(57)【要約】【課題】低速運転時の騒音やノイズ・振動を抑制し、高速運転時に所望の電動機トルクを発生させて推進性能を向上させた多巻線交流電動機駆動装置を提供する【解決手段】ｎ（ｎ：３以上の整数）台の単相インバータによってそれぞれ構成された第１インバータ群及び第２インバータ群を備え、各インバータ群のｎ台の単相インバータの正側直流入力端子、負側直流入力端子をそれぞれ一括接続し、全ての単相インバータの出力端子を、多巻線交流電動機Ｍの互いに絶縁された２ｎ個の巻線にそれぞれ接続した駆動装置において、電動機Ｍの高速運転時には全ての正側直流入力端子、負側直流入力端子を直流電源の正極、負極に接続し、低速運転時には、第１，第２インバータ群の直流入力側を直列に接続して各インバータ群の直流入力電圧をバランスさせる。【選択図】図１
2019013059.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から給電されるｎ（ｎ：３以上の整数）台の単相インバータによってそれぞれ構成された第１インバータ群及び第２インバータ群を備え、
前記第１インバータ群のｎ台の単相インバータの正側直流入力端子を互いに接続し、かつ、負側直流入力端子を互いに接続すると共に、前記第２インバータ群のｎ台の単相インバータの正側直流入力端子を互いに接続し、かつ、負側直流入力端子を互いに接続し、
前記第１，第２インバータ群を構成する２ｎ台の単相インバータの出力端子を、多巻線交流電動機の互いに絶縁された２ｎ個の巻線にそれぞれ接続して当該電動機を駆動する駆動装置において、
前記電動機の高速運転時には、全ての前記正側直流入力端子を前記直流電源の正極に接続すると共に全ての前記負側直流入力端子を前記直流電源の負極に接続して動作させ、
前記電動機の低速運転時には、前記第１，第２インバータ群の直流入力側を直列に接続して前記第１インバータ群の直流入力電圧と前記第２インバータ群の直流入力電圧とをバランスさせるように制御することを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。
【請求項２】
直流電源から給電されるｎ（ｎ：３以上の整数）台の単相インバータによってそれぞれ構成された第１インバータ群及び第２インバータ群を備え、
前記第１インバータ群のｎ台の単相インバータの正側直流入力端子を互いに接続し、かつ、負側直流入力端子を互いに接続すると共に、前記第２インバータ群のｎ台の単相インバータの正側直流入力端子を互いに接続し、かつ、負側直流入力端子を互いに接続し、
前記第１，第２インバータ群を構成する２ｎ台の単相インバータの出力端子を、多巻線交流電動機の互いに絶縁された２ｎ個の巻線にそれぞれ接続して当該電動機を駆動する駆動装置において、
前記直流電源の正極と負極との間の中間電位点に中間端子を設け、
前記電動機の高速運転時には、全ての前記正側直流入力端子を前記直流電源の正極に接続すると共に全ての前記負側直流入力端子を前記直流電源の負極に接続して動作させ、
前記電動機の低速運転時には、前記第１，第２インバータ群の直流入力側を直列に接続してその直列回路の両端を前記直流電源の正極と負極とにそれぞれ接続し、
前記直列回路の直列接続点を前記中間端子に接続したことを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した多巻線交流電動機駆動装置において、
前記第１，第２インバータ群の直流入力側と前記直流電源の正極及び負極との間に複数のスイッチを設け、これらのスイッチのＯＮ／ＯＦＦにより、前記電動機の高速運転時と低速運転時とを切り替えることを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。
【請求項４】
請求項２に記載した多巻線交流電動機駆動装置において、
前記電動機の低速運転時に、前記第１，第２インバータ群の直流入力電流または直流入力電力をバランスさせるように制御することを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載した多巻線交流電動機の駆動装置において、
前記電動機の低速運転時に、前記第２インバータ群の負側直流入力端子に前記第１インバータ群の正側直流入力端子を接続したことを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。
【請求項６】
請求項１に記載した多巻線交流電動機の駆動装置において、
前記第１インバータ群の正側直流入力端子を第１のスイッチを介して前記直流電源の正極に接続すると共に負側直流入力端子を前記直流電源の負極に接続し、
前記第２インバータ群の正側直流入力端子を前記直流電源の正極に接続すると共に負側直流入力端子を第２のスイッチを介して前記直流電源の負極に接続し、
前記第１インバータ群の正側直流入力端子と前記第２インバータ群の負側直流入力端子とを、第３のスイッチを介して接続したことを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。
【請求項７】
請求項２に記載した多巻線交流電動機駆動装置において、
前記第１インバータ群の正側直流入力端子を第１のスイッチを介して前記直流電源の正極に接続すると共に第３のスイッチを介して前記中間端子に接続し、かつ、負側直流入力端子を前記直流電源の負極に接続し、
前記第２インバータ群の正側直流入力端子を前記直流電源の正極に接続し、かつ、負側直流入力端子を第２のスイッチを介して前記直流電源の負極に接続すると共に第４のスイッチを介して前記中間端子に接続したことを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか１項に記載した多巻線交流電動機駆動装置において、
前記電動機の低速運転と高速運転とを切り替える切替期間に、前記第１，第２インバータ群のうち少なくとも一方のインバータ群による電動機トルクが発生するように制御することを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１項に記載した多巻線交流電動機駆動装置において、
前記電動機を２ｎ／ｐ（ｎ／ｐ：３以上の整数、ｐ：偶数）相交流電動機として各相巻線をｐ分割して構成し、
前記第１インバータ群のｎ台の単相インバータにより、各相のｐ分割されたうちの半分の巻線にそれぞれ給電し、前記第２のインバータ群のｎ台の単相インバータにより、各相のｐ分割されたうちの残り半分の巻線にそれぞれ給電することを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。
【請求項１０】
請求項１〜８の何れか１項に記載した多巻線交流電動機駆動装置において、
多巻線交流電動機が、２ｎ相交流電動機であることを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。
【請求項１１】
請求項２に記載した多巻線交流電動機駆動装置において、
前記直流電源を、直列に接続された２個の蓄電池により構成してこれらの直列接続点を前記中間端子に接続し、前記２個の蓄電池の残存容量をバランスさせるように制御することを特徴とする多巻線交流電動機駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数台の単相インバータにより複数の巻線にそれぞれ給電する多巻線交流電動機（多相電動機）の駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の多巻線交流電動機駆動装置として、特許文献１に記載された装置が知られている。図１２は、この従来技術の概略的な説明図である。
【０００３】
図１２に示す駆動装置は、１台の直流電源１と、直流入力側が互いに並列接続された２ｎ（ｎ：３以上の整数）台の単相インバータＩＮＶ１〜ＩＮＶ２ｎとによって構成されている。この駆動装置は、単相インバータＩＮＶ１〜ＩＮＶ２ｎにより２ｎ個の絶縁された巻線を有する多巻線交流電動機Ｍに給電することにより、例えば、船舶を推進させるスクリューを駆動するために使用される。
なお、図１２において、Ｑ１〜Ｑ４は半導体スイッチング素子、Ｃは直流コンデンサ、Ｐは直流電源１の正極、Ｎは負極、Ｐ１〜Ｐ２ｎ，Ｎ１〜Ｎ２ｎは正、負の直流入力端子を示す。
【０００４】
ここで、直流電源１には、ハイブリッド車等と同様に、エンジンにより発電機を回転させてその出力電力により充電される蓄電池を用いることがある。
また、図１３に示すように、単相インバータＩＮＶ１（ＩＮＶ１〜ＩＮＶ２ｎは何れも同一構成であるため、図１３ではＩＮＶ１を例示する）には、直流コンデンサＣへの突入電流を防止するため、通常、充電抵抗Ｒ１００とスイッチＳ１００とからなる初期充電回路が設けられている。
【０００５】
このような駆動装置においては、例えば、海底探査を行うために音波をセンシングしながら船舶を推進させる用途がある。その場合、エンジンが発生する振動やノイズがセンシング信号に悪影響を与えることを避けるために、直流電源１としての蓄電池を予め充電しておき、探査中はエンジンを停止することが行われる。なお、蓄電池の充電は、探査地点までの移動中や停泊中など、探査を行わない期間にエンジン及び発電機を運転して行っている。
また、探査以外の移動時には高速で船舶を推進させ、探査期間中には、船舶の低速運転を長時間継続して行うことが多い。
【０００６】
更に、他の従来技術として、図１４に示す駆動装置が知られている。この駆動装置は、直流入力側が互いに並列接続されたｎ台の単相インバータＩＮＶ１１〜ＩＮＶ１ｎにより第１インバータ群を構成すると共に、同じくｎ台の単相インバータＩＮＶ２１〜ＩＮＶ２ｎにより第２インバータ群を構成し、これら第１，第２インバータ群の直流入力側を直列に接続して構成される。そして、全ての単相インバータＩＮＶ１１〜ＩＮＶ２ｎの出力端子を１台の多巻線交流電動機Ｍの互いに絶縁された２ｎ個の巻線にそれぞれ接続して電動機Ｍを駆動するものである。
【０００７】
なお、特許文献２には、多相交流電動機の同一相の巻線を複数に分割して分割巻線を形成すると共に、単相インバータの直列数をその分割巻線の分割数と等しくし、直列接続された各単相インバータから、同一相内の分割巻線に同一電流を供給する可変速駆動装置が開示されている。
図１５（ａ）は、この可変速駆動装置の構成図、図１５（ｂ）は駆動対象である多相（三相）交流電動機Ｍの固定子巻線の説明図である。これらの図において、ＩＮＶは単相インバータ、Ｐ１〜Ｐ６は正側入力端子、Ｎ１〜Ｎ６は負側入力端子、ＭＤは中点、Ａ，Ｂは交流出力端子、Ｕ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４は電動機Ｍの各相の分割巻線の端子を示す。
【０００８】
前述した図１４の従来技術では、例えば６相交流電動機を駆動する際には、６相のうちの３相の巻線にそれぞれ接続した３台（ｎ＝３）の単相インバータにより１つのインバータ群を構成し、第１，第２インバータ群の直流入力端子を直列接続して駆動装置が構成される。この場合、各単相インバータの出力電流は、振幅は同じであっても位相が異なる個別の電流とする等の制御方法を採っている。
これに対し、図１５（ａ），（ｂ）に示した特許文献２では、電動機Ｍの各相巻線をそれぞれ分割し、同一相内の分割巻線には同一電流を流すという制約を設けている点が、図１４とは異なっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２―２５７４５６号公報（段落［００２９］〜［００３３］、図１等）
【特許文献２】特開２００３−３２４９９０号公報（段落［００２２］〜［００２８］、図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述した図１２の駆動装置において、船舶等がゆっくり航行するために電動機Ｍを低速で駆動する場合には、高速駆動時と比べて、各単相インバータの交流出力基本波電圧、言い換えれば電動機Ｍの交流入力基本波電圧を低くする必要がある。このため、通常は単相インバータの交流出力基本波電圧を指令通りに発生させるＰＷＭ制御であっても、低速運転時には、単相インバータの制御率（変調度）を低くして運転を継続することが行われている。
【００１１】
ここで、図１６は、単相ＰＷＭインバータの出力電圧スペクトラムを解析した結果（出典：電気学会編「半導体電力変換回路」第５版，１９９０年４月発行，Ｐ．１１８）であり、図１６（ａ）は制御率ａ＝０．６のインバータ出力電圧スペクトラムの実測例、図１６（ｂ）は、制御率ａ＝１．０，０．８，０．５，０の場合のインバータ出力電圧高調波振幅の解析結果を示している。
【００１２】
図１６（ｂ）において、ｋ＝１，ｎ＝０の場合の基本波振幅は、制御率ａの減少に比例して低下していく。なお、ω０は基本波角周波数である。
一方、図１６（ｂ）において、角周波数（ｎωｓ＋ｋωｎ）は、ｋ＝０，ｎ＝１の時にωｓ（搬送波角周波数）となり、交流出力電圧に含まれる高調波成分のうち最も支配的である搬送波成分の振幅は、制御率ａが小さくなるほど大きくなることが判る。
【００１３】
例えば、図１６（ｂ）においてｋ＝０，ｎ＝１の場合、制御率ａ＝０．５では高調波振幅は１．１程度となり、制御率ａ＝１．０における０．６の２倍以上に増加している。このように制御率が小さい時に交流出力電圧に含まれる高調波成分（搬送波成分）は、振動やノイズ、騒音の大きな要因となり、電動機Ｍの低速運転時に大きな問題となっていた。
【００１４】
また、船舶を低速で推進させながら海底探査を行う場合には、センシングする音波等への悪影響を小さくするために、単相インバータのスイッチング周波数を１０［ｋＨｚ］程度と比較的高い周波数で動作させることが多い。従って、単相インバータ内のスイッチング素子で発生する損失は比較的大きい。この損失は、インバータの直流入力電圧、出力電流、及び力率が一定である場合、制御率ａ、すなわちインバータの交流出力基本波電圧が変わったとしてもほとんど変化しない。
【００１５】
このため、図１２の駆動装置では、電動機Ｍの低速運転時に制御率ａを低下させて単相インバータの交流出力基本波電圧を下げ、単相インバータの出力電力を小さくして運転したとしても、素子のスイッチング損失はほとんど低減されないので、高速運転時に比べてインバータの効率が低下してしまう。また、低速運転時で制御率ａが低い場合、各単相インバータの出力電圧に含まれる搬送波成分が増加するため、電動機Ｍの各巻線の電流に含まれる搬送波成分が高速運転時より増加し、これに伴って、電動機Ｍの高調波損失が増加して電動機効率も低下することとなる。
【００１６】
このように、図１２に示した従来技術では、低速運転を長時間継続する場合に、単相インバータ及び電動機Ｍの効率が共に低下する。このため、直流電源１の損失を無視すれば、単相インバータの効率と電動機Ｍの効率との乗算によって得られる装置効率が大幅に悪化することになり、特に直流電源１として蓄電池を用いる場合には航続距離の短縮を招く原因となっていた。
【００１７】
更に、図１４に示した駆動装置において、直流電源１の出力電圧をＥとした時、２つのインバータ群の直流入力電圧がバランスしているとすれば、その各群の直流入力電圧はＥ／２となる。これにより、図１２に示したように全ての単相インバータの直流入力端子を並列接続した駆動装置と同じ定格の直流電源１や電動機Ｍを用いた場合を想定すると、低速運転時には、図１２の駆動装置に比べて各単相インバータの制御率を２倍にすることができる。よって、単相インバータの交流出力電圧に含まれる搬送波成分を、図１６（ｂ）に示したように低減することができ、図１２の駆動装置に比べて振動やノイズ、騒音を一層低減できるという利点がある。
【００１８】
しかし、図１４の駆動装置では、各単相インバータの直流入力電圧がＥ／２になるため、最大の交流出力基本波電圧も、図１２の駆動装置に比べて１／２になってしまう。従って、高速運転時に、電動機Ｍに所望の交流基本波電圧を入力することができず、それに伴って所望の電動機トルクが出力できなくなり、高速運転時の推進性能が低下するという問題があった。
【００１９】
次に、図１５に示した特許文献２の従来技術において、理想的には、直列接続された各単相インバータＩＮＶの直流入力電圧が初期状態でバランスしていれば、そのバランス状態を保ったままで運転することが可能である。しかし、実際には、構造上の微妙な相違や製造誤差等から、各分割巻線のインピーダンス（他相などから影響を受ける相互インダクタンス分を含む）を全く同一にすることができない。これにより、たとえ各分割巻線に同一電流を流しても、それらの巻線電圧がインピーダンスの相違に相当する分だけ異なり、各単相インバータからの出力有効電力にも誤差が生じるので、当然、その直流入力電力も異なってくる。
【００２０】
この直流入力電力の誤差の要因には、上記の他に、電流を制御する際の電流検出器の検出誤差等もある。この直流入力電力の誤差はそれほど大きくないものの、各単相インバータを運転していれば、誤差が積算されていくために、徐々に各単相インバータの直流入力電圧がアンバランスになり、やがて直流入力電圧が上昇していったインバータにおける過電圧検知等により、装置を保護停止させなければならなくなる。
なお、図１５では、最も単純な例として、直列接続された２台の単相インバータにより同一相の２分割巻線に給電する例を説明したが、このような制約のない図１４の従来技術においても同様の問題が生じる。
【００２１】
これに対して、図１５（ａ）における単相インバータＩＮＶの直列回路の中点ＭＤを直流電源１の中間電位点に接続し、各単相インバータＩＮＶの直流入力電圧を安定化させることも考えられる。
しかし、直流電源１として蓄電池を用いている場合には、上述したような各単相インバータの直流入力電力の誤差により、中点ＭＤにより２分割された上下の蓄電池の放電電力にも誤差を生じ、この誤差が積算されて蓄電池の残存容量にも誤差が発生する。これにより、上側または下側の蓄電池は未だ電力供給が可能であるにもかかわらず、他側の蓄電池は電力供給不能な状態に至り、駆動装置の運転を継続できなくなるという問題もあった。
【００２２】
そこで、本発明の解決課題は、低速運転時における騒音やノイズ・振動を抑制し、また、高速運転時に所望の電動機トルクを発生させて推進性能を向上させた多巻線交流電動機駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、図１２に示したような駆動装置において、電動機の低速運転時には高速運転時よりも振動やノイズ、騒音が増加すると共に、装置効率が低下するという新たな課題に着目し、これらを解決するためになされたものである。
【００２４】
すなわち、請求項１に係る発明は、直流電源から給電されるｎ（ｎ：３以上の整数）台の単相インバータによってそれぞれ構成された第１インバータ群及び第２インバータ群を備え、
前記第１インバータ群のｎ台の単相インバータの正側直流入力端子を互いに接続し、かつ、負側直流入力端子を互いに接続すると共に、前記第２インバータ群のｎ台の単相インバータの正側直流入力端子を互いに接続し、かつ、負側直流入力端子を互いに接続し、
前記第１，第２インバータ群を構成する２ｎ台の単相インバータの出力端子を、多巻線交流電動機の互いに絶縁された２ｎ個の巻線にそれぞれ接続して当該電動機を駆動する駆動装置において、
前記電動機の高速運転時には、全ての前記正側直流入力端子を前記直流電源の正極に接続すると共に全ての前記負側直流入力端子を前記直流電源の負極に接続して動作させ、
前記電動機の低速運転時には、前記第１，第２インバータ群の直流入力側を直列に接続して前記第１インバータ群の直流入力電圧と前記第２インバータ群の直流入力電圧とをバランスさせるように制御することを特徴とする。
【００２５】
請求項２に係る発明は、直流電源から給電されるｎ（ｎ：３以上の整数）台の単相インバータによってそれぞれ構成された第１インバータ群及び第２インバータ群を備え、
前記第１インバータ群のｎ台の単相インバータの正側直流入力端子を互いに接続し、かつ、負側直流入力端子を互いに接続すると共に、前記第２インバータ群のｎ台の単相インバータの正側直流入力端子を互いに接続し、かつ、負側直流入力端子を互いに接続し、
前記第１，第２インバータ群を構成する２ｎ台の単相インバータの出力端子を、多巻線交流電動機の互いに絶縁された２ｎ個の巻線にそれぞれ接続して当該電動機を駆動する駆動装置において、
前記直流電源の正極と負極との間の中間電位点に中間端子を設け、
前記電動機の高速運転時には、全ての前記正側直流入力端子を前記直流電源の正極に接続すると共に全ての前記負側直流入力端子を前記直流電源の負極に接続して動作させ、
前記電動機の低速運転時には、前記第１，第２インバータ群の直流入力側を直列に接続してその直列回路の両端を前記直流電源の正極と負極とにそれぞれ接続し、
前記直列回路の直列接続点を前記中間端子に接続したことを特徴とする。
【００２６】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した多巻線交流電動機駆動装置において、前記第１，第２インバータ群の直流入力側と前記直流電源の正極及び負極との間に複数のスイッチを設け、これらのスイッチのＯＮ／ＯＦＦにより、前記電動機の高速運転時と低速運転時とを切り替えることを特徴とする。
【００２７】
請求項４に係る発明は、請求項２に記載した多巻線交流電動機駆動装置において、前記電動機の低速運転時に、前記第１，第２インバータ群の直流入力電流または直流入力電力をバランスさせるように制御することを特徴とする。
【００２８】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載した多巻線交流電動機の駆動装置において、前記電動機の低速運転時に、前記第２インバータ群の負側直流入力端子に前記第１インバータ群の正側直流入力端子を接続したことを特徴とする。
【００２９】
請求項６に係る発明は、請求項１に記載した多巻線交流電動機の駆動装置において、
前記第１インバータ群の正側直流入力端子を第１のスイッチを介して前記直流電源の正極に接続すると共に負側直流入力端子を前記直流電源の負極に接続し、
前記第２インバータ群の正側直流入力端子を前記直流電源の正極に接続すると共に負側直流入力端子を第２のスイッチを介して前記直流電源の負極に接続し、
前記第１インバータ群の正側直流入力端子と前記第２インバータ群の負側直流入力端子とを、第３のスイッチを介して接続したことを特徴とする。
【００３０】
請求項７に係る発明は、請求項２に記載した多巻線交流電動機駆動装置において、
前記第１インバータ群の正側直流入力端子を第１のスイッチを介して前記直流電源の正極に接続すると共に第３のスイッチを介して前記中間端子に接続し、かつ、負側直流入力端子を前記直流電源の負極に接続し、
前記第２インバータ群の正側直流入力端子を前記直流電源の正極に接続し、かつ、負側直流入力端子を第２のスイッチを介して前記直流電源の負極に接続すると共に第４のスイッチを介して前記中間端子に接続したことを特徴とする。
【００３１】
請求項８に係る発明は、請求項１〜７の何れか１項に記載した多巻線交流電動機駆動装置において、前記電動機の低速運転と高速運転とを切り替える切替期間に、前記第１，第２インバータ群のうち少なくとも一方のインバータ群による電動機トルクが発生するように制御することを特徴とする。
【００３２】
請求項９に係る発明は、請求項１〜８の何れか１項に記載した多巻線交流電動機駆動装置において、前記電動機を２ｎ／ｐ（ｎ／ｐ：３以上の整数、ｐ：偶数）相交流電動機として各相巻線をｐ分割して構成し、前記第１インバータ群のｎ台の単相インバータにより、各相のｐ分割されたうちの半分の巻線にそれぞれ給電し、前記第２のインバータ群のｎ台の単相インバータにより、各相のｐ分割されたうちの残り半分の巻線にそれぞれ給電することを特徴とする。
【００３３】
請求項１０に係る発明は、請求項１〜８の何れか１項に記載した多巻線交流電動機駆動装置において、多巻線交流電動機が、２ｎ相交流電動機であることを特徴とする。
【００３４】
請求項１１に係る発明は、請求項２に記載した多巻線交流電動機駆動装置において、前記直流電源を、直列に接続された２個の蓄電池により構成してこれらの直列接続点を前記中間端子に接続し、前記２個の蓄電池の残存容量をバランスさせるように制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、以下のような効果がある
（１）低速運転時に、直列接続する２つのインバータ群の直流入力電圧を制御によってバランスさせるので、各インバータ群の直流入力電圧を高速運転時の１／２に低減できる。これにより、ＰＷＭ制御の制御率を２倍にしたインバータ運転が可能になるので、インバータ出力電圧に含まれる搬送波成分を低減でき、騒音、ノイズ・振動の増加や装置効率の低下を抑制することができる。また、高速運転時には、各インバータの直流入力電圧を低下させないため、所望の電動機トルクを発生でき、推進性能を図１２の従来例と同等に保持することができる。
【００３６】
（２）直流電源に設けた中間端子を利用して第１，第２のインバータ群に給電すれば、各インバータ群の直流入力電圧が直流電源の正負極及び中間端子によって固定されるため、バランス制御も不要になる。
【００３７】
（３）前述した特許文献２の図５に開示されているように、直流電源として、三相整流器を出力側で直列接続した１２相整流電源を構成し、直列接続された第１，第２インバータ群に上記の１２相整流電源から給電する場合、直流入力電力に誤差があると、１２相整流電源の交流入力側に接続された三相交流電源に流れる電流の５次，７次の高調波成分をキャンセルすることができなくなる。
これに対して、第１，第２インバータ群の直流入力電力や直流入力電流をバランスさせる制御を行えば、５次，７次の高調波電流の発生を抑制することが可能である。
【００３８】
（４）なお、低速運転時に直列接続される第１，第２のインバータ群の上下位置（例えば、直流電源の正極（負極）にはどちらのインバータ群の正側直流入力端子（負側直流入力端子）を接続するか）を固定しておくことにより、低速運転と高速運転とを切り替えるためにＯＮ／ＯＦＦされるスイッチの数を少なくすることができる。
例えば、第１インバータ群の正側直流入力端子と第２インバータ群の負側直流入力端子との接続点を直流電源の中間端子に接続しない場合には、少なくとも３個のスイッチを設ければ低速運転と高速運転との切り替えが可能である。また、第１インバータ群の正側直流入力端子と第２インバータ群の負側直流入力端子との接続点を直流電源の中間端子に接続する場合には、少なくとも４個のスイッチを設ければ低速運転と高速運転との切り替えが可能である。
【００３９】
（５）低速運転時と高速運転時とでは、各単相インバータの直流入力電圧が大きく異なり、運転移行時には、直流電源と単相インバータの入力側に設けられた直流コンデンサとの間に、大きな充電電流または放電電流が流れると共に、配線インダクタンスと直流コンデンサとによる共振作用により、直流コンデンサの電圧等が大きく振動する可能性もある。
このため、低速運転と高速運転との切り替え前に、切り替えるべきスイッチに接続された単相インバータの運転を停止すると共に、切り替え時には、図１３に示した初期充電回路を用いて、単相インバータの直流コンデンサの電圧をゆっくりと変化させ、その電圧変化がおさまってから、単相インバータを再起動する必要がある。
この際、第１，第２インバータ群で一斉に低速運転と高速運転との切り替えを実施すると、全ての単相インバータを一斉に停止している期間があり、その間は電動機トルクが０になって推進力も０になってしまう。従って、切り替えのタイミングをずらすことにより、一方の群の単相インバータが停止している間も、他方の群の単相インバータにより電動機を駆動し続けることができ、切替期間中も電動機トルクを０にすることなく、例えば船舶等の推進を継続することができる。
【００４０】
従って、本発明によれば、例えば、船舶の推進用電動機に適用した場合に、低速運転時にセンシングする音波等への悪影響を小さくでき、より高精度な海底等の探査が可能になる。更に、低速運転時の高効率化も図れるため、直流電源として蓄電池を用いる場合には、より長い航続距離にわたってセンシングが可能になり、１回の連続運転により探索可能な範囲も拡大する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る駆動装置の構成図である。
【図２】図１における多巻線交流電動機の巻線の説明図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る駆動装置の制御ブロック図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る駆動装置の構成図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る駆動装置の制御ブロック図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る駆動装置の構成図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る駆動装置の構成図である。
【図８】本発明の第５実施形態に係る駆動装置の構成図である。
【図９】本発明の第６実施形態に係る多相電動機駆動装置の動作を示すタイムチャートである。
【図１０】本発明の第７実施形態に係る駆動装置の構成図である。
【図１１】本発明の第７実施形態に係る駆動装置の制御ブロック図である。
【図１２】特許文献１に記載された従来技術を示す構成図である。
【図１３】図１２における単相インバータの主回路構成図である。
【図１４】多巻線交流電動機駆動装置の従来技術を示す構成図である。
【図１５】特許文献２に記載された従来技術を示す構成図である。
【図１６】単相インバータの出力電圧スペクトラムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る駆動装置の構成図であり、図１２と同一の部分については同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では図１２と異なる部分を中心に説明する。
【００４３】
図１において、第１インバータ群を構成するｎ（ｎ：３以上の整数）台の単相インバータＩＮＶ１１〜ＩＮＶ１ｎの正側入力端子Ｐ１１〜Ｐ１ｎは一括接続され、スイッチＳ１を介して直流電源１の正極Ｐに接続されている。また、単相インバータＩＮＶ１１〜ＩＮＶ１ｎの負側入力端子Ｎ１１〜Ｎ１ｎは一括接続され、スイッチＳ５を介して直流電源１の負極Ｎに接続されている。
同様に、第２インバータ群を構成するｎ台の単相インバータＩＮＶ２１〜ＩＮＶ２ｎの正側入力端子Ｐ２１〜Ｐ２ｎは一括接続され、スイッチＳ４を介して直流電源１の正極Ｐに接続されている。また、単相インバータＩＮＶ２１〜ＩＮＶ２ｎの負側入力端子Ｎ２１〜Ｎ２ｎは一括接続され、スイッチＳ２を介して直流電源１の負極Ｎに接続されている。
【００４４】
更に、正側入力端子Ｐ１１〜Ｐ１ｎの接続点と負側入力端子Ｎ２１〜Ｎ２ｎの接続点との間にはスイッチＳ３が接続され、正側入力端子Ｐ２１〜Ｐ２ｎの接続点と負側入力端子Ｎ１１〜Ｎ１ｎの接続点との間にはスイッチＳ６が接続されている。
なお、図１において、Ｅは直流電源１の電圧、Ｖ１は第１インバータ群の直流入力電圧、Ｖ２は第２インバータ群の直流入力電圧である。
【００４５】
この実施形態では、上記構成において、
・電動機Ｍの高速運転時
スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ４，Ｓ５：ＯＮ、かつ、スイッチＳ３，Ｓ６：ＯＦＦ
・電動機Ｍの低速運転時
「スイッチＳ３，Ｓ４，Ｓ５：ＯＮ、かつ、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ６：ＯＦＦ」、または、「スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ６：ＯＮ、かつ、スイッチＳ３，Ｓ４，Ｓ５：ＯＦＦ」
というように、各スイッチＳ１〜Ｓ６のＯＮ／ＯＦＦ状態を電動機Ｍの運転速度に応じて切り替える。
これにより、高速運転時には、第１，第２インバータ群の全ての単相インバータの直流入力電圧を直流電源１の電圧Ｅとし、低速運転時には、直列接続された第１，第２インバータ群の直流入力電圧をバランスさせて何れもＥ／２にすることができる。
【００４６】
図２は、本実施形態により駆動される多巻線交流電動機Ｍの巻線の説明図である。
図２（ａ）に示す電動機ＭＡは、ｎ相の各相巻線を２分割して２ｎ個の分割巻線を有する場合であり、図１の単相インバータＩＮＶ１１の出力端子に巻線ｍ１１、単相インバータＩＮＶ１２の出力端子に巻線ｍ１２，・・・，単相インバータＩＮＶ２ｎの出力端子に巻線ｍ２ｎを接続して駆動装置を構成する。
例えば、電動機ＭＡが２ｎ／ｐ（ｎ／ｐ：３以上の整数、ｐ：偶数）相交流電動機である場合に、各相巻線をｐ分割して構成し、第１インバータ群のｎ台の単相インバータにより、各相のｐ分割されたうちの半分（ｎ個）の巻線にそれぞれ給電し、第２のインバータ群のｎ台の単相インバータにより、各相のｐ分割されたうちの残り半分（ｎ個）の巻線にそれぞれ給電する。
【００４７】
また、図２（ｂ）に示す電動機ＭＢは６個の巻線を有する６相交流電動機、言い換えれば２ｎ相交流電動機のｎ＝３の場合であり、図１の単相インバータＩＮＶ１１の出力端子に巻線ｍ１１、単相インバータＩＮＶ１２の出力端子に巻線ｍ１２，・・・，単相インバータＩＮＶ２３の出力端子に巻線ｍ２３をそれぞれ接続して駆動装置を構成する。
【００４８】
次に、図３は、電動機Ｍの低速運転時に図１の駆動装置を制御するための制御ブロック図である。
なお、低速運転時には、前述したように「スイッチＳ３，Ｓ４，Ｓ５：ＯＮ、かつ、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ６：ＯＦＦ」、または、「スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ６：ＯＮ、かつ、スイッチＳ３，Ｓ４，Ｓ５：ＯＦＦ」として、第１，第２インバータ群の直流入力側を直列に接続する。
【００４９】
図３において、第１インバータ群の直流入力電圧Ｖ１と第２インバータ群の直流入力電圧Ｖ２との差を加減算器３０１により演算し、その結果に乗算器３０２にてゲイン「Ｇ」を乗算する。
第１インバータ群に対しては、乗算器３０２の出力を加減算器３０３にて「１」から減算し、その結果を、乗算器３０４により各単相インバータの交流出力電流指令ｉ１１＊〜ｉ１ｎ＊にそれぞれ乗算する。第２インバータ群に対しては、乗算器３０２の出力に加減算器３０５にて「１」を加算し、その結果を、乗算器３０６により各単相インバータの交流出力電流指令ｉ２１＊〜ｉ２ｎ＊にそれぞれ乗算する。
【００５０】
これにより、例えば第１インバータ群の直流入力電圧Ｖ１が第２インバータ群の直流入力電圧Ｖ２より大きい場合には、第１インバータ群の出力電流を減少させると共に第２インバータ群の出力電流を増加させるような制御が行われるため、Ｖ１，Ｖ２をバランスさせることが可能になる。
なお、電動機Ｍの高速運転時には、全ての単相インバータの直流入力電圧が直流電源１の電圧Ｅに等しくなる。
【００５１】
次に、図４は、本発明の第２実施形態に係る駆動装置の構成図であり、図１と同一の部分については同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では図１と異なる部分を中心に説明する。
この実施形態では、直流電源１に中間端子ＭＰが設けられ、図１のスイッチＳ１〜Ｓ６の代わりにスイッチＳ１１〜Ｓ１８が設けられている。
【００５２】
すなわち、図４において、第１インバータ群の正側入力端子Ｐ１１〜Ｐ１ｎの接続点は、スイッチＳ１１を介して直流電源１の正極Ｐに接続されると共に、スイッチＳ１３を介して中間端子ＭＰに接続される。また、第１インバータ群の負側入力端子Ｎ１１〜Ｎ１ｎの接続点は、スイッチＳ１５を介して直流電源１の負極Ｎに接続されると共に、スイッチＳ１７を介して中間端子ＭＰに接続される。
同様に、第２インバータ群の正側入力端子Ｐ２１〜Ｐ２ｎの接続点は、スイッチＳ１６を介して直流電源１の正極Ｐに接続されると共に、スイッチＳ１８を介して中間端子ＭＰに接続される。また、第２インバータ群の負側入力端子Ｎ２１〜Ｎ２ｎの接続点は、スイッチＳ１２を介して直流電源１の負極Ｎに接続されると共に、スイッチＳ１４を介して中間端子ＭＰに接続される。
【００５３】
この実施形態では、
・電動機Ｍの高速運転時
スイッチＳ１１，Ｓ１５，Ｓ１２，Ｓ１６：ＯＮ、かつ、スイッチＳ１３，Ｓ１７，Ｓ１４，Ｓ１８：ＯＦＦ
・電動機Ｍの低速運転時
「スイッチＳ１３，Ｓ１５，Ｓ１４，Ｓ１６：ＯＮ、かつ、スイッチＳ１１，Ｓ１７，Ｓ１２，Ｓ１８：ＯＦＦ」、または、「スイッチＳ１１，Ｓ１７，Ｓ１２，Ｓ１８：ＯＮ、かつ、スイッチＳ１３，Ｓ１７，Ｓ１４，Ｓ１８：ＯＦＦ」
というように、各スイッチＳ１１〜Ｓ１８のＯＮ／ＯＦＦ状態を電動機Ｍの運転速度に応じて切り替える。
【００５４】
これにより、高速運転時には第１，第２インバータ群の直流入力電圧をＥとし、低速運転時には上記直流入力電圧を何れもＥ／２にすることができる。なお、この駆動装置では、直流電源１の中間端子ＭＰを利用して第１，第２インバータ群に給電することで、図３の制御ブロックにおける加減算器３０１，３０３，３０５及び乗算器３０２，３０４，３０６のように、低速運転時に各インバータ群の直流入力電圧をバランスさせるための構成は不要になる。
【００５５】
次いで、図５は、本発明の第２実施形態に係る駆動装置の制御ブロック図である。この制御ブロックは、図４の駆動装置において、低速運転時に「スイッチＳ１３，Ｓ１５，Ｓ１４，Ｓ１６：ＯＮ、かつ、スイッチＳ１１，Ｓ１７，Ｓ１２，Ｓ１８：ＯＦＦ」として動作させる場合のものである。
【００５６】
図４における第１インバータ群の直流入力電流をＩ１，第２インバータ群の直流入力電流をＩ２とすると、図５の制御ブロックでは、直流入力電流Ｉ１，Ｉ２を加減算器３０１に入力して図３と同様の制御を行う。なお、加減算器３０１から出力される直流入力電流の偏差（Ｉ１−Ｉ２）は、直流電源１の中間端子ＭＰから流出する電流に相当しており、図５においては、最終的に上記偏差（Ｉ１−Ｉ２）を０にすることができる。
なお、直流電源１の正極Ｐと中間端子ＭＰとの間の電圧、中間端子ＭＰと負極Ｎとの間の電圧も検出し、これらの電圧をＩ２，Ｉ１にそれぞれ乗算して得た電力を加減算器３０１の２つの入力にして入力電力の偏差を０にすることも可能である。
【００５７】
次に、図６は、本発明の第３実施形態に係る駆動装置の構成図であり、図１と同一の部分については同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では図１と異なる部分を中心に説明する。
この実施形態は、図１の回路において、スイッチＳ４，Ｓ５の両端を常に短絡すると共に、スイッチＳ６を常に開放した状態に相当する。
【００５８】
この実施形態では、
・電動機Ｍの高速運転時
スイッチＳ１，Ｓ２：ＯＮ、かつ、スイッチＳ３：ＯＦＦ
・電動機Ｍの低速運転時
スイッチＳ１，Ｓ２：ＯＦＦ、かつ、スイッチＳ３：ＯＮ
とすればよい。
【００５９】
この第３実施形態を図３の制御ブロックによって制御すれば、第１実施形態と同様に、第１，第２インバータ群の直流入力電圧を、高速運転時には直流電源１の電圧Ｅとし、低速運転時にはＥ／２としてバランスさせることができる。
【００６０】
図７は、本発明の第４実施形態に係る駆動装置の構成図であり、図４と同一の部分については同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では図４と異なる部分を中心に説明する。
この実施形態は、図４の回路において、スイッチＳ１５，Ｓ１６の両端を常に短絡すると共に、スイッチＳ１７，Ｓ１８を常に開放した状態に相当する。
【００６１】
この実施形態では、
・電動機Ｍの高速運転時
スイッチＳ１１，Ｓ１２：ＯＮ、かつ、スイッチＳ１３，Ｓ１４：ＯＦＦ
・電動機Ｍの低速運転時
スイッチＳ１１，Ｓ１２：ＯＦＦ、かつ、スイッチＳ１３，Ｓ１４：ＯＮ
とすればよい。
【００６２】
これにより、第２実施形態と同様に、第１，第２インバータ群の直流入力電圧を、高速運転時には直流電源１の電圧Ｅとし、低速運転時にはＥ／２とすることができる。
なお、制御ブロックとしては、図３における加減算器３０１，３０３，３０５及び乗算器３０２，３０４，３０６を除去したものを使用することができ、また、第１，第２インバータ群の直流入力電流の偏差を０にする場合には、図５の制御ブロックを使用すれば良い。
【００６３】
次いで、図８は、本発明の第５実施形態に係る駆動装置の構成図であり、図４と同一の部分については同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では図１と異なる部分を中心に説明する。
この実施形態は、図４の回路において、スイッチＳ１１，Ｓ１２の両端を常に短絡すると共にスイッチＳ１３，Ｓ１４を常に開放した状態に相当する。
【００６４】
この実施形態では、
・電動機Ｍの高速運転時
スイッチＳ１５，Ｓ１６：ＯＮ、かつ、スイッチＳ１７，Ｓ１８：ＯＦＦ
・電動機Ｍの低速運転時
スイッチＳ１５，Ｓ１６：ＯＦＦ、かつ、スイッチＳ１７，Ｓ１８：ＯＮ
とすればよい。
【００６５】
これにより、第２実施形態、第４実施形態と同様に、第１，第２インバータ群の直流入力電圧を、高速運転時には直流電源１の電圧Ｅとし、低速運転時にはＥ／２とすることができる。
制御ブロックとしては、図３における加減算器３０１，３０３，３０５及び乗算器３０２，３０４，３０６を除去したものを使用することができ、また、第１，第２インバータ群の直流入力電流の偏差を０にする場合には、図５の制御ブロックを使用すれば良い。
【００６６】
次に、図９は、本発明の第６実施形態に係る多巻線交流電動機駆動装置の動作を示すタイムチャートであり、図７に示した駆動装置におけるスイッチＳ１１〜Ｓ１４及び第１，第２インバータ群の動作、並びにこれらの発生トルクを示している。
ここでは、時刻ｔ１以前の低速運転（スイッチＳ１１，Ｓ１２：ＯＦＦ、かつ、スイッチＳ１３，Ｓ１４：ＯＮ）から、切替期間Ｔｃｈを経て、時刻ｔ２以後の高速運転（スイッチＳ１１，Ｓ１２：ＯＮ、かつ、スイッチＳ１３，Ｓ１４：ＯＦＦ）に切り替える場合を例示してある。
【００６７】
時刻ｔ１以後、時刻ｔａで第１インバータ群の運転を停止し、その直後の時刻ｔｂでスイッチＳ１３をＯＦＦし、更に時刻ｔｃでスイッチＳ１１をＯＮする。その後、時刻ｔｄで第１インバータ群の運転を再開するまでの期間は、第１インバータ群の直流入力電圧が直流電源１の電圧Ｅとなり、前述した図１３の初期充電回路によって直流コンデンサＣが充電される。
なお、切替期間Ｔｃｈにおいて、第２インバータ群の運転を停止してその後に再開する場合も、前記同様に、初期充電回路によって第２インバータ群の直流コンデンサＣに対する充電動作が行われる。
【００６８】
図９に示すようなタイムチャートに従って駆動装置を動作させることにより、切替前後にわたって電動機トルクを０にすることなく、低速運転から高速運転への切り替えをスムーズに行うことができる。
【００６９】
図１０は、本発明の第７実施形態に係る駆動装置の構成図であり、図７と同一の部分については同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では図７と異なる部分を中心に説明する。
この実施形態は、直流電源１Ａを、直列接続された２個の蓄電池１１，１２により構成すると共に、各蓄電池１１，１２の残存容量検出器２１，２２を設けている。
【００７０】
図１１は、この駆動装置の制御ブロック図であり、残存容量検出器１２，１３の出力である残存容量ＳＯＣ１，ＳＯＣ２を加減算器３０１の入力として、図５と同様に制御すれば良い。
これにより、残存容量の偏差（ＳＯＣ１−ＳＯＣ２）を０にするような制御を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、特に、直流電源として蓄電池を用い、低速運転、高速運転を切り替えて駆動する多巻線交流電動機の駆動装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１，１Ａ：直流電源
１１，１２：蓄電池
２１，２２：残存容量検出器
１０１，２０１：出力電流制御部
１０２，２０２：ＰＷＭ信号発生部
３０１，３０３，３０５：加減算器
３０４，３０６：乗算器
Ｑ１〜Ｑ４：半導体スイッチング素子
Ｒ１００：充電抵抗
Ｓ１００：スイッチ
Ｃ：直流コンデンサ
Ｐ：正極
Ｎ：負極
ＭＰ：中間端子
Ｐ１１〜Ｐ１ｎ，Ｐ２１〜Ｐ２ｎ：正側入力端子
Ｎ１１〜Ｎ１ｎ，Ｎ２１〜Ｎ２ｎ：負側入力端子
ＩＮＶ１１〜ＩＮＶ１ｎ，ＩＮＶ２１〜ＩＮＶ２ｎ：単相インバータ
Ｍ，ＭＡ，ＭＢ：多巻線交流電動機
Ｓ１〜Ｓ６，Ｓ１１〜Ｓ１８：スイッチ
１０１，２０１：出力電流制御部
１０２，２０２：ＰＷＭ信号発生部
【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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