JP2009142117A - モータ電力供給装置とこれを生産する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷変動の大きい駆動モータのトルクと回転数の時間変化パターンを考慮して、これに合わせて蓄電装置と電源回路を設定し、これにより蓄電装置と電源回路を小型化することができるモータ電力供給装置とその生産方法を提供する。
【解決手段】外部から直流電流が供給される直流バス２と、直流バスに接続され直流バスから直流電流を蓄電し放電する蓄電装置３と、直流バス２に接続され直流電流を変調して外部モータ１３を駆動するインバータ１１とを備える。蓄電装置３とインバータ１１は、外部モータ１３の必要トルクと必要回転数の時間変化に対して、モータとインバータの特性を用いて求められる直流バスの最低電圧と直流バスの実電圧の時間変化が、常に直流バスの実電圧が直流バスの最低電圧を上回るように設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電装置を備え負荷変動の大きいモータに電力を供給するためのモータ電力供給装置とこれを生産する方法に関する。

例えばサーボプレスのようなプレス装置では、モータで負荷を駆動しており、１サイクルの動作中にモータ出力が大きく変動し、スライドが下降して上金型と下金型の間でパネルのプレス加工（絞り成形や切り落とし加工）を行うとき、モータ出力が非常に大きくなる。

このような負荷変動の大きい装置において、モータ出力の最大値に合わせて電力供給装置を準備すると電力供給装置が過大になる問題がある。そのため、その対策として、コンデンサバンク等の蓄電装置を設け、モータ出力が大きい時間内には蓄電装置からも駆動電流を供給し、モータが回生電流を発生している時間内には回生電流を蓄電装置に蓄えることにより、負荷を平準化して電力供給装置を小型化する構成が用いられることがある。
さらに、コンデンサバンクを用いた例として、特許文献１が既に開示されている。

特許文献１の「電動機駆動用電源制御方式」は、加速及び減速を行う電動機の回転を制御する速度制御装置を備えた電動機駆動用電源回路において、図１３に示すように、変圧器５１と整流回路５２から電流制御手段５３を介して供給される供給エネルギーと電動機５６からの回生エネルギーを一時的に貯えるコンデンサバンク５４に対して、このコンデンサバンク５４の電圧範囲を最も有効に使えるようなコンデンサ間の電圧制御を行う手段５８を設けることにより大巾にコンデンサ容量を削減できるようにしたものである。なお５５は、電動機駆動装置である。
コンデンサバンクの電圧範囲を最も有効に使えるようなコンデンサ間の電圧制御を行う手段５８（電圧及び電流制御装置）には電動機の回転数Ｃを制御電圧レベルに変換する電動機速度変換器と、回転数を変数とする関数Ｋ_１ω^２（但しＫ_１＝Ｋ／２×Ｖ_ＭＡＸ，Ｋは定数，ωは電動機軸の角速度）を作る関数発生器と、Ｖ_ＭＡＸ（コンデンサバンクの許容最大電圧）を設定するコンデンサ間許容最大電圧設定器と、そしてＶ_ＲＥＦ＝Ｖ_ＭＡＸ−Ｋ_１ω^２（但しＶ_ＲＥＦは制御すべきコンデンサバンク電圧）を作る加算器とを備え、Ｖ_ＲＥＦをコンデンサ間電圧指令として制御するものである。

特公平７−１２３３５５号公報、「電動機駆動用電源制御方式」

上述した特許文献１に記載された手段では、機械損失が小さく、モータの加速に要した電力のほとんどが回生されて蓄電装置に戻ることを想定している。しかし、サーボプレスのように成形加工を行う装置の場合、成形に要したエネルギーはほとんど損失となり回生できないので、特許文献１に記載された手段は適用できない。

コンデンサバンク等の蓄電装置を備えた電力供給装置では、使用するモータのモータ出力が大きい時間が継続する（例えば、サーボプレスで絞り成形を行っている間）と蓄電装置の電圧が徐々に低下する。この電圧低下をどこまで許容できるかは、モータを所望のトルクと回転数で駆動するために必要な電圧によって決まる。

しかし、従来は、使用するモータのトルクと回転数の時間変化パターンを考慮せずに一律に蓄電装置の最低電圧を規定していた。そのため最低電圧が高めに設定され、蓄電装置（コンデンサバンクの場合にはコンデンサ容量）を含む電力供給装置が大型化し、設置と取り扱いが困難になっていた。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、負荷変動の大きい駆動モータのトルクと回転数の時間変化パターンを考慮して、これに合わせて蓄電装置と電源回路を設定し、これにより蓄電装置と電源回路を小型化することができるモータ電力供給装置とこれを生産する方法を提供することにある。

本発明によれば、外部から直流電流が供給される直流バスと、
前記直流バスに接続され、前記直流電流を蓄電し放電する蓄電装置と、
前記直流バスに接続され、前記直流電流を変調して外部モータを駆動するインバータとを備え、
前記蓄電装置とインバータは、前記外部モータの必要トルクと必要回転数の時間変化に対して、前記モータとインバータの特性を用いて求められる直流バスの最低電圧と直流バスの実電圧の時間変化が、常に直流バスの実電圧が直流バスの最低電圧を上回るように設定されている、ことを特徴とするモータ電力供給装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、外部電源から供給される交流電流を直流電流に変換して、前記直流バスに供給するコンバータを備え、
該コンバータは、常に直流バスの実電圧が直流バスの最低電圧を上回るように設定されている。

また本発明によれば、外部から直流電流が供給される直流バスと、
前記直流バスに接続され、前記直流電流を蓄電し放電する蓄電装置と、
前記直流バスに接続され、前記直流電流を変調して外部モータを駆動するインバータとを備えるモータ電力供給装置を生産する方法であって、
前記外部モータの必要トルクと必要回転数の時間変化に対して、前記モータとインバータの特性を用いて、直流バスの最低電圧と直流バスの実電圧の時間変化を求め、
直流バスの実電圧が常に直流バスの最低電圧を上回るように蓄電装置とインバータを設定し、
設定した蓄電装置とインバータを用いてモータ電力供給装置を生産する、ことを特徴とするモータ電力供給装置を生産する方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、外部電源から供給される交流電流を直流電流に変換して、前記直流バスに供給するコンバータを備え、
常に直流バスの実電圧が直流バスの最低電圧を上回るように前記コンバータの最大電流を設定する。

前記直流バスの最低電圧は、前記モータの特性から必要トルクと必要回転数に対するモータ端子電圧の実効値を求め、その実効値をピーク値に換算し、これに直流バスとモータ間で生じる電圧降下を加算して求める。

また、前記直流バスの実電圧は、
モータとインバータの特性モデルを用いて、モータ回転数とモータトルクに対し、直流バスからインバータへ流れるインバータ電流Ｉ_ｉｎｖを求め、
外部電源から直流バスへ流れるバス供給電流Ｉ_ｃｏｎを求め、
電流保存則により直流バスから蓄電装置へ流れる蓄電電流Ｉ_ｃａｐを
Ｉ_ｃａｐ＝Ｉ_ｃｏｎ−Ｉ_ｉｎｖ・・・（１）
の式（１）により求め、
蓄電装置の容量をＣ_ｃｏｎとして、
∫（Ｉ_ｃａｐ）ｄｔ ＝ Ｃ_ｃｏｎ×Ｖ_ｂｕｓ・・・（３）
の式（３）から、直流バスの実電圧Ｖ_busを求める。

また、モータトルクとモータ回転数を何通りかの異なる値に設定して運転して前記直流バス実電圧の時間変化を実測し、補間や補外によって運転条件を変えたときの直流バス実電圧の時間変化を推定してもよい。

上記本発明の装置及び方法によれば、モータの実際の必要トルクと必要回転数に合わせて最低限必要な最低電圧まで直流バスの電圧降下を許容するので、モータ電力供給装置（インバータ、コンバータ、蓄電装置）を最小化できる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明によるモータ電力供給装置の構成図である。この図において、１はコンバータ（例えば整流器）、２は直流バス、３は蓄電装置（例えばコンデンサ）、１１はインバータ、１２は電力制御素子（例えばＩＧＢＴ）、１３はモータ、１４は電力制御演算回路、２１はフィードバックセンサ（エンコーダ、レゾルバ、タコメータなど）、２２はモーション指示器、２３はサーボ演算器である。

コンバータ１の入力端子１ａは、図示しない外部電源（電力会社から供給される電源や、自家発電装置）に接続され、外部電源から供給される交流電流をコンバータ１（例えば整流器）で直流に変換し、直流バス２へ直流電流を供給するようになっている。
直流バス２には、蓄電装置３（例えばコンデンサ）が接続されており、直流バス２から蓄電装置３へ電流が流入して蓄電装置３が充電され、或いは逆に蓄電装置３から放電して直流バス２へ電流を供給するようになっている。
直流バス２にはさらにインバータ１１が接続されており、電力制御素子１２（例えばＩＧＢＴ）のゲート信号が適切なタイミングでオンオフされることにより、直流バス２から電力制御素子１２を経由してモータ１３へ流れる電流が交流に変調されて制御され、モータ１３のトルクが制御される。また、逆に回生時には、モータ１３から電力制御素子１２を経由して直流バス２へ流れる電流が制御されるようになっている。

モータ１３には機械装置（図示せず。例えばサーボプレスの場合には、金型がとりつけられたスライドを動かす駆動機構）が接続されており、モータ１３の回転に伴って機械装置も動く。
インバータ１１内の電力制御演算回路１４は、トルク指令を入力としてベクトル制御やセンサレスベクトル制御等の制御方法およびＰＷＭ変調等の変調方法にもとづいて演算を行い、電力制御素子１２へゲート信号を送る。
モータ１３にはフィードバックセンサ２１（エンコーダ・レゾルバ・タコメータなど）が取り付けられており、モータの回転角度ないし回転速度を検出する。またモーション指示器２２は自動ないし人間の操作にもとづき機械装置に所望するモーションパターン（位置や速度の時間変化パターン）を発生する。

サーボ演算器２３は、フィードバックセンサ２１から得られるモータの回転角度ないし回転速度と、モーション指示器２２から得られるモーションパターンとの偏差を小さくするようなサーボ制御が行われるように、ＰＩＤ制御等のフィードバック制御方法やフィードフォワード制御方法にもとづいてサーボ演算を行い、電力制御演算回路１４に対してトルク指令を送る。
以上のようにサーボ制御を行うことにより、モータ１３はモーション指示器２２が発生するモーションパターンに追従して動き、モータ１３に接続されている機械装置もそれに伴って動くようになっている。

図２は、モータ負荷とモータ電力供給装置の特性図であり、図３はモータ単独の特性図である。図２において、（Ａ）はモータ１３の回転数、（Ｂ）はモータ１３のトルク、（Ｃ）は直流バス２の最低電圧、（Ｄ）は直流バス２の実電圧のそれぞれ時間変化パターンを示す。

機械装置をあるモーションパターンにしたがって動かすために必要なモータトルクとモータ回転数の時間変化パターンは、モーションパターンと機械装置の機械特性（質量、慣性モーメント、ギア比、摩擦など）とモータ１３の機械特性（慣性モーメント、摩擦など）によって決まり、例えば図２（Ａ），図２（Ｂ）に示すようになる。

また、モータ１３の出力可能なトルクＴと回転数Ｎの特性はモータごとに決まっているが、モータ端子電圧Ｖによって変化し、例えば図３のようになる。ここでモータ端子電圧Ｖは、Ｖ_１＜Ｖ_２＜Ｖ_３である。

図２（Ａ），図２（Ｂ）における時々刻々のモータ回転数ＮとモータトルクＴに対して、図３に示すようなモータ１３の特性を用いることにより、各時刻において必要なモータ端子電圧の時間変化を求めることができる。
例えば、時刻ｔにおけるモータ回転数をＮ（ｔ），モータトルクをＴ（ｔ）とすると、図３においてＮ（ｔ）とＴ（ｔ）の交点に対するモータ端子電圧Ｖ（ｔ）が求める電圧である。
なお、ここではモータ回転数Ｎ（ｔ）とモータトルクＴ（ｔ）に対し、図上でモータ端子電圧Ｖ（ｔ）を求める方法を示したが、等価回路等を用いてモータ特性を数式で表しておけば、図を用いずに計算で求めることができる。

モータ端子電圧Ｖ（ｔ）に対し、電力制御素子１２およびインバータ１１とモータ１３間の配線で生じる電圧降下を考慮することにより、図２（Ａ）と図２（Ｂ）に示されるモータ回転数ＮとモータトルクＴでモータ１３が回転するために、それぞれの時刻ｔごとに必要な直流バス最低電圧Ｖ_ｍｉｎを計算することができ、図２（Ｃ）のようになる。
例えば、モータ端子電圧Ｖ（ｔ）は交流でありその実効値で表現されており、インバータ１１とモータ１３間の配線で生じる電圧降下をＶ_ｄｒｏｐと表現すれば、
Ｖ_ｍｉｎ＝Ｖ（ｔ）×√２＋Ｖ_ｄｒｏｐ・・・（１ａ）
となる。√２（＝２^０．５）は実効値をピーク値に換算する係数である。

他方、図２（Ａ）と図２（Ｂ）に示す時々刻々のモータ回転数Ｎ（ｔ）とモータトルクＴ（ｔ）に対し、直流バス２の実電圧Ｖ_ｂｕｓ（直流バス実電圧）の時間変化を求めると、図２（Ｄ）に示すようになる。
具体的には、以下のような手順で直流バス実電圧Ｖ_ｂｕｓを求めることができる。モータ１３とインバータ１１の特性モデルを用いて、時々刻々のモータ回転数Ｎ（ｔ）とモータトルクＴ（ｔ）に対し、時々刻々直流バス２からインバータ１１へ流れる電流Ｉ_ｉｎｖ（インバータ電流）を求めることができる。
インバータ電流Ｉ_ｉｎｖと、外部電源からコンバータ１を経由して直流バス２へ流れる電流Ｉ_ｃｏｎ（バス供給電流）、直流バス２から蓄電装置３へ流れる電流Ｉ_ｃａｐ（蓄電電流）の間には、電流保存則から以下の式（１）が成立する。ただし、電流が逆向きに流れるときは、負の値をとるものと解釈する。
Ｉ_ｃａｐ＝Ｉ_ｃｏｎ−Ｉ_ｉｎｖ・・・（１）

また、エネルギー保存則から、以下の式（２）が成立する。ただし、エネルギーの流れる向きを考慮して、正負の値をとるものとする。
∫（Ｉ_ｃａｐ×Ｖ_ｂｕｓ）ｄｔ
＝∫（Ｉ_ｃｏｎ×Ｖ_ｂｕｓ）ｄｔ−∫（Ｉ_ｉｎｖ×Ｖ_ｂｕｓ）ｄｔ
−∫（時々刻々、モータ、インバータ、蓄電装置、コンバータ、直流バス等で発生する電気的損失）ｄｔ・・・（２）

蓄電装置３がコンデンサである場合、その容量をＣ_ｃｏｎとすれば、式（３）が成立する。
∫（Ｉ_ｃａｐ）ｄｔ ＝ Ｃ_ｃｏｎ×Ｖ_ｂｕｓ・・・（３）

式（１）,（２）,（３）から、直流バス実電圧Ｖ_ｂｕｓの時間変化を求めることができる。電流とエネルギーの流れる向きに正負を考慮することにより、電力回生を行う場合にも同じ方法で計算が可能である。

本発明の生産方法では、図２（Ｃ）に示される直流バス最低電圧Ｖ_ｍｉｎと、図２（Ｄ）に示される直流バス実電圧Ｖ_ｂｕｓを比較して、いずれの時刻においても前者（直流バス最低電圧Ｖ_ｍｉｎ）よりも後者（直流バス実電圧Ｖ_ｂｕｓ）が大きくなるように、コンバータ１の電流容量、蓄電装置３の容量、モータ１３の特性などを設定（選択）する。
次いで、設定したコンバータ１、蓄電装置３およびインバータ１１を用いてモータ電力供給装置を生産する。
これにより、モータ１３は図２（Ａ）と図２（Ｂ）に示されるモータ回転数ＮとモータトルクＴを実際に発生することができる。
ここで、直流バス最低電圧Ｖ_ｍｉｎに対し、直流バス実電圧Ｖ_ｂｕｓはわずかでも大きければよいので、両者の差をできるだけ小さくするようにコンバータ１の電流容量、蓄電装置３の容量、モータ１３の特性などを選択することにより、モータ電力供給装置を小型化することができる。

以上の説明では、直流バス実電圧Ｖ_ｂｕｓの時間変化をモータ１３とインバータ１１の特性から計算する方法を示したが、モータトルクＴやモータ回転数Ｎを何通りかの異なる値に設定して運転して直流バス実電圧Ｖ_ｂｕｓの時間変化を実測し、補間や補外によって運転条件を変えたときの直流バス実電圧Ｖ_ｂｕｓの時間変化を推定する方法でもよい。

機械装置が複数のモーションパターンにしたがって動作する場合（例えば、サーボプレスにおいて、複数の金型を使用したり、複数種類の材料をプレス成形し、モータトルクやモータ回転数の時間変化パターンが複数種類ある場合）には、それぞれのモーションパターンに対して上記の計算を行い、いずれのモーションパターンにおいても直流バス実電圧Ｖ_ｂｕｓが直流バス最低電圧Ｖ_ｍｉｎを上回るようにコンバータ１の電流容量、蓄電装置３の容量、モータ１３の特性などを選択する。

機械装置のモーションパターンが人間の操作にもとづいて変化する場合には、その中でもっとも厳しい条件のモーションパターン、すなわち、直流バス最低電圧Ｖ_ｍｉｎが高く直流バス実電圧Ｖ_ｂｕｓが低くなるモーションパターンに対して上記の計算を行い、直流バス実電圧Ｖ_ｂｕｓが直流バス最低電圧Ｖ_ｍｉｎを上回るようにコンバータ１の電流容量、蓄電装置３の容量、モータ１３の特性などを選択する。
摩擦や粘性抵抗などによる損失の大きさを正確に見積もることが困難な場合には、想定しうる最大の損失に対応するモータトルクの時間変化パターンを用いて上記の計算を行い、直流バス実電圧Ｖ_ｂｕｓが直流バス最低電圧Ｖ_ｍｉｎを上回るようにコンバータ１の電流容量、蓄電装置３の容量、モータ１３の特性などを選択すればよい。

複数のモータが直流バス２に接続されている場合には、直流バス最低電圧Ｖ_ｍｉｎはそれぞれのモータに対して計算し、いずれのモータに対しても直流バス実電圧Ｖ_ｂｕｓが直流バス最低電圧Ｖ_ｍｉｎを上回るようになればよい。
複数のモータが異なるモーションパターンにしたがって動作する場合には
以下のように計算する。説明のため、モータおよびインバータが３台あると仮定する。
直流バス最低電圧Ｖ_ｍｉｎは、それぞれのモータごとに、それぞれのモータトルクやモータ回転数の時間変化パターンを用いて計算する。
すなわち３台のモータそれぞれに対し、Ｖ_ｍｉｎ１，Ｖ_ｍｉｎ２，Ｖ_ｍｉｎ３を計算する。
また、（２）式におけるＩ_ｉｎｖとしてすべてのインバータへ流れる電流の総和を用い、電気的損失としてすべてのモータ・インバータ等の損失の総和を用いて、直流バス実電圧Ｖ_ｂｕｓを計算する。
いずれのモータに対しても直流バス実電圧Ｖ_ｂｕｓが直流バス最低電圧Ｖ_ｍｉｎを上回るように、すなわち、Ｖ_ｂｕｓ≧Ｖ_ｍｉｎ１ かつ Ｖ_ｂｕｓ≧Ｖ_ｍｉｎ２ かつ Ｖ_ｂｕｓ≧Ｖ_ｍｉｎ３ となるようにコンバータ１の電流容量、蓄電装置３の容量、モータ１３（複数台のそれぞれ）の特性などを選択する。

（代替実施例）
上述した例では、外部電源を三相交流とする例を示したが、単相交流もしくはその他の相数の交流でもよいし、直流でもよい。直流の場合、コンバータ１を省略することもできる。
蓄電装置３としてコンデンサを使用する例を示したが、電気二重層キャパシタや蓄電池など化学変化を利用した蓄電装置、フライホィールの回転運動としてエネルギーを蓄える機械的な蓄電装置なども使用可能である。
コンバータ１としては、整流器のかわりに、整流素子としてサイリスタを使用しサイリスタの点弧タイミングを制御することにより直流電流を可変とするサイリスタブリッジや、整流素子としてＩＧＢＴを使用しＩＧＢＴのゲート信号を制御することにより直流電流を可変とする構成でもよい。また、回生可能なコンバータや、高調波を低減するようマトリックスコンバータを用いてもよい。

インバータ１１の形式は、電圧型インバータ、電流型インバータいずれでもよい。またモータへの電流が滑らかに変化するよう多レベルのインバータでもよい。電力制御素子１２としては、ＩＧＢＴ以外にパワーＭＯＳＦＥＴやＧＴＯサイリスタ等も利用可能である。本実施例ではゲート信号と称したが、素子の種類によって適切な名称に読みかえることは勿論である。
モータ１３の形式は三相誘導モータ、同期モータ、永久磁石同期モータなどいずれの形式でもよく、インバータと適切に組み合わされてトルク制御が可能であればよい。
ゲート信号の発生方式としてはベクトル制御に限らずモータのトルクを適切に制御できる方法であればよい。
インバータとモータの組み合わせのかわりに、サイリスタレオナードと直流モータの組み合わせも使用可能である。この場合、変調された直流がモータへ供給される。
もし、モータ１３が一方向にしか回転しない機械に本発明を適用する場合には、インバータも一方向への回転にのみ対応する構成でよい。
もし、電力回生が不要であれば、電力回生が行えないインバータを使用してもよい。この場合、直流バス実電圧の関係式（１），（２）において、電力回生の寄与分をゼロとして、すなわちＩ_ｉｎｖは常に０または正の値として、直流バス実電圧を計算する。

以下、具体的な実施例を説明する。
図１に示したモータ電力供給装置において、外部電源として三相交流電源を、コンバータ１として整流器を、蓄電装置３としてコンデンサを、インバータ１１として電力回生可能でありかつモータ１３を正負両方向に回転させることのできる４象限インバータを使用する例について述べる。

図４は、使用するモータに要求される負荷特性図である。図４（Ａ）と図４（Ｂ）に示すようなモータ回転数とモータトルクの時間変化パターンにしたがってモータ１３を動かすものとする。

図５は、モータ電力供給装置の特性図である。
時々刻々のモータ回転数ＮとモータトルクＴに対し、モータ回転数Ｎ×モータトルクＴを計算することにより、図５（Ａ）に示すように、時々刻々モータ１３が機械装置に対して行う機械的仕事Ｗが求められる。
機械的仕事Ｗが負の値になる部分は機械装置によってモータ１３が駆動されていることを示す。

図６は、直流バス２からインバータ１１へ流入するパワーＰと機械的仕事Ｗの関係図である。この図において、横軸は外部への機械的仕事Ｗ、縦軸は供給するパワーＰを示す。
モータ１３が機械装置に対して行う機械的仕事Ｗが正の値ならば力行、負の値ならば回生であるが、モータ１３およびインバータ１１において損失があるため、直流バス２からインバータ１１へ流入するパワーと機械的仕事の関係は、図６に太線で示すようになる。

図６に太線で示されている関係を用いることにより、図５（Ａ）に示す機械的仕事Ｗの時間変化パターンを図５（Ｂ）に示す直流バスからインバータへ流入するパワー（以下、Ｐ_ｉｎｖと記す。）の時間変化パターンに計算で変換することができる。

図５（Ｂ）のグラフを関数ｆ（ｔ）と記すことにすれば、パワーＰ_ｉｎｖは電流と電圧の積なので、
Ｐ_ｉｎｖ＝ｆ（ｔ）＝Ｉ_ｉｎｖ×Ｖ_ｂｕｓ・・・（４）
すなわち、
Ｉ_ｉｎｖ＝ｆ（ｔ）／Ｖ_ｂｕｓ・・・（５）
である。

図７は、直流バス２に流入する電流Ｉ_ｃｏｎとＶ_ｂｕｓの関係図である。
外部電源からコンバータ１を経由して直流バス２に流入する電流Ｉ_ｃｏｎはＶ_ｂｕｓの値によって変化するが、図７に示すように、１．３５×外部電源電圧実効値をしきい値として変化する。
ここで、１．３５は、三相交流の場合に、交流の実効電圧値と整流後の電圧の比率を与える変換係数である。また、Ｖ_ｂｕｓ＜１．３５×外部電源電圧実効値の場合のＩ_ｃｏｎの値は、コンバータ１を構成する整流器の容量によって決まる。

図７のグラフを関数ｇ（ｘ）と記すことにすれば、
Ｉ_ｃｏｎ＝ｇ（Ｖ_ｂｕｓ）・・・（６）
である。

式（１）に式（５）と式（６）を代入すると、
Ｉ_ｃａｐ＝ｇ（Ｖ_ｂｕｓ）−ｆ（ｔ）／Ｖ_ｂｕｓ・・・（７）
となる。また、式（３）の両辺を時間ｔで微分すると、
Ｉ_ｃａｐ ＝Ｃ_ｃｏｎ×ｄＶ_ｂｕｓ／ｄｔ・・・（８）
なので、式（７）と式（８）から、
ｄＶ_ｂｕｓ／ｄｔ＝（１／Ｃ_ｃｏｎ）×｛ｇ（Ｖ_ｂｕｓ）−ｆ（ｔ）／Ｖ_ｂｕｓ｝・・・（９）
となる。

ここで、Ｖ_ｂｕｓは時間の関数なので、式（９）を数値積分で解くために、微小時間をΔｔ、時刻ｔにおける直流バス実電圧をＶ_ｂｕｓ（ｔ），時刻ｔ＋Δｔにおける直流バス実電圧をＶ_ｂｕｓ（ｔ＋Δｔ）と表現すると、
Ｖ_ｂｕｓ（ｔ＋Δｔ）＝Ｖ_ｂｕｓ（ｔ）＋（１／Ｃ_ｃｏｎ）×｛ｇ（Ｖ_ｂｕｓ（ｔ））−ｆ（ｔ）／Ｖ_ｂｕｓ（ｔ）｝・・・（１０）
となる。さらに、蓄電装置３を構成するコンデンサには若干のリーク電流が存在するので、リーク電流を考慮すると、
Ｖ_ｂｕｓ（ｔ＋Δｔ）＝Ｖ_ｂｕｓ（ｔ）＋（１／Ｃ_ｃｏｎ）×｛ｇ（Ｖ_ｂｕｓ（ｔ））−ｆ（ｔ）／Ｖ_ｂｕｓ（ｔ）｝×α・・・（１１）
となる。

図８は、コンデンサの放電特性図である。
コンデンサを充電し電気回路から切断すると、リークにより図８に示すように指数関数的に電圧が減少するが、αはΔｔ時間で生じる電圧の減少率であり、１よりわずかに小さい値である。式（１１）の右辺にＶ_ｂｕｓ（ｔ）の値を代入することにより、Ｖ_ｂｕｓ（ｔ＋Δｔ）を計算できる。Ｖ_ｂｕｓ（ｔ＋Δｔ）をあらためてＶ_ｂｕｓ（ｔ）とおき式（１１）の右辺に代入することを繰り返すことにより、直流バス実電圧Ｖ_ｂｕｓの時間変化を計算できる。

以上述べた計算方法により、図５（Ｂ）に示す直流バスからインバータへ流入するパワーの時間変化パターンから、図５（Ｃ）に実線で示す直流バス実電圧の時間変化パターンを計算することができる。なお、図５（Ｃ）の実線は、コンデンサ容量を１Ｆ、コンバータを経由して直流バスへ供給される電流（図７に示す直流バス実電圧が小さい領域でのＩ_ｃｏｎの値）を１１００Ａとした場合の値である。
ただし、図４（Ａ）および図９におけるモータ回転数の単位は ０．１ｒａｄ／ｓ、図４（Ｂ）および図９におけるモータトルクの単位は１０Ｎｍ、図５（Ａ）および図５（Ｂ）における機械的仕事とパワーの単位はｋＷ、図５（Ｃ）および図９および図１０における電圧の単位はＶ、αの値は０．９９９９、ΔＴの値は１ｍｓであるとする。

図９は、モータ１３のトルクと回転数の負荷特性図である。
図３に一般形を示したモータ１３の出力可能なトルクと回転数の特性が、本例においては図９に示すようであるとすると、図２の説明において前述した方法により、図４（Ａ）と図４（Ｂ）に示すモータ回転数とモータトルクの時間変化パターンにしたがってモータ１３を動かす場合に、それぞれの時刻ごとに必要な直流バス最低電圧ｖ_ｍｉｎを計算することができ、図５（Ｃ）に破線で示すようになる。ただし、図３と異なり、図９では、実効値をピーク値に換算する係数とインバータ１１−モータ１３間の配線で生じる電圧降下をあらかじめ考慮し、モータ端子電圧のかわりに直流バス実電圧を示している。

図５（Ｃ）において、直流バス最低電圧（破線）よりも直流バス実電圧（実線）が常に大きいので、仮定したコンデンサ容量、コンバータ容量で、図４（Ａ）， 図４（Ｂ）に示すモータ回転数とモータトルクの時間変化パターンにしたがってモータ１３を動かすことができる。

図１０は、従来の方法による直流バス実電圧Ｖ_ｂｕｓの時間変化を示す図である。
従来の方法によれば、モータ１３が最大トルクと最大回転数で動作できるように、直流バス実電圧が常に５００Ｖ以上になるようにコンデンサ容量、コンバータ容量が選定されていた。
このためには、例えば、コンデンサ容量を１．７Ｆ、コンバータを経由して直流バスへ供給される電流（図７に示す直流バス実電圧が小さい領域でのＩ_ｃｏｎの値）を１５００Ａとし、直流バス実電圧が図１０に示す波形になるようにする必要がある。
これに対し、本特許の実施例ではコンデンサ容量１Ｆ、コンバータを経由して直流バスへ供給される電流１１００Ａで十分なので、蓄電装置・コンバータが小型化される。

なお、以上の例では、式（９）を数値積分で解くために、一次式で近似して前進解法で解く方法を示したが、その他の数値積分法を用いてもよい。
インバータやモータにおける損失、蓄電装置におけるリークが、温度変化や経年変化等の原因により機械装置の運転中に変化する場合には、損失やリークが最大の場合について直流バス実電圧の時間変化パターンを計算すればよい。

図１１は、直流バスからインバータへ流入するパワーＰと機械的仕事Ｗの別の関係図であり、図１２は、リークによるコンデンサ電圧の変化を示す別の図である。
例えば、直流バスからインバータへ流入するパワーと機械的仕事の関係が、図１１の複数の実線で示すように変化する場合には、太い実線で示す損失最大の場合を用い、リークによるコンデンサ電圧の変化が図１２の複数の実線で示すように変化する場合には、太実線で示すリーク最大の場合に相当するαの値を用いればよい。

上述したように、本発明の装置及び方法によれば、モータの実際の必要トルクと必要回転数に合わせて最低限必要な最低電圧まで直流バスの電圧降下を許容するので、モータ電力供給装置（インバータ、コンバータ、蓄電装置）を最小化できる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明によるモータ電力供給装置の構成図である。 モータ負荷とモータ電力供給装置の特性図である。 モータ単独の特性図である。 使用するモータに要求される負荷特性図である。 モータ電力供給装置の特性図である。 流入するパワーＰと機械的仕事Ｗの関係図である。 バス供給電流Ｉ_ｃｏｎと直流バス実電圧Ｖ_ｂｕｓの関係図である。 コンデンサの放電特性図である。 モータ１３のトルクと回転数の負荷特性図である。 従来の方法による直流バス実電圧Ｖ_ｂｕｓの時間変化を示す図である。 直流バスからインバータへ流入するパワーＰと機械的仕事Ｗの別の関係図である。 リークによるコンデンサ電圧の変化を示す別の図である。 特許文献１の電動機駆動用電源回路を示す図である。

符号の説明

１ コンバータ（整流器）、２ 直流バス、３ 蓄電装置（コンデンサ）、
１１ インバータ、１２ 電力制御素子（ＩＧＢＴ）、１３ モータ、
１４ 電力制御演算回路、
２１ フィードバックセンサ（エンコーダ、レゾルバ、タコメータ）、
２２ モーション指示器、２３ サーボ演算器

Claims (7)

1. 外部から直流電流が供給される直流バスと、
   前記直流バスに接続され、前記直流電流を蓄電し放電する蓄電装置と、
   前記直流バスに接続され、前記直流電流を変調して外部モータを駆動するインバータとを備え、
   前記蓄電装置とインバータは、前記外部モータの必要トルクと必要回転数の時間変化に対して、前記モータとインバータの特性を用いて求められる直流バスの最低電圧と直流バスの実電圧の時間変化が、常に直流バスの実電圧が直流バスの最低電圧を上回るように設定されている、ことを特徴とするモータ電力供給装置。
2. 外部電源から供給される交流電流を直流電流に変換して、前記直流バスに供給するコンバータを備え、
   該コンバータは、常に直流バスの実電圧が直流バスの最低電圧を上回るように設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載のモータ電力供給装置。
3. 外部から直流電流が供給される直流バスと、
   前記直流バスに接続され、前記直流電流を蓄電し放電する蓄電装置と、
   前記直流バスに接続され、前記直流電流を変調して外部モータを駆動するインバータとを備えるモータ電力供給装置を生産する方法であって、
   前記外部モータの必要トルクと必要回転数の時間変化に対して、前記モータとインバータの特性を用いて、直流バスの最低電圧と直流バスの実電圧の時間変化を求め、
   直流バスの実電圧が常に直流バスの最低電圧を上回るように蓄電装置とインバータを設定し、
   設定した蓄電装置とインバータを用いてモータ電力供給装置を生産する、ことを特徴とするモータ電力供給装置を生産する方法。
4. 外部電源から供給される交流電流を直流電流に変換して、前記直流バスに供給するコンバータを備え、
   常に直流バスの実電圧が直流バスの最低電圧を上回るように前記コンバータの最大電流を設定する、ことを特徴とする請求項３に記載のモータ電力供給装置を生産する方法。
5. 前記直流バスの最低電圧は、前記モータの特性から必要トルクと必要回転数に対するモータ端子電圧の実効値を求め、その実効値をピーク値に換算し、これに直流バスとモータ間で生じる電圧降下を加算して求める、ことを特徴とする請求項３に記載のモータ電力供給装置を生産する方法。
6. 前記直流バスの実電圧は、
   モータとインバータの特性モデルを用いて、モータ回転数とモータトルクに対し、直流バスからインバータへ流れるインバータ電流Ｉ_ｉｎｖを求め、
   外部電源から直流バスへ流れるバス供給電流Ｉ_ｃｏｎを求め、
   電流保存則により直流バスから蓄電装置へ流れる蓄電電流Ｉ_ｃａｐを
   Ｉ_ｃａｐ＝Ｉ_ｃｏｎ−Ｉ_ｉｎｖ・・・（１）
   の式（１）により求め、
   蓄電装置の容量をＣ_ｃｏｎとして、
   ∫（Ｉ_ｃａｐ）ｄｔ ＝ Ｃ_ｃｏｎ×Ｖ_ｂｕｓ・・・（３）
   の式（３）から、直流バスの実電圧Ｖ_busを求める、ことを特徴とする請求項３に記載のモータ電力供給装置を生産する方法。
7. モータトルクとモータ回転数を何通りかの異なる値に設定して運転して前記直流バス実電圧の時間変化を実測し、補間や補外によって運転条件を変えたときの直流バス実電圧の時間変化を推定する、ことを特徴とする請求項３に記載のモータ電力供給装置を生産する方法。
   
   

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