(57)【要約】【課題】ＩＥＣ規格に適合する高力率を伴い、電力消費を低減し、低コストで信頼性を改善するとともに、寿命を長くする。【解決手段】３レベル電力モジュールユニット１００と、３レベル電力モジュールユニット１００の出力端子間に互いに直列接続された１対のコンデンサ３００と、３レベル電力モジュールユニット１００の入力端子とコンデンサ３００どうしの接続点との間に接続された３つのアクティブスイッチ４００と、１対のコンデンサ３００の端子間電圧を駆動電圧とする２相電力モジュール６００とを含み、２相電力モジュール６００の出力端子およびコンデンサ３００どうしの接続点に３相モータ７００の３相端子を接続している。【選択図】  図４
2004215408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３レベル電力モジュール（１００）と、３レベル電力モジュール（１００）の出力端子間に互いに直列接続された１対のコンデンサ（３００）と、３レベル電力モジュール（１００）の入力端子とコンデンサ（３００）どうしの接続点との間に接続された３つのアクティブスイッチ手段（４００）と、コンデンサ（３００）により動作電圧が与えられる２相電力モジュール（６００）とを含み、２相電力モジュール（６００）の出力端子およびコンデンサ（３００）どうしの接続点にモータ（７００）の３相端子を接続してなることを特徴とするモータ駆動装置。
【請求項２】
前記３レベル電力モジュール（１００）は、入力リアクトル（１０４）を介して交流電源（１０５）に接続されている請求項１に記載のモータ駆動装置。
【請求項３】
前記２相電力モジュール（６００）は、１対のコンデンサ（３００）により動作電圧が与えられている請求項１に記載のモータ駆動装置。
【請求項４】
前記２相電力モジュール（６００）は、一方のコンデンサ（３００）により動作電圧が与えられている請求項１に記載のモータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高入力力率で高効率にモータを駆動する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日では、電気供給のネットワークに種々の消費物が接続されている。一方、これらの消費物は、電力品質のための異なる要求を有している。他方、それらは送電設備網への種々の影響を有している。これらの影響は電力品質へのインパクトを有する。
【０００３】
送電設備網上で、ユーザーの高度な環境上の意識に種々の影響を付加すれば、エネルギー節約装置の要求が増加される。したがって、インバータ技術および高効率モータを採用することは、空気調和機のような家庭用電気器具製品のみならず、種々の分野において増加している。
【０００４】
インバータ技術の魅力的な点は、ドライブの全体効率を高める磁束最適化のために出力周波数および出力電圧を変化させる能力、およびエネルギー効率のために所望の速度でモータを駆動する能力である。
【０００５】
認められているように、インバータ技術は、低コスト／低性能の技術と高コスト／高性能の技術との２つに大別される。
【０００６】
低コスト／低性能の技術は、ダイオードブリッジ、電解コンデンサ、およびインバータからなる。ダイオードブリッジの入力は送電設備網に接続され、出力は電解コンデンサに接続され、それ自身は、ユーザーの要求にしたがう負荷エネルギー制御のために使用されるインバータへの給電のために使用される。
【０００７】
高コスト／高性能の技術は、送電設備網とインバータとの間に挟みこまれた力率修正回路からなる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来から、中間の、および低い電圧を分配するネットワークにおけるパワー電子装置は、ユーザーサイドにおける消費電力品質を制御することによって、および送電設備網サイドでの影響を除去することによって、効率を改善するために使用される。
【０００９】
最も理想的なのは、図１に示すようなバックトゥーバック・インバータタイプのものである。この技術は、価格および効率において、単純なダイオードブリッジ、および１つの直流リアクトルまたは３つの交流リアクトルからなる従来のパッシブ力率修正技術には太刀打ちできない。それは、高価で複雑な制御が必要な多くのスイッチの使用によるものである。その結果、総製造コストが増加し、信頼性および効率が低下する。したがって、種々の分野における低コストの力率修正回路としては、大型交流インダクタ（または直流インダクタ）を伴うコンデンサ入力型の整流回路が依然として好ましい（図２参照）。
【００１０】
しかし、現在、状況は変化しつつある。具体的には、パワー装置技術においては、容量性構成要素と比較すれば、高速効率が増加し、コストが減少する。
【００１１】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ＩＥＣ規格に適合する高力率を伴い、電力消費を低減し、低コストで信頼性を改善するとともに、寿命を長くすることができるモータ駆動装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１のモータ駆動装置は、３レベル電力モジュールユニットと、３レベル電力モジュールユニットの出力端子間に互いに直列接続されたコンデンサと、３レベル電力モジュールユニットの入力端子とコンデンサどうしの接続点との間に接続された３つのアクティブスイッチと、２相電力モジュールとを含み、２相電力モジュールの出力端子およびコンデンサどうしの接続点にモータの３相端子を接続してなるものである。
【００１３】
請求項２のモータ駆動装置は、前記３レベル電力モジュールが、入力リアクトルを介して交流電源に接続されたものである。
【００１４】
請求項３のモータ駆動装置は、１対のコンデンサにより前記２相電力モジュールに対する動作電圧を与えるものである。
【００１５】
請求項４のモータ駆動装置は、一方のコンデンサにより前記２相電力モジュールに対する動作電圧を与えるものである。
【００１６】
【作用】
請求項１のモータ駆動装置であれば、３レベル電力モジュールユニットと、３レベル電力モジュールユニットの出力端子間に互いに直列接続されたコンデンサと、３レベル電力モジュールユニットの入力端子とコンデンサどうしの接続点との間に接続された３つのアクティブスイッチと、２相電力モジュールとを含み、２相電力モジュールの出力端子およびコンデンサどうしの接続点にモータの３相端子を接続してなるのであるから、ＩＥＣ規制を全領域でクリアすることができ、総スイッチング素子の数を少なくして効率を改善することができ、リアクトル、コンデンサの容量低減などによりコストダウンを達成することができる。
【００１７】
請求項２のモータ駆動装置であれば、前記３レベル電力モジュールが、入力リアクトルを介して交流電源に接続されているので、請求項１と同様の作用を達成することができる。
【００１８】
請求項３のモータ駆動装置であれば、１対のコンデンサにより前記２相電力モジュールに対する動作電圧を与えるので、昇圧動作を達成できるほか、請求項１と同様の作用を達成することができる。
【００１９】
請求項４のモータ駆動装置であれば、一方のコンデンサにより前記２相電力モジュールに対する動作電圧を与えるので、降圧動作を達成できるほか、請求項１と同様の作用を達成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、この発明のモータ駆動装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００２１】
図３はこの発明のモータ駆動装置の一実施形態の電気回路図である。
【００２２】
このモータ駆動装置は、入力端子をリアクトル２を介して３相電源（図示せず）の各出力端子に接続した３相ダイオードフルブリッジ１と、３相ダイオードフルブリッジ１の出力端子間に直列接続した１対のコンデンサ３と、３相ダイオードフルブリッジ１の各入力端子とコンデンサ３どうしの接続点との間に接続された双方向スイッチ４とを有し、１対のコンデンサ３の端子間電圧を直流モータ５に印加している。
【００２３】
図４はこの発明のモータ駆動装置の他の実施形態の電気回路図である。
【００２４】
このモータ駆動装置は、３レベル電力モジュールユニット１００と、３レベル電力モジュールユニット１００の出力端子間に互いに直列接続された１対のコンデンサ３００と、３レベル電力モジュールユニット１００の入力端子とコンデンサ３００どうしの接続点との間に接続された３つのアクティブスイッチ４００と、１対のコンデンサ３００の端子間電圧を駆動電圧とする２相電力モジュール６００とを含み、２相電力モジュール６００の出力端子およびコンデンサ３００どうしの接続点に３相モータ７００の３相端子を接続してなる。
【００２５】
前記３レベル電力モジュールユニット１００およびアクティブスイッチ４００は、３相ダイオードフルブリッジの各相のダイオード１０１どうしの接続点に逆極性のスイッチング素子４０１を直列接続し、スイッチング素子４０１と並列に、各相のダイオード１０１と順極性の１対の入力側ダイオード１０２の直列接続回路、および各相のダイオード１０１と順極性の１対の出力側ダイオード１０３の直列接続回路を接続している。また、スイッチング素子４０１を制御するコントローラ（図示せず）を有している。
【００２６】
そして、１対の入力側ダイオード１０２の接続点をリアクトル１０４を介して３相交流電源１０５の出力端子に接続し、１対の出力側ダイオード１０３の接続点をコンデンサ３００どうしの接続点に接続している。なお、３相交流電源１０５の出力端子間にコンデンサ１０６を接続している。
【００２７】
前記２相電力モジュール６００は、各相毎に直列接続された１対のスイッチング素子６０１を有し、各スイッチング素子６０１に対して逆極性のダイオード６０２を並列接続している。そして、１対のスイッチング素子６０１の接続点を出力端子としている。
【００２８】
図５はこの発明のモータ駆動装置の他の実施形態の電気回路図である。
【００２９】
このモータ駆動装置が図４のモータ駆動装置と異なる点は、１対のコンデンサ３００の端子間電圧を２相電力モジュール６００の駆動電圧とする代わりに、一方のコンデンサ３００の端子間電圧を２相電力モジュール６００の駆動電圧とした点のみである。したがって、図４のモータ駆動装置が昇圧動作を達成できるのに対して、図５のモータ駆動装置は２相電力モジュール６００の駆動電圧を半減することができる。
【００３０】
図６は図４のモータ駆動装置をさらに詳細に説明するブロック図である。なお、主回路構成の説明を省略し、コントローラの構成を説明する。
【００３１】
１対のコンデンサの一方の端子間電圧ＶＤＣを検出する第１電圧検出部８０１と、２相電力モジュール６００の入力電流Ｉｄを検出する第１電流検出部８０２と、２相電力モジュール６００からの出力電流Ｉｖ、Ｉｗを検出する第２電流検出部８０３、８０４と、３相交流電源１０５の各相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを検出する第２電圧検出部８０５、８０６、８０７と、１対のコンデンサの一方の端子間電圧ＶＤＣ、端子間電圧指令値ＶＤＣ＊、２相電力モジュール６００の入力電流Ｉｄを入力として（ＶＤＣ＊）２／（２ＶＤＣ／Ｉｄ）の演算を行って２相電力モジュール６００側の電力の指令値ＰＲ＊を算出する電力指令算出部８０８と、端子間電圧指令値ＶＤＣ＊と端子間電圧ＶＤＣとの差分を算出する差分算出部８０９と、算出された差分を入力として比例・積分演算を行って３レベル電力モジュールユニット１００側の電力の指令値を出力するＰＩ演算部８１０と、両電力指令値を加算して総電力指令値Ｐ＊を出力する加算部８１１と、総電力指令値Ｐ＊および３相交流電源１０５の各相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを入力としてコンバータ指令値制御演算を行って各相電圧指令値Ｖａ＊、Ｖｂ＊、Ｖｃ＊を出力するコンバータ指令値制御部８１２と、三角波信号を出力する三角波発生部８１３と、各相電圧指令値Ｖａ＊、Ｖｂ＊、Ｖｃ＊および三角波信号を入力として各相のスイッチング素子４０１に供給すべきゲートドライブ信号を出力するゲートドライブ信号発生部８１４と、トルク指令値ＴＭ＊、効率指令η＊、および３相モータ７００の回転子の回転角速度ωを入力としてｄ軸電流指令値ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値ｉｑ＊を出力するｄｑ電流指令発生部８１５と、２相電力モジュール６００からの出力電流Ｉｖ、Ｉｗ、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊、３相モータ７００の回転子の磁極位置θ、および３相モータ７００の回転子の回転角速度ωを入力としてインバータ指令値制御演算を行って各相電圧指令値Ｖａ＊、Ｖｂ＊、Ｖｃ＊を出力するインバータ指令値制御部８１６と、各相電圧指令値Ｖａ＊、Ｖｂ＊、Ｖｃ＊、１対のコンデンサの一方の端子間電圧ＶＤＣ、および２相電力モジュール６００からの出力電流Ｉｖ、Ｉｗを入力として過電圧制御、過電流制御、および指令値制御を行って各相電圧指令値を出力するインバータ用制御部８１７と、各相電圧指令値および三角波信号を入力として各相のスイッチング素子６０１に供給すべきゲートドライブ信号を出力するゲートドライブ信号発生部８１８とを有している。
【００３２】
電源側に接続されたコンバータ（３レベル電力モジュールユニット１００）は、ライン電圧を伴って相の正弦波電流を吸収するように動作する。負荷側のインバータ（２相電力モジュール６００）は、可能な限り適正な負荷電圧および負荷電流に近い電圧および電流を生成するよう制御される。両者は、正確な波形および早いダイナミック応答を得るためにＰＷＭ技術により制御される。したがって、電力制御技術と組み合わされるＰＷＭ制御は、電源側コンバータに採用されて、特にコンデンサが小容量である場合のＤＣリンク電圧の大幅な変化をもたらす入出力電力アンバランスを防止すべく、良好な精度、および小さい遅延時間を確実にする。
【００３３】
何れの場合にも、ＤＣ電圧の変化は避けることができないが、出力性能に影響を及ぼさないようにすることができる。そのために、指令値を、パワー装置の最大電圧により受け入れ可能な最大許容値に設定する。このゆえに、負荷側パワー装置の電流定格を低減できる。また、効率を高めることができる。
【００３４】
さらに、全領域でＩＥＣ規制をクリアすることができる。
【００３５】
上記の構成のモータ駆動装置を採用すれば、スイッチング周波数を高くできること、および回路の３レベルトポロジーに起因して、３相リアクトルのサイズを最低レベルにまで小さくすることができる。
【００３６】
また、電源側および負荷側のスイッチング素子の数を減少させているとともに、電源側の各スイッチング素子のスイッチング時間を減少させているので、効率が向上する。
【００３７】
以下によって、コストを低減することができる。
【００３８】
スイッチング周波数を高くできること、および３レベル構成の回路を使用することによって、交流リアクトルのサイズを大幅に小さくできる。同じ周波数でスイッチングされる従来の２レベル電圧源ＰＷＭコンバータと比較して、自動的に半分のサイズにまで小さくすることができる。
【００３９】
スイッチング素子の数を減少させることができる。
【００４０】
電源および負荷の間の電力の流れを瞬時制御することによりＤＣリンクコンデンサのダウンサイジングを実現できる。
【００４１】
【発明の効果】
請求項１の発明は、ＩＥＣ規制を全領域でクリアすることができ、総スイッチング素子の数を少なくして効率を改善することができ、リアクトル、コンデンサの容量低減などによりコストダウンを達成することができるという特有の効果を奏する。
【００４２】
請求項２の発明は、請求項１と同様の効果を奏する。
【００４３】
請求項３の発明は、昇圧動作を達成できるほか、請求項１と同様の効果を奏する。
【００４４】
請求項４の発明は、降圧動作を達成できるほか、請求項１と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】バックトゥーバックインバータ技術を示す電気回路図である。
【図２】ダイオードブリッジおよび大型交流リアクトルを含むインバータ技術を示す電気回路図である。
【図３】この発明のモータ駆動装置の一実施形態の電気回路図である。
【図４】この発明のモータ駆動装置の他の実施形態の電気回路図である。
【図５】この発明のモータ駆動装置のさらに他の実施形態の電気回路図である。
【図６】図４のモータ駆動装置をさらに詳細に説明するブロック図である。
【符号の説明】
１００  ３レベル電力モジュールユニット    １０４  リアクトル
１０５  ３相交流電源    ３００  コンデンサ
４００  アクティブスイッチ    ６００  ２相電力モジュール
７００  ３相モータ
【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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