(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源に、複数のコンデンサの直列回路を並列に接続するとともに、半導体スイッチ素子とこれに逆並列接続されたダイオード６組をブリッジ結線し、直流から３相交流に変換するインバータの３相交流出力のうちの１つと、前記直列接続されたコンデンサの中間電位点との間に、コンタクタを含む機械的スイッチと、半導体スイッチ素子を含み双方向のスイッチングが可能な双方向スイッチとの並列回路を接続し、
前記機械的スイッチおよび双方向スイッチをオフにし３相式インバータとして使用し、前記機械的スイッチおよび双方向スイッチをオンにし、かつ、前記インバータの前記機械的スイッチおよび双方向スイッチが接続された相の半導体スイッチ素子を常にオフ状態にして２相ブリッジ結線式３相インバータとして使用することを特徴とする直流−交流電力変換回路。
【請求項２】
前記インバータが駆動するモータの低速運転時は前記２相ブリッジ結線式３相インバータとして駆動し、高速運転時は前記３相式インバータとして駆動することを特徴とする請求項１に記載の直流−交流電力変換回路。
【請求項３】
前記２相ブリッジ結線式３相インバータ駆動と、前記３相式インバータ駆動との切り替えは、前記インバータが駆動するモータの速度指令に基づいて行なうことを特徴とする請求項１または２に記載の直流−交流電力変換回路。
【請求項４】
前記機械的スイッチおよび双方向スイッチをオフするに当たっては、機械的スイッチをオフさせた後、それから所定時間後に双方向スイッチをオフすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の直流−交流電力変換回路。
【請求項５】
前記双方向スイッチをオフさせるタイミングと、前記インバータの各相アームの半導体スイッチ素子をスイッチングさせるタイミングとを同期させることを特徴とする請求項４に記載の直流−交流電力変換回路。
【請求項６】
前記機械的スイッチおよび双方向スイッチのオンタイミングと、前記インバータの前記機械的スイッチおよび双方向スイッチが接続された相の上，下アームの半導体スイッチ素子のオフタイミングとを同期させることを特徴とする請求項１に記載の直流−交流電力変換回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、モータの可変速駆動などに用いて好適な直流―交流電力変換回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７に第１の従来例を示す。同図は、直流中間コンデンサ１５と、半導体スイッチ素子６組を３相ブリッジ結線したインバータ回路１６とを設け、半導体スイッチ素子のスイッチングにより、負荷である３相モータ１７の可変速運転を行なう例である。
図８に第２の従来例を示す。直列に接続した直流中間コンデンサ１８，１９と、半導体スイッチ素子４組を２相ブリッジ結線したインバータ回路２０とを設け、１８と１９の中間点電位と２相ブリッジ結線したインバータ回路２０の交流出力部を３相モータ１７に結線し、半導体スイッチ素子のスイッチングにより可変速運転を行なう例である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図７の従来回路例では、モータを低速運転する際は、モータへの印加電圧は低くする必要があるため、電圧制御のためインバータの半導体スイッチ素子はパルス幅変調（ＰＷＭ）する必要がある。その際、上アームと下アームのスイッチがオンすることでモータに電圧が印加されるため、モータには直流中間コンデンサ１５の直流電圧分が入り切りされることになる。その結果、モータには高周波電流が流れて渦電流損が大きくなり、モータの効率が低下する。この渦電流損を低減するには、直流電源２１を可変にしパルス振幅変調（ＰＡＭ）運転を行なえば良いが、通常直流電源は商用の交流電源を整流して作るため、直流電源の下限値には限界があり、ＰＡＭ運転を行なうのは或る程度の高い回転数からとなる。
【０００４】
一方、図８の方式は、半導体スイッチ素子１つがオンすることでモータに電圧を印加することが可能で、その電圧値はコンデンサ１８と１９の直流電圧の和の１／２となるため、渦電流損は図７の方式に比べて小さくなり、またモータに印加する電圧が平均的に低いため、ＰＡＭ運転は低い回転数から行なえる。また、図７の方式は図８の例に比べて半導体スイッチ素子数が多いため、半導体素子部での損失も大きくなる。
【０００５】
図７の方式でＰＡＭ運転となる高速運転領域では、図８の方式では図７の方式に比べて、モータへの印加電圧が低い分コンデンサ１８と１９の直流電圧は、図７の方式に比べて高くする（概ね２倍）必要がある。よって、図８の方式は半導体スイッチ素子として高耐圧のものが必要となってコストアップとなり、また直流を昇圧する回路での損失が大きくなるという問題がある。このように、モータの低速運転には図８の２相方式が適しており、また高速運転には図７の３相方式が適していると言える。
【０００６】
また、双方向性のスイッチとして、コンタクタのような機械的なスイッチと、トランジスタとダイオードを用いた半導体スイッチ素子があり、前者は完全にオン状態となればその導通損失は無視できるほど小さいというメリットはあるが、オンからオフ，またはオフからオンする際に数１０ｍｓ程度の時間を要するのと、その期間中はチャタリング等の現象が発生するため、インバータ部に用いられている半導体スイッチ素子と同期させてスイッチングさせることができないというデメリットがある。また、後者は同じ半導体スイッチ素子なので、インバータ部に用いられている半導体スイッチ素子と同期させてスイッチングさせることはできるが、導通時に電圧ドロップが生じるため、その部分での発生損失が大きくなり、高効率化の弊害となる。
したがって、この発明の課題はモータの全回転数領域で高効率の運転を可能にする直流―交流電力変換回路を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、直流電源に、複数のコンデンサの直列回路を並列に接続するとともに、半導体スイッチ素子とこれに逆並列接続されたダイオード６組をブリッジ結線し、直流から３相交流に変換するインバータの３相交流出力のうちの１つと、前記直列接続されたコンデンサの中間電位点との間に、コンタクタを含む機械的スイッチと、半導体スイッチ素子を含み双方向のスイッチングが可能な双方向スイッチとの並列回路を接続し、
前記機械的スイッチおよび双方向スイッチをオフにし３相式インバータとして使用し、前記機械的スイッチおよび双方向スイッチをオンにし、かつ、前記インバータの前記機械的スイッチおよび双方向スイッチが接続された相の半導体スイッチ素子を常にオフ状態にして２相ブリッジ結線式３相インバータとして使用することを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記インバータが駆動するモータの低速運転時は前記２相ブリッジ結線式３相インバータとして駆動し、高速運転時は前記３相式インバータとして駆動することができる（請求項２の発明）。
【０００８】
上記請求項１または２の発明においては、前記２相ブリッジ結線式３相インバータ駆動と、前記３相式インバータ駆動との切り替えは、前記インバータが駆動するモータの速度指令に基づいて行なうことができる（請求項３の発明）。
請求項１〜３のいずれかの発明においては、前記機械的スイッチおよび双方向スイッチをオフするに当たっては、機械的スイッチをオフさせた後、それから所定時間後に双方向スイッチをオフすることができ（請求項４の発明）、この請求項４の発明においては、前記双方向スイッチをオフさせるタイミングと、前記インバータの各相アームの半導体スイッチ素子をスイッチングさせるタイミングとを同期させることができる（請求項５の発明）。
また、請求項１の発明においては、前記機械的スイッチおよび双方向スイッチのオンタイミングと、前記インバータの前記機械的スイッチおよび双方向スイッチが接続された相の上，下アームの半導体スイッチ素子のオフタイミングとを同期させることができる（請求項６の発明）。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
同図の直流中間回路としては、直列に接続したコンデンサ１，２と、３相インバータ３の３相交流出力のうちの１相と直流部のコンデンサの中間電位点とを、コンタクタのような機械的スイッチ４と、双方向にスイッチングが可能な半導体スイッチ素子５との並列回路で接続した構成となっている。なお、双方向にスイッチングが可能な半導体スイッチ素子としては、図２（ａ）または（ｂ）のように、半導体スイッチ素子とダイオードとをブリッジ型または直列に組み合わせたものを用いることができる。直流中間コンデンサは、一般に複数個設けることができる。
【００１０】
図３はこの発明の第２の実施の形態を示す構成図で、図１における第１の制御装置例を示す。同図において、制御ブロック６はモータの高速運転時に動作させるためのブロックで、主回路としては図１の回路を図７（３相方式：３相インバータ）と同様にして使用する。制御ブロック７はモータの低速運転時に動作させるためのブロックで、主回路としては図１の回路を図８（２相方式：２相ブリッジ結線式３相インバータ）と同様にして使用する。なお、１０は比較器、１１はタイマである。また、図１の回路で、機械的スイッチ４および双方向にスイッチングが可能な半導体スイッチ素子５をともにオンとし、図８の２相方式と等価的に等しくするには、半導体スイッチＴａとＴｄを常にオフ状態とすることにより、達成される。
【００１１】
まず、比較器１０により、モータの回転数指令８を２相方式から３相方式に切替えるための切替え値９と比較する。その際、双方向にスイッチングが可能な半導体スイッチ素子５へのオフ指令は、比較器１０が動作してからタイマ１１によって予め設定された時間後に出力されるようにし、この信号に同期させて制御ブロック７から制御ブロック６に切替える。その際、半導体スイッチ素子５のオフと、インバータの半導体スイッチのスイッチングとを同期して行なうことで、切替えが円滑に行なわれる。
この時の様子を示すのが図４で、指令８が切替え値９と一致した時点でコンタクタのような機械的スイッチ４がオフとなり、それからタイマ時間経過後に半導体スイッチ素子５がオフとなることがわかる。
【００１２】
図５はこの発明の第３の実施の形態を示す構成図で、図１における第２の制御装置例を示す。１３は比較器である。
これは、モータが高速から低速に移行する場合の例で、モータの回転数指令８を比較器１３において、３相方式から２相方式に切替えるための切替え値１２と比較する。モータの回転数指令８が切替え値１２以下になったことを示す出力信号１４により、機械的スイッチ４および双方向にスイッチングが可能な半導体スイッチ素子５をオンにするとともに、制御ブロックを６から７に切替える。これにより、半導体スイッチＴａとＴｄは常にオフ状態となるように運転される。
この時の様子を示すのが図６で、指令８が切替え値１２と一致した時点でコンタクタのような機械的スイッチ４および半導体スイッチ素子５がともにオンとなり、直ちに３相方式から２相方式に切替わることがわかる。
【００１３】
【発明の効果】
この発明によれば、モータの低速運転時には等価的に２相方式で、また高速運転時には等価的に３相方式で駆動されることになるため、全回転数領域で高効率な運転が可能となる。
また、例えば２相方式から３相方式に移行する際、機械的スイッチがオフしてから或る設定時間後（機械的スイッチにオフ信号が入力してから、機械的スイッチが実際にオフするまでの時間）に半導体スイッチ素子がオフし、その過渡的な期間中は半導体スイッチ素子はオンしているため、インバータの制御は２相方式のままでよく、機械的スイッチのスイッチング動作による影響を及ぼされない。加えて、半導体スイッチ素子のオフと、インバータの半導体スイッチのスイッチングとを同期して行なうことで、切替えが円滑に行なわれる。
一方、３相方式から２相方式に移行する際は、機械的スイッチおよび半導体スイッチ素子のオンと、インバータの所定１相の上，下アームの半導体スイッチ素子のオフとを同期させることで、切替えが円滑となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】図１で用いられる双方向スイッチの例を示す構成図である。
【図３】図１における第１の制御装置を示すブロック図である。
【図４】図１を図３の制御装置で駆動した場合の動作説明図である。
【図５】図１における第２の制御装置を示すブロック図である。
【図６】図１を図５の制御装置で駆動した場合の動作説明図である。
【図７】第１の従来例を示す概要図である。
【図８】第２の従来例を示す概要図である。
【符号の説明】
１，２…コンデンサ、３…インバータ、４…機械的スイッチ、５…半導体スイッチ素子、６…３相方式制御ブロック、７…２相方式制御ブロック、１０，１３比較器、１１…タイマ。
【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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