JP2019140717A

JP2019140717A - Ｄｃリンク部のコンデンサの短絡判定部を有するモータ駆動装置

Info

Publication number: JP2019140717A
Application number: JP2018019417A
Authority: JP
Inventors: 悠太後藤; Yuta Goto; 康之松本; Yasuyuki Matsumoto; 昌也立田; Masaya Tatsuta
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2019-08-22
Anticipated expiration: 2038-02-06
Also published as: JP6927900B2

Abstract

【課題】コンバータとインバータとの間のＤＣリンク部に設けられた直列接続された複数のコンデンサの短絡故障を追加の回路を設けることなく低コストで検知するモータ駆動装置を実現する。【解決手段】モータ駆動装置１は、交流電源２の交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータ１１と、コンバータ１１の直流出力側に並列接続され、互いに直列接続された複数のコンデンサを有するＤＣリンク部１２と、ＤＣリンク部１２に並列接続され、ＤＣリンク部１２における直流電力をモータ３の駆動のための交流電力に変換して出力するインバータ１３と、インバータ１３の出力が第１の閾値を下回った状態においてコンバータ１１を介して交流電源２からＤＣリンク部１２へ流れる電力の値が第２の閾値を上回った場合、ＤＣリンク部１２内の複数のコンデンサのうち少なくとも１つが短絡したと判定する短絡判定部１４とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＣリンク部のコンデンサの短絡判定部を有するモータ駆動装置に関する。

工作機械、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、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、交流電源から供給される交流電力をコンバータ（整流器）にて直流電力に変換してＤＣリンク部へ出力し、さらにインバータにてＤＣリンク部における直流電力を交流電力に変換して、この交流電力を駆動軸ごとに設けられたモータに駆動電力として供給している。

ＤＣリンク部には、コンバータ直流出力の脈動分を抑える機能とともに直流電力を蓄積する機能も有するコンデンサが設けられる。このようなコンデンサは、ＤＣリンクコンデンサや平滑コンデンサとも称される。一般にコンデンサには耐圧があることから、ＤＣリンク部における大きな直流電圧に耐えられるよう、複数のコンデンサが直列接続されることがある。

例えば、交流電源の交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、この直流電圧を平滑するために直列接続され、高電位側から、第１、第２、・・・、第Ｎと定めたＮ（Ｎは２以上の整数）個のコンデンサと、前記Ｎ個のコンデンサの何れかが短絡故障したことを検出するコンデンサ異常検出回路とを具備し、前記コンデンサ異常検出回路は、励磁回路と、この励磁電流によって接点が閉路する接点回路を備え、高電位側から、第１、第２、・・・、第Ｎと定めるＮ個のスイッチ回路と、前記Ｎ個のスイッチ回路の各々の励磁回路と交互に直列に接続されるＮ個の励磁抵抗と、前記Ｎ個のスイッチ回路の各々の接点回路と交互に直列に接続されるＮ個の接点抵抗と、を有し、前記第１のコンデンサの高電位側に、前記第１のスイッチ回路の励磁回路及び接点回路の一端を接続し、前記第１のスイッチ回路に接続された第１の励磁抵抗と前記第２のスイッチ回路の励磁回路の接続点を第１の接続点とし、この第１の接続点に、前記第１のスイッチ回路に接続された第１の接点抵抗と前記第２のスイッチ回路の接点回路の接続点を接続すると共に、この第１の接続点から前記第２のコンデンサの高電位側に電流を流す方向に第１のダイオードを接続し、以下同様に順次第Ｋ｛（Ｋ＝２、３、・・・（Ｎ−１）｝の接続点に前記第Ｋのスイッチ回路に接続された第Ｋの接点抵抗と前記第（Ｋ＋１）のスイッチ回路の接点回路の接続点を接続すると共に、この第Ｋの接続点から前記第（Ｋ＋１）のコンデンサの高電位側に電流を流す方向に第Ｋのダイオードを接続し、第Ｎのスイッチ回路に接続された第Ｎの励磁抵抗の他端と、第Ｎのスイッチ回路に接続された第Ｎの接点抵抗の他端とを、前記第Ｎのコンデンサの低電位側に接続し、前記コンバータを運転中に前記第Ｎのスイッチ回路の励磁がオフしたとき、前記Ｎ個のコンデンサのうち少なくとも１台が短絡故障したと判断するようにしたことを特徴とする電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

例えば、モータにより駆動される軸を有するロボット本体と、交流電源から与えられる交流電圧を整流する整流器と当該整流器の各出力端子に接続された一対の直流電源線間に直列に接続された第１のコンデンサおよび第２のコンデンサとを有する直流電源装置と、前記交流電源から前記直流電源装置に至る電源供給経路を開閉可能に設けられた電源開閉手段と、前記直流電源線間の直流電圧を入力して前記モータを駆動するインバータ装置と、前記交流電源の電圧を分圧して入力する交流電圧入力部と、低電位側の前記直流電源線に接続された前記第１のコンデンサの端子間電圧を検出するコンデンサ電圧検出部と、前記交流電圧入力部により入力された交流電圧に基づいて前記交流電源の瞬時停電を監視するとともに、前記電源開閉手段の開閉を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、低電位側の前記直流電源線の電位を基準として前記交流電圧入力部により入力された交流電圧の最大値を検出する最大値検出部と、前記最大値から前記コンデンサ電圧検出部により検出された前記第１のコンデンサの端子間電圧の値を減算して前記第２のコンデンサの端子間電圧を推定するコンデンサ電圧推定部とを備え、検出された前記第１のコンデンサの端子間電圧の値または推定された前記第２のコンデンサの端子間電圧の値と、前記各コンデンサの定格耐圧よりも高く設定されたしきい値電圧とを比較し、前記各コンデンサの端子間電圧の値のうち少なくとも一方が前記しきい値電圧よりも高い場合には前記電源開閉手段を開放させることを特徴とするロボットが知られている（例えば、特許文献２参照。）。

例えば、コンデンサとバランス抵抗の並列回路を２個直列接続されてなるコンデンサ回路ユニットをさらに複数組並列接続して構成されるコンデンサ回路のコンデンサ故障検出回路において、前記コンデンサ回路ユニットの１つのコンデンサに並列接続されるバランス抵抗は複数の抵抗から構成されており、前記複数の抵抗のうち１つの抵抗の電圧降下を検出する電圧検出手段と、下限閾値と該下限閾値より大きい上限閾値とを有し、前記電圧検出手段で検出された電圧が前記下限閾値より小さい場合前記コンデンサ回路ユニットのいずれかのコンデンサの異常と判断し、該電圧が前記上限閾値より大きい場合前記コンデンサ回路ユニットのいずれかのコンデンサの異常と判断するコンデンサ異常検出手段と、を備え、少なくとも前記下限閾値は前記コンデンサ回路ユニットに印加される直流電圧に比例して変化することを特徴とするコンデンサ故障検出回路が知られている（例えば、特許文献３参照。）。

国際公開第２０１１／１６１７３０号特開２０１０−１４２０６６号公報特開２００９−９２５０５号公報

モータ駆動装置内のコンバータとインバータとの間のＤＣリンク部に設けられた直列接続された複数のコンデンサのうちのいずれかに短絡故障が発生すると、短絡故障していない正常なコンデンサには、これまでよりも高電圧が印加されることになる。正常なコンデンサに印加される高電圧がコンデンサ耐圧以上の電圧であったり、あるいは高電圧が印加された状態が長時間にわたって続くと、高電圧が印加されたコンデンサが破損したり、発火したりすることがある。その結果、モータ、当該モータを駆動するモータ駆動装置、当該モータ駆動装置が駆動するモータに接続されたツール、当該ツールが加工する加工対象、当該モータ駆動装置を有する製造ラインなどが、破損したり変形するなどといった何らかの障害が発生してしまうという問題がある。このため、ＤＣリンク部に設けられたコンデンサの短絡故障を早期に検知することは非常に重要である。例えば、直列接続された複数のコンデンサのそれぞれに印加される電圧を常に監視して短絡故障を検知することも考えられる。しかしながら、各コンデンサについて個々に電圧監視回路を設けることは、部品点数の増加、回路の追加、ひいてはコストの増加を招き、好ましくない。したがって、モータ駆動装置内のコンバータとインバータとの間のＤＣリンク部に設けられた直列接続された複数のコンデンサの短絡故障を追加の回路を設けることなく低コストで検知することができる技術が望まれている。

本開示の一態様によれば、モータ駆動装置は、交流電源から入力された交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータと、コンバータの直流出力側に並列接続され、互いに直列接続された複数のコンデンサを有するＤＣリンク部と、ＤＣリンク部に並列接続され、ＤＣリンク部における直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換して出力するインバータと、インバータの出力の値と予め規定された第１の閾値とを比較するとともにコンバータを介して交流電源からＤＣリンク部へ流れる電力の値と予め規定された第２の閾値とを比較し、比較の結果、インバータの出力が第１の閾値を下回った状態においてコンバータを介して交流電源からＤＣリンク部へ流れる電力の値が第２の閾値を上回った場合、ＤＣリンク部内の複数のコンデンサのうち少なくとも１つが短絡したと判定する短絡判定部とを備える。

本開示の一態様によれば、コンバータとインバータとの間のＤＣリンク部に設けられた直列接続された複数のコンデンサの短絡故障を追加の回路を設けることなく低コストで検知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。

本開示の第１の実施形態によるモータ駆動装置を示す図である。本開示の第２の実施形態によるモータ駆動装置を示す図である。第１及び第２の実施形態によるモータ駆動装置における短絡判定処理を例示する図である。従来のモータ駆動装置におけるＤＣリンク部のコンデンサ短絡発生時を例示する図である。第１及び第２の実施形態によるモータ駆動装置の動作フローを示すフローチャートである。

以下図面を参照して、ＤＣリンク部のコンデンサの短絡判定部を有するモータ駆動装置について説明する。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。図面に示される形態は実施するための一つの例であり、図示された実施形態に限定されるものではない。

図１は、本開示の第１の実施形態によるモータ駆動装置を示す図である。

一例として、交流電源２に接続されたモータ駆動装置１により、１巻線タイプの交流モータ（以下、単に「モータ」と称する。）３を１個制御する場合について説明する。モータ３の個数は本実施形態を特に限定するものではなくこれ以外の個数であってもよく、また、モータ３は複数巻線タイプであってもよい。インバータ１３は、モータの巻線ごとに設けられる。例えば、インバータ１３は、１巻線タイプのモータ３が複数個ある場合はモータ３ごとに、複数巻線タイプのモータ３が１個ある場合は巻線ごとに、複数巻線タイプのモータ３が複数個ある場合は各モータ３の巻線ごとに、設けられる。交流電源２及びモータ３の相数は本実施形態を特に限定するものではなく、例えば三相であっても単相であってもよい。図１では、一例として交流電源２及びモータ３の相数をともに三相としている。また、モータ３の種類についても本実施形態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。ここで、モータ３が設けられる機械には、例えば工作機械、ロボット、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、各種電化製品、電車、自動車、航空機などが含まれる。

モータ駆動装置１は、一般的なモータ駆動装置と同様、ＤＣリンク部１２の直流電力とモータ３の駆動電力もしくは回生電力である交流電力との間で電力変換を行うインバータ１３を制御する。モータ駆動装置１内のモータ制御部１０は、モータ３の（回転子の）速度（速度フィードバック）、モータ３の巻線に流れる電流（電流フィードバック）、所定のトルク指令、及びモータ３の動作プログラムなどに基づいて、モータ３の速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御するためのスイッチング指令を生成する。モータ制御部１０によって作成されたスイッチング指令に基づいて、インバータ１３による電力変換動作が制御される。

図１に示すように、第１の実施形態によるモータ駆動装置１は、コンバータ１１と、ＤＣリンク部１２と、インバータ１３と、短絡判定部１４と、停止部１５とを備える。また、第１の実施形態によるモータ駆動装置１は、モータ制御部１０と、インバータ電流測定部２１と、回転速度測定部２２と、インバータ出力計算部２３と、コンバータ入力電流測定部３１と、コンバータ入力電圧測定部３２と、コンバータ電力計算部３３とを備える。また、モータ駆動装置１は、電磁接触器１６を備えてもよい。

コンバータ１１は、交流電源２から入力された交流電力を直流電力に変換して直流側に出力する。コンバータ１１の例としては、ダイオード整流回路、１２０度通電型整流回路、あるいは内部にスイッチング素子を備えるＰＷＭスイッチング制御方式の整流回路などがある。本実施形態では、図１に示すように、一例として交流電源２を三相としたので、コンバータ１１は三相のブリッジ回路として構成される。なお、交流電源２が単相である場合は単相ブリッジ回路で構成される。コンバータ１１がダイオード整流回路である場合は、交流電源２から入力された交流電流を整流し、直流側であるＤＣリンク部１２に直流電流を出力する。コンバータ１１が１２０度通電型整流回路やＰＷＭスイッチング制御方式の整流回路である場合は、コンバータ１１は、交流電源２から入力された交流電力を直流電力に変換して直流側へ出力するとともにモータ減速時にはＤＣリンク部１２の直流電力を交流電力に変換して交流電源２側へ戻すことができる交直双方向に変換可能である電力変換器として実現される。コンバータ１１がＰＷＭスイッチング制御方式の整流回路である場合は、スイッチング素子及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。この場合、スイッチング素子の例としては、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯ（ＧａｔｅＴｕｒｎ−ＯＦＦｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：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実施形態を限定するものではなく、その他のスイッチング素子であってもよい。

ＤＣリンク部１２は、コンバータ１１の直流出力側及びインバータ１３の直流入力側に並列接続される。ＤＣリンク部１２は、互いに直列接続された複数のコンデンサＣ₁〜Ｃ_n（ｎは２以上の整数）を有する。ＤＣリンク部１２におけるコンデンサＣ₁〜Ｃ_nは、コンバータ１１の直流出力の脈動分を抑える機能とともに直流電力を蓄積する機能を有する。

インバータ１３は、ＤＣリンク部１２に並列接続され、ＤＣリンク部１２における直流電力をモータ３の駆動のための交流電力に変換して出力する。インバータ１３は、スイッチング素子及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。本実施形態では、図１に示すように、一例としてモータ３を三相としたので、インバータ１３は三相のブリッジ回路として構成される。なお、モータ３が単相である場合は単相ブリッジ回路で構成される。インバータ１３は、モータ制御部１０から受信したスイッチング指令に基づき各スイッチング素子がオンオフ制御されることにより、ＤＣリンク部１２における直流電力とモータ３の駆動電力もしくは回生電力である交流電力との間で電力変換する。より詳しくは、インバータ１３は、モータ制御部１０から受信したスイッチング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、ＤＣリンク部１２を介してコンバータ１１から供給される直流電力を、モータ３を駆動するための所望の電圧及び所望の周波数の交流電力に変換し、出力する（逆変換動作）。これにより、モータ３は、供給された電圧可変及び周波数可変の交流電力に基づいて動作することになる。また、モータ３の減速時には回生電力が発生するが、モータ制御部１０から受信したスイッチング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３で発生した交流の回生電力を直流電力へ変換し、ＤＣリンク部１２へ戻す（順変換動作）。スイッチング素子の例としては、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯ、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実施形態を限定するものではなく、その他のスイッチング素子であってもよい。

短絡判定部１４は、インバータ１３の出力の値と予め規定された第１の閾値ｔｈ₁とを比較するとともにコンバータ１１を介して交流電源２からＤＣリンク部１２へ流れる電力の値と予め規定された第２の閾値ｔｈ₂とを比較し、この比較の結果、インバータ１３の出力が第１の閾値ｔｈ₁を下回った状態（インバータ１３が電力変換動作を行っていない状態）において、コンバータ１１を介して交流電源２からＤＣリンク部１２へ流れる電力の値が第２の閾値ｔｈ₂を上回ったことを検知した場合は、ＤＣリンク部１２内の複数のコンデンサＣ₁〜Ｃ_nのうち少なくとも１つが短絡したと判定する。短絡判定部１４の判定処理の詳細については後述する。

停止部１５は、短絡判定部１４が複数のコンデンサＣ₁〜Ｃ_nのうち少なくとも１つが短絡したと判定した場合、モータ駆動装置１への交流電源２からの電力供給を遮断し、交流電源２からＤＣリンク部１２へのコンバータ１１を介した電力の流入を停止させる。停止部１５は、図１に示すように例えばモータ駆動装置１と交流電源２との間の電路を開閉するために一般的に設けられる電磁接触器１６に対して遮断指令（開指令）を出力して、電磁接触器１６の接点を開離させ、モータ駆動装置１に交流電源２からの電力供給を遮断する。

短絡判定部１４の判定処理に用いられるインバータ１３の出力の値は、インバータ１３の値とモータ３の回転速度とに基づいて計算される。このため、第１の実施形態によるモータ駆動装置１は、インバータ電流測定部２１と、回転速度測定部２２と、インバータ出力計算部２３とを備える。

インバータ電流測定部２１は、インバータ１３とモータ３の間を流れるインバータ電流の値を測定する。インバータ電流測定部２１は、例えばインバータ１３の電力変換動作を制御するためにモータ制御部１０にフィードバックされるインバータ電流を測定するために一般的に設けられる電流測定器を流用してもよい。図１では、インバータ電流測定部２１はモータ制御部１０の外部に設けられているが、モータ制御部１０の内部に設けられてもよい。なお、図１では、一例としてモータ３を三相としたのでインバータ１３は三相のブリッジ回路として構成され、インバータ電流測定部２１は、インバータ１３から出力される三相電流のうちの少なくとも二相分を、上記インバータ電流として測定すればよい。

回転速度測定部２２は、モータ３の回転速度（回転角速度）を測定する。回転速度測定部２２は、例えばモータ３の回転動作を制御するためにモータ制御部１０にフィードバックされる回転速度を測定するために一般的に設けられるアブソリュートエンコーダなどの回転速度測定器を流用してもよく、この場合、ハードウェアとしての回転速度測定器を新たに設ける必要はない。

インバータ出力計算部２３は、インバータ電流測定部２１によって測定されたインバータ電流の値と回転速度測定部２２によって測定されたモータ３の回転速度とに基づいて、インバータ１３の出力の値を計算する。すなわち、インバータ出力計算部２３は、インバータ電流測定部２１によって測定されたインバータ電流の値と回転速度測定部２２によって測定されたモータ３の回転速度とモータ３について規定されたトルク定数とを乗算して得られる値を、「インバータ１３の出力の値」として算出する。なお、モータ制御部１０が、インバータ１３の電力変換動作及び／またはモータ３の回転動作の制御のためにインバータ出力計算機能を既に有している場合は、モータ制御部１０のインバータ出力計算機能を用いてインバータ１３の出力の値を求めてもよい。図１では、インバータ出力計算部２３はモータ制御部１０の外部に設けられているが、モータ制御部１０の内部に設けられてもよい。またあるいは、インバータ出力計算部２３は、インバータ電流とインバータ１３の出力電圧とを乗算して得られる瞬時電力を、インバータ１３の出力の値として算出してもよい。この場合、インバータ１３の出力電圧は、例えばインバータ１３の電力変換動作を制御するためにインバータ１３に一般的に設けられる電圧測定器によって測定される。またあるいは、インバータ出力計算部２３は、モータ３の回転速度の値とモータ３のトルクとを乗算して得られるモータ３の出力を、インバータ１３の出力の値として算出してもよい。この場合、モータ３のトルクは、例えばトルクセンサによって測定される。

短絡判定部１４の判定処理に用いられるコンバータ１１を介して交流電源２からＤＣリンク部１２へ流れる電力は、第１の実施形態では、交流電源２からコンバータ１１へ入力される電力として計算される。このため、第１の実施形態によるモータ駆動装置１は、コンバータ入力電流測定部３１と、コンバータ入力電圧測定部３２と、コンバータ電力計算部３３とを備える。

コンバータ入力電流測定部３１は、交流電源２からコンバータ１１へ流れる入力電流の値を測定する。なお、図１では、一例として交流電源２を三相としたのでコンバータ１１は三相のブリッジ回路として構成され、コンバータ入力電流測定部３１は、交流電源２からコンバータ１１へ入力される三相電流のうちの少なくとも二相分を、上記入力電流として測定できればよい。

コンバータ入力電圧測定部３２は、交流電源２によってコンバータ１１の交流入力側に印加される入力電圧を測定する。

コンバータ電力計算部３３は、コンバータ入力電流測定部３１によって測定された入力電流の値とコンバータ入力電圧測定部３２によって測定された入力電圧の値とを乗算することによって、交流電源２からコンバータ１１へ入力される電力を算出する。このように、第１の実施形態では、コンバータ電力計算部３３によって算出された交流電源２からコンバータ１１へ入力される電力を、コンバータ１１を介して交流電源２からＤＣリンク部１２へ流れる電力の値として利用する。

なお、例えばコンバータ１１がＰＷＭスイッチング制御方式の整流回路である場合は、コンバータ入力電流測定部３１、コンバータ入力電圧測定部３２及びコンバータ電力計算部３３は、コンバータ１１の電力変換動作を制御するために一般的に設けられるコンバータ入力電流測定器、コンバータ入力電圧測定器及びコンバータ電力計算部を流用してもよい。図１では、コンバータ入力電流測定部３１、コンバータ入力電圧測定部３２及びコンバータ電力計算部３３はモータ制御部１０の外部に設けられているが、モータ制御部１０の内部に設けられてもよい。

このように第１の実施形態では、短絡判定部１４の判定処理に用いられるコンバータ１１を介して交流電源２からＤＣリンク部１２へ流れる電力を、交流電源２からコンバータ１１へ入力される電力として計算した。次に説明する第２の実施形態では、短絡判定部１４の判定処理に用いられるコンバータ１１を介して交流電源２からＤＣリンク部１２へ流れる電力を、コンバータ１１からＤＣリンク部１２へ出力される電力として計算される。

図２は、本開示の第２の実施形態によるモータ駆動装置を示す図である。第２の実施形態によるモータ駆動装置１は、コンバータ１１からＤＣリンク部１２へ出力される電力を計算するために、コンバータ出力電流測定部４１と、コンバータ出力電圧測定部４２と、コンバータ電力計算部４３とを備える。すなわち、第２の実施形態によるモータ駆動装置１は、第１の実施形態におけるコンバータ入力電流測定部３１、コンバータ入力電圧測定部３２及びコンバータ電力計算部３３に代えて、コンバータ出力電流測定部４１、コンバータ出力電圧測定部４２及びコンバータ電力計算部４３を備えるものである。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。

第２の実施形態において、コンバータ出力電流測定部４１は、コンバータ１１からＤＣリンク部１２へ流れる出力電流の値を測定する。コンバータ出力電流測定部４１は、例えばＤＣリンク部１２のコンデンサＣ1〜Ｃ_nの電圧制御あるいはコンバータ１１（特にコンバータ１１がＰＷＭ制御方式の整流回路の場合）の電力変換制御に用いられるコンバータ１１の出力電流の値を測定するために一般的に設けられる電流測定器を流用してもよい。コンバータ出力電流測定部４１は、コンバータ１１とＤＣリンク部１２との間を流れるコンバータ出力電流の値を測定できる位置に設けられればよく、例えば図２のＡ−１に示す位置（正極側）またはＡ−２の位置（負極側）に設けられる。

コンバータ出力電圧測定部４２は、コンバータ１１の直流出力側に出力される出力電圧を測定する。コンバータ出力電圧測定部４２は、例えばＤＣリンク部１２のコンデンサＣ1〜Ｃ_nの電圧制御あるいはコンバータ１１（特にコンバータ１１がＰＷＭ制御方式の整流回路の場合）の電力変換制御に用いられるコンバータ１１の出力電圧の値を測定するために一般的に設けられる電圧測定器を流用してもよい。

コンバータ電力計算部４３は、コンバータ出力電流測定部４１によって測定された出力電流の値とコンバータ出力電圧測定部４２によって測定された出力電圧の値とを乗算することによって、コンバータ１１からＤＣリンク部１２へ出力される電力を算出する。第２の実施形態では、コンバータ１１からＤＣリンク部１２へ出力される電力を、コンバータ１１を介して交流電源２からＤＣリンク部１２へ流れる電力として利用する。

なお、例えばコンバータ１１がＰＷＭスイッチング制御方式の整流回路である場合は、コンバータ出力電流測定部４１、コンバータ出力電圧測定部４２及びコンバータ電力計算部４３は、コンバータ１１の電力変換動作を制御するために一般的に設けられるコンバータ入力電流測定器、コンバータ入力電圧測定器及びコンバータ電力計算部を流用してもよい。図２では、コンバータ出力電流測定部４１、コンバータ出力電圧測定部４２及びコンバータ電力計算部４３はモータ制御部１０の外部に設けられているが、モータ制御部１０の内部に設けられてもよい。

以上説明したように、短絡判定部１４の判定処理に用いられる「コンバータ１１を介して交流電源２からＤＣリンク部１２へ流れる電力」は、第１の実施形態では「交流電源２からコンバータ１１へ入力される電力」であり、第２の実施形態では「コンバータ１１からＤＣリンク部１２へ出力される電力」である。

続いて、第１及び第２の実施形態における短絡判定部１４の判定処理について、より詳細に説明する。

ＤＣリンク部１２内の複数のコンデンサＣ₁〜Ｃ_nのいずれも短絡故障がない正常な状態において、インバータ１３が電力変換動作を行っていない場合は、インバータ１３からの出力はなくすなわち略ゼロであり、なおかつ、コンバータ１１を介した交流電源２からＤＣリンク部１２への電力の流入はなくすなわち略ゼロである。このとき、ＤＣリンク部１２のコンデンサＣ₁〜Ｃ_nは満充電の状態で安定している。しかし、複数のコンデンサＣ₁〜Ｃ_nのうちいずれか１つが短絡すると、短絡したコンデンサ以外の正常なコンデンサの充電が上昇し、これに伴い、コンバータ１１を介して交流電源２からＤＣリンク部１２へ流れる電力が発生する。そこで、第１及び第２の本実施形態では、インバータ１３が電力変換動作を行っていない状態において、コンバータ１１を介した交流電源２からＤＣリンク部１２への電力の流入があったか否かを判定しコンバータ１１を介した交流電源２からＤＣリンク部１２への電力の流入があったと判定された場合は、複数のコンデンサＣ₁〜Ｃ_nのうち少なくとも１つが短絡したと判定する。

このため、第１及び第２の実施形態では、インバータ１３が電力変換動作を行っておらずインバータ１３の出力がないことを、インバータ１３の出力の値が略ゼロである（すなわちインバータ１３からモータ３への電力の供給はない）ことをもって検知する。すなわち、第１の閾値ｔｈ₁としてゼロに近い電力値を予め設定しておき、短絡判定部１４により、インバータ１３の出力の値が第１の閾値ｔｈ₁を下回った状態であるか否かを判定する。

またさらに、第１及び第２の実施形態では、インバータ１３が電力変換動作を行っていない状態においてコンバータ１１を介した交流電源２からＤＣリンク部１２への電力の流入があったことを、コンバータ１１を介して交流電源２からＤＣリンク部１２へ流れる電力の値がゼロではなくなったことをもって検知する。すなわち、第２の閾値ｔｈ₂としてある大きさの電力値を予め設定しておき、短絡判定部１４により、インバータ１３の出力の値が第１の閾値ｔｈ₁を下回った状態において、コンバータ１１を介して交流電源２からＤＣリンク部１２へ流れる電力の値が第２の閾値ｔｈ₂を上回ったか否かを判定する。第２の閾値ｔｈ₂については、電力値がゼロではなくなったことさえ検知できれば十分であるので、例えばゼロよりも大きい任意の値に設定すればよい。

このように、短絡判定部１４は、インバータ１３の出力の値と予め規定された第１の閾値ｔｈ₁とを比較するとともにコンバータ１１を介して交流電源２からＤＣリンク部１２へ流れる電力の値と予め規定された第２の閾値ｔｈ₂とを比較し、比較の結果、インバータ１３の出力の値が第１の閾値ｔｈ₁を下回った状態（すなわちインバータ１３が電力変換動作を行っていない状態）において、コンバータ１１を介して交流電源２からＤＣリンク部１２へ流れる電力の値が第２の閾値ｔｈ₂を上回った場合、ＤＣリンク部１２内の複数のコンデンサＣ₁〜Ｃ_nのうち少なくとも１つが短絡したと判定する。第１の閾値ｔｈ₁は、インバータ１３の出力はないことを検知するために略ゼロに設定される。第２の閾値ｔｈ₂は、コンバータ１１を介して交流電源２からＤＣリンク部１２へ流れる電力の値がゼロではなくなったことを検知するためにゼロより大きい任意の値に設定される。

次に、第１及び第２の実施形態によるモータ駆動装置１と従来のモータ駆動装置とにおいて、互いに直列接続された複数のコンデンサのうちのいずれか１つが短絡故障した場合の挙動を比較する。

図３は、第１及び第２の実施形態によるモータ駆動装置における短絡判定処理を例示する図である。図３において、上段はＤＣリンク部の電圧を例示し、中段はインバータ１３の出力の値を例示し、下段はコンバータを介して交流電源からＤＣリンク部へ流れる電力を例示する。また、図４は、従来のモータ駆動装置におけるＤＣリンク部のコンデンサ短絡発生時を例示する図である。図４において、上段は１つのコンデンサの電圧を例示し、中段はＤＣリンク部とインバータとの間を流れる直流電流を例示し、下段はコンバータを介して交流電源からＤＣリンク部へ流れる入力電流を例示する。

第１及び第２の実施形態によるモータ駆動装置１において、インバータ１３が電力変換動作を行っていない状態では、図３に示すように、インバータ１３の出力の値は、第１の閾値ｔｈ₁を下回っている（図３の中段の波形）。例えば時刻ｔ₁において複数のコンデンサのうちのいずれか１つのコンデンサに短絡故障が発生したとすると、ＤＣリンク部１２の電圧は一時的に低下するが、その後、ＤＣリンク部１２の電圧は、短絡事故発生前のＤＣリンク部１２の電圧まで回復する（図３の上段の波形）。ただし、短絡故障していないコンデンサには時刻ｔ₁以前のときよりも高電圧が印加されることになる。このとき、交流電源２からＤＣリンク部１２へのコンバータ１１を介した電力の流入が発生する（図３の下段の波形）。短絡判定部１４により、コンバータ１１を介して交流電源２からＤＣリンク部１２へ流れる電力の値が第２の閾値ｔｈ₂を上回ったことが検知され、この結果、ＤＣリンク部１２内の複数のコンデンサＣ₁〜Ｃ_nのうち少なくとも１つが短絡したと判定される。短絡判定部１４の後段には、短絡判定部１４が複数のコンデンサＣ₁〜Ｃ_nのうち少なくとも１つが短絡したと判定した場合にモータ駆動装置１への交流電源２からの電力供給を遮断するために電磁接触器１８に対して遮断指令（開指令）を出力する停止部１５が設けられており、例えば時刻ｔ₂でモータ駆動装置１に交流電源２からの電力供給を遮断することにより、交流電源２からＤＣリンク部１２へのコンバータ１１を介した入力電流の流入が停止するので、短絡故障していないコンデンサは高電圧状態から解放されて電圧が徐々に低下し、破損や発火といったさらなる故障を回避することができる。

一方、従来のモータ駆動装置においては、図４に示すように、インバータが電力変換動作を行っていない状態では、ＤＣリンク部に設けられた直列接続された複数のコンデンサのうち、例えば時刻ｔ₁においていずれか１つのコンデンサに短絡故障が発生すると、短絡故障していないコンデンサには時刻ｔ₁以前のときよりも高電圧が印加され、交流電源からコンバータへ入力電流が流れ込み（図４の下段の波形）、短絡故障していないコンデンサの電圧が上昇する（図４の上段の波形）。その後、短絡故障していないコンデンサの高電圧印加状態がしばらく続き、時刻ｔ₂で当該短絡故障していなかったコンデンサについても破損または発火が発生して短絡し（図４の上段の波形）、また短絡故障していなかった全てのコンデンサについても同様に短絡し、コンデンサ電圧はゼロになり大電流が流れる（図４の下段の波形）。

図５は、第１及び第２の実施形態によるモータ駆動装置の動作フローを示すフローチャートである。

ステップＳ１０１において、短絡判定部１４は、インバータ１３が電力変換動作を行っていない状態であるか否かを判別するために、インバータ１３の出力の値と第１の閾値ｔｈ₁とを比較し、ＤＣリンク部１２とインバータ１３との間を流れる直流電流の値が第１の閾値ｔｈ₁を下回った状態であるか否かを判定する。上述のように第１の閾値ｔｈ₁はゼロに近い値に設定される。ステップＳ１０１において短絡判定部１４によりインバータ１３の出力の値が第１の閾値ｔｈ₁を下回った状態であると判定された場合、ステップＳ１０２へ進む。

ステップＳ１０２において、短絡判定部１４は、コンバータ１１を介して交流電源２からＤＣリンク部１２へ流れる電力の値が第２の閾値ｔｈ₂を上回ったか否かを判定する。ステップＳ１０２において短絡判定部１４により入力電流の値が第２の閾値ｔｈ₂を上回ったと判定されなかった場合はステップＳ１０１へ戻る。

ステップＳ１０２において短絡判定部１４によりコンバータ１１を介して交流電源２からＤＣリンク部１２へ流れる電力の値が第２の閾値ｔｈ₂を上回ったと判定された場合はステップＳ１０３へ進む。ステップＳ１０３へ進んだ場合は、インバータ１３の出力の値が予め規定された第１の閾値ｔｈ₁を下回った状態（すなわちインバータ１３が電力変換動作を行っていない状態）において、コンバータ１１を介して交流電源２からＤＣリンク部１２へ流れる電力の値が第２の閾値ｔｈ₂を上回った場合であるので、短絡判定部１４は、ＤＣリンク部１２内の複数のコンデンサＣ₁〜Ｃ_nのうち少なくとも１つが短絡したと判定する。

ステップＳ１０４において、停止部１５は、モータ駆動装置１への交流電源２からの電力供給を遮断し、交流電源２からＤＣリンク部１２へのコンバータ１１を介した入力電流の流入を停止させる。これにより、短絡故障していないコンデンサは高電圧状態から解放されて電圧が徐々に低下し、破損や発火といったさらなる故障を回避することができる。

モータ制御部１０、短絡判定部１４、停止部１５、インバータ出力計算部２３、並びにコンバータ電力計算部３３及び４３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。この場合、例えばＡＳＩＣやＤＳＰなどの演算処理装置にこのソフトウェアプログラムを動作させて各部の機能を実現することができる。上述した実施形態では、短絡判定部１４及び停止部１５をモータ制御部１０内に設けたが、これに代えてモータ制御部１０の外部のＡＳＩＣやＤＳＰなどの演算処理装置に上記ソフトウェアプログラムを実行させることで各部の機能を実現させてもよく、あるいは、短絡判定部１４及び停止部１５の機能を実現するソフトウェアプログラムを書き込んだ半導体集積回路として実現してもよい。

また、上述したように、インバータ電流測定部２１、回転速度測定部２２、コンバータ入力電流測定部３１、コンバータ入力電圧測定部３２、コンバータ出力電流測定部４１、及びコンバータ出力電圧測定部４２は、例えばインバータ１３の電力変換動作、モータ３の回転動作、及びＰＷＭ制御方式の整流回路からなるコンバータ１１の電力変換動作などを制御するために様々な測定値を得るために一般的に設けられている各種測定器を流用すればよく、新規の測定器を別途設けなくてもよい。なお、これらインバータ電流測定部２１、回転速度測定部２２、コンバータ入力電流測定部３１、コンバータ入力電圧測定部３２、コンバータ出力電流測定部４１、及びコンバータ出力電圧測定部４２についても、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。この場合、各種電子回路と例えばＡＳＩＣやＤＳＰなどの演算処理装置とを接続し、演算処理装置にこのソフトウェアプログラムを動作させる。

本実施形態によれば、モータ駆動装置内のコンバータとインバータとの間のＤＣリンク部に設けられた直列接続された複数のコンデンサの短絡故障を追加の回路を設けることなく低コストで検知することができる。

１モータ駆動装置
２交流電源
３モータ
１０モータ制御部
１１コンバータ
１２ＤＣリンク部
１３インバータ
１４短絡判定部
１５停止部
１６電磁接触器
２１インバータ電流測定部
２２回転速度測定部
２３インバータ出力計算部
３１コンバータ入力電流測定部
３２コンバータ入力電圧測定部
３３コンバータ電力計算部
４１コンバータ出力電流測定部
４２コンバータ出力電圧測定部
４３コンバータ電力計算部
Ｃ₁〜Ｃ_n コンデンサ

Claims

交流電源から入力された交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータと、
前記コンバータの直流出力側に並列接続され、互いに直列接続された複数のコンデンサを有するＤＣリンク部と、
前記ＤＣリンク部に並列接続され、前記ＤＣリンク部における直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換して出力するインバータと、
前記インバータの出力の値と予め規定された第１の閾値とを比較するとともに前記コンバータを介して前記交流電源から前記ＤＣリンク部へ流れる電力の値と予め規定された第２の閾値とを比較し、比較の結果、前記インバータの出力が前記第１の閾値を下回った状態において前記コンバータを介して前記交流電源から前記ＤＣリンク部へ流れる電力の値が前記第２の閾値を上回った場合、前記ＤＣリンク部内の前記複数のコンデンサのうち少なくとも１つが短絡したと判定する短絡判定部と、
を備える、モータ駆動装置。
前記第１の閾値は、前記インバータの出力はないことを検知するために略ゼロに設定される、請求項１に記載のモータ駆動装置。
前記第２の閾値は、前記コンバータを介して前記交流電源から前記ＤＣリンク部へ流れる電力の値がゼロではなくなったことを検知するためにゼロより大きい値に設定される、請求項２に記載のモータ駆動装置。
前記短絡判定部が前記複数のコンデンサのうち少なくとも１つが短絡したと判定した場合、前記コンバータを介した前記交流電源から前記ＤＣリンク部への電力の流入を停止させる停止部を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
前記インバータと前記モータの間を流れるインバータ電流の値を測定するインバータ電流測定部と、
前記モータの回転速度を測定する回転速度測定部と、
前記インバータ電流測定部によって測定された前記インバータ電流の値と前記回転速度測定部によって測定された前記モータの回転速度とに基づいて前記インバータの出力の値を計算するインバータ出力計算部と、
を備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
前記交流電源から前記コンバータへ流れる入力電流の値を測定するコンバータ入力電流測定部と、
前記コンバータの交流入力側に印加される入力電圧を測定するコンバータ入力電圧測定部と、
前記コンバータ入力電流測定部によって測定された前記入力電流の値と前記コンバータ入力電圧測定部によって測定された前記入力電圧の値とに基づいて、前記コンバータを介して前記交流電源から前記ＤＣリンク部へ流れる電力の値を計算するコンバータ電力計算部と、
を備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
前記コンバータから前記ＤＣリンク部へ流れる出力電流の値を測定するコンバータ出力電流測定部と、
前記コンバータの直流出力側に出力される出力電圧を測定するコンバータ出力電圧測定部と、
前記コンバータ出力電流測定部によって測定された前記出力電流の値と前記コンバータ出力電圧測定部によって測定された前記出力電圧の値とに基づいて、前記コンバータを介して前記交流電源から前記ＤＣリンク部へ流れる電力の値を計算するコンバータ電力計算部と、
を備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。