(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータ回路においてブリッジ接続された複数のスイッチング素子を有し、前記インバータ回路の入力側に、並列接続された直流電源およびコンデンサが接続され、前記インバータ回路の出力側に、電動機の各相の巻線が接続されたインバータの暖機制御装置であって、
前記コンデンサの温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段により検出された前記コンデンサの温度が規定温度よりも低い時において、前記コンデンサから電流を持ち出す暖機モードにした状態で、前記電動機を回転駆動させる際に前記電動機の各相の巻線に供給する３相交流電流波形に基づいて、前記電動機の各相の巻線に最大電流が流れる電気角度で直流電流を流すとともに該直流電流を流す巻線を順次切り替えるように前記インバータ回路の前記スイッチング素子を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、直流電流を流す巻線を切り替える際には、全ての巻線に電流が流れない休止期間を設けることを特徴とするインバータの暖機制御装置。
【請求項２】
前記制御手段は、直流電流を流す巻線を切り替える際には、徐々に電流を変化させることを特徴とする請求項１に記載のインバータの暖機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータの暖機制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示の空気調和装置は、直流電源と、ＤＣコンバータと、交流電流を出力して電動機を駆動するインバータ装置と、電動機により駆動される圧縮機とを備え、インバータ装置は、スイッチング素子を利用してＤＣコンバータからの降圧された直流電圧を電動機の巻線へ直流電流が流れるように通電して巻線の発熱により圧縮機を加熱する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３２６０５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、極低温（−２０℃以下）の環境下では、インバータ回路に接続された平滑コンデンサ（アルミ電解コンデンサなど）のＥＳＲ（＝等価直列抵抗）が急激に大きくなり、インバータ回路のスイッチング素子におけるスイッチング時のサージ電圧が高くなる。
【０００５】
このため、低温時には、まず回路に電流を流してコンデンサなどの各素子を暖める暖機制御を行うが、この暖機制御を短時間で行うと共に、インバータ回路の各スイッチング素子の発熱も均等化したい。
【０００６】
本発明の目的は、低温環境下においても暖機を短時間で行うことができるとともにインバータ回路の各スイッチング素子の発熱も均等化することができるインバータの暖機制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明では、インバータ回路においてブリッジ接続された複数のスイッチング素子を有し、前記インバータ回路の入力側に、並列接続された直流電源およびコンデンサが接続され、前記インバータ回路の出力側に、電動機の各相の巻線が接続されたインバータの暖機制御装置であって、前記コンデンサの温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段により検出された前記コンデンサの温度が規定温度よりも低い時において、前記コンデンサから電流を持ち出す暖機モードにした状態で、前記電動機を回転駆動させる際に前記電動機の各相の巻線に供給する３相交流電流波形に基づいて、前記電動機の各相の巻線に最大電流が流れる電気角度で直流電流を流すとともに該直流電流を流す巻線を順次切り替えるように前記インバータ回路の前記スイッチング素子を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、最大電流を流す巻線を切り替える際には、全ての巻線に電流が流れない休止期間を設けることを要旨とする。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、コンデンサの温度が温度検出手段により検出される。そして、温度検出手段により検出されたコンデンサの温度が規定温度よりも低い時において、制御手段において、コンデンサから電流を持ち出す暖機モードにした状態で、電動機を回転駆動させる際に電動機の各相の巻線に供給する３相交流電流波形に基づいて、電動機の各相の巻線に最大電流が流れる電気角度で直流電流を流すとともに該直流電流を流す巻線を順次切り替えるようにインバータ回路のスイッチング素子が制御される。
【０００９】
よって、最大電流を流すことにより低温環境下においても暖機を短時間で行うことができるとともに、流す巻線を順次切り替えることによりインバータ回路の各スイッチング素子の発熱も均等化することができる。
【００１１】
請求項２に記載のように、請求項１に記載のインバータの暖機制御装置において、前記制御手段は、直流電流を流す巻線を切り替える際には、徐々に電流を変化させるとよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、低温環境下においても暖機を短時間で行うことができるとともにインバータ回路の各スイッチング素子の発熱も均等化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態におけるインバータの暖機制御装置の回路図。
【図２】Ｕ相電流、Ｗ相電流、Ｖ相電流を示す波形図。
【図３】図２の波形図のうちのＵ相電流を示す波形図。
【図４】温度とＥＳＲの関係を示す特性図。
【図５】電圧の変動を示すタイムチャート。
【図６】温度と素子耐圧（ドレイン・ソース電圧）の関係を示す特性図。
【図７】別例のＵ相電流、Ｗ相電流、Ｖ相電流を示す波形図。
【図８】図７の波形図のうちのＵ相電流を示す波形図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を、冷蔵倉庫においても使用される車両に具体化した一実施形態を図面にしたがって説明する。車両の温度仕様は−４０℃〜＋８０℃程度となっている。
図１に示すように、インバータ（三相インバータ）１０は、インバータ回路２０と、駆動回路３０を備えている。インバータ回路２０の入力側には直流電源としてのバッテリ５０が接続されるとともに、出力側にはコンプレッサ駆動用電動機６０が接続されている。電動機６０には３相交流モータが使用されている。電動機６０は巻線６１，６２，６３を有し、電動機６０の各相の巻線６１，６２，６３がインバータ回路２０の出力側に接続されている。
【００１５】
インバータ回路２０は、６個のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６が設けられている。各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６には、パワーＭＯＳＦＥＴが使用されている。このように、インバータ回路２０は、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を有する。なお、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ）を使用してもよい。各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６には、それぞれ帰還ダイオードＤ１〜Ｄ６が逆並列接続されている。
【００１６】
インバータ回路２０において、第１および第２のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２、第３および第４のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４、第５および第６のスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６がそれぞれ直列に接続されている。そして、第１、第３および第５のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５が、直流電源としてのバッテリ５０のプラス端子側に接続され、第２、第４および第６のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６が、バッテリ５０のマイナス端子側に接続されている。
【００１７】
Ｕ相用の上下のアームを構成するスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の間の接続点は電動機６０のＵ相端子に、Ｖ相用の上下のアームを構成するスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の間の接続点は電動機６０のＶ相端子に、Ｗ相用の上下のアームを構成するスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の間の接続点は電動機６０のＷ相端子に、それぞれ接続されている。
【００１８】
バッテリ５０の定格電圧は、例えば４８ボルトであり、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の耐圧は、７５ボルト程度ある。
インバータ回路２０と電動機６０との間には電流センサ７０，７１が設けられている。電流センサ７０，７１は電動機６０に供給される３相の電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのうちの２相（この実施形態ではＵ相およびＷ相）の電流Ｉｕ，Ｉｗの電流値を検出する。
【００１９】
インバータ回路２０の入力側には、アルミ電解コンデンサ８０がバッテリ５０と並列に接続されている。第１、第３および第５のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５がアルミ電解コンデンサ８０のプラス端子側に接続され、第２、第４および第６のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６がアルミ電解コンデンサ８０のマイナス端子側に接続されている。図１において、アルミ電解コンデンサ８０は、等価的に理想コンデンサＣと抵抗成分Ｒが直列接続されたものとして考えることができる。抵抗成分Ｒは等価直列抵抗（ＥＳＲ）である。
【００２０】
このように、インバータ回路２０の入力側には、並列接続された直流電源としてのバッテリ５０およびアルミ電解コンデンサ８０が接続されている。
インバータの暖機制御装置を構成するコントローラ４０はインバータ回路２０の電圧Ｖｂを検知している。この電圧Ｖｂによってアルミ電解コンデンサ８０のＥＳＲにより生じる過電圧（サージ電圧）を検出してスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を保護する機能を有している。即ち、コントローラ４０は電圧Ｖｂが高くなりすぎるとスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６が絶縁破壊する虞があるため、サージ電圧などによりスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６に印加される電圧が設定値より大きくなるとインバータ回路２０の駆動を止めるようになっている。
【００２１】
また、アルミ電解コンデンサ８０の温度を検出する温度センサ９０が設けられるとともに、温度検出手段としての温度センサ９０はコントローラ４０に接続されている。
コントローラ４０は、マイコンを中心に構成されている。コントローラ４０はメモリ４１を備えている。メモリ４１には電動機６０を駆動するのに必要な各種制御プログラムおよびその実行に必要な各種データやマップが記憶されている。制御プログラムには、通常の電動機（モータ）６０を回転駆動させるための制御プログラムや、低温時に暖機のために電動機６０に直流を流すための制御プログラム等が含まれる。
【００２２】
コントローラ４０は、駆動回路３０を介して各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のゲートに接続されている。コントローラ４０には電流センサ７０，７１が接続されている。そして、コントローラ４０は、各センサ７０，７１の検出信号に基づいて、電動機６０を目標出力となるように制御する制御信号を、駆動回路３０を介して各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６に出力する。そして、インバータ回路２０はバッテリ５０およびアルミ電解コンデンサ８０から供給される直流電圧を適宜の周波数の３相交流電圧に変換して電動機６０に出力する。
【００２３】
本実施形態においては、インバータの暖機制御装置はコントローラ４０と温度センサ９０を備えている。
次に、インバータ１０（暖機制御装置）の作用について説明する。
【００２４】
図２において上側には、低温ではない通常時のＵ相電流Ｉｕ、Ｗ相電流Ｉｗ、Ｖ相電流Ｉｖの波形を示す。また、図２において下側には、低温時（暖機時）のＵ相電流Ｉｕ、Ｗ相電流Ｉｗ、Ｖ相電流Ｉｖの波形を示す。
【００２５】
コントローラ４０は、温度センサ９０により検出されたアルミ電解コンデンサ８０の温度が規定温度（例えば−２０℃）よりも高いときにおいては、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４，Ｓ６を同時にオンにしてＵ相電流Ｉｕを流す。また、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ２，Ｓ６を同時にオンにしてＶ相電流Ｉｖを流す。さらに、スイッチング素子Ｓ５，Ｓ２，Ｓ４を同時にオンにしてＷ相電流Ｉｗを流す。このようにして、インバータ１０の動作として、バッテリ５０（アルミ電解コンデンサ８０）から直流電圧を入力して、ブリッジ接続したスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６がオン・オフされ、このオン・オフ動作に伴って出力側の電動機６０が通電される。このとき、コントローラ４０において、各相で所望の最大電流が流れるように調整される。
【００２６】
また、電動機６０の通電に伴い発生する回生電力は電源側に戻される。つまり、電動機６０からの回生電力（回生電流）は帰還ダイオードＤ１〜Ｄ６を介してアルミ電解コンデンサ８０に蓄積される。この回生エネルギーは力行時に利用される。
【００２７】
図３の上側において実線にて、低温ではない通常時のＵ相電流Ｉｕの波形を示すとともに、図３の下側において実線にて、低温時（暖機時）のＵ相電流Ｉｕの波形を示す。図３の上側において破線にて、低温ではない通常時のＷ相電流Ｉｗ、Ｖ相電流Ｉｖの波形を示すとともに、図３の下側において破線にて、低温時（暖機時）のＷ相電流Ｉｗ、Ｖ相電流Ｉｖの波形を示す。
【００２８】
コントローラ４０は、温度センサ９０により検出されたアルミ電解コンデンサ８０の温度が規定温度（例えば−２０℃）よりも高い場合には、図２，３において上側に示すように、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｗ相電流Ｉｗ、Ｖ相電流Ｉｖとして正弦波状の電流が流れるようにインバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６をオン・オフする。
【００２９】
一方、制御手段としてのコントローラ４０は、温度センサ９０により検出されたアルミ電解コンデンサ８０の温度が規定温度（例えば−２０℃）よりも低い時において、アルミ電解コンデンサ８０から電流を持ち出す暖機モードを設定する。この暖機モードでは、電動機６０を回転駆動させる際に電動機６０の各相の巻線に供給する３相交流電流の電流波形に基づいて、電動機６０の各相の巻線に順に最大電流Ｉｍａｘの直流の暖機電流が流れるように制御する。具体的には、電動機６０を回転駆動させる通常運転時には、電気角度θ１，θ２，θ３で各相の巻線に最大電流Ｉｍａｘが供給されるようにインバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６が制御され、暖機モードにおいては、通常運転時と同じ電気角度θ１，θ２，θ３で順に各相の巻線に最大電流Ｉｍａｘの直流の暖機電流が供給されるようにインバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御する。
【００３０】
図３で説明すると、Ｕ相電流Ｉｕに着目した場合、通常運転時には電気角度θ１で最大電流Ｉｍａｘとなり、この電気角度θ１においてＷ相電流ＩｗおよびＶ相電流Ｉｖはそれぞれ電流Ｉ２となる。暖機モード時には電気角度θ１となるタイミングｔ１よりＵ相の巻線に最大電流Ｉｍａｘの直流電流が供給されるように、また、その他の相に最大電流Ｉｍａｘが供給されるタイミングでは電流Ｉ２の直流電流が供給されるようにインバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御する。
【００３１】
同様に、Ｗ相電流Ｉｗに着目した場合、通常運転時には電気角度θ２で最大電流Ｉｍａｘとなり、この電気角度θ２においてＵ相電流ＩｕおよびＶ相電流Ｉｖはそれぞれ電流Ｉ２となる。暖機モード時には電気角度θ２となるタイミングｔ２よりＷ相の巻線に最大電流Ｉｍａｘの直流電流が供給されるように、また、その他の相に最大電流Ｉｍａｘが供給されるタイミングでは電流Ｉ２の直流電流が供給されるようにインバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御する。
【００３２】
同様に、Ｖ相電流Ｉｖに着目した場合、通常運転時には電気角度θ３で最大電流Ｉｍａｘとなり、この電気角度θ３においてＵ相電流ＩｕおよびＷ相電流Ｉｗはそれぞれ電流Ｉ２となる。暖機モード時には電気角度θ３となるタイミングｔ３よりＶ相の巻線に最大電流Ｉｍａｘの直流電流が供給されるように、また、その他の相に最大電流Ｉｍａｘが供給されるタイミングでは電流Ｉ２の直流電流が供給されるようにインバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御する。
【００３３】
このように図２に示すごとく暖気時には電動機６０の各相の巻線に最大電流が流れる電気角度θ１，θ２，θ３で直流電流を流すとともに最大電流Ｉｍａｘを流す巻線を順次切り替える。
【００３４】
低温時において、暖機モードで電動機６０の各相に供給される暖機電流（Ｕ相電流Ｉｕ、Ｗ相電流Ｉｗ、Ｖ相電流Ｉｖ）は、その電流値が最大電流Ｉｍａｘとなるまで徐々に電流値が大きくなるようにインバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御する。即ち、電流を徐々に変化させる（徐変させる）。
【００３５】
また、低温時において、暖機モードで最大電流Ｉｍａｘの直流の暖機電流を供給する相を切り替える際には、それまで最大電流Ｉｍａｘが供給されていた相に関して、徐々に電流値が小さくなるようにインバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御する。即ち、電流を徐々に変化させる（徐変させる）。
【００３６】
スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の通電により各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６が昇温されるが、直流電流を流す相を等しいタイミングで順次切り替え制御しているので、特定のスイッチング素子だけでなく、全てのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６が均等に昇温される。また、このとき、巻線には直流電流を供給しているので電動機６０は回転せず、異音は発生しない。
【００３７】
さらに、電動機６０に暖機電流を供給する暖機モードでは、バッテリ５０への回生は行わずに、アルミ電解コンデンサ８０から電流を持ち出すモードに限定する。また、通常運転時において電動機に３相交流電流を供給する際に発生するリプル電圧について、暖機モード時には直流電流を供給することによりリプル電圧を低減することができる。これにより暖機モードにおいてスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の許容電流以内で電動機に供給する電流を大きくすることができる。
【００３８】
また、最大電流Ｉｍａｘの直流電流を流す相を順次切り替えているので、ある相のみに最大電流Ｉｍａｘの直流電流を流す方式に比べ、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を均一に昇温することができる。特に、インバータ回路が大型になる場合に、インバータ回路内での温度分布が不均一になることを防止できる。
【００３９】
また、暖機モードでは、アルミ電解コンデンサ８０から電流が持ち出されることによりその温度が上昇してＥＳＲが小さくなる。アルミ電解コンデンサ８０のＥＳＲ（等価直列抵抗；内部抵抗）を低減することで、サージ電圧による過電圧の発生などが抑制される。
【００４０】
また、暖機電流は、バッテリ電圧に応じたマップを持たせ、電圧が低ければ暖機電流を大きくとる（バッテリ電圧を検出し、暖機電流を可変にする）。即ち、バッテリ電圧とＥＳＲによる電圧上昇分（ΔＶ）の和が素子耐圧を超えないようにすればよいので、バッテリ電圧が低いときには暖機のための電流をより大きくする。
【００４１】
図４には、温度と、アルミ電解コンデンサ８０の等価直列抵抗（ＥＳＲ）の値との関係を示す。温度が例えば−２０℃よりも低くなると、アルミ電解コンデンサ８０の等価直列抵抗（ＥＳＲ）の値が急激に大きくなる。このような低温状態で、電動機に対してインバータ制御により電流を供給する場合、電力回生が発生すると電解コンデンサの大きなＥＳＲ（等価直列抵抗；内部抵抗）により大きなサージ電圧が発生する。本実施形態では、環境温度が極端に低い（−４０℃等）場合には、まずは暖機モードで直流電流を電動機に供給するように制御しているので、コンデンサの温度を昇温してＥＳＲを小さくしてから電動機を駆動することができる。
【００４２】
図５は通常運転時におけるスイッチング素子の耐圧についての説明図である。インバータ回路の使用中においてスイッチング素子を破壊させないようにするためには、スイッチング素子のスイッチングにより発生するサージ電圧ΔＶとバッテリ電圧の和が素子耐圧を超えないようにする必要がある。本実施形態では暖機によりアルミ電解コンデンサ８０の温度を上昇させることにより、ＥＳＲで発生するサージ電圧ΔＶを小さくすることができる。
【００４３】
図６において、スイッチング素子のドレイン・ソース間電圧の耐圧と温度との関係を示すが、耐圧は温度とともに低くなる。即ち、温度が低くなるとスイッチング素子のドレイン・ソース間電圧の耐圧が低くなる。本実施形態では、暖機によりスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を昇温して耐圧を上昇させることができる（リプルに強くなる）。
【００４４】
以上により、環境温度が極端に低い（−４０℃等）場合でも、過電圧検出でインバータ１０が停止することなく暖機電流を大きくとることができ、短時間で暖機させることが可能となる。よって、冷蔵倉庫内で使用する車両において、キーオンから通常操作可能になるまでの待ち時間を短くすることできる。
【００４５】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）インバータの暖機制御装置の構成として、温度センサ９０とコントローラ４０を備え、コントローラ４０は、温度センサ９０により検出されたアルミ電解コンデンサ８０の温度が規定温度よりも低い時に次のようにする。アルミ電解コンデンサ８０から電流を持ち出す暖機モードを設定した状態で、電動機６０を回転駆動させる際に電動機６０の各相の巻線に供給する３相交流電流波形に基づいて、電動機６０の各相の巻線に最大電流Ｉｍａｘが流れる電気角度θ１，θ２，θ３で直流電流を流すとともに該最大電流Ｉｍａｘを流す巻線を順次切り替えるようにインバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御する。
【００４６】
これにより、直流の最大電流を流すことにより低温環境下においてもアルミ電解コンデンサ８０の暖機を短時間で行うことができる。また、流す巻線を順次切り替えることにより効率よく温度を上げてインバータ回路２０の各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の発熱も均等化することができる。
【００４７】
（２）コントローラ４０は、最大電流を流す巻線を切り替える際には、徐々に電流を変化させる（徐変させる）。これにより、残留磁束の影響を受けにくくなる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
【００４８】
・図７，８に示すように、最大電流を流す巻線を切り替える際には、全ての巻線に電流が流れない休止期間Ｔ１を設けるようにしてもよい。休止期間Ｔ１を設けることにより、連続で流す場合における残留が残ることによる悪影響を受けにくくすることができる。
【００４９】
また、この場合においても、最大電流を流す巻線を切り替える際には、徐々に電流を変化させるとよい。切り替えの際に電流を徐々に変化させる（徐変させる）ことにより残留磁束の影響を受けにくくなる。
【００５０】
・電動機の種類は問わない。
・低温時の暖機時に１つの相に電流を流す際に３つの上アームと３つの下アームのうちの１つの上アームと２つの下アームをオンしたが、１つの上アームと１つの下アームをオンしてもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１０…インバータ、２０…インバータ回路、４０…コントローラ、５０…バッテリ、６０…電動機、８０…アルミ電解コンデンサ、９０…温度センサ、Ｓ１…スイッチング素子、Ｓ２…スイッチング素子、Ｓ３…スイッチング素子、Ｓ４…スイッチング素子、Ｓ５…スイッチング素子、Ｓ６…スイッチング素子。
【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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