JP2019004603A - モータ制御装置 - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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