3相交流电动机的绕组切换装置 【技术领域】
本发明涉及一种通过切换3相交流电动机的绕组来扩大速度控制范围的3相交流电动机的绕组切换装置，是以包含车辆驱动、工作机械主轴驱动、起重机的横行和行进、卷取机、伺服装置的范围广泛的行业领域为对象。
背景技术
在由交流可变频率电源驱动的工作机械的主轴和车辆的驱动装置中，作为用于在低速区域获得充分大的转矩，同时可实现高速区域的运转的方法，采用绕组切换方法。
图6所示地星形-三角形切换方法是在工作机械的主轴驱动等方面广泛应用的一例。图6中，22是电源，16～21是构成3相全波整流电桥的二极管，15是平滑电容器。14是把交流电源22转换成直流电源的转换器部。端子TP、TN是转换器部14的直流输出端子，成为逆变器部1的输入。2是交流电动机，T1～T6是供切换用的端子，3和4是电磁接触器等的开关。如果开断开关4并闭合开关3，则形成星形接线，如果闭合开关4并开断开关3，则形成三角形接线。N1是中性点。在低速区域内，通过选择星形(Y)接线，并施加充分高的电压，能够以同样的电流获得大的转矩。由于电动机的阻抗与频率成比例增大，因而在频率增高的高速区域内，电流流动困难，因而通过选择阻抗低的三角形(Δ)接线，可使电流流动容易。
图7是将二组星形绕组串并联切换的图。通过在低速时闭合开关5并将绕组串联连接，在高速时闭合开关6和7并进行并联连接，获得与图6相同的效果。而且，图8简化了图7的电路，如果闭合开关8，则与串联连接同等，从而利用全部绕组。如果闭合开关9，则使用绕组的一部分，形成与图7的并联连接相当的特性。在该情况下，由于剩余绕组不使用而闲置，因而与图7相比，电流密度为2倍，用于生成磁通的绕组数相同，因而感应电压和转矩特性与并联连接基本相同。
以上例都是2级切换，然而在专利第3037471号揭示了一种做成3级切换从而可进行更细致控制的方法。
以上所述的例是以使用全都具有机械接点的开关进行切换为前提。对此，提出了为了缩短伴随着开关动作时间的切换的无用时间的提案。图9是本申请人在特公平7-99959中揭示的切换方法，该切换方法将2组逆变器组合，通过变更各逆变器的控制方法，可将星形接线和三角形接线在无接点状态下进行切换的方案。图10是在IEEE Transactions onIndustry Applications，Vol.32d No.4，July/August，1996，pp.938-944发表的切换方法。通过用2台逆变器驱动在同一电动机中设置的2组不同规格的绕组，并通过变更各自的电流矢量的组合，对2极和4极的特性进行切换。
并且，在专利编号第2742800号中揭示了一种方式，该方式以图8的电路为基础，使把作为开关元件的半导体控制元件和逆电压阻止用的二极管串联连接的电路反向并联连接。
在图6、图7、图8的方式和专利第3037471号的技术中，全部用带接点的开关切换。因此，切入接点的机构动作用的时间是必要的。并且，考虑到接点寿命，在逆变器侧一旦断开电流之后，期望进行所谓的无电流开闭。如果将这些动作时间综合，则成为不能忽略不计(通常，数十毫秒)的无用时间。该无用时间，例如在工作机械主轴驱动装置方面，对最终产品的品质产生影响，并且，在车辆驱动装置方面，对乘车舒适度产生影响。就是接点寿命有限本身，也是不容忽视的缺点。
在图8、图9和专利编号第2742800号的方式中，由于通过半导体元件的开闭、或者控制模式的变更进行切换，因而动作时间的问题得到改善。然而，由于必要的有源半导体元件的数量多，因而成本的增加成为阻碍实用化的主要原因。
而且，在图8和专利编号第2742800号的方法中，当向绕组的中性点提供电源时，由于在剩余绕组部分感应的电压与电源电压相加，并向非使用的端子施加高电压，因而有必要强化绝缘。
【发明内容】
本发明是鉴于上述问题而提出的，本发明的目的是提供一种实现了以下(1)～(3)项的3相交流电动机的绕组切换装置。
(1)可缩短绕组切换所需要的时间。
(2)通过在不使用具有机械可动部的开关的条件下，极力减少绕组切换用的半导体开关元件的使用，而实现小型和低成本化。
(3)即使在提供绕组的中性点电源时，在剩余不使用的绕组部分感应的电压也不会形成超过电源电压的高压，可以不强化绕组的绝缘。
本发明为了达到上述目的，提供一种3相交流电动机的绕组切换装置，该3相交流电动机的绕组切换装置具有：交流电动机，各相绕组由多个绕组构成，把使上述多个绕组相互连结的连结端子和各相绕组的两端子设置在电动机外部；绕组切换单元，适当切换上述连结端子；以及可变频率电源，向上述交流电动机提供可变频率的可变电压；其特征在于，上述绕组切换单元具有：多个3相整流单元，使上述各相绕组的一端与上述可变频率电源连接，使另一端和上述连结端子按各相与各个3相整流单元的交流侧输入端子连接；以及半导体开关，设置成开闭上述3相整流单元的直流输出侧的两端。
并且，本发明的3相交流电动机的绕组切换装置，还具有以下特征：把上述多个3相整流单元当作3相全波整流二极管电桥。
并且，本发明的3相交流电动机的绕组切换装置，还具有以下特征：在上述多个3相整流单元的各个直流输出侧的两端通过二极管，使上述3相整流单元的直流输出侧与由电阻和电容器组成的并联电路连接，该二极管的设置方向为，在上述半导体开关断开时，使上述3相整流单元流出的电流流到上述并联电路，在上述半导体开关接通时，使电流不能从上述并联电路倒流到上述半导体开关。
并且，本发明的3相交流电动机的绕组切换装置，还具有以下特征：在上述多个3相整流单元的各个直流输出侧的两端通过二极管，使上述3相整流单元的直流输出侧与上述可变频率电源的上述直流母线连接，该二极管的设置方向为，在上述半导体开关断开时，使从上述3相整流单元流出的电流流到上述可变频率电源的直流母线，在上述半导体开关接通时，使电流不能从上述可变频率电源的上述直流母线倒流到上述半导体开关。
由于是使用半导体的切换，因而在极短时间内完成切换动作，可用少量半导体元件构成。
并且，即使选择部分使用绕组的模式，也能避免在剩余端子感应的电压极度变大。
3相交流电动机的绕组切换装置具有：交流电动机，各相绕组由多个绕组构成，把使上述多个绕组相互连结的连结端子和各相绕组的两端子设置在电动机外部；绕组切换单元，适当切换上述连结端子；以及可变频率电源，向上述交流电动机提供可变频率的可变电压；其特征在于，上述绕组切换单元具有：多个3相整流单元，使上述各相绕组的一端与上述可变频率电源连接，使另一端和上述连结端子按各相与各个3相整流单元的交流侧输入端子连接；以及半导体开关，设置成开闭上述3相整流单元的直流输出侧的两端；由于采用以上构成，因而具有以下效果。
(1)可缩短绕组切换所需要的时间。
(2)通过在不使用具有机械可动部的开关的条件下，极力减少绕组切换用的半导体开关元件的使用，而实现小型和低成本化。
(3)即使在提供绕组的中性点电源时，在剩余不使用的绕组部分感应的电压也不会形成超过电源电压的高压，可以不强化绕组的绝缘。
(4)另外，在消除了放电用电阻的图5所示的情况下，能量不会因电阻而作为热损失消耗，而是被吸收到可变频率电源的平滑电容器，因而可供电动机驱动的再利用。
作为波及效果，与使用接点的切换方式相比，可在特别短的时间内进行绕组切换，因而可把对作为负荷的机械和装置的切换影响限制到极小。
【附图说明】
图1是本发明第1实施例的基本电路构成图。
图2是表示本发明的电压状态的图。
图3是表示本发明的切换顺序的图。
图4是本发明第2实施例的电路构成图。
图5是本发明第1实施例(图1)的应用变形例的电路构成图。
图6是现有的星形-三角形绕组切换的构成图。
图7表示将2组星形绕组串并联切换的现有技术。
图8是现有的绕组切换的构成图。
图9表示将2组逆变器组合的现有技术。
图10是现有的绕组切换的构成图。
【具体实施方式】
以下，结合附图对本发明的实施例进行说明。图1是本发明第1实施例的基本电路构成图。在图1中，1是成为3相电动机控制用的可变频率可变电压电源的逆变器部，由主电路晶体管Q1～Q6构成。端子TP、TN与转换器的直流输出端子连接。2是交流电动机，12是绕组切换部。电动机2的各相绕组由2个线圈形成，使这些线圈连接的中间端子TU3、TV3、TW3作为电动机的外部端子被取出。交流电动机2的各相的绕组端子的一端TU2、TV2、TW2各自与逆变器部1的各相的输出端子TU1、TV1、TW1连接。
交流电动机2的各相的绕组端子的另一端TU4、TV4、TW4各自与绕组切换部12中的3相二极管电桥DB2的交流输入端子TU7、TV7、TW7连接。交流电动机的各相的上述中间端子TU3、TV3、TW3各自与绕组切换部12中的3相二极管电桥DB1的交流输入端子TU6、TV6、TW6连接。为了开闭3相二极管电桥DB1、DB2的直流输出侧而跨越直流输出侧且各自连接的SW1、SW2是双极型晶体管或IGBT那样的自身消弧型半导体开关元件。
在此，对绕组切换部12的构成进行说明。D1、D2是与3相二极管电桥DB1的直流输出侧连接的二极管。D3、D4是与3相二极管电桥DB2的直流输出侧连接的二极管。二极管D1、D2是用于在半导体开关SW1断开时使流经DB1的电流流到CR的并联电路，并在SW1接通时防止该电流从CR的并联电路倒流到SW1的二极管。二极管D3、D4也与D1、D2一样，是用于防止倒流的二极管。C是电容器，R是放电电阻器。C和R相互并联连接。二极管D1的阴极侧的一端与CR并联连接端子的一端和二极管D3的阴极侧的一端连接。二极管D1的阳极侧的一端与3相二极管电桥DB1的直流输出的+侧端子和SW1的集电极连接。二极管D2的阳极侧的一端与CR并联连接端子的另一端和二极管D4的阳极侧的一端连接。二极管D2的阴极侧的一端与3相二极管电桥DB1的直流输出的负侧端子和SW1的发射极连接。二极管D3的阳极侧的一端与3相二极管电桥DB2的直流输出的+侧端子和SW2的集电极连接。二极管D4的阴极侧的一端与3相二极管电桥DB2的直流输出的负侧端子和SW2的发射极连接。
下面，对图1的动作进行说明。现在，一旦仅接通SW1(SW2断开)，电动机端子TU3、TV3、TW3就通过DB1形成短路，向由作为电动机绕组的一部分的TU2-TU3、TV2-TV3、TW2-TW3构成的星形接线施加电压。在端子TU4、TV4、TW4，由于绕组间的电磁耦合而感应电压，然而由于放电电阻R的电阻值大，因而流经D3、R、D4的电流小到可忽略不计。该构成与使用全部电动机绕组的情况相比，由于阻抗低，因而即使在高频区域内，也能使充足电流流过，适合高速运转。另一方面，一旦仅接通SW2(SW1断开)，电动机端子TU4、TV4、TW4就通过DB2发生短路，向由全部绕组的TU2-TU4、TV2-TV4、TW2-TW4构成的星形接线施加电压。在该情况下，由于放电电阻R的电阻值大，因而从DB1的直流输出侧的负侧端子流经D1、R、D2的电流小到可忽略不计。该构成与使用前者的电动机绕组的一部分的情况相比，由于阻抗高，因而即使在低频区域内，也能施加充足电压，并能针对同一电流发生大的转矩，从而适合低速运转。因此，与运转速度对应，通过选择性接通SW1或SW2，可扩大速度控制范围。
图5是对本发明的图1作了变形的实施例的电路构成。图5的电路构成与图1的电路构成不同的部分是以下部分：图1中，绕组切换部的倒流防止二极管与电容器C和电阻R的并联电路连接，而图5中，倒流防止二极管与可变频率电源的直流母线连接。即，D1、D3的二极管从端子TP1到作为可变频率电源的逆变器部1的直流侧的输入端子TP被连接，D2、D4的二极管从端子TN1连接到逆变器部1的直流侧的输入端子TN。结果，流经DB1、DB2的电流的能量不会由于电阻而作为热损失消耗，而是被吸收到可变频率电源的平滑电容器，可供电动机驱动的再利用。
图2是以矢量表示在接通SW1时和接通SW2时的电压状态的图。可看出，即使当选择了使用绕组一部分的高速绕组(图2(a))时，在剩余绕组端子(TU4，TV4，TW4)也只感应与电源电压同等的电压。
下面，对绕组切换方法进行说明。作为SW1和SW2的切换顺序，如图3所示，有二种方法。该图(a)中，使用切换信号首先在逆变器部1侧断开电流。在该无电流的状态下，进行SW1、SW2间的切换，之后在逆变器部2侧再导通电流。在从断开电流到再次投入电流的时间t1为实际切换所需要的时间。(SG1)表示从逆变器控制电路或者对逆变器进行控制的上位控制装置输出的绕组切换信号，(SG2)表示流到电动机绕组的电流，(SG3)、(SG4)表示各个半导体开关SW1、SW2的导通状态。该方法是现有的使用接触器的方法，是为延长接点寿命而进行的方法，即使在应用于本发明的情况下，由于在无电流时接通断开元件，因而可避开伴随着开关动作的过大电压。由于半导体元件的动作快，因而无电流的期间t1，与使用接触器的方法相比，可成数量级地缩短动作时间。
图3(b)所示的切换方法是在逆变器部1不进行电流断开而切换的方法。虽说半导体的动作极快，但是由于微小的动作延迟时间，使得存在产生SW1和SW2同时接通的期间的可能性，因而为了防止这一点，在各自接通的期间之间，有必要计入双方的半导体开关SW1和SW2断开的停滞时间t2。该停滞时间由于半导体的高速开关特性而极短(通常，数微秒以下)，储存在电动机绕组的电感器(L)的电流(i)的能量(E＝(1/2)Li2)在该期间被放出，因而向开关电路施加过电压。这是第1实施例。从图1的SW1、SW2两端，通过二极管D1、D2、D3、D4连接的电容器C用于吸收该浪涌电压，R是放电电阻器。在作为图1的变形例的图5的情况下，由于SW1、SW2通过二极管D1、D2、D3、D4与可变频率电源的平滑电容器连接，因而放电电阻器是不需要的。在图3(a)所示的无电流的状态下，进行SW1、SW2的切换的情况可以不必设置电容器C。
本发明的第2实施例如图4所示。本实施例是把电动机的各相绕组各自分割成3个的情况。与第1实施例(图1)不同的部分为，电动机的各相绕组的分割数从2个增至3个，与分割数的增加对应，增设了3相二极管电桥DB3、二极管D5、D6、半导体开关SW3。
下面，对第2实施例的绕组切换部13与第1实施例的绕组切换部12不同的构成进行说明。二极管D5的阴极侧的一端同二极管D1、D3的阴极侧端子一样，与CR并联连接线端子的一端连接。二极管D5的阴极侧的一端与3相二极管电桥DB3的直流输出的+侧端子和SW3的集电极连接。
二极管D6的阳极侧端子同二极管D2、D4的阳极侧端子一样，与CR并联连接端子的另一端连接。二极管D6的阴极侧端子与3相二极管电桥DB3的直流输出的负侧端子和SW3的发射极连接。
并且，作为图1的变形例，与构成图5的情况一样，在图4的情况下，也能把倒流防止用的二极管与可变频率电源的直流母线连接。
另外，本发明使用的交流电动机，不管是感应型、同步型，还是旋转型、直动型的类型，无论哪种交流电动机都能应用。
在具有：各相绕组由多个绕组构成，把使上述多个绕组相互连结的连结端子和各相绕组的两端子设置在电动机外部的交流电动机；适当切换上述连结端子的绕组切换单元；以及向上述交流电动机提供可变频率的可变电压的可变频率电源的3相交流电动机的绕组切换装置中，由于上述绕组切换单元由：使上述各相绕组的一端与上述可变频率电源连接，使另一端和上述连结端子按各相与各个3相整流单元的交流侧输入端子连接的多个3相整流单元；以及设置成开闭上述3相整流单元的直流输出侧的两端的半导体开关构成，因而具有以下效果。
(1)可缩短绕组切换所需要的时间。
(2)通过在不使用具有机械可动部的开关的条件下极力减少绕组切换用的半导体开关元件的使用，而实现小型和低成本化。
(3)即使在提供绕组的中性点电源时，在剩余不使用的绕组部分感应的电压也不会形成超过电源电压的高压，可以不强化绕组的绝缘。
(4)另外，在消除了放电用电阻的图5所示的情况下，能量不会因电阻而作为热损失消耗，而是被吸收到可变频率电源的平滑电容器，因而可供电动机驱动的再利用。
作为波及效果，与使用接点的切换方式相比，可在特别短的时间内进行绕组切换，因而可把对作为负荷的机械和装置的切换影响限制到极小。