JP2016059181A - 静電容量計算部を有するｐｗｍ整流器 - Google Patents

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Abstract

【課題】接続された平滑コンデンサの静電容量を正確に測定できる低コストのＰＷＭ整流器を実現する。【解決手段】ＰＷＭ整流器１は、ＰＷＭ制御にて交直電力変換を行う主回路部１１と、主回路部１１をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御部１２と、主回路部１１の直流側に接続された平滑コンデンサ５の直流電圧を検出する直流電圧検出部１３と、交流電圧波高値まで初期充電された平滑コンデンサ５をさらに大きい電圧に充電する初期昇圧期間の開始時及び終了時に直流電圧検出部１３が検出した各直流電圧を記憶する直流電圧記憶部１４と、交流電圧及び交流電流に基づき交流側から流入する入力電力を計算する入力電力計算部１５と、初期昇圧期間中の入力電力から積算電力を計算する積算電力計算部１６と、直流電圧記憶部１４に記憶された初期昇圧期間の開始時及び終了時の各直流電圧と積算電力とに基づき平滑コンデンサ５の静電容量を計算する静電容量計算部１７とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＷＭ信号（パルス幅変調信号）を用いてスイッチング素子を制御して交流電力を直流電力に変換するＰＷＭ整流器に関する。
工作機械、産業機械、鍛圧機械、射出成形機、あるいは各種ロボット内のモータを駆動するモータ制御装置においては、交流電源側から入力された交流電力を直流電力に一旦変換したのちさらに交流電力に変換し、この交流電力を駆動軸ごとに設けられたモータの駆動電力として用いている。モータ制御装置は、交流電源側から供給された交流電力を整流して直流電力を出力する整流器と、整流器の直流側である直流リンクに接続され、直流リンクの直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力とを相互電力変換する逆変換器と、を備え、当該逆変換器の交流側に接続されたモータの速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御する。
このような整流器として、ダイオード整流方式の整流器がある。ダイオード整流方式の整流器は、安価であるという利点があるものの、電源高調波や無効電力が大きくなるという欠点がある。
これに対し近年は、電源高調波の低減や無効電力の低減への要求から、パルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）を用いた整流器（以下、「ＰＷＭ整流器」と称する。）の適用が広がっている。
図４は、ＰＷＭ整流器を有する一般的なモータ制御装置の構成を示す図である。モータ制御装置１０１は、商用三相交流電源（以下、単に「交流電源」と称する。）３からの交流電力を直流電力に変換するＰＷＭ整流器１と、ＰＷＭ整流器１から出力された直流電力をモータ４の駆動電力として供給される所望の周波数の交流電力に変換しまたはモータ４から回生される交流電力を直流電力に変換する逆変換器２と、を備え、当該逆変換器２の交流側に接続されたモータ４の速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御する。ＰＷＭ整流器１と逆変換器２とは直流リンクを介して接続される。直流リンクには後述するように平滑コンデンサ５が設けられる。ＰＷＭ整流器１の交流電源３側には昇圧リアクトル６が接続される。
ＰＷＭ整流器１は、主として、スイッチング素子およびこれに逆並列に接続されたダイオードのブリッジ回路からなる主回路部１１と、主回路部１１内のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭ制御部１２とで構成される。
ＰＷＭ整流器１の主回路部１１は、交流電源３の相数に対応した相数のブリッジ回路で構成される。例えば、交流電源３が三相である場合にはこれに対応してＰＷＭ整流器１の主回路部１１は三相フルブリッジ回路となる。ＰＷＭ整流器１の主回路部１１の直流側には、ＰＷＭ整流器１の直流出力を平滑化するために平滑コンデンサ５が並列接続される。
ＰＷＭ整流器１のＰＷＭ制御部１２は、交流電圧検出部３２により検出された交流電源３側の交流電圧値と、交流電流検出部３３により検出された交流電源３側の交流電流値と、直流電圧検出部１３により検出された平滑コンデンサ５の直流電圧（すなわちＰＷＭ整流器１の主回路部１１と逆変換器２との間にある直流リンクの直流電圧）とから、ＰＷＭ制御信号を生成する。ＰＷＭ制御信号は、ＰＷＭ整流器１の主回路部１１に力率１の交流電力を発生させるとともにＰＷＭ整流器１の出力である直流電圧（すなわち平滑コンデンサ５の両端の直流電圧）を所望の値に保つようにするために生成され、ＰＷＭ整流器１の主回路部１１内のスイッチング素子に印加される。モータ制御装置１０１の制御によりモータ４を減速させる際には、モータ４にて回生電力が発生するが、ＰＷＭ整流器１は、その内部のスイッチング素子のスイッチング動作がＰＷＭ制御信号により制御されて直流電力を交流電力に変換する回生動作（逆変換動作）を行い、逆変換器２を経て戻された回生エネルギーをさらに交流電源３側へ戻すことができる。
平滑コンデンサ５は、モータ制御装置１０１の起動直後からモータ４の駆動開始前（すなわち逆変換器２による電力変換動作開始前）までの間に充電しておく必要がある。以下、モータ４の駆動開始前の平滑コンデンサ５の充電を「初期充電」と称する。初期充電開始時の平滑コンデンサ５にエネルギーが蓄積されていない状態においては、ＰＷＭ整流器１の主回路部１１に大きな突入電流が流れる。特に平滑コンデンサ５の容量が大きいほど、より大きな突入電流が発生する。この突入電流対策として、ＰＷＭ整流器１の主回路部１１と平滑コンデンサ５との間に、またはＰＷＭ整流器１の主回路部１１の三相交流入力側に、初期充電回路３１が設けられるのが一般的である。図４に示す例では、ＰＷＭ整流器１の主回路部１１と平滑コンデンサ５との間に初期充電回路３１が設けられる場合を示している。
初期充電回路３１は、スイッチ部４１とスイッチ部４１に並列接続された充電抵抗４２とを有する。スイッチ部４１は、モータ制御装置１０１の起動直後の平滑コンデンサ５の初期充電期間中のみオフ（開放）され、モータ制御装置１０１がモータ４を駆動する通常動作期間中はオン（閉路）した状態を維持する。より具体的にいえば、モータ制御装置１０１の起動直後からモータ４の駆動開始前までの初期充電期間中はスイッチ部４１をオフ（開放）することで、主回路部１１から出力された直流電力が充電抵抗４２を通じて平滑コンデンサ５に流れ込み、平滑コンデンサ５が充電される。平滑コンデンサ５が交流電源３の交流電圧の波高値まで充電されると、スイッチ部４１をオン（閉路）して初期充電動作は完了する。
また、ＰＷＭ整流器１においては、原理的に交流電源３の交流電圧の波高値以上の値の直流電圧を出力させる必要がある。そのため、平滑コンデンサ５に対する初期充電動作完了後は、ＰＷＭ制御部１２により主回路部１１内のスイッチング素子のスイッチング動作を行い、平滑コンデンサ５の両端の直流電圧を交流電源３側の交流電圧の波高値よりも大きい電圧まで昇圧する。以下、平滑コンデンサ５の初期充電完了後からモータ４の駆動開始前までの平滑コンデンサ５に対する昇圧を「初期昇圧」と称する。初期充電動作及び初期昇圧動作の完了後、逆変換器２は電力変換動作を開始してモータ４に駆動電力を供給する通常動作モードに移行し、逆変換器２から出力された交流の駆動電力に基づきモータ４は駆動することになる。
平滑コンデンサ５は充放電の繰り返しによりその静電容量（「コンデンサ容量」とも称する。）が減少する有限寿命の部品であることが一般的に知られている。平滑コンデンサ５の静電容量が低下すると、直流リンクに流れるリプル電流が増加し、直流電圧の変動が大きくなるという問題が生じる。そのため、平滑コンデンサ５の静電容量を正確に測定することが重要である。測定の結果、性能の劣化が判明した平滑コンデンサ５については、交換することが必要である。
整流器の直流リンクに設けられた平滑コンデンサの静電容量を推定する方法として、例えば、平滑コンデンサ両端の初期充電時の直流電圧（直流リンクにおける直流電圧）の値から時定数を求め、充電抵抗の抵抗値で除算することにより静電容量を求める方法がある（例えば、特許文献１参照。）。図５は、特許文献１（特開平５−７６１８０号公報）に記載された発明における初期充電時のコンデンサ電圧を示す図である。時刻ｔ＝０で平滑コンデンサ（電解コンデンサ）に対する初期充電を開始すると、平滑コンデンサの両端の直流電圧は図５に示すように一次遅れで上昇する。充電抵抗をＲ［Ω］、平滑コンデンサの容量をＣ［Ｆ］とすると一次遅れ時定数はＲＣで表される。よって、直流電圧が交流電源側の交流電圧の波高値Ｖの０．６３倍の電圧である０．６３Ｖに到達する時刻ｔ１を計測し、これを充電抵抗の抵抗値Ｒで除算することで、平滑コンデンサの静電容量Ｃを推定する。
また例えば、平滑コンデンサの初期充電時に直流リンクに流れ込む電荷量を推定し、この電荷量を初期充電完了時の直流電圧で除算すことで静電容量を求める方法がある（例えば、特許文献２参照。）。この方法によれば、初期充電期間中における平滑コンデンサへの流入電流は交流電源側の交流電流の絶対値に等しいと近似し、初期充電時の積分値から平滑コンデンサに蓄積される電荷量を求め、この電荷量を初期充電完了時の直流電圧で除算すことで静電容量を求める。
特開平５−７６１８０号公報 国際公開第２０１０／０５５５５６号
上述のように、直流出力側に並列接続された平滑コンデンサが充放電の繰り返しによりその静電容量が減少すると、直流リンクに流れるリプル電流が増加し、直流電圧の変動が大きくなるという問題が生じるので、平滑コンデンサの静電容量を正確に測定することが重要である。平滑コンデンサの静電容量を正確に測定できなければ、平滑コンデンサの交換のタイミングを逸して直流リンクに大きなリプル電流や直流電圧変動を発生させてしまうことになりかねない。またあるいは、まだ寿命のある平滑コンデンサを不必要に早く交換してしまう事態にもなりかねない。
例えば、特許文献１（特開平５−７６１８０号公報）に記載された発明は、推定される平滑コンデンサの静電容量は交流電源側の交流電圧の波高値および充電抵抗の抵抗値に依存するので、交流電圧の波高値および充電抵抗の抵抗値に誤差が含まれると、平滑コンデンサの静電容量を正確に測定することはできない。
また例えば、特許文献２（国際公開第２０１０／０５５５５６号）に記載された発明によれば、交流電源が単相である場合は、平滑コンデンサへの入力電流を交流電源側の交流電流の絶対値に近似しても大きな誤差はないが、交流電源が三相である場合はこのような近似はできず、平滑コンデンサへの流入電流を正確に把握することができない。また、初期充電回路の前段もしくは後段に直流電流検出部に設けて平滑コンデンサへの流入電流を測定すれば、平滑コンデンサの静電容量を正確に計算することは可能であるが、直流電流検出部を新たに設けることはコスト増大およびスペース増大につながる。
したがって本発明の目的は、上記問題に鑑み、直流出力側に並列接続された平滑コンデンサの静電容量を正確に測定することができる小型で低コストのＰＷＭ整流器を提供することにある。
上記目的を実現するために、本発明においては、ＰＷＭ整流器は、受信したＰＷＭ制御信号によりスイッチング素子のスイッチング動作がＰＷＭ制御されて交流側の交流電力と直流側の直流電力との間で電力変換を行う主回路部と、ＰＷＭ制御信号を生成して主回路部へ出力するＰＷＭ制御部と、主回路部の直流側に並列接続された平滑コンデンサの両端の直流電圧を検出する直流電圧検出部と、主回路部の交流側の交流電圧の波高値まで初期充電された平滑コンデンサを、主回路部の電力変換動作により交流電圧の波高値よりも大きい電圧までさらに充電する初期昇圧期間において、初期昇圧期間の開始時および終了時に直流電圧検出部が検出した各直流電圧を記憶する直流電圧記憶部と、主回路部の交流側の交流電圧および交流電流に基づいて、交流側から主回路部に流入する入力電力を計算する入力電力計算部と、初期昇圧期間中に入力電力計算部により計算された入力電力を積算し、積算した値を積算電力として出力する積算電力計算部と、直流電圧記憶部に記憶された初期昇圧期間の開始時の直流電圧と初期昇圧期間の終了時の直流電圧と積算電力とに基づいて、平滑コンデンサの静電容量を計算する静電容量計算部と、を備える。
ここで、静電容量計算部は、初期昇圧期間の開始時の直流電圧をＶL、初期昇圧期間の終了時の直流電圧をＶH、積算電力をＷとしたとき、
Figure 2016059181
 に従って平滑コンデンサの静電容量Ｃを計算する。
また、ＰＷＭ整流器は、静電容量計算部により計算された静電容量が所定の値を下回ったか否かを判定する容量低下判定部と、容量低下判定部により静電容量が所定の値を下回ったと判定された場合に警告信号を出力する警告信号出力部と、をさらに備えてもよい。
また、ＰＷＭ整流器は、警告信号出力部が警告信号を出力したとき、主回路部の直流側に並列接続された平滑コンデンサの交換を促す報知部をさらに備えてもよい。
また、ＰＷＭ整流器は、警告信号出力部が警告信号を発したとき、主回路部におけるスイッチング素子のスイッチング動作の停止を指令する停止指令部をさらに備えてもよい。
本発明によれば、直流出力側に並列接続された平滑コンデンサの静電容量を正確に測定することができる小型で低コストのＰＷＭ整流器を実現することができる。
本発明によれば、平滑コンデンサの静電容量は、直流電圧記憶部に記憶された初期昇圧期間の開始時の直流電圧と初期昇圧期間の終了時の直流電圧と初期昇圧期間中の積算電力とに基づいて算出されるので、特許文献１（特開平５−７６１８０号公報）に記載された発明とは異なり交流電源側の交流電圧の波高値および充電抵抗の抵抗値に依存せず、静電容量の正確な測定が可能である。また、静電容量の算出に用いられる積算電力は、周知の方法で容易に算出できる入力電力（瞬時有効電力）を積算して求められるものであるので、特許文献２（国際公開第２０１０／０５５５５６号）に記載された発明とは異なり、交流電源の相数に関わらず、静電容量の正確な測定が可能である。また、直流電流検出部を新たに設ける必要がないので、低コストかつ省スペースのＰＷＭ整流器を実現できる。
なお、算出された静電容量を、ディスプレイに表示したりあるいは記憶手段に保存してもよく、これにより、作業従事者は、ＰＷＭ整流器の起動の都度、平滑コンデンサの静電容量を知ることができるので、平滑コンデンサを交換すべきか否かを容易に判断することができる。
またさらに、算出された静電容量が所定の値を下回った場合な警告信号が発生され、平滑コンデンサの交換を促す報知をする構成を設けることで、作業従事者はより簡単に平滑コンデンサを交換すべきか否かを判断することができる。
またさらに、算出された静電容量が所定の値を下回った場合な警告信号が発生され、ＰＷＭ整流器の主回路部におけるスイッチング素子のスイッチング動作の停止を指令する構成を設けることで、直流リンクに大きなリプル電流や直流電圧変動が発生した状態でＰＷＭ整流器を動作させる事態を回避することができる。
本発明の実施例によるＰＷＭ整流器の原理ブロック図である。 図１に示すＰＷＭ整流器１における平滑コンデンサ５の静電容量の計算処理を示すフローチャートである。 本発明の実施例の変形例によるＰＷＭ整流器の原理ブロック図である。 ＰＷＭ整流器を有する一般的なモータ制御装置の構成を示す図である。 特許文献１（特開平５−７６１８０号公報）に記載された発明における初期充電時のコンデンサ電圧を示す図である。
以下、ここでは一実施例として、本発明によるＰＷＭ整流器が、平滑コンデンサが設けられた直流リンクを介して逆変換器に接続されるモータ制御装置内に設けられる場合について説明する。しかしながら、本発明によるＰＷＭ整流器は特にモータ制御装置の整流器としての用途に限定されるわけではなく、平滑コンデンサが設けられた直流リンクを介してＰＷＭ整流器と逆変換器とが接続される構成のものに適用でき、また当該構成に接続される負荷も特にモータに限定されない。
図１は、本発明の実施例によるＰＷＭ整流器の原理ブロック図である。モータ制御装置１００は、本発明の実施例によるＰＷＭ整流器１と、ＰＷＭ整流器１の直流側である直流リンクに接続される逆変換器２とを備える。直流リンクには平滑コンデンサ５が設けられる。モータ制御装置１００の交流電源すなわちＰＷＭ整流器１の交流電源側には昇圧リアクトル６を介して商用三相の交流電源３が接続され、モータ制御装置１００の交流モータ側すなわち逆変換器２の交流モータ側には三相のモータ４が接続される。
なお、本実施例では、１個のモータ４を駆動制御するモータ制御装置１００について説明するが、駆動制御するモータ４の個数は、本発明を特に限定するものではなく、複数個のモータ４を駆動制御するモータ制御装置にも適用可能である。また、モータ制御装置１００によって駆動されるモータ４の種類についても本発明を特に限定するものではなく、例えば誘導モータであっても同期モータであってもよく、また、相数も例えば単相やその他の多相であってもよい。
また、逆変換器２は、モータ４の個数と同数個、並列接続される。本実施例では、１個のモータ４を駆動制御するので１個の逆変換器２が設けられるが、複数個のモータ４を駆動制御する場合には、各モータ４に個別に駆動電力を供給するために複数の逆変換器２が設けられる。なお、逆変換器２の種類についても本発明を特に限定するものではなく、直流リンクにおける直流電力とモータ４の駆動電力もしくは回生電力である交流電力とを相互電力変換するものであればどのようなものであってもよい。例えば、逆変換器２は、内部にスイッチング素子を有するＰＷＭインバータとして構成され、直流リンク側から供給される直流電力を、ＰＷＭ制御信号に基づき内部のスイッチング素子をスイッチング動作させ、モータ４を駆動するための所望の電圧および所望の周波数の三相交流電力に変換するものであればよい。これにより、モータ４は、逆変換器２により供給された電圧可変および周波数可変の三相交流電力に基づいて動作することになる。また、モータ４の制動時には回生電力が発生するが、ＰＷＭインバータとして構成される逆変換器２は、その内部のスイッチング素子のスイッチング動作がＰＷＭ制御信号により制御されて交流の回生電力を直流電力に変換する回生動作（順変換動作）を行い、モータ４で発生した回生エネルギーを直流リンク側へ戻すことができる。
まず、本発明の実施例によるＰＷＭ整流器１の構成について説明する。本発明の実施例によるＰＷＭ整流器１は、主回路部１１と、ＰＷＭ制御部１２と、直流電圧検出部１３と、直流電圧記憶部１４と、入力電力計算部１５と、積算電力計算部１６と、静電容量計算部１７とを備える。
主回路部１１は、スイッチング素子およびこれに逆並列に接続されたダイオードのブリッジ回路からなる。スイッチング素子の例としては、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−ＯＦＦ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ゲートターンオフサイリスタ）、トランジスタなどがあるが、スイッチング素子の種類自体は本発明を限定するものではなく、その他の半導体素子であってもよい。ここでは、一例として交流電源３を三相で表したのでＰＷＭ整流器１の主回路部１１は三相フルブリッジ回路とする。しかしながら、ＰＷＭ整流器１の相数は本発明を限定するものではなく、交流電源３の相数に対応してＰＷＭ整流器１を当該相数のフルブリッジ回路として構成すればよい。例えば、交流電源３が単相である場合にはこれに対応してＰＷＭ整流器１の主回路部１１は単相フルブリッジ回路とすればよい。
主回路部１１は、ＰＷＭ制御部１２から受信したＰＷＭ制御信号に基づきスイッチング素子のスイッチング動作がＰＷＭ制御されることで、交流電源３側の交流電力と直流側の直流リンクにおける直流電力との間で電力変換を行う。すなわち、受信したＰＷＭ制御信号に従い、交流電力を直流電力に変換する力行動作（順変換動作）および直流電力を交流電力に変換する回生動作（逆変換動作）のいずれかを行う。
ＰＷＭ制御部１２は、ＰＷＭ制御信号を生成して主回路部１１へ出力する。ＰＷＭ整流器１の通常運転時（すなわちモータ制御装置１００によるモータ４の通常運転時）では、直流電圧検出部１３によって検出される平滑コンデンサ６の直流電圧が、外部から入力された直流電圧指令値に追従するようにフィードバック制御を行う。これにより、平滑コンデンサ５の直流電圧は一定に制御される。一方、モータ制御装置１００によるモータ４の運転前は、詳細については後述するが、ＰＷＭ制御部１２は、主回路部１１が初期昇圧動作を行うことになるようなＰＷＭ制御信号を生成する。
主回路部１１の直流側には平滑コンデンサ５が並列接続される。平滑コンデンサ５は、ＰＷＭ整流器１の主回路部１１もしくは逆変換器２の直流出力のリプルを抑制する機能ともに、主回路部１１もしくは逆変換器２から出力される直流電力を一次的に蓄積する機能も有する。
直流電圧検出部１３は、平滑コンデンサ６の両端の直流電圧を検出する。
初期充電回路３１は、モータ制御装置１００によるモータ４の運転前の初期充電期間中に、ＰＷＭ整流器１の主回路部１１から出力された直流電流で平滑コンデンサ５を充電するためのものであり、本実施例では、ＰＷＭ整流器１の主回路部１１と平滑コンデンサ５との間に設けられる。この代替例として、初期充電回路３１を主回路部１１の交流電源側に設けてもよく、例えば交流電源３が三相の場合は、主回路部１１の三相交流入力側の三相のうち少なくとも二相それぞれに初期充電回路３１が設けられる。また、図１では逆変換器２を１個設けた例を示したが、例えば逆変換器２が複数並列接続される場合は平滑コンデンサ５についても互いに並列接続された関係を有することになるので、主回路部１１とこれら平滑コンデンサ５との間に、初期充電回路３１が１個設けられることになる。
初期充電回路３１は、スイッチ部４１とスイッチ部４１に並列接続された充電抵抗４２とを有する。スイッチ部４１は、例えばメカニカルスイッチ、またはＩＧＢＴもしくはサイリスタなどの半導体スイッチング素子で構成される。スイッチ部４１は、モータ制御装置１００の起動直後の平滑コンデンサ５の初期充電期間中のみオフ（開放）され、モータ制御装置１００がモータ４を駆動する通常動作期間中はオン（閉路）した状態を維持する。より具体的にいえば、モータ制御装置１００の起動直後からモータ４の駆動開始前までの初期充電期間中はスイッチ部４１をオフ（開放）することで、主回路部１１から出力された直流電力が充電抵抗４２を通じて平滑コンデンサ５に流れ込み、平滑コンデンサ５が充電される。平滑コンデンサ５が交流電源３の交流電圧の波高値まで充電されると、スイッチ部４１をオン（閉路）して初期充電動作は完了する。
上述したようにＰＷＭ整流器１においては原理的に交流電源３の交流電圧の波高値以上の値の直流電圧を出力させる必要があるので、平滑コンデンサ５に対する上記初期充電動作完了後は、ＰＷＭ制御部１２は、主回路部１１に初期昇圧動作を行わせるＰＭＷ制御信号を生成し、交流電圧の波高値まで初期充電されていた平滑コンデンサ５の両端の直流電圧を当該交流電圧の波高値よりも大きい電圧まで昇圧する。直流電圧記憶部１４は、この初期昇圧期間の開始時および終了時に直流電圧検出部が検出した各直流電圧を記憶する。直流電圧記憶部１４は、揮発性メモリあるいは不揮発性メモリのいずれであってもよい。
入力電力計算部１５は、交流電圧検出部３２により検出された主回路部１１の交流側の交流電圧と交流電流検出部３３により検出された主回路部１１の交流側の交流電流とに基づいて、交流側から主回路部１１に流入する入力電力を計算する。なお、モータ制御装置１００の場合、交流電源３側の交流電圧値および交流電流値をＰＷＭ整流器１の駆動制御に用いるので、モータ制御装置１００にはこれらを検出する交流電圧検出部３２および交流電流検出部３３が一般的に設けられている。入力電力計算部１５では、これら交流電圧検出部３２および交流電流検出部３３の検出値を計算に用いる。
積算電力計算部１６は、初期昇圧期間中にわたって入力電力計算部１５により計算された入力電力を積算し、積算した値を積算電力として出力する。
静電容量計算部１７は、直流電圧記憶部１４に記憶された初期昇圧期間の開始時の直流電圧と初期昇圧期間の終了時の直流電圧と積算電力計算部１６によって計算された積算電力とに基づいて、平滑コンデンサの静電容量を計算する。
続いて、図１に示すＰＷＭ整流器１における平滑コンデンサ５の静電容量の計算について説明する。図２は、図１に示すＰＷＭ整流器１における平滑コンデンサ５の静電容量の計算処理を示すフローチャートである。
モータ制御装置１００の起動直後、まずステップＳ１０１において、初期充電動作が行われる。すなわち、初期充電回路３１のスイッチ部４１がオフ（開放）されて、主回路部１１から出力された直流電力が充電抵抗４２を通じて平滑コンデンサ５に流れ込み、平滑コンデンサ５が充電される。平滑コンデンサ５が交流電源３の交流電圧の波高値まで充電されると、スイッチ部４１がオン（閉路）されて初期充電動作は完了する。なお、初期充電期間中は、逆変換器２はまだ動作しない。
次いで、ステップＳ１０２において初期昇圧動作が開始される。初期昇圧期間中は、初期充電回路３１のスイッチ部４１はオン（閉路）されており、充電抵抗４２には電流は流れない。また、逆変換器２もまだ動作していないので、交流電源３側から取り込まれた交流電力はＰＷＭ整流器１の主回路部１１によって直流電力に変換（整流）されて全て平滑コンデンサ５に蓄積されることになる。
まずステップＳ１０３において、直流電圧記憶部１４は、ステップＳ１０１において初期充電された平滑コンデンサ５の、初期昇圧期間の開始時に直流電圧検出部１３が検出した直流電圧ＶLを記憶する。
ステップＳ１０４において、入力電力計算部１５は、交流電圧検出部３２により検出された主回路部１１の交流側の交流電圧と交流電流検出部３３により検出された主回路部１１の交流側の交流電流とに基づいて、交流側から主回路部１１に流入する入力電力を計算する。この入力電力は瞬時有効電力として計算される。すなわち、交流側から主回路部１１に流入する入力電力Ｐは、交流電圧検出部３２により検出された主回路部１１の交流側の交流電圧をＥu、ＥvおよびＥw、交流電流検出部３３により検出された主回路部１１の交流側の交流電流をＩu、ＩvおよびＩwとしたとき、下記式１に従って算出される。
Figure 2016059181
ステップＳ１０５において、積算電力計算部１６は、ステップＳ１０４において入力電力計算部１５により計算された入力電力を積算する。次いで、ステップＳ１０６において初期昇圧動作が完了したか否かが判定される。この判定は積算電力計算部１６自体が行ってもよく、あるいは積算電力計算部１６の上位制御装置（図示せず）により行ってもよい。ステップＳ１０６において初期昇圧動作が完了していないと判定された場合は、ステップＳ１０４に戻って入力電力計算部１５による入力電力の計算が行われ、さらにステップＳ１０５において入力電力の積算が行われる。ステップＳ１０６において初期昇圧動作が完了したと判定された場合は、ステップＳ１０７へ進む。このように、ステップＳ１０４〜Ｓ１０６の一連の処理により、積算電力計算部１６は、初期昇圧期間中にわたって入力電力計算部１５により計算された入力電力を積算し、積算した値を積算電力として出力することになる。すなわち、初期昇圧期間の開始時から終了時までの積算電力Ｗは、下記式２に従って算出される。
Figure 2016059181
初期昇圧期間終了後は、まずステップＳ１０７において、直流電圧記憶部１４は、初期昇圧期間の終了時に直流電圧検出部１３が検出した平滑コンデンサ５の直流電圧ＶHを記憶する。
次いで、ステップＳ１０８において、静電容量計算部１７は、直流電圧記憶部１４に記憶された初期昇圧期間の開始時の直流電圧ＶLと初期昇圧期間の終了時の直流電圧ＶHと積算電力計算部１６によって計算された積算電力Ｗとに基づいて、平滑コンデンサの静電容量Ｃを計算する。初期昇圧期間の開始時から終了時までの間に平滑コンデンサ５に蓄積されるエネルギーΔは、下記式３に従って算出される。
Figure 2016059181
上述したように初期昇圧期間中は逆変換器２は動作していないので、交流電源３側から取り込まれた交流電力はＰＷＭ整流器１の主回路部１１によって直流電力に変換（整流）されて全て平滑コンデンサ５に蓄積されるので、式３によって算出される初期昇圧期間の開始時から終了時までの間に平滑コンデンサ５に蓄積されるエネルギーΔは、式２によって算出される初期昇圧期間の開始時から終了時までの積算電力Ｗに等しい。したがって、平滑コンデンサ５の静電容量Ｃは下記式４のように表される。
Figure 2016059181
静電容量計算部１７は上述のようにして導出された式４に従って平滑コンデンサ５の静電容量Ｃを計算する。式４から分かるように、本発明によれば、平滑コンデンサ５の静電容量Ｃは、直流電圧記憶部１４に記憶された初期昇圧期間の開始時の直流電圧ＶLと初期昇圧期間の終了時の直流電圧ＶHと積算電力計算部１６によって計算された積算電力Ｗとに基づいて算出される。したがって、例えば特許文献１（特開平５−７６１８０号公報）に記載された発明とは異なり、交流電源側の交流電圧の波高値および充電抵抗４２の抵抗値に依存せずに平滑コンデンサ５の静電容量Ｃを算出できるので、静電容量Ｃの正確な測定が可能である。また、積算電力Ｗについては、本実施例では交流電源３が三相であるので式２に基づいて算出したが、単相やその他の多相の交流電源であったとしてもＰＷＭ整流器１に流れ込む入力電力（瞬時有効電力）は周知の方法で容易に算出できるので、特許文献２（国際公開第２０１０／０５５５５６号）に記載された発明とは異なり、交流電源の相数に関係なく静電容量Ｃの正確な測定が可能である。その際、直流電流検出部を新たに設ける必要がないので、低コストかつ省スペースのＰＷＭ整流器を実現できる。なお、静電容量計算部１７による計算結果を、例えばモータ制御装置１００に設けられたディスプレイ（図示せず）に表示したりあるいは記憶手段（図示せず）に保存するにしてもよい。これにより、作業従事者は、ＰＷＭ整流器１（もしくはモータ制御装置１００）の起動の都度、平滑コンデンサ５の静電容量Ｃを知ることができるので、平滑コンデンサ５を交換すべきか否かを容易に判断することができる。
なお、ステップＳ１０６において初期昇圧動作が完了したと判定された場合は、モータ制御装置１００における逆変換器２を起動する。これにより、逆変換器２は電力変換動作を開始してモータ４に駆動電力を供給する通常動作モードに移行し、逆変換器２から出力された交流の駆動電力に基づきモータ４は駆動することになる。
続いて、ＰＷＭ整流器の変形例について説明する。図３は、本発明の実施例の変形例によるＰＷＭ整流器の原理ブロック図である。本変形例によるＰＷＭ整流器１は、図１および図２を参照して説明したＰＷＭ整流器に、容量低下判定部１８と、警告信号出力部１９と、報知部２０と、停止指令部２１とをさらに備えたものである。なお、これ以外の回路構成要素については図１に示す回路構成要素と同様であるので、同一の回路構成要素には同一符号を付して当該回路構成要素についての詳細な説明は省略する。
容量低下判定部１８は、静電容量計算部１７により計算された静電容量が所定の値を下回ったか否かを判定する。ここで、容量低下判定部１８における判定処理に用いられる上記「所定の値」は、例えば、平滑コンデンサ５の正常動作が保証される静電容量に設定すればよい。
警告信号出力部１９は、容量低下判定部１８により静電容量が所定の値を下回ったと判定された場合に警告信号を出力する。
報知部２０は、警告信号出力部１９が警告信号を出力したとき、主回路部１１の直流側に並列接続された平滑コンデンサ５の交換を促す報知を行う。報知部２０の例としては、交換を促すブザーやサイレンなどの警告音を発するスピーカや、交換を促す点灯もしくは点滅をするライト、交換を促す文字や絵柄を表示するディスプレイなどがある。このような報知部２０によれば、平滑コンデンサ５の静電容量Ｃの数値を単純に表示する場合に比べて、作業従事者はより簡単に平滑コンデンサ５を交換すべきか否かを判断することができる。
停止指令部２１は、警告信号出力部１９が警告信号を発したとき、主回路部１１におけるスイッチング素子のスイッチング動作の停止を指令する。停止指令部２１によりスイッチング動作の停止の指令が発生されると、主回路部１１は電力変換動作を停止する。このような停止指令部２１によれば、平滑コンデンサ５の静電容量Ｃが所定の値を下回る場合はＰＷＭ整流器１は電力変換動作を停止するので、直流リンクに大きなリプル電流や直流電圧変動が発生した状態でＰＷＭ整流器１を動作させる事態を回避することができる。なお、図示の例では、停止指令部２１によるスイッチング動作の停止の指令はＰＷＭ制御部１２に対して発せられ、これによりＰＷＭ整流器１２が主回路部１１に対してスイッチング素子のスイッチング動作の停止する制御信号を出力する構成としたが、この代替例として、停止指令部２１によるスイッチング動作の停止の指令を主回路部１１に対して直接発することで主回路部１１に対してスイッチング素子のスイッチング動作を停止させる構成にしてもよい。
なお、上述したＰＷＭ制御部１２、入力電力計算部１５、積算電力計算部１６、静電容量計算部１７、容量低下判定部１８、停止指令部１９および停止指令部２１は、例えばソフトウェアプログラム形式で構築されてもよく、あるいは各種電子回路とソフトウェアプログラムとの組み合わせで構築されてもよい。例えばこれらの手段をソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、モータ制御装置１００内の演算処理装置はこのソフトウェアプログラムに従って動作することで上述の各部の機能が実現される。また、既存のモータ制御装置にこれら手段に係るソフトウェアプログラムを当該モータ制御装置内の演算処理装置に追加的にインストールすることで本発明を適用することも可能である。
１ ＰＷＭ整流器
２ 逆変換器
３ 交流電源
４ モータ
５ 平滑コンデンサ
６ 昇圧リアクトル
１１ 主回路部
１２ ＰＷＭ制御部
１３ 直流電圧検出部
１４ 直流電圧記憶部
１５ 入力電力計算部
１６ 積算電力計算部
１７ 静電容量計算部
１８ 容量低下判定部
１９ 停止指令部
２０ 報知部
２１ 停止指令部
３１ 初期充電回路
３２ 交流電圧検出部
３３ 交流電流検出部
４１ スイッチ部
４２ 充電抵抗
また例えば、平滑コンデンサの初期充電時に直流リンクに流れ込む電荷量を推定し、この電荷量を初期充電完了時の直流電圧で除算することで静電容量を求める方法がある（例えば、特許文献２参照。）。この方法によれば、初期充電期間中における平滑コンデンサへの流入電流は交流電源側の交流電流の絶対値に等しいと近似し、初期充電時の積分値から平滑コンデンサに蓄積される電荷量を求め、この電荷量を初期充電完了時の直流電圧で除算することで静電容量を求める。
ＰＷＭ制御部１２は、ＰＷＭ制御信号を生成して主回路部１１へ出力する。ＰＷＭ整流器１の通常運転時（すなわちモータ制御装置１００によるモータ４の通常運転時）では、直流電圧検出部１３によって検出される平滑コンデンサ５の直流電圧が、外部から入力された直流電圧指令値に追従するようにフィードバック制御を行う。これにより、平滑コンデンサ５の直流電圧は一定に制御される。一方、モータ制御装置１００によるモータ４の運転前は、詳細については後述するが、ＰＷＭ制御部１２は、主回路部１１が初期昇圧動作を行うことになるようなＰＷＭ制御信号を生成する。
直流電圧検出部１３は、平滑コンデンサ５の両端の直流電圧を検出する。
なお、上述したＰＷＭ制御部１２、入力電力計算部１５、積算電力計算部１６、静電容量計算部１７、容量低下判定部１８、警告信号出力部１９および停止指令部２１は、例えばソフトウェアプログラム形式で構築されてもよく、あるいは各種電子回路とソフトウェアプログラムとの組み合わせで構築されてもよい。例えばこれらの手段をソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、モータ制御装置１００内の演算処理装置はこのソフトウェアプログラムに従って動作することで上述の各部の機能が実現される。また、既存のモータ制御装置にこれら手段に係るソフトウェアプログラムを当該モータ制御装置内の演算処理装置に追加的にインストールすることで本発明を適用することも可能である。
１ ＰＷＭ整流器
２ 逆変換器
３ 交流電源
４ モータ
５ 平滑コンデンサ
６ 昇圧リアクトル
１１ 主回路部
１２ ＰＷＭ制御部
１３ 直流電圧検出部
１４ 直流電圧記憶部
１５ 入力電力計算部
１６ 積算電力計算部
１７ 静電容量計算部
１８ 容量低下判定部
１９ 警告信号出力部
２０ 報知部
２１ 停止指令部
３１ 初期充電回路
３２ 交流電圧検出部
３３ 交流電流検出部
４１ スイッチ部
４２ 充電抵抗

Claims (5)

  1. 受信したＰＷＭ制御信号によりスイッチング素子のスイッチング動作がＰＷＭ制御されて交流側の交流電力と直流側の直流電力との間で電力変換を行う主回路部と、
    前記ＰＷＭ制御信号を生成して前記主回路部へ出力するＰＷＭ制御部と、
    前記主回路部の直流側に並列接続された平滑コンデンサの両端の直流電圧を検出する直流電圧検出部と、
    前記主回路部の交流側の交流電圧の波高値まで初期充電された平滑コンデンサを、前記主回路部の電力変換動作により前記交流電圧の波高値よりも大きい電圧までさらに充電する初期昇圧期間において、前記初期昇圧期間の開始時および終了時に前記直流電圧検出部が検出した各直流電圧を記憶する直流電圧記憶部と、
    前記主回路部の交流側の交流電圧および交流電流に基づいて、交流側から前記主回路部に流入する入力電力を計算する入力電力計算部と、
    前記初期昇圧期間中に前記入力電力計算部により計算された入力電力を積算し、積算した値を積算電力として出力する積算電力計算部と、
    前記直流電圧記憶部に記憶された前記初期昇圧期間の開始時の直流電圧と前記初期昇圧期間の終了時の直流電圧と前記積算電力とに基づいて、平滑コンデンサの静電容量を計算する静電容量計算部と、
    を備えることを特徴とするＰＷＭ整流器。
  2. 前記静電容量計算部は、前記初期昇圧期間の開始時の直流電圧をＶL、前記初期昇圧期間の終了時の直流電圧をＶH、前記積算電力をＷとしたとき、
    Figure 2016059181
     に従って平滑コンデンサの静電容量Ｃを計算する請求項１に記載のＰＷＭ整流器。
  3. 前記静電容量計算部により計算された静電容量が所定の値を下回ったか否かを判定する容量低下判定部と、
    前記容量低下判定部により前記静電容量が前記所定の値を下回ったと判定された場合に警告信号を出力する警告信号出力部と、
    をさらに備える請求項１または２に記載のＰＷＭ整流器。
  4. 前記警告信号出力部が前記警告信号を出力したとき、前記主回路部の直流側に並列接続された平滑コンデンサの交換を促す報知部をさらに備える請求項３に記載のＰＷＭ整流器。
  5. 前記警告信号出力部が前記警告信号を発したとき、前記主回路部における前記スイッチング素子のスイッチング動作の停止を指令する停止指令部をさらに備える請求項３に記載のＰＷＭ整流器。
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