WO2012127665A1

WO2012127665A1 - 同期電動機の制御装置および制動方法

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Publication number: WO2012127665A1
Application number: PCT/JP2011/057047
Authority: WO
Inventors: 純服部; 誉和上岡
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2012-09-27
Also published as: TW201240327A

Abstract

　同期電動機１８を非常停止させる場合に、インバータ回路４０の上側アームのスイッチング素子５～７をオフに制御し、且つ、下側アームのスイッチング素子８～１０を同時にオン／オフする制御か、またはインバータ回路４０の下側アームのスイッチング素子８～１０をオフに制御し、且つ、上側アームのスイッチング素子５～７を同時にオン／オフする制御のうちの何れかの制御を行って平滑コンデンサ２を昇圧充電すると共に、電力消費回路３０のスイッチング素子４をオンに制御して平滑コンデンサ２に蓄積された充電エネルギーを電力消費回路３０の抵抗３にて消費させる制御を行う。

Description

同期電動機の制御装置および制動方法

　本発明は、同期電動機の制御装置および制動方法に関する。

　一般に、同期電動機を使用した工作機械や搬送装置等においては、これらの機器や装置を駆動するのに支障がでる状態（非常停止スイッチが押された、同期電動機の駆動制御装置に異常が発生した、電源が遮断された等）に陥ったときには、安全上の観点から、即時に同期電動機を非常停止させる必要がある。

　従来、同期電動機を非常停止させる場合、同期電動機を駆動するスイッチング素子モジュールの出力側にリレーを介して接続された抵抗を短絡させ、この抵抗と同期電動機の内部抵抗とにより同期電動機の発電電力を消費させて同期電動機を制動する手法が開示されている（例えば、下記特許文献１）。

　しかしながら、この特許文献１に示される手法は、非常停止回路としてリレーおよび抵抗を付加する必要があるため、部品点数が増加するという課題がある。そこで、上記特許文献１に代わる手法として、インバータ回路の上側のスイッチング素子のみ、または下側のスイッチング素子のみを同時に常時オンさせることでスイッチング素子と逆並列接続のダイオードを介して同期電動機の出力を短絡し、同期電動機の発電電力を同期電動機の内部抵抗によって消費することで制動する方法も開示されている（例えば、下記特許文献２）。

特許第３２７９１０２号公報特開平９－４７０５４号公報

　しかしながら、上記特許文献２に示される手法は、同期電動機の発電電力を同期電動機の抵抗値の小さい内部抵抗によってのみ消費する手法であるため、上記特許文献１に示される非常停止手法に比べて減速開始から停止までの減速時間が長くなるという問題があった。

　また、高速回転中の同期電動機を非常停止させる場合、同期電動機の出力端子間の誘起電圧が比較的高いため、特許文献２の手法では、同期電動機の出力を短絡した直後にインバータ回路のスイッチング素子やダイオードに耐量以上の過大なサージ電流が流れるという問題もあった。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回路規模の増加を抑制しつつ、スイッチング素子やダイオードに耐量以上の過大なサージ電流が流れるのを抑止することができる同期電動機の制御装置および制動方法を提供することを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる同期電動機の制御装置は、直流電源を平滑する平滑コンデンサと、スイッチング素子とダイオードとを逆並列接続したアームを上下に直列接続してなるレグを複数個並列に接続して構成され、前記平滑コンデンサに蓄積された直流電力を所望の交流電力に変換して同期電動機に供給するインバータ回路と、スイッチング素子に直列接続される抵抗およびダイオードの並列回路を有し、前記平滑コンデンサに蓄積された直流電力を当該抵抗にて消費させる動作を行う電力消費回路と、前記インバータ回路および前記電力消費回路の動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記同期電動機を停止させる場合、前記インバータ回路の上側アームのスイッチング素子をオフに制御し、且つ、下側アームのスイッチング素子を同時にオンもしくはオフにする制御と、前記インバータ回路の下側アームのスイッチング素子をオフに制御し、且つ、上側アームのスイッチング素子を同時にオンもしくはオフにする制御と、のうちの何れかの制御を行って前記平滑コンデンサを昇圧充電すると共に、前記電力消費回路のスイッチング素子をオンに制御して前記平滑コンデンサに蓄積された直流電力を電力消費回路の抵抗にて消費させる制御を行うことを特徴とする。

　本発明によれば、回路規模の増加を抑制しつつ、スイッチング素子やダイオードに耐量以上の過大なサージ電流が流れるのを抑止することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１，２にかかる同期電動機の制御装置の構成を示す図である。図２は、同期電動機に対する停止制御時に下側アームのスイッチング素子を同時にオン制御しているときの電流経路の一例を示す図である。図３は、下側アームのスイッチング素子を同時にオン制御するときに形成される昇圧回路の説明図である。図４は、上側アームのスイッチング素子を同時にオン制御するときに形成される昇圧回路の説明図である。

　以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる同期電動機の制御装置および制動方法について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１にかかる同期電動機の制御装置の構成を示す図である。図１において、同期電動機の制御装置は、直流電源１、平滑コンデンサ２、電力消費回路３０、インバータ回路４０、平滑コンデンサ電圧検出回路１９および制御回路２０を備えて構成される。

　平滑コンデンサ２は、正側の直流母線である直流母線２５と、負側の直流母線である直流母線２６との間に接続される。

　電力消費回路３０は、抵抗３、スイッチング素子４およびダイオード１１を備えて構成され、抵抗３とダイオード１１とが並列に接続され、並列接続された抵抗３の一端とダイオード１１のカソード端とは直流母線２５に接続され、抵抗３の他端とダイオード１１のアノード端とはスイッチング素子４の一端（図１で例示するＩＧＢＴではコレクタ端）に接続される。また、スイッチング素子４の他端（図１で例示するＩＧＢＴではエミッタ端）は、直流母線２６に接続されるように抵抗３に対して直列に接続される。

　インバータ回路４０は、スイッチング素子５～１０、ダイオード１２～１７を備えて構成される。このインバータ回路４０では、スイッチング素子５とダイオード１２、スイッチング素子６とダイオード１３およびスイッチング素子７とダイオード１４のそれぞれのペア同士が逆並列に接続されて上側アームを構成すると共に、スイッチング素子８とダイオード１５、スイッチング素子９とダイオード１６およびスイッチング素子１０とダイオード１７のそれぞれのペア同士が逆並列に接続されて下側アームを構成する。上側アームと下側アームとは、それぞれが直列に接続されて一つのレグを構成する。これらのレグは、複数組設けられ（図示の例では３組）、並列に接続されると共に各レグの一端は直流母線２５に接続され、各レグの他端は直流母線２６に接続されてブリッジ回路を構成する。図示の例は３相インバータ回路であり、上側アームと下側アームとの接続点は３つあり、それぞれインバータ回路４０におけるＵ相端子、Ｖ相端子、Ｗ相端子を成す。図示の同期電動機１８は３相同期電動機であり、接続線２４を通じてＵ相端子、Ｖ相端子およびＷ相端子に接続され、インバータ回路４０が出力する交流電力が供給されて回転駆動される。

　つぎに、実施の形態１にかかる同期電動機の制御装置および制動方法に関係する動作について説明する。

　通常時、制御回路２０は、スイッチング素子５～１０をオンもしくはオフ（以下「オン／オフ」と表記）にする制御信号をインバータ回路４０に出力し、インバータ回路４０が同期電動機１８に供給する電力を制御することにより同期電動機１８を駆動する。また、平滑コンデンサ２の電圧は、平滑コンデンサ電圧検出回路１９によって検出される。

　ここで、同期電動機１８が回生状態となり、回生電力によって平滑コンデンサ２の電圧が予め設定した電圧以上に上昇した場合、制御回路２０は、スイッチング素子４をオンに制御し、平滑コンデンサ２に蓄積されたエネルギー（充電エネルギー）を抵抗３で消費させ、平滑コンデンサ２の電圧上昇を抑える制御を行う。

　また、同期電動機１８を非常停止もしくは急速に停止（以下単に「停止」という）させる場合、制御回路２０は、上側アームのスイッチング素子５～７をオフに制御し、且つ、下側アームのスイッチング素子８～１０を同時にオン／オフする制御を行うか、あるいは、下側アームのスイッチング素子８～１０をオフに制御し、且つ、上側のスイッチング素子５～７を同時にオン／オフする制御を行う。

　この停止時の制御において、各アームを同時にオン／オフする際のオンデューティ比（オン／オフ時間全体に対するオン時間の比率）は、スイッチング素子５～１０とダイオード１２～１７に流れる過大な電流を抑制するための設定値（または許容値）であり、同期電動機１８の電気的仕様ならびに、スイッチング素子５～１０およびダイオード１２～１７の電流耐量に応じて予め設定される。一般的に、オンデューティ比を小さくするとスイッチング素子５～１０やダイオード１２～１７に流れる電流を小さくすることができる。このため、スイッチング素子５～１０や、ダイオード１２～１７の電流耐量が小さいほど、オンデューティ比を小さく設定すればよい。

　図２は、同期電動機１８に対する停止制御時に下側アームのスイッチング素子を同時にオン制御しているときの電流経路の一例（ある一時点での電流の流れ）を示す図である。図２において、同期電動機１８から流れ出す電流は、Ｕ相端子→スイッチング素子８→ダイオード１６→Ｖ相端子という電流経路と、Ｕ相端子→スイッチング素子８→ダイオード１７→Ｗ相端子という電流経路とによって同期電動機１８に戻る。

　つぎに、図２に示すような電流が流れている状態において、下側アームのスイッチング素子８～１０を同時にオン／オフ制御すると、図３に示すように、同期電動機１８の内部に生起する誘起電圧２１と、同期電動機１８の内部インダクタンス２２と、レグの一つである例えばＵ相レグにおける下側アームのスイッチング素子８と、Ｕ相レグにおける上側アームのダイオード１２と、他のレグであるＶ相レグにおける下側アームのダイオード１６もしくはＷ相レグにおける下側アームのダイオード１７とによって、昇圧チョッパ回路が形成される。したがって、同期電動機１８を停止させる場合、平滑コンデンサ２を昇圧充電する制御を行うことで、同期電動機１８の発電電力を平滑コンデンサ２に移動することができる。

　上記の制御により、平滑コンデンサ２の電圧は上昇するが、上記した回生電力を消費する制御と同様に、平滑コンデンサ２の電圧が予め設定した電圧以上に上昇した場合、電力消費回路３０のスイッチング素子４をオンに制御し、平滑コンデンサ２の充電エネルギーを抵抗３で消費させる。この制御により、同期電動機１８の発電電力を持続的に抵抗３で消費することができ、同期電動機１８に対してより大きな制動力を得ることができる。

　また、上側アームのスイッチング素子５～７を同時にオン／オフ制御する場合の昇圧チョッパ回路は、図４に示すものとなり、同期電動機１８の内部に生起する誘起電圧２１と、同期電動機１８の内部インダクタンス２２と、レグの一つである例えばＵ相レグにおける上側アームのスイッチング素子５と、Ｕ相レグにおける下側アームのダイオード１５と、他のレグであるＶ相レグにおける上側アームのダイオード１３もしくはＷ相レグにおける上側アームのダイオード１４とによって、昇圧チョッパ回路が形成される。したがって、上側アームのスイッチング素子５～７を同時にオン／オフ制御する場合においても、同期電動機１８の発電電力を持続的に抵抗３で消費することができ、同期電動機１８に対してより大きな制動力を得ることができる。

　なお、上記の停止制御では、平滑コンデンサ２の電圧が予め設定した電圧以上に上昇した場合に、電力消費回路３０のスイッチング素子４をオンに制御することとしたが、同期電動機１８を停止させる場合には、回生制動とは異なり、平滑コンデンサ２の電圧が予め設定した電圧以上に上昇したか否かを判定することなく、上側アームのスイッチング素子５～７を同時にオン／オフ制御するとき、あるいは下側アームのスイッチング素子８～１０を同時にオン／オフ制御するときに併せて、スイッチング素子４をオン制御するようにしてもよい。

　以上説明したように、実施の形態１にかかる同期電動機の制御装置および制動方法によれば、同期電動機を停止させる場合に、インバータ回路の上側アームの各スイッチング素子をオフに制御し、且つ、下側アームの各スイッチング素子を同時にオン／オフする制御を行って平滑コンデンサを昇圧充電すると共に、電力消費回路のスイッチング素子をオンに制御して平滑コンデンサに蓄積された直流電力を電力消費回路の抵抗にて消費させる制御を行うこととしたので、インバータ回路の上側または下側のスイッチング素子のみを同時にオンする停止手法に比べて大きな制動力が得られ、同期電動機の減速時間を短くすることができるという効果が得られる。

　また、実施の形態１にかかる同期電動機の制御装置および制動方法によれば、同期電動機を停止させる場合に、インバータ回路の下側アームの各スイッチング素子をオフに制御し、且つ、上側アームの各スイッチング素子を同時にオン／オフする制御を行って平滑コンデンサを昇圧充電すると共に、電力消費回路のスイッチング素子をオンに制御して平滑コンデンサに蓄積された直流電力を電力消費回路の抵抗にて消費させる制御を行うこととしたので、インバータ回路の上側または下側のスイッチング素子のみを同時にオンする停止手法に比べて大きな制動力が得られ、同期電動機の減速時間を短くすることができるという効果が得られる。

実施の形態２．
　実施の形態２では、インバータ回路４０に具備されるスイッチング素子およびダイオードについて説明する。インバータ回路４０に用いられるスイッチング素子としては、珪素（Ｓｉ）を素材とする半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなど、以下「Ｓｉ－ＳＷ」と略記）が一般的であり、インバータ回路４０に用いられるダイオードとしては、同じく珪素を素材とする半導体ダイオード（ＰＮ接合型、ショットキーバリア型など、以下「Ｓｉ－Ｄ」と略記）が一般的である。上記実施の形態１で説明した技術は、この一般的なＳｉ－ＳＷおよびＳｉ－Ｄを用いることができる。

　一方、上記実施の形態１の技術は、これらのＳｉ－ＳＷおよびＳｉ－Ｄに限定されるものではない。この珪素（Ｓｉ）に代え、近年注目されている炭化珪素（ＳｉＣ）を素材とする半導体スイッチング素子（以下「ＳｉＣ－ＳＷ」と略記）およびＳｉＣを素材とする半導体ダイオード（以下「ＳｉＣ－Ｄ」と略記）を上述したインバータ回路４０のスイッチング素子およびダイオードとして用いることも無論可能である。

　ここで、インバータ回路４０に用いるダイオードとしては、Ｓｉ－Ｄよりも、ＳｉＣを素材とするショットキーバリア型ダイオード（以下「ＳｉＣ－ＳＢＤ」略記）が好適である。ＳｉＣ－ＳＢＤは、Ｓｉ－Ｄと比較して、高温度での使用が可能であり、導通時のオン抵抗が小さいので動作中の損失が小さくなる。

　その一方で、ＳｉＣ－ＳＢＤは、Ｓｉ－Ｄと比較して、尖頭サージ電流耐量が低いので、これに対応する必要がある。この尖頭サージ電流耐量の問題については、上述した実施の形態１の制御において、インバータ回路４０の上側アームまたは下側アームのスイッチング素子を同時にオン／オフ制御するときのオンデューティ比をＳｉ－Ｄを用いる場合に比して、小さくすればよい。オンデューティ比を小さくすれば、停止制御の開始直後に発生するサージ電流を抑えることができるため、ＳｉＣ－ＳＢＤを使用することが可能となる。

　上記では、インバータ回路４０のダイオードとしてＳｉＣ－ＳＢＤを用いる場合を説明したが、この構成に限定されるものではない。ＳｉＣ半導体素子は、Ｓｉ半導体素子に比べて大きな電流を流すことができるので、インバータ回路４０のスイッチング素子についても、ＳｉＣ－ＳＷを用いることが好適である。

　また、ＳｉＣ半導体素子は、Ｓｉ半導体素子に比べて大きな電流を流すことができるという性質があるため、同期電動機１８を停止させる制御を開始した直後に流れるサージ電流を抑制できれば、その後の電流量が大きくなっても構わない。このため、ＳｉＣ半導体素子を用いる場合には、Ｓｉ半導体素子を用いた場合との比較において、同期電動機１８を停止させる制御の開始直後からサージ電流が抑制されるまでの所定時間においてはオンデューティ比を小さくし、その後の制御、すなわち当該所定時間以降においてはオンデューティ比を大きくするようにすれば、停止制御における殆どの時間においてオンデューティ比を大きくとることができるので、より大きな制動力を得ることができ、Ｓｉ半導体素子を用いた場合に比して、同期電動機の減速時間をより短くすることができる。なお、このオンデューティ比を大きくする制御は、Ｓｉ半導体素子を具備するインバータ回路に対しても適用可能である。

　なお、ＳｉＣは、Ｓｉよりもバンドギャップが大きいという特性を捉えて、ワイドバンドギャップ半導体と称される半導体の一例である（これに対し、Ｓｉは、ナローバンドギャップ半導体と称される）。このＳｉＣ以外にも、例えば窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いて形成される半導体もワイドバンドギャップ半導体に属しており、それらの特性も炭化珪素に類似した点が多い。したがって、炭化珪素以外の他のワイドバンドギャップ半導体を用いる構成も、本発明の要旨を成すものである。

　また、このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオードは、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子やダイオードの小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子やダイオードを用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。

　以上説明したように、実施の形態２にかかる同期電動機の制御装置および制動方法によれば、実施の形態１の構成と制御手法において、同時にオン／オフ制御するスイッチング素子に対するオンデューティ比を、同期電動機を停止させる制御の開始直後においては所定値よりも小さく設定して制御することとしたので、インバータ回路のスイッチング素子およびダイオードとしてワイドバンドギャップ半導体を用いたとしても、これらのスイッチング素子およびダイオードに流れる過大なサージ電流を抑制することができるという効果が得られる。すなわち、実施の形態２の手法を用いることにより、インバータ回路のスイッチング素子およびダイオードとしてワイドバンドギャップ半導体を用いることができるという効果が得られる。

　また、実施の形態２にかかる同期電動機の制御装置および制動方法によれば、同期電動機を停止させる制御の開始直後からサージ電流が抑制されるまでの所定時間におけるオンデューティ比よりも、その後のオンデューティ比の方を大きくして制御することとしたので、尖頭サージ電流耐量は低いものの許容電流密度が高いというワイドバンドギャップ半導体の特性を効果的に活用することができるという効果が得られる。

　以上のように、本発明は、回路規模の増加を抑制しつつ、スイッチング素子やダイオードに生起し得る耐量以上の過大なサージ電流を抑制可能とする同期電動機の制御装置および制動方法として有用である。

　１　直流電源
　２　平滑コンデンサ
　３，２３　抵抗
　４～１０　スイッチング素子
　１１～１７　ダイオード
　１８　同期電動機
　１９　平滑コンデンサ電圧検出回路
　２０　制御回路
　２１　同期電動機の誘起電圧
　２２　同期電動機の内部インダクタンス
　２５　正側の直流母線
　２６　負側の直流母線
　３０　電力消費回路
　４０　インバータ回路

Claims

　直流電源を平滑する平滑コンデンサと、
　スイッチング素子とダイオードとを逆並列接続したアームを上下に直列接続してなるレグを複数個並列に接続して構成され、前記平滑コンデンサに蓄積された直流電力を所望の交流電力に変換して同期電動機に供給するインバータ回路と、
　スイッチング素子に直列接続される抵抗およびダイオードの並列回路を有し、前記平滑コンデンサに蓄積された直流電力を当該抵抗にて消費させる動作を行う電力消費回路と、
　前記インバータ回路および前記電力消費回路の動作を制御する制御部と、
　を備え、
　前記制御部は、
　前記同期電動機を停止させる場合、前記インバータ回路の上側アームのスイッチング素子をオフに制御し、且つ、下側アームのスイッチング素子を同時にオンもしくはオフにする制御と、前記インバータ回路の下側アームのスイッチング素子をオフに制御し、且つ、上側アームのスイッチング素子を同時にオンもしくはオフにする制御と、のうちの何れかの制御を行って前記平滑コンデンサを昇圧充電すると共に、前記電力消費回路のスイッチング素子をオンに制御して前記平滑コンデンサに蓄積された直流電力を電力消費回路の抵抗にて消費させる制御を行うことを特徴とする同期電動機の制御装置。
　前記平滑コンデンサの電圧を検出する電圧検出回路を有し、
　前記制御部は、前記平滑コンデンサの電圧が予め設定した電圧以上に上昇した場合に、前記電力消費回路のスイッチング素子をオンに制御することを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の制御装置。
　前記制御部は、同時にオンもしくはオフ制御するスイッチング素子に対するオンデューティ比を、前記同期電動機を停止させる制御の開始直後においては所定値よりも小さく設定して制御することを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の制御装置。
　前記設定値は、前記同期電動機の電気的仕様ならびに、前記インバータ回路のスイッチング素子およびダイオードの電流耐量に応じて設定されることを特徴とする請求項３に記載の同期電動機の制御装置。
　前記制御部は、前記同期電動機を停止させる制御の開始直後からサージ電流が抑制されるまでの所定時間におけるオンデューティ比よりも、その後のオンデューティ比の方を大きくして制御することを特徴とする請求項３に記載の同期電動機の制御装置。
　前記インバータ回路に具備されるダイオードは、ワイドバンドギャップ半導体にて形成されるダイオードであることを特徴とする請求項３～５の何れか１項に記載の同期電動機の制御装置。
　前記インバータ回路に具備されるスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体にて形成されるスイッチング素子であることを特徴とする請求項６に記載の同期電動機の制御装置。
　前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いた半導体であることを特徴とする請求項７に記載の同期電動機の制御装置。
　直流電源を平滑する平滑コンデンサと、スイッチング素子およびダイオードを逆並列接続したアームを上下に直列接続してなるレグを複数個並列に接続して構成され、前記平滑コンデンサに蓄積された直流電力を所望の交流電力に変換して同期電動機に供給するインバータ回路と、スイッチング素子に直列接続される抵抗およびダイオードの並列回路を有し、前記平滑コンデンサに蓄積された直流電力を当該抵抗にて消費させる動作を行う電力消費回路と、を備えて同期電動機を駆動する構成に適用され、前記インバータ回路および前記電力消費回路を制御して前記同期電動機の制動を制御する同期電動機の制動方法であって、
　前記同期電動機を停止させる場合、前記インバータ回路の上側アームのスイッチング素子をオフに制御し、且つ、下側アームのスイッチング素子を同時にオンもしくはオフにする制御と、前記インバータ回路の下側アームのスイッチング素子をオフに制御し、且つ、上側アームのスイッチング素子を同時にオンもしくはオフにする制御と、のうちの何れかの制御を行って前記平滑コンデンサを昇圧充電すると共に、前記電力消費回路のスイッチング素子をオンに制御して前記平滑コンデンサに蓄積された直流電力を電力消費回路の抵抗にて消費させることを特徴とする同期電動機の制動方法。
　前記同期電動機を停止させる制御の開始直後においては、同時にオンもしくはオフ制御するスイッチング素子に対するオンデューティ比を所定値よりも小さく設定して制御することを特徴とする請求項９に記載の同期電動機の制動方法。
　前記同期電動機を停止させる制御の開始直後からサージ電流が抑制されるまでの所定時間におけるオンデューティ比よりも、その後のオンデューティ比の方を大きく設定して制御することを特徴とする請求項１０に記載の同期電動機の制動方法。