JP2010226875A - 電力供給装置および電力供給装置に取り付ける省エネ対策装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サーボモータで駆動する装置に電力を供給する電力供給装置において、回生エネルギを回収して有効活用すると共に、装置に安定した電力供給を行う。
【解決手段】電力供給装置１に、一次側電源からの電力供給を受ける電源部１０と、電源部１０から供給される電力をサーボモータ１０１に供給すると共に、サーボモータ１０１で発生する回生電力を受け取るＤＣ／ＤＣコンバータ３０と、蓄電部４１と、制御回路４３とを設ける。制御回路４３は、ロボット１００が減速動作している際に、蓄電部４１の蓄電量が所定値未満であれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が受け取る回生電力を蓄電部４１に蓄積させ、蓄電量が所定値以上であれば、回生電力を一次側電源に回生させる。また、制御回路４３は、サーボモータ１０１を加速動作させている際、一次側電源が電圧降下した場合、サーボモータ１０１に蓄電部４１の電力を供給する。
【選択図】図２

Description

本発明は、サーボモータで駆動する装置に電力を供給する電力供給装置および電力供給装置に取り付けられる省エネ対策装置に関する。

従来技術による、産業用ロボットへの電力供給システムを図４に基づいて説明する。
図示するように、電力供給システムは、架空送電線などの送電網３００から引き込んだ電力を変圧する変圧器２２０と、変圧器２２０に接続され、当該変圧器２２０で電圧を降圧された電力を施設内の各種装置に提供するための電源端子（コンセント）２００と、サーボモータで駆動するロボット１００に電力を供給する電力供給装置（制御盤）１１０とを備えている。

ところで、サーボモータで駆動する産業用ロボット１００は、電力供給装置１１０から供給される電力により、ロボットアーム１００ａの各回転軸を加速或いは減速させ、ロボットアーム１００ａを所定のポジションに移動させ、ワークに対する加工作業を実施している。
また、産業用ロボット１００は、減速動作するときには、前記サーボモータが動作中のロボット１００が有する運動エネルギを吸収する。この減速動作の際に、当該サーボモータが発電機として動作して回生電力を発生させる。

そして、電力供給装置１１０は、産業用ロボット１００を加速動作させる場合には、前記サーボモータに電力を供給し、産業用ロボット１００を減速動作させる場合、前記サーボモータが発生させる回生電力を受け取り、その受け取った回生電力を放熱用ヒータ１１１に流して熱に変換して廃棄している（放熱している）。
なお、上記のように、産業用ロボットで発生する回生電力を放電抵抗により消費して廃棄するシステムは、例えば、特許文献１に開示されている。

特開平１０−２９６６７８号公報の図４

しかしながら、上述した従来技術は、以下に示す技術的課題を有している。
具体的には、上述した従来技術のように、産業用ロボットで発生した回生電力を廃棄する方法は、エネルギを作り出しているにも関わらず、それを活用しておらず、エネルギの無駄を生じさせているという技術的課題を有している。特に、近年は、地球温暖化に関する関心が高まっており、ＣＯ２の削減につながるエネルギの有効活用が強く望まれている。
また、上述した図４に示す電力供給システムは、送電網に落雷等があったときに起こる一時的な電圧低下により、駆動中の産業用ロボットが停止することがあるという技術的課題を有している。
なお、電圧低下による産業用ロボットの停止は、産業用ロボットの再起動および原位置復帰に多くの時間と手間が必要になることから、製造ラインの生産性の低下要因になっていた。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、サーボモータで駆動する装置に電力を供給する電力供給装置において、回生エネルギを回収して有効活用すると共に、当該装置に安定した電力供給を行うことにある。

上記課題を解決するためになされた本発明は、サーボモータで駆動する装置に電力を供給する電力供給装置に適用される。
そして、前記電力供給装置は、一次側電源に接続され、該一次側電源からの電力供給を受ける電源部と、前記装置のサーボモータに接続され、前記電源部から供給される電力を変圧して該サーボモータに供給し該サーボモータを駆動させると共に、該装置が減速動作する際に該サーボモータで発生する回生電力を受け取るモータ駆動部と、前記モータ駆動部に接続された蓄電部と、前記モータ駆動部を制御する制御部とを備えている。また、前記制御部は、前記装置を減速動作させている際に、前記蓄電部の蓄電量が所定値未満であれば、前記モータ駆動部が受け取った回生電力を前記蓄電部に蓄積させ、該蓄電量が所定値以上であれば、前記電源部を介して、該回生電力を前記一次側電源に回生させ、さらに、前記装置を加速動作させている際に、前記一次側電源から供給される電力が所定電圧値以下に低下すると、前記モータ駆動部を介して、前記サーボモータに、前記蓄電部に蓄積された電力を供給するようになされていることを特徴としている。

このように、本発明の電力供給装置は、サーボモータで発生した回生電力を廃棄することなく蓄電部に蓄積しておき、一次側電源が電圧降下した場合の補完電力として利用している。
また、前記装置を減速動作させている際に、蓄電部の蓄電量が所定値以上であれば、サーボモータで発生した回生電力を一次側電源に回生させるようにしている。
すなわち、本発明によれば、サーボモータで発生する回生電力（エネルギ）を回収して利用することができる。また、サーボモータにより駆動する装置に対して、安定的な電力供給を行うことができる。
そのため、例えば、本発明の電力供給装置を用いて、製造ラインの産業用ロボットに電力供給を行うようにすれば、製造ラインを安定稼働させることができる。

また、前記蓄電部は、電気２重層キャパシタにより構成されていることが望ましい。
このように、蓄電部に、小型で容量の大きい電気２重層キャパシタを用いることにより、装置を大型化することなく大容量の回生電力を蓄積することが可能になる。
また、電気２重層キャパシタは、放電・充電の応答性が速いため、例えば、落雷等により一次側電源が電圧降下した場合いおいても、すばやく、電圧降下を補完することができる。

また、本発明は、サーボモータで駆動する装置に電力を供給する電力供給装置に取り付けられる省エネ対策装置に適用される。
また、前記電力供給装置は、一次側電源に接続され、該一次側電源からの電力供給を受ける電源部と、前記装置のサーボモータに接続され、前記電源部から供給される電力を変圧して該サーボモータに供給し該サーボモータを駆動させると共に、該装置が減速動作する際に該サーボモータで発生する回生電力を受け取るモータ駆動部とを備えている。
そして、前記省エネ対策装置は、前記モータ駆動部に接続可能に構成された蓄電部と、前記モータ駆動部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記装置を減速動作させている際に、前記蓄電部の蓄電量が所定値未満であれば、前記モータ駆動部が受け取った回生電力を前記蓄電部に蓄積させ、該蓄電量が所定値以上であれば、前記電源部を介して、該回生電力を前記一次側電源に回生させ、さらに、前記装置を加速動作させている際に、前記一次側電源から供給される電力が所定電圧値以下に低下すると、前記モータ駆動部を介して、前記サーボモータに、前記蓄電部に蓄積された電力を供給するようになされていることを特徴としている。

このように、本発明の省エネ対策装置を、既設の電力供給装置に取り付けることにより、サーボモータで発生する回生電力（エネルギ）を回収して利用できると共に、サーボモータにより駆動する装置に対して、案定した電力供給を行うことができる。
すなわち、本発明の省エネ対策装置によれば、既設の電力供給装置を交換する必要がないため、コストをかけずに、省エネルギおよび電力の安定供給を実現することができる。

本発明によれば、サーボモータで駆動する装置に電力を供給する電力供給装置において、サーボモータで発生する回生エネルギを回収して利用すると共に、当該装置に安定した電力供給を行うことができる。

本発明の実施形態の電力供給装置を利用した電力供給システムを示した模式図である。 本発明の実施形態の電力供給システムの機能ブロック図である。 本発明の実施形態の変形例の電力供給システムの機能ブロック図である。 従来技術による、産業用ロボットへの電力供給システムを示した模式図である。

以下、本発明の実施形態の電力供給システムについて図１および図２を用いて説明する。
図１は、本発明の実施形態の電力供給装置を利用した電力供給システムを示した模式図である。また、図２は、本発明の実施形態の電力供給システムの機能ブロック図である。
なお、本実施形態では、上述した従来技術の電力供給システムと同じ構成には同じ符号を付して説明する。

図１に示すように、本実施形態の電力供給システムは、架空送電線などの送電網３００から引き込んだ電力を変圧する変圧器２２０と、変圧器２２０に接続され、当該変圧器２２０により電圧を降圧された電力を施設内の各種装置に提供するための電源端子（コンセント）２００と、サーボモータ１０１（図２参照）で駆動する産業用ロボット（以下、単に「ロボット」という）１００に電力を供給する電力供給装置１とを備えている。
なお、電源供給装置１は、コンセント２００に接続されて利用されるものとする。
また、ロボット１００は、サーボモータ１０１を備え、当該サーボモータ１０１により駆動するように構成されている。なお、ロボット１００は、サーボモータ１０１で駆動するように構成されていればよく、その具体的な構成について特に限定されるものではない。例えば、図１に示すように、ロボット１００には、一般的な多軸ロボットを用いることができる。

また、本実施形態は、電力供給装置１がロボット１００のサーボモータ１０１で発生する回生電力を回収して有効利用すると共に、ロボット１００に安定した電力供給を行うことを特徴としており、電力供給装置１以外の構成は既存の技術により実現されるものである。そのため、以下では、電力供給装置１の構成を詳細に説明し、それ以外の構成の説明は簡略化して行う。

具体的には、図２に示すように、電力供給装置１は、電源端子２００（図１参照）を介して、一次側電源に接続され、当該一次側電源からの電力の供給を受ける電源部１０と、遮断器２０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ（モータ駆動部）３０と、電気２重層キャパシタ（蓄電部）４１と、電気２重層キャパシタ４１の蓄電量を検知する蓄電量センサ４２と、制御回路４３とを備えている。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０と、電気２重層キャパシタ４１とは、スイッチＳＷを介して接続されている。
このスイッチＳＷは、制御回路４３からの信号により「オン状態」になるとＤＣ／ＤＣコンバータ３０と電気２重層キャパシタ４１との間を接続し、「オフ状態」になるとＤＣ／ＤＣコンバータ３０と電気２重層キャパシタ４１との間を切断する。

また、電源部１０は、一次側電源から供給される交流の電力を直流に変換して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０に出力するコンバータ１２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０から出力される直流の電力を受け取り、交流に変換して一次側電源に回生する回生回路１３とを備えている。
なお、回生回路１３は、前記交流の電力を一次側電源に回生させる場合、電力会社の周波数と同じ周波数になるように周波数調整を行うようになされている。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、ロボット１００のサーボモータ１０１に接続され、電源部１０から供給される直流の電力を変圧してサーボモータ１０１に供給しサーボモータ１０１を駆動させる。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、ロボット１００が減速動作する際にサーボモータ１０１で発生する回生電力を受け取り、後述する制御回路４３による制御により、受け取った回生電力を電源部１０に出力したり、電気２重層キャパシタ４１に蓄積したりする。

また、電気２重層キャパシタ４１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が受け取った回生電力を蓄積する。
また、蓄電量センサ４２は、制御回路４３からの要求に応じて、電気２重層キャパシタ４１に蓄積されている蓄電量を検知して、制御回路４３に検知した蓄電量を示す信号を出力する。

制御回路４３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０およびスイッチＳＷの制御し、サーボモータ１０１に電力を供給してサーボモータ１０１を駆動させたり、サーボモータ１０１が発生させた回生電力を電気２重層キャパシタ４１に蓄積したりする。
以下、制御回路４３が行う処理について、ロボット１００を減速動作させる場合と、ロボット１００を加速動作させる場合とに分けて説明する。

先ず、ロボット１００を減速動作させる場合について説明する。
なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、ロボット１００の減速動作の際にサーボモータ１０１が発生させる回生電力を受け取るようになされている。
具体的には、制御回路４３は、ロボット１００を減速動作させる場合、蓄電量センサ４２を介して電気２重層キャパシタ４１の蓄電量を取得する。そして、制御回路４３は、電気２重層キャパシタ４１の蓄電量が所定値未満であれば（例えば、１００％充電（フル充電）されていなければ）、スイッチＳＷをオン状態にすると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０に、上記の受け取った回生電力を変圧して電気２重層キャパシタ４１に蓄積させる処理を実行させる。

一方、制御回路４３は、電気２重層キャパシタ４１の蓄電量が所定値以上であれば（例えば、フル充電されていれば）、スイッチＳＷをオフ状態にすると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０に、上記受け取った回生電力を変圧して電源部１０の回生回路１３に出力させる。
この場合、回生回路１３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０からの直流の電力を交流に変換し、且つ電力会社の周波数と同じ周波数になるように周波数調整を行い、当該電力を一次側電源に戻す。

このように、本実施形態によれば、従来技術のように、ロボット１００のサーボモータ１０１で発生した回生電力を廃棄するのではなく、電気２重層キャパシタ４１に蓄積したり、一次側電源に戻したりするようになされている。そのため、本実施形態によれば、回生電力を他の用途に使うことが可能になり、回生電力を有効活用することができる。

次に、ロボット１００を加速動作させる場合について説明する。
制御回路４３は、ロボット１００を加速動作させる場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を介して、電源部１０のコンバータ１２から出力される電力の電圧値を取得する。
そして、制御回路４３は、前記取得した電圧値が所定電圧値より大きければ、スイッチＳＷをオフ状態にすると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０に、電源部１０（コンバータ１２）からの電力を変圧してサーボモータ１０１に供給する処理を実行させる。
一方、制御回路４３は、前記取得した電圧値が所定電圧値以下であれば、スイッチＳＷをオン状態にすると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０に、電気２重層キャパシタ４１に蓄積された電力を変圧してサーボモータ１０１に供給する処理を実行させる。

このように、本実施形態では、電源部１０からの電力の電圧値が所定電圧値以下の場合、電気２重層キャパシタ４１に蓄積しておいた電力を利用して、サーボモータ１０１を駆動するようにしている。
そのため、例えば、送電網３００（図１参照）に落雷等があり、一次側電源から供給される電力の電圧値が低下しても電気２重層キャパシタ４１に蓄積した電力によりロボット１００を駆動させることができる。

また、本実施形態の電力供給装置１は、蓄電デバイスとして、小型で容量の大きい電気２重層キャパシタを用いるようにしているため、装置を大型化することなく大容量の回生電力を蓄積することが可能になる。
また、電気２重層キャパシタは、放電・充電の応答性が速いため、例えば、落雷等により一次側電源が電圧降下した場合いおいても、すばやく、電圧降下を補完することができる。

以上、説明したように、本実施形態の電力供給装置１を利用することにより、従来技術では廃棄されていたロボット１００を減速動作させる際に発生する回生電力をバックアップ電源として蓄積することができる。また、本実施形態によれば、電気２重層キャパシタの蓄電量が一杯のとき（フル充電されているとき）には、ロボット１００の減速動作の際に発生する回生エネルギを一次側電源に戻すことができ、エネルギの有効活用が実現される。

また、本実施形態の電力供給装置１を利用することにより、落雷等の不慮の事態が発生した場合においても、電気２重層キャパシタ４１に蓄積された電力によりロボット１００を駆動させることができるため、ロボット１００が不慮の事態で停止することが防止される。そのため、本実施形態によれば、電源電圧の変動に関係なく製造ラインを安定して稼働させることができる。

また、電力供給装置１に電気２重層キャパシタ４１を搭載したことにより、電力供給装置１のコンセントプラグを抜いたり、施設の主電源をオフにしたりしても、電気２重層キャパシタ４１に蓄積された電力により、ロボット１００の座標系データを常時保持することができる。なお、座標系データを常時保持できるため、主電源をオンにした後、直ぐにロボット１００を稼働させることが可能になる。
すなわち、本実施形態の電力供給装置１を利用することにより、休日や休憩時間に主電源をオフにできるため、待機電力が不要になり製造ラインの省エネルギ化を図ることができる。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が可能である。

例えば、図２に示す電気２重層キャパシタ４１、蓄電量センサ４２、制御回路４３、およびスイッチＳＷを別体の省エネ対策ユニット４０として構成して（すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、遮断器２０、および電源部１０と別体のユニットとして構成して）、製造ラインに既設されている電力供給装置に、後付で取り付けられるようになされていてもかまわない。
このように構成することにより、既設の電力供給装置を交換することなく、ロボット１００で発生した回生電力を有効活用することができるため、省エネルギおよび電力の安定供給を低コストで実現することができる。

また、例えば、図３に示すように、図４に示したヒータ１１１を備えた電力供給装置１１０に、電気２重層キャパシタ４１、蓄電量センサ４２、制御回路４４、およびスイッチＳＷを備えた省エネ対策ユニット５０を取り付けるようにしてもよい。
なお、図３において、図２と同じ構成には同じ符号を付している。

具体的には、図３に示す省エネ対策ユニット５０は、電力供給装置１１０のＤＣ／ＤＣコンバータ（モータ駆動部）３０にスイッチＳＷを介して接続可能に構成された電気２重層キャパシタ４１と、蓄電量センサ４２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０に接続可能に構成された制御回路４４とを備えている。
また、制御回路４４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０およびスイッチＳＷを制御できるように構成されている。また、制御回路４４が、２つの動作モード（ヒータモード、蓄電モード）を備え、動作モードに応じた処理を行うように構成されている。
なお、ユーザが制御回路４４のモードを設定できるようになされている。

そして、制御回路４４は、ロボット１００を減速動作させる際に、「ヒータモード」に設定されていれば、スイッチＳＷをオフ状態にし、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０に、サーボモータ１０１からの回生電力をヒータに流して消費させる処理を実行させる。
一方、制御回路４４は、ロボット１００を減速動作させる際に、「蓄電モード」に設定されていれば、スイッチＳＷをオン状態にし、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１に、サーボモータ１０１からの回生電力を電気２重層キャパシタ４１に蓄積させる処理を実行させる。
なお、制御回路４４は、「蓄電モード」に設定されている場合に、蓄電量が所定値以上であれば、サーボモータ１０１で発生した回生電力をヒータ１１１に流す。

このように構成することにより、例えば、暖房が必要な時期には、「ヒータモード」に設定して、回生電力を施設の暖房として利用することができる。また、暖房が不要な時期には、回生電力をバックアップ電源として活用することが可能になる。
また、省エネ対策ユニット５０を利用することにより、既設の電力供給装置を利用して、ロボット１００で発生した回生電力を有効活用することができるため、省エネルギおよび電力の安定供給を低コストで実現することができる。

また、上述した実施形態では、電力供給装置１が、サーボモータ１０１を備えたロボット１００に電力を供給する場合を例にしているが、特にこれに限定するものではない。
本実施形態の電力供給装置１は、サーボモータで駆動する装置であれば、産業用ロボット以外の装置にも適用することができる。
また、上述した実施形態では、蓄電デバイスとして、電気２重層キャパシタを用いるようにしているが、電気２重層キャパシタ以外の蓄電デバイスを利用するようにしてもかまわない。

ＳＷ スイッチ
１ 電力供給装置
１０ 電源部
１２ コンバータ
１３ 回生回路
２０ 遮断器
３０ ＤＣ／ＤＣコンバータ（モータ駆動部）
４０ 省エネ対策ユニット
４１ 電気２重層キャパシタ（蓄電部）
４２ 蓄電量センサ
４３ 制御回路
１００ 産業用ロボット
１０１ サーボモータ
１１０ 電力供給装置
１１１ ヒータ
２００ 電源端子（コンセント）
２２０ 変圧器

Claims (3)

1. サーボモータで駆動する装置に電力を供給する電力供給装置において、
   一次側電源に接続され、該一次側電源からの電力供給を受ける電源部と、
   前記装置のサーボモータに接続され、前記電源部から供給される電力を変圧して該サーボモータに供給し該サーボモータを駆動させると共に、該装置が減速動作する際に該サーボモータで発生する回生電力を受け取るモータ駆動部と、
   前記モータ駆動部に接続された蓄電部と、
   前記モータ駆動部を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、
   前記装置を減速動作させている際に、前記蓄電部の蓄電量が所定値未満であれば、前記モータ駆動部が受け取った回生電力を前記蓄電部に蓄積させ、該蓄電量が所定値以上であれば、前記電源部を介して、該回生電力を前記一次側電源に回生させ、
   さらに、前記装置を加速動作させている際に、前記一次側電源から供給される電力が所定電圧値以下に低下すると、前記モータ駆動部を介して、前記サーボモータに、前記蓄電部に蓄積された電力を供給するようになされていることを特徴とする電力供給装置。
2. 前記蓄電部は、電気２重層キャパシタにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
3. サーボモータで駆動する装置に電力を供給する電力供給装置に取り付けられる省エネ対策装置であって、
   前記電力供給装置は、一次側電源に接続され、該一次側電源からの電力供給を受ける電源部と、前記装置のサーボモータに接続され、前記電源部から供給される電力を変圧して該サーボモータに供給し該サーボモータを駆動させると共に、該装置が減速動作する際に該サーボモータで発生する回生電力を受け取るモータ駆動部とを備え、
   前記省エネ対策装置は、前記モータ駆動部に接続可能に構成された蓄電部と、前記モータ駆動部を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記装置を減速動作させている際に、前記蓄電部の蓄電量が所定値未満であれば、前記モータ駆動部が受け取った回生電力を前記蓄電部に蓄積させ、該蓄電量が所定値以上であれば、前記電源部を介して、該回生電力を前記一次側電源に回生させ、
   さらに、前記装置を加速動作させている際に、前記一次側電源から供給される電力が所定電圧値以下に低下すると、前記モータ駆動部を介して、前記サーボモータに、前記蓄電部に蓄積された電力を供給するようになされていることを特徴とする省エネ対策装置。

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