JP4021431B2

JP4021431B2 - コンバータ装置、インバータ装置及びｄｃリンク電圧の制御方法

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Publication number: JP4021431B2
Application number: JP2004233385A
Authority: JP
Inventors: 裕一山田; 茂樹羽生; 友和吉田
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2004-08-10
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2024-08-10
Also published as: EP1626491A2; US7135835B2; US20060033466A1; JP2006054947A; EP1626491B1; EP1626491A3; CN1734924A; CN100352157C

Description

本発明は、電源から供給される交流電力を直流電力に変換して、モータを駆動するインバータに供給するコンバータ装置及びこのようなコンバータ装置により電源を供給されモータを駆動するインバータ装置に関し、特にこのようなコンバータ装置及びインバータ装置間に接続されるＤＣリンクに生ずるＤＣリンク電圧を制御可能なコンバータ装置及びインバータ装置並びにＤＣリンク電圧の制御方法に関する。

図１は、モータの速度制御を行うための従来のインバータ装置の構成図である。このインバータ装置１は交流の三相商用電源２を直流電力に変換するコンバータ装置１０と、この直流電力を可変の電圧及び周波数の交流電力に変換してモータ３に供給するインバータ回路２０と、コンバータ装置１０とインバータ回路２０との間に接続されることによりコンバータ装置１０によって変換された直流電力をインバータ回路２０に入力するためのＤＣリンク３０と、を備えている。

従来のコンバータ装置１０は、３相交流電源２を、ダイオードＤ_１１〜Ｄ_１６からなる３相ダイオードブリッジ回路によって、全波整流を行ない直流電力に変換している。
また、インバータ回路２０は、トランジスタＴ_２１〜Ｔ_２６及びこれらトランジスタに並列に接続されるダイオードＤ_２１〜Ｄ_２６によりブリッジ回路を形成する。そしてこれらトランジスタＴ_２１〜Ｔ_２６のＯＮ／ＯＦＦを、例えばトランジスタＰＷＭ制御回路などであるインバータ制御部２１によって制御することにより、所望の電圧及び周波数の交流電圧信号をモータ３に供給し、その速度制御を行う。

ＤＣリンク３０にはコンデンサＣが接続され、コンバータ装置１０の出力を平滑するとともに、モータ３を減速あるいは停止させたときに、モータ３の誘導起電力により生じる回生電力を充電し、回生エネルギー（減速エネルギー）を再利用することを可能とする。

コンデンサＣに印加される電圧（ＤＣリンク電圧）は、モータ加速時、定速時及び減速時に変化する。例えば、加速時においては、電源装置からモータに電力の供給が行なわれるため電圧は低下し、逆に減速時においては、モータから電源装置にエネルギーが戻されるため電圧は上昇する。
コンデンサＣとして、例えば電界コンデンサが使用されるが、使用されるコンデンサＣは所定の素子耐圧を有している。このようなコンデンサに素子耐圧以上の電圧が印加される場合には、コンデンサに故障が生じることになる。

そこで、従来のインバータ装置１においては、コンデンサＣに並列に回生抵抗Ｒを接続し、ＤＣリンク３０に生じるＤＣリンク電圧が設定電圧以上となったときにトランジスタＴ_３をＯＮさせて、回生抵抗Ｒを介して電流を流し、コンデンサＣにかかる電圧を低下させている（例えば、下記特許文献１）。

特許第３１０７８３１号公報（第２頁）

コンデンサＣに貯える電荷を大きくして再利用可能な回生エネルギーを大きくするためには、モータ３の減速前のＤＣリンク電圧に対して減速後のＤＣリンク電圧を高くするようにモータの誘導起電力を設定する必要がある。しかしながら、コンデンサＣの保護を上述の回生抵抗Ｒによる場合、過剰な通電電流による回生抵抗Ｒの熱破壊を避けるために、ＤＣリンク電圧があまり大きくすることができないという問題があった。
また、回生抵抗Ｒによる場合には、過剰電力を単に熱として消費するだけなのでモータ３の回生エネルギーの再利用効率が良くない、という問題があった。

また、モータ３の減速時におけるＤＣリンク電圧の変動は、モータ３の制御性に影響を及ぼす可能性があるため、このようなＤＣリンク電圧の変動を抑制することが好適であるが、ＤＣリンク電圧変動の抑制を上記回生抵抗Ｒによると、モータ３の回生エネルギーが熱として消費され再利用効率が良くない、という問題があった。

そこで、本発明は、モータの回生エネルギーにより上昇するＤＣリンク電圧の上限値を高く設定でき、これによりＤＣリンクに接続される蓄電部に充電するエネルギーを大きくすることが可能であり、かつ回生エネルギーの再利用効率のよい、コンバータ装置及びインバータ装置、並びにＤＣリンク電圧の制御方法を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、モータの回生エネルギーによるＤＣリンク電圧変動を効率よく抑制することが可能なコンバータ装置、及びインバータ装置、並びにＤＣリンク電圧の制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、上記ＤＣリンクに生じるＤＣリンク電圧を監視し、モータ減速に伴いＤＣリンク電圧が上昇して上記のコンデンサＣの素子耐圧などに基づき定まる上限電圧を超えることとなった場合に、上記コンデンサＣなどにより構成される蓄電部への充電を停止する充電停止部をコンバータ装置に設ける。

すなわち、本発明の第１形態に係るコンバータ装置は、モータを駆動するインバータ回路に、モータの回生電力を充電可能な蓄電部を有するＤＣリンクを介して接続されるとともに、電源から供給される交流電力を直流電力に変換して、このＤＣリンクを介してインバータ回路に供給するコンバータ装置であって、ＤＣリンクに生じるＤＣリンク電圧を検出する電圧検出部と、検出されたＤＣリンク電圧が所定の上限電圧を超えるときに、蓄電部への充電を停止する充電停止部と、を備える。

上記の上限電圧は、コンバータ装置、ＤＣリンク及びインバータ回路の構成素子、並びに蓄電部のいずれかの素子耐圧に応じて所定の電圧値に定められることとしてよいが、上記の蓄電部によりモータの回生電力の充電が開始する時に現れるＤＣリンク電圧を基準として、このＤＣリンク電圧に所定の電位差を加えた電圧値を定めて使用することとしてもよい。このために、インバータ装置は、上記の蓄電部によりモータの回生電力の充電が開始する時に電圧検出部で検出したＤＣリンク電圧を保持する電圧保持部を備えることとしてよい。

上記の充電停止部による充電停止は、検出されたＤＣリンク電圧が上限電圧を超えるときコンバータ装置の電源回生を行うことにより実現することにより可能である。このとき、充電停止部は、検出されたＤＣリンク電圧が上限電圧を超えるときコンバータ装置の電源回生を開始し、その後に検出されるＤＣリンク電圧が上限電圧より所定レベル低くなったとき、電源回生を停止することとしてよい。

また、本発明の第２形態に係るインバータ装置は、上記本発明の第１形態に係るコンバータ装置により変換されＤＣリンクを介して供給される直流電力を、インバータ回路により交流電力に変換してモータを駆動する。

さらに、本発明の第３形態に係るＤＣリンク電圧の制御方法は、モータを駆動するインバータと、電源から供給される交流電力を直流電力に変換してインバータに供給するコンバータとの間に接続され、モータの回生電力を充電可能な蓄電部を有するＤＣリンク、に生じるＤＣリンク電圧の制御方法であって、ＤＣリンク電圧を検出し、検出された前記ＤＣリンク電圧が、モータにより生じる回生電力によって所定の上限電圧を超えるとき、蓄電部への前記回生電力の充電を停止する。

上記の上限電圧は、上記第１形態に係るコンバータ装置と同様に、所定の電圧値に定められることとしてよく、上記の蓄電部によりモータの回生電力の充電が開始する時に現れるＤＣリンク電圧を基準として、このＤＣリンク電圧に所定の電位差を加えた電圧値を定めて使用することとしてもよい。このために、本方法は、上記の蓄電部によりモータの回生電力の充電が開始する時に電圧検出部で検出したＤＣリンク電圧を保持することとしてよい。

本発明によれば、モータ減速に伴ってＤＣリンク電圧が所定の上限電圧を超えるか否かを常時監視し、超える場合に蓄電部への充電停止を行う充電停止部が設けられるので、上記回生抵抗と比べて、回生時のＤＣリンク電圧の上限電圧を大きく設定することが可能となる。特に、この充電停止部による充電停止を、コンバータ装置の電源回生により行うことにより、上記回生抵抗と比べてＤＣリンク電圧の上限電圧を大きく設定しうるとともに、モータ３の回生エネルギーの再利用効率を向上しうる。

上記上限電圧を、構成素子や蓄電部の素子耐圧に応じて定めることにより、これら各素子の破損を確実に防止することが可能となる。
また、上記上限電圧を、蓄電部によるモータの回生電力の充電開始時のＤＣリンク電圧を基準として所定の電位差を加えた電圧値とすることにより、モータの回生エネルギーによるＤＣリンク電圧変動を効率よく抑制することが可能となる。

以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図２は、本発明の第１実施例に係るコンバータ装置と、これを備える同じく本発明の実施例に係るインバータ装置の概略構成図である。
図示するとおり、インバータ装置１は、三相商用電源２にリアクタンス４を介して接続され、供給電力を直流電力に変換するコンバータ装置１０と、この直流電力を可変の電圧及び周波数の交流電力に変換してモータ３に供給するインバータ回路２０と、コンバータ装置１０とインバータ回路２０との間に接続されることによりコンバータ装置１０によって変換された直流電力をインバータ回路２０に入力するためのＤＣリンク３０と、を備えている。

コンバータ装置１０は、パワー素子（例えばトランジスタ等）Ｔ_１１〜Ｔ_１６及びこれらパワー素子に逆並列に接続されるダイオードＤ_１１〜Ｄ_１６にからなるブリッジ回路と、後段に接続されるＤＣリンクに生じるＤＣリンク電圧と等しいコンバータ装置１０の出力電圧を検出する電圧検出部１１と、を備える。
さらにコンバータ装置１０は、モータ３の減速時に生じる回生電力（回生エネルギー又は減速エネルギー）によりＤＣリンク電圧がその上限電圧を超える場合に、回生電力を電源２に電源回生させることによりＤＣリンク電圧を低下させ、ＤＣリンク３０に接続される後述の蓄電部Ｃへの回生電力の充電を停止させる、本発明の充電停止部をなす回生制御部１２を備えて構成される。

上記構成により、コンバータ装置１０は、力行時にはダイオードＤ_１１〜Ｄ_１６によって、３相交流電源２を全波整流して直流電力に変換する一方で、回生時には３相交流電源２の位相に同期させてパワー素子Ｔ_１１〜Ｔ_１６を駆動し、回生電力を電源２に電源回生させることが可能である。

また、インバータ回路２０は、パワー素子Ｔ_２１〜Ｔ_２６及びこれらパワー素子に逆並列に接続されるダイオードＤ_２１〜Ｄ_２６によりブリッジ回路を形成する。そしてこれらパワー素子Ｔ_２１〜Ｔ_２６のＯＮ／ＯＦＦを、例えばトランジスタＰＷＭ制御回路などであるインバータ制御部２１によって制御することにより、所望の電圧及び周波数の交流電圧信号をモータ３に供給し、その速度制御を行う。

ＤＣリンク３０には、例えばコンデンサなどで実現される蓄電部Ｃが接続され、コンバータ装置１０の出力を平滑するとともに、モータ３を減速あるいは停止させたときに、モータ３の誘導起電力により生じる回生電力を充電し、回生エネルギーを再利用することを可能とする。

図３は、図２のコンバータ装置による、回生時におけるＤＣリンク電圧の制御を説明するグラフである。
いま、図３に示す時刻ｔ_ｄにおいて、それまで力行又は定速であったモータ３が減速を開始した場合を考える。これに伴い、それまで電圧値Ｖ_ｄ程度で安定していたＤＣリンク電圧は、モータ３の誘導起電力により生じる回生電力により、時刻ｔ_ｄより増大し始め、所定の上限電圧であるＶ_ｔ１に至る時刻ｔ_ｓ１まで増大し続ける。

ＤＣリンク電圧は、電圧検出部１１により検出され、回生制御部１２はその検出値を常に監視する。そして回生制御部１２は、ＤＣリンク電圧が上限電圧であるＶ_ｔ１に超えるとき、電源２の位相に同期させてパワー素子Ｔ_１１〜Ｔ_１６を駆動させ、回生電流を電源２に電源回生させることにより、ＤＣリンク電圧を減少させる。

この上限電圧は、予めコンバータ装置１０、ＤＣリンク３０、及びインバータ回路２０の構成素子である、パワー素子Ｔ_１１〜Ｔ_２６やダイオードＤ_１１〜Ｄ_２６等の素子耐圧、並びに蓄電部Ｃの素子耐圧のいずれかに応じたＤＣリンクの許容電圧として定められ、これらモータ３回生時のＤＣリンク電圧の過大な上昇によって、これらの素子が破壊されないように決定される。
その後、回生電力の電源回生によりＤＣリンク電圧が減少し、時刻ｔ_ｅ１において上限電圧Ｖ_ｔ１より所定レベルΔＶ_２だけ低い電圧Ｖ_ｔ２に至ったとき、電源２への回生電力の電源回生を停止し、これにより再びＤＣリンク電圧が増大を開始する。

これ以降、コンバータ装置１０は、モータ３の減速中に、時刻ｔ_ｓ２、時刻ｔ_ｓ３、及び時刻ｔ_ｓ４において、ＤＣリンク電圧が所定の上限電圧であるＶ_ｔ１に至るまで増大したとき、これら時刻で電源２への電源回生を開始し、また、ＤＣリンク電圧が時刻ｔ_ｅ２及び時刻ｔ_ｅ３において、上限電圧Ｖ_ｔ１より所定レベルΔＶ_２だけ低い電圧Ｖ_ｔ２に至るまで減少したとき、これら時刻で電源２への電源回生を停止する、動作を繰り返す。

このように蓄電部Ｃへの過剰な電圧印加、電荷充電を防止するために、電源回生によってＤＣリンク電圧を減少させることにより、従来の抵抗回生に比較して、蓄電部Ｃに蓄えられる回生エネルギーを決定する、回生エネルギー充電前後のＤＣリンク電圧差ΔＶ、すなわち、上限電圧Ｖ_ｔ１と回生エネルギー充電前（又はモータ減速前）のＤＣリンク電圧Ｖ_ｄとの最大電位差（上限電圧Ｖ_ｔ１−回生エネルギー充電前のＤＣリンク電圧Ｖ_ｄ）を、大きく設定することが可能となり、蓄電部Ｃへより大きな回生エネルギーを蓄えることが可能となる。
また、過剰な回生エネルギーを電源２に回生するために、エネルギーを熱として消費する従来の抵抗回生よりも、回生エネルギーを有効に活用することが可能となる。

図４は、本発明の第２実施例に係るコンバータ装置と、これを備える同じく本発明の実施例に係るインバータ装置の概略構成図である。
本実施例では、回生制御部１２が電源回生を開始するＤＣリンク電圧の上限電圧を、蓄電部Ｃによりモータ３の回生電力の充電が開始するとき（すなわちモータ３が減速を開始するとき）に現れるＤＣリンク電圧Ｖ_ｄを検出して保持し、この検出電圧を基準として、この保持されたＤＣリンク電圧Ｖ_ｄに所定の電位差ΔＶ_１を加えた電圧値と定めて、これを使用することとする。

このために、インバータ装置１０は、蓄電部Ｃによりモータ３の回生電力の充電が開始する時に電圧検出部１１で検出したＤＣリンク電圧Ｖ_ｄを保持（記憶）するための、電圧保持部１３を備える。
そして、回生制御部１２は、電圧検出部１１の検出電圧を監視して、検出電圧の上昇変化がモータ３の定速時の所定の許容変動範囲内であるかを判断し、この上昇変化が許容変動範囲を超えるとき、モータ３の減速が始まり蓄電部Ｃによりモータの回生電力の充電が開始されたと判断して、このときのＤＣリンク電圧Ｖ_ｄを電圧保持部１３に保持する。
または、回生制御部１２は、モータ３に設けられた速度発電機やエンコーダなどの速度信号生成部（図示せず）から速度信号を受信してモータ３の減速を検知し、これにより蓄電部Ｃによるモータの回生電力の充電が開始されたことを検知して、このときのＤＣリンク電圧Ｖ_ｄを電圧保持部１３に保持する。

また、回生制御部１２は、回生電力の充電が開始されたと判断したとき、またはモータ３の減速が始まったと判断したときに、その直前に検出され一時保持しておいたＤＣリンク電圧を、電圧保持部１３に保持することしてもよい。すなわち、蓄電部Ｃによりモータ３の回生電力の充電が開始する前、又はモータ３が減速を開始する前に現れるＤＣリンク電圧Ｖ_ｄを検出して、これに所定の電位差ΔＶ_１を加えた値を上限電圧として使用してよい。

図５は、図４のコンバータ装置による、回生時におけるＤＣリンク電圧の制御を説明するグラフである。図５を参照して、ＤＣリンク電圧の制御の一例を説明する。
いま、図５に示す時刻ｔ_ｄにおいて、それまで力行又は定速であったモータ３が減速を開始した場合を考える。これに伴い、それまで電圧値Ｖ_ｄ程度で安定していたＤＣリンク電圧は、モータ３の誘導起電力により生じる回生電力により、時刻ｔ_ｄより増大し始め、モータ３の定速時の所定の許容変動範囲を超える。このとき回生制御部１２は、上記方法により、モータ３の減速が始まり蓄電部Ｃによる回生電力の充電が開始したこと検出する。そして、回生制御部１２は、このときのＤＣリンク電圧Ｖ_ｄを電圧保持部１３に保持する。

その後、時刻ｔ_ｓ１において、ＤＣリンク電圧が、電圧保持部１３に保持された電圧Ｖ_ｄに所定の電位差ΔＶ_１を加えた上限電圧であるＶ_ｄ＋ΔＶ_１に至るまで増大すると、回生制御部１２は、電源２の位相に同期させてパワー素子Ｔ_１１〜Ｔ_１６を駆動させ、回生電流を電源２に電源回生させることにより、ＤＣリンク電圧を減少させる。

その後、回生電力の電源回生によりＤＣリンク電圧が減少し、時刻ｔ_ｅ１において上限電圧Ｖ_ｄ＋ΔＶ_１より所定レベルΔＶ_２だけ低い電圧Ｖ_ｄ＋ΔＶ_１−ΔＶ_２に至ったとき、電源２への回生電力の電源回生を停止し、これにより再びＤＣリンク電圧が増大を開始する。

これ以降、コンバータ装置１０は、モータ３の減速中において、ＤＣリンク電圧が上限電圧Ｖ_ｄ＋ΔＶ_１を超える時刻ｔ_ｓ２、時刻ｔ_ｓ３、及び時刻ｔ_ｓ４において電源２への電源回生を開始し、また、ＤＣリンク電圧が電圧Ｖ_ｄ＋ΔＶ_１−ΔＶ_２に至るまで減少する時刻ｔ_ｅ２及び時刻ｔ_ｅ３において電源２への電源回生を停止する、動作を繰り返す。

このようにコンバータ装置１０は、モータ３の減速中のＤＣリンク電圧の変動を、電圧Ｖ_ｄ＋ΔＶ_１−ΔＶ_２からＶ_ｄ＋ΔＶ_１の間に抑制する。これによりＤＣリンク電圧の変動がモータ３への制御性へ悪影響を及ぼすことを防止する。このとき、回生エネルギーを電源２に回生するため、本実施例によるコンバータ装置１０は、ＤＣリンク電圧変動を抑制する際にも、回生エネルギーを有効に活用することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施例を説明したが、これらは例示のために説明されたものである。したがってこれら実施例の様々なの変形、省略、および逸脱を、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく行なうことが可能である。

本発明は、電源から供給される交流電力を直流電力に変換して、モータを駆動するインバータに供給するコンバータ装置及びこのようなコンバータ装置により電源を供給されモータを駆動するインバータ装置に利用可能である。

従来のインバータ装置の構成図である。本発明の第１実施例に係るコンバータ装置と、これを備えるインバータ装置の概略構成図である。図２のコンバータ装置による、回生時におけるＤＣリンク電圧の制御を説明するグラフである。本発明の第２実施例に係るコンバータ装置と、これを備えるインバータ装置の概略構成図である。図４のコンバータ装置による、回生時におけるＤＣリンク電圧の制御を説明するグラフである。

符号の説明

１インバータ装置
１０コンバータ装置
１１電圧検出部
１２回生制御部（充電停止部）
１３電圧保持部
２０インバータ回路
３０ＤＣリンク

Claims

モータを駆動するインバータ回路に、前記モータの回生電力を充電可能な蓄電部を有するＤＣリンクを介して接続されるとともに、電源から供給される交流電力を直流電力に変換して、前記ＤＣリンクを介して前記インバータ回路に供給するコンバータ装置において、
前記ＤＣリンクのＤＣリンク電圧を検出する電圧検出部と、
前記蓄電部による前記回生電力の充電開始時に検出されるＤＣリンク電圧を保持する電圧保持部と、
現在検出されたＤＣリンク電圧が、前記電圧保持部に保持されているＤＣリンク電圧に所定の電位差を加えた上限電圧を超えるとき、前記蓄電部への充電を停止する充電停止部と、
を備えることを特徴とするコンバータ装置。
前記充電停止部は、前記検出されたＤＣリンク電圧が前記上限電圧を超えるとき前記コンバータ装置の電源回生を開始し、該電源回生開始後に検出されるＤＣリンク電圧が前記上限電圧より所定レベル低くなったとき、前記電源回生を停止することを特徴とする請求項１に記載のコンバータ装置。
請求項１又は２に記載のコンバータ装置により変換され、前記ＤＣリンクを介して供給される直流電力を、前記インバータ回路により交流電力に変換して前記モータを駆動するインバータ装置。
モータを駆動するインバータと、電源から供給される交流電力を直流電力に変換して前記インバータに供給するコンバータとの間に接続され、前記モータの回生電力を充電可能な蓄電部を有するＤＣリンク、に生じるＤＣリンク電圧の制御方法であって、
前記蓄電部による前記回生電力の充電開始時に検出されるＤＣリンク電圧を保持し、
前記ＤＣリンクのＤＣリンク電圧を検出し、
現在検出されたＤＣリンク電圧が、前記モータにより生じる回生電力によって、保持されている前記ＤＣリンク電圧に所定の電位差を加えた上限電圧を超えるとき、前記蓄電部への充電を停止する、
ことを特徴とする制御方法。