JP2017042016A - 回生電流の時間的変化を抑制する機能を備えたモータ駆動装置 - Google Patents

回生電流の時間的変化を抑制する機能を備えたモータ駆動装置 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、突入電流及び駆動装置の発熱を抑制し、かつＡＣリアクトルの小型化によりコストを低減するモータ駆動装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の一実施例に係るモータ駆動装置は、直流電力を交流電力に変換して交流電源に回生するコンバータと、１２０°通電方式を用いてコンバータから交流電源へ電力を回生するようにコンバータを制御する１２０°通電回生制御部と、ＰＷＭ制御方式を用いてコンバータから交流電源へ電力を回生するようにコンバータを制御するＰＷＭ回生制御部と、交流電源からコンバータへ入力される電源電圧を検出する入力電圧検出部と、コンバータの出力電圧であるＤＣリンク電圧を検出するＤＣリンク電圧検出部と、電源回生動作時において、１２０°通電方式及びＰＷＭ制御方式をＤＣリンク電圧検出部の電圧値に基づいて任意に切り替える回生方式切替部と、を有することを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、モータ駆動装置に関し、特に、回生電流の時間的変化を抑制する機能を備えたモータ駆動装置に関する。
モータを減速させる場合、モータでは回生制動が行われる。回生電力が大きい場合の処理方法としては電源回生が知られている（例えば、特許文献１）。電源回生に用いられるコンバータを図１に示す。電源回生に用いられるコンバータ１００１は、ダイオードＤ１〜Ｄ６を並列接続したトランジスタであるパワー素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６を備えている。モータが発電した電力は端子１００３と１００４との間に設けられた平滑コンデンサ（図示せず）に充電され、コンバータ１００１の逆変換により、平滑コンデンサの電力が電源１００２に回生される。
電源回生に用いるコンバータ１００１の制御方式として、ＰＷＭ制御方式と１２０°通電方式が知られている。ＰＷＭ制御方式は，回生電流を正弦波にすることができ、時間的変化量を制御することができる。しかしながら、ＰＷＭ動作に伴ってスイッチングノイズが増大し、フィルタの追加等のために高コストとなる。そのため、１２０°通電方式が一般的である。
１２０°通電方式は、電源電圧の位相を検出し、電源電圧の電位差が大きい１２０°区間のみ電源に電力を回生する方式である。図２（ａ）及び（ｂ）に、１２０°通電方式を用いた場合の電源位相の時間変化、パワー素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６のオン／オフを表すタイミングチャート、及びＲ相、Ｓ相、Ｔ相の各相の電流の時間変化を示す。図２（ａ）はＤＣリンク電圧と電源電圧との差分が大きい場合を示し、図２（ｂ）はＤＣリンク電圧と電源電圧との差分が小さい場合を示す。
図２（ａ）に示すように、ＤＣリンク電圧と電源電圧との差分が大きい場合には、任意の周波数でスイッチングを行い任意のピーク電流以下に制御する期間（ハッチングで示した部分）を設けている。ここでｄｉ／ｄｔ（電流の時間的変化量）は、以下の式（１）で算出され、ｄｉ／ｄｔに時間を乗算したものが突入電流となる。
Figure 2017042016
 ここで、ＶDCはＤＣリンク電圧、ＶINは電源電圧、ＬはＡＣリアクトルと電源のインダクタンスである。
従来技術では、図２（ａ）における時刻ｔ1でのＲ相電流のように、電源回生時にＤＣリンク電圧と電源電圧との差分（ＤＣリンク電圧−電源電圧）が大きい場合に突入電流が発生する。従って、従来の回生方式でパワー素子を保護する為にはＡＣリアクトルのインダクタンスＬを大きくすることによりｄｉ／ｄｔを抑制する必要がある。ＰＷＭ制御方式のコンバータであれば、インダクタンスの大きなＡＣリアクトルでなくても突入電流は抑制できるが、パワー素子の発熱が大きくなるという問題がある。
特開平６−０６２５８４号公報
本発明は、突入電流及び駆動装置の発熱を抑制し、かつＡＣリアクトルの小型化によりコストを低減するモータ駆動装置を提供することを目的とする。
本発明の一実施例に係るモータ駆動装置は、直流電力を交流電力に変換して交流電源に回生するコンバータと、１２０°通電方式を用いてコンバータから交流電源へ電力を回生するようにコンバータを制御する１２０°通電回生制御部と、ＰＷＭ制御方式を用いてコンバータから交流電源へ電力を回生するようにコンバータを制御するＰＷＭ回生制御部と、交流電源からコンバータへ入力される電源電圧を検出する入力電圧検出部と、コンバータの出力電圧であるＤＣリンク電圧を検出するＤＣリンク電圧検出部と、電源回生動作時において、１２０°通電方式及びＰＷＭ制御方式をＤＣリンク電圧検出部の電圧値に基づいて任意に切り替える回生方式切替部と、を有することを特徴とする。
本発明の一実施例に係るモータ駆動装置によれば、突入電流及び駆動装置の発熱を抑制することができ、ＡＣリアクトルを小型化しコストを低減することができる。
従来のコンバータの構成図である。 従来の１２０°通電方式を用いたコンバータにおいて、ＤＣリンク電圧と電源電圧との差分が大きい場合と小さい場合における、電源位相の時間変化、パワー素子のオン／オフを表すタイミングチャート、及びＲ相、Ｓ相、Ｔ相の各相の電流の時間変化を示す図である。 本発明の実施例に係るモータ駆動装置の構成図である。 本発明の実施例に係るモータ駆動装置の動作手順を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施例に係るモータ駆動装置において、ＤＣリンク電圧と電源電圧との差分が大きい場合と小さい場合における、電源位相の時間変化、パワー素子のオン／オフを表すタイミングチャート、及びＲ相、Ｓ相、Ｔ相の各相の電流の時間変化を示す図である。 相電圧、従来技術における相電流、及び本発明の実施例に係るモータ駆動装置における相電流の時間的変化を示す図である。 従来技術における相電流の時間的変化、及び本発明の実施例に係るモータ駆動装置における相電流の時間的変化を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明に係るモータ駆動装置について説明する。
［実施例１］
図３に本発明の実施例に係るモータ駆動装置の構成図を示す。本発明の実施例に係るモータ駆動装置１０１は、コンバータ１と、１２０°通電回生制御部２と、ＰＷＭ回生制御部３と、入力電圧検出部４と、ＤＣリンク電圧検出部５と、回生方式切替部６と、を有する。
コンバータ１は、パワー素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６及びダイオードＤ１〜Ｄ６を備えており、平滑コンデンサ９に蓄積された直流電力を交流電力に変換して交流電源２０に回生する。パワー素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６のオン／オフは、パワー素子指令部７からパワー素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６の各ゲートに入力される信号により制御される。また、コンバータ１と交流電源２０との間にはＡＣリアクトル（ＡＣＲ）２１が設けられている。
１２０°通電回生制御部２は、１２０°通電方式を用いてコンバータ１から交流電源２０へ電力を回生するようにコンバータ１を制御する。具体的には、１２０°通電回生制御部２は、１２０°通電方式による電源回生を実行するための指令をパワー素子指令部７に送信する。
ＰＷＭ回生制御部３は、ＰＷＭ制御方式を用いてコンバータ１から交流電源２０へ電力を回生するようにコンバータ１を制御する。具体的には、ＰＷＭ回生制御部３は、ＰＷＭ制御方式による電源回生を実行するための指令をパワー素子指令部７に送信する。
入力電圧検出部４は、交流電源２０からコンバータ１へ入力される電源電圧を検出する。入力電圧検出部４が検出した電源電圧の検出値は、駆動装置制御部８へ送信される。
ＤＣリンク電圧検出部５は、コンバータ１の出力電圧であるＤＣリンク電圧を検出する。コンバータ１の出力部には平滑コンデンサ９が設けられている。ＤＣリンク電圧は、平滑コンデンサ９の端子ＮとＰとの間の電圧である。ＤＣリンク電圧検出部５が検出したＤＣリンク電圧の検出値は、駆動装置制御部８へ送信される。
駆動装置制御部８は、取得したＤＣリンク電圧と電源電圧との差分を計算し、計算した差分が予め記憶した所定の値以上であるか否かを判断する。判断結果は、回生方式切替部６に送信する。
回生方式切替部６は、電源回生動作時において、１２０°通電方式及びＰＷＭ制御方式をＤＣリンク電圧検出部５の電圧値に基づいて任意に切り替える。回生方式切替部６は、ＤＣリンク電圧と電源電圧との差分が所定の値以上の場合は、ＰＷＭ制御方式を選択し、ＤＣリンク電圧と電源電圧との差分が所定の値未満の場合は、１２０°通電方式を選択するように切り替えてもよい。
さらに、交流電源２０からコンバータ１へ入力される電流を検出する入力電流検出部１０が設けられている。また、入力電流検出部１０はモータ駆動装置１０１が回生動作を行う場合に流れる電流を検出する。例えば、図３においてパワー素子Ｔｒ１及びＴｒ４がオンし、その他のパワー素子がオフしている状態では、コンバータ１から交流電源２０へ流れる電流Ｉ1及び交流電源２０からコンバータ１へ流れる電流Ｉ2を検出することができる。
次に、本発明の実施例に係るモータ駆動装置の動作手順について図４に示すフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ１０１において、モータ駆動装置１０１が回生動作を開始する。
次に、ステップＳ１０２において、入力電圧検出部４が、交流電源２０からコンバータ１へ入力される電源電圧を検出する。
次に、ステップＳ１０３において、ＤＣリンク電圧検出部５が、ＤＣリンク電圧を検出する。
次に、ステップＳ１０４において、駆動装置制御部８が、ＤＣリンク電圧と電源電圧との差分を計算する。
次に、ステップＳ１０５において、駆動装置制御部８が、ＤＣリンク電圧と電源電圧との差分は所定値以上であるか否かを判断する。
ＤＣリンク電圧と電源電圧との差分が所定値以上である場合には、ステップＳ１０６において、回生方式切替部６が、ＰＷＭ回生制御部３を選択し、ＰＷＭ制御方式による回生が実行される。
図５（ａ）にＤＣリンク電圧と電源電圧との差分が所定値以上の場合における、電源位相の時間変化、パワー素子のオン／オフを表すタイミングチャート、及びＲ相、Ｓ相、Ｔ相の各相の電流の時間変化を示す。図５（ａ）に示すパワー素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６のスイッチング制御について説明する。図５（ａ）において、５１は検出される電源電圧である。５２はＰＷＭ指令（一例）である。５３はＰＷＭ信号を生成するための三角波であるＰＷＭ搬送波（キャリア）である。ＰＷＭ制御方式による回生では、ＰＷＭ指令５２とＰＷＭ搬送波５３とが比較され、ＰＷＭ電圧指令５２の方が大きい場合は、パワー素子Ｔｒ１がオフとなり、パワー素子Ｔｒ２がオンとなる。これとは逆にＰＷＭ電圧指令５２がＰＷＭ搬送波５３よりも小さい場合は、パワー素子Ｔｒ１がオンとなり、パワー素子Ｔｒ２がオフとなる。パワー素子Ｔｒ３及びＴｒ４、並びにＴｒ５及びＴｒ６においても同様に制御される。
パワー素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６を上記のように制御することで、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相に流れる電流は図５（ａ）に示すように正弦波状となる。後述するように、ＰＷＭ制御方式による回生により、突入電流を抑制することができる。
一方、ＤＣリンク電圧と電源電圧との差分が所定値未満である場合には、ステップＳ１０７において、回生方式切替部６が、１２０°通電回生制御部２を選択し、１２０°通電方式による回生が実行される。
図５（ｂ）にＤＣリンク電圧と電源電圧との差分が所定値未満の場合における、電源位相の時間変化、パワー素子のオン／オフを表すタイミングチャート、及びＲ相、Ｓ相、Ｔ相の各相の電流の時間変化を示す。この場合は、１２０°通電方式による回生により、ＰＷＭ制御方式を用いた場合に生じるパワー素子における発熱を抑制することができる。
以上説明したように、本発明によるモータ駆動装置によれば、ＰＷＭ制御方式による電源回生により突入電流を抑制することができるため、ＡＣリアクトルを小型化することができる。さらに、突入電流が比較的小さい場合には１２０°通電方式による電源回生を行うことによりパワー素子の発熱を抑制している。
上記の実施例において、ＤＣリンク電圧と電源電圧の差分に基づいた回生方式の切り替えを電位差の大きい回生序盤のみ適用し、発熱を抑えるようにしてもよい。
次に、本発明の実施例に係るモータ駆動装置による電流の傾きの抑制効果について説明する。図６（ａ）に相電圧の時間的変化を示し、図６（ｂ）に従来技術における相電流の時間的変化を示し、図６（ｃ）に本発明の実施例に係るモータ駆動装置における相電流の時間的変化を示す。図６（ｂ）及び図６（ｃ）のＲ相電流の時刻ｔ5における変化の様子を拡大したものをそれぞれ図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す。従来技術においては、電流の傾きは、リアクトルのインダクタンスＬと、ＤＣリンク電圧と電源電圧の差分の電圧に依存している。そのため、電流検出回路の遅延時間内に増加する電流がパワー素子の定格以下となるようにピーク電流を抑制する必要があった。
これに対して、本発明の実施例に係るモータ駆動装置においては、電流の傾きは、リアクトルのインダクタンスＬと、ＤＣリンク電圧と電源電圧の差分の電圧と、スイッチング周波数によって制御されている。本発明では、突入電流の傾きをスイッチング周波数で任意に制御できるため、電流検出回路の遅延時間内に増加する電流をパワー素子の定格より十分に小さい値に抑制することができる。このようにして本発明に係るモータ駆動装置によれば突入電流を抑制することができるため、インダクタンスＬを小さくすることができ、ＡＣリアクトルを小型化することができる。
また、図６（ｃ）に示すように、本発明においてはＲ相の電流のスイッチング周波数による制御を時刻ｔ1、ｔ3及びｔ5において実行しているが、時刻ｔ2及びｔ4においては実行していない。即ち、全てのタイミングにおいて相電流のスイッチング周波数による制御を実行するのではなく、所望のタイミングにおいて電圧の位相によりスイッチ方式を切り替えるようにしている。例えば、ＤＣリンク電圧と電源電圧との差分が所定値以上の場合のみ、ＰＷＭ制御方式による回生を行うことにより突入電流を抑制し、かつ、ＤＣリンク電圧と電源電圧との差分が所定値未満の場合には、１２０°通電方式による回生を行うことによりパワー素子の発熱を抑制することが可能となる。
１ コンバータ
２ １２０°通電回生制御部
３ ＰＷＭ回生制御部
４ 入力電圧検出部
５ ＤＣリンク電圧検出部
６ 回生方式切替部
７ パワー素子指令部
８ 駆動装置制御部
９ 平滑コンデンサ
１０ 入力電流検出部
２０ 交流電源
２１ ＡＣリアクトル

Claims (2)

  1. 直流電力を交流電力に変換して交流電源に回生するコンバータと、
    １２０°通電方式を用いて前記コンバータから交流電源へ電力を回生するように前記コンバータを制御する１２０°通電回生制御部と、
    ＰＷＭ制御方式を用いて前記コンバータから交流電源へ電力を回生するように前記コンバータを制御するＰＷＭ回生制御部と、
    交流電源から前記コンバータへ入力される電源電圧を検出する入力電圧検出部と、
    前記コンバータの出力電圧であるＤＣリンク電圧を検出するＤＣリンク電圧検出部と、
    電源回生動作時において、１２０°通電方式及びＰＷＭ制御方式を前記ＤＣリンク電圧検出部の電圧値に基づいて任意に切り替える回生方式切替部と、
    を有することを特徴とするモータ駆動装置。
  2. 前記回生方式切替部は、
    前記ＤＣリンク電圧と前記電源電圧との差分が所定の値以上の場合は、ＰＷＭ制御方式を選択し、
    前記ＤＣリンク電圧と前記電源電圧との差分が所定の値未満の場合は、１２０°通電方式を選択するように切り替える、請求項１に記載のモータ駆動装置。
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