TW202118209A - 變換器及馬達控制系統 - Google Patents

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Abstract

本發明的變換器(1)具備：電力模組(21)；平滑電容器(22)；母線電流檢測部(25)；及控制部(26)。電力模組(21)係將從交流電源(3)供給的交流電壓進行整流，從直流電源端子(14)輸出整流後的電壓。母線電流檢測部(25)係檢測母線電流、亦即在直流電源端子(14)與平滑電容器(22)之間流通之電流。控制部(26)係根據交流電源(3)的電壓相位來控制複數個切換元件(Q1至Q6)而將馬達(5)的再生電力輸出至交流電源(3)。控制部(26)係具有停電檢測部(33)，該停電檢測部(33)係根據藉由母線電流檢測部(25)所檢測出的母線電流的絕對值，而判定馬達(5)之動力運轉時及馬達(5)之再生時之其中至少任一情況下是否已於交流電源(3)發生停電。

Description

變換器及馬達控制系統
本發明係關於配置在交流電源與馬達驅動裝置之間而進行電力轉換的變換器(converter；也稱為「轉換器」)及馬達控制系統。
配置在交流電源與馬達驅動裝置之間的變換器，係具備：包含架橋連接有複數個整流元件之橋式整流電路的電力模組，與將電力模組之輸出電壓平滑化的平滑電容器。從交流電源供給至變換器的交流電壓係被電力模組整流，整流後的電壓被平滑電容器平滑化。
由馬達驅動裝置所驅動的馬達，一般於加速時會消耗電力，於減速時會產生感應電動勢。因此，馬達驅動裝置使馬達作為發電機進行運轉。此外，在以下的說明中，將馬達的加速動作記載為「馬達動力運轉」或「動力運轉」，將馬達的減速動作記載為「馬達再生」或「再生」。
馬達動力運轉時，藉由變換器所平滑化的電壓施加於馬達驅動裝置。馬達驅動裝置藉由直流交流轉換而將從變換器供給的直流電壓轉換至交流電壓，藉由將轉換後的交流電壓施加於馬達而驅動馬達。
馬達再生時，在馬達所產生的感應電動勢藉由以馬達驅動裝置所為的交流直流轉換而轉換至直流電壓，轉換後的直流電壓供給至變換器的平滑電容器。從馬達施加給馬達驅動裝置的電壓較大時，會有從馬達驅動裝置施加至變換器之直流電壓超過平滑電容器或變換器之電力模組的容許電壓的情形。此情形下，由於變換器之平滑電容器或電力模組有故障的可能性，所以變換器具有處理屬於藉由馬達之感應電動勢而產生之電力的再生電力之功能，俾使平滑電容器或電力模組不損壞。
在作為再生電力的處理方式上，有藉由電阻器使再生電力進行熱消耗的電阻再生方式及將再生電力回復到交流電源的電源再生方式。近年來，在工作機械及機器人等產業機械方面，從節省能源化的觀點，應用電源再生方式的變換器的採用係正在增加。應用電源再生方式的變換器具有包含切換元件並聯地連接於各整流元件之電路的電力模組，藉由控制各切換元件的導通／關斷(ON／OFF)，而將再生電力供給至交流電源。
應用電源再生方式的變換器，於馬達動力運轉時或馬達再生時，發生來自交流電源之電力供給停止的停電時，於停電開始時或復電開始時，會有過電流流通於電力模組而使電力模組劣化或故障的可能性。再者，於應用該變換器的如工作機械及機器人的產業機械中，動力運轉時或再生時於交流電源發生停電時，進給軸或主軸等會過度地運轉，會有工具或工件等損壞的可能性。
專利文獻1揭示有能夠檢測出再生時於交流電源發生停電之變換器控制裝置。該變換器控制裝置係將再生用電阻經由截波器(chopper)而連接於平滑電容器的端子之間，藉由電壓型PWM(Pulse Width Modulation；脈寬調變)變換器與截波器之間的協調控制而分擔處理再生電力。如此一來，該變換器控制裝置於馬達再生時，從母線電流與流通於再生用電阻之截波器電流的比率來檢測出於交流電源有發生停電。 [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開平6-205586號公報
[發明所欲解決之課題]
然而，專利文獻1所記憶的技術，由於用以檢測於交流電源發生停電而必須有複數個電流檢測手段，且由於係從複數個電流檢測手段的輸出來檢測於交流電源發生停電，所以存在有構成複雜等課題。
本發明係鑒於上述的課題而完成者，目的在於獲得能夠以簡易的構成檢測出交流電源發生停電的變換器。 [用以解決課題的手段]
為了解決上述課題而達成目的，本發明的變換器係配置於交流電源與控制馬達之馬達控制裝置之間的變換器，具備：電力模組；平滑電容器；母線電流檢測部；及控制部。電力模組係具有：複數個整流元件，係將從交流電源供給的交流電壓進行整流；複數個切換元件，係各自並聯地連接於複數個整流元件中之對應的整流元件；及兩個直流電源端子，係輸出藉由複數個整流元件所整流後的電壓。平滑電容器係連接於兩個直流電源端子，將藉由電力模組所整流後的電壓進行平滑化。母線電流檢測部係檢測母線電流、亦即在兩個直流電源端子中之一個與平滑電容器之間流通之電流。控制部係根據交流電源的電壓相位來控制複數個切換元件，藉此使電力模組將馬達的再生電力輸出至交流電源。控制部係具有停電檢測部，該停電檢測部係根據藉由母線電流檢測部所檢測出的母線電流的絕對值，而判定馬達之動力運轉時及馬達之再生時之其中任一情況下是否已於交流電源發生停電。 [發明功效]
本發明之變換器可達成能夠以簡易的構成檢測出交流電源發生停電的效果。
以下根據圖式來詳細地說明本發明之實施型態之變換器及馬達控制系統。此外，並非藉由本實施型態來限定本發明。
實施型態1 針對實施型態1之馬達控制系統的構成進行說明。圖1係顯示實施型態1之馬達控制系統之構成之一例的圖。如圖1所示，實施型態1之馬達控制系統100使用從交流電源3輸出的三相交流電壓而控制馬達5。馬達控制系統100係具備：變換器1，係將從交流電源3輸出的交流電壓轉換成直流電壓；及馬達驅動裝置4，係使用從變換器1輸出的直流電壓而控制馬達5。
交流電源3係三相交流電源，例如包含發電裝置與送電設備。從交流電源3供給的三相交流電壓為屬於R相的交流電壓的R相電壓VR 、屬於S相的交流電壓的S相電壓VS 及屬於T相的交流電壓的T相電壓VT 。在以下的說明中，會有將R相電壓VR 、S相電壓VS 及T相電壓VT 彙整記載為電源電壓VRST 的情形。馬達5係例如構成工作機械及機器人等產業機械的馬達，然而也可為構成產業機械之馬達以外的馬達。
變換器1經由反應器2而連接於屬於輸入電源的交流電源3。變換器1將從交流電源3供給的交流電壓轉換成直流電壓，並將經轉換後的直流電壓供給至馬達驅動裝置4。馬達驅動裝置4具備：進行電力轉換的電力轉換部40；及控制電力轉換部40的馬達控制部41。馬達控制部41藉由電力轉換部40使從變換器1供給的直流電壓轉換成與馬達5之控制速度對應的交流電壓，並藉由使經轉換後的交流電壓從電力轉換部40供給至馬達5而對馬達5進行可變速控制。
變換器1具有將馬達5減速時於馬達5產生的感應電動勢作為再生電力輸出至交流電源3的電源再生功能。於馬達5產生的感應電動勢藉由馬達驅動裝置4而從交流電力轉換成直流電力，藉由馬達驅動裝置4所轉換後的直流電力供給至變換器1。變換器1將從馬達驅動裝置4供給的直流電力轉換成交流電力，並將經轉換後的交流電力輸出至交流電源3。在以下的說明中，會有將馬達控制系統100之再生時的動作記載為電源再生動作，而將馬達控制系統100之動力運轉時的動作記載為動力運轉動作的情形。再者，也有將電源再生動作時於馬達5產生的感應電動勢記載為再生電力的情形。
作為具有電源再生功能之變換器的控制方式有PWM控制方式與120度通電再生方式。變換器1係120度通電再生方式的變換器，也稱為電源再生變換器。
如圖1所示，變換器1具備：電力模組21、平滑電容器22、母線電壓檢測部23、電源相位檢測部24、母線電流檢測部25、控制部26及驅動電路27。
電力模組21係具備：交流電源端子11至13、正極側的直流電源端子14、負極側的直流電源端子15、複數個整流元件D1至D6、複數個切換元件Q1至Q6。交流電源端子11經由反應器2而連接於交流電源3的R相電源端子，交流電源端子12經由反應器2而連接於交流電源3的S相電源端子，交流電源端子13經由反應器2而連接於交流電源3的T相電源端子。複數個整流元件D1至D6架橋連接而構成橋式整流電路。
直流電源端子14與直流電源端子14之間，串聯地連接的切換元件Q1、Q2、串聯地連接的切換元件Q3、Q4、串聯地連接的切換元件Q5、Q6係相互並聯地連接。構成上臂之切換元件Q1、Q3、Q5的集極端子連接於直流電源端子14，構成下臂之切換元件Q2、Q4、Q6的射極端子連接於直流電源端子15。直流電源端子14連接於馬達驅動裝置4之正極側的直流電源端子17，直流電源端子15連接於馬達驅動裝置4之負極側的直流電源端子18。
切換元件Q1的射極端子與切換元件Q2的集極端子連接於交流電源端子11。切換元件Q3的射極端子與切換元件Q4的集極端子連接於交流電源端子12。切換元件Q5的射極端子與切換元件Q6的集極端子連接於交流電源端子13。
切換元件Q1至Q6之各者分別與整流元件D1至D6中之對應的整流元件並聯地連接。整流元件D1至D6之各者的陽極端子連接於切換元件Q1至Q6中之對應的切換元件的射極端子，而陰極端子連接於切換元件Q1至Q6中之對應的切換元件的集極端子。
整流元件D1與切換元件Q1構成R相之正側的功率元件，整流元件D2與切換元件Q2構成R相之負側的功率元件。再者，整流元件D3與切換元件Q3構成S相之正側的功率元件，整流元件D4與切換元件Q4構成S相之負側的功率元件。再者，整流元件D5與切換元件Q5構成T相之正側的功率元件，整流元件D6與切換元件Q6構成T相之負側的功率元件。此外，圖1所示的電力模組21係交流電源3為三相交流電源時之構成的一例，惟交流電源3也可為單相電源。此情形下，變換器1之電力模組21係以四組的功率元件來構成。
切換元件Q1至Q6係以MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor；金屬氧化物半導體場效應電晶體)及IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor；絕緣閘雙極電晶體)為代表的半導體切換元件。再者，整流元件D1至D6係二極體(diode)。以下的說明中，未將切換元件Q1至Q6之各者個別地區別而顯示時，則記載為切換元件Q，未將整流元件D1至D6之各者個別地區別而顯示時，則記載為切換元件D。
平滑電容器22係配置於直流電源端子14與直流電源端子15之間，對藉由電力模組21所整流後的電壓進行平滑化。母線電壓檢測部23係檢測平滑電容器22之端子間電壓VDC 的瞬時值，亦即屬於直流電源端子14與直流電源端子15之間的電壓之瞬時值的母線電壓VPN 。母線電壓檢測部23係將顯示母線電壓VPN 的資訊輸出至控制部26。
電源相位檢測部24從交流電源3的電源電壓VRST 檢測交流電源3的電壓相位。此外，雖然電源相位檢測部24從交流電源3與反應器2之間的電源電壓VRST 檢測交流電源3的電壓相位，然而也可以從反應器2與交流電源端子11、12、13的電源電壓VRST 檢測交流電源3的電壓相位的方式配置。
電源相位檢測部24將顯示交流電源3之電壓相位的電源相位檢測信號θ輸出至控制部26。從電源相位檢測部24輸出的電源相位檢測信號θ包含：R-S線間相位檢測信號θR-S 、S-R線間相位檢測信號θS-R 、S-T線間相位檢測信號θS-T 、T-S線間相位檢測信號θT-S 、T-R線間相位檢測信號θT-R 、R-T線間相位檢測信號θR-T 。
R-S線間相位檢測信號θR-S 係顯示屬於R相之相對於S相之電位差的R-S線間電壓VR-S 的相位，S-R線間相位檢測信號θS-R 係顯示屬於S相之相對於R相之電位差的S-R線間電壓VS-R 的相位。R-S線間電壓VR-S 與S-R線間電壓VS-R 皆為R相與S相之間的電壓，然而，由於成為基準的相係相互不同，所以相位相互錯開180度。
S-T線間相位檢測信號θS-T 係顯示屬於S相之相對於T相之電位差的S-T線間電壓VS-T 的相位，T-S線間相位檢測信號θT-S 係顯示屬於T相之相對於S相之電位差的T-S線間電壓VT-S 的相位。S-T線間電壓VS-T 與T-S線間電壓VT-S 皆為S相與T相之間的電壓，然而，由於成為基準的相係相互不同，所以相位相互錯開180度。
T-R線間相位檢測信號θT-R 係顯示屬於T相之相對於R相之電位差的T-R線間電壓VT-R 的相位，R-T線間相位檢測信號θR-T 係顯示屬於R相之相對於T相之電位差的R-T線間電壓VR-T 的相位。T-R線間電壓VT-R 與R-T線間電壓VR-T 皆為R相與T相之間的電壓，然而，由於成為基準的相係相互不同，所以相位相互錯開180度。
母線電流檢測部25係配置於電力模組21之直流電源端子14與平滑電容器22之正極端子之間，檢測屬於流通於電力模組21之直流電源端子14與平滑電容器22之間的直流母線之電流之瞬時值的母線電流IPN 。此外，母線電流檢測部25也可配置於電力模組21之直流電源端子15與平滑電容器22之負極端子之間，以取代配置於電力模組21之直流電源端子14與平滑電容器22之正極端子之間。
接著，針對控制部26進行說明。控制部26係具備：基極驅動信號生成部31、再生控制部32、停電檢測部33及條件設定部34。控制部26係包含處理器、記憶體及AD(Analog-to-Digital，類比對數位)轉換器等。處理器、記憶體及AD轉換器係例如藉由匯流排(bus)而可相互進行資料的發送接收。處理器係藉由讀出並執行記憶體所記憶的程式而執行基極驅動信號生成部31、再生控制部32、停電檢測部33及條件設定部34的功能。
處理器係例如處理電路的一例，包含CPU(Central Processing Unit；中央處理單元)、DSP(Digital Signal Processor，數位信號處理器)及系統LSI(Large Scale Integration；大型積體電路)中之一者以上。記憶體係包含RAM(Random Access Memory；隨機存取記憶體)、ROM(Read Only Memory；唯讀記憶體)、快閃記憶體(flash memory)、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory；可抹除可程式化唯讀記憶體)、及EEPROM(註冊商標)(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory；電子可抹除可程式化唯讀記憶體)中之一者以上。此外，基極驅動信號生成部31、再生控制部32、停電檢測部33及條件設定部34也可各自的一部分或全部以ASIC(Application Specific Integrated Circuit；特殊應用積體電路)或FPGA(Field Programmable Gate Array；場可程式邏輯閘陣列)等硬體所構成。再者，控制部26可為包含電源相位檢測部24之一部分或全部的構成。
基極驅動信號生成部31根據電源相位檢測信號θ而產生用以驅動切換元件Q1至Q6的基極驅動信號SRP 、SRN 、SSP 、SSN 、STP 、STN 。基極驅動信號生成部31將所產生的基極驅動信號SRP 、SRN 、SSP 、SSN 、STP 、STN 輸出至再生控制部32。
基極驅動信號SRP 係用以驅動切換元件Q1的信號，基極驅動信號SRN 係用以驅動切換元件Q2的信號，基極驅動信號SSP 係用以驅動切換元件Q3的信號，基極驅動信號SSN 係用以驅動切換元件Q4的信號，基極驅動信號STP 係用以驅動切換元件Q5的信號，基極驅動信號STN 係用以驅動切換元件Q6的信號。
再生控制部32根據母線電流TPN 及母線電流TPN 而將基極驅動信號SRP 、SRN 、SSP 、SSN 、STP 、STN 作為輸出信號輸出至驅動電路27。驅動電路27將基極驅動信號SRP 、SRN 、SSP 、SSN 、STP 、STN 放大而輸出至切換元件Q1至Q6的基極。藉由基極驅動信號SRP 、SRN 、SSP 、SSN 、STP 、STN 而切換該切換元件Q1至Q6的導通與關斷，藉此，於變換器1執行電源再生動作。藉由該電源再生動作而從變換器1往交流電源3輸出再生電力。
例如，於交流電源3的電源電壓VRST 與母線電壓VPN 的差在預先設定的值以上時，或母線電流IPN 的絕對值在預先設定的值以下時，再生控制部32將基極驅動信號SRP 、SRN 、SSP 、SSN 、STP 、STN 作為輸出信號而輸出至驅動電路27。再者，例如，於交流電源3的電源電壓VRST 與母線電壓VPN 的差未滿預先設定的值，且母線電流IPN 的絕對值超過預先設定的值時，再生控制部32不對驅動電路27輸出基極驅動信號SRP 、SRN 、SSP 、SSN 、STP 、STN 。此情形下，於變換器1，切換元件Q1至Q6全部為關斷，而不進行電源再生動作。
接著，使用圖2來說明電源相位檢測部24及基極驅動信號生成部31的動作。圖2係顯示實施型態1之電源相位檢測部與基極驅動信號生成部之動作的時間圖。於圖2顯示馬達再生時，線間電壓、R-S線間相位檢測信號θR-S 、S-R線間相位檢測信號θS-R 、S-T線間相位檢測信號θS-T 、T-S線間相位檢測信號θT-S 、T-R線間相位檢測信號θT-R 、R-T線間相位檢測信號θR-T 、基極驅動信號SRP 、SRN 、SSP 、SSN 、STP 、STN ，及流通於R相、T相、S相之電流之各自的時間變化。
電源相位檢測部24根據R相電壓VR 、S相電壓VS 及T相電壓VT 來檢測R-S線間電壓VR-S 、S-R線間電壓VS-R 、S-T線間電壓VS-T 、T-S線間電壓VT-S 、T-R線間電壓VT-R 、R-T線間電壓VR-T 。以下在未個別地區分R-S線間電壓VR-S 、S-R線間電壓VS-R 、S-T線間電壓VS-T 、T-S線間電壓VT-S 、T-R線間電壓VT-R 、R-T線間電壓VR-T 之各者時，會有僅記載為線間電壓的情形。
電源相位檢測部24檢測各線間電壓的零交叉點(zero crossing point)，而生成R-S線間相位檢測信號θR-S 、S-R線間相位檢測信號θS-R 、S-T線間相位檢測信號θS-T 、T-S線間相位檢測信號θT-S 、T-R線間相位檢測信號θT-R 、R-T線間相位檢測信號θR-T 。以下在未個別地區分R-S線間相位檢測信號θR-S 、S-R線間相位檢測信號θS-R 、S-T線間相位檢測信號θS-T 、T-S線間相位檢測信號θT-S 、T-R線間相位檢測信號θT-R 及R-T線間相位檢測信號θR-T 時，會有記載為線間相位檢測信號的情形。
圖2的例子中，電源相位檢測部24係以使在線間電壓屬於正的值的相位區間成為High位準(level)，在線間電壓屬於負的值的相位區間成為Low位準的方式，產生相對於各線間電壓的線間相位檢測信號。由於屬於三相交流電源之交流電源3之線間電壓的波形為正弦波，所以線間相位檢測信號在屬於High位準之相位區間的中央的線間電壓呈最大，而線間相位檢測信號在屬於Low位準之相位區間的中央的線間電壓呈最小。基極驅動信號生成部31藉由以電源相位檢測部24生成的各線間相位檢測信號，而能夠算出顯示最大電壓的相與顯示最小電壓的相。
接著，針對基極驅動信號生成部31的動作進行說明。基極驅動信號生成部31根據從電源相位檢測部24輸出的六個線間相位檢測信號，而生成基極驅動信號SRP 、SRN 、SSP 、SSN 、STP 、STN 。
以下的說明中，將切換元件Q的導通與關斷的切換記載為切換動作，再者，於變換器1的再生動作時，將經由切換元件Q而流通的電流稱為再生電流。再者，於圖1中顯示從交流電源3朝向變換器1之方向的箭號所示的R相電流IR 、S相電流IS 及T相電流IT ，將流通於箭號所示之方向的電流作為正方向的電流來處理，將其反方向的電流作為負方向的電流來處理。再者，將作為變換器1內的電流而從變換器1朝向馬達驅動裝置4之方向通流的電流作為正方向的電流來處理，將其反方向的電流作為負方向的電流來處理。
基極驅動信號生成部31於T-S線間電壓VT-S 之瞬時值最大的時刻t0至t2的第一區間，將基極驅動信號SSN 、STP 設成High位準，而將剩下的基極驅動信號設為Low位準。藉此，於第一區間，將T相之正側的切換元件Q5與S相之負側的切換元件Q4維持為導通，剩下的切換元件維持為關斷。此情形下，成為平滑電容器22的正極端子與負極端子經由交流電源3的阻抗(impedance)而連接於交流電源3的T相與S相的狀態。因此，電流經由成為導通的狀態之切換元件Q5、Q4而流通於T相與S相。於第一區間，屬於流通於T相之電流的T相再生電流IrT 係往負方向流通，屬於流通於S相之電流的S相再生電流IrS 係往正方向流通。
基極驅動信號生成部31於R-S線間電壓VR-S 之瞬時值最大的時刻t2至t4的第二區間，將基極驅動信號SRP 、SSN 設成High位準，而將剩下的基極驅動信號設為Low位準。藉此，於第二區間，將R相之正側的切換元件Q1與S相之負側的切換元件Q4維持為導通，剩下的切換元件維持為關斷。因此，電流經由成為導通的狀態之切換元件Q1、Q4而流通於R相與S相。於第二區間，屬於流通於R相之電流的R相再生電流IrR 係往負方向流通，S相再生電流IrS 係往正方向流通。
基極驅動信號生成部31於R-T線間電壓VR-T 之瞬時值最大的時刻t4至t6的第三區間，將基極驅動信號SRP 、STN 設成High位準，而將剩下的基極驅動信號設為Low位準。藉此，於第三區間，將R相之正側的切換元件Q1與T相之負側的切換元件Q6維持為導通，剩下的切換元件維持為關斷。因此，電流經由成為導通的狀態之切換元件Q1、Q6而流通於R相與T相。於第三區間，R相再生電流IrR 係往負方向流通，T相再生電流IrT 係往正方向流通。
基極驅動信號生成部31於S-T線間電壓VS-T 之瞬時值最大的時刻t6至t8的第四區間，將基極驅動信號SSP 、STN 設成High位準，而將剩下的基極驅動信號設為Low位準。藉此，於第四區間，將S相之正側的切換元件Q3與T相之負側的切換元件Q6維持為導通，剩下的切換元件維持為關斷。因此，電流經由成為導通的狀態之切換元件Q3、Q6而流通於S相與T相。於第四區間，S相再生電流IrS 係往負方向流通，T相再生電流IrT 係往正方向流通。
基極驅動信號生成部31於S-R線間電壓VS-R 之瞬時值最大的時刻t8至t10的第五區間，將基極驅動信號SSP 、SRN 設成High位準，而將剩下的基極驅動信號設為Low位準。藉此，於第五區間，將S相之正側的切換元件Q3與R相之負側的切換元件Q2維持為導通，剩下的切換元件維持為關斷。因此，電流經由成為導通的狀態之切換元件Q3、Q2而流通於S相與R相。於第五區間，S相再生電流IrS 係往負方向流通，R相再生電流IrR 係往正方向流通。
基極驅動信號生成部31於T-R線間電壓VT-R 之瞬時值最大的時刻t10至t12的第六區間，將基極驅動信號STP 、SRN 設成High位準，而將剩下的基極驅動信號設為Low位準。藉此，於第六區間，將T相之正側的切換元件Q5與R相之負側的切換元件Q2維持為導通，剩下的切換元件維持為關斷。因此，電流經由成為導通的狀態之切換元件Q5、Q2而流通於T相與R相。於第六區間，T相再生電流IrT 係往負方向流通，R相再生電流IrR 係往正方向流通。
此外，流通於變換器1與交流電源3之間的再生電流係因反應器2的阻抗而受到限制。再者，即使進行切換元件Q1至Q6之切換動作，當平滑電容器22之端子間電壓VDC 為交流電源3之電源電壓VRST 以下時，不流通再生電流。再生電流係以利用平滑電容器22之端子間電壓VDC 與交流電源3之電源電壓VRST 之間的電位差的方式而流通。
如以上所述，由於變換器1係進行藉由120度通電再生方式而達成的電源再生動作，所以各切換元件Q的切換動作僅在120度區間的開始時與結束時即可。從而，與PWM再生方式的變換器相比較，變換器1能夠大幅地降低各切換元件Q的切換損失。再者，與PWM再生方式的變換器相比較，由於變換器1之切換動作次數較少，所以切換雜訊也較小，且能夠以低成本來構成。再者，相對於PWM再生方式的變換器需要常時切換動作，由於變換器1係於馬達動作運轉時，使切換動作所達成之電源再生動作停止，而在電力模組21之整流橋接電路進行交流直流轉換，所以能夠謀求降低切換元件Q的切換損失。此外，變換器1也可為PWM再生方式的變換器。
接著，針對於馬達控制系統100之動力運轉動作進行說明。馬達控制系統100的馬達驅動裝置4於馬達動力運轉時，將從變換器1輸出的直流電壓轉換成交流電壓，將經轉換後的交流電壓供給至馬達5而對馬達5進行可變速控制。此情形下，當馬達驅動裝置4將從變換器1輸出的直流電壓轉換成交流電壓時，變換器1的平滑電容器22的電壓就降低。當平滑電容器22的端子間電壓VDC 比交流電源3的電源電壓VRST 還大時，來自交流電源3的電源電壓VRST 會經由反應器2而輸入至電力模組21。電力模組21的整流元件D1至D6對從交流電源3經由反應器2而輸入的電源電壓VRST 進行整流，並將整流後的電壓輸出至平滑電容器22。
圖3係用以說明實施型態1之馬達控制系統之馬達動力運轉時之動作的圖。圖3的例子中，切換元件Q1、Q4呈導通，R相再生電流IrR 從交流電源3往朝向馬達驅動裝置4的方向流通，S相再生電流IrS 從馬達驅動裝置4往朝向交流電源3的方向流通。此外，以下的說明中，將流通於交流電源3與變換器1之間的電流記載為動力運轉電流。
圖4係顯示實施型態1之馬達控制系統之馬達動力運轉時之交流電源之交流電壓與流通於變換器內之電流之關係的圖。圖4係顯示馬達控制系統之馬達動力運轉時，線間電壓、R相動力運轉電流IpR 、S相動力運轉電流IpS 、T相動力運轉電流IpT 、流通於整流元件D1、D2、D3、D4、D5、D6的電流ID1 、ID2 、ID3 、ID4 、ID5 、ID6 ，及母線電流IPN 的時間變化。
R相動力運轉電流IpR 係於馬達動力運轉時流通於交流電源3之R相與變換器1之間的電流。S相動力運轉電流IpS 係於馬達動力運轉時流通於交流電源3之S相與變換器1之間的電流。T相動力運轉電流IpT 係於馬達動力運轉時流通於交流電源3之T相與變換器1之間的電流。R相動力運轉電流IpR 、S相動力運轉電流IpS 及T相動力運轉電流IpT 藉由整流元件D1至D6而流通於交流電源3與平滑電容器22之間。
如圖4所示，於馬達動力運轉時，變換器1係以下列的方式進行動作。於時刻t0至t2的區間，整流元件D5、D4呈導通狀態，於整流元件D5有電流從交流電源3往朝向平滑電容器22之方向流通，於整流元件D4有電流從平滑電容器22往朝向平交流電源3之方向流通。於時刻t2至t4的區間，整流元件D1、D4呈導通狀態，於整流元件D1有電流從交流電源3往朝向平滑電容器22之方向流通，於整流元件D4有電流從平滑電容器22往朝向平交流電源3之方向流通。於時刻t4至t6的區間，整流元件D1、D6呈導通狀態，於整流元件D1有電流從交流電源3往朝向平滑電容器22之方向流通，於整流元件D6有電流從平滑電容器22往朝向平交流電源3之方向流通。
於時刻t6至t8的區間，整流元件D3、D6呈導通狀態，於整流元件D3有電流從交流電源3往朝向平滑電容器22之方向流通，於整流元件D6有電流從平滑電容器22往朝向平交流電源3之方向流通。於時刻t8至t10的區間，整流元件D3、D2呈導通狀態，於整流元件D3有電流從交流電源3往朝向平滑電容器22之方向流通，於整流元件D2有電流從平滑電容器22往朝向平交流電源3之方向流通。於時刻t10至t12的區間，整流元件D5、D2呈導通狀態，於整流元件D5有電流從交流電源3往朝向平滑電容器22之方向流通，於整流元件D2有電流從平滑電容器22往朝向平交流電源3之方向流通。
如圖4所示，電力模組21中的各整流元件D係僅在交流電源3之電源周期的1／3的期間呈導通狀態而流通電流。再者，由於在該一半的期間，亦即交流電源3之電源周期的1／6的期間，切換電壓值最大的線間電壓，所以切換呈導通狀態之整流元件D的組合。例如，在時刻t2至t6的區間之中，時刻t2至t4的區間，整流元件D1與整流元件D4導通而流通電流，而時刻t4至t6的區間，整流元件D1與整流元件D6導通而流通電流。
接著，針對馬達動力運轉之變換器1的電源再生動作進行說明。圖5係用以說明實施型態1之藉由變換器之切換動作所達成的電源再生動作的圖。馬達再生時，馬達驅動裝置4將馬達5的再生電力從交流電力轉換成直流電力，並將轉換成交流電力的再生電力供給至平滑電容器22。藉此，平滑電容器22的端子間電壓VDC 上升，平滑電容器22之端子間電壓VDC 變得比交流電源3的電源電壓VRST 還大。
當交流電源3的電源電壓VRST 與母線電壓VPN 的差達預先設定的值以上時，變換器1的再生控制部32將基極驅動信號SRP 、SRN 、SSP 、SSN 、STP 、STN 輸出至驅動電路27，而使電力模組21之切換動作所進行之電源再生動作開始。於變換器1，當切換動作所達成之電源再生動作開始時，利用電力模組21的各切換元件Q，平滑電容器22之直流電力轉換成交流電力，經轉換後的交流電力作為再生電力而經由反應器2輸出至交流電源3。
圖6係顯示實施型態1之馬達控制系統之馬達動力運轉時之交流電源之電源電壓與流通於變換器內之電流之關係的圖。圖6顯示馬達再生時，線間電壓、R相再生電流IrR 、S相再生電流IrS 、T相再生電流IrT 、流通於切換元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的電流IQ1 、IQ2 、IQ3 、IQ4 、IQ5 、IQ6 及母線電流IPN 的時間變化。
如圖6所示，於變換器1的電源再生時，藉由電流IQ1 、IQ2 、IQ3 、IQ4 、IQ5 、IQ6 流通於切換元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，於變換器1與交流電源3之間流通R相再生電流IrR 、S相再生電流IrS 及T相再生電流IrT ，再生電力從變換器1輸出至交流電源3。
如圖6所示，電力模組21中的各切換元件Q係僅在交流電源3之電源周期的1／3的期間呈導通狀態而流通再生電流。再者，由於在該一半的期間，亦即交流電源3之電源周期的1／6的期間，切換電壓值最大的線間電壓，所以會切換成為導通狀態之切換元件Q的組合。例如，在時刻t2至t6的區間之中，時刻t2至t4的區間係切換元件Q1與切換元件Q4導通而流通再生電流，而時刻t4至t6的區間則為切換元件Q1與切換元件Q6導通而流通再生電流。
接著，針對馬達動力運轉時及馬達再生時流通於變換器1之母線電流IPN 進行說明。圖7係顯示實施型態1之馬達控制系統驅動馬達時之馬達控制系統之狀態的圖。於圖7顯示馬達速度N、馬達轉矩Tout 、馬達輸出Pout 、平滑電容器22的端子間電壓VDC 、母線電流IPN 及電源電壓VRST 的時間變化。馬達速度N係設於馬達5之旋轉軸的旋轉速度。馬達轉矩Tout 係馬達5的轉矩。馬達輸出Pout 係馬達5的輸出。
首先，針對圖7所示的馬達動力運轉區間進行說明。馬達動力運轉區間係時刻t20至t23的區間，且係藉由馬達控制系統100進行動力運轉的區間。時刻t20係馬達5開始加速的時刻，時刻t23係馬達速度N達到目標速度的時刻。在馬達動力運轉區間，馬達速度N藉由馬達轉矩Tout 而變大，再者，隨著馬達輸出Pout 變大，母線電流IPN 變大。當馬達轉矩Tout 變小時，馬達輸出Pout 呈固定，母線電流IPN 的峰值也呈固定。
接著，針對馬達固定速度區間進行說明。馬達固定速度區間係時刻t23至t24的區間，且係馬達速度N呈固定速度的區間。由於馬達固定速度區間與馬達動力運轉區間不同，馬達輸出Pout 較低，所以幾乎不流通母線電流IPN 。
接著，針對馬達再生區間進行說明。馬達再生區間係時刻t24至t27的區間，且係藉由馬達控制系統100進行電源再生動作的區間。時刻t24係馬達5開始減速的時刻，時刻t27係馬達停止的時刻。當馬達5開始減速時，馬達5的再生電力就會流入平滑電容器22，因此，平滑電容器22之端子間電壓VDC 上升。
當端子間電壓VDC 超過預先設定的值時，變換器1就開始電源再生動作。當開始電源再生動作時，再生電流就從平滑電容器22流入電力模組21，平滑電容器22之端子間電壓VDC 變小。於時刻t24，由於馬達減速時之馬達輸出Pout 的絕對值較大，所以雖然流通較大的再生電流，然而隨著馬達速度N降低而使馬達輸出Pout 的絕對值變小，再生電流也變小。
接著，針對於交流電源3發生停電時進行說明。當馬達動力運轉時、馬達固定速度時或馬達再生時，發生停止來自交流電源3之對馬達控制系統100供電的停電之情形，較大的電流會流通於電力模組21中的整流元件D或切換元件Q。因此，變換器1具備檢測於交流電源3發生停電的停電檢測部33。
首先，針對馬達動力運轉時於交流電源3發生停電的情形進行說明。圖8係顯示圖7所示之在馬達動力運轉區間於交流電源發生停電時馬達控制系統之狀態的圖。於圖8，時刻t21至t22的期間為停電期間。時刻t21為停止來自交流電源3之對變換器1的電力供給的時刻，亦即停電開始時刻。再者，於圖8，時刻t22為於交流電源3發生停電結束的時刻，亦即復電開始時刻。
如圖8所示，由於一旦在馬達動力運轉時交流電源3停止，就無對變換器1供給電力，所以變得無流通母線電流IPN 。由於此期間仍然繼續從馬達驅動裝置4對馬達5供給電力，所以蓄積於平滑電容器22的電力從變換器1供給至馬達驅動裝置4。結果，平滑電容器22的端子間電壓VDC 急劇地降低。
其後，於時刻t22，一旦交流電源3從停電復原時，交流電源3的電源電壓VRST 比平滑電容器22之端子間電壓VDC 還大，因此，電流從交流電源3經由整流元件D1至D6而流入平滑電容器22。由於平滑電容器22之端子間電壓VDC 比圖7所示的情況小，所以流通比圖7所示的情況更大的正方向的母線電流IPN 。交流電源3之電源電壓VRST 與平滑電容器22之端子間電壓VDC 的電位差愈大，則該母線電流IPN 就愈大。
因此，交流電源3之電源電壓VRST 與平滑電容器22之端子間電壓VDC 的電位差愈大，則會有愈大的電流流通於整流元件D1至D6。再者，於馬達固定速度區間，也依據馬達輸出Pout 的狀態，與馬達動力運轉時的情形同樣的原理，會有較大的電流流通於整流元件D1至D6的情形。
接著，針對馬達再生時發生停電的情形進行說明。圖9係顯示圖7所示之在馬達再生區間於交流電源發生停電時馬達控制系統之狀態的圖。於圖9中，時刻t25至t26的期間為停電期間。時刻t25為停電開始時刻，時刻t26為復電開始時刻。馬達再生時，會因再生能量而使平滑電容器22之端子間電壓VDC 上升，然而當交流電源3停止時，如圖9所示，平滑電容器22之端子間電壓VDC 與交流電源3之電源電壓VRST 的電位差比圖7所示的情況大，因此，與圖7所示的情況相比較，會流通較大的負方向的母線電流IPN 。
交流電源3之電源電壓VRST 與平滑電容器22之端子間電壓VDC 的電位差愈大，則母線電流IPN 就愈大。因此，交流電源3之電源電壓VRST 與平滑電容器22之端子間電壓VDC 的電位差愈大，則愈大的電流流通於切換元件Q1至Q6。此外，因應交流電源3的電壓相位而決定電流會流通於切換元件Q1至Q6中之哪個組合的切換元件。
如以上所述，馬達動力運轉時或馬達固定速度時交流電源3發生停電的情形下，於復電開始時，較大的電流流通於整流元件D1至D6。再者，馬達再生時交流電源3發生停電的情形下，於停電開始時，較大的電流流通於切換元件Q1至Q6。
停電檢測部33於馬達再生時，判定藉由母線電流檢測部25所檢測出的母線電流IPN 的絕對值是否為預先設定的第一閾值Ith1以上。於馬達再生時，當母線電流IPN 的絕對值為第一閾值Ith1以上時，停電檢測部33判定為交流電源3發生停電，決定電源再生動作的停止，並將用以停止電源再生動作的再生停止指令輸出至再生控制部32及馬達控制部41。
再者，停電檢測部33於馬達再生時，判定藉由母線電流檢測部25所檢測出的母線電流IPN 的絕對值是否為預先設定的第一時間Tth1之期間為第二閾值Ith2以下。停電檢測部33於馬達再生時，判定為母線電流IPN 的絕對值於第一時間Tth1之期間為第二閾值Ith2以下的情形下，判定於交流電源3發生停電，決定電源再生動作的停止，並將用以停止電源再生動作的再生停止指令輸出至再生控制部32及馬達控制部41。
於從停電檢測部33輸出再生停止指令時，再生控制部32停止對驅動電路27輸出基極驅動信號SRP 、SRN 、SSP 、SSN 、STP 、STN ，而停止以電力模組21所為的電源再生動作。藉此，變換器1能夠抑制切換元件Q1至Q6的故障。上述的第一閾值Ith1係設定成例如電力模組21之額定電流的值。
再者，從停電檢測部33輸出再生停止指令時，馬達控制部41控制電力轉換部40而使從電力轉換部40往馬達5之交流電力的輸出停止。藉此，變換器1能夠抑制切換元件Q1至Q6的故障。
再者，停電檢測部33於馬達動力運轉時，判定藉由母線電流檢測部25所檢測出的母線電流IPN 的絕對值是否為預先設定的第一閾值Ith1以上。於馬達動力運轉時，當母線電流IPN 的絕對值為第一閾值Ith1以上時，停電檢測部33判定為交流電源3發生停電，決定動力運轉動作的停止。停電檢測部33一旦決定動力運轉動作的停止，就將用以停止動力運轉動作的動力運轉停止指令輸出至馬達控制部41。於馬達動力運轉時藉由停電檢測部33所為之當母線電流IPN 的絕對值為第一閾值Ith1以上時於交流電源3發生停電的判定，係在交流電源3發生停電之後從交流電源3再度開始電力供給的時序(timing)進行檢測。因此，此情形下，藉由停電檢測部33所為之發生停電的判定也包含復電開始的判定。
再者，停電檢測部33於馬達動力運轉時，判定藉由母線電流檢測部25所檢測出的母線電流IPN 的絕對值是否於預先設定的第一時間Tth1之期間為第二閾值Ith2以下。停電檢測部33於馬達動力運轉時，判定為母線電流IPN 的絕對值於第一時間Tth1之期間為第二閾值Ith2以下的情形下，判定於交流電源3發生停電，決定動力運轉動作的停止，停電檢測部33一旦決定動力運轉的停止時，將用以停止動力運轉動作的動力運轉停止指令輸出至馬達控制部41。
馬達控制部41在從停電檢測部33輸出動力運轉停止指令時，控制電力轉換部40而使從電力轉換部40往馬達5之交流電流的輸出停止。藉此，馬達驅動裝置4能夠抑制整流元件D1至D6的故障。再者，馬達驅動裝置4能夠防止例如產業機械之進給軸或主軸過度地旋轉而導致的工具或工件的損壞等。
此外，停電檢測部33也可僅在母線電流IPN 的絕對值為第一閾值Ith1以上時判定為交流電源3發生停電，或僅在母線電流IPN 的絕對值於第一時間Tth1之期間為第二閾值Ith2以下時判定為交流電源3發生停電。
再者，停電檢測部33也可於馬達再生時，不將再生停止指令輸出至馬達控制部41。藉此，例如屬於交流電源3停電的期間之停電期間較短時，能夠將馬達5的再生電力蓄積於平滑電容器22。此情形下，母線電流IPN 的絕對值比第一時間Tth1之期間長的第二時間Tth2的期間成為第二閾值Ith2以下時，也能夠將停止再生指令輸出至馬達控制部41。藉此，交流電源3的停電時間較長時，能夠防止再生電力過度地積存於平滑電容器22。
條件設定部34係接受停電檢測部33所為的停電的判定條件，而將所接收到的判定條件設定於停電檢測部33。例如，條件設定部34藉由有線或無線方式而接受從未圖示的輸入裝置或終端器裝置發送至變換器1的判定條件資訊，並根據所接受的判定條件資訊而將停電檢測部33所為的停電的判定條件設定於停電檢測部33。判定條件資訊包含例如顯示上述的第一閾值Ith1、第二閾值Ith2、第一時間Tth1及第二時間Tth2之各者的資訊。藉由條件設定部34，能夠變更於停電檢測部33設定的第一閾值Ith1、第二閾值Ith2、第一時間Tth1及第二時間Tth2。
圖10係顯示實施型態1之藉由變換器之停電檢測部所為之處理步驟之一例的流程圖。例如，以預先設定的周期反覆執行。如圖10所示，停電檢測部33取得由母線電流檢測部25所檢測出的母線電流IPN 的資訊(步驟S10)。停電檢測部33根據所取得的母線電流IPN 的資訊而算出母線電流IPN 的絕對值(步驟S11)。
接著，停電檢測部33判定母線電流IPN 的絕對值是否為第一閾值Ith1以上(步驟S12)。停電檢測部33判定母線電流IPN 的絕對值非為第一閾值Ith1以上時(步驟S12：否)，判定母線電流IPN 的絕對值於預先設定的第一閾值Ith1之期間是否為第二閾值Ith2以下(步驟S13)。
在停電檢測部33判定為母線電流IPN 的絕對值為第一閾值Ith1以上(步驟S12：是)之情形，或判定為母線電流IPN 的絕對值於第一時間Tth1之期間為第二閾值Ith2以下(步驟S13：是)之情形，判定是否為馬達再生中(步驟S14)。於步驟S14，停電檢測部33例如從再生控制部32取得包含顯示是否為電源再生動作中之資訊的狀態信號，並根據所取得的狀態信號而判定是否為馬達再生中。
停電檢測部33判定為非馬達再生中時(步驟S14：否)，判定是否為馬達動力運轉中(步驟S15)。於步驟S15，停電檢測部33例如從馬達控制部41取得包含顯示是否為動力運轉動作中之資訊的狀態信號，並根據所取得的狀態信號而判定是否為動力運轉動作中。
停電檢測部33判定為馬達再生中時(步驟S14：是)，決定電源再生動作的停止(步驟S16)，將再生停止指令輸出至再生控制部32與馬達控制部41(步驟S17)。於步驟S17，停電檢測部33也能夠僅對再生控制部32及馬達控制部41之其中任一者輸出再生停止指令。
停電檢測部33判定為馬達動力運轉中時(步驟S15：是)，決定動力運轉動作的停止(步驟S18)，將動力運轉停止指令輸出至馬達控制部41(步驟S19)。停電檢測部33在判定為母線電流IPN 的絕對值於第一時間Tth1的期間非為第二閾值Ith2以下時(步驟S13：否)，在判定為非馬達動力運轉中時(步驟S15：否)，在步驟S17之處理結束時，或在步驟S19的處理結束時，結束圖10所示的處理。
圖11係顯示實施型態1之藉由變換器之再生控制部所為之處理步驟之一例的流程圖，並例如以預先設定的周期反覆執行。如圖11所示，再生控制部32判定是否已從停電檢測部33取得再生停止指令(步驟S20)。
再生控制部32判定為已從停電檢測部33取得再生停止指令時(步驟S20：是)，停止電源再生動作(步驟S21)。於步驟S21，再生控制部32停止基極驅動信號SRP 、SRN 、SSP 、SSN 、STP 、STN 之對驅動電路27的輸出，並藉由將複數個切換元件Q1至Q6設成關斷而停止電源再生動作。再生控制部32在判定為未從停電檢測部33取得再生停止指令時(步驟S20：否)，或在步驟S21的處理結束時，結束圖11所示的處理。
圖12係顯示實施型態1之藉由馬達驅動裝置之馬達控制部所為之處理步驟之一例的流程圖，並例如以預先設定的周期反覆執行。如圖12所示，馬達控制部41判定是否已從停電檢測部33取得動力運轉停止指令(步驟S30)。馬達控制部41判定為已從停電檢測部33取得動力運轉停止指令時(步驟S30：是)，控制電力轉換部40而停止從電力轉換部40往馬達5的電力供給以使以電力轉換部40所為之動力運轉動作停止(步驟S31)。
馬達控制部41判定為未從停電檢測部33取得動力運轉停止指令時(步驟S30：否)，判定是否已從停電檢測部33取得再生停止指令(步驟S32)。馬達控制部41判定為已從停電檢測部33取得再生停止指令時(步驟S32：是)，控制電力轉換部40而使以電力轉換部40所為的電源再生動作停止(步驟S33)。
馬達控制部41在判定為未從停電檢測部33取得再生停止指令時(步驟S32：否)，在步驟S31的處理結束時，或在步驟S33的處理結束時，結束圖12所示的處理。
如以上所述，實施型態1的變換器1係配置於屬於輸入電源之交流電源3與控制馬達5之馬達驅動裝置4之間，該變換器1具備：電力模組21；平滑電容器22；母線電流檢測部25；及控制部26。電力模組21係具有：複數個整流元件D1至D6，係將從交流電源3供給的交流電壓進行整流；複數個切換元件Q1至Q6，係各自並聯地連接於複數個整流元件D1至D6中之對應的整流元件；及兩個直流電源端子14、15，係輸出藉由複數個整流元件D1至D6所整流後的電壓。平滑電容器22係連接於兩個直流電源端子14、15，將藉由電力模組21所整流後的電壓進行平滑化。母線電流檢測部25係檢測母線電流IPN 、亦即在直流電源端子14或直流電源端子15與平滑電容器22之間流通之電流。控制部26係藉由根據交流電源3的電壓相位來控制複數個切換元件Q1至Q6而使馬達5的再生電力輸出至交流電源3。控制部26係根據藉由母線電流檢測部25所檢測出的母線電流IPN 的絕對值，而判定馬達5之動力運轉時及馬達5之再生時之其中至少任一情況下是否已於交流電源3發生停電。藉此，變換器1能夠以簡易的構成檢測出交流電源3發生停電。例如，由於變換器1也可不必須為了停電檢測而設置母線電流檢測部25以外的電流檢測手段，因此與為了停電檢測而使用複數個電流檢測手段的變換器相比較，能夠降低變換器1的製造成本。再者，具有電源再生功能之一般的變換器雖然具有會監視從輸入電源往變換器輸入的輸入電流，並根據監視結果而將輸入電流轉換成直流電流的轉換手段，然而由於變換器1係不使用該等轉換手段，所以與一般的變換器相比較，能夠簡化構成。再者，由於變換器1係根據母線電流IPN 的絕對值而檢測已發生停電，所以在動力運轉時與再生時不使用不同的閾值，就能夠檢測出於交流電源3發生了停電。
再者，停電檢測部33於母線電流IPN 的絕對值超過第一閾值Ith1時，判定為交流電源3已發生停電。藉此，變換器1能夠在動力運轉時與再生時不使用不同的閾值，就能夠以良好精度檢測出於交流電源3發生了停電。第一閾值Ith1係預先設定之值的一例。
再者，停電檢測部33於母線電流IPN 的絕對值於預先設定的第一閾值Ith1之期間為第二閾值Ith2以下時，判定為交流電源3發生停電。藉此，變換器1能夠在動力運轉時與再生時不使用不同的閾值，就能夠以良好精度檢測出於交流電源3發生了停電。第二閾值Ith2係預先設定之值的一例。
再者，變換器1係具備條件設定部34，該條件設定部34係接受停電檢測部33所為的停電的判定條件，而將所接收到的判定條件設定於停電檢測部33。於藉由母線電流檢測部25所檢測出的母線電流IPN 的絕對值滿足判定條件時，停電檢測部33判定為交流電源3發生了停電。判定條件係例如上述的第一閾值Ith1、第二閾值Ith2、第一時間Tth1及第二時間Tth2之至少一者。藉此，變換器1的使用者能夠變更停電檢測的靈敏度。例如，可進行如下利用方式：欲加重變換器1的保護的使用者，可將第一閾值Ith1及第二閾值Ith2設定成比電力模組21之額定電流低的值，而為了提高產業機械的運轉效率而欲避免停電的誤檢測的使用者，可將第一閾值Ith1及第二閾值Ith2設定成比電力模組21之額定電流高的值。
再者，控制部26具有再生控制部32，該再生控制部32係於馬達再生時控制複數個切換元件Q1至Q6。停電檢測部33於判定為交流電源3發生了停電時，將再生停止指令輸出至再生控制部32。再生控制部32於從停電檢測部33輸出再生停止指令來時，停止複數個切換元件Q1至Q6的控制。藉此，變換器1能夠控制切換元件Q1至Q6的故障。
再者，停電檢測部33於判定為交流電源3發生了停電時，將動力運轉停止指令輸出至馬達驅動裝置4，藉由馬達停止指令而使從馬達驅動裝置4往馬達5的電力供給停止。藉此，變換器1於馬達動力運轉時發生停電的情形下，能夠使馬達驅動裝置4的動作停止，而能夠抑制整流元件D1至D6的故障。
實施型態2 實施型態2的馬達控制系統與實施型態1的馬達控制系統之不同點在於，更進行電力模組之故障預知。以於下的說明中，針對具有與實施型態1同樣的功能之構成要素賦予相同符號而省略說明，並以與實施型態1之馬達控制系統100之不同點為中心進行說明。
圖13係顯示實施型態2之馬達控制系統之構成之一例的圖。如圖13所示，實施型態2之馬達控制系統100A係具備變換器1A、馬達驅動裝置4及上位控制裝置6。變換器1A與變換器1之不同點在於，具備具有停電檢測部33A的控制部26A來取代具有停電檢測部33的控制部26。
停電檢測部33A係不僅具有停電檢測部33的功能，並且具有生成計數器資訊，並將所生成的計數器資訊發送至上位控制裝置6的功能。計數器資訊包含第一計數器值N1與第二計數器值N2。第一計數器值N1係顯示馬達動力運轉時於交流電源3發生停電的次數，第二計數器值N2係顯示馬達再生時於交流電源3發生停電的次數。
馬達動力運轉時於交流電源3發生停電的情形下，由於過電流流通於整流元件D，所以第一計數器值N1也可稱為整流元件D的過電流計數器值。馬達再生時於交流電源3發生停電的情形下，由於過電流流通於切換元件Q，所以第二計數器值N2也可稱為切換元件Q的過電流計數器值。
停電檢測部33A係判定藉由母線電流檢測部25所檢測出的母線電流IPN 的絕對值是否為第一閾值Ith1以上。母線電流IPN 的絕對值為第一閾值Ith1以上時，停電檢測部33A判定母線電流IPN 的符號是否為正。判定為母線電流IPN 的符號為正時，停電檢測部33A將第一計數器值N1予以加計(count up)。再者，判定為母線電流IPN 的符號非為正時，停電檢測部33A將第二計數器值N2予以加計。停電檢測部33A將包含第一計數器值N1與第二計數器值N2的計數器資訊輸出至上位控制裝置6。此外，停電檢測部33A也可將包含第一計數器值N1及第二計數器值N2中之所加計後的計數器值之計數器資訊輸出至上位控制裝置6。
上位控制裝置6將馬達動作指令及馬達停止指令發送至馬達驅動裝置4而控制馬達驅動裝置4。當馬達驅動裝置4接受到馬達動作指令，就開始馬達5的控制，而當接收到馬達停止指令，就停止馬達5的控制。
上位控制裝置6具備故障預知部60，該故障預知部60係根據從變換器1A輸出的計數器資訊，而判定是否有發生電力模組21的故障的可能性。第一計數器值N1為第一計數器閾值Nth1以上時，故障預知部60判定為電力模組21之整流元件D故障的可能性高。再者，第二計數器值N2為第二計數器閾值Nth2以上時，故障預知部60判定為電力模組21之切換元件Q故障的可能性高。此外，第一計數器閾值Nth1及第二計數器閾值Nth2可任意地設定，例如，依據電力模組21之製造商提示的使用壽命特性等而決定。
電力模組21之整流元件D或切換元件Q故障的可能性高時，故障預知部60對馬達控制系統100A的使用者通知電力模組故障警告。電力模組故障警告係顯示電力模組21有故障的可能性的資訊。故障預知部60例如能夠於未圖示之顯示裝置顯示故障警告資訊，或經由未圖示的通信部而發送至使用者的終端器裝置。
圖14係顯示實施型態2之藉由變換器之停電檢測部所為之計數器處理步驟之一例的流程圖，並例如以預先設定的周期反覆執行。如圖14所示，停電檢測部33A取得藉由母線電流檢測部25所檢測出的母線電流IPN 的資訊(步驟S40)。停電檢測部33A根據所取得的母線電流IPN 的資訊來算出母線電流IPN 的絕對值(步驟S41)。
接著，停電檢測部33A判定母線電流IPN 的絕對值是否為第一閾值Ith1以上(步驟S42)。判定為母線電流IPN 的絕對值為第一閾值Ith1以上時(步驟S42：是)，判定母線電流IPN 的符號是否為正(步驟S43)。此外，母線電流IPN 的符號係顯示母線電流IPN 的極性。
判定為母線電流IPN 的符號為正時(步驟S43：是)，停電檢測部33A將第一計數器值N1加上1(步驟S44)。再者，判定為母線電流IPN 的符號非為正時(步驟S43：否)，藉由將第二計數器值N2加上1而將第二計數器值N2加計(步驟S45)。
步驟S44的處理或步驟S45的處理結束時，停電檢測部33A將包含第一計數器值N1與第二計數器值N2的計數器資訊輸出至上位控制裝置6(步驟S46)。步驟S46的處理結束時，或判定為母線電流IPN 的絕對值非為第一閾值Ith1以上時(步驟S42：否)，停電檢測部33A將圖14所示的處理結束。
圖15係顯示實施型態2之藉由上位控制裝置之故障預知部所為之故障預知處理步驟之一例的流程圖，並例如以預先設定的周期反覆執行。如圖15所示，故障預知部60判定是否已從變換器1A取得計數器資訊(步驟S50)。
判定為已取得計數器資訊時(步驟S50：是)，故障預知部60判定計數器資訊所包含的第一計數器值N1是否為第一計數器閾值Nth1以上(步驟S51)。判定為第一計數器值N1非為第一計數器閾值Nth1以上時(步驟S51：否)，故障預知部60判定計數器資訊所包含的第二計數器值N2是否為第二計數器閾值Nth2以上(步驟S52)。
判定為第一計數器值N1為第一計數器閾值Nth1以上時(步驟S51：是)，或判定為第二計數器值N2為第二計數器閾值Nth2以上時(步驟S52：是)，故障預知部60將電力模組故障警告通知給馬達控制系統100A的使用者(步驟S53)。於步驟S53，故障預知部60例如能夠於未圖示之顯示裝置顯示故障警告資訊，或經由未圖示的通信部而發送至使用者的終端器裝置。
在判定為未取得計數器資訊時(步驟S50：否)，在判定為第二計數器值N2非為第二計數器閾值Nth2以上時(步驟S52：否)，或在步驟S53的處理結束時，故障預知部60將圖15所示的處理予以結束。
上述的例子中係於上位控制裝置6具備故障預知部60，然而也可為於變換器1A具備故障預知部60的構成。圖16係顯示實施型態2之馬達控制系統之構成之另一例的圖。如圖16所示，變換器1A的控制部26A不僅具備於圖13所示的構成，並且具備故障預知部60。
圖16所示的故障預知部60與圖13所示的故障預知部60同樣地根據從停電檢測部33A輸出的計數器資訊來判定是否有發生電力模組21之故障的可能性。具體而言，在第一計數器值N1為第一計數器閾值Nth1以上時及第二計數器值N2為第二計數器閾值Nth2以上時，故障預知部60判定為電力模組21之切換元件Q有故障的可能性。電力模組21之整流元件D1或切換元件Q有故障的可能性時，故障預知部60將電力模組故障警告通知給馬達控制系統100A的使用者。
此外，以停電檢測部33A所為之第一計數器值N1及第二計數器值N2之加計的時序不限定於上述的時序。例如，母線電流IPN 的絕對值非為第一閾值Ith1以上時，停電檢測部33A判定母線電流IPN 的絕對值於第一時間Tth1的期間是否為第二閾值Ith2以下。母線電流IPN 的絕對值於第一時間Tth1的期間為第二閾值Ith2以下時，若母線電流IPN 的符號為正，則停電檢測部33A將第一計數器值N1加計，若母線電流IPN 的符號為負，則停電檢測部33A將第二計數器值N2加計。
控制部26A的硬體構成係與控制部26之硬體構成相同。停電檢測部33A的功能係藉由處理器讀出並執行記憶體所記憶的程式而被執行。此外，停電檢測部33A之各者的一部分或全部亦可以ASIC或FPGA等硬體來構成。再者，故障預知部60之硬體構成係與控制部26之硬體構成相同。故障預知部60的功能係藉由處理器讀出並執行記憶體所記憶的程式而被執行。此外，故障預知部60之各者的一部分或全部亦可以ASIC或FPGA等硬體來構成。
如以上所述，實施型態2的馬達控制系統100A係具備：變換器1A、馬達驅動裝置4、控制馬達驅動裝置4的上位控制裝置6。變換器1A的停電檢測部33A在判定為發生了停電時，將第一計數器值N1及第二計數器值N2中之與母線電流IPN 的極性對應的計數器值予以加計，而輸出包含第一計數器值N1及第二計數器值N2中之至少加計後的計數器值的計數器資訊。上位控制裝置6的故障預知部60係根據從停電檢測部33A輸出的計數器資訊來進行電力模組21的故障預知。藉此，能夠在變換器1A之電力模組21故障而產業機械停止之前，將顯示電力模組21有故障之可能性的資訊通知給使用者。
再者，變換器1A具備故障預知部60，該故障預知部60係根據以停電檢測部33A所為之發生停電的判定結果，來進行電力模組21的故障預知。停電檢測部33A判定為發生了停電時，將第一計數器值N1及第二計數器值N2中之與母線電流IPN 的極性對應的計數器值予以加計。故障預知部60根據第一計數器值N1及第二計數器值N2來進行電力模組21的故障預知。藉此，能夠在變換器1A之電力模組21故障而產業機械停止之前，將顯示電力模組21有故障之可能性的資訊通知給使用者。
以上的實施型態所示的構成係顯示本發明之內容的一例者，也可與其他公知的技術進行組合，在不脫離本發明之要旨的範圍內，能夠省略、變更構成的一部分。
1,1A:變換器 2:反應器 3:交流電源 4:馬達驅動裝置 5:馬達 6:上位控制裝置 11,12,13:交流電源端子 14,15:直流電源端子 17:正極側的直流電源端子 18:負極側的直流電源端子 21:電力模組 22:平滑電容器 23:母線電壓檢測部 24:電源相位檢測部 25:母線電流檢測部 26,26A:控制部 27:驅動電路 31:基極驅動信號生成部 32:再生控制部 33,33A:停電檢測部 34:條件設定部 40:電力轉換部 41:馬達控制部 60:故障預知部 100,100A:馬達控制系統 D1至D6:整流元件 IPN :母線電流 N1:第一計數器值 N2:第二計數器值 Q1至Q6:切換元件 IR :R相電流 IS :S相電流 IT :T相電流 VR :R相電壓 VS :S相電壓 VT :T相電壓 SRP ,SRN ,SSP ,SSN ,STP ,STN :基極驅動信號 VPN :母線電壓 N:馬達速度 Tout :馬達轉矩 Pout :馬達輸出 VDC :端子間電壓 VRST :電源電壓 VT-S ,VR-S ,VR-T ,VS-T ,VS-R ,VT-R :線間電壓 θT-S ,θR-S ,θR-T ,θS-T ,θS-R ,θT-R :線間相位檢測信號 IrR ,IrS ,IrT :再生電流 t0至t12,t20,t23,t24,t27:時刻 IpR ,IpS ,IpT :動力運轉電流 ID1 ,ID2 ,ID3 ,ID4 ,ID5 ,ID6 :電流
圖1係顯示實施型態1之馬達控制系統之構成之一例的圖。 圖2係顯示實施型態1之電源相位檢測部與基極驅動信號生成部之動作的時間圖。 圖3係用以說明實施型態1之馬達控制系統之馬達動力運轉時之動作的圖。 圖4係顯示實施型態1之馬達控制系統之馬達動力運轉時之交流電源之電源電壓與流通於變換器內之電流之關係的圖。 圖5係用以說明實施型態1之藉由變換器之切換動作所達成的電源再生動作的圖。 圖6係顯示實施型態1之馬達控制系統之馬達再生時之交流電源之交流電壓與流通於變換器內之電流之關係的圖。 圖7係顯示實施型態1之馬達控制系統驅動馬達時之馬達控制系統之狀態的圖。 圖8係顯示圖7所示之在馬達動力運轉區間於交流電源發生停電時馬達控制系統之狀態的圖。 圖9係顯示圖7所示之在馬達再生區間於交流電源發生停電時馬達控制系統之狀態的圖。 圖10係顯示實施型態1之藉由變換器之停電檢測部所為之處理步驟之一例的流程圖。 圖11係顯示實施型態1之藉由變換器之再生控制部所為之處理步驟之一例的流程圖。 圖12係顯示實施型態1之藉由馬達驅動裝置之馬達控制部所為之處理步驟之一例的流程圖。 圖13係顯示實施型態2之馬達控制系統之構成之一例的圖。 圖14係顯示實施型態2之藉由變換器之停電檢測部所為之計數器處理步驟之一例的流程圖。 圖15係顯示實施型態2之藉由上位控制裝置之故障預知部所為之故障預知處理步驟之一例的流程圖。 圖16係顯示實施型態2之馬達控制系統之構成之另一例的圖。
1:變換器
2:反應器
3:交流電源
4:馬達驅動裝置
5:馬達
11,12,13:交流電源端子
14,15:直流電源端子
17:正極側的直流電源端子
18:負極側的直流電源端子
21:電力模組
22:平滑電容器
23:母線電壓檢測部
24:電源相位檢測部
25:母線電流檢測部
26:控制部
27:驅動電路
31:基極驅動信號生成部
32:再生控制部
33:停電檢測部
34:條件設定部
40:電力轉換部
41:馬達控制部
100:馬達控制系統
D1至D6:整流元件
IPN:母線電流
Q1至Q6:切換元件
IR:R相電流
IS:S相電流
IT:T相電流
VR:R相電壓
VS:S相電壓
VT:T相電壓
SRP,SRN,SSP,SSN,STP,STN:基極驅動信號
VPN:母線電壓

Claims (9)

  1. 一種變換器，係配置於交流電源與控制馬達之馬達控制裝置之間者，該變換器係具備： 電力模組，係具有：複數個整流元件，係將從前述交流電源供給的交流電壓進行整流；複數個切換元件，係各自並聯地連接於前述複數個整流元件中之對應的整流元件；及兩個直流電源端子，係輸出藉由前述複數個整流元件所整流後的電壓； 平滑電容器，係連接於前述兩個直流電源端子，將藉由前述電力模組所整流後的電壓進行平滑化； 母線電流檢測部，係檢測母線電流、亦即在前述兩個直流電源端子中之一個與前述平滑電容器之間流通之電流；及 控制部，係根據前述交流電源的電壓相位來控制前述複數個切換元件，藉此使前述電力模組將前述馬達的再生電力輸出至前述交流電源； 前述控制部係具有停電檢測部，該停電檢測部係根據藉由前述母線電流檢測部所檢測出的母線電流的絕對值，而判定前述馬達之動力運轉時及前述馬達之再生時之其中任一情況下是否已於前述交流電源發生停電。
  2. 如請求項1所述之變換器，其中，前述動力運轉時及前述再生時之其中至少任一情況下，前述母線電流的絕對值超過預先設定的值時，前述停電檢測部係判定為發生前述停電。
  3. 如請求項1或2所述之變換器，其中，前述動力運轉時及前述再生時之其中至少任一情況下，前述母線電流的絕對值於預先設定的時間在預先設定的值以下時，前述停電檢測部係判定為發生前述停電。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之變換器，係具備條件設定部，該條件設定部係接受以前述停電檢測部所為的前述停電的判定條件，而將所接收到的前述判定條件設定於前述停電檢測部， 前述動力運轉時及前述再生時之其中至少任一情況下，前述母線電流的絕對值滿足前述判定條件時，前述停電檢測部係判定為發生前述停電。
  5. 如請求項1至3中任一項所述之變換器，其中，前述控制部係具備再生控制部，該再生控制部係前述再生時控制前述複數個切換元件， 前述停電檢測部係於判定為前述再生時發生前述停電時，將再生停止指令輸出至前述再生控制部， 前述再生控制部係在從前述停電檢測部輸出前述再生停止指令時，停止前述切換元件的控制。
  6. 如請求項1至3中任一項所述之變換器，其中，前述停電檢測部係於判定為前述馬達之動力運轉時發生前述停電時，將馬達停止指令輸出至前述馬達驅動裝置，並藉由前述馬達停止指令而使從前述馬達驅動裝置對前述馬達的電力供給停止。
  7. 如請求項1至3中任一項所述之變換器，係具備故障預知部，該故障預知部係根據以前述停電檢測部所為的前述停電之發生的判定結果，而進行前述電力模組的故障預知， 前述停電檢測部係於判定為發生前述停電時，將第一計數器值及第二計數器值中之與前述母線電流之極性對應的計數器值予以加計， 前述故障預知部係根據前述第一計數器值及前述第二計數器值而進行前述電力模組的故障預知。
  8. 如請求項1至3中任一項所述之變換器，其中，前述停電檢測部係於判定為發生前述停電時，將第一計數器值及第二計數器值中之與前述母線電流之極性對應的計數器值予以加計，而輸出包含前述第一計數器值及前述第二計數器值中之至少一方的計數器資訊。
  9. 一種馬達控制系統，係具備： 請求項8所述的變換器； 前述馬達驅動裝置；及 上位控制裝置，係控制前述馬達驅動裝置； 前述變換器係將前述計數器資訊輸出至前述上位控制裝置； 前述上位控制裝置係根據前述計數器資訊而進行前述電力模組的故障預知。
TW109136807A 2019-10-28 2020-10-23 變換器及馬達控制系統 TWI769563B (zh)

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