JP6219888B2 - Ｐｗｍコンバータを有するモータ駆動装置 - Google Patents

Ｐｗｍコンバータを有するモータ駆動装置 Download PDF

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Description

本発明は、交流電源側から供給された交流電力を直流電力に変換して直流リンクへ出力したのちさらにモータの駆動のための交流電力に変換してモータへ供給するモータ駆動装置に関し、特に、交流電源側の交流電力を直流電力に変換する電力変換器としてＰＷＭコンバータを有するモータ駆動装置に関する。
工作機械、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、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、交流電源側から供給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、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コンバータ（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インバータ（逆変換器）とを備え、当該インバータ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。コンバータの直流側とインバータの直流側とを接続する直流リンクには、コンデンサが設けられている。このコンデンサは、コンバータの直流出力の脈動分を抑えるための平滑コンデンサとしての機能と、直流電力を蓄積し得る蓄電器としての機能とを有する。インバータは、複数の駆動軸に対応してそれぞれ設けられる各モータに個別に駆動電力を供給してモータを駆動制御するためにモータの個数と同数個設けられる。一方、コンバータは、モータ駆動装置コストや占有スペースを低減する目的で、複数の逆変換器に対して１個が設けられることが多い。
近年、省エネルギー化の要求から、モータ駆動装置におけるコンバータとして、モータ減速時に生じる回生電力を交流電源側に戻すことができるＰＷＭ制御方式のコンバータ（以下、単に「ＰＷＭコンバータ」と称する。）が広く用いられている。ＰＷＭコンバータは、力率がほぼ１で、直流リンクにおける直流電圧を、交流電源の入力電圧波高値以上の所望の電圧に昇圧することができる利点がある。ＰＷＭコンバータは、半導体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で構成され、内部の半導体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リンク側の直流電力との間で電力変換を行う。モータ減速時にモータで発生する回生電力は、インバータにより交流電力から直流電力に変換され、この直流電力は直流リンクを介してＰＷＭコンバータに入力され、さらにはＰＷＭコンバータにより交流電力に変換されて交流電源側に電源回生される。この時、コンデンサが設けられた直流リンクにおける直流電圧は、モータで発生する回生電力の量と、インバータ、直流リンクおよびＰＷＭコンバータを介して交流電源側に回生される交流電力の量と、に応じて変動する。
例えば、ＰＷＭコンバータの直流リンク側に蓄電器を設け、ＰＷＭ制御により交流電源からＰＷＭコンバータに取り込まれる入力電流（入力電力）の大きさを制限し、蓄電器に蓄積されたエネルギーをモータ加速に使用することで交流電源から供給される電力のピークを抑制するとともに、モータ減速時には交流電源側に回生される電力のピークを抑制することで、ＰＷＭコンバータの容量の低減を図ったモータ駆動装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
このモータ駆動装置では、モータ加速に必要な駆動電力をＸ［Ｗ］、ＰＷＭ制御により交流電源からＰＷＭコンバータに取り込まれる入力電力（入力電流に対応）の制限値をＹ［Ｗ］としたとき、Ｚ［Ｗ］（＝Ｘ［Ｗ］−Ｙ［Ｗ］）だけモータ駆動のための電力が不足するが、不足した電力Ｚ［Ｗ］は、蓄電器から供給される。モータを加速する時間期間をＴ［ｓ］とすると、蓄電器からモータの駆動電力として供給されるエネルギーＥ［Ｊ］は、式１で表される。
Figure 0006219888
蓄電器からモータの駆動電力が供給されると、直流リンクの直流電圧（蓄電器電圧）は低下する。蓄電器からモータの駆動電力が供給される前の直流リンクの直流電圧をＶ1［Ｖ］、蓄電器からモータの駆動電力が供給された後の低下した直流リンクの直流電圧をＶ2［Ｖ］、蓄電器であるコンデンサの静電容量をＣ［Ｆ］とすると、式２の関係式が成り立つ。
Figure 0006219888
また例えば、蓄電器に蓄積されたエネルギーをモータ加速に使用することで低下した直流リンクの直流電圧（蓄電器電圧）を、交流電源からの電力もしくはモータ減速時の回生電力にて蓄電器を充電し、これによって蓄電器に蓄積されたエネルギーを次のモータ加速のための駆動電力として用いるモータ駆動装置がある（例えば、特許文献２参照。）。
ＰＷＭコンバータにおいて交流電源側から取り込まれる入力電流の制限は、ＰＷＭコンバータの直流側である直流リンクにおける直流電圧（すなわち蓄電器電圧）が、ＰＷＭコンバータの交流電源側の入力電圧波高値よりも高い場合においてのみ、ＰＷＭ制御により可能である。
しかしながら、直流リンクにおける直流電圧が低下して入力電圧波高値以下になった場合は、半導体スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードに電流が流れるのでダイオード整流型のコンバータ構成と等価となる。したがって、半導体スイッチング素子のスイッチング動作をＰＷＭ制御したとしても、交流電源側から取り込まれる入力電流を制限することはできない。このため、その後も引き続きモータ加速する場合には、モータ加速に必要な電力を全て、交流電源側から取り込まなければならなくなり、交流電源から供給される電力のピークの抑制という目的を達成することができない。また、交流電源側から取り込まれる入力電流を制限することができなくなることから、ＰＷＭコンバータ内のダイオードや蓄電器が過電流により破損する恐れがある。
図１０は、モータ加速時に電源から供給される電力のピークおよびモータ減速時に電源へ回生される電力のピークを低減するために設けられたＰＷＭコンバータおよび蓄電器を有する従来のモータ駆動装置の動作を示す図であって、（Ａ）はモータ出力を表し、（Ｂ）は交流電源からＰＷＭコンバータに取り込まれる電源電流を表し、（Ｃ）は蓄電器電流の流れを表し、（Ｄ）は直流リンク電圧を表す。
まず時刻ｔ0において、直流リンクにおける直流電圧が既に交流電源の入力電圧波高値に昇圧されている場合を考える。図１０（Ｄ）において、Ｖ1は、蓄電器からモータの駆動電力が供給される前の直流リンクの直流電圧を示す。また、Ｖ2は、蓄電器からモータの駆動電力が供給された後の低下した直流リンクの直流電圧であり、交流電源側の入力電圧波高値より大きい値に設定される。
時刻ｔ0から時刻ｔ1の間、ＰＷＭコンバータは、交流電源から取り込む電源電流（交流電流）が予め設定された入力電流制限値を超えないようにＰＷＭ制御されながら（図１０（Ｂ））、交流電源側の交流電力を直流電力に変換する。ＰＷＭコンバータから出力された直流電力により蓄電器が充電され（図１０（Ｃ））、直流リンクにおける直流電圧（すなわち蓄電器電圧）は徐々に上昇する（図１０（Ｄ））。
時刻ｔ1で直流リンクの直流電圧が規定電圧Ｖ1に達した後は、モータの加速が開始される前までは、電源電流（図１０（Ｂ））および蓄電器電流（図１０（Ｃ））は流れない。
時刻ｔ2でモータの加速が開始されると（図１０（Ａ））、ＰＷＭコンバータが交流電源から取り込む電源電流（入力電流）が増加する（図１０（Ｂ））。電源電流が入力電流制限値に達するまでは、蓄電器電流は流れない（図１０（Ｃ））。
時刻ｔ3で電源電流が入力電流制限値に達したにもかかわらず（図１０（Ｂ））、モータの力行が継続しモータ出力が増加し続けると（図１０（Ａ））、交流電源側から供給される制限された入力電力だけでは駆動電力が不足することになるので、この不足分は蓄電器から放電される電力により補われることになる。このため、蓄電器電流が流れ（図１０（Ｃ））、直流リンクにおける直流電圧（すなわち蓄電器電圧）は徐々に下降する（図１０（Ｄ））。
時刻ｔ4で直流リンク電圧がＶ2を下回ってもなおモータ出力が上昇し続けた場合であっても、直流リンク電圧が交流電源の入力電圧波高値よりも大きければ、ＰＷＭ制御により交流電源側からＰＷＭコンバータに取り込まれる入力電流の大きさを制限することができる（図１０（Ｂ））。
時刻ｔ5で直流リンク電圧が入力電圧波高値を下回ってもなおモータ出力が上昇し続けた場合、ＰＷＭコンバータ内のダイオードを通して電流が流れることになるため、交流電源側から取り込まれる入力電流の大きさを制限することができなくなる。このため、ＰＷＭコンバータ内のダイオードや蓄電器が過電流により破損したり、また、これを回避するためにモータ駆動装置そのものがアラーム停止することになる。
特開２０００−２３６６７９号公報 特許第４９１７６８０号公報
上述のＰＷＭコンバータと蓄電器とを有するモータ駆動装置においては、蓄電器からモータの駆動電力が供給された後の低下した直流リンクの直流電圧（式２におけるＶ2［Ｖ］）が交流電源側の入力電圧波高値よりも低くならないように制御することが重要である。
例えば、従来より、蓄電器であるコンデンサの静電容量Ｃ［Ｆ］を、式１および式２に基づいて次のように設計することで、低下した直流リンクの直流電圧（式２におけるＶ2［Ｖ］）が交流電源側の入力電圧波高値以下にならないようにすることが行われている。すなわち、蓄電器からモータの駆動電力が供給される前の直流リンクの直流電圧Ｖ1［Ｖ］を、ＰＷＭコンバータ内のダイオードおよび蓄電器の耐圧以下に設定し、蓄電器からモータの駆動電力が供給された後の低下した直流リンクの直流電圧Ｖ2［Ｖ］を、交流電源側の入力電圧波高値より大きい値でありなおかつモータを駆動するのに最低限必要な電圧以上に設定する。モータ加速に必要な駆動電力Ｘ［Ｗ］およびモータを加速する時間期間Ｔ［ｓ］については、モータの運転条件から決定され、また、ＰＷＭ制御により交流電源からＰＷＭコンバータに取り込まれる入力電力（入力電流に対応）の制限値Ｙ［Ｗ］は交流電源が供給可能な電力に制限される。
式２によれば、蓄電器からモータの駆動電力が供給される前後の直流リンクの直流電圧の差「Ｖ1［Ｖ］−Ｖ2［Ｖ］」を大きくとれば、蓄電器であるコンデンサの静電容量Ｃ［Ｆ］を削減できることが分かる。しかしながら、蓄電器からモータの駆動電力が供給される前の直流リンクの直流電圧Ｖ1［Ｖ］は、ＰＷＭコンバータ内のダイオードおよび蓄電器の耐圧より小さい値に設定する必要があるため上限がある。また、蓄電器からモータの駆動電力が供給された後の直流リンクの直流電圧Ｖ2［Ｖ］は、交流電源側の入力電圧波高値より大きい値に設定する必要があるので、モータ駆動装置に接続される交流電源により左右される。例えば、交流電源が高電圧である場合は、蓄電器からモータの駆動電力が供給された後の直流リンクの直流電圧Ｖ2［Ｖ］を低くすることができないので、蓄電器からモータの駆動電力が供給される前後の直流リンクの直流電圧の差「Ｖ1［Ｖ］−Ｖ2［Ｖ］」を大きくすることができない。そのため、蓄電器からモータの駆動電力として供給されるエネルギーＥ［Ｊ］を十分に確保するためには、蓄電器であるコンデンサの静電容量Ｃ［Ｆ］を大きくせざるを得ず、蓄電器のコストおよび設置面積が増大してしまう問題がある。
また、ＰＷＭ制御により交流電源からＰＷＭコンバータに取り込まれる入力電流（入力電力）の大きさを制限し、モータ駆動に不足する電力については蓄電器に蓄積されたエネルギーを使用することで、ＰＷＭコンバータの容量を小さくすることができるので、モータ出力よりも小さい容量を有するＰＷＭコンバータを選定することができる。しかしながら、何らかの原因によりモータ出力が想定していたよりも大きくなったり、蓄電器であるコンデンサの静電容量が経年変化により低下したりした場合は、蓄電器に蓄積されたエネルギーをモータ加速に使用することで直流コンデンサにおける直流電圧（蓄電器電圧）が交流電源の入力電圧波高値以下になり、モータ負荷が、そのままＰＷＭコンバータに印加される事態が発生することも考えられる。この場合、モータ出力に対して容量の小さいＰＷＭコンバータを選定していた場合は、交流電源からＰＷＭコンバータに取り込まれる入力電流（入力電力）を制限できないので、ＰＷＭコンバータ内のダイオードや蓄電器が過電流により破損したり、これを回避するためにモータ駆動装置そのものがアラーム停止するといった問題がある。
従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、交流電源側から供給された交流電力をＰＷＭコンバータにより直流電力に変換して蓄電手段が設けられた直流リンク出力したのちさらにモータの駆動のための交流電力に変換してモータへ供給するモータ駆動装置において、ＰＷＭコンバータの容量および蓄電手段の容量が削減され、ＰＷＭコンバータおよび蓄電器を構成する各素子が過電流から確実に保護されるモータ駆動装置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、モータ駆動装置は、ＰＷＭ制御により交流電源側の交流電力と直流リンクにおける直流電力との間で電力変換を行うＰＷＭコンバータと、力行動作時には直流リンクにおける直流電力をモータ駆動のための交流電力に変換してモータへ供給し、回生動作時にはモータで回生された交流電力を直流電力に変換して直流リンクへ戻すインバータと、直流リンクに設けられ、直流電力を蓄積し得る蓄電手段と、受信した指令に応じて、交流電源とＰＷＭコンバータとの間を接続もしくは切断するスイッチと、直流リンクにおける直流電圧が、交流電源から取り込む交流電流が予め設定された入力電流制限値を超えないようにしながらＰＷＭコンバータが交流電力から変換した直流電力が蓄電手段に蓄積されることで規定電圧になるまで昇圧される間は、スイッチへの接続指令の出力を継続し、直流リンクにおける直流電圧が、規定電圧に達した後は、インバータが力行動作を開始する前までの間にスイッチへの切断指令の出力を開始する指令手段と、を備える。
ここで、指令手段は、スイッチへの切断指令の出力を開始した後、直流リンクにおける直流電圧が低下しインバータの出力がピーク値から低下した場合、スイッチへの切断指令の出力を終了してスイッチへの接続指令の出力を開始するようにしてもよい。
また、蓄電手段は、コンデンサであってもよい。
また、蓄電手段は、回転エネルギーを蓄積し得るフライホイールと、フライホイールが結合した回転軸を有するフライホイール用モータと、直流リンクにおける直流電力とフライホイール用モータ側の交流電力との間で電力変換を行うフライホイール用インバータと、フライホイール用インバータの電力変換動作を制御するフライホイール制御手段と、を有するものであってもよい。
また、フライホイール制御手段は、直流リンクにおける直流電圧が昇圧されて規定電圧に達した後は、フライホイールが規定回転数で回転するようにフライホイール用モータを駆動するための交流電力をフライホイール用インバータが出力するよう制御し、指令手段がスイッチへの切断指令の出力を開始した後は、直流リンクにおける直流電圧が、インバータによる直流電力から交流電力への電力変換を可能とする必要電圧以上かつ規定電圧以下になるよう、フライホイールの回転エネルギーが無くなるまでの間、フライホイール用インバータの電力変換動作を制御するようにしてもよい。
また、フライホイール制御手段は、直流リンクにおける直流電圧が昇圧されて規定電圧に達した後は、フライホイールが規定回転数で回転するようにフライホイール用モータを駆動するための交流電力をフライホイール用インバータが出力するよう制御し、指令手段がスイッチへの切断指令の出力を開始した後は、フライホイールの回転エネルギーが無くなるまでの間、モータの駆動に必要な交流電力と等しい交流電力をフライホイール用インバータが直流電力へ変換するよう制御するようにしてもよい。
本発明によれば、交流電源側から供給された交流電力をＰＷＭコンバータにより直流電力に変換して蓄電手段が設けられた直流リンク出力したのちさらにモータの駆動のための交流電力に変換してモータへ供給するモータ駆動装置において、ＰＷＭコンバータの容量および蓄電手段の容量が削減され、ＰＷＭコンバータおよび蓄電器を構成する各素子が過電流から確実に保護されるモータ駆動装置を実現することができる。
本発明によれば、直流リンクにおける直流電圧が昇圧されて規定電圧に達した後、交流電源とＰＷＭコンバータとの間を切断するので、このときモータを加速したとしてもＰＷＭコンバータには電源電流は流れ込まない。つまり、直流リンクにおける直流電圧が入力電圧波高値以下になったとしても従来のようにＰＷＭコンバータ内にダイオードに電流が流れることはないので、ＰＷＭコンバータ内のダイオードや蓄電手段が過電流により破損したりせず、また、モータ駆動装置そのものがアラーム停止することもない。したがって、本発明によれば、入力電圧波高値に影響を受けることなくモータを駆動することができ、また、小さい容量のＰＷＭコンバータを選定することができる。また、本発明のモータ駆動装置によれば、モータを駆動するのに最低限必要な電圧を入力電圧波高値よりも小さい値に設定することができるので、蓄電手段からモータの駆動電力が供給される前後の直流リンクの直流電圧の差を従来よりも大きくとることができるので、例えば蓄電手段をコンデンサとしたときはその静電容量を従来よりも削減できることができる。
本発明によるモータ駆動装置の原理ブロック図である。 本発明によるモータ駆動装置の動作を示す図であって、（Ａ）はモータ出力を表し、（Ｂ）は交流電源からＰＷＭコンバータに取り込まれる電源電流を表し、（Ｃ）は蓄電器電流の流れを表し、（Ｄ）は直流リンク電圧を表し、（Ｅ）は交流電源とＰＷＭコンバータとの接続関係を表す。 本発明の第１および第２の実施例によるモータ駆動装置を示す回路図である。 本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置の動作フローを示すフローチャートである。 本発明の第２の実施例によるモータ駆動装置の動作フローを示すフローチャートである。 本発明の第３および第４の実施例によるモータ駆動装置を示す回路図である。 本発明の第３の実施例によるモータ駆動装置の動作フローを示すフローチャートである。 本発明の第４の実施例によるモータ駆動装置の動作フローを示すフローチャートである。 本発明の第１および第２の実施例の変形例によるモータ駆動装置を示す回路図である。 モータ加速時に電源から供給される電力のピークおよびモータ減速時に電源へ回生される電力のピークを低減するために設けられたＰＷＭコンバータおよび蓄電器を有する従来のモータ駆動装置の動作を示す図であって、（Ａ）はモータ出力を表し、（Ｂ）は交流電源からＰＷＭコンバータに取り込まれる電源電流を表し、（Ｃ）は蓄電器電流の流れを表し、（Ｄ）は直流リンク電圧を表す。
図１は、本発明によるモータ駆動装置の原理ブロック図である。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。なお、ここでは１個のモータ２を駆動制御するモータ駆動装置１について説明するが、モータ駆動装置１により駆動制御するモータ２の個数は、本発明を特に限定するものではなく、複数個であってもよい。また、モータ駆動装置１によって駆動されるモータ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、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、相数も本発明を特に限定するものではなく、三相の他に、例えば単相やその他の多相であってもよい。
本発明によるモータ駆動装置１は、ＰＷＭコンバータ１１と、インバータ１２と、蓄電手段１３と、スイッチ１４と、指令手段１５とを備える。モータ駆動装置１の三相交流入力側には交流電源３が接続され、モータ駆動装置１の交流モータ側には三相のモータ２が接続される。なお、図１では、説明を簡明にするために、モータ２を駆動するための制御系および直流リンク電圧を０［Ｖ］から入力電圧波高値まで昇圧する際に用いる充電手段については図示を省略している。また、モータ駆動装置１は、ＰＷＭコンバータ１１の直流側である直流リンクにおける直流電圧および直流電流を検出するための直流電圧電流検出手段２１を備えるが、この直流電圧電流検出手段２１は、モータ２を駆動制御するために必要な電流および電圧を検出するために一般的に設けられるものである。
ＰＷＭコンバータ１１は、半導体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、上位コントローラ（図１では図示せず）から受信したモータ駆動指令に基づき半導体スイッチング素子のスイッチング動作がＰＷＭ制御されることにより、交流電源３から取り込む電源電流（交流電流）が予め設定された入力電流制限値を超えないようにしながら交流電源３側の交流電力と直流リンクにおける直流電力との間で電力変換を行う。半導体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、半導体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、その他の半導体スイッチング素子であってもよい。また、図１において図示を省略した充電手段は、抵抗とそれを短絡する短絡素子とを組合わせたものであり、一般的にＰＷＭコンバータ１１内に設けられるものである。抵抗の代わりにサーミスタを用いたり、短絡素子は、スイッチや半導体スイッチング素子を用いる。
インバータ１２は、ＰＷＭコンバータ１１に対して直流リンクを介して接続される。インバータ１２は、力行動作時には直流リンクにおける直流電力をモータ駆動のための交流電力に変換してモータ２へ供給し、回生動作時にはモータ２で回生された交流電力を直流電力に変換して直流リンクへ戻す。インバータ１２は、例えばＰＷＭインバータなどのような、半導体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。半導体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、半導体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、その他の半導体スイッチング素子であってもよい。インバータ１２は、直流リンク側から供給される直流電力を、上位コントローラ（図１では図示せず）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２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２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２の減速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２で発生した交流の回生電力を直流電力へ変換して直流リンクへ戻す。
蓄電手段１３は、直流リンクに設けられ、直流電力を蓄積し得るものである。蓄電手段の例としては、コンデンサやフライホイールがあるが、その詳細については後述する。
スイッチ１４は、受信した指令に応じて、交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間を接続もしくは切断する。スイッチ１４の例としては、リレーやパワー半導体スイッチング素子などがある。
指令手段１５は、直流電圧電流検出手段２１によって検出された直流リンクにおける直流電圧が、交流電源３から取り込む交流電流が予め設定された入力電流制限値を超えないようにしながらＰＷＭコンバータ１１が交流電力から変換した直流電力が蓄電手段１３に蓄積されることで規定電圧Ｖ1になるまで昇圧される間は、スイッチ１４への接続指令の出力を継続する。そして、指令手段１５は、直流電圧電流検出手段２１によって検出された直流リンクにおける直流電圧が、上記規定電圧Ｖ1に達した後は、インバータ１２が力行動作を開始する前までの間にスイッチ１４への切断指令の出力を開始する。そしてさらに、指令手段１５は、スイッチ１４への切断指令の出力を開始した後は、直流リンクにおける直流電圧が低下しインバータ１２の出力がピーク値から低下した場合、スイッチ１４への切断指令の出力を終了してスイッチ１４への接続指令の出力を開始し、入力電圧波高値までの充電を行う。より具体的には、指令手段１５は、スイッチ１４への切断指令の出力を開始した後は、モータ２の出力が低下し、直流リンクにおける直流電圧が低下してインバータ１２による直流電力から交流電力への電力変換を可能とする必要電圧Ｖ2未満になる前までの間にスイッチ１４への切断指令の出力を終了してスイッチ１４への接続指令の出力を開始し、入力電圧波高値までの充電を行う。またあるいは、インバータ１２による直流電力から交流電力への電力変換を可能とする必要電圧Ｖ2未満になってから、スイッチ１４への切断指令の出力を終了してスイッチ１４への接続指令の出力を開始し、入力電圧波高値までの充電を行うようにしてもよい。入力電圧波高値までの充電は、ＰＷＭコンバータ１１をＰＷＭ制御せずに通常のダイオード整流器として動作させて、ＰＷＭコンバータ１１、蓄電手段１３、およびスイッチ１４が破損しないよう入力電流制限値以下の電流で行う。
図２は、本発明によるモータ駆動装置の動作を示す図であって、（Ａ）はモータ出力を表し、（Ｂ）は交流電源からＰＷＭコンバータに取り込まれる電源電流を表し、（Ｃ）は蓄電器電流の流れを表し、（Ｄ）は直流リンク電圧を表し、（Ｅ）は交流電源とＰＷＭコンバータとの接続関係を表す。
まず時刻ｔ0において、図２（Ｄ）に示すように直流リンクにおける直流電圧が既に交流電源３の入力電圧波高値まで昇圧（すなわち蓄電手段１３が既に交流電源３の入力電圧波高値まで充電）されており、図２（Ｅ）に示すように交流電源３とＰＷＭコンバータ１１とが接続されている場合を考える。
時刻ｔ0から直流リンクの直流電圧が時刻ｔ1で予め設定された規定電圧Ｖ1に達する時刻ｔ1の間、指令手段１５はスイッチ１４への接続指令の出力を継続する。これにより、スイッチ１４による交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間の接続が維持されるので（図２（Ｅ））、ＰＷＭコンバータ１１には、交流電源３から電源電流（交流電流）が流入する（図２（Ｂ））。ＰＷＭコンバータ１１は、交流電源３から取り込む電源電流（交流電流）が予め設定された入力電流制限値を超えないようにＰＷＭ制御されながら（図２（Ｂ））、交流電源３側の交流電力を直流電力に変換する。ＰＷＭコンバータ１１から出力された直流電力により蓄電手段１３が充電され（図２（Ｃ））、直流リンクにおける直流電圧（すなわち蓄電手段１３に印加される直流電圧）は徐々に上昇する（図２（Ｄ））。
時刻ｔ1で直流リンクの直流電圧が規定電圧Ｖ1に達した後は、指令手段１５は、インバータ１２が力行動作を開始する時刻ｔ2の前（すなわちモータ２の加速が開始される前）までの間に、スイッチ１４への切断指令の出力を開始しておく。これにより、時刻ｔ1からモータ２の加速が開始される時刻ｔ2の前までの間にスイッチ１４による交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間の切断動作が完了して時刻ｔ1以降は交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間の切断状態が維持され（図２（Ｅ））、ＰＷＭコンバータ１１には交流電源３からの電源電流（交流電流）が流入しなくなり（図２（Ｂ））、蓄電手段１３には電流は流れず（図２（Ｃ））、直流リンクにおける直流電圧が規定電圧Ｖ1に維持される（図２（Ｄ））。
時刻ｔ2でインバータ１２が力行動作を開始してモータ２の加速が開始されても（図２（Ａ））、交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間は切断されているので、ＰＷＭコンバータ１１には交流電源３からの電源電流（交流電流）は流入しない（図２（Ｂ））。モータ２の出力の上昇に応じて（図２（Ａ））、インバータ１２は蓄電手段１３から放電された直流電力を交流電力に変換してモータ２へ供給し、モータ２は蓄電手段１３に蓄積されたエネルギーによって駆動されることになる。よって、蓄電手段１３から放電された直流電流がインバータ１２へ流れ込み（図２（Ｃ））、直流リンクにおける直流電圧は徐々に低下する（図２（Ｄ））。
そしてさらに、指令手段１５は、スイッチ１４への切断指令の出力を開始した後は、直流リンクにおける直流電圧が低下してインバータ１２による直流電力から交流電力への電力変換を可能とする必要電圧Ｖ2未満になる時刻ｔ4までの前までの間にスイッチ１４への切断指令の出力を終了してスイッチ１４への接続指令の出力を開始する。これにより、スイッチ１４による交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間の接続がされるので（図２（Ｅ））、ＰＷＭコンバータ１１には、交流電源３から電源電流（交流電流）が流入する（図２（Ｂ））。ＰＷＭコンバータ１１は、交流電源３から取り込む電源電流（交流電流）が予め設定された入力電流制限値を超えないように、直流リンク電圧が入力電圧波高値に達するまでは、ＰＷＭ制御されずに通常のダイオード整流器として動作して電流を制限し（図２（Ｂ））、交流電源３側の交流電力を直流電力に変換する。ＰＷＭコンバータ１１から出力された直流電力により蓄電手段１３が充電され（図２（Ｃ））、直流リンクにおける直流電圧（すなわち蓄電手段１３に印加される直流電圧）は徐々に上昇し、時刻ｔ0のときと同じ状態に戻る（図２（Ｄ））。
このように、本発明のモータ駆動装置においては、直流リンクにおける直流電圧が低下していき、時刻ｔ3で入力電圧波高値を下回っても（図２（Ｄ））、なおモータ２を加速し続けたとしても（図２（Ａ））、交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間の切断状態は維持されているので（図２（Ｅ））、ＰＷＭコンバータ１１には電源電流は流れ込まない（図２（Ｂ））。つまり、直流リンクにおける直流電圧が入力電圧波高値以下になったとしても従来のようにＰＷＭコンバータ１１内のダイオードに電流が流れることはないので、ＰＷＭコンバータ１１内のダイオードや蓄電手段１３が過電流により破損したりせず、また、モータ駆動装置１そのものがアラーム停止することもない。したがって、本発明のモータ駆動装置１によれば、入力電圧波高値に影響を受けることなくモータ２を駆動することができ、また、小さい容量のＰＷＭコンバータ１１を選定することができる。またさらに、直流リンクの直流電圧が入力電圧波高値よりさらに低下し、インバータ１２による直流電力から交流電力への電力変換を可能とする必要電圧（すなわちモータ２を駆動するのに最低限必要な電圧）Ｖ2になる時刻ｔ4まで（図２（Ｄ））、蓄電手段１３に蓄積されたエネルギーによってモータ２を駆動することができる。また、本発明のモータ駆動装置１によれば、モータ２を駆動するのに最低限必要な電圧Ｖ2を入力電圧波高値よりも小さい値に設定することができるので、上述した式２における蓄電器からモータの駆動電力が供給される前後の直流リンクの直流電圧の差「Ｖ1−Ｖ2」を従来よりも大きくとることができるので、例えば蓄電手段１３をコンデンサとしたときは静電容量Ｃを従来よりも削減できることができる。
以上説明したように、本発明のモータ駆動装置１では、直流リンクにおける直流電圧が昇圧されて規定電圧になるまでの間は、交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間を接続し、直流リンクにおける直流電圧が規定電圧Ｖ1に達した後は、インバータ１２が力行動作を開始する前（すなわちモータ２の加速が開始される前）までの間に交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間の切断動作を完了しておき、さらに、スイッチ１４への切断指令の出力を開始した後は、直流リンクにおける直流電圧がインバータ１２による直流電力から交流電力への電力変換を可能とする必要電圧Ｖ2未満になる前までの間に交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間の接続動作を完了しておく。なお、インバータ１２による直流電力から交流電力への電力変換ができない時間があってもよいとした場合は、直流電圧が電圧Ｖ2未満になってから交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間の接続動作を完了してもよい。
続いて、図１を参照して説明したモータ駆動装置１のより具体的な構成について、蓄電手段１３をコンデンサとした場合を第１および第２の実施例として説明する。
図３は、本発明の第１および第２の実施例によるモータ駆動装置を示す回路図である。なお、ここでは１個のモータ２を駆動制御するモータ駆動装置１について説明するが、モータ駆動装置１により駆動制御するモータ２の個数は、本発明を特に限定するものではなく、複数個であってもよい。また、モータ駆動装置１によって駆動されるモータ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、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、相数も本発明を特に限定するものではなく、三相の他に、例えば単相やその他の多相であってもよい。
第１および第２の実施例では、モータ駆動装置１は、ＰＷＭコンバータ１１と、インバータ１２と、蓄電手段としてのコンデンサ１３−１と、スイッチ１４と、指令手段１５とを備える。ＰＷＭコンバータ１１、インバータ１２、スイッチ１４、および指令手段１５については図１および図２を参照して説明した通りである。なお、第１および第２の実施例では、蓄電手段をコンデンサ１３−１とし、ＰＷＭコンバータ１１の直流出力側およびインバータ１２の直流入力側にそれぞれ設けられる平滑コンデンサについては参照符号３１および３２で表している。
モータ駆動装置１は、その制御系として、上位コントローラ４１と、コンバータ制御回路４２と、インバータ制御回路４３とを備える。また、モータ駆動装置１は、その検出系として、直流電圧電流検出手段２１と、交流電流検出手段２２と、交流電圧検出手段２３とを備える。
コンバータ制御回路４２は、上位コントローラ４１からの指令、直流電圧電流検出手段２１によって検出された直流リンクの直流電圧、交流電流検出手段２２によって検出されたＰＷＭコンバータ１１に流入する交流電流、および交流電圧検出手段２３によって検出された交流電源３の交流電圧に基づき、ＰＷＭコンバータ１１が交流電源３から取り込む電源電流（交流電流）が入力電流制限値を超えないようにしながら交流電源３側の交流電力と直流リンクにおける直流電力との間で電力変換を行うよう、ＰＷＭコンバータ１１内の半導体スイッチング素子のスイッチング動作をＰＷＭ制御する。
インバータ制御回路４３は、上位コントローラ４１からの指令に基づき、インバータ１２内の半導体スイッチング素子のスイッチング動作をＰＷＭ制御する。
上位コントローラ４１は、コンバータ制御回路４２およびインバータ制御回路４３を統括制御する。なお、ここでは図示していないが、所定のモータ２の動作プログラム、インバータ１２の交流出力側の交流電流もしくは交流電圧および／またはモータ２の回転速度などを用いて、モータ２の速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御するための駆動指令をインバータ制御回路４３へ出力する。
本発明の第１および第２の実施例では、図１および図２を参照して説明した指令手段１５は、コンバータ制御回路４２内に設けられる。
図４は、本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置の動作フローを示すフローチャートである。
モータ駆動装置１の起動する際は、まずステップＳ１０１において、指令手段１５は、接続指令をスイッチ１４へ出力する。モータ駆動装置１の起動時における指令手段１５による接続指令の出力は、上位コントローラ４１からモータ駆動装置１の起動の通知を受けたことにより実行される。スイッチ１４は、指令手段１５から接続指令を受信すると、交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間の接続を確立する。なお、この時点ではＰＷＭコンバータ１１はＰＷＭ制御されていないので、単にダイオード整流器として動作することになり、交流電源３から流入する交流電流をダイオード整流して直流電流を直流リンクへ出力する。これにより、コンデンサ１３−１が充電され始める。
直流リンクの直流電圧（すなわちコンデンサ１３−１に印加される直流電圧）は徐々に上昇し、入力電圧波高値まで充電されると（ステップＳ１０２）、ステップＳ１０３において、直流リンクの直流電圧を昇圧制御するために、コンバータ制御回路４２はＰＷＭコンバータ１１のＰＷＭ制御を開始する。このＰＷＭ制御により、ＰＷＭコンバータ１１は、交流電源３から取り込む電源電流（交流電流）が入力電流制限値を超えないようにしながら交流電源３側の交流電力を直流リンクにおける直流電力に変換し、直流リンクの直流電圧はさらに上昇して入力電圧波高値以上の電圧に昇圧される。
ステップＳ１０４では、コンバータ制御回路４２は、直流電圧電流検出手段２１によって検出された直流リンクの直流電圧が、予め規定された規定電圧Ｖ1に達したか否かを判別する。直流リンクの直流電圧が規定電圧Ｖ 1 に達した場合、ステップＳ１０５へ進む。
ステップＳ１０５では、指令手段１５は、コンバータ制御回路４２が上位コントローラ４１からモータ出力上昇指令を受信したか否かを判別する。モータ出力上昇指令を受信した場合、ステップＳ１０６へ進む。なお、上位コントローラ４１は、モータ出力上昇指令をコンバータ制御回路４２およびインバータ制御回路４３へ出力するが、その出力は同時に行われるのではなく、コンバータ制御回路４２への出力がインバータ制御回路４３への出力よりも先行するようにする。
ステップＳ１０６では、指令手段１５は、スイッチ１４へ切断指令を出力する。スイッチ１４は、指令手段１５から切断指令を受信すると、交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間を切断する。これにより、ＰＷＭコンバータ１１には交流電源３からの電源電流（交流電流）が流入しなくなる。
その後、ステップＳ１０７において、インバータ制御回路４３は、ＰＷＭ制御によるインバータ１２の力行動作を開始し、モータ２の出力の上昇に応じて、コンデンサ１３−１から放電された直流電力を交流電力に変換してモータ２へ供給し、モータ２はコンデンサ１３−１に蓄積されたエネルギーによって駆動されることになる。このとき、交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間は切断されているので、ＰＷＭコンバータ１１には交流電源３からの電源電流（交流電流）は流入せず、直流リンクにおける直流電圧は徐々に低下することは上述の通りである。
次いでステップＳ１０８において、指令手段１５は、上位コントローラ４１からの信号に基づき、モータ出力がゼロになったか否かを判定する。モータ出力がゼロになった場合は、ステップＳ１０１へ戻り、指令手段１５は、接続指令をスイッチ１４へ出力する。スイッチ１４は、指令手段１５から接続指令を受信すると、交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間の接続を確立する。これ以降、上述の各処理が再び実行される。なお、ステップＳ１０８においてモータ出力がゼロになったと判定された場合に、ステップＳ１０１において指令手段１５が接続指令をスイッチ１４へ出力して交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間を再接続したが、この変形例として、スイッチ１４が再接続時に流れる突入電流に耐え得るものであるならば、モータ出力がゼロである以外の場合に当該再接続を行ってもよい。
図５は、本発明の第２の実施例によるモータ駆動装置の動作フローを示すフローチャートである。
モータ駆動装置１の起動する際は、まずステップＳ２０１において、指令手段１５は、接続指令をスイッチ１４へ出力する。第１の実施例の場合と同様、モータ駆動装置１の起動時における指令手段１５による接続指令の出力は、上位コントローラ４１からモータ駆動装置１の起動の通知を受けたことにより実行される。スイッチ１４は、指令手段１５から接続指令を受信すると、交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間の接続を確立する。なお、この時点ではＰＷＭコンバータ１１はＰＷＭ制御されていないので、単にダイオード整流器として動作することになり、交流電源３から流入する交流電流をダイオード整流して直流電流を直流リンクへ出力する。これにより、コンデンサ１３−１が充電され始める。
直流リンクの直流電圧（すなわちコンデンサ１３−１に印加される直流電圧）は徐々に上昇し、入力電圧波高値まで充電されると（ステップＳ２０２）、ステップＳ２０３において、直流リンクの直流電圧を昇圧制御するために、コンバータ制御回路４２はＰＷＭコンバータ１１のＰＷＭ制御を開始する。このＰＷＭ制御により、ＰＷＭコンバータ１１は、交流電源３から取り込む電源電流（交流電流）が入力電流制限値を超えないようにしながら交流電源３側の交流電力を直流リンクにおける直流電力に変換し、直流リンクの直流電圧はさらに上昇して入力電圧波高値以上の電圧に昇圧される。
ステップＳ２０４では、コンバータ制御回路４２は、直流電圧電流検出手段２１によって検出された直流リンクの直流電圧が、予め規定された規定電圧Ｖ1に達したか否かを判別する。直流リンクの直流電圧が規定電圧Ｖ 1 に達した場合、ステップＳ２０５へ進む。
ステップＳ２０５では、指令手段１５は、スイッチ１４へ切断指令を出力する。スイッチ１４は、指令手段１５から切断指令を受信すると、交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間を切断する。これにより、ＰＷＭコンバータ１１には交流電源３からの電源電流（交流電流）が流入しなくなる。
次いでステップＳ２０６において、指令手段１５は、スイッチ１４が切断状態にあることを上位コントローラ４１へ通知する。
上位コントローラ４１は、スイッチ１４が切断状態にあることの通知を受けて、モータ出力上昇指令をインバータ制御回路４３へ出力する。これにより、インバータ制御回路４３は、ＰＷＭ制御によるインバータ１２の力行動作を開始し、蓄電手段１３から放電された直流電力を交流電力に変換してモータ２へ供給し、モータ２はコンデンサ１３−１に蓄積されたエネルギーによって駆動され、モータ２の出力が上昇することになる（ステップＳ２０７）。このとき、交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間は切断されているので、ＰＷＭコンバータ１１には交流電源３からの電源電流（交流電流）は流入せず、直流リンクにおける直流電圧は徐々に低下することは上述の通りである。
次いでステップＳ２０８において、指令手段１５は、上位コントローラ４１からの信号に基づき、モータ出力がゼロになったか否かを判定する。モータ出力がゼロになった場合は、ステップＳ２０１へ戻り、指令手段１５は、接続指令をスイッチ１４へ出力する。スイッチ１４は、指令手段１５から接続指令を受信すると、交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間の接続を確立する。これ以降、上述の各処理が再び実行される。なお、ステップＳ２０８においてモータ出力がゼロになったと判定された場合に、ステップＳ２０１において指令手段１５が接続指令をスイッチ１４へ出力して交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間を再接続したが、この変形例として、スイッチ１４が再接続時に流れる突入電流に耐え得るものであるならば、モータ出力がゼロである以外の場合に当該再接続を行ってもよい。
続いて、図１を参照して説明したモータ駆動装置１のより具体的な構成について、蓄電手段１３をフライホイール電力貯蔵装置とした場合を第３および第４の実施例として説明する。
図６は、本発明の第３および第４の実施例によるモータ駆動装置を示す回路図である。なお、ここでは１個のモータ２を駆動制御するモータ駆動装置１について説明するが、モータ駆動装置１により駆動制御するモータ２の個数は、本発明を特に限定するものではなく、複数個であってもよい。また、モータ駆動装置１によって駆動されるモータ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、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、相数も本発明を特に限定するものではなく、三相の他に、例えば単相やその他の多相であってもよい。
第３および第４の実施例では、モータ駆動装置１は、ＰＷＭコンバータ１１と、インバータ１２と、蓄電手段としてのフライホイール電力貯蔵装置１３−２と、スイッチ１４と、指令手段１５とを備える。ＰＷＭコンバータ１１、インバータ１２、スイッチ１４、および指令手段１５については図１および図２を参照して説明した通りである。なお、第３および第４の実施例では、蓄電手段をフライホイール電力貯蔵装置１３−２とする。ＰＷＭコンバータ１１の直流出力側およびインバータ１２の直流入力側には平滑コンデンサ３１および３２がそれぞれ設けられる。
モータ駆動装置１は、その制御系として、上位コントローラ４１と、コンバータ制御回路４２と、インバータ制御回路４３と、フライホイール制御回路４４とを備える。また、モータ駆動装置１は、その検出系として、直流電圧電流検出手段２１と、交流電流検出手段２２と、交流電圧検出手段２３とを備える。コンバータ制御回路４２、インバータ制御回路４３、直流電圧電流検出手段２１、交流電流検出手段２２、および交流電圧検出手段２３については、図１〜図５を参照して説明した通りである。なお、直流電圧電流検出手段２１については、インバータ制御回路４３内に設けてその検出結果を上位コントローラ４１、コンバータ制御回路４２、およびフライホイール制御回路４４に通知するようにしてもよく、またあるいは、フライホイール制御回路４４内に設けてその検出結果を上位コントローラ４１、コンバータ制御回路４２、およびインバータ制御回路４３に通知するようにしてもよい。
上位コントローラ４１は、コンバータ制御回路４２、インバータ制御回路４３およびフライホイール制御回路４４を統括制御する。なお、ここでは図示していないが、所定のモータ２の動作プログラム、インバータ１２の交流出力側の交流電流もしくは交流電圧および／またはモータ２の回転速度などを用いて、モータ２の速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御するための駆動指令をインバータ制御回路４３へ出力する。
本発明の第３および第４の実施例においても、第１および第２の実施例の場合と同様、図１および図２を参照して説明した指令手段１５は、コンバータ制御回路４２内に設けられる。
蓄電手段としてのフライホイール電力貯蔵装置１３−２は、回転エネルギーを蓄積し得るフライホイール５１と、フライホイール５１が結合した回転軸を有するフライホイール用モータ５２と、直流リンクにおける直流電力とフライホイール用モータ５２側の交流電力との間で電力変換を行うフライホイール用インバータ５３と、フライホイール用インバータ５３の電力変換動作を制御するフライホイール制御手段としてのフライホイール制御回路４４とを備える。
このうちフライホイール用インバータ５３は、例えばＰＷＭインバータなどのような、半導体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。半導体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、半導体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、その他の半導体スイッチング素子であってもよい。フライホイール用インバータ５３は、フライホイール制御回路４４によるＰＷＭ制御により内部のスイッチング素子をスイッチング動作させ、直流リンクにおける直流電力とフライホイールモータ５２側の交流電力との間で電力変換を行う。
図７は、本発明の第３の実施例によるモータ駆動装置の動作フローを示すフローチャートである。本発明の第３の実施例では、フライホイール制御回路４４は、直流リンクにおける直流電圧が昇圧されて規定電圧Ｖ1に達した後は、フライホイール５１が規定回転数で回転するようにフライホイール用モータ５２を駆動するための交流電力を、フライホイール用インバータ５３が出力するように制御する。ここで規定回転数は、例えば、モータ２の最高回転数の半分に設定する。そして、フライホイール制御回路４４は、指令手段１５がスイッチ１４への切断指令の出力を開始した後は、直流リンクにおける直流電圧が、インバータ１２による直流電力から交流電力への電力変換を可能とする必要電圧Ｖ2以上かつ規定電圧Ｖ1以下になるよう、フライホイール５１の回転エネルギーが無くなるまでの間、フライホイール用インバータ５３の電力変換動作を制御する。
モータ駆動装置１の起動する際は、まずステップＳ３０１において、指令手段１５は、接続指令をスイッチ１４へ出力する。モータ駆動装置１の起動時における指令手段１５による接続指令の出力は、上位コントローラ４１からモータ駆動装置１の起動の通知を受けたことにより実行される。スイッチ１４は、指令手段１５から接続指令を受信すると、交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間の接続を確立する。なお、この時点ではＰＷＭコンバータ１１はＰＷＭ制御されていないので、単にダイオード整流器として動作することになり、交流電源３から流入する交流電流をダイオード整流して直流電流を直流リンクへ出力する。
直流リンクの直流電圧（すなわち蓄電手段に印加される直流電圧）は徐々に上昇し、入力電圧波高値まで充電されると（ステップＳ３０２）、ステップＳ３０３において、直流リンクの直流電圧を昇圧制御するために、コンバータ制御回路４２はＰＷＭコンバータ１１のＰＷＭ制御を開始する。このＰＷＭ制御により、ＰＷＭコンバータ１１は、交流電源３から取り込む電源電流（交流電流）が入力電流制限値を超えないようにしながら交流電源３側の交流電力を直流リンクにおける直流電力に変換し、直流リンクの直流電圧はさらに上昇して入力電圧波高値以上の電圧に昇圧される。
ステップＳ３０４では、コンバータ制御回路４２は、直流電圧電流検出手段２１によって検出された直流リンクの直流電圧が、予め規定された規定電圧Ｖ1に達したか否かを判別する。直流リンクの直流電圧が規定電圧Ｖ1に達した場合、ステップＳ３０５へ進む。
ステップＳ３０５では、フライホイール用制御回路４４は、フライホイール用インバータ５３が直流リンクにおける直流電力をフライホイール用モータ５２を駆動するための交流電力に変換するよう、フライホイール用インバータ５３内の半導体スイッチング素子のスイッチング動作をＰＷＭ制御する。これにより、フライホイール用モータ５２は、フライホイール用インバータ５３から出力された交流電力によって駆動され、フライホイール用モータ５２の回転軸に結合されたフライホイール５１が回転することになる。すなわち、フライホイール電力貯蔵装置１３−２では、直流リンクにおける直流電力が、フライホイール５１の回転エネルギーに変換されて貯蔵されることになる。
次いでステップＳ３０６では、フライホイール制御回路４４は、フライホイール５１の回転数が規定回転数に達したか否かを判別する。フライホイール５１の回転数は回転センサ（図示せず）によって検出され、フライホイール制御回路４４はこの検出された回転数を用いて規定回転数に達したか否かを判別する。フライホイール５１の回転数が規定回転数に達した場合、ステップＳ３０７へ進む。
ステップＳ３０７では、指令手段１５は、スイッチ１４へ切断指令を出力する。スイッチ１４は、指令手段１５から切断指令を受信すると、交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間を切断する。これにより、ＰＷＭコンバータ１１には交流電源３からの電源電流（交流電流）が流入しなくなる。
次いでステップＳ３０８において、指令手段１５は、スイッチ１４が切断状態にあることを上位コントローラ４１へ通知する。
上位コントローラ４１は、スイッチ１４が切断状態にあることの通知を受けて、モータ出力上昇指令をインバータ制御回路４３へ出力する。これにより、インバータ制御回路４３は、ＰＷＭ制御によりインバータ１２の出力を上昇させる。またこのとき、フライホイール制御回路４４は、フライホイール５１に蓄積された回転エネルギーを電力エネルギーに変換するために、フライホイール５１に結合されたフライホイール用モータ５２を減速させて回生電力を発生させ、これを直流電力に変換して直流リンクへ戻すよう、フライホイール用インバータ５３の電力変換動作を制御する。これにより、フライホイール電力貯蔵装置１３−２における回転エネルギーから変換された直流リンクにおける直流電力を、インバータ１２は交流電力に変換してモータ２へ供給し、モータ２はこの交流電力によって駆動され、モータ２の出力が上昇することになる（ステップＳ３０９）。このとき、交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間は切断されているので、ＰＷＭコンバータ１１には交流電源３からの電源電流（交流電流）は流入せず、直流リンクにおける直流電圧は徐々に低下することは上述の通りである。
ステップＳ３１０では、フライホイール制御回路４４は、直流電圧電流検出手段２１によって検出された直流リンクにおける直流電圧が、インバータ１２による直流電力から交流電力への電力変換を可能とする必要電圧Ｖ2以上かつ規定電圧Ｖ1以下になるよう、フライホイール用インバータ５３の電力変換動作を制御する。ステップＳ３１０におけるフライホイール制御回路４４によるフライホイール用インバータ５３に対する制御は、フライホイール５１の回転エネルギーが無くなるまでの間、実行される。
次いでステップＳ３１１において、指令手段１５は、上位コントローラ４１からの信号に基づき、モータ出力がゼロになったか否かを判定する。モータ出力がゼロになった場合は、ステップＳ３０１へ戻り、指令手段１５は、接続指令をスイッチ１４へ出力する。スイッチ１４は、指令手段１５から接続指令を受信すると、交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間の接続を確立する。これ以降、上述の各処理が再び実行される。なお、ステップＳ３１１においてモータ出力がゼロになったと判定された場合に、ステップＳ３０１において指令手段１５が接続指令をスイッチ１４へ出力して交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間を再接続したが、この変形例として、スイッチ１４が再接続時に流れる突入電流に耐え得るものであるならば、モータ出力がゼロである以外の場合に当該再接続を行ってもよい。
図８は、本発明の第４の実施例によるモータ駆動装置の動作フローを示すフローチャートである。本発明の第４の実施例では、フライホイール制御回路４４は、直流リンクにおける直流電圧が昇圧されて規定電圧Ｖ1に達した後は、フライホイール５１が規定回転数で回転するようにフライホイール用モータ５２を駆動するための交流電力を、フライホイール用インバータ５３が出力するように制御する。そして、フライホイール制御回路４４は、指令手段１５がスイッチ１４への切断指令の出力を開始した後は、フライホイール５１の回転エネルギーが無くなるまでの間、モータ２の駆動に必要な交流電力と等しい交流電力をフライホイール用インバータ５３が直流電力へ変換するよう制御する。
モータ駆動装置１の起動する際は、まずステップＳ４０１において、指令手段１５は、接続指令をスイッチ１４へ出力する。モータ駆動装置１の起動時における指令手段１５による接続指令の出力は、上位コントローラ４１からモータ駆動装置１の起動の通知を受けたことにより実行される。スイッチ１４は、指令手段１５から接続指令を受信すると、交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間の接続を確立する。なお、この時点ではＰＷＭコンバータ１１はＰＷＭ制御されていないので、単にダイオード整流器として動作することになり、交流電源３から流入する交流電流をダイオード整流して直流電流を直流リンクへ出力する。
直流リンクの直流電圧（すなわち蓄電手段に印加される直流電圧）は徐々に上昇し、入力電圧波高値まで充電されると（ステップＳ４０２）、ステップＳ４０３において、直流リンクの直流電圧を昇圧制御するために、コンバータ制御回路４２はＰＷＭコンバータ１１のＰＷＭ制御を開始する。このＰＷＭ制御により、ＰＷＭコンバータ１１は、交流電源３から取り込む電源電流（交流電流）が入力電流制限値を超えないようにしながら交流電源３側の交流電力を直流リンクにおける直流電力に変換し、直流リンクの直流電圧はさらに上昇して入力電圧波高値以上の電圧に昇圧される。
ステップＳ４０４では、コンバータ制御回路４２は、直流電圧電流検出手段２１によって検出された直流リンクの直流電圧が、予め規定された規定電圧Ｖ1に達したか否かを判別する。直流リンクの直流電圧が規定電圧Ｖ1に達した場合、ステップＳ４０５へ進む。
ステップＳ４０５では、フライホイール用制御回路４４は、フライホイール用インバータ５３が直流リンクにおける直流電力をフライホイール用モータ５２を駆動するための交流電力に変換するよう、フライホイール用インバータ５３内の半導体スイッチング素子のスイッチング動作をＰＷＭ制御する。これにより、フライホイール用モータ５２は、フライホイール用インバータ５３から出力された交流電力によって駆動され、フライホイール用モータ５２の回転軸に結合されたフライホイール５１が回転することになる。すなわち、フライホイール電力貯蔵装置１３−２では、直流リンクにおける直流電力が、フライホイール５１の回転エネルギーに変換されて貯蔵されることになる。
次いでステップＳ４０６では、フライホイール制御回路４４は、フライホイール５１の回転数が規定回転数に達したか否かを判別する。フライホイール５１の回転数は回転センサ（図示せず）によって検出され、フライホイール制御回路４４はこの検出された回転数を用いて規定回転数に達したか否かを判別する。フライホイール５１の回転数が規定回転数に達した場合、ステップＳ４０７へ進む。
ステップＳ４０７では、指令手段１５は、スイッチ１４へ切断指令を出力する。スイッチ１４は、指令手段１５から切断指令を受信すると、交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間を切断する。これにより、ＰＷＭコンバータ１１には交流電源３からの電源電流（交流電流）が流入しなくなる。
次いでステップＳ４０８において、指令手段１５は、スイッチ１４が切断状態にあることを上位コントローラ４１へ通知する。
上位コントローラ４１は、スイッチ１４が切断状態にあることの通知を受けて、モータ出力上昇指令をインバータ制御回路４３へ出力する。これにより、インバータ制御回路４３は、ＰＷＭ制御によりインバータ１２の出力を上昇させる。またこのとき、フライホイール制御回路４４は、フライホイール５１に蓄積された回転エネルギーを電力エネルギーに変換するために、フライホイール５１に結合されたフライホイール用モータ５２を減速させて回生電力を発生させ、これを直流電力に変換して直流リンクへ戻すよう、フライホイール用インバータ５３の電力変換動作を制御する。これにより、フライホイール電力貯蔵装置１３−２における回転エネルギーから変換された直流リンクにおける直流電力を、インバータ１２は交流電力に変換してモータ２へ供給し、モータ２はこの交流電力によって駆動され、モータ２の出力が上昇することになる（ステップＳ４０９）。このとき、交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間は切断されているので、ＰＷＭコンバータ１１には交流電源３からの電源電流（交流電流）は流入せず、直流リンクにおける直流電圧は徐々に低下することは上述の通りである。
ステップＳ４１０では、フライホイール制御回路４４は、フライホイール５１の回転エネルギーが無くなるまでの間、モータ２の駆動に必要な交流電力と等しい交流電力をフライホイール用インバータ５３が直流電力へ変換するよう制御する。
次いでステップＳ４１１において、指令手段１５は、上位コントローラ４１からの信号に基づき、モータ出力がゼロになったか否かを判定する。モータ出力がゼロになった場合は、ステップＳ４０１へ戻り、指令手段１５は、接続指令をスイッチ１４へ出力する。スイッチ１４は、指令手段１５から接続指令を受信すると、交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間の接続を確立する。これ以降、上述の各処理が再び実行される。なお、ステップＳ４１１においてモータ出力がゼロになったと判定された場合に、ステップＳ４０１において指令手段１５が接続指令をスイッチ１４へ出力して交流電源３とＰＷＭコンバータ１１との間を再接続したが、この変形例として、スイッチ１４が再接続時に流れる突入電流に耐え得るものであるならば、モータ出力がゼロである以外の場合に当該再接続を行ってもよい。
上述の第１〜第４の実施例では指令手段１５をコンバータ制御回路４２内に設けたが、この変形例として、指令手段１５をコンバータ制御回路４２とは別個のものとして設けてもよい。一例として、本発明の第１および第２の実施例において指令手段１５をコンバータ制御回路４２とは別個のものとして設けた場合について説明するが、第３および第４の実施例においても同様に適用可能である。
図９は、本発明の第１および第２の実施例の変形例によるモータ駆動装置を示す回路図である。図９に示すように、指令手段１５は、上位コントローラ４１とスイッチ１４との間に設けられる。指令手段１５は、例えばプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）で構成すればよく、プログラマブルロジックコントローラ内のプログラマブルメモリに上述の指令手段１５の機能をプログラミングして動作させればよい。
１ モータ駆動装置
２ モータ
３ 交流電源
１１ ＰＷＭコンバータ
１２ インバータ
１３ 蓄電手段
１３−１ コンデンサ
１３−２ フライホイール電力貯蔵装置
１４ スイッチ
１５ 指令手段
２１ 直流電圧電流検出手段
２２ 交流電流検出手段
２３ 交流電圧検出手段
３１、３２ 平滑コンデンサ
４１ 上位コントローラ
４２ コンバータ制御回路
４３ インバータ制御回路
４４ フライホイール制御回路
５１ フライホイール
５２ フライホイール用モータ
５３ フライホイール用インバータ

Claims (6)

  1. ＰＷＭ制御により交流電源側の交流電力と直流リンクにおける直流電力との間で電力変換を行うＰＷＭコンバータと、
    力行動作時には前記直流リンクにおける直流電力をモータ駆動のための交流電力に変換してモータへ供給し、回生動作時にはモータで回生された交流電力を直流電力に変換して前記直流リンクへ戻すインバータと、
    前記直流リンクに設けられ、直流電力を蓄積し得る蓄電手段と、
    受信した指令に応じて、交流電源と前記ＰＷＭコンバータとの間を接続もしくは切断するスイッチと、
    前記直流リンクにおける直流電圧が、交流電源から取り込む交流電流が予め設定された入力電流制限値を超えないようにしながら前記ＰＷＭコンバータが交流電力から変換した直流電力が前記蓄電手段に蓄積されることで規定電圧になるまで昇圧される間は、前記スイッチへの接続指令の出力を継続し、前記直流リンクにおける直流電圧が、前記規定電圧に達した後は、前記インバータが力行動作を開始する前までの間に前記スイッチへの切断指令の出力を開始する指令手段と、
    を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
  2. 前記指令手段は、前記スイッチへの切断指令の出力を開始した後、前記直流リンクにおける直流電圧が低下し前記インバータの出力がピーク値から低下した場合、前記スイッチへの切断指令の出力を終了して前記スイッチへの接続指令の出力を開始する請求項１に記載のモータ駆動装置。
  3. 前記蓄電手段は、コンデンサである請求項１または２に記載のモータ駆動装置。
  4. 前記蓄電手段は、
    回転エネルギーを蓄積し得るフライホイールと、
    前記フライホイールが結合した回転軸を有するフライホイール用モータと、
    前記直流リンクにおける直流電力と前記フライホイール用モータ側の交流電力との間で電力変換を行うフライホイール用インバータと、
    前記フライホイール用インバータの電力変換動作を制御するフライホイール制御手段と、
    を有する請求項１または２に記載のモータ駆動装置。
  5. 前記フライホイール制御手段は、
    前記直流リンクにおける直流電圧が昇圧されて前記規定電圧に達した後は、前記フライホイールが規定回転数で回転するように前記フライホイール用モータを駆動するための交流電力を前記フライホイール用インバータが出力するよう制御し、
    前記指令手段が前記スイッチへの切断指令の出力を開始した後は、前記直流リンクにおける直流電圧が、前記インバータによる直流電力から交流電力への電力変換を可能とする必要電圧以上かつ前記規定電圧以下になるよう、前記フライホイールの回転エネルギーが無くなるまでの間、前記フライホイール用インバータの電力変換動作を制御する請求項４に記載のモータ駆動装置。
  6. 前記フライホイール制御手段は、
    前記直流リンクにおける直流電圧が昇圧されて前記規定電圧に達した後は、前記フライホイールが規定回転数で回転するように前記フライホイール用モータを駆動するための交流電力を前記フライホイール用インバータが出力するよう制御し、
    前記指令手段が前記スイッチへの切断指令の出力を開始した後は、前記フライホイールの回転エネルギーが無くなるまでの間、前記モータの駆動に必要な交流電力と等しい交流電力を前記フライホイール用インバータが直流電力へ変換するよう制御する請求項４に記載のモータ駆動装置。
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