JP7283342B2 - 電力バッファ回路及び電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力バッファ回路及び電力変換装置に関する。

従来のサーボモータのドライバは、商用電源を受電し、サーボモータの回転数に合せた周波数の交流電力に変換してサーボモータに給電していた。
この方式では、それぞれのサーボモータとドライバを三相線でつなぐため、配線が複雑になっていた。また、ドライバとサーボモータを接続する動力線に大電流を流すため、配線が太くなり取り回しが悪く、動力線に流れる電流によってノイズが発生していた。
これらの課題を解決するとともに装置の小型化を図るために、サーボモータに一体化したドライバにＤＣ給電するシステムが検討及び製品化されている。

交流電力を直流電力に変換する直流変換部と、サーボモータ駆動用のインバータとを直流バスで接続する電力変換装置では、直流変換部の出力側に平滑コンデンサを並列に接続している。装置をより小型化するためには、フィルムコンデンサ等の小容量かつ寿命レスのコンデンサが望ましい。しかし、直流バスを含む系に生じる不安定による異常発振（数ｋＨｚ程度）や、サーボモータ回生時における直流バス電圧の上昇（数十Ｈｚ程度）を考慮すると、有寿命であり大容量の電解コンデンサを使用せざるを得なかった。

そのため、直流バスに直流電力を供給する電力変換装置の小型化が阻害されるという不都合が生じる場合があった。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、小型化を阻害することなく、系の不安定対策と直流バス電圧の上昇抑制を行うことが可能な電力バッファ回路を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明は、
モータを駆動するための交流電力に変換するインバータに直流電力を入力する直流バスに接続され、該直流バスとの間で電力の入出力を行う電力バッファ回路であって、
前記直流バスの電圧又は電流に生じる変動の周波数に応じて、該周波数がより低い前記変動に対して、前記電力バッファ回路は、静電容量が大きく、かつ、等価直列抵抗が小さいコンデンサのように動作し、該周波数がより高い前記変動に対して、前記電力バッファ回路は、静電容量が小さく、かつ、等価直列抵抗が大きいコンデンサのように動作することを特徴とする電力バッファ回路である。

本発明によれば、系の不安定により直流バスに発振が生じる場合には、電力バッファ回路から逆相の電力を直流バスに入力することにより、発振による過電圧を抑制することができる。また、モータの回生動作による電力を電力バッファ回路で吸収することにより、直流バスの過電圧を抑制することができる。そしてこのような電力バッファ回路によれば、大容量の電解コンデンサを用いる必要がないので小型化が可能となり、コンデンサの寿命を考慮する必要もなくなる。

また、本発明においては、前記電力バッファ回路は、
前記直流バスの電圧又は電流に生じる変動の周波数が、所定の閾値より低い前記変動に
対して、前記電力バッファ回路は、静電容量が大きく、かつ、等価直列抵抗が小さいコンデンサのように動作し、該周波数が前記閾値より高い前記変動に対して、前記電力バッファ回路は、静電容量が小さく、かつ等価直列抵抗が大きいコンデンサのように動作するようにしてもよい。

また、本発明においては、前記電力バッファ回路は、
前記直流バスの電圧又は電流に生じる変動の周波数に応じて、該周波数がより低い前記変動に対して、前記電力バッファ回路は、より静電容量が大きく、かつ、より等価直列抵抗が小さいコンデンサのように動作し、該周波数がより高い前記変動に対して、前記電力バッファ回路は、より静電容量が小さく、かつ、より等価直列抵抗が大きいコンデンサのように動作するようにしてもよい。

また、本発明は、
前記電力バッファ回路と、
前記直流バスに、交流電源から供給される交流電力から変換された直流電力を供給する直流変換部と、
を備えた電力変換装置として構成することができる。

また、本発明は、
前記電力バッファ回路と、
前記直流バスに直流電力を供給する直流電源と、
を備えた電力変換装置として構成することができる。

本発明によれば、小型化を阻害することなく、系の不安定対策と直流バス電圧の上昇抑制を行うことが可能な電力バッファ回路を提供することを目的とする。

本発明の実施例１のアクティブバッファ回路を含む電力変換装置の一例を示すブロック図である。 本発明の実施例１のアクティブバッファ回路の詳細構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施例１のアクティブバッファ制御における周波数特性を説明するグラフである。 従来例における電力変換装置を示すブロック図である。

〔適用例〕
以下、本発明の適用例について、図面を参照しつつ説明する。
図４は、直流バス４を介して、複数のモータ２１，２２，２３をそれぞれ駆動するモータ駆動用インバータ３１，３２，３３に直流電力を供給する電力変換装置を含むモータ制御システムを示すブロック図である。
交流電力を直流電力に変換する直流変換部１０と、第１モータ２１に駆動電力を供給する第１モータ駆動用インバータ３１とを接続する第１直流バス４１，４２には、第１コンデンサ６１が並列で接続されている。また、直流変換部１０と、第２モータ２２に駆動電力を供給するモータ駆動用インバータ３２とを接続する第２直流バス４３，４４には、第２コンデンサ６２が並列で接続されている。同様に、直流変換部１０と、第３モータ２３に駆動電力を供給するモータ駆動用インバータ３３とを接続する第３直流バス４５，４６には、第３コンデンサ６３が並列で接続されている。

このような、従来の構成では、直流バス４１～４６の配線のインピーダンスと第１～第３モータ駆動用インバータ３１～３３の干渉による系の不安定により、直流バス４１～４６の電圧が発振する場合がある。このような直流バス４１～４６の電圧の発振による過電圧で第１～第３モータ駆動用インバータ３１～３３が損傷する可能性があった。また、第１～第３モータ２１～２３の回生動作に伴い電流の逆流によって、直流バス電圧が上昇し、その過電圧で第１～第３モータ駆動用インバータ３１～３３が損傷する可能性があった。

これらの対策として、直流バス４１～４６に並列に第１～第３コンデンサ６１～６３として大容量のアルミ電解コンデンサを設けていたため、装置の小型化が妨げられるとともに、アルミ電解コンデンサの寿命も考慮しなければならなかった。

そこで、本発明では、図１に示すように、直流バス４との間で電力の入出力を行うことができるアクティブバッファ回路１１，１２，１３を設けた。後述するように、直流バス４に系の不安定により直流バス電圧に発振が生じる場合には、アクティブバッファ回路１１，１２，１３から逆相の電力を直流バスに入力することにより、発振による過電圧を抑制する。また、モータの回生動作による電力をアクティブバッファ回路１１，１２，１３のコンデンサに吸い込むことにより、直流バス４の過電圧を抑制する。本発明では、系の不安定による発振や回生電流の逆流等の発生原因に応じて、直流バス電圧又は電流に生じる変動の周波数が異なることに着目し、アクティブバッファ回路１１～１３が、周波数に応じて異なる静電量及び等価直列抵抗を有するコンデンサのように動作させる。
このような、アクティブバッファ回路１１，１２，１３は、より小容量のフィルムコンデンサを含んで構成することができるので、小型化が可能となり、コンデンサの寿命を考慮する必要もなくなる。
このように動作するアクティブバッファ回路１１，１２，１３は、直流変換部１０に複数のモータ及びモータ駆動用インバータを接続する構成に限られず、直流変換部１０に一つのモータ及びモータ駆動用インバータを接続する構成においても同様の効果を奏することができる。

〔実施例１〕
以下では、本発明の実施例１に係るアクティブバッファ回路１１，１２，１３を含む電力変換装置１について、図面を用いて、より詳細に説明する。

図１は、本実施例１に係るアクティブバッファ回路１１，１２，１３を含む電力変換装置１の一例を示すブロック図である。

図１に示すように交流電源５から供給される交流電力を直流電力に変換する直流変換部１０と、第１モータ２１を駆動する第１モータ駆動用インバータ３１とを接続する直流バス４に並列に第１アクティブバッファ回路１１が接続されている。直流バス４の一方の電路４１の直流変換部１０側には第１インダクタンス１５が直列に接続されている。そして、第１インダクタンス１５の第１モータ駆動用インバータ３１側の電路４１が分岐し、第２インダクタンス１６を介して、第２モータ駆動用インバータ３２の入力側に接続され、直流変換部１０と第２モータ駆動用インバータ３２を接続する直流バスの一方の電路４３を形成する。直流バス４の他方の電路４２は、直流変換部１０と第１アクティブバッファ回路１１との間から分岐して、第２モータ駆動用インバータ３２の入力側に接続され、直流変換部１０と第２モータ駆動用インバータ３２を接続する直流バスの他方の電路４４を形成する。そして、第２インダクタンス１６と第２モータ駆動用インバータ３２との間には、直流バス４３，４４に並列に第２アクティブバッファ回路１２が接続されている。第２インダクタンス１６の第２モータ駆動用インバータ３２側の電路４３が分岐し、第３インダクタンス１７を介して、第３モータ駆動用インバータ３３の入力側に接続され、直流
変換部１０と第３モータ駆動用インバータ３３を接続する直流バスの一方の電路４５を形成する。直流バス４の他方の電路４２は、第２アクティブバッファ回路１２との間でさらに分岐して、第３モータ駆動用インバータ３３の入力側に接続され、直流変換部１０と第３モータ駆動用インバータ３３を接続する直流バスの他方の電路４６を形成する。そして、第３インダクタンス１７と第３モータ駆動用インバータ１３との間には、直流バス４５，４６に並列に第３アクティブバッファ回路１３が接続されている。ここでは、アクティブバッファ回路１１，１２，１３が電力バッファ回路に対応する。

図１（Ａ）では、直流バス４は、交流電源５から供給される交流電力を直流電力に変換する直流変換部１０の出力側に接続する構成を示しているが、図１（Ｂ）に示すように、直流電源としての電池５１の両端に直流バス４の電路４１，４２を接続するように構成することもできる。第１～第３インダクタンス１５，１６，１７は、配線のインダクタンスを含めたインダクタンスを表現している。
また、図１（Ａ）では、直流変換部１０に対して、直流バス４１～４６を介して、複数のモータ２１～２３及びモータ駆動用インバータ３１～３３が並列に接続されているが、本実施例は、直流バス４を介して一つのモータ及びモータ駆動用インバータが接続される構成に適用することもできるし、４組以上のモータ及びモータ駆動用インバータが接続される構成に適用することもできる。

図２は、アクティブバッファ回路１１の具体的な構成の一例を示すブロック図である。図２では、併せてモータ駆動用インバータ３１の具体的な構成の一例を示している。直流バス４の直流変換部１０側はダイオード整流器１０１を介して交流電源に接続されている。図２では、第２アクティブバッファ回路１２及び第３アクティバッファ回路を含む構成は省略しているが、第２アクティブバッファ回路１２及び第３アクティブバッファ回路１３も第１アクティブバッファ回路１１と同様に構成することができる。また、第２モータ駆動用インバータ３２及び第３モータ駆動用インバータ３３も、第１モータ駆動用インバータ３１と同様に構成することができる。

本実施例に係る第１アクティブバッファ回路１１では、コンデンサ１１１と、直列に接続された二つのトランジスタ二組１１２，１１３，１１４，１１５とが並列に接続されている。一組のトランジスタ１１２，１１３の一方のトランジスタ１１２のソース端子と他方のトランジスタ１１３のドレイン端子が接続されている。トランジスタ１１２のソース端子とトランジスタ１１３のドレイン端子は、コンデンサ１１７の一方の端子を介して直流バス４の他方の電路４２に接続される。また、他の一組のトランジスタ１１４，１１５の一方のトランジスタ１１４のソース端子と他方のトランジスタ１１５のドレイン端子が接続されている。トランジスタ１１４のソース端子とトランジスタ１１５のドレイン端子は、直列に接続されるリアクタンス１１６と、コンデンサ１１７の他方の端子を介して、直流バス４の一方の電路４１に接続される。そして、アクティブバッファ回路１１は、トランジスタ１１２，１１３，１１４，１１５のスイッチングを制御するバッファ制御部１１０を含む。アクティブバッファ回路１１は、バッファ制御部１１０によって、トランジスタ１１２，１１３，１１４，１１５をスイッチングすることにより、直流バス４との間での電力の入出力を制御する。

モータ駆動用インバータ３１は、六つのトランジスタからなるブリッジ３１１を含むＰＷＭインバータである。モータ駆動用インバータ３１の入力側には直流バス４と並列に接続される小容量のデカップリングコンデンサ３１２が接続されている。このデカップリングコンデンサ３１２は、モータ駆動用インバータ３１のＰＷＭ制御に伴う高周波のリップルを吸収するために内蔵されているものである。

図３（Ａ）は周波数（Ｈｚ）とコンデンサ容量（μＦ）との関係をログスケールによっ
て示したグラフである。そして、図３（Ｂ）は周波数（Ｈｚ）と等価直列抵抗（Ω）との関係をログスケールによって示したグラフである。

図３（Ａ）において、セラミックコンデンサの静電容量を一点鎖線で示し、アルミ電解コンデンサの静電容量を二点鎖線で示す。アルミ電解コンデンサの静電容量が１０００μＦ程度であるのに対して、セラミックコンデンサの静電容量は１０μＦ程度であり、アルミ電解コンデンサの静電容量の１／１００程度である。
図３（Ｂ）において、セラミックコンデンサの等価直列抵抗を一点鎖線で示し、アルミ電解コンデンサの等価直列抵抗を二点鎖線で示す。アルミ電解コンデンサの等価直列抵抗が１００ｍΩであるのに対して、セラミックコンデンサの等価直列抵抗は１ｍΩ程度であり、アルミ電解コンデンサの等価直列抵抗の１／１００程度である。

直流バス４の配線のインピーダンスとモータ駆動用インバータ３１の干渉による系の不安定で発生する直流バスの電圧（以下「直流バス電圧」という。）の変動としての発振は電気的発振であるため、通常その発振周波数は数ｋＨｚ以上と比較的高い周波数である。一方、モータ２１の回生動作という機械的な動作に伴う直流バス電圧の変動としての上昇は、数Ｈｚから数十Ｈｚという比較的低い周波数である。このように直流バス電圧上昇の周波数が原因によって異なることに着目し、アクティブバッファ回路１１の制御を調整する。すなわち、系の不安定で発生する直流バス電圧の発振を抑制するために、比較的高い周波数では、系のダンピングを目的として、セラミックコンデンサに比べて静電容量を少しだけ大きく見せ、かつ、等価直列抵抗を積極的に大きく見せるようにアクティブバッファ回路１１の動作を設定する。一方で、モータ２１の回生動作に伴う直流バス電圧の上昇を抑制するために、比較的低い周波数では、回生エネルギーを吸収できるように、セラミックコンデンサに比べて静電容量を積極的に大きく見せ、かつ、等価直列抵抗を少しだけ大きく見せるようにアクティブバッファ回路１１の動作を設定する。

このようなアクティブバッファ回路の制御の周波数特性の例を、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）において実線及び点線で示す。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に実線で示したのは、アクティブバッファ回路１１が、１ｋＨｚを所定の閾値として、直流バス電圧の変動の周波数が１ｋＨｚより小さい場合には、静電容量が大きい１００μＦ程度であり、かつ、等価直列抵抗が小さい数ｍΩ程度の一定値であるコンデンサのように動作する例である。このとき、アクティブバッファ回路１１は、直流バス電圧の変動の周波数が１ｋＨｚより大きい場合には、静電容量が小さい数十μＦ程度であり、かつ、等価直列抵抗が大きい１００ｍΩ程度の一定値であるコンデンサのように動作し、閾値を境として特性が段階的に変化する。また、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に点線で示したのは、アクティブバッファ回路１１が、直流バス電圧の変動の周波数がより小さい場合には、静電容量がより大きく、かつ、等価直列抵抗がより小さいコンデンサであるように、周波数が小さくなるのに応じて徐々に特性を変化させる例である。このとき、アクティブバッファ回路１１は、直流バス電圧の変動の周波数がより大きい場合には、静電容量がより小さく、かつ、等価直列抵抗がより大きいコンデンサであるように、周波数が大きくなるのに応じて徐々に特性を変化させる。

バッファ制御部１１０によって、トランジスタ１１２，１１３，１１４，１１５をスイッチングすることにより、直流バス４の電路４１及び電路４２との間で電力の入出力を行う。例えば、アクティブバッファ回路１１が接続されている電路４１及び電路４２との間の電圧（直流バス電圧）を制御量として、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御を行うことにより、アクティブバッファ回路１１が図３（Ａ）及び図３（Ｂ）において実線又は点線で示した周波数特性を有する回路のように振る舞うように制御を行う。具体的には、系の不安定により直流バスに発振が生じる場合には、アクティブバッファ回路１１から逆相の電力を直流バス４に入力することにより、発振による過電圧を抑制する。また、モータ２１の回生動
作による電力をアクティブバッファ回路１１のコンデンサ１１１に吸い込むことにより、直流バス４の過電圧を抑制する。
このようなアクティブバッファ回路１１によれば、大容量の電解コンデンサを用いる必要がないので小型化が可能となり、コンデンサの寿命を考慮する必要もなくなる。

なお、以下には本発明の構成要件と実施例の構成とを対比可能とするために、本発明の構成要件を図面の符号付きで記載しておく。
＜発明１＞
モータ（２１，２２，２３）を駆動するための交流電力に変換するインバータ（３１，３２，３３）に直流電力を入力する直流バス（４１，４２，４３，４４，４５，４６）に接続され、該直流バス（４１，４２，４３，４４，４５，４６）との間で電力の入出力を行う電力バッファ回路（１１，１２，１３）であって、
前記直流バス（４１，４２，４３，４４，４５，４６）の電圧又は電流に生じる変動の周波数に応じて、該周波数がより低い前記変動に対して、前記電力バッファ回路（１１，１２，１３）は、静電容量が大きく、かつ、等価直列抵抗が小さいコンデンサのように動作し、該周波数がより高い前記変動に対して、前記電力バッファ回路は、静電容量が小さく、かつ、等価直列抵抗が大きいコンデンサのように動作することを特徴とする電力バッファ回路（１１，１２，１３）。

１ ：電力変換装置
１１，１２，１３ ：アクティブバッファ回路
４，４１，４１，４２，４３，４４，４５，４６ ：直流バス
２１ ：第１モータ
２２ ：第２モータ
２３ ：第３モータ
３１ ：第１モータ駆動用インバータ
３２ ：第２モータ駆動用インバータ
３３ ：第３モータ駆動用インバータ

Claims (5)

1. モータを駆動するための交流電力に変換するインバータに直流電力を入力する直流バスに接続され、該直流バスとの間で電力の入出力を行う電力バッファ回路であって、
   前記直流バスの電圧又は電流に生じる変動の周波数に応じて、該周波数がより低い前記変動に対して、前記電力バッファ回路は、静電容量が大きく、かつ、等価直列抵抗が小さいコンデンサのように動作し、該周波数がより高い前記変動に対して、前記電力バッファ回路は、静電容量が小さく、かつ、等価直列抵抗が大きいコンデンサのように動作することを特徴とする電力バッファ回路。
2. 前記電力バッファ回路は、
   前記直流バスの電圧又は電流に生じる変動の周波数が、所定の閾値より低い前記変動に対して、前記電力バッファ回路は、静電容量が大きく、かつ、等価直列抵抗が小さいコンデンサのように動作し、該周波数が前記閾値より高い前記変動に対して、前記電力バッファ回路は、静電容量が小さく、かつ等価直列抵抗が大きいコンデンサのように動作することを特徴とする請求項１に記載の電力バッファ回路。
3. 前記電力バッファ回路は、
   前記直流バスの電圧又は電流に生じる変動の周波数に応じて、該周波数がより低い前記変動に対して、前記電力バッファ回路は、より静電容量が大きく、かつ、より等価直列抵抗が小さいコンデンサのように動作し、該周波数がより高い前記変動に対して、前記電力バッファ回路は、より静電容量が小さく、かつ、より等価直列抵抗が大きいコンデンサのように動作することを特徴とする請求項２に記載の電力バッファ回路。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力バッファ回路と、
   前記直流バスに、交流電源から供給される交流電力から変換された直流電力を供給する直流変換部と、
   を備えた電力変換装置。
5. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力バッファ回路と、
   前記直流バスに直流電力を供給する直流電源と、
   を備えた電力変換装置。

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