JP4797700B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電源の保護回路に関し、特に平滑用コンデンサがショートモードで故障したときに、交流電源を遮断するモータ制御装置に関する。

従来のモータ制御装置は、交流入力を直流出力に電力変換し、この直流電圧を電源として、インバータ部をスイッチング動作させ、モータに印加する電圧を制御してモータ電流を制御している。

図３に示すように、交流電源３１をダイオードブリッジ３２で整流し、突入電流抑制抵抗器３３を通して平滑用コンデンサ３４に接続することにより、平滑用コンデンサ３４の両端には交流電源３１のピーク値にほぼ等しい直流電圧が得られる。平滑用コンデンサ３４の端子間電圧が所定値を超えてかつモータを駆動させるための信号が制御回路（図示せず）から入力された時にリレー３７が閉じる。

インバータ部３５では平滑用コンデンサ３４の両端の直流電圧をスイッチング動作することによりモータ３６に流れる電流を制御してモータ制御を実現していた (例えば、特許文献１参照)。
特開２００４−１１２９２９号公報

解決しようとする問題点は、平滑用コンデンサがショートモードで故障したとき、突入電流抑制抵抗器が整流後の直流ラインにあるため、突入電流抑制抵抗器はアークの発生によって容易に断線せず、安全に電源を遮断できない点である。

このとき、平滑用コンデンサがオープンモードで故障すれば被害は最小限ですむが、ショートモードで故障すると、大電流が継続して突入電流抑制抵抗器に流れ、異常発熱して破壊するなどの問題が発生する。

また、平滑用コンデンサは、長時間使用するうちに電解液が減り、最悪の場合にはショートモードで故障する可能性があった。

従来のように、突入電流抑制抵抗器を直流ラインに配置すると、入力が３相電源であっても、突入電流抑制抵抗器は１つで済むメリットがある反面、平滑用コンデンサがショートモードで故障したとき、突入電流抑制抵抗器に大電流が流れ、アークの発生によって突入電流抑制抵抗器がすぐに破壊せず、電源を安全に遮断することができなかった。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、平滑用コンデンサがショートモードで故障した場合であっても、電源を遮断できる安全性の高い電源保護回路を安価に提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明は、交流入力を直流出力に変換するダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの出力端に接続された平滑用コンデンサと、交流電源端子の一方と前記ダイオードブリッジ入力端子の一方の間に設けて過電流を遮断する過電流保護手段とを備え、前記リレーは、平滑用コンデンサの端子間電圧が所定値を超えてかつモータを駆動させるための信号が制御回路から入力された時に閉じ、前記過電流保護手段は、前記リレーが開のときに平滑用コンデンサの充電電流を熱消費し、平滑用コンデンサがショートモードで故障したときは、交流の過電流によって電気的にオープンにすることで交流電源と遮断する電源保護回路を具備するモータ制御装置である。そして、交流電源が３相のとき、リレーは２接点タイプで、２つ目の接点は、残り２相の一方とダイオードブリッジ入力端子間に接続され、前記２接点は同じ動作をする。

本発明によれば、過電流保護手段は正常時には突入電流を抑制して、平滑用コンデンサがショートモードで故障するとリレーは開状態となり、過電流保護手段に大電流が流れる。ところが交流電流なので必ずゼロクロスするためアークは発生せず、過電流保護手段は速やかに電気的にオープンとなり、安全性が向上する。

また、交流電源が３相の場合でも過電流保護手段は１つでよく、リレーを２接点タイプに置き換えるだけで部品点数が増加することなく、同様の効果が安価に得られる。

また、過電流保護手段に電流遮断型ヒューズを用いれば、突入電流抑制抵抗器の焼失を防止でき、温度遮断型ヒューズを用いれば、突入電流抑制抵抗器の異常発熱に対しても安全に電源を遮断できる。

この電源保護回路を用いることで、平滑用コンデンサがショートモードで故障しても、インバータ部および直流電源などの破壊を防止でき、安全性および信頼性の向上したモータ制御装置を安価に得ることができる。

交流入力を直流出力に変換するダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの出力端に接続された平滑用コンデンサと、交流電源端子の一方と前記ダイオードブリッジ入力端子の一方の間に設けて過電流を遮断する過電流保護手段とを備え、前記リレーは、平滑用コンデンサの端子間電圧が所定値を超えてかつモータを駆動させるための信号が制御回路から入力された時に閉じ、前記過電流保護手段は、前記リレーが開のときに平滑用コンデンサの充電電流を熱消費し、平滑用コンデンサがショートモードで故障したときは、交流の過電流によって電気的にオープンにすることで交流電源と遮断する。また、交流電源が３相のとき、リレーは２接点タイプで、２つ目の接点は、残り２相の一方とダイオードブリッジ入力端子間に接続され、前記２接点は同じ動作をする。

実施例１のモータ制御装置の入力電源は、単相電源である。

図１において、交流電源１１の一方は、過電流保護手段１３を介してダイオードブリッジ１２の入力側に接続され、交流電源１１の他方は、ダイオードブリッジ１２の他の入力側に直接接続され、交流電力を直流電力に変換する。

過電流保護手段１３は、突入電流抑制抵抗器１３ａと、電流遮断型ヒューズ１３ｂとで構成され、直列に接続している。突入電流抑制抵抗器１３ａとしては、巻線タイプの抵抗器が一般的である。

ダイオードブリッジ１２の正電圧出力端子１２ａは、平滑用コンデンサ１４の正電極端子４ａに接続され、整流ダイオード１２の負電圧出力端子１２ｂは、平滑用コンデンサ１４の負電極端子１４ｂにそれぞれ接続される。

過電流保護手段１３の両端にはリレー１７が接続されており、電源投入時は開状態で、平滑用コンデンサ１４の充電電流を過電流保護手段１３で熱消費する。そして、平滑用コンデンサ１４の端子間電圧が所定値を超えてかつモータを駆動させるための信号が制御回路（図示せず）から入力された時に閉じる。リレー１７の開閉制御は、従来と同様に、平滑用コンデンサ１４の端子間電圧を検出する検出回路（図示せず）およびモータを駆動させるための信号を出力する制御回路で制御される。

インバータ部１５は、ＩＧＢＴからなり、制御回路から出力されるゲートドライブ信号に基づいてＰＷＭ駆動される。

ところで、モータ制御装置の入力が、交流１００Ｖで設計されている場合、平滑用コンデンサ１４は、定格電圧１６０Ｖ（サージ電圧２００Ｖ，活性電圧２２０Ｖ程度）タイプが通常使用される。これよりも高い定格電圧、例えば３５０Ｖのものを使用することもできるが、形状が大きくなり、値段も高くなるため、必要最小限の使用電圧のものが一般的に選定される。

交流１００Ｖが接続された場合、過電流保護手段１３、ブリッジダイオード１２を介して、平滑用コンデンサ１４の両端は交流１００Ｖの波高値である直流約１４０Ｖに充電され、この直流電圧を電源としてインバータ部１５はスイッチング動作を行い、モータ１６に流れる電流を変化させることによりモータ制御を実現する。

しかしながら、モータ制御装置に誤って交流２００Ｖを接続してしまった場合、過電流保護手段１３、ダイオードブリッジ１２を介して平滑用コンデンサ１４の両端は交流２００Ｖの波高値である直流約２８０Ｖまで充電され、平滑用コンデンサ１４は、絶対最大電圧を超えて破壊に至る。

このとき、平滑用コンデンサ１４がショートモードで破壊した場合、平滑用コンデンサ１４の端子間電圧が降下してリレー１７は開状態となり、過電流保護手段１３およびダイオードブリッジ１２に大電流が流れる。

ところが、本発明では、過電流保護手段１３を交流電源１１とブリッジダイオード１２間に配置しており、過電流保護手段１３に流れる過電流はゼロクロスする交流電流であるためアークが発生せず、過電流保護手段１３は速やかにオープン状態となるため、安全に交流電源１１と遮断できる。

なお、本発明の過電流保護手段は、アークの影響を受けず速やかにオープン状態にできるため突入電流抑制抵抗器のみで構成してもよい。また、実施例１の電流遮断型ヒューズを突入電流抑制抵抗器の発熱を検出する温度遮断型ヒューズに置き換えれば、突入電流抑制抵抗器の異常発熱に対しても遮断でき、安全性を確保することができる。

実施例２のモータ制御装置の入力電源は、３相電源である。実施例１と比べて、リレー、ダイオードブリッジの構成および接続方法が異なり、以下、相違点を中心に説明する。

図２において、３相交流電源２１をダイオードブリッジ２２で直流に電力変換する。直流電力に変換した後の構成および動作は実施例１と同じである。

リレー２７は、同時に同じ動作をする２接点タイプで、３相ラインの内、２相のラインとブリッジダイオード２２の入力間に接続する。一方のライン間には過電流保護手段２３を接続している。

このリレー２７の配置が本発明の特徴であり、過電流保護手段２３を１つ設けるだけで突入電流抑制と過電流遮断の両方が容易に実現できる。

まず、初期動作について説明する。交流電源２１を投入すると、平滑用コンデンサ２４は所定値に充電されておらず、リレー２７は開状態である。

このため、平滑用コンデンサ２４の端子間電圧が所定値に上昇するまで、２相による電力変換で平滑用コンデンサ２４を充電する。

平滑用コンデンサ２４がフルチャージするまでの充電電流は、過電流保護手段２３である突入電流抑制抵抗器で熱として消費される。

そして、平滑用コンデンサ２４の端子間電圧が所定値を超えてかつモータを駆動させるための信号が制御回路（図示せず）から入力されるとリレー２７が閉じ、通常の３相による電力変換に移行する。

ところで、モータ制御装置の交流入力２００Ｖに対して、交流４００Ｖの倍電圧が印加されると、実施例１と同様に平滑用コンデンサ２４が破壊する。このとき、ショートモードで故障すると、端子間電圧が降下してリレー２７が開状態となり、過電流保護手段２３に過電流が流れる。実施例１と同様にこの過電流は交流電流なのでアークを発生せず、過電流保護手段２３である突入電流抑制抵抗器は容易にオープン（断線）して速やかに電源を遮断することができる。

実施例２の過電流保護手段は、突入電流抑制抵抗器のみの構成で説明したが、実施例１と同様、電流遮断型ヒューズあるいは温度遮断型ヒューズを突入電流抑制抵抗器に直列接続しても同様に実施できる。

なお、２つの実施例ともモータ制御装置を用いて説明したが、モータ制御装置に限定するものではなく、交流入力を直流電力に変換した後に平滑用コンデンサを用いる装置であれば、同様に実施できる。

本発明は、交流入力を直流電力に変換して使用する制御装置に最適であり、特に３相交流電源を用いる産業用途などに有用である。

本発明の実施例１における単相入力のモータ制御装置の要部構成図 本発明の実施例２における３相入力のモータ制御装置の要部構成図 従来のモータ制御装置の要部構成図

１１，２１ 交流電源
１２，２２ ダイオードブリッジ
１３，２３ 過電流保護手段
１３ａ 突入電流抑制抵抗器
１３ｂ 電流遮断型ヒューズ
１４，２４ 平滑用コンデンサ
１５，２５ インバータ部
１６，２６ モータ
１７，２７ 電源リレー

Claims (3)

1. 交流入力を直流出力に変換するダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの出力端に接続された平滑用コンデンサと、交流電源端子の一方と前記ダイオードブリッジ入力端子の一方の間に設けて過電流を遮断する過電流保護手段と、前記過電流保護手段の両端に接続したリレーとを備え、前記リレーは、平滑用コンデンサの端子間電圧が所定値を超えてかつモータを駆動させるための信号が制御回路から入力された時に閉じ、前記過電流保護手段は、前記リレーが開のときに平滑用コンデンサの充電電流を熱消費し、平滑用コンデンサがショートモードで故障したときは、交流の過電流によって電気的にオープンにすることで交流電源を遮断する電源保護回路を具備するモータ制御装置において、前記交流電源が３相のとき、リレーは２接点タイプで、２つ目の接点は、残り２相の一方とダイオードブリッジ入力端子間に接続され、前記２接点は同じ動作をする電源保護回路を具備するモータ制御装置。
2. 過電流保護手段は、少なくとも突入電流抑制抵抗器または前記突入電流抑制抵抗器と直列接続した電流遮断型ヒューズにより構成した請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 過電流保護手段は、少なくとも突入電流抑制抵抗器と直列接続され、前記突入電流抑制抵抗器の異常発熱を検出する温度遮断型ヒューズにより構成した請求項１または請求項２に記載のモータ制御装置。

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