JP2008161002A - モータ駆動用電源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】蓄電装置に蓄えられたエネルギーを無駄に消費することなくモータへの電力供給を停止することができ、また、放電回路を小型化できるモータ駆動用電源装置を提供する。
【解決手段】モータ駆動用電源装置は、電源2及び蓄電装置7とモータ15A,15Bとの電気的な接続及び切断を切り替え可能な開閉装置(電源開閉装置3及び蓄電装置開閉装置6)を備える。モータ15A,15Bを停止させておくなどの目的でモータ15A,15Bへの電力供給を停止したい場合には、電源開閉装置3及び蓄電装置開閉装置6を開とすることにより電源2及び蓄電装置7とモータ15A,15Bとを電気的に切断することができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、モータに駆動電力を供給するモータ駆動用電源装置に関する。
モータに駆動電力を供給するモータ駆動用電源装置において、インバータを用いてモータの可変速制御を行うように構成したものが、例えば、下記特許文献1〜3に開示されている。
特許文献1,2に示された装置では、インバータへ駆動電力を供給する直流バスに、コンデンサ等によって構成された蓄電装置を接続し、モータ減速時にモータから得られる回生電力を蓄電装置に蓄え、蓄えられた電力をモータ加速時に使用することにより、エネルギー損失を小さくしている。
特許文献3に示された装置では、蓄電装置の蓄電電力を消費するための放電回路を設けておき、たとえばモータを停止させておきたい場合に、モータへの電力供給を停止するために放電回路により蓄電装置の電力を放電するように構成されている。
特許第3708728号公報 特開2003−290998号公報 特開2003−189688号公報
近年、大型のインバータが実現できるようになり、プレス機械やトランスファー装置など大型の機械装置もインバータ制御のモータで駆動されるようになってきたことに伴い、蓄電装置も大型になり、大きなエネルギーが蓄えられている。従来の構成では、蓄電装置に蓄えられたエネルギーを放電するため、エネルギーが熱に変換されて無駄に消費されるという問題がある。また、放電が頻繁に行なわれる場合には、放電回路の抵抗器の熱容量を大きくする必要があり、放電回路が大型化するという問題がある。
本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、蓄電装置に蓄えられたエネルギーを無駄に消費することなくモータへの電力供給を停止することができ、また、放電回路を小型化できるモータ駆動用電源装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明のモータ駆動用電源装置は、以下の技術的手段を採用する。
(1)すなわち、本発明は、モータに駆動電力を供給するモータ駆動用電源装置であって、電源からの電力を前記モータに導くための直流バスと、前記電源と電気的に並列に前記直流バスに接続され充電と放電が可能な蓄電装置と、前記電源及び前記蓄電装置と前記モータとの電気的な接続及び切断を切り替え可能な開閉装置と、を備えることを特徴とする。
このように、電源及び蓄電装置とモータとの電気的な接続及び切断を切り替え可能な開閉装置を備えるので、モータを停止させておくなどの目的でモータへの電力供給を停止したい場合には、開閉装置を開とすることにより電源及び蓄電装置とモータとを電気的に切断することができる。したがって、放電回路により蓄電装置の電力を放電する必要が無いので、蓄電装置に蓄えられたエネルギーを無駄に消費することなく蓄電装置にエネルギーを蓄えたままモータへの電力供給を停止することができる。また、放電の頻度を低くできることから放電回路の抵抗器の熱容量が小さくて済むので、放電回路を小型化できる。
(2)また、上記のモータ駆動用電源装置において、前記開閉装置は、前記直流バスと前記電源との間の電気回路を開閉可能な電源開閉装置と、前記直流バスと前記蓄電装置との間の電気回路を開閉可能な蓄電装置開閉装置とからなる。
開閉装置が、上記のような電源開閉装置と蓄電装置開閉装置からなる場合には、電源開閉装置と蓄電装置開閉装置の両方を開とすることにより電源及び蓄電装置とモータとを電気的に切断することができる。また、この構成の場合、蓄電装置に何らかの支障が発生した場合には、蓄電装置開閉装置を常に開にして直流バスと蓄電装置の間の電気回路を切断し、電源から供給される電力のみでモータを運転することも可能となる。
(3)また、上記のモータ駆動用電源装置において、前記開閉装置は、前記直流バスのうち前記蓄電装置との接続点よりもモータ側の位置の電気回路を開閉可能な直流バス開閉装置である。
この構成により、直流バス開閉装置を開とするだけで、電源と蓄電装置の両方を同時にモータから電気的に切断することができる。
(4)また、上記のモータ駆動用電源装置において、所定の運転状態のときに前記電源及び前記蓄電装置と前記モータとを電気的に切断するように前記開閉装置を制御する制御器を備える。
このような制御器を備えることにより、開閉装置の開閉の切り替えを自動制御により実現できる。
本発明によれば、蓄電装置に蓄えられたエネルギーを無駄に消費することなくモータへの電力供給を停止することができ、また、放電回路を小型化できるという優れた効果が得られる。
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
[第1実施形態]
図1に、本発明の第1実施形態にかかるモータ駆動用電源装置1の回路構成を示す。
このモータ駆動用電源装置1は、電源2からの電力をモータ15A,15Bに導くための直流バス5と、電源2と電気的に並列に直流バス5に接続され充電と放電が可能な蓄電装置7と、電源2及び蓄電装置7とモータ15A,15Bとの電気的な接続及び切断を切り替え可能な開閉装置とを備える。
本実施形態において電源2は3相交流電源である。3相交流電源としては、電力会社から供給される電力を変圧器によって適当な電圧に変圧するようにした構成や、エンジンで駆動される発電機から電力を得るようにした構成などを採用することができる。
電源2は、電気回路を開閉可能な電源開閉装置3を介して整流器4に接続されている。整流器4は直流バス5に接続されている。したがって、電源開閉装置3は、直流バス5と電源2との間の電気回路を開閉することができる。
上記のように構成されているので、電源2から供給された交流電流は、電源開閉装置3を経由して整流器4により直流電流に整流されて直流バス5に供給される。整流器4としては、半導体ダイオードをブリッジ構成にしたものなどがある。
直流バス5には、電気回路を開閉可能な蓄電装置開閉装置6を介して上記の蓄電装置7が接続されている。したがって、蓄電装置開閉装置6は、直流バス5と蓄電装置7との間の電気回路を開閉することができる。
蓄電装置7は、直流バス5から電流が流れ込んで充電されることもできるし、逆に、放電して直流バス5へ電流を流し出すこともできる。
本実施形態において、蓄電装置7は、電気エネルギーを蓄積・放出することができる蓄電部8と、蓄電部8が放電した状態で充電を開始するときに流れる突入電流を制限する突入電流制限回路9と、蓄電部8に充電されたエネルギーを放電するための放電回路12で構成される。
蓄電部8としては、例えば、アルミ電解コンデンサや電気二重層コンデンサ、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の充電可能な電池を採用することができる。また、蓄電部8は、フライホィールをモータで駆動しモータを発電機として使用して電力を取り出す構成であってもよい。
本実施形態において、突入電流制限回路9は、電流を制限するための電流制限抵抗器10と、充電が進行したら電流制限抵抗器10をバイパスするためのバイパス用開閉器11とを電気的に並列に接続した構成としている。また、本実施形態において、放電回路12は、電気エネルギーを熱に変換する放電抵抗器13と、放電抵抗器13に電流を流すかどうかを決める開閉器14を直列に接続した構成としている。
上記のような構成において、電源開閉装置3と蓄電装置開閉装置6の両方を開とすることにより電源2及び蓄電装置7とモータ15A,15Bとを電気的に切断することができる。すなわち、本実施形態では、電源開閉装置3と蓄電装置開閉装置6とで、電源2及び蓄電装置7とモータ15A,15Bとの電気的な接続及び切断を切り替え可能な開閉装置を構成している。
直流バス5からインバータ16A,16Bを経由してモータ15A,15Bが接続されている。インバータ16A,16Bによって制御された電流・電圧がモータ15A,15Bへ供給され、モータ15A,15Bを所望のトルク・回転数で回転させることができる。
インバータ16A,16Bとしては、例えば、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)、パワートランジスタ、パワーMOSFETなどの半導体電力制御素子をブリッジ構成とし、所望のトルク及び回転数が得られるようにPWM変調された制御信号が半導体電力制御素子に与えられ、駆動用の三相交流が生成されてモータ15A,15Bに供給される構成などを採用することができる。またインバータ16A,16B内の回路には、モータ15A,15Bの回生電力を得るためにダイオードが組み込まれている。
モータ15A,15Bとしては、例えば、かご型誘導モータや永久磁石を用いた回転子を有する同期モータなどを用いることができる。
また、モータ駆動用電源装置1は、所定の運転状態のときに電源2及び蓄電装置7とモータとを電気的に切断するように開閉装置(本実施形態では電源開閉装置3及び蓄電装置開閉装置6)を制御する制御器17を備えている。制御器17は、所望の運転状態に応じて電源開閉装置3、蓄電装置開閉装置6を開閉させるための電気信号を発生する。また、突入電流制限回路9のバイパス用開閉器11と放電回路12の開閉器14を開閉させるための電気信号も発生する。
上記の電源開閉装置3、蓄電装置開閉装置6、突入電流制限回路9内のバイパス用開閉器11、放電回路12内の開閉器14としては、電磁コイルで駆動されるコンタクタや、電気信号で導通状態を変化できる半導体スイッチを用いることができる。これらの開閉装置、開閉器は、制御器17が発生した電気信号により開閉される。制御器17としては、電気的に結線されたリレーと機械式タイマーで構成されたものや、プログラム制御される電子式のプログラマブルコントローラで構成されたものを採用することができる。
以下、本実施形態の動作、作用、効果を説明する。
蓄電装置7が放電している状態から本実施形態の稼動を開始させるときには、蓄電装置開閉装置6を閉とし、放電回路12内の開閉器14を開(放電しない状態)とし、突入電流制限回路9内のバイパス用開閉器11を開(バイパスしない状態)としておき、この状態から電源開閉装置3を閉じる。
すると、蓄電部8には突入電流制限回路9内の電流制限抵抗器10を通って電流が流れ込み、蓄電部8の充電が開始される。蓄電部8の両端の電圧が電源2の電圧を整流器4で整流した電圧とほぼ一致するようになったならば、すなわち蓄電部8が充電されたならば、突入電流制限回路9内のバイパス用開閉器11を閉とし、直流バス5と蓄電部8との間で流れる電流が電流制限抵抗器10を通過せずバイパス用開閉器11を通過するようにする。以降、本実施形態の稼働中、突入電流制限回路9内のバイパス用開閉器11は常に閉じておく。
モータ運転時には、電源開閉装置3を閉とし、蓄電装置開閉装置6を閉とし、突入電流制限回路9内のバイパス用開閉器11を閉(バイパスする状態)とし、放電回路12内の開閉器14を開(放電しない状態)としておき、モータ15A,15Bに所望のトルク・回転数に応じてベクトル制御等の方法によりインバータ16A,16B内の半導体電力制御素子を制御する。
モータ15A,15Bの加速時、すなわちモータ15A,15Bが力行するときには、モータ15A,15Bが必要とする電力は、電源2から整流器4を介して供給される電力と、蓄電装置7からの放電による電力により賄われる。すなわち、電源2から供給され整流器4で整流された電流と、蓄電装置7内の蓄電部8から放電された電流が直流バス5に流れこみ、インバータ16A,16Bへ供給され、モータ15A,15Bが駆動される。
モータ15A,15Bの減速時、すなわちモータ15A,15Bが回生するときには、モータ15A,15Bで発生した回生電力により蓄電装置7が充電される。すなわちインバータ16A,16Bから流れ出した電流が直流バス5を経由して蓄電部8に流れ込む。
以上、モータ15A,15Bの力行・回生に応じて、蓄電部8が放電・充電する動作は、特許第3708728号、特開2003−290998号に述べられているところと同じである。
モータ15A,15Bを停止させておくなどの目的でモータ15A,15Bへの電力供給を停止したい場合には、電源開閉装置3および蓄電装置開閉装置6を開とし、電源2及び蓄電装置7が直流バス5と電気的に接続されていないようにする。この場合、放電回路12内の開閉器14は開(放電しない状態)のまま、すなわち蓄電部8は充電したままとする。モータ15A,15Bを再び運転したいときには、電源開閉装置3および蓄電装置開閉装置6を閉にする。
本実施形態の稼動を終了するときには、電源開閉装置3を開にする。さらに、放電回路12内の開閉器14を閉じ、蓄電部8からの電流を放電回路12内の放電抵抗器13に流し、蓄電部8を放電させる。
本実施形態の装置を稼動・運転させたい状態に応じて、上述の動作のために必要な、電源開閉装置3を開閉させる信号、蓄電装置開閉装置6を開閉させる信号、突入電流制限回路9内のバイパス用開閉器11を開閉させる信号、放電回路12内の開閉器14を開閉させる信号は、制御器17で発生される。
本実施形態によれば、電源2及び蓄電装置7とモータ15A,15Bとの電気的な接続及び切断を切り替え可能な開閉装置(電源開閉装置3及び蓄電装置開閉装置6)を備えるので、モータ15A,15Bを停止させておくなどの目的でモータ15A,15Bへの電力供給を停止したい場合には、開閉装置を開とすることにより電源2及び蓄電装置7とモータ15A,15Bとを電気的に切断することができる。したがって、放電回路12により蓄電装置7内の蓄電部8を放電する必要が無いので、蓄電装置7に蓄えられたエネルギーを無駄に消費することなく蓄電装置7にエネルギーを蓄えたままモータ15A,15Bへの電力供給を停止することができる。また、放電の頻度を低くできることから放電回路12内の放電抵抗器13の熱容量が小さくて済むので、放電回路12を小型化できる。
また、本実施形態によれば、蓄電装置7に何らかの支障が発生した場合には、蓄電装置開閉装置6を常に開にして直流バス5と蓄電装置7の間の電気回路を切断し、一方で電源開閉装置3は閉としたままとすることにより、電源2から供給される電力のみでモータ15A,15Bを運転することも可能となる。この場合、支障の発生の判断、及び電源開閉装置3と蓄電装置開閉装置6の開閉状態の制御は、制御器17によって行われる。
[第2実施形態]
図2に、本発明の第2実施形態にかかるモータ駆動用電源装置1の回路構成を示す。
図1に示した第1実施形態では蓄電装置開閉装置6を設けたが、図2に示すように、本実施形態では、蓄電装置開閉装置6ではなくて、直流バス5のうち蓄電装置7との接続点よりもモータ15A,15B側の位置の電気回路を開閉可能な直流バス開閉装置18を設けた。
この構成により、直流バス開閉装置18を開とするだけで、電源2と蓄電装置7の両方を同時にモータ15A,15Bから電気的に切断することができる。すなわち、本実施形態では、電源開閉装置3の開閉によらず直流バス開閉装置18の開閉により、電源2及び蓄電装置7とモータ15A,15Bとの電気的な接続及び切断を切り替え可能な開閉装置を構成している。なお、直流バス開閉装置18は、制御器17からの電気信号により開閉制御される。
本実施形態の他の部分の構成は、上述した第1実施形態と同様である。
本実施形態において、モータ15A,15Bを停止させておくなどの目的でモータへの電力供給を停止したい場合には、直流バス開閉装置18を開とし、電源2及び蓄電装置7がモータ15A,15Bと電気的に接続されていないようにする。この場合、放電回路12内の開閉器14は開(放電しない状態)のまま、すなわち蓄電部8は充電したままとする。また、この場合、電源開閉装置3は、必要に応じて開閉を決定することができる。例えば、蓄電装置7を充電する必要があれば閉のままとし、蓄電装置7を充電する必要が無ければ開としてもよい。
モータ15A,15Bを再び運転したいときには、直流バス開閉装置18を閉にする。また、もし電源開閉装置3が開ならば閉にする。
本実施形態において、上記のようにモータ15A,15Bへの電力供給を停止したい場合以外の場合(稼動の開始・停止時、モータの運転時)の動作は、蓄電装置開閉装置6に関する部分を除き、上述した第1実施形態と同様であり、この場合、直流バス開閉装置18は常に閉としておく。
本実施形態によっても、第1実施形態と同様に、モータ15A,15Bを停止させておくなどの目的でモータ15A,15Bへの電力供給を停止したい場合には、電源2及び蓄電装置7とモータ15A,15Bとを電気的に切断することができるので、蓄電装置7に蓄えられたエネルギーを無駄に消費することなくモータ15A,15Bへの電力供給を停止することができ、また、放電回路12を小型化できるという効果が得られる。
[その他の実施形態]
上述した各実施形態では、電源2として、3相交流電源を用いたが、単相交流電源や直流電源でもよい。直流電源の場合、整流器4は不要である。
突入電流制限回路9及び放電回路12の構成は、上述した実施形態と同等の機能を実現できればよく、実施形態に示す構成に限られない。
突入電流が流れても回路の動作に支障がないならば、突入電流制限回路9を省略してもよい。
駆動電力が供給されるモータは、1つあるいは3つ以上であってもよい。この場合、インバータはモータの数に対応して設けられる。
部品表面や大気を介した自然放電で蓄電部8が放電するのを待つことが可能であれば、放電回路12を省略してもよい。
整流器4のかわりに回生型のコンバータを使用して電力の一部を3相交流電源に戻してもよい。
蓄電装置開閉装置6や直流バス開閉装置18を閉じるとき、開閉装置の両端の電位差をゆるやかに変化させるため、開閉装置を閉じる直前に、開閉装置と並列に抵抗を接続して電流をあらかじめ流しておき、電位差を小さくしてから開閉装置を閉じる構成も可能である。
上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
本発明の第1実施形態にかかるモータ駆動用電源装置の回路構成を示す図である。 本発明の第2実施形態にかかるモータ駆動用電源装置の回路構成を示す図である。
符号の説明
1 モータ駆動用電源装置
2 電源
3 電源開閉装置
4 整流器
5 直流バス
6 蓄電装置開閉装置
7 蓄電装置
8 蓄電部
9 突入電流制限回路
10 電流制限抵抗器
11 バイパス用開閉器
12 放電回路
13 放電抵抗器
14 開閉器
15A,15B モータ
16A,16B インバータ
17 制御器
18 直流バス開閉装置

Claims (4)

  1. モータに駆動電力を供給するモータ駆動用電源装置であって、
    電源からの電力を前記モータに導くための直流バスと、
    前記電源と電気的に並列に前記直流バスに接続され充電と放電が可能な蓄電装置と、
    前記電源及び前記蓄電装置と前記モータとの電気的な接続及び切断を切り替え可能な開閉装置と、を備えることを特徴とするモータ駆動用電源装置。
  2. 前記開閉装置は、前記直流バスと前記電源との間の電気回路を開閉可能な電源開閉装置と、前記直流バスと前記蓄電装置との間の電気回路を開閉可能な蓄電装置開閉装置とからなる請求項1記載のモータ駆動用電源装置。
  3. 前記開閉装置は、前記直流バスのうち前記蓄電装置との接続点よりもモータ側の位置の電気回路を開閉可能な直流バス開閉装置である請求項1記載のモータ駆動用電源装置。
  4. 所定の運転状態のときに前記電源及び前記蓄電装置と前記モータとを電気的に切断するように前記開閉装置を制御する制御器を備える請求項1乃至3のいずれか記載のモータ駆動用電源装置。
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