(57)【要約】  【課題】多相交流電動機の空転時において、多相のうちの一部の相の巻線を短絡して流れる電流に基づいて回転子の位置を推定する具体的手段を実現し、電力変換器の起動を確実かつ簡便に行なうようにする。  【解決手段】多相交流電動機３１を運転する電力変換器１１と制御部２とを備えた交流電動機用電力変換装置のフリーラン起動技術に関する。電力変換器１１のスイッチング素子は複数の自己消弧型スイッチング素子にダイオードをそれぞれ逆並列接続して構成され、制御部２は、電動機３１の空転時に前記スイッチング素子のうちの一つにオン信号を与えた場合の短絡電流の有無、短絡電流が流れる相の情報に基づいて、電動機３１の回転子または可動子の位置を推定して電力変換器１１を起動する。【選択図】図１
2006025587.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相交流電動機を運転する電力変換器と、この電力変換器を構成するスイッチング素子に対するオン・オフ信号を生成して出力する制御部と、を備えた交流電動機用電力変換装置において、
前記制御部は、
前記電動機の多相のうちの複数相の巻線からなるグループを少なくとも一つ設定し、前記電動機の空転時に、前記スイッチング素子を動作させて前記各グループにつき順番に当該グループに属する相の巻線を実質的に短絡し、短絡時に流れる電流に基づいて、前記電動機の回転子または可動子の位置を推定して前記電力変換器を起動することを特徴とする交流電動機用電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載した交流電動機用電力変換装置において、
前記グループは、二相の巻線からなるグループを含むことを特徴とする交流電動機用電力変換装置。
【請求項３】
多相交流電動機を運転する電力変換器と、この電力変換器を構成するスイッチング素子に対するオン・オフ信号を生成して出力する制御部と、を備えた交流電動機用電力変換装置において、
前記スイッチング素子は複数の自己消弧型スイッチング素子にダイオードをそれぞれ逆並列接続して構成され、
前記制御部は、
前記電動機の空転時に前記スイッチング素子のうちの一つにオン信号を与えた場合の短絡電流の有無、短絡電流が流れる相の情報に基づいて、前記電動機の回転子または可動子の位置を推定して前記電力変換器を起動することを特徴とする交流電動機用電力変換装置。
【請求項４】
多相交流電動機を運転する電力変換器と、この電力変換器を構成するスイッチング素子に対するオン・オフ信号を生成して出力する制御部と、を備えた交流電動機用電力変換装置において、
前記スイッチング素子は複数の自己消弧型スイッチング素子にダイオードをそれぞれ逆並列接続して構成され、
前記制御部は、
前記電動機の空転時に前記スイッチング素子のうちの第１のスイッチング素子にオン信号を与え、この時に前記ダイオードの作用により電流が通流しない時は通流するまで前記オン信号を継続または断続し、電流が通流したら、流れた電流とその通流を検出した時刻とに基づいて、前記電動機の回転子または可動子の位置を推定して前記電力変換器を起動することを特徴とする交流電動機用電力変換装置。
【請求項５】
多相交流電動機を運転する電力変換器と、この電力変換器を構成するスイッチング素子に対するオン・オフ信号を生成して出力する制御部と、を備えた交流電動機用電力変換装置において、
前記スイッチング素子は複数の自己消弧型スイッチング素子にダイオードをそれぞれ逆並列接続して構成され、
前記制御部は、
前記電動機の空転時に前記スイッチング素子のうちの第１のスイッチング素子にオン信号を与え、この時に前記ダイオードの作用により電流が通流しない時は通流するまで前記オン信号を継続または断続し、電流が通流したら、前記オン信号をオフ信号に変更して第１のスイッチング素子を消弧した後、第２のスイッチング素子にオン信号を与えて電流を通流させ、これら一連の操作により流れた電流とその通流を検出した時刻とに基づいて、前記電動機の回転子または可動子の位置を推定して前記電力変換器を起動することを特徴とする交流電動機用電力変換装置。
【請求項６】
請求項５に記載した交流電動機用電力変換装置において、
第２のスイッチング素子として、最初に電流が通流した相から判別可能であって、ある時刻にオン信号を与えても電流が通流しないスイッチング素子を選定することを特徴とする交流電動機用電力変換装置。
【請求項７】
多相交流電動機を運転する電力変換器と、この電力変換器を構成するスイッチング素子に対するオン・オフ信号を生成して出力する制御部と、を備えた交流電動機用電力変換装置において、
前記スイッチング素子は複数の自己消弧型スイッチング素子にダイオードをそれぞれ逆並列接続して構成され、
前記制御部は、
前記電動機の空転時に前記スイッチング素子のうちの第１のスイッチング素子にオン信号を与え、この時に電流が通流する場合には、前記オン信号をオフ信号に変更して第１のスイッチング素子を消弧し、かつ、複数のスイッチング素子の何れか一つをオン・オフする動作を、オン信号を与えても電流が通流しなくなるまで繰り返し、電流が通流しなくなった後に請求項４〜６の何れかの制御部による操作を開始することを特徴とする交流電動機用電力変換装置。
【請求項８】
請求項７に記載した交流電動機用電力変換装置において、
第１のスイッチング素子を消弧した後にオン・オフ動作を繰り返す対象となるスイッチング素子を、第１のスイッチング素子とすることを特徴とする交流電動機用電力変換装置。
【請求項９】
多相交流電動機を運転する電力変換器と、この電力変換器を構成するスイッチング素子に対するオン・オフ信号を生成して出力する制御部と、を備えた交流電動機用電力変換装置において、
前記スイッチング素子は複数の自己消弧型スイッチング素子にダイオードをそれぞれ逆並列接続して構成され、
前記制御部は、
前記電動機の空転時に前記スイッチング素子のうちの第１のスイッチング素子にオン信号を与え、この時に電流が通流する場合には、通流した電流に基づいて、回転子または可動子の位置を推定して前記電力変換器を起動することを特徴とする交流電動機用電力変換装置。
【請求項１０】
請求項３〜９の何れかに記載された制御部の機能を少なくとも二つ組み合わせることにより回転子または可動子の位置を推定して前記電力変換器を起動することを特徴とする交流電動機用電力変換装置。
【請求項１１】
多相交流電動機を運転する電力変換器と、前記電動機と前記電力変換器との間に挿入される受動回路部品と、前記電力変換器を構成するスイッチング素子に対するオン・オフ信号を生成して出力する制御部と、を備えた交流電動機用電力変換装置において、
前記制御部は、
前記電動機の空転時に、前記スイッチング素子のうち少なくとも一つをオンさせて前記電動機の巻線と前記受動回路部品とからなる回路を実質的に短絡し、短絡時に流れる電流に基づいて、前記電動機の回転子または可動子の位置を推定して前記電力変換器を起動することを特徴とする交流電動機用電力変換装置。
【請求項１２】
請求項５または６に記載した交流電動機用電力変換装置において、
相順が既知である場合には、
第１のスイッチング素子を消弧した後、オンしても直ちに電流が通流しない可能性のあるスイッチング素子のうち一つをオンし、これによって直ちに電流が通流したか否かを判定して回転方向を特定することを特徴とする交流電動機用電力変換装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載した交流電動機用電力変換装置において、
第１のスイッチング素子を消弧した後、オンしても直ちに電流が通流しない可能性のあるスイッチング素子のうち一つをオンし、
これによって直ちに電流が通流しない場合には、当該スイッチング素子を第２のスイッチング素子として選定し、直ちに電流が通流した場合には、回転方向によって特定される、オンしても直ちに電流が通流しないスイッチング素子を第２のスイッチング素子として選定することを特徴とする交流電動機用電力変換装置。
【請求項１４】
請求項５に記載した交流電動機用電力変換装置において、
第１のスイッチング素子を消弧した後、第１のスイッチング素子の属する相以外のスイッチング素子を一つずつ順番にオンすることにより、直ちに電流が流れた場合には当該スイッチング素子をオフし、更に別のスイッチング素子をオンする、という操作を繰り返すことによって、オンしても直ちに電流が流れないスイッチング素子を特定し、
この特定されたスイッチング素子を第２のスイッチング素子として選定することを特徴とする交流電動機用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転型や直動型の交流電動機用の電力変換装置に関し、特に電動機の回転子または可動子の位置センサを有さない、いわゆるセンサレス駆動を行う装置において、電動機が空転している状態から電力変換器を起動する手段に特徴を有する交流電動機用電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１２は、後述する特許文献１に記載された従来技術に相当するブロック図である。
図１２において、スイッチング素子及び受動素子によって構成される電力変換器１は、交流または直流の電源４から電力を供給されて電力変換を行い、回転機としての交流電動機３に電力を供給している。
電力変換器１は、制御部２によって制御されている。交流電動機３は、回転子に界磁極を有しているため、端子を開放した状態で回転子を回転させると誘起電圧を発生する。このような電動機を、本明細書ではまとめて界磁付同期電動機と呼ぶ。
【０００３】
一般に、界磁付同期電動機を駆動するためには、回転子の位置に応じた電圧及び電流を供給する必要がある。回転子の位置を検出するセンサとして、ロータリーエンコーダ等の光電式位置センサや、ホール素子等を用いた電磁式位置センサが知られている。
しかし、信頼性、耐環境性、コスト等の観点から、これらの位置センサを使用しないで回転子位置を推定する、いわゆるセンサレス駆動が要求されている。
【０００４】
このセンサレス駆動を行うために、図１２に示す制御部２は以下のように構成されている。
まず、２１は電流変換処理部である。この電流変換処理部２１は、交流電動機３の電流センサ５Ａ，５Ｂから得られた二相の電流から三相電流を合成し、この三相電流を直交回転座標に変換する。
【０００５】
また、２２は制御演算器である。この制御演算器２２は、電力変換器１から交流電動機３に電力を供給している状態で回転子位置を推定し、電力変換器１が供給するべき電圧及び電流を演算して所定のスイッチング素子に与えるオン・オフ信号を出力する。回転子位置の推定に当たり、制御演算器２２は電流変換処理部２１から交流電動機３の電流に関する種々の情報を取得し、これらに基づいて必要な演算を行っている。なお、電流変換処理部２１及び制御演算器２２等により実行される界磁付同期電動機のセンサレス駆動技術は周知であるため、ここでは詳述を省略する。
【０００６】
さて、界磁付同期電動機の位置センサレス駆動における大きな課題の一つは、回転子が空転している状態から電力変換器を起動する方法（フリーラン起動と呼ぶ）である。
すなわち、図１０に示したように、制御系では交流電動機３の電流に基づいて制御を行っているため、電力変換器１が停止していて電流が流れていない状態では、交流電動機３の情報が全く得られない。回転子が停止していれば、例えばある位相で電流が通流するように電力変換器１の出力電圧を調整し、これによって回転子の位置を引き込んでから運転を開始することができる。
【０００７】
しかし、回転子が空転している状態で電力変換器１をランダムに起動して電圧を発生させると、交流電動機３が動的な誘起電圧を発生しているために電流制御が不能になって正常に起動できない場合がある。また、最悪の場合には、過電流によって電力変換器１のスイッチング素子を破損し、交流電動機３が永久磁石を有する場合には不可逆減磁させる危険もある。
【０００８】
このような問題を解決する手段として、交流電動機の空転時に、その巻線を電力変換器によって瞬間的に短絡させ、このときに流れる電流に基づき回転子位置を推定して電力変換器を起動する方法が、後述する特許文献１に開示されている。
【０００９】
この特許文献１には、交流電動機運転用の電力変換器を構成するスイッチング素子のうち少なくとも一つをオンすることにより交流電動機の巻線を短絡し、そのときに流れる巻線電流に基づいて回転子の位置を推定することが開示されている。これは、交流電動機の巻線を短絡した際に誘起電圧によって流れる巻線電流が、交流電動機の回転子の位置と速度、及び交流電動機の回路定数によって一義的に決まるので、この巻線電流を解析することによって回転子の位置及び速度が計算できることに着目したものである。
【００１０】
図１２に示す従来技術では、制御部２内のフリーラン起動演算部２３が、上述した巻線短絡のための電力変換器１内のスイッチング素子へのオン・オフ信号の生成、電流変換処理部２１から得られる電流情報に基づく回転子空転時の回転子位置推定演算、及び、得られた回転子位置情報に基づく起動シーケンスの実行を行っている。
そして、電力変換器１の起動後は、通常動作に移行するために、切替スイッチ２４によってフリーラン起動演算部２３側から制御演算器２２側に処理が切り替えられる。この切替スイッチ２４の操作は、制御部２の動作を統括する制御切替部２５が行っている。
【００１１】
更に、他の従来技術として、下記の特許文献２に記載されたブラシレスＤＣモータの駆動方法が知られている。
この従来技術は、三相インバータにより回転子位置センサを有しないブラシレスＤＣモータを駆動する方法において、空転中のブラシレスＤＣモータの回転子速度及び回転子位相を検出する際に、インバータ内の直列接続された二つのスイッチング素子のオン・オフ比率を制御することによって確定される出力電圧値が三相とも同一になるように電圧を出力し、かつ、その際の少なくとも二相分のモータ電流検出値を利用するものである。
【００１２】
【特許文献１】特開平１１−７５３９４号公報（請求項１、段落［０００９］〜［００１２］、図２、図３等）
【特許文献２】特開平１０−１９１６８５号公報（請求項３、段落［００３８］〜［００４１］、図６等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
前記特許文献１における発明の実施の形態には、交流電動機の全相巻線を短絡したときの挙動が詳述されている。しかし、一部の相の巻線のみを短絡して回転子位置を推定する具体的方法については開示されていない。また、通常、電力変換器と交流電動機との間には、フィルタリアクトル等の受動回路部品がしばしば挿入されるが、特許文献１ではこのような場合について特に考慮されていない。
更に、特許文献２においても、三相のうち一部の相の巻線のみを短絡して回転子位置を推定する具体的方法は開示されていない。
【００１４】
そこで本発明は、多相交流電動機の空転時において、多相のうちの一部の相の巻線を短絡して流れる電流に基づいて回転子や可動子の位置を推定する具体的手段を開示し、電力変換器の起動を確実かつ簡便に行えるようにした交流電動機用電力変換装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決する本発明の基本原理は、次のとおりである。
まず、図１は、界磁付同期電動機３１と、この電動機３１の巻線の短絡動作を行う場合の電力変換器１１の等価回路を示したものである。電動機３１は多相交流電動機であり、各相の巻線は界磁による誘起電圧ｅ１，ｅ２，ｅ３，……とインピーダンスＺ１，Ｚ２，Ｚ３，……とによって示してある。また、電力変換器１１は、複数の交流スイッチＱからなるものとする。
【００１６】
電力変換器１１のスイッチＱを制御する制御部２の構成は実質的に図１２と同様であり、電動機３１の電流を二相から三相に変換し、かつ直交回転座標に変換する電流変換処理部２１と、巻線短絡のための電力変換器１１内のスイッチＱへのオン・オフ信号の生成や、電流変換処理部２１からの電流情報に基づく回転子位置推定演算、及び、得られた回転子位置情報に基づく起動シーケンスの実行を行なうフリーラン起動演算部２３とを備えている。
なお、図１では、制御部２内の制御演算器２２、切替スイッチ２４、制御切替部２５（図１２参照）の図示を省略してある。
【００１７】
電動機３１の各相の誘起電圧は、回転子の位置及び速度によって一義的に決まり、また、相間の誘起電圧の位相差は電気角にして一定である。一方、各相のインピーダンスＺ１，Ｚ２，Ｚ３，……は、磁気飽和の影響が小さい場合、電動機３１に突極性が無ければ一定であり、突極性があっても回転子の位置によって一義的に決まる。
従って、電動機３１の多相の巻線のうちいくつかの相の巻線を短絡した場合に流れる電流も、回転子の位置及び速度によって一義的に決まる。よって、この短絡時の巻線電流を解析することにより、回転子の位置を推定することが可能となる。
【００１８】
具体的な回転子位置推定方法は、例えば次の通りである。
図１において、電動機３１の各相のうち、いくつかを短絡した場合について考える。
回転速度がほぼ一定と見なせる場合、ｎ相界磁付き電動機のｘ相の無負荷誘起電圧基本波ｅｘは、一般に数式１のように表すことができる。
［数式１］
ｅｘ＝ωΨsin（ωｔ＋θｘ＋θ０）
ここで、ω：電気角周波数、Ψ：界磁によるコイルの磁束鎖交数振幅、ｔ：時間、θｘ：ｘ相の位相角（ただし、θ１＝０とする）、θ０：初期位相角
【００１９】
通常は、θｘは各相毎に異なる定数であり、また、各相のθｘの値は設計事項のため既知である。なお、上記の通り第１相の位相角θ１＝０としたため、初期位相角θ０は、時間ｔ＝０における第１相の無負荷誘起電圧ｅ１の位相角に他ならない。
また、電気角周波数ωは、回転子の回転速度に比例する。具体的には、磁極数をＰとすると、電気角周波数ωについては数式２の関係が常に成り立っている。
［数式２］
ω＝（Ｐ／２）×２π×Ｎ／６０
ここで、Ｎ：回転子の毎分回転速度
なお、回転速度Ｎがほぼ一定の場合について論じているため、ここではωは未知であるが定数ということになる。
【００２０】
また、Ψも電動機の鉄心の磁気飽和や渦電流の影響が小さいという前提においては定数となり、かつ、設計事項であるため既知である。通常は、電動機は鉄心の磁気飽和や渦電流の影響が小さくなるように設計されるので、この前提が成り立つ場合がほとんどである。なお、Ψの評価において、磁気飽和や渦電流の影響を考慮に入れることも可能である。
【００２１】
以上の関係から、数式１における未知数はωとθ０との二つであることが分かる。また、この二つの値を知ることができれば、各相の無負荷誘起電圧ｅｘが判明したことになり、これに相応する電圧をインバータから与えることによってシステムを起動できることになる。
一方、各相のインピーダンスＺｘは、電動機の鉄心の磁気飽和や渦電流の影響が小さいという前提においては、磁極位置のみの関数となる、すなわち、ω及びθ０によって特定される値となることが知られている。
【００２２】
以上のことから、回転子が空転している状態で、ω及びθ０が未知の状態において、電動機の各相端子を部分的に短絡した時に流れる電流は、ω及びθ０によって異なる情報、すなわちω及びθ０の固有の情報を含んでいることが分かる。
具体的には、未知数がω及びθ０で２種類、得られる回路方程式が、短絡回路数のため部分相短絡の場合には（短絡した相数−１）種類ということになる。従って、短絡する相数が３以上であれば、未知数２に対して回路方程式が２以上存在することになり、原理的にω及びθ０を求められることが分かる。
【００２３】
なお、短絡動作を複数回行い、各回におけるω及びθ０の導出値の平均をとることにより、検出誤差や計算誤差を軽減することが可能である。
【００２４】
以上のような基本原理に基づく請求項１の発明は、多相交流電動機を運転する電力変換器と、この電力変換器を構成するスイッチング素子に対するオン・オフ信号を生成して出力する制御部と、を備えた交流電動機用電力変換装置において、
前記制御部は、前記電動機の多相のうちの複数相の巻線からなるグループを少なくとも一つ設定し、前記電動機の空転時に、前記スイッチング素子を動作させて前記各グループにつき順番に当該グループに属する相の巻線を実質的に短絡し、短絡時に流れる電流に基づいて、前記電動機の回転子または可動子の位置を推定して前記電力変換器を起動するものである。
【００２５】
次に、図１において、巻線を短絡する相の数を２、つまり二相の巻線を短絡するものとすれば、短絡ループは一つだけになるため、短絡電流の解析による回転子位置の推定等が最も単純になる。
例えば、図２は、三相の界磁付同期電動機３２を電力変換器１２により運転する場合の等価回路に重ねて、Ｕ相とＶ相の二相の巻線を短絡した際に形成される短絡ループを太線で示したものである。
【００２６】
図２に示す電動機３２において、ｅｕ，ｅｖ，ｅｗはＵ，Ｖ，Ｗ相の誘起電圧、Ｚｕ，Ｚｖ，Ｚｗは各相のインピーダンスである。ここで、図示するように電力変換器１２内の二つのスイッチＱをオンすることにより、インピーダンスＺｕ，Ｚｖを負荷とする１周の短絡ループのみが形成され、前述したように未知数がωとθ０、回路方程式が一つとなるため、そのままではω及びθ０を導出することができない。そこで、短絡動作を２回行うことにより、その都度異なる回路方程式が得られるため、これらを連立させることによってω及びθ０を導出することが可能になる。
なお、短絡動作を３回以上行い、各回におけるω，θ０の導出値の平均をとることにより、検出誤差や、計算誤差を軽減することができる。
【００２７】
従って、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した交流電動機用電力変換装置において、二相の巻線を短絡するものである。
【００２８】
なお、請求項３以下の発明は、請求項１，２の発明を更に具体化したものである。
請求項３に記載した発明は、電力変換器の制御部が、電動機の空転時にスイッチング素子のうちの一つにオン信号を与えた場合の短絡電流の有無、短絡電流が流れる相の情報に基づいて、電動機の回転子または可動子の位置を推定して電力変換器を起動するものである。
【００２９】
請求項４に記載した発明は、電力変換器の制御部が、電動機の空転時にスイッチング素子のうちの第１のスイッチング素子にオン信号を与え、この時にスイッチング素子にそれぞれ逆並列接続されたダイオードの作用により電流が通流しない時は通流するまで前記オン信号を継続または断続し、電流が通流したら、流れた電流とその通流を検出した時刻とに基づいて、電動機の回転子または可動子の位置を推定して電力変換器を起動するものである。
【００３０】
請求項５に記載した発明は、電力変換器の制御部が、電動機の空転時にスイッチング素子のうちの第１のスイッチング素子にオン信号を与え、この時に前記ダイオードの作用により電流が通流しない時は通流するまで前記オン信号を継続または断続し、電流が通流したら、前記オン信号をオフ信号に変更して第１のスイッチング素子を消弧した後、第２のスイッチング素子にオン信号を与えて電流を通流させ、これら一連の操作により流れた電流とその通流を検出した時刻とに基づいて、電動機の回転子または可動子の位置を推定して前記電力変換器を起動する
【００３１】
請求項６に記載した発明は、請求項５において、第２のスイッチング素子として、最初に電流が通流した相から判別可能であって、ある時刻にオン信号を与えても電流が通流しないスイッチング素子を選定するものである。
【００３２】
請求項７に記載した発明は、電力変換器の制御部が、電動機の空転時にスイッチング素子のうちの第１のスイッチング素子にオン信号を与え、この時に電流が通流する場合には、前記オン信号をオフ信号に変更して第１のスイッチング素子を消弧し、かつ、複数のスイッチング素子の何れか一つをオン・オフする動作を、オン信号を与えても電流が通流しなくなるまで繰り返し、電流が通流しなくなった後に請求項４〜６の何れかの制御部による操作を開始するものである。
【００３３】
請求項８に記載した発明は、請求項７において、第１のスイッチング素子を消弧した後にオン・オフ動作を繰り返す対象となるスイッチング素子を、第１のスイッチング素子とするものである。
【００３４】
請求項９に記載した発明は、電力変換器の制御部が、電動機の空転時にスイッチング素子のうちの第１のスイッチング素子にオン信号を与え、この時に電流が通流する場合には、通流した電流に基づいて、回転子または可動子の位置を推定して電力変換器を起動するものである。
【００３５】
請求項１０に記載した発明は、請求項３〜９の何れかに記載された制御部の機能を少なくとも二つ組み合わせることにより回転子または可動子の位置を推定して電力変換器を起動するものである。
【００３６】
請求項１１に記載した発明は、多相交流電動機を運転する電力変換器と、前記電動機と前記電力変換器との間に挿入される受動回路部品と、前記電力変換器を構成するスイッチング素子に対するオン・オフ信号を生成して出力する制御部と、を備えた交流電動機用電力変換装置において、前記制御部が、電動機の空転時に、スイッチング素子のうち少なくとも一つをオンさせて電動機の巻線と前記受動回路部品とからなる回路を実質的に短絡し、短絡時に流れる電流に基づいて、前記電動機の回転子または可動子の位置を推定して前記電力変換器を起動するものである。
【００３７】
請求項１２に記載した発明は、請求項５または６において、相順が既知である場合には、第１のスイッチング素子を消弧した後、オンしても直ちに電流が通流しない可能性のあるスイッチング素子のうち一つをオンし、これによって直ちに電流が通流したか否かを判定して回転方向を特定するものである。
【００３８】
請求項１３に記載した発明は、請求項１２において、第１のスイッチング素子を消弧した後、オンしても直ちに電流が通流しない可能性のあるスイッチング素子のうち一つをオンし、これによって直ちに電流が通流しない場合には、当該スイッチング素子を第２のスイッチング素子として選定し、直ちに電流が通流した場合には、回転方向によって特定される、オンしても直ちに電流が通流しないスイッチング素子を第２のスイッチング素子として選定するものである。
【００３９】
請求項１４に記載した発明は、請求項５において、第１のスイッチング素子を消弧した後、第１のスイッチング素子の属する相以外のスイッチング素子を一つずつ順番にオンすることにより、直ちに電流が流れた場合には当該スイッチング素子をオフし、更に別のスイッチング素子をオンする、という操作を繰り返すことによって、オンしても直ちに電流が流れないスイッチング素子を特定し、この特定されたスイッチング素子を第２のスイッチング素子として選定するものである。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、回転型または直動型の多相交流電動機、特にセンサレス駆動される多相交流電動機の空転時において、多相のうちの一部の相の巻線を短絡して流れる電流に基づいて回転子の位置を推定できるため、電力変換器の起動を確実かつ簡便に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図３はこの実施形態を示す主要部の回路図である。なお、以下では、主として交流電動機（界磁付同期電動機）が三相電動機であるものとして説明する。
また、図３〜図７は請求項３〜７に記載された発明の実施形態を説明するための図である。
【００４２】
図３において、１３はＩＧＢＴ等の自己消弧型スイッチング素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ，Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚ、及び、これらにそれぞれ逆並列接続されたダイオードＤｕ，Ｄｖ，Ｄｗ，Ｄｘ，Ｄｙ，Ｄｚからなる三相の電力変換器（インバータ）、３３は電力変換器１３により運転される交流電動機である。
ここで、電動機３３の空転時において、図３に示す如く、Ｕ相（スイッチング素子Ｑｕ，Ｑｘからなる相）の下アームのスイッチング素子Ｑｘにのみオン信号を与え、残りのスイッチング素子にはオフ信号を与える状態を考える。なお、どのスイッチング素子をオンさせる場合にも、以下の説明は同様に当てはまる。
【００４３】
図４は、スイッチング素子Ｑｘのみをオンした場合の等価回路図であり、電力変換器１３は、実質的にスイッチング素子Ｑｘ及びダイオードＤｘ，Ｄｙ，Ｄｚから構成される。
電動機３３の各相の誘起電圧が三相平衡正弦波であるものとし、回転子における磁極のＮ極の方向をｄ軸とし、ｄ軸とＵ相巻線の励磁軸との間の角度（電気角）をθとすると、回転子が正転する場合（θが増大する方向）には各相の誘起電圧は図５のようになり、また、以上の関係をベクトル図で表すと図７のようになる。すなわち、各相の誘起電圧の値を、それぞれ１２０°の位相差をもつＵ，Ｖ，Ｗ軸に投影し、これら三つのベクトルを合成したものとして図７の誘起電圧ベクトルｅが定義される。この誘起電圧ベクトルｅは、一般にｄ軸と直交するｑ軸に現れ、ｄ−ｑ座標系と共に速度ωで回転する。
【００４４】
ここで、図５に示すように３６０°を６０°ずつに６分割することにより、それぞれを領域<I>〜領域<VI>とする。なお、図５、図７（及び、後述の回転子逆転時に関する図６）において、電気角θ、誘起電圧、及び各領域の位置は整合している。
【００４５】
図４、図５から、回転子の空転時に一つのスイッチング素子のみをオンした場合に電流がどのように流れるかは、各相誘起電圧ｅｕ，ｅｖ，ｅｗの位相（大小関係）によって変わることが分かる。すなわち、次の三つの現象が起こり得る。
（１）電流が流れない。（誘起電圧の状態：領域<III>，<IV>）
（２）ある二相にのみ電流が流れる。（誘起電圧の状態：領域<II>，<V>）
（３）三相すべてに電流が流れる。（誘起電圧の状態：領域<I>，<VI>）
【００４６】
上記（１）〜（３）のうち何れの現象が現れるかは、回転子の位置に依存している。従って、回転子の位置センサを有さない電動機または駆動装置においては、回転子の位置情報が無い状態で、上記現象のうち特定のものを意図的に生じさせるように、つまり空転時に一つのスイッチング素子のみをオンして複数の相に短絡電流を流すように電力変換器１３を制御することは不可能である。
【００４７】
このことを逆から考察すれば、上記（１）〜（３）の現象を利用することにより、電流の流れ方を観測することによって誘起電圧位相が領域<I>〜領域<VI>のどの状態になっているかを判別することができる。例えば、上述したスイッチング素子Ｑｘのみをオンする場合には、オンした際に（１）〜（３）のうち何れの現象が現れるかによって、対応する誘起電圧の状態が決まり、しかも誘起電圧位相は回転子の位置と同期しているため、回転子の位置を知ることができる。
回転子が逆転する場合（θが減少する方向）には、各相の誘起電圧は図６のようになる。この場合でも、正転時と同様の現象が現れることは明らかである。
上述した内容が請求項３の発明に相当する。
更に、上記原理に基づいて、以下に述べるように、より高精度な回転子位置の推定が可能となる。
【００４８】
例えば、上記の例で回転子が正転する場合には、スイッチング素子Ｑｘのみをオンした際に電流が流れない場合、図５から、誘起電圧ベクトルｅは領域<III>または領域<IV>に存在すると判定することができる。
この判定を行った後に、スイッチング素子Ｑｘのオン状態を継続または断続する。その間、電流が流れなければ、誘起電圧ベクトルｅは領域<III>または領域<IV>に存在し続けていることになる。
一方、上記の例で回転子が逆転する場合には、スイッチング素子Ｑｘのみをオンした際に電流が流れなければ、図６から、誘起電圧ベクトルｅはやはり領域<III>または領域<IV>に存在すると判定することができる。
【００４９】
やがて、回転子の回転によって各相誘起電圧ｅｕ，ｅｖ，ｅｗの位相が変化し、誘起電圧ベクトルｅが領域<III>または領域<IV>から出ると、電流を阻止していたダイオードＤｙまたはＤｚに順方向電圧が印加され、電流が流れ始める。この電流の通流を検出すれば、誘起電圧ベクトルｅが領域<II>と<III>との境界、または、領域<IV>と<V>との境界の何れかに存在することをピンポイントで特定することができる。換言すれば、誘起電圧の位相を特定することができ、これに同期している回転子の位置を推定することができる。
【００５０】
更に、電流ゼロの状態からＶ相電流が通流してＷ相電流はゼロのままという状態に変化した場合、すなわちダイオードＤｙに電流が流れ、ダイオードＤｚには電流が流れない状態に変化した場合には、各相誘起電圧の大小関係は、
Ｗ相誘起電圧ｅｗ＞Ｕ相誘起電圧ｅｕ＞Ｖ相誘起電圧ｅｖ
であることになるため、図５から分かるように、回転子が正転していること、及びそのときの電気角が、図５から１５０°であることを直ちに判定ることができる。
一方、電流ゼロの状態からＷ相電流が通流してＶ相電流はゼロのままという状態に変化した場合、すなわちダイオードＤｚに電流が流れ、ダイオードＤｙには電流が流れない状態に変化した場合には、各相誘起電圧の大小関係は、
Ｖ相誘起電圧ｅｖ＞Ｕ相誘起電圧ｅｕ＞Ｗ相誘起電圧ｅｗ
であることになるため、この場合には回転子が逆転していること、及び、そのときの電気角が、図６から２１０°であることを直ちに判定することができる。
【００５１】
また、回転速度の大きさ│ω│については、流れた短絡電流の振幅から計算すればよい。すなわち、無負荷誘起電圧の振幅は速度に比例し、また今回の状況では位相が既知であるため、電流の振幅も回転速度によって一義的に決まるからである。
【００５２】
以上により、回転子の位置と回転方向（ωの極性）、及び回転子の速度│ω│が明らかになるから、ある時刻ｔｓにおける回転子の位置θｓを次の数式３から推定することができ、これによって時刻ｔｓにおける電力変換器１３の起動が可能となる。
［数式３］
θｓ＝θ０+ω(ｔｓ−ｔ０)
ただし、θ０；時刻ｔ０において判定された回転子の位置
ここで、一連の動作はごく短時間に行われるため、回転子の回転速度ωは一定と見なせるものとしている。
上記の内容が、請求項４の発明に相当する。
【００５３】
次に、前述のようにスイッチング素子Ｑｘのみをオンして短絡電流を検出した後に、更に６個のスイッチング素子のうちの一つ、代表的にはＱｘ以外のスイッチング素子をオンして短絡電流を流し、前記と同様な操作を実施することによっても回転子の位置や速度を求めることが可能である。特に、２回目のオンの後に電流が流れない場合には、電流が流れるまでオン状態を継続または断続し、電流が流れたら、その時刻をｔ１とし、判別した回転子の位置をθ１とすることにより、数式４を用いて回転子の速度ωを極性付きで求めることができる。
［数式４］
ω＝(θ１−θ０)／(ｔ１−ｔ０)
上記の内容が、請求項５の発明に相当する。
【００５４】
続いて、上述した簡便な速度検出方法を確実に行う方法を以下に述べる。
上記説明の中で、電流が無通流状態にてスイッチング素子Ｑｘのオン状態を継続し、電流が通流した時点で誘起電圧の位相が判別できることを述べた。このことから、次にどのスイッチング素子をオンした場合に電流が流れない状態になるかを特定することができる。
【００５５】
例えば、電流検出の結果、回転方向が正転で、誘起電圧ベクトルｅが時刻ｔ０において領域<IV>から<V>に切り替わったことを判別したとする。この場合、誘起電圧ベクトルｅは領域<V>に存在するため、各相の誘起電圧誘起電圧の大小関係は、
Ｗ相誘起電圧ｅｗ＞Ｕ相誘起電圧ｅｕ＞Ｖ相誘起電圧ｅｖ
となっている。
【００５６】
従って、スイッチング素子ＱｗまたはＱｙを直ちにオンしても、ダイオードＤｚまたはＤｙの作用によって電流は通流しない。続けて、同様にスイッチング素子ＱｗまたはＱｙのオン状態を継続または断続すれば、やがて回転子の回転によって電流が通流するので、その時刻をｔ１とし、前述の方法で判別できる回転子の位置をθ１とすることにより、数式４によって回転子の速度ωを極性付きで求めることができる。
【００５７】
なお、２回目にオンするスイッチング素子をＱｗとすれば、回転子が電気角で６０°回転した時点で領域<VI>に移り、各相の誘起電圧誘起電圧の大小関係は、
Ｕ相誘起電圧ｅｕ＞Ｗ相誘起電圧ｅｗ＞Ｖ相誘起電圧ｅｖ
となるため、電流が通流する。
また、２回目にオンするスイッチング素子をＱｙとすれば、回転子が電気角で１２０°回転した時点で領域<I>に移り、各相の誘起電圧誘起電圧の大小関係は、
Ｕ相誘起電圧ｅｕ＞Ｖ相誘起電圧ｅｖ＞Ｗ相誘起電圧ｅｗ
となるため、電流が通流する。
【００５８】
検出タイミングの誤差を考慮した場合、より長い期間にわたって電流無通流状態が続くＱｙオンのモードを選択する方が、速度の検出誤差は小さくなる。一方、Ｑｗをオンさせるモードを選択すれば、電流がより早く通流するため、電力変換器１３の起動までの時間を短くすることができる。
上記の内容が、請求項６の発明に相当する。
【００５９】
以上のように、最初のスイッチング素子のオンによって電流が通流しなければ、効率よく回転子の位置を推定できることが分かる。従って、最初にあるスイッチング素子をオンし、電流が流れた場合にはそのスイッチング素子をオフし、全てのスイッチング素子の中から順次一つを選んで電流が通流しなくなるまで同様の動作を繰り返すことが考えられる。
この着想は、請求項７の発明に相当するものである。
【００６０】
更に、２回目以降に選ぶスイッチング素子はどれでもよいが、オン・オフを繰り返すスイッチング素子を最初に選んだスイッチング素子に限定すれば、新たにスイッチング素子を選ぶ手間が省け、操作を簡単化できる。また、回転子が回転している限り、一つのスイッチング素子のオン・オフを繰り返していればやがて誘起電圧の位相変化によって電流は流れなくなるため、効率的な回転子位置推定を確実に実施することができる。
この着想は、請求項８の発明に相当するものである。
【００６１】
以上詳述した効率的な一連の動作をフローチャートに示すと、図８のようになる。このフローチャートにおけるステップＳ２〜Ｓ１５は、上述した請求項３〜８の発明に相当する操作をすべて網羅している。
【００６２】
なお、請求項９の発明に相当する技術として、最初のスイッチング素子のオンによって電流が流れた場合、その電流から回転子の位置及び速度を推定してもよい。特に、三相電流が流れる場合には、前述した特許文献１記載の方法を用いて推定することができる。これにより、電流が無通流となるような操作を繰り返す必要が無くなり、電力変換器を速やかに起動することができる。
【００６３】
更に、請求項１０の発明に相当する技術として、請求項３〜９に相当する操作のうち少なくとも二つを組み合わせて回転子位置及び速度を推定することも可能である。
例えば、最初のスイッチング素子のオンによって電流が通流した場合、その電流を使って回転子の位置を特定し（時刻ｔ０で位置θ０とする）、そのスイッチング素子をオフして電流をゼロとした後、所定の期間後に別のスイッチング素子をオンし、電流が流れない場合にはオン状態を継続または断続して、電流が流れた時点で回転子の位置を再度割り出し（時刻ｔ１で位置θ１とする）、数式４に従って速度を計算することが考えられる。
このような動作を行えば、各スイッチングによって得られる情報を無駄なく利用することが可能となり、電力変換器の迅速な起動が可能となる。
【００６４】
図９は請求項１１に相当する本発明の他の実施形態を示す回路図である。図９では交流電動機３３が三相電動機の場合を示しており、全体的な構成としては、電力変換器１２（１３）と交流電動機３３との間に受動回路部品６が挿入されている点以外は、先の実施形態と同様である。
【００６５】
受動回路部品６としては、例えば電流平滑のためのフィルタリアクトルや、ノーマルモードノイズ電流を低減するためのチョークコイル等が想定される。
このような回路部品６が挿入される場合、そのインピーダンスが巻線の短絡ループに挿入されることになるため、電力変換器１２のスイッチング素子をオンした場合の回路動作は、先の実施形態のように回路部品６が無い場合と異なってくる。
【００６６】
ただし、回路部品６のインピーダンスや電圧降下が既知である場合には、それらの既知の値を考慮することにより、先の実施形態と同様の方法で回転子の位置を推定することができる。例えば、回路部品６が、各相に直列にリアクトルを挿入するものである場合、交流電動機３３の直列リアクトルが増大した場合と等価であるため、図２、図４等におけるインピーダンス値を変更すればよいことになる。
勿論、図９のように受動回路部品６が挿入されている場合でも、請求項１〜１０に記載した技術内容は適用可能である。
【００６７】
なお、以上に述べた全ての実施形態（請求項１〜１１の発明）においては、電動機を流れる電流の検出方法として、図９に示したように電動機３３に流れる電流を直接測定する方法以外に、図１０に示す実施形態の如く、電力変換器１４の各相下アーム（または上アーム）の電流を抵抗等の電流センサＲｓｕ，Ｒｓｖ，Ｒｓｗによって検出する方法を用いることができる。図１０において、１４は電力変換器、２６は制御部を示しており、制御部２６の構成は実質的に図９の制御部２と同様である。
すなわち、本発明におけるスイッチング素子の操作において、操作するスイッチング素子を下アーム（あるいは上アーム）に属する素子に限定した場合、素子をオンしている間の下アーム（または上アーム）を流れる電流と電動機の相電流とは原理的に一致するからである。
電流通流を検出した後でスイッチング素子をオフすると、当該スイッチング素子の相の電流は検出できなくなるものの、他相の電流は当該相の下アーム（あるいは上アーム）のダイオードを通って流れ続けるため、引き続き検出することができ、その電流がゼロとなったことをもって、スイッチング素子をオフした相の電流もゼロと見なすことができる。
【００６８】
上記のように、図１０のような電流検出方法を用いる場合には、スイッチング素子のオフ後に電流がゼロになることを判別する方法のみについて若干の変更が必要であるものの、それ以外の手順や判定については、前述した説明を同様に適用することができる。
【００６９】
一方、電流検出の方法として、自己消弧型スイッチング素子にダイオードが逆並列に接続されている構成のスイッチング素子において、図１１に示すように、ダイオードをバイパスして自己消弧型スイッチング素子の電流のみを検出する場合には、図１０を引用して説明した方法を一部変更する必要がある。なお、図１１において、１５は電力変換器を示す。
【００７０】
すなわち、例えば図５のように回転方向が正転で電気角が３０°〜１５０°にある場合、Ｕ相下アーム、つまり図１１のスイッチング素子Ｑｘをオンしても電流は流れず、やがて電気角が１５０°に達すると電流通流が開始することは、既に説明した通りである。このとき、スイッチング素子Ｑｘの電流は電流センサＲｓｕによって検出可能である。このときＶ相にも電流が流れるが、この電流はＶ相下アームではダイオードＤｙを通って流れるため、電流検出器Ｒｓｖでは検出できない。従って、Ｕ相下アームのスイッチング素子Ｑｘにより電流通流開始を検出しても、その帰還電流がＶ相とＷ相のどちらを通っているのかが判別できないため、回転方向を特定できないことになる。
【００７１】
上記の問題は、請求項１２の発明に相当する次のような手法により解決することができる。
すなわち、まずスイッチング素子Ｑｘの電流がゼロからゼロでなくなった場合、その直後の無負荷誘起電圧の状態は、図５の領域<V>（正転時で電気角１５０°〜２１０°）か、あるいは図６の領域<II>（逆転時で電気角２１０°〜１５０°）のいずれかである。このとき、無負荷誘起電圧の大小関係から、前者ではスイッチング素子ＱｙまたはＱｗ、後者ではスイッチング素子ＱｚまたはＱｖをオンしても、電流は直ちに通流しない。逆に、前者の状態でスイッチング素子ＱｚまたはＱｖ、後者の状態でスイッチング素子ＱｙまたはＱｗをオンすると、直ちに電流が通流する。このことから、スイッチング素子Ｑｙ，Ｑｗ，Ｑｚ及びＱｖのいずれかをオンし、電流が直ちに流れたか否かを判別すれば、回転方向を直ちに特定できることになる。
図１１の構成では下アームの電流を検出しているため、スイッチング素子ＱｙまたはＱｚのいずれかをオンし、直ちに電流が通流するか否かを、電流センサＲｓｖ，Ｒｓｗを用いて判別すれば回転方向の特定が可能である。
【００７２】
そして、例えばスイッチング素子Ｑｙをオンして直ちに電流が通流しなければ、正転であったと判定でき、そのままスイッチング素子Ｑｙのオン状態を継続すれば、電気角が図５の２７０°に達した時点で電流通流が開始するので、これを電流センサＲｓｖにより検出し、位相角２７０°を通過したと判定すればよい。
一方、スイッチング素子Ｑｙをオンして直ちに電流が通流したならば、逆転であったと判定でき、このスイッチング素子Ｑｙをオフした後にスイッチング素子Ｑｚをオンすれば、やがて電気角が図６の９０°に達した時点で電流通流が開始するので、これを電流センサＲｓｗにより検出して位相角９０°を通過したと判定すればよい。これらの操作については、既に説明した内容と同じである。
【００７３】
なお、ここまでの説明では相数が３の場合について行ったが、相数が４以上の場合でも同様の手法によって回転子空転状態において回転方向、位置、速度を推定することができる。
すなわち、相順が既知であれば、請求項１３に記載するように、ある相のスイッチング素子、例えば図１１のように下アームのスイッチング素子の電流を検出する場合には、ある下アームのスイッチング素子をオンして電流ゼロからゼロでない状態へ移行し、このスイッチング素子をオフした後、オンしても直ちに電流が通流しない可能性のある複数のスイッチング素子は相順から明らかであるため、これらの中から次にオンするスイッチング素子を請求項５における第２のスイッチング素子として適当に選定すれば、三相の場合と同様な操作が可能となる。
【００７４】
一方、相順が不明の場合には、請求項１４に記載するように、第１のスイッチング素子をオンして電流ゼロからゼロでない状態に移行し、第１のスイッチング素子をオフした後、第１のスイッチング素子の属する相以外の相のスイッチング素子、例えば図１１のように下アームの電流を検出する場合には下アームのスイッチング素子を一つずつ順番にオンし、直ちに電流が通流する場合には当該スイッチング素子をオフして別の相のスイッチング素子をオンする動作を繰り返すことにより、オンしても直ちに電流が流れないスイッチング素子（第２のスイッチング素子）が属する相を特定でき、その相が第１のスイッチング素子の属する相と位相的に隣接する相ということになる。また、このような動作を複数繰り返すことにより、電流通流開始を検出した相につき、相順を特定することができる。
【００７５】
なお、以上の説明では交流電動機として回転機を対象としているが、回転機とリニアモータの電気的類似性から、本発明は、リニアモータ等の直動型の交流電動機にも適用可能である。その場合には、上述の説明における回転子を可動子、回転を移動と読み替えれば良い。
【００７６】
また、主に三相の場合について説明したが、本発明は任意の多相交流電動機用電力変換装置に適用することができる。更に、誘起電圧波形を三相平衡正弦波と仮定して説明したが、多少の高調波が含有していたり、または三相誘起電圧に実質的に存在する位相ずれがあったとしても、本発明の本質には影響がない。
【００７７】
更に、本発明は、電動機を動力源とする場合でも発電機として用いる場合でも同様に適用可能であることは言うまでもない。
なお、回転子または可動子が位置センサや電動機の端子電圧のセンサを有する装置においても、それらから得られる情報を用いずに本発明を適用することも当然可能である。すなわち、例えば位置センサ等が故障した場合のバックアップ用の技術として本発明を適用することができる。
【００７８】
また、以上の説明においては交流電動機の巻線を短絡するものとしているが、実際には、スイッチング素子にも、電力変換器と電動機とを接続するケーブルにも電圧降下がある。ただし、その電圧降下は交流電動機の電気定数に比べて小さく、実質的には短絡状態とみなすことができ、このような小さな電圧降下も回路挙動の解析において考慮に入れれば、更に高精度な回転子位置の推定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の基本原理を示す等価回路図である。
【図２】本発明の基本原理を示す等価回路図である。
【図３】本発明の実施形態を示す主要部の回路図である。
【図４】図３における巻線短絡時の等価回路図である。
【図５】図４における回転子正転時の各相の誘起電圧を示す図である。
【図６】図４における回転子逆転時の各相の誘起電圧を示す図である。
【図７】図４における誘起電圧ベクトルの説明図である。
【図８】本発明の実施形態において効率的な回転子位置推定を行うためのフローチャートである。
【図９】本発明の他の実施形態を示す主要部の回路図である。
【図１０】本発明の別の実施形態を示す主要部の回路図である。
【図１１】本発明の更に別の実施形態を示す主要部の回路図である。
【図１２】従来技術を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００８０】
１，１１，１２，１３，１４，１５：電力変換器
２：制御部
２１：電流変換処理部
２２：制御演算器
２３：フリーラン起動演算部
２４：切替スイッチ
２５：制御切替部
２６：制御部
３，３１，３２，３３：交流電動機（界磁付同期電動機）
４：電源
５Ａ，５Ｂ：電流センサ
６：受動回路部品
Ｑ：スイッチ
Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ，Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚ：スイッチング素子
Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗ，Ｄｘ，Ｄｙ，Ｄｚ：ダイオード
Ｒｓｕ，Ｒｓｖ，Ｒｓｗ：電流センサ
【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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【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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