JP5904867B2 - 交流モータ駆動装置 - Google Patents

Description

この発明は、直流電源からの直流電力をインバータにより交流電力に変換し交流モータに供給するとともに、直流電力を制御するための電力貯蔵装置を備える交流モータ駆動装置に関するものである。

交流モータ駆動装置では、交流モータの加速時に大電力を必要とする一方、減速時には回生電力が生じるため、コンデンサ等の電力貯蔵要素とＤＣ／ＤＣコンバータとを有する電力貯蔵装置を備えて、加速時に必要な入力電力を制限し、回生電力を有効に活用している。
従来の交流モータ駆動装置である負荷駆動装置は、外部電源から与えられる交流電力を直流電力に変換する交流・直流コンバータと、この交流・直流コンバータから出力された直流電力を、電圧および周波数が制御された交流電力に変換して負荷を駆動するインバータと、前記交流・直流コンバータから出力された直流電力および前記インバータを介して前記負荷から回収された回生電力を蓄積するコンデンサとを具備し、特にコンデンサの前段に、前記直流電力および前記回生電力の電圧を昇降圧して前記コンデンサに入出力する直流・直流コンバータを設ける（例えば特許文献１）。

特開２００６−２３８５１６号公報

従来の交流モータ駆動装置では、複数のインバータを共通の直流電源（交流・直流コンバータ）に接続して使用しているが、工作機械などでは多数のインバータ群を直流電源の容量や制御上の便宜性のため複数の直流電源に接続することがあり、このような場合には、各直流電源に個別の電力貯蔵要素を要するものであった。このため、電力貯蔵要素全体の容量が大きくなり、電力貯蔵要素の利用率が低下すると共に、設置コストや設置場所が大きいという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、複数の直流電源に接続される交流モータ駆動装置において、電力貯蔵装置内の電力貯蔵要素の容量を低減して、電力貯蔵要素の利用率を向上させると共に、装置構成の簡略化、低コスト化を図ることを目的とする。

この発明に係る交流モータ駆動装置は、Ｎ個（Ｎ≧２）の直流電源からそれぞれ直流電力が供給されるＮ組の直流母線と、該Ｎ組の直流母線からの各直流電力を交流電力に変換して交流モータを駆動するＭ個（Ｍ≧Ｎ）のインバータと、上記Ｎ組の直流母線に並列に接続された電力貯蔵装置とを備える。そして、上記電力貯蔵装置は、エネルギを蓄積する共通の電力貯蔵要素と、該電力貯蔵要素と上記Ｎ組の直流母線との間にそれぞれ接続される計Ｎ個のＤＣ／ＤＣコンバータと、上記電力貯蔵要素と上記Ｎ組の直流母線との間で双方向の電力授受するように上記Ｎ個のＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御手段とを有し、上記Ｎ個のＤＣ／ＤＣコンバータは、１個の非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータと、Ｎ−１個の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータとで構成されるものである。

この発明による交流モータ駆動装置は、共通の電力貯蔵要素とＮ個のＤＣ／ＤＣコンバータとを有する電力貯蔵装置を備え、上記Ｎ個のＤＣ／ＤＣコンバータは、１個の非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータと、Ｎ−１個の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータとで構成される。このため、交流モータの加速時に必要な入力電力を制限し、回生電力を有効に活用できると共に、電力貯蔵装置内の電力貯蔵要素の容量が低減でき、電力貯蔵要素の利用率を向上できる。また、装置構成の簡略化、低コスト化を図ることができる。

この発明の実施の形態１による交流モータ駆動装置の全体を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による直流電源の詳細を示す回路図である。 この発明の実施の形態１による電力貯蔵装置の構成図である。 この発明の実施の形態１による電力貯蔵装置内の電力貯蔵要素の詳細を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による電力貯蔵装置内の非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの詳細を示す回路図である。 この発明の実施の形態１による電力貯蔵装置内の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの詳細を示す回路図である。 この発明の実施の形態１による電力貯蔵装置の制御手段の入出力関係を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２による電力貯蔵装置の構成図である。 この発明の実施の形態３による電力貯蔵装置内の非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータおよび絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを示す回路図である。 この発明の実施の形態３の別例による非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを示す回路図である。 この発明の実施の形態４による電力貯蔵装置の制御手段の入出力関係を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による交流モータ駆動装置の全体を示す構成図である。
この実施の形態１の交流モータ駆動装置１は、複数（Ｎ個）の直流電源２ａ、２ｂ、・・・から直流電力が供給されるＮ組の直流母線３ａ、３ｂ、・・・と、何れかの直流母線３ａ、３ｂ、・・・に接続された複数のインバータ４ａ、４ｂ、・・・と、Ｎ組の直流母線３ａ、３ｂ、・・・に並列に接続された一つの電力貯蔵装置６とを備える。各直流母線３ａ、３ｂ、・・・には、それぞれ１あるいは複数のインバータ４ａ、４ｂ、・・・が接続されて、各インバータ４ａ、４ｂ、・・・には、個別に交流モータ５ａ、５ｂ、・・・が接続される。
そして、直流電源２ａより出力された直流電力は、直流母線３ａを介して各インバータ４ａに供給され、各インバータ４ａで所望の交流電圧を発生させて各交流モータ５ａを駆動する。直流電源２ｂより出力された直流電力は、直流母線３ｂを介して各インバータ４ｂに供給され、各インバータ４ｂで所望の交流電圧を発生させて各交流モータ５ｂを駆動する。Ｎが３以上の場合についても同様である。

上記の直流電源２（２ａ、２ｂ、・・・）は、例えば図２に示すように、ＡＣリアクトル１３、回生可能な整流器１４及び平滑コンデンサ１５を有する。そして、直流電源２は、系統の交流電源１１からの交流電力をトランス１２を介して受電し、受電された交流電力はＡＣリアクトル１３を介して整流器１４に入力されて直流電力に変換された後、平滑コンデンサ１５で平滑され、直流電源２からの直流電力となる。なお、各直流電源２は共通のトランス１２に接続されていても個別のトランスに接続されていてもよい。

電力貯蔵装置６は図３に示すように、エネルギを蓄積する共通の電力貯蔵要素２１と、１組の直流母線３ａと電力貯蔵要素２１との間に接続される非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２と、その他の（Ｎ−１）組の直流母線３ｂ、・・・と電力貯蔵要素２１との間にそれぞれ接続される絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３と、さらに、これらの非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２および絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の動作を制御する電力貯蔵装置制御手段２４とを備える。即ち、１個の非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２と、（Ｎ−１）個の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３との計Ｎ個のＤＣ／ＤＣコンバータ２２、２３が共通の電力貯蔵要素２１に接続され、電力貯蔵装置制御手段２４にて制御される。
これによって、複数の電位の異なる直流母線３ａ、３ｂ、・・・に共通の電力貯蔵要素２１を接続できる。なお、電力貯蔵要素２１の負極端子の電位は直流母線３ａの負側の電位と等しくなる。
なお簡略のために、以後、Ｎ＝２の場合を説明する。

非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、直流母線３ａ側から電力貯蔵要素２１への充電、および電力貯蔵要素２１から直流母線３ａ側への放電の双方向動作が可能で一次側と二次側が絶縁されていない双方向型である。絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、直流母線３ｂ側から電力貯蔵要素２１への充電、および電力貯蔵要素２１から直流母線３ｂ側への放電の双方向動作が可能で一次側と二次側が絶縁されている双方向型である。
非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２および絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３は個々の制御を行う制御手段（後述する非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段４５、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段５５）を内部に備えており、電力貯蔵装置制御手段２４は個々のＤＣ／ＤＣコンバータ２２、２３の制御手段を統合して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２、２３を介して電力貯蔵要素２１の充放電の制御を行う。電力貯蔵装置制御手段２４はさらに図示しない上位の制御手段と接続される場合や、図示しない上位の制御手段に含まれる場合もある。
なお、電力貯蔵装置制御手段２４および非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段４５、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段５５を統合した制御手段を、請求項に記載される制御手段とする。

電力貯蔵要素２１は、例えば図４のように構成される。図４に示すように、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）からなる複数のＥＤＬＣセル３１を直列接続するとともに、各ＥＤＬＣセル３１間の電圧のばらつきを低減するために、各ＥＤＬＣセル３１に対して電圧バランス抵抗３３を個別に並列接続してなるＥＤＬＣモジュール３２を構成する。そして、ｍ×ｎ（ｍ、ｎは１以上の数）個のＥＤＬＣモジュール３２を直並列接続して成るＥＤＬＣユニットにより電力貯蔵要素２１は構成される。
なお、電力貯蔵要素２１にはヒューズやブレーカ、電圧検出器、電流検出器などを含むこともあるが、ここでは省略する。また、電圧バランス抵抗３３は省略したり、他の方式によることも可能である。

また、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は図５に示すように直流母線３ａを介して電力貯蔵要素２１と直流電源２ａあるいはインバータ４ａとの間で電力を双方向にかつ互いの電圧の大小関係にかかわらず授受するために設けられている。
非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の具体的な構成として、自己消弧型半導体スイッチング素子である一次側の一対のＩＧＢＴ４１ａ、４１ｂが直列に接続され、これらの各ＩＧＢＴ４１ａ、４１ｂに、それぞれ逆並列に還流ダイオード４２ａ、４２ｂが接続されている。同じく自己消弧型半導体スイッチング素子である二次側の一対のＩＧＢＴ４１ｃ、４１ｄも直列接続され、これらの各ＩＧＢＴ４１ｃ、４１ｄに、それぞれ逆並列に還流ダイオード４２ｃ、４２ｄが接続されている。各一対のＩＧＢＴ４１ａ、４１ｂおよびＩＧＢＴ４１ｃ、４１ｄの直列接続点同士はＤＣリアクトル４３を介して互いに接続されている。また、ＩＧＢＴ４１ａのコレクタとＩＧＢＴ４１ｂのエミッタはそれぞれ一次側端子４０ａ、４０ｂを介して直流母線３ａに接続され、ＩＧＢＴ４１ｃのコレクタとＩＧＢＴ４１ｄのエミッタはそれぞれ二次側端子４０ｃ、４０ｄを介して電力貯蔵要素２１に接続されている。さらに、一次側端子４０ａ、４０ｂと並列に平滑コンデンサ４４ａが、二次側端子４０ｃ、４０ｄと並列に平滑コンデンサ４４ｂがそれぞれ接続されている。

なお、平滑コンデンサ４４ａ、４４ｂは省略されることもある。また実用上、ＩＧＢＴ４１ａ〜４１ｄや還流ダイオード４２ａ〜４２ｄに近接してスナバコンデンサが接続されることがあるのはいうまでもない。

また、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、内部に非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段４５を有して、ＩＧＢＴ４１ａ〜４１ｄのスイッチング制御を行う。例えば、平滑コンデンサ４４ａ、４４ｂの電圧を検出する電圧センサ４６ａ、４６ｂと、直流電源２ａからの電流を検出する電流センサ４７ａと、ＤＣリアクトル４３を流れる電流を検出する電流センサ４７ｂを設け、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段４５は、電圧センサ４６ａ、４６ｂや電流センサ４７ａ、４７ｂの各検出値、および電力貯蔵装置制御手段２４から与えられる信号に基づいて、ＩＧＢＴ４１ａ〜４１ｄのスイッチング制御を行うためのゲート信号を生成して出力する。
なお、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段４５に入力される検出値は一例であって、他の検出値が入力されたり、電力貯蔵装置制御手段２４から与えられたりすることもある。また、電力貯蔵装置制御手段２４に検出値や動作状況の信号を返すこともある。さらに図示しない上位の制御手段と接続されることもある。
また、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の具体的構成は図５に限らず、双方向に電力を融通し一次側と二次側が絶縁されていないものであればよく、例えば一次側と二次側の電圧の大小関係が固定されている昇圧型、あるいは降圧型のものでもよい。

次に、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３は図６に示すように直流母線３ｂを介して電力貯蔵要素２１と直流電源２ｂあるいはインバータ４ｂとの間で電力を双方向にかつ互いの電圧の大小関係にかかわらず授受するために設けられている。
絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の具体的な構成として、一次側に、それぞれ直列に接続された二対の自己消弧型半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴ５１ａ、５１ｂとＩＧＢＴ５１ｃ、５１ｄとを備え、これらの各ＩＧＢＴ５１ａ〜５１ｄに、それぞれ逆並列に還流ダイオード５２ａ〜５２ｄが接続されている。同じく二次側に、それぞれ直列に接続された二対の自己消弧型半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴ５１ｅ、５１ｆとＩＧＢＴ５１ｇ、５１ｈとを備え、これらの各ＩＧＢＴ５１ｅ〜５１ｈに、それぞれ逆並列に還流ダイオード５２ｅ〜５２ｈが接続されている。一次側の二対のＩＧＢＴ５１ａ、５１ｂおよびＩＧＢＴ５１ｃ、５１ｄの各直列接続点は、それぞれトランス５３の一次巻線の両端に接続されている。二次側の二対のＩＧＢＴ５１ｅ、５２ｆおよびＩＧＢＴ５１ｇ、５１ｈの各直列接続点は、それぞれトランス５３の二次巻線の両端に接続されている。また、ＩＧＢＴ５１ａ、５１ｃのコレクタとＩＧＢＴ５１ｂ、５１ｄのエミッタはそれぞれ一次側端子５０ａ、５０ｂを介して直流母線３ｂに接続され、ＩＧＢＴ５１ｅ、５１ｇのコレクタとＩＧＢＴ５１ｆ、５１ｈのエミッタはそれぞれ二次側端子５０ｃ、５０ｄを介して電力貯蔵要素２１に接続されている。さらに、一次側端子５０ａ、５０ｂと並列に平滑コンデンサ５４ａが、二次側端子５０ｃ、５０ｄと並列に平滑コンデンサ５４ｂがそれぞれ接続されている。

なお、平滑コンデンサ５４ａ、５４ｂは省略されることもある。また実用上、ＩＧＢＴ５１ａ〜５１ｈや還流ダイオード５２ａ〜５２ｈに近接してスナバコンデンサが接続されることがあるのはいうまでもない。

また、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、内部に絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段５５を有して、ＩＧＢＴ５１ａ〜５１ｈのスイッチング制御を行う。例えば、平滑コンデンサ５４ａ、５４ｂの電圧を検出する電圧センサ５６ａ、５６ｂと、直流電源２ｂからの電流を検出する電流センサ５７ａと、トランス５３の一次巻線を流れる電流を検出する電流センサ５７ｂを設け、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段５５は、電圧センサ５６ａ、５６ｂや電流センサ５７ａ、５７ｂの各検出値、および電力貯蔵装置制御手段２４から与えられる信号に基づいて、ＩＧＢＴ５１ａ〜５１ｈのスイッチング制御を行うためのゲート信号を生成して出力する。
なお、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段５５に入力される検出値は一例であって、他の検出値が入力されたり、電力貯蔵装置制御手段２４から与えられたりすることもある。また、電力貯蔵装置制御手段２４に検出値や動作状況の信号を返すこともある。さらに図示しない上位の制御手段と接続されることもある。
また、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の具体的構成は図６に限らず、双方向に電力を融通し一次側と二次側が絶縁されているものであればよい。

次に、電力貯蔵装置６における各部の配置について説明する。
電力貯蔵要素２１と直流母線３ａ、３ｂとは離間して設置し、両者の間にＤＣ／ＤＣコンバータ２２、２３を配設する。
図５、図６で示した非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３において、一次側に接続されているＩＧＢＴ４１ａ、４１ｂ、５１ａ〜５１ｄおよび還流ダイオード４２ａ、４２ｂ、５２ａ〜５２ｄを第１の半導体素子とし、二次側に接続されているＩＧＢＴ４１ｃ、４１ｄ、５１ｅ〜５１ｈおよび還流ダイオード４２ｃ、４２ｄ、５２ｅ〜５２ｈを第２の半導体素子とする。

そして、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、第１の半導体素子であるＩＧＢＴ４１ａ、４１ｂおよび還流ダイオード４２ａ、４２ｂを、直流母線３ａまでの配線インピーダンスが小さくなるように直流母線３ａに近接配置する。また第２の半導体素子であるＩＧＢＴ４１ｃ、４１ｄおよび還流ダイオード４２ｃ、４２ｄを、電力貯蔵要素２１までの配線インピーダンスが小さくなるように電力貯蔵要素２１に近接配置する。なお、ＤＣリアクトル４３の両端の配線長はインピーダンスが大きく変化することがない範囲とすればよい。

同様に、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、第１の半導体素子であるＩＧＢＴ５１ａ〜５１ｄおよび還流ダイオード５２ａ〜５２ｄを、直流母線３ｂまでの配線インピーダンスが小さくなるように直流母線３ｂに近接配置する。また第２の半導体素子であるＩＧＢＴ５１ｅ〜５１ｈおよび還流ダイオード５２ｅ〜５５ｈを、電力貯蔵要素２１までの配線インピーダンスが小さくなるように電力貯蔵要素２１に近接配置する。
交流モータ駆動装置１は多くの構成要素から成り、電力貯蔵装置６は複数の直流母線３ａ、３ｂと接続され、電力貯蔵要素２１も備えている。上述したように一次側と二次側の第１、第２の半導体素子をそれぞれ直流母線３ａ、３ｂと電力貯蔵要素２１に低インピーダンスで接続することによって、電力貯蔵要素２１と直流母線３ａ、３ｂとの設置場所が離れている場合にも、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２、２３のサージ電圧を抑制し、発生ノイズを低減し、一次側、二次側の平滑コンデンサ４４ａ、４４ｂ、５４ａ、５４ｂの容量低減や省略を可能にできる。

次に、電力貯蔵装置６の制御動作について説明する。
電力貯蔵装置制御手段２４は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ２２、２３を制御して共通の電力貯蔵要素２１のエネルギを充放電する。電力貯蔵装置制御手段２４は、例えば図７に示すように上位制御手段７から運転条件が入力され、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段４５および絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段５５から、電圧センサ４６ａ、４６ｂ、５６ａ、５６ｂの検出値、電流センサ４７ａ、４７ｂ、５７ａ、５７ｂの検出値が入力される。そして、電力貯蔵装置制御手段２４は、入力情報に基づいて、電力貯蔵装置６の状態を把握すると共に、電力貯蔵要素２１に過電圧や過電流を発生させないよう、ＤＣリアクトル４３やトランス５３の電流を制限し、かつ、電力貯蔵装置６に対する上位制御手段７の要求を満たすように、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２および絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の運転条件を決定する。そして、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段４５および絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段５５に、決定された運転条件を送信する。また、上位制御手段７へ電力貯蔵装置６の状態を送信する。

さらに、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段４５は、電圧センサ４６ａと電流センサ４７ａの検出値から、直流電源２ａから直流母線３ａへの入力電力を計算し、電圧センサ４６ｂと電流センサ４７ｂの検出値も使用して直流母線３ａの入力電力、すなわち直流電源２ａの出力電力が所定範囲内になるように電力貯蔵要素２１の充放電を行う。
同様に絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段５５は、電圧センサ５６ａと電流センサ５７ａの検出値から、直流電源２ｂから直流母線３ｂへの入力電力を計算し、電圧センサ５６ｂと電流センサ５７ｂの検出値も使用して直流母線３ｂの入力電力、すなわち直流電源２ｂの出力電力が所定範囲内になるように電力貯蔵要素２１の充放電を行う。
上位制御手段７は、例えば、複数の整流器１４に接続され複数の直流母線３ａ、３ｂを備える工作機械のＮＣ／モーションコントローラであって電力貯蔵装置６の状態を把握した上でモータ群（交流モータ５ａ、５ｂ）の動作パターンを作成するものである。

一般に工作機械等のサーボシステムにおいてはモータ加減速時の力行／回生電力が平均電力と比較して大きい。この場合、電力貯蔵装置６を備えているため、加速時に電力貯蔵要素２１に蓄積したエネルギを放電し、減速時に電力貯蔵要素２１に充電することにより、整流器１４の容量増大を抑制して所望の加減速動作をさせることができる。このような動作はピークカット動作と称するもので、１回のピークカット動作に要する時間は短いため必要となる電力量は少ないが、瞬時に必要な電力は大きい。同じ電力を充放電する場合でも電流が大きい場合に電力貯蔵装置６で発生する損失が大きくなるので電力貯蔵要素２１の電圧は必要な電力に応じた大きさを確保することが望ましい。

この実施の形態では、複数の直流母線３ａ、３ｂに対して共通の電力貯蔵要素２１を１つだけ備え、複数の直流母線３ａ、３ｂと電力貯蔵要素２１との間でそれぞれ電力を融通し、電力貯蔵装置６に接続されている直流母線３ａ、３ｂ同士で、電力貯蔵要素２１を介して電力を融通できることになる。このように、電力貯蔵要素２１を１つ備えるだけで、交流モータ５ａ、５ｂの加速時に必要な入力電力を制限し、減速時の回生電力を有効に活用でき、複数の整流器１４の容量を増大させることなく所望の加減速動作を実現できる。また、上位制御手段７が電力貯蔵装置６の状態を把握しているので、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ２２、２３で電力貯蔵要素２１の充放電を行っても過電圧や過電流を引き起こすことがない。
また、共通の電力貯蔵要素２１を用いる事で、電力貯蔵装置６内の電力貯蔵要素２１の容量が低減でき、電力貯蔵要素２１の利用率を向上できると共に、装置構成の簡略化、低コスト化を図ることができる。

また、電力貯蔵要素２１の負極端子を１つの直流母線３ａの負側と接続して等電位にして、Ｎ個のＤＣ／ＤＣコンバータ２２、２３の１つを非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２とする。このため、トランスを設ける必要がなく価格やサイズを低減できる。また、残りのＮ−１個を絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３とすることにより、Ｎ組の個別の直流母線と共通の電力貯蔵要素２１との間で電力授受が可能になる。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２による交流モータ駆動装置内の電力貯蔵装置６を示す構成図である。
上記実施の形態１では、電力貯蔵装置６内のＮ個のＤＣ／ＤＣコンバータ２２、２３の１つを非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２としたが、この実施の形態２では、全て絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３（２３ａ、２３ｂ）とする。
図８に示すように、各直流母線３ａ、３ｂ、・・・と電力貯蔵要素２１との間に絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３ａ、２３ｂ、・・・が接続される。なお、その他の部分は、上記実施の形態１と同様である。

この実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様に、電力貯蔵要素２１を１つ備えるだけで、交流モータ５ａ、５ｂの加速時に必要な入力電力を制限し、減速時の回生電力を有効に活用でき、複数の整流器１４の容量を増大させることなく所望の加減速動作を実現できる。
また、電力貯蔵要素２１は全ての直流母線３ａ、３ｂと絶縁されているため、大きなエネルギを蓄える電力貯蔵要素２１の電位を直流母線３ａ、３ｂと別に接地あるいは固定にするなど自由に決定できる。このため、電力貯蔵要素２１の電位を自由に決定でき、設計上の自由度が向上する。

実施の形態３．
この実施の形態３では、上記実施の形態１による交流モータ駆動装置１において、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２と絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３とを異なる構成とする。
図９（ａ）は、この実施の形態３の交流モータ駆動装置における非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｘを示す回路図であり、図９（ｂ）は絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３ｘを示す回路図である。なお、電圧センサ、電流センサおよびＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｘ、２３ｘ内の制御手段などは省略している。また、交流モータ駆動装置において、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｘ、２３ｘ以外の部分は、上記実施の形態１と同様である。

図９（ａ）に示すように、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｘは、３つのＤＣリアクトル４３を有する３多重の昇降圧双方向チョッパとなっている。この場合、一次側と二次側に、それぞれ還流ダイオードが逆並列接続された６個のＩＧＢＴ（自己消弧型半導体スイッチング素子）４９ａ、４９ｂを収納した半導体モジュール４８ａ、４８ｂを接続し、２つの半導体モジュール４８ａ、４８ｂの間に３つのＤＣリアクトル４３を接続する。
一次側に接続される半導体モジュール４８ａは、２直列のＩＧＢＴ４９ａを３対並列接続して備え、各ＩＧＢＴ４９ａに、それぞれ逆並列に還流ダイオードが接続されている。二次側に接続される半導体モジュール４８ｂは、２直列のＩＧＢＴ４９ｂを３対並列接続して備え、各ＩＧＢＴ４９ｂに、それぞれ逆並列に還流ダイオードが接続されている。各対のＩＧＢＴ４９ａおよびＩＧＢＴ４９ｂの各直列接続点同士はＤＣリアクトル４３を介して互いに接続されている。また、半導体モジュール４８ａは、一次側端子４０ａ、４０ｂを介して直流母線３ａに接続され、半導体モジュール４８ｂは、二次側端子４０ｃ、４０ｄを介して電力貯蔵要素２１に接続されている。さらに、一次側端子４０ａ、４０ｂと並列に平滑コンデンサ４４ａが、二次側端子４０ｃ、４０ｄと並列に平滑コンデンサ４４ｂがそれぞれ接続されている。
なお、３対ある２直列のＩＧＢＴ４９ａ、４９ｂの対毎に、キャリア位相を１２０°シフトさせて動作させることができる。

また絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３ｘは、図９（ｂ）に示すように、三相トランス６０を備える三相交流リンク構成となっている。この場合も、一次側と二次側に、それぞれ還流ダイオードが逆並列接続された６個のＩＧＢＴ（自己消弧型半導体スイッチング素子）５９ａ、５９ｂを収納した半導体モジュール５８ａ、５８ｂを接続し、２つの半導体モジュール５８ａ、５８ｂの間に三相トランス６０を接続する。各半導体モジュール５８ａ、５８ｂは、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｘ内の半導体モジュール４８ａ、４８ｂと同様の構成で、即ち、２直列のＩＧＢＴ５９ａ、５９ｂを３対並列接続して備え、各ＩＧＢＴ５９ａ、５９ｂに、それぞれ逆並列に還流ダイオードが接続されている。
また、半導体モジュール５８ａは、一次側端子５０ａ、５０ｂを介して直流母線３ｂに接続され、半導体モジュール５８ｂは、二次側端子５０ｃ、５０ｄを介して電力貯蔵要素２１に接続されている。さらに、一次側端子５０ａ、５０ｂと並列に平滑コンデンサ５４ａが、二次側端子５０ｃ、５０ｄと並列に平滑コンデンサ５４ｂがそれぞれ接続されている。

この実施の形態では、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｘ、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３ｘを、半導体モジュール４８ａ、４８ｂ、５８ａ、５８ｂを用いて構成した。上述したような、２直列のＩＧＢＴ４９ａ、４９ｂ、５９ａ、５９ｂを３対並列接続して収納した半導体モジュール４８ａ、４８ｂ、５８ａ、５８ｂは、三相２レベルインバータや整流器などに広く利用されており、汎用品を利用できる。このため、上記実施の形態１と同様の効果を奏すると共に、製造の効率化や低コスト化に顕著な効果を奏する。また、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｘ、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３ｘを３多重や三相の構成としたため、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｘ、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３ｘの入出力電流のリプルを低減でき、平滑コンデンサ４４ａ、４４ｂ、５４ａ、５４ｂの容量を低減できる。

なお、半導体モジュール４８ａ、４８ｂ、５８ａ、５８ｂは、図９（ａ）、図９（ｂ）に示すものに限定するものではなく、駆動回路を含んで構成されるものでも良い。

また、図９（ａ）では、昇降圧双方向チョッパによる非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｘを示したが、図１０に示すように昇圧チョッパによる非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｙを用いても良い。この場合、一次側に接続される半導体モジュール４８ａと、半導体モジュール４８ａに接続される３つのＤＣリアクトル４３と、平滑コンデンサ４４ａとを備え、ＤＣリアクトル４３は、二次側の３端子を互いに接続して一方の二次側端子４０ｃに接続される。この場合、電力貯蔵要素２１の電圧は直流母線３ａの電圧以下で使用することになるが、三相２レベルインバータと同様に、１個の半導体モジュール４８ａを用いて構成することができる。
この場合も、２直列のＩＧＢＴ４９ａを３対並列接続して収納した半導体モジュール４８ａを用いて非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｙを構成したため、製造の効率化や低コスト化を図れると共に、入出力電流のリプルを低減できる。

実施の形態４．
図１１は、この発明の実施の形態４による交流モータ駆動装置における電力貯蔵装置制御手段２４ａの入出力を説明するブロック図である。
図１１に示すように、電力貯蔵装置制御手段２４ａは、電力貯蔵要素２１から電圧の検出値を受信している。この場合、電力貯蔵要素２１の電圧を検出する電圧センサ（図示せず）を要するが、図５、図６で示したＤＣ／ＤＣコンバータ２２、２３において、電圧センサ４６ｂ、５６ｂは不要になる。なお、電圧センサ４６ｂ、５６ｂが検出する二次側の平滑コンデンサ４４ｂ、５４ｂの電圧は、電力貯蔵要素２１の電圧に相当する。その他の構成は、上記実施の形態１と同様である。

この場合、電力貯蔵装置制御手段２４ａは、上位制御手段７から運転条件が入力され、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段４５および絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段５５から、電圧センサ４６ａ、５６ａの検出値、電流センサ４７ａ、４７ｂ、５７ａ、５７ｂの検出値が入力され、電力貯蔵要素２１から電圧の検出値が入力される。そして、電力貯蔵装置制御手段２４ａは、入力情報に基づいて、電力貯蔵装置６の状態を把握すると共に、電力貯蔵要素２１に過電圧や過電流を発生させないよう、ＤＣリアクトル４３やトランス５３の電流を制限し、かつ、電力貯蔵装置６に対する上位制御手段７の要求を満たすように、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２および絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の運転条件を決定する。そして、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段４５および絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段５５に、決定された運転条件と、電力貯蔵要素２１からの電圧検出値を送信する。また、上位制御手段７へ電力貯蔵装置６の状態を送信する。

非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段４５および絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段５５は、受信した電力貯蔵要素２１からの電圧検出値を制御に利用する事で、上記実施の形態１と同様に非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２および絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３を制御する。
この実施の形態では、上記実施の形態１と同様の効果を奏すると共に、各ＤＣ／ＤＣコンバータ２２、２３で二次側電圧を検出する必要がなく電圧センサの数を削減できる。このため装置構成が簡略化できると共に低コスト化が図れる。

実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５による交流モータ駆動装置について説明する。
この実施の形態では、通常動作時において電力貯蔵装置６は、上記実施の形態１と同様に直流電源２ａ、２ｂの出力電力が所定範囲内になるように電力貯蔵要素２１の充放電を行っている。電力貯蔵装置制御手段２４は、電圧センサ４６ａ、５６ａの検出値から直流母線３ａ、３ｂの電圧を監視して、直流母線３ａ、３ｂの電圧に基づいて系統（交流電源１１）に瞬時停電を含む瞬時電圧低下等が発生したことを検出する。そして、瞬時電圧低下を検出すると、交流モータ駆動装置内の負荷および交流モータ５ａ、５ｂを含む全ての負荷あるいは選択された負荷が運転継続できるよう電力貯蔵装置６を動作させる。

具体的には、電力貯蔵装置制御手段２４は、直流母線３ａ、３ｂの電圧が所定値以下に低下すると瞬時電圧低下が発生したと判定し、直流母線３ａ、３ｂの電圧を所定の範囲に維持するよう非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２と絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３を動作させる。このとき、通常時と同じ負荷を駆動するためには電力貯蔵装置６の容量は不足しているため、上位制御手段７は、退避動作をとる、また重要負荷を優先的に運転継続させる等を決定し、それに応じた運転条件を電力貯蔵装置制御手段２４に与える。
例えば、複数の直流母線３ａ、３ｂの中から、１あるいは複数の直流母線３ａを選択し、選択された直流母線３ａのみ、電圧を所定の範囲に維持するよう（非）絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を動作させる。
なお、電力貯蔵装置６には電力貯蔵要素２１に蓄積されたエネルギを上位制御手段７の制御電源などのバックアップに使用できるような機能を備えてもよい。

この実施の形態では、上記実施の形態１と同様の効果を奏すると共に、系統に瞬時電圧低下が発生したときにも退避動作や重要負荷の運転継続が可能となるため、交流モータ駆動装置の信頼性が向上できる。特に工作機械に用いている場合では、工作機械の工具や製造中の製品への影響を抑制し、生産効率を向上できる。

なお、この発明は、発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 交流モータ駆動装置、２ａ，２ｂ 直流電源、３ａ，３ｂ 直流母線、
４ａ，４ｂ インバータ、５ａ，５ｂ 交流モータ、６ 電力貯蔵装置、
７ 上位制御手段、１１ 交流電源、２１電力貯蔵要素、
２２ 非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ、
２３，２３ａ，２３ｂ 絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ、２４ 電力貯蔵装置制御手段、
４５ 非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段、
５５ 絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段。

Claims (5)

1. Ｎ個（Ｎ≧２）の直流電源からそれぞれ直流電力が供給されるＮ組の直流母線と、該Ｎ組の直流母線からの各直流電力を交流電力に変換して交流モータを駆動するＭ個（Ｍ≧Ｎ）のインバータと、上記Ｎ組の直流母線に並列に接続された電力貯蔵装置とを備え、
   上記電力貯蔵装置は、エネルギを蓄積する共通の電力貯蔵要素と、該電力貯蔵要素と上記Ｎ組の直流母線との間にそれぞれ接続される計Ｎ個のＤＣ／ＤＣコンバータと、上記電力貯蔵要素と上記Ｎ組の直流母線との間で双方向の電力授受するように上記Ｎ個のＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御手段とを有し、
   上記Ｎ個のＤＣ／ＤＣコンバータは、１個の非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータと、Ｎ−１個の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータとで構成されることを特徴とする交流モータ駆動装置。
2. 上記制御手段は、上記Ｎ個の直流電源から上記Ｎ組の直流母線への各入力電力が所定範囲内となるように、上記Ｎ組の直流母線に接続される上記Ｎ個のＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを特徴とする請求項１に記載の交流モータ駆動装置。
3. 上記Ｎ個のＤＣ／ＤＣコンバータは、それぞれ、上記直流母線に接続される複数の第１の半導体素子と、上記電力貯蔵要素に接続される複数の第２の半導体素子とを備え、上記複数の第１の半導体素子は上記直流母線に近接配置され、上記複数の第２の半導体素子は上記電力貯蔵要素に近接配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の交流モータ駆動装置。
4. 上記Ｎ個のＤＣ／ＤＣコンバータは、それぞれ、２直列の半導体スイッチング素子を３対並列接続して成る半導体モジュールを用いて構成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の交流モータ駆動装置。
5. 上記Ｎ個の直流電源は系統から受電するものであり、上記制御手段は、上記系統の瞬時電圧低下時に、上記Ｎ組の直流母線内の所定の直流母線の電圧が所定範囲内になるように該直流母線に接続される上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の交流モータ駆動装置。

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