JP2005045912A - Matrix converter circuit and motor drive device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、双方向スイッチを複数用いて構成したマトリクスコンバータ回路、および、単相交流電源を入力とし、当該マトリクスコンバータ回路を用いてモータを駆動するためのモータ駆動装置に関するものである。 The present invention relates to a matrix converter circuit configured by using a plurality of bidirectional switches, and a motor driving device for inputting a single-phase AC power source and driving a motor using the matrix converter circuit.
図7は第1の従来技術に係る、単方向スイッチを用いたインバータ回路を使用したモータ駆動装置である。101は単相交流電源、102は4つのダイオード121〜124からなるダイオードブリッジとコンデンサ125からなる整流回路、103はインバータ回路、104はモータ、105は直流電源用制御部である。整流回路102では、単相交流電源101の発生する交流電圧をダイオードブリッジ(121〜124)にて整流した後、コンデンサ125で平滑して直流電圧となり、この直流電圧がインバータ回路103に入力される。
FIG. 7 shows a motor driving apparatus using an inverter circuit using a unidirectional switch according to the first prior art. 101 is a single-phase AC power source, 102 is a rectifier circuit consisting of a diode bridge consisting of four
インバータ回路103は、複数の単方向スイッチ103a〜103fから構成されており、各々の単方向スイッチは、逆並列ダイオード137〜142を備えた一般的なトランジスタ131〜136にて構成される。整流回路102から出力された直流電圧は、インバータ回路103の各単方向スイッチ103a〜103fにてPWM駆動することによって、負荷となるモータ104に適切な電圧が印加され、モータ104が駆動する。
The
直流電源用制御部105は、モータの電流あるいはインバータ回路103に入力される直流電圧などからモータの駆動状態を把握してインバータ回路103を駆動するPWM信号を出力するものや、モータ電流や直流電圧を検出せずにインバータ回路103を駆動するPWM信号を出力するものがあるが、いずれにせよ、直流電源用制御部105は、モータ104を駆動するようにインバータ回路103を制御するための制御信号を出力する。各単方向スイッチで構成されたインバータ回路103へ出力される制御信号は、単方向スイッチの数が必要であり、この場合6本である。
The DC
また、第2の従来技術として、最近は単方向スイッチではなく双方向スイッチを用いたマトリクスコンバータ回路が提案されている(例えば特許文献1)。図8はそれを示したものであり、基本構成としては、直流電源106、高周波インバータ回路107、マトリクスコンバータ回路108から構成されている。さらに、高周波インバータ回路107は、単方向スイッチ160〜163からなり、各々は逆並列ダイオード155〜158を備えた一般的なトランジスタ151〜154にて構成される。マトリクスコンバータ回路108は、6つの双方向スイッチ140〜145にて構成される。170〜181はトランジスタ、190〜201はダイオードであり、双方向へ電流路形成が可能なように図8の如く結線されている。直流電源106にて印加された直流電圧は高周波インバータ回路107にて周波数の高い交流電圧に変換され、当該交流電圧はマトリクスコンバータ回路108に入力される。マトリクスコンバータ回路108は、高周波インバータ回路107から入力された高周波の交流電圧から、より低い周波数の3相交流電圧を出力する。
As a second conventional technique, a matrix converter circuit using a bidirectional switch instead of a unidirectional switch has recently been proposed (for example, Patent Document 1). FIG. 8 shows this, and the basic configuration includes a
また、第3の従来技術として、図9に示すように整流回路102aをダイオードブリッジ(121〜124)のみの構成としたモータ駆動装置が提案されている(例えば特許文献2)。この技術は、上述した第1の従来技術(図7)と比較すると、コンデンサ125を省略したものである。整流回路102aはダイオードブリッジ(121〜124)によって単相交流電源101から印加される交流電圧を整流するのみで平滑しないため、インバータ回路103への入力電圧Vpnは単相交流電源101の印加電圧の周波数の2倍に同期し、電圧値は図10に示すように0Vまで低下しかつ脈動をもった波形となる。第3の従来技術は、このような脈動する直流電圧(以下、脈動直流と呼ぶ)がインバータ回路103に入力されても、負荷となるモータ104を脈動直流の周波数よりも高い周波数においても駆動可能とするように単方向スイッチで構成されたインバータ回路を制御する脈動直流用制御部105aを用いている。
上述した第1の従来技術においては、単相交流電源101と整流回路102によって得られた直流電圧をインバータ回路103に入力するため、整流回路102による回路損失が発生する。また、整流回路102が有するコンデンサは大容量の電解コンデンサが用いられるため、装置が大型化、高価格化するといった課題があった。
In the first prior art described above, since the DC voltage obtained by the single-phase
第3の従来技術は、第1の従来技術に比べると、大型部品である電解コンデンサを取り除いたため、装置が小型化、低価格化するという利点はあるものの、整流回路102aによる回路損失は第1の従来技術と同等に発生するという課題があった。 Compared with the first prior art, the third conventional technique has the advantage that the apparatus is reduced in size and price because the electrolytic capacitor, which is a large component, is removed, but the circuit loss due to the rectifier circuit 102a is the first. There is a problem that it occurs in the same manner as the conventional technology.
また、第2の従来技術を用いて、直流電源106と高周波インバータ回路107とによる構成に代えて単相交流電源101を用いたとすると、第1および第3の従来技術に比べて整流回路が不要になるため、回路損失を少なくできるという利点がある。しかし、マトリクスコンバータ回路の出力周波数は、入力される単相交流の周波数よりも低い。なぜならば、従来使われるマトリクスコンバータ回路は電力の変換を目的とする回路であって、出力電圧はひずみの小さい波形が要求される。ところでマトリクスコンバータ回路の動作は入力電圧波形をつぎはぎして出力電圧を得るので、出力周波数を高めようとすると出力電圧が歪むなどの問題が発生するため、出力電圧の周波数は入力電圧の周波数よりも低くならざるを得ない。したがって、仮に入力される単相交流を50Hzの商用電源とすると、出力可能な3相交流の周波数は最大でも50Hzであり、したがってこの第2の従来技術をモータ駆動装置に適用した場合、モータの駆動周波数は最大でも50Hzにしかならず、回転数可変範囲が小さいという課題があった。すなわち、モータ駆動装置として、単に単相交流電源と従来のマトリクスコンバータ回路とを接続した装置では、単相交流電源の周波数よりも高い周波数でモータを回転することはできなかった。したがって、入力となる単相交流の周波数よりも高い周波数を出力できるマトリクスコンバータ回路が求められていた。
If the single-phase
本発明の目的は、従来の、整流回路によって整流された直流あるいは脈動直流を入力としてモータを駆動するモータ駆動装置よりも回路損失を低減し、かつ、大型の電解コンデンサを用いたモータ駆動装置に比べて小型で安価なモータ駆動装置を提供することである。すなわち、単相交流電源を入力とし、マトリクスコンバータ回路を用いてモータを駆動するモータ駆動装置において、モータの回転数を単相交流電源の周波数よりも高めることが可能なモータ駆動装置を提供することである。また、直流電源を入力としてモータを駆動する単方向スイッチを用いたインバータ回路を制御するための直流電源用制御部あるいは脈動直流用制御部に、簡単な回路を追加するのみで、上述の如く、モータの回転数を単相交流電源の周波数よりも高めることが可能なマトリクスコンバータ回路を実現することである。 The object of the present invention is to reduce the circuit loss compared to a conventional motor driving device that drives a motor with DC or pulsating DC rectified by a rectifying circuit as an input, and to a motor driving device that uses a large electrolytic capacitor. The object is to provide a motor drive device that is smaller and less expensive. That is, in a motor drive device that uses a single-phase AC power supply as an input and drives the motor using a matrix converter circuit, a motor drive device that can increase the rotational speed of the motor beyond the frequency of the single-phase AC power supply is provided. It is. In addition, as described above, only a simple circuit is added to the DC power supply control unit or the pulsating DC control unit for controlling the inverter circuit using the unidirectional switch that drives the motor with the DC power supply as an input. An object of the present invention is to realize a matrix converter circuit capable of increasing the rotational speed of a motor higher than the frequency of a single-phase AC power supply.
本発明の他の目的は、マトリクスコンバータ回路における回路損失を低減し、さらに高効率なモータ駆動装置を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a highly efficient motor drive device that reduces circuit loss in a matrix converter circuit.
上記目的を達成するために、本発明は、第1の双方向スイッチと第2の双方向スイッチとを直列接続した第1の双方向スイッチ直列回路と、第3の双方向スイッチと第4の双方向スイッチとを直列接続した第2の双方向スイッチ直列回路と、第5の双方向スイッチと第6の双方向スイッチとを直列接続した第3の双方向スイッチ直列回路とを相互に並列接続したマトリクスコンバータ回路において、前記第1乃至第6の双方向スイッチは、それぞれが独立に、順方向と逆方向のどちらの方向の導通もオフ、順方向または逆方向の導通をオン、順方向と逆方向いずれの方向の導通もオン、とする4つの動作状態を可能とすることを特徴とするマトリクスコンバータ回路である。 In order to achieve the above object, the present invention provides a first bidirectional switch series circuit in which a first bidirectional switch and a second bidirectional switch are connected in series, a third bidirectional switch, and a fourth bidirectional switch. A second bidirectional switch series circuit in which two-way switches are connected in series and a third bidirectional switch series circuit in which a fifth bidirectional switch and a sixth bidirectional switch are connected in series are connected in parallel to each other. In the matrix converter circuit, each of the first to sixth bidirectional switches independently turns off conduction in either the forward direction or the reverse direction, turns on conduction in the forward direction or the reverse direction, A matrix converter circuit characterized by enabling four operating states in which conduction in either direction is on.
また、前記マトリクスコンバータ回路と、前記マトリクスコンバータ回路を構成する第1乃至第6の双方向スイッチを制御するための制御信号を出力する制御部とを有し、前記第1の双方向スイッチ直列回路の中間接続点と前記第2の双方向スイッチ直列回路の中間接続点と前記第3の双方向スイッチ直列回路の中間接続点に3相モータが接続され、前記3相モータを駆動するための電源として、前記第1乃至第3の双方向スイッチ直列回路の前記並列接続点に単相交流電源を接続したことを特徴とするモータ駆動装置である。 In addition, the matrix converter circuit and a control unit that outputs a control signal for controlling the first to sixth bidirectional switches constituting the matrix converter circuit, the first bidirectional switch series circuit A three-phase motor is connected to an intermediate connection point of the second bidirectional switch series circuit and an intermediate connection point of the third bidirectional switch series circuit, and a power source for driving the three-phase motor As a motor driving device, a single-phase AC power source is connected to the parallel connection point of the first to third bidirectional switch series circuits.
このような構成にすることで、単相交流電源にダイオードブリッジなどを経由せずに直接接続されたマトリクスコンバータ回路を用いて3相モータを駆動可能とするモータ駆動装置を提供することができる。 With such a configuration, it is possible to provide a motor drive device that can drive a three-phase motor using a matrix converter circuit that is directly connected to a single-phase AC power supply without going through a diode bridge or the like.
また、前記制御部は、前記単相交流電源の出力電圧に基づいて前記第1乃至第6の双方向スイッチのそれぞれの導通動作を決定し、当該決定に基づいた制御信号を出力するようにしたものである。以上により、本モータ駆動装置のマトリクスコンバータ回路のスイッチ動作を決めることによって、3相モータを駆動可能とし、マトリクスコンバータ回路を制御可能としている。 In addition, the control unit determines a conduction operation of each of the first to sixth bidirectional switches based on an output voltage of the single-phase AC power supply, and outputs a control signal based on the determination. Is. As described above, by determining the switch operation of the matrix converter circuit of the motor driving device, the three-phase motor can be driven and the matrix converter circuit can be controlled.
また、前記制御部は、前記3相モータに流れる電流の向きに基づいて前記第1乃至第6の双方向スイッチのそれぞれの導通動作を決定し、当該決定に基づいた制御信号を出力するようにしたものである。以上により、前記制御部の動作としては、上述した制御部の動作とは異なる動作を可能とし、スイッチをオンオフする個数を少なくする(12個→6個)ことが可能となるため、制御電源の消費電流が減少し、より高効率なモータ駆動装置を提供することができる。 Further, the control unit determines each conduction operation of the first to sixth bidirectional switches based on a direction of a current flowing through the three-phase motor, and outputs a control signal based on the determination. It is a thing. As described above, the operation of the control unit can be different from the operation of the control unit described above, and the number of switches to be turned on / off can be reduced (12 to 6). It is possible to provide a more efficient motor driving device with reduced current consumption.
また、前記制御部は、前記3相モータの回転数が連続的に変化するように前記第1乃至第6の双方向スイッチのそれぞれの導通動作を決定し、当該決定に基づいた制御信号を出力するものである。以上により、前記3相モータに接続された3相交流電源の出力周波数を0から連続的に変化できるので、3相モータの回転数を0から連続的に変えることができ、より滑らかに回転するモータ駆動装置を提供することができる。また、従来、3相交流電源の出力周波数が不連続であれば、3相モータとしては誘導電動機しか駆動することができなかったが、本発明によって、3相モータがブラシレスモータなどのように、印加された電圧の周波数に同期して回転する同期機の場合においても駆動可能なモータ駆動装置を提供することができる。 In addition, the control unit determines the conduction operation of each of the first to sixth bidirectional switches so that the rotation speed of the three-phase motor continuously changes, and outputs a control signal based on the determination. To do. As described above, since the output frequency of the three-phase AC power source connected to the three-phase motor can be continuously changed from 0, the number of rotations of the three-phase motor can be continuously changed from 0 to rotate more smoothly. A motor drive device can be provided. Conventionally, if the output frequency of the three-phase AC power source is discontinuous, only the induction motor can be driven as the three-phase motor, but according to the present invention, the three-phase motor is a brushless motor or the like. It is possible to provide a motor drive device that can be driven even in the case of a synchronous machine that rotates in synchronization with the frequency of an applied voltage.
また、本発明において、前記第1乃至第6の双方向スイッチの素材にSiC(シリコンカーバイド)を用いて、マトリクスコンバータ回路やモータ駆動回路を構成すれば、SiCなどの高耐圧かつ低損失な素材を用いることによって、従来のSiを素材として使用するマトリクスコンバータ回路やインバータ回路に比べて高効率なモータ駆動装置を提供することができる。 In the present invention, if SiC (silicon carbide) is used as a material for the first to sixth bidirectional switches to form a matrix converter circuit or a motor drive circuit, a material having high withstand voltage and low loss such as SiC. By using this, it is possible to provide a motor drive device that is more efficient than conventional matrix converter circuits and inverter circuits that use Si as a material.
本発明によれば、単相交流電源から双方向スイッチ回路を用いて直接モータを駆動するモータ駆動装置を提供することができる。すなわち、従来用いられている、直流電源から単方向スイッチを用いてモータを駆動するモータ駆動装置の直流電源用制御部に簡単な回路を付加する、あるいは、制御部がマイクロコンピュータなどの場合は同機能のプログラムを付加した制御部を用いることで、単相交流電源から双方向スイッチ回路を用いてモータを駆動するモータ駆動装置を提供できる。これにより、従来用いられている直流電源用制御部から若干の変更のみで、双方向スイッチ回路を用いたモータ駆動装置を提供することができる。従来は直流電源を作成するために、交流電源をダイオードブリッジを用いて整流した後、大型の電解コンデンサを用いて直流電源を作成する必要があったのに対し、本発明によって、単相交流電源から直接モータを駆動できるモータ駆動装置を提供することができるので、整流回路による回路損失が低減でき、更に大型の電解コンデンサが不要となるので、従来のインバータ回路に比べて高効率で小型でかつ安価なモータ駆動装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the motor drive device which drives a motor directly using a bidirectional | two-way switch circuit from a single phase alternating current power supply can be provided. In other words, a simple circuit is added to the DC power supply control unit of a motor driving device that drives a motor from a DC power supply using a unidirectional switch, or the control unit is a microcomputer or the like. By using a control unit to which a function program is added, a motor driving device that drives a motor from a single-phase AC power source using a bidirectional switch circuit can be provided. As a result, a motor drive device using a bidirectional switch circuit can be provided with only slight changes from a conventionally used DC power supply controller. Conventionally, in order to create a DC power supply, it was necessary to rectify the AC power supply using a diode bridge and then create a DC power supply using a large electrolytic capacitor. Since the motor drive device that can directly drive the motor can be provided, the circuit loss due to the rectifier circuit can be reduced, and a large electrolytic capacitor is not required. An inexpensive motor drive device can be provided.
また、整流回路に大型の電解コンデンサを使用しない、脈動直流を入力とするモータ駆動装置における脈動直流制御部に簡単な回路を追加する、あるいは、制御部がマイクロコンピュータなどの場合は同機能のプログラムを付加した制御部を用いることで、単相交流電源の周波数よりも高い周波数を出力できるマトリクスコンバータ回路を実現できるので、回路損失が少なく、小型で安価な上に、更に回転数可変範囲の広いモータ駆動装置を提供することができる。 In addition, a simple circuit is added to the pulsating DC control unit in a motor drive device that does not use a large electrolytic capacitor in the rectifier circuit and pulsating DC is input, or if the control unit is a microcomputer, etc. A matrix converter circuit that can output a frequency higher than the frequency of a single-phase AC power supply can be realized by using a control unit to which is added. Therefore, the circuit loss is small, the size is low, and the rotation speed variable range is wide. A motor drive device can be provided.
また、双方向スイッチ回路およびマトリクスコンバータ回路の素材をSiCとすることで、さらに回路損失を低減できる。 Further, the circuit loss can be further reduced by using SiC as the material of the bidirectional switch circuit and the matrix converter circuit.
また、本発明を各製品分野に適用した際の効果を示す。本発明によれば、整流回路を用いずに構成できるため、単相交流電源にモータの運動エネルギーを回生することも可能となる。民生用のモータ駆動装置においては、特に洗濯機や乾燥機などの場合は、運動エネルギーが大きい。したがって、これらの用途のモータ駆動装置に適用することで運動エネルギーを単相交流電源に回生できるので、さらに省エネルギーが促進できるという効果がある。また、冷蔵庫の場合はモータ駆動装置が小型化になることで庫内容積を大きくでき、省スペースでも大容量の冷蔵庫を実現できるという効果がある。また、エアコンなどの空気調和機の場合は、モータ駆動装置を小型化できると、室外機の冷凍サイクル装置における熱交換面積が拡大するため、冷凍サイクル効率が向上し、さらに省エネルギーが促進できるという効果がある。また、交流電源で駆動する電気車の場合、通常はコンバータ回路、大容量電解コンデンサ、インバータ回路を用いてモータを駆動する構成であるが、本発明によって、コンバータ回路と大容量電解コンデンサを使用しないモータ駆動装置が提供できるので、小型化でき、寿命が長く、信頼性を高めたモータ駆動装置を提供することができる。 Moreover, the effect at the time of applying this invention to each product field is shown. According to the present invention, since it can be configured without using a rectifier circuit, the kinetic energy of the motor can be regenerated in the single-phase AC power supply. In a motor drive device for consumer use, especially in the case of a washing machine or a dryer, the kinetic energy is large. Therefore, since the kinetic energy can be regenerated to the single-phase AC power supply by applying it to the motor drive device for these uses, there is an effect that energy saving can be further promoted. In the case of a refrigerator, the motor drive device can be downsized, so that the internal volume can be increased, and a large-capacity refrigerator can be realized even in a space-saving manner. In addition, in the case of an air conditioner such as an air conditioner, if the motor drive device can be reduced in size, the heat exchange area in the refrigeration cycle device of the outdoor unit is increased, so that the refrigeration cycle efficiency is improved and further energy saving can be promoted. There is. In the case of an electric vehicle driven by an AC power supply, the motor is usually driven using a converter circuit, a large-capacity electrolytic capacitor, and an inverter circuit. However, according to the present invention, the converter circuit and the large-capacity electrolytic capacitor are not used. Since the motor drive device can be provided, it is possible to provide a motor drive device that can be downsized, has a long life, and has high reliability.
以下、本発明の好適な実施の形態のマトリクスコンバータ回路およびモータ駆動装置について、図1から図6を用いて説明する。 Hereinafter, a matrix converter circuit and a motor drive device according to preferred embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
《実施の形態1》
図1は本発明の実施の形態1に係る、双方向スイッチを用いたモータ駆動装置の構成を示す回路図である。図1において、1は単相交流電源、2はマトリクスコンバータ回路、3はモータ、4は制御部である。マトリクスコンバータ回路2は、6個の双方向スイッチ回路10〜15を使用した構成である。ここで、6個の双方向スイッチ回路10〜15は各々、図1の如く半導体スイッチ素子2a〜2c、2g〜2iとダイオード2d’〜2f’、2j’、2k’、2m’とを逆並列接続して構成したスイッチ回路に、半導体スイッチ素子2d〜2f、2j、2k、2mとダイオード2a’〜2c’、2g’〜2i’とを逆並列接続して構成したスイッチ回路を逆直列接続したものである。これらの双方向スイッチ回路は、双方向スイッチ回路10、12、14が上側アーム、双方向スイッチ回路11、13、15が下側アームとして、図1の如く接続され、双方向スイッチ回路10と双方向スイッチ回路11とが、そして双方向スイッチ回路12と双方向スイッチ回路13とが、そして双方向スイッチ回路14と双方向スイッチ回路15とが、直列接続され、これらが3並列接続されて3相ブリッジ回路を構成している。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a motor drive device using a bidirectional switch according to
すなわち、モータ3のU相に接続された、上アーム側の双方向スイッチ回路10における部位Aから部位Bへの導通を許可するU相上アーム上スイッチ素子を2aと2a’、部位Bから部位Aへの導通を許可するU相上アーム下スイッチ素子を2dと2d’、下アーム側の双方向スイッチ回路11における部位Bから部位Cへの導通を許可するU相下アーム上スイッチ素子を2gと2g’、部位Cから部位Bへの導通を許可するU相下アーム下スイッチ素子を2jと2j’としてある。同様に、モータ3のV相に接続された、上アーム側の双方向スイッチ回路12における部位Dから部位Eへの導通を許可するV相上アーム上スイッチ素子を2bと2b’、部位Eから部位Dへの導通を許可するV相上アーム下スイッチ素子を2eと2e’、下アーム側の双方向スイッチ回路13における部位Eから部位Fへの導通を許可するV相下アーム上スイッチ素子を2hと2h’、部位Fから部位Eへの導通を許可するV相下アーム下スイッチ素子を2kと2k’としてある。さらに、モータ3のW相に接続された、上アーム側の双方向スイッチ回路14における部位Gから部位Hへの導通を許可するW相上アーム上スイッチ素子を2cと2c’、部位Hから部位Gへの導通を許可するW相上アーム下スイッチ素子を2fと2f’、下アーム側の双方向スイッチ回路15における部位Hから部位Iへの導通を許可するW相下アーム上スイッチ素子を2iと2i’、部位Iから部位Hへの導通を許可するW相下アーム下スイッチ素子を2mと2m’としてある。
That is, the U-phase upper arm upper switch element connected to the U phase of the motor 3 and permitting conduction from the part A to the part B in the
以下、本実施形態に係るモータ駆動装置の動作を、単方向スイッチ回路103a〜103fを6個使用した、従来のインバータ回路を用いたモータ駆動装置(図7)の動作と対比してその利点を説明する。
Hereinafter, the operation of the motor drive device according to the present embodiment is compared with the operation of the motor drive device (FIG. 7) using the conventional inverter circuit using six
図7において、101は単相交流電源、102は4つのダイオード121〜124からなるダイオードブリッジとコンデンサ125からなる整流回路、103はインバータ回路であり、103a〜103fはそれぞれ上側から下側へ電流を流すトランジスタ131〜136とダイオード137〜142を逆並列に接続した単方向スイッチ回路、104はモータ、105は直流電源用制御部である。直流電源用制御部105はモータ104の駆動状態をインバータ回路103に入力される電圧あるいはモータ104に流れる電流を検出して把握し、所望の駆動状態となるべく6個の単方向スイッチ回路103a〜103fをPWM制御するための制御信号を6本出力する。この6本の制御信号においては、モータ104の相をU相、V相、W相とすると、それぞれの相が接続されている端子に対して上アーム側の単方向スイッチ回路におけるスイッチ素子と下アーム側の単方向スイッチ回路におけるスイッチ素子を制御する2本の制御信号が各相において存在する。例えば、U相を制御するためには、U相上アームスイッチ素子103aと、U相下アームスイッチ素子103dとを制御する。V相を制御するためには、V相上アームスイッチ素子103bと、V相下アームスイッチ素子103eとを制御する。W相も同様に、W相上アームスイッチ素子103cとW相下アームスイッチ素子103fがある。
In FIG. 7, 101 is a single-phase AC power source, 102 is a rectifier circuit consisting of a diode bridge consisting of four
この時にモータ104の駆動状態を検知してどのような制御信号を出力するかは、モータ104の種類やモータ104をどのように駆動させたいかなどの目的によって異なる。例えば、モータ104がエアコンや冷蔵庫などの圧縮機に用いられている誘導電動機であれば、圧縮機の回転数制御を行うのが一般的である。したがって、モータ104の回転数が所望の値となるように、6本のPWM信号を出力する。このときは、モータ104の電流を検知してきめ細かく制御を行う、いわゆるベクトル制御を行ってPWM信号を出力してもよいし、あらかじめ決められたV/Fパターンに基づいて所望の回転数に応じた印加電圧をモータ104に供給する、いわゆるV/F制御に基づいてPWM信号を出力してもよい。また、モータ104がエアコンや冷蔵庫などの圧縮機に用いられているブラシレスモータであれば、圧縮機の回転数制御を行うと同時に、ホールICなどの位置検出素子を使用しないでモータ電流あるいはモータ104の端子電圧などから位置検出を行う位置センサレス制御も行う。モータ電流を用いて行う位置センサレス制御であれば、モータ104に流れる電流を検出して、従来から知られている位置推定アルゴリズムを用いてモータ104のロータ回転角度情報を推定し、その結果に応じてPWM信号を出力する。また、モータの端子電圧を用いて行う位置センサレス制御であれば、モータ104の端子電圧を検出して、その電圧からモータ104のロータ磁極位置を検出することで、モータ104のロータ回転角度情報を推定し、その結果に応じてPWM信号を出力する。このように、モータ104が所望の駆動状態となるように、従来は直流電圧を用いて、6個のスイッチ素子をPWM駆動することで、モータ104を駆動している。
At this time, what kind of control signal is output by detecting the driving state of the
これに対して、本発明のマトリクスコンバータ回路に係る双方向スイッチ回路を用いた場合は、図1のマトリクスコンバータ回路2の構成からも明らかなように、スイッチ素子とダイオードとを1組(1個)として計12個のスイッチ素子をオンオフする必要がある。その12個のオンオフ制御信号を出力するための制御部4の動作を説明する。
On the other hand, when the bidirectional switch circuit according to the matrix converter circuit of the present invention is used, as is apparent from the configuration of the
図1における単相交流電源1の電圧を図1に示すようにVsとすると、Vsが正の値と負の値をとる時とで、制御部4から出力される12個のオンオフ制御信号の出力を変化させる。図2は、図1に示す制御部4から出力される信号の生成方法を説明するための詳細なブロック図である。図2において、5は単相交流電源1からの供給される電圧値Vsを検出する電圧検出部、6a、6b、6cは電圧検出部5からの出力に基づいて12個のオンオフ制御信号を生成する制御信号再生成部であり、それぞれ6aはモータ3のU相用、6bはV相用、6cはW相用である。
Assuming that the voltage of the single-phase
直流電源用制御部105は図7で示した直流電源用制御部と同様であり、直流電源用制御部105からは、図2の如く6本の制御信号が出力されている。6個の双方向スイッチ回路10〜15を用いる場合には12本の制御信号が必要となるため、本発明においては、単相交流電源1の電圧Vsを用いて、制御信号再生成部6a、6b、6cを追加することで、6本の制御信号から12本の制御信号を生成し、マトリクスコンバータ回路2を用いたモータ駆動装置を提供することができる。
The DC power
まず、U相用の制御信号再生成部6aの動作について説明する。V相用制御信号再生成部6b、ならびにW相用制御信号再生成部6cの動作についてはU相用制御信号再生成部6aの動作と同様なので、説明は省略する。電圧検出部5は単相交流電源1の電圧Vsを検出し、正ならば1、負ならば0の論理信号を出力する。その論理信号と、直流電源用制御部105からのU相上アームスイッチ素子103aの制御信号と、U相下アームスイッチ素子103dの制御信号を入力とし、図2に示した4つのAND回路201〜204並びに4つのOR回路205〜208によって得られた4つの出力信号をそれぞれ、U相上アーム上スイッチ素子2aのオンオフ制御信号、U相下アーム下スイッチ素子2jのオンオフ制御信号、U相下アーム上スイッチ素子2gのオンオフ制御信号、U相上アーム下スイッチ素子2dのオンオフ制御信号として出力し、これら4つの信号をモータ3のU相に接続される図1の各スイッチ素子(2a、2j、2g、2d)へ出力することで、U相の双方向スイッチ10と11の直列回路を制御することが可能となる。以上のような制御は、V相ならびにW相の双方向スイッチ直列回路へも同様な制御が適用され、それぞれV相用制御信号再生成部6bおよびW相用制御信号再生成部6cからの各々4つの出力信号を図1の双方向スイッチ12〜15を構成する各々の2つの直列回路へ出力すればよい。このようにして、従来のモータ駆動装置における直流電源用制御部105に、新たに電圧検出部5と各相の制御信号再生成部6a、6bおよび6cを設けた制御部4を構成することによって、単相交流電源1とマトリクスコンバータ回路2を使ったモータ駆動装置を提供することができる。
First, the operation of the U-phase control
なお、本実施形態では論理回路を用いて制御信号を生成し出力するものとして説明したが、同様の機能をマイクロコンピュータなどを用いてプログラムにより実現してもよいことは言うまでもない。すなわち、制御信号再生成部6a、6b、6cの論理をプログラムによって実現し、マイクロコンピュータにて12個の制御信号を生成し出力してもよい。従来の直流電源用制御部105がマイクロコンピュータで実現されている場合は、図2に示すような論理回路を付加して12個の制御信号を作成してもよい。
In the present embodiment, the control signal is generated and output using a logic circuit, but it goes without saying that the same function may be realized by a program using a microcomputer or the like. That is, the logic of the control
《実施の形態2》
次に、本発明の実施の形態2に係るモータ駆動装置について説明する。本実施形態は、全体構成としては、実施の形態1と同様に図1に示した回路構成にて実現されるが、制御部4において、実施の形態1とは異なる回路構成、動作を行うものである。図3は本実施形態に係る制御部4の動作を説明するための制御部4の詳細ブロック図である。本実施形態における制御部4は、実施の形態1において用いた6個の制御信号に加えて、モータ電流の正負すなわち、マトリクスコンバータ回路2からモータへ流れる場合を正、モータからマトリクスコンバータ回路2に流れる場合を負とした場合、モータ電流の正負の情報を更に用いることによって、12個の制御信号を出力するものである。U相用制御信号再生成部6dは、電圧検出部5からの信号と、U相のモータ電流の正負を出力する信号(U相電流)と、U相上アームスイッチ素子103aの制御信号ならびにU相下アームスイッチ素子103dの制御信号とを用いて、図3に示す論理回路にしたがって、U相に接続された双方向スイッチ直列回路10、11を駆動する制御信号を出力する。V相用制御信号再生成部6eおよびW相用制御信号再生成部6fについても、上述したU相用制御信号再生成部6dと同様の論理回路構成にて実現することが可能であるが、同様の構成であるためその内部ブロック図、および説明は省略する。
<<
Next, a motor drive device according to
以上のようにして、マトリクスコンバータ回路2を制御するための12個のオンオフ制御信号を出力する制御部4が実現でき、これにより単相交流電源1とマトリクスコンバータ回路2を使ったモータ駆動装置を提供することができる。
As described above, the control unit 4 that outputs the 12 on / off control signals for controlling the
なお、本実施形態は論理回路を用いて制御信号を生成し出力するものとして説明したが、同様の機能をマイクロコンピュータなどを用いてプログラムにより実現することも可能である。そのときの入力信号と出力信号を対応させる真理値表は(表1)あるいは(表2)のようになる。 Although the present embodiment has been described as generating and outputting a control signal using a logic circuit, a similar function can be realized by a program using a microcomputer or the like. The truth table that correlates the input signal and the output signal at that time is as shown in (Table 1) or (Table 2).
例えば、モータ電流Iが正のときは(表1)を参照する。まず、単相交流電源1の電圧Vsが正か負かを判定する。さらに、上アームスイッチ素子の制御信号がオンかオフかを判定して、各4つのスイッチ素子のオンオフ状態を決定するようにマイクロコンピュータで実現することができる。なお、(表1)においてオンともオフとも書かれていない「−」とはオンかオフのいずれでもよいことを意味している。したがって、この場合はどちらの出力を行ってもよい。また、モータ電流Iが負のときは(表2)を参照する。まず、単相交流電源1の電圧Vsが正か負かを判定する。さらに、下アームスイッチ素子の制御信号がオンかオフかを判定して、各4つのスイッチ素子のオンオフ状態を決定するようにマイクロコンピュータで実現することができる。このような真理値表を用意することで、12個の必要なオンオフ制御信号を作成することができる。なお、モータ電流Iが正の時は、U相下アーム(103d)指令は使わない。同様に、モータ電流Iが負の時は、U相上アーム(103a)指令は使わない。
For example, when the motor current I is positive, reference is made to (Table 1). First, it is determined whether the voltage Vs of the single-phase
《実施の形態3》
次に、本発明の実施の形態3に係るモータ駆動装置について説明する。本実施形態は、全体構成としては、実施の形態1と同様に図1に示した回路構成にて実現される。図4は本発明の実施の形態3のモータ駆動装置における制御部4のブロック図である。図4において、105aは脈動直流用制御部であり、第3の従来技術である図9の脈動直流用制御部105aと同様である。すなわち、本実施の形態3は、既に述べた実施の形態1の構成(図1、図2)において、直流電源用制御部105を脈動直流用制御部105aに置き換え、その他は実施の形態1(図2)と同様の回路構成あるいは論理構成とすることで、モータ3を所望の回転数で駆動することができる。脈動直流用制御部105aは、図9において、単方向スイッチ回路で構成したインバータ回路103の入力電圧が脈動直流である場合において、脈動直流の周波数よりも高い周波数をモータ104に出力できるため、モータ104の回転数が脈動直流の周波数で制限されない従来技術である。図9において脈動直流用制御部105aによって制御されたインバータ回路103のスイッチ動作は、図4に示した制御部4を用いた図1におけるモータ制御装置と等価のスイッチ動作を行う。すなわち、制御信号再生成部6a〜6cの働きは、各相の上アーム上スイッチ、上アーム下スイッチ、下アーム上スイッチ、下アーム下スイッチの動作は、交流Vsが正の場合と負の場合とに分けて決まるため、従来のインバータ回路103(図9)における動作と等価になるように構成してある。したがって、上述した構成でモータ3の回転数が単相交流電源1の周波数を上限とせず、所望の回転数で駆動可能となることは明らかである。
<< Embodiment 3 >>
Next, a motor drive device according to Embodiment 3 of the present invention will be described. As in the first embodiment, the present embodiment is realized by the circuit configuration shown in FIG. FIG. 4 is a block diagram of the control unit 4 in the motor drive apparatus according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 4,
なお、図4は実施の形態1(図2)に基づいた回路構成または論理構成としたが、実施の形態2(図3)に基づいた回路構成または論理構成としてもよい。すなわち、図3における直流電源用制御部105を脈動直流用制御部105aに置き換えた制御部としてもよい。
4 is a circuit configuration or a logical configuration based on the first embodiment (FIG. 2), it may be a circuit configuration or a logical configuration based on the second embodiment (FIG. 3). That is, the
《実施の形態4》
次に、本発明の実施の形態4に係るモータ駆動装置について説明する。本実施形態は、実施の形態1〜実施の形態3に示した構成において、従来のSiを素材とする双方向スイッチ回路2a〜2k、2mに代えて、素材としてSiC(シリコンカーバイド)を使用した半導体スイッチ素子21〜26を用いてマトリクスコンバータ回路20を構成したモータ駆動装置の例である。その構成図を図5に示す。
<< Embodiment 4 >>
Next, a motor drive device according to Embodiment 4 of the present invention will be described. In this embodiment, SiC (silicon carbide) is used as a material in place of the conventional
従来のSiを素材とした半導体スイッチ素子に比べて、SiCを素材とする半導体スイッチ素子は、逆電圧を印加したときに素子が破壊する限界電圧(逆耐圧)が高いので、トランジスタ構成としても逆耐圧が高くなる。従来のSiを素材とした半導体スイッチ素子は逆バイアスが素子に印加された際の素子破壊を防ぐため、図6(b)のように半導体スイッチ素子31、32に逆並列にダイオード41、42を接続しなければならなかった。しかしながら、SiCを素材とする半導体スイッチ素子は逆並列にダイオードを接続する必要がないため、図6(a)に示す回路にて双方向スイッチ回路27が実現できる。したがって、半導体スイッチの素材をSiCとすることで、図5に示すような構成でマトリクスコンバータ回路20が実現できる。この構成によればダイオードが不要となるので、従来のSiを素材とする双方向スイッチ回路に比べて回路損失が低減できることは明らかである。
Compared to the conventional semiconductor switch element made of Si, the semiconductor switch element made of SiC has a higher limit voltage (reverse breakdown voltage) at which the element breaks down when a reverse voltage is applied. Withstand pressure increases. In order to prevent element destruction when a reverse bias is applied to the element, a conventional semiconductor switch element made of Si is provided with
以上、実施の形態1から実施の形態4について説明したが、本発明を各種製品分野に適用すれば、有用な効果が発揮される。本発明のマトリクスコンバータ回路およびそれを用いたモータ駆動装置は、整流回路を用いずに構成できるため、単相交流電源にモータの運動エネルギーを回生することも可能となる。民生用のモータ駆動装置においては、特に洗濯機や乾燥機などの場合は、運動エネルギーが大きい。したがって、これらの用途のモータ駆動装置に本発明を適用すれば運動エネルギーを単相交流電源に回生できるので、さらに省エネルギーが促進できるという効果がある。また、本発明を冷蔵庫に適用した際には、モータ駆動装置が小型化になることで庫内容積を大きくでき、省スペースでも大容量の冷蔵庫を実現できるという効果がある。また、本発明をエアコンなどの空気調和機に適用した際には、モータ駆動装置を小型化できると、室外機の冷凍サイクル装置における熱交換面積が拡大するため、冷凍サイクル効率が向上し、さらに省エネルギーが促進できるという効果がある。また、交流電源で駆動する電気車の場合、通常はコンバータ回路、大容量電解コンデンサ、インバータ回路を用いてモータを駆動する構成であるが、本発明を適用することによって、コンバータ回路と大容量電解コンデンサを使用しないモータ駆動装置が提供できるので、小型化でき、寿命が長く、信頼性を高めたモータ駆動装置を提供することができる。
As mentioned above, although
本発明は、単相交流電源にダイオードブリッジなどを経由せずに直接接続されたマトリクスコンバータ回路を用いて3相モータを駆動可能とするモータ駆動装置を提供することができ、小型化、省消費電力、等が求められるモータ駆動装置を搭載する洗濯機、乾燥機、冷蔵庫、空気調和機、電気車、等に用いて好適である。 The present invention can provide a motor driving device capable of driving a three-phase motor using a matrix converter circuit directly connected to a single-phase AC power source without going through a diode bridge or the like, and can be reduced in size and consumed. It is suitable for use in washing machines, dryers, refrigerators, air conditioners, electric cars, and the like equipped with motor drive devices that require electric power.
1 単相交流電源
2,20 マトリクスコンバータ回路
2a,2b,2c,2d,2e,2f,2g,2h,2i,2j,2k,2m 単方向スイッチ
3 モータ
4 制御部
5 電圧検出部
6a,6b,6c,6d,6e,6f 制御信号再生成部
101 単相交流電源
102,102a 整流回路
103 インバータ回路
103a,103b,103c,103j,103k,103m 単方向スイッチ
104 モータ
105 直流電源用制御部
105a 脈動直流用制御部
106 直流電源
107 高周波インバータ回路
108 マトリクスコンバータ回路
DESCRIPTION OF
Claims (7)
第3の双方向スイッチと第4の双方向スイッチとを直列接続した第2の双方向スイッチ直列回路と、
第5の双方向スイッチと第6の双方向スイッチとを直列接続した第3の双方向スイッチ直列回路と
を相互に並列接続したマトリクスコンバータ回路において、
前記第1乃至第6の双方向スイッチは、それぞれが独立に、順方向と逆方向のどちらの方向の導通もオフ、順方向または逆方向の導通をオン、順方向と逆方向いずれの方向の導通もオン、とする4つの動作状態を可能とすることを特徴とするマトリクスコンバータ回路。 A first bidirectional switch series circuit in which a first bidirectional switch and a second bidirectional switch are connected in series;
A second bidirectional switch series circuit in which a third bidirectional switch and a fourth bidirectional switch are connected in series;
In a matrix converter circuit in which a third bidirectional switch series circuit in which a fifth bidirectional switch and a sixth bidirectional switch are connected in series is connected in parallel with each other,
Each of the first to sixth bidirectional switches independently turns off conduction in both the forward direction and the reverse direction, turns on conduction in the forward direction or the reverse direction, and switches in either the forward direction or the reverse direction. 4. A matrix converter circuit characterized by enabling four operation states in which conduction is also on.
前記マトリクスコンバータ回路を構成する第1乃至第6の双方向スイッチを制御するための制御信号を出力する制御部とを有し、
前記第1の双方向スイッチ直列回路の中間接続点と前記第2の双方向スイッチ直列回路の中間接続点と前記第3の双方向スイッチ直列回路の中間接続点に3相モータが接続され、
前記3相モータを駆動するための電源として、前記第1乃至第3の双方向スイッチ直列回路の前記並列接続点に単相交流電源を接続したことを特徴とするモータ駆動装置。 A matrix converter circuit according to claim 1;
A control unit that outputs a control signal for controlling the first to sixth bidirectional switches constituting the matrix converter circuit;
A three-phase motor is connected to an intermediate connection point of the first bidirectional switch series circuit, an intermediate connection point of the second bidirectional switch series circuit, and an intermediate connection point of the third bidirectional switch series circuit;
A motor driving apparatus comprising a single-phase AC power source connected to the parallel connection point of the first to third bidirectional switch series circuits as a power source for driving the three-phase motor.
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