JP2012085509A - 蓄電器を用いたモータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピーク電力軽減のために蓄電器が使用されるモータ駆動装置において電源から供給される電力の総量を低減する。
【解決手段】モータ駆動装置１は、ＰＷＭ制御により電源１４の交流と直流との間の電力変換を行うＰＷＭコンバータ２と、ＰＷＭコンバータ２が出力する直流と周波数可変の交流との間の電力変換を行って周波数可変の交流によりモータを駆動するＰＷＭインバータ３と、ＰＷＭコンバータ２とＰＷＭインバータ３との間に設けられモータ８の駆動し得る量の電力を蓄積し得る蓄電器４と、ＰＷＭコンバータ２におけるＰＷＭ制御をオン又はオフする制御回路５と、を具備し、制御回路５がＰＷＭ制御をオンする間はＰＷＭコンバータ２により蓄電器４の電圧は電源より高く制御され、制御回路５がＰＷＭ制御をオフすることで電源より高い電圧に充電されていた蓄電器４からモータ８へ電力供給を行いモータ８の減速制御期間中の回生電力を蓄電器４へ回収する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源設備容量を低減するために蓄電器を用いたモータ駆動装置に関する。

工作機械や産業機械、ロボット等を駆動するモータ駆動装置において、入力交流電力を直流電力に変換するコンバータに、パワー半導体素子のＰＷＭスイッチング動作により、力率がほぼ１で、ＤＣリンク電圧を入力電圧波高値以上の所望の電圧に昇圧制御できるＰＷＭコンバータが広く採用されている。

特許文献１には、ＰＷＭコンバータの出力部に蓄電器を接続し、ＰＷＭコンバータは入力電流を制限するように動作させ、モータ駆動電力源に蓄電器をバッファーとして用いることで、モータ加速時に電源から供給される電力ピーク、及び、モータ減速時に電源に戻される回生電力ピークを抑制する手法が記載されている。

特開２０００−２３６６７９号公報

この手法によれば、蓄電器のバッファー機能により電力のピークは抑制される。しかしながら蓄電器の電圧は常に一定になるように制御されるので、モータ減速時に発生する回生電力は、結局、電源側へ戻されるかまたはそれができないときは抵抗で消費され、蓄電器に蓄えられて再利用されることはない。したがって、この手法によっても、モータの加速時および定速運転時に電源側から供給すべき電力の総量は蓄電器を使用しない場合と比べて減少しない。そのため、電源容量に対する要件が大きく緩和されない、という問題がある。

本発明の目的は、蓄電器が用いられるモータ駆動装置において、電力のピーク値だけでなく電源から供給される電力の総量をも低減することで電源容量に対する要件をさらに緩和することにある。

上記目的を実現するために、本発明によれば、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御により、電源の交流電力と直流電力との間の相互電力変換を行うＰＷＭコンバータと、前記ＰＷＭコンバータが出力する直流電力と周波数可変の交流電力との間の相互電力変換を行って該周波数可変の交流電力によりモータを駆動するＰＷＭインバータと、前記ＰＷＭコンバータと前記ＰＷＭインバータの間に設けられ、モータを駆動し得る量の電力を蓄積し得る蓄電器と、ＰＷＭコンバータにおけるＰＷＭ制御をオンもしくはオフする制御回路と、を具備し、前記モータの加速制御期間においてモータが必要とする電力に満たない電力を前記ＰＷＭコンバータから供給することによって前記モータの減速制御期間の開始時における前記蓄電器の電圧を低下させ、減速制御期間中にモータにおいて発生する回生電力の少なくとも一部を前記電圧が低下した蓄電器に回収させるモータ駆動装置が提供される。

本発明によれば、減速制御期間中にモータにおいて発生する回生電力を蓄電器に回収させ、次の制御サイクルで再利用することにより、電源からモータ制御装置へ供給される電力の総量を減らすことができ、電源容量に対する要件を緩和することができる。

本発明が適用されるモータ駆動装置の構成の一例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態を説明するための概略波形図である。 本発明の第２の実施形態を説明するための概略波形図である。 抵抗放電手段の追加を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態を説明するための概略波形図である。

図１は本発明が適用されるモータ駆動装置１の一例の構成を示すブロック図である。図１において、モータ駆動装置１は、ＡＣリアクトル１３を介して電源１４から供給される三相交流電力と直流電力との間の相互電力変換を行うＰＷＭコンバータ２と、直流電力と周波数可変の三相交流電力との間の相互電力変換を行ってこの周波数可変の三相交流電力によりモータ８を駆動するＰＷＭインバータ３と、ＰＷＭコンバータ２とＰＷＭインバータ３の間に設けられ、モータ８を駆動し得る量の電力を蓄積し得る蓄電器４とを備えている。蓄電器４としては、例えば、電解コンデンサ、電気２重層キャパシタ、大容量蓄電デバイスなどが使用可能である。

ＰＷＭコンバータ２はＡＣリアクトル１３と共働して三相交流の昇圧スイッチングを行って直流に変換するパワー素子群２０と、変換された直流の平滑化を行う平滑コンデンサ９と、パワー素子群２０のスイッチングの制御を行う制御回路５を備えている。ＰＷＭコンバータ２の制御回路５は、ライン１０を経て供給されるＤＣリンク電圧の検出値のその目標値からの偏差、ライン１１を経て供給される電源１４からの入力電圧の検出値、およびライン１２を経て供給される電源１４からの入力電流の検出値に基づいてＰＷＭ信号を生成してパワー素子群２０をスイッチングする。これにより、力行時には電源１４からの三相交流がその電圧波高値よりも高い所望の電圧の直流に変換され、回生時にはモータ８において発生しインバータ３において直流に変換された回生電力が三相交流に変換されて電源１４へ回生される。ＰＷＭインバータ３もその内部のパワー素子群のスイッチングの制御を行う制御回路６を備えている。コントローラ７は制御回路５および制御回路６を統括制御する。

図２は本発明の第１の実施形態におけるＰＷＭコンバータの制御を説明するための概略波形図である。本実施形態では、制御回路５は、モータ８の加速制御期間中に電源出力または電源電流が所定レベルを超えたらパワー素子２０のスイッチングを停止してＰＷＭ制御をオフにする。これにより、電源１４からの電力の供給が停止し、それに代わって蓄電器４がモータ８へ電力を供給することになるので、減速制御期間の開始時における蓄電器４の電圧がＤＣリンク電圧（蓄電器４の電圧）の制御目標値よりも低い値まで低下し減速制御期間中に発生する回生電力を蓄電するためのスペースができる。そして、減速制御期間中もＰＷＭ制御をオフし続けることにより、回生電力を電源側に戻すことなく蓄電器４に回収させ、回収した回生電力を次の制御サイクルにおいて再利用することで、電源１４側から供給される電力の総量を減らす。これにより、必要な電源容量を低減することができる。

詳細に説明すると、図２において、Ｔ０−Ｔ１の期間はモータ８が停止中であり、ＰＷＭコンバータ２はＤＣリンク電圧（蓄電器４の電圧）を入力電圧波高値より高い一定電圧に制御している。コントローラ７の制御により、時刻Ｔ１でモータ８の加速を開始する。Ｔ１−Ｔ２の期間（加速制御期間の前半）において、ＰＷＭコンバータ２はＤＣリンク電圧（蓄電器４の電圧）を入力電圧波高値よりも高い一定電圧に制御しており、そのために必要な電力は電源１４から供給される。時刻Ｔ２においてＰＷＭコンバータの入力電流（電力）が所定レベルを超えたため、制御回路５は、ＰＷＭ制御をオフにする。Ｔ２−Ｔ３の期間（加速制御期間の後半および定速制御期間）ではＰＷＭ制御がオフであるため、電源１４からの供給が断たれ、ＰＷＭインバータ３へは蓄電器４のみから電力が供給される。そのため、蓄電器４の電圧は低下する。コントローラ７の制御により、時刻Ｔ３で減速制御が開始され、Ｔ３−Ｔ４の期間では回生電力が蓄電器４へ充電され、蓄電器電圧は上昇する。時刻Ｔ４で減速制御が終了すると、制御回路５は、ＰＷＭ制御をオフからオンに切り換える。

このように、減速制御中に発生する回生電力は、電源１４へ戻ろうとすることなく蓄電器４により回収され次の制御サイクルにおいて再利用されるので、電源１４から供給すべき電力を低減することができる。

制御回路５は、時刻Ｔ２において入力電流（または入力電力）が所定レベルを超えたか否かの判断を（ライン１１からの入力電圧の検出値および）ライン１０からの入力電流の検出値に基づいて行うことができる。また、制御回路５は、減速制御が完了したか否かを、インバータ３の制御回路６またはコントローラ７から入力される信号から知ることができる。あるいはまた、制御回路５は、モータ８の出力の変化からもそれを知ることができる。

図３は本発明の第２の実施形態を説明するための概略波形図である。本実施形態では、モータ８の加速制御期間において電源出力（電源電流）を一定レベルに制限し、定速制御期間に移行するとき制御回路５はＰＷＭ制御をオフにすることにより減速制御期間の開始時における蓄電器４の電圧を低下させる。なお、図１のＰＷＭコンバータ２は、ライン１０を経て検出されるＤＣリンク電圧（蓄電器４の電圧）の検出値とその目標値との偏差に基づいて決定された入力電流（電力）の指令値が入力電流（電力）の制限値を超えているとき、この制限値を入力電流（電力）の指令値としてＰＷＭ信号を生成することにより、ＤＣリンク電圧（蓄電器４の電圧）の目標値からの偏差にかかわらず入力電流（電力）を一定の範囲内に制限する機能を備えている。

図３において、Ｔ０−Ｔ１の期間はモータ８が停止中であり、ＰＷＭコンバータ２はＤＣリンク電圧（蓄電器４の電圧）を入力電圧波高値より高い一定電圧に制御している。時刻Ｔ１でコントローラ７によりモータ８の加速を開始する。Ｔ１−Ｔ２の期間（加速制御期間の前半）において、ＰＷＭコンバータ２はＤＣリンク電圧（蓄電器４の電圧）を入力電圧波高値よりも高い一定電圧に制御しており、そのために必要な電力は電源１４から供給される。時刻Ｔ２においてＰＷＭコンバータの入力電流（電力）が所定レベルを超えたため、ＰＷＭコンバータ２の制御回路５は入力電流（電力）が所定レベルに維持されるように入力電流を制限するようＰＷＭ制御する。Ｔ２−Ｔ３の期間（加速制御期間の後半）では入力電流が制限されているので、不足分は蓄電器４から電力が供給される。そのため、蓄電器４の電圧は低下する。時刻Ｔ３でモータの制御が定速制御に移行するのでこのとき制御回路５はＰＷＭ制御をオンからオフに切り換える。これにより、ＰＷＭインバータ３へは蓄電器４のみから電力が供給されるので蓄電器４の電圧はさらに低下する。時刻Ｔ４において、コントローラ７により減速制御が開始され、Ｔ４−Ｔ５の期間では回生電力が蓄電器４へ充電され、蓄電器４の電圧は上昇する。時刻Ｔ５でコントローラ７により減速制御が終了すると、制御回路５はＰＷＭ制御をオフからオンに切り換える。

このように本実施形態においても、減速制御中に発生する回生電力は、電源１４へ戻ろうとすることなく蓄電器４により回収され次の制御サイクルにおいて再利用されるので、電源１４からモータ制御装置１に供給すべき電力を低減することができる。

制御回路５は、定速制御に移行したか、および、減速制御が完了したか否かについては、インバータ３の制御回路６またはコントローラ７から入力される信号から知ることができる。あるいはまた、制御回路５は、モータ８の出力の変化からもそれを知ることができる。

第１および第２の実施形態で、減速制御が開始される時の蓄電器の電圧が充分に低下していなければ、または回生電力が想定以上に大きければ、減速制御中に蓄電器４が過電圧となる可能性がある。これを防止するためには、ＤＣリンク電圧（蓄電器４の電圧）が或る電圧以上になると減速制御が終っていなくても制御回路５はＰＷＭ制御をオンにして回生電力の一部を電源１４側に回生するようにすれば良い。また、制御回路５は、電源１４に戻す回生電流（電力）についても、所定のレベルを超えたら制限するようＰＷＭ制御しても良い。

或いはまた、図４に示すように、抵抗放電手段として抵抗１５とスイッチ１６の直列接続を蓄電器４に並列に設け、ＤＣリンク電圧（蓄電器４の電圧）が第１の閾値を超えたら制御回路５の制御によりスイッチ１６をオンにして回生電力を抵抗１５で消費させ、ＤＣリンク電圧が第１の閾値より低い第２の閾値以下になったら制御回路５の制御によりスイッチ１６をオフにし、その後も第１の閾値を超えれば制御回路５の制御によりスイッチ１６を再度オンにすることを繰り返すようにしても良い。

図５は本発明の第３の実施形態を説明するための概略波形図である。第３の実施形態では、加速制御期間中に入力電流または入力電力が所定のレベルに制限される点は第２の実施形態と同じであるが、制御回路５によるＰＷＭ制御のオンオフをモータの制御モードの移行を契機として行うのでなく、ＤＣリンク電圧（蓄電器４の電圧）を閾値と比較し、その比較結果に応じて行う。

図５において、Ｔ２−Ｔ３において入力電流または入力電力を制限することでＤＣリンク電圧（蓄電器４の電圧）が低下し、時刻Ｔ３においてＤＣリンク電圧が第１の値以下になったら制御回路５はＰＷＭ制御をオフにする。Ｔ３−Ｔ４の期間ではＰＷＭインバータ２へは蓄電器４のみから電力が供給される。時刻Ｔ４でコントローラ７により減速制御が開始され、回生電力が蓄電器４へ充電され、ＤＣリンク電圧（蓄電器４の電圧）は上昇する。ＤＣリンク電圧（蓄電器４の電圧）が第１の値よりも高い第２の値に達したら制御回路５はＰＷＭ制御をオフからオンに切り換える。なお、第２の値はＤＣリンク電圧（蓄電器４の電圧）の制御目標値と必ずしも一致する必要はない。また、図５に示した例では、制御回路５によるＰＷＭ制御のオンオフのタイミングとモータ８の制御モードの移行のタイミングが一致しているが、両者は必ずしも一致する必要はない。また、制御回路５は、ＤＣリンク電圧（蓄電器４の電圧）が第１の値以下となったらＰＷＭ制御をオフにする代わりにＤＣリンク電圧（蓄電器４の電圧）が下降から上昇に転じたらＰＷＭ制御をオフにするようにしても良い。さらに、制御回路５は、ＤＣリンク電圧（蓄電器４の電圧）が第２の値に達したらＰＷＭ制御をオンにする代わりにＤＣリンク電圧が上昇から下降に転じたらオンにするようにしても良い。また、制御回路５は、ＤＣリンク電圧（蓄電器４の電圧）が、第１の値以下となったらＰＷＭ制御をオン、第２の値以上になったらＰＷＭ制御をオフしても良い。

第２の実施形態ではモータの制御モードの移行を契機として制御回路５によりＰＷＭ制御のオンオフが行なわれ、第３の実施形態ではＤＣリンク電圧（蓄電器４の電圧）を閾値と比較した結果に応じて制御回路５によりＰＷＭ制御のオンオフが行なわれるが、制御モードの移行を契機として制御回路５によりＰＷＭ制御をオフにし、閾値との比較結果に応じて制御回路５によりＰＷＭ制御をオンにするようにしても良く、あるいは、これとは逆に、閾値との比較結果に応じて制御回路５によりＰＷＭ制御をオフにし、制御モードの移行を契機として制御回路５によりＰＷＭ制御をオンにするようにしても良い。

１ モータ駆動装置
２ ＰＷＭコンバータ
３ ＰＷＭインバータ
４ 蓄電器
５、６ 制御回路
７ コントローラ
８ モータ
９ 平滑コンデンサ
１０、１１、１２ ライン
１３ ＡＣリアクトル
１４ 電源
１５ 抵抗
１６ スイッチ
２０ パワー素子群

Claims (10)

1. ＰＷＭ制御により、電源の交流電力と直流電力との間の相互電力変換を行うＰＷＭコンバータと、
   前記ＰＷＭコンバータが出力する直流電力と周波数可変の交流電力との間の相互電力変換を行って該周波数可変の交流電力によりモータを駆動するＰＷＭインバータと、
   前記ＰＷＭコンバータと前記ＰＷＭインバータとの間に設けられ、モータを駆動し得る量の電力を蓄積し得る蓄電器と、
   前記ＰＷＭコンバータにおける前記ＰＷＭ制御をオンもしくはオフする制御回路と、
   を具備し、
   前記制御回路が前記ＰＷＭ制御をオンしている間は、前記ＰＷＭコンバータにより前記蓄電器の電圧は電源電圧より高い電圧に制御され、
   前記制御回路が前記ＰＷＭ制御をオフすることで、前記電源電圧より高い電圧に充電されていた前記蓄電器からモータへ電力供給を行い、前記モータの減速制御期間中の回生電力を前記蓄電器へ回収することを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記制御回路は、前記ＰＷＭコンバータにおけるＰＷＭ制御のオンもしくはオフの切換えを、前記ＰＷＭインバータ用制御回路もしくはコントローラから入力される信号に従って実行する請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記制御回路が前記ＰＷＭ制御をオンしている間、前記ＰＷＭコンバータは、前記電源から入力される電流あるいは電力がある値を超えた場合、前記電源から入力される電流あるいは電力を制限する請求項１に記載のモータ駆動装置。
4. 前記モータの加速制御期間において前記電源から入力される電流または電力が所定の制限値を超えたときから前記減速制御期間が終了するまで前記制御回路が前記ＰＷＭ制御をオフすることによって、前記加速制御期間において前記モータが必要とする電力に満たない電力を供給し、かつ、前記減速制御期間中にモータおいて発生する回生電力の少なくとも一部を前記蓄電器に回収させる請求項１に記載のモータ駆動装置。
5. 前記モータの加速制御期間において前記電源から入力される電流または電力を所定の制限値に制限し、その後、前記減速制御期間が終了するまで前記制御回路が前記ＰＷＭ制御をオフすることによって、前記加速制御期間において前記モータが必要とする電力に満たない電力を供給し、かつ、前記減速制御期間中に前記モータにおいて発生する回生電力の少なくとも一部を前記蓄電器に回収させる請求項１に記載のモータ駆動装置。
6. 前記制御回路は、前記モータの制御が加速制御から定速制御へ切り換わるときに、前記ＰＷＭ制御をオンからオフに切り換える請求項５に記載のモータ駆動装置。
7. 前記制御回路は、前記蓄電器の電圧が第１の閾値以下になったときに、前記ＰＷＭ制御をオンからオフに切り換える請求項５に記載のモータ制御装置。
8. 前記制御回路は、前記蓄電器の電圧が前記第１の閾値よりも高い第２の閾値以上になったときに、前記ＰＷＭ制御をオフからオンに切り換える請求項７に記載のモータ駆動装置。
9. 前記制御回路は、前記減速制御期間において前記蓄電器の電圧が所定値を超えたとき、前記ＰＷＭ制御をオフからオンに切り換える請求項４〜７のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
10. 前記減速制御期間中において前記蓄電器の電圧が所定値を超えたとき、前記蓄電器に蓄積されている電力の一部を抵抗放電する抵抗放電手段をさらに具備する請求項１〜７のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。

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