JP2019004603A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源回生時に電源に回生する電流が閾値を超えてもすぐにはシステムが停止せず、３相電源に不平衡があっても運転を継続させることができるようにする。【解決手段】３相交流電源を直流に変換するコンバータと、前記コンバータとモータとに接続され前記モータを駆動するインバータと、前記コンバータの制御を行う制御回路と、を有し、前記制御回路は、相電流の最大値を検出する相電流最大値検出部と、検出した相電流の最大値を閾値と比較する閾値比較部と、電源回生時の相電流の最大値が電流制限閾値になったことを前記閾値比較部で検出すると電流の流れている２相の相間電圧をゼロになるように制御することを特徴とするモータ制御装置。【選択図】図１

Description

本発明は、モータ制御装置に関する。

モータ制御装置は、例えば、コンバータとインバータとから構成されている。
モータの力行運転を行う場合は、コンバータにより交流電力を直流電力に変換し、インバータにより直流電力を交流電力に変換してモータを駆動している。
モータの回生運転を行う場合は、モータが発電する交流電力をインバータにより直流電力に変換し、コンバータにより直流電力を交流電力に変換して電源に回生している。

このコンバータの制御方式として、例えば、３相電源の場合に電源の位相の１２０°区間毎にトランジスタをスイッチングして電源に戻す制御方式がある。

図４は、かかるモータ制御装置の一構成例を示した回路図である。モータ制御回路Ｘにおいて、ＡＣリアクトル１１５と３相ブリッジ回路、例えば、６個のトランジスタと整流用のダイオードとの並列接続の組の１０７ａ−１から１０７ｃ−２までであって、節点がＡＣリアクトル１１５を通して３相交流電源１０５のそれぞれに接続されるコンバータトランジスタ、ダイオードの組、そして、３相交流電源の位相を検出する位相検出回路１２７とトランジスタのゲート信号を作成するゲート信号作成部１３３とからコンバータを構成している。

モータ１０３の力行運転を行う場合は、コンバータ１０７を構成するトランジスタとダイオードの並列接続回路１０７ａ−１を構成するトランジスタ１０７ａ−１−１のゲートはオフになっており、３相交流電源１０５からトランジスタ１０７ａ−１−１に並列接続されたダイオード１０７ａ−１−２を通して３相全波整流が行われ、インバータ１１１に電力が供給される。

モータ１０３の回生運転を行う場合は、位相検出回路１２７で検出した３相交流電源の位相を元に、図５に示すようにトランジスタ１０７ａ−１−１のゲートをオンにし、２つの相に電流を流して直流電力を電源に戻す。トランジスタ１０７ａ−１−１をオンにする区間は、上側の相に関しては、各相の電源電圧が他の相の電源電圧より高い１２０°の区間、下側の相に関しては、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。

このようなコンバータ１０７の制御に対して、その過電流を防止した例として特許文献１がある。
特許文献１では、電源回生制御を行うコンバータにおいて、コンバータの入力電流の通電方向を検出する通電方向検出手段と、コンバータの入力電流の電流特性を過電流検出のための比較値と比較して過電流検出を行う電流特性比較手段とを備え、通電方向検出手段によって検出した電流の通電方向に基づいて電流特性比較手段の比較値を変更し、該比較値の変更によって通電方向に応じた比較値で過電流検出を行うことを特徴とする過電流検出回路が記載されている。

また、特許文献２では、３相負荷側で発生した余剰電力をスイッチングして３相電源系へ回生するスイッチング回路と、３相電源系とスイッチング回路との間を流れる各相電流の大きさと方向とを検出する電流検出器と、電流検出器が検出した電流値が所定値以上であるとき、スイッチング回路を構成する複数のスイッチング素子のうち、電流検出器が検出した各相電流のうち電流値の小さい相に対応するスイッチング素子から順に所定の時間差を設けてオフ動作させる指示をスイッチング回路の駆動回路へ出力する制御部とを備えていることを特徴とする電源回生コンバータが記載されている。

特開平１０−２３９３６０号公報 特開２００９−２０１３３３号公報

しかしながら、特許文献１の回路においては過電流が検出されると、システムを停止させている。このような特許文献１の手法では、過電流を検出するとシステムが停止してしまうので、例えば３相電源に不平衡が生じている場合に、特定の相の電流が過大になって、瞬時にシステム停止に至る場合があった。システム停止は、機械の稼働率を低下させるため、できるだけ少ない方がよい。

しかしながら、特許文献１の手法では、過電流時にシステムの運転を継続させる事ができなかった。

また、特許文献２では、異常な過電流発生時のスイッチング回路保護を、コンバータを構成するトランジスタのサージ電圧を抑制するスナバコンデンサの端子電圧上昇を抑制して、スナバコンデンサの容量低減を可能にする形で実現するために、スイッチング回路から３相交流電源側へ流れる電流値を監視して、保護レベル以上の異常な過電流が流れると、スイッチング回路を構成する全てのスイッチング素子を同時にオフ動作させるのではなく、各相電流のうち電流値の小さい相に対応するスイッチング素子から順に所定の時間差を設けてオフ動作させるようにしている。これにより、スナバコンデンサの容量は低減できるが、特許文献１と同様に、過電流時にシステムの運転を継続させることはできない。

このように特許文献１や特許文献２のモータ制御装置のコンバータの制御方法では、回生時に過電流保護が働くとシステムが停止してしまい、システムの運転を継続することができなかった。

本発明はこのような問題を改善するためになされたものであり、電源回生時に電源に回生する電流が閾値を超えてもすぐにはシステムが停止せず、３相電源に不平衡があっても運転を継続させることができるようにすることを目的とする。
加えて、電源ノイズを低減することのできるモータ制御装置を提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、３相交流電源を直流に変換するコンバータと、前記コンバータとモータとに接続され前記モータを駆動するインバータと、前記コンバータの制御を行う制御回路と、を有し、前記制御回路は、相電流の最大値を検出する相電流最大値検出部と、検出した相電流の最大値を閾値と比較する閾値比較部と、を有し、電源回生時の相電流の最大値が電流制限閾値になったことを前記閾値比較部で検出すると電流の流れている２相の相間電圧をゼロになるように制御することを特徴とするモータ制御装置が提供される。

電源回生時の相電流の最大値が電流制限閾値に達した場合に、オンしている２相の内の１相のスイッチング素子のみオフする事により電流を制限し、同時に電源に回生できない回生電力を抵抗回生で吸収できるようにした。

これにより、電源回生時に電源に回生する電流が閾値を超えてもすぐにはシステムが停止せず、３相電源に不平衡があっても運転を継続させることができ、同時に電源ノイズを低減する事のできるモータ制御装置を提供することができる。

さらに、前記コンバータの出力側に回生抵抗を有し、前記制御回路は、電源回生時の相電流の最大値が電流制限閾値になったことを前記閾値比較部で検出すると前記回生抵抗をオンさせることが好ましい。

前記コンバータは、６個のスイッチング素子とダイオードによる３相ブリッジ回路からなり、前記制御部は、前記スイッチング素子のいずれかを選択するスイッチング素子選択部、を有し、前記スイッチング素子選択部により選択されたスイッチング素子をオフさせるように制御を行うことが好ましい。

前記制御回路は、さらに、前記３相交流電源の位相を検出する位相検出回路と、電流制限制御部と、力行回生判定部と、前記スイッチング素子のゲート信号を作成するゲート信号作成部とを有することが好ましい。

前記制御回路は、回生運転時の、３相交流電流の位相のうち最大電圧の相と最小電圧の相のスイッチング素子をオンさせるように、制御を行うようにしても良い。

本発明によれば、モータの動作において、電源回生時に電源に回生する電流が閾値を超えてもすぐにはシステムが停止せず、３相電源に不平衡があっても運転を継続させることができる。加えて、電源ノイズを低減することができる。

本実施の一実施の形態によるモータ制御装置の一構成例を示す回路図である。 コンバータの回路動作例を示す図である。 相関電圧の時間依存を示す図であり、信号波形を示す図である。 一般的なモータ制御装置の一構成例を示した回路図である。 図４に示す回路の動作波形例を示す図である。

以下に、本発明の一実施の形態によるモータ制御装置について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本実施の形態によるモータ制御装置の一構成例を示す回路図である。図１に示すように、本実施の形態によるモータ制御装置１は、例えば３相の交流電源５に接続されたＡＣリアクトル１５と、ＡＣリアクトル１５の出力に接続されるコンバータ７と、コンバータ７の出力に接続される回生抵抗１７及び回生抵抗１７を駆動するトランジスタ（半導体スイッチなどのスイッチング素子）２１と、平滑コンデンサ２３と、インバータ１１と、後述する制御系回路とを有している。インバータ１１の出力によりモータ３が駆動される。コンバータ７は、例えば、６個のトランジスタとダイオードによる３相ブリッジ回路からなる。

コンバータ７の制御部は、３相交流電源の位相を検出する位相検出回路２７と、電流制限制御部２５と、力行回生判定部３１と、トランジスタ２１のゲート信号を作成するゲート信号作成部３３と、を有している。

力行回生判定部３１は、例えばコンバータ７の直流部の電圧や直流電流の方向などによりモータの運転状態を判定し、力行運転時は、コンバータを構成するトランジスタのゲートをオフさせ、３相交流電源５からトランジスタ７ａ−１−１等に並列接続されたダイオード７ａ−１−２等を通して３相全波整流を行い、インバータ１１に電力を供給する。回生運転時は、位相検出回路２７で検出した３相交流電源の位相を元に、図５の様に電圧が最大の相の上アーム側トランジスタと電圧が最小の相の下アームトランジスタを１２０°の区間オンにし、各相に電流を流して直流電力を電源に戻す。

電流制限制御部２５は、相電流の最大値を検出する相電流最大値検出部２５−１と、検出した相電流最大値を閾値と比較する閾値比較部２５−２、そして、オフさせるトランジスタを選択するトランジスタ（スイッチング素子）選択部２５−３と、から構成される。

電源回生時の相電流の最大値が電流制限閾値になったことを閾値比較部２５−２で検出すると、回生抵抗１７をオンさせ、同時にトランジスタ選択部２５−３で電流の流れている２相の内の上の相のトランジスタのみをオフさせるように選択し、ゲート信号作成部３３を通して電流の流れている上の相のトランジスタをオフさせる。これにより、交流電源５に回生する電流は減少し、交流電源５に回生できない分の回生電力は抵抗回生によって吸収される。電源回生時の相電流の最大値が電流制限解除閾値まで減少すると、オフさせていたトランジスタをオンさせ、同時に回生抵抗１７をオフさせる。これにより、電源電流は電流制限閾値と電流制限解除閾値との間に制御される。

電源不平衡などの場合は特定の相の電流が増大するため、その相の電流が電流制限閾値まで達した場合は、交流電源５に回生する電流を制限して、交流電源５に回生できない分を回生抵抗１７で吸収することにより、電源不平衡でも過電流でシステムが停止する事なく運転を継続できるようになる。

また、交流電源５に回生できない回生電力は回生抵抗１７で吸収するため、電源回生電流を制限している間に平滑部の電圧が過大になって、再度、コンバータ７のトランジスタ７ａ−１−１等をオンさせた時に過大な電流が流れるのを防止する。

また、電流の流れている２相の内の上の相のトランジスタのみオフさせるため、オフ時に発生する相間電圧が、全相オフさせた場合と比較し１／２になる。この相間電圧は、ＡＣＬ１５に流れている電流をトランジスタ７ａ−１−１等により強制的にオフさせることにより生ずる。

図２は、コンバータ７の回路動作例を示す図である。例えば、図２（ａ）のようにＲ相上とＳ相下のトランジスタがオンしており、Ｒ相上のトランジスタからＡＣＬ１５のＲ相を通して電源に電流Ｉ１が流れ、ＡＣＬ１５のＳ相からＳ相下のトランジスタに電流Ｉ２が流れている場合について説明する。この状態で電流が増加し、電流制限閾値に至った場合に、Ｒ相上とＳ相下の両方のトランジスタをオフさせると、図２（ｂ）のように、Ｒ相は下側のダイオードがオンになり（電流Ｉ３）、Ｖ１の電位は−ＶＤＣになる。一方、Ｓ相は上側のダイオードがオンになり、Ｖ２の電位は＋ＶＤＣになる（電流Ｉ４）。図３は、相関電圧の時間依存を示す図であり、信号波形を示す図である。このため、Ｒ相とＳ相の相間電圧は、図３（ａ）のように、２×ＶＤＣの電圧変化を生ずる。

トランジスタがオフすることにより電流が低下してきて電流制限解除閾値になると、再びＲ相上とＳ相下のトランジスタをオンさせる。これによりＶ１の電位は＋ＶＤＣに、Ｖ２の電位は−ＶＤＣになり、２×ＶＤＣの電圧変化を生ずる。そして、電流が増加して、再び電流制限閾値に至ると、Ｒ相上とＳ相下のトランジスタをオフさせる。このような相間電圧の変動は、電源入力部に設けられるノイズフィルタ用の相間のコンデンサＣにより抑制されるが、同時に相間のコンデンサＣに大きなリップル電流が流れてしまう。

通常、ノイズフィルタ用の相間コンデンサはフイルムコンデンサなどが用いられ、リップル電流の実効値がコンデンサの許容リップル電流を超えると、相間コンデンサが破損してしまう。

これに対し、相電流最大値が電流制限閾値に至った場合に上の相のトランジスタのみをオフさせると、相間電圧の変動量を低減することができる。例えば、図２（ａ）のようにＲ相上とＳ相下のトランジスタがオンしており、Ｒ相上のトランジスタからＡＣＬ１５のＲ相を通して電源に電流が流れ、ＡＣＬ１５のＳ相からＳ相下のトランジスタに電流が流れている場合に、図２（ｃ）のようにＲ相上のトランジスタのみをオフさせる（電流Ｉ５）。Ｒ相は下側のダイオードがオンになり、Ｖ１の電位は−ＶＤＣになる。一方、Ｓ相は下側のトランジスタがオンのままであり、Ｖ２の電位は−ＶＤＣのままになる。このため、Ｒ相とＳ相の相間電圧は０Ｖになり、図３（ｂ）のように、ＶＤＣの電圧変化しか生じない。

また、ＡＣＬに印加される電圧が１／２になるため、電流の低下も緩やかになる。そして、電流が低下してきて閾値に至ると、再びＲ相上のトランジスタをオンさせ、電源に電流を回生する。この時の相間電圧波形は図３（ｂ）のようにＶＤＣの電圧変化が電流制限閾値に至った回数分生ずる。このように、電流制限時に上の相のみのゲートをオフさせると、相間電圧の変動が１／２になり、電流制限にかかる回数を減らすことができ、ＡＣＬを通して電源側に漏れていくノイズも低減する。これにより、相間のコンデンサのリップル電流も小さくすることができ、相間コンデンサの寿命劣化を防止し、モータ制御装置の信頼性を向上させることができるようになる。なお、トランジスタのゲートをオフさせるのは、上の相でなく、オンしている２相の内のどちらかの相であればよい。

以上のように、本実施の形態によれば、電源回生を行うモータ制御装置において、電源回生時の相電流の最大値が電流制限閾値に達した場合に、オンしている２相の内の１相のトランジスタのみオフすることにより電流を制限し、同時に電源に回生できない回生電力を抵抗回生で吸収できるようにした。

これにより、電源回生時に電源に回生する電流が閾値を超えてもすぐにはシステムが停止せず、３相電源に不平衡があっても運転を継続させることができ、同時に電源ノイズを低減することができるモータ制御装置を提供することができる。

上記の実施の形態において、添付図面に図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。

本発明は、モータ制御装置に利用可能である。

１…モータ制御装置
３…モータ
７…コンバータ、
７ａ−１−１…トランジスタ（スイッチング素子）
７ａ−１−２…並列接続されたダイオード
１１…インバータ
１５…ＡＣリアクトル（ＡＣＬ）
１７…回生抵抗１７
２１…トランジスタ（半導体スイッチなど）
２３…平滑コンデンサ
２５…電流制限制御部
２５−１…相電流最大値検出部
２５−２…閾値比較部
２５−３…トランジスタ（スイッチング素子）選択部
２５−２…閾値比較部
３３…ゲート信号作成部

Claims (5)

1. ３相交流電源を直流に変換するコンバータと、
   前記コンバータとモータとに接続され前記モータを駆動するインバータと、
   前記コンバータの制御を行う制御回路と、を有し、
   前記制御回路は、
   相電流の最大値を検出する相電流最大値検出部と、
   検出した相電流の最大値を閾値と比較する閾値比較部と、を有し、
   電源回生時の相電流の最大値が電流制限閾値になったことを前記閾値比較部で検出すると電流の流れている２相の相間電圧をゼロになるように制御することを特徴とするモータ制御装置。
2. さらに、前記コンバータの出力側に回生抵抗を有し、
   前記制御回路は、
   電源回生時の相電流の最大値が電流制限閾値になったことを前記閾値比較部で検出すると前記回生抵抗をオンさせることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記コンバータは、６個のスイッチング素子とダイオードによる３相ブリッジ回路からなり、
   前記制御部は、前記スイッチング素子のいずれかを選択するスイッチング素子選択部、を有し、
   前記スイッチング素子選択部により選択されたスイッチング素子をオフさせるように制御を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
4. 前記制御回路は、
   さらに、
   前記３相交流電源の位相を検出する位相検出回路と、電流制限制御部と、力行回生判定部と、前記スイッチング素子のゲート信号を作成するゲート信号作成部とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
5. 前記制御回路は、
   回生運転時の、３相交流電源の位相のうち最大電圧の相と最小電圧の相のスイッチング素子をオンさせるように、制御を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ制御装置。

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