JP5887389B1 - 蓄電装置に接続されるモータ駆動用のｐｗｍ整流器 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの加減速時の電力ピークを抑制し電源側の電源設備容量を低減するモータ駆動用ＰＷＭ整流器を実現する。【解決手段】ＰＷＭ整流器１は、ＰＷＭ制御信号に基づき交直両方向に電力変換を行う主回路部１１と、主回路部１１の直流電圧値を直流電圧指令に一致させる電流指令を生成する直流電圧ループ制御部５１と、電流指令の絶対値が制限値を超えた場合は制限値、それ以外の場合は電流指令、を最終電流指令とする電流指令制限部５２と、最終電流指令に制限値が設定された場合は飽和状態、それ以外の場合は非飽和状態と判定する直流電圧ループ飽和判定部５３と、非飽和状態の場合は直流電圧指令を維持、飽和状態の場合は非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最小値又は最大値にオフセットを加えた値に直流電圧指令を変更する直流電圧指令計算部５４と、最終電流指令からＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭ制御信号生成部５５とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＷＭ信号を用いてスイッチング素子を制御して三相交流電力を直流電力に変換するモータ駆動用のＰＷＭ整流器に関し、特に、直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力との間で電力変換を行う逆変換器の直流側に、直流電力を蓄積し得る蓄電装置を介して接続されるＰＷＭ整流器に関する。

工作機械、産業機械、鍛圧機械、射出成形機、あるいは各種ロボット内のモータを駆動するモータ駆動装置においては、交流電源側から入力された交流電力を直流電力に一旦変換したのちさらに交流電力に変換し、この交流電力を駆動軸ごとに設けられたモータの駆動電力として用いている。モータ駆動装置は、商用三相交流電源のある交流電源側から供給された交流電力を整流して直流電力を出力する整流器と、整流器の直流側である直流リンクに接続され、直流リンクの直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力とを相互電力変換する逆変換器と、を備え、当該逆変換器の交流側に接続されたモータの速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御する。

モータ駆動装置でモータを加速もしくは減速制御する際には、交流電源に対して大きな交流電力の出力もしくは回生が要求されるので電力ピークが発生する。そこで、モータ駆動装置に電力を供給する交流電源側の電源設備容量はこのモータの加減速時に発生する電力ピークを考慮して設計されるのが一般的である。しかしながら、モータの加減速時に発生する電力ピークを考慮した設計によると、単純にモータ駆動装置の平均電力を考慮して設計した場合に比べ、電源設備容量は大きなものとならざるを得ない。特にモータを急加速、急減速させる機会の多いモータ駆動装置においては、電源設備容量は、より大きなものとなる。電源設備容量が大きくなるほど設置コストおよび運用コストが増大するので、電源設備容量を低減するのが望ましい。

電源設備容量を低減するために、交流電力を直流電力に変換する力行動作（順変換動作）および直流電力を交流電力に変換する回生動作（逆変換動作）を行うことができるＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）整流器と、ＰＷＭ整流器の直流側に並列に接続され、直流電力を蓄積し得る蓄電装置と、がモータ駆動装置に設けられることがある。これによれば、ＰＷＭ整流器による交流電力を直流電力に変換する力行動作（順変換動作）および直流電力を交流電力に変換する回生動作（逆変換動作）において各電力変換量を適宜制御することにより、モータの減速時にモータから発生する回生電力を蓄電装置に蓄積させたり、蓄積した電力をモータの加速時に再利用したりすることができるので、電源設備容量を低減することができる。

図１０は、ＰＷＭ整流器を有する一般的なモータ駆動装置の構成を示す図である。以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。モータ駆動装置１００は、商用三相交流電源（以下、単に「交流電源」と称することがある。）４からの交流電力を直流電力に変換するＰＷＭ整流器１０と、ＰＷＭ整流器１０から出力された直流電力をモータ３の駆動電力として供給される所望の周波数の交流電力に変換しまたはモータ３から回生される交流電力を直流電力に変換する逆変換器２と、を備え、当該逆変換器２の交流側に接続されたモータ３の速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御する。ＰＷＭ整流器１０の三相交流入力側には交流リアクトル５が接続される。

逆変換器２は、複数の駆動軸に対応してそれぞれ設けられる各モータ３に個別に駆動電力を供給してモータ３を駆動制御するためにモータ３の個数と同数個設けられる。なお、図示の例では、モータ３の個数を１個としており、したがって、この場合、逆変換器２の個数も１個である。一方、ＰＷＭ整流器１０は、モータ駆動装置１００のコストや占有スペースを低減する目的で、複数の逆変換器２に対して１個が設けられることが多い。

ＰＷＭ整流器１０は、スイッチング素子およびこれに逆並列に接続されたダイオードのブリッジ回路からなる主回路部１１と、主回路部１１内のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭ整流器制御部１２とで構成される。モータ駆動装置１００の制御によりモータ３を減速させる際には、モータ３にて回生電力が発生するが、この回生電力については逆変換器２を経てＰＷＭ整流器１０へ戻すことができる。ＰＷＭ整流器１０は、その内部のスイッチング素子のスイッチング動作がＰＷＭ制御信号により制御されて直流電力を交流電力に変換する回生動作（逆変換動作）を行い、逆変換器２から戻された回生エネルギーを交流電源４側へ戻すことができる。

ＰＷＭ整流器１０内のＰＷＭ整流器制御部１２では、交流電圧検出部２１により検出された交流電源４側の交流電圧値と、交流電流検出部２２により検出された交流電源４側の交流電流値と、直流電圧検出部２３により検出された蓄電装置６の直流電圧値（ＰＷＭ整流器１０の主回路部１１と逆変換器２との間にある直流リンクの直流電圧値）とから、ＰＷＭ制御信号を生成する。ＰＷＭ制御信号は、ＰＷＭ整流器１０の主回路部１１に力率１の交流電力を発生させるとともにＰＷＭ整流器１０の出力である直流電圧値を所望の値に保つようにするために生成され、ＰＷＭ整流器１０の主回路部１１内のスイッチング素子に印加される。

図１１は、図１０に示すＰＷＭ整流器制御部の構成を説明するブロック図である。ＰＷＭ整流器制御部１２は、直流電圧ループ制御部３１と、電源位相演算部３２と、３相ＤＱ変換部３３と、電流ループ制御部３４と、ＤＱ３相変換部３５と、ＰＷＭ変調部３６とを備える。

直流電圧ループ制御部３１は、直流電圧検出部２３により検出された直流電圧値と入力された直流電圧指令とに基づいて、直流電圧値を直流電圧指令に一致させるような電流指令を生成する。なお、ＰＷＭ整流器１０においては、一般的には、直流電圧指令は固定値が用いられる。交流電圧検出部２１により検出された交流電圧値から電源位相演算部３２により電源位相が演算され、３相ＤＱ変換部３３はこの電源位相を用いて、交流電流検出部２２により検出された３相の交流電流値をＤＱ座標平面上の電流値（以下、「ＤＱ相電流値」と称する）に変換する。電流ループ制御部３４は、ＤＱ相電流値を電流指令に一致させるようなＤＱ座標平面上の電圧指令（以下、「ＤＱ相電圧指令」と称する。）を生成する。ＤＱ３相変換部３５は、電源位相を用いてＤＱ相電圧指令を３相の電圧指令（以下、「３相電圧指令」と称する。）に変換する。ＰＷＭ変調部３６は、３相電圧指令と所定のキャリア周波数の三角波キャリア信号とを比較し、ＰＷＭ整流器１０の主回路部１１内の半導体スイッチング素子のスイッチング動作を制御するためのＰＷＭ制御信号を生成する。これにより、ＰＷＭ整流器１０の主回路部１１においては、内部のスイッチング素子のスイッチング動作がＰＷＭ制御信号により制御され、力行動作もしくは回生動作が行われる。

図１２は、図１１に示す直流電圧ループ制御部の構成を説明するブロック図である。直流電圧ループ制御部３１は、減算器４１と、ＰＩ制御部４２と、電流指令制限部４３とを備える。直流電圧ループ制御部３１が生成する電流指令の絶対値には、一般に、ＰＷＭ整流器１１内のスイッチング素子などの定格電流に応じて上限値が定められている。電流指令制限部４３は電流指令の大きさが上限値以上の場合、当該電流指令を上限値でクランプする。また例えば、電源設備容量を低減したい場合には、電流指令制限部４３における電流指令の制限値を電源設備容量に応じてさらに低い値に設定することが行われる。以下、電流指令が制限値に達した状態を「直流電圧ループ制御部の飽和状態」と称する。直流電圧ループ制御部が飽和状態にあるときは、電流指令は制限値にクランプされているので、ＰＷＭ整流器１０からは一定振幅の直流電力が常に出力されることになり、直流電圧を直流電圧指令に追従させることはできない。このため、ＰＷＭ整流器１０が力行状態であれば直流電圧値が下降し、回生状態であれば直流電圧値が上昇することになる。

減算器４１により求められた直流電圧指令と直流電圧値との差分を、ＰＩ制御部４２により比例積分制御（ＰＩ制御）し、電流指令を作成する。電流指令制限部４３では電流指令の大きさが上限値以上の場合、当該電流指令を上限値でクランプする。

上述のようなＰＷＭ整流器１０を有するモータ駆動装置１００では、モータ３の力行時にＰＷＭ整流器１０の直流電圧指令を予め下げておくことにより、モータ３の減速時に発生する回生エネルギーを交流電源側に戻すことなく蓄電装置６に蓄え、次回のモータ３の力行時に使用することで効率を高め、電源設備容量を低減している。

例えば、ＰＷＭ整流器の電流を所定の電流制限値内に制御することで、交流電源から供給される交流電力のピークを抑制する方法がある（例えば、特許文献１参照。）。

図１３は、特許文献１（特開２０００−２３６６７９号公報）に記載されたモータ駆動装置の動作を模式的に示すタイミングチャートである。ここでは、特許文献１に記載された方法に従い図１０〜図１２に示されたモータ駆動装置１００を動作させて、モータ３を停止、加速、一定速、減速、停止の順に動作させる場合について説明する。なお、図１３では、それぞれ上段から、「モータ速度」、「モータ出力」、「整流器出力」、「直流電圧指令および直流電圧値」を示している。また、直流電圧指令は破線で示す。

まず、時刻ｔ０から時刻ｔ１までモータ停止状態にある間、ＰＷＭ整流器１０のＰＷＭ整流器制御部１２は、蓄電装置６の直流電圧値を直流電圧指令に一致させるように制御する。

時刻ｔ１にてモータ３の加速を開始すると、時刻ｔ２まではモータ３の加速に必要なエネルギーは全て、ＰＷＭ整流器１０を介して交流電源４側から供給される。その後、時刻ｔ２にてモータ３の加速に必要なエネルギーが制限値に達すると、ＰＷＭ整流器１０を介して交流電源４側から供給されるエネルギーだけでは足りなくなるので、時刻ｔ２において蓄電装置６からのモータ３へのエネルギー供給が開始される。このため時刻ｔ２から時刻ｔ３の間は直流電圧値（蓄電装置６の電位）は下降する。制限値は、ＰＷＭ整流器１０の出力がモータ最大出力未満の値となるような値に設定する。

時刻ｔ３にてモータ３の加速をやめて一定速で運転すると、モータ３の駆動に必要なエネルギーはＰＷＭ整流器１０が出力するエネルギーよりも小さくて済むので、時刻ｔ３からは直流電圧値（蓄電装置６の電位）は上昇に転じる。そして、時刻ｔ４にて直流電圧値は直流電圧指令の値まで戻る。時刻ｔ４から時刻ｔ５までは、直流電圧値は直流電流指令に追従して一定となり、モータ３の一定速運転に必要なエネルギーは全て、ＰＷＭ整流器１０を介して交流電源４側から供給される状態となる。

時刻ｔ５にてモータ３の減速を開始すると、モータ３から逆変換器２へ回生エネルギーが戻される。逆変換器２は回生エネルギーを直流電力へ変換し、直流リンク側へ戻す。このとき、ＰＷＭ整流器１０も回生動作を行うが、回生エネルギー由来の直流電力の絶対値は、ＰＷＭ整流器１０の出力の制限値の絶対値よりも大きいため、蓄電装置６に直流電力が蓄積されて直流電圧値（蓄電装置６の電位）は上昇する。時刻ｔ６にてモータ３からの回生電力の絶対値がＰＷＭ整流器１０の出力の制限値の絶対値よりも小さくなると、時刻ｔ６から時刻ｔ７の間は直流電圧値（蓄電装置６の電位）は下降する。

時刻ｔ７にてモータ３が停止しても、直流電圧値（蓄電装置６の電位）は直流電圧指令の値に達していないので、ＰＷＭ整流器１０は直流電圧値（蓄電装置６の電位）が直流電圧指令に達するまで交流電源４側にエネルギーを戻す。そして、時刻８にて直流電圧値は直流電圧指令の値まで戻る。時刻ｔ８以降は、ＰＷＭ整流器１０は、直流電圧値を直流電圧指令に一致させるように制御する。

また例えば、モータの加速時に直流電圧指令を除々に下げ、モータの減速時に直流電圧指令を除々に上げることによりモータの回生エネルギーを蓄電装置に蓄えるようにすることで、交流電源から供給される交流電力を抑制する方法がある（例えば、特許文献２参照。）。

また例えば、モータの運転パターン毎に最適な直流電圧指令を設定してモータの回生エネルギーを蓄電装置に蓄えるようにすることで、交流電源から供給される交流電力を抑制する方法がある（例えば、特許文献３参照。）。

図１４は、特許文献２（特開２０１２−０８５５１２号公報）および特許文献３（特開２０１０−２６００９４号公報）に記載されたモータ駆動装置の動作を模式的に示すタイミングチャートである。ここでは、特許文献２もしくは特許文献３に記載された方法に従い図１０〜図１２に示されたモータ駆動装置１００を動作させて、モータ３を停止、加速、一定速、減速、停止の順に動作させる場合について説明する。なお、図１４では、それぞれ上段から、「モータ速度」、「モータ出力」、「整流器出力」、「直流電圧指令および直流電圧値」を示している。また、直流電圧指令は破線で示す。

時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間はモータ３を停止し、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの間はモータ３を加速させ、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間はモータ３を一定速で運転し、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間はモータを減速させ、時刻ｔ５から時刻ｔ７の間はモータを停止するような運転パターンにおいて、一例として図示のような直流電圧指令を設定してモータ３の回生エネルギーを蓄電装置に蓄えるようにした場合について説明する。具体的には、モータ３の加速時にはＰＷＭ整流器１０の直流電圧指令を下げることにより、蓄電装置６に蓄積されたエネルギーを放電させてモータ３に供給し、モータ３の減速時にはＰＷＭ整流器１０の直流電圧指令を上げることにより、モータ３で発生する回生エネルギーを電源に戻すことなく蓄電装置６に蓄えるようにする。

まず、時刻ｔ０から時刻ｔ１までモータ停止状態にある間、ＰＷＭ整流器１０のＰＷＭ整流器制御部１２は、蓄電装置６の直流電圧値を直流指令に一致させるように制御する。

時刻ｔ１にてモータ３の加速を開始すると、時刻ｔ２まではモータ３の加速に必要なエネルギーは全て、ＰＷＭ整流器１０を介して交流電源４側から供給される。その後、時刻ｔ２にてモータ３の加速に必要なエネルギーが制限値に達すると、ＰＷＭ整流器１０を介して交流電源４側から供給されるエネルギーだけでは足りなくなるので、時刻ｔ２において直流電圧指令を低下させることで、蓄電装置６からもモータ３へエネルギーが供給するように制御する。このため時刻ｔ２から時刻ｔ３の間は直流電圧指令の低下に合わせて直流電圧値（蓄電装置６の電位）は下降する。

時刻ｔ３にてモータ３の加速をやめて一定速で運転したとき、モータ３の駆動に必要なエネルギーは、ＰＷＭ整流器１０が出力するエネルギーよりも小さくなる。図示の例では、蓄電装置６に蓄積されたエネルギーを有効に利用するため、直流電圧指令を、時刻ｔ２から時刻ｔ３のモータ減速時よりは小さい割合で低下させ、蓄電装置６からモータ３へのエネルギー供給を継続する。このため、時刻ｔ３から時刻ｔ４までは、モータ３の一定速運転に必要なエネルギーは、ＰＷＭ整流器１０を介して交流電源４側から供給されるエネルギーと蓄電装置６からのエネルギーとで賄われる。

時刻ｔ４にてモータ３の減速を開始すると、モータ３から逆変換器２へ回生エネルギーが戻される。逆変換器２は回生エネルギーを直流電力へ変換し、直流リンク側へ戻す。このとき、ＰＷＭ整流器１０の電力変換動作は停止させ、かつ直流電圧指令は上昇させるように制御することで、回生エネルギー由来の直流電力を蓄電装置６に蓄積させる。したがって、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間は、蓄電装置６に直流電力が蓄積されて直流電圧値（蓄電装置６の電位）は上昇する。

時刻ｔ５にてモータ３が停止したとき、ＰＷＭ整流器１０は、直流電圧値を、一定に維持した直流電圧指令に一致させるように制御する。ＰＷＭ整流器１０の内部抵抗等により蓄電装置６に蓄積されたエネルギーは消費されるので、ＰＷＭ整流器１０は、直流電圧値を直流電圧指令に一致させるように制御して、交流電源４側からの交流電力を直流電力に変換してその消費分を補うだけのエネルギーを賄う。

特開２０００−２３６６７９号公報 特開２０１２−０８５５１２号公報 特開２０１０−２６００９４号公報

上述のように、モータを加速もしくは減速する際に発生する電力ピークに対応しようとうすると交流電源側の電源設備容量は大きくなりがちである。

特許文献１（特開２０００−２３６６７９号公報）に記載された発明によれば、ＰＷＭ整流器の出力に上限を設けることでＰＷＭ整流器がから供給するエネルギーのピークを抑制することができる。しかしながら、直流電圧指令は常に一定であることから、ＰＷＭ整流器はモータの加速終了後も交流電源側から直流リンクへエネルギーを供給し続けることになり、このため蓄電装置はモータ加速前の状態にまで充電されるので、モータの減速時に発生する回生エネルギーを蓄電装置に貯めることができず、交流電源側に当該回生エネルギーを戻すかあるいは直流リンク内の放電抵抗（図示せず）で消費しなければならない。このように、特許文献１（特開２０００−２３６６７９号公報）に記載された発明では、モータの減速時に発生した回生電力を、次のモータの始動に有効に再利用することができず、電源設備容量をあまり低減することができない。

また、特許文献２（特開２０１２−０８５５１２号公報）および特許文献３（特開２０１０−２６００９４号公報）に記載された発明によれば、モータ減速時にはＰＷＭ整流器の直流電圧指令を上げることによりモータで発生する回生エネルギーを電源に戻すことなく蓄電装置に蓄え、モータ加速時にはＰＷＭ整流器の直流電圧指令を下げることにより蓄電装置に蓄積されたエネルギーを放電させてモータの加速に再利用することで、モータの加減速の際に発生する電力ピークに抑制し、交流電源側の電源設備容量を低減している。しかしながら、モータの運転パターン毎に直流電圧指令を試行錯誤的に設定しなければならず、実用的とはいえない。

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、モータの加減速時に発生する電力ピークを抑制し、交流電源側の電源設備容量を低減できる、モータ駆動用のＰＷＭ整流器を提供することにある。

上記目的を実現するために、本発明においては、直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力との間で電力変換を行う逆変換器の直流側に、直流電力を蓄積し得る蓄電装置を介して接続されるＰＷＭ整流器は、受信したＰＷＭ制御信号に基づきスイッチング素子のスイッチング動作がＰＷＭ制御されて交流電源側の交流電力と直流側の直流電力との間で電力変換を行う主回路部と、主回路部の直流側の直流電圧値を、受信した直流電圧指令に一致させる電流指令を生成する直流電圧ループ制御部と、電流指令の絶対値が所定の制限値を超えた場合は制限値を、それ以外の場合は電流指令を、最終電流指令として設定する電流指令制限部と、電流指令制限部が制限値を最終電流指令として設定した場合は直流電圧ループ制御部は飽和状態にあると判定し、それ以外の場合は非飽和状態にあると判定する直流電圧ループ飽和判定部と、直流電圧ループ飽和判定部が非飽和状態と判定した場合は、直流電圧指令を維持し、直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定した場合は、直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最小値もしくは最大値に所定のオフセットを加えた値に変更する直流電圧指令計算部と、最終電流指令を用いてＰＷＭ制御信号を生成して主回路部へ出力するＰＷＭ制御信号生成部と、を備える。

ここで、ＰＷＭ整流器は、最終電流指令が正の場合は主回路部は力行状態にあると判定し、最終電流指令が負の場合は主回路部は回生状態にあると判定する動作状態判定部を備え、直流電圧指令計算部は、直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定しかつ動作状態判定部が力行状態と判定した場合に、直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最小値に所定の正のオフセットを加えた値に変更する。

また、ＰＷＭ整流器は、最終電流指令が正の場合は主回路部は力行状態にあると判定し、最終電流指令が負の場合は主回路部は回生状態にあると判定する動作状態判定部と、直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定しかつ動作状態判定部が回生状態と判定した場合に、主回路部によるスイッチング動作の停止を指令するＰＷＭ動作停止指令部と、を備え、直流電圧指令計算部は、直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定しかつ動作状態判定部が回生状態と判定した場合に、直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最大値に所定の負のオフセットを加えた値に変更する。

ＰＷＭ動作停止指令部は、直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定しかつ動作状態判定部が回生状態と判定した場合において、さらに直流電圧値が所定の値を超えた場合は、主回路部によるスイッチング動作の停止を解除するようにしてもよい。

電流指令制限部は、直流電圧値が第１の閾値を超えた場合もしくは第１の閾値よりも小さい第２の閾値を下回った場合は、制限値をより大きい値の制限値に変更し、上記より大きな値の制限値への変更後に直流電圧値が第１の閾値と第２の閾値との間の範囲に収まった場合は、上記の変更前の制限値に戻す制限値変更部を有するようにしてもよい。

直流電圧指令計算部は、上位制御装置から入力された初期化指令に応じて、直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定した際に変更した直流電圧指令を、上記の変更前の直流電圧指令に設定し戻すようにしてもよい。

上記の変更前の直流電圧指令は、ＰＷＭ整流器を構成する部品が有する連続定格値よりも大きくかつ短時間定格値よりも小さい値に設定してもよい。

直流電圧指令計算部は、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最小値および最大値を抽出する抽出部を有するようにしてもよい。

本発明によれば、モータの加減速時に発生する電力ピークを抑制し、交流電源側の電源設備容量を低減できる、モータ駆動用のＰＷＭ整流器を実現することができる。

本発明の第１の実施例によれば、ＰＷＭ整流器の主回路部の出力の制限値がモータの最大出力未満となるような値に設定することで、ＰＷＭ整流器（電源）から供給するエネルギーのピークを制限するとともに、さらには、直流電圧ループ飽和判定部により飽和状態と判定されかつ動作状態判定部により回生状態と判定されたときに、ＰＷＭ整流器の回生動作を停止してモータからの回生電力に起因する直流電力を商用三相交流電源側へ戻さずに蓄電装置へ蓄積し、この蓄積されたエネルギーをモータの次回の加速に利用するので、従来例に比べて、効率の良い運転が実現可能であり、電源設備容量を大幅に低減することができる。

また、本発明の第１の実施例によれば、直流電圧ループ制御部が飽和状態になった場合は、直流電圧検出部によって検出した直流電圧値に基づいて直流電圧指令が設定されるので、特許文献２（特開２０１２−０８５５１２号公報）および特許文献３（特開２０１０−２６００９４号公報）に記載された発明のようにモータの運転パターン毎に直流電圧指令を試行錯誤的に設定する手間を省くことができ、効率的である。

また、本発明の第２の実施例によれば、モータの減速時により生じる回生エネルギーが蓄電装置の蓄電可能容量を超えて蓄電装置が充電しきれなくなったときにはＰＷＭ整流器の回生動作を再開させるので、上述の第１の実施例による効果に加え、蓄電装置が有する耐圧を超える事態を回避することができるという効果をさらに奏する。

また、本発明の第３の実施例によれば、モータの加速時に直流電圧値（蓄電装置の電位）が想定以上に下降したり、モータの減速時に直流電圧値（蓄電装置の電位）が想定以上に上昇した場合に、当初設定されていた制限値をより大きな値に変更するので、上述の第１および第２の実施例による効果に加え、直流電圧値（蓄電装置６の電位）を正常な範囲に収めることができるという効果をさらに奏する。

また、本発明の第４の実施例によれば、上位制御装置から入力された初期化指令に応じて、直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定した際に変更した直流電圧指令を、変更前の直流電圧指令に設定し戻すので、蓄電装置が取り得る電位をＰＷＭ整流器を構成する部品の耐圧の範囲内に収めることができるので、上述の第１〜第３の実施例による効果に加え、蓄電装置の容量を小さくすることができるという効果をさらに奏する。

本発明の第１の実施例によるＰＷＭ整流器の原理ブロック図である。 図１に示すＰＷＭ整流器の動作を示すタイミングチャートである。 直流電圧ループ制御部が飽和状態にありかつＰＷＭ整流器が力行状態にある場合における直流電圧指令計算部による直流電圧指令の設定を説明する図である。 直流電圧ループ制御部が飽和状態にありかつＰＷＭ整流器が回生状態にある場合における直流電圧指令計算部による直流電圧指令の設定を説明する図である。 本発明の第２の実施例によるＰＷＭ整流器の原理ブロック図である。 図５に示すＰＷＭ整流器の動作を模式的に示すタイミングチャートである。 本発明の第３の実施例によるＰＷＭ整流器の原理ブロック図である。 図７に示すＰＷＭ整流器の動作を模式的に示すタイミングチャートである。 本発明の第４の実施例によるＰＷＭ整流器の原理ブロック図である。 一般的なモータ駆動装置の構成を示す図である。 図１０に示すＰＷＭ整流器制御部の構成を説明するブロック図である。 図１１に示す直流電圧ループ制御部の構成を説明するブロック図である。 特許文献１（特開２０００−２３６６７９号公報）に記載されたモータ駆動装置の動作を模式的に示すタイミングチャートである。 特許文献２（特開２０１２−０８５５１２号公報）および特許文献３（特開２０１０−２６００９４号公報）に記載されたモータ駆動装置の動作を模式的に示すタイミングチャートである。

図１は、本発明の第１の実施例によるＰＷＭ整流器の原理ブロック図である。モータ駆動装置１００の三相交流入力側には交流リアクトル５を介して商用三相交流電源４が接続され、モータ駆動装置１００の交流出力モータ側には三相のモータ３が接続される。モータ駆動装置１００は、本発明の第１の実施例によるＰＷＭ整流器１と、ＰＷＭ整流器１の直流側である直流リンクに設けられる蓄電装置６と、直流側には蓄電装置６が接続され、交流側には三相のモータ３が接続される逆変換器２と、を備える。

なお、本実施例も含め以下の実施例では、いずれも１個のモータ３を駆動制御するモータ駆動装置１００について説明するが、駆動制御するモータ３の個数は、本発明を特に限定するものではなく、複数個のモータ３を駆動制御するモータ駆動装置にも適用可能である。また、モータ駆動装置１００によって駆動されるモータ３の種類についても本発明を特に限定するものではなく、例えば誘導モータであっても同期モータであってもよい。また、逆変換器２の種類についても本発明を特に限定するものではなく、直流リンクにおける直流電力とモータ３の駆動電力もしくは回生電力である交流電力とを相互電力変換するものであればどのようなものであってもよい。例えば、逆変換器２は、内部にスイッチング素子を有するＰＷＭインバータとして構成され、直流リンク側から供給される直流電力を、上位制御装置から受信したモータ駆動指令に基づき内部のスイッチング素子をスイッチング動作させ、モータ３を駆動するための所望の電圧および所望の周波数の三相交流電力に変換する。モータ３は、供給された電圧可変および周波数可変の三相交流電力に基づいて動作することになる。また、モータ３の制動時には回生電力が発生するが、上位制御装置から受信したモータ駆動指令に基づき、モータ３で発生した回生電力である交流電力を、直流電力へ変換して直流リンクへ戻す。

ＰＷＭ整流器１は、モータ制御装置１００において、直流電力とモータ３の駆動電力もしくは回生電力である交流電力との間で電力変換を行う逆変換器２の直流側に、直流電力を蓄積し得る蓄電装置６を介して接続される。本発明の第１の実施例によるＰＷＭ整流器１は、主回路部１１と、直流電圧ループ制御部５１と、電流指令制限部５２と、直流電圧ループ飽和判定部５３と、直流電圧指令計算部５４と、ＰＷＭ制御信号生成部５５と、動作状態判定部５６と、ＰＷＭ動作停止指令部５７と、を備える。

交流電源側から入力された交流電力を直流電力に一旦変換したのちさらに交流電力に変換してこれをモータの駆動電力として用いるモータ駆動装置１００では交流電源側の交流電圧値および交流電流値ならびに直流リンクにおける直流電圧値をモータ３の駆動制御に用いるので、モータ駆動装置１００にはこれらを検出する交流電圧検出部２１、交流電流検出部２２および直流電圧検出部２３が一般的に設けられている。本発明の第１の実施例によるＰＷＭ整流器１では、後述するように、交流電圧検出部２１が検出した交流電圧値、交流電流検出部２２が検出した交流電流値および直流電圧検出部２３が検出した直流電圧値をその制御に用いる。

主回路部１１は、スイッチング素子およびこれに逆並列に接続されたダイオードのブリッジ回路からなり、ＰＷＭ制御信号生成部５５から受信したＰＷＭ制御信号に基づきスイッチング素子のスイッチング動作がＰＷＭ制御されることで、交流電源４側の交流電力と直流側の直流電力との間で電力変換を行う。すなわち、受信したＰＷＭ制御信号に従い、交流電力を直流電力に変換する力行動作（順変換動作）および直流電力を交流電力に変換する回生動作（逆変換動作）のいずれかを行う。スイッチング素子の例としては、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−ＯＦＦ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ゲートターンオフサイリスタ）、トランジスタなどがあるが、スイッチング素子の種類自体は本発明を限定するものではなく、その他の半導体素子であってもよい。

直流電圧ループ制御部５１は、直流電圧検出部２３により検出された主回路部１１の直流側の直流電圧値を、受信した直流電圧指令に一致させるような電流指令を生成する。

電流指令制限部５２は、電流指令の絶対値が所定の制限値を超えた場合は制限値を、それ以外の場合は電流指令を、最終電流指令として設定する。電流指令制限部５２による処理に用いられる上記制限値は、ＰＷＭ整流器１の主回路部１１の出力の制限値に対応するものである。電流指令制限部５２による処理に用いられる上記制限値は、主回路部１１の出力の制限値がモータ３の最大出力未満となるような値に設定される。この制限値により、ＰＷＭ整流器１（電源）から供給するエネルギーのピークを制限することができる。電流指令制限部５２の動作の詳細については後述する。

直流電圧ループ飽和判定部５３は、電流指令制限部５２が制限値を最終電流指令として設定した場合は、直流電圧ループ制御部５１は飽和状態にあると判定し、それ以外の場合は直流電圧ループ制御部５１は非飽和状態にあると判定する。直流電圧ループ飽和判定部５３の動作の詳細については後述する。

直流電圧指令計算部５４は、「直流電圧ループ制御部５１は非飽和状態にある」と直流電圧ループ飽和判定部５３が判定した場合は、直流電圧指令を維持する。また、直流電圧指令計算部５４は、「直流電圧ループ制御部５１は飽和状態にある」と直流電圧ループ飽和判定部５３が判定した場合は、直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最小値もしくは最大値に所定のオフセットを加えた値に変更する。なお、直流電圧指令計算部５４は、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最小値および最大値を抽出する抽出部（図示せず）を有する。直流電圧指令計算部５４の動作の詳細については後述する。

ＰＷＭ制御信号生成部５５は、最終電流指令と所定のキャリア周波数の三角波キャリア信号とを比較し、ＰＷＭ整流器１の主回路部１１内のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するためのＰＷＭ制御信号を生成し、これを主回路部１１へ出力する。ＰＷＭ制御信号は、ＰＷＭ整流器１の主回路部１１に力率１の交流電力を発生させるとともにＰＷＭ整流器１の出力である直流電圧値を所望の値に保つようにするために生成され、ＰＷＭ整流器１の主回路部１１内のスイッチング素子に印加される。これにより、主回路部１１は、受信したＰＷＭ制御信号に従い、交流電力を直流電力に変換する力行動作（順変換動作）および直流電力を交流電力に変換する回生動作（逆変換動作）のいずれかを行う。なお、ＰＷＭ制御信号の生成の際には、図１１を参照して説明したようにＤＱ座標変換処理が用いられる。

動作状態判定部５６は、最終電流指令が正の場合は主回路部１１は力行状態にあると判定し、最終電流指令が負の場合は主回路部１１は回生状態にあると判定する。

ＰＷＭ動作停止指令部５７は、直流電圧ループ飽和判定部５３が飽和状態と判定しかつ動作状態判定部５６が回生状態と判定した場合に、主回路部１１によるスイッチング動作の停止を指令する。

続いて、図１に示すＰＷＭ整流器の動作について図２〜図４を参照して説明する。図２は、図１に示すＰＷＭ整流器の動作を模式的に示すタイミングチャートである。また、図３は、直流電圧ループ制御部が飽和状態にありかつＰＷＭ整流器が力行状態にある場合における直流電圧指令計算部による直流電圧指令の設定を説明する図である。また、図４は、直流電圧ループ制御部が飽和状態にありかつＰＷＭ整流器が回生状態にある場合における直流電圧指令計算部による直流電圧指令の設定を説明する図である。なお、図２では、それぞれ上段から、「モータ速度」、「モータ出力」、「整流器出力」、「直流電圧指令および直流電圧値」、「直流電圧ループ制御部の状態」を示している。また、図２〜４において、直流電圧指令は破線で示し、直流電圧値の最小値もしくは最大値は１点破線で示す。

ここでは、本発明の第１の実施例によるＰＷＭ整流器１を有するモータ駆動装置１００を動作させて、モータ３を停止、加速、一定速、減速、停止の順に動作させる場合について説明する。

まず、時刻ｔ０から時刻ｔ１までモータ停止状態にある間、ＰＷＭ整流器１の直流電圧ループ制御部５１、電流指令制御部５２、およびＰＷＭ制御信号生成部５５は、蓄電装置６の直流電圧値を直流電圧指令に一致させるように制御する。この間、ＰＷＭ整流器１の内部抵抗等により蓄電装置６に蓄積されたエネルギーの消費を補うだけの直流電力がＰＷＭ整流器１から出力されるよう、ＰＷＭ制御信号生成部５５は、ＰＷＭ整流器１により力行動作が行われるようなＰＷＭ制御信号を生成し、主回路部１１へ出力する。

時刻ｔ１にてモータ３の加速を開始すると、ＰＷＭ制御信号生成部５５は、ＰＷＭ整流器１による力行動作においてＰＷＭ整流器１の直流出力を徐々に増加させるようなＰＷＭ制御信号を生成し、主回路部１１へ出力する。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間は、直流電圧ループ制御部５１が生成する電流指令の絶対値は所定の制限値を超えていないので、電流指令制限部５２は、直流電圧ループ制御部５１が生成する電流指令を、最終電流指令として設定する。ＰＷＭ制御信号生成部５５は、最終電流指令と所定のキャリア周波数の三角波キャリア信号とを比較し、ＰＷＭ整流器１の主回路部１１内のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するためのＰＷＭ制御信号を生成し、これを主回路部１１へ出力する。蓄電装置６の直流電圧値を直流電圧指令に一致させるように制御されているので、時刻ｔ２まではモータ３の加速に必要なエネルギーは全て、ＰＷＭ整流器１による力行動作を介して交流電源４側から供給される。また、動作状態判定部５６は、最終電流指令が正であるので、主回路部１１は力行状態にあると判定する。

その後、時刻ｔ２にてモータ３の加速に必要なエネルギーが制限値に達すると、電流指令制限部５２は、電流指令の絶対値が所定の制限値を超えたと判断して、当該制限値を最終電流指令として設定する。ＰＷＭ制御信号生成部５５は、電流指令制限部５２により当該制限値に設定された最終電流指令に基づいて、ＰＷＭ制御信号を生成し、これを主回路部１１へ出力する。これにより、主回路部１１から出力される直流電力は一定の値に制限されるが、この間もモータ３は加速され続けているので、ＰＷＭ整流器１の力行動作を介した交流電源４側からのエネルギー供給だけでは足りなくなる。したがって、蓄電装置６からのモータ３へのエネルギー供給が開始される。この結果、時刻ｔ２から時刻ｔ３の間は、直流電圧検出部２３が検出する直流電圧値（蓄電装置６の電位）は下降する。

また、時刻ｔ２以降は、電流指令制限部５２は制限値を最終電流指令として設定するので、直流電圧ループ飽和判定部５３は、「直流電圧ループ制御部５１は飽和状態にある」と判定する。また、動作状態判定部５６は、最終電流指令が正であるので、「主回路部１１は力行状態にある」と判定する。したがって、直流電圧ループ飽和判定部５３により飽和状態と判定されかつ動作状態判定部５６により力行状態と判定されたので、直流電圧指令計算部５４は、直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における前記直流電圧値の最小値に所定の正のオフセットを加えた値に変更する。ここで、直流電圧ループ制御部５１が飽和状態にありかつＰＷＭ整流器１が力行状態にある場合における直流電圧指令計算部５４による直流電圧指令の設定について、図３を参照して説明する。図３は、図２における時刻ｔ２前後から時刻ｔ４前後までの「直流電圧指令および直流電圧値」、「直流電圧ループ制御部の状態」を示している。

モータ３が加速して、直流電圧ループ制御部５１が飽和状態になりかつＰＷＭ整流器１が力行状態にある場合、直流電圧検出部２３が検出する直流電圧値（蓄電装置６の電位）は下降する（時刻ｔ２から時刻ｔ３）。一般に、モータ３を一定速で運転するときに必要なエネルギーは、モータ３を加速するときに必要なエネルギーよりも小さい。したがって、モータ３の加速を完了して一定速運転を開始すると（時刻ｔ３）、加速時よりも小さいエネルギーでモータ３を駆動することになるので、ＰＷＭ整流器１により交流電源４側から取り込まれるエネルギーのうちモータ３の一定速運転に用いられるエネルギーを除いた分のエネルギーが、蓄電装置６に蓄積されることになり、蓄電装置６の電位は上昇に転じる。ここで蓄電装置６の電位が上昇を開始するタイミングｔ３と、直流電圧ループ飽和判定部５３による「直流電圧ループ制御部５１は飽和状態にある」との判定から「直流電圧ループ制御部５１は非飽和状態にある」との判定に転じるタイミングｔ４の間に、若干のタイムラグを設ける。すなわち、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最小値Ｖｍｉｎに所定の正のオフセットΔ（以下、「加速完了検知レベル」と称する。）を加えた値を、直流電圧指令として用いる。加速完了検知レベルΔは、直流電圧ループ制御部５１の飽和状態から非飽和状態への切換えのヒステリシスに相当する値であり、その値はモータ３の駆動に用いられる電圧の仕様等に応じて設定すればよい。

図示の例では、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間において直流電圧値は徐々に下降していくので最小値Ｖｍｉｎが逐次更新されていくが、そのたびに、加速完了検知レベルΔを加算して得られた値「Ｖｍｉｎ＋Δ」が、直流電圧指令として設定されていく。時刻ｔ３にてモータ３の加速が完了するので、時刻ｔ３のときの直流電圧値が最小値Ｖｍｉｎの最小となり、時刻ｔ３から時刻４までの間は、時刻ｔ３のときに得られた直流電圧値である最小値Ｖｍｉｎに加速完了検知レベルΔを加えた値「Ｖｍｉｎ＋Δ」が、直流電圧指令として維持される。

図２に戻ると、時刻ｔ３にてモータ３の加速を完了して一定速運転を開始すると上述のように直流電圧値は上昇に転じ、時刻ｔ４で直流電圧値は直流電圧指令に一致する。直流電圧ループ飽和判定部５３は、直流電圧値が直流電圧指令に一致した時点（時刻ｔ４）で、「直流電圧ループ制御部５１は非飽和状態にある」と判定する。

時刻ｔ４から時刻ｔ５までのモータ３の一定速運転の間は、蓄電装置６の直流電圧値を直流電圧指令に一致させるように制御されているので、モータ３の一定速運転に必要なエネルギーは全て、ＰＷＭ整流器１による力行動作を介して交流電源４側から供給される。この間、動作状態判定部５６は、電流指令（最終電流指令）が正であるので、主回路部１１は力行状態にあると判定する。

時刻ｔ５にてモータ３の減速を開始すると、モータ３にて回生電力が発生するが、この回生電力については逆変換器２を経て直流リンクへ戻され、ＰＷＭ整流器１には回生電力に起因する直流電力が供給される。このことは、ＰＷＭ整流器１の直流出力側に負の直流電力が出力されたことと同じ意味である。電流指令制限部５２は、電流指令の絶対値が所定の制限値を超えた場合と判断して、当該制限値を最終電流指令として設定する。ＰＷＭ制御信号生成部５５は、電流指令制限部５２により当該制限値に設定された最終電流指令に基づいて、ＰＷＭ制御信号を生成し、これを主回路部１１へ出力する。これにより、主回路部１１から出力される直流電力は一定の値に制限され、また、主回路部１１は制限値に当たる量の回生動作（逆変換動作）を行う。また、動作状態判定部５６は、最終電流指令が負であるので主回路部１１は回生状態にあると判定する。

時刻ｔ５から時刻ｔ６までの間は、電流指令制限部５２は制限値を最終電流指令として設定するので、直流電圧ループ飽和判定部５３は、「直流電圧ループ制御部５１は飽和状態にある」と判定する。また、動作状態判定部５６は、最終電流指令が負であるので、「主回路部１１は回生状態にある」と判定する。したがって、時刻ｔ６にてＰＷＭ動作停止指令部５７は主回路部１１によるスイッチング動作の停止を指令する。時刻ｔ６において、ＰＷＭ動作停止指令部５７は主回路部１１に対してスイッチング動作の停止指令を出力しているので、ＰＷＭ整流器１の回生動作は停止し、回生電力に起因する直流電力を交流電源４側へ戻せなくなる。このため、蓄電装置６への直流電力の蓄積が開始され、直流電圧検出部２３が検出する直流電圧値（蓄電装置６の電位）は上昇に転じる。

また、時刻ｔ６以降は、電流指令制限部５２は制限値を最終電流指令として設定するので、直流電圧ループ飽和判定部５３は、「直流電圧ループ制御部５１は飽和状態にある」と判定する。また、動作状態判定部５６は、最終電流指令が負であるので、「主回路部１１は回生状態にある」と判定する。したがって、「直流電圧ループ飽和判定部５３が飽和状態にある」と判定されかつ「主回路部１１が回生状態にある」と判定されたので、直流電圧指令計算部５４は、直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最大値に所定の負のオフセットを加えた値に変更する。ここで、直流電圧ループ制御部５１が飽和状態にありかつＰＷＭ整流器１が回生状態にある場合における直流電圧指令計算部５４による直流電圧指令の設定について、図４を参照して説明する。図４は、図２における時刻ｔ６前後から時刻ｔ８前後までの「直流電圧指令および直流電圧値」、「直流電圧ループ制御部の状態」を示している。

モータ３が減速して、直流電圧ループ制御部５１が飽和状態になりかつＰＷＭ整流器１が回生状態にある場合、上述のようにＰＷＭ動作停止指令部５７は主回路部１１によるスイッチング動作の停止を指令するので、ＰＷＭ整流器１の回生動作は停止し、回生電力に起因する直流電力を交流電源４側へ戻せなくなり、直流電圧検出部２３が検出する直流電圧値（蓄電装置６の電位）は上昇する（時刻ｔ６から時刻ｔ７）。モータ３の減速を完了してモータ３が停止すると（時刻ｔ７）、モータ３からの回生電力が逆変換器２を介して直流リンクへ供給されなくなり、また、ＰＷＭ整流器１の内部抵抗等により蓄電装置６に蓄積された直流電力が消費されるので、蓄電装置６の電位は減少に転じる。ここで蓄電装置６の電位が減少に開始するタイミングｔ７と、直流電圧ループ飽和判定部５３による「直流電圧ループ制御部５１は飽和状態にある」との判定から「直流電圧ループ制御部５１は非飽和状態にある」との判定に転じるタイミングｔ８の間に、若干のタイムラグを設ける。そこで、直流電圧ループ飽和判定部５３による判定の誤検出の防止とモータ３の減速完了の早期検知の調和の観点から、現在までの直流電圧指令に代えて、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最大値Ｖｍａｘに所定の負のオフセット−Δ（以下、「減速完了検知レベル」と称する。）を加えた値を、直流電圧指令として新たに用いる。減速完了検知レベル「−Δ」は、直流電圧ループ制御部５１の飽和状態から非飽和状態への切換えのヒステリシスに相当する値であり、その値はモータ３の駆動に用いられる電圧の仕様等に応じて設定すればよい。

図示の例では、時刻ｔ６から時刻ｔ７までの間において直流電圧値は徐々に上昇していくので最大値Ｖｍａｘが逐次更新されていくが、そのたびに、減速完了検知レベル「−Δ」を加算して得られた値「Ｖｍａｘ−Δ」が、直流電圧指令として設定されていく。時刻ｔ７にてモータ３の減速が完了してモータ３が停止するので、時刻ｔ７のときの直流電圧値が最大値Ｖｍａｘの最大となり、時刻ｔ７から時刻８までの間は、時刻ｔ７のときに得られた直流電圧値である最大値Ｖｍａｘに減速完了検知レベル「−Δ」を加えた値「Ｖｍａｘ−Δ」が、直流電圧指令として維持される。

図２に戻ると、時刻ｔ７にてモータ３の減速を完了してモータ３が停止すると、ＰＷＭ整流器１の内部抵抗等により蓄電装置６に蓄積された直流電力が消費されるので、直流電圧値は下降に転じ、時刻ｔ８で直流電圧値は直流電圧指令に一致する。直流電圧ループ飽和判定部５３は、直流電圧値が直流電圧指令に一致した時点（時刻ｔ８）で、「直流電圧ループ制御部５１は非飽和状態にある」と判定する。

時刻ｔ８にて直流電圧値が直流電圧指令に一致した以降は、ＰＷＭ動作停止指令部５７は、主回路部１１によるスイッチング動作の停止を解除する解除指令を主回路部１１に対して出力し、時刻ｔ０から時刻ｔ１までのモータ停止状態の場合と同じように、ＰＷＭ整流器１の内部抵抗等により蓄電装置６に蓄積されたエネルギーの消費を補うだけの直流電力がＰＷＭ整流器１から出力されるよう、ＰＷＭ制御信号生成部５５は、ＰＷＭ整流器１により力行動作が行われるようなＰＷＭ制御信号を生成し、主回路部１１へ出力する。これにより、直流電圧値は直流電圧指令に維持される。

このように、本発明の第１の実施例によれば、電流指令制限部５２による処理に用いられる上記制限値を、主回路部１１の出力の制限値がモータ３の最大出力未満となるような値に設定することで、ＰＷＭ整流器１（電源）から供給するエネルギーのピークを制限することができる。

また、本発明の第１の実施例によれば、直流電圧ループ飽和判定部５３により飽和状態と判定されかつ動作状態判定部５６により回生状態と判定されたときに、ＰＷＭ動作停止指令部５７は主回路部１１に対してスイッチング動作の停止指令を出力するので（図２および図４の時刻ｔ６）、ＰＷＭ整流器１の回生動作が停止し、回生電力に起因する直流電力を交流電源４側へ戻さずに蓄電装置６へ蓄積するので、この蓄積されたエネルギーをモータ３の次回の加速に利用することができ、効率の良い運転が実現可能である。

また、本発明の第１の実施例によれば、直流電圧ループ制御部５１が飽和状態になった場合は、直流電圧検出部２３によって検出した直流電圧値に基づいて直流電圧指令が設定されるので、特許文献２（特開２０１２−０８５５１２号公報）および特許文献３（特開２０１０−２６００９４号公報）に記載された発明のようにモータの運転パターン毎に直流電圧指令を試行錯誤的に設定する手間を省くことができ、効率的である。

図５は、本発明の第２の実施例によるＰＷＭ整流器の原理ブロック図である。また、図６は、図５に示すＰＷＭ整流器の動作を模式的に示すタイミングチャートである。なお、図６では、それぞれ上段から、「モータ速度」、「モータ出力」、「整流器出力」、「直流電圧指令および直流電圧値」、「直流電圧ループ制御部の状態」を示している。また、直流電圧指令は破線で示し、直流電圧値の最小値もしくは最大値は１点破線で示す。

本発明の第２の実施例は、図１の第１の実施例におけるＰＷＭ整流器１におけるＰＷＭ動作停止指令部５７をさらに発展させたものである。すなわち、本発明の第２の実施例によれば、ＰＷＭ動作停止指令部５７は、直流電圧ループ飽和判定部５３が飽和状態と判定しかつ動作状態判定部５６が回生状態と判定した場合において、さらに直流電圧検出部２３が検出した直流電圧値が所定の値を超えた場合は、主回路部１１によるスイッチング動作の停止を解除する。したがって、直流電圧検出部２３が検出した直流電圧値は、ＰＷＭ動作停止指令部５７にも入力される。また、直流電圧値との比較に用いられる上記「所定の値」は、蓄電装置６の蓄電可能容量に対応する耐圧よりも小さい値に設定すればよい。なお、これ以外の回路構成要素については図１に示す回路構成要素と同様であるので、同一の回路構成要素には同一符号を付して当該回路構成要素についての詳細な説明は省略する。

本発明の第２の実施例では、まず、第１の実施例と同様に、直流電圧ループ飽和判定部５３により飽和状態と判定されかつ動作状態判定部５６により回生状態と判定されたときに、ＰＷＭ動作停止指令部５７は主回路部１１に対してスイッチング動作の停止指令を出力してＰＷＭ整流器１の回生動作を停止させ、回生電力に起因する直流電力を交流電源４側へ戻さずに蓄電装置６へ蓄積させる。そのうえでさらに、本発明の第２の実施例では、回生電力に起因する直流電力が蓄電装置６の蓄電可能容量を超え、蓄電装置６が蓄積しきれなくなったときは、ＰＷＭ動作停止指令部５７は、主回路部１１によるスイッチング動作の停止を解除する解除指令を主回路部１１に対して出力し、ＰＷＭ整流器１の回生動作を再開させる。本発明の第２の実施例では、ＰＷＭ動作停止指令部５７をこのように動作させることにより、逆変換器２から戻された回生エネルギーを交流電源４側へ戻すことができ、蓄電装置６が有する耐圧を超えるような事態を回避することができる。

本発明の第２の実施例におけるＰＷＭ動作停止指令部５７の動作例として、図６に示すようにモータ３を一定速、減速、停止の順に動作させる場合について説明する。なお、図６では、それぞれ上段から、「モータ速度」、「モータ出力」、「整流器出力」、「直流電圧指令および直流電圧値」、「直流電圧ループ制御部の状態」を示している。

時刻ｔ０から時刻ｔ１までのモータ３の一定速運転の間は、第１の実施例における時刻ｔ４から時刻ｔ５の場合と同様に、蓄電装置６の直流電圧値を直流電圧指令に一致させるように制御されているので、モータ３の一定速運転に必要なエネルギーは全て、ＰＷＭ整流器１による力行動作を介して交流電源４側から供給される。この間、動作状態判定部５６は、電流指令（最終電流指令）が正であるので、主回路部１１は力行状態にあると判定する。また、一定速運転時は加速時よりも小さいエネルギーでモータ３を駆動することになるので、ＰＷＭ整流器１の直流出力が制限値を超えることはなく、したがって、直流電圧ループ飽和判定部５３は、「直流電圧ループ制御部５１は非飽和状態にある」と判定する。

時刻ｔ１にてモータ３の減速を開始すると、第１の実施例における時刻ｔ５の場合と同様に、モータ３にて回生電力が発生し、この回生電力については逆変換器２を経て直流リンクへ戻され、ＰＷＭ整流器１には回生電力に起因する直流電力が供給される。電流指令制限部５２は、電流指令の絶対値が所定の制限値を超えた場合と判断して、当該制限値を最終電流指令として設定する。ＰＷＭ制御信号生成部５５は、電流指令制限部５２により当該制限値に設定された最終電流指令に基づいて、ＰＷＭ制御信号を生成し、これを主回路部１１へ出力する。これにより、主回路部１１から出力される直流電力は一定の値に制限され、また、主回路部１１は制限値に当たる量の回生動作（逆変換動作）を行う。また、動作状態判定部５６は、最終電流指令が負であるので主回路部１１は回生状態にあると判定する。

時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間は、第１の実施例における時刻ｔ５から時刻ｔ６の場合と同様に、電流指令制限部５２は制限値を最終電流指令として設定するので、直流電圧ループ飽和判定部５３は、「直流電圧ループ制御部５１は飽和状態にある」と判定する。また、動作状態判定部５６は、最終電流指令が負であるので、「主回路部１１は回生状態にある」と判定する。したがって、時刻ｔ２にてＰＷＭ動作停止指令部５７は主回路部１１によるスイッチング動作の停止を指令する。時刻ｔ２において、ＰＷＭ動作停止指令部５７は主回路部１１に対してスイッチング動作の停止指令を出力しているので、ＰＷＭ整流器１の回生動作は停止し、回生電力に起因する直流電力を交流電源４側へ戻せなくなる。このため、蓄電装置６への直流電力の蓄積が開始され、直流電圧検出部２３が検出する直流電圧値（蓄電装置６の電位）は上昇に転じる。

また、時刻ｔ２以降は、電流指令制限部５２は制限値を最終電流指令として設定するので、直流電圧ループ飽和判定部５３は、「直流電圧ループ制御部５１は飽和状態にある」と判定する。また、動作状態判定部５６は、最終電流指令が負であるので、「主回路部１１は回生状態にある」と判定する。したがって、「直流電圧ループ飽和判定部５３が飽和状態にある」と判定されかつ「主回路部１１が回生状態にある」と判定されたので、直流電圧指令計算部５４は、直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最大値に所定の負のオフセットを加えた値に変更する。

直流電圧検出部２３が検出する直流電圧値（蓄電装置６の電位）が上昇し、時刻ｔ３にて、直流電圧検出部２３が検出した直流電圧値が所定の値を超えた場合は、回生電力に起因する直流電力が蓄電装置６の蓄電可能容量を超え、蓄電装置６が蓄積しきれなくなったことを意味するので、ＰＷＭ動作停止指令部５７は、主回路部１１によるスイッチング動作の停止を解除する解除指令を主回路部１１に対して出力し、ＰＷＭ整流器１の回生動作を再開させる。ＰＷＭ整流器１の回生動作を再開したら再開時点の直流電圧指令を維持する。これにより、逆変換器２から戻された回生エネルギーの一部は交流電源４側へ戻され、直流電圧検出部２３が検出する直流電圧値（蓄電装置６の電位）は下降する。直流電圧検出部２３が検出する直流電圧値が直流電圧指令に一致するまで（時刻ｔ４）、ＰＷＭ整流器１の回生動作を実行する。

時刻ｔ４にて直流電圧値が直流電圧指令に一致したとき、直流電圧ループ飽和判定部５３は、「直流電圧ループ制御部５１が非飽和状態となった」と判定する。以後、ＰＷＭ動作停止指令部５７は、主回路部１１によるスイッチング動作の停止を解除する解除指令を主回路部１１に対して出力し、ＰＷＭ整流器１の内部抵抗等により蓄電装置６に蓄積されたエネルギーの消費を補うだけの直流電力がＰＷＭ整流器１から出力されるよう、ＰＷＭ制御信号生成部５５は、ＰＷＭ整流器１により力行動作が行われるようなＰＷＭ制御信号を生成し、主回路部１１へ出力する。これにより、直流電圧値は直流電圧指令に維持される。

このように、本発明の第２の実施例によれば、モータ３の減速時により生じる回生エネルギーが蓄電装置６の蓄電可能容量を超えて蓄電装置６が充電しきれなくなったときには、ＰＷＭ動作停止指令部５７は、主回路部１１によるスイッチング動作の停止を解除する解除指令を主回路部１１に対して出力して、ＰＷＭ整流器１の回生動作を再開させるので、逆変換器２から戻された回生エネルギーを交流電源４側へ戻すことができ、蓄電装置６が有する耐圧を超えるような事態を回避することができる。

図７は、本発明の第３の実施例によるＰＷＭ整流器の原理ブロック図である。また、図８は、図７に示すＰＷＭ整流器の動作を模式的に示すタイミングチャートである。なお、図８では、それぞれ上段から、「モータ速度」、「モータ出力」、「整流器出力」、「直流電圧指令および直流電圧値」、「直流電圧ループ制御部の状態」を示している。また、直流電圧指令は破線で示し、直流電圧値の最小値もしくは最大値は１点破線で示す。

本発明の第３の実施例は、図１の第１の実施例におけるＰＷＭ整流器１における電流指令制限部５２もしくは図５の第２の実施例におけるＰＷＭ整流器１における電流指令制限部５２をさらに発展させたものである。なお、図７は、図５の第２の実施例におけるＰＷＭ整流器１における電流指令制限部５２内に制限値変更部６１を設けた場合を示している。

本発明の第３の実施例は、モータ３の加速時に直流電圧値（蓄電装置６の電位）が想定以上に下降したり、モータ３の減速時に直流電圧値（蓄電装置６の電位）が想定以上に上昇した場合に、当初設定されていた制限値をより大きな値に変更することで、直流電圧値（蓄電装置６の電位）を正常な範囲に収めるようにするものである。

本発明の第３の実施例によれば、電流指令制限部５２は、直流電圧検出部２３が検出した直流電圧値が第１の閾値を超えた場合、もしくは第１の閾値よりも小さい第２の閾値を下回った場合は、制限値をより大きい値の制限値に変更し、「より大きな値の制限値」への変更後に、直流電圧検出部２３が検出した直流電圧値が第１の閾値と第２の閾値との間の範囲に収まった場合は、上述の変更前の制限値に戻す制限値変更部６１を有する。このため、直流電圧検出部２３が検出した直流電圧値は、電流指令制限部５２内の制限値変更部６１にも入力されるが、直流電圧指令計算部５４による直流電圧指令の変更処理に用いられる直流電圧値は、上限は第１の閾値でクランプされ、下限は第２の閾値でクランプされる。すなわち、本発明の第３の実施例では、直流電圧指令は、第１の閾値がその上限値となり、第２の閾値がその下限値となる。これ以外の回路構成要素については図５に示す回路構成要素と同様であるので、同一の回路構成要素には同一符号を付して当該回路構成要素についての詳細な説明は省略する。

本発明の第３の実施例における電流指令制限部５２内の制限値変更部６１の動作例として、図８に示すようにモータ３を停止、加速、一定速、減速、停止の順に動作させる場合について説明する。なお、図８では、それぞれ上段から、「モータ速度」、「モータ出力」、「整流器出力」、「直流電圧指令および直流電圧値」、「直流電圧ループ制御部の状態」を示している。

時刻ｔ０から時刻ｔ３までの動作は、第１の実施例における時刻ｔ０から時刻ｔ３の場合と同様であるので説明は省略する。特に時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間は、第１の実施例における時刻ｔ２から時刻ｔ３の場合と同様、直流電圧ループ飽和判定部５３により飽和状態と判定されかつ動作状態判定部５６により力行状態と判定されたので、直流電圧指令計算部５４は、直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最小値Ｖｍｉｎに所定の正のオフセット（加速完了検知レベルΔ）を加えた値「Ｖｍｉｎ＋Δ」に変更する。

時刻ｔ３において、モータ３の加速により、直流電圧検出部２３が検出した直流電圧値（蓄電装置６の電位）が第２の閾値を下回った場合、電流指令制限部５２内の制限値変更部６１は、当初設定されていた制限値に代えて、当該制限値より大きい値の制限値を新たに設定する。電流指令制限部５２は、上記新たな制限値を、直流電圧ループ制御部５１が生成した電流指令の絶対値との比較に用いる。

また、時刻ｔ３以降は、時刻ｔ３の時点の直流電圧値Ｖｍｉｎに加速完了検知レベルΔを加算した値が、直流電圧指令として用いられる。

このように、当初設定されていた制限値が解除され、より大きい上記新たな制限値が設定されることで（時刻ｔ３）、ＰＷＭ整流器１は、交流電源４側から直流リンクへエネルギーをさらに取り込むことになる。この結果、蓄電装置６にエネルギーが蓄積されて、直流電圧検出部２３が検出する直流電圧値（蓄電装置６の電位）は上昇に転じる。

直流電圧検出部２３が検出する直流電圧値（蓄電装置６の電位）が上昇して第２の閾値まで戻ったら（時刻ｔ４）、電流指令制限部５２は、上述の当初設定されていた制限値に戻す。

時刻ｔ４から時刻ｔ９までの動作は、第１の実施例における時刻ｔ３から時刻ｔ７の場合と同様であるので説明は省略する。

時刻ｔ９において、モータ３の減速により、直流電圧検出部２３が検出した直流電圧値（蓄電装置６の電位）が第１の閾値を上回った場合、電流指令制限部５２内の制限値変更部６１は、当初設定されていた制限値に代えて、当該制限値より大きい値の制限値を新たに設定する。電流指令制限部５２は、上記新たな制限値を、直流電圧ループ制御部５１が生成した電流指令の絶対値との比較に用いる。

また、時刻ｔ９以降は、時刻ｔ９の時点の直流電圧値Ｖｍａｘに減速完了検知レベル「−Δ」を加算した値が、直流電圧指令として用いられる。

このように、当初設定されていた制限値が解除され、より大きい上記新たな制限値が設定されることで（時刻ｔ９）、ＰＷＭ整流器１は、直流リンクから交流電源４側へエネルギーをさらに戻す（回生する）ことになる。この結果、蓄電装置６のエネルギーが放電されて、直流電圧検出部２３が検出する直流電圧値（蓄電装置６の電位）は下降する。

直流電圧検出部２３が検出する直流電圧値（蓄電装置６の電位）が下降して第１の閾値まで戻ったら（時刻ｔ１０）、電流指令制限部５２は、上述の当初設定されていた制限値に戻す。

時刻ｔ１０から時刻ｔ１３までの動作は、第２の実施例における時刻ｔ３から時刻ｔ５の場合と同様であるので説明は省略する。

このように、本発明の第３の実施例によれば、モータ３の加速時に直流電圧値（蓄電装置６の電位）が想定以上に下降したり、モータ３の減速時に直流電圧値（蓄電装置６の電位）が想定以上に上昇した場合は、当初設定されていた制限値をより大きな値に変更するので、直流電圧値（蓄電装置６の電位）を正常な範囲に収めることができる。

図９は、本発明の第４の実施例によるＰＷＭ整流器の原理ブロック図である。本発明の第４の実施例は、上述の第１の実施例、第２の実施例もしくは第３の実施例をさらに発展させたものである。なお、図９は、図７の第３の実施例における直流電圧指令計算部５４に上位制御装置７１が接続された場合を示している。

直流電圧指令計算部５４は、上位制御装置７１から入力された初期化指令に応じて、直流電圧ループ飽和判定部５３が飽和状態と判定した際に変更した直流電圧指令を、変更前の直流電圧指令に設定し戻す。ここで、変更前の直流電圧指令は、ＰＷＭ整流器１を構成する部品が有する連続定格値よりも大きくかつ短時間定格値よりも小さい値に設定される。これにより、蓄電装置６が取り得る電位をＰＷＭ整流器１を構成する部品の耐圧の範囲内に収めることができるので、蓄電装置６の容量を小さくすることができる。

１ ＰＷＭ整流器
２ 逆変換器
３ モータ
４ 商用三相交流電源
５ 交流リアクトル
６ 蓄電装置
２１ 交流電圧検出部
２２ 交流電流検出部
２３ 直流電圧検出部
１１ 主回路部
５１ 直流電圧ループ制御部
５２ 電流指令制限部
５３ 直流電圧ループ飽和判定部
５４ 直流電圧指令計算部
５５ ＰＷＭ制御信号生成部
５６ 動作状態判定部
５７ ＰＷＭ動作停止指令部
６１ 制限値変更部
７１ 上位制御装置
１００ モータ駆動装置

Claims (8)

1. 直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力との間で電力変換を行う逆変換器の直流側に、直流電力を蓄積し得る蓄電装置を介して接続されるＰＷＭ整流器であって、
   受信したＰＷＭ制御信号に基づきスイッチング素子のスイッチング動作がＰＷＭ制御されて交流電源側の交流電力と直流側の直流電力との間で電力変換を行う主回路部と、
   前記主回路部の直流側の直流電圧値を、受信した直流電圧指令に一致させる電流指令を生成する直流電圧ループ制御部と、
   前記電流指令の絶対値が所定の制限値を超えた場合は前記制限値を、それ以外の場合は前記電流指令を、最終電流指令として設定する電流指令制限部と、
   前記電流指令制限部が前記制限値を前記最終電流指令として設定した場合は前記直流電圧ループ制御部は飽和状態にあると判定し、それ以外の場合は非飽和状態にあると判定する直流電圧ループ飽和判定部と、
   前記直流電圧ループ飽和判定部が非飽和状態と判定した場合は、前記直流電圧指令を維持し、前記直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定した場合は、前記直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における前記直流電圧値の最小値もしくは最大値に所定のオフセットを加えた値に変更する直流電圧指令計算部と、
   前記最終電流指令を用いて前記ＰＷＭ制御信号を生成して前記主回路部へ出力するＰＷＭ制御信号生成部と、
   を備えることを特徴とするＰＷＭ整流器。
2. 前記最終電流指令が正の場合は前記主回路部は力行状態にあると判定し、前記最終電流指令が負の場合は前記主回路部は回生状態にあると判定する動作状態判定部を備え、
   前記直流電圧指令計算部は、前記直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定しかつ前記動作状態判定部が力行状態と判定した場合に、前記直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における前記直流電圧値の最小値に所定の正のオフセットを加えた値に変更する請求項１に記載のＰＷＭ整流器。
3. 前記最終電流指令が正の場合は前記主回路部は力行状態にあると判定し、前記最終電流指令が負の場合は前記主回路部は回生状態にあると判定する動作状態判定部と、
   前記直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定しかつ前記動作状態判定部が回生状態と判定した場合に、前記主回路部によるスイッチング動作の停止を指令するＰＷＭ動作停止指令部と、を備え、
   前記直流電圧指令計算部は、前記直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定しかつ前記動作状態判定部が回生状態と判定した場合に、前記直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における前記直流電圧値の最大値に所定の負のオフセットを加えた値に変更する請求項１または２に記載のＰＷＭ整流器。
4. 前記ＰＷＭ動作停止指令部は、前記直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定しかつ前記動作状態判定部が回生状態と判定した場合において、さらに前記直流電圧値が所定の値を超えた場合は、前記主回路部によるスイッチング動作の停止を解除する請求項３に記載のＰＷＭ整流器。
5. 前記電流指令制限部は、前記直流電圧値が第１の閾値を超えた場合もしくは前記第１の閾値よりも小さい第２の閾値を下回った場合は、前記制限値をより大きい値の制限値に変更し、前記より大きな値の制限値への変更後に前記直流電圧値が前記第１の閾値と前記第２の閾値との間の範囲に収まった場合は、前記の変更前の制限値に戻す制限値変更部を有する請求項２〜４のいずれか一項に記載のＰＷＭ整流器。
6. 前記直流電圧指令計算部は、上位制御装置から入力された初期化指令に応じて、前記直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定した際に変更した前記直流電圧指令を、前記の変更前の直流電圧指令に設定し戻す請求項１に記載のＰＷＭ整流器。
7. 前記の変更前の直流電圧指令は、前記ＰＷＭ整流器を構成する部品が有する連続定格値よりも大きくかつ短時間定格値よりも小さい値に設定される請求項６に記載のＰＷＭ整流器。
8. 前記直流電圧指令計算部は、非飽和状態から飽和状態への遷移後における前記直流電圧値の最小値および最大値を抽出する抽出部を有する請求項１〜７のいずれか一項に記載のＰＷＭ整流器。

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