JP2005224031A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回生吸収可能なモータ駆動装置において、回生抵抗を確実に保護できるようにする。
【解決手段】 モータ駆動装置１０は、モータからの回生電力を吸収可能な装置であって、インバータ部１２と、回生抵抗１３と、第１半導体スイッチ素子１４と、第２半導体スイッチ素子１５と、電圧検知部２３と、システム制御部２０とを備えている。直流を用いてモータを速度可変に駆動する。回生抵抗は、インバータ部と並列接続され回生電力を吸収する。第１半導体スイッチ素子は、回生抵抗と直列接続された素子である。第２半導体スイッチ素子は、第１半導体スイッチ素子と直列接続された素子である。電圧検知部は、供給される直流の電圧の検出する。システム制御部は、電圧検知部の検出結果に応じて第１及び第２半導体スイッチ素子を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータ駆動装置、特に、電源への電力の回生が不能であり、電源から供給される直流を用いてモータを駆動するとともに、モータからの回生電力を吸収可能なモータ駆動装置に関する。

昇降機を駆動するモータのように、減速したりマイナス負荷で駆動したりして回生状態になるモータを駆動するモータ駆動装置において、モータからの回生電力による機器の損傷を防止するために、モータからの回生電力を吸収可能なものが従来知られている（特許文献１参照）。従来のモータ駆動装置は、交流を直流に変換する変換部と、制御信号に基づき直流を交流に変換するインバータ部（駆動部の一例）と、変換部とインバータ部との間に並列接続された回生抵抗と、回生抵抗に直列に接続された半導体スイッチ素子と、回生抵抗を保護する回生抵抗保護手段とを備えている。回生抵抗保護手段は、回生抵抗の両端の電圧を監視し、電位差が生じている期間Ｔｓだけ信号を出力する電圧監視部と、半導体スイッチ素子の短絡故障を検出する短絡故障検出回路と、短絡故障検出回路からの信号により回生抵抗への電流を遮断する電流遮断器とを備えている。短絡故障検出回路は、電圧監視部から得られる期間Ｔｓと、半導体スイッチ素子のオン時間Ｔｏｎとを比較して短絡故障を判断し、短絡故障と判断すると電源遮断器に短絡検出信号を出力する。これにより、電流遮断器が遮断して回生抵抗への電流が遮断される。

このように構成された従来のモータ駆動装置では、通常は、半導体スイッチ素子がオンオフ制御されて回生抵抗に電流を流す。そして、電圧監視部で監視される回生抵抗の両端で電位差が生じている期間Ｔｓがオン時間Ｔｏｎより長いと短絡検出回路が判断すると、短絡検出信号を電流遮断器に出力し、電流遮断器で回生抵抗への電流を遮断する。
特開平９−９６６０号公報

前記従来のモータ駆動装置では、接点を有する電流遮断器で回生抵抗への電流を遮断している。しかし、直流回路に接点を有する電流遮断器を用いると、接点が溶着して半導体スイッチが短絡故障したときに回生抵抗を確実に保護することができないおそれがある。

本発明の課題は、回生抵抗を確実に保護できるようにすることにある。

請求項１に係るモータ駆動装置は、電源への電力の回生が不能であり、電源から供給される直流を用いてモータを駆動するとともに、モータからの回生電力を吸収可能な装置であって、駆動部と、回生吸収回路と、電圧検出部と、制御部とを備えている。駆動部は、直流を用いてモータを速度可変に駆動する。回生吸収回路は、回生電力を吸収する回生抵抗、回生抵抗と直列接続された第１半導体スイッチ素子、及び第１半導体スイッチ素子と直列接続された第２半導体スイッチ素子を有し、駆動部と並列接続された回路である。電圧検出部は、駆動部の電圧を検出するものである。制御部は、電圧検出部の検出結果に応じて第１及び第２半導体スイッチ素子を制御するものである。

このモータ駆動装置では、モータが回生状態になると、回生電力が駆動部から回生吸収回路の回生抵抗に流れそこで熱に変換され吸収される。このとき、駆動部の電圧に応じて第１及び第２スイッチ素子の少なくともいずれかがオンオフ制御され吸収する回生電力を制御する。また、第１及び第２スイッチ素子のいずれかが短絡故障すると、短絡故障していない他方のスイッチ素子をオンオフすることにより回生抵抗で回生電力を吸収することができるとともに、他方のスイッチ素子をオフすることにより回生電力の吸収を止めることができる。ここでは、半導体スイッチ素子を直列に二つ設けたので、一方の半導体スイッチ素子が短絡故障しても他方の半導体スイッチ素子で回生抵抗に流れる電流を遮断できる。しかも、電流の遮断に接点を有するスイッチ素子を使用していないので、接点の溶着による不具合が生じなくなり、回生抵抗を確実に保護できるようになる。

請求項２に係るモータ駆動装置は、請求項１に記載のモータ駆動装置において、電源は交流電源であり、交流電源から供給される交流を直流に整流する変換部をさらに備え、回生吸収回路は、変換部と駆動部との間に並列接続される。この場合に、一般的な交流の商用電源を電源としてモータを駆動するモータ駆動装置に本発明を適用できる。

請求項３に係るモータ駆動装置は、請求項１又は２に記載の装置において、回生抵抗は、第１及び第２半導体スイッチ素子の間に配置されている。

請求項４に係るモータ駆動装置は、請求項１から３のいずれか１項に記載のモータ駆動装置において、電圧検出部は、回生吸収回路内の定点の電圧及び直流の電圧を検出し、第１及び第２半導体スイッチ素子のオンオフ状態と電圧検出部の検出結果とにより、第１及び第２半導体スイッチ素子の異常の有無を判断する異常判断部をさらに備える。この場合には、半導体スイッチ素子のオンオフ状態とそのときの電圧検出部の検出結果により、２つの半導体スイッチ素子の異常の有無を判断できるとともに、的確に検知できる。

請求項５に係るモータ駆動装置は、請求項４に記載の装置において、異常判断部は、モータが回転していないときの電圧検出部の検出電圧により異常の有無を判断する。この場合にはモータ駆動直前までに半導体スイッチ素子の異常の有無を判断できるので、モータ駆動装置のさらなる損傷を未然に防止できる。

請求項６に係るモータ駆動装置は、請求項４又は５に記載の装置において、異常判断部の判断結果を報知する異常報知部をさらに備える。この場合には、異常が生じると報知されるので、半導体スイッチ素子の異常を素早く認識できる。

本発明によれば、半導体スイッチ素子を直列に二つ設けたので、一方の半導体スイッチ素子が短絡故障しても他方の半導体スイッチ素子で回生抵抗に流れる電流を遮断できる。しかも、電流の遮断に接点を有するスイッチ素子を使用していないので、接点の溶着による不具合が生じなくなり、回生抵抗を確実に保護できるようになる。

図１は本発明の一実施形態によるモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。
本発明のモータ駆動装置１０は、たとえば昇降機の開閉に用いられるモータＭを駆動する。モータ駆動装置１０は、三相の商用交流電源ＰＳから供給される交流を直流に変換するコンバータ部（変換部の一例）１１と、コンバータ部１１と正負の直流母線Ｐ，Ｎで接続されたインバータ部（駆動部の一例）１２と、正負の直流母線Ｐ，Ｎ間でコンバータ部１１とインバータ部１２とに並列接続された回生吸収回路１３とを備えている。回生吸収回路１３は、回生電力を吸収する回生抵抗１４と、回生抵抗１４を挟んで回生抵抗１４に直列に接続された第１及び第２半導体スイッチ素子１５ａ，１５ｂとを備えている。

また、モータ駆動装置１０は、回生抵抗１４の発熱を検出する温度センサ（発熱検出部の一例）１６と、温度センサ１６の検出結果に応じて第１及び第２半導体スイッチ素子１５ａ，１５ｂを制御するシステム制御部２０と、温度センサ１６の検出温度により回生抵抗１４の温度異常を検知する温度異常検知部２１と、正負の直流母線Ｐ，Ｎ間のバス電圧Ｖ１及び回生抵抗１４と第２半導体スイッチ素子１５ｂとのノードの電圧Ｖ２を検出する電圧検知部２３と、電圧検知部２３からの電圧信号Ｖ１，Ｖ２により第１及び第２半導体スイッチ素子１５ａ，１５ｂのいずれかの短絡故障の有無を判断する素子異常検知部２２と、温度異常又は素子の短絡故障を報知する異常報知部２４とを備えている。

コンバータ部１１は、電源ＰＳから供給された三相の交流を全波整流するダイオードブリッジ回路３０と、全波整流された電圧を平滑化するコンデンサ３１とを有している。インバータ部１２は、供給された直流電圧を制御する速度に応じた周波数及び電圧に変換してモータＭをインバータ駆動する。

回生抵抗１４は、たとえば、５０Ω程度の抵抗であり、モータＭが、減速したりマイナス負荷で駆動したりして回生状態になると、モータＭから出力される回生電力を吸収して熱に変換するために設けられている。

第１及び２半導体スイッチ素子１５ａ，１５ｂは、回生状態のときに回生抵抗１４に電流を流すスイッチング素子であり、たとえばトランジスタやＭＯＳ−ＦＥＴやＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を用いている。ここでこの実施形態では、第２半導体スイッチ素子１５ｂは、回生状態のときに回生抵抗１４に電流を流すために設けられ、第１半導体スイッチ素子１５ａは、第２半導体スイッチ素子１５ｂが短絡故障したときに回生抵抗１４への電流を遮断するために主に使用される。ただし、第２半導体スイッチ素子１５ｂが短絡故障したときに一時的に回生抵抗１４に電流を流すために第１半導体スイッチ１５ａを使用することもできる。このスイッチ素子１５ａ，１５ｂのいずれかが短絡故障して回生抵抗１４に電流が流れ続けると、回生抵抗１４の異常な発熱を招き、回生抵抗１４が焼損するおそれがある。

そこで、本願発明では、回生抵抗１４の発熱を検出する温度センサ１６と電圧検知部２３とを設け、回生抵抗１４の温度異常及び第１及び第２半導体スイッチ素子１５ａ，１５ｂの短絡故障の有無を判断する。

温度センサ１６は、たとえば、サーミスタやサーモスタット等のセンサを用いており、回生抵抗１４の温度を検出可能である。

システム制御部２０は、たとえば、マイクロコンピュータを有しており、ソフトウェアにより各部を制御する。システム制御部２０は、第１及び第２半導体スイッチ素子１５ａ，１５ｂに接続され両半導体スイッチ素子１５ａ，１５ｂをオンオフ制御する。具体的には、システム制御部２０は、モータＭが回生状態になる可能性がある場合、例えば、モータＭを回転させているときに、第１半導体スイッチ素子１５ａをオンに制御する。また、システム制御部２０は、電圧検知部２３で検出されたバス電圧Ｖ１が所定の電圧ＶＳ（たとえば、４００ボルト）を超えている間、第２半導体スイッチ素子１５ｂをオン制御する。

システム制御部２０は、インバータ部１２に接続され、通常は、インバータ部１２に設定された速度に応じた制御信号を出力する。これにより、インバータ部１２は、設定された速度となるような周波数及び電圧をモータＭに出力し、駆動する。また、温度異常検知部２１や素子異常検知部２２に接続され、それらの検知部２１，２２から回生抵抗１４の温度異常又は第１及び第２半導体スイッチ素子１５ａ，１５ｂの短絡故障等の異常信号を受信すると、異常報知部２４にその旨を示す異常報知信号を出力する。さらに、システム制御部２０は異常信号を受信すると、２つの半導体スイッチ素子１５ａ，１５ｂをオフ制御して回生抵抗１４への電流を遮断するともに、インバータ部１２に停止信号を出力する。これにより、回生抵抗１４への電流が遮断されるとともに、モータＭへの電力の供給が遮断される。

温度異常検知部２１は、たとえば温度センサ１６からの温度信号が１００度以上になると、温度異常信号をシステム制御部２０に出力する。

電圧検知部２３は、前述したように、正負の直流母線Ｐ，Ｎ間のバス電圧Ｖ１及び回生抵抗１４と第２半導体スイッチ素子１５ｂとのノード電圧Ｖ２を検出する。なお、ノード電圧Ｖ２の検出端子には、回生抵抗１４よりかなり大きい抵抗値（たとえば、５００ｋΩ）の、負の直流母線Ｎに接続された抵抗を有しており、これにより、第１及び第２半導体スイッチ素子１５ａ，１５ｂが正常にオフしている場合に、ノード電圧Ｖ２はほぼ０ボルトとして検出される。

素子異常検知部２２は、モータＭが回転していないときにバス電圧Ｖ１やノード電圧Ｖ２を取り込み、第１及び第２半導体スイッチ素子１５ａ，１５ｂの短絡故障を判断する。具体的には、第１及び第２半導体スイッチ素子１５ａ，１５ｂがオフ状態の場合に、ノード電圧Ｖ２がほぼ０ボルトのとき、第１半導体スイッチ素子１５ａは正常であり、それを超えるときは、第１半導体スイッチ素子１５ａが短絡故障であると判断する。すなわち、両半導体スイッチ素子１５ａ，１５ｂがオフ状態のときは、第１半導体スイッチ素子１５ａが本当にオフ状態であれば、ノード電圧Ｖ２は０ボルト付近になる。しかし、第１半導体スイッチ素子１５ａが短絡故障しているとそれより大きなノード電圧Ｖ２が発生することになる。

また、第１半導体スイッチ素子１５ａがオン状態で第２半導体スイッチ素子１５ｂがオフ状態の場合に、ノード電圧Ｖ２がバス電圧Ｖ１にほぼ等しいとき、第２半導体スイッチ素子１５ｂは正常であり、ほぼ等しい状態ではないとき、第２半導体スイッチ素子１５ｂは短絡故障と判断する。この判断結果に応じた短絡故障信号をシステム制御部２０に出力する。

温度異常検知部２１及び素子異常検知部２２は、ハードウェア回路で構成してもよくマイクロコンピュータを用いたソフトウェアで構成してもよい。また、システム制御部２０とともにマイクロコンピュータを用いたソフトウェアで構成してもよい。

異常報知部２４は、たとえば、ランプ、エラー表示等の表示手段や外部出力手段で構成されている。異常報知部２４は、システム制御部２０から温度異常信号や半導体スイッチ素子１５ａ，１５ｂのいずれかの短絡故障信号を受け取ると、それに応じたランプやエラー表示等で異常を報知するとともに、本駆動装置に連結されている他の装置に異常を報知する。

次にシステム制御部２０の制御動作について図２に示す制御フローチャートに基づいて説明する。

システム制御部２０に電源が投入されると、図２のステップＳ１で初期設定がなされる。初期設定では、第２半導体スイッチ素子１５ｂをオンする所定電圧ＶＳ等の各種の変数がセットされるとともに各種フラグがリセットされ、ステップＳ２に移行する。ステップＳ２より一連の制御ループに入る。

ステップＳ２では、モータＭを制御するための処理やその他の様々な処理を行い、ステップＳ３に移行する。ステップＳ３では、モータ制御で発生するその他の異常の有無を確認し、異常があればステップＳ２１に移行し、その異常内容のフラグをオンしステップＳ５１に移行する。ステップＳ５１では、２つの半導体スイッチ素子１５ａ，１５ｂをオフし、続くステップＳ５２では、インバータ部１２を止め、ステップＳ５３にて各種の異常のフラグを判別し、アラーム別の信号を異常報知部２４に伝え、異常状態をランプの点滅やエラー表示で知らせるとともに、本駆動装置に連結されている他の装置に異常を報知する。ステップＳ３でその他の異常がなければ、ステップＳ４に移行する。

ステップＳ４では、温度異常検知部２１からの温度異常信号により回生抵抗１４が温度異常か否かを判断する。回生抵抗１４が温度異常であると判断するとステップＳ４からステップＳ２２に移行し、温度異常のフラグをオンし、前述したステップＳ５１に移行する。その後の処理は上記と同様である。

回生抵抗１４の温度に異常がなければ、ステップＳ４からステップＳ５に移行する。ステップＳ５では、モータＭを回転させる回転指令の有無を確認する。回転指令がなければステップＳ３１に移行し、第１及び第２半導体スイッチ素子１５ａ，１５ｂをオフし、続くステップＳ３２でノード電圧Ｖ２が０ボルト付近であるか否かを確認し、ノード電圧Ｖ２が０ボルト付近であればステップＳ２に戻る。ノード電圧Ｖ２が０ボルト付近ではない場合、ステップＳ２３に移行し、第１半導体スイッチ素子１５ａの短絡故障フラグをオンし、前述したステップＳ５１に移行する。その後の処理は上記と同様である。

回転指令があれば、ステップＳ５からステップＳ６に移行する。ステップＳ６では、第１半導体スイッチ素子１５ａの状態を確認し、第１半導体スイッチ素子１５ａがオフの場合（回転指令が出た直後でまだモータＭを回していないとき）は、ステップＳ３６に移行し、第１半導体スイッチ素子１５ａをオン、第２半導体スイッチ素子１５ｂをオフし、ステップＳ３７でノード電圧Ｖ２がバス電圧Ｖ１付近であるかを確認する。ノード電圧Ｖ２がバス電圧Ｖ１付近であれば、ステップＳ７に移行する。ノード電圧Ｖ２がバス電圧Ｖ１付近でなければ、ステップＳ３７からステップＳ２４に移行する。ステップＳ２４では、第２半導体スイッチ素子１５ｂの短絡故障フラグをオンし、前述したステップＳ５１に移行する。以後の処理は上記と同様である。

第１半導体スイッチ素子１５ａがオンの場合（モータＭをすでに回しているとき）は、ステップＳ６からステップＳ７に移行する。ステップＳ７では、回転指令に従いインバータ部１２を制御してモータＭを回し、ステップＳ８に移行する。

ステップＳ８では、バス電圧Ｖ１と所定電圧ＶＳとを比較し、バス電圧Ｖ１が所定電圧ＶＳを超えている場合、ステップＳ３８に移行する。ステップＳ３８では、第２半導体スイッチ素子１５ｂをオンしてステップＳ２に戻る。これにより、ステップＳ３６で第１半導体スイッチ素子１５ａがオンしているため、回生抵抗１４に電流が流れ、回生電力が熱に変換されて吸収される。

バス電圧Ｖ１が所定電圧ＶＳを超えていない場合、ステップＳ９に移行する。ステップＳ９では、第２半導体スイッチ素子１５ｂをオフしてステップＳ２に戻る。これにより、１つ前のサイクルで第２半導体スイッチ１５ｂがオンして回生抵抗１４に電流が流れている場合は電流が遮断される。

図２に示すフローチャートでは、モータＭが回転していないときに常に第１半導体スイッチ素子１５ａの異常をステップＳ３１，３２で監視し、モータＭを回転させる寸前に第２半導体スイッチ素子１５ｂの異常をステップＳ３６，３７で監視するようになっている。したがって、モータＭが停止しているとき第１及び第２半導体スイッチ素子１５ａ，１５ｂが短絡故障した場合は確実にその異常を検知できる。

また、モータＭが回転中において、第１半導体スイッチ素子１５ａが短絡故障した場合は、モータＭが止まるまで第２半導体スイッチ素子１５ｂで回生吸収動作が行われ、モータＭ停止後に第１半導体スイッチ素子１５ａの異常をステップＳ３１，３２で検知できる。

さらに、モータＭが回転中において、第２半導体スイッチ素子１５ｂが短絡故障した場合には、モータＭが止まるまでは回生抵抗１４が発熱する。その際、温度異常が検知されるまでにモータＭが停止した場合は、ステップＳ３１で第１半導体スイッチ素子１５ａがオフし、回生抵抗１４の電流を遮断し、発熱を止める。そして、次にモータＭを回転させるときに第２半導体スイッチ素子１５ｂの異常をステップＳ３６，３７で検知できる。または、モータＭが停止に至るまでに回生抵抗１４の発熱によりステップＳ４で温度異常が検出された場合はステップＳ５１で第１半導体スイッチ素子１５ａがオフし、回生抵抗１４の電流を遮断して発熱を止めるとともに、ステップＳ５２でインバータ部１２をオフして、モータＭを停止させる。

ここでは、第１及び第２半導体スイッチ素子１５ａ，１５ｂを直列に設けたので、一方の半導体スイッチ素子が短絡故障しても他方の半導体スイッチ素子で回生抵抗１４に流れる電流を遮断できる。しかも、電流の遮断に接点を有するスイッチ素子を使用していないので、接点の溶着による不具合が生じなくなり、回生抵抗１４を確実に保護できるようになる。

〔他の実施形態〕
（ａ）前記実施形態では、第１及び第２半導体スイッチ素子１５ａ，１５ｂの間に回生抵抗１４を接続したが、直列に接続された３つの素子の接続順は前記実施形態に限定されない。たとえば、図３に示すように、正の直流母線Ｐに回生抵抗１４を接続し、回生抵抗１４に直列に第１及び第２半導体スイッチ素子１５ａ，１５ｂを並べて配置してもよい。この場合、電圧検知部２３では第１及び第２半導体スイッチ素子１５ａ，１５ｂのノード電圧Ｖ１を検出する。これによる素子異常検知部２２での判断内容は前記実施形態と同様であるので説明を省略する。

（ｂ）前記実施形態では、第２半導体スイッチ素子１５ｂが回生状態のときに回生抵抗１４に電流を流し、第１半導体スイッチ素子１５ａで第２半導体スイッチ素子１５ｂが短絡故障したときに回生抵抗１４への電流を遮断するように構成したが、第１半導体スイッチ素子１５ａと第２半導体スイッチ素子１５ｂとの役割を逆にしてもよい。

（ｃ）前記実施形態では、発熱検知部として温度センサを用いたが、発熱検知部として温度ヒューズ等を用いてもよい。

（ｄ）前記実施形態では、駆動部としてモータを交流でインバータ駆動するインバータ部を例示したが、本発明の駆動部は誘導電動機を対象とした駆動回路に限定されず、同期電動機や直流電動機等を対象とした他の回生吸収可能な駆動回路であってもよい。

本発明の一実施形態によるモータ駆動回路の構成を示すブロック図。 そのシステム制御部の制御内容を示すフローチャート。 他の実施形態の図１に相当する図。

符号の説明

１０ モータ駆動回路
１１ コンバータ部
１２ インバータ部
１３ 回生吸収回路
１４ 回生抵抗
１５ａ，１５ｂ 第１及び第２半導体スイッチ素子
２０ システム制御部
２２ 素子異常検知部
２３ 電圧検知部
２４ 異常報知部
Ｍ モータ
ＰＳ 電源

Claims (6)

1. 電源への電力の回生が不能であり、前記電源から供給される直流を用いてモータを駆動するとともに、前記モータからの回生電力を吸収可能なモータ駆動装置であって、
   前記直流を用いて前記モータを速度可変に駆動する駆動部と、
   前記回生電力を吸収する回生抵抗、前記回生抵抗と直列接続された第１半導体スイッチ素子、及び前記第１半導体スイッチ素子と直列接続された第２半導体スイッチ素子を有し、前記駆動部と並列接続された回生吸収回路と、
   前記駆動部の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部の検出結果に応じて前記第１及び第２半導体スイッチ素子を制御する制御部と、
   を備えたモータ駆動装置。
2. 前記電源は交流電源であり、
   前記交流電源から供給される交流を直流に変換する変換部をさらに備え、
   前記回生吸収回路は、前記変換部と駆動部との間に並列接続される、請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記回生抵抗は、前記第１及び第２半導体スイッチ素子の間に配置されている、請求項１又は２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記電圧検出部は、前記回生吸収回路内の定点の電圧及び前記直流の電圧を検出し、
   前記第１及び第２半導体スイッチ素子のオンオフ状態と前記電圧検出部の検出結果とにより、前記第１及び第２半導体スイッチ素子の異常の有無を判断する異常判断部をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。
5. 前記異常判断部は、前記モータが回転していないときの前記電圧検出部の検出電圧により前記異常の有無を判断する、請求項４に記載のモータ駆動装置。
6. 前記異常判断部の判断結果を報知する異常報知部をさらに備える、請求項４又は５に記載のモータ駆動装置。

Images