JP2004032854A - 交流−直流変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力事情による電源の不安定さに伴う、母線間電圧上昇の抑制による回生電力消費素子の劣化を防止することができる交流−直流変換装置を提供すること。
【解決手段】電圧上昇の検出によりＭＯＳＦＥＴ６による回生電力消費が所定時間Ｔだけ継続したことを検出し、該検出に基づいて抵抗Ｒ２による前記回生電力の消費を強制的に停止させる回生電力消費停止手段３１を設けた。又、回生電力消費停止手段３１が、タイマ部３１ｂにより上記回生電力消費が所定時間Ｔだけ継続したことを検出すると、その検出結果に基づき、フリーランモード切換部２１１がドライバ７に対してフリーラン指令信号を出力することによりモータＭをフリーランさせる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流入力を整流、平滑して直流出力を供給するものであって、直流出力側からの回生電力により発生する電圧の上昇を検出するための電圧上昇検出手段と、電圧上昇の検出により回生電力の放電を開始させるスイッチング手段と、回生電力を消費する回生電力消費素子とにより構成される回生電力放電回路を具備した交流−直流変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、交流電源からの交流入力を整流、平滑して直流出力に変換する交流−直流変換装置（ＡＣ−ＤＣコンバータ）の直流出力側端子をＤＣ−ＡＣ変換装置（以降ドライバ回路と称する）を介してモータに接続した繊維機械のモータ駆動システムにおいて減速停止が発生した場合、駆動しているモータの回転速度を急激に減速させることによりモータが回生運転状態となり、この回生運転によって発生した回生エネルギーがドライバ回路、コンバータの側に戻されるようになっている。そして、このエネルギーが回生電力となっている。これらの回生電力に対応するため、上記コンバータには、例えば、特開２００２−４４９５８号公報に開示されているような回生電力放電回路が具備されている。これは、直流出力側端子からの回生電力に伴う電圧上昇により、上記ドライバ回路を構成するスイッチング素子等に、耐圧を超えた電圧が印加されて素子が破損するのを防止するためのものであり、上記回生電力を放電して、コンバータの直流母線間電圧を所定値以下に保持するようになっている。
【０００３】
上記回生電力放電回路は、ＡＣ−ＤＣコンバータにおける直流母線間の電圧上昇（所定電圧以上の高電圧）を検出する電圧上昇検出手段であるＩＣ回路、該ＩＣ回路が電圧上昇を検出した時に作動するスイッチング手段、該スイッチング手段の作動により回生電力を消費する回生電力消費素子としての抵抗により構成されている。
【０００４】
回生電力が発生した場合は、上記コンバータの直流母線間の電圧が上昇するため、これをＩＣ回路が検出し、該検出に基づいてスイッチング手段をｏｎさせる。これにより、回生電力消費素子に電流が流れて回生電力を消費させ、母線間電圧の上昇を抑制し、ドライバ回路のスイッチング素子等を過電圧から保護するようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
電力事情の良好でない地域では、交流電源から供給される電力が不安定であるため、時に母線間電圧が異常に上昇し、上述したような、回生電力を消費させる必要のあるレベルに達することがある。このような母線間電圧の異常な上昇が頻繁に、しかも長時間にわたって発生すると、上記回生電力消費素子に電流が流れる頻度が増すこととなり、これが回生電力消費素子の劣化を早めることになり、該消費素子のメンテナスが必要になる。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、電力事情による電源の不安定さに伴う、母線間電圧上昇の抑制による回生電力消費素子の劣化を防止することができる交流−直流変換装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、駆動対象物を駆動するために、交流入力を整流、平滑して直流出力を供給するものであって、直流出力側からの回生電力により発生する電圧の上昇を検出するための電圧上昇検出手段と、電圧上昇の検出により回生電力の放電を開始させるスイッチング手段と、回生電力を消費する回生電力消費素子とにより構成される回生電力放電回路を具備した交流−直流変換装置において、前記スイッチング手段による回生電力消費が所定時間継続したことを検出し、該検出に基づいて前記回生電力の消費を強制的に停止させる回生電力消費停止手段を設けたことを設けたことを特徴としている。
【０００８】
請求項２記載の発明は、上記回生電力消費停止手段は、上記回生電力消費が所定時間継続したことを検出すると、スイッチング手段の動作を停止させるスイッチング手段強制遮断部を備えていることを特徴としている。
【０００９】
請求項３記載の発明は、上記回生電力消費手段は、前記スイッチング手段による回生電力消費が所定時間継続したことを検出するためのタイマ手段を設けたことを特徴としている。
【００１０】
請求項４記載の発明は、上記回生電力消費停止手段が、上記回生電力消費が所定時間継続したことを検出すると、駆動対象物をフリーランさせるフリーランモード切換部を設けたことを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の
実施の形態を図面を用いて説明するが、本発明の趣旨を越えない限り、何ら本実施の形態に限定されるものではない。
【００１２】
図１は、本発明実施形態のＡＣ−ＤＣコンバータ１、ドライバ回路７、モータＭを示す回路図であり、図２は、図１のＭＯＳＦＥＴ６のスイッチング特性を示す図である。
【００１３】
図１は、モータＭの駆動システムであって、例えば、上述した、複数の糸巻取ユニットが並設されている繊維機械の各ユニットのモータを単錘駆動する場合に用いられる。ＡＣ−ＤＣコンバータ１は、図１に示すように３相交流電源ＡＣにブレーカＢを介して接続されており、ＡＣ−ＤＣコンバータ１は、交流入力を整流する整流部Ｄ、突入電流抑制素子である抵抗Ｒ１、母線Ｐ上に配され、該抵抗Ｒ１に並列接続されたリレー接点Ｘ、整流された出力を平滑する平滑用素子としての電解コンデンサＣからなり、該電解コンデンサＣには上記整流部Ｄにより整流された波形が出力される直流ラインの母線Ｐ−母線Ｎ間に接続されている。又、ＡＣ−ＤＣコンバータ１は、１つの繊維機械の機台に１個設けられ、該コンバータ１から各巻取ユニット毎に１個ずつ備えられたドライバ回路７へ並列に接続された構成となっており、直流出力側でドライバ回路７を介して各ユニットの駆動モータＭに接続されている。
【００１４】
ＡＣ−ＤＣコンバータ１において、整流部Ｄは、ブリッジ型に接続された複数のダイオードを用い、３相交流電源から供給された交流波形を全波整流するようになっている。更に、平滑用電解コンデンサＣは、上記整流部Ｄにて整流された後の出力を平滑してリプルを低減する。このように、整流部Ｄ及び平滑用電解コンデンサＣにより、交流−直流変換を行うようになっている。
【００１５】
図１に示す駆動システムによって、ブレーカＢをｏｎにし、３相交流電源ＡＣから供給される交流電力を一旦ＡＣ−ＤＣコンバータ１で直流に変換し、該直流出力を母線Ｐ、Ｎを介してドライバ回路７にて直流−交流変換を行った後にモータＭに供給するようなっている。以上の変換を経て、一定の電源周波数を、モータＭの運転状況（モータＭの停止、正転、逆転等）に応じた周波数にしてモータＭに電力供給するようになっている。即ち、ドライバ回路７の出力周波数を調整することで、モータＭの回転速度を任意に変更できるようになっている。
【００１６】
ここで、直流ラインの母線Ｐ上のスイッチ接点Ｘは、３相交流電源ＡＣからの電力供給開始直後は開放状態にあり、電流がこのスイッチ接点Ｘと並列に接続された電流抑制素子（抵抗）Ｒ１を流れるようになっている。これは、ＡＣ−ＤＣコンバータ１の電力供給開始直後に発生する瞬時の突入電流（大電流）値を抵抗Ｒ１によって抑制し、突入電流による回路素子の破壊を防止するためである。
【００１７】
又、ＡＣ−ＤＣコンバータ１内には、回生電力消費停止手段３１を構成する、スイッチング手段遮断部としてのＦＥＴ強制遮断部３１ａ、後述するＭＯＳＦＥＴ６による回生電力消費が所定時間Ｔだけ継続したことを検出するためのタイマ部３１ｂ、ドライバ回路７にフリーラン指令信号を出力するフリーランモード切換部２１１、電圧判定部２１２、スイッチング信号出力部２１３を備えた中央処理装置（ＩＣ回路）２１、スイッチング手段としてのＭＯＳＦＥＴ６、回生電力消費素子としての抵抗Ｒ２、ダイオードＤ１が設けられ、これらが直流出力側からの回生電力を放電するための回生放電回路２（一点鎖線で囲んだ部分）を構成している。該放電回路２の中央処理装置２１は、直流出力側からの回生電力により発生する電圧の上昇を検出するための電圧上昇検出手段であって、中央処理装置２１は、回生電力の放電を開始させるスイッチング手段であるＭＯＳＦＥＴ６のゲートに接続されている。このＭＯＳＦＥＴ６のソース、ドレインは母線Ｎ、抵抗Ｒ２に各々接続されている。又、ダイオードＤ１は前記抵抗Ｒ２と並列に接続されており、母線Ｐ側がカソードとなっている。
【００１８】
更に、上記放電回路２では、母線Ｐ−母線Ｎ間に直列に抵抗（電流抑制素子）Ｒ３、Ｒ４が接続され、抵抗Ｒ３とＲ４との間から分岐して上記中央処理装置２１に接続されている。従って、抵抗Ｒ３、Ｒ４により母線Ｐ−母線Ｎ間の電圧を分圧し、この分圧された電圧を中央処理装置２１の電圧判定部２１２に取り込ませ、分圧された電圧を基にして母線Ｐ−母線Ｎ間の電圧を検出するようになっており、中央処理装置２１が電圧上昇検出手段となっている。これは、母線Ｐ−母線Ｎ間の電圧がそのまま印加されると、中央処理装置２１の容量を超える電圧が印加されて装置２１が破損するからである。
【００１９】
ここで、図１に示す駆動システムにおいて減速停止が発生した場合（図２の時間ｔ１）、回生電力を発生させる。このモータＭからの回生電力によって、図２の（ａ）に示すようにＡＣ−ＤＣコンバータ１の母線Ｐ−母線Ｎ間の電圧が上昇し、時間ｔ２及び時間ｔ４にて所定値Ｖｏｎに達すると、電圧判定部２１２の電圧上昇判定により、中央処理装置２１は、スイッチング信号出力部２１３を制御してＭＯＳＦＥＴ６のゲートに対して（スイッチング）起動信号を出力して、電圧を印加し、スイッチング（ターンｏｎ）制御を行うようになっている。これによって、ドレイン−ソース間の導通抵抗が低下する、即ちソース−ドレイン間の電圧が０〜数十ボルトになることから、ドレイン電流が流れて、図２の（ｂ）の時間ｔ２及びｔ４に示すように、ＭＯＳＦＥＴ６がスイッチングのｏｎ状態となる。これにより、抵抗Ｒ２に電流が流れて該抵抗Ｒ２から回生電力が放電されるようになっており、母線Ｐ−母線Ｎ間の電圧上昇を抑制し、回生電力によって母線Ｐ−母線Ｎ間の電圧がドライバ回路７のモータ駆動用トランジスタ（スイッチング素子）（図示せず）の耐圧を超えて、上記素子を破損に至らしめないようになっている。そして、前記回生電力放電がなされて母線Ｐ−母線Ｎ間の電圧がある値Ｖｏｆｆに達すると、時間ｔ３及びｔ５に示すように、スイッチングｏｆｆ（ターンｏｆｆ）制御がなされるようになっている。
【００２０】
ここで、上記ＭＯＳＦＥＴ６のスイッチングがｏｎされる時、抵抗Ｒ２付近における浮遊インダクタンスによりサージ電圧が発生し、該サージ電圧がＭＯＳＦＥＴ６の耐圧を超えるとＭＯＳＦＥＴ６が破損に至る可能性がある。そこで、上記サージ電圧に伴う電流をダイオードＤ１のアノードからカソードの方向に流すことにより、上記サージ電圧によるＭＯＳＦＥＴ６への影響を抑制するようになっている。
【００２１】
次に、図２に示すように、時間ｔ６にて、電源ＡＣから供給される電力の不安定さにより母線Ｐ−母線Ｎ間の電圧が異常に上昇し、回生電力を消費させる必要のあるレベルに達したとする。この時、先ず、上記減速停止が発生した時と同様に、時間ｔ７にて所定値Ｖｏｎに達すると、電圧判定部２１２の電圧上昇判定により、中央処理装置２１は、スイッチング信号出力部２１３を制御してＭＯＳＦＥＴ６のゲートに対して（スイッチング）起動信号を出力して、電圧を印加し、スイッチング（ターンｏｎ）制御を行い、母線Ｐ−母線Ｎ間の電圧上昇を抑制する。
【００２２】
ここで、上記母線Ｐ−母線Ｎ間の電圧が異常に上昇して所定値Ｖｏｎに達した時間ｔ７において、スイッチング出力部２１３のスイッチング起動信号により、ＭＯＳＦＥＴ６のスイッチング（ターンｏｎ）制御が開始され、抵抗Ｒ２による電力消費により母線Ｐ−母線Ｎ間の電圧上昇が抑制されると共に、タイマ部３１ｂが作動する。このタイマ部３１ｂの動作は減速停止が発生した後の時間ｔ１の場合も同様である。タイマ部３１ｂには、予め上記所定時間Ｔが設定されており、減速停止と電源ＡＣの不安定さによる母線Ｐ−母線Ｎ間の電圧上昇との識別をするために、所定時間Ｔは減速停止の継続時間に比べて充分長く設定されている。これにより、ＭＯＳＦＥＴ６のスイッチング（ターンｏｎ）制御が開始されてから母線Ｐ−母線Ｎ間の電圧の異常な上昇が所定時間Ｔだけ継続されたことを確実に検出できる。
【００２３】
ここで、上記電源ＡＣの不安定さによる母線Ｐ−母線Ｎ間の電圧の異常な上昇が所定時間Ｔ継続された時（時間ｔ８）、ＦＥＴ強制遮断部３１ａがスイッチング信号出力部２１３に対して、スイッチングｏｆｆ信号をＭＯＳＦＥＴ６に対して出力するための信号を出力し、該検出に基づいてＭＯＳＦＥＴ６はターンオフ制御され、抵抗Ｒ２による電力消費を強制的に停止させる。これにより、電源ＡＣの不安定さによる母線Ｐ−母線Ｎ間の電圧の異常な上昇が長時間継続されることにより、抵抗Ｒ２の劣化が早まることを防止し、抵抗Ｒ２のメンテナスの必要性を削減することができる。
【００２４】
上記時間ｔ８以降、ＭＯＳＦＥＴ６はターンオフ制御され、抵抗Ｒ２による電力消費を強制的に停止させることになるが、これにより、抵抗Ｒ２の電力消費による母線Ｐ−母線Ｎ間の電圧上昇の抑制が強制的に停止されることになる。そこで、抵抗Ｒ２による電力消費の停止により母線Ｐ−母線Ｎ間の電圧が再び上昇することを防止するために、回生電力消費停止手段３１が、タイマ部３１ｂにより上記回生電力消費が所定時間Ｔだけ継続したことを検出すると、その検出結果に基づき、フリーランモード切換部２１１がドライバ７に対してフリーラン指令信号を出力することによりモータＭをフリーランさせる。これにより、母線Ｐ−母線Ｎ間の電圧上昇の抑制停止後、モータＭからの回生電力による母線Ｐ−母線Ｎ間の電圧上昇を抑制しつつモータＭの駆動状態を停止させることができる。
【００２５】
上記時間Ｔに関して、この時間Ｔの設定値としては、抵抗Ｒ２の持つ容量により異なるが、時間ｔ１にて発生した回生電力の際のＭＯＳＦＥＴ６のオン時間より充分長く、且つ抵抗Ｒ２が回生電力により破損するレベルよりも充分短く設定することが好ましい。
【００２６】
尚、上記実施形態では、母線Ｐ−母線Ｎ間の電圧の異常な上昇が所定時間Ｔ継続された時、ＦＥＴ強制遮断部３１ａがＭＯＳＦＥＴ６に対してターンオフ制御するようにすることにより、抵抗Ｒ２による電力消費を強制的に停止させるための構成が容易になる。但し、これに限られるものではなく、ＭＯＳＦＥＴ６とは別に、母線Ｐ−母線Ｎ間の電圧の異常な上昇が所定時間Ｔ継続された時、抵抗Ｒ２による電力消費を強制的に停止させるためだけのスイッチング手段を設け、上記実施形態のＦＥＴ強制遮断部３１ａに相当するスイッチング手段強制遮断部を設けて、該遮断部の信号に基づいてスイッチング手段をｏｆｆ制御するように構成してもよい。
【００２７】
本発明実施形態の変形例として、図１のＭＯＳＦＥＴ６の代わりに、スイッチング手段として、ベース電流によってスイッチング動作を行い、コレクタ電流を流すバイポーラトランジスタや、ゲートへの電圧印加によってスイッチング動作を行い、コレクタ電流を流すＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を設けることによっても同様の効果を奏することができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されるので、以下のような効果を奏する。
【００２９】
請求項１記載の発明により、交流電源の不安定さによる母線間電圧の異常な上昇が長時間継続されることにより、回生電力消費素子の劣化が早まることを防止し、該素子のメンテナスの必要性を削減することができる。
【００３０】
請求項２記載の発明により、母線間の電圧の異常な上昇が所定時間だけ継続された時、回生電力消費素子による電力消費を強制的に停止させるための構成が容易になる。
【００３１】
請求項３記載の発明により、スイッチング手段のスイッチング（ターンｏｎ）制御が開始されてから母線間電圧の異常な上昇が所定時間だけ継続されたことを確実に検出できる。
【００３２】
請求項４記載の発明により、母線間電圧上昇の抑制停止後、駆動対象物からの回生電力による母線間電圧上昇を抑制しつつ駆動対象物の駆動状態を停止させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態のＡＣ−ＤＣコンバータ、ドライバ回路、モータを示す回路図である。
【図２】図１のＭＯＳＦＥＴのスイッチング特性を示す図である。
【符号の説明】
１　ＡＣ−ＤＣコンバータ
２　回生電力放電回路
６　ＭＯＳＦＥＴ
２１　中央処理装置
３１　回生電力消費停止手段
３１ａ　ＦＥＴ強制遮断部
３１ｂ　タイマ部
２１１　フリーランモード切換部
Ｒ２　抵抗（回生電力消費素子）

Claims (4)

1. 駆動対象物を駆動するために、交流入力を整流、平滑して直流出力を供給するものであって、直流出力側からの回生電力により発生する電圧の上昇を検出するための電圧上昇検出手段と、電圧上昇の検出により回生電力の放電を開始させるスイッチング手段と、回生電力を消費する回生電力消費素子とにより構成される回生電力放電回路を具備した交流−直流変換装置において、前記スイッチング手段による回生電力消費が所定時間継続したことを検出し、該検出に基づいて前記回生電力の消費を強制的に停止させる回生電力消費停止手段を設けたことを特徴とする交流−直流変換装置。
2. 上記回生電力消費停止手段は、上記回生電力消費が所定時間継続したことを検出すると、スイッチング手段の動作を停止させるスイッチング手段強制遮断部を備えた請求項１記載の交流−直流変換装置。
3. 上記回生電力消費手段は、前記スイッチング手段による回生電力消費が所定時間継続したことを検出するためのタイマ手段を設けた請求項１又は２記載の交流−直流変換装置。
4. 上記回生電力消費停止手段が、上記回生電力消費が所定時間継続したことを検出すると、駆動対象物をフリーランさせるフリーランモード切換部を設けた請求項１乃至３のうちいすれか一項に記載の交流−直流変換装置。

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