(57)【要約】【課題】巻線切り替えを行うことなく交流電動機に対する速度制御範囲を拡大することができる電流形インバータ装置を提供すること。【解決手段】実施形態に係る電流形インバータ装置は、複数の電力変換部と、制御部と、を備える。電力変換部は、直流電流源から供給される直流電力を交流電力へ変換する。制御部は、複数の電力変換部を制御する。さらに、制御部は、複数の電力変換部の直流電流源に対する接続モードとして、複数の電力変換部を直流電流源に対して直列に接続する直列接続モードと、複数の電力変換部を直流電流源に対して並列に接続する並列接続モードとを切り替えて実行する。【選択図】図１
2014165957.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電流源から供給される直流電力を交流電力へ変換する複数の電力変換部と、
前記複数の電力変換部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記複数の電力変換部の前記直流電流源に対する接続モードとして、前記複数の電力変換部を前記直流電流源に対して直列に接続する直列接続モードと、前記複数の電力変換部を前記直流電流源に対して並列に接続する並列接続モードとを切り替えて実行する
ことを特徴とする電流形インバータ装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記直列接続モードおよび前記並列接続モードに加え、前記直流電流源に対して並列接続した２以上の電力変換部の組を直列に接続した直並列接続モードを切り替えて実行する
ことを特徴とする請求項１に記載の電流形インバータ装置。
【請求項３】
前記電力変換部からの交流電力の供給対象は交流電動機であり、
前記制御部は、
前記交流電動機の速度に基づいて前記接続モードを切り替える
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電流形インバータ装置。
【請求項４】
前記制御部は、
前記交流電動機の速度が所定値未満である場合に、前記直列接続モードを実行し、前記交流電動機の速度が所定値以上である場合に、前記並列接続モードを実行する
ことを特徴とする請求項３に記載の電流形インバータ装置。
【請求項５】
前記制御部は、
前記交流電動機の加速に基づいて前記接続モードを切り替える際に、前記交流電動機の界磁を強める
ことを特徴とする請求項３または４に記載の電流形インバータ装置。
【請求項６】
前記制御部は、
前記交流電動機の加速に基づいて前記接続モードを切り替える際に、前記交流電動機のトルク電流を制限する
ことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１つに記載の電流形インバータ装置。
【請求項７】
前記制御部は、
前記交流電動機のトルク電流を、前記接続モードの切り替え前後でモータの出力電力が変化しないように制限する
ことを特徴とする請求項６に記載の電流形インバータ装置。
【請求項８】
前記制御部は、
前記交流電動機の速度に応じた時比率で前記接続モードを交互に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３〜７のいずれか１つに記載の電流形インバータ装置。
【請求項９】
２以上の前記電力変換部に対して１つの前記交流電動機を接続する
ことを特徴とする請求項３〜８のいずれか１つに記載の電流形インバータ装置。
【請求項１０】
前記電力変換部ごとにそれぞれ前記交流電動機を接続する
ことを特徴とする請求項３〜９のいずれか１つに記載の電流形インバータ装置。
【請求項１１】
前記直流電流源と前記複数の電力変換部との間に複数の切替器を有し、
前記制御部は、
前記複数の切替器を制御することによって前記接続モードを切り替える
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の電流形インバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示の実施形態は、電流形インバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、交流電動機の回転速度が高速になった場合に、交流電動機の電機子巻線の状態を低速用巻線から高速用巻線へ切り替える技術が知られている。
【０００３】
かかる技術は、低速用巻線から高速用巻線へ切り替えることによって交流電動機で発生する逆起電圧を低減し、これにより、速度制御範囲を広げ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ものである（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１１４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、交流電動機に対する速度制御範囲の拡大を巻線切り替えによって行う場合、交流電動機の巻線状態が切り替わることから、例えば、モータパラメータの切り替えなどが必要となり、制御が複雑になっていた。
【０００６】
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、巻線切り替えを行うことなく交流電動機に対する速度制御範囲を拡大することができる電流形インバータ装置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】
【０００７】
実施形態の一態様に係る電流形インバータ装置は、複数の電力変換部と、制御部とを備える。前記電力変換部は、直流電流源から供給される直流電力を交流電力へ変換する。前記制御部は、前記複数の電力変換部を制御する。さらに、前記制御部は、前記複数の電力変換部の前記直流電流源に対する接続モードとして、前記複数の電力変換部を前記直流電流源に対して直列に接続する直列接続モードと、前記複数の電力変換部を前記直流電流源に対して並列に接続する並列接続モードとを切り替えて実行する。
【発明の効果】
【０００８】
実施形態の一態様によれば、巻線切り替えを行うことなく交流電動機に対する速度制御範囲を拡大することができる電流形インバータ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る電流形インバータ装置の構成を示す図である。
【図２】図２は、コンバータ部の構成例を示す図である。
【図３】図３は、インバータ部の構成例を示す図である。
【図４】図４は、図１に示す電流形インバータ装置の特性を示す図である。
【図５】図５は、電動機を加減速した場合の電流形インバータ装置の動作説明図である。
【図６】図６は、第１の実施形態に係る他の電流形インバータ装置の構成を示す図である。
【図７】図７は、第２の実施形態に係る電流形インバータ装置の構成を示す図である。
【図８】図８は、第３の実施形態に係る電流形インバータ装置の構成を示す図である。
【図９】図９は、図８に示す電流形インバータ装置における接続モードとスイッチの状態と電動機の結合状態との関係を示す図である。
【図１０】図１０は、図８に示す電流形インバータ装置の特性を示す図である。
【図１１】図１１は、電動機を加減速した場合の図８に示す電流形インバータ装置の動作説明図である。
【図１２】図１２は、第４の実施形態に係る電流形インバータ装置の構成を示す図である。
【図１３】図１３は、図１２に示す電流形インバータ装置の特性を示す図である。
【図１４】図１４は、図１２に示す電流形インバータ装置における接続モードとスイッチの状態と電動機の結合状態との関係を示す図である。
【図１５】図１５は、第５の実施形態に係る電流形インバータ装置の構成を示す図である。
【図１６】図１６は、回転速度と切替信号のオン比率との関係を示す図である。
【図１７】図１７は、切替信号の波形の一例を示す図である。
【図１８】図１８は、電動機を加速した場合のスイッチのオン比率、直列接続状態および並列接続状態の時比率の関係を示す図である。
【図１９】図１９は、電動機の回転速度と出力有効電力の最大値との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して、本願の開示する電流形インバータ装置の実施形態を詳細に説明する。なお、公知の電流形インバータ装置と同様の処理を行う公知の要素については説明を省略または簡略化している。また、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電流形インバータ装置の構成を示す図である。図１に示す電流形インバータ装置１は、３相交流電源２（以下、単に交流電源２と記載する）から供給される交流電力を所望の交流電力へ変換して３相交流電動機３（以下、単に電動機３と記載する）へ出力する。
【００１２】
電動機３は、例えば永久磁石式同期電動機である。かかる電動機３は、電機子巻線が互いに絶縁された２重巻線により構成された３相２重巻線電動機であり、第１の３相巻線５と、第２の３相巻線６とを有する。図１に示す例では、第１および第２の３相巻線５、６はＹ結線で構成されるが、デルタ結線で構成してもよい。
【００１３】
電動機３の出力軸には位置検出器４が接続される。位置検出器４は、電動機３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４は、たとえばエンコーダやレゾルバなどである。
【００１４】
電流形インバータ装置１は、Ｒ相端子ＴR、Ｓ相端子ＴS、Ｔ相端子ＴTを備えており、これらの端子ＴR、ＴS、ＴTは交流電源２のＲ相、Ｓ相およびＴ相のそれぞれに接続される。また、電流形インバータ装置１は、Ｕ１相端子ＴU1、Ｕ２相端子ＴU2、Ｖ１相端子ＴV1、Ｖ２相端子ＴV2、Ｗ１相端子ＴW1、Ｗ２相端子ＴW2を備える。端子ＴU1、ＴV1、ＴW1は、電動機３の第１の３相巻線５に接続され、端子ＴU2、ＴV2、ＴW2は、電動機３の第２の３相巻線６に接続される。
【００１５】
さらに、電流形インバータ装置１は、コンバータ部１０と、インバータ部１１ａ、１１ｂと、直流リアクトル１２ａ、１２ｂと、電流検出部１３と、直流母線切替部１５と、制御部１６を備える。
【００１６】
コンバータ部１０は、端子ＴR、ＴS、ＴTを介して交流電源２に接続され、交流電源２から供給される交流電力を直流電力へ変換し、直流リアクトル１２ａ、１２ｂを介してインバータ部１１ａ、１１ｂへ直流電力を出力する。なお、交流電源２、コンバータ部１０および直流リアクトル１２ａ、１２ｂにより直流電流源が構成されるが、直流電流源はその他の構成であってもよく、例えば、交流電源２は電池などの直流電源であり、かつコンバータ部１０はＤＣ／ＤＣコンバータなどであってもよい。
【００１７】
図２は、コンバータ部１０の構成例を示す図である。図２に示すように、コンバータ部１０は、スイッチング素子とダイオードの直列回路が３相ブリッジ接続されて構成される。そして、コンバータ部１０のスイッチング素子が制御部１６から出力される駆動信号Ｓｃ１〜Ｓｃ６によってオン／オフ制御されることによって、交流電源２から出力される３相交流電力が直流電力へ変換される。
【００１８】
インバータ部１１ａ、１１ｂ（電力変換部の一例）は、それぞれ端子ＴU1、ＴV1、ＴW1および端子ＴU2、ＴV2、ＴW2を介して電動機３に接続され、直流リアクトル１２ａ、１２ｂを介してコンバータ部１０から供給される直流電力を交流電力へ変換して電動機３へ出力する。
【００１９】
図３は、インバータ部１１ａの構成例を示す図である。図３に示すように、インバータ部１１ａは、ブリッジ回路３０およびフィルタ回路３１を備える。ブリッジ回路３０は、スイッチング素子とダイオードの直列回路が３相ブリッジ接続されて構成される。スイッチング素子が制御部１６によってオン／オフ制御されることによって、正側入力端子Ｐ１および負側入力端子Ｎ２を介して直流リアクトル１２ａ、１２ｂ側から供給される直流電力が３相交流電力へ変換され、出力端子Ｔu1、Ｔv1、Ｔw1を介して出力される。
【００２０】
フィルタ回路３１は、Ｕ相端子Ｔu1、Ｖ相端子Ｔv1およびＷ相端子Ｔw1のそれぞれにコンデンサの一端が接続され、これらのコンデンサの他端が共通に接続される。かかるフィルタ回路３１により、インバータ部１１ａから出力される電流の高周波成分が除去される。インバータ部１１ｂは、インバータ部１１ａと同一構成であり、以下、総称してインバータ部１１と呼ぶ場合がある。
【００２１】
なお、コンバータ部１０およびインバータ部１１のスイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor  Field-Effect  Transistor）などの半導体素子である。なお、コンバータ部１０およびインバータ部１１において、スイッチング素子が逆阻止型のＩＧＢＴである場合、ダイオードはなくてもよい。
【００２２】
直流リアクトル１２ａは、コンバータ部１０の正出力側とインバータ部１１ａの正側入力端子Ｐ１との間に接続され、直流リアクトル１２ｂは、コンバータ部１０の負出力側とインバータ部１１ｂの負側入力端子Ｎ２との間に接続される。これら直流リアクトル１２ａ、１２ｂは、コンバータ部１０とインバータ部１１を接続する直流回路に流れる直流電流を平滑化してインバータ部１１へ出力する。
【００２３】
なお、直流リアクトル１２ａ、１２ｂは、同一のインダクタンス値を有する。また、インバータ部１１ａと直流リアクトル１２ａとにより電流形インバータが構成され、また、インバータ部１１ｂと直流リアクトル１２ｂとにより電流形インバータが構成される。
【００２４】
電流検出部１３は、直流リアクトル１２ａに流れる電流を検出する。電流検出部１３は、例えば、磁電変換素子であるホール素子を利用して電流を検出する電流センサである。
【００２５】
直流母線切替部１５は、制御部１６からの切替信号Ｓｐ、Ｓｎに基づいて、２つのインバータ部１１ａ、１１ｂをコンバータ部１０に対して直列に接続するか並列に接続するかを切り替える。かかる直流母線切替部１５は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３（切替器の一例）を備える。スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、スイッチング素子とダイオードとの直列接続回路により構成される。なお、スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子である。また、スイッチング素子が逆阻止型のＩＧＢＴである場合、ダイオードはなくてもよい。
【００２６】
スイッチＳＷ１は、インバータ部１１ａの正側入力端子Ｐ１とインバータ部１１ｂの正側入力端子Ｐ２との間に接続される。また、スイッチＳＷ２は、インバータ部１１ａの負側入力端子Ｎ１とインバータ部１１ｂの負側入力端子Ｎ２との間に接続される。また、スイッチＳＷ３は、インバータ部１１ａの負側入力端子Ｎ１とインバータ部１１ｂの正側入力端子Ｐ２との間に接続される。
【００２７】
制御部１６からの切替信号ＳｐがＨｉｇｈレベルになることで切替信号ＳｎがＬｏｗレベルになり、この結果、スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオンになり、ＳＷ３がオフになる。これにより、コンバータ部１０に対してインバータ部１１ａ、１１ｂが並列に接続される。また、制御部１６からの切替信号ＳｐがＬｏｗレベルになることで切替信号ＳｎがＨｉｇｈレベルになり、この結果、スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオフになり、スイッチＳＷ３がオンになる。これにより、コンバータ部１０に対してインバータ部１１ａ、１１ｂが直列に接続される。以下、コンバータ部１０に対してインバータ部１１ａ、１１ｂが並列に接続される状態を並列接続モードと呼び、コンバータ部１０に対してインバータ部１１ａ、１１ｂが直列に接続される状態を直列接続モードと呼ぶ。
【００２８】
コンバータ部１０は、定常状態において直流リアクトル１２ａ、１２ｂに流れる直流電流を一定に保つため、直流リアクトル１２ａ、１２ｂのコンバータ部１０側に加える電圧がインバータ部１１の動作により直流リアクトル１２ａ、１２ｂのインバータ部１１側に加わる直流電圧と同一になるように制御部１６により制御される。
【００２９】
したがって、インバータ部１１ａ、１１ｂが同一の回路構成であり、直流リアクトル１２ａ、１２ｂが同一のインダクタンス値である場合、並列接続モードにおいて、各インバータ部１１ａ、１１ｂに入力される電圧は、直流母線電圧Ｖｐｎに等しい電圧である。また、インバータ部１１ａ、１１ｂが同一の回路構成であり、直流リアクトル１２ａ、１２ｂが同一のインダクタンス値である場合、直列接続モードにおいて、各インバータ部１１ａ、１１ｂに入力される電圧は、直流母線電圧Ｖｐｎの１／２の電圧である。
【００３０】
制御部１６は、位置検出器４によって検出された回転子位相θおよび電流検出部１３の検出電流Ｉｄｃに基づき、コンバータ部１０、インバータ部１１および直流母線切替部１５を制御する。
【００３１】
かかる制御部１６は、速度演算器２１と、比較器２２と、切替速度設定器２３と、ＮＯＴ回路２４と、インバータ制御器２５と、定出力制御器２６と、コンバータ電圧指令器２７と、コンバータ制御器２８とを備える。
【００３２】
速度演算器２１は、位置検出器４からの回転子位相θに基づいて電動機３の回転速度Ｎｄｅｔを演算する。比較器２２は、速度演算器２１から出力される回転速度Ｎｄｅｔと切替速度設定器２３から出力される回転速度設定値Ｎｓ１とを比較し、比較結果を切替信号Ｓｐとして出力する。回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ１未満である場合、比較器２２は、Ｌｏｗレベルの切替信号Ｓｐを出力する。一方、回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ１以上である場合、比較器２２は、Ｈｉｇｈレベルの切替信号Ｓｐを出力する。
【００３３】
ＮＯＴ回路２４は、比較器２２から出力される切替信号Ｓｐのレベルを反転して切替信号Ｓｎとして出力する。比較器２２からＬｏｗレベルの切替信号Ｓｐが入力された場合、ＮＯＴ回路２４は、Ｈｉｇｈレベルの切替信号Ｓｎを出力する。一方、比較器２２からＨｉｇｈレベルの切替信号Ｓｐが入力された場合、ＮＯＴ回路２４は、Ｌｏｗレベルの切替信号Ｓｎを出力する。
【００３４】
切替信号Ｓｐは、上述したように、スイッチＳＷ１、ＳＷ２に入力され、切替信号Ｓｎは、スイッチＳＷ３に入力される。したがって、回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ１未満である場合、スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオフになり、スイッチＳＷ３がオンになるため、電流形インバータ装置１は、コンバータ部１０に対してインバータ部１１ａ、１１ｂが直列に接続される直列接続モードになる。
【００３５】
一方、回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ１以上である場合、スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオンになり、スイッチＳＷ３がオフになるため、電流形インバータ装置１は、コンバータ部１０に対してインバータ部１１ａ、１１ｂが並列に接続される並列接続モードになる。
【００３６】
このように、電流形インバータ装置１では、電動機３の回転速度に応じて、コンバータ部１０に対するインバータ部１１ａ、１１ｂの接続モードが切り替わる。これにより、巻線切り替えを行うことなく電動機３に対する速度制御範囲を拡大することができる。かかる接続モードについては、後で詳述する。
【００３７】
インバータ制御器２５は、公知のインバータ制御技術により、駆動信号Ｓｉ１〜Ｓｉ１２を生成し、インバータ部１１へ出力する。例えば、インバータ制御器２５は、位置検出器４から出力される回転子位相θや定出力制御器２６から出力されるｄ軸弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃなどに基づいて駆動信号Ｓｉ１〜Ｓｉ１２の生成を行う。
【００３８】
駆動信号Ｓｉ１〜Ｓｉ６によってインバータ部１１ａのスイッチング素子が制御され、駆動信号Ｓｉ７〜Ｓｉ１２によってインバータ部１１ｂのスイッチング素子が制御される。
【００３９】
定出力制御器２６から出力されるｄ軸弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃは、界磁弱め制御に用いられる。定出力制御器２６は、電動機３の回転速度に応じたｄ軸弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃを生成する。
【００４０】
インバータ制御器２５は、電動機３の回転子位相θに同期したｄ−ｑ軸回転座標系のｑ軸成分およびｄ軸成分を用いて指令演算を行っており、ｄ軸電流指令Ｉｄｒをｄ軸弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃとすることで、ｄ軸電流を界磁を弱める方向に増加させて界磁弱め制御を行う。なお、界磁弱め制御の方法はｄ軸弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃによるものに限られず、他の公知技術によって界磁弱め制御を行ってもよい。
【００４１】
コンバータ電圧指令器２７は、比較器２２から出力される切替信号Ｓｐに基づき、直流電圧指令Ｖｐｎｒを生成してコンバータ制御器２８へ出力する。
【００４２】
コンバータ制御器２８は、公知のコンバータ制御技術により、直流電圧指令Ｖｐｎｒ、電動機３に対する力率指令φｒ（不図示）および電流検出部１３の検出電流Ｉｄｃに基づいて駆動信号Ｓｃ１〜Ｓｃ６を生成し、コンバータ部１０へ出力する。駆動信号Ｓｃ１〜Ｓｃ６によってコンバータ部１０のスイッチング素子が制御され、コンバータ部１０から直流電力が出力される。
【００４３】
なお、コンバータ制御器２８は、力行運転の場合、直流電圧指令Ｖｐｎｒおよび力率指令φｒをそれぞれ正の値とし、回生運転の場合、直流電圧指令Ｖｐｎｒおよび力率指令φｒの符号を反転させそれぞれ負の値とする。コンバータ制御器２８は、直流リアクトル１２ａを流れる直流電流に対する直流電流指令Ｉｄｃｒｅｆと電流検出部１３が検出した直流リアクトル１２ａを流れる電流Ｉｄｃとの差に基づき、直流電圧指令Ｖｐｎｒを補正する。なお、直流電流指令Ｉｄｃｒｅｆは、インバータの定格容量から必要となる直流電流値を元に予め決定される。コンバータ部１０は、補正された直流電圧指令および力率指令φｒに基づいてコンバータ制御器２８により生成された駆動信号Ｓｃ１〜Ｓｃ６により、直流リアクトル１２ａを流れる電流を直流電流指令Ｉｄｃｒｅｆに保ちつつ正負の可変直流電圧を出力する。また、インバータ部１１は、直流電圧指令が正の場合と負の場合とで出力交流電流の位相を反転させることにより、力行運転および回生運転を行うことができる。
【００４４】
電流形インバータ装置１では、上述のように電動機３の回転速度に応じてコンバータ部１０に対するインバータ部１１ａ、１１ｂの接続モードが切り替わり、これにより、電動機３に対する速度制御範囲を拡大することができる。以下、電流形インバータ装置１についてさらに詳細に説明する。
【００４５】
図４は、電流形インバータ装置１の特性を示す図であり、具体的には、直流母線電圧Ｖｐｎ、出力有効電力Ｐおよびトルクτと、電動機３の回転速度との関係を示す図である。また、図４においては電動機３の回転速度が回転速度設定値Ｎｓ１未満である領域を低速領域とし、電動機３の回転速度が回転速度設定値Ｎｓ１以上である領域を高速領域としている。出力有効電力Ｐは、電流形インバータ装置１が出力できる有効電力の最大値である。
【００４６】
図４に示すように、電動機３の回転速度が回転速度設定値Ｎｓ１未満である低速領域は、電動機３の回転速度が基底回転速度値Ｎｂａｓｅ未満の定トルク領域と電動機３の回転速度が基底回転速度値Ｎｂａｓｅ以上の定出力領域とに分けられる。一方、電動機３の回転速度が回転速度設定値Ｎｓ１以上である高速領域は、定出力領域である。
【００４７】
電流形インバータ装置１では、コンバータ部１０により直流リアクトル１２ａを流れる直流電流が一定に保たれ、この直流電流に基づき、出力電力がインバータ部１１ａ、１１ｂから出力される。コンバータ部１０から出力される直流母線電圧Ｖｐｎには、上限値Ｖｐｎｍａｘが存在することから、直流母線電圧Ｖｐｎは、上限値Ｖｐｎｍａｘまでの範囲に制限される。
【００４８】
基底回転速度値Ｎｂａｓｅは、定トルク領域と定出力領域とを分ける基準であり、例えば、上述した界磁弱め制御が行われた場合に直流母線電圧Ｖｐｎが設定値Ｖｐｎａに達するときの電動機３の回転速度である。設定値Ｖｐｎａは、例えば、上限値Ｖｐｎｍａｘよりも所定値ΔＶｐｎだけ低い値である。
【００４９】
定トルク領域では、界磁弱め制御が行われず、電動機３の誘起電圧および３相巻線５、６のインピーダンスによる電圧降下は電動機３の回転速度に比例する。そのため、電動機３の回転速度の増加に伴い直流母線電圧Ｖｐｎが高くなる。かかる定トルク領域ではｄ軸弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃはゼロで界磁が一定であり、その全速度範囲において最大トルクτｒａｔｅまでのトルクを出力できる。
【００５０】
定出力制御器２６は、回転速度Ｎｄｅｔが基底回転速度値Ｎｂａｓｅに達するまで、ｄ軸弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃをゼロに維持する。電動機３の回転速度Ｎｄｅｔが基底回転速度値Ｎｂａｓｅを超えると、定出力制御器２６は、回転速度Ｎｄｅｔが高くなるほどｄ軸弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃをゼロから界磁を弱める方向に増加させてインバータ制御器２５へ出力する。このとき、ｄ軸弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃは、回転速度Ｎｄｅｔに反比例して永久磁石の作る界磁が弱められるような値とする。これにより、電動機３の誘起電圧が一定値に維持される。
【００５１】
界磁弱め制御は、ｑ軸電流（トルク電流）を一定に維持しつつｄ軸弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃによりｄ軸電流（界磁電流）を弱め界磁方向に増加させることによって行われる。かかる界磁弱め制御による定出力制御では、ｑ軸電流が一定でありかつ上述のとおり電動機３の誘起電圧が一定であることから、電流形インバータ装置１の出力有効電力Ｐは電動機３の回転速度に関わらず一定である。
【００５２】
定出力領域では、界磁弱め制御により回転速度Ｎｄｅｔの変化に関わらず電動機３の誘起電圧が一定であるが、３相巻線５、６のインピーダンスによる電圧降下は電動機３の回転速度の増加に伴い大きくなる。そのため、電動機３の端子電圧が高くなる。なお、上述の所定値ΔＶｐｎは、回転速度Ｎｄｅｔが基底回転速度値Ｎｂａｓｅから回転速度設定値Ｎｓ１まで増加する間のインピーダンスによる電圧降下の増大分を考慮して決定される。
【００５３】
電流形インバータ装置１では、直流リアクトル１２ａ、１２ｂのインバータ部１１側には、この電動機３の端子電圧に略等しい電圧が印加される。電動機３の端子電圧が高くなり電動機３の回転速度が回転速度設定値Ｎｓ１に達すると、直流リアクトル１２ａ、１２ｂのインバータ部１１側に印加される電圧は、コンバータ部１０から出力される直流母線電圧Ｖｐｎの上限値Ｖｐｎｍａｘに到達する。したがって、電動機３の回転速度をそれ以上高くすると、コンバータ部１０は直流リアクトル１２ａ、１２bを流れる直流電流を一定に維持する電圧を出力できず、電流形インバータ装置１は電動機３の速度を制御することができなくなる。
【００５４】
そこで、電流形インバータ装置１の制御部１６は、直列接続モードから並列接続モードへ切り替えることで、直流リアクトル１２ａ、１２ｂのコンバータ部１０側に印加しなければならない電圧を低くし、これにより、回転速度Ｎｄｅｔを回転速度設定値Ｎｓ１以上にする。
【００５５】
定出力制御器２６は、回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ１に達した場合、ｄ軸弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃをゼロに戻す。さらに、定出力制御器２６は、回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ１を超えると、回転速度Ｎｄｅｔの増加に伴い界磁を弱める方向に大きくなり、永久磁石による界磁が回転速度Ｎｄｅｔに反比例して弱められるｄ軸弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃをインバータ制御器２５へ出力する。これにより、高速領域において定出力制御が行われる。
【００５６】
直流リアクトル１２ａ、１２ｂのインバータ部１１側には、直列接続モードでは２台の電動機３の端子電圧の合計値に略等しい電圧が印加されている。これに対して並列接続モードでは、１台の電動機３の端子電圧が印加される。図４に示すＶｐｎは、この直流リアクトル１２ａ、１２ｂのインバータ部１１側に印加される電圧を示している。これに対し、図４に示すＶｐｎ１は、回転速度設定値Ｎｓ１に至るまで、弱め界磁無しで電動機３を運転した場合の、１台の電動機３の端子電圧を表している。回転速度設定値Ｎｓ１にて、直流リアクトル１２ａ、１２ｂのインバータ部１１側の電圧Ｖｐｎが、並列接続モードへの切り替えと界磁弱め制御の解除により、コンバータ部１０の出力電圧の上限値Ｖｐｎｍａｘからコンバータ１台の電動機３の端子電圧Ｖｐｎ１に低下することがわかる。
【００５７】
定出力領域では、永久磁石の界磁は回転速度Ｎｄｅｔに反比例して弱められていたため、回転速度ＮｄｅｔがＮｓ１のときには永久磁石の界磁は、Ｎｂａｓｅ／Ｎｓ１倍に弱められている。したがって回転速度Ｎｓ１にて界磁弱め制御を解除すると、界磁はＮｓ１／Ｎｂａｓｅ倍に強まる。そのため、ｑ軸電流値が変化しないと、電動機３のトルクτは界磁に比例して大きくなり、出力有効電力Ｐも界磁に比例して大きくなる。そこで、インバータ制御器２５は、直列接続モードから並列接続モードに切り替わる際、ｑ軸電流指令値をＮｂａｓｅ／Ｎｓ１倍することで制限する。これにより、接続モードの切り替えの前後で電動機３の出力トルクτは変化せず、出力有効電力Ｐも一定値のまま変化しない。なお、例えば、速度制御が行われているような場合は、速度制御器の動作によりｑ軸電流指令は上記に制限されるため、本ｑ軸電流指令値の制限は設けなくてもよい。
【００５８】
コンバータ電圧指令器２７は、回転速度設定値Ｎｓ１以上の定出力領域では、例えば、３相交流電源２の交流電圧を全波整流した電圧を直流電圧指令Ｖｐｎｒとして出力する。さらに、定トルク領域では、コンバータ電圧指令器２７は、例えば回転速度Ｎにおいては３相交流電源２の交流電圧を全波整流した電圧をＮ／Ｎｓ１倍した電圧を直流電圧指令Ｖｐｎｒとして出力する。コンバータ制御器２８は、かかる直流電圧指令Ｖｐｎｒを直流リアクトル１２ａを流れる直流電流に対する直流電流指令Ｉｄｃｒｅｆと電流検出部１３が検出した直流リアクトル１２ａを流れる電流Ｉｄｃとの差に基づき補正する。これにより、コンバータ部１０は図４の電圧Ｖｐｎに等しい電圧を出力し、直流リアクトル１２ａに流れる電流を一定に保つことができる。
【００５９】
かかる制御により、直列接続モードから並列接続モードへの切り替え前後で電動機３の出力トルクτは連続し、電動機３の回転速度を滑らかに変化させることができる。また、接続モードの切り替え前後で出力有効電力Ｐは変化せず、コンバータ部１０の必要容量を増大させることもなく、切り替えを行うことができる。
【００６０】
電流形インバータ装置１は、直列接続モードと並列接続モードとを切り替えて電動機３を制御するため、以下に説明するように、直列接続モードのみの場合や、並列接続モードのみの場合に比べ、電動機３の速度制御範囲を拡大することができる。
【００６１】
電動機３の定出力範囲は、電動機３が永久磁石式同期電動機である場合、電動機３の回転速度の増加に伴って弱め界磁制御によって励磁電流（ｄ軸電流）が増加する。そのまま速度が増加してゆくと、電動機３に流さなければならない電流が増加し、電流形インバータ装置１の最大出力電流を超過することから電動機３の定出力範囲が制限される。
【００６２】
そこで、本実施形態に係る電流形インバータ装置１は、並列接続のみで電動機３を駆動する電流形インバータ装置に比べ、直流電流源であるコンバータ部１０の電圧定格を２倍に上げ、電動機３の端子電圧の２倍の電圧が直流リアクトル１２ａ、１２ｂのインバータ部１１に印加されてもよいようにしている。
【００６３】
このようにコンバータ部１０の電圧定格を２倍に上げることで、電流形インバータ装置１では、低速領域において２つのインバータ部１１をコンバータ部１０に対して直列接続可能にしている。２つインバータ部１１をコンバータ部１０に対して直列に接続した場合、コンバータ部１０の出力電流を、インバータ部１１ａ、１１ｂに共通に供給する電流とすることで、並列接続のみで電動機３を駆動する電流形インバータに接続される直流電流源と同じ出力電力容量にできる。
【００６４】
また、電流形インバータ装置１は、高速領域において、２つインバータ部１１をコンバータ部１０に対して並列に接続することで電動機３の端子電圧に対する許容容量をアップでき、これにより、低速領域から高速領域への移行において、界磁弱め制御を解除できる。すなわち、電流形インバータ装置１は、低速領域から高速領域への移行において、ｄ軸電流を一度ゼロにして界磁弱め制御を解除し、電動機３の界磁を再び定出力開始前のレベルまで強め、電動機３の誘起電圧を高めている。これにより、回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ１以上の場合、界磁弱め制御のために必要な励磁電流（ｄ軸電流）を並列接続のみで電動機３を駆動する電流形インバータ装置よりも小さくしている。すなわち、回転速度Ｎｄｅｔが回転速度Ｎｓ１以上で、並列接続のみで電動機３を駆動するときより、電流形インバータ装置が出力すべき電流を小さくでき、速度制御範囲を拡大できる。
【００６５】
また、低速領域から高速領域への移行において界磁弱め制御を解除した場合、移行直前の低速領域でのトルクを得るためのｑ軸電流は移行直後の高速領域では１／２でよい。そこで、電流形インバータ装置１は、低速領域から高速領域への移行において、並列接続に切り替えても、コンバータ部１０が流さなければならない電流は増加しない。
【００６６】
以上のように、低速領域では直列接続モードでインバータ部１１を動作させ、高速領域では並列接続モードでインバータ部１１を動作させ、直列接続モードから並列接続モードへの切り替え時に界磁弱め制御を解除することで、速度制御範囲における回転速度Ｎｍａｘを並列接続のみの電流形インバータ装置で電動機３を駆動した場合よりも大きな値とすることができ、従来の巻線切替方式と同様に速度制御範囲の拡大が可能となる。しかも、電流形インバータ装置１では、低速領域と高速領域の切り替えにより、直流電流源の出力電力容量を増加させる必要がなく、接続モードを切り替えない場合と同じ出力電力容量とすることができる。
【００６７】
図５は、電動機３を停止状態（ゼロ速度）と回転速度Ｎｍａｘの間で加減速した場合の電流形インバータ装置１の動作説明図である。図５に示すように、制御部１６は、インバータ部１１を直列接続モードにより動作させて、時刻Ｔ０から電動機３の加速を開始し、回転速度Ｎｄｅｔが基底回転速度値Ｎｂａｓｅに達する時刻Ｔ１まで界磁弱め制御を行わない定トルク制御を行う。
【００６８】
その後、回転速度Ｎｄｅｔが基底回転速度値Ｎｂａｓｅに達すると、制御部１６は、界磁弱め制御を開始して定出力制御を行う。回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ１に達する時刻Ｔ２になると、制御部１６は、直列接続モードから並列接続モードへ切り替え、インバータ部１１を並列接続モードにより動作させる。制御部１６は、回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ１に達すると一旦界磁弱め制御を停止した後で回転速度Ｎｄｅｔの増加に伴って界磁弱めの大きさを大きくする新たな界磁弱め制御による定出力制御を行う。
【００６９】
制御部１６は、時刻Ｔ３において回転速度Ｎｄｅｔが最大速度値Ｎｍａｘに達すると、一定速度運転に入る。その後、時刻Ｔ４にて速度指令値をゼロにして、電動機３の減速を開始する。制御部１６は、時刻Ｔ５において回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ１に達すると、並列接続モードから直列接続モードへ切り替え、インバータ部１１を直列接続モードにより動作させる。制御部１６は、回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ１に達すると一旦界磁弱めの大きさを大きくした後で回転速度Ｎｄｅｔの減少に伴って界磁弱めの大きさを小さくする新たな界磁弱め制御による定出力制御を行う。
【００７０】
その後、回転速度Ｎｄｅｔが基底回転速度値Ｎｂａｓｅ未満になる時刻Ｔ６において、制御部１６は、定トルク制御を開始し、回転速度Ｎｄｅｔがゼロになるまで、定トルク制御を継続して行う。なお、回転速度がＮｂａｓｅを超える定出力領域では、出力可能なトルクτが減少するため、出力可能な最大トルクを出力しながらの加減速では、速度上昇・下降特性の直線性が鈍くなる。
【００７１】
以上のように、第１の実施形態に係る電流形インバータ装置１は、直列接続モードと並列接続モードとを切り替えて電動機３を制御し、前者から後者への移行時に界磁弱め制御を解除するため、接続モードを切り替えないインバータ装置に比べて電動機３の速度制御範囲を拡大することができる。
【００７２】
また、電流形インバータ装置１は、電動機の巻線切り替えを行わずに電動機３の速度制御範囲を拡大することから、電動機３の巻き線状態が変化しない。したがって、かかる電流形インバータ装置１では、電動機の巻線切り替えに伴う種々の課題を解消することができる。
【００７３】
例えば、巻線切り替え方式では、巻線の切り替え前後でモータパラメータ（例えば、トルク定数値、電機子巻線抵抗値、電機子巻線インダクタンス値）を変更しなければならない。そのため、初期のパラメータ設定値が増え、制御が複雑になる。一方、電流形インバータ装置１では、電動機３の巻き線状態が変化しないことから、上述のようなモータパラメータの変更を行うことなしに、電動機３を制御することができる。
【００７４】
また、巻線切り替え方式では、高速領域において高速用巻線だけに通電が行われるため、巻線で発生する銅損が増大する。例えば、高速用巻線の巻数と低速用巻線の巻数が１：２である場合、高速領域では、結果的にモータスロットにある巻線の半分しか使用しないことになる。そのため、巻線のスロット面積に占める巻線の実質的な占積率は低速領域の半分に低下し巻線銅損が２倍に増加する。一方、電流形インバータ装置１では、電動機３の巻き線状態が変化せず、通電されない巻線がないことから、巻線の実質的な占積率が低下しない。
【００７５】
また、従来の巻線切り替え方式では、電動機において少なくとも９個の端子を設けることになるため、電動機およびインバータ装置の小型・軽量化を阻害する要因になる。一方、電流形インバータ装置１では、巻線切り替えが行われないため、電動機３において９個の端子よりも少ない６個の端子を設ければよい。そのため、電動機３の端子数を削減でき、電動機３およびインバータ装置の小型・軽量化を図ることができる。
【００７６】
なお、第１の実施形態に係る電流形インバータ装置１の構成例として、図１に示す構成を説明したが、直流リアクトル１２ａ、１２ｂと直流母線切替部１５の位置関係は、図６に示す関係であってもよい。図６は、第１の実施形態に係る他の電流形インバータ装置１Ａの構成例を示す図である。なお、かかる電流形インバータ装置１Ａにおいて直流電流指令Ｉｄｃｒｅｆは、直列接続モード、並列接続モードを通じて想定される最大の直流電流を元に予め決定される。
【００７７】
また、上述では、インバータ部１１ａ、１１ｂを同一の回路構成としたが、異なる構成としてもよい。例えば、インバータ部１１ａとインバータ部１１ｂが同じ容量の負荷を駆動するのであれば、互いに異なる定格電力容量のインバータ部とすることもできる。また、直流リアクトル１２ａ、１２ｂのインダクタンス値を異なるインダクタンス値にしてもよい。
【００７８】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る電流形インバータ装置について説明する。第１の実施形態に係る電流形インバータ装置１は、二重巻線電動機である一台の電動機３を動作させるが、第２の実施形態に係る電流形インバータ装置は、２台の電動機を同一の回転速度で制御したり、また電動機３ａ、３ｂが機械的に結合されているときは第１の実施形態と同じ制御を行う。なお、以下においては、第１の実施形態に係る電流形インバータ装置１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。
【００７９】
図７は、第２の実施形態に係る電流形インバータ装置の構成を示す図である。図７に示すように、第２の実施形態に係る電流形インバータ装置１Ｂは、インバータ部１１ａに電動機３ａが接続され、インバータ部１１ｂに電動機３ｂが接続される。なお、インバータ部１１ａ、１１ｂは同一構成であり、例えば、図３に示すように構成される。また、電動機３ａ、３ｂも同一構成である。
【００８０】
第２の実施形態に係る電流形インバータ装置１Ｂにおいては、電動機３ａ、３ｂの回転速度は同一であり、図７に示す電流形インバータ装置１Ｂは、電動機３ａの回転子位相θのみを位置検出器４によって検出する。
【００８１】
なお、位置検出器４は、電動機３ａの回転子位相θに代えて電動機３ｂの回転子位相θを検出するようにしてもよい。また、位置検出器４に代えて速度検出器を用いる場合、速度検出器は電動機３ａ、３ｂのいずれか一つの速度を検出すればよい。
【００８２】
電流形インバータ装置１Ｂの制御部１６Ｂは、電流形インバータ装置１の制御部１６と同様の制御を行う。これにより、直流電流源であるコンバータ部１０の出力電力容量の増加を抑えつつ、電動機３ａ、３ｂの速度制御範囲を拡大することができる。
【００８３】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る電流形インバータ装置について説明する。第２の実施形態に係る電流形インバータ装置１Ｂは、２つのインバータ部１１ａ、１１ｂにより２台の電動機３ａ、３ｂを同一回転速度で動作させるものであるが、第３の実施形態に係る電流形インバータ装置は、４つのインバータ部により４台の電動機を同一回転速度で動作させる。なお、以下においては、第１および第２の実施形態に係る電流形インバータ装置１、１Ｂと異なる点を中心に説明し、第１および第２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。
【００８４】
図８は、第３の実施形態に係る電流形インバータ装置の構成を示す図である。図８に示すように、第３の実施形態に係る電流形インバータ装置１Ｃは、直流電流源７と、４つのインバータ部１１ａ〜１１ｄと、直流母線切替部１５Ｃと、制御部１６Ｃとを備える。なお、図８では、電流検出部１３などの電流検出部は省略しており、交流電源２およびコンバータ部１０を直流電流源７として表している。
【００８５】
各インバータ部１１ａ〜１１ｄには個別に電動機３ａ〜３ｄが接続される。すなわち、インバータ部１１ａには電動機３ａが接続され、インバータ部１１ｂには電動機３ｂが接続され、インバータ部１１ｃには電動機３ｃが接続され、インバータ部１１ｄには電動機３ｄが接続される。なお、インバータ部１１ａ〜１１ｄは同一構成であり、例えば、図３に示すように構成される。また、電動機３ａ〜３ｄも同一構成である。
【００８６】
直流母線切替部１５Ｃは、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１９（切替器の一例）を備え、制御部１６Ｃから出力される切替信号Ｓ１１〜Ｓ１９に基づき、直流電流源７に対するインバータ部１１ａ〜１１ｄの接続を、直列接続、直並列接続、並列接続の３つの状態に切り替える。スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１９は、スイッチング素子とダイオードとの直列接続回路により構成される。なお、スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子である。以下、直並列接続の状態を直並列接続モードと呼ぶ。
【００８７】
スイッチＳＷ１１、ＳＷ１４、ＳＷ１７は、インバータ部１１ａ〜１１ｄの正側入力端子Ｐ１〜Ｐ４間を接続するスイッチである。具体的には、スイッチＳＷ１１は、インバータ部１１ａの正側入力端子Ｐ１とインバータ部１１ｂの正側入力端子Ｐ２との間に接続される。スイッチＳＷ１４は、インバータ部１１ｂの正側入力端子Ｐ２とインバータ部１１ｃの正側入力端子Ｐ３との間に接続される。スイッチＳＷ１７は、インバータ部１１ｃの正側入力端子Ｐ３とインバータ部１１ｄの正側入力端子Ｐ４との間に接続される。
【００８８】
また、スイッチＳＷ１２、ＳＷ１５、ＳＷ１８は、インバータ部１１ａ〜１１ｄの負側入力端子Ｎ１〜Ｎ４間を接続するスイッチである。具体的には、スイッチＳＷ１２は、インバータ部１１ａの負側入力端子Ｎ１とインバータ部１１ｂの負側入力端子Ｎ２との間に接続される。スイッチＳＷ１５は、インバータ部１１ｂの負側入力端子Ｎ２とインバータ部１１ｃの負側入力端子Ｎ３との間に接続される。スイッチＳＷ１８は、インバータ部１１ｃの負側入力端子Ｎ３とインバータ部１１ｄの負側入力端子Ｎ４との間に接続される。
【００８９】
また、スイッチＳＷ１３、ＳＷ１６、ＳＷ１９は、インバータ部１１ａ〜１１ｄの極性の異なる端子間を接続するスイッチである。具体的には、スイッチＳＷ１３は、インバータ部１１ａの負側入力端子Ｎ１とインバータ部１１ｂの正側入力端子Ｐ２との間に接続される。スイッチＳＷ１６は、インバータ部１１ｂの負側入力端子Ｎ２とインバータ部１１ｃの正側入力端子Ｐ３との間に接続される。スイッチＳＷ１９は、インバータ部１１ｃの負側入力端子Ｎ３とインバータ部１１ｄの正側入力端子Ｐ４との間に接続される。
【００９０】
制御部１６Ｃは、速度演算器２１と、切替速度設定器２３Ｃと、切替判別器２９とを備える。なお、図示していないが、制御部１６Ｃは、制御部１６と同様に、インバータ制御器２５、定出力制御器２６、コンバータ電圧指令器２７およびコンバータ制御器２８を備える。
【００９１】
速度演算器２１は、位置検出器４からの回転子位相θに基づいて電動機３の回転速度Ｎｄｅｔを演算する。切替速度設定器２３Ｃは、第１回転速度設定値Ｎｓ１および第２回転速度設定値Ｎｓ２を切替判別器２９へ出力する。
【００９２】
切替判別器２９は、速度演算器２１から出力される回転速度Ｎｄｅｔと切替速度設定器２３Ｃから出力される第１回転速度設定値Ｎｓ１および第２回転速度設定値Ｎｓ２とを比較し、比較結果に基づいた切替信号Ｓ１１〜Ｓ１９を出力する。
【００９３】
具体的には、切替判別器２９は、回転速度Ｎｄｅｔが第１回転速度設定値Ｎｓ１未満であれば、直列接続モードの切替信号Ｓ１１〜Ｓ１９を出力する。また、切替判別器２９は、回転速度Ｎｄｅｔが第１回転速度設定値Ｎｓ１以上第２回転速度設定値Ｎｓ２未満であれば、直並列接続モードの切替信号Ｓ１１〜Ｓ１９を出力する。さらに、切替判別器２９は、回転速度Ｎｄｅｔが第２回転速度設定値Ｎｓ２以上であれば、並列接続モードの切替信号Ｓ１１〜Ｓ１９を出力する。切替信号Ｓ１１〜Ｓ１９はそれぞれスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１９を動作させるための信号である。
【００９４】
図９は、電流形インバータ装置１Ｃにおける接続モードとスイッチの状態と電動機３ａ〜３ｄの結合状態との関係を示す図である。図９に示すように、直列接続モードでは、スイッチＳＷ１３、ＳＷ１６、ＳＷ１９がオン状態であり、その他のスイッチＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１４、ＳＷ１５、ＳＷ１７、ＳＷ１８がオフ状態である。これにより、コンバータ部１０に対して、電動機３ａ〜３ｄが４つのインバータ部１１ａ〜１１ｄを介して直列に接続される。
【００９５】
直並列接続モードでは、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１６〜ＳＷ１８がオン状態であり、その他のスイッチＳＷ１３〜ＳＷ１５、ＳＷ１９がオフ状態である。これにより、コンバータ部１０に対してインバータ部１１ａ、１１ｂを介してそれぞれ並列に接続された電動機３ａ、３ｂの組とインバータ部１１ｃ、１１ｄを介してそれぞれ並列に接続された電動機３ｃ、３ｄの組とが直列に接続される。
【００９６】
並列接続モードでは、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１４、ＳＷ１５、ＳＷ１７、ＳＷ１８がオン状態であり、その他のスイッチＳＷ１３、ＳＷ１６、ＳＷ１９がオフ状態である。これにより、コンバータ部１０に対して、電動機３ａ〜３ｄが４つのインバータ部１１ａ〜１１ｄを介して並列に接続される。
【００９７】
図１０は、電流形インバータ装置１Ｃの特性を示す図であり、具体的には、直流母線電圧Ｖｐｎ、出力有効電力Ｐおよびトルクτと、電動機３ａ〜３ｄの回転速度との関係を示す図である。
【００９８】
また、図１０においては電動機３ａ〜３ｄの回転速度が第１回転速度設定値Ｎｓ１未満である領域を低速領域とし、電動機３ａ〜３ｄの回転速度が第１回転速度設定値Ｎｓ１以上第２回転速度設定値Ｎｓ２未満である領域を中速領域としている。また、電動機３ａ〜３ｄの回転速度が第２回転速度設定値Ｎｓ２以上である領域を高速領域としている。
【００９９】
図１０に示すように、電流形インバータ装置１Ｃは、低速領域では、直列接続モードで動作し、中速領域では、直並列接続モードで動作し、高速領域では、並列接続モードで動作する。
【０１００】
低速領域のうち、電動機３ａ〜３ｄの回転速度が基底回転速度値Ｎｂａｓｅ未満である領域では、制御部１６Ｃは、定トルク制御を行う。一方、低速領域のうち、電動機３ａ〜３ｄの回転速度が基底回転速度値Ｎｂａｓｅ以上である領域では、制御部１６Ｃは、定出力制御を行う。また、中速領域および高速領域では、制御部１６Ｃは、定出力制御を行う。
【０１０１】
図１０に示すように、直列接続モードにおける最大制御速度は回転速度Ｎｓ１であり、直並列接続モードにおける最大制御速度は回転速度Ｎｓ２であり、並列接続モードにおける最大制御速度は回転速度Ｎｍａｘである。なお、図１０において、Ｖｐｎ１は、直並列接続モードにおいて界磁弱め制御が行われない場合の直流母線電圧Ｖｐｎであり、Ｖｐｎ２は、並列接続モードにおいて界磁弱め制御が行われない場合の直流母線電圧Ｖｐｎである。
【０１０２】
したがって、直列接続モード、直並列接続モードおよび並列接続モードを切り替え、各切り替えにて界磁弱め制御を解除することによって、電動機３ａ〜３ｄの速度制御範囲を回転速度Ｎｍａｘまでとでき、これらのモードを切り替えない場合に比べて、直流電流源７の容量を出力有効電力Ｐに基づく容量に抑えつつ、速度制御範囲を拡大することができる。
【０１０３】
直列接続モードと直並列接続モードとの切り替え制御、および、直並列接続モードと並列接続モードとの切り替え制御は、第１の実施形態に係る接続モードの切り替え制御と同様の制御である。
【０１０４】
例えば、回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ１に達した場合、制御部１６Ｃは、ｄ軸弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃをゼロに戻すことにより、電動機３ａ〜３ｄの界磁を強め、ｑ軸電流指令値をＮｂａｓｅ／Ｎｓ１倍することで制限する。これにより、直列接続モードから直並列接続モードへの切り替えの前後で電動機３ａ〜３ｄの出力トルクτは変化せず、出力有効電力Ｐも一定値のまま変化しない。
【０１０５】
また、回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ２に達した場合、制御部１６Ｃがｄ軸弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃをゼロに戻すことにより、電動機３ａ〜３ｄの界磁を強め、ｑ軸電流指令値をＮｓ１／Ｎｓ２倍することで制限する。これにより、直並列接続モードから並列接続モードへの切り替えの前後で電動機３ａ〜３ｄの出力トルクτは変化せず、出力有効電力Ｐも一定値のまま変化しない。
【０１０６】
図１１は電動機３ａ〜３ｄを加減速した場合の電流形インバータ装置１Ｃの動作説明図である。図１１では、時刻Ｔ０から電動機３ａ〜３ｄの加速を開始して時刻Ｔ５において回転速度Ｎｄｅｔを最大速度値Ｎｍａｘまで上げ、その後、時刻Ｔ６から電動機３ａ〜３ｄの減速を開始して時刻Ｔ９で回転速度Ｎｄｅｔをゼロにした場合の各スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１９の状態を示す。
【０１０７】
図１１に示すように、電流形インバータ装置１Ｃは、加速時には、直列接続モードから直並列接続モードへ移行し、その後、直並列接続モードから並列接続モードへ移行する。また、電流形インバータ装置１Ｃは、減速時には、並列接続モードから直並列接続モードへ移行し、その後、直並列接続モードから直列接続モードへ移行する。なお、電動機３の回転速度が基底回転速度値Ｎｂａｓｅを超えると定出力領域となり速度上昇・下降特性の直線性が徐々に保てなくなる。
【０１０８】
以上のように、第３の実施形態に係る電流形インバータ装置１Ｃでは、インバータ部１１を４つとし、直列接続モード、直並列接続モードおよび並列接続モードを切り替えて実行する。そのため、第２の実施形態に係る電流形インバータ装置１Ｂに比べ、速度制御範囲をさらに拡大することができる。
【０１０９】
なお、図８に示す例では、４つのインバータ部１１ａ〜１１ｄに対して４台の電動機３ａ〜３ｄを接続したが、４つのインバータ部１１ａ〜１１ｄに対して１台の電動機を接続するようにしてもよい。この場合、電動機として、第１〜第４の３相巻線を有する四重巻線電動機を用いる。そして、各３相巻線に対してインバータ部１１ａ〜１１ｄのそれぞれを接続する。このようにすることで、電動機を、速度制御範囲を拡大しつつ動作させることができる。
【０１１０】
また、４つのインバータ部１１ａ〜１１ｄに対して２台の電動機を接続するようにしてもよい。この場合、電動機として、第１および第２の３相巻線を有する二重巻線電動機を２つ用いる。そして、一方の電動機に対してインバータ部１１ａ、１１ｂを接続し、他方の電動機に対してインバータ部１１ｃ、１１ｄを接続する。このようにすることで、２台の電動機を速度制御範囲を拡大しつつ動作させることができる。
【０１１１】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態に係る電流形インバータ装置について説明する。第３の実施形態に係る電流形インバータ装置１Ｃは、４つのインバータ部１１ａ〜１１ｄにより電動機３ａ〜３ｄを同一回転速度で動作させるものであるが、第４の実施形態に係る電流形インバータ装置は、６つのインバータ部により６台の電動機を同一回転速度で動作させる。なお、以下においては、第３の実施形態に係る電流形インバータ装置１Ｃと異なる点を中心に説明し、上述した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。
【０１１２】
図１２は、第４の実施形態に係る電流形インバータ装置の構成を示す図である。図１２に示すように、第４の実施形態に係る電流形インバータ装置１Ｄは、直流電流源７と、６つのインバータ部１１ａ〜１１ｆと、直流母線切替部１５Ｄと、制御部１６Ｄとを備える。
【０１１３】
各インバータ部１１ａ〜１１ｆには個別に電動機３ａ〜３ｆが接続される。なお、インバータ部１１ａ〜１１ｆは同一構成であり、例えば、図３に示すように構成される。また、電動機３ａ〜３ｆも同一構成である。
【０１１４】
直流母線切替部１５Ｄは、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ２５（切替器の一例）を備え、制御部１６Ｄから出力される切替信号Ｓ１１〜Ｓ２５に基づき、直流電流源７に対するインバータ部１１ａ〜１１ｆの接続を、直列接続、３直列２並列接続、２直列３並列接続、並列接続の４つの状態に切り替える。３直列２並列接続は、並列接続された２台の電動機の組が３つ直列に接続された状態であり、２直列３並列接続は、並列接続された３つの電動機の組が２つ直列に接続された状態である。
【０１１５】
スイッチＳＷ１１〜ＳＷ２５は、スイッチング素子とダイオードとの直列接続回路により構成される。なお、スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子である。以下、直列２並列接続の状態を３直列２並列接続モードと呼び、２直列３並列接続の状態を２直列３並列接続モードと呼ぶ。
【０１１６】
スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１９は、第３実施形態にかかる直流母線切替部１５Ｃと同様の接続である。また、スイッチＳＷ２０、ＳＷ２３は、インバータ部１１ｄ〜１１ｆの正側入力端子Ｐ４〜Ｐ６間を接続するスイッチであり、スイッチＳＷ２１、ＳＷ２４は、インバータ部１１ｄ〜１１ｆの負側入力端子Ｎ４〜Ｎ６間を接続するスイッチである。また、スイッチＳＷ２２、ＳＷ２５は、インバータ部１１ｄ〜１１ｆの極性の異なる入力端子間を接続するスイッチである。
【０１１７】
スイッチＳＷ２０は、インバータ部１１ｄの正側入力端子Ｐ４とインバータ部１１ｅの正側入力端子Ｐ５との間に接続される。スイッチＳＷ２３は、インバータ部１１ｅの正側入力端子Ｐ５とインバータ部１１ｆの正側入力端子Ｐ６との間に接続される。スイッチＳＷ２１は、インバータ部１１ｄの負側入力端子Ｎ４とインバータ部１１ｅの負側入力端子Ｎ５との間に接続される。スイッチＳＷ２４は、インバータ部１１ｅの負側入力端子Ｎ５とインバータ部１１ｆの負側入力端子Ｎ６との間に接続される。スイッチＳＷ２２は、インバータ部１１ｄの負側入力端子Ｎ４とインバータ部１１ｅの正側入力端子Ｐ５との間に接続される。スイッチＳＷ２５は、インバータ部１１ｅの正側入力端子Ｐ５とインバータ部１１ｆの負側入力端子Ｎ６との間に接続される。
【０１１８】
制御部１６Ｄは、速度演算器２１と、切替速度設定器２３Ｄと、切替判別器２９Ｄとを備える。なお、図示していないが、制御部１６Ｄは、制御部１６と同様に、インバータ制御器２５、定出力制御器２６、コンバータ電圧指令器２７およびコンバータ制御器２８を備える。
【０１１９】
速度演算器２１は、位置検出器４らの回転子位相θに基づいて電動機３ａ〜３ｆの回転速度Ｎｄｅｔを演算する。切替速度設定器２３Ｄは、第１回転速度設定値Ｎｓ１、第２回転速度設定値Ｎｓ２および第３回転速度設定値Ｎｓ３を切替判別器２９Ｄへ出力する。切替判別器２９Ｄは、速度演算器２１から出力される回転速度Ｎｄｅｔと切替速度設定器２３Ｄから出力される第１回転速度設定値Ｎｓ１、第２回転速度設定値Ｎｓ２および第３回転速度設定値Ｎｓ３を比較し、比較結果に基づいた切替信号Ｓ１１〜Ｓ２５を出力する。
【０１２０】
具体的には、切替判別器２９Ｄは、回転速度Ｎｄｅｔが第１回転速度設定値Ｎｓ１未満であれば、直列接続モードの切替信号Ｓ１１〜Ｓ２５を出力する。また、切替判別器２９Ｄは、回転速度Ｎｄｅｔが第１回転速度設定値Ｎｓ１以上第２回転速度設定値Ｎｓ２未満であれば、３直列２並列接続モードの切替信号Ｓ１１〜Ｓ２５を出力する。
【０１２１】
また、切替判別器２９Ｄは、回転速度Ｎｄｅｔが第２回転速度設定値Ｎｓ２以上第３回転速度設定値Ｎｓ３未満であれば、２直列３並列接続モードの切替信号Ｓ１１〜Ｓ２５を出力する。さらに、切替判別器２９Ｄは、回転速度Ｎｄｅｔが第３回転速度設定値Ｎｓ３以上であれば、並列接続モードの切替信号Ｓ１１〜Ｓ２５を出力する。切替信号Ｓ１１〜Ｓ２５はそれぞれスイッチＳＷ１１〜ＳＷ２５を動作させるための信号である。
【０１２２】
図１３は、電流形インバータ装置１Ｄにおける接続モードとスイッチの状態と電動機３ａ〜３ｆの結合状態との関係を示す図である。図１３は、図９に対応する図であり、各接続モードでのスイッチＳＷ１１〜ＳＷ２５の状態と電動機３ａ〜３ｆの結合状態が示される。
【０１２３】
図１３に示すように、直列接続モードでは、スイッチＳＷ１３、ＳＷ１６、ＳＷ１９、ＳＷ２２、ＳＷ２５がオン状態であり、その他のスイッチＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１４、ＳＷ１５、ＳＷ１７、ＳＷ１８、ＳＷ２０、ＳＷ２１、ＳＷ２３、ＳＷ２４がオフ状態である。これにより、コンバータ部１０に対して、電動機３ａ〜３ｆが６つのインバータ部１１ａ〜１１ｆを介して直列に接続される。
【０１２４】
また、３直列２並列接続モードでは、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１６〜ＳＷ１８、ＳＷ２２〜ＳＷ２４がオン状態であり、その他のスイッチＳＷ１３〜ＳＷ１５、ＳＷ１９〜ＳＷ２１、ＳＷ２５がオフ状態である。これにより、コンバータ部１０に対してインバータ部１１ａ、１１ｂを介してそれぞれ並列に接続された電動機３ａ、３ｂの組とインバータ部１１ｃ、１１ｄを介してそれぞれ並列に接続された電動機３ｃ、３ｄの組とインバータ部１１ｅ、１１ｆを介してそれぞれ並列に接続された電動機３ｄ、３ｅの組とが直列に接続される。
【０１２５】
また、２直列３並列接続モードでは、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１４、ＳＷ１５、ＳＷ１９〜ＳＷ２１、ＳＷ２３、ＳＷ２４がオン状態であり、その他のスイッチＳＷ１３、ＳＷ１６〜ＳＷ１８、ＳＷ２２、ＳＷ２５がオフ状態である。これにより、コンバータ部１０に対してインバータ部１１ａ〜１１ｃを介してそれぞれ並列に接続された電動機３ａ〜３ｃの組とインバータ部１１ｄ〜１１ｆを介してそれぞれ並列に接続された電動機３ｄ〜３ｆの組とが直列に接続される。
【０１２６】
また、並列接続モードでは、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１４、ＳＷ１５、ＳＷ１７、ＳＷ１８、ＳＷ２０、ＳＷ２１、ＳＷ２３、ＳＷ２４がオン状態であり、その他のスイッチＳＷ１３、ＳＷ１６、ＳＷ１９、ＳＷ２２、ＳＷ２５がオフ状態である。これにより、コンバータ部１０に対して、電動機３ａ〜３ｆが６つのインバータ部１１ａ〜１１ｆを介して並列に接続される。
【０１２７】
図１４は、電流形インバータ装置１Ｄの特性を示す図であり、具体的には、直流母線電圧Ｖｐｎ、出力有効電力Ｐおよびトルクτと、電動機３ａ〜３ｆの回転速度との関係を示す図である。
【０１２８】
また、図１４においては電動機３ａ〜３ｆの回転速度が第１回転速度設定値Ｎｓ１未満である領域を低速領域とし、電動機３ａ〜３ｆの回転速度が第１回転速度設定値Ｎｓ１以上第２回転速度設定値Ｎｓ２未満である領域を第１中速領域としている。また電動機３ａ〜３ｆの回転速度が第２回転速度設定値Ｎｓ２以上第３回転速度設定値Ｎｓ３未満である領域を第２中速領域としている。電動機３ａ〜３ｆの回転速度が第３回転速度設定値Ｎｓ３以上である領域を高速領域としている。
【０１２９】
図１４に示すように、電流形インバータ装置１Ｄは、低速領域では、直列接続モードで動作し、第１中速領域では、３直列２並列接続モードで動作し、第２中速モードでは、２直列３並列接続モードで動作し、高速領域では、並列接続モードで動作する。
【０１３０】
低速領域のうち、電動機３ａ〜３ｆの回転速度が基底回転速度値Ｎｂａｓｅ未満である領域では、制御部１６Ｄは、定トルク制御を行う。一方、低速領域のうち、電動機３ａ〜３ｆの回転速度が基底回転速度値Ｎｂａｓｅ以上である領域では、制御部１６Ｄは、定出力制御を行う。また、第１中速領域、第２中速領域および高速領域では、制御部１６Ｄは、定出力制御を行う。
【０１３１】
図１４に示すように、直列接続モードにおける最大制御速度は回転速度Ｎｓ１であり、３直列２並列接続モードにおける最大制御速度は回転速度Ｎｓ２であり、２直列３並列接続モードにおける最大制御速度は回転速度Ｎｓ３であり、並列接続モードにおける最大制御速度は回転速度Ｎｍａｘである。
【０１３２】
したがって、直列接続モード、３直列２並列接続モード、２直列３並列接続モードおよび並列接続モードを切り替え、各切り替えにて界磁弱め制御を解除することによって、電動機３ａ〜３ｆの速度制御範囲を回転速度Ｎｍａｘまでとでき、これらのモードを切り替えない場合に比べて、直流電流源７の容量を出力有効電力Ｐに基づく容量に抑えつつ速度制御範囲を拡大することができる。なお、図１４において、Ｖｐｎ１は、３直列２並列接続モードにおいて界磁弱め制御が行われない場合の直流母線電圧Ｖｐｎであり、Ｖｐｎ２は、２直列３並列接続モードにおいて界磁弱め制御が行われない場合の直流母線電圧Ｖｐｎであり、また、Ｖｐｎ３は、並列接続モードにおいて界磁弱め制御が行われない場合の直流母線電圧Ｖｐｎである。
【０１３３】
直列接続モードと３直列２並列接続モードとの切り替え制御、３直列２並列接続モードと２直列３並列接続モードとの切り替え制御、および、２直列３並列接続モードと並列接続モードとの切り替え制御は、第１の実施形態に係る接続モードの切り替え制御と同様の制御である。
【０１３４】
例えば、回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ１に達した場合、制御部１６Ｄは、ｄ軸弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃをゼロに戻すことにより、電動機３ａ〜３ｆの界磁を強め、ｑ軸電流指令値をＮｂａｓｅ／Ｎｓ１倍することで制限する。これにより、直列接続モードから３直列２並列接続モードへの切り替えの前後で電動機３ａ〜３ｆの出力トルクτは変化せず、出力有効電力Ｐも一定値のまま変化しない。
【０１３５】
また、回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ２に達した場合、制御部１６Ｄがｄ軸弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃをゼロに戻すことにより、電動機３ａ〜３ｆの界磁を強め、ｑ軸電流指令値をＮｓ１／Ｎｓ２倍することで制限する。これにより、３直列２並列接続モードから２直列３並列接続モードへの切り替えの前後で電動機３ａ〜３ｆの出力トルクτは変化せず、出力有効電力Ｐも一定値のまま変化しない。
【０１３６】
また、回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ３に達した場合、制御部１６Ｄがｄ軸弱め界磁電流指令値Ｉｄｒｃをゼロに戻すことにより、電動機３ａ〜３ｆの界磁を強め、ｑ軸電流指令値をＮｓ２／Ｎｓ３倍することで制限する。これにより、２直列３並列接続モードから並列接続モードへの切り替えの前後で電動機３ａ〜３ｆの出力トルクτは変化せず、出力有効電力Ｐも一定値のまま変化しない。
【０１３７】
以上のように、第４の実施形態に係る電流形インバータ装置１Ｄでは、インバータ部１１を６つとし、直列接続モード、３直列２並列接続モード、２直列３並列接続モードおよび並列接続モードを切り替えて実行する。そのため、第３の実施形態に係る電流形インバータ装置１Ｃに比べ、速度制御範囲をさらに拡大することができる。
【０１３８】
なお、図１２に示す例では、６つのインバータ部１１ａ〜１１ｆに対して６台の電動機３ａ〜３ｆを接続したが、６つのインバータ部１１ａ〜１１ｆに対して１台の電動機を接続するようにしてもよい。この場合、電動機として、第１〜第６の３相巻線を有する六重巻線電動機を用いる。そして、各３相巻線に対してインバータ部１１ａ〜１１ｆのそれぞれを接続する。このようにすることで、電動機を、速度制御範囲を拡大しつつ動作させることができる。
【０１３９】
また、６つのインバータ部１１ａ〜１１ｆに対して３台の電動機を接続するようにしてもよい。この場合、電動機として、第１および第２の３相巻線を有する二重巻線電動機を３つ用いる。そして、２つのインバータ部１１の組に対して電動機を接続する。このようにすることで、３台の二重巻線電動機を、速度制御範囲を拡大しつつ動作させることができる。
【０１４０】
また、６つのインバータ部１１ａ〜１１ｆに対して２台の電動機を接続するようにしてもよい。この場合、電動機として、第１〜第３の３相巻線を有する三重巻線電動機を２つ用いる。そして、３つずつのインバータ部１１の組に対して電動機を接続する。このようにすることで、２台の三重巻線電動機を、速度制御範囲を拡大しつつ動作させることができる。
【０１４１】
なお、上述においては、インバータ部１１が２つ、４つ、６つの場合について説明したが、電動機は、３台であってもよく、また、８台以上であってもよい。例えば、インバータ部１１が８つの場合、直列接続モード、４直列２並列接続モード、２直列４並列接続モードおよび並列接続モードの切り替えが実行される。また、インバータ部１１が９つの場合、直列接続モード、３直列３並列接続モードおよび並列接続モードの切り替えが実行される。
【０１４２】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態に係る電流形インバータ装置について説明する。第１の実施形態に係る電流形インバータ装置１、１Ａは、低速領域において直列接続モードで動作し、高速領域において並列接続モードで動作する。一方、第５の実施形態に係る電流形インバータ装置は、電動機３の回転速度が基底回転速度値Ｎｂａｓｅ以上かつ回転速度設定値Ｎｓ１未満の速度範囲を中速領域とし、コンバータ部に対するインバータ部の接続を直列と並列とに交互に接続することで、高効率となる速度領域を拡大する。
【０１４３】
なお、以下においては、第１の実施形態に係る電流形インバータ装置１、１Ａと異なる点を中心に説明し、上述した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。また、後述する図１８および図１９においては、電動機３の巻線インピーダンスの電圧降下は無視している。
【０１４４】
図１５は、第５の実施形態に係る電流形インバータ装置の構成を示す図である。図１５に示す電流形インバータ装置１Ｅの制御部１６Ｅは、比較器１２（図１参照）に代えて切替信号生成器２０を有し、また、インバータ制御器２５Ｅの動作が電流形インバータ装置１のインバータ制御器２５と異なる。
【０１４５】
切替信号生成器２０は、速度演算器２１から出力される回転速度Ｎｄｅｔと切替速度設定器２３から出力される回転速度設定値Ｎｓ１とに基づいて、切替信号Ｓｐを生成する。ＮＯＴ回路２４は、切替信号Ｓｐのレベルを反転して切替信号Ｓｎとして出力する。そして、切替信号Ｓｐは、スイッチＳＷ１、ＳＷ２に入力され、切替信号Ｓｎは、スイッチＳＷ３に入力される。
【０１４６】
切替信号生成器２０は、回転速度Ｎｄｅｔに応じたオン比率の切替信号Ｓｐを出力する。図１６は、回転速度Ｎｄｅｔ、切替信号Ｓｐのオン比率Ｔｒｐ、および、切替信号Ｓｎのオン比率Ｔｒｎとの関係を示す図である。オン比率Ｔｒｐは、切替信号ＳｐにおけるＨｉｇｈレベルの期間の比であり、オン比率Ｔｒｎは、切替信号ＳｎにおけるＨｉｇｈレベルの期間の比である。
【０１４７】
図１６に示すように、回転速度Ｎｄｅｔが基底回転速度値Ｎｂａｓｅ未満である場合、切替信号生成器２０は、オン比率Ｔｒｐが０％であるＬｏｗレベルの切替信号Ｓｐを出力する。一方、回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ１以上である場合、切替信号生成器２０は、オン比率Ｔｒｐが１００％であるＨｉｇｈレベルの切替信号Ｓｐを出力する。
【０１４８】
回転速度Ｎｄｅｔが基底回転速度値Ｎｂａｓｅ以上で回転速度設定値Ｎｓ１未満である場合、回転速度Ｎｄｅｔが速くなるほど、１００％に近づくようにオン比率Ｔｒｐが設定される。図１７は、切替信号Ｓｐ、Ｓｎの波形の一例を示す図である。図１７に示すように、切替信号Ｓｐ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、切替信号Ｓｎは周期ＴC毎にＨｉｇｈレベルとなるオン期間ＴLとＬｏｗレベルとなるオフ期間ＴHが設定される。切替信号Ｓｐのオン比率Ｔｒｐは、ＴL／ＴCで表され、切替信号Ｓｎのオン比率Ｔｒｎは、ＴH／ＴCで表される。
【０１４９】
切替信号Ｓｐのオン比率Ｔｒｐが０％である場合、切替信号Ｓｎのオン比率Ｔｒｎは１００％であり、スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオフになり、スイッチＳＷ３がオンになる。これにより、コンバータ部１０に対してインバータ部１１ａ、１１ｂが直列に接続される直列接続モードにより電動機３が制御される。
【０１５０】
また、切替信号Ｓｐのオン比率Ｔｒｐが１００％である場合、切替信号Ｓｎのオン比率Ｔｒｎは０％であり、スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオンになり、スイッチＳＷ３がオフになる。これにより、コンバータ部１０に対してインバータ部１１ａ、１１ｂが並列に接続される並列接続モードにより電動機３が制御される。
【０１５１】
また、０％＜Ｔｒｐ（＝１−Ｔｒｎ）＜１００％の場合、オン比率Ｔｒｐに応じた時間だけＨｉｇｈになる切替信号Ｓｐが切替信号生成器２０から出力される。また、ＮＯＴ回路２４により、オン比率Ｔｒｎに応じた時間だけＨｉｇｈになる切替信号ＳｎがＮＯＴ回路２４から出力される。
【０１５２】
これにより、オン比率Ｔｒｎに応じた時間だけコンバータ部１０に対してインバータ部１１ａ、１１ｂが直列接続状態になり、オン比率Ｔｒｐに応じた時間だけコンバータ部１０に対してインバータ部１１ａ、１１ｂが並列接続状態になるスイッチング制御が周期ＴC毎に繰り返し行われる。
【０１５３】
図１８は、電動機３を加速した場合のスイッチＳＷ１〜３のオン比率、直列接続状態および並列接続状態の時比率の関係を示す図である。図１８に示すように、電動機３を加減速する場合には、直列接続状態の時比率および並列接続状態の時比率が０％と１００％との間で連続して変化する。
【０１５４】
また、インバータ制御器２５Ｅは、Ｎｂａｓｅ＜Ｎｄｅｔ＜Ｎｓ１の範囲において、ｄ軸電流指令を第１の実施形態にて回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ１のとき界磁弱め制御を解除する直前のｄ軸電流指令の半分とし、ｑ軸電流指令を（Ｎｂａｓｅ＋Ｎｓ１）／（２Ｎｓ１）倍に制限する。
【０１５５】
このような制御により第５の実施形態に係る電流形インバータ装置１Ｅでは、図１９に示すように特性が変化する電動機を仮想的に運転している場合と同等に電動機３を運転することが可能となる。図１９は、電動機３の回転速度Ｎｄｅｔと出力有効電力Ｐとの関係を示す図である。
【０１５６】
このように、第５の実施形態に係る電流形インバータ装置１Ｅは、電動機３の回転速度に応じた時比率で、コンバータ部１０に対してインバータ部１１ａ、１１ｂの接続状態を直列接続状態と並列接続状態とで交互に切り替えるスイッチング制御を行うことによって、高効率領域を拡大することができる。
【０１５７】
なお、第５の実施形態の上記例では、第１の実施形態に係る電流形インバータ装置１、１Ａからの変更点について説明したが、上述した電流形インバータ装置１Ｂ〜１Ｄについても同様の処理により、高効率領域を拡大することができる。例えば、電流形インバータ装置１Ｂにおいて、上述した切替信号生成器２０を設け、上述したインバータ制御器２５Ｅと同様の制御を行うことで高効率領域を拡大することができる。
【０１５８】
また、電流形インバータ装置１Ｃにおいては、切替判別器２９により、電動機３の回転速度Ｎｄｅｔに応じて、接続モードを交互に切り替えるスイッチング制御を行うことによって高効率となる速度領域を拡大することができる。
【０１５９】
具体的には、Ｎｂａｓｅ＜Ｎｄｅｔ＜Ｎｓ１の速度範囲において、切替判別器２９は、直流電流源７に対するインバータ部１１ａ〜１１ｄの接続状態を直列接続モードと２直列２並列接続モードとに交互に接続するスイッチング制御を行う。このスイッチング制御では、ｄ軸電流指令を第３の実施形態にて回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ１のとき界磁弱め制御を解除する直前のｄ軸電流指令の半分とし、ｑ軸電流指令を（Ｎｂａｓｅ＋Ｎｓ１）／（２Ｎｓ１）倍に制限する。
【０１６０】
また、Ｎｓ１＜Ｎｄｅｔ＜Ｎｓ２の速度範囲において、切替判別器２９が、直流電流源７に対するインバータ部１１ａ〜１１ｄの接続状態を２直列２並列接続モードと並列接続モードに交互に接続するスイッチング制御を行う。このスイッチング制御では、ｄ軸電流指令を第３の実施形態にて回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ２のとき界磁弱め制御を解除する直前のｄ軸電流指令の半分とし、ｑ軸電流指令を（Ｎｓ１＋Ｎｓ２）／（２Ｎｓ１）倍に制限する。
【０１６１】
また、電流形インバータ装置１Ｄにおいては、切替判別器２９Ｄにより、電動機３の回転速度Ｎｄｅｔに応じて、接続モードを交互に切り替えるスイッチング制御を行うことによって高効率となる速度領域を拡大することができる。
【０１６２】
具体的には、Ｎｂａｓｅ＜Ｎｄｅｔ＜Ｎｓ１の速度範囲において、切替判別器２９Ｄは、直流電流源７に対するインバータ部１１ａ〜１１ｆの接続状態を直列接続モードと３直列２並列接続モードとに交互に接続するスイッチング制御を行う。このスイッチング制御では、ｄ軸電流指令を第４の実施形態にて回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ１のとき界磁弱め制御を解除する直前のｄ軸電流指令の半分とし、ｑ軸電流指令を（Ｎｂａｓｅ＋Ｎｓ１）／（２Ｎｓ１）倍に制限する。
【０１６３】
また、Ｎｓ１＜Ｎｄｅｔ＜Ｎｓ２の速度範囲において、切替判別器２９Ｄは、直流電流源７に対するインバータ部１１ａ〜１１ｆの接続状態を３直列２並列接続モードと２直列３並列接続モードに交互に接続するスイッチング制御を行う。このスイッチング制御では、ｄ軸電流指令を第４の実施形態にて回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ２のとき界磁弱め制御を解除する直前のｄ軸電流指令の半分とし、ｑ軸電流指令を（Ｎｓ１＋Ｎｓ２）／（２Ｎｓ２）倍に制限する。
【０１６４】
また、Ｎｓ２＜Ｎｄｅｔ＜Ｎｓ３の速度範囲において、切替判別器２９Ｄは、直流電流源７に対するインバータ部１１ａ〜１１ｆの接続状態を２直列３並列接続モードと並列接続モードに交互に接続するスイッチング制御を行う。このスイッチング制御では、ｄ軸電流指令を第４の実施形態にて回転速度Ｎｄｅｔが回転速度設定値Ｎｓ３のとき界磁弱め制御を解除する直前のｄ軸電流指令の半分とし、ｑ軸電流指令を（Ｎｓ２＋Ｎｓ３）／（２Ｎｓ３）倍に制限する。
【０１６５】
なお、上述した第１〜第５の実施形態に係る電流形インバータ装置１、１Ａ〜１Ｅ等は、例えば、２以上の電動機を備えた電気鉄道車両、電気自動車、ハイブリッド自動車などのように広い速度制御範囲が必要とされる装置に対して適用することができる。
【０１６６】
また、上述の実施形態では、電動機３の回転速度を検出し、かかる検出結果に応じて接続モードを切り替えるものとして説明したが、結果的に電動機３の回転速度に応じて接続モードの切り替えを行えればよい。したがって、インバータ部１１の出力電圧や出力電流を検出して接続モードの切り替えを行う場合も電動機３の回転速度に応じた制御に当然に含まれる。
【０１６７】
また、上述の実施形態では、電動機３を永久磁石式同期電動機としたが、界磁を弱める際に励磁電流（ｄ軸電流）を増加させることが必要な電動機であればよい。
【０１６８】
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】
【０１６９】
１、１Ａ〜１Ｅ  電流形インバータ装置
２  ３相交流電源
３、３ａ〜３ｆ  ３相交流電動機
４  位置検出器
７  直流電流源
１０  コンバータ部
１１、１１ａ〜１１ｆ  インバータ部
１２ａ〜１２ｆ  直流リアクトル
１３  電流検出部
１５、１５Ｃ、１５Ｄ  直流母線切替部
１６、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ、１６Ｅ  制御部
２０  切替信号生成器
２１  速度演算器
２２  比較器
２３、２３Ｃ、２３Ｄ  切替速度設定器
２４  ＮＯＴ回路
２５、２５Ｅ  インバータ制御器
２６  定出力制御器
２７  コンバータ電圧指令器
２８  コンバータ制御器
２９、２９Ｄ  切替判別器
ＳＷ１〜３、ＳＷ１１〜２５  スイッチ
【図１】
2014165957.tif 000003
【図２】
2014165957.tif 000004
【図３】
2014165957.tif 000005
【図４】
2014165957.tif 000006
【図５】
2014165957.tif 000007
【図６】
2014165957.tif 000008
【図７】
2014165957.tif 000009
【図８】
2014165957.tif 000010
【図９】
2014165957.tif 000011
【図１０】
2014165957.tif 000012
【図１１】
2014165957.tif 000013
【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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