、一方の巻線の電力変換部２１への接続時間を短くしながら低速用巻線と高速用巻線を交互に切り替えるスイッチング制御を実行する。
【００９４】
定数切替器１１Ａは、切替器２３Ａ、低速用設定データ２４、高速用設定データ２６および移行用設定データテーブル２７を有する。かかる定数切替器１１Ａは、巻線切替信号Ｓａ１がＬｏｗレベルである場合、切替器２３Ａから低速用設定データ２４を出力し、巻線切替信号Ｓａ１がＨｉｇｈレベルである場合、切替器２３Ａから高速用設定データ２６を出力する。
【００９５】
さらに、切替器２３Ａは、巻線切替信号Ｓａ１がＬｏｗレベルとＨｉｇｈレベルとの間で変化している場合、切替器２３Ａから移行用設定データテーブル２７に設定された設定データを変化させながら所定期間出力する。移行用設定データテーブル２７には、巻線切替信号Ｓａ１のオン比率に応じた設定データが設定されており、これにより、定数切替器１１Ａは、設定データを変化させながら所定期間出力することができる。
【００９６】
このように、第２の実施形態に係るドライブシステムでは、低速領域から高速領域へ移行する場合、または、高速領域から低速領域へ移行する場合に、交流電動機４０の巻線状態が低速用巻線と高速用巻線とを交互に切り替えながら、低速動作と高速動作との間の移行が行われる。そのため、交流電動機４０の巻線状態を急に切り替える場合に比べ、巻線切り替えによる影響を低減できる。
【００９７】
なお、巻線切替信号Ｓａ１は、第１の実施形態の場合と同様に、ＰＷＭ信号生成器４からの搬送波信号Ｖｔと同期しない信号であってもよく、インバータ装置２０の巻線切替信号発生器１０Ａとは別に、巻線切替器６０に巻線切替信号発生器６４を設けてもよい。また、制御部２２Ａは、交流電動機４０の巻線切り替えタイミングで電流検出器５が検出した検出電流値Ｉu_fb、Ｉv_fbを用いず、たとえば、一つ前のタイミングで検出した検出電流値Ｉu_fb、Ｉv_fbを用いて電圧指令Ｖd_ref、Ｖq_refを生成してもよい。
【００９８】
（第３の実施形態）
第１の実施形態に係るドライブシステム１００では、電機子巻線の結線状態の変更をスター（Ｙ）結線の巻線数を変更することで行うが、第３の実施形態に係るドライブシステムでは、電機子巻線の結線状態の変更をスター結線とデルタ（Δ）結線とを切り替えることにより行う。なお、以下においては、第１の実施形態に係るドライブシステム１００と異なる点を中心に説明し、第１の実施形態と同様の機能を有する構成要素については同一符号を付して説明を省略する。
【００９９】
図１６は、第３の実施形態に係るドライブシステム１００Ｂの構成を示す図である。図１６に示すように、交流電動機４０Ｂには、各相に電機子巻線の両端を引き出す接続端子Ａ１〜Ａ６が設けられ、これらの接続端子Ａ１〜Ａ６に対して巻線切替器６０Ｂが接続される。
【０１００】
巻線切替器６０Ｂは、交流電動機４０Ｂの接続端子Ａ４〜Ａ６に接続される第１切替器６１Ｂと、交流電動機４０Ｂの接続端子Ａ１〜Ａ３に接続される第２切替器６２Ｂと、論理否定回路Ｉｎｖ１とを備える。第１切替器６１Ｂおよび第２切替器６２Ｂを構成する各スイッチは、たとえば、半導体素子によって構成される。
【０１０１】
図１７は、第１切替器６１Ｂおよび第２切替器６２Ｂを構成する各スイッチの一例を示す図である。図１７に示す例では、各スイッチは、ダイオードとスイッチング素子との直列回路を逆並列接続して構成されるが、交流電圧電流に対する接続／開放を高速で行うことができる半導体素子を用いた構成であれば異なる構成であってもよい。
【０１０２】
インバータ装置２０の制御部２２は、第１切替器６１Ｂを動作させることによって、交流電動機４０Ｂの電機子巻線の終端を短絡して交流電動機４０Ｂの巻線状態を低速用巻線であるスター結線に切り替える。一方、インバータ装置２０の制御部２２は、第２切替器６２Ｂを動作させることによって、交流電動機４０Ｂの電機子巻線の一端と他端とを異なる相同士で接続して交流電動機４０Ｂの巻線状態を高速用巻線であるデルタ結線に切り替える。
【０１０３】
制御部２２は、低速運転時は第１切替器６１Ｂを動作させ、高速運転時は第２切替器６２Ｂを動作させることによって巻線状態を切り替える。さらに、制御部２２は、第１および第２の実施形態の場合と同様に、低速用巻線による低速運転と高速用巻線による高速運転との間の速度領域に、交流電動機４０Ｂの速度に応じた時比率で低速用巻線と高速用巻線とを交互に切り替えるスイッチング制御を実行する。
【０１０４】
このように、第３の実施形態に係るドライブシステム１００Ｂは、交流電動機４０Ｂの速度に応じた時比率でスター結線とデルタ結線とを交互に切り替えることから、第１の実施形態に係るドライブシステム１００と同様に、高効率領域を拡大することができる。
【０１０５】
なお、スター結線とデルタ結線とを切り替えることに代えて、デルタ（Δ）結線の巻線数を変更することによって、電機子巻線の巻線状態を切り替えるようにしてもよい。また、第２の実施形態の場合と同様に、制御部２２に代えて制御部２２Ａを設けるようにしてもよい。この場合、制御部２２Ａは、低速領域から高速領域へ移行する場合、または、高速領域から低速領域へ移行する場合に、交流電動機４０Ｂの巻線状態としてスター結線とデルタ結線とを交互に切り替えながら、低速動作と高速動作との間の移行を行うようにしてもよい。
【０１０６】
（第４の実施形態）
第１の実施形態に係るドライブシステム１００では、電機子巻線の中性点の位置を変更することで電機子巻線の巻線状態を切り替えるものであるが、第４の実施形態に係るドライブシステムでは、中性点の位置を変更せずに電機子巻線の巻線状態を切り替える。なお、以下においては、第１の実施形態に係るドライブシステム１００と異なる点を中心に説明し、第１の実施形態と同様の機能を有する構成要素については同一符号を付して説明を省略する。
【０１０７】
図１８は、第４の実施形態に係るドライブシステム１００Ｃの構成を示す図である。図１８に示すように、交流電動機４０Ｃには、各相に電機子巻線の一端を引き出す接続端子Ａ１〜Ａ３および中間点を引き出す接続端子Ｂ１〜Ｂ３が設けられ、これらの接続端子Ａ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ３に対して巻線切替器６０Ｃが接続される。
【０１０８】
巻線切替器６０Ｃは、交流電動機４０Ｃの接続端子Ａ１〜Ａ３に接続される第１切替器６１Ｃと、交流電動機４０Ｃの接続端子Ｂ１〜Ｂ３に接続される第２切替器６２Ｃと、論理否定回路Ｉｎｖ１とを備える。第１切替器６１Ｃおよび第２切替器６２Ｃを構成する各スイッチは、交流電圧電流に対する接続／開放を高速で行うことができるように半導体素子によって構成される（たとえば、図１７参照）。
【０１０９】
インバータ装置２０の制御部２２は、第１切替器６１Ｃを動作させることによって、交流電動機４０Ｃの接続端子Ａ１〜Ａ３を電力変換部２１に接続して交流電動機４０Ｃの巻線状態を切り替える。これにより、交流電動機４０Ｃのインピーダンスが最大の状態となる。この巻線状態を低速用巻線と呼ぶ。
【０１１０】
一方、インバータ装置２０の制御部２２は、第２切替器６２Ｃを動作させることによって、交流電動機４０Ｃの接続端子Ｂ１〜Ｂ３を電力変換部２１に接続して交流電動機４０Ｃの巻線状態を切り替える。これにより、交流電動機４０Ｃのインピーダンスが減少する。この巻線状態を高速用巻線と呼ぶ。
【０１１１】
制御部２２は、低速運転時は第１切替器６１Ｃを動作させ、高速運転時は第２切替器６２Ｃを動作させることによって巻線状態を切り替える。さらに、制御部２２は、低速用巻線による低速運転と高速用巻線による高速運転との間の速度領域に、交流電動機４０Ｃの速度に応じた時比率で低速用巻線と高速用巻線とを交互に切り替えるスイッチング制御を実行する。
【０１１２】
このように、第４の実施形態に係るドライブシステム１００Ｃは、第１の実施形態に係るドライブシステム１００と同様に、スター結線の巻線状態を低速用巻線と高速用巻線とを交互に切り替えることから、第１の実施形態に係るドライブシステム１００と同様に、高効率領域を拡大することができる。
【０１１３】
なお、第２の実施形態の場合と同様に、制御部２２に代えて制御部２２Ａを設けるようにしてもよい。この場合、制御部２２Ａは、低速領域から高速領域へ移行する場合、または、高速領域から低速領域へ移行する場合に、交流電動機４０Ｃの低速用巻線と高速用巻線とを交互に切り替えながら、低速動作と高速動作との間の移行を行うようにしてもよい。
【０１１４】
（第５の実施形態）
上述した実施形態に係るドライブシステム１００、１００Ａ〜１００Ｃでは、２つの巻線状態の切り替え処理を行うが、第５の実施形態に係るドライブシステムでは、３つの巻線状態の切り替え処理を行う。以下においては、一例として、スター結線の巻線数を３段階に切り替える例を説明するが、３つ以上の巻線状態を切り替えることができればよく、たとえば、デルタ結線の巻線数を３段階以上に切り替えるようにしてもよい。また、以下においては、第１の実施形態に係るドライブシステム１００と異なる点を中心に説明し、第１の実施形態と同様の機能を有する構成要素については同一符号を付して説明を省略する。
【０１１５】
図１９は、第５の実施形態に係るドライブシステム１００Ｄの構成を示す図である。図１９に示すように、交流電動機４０Ｄには、各相に電機子巻線の両端を引き出す接続端子Ａ１〜Ａ６および中途部に設けられた接続端子Ｂ１〜Ｂ６に対して巻線切替器６０Ｄが接続される。
【０１１６】
巻線切替器６０Ｄは、交流電動機４０Ｄの接続端子Ａ４〜Ａ６に接続される第１切替器６１Ｄと、交流電動機４０Ｄの接続端子Ｂ４〜Ｂ６に接続される第２切替器６２Ｄと、交流電動機４０Ｄの接続端子Ｂ１〜Ｂ３に接続される第３切替器６３Ｄとを備える。第１〜第３切替器６１Ｄ、６２Ｄ、６３Ｄは、第１切替器６１および第２切替器６２（図３参照）と同様の構成である。また、第１〜第３切替器６１Ｄ、６２Ｄ、６３Ｄを構成する各スイッチは、交流電圧電流に対する接続／開放を高速で行うことができるように半導体素子によって構成される（たとえば、図１７参照）。
【０１１７】
図２０は、交流電動機４０Ｄの回転速度ωと巻線状態との関係を示す図である。図２０に示すように、インバータ装置２０Ｄの制御部２２Ｄは、回転速度ωに応じて低速領域、第１中速領域、第２中速領域、高速領域に分けて巻線状態を切り替える。かかる切り替え処理は、巻線切替信号Ｓａ１〜Ｓａ３によって行われる。
【０１１８】
具体的には、制御部２２Ｄは、回転速度ωが第１基準回転速度ωBL以下である低速領域の場合、Ｈｉｇｈレベルの巻線切替信号Ｓａ１とＬｏｗレベルの巻線切替信号Ｓａ２、Ｓａ３とを出力する。これにより、交流電動機４０Ｄの接続端子Ａ４〜Ａ６が互いに接続されて中性点となり、交流電動機４０Ｄのインピーダンスが最大となる。
【０１１９】
回転速度ωが第３基準回転速度ωB2H以上である高速領域の場合、制御部２２Ｄは、Ｈｉｇｈレベルの巻線切替信号Ｓａ３とＬｏｗレベルの巻線切替信号Ｓａ１、Ｓａ２とを出力する。これにより、交流電動機４０Ｄの接続端子Ｂ１〜Ｂ３が互いに接続され中性点となり、交流電動機４０Ｄのインピーダンスが最小となる。
【０１２０】
一方、制御部２２Ｄは、回転速度ωが第１基準回転速度ωBL超で第２基準回転速度ωB1H未満である第１中速領域の場合、Ｌｏｗレベルの巻線切替信号Ｓａ３と、交互にＨｉｇｈレベルにした巻線切替信号Ｓａ１、Ｓａ２とを出力する。これにより、交流電動機４０Ｄの速度に応じた時比率で低速用巻線と第１高速用巻線とを交互に切り替えるスイッチング制御を実行する。なお、第１高速用巻線は、交流電動機４０Ｄの接続端子Ｂ４〜Ｂ６を第２切替器６２Ｄにより互いに接続して中性点にした場合の交流電動機４０Ｄの巻線状態である。
【０１２１】
また、回転速度ωが第２基準回転速度ωB1H以上で第３基準回転速度ωB2H未満である第２中速領域の場合、制御部２２Ｄは、Ｌｏｗレベルの巻線切替信号Ｓａ１と、交互にＨｉｇｈレベルにした巻線切替信号Ｓａ２、Ｓａ３とを出力する。これにより、交流電動機４０Ｄの速度に応じた時比率で第１高速用巻線と第２高速用巻線とを交互に切り替えるスイッチング制御を実行する。なお、第２高速用巻線は、交流電動機４０Ｄの接続端子Ｂ１〜Ｂ３を第３切替器６３Ｄにより互いに接続して中性点にした場合の交流電動機４０Ｄの巻線状態である。
【０１２２】
このように、第５の実施形態に係るドライブシステム１００Ｄは、交流電動機４０Ｄの巻線状態を、低速用巻線のみの状態、低速用巻線と第１高速用巻線とのスイッチング切り替え状態、第１高速用巻線と第２高速用巻線とのスイッチング切り替え状態、高速用巻線のみの状態の４つの状態に切り替えることができる。これにより、上述した実施形態に係るドライブシステム１００、１００Ａ等に比べ、さらに高効率領域を拡大することができる。
【０１２３】
なお、第２の実施形態のドライブシステム１００Ａの場合と同様に、交流電動機４０Ｂの巻線状態を低速用巻線と第１高速用巻線との間で移行する場合、第１高速用巻線と第２高速用巻線との間で移行する場合に、スイッチング制御により交互に切り替えながら交流電動機４０Ｂの巻線状態の移行処理を行うようにしてもよい。
【０１２４】
（第６の実施形態）
上述した実施形態に係るドライブシステム１００、１００Ａ〜１００Ｄでは、交流電動機の巻線状態を切り替えることによって交流電動機の電気的特性を切り替えるものであるが、第６の実施形態に係るドライブシステムでは、交流電動機の極数を切り替えることによって交流電動機の電気的特性を切り替える。また、以下においては、第１の実施形態に係るドライブシステム１００と異なる点を中心に説明し、第１の実施形態と同様の機能を有する構成要素については同一符号を付して説明を省略する。
【０１２５】
図２１は、第６の実施形態に係るドライブシステム１００Ｅの構成を示す図である。図２１に示すように、ドライブシステム１００Ｅは、インバータ装置２０Ｅと交流電動機４０Ｅとを有する。インバータ装置２０Ｅは、電力変換部２１Ｅと制御部２２Ｅとを有し、電力変換部２１Ｅは、２つの電力変換部５１、５２を有する。これら電力変換部５１、５２は、電力変換部２１（図３参照）と同様の構成であり、制御部２２Ｅから出力されるＰＷＭ信号Ｓ１〜Ｓ６、Ｓ１’〜Ｓ６’により制御される。
【０１２６】
交流電動機４０Ｅは、２つの３相電機子巻線４２、４３を有する２重巻線方式の交流電動機である。２つの３相電機子巻線４２、４３は、互いに異なった仕様の巻線である。かかる交流電動機４０Ｅにおいて、一方の３相電機子巻線４２の一端に設けられた接続端子Ａ１１〜Ａ１３には電力変換部５１が接続され、他方の３相電機子巻線４３の一端に設けられた接続端子Ａ２１〜Ａ２３には電力変換部５２が接続される。
【０１２７】
インバータ装置２０Ｅの制御部２２Ｅは、２つの電力変換部５１、５２から２つの３相電機子巻線４２、４３へ互いに同極性の電流を供給することにより、交流電動機４０Ｅを２ｎ極（例えば、４極）の電動機として動作させることができる。また、制御部２２Ｅは、２つの電力変換部５１、５２から２つの３相電機子巻線４２、４３へ互いに逆極性の電流を供給することにより、交流電動機４０Ｅをｎ極（例えば、２極）の電動機として動作させることができる。
【０１２８】
このように、第６の実施形態に係るドライブシステム１００Ｅは、１つの交流電動機４０Ｅの中に施された２組の異なった仕様の３相電機子巻線４２、４３を２つの電力変換部５１、５２で駆動し、それぞれの電流ベクトルの組合せを切り替えて電動機の極性数を切り替える。なお、このように電動機の極数を切り替える技術自体は、例えば、IEEE  Transactions  on  Industry  Applications、  Vol.32d  No.4、  July/August、1996、pp.938-944などに記載されているように公知技術であるため、ここでは説明を省略する。
【０１２９】
制御部２２Ｅは、例えば、回転速度ωが第１基準回転速度ωBL1以下の低速運転時には、２つの電力変換部５１、５２から２つの３相電機子巻線４２、４３へ互いに同極性の電流を供給する。この場合、交流電動機４０Ｅが２ｎ極（低速用極数の一例）の電動機として動作するため、交流電動機４０Ｅの電気的特性を極数が多い低速用特性とすることができる。
【０１３０】
また、制御部２２Ｅは、例えば、回転速度ωが第２基準回転速度ωBH1（＞ωBL1）以上の高速運転時には、２つの電力変換部５１、５２から２つの３相電機子巻線４２、４３へ互いに逆極性の電流を供給する。この場合、交流電動機４０Ｅがｎ極（高速用極数の一例）の電動機として動作するため、交流電動機４０Ｅの電気的特性を極数が少ない高速用特性とすることができる。
【０１３１】
一方、制御部２２Ｅは、例えば、回転速度ωが第１基準回転速度ωBL1超で第２基準回転速度ωBH1未満の中速運転時には、交流電動機４０Ｅの速度に応じた時比率で、３相電機子巻線４２、４３へ互いに同極性の電流を供給する状態と、３相電機子巻線４２、４３へ互いに逆極性の電流を供給する状態とを交互に切り替える。
【０１３２】
これにより、第６の実施形態に係るドライブシステム１００Ｅは、交流電動機４０Ｅの極数を交流電動機４０Ｅの速度に応じた時比率で交流電動機４０Ｅの極数を２ｎ極とｎ極とで交互に切り替えるスイッチング制御を実行する。そのため、加減速中であっても交流電動機４０Ｅの電気的特性の変動を抑えて交流電動機４０Ｅの電気的特性の切り替えによる影響を抑制でき、また、高効率領域を拡大することができる。
【０１３３】
なお、第２に実施形態と同様に、低速領域から高速領域へ移行する場合、または、高速領域から低速領域へ移行する場合に、交流電動機４０Ｅの低速用極数と高速用極数とを交互に切り替えながら、低速動作と高速動作との間の移行を行うようにしてもよい。
【０１３４】
以上のように、上述した実施形態に係るドライブシステム１００、１００Ａ〜１００Ｅでは、交流電動機４０、４０Ｂ〜４０Ｅの速度に応じた時比率で交流電動機４０、４０Ｂ〜４０Ｅの電気的特性を交互に切り替えるスイッチング制御を実行することにより、交流電動機４０Ｅの電気的特性の切り替えによる影響を抑制でき、また、高効率領域を拡大することができる。
【０１３５】
なお、例えば、上述の実施形態に係るドライブシステム１００、１００Ａにおいて、交流電動機４０は、低速用巻線と高速用巻線をそれぞれ別個の巻線とした二重巻線方式の交流電動機であってもよい。
【０１３６】
また、上述の実施形態では、インバータ装置２０を電圧形インバータとして説明したが、インバータ装置２０は電流形インバータであってもよい。
【０１３７】
また、上述の実施形態では、交流電動機４０の回転速度を検出し、かかる検出結果に応じて交流電動機４０、４０Ｂ〜４０Ｅの電気的特性を交互に切り替えるスイッチング制御を行うものとして説明したが、結果的に交流電動機４０の回転速度ωに応じてスイッチング制御を行えればよい。したがって、インバータ装置２０の出力電圧や出力電流を検出してスイッチング制御を行う場合や、交流電動機４０への指令周波数でスイッチング制御を行うＶ／ｆ一定制御の場合も、速度に応じた制御に当然に含まれる。
【０１３８】
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【０１３９】
１  トルク指令発生器
２  電流指令演算器
３  電流制御器
４  ＰＷＭ信号生成器
５  電流検出器
６  Ａ／Ｄ変換器
７  電圧検出器
８  定出力制御器
９  速度演算器
１０、１０Ａ、６３  巻線切替信号発生器
１１、１１Ａ  定数切替器
２０、２０Ｄ、２０Ｅ  インバータ装置
２１、２１Ｅ、５１、５２  電力変換部
２２、２２Ａ、２２Ｄ、２２Ｅ  制御部
３０  直流電圧源
４０、４０Ｂ〜４０Ｅ  交流電動機
４１  位置検出器
６０、６０Ａ〜６０Ｄ  巻線切替器
６１、６１Ｂ〜６１Ｄ  第１切替器
６２、６２Ｂ〜６２Ｄ  第２切替器
６３  第３切替器
１００、１００Ａ〜１００Ｅ  ドライブシステム
【要約】
【課題】交流電動機の電気的特性の切り替えによる影響を容易に低減することができるインバータ装置および電動機ドライブシステムを提供すること。
【解決手段】実施形態に係るインバータ装置は、電力供給部と、切替制御部とを備える。電力供給部は、回転速度に対する電気的特性を低速用特性と高速用特性とで切り替え可能な交流電動機に交流電力を供給する。切替制御部は、交流電動機の電気的特性を切り替える。また、切替制御部は、交流電動機の回転速度に基づき、交流電動機の電気的特性を低速用特性と高速用特性とを交互に切り替えるスイッチング制御を実行する。
【選択図】図１【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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