JP2006101600A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 整流回路とインバータ回路とを接続するＤＣリンクに接続されている蓄電器に蓄えられたエネルギーを電源に回生することで、この蓄電器に蓄えられたエネルギーを低下させることが可能なサーボモータ駆動装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 モータ駆動装置１を、ＤＣリンクに接続された蓄電部Ｃ１の出力に現われる電圧を昇圧する昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１と、昇圧された直流電力を交流電力に変換して電源に回生するＤＣ／ＡＣ変換回路１２（１４）と、を備えて構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータ駆動装置に関し、特に、回生時に蓄積した電力を電源に回生するモータ駆動装置に関する。

モータ駆動装置においては、モータの加速（力行）期間においては、加速のために大きな駆動電流が流れ、減速期間においては、回生電流が生じる。そのため、モータの加速（力行）期間のピーク電流を考慮してモータ駆動装置を設計しなければならず、装置の大型化とコストアップを招くものとなっていた。また、減速期間において発生する回生電流は回生抵抗によって、放熱消費させており、無駄なエネルギー損失を招いていた。

このような問題を解決するための１つの対策として、交流電源を直流電源に変換する電源整流回路と、交流モータを駆動するために直流電源を交流電源に変換するインバータ回路と、該電源整流回路とインバータ回路とを結ぶＤＣリンクに蓄電器を接続して、加速期間では、この蓄電器に蓄えられた電力をインバータ回路に供給し、減速期間には回生電流をこの蓄電器に蓄えるようにして、駆動電流の平準化を図り、かつ回生電流を無駄に消費させないようにした発明が知られている（特許文献１参照）。

特開２０００−１４１４４０号

しかしながら、上記特許文献１に記載されたような、従来のモータ駆動装置を実施しようとする場合には、大容量の蓄電手段（コンデンサや電気二重層コンデンサなど）が必要となる。例えば、１秒間隔で動作するような、２００ＫＷ出力の超大型サーボプレス機のモータ駆動に使用すると、１Ｆといった大きな静電容量のコンデンサが必要となる。

したがって、このような大容量蓄電手段を有するモータ駆動装置の保守を行なう場合、その保守作業を危険電圧で莫大なエネルギーが存在する環境下で行なうことを余儀なくされ、作業員の安全性を著しく害するという問題がある。
また、従来は大容量蓄電手段に残存するエネルギーを抵抗器などにより放電させ、危険電圧や大エネルギーを回避するが、これによると電力エネルギーが単に熱エネルギーとして消費されるので、エネルギー浪費が大きいという問題がある。

上記問題点に鑑み、本発明は、ＤＣリンク部に接続されている蓄電手段に蓄えられたエネルギーの利用効率を向上することが可能なモータ駆動装置を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、ＤＣリンク部に接続されている蓄電手段に蓄えられたエネルギーを電源に回生することで、この蓄電手段に蓄えられたエネルギーを、例えば保守作業中の危険を回避しうる程度に、低下させることが可能なサーボモータ駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、ＤＣリンクに接続された蓄電部の出力に現われる電圧を昇圧して電源に回生することとする。

すなわち、本発明に係るモータ駆動装置は、モータを駆動するインバータ回路と、交流電源を直流電力に整流する電源整流回路と、インバータ回路及び電源整流回路を接続するＤＣリンクと、ＤＣリンクに接続され、ＤＣリンクに生じるＤＣリンク電圧によって静電エネルギーを蓄える蓄電部と、を備え、蓄えられた静電エネルギーにより蓄電部の出力に現われる電圧を昇圧してから、交流電力に変換して交流電源に回生する。

本発明に係るモータ駆動装置は、蓄電部に蓄えられた前記静電エネルギーにより蓄電部の出力に現われる電圧を昇圧するために、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を備えることとしてよく、また、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路により昇圧された直流電力を交流電力に変換するために、ＤＣ／ＡＣ変換回路を備えることとしてもよい。

さらに、上記の電源整流回路が回生動作可能に構成される場合には、本発明に係るモータ駆動装置は、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路が蓄電部の出力に現われる電圧を昇圧する際にＤＣリンクから蓄電器を切り離すための開閉器を備え、電源整流回路は、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路により昇圧された直流電力を交流電力に変換して交流電源に回生することとしてよい。

本発明によれば、ＤＣリンクに接続され静電エネルギーを蓄えた蓄電部の出力電圧が昇圧されて電源に回生されるため、蓄電部の出力電圧が所望の電圧値に下がるまで（蓄電部に蓄えられたエネルギーが所望のエネルギー量に下がるまで）、静電エネルギーを電源に回生することが可能となる。これにより上記のようなモータ駆動装置の保守作業における作業員の安全性向上に資する。
さらに、従来では抵抗器などにより放電させ浪費していた電力エネルギーを、電源に回生することが可能となるため、省エネルギー化に資する。

以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１は、本発明の第１実施例にモータ駆動装置の構成図である。なお、以下図１及び図３〜図５に示す回路構成図において、モータを駆動する電力を供給するための電力線は実線にて示し、信号線等の制御線を点線にて示す。
図示するとおり、モータ駆動装置１は、三相交流電源から供給された交流電力を直流電力に変換する電源整流回路１３と、この直流電力を可変の電圧及び周波数の交流電力に変換してモータ２に供給するインバータ回路１０と、を備えており、この電源整流回路１３とインバータ回路１０とはＤＣリンクにより接続されている。

電源整流回路１３は、例えば、３相交流電力の全波整流を行なう３相ダイオードブリッジ回路によって構成することが可能である。
また、インバータ回路１０は、例えばパワー素子（例えばトランジスタ）と、これらパワー素子に並列に接続されるダイオードとからなるブリッジ回路により形成することができる。そしてこれらパワー素子のＯＮ／ＯＦＦを、例えばトランジスタＰＷＭ制御回路などであるインバータ駆動部３１によって制御することにより、所望の電圧及び周波数の交流電圧信号をモータ２に供給し、その速度制御を行なう。

電源整流回路１３とインバータ回路１０との間に介在するＤＣリンクにはコンデンサＣ１が接続され、モータの力行時の過度の駆動電流を供給するため、あるいは電源整流回路１３の出力を平滑するとともに、モータ２を減速あるいは停止させたときに、モータ２の誘導起電力により生じる回生電力を充電し、回生エネルギー（減速エネルギー）を再利用することを可能とする。

モータ駆動装置１は、インバータ回路１０に指令を行ないモータ２の速度制御を行なうための数値制御装置等の制御装置３０を備える。インバータ駆動部３１は、制御装置３０からの指令に基づいてパワー素子のＯＮ／ＯＦＦを行ない、モータ２の電力を供給して駆動する。

さらにモータ駆動装置１は、例えばモータ駆動装置１の保守作業を行なう際などに、制御装置３０から出力される、コンデンサＣ１の蓄電エネルギーを回生させる回生指令に従い、コンデンサＣ１の出力に現われる電圧（すなわちＤＣリンク電圧）を昇圧させる昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１を備える。
昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１は、コンデンサＣ１の出力に現われる電圧を、例えば、電源整流回路１３の出力電圧より高い電圧に昇圧する。
昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１の出力電力は、ＡＣインバータ回路１２（ＤＣ／ＡＣ変換回路）によって交流電力に変換されて、リアクトル２３を介して３相交流電源に回生される。

ＡＣインバータ回路１２は、図１に例示するとおり、（例えばトランジスタ等の）パワー素子及びこれらパワー素子に逆並列に接続されるダイオードにからなるブリッジ回路から構成することとしてよい。また、ＡＣインバータ回路１２は、そのパワー素子のＯＮ／ＯＦＦを行なうインバータ駆動部３３を備え、制御装置３０からの上記回生指令を受信すると、パワー素子を駆動して、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１の出力電力を交流電力へと変換する。

次に、図１を参照して本発明のモータ駆動装置の動作を説明する。
コンデンサＣ１の保守を行なう為に、オペレータが操作卓（図示せず）から保守作業モードの設定入力を行なうと、制御装置３０は、ＡＣ主入力電源接続／切断用電磁接続器（ＭＣ）２１の開放指令信号を出力する。そして、この信号を受信したＭＣ２１は三相交流電源と電源整流回路１３との間を切断する。

その後、制御装置３０は、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１１内の制御部３２に回生指令信号を出力し、この回生指令信号を受信した昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は、その入力端Ｉ１、Ｉ２へ入力されたＤＣリンク電圧（即ちコンデンサＣ１の出力端電圧）を、昇圧して、出力端Ｏ１、Ｏ２に出力する。
ここで、出力端Ｏ１、Ｏ２に現われる昇圧された電圧の値は、電源整流回路１３により三相交流電源を整流した電圧値より高く設定する。例えば、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は、その入力電圧（Ｉ１〜Ｉ２間電圧）を、一般に電源回生可能な電源整流回路とインバータ回路とこれらを接続するＤＣリンクを有するサーボモータ駆動装置が、モータ減速時の回生エネルギーの電源回生を行なうときのＤＣリンク電圧と同程度の値に、安定させて出力端Ｏ１、Ｏ２に出力するよう設定されることが望ましい。

同時に、制御装置３０はＡＣインバータ回路１２（ＤＣ／ＡＣ変換回路）内のＡＣインバータ駆動部３３にも回生指令信号を出力し、かつ回生インバータ用ＡＣ入力電源接続／切断用電磁接続器（ＭＣ）２２の接続指令信号を出力する。回生指令信号を受信したＡＣインバータ駆動部３３は、３相交流電源の位相に同期させてＡＣインバータ回路１２のパワー素子を駆動し、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１１により電圧が昇圧された直流電力を交流電力に変換して出力し、この出力交流電力はＭＣ２２を介して３相交流電源に回生される。

図２は、図１に示すモータ駆動装置１における昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１の構成図である。
昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１は、リアクトルＬ１、ダイオードＤ１、スイッチング素子Ｑ１、抵抗器Ｒ１、Ｒ２、蓄電素子Ｃ２、蓄電素子Ｃ２の放電用抵抗器Ｒ３、及び制御部３２とを備えて構成される。また、制御部３２は、パルス幅制御部４０と、差動増幅器４１と、抵抗Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６と、制御装置３０からの回生指令を受信しパルス幅制御部４０を作動するコントローラ４２と、を備えて構成される。
リアクトルＬ１、ダイオードＤ１，スイッチング素子Ｑ１，パルス幅制御部４０，差動増幅器４１、抵抗Ｒｌ，Ｒ２，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６でブースト・スイッチングレギュレータ回路を構成し、蓄電器Ｃ２の充電電圧を抵抗Ｒｌ，Ｒ２で分圧した分圧電圧と、所定の基準電圧を抵抗Ｒ４，Ｒ５で分圧した分圧電圧との差を、差動増幅器４１で増幅してパルス幅制御部４０に出力する。

コントローラ４２は、制御装置３０からの回生指令を受信したとき、信号を出力してパルス幅制御部４０を作動可能にする。このコントローラ４２からの信号によりパルス幅制御部４０が作動可能におかれている状態では、パルス幅制御部４０は制御されたパルス幅の信号を出力しスイッチング素子Ｑ１をオン／オフ制御する。スイッチング素子Ｑ１がオンのときには、リアクトルＬ１にエネルギーが蓄積され、スイッチング素子Ｑ１がオフになると該エネルギーが放出され蓄電器Ｃ２を充電する。そして、抵抗Ｒｌ，Ｒ２，Ｒ６、差動増幅器４１、パルス幅制御部４０のフイードバック回路によって、蓄電器Ｃ２の充電電圧は一定に制御されることになる。

昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１の入力電圧（Ｉ１〜Ｉ２間電圧）、すなわちＤＣリンク電圧をＶｉ、スイッチング素子Ｑ１のオン時間をＴｏｎ、オフ時間をＴｏｆｆとすると、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１の出力電圧（Ｏ１〜Ｏ２間電圧）、すなわち蓄電器Ｃ２の充電電圧Ｖｏは、次の１式のようになる。

Ｖｏ＝Ｖｉ×（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）／Ｔｏｆｆ
例えば、Ｔｏｎ＝５μｓ，Ｔｏｆｆ＝１５μＳの時には、出力電圧Ｖｏは入力電圧Ｖｉの約１．３倍にブーストされることになる。このように、蓄電器Ｃ２は、ＤＣリンク電圧より高い電圧で充電され、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１の出力電圧が昇圧されることになる。

蓄電器Ｃ２の充電電圧が上昇している時には、抵抗Ｒｌ，Ｒ２で分圧された分圧電圧も上昇し、差動増幅器４１の出力電圧は低下する。その結果、パルス幅制御部４０から出力されるオン時間Ｔｏｎが短くなり、充電電圧の上昇は低下する。逆に蓄電器Ｃ２の充電電圧の下降時には、差動増幅器４１の出力電圧は上昇し、パルス幅制御部４０から出力されるオン時間Ｔｏｎが長くなり、充電電圧の下降が減少される。これにより、最終的に昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１の出力電圧は、所定電圧を保持するように作用する。

図３は、本発明の第２実施例に係るモータ駆動装置の構成図である。図３に示すモータ駆動装置１の例では、電源整流回路として、回生動作可能に構成されたコンバータ回路１４を備えている。そして、ＤＣリンクは、コンバータ回路１４とインバータ回路１０との間に介在して設けられ、コンバータ回路１４によって三相交流電源から整流された直流電力をインバータ回路１０に伝達する。

コンバータ回路１４は、パワー素子（例えばトランジスタ等）及びこれらパワー素子に逆並列に接続されるダイオードからなるブリッジ回路を備えて構成される。そして、モータ２の力行時にはダイオードによって、３相交流電源から供給される交流電力を全波整流して直流電力に変換する。
一方で、モータ２の回生時においては、コンバータ駆動部３４は、抵抗Ｒ７及びＲ８によって分圧したリンク電圧が所定の電圧値を超えたとき、３相交流電源の位相に同期させてパワー素子を駆動し、回生電力を電源回生する。さらに、コンバータ駆動部３４は、制御装置３０により出力される回生指令を受信した場合にも、３相交流電源の位相に同期させてパワー素子を駆動し、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を介してコンデンサＣ１の蓄積エネルギーを電源に回生する。

図３に示すモータ駆動装置１もまた、図１に示すモータ駆動装置１と同様に昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１を備える。ここに昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１の入力端Ｉ１、Ｉ２はコンデンサＣ１の出力端に接続される一方で、出力端Ｏ１、Ｏ２はＤＣリンクに接続される。また、モータ駆動装置１には、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１の作動時に、コンデンサＣ１をＤＣリンクから切り離すための開閉器ＳＷ１を備えており、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１による正帰還ループが生じることを防止する。

制御装置３０により回生指令が出力されると、まず開閉器ＳＷ１がコンデンサＣ１をＤＣリンクから切り離し、その後、回生指令を受信した昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１は、入力電圧（Ｉ１〜Ｉ２間電圧）であるコンデンサＣ１の充電電圧を、コンバータ回路１４により三相交流電源を整流した電圧値より高く昇圧して出力端Ｏ１、Ｏ２に出力する。例えば、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は、その入力電圧（Ｉ１〜Ｉ２間電圧）を、コンバータ回路１４が、モータ減速時の回生エネルギーの電源回生を行なうときのＤＣリンク電圧と同程度の値に安定させて、出力端Ｏ１、Ｏ２に出力することとしてよい。

そして、制御装置３０により出力された回生指令を受信したコンバータ駆動部３４は、３相交流電源の位相に同期させてパワー素子を駆動することによって、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１により電圧が昇圧されＤＣリンクに出力されたコンデンサＣ１の充電エネルギーを電源に回生する。

図４は、本発明の第３実施例に係るモータ駆動装置の構成図である。図４に示すとおりモータ駆動装置１は、図３に示した回生動作可能に構成されたコンバータ回路１４と、直流電力を交流電力に変換してモータ２に供給するインバータ回路１０と、コンバータ回路１４とインバータ回路１０とを接続するＤＣリンクと、を備えるモータ駆動装置１に、図１と同様に、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１と、ＡＣインバータ回路１２と、ＡＣ主入力電源接続／切断用電磁接続器２１と、回生インバータ用ＡＣ入力電源接続／切断用電磁接続器（ＭＣ）２２とを設けて構成される。
昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１は、その入力端がＤＣリンクに接続されており、ＤＣリンクを上述と同様に昇圧して、ＡＣインバータ回路１２に出力する。そしてＡＣインバータ回路１２により三相交流電力に変換されて電源に回生される。各要素の機能は、図１〜３を参照して前記説明したとおりであるので、ここでは説明を省略する。

図５は、本発明の第４実施例に係るモータ駆動装置の構成図である。図５に示すモータ駆動装置１の例は、図４に示すコンバータ回路１４に昇圧型ＰＷＭ整流コンバータを採用した場合の構成を示す。このような構成では、ＤＣリンク電圧が例えば７００〜８００Ｖと非常に高いため、ＤＣリンク電圧をそのままＡＣインバータ回路１２に入力するためには、ＡＣインバータ回路１２のパワー素子を素子耐圧の高い素子で構成する必要があり、ＡＣインバータ回路１２を安価に構成することができない。

したがって図５に示すモータ駆動装置１は、図４に示すモータ駆動装置１の、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１とＡＣインバータ回路１２との間に、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１５を設ける。

制御装置３０は、コンデンサＣ１の保守を行なう為に、オペレータが操作卓（図示せず）から保守作業モードの設定入力を行なうと、ＭＣ２１の開放指令信号を出力して、三相交流電源とコンバータ回路１４との間を切断したのち、初めは昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１を動作させずに降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１５を動作させて、コンバータ回路１４が三相交流電源を整流した電圧値よりやや高くなる程度（例えば、コンバータ回路１４がモータ減速時の回生エネルギーの電源回生を行なうときのＤＣリンク電圧と同程度）に、ＤＣリンク電圧を降圧してＡＣインバータ回路１２に出力する。

そして、コンデンサＣ１に蓄積されたエネルギーが低下して、ＤＣリンク電圧が所定の設定電圧値（例えば降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１５の動作可能な下限電圧）に至ったとき、制御装置３０は、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１５と共に昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１を動作させる。

本発明は、電源から供給される交流電力を直流電力に変換して、モータを駆動するインバータに供給するコンバータ装置及びこのようなコンバータ装置により電源を供給されモータを駆動するインバータ装置に利用可能である。

本発明の第１実施例に係るモータ駆動装置の構成図である。 図１に示すモータ駆動装置における昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の構成図である。 本発明の第２実施例に係るモータ駆動装置の構成図である。 本発明の第３実施例に係るモータ駆動装置の構成図である。 本発明の第４実施例に係るモータ駆動装置の構成図である。

符号の説明

１ モータ駆動装置
２ モータ
１０ インバータ回路
１１ 昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路
１２ ＡＣインバータ回路１２
１３ 電源整流回路
１４ コンバータ回路１４
Ｃ１ コンデンサ
ＳＷ１ 開閉器

Claims (4)

1. モータを駆動するインバータ回路と、交流電源を直流電力に整流する電源整流回路と、前記インバータ回路及び前記電源整流回路を接続するＤＣリンクと、前記ＤＣリンクに接続され、該ＤＣリンクに生じるＤＣリンク電圧によって静電エネルギーを蓄える蓄電部と、を備え、
   蓄えられた前記静電エネルギーにより前記蓄電部の出力に現われる電圧を昇圧してから、交流電力に変換して前記交流電源に回生するモータ駆動装置。
2. 前記蓄電部に蓄えられた前記静電エネルギーにより前記蓄電部の出力に現われる電圧を昇圧するための昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を備える請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 昇圧型ＤＣ・ＤＣコンバータ回路により昇圧された直流電力を交流電力に変換するためのＤＣ／ＡＣ変換回路を備える請求項２に記載のモータ駆動装置。
4. さらに、前記昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路が前記蓄電部の出力に現われる電圧を昇圧する際に、前記ＤＣリンクから前記蓄電器を切り離すための開閉器を備え、
   前記電源整流回路は、回生動作可能に構成されて、前記昇圧型ＤＣ・ＤＣコンバータ回路により昇圧された直流電力を交流電力に変換して前記交流電源に回生する請求項２に記載のモータ駆動装置。

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