特許 7491814 ＡＣ－ＡＣコンバータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-20

(45)【発行日】2024-05-28

(54)【発明の名称】ＡＣ－ＡＣコンバータ

(51)【国際特許分類】

   H02M 5/45 20060101AFI20240521BHJP

【ＦＩ】

H02M5/45 H

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020182819

(22)【出願日】2020-10-30

(65)【公開番号】P2022073057

(43)【公開日】2022-05-17

【審査請求日】2023-10-02

(73)【特許権者】

【識別番号】503405689

【氏名又は名称】ナブテスコ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(72)【発明者】

【氏名】大野 泰生

【審査官】安池 一貴

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／０９４０４７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平１１－２９６２４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５２６８２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－００４６００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１９７６８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２６１１６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１６１７５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０９５９７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０５９２６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１４６３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／００７４７９０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ５／４５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

３相ＡＣ電源から供給される３相ＡＣ入力電圧の各相のＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換する３の倍数個の単相整流回路モジュールであって、前記３の倍数個の単相整流海流モジュールのそれぞれは、デルタ結線またはスター結線を用いて互いに接続される、前記３の倍数個の単相整流回路モジュールと、
前記ＤＣ電圧を３相ＡＣ出力電圧に変換する前記単相整流回路モジュールと同数のインバータ回路モジュールと、
前記３の倍数個の単相整流回路モジュールのいずれかが故障したとき、残りの前記単相整流回路モジュールおよび当該単相整流回路モジュールに接続された前記インバータ回路モジュールが均等に３相ＡＣ出力電力を出力するように前記単相整流回路モジュールおよび前記インバータ回路モジュールを構成するスイッチング素子を制御する制御部とを備えるＡＣ－ＡＣコンバータ。

【請求項2】

前記単相整流回路モジュールの前記デルタ結線と前記スター結線とを切り替える切替部を備える請求項１に記載のＡＣ－ＡＣコンバータ。

【請求項3】

前記３相ＡＣ電源の電源電圧と前記単相整流回路モジュールの後段に設けられた直流結合段であるＤＣリンクのＤＣリンク電圧の最大値との比をＲとしたとき、
前記切替部は、前記Ｒが所定の値より小さいとき前記単相整流回路モジュールをデルタ結線に切替え、前記Ｒが前記所定の値以上のとき前記単相整流回路モジュールをスター結線に切替える請求項２に記載のＡＣ－ＡＣコンバータ。

【請求項4】

前記Ｒの値は１／√３±５％の範囲内にある請求項３に記載のＡＣ－ＡＣコンバータ。

【請求項5】

前記Ｒの値は１／√３である請求項４に記載のＡＣ－ＡＣコンバータ。

【請求項6】

前記制御部は、前記ＤＣ電圧を一定とし、前記３相ＡＣ電源から入力される３相入力電流と前記３相ＡＣ入力電圧との位相が一致するように前記単相整流回路モジュールおよび前記インバータ回路モジュールを構成するスイッチング素子を制御する請求項１から５のいずれかに記載のＡＣ－ＡＣコンバータ。

【請求項7】

前記制御部は、ＤＣリンク電圧と目標リンク電圧との差を基に目標キャパシタ電力を計算し、目標ＤＣ電力から前記目標キャパシタ電力を引くことにより外部のモータに電力を出力するための目標モータ電力を計算し、前記目標キャパシタ電力と前記目標モータ電力を基に、前記３相ＡＣ入力電圧に関する３相ＡＣ電力および前記ＤＣ電圧に関するＤＣ電力の脈動を外部のモータの負荷を用いて吸収するように、前記単相整流回路モジュールおよび前記インバータ回路モジュールを構成するスイッチング素子を制御する請求項６に記載のＡＣ－ＡＣコンバータ。

【請求項8】

ＤＣリンクはコンデンサを備え、
前記コンデンサは、前記３相ＡＣ入力電圧に関する３相ＡＣ電力および前記ＤＣ電圧に関するＤＣ電力の脈動を吸収する請求項７に記載のＡＣ－ＡＣコンバータ。

【請求項9】

前記制御部は、前記３相ＡＣ電源からの入力電力がすべての前記単相整流回路モジュールに均等に配分されるように前記単相整流回路モジュールおよび前記インバータ回路モジュールを構成するスイッチング素子を制御する請求項１から８のいずれかに記載のＡＣ－ＡＣコンバータ。

【請求項10】

前記制御部は、前記３相ＡＣ電源からの入力電力が異なる比率で前記単相整流回路モジュールに配分するように前記単相整流回路モジュールおよび前記インバータ回路モジュールを構成するスイッチング素子を制御する請求項１から８のいずれかに記載のＡＣ－ＡＣコンバータ。

【請求項11】

前記制御部は、前記３相ＡＣ電源の各相の電源電圧を算出し、電源電圧の高い相に相当する前記単相整流回路モジュールに配分される電力量の方が、電源電圧の低い相に相当する前記単相整流回路モジュールに配分される電力量より大きくなるように前記単相整流回路モジュールおよび前記インバータ回路モジュールを構成するスイッチング素子を制御する請求項１から８のいずれかに記載のＡＣ－ＡＣコンバータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＡＣ－ＡＣコンバータに関する。

【背景技術】

【0002】

３相モータは、ファン、ポンプ、ＦＡ機器等の産業機器で広く使われている。このような３相モータを駆動するためのモータ駆動システムは、一般に、３相ＡＣ電圧を整流してＤＣ電圧（整流電圧）を生成する整流回路、その後段のＤＣリンク、およびＤＣリンク電圧から３相ＡＣ電圧を生成するインバータ回路で構成されるＡＣ－ＡＣコンバータを含む。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】Ｍ.Ｇｕａｃｃｉ、Ｄ.Ｂｏｒｔｉｓ、ａｎｄ Ｊ.Ｗ.Ｋｏｌａｒ、“Ｈｉｇｈ－Ｅｃｉｅｎｃｙ Ｗｅｉｇｈｔ－Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ Ｆａｕｌｔ－Ｔｏｌｅｒａｎｔ Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕｌｔｉ－Ｃｅｌｌ Ｔｈｒｅｅ－Ｐｈａｓｅ ＧａＮ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ Ｎｅｘｔ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ,” ｉｎ Ｐｒｏｃ. ｏｆ ＩＥＥＥ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ａｎｄ Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＥＣＣＥ－ＵＳＡ）、Ｐｏｒｔｌａｎｄ、ＯＲ、ＵＳＡ、Ｓｅｐｔ.２０１８、ｐｐ.１３３４－１３４１.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

モータ駆動システムでは、低耐圧な素子が使用できること、設計工数が低減できること、部品が共通化できることなどを目的として、システム全体を小型化・高密度化できることが求められる。これを実現する技術の１つとして、モータを３相巻線のセグメントごとに独立させたモジュラーモータで構成し、各セグメントをモジュラーごとに駆動するために、インバータ回路をモジュラー化した「モジュラーモータ駆動システム（ＭＭＤ：Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｅ）」が提案されている（例えば非特許文献１参照）。しかしながらこのタイプのＭＭＤでは、インバータ回路はモジュラー化されているものの、整流回路はモジュラー化されていない。この場合、整流回路に高耐圧の半導体素子が必要となるため、モータ駆動システム全体の小型化・高密度化は困難である。さらにこのＭＭＤでは、整流回路のフォールトトレランスが考慮されておらず、整流回路が故障した場合、モータを駆動できなくなるという課題がある。

【0005】

このように、従来の整流回路には、モータ駆動システムを十分小型化・高密度化できないという課題に加えて、整流回路が故障した場合のフォールトレランスが実現できないという課題がある。本発明は、こうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、フォールトトレラントなモータ駆動システムを実現することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明のある態様のＡＣ－ＡＣコンバータは、３相ＡＣ電源から供給される３相ＡＣ入力電圧の各相のＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換する３の倍数個の単相整流回路モジュールであって、前記３の倍数個の単相整流海流モジュールのそれぞれは、デルタ結線またはスター結線を用いて互いに接続される、前記３の倍数個の単相整流回路モジュールと、前記ＤＣ電圧を３相ＡＣ出力電圧に変換する前記単相整流回路モジュールと同数のインバータ回路モジュールと、前記３の倍数個の単相整流回路モジュールのいずれかが故障したとき、残りの前記単相整流回路モジュールおよび当該単相整流回路モジュールに接続された前記インバータ回路モジュールが均等に３相ＡＣ出力電力を出力するように前記単相整流回路モジュールおよび前記インバータ回路モジュールを構成するスイッチング素子を制御する制御部とを備える。

【0007】

実施の形態のＡＣ－ＡＣコンバータは、単相整流回路モジュールのデルタ結線とスター結線とを切り替える切替部を備えてもよい。

【0008】

３相電源の電源電圧とＤＣリンク電圧の最大値との比をＲとする。このとき切替部は、Ｒが所定の値より小さいとき単相整流回路モジュールをデルタ結線に切替え、Ｒが所定の値以上のとき単相整流回路モジュールをスター結線に切替えてもよい。

【0009】

Ｒの値は１／√３±５％の範囲内にあってもよい。

【0010】

Ｒの値は１／√３であってもよい。

【0011】

制御部は、ＤＣ電圧を一定とし、３相ＡＣ電源から入力される３相入力電流と３相ＡＣ入力電圧との位相が一致するように、単相整流回路モジュールおよびインバータ回路モジュールを構成するスイッチング素子を制御してもよい。

【0012】

制御部は、単相整流回路モジュールの後段に設けられたＤＣリンクのＤＣリンク電圧と目標リンク電圧との差を基に目標キャパシタ電力を計算し、目標ＤＣ電力から目標キャパシタ電力を引くことにより外部のモータに電力を出力するための目標モータ電力を計算し、目標キャパシタ電力と目標モータ電力を基に、３相ＡＣ入力電圧に関する３相ＡＣ電力およびＤＣ電圧に関するＤＣ電力の脈動を外部のモータの負荷を用いて吸収するように、単相整流回路モジュールおよびインバータ回路モジュールを構成するスイッチング素子を制御してもよい。

【0013】

ＤＣリンクはコンデンサを備えてもよい。このときこのコンデンサは、３相ＡＣ入力電圧に関する３相ＡＣ電力およびＤＣ電圧に関するＤＣ電力の脈動を吸収してもよい。

【0014】

制御部は、３相ＡＣ電源からの入力電力をすべての単相整流回路モジュールに均等に配分するように、単相整流回路モジュールおよびインバータ回路モジュールを構成するスイッチング素子を制御してもよい。

【0015】

制御部は、３相ＡＣ電源からの入力電力を異なる比率で単相整流回路モジュールに配分するように、単相整流回路モジュールおよびインバータ回路モジュールを構成するスイッチング素子を制御してもよい。

【0016】

制御部は、３相ＡＣ電源の各相の電源電圧を算出し、電源電圧の高い相に相当する単相整流回路モジュールに配分される電力量の方が、電源電圧の低い相に相当する単相整流回路モジュールに配分される電力量より大きくなるように、単相整流回路モジュールおよびインバータ回路モジュールを構成するスイッチング素子を制御してもよい。

【0017】

なお、以上の構成要素の任意の組合せや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、プログラム、プログラムを記録した一時的なまたは一時的でない記憶媒体、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、フォールトトレラントな、小型化・高密度化されたモータ駆動システムを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】第１の実施の形態に係るデルタ結線のＡＣ－ＡＣコンバータの機能ブロック図である。

【図2】第１の実施の形態に係るスター結線のＡＣ－ＡＣコンバータの機能ブロック図である。

【図3】図１のＡＣ－ＡＣコンバータにおいて、単相整流回路モジュールの１つが故障したときの状態を示す図である。

【図4】図２のＡＣ－ＡＣコンバータにおいて、単相整流回路モジュールの１つが故障したときの状態を示す図である。

【図5】第２の実施の形態に係るデルタ結線時のＡＣ－ＡＣコンバータの機能ブロック図である。

【図6】第２の実施の形態に係るスター結線時のＡＣ－ＡＣコンバータの機能ブロック図である。

【図7】電源電圧に対する、整流回路入力電圧、変調率および整流回路入力電流のグラフである。

【図8】第４の実施の形態に係るＡＣ－ＡＣコンバータにおける制御部の機能ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示である。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、本明細書または請求項の中で「第１」、「第２」等の用語が用いられる場合、特に言及がない限りこの用語はいかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するだけのためのものである。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

【0021】

［第１の実施の形態］
図１および２は、第１の実施の形態に係るＡＣ－ＡＣコンバータ１の機能ブロック図である。ＡＣ－ＡＣコンバータ１は、単相整流回路モジュール１１、１２、１３と、インバータ回路モジュール２１、２２、２３と、制御部３１、３２、３３と、を備える。すなわち、ＡＣ－ＡＣコンバータ１の整流回路は、単相整流回路モジュール１１、１２、１３でモジュール化されている。またＡＣ－ＡＣコンバータ１のインバータ回路は、インバータ回路モジュール２１、２２、２３でモジュール化されている。単相整流回路モジュール１１、１２、１３の各々は例えば、スイッチング素子を用いて構成された単相ブリッジ回路であり、２つの入力端子と２つの出力端子とを備える。インバータ回路モジュール２１、２２、２３の各々は例えば、スイッチング素子を用いて構成された３相ブリッジ回路であり、２つの入力端子と３つの出力端子とを備える。このようにＡＣ－ＡＣコンバータ１では、整流回路とインバータ回路の両方がモジュール化されているため、モータ駆動システム全体を小型かつ高密度に構成することができる。

【0022】

単相整流回路モジュール１１は、商用電源などの３相ＡＣ電源のＵ相の出力端子ＡＣＵに接続され、出力端子ＡＣＵから供給されるＵ相の単相ＡＣ電圧ｖ_ＵをＤＣ電圧に変換する。単相整流回路モジュール１２は、前述の３相ＡＣ電源のＶ相の出力端子ＡＣＶに接続され、出力端子ＡＣＶから供給されるＶ相の単相ＡＣ電圧ｖ_ＶをＤＣ電圧に変換する。単相整流回路モジュール１３は、前述の３相ＡＣ電源のＷ相の出力端子ＡＣＷに接続され、出力端子ＡＣＷから供給されるＷ相の単相ＡＣ電圧ｖ_ＷをＤＣ電圧に変換する。単相整流回路モジュール１１、１２、１３は、デルタ結線（図１）またはスター結線（図２）を用いて互いに接続される。デルタ結線（Δ結線とも呼ばれる）およびスター結線（Ｙ結線とも呼ばれる）は、三相交流回路でよく知られた結線方法である。すなわちデルタ結線は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相を相電圧が加わる向きに接続し、閉回路とする結線である。デルタ結線では、線間電圧は相電圧に等しく、線電流は相電流の√３倍に等しい。スター結線は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相をそれらの一端の中性点Ｎで接続する結線である。スター結線では、線間電圧は相電圧√３倍に等しく、線電流は相電流に等しい。

【0023】

各単相整流回路モジュール１１、１２、１３の後段には、それぞれＤＣリンクｖ_ｄｃ１、ｖ_ｄｃ２、ｖ_ｄｃ３が設けられている（図５および６参照）。

【0024】

インバータ回路モジュール２１は、単相整流回路モジュール１１によって変換されたＤＣ電圧ｖ_ｄｃ１を、３相ＡＣ出力電圧ｖ_１１ａ、ｖ_１１ｂ、ｖ_１１ｃに変換する。インバータ回路モジュール２２は、単相整流回路モジュール１２によって変換されたＤＣ電圧ｖ_ｄｃ２を、３相ＡＣ出力電圧ｖ_１２ａ、ｖ_１２ｂ、ｖ_１２ｃに変換する。インバータ回路モジュール２１は、単相整流回路モジュール１３によって変換されたＤＣ電圧ｖ_ｄｃ３を、３相ＡＣ出力電圧ｖ_１３ａ、ｖ_１３ｂ、ｖ_１３ｃに変換する。３相ＡＣ出力電圧ｖ_１１ａ、ｖ_１１ｂ、ｖ_１１ｃは、３相モータの第１の巻線ＷＳ_１に供給される。３相ＡＣ出力電圧ｖ_１２ａ、ｖ_１２ｂ、ｖ_１２ｃは、３相モータの第２の巻線ＷＳ_２に供給される。３相ＡＣ出力電圧ｖ_１３ａ、ｖ_１３ｂ、ｖ_１３ｃは、３相モータの第１の巻線ＷＳ_３に供給される。このようにして、３相モータは、第１、第２および第３の巻線ＷＳ_１、ＷＳ_２およびＷＳ_３に供給された３相出力によって駆動される。

【0025】

制御部３１、３２、３３は、単相整流回路モジュール１１、１２、１３のいずれかが故障したとき、残りの前記単相整流回路モジュールおよび前記インバータ回路モジュールが均等に３相ＡＣ出力電力を出力するように、それぞれ単相整流回路モジュール１１、１２、１３およびインバータ回路モジュール２１、２２、２３を構成するスイッチング素子を制御する。

【0026】

図３は、図１のＡＣ－ＡＣコンバータにおいて、単相整流回路モジュールの１つ、すなわち単相整流回路モジュール１３が故障したときの状態を示す図である。単相整流回路モジュール１３が故障する前は、単相整流回路モジュール１１、１２、１３は、均等に１／３ずつ３相ＡＣ出力電力を出力していたとする。単相整流回路モジュール１３が故障すると、制御部３１、３２、３３は、残りの単相整流回路モジュール１１、１２およびインバータ回路モジュール２１、２２が均等に１／２ずつ３相ＡＣ出力電力を出力するように、単相整流回路モジュール１１、１２、１３およびインバータ回路モジュール２１、２２、２３を構成するスイッチング素子を制御する。このとき、モータの第３の巻線ＷＳ_３は動作しないが、残りの巻線ＷＳ_１、ＷＳ_２への出力が１／３から１／２に増加するため、モータの総出力は変化しない。図３に示されるように、単相整流回路モジュール１１、１２、１３がデルタ結線を用いて互いに接続されているため、単相整流回路モジュール１３が故障しても、この故障の影響が残りの単相整流回路モジュール１１、１２に及ぶことなく３相ＡＣ出力電力が出力され、モータをフォールトトレラントに駆動し続けることができる。

【0027】

図４は、図２のＡＣ－ＡＣコンバータにおいて、単相整流回路モジュールの１つ、すなわち単相整流回路モジュール１３が故障したときの状態を示す図である。単相整流回路モジュール１３が故障する前は、単相整流回路モジュール１１、１２、１３は、均等に１／３ずつ３相ＡＣ出力電力を出力していたとする。単相整流回路モジュール１３が故障すると、制御部３１、３２、３３は、残りの単相整流回路モジュール１１、１２およびインバータ回路モジュール２１、２２が均等に１／２ずつ３相ＡＣ出力電力を出力するように、単相整流回路モジュール１１、１２、１３およびインバータ回路モジュール２１、２２、２３を構成するスイッチング素子を制御する。このとき、モータの第３の巻線ＷＳ_３は動作しないが、残りの巻線ＷＳ_１、ＷＳ_２への出力が１／３から１／２に増加するため、モータの総出力は変化しない。図４に示されるように、単相整流回路モジュール１１、１２、１３がスター結線を用いて互いに接続されているため、単相整流回路モジュール１３が故障しても、この故障の影響が残りの単相整流回路モジュール１１、１２に及ぶことなく３相ＡＣ出力電力が出力され、モータをフォールトトレラントに駆動し続けることができる。

【0028】

以上説明したように、本実施の形態によれば、フォールトトレラントな、小型化・高密度化されたモータ駆動システムを実現することができる。

【0029】

以上の実施の形態では、単相整流回路モジュールの数およびインバータ回路モジュールの数はともに３個であった。しかしこれに限られず、整流回路モジュールおよびインバータ回路モジュールの数は、両者が同数であれば任意の３の倍数であってよい。例えば、整流回路モジュールおよびインバータ回路モジュールが６個（３個×２）である場合は、２組のデルタ結線またはスター結線を構成することができ、整流回路モジュールおよびインバータ回路モジュールが９個（３個×３）である場合は、３組のデルタ結線またはスター結線を構成することができるといった具合である。

【0030】

以上の実施の形態では、３個の制御部３１、３２、３３が与えられ、これらがそれぞれ個別に単相整流回路モジュール１１、１２、１３およびインバータ回路モジュール２１、２２、２３を制御している。しかしこれに限られず、例えば１個の制御部が、単相整流回路モジュール１１、１２、１３およびインバータ回路モジュール２１、２２、２３をまとめて制御してもよい。

【0031】

［第２の実施の形態］
図５および６は、第２の実施の形態に係るＡＣ－ＡＣコンバータ２の機能ブロック図である。ＡＣ－ＡＣコンバータ２は、図１および２のＡＣ－ＡＣコンバータ１の構成に追加して、切替部５０を備える。ＡＣ－ＡＣコンバータ２のその他の構成はＡＣ－ＡＣコンバータ１と同じであるので、重複する説明は省く。

【0032】

切替部５０は、単相整流回路モジュール１１、１２、１３のデルタ結線とスター結線とを切り替える。切替部５０は、例えば自動スイッチであっても手動スイッチであってもよい。図５は、切替部５０によってデルタ結線に切り替えられたときのＡＣ－ＡＣコンバータ２を示す。図６は、切替部５０によってスター結線に切り替えられたときのＡＣ－ＡＣコンバータ２を示す。

【0033】

本実施の形態によれば、入力電圧の大きさやアプリケーションに応じて、単相整流回路モジュールの結線をデルタ結線とスター結線との間で自由に切り替えることができる。

【0034】

［第３の実施の形態］
図７の上段は、デルタ結線時およびスター結線時における、電源電圧ｖ_Ｇに対する整流器入力電圧ｖ_Ｒのグラフである。ただし横軸の電源電圧は、ＤＣリンク電圧の最大値ｖ_{ｄｃ，ｍａｘ}に対する比ｖ_Ｇ／ｖ_{ｄｃ，ｍａｘ}を用いて表す（以下同様）。図７の中段は、デルタ結線時およびスター結線時における、電源電圧ｖ_Ｇに対する変調率Ｍ_Ｒのグラフである。ここで変調率Ｍ_Ｒは、整流器入力ピーク電圧ｖ_ＲとＤＣリンク電圧ｖ_ｄｃとの比として定義する。すなわち、
Ｍ_Ｒ＝ｖ_Ｒ／ｖ_ｄｃ
である。図７の下段は、デルタ結線時およびスター結線時における、電源電圧ｖ_Ｇに対する整流器入力電流ｉ_Ｒのグラフである。

【0035】

デルタ結線の場合、整流器入力電圧は線間電圧に等しい。従って、整流器入力電圧ｖ_Ｒ，Dは、電源電圧ｖ_Ｇの√３倍となる（以下、下付き添字の右側のＤはデルタ結線を表し、Ｙはスター結線を表すものとする）。すなわち、
ｖ_Ｒ，D＝√３ｖ_Ｇ
である。
従ってデルタ結線時の変調率Ｍ_Ｒ，Ｄは、
Ｍ_Ｒ，Ｄ＝√３ｖ_Ｇ／ｖ_ｄｃ
となる。

【0036】

スター結線の場合、整流器入力電圧は線間電圧に等しい。従って、
ｖ_Ｒ，Ｙ＝ｖ_Ｇ
である。変調率Ｍ_Ｒ，Ｙは、
Ｍ_Ｒ，Ｙ＝ｖ_Ｇ／ｖ_ｄｃ
となる。

【0037】

図７に示される通り、電源電圧が小さいときは、高い整流器入力電圧が得られる点で、スター結線よりデルタ結線を使用した方が有利である。一方、電源電圧が高いときは、整流器入力電圧が高くなりすぎるため、デルタ結線よりスター結線を使用した方が有利である。特に電源電圧ｖ_ＧがＤＣリンク電圧の最大値ｖ_{ｄｃ，ｍａｘ}の１／√３以上（ｖ_Ｇ／ｖ_{ｄｃ，ｍａｘ}≧１／√３）のときにデルタ結線を用いると、最大ＤＣリンク電圧ｖ_{ｄｃ，ｍａｘ}を最大電源電圧の√３倍以上で設計する必要があり、耐圧の高い部品を使う必要がある。

【0038】

以上述べたことから、第３実施の形態では、電源電圧ｖ_Ｇと前記単相整流回路モジュールの後段に設けられたＤＣリンクのＤＣリンク電圧の最大値ｖ_{ｄｃ，ｍａｘ}との比をＲとしたとき、切替部５０は、Ｒが所定の値より小さいとき単相整流回路モジュール１１、１２、１３をデルタ結線に切替え、Ｒが所定の値以上のとき単相整流回路モジュール１１、１２、１３をスター結線に切替える。

【0039】

本実施の形態によれば、電源電圧の大小に応じて、単相整流回路モジュールの結線をデルタ結線とスター結線との間で的確に切り替えることができる。

【0040】

特にＲの値は１／√３±５％の範囲内にあってもよい。これにより、±５％のマージンを持ちつつ、的確なＲを選択することができる。

【0041】

特にＲの値は１／√３であってもよい。これにより、最適なＲを選択することができる。

【0042】

［第４の実施の形態］
第４の実施の形態では、制御部３１、３２、３３は、ＤＣ電圧を一定とし、３相ＡＣ電源から入力される３相入力電流と３相ＡＣ入力電圧との位相が一致するように、単相整流回路モジュール１１、１２、１３および前記インバータ回路モジュール２１、２２、２３を構成するスイッチング素子を制御する。

【0043】

このように制御部３１、３２、３３が単相整流回路モジュール１１、１２、１３とインバータ回路モジュール２１、２２、２３とを制御することにより、単相整流回路モジュール１１、１２および１３が生成したＤＣ電圧が発生する電力の脈動を吸収することができる。すなわち本実施の形態によれば、整流回路１００をＰＦＣ整流回路とすることができるので、力率＝１の制御を実現することができる。

【0044】

［第５の実施の形態］
第５の実施の形態では、制御部３１、３２、３３は、前記ＤＣリンク電圧と目標リンク電圧との差を基に目標キャパシタ電力を計算し、目標ＤＣ電力から前記目標キャパシタ電力を引くことにより目標モータ電力を計算し、目標キャパシタ電力と目標モータ電力を基に、３相ＡＣ入力電圧に関する３相ＡＣ電力およびＤＣ電圧に関するＤＣ電力の脈動を吸収するように、単相整流回路モジュール１１、１２、１３およびインバータ回路モジュール２１、２２、２３を構成するスイッチング素子を制御する。この実施の形態によれば、大容量のＤＣリンクキャパシタを用いることなく、電力脈動を吸収することができる。

【0045】

以下、図８を用いて、第５の実施の形態における制御部３１、３２、３３の構成と動作を詳しく説明する。図８は、制御部３１の詳細な機能ブロック図である（図８は制御部３１、３２、３３を代表して制御部３１を示すが、制御部３２、３３の場合も同様である）。制御部３１は、ＤＣリンク電圧制御部４２と、整流回路制御部４４と、速度制御部４６と、インバータ制御部４８と、を備える。制御部３１は、単相整流回路モジュール１１およびインバータ回路モジュール２１を構成するスイッチング素子を制御して、生成されるＤＣ電圧および３相ＡＣ電圧を調整する。

【0046】

ＤＣリンク電圧制御部４２は、第１入力端４２ｂと、第２入力端４２ｃと、出力端４２ｄと、を備える。整流回路制御部４４は、入力端４４ｂと、出力端４４ｃと、を備える。速度制御部４６は、第１入力端４６ｂと、第２入力端４６ｃと、出力端４６ｄと、を備える。インバータ制御部４８は、入力端４８ｂと、第１出力端４８ｃと、第２出力端４８ｄと、第３出力端４８ｅと、を備える。制御部３１は、ＤＣリンク電圧制御部４２の出力端４２ｄと、整流回路制御部４４の入力端４４ｂとの間に、ローパスフィルタ４３ａを備える。制御部３１は、速度制御部４６の第２入力端４６ｃの前段に、ローパスフィルタ４３ｂを備える。

【0047】

ＤＣリンク電圧制御部４２の第１入力端４２ｂには、目標ＤＣリンク電圧ｖ_ＤＣ ^＊が入力される。第２入力端４２ｃには、現在のＤＣリンク電圧ｖ_ＤＣが入力される。ＤＣリンク電圧制御部４２は、ｖ_ＤＣ ^＊とｖ_ＤＣとの差分Δｖ_ＤＣ（図示しない）を基に、目標キャパシタ電力ｐ_Ｃ ^＊を求め、これを出力端４２ｄから出力する。

【0048】

ＤＣリンク電圧制御部４２の出力端４２ｄから出力された目標キャパシタ電力Ｐ_Ｃ ^＊は分岐点ｖ３で２つに分岐され、一方は、ローパスフィルタ４３ａに入力される。ローパスフィルタ４３ａは、Ｐ_Ｃ ^＊から高周波成分を吸収して目標平均キャパシタ電力＜Ｐ_Ｃ＞^＊を生成し、これを出力する。ローパスフィルタ４３ａから出力された＜Ｐ_Ｃ＞^＊は分岐点ｖ４で２つに分岐され、一方は、速度制御部４６の出力端４６ｄから出力された目標平均インバータ出力＜Ｐ_ＩＮＶ＞^＊と足し合わされる。その結果、目標平均整流電力＜Ｐ_ＰＦＣ＞^＊が、＜Ｐ_ＰＦＣ＞^＊＝＜Ｐ_Ｃ＞^＊＋＜Ｐ_ＩＮＶ＞^＊として算出される。算出された＜Ｐ_ＰＦＣ＞^＊は、整流回路制御部４４の入力端４４ｂに入力される。分岐点ｖ４で分岐された＜Ｐ_Ｃ＞^＊の他方は、分岐点ｖ３で分岐されたＰ_Ｃ ^＊の他方から減算され、入力電力脈動ｐ_Ｃ，ＡＣが生成される。すなわち入力電力脈動ｐ_Ｃ，ＡＣは、目標キャパシタ電力Ｐ_Ｃ ^＊からその脈動部分のみを抽出したものである。入力電力脈動ｐ_Ｃ，ＡＣは、目標整流電力ｐ_ＰＦＣ ^＊から減算されて、目標モータ電力ｐ_Ｍ ^＊が算出される（ｐ_Ｍ ^＊＝ｐ_ＰＦＣ ^＊－ｐ_Ｃ，ＡＣ）。算出されたｐ_Ｍ ^＊は、インバータ制御部４８の入力端４８ｂに入力される。

【0049】

このように、インバータ制御部４８に入力される目標モータ電力ｐ_Ｍ ^＊は、目標整流電力ｐ_ＰＦＣ ^＊から入力電力脈動ｐ_Ｃ，ＡＣを減算したものである。すなわち、３相モータ６００には、ＤＣリンクの脈動Δｐ_ＤＣが入力される。３相モータ６００は、３相モータ６００に接続された負荷が持つイナーシャによりこの脈動を補償する。その結果ＤＣリンクの脈動は吸収され、ｐ_Ｍ＝ｐ_Ｇが成立する。すなわち、モータ電力ｐ_Ｍは入力電力ｐ_Ｇに一致する。

【0050】

３相モータ６００の速度ωは、３相モータ６００による入力電力ｐ_Ｇの補償に起因して、入力電力ｐ_Ｇの周波数ｆ_Ｇの２倍の周波数２ｆ_Ｇで脈動する。そこで、以下のようにローパスフィルタを用いてωの高周波成分を除去する。現在のモータの速度ωはローパスフィルタ４３ｂに入力される。ローパスフィルタ４３ｂは、ωから高周波成分を除去して現在のモータの平均速度＜ω＞を生成し、これを速度制御部４６の第２入力端４６ｃに入力する。速度制御部４６の第１入力端４６ｂには、３相モータ６００の目標平均速度＜ω＞^＊が入力される。速度制御部４６は、＜ω＞^＊と＜ω＞との差分Δω（図示しない）を基に目標平均インバータ出力＜Ｐ_ＩＮＶ＞^＊を求め、これを出力端４６ｄから出力する。

【0051】

整流回路制御部４４は、フィードフォワードでＤＣリンク電圧ｖ_ＤＣを一定に保つように整流回路１０を制御する。速度制御部４６の出力端４６ｄから出力された目標平均インバータ出力＜Ｐ_ＩＮＶ＞^＊は、ローパスフィルタ４３ａから出力された目標平均キャパシタ電力＜Ｐ_Ｃ＞^＊と足し合わされる。その結果、目標平均整流電力＜Ｐ_ＰＦＣ＞^＊が、＜Ｐ_ＰＦＣ＞^＊＝＜Ｐ_Ｃ＞^＊＋＜Ｐ_ＩＮＶ＞^＊として算出される。算出された＜Ｐ_ＰＦＣ＞^＊は、整流回路制御部４４の入力端４４ｂに入力される。整流回路制御部４４は、入力された＜Ｐ_ＰＦＣ＞^＊を基に目標入力電流ｉ_Ｇ ^＊（図示しない）を算出し、インダクタ電流差から出力デューティ比ｄ_Ｂを求め、これを出力端４４ｃから出力する。出力された出力デューティ比ｄ_Ｂは、パルス幅変調器（図示しない）を介して整流回路１００に入力されて所望の制御が実現する。

【0052】

本実施の形態によれば、上記のように具体的に構成した制御部３１、３２、３３により、電力脈動をモータの負荷を用いて吸収することができる。これにより、大容量のＤＣリンクキャパシタを用いる必要がなくなり、モータ駆動システム全体のさらなる小型化・高密度化、低コスト化、長寿命化が可能となる。

【0053】

［第６の実施の形態］
第６の実施の形態では、各単相整流回路モジュール１１、１２、１３の後段にそれぞれ設けられたＤＣリンクｖ_ｄｃ１、ｖ_ｄｃ２、ｖ_ｄｃ３は、コンデンサを備える。これらのコンデンサは、３相ＡＣ入力電圧に関する３相ＡＣ電力およびＤＣ電圧に関するＤＣ電力の脈動を吸収する。

【0054】

典型的な例では、整流回路１０３が数ｋＷおよび数１００Ｖで動作する場合、これらのコンデンサの容量はｍＦのオーダである。

【0055】

本実施の形態によれば、特別な制御部を設けることなく、電力脈動を吸収することができる。

【0056】

［第７の実施の形態］
第７の実施の形態では、制御部３１、３２、３３はそれぞれ、３相ＡＣ電源からの入力電力が、すべての単相整流回路モジュール１１、１２、１３に均等に配分されるように、単相整流回路モジュール１１、１２、１３およびインバータ回路モジュール２１、２２、２３を構成するスイッチング素子を制御する。すなわち単相整流回路モジュール１１、１２、１３は、インバータ回路モジュール２１、２２、２３に、均等に１／３ずつ３相ＡＣ出力電力を出力する。この場合、３相モータの巻線ＷＳ_１、ＷＳ_２、ＷＳ_３には同じ大きさの電力が均等に供給されるため、モータはスムーズに駆動される。

【0057】

本実施の形態によれば、スムーズなモータ駆動を実現することができる。

【0058】

［第８の実施の形態］
第８の実施の形態では、制御部３１、３２、３３はそれぞれ、３相ＡＣ電源からの入力電力が、異なる比率で単相整流回路モジュール１１、１２、１３に配分されるように、単相整流回路モジュール１１、１２、１３およびインバータ回路モジュール２１、２２、２３を構成するスイッチング素子を制御する。例えば制御部は３１、３２、３３は、各相のモータ駆動効率を計算し、最も効率的にモータを駆動できるような電力配分を求めてもよい。この結果、例えば、単相整流回路モジュール１１、１２、１３にそれぞれ入力電力の５０％、３０％、２０％が配分される、あるいはそれぞれ５０％、３０％、０％が配分される（この場合は、Ｕ相およびＶ相のモジュールには均等に配分され、Ｗ相のモジュールは停止する）といった具合である。

【0059】

本実施の形態によれば、効率的なモータ駆動を実現することができる。

【0060】

［第９の実施の形態］
第９の実施の形態では、制御部３１、３２、３３は、３相ＡＣ電源の各相の電源電圧を算出し、電源電圧の高い相に相当する単相整流回路モジュールに配分される電力量の方が、電源電圧の低い相に相当する単相整流回路モジュールに配分される電力量より大きくなるように、単相整流回路モジュール１１、１２、１３および前記インバータ回路モジュール２１、２２、２３を構成するスイッチング素子を制御する。これは、電源電圧の各相間に不均衡が存在する場合に、電源電圧の高い相に相当する負荷に対してより多くの電力を供給することにより、当該不均衡を補償するものである。これにより、電源電圧の各相間に不均衡があった場合にも、最適な効率でモータを駆動することができる。

【0061】

本実施形態によれば、効率的なモータ駆動を実現することができる。

【0062】

以上、本発明の実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求の範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

【0063】

上述した各実施の形態と変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施の形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる各実施の形態および変形例それぞれの効果をあわせもつ。

【符号の説明】

【0064】

１、２・・ＡＣ－ＡＣコンバータ、
１１、１２、１３・・単相整流回路モジュール、
２１、２２、２３・・インバータ回路モジュール、
３１、３２、３３・・制御部、
５０・・制御部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】