JP5653428B2 - 射出成形機及び電源回生コンバータ - Google Patents

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Description

本発明は、交流電源とインバータとの間に接続される電源回生コンバータを備えた射出成形機及びその電源回生コンバータに関する。
従来、交流電源とモータを駆動するインバータとの間に接続される電源回生コンバータであり、ヒステリシスコンパレータによってＤＣリンクコンデンサの直流電圧と交流電源の電圧ピーク値との間の差を監視しながら、直流電圧が第一の閾値を超えた場合に電源回生運転を開始させ、その後に直流電圧が（第一の閾値より低い）第二の閾値を下回った場合にその電源回生運転を停止させる電源回生コンバータが知られている。
これに対し、交流電源に関する交流電流の大きさ及び交流電圧の位相（入力電流情報）に基づく交流電源とモータと電源回生コンバータとの間における電力のやり取りの状態（以下、「電力状態」とする。）の判定結果、及び、ＤＣリンクコンデンサの直流電圧（直流電圧情報）に基づく電力状態の判定結果に応じて、自身の力行運転と電源回生運転とを切り換える電源回生コンバータが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この電源回生コンバータは、直流電圧情報に基づいて、モータが発生させた電力がＤＣリンクコンデンサに流入している状態（以下、「モータ回生状態」とする。）にあると判定した場合に電源回生運転を開始させ、その後の直流電圧の変動にかかわらず所定時間に亘ってその電源回生運転を継続させる。
そして、その所定時間が経過した後に、この電源回生コンバータは、直流電圧情報に基づく電力状態の再度の判定と、判定結果が安定するまでに比較的時間のかかる、入力電流情報に基づく電力状態の判定とを実行し、少なくとも何れか一方でモータ回生状態にあると判定した場合に、その電源回生運転を更に継続させる。
このようにして、この電源回生コンバータは、電源回生運転を開始させる際の、ヒステリシスコンパレータに起因するチャタリング（力行運転と電源回生運転とが頻繁に切り換えられる現象）の発生を防止している。
特開平１１−２８９７９４号公報
しかしながら、従来の電源回生コンバータ及び特許文献１の電源回生コンバータは何れも、ＤＣリンクコンデンサの直流電圧が所定の閾値以上である限りモータからＤＣリンクコンデンサへの電力の回生が終了した後も電源回生運転を継続させるため、その直後のモータへの電力供給の際に、たった今ＤＣリンクコンデンサから交流電源に回生した電力を再び取り出すことになる場合がある。
交流電源と電源回生コンバータとの間のこの電力のやり取りは、例えば電源回生コンバータが射出成形機で使用される場合等、モータの回転、停止が頻繁に繰り返される適用において、無視できない電力損失を引き起こすこととなる。
上述の点に鑑み、本発明は、電源回生運転をより効率的に実行可能な電源回生コンバータを備えた射出成形機及びその電源回生コンバータを提供することを目的とする。
上述の目的を達成するために、本発明の実施例に係る射出成形機は、交流電源とインバータとの間に接続される電源回生コンバータを備えた射出成形機であって、交流電力と直流電力とを双方向に変換する電力変換部と、前記インバータと前記電力変換部との間にあるコンデンサの直流電圧を検出する直流電圧検出部と、前記直流電圧検出部が検出した直流電圧と該直流電圧の時間的な変動とに基づいて生成する制御信号を前記電力変換部に対して出力し、前記交流電源と前記電力変換部との間を流れる交流電流を制御する交流電流制御部と、を備える。
また、前記交流電流制御部は、前記直流電圧が回生開始電圧以上の場合に、前記直流電圧の増分を打ち消すための制御信号を前記電力変換部に対して出力することが好ましい。なお、「回生開始電圧」は、電源回生運転の開始の可否を判断するためのコンデンサにおける直流電圧の値である。
また、前記制御信号は、前記直流電圧が所定値以上の場合、前記直流電圧の変動にかかわらず、前記交流電源から前記電力変換部への交流電流の流れを禁止するように出力されることが好ましい。
また、前記制御信号は、前記インバータから前記コンデンサへの電力の回生が終了した時に前記直流電圧が前記コンデンサの許容最大電圧に対して所定の比率を示す値となるように出力されることが好ましい。
また、本発明の実施例に係る電源回生コンバータは、交流電源とインバータとの間に接続される電源回生コンバータであって、交流電力と直流電力とを双方向に変換する電力変換部と、前記インバータと前記電力変換部との間にあるコンデンサの直流電圧を検出する直流電圧検出部と、前記直流電圧検出部が検出した直流電圧と該直流電圧の時間的な変動とに基づいて生成する制御信号を前記電力変換部に対して出力し、前記交流電源と前記電力変換部との間を流れる交流電流を制御する交流電流制御部と、を備える。
上述の手段により、本発明は、電源回生運転をより効率的に実行可能な電源回生コンバータを備えた射出成形機及びその電源回生コンバータを提供することができる。
本発明の実施例に係る射出成形機の要部構成を示す図である。 本発明の実施例に係る射出成形機に搭載される電源回生コンバータの構成例を示す機能ブロック図である。 交流電流指令算出部の詳細を示す機能ブロック図である。 モータ電力、電源回生電力、及び直流電圧の時間的推移を示す図である。 電力変換制御処理の流れを示すフローチャートである。
以下、図面を参照しつつ、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
図１は、本発明の実施例に係る射出成形機の一例の要部構成を示す図である。
射出成形機は、本例では電動式射出成形機であり、射出用のサーボモータ４０Ａを備える。射出用のサーボモータ４０Ａの回転はボールネジ２に伝えられる。ボールネジ２の回転により前後進するナット３はプレッシャプレート４に固定されている。プレッシャプレート４は、ベースフレーム（図示せず。）に固定されたガイドバー５、６に沿って移動可能である。プレッシャプレート４の前後進運動は、ベアリング７、ロードセル８、射出軸９を介してスクリュ５０に伝えられる。スクリュ５０は、加熱シリンダ５１内に回転可能に、かつ軸方向に移動可能に配置されている。加熱シリンダ５１におけるスクリュ５０の後部には、樹脂供給用のホッパ５２が設けられている。射出軸９には、ベルトやプーリ等の連結部材５３を介してスクリュ回転用のサーボモータ４０Ｂの回転運動が伝達される。すなわち、スクリュ回転用のサーボモータ４０Ｂにより射出軸９が回転駆動されることにより、スクリュ５０が回転する。
可塑化／計量工程においては、加熱シリンダ５１の中をスクリュ５０が回転しながら後退することにより、スクリュ５０の前部、すなわち加熱シリンダ５１のノズル５１−１側に溶融樹脂が貯えられる。射出工程においては、スクリュ５０の前方に貯えられた溶融樹脂を金型内に充填し、加圧することにより成形が行われる。この時、樹脂を押す力がロードセル８により反力として検出される。つまり、スクリュ前部における樹脂圧力が検出される。検出された圧力は、ロードセル増幅器５５により増幅され、制御手段として機能するコントローラ５６（制御装置）に入力される。また、保圧工程では、金型内に充填した樹脂が所定の圧力に保たれる。
プレッシャプレート４には、スクリュ５０の移動量を検出するための位置検出器５７が取り付けられている。位置検出器５７の検出信号は増幅器５８により増幅されてコントローラ５６に入力される。この検出信号は、スクリュ５０の移動速度を検出するために使用されてもよい。
サーボモータ４０Ａ、４０Ｂにはそれぞれ、回転数を検出するためのエンコーダ４１Ａ、４１Ｂが備えられている。エンコーダ４１Ａ、４１Ｂで検出された回転数はそれぞれコントローラ５６に入力される。
サーボモータ４０Ｃは、型開閉用のサーボモータであり、サーボモータ４０Ｄは、成形品突出し（エジェクタ）用のサーボモータである。サーボモータ４０Ｃは、例えばトグルリンク（図示せず。）を駆動して型開閉を実現する。また、サーボモータ４０Ｄは、例えばボールネジ機構を介してエジェクタロッド（図示せず）を移動させることで成形品突出しを実現する。サーボモータ４０Ｃ、４０Ｄにはそれぞれ、回転数を検出するためのエンコーダ４１Ｃ、４１Ｄが備えられている。エンコーダ４１Ｃ、４１Ｄで検出された回転数はそれぞれコントローラ５６に入力される。
コントローラ５６は、マイクロコンピュータを中心に構成されており、例えば、ＣＰＵ、制御プログラム等を格納するＲＯＭ、演算結果等を格納する読書き可能なＲＡＭ、タイマ、カウンタ、入力インターフェイス、及び出力インターフェイス等を有する。
コントローラ５６は、複数の各工程に応じた電流（トルク）指令をサーボモータ４０Ａ〜４０Ｄのそれぞれに送る。例えば、コントローラ５６は、サーボモータ４０Ｂの回転数を制御して可塑化／計量工程を実現する。また、コントローラ５６は、サーボモータ４０Ａの回転数を制御して射出工程及び保圧工程を実現する。同様に、コントローラ５６は、サーボモータ４０Ｃの回転数を制御して型開工程及び型閉工程を実現する。さらに、コントローラ５６は、サーボモータ４０Ｄの回転数を制御して成形品突出し工程を実現する。
ユーザインターフェース３５は、型開閉工程、射出工程等の各成形工程のそれぞれに対して、成形条件を設定可能な入力設定部を備える。また、ユーザインターフェース３５は、後述の消費電力算出のために、型開閉工程、射出工程等の各成形工程のそれぞれに対して成形条件を入力する入力部を備える。その他、ユーザインターフェース３５は、ユーザからの各種指示を入力する入力部を備えると共に、ユーザに対して各種情報を出力する出力部（例えば表示部）を備える。
射出成形機における射出成形の１サイクルは、典型的には、金型を閉じる型閉工程と、金型を締め付ける型締め工程と、金型のスプル（図示せず）にノズル５１−１を押しつけるノズルタッチ工程と、加熱シリンダ５１内のスクリュ５０を前進させて、スクリュ５０前方に溜まった溶融材料を金型キャビティ（図示せず）内に射出する射出工程と、その後、気泡、ヒケの発生を抑制するために保持圧力をしばらくかける保圧工程と、金型キャビティ内に充填された溶融材料が冷却されて固まるまでの間の時間に次のサイクルのために、スクリュ５０を回転させて、樹脂を溶融しながら加熱シリンダ５１の前方にため込む可塑化／計量工程と、固化された成形品を金型から取り出すために、金型を開く型開工程と、成形品を金型に設けられた突出しピン（図示せず）によって押し出す成形品突出し工程とからなる。
電源回生コンバータ１０は、交流電源２０の交流電力を直流電力に変換するための装置であり、例えば、交流電源２０と複数のインバータ部３０Ａ、３０Ｂ、・・・（以下、集合的に「インバータ部３０」とも称する。「モータ４０」並びに後述の「電力変換部３１」及び「コンデンサ３２」についても同様である。）との間に接続される。
交流電源２０は、例えば、商用の３相交流電源であり、電源回生コンバータ１０に対して交流電流を供給する。
インバータ部３０はそれぞれ、電源回生コンバータ１０が出力する直流電力を交流電力に変換しその交流電力を各種負荷に供給するための装置であり、例えば、交流電力と直流電力とを双方向に変換可能なスイッチング素子で構成される電力変換部３１（３１Ａ、３１Ｂ、・・・）と、コンデンサ３２（３２Ａ、３２Ｂ、・・・）とを備えたサーボカードであり、モータ４０（４０Ａ、４０Ｂ、・・・）のそれぞれに交流電流を供給する。本実施例では、インバータ部３０Ａが射出用のサーボモータ４０Ａに接続され、インバータ部３０Ｂがスクリュ回転用のサーボモータ４０Ｂに接続され、インバータ部３０Ｃが型開閉用のサーボモータ４０Ｃに接続され、インバータ部３０Ｄがエジェクタ用のサーボモータ４０Ｄに接続される。なお、電源回生コンバータ１０は、単一のインバータ部３０のみに接続される構成であってもよい。
図２は、本発明の実施例に係る射出成形機に搭載される電源回生コンバータ１０の構成例を示す機能ブロック図である。
電源回生コンバータ１０は、電力変換部１１、ＡＣリアクトル１２、交流電流検出部１３、ＤＣリンクコンデンサ１４、直流電圧検出部１５、及び交流電流制御部１６を含む。
電力変換部１１は、交流電力と直流電力とを双方向に変換可能な装置であり、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）で構成されるスイッチング素子である。
具体的には、電力変換部１１は、後述の交流電流制御部１６が出力する制御信号に応じて、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御により、ＤＣリンクコンデンサ１４における直流電力から交流電源２０における交流電力への変換動作（電源回生運転）を行い、その電源回生運転における、交流電源２０と電力変換部１１との間の交流電力（交流電流）、及び、ＤＣリンクコンデンサ１４と電力変換部１１との間の直流電力（直流電圧）の大きさを制御する。なお、電力変換部１１は、ダイオード整流により、交流電力からＤＣリンクコンデンサ１４における直流電力への変換動作（力行運転）を行うものとする。
ＡＣリアクトル１２は、巻線を利用した受動素子であり、例えばその一機能として、電源回生運転の際に、電源回生コンバータ１０から交流電源２０に流れる高調波電流を抑制する。
交流電流検出部１３は、電力変換部１１と交流電源２０との間を流れる交流電流の大きさを検出するための装置であり、その検出値を後述の交流電流制御部１６に対して出力する。なお、交流電流検出部１３は、所定周期で交流電流の値を検出し且つ出力するものとし、所定周期で検出されたそれら検出値のそれぞれを所定時間に亘ってＲＡＭ等の記憶媒体に記憶保持するものとする。また、本実施例において、この交流電流は、電源回生コンバータ１０から交流電源２０への流れが正値で表され、交流電源２０から電源回生コンバータ１０への流れが負値で表されるものとする。
ＤＣリンクコンデンサ１４は、インバータ部３０との間でやり取りする直流電力を蓄積するためのコンデンサであり、電源回生コンバータ１０によって、所定の電圧値（例えば、交流電源２０における電源電圧の波高値であり、以下「充電電圧」とする。）を維持するように交流電源２０から電力が供給される。
直流電圧検出部１５は、ＤＣリンクコンデンサ１４における直流電圧を検出するための装置であり、その検出値を後述の交流電流制御部１６に対して出力する。なお、直流電圧検出部１５は、所定周期で直流電圧の値を検出し且つ出力するものとし、所定周期で検出されたそれら検出値のそれぞれを所定時間に亘ってＲＡＭ等の記憶媒体に記憶保持するものとする。
交流電流制御部１６は、電力変換部１１と交流電源２０との間の交流電流の向き及び大きさを制御するための装置であり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only
Memory）、ＮＶＲＡＭ（Non-Volatile Random Access Memory）等を備えたコンピュータであって、交流電流指令算出部１６０、ゼロ電流指令出力部１６１、回生開始電圧記憶部１６２、演算部１６３、出力切換部１６４、演算部１６５、及び制御信号出力部１６６のそれぞれに対応するプログラムをＲＯＭに記憶しながら、各部に対応する処理をＣＰＵに実行させ、所望の交流電流の向き及び大きさを実現するための制御信号を電力変換部１１に対して出力する。
また、交流電流制御部１６は、上述の各部をアナログ回路、デジタル回路、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＦＰＡＡ（Field
Programmable Analog Array）等を用いてハードウェアで構成するようにしてもよい。
なお、交流電流制御部１６は、本実施例において、電源回生コンバータ１０に搭載される機能要素として構成されるが、コントローラ５６（図１参照。）に搭載される機能要素として構成されてもよい。
交流電流指令算出部１６０は、直流電圧検出部１５が検出したＤＣリンクコンデンサ１４における直流電圧の時間的な変動に応じた交流電流指令値を算出するための要素である。
図３は、交流電流指令算出部１６０の詳細を示す機能ブロック図であり、交流電流指令算出部１６０は、直流電圧差分算出部１６００、制御ゲイン乗算部１６０１、及びリミッタ部１６０２を含む。
具体的には、交流電流指令算出部１６０は、直流電圧差分算出部１６００により、直流電圧検出部１５が検出した直流電圧の一制御周期前の値ＶPRV（例えばＲＡＭに記憶されている。なお、値ＶPRVは、複数制御周期前の値であってもよい。）と今回検出した値ＶCRTとの間の差分ΔＶ（増分又は減分である。）を算出し、算出したΔＶに対応する交流電流の値ＡDIFFを、交流電流検出部１３が検出した交流電流の一制御周期前の値ＡPRV（例えばＲＡＭに記憶されている。なお、値ＡPRVは、複数制御周期前の値であってもよい。）に加算して交流電流指令値ＡTMPを算出し、算出した交流電流指令値ＡTMPを制御ゲイン乗算部１６０１に対して出力する。
その後、交流電流指令算出部１６０は、制御ゲイン乗算部１６０１により、交流電流指令値ＡTMPに対して、差分ΔＶの符号（正負）や大きさに応じた所定の制御ゲインを乗算し、制御ゲインを乗算した後の交流電流指令値ＡTMPをリミッタ部１６０２に対して出力する。
その後、交流電流指令算出部１６０は、リミッタ部１６０２により、交流電流指令値ＡTMPと許容最小値ＡMINとを比較し、且つ、交流電流指令値ＡTMPと許容最大値ＡMAXとを比較し、交流電流指令値ＡTMPを許容最小値ＡMINと許容最大値ＡMAXとの間に制限しながら、交流電流指令値ＡTMPを目標交流電流指令値ＡTGTとして出力切換部１６４に対して出力する。
また、許容最小値ＡMINは、例えば値ゼロに設定されるものとする。なお、本実施例において、負値を有する交流電流は、交流電源２０から電源回生コンバータ１０へ（力行方向へ）流れる交流電流を表し、正値を有する交流電流は、電源回生コンバータ１０から交流電源２０へ（回生方向へ）流れる交流電流を表すものとする。この場合、許容最小値ＡMINを値ゼロとすることで、交流電流制御部１６は、交流電流の向きを回生方向のみに制限することができ、力行運転を禁止することができる。
また、許容最大値ＡMAXは、例えば、電源回生コンバータ１０の許容最大交流電流以下の交流電流値、又は、モータ４０からの電力の回生が終了したときにＤＣリンクコンデンサ１４の直流電圧がＤＣリンクコンデンサ１４の許容最大直流電圧に対して所定の比率（例えば、９０％である。）を示す値となるように算出される交流電流値に設定されるものとする。
なお、許容最小値ＡMIN及び許容最大値ＡMAXは共に、ＮＶＲＡＭやＲＯＭ等の不揮発性の記憶媒体に予め記憶されており、書き換え可能であってもよく、書き換え不能であってもよい。
ゼロ電流指令出力部１６１は、現に実行されている電源回生運転を停止させる、或いは、電源回生運転を開始させないようにするための交流電流指令値を出力する要素であり、例えば、交流電流指令値Ａ0（値ゼロ）を目標交流電流指令値ＡTGTとして出力切換部１６４に対して出力する。
回生開始電圧記憶部１６２は、電源回生運転の開始の可否を判断するためのＤＣリンクコンデンサ１４の直流電圧の値（回生開始電圧）を記憶するための要素であり、例えば、ＮＶＲＡＭやＲＯＭ等の不揮発性の記憶媒体に設定される記憶領域であって、書き換え可能であってもよく、書き換え不能であってもよい。なお、回生開始電圧は、例えば、交流電源２０における電源電圧の波高値よりも僅かに高い値に設定される。モータ４０からの電力がＤＣリンクコンデンサ１４（ＤＣリンクコンデンサ１４は、通常、その波高値に等しい充電電圧を有する。）に回生される際に電源回生運転をできるだけ早期に開始させるためである。
演算部１６３は、直流電圧検出部１５が検出したＤＣリンクコンデンサ１４の現在の直流電圧の値ＶCRTと回生開始電圧記憶部１６２が記憶する回生開始電圧との間の差を算出するための要素であり、例えば、回生開始電圧から現在の直流電圧の値ＶCRTを差し引いた値を出力切換部１６４に対して出力する。
出力切換部１６４は、ＤＣリンクコンデンサ１４の現在の直流電圧の値ＶCRTが回生開始電圧以上の場合に、交流電流指令算出部１６０が出力する目標交流電流指令値ＡTGTを出力し、一方で、ＤＣリンクコンデンサ１４の現在の直流電圧の値ＶCRTが回生開始電圧未満の場合に、ゼロ電流指令出力部１６１が出力する目標交流電流指令値ＡTGTを出力するようにその出力を切り換える要素である。
具体的には、出力切換部１６４は、演算部１６３の出力値が負値の場合（現在の直流電圧の値ＶCRTが回生開始電圧以上の場合）、交流電流指令算出部１６０からの目標交流電流指令値ＡTGTを演算部１６５に対して出力し、一方で、演算部１６３の出力値が正値の場合（現在の直流電圧の値ＶCRTが回生開始電圧未満の場合）、ゼロ電流指令出力部１６１からの目標交流電流指令値ＡTGTを演算部１６５に対して出力する。
演算部１６５は、交流電流検出部１３が検出した現在の交流電流の値ＡCRTと出力切換部１６４が出力する目標交流電流指令値ＡTGTとの間の差分ΔＡ（増分又は減分である。）を算出するための要素であり、例えば、目標交流電流指令値ＡTGTから現在の交流電流の値ＡCRTを差し引いた値ΔＡを制御信号出力部１６６に対して出力する。
制御信号出力部１６６は、例えばＰＩ制御により、演算部１６５から受けた値ΔＡに応じた制御信号を電力変換部１１に対して出力し、目標交流電流指令値ＡTGTが示す交流電流が電力変換部１１と交流電源２０との間で実際に流れるようにする。
次に、図４を参照しながら、モータ電力、電源回生電力、及び直流電圧の時間的推移について説明する。
図４（Ａ）は、モータ電力（電力変換部１１とモータ４０のそれぞれとの間でやり取りされる電力を合計したものである。）及び電源回生電力（電源回生コンバータ１０から交流電源２０に戻される電力であり、説明を分かり易くするため、ＤＣリンクコンデンサ１４に充電される電力は省略している。）の時間的推移を示す図であり、時間軸（横軸）より上が力行状態を示し、時間軸（横軸）より下が回生状態を示す（以下、時間軸の上の領域を「力行領域」とし、時間軸の下の領域を「回生領域」とする。）。
また、図４（Ｂ）は、ＤＣリンクコンデンサ１４における直流電圧の時間的推移を示す図であり、その時間軸（横軸）が図４（Ａ）と共通するものとする。
モータ電力、電源回生電力、及び直流電圧の時間的推移は、縦軸に平行な複数の点線によって複数の段階に分けられており、段階（Ｉ）は、電源回生コンバータ１０が停止している状態に対応し、段階（ＩＩ）は、電源回生コンバータ１０が電源回生運転の実行を開始した後の状態に対応する。
また、段階（ＩＩＩ）は、モータ４０から回生される電力（交流電流）が、電源回生コンバータ１０から交流電源２０へ流すことのできる許容最大電力（交流電流）を超過した後の電源回生運転の状態に対応し、段階（ＩＶ）は、モータ４０から回生される電力（交流電流）が、再び許容最大電力（交流電流）未満となった後の電源回生運転の状態に対応する。
更に、段階（Ｖ）は、モータ４０から回生される電力（交流電流）がゼロになった後の停止状態（力行運転及び電源回生運転が共に実行されていない状態）に対応し、段階（ＶＩ）は、モータ４０の駆動が開始された後の力行運転の状態に対応する。
段階（Ｉ）において、電源回生コンバータ１０は、直流電圧検出部１５が検出した現在の直流電圧の値ＶCRTが充電電圧未満となった場合、交流電源２０からの電力をＤＣリンクコンデンサ１４に供給し直流電圧の値を充電電圧の値まで引き上げるようにする。
また、電源回生コンバータ１０は、モータ４０から電力が回生される場合であっても、現在の直流電圧の値ＶCRTが回生開始電圧未満となっているときには、交流電流制御部１６のゼロ電流指令出力部１６１により、交流電流指令値Ａ0（値ゼロ）を目標交流電流指令値ＡTGTとして出力し、制御信号出力部１６６により、その目標交流電流指令値ＡTGTと交流電流検出部１３が検出した現在の交流電流の値ＡCRTとの間の差ΔＡに応じた制御信号を電力変換部１１に対して出力して電源回生運転が開始されないようにしながらモータ４０からの電力をＤＣリンクコンデンサ１４に蓄えるようにする。
その結果、図４（Ｂ）の一点鎖線で示される直流電圧は、充電電圧未満となった場合には充電電圧のレベルまで引き上げられ、また、図４（Ａ）の破線で示されるモータ電力が回生領域に至った場合には、そのモータ電力に応じた割合で上昇することとなる。
その後、段階（ＩＩ）において、電源回生コンバータ１０は、現在の直流電圧の値ＶCRTが回生開始電圧以上となった場合に、交流電流制御部１６の交流電流指令算出部１６０により、一制御周期前に検出した直流電圧の値ＶPREと今回検出した直流電圧の値ＶCRTとの間の差分ΔＶを算出してその差分ΔＶを打ち消すべく（ゼロにすべく）その差分ΔＶに応じた目標交流電流指令値ＡTGTを出力し、制御信号出力部１６６により、その目標交流電流指令値ＡTGTと交流電流検出部１３が検出する現在の交流電流の値ＡCRTとの間の差ΔＡに応じた制御信号を電力変換部１１に対して出力する。
その結果、図４（Ａ）の実線で示される電源回生電力は、破線で示されるモータ電力と共に回生領域において増大し（図４（Ａ）の下方に推移し）、モータ４０からＤＣリンクコンデンサ１４に回生される電力がそのまま交流電源２０に回生されることとなり、図４（Ｂ）の一点鎖線で示される直流電圧は、回生開始電圧の値のままで推移することとなる。
なお、図４（Ｂ）の二点鎖線は、電源回生運転を実施しない場合における直流電圧の推移を示す。
その後、段階（ＩＩＩ）において、電源回生コンバータ１０は、電源回生コンバータ１０から交流電源２０に流れる交流電流が許容最大値ＡMAXに達すると、交流電流指令算出部１６０が算出する目標交流電流指令値ＡTGTを許容最大値ＡMAXに設定し、電源回生コンバータ１０から交流電源２０に流れる交流電流を制限することによって、モータ４０からＤＣリンクコンデンサ１４に回生される電力Ｐ１のうち、交流電源２０に戻さない電力Ｐ３であり、モータ４０からＤＣリンクコンデンサ１４に回生される電力Ｐ１と電源回生コンバータ１０から交流電源２０に回生される電力Ｐ２（Ｐ２＜Ｐ１）との間の差に相当する電力Ｐ３（＝Ｐ１−Ｐ２）をＤＣリンクコンデンサ１４に蓄えるようにする。
その結果、図４（Ｂ）の一点鎖線で示される直流電圧は、図４（Ａ）の実線で示される（許容最大値ＡMAXに対応する許容最大電力で一定に推移する）電源回生電力と破線で示されるモータ電力との間の差に応じた割合で上昇する。
その後、段階（ＩＶ）において、電源回生コンバータ１０は、電力Ｐ１が減少した結果、電源回生コンバータ１０から交流電源２０に流れる交流電流を許容最大値ＡMAX以下としながらも電力Ｐ１の全てを交流電源２０に回生させることができる状態に復帰した場合、段階（ＩＩ）における動作と同様に、交流電流指令算出部１６０により、差分ΔＶを打ち消すべく（ゼロにすべく）その差分ΔＶに応じた目標交流電流指令値ＡTGTを出力し、制御信号出力部１６６により、その目標交流電流指令値ＡTGTと交流電流検出部１３が検出する現在の交流電流の値ＡCRTとの間の差ΔＡに応じた制御信号を電力変換部１１に対して出力する。
その結果、図４（Ａ）の実線で示される電源回生電力は、破線で示されるモータ電力と共に回生領域において減少し（図４（Ａ）の上方に推移し）、モータ４０からＤＣリンクコンデンサ１４に回生される電力Ｐ１がそのまま交流電源２０に回生されることとなり、図４（Ｂ）の一点鎖線で示される直流電圧は、一定値のままで推移することとなる。
その後、段階（Ｖ）において、電源回生コンバータ１０は、電力Ｐ１がゼロになった後も、段階（ＩＩ）及び（ＩＶ）における動作と同様に、交流電流指令算出部１６０により、差分ΔＶを打ち消すべく（ゼロにすべく）その差分ΔＶに応じた目標交流電流指令値ＡTGTを出力し、制御信号出力部１６６により、その目標交流電流指令値ＡTGTと交流電流検出部１３が検出する現在の交流電流の値ＡCRTとの間の差ΔＡに応じた制御信号を電力変換部１１に対して出力する。
その結果、図４（Ａ）の実線で示される電源回生電力は、破線で示されるモータ電力と共にゼロのまま横軸上を推移し、図４（Ｂ）の一点鎖線で示される直流電圧も一定値のままで推移することとなる。
その後、段階（ＶＩ）において、電源回生コンバータ１０は、モータ４０の駆動が再開されると、これまでと同様に交流電流指令算出部１６０により差分ΔＶを算出するが、この場合、差分ΔＶ、及びその差分ΔＶに応じた目標交流電流指令値ＡTGTは負値となるため、交流電流制御部１６は、交流電流指令算出部１６０により、許容最小値ＡMIN（値ゼロ）を目標交流電流指令値ＡTGTとして出力し、制御信号出力部１６６により、その目標交流電流指令値ＡTGT（値ゼロ）と交流電流検出部１３が検出する現在の交流電流の値ＡCRTとの間の差ΔＡに応じた制御信号を電力変換部１１に対して出力する。すなわち、電源回生コンバータ１０は、力行運転及び電源回生運転の双方を禁止することとなる。
その結果、図４（Ｂ）の一点鎖線で示される直流電圧は、図４（Ａ）で示される力行領域におけるモータ電力の値の上昇につれて減少することとなる。
次に、図５を参照しながら、電源回生コンバータ１０が電力変換部１１の動作を制御する処理（以下、「電力変換制御処理」とする。）について説明する。なお、図５は、電力変換制御処理の流れを示すフローチャートであり、電源回生コンバータ１０は、所定周期で繰り返しこの処理を実行するものとする。
最初に、交流電流制御部１６は、直流電圧検出部１５が検出したＤＣリンクコンデンサ１４における現在の直流電圧の値ＶCRTを取得し（ステップＳ１）、取得した値をＲＡＭに記憶する。
その後、交流電流制御部１６は、直流電圧検出部１５が検出した現在の直流電圧の値ＶCRTが回生開始電圧記憶部１６２に記憶された回生開始電圧以上であるか否かを判定する（ステップＳ２）。
具体的には、交流電流制御部１６は、演算部１６３により、回生開始電圧から現在の直流電圧の値ＶCRTを減算し、その減算結果を出力切換部１６４に対して出力する。出力切換部１６４は、その減算結果が負値であれば、現在の直流電圧の値ＶCRTが回生開始電圧以上であると判定する。
現在の直流電圧の値ＶCRTが回生開始電圧未満であると判定された場合（ステップＳ２のＮＯ）、交流電流制御部１６は、出力切換部１６４により、ゼロ電流指令出力部１６１が出力する交流電流指令値Ａ0（例えば、値ゼロである。）を目標交流電流指令値ＡTGTとして設定する（ステップＳ３）。電源回生運転を開始させないようにするためである。
一方、現在の直流電圧の値ＶCRTが回生開始電圧以上であると判定された場合（ステップＳ２のＹＥＳ）、交流電流制御部１６は、交流電流指令算出部１６０により、現在の直流電圧の値ＶCRTからＲＡＭに記憶された一制御周期前の直流電圧の値ＶPRV（一制御周期前の値が存在しない場合には充電電圧の値を使用する。なお、値ＶPRVは、複数制御周期前の値であってもよい。）を減算して差分ΔＶを算出する（ステップＳ４）。
その後、交流電流制御部１６は、交流電流指令算出部１６０により、交流電流検出部１３が検出した一制御周期前の交流電流の値ＡPRV（一制御周期前の値が存在しない場合には値ゼロを使用する。なお、値ＡPRVは、複数制御周期前の値であってもよい。）に、その差分ΔＶに対応する交流電流の値を加算して交流電流指令値ＡTMPを算出する（ステップＳ５）。
その後、交流電流制御部１６は、交流電流指令算出部１６０により、算出した交流電流指令値ＡTMPが許容最小値ＡMIN以下であるか否かを判定し（ステップＳ６）、許容最小値ＡMIN以下であれば（ステップＳ６のＹＥＳ）、交流電流指令値ＡTMPを許容最小値ＡMINで置き換え（ステップＳ７）、許容最小値ＡMINを上回るものであれば（ステップＳ６のＮＯ）、交流電流指令値ＡTMPをそのまま採用する。
その後、交流電流制御部１６は、交流電流指令算出部１６０により、算出した交流電流指令値ＡTMPが許容最大値ＡMAX以上であるか否かを判定し（ステップＳ８）、許容最大値ＡMAX以上であれば（ステップＳ８のＹＥＳ）交流電流指令値ＡTMPを許容最大値ＡMAXで置き換え（ステップＳ９）、許容最大値ＡMAXを下回るものであれば（ステップＳ８のＮＯ）、交流電流指令値ＡTMPをそのまま採用する。なお、ステップＳ６〜Ｓ７の処理と、ステップＳ８〜Ｓ９の処理は順不同であり、同時に実行されてもよい。
その後、交流電流制御部１６は、交流電流指令値ＡTMPを目標交流電流指令値ＡTGTに設定する（ステップＳ１０）。
出力切換部１６４により交流電流指令値Ａ0又は交流電流指令値ＡTMPを目標交流電流指令値ＡTGTに設定した後、交流電流制御部１６は、交流電流検出部１３が検出した電力変換部１１と交流電源２０との間における現在の交流電流の値ＡCRTを取得し（ステップＳ１１）、取得した値ＡCRTをＲＡＭに記憶する。
その後、交流電流制御部１６は、演算部１６５により、目標交流電流指令値ＡTGTから現在の交流電圧の値ＡCRTを減算して差分ΔＡを算出し（ステップＳ１２）、制御信号出力部１６６により、その差分ΔＡに対応する制御信号を生成し、生成した制御信号を電力変換部１１に対して出力する（ステップＳ１３）。
その制御信号を受けた電力変換部１１は、電源回生コンバータ１０から交流電源２０に流れる交流電流の値が目標交流電流指令値ＡTGTとなるように、スイッチング素子を切り換え、また、ＰＷＭ制御におけるパルス幅のデューティサイクルを変化させるようにする。
上述のような流れにより、電源回生コンバータ１０は、電力変換部１１の動作を制御することができる。
以上の構成により、電源回生コンバータ１０は、モータ４０からＤＣリンクコンデンサ１４への回生により増加したＤＣリンクコンデンサ１４における電力の増分を交流電源２０に回生するため、ＤＣリンクコンデンサ１４から交流電源２０に回生した電力をその直後に再び取り出すといった無駄な電力のやり取りを防止することができ、電源回生運転をより効率的に実行することができる。
また、電源回生コンバータ１０は、モータ４０からＤＣリンクコンデンサ１４への回生により増加したＤＣリンクコンデンサ１４における電力の増分を交流電源２０に回生するため、回生開始電圧を比較的低めに設定したとしても（例えば充電電圧より僅かに高い値に設定したとしても）、ＤＣリンクコンデンサ１４の直流電圧が一旦回生開始電圧を超えた直後に回生停止電圧を下回るのを防止することができるので、チャタリングを防止するために回生開始電圧を高めに設定する必要もなく、電源回生運転をより早期に開始させることができる。
また、電源回生コンバータ１０は、ＤＣリンクコンデンサ１４における直流電圧の増加を打ち消すように電力変換部１１を制御するので、インバータ部３０からＤＣリンクコンデンサ１４への回生電力が小さい段階で電源回生運転を開始させることができ、ＤＣリンクコンデンサ１４の直流電圧が早期にその許容最大電圧に達するのを防止しながら、インバータ部３０からＤＣリンクコンデンサ１４への回生電力が増大した後もインバータ部３０が発生させた電力を確実に交流電源２０又はＤＣリンクコンデンサ１４に回生することができる。
また、電源回生コンバータ１０は、ＤＣリンクコンデンサ１４における直流電圧が減少しないようにしながら、その直流電圧の増分を打ち消すように電力変換部１１を制御するので、インバータ部３０からＤＣリンクコンデンサ１４への回生電力が減少する場合であってもＤＣリンクコンデンサ１４の直流電圧のレベルを維持し、且つ、インバータ部３０からＤＣリンクコンデンサ１４への回生が終了した時点で電源回生運転を停止させ、ＤＣリンクコンデンサ１４に蓄えられた電力を不必要に交流電源２０に回生するのを防止することができる。
このように、電源回生コンバータ１０は、電源回生電力が許容最大電力に達するまでは、ＤＣリンクコンデンサ１４の直流電圧の増分を打ち消すように電力変換部１１を制御し、電源回生電力が許容最大電力に達した後は、超過分（電力Ｐ３）をＤＣリンクコンデンサ１４に蓄え、更にその後、電源回生電力が許容最大電力を再び下回った後は、ＤＣリンクコンデンサ１４の直流電圧が減少しないようにしながらその増分を打ち消すように電力変換部１１を制御するので、インバータ部３０からＤＣリンクコンデンサ１４への回生が終了した時点でＤＣリンクコンデンサ１４に所定の電力を残すことができる。
また、電源回生コンバータ１０は、その許容最大電力として所定の交流電流値（インバータ部３０からＤＣリンクコンデンサ１４への回生が終了した時点でＤＣリンクコンデンサ１４の直流電圧がＤＣリンクコンデンサ１４の許容最大直流電圧に対して所定の比率を示す値（目標値）となるように算出される値である。）を設定することにより、インバータ部３０からＤＣリンクコンデンサ１４への回生が終了した時点におけるＤＣリンクコンデンサ１４の直流電圧をその目標値とすることができる。
また、電源回生コンバータ１０は、ＤＣリンクコンデンサ１４の直流電圧が十分であるにもかかわらず、力行運転（交流電源２０から電源回生コンバータ１０への電力供給）が実行されてしまうのを防止するので、電力変換部１１と交流電源２０との間の不必要な電力のやり取りを更に低減させることができる。
また、電源回生コンバータ１０は、電力変換部１１と交流電源２０との間を流れる交流電流と、ＤＣリンクコンデンサ１４の直流電圧とを監視しながら電力変換部１１を制御するため、複数のモータ４０のそれぞれの動作状態を詳細に把握することなく電力変換部１１を制御することができる。
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、上述の実施例において、電源回生コンバータ１０は、回生領域におけるモータ電力が許容最大電力以上となった場合に、電源回生電力をその許容最大電力で推移させながら、余剰電力をＤＣリンクコンデンサ１４に蓄えるようにするが、その回生領域においてその許容最大電力より小さい電力レベルで電源回生電力を推移させながら、より大きな余剰電力をＤＣリンクコンデンサ１４に蓄えるようにしてもよい。これにより、電源回生コンバータ１０は、ＤＣリンクコンデンサ１４の直流電圧の増加をより早期に開始させ、モータ４０からの回生が終了した時点におけるＤＣリンクコンデンサ１４の直流電圧をより高いレベルにもっていくことができる。
また、電源回生コンバータ１０は、射出成形機のサイクルパターンに基づいて電源回生運転の内容を設定するようにしてもよい。具体的には、電源回生コンバータ１０は、例えば、可塑化／計量工程、ノズルタッチ工程、射出工程、保圧工程、型開工程、型閉工程、成形品突出し工程等の射出成形機における各種工程毎に、電源回生運転の際の許容最大電力、回生開始電圧、充電電圧、許容最小値ＡMIN、許容最大値ＡMAX、交流電流指令値Ａ0等を設定するようにしてもよい。
また、本願は、２０１０年６月２３日に出願した日本国特許出願２０１０−１４２６４０号に基づく優先権を主張するものであり同日本国出願の全内容を本願に参照により援用する。
１ 射出成形機
２ ボールねじ
３ ナット
４ プレッシャプレート
５、６ ガイドバー
７ ベアリング
８ ロードセル
９ 射出軸
１０ 電源回生コンバータ
１１ 電力変換部
１２ ＡＣリアクトル
１３ 交流電流検出部
１４ ＤＣリンクコンデンサ
１５ 直流電圧検出部
１６ 交流電流制御部
２０ 交流電源
３０、３０Ａ〜３０Ｄ インバータ部
３１、３１Ａ、３１Ｂ 電力変換部
３２、３２Ａ、３２Ｂ コンデンサ
４０、４０Ａ〜４０Ｄ モータ
４１、４１Ａ〜４１Ｄ エンコーダ
５０ スクリュ
５１ 加熱シリンダ
５１−１ ノズル
５２ ホッパ
５３ 連結部材
５５ ロードセル増幅器
５６ コントローラ
５７ 位置検出器
５８ 増幅器
１６０ 交流電流指令算出部
１６１ ゼロ電流指令出力部
１６２ 回生開始電圧記憶部
１６３ 演算部
１６４ 出力切換部
１６５ 演算部
１６６ 制御信号出力部
１６００ 直流電圧差分算出部
１６０１ 制御ゲイン乗算部
１６０２ リミッタ部

Claims (5)

  1. 交流電源とインバータとの間に接続される電源回生コンバータを備えた射出成形機であって、
    交流電力と直流電力とを双方向に変換する電力変換部と、
    前記インバータと前記電力変換部との間にあるコンデンサの直流電圧を検出する直流電圧検出部と、
    前記直流電圧検出部が検出した直流電圧と該直流電圧の時間的な変動とに基づいて生成する制御信号を前記電力変換部に対して出力し、前記交流電源と前記電力変換部との間を流れる交流電流を制御する交流電流制御部と、を備え、
    前記インバータから前記コンデンサへの回生が終了した時点で前記コンデンサに所定の電力を残すように、前記コンデンサに回生される電力が前記交流電源に流れる交流電流の許容最大値に対応する電力以上となった場合に、前記電力変換部から前記交流電源に流れる交流電流を許容最大値とし、前記コンデンサに回生される電力と前記電力変換部から前記交流電源に回生される電力との差に相当する電力を前記コンデンサに蓄える、
    射出成形機。
  2. 前記交流電流制御部は、前記直流電圧が回生開始電圧以上の場合に、前記直流電圧の増分を打ち消すための制御信号を前記電力変換部に対して出力する、
    請求項１に記載の射出成形機。
  3. 前記制御信号は、前記直流電圧が所定値以上の場合、前記直流電圧の変動にかかわらず、前記交流電源から前記電力変換部への交流電流の流れを禁止するように出力される、
    請求項１に記載の射出成形機。
  4. 前記制御信号は、前記インバータから前記コンデンサへの電力の回生が終了した時に前記直流電圧が前記コンデンサの許容最大電圧に対して所定の比率を示す値となるように出力される、
    請求項１に記載の射出成形機。
  5. 交流電源とインバータとの間に接続される電源回生コンバータであって、
    交流電力と直流電力とを双方向に変換する電力変換部と、
    前記インバータと前記電力変換部との間にあるコンデンサの直流電圧を検出する直流電圧検出部と、
    前記直流電圧検出部が検出した直流電圧と該直流電圧の時間的な変動とに基づいて生成する制御信号を前記電力変換部に対して出力し、前記交流電源と前記電力変換部との間を流れる交流電流を制御する交流電流制御と、備え、
    前記インバータから前記コンデンサへの回生が終了した時点で前記コンデンサに所定の電力を残すように、前記コンデンサに回生される電力が前記交流電源に流れる交流電流の許容最大値に対応する電力以上となった場合に、前記電力変換部から前記交流電源に流れる交流電流を許容最大値とし、前記コンデンサに回生される電力と前記電力変換部から前記交流電源に回生される電力との差に相当する電力を前記コンデンサに蓄える、
    電源回生コンバータ。

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