JP2016178823A - 直流コンデンサの寿命判定手段を有するモータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】順変換器と逆変換器との間の直流リンク上の複数の直流コンデンサの寿命を正確に判定するモータ駆動装置を実現する。【解決手段】直流リンクに複数の直流コンデンサ５を有するモータ駆動装置１は、各直流コンデンサ５の電圧を検出する電圧検出手段１１と、各逆変換器４に入出力される各電流を検出する電流検出手段１２と、各直流コンデンサ５が充電されかつ順変換器２への直流電力の供給遮断後に各逆変換器４へ電力変換指令を出力する指令手段１３と、電力変換指令出力中に検出された各電流を積分する電流積分手段１４と、各直流コンデンサ５の推定容量を、当該直流コンデンサ５に対応する電流積分値と順変換器２への直流電力の供給遮断後かつ電力変換指令出力前の当該直流コンデンサ５の電圧とに基づき算出する容量推定手段１５と、直流コンデンサ５の初期容量値および推定容量に基づき各直流コンデンサ５の寿命を判定する寿命判定手段１６とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、三相交流入力側から供給された交流電力を直流電力に変換して直流リンクへ出力したのちさらにモータの駆動のための交流電力に変換してモータへ供給するモータ駆動装置に関し、特に、直流リンクに設けられた直流コンデンサの寿命を判定する寿命判定手段を有するモータ駆動装置に関する。

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駆動装置においては、交流電源側から入力された交流電力を順変換器により直流電力に一旦変換したのち、さらにこの直流電力を逆変換器により交流電力に変換し、この交流電力をモータの駆動電力として用いている。

図４は、一般的なモータ駆動装置の構成を示す図である。モータ駆動装置１００は、商用三相交流電源（以下、単に「交流電源」と称する。）１０３からの交流電力を直流電力に変換する順変換器１０１と、順変換器１０１から出力された直流電力をモータ１０４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１０４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１０２と、を備え、当該逆変換器１０２の交流側に接続されたモータ１０４の速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御する。順変換器１０１と逆変換器１０２とは直流リンク（ＤＣリンク）を介して接続される。直流リンクには、順変換器１０１の直流出力を平滑化するために直流コンデンサ（ＤＣリンクコンデンサ）１０５が設けられる。

一般に、駆動軸（送り軸および主軸）が複数ある場合は、各駆動軸を駆動するためにモータも複数設けられる。逆変換器は、複数の駆動軸に対応してそれぞれ設けられる各モータに個別に駆動電力を供給してモータを駆動制御するために、モータの個数と同数個、並列接続される。各逆変換器の直流入力側には直流コンデンサがそれぞれ設けられる。一方、順変換器については、モータ駆動装置のコストや占有スペースを低減する目的で、複数の逆変換器に対して１個が設けられることが多い。なお、図４では、図面を簡明なものとするために、モータ１０４の個数を１個としており、したがって逆変換器１０２は１個である。

順変換器と逆変換器との間の直流リンクに設けられる直流コンデンサは、充放電の繰り返しによりその静電容量（以下、単に「容量」と称する。）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。直流コンデンサの容量が低下すると、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。寿命が到来したと判定された直流コンデンサについては、交換することが必要である。このようなことから、直流コンデンサの容量を正確に把握して寿命到来の有無を判定することが重要である。

初期充電時における直流コンデンサの充電電流の時間積分値と直流コンデンサの電圧値とを用いて直流コンデンサの寿命判定を行う装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

図５は、特許文献１（特開２０００−１５２６４３号公報）に記載された発明を説明する概略図である。ここでは、ｎ個の駆動軸（ｎは２以上の自然数）を駆動するためにモータが複数設けられる場合を例にとり説明する。ｎ個のモータに駆動電力を供給するために逆変換器がｎ個設けられ、各逆変換器に対応して直流コンデンサもｎ個設けられる。モータとこのモータに接続される逆変換器とこの逆変換器に接続される直流コンデンサとからなる組を機器１２０−１、１２０−２、・・・、１２０−ｎとして表すと、図５に示すように、ｎ個の機器１２０−１、１２０−２、・・・、１２０−ｎが並列接続された状態となる。なお、図５では、図面を簡明なものとするために、機器１２０−１、１２０−２、・・・、１２０−ｎについて、モータおよび逆変換器は図示を省略し、直流コンデンサ１０５−１、１０５−２、・・・、１０５−ｎのみ図示している。特許文献１に記載された発明では、直流コンデンサの寿命を判定するために、交流電源１０３からの交流電流を順変換器１０１によって直流に変換して得られた電流Ｉで直流コンデンサを初期充電するためにスイッチＳＷ１、充電抵抗１０７、直流コンデンサ充電制御回路１１５が設けられる。そして、直流コンデンサ１０５の初期充電期間中に検出された充電電流Ｉを、充電電流積分回路１１６によって時間積分し、直流コンデンサ推定回路１１７は、得られた電流積分値と直流コンデンサの電圧Ｖとから直流コンデンサの推定容量を算出する。直流コンデンサ１０５−１、１０５−２、・・・、１０５−ｎの容量をＣ₁、Ｃ₂、・・・、Ｃ_nとしたとき、式１が成り立つ。

特開２０００−１５２６４３号公報

上述のように、モータ駆動装置内の順変換器と逆変換器との間の直流リンクに設けられた直流コンデンサの容量が充放電の繰り返しにより減少すると、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、直流コンデンサの容量を正確に測定することは重要である。直流コンデンサの容量を正確に測定できなければ、直流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、まだ寿命のある直流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。したがって、直流コンデンサの容量を正確に把握し寿命が到来したか否かを的確に判断することが重要である。

また、上述のように、モータ駆動装置で駆動する駆動軸が複数ある場合は、各駆動軸に対応して、モータと逆変換器と直流コンデンサとからなる組も複数設けられる。このような場合に特許文献１（特開２０００−１５２６４３号公報）に記載された発明に基づいて直流コンデンサの寿命判定を行おうとすると、初期充電時における直流コンデンサの充電電流の時間積分値と直流コンデンサの電圧値とを用いて式１に基づいて推定できるのは、複数の直流コンデンサの合成容量「Ｃ₁＋Ｃ₂＋・・・＋Ｃ_n」であり、個々の直流コンデンサの容量については推定できない。つまり、複数の直流コンデンサの中から寿命の到来した直流コンデンサを特定することができず、利便性に欠ける問題がある。

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、順変換器と逆変換器との間の直流リンクにおいて並列接続された複数の直流コンデンサのそれぞれの寿命を正確に判定することができるモータ駆動装置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、交流電源側から供給された交流電力を直流電力に変換する順変換器と、順変換器の直流側である直流リンクに設けられ、互いに並列接続された少なくとも２つの直流コンデンサと、各直流コンデンサにそれぞれ並列接続され、直流リンクにおける直流電力をモータの駆動電力である交流電力に変換する少なくとも２つの逆変換器とを備えるモータ駆動装置は、各直流コンデンサごとの電圧を検出する電圧検出手段と、逆変換器へ入力もしくは逆変換器から出力される電流を、各逆変換器ごとに検出する電流検出手段と、各直流コンデンサが充電されかつ交流電源側から順変換器への直流電力の供給が遮断された後に、各逆変換器に対し、直流リンクにおける直流電力を交流電力に変換させる電力変換指令を出力する指令手段と、指令手段による電力変換指令の出力中に電流検出手段が検出した各逆変換器ごとの電流を積分し、これらを各変換器ごとの電流積分値として出力する電流積分手段と、各直流コンデンサごとの推定容量を、当該直流コンデンサに対応する逆変換器に対応する電流積分値と、順変換器への直流電力の供給が遮断された後であって指令手段による電力変換指令の出力前に電圧検出手段により検出された当該直流コンデンサの電圧と、に基づいて算出する容量推定手段と、各直流コンデンサごとに、予め測定された未使用時の当該直流コンデンサの初期容量値と容量推定手段により算出された当該直流コンデンサの推定容量とに基づいて、当該直流コンデンサが寿命であるか否かを判定する寿命判定手段と、を備える。

寿命判定手段は、初期容量に対する推定容量の割合が、予め設定された基準割合以下の場合、直流コンデンサは寿命であると判定するようにしてもよい。

寿命判定手段は、推定容量が、初期容量と予め設定された基準割合とを乗じて得られた値以下の場合、直流コンデンサは寿命であると判定するようにしてもよい。

電流検出手段は、逆変換器から出力される電流を各逆変換器ごとに検出し、指令手段が出力する電力変換指令は、直流リンクにおける直流電力を無効電力に変換する指令としてもよい。

また、モータ駆動装置は、基準割合を設定する基準割合設定手段をさらに備えてもよい。

また、モータ駆動装置は、直流コンデンサは寿命であると寿命判定手段が判定したとき、アラーム信号を出力するアラーム信号出力手段をさらに備えてもよい。

また、モータ駆動装置は、予め測定された未使用時の直流コンデンサの初期容量値を記憶した初期容量記憶手段をさらに備えてもよい。

本発明によれば、順変換器と逆変換器との間の直流リンクにおいて並列接続された複数の直流コンデンサのそれぞれの寿命を正確に判定することができるモータ駆動装置を実現することができる。

例えば特許文献１（特開２０００−１５２６４３号公報）に記載された発明は、複数の駆動軸に対応してモータと逆変換器と直流コンデンサとからなる組が複数設けられるモータ駆動装置に適用した場合、個々の直流コンデンサの容量を推定できず、複数の直流コンデンサの中から寿命の到来した直流コンデンサを特定することができなかった。これに対し、本発明によれば、各直流コンデンサが充電されかつ交流電源側から順変換器への直流電力の供給が遮断された状態で、各逆変換器に対し直流リンクにおける直流電力を交流電力に変換させる電力変換指令を同時に与えることで、各直流コンデンサ間で電荷が移動するのを防ぎつつ各直流コンデンサ容量を推定するので、複数の直流コンデンサのそれぞれの寿命を正確に判定することができ、また、複数の直流コンデンサの中から寿命の到来した直流コンデンサを速やかに特定することが容易となる。

本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置を示す原理ブロック図である。 本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置における寿命判定処理を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施例によるモータ駆動装置を示す原理ブロック図である。 一般的なモータ駆動装置の構成を示す図である。 特許文献１（特開２０００−１５２６４３号公報）に記載された発明を説明する概略図である。

本発明によるモータ駆動装置に設けられる直流コンデンサは、直流リンク上に少なくとも２個あればよい。以下で説明する実施例では、一例として２個のモータをモータ駆動装置にて駆動する場合について説明する。また、モータ駆動装置によって駆動されるモータ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い。

まず、本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置の回路構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置を示す原理ブロック図である。これ以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。

本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置１は、順変換器２と、直流コンデンサ５と、逆変換器４と、電圧検出手段１１と、電流検出手段１２と、指令手段１３と、電流積分手段１４と、容量推定手段１５と、寿命判定手段１６と、割合設定手段１７とを備える。モータ駆動装置１内の順変換器２の交流入力側には交流電源３が接続され、モータ駆動装置１内の順変換器４の交流出力側にはモータ６が接続される。逆変換器４は、複数の駆動軸（図示せず）に対応してそれぞれ設けられる各モータ６に個別に駆動電力を供給するために、モータ６の個数と同数個、並列接続される。各逆変換器４の直流入力側には直流コンデンサ５がそれぞれ設けられる。したがって、直流コンデンサ５、逆変換器４、電圧検出手段１１、電流検出手段１２、電流積分手段１４、容量推定手段１５、寿命判定手段１６、および割合設定手段１７は、モータ６ごとに設けられることになる。以下、モータ６ごとに設けられるこれら構成要素をまとめて第１の機器２０−１および第２の機器２０−２として表す。すなわち、第１の機器２０−１と第２の機器２０−２とは並設接続された関係となる。

順変換器２については、モータ駆動装置のコストや占有スペースを低減する目的で、複数の逆変換器４に対して１個が設けられる。順変換器２は、商用三相の交流電源３のある交流入力側から供給された交流電力を整流し、順変換器２の直流出力側である直流リンクに直流電力を出力する。本発明では、用いられる順変換器２の実施形態は特に限定されず、例えば１２０度通電回生機能付き三相全波ダイオード整流回路、あるいはＰＷＭ制御方式の整流回路などがある。なお、順変換器２の交流入力側には電磁接触器７が接続される。

順変換器２と逆変換器４とは、直流リンクを介して接続される。逆変換器４は、直流リンクにおける直流電力とモータ６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。図１に示すように、第１の機器２０−１に設けられる逆変換器４と第２の機器２０−２に設けられる逆変換器４とは並列接続の関係にある。逆変換器４は、例えばＰＷＭインバータなどのような、内部にスイッチング素子を有する変換回路として構成される。逆変換器４は、通常のモータ駆動の際には、直流リンク側から供給される直流電力を、上位の数値制御装置（図示せず）から受信したモータ駆動指令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６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。これによりモータ６は、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６の制動時には回生電力が発生するが、上位制御装置から受信したモータ駆動指令に基づき、モータ６で発生した回生電力である交流電力を、直流電力へ変換して直流リンクへ戻す。また、逆変換器４は、後述する指令手段１３から電力変換指令を受信した場合には、当該電力変換指令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、直流リンクにおける直流電力を交流電力に変換して出力する。

直流コンデンサ５は、順変換器２の直流出力側と逆変換器４の直流入力側とを接続する直流リンク上に設けられる。直流コンデンサ５は、順変換器２もしくは逆変換器４の直流出力の脈動分を抑える機能ともに、順変換器２もしくは逆変換器４から出力される直流電力を一時的に蓄積する機能も有する。図１に示すように、第１の機器２０−１に設けられる直流コンデンサ５と第２の機器２０−２に設けられる直流コンデンサ５とは並列接続の関係にある。直流コンデンサ５は、順変換器２から出力された直流電力で初期充電される。

電圧検出手段１１は、直流コンデンサに印加される電圧を検出する。上述のように直流コンデンサ５は第１の機器２０−１および第２の機器２０−２それぞれに設けられるので、当該直流コンデンサ５に印加される電圧を検出するために、電圧検出手段１１も第１の機器２０−１および第２の機器２０−２それぞれに設けられる。

電流検出手段１２は、本実施例では、逆変換器４から出力される電流を検出する。上述のように逆変換器４は第１の機器２０−１および第２の機器２０−２それぞれに設けられるので、当該逆変換器４から出力される電流を検出するために、電流検出手段１２も第１の機器２０−１および第２の機器２０−２それぞれに設けられる。なお、電流検出手段１２については、逆変換器４へ入力される電流を検出するために直流コンデンサ５と逆変換器４との間に設けてもよく、これについては後述の第２の実施例で説明する。

指令手段１３は、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の各直流コンデンサ５が充電されかつ交流電源３側から順変換器２への直流電力の供給が電磁接触器７によって遮断された後に、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の各逆変換器４に対し、直流リンク５における直流電力を交流電力に変換させる電力変換指令を同時に出力する。各逆変換器４に対して電力変換指令を同時に与えることにより、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の直流コンデンサ５間で電荷が移動することを防止することができる。なお、指令手段１３は、例えば上記の数値制御装置（図示せず）内の１つの機能と実現してもよく、あるいは数値制御装置とは別個独立したコンピュータで構成してもよい。また、指令手段１３が逆変換器４に対して出力する電力変換指令を、直流リンクにおける直流電力を無効電力に変換する指令としてもよい。

電流積分手段１４は、指令手段１３による電力変換指令の出力中に電流検出手段１２が検出した逆変換器４からの出力電流を積分し、これを当該変換器４に係る電流積分値として出力する。上述のように逆変換器４およびこの出力電流を検出する電流検出手段１２は第１の機器２０−１および第２の機器２０−２それぞれに設けられるので、当該電流検出手段１２が検出した逆変換器４からの出力電流を積分するために、電流積分手段１４もまた第１の機器２０−１および第２の機器２０−２それぞれに設けられる。したがって、電流積分手段１４は、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の各変換器４ごとの電流積分値を出力する。

容量推定手段１５は、電流積分手段１４から出力された電流積分値と、順変換器２への直流電力の供給が遮断された後であって指令手段１３による電力変換指令の出力前に電圧検出手段１１により検出された当該直流コンデンサ５の電圧と、に基づいて直流コンデンサ５の推定容量を算出する。上述のように電流積分手段１４および電圧検出手段１１は第１の機器２０−１および第２の機器２０−２それぞれに設けられるので、当該電流積分手段１４から出力された電流積分値および当該電圧検出手段１１が検出した当該直流コンデンサ５の電圧に基づいて、当該直流コンデンサ４の推定容量を算出するために、容量推定手段１５も第１の機器２０−１および第２の機器２０−２それぞれに設けられる。したがって、容量推定手段１５は、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の各直流コンデンサ５ごとの推定容量を出力する。容量推定手段１５による直流コンデンサ５の推定容量の具体的な算出方法については後述する。

寿命判定手段１６は、予め測定された未使用時の直流コンデンサ５の初期容量値と容量推定手段１５により算出された直流コンデンサ５の推定容量とに基づいて、直流コンデンサ５が寿命であるか否かを判定する。上述のように容量推定手段１５は第１の機器２０−１および第２の機器２０−２それぞれに設けられて各直流コンデンサ５ごとの推定容量が算出されるので、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の各直流コンデンサ５の寿命判定を行うために、寿命判定手段１６も第１の機器２０−１および第２の機器２０−２それぞれに設けられる。したがって、寿命判定手段１６は、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の各直流コンデンサ５ごとに、予め測定された未使用時の当該直流コンデンサ５の初期容量値と推定容量とに基づいて、当該直流コンデンサ５が寿命であるか否かを判定する。なお、ここでは図示しないが、予め測定された未使用時の直流コンデンサ５の初期容量値を記憶した初期容量記憶手段をさらに設けてもよく、例えばＥＥＯＲＯＭに一括して記憶させておいてもよい。寿命判定手段１６による直流コンデンサ５の寿命の具体的な判定方法については後述する。

基準割合設定手段１７は、寿命判定手段１６による寿命判定処理に用いられる基準割合を設定する。上述のように寿命判定手段１６は第１の機器２０−１および第２の機器２０−２それぞれに設けられて各直流コンデンサ５ごとに寿命判定を行うので、基準割合設定手段１７もまた第１の機器２０−１および第２の機器２０−２それぞれに設けられる。基準割合設定手段１７は、ユーザが外部から任意に基準割合を書き換え可能であるようにするパソコン、キーボード、タッチパネル、マウスなどのユーザインタフェースの機能を有するものである。またあるいは、基準割合設定手段１７を、可変抵抗器およびこの抵抗値を変更するための機械式ボリュームで構成してもよい。基準割合設定手段１７により設定された基準割合は、記憶部（図示せず）に記憶される。基準割合は、寿命判定手段１６により記憶部から読み出されて寿命判定処理に用いられる。

アラーム信号出力手段１８は、直流コンデンサ５は寿命である（すなわち寿命が到来した）と寿命判定手段が判定したとき、アラーム信号を出力する。上述のように寿命判定手段１６は第１の機器２０−１および第２の機器２０−２それぞれに設けられて各直流コンデンサ５ごとに寿命判定を行うので、アラーム信号出力手段１８もまた第１の機器２０−１および第２の機器２０−２それぞれに設けられる。

続いて、本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置１における寿命判定処理の動作について説明する。図２は、本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置における寿命判定処理を示すフローチャートである。

寿命判定処理の実行に先立ち、電磁接触器７をオンして交流電源３から交流電力を順変換器２へ取り込み、この交流電力を順変換器２により直流電力に変換し、この直流電力により第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の各直流コンデンサ５を予め充電しておく。そして、ステップＳ１０１において、ステップＳ１０１において電磁接触器７をオフする。電磁接触器７をオフすることにより、交流電源３側から順変換器２への直流電力の供給が遮断され、各直流コンデンサ５に電荷が蓄積された状態が維持される。

続いて、ステップＳ１０２において、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の電圧検出手段１１により、各直流コンデンサ５の電圧をそれぞれ検出する。ここで検出された直流コンデンサ５の電圧は、ステップＳ１０１において順変換器２への直流電力の供給が遮断された後であって、次のステップＳ１０３で指令手段１３により電力変換指令を出力する前の、各直流コンデンサ５に電荷が蓄積された状態の電圧である。

ステップＳ１０３では、指令手段１３は、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の各逆変換器４に対し、直流リンク５における直流電力を交流電力に変換させる電力変換指令を同時に出力する。指令手段１３が各逆変換器４に対して同時に電力変換指令を出力することにより、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の直流コンデンサ５間で電荷が移動することを防止することができ、後述する直流コンデンサ５の寿命判定の精度が向上する。指令手段１３による電力変換指令の出力期間中は、各逆変換器４は、受信した電力変換指令にしたがって直流リンク５における直流電力を交流電力に変換し、出力する。これにより、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２それぞれにおいて、逆変換器４からモータ６へ電流が供給され、供給された電流はモータ６で消費される。すなわち、各逆変換器４に対して同時に電力変換指令を与えることにより、直流コンデンサ５が放電したエネルギーは逆変換器４を介してモータ６へ供給され、モータ６の回転動作により消費されることになる。なお、指令手段１３が逆変換器４に対して出力する電力変換指令を「直流リンクにおける直流電力を無効電力に変換する指令」に設定すれば、当該無効電力変換指令により、各逆変換器４は直流リンクにおける直流電力を無効電力に変換してこれをモータ６へ供給することができ、この無効電力によりモータ６は回転せずにエネルギー消費をすることになる。

なお、指令手段１３による電力変換指令の出力期間中は、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の各電流検出手段１２は、各逆変換器４から出力される電流をそれぞれ検出する。検出された電流値は、各電流積分手段１４へ送られる。

ステップＳ１０４では、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の電流積分手段１４は、各電流検出手段１２が検出した逆変換器４からの出力電流を積分し、これを当該変換器４に係る電流積分値として出力する。

直流コンデンサ５の放電が完了するのに十分時間が経過した後、ステップＳ１０５において、容量推定手段１５は、電流積分手段１４から出力された電流積分値と、順変換器２への直流電力の供給が遮断された後であって指令手段１３による電力変換指令の出力前に電圧検出手段１１により検出された当該直流コンデンサ５の電圧と、に基づいて直流コンデンサ５の推定容量を算出する。

直流コンデンサ５が放電したエネルギーはモータ６で消費されることを考慮して、容量推定手段１５による直流コンデンサ５の推定容量は次のように算出する。

第１の機器２０−１について、指令手段１３による電力変換指令の出力期間中に電流検出手段１２によって検出される逆変換器４からの出力電流をＩ₁とし、順変換器２への直流電力の供給が遮断された後であって指令手段１３による電力変換指令の出力前に電圧検出手段１１により検出された直流コンデンサ５の電圧をＶ₁としたとき、直流コンデンサ５の推定容量Ｃ₁は式２で表せる。ここで、逆変換器４からの出力電流Ｉ₁の積分期間は、指令手段１３による電力変換指令の出力開始時点（すなわち直流コンデンサ５の放電開始時点）から直流コンデンサ５の放電が完了するのに十分時間が経過するまでの期間である。

同様に、第２の機器２０−２について、指令手段１３による電力変換指令の出力期間中に電流検出手段１２によって検出される逆変換器４からの出力電流をＩ₂とし、順変換器２への直流電力の供給が遮断された後であって指令手段１３による電力変換指令の出力前に電圧検出手段１１により検出された直流コンデンサ５の電圧をＶ₂としたとき、直流コンデンサ５の推定容量Ｃ₂は式３で表せる。ここで、逆変換器４からの出力電流Ｉ₂の積分期間は、指令手段１３による電力変換指令の出力開始時点（すなわち直流コンデンサ５の放電開始時点）から直流コンデンサ５の放電が完了するのに十分時間が経過するまでの期間である。

各逆変換器４に対して同時に電力変換指令を与えることにより、各直流コンデンサ５が放電したエネルギーは、対応するモータ６へそれぞれ供給される。このとき、式４が成り立つ。

よって、本実施例では、第１の機器２０−１内の容量推定手段１５は、逆変換器４からの出力電流Ｉ₁の電流積分値と、順変換器２への直流電力の供給が遮断された後であって指令手段１３による電力変換指令の出力前に電圧検出手段１１により検出された当該直流コンデンサ５の電圧Ｖ₁から、式２に基づいて直流コンデンサ５の推定容量Ｃ₁を算出する。また、第２の機器２０−１内の容量推定手段１５は、逆変換器４からの出力電流Ｉ₂の電流積分値と、順変換器２への直流電力の供給が遮断された後であって指令手段１３による電力変換指令の出力前に電圧検出手段１１により検出された当該直流コンデンサ５の電圧Ｖ₂から、式３に基づいて直流コンデンサ５の推定容量Ｃ₂を算出する。

なお、容量推定手段１５による算出結果については、例えばディスプレイ（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、各直流コンデンサ５の推定容量を知ることができる。

図２に戻り、ステップＳ１０６では、第１の機器２０−１内の寿命判定手段１６は、予め測定された未使用時の直流コンデンサ５の初期容量値Ｃ₀₁と容量推定手段１５により算出された推定容量Ｃ₁とに基づいて、第１の機器２０−１内の直流コンデンサ５が寿命であるか否かを判定する。また、第２の機器２０−２内の寿命判定手段１６は、予め測定された未使用時の直流コンデンサ５の初期容量値Ｃ₀₂と容量推定手段１５により算出された推定容量Ｃ₂とに基づいて、第１の機器２０−１内の直流コンデンサ５が寿命であるか否かを判定する。直流コンデンサ５が寿命である（すなわち寿命が到来した）と判定された機器については、後述するステップＳ１０７の処理を実行する。

ここで、寿命判定手段１６による直流コンデンサ５の寿命の判定方法について説明するが、以下の方法は第１の機器２０−１および第２の機器２０−２のいずれの直流コンデンサ５についても適用可能であるので、ここでは、代表して第１の機器２０−１内の直流コンデンサ５の場合について説明する。

一般に直流コンデンサ５は充放電の繰り返しによりその容量が減少することから、本発明の実施例では、直流コンデンサ５の初期容量Ｃ₀₁に対する推定容量Ｃ₁の割合である「Ｃ₀／Ｃ₁」を、直流コンデンサ５が寿命であるか否かの判断材料に用いる。具体的には次の２つの方法がある。まず、第１の方法として、寿命判定手段１６は、初期容量Ｃ₀₁に対する推定容量Ｃ₁の割合「Ｃ₀₁／Ｃ₁」が、基準割合設定手段１７により予め設定された基準割合以下の場合、直流コンデンサは寿命である（すなわち寿命が到来した）と判定する。また、第２の方法として、寿命判定手段１６は、推定容量Ｃ₁が、初期容量Ｃ₀₁と予め設定された基準割合とを乗じて得られた値以下の場合、直流コンデンサ５は寿命である（すなわち寿命が到来した）と判定する。第１の方法と第２の方法は実質的には同じであり、すなわち、第１の方法は直流コンデンサの容量の比率を比較するものであり、第２の方法は直流コンデンサの容量自体を比較するものである。

図２に戻り、ステップＳ１０７では、アラーム信号出力手段１８は、直流コンデンサ５は寿命である（すなわち寿命が到来した）ことを示すアラーム信号を出力する。ステップＳ１０７の処理は、ステップＳ１０６において直流コンデンサ５が寿命である（すなわち寿命が到来した）と判定された機器について実行される。

アラーム信号出力手段１７が出力するアラーム信号は、次のように活用することができる。例えば、直流コンデンサが設けられた直流リンクを介して順変換器と逆変換器とが接続されるシステムにおいて、当該システムの動作を統括制御するメイン制御部がアラーム信号出力手段１８からアラーム信号を受信したとき、当該システムの全体の動作を停止させるようにしてもよい。また例えば、音を発するスピーカやブザーがアラーム信号を受信したときにユーザに通知するための音を発するようにしてもよい。また例えば、パソコンや携帯端末がアラーム信号を受信したときにこれら機器のディスプレイに直流コンデンサが寿命であることを文字や絵柄にて表示させるようにしてもよい。また例えば、アラーム信号が発せられた日時を記憶装置に記憶させ、後のメンテナンス作業の際に利用できるようにしてもよい。いずれの場合も、アラーム信号は、ステップＳ１０６において直流コンデンサ５が寿命である（すなわち寿命が到来した）と判定された機器について実行されるので、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２のうち、どの機器の直流コンデンサの容量が低下し交換する必要があるかをユーザは明確に把握することができるので、ユーザの保守の負担が軽減される。

なお、基準割合は基準割合設定手段１７を介してユーザが任意に設定できるが、例えば、基準割合を複数設け、これに対応してアラーム信号を複数設けて、寿命判定の結果を例えば「ワーニングレベル」や「アラームレベル」といったように複数レベルに分けてもよい。

また、本実施例では、各逆変換器４に対して電力変換指令を同時に与えることにより、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の直流コンデンサ５間で電荷が移動することを防止して直流コンデンサ５の寿命判定の精度が向上させたが、これに加えて、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の各直流コンデンサ５間の干渉を避けるために第１の機器２０−１と第２の機器２０−２との間にインダクタンスを設ければ、直流コンデンサ５の寿命判定の精度をより一層向上させることができる。

続いて、本発明の第２の実施例について説明する。図３は、本発明の第２の実施例によるモータ駆動装置を示す原理ブロック図である。上述の第１の実施例は電流検出手段１２は逆変換器４から出力される電流を検出するものであったが、本発明の第２の実施例は、電流検出手段１２を逆変換器４へ入力される電流を検出するために直流コンデンサ５と逆変換器４との間に設けたものである。

電流検出手段１２は、本実施例では、逆変換器４へ入力される電流を検出する。上述のように逆変換器４は第１の機器２０−１および第２の機器２０−２それぞれに設けられるので、当該逆変換器４へ入力される電流を検出するために、電流検出手段１２も第１の機器２０−１および第２の機器２０−２それぞれにおいて、直流コンデンサ５と逆変換器４との間に設けられる。これに伴い、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の電流積分手段１４は、指令手段１３による電力変換指令の出力中に電流検出手段１２が検出した逆変換器４への入力電流を積分し、これを当該変換器４に係る電流積分値として各容量推定手段１５へ出力する。交流電流を検出する本発明の第１の実施例では、各機器において三相交流電流のうち二相分の電流を検出するために電流検出手段１２を２つのセンサで構成する必要があったが、本発明の第２の実施例では直流電流を検出するので、各機器において電流検出手段１２を構成するセンサが１つで済み、部品点数を第１の実施例の場合に比べて削減することができる。

なお、第２の実施例ついて上述した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。また、本発明の第２の実施例によるモータ駆動装置１における寿命判定処理の動作原理も、図２を参照して説明した本発明の第１の実施例のものが適用可能である。

以上の通り、第１および第２の実施例では、容量Ｃ₁の直流コンデンサ５と容量Ｃ₂の直流コンデンサ５の２並列の場合について説明したが、直流コンデンサが３並列以上の場合も合成容量の推定処理および寿命判定処理は同様の原理である。

また、上述した指令手段１３、電流積分手段１４、容量推定手段１５、寿命判定手段１６、基準割合設定手段１７、およびアラーム信号出力手段１８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および回路をソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、モータ駆動装置１内にある演算処理装置をこのソフトウェアプログラムに従って動作させることで上述の各部の機能が実現される。また、既存のシステムにこれら手段および回路に係るソフトウェアプログラムを当該モータ駆動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 モータ駆動装置
２ 順変換器
３ 交流電源
４ 逆変換器
５ 直流コンデンサ
６ モータ
７ 電磁接触器
１１ 電圧検出手段
１２ 電流検出手段
１３ 指令手段
１４ 電流積分手段
１５ 容量推定手段
１６ 寿命判定手段
１７ 割合設定手段

図５は、特許文献１（特開２０００−１５２６４３号公報）に記載された発明を説明する概略図である。ここでは、ｎ個の駆動軸（ｎは２以上の自然数）を駆動するためにモータが複数設けられる場合を例にとり説明する。ｎ個のモータに駆動電力を供給するために逆変換器がｎ個設けられ、各逆変換器に対応して直流コンデンサもｎ個設けられる。モータとこのモータに接続される逆変換器とこの逆変換器に接続される直流コンデンサとからなる組を機器１２０−１、１２０−２、・・・、１２０−ｎとして表すと、図５に示すように、ｎ個の機器１２０−１、１２０−２、・・・、１２０−ｎが並列接続された状態となる。なお、図５では、図面を簡明なものとするために、機器１２０−１、１２０−２、・・・、１２０−ｎについて、モータおよび逆変換器は図示を省略し、直流コンデンサ１０５−１、１０５−２、・・・、１０５−ｎのみ図示している。特許文献１に記載された発明では、直流コンデンサの寿命を判定するために、交流電源１０３からの交流電流を順変換器１０１によって直流に変換して得られた電流Ｉで直流コンデンサを初期充電するためにスイッチＳＷ１、充電抵抗１０７、直流コンデンサ充電制御回路１１５が設けられる。そして、直流コンデンサ１０５の初期充電期間中に検出された充電電流Ｉを、充電電流積分回路１１６によって時間積分し、直流コンデンサ容量推定回路１１７は、得られた電流積分値と直流コンデンサの電圧Ｖとから直流コンデンサの推定容量を算出する。直流コンデンサ１０５−１、１０５−２、・・・、１０５−ｎの容量をＣ₁、Ｃ₂、・・・、Ｃ_nとしたとき、式１が成り立つ。

本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置１は、順変換器２と、直流コンデンサ５と、逆変換器４と、電圧検出手段１１と、電流検出手段１２と、指令手段１３と、電流積分手段１４と、容量推定手段１５と、寿命判定手段１６と、基準割合設定手段１７とを備える。モータ駆動装置１内の順変換器２の交流入力側には交流電源３が接続され、モータ駆動装置１内の逆変換器４の交流出力側にはモータ６が接続される。逆変換器４は、複数の駆動軸（図示せず）に対応してそれぞれ設けられる各モータ６に個別に駆動電力を供給するために、モータ６の個数と同数個、並列接続される。各逆変換器４の直流入力側には直流コンデンサ５がそれぞれ設けられる。したがって、直流コンデンサ５、逆変換器４、電圧検出手段１１、電流検出手段１２、電流積分手段１４、容量推定手段１５、寿命判定手段１６、および基準割合設定手段１７は、モータ６ごとに設けられることになる。以下、モータ６ごとに設けられるこれら構成要素をまとめて第１の機器２０−１および第２の機器２０−２として表す。すなわち、第１の機器２０−１と第２の機器２０−２とは並設接続された関係となる。

指令手段１３は、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の各直流コンデンサ５が充電されかつ交流電源３側から順変換器２への直流電力の供給が電磁接触器７によって遮断された後に、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の各逆変換器４に対し、直流リンク５における直流電力を交流電力に変換させる電力変換指令を同時に出力する。各逆変換器４に対して電力変換指令を同時に与えることにより、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の直流コンデンサ５間で電荷が移動することを防止することができる。なお、指令手段１３は、例えば上記の数値制御装置（図示せず）内の１つの機能として実現してもよく、あるいは数値制御装置とは別個独立したコンピュータで構成してもよい。また、指令手段１３が逆変換器４に対して出力する電力変換指令を、直流リンクにおける直流電力を無効電力に変換する指令としてもよい。

寿命判定手段１６は、予め測定された未使用時の直流コンデンサ５の初期容量値と容量推定手段１５により算出された直流コンデンサ５の推定容量とに基づいて、直流コンデンサ５が寿命であるか否かを判定する。上述のように容量推定手段１５は第１の機器２０−１および第２の機器２０−２それぞれに設けられて各直流コンデンサ５ごとの推定容量が算出されるので、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の各直流コンデンサ５の寿命判定を行うために、寿命判定手段１６も第１の機器２０−１および第２の機器２０−２それぞれに設けられる。したがって、寿命判定手段１６は、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の各直流コンデンサ５ごとに、予め測定された未使用時の当該直流コンデンサ５の初期容量値と推定容量とに基づいて、当該直流コンデンサ５が寿命であるか否かを判定する。なお、ここでは図示しないが、予め測定された未使用時の直流コンデンサ５の初期容量値を記憶した初期容量記憶手段をさらに設けてもよく、例えばＥＥＰＲＯＭに一括して記憶させておいてもよい。寿命判定手段１６による直流コンデンサ５の寿命の具体的な判定方法については後述する。

寿命判定処理の実行に先立ち、電磁接触器７をオンして交流電源３から交流電力を順変換器２へ取り込み、この交流電力を順変換器２により直流電力に変換し、この直流電力により第１の機器２０−１および第２の機器２０−２内の各直流コンデンサ５を予め充電しておく。そして、ステップＳ１０１において、電磁接触器７をオフする。電磁接触器７をオフすることにより、交流電源３側から順変換器２への直流電力の供給が遮断され、各直流コンデンサ５に電荷が蓄積された状態が維持される。

図２に戻り、ステップＳ１０６では、第１の機器２０−１内の寿命判定手段１６は、予め測定された未使用時の直流コンデンサ５の初期容量値Ｃ₀₁と容量推定手段１５により算出された推定容量Ｃ₁とに基づいて、第１の機器２０−１内の直流コンデンサ５が寿命であるか否かを判定する。また、第２の機器２０−２内の寿命判定手段１６は、予め測定された未使用時の直流コンデンサ５の初期容量値Ｃ₀₂と容量推定手段１５により算出された推定容量Ｃ₂とに基づいて、第２の機器２０−２内の直流コンデンサ５が寿命であるか否かを判定する。直流コンデンサ５が寿命である（すなわち寿命が到来した）と判定された機器については、後述するステップＳ１０７の処理を実行する。

一般に直流コンデンサ５は充放電の繰り返しによりその容量が減少することから、本発明の実施例では、直流コンデンサ５の初期容量Ｃ₀₁に対する推定容量Ｃ₁の割合である「Ｃ ₁ ／Ｃ ₀₁ 」を、直流コンデンサ５が寿命であるか否かの判断材料に用いる。具体的には次の２つの方法がある。まず、第１の方法として、寿命判定手段１６は、初期容量Ｃ₀₁に対する推定容量Ｃ₁の割合「Ｃ ₁ ／Ｃ ₀₁ 」が、基準割合設定手段１７により予め設定された基準割合以下の場合、直流コンデンサは寿命である（すなわち寿命が到来した）と判定する。また、第２の方法として、寿命判定手段１６は、推定容量Ｃ₁が、初期容量Ｃ₀₁と予め設定された基準割合とを乗じて得られた値以下の場合、直流コンデンサ５は寿命である（すなわち寿命が到来した）と判定する。第１の方法と第２の方法は実質的には同じであり、すなわち、第１の方法は直流コンデンサの容量の比率を比較するものであり、第２の方法は直流コンデンサの容量自体を比較するものである。

アラーム信号出力手段１８が出力するアラーム信号は、次のように活用することができる。例えば、直流コンデンサが設けられた直流リンクを介して順変換器と逆変換器とが接続されるシステムにおいて、当該システムの動作を統括制御するメイン制御部がアラーム信号出力手段１８からアラーム信号を受信したとき、当該システムの全体の動作を停止させるようにしてもよい。また例えば、音を発するスピーカやブザーがアラーム信号を受信したときにユーザに通知するための音を発するようにしてもよい。また例えば、パソコンや携帯端末がアラーム信号を受信したときにこれら機器のディスプレイに直流コンデンサが寿命であることを文字や絵柄にて表示させるようにしてもよい。また例えば、アラーム信号が発せられた日時を記憶装置に記憶させ、後のメンテナンス作業の際に利用できるようにしてもよい。いずれの場合も、アラーム信号は、ステップＳ１０６において直流コンデンサ５が寿命である（すなわち寿命が到来した）と判定された機器について実行されるので、第１の機器２０−１および第２の機器２０−２のうち、どの機器の直流コンデンサの容量が低下し交換する必要があるかをユーザは明確に把握することができるので、ユーザの保守の負担が軽減される。

１ モータ駆動装置
２ 順変換器
３ 交流電源
４ 逆変換器
５ 直流コンデンサ
６ モータ
７ 電磁接触器
１１ 電圧検出手段
１２ 電流検出手段
１３ 指令手段
１４ 電流積分手段
１５ 容量推定手段
１６ 寿命判定手段
１７ 基準割合設定手段
１８ アラーム信号出力手段

Claims (7)

1. 交流電源側から供給された交流電力を直流電力に変換する順変換器と、前記順変換器の直流側である直流リンクに設けられ、互いに並列接続された少なくとも２つの直流コンデンサと、各前記直流コンデンサにそれぞれ並列接続され、前記直流リンクにおける直流電力をモータの駆動電力である交流電力に変換する少なくとも２つの逆変換器とを備えるモータ駆動装置であって、
   各前記直流コンデンサごとの電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記逆変換器へ入力もしくは前記逆変換器から出力される電流を、各前記逆変換器ごとに検出する電流検出手段と、
   各前記直流コンデンサが充電されかつ交流電源側から前記順変換器への直流電力の供給が遮断された後に、各前記逆変換器に対し、前記直流リンクにおける直流電力を交流電力に変換させる電力変換指令を出力する指令手段と、
   前記指令手段による前記電力変換指令の出力中に前記電流検出手段が検出した各前記逆変換器ごとの電流を積分し、これらを各前記変換器ごとの電流積分値として出力する電流積分手段と、
   各前記直流コンデンサごとの推定容量を、当該直流コンデンサに対応する前記逆変換器に対応する前記電流積分値と、前記順変換器への直流電力の供給が遮断された後であって前記指令手段による前記電力変換指令の出力前に前記電圧検出手段により検出された当該直流コンデンサの電圧と、に基づいて算出する容量推定手段と、
   各前記直流コンデンサごとに、予め測定された未使用時の当該直流コンデンサの初期容量値と前記容量推定手段により算出された当該直流コンデンサの前記推定容量とに基づいて、当該直流コンデンサが寿命であるか否かを判定する寿命判定手段と、
   を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記寿命判定手段は、前記初期容量に対する前記推定容量の割合が、予め設定された基準割合以下の場合、前記直流コンデンサは寿命であると判定する請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記寿命判定手段は、前記推定容量が、前記初期容量と予め設定された基準割合とを乗じて得られた値以下の場合、前記直流コンデンサは寿命であると判定する請求項１に記載のモータ駆動装置。
4. 前記電流検出手段は、前記逆変換器から出力される電流を各前記逆変換器ごとに検出し、
   前記指令手段が出力する前記電力変換指令は、前記直流リンクにおける直流電力を無効電力に変換する指令である請求項２または３に記載のモータ駆動装置。
5. 前記基準割合を設定する基準割合設定手段をさらに備える請求項２または３に記載のモータ駆動装置。
6. 前記直流コンデンサは寿命であると前記寿命判定手段が判定したとき、アラーム信号を出力するアラーム信号出力手段をさらに備える請求項２または３に記載のモータ駆動装置。
7. 予め測定された未使用時の前記直流コンデンサの初期容量値を記憶した初期容量記憶手段をさらに備える請求項１〜６のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。

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