DE112021006903T5

DE112021006903T5 - Schaltung zur unterdrückung eines einschaltstroms, umrichtersystem und motorantriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE112021006903T5
Application number: DE112021006903.9T
Authority: DE
Inventors: Hiroki Sugiura; Shinichi Horikoshi; Koujirou SAKAI
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2021-04-02
Filing date: 2021-04-02
Publication date: 2023-11-16
Also published as: CN117044093A; TW202241033A; WO2022208885A1; US20240162704A1; JPWO2022208885A1

Abstract

Diese Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms 1, die den Einschaltstrom während des Vorladens eines Kondensators 103 unterdrückt, der parallel zur Gleichstrom-Ausgangsseite eines Umrichters 101 geschaltet ist, der Wechselstrom-Versorgungsspannung in Gleichstromspannung umwandelt, umfasst: einen Widerstand 11, der zwischen der Gleichstrom-Ausgangsseite des Umrichters 101 und dem Kondensator 103 vorgesehen ist, oder der auf der Wechselstrom-Eingangsseite des Umrichters 101 vorgesehen ist; einen Schalter 12, der selektiv zwischen einem offenen Zustand, in dem ein elektrischer Stromkreis mit dem dazwischengeschalteten Widerstand 11 gebildet wird, und einem geschlossenen Zustand, in dem ein Kurzschluss ohne den dazwischengeschalteten Widerstand 11 gebildet wird, geschaltet wird eine Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13, die detektiert, ob die Wechselstromversorgungsspannung in den Umrichter 101 eingespeist wird; und eine Schaltersteuereinheit 14, die den Schalter 12 von dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand schaltet, nachdem eine vorgeschriebene Zeit verstrichen ist, nachdem die Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13 das Eingeben der Wechselstromversorgungsspannung in den Umrichter 101 detektiert hat.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms, ein Umrichtersystem und eine Motorantriebsvorrichtung.
HINTERGRUNDKUNST
In einer Motorantriebsvorrichtung, die den Antrieb eines Motors in einer Werkzeugmaschine, einer Formmaschine, einer Spritzgießmaschine, einer Industriemaschine oder verschiedenen Robotern steuert, wird Wechselstrom, der von einer Wechselstromquelle eingespeist wird, durch einen Umrichter (Gleichrichterschaltung) in Gleichstrom umgewandelt und an einen Gleichstrom-Zwischenkreis ausgegeben, und ferner wird eine Gleichspannung in dem Gleichstrom-Zwischenkreis durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt, und der Wechselstrom wird als Antriebsleistung für den Motor bereitgestellt. Der Gleichstrom-Zwischenkreis bezieht sich auf einen Schaltungsabschnitt, der so konfiguriert ist, dass er eine Gleichstrom-Ausgangsseite des Umrichters und eine Gleichstrom-Eingangsseite des Wechselrichters elektrisch verbindet, und kann auch als „Gleichstrom-Zwischenkreis-Einheit“, „Gleichstrom-Zwischenkreis“, „Gleichstrom-Zwischenkreis-Einheit“, „Gleichstrom-Zwischenkreis“ oder dergleichen bezeichnet werden.
Der Zwischenkreis ist mit einem Kondensator ausgestattet, der die Aufgabe hat, die Pulsation des Gleichstromausgangs des Umrichters zu unterdrücken und die Gleichstromleistung zu speichern. Dieser Kondensator kann auch als „Zwischenkreiskondensator“ oder „Glättungskondensator“ bezeichnet werden.
Der Kondensator im Gleichstrom-Zwischenkreis muss nach dem Einschalten des Motorantriebs und vor dem Anfahren des Motors (d. h. bevor der Wechselrichter mit der Leistungsumwandlung beginnt) auf eine bestimmte Spannungshöhe aufgeladen werden. Diese Aufladung kann auch als „Voraufladung“ oder „Erstaufladung“ bezeichnet werden.
Die Motorantriebsvorrichtung wird eingeschaltet, indem ein elektromagnetisches Schütz, das an einer Wechselstrom-Eingangsseite des Umrichters in der Motorantriebsvorrichtung vorgesehen ist, von offen (AUS) auf geschlossen (EIN) geschaltet wird. Die Vorladung des Kondensators wird beim Einschalten des Motors gestartet. Da die Vorladung aus einem Zustand heraus gestartet wird, in dem sich keine Energie im Kondensator angesammelt hat, fließt unmittelbar nach dem Einschalten der Motorantriebsvorrichtung ein großer Einschaltstrom von der Wechselstromquelle über den Umrichter in den Gleichstrom-Zwischenkreis. Insbesondere mit zunehmender Kapazität des Kondensators wird ein größerer Einschaltstrom erzeugt. Aus diesem Grund ist der Gleichstrom-Zwischenkreis im Allgemeinen mit einer Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms versehen, die einen Einschaltstrom unterdrückt, der unmittelbar nach dem Einschalten der Motorantriebsvorrichtung erzeugt wird. Die Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms kann auch als „Vorladeschaltung“ oder „Anfangsladeschaltung“ bezeichnet werden.
Die Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms umfasst einen Widerstand und einen Schalter, der parallel zu dem Widerstand geschaltet ist. Die Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms ist zwischen der Gleichstromausgangsseite des Umrichters und dem Kondensator oder auf der Wechselstromeingangsseite des Umrichters vorgesehen. Der offene Zustand, bei dem ein Kontaktpunkt des Schalters geöffnet ist (OFF), wird während der Vorladeperiode des Kondensators unmittelbar nach dem Einschalten der Motorantriebsvorrichtung beibehalten, und der geschlossene Zustand, bei dem der Kontakt des Schalters geschlossen ist (ON), wird während der normalen Betriebsperiode beibehalten, wenn die Motorantriebsvorrichtung den Motor antreibt. Wenn beispielsweise die Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms zwischen der Gleichstromausgangsseite des Umrichters und dem Kondensator vorgesehen ist, wird der offene Zustand, in dem der Schalter geöffnet ist, während der Vorladeperiode unmittelbar nach dem Einschalten der Motorantriebsvorrichtung und vor dem Beginn des Motorbetriebs beibehalten. Während dieser Zeit wird der Einschaltstrom unterdrückt, da der Gleichstrom aus dem Umrichter über den Widerstand in den Kondensator fließt. Wenn der Gleichstrom in den Kondensator fließt und der Kondensator auf eine vorbestimmte Spannungshöhe aufgeladen ist, wird der Schalter in der Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms vom offenen in den geschlossenen Zustand geschaltet, und der Motor ist bereit, angetrieben zu werden. Während des Zeitraums, in dem der Motor angetrieben wird, bildet der Schalter im geschlossenen Zustand einen Kurzschluss nicht über den Widerstand, so dass der Gleichstromausgang des Umrichters nicht durch den Widerstand, sondern durch den Schalter im geschlossenen Zustand fließt.
Zum Beispiel ist eine Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms bekannt, die Folgendes umfasst: einen Unterdrückungswiderstand, der einen Strom unterdrückt, der zu einem Glättungskondensator in einer Stromversorgungsvorrichtung vom Kondensatoreingangstyp fließt; einen Schalterteil, der in Reihe mit dem Unterdrückungswiderstand geschaltet ist; einen Optokoppler vom Wechselstromeingangstyp, in dem eine lichtemittierende Diode parallel zu dem Unterdrückungswiderstand geschaltet ist und ein Fototransistor in einen EIN-Zustand versetzt wird, wenn ein Strom zu der lichtemittierenden Diode fließt; und eine Steuerschaltung, die den Unterdrückungswiderstand kurzschließt, indem sie den Schalterteil in einen EIN-Zustand steuert, wenn der Fototransistor für eine vorbestimmte Referenzzeit oder länger in einem AUS-Zustand verbleibt (siehe z. B.g., PTL 1).
So ist beispielsweise eine Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms bekannt, die auf einer Stromquellenanschlussseite einer Stromquellenvorrichtung vorgesehen ist und einen Einschaltstrom unterdrückt, der beim Einschalten der Stromversorgung sofort fließt, wobei zwei Sätze von Thermistoren, die in Reihe zur Stromquelle geschaltet sind, vorbereitet werden und der Thermistor mit der niedrigeren Temperatur automatisch ausgewählt und eingesetzt wird, wenn die Stromquelle eingeschaltet ist (siehe z. B. PTL 2).
[ZITIERLISTE]
[PATENTLITERATUR]

[PTL 1] JP 2009-232484 A
[PTL 2] JP 2002-252921 A

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
[TECHNISCHES PROBLEM]
Wenn der Schalter in der Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms nach Abschluss der Vorladung des Kondensators vom offenen in den geschlossenen Zustand umgeschaltet wird, werden die Wechselstromquelle und der Kondensator über den Umrichter kurzgeschlossen, so dass vorübergehend ein großer Strom durch den Schalter fließt. Beim Übergang vom offenen in den geschlossenen Zustand tritt ein Phänomen auf, das als „Bounce“ bezeichnet wird. Beim Prellen handelt es sich um ein mechanisches Schwingungsphänomen, bei dem ein beweglicher Kontakt und ein fester Kontakt eines Schalters innerhalb einer kurzen Zeitspanne erneut zusammenstoßen (Kontakt) und sich abstoßen (Trennung). Prellen kann auch als „Rütteln“ bezeichnet werden. Wenn während des Prellens der bewegliche Kontakt und der feste Kontakt miteinander in Kontakt kommen, wird Strom zugeführt, und wenn der bewegliche Kontakt und der feste Kontakt voneinander getrennt sind, wird kein Strom zugeführt. Wenn zu diesem Zeitpunkt der Abstand zwischen dem beweglichen Kontakt und dem festen Kontakt sehr kurz ist, obwohl sie voneinander getrennt sind, wird die Luftisolierung zwischen dem beweglichen Kontakt und dem festen Kontakt unterbrochen, und es entsteht ein Lichtbogen. Der Lichtbogen schmilzt den beweglichen Kontakt und den Festkontakt und führt zu einem Ausfall des Schalters.
Um das Auftreten eines Lichtbogens zu unterdrücken, wenn der Schalter in der Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms aus dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand geschaltet wird, kann beispielsweise ein Verfahren verwendet werden, bei dem der Schalter zu einem Zeitpunkt aus dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand geschaltet wird, wenn eine Differenz zwischen einem Wechselstrom-Spannungsspitzenwert und der Spannung des Gleichstrom-Zwischenkreises (im Folgenden als „Gleichstrom-Zwischenkreisspannung“ bezeichnet) innerhalb eines vorbestimmten Auslegungswertes liegt. Bei diesem Verfahren ist es jedoch erforderlich, eine Schaltung bereitzustellen, die so konfiguriert ist, dass sie sowohl den Spannungsspitzenwert der Wechselstromquelle als auch die Zwischenkreisspannung erfasst, und eine Schaltung, die so konfiguriert ist, dass sie den Spannungsspitzenwert der Wechselstromquelle und die Zwischenkreisspannung vergleicht, was die Schaltung kompliziert macht.
Da sich die Zwischenkreisspannung vom Beginn bis zum Ende der Vorladung des Kondensators gemäß dem physikalischen Gesetz ändert, ist es möglich, die Zeit vom Beginn der Vorladung bis zu dem Zeitpunkt abzuschätzen, an dem die Differenz zwischen dem Spannungsspitzenwert der Wechselstromquelle und der Zwischenkreisspannung innerhalb eines vorbestimmten Auslegungswertes liegt. Aus diesem Grund kann ein Verfahren verwendet werden, bei dem das Auftreten eines Lichtbogens unterdrückt wird, indem der Schalter auf der Grundlage dieser geschätzten Zeitspanne vom offenen in den geschlossenen Zustand geschaltet wird. Wie oben beschrieben, wird die Vorladung des Kondensators ab dem Zeitpunkt gestartet, zu dem das elektromagnetische Schütz auf der Wechselstromeingangsseite des Umrichters von AUS auf EIN geschaltet wird. Bei der Einstellung der Motorantriebsvorrichtung tritt jedoch in einem Fall, in dem der Bediener eine Sicherheitssequenz für die Motorantriebsvorrichtung während einer Reihe von Vorgängen vorsieht, von dem Zeitpunkt an, an dem eine Steuereinheit des Umrichters den Start des Vorladens befiehlt, bis zu dem Zeitpunkt, an dem das elektromagnetische Schütz tatsächlich von AUS auf EIN geschaltet wird, eine durch die Sicherheitssequenz verursachte Zeitverzögerung auf. Folglich fällt die Differenz zwischen dem Spitzenwert der Wechselstromquelle und der Zwischenkreisspannung auch dann, wenn der Schalter aufgrund des Ablaufs der geschätzten Zeit vom offenen in den geschlossenen Zustand geschaltet wird, noch nicht innerhalb eines vorgegebenen Auslegungswerts, und es besteht die Möglichkeit, dass ein Lichtbogen entsteht.
Wenn zum Beispiel die Tatsache, dass die Motorantriebsvorrichtung eingeschaltet ist, erkannt wird, wenn ein Hilfskontakt des elektromagnetischen Schützes, der auf der Wechselstrom-Eingangsseite des Umrichters in der Motorantriebsvorrichtung vorgesehen ist, eingeschaltet wird, ist es möglich, den Zeitpunkt des Beginns der Vorladung des Kondensators festzulegen und das Problem der Zeitverzögerung zu vermeiden, die durch die oben beschriebene Sicherheitssequenz verursacht wird. Es ist jedoch erforderlich, eine Schaltung und Verdrahtung vorzusehen, die so konfiguriert ist, dass sie das Einschalten des Hilfskontakts des elektromagnetischen Schützes erkennt, was den Arbeitsaufwand des Bedieners für die Konstruktion und Einstellung der Motorantriebsvorrichtung erhöht.
Durch die Bereitstellung einer Schaltung zur Erkennung von Spannungsspitzenwerten der Wechselstromquelle, die einen Spannungsspitzenwert der Wechselstromquelle für den Umrichter in der Motorantriebsvorrichtung erkennt, ist es auch möglich zu erkennen, dass die Motorantriebsvorrichtung eingeschaltet ist. Eine Diode ist in einer solchen Schaltung zur Erkennung von Wechselstrom-Spannungsspitzenwerten eingebaut, aber es besteht die Möglichkeit, dass die Diode zerstört wird, wenn ein Blitzstoß aufgrund eines Blitzeinschlags auftritt.
Daher ist es wünschenswert, eine Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms mit einer einfachen Struktur und einer langen Lebensdauer zu entwickeln, so dass ein Einschaltstrom zum Zeitpunkt des Vorladens eines Kondensators auf der Gleichstromausgangsseite des Umrichters unterdrückt wird.
(LÖSUNG DES PROBLEMS)
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms, die einen Einschaltstrom während des Vorladens eines Kondensators unterdrückt, der parallel zu einer Gleichstrom-Ausgangsseite eines Umrichters geschaltet ist, welcher eine Wechselstrom-Stromquellenspannung in eine Gleichstromspannung umwandelt, folgendes: einen Widerstand, der zwischen der Gleichstrom-Ausgangsseite des Umrichters und dem Kondensator oder auf einer Wechselstrom-Eingangsseite des Umrichters vorgesehen ist; einen Schalter, der parallel zu dem Widerstand geschaltet und so konfiguriert ist, dass er selektiv zwischen einem offenen Zustand, in dem ein elektrischer Pfad über den Widerstand gebildet wird, und einem geschlossenen Zustand, in dem ein Kurzschluss nicht über den Widerstand gebildet wird, umschaltet eine Wechselstromquellen-Spannungserfassungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie erfasst, ob die Wechselstromquellen-Spannung in den Umrichter eingespeist wird oder nicht; und eine Schaltersteuereinheit, die so konfiguriert ist, dass sie den Schalter von dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand schaltet, nachdem eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, seit die Einheit zur Erfassung der Spannung der Wechselstromquelle die Eingabe der Wechselstromquellen-Spannung in den Umrichter erfasst hat.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Umrichtersystem einen Umrichter, der so konfiguriert ist, dass er eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt, und die Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms, die mit dem Umrichter verbunden ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Motorantriebsvorrichtung: das Umrichtersystem; einen Kondensator, der parallel zu einer Gleichstrom-Ausgangsseite des Umrichters in dem Umrichtersystem geschaltet ist; und einen Wechselrichter, der über den Kondensator mit der Gleichstrom-Ausgangsseite des Umrichters verbunden ist und so konfiguriert ist, dass er eine Gleichspannung auf der Gleichstrom-Ausgangsseite des Umrichters in eine Wechselspannung zum Antrieb eines Motors umwandelt und die Wechselspannung ausgibt.
[VORTEILHAFTE WIRKUNG DER ERFINDUNG]
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, eine Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms, ein Umrichtersystem und eine Motorantriebsvorrichtung mit einer einfachen Struktur und einer langen Lebensdauer zu realisieren, so dass ein Einschaltstrom zum Zeitpunkt des Vorladens eines Kondensators unterdrückt wird, der auf einer Gleichstromausgangsseite eines Umrichters vorgesehen ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Ansicht, die eine Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms, ein Umrichtersystem und eine Motorantriebsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
2 ist eine Ansicht, die ein modifiziertes Beispiel einer Spannungserfassungseinheit für eine Wechselstromquelle in der Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms, dem Umrichtersystem und der Motorantriebsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
3 ist eine Ansicht, die einen Fall zeigt, in dem ein Widerstand und ein Schalter in der Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auf einer Wechselstrom-Eingangsseite eines Umrichters vorgesehen sind.
4 ist eine Ansicht, die einen Fall illustriert, in dem ein Optokoppler in der Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auf allen dreiphasigen Stromleitungen vorgesehen ist, die mit einer Wechselstromeingangsseite eines Umrichters verbunden sind.
5 ist ein Flussdiagramm, das den Betriebsablauf der Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
6 ist eine Ansicht, die eine herkömmliche Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms zeigt, die auf der Grundlage des Ergebnisses eines Vergleichs zwischen dem Spitzenwert einer Wechselstromquelle und einer Zwischenkreisspannung bestimmt, ob das Vorladen eines Kondensators abgeschlossen werden soll oder nicht.
7 ist eine Ansicht, die eine herkömmliche Motorantriebsvorrichtung zeigt, die erkennt, dass die Motorantriebsvorrichtung eingeschaltet ist, wenn ein Hilfskontakt eines elektromagnetischen Schützes, der auf einer Wechselstrom-Eingangsseite eines Umrichters vorgesehen ist, eingeschaltet wird.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms, ein Umrichtersystem und eine Motorantriebsvorrichtung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen ist ein ähnliches Element mit einem ähnlichen Bezugszeichen versehen. Um das Verständnis zu erleichtern, sind die Maßstäbe der Zeichnungen entsprechend geändert. Die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform ist ein Ausführungsbeispiel, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt.
1 ist eine Ansicht, die die Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms, das Umrichtersystem und die Motorantriebsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
Als Beispiel wird ein Fall beschrieben, in dem eine Motorantriebsvorrichtung 1000, die an eine Wechselstromquelle 2 angeschlossen ist, einen Motor 3 steuert. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Typ des Motors 3 nicht besonders begrenzt und kann beispielsweise ein Induktionsmotor oder ein Synchronmotor sein. Die Anzahl der Phasen der Wechselstromquelle 2 und des Motors 3 ist in der vorliegenden Ausführungsform nicht besonders begrenzt und kann z. B. drei Phasen oder eine einzige Phase betragen. In dem in 1 dargestellten Beispiel haben die Wechselstromquelle 2 und der Motor 3 drei Phasen. Beispiele für die Wechselstromquelle 2 sind eine dreiphasige 400-V-Wechselstromquelle, eine dreiphasige 200-V-Wechselstromquelle, eine dreiphasige 600-V-Wechselstromquelle und eine einphasige 100-V-Wechselstromquelle. Beispiele für Maschinen, die mit dem Motor 3 ausgestattet sind, sind Werkzeugmaschinen, Roboter, Umformmaschinen, Spritzgießmaschinen, Industriemaschinen, verschiedene elektrische Geräte, Züge, Autos und Flugzeuge.
Wie in 1 dargestellt, umfasst die Motorantriebsvorrichtung 1000 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ein Umrichtersystem 100, einen Wechselrichter 102 und einen Kondensator 103. Das Umrichtersystem 100 umfasst einen Umrichter 101 und eine Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms 1. Die Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms 1 kann auch als „Vorladeschaltung“ oder „Anfangsladeschaltung“ bezeichnet werden.
Die Motorantriebsvorrichtung 1000 umfasst ein elektromagnetisches Schütz 104, das einen elektrischen Pfad zwischen einer Wechselstromeingangsseite des Umrichters 101 im Umrichtersystem 100 und der Wechselstromquelle 2 öffnet und schließt. In dem elektromagnetischen Schütz 104 wird ein geschlossener Zustand, in dem die Wechselstrom-Eingangsseite des Umrichters 101 und die Wechselstrom-Leistungsquelle 2 elektrisch miteinander verbunden sind, durch Schließen (ON) eines Kontakts des elektromagnetischen Schützes 104 erreicht, und ein offener Zustand, in dem die Wechselstrom-Eingangsseite des Umrichters 101 und die Wechselstrom-Leistungsquelle 2 elektrisch voneinander getrennt sind, durch Öffnen (OFF) des Kontakts des elektromagnetischen Schützes 104 erreicht. Bevor die Motorantriebsvorrichtung 1000 eingeschaltet wird, befindet sich der Kontakt des elektromagnetischen Schützes 104 im offenen Zustand, und der Kondensator 103 ist nicht geladen. Wenn das elektromagnetische Schütz 104 aus dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand geschaltet und die Motorantriebsvorrichtung 1000 eingeschaltet wird, wird das Vorladen des Kondensators 103 gestartet. Es sollte beachtet werden, dass beispielsweise ein Relais, ein Halbleiterschaltelement oder ähnliches anstelle des elektromagnetischen Schützes 104 verwendet werden kann, solange es den elektrischen Pfad zwischen der Wechselstrom-Eingangsseite des Umrichters 101 und der Wechselstromquelle 2 öffnen und schließen kann.
Der Umrichter 101 wandelt eine von der Wechselstromquelle 2 über das elektromagnetische Schütz 104 im geschlossenen Zustand eingespeiste Wechselstromspannung in eine Gleichspannung um und gibt diese Gleichspannung an einen Gleichstrom-Zwischenkreis aus, der eine Gleichstromausgangsseite des Umrichters 101 ist. Der Stromrichter 101 enthält eine dreiphasige Brückenschaltung, wenn die Wechselstromquelle 2 eine dreiphasige Wechselstromquelle ist, und eine einphasige Brückenschaltung, wenn die Wechselstromquelle 2 eine einphasige Wechselstromquelle ist. Da es sich bei der Wechselstromquelle 2 in dem in 1 dargestellten Beispiel um eine dreiphasige Wechselstromquelle handelt, enthält der Umrichter 101 eine dreiphasige Brückenschaltung. Beispiele für den Umrichter 101 sind ein Diodengleichrichter, ein Gleichrichter mit 120-Grad-Leitung und ein Gleichrichter mit PWM-Schaltsteuerung. In dem in 1 dargestellten Beispiel enthält der Umrichter 101 einen Diodengleichrichter. Wenn der Umrichter 101 beispielsweise einen Gleichrichter vom 120-Grad-Leitungstyp und einen Gleichrichter vom PWM-Schaltsteuertyp umfasst, enthält der Umrichter 101 eine Brückenschaltung aus einem Schaltelement und einer dazu antiparallel (invers-parallel) geschalteten Diode, und das EIN/AUS jedes Schaltelements wird als Reaktion auf einen von einem Host-Controller (nicht dargestellt) empfangenen Ansteuerungsbefehl gesteuert, um eine Leistungsumwandlung sowohl in Wechselstrom- als auch in Gleichstrom-Bidirektionalrichtung durchzuführen. In diesem Fall sind Beispiele für das Schaltelement ein FET, ein IGBT, ein Thyristor, ein Gate-Turn-off-Thyristor (GTO) und ein Transistor, obwohl auch ein anderes Halbleiterelement verwendet werden kann.
Der Kondensator 103 ist parallel zur Gleichstromausgangsseite des Umrichters 101 geschaltet. Der Kondensator 103 kann auch als „Zwischenkreiskondensator“ oder „Glättungskondensator“ bezeichnet werden. Der Kondensator 103 hat die Aufgabe, die Pulsation des Gleichstromausgangs des Umrichters 101 zu unterdrücken und die vom Wechselrichter 102 zur Erzeugung von Wechselstrom verwendete Gleichstromleistung zu speichern. Beispiele für den Kondensator 103 sind ein Elektrolytkondensator und ein Folienkondensator.
Der Wechselrichter 102 ist über den Kondensator 103 mit der Gleichstrom-Ausgangsseite des Umrichters 101 verbunden, wandelt eine Gleichspannung an der Gleichstrom-Ausgangsseite des Umrichters 101 in eine Wechselspannung zum Antrieb des Motors 3 um und gibt diese Wechselspannung an der Wechselstrom-Ausgangsseite des Wechselrichters 102 ab. Der Wechselrichter 102 enthält eine Brückenschaltung aus einem Schaltelement und einer dazu antiparallel (invers-parallel) geschalteten Diode. Der Wechselrichter 102 enthält eine dreiphasige Brückenschaltung für den Fall, dass der Motor 3 ein Dreiphasen-Wechselstrommotor ist, und eine einphasige Brückenschaltung für den Fall, dass der Motor 3 ein Einphasen-Wechselstrommotor ist. In dem in 1 dargestellten Beispiel enthält der Wechselrichter 102 eine dreiphasige Brückenschaltung, da der Motor 3 ein Dreiphasen-Wechselstrommotor ist. Der Leistungsumwandlungsbetrieb des Wechselrichters 102 wird z. B. durch eine PWM-Schaltsteuerung gesteuert. Das heißt, der Wechselrichter 102 empfängt einen PWM-Schaltbefehl von der Host-Steuerung (nicht dargestellt), wandelt eine Gleichspannung im Gleichstrom-Zwischenkreis in eine Wechselspannung zum Antrieb des Motors 3 um und gibt die Wechselspannung an den Motor 3 aus, und wandelt während der Motorregeneration eine vom Motor 3 regenerierte Wechselspannung in eine Gleichspannung um und gibt die Gleichspannung an den Gleichstrom-Zwischenkreis aus.
Ähnlich wie bei einer allgemeinen Motorantriebsvorrichtung wird der Leistungsumwandlungsbetrieb des Wechselrichters 102 durch den Host-Controller (nicht dargestellt) gesteuert. Insbesondere erzeugt der Host-Controller einen Schaltbefehl zur Steuerung der Drehzahl und des Drehmoments des Motors 3 oder der Position eines Rotors auf der Grundlage der Drehzahl (Drehzahlrückführung) des Motors 3, des Stroms (Stromrückführung), der durch die Wicklung des Motors 3 fließt, eines vorbestimmten Drehmomentbefehls, eines Betriebsprogramms des Motors 3 und dergleichen. Der Leistungsumwandlungsbetrieb des Wechselrichters 102 wird auf der Grundlage des vom Host-Controller erzeugten PWM-Schaltbefehls gesteuert.
Die Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms 1 ist zwischen der Gleichstrom-Ausgangsseite des Umrichters 101 und dem Kondensator 103 oder auf der Wechselstrom-Eingangsseite des Umrichters 101 vorgesehen, um einen Einschaltstrom zu unterdrücken, der auftreten kann, wenn der Kondensator 103 vorgeladen (anfänglich aufgeladen) wird, bevor die Motorantriebsvorrichtung 1000 den Antrieb des Motors 3 beginnt. In dem in 1 dargestellten Beispiel ist die Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms 1 zwischen der Gleichstromausgangsseite des Umrichters 101 und dem Kondensator 103 vorgesehen. Genauer gesagt ist die Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms 1 in dem in 1 dargestellten Beispiel zwischen einem gleichstromseitigen positiven Elektrodenanschluss des Umrichters 101 und einem positiven Elektrodenanschluss des Kondensators 103 vorgesehen. Alternativ kann die Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms 1 zwischen einem gleichstromseitigen negativen Elektrodenanschluss des Umrichters 101 und einem negativen Elektrodenanschluss des Kondensators 103 vorgesehen sein.
Die Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms (1) umfasst einen Widerstand (11), einen Schalter (12), eine Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle (13) und eine Schaltersteuereinheit (14).
In dem in 1 dargestellten Beispiel ist der Widerstand 11 in der Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms 1 zwischen dem gleichstromseitigen positiven Elektrodenanschluss des Umrichters 101 und dem positiven Elektrodenanschluss des Kondensators 103 vorgesehen. Es ist zu beachten, dass der Widerstand 11 zwischen dem gleichstromseitigen negativen Elektrodenanschluss des Umrichters 101 und dem negativen Elektrodenanschluss des Kondensators 103 vorgesehen ist, auch wenn er hier nicht dargestellt ist, wenn die Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms 1 zwischen dem gleichstromseitigen negativen Elektrodenanschluss des Umrichters 101 und dem negativen Elektrodenanschluss des Kondensators 103 vorgesehen ist.
Der Schalter 12 ist parallel zu dem Widerstand 11 geschaltet. Der Schalter 12 wird selektiv zwischen dem offenen Zustand, in dem der bewegliche Kontakt und der feste Kontakt geöffnet sind (OFF), und dem geschlossenen Zustand, in dem der bewegliche Kontakt und der feste Kontakt geschlossen sind (ON), unter der Steuerung der Schaltersteuereinheit 14 geschaltet. Beispiele für den Schalter 12 sind ein Halbleiterschaltelement wie ein Thyristor und ein IGBT sowie ein mechanischer Schalter wie ein Relais. Wenn sich der Schalter 12 im offenen Zustand befindet, wird ein elektrischer Pfad gebildet, der vom Umrichter 101 über den Widerstand 11 zum Kondensator 103 und zum Wechselrichter 102 führt. Wenn sich der Schalter 12 im geschlossenen Zustand befindet, wird ein Kurzschluss nicht über den Widerstand 11 gebildet, d. h. der Umrichter 101 ist direkt mit dem Kondensator 103 und dem Wechselrichter 102 verbunden, nicht über den Widerstand 11. Bevor die Motorantriebsvorrichtung 1000 eingeschaltet wird, befindet sich der Schalter 12 im offenen Zustand. Während der Vorladezeit des Kondensators 103 wird der Schalter 12 im offenen Zustand gehalten, der vom Umrichter 101 abgegebene Strom fließt als Ladestrom über den Widerstand 11 in den Kondensator 103, und der Kondensator 103 wird geladen (vorgeladen). Während der Vorladezeit des Kondensators 103 fließt der vom Umrichter 101 ausgegebene Strom durch den Widerstand 11, so dass das Auftreten eines Einschaltstroms verhindert werden kann. Danach wird, wie später beschrieben, unter der Steuerung der Schaltersteuereinheit 14 der Schalter 12 vom offenen Zustand in den geschlossenen Zustand geschaltet, und das Vorladen des Kondensators 103 wird abgeschlossen. Nach Abschluss des Vorladens des Kondensators 103 fließt der Gleichstromausgang des Umrichters 101 durch den Schalter 12 im geschlossenen Zustand zum Wechselrichter 102 und zum Kondensator 103 und wird in einen Zustand versetzt, in dem der Motor 3 angetrieben werden kann.
Die Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13 erkennt, ob eine Spannung einer Wechselstromquelle in den Umrichter 101 eingespeist wird oder nicht. Die Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13 umfasst einen Optokoppler mit einem lichtemittierenden Element 31 und einem lichtempfangenden Element 32. Das lichtemittierende Element 31 ist über einen Widerstand 33 zwischen den Phasen jeder an die Wechselstrom-Eingangsseite des Umrichters 101 angeschlossenen Phasenleitung (zwischen den Leitungen der Phasenleitungen) in Reihe geschaltet. Beispiele für das lichtemittierende Element 31 sind Leuchtdioden (LED). In dem in 1 dargestellten Beispiel ist ein Signaleingangsanschluss des lichtemittierenden Elements 31 zwischen beliebigen Phasen (zwischen Leitungen) angeschlossen, z. B. zwischen einer R-Phase und einer S-Phase, der S-Phase und einer T-Phase sowie der T-Phase und der R-Phase. Ein Signalausgangsanschluss des Lichtempfangselements 32 ist mit der Schaltersteuereinheit 14 verbunden. Wenn das Lichtempfangselement 32 von dem lichtemittierenden Element 31 emittiertes Licht empfängt, gibt es an die Schaltersteuereinheit 14 ein Signal aus, das anzeigt, dass die Spannung der Wechselstromquelle in den Umrichter 101 eingespeist wird. Beispiele für das Lichtempfangselement 32 sind ein Fototransistor, ein Foto-IC, ein Fotothyristor und eine Fotodiode.
Bevor die Motorantriebsvorrichtung 1000 eingeschaltet wird, da sich der Kontakt des elektromagnetischen Schützes 104 im offenen Zustand befindet, tritt keine Potentialdifferenz zwischen den Phasen jeder Phasenstromleitung auf, die mit der Wechselstrom-Eingangsseite des Umrichters 101 verbunden ist, und daher emittiert das lichtemittierende Element 31 kein Licht, wodurch es keinen Signalausgang vom Lichtempfangselement 32 gibt. Wenn das elektromagnetische Schütz 104 von dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand geschaltet wird und die Motorantriebsvorrichtung 1000 eingeschaltet wird, da eine Potentialdifferenz zwischen den Phasen jeder Phasenstromleitung auftritt, die mit der Wechselstromeingangsseite des Umrichters 101 verbunden ist, emittiert das lichtemittierende Element 31 Licht, und das Lichtempfangselement 32 empfängt dieses Licht und gibt ein Signal aus. Auf diese Weise detektiert die Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13, dass „ein Eingang der Wechselstromquellen-Spannung in den Umrichter 101 vorliegt“, basierend auf dem „Umschalten von einem Zustand, in dem es keinen Signalausgang gibt, zu einem Zustand, in dem es einen Signalausgang vom Lichtempfangselement 32 gibt“. Das Erkennungsergebnis der Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13 wird an die Schaltersteuereinheit 14 gesendet.
In dem in 1 dargestellten Beispiel umfasst das lichtemittierende Element 31 zwei Leuchtdioden, die antiparallel (umgekehrt parallel) zueinander geschaltet sind, wobei die Leitungsrichtungen entgegengesetzt sind. Selbst wenn ein Blitzschlag oder ähnliches auftritt und eine Überspannung (übermäßige Potentialdifferenz) zwischen den Phasen jeder an die Wechselstrom-Eingangsseite des Umrichters 101 angeschlossenen Phasenleitung auftritt, wird nur eine Spannung von etwa einer Durchlassspannung an eine der beiden Leuchtdioden angelegt, und daher werden die Leuchtdioden nicht zerstört. Infolgedessen fällt die Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms 1, die die Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13, nicht aus und hat eine lange Lebensdauer.
Die Schaltersteuerungseinheit 14 schaltet den Schalter 12 aus dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand, nachdem eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, seit die Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13 den Eingang der Wechselstromquellen-Spannung in den Umrichter 101 erfasst hat. Aus diesem Grund enthält die Schaltersteuereinheit 14 einen Zeit-Taktgeber 21, der ab dem Zeitpunkt zu takten beginnt, an dem die Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13 den Eingang der Wechselstromquellen-Spannung in den Umrichter erfasst. Wenn die vom Zeit-Taktgeber 21 getaktete Zeit die vorgegebene Zeit erreicht, schaltet die Schaltersteuereinheit 14 den Schalter 12 vom offenen in den geschlossenen Zustand.
Die „vorbestimmte Zeit“, die für die Taktung durch den Zeit-Taktgeber 21 in der Schaltersteuereinheit 14 verwendet wird, muss im Voraus vor dem eigentlichen Betrieb der Motorantriebsvorrichtung 1000 erfasst werden. Die „vorbestimmte Zeit“ wird beispielsweise auf eine Zeit festgelegt, die vom Umschalten des elektromagnetischen Schützes 104 vom offenen Zustand in den geschlossenen Zustand bis zum Abschluss des Vorladens des Kondensators 103 über den Widerstand 11 erforderlich ist. Die Spannung zum Zeitpunkt des Abschlusses des Vorladens des Kondensators 103 wird auf einen Wert eingestellt, der beispielsweise um einen vorbestimmten Auslegungswert niedriger ist als der Spannungsspitzenwert der Wechselstromquelle. Die „vorbestimmte Zeit“ kann beispielsweise durch vorherige Berechnung nach physikalischen Gesetzen wie dem Ohm'schen Gesetz und dem Kirchhoff'schen Gesetz unter Verwendung verschiedener Parameter wie dem Spannungswert der Wechselstromquelle 2, dem Widerstandswert des Widerstands 11, den Verlusten des Kondensators 103 und des Umrichters 101 sowie dem Widerstandswert und der Induktivität jeder Stromleitung ermittelt werden. Alternativ kann die „vorbestimmte Zeit“ durch den Betrieb der Motorantriebsvorrichtung 1000 in einem Experiment ermittelt (gemessen) werden, oder die „vorbestimmte Zeit“ kann auf der Grundlage eines Simulationsergebnisses durch einen Computer ermittelt werden. Die ermittelte „vorbestimmte Zeit“ wird in einem Softwareprogramm zum Aufbau des Zeit-Taktgebers 21 in der Schaltersteuereinheit 14 definiert. Alternativ kann der Wert der „vorbestimmten Zeit“ z. B. in einem Speicher (nicht dargestellt) in der Schaltersteuereinheit 14 gespeichert werden, und der Zeit-Taktgeber 21 kann veranlasst werden, diese gespeicherte „vorbestimmte Zeit“ zu lesen, um die Zeit zu messen. Bei dem Speicher handelt es sich beispielsweise um einen elektrisch löschbaren/ beschreibbaren nichtflüchtigen Speicher wie EEPROM (eingetragenes Warenzeichen) oder um einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff, der mit hoher Geschwindigkeit gelesen und geschrieben werden kann, wie DRAM oder SRAM. Es sollte beachtet werden, dass, wenn die Speicherung durch einen wiederbeschreibbaren Speicher erreicht wird, der Wert nach Bedarf auf einen geeigneten Wert geändert werden kann, auch nachdem die „vorbestimmte Zeit“ eingestellt wurde.
Die Schaltersteuereinheit 14 und der Host-Controller (nicht dargestellt) können eine Kombination aus einer analogen Schaltung und einer arithmetischen Verarbeitungsvorrichtung enthalten, können nur eine arithmetische Verarbeitungsvorrichtung enthalten oder können nur eine analoge Schaltung enthalten. Zum Beispiel können in einem Fall, in dem die Schaltersteuereinheit 14 und der Host-Controller in einem Softwareprogrammformat aufgebaut sind, die Funktionen der Schaltersteuereinheit 14 und des Host-Controllers dadurch erreicht werden, dass die arithmetische Verarbeitungsvorrichtung veranlasst wird, gemäß diesem Softwareprogramm zu arbeiten. Alternativ können die Schaltersteuereinheit 14 und der Host-Controller als integrierter Halbleiterschaltkreis realisiert werden, in den ein Softwareprogramm zum Erreichen der Funktion jeder Einheit geschrieben wird. Alternativ können die Schaltersteuereinheit 14 und der Host-Controller als ein Aufzeichnungsmedium ausgeführt sein, in das ein Softwareprogramm zum Erreichen der Funktion jeder Einheit geschrieben ist. Beispielsweise kann in einem Fall, in dem der Umrichter 101 einen Gleichrichter des 120-Grad-Leitungs-Typs oder einen Gleichrichter des PWM-Schaltsteuerungs-Typs enthält, die Schaltersteuereinheit 14 in einer Steuervorrichtung vorgesehen sein, die so konfiguriert ist, dass sie den Leistungsumwandlungsbetrieb des Umrichters 101 steuert. Alternativ kann die Schaltersteuereinheit 14 z. B. in einer numerischen Steuereinrichtung einer Werkzeugmaschine oder in einer Robotersteuerung, die einen Roboter steuert, vorgesehen sein.
Das lichtemittierende Element 31 im Optokoppler in der in 1 dargestellten Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13 umfasst zwei antiparallel geschaltete Leuchtdioden. In diesem modifizierten Beispiel kann die Konfiguration des lichtemittierenden Elements 31 weiter vereinfacht werden. 2 ist eine Ansicht, die ein modifiziertes Beispiel der Spannungserfassungseinheit der Wechselstromquelle in der Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms, dem Umrichtersystem und der Motorantriebsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Wie in 2 dargestellt, enthält das lichtemittierende Element 31 eine Leuchtdiode, und eine nicht-lichtemittierende Diode 34 ist parallel geschaltet, wobei die Leitungsrichtung entgegengesetzt zu dem lichtemittierenden Element 31 (Leuchtdiode) ist. Das in 2 dargestellte Beispiel hat den Vorteil, dass die Leuchtdiode durch die nicht-lichtemittierende Diode 34 ersetzt werden kann, was im Vergleich zu dem in 1 dargestellten Beispiel kostengünstig ist. Andererseits hat das in 1 dargestellte Beispiel den Vorteil, dass die Erfassungsverzögerung der Wechselstromquellenspannung im Vergleich zu dem in 2 dargestellten Beispiel gering ist. Da andere Schaltungskomponenten den in 1 dargestellten Schaltungskomponenten ähnlich sind, werden die gleichen Schaltungskomponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und detaillierte Beschreibungen der Schaltungskomponenten werden weggelassen.
3 ist eine Ansicht, die einen Fall illustriert, in dem ein Widerstand und ein Schalter in der Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auf der Wechselstromeingangsseite des Umrichters vorgesehen sind. Das in 3 dargestellte Beispiel zeigt einen Fall, in dem ein Satz, der den Widerstand 11 und den Schalter 12 in der Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms 1 enthält, auf einer Stromleitung für zwei Phasen der drei Phasen auf der Wechselstromeingangsseite des Umrichters 101 vorgesehen ist. In dem in 3 dargestellten Beispiel ist das lichtemittierende Element 31 in der Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13 zwischen den Phasen (zwischen den Leitungen) der Stromleitung für zwei Phasen vorgesehen, die mit dem Satz einschließlich des Widerstands 11 und des Schalters 12 versehen sind. In diesem abgewandelten Beispiel kann das lichtemittierende Element 31 des Optokopplers in der Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13 zwischen den Phasen (zwischen Leitungen) einer Stromleitung für eine Phase, die mit dem Satz aus dem Widerstand 11 und dem Schalter 12 versehen ist, und einer Stromleitung für eine Phase, die nicht mit dem Satz aus dem Widerstand 11 und dem Schalter 12 versehen ist, vorgesehen sein. Der Satz aus dem Widerstand 11 und dem Schalter 12 kann an allen dreiphasigen Stromleitungen auf der Wechselstrom-Eingangsseite des Umrichters 101 vorgesehen werden. Da andere Schaltungskomponenten den in 1 dargestellten Schaltungskomponenten ähnlich sind, werden die gleichen Schaltungskomponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und detaillierte Beschreibungen der Schaltungskomponenten werden weggelassen.
4 ist eine Ansicht, die einen Fall zeigt, in dem ein Optokoppler in der Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung an allen dreiphasigen Stromleitungen vorgesehen ist, die mit der Wechselstromeingangsseite des Umrichters verbunden sind. Wie in 4 dargestellt, sind in einem Fall, in dem die Optokoppler in der Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13 an allen an die Wechselstromeingangsseite des Umrichters angeschlossenen dreiphasigen Stromleitungen vorgesehen sind, zwei Optokoppler erforderlich. Durch Berechnung einer logischen Summe der Signale, die von den Lichtempfangselementen 32 der beiden Optokoppler ausgegeben werden, kann die Schaltersteuereinheit 14 erkennen, dass „die Wechselstromquellenspannung in den Umrichter 101 eingespeist wird“, wenn ein Signal von einem der beiden Lichtempfangselemente 32 ausgegeben wird. Daher hat das in 4 dargestellte Beispiel der zwei Optokoppler den Vorteil, dass die Erfassungsverzögerung im Vergleich zu dem in 1 dargestellten Beispiel des einen Optokopplers gering ist. Das in 4 dargestellte Beispiel mit den zwei Optokopplern hat den Vorteil, dass selbst bei einer offenen Phase, in der eine Phase der drei Phasen der Wechselstromquelle 2 ausfällt, der an die Stromleitung der verbleibenden normalen Zweiphasen angeschlossene Optokoppler erkennen kann, dass „ein Eingang der Wechselstromquellenspannung in den Umrichter 101 vorhanden ist“. In dem in 4 dargestellten Beispiel ist der Satz mit dem Widerstand 11 und dem Schalter 12 in der Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms 1 auf der Gleichstrom-Ausgangsseite des Stromrichters 101 vorgesehen, kann aber auch auf einer dreiphasigen Stromleitung oder einer zweiphasigen Stromleitung auf der Wechselstrom-Eingangsseite vorgesehen sein. Da andere Schaltungskomponenten den in 1 dargestellten Schaltungskomponenten ähnlich sind, werden die gleichen Schaltungskomponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und detaillierte Beschreibungen der Schaltungskomponenten werden weggelassen.
5 ist ein Flussdiagramm, das den Betriebsablauf der Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
Bevor die Motorantriebsvorrichtung 1000 eingeschaltet wird, befindet sich der Kontakt des elektromagnetischen Schützes 104 im offenen Zustand, und der Kondensator 103 ist nicht geladen. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Schalter 12 im offenen Zustand (Schritt S201).
In Schritt S202 erkennt die Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13, ob die Wechselstromquellenspannung in den Umrichter 101 eingespeist wird oder nicht. Wenn das elektromagnetische Schütz 104 vom offenen Zustand in den geschlossenen Zustand geschaltet und die Motorantriebsvorrichtung 1000 eingeschaltet wird, wird das Vorladen des Kondensators 103 gestartet. Während der Vorladezeit des Kondensators 103 wird der Schalter 12 im offenen Zustand gehalten, der vom Umrichter 101 ausgegebene Strom fließt als Ladestrom über den Widerstand 11 in den Kondensator 103. Während der Vorladezeit des Kondensators 103 fließt der vom Umrichter 101 abgegebene Strom durch den Widerstand 11, so dass das Auftreten eines Einschaltstroms verhindert werden kann. Wenn das elektromagnetische Schütz 104 aus dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand geschaltet wird, tritt eine Spannung zwischen den Phasen jeder Phasenleitung auf, die mit der Wechselstrom-Eingangsseite des Umrichters 101 verbunden ist, und somit strahlt das lichtemittierende Element 31 Licht aus, und das lichtempfangende Element 32 empfängt dieses Licht und gibt ein Signal aus. Beim Erfassen des „Umschaltens von einem Zustand, in dem kein Signal ausgegeben wird, zu einem Zustand, in dem ein Signal vom Lichtempfangselement 32 ausgegeben wird“, bestimmt die Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13, dass eine Eingabe der Wechselstromquellen-Spannung in den Umrichter 101 erfasst wird, und das Verfahren fährt mit Schritt S203 fort. Das Erfassungsergebnis der Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13 wird an die Schaltersteuereinheit 14 gesendet.
In Schritt S203 beginnt der Zeit-Taktgeber 21 in der Schaltersteuereinheit 14 ab dem Zeitpunkt zu takten, zu dem die Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13 die Eingabe der Wechselstromquellen-Spannung in den Umrichter erfasst (Schritt S202).
In Schritt S204 bestimmt die Schaltersteuereinheit 14, ob die vom Zeit-Taktgeber 21 getaktete Zeit die vorgegebene Zeit erreicht oder nicht. Wie oben beschrieben, ist die „vorbestimmte Zeit“ ein Wert, der im Voraus vor dem tatsächlichen Betrieb der Motorantriebsvorrichtung 1000 erfasst wird, und wird beispielsweise auf eine Zeit eingestellt, die von dem Zeitpunkt, an dem das elektromagnetische Schütz 104 von dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand geschaltet wird, bis zu dem Zeitpunkt, an dem das Vorladen des Kondensators 103 über den Widerstand 11 abgeschlossen ist, erforderlich ist. Wenn in Schritt S204 festgestellt wird, dass die von dem Zeit-Taktgeber 21 getaktete Zeit die vorgegebene Zeit erreicht, wird mit Schritt S205 fortgefahren.
Im Schritt S205 schaltet die Schaltersteuereinheit 14 den Schalter 12 vom offenen in den geschlossenen Zustand. Dadurch wird die Vorladung des Kondensators 103 abgeschlossen. Nach Abschluss des Vorladens des Kondensators 103 fließt der Gleichstromausgang des Umrichters 101 durch den Schalter 12 im geschlossenen Zustand zum Wechselrichter 102 und zum Kondensator 103 und wird in einen Zustand versetzt, in dem der Motor 3 angetrieben werden kann.
Wie oben beschrieben, ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung der Zeit-Taktgeber 21 vorgesehen, der ab dem Zeitpunkt zu takten beginnt, zu dem die Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13 die Eingabe der Wechselstromquellen-Spannung in den Umrichter 101 erfasst, und wenn die vom Zeit-Taktgeber 21 getaktete Zeit die vorbestimmte Zeit erreicht, wird der Schalter 12 vom offenen Zustand in den geschlossenen Zustand geschaltet, um das Vorladen des Kondensators 103 abzuschließen.
6 ist eine Ansicht, die eine herkömmliche Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms zeigt, in der auf der Grundlage eines Vergleichsergebnisses zwischen einem Wechselstrom-Spannungsspitzenwert und einer Zwischenkreisspannung bestimmt wird, ob das Vorladen eines Kondensators abgeschlossen werden soll oder nicht. Eine konventionelle Motorantriebsvorrichtung 5000, die in 6 dargestellte herkömmliche Motorantriebsvorrichtung 5000 umfasst einen Umrichter 501, der eine von der Wechselstromquelle 2 über ein elektromagnetisches Schütz 504 gelieferte Wechselstromquellenspannung in eine Gleichspannung umwandelt, einen Wechselrichter 502, der eine Gleichspannung in eine Wechselspannung zum Antreiben des Motors 3 umwandelt, einen Kondensator 503, der zwischen einer Gleichstromausgangsseite des Umrichters 501 und einer Gleichstromeingangsseite des Wechselrichters 502 vorgesehen ist, einen Widerstand 511, einen parallel zu dem Widerstand 511 geschalteten Schalter 512 und eine Schaltersteuereinheit 514, die den Schalter 512 steuert. Im Stand der Technik ist es, wenn bestimmt wird, ob das Vorladen des Kondensators 503 auf der Grundlage eines Vergleichsergebnisses zwischen einem Wechselstrom-Spannungsspitzenwert und einer Gleichstrom-Zwischenkreisspannung abgeschlossen werden soll oder nicht, notwendig, eine Einheit zur Erfassung eines Spannungsspitzenwerts einer Wechselstromquelle 513, eine Einheit zur Erfassung einer Gleichstrom-Zwischenkreisspannung 515 und eine Vergleichseinheit 521 bereitzustellen, die so konfiguriert ist, dass sie den Spannungsspitzenwert des Wechselstroms und die Gleichstrom-Zwischenkreisspannung vergleicht, was die Schaltung kompliziert macht. Obwohl die Einheit zur Erfassung eines Spannungsspitzenwerts einer Wechselstromquelle 513 den Spannungsspitzenwert der Wechselstromquelle unter Verwendung einer Diode erfasst, besteht die Möglichkeit, dass die Diode zerstört wird, wenn ein Blitzstoß aufgrund eines Blitzeinschlags auftritt.
Andererseits ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wie sie unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben, ist der Zeit-Taktgeber 21 vorgesehen, der ab dem Zeitpunkt zu takten beginnt, zu dem die Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13 die Eingabe der Wechselstromquellen-Spannung in den Umrichter 101 erfasst, und wenn die vom Zeit-Taktgeber 21 getaktete Zeit die vorbestimmte Zeit erreicht, wird der Schalter 12 vom offenen Zustand in den geschlossenen Zustand geschaltet, um das Vorladen des Kondensators 103 abzuschließen. Somit ist es nicht notwendig, eine Schaltung vorzusehen, die so konfiguriert ist, dass sie jeden der Spannungsspitzenwerte der Wechselstromquelle und der Zwischenkreisspannung erfasst, und eine Schaltung, die den Spannungsspitzenwert der Wechselstromquelle und die Zwischenkreisspannung vergleicht, was den Aufbau vereinfacht und die Kosten senkt. Im Falle der Ausführungsform der 1, 3 und 4 wird, selbst wenn ein Blitzschlag oder ähnliches auftritt und eine Überspannung zwischen den Phasen jeder Phasenleitung auftritt, die mit der Wechselstrom-Eingangsseite des Umrichters 101 verbunden ist, nur eine Spannung von etwa einer Durchlassspannung an eine der beiden Leuchtdioden in der Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13 angelegt, und somit werden die Leuchtdioden nicht zerstört. Infolgedessen fällt die Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms 1, die die Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13 enthält, nicht aus und hat eine lange Lebensdauer. In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird, selbst wenn eine Sicherheitssequenz für die Motorantriebsvorrichtung 1000 während einer Reihe von Vorgängen gesetzt wird, und zwar von dem Zeitpunkt an, an dem die Steuereinheit des Umrichters 101 den Beginn des Vorladens befiehlt, bis zu dem Zeitpunkt, an dem das elektromagnetische Schütz 104 tatsächlich von AUS auf EIN geschaltet wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, da der Schalter 12 vom offenen Zustand in den geschlossenen Zustand geschaltet wird, um das Vorladen des Kondensators 103 abzuschließen, wenn die vorbestimmte Zeit ab dem Zeitpunkt verstrichen ist, zu dem die Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13 den Eingang der Wechselstromquellen-Spannung in den Umrichter 101 erfasst, gibt es keinen Einfluss auf die Sicherheitssequenz.
7 ist eine Ansicht, die eine herkömmliche Motorantriebsvorrichtung veranschaulicht, bei der die Tatsache, dass die Motorantriebsvorrichtung eingeschaltet ist, erkannt wird, wenn ein Hilfskontakt eines elektromagnetischen Schützes, das auf einer Wechselstromeingangsseite eines Umrichters vorgesehen ist, eingeschaltet wird. In einem Fall, in dem die Motorantriebsvorrichtung 5000 so konfiguriert ist, dass sie erkennt, dass die Motorantriebsvorrichtung 5000 eingeschaltet ist, wenn ein Hilfskontakt 516 des elektromagnetischen Schützes 505, das auf der Wechselstrom-Eingangsseite des Umrichters 501 vorgesehen ist, eingeschaltet wird, und um das Vorladen des Kondensators 503 zu diesem Erkennungszeitpunkt zu starten, ist es notwendig, eine Schaltung und Verdrahtung bereitzustellen, die so konfiguriert ist, dass sie erkennt, dass der Hilfskontakt 516 eines elektromagnetischen Schützes 505 eingeschaltet ist, was den Arbeitsaufwand des Bedieners für die Konstruktion und Einstellung der Motorantriebsvorrichtung 5000 erhöht.
Andererseits kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wie sie unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, da die Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle 13, die so konfiguriert ist, dass sie erkennt, dass die Motorantriebsvorrichtung 1000 eingeschaltet ist, nur durch Reihenschaltung des lichtemittierenden Elements 31 des Optokopplers zwischen den Phasen jeder an die Wechselstromeingangsseite des Umrichters 101 angeschlossenen Phasenstromleitung und durch Verbindung des lichtempfangenden Elements des Optokopplers mit der Schaltersteuereinheit 14 einfach aufgebaut werden kann, ist es möglich, eine Zunahme der vom Bediener für die Auslegung und Einstellung der Motorantriebsvorrichtung 1000 benötigten Arbeitsstunden zu vermeiden.
REFERENZZEICHENLISTE

1: SCHALTUNG ZUR UNTERDRÜCKUNG EINES EINSCHALTSTROMS
2: WECHSELSTROM-STROMQUELLE
3: MOTOR
11: WIDERSTAND
12: SCHALTER
13: EINHEIT ZUR ERFASSUNG DER SPANNUNG DER WECHSELSTROMQUELLE
14: SCHALTERSTEUERGERÄT
21: ZEIT-TAKTGEBER
31: LICHT EMITTIERENDES ELEMENT
32: LICHTEMPFANGSELEMENT
33: WIDERSTAND
34: DIODE
100: UMRICHTERSYSTEM
101: UMRICHTER
102: WECHSELRICHTER
103: KONDENSATOR
104: ELEKTROMAGNETISCHES SCHÜTZ
1000: MOTORANTRIEBSGERÄT

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2009232484 A [0008]
JP 2002252921 A [0008]

Claims

Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms, die so konfiguriert ist, dass sie einen Einschaltstrom während des Vorladens eines Kondensators unterdrückt, der parallel zu einer Gleichstrom-Ausgangsseite eines Umrichters geschaltet ist, der so konfiguriert ist, dass er eine Spannung einer Wechselstrom-Energiequelle in eine Gleichspannung umwandelt, wobei die Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms Folgendes umfasst: einen Widerstand, der zwischen der Gleichstromausgangsseite des Umrichters und dem Kondensator oder auf einer Wechselstromeingangsseite des Umrichters vorgesehen ist; einen Schalter, der parallel zu dem Widerstand geschaltet und so konfiguriert ist, dass er selektiv zwischen einem offenen Zustand, in dem ein elektrischer Pfad über den Widerstand gebildet wird, und einem geschlossenen Zustand, in dem ein Kurzschluss nicht über den Widerstand gebildet wird, umschaltet; eine Einheit zur Erfassung einer Spannung der Wechselstromquelle, die so konfiguriert ist, dass sie erfasst, ob die Spannung der Wechselstromquelle in den Umrichter eingespeist wird oder nicht; und eine Schaltersteuereinheit, die so konfiguriert ist, dass sie den Schalter von dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand schaltet, nachdem eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, seit die Einheit zur Erfassung einer Spannung der Wechselstromquelle die Eingabe der Wechselstromquellen-Spannung in den Umrichter erfasst.
Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms nach Anspruch 1, wobei die Schaltersteuereinheit einen Zeit-Taktgeber enthält, der so konfiguriert ist, dass er mit dem Takten von einem Zeitpunkt an beginnt, wenn die Einheit zur Erfassung der Spannung einer Wechselstromquelle die Eingabe der Spannung der Wechselstromquelle in den Umrichter erfasst, und die Schaltersteuereinheit den Schalter von dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand schaltet, wenn eine von dem Zeit-Taktgeber getaktete Zeit die vorbestimmte Zeit erreicht.
Die Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einheit zur Erfassung einer Spannung der Wechselstromquelle einen Fotokoppler mit einem lichtemittierenden Element, das in Reihe zwischen Phasen von Phasenstromleitungen geschaltet ist, die mit einer Wechselstromeingangsseite des Umrichters verbunden sind, und ein lichtempfangendes Element enthält, das mit der Schaltersteuereinheit verbunden ist, und wobei das Lichtempfangselement, wenn es von dem lichtemittierenden Element ausgestrahltes Licht empfängt, ein Signal an die Schaltersteuereinheit ausgibt, das anzeigt, dass die Spannung der Wechselstromquelle in den Umrichter eingespeist wird.
Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms nach Anspruch 3, wobei das lichtemittierende Element zwei antiparallel zueinander geschaltete Leuchtdioden umfasst.
Ein Umrichtersystem, das Folgendes umfasst: einen Umrichter, der so konfiguriert ist, dass er eine Wechselstromspannung in eine Gleichspannung umwandelt; und die Schaltung zur Unterdrückung eines Einschaltstroms nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die mit dem Umrichter verbunden ist.
Eine Motorantriebsvorrichtung, die Folgendes umfasst: das Umrichtersystem nach Anspruch 5; einen Kondensator, der parallel zu einer Gleichstrom-Ausgangsseite des Umrichters in dem Umrichtersystem geschaltet ist; und einen Wechselrichter, der über den Kondensator mit der Gleichstrom-Ausgangsseite des Umrichters verbunden ist und so konfiguriert ist, dass er eine Gleichspannung an der Gleichstrom-Ausgangsseite des Umrichters in eine Wechselspannung zum Antreiben eines Motors umwandelt und die Wechselspannung ausgibt.
Die Motorantriebsvorrichtung nach Anspruch 6, die ein elektromagnetisches Schütz umfasst, das so konfiguriert ist, dass es einen elektrischen Pfad zwischen einer Wechselstrom-Eingangsseite des Umrichters im Umrichtersystem und einer Wechselstrom-Stromquelle öffnet und schließt.