JP2011101473A - モータ駆動用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電源回生の許容電力を最大限使用すると共に、電源に回生する電流のひずみをある程度抑制し、しかも抵抗回生が早く動作して過電流になりづらいモータ駆動用電源装置を提供する。
【解決手段】 導通信号発生回路ＳＧは、電源回生時の電源電流の大きさにより、抵抗回生を制御するために、第１及び第２の導通信号を発生する。第１導通信号Ｓ１〜Ｓ６は、回生時におけるトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６の導通期間ＣＴを、基本期間Ｔが始まる前から基本期間Ｔが終了する前までとする。また導通信号発生回路ＳＧは、三相交流電流のうち最大となる相の交流電流が、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６の許容電流値以上の予め定めた基準電流以上になっている期間、回生抵抗回路ＲＲのトランジスタＴｒ７を導通状態にする第２導通信号Ｓ′を発生する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータが発電する回生電力を電源に戻す回生機能を備えたモータ駆動用電源装置に関するものである。

図５は、従来の回生機能を備えたモータ駆動用電源装置の構成の一例を示しており、図６は図５に示す従来のモータ駆動装置用電源装置における各部の動作波形のタイムチャートを示している。従来の電源装置では、三相交流電源の電圧位相の１２０°区間毎にコンバータを構成するブリッジ接続されたトランジスタをスイッチングしてモータの回生電力を電源に戻す。三相交流電源とモータ制御装置の間にモータ駆動用電源装置は配置され、ＡＣリアクトルＡＣＬと６個のトランジスタ、６個のダイオード、そして、三相交流電源の位相を検出する位相検出回路と６個のトランジスタをドライブするゲート信号作成回路から電源装置は構成されている。モータが力行運転を行う場合は、６個のトランジスタのゲートはオフ状態になっている。このとき、三相交流電源から入力される三相交流電流は６個のトランジスタに並列接続された６個のダイオードを通して三相全波整流が行われて、モータ制御装置に直流電流が供給される。モータ制御装置は、力行時には直流電流を交流電流に変換し、回生時にはモータＭで発電される交流電流を直流電流に逆変換するインバータ回路を含んでいる。回生時に、モータＭから電力が戻ってきて、モータ制御装置の直流部の電圧が上昇すると、位相検出回路で検出した三相交流電源の位相を元に、図６に示すように６個のトランジスタのゲートを順次オンにし、三相交流電源の各相に電流を流して直流部の電力を三相交流電源に戻す。６個のトランジスタをそれぞれオンにする区間は、上側の相（回生電圧が正となる相）に関しては、各相の電源電圧が他の相の電源電圧より高い１２０°の区間であり、下側の相（回生電圧が負となる相）に関しては、各相の電源電圧が他の相の電源電圧より低い１２０°の区間である。この従来の電源装置では、モータＭからの瞬時回生電力が大きく、駆動用電源装置の容量が小さい場合に、十分に回生することができない。そこで特開昭６２−２６１９２号公報（特許文献１）には、図７に示すように抵抗回生を併用した回生電力制御装置２０が提案されている。図７に示す装置２０では、電源回生回路（９）に対して並列に抵抗回生回路（１３，１４）が設けられている。そして、モータ減速時に、インバータ４の直流電圧が所定値以下のときは電源回生回路を動作させて交流電源への電源回生を行わせる。インバータ４の直流電圧が所定値以上の時は電源回生回路と抵抗回生回路の両方を動作させて、電源回生と抵抗回生の両方で回生電力を吸収する。

また特開平６−６２５８４号公報（特許文献２）には、電源に回生する電流のひずみの抑制を目的として、タイミング調整手段を備えた電源装置が示されている。図８に示すこの公知の電源装置の動作波形のタイムチャートを示す。この公知の電源装置では、トランジスタをオンにする区間（ゲート信号参照）を変更する。図８に示すように、この公知の電源装置では、タイミング調整手段が、三相の電源電圧のうち他の相と比較して、最大の電位及び最小の電位となる相に回生電流を流すトランジスタに対するドライブ信号については、当該相の電位が前記最大の電位となる前の時間から当該相に回生電流を流すトランジスタへのドライブ信号の出力を開始する。そしてタイミング調整手段は、当該相の電位が、他の二相に対して最大の電位を示す期間を経て他の一相の電位と同電位となり、その後最大を示さなくなる時間までドライブ信号を出力する。またタイミング調整手段は、当該相の電位が前記最小の電位となる前の時間から当該相への回生信号の出力を開始して、当該相の電位が他の二相に対して最小の電位を示す期間を経て他の一相の電位と同電位となり最小を示さなくなる時間までドライブ信号を出力する。

特開昭６２−２６１９２号公報 特開平６−６２５８４号公報

従来の電源回生と抵抗回生を併用したモータ駆動用電源装置では、電源回生の許容電力を超えていない場合も抵抗回生を併用する。そのため、省エネルギーのために設けられている電源回生を有効に利用できていなかった。これは、電源回生時に電源に流れる電流が電源インピーダンスの影響を受けるため、インバータの直流電圧が所定値になった時に必ずしも電源回生の許容電力に達していないことが多いためである。また、モータを急減速した場合には、急峻な回生電力が戻ってくる。このような場合には、早めに抵抗回生を動作させて回生電力を吸収することが望ましい。このような場合に、回生電力の吸収が遅れると、インバータ直流電圧が上昇し、電源に回生する電流が必要以上に増大し、状況によっては過電流アラームになることも想定される。しかし、図８に示すように、従来の電源回生における電流のひずみの抑制制御では、１２０°通電区間に２つある電流の山形の波形は、ほぼ同じ最大値になっている。そのために、１２０°通電区間に２つある電流の山形の波形が閾値を越えた場合に抵抗回生を実施する場合には、高速な抵抗回生動作を電源装置に行わせることができなかった。

本発明の目的は、このような点に鑑みてなされたものであり、電源回生の許容電力を最大限使用すると共に、電源に回生する電流のひずみをある程度抑制し、しかも抵抗回生が早く動作して過電流になりづらいモータ駆動用電源装置を提供することにある。

本発明のモータ駆動用電源装置は、電源回生回路と、回生抵抗回路と、導通信号発生回路と、電源回生回路に入力される多相交流電圧の位相を検出する位相検出器と、多相交流電流を検出する電流検出器とを備えている。電源回生回路は、多相交流電源からの多相交流電流を直流電流に変換するコンバータ機能と、モータ制御装置に直流電力を供給する整流機能と、モータ制御装置側から回生される回生電力を、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子を備えたコンバータ回路を動作させて多相交流電源に回生する回生機能とを備えている。回生抵抗回路は、回生抵抗とスイッチング回路の直列回路からなり、電源回生回路の直流出力端子間に設けられて、スイッチング回路を導通状態にすることにより回生電力を回生抵抗で消費するように構成されている。導通信号発生回路は、回生時に、複数のスイッチング素子を導通させるための第１導通信号と、スイッチング回路を導通状態にするための第２導通信号とを発生する。

本発明では、回生時に、位相検出器の出力に基づいて、多相交流電源の多相交流電圧のうち一つの相の電圧が他の相の電圧よりも大きくなる期間及び該一つの相の電圧が他の相の電圧よりも小さくなる期間を、該一つの相に回生電力を回生する際に導通状態になるスイッチング素子の基本期間と定義する。そして特に、導通信号発生回路は、基本期間に対応して発生する一つの相の電流の最初の電流波形のピークが後から発生する電流波形のピークよりも高くなるように、半導体スイッチング素子の導通期間を基本期間が始まる前から基本期間が終了する前までとする第１導通信号を発生する。また導通信号発生回路は、多相交流電流のうち最大となる相の交流電流が、スイッチング素子の許容電流値以上の予め定めた基準電流以上になっている期間、回生抵抗回路のスイッチング回路を導通状態にする第２導通信号を発生する。

本発明によれば、導通信号発生回路が半導体スイッチング素子の導通期間を基本期間が始まる前から基本期間が終了する前までとする第１導通信号を電源回生のために発生すると、基本期間に対応して発生する一つの相の電流の最初の電流波形のピークが後から発生する電流波形のピークよりも高くなる。このようにすると電源に回生する電流のひずみは若干増加するが、通常の１２０°通電制御と比較すると電源に回生する電流のひずみは抑制される。その上で、最大となる相の交流電流が、スイッチング素子の許容電流値以上の予め定めた基準電流以上になっている期間、回生抵抗回路のスイッチング回路を導通状態にする第２導通信号を発生すると、早期に抵抗回生を動作させることができて、電源回生を越える回生電力を抵抗回生で吸収することができる。これにより、電源回生の許容電力を最大限利用することができるようになる。その結果、本発明によれば、主回路の直流電圧が高くなり、電源電流が増大してしまうことがなくなる。

なお多相交流電源は、一般的には三相交流電源である。この場合、電源回生回路は、ブリッジ接続された６個の半導体スイッチング素子からなるコンバータ回路とブリッジ接続された半導体整流素子とを備えている。また導通信号発生回路は、回生時に、位相検出器の出力に基づいて、三相交流電源の三相交流電圧のうち一つの相の電圧が他の２つの相の電圧よりも大きくなる期間及び該一つの相の電圧が他の２つの相の電圧よりも小さくなる期間を、該一つの相に回生電力を回生する際に導通状態になる２つの前記スイッチング素子の基本期間と定義したときに、基本期間に対応して発生する一つの相の電流の最初の電流波形のピークが後から発生する電流波形のピークよりも高くなるように、２つの半導体スイッチング素子の導通期間を基本期間が始まる前から基本期間が終了する前までとする前記第１導通信号を発生する。

なお前述の基本期間は、電気角で１２０°よりも大きいことが好ましい。このようにすると、通常の１２０°通電制御と比較すると電源に回生する電流のひずみは抑制される。

また基準電流は、回生電流によって半導体スイッチング素子が壊れるのを防止する値に定めるのが好ましい。このようにすれば半導体スイッチング素子を確実に保護することができる。

本発明のモータ駆動用電源装置の実施の形態の一例の概略構成を示す図である。 第２導通信号を発生する構成を示す図である。 （Ａ）乃至（Ｄ）は、図１の実施の形態の各部の動作波形を示す図である。 （Ａ）乃至（Ｄ）は、モータを急減速する場合の動作波形を示す図である。 従来のモータ駆動用電源装置の構成を示す図である。 図６の各部の動作波形図である。 従来の他のモータ駆動用電源装置の構成を示す図である。 図７の各部の動作波形図である。

以下図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１は、本発明のモータ駆動用電源装置の実施の形態の一例の概略構成を示す図である。三相交流電源ＡＣにＡＣリアクトルＡＣＬが接続され、その出力に６個の半導体スイッチング素子としてのトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６がブリッジ接続されてコンバータ回路ＣＶを構成している。そして６個のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６には、６個のダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ並列接続されている。６個のダイオードＤ１〜Ｄ６は、ブリッジ接続された三相整流回路を構成している。ブリッジ接続されたトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６とダイオードＤ１〜Ｄ６とにより、電源回生回路ＰＲが構成されている。

コンバータ回路ＣＶの直流出力端子間には、回生抵抗Ｒとスイッチング回路を構成するトランジスタＴｒ７とダイオードＤ７の並列回路との直列回路が並列接続されている。この直列回路が抵抗回生回路ＲＲを構成している。抵抗回生回路ＲＲは、トランジスタＴｒ７（スイッチング回路）を導通状態にすることにより回生電力を回生抵抗Ｒで消費するように構成されている。

またコンバータ回路ＣＶの直流出力端子間には、平滑コンデンサＣが並列接続されている。平滑コンデンサＣの両端には、インバータ回路を含むモータ制御装置ＭＣが接続されている。このインバータ回路は、直流を交流に変換して三相交流モータＭに所定の周波数の三相交流電流をモータ電流として提供する。インバータ回路は、モータＭが減速して回生状態になると、モータＭが発電する交流電流を直流電流に変換するコンバータとして動作する。

Ｒ相，Ｓ相及びＴ相に接続されたＡＣリアクタＡＣＬの出力側には、位相検出器ＰＤが接続されている。またＲ相及びＳ相に接続されたＡＣリアクタＡＣＬの出力側には、電流検出器ＣＤが接続されている。電流検出器ＣＤは、Ｒ相及びＳ相の交流電流を検出して、これらの交流電流からＴ相の交流電流を演算により求めて出力する。

電流検出器ＣＤと位相検出器ＰＤの出力は導通信号発生回路ＳＧに入力される。導通信号発生回路ＳＧは、モータＭの力行時及び回生時に、電源回生回路ＰＲ中のコンバータを構成する６個のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を導通させるための複数の第１導通信号Ｓ［図３（Ｂ）のＳ１〜Ｓ６］と、回生時に、抵抗回生回路ＲＲ中のトランジスタＴｒ７を導通状態にするための第２導通信号Ｓ′とを発生する。本実施の形態では、回生時に、位相検出器ＰＤの出力に基づいて、三相交流電源ＡＣから出力される三相交流電圧のうち一つの相の電圧が他の相の電圧よりも大きくなる期間及び該一つの相の電圧が他の相の電圧よりも小さくなる期間を、該一つの相に回生電力を回生する際に導通状態になるスイッチング素子の基本期間Ｔと定義する。そして特に、導通信号発生回路ＳＧは、回生時におけるトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６の導通期間ＣＴ（導通信号Ｓ１〜Ｓ６の信号幅）を基本期間Ｔが始まる前から基本期間Ｔが終了する前までとする第１導通信号Ｓ１〜Ｓ６を発生する。図３には、Ｒ相について基本期間Ｔと導通期間ＣＴを明示している。Ｒ相の電圧がＳ相及びＴ相の電圧よりも大きくなる期間及びＲ相の電圧がＳ相及びＴ相の電圧よりも小さくなる期間を、Ｒ相に回生電力を回生する際に導通状態になる２つのトランジスタＴｒ１及びＴｒ４の基本期間Ｔと定義する。そしてこれら２つのトランジスタＴｒ１及びＴｒ４の導通期間ＣＴを定める導通信号Ｓ１及びＳ２の立ち上がりｒｐを基本期間Ｔが始まる前とし、導通信号Ｓ１及びＳ２の立ち下がりｆｐを基本期間Ｔが終了する前までとしている。他の相に対応するトランジスタの導通期間についても同様に定められている。図３（Ｂ）において、導通信号Ｓ３及びＳ４が、Ｓ相のための２つのトランジスタＴｒ２及びＴｒ５のゲート信号となる。また導通信号Ｓ５及びＳ６が、Ｔ相のための２つのトランジスタＴｒ３及びＴｒ６のゲート信号となる。導通期間ＣＴは、基本期間Ｔに対応して発生する一つの相（例えばＲ相）の電流の最初の電流波形［例えば図３（Ｃ）のＷ１］のピークＰ１が、後から発生する電流波形［例えば図３（Ｃ）のＷ２］のピークＰ２よりも高くなるように定められている。

導通信号発生回路ＳＧが前述の第１導通信号Ｓ１〜Ｓ６を電源回生のために発生すると、基本期間Ｔに対応して発生する一つの相の電流の最初の電流波形Ｗ１のピークＰ１が、後から発生する電流波形Ｗ２のピークＰ２よりも高くなる。このようにすると電源ＡＣに回生する電流のひずみは若干増加するが、通常の１２０°通電制御と比較すると電源ＡＣに回生する電流のひずみは抑制される。

また導通信号発生回路ＳＧは、図３（Ｃ）に示すように、三相交流電流のうち最大となる相の交流電流が、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６（スイッチング素子）の許容電流値以上の予め定めた基準電流（ri,-ri)以上になっている期間、回生抵抗回路ＲＲのトランジスタＴｒ７を導通状態にする第２導通信号Ｓ′［図３（Ｄ）参照］を発生する。第２導通信号Ｓ′を発生するために、導通信号発生回路ＳＧは、図２に示すように、三相交流電流のうち最大となる相の交流電流を検出する最大値検出器ＭＤと、最大となる相の交流電流が予め定めた基準電流（ri,-ri)以上になっている期間を判定する比較器ＣＰを備えている。このように最大となる相の交流電流が、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６の許容電流値以上の予め定めた基準電流（ri,-ri)以上になっている期間、回生抵抗回路ＲＲのトランジスタＴｒ７を導通状態にする第２導通信号Ｓ′を発生すると、従来よりも早期に抵抗回生を動作させることができて、電源回生を越える回生電力を抵抗回生で吸収することができる。その結果、電源回生の許容電力を最大限利用することができるようになる。

以下図１の実施の形態の動作を、図４を用いて簡単に説明する。図４はモータを急減速させた場合の動作波形図である。モータＭが力行運転を行う場合は、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のゲートはオフになっている。そして三相交流電源ＡＣからトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６に並列接続されたダイオードＤ１〜Ｄ６を通して三相全波整流が行われ、モータ制御装置ＭＣに電力が供給される。モータＭが減速状態になると、回生状態となり、モータＭから回生電力が電源側に戻り、モータ制御装置ＭＣの直流部の電圧が上昇する［図４（Ｃ）参照］。そして位相検出器ＰＤで検出した三相交流電圧の位相に基づいて、図３（Ｂ）のようにトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６は、導通信号Ｓ１〜Ｓ６により指定される導通期間、導通状態になる。その結果、回生電流が、各相に流れて直流部の電圧を上昇させている回生電力を電源ＡＣに戻す。前述のように、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を導通状態にする導通期間ＣＴを定めると、一相のトランジスタが導通している区間が従来より長くなり、電源回生電流の１２０°通電区間に２つある電流の山形の波形Ｗ１及びＷ２のうち最初の波形Ｗ１のピークＰ１が後の波形Ｗ２のピークＰ２より高い値になる。また、図３（Ｃ）及び図４（Ｂ）のように、３相の電源電流の内の最大の電流がしきい値すなわち基準電流（ri,-ri）（トランジスタの許容する電流）以上になる期間、第２導通信号Ｓ′が出力される。この導通信号Ｓ′がトランジスタＴｒ７を導通状態にすると、回生抵抗Ｒに回生電流が流れ、電源回生を越える回生電力を抵抗回生で吸収する。これにより、電源回生の許容電力を最大限利用することができるようになる。図４（Ｄ）に示すように、複数の第２導通信号Ｓ′が発生している期間、周期的に抵抗回生が実行され、抵抗回生電流が流れる。３相の電源電流の内の最大の電流が基準電流（ri,-ri）より小さくなると、第２導通信号Ｓ′は発生しない。その結果、以後は、第１導通信号Ｓ１〜Ｓ６だけが発生し、電源回生だけが実施されてモータ速度は低下する。

なお、ＡＣリアクトルＡＣＬは電流検出回路の接続点の後方に配置してもよい。また、位相検出回路ＰＤをＡＣＬの前に配置してもよい。

以上のように、本実施の形態によれば、抵抗回生と電源回生とを併用したモータ駆動用電源装置において、電源回生の際に各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６がオン、オフするタイミングを通常の１２０°通電制御と比較して早めたので、特許文献２に記載の従来技術と比較すると電源に回生する電流のひずみは若干増加する。しかし、通常の１２０°通電制御と比較すると電源に回生する電流のひずみは抑制される。また、１２０°通電区間に２つ現れる電源回生電流の波形の最初の波形のピークを大きくすることができ、より早く抵抗回生を動作させることができる。これにより、主回路における直流電圧が上昇して電源回生電流が増加してしまうことがなくなる。また、電源回生時の電源電流の大きさにより、抵抗回生を制御するようにしたため、電源回生の許容能力をすべて使用した上で抵抗回生が動作するようになり、回生抵抗容量を小さくでき、しかも、省エネルギー効果が増大する。

本発明によれば、電源回生時の電源電流の大きさにより、抵抗回生を制御するようにしたため、電源回生の許容能力をすべて使用した上で抵抗回生が行われるようになる。その結果、回生抵抗の容量を小さくすることができ、省エネルギー効果が増大する。

Ｔｒ１〜Ｔｒ７ トランジスタ
Ｄ１〜Ｄ７ ダイオード
ＣＶ コンバータ回路
ＭＣ モータ制御装置
Ｍ モータ
ＡＣ 三相交流電源
ＣＤ 電流検出器
ＰＤ 位相検出器
ＳＧ 導通信号発生回路
ＰＲ 電源回生回路
ＲＲ 抵抗回生回路

Claims (4)

1. 多相交流電源からの多相交流電流を直流電流に変換するコンバータ機能を有するモータ駆動装置に直流電力を供給する整流機能と、前記モータ駆動装置側から回生される回生電力を、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子を備えたコンバータ回路を動作させて前記多相交流電源に回生する回生機能とを備えた電源回生回路と、
   回生抵抗とスイッチング回路の直列回路からなり、前記電源回生回路の直流出力端子間に設けられて、前記スイッチング回路を導通状態にすることにより回生電力を前記回生抵抗で消費する回生抵抗回路と、
   力行時及び回生時に、前記複数のスイッチング素子を導通させるための第１導通信号と、前記回生時に、前記スイッチ回路を導通状態にするための第２導通信号とを発生する導通信号発生回路と、
   前記電源回生回路に入力される多相交流電圧の位相を検出する位相検出器と、
   前記多相交流電流を検出する電流検出器とを備え、
   前記導通信号発生回路は、前記回生時に、前記位相検出器の出力に基づいて、前記多相交流電源の多相交流電圧のうち一つの相の電圧が他の相の電圧よりも大きくなる期間及び該一つの相の電圧が他の相の電圧よりも小さくなる期間を、該一つの相に回生電力を回生する際に導通状態になる前記スイッチ素子の基本期間と定義したときに、前記基本期間に対応して発生する前記一つの相の電流の最初の電流波形のピークが後から発生する電流波形のピークよりも高くなるように、前記半導体スイッチ素子の導通期間を前記基本期間が始まる前から前記基本期間が終了する前までとする前記第１導通信号を発生し、且つ前記多相交流電流のうち最大となる相の交流電流が、前記スイッチング素子の許容電流値以上の予め定めた基準電流以上になっている期間、前記回生抵抗回路の前記スイッチング回路を導通状態にする前記第２導通信号を発生することを特徴とするモータ駆動用電源装置。
2. 前記多相交流電源は三相交流電源からなり、
   前記電源回生回路は、ブリッジ接続された６個の半導体スイッチング素子からなる前記コンパタータ回路とブリッジ接続された半導体整流素子とを備えており、
   前記導通信号発生回路は、前記回生時に、前記位相検出器の出力に基づいて、前記三相交流電源の三相交流電圧のうち一つの相の電圧が他の２つの相の電圧よりも大きくなる期間及び該一つの相の電圧が他の２つの相の電圧よりも小さくなる期間を、該一つの相に回生電力を回生する際に導通状態になる２つの前記スイッチ素子の基本期間と定義したときに、前記基本期間に対応して発生する前記一つの相の電流の最初の電流波形のピークが後から発生する電流波形のピークよりも高くなるように、前記２つの半導体スイッチ素子の導通期間を前記基本期間が始まる前から前記基本期間が終了する前までとする前記第１導通信号を発生し、且つ前記三相交流電流のうち最大となる一相の交流電流が、前記スイッチング素子の許容電流値以上の予め定めた基準電流以上になっている期間、前記回生抵抗回路の前記スイッチング回路を導通状態にする前記第２導通信号を発生することを特徴とするモータ駆動用電源装置。
3. 前記基本期間は、電気角で１２０°よりも大きい請求項２に記載のモータ駆動用電源装置。
4. 前記基準電流は、回生電流によって前記半導体スイッチ素子が壊れるのを防止する値に定められている請求項２に記載のモータ駆動用電源装置。

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