(57)【要約】  単相交流電圧である入力電圧を２相交流電圧である出力電圧に変換するための、効率および信頼性に優れた電力変換方法は、入力電圧（ｉｎ）を受け取り、出力電圧（ｏｕｔ１、ｏｕｔ２）の第１相及び第２相それぞれの逐次の目標値を表す第１目標電圧（ｒｅｆ１）及び第２目標電圧（ｒｅｆ２）として、入力電圧（ｉｎ）の１／√２倍の振幅、及び入力電圧（ｉｎ）に対して＋４５度及び−４５度の位相差を有する２相交流電圧を指定し、第１目標電圧（ｒｅｆ１）及び第２目標電圧（ｒｅｆ２）の周波数として、入力電圧（ｉｎ）の周波数の２倍以外の周波数を指定する。
2014115498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相交流電圧である入力電圧を２相交流電圧である出力電圧に変換する電力変換装置によって行われる電力変換方法であって、
前記電力変換装置は、
前記入力電圧が印加される１対の入力端子と、
第１相の前記出力電圧を出力する１対の第１出力端子と、
第２相の前記出力電圧を出力する１対の第２出力端子と、
前記１対の入力端子のうちの１つと前記１対の第１出力端子のうちの１つとの各組み合わせに対応して設けられ、対応する入力端子と第１出力端子との間の接続及び切断を、第１制御信号に応じて切り替える４個の第１双方向スイッチと、
前記１対の入力端子のうちの１つと前記１対の第２出力端子のうちの１つとの各組み合わせに対応して設けられ、対応する入力端子と第２出力端子との間の接続及び切断を、第２制御信号に応じて切り替える４個の第２双方向スイッチと、
前記出力電圧の第１相及び第２相それぞれの逐次の目標値を２相交流電圧によって表す第１目標電圧及び第２目標電圧を指定する目標電圧指定部と、
前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数を指定する目標周波数指定部と、
前記入力電圧の絶対値の瞬時値が前記第１目標電圧の絶対値の瞬時値よりも大きい期間に、前記１対の入力端子と前記１対の第１出力端子とが、前記第１双方向スイッチを介して、前記第１目標電圧の前記瞬時値の前記入力電圧の前記瞬時値に対する比に応じたデューティ比で周期的に接続及び切断されるように前記第１制御信号を生成し、前記入力電圧の絶対値の瞬時値が前記第２目標電圧の絶対値の瞬時値よりも大きい期間に、前記１対の入力端子と前記１対の第２出力端子とが、前記第２双方向スイッチを介して、前記第２目標電圧の前記瞬時値の前記入力電圧の前記瞬時値に対する比に応じたデューティ比で周期的に接続及び切断されるように前記第２制御信号を生成する制御信号生成部と、
前記生成された第１制御信号及び第２制御信号を、それぞれ前記第１双方向スイッチ及び前記第２双方向スイッチに供給するドライバと、を備え、
前記電力変換方法は、
前記目標電圧指定部で、前記入力電圧の１／√２倍の振幅、及び前記入力電圧に対して＋４５度及び−４５度の位相差を有する２相交流電圧を前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧として指定し、
前記目標周波数指定部で、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数として、前記入力電圧の周波数の２倍以外の周波数を指定する、
電力変換方法。
【請求項２】
前記目標周波数指定部で、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数として、前記入力電圧の周波数の４倍以外の周波数を指定する、
請求項１に記載の電力変換方法。
【請求項３】
前記目標周波数指定部で、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数として、前記入力電圧の周波数の６倍以外の周波数を指定する、
請求項１又は２に記載の電力変換方法。
【請求項４】
前記入力電圧の周波数をｆｉｎとするとき、
前記目標周波数指定部で、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数として、ｎ×ｆｉｎ／１０、ｎが２０、４０、６０以外の自然数、なる周波数を指定する、
請求項１から３の何れか１項に記載の電力変換方法。
【請求項５】
前記入力電圧の周波数をｆｉｎとするとき、
前記目標周波数指定部で、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数として、ｎ×ｆｉｎ／１０、ｎは自然数、なる周波数であって、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧のうちの少なくとも一方の１周期の単純加算平均値の前記入力電圧のピーク電圧の絶対値に対する比が−０．０２以上０．０２以下となる周波数を指定する、
請求項１から３の何れか１項に記載の電力変換方法。
【請求項６】
前記目標周波数指定部で、前記ｎを増加させることによって前記出力電圧の周波数を増加させ、前記ｎを減少させることによって前記出力電圧の周波数を減少させる、
請求項４又は５に記載の電力変換方法。
【請求項７】
前記目標周波数指定部で、ｎに設定されるべき数値が２０、４０、及び６０のうちの何れか１つとなる場合には、２０、４０、及び６０のうちの前記１つに隣接する数値をｎに設定する、
請求項４から６の何れか１項に記載の電力変換方法。
【請求項８】
前記目標周波数指定部で、ｎに設定されるべき数値が２０、４０、及び６０のうちの何れか１つとなる場合には、さらに、前記目標電圧指定部で指定する電圧を変更する、
請求項７に記載の電力変換方法。
【請求項９】
前記目標周波数指定部で、ｎに設定されるべき数値が２０以上になる場合には、ｎに２０以上の数値を設定する前に、前記目標電圧指定部で、前記第１目標電圧の前記入力電圧に対する位相差を０度又は１８０度とすると共に、前記第２目標電圧の発生を停止する、
請求項４から６の何れか１項に記載の電力変換方法。
【請求項１０】
単相交流電圧である入力電圧を２相交流電圧である出力電圧に変換する電力変換装置であって、
前記入力電圧が印加される１対の入力端子と、
第１相の前記出力電圧を出力する１対の第１出力端子と、
第２相の前記出力電圧を出力する１対の第２出力端子と、
前記１対の入力端子のうちの１つと前記１対の第１出力端子のうちの１つとの各組み合わせに対応して設けられ、対応する入力端子と第１出力端子との間の接続及び切断を、第１制御信号に応じて切り替える４個の第１双方向スイッチと、
前記１対の入力端子のうちの１つと前記１対の第２出力端子のうちの１つとの各組み合わせに対応して設けられ、対応する入力端子と第２出力端子との間の接続及び切断を、第２制御信号に応じて切り替える４個の第２双方向スイッチと、
前記出力電圧の第１相及び第２相それぞれの逐次の目標値を２相交流電圧によって表す第１目標電圧及び第２目標電圧を指定する目標電圧指定部と、
前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数を指定する目標周波数指定部と、
前記入力電圧の絶対値の瞬時値が前記第１目標電圧の絶対値の瞬時値よりも大きい期間に、前記１対の入力端子と前記１対の第１出力端子とが、前記第１双方向スイッチを介して、前記第１目標電圧の前記瞬時値の前記入力電圧の前記瞬時値に対する比に応じたデューティ比で周期的に接続及び切断されるように前記第１制御信号を生成し、前記入力電圧の絶対値の瞬時値が前記第２目標電圧の絶対値の瞬時値よりも大きい期間に、前記１対の入力端子と前記１対の第２出力端子とが、前記第２双方向スイッチを介して、前記第２目標電圧の前記瞬時値の前記入力電圧の前記瞬時値に対する比に応じたデューティ比で周期的に接続及び切断されるように前記第２制御信号を生成する制御信号生成部と、
前記生成された第１制御信号及び第２制御信号を、それぞれ前記第１双方向スイッチ及び前記第２双方向スイッチに供給するドライバと、を備え、
前記目標電圧指定部は、前記入力電圧の１／√２倍の振幅、及び前記入力電圧に対して＋４５度及び−４５度の位相差を有する２相交流電圧を前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧として指定し、
前記目標周波数指定部は、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数として、前記入力電圧の周波数の２倍以外の周波数を指定する、
電力変換装置。
【請求項１１】
前記目標周波数指定部は、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数として、前記入力電圧の周波数の４倍以外の周波数を指定する、
請求項１０に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記目標周波数指定部は、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数として、前記入力電圧の周波数の６倍以外の周波数を指定する、
請求項１０又は１１に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
請求項１０から１２の何れか１項に記載の電力変換装置と、
第１軸巻線、第２軸巻線、ロータ、前記第１軸巻線から引き出された１対の第１受電端子、及び前記第２軸巻線から引き出された１対の第２受電端子を有しかつ前記第１軸巻線と前記第２軸巻線とが内部で電気的に接続されていない２相誘導モータと、
前記電力変換装置の１対の第１出力端子と前記２相誘導モータの前記第１受電端子とを接続する第１給電線と、
前記電力変換装置の１対の第２出力端子と前記２相誘導モータの前記第２受電端子とを接続する第２給電線と、
を備えるモータシステム。
【請求項１４】
前記２相誘導モータは、さらに、前記ロータの逐次の回転量を示す回転角信号を出力する回転角センサを有し、
前記電力変換装置は、さらに、前記回転角信号を取得する回転角取得部を備え、
前記目標周波数指定部は、前記取得された回転角信号から特定される前記ロータの回転速度と速度指令値との誤差に基づいて、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数を変化させ、
前記目標電圧指定部は、前記目標周波数指定部が指定する周波数に従い前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数を変化させ、さらには振幅、及び位相のうちの少なくとも何れか１つを変化させるベクトル制御を行う、
請求項１３に記載のモータシステム。
【請求項１５】
前記電力変換装置への入力電圧の周波数をｆｉｎとするとき、
前記電力変換装置が備える目標周波数指定部において、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の前記周波数として、ｎ×ｆｉｎ／１０、ｎが２０、４０、６０以外の自然数、を指定する、
請求項１３又は１４に記載のモータシステム。
【請求項１６】
前記電力変換装置は、さらに、前記１対の第１出力端子及び前記１対の第２出力端子のそれぞれに流れる逐次の電流量を測定する電流測定部を備え、
前記目標周波数指定部は、前記測定された逐次の電流量を用いて前記ロータの回転速度を推定し、前記推定された回転速度と速度指令値との誤差に基づいて、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数を変化させ、
前記目標電圧指定部は、前記目標周波数指定部が指定する周波数に従い前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数を変化させ、さらには振幅、及び位相のうちの少なくとも何れか１つを変化させる速度センサレスベクトル制御を行う、
請求項１３に記載のモータシステム。
【請求項１７】
前記電力変換装置への入力電圧の周波数をｆｉｎとするとき、
前記電力変換装置が備える目標周波数指定部において、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の前記周波数として、ｎ×ｆｉｎ／１０、ｎが２０、４０、６０以外の自然数、なる周波数を指定する、
請求項１３又は１６に記載のモータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置及び電力変換方法に関し、特には、単相交流電力を２相交流電力に変換する技術、及びそのような技術を用いて単相交流電力から変換された２相交流電力によって２相誘導モータを駆動するモータシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マトリクスコンバータを用いた電力変換装置が実用化されている（例えば、特許文献１、特許文献２）。【０００３】
図２１は、特許文献１に開示されているマトリクスコンバータ２００の回路図である。マトリクスコンバータ２００は、単相交流電源２０１にて３相モータ２０３を駆動するために、単相交流電源２０１から供給される入力交流電圧を、双方向スイッチ２０２ａ〜２０２ｆを用いて、３相の出力交流電圧に直接変換して、当該各相の出力交流電圧を３相モータ２０３の対応する相の巻線に供給する。【０００４】
双方向スイッチ２０２ａ〜２０２ｆの各々は、片方向に導通状態と非導通状態とを制御できる２つのスイッチ素子を逆並列に接続して構成されている。大小判別手段２０４は、単相交流電源２０１の端子間電圧の大小関係を判別し、制御手段２０５は、大小判別手段２０４により判別された電圧の大小関係に応じて、単相交流電源２０１から３相モータ２０３の巻線に電流を供給し、また３相モータ２０３の巻線からの回生電流を還流させるように双方向スイッチ２０２ａ〜２０２ｆの各々の導通を制御する。【０００５】
特許文献１によれば、このように構成されたマトリクスコンバータ２００により、モータ駆動時の電流の安定化、高効率化と共に、高い信頼性が実現されるとしている。【０００６】
特許文献２にも、マトリクスコンバータを用いて単相交流電源で３相モータを駆動する、同様の技術が開示されている。【０００７】
家電製品においては、３相モータよりも構成が簡単で小型化に有利な２相モータが用いられることが多い。家庭用の単相交流電源にて動作する多くの２相モータは、単相交流電源からコンデンサを用いて生成した２相交流電圧を主巻線と補助巻線とに印加することで起動用の回転磁界を発生させる、いわゆるコンデンサモータである（例えば、特許文献３）。【０００８】
図２２は、特許文献３に開示されているコンデンサモータ３００の回路図であり、巻線３０２、３０３、コンデンサ３０４、及び交流電源３０１の接続の典型的な一例が示されている。特許文献３には、巻線の中間タップ、外部リアクタといった追加的な構成を用いることなく、コンデンサ、巻線、及び交流電源の接続を変更するだけで、コンデンサモータの複数の回転速度を切り替える技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１１−４４４９号公報
【特許文献２】特開２０１０−１５４７１４号公報
【特許文献３】特開平７−４６８０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、コンデンサモータには、モータの寿命がコンデンサの寿命で制限されるという問題がある。従来、コンデンサを用いない単相モータが用いられることもあるが、単相モータでは起動用の回転磁界が得られないためロータの回転方向が一意に定まらない、トルクの脈動が生じやすいといった問題があり、コンデンサモータと比べて、単相モータが適用できる範囲は限られている。【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、単相交流電源を、コンデンサを用いずに２相交流電圧に変換する電力変換装置、電力変換方法、及びそのような電力変換装置を用いて２相モータを可変の回転数で安定的に回転させることができるモータ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】
【００１２】
上記の課題を解決するため、本発明の一態様に係る電力変換方法は、単相交流電圧である入力電圧を２相交流電圧である出力電圧に変換する電力変換装置によって行われる電力変換方法であって、前記電力変換装置は、前記入力電圧が印加される１対の入力端子と、第１相の前記出力電圧を出力する１対の第１出力端子と、第２相の前記出力電圧を出力する１対の第２出力端子と、前記１対の入力端子のうちの１つと前記１対の第１出力端子のうちの１つとの各組み合わせに対応して設けられ、対応する入力端子と第１出力端子との間の接続及び切断を、第１制御信号に応じて切り替える４個の第１双方向スイッチと、前記１対の入力端子のうちの１つと前記１対の第２出力端子のうちの１つとの各組み合わせに対応して設けられ、対応する入力端子と第２出力端子との間の接続及び切断を、第２制御信号に応じて切り替える４個の第２双方向スイッチと、前記出力電圧の第１相及び第２相それぞれの逐次の目標値を２相交流電圧によって表す第１目標電圧及び第２目標電圧を指定する目標電圧指定部と、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数を指定する目標周波数指定部と、前記入力電圧の絶対値の瞬時値が前記第１目標電圧の絶対値の瞬時値よりも大きい期間に、前記１対の入力端子と前記１対の第１出力端子とが、前記第１双方向スイッチを介して、前記第１目標電圧の前記瞬時値の前記入力電圧の前記瞬時値に対する比に応じたデューティ比で周期的に接続及び切断されるように前記第１制御信号を生成し、前記入力電圧の絶対値の瞬時値が前記第２目標電圧の絶対値の瞬時値よりも大きい期間に、前記１対の入力端子と前記１対の第２出力端子とが、前記第２双方向スイッチを介して、前記第２目標電圧の前記瞬時値の前記入力電圧の前記瞬時値に対する比に応じたデューティ比で周期的に接続及び切断されるように前記第２制御信号を生成する制御信号生成部と、前記生成された第１制御信号及び第２制御信号を、それぞれ前記第１双方向スイッチ及び前記第２双方向スイッチに供給するドライバと、を備え、前記電力変換方法は、前記目標電圧指定部で、前記入力電圧の１／√２倍の振幅、及び前記入力電圧に対して＋４５度及び−４５度の位相差を有する２相交流電圧を前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧として指定し、前記目標周波数指定部で、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数として、前記入力電圧の周波数の２倍以外の周波数を指定する。
【発明の効果】
【００１３】
上記のように構成された電力変換方法によれば、双方向スイッチによるスイッチング動作によって単相交流電圧を２相交流電圧に変換できる。その結果、装置の長期的な信頼性を損なう可能性がある平滑コンデンサを用いずに、かつ高い効率で、単相交流電圧から２相交流電圧を生成できる。【００１４】
また、前記電力変換方法によれば、前記２相交流電圧の周波数として、前記２相交流電圧に所定量以上のオフセット電圧が含まれることが予め分かっている周波数を除外した周波数で、前記２相交流電圧を生成できる。つまり、前記所定量以上のオフセット電圧を含まない前記２相交流電圧を、複数の周波数の中から任意に選択される周波数で生成できる。前記入力電圧の周波数の２倍の周波数は、除外される周波数の一例である。そのようにして生成された２相交流電圧は、例えば、２相モータを可変の回転数やトルクで安定的に回転させるために適している。【００１５】
前記電力変換方法を用いて一般家庭用の商用電源から生成した２相交流電圧を２相誘導モータの相ごとの巻線に独立して給電してもよい。そうすれば、３相誘導モータと比べて製造方法が簡単で、かつ小型化に有利であるという２相誘導モータの利点を活かし、始動コンデンサを用いない高信頼で長寿命、かつ回転数やトルクが可変のモータシステムを、家電製品において広く提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、第１実施形態における電力変換方法を実行する電力変換及び当該電力変換装置を含むモータシステムの機能的な構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図２は、前記電力変換装置におけるマトリクススイッチ及び誘導モータの詳細な構成の一例を示すブロック図である。
【図３】図３は、前記電力変換装置における主要な電圧の波形の一例を示すグラフである。
【図４】図４は、前記電力変換装置におけるゲート信号の一例を示すタイミングチャートである。
【図５Ａ】図５Ａは、前記電力変換装置におけるスイッチの状態及び電流経路の一例を示す回路図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、前記電力変換装置におけるスイッチの状態及び電流経路の一例を示す回路図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、前記電力変換装置におけるスイッチの状態及び電流経路の一例を示す回路図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、前記電力変換装置におけるスイッチの状態及び電流経路の一例を示す回路図である。
【図５Ｅ】図５Ｅは、前記電力変換装置におけるスイッチの状態及び電流経路の一例を示す回路図である。
【図５Ｆ】図５Ｆは、前記電力変換装置におけるスイッチの状態及び電流経路の一例を示す回路図である。
【図５Ｇ】図５Ｇは、前記電力変換装置におけるスイッチの状態及び電流経路の一例を示す回路図である。
【図５Ｈ】図５Ｈは、前記電力変換装置におけるスイッチの状態及び電流経路の一例を示す回路図である。
【図６Ａ】図６Ａは、前記電力変換装置にて生成した出力電圧でモータを回線させた場合の巻線電流のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。
【図６Ｂ】図６Ｂは、前記電力変換装置にて生成した出力電圧でモータを回線させた場合の巻線電流のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。
【図６Ｃ】図６Ｃは、前記電力変換装置にて生成した出力電圧でモータを回線させた場合の巻線電流のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。
【図７】図７は、前記電力変換装置における入力電圧、目標電圧、及び出力電圧の波形の一例を示すグラフである。
【図８Ａ】図８Ａは、前記電力変換装置にて生成した出力電圧でモータを回線させた場合のモータの回転数とトルクのシミュレーション結果の一例を示すグラフである。
【図８Ｂ】図８Ｂは、前記電力変換装置にて生成した出力電圧でモータを回線させた場合のモータの回転数とトルクのシミュレーション結果の一例を示すグラフである。
【図９】図９は、前記電力変換装置にて生成した出力電圧でモータを回線させた場合の回転安定時間とオフセット電圧比との関係の一例を示すグラフである。
【図１０】図１０は、前記電力変換装置におけるオフセット電圧比と出力周波数比との関係の一例を示すグラフである。
【図１１】図１１は、前記電力変換装置におけるオフセット電圧比と出力周波数比との関係の一例を示すグラフである。
【図１２】図１２は、前記電力変換装置における入力電圧、目標電圧、及び出力電圧の波形の一例を示すグラフである。
【図１３】図１３は、前記電力変換装置におけるオフセット電圧比と出力周波数比との関係の一例を示すグラフである。
【図１４】図１４は、前記電力変換装置におけるオフセット電圧比と出力周波数比との関係の一例を示すグラフである。
【図１５Ａ】図１５Ａは、従来の加速制御における出力周波数比の時間変化の一例を示すグラフである。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、第１実施形態の電力変換方法による加速制御における出力周波数比の時間変化の一例を示すグラフである。
【図１６Ａ】図１６Ａは、従来の加速制御における出力周波数比の時間変化の一例を示すグラフである。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、第１実施形態の電力変換方法による加速制御における出力周波数比の一例を示すグラフである。
【図１７】図１７は、前記電力変換装置における入力電圧と目標電圧との間の位相とオフセット電圧比との関係の一例を示すグラフである。
【図１８】図１８は、第３実施形態における電力変換装置を含むモータシステムの他の一例を示すブロック図である。
【図１９】図１９は、第３実施形態における電力変換装置を含むモータシステムの他の一例を示すブロック図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは、従来の加速時における出力周波数比の時間変化の一例を示すグラフである。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、第３実施形態の電力変換方法による加速制御における出力周波数比の時間変化の一例を示すグラフである。
【図２１】図２１は、従来のマトリクスコンバータ回路の回路図である。
【図２２】図２２は、従来のコンデンサモータの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の一つの態様における電力変換方法は、単相交流電圧である入力電圧を２相交流電圧である出力電圧に変換する電力変換装置によって行われる電力変換方法であって、前記電力変換装置は、前記入力電圧が印加される１対の入力端子と、第１相の前記出力電圧を出力する１対の第１出力端子と、第２相の前記出力電圧を出力する１対の第２出力端子と、前記１対の入力端子のうちの１つと前記１対の第１出力端子のうちの１つとの各組み合わせに対応して設けられ、対応する入力端子と第１出力端子との間の接続及び切断を、第１制御信号に応じて切り替える４個の第１双方向スイッチと、前記１対の入力端子のうちの１つと前記１対の第２出力端子のうちの１つとの各組み合わせに対応して設けられ、対応する入力端子と第２出力端子との間の接続及び切断を、第２制御信号に応じて切り替える４個の第２双方向スイッチと、前記出力電圧の第１相及び第２相それぞれの逐次の目標値を２相交流電圧によって表す第１目標電圧及び第２目標電圧を指定する目標電圧指定部と、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数を指定する目標周波数指定部と、前記入力電圧の絶対値の瞬時値が前記第１目標電圧の絶対値の瞬時値よりも大きい期間に、前記１対の入力端子と前記１対の第１出力端子とが、前記第１双方向スイッチを介して、前記第１目標電圧の前記瞬時値の前記入力電圧の前記瞬時値に対する比に応じたデューティ比で周期的に接続及び切断されるように前記第１制御信号を生成し、前記入力電圧の絶対値の瞬時値が前記第２目標電圧の絶対値の瞬時値よりも大きい期間に、前記１対の入力端子と前記１対の第２出力端子とが、前記第２双方向スイッチを介して、前記第２目標電圧の前記瞬時値の前記入力電圧の前記瞬時値に対する比に応じたデューティ比で周期的に接続及び切断されるように前記第２制御信号を生成する制御信号生成部と、前記生成された第１制御信号及び第２制御信号を、それぞれ前記第１双方向スイッチ及び前記第２双方向スイッチに供給するドライバと、を備え、前記電力変換方法は、前記目標電圧指定部で、前記入力電圧の１／√２倍の振幅、及び前記入力電圧に対して＋４５度及び−４５度の位相差を有する２相交流電圧を前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧として指定し、前記目標周波数指定部で、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数として、前記入力電圧の周波数の２倍以外の周波数を指定する。
【００１８】
また、前記目標周波数指定部で、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数として、前記入力電圧の周波数の４倍以外の周波数を指定してもよく、６倍以外の周波数を指定してもよい。
【００１９】
このような電力変換方法によれば、単相交流電源を２相交流電源に変換する際にオフセット電圧が無く、バイアスや歪の少ない交流電圧出力あるいはモータの安定駆動に優れた電力変換方法が得られる。
【００２０】
本発明の一つの態様における電力変換装置は、単相交流電圧である入力電圧を２相交流電圧である出力電圧に変換する電力変換装置であって、前記入力電圧が印加される１対の入力端子と、第１相の前記出力電圧を出力する１対の第１出力端子と、第２相の前記出力電圧を出力する１対の第２出力端子と、前記１対の入力端子のうちの１つと前記１対の第１出力端子のうちの１つとの各組み合わせに対応して設けられ、対応する入力端子と第１出力端子との間の接続及び切断を、第１制御信号に応じて切り替える４個の第１双方向スイッチと、前記１対の入力端子のうちの１つと前記１対の第２出力端子のうちの１つとの各組み合わせに対応して設けられ、対応する入力端子と第２出力端子との間の接続及び切断を、第２制御信号に応じて切り替える４個の第２双方向スイッチと、前記出力電圧の第１相及び第２相それぞれの逐次の目標値を２相交流電圧によって表す第１目標電圧及び第２目標電圧を指定する目標電圧指定部と、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数を指定する目標周波数指定部と、前記入力電圧の絶対値の瞬時値が前記第１目標電圧の絶対値の瞬時値よりも大きい期間に、前記１対の入力端子と前記１対の第１出力端子とが、前記第１双方向スイッチを介して、前記第１目標電圧の前記瞬時値の前記入力電圧の前記瞬時値に対する比に応じたデューティ比で周期的に接続及び切断されるように前記第１制御信号を生成し、前記入力電圧の絶対値の瞬時値が前記第２目標電圧の絶対値の瞬時値よりも大きい期間に、前記１対の入力端子と前記１対の第２出力端子とが、前記第２双方向スイッチを介して、前記第２目標電圧の前記瞬時値の前記入力電圧の前記瞬時値に対する比に応じたデューティ比で周期的に接続及び切断されるように前記第２制御信号を生成する制御信号生成部と、前記生成された第１制御信号及び第２制御信号を、それぞれ前記第１双方向スイッチ及び前記第２双方向スイッチに供給するドライバと、を備え、前記目標電圧指定部は、前記入力電圧の１／√２倍の振幅、及び前記入力電圧に対して＋４５度及び−４５度の位相差を有する２相交流電圧を前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧として指定し、前記目標周波数指定部は、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数として、前記入力電圧の周波数の２倍以外の周波数を指定する。
【００２１】
また、前記目標周波数指定部は、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数として、前記入力電圧の周波数の４倍以外の周波数を指定してもよく、６倍以外の周波数を指定してもよい。
【００２２】
このような電力変換装置によれば、上述の電力変換方法と同様の効果が得られる。
【００２３】
本発明の一つの態様におけるモータシステムは、上述の電力変換装置と、第１軸巻線、第２軸巻線、ロータ、前記第１軸巻線から引き出された１対の第１受電端子、及び前記第２軸巻線から引き出された１対の第２受電端子を有しかつ前記第１軸巻線と前記第２軸巻線とが内部で電気的に接続されていない２相誘導モータと、前記電力変換装置の１対の第１出力端子と前記２相誘導モータの前記第１受電端子とを接続する第１給電線と、前記電力変換装置の１対の第２出力端子と前記２相誘導モータの前記第２受電端子とを接続する第２給電線と、を備える。
【００２４】
このようなモータシステムによれば、前記電力変換装置によって単相交流電源から変換した２相交流電源を用いて、始動コンデンサを用いない長寿命の２相モータを安定駆動することが可能になる。
【００２５】
また、前記モータシステムにおいて、前記２相誘導モータは、さらに、前記ロータの逐次の回転量を示す回転角信号を出力する回転角センサを有し、前記電力変換装置は、さらに、前記回転角信号を取得する回転角取得部を備え、前記目標周波数指定部は、前記取得された回転角信号から特定される前記ロータの回転速度と速度指令値との誤差に基づいて、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数を変化させ、前記目標電圧指定部は、前記目標周波数指定部が指定する周波数に従い前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数を変化させ、さらには振幅、及び位相のうちの少なくとも何れか一方を変化させるベクトル制御を行ってもよい。
【００２６】
また、前記モータシステムにおいて、前記電力変換装置は、さらに、前記１対の第１出力端子及び前記１対の第２出力端子のそれぞれに流れる逐次の電流量を測定する電流測定部を備え、前記目標電圧指定部は、前記測定された逐次の電流量を用いて前記ロータの回転速度を推定し、前記第１目標電圧及び前記第２目標電圧として設定する２相交流電圧の周波数及び振幅のうちの少なくとも何れか一方を、前記推定された回転速度と速度指令値との誤差に基づいて変化させる速度センサレスベクトル制御を行ってもよい。
【００２７】
このような構成によれば、安定駆動に優れたモータシステムが得られる。
【００２８】
以下、本発明の一態様に係る電力変換装置、電力変換方法、そのような電力変換装置を用いたモータシステムについて、図面を参照しながら説明する。
【００２９】
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。また、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００３０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る電力変換装置及び前記電力変換装置を含むモータシステムの機能的な構成の一例を示すブロック図である。
【００３１】
前記電力変換装置及び前記モータシステムの考え方及び構成の基本的な部分は、本発明者らによって考案され、特許文献４：国際公開第２０１３／１３２５３８号で詳細に説明されている。前記電力変換装置及び前記モータシステムは、前記関連特許出願に係る発明に見出された課題を解決するための新たな構成が追加される。以下の説明では、前記関連特許出願の内容の一部が引用されている。
【００３２】
図１に示されるモータシステムは、電力変換装置１、誘導モータ５、及び電力変換装置１と誘導モータ５とを接続する給電線から構成される。単相交流電源２は、このモータシステムに単相交流電圧を供給する電源である。単相交流電源２は、例えば、一般家庭用の１００Ｖあるいは２００Ｖの商用電源であってもよい。
【００３３】
電力変換装置１は、単相交流電圧である入力電圧を２相交流電圧である出力電圧に変換する電力変換装置である。電力変換装置１は、単相交流電源２から前記入力電圧を印加される１対の入力端子３、４、第１相の前記出力電圧を出力する１対の第１出力端子６、７、第２相の前記出力電圧を出力する１対の第２出力端子８、９、マトリクススイッチ１０、及びスイッチコントローラ２０を備える。
【００３４】
図２は、誘導モータ５及びマトリクススイッチ１０の詳細な構成の一例を示すブロック図である。誘導モータ５は、２相誘導モータであり、第１軸巻線５１、第２軸巻線５２、ロータ５３、第１軸巻線５１から引き出された１対の第１受電端子５６、５７、及び第２軸巻線５２から引き出された１対の第２受電端子５８、５９を備える。第１軸巻線５１と第２軸巻線５２とは、誘導モータ５の内部で電気的に接続されていない。第１軸巻線５１と第２軸巻線５２とは、同一の電気的特性を有していてもよい。第１受電端子５６、５７は第１給電線で電力変換装置１の第１出力端子６、７に接続され、第２受電端子５８、５９は、第２給電線で電力変換装置１の第２出力端子８、９に接続される。なお、第１軸巻線５１と第２軸巻線５２とは、それぞれただ１つずつである必要はなく、２個以上の同数の第１軸巻線５１と第２軸巻線５２とを用いて多極のモータを構成することもできる。
【００３５】
マトリクススイッチ１０は、第１双方向スイッチ１１〜１４と、第２双方向スイッチ１５〜１８とから構成される。第１双方向スイッチ１１〜１４は、入力端子３、４と第１出力端子６、７との各組み合わせに対応して設けられ、入力端子３、４のうちの対応する１つと第１出力端子６、７のうちの対応する１つとの接続及び切断を、スイッチコントローラ２０から供給される第１制御信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂに応じて切り替える。
【００３６】
第２双方向スイッチ１５〜１８は、入力端子３、４と第２出力端子８、９との各組み合わせに対応して設けられ、入力端子３、４のうちの対応する１つと第２出力端子８、９のうちの対応する１つとの接続及び切断を、スイッチコントローラ２０から供給される第２制御信号Ｇ５ａ〜Ｇ８ｂに応じて切り替える。
【００３７】
第１双方向スイッチ１３で代表して示しているように、第１双方向スイッチ１１〜１４及び第２双方向スイッチ１５〜１８の各々は、例えば、逆並列に接続された２つの単方向スイッチで構成される。１つの単方向スイッチは、例えば、逆阻止型のＩＧＢＴ（Ｉｓｏｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）Ｍ１又はＭ２で構成されてもよく、また、ＩＧＢＴＭ３とダイオードＤ１とが直列に接続された回路、又はＩＧＢＴＭ４とダイオードＤ２とが直列に接続された回路で構成されてもよい。１つの単方向スイッチは、第１制御信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂ及び第２制御信号Ｇ５ａ〜Ｇ８ｂのうちの１つに応じて一方向にのみ導通状態及び非導通状態が切り替わり、かつ逆方向には導通しない。
【００３８】
また、各双方向スイッチは、単一のスイッチング素子Ｍ５で構成することもできる。スイッチング素子Ｍ５は、例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）系半導体によるＨＦＥＴ（Ｈｅｔｅｒｏ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）又はＧＩＴ（Ｇａｔｅ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であってもよい。ＨＦＥＴ又はＧＩＴのソースとドレインとの間に、それぞれ独立した制御信号が印加される２つのゲートを形成することで双方向スイッチが構成できる。
【００３９】
このように構成される各双方向スイッチは、電流を双方向に流せる導通状態、電流を紙面の上方向又は下方向の何れか一方向にのみ流せる導通状態、及び非導通状態のなかから任意の状態に切り替えることができる。そして、マトリクススイッチ１０は、第１制御信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂに応じて、第１双方向スイッチ１１〜１４を介して、１対の入力端子３、４と１対の第１出力端子６、７とを接続、また切断することができる。
【００４０】
特に、各双方向スイッチを単一のスイッチング素子Ｍ５で構成すれば、回路規模を小さくできる。さらに、スイッチング素子Ｍ５内に、２つのゲートが隣接していることから、２本のゲート信号線路をほぼ同等の長さで形成することが可能となり、ゲート信号間の遅れをなくすることができる。その結果、デッドタイムや転流回路の制御性が向上して、誤動作が防止される。
【００４１】
スイッチコントローラ２０は、マトリクススイッチ１０のコントローラであり、単相交流電圧である入力電圧が、マトリクススイッチ１０を介して２相交流電圧である出力電圧に変換されるように、第１制御信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂ及び第２制御信号Ｇ５ａ〜Ｇ８ｂを生成して、マトリクススイッチ１０に供給する。スイッチコントローラ２０は、発振器、比較器及び乗算器などを含むアナログ回路によって実現されてもよく、また、プロセッサが所定のプログラムを実行することによって実現されてもよい。
【００４２】
再び図１を参照して、スイッチコントローラ２０は、目標電圧指定部２３、制御信号生成部２４、ドライバ２５、及び目標周波数指定部２６から構成される。
【００４３】
目標周波数指定部２６では、電力変換装置１の出力電圧の周波数である目標周波数を、予め定められた複数の周波数の中から指定する。目標周波数の設定方法の詳細は後述する。
【００４４】
目標電圧指定部２３は、出力電圧の第１相及び第２相それぞれの逐次の目標値を表す第１目標電圧及び第２目標電圧を指定する。当該第１目標電圧及び当該第２目標電圧は、目標周波数指定部２６で指定された目標周波数の２相交流電圧である。目標電圧指定部２３は、当該第１目標電圧及び当該第２目標電圧を指定するアナログ２相交流電圧を生成してもよく、当該第１目標電圧及び当該第２目標電圧のそれぞれの時間ごとの瞬時値を表す２つの数値列を生成してもよい。
【００４５】
制御信号生成部２４は、第１制御信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂ及び第２制御信号Ｇ５ａ〜Ｇ８ｂを生成する。第１制御信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂは、１対の入力端子３、４と１対の第１出力端子６、７とを周期的に接続及び切断するための制御信号であり、入力電圧及び第１目標電圧それぞれの極性及び絶対値の瞬時値の比較に基づいて生成される。第２制御信号Ｇ５ａ〜Ｇ８ｂは、１対の入力端子３、４と１対の第２出力端子８、９とを周期的に接続及び切断するための制御信号であり、入力電圧及び第２目標電圧それぞれの極性及び絶対値の瞬時値の比較に基づいて生成される。
【００４６】
制御信号生成部２４には、入力端子３の電圧および入力端子４の電圧が供給される。制御信号生成部２４は、入力端子３の電圧と入力端子４の電圧との差分である線間電圧を入力電圧として検出する。入力端子４が十分に低いインピーダンスで接地されている場合は、制御信号生成部２４には、入力端子３の電圧のみが供給され、接地電圧を基準とした入力端子３の電圧を入力電圧として検出してもよい。
【００４７】
ドライバ２５は、生成された第１制御信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂ及び第２制御信号Ｇ５ａ〜Ｇ８ｂを、それぞれ第１双方向スイッチ１１〜１４及び第２双方向スイッチ１５〜１８に供給する。
【００４８】
上述のように構成された電力変換装置１において実行される電力変換方法について説明する。
【００４９】
図３は、当該電力変換方法で用いられる主要な電圧の波形の一例を示すグラフである。図３では、簡明のため、電力変換装置１の入力電圧の周波数と出力電圧の周波数とが同じ場合の一例を示す。
【００５０】
図３を参照して、まず、当該電力変換方法の基本的な考え方を説明する。図３には、入力電圧ｉｎ、−ｉｎ、第１目標電圧ｒｅｆ１、第２目標電圧ｒｅｆ２、第１相の出力電圧ｏｕｔ１、及び第２相の出力電圧ｏｕｔ２の、それぞれの波形の典型的な一例が示されている。入力電圧ｉｎ、−ｉｎは、単相交流電源２から入力端子３、４に印加される単相交流電圧である。入力電圧ｉｎは、入力端子４を基準にした入力端子３の電圧であり、入力電圧−ｉｎは、入力端子３を基準にした入力端子４の電圧である。
【００５１】
一例として、電圧の実効値がＶである正弦波交流電圧が入力端子３、４間に印加されるとき、入力電圧ｉｎ＝（√２）Ｖｓｉｎ（ωｔ）と表記される。ここで、ωは角周波数であり、当該正弦波交流電圧の周波数をｆとするとω＝２πｆである。ｔは時間である。一例として、日本の一般家庭用の商用電源を入力電圧に用いる場合は、Ｖ＝１００又は２００［Ｖ］、ｆ＝５０又は６０［Ｈｚ］である。
【００５２】
第１目標電圧ｒｅｆ１及び第２目標電圧ｒｅｆ２はそれぞれ、目標電圧指定部２３によって指定される２相交流電圧である。第１目標電圧ｒｅｆ１及び第２目標電圧ｒｅｆ２はそれぞれ、第１相の出力電圧ｏｕｔ１及び第２相の出力電圧ｏｕｔ２の逐次の（つまり、各時間における）目標値を表す。
【００５３】
図３の例では、第１相の出力電圧ｏｕｔ１及び第２相の出力電圧ｏｕｔ２で２相誘導モータを駆動する場合、第１目標電圧ｒｅｆ１及び第２目標電圧ｒｅｆ２には、同一の周波数で互いに位相差がある交流電圧が用いられる。第１目標電圧ｒｅｆ１及び第２目標電圧ｒｅｆ２の各々の振幅、及び互いの位相差は、回転速度やトルクを制御するため、また、駆動する２相誘導モータの構造に応じて、適宜定められてもよい。
【００５４】
例えば、第１目標電圧ｒｅｆ１及び第２目標電圧ｒｅｆ２は、何れも入力電圧ｉｎと同じ周波数及び入力電圧ｉｎの１／√２倍の振幅を持ち、入力電圧ｉｎに対してそれぞれ＋４５度、−４５度の位相差を持つ正弦波交流電圧であってもよい。この場合、第１目標電圧ｒｅｆ１＝Ｖｓｉｎ（ωｔ＋π／４）、第２目標電圧ｒｅｆ２＝Ｖｓｉｎ（ωｔ−π／４）と表記される。
【００５５】
電力変換装置１は、入力電圧ｉｎの絶対値の瞬時値が第１目標電圧ｒｅｆ１の絶対値の瞬時値よりも大きい（言い換えれば、入力電圧の絶対値が過剰である）期間Ｔ２、Ｔ３、Ｔ６、Ｔ７に、１対の入力端子３、４と１対の第１出力端子６、７とを第１双方向スイッチ１１〜１４を介して周期的に接続及び切断することで、第１相の出力電圧ｏｕｔ１の短時間の（例えば周期ごとの）平均値が第１目標電圧ｒｅｆ１によって表される瞬時値になるように調整する。そのような制御は、例えば、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御により行われてもよい。当該ＰＷＭ制御の周期には、入力電圧ｉｎ、第１目標電圧ｒｅｆ１及び第２目標電圧ｒｅｆ２の周期と比べて十分に短い周期（例えば、周波数が２０ｋＨｚのＰＷＭキャリア信号の周期）が用いられる。
【００５６】
当該ＰＷＭ制御では、１対の入力端子３、４と１対の第１出力端子６、７とが接続される時間である接続時間のＰＷＭ周期に占める比率であるデューティ比が、第１目標電圧ｒｅｆ１の瞬時値の入力電圧ｉｎの瞬時値に対する比に等しくなるように、周期ごとの接続時間を逐次変更する。その結果、第１相の出力電圧ｏｕｔ１の周期ごとの平均値は、第１目標電圧ｒｅｆ１の瞬時値になるように調整される。図３の第１相の出力電圧ｏｕｔ１の波形は、第１相の出力電圧ｏｕｔ１の周期ごとの平均値を示している。
【００５７】
なお、同様の調整は、ＰＷＭ制御に限らず、接続時間を一定として各周期の長さが逐次変更されるＰＤＭ（パルス密度変調）制御などの他の周知の制御方法を用いて行うこともできる。
【００５８】
電力変換装置１は、入力電圧ｉｎの絶対値の瞬時値が第１目標電圧ｒｅｆ１の絶対値の瞬時値以下である（言い換えれば、入力電圧の絶対値が不足する）期間Ｔ１、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ８に、１対の入力端子３、４と１対の第１出力端子６、７とを第１双方向スイッチ１１〜１４を介して常時接続することにより、第１相の出力電圧ｏｕｔ１の絶対値が生成可能な最大値になるように調整する。ただし、入力電圧の絶対値が不足する期間については、１対の入力端子３、４と１対の第１出力端子６、７とを常時切断して、第１相の出力電圧ｏｕｔ１を０にしても（つまり、電圧供給を停止しても）よい。
【００５９】
電力変換装置１は、同様の考え方を入力電圧ｉｎ及び第２目標電圧ｒｅｆ２に適用することにより、入力電圧ｉｎを第２相の出力電圧ｏｕｔ２に変換する。
【００６０】
図３に示される期間Ｓ１〜Ｓ８において、符号及び絶対値の瞬時値について、期間Ｔ１〜Ｔ８に入力電圧ｉｎと第１目標電圧ｒｅｆ１との間に成り立つ関係と同一の関係が、入力電圧ｉｎと第２目標電圧ｒｅｆ２との間に成り立つ。従って、入力電圧ｉｎを第２相の出力電圧ｏｕｔ２に変換するために、期間Ｓ１、Ｓ５において連続した非反転電圧供給を行い、期間Ｓ２、Ｓ６においてＰＷＭ制御による非反転電圧供給を行い、期間Ｓ３、Ｓ７においてＰＷＭ制御による反転電圧供給を行い、期間Ｓ４、Ｓ８において連続した反転電圧供給を行う。その結果、入力電圧ｉｎが、図３に示すような第２相の出力電圧ｏｕｔ２に変換される。図３の第２相の出力電圧ｏｕｔ２の波形は、第１相の出力電圧ｏｕｔ１の波形と同様、周期ごとの平均値によって示されている。
【００６１】
次に、このような電力変換方法を実行するために、スイッチコントローラ２０が行う処理について説明する。
【００６２】
図４及び以下の説明では、第１双方向スイッチ１１〜１４は、それぞれＳＷ１１〜ＳＷ１４と表記され、第１制御信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂは、ＳＷ１１〜ＳＷ１４の各々のゲート信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂとして表記される。ゲート信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂのＯＮレベル、ＯＦＦレベルは、それぞれＳＷ１１〜ＳＷ１４を構成する単方向スイッチを導通状態及び非導通状態にするための信号レベルを意味している。
【００６３】
図５Ａ〜図５Ｈは、期間Ｔ１〜Ｔ８のそれぞれにおいて、図４に示されるゲート信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂ応じて設定されるＳＷ１１〜１４の導通状態、及び第１軸巻線５１の電流の経路を示す回路図である。図５Ａ〜図５Ｈにおいて、ＳＷ１１〜１４を構成する個々の単方向スイッチの導通状態及び非導通状態がそれぞれ実線及び点線で表記され、第１軸巻線５１の電流の経路が太い破線矢印で表記される。
【００６４】
図４、図５Ａ〜図５Ｈ、及び以下の説明は、簡明のため、入力電圧ｉｎを第１相の出力電圧ｏｕｔ１に変換するための第１目標電圧ｒｅｆ１、ゲート信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂ、及びＳＷ１１〜１４についてのみ記述されるが、同様のことは、入力電圧ｉｎを第２相の出力電圧ｏｕｔ２に変換するための第２目標電圧ｒｅｆ２、第２制御信号Ｇ５ａ〜Ｇ８ｂ、及び双方向スイッチ１５〜１８についても成り立つ。
【００６５】
目標電圧指定部２３は、２相交流電圧の１つの相である第１目標電圧ｒｅｆ１を指定する。目標電圧指定部２３は、例えば、発振器を用いて、第１目標電圧ｒｅｆ１を実際に生成するか、又は第１目標電圧ｒｅｆ１の逐次の瞬時値を示す時系列データによって、第１目標電圧ｒｅｆ１を指定する。
【００６６】
制御信号生成部２４は、入力電圧ｉｎの瞬時値と第１目標電圧ｒｅｆ１の瞬時値との比較に基づいて、期間Ｔ１〜Ｔ８を逐次（例えば、ＰＷＭ周期ごとに）識別する。そして、識別された期間に応じて、連続した非反転電圧供給、ＰＷＭ制御による非反転電圧供給、連続した反転電圧供給、及びＰＷＭ制御による反転電圧供給のうちの１つを行うためのゲート信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂを生成する。
【００６７】
期間Ｔ１、Ｔ５では、連続した非反転電圧供給のためのゲート信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂが生成される。制御信号生成部２４は、０≦ｉｎ≦ｒｅｆ１（条件１）によって期間Ｔ１を識別し、０＞ｉｎ≧ｒｅｆ１（条件５）によって期間Ｔ５を識別する。期間Ｔ１またはＴ５が識別されると、制御信号生成部２４は、ＳＷ１２のゲート信号Ｇ２ａ、Ｇ２ｂ、及びＳＷ１３のゲート信号Ｇ３ａ、Ｇ３ｂをＯＮレベルに設定し、ＳＷ１１のゲート信号Ｇ１ａ、Ｇ１ｂ、及びＳＷ１４のゲート信号Ｇ４ａ、Ｇ４ｂをＯＦＦレベルに設定する。このようなゲート信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂに従って、期間Ｔ１、Ｔ５に、それぞれ図５Ａ、図５Ｅに示されるような、１対の入力端子３、４と１対の第１出力端子６、７とをストレート接続するためのＳＷ１１〜１４の導通状態及び第１軸巻線５１の電流の経路が設定され、連続した非反転電圧供給が行われる。
【００６８】
また、条件１や条件５の場合には、スイッチングを行わないため、スイッチング損失が低減される。
【００６９】
期間Ｔ２、Ｔ６では、ＰＷＭ制御による非反転電圧供給のための第１制御信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂが生成される。制御信号生成部２４は、０≦ｒｅｆ１＜ｉｎ（条件２）によって期間Ｔ２を識別し、０＞ｒｅｆ１＞ｉｎ（条件６）によって期間Ｔ６を識別する。期間Ｔ２またはＴ６が識別されると、制御信号生成部２４は、ＰＷＭ周期の一部である給電期間Ｔ２ａ、Ｔ６ａにおいて、ゲート信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂのレベルを、期間Ｔ１、Ｔ５と同様に設定する。
【００７０】
制御信号生成部２４は、給電期間Ｔ２ａ、Ｔ６ａのＰＷＭ周期に占める割合が、第１目標電圧ｒｅｆ１の瞬時値の入力電圧ｉｎの瞬時値に対する比に等しくなるように、給電期間Ｔ２ａ、Ｔ６ａの長さを逐次変更する。図４の例では、給電期間Ｔ２ａ、Ｔ６ａの長さは次第に短くなり、期間Ｔ２、Ｔ６の最後には０となる。また、制御信号生成部２４は、ＰＷＭ周期の残部である回生期間Ｔ２ｂ、Ｔ６ｂにおいて、ＳＷ１１のゲート信号Ｇ１ａ、Ｇ１ｂ、及びＳＷ１３のゲート信号Ｇ３ａ、Ｇ３ｂをＯＮレベルに設定し、ＳＷ１２のゲート信号Ｇ２ａ、Ｇ２ｂ、及びＳＷ１４のゲート信号Ｇ４ａ、Ｇ４ｂをＯＦＦレベルに設定する。このようなゲート信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂに従って、期間Ｔ２ａ、Ｔ６ａに、それぞれ図５Ａ、図５Ｅに示されるような、１対の入力端子３、４と１対の第１出力端子６、７とをストレート接続するためのＳＷ１１〜１４の導通状態及び第１軸巻線５１の電流の経路が設定され、非反転電圧供給が行われる。また、期間Ｔ２ｂ、Ｔ６ｂに、それぞれ図５Ｂ、図５Ｆに示されるような、１対の第１出力端子６、７同士を短絡するためのＳＷ１１〜１４の導通状態及び第１軸巻線５１の電流の経路が設定され、第１軸巻線５１からの回生電流をマトリクススイッチ１０内で還流させる電力回生が行われる。その結果、期間Ｔ２、Ｔ６において、ＰＷＭ制御による非反転電圧供給（周期的な給電と回生）が行われる。
【００７１】
期間Ｔ３、Ｔ７では、ＰＷＭ制御による反転電圧供給のためのゲート信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂが生成される。制御信号生成部２４は、０＞ｒｅｆ１＞−ｉｎ（条件３）によって期間Ｔ３を識別し、０＜ｒｅｆ１＜−ｉｎ（条件７）によって期間Ｔ７を識別する。期間Ｔ３またはＴ７が識別されると、制御信号生成部２４は、ＰＷＭ周期の一部である給電期間Ｔ３ａ、Ｔ７ａにおいて、ＳＷ１１のゲート信号Ｇ１ａ、Ｇ１ｂ、及びＳＷ１４のゲート信号Ｇ４ａ、Ｇ４ｂをＯＮレベルに設定し、ＳＷ１２のゲート信号Ｇ２ａ、Ｇ２ｂ、及びＳＷ１３のゲート信号Ｇ３ａ、Ｇ３ｂをＯＦＦレベルに設定する。
【００７２】
制御信号生成部２４は、給電期間Ｔ３ａ、Ｔ７ａのＰＷＭ周期に占める割合が、第１目標電圧ｒｅｆ１の瞬時値の入力電圧ｉｎの瞬時値に対する比に等しくなるように、給電期間Ｔ３ａ、Ｔ７ａの長さを逐次変更する。図４の例では、給電期間Ｔ３ａ、Ｔ７ａの長さは期間Ｔ３、Ｔ７の最初には０であり、次第に長くなる。また、制御信号生成部２４は、ＰＷＭ周期の残部である回生期間Ｔ３ｂ、Ｔ７ｂにおいて、ゲート信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂのレベルを、期間Ｔ２ｂ、Ｔ６ｂと同様に設定する。このようなゲート信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂに従って、期間Ｔ３ａ、Ｔ７ａに、それぞれ図５Ｃ、図５Ｇに示されるような、１対の入力端子３、４と１対の第１出力端子６、７とをクロス接続するためのＳＷ１１〜１４の導通状態及び第１軸巻線５１の電流の経路が設定され、反転電圧供給が行われる。また、期間Ｔ３ｂ、Ｔ７ｂに、それぞれ図５Ｄ、図５Ｈに示されるような、１対の第１出力端子６、７同士を短絡するためのＳＷ１１〜１４の導通状態及び第１軸巻線５１の電流の経路が設定され、第１軸巻線５１からの回生電流をマトリクススイッチ１０内で還流させる電力回生が行われる。その結果、期間Ｔ３、Ｔ７において、ＰＷＭ制御による反転電圧供給（周期的な給電と回生）が行われる。
【００７３】
期間Ｔ４、Ｔ８では、連続した反転電圧供給のためのゲート信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂが生成される。制御信号生成部２４は、０＞−ｉｎ≧ｒｅｆ１（条件４）によって期間Ｔ４を識別し、０＜−ｉｎ≦ｒｅｆ１（条件８）によって期間Ｔ８を識別する。期間Ｔ４またはＴ８が識別されると、制御信号生成部２４は、ゲート信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂのレベルを、期間Ｔ３ａ、Ｔ７ａと同様に設定する。このようなゲート信号Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂに従って、期間Ｔ４及び期間Ｔ８に、それぞれ図５Ｃ、図５Ｇに示されるような、１対の入力端子３、４と１対の第１出力端子６、７とをクロス接続するためのＳＷ１１〜１４の導通状態及び第１軸巻線５１の電流の経路が設定され、連続した反転電圧供給が行われる。
【００７４】
条件４や条件８の場合も、条件１や条件５と同様に、スイッチングを行わないため、スイッチング損失が低減される。
【００７５】
本発明者は、上述のように構成された電力変換装置１を用いて、可変の回転数で２相モータを回転させる実験を行った。
【００７６】
具体的には、周波数が６０Ｈｚの入力電圧を電力変換装置１に供給し、目標周波数として３０Ｈｚ、６０Ｈｚ、１２０Ｈｚの周波数を指定した。これにより、電力変換装置１にて、周波数が３０Ｈｚ、６０Ｈｚ、１２０Ｈｚで、かつ入力電圧に対して±４５度の位相差を持つ２相の出力電圧を生成して２相モータに印加した。すると、出力電圧の周波数が６０Ｈｚの場合と３０Ｈｚの場合は、２相モータが回転したが、出力電圧の周波数が１２０Ｈｚの場合は、２相モータが回転しなかった。
【００７７】
本発明者は、２相モータのこのような挙動を考察するため、２相モータの巻線電流、回転数、トルクを、シミュレーションにより求めた。
【００７８】
図６Ａ〜図６Ｃは、２相モータの第１軸巻線の電流ｉｌｏａｄ１及び第２軸巻線の電流ｉｌｏａｄ２の時間変化を示すグラフであり、シミュレーションによる計算値が示されている。図６Ａ〜図６Ｃには、入力電圧の周波数（以下、入力周波数という）が６０Ｈｚであり、出力電圧の周波数（以下、出力周波数という）が、６０Ｈｚ、１２０Ｈｚ、３０Ｈｚである場合について、第１軸巻線の電流ｉｌｏａｄ１と、第２軸巻線の電流ｉｌｏａｄ２が示されている。
【００７９】
出力周波数が入力周波数と同じ６０Ｈｚの場合（図６Ａ）、および出力周波数が入力周波数の半分の３０Ｈｚの場合（図６Ｃ）は、ｉｌｏａｄ１のピーク値とｉｌｏａｄ２のピーク値とはほぼ同一であり、ｉｌｏａｄ１の１周期の単純加算平均及びｉｌｏａｄ２のいずれも、１周期の単純加算平均はほぼ０となった。
【００８０】
一方、出力周波数が入力周波数の２倍の１２０Ｈｚの場合（図６Ｂ）は、ｉｌｏａｄ１のピーク値とｉｌｏａｄ２のピーク値とは互いに異なり、ｉｌｏａｄ１の１周期の単純加算平均及びｉｌｏａｄ２の１周期の単純加算平均は、それぞれ正値及び負値を示した。
【００８１】
図６Ａ〜図６Ｃ及び以下の説明では、巻線電流の１周期の単純加算平均を、オフセット電流と呼ぶ。
【００８２】
図７は、一例として、出力周波数の入力周波数に対する比率（以下、出力周波数比という）が２の場合における、入力電圧、目標電圧、及び出力電圧を示すグラフである。ここで、目標電圧及び出力電圧には、第１相及び第２相のうちのいずれか一方の目標電圧及び出力電圧を示している。
【００８３】
目標電圧が負の期間には、目標電圧に対して入力電圧の絶対値が不足しないために、目標電圧に等しい電圧が出力電圧として供給される。他方、目標電圧が正の期間のうち、図７において斜線を付して示した部分では、目標電圧に対して入力電圧の絶対値が不足するために、出力電圧は目標電圧を下回る。
【００８４】
その結果、出力電圧の１周期の単純加算平均は、入力電圧のピーク値（絶対値）に対する比で−０．１５である。
【００８５】
出力電圧の１周期の単純加算平均をオフセット電圧と呼び、オフセット電圧値の入力電圧のピーク値（絶対値）に対する比を、オフセット電圧比と呼ぶ。オフセット電圧比は、正値及び負値のいずれも取り得る。出力電圧に含まれるこのようなオフセット電圧が、巻線電流に前述したオフセット電流を発生させていると考えられる。
【００８６】
本発明者は、モータが回転しない原因を次のように考察した。すなわち、出力電圧にオフセット電圧が含まれていると、巻線電流に生じるオフセット電流によって対向したステータコイルに常に一方向の磁場（つまり、回転しない磁場）が形成されるために、モータの回転動作が妨げられる。
【００８７】
検証のため、オフセット電圧が含まれる出力電圧を模して、意図的にオフセット電圧を加算した正弦波をモータに印加した場合における、モータの回転動作をシミュレーションした。出力電圧の周波数は、モータの回転数として１０００ＲＰＭに対応する周波数とし、意図的に加えるオフセット電圧のオフセット電圧比は０（オフセット加算なし）又は０．１４とした。
【００８８】
図８Ａ及び図８Ｂは、シミュレーションの結果を示すグラフである。
【００８９】
図８Ａに示すように、オフセット電圧比が０の場合には、モータは回転を始め、回転安定時間の経過後に、目標の回転数である１０００回転で回転した。トルクは、起動時には小さく、安定した値を示した。
【００９０】
他方、図８Ｂに示すように、オフセット電圧比が０．１４の場合には、モータの回転数は目標値まで増加しなかった。また、トルクは回転初期から大きなトルクを示しており、正負の値で振動した。図８Ｂでは、回転数は周期的に正と負の値を示しており、回転しないで正回転方向および逆回転方向に振動している状況が示されている。
【００９１】
このシミュレーションから、モータが回転しない原因が、入力周波数と出力周波数の特定の組合せにあるのではなく、オフセット電圧にあることが特定された。
【００９２】
そこで、０から０．１４の範囲に含まれるいくつかのオフセット電圧比について、回転安定時間を求めた。
【００９３】
図９は、安定回転時間とオフセット電圧比との関係を示すグラフである。オフセット電圧比が０．０２以下の場合は、回転安定時間は一定であることから、オフセット電圧比が０の場合と同様に安定して回転すると考えられる。他方、オフセット電圧比の絶対値が０．０２よりも大きくなると、安定回転時間が増大し始めることから、モータの回転が不安定になり得ると考えられる。
【００９４】
オフセット電圧比が負の場合には、対向したステータコイルに常に、オフセット電圧比が正の場合とは逆方向の磁場が形成されるので、オフセット電圧比の絶対値に応じてオフセット電圧比が正の場合と同様のことが成り立つ。
【００９５】
上記の検討の結果、本発明者は、オフセット電圧比が−０．０２以上かつ０．０２以下（つまり、±２％の範囲内）であることが、モータが安定して回転するための条件であることを見出した。
【００９６】
次に、一定周波数の入力電圧を用いてモータを可変の回転数で回転させる場合を想定して、複数の出力周波数比（出力周波数の入力周波数に対する比）についてオフセット電圧比を求めた。
【００９７】
図１０は、オフセット電圧比と出力周波数比との関係を示すグラフである。図１０には、１から１００まで０．０１ステップの出力周波数比に対応するオフセット電圧比が示されている。図１０に見られるように、出力周波数比が２の倍数のときに、オフセット電圧比は極大値を取る。
【００９８】
図１１は、オフセット電圧比と出力周波数比との関係を示すグラフである。図１１には、０．１から１まで０．００１ステップの出力周波数比に対応するオフセット電圧比が示されている。図１１に見られるように、出力周波数比が０．１の整数倍のときに、オフセット電圧比は０となる。また、出力周波数比が０．１６のときに、オフセット電圧比はグラフの範囲内での最悪値である−０．１２となる。
【００９９】
図１２は、出力周波数比が０．１６の場合における、入力電圧、目標電圧、及び出力電圧を示すグラフである。図１２のグラフは、図７と同じ表記法により示されている。図１２に示すように、目標電圧が正のときの斜線部分と負のときの斜線部分は同様の面積を有しているように一見して思えるが、出力電圧の波形を正確に計算するとともに、出力電圧を長周期で積算することで、大きなオフセット電圧が存在することを初めて明らかにした。
【０１００】
図１３は、オフセット電圧比と出力周波数比との関係を示すグラフである。図１３には、１から１０まで０．００１ステップの出力周波数比に対応するオフセット電圧比が示されている。図１３では、図１０に示されている、出力周波数比が２、４、６、８、１０のときにオフセット電圧比が極大値を取る様子がより詳細に確認できる。特に、出力周波数比が２、４、６のときにオフセット電圧比の絶対値が０．０２よりも大きくなる。したがって、出力電圧でモータを回転させる場合には、２、４、６以外の出力周波数比を用いてもよい。特には、オフセット電圧比がグラフの範囲内での最悪値となる、２以外の出力周波数比を用いてもよい。
【０１０１】
図１４は、図１３の出力周波数比が１から３の範囲を拡大して示したグラフである。図１４に見られるように、出力周波数比が１．０、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２．１、２．２、２．３、２．４、２．５〜３．０のときに、オフセット電圧比が０になる。したがって、出力電圧でモータを回転させる場合には、前記列挙された出力周波数比の中から選択される出力周波数比を用いてもよい。
【０１０２】
上記の検討から、出力電圧でモータを回転させる場合には、目標周波数指定部２６は、第１目標電圧の周波数ｆｏｕｔ１及び第２目標電圧の周波数ｆｏｕｔ２として、入力電圧の周波数ｆｉｎの２倍の周波数以外の周波数を指定してもよい。また、入力電圧の周波数ｆｉｎの４倍の周波数以外の周波数を指定してもよく、入力電圧の周波数ｆｉｎの６倍の周波数以外の周波数を指定してもよい。
【０１０３】
また、目標周波数指定部２６は、第１目標電圧の周波数ｆｏｕｔ１及び第２目標電圧の周波数ｆｏｕｔ２として、ｎ×ｆｉｎ／１０、ここでｎは２０、４０、６０以外の整数、なる周波数を指定してもよい。さらに、ｎから８０及び１００を除外してもよい。
【０１０４】
なお、第１目標電圧の周波数ｆｏｕｔ１は第１相の出力電圧の周波数と等価であり、また第２目標電圧の周波数ｆｏｕｔ２は第２相の出力電圧の周波数と等価である。また、ｆｏｕｔ１とｆｏｕｔ２とは等しい。以下では、これらの周波数を特に区別せず、出力周波数ｆｏｕｔと呼んで説明する。
【０１０５】
次に、出力周波数ｆｏｕｔを上述のように指定することによって行われるモータの回転制御について説明する。
【０１０６】
モータの起動および停止を制御する場合、一般には、出力周波数ｆｏｕｔを時間とともに変化させる。以下に、モータの起動時を代表例として、モータの加速制御について説明する。
【０１０７】
まず、出力周波数ｆｏｕｔの最終的な目標値が入力周波数ｆｉｎ以下である場合の加速制御について説明する。一例として、出力周波数ｆｏｕｔの最終的な目標値が入力周波数ｆｉｎと等しい、つまり出力周波数比の最終的な目標値が１であるとする。
【０１０８】
図１５Ａは、従来の加速制御における出力周波数比の時間変化の一例を示すグラフである。当該従来例に係る加速制御では、出力周波数ｆｏｕｔを０から最終的な目標値まで（つまり、出力周波数比を０から１まで）連続的に増加させる。この場合、矢印で示される出力周波数比において、オフセット電圧比の絶対値で０．０２よりも大きいオフセット電圧が出力電圧に含まれる（図１１を参照）ため、モータの安定的な加速が阻害される懸念がある。
【０１０９】
図１５Ｂは、本実施形態の加速制御における出力周波数比の時間変化の一例を示すグラフである。本実施形態の加速制御では、出力周波数ｆｏｕｔを、ｎ×ｆｉｎ／１０、ここでｎは１から１０までの整数、となるように（つまり、出力周波数比を０．１から１まで０．１ステップで）離散的に増加させる。この場合、どの周波数においても出力電圧のオフセット電圧比がほぼ０である（図１１を参照）ため、モータの安定的な加速が阻害される懸念がない。
【０１１０】
モータの減速制御も、同様の考え方で行うことができる。すなわち、モータの減速制御では、出力周波数ｆｏｕｔを、ｎ×ｆｉｎ／１０、ここでｎは１０から１までの整数、となるように（つまり、出力周波数比を１から０．１まで−０．１ステップで）離散的に減少させる。
【０１１１】
このような制御により、オフセット電圧を含まない複数の周波数の出力電圧を用いて、モータの加減速を制御できる。
【０１１２】
次に、出力周波数ｆｏｕｔの最終的な目標値が入力周波数ｆｉｎよりも大きい場合の加速制御について説明する。一例として、出力周波数ｆｏｕｔの最終的な目標値が入力周波ｆｉｎ数の１０倍、つまり出力周波数比の最終的な目標値が１０であるとする。
【０１１３】
図１６Ａは、従来の加速制御における出力周波数比の時間変化の一例を示すグラフである。当該従来例に係る加速制御では、出力周波数ｆｏｕｔを０から最終的な目標値まで連続的に増加させる。つまり、出力周波数比を０から１０まで連続的に増加させる。
【０１１４】
この場合、矢印で示される出力周波数比において、オフセット電圧比の絶対値で０．０２よりも大きいオフセット電圧が出力電圧に含まれる（図１３を参照）ため、モータの安定的な加速が阻害される懸念がある。
【０１１５】
図１６Ｂは、本実施形態の加速制御における出力周波数比の時間変化の一例を示すグラフである。本実施形態の加速制御では、出力周波数ｆｏｕｔを、ｎ×ｆｉｎ／１０、ｎは１から１００までの、２０、４０、６０以外の整数、となるように離散的に増加させる。つまり、出力周波数比を０．１から１０まで、２、４、６を除外して０．１ステップで増加させる。このような処理は、例えば、ｎを逐次変化させるときにｎに設定されるべき数値が２０、４０、及び６０のうちの何れか１つとなる場合に、２０、４０、及び６０のうちの前記１つに隣接する数値（例えば２１、４１、６１などの数値）をｎに設定することにより実現してもよい。
【０１１６】
この場合、どの周波数の出力電圧においてもオフセット電圧比がほぼ０である（図１３、図１４を参照）ため、モータの安定的な加速が阻害される懸念がない。
【０１１７】
なお、加速途中に設けるステップの数は、図１６Ｂに示されるステップの数よりも少なくてもよい。例えば、出力周波数ｆｏｕｔを、ｎ×ｆｉｎ／１０、ここでｎが１０、２１、３０、４１、５０、６１、７０、８０、９０、１００となるように、離散的に増加させてもよい。このように、ｎは２０、４０、６０以外の整数であればよく、ｎが精密に制御できない状況においては、ｎが２０、４０、６０の数値より離れれば離れるほどよい。
【０１１８】
以上、モータの安定回転を指標に出力周波数の設定方法を示したが、本電力変換装置はモータの駆動だけでなく入力の周波数を特定の周波数に変換する電力変換装置として使用した場合においても特定の電圧にバイアスされず歪の少ない交流出力を得ることが可能となる。
【０１１９】
以上説明した電力変換装置１及び電力変換方法によれば、単相交流電圧である入力電圧を、マトリクススイッチを用いることにより、直流電圧を介在することなく高い効率で２相交流電圧に変換することができる。
【０１２０】
電力変換装置１で変換された２相交流電圧は、例えば、第１軸巻線５１と第２軸巻線５２とが内部で電気的に接続されていない誘導モータ５を駆動するために用いられる。誘導モータ５及び電力変換装置１はいずれも、装置の寿命や信頼性を損なう要因となる平滑コンデンサや始動コンデンサを用いないので、電力変換装置１と誘導モータ５とを組み合わせることで、装置の寿命や信頼性を損なう要因となるコンデンサを用いない、寿命及び信頼性に優れたモータシステムが得られる。
【０１２１】
さらに、従来のコンデンサモータは、起動のための補助巻線の抵抗を主巻線の抵抗よりも大きく構成される場合があり、そのような構成のコンデンサモータでは、補助巻線の抵抗のためにトルクが制限される。
【０１２２】
これに対し、電力変換装置１で生成される２相交流電圧は、電気的特性が同一の２つの巻線に印加するために好適であり、電力変換装置１と、第１軸巻線５１及び第２軸巻線５２の電気的特性が同一の誘導モータ５とを組み合わせることで、効率に優れたモータシステムが得られる。
【０１２３】
また、電力変換装置１による単相−２相変換では、一般的な単相−３相変換と比較して、より大きな振幅の出力電圧が得られることから、次のような効果も得られる。
【０１２４】
一般的なマトリクスコンバータによる単相−３相変換と電力変換装置１による単相−２相変換を比較すると、電力変換装置１による出力電圧は単相−３相変換で得られる出力電圧の振幅と比べて、√２倍であることがわかった。これは、一般的なマトリクスコンバータの出力電圧で駆動される３相誘導モータと比べて、電力変換装置１の出力電圧で駆動される２相誘導モータが、√２倍のトルクを発生することを意味している。従って、トルクとモータの体積（巻線の量など）とが反比例するとすれば、２相誘導モータは３相誘導モータの１／√２（約７１％）の体積で同じトルクを発生させることができる。
【０１２５】
（第２実施形態）
本実施形態では、オフセット電圧比が極大となる出力周波数比において、目標電圧の位相差を変化させることでオフセット電圧比を０とする制御方法を示す。
【０１２６】
図１７に、入力電圧ｉｎ＝（√２）Ｖｓｉｎ（ωｔ）、目標電圧ｒｅｆ＝Ｖｓｉｎ（ωｔ＋θ）としたときに、入力電圧を基準にした目標電圧の位相であるθをπ／４以外にも変化させた場合の、目標電圧ｒｅｆ＝Ｖｓｉｎ（ωｔ＋θ）に含まれるオフセット電圧比を示す。図１７に見られるように、オフセット電圧比は、θが±π／２のときに局大値を取り、位相θを０、π、２πのときに、０となる。
【０１２７】
第１の実施形態においては、モータを所望の方向に回転させるために、第１目標電圧ｒｅｆ１と第２目標電圧ｒｅｆ２の間にπ／２の位相差が発生するように、入力電圧を基準にして第１目標電圧と第２目標電圧のそれぞれの位相θ＝±π／４とした。
【０１２８】
これに対し、第１目標電圧の入力電圧を基準にした位相θを０として、第１目標電圧ｒｅｆ１と第２目標電圧ｒｅｆ２の間に位相差π／２を与えた場合には、第２目標電圧の入力電圧を基準とした位相はπ／２となり、オフセット電圧比は局大値を取る。したがって、第２目標電圧は印加できないことになる。
【０１２９】
以上の結果から、次のようなモータ駆動方法により、任意の連続した離散周波数においてモータを駆動することができる。
【０１３０】
出力電圧の周波数が入力電圧の周波数の２倍になるまでは、第１目標電圧ｒｅｆ１＝Ｖｓｉｎ（ωｔ＋π／４）、第２目標電圧ｒｅｆ２＝Ｖｓｉｎ（ωｔ−π／４）とする。出力電圧の周波数が入力電圧の周波数の２倍およびそれ以上では、第１目標電圧ｒｅｆ１＝Ｖｓｉｎ（ωｔ）とし、第２双方向スイッチ１５〜１８すべてをＯＦＦにする。この場合は、入力電圧を基準とした位相が０度の第１目標電圧のみ出力され、第２目標電圧は出力されない。あるいは、第２目標電圧ｒｅｆ２＝Ｖｓｉｎ（ωｔ）とし、第１双方向スイッチ１１〜１４すべてをＯＦＦにする。この場合は、入力電圧を基準とした位相が０度の第２目標電圧のみ出力され、第１目標電圧は出力されない。
【０１３１】
具体的には、出力周波数ｆｏｕｔをｎ×ｆｉｎ／１０として、ｎを２０以上に増加させる場合には、ｎが２０未満のときに第１目標電圧の位相差を０度とすると共に第２目標電圧を発生させないように制御する。
【０１３２】
（第３実施形態）
上述の電力変換装置１と誘導モータ５とを組み合わせたモータシステムに、ベクトル制御機能を導入することで、モータに加わる外部負荷の変動に対してより制御性に優れたモータシステムを構成することができる。以下では、そのようなモータシステムについて説明する。
【０１３３】
図１８は、第３実施形態に係るモータシステムの機能的な構成の一例を示すブロック図である。図１８に示されるモータシステムにおいて、誘導モータ５には、ロータの逐次の回転量を示す回転角信号を出力する回転角センサ２７が設けられる。電力変換装置１ａは、第１実施形態で説明した電力変換装置１と比べて、回転角取得部２９が追加され、目標周波数指定部２６ａが変更される。
【０１３４】
回転角取得部２９は、回転角センサ２７から出力された回転角信号を取得する。
【０１３５】
目標周波数指定部２６ａは、取得された回転角信号から特定されるロータの回転速度と速度指令値との誤差に基づいて、第１目標電圧及び前記第２目標電圧の周波数を変化させる。
【０１３６】
目標電圧指定部２３ａは、取得された回転角信号から特定されるロータの回転速度と速度指令値との誤差に基づいて、目標周波数指定部２６ａが指定する周波数に従い第１目標電圧及び第２目標電圧の周波数を変化させ、さらには振幅、及び位相のうちの少なくとも何れか１つを変化させるベクトル制御を行う。
【０１３７】
ベクトル制御では、具体的には、巻線電流の励磁電流成分を一定に保ち、巻線電流のトルク電流成分を調整する制御が行われる。このように構成された電力変換装置１ａによれば、負荷の変動によるロータの回転速度の変動を抑制し、回転速度を制御することができる。
【０１３８】
図１９は、第３実施形態に係る他のモータシステムの機能的な構成の一例を示すブロック図である。図１９に示されるモータシステムにおいて、電力変換装置１ｂは、第１実施形態で説明した電力変換装置１と比べて、電流センサ３０ａ、３０ｂ、及び電流量取得部３１が追加され、目標周波数指定部２６ｂが変更される。
【０１３９】
電流センサ３０ａ、３０ｂは、１対の第１出力端子６、７及び１対の第２出力端子８、９のそれぞれに流れる逐次の電流量を示す電流量信号を出力するセンサであり、例えばシャント抵抗であってもよい。電流量取得部３１は、電流センサ３０ａ、３０ｂから出力された信号を取得する。電流センサ３０ａ、３０ｂと電流量取得部３１とで、電流測定部が構成される。
【０１４０】
目標周波数指定部２６ｂは、取得された逐次の電流量を用いてロータの回転速度を推定し、推定された回転速度と速度指令値との誤差に基づいて、第１目標電圧及び第２目標電圧の周波数を変化させる。
【０１４１】
目標電圧指定部２３ｂは、取得された逐次の電流量を用いて前記ロータの回転速度を推定し、推定された回転速度と速度指令値との誤差に基づいて、目標周波数指定部２６ｂが指定する周波数に従い第１目標電圧及び第２目標電圧の周波数を変化させ、さらには振幅、及び位相のうちの少なくとも何れか１つを変化させる速度センサレスベクトル制御を行う。
【０１４２】
速度センサレスベクトル制御では、巻線電流の測定値を用いてロータの回転速度を推定し、推定された回転速度を用いてトルク制御が行われる。使用環境の制約を受けやすい回転角センサを用いないので、過酷な（例えば、大きな振動を伴う）環境で使用されるモータの制御に適している。このように構成された電力変換装置１ｂによれば、回転角センサを用いずに、ロータの回転速度の変動を抑制し、回転速度を制御することができる。
【０１４３】
第１目標電圧ｒｅｆ１及び第２目標電圧ｒｅｆ２の振幅、周波数、位相を変化させた場合も、前述と同様の電力変換方法が適用できる。
【０１４４】
ベクトル制御や速度センサレスベクトル制御において、モータに加わる外部負荷が変動した場合の出力周波数の設定方法について説明する。
【０１４５】
図２０Ａは、従来の回転数一定制御法の一例を示すグラフである。図２０Ａに示したように、外部負荷（例えば、換気扇が外部から受ける風）が増大した場合には、すべりを大きくすることでモータのトルクを増大させてロータの回転数を一定に制御する。
【０１４６】
その為には、出力周波数を上昇させるとともに、出力周波数と出力電圧の比が一定となるように出力電圧が大きくなるように制御する。これはＶ／Ｆ一定制御と呼ばれている。図２０Ａでは、このような制御の結果、出力周波数比が２となる例が示されている。前述したように、出力周波数比が２の出力電圧には、オフセット電圧比で−０．０２のオフセット電圧が含まれる。
【０１４７】
図２０Ｂは、本実施形態の回転数一定制御法の一例を示すグラフである。図２０Ｂに示したように、負荷トルクが増大した場合には、すべりを大きくすることでモータのトルクを増大させてロータの回転数を一定に制御する。
【０１４８】
その為には、従来と同様に出力周波数を上昇させるが、その際、出力周波数には、出力電圧に所定量以上のオフセット電圧が含まれることが予め分かっている周波数を除外した周波数を設定する。
【０１４９】
例えば、出力周波数比を２．１として、従来の制御と比べて出力周波数比を高く設定してもよい。この場合、出力周波数と出力電圧の比が一定となるように出力電圧を大きくすると、回転数が目標値以上となってしまう。そこで、Ｖ／Ｆ一定制御ではなく、モータの回転数が目標回転数になるように出力電圧を低下させる。具体的には、ＰＷＭ制御のデューティ比を小さくすることで出力電圧を低下させてもよい。
【０１５０】
逆に、出力周波数比を１．９として、従来の制御と比べて出力周波数比を低く設定してもよい。この場合には、ＰＷＭ制御のデューティ比を大きくすることで出力電圧を増加させてもよい。ただし、この場合は、ＰＷＭ制御のデューティ比に増加余裕が無い場合には、波形がひずむ問題があることを考慮する必要がある。以上の結果、モータが停止することなく、負荷トルクの変化に影響されない一定の回転数でのモータの駆動を実現できる。
【０１５１】
このような処理は、出力周波数ｆｏｕｔをｎ×ｆｉｎ／１０として、ｎを逐次変化させるときにｎに設定されるべき数値が２０、４０、及び６０のうちの何れか１つとなった場合に、２０、４０、及び６０のうちの前記１つに隣接する数値（例えば１９、２１、３９、４１、５９、６１などの数値）をｎに設定するとともに、目標電圧指定部２３ａ又は２３ｂで指定する電圧を変更することにより実現してもよい。
【０１５２】
以上、本発明の電力変換装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施し、また、複数の実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせて得られる形態も本発明の範囲内に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１５３】
本発明は単相交流電源を２相交流電源に変換する電力変換装置に適用され、特には、２相誘導モータの駆動に利用することができる。
【符号の説明】
【０１５４】
１、１ａ、１ｂ  電力変換装置
２  単相交流電源
３、４  入力端子
５  誘導モータ
６、７  第１出力端子
８、９  第２出力端子
１０  マトリクススイッチ
１１〜１４  第１双方向スイッチ
１５〜１８  第２双方向スイッチ
２０  スイッチコントローラ
２３、２３ａ、２３ｂ  目標電圧指定部
２４  制御信号生成部
２５  ドライバ
２６、２６ａ、２６ｂ  目標周波数指定部
２７  回転角センサ
２９  回転角取得部
３０ａ、３０ｂ  電流センサ
３１  電流量取得部
５１  第１軸巻線
５２  第２軸巻線
５３  ロータ
５６、５７  第１受電端子
５８、５９  第２受電端子
２００  マトリクスコンバータ
２０１  単相交流電源
２０２ａ〜２０２ｆ  双方向スイッチ
２０３  ３相モータ
２０４  大小判別手段
２０５  制御手段
３００  コンデンサモータ
３０１  交流電源
３０２、３０３  巻線
３０４  始動コンデンサ
Ｍ１〜Ｍ４  ＩＧＢＴ
Ｍ５  ＧａＮ  ＨＦＥＴ又はＧＩＴ
Ｄ１、Ｄ２  ダイオード
Ｇ１ａ〜Ｇ４ｂ  第１制御信号（ゲート信号）
Ｇ５ａ〜Ｇ８ｂ  第２制御信号（ゲート信号）
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図５Ｈ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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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１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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