(57)【要約】【課題】同期電動機１０６が高速回転時に、インバータ部１０４の任意のスイッチング素子またはダイオードが短絡故障した場合、インバータ部１０４と同期電動機１０６間で閉ループが形成され過大循環電流が流れる前に、同期電動機１０６の３相巻線短絡相当の電流に抑制して、同期電動機１０６を構成する磁石の不可逆減磁を防止することができるモータ制御装置とそのモータ減磁保護方法を提供する。【解決手段】ヒューズ溶断検出回路１０９の検出信号に基づいて、ヒューズ１０５の溶断有無を判定する溶断判定部１１０と、前記溶断判定部１１０の判定に基づいて、通常運転時指令あるいはヒューズ溶断時指令のいずれかを選択する指令選択部１１１とを制御回路１０８に備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流母線の上下短絡防止用ヒューズと、ヒューズ溶断検出回路と、モータ制御演算をする制御回路と、前記制御回路からの指令に応じてモータに電力を供給するインバータ部とを備え、前記ヒューズ溶断検出回路で前記ヒューズの溶断有無を検出するモータ制御装置において、
前記ヒューズ溶断検出回路の検出信号に基づいて、前記ヒューズの溶断有無を判定する溶断判定部と、
前記溶断判定部の判定に基づいて、通常運転時指令あるいはヒューズ溶断時指令のいずれかを選択する指令選択部と、を前記制御回路に備えたことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記制御回路が、前記ヒューズの溶断がない場合、前記通常運転時指令を選択して前記インバータ部を制御し、
前記ヒューズの溶断がある場合、前記ヒューズ溶断時指令を選択して前記インバータ部を制御することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項３】
前記ヒューズ溶断時指令が、モータの３相巻線を短絡するものであることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記ヒューズ溶断時指令が、前記インバータ部の上アーム素子を全閉し、かつ、前記インバータ部の下アーム素子を全開するものであることを特徴とする請求項１または３記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記ヒューズ溶断時指令が、前記インバータ部の上アーム素子を全開し、かつ、前記インバータ部の下アーム素子を全閉するものであることを特徴とする請求項１または３記載のモータ制御装置。
【請求項６】
前記ヒューズ溶断時指令が、前記インバータ部の上アーム素子を全閉し、かつ、前記インバータ部の下アーム素子を全開する指令と、
前記インバータ部の上アーム素子を全開し、かつ、前記インバータ部の下アーム素子を全閉する指令とを、
予め設定された時間間隔で交互に実施する指令であることを特徴とする請求項１または３記載のモータ制御装置。
【請求項７】
直流母線の上下短絡防止用ヒューズと、ヒューズ溶断検出回路と、モータ制御演算をする制御回路と、前記制御回路からの指令に応じてモータに電力を供給するインバータ部とを備え、前記ヒューズ溶断検出回路で前記ヒューズの溶断有無を検出するモータ制御装置のモータ減磁保護方法において、
前記ヒューズ溶断検出回路の検出信号に基づいて、前記ヒューズの溶断有無を判定し、
前記ヒューズの溶断がない場合、通常運転時指令を選択して前記インバータ部を制御し、
前記ヒューズの溶断がある場合、ヒューズ溶断時指令を選択して前記インバータ部を制御することを特徴とするモータ制御装置のモータ減磁保護方法。
【請求項８】
前記ヒューズ溶断時指令が、モータの３相巻線を短絡するものであることを特徴とする請求項７記載のモータ制御装置のモータ減磁保護方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期電動機を構成する磁石の不可逆減磁を防止するモータ制御装置とそのモータ減磁保護方法に関する。  
【背景技術】
【０００２】
従来のモータ制御装置によるモータ減磁保護方法は、モータ内蔵のサーミスタよりモータ温度を検知し、該温度に従いインバータ遮断電流値を切り替えている（例えば、特許文献１参照）。また、高周波電圧を重畳することによってモータ磁石温度を推定し、該温度に従いトルク指令を低減しているものもある（例えば、特許文献２参照）。
特許文献１において、インバータのスイッチング素子またはモータの温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部による検出温度が所定温度以下であるときには、インバータの遮断電流値を、前記検出温度が前記所定温度より高いときに比べて低く切り換える切換部とを備えていることを特徴としている。
特許文献２において、モータの回転速度を検出する速度検出手段と、前記回転速度、基本波電流またはその指令値、および高調波電圧指令値に基づいてモータの永久磁石による電機子鎖交磁束を演算する磁束演算手段と、電機子鎖交磁束に対するモータ磁石温度のテーブルを参照して前記電機子鎖交磁束演算値に対する前記モータ磁石温度を推定する磁石温度推定手段と、前記モータ磁石推定温度に応じてモータの出力を調整する出力調整手段とを備えていることを特徴としている。
このように、特許文献１における従来のモータ制御装置によるモータ減磁保護方法では、インバータのスイッチング素子またはモータの温度が所定温度以下であるときにはインバータの遮断電流を低く切り換えるという手順がとられていた。
特許文献２における従来のモータ制御装置によるモータ減磁保護方法では、推定されたモータ磁石温度が許容温度を超えたときは、モータの出力すなわちトルク指令を低減するという手順がとられていた。
【特許文献１】特開２００１−１３６７７１号公報（第４−７頁、図１，２）
【特許文献２】特開２００３−２３５２８６号公報（第３−７頁、図１，２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のモータ制御装置によるモータ減磁保護方法では、モータの温度に従い遮断電流値またはトルク指令値を低減するという手順をとっているので、同期電動機が高速回転時に、インバータ出力部の任意のスイッチング素子またはダイオードが短絡故障した場合、またはインバータ出力部の任意のスイッチング素子が誤動作し、同時に前記任意のスイッチング素子の対となる素子も点呼された場合、物理的にインバータ出力回路と同期電動機配線間で閉ループが形成され、過大循環電流が流れ、不可逆減磁を防止できないという問題があった。その結果、インバータ及びモータを同時に交換する必要があり、原因究明及び交換にかかる時間やコストが大きいという問題もあった。
【０００４】
図５は、従来のモータ制御装置における素子短絡故障時の各相電流波形図である。図において、同期電動機が定格回転時にインバータ出力部のＶ相プラス側のスイッチング素子が短絡故障した場合、同期電動機の各巻線に流れる電流を実測したものであり、同期電動機Ｖ相巻線に最大９５０［Ａ］の過大電流が流れている。使用した同期電動機の定格電流が１０１［Ａ］であることより、定格電流の９倍を超える過大電流が流れたことになる。なお、不可逆減磁は、同期電動機の磁石の特性、磁石温度及び過大循環電流量の関係で発生するものである。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、同期電動機が高速回転時に、インバータ出力部の任意のスイッチング素子またはダイオードが短絡故障した場合、またはインバータ出力部の任意のスイッチング素子が誤動作し、同時に前記任意のスイッチング素子の対となる素子も点弧された場合、物理的にインバータ出力回路と同期電動機配線間で閉ループが形成されることにより過大循環電流が流れる前に、上下短絡防止用ヒューズの溶断を検知し、同期電動機の３相巻線を短絡すべくゲートを駆動し３相短絡相当の電流に抑制して同期電動機を構成する磁石の不可逆減磁を防止するとともに、原因究明やモータ交換にかかる時間やコストを未然に防ぐことができるモータ制御装置とそのモータ減磁保護方法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】
【０００５】
上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１に記載の発明は、直流母線の上下短絡防止用ヒューズと、ヒューズ溶断検出回路と、モータ制御演算をする制御回路と、前記制御回路からの指令に応じてモータに電力を供給するインバータ部とを備え、前記ヒューズ溶断検出回路で前記ヒューズの溶断有無を検出するモータ制御装置において、前記ヒューズ溶断検出回路の検出信号に基づいて、前記ヒューズの溶断有無を判定する溶断判定部と、前記溶断判定部の判定に基づいて、通常運転時指令あるいはヒューズ溶断時指令のいずれかを選択する指令選択部と、を前記制御回路に備えたものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明における前記制御回路が、前記ヒューズの溶断がない場合、前記通常運転時指令を選択して前記インバータ部を制御し、前記ヒューズの溶断がある場合、前記ヒューズ溶断時指令を選択して前記インバータ部を制御するものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１記載の発明における前記ヒューズ溶断時指令が、モータの３相巻線を短絡するものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１または３記載の発明における前記ヒューズ溶断時指令が、前記インバータ部の上アーム素子を全閉し、かつ、前記インバータ部の下アーム素子を全開するものである。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１または３記載の発明における前記ヒューズ溶断時指令が、前記インバータ部の上アーム素子を全開し、かつ、前記インバータ部の下アーム素子を全閉するものである。
また、請求項６に記載の発明は、請求項１または３記載の発明における前記ヒューズ溶断時指令が、前記インバータ部の上アーム素子を全閉し、かつ、前記インバータ部の下アーム素子を全開する指令と、前記インバータ部の上アーム素子を全開し、かつ、前記インバータ部の下アーム素子を全閉する指令とを、予め設定された時間間隔で交互に実施する指令であるものである。
請求項７に記載の発明は、直流母線の上下短絡防止用ヒューズと、ヒューズ溶断検出回路と、モータ制御演算をする制御回路と、前記制御回路からの指令に応じてモータに電力を供給するインバータ部とを備え、前記ヒューズ溶断検出回路で前記ヒューズの溶断有無を検出するモータ制御装置のモータ減磁保護方法において、前記ヒューズ溶断検出回路の検出信号に基づいて、前記ヒューズの溶断有無を判定し、前記ヒューズの溶断がない場合、通常運転時指令を選択して前記インバータ部を制御し、前記ヒューズの溶断がある場合、ヒューズ溶断時指令を選択して前記インバータ部を制御するのである。
また、請求項８に記載の発明は、請求項７記載の発明における前記ヒューズ溶断時指令が、モータの３相巻線を短絡するものである。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１または２、請求項７のいずれかに記載の発明によると、同期電動機が高速回転時に、インバータ出力部の任意のスイッチング素子またはダイオードが短絡故障した場合、またはインバータ出力部の任意のスイッチング素子が誤動作した場合、同期電動機を構成する磁石の不可逆減磁を防止することができ、原因究明及び同期電動機交換にかかる時間やコストを抑制できる。
また、請求項３乃至５、請求項８のいずれかに記載の発明によると、簡単なゲート駆動指令により、瞬時に同期電動機の３相巻線を短絡して同期電動機に流れ込む電流量を抑制し、同期電動機を構成する磁石の不可逆減磁を防止することができ、原因究明及び同期電動機交換にかかる時間やコストを抑制できる。
また、請求項６に記載の発明によると、請求項３乃至５に記載の発明の効果と共に、３相短絡時にインバータ出力部に循環する電流によるスイッチング素子の発熱を分散することができ、インバータの故障範囲を最小限に抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。
【実施例１】
【０００８】
図１は、本発明のモータ制御装置の構成を示す概略図である。図において、１０１は３相電源、１０２はコンバータ部、１０３は平滑コンデンサ部、１０４はインバータ部、１０５はヒューズ、１０６は同期電動機、１０７はゲート駆動回路、１０８は制御回路、１０９はヒューズ溶断検出回路である。また、Ｔ１〜Ｔ６はＩＧＢＴ等のスイッチング素子、Ｄ１〜Ｄ６はダイオードである。また、１１０は溶断判定部、１１１は指令選択部である。
【０００９】
ここで、各構成要素の説明をすると共に、インバータ部１０４が異常時の動作について説明する。
コンバータ部１０２及び平滑コンデンサ部１０３は、３相電源１０１を２相に変換し直流母線を作る。また、コンバータ部１０２を介さず、直流電源を接続することもできる。インバータ部１０４は、同期電動機１０６のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応したスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ３及びダイオードＤ１〜Ｄ３と、その対となるスイッチング素子Ｔ４〜Ｔ６及びダイオードＤ４〜Ｄ６を有する。同期電動機１０６の巻線は、インバータ部１０４に接続している。インバータ部１０４の異常による電源短絡を防止するため、マイナス側配線にヒューズ１０５を配置する。また、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のマイナス側配線にそれぞれヒューズを配置することもできる。
【００１０】
制御回路１０８は、ＣＰＵ等の演算回路を有しており、また、演算処理での溶断判定部１１０、指令選択部１１１を有している。通常運転時は、上位装置（図示しない）からの指令に応じて、指令選択部１１１を介して通常運転指令である電圧指令及び出力位相をゲート駆動回路１０７に与える。ゲート駆動回路１０７は、通常運転指令に基づいてスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６を駆動することにより指令通りのモータ位相に電圧を印加して、同期電動機１０６を駆動する。
ここで、インバータ部１０４の異常によりヒューズ１０５が溶断した場合、瞬時にヒューズ溶断検出回路１０９がヒューズ１０５の溶断を検出し、検出信号を制御回路１０８に出力する。溶断判定部１１０は、検出信号に基づいてヒューズ１０５の溶断有無を判定し、判定結果を指令選択部１１１に出力する。指令選択部１１１は、溶断判定部１１０での判定結果に基づいて、溶断時指令であるゲートブロック指令を選択してゲート駆動回路１０７に出力する。ゲート駆動回路１０７は、ゲートブロック指令に基づいてスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６を全て開にすることにより、電源短絡を防止できる。
なお、インバータ部１０４の異常とは、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６またはダイオードＤ１〜Ｄ６が短絡故障した場合、または、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６が誤動作した場合等を指すものである。
【００１１】
図２は、インバータ部異常時の過大循環電流経路を示す図である。インバータ部１０４異常の一例として、インバータ部１０４のＷ相のスイッチング素子Ｔ３が短絡故障した場合を説明する。
図において、Ｗ相のスイッチング素子Ｔ３が短絡故障した場合、Ｗ相のスイッチング素子Ｔ３の対となるスイッチング素子Ｔ６が、スイッチング動作過程で閉になると、直流母線のプラス側とマイナス側が上下短絡となり、過大電流が流れヒューズ１０５が溶断する。ヒューズ１０５溶断後、直流母線のプラス側から短絡したスイッチング素子Ｔ３を経由し、同期電動機１０６のＷ相巻線に直流電流が流れ、Ｗ相巻線のインダクタンスが低下する。直流電流はＵ相巻線とＶ相巻線に分流して流れ、ダイオードＤ１、Ｄ２を経由して直流母線のプラス側に流れるという閉ループが形成される。同期電動機１０６が回転することにより、発生する誘起電圧及びモータインピーダンスによって決まる交流電流に直流電流が重畳された過大循環電流が、前述の閉ループ経路に同期電動機１０６が回転中流れつづける。最終的に同期電動機１０６の磁石の特性、磁石温度及び過大循環電流量の関係で不可逆減磁が発生する。
【００１２】
図３は、本発明のモータ制御装置におけるモータ減磁保護処理手順を示すフローチャートである。
まず、図１におけるインバータ部１０４異常の一例として、インバータ部１０４のＷ相のスイッチング素子Ｔ３が短絡故障した場合とする。Ｗ相のスイッチング素子Ｔ３が短絡故障した場合、Ｗ相のスイッチング素子Ｔ３の対となるスイッチング素子Ｔ６が、スイッチング動作過程で閉になると、直流母線のプラス側とマイナス側が上下短絡となり、過大電流が流れヒューズ１０５が溶断する。この時、瞬時にヒューズ溶断検出回路１０９がヒューズ１０５の溶断を検出し、検出信号を制御回路１０８に出力する。
【００１３】
次に、図３において、一連の処理手順を説明する。
（ステップ３０１）
溶断判定部１１０は、検出信号に基づいてヒューズ１０５の溶断有無を判定し、判定結果を指令選択部１１１に出力する。ヒューズ１０５の溶断があればステップ３０３に進み、ヒューズ１０５の溶断がなければステップ３０２に進む。
（ステップ３０２）
指令選択部１１１は、溶断判定部１１０での判定結果に基づいて、通常運転指令を選択しステップ３０４に進む。
（ステップ３０３）
指令選択部１１１は、溶断判定部１１０での判定結果に基づいて、溶断時指令である３相短絡指令を選択しステップ３０５〜３０７のいずれかに進む。ステップ３０５〜３０７のいずれかに進むことは、適用用途別等に予め決定してもよいし、また状態信号に基づいて適宜決定してもよい。
（ステップ３０４）
指令選択部１１１は、通常運転指令である電圧指令及び出力位相をゲート駆動回路１０７に出力し、一連の処理を終了する。
【００１４】
（ステップ３０５）
指令選択部１１１は、パターン１である３相短絡指令を選択しステップ３０８に進む。パターン１は、上アームスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ３を同時に閉にし、かつ、下アームスイッチング素子Ｔ４〜Ｔ６を同時に開にするものである。
（ステップ３０６）
指令選択部１１１は、パターン２である３相短絡指令を選択しステップ３０８に進む。パターン２は、上アームスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ３を同時に開にし、かつ、下アームスイッチング素子Ｔ４〜Ｔ６を同時に閉にするものである。
（ステップ３０７）
指令選択部１１１は、パターン３である３相短絡指令を選択しステップ３０８に進む。パターン３は、パターン１とパターン２を予め決定する時間間隔で繰り返すものである。
（ステップ３０４）
指令選択部１１１は、溶断時指令である３相短絡指令のパターン１〜３のうちいずれか１つの電圧指令をゲート駆動回路１０７に出力し、一連の処理を終了する。
【００１５】
このように、同期電動機が高速回転時に、インバータ出力部の異常が発生した場合、ヒューズ溶断を検出してから瞬時に同期電動機の巻線を３相短絡にするため、従来のように同期電動機の巻線に過大循環電流が流入する前に同期電動機に流れ込む電流量を３相短絡電流相当に抑制することができ、同期電動機を構成する磁石の不可逆減磁を防止できる。また、スイッチング素子に与える開閉パターンをパターン３のようにパターン１とパターン２の交互にすることにより、３相短絡時にインバータ出力部に循環する電流によるスイッチング素子の発熱を分散することができ、インバータの故障範囲を最小限に抑制できる。また、同期電動機の巻線は３相短絡のため、回転数は直ぐに低下し、異常状態の継続を短縮できるのである。
【００１６】
図４は、本発明のモータ制御装置におけるモータ減磁保護方法適用時の各相電流波形図である。図１におけるインバータ部１０４異常の一例として、同期電動機１０６が定格回転時にインバータ部１０４のＷ相のスイッチング素子Ｔ３が短絡故障した場合、図３の一連処理に基づく同期電動機１０６の各巻線に流れる電流を実測したものである。
図において、同期電動機１０６が定格回転時、各相電流は微小であるが、Ｗ相のスイッチング素子Ｔ３が短絡故障すると、例えば図５のような過大な異常電流が流れ始める。ここで、通常のスイッチング動作過程を模擬するために、一例として、強制的にＶ相のスイッチング素子Ｔ５を閉させると、ヒューズが溶断して図３の一連処理を開始し、３相短絡指令により、Ｗ相巻線に流れる電流は最大３００[Ａ]に抑えられ、各相に３相短絡指令による３相短絡電流が流れる。その後、同期電動機の回転数は低下（図示しない）し、異常状態を継続せずに、磁石の不可逆減磁を防止することができる。使用した同期電動機の定格電流が７５．５［Ａ］であることより、定格電流の約４倍の電流に抑制することができた。
なお、３相短絡指令としない場合は、図２のように、直流電流はＵ相巻線とＶ相巻線に分流して流れ、ダイオードＤ１、Ｄ２を経由して直流母線のプラス側に流れるという閉ループが形成され、同期電動機１０６が回転することにより、発生する誘起電圧及びモータインピーダンスによって決まる交流電流に直流電流が重畳されるため、過大循環電流が閉ループ経路に同期電動機１０６が回転中流れつづける。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のモータ制御装置の構成を示す概略図である。
【図２】インバータ部異常時の過大循環電流経路を示す図である。
【図３】本発明のモータ制御装置におけるモータ減磁保護処理手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明のモータ制御装置におけるモータ減磁保護方法適用時の各相電流波形図である。
【図５】従来のモータ制御装置における素子短絡故障時の各相電流波形図である。
【符号の説明】
【００１８】
１０１  電源
１０２  コンバータ部
１０３  平滑コンデンサ部
１０４  インバータ部
１０５  ヒューズ
１０６  同期電動機
１０７  ゲート駆動回路
１０８  制御回路
１０９  フューズ溶断検出回路
１１０  溶断判定部
１１１  指令選択部
Ｓ３０１〜Ｓ３０８  処理ステップ
【図１】
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【図２】
2007189763.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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