JP5166389B2 - モータ駆動用電源装置及び該電源装置を用いた回生方法 - Google Patents

Description

本発明は、モータが発電する回生電力を電源に戻す回生機能を備えたモータ駆動用電源装置及び該電源装置を用いた回生方法に関するものである。

モータの回生電力を電源に戻す方式として、三相交流電源の位相の１２０°区間毎にトランジスタをスイッチングしてコンバータを構成するブリッジ接続されたトランジスタをスイッチングしてモータの回生電力を電源に戻すモータ駆動用電源装置がある。図３は、こういった従来のモータ駆動用電源装置の構成を示している。三相交流電源とモータ制御装置の間にモータ駆動用電源装置は配置され、ＡＣリアクトルＡＣＬと６個のトランジスタ、６個のダイオード、そして、三相交流電源の位相を検出する位相検出回路と６個のトランジスタをドライブするゲート信号作成回路から電源装置は構成されている。モータが力行運転を行う場合は、６個のトランジスタのゲートはオフ状態になっている。このとき、三相交流電源から入力される三相交流電流は６個のトランジスタに並列接続された６個のダイオードを通して三相全波整流が行われて、モータ制御装置に直流電流が供給される。モータ制御装置は、力行時には直流電流を交流電流に変換し、回生時にはモータＭで発電される交流電流を直流電流に逆変換するコンバータ回路を含んでいる。回生時に、モータＭから電力が戻ってきて、モータ制御装置の直流部の電圧が上昇すると、位相検出回路で検出した三相交流電源の位相を元に、図４に示すように６個のトランジスタのゲートを順次オンにし、三相交流電源の各相に電流を流して直流部の電力を三相交流電源に戻す。６個のトランジスタをそれぞれオンにする区間は、上側の相（回生電圧が正となる相）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°の区間であり、下側の相（回生電圧が負となる相）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。

そして従来は、特開２００４−１５４９６１号公報（特許文献１）に示されるように、モータからの瞬時回生電力が大きい場合に、電源回生と抵抗回生とを併用することが行われている。図５は、特許文献１に示された抵抗回生を併用した電源回生装置を示したものである。特許文献１の装置では、図５に示すように、電源回生回路２６に並列に抵抗回生回路２８が設けられている。そして、モータ減速時に、インバータ３４の直流電圧が予め設定した第１の電圧（V1）に達したとき電源回生回路２６を動作させて、直流電圧が予め設定した第１の電圧（V1）より高い第２の電圧(V2)に達したとき抵抗回生回路２８を動作させる。この動作はスイッチング制御手段２４により実行される。

特開２００４−１５４９６１号公報

図５に示したような抵抗回生と電源回生とを併用したモータ駆動用電源装置で、電源回生中に瞬時停電が発生した場合には、交流電源電圧が低くなるため、電源回生電流が過大になる。そのため状況によっては過電流アラームが発生し、電源回生のために動作するコンバータ回路で使用されるトランジスタが破損することがあった。また、瞬時停電が発生しているときに抵抗回生が動作している状態で、電源が復帰すると、インバータの直流電圧が高い状態となっている。このとき電源回生を行うと、電源回生電流が過大になって過電流アラームが発生し、トランジスタが破損することがあった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、瞬時停電が発生した場合も過電流になることなく電源回生を停止させて抵抗回生に切換えるモータ駆動用電源装置及び該装置を用いた回生方法を提供することにある。

上記目的に加えて、本発明の他の目的は、瞬時停電から復帰する場合も、過電流になることなく抵抗回生から電源回生に移行できるモータ駆動用電源装置及び該装置を用いた回生方法を提供することにある。

本発明のモータ駆動用電源装置は、電源回路と、回生抵抗回路と、導通信号発生回路とを備えている。電源回路は、交流電源からの交流電流を直流電流に変換してモータ制御装置に直流電力を供給する整流機能と、モータ制御装置側から回生される回生電力を、複数の半導体スイッチング素子を備えたコンバータ回路を用いて交流電源に回生する回生機能とを備えている。回生抵抗回路は、回生抵抗とスイッチング回路の直列回路からなり、電源回路の直流出力端子間に設けられてスイッチング回路を導通状態にすることにより回生電力を前記回生抵抗で消費するように構成されている。導通信号発生回路は、回生時に電源回生を実行する際にコンバータ回路を制御するための第１導通信号と、抵抗回生を実行する際にスイッチング回路の導通を制御するための第２導通信号を発生する。

本発明では、導通信号発生回路が、回生時に、モータ制御装置の直流入力部間の直流電圧と交流電源の電源電圧波高値との差電圧が、瞬時停電を基準にして予め定めた基準電圧よりも大きいときには、第１導通信号の出力を停止してコンバータ回路を非動作状態とし、第１導通信号の出力を停止している期間は、第２導通信号を出力する。導通信号発生回路が、このように第１導通信号と第２導通信号とを出力すると、瞬時停電が発生したときには、電源回生が停止されて抵抗回生により回生が実行される。そのため瞬時停電により、モータ制御装置の入力側の直流電圧が上昇しても、電源回生を実行するコンバータ回路の半導体スイッチング素子に過電流が流れることはない。また瞬時停電時には抵抗回生が実行されるため、信頼性の高い回生機能を備えたモータ駆動用電源装置を提供することができる。

なお前述の基準電圧は、コンバータ回路で使用されている半導体スイッチング素子に過電流が流れるのを阻止できるように定めればよい。具体的には、使用する半導体スイッチング素子の性能及び電源の仕様に応じて、基準電圧を定めればよい。

導通信号発生回路の構成は、上記の動作を行うことができるものでは任意である。例えば、導通信号発生回路を、直流電圧を検出する直流電圧検出部と、交流電源の電源電圧の位相を検出する位相検出部と、交流電源の電源電圧波高値を検出する電源電圧波高値検出部と、電源電圧波高値と直流電圧との差電圧を求める差電圧演算部と、指令発生部と、第１導通信号発生部と第２導通信号発生部とから構成することができる。指令発生部は、前述の差電圧と基準電圧とを比較し、差電圧が基準電圧以下であるときには第１導通信号の出力を指令する出力指令を出力し、差電圧が基準電圧よりも大きくなると第１導通信号の出力停止を指令する出力停止指令を出力する。そして第１導通信号発生部は、位相検出部が検出した電源電圧の位相に基づいて第１導通指令を発生し、出力指令が入力されているときに第１導通信号をコンバータ回路に出力し、出力停止指令が入力されると、第１導通信号をコンバータ回路に出力する。そして第２導通信号発生部は、直流電圧が予め定めた第１の基準直流電圧以上になると第２導通信号を出力し、直流電圧が第１の基準直流電圧よりも低い予め定めた第２の基準直流電圧以下になると第２導通信号の出力を停止する。導通信号発生回路が上記の構成を有していると、電源回生を制御する第１導通信号と抵抗回生を制御する第２導通信号を比較的簡単な構成で発生することができる。

本発明は、前述のモータ用駆動装置の回生方法として把握することができる。本発明の方法では、回生時に瞬時停電が発生すると、コンバータ回路の動作を停止し、コンバータ回路が動作を停止している間は回生抵抗回路だけで回生を行う。したがって瞬時停電が発生したときでも、コンバータ回路を構成する半導体スイッチング素子の保護と回生制御を並行して実現することができる。

瞬時停電が回復した後でも、直流電圧が高い状態にある場合がある。そこで瞬時停電が回復した後も、モータ制御装置の直流入力部間の直流電圧と交流電源の電源電圧波高値との差電圧が、瞬時停電を基準にして予め定めた基準電圧よりも大きいときにはコンバータ回路の動作を再開せずに、回生抵抗回路だけで回生を行うようにする。このようにすると、コンバータ回路の半導体スイッチング素子に過電流が流れることを確実に防止できる。

なお瞬時停電が回復した後、モータ制御装置の直流入力部間の直流電圧と交流電源の電源電圧波高値との差電圧が、瞬時停電を基準にして予め定めた基準電圧よりも小さいときには電源回生を併用してもよいのは勿論である。

本発明のモータ駆動用電源装置の実施の形態の一例の概略構成を示す図である。 （Ａ）乃至（Ｄ）は、図１の実施の形態の動作を説明するために用いる動作波形図である。 従来のモータ駆動用電源装置の一例の概略構成を示す図である。 従来のモータ駆動用電源装置の動作波形図である。 従来の他のモータ駆動用電源装置の概略構成を示す図である。

図１は、本発明のモータ駆動用電源装置の実施の形態の一例の概略構成を示す図である。三相交流電源ＡＣにＡＣリアクトルＡＣＬが接続され、その出力に６個の半導体スイッチング素子としてのトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６がブリッジ接続されてコンバータ回路ＣＶを構成している。そして６個のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６には、６個のダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ並列接続されている。６個のダイオードＤ１〜Ｄ６は、ブリッジ接続された三相整流回路を構成している。ブリッジ接続されたトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６とダイオードＤ１〜Ｄ６とにより、電源回生回路ＰＲが構成されている。

コンバータ回路ＣＶの直流出力端子間には、回生抵抗Ｒとスイッチング回路を構成するトランジスタＴｒ７とダイオードＤ７の並列回路との直列回路が並列接続されている。この直列回路が抵抗回生回路ＲＲを構成している。抵抗回生回路ＲＲは、トランジスタＴｒ７（スイッチング回路）を導通状態にすることにより回生電力を回生抵抗Ｒで消費するように構成されている。

またコンバータ回路ＣＶの直流出力端子間には、平滑コンデンサＣが並列接続されている。平滑コンデンサＣの両端には、インバータ回路を含むモータ制御装置ＭＣが接続されている。このインバータ回路は、直流を交流に変換して三相交流モータＭに所定の周波数の三相交流電流をモータ電流として提供する。インバータ回路は、モータＭが減速して回生状態になると、モータＭが発電する交流電流を直流電流に変換するコンバータとして動作する。

Ｒ相，Ｓ相及びＴ相に接続されたＡＣリアクタＡＣＬの出力側には、位相検出部ＰＤと電源電圧波高値検出部ＶＨＤが接続されている。また平滑コンデンサＣの両端電圧即ちモータ制御装置ＭＣの入力側の直流電圧を測定する直流電圧検出部ＶＤが設けられている。

直流電圧検出部ＶＤと、位相検出部ＰＤと、電源電圧波高値検出部ＶＨＤの出力は導通信号発生回路ＳＧに入力される。導通信号発生回路ＳＧは、モータＭの力行時及び回生時に、電源回生回路ＰＲ中のコンバータを構成する６個のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を導通させるための複数の第１導通信号Ｓと、回生時に、抵抗回生回路ＲＲ中のトランジスタＴｒ７を導通状態にするための第２導通信号Ｓ′とを発生する。本実施の形態では、導通信号発生回路ＳＧが、回生時に、モータ制御装置ＭＣの直流入力部間の直流電圧Ｖdcと交流電源ＡＣの電源電圧波高値Ｖｐとの差電圧ΔＶが、瞬時停電を基準にして予め定めた基準電圧Ｖｒよりも大きいときには、第１導通信号Ｓの出力を停止して電源回生回路ＰＲ中のコンバータ回路を非動作状態とし、第１導通信号Ｓの出力を停止している期間は、第２導通信号Ｓ′を出力する。導通信号発生回路ＳＧにおいて、第１導通信号Ｓは、第１導通信号発生部ＣＳ１で生成されて出力され、第２導通信号Ｓ′は、第２導通信号発生部ＣＳ２で生成されて出力される。第１導通信号発生部ＣＳ１は、例えば図４に示された既存の電源回生回路で使用するゲート信号（導通信号）と同じもの発生することができる。なお特定の効果を得るために、図４に示されるゲート信号（導通信号）とは若干位相が異なる第１導通信号Ｓを、第１導通信号発生部ＣＳ１が発生するようにしてもよいのは勿論である。

本実施の形態では、導通信号発生回路ＳＧが、差電圧演算部ＤＶと指令発生部ＣＧとを更に備えている。差電圧演算部ＤＶは、電源電圧波高値検出部ＶＨＤが検出した電源電圧波高値Ｖｐと直流電圧検出部ＶＤが検出した直流電圧Ｖdcとの差電圧ΔＶを求める。指令発生部ＣＧは、差電圧ΔＶと基準電圧Ｖｒとを比較し、差電圧ΔＶが基準電圧Ｖｒ以下であるときには第１導通信号Ｓの出力を指令する出力指令を出力し、差電圧ΔＶが基準電圧Ｖｒよりも大きくなると第１導通信号Ｓの出力停止を指令する出力停止指令を発生する。第１導通信号発生部ＣＳ１は、位相検出部ＰＤが検出した電源電圧の位相に基づいて第１導通指令Ｓを発生し、出力指令が入力されているときに第１導通信号Ｓをコンバータ回路に出力し、出力停止指令が入力されると、第１導通信号Ｓをコンバータ回路に出力することを停止するように構成されている。また第２導通指令発生部ＣＳ２は、直流電圧Ｖdcが予め定めた第１の基準直流電圧Ｖr1以上になると第２導通信号Ｓ′を出力し、直流電圧Ｖdcが第１の基準直流電圧Ｖr1よりも低い予め定めた第２の基準直流電圧Ｖr2以下になると第２導通信号Ｓ′の出力を停止するように構成されている。

導通信号発生回路ＳＧが、このように第１導通信号Ｓと第２導通信号Ｓ′とを出力すると、瞬時停電が発生したときには、電源回生回路ＰＲの動作が停止されて抵抗回生回路ＲＲにより回生が実行される。そのため瞬時停電により、モータ制御装置ＭＣの入力側の直流電圧Ｖdcが上昇しても、電源回生回路ＰＲ中のコンバータ回路ＣＶのトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６に過電流が流れることはない。また瞬時停電時には抵抗回生回路ＲＲが回生動作を実行するため、信頼性の高い回生制御を維持できる。

瞬時停電が回復した後でも、直流電圧が高い状態にある場合がある。そこで指令発生部ＣＧは、瞬時停電が回復した後も、モータ制御装置の直流入力部間の直流電圧と交流電源の電源電圧波高値との差電圧が、瞬時停電を基準にして予め定めた基準電圧よりも大きいときにはコンバータ回路ＣＶの動作を再開せずに、回生抵抗回路だけで回生を行うように、停止指令を出し続けてもよい。このようにすると、コンバータ回路の半導体スイッチング素子に過電流が流れることを確実に防止できる。なお瞬時停電が回復した後、モータ制御駆動装置の直流入力部間の直流電圧と交流電源の電源電圧波高値との差電圧が、瞬時停電を基準にして予め定めた基準電圧よりも小さいときには電源回生を併用してもよいのは勿論である。この場合には、例えば、電源電圧波高値Ｖｐと直流電圧検出部ＶＤが検出した直流電圧Ｖdcとの差電圧ΔＶが基準電圧Ｖｒよりも低い復帰基準電圧以下になったときに指令発生部ＣＧが出力指令を出して、コンバータ回路ＣＶの動作を再開するようにすればよい。

以下図１の実施の形態の動作を、図２を用いて簡単に説明する。図２はモータを急減速させている途中で瞬時停電が発生したと仮定した場合の動作波形図である。モータＭが力行運転を行う場合は、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のゲートはオフになっている。そして三相交流電源ＡＣからトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６に並列接続されたダイオードＤ１〜Ｄ６を通して三相全波整流が行われ、モータ制御装置ＭＣに電力が供給される。モータＭが減速状態になると、回生状態となり、モータＭから回生電力が電源側に戻り、モータ制御装置ＭＣの直流部の電圧が上昇する。そして位相検出部ＰＤで検出した三相交流電圧の位相に基づいて、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６は、導通信号Ｓ１〜Ｓ６により指定される導通期間、導通状態になる。その結果、回生電流が、各相に流れて直流部の電圧を上昇させている回生電力を電源ＡＣに戻す。瞬時停電が発生しない場合であれば、回生により、直流電圧Ｖdcが上昇すると、電源回生動作が繰り返される。したがって本実施の形態では、通常、電源回生が動作している。

電源回生中に瞬時停電が発生した場合は、図２（Ｂ）に示すように、電源電圧波高値Ｖpが低下し、図２（Ｃ）に示すように、モータ制御装置ＭＣの直流部の直流電圧Ｖdcが上昇する。そして、直流電圧Ｖdcと電源電圧波高値Ｖｐとの差が基準電圧Ｖｒ以上になると電源回生回路ＰＲ中のコンバータ回路を構成するトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６へのゲート信号（導通信号）の供給が停止される（停止期間をインターロックと言う）。図２（Ｄ）はインターロックの期間を示している。モータ制御装置ＭＣの直流部の直流電圧Ｖdcが抵抗回生動作電圧Ｖｒ１を越えると、抵抗回生回路ＲＲが動作する。抵抗回生回路ＲＲ中のトランジスタＴｒ７を制御する第２導通信号Ｓ′は、直流電圧Ｖdcが第１の基準電圧Ｖｒ１になるとトランジスタＴｒ７を導通させ、直流電圧Ｖdcが第２の基準電圧Ｖｒ２より小さくなるとトランジスタＴｒ７を非導通にする。この動作が繰り返されるため、図２（Ｃ）のモータ制御装置の直流電圧Ｖdcはインターロックの期間中変動している。

瞬時停電が復帰しても、電源電圧波高値Ｖｐと直流電圧Ｖdcの差が大きい間は、電源回生回路ＰＲのコンバータ回路ＣＶへの第１導通信号Ｓの供給はインターロックがかかったままになる。モータ速度が低下し、モータからの回生電力が小さくなってきて直流電圧Ｖdcが低下してきて電源電圧波高値Ｖｐとの差が小さくなると、指令発生部ＣＧは電源回生回路ＰＲに第１導通信号Ｓを出力することを指令する出力指令を出力する。このとき、直流電圧Ｖdcと電源電圧波高値Ｖｐとの差は小さいため、過電流になることはない。

本実施の形態において、交流リアクトルＡＣＬは位相検出部ＰＤの接続点よりも後ろ（電源回生回路ＰＲ側）に配置してもよい。

上記実施の形態によれば、抵抗回生と電源回生を併用した電源装置において、モータ制御装置の直流電圧Ｖdcと電源電圧波高値Ｖｐとの差ΔＶが大きい場合は電源回生回路ＰＲの導通信号にインターロックをかけ、差ΔＶが小さくなるとインターロックを解除するようにした。これにより、瞬時停電が発生しても、電源装置の電源電流が過大になり、過電流アラームが発生したり、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６が破損することがなくなり、信頼性の高い電源回生装置を実現できる。

本発明によれば、導通信号発生回路が、回生時に、モータ制御装置の直流入力部間の直流電圧と交流電源の電源電圧波高値との差電圧が、瞬時停電を基準にして予め定めた基準電圧よりも大きいときには、第１導通信号の出力を停止してコンバータ回路を非動作状態とし、第１導通信号の出力を停止している期間は、第２導通信号だけを出力するので、瞬時停電が発生したときには、電源回生が停止されて抵抗回生のみで回生が実行される。そのため瞬時停電により、モータ駆動装置の入力側の直流電圧が上昇しても、電源回生を実行するコンバータ回路の半導体スイッチング素子に過電流が流れることはない。また瞬時停電時には抵抗回生が実行されるため、信頼性の高い回生機能を備えたモータ駆動用電源装置を提供することができる。

Ｔｒ１〜Ｔｒ７ トランジスタ
Ｄ１〜Ｄ７ ダイオード
ＣＶ コンバータ回路
ＭＣ モータ制御装置
Ｍ モータ
ＡＣ 三相交流電源
ＶＤ 直流電圧検出部
ＰＤ 位相検出部
ＳＧ 導通信号発生回路
ＲＲ 抵抗回生回路
ＰＲ 電源回生回路

Claims (3)

1. 交流電源からの交流電流を直流電流に変換してモータ制御装置に直流電力を供給する整流機能と、前記モータ制御装置側から回生される回生電力を、複数の半導体スイッチング素子を備えたコンバータ回路を用いて前記交流電源に回生する回生機能とを備えた電源回路と、
   回生抵抗とスイッチング回路の直列回路からなり、前記電源回路の直流出力端子間に設けられて前記スイッチング回路を導通状態にすることにより回生電力を前記回生抵抗で消費する回生抵抗回路と、
   回生時に電源回生を実行する際に前記コンバータ回路を制御するための第１導通信号と、抵抗回生を実行する際に前記スイッチング回路の導通を制御するための第２導通信号を発生する導通信号発生回路とを備えたモータ駆動用電源装置であって、
   前記導通信号発生回路は、
   前記モータ制御装置の直流入力部間の直流電圧を検出する直流電圧検出部と、
   前記交流電源の電源電圧の位相を検出する位相検出部と、
   前記交流電源の電源電圧波高値を検出する電源電圧波高値検出部と、
   前記電源電圧波高値と前記直流電圧との差電圧を求める差電圧演算部と、
   前記差電圧と前記基準電圧とを比較し、前記差電圧が前記基準電圧以下であるときには前記第１導通信号の出力を指令する出力指令を出力し、前記差電圧が瞬時停電を基準にして定めた基準電圧よりも大きくなると前記第１導通信号の出力停止を指令する出力停止指令を出力する指令発生部と、
   前記位相検出部が検出した前記電源電圧の位相に基づいて前記第１導通信号を発生し、前記出力指令が入力されているときに前記第１導通信号を前記コンバータ回路に出力し、前記出力停止指令が入力されると、前記第１導通信号を前記コンバータ回路に出力することを停止する第１導通信号発生部と、
   前記直流電圧が予め定めた第１の基準直流電圧以上になると前記第２導通信号を出力し、前記直流電圧が前記第１の基準直流電圧よりも低い予め定めた第２の基準直流電圧以下になると前記第２導通信号の出力を停止する第２導通信号発生部とからなり、
   前記導通信号発生回路は、回生時に、前記直流電圧と前記電源電圧波高値との差電圧が、前記基準電圧よりも大きいときには、前記第１導通信号の出力を停止して前記コンバータ回路を非動作状態とし、前記第１導通信号の出力を停止している期間は、前記第２導通信号を出力することを特徴とするモータ駆動用電源装置。
2. 前記基準電圧は、前記コンバータ回路で使用されている半導体スイッチング素子に過電流が流れるのを阻止できるように定められている請求項１に記載のモータ駆動用電源装置。
3. 交流電源からの交流電流を直流電流に変換してモータ制御装置に直流電力を供給する整流機能と、前記モータ制御装置側から回生される回生電力を、複数の半導体スイッチング素子を備えたコンバータ回路を用いて前記交流電源に回生する回生機能とを備えた電源回路と、
   回生抵抗とスイッチング回路の直列回路からなり、前記電源回路の直流出力端子間に設けられて前記スイッチング回路を導通状態にすることにより回生電力を前記回生抵抗で消費する回生抵抗回路とを備えたモータ駆動用電源装置を用いた回生方法であって、
   回生時に、前記モータ制御装置の直流入力部間の直流電圧と前記交流電源の電源電圧波高値との差電圧が、瞬時停電を基準にして予め定めた基準電圧よりも大きいときには、前記コンバータ回路の動作を停止し、前記コンバータ回路が動作を停止している間は前記回生抵抗回路により回生を行い、
   前記瞬時停電が回復した後も、前記モータ制御装置の前記直流入力部間の直流電圧と前記交流電源の電源電圧波高値との差電圧が、瞬時停電を基準にして予め定めた基準電圧よりも大きいときには前記コンバータ回路の動作を再開せずに、前記回生抵抗回路だけで回生を行い、
   前記瞬時停電が回復した後、前記モータ制御装置の前記直流入力部間の直流電圧と交流電源の電源電圧波高値との差電圧が、瞬時停電を基準にして予め定めた基準電圧よりも小さくなったときに前記コンバータ回路の動作を再開することを特徴とする回生方法。

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