JP5839374B1 - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源不平衡時にできるだけ機械を停止させる事なくコンバータを保護する事のできるモータ制御装置を提供する。【解決手段】モータ制御装置１は、３相交流電源９に電気的に接続されるコンバータ１３と、コンバータ１３、及び、モータ３に電気的に接続されるインバータ１５と、３相交流電源９とコンバータ１３との間を流れる電流を検出し、インバータ１５を制御する制御部１１と、を有し、制御部１１は、３相を流れている電流値に基づいて、３相の電流のうち最大の電流値の相を流れる電流値の絶対値が、ゼロとならない範囲で所定値以下となるように制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、モータ制御装置におけるコンバータの保護に関する。

モータ制御装置は、３相交流電源をコンバータで整流して直流にし、直流にした電流をインバータで再度交流にしてモータを駆動している。
このようなモータ制御装置は、高圧受配電設備のインピーダンスのアンバランスや、同じ３相電源ラインに単相電源の装置が接続されたりする事による負荷のアンバランスが生ずることがある。
これらによって、モータ制御装置に入力される交流電圧に不平衡が生ずる事がある。
そして、コンバータは整流ダイオードなどの半導体により構成されているため、交流電圧の不平衡が生ずると、特定の相の電流が整流ダイオードの許容する最大電流を超える可能性がある。
このように、特定の相の電流が整流ダイオードの許容する最大電流を超えると、整流ダイオードが破損する恐れがある。
さらにまた、特定の相の電流が整流ダイオードの許容する最大電流を超えない場合であっても、定格電流以上の電流が一定時間経過して流れ続けると整流ダイオードの温度が上昇してしまう。
そして、整流ダイオードの温度が規定値を超えると、整流ダイオード破損する恐れがある。

これを防止するため、３相交流電源の不平衡を検出して整流ダイオードを保護する方法が特許文献１に提案されている。
特許文献１には、遮断器等の開閉器を介し供給される３相交流電圧を入力としその出力整流電圧を平滑する平滑コンデンサを有する整流器に関し、前記の開閉器と整流器との間の各相入力通電経路上にそれぞれ直列に挿入接続されて入力電流のピーク値を検出し該ピーク値が所定の過電流設定値以上となった場合にその出力信号を発する電流検出器と、該各相電流検出器の何れかがその出力信号を発した場合に前記開閉器を開路させる継電回路とを備えて成ることを特徴とする整流器保護回路が記載されている。

特開平５−３０６４４号公報

しかしながら、特許文献１においては、各相何れかの入力電流のピーク値が過電流設定値以上となった場合に開閉器を開路させてしまう。
そのため、コンバータの後に接続されるインバータは停止してしまう。
そして、このインバータによりモータを駆動して機械を動作させている場合には、機械が停止してしまい，製造ライン等で損失が発生してしまう。
つまり、特許文献１の手法では、機械を停止させずに電源不平衡時の整流ダイオードを保護する事ができなかった。さらに、特許文献１の手法では、特定の相の電流が定格以上となり，その状態が一定時間経過すると整流ダイオードの温度が高くなり，ジャンクション温度が規定値を超えて破損する恐れもあった。

そこで、本発明は、上記課題を解消するためになされたものであり、その課題の一例は、電源不平衡時にできるだけ機械を停止させる事なくコンバータを保護する事のできるモータ制御装置を提供することにある。

本発明のモータ制御装置は、３相交流電源に電気的に接続されるコンバータと、前記コンバータ、及び、モータに電気的に接続されるインバータと、前記３相交流電源と前記コンバータとの間を流れる電流を検出し、前記インバータを制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記３相交流電源と前記コンバータとの間を流れている電流値に基づいて前記インバータを制御するための前記モータの速度指令の変化率を制限することにより、前記３相交流電源と前記コンバータとの間を流れている電流のうち最大の電流値の相を流れる電流値の絶対値を、ゼロとならない範囲で前記制限をしない場合よりも小さくなるように制御する。

本発明によって、電源不平衡時にできるだけ機械を停止させる事なくコンバータを保護する事のできるモータ制御装置を提供することが可能となる。

第１の実施形態におけるモータ制御装置の説明図である。 第１の実施形態の効果の説明図である。 第２の実施形態におけるモータ制御装置の説明図である。 第２の実施形態の効果の説明図である。

＜第１の実施形態＞
以下、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態におけるモータ制御装置１の説明図である。
図２は、第１の実施形態の効果の説明図である。

図１のように、モータ制御装置１は、外部の３相交流電源９から交流の電力供給を受けている。３相交流電源９は、Ｒ相、Ｓ相及びＴ相の３相でモータ制御装置１に電力を供給している。
また、モータ制御装置１は、モータ３を駆動している。より具体的には、モータ制御装置１からモータ３は、３相の交流の入力を受けて駆動する３相交流モータである。
モータ３の回転は、エンコーダ５によって検出される。検出されたモータの回転（速度）は、モータ制御装置１に入力され、後述する方法によってフィードバック等される。
また、モータ制御装置１は、コントローラ７に後述の各種の情報（ワーニング信号、異常信号）を出力する。
そして、コントローラ７は、モータ制御装置１に対して各種の指令信号（速度指令信号）を出力する。

モータ制御装置１は、制御部１１、コンバータ１３、インバータ１５及び電解コンデンサ１７を有している。

コンバータ１３は、３相交流電源９からの３相の電流を受けている。そして、コンバータは、複数の半導体素子によって、３相交流を直流電流に変換している。なお、第１の実施形態においては、複数の半導体素子は、６個のダイオードである。もっとも、これに限定する趣旨ではない。

コンバータ１３とインバータ１５とは、１本の回路によって接続されている。
そして、この回路中には、電解コンデンサ１７が接続され直流電圧の平準化を図っている。

インバータ１５は、コンバータ１３によって供給される直流電圧を、モータ３を駆動するのに必要な交流電流に変換している。
このインバータ１５により、モータ３の回転速度等が制御される。
なお、本実施形態では、３相交流モータを使用しているがこれに限定する趣旨ではなく、その他の様々なモータ（例えば直流モータ等）を使用することができる。

制御部１１により行われる制御を以下説明する。
制御部１１は、検出部１１０を有する。検出部１１０は、Ｒ相、Ｓ相及びＴ相を流れる電流の電流値を検出する。
ここで、検出部１１０が検出したＲ相の電流値をＲ値といい、Ｓ相の電流値をＳ値といい、Ｔ相の電流値をＴ値という。
検出されたＲ値、Ｓ値及びＴ値の３つの値は最大電流算出部１１１、セレクタ部１３１に対して入力される。
また、Ｒ値はＲ実効値算出部１３３ａに対して入力され、Ｓ値はＳ実効値算出部１３３ｂに対して入力され、Ｔ値はＴ実効値算出部１３３ｃに対して入力される。

最大電流算出部１１１は、入力されたＲ値、Ｓ値及びＴ値の３つの値のうち、絶対値が最大の値（以下、「最大値」という）を第１比較部１１２に対して出力する。
第１比較部１１２は、入力された最大値を第１記憶部１１７が記憶している規定値１と比較する。
そして、第１比較部１１２は、最大値が規定値１よりも大きい値を示していた場合には、その旨を示す信号（以下、「制限信号」という）を速度指令変化率制限部１１３に対して出力する。
なお、第１比較部１１２は、最大値が規定値１以下となると、制限信号の出力を停止する。

速度指令変化率制限部１１３は、第１比較部１１２からの制限信号の入力がない場合には、コントローラ７から入力される速度の指令値（以下、「速度指令値」という）をそのまま速度制御部１１４に対して出力する。
他方、速度指令変化率制限部１１３は、制限信号の入力が有った場合には、加速度検出部１１８から入力されるモータ３の加速度値が数分の１（例えば、１／４、１／５）となるように速度指令の変化率を制限し、速度制御部１１４に対して出力する。

ここで、モータ３の制御を行う部分について説明を行う。
モータ３の回転はエンコーダ５によって電気信号（以下、「モータ回転信号」という）に変換されて速度検出部１１９に対して出力される。
速度検出部１１９は、モータ３からのパルス信号を微分等して速度を算出し、算出した値（以下、「速度値」という）を速度制御部１１４及び加速度検出部１１８に対して出力する。
加速度検出部は、入力された速度値を微分等して加速度を算出し、算出した値（以下、「加速度値」という）を速度指令変化率制限部１１３に対して出力する。

速度制御部１１４は、速度値と速度指令値との差分を算出し、補償ゲインを乗算してトルク指令を算出し、その値（以下、「モータトルク指令値」という）を、トルク制御部１１５に対して出力する。
トルク制御部１１５は、モータトルク指令値を実現するのに必要となるモータ３が出力すべき電圧指令値を算出して電流制御を行い、電流制御部からの電圧指令（以下、「モータ電圧指令値」という）をゲート制御部１１６に対して出力する。
ゲート制御部１１６は、入力されたモータ電圧指令値を実現することが可能なように、インバータ１５を構成する半導体を制御する。
そして、インバータ１５がこのゲート制御部１１６によって適切に制御されることによって、モータ３の回転は制御される。
また、ゲート制御部１１６は、後述する第３比較部１３９からゲート停止信号が入力されると、インバータ１５からモータ３への電力供給を停止させる。

セレクタ部１３１は、Ｒ相、Ｓ相及びＴ相の電流値を選択して平均化部１３２に対して出力する。
平均化部１３２は、３相電流の電流値の平均値を算出し、この値（以下、「平均値」という）を乗算部１３５に対して出力する。

Ｒ実効値算出部１３３ａは、Ｒ相の電流値から実効値を算出し、その値（以下、「Ｒ相実効値」という）をアンバランス補償量算出部１３４に対して出力する。
Ｓ実効値算出部１３３ｂは、Ｓ相の電流値から実効値を算出し、その値（以下、「Ｓ相実効値」という）をアンバランス補償量算出部１３４に対して出力する。
Ｔ実効値算出部１３３ｃは、Ｔ相の電流値から実効値を算出し、その値（以下、「Ｔ相実効値」という）をアンバランス補償量算出部１３４に対して出力する。

そして、アンバランス補償量算出部１３４は、Ｒ相実効値、Ｓ相実効値及びＴ相実効値から、３相電流の平均値を算出する。
さらに、アンバランス補償量算出部１３４は、Ｒ相実効値、Ｓ相実効値及びＴ相実効値から、３相のうち最大の電流の電流値（実効値）を算出する。
その上で、以下の式によって、電流アンバランス補償量を算出する。
電流アンバランス補償量＝｜電流が最大の相の電流値｜／｜３相電流の平均値｜
算出された電流アンバランス補償量は、乗算部１３５に対して出力される。
なお、実効値ではなく、平均値によって電流アンバランス補償量することもできる。

乗算部１３５によって、この電流アンバランス補償量と平均化部１３２から出力された平均値を乗算した値が算出され、この値が積算部１３６に対して出力される。
積算部１３６は、入力された値を積算し、この値（以下、「積算値」という）を第２比較部１３７及び第３比較部１３９に対して出力される。

第２比較部１３７では、入力された積算値を第２記憶部１３８が記憶している規定値２と比較する。
そして、積算値が規定値２より高い値を示していた場合には、その旨を示す信号（以下、「ワーニング信号」という）をコントローラ７に対して出力する。

第３比較部１３９では、入力された積算値を第３記憶部１４０が記憶している規定値３と比較する。
そして、積算値が規定値３よりも高い値を示していた場合には、その旨を示す信号（以下、「ゲート停止信号」という）をゲート制御部１１６に対して出力する。
そして、積算値が規定値３よりも高い場合には、ゲート停止信号を出力するのみならず、さらにゲート停止信号を発信したことを示す信号（以下、「異常信号」という）をコントローラ７に対して出力する。

ここで、規定値２は、積算値がこの規定値２未満の場合には３相を流れる電流のアンバランスは何ら問題ない定常運転とみなしうる値が設定される。
換言すると、積算値が規定値２以上の値となると、コントローラ７による対応（以下、「アンバランス対応」という）が必要となる。
また、規定値３は、積算値がこの規定値３以上の場合には３相を流れる電流のアンバランスは、モータ３を停止させなければならないほどの異常状態であるとみなしうる値が設定される。
その為、規定値２＜規定値３である。

次にコントローラ７の動作について説明する。
コントローラ７は、ユーザからの入力等（操作入力）を受けて、モータ３を総合的に制御する部分である。
このコントローラ７は、通常は操作入力に応じて、要求される速度指令値を速度指令変化率制限部１１３に出力している。
しかし、コントローラ７は、ワーニング信号が入力されると、ワーニング対応を行う。具体的には、モータの運転パターンの休止時間を長くしたりする。
また、コントローラ７は、異常信号が入力されると、その旨をユーザに通知等行う。

以上のように構成したことから、コンバータ１３に過電流が流れてコンバータ１３内の半導体の破損を防止することが可能となる。
さらに、過電流での不具合のみならず、コンバータ１３内の過負荷による破損を防止することが可能となる。
以下、より具体的に説明する

最大電流算出部１１１の検出値に基づく制限信号によって、モータ３の速度指令値の変化率を、速度指令変化率制限部１１３で制限している。
それによって、図２のように、コンバータ１３を流れる電流が所定値を超えたａ時点で、速度指令変化率制限部１１３からの出力がそれまでのＡ値から数分の１のＢ値となっている。
それによって、モータ３の速度の上昇率が低下している。
また、コンバータ１３を流れる電流も徐々に低下している。
これによって、コンバータ１３を流れる電流の最大値が所定値を超えないためコンバータ１３内の半導体を破損させることがない。それによって、モータ３の運転を停止させずに運転を継続させることが可能となる。
そして、モータ３の運転が停止されないということは、モータ３を使用する各種の機械の運転が停止されないことを意味する。
また、最大電流算出部１１１は、最大の電流を流している相の電流を選択するため、３相を流れる電流が不均衡である場合でも、コンバータ１３を流れる電流を制限することが可能となる。それによって、３相を流れる電流が不均衡な場合であっても、機械を停止させることなく、コンバータ１３を保護することが可能となる。

また、Ｒ実効値算出部１３３ａ、Ｓ実効値算出部１３３ｂ及びＴ実効値算出部１３３ｃによる実効値（電流）を算出し、アンバランス補償量算出部１３４によって電流のアンバランスの補償量を算出することによって、Ｒ相、Ｓ相及びＴ相の３相を流れる電流のアンバランスを補償する事が可能となる。
それによって、３相を流れる電流が不均衡な場合であっても、機械を停止させることなく、コンバータ１３を保護することが可能となる。

＜第２の実施形態＞
図３は、第２の実施形態におけるモータ制御装置１の説明図である。
図４は、第２の実施形態の効果の説明図である。
なお、第１の実施形態と同一の点については、説明を省略する。

第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、以下の点である。
第２の実施形態は、第１の実施形態のように単に３相交流電源９からの電流をモータ３に提供するのみではなく、逆に、モータ３からの電流を３相交流電源９に回生する。
その為に、第２の実施形態のコンバータ１３は、第１の実施形態のように単なるダイオードではなく、ゲートへ電圧入力によって制御される半導体（パワートランジスタ）となっている。半導体（パワートランジスタ）は、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などが用いられる。
これによって、モータ３の回転力を、コンバータ１３とインバータ１５の回路に電力として回生することが可能となる。
なお、ゲート制御部１１６は、モータ３の回転に応じて、適切にインバータの半導体（パワートランジスタ）を制御している。
また、Ｒ相、Ｓ相及びＴ相にはＡＣＬ１０が設けられている。

また、同様に、コンバータゲート制御部１２３は、直流としてコンバータ１３とインバータ１５の回路に提供されている電流を、Ｒ相、Ｓ相及びＴ相に適切な位相で回生する様に制御している。
なお、コンバータゲート制御部１２３が適切な位相で回生するために、位相検出部１５０が、Ｒ相、Ｓ相及びＴ相の位相を検出する。そして、コンバータゲート制御部１２３が、位相検出部１５０が出力した、各相の位相に基づいて、コンバータ１３の半導体（パワートランジスタ）を制御する。

さらに、コンバータ１３とインバータ１５の回路中には、回生抵抗部１９が設けられる。
この回生抵抗部１９は、回生抵抗１９ｂと回生半導体１９ａ（パワートランジスタ）を有している。
回生抵抗１９ｂは、モータ３によって回生される電力を熱として吸収可能な能力を有している。
回生半導体１９ａ（パワートランジスタ）は、ゲートに電圧が供給されると、回生抵抗部１９に電流を流すことが可能となる。
この回生半導体１９ａ（パワートランジスタ）のゲートへの電圧の提供は、回生制御部１２４によって制御される。

さらにまた、制御部１１は、力行／回生変更部１２０を有している。
この、力行／回生変更部１２０によって、回生スイッチ１２１と力行スイッチ１２２のＯＮ、ＯＦＦが切り替わる。
より具体的には、回生時には、回生スイッチ１２１がＯＮされ、力行スイッチ１２２がＯＦＦされる。また、力行時には、回生スイッチ１２１がＯＦＦされ、力行スイッチ１２２がＯＮされる。
これによって、力行時と回生時とで異なる制御を、制御部１１は行っている。
ここで、力行時は、第１の実施形態と同一の制御を行う。
他方、回生時は、コンバータゲート制御部１２３と及び回生制御部１２４による制御が行われる。
より具体的には、モータ３からの回生される電流は、最大の電流が流れる相の電流が規定値（第１記憶部１１７が記憶している規定値１）未満の場合には、３相交流電源９に回生される。
しかし、最大の電流が流れる相の電流が規定値（第１記憶部１１７が記憶している規定値１）以上の場合には、コンバータゲート制御部１２３は、回生を行わないように制御する。さらに、回生制御部１２４は、回生抵抗部１９にモータ３から回生される電流を流すように制御する。
そうすると、モータ３が回生した電流は、回生抵抗１９ｂにより熱として消費される。
これによって、最大の電流が流れる相の電流が規定値を超えない制御が可能となる。

次に、図４を用いて、効果を説明する。なお、Ｒ相が最大の電流が流れる相となっている場合を想定して説明する。
図４のように、ｃ時点までは、Ｒ相を流れている電流が所定値に達していない為、コンバータ１３に流れる電流は制限されていない。
しかし、ｃ時点において、Ｒ相を流れている電流が所定値に達した為、コンバータゲート制御部１２３は、コンバータ１３による３相交流電源９への回生を停止する。同時に、
回生抵抗部１９に電流が流れるように回生制御部１２４が制御を行う。これによって、Ｒ相へ流れる電流が低下する。この、回生制御部１２４による、回生抵抗部１９へ回生された電流を流すのは所定時間（図４においては、回生抵抗用ＩＧＢＴ制御信号の１パルスの間）継続される。
そして、所定時間経過したｄ時点において回生の制限が解除される。これによって、再度、Ｒ相の電流が上昇する。そして、これが繰り返される。この処理は電流の値によって行ってもよい。

このような制御を行うため、力行時のみならず、回生時にも、モータ３の運転を停止させずに運転を継続させることが可能となる。
そして、モータ３の運転が停止されないということは、モータ３を使用する各種の機械の運転が停止されないことを意味する。
また、最大電流算出部１１１は、最大の電流を流している相の電流を選択するため、３相を流れる電流が不均衡である場合でも、コンバータ１３を流れる電流を制限することが可能となる。それによって、３相を流れる電流が不均衡な場合であっても、機械を停止させることなく、コンバータ１３を保護することが可能となる。

＜実施形態の構成及び効果＞
本実施形態のモータ制御装置１は、３相交流電源９に電気的に接続されるコンバータ１３と、コンバータ１３、及び、モータ３に電気的に接続されるインバータ１５と、３相交流電源９とコンバータ１３との間を流れる電流を検出し、インバータ１５を制御する制御部１１と、を有し、制御部１１は、３相を流れている電流値に基づいて、３相の電流のうち最大の電流値の相を流れる電流値が、ゼロとならない範囲で所定値以下となるように制御する。
このような構成を有することから、電源不平衡時にできるだけ機械を停止させる事なくコンバータを保護する事のできるモータ制御装置１を提供することが可能となる。
また、３相交流電源９に接続されるコンバータ１３の半導体（パワートランジスタ）を保護することが可能となる。

また、制御部１１は、モータ３の速度指令の変化率を制限することによって、３相の電流のうち最大の電流値の相を流れる電流値が所定値以下となるように制御する。
このような構成を有することから、モータ３の回転を維持しつつ、コンバータ１３の半導体（パワートランジスタ）を保護することが可能となる。

また、コンバータ１３とインバータ１５とを接続した回路中に回生抵抗部１９を有し、制御部１１は、回生時に、３相の電流のうち最大の電流値の相を流れる電流値が所定値以上になった場合に、コンバータ１３から３相交流電源への接続を遮断し、回生抵抗部１９に電流を流す。
このような構成を有することから、回生時にも、モータ３の回転を維持しつつ、コンバータ１３の半導体（パワートランジスタ）を保護することが可能となる。

また、制御部１１は、３相の電流のうち最大の電流値の相を流れる電流値と３相全ての電流の平均値とのアンバランス量を算出し、アンバランス量に基づき、インバータ１５の運転を制限する。
このような構成を有することから、３相を流れる電流にアンバランスが生じていても、これを抑制しつつ、運転を継続することが可能となる。

また、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、様々な変化した構造、構成、制御を行っていても良い。
例えば、制御部１１での制御は、プログラムによって制御してもよい。
また、検出部１１０は、３相を流れている電流値を全て検出しても良い。また、２相を流れている電流値を検出する検出部１１０を有し、他の１相の電流値は計算によって算出してもよい。
本発明のコンバータは、交流を直流に変換可能なものであればどのようなものであっても良い。
本発明のインバータは、直流を交流に変換可能であり、その電力が最終的にモータを駆動可能なものであればどのようなものであってもよい。

１ モータ制御装置
３ モータ
５ エンコーダ
７ コントローラ
９ ３相交流電源
１１ 制御部
１３ コンバータ
１５ インバータ
１７ 電解コンデンサ
１９ 回生抵抗部
１９ａ 回生半導体
１９ｂ 回生抵抗
１１０ 検出部
１１１ 最大電流算出部
１１２ 第１比較部
１１３ 速度指令変化率制限部
１１４ 速度制御部
１１５ トルク制御部
１１６ ゲート制御部
１１７ 第１記憶部
１１８ 加速度検出部
１１９ 速度検出部
１２０ 力行／回生変更部
１２１ 回生スイッチ
１２２ 力行スイッチ
１２３ コンバータゲート制御部
１２４ 回生制御部
１３１ セレクタ部
１３２ 平均化部
１３３ａ Ｒ実効値算出部
１３３ｂ Ｓ実効値算出部
１３３ｃ Ｔ実効値算出部
１３４ アンバランス補償量算出部
１３５ 乗算部
１３６ 積算部
１３７ 第２比較部
１３８ 第２記憶部
１３９ 第３比較部
１４０ 第３記憶部
１５０ 位相検出部

Claims (1)

1. ３相交流電源に電気的に接続されるコンバータと、
   前記コンバータ、及び、モータに電気的に接続されるインバータと、
   前記３相交流電源と前記コンバータとの間を流れる電流を検出し、前記インバータを制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、前記３相交流電源と前記コンバータとの間を流れている電流値に基づいて前記インバータを制御するための前記モータの速度指令の変化率を制限することにより、前記３相交流電源と前記コンバータとの間を流れている電流のうち最大の電流値の相を流れる電流値の絶対値を、ゼロとならない範囲で前記制限をしない場合よりも小さくなるように制御する
   モータ制御装置。

Images