JP7311323B2 - 整流装置及びモータ駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、整流装置及びモータ駆動装置に関する。
交流をダイオードブリッジにより整流し、平滑コンデンサにより電圧変動を低減する整流装置が広く利用されている。例えば、整流装置によって交流を直流に変換し、整流装置が出力する直流をインバータによって任意の周波数の交流に再変換してモータを駆動するモータ駆動装置等が、実用化されている。
このような整流装置は、起動直後には平滑コンデンサが未充電であることにより平滑コンデンサの両端間の電圧が小さいため、ダイオードブリッジの出力電圧との差が大きくなり、大きな突入電流が流れるおそれがある。このような突入電流を抑制する技術として、例えば特許文献１には、交流直流変換部（ダイオードブリッジ）と蓄電部（平滑コンデンサ）との間の電路を開閉するスイッチ部とスイッチ部に並列接続された充電抵抗とを有する初期充電部であって、モータ駆動開始前、スイッチ部が開放され、充電抵抗を介して流れる交流直流変換部からの直流電流により蓄電部を初期充電する初期充電部を備えるモータ駆動装置が提案されている。
特許文献１のモータ駆動装置では、モータ駆動装置の起動直後からモータの駆動開始前までの初期充電期間中は、スイッチ部を開放（オフ）することで、交流直流変換部から出力された直流電流が充電抵抗を通じて蓄電部に流れ込み、蓄電部が充電される。そして、蓄電部が規定電圧まで充電されると、スイッチ部を閉路（オン）して充電抵抗の両端を短絡し、初期充電動作を完了する。
特開２０１７－１３５９５５号公報
整流装置とインバータとを有するモータ駆動装置により駆動されるモータを備える装置の調整やメンテナンスを行う際、安全のために、例えば非常停止ボタンを動作させたり主電源スイッチをオフにすることでモータ駆動装置の電源を遮断した状態で作業を行うことが多い。装置の微調整と試運転とを繰り返す場合、整流装置の起動及び停止が頻繁に行われる。
特許文献１のモータ駆動装置において、充電抵抗と並列に接続されるスイッチ部は、閉路の際に接点がバウンスし、アーク放電により接点が損耗する。このため、特許文献１のモータ駆動装置の起動及び停止を頻繁に繰り返すと、スイッチ部の接点の摩耗によるトラブルが発生するおそれがある。このため、頻繁な起動及び停止に対する耐性が高い整流装置及びモータ駆動装置が望まれる。
本開示の一態様に係る整流装置は、交流電源電圧から正負の電圧成分を取り出すブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の出力電圧を平滑化する平滑コンデンサと、前記ブリッジ回路と前記平滑コンデンサとの間に設けられ、突入電流を抑制する予備充電抵抗と、前記予備充電抵抗と並列に設けられる充電スイッチと、前記充電スイッチの開閉状態を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記ブリッジ回路への前記交流電源電圧の印加開始時に、前記予備充電抵抗の両端間に印加される電圧が所定の抵抗電圧閾値以下になると判断される場合には前記充電スイッチを閉じる。
本開示の一態様に係る整流装置は、頻繁な起動及び停止に対して耐性が高い。
本開示の第１実施形態のモータ駆動装置の構成を示す回路図である。 本開示の第２実施形態のモータ駆動装置の構成を示す回路図である。 本開示の第３実施形態のモータ駆動装置の構成を示す回路図である。
以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本開示の第１実施形態のモータ駆動装置１００の構成を示す模式図である。
モータ駆動装置１００は、交流電源Ｓから供給される交流電源電圧を直流電圧に変換する整流装置１と、整流装置１が出力する直流を任意の周波数の交流に変換してモータＭに印加するインバータ２とを備える。整流装置１は、本開示に係る整流装置の一実施形態である。
整流装置１は、交流電源電圧から正負の電圧成分を取り出すブリッジ回路１０と、ブリッジ回路１０の出力電圧を平滑化する平滑コンデンサ２０と、ブリッジ回路１０と平滑コンデンサ２０との間に設けられ、突入電流を抑制する予備充電抵抗３０と、予備充電抵抗３０と並列に設けられる充電スイッチ４０と、平滑コンデンサ２０の両端間の電圧を検出する出力電圧検出回路５０と、交流電源Ｓから供給される交流電源電圧をブリッジ回路１０に印加する電源スイッチ６０と、充電スイッチ４０の開閉状態を制御する制御部７０と、を備える。
ブリッジ回路１０は、交流電源電圧の各相の正の電圧を取り出すダイオード１１，１２，１３と、交流電源電圧の各相の負の電圧を取り出すダイオード１４，１５，１６と、を有する公知の三相ダイオードブリッジ回路とすることができる。ブリッジ回路１０は、ダイオード１１，１２，１３が取り出した正の電圧を予備充電抵抗３０及び充電スイッチ４０を介して平滑コンデンサ２０の一端に印加し、ダイオード１４，１５，１６が取り出した負の電圧を平滑コンデンサ２０の他端に直接印加する。
平滑コンデンサ２０は、ブリッジ回路１０との電圧差によりブリッジ回路１０から供給される電流によって充電される。この平滑コンデンサ２０は、交流電源電圧の波形に起因するブリッジ回路１０の出力電圧の脈動を平滑化した電圧をインバータ２に出力する。
予備充電抵抗３０は、平滑コンデンサ２０が充電されていない起動時にブリッジ回路１０の出力電圧と平滑コンデンサ２０との電圧差が大きいことによりブリッジ回路１０から平滑コンデンサ２０に大きな突入電流が流れることを抑制する。
充電スイッチ４０は、後述するように、制御部７０によって開閉状態が制御され、ブリッジ回路１０と平滑コンデンサ２０との電圧差が小さくなった場合に閉じられ、予備充電抵抗３０をバイパスしてブリッジ回路１０から平滑コンデンサ２０により大きな電流を供給できる電路を形成する。
出力電圧検出回路５０は、平滑コンデンサ２０の両端間の電圧、つまりインバータ２に対して出力される電圧を検出する。出力電圧検出回路５０は、検出した電圧値を表す検出信号を制御部７０に入力する。
電源スイッチ６０は、交流電源Ｓとブリッジ回路１０との間の電路に設けられ、制御部７０によって制御されて電路を開閉する。電源スイッチ６０は、制御部７０からの信号が入力されていないときには開放状態となるノーマルオープンのスイッチとされることが好ましい。
制御部７０は、ブリッジ回路１０への交流電源電圧の印加開始時に、予備充電抵抗３０の両端間に印加される電圧が所定の抵抗電圧閾値以下になると判断される場合には充電スイッチ４０を閉じる。制御部７０は、メモリ、ＣＰＵ、入出力信号インターフェイス等を備えるコンピュータ装置に適切なプログラムを実行させることにより実現できる。制御部７０が動作するための電力は、電源スイッチ６０の上流側から、直接又は制御用電源装置を介して供給される。
本実施形態における制御部７０は、出力電圧検出回路５０の検出値が所定の出力閾値以下である場合に予備充電抵抗３０の両端間に印加される電圧が抵抗電圧閾値以下になると判断する。通常、交流電源Ｓの電圧は不変であると考えることができる。この場合、ブリッジ回路１０の出力電圧も一定であると考えてよいため、出力電圧検出回路５０の検出値と予備充電抵抗３０の両端間に印加される電圧とは相関関係がある。したがって、出力閾値以下を抵抗電圧閾値に対応する値に設定することで、予備充電抵抗３０の両端間に印加される電圧が抵抗電圧閾値以下になるか否かを判断することができる。
制御部７０は、予備充電抵抗３０の両端間の電圧を確認して充電スイッチ４０の状態を確定してから電源スイッチ６０を閉じる。つまり、制御部７０は、予備充電抵抗３０の両端間に印加される電圧が抵抗電圧閾値以下になると判断される場合には充電スイッチ４０を閉じた状態としてから、予備充電抵抗３０の両端間に印加される電圧が抵抗電圧閾値を超えると判断される場合には充電スイッチ４０を開いた状態としてから、電源スイッチ６０を閉じてブリッジ回路１０から平滑コンデンサ２０への給電を開始する。
これにより、例えばモータ駆動装置１００の電源を遮断してからすぐに通電した場合等、平滑コンデンサ２０が充電された状態で制御部７０が起動されたときには、制御部７０は、電源スイッチ６０を閉じる前に充電スイッチ４０を閉じるので、充電スイッチ４０の接点のバウンスが収まったのちに充電スイッチ４０に電流を流すことができる。これにより、充電スイッチ４０のバウンス時のアーク放電に起因する接点の損耗を抑制することができる。
制御部７０は、予備充電抵抗３０の両端間に印加される電圧が抵抗電圧閾値又は別途定められる所定の閾値以上になったと判断されるまでは、充電スイッチ４０を閉じた状態に保持する。これにより、予備充電抵抗３０におけるジュール損による不必要な電力損失を防止すると共に、充電スイッチ４０の開閉回数を低減して充電スイッチ４０の閉鎖時のバウンスに伴うアーク放電に起因する接点の損耗を抑制することができる。
インバータ２は、平滑コンデンサ２０の両端間の直流電圧を任意の周波数の三相交流電圧に変換する。具体的には、インバータ２は、平滑コンデンサ２０の正負の電圧を相毎に異なるタイミングで取り出す複数のスイッチング素子を有する公知の構成とすることができる。
以上のように、整流装置１は、起動時に予備充電抵抗３０の両端間に印加される電圧を確認して充電スイッチ４０を適切な状態にしてから電源スイッチ６０を閉じるため、充電スイッチ４０の閉鎖時のバウンスに伴うアーク放電に起因する接点の損耗を抑制することができる。このため、整流装置１及び整流装置１を備えるモータ駆動装置１００は、頻繁な起動及び停止に対して耐性が高い。
続いて、図２に、本開示の第２実施形態のモータ駆動装置１００Ａの構成を示す。本実施形態のモータ駆動装置１００Ａについて、図１のモータ駆動装置１００と同じ構成要素には同じ符号付して重複する説明を省略する。
モータ駆動装置１００Ａは、交流電源Ｓから供給される交流電源電圧を直流電圧に変換する整流装置１Ａと、整流装置１Ａが出力する直流を任意の周波数の交流に変換してモータＭに印加するインバータ２とを備える。整流装置１Ａは、本開示に係る整流装置の一実施形態である。
整流装置１Ａは、交流電源電圧から正負の電圧成分を取り出すブリッジ回路１０と、ブリッジ回路１０の出力電圧を平滑化する平滑コンデンサ２０と、ブリッジ回路１０と平滑コンデンサ２０との間に設けられ、突入電流を抑制する予備充電抵抗３０と、予備充電抵抗３０と並列に設けられる充電スイッチ４０と、平滑コンデンサ２０の両端間の電圧を検出する出力電圧検出回路５０と、交流電源Ｓから供給される交流電源電圧をブリッジ回路１０に印加する電源スイッチ６０と、交流電源電圧の電圧を検出する電源電圧検出回路８０と、充電スイッチ４０の開閉状態を制御する制御部７０Ａと、を備える。
電源電圧検出回路８０は、交流電源Ｓと電源スイッチ６０との間に設けられる。電源電圧検出回路８０は、交流電源電圧の各相の電圧を検出する複数の相電圧検出器８１を有する構成とすることができる。電源電圧検出回路８０の検出値は、実行値であってもよく、波高値であってもよい。
制御部７０Ａは、ブリッジ回路１０への交流電源電圧の印加開始時に、予備充電抵抗３０の両端間に印加される電圧が所定の抵抗電圧閾値以下になると判断される場合には充電スイッチ４０を閉じる。制御部７０Ａは、メモリ、ＣＰＵ、入出力信号インターフェイス等を備えるコンピュータ装置に適切なプログラムを実行させることにより実現できる。制御部７０Ａが動作するための電力は、電源スイッチ６０の上流側から、直接又は制御用電源装置を介して供給される。
本実施形態における制御部７０Ａは、出力電圧検出回路５０の検出値と電源電圧検出回路８０との差が所定の差分閾値以下である場合に予備充電抵抗３０の両端間に印加される電圧が抵抗電圧閾値以下になると判断する。
本実施形態では、交流電源Ｓから供給される交流電源電圧が変動する場合であっても、予備充電抵抗３０に印加される電圧を正確に確認することができるので、予備充電抵抗３０による突入電流の抑制と、充電スイッチ４０の接点の損耗抑制とを適切に切り替えることができる。
さらに、図３に、本開示の第３実施形態のモータ駆動装置１００Ｂの構成を示す。本実施形態のモータ駆動装置１００Ｂについて、図１のモータ駆動装置１００と同じ構成要素には同じ符号付して重複する説明を省略する。
モータ駆動装置１００Ｂは、交流電源Ｓから供給される交流電源電圧を直流電圧に変換する整流装置１Ｂと、整流装置１Ｂが出力する直流を任意の周波数の交流に変換してモータＭに印加するインバータ２とを備える。整流装置１Ｂは、本開示に係る整流装置の一実施形態である。
整流装置１Ｂは、交流電源電圧から正負の電圧成分を取り出すブリッジ回路１０と、ブリッジ回路１０の出力電圧を平滑化する平滑コンデンサ２０と、ブリッジ回路１０と平滑コンデンサ２０との間に設けられ、突入電流を抑制する予備充電抵抗３０と、予備充電抵抗３０と並列に設けられる充電スイッチ４０Ｂと、平滑コンデンサ２０の両端間の電圧を検出する出力電圧検出回路５０と、充電スイッチ４０Ｂの開閉状態を制御する制御部７０Ｂと、平滑コンデンサ２０の出力電圧を所定の電圧に降圧して制御部７０Ｂに供給する降圧回路９０と、を備える。本実施形態の整流装置１Ｂでは、ブリッジ回路１０に交流電源Ｓが電源スイッチを介さず直接接続されている。
充電スイッチ４０Ｂは、制御部７０Ｂからの信号が入力されている間だけ閉路するノーマルオープンの継電器である。
制御部７０Ｂは、ブリッジ回路１０への交流電源電圧の印加開始時に、予備充電抵抗３０の両端間に印加される電圧が所定の抵抗電圧閾値以下になると判断される場合には充電スイッチ４０Ｂを閉じる。制御部７０Ｂは、メモリ、ＣＰＵ、入出力信号インターフェイス等を備えるコンピュータ装置に適切なプログラムを実行させることにより実現できる。制御部７０Ｂが動作するための電力は、降圧回路９０から供給される。
本実施形態における制御部７０Ｂは、出力電圧検出回路５０の検出値が所定の出力閾値以上である場合、又は降圧回路９０からの電力が供給されている場合には、予備充電抵抗３０の両端間に印加される電圧が抵抗電圧閾値以下であると判断する。つまり、制御部７０Ｂは、出力電圧検出回路５０の検出値が所定の出力閾値以下である場合には積極的に充電スイッチ４０を開くよう制御信号をオフするか、降圧回路９０からの電力供給が停止した場合には充電スイッチ４０を閉じさせる制御信号を出力できなくなることによって充電スイッチ４０を開くよう構成される。
降圧回路９０は、平滑コンデンサ２０の出力電圧を制御部７０Ｂの動作電圧に降圧する回路である。降圧回路９０は、交流電源Ｓからブリッジ回路１０への交流電源電圧の印加が停止後、少なくとも交流電源電圧の印加を再開したときに予備充電抵抗３０の両端間に印加される電圧が抵抗電圧閾値を超えている間は、制御部７０Ｂが制御動作を継続できる電圧を出力するよう構成される。
このように、平滑コンデンサ２０の両端間の電圧に応じて充電スイッチ４０を開閉する制御部７０Ｂは、交流電源電圧が遮断されてから平滑コンデンサ２０が一定量まで放電する前に交流電源電圧が再供給される場合には、充電スイッチ４０を閉じた状態を保持しているので、充電スイッチ４０のバウンスに起因する接点の損耗を抑制することができる。また、制御部７０Ｂは、交流電源電圧が遮断されてから平滑コンデンサ２０が一定量まで放電した後に交流電源電圧が再供給される場合には、充電スイッチ４０を開いた状態で再起動するので、予備充電抵抗３０を介して平滑コンデンサ２０を充電することで突入電流を効果的に抑制することができる。
以上、本開示に係る整流装置及びモータ駆動装置の実施形態について説明したが、本開示に係る整流装置及びモータ駆動装置は前述した実施形態に限るものではない。また、情実の整流装置及びモータ駆動装置の実施形態について説明された効果は、本開示に係る整流装置及びモータ駆動装置から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、開示に係る整流装置及びモータ駆動装置による効果は、上述の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
本開示に係る整流装置は、インバータ以外の電気回路に直流電圧を供給するために用いられてもよい。また、本開示に係る整流装置は、例えばブリッジ回路が各ダイオードと逆向きに電流を流すことができるスイッチング素子を備え、平滑コンデンサの出力側から逆向きに供給される直流電圧を交流電源電圧と同期する交流に変換して交流電源に回生させる機能を備えてもよい。したがって、本開示に係るモータ駆動装置におけるインバータは、モータを発電機として使用し、モータから逆方向に供給される交流電圧を直流に変換する整流装置として機能できるよう構成されてもよい。
１，１Ａ，１Ｂ 整流装置
２ インバータ
１０ ブリッジ回路
２０ 平滑コンデンサ
３０ 予備充電抵抗
４０，４０Ｂ 充電スイッチ
５０ 出力電圧検出回路
６０ 電源スイッチ
７０，７０Ａ，７０Ｂ 制御部
８０ 電源電圧検出回路
９０ 降圧回路
１００，１００Ａ，１００Ｂ モータ駆動装置
Ｍ モータ
Ｓ 交流電源

Claims (4)

  1. 交流電源電圧から正負の電圧成分を取り出すブリッジ回路と、
    前記ブリッジ回路の出力電圧を平滑化する平滑コンデンサと、
    前記ブリッジ回路と前記平滑コンデンサとの間に設けられ、突入電流を抑制する予備充電抵抗と、
    前記予備充電抵抗と並列に設けられる充電スイッチと、
    前記交流電源電圧を前記ブリッジ回路に印加する電源スイッチと、
    前記充電スイッチ及び前記電源スイッチの開閉状態を制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記ブリッジ回路への前記交流電源電圧の印加開始時に、前記予備充電抵抗の両端間に印加される電圧が所定の抵抗電圧閾値以下になると判断される場合には前記充電スイッチを閉じた状態としてから、前記予備充電抵抗の両端間に印加される電圧が前記抵抗電圧閾値を超えると判断される場合には前記充電スイッチを開いた状態としてから、前記電源スイッチを閉じる、整流装置。
  2. 前記平滑コンデンサの両端間の電圧を検出する出力電圧検出回路をさらに備え、
    前記制御部は、前記出力電圧検出回路の検出値が所定の出力閾値以下である場合に前記予備充電抵抗の両端間に印加される電圧が前記抵抗電圧閾値以下になると判断する、請求項１に記載の整流装置。
  3. 前記平滑コンデンサの両端間の電圧を検出する出力電圧検出回路と、
    前記交流電源電圧の電圧を検出する電源電圧検出回路と、
    をさらに備え、
    前記制御部は、前記出力電圧検出回路の検出値と前記電源電圧検出回路の検出値との差が所定の差分閾値以下である場合に前記予備充電抵抗の両端間に印加される電圧が前記抵抗電圧閾値以下になると判断する、請求項１に記載の整流装置。
  4. 請求項１から３のいずれかに記載の整流装置と、前記整流装置の出力を交流に変換するインバータと、を備えるモータ駆動装置。
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