WO2019163110A1 - モータ駆動装置 - Google Patents

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WO2019163110A1
WO2019163110A1 PCT/JP2018/006813 JP2018006813W WO2019163110A1 WO 2019163110 A1 WO2019163110 A1 WO 2019163110A1 JP 2018006813 W JP2018006813 W JP 2018006813W WO 2019163110 A1 WO2019163110 A1 WO 2019163110A1
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inverter
converter
power
circuit
motor
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PCT/JP2018/006813
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French (fr)
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哲 平良
Original Assignee
三菱電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/453—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M5/4585—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having a rectifier with controlled elements
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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/008—Plural converter units for generating at two or more independent and non-parallel outputs, e.g. systems with plural point of load switching regulators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/032—Preventing damage to the motor, e.g. setting individual current limits for different drive conditions

Definitions

  • the present invention relates to a motor drive device that receives AC power supplied from an AC power source and drives a motor as a load.
  • the converter device and peripheral devices arranged in the preceding stage of the inverter device that drives the motor have their capacities selected in consideration of the maximum load of the motor drive system including the motor drive device.
  • This invention is made
  • the present invention is a motor driving device that receives AC power supplied from an AC power source and drives a motor.
  • the motor driving device includes a converter circuit that converts AC power into DC power, and an inverter circuit that drives the motor by converting DC power supplied from the converter circuit into AC power and supplying the AC power to the motor.
  • the motor drive device includes a converter control unit that controls the input current flowing on the AC side of the converter circuit or the input power supplied to the converter circuit so as not to exceed the upper limit value.
  • the motor drive device detects the bus voltage, which is the voltage of the DC bus connecting the converter circuit and the inverter circuit, and limits the output power of the inverter circuit when the detected value of the bus voltage reaches the set lower limit value A part.
  • Configuration diagram of motor drive system including motor drive device according to Embodiment 1
  • FIG. The flowchart which shows the operation
  • FIG. 1 The block diagram which shows an example of the hardware constitutions which implement
  • Configuration diagram of a motor drive system according to a modification of the first embodiment The figure which uses for operation
  • a motor drive device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
  • the present invention is not limited to the following embodiments.
  • a motor illustrates a three-phase motor
  • motors other than a three-phase motor may be used.
  • a power supply illustrates three-phase alternating current
  • the semiconductor elements described in the drawings are examples, and semiconductor switch elements with other symbols may be used. In the following description, physical connection and electrical connection are not distinguished and are simply referred to as “connection”.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a motor drive system 100 including a motor drive device 50 according to the first embodiment.
  • the motor drive system 100 according to the first embodiment includes a circuit breaker 4 for wiring, a reactor 5, a motor drive device 50, and a motor 6.
  • the motor drive device 50 includes a converter device 1 to which AC power is supplied from the AC power source 3 and an inverter device 2 to which DC power is supplied from the converter device 1.
  • FIG. 1 shows a three-phase pulse width modulation (hereinafter referred to as “PWM”) converter capable of controlling the AC side current as an example of the converter device 1.
  • PWM pulse width modulation
  • the converter is not limited to the PWM converter as long as it is a converter capable of controlling the AC side current.
  • an AC power source 3 is a power supply source that supplies AC power to the converter device 1.
  • circuit breaker 4 for wiring and reactor 5 are arranged between AC power supply 3 and converter device 1.
  • the reactor 5 is a device including a circuit element that temporarily stores electric energy.
  • the circuit breaker 4 for wiring is a device that is arranged in an electrical wiring that connects the AC power supply 3 and the converter device 1, and can interrupt a current flowing between the AC power supply 3 and the converter device 1.
  • An example of the circuit breaker 4 for wiring is MCCB (Molded Case Circuit Breaker).
  • the motor 6 is a driving target of the motor driving device 50. When the load (not shown) is a machine tool, the motor 6 is a servo motor and a spindle motor.
  • circuit breaker 4 and the reactor 5 are shown as peripheral devices.
  • the circuit breaker 4 for wiring may not be provided, and other peripheral devices may be provided.
  • the converter device 1 includes a control unit 10, a converter circuit 12, and a smoothing capacitor 14.
  • a current detector 16 is arranged between the converter circuit 12 and the reactor 5.
  • the current detector 16 is provided for only one phase, but may be provided for all three phases. By detecting the three-phase current, an average value can be used when an imbalance occurs in the current detection value, so that a merit that the robustness is high at the time of voltage unbalance is obtained.
  • the converter circuit 12 includes a plurality of switching elements 12a in which transistor elements and diodes are connected in antiparallel. Note that the arrangement and connection of the switching elements 12a in the converter circuit 12 are known, and the description thereof is omitted here.
  • the inverter device 2 includes a control unit 20, a smoothing capacitor 22, and an inverter circuit 24.
  • the inverter circuit 24 is configured by using a plurality of switching elements 24a in which transistor elements and diodes are connected in antiparallel. Note that the arrangement and connection of the switching elements 24a in the inverter circuit 24 are known, and the description thereof is omitted here.
  • the converter circuit 12 and the inverter circuit 24 are connected using the DC bus 7.
  • the DC bus 7 is an electrical wiring that connects the converter circuit 12 and the inverter circuit 24.
  • the DC bus 7 has a high potential side conductor 7P and a low potential side conductor 7N.
  • the side connected to the DC bus 7 is the DC side
  • the side connected to the AC power supply 3 is the AC side
  • the side connected to the DC bus 7 is the DC side
  • the side connected to the motor 6 is the AC side.
  • the converter circuit 12 receives AC power supplied from the AC power supply 3 via the circuit breaker 4 and the reactor 5.
  • the converter circuit 12 converts the received AC power into DC power and supplies it to the inverter circuit 24.
  • the inverter circuit 24 drives the motor 6 by converting the DC power supplied from the converter circuit 12 into AC power having an arbitrary magnitude and an arbitrary frequency and supplying the AC power to the motor 6.
  • the smoothing capacitor 14 is connected in parallel to both ends of the converter circuit 12 in the subsequent stage of the converter circuit 12. One end of the smoothing capacitor 14 is connected to the high potential side conductor 7P of the DC bus 7, and the other end of the smoothing capacitor 14 is connected to the low potential side conductor 7N of the DC bus 7. The DC power converted by the converter circuit 12 is stored in the smoothing capacitor 14.
  • the smoothing capacitor 22 is connected in parallel to both ends of the inverter circuit 24 in the previous stage of the inverter circuit 24.
  • One end of the smoothing capacitor 22 is connected to the high potential side conductor 7P of the DC bus 7, and the other end of the smoothing capacitor 22 is connected to the low potential side conductor 7N of the DC bus 7.
  • the smoothing capacitor 14 and the smoothing capacitor 22 are both connected between the high potential side conductor 7P of the DC bus 7 and the low potential side conductor 7N of the DC bus 7. For this reason, one end of the smoothing capacitor 14 and one end of the smoothing capacitor 22 have the same potential, and the other end of the smoothing capacitor 14 and the other end of the smoothing capacitor 22 have the same potential. That is, the smoothing capacitor 14 and the smoothing capacitor 22 are connected in parallel to each other. Further, the DC power converted by the converter circuit 12 is also stored in the smoothing capacitor 22. In the present embodiment, the configuration including the smoothing capacitors 14 and 22 is described, but at least one of them may be provided.
  • the control unit 10 includes an input current determination unit 10a, a converter control calculation unit 10b, and a drive unit 10c.
  • the current detector 16 detects an input current I that is a current flowing between the reactor 5 and the converter circuit 12.
  • the detection value Ia of the current detector 16 is input to the input current determination unit 10a and the converter control calculation unit 10b.
  • the input current determination unit 10a determines whether or not the detection value Ia of the current detector 16 exceeds the current upper limit value. Input current determination unit 10a transmits a signal that is the determination result to converter control calculation unit 10b.
  • the converter control calculation unit 10b generates a PWM signal for PWM control of the converter circuit 12.
  • the converter control calculation unit 10b adjusts the pulse width of the PWM signal so that the input current I does not exceed the current upper limit value.
  • converter control operation unit 10b performs control so that input current I does not exceed the upper limit value using a signal sent from input current determination unit 10a in addition to a signal used in conventional converter control.
  • the input current I is controlled not to exceed the current upper limit value by the functions of the input current determination unit 10a and the converter control calculation unit 10b.
  • the current upper limit value is set inside the control unit 10.
  • the current upper limit value may be dynamically input from the outside.
  • the power upper limit value may be used instead of the current upper limit value.
  • the power upper limit value may be held internally or may be input from the outside.
  • the output voltage of AC power supply 3 when operating motor drive system 100 is predetermined. For this reason, the input power supplied to the converter device 1 can be calculated based on the detection value Ia of the current detector 16.
  • a voltage detection unit that detects the output voltage of the AC power supply 3 or the input voltage of the converter device 1 may be provided in order to perform accurate control. In the case of this configuration, the input power to the converter device 1 is dynamically obtained based on the detection value of the voltage detection unit and the detection value Ia of the current detector 16.
  • the drive unit 10c generates a drive signal for driving the switching element 12a of the converter circuit 12 using the PWM signal generated by the converter control calculation unit 10b.
  • the switching element 12a of the converter circuit 12 is PWM-controlled by the PWM signal, so that the magnitude of the input current I is adjusted.
  • the control unit 20 includes a bus voltage determination unit 20a, an inverter control calculation unit 20b, and a drive unit 20c.
  • the bus voltage determination unit 20a compares the bus voltage V, which is the voltage of the DC bus 7, with a predetermined value.
  • the bus voltage V is an output voltage of the converter device 1 and an input voltage of the inverter device 2. In the case of the circuit configuration of FIG. 1, the bus voltage V is equal to each voltage of the smoothing capacitor 14 and the smoothing capacitor 22.
  • the determination result of the bus voltage determination unit 20a is input to the inverter control calculation unit 20b.
  • the inverter control calculation unit 20b generates a PWM signal for PWM control of the inverter circuit 24.
  • the inverter control calculation unit 20b adjusts the pulse width of the PWM signal so that the output torque of the motor 6 matches the torque command.
  • the inverter control arithmetic unit 20b adjusts the pulse width of the PWM signal so that the rotational speed of the motor 6 matches the rotational speed command.
  • the inverter control calculation unit 20b has a function of controlling the output power to the motor 6 based on the determination result of the bus voltage V.
  • a lower limit value of the bus voltage V is set in the bus voltage determination unit 20a.
  • the lower limit value may be dynamically input from the outside.
  • the bus voltage determination unit 20a detects a decrease in the bus voltage V based on the bus voltage V and a predetermined lower limit value.
  • the inverter control calculation unit 20b limits the output power to the motor 6.
  • the inverter control calculation unit 20 b operates as a limiting unit that limits the output power of the inverter circuit 24.
  • the output power can be limited by controlling the torque command or the rotation speed command in a decreasing direction.
  • the inverter control calculation unit 20b adjusts the pulse width of the PWM signal so that the bus voltage V does not fall below the lower limit value.
  • the drive unit 20c generates a drive signal for driving the switching element 24a of the inverter circuit 24 using the PWM signal generated by the inverter control calculation unit 20b.
  • the switching element 24a of the inverter circuit 24 is PWM controlled to adjust the magnitude of the output power.
  • the output power of the inverter circuit 24 is output to the motor 6 as the output power of the inverter device 2.
  • control part 10 of the converter apparatus 1 and the control part 20 of the inverter apparatus 2 are shown without a code
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the motor drive device 50 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a time-varying waveform of the input current I.
  • a time-varying waveform of the bus voltage V is shown.
  • a time change waveform of the output power of the inverter device 2 is shown in the lower part of FIG.
  • the input current I is controlled so as not to exceed the current upper limit value.
  • time t1 is the time when this control is started.
  • the bus voltage V decreases from the value K1 at time t1 as shown in the figure. While the bus voltage V decreases, the output power of the inverter device 2 increases. The reason why the bus voltage V is decreased is that the output power of the inverter device 2 increases in spite of the limitation on the input current I.
  • the output power of the inverter device 2 is equivalent to the power consumed by the motor 6. That is, since the power consumption of the motor 6 exceeds the power supplied from the converter device 1, the bus voltage V decreases.
  • the output power of the inverter device 2 is limited.
  • the output power of the inverter device 2 can be limited by controlling the torque command or the rotation speed command in a decreasing direction.
  • the output power of the inverter device 2 reaches P1 at time t2, and the output power of the inverter device 2 is reduced to P2 due to the limitation of the output power.
  • the decrease in the bus voltage V is stopped from decreasing. Therefore, since the minimum necessary bus voltage necessary for the system can be maintained, the system is not stopped by the decrease of the bus voltage V, and the operation of the system is continued.
  • FIG. 2 shows an example in which the torque command or the rotation speed command is switched step by step when the bus voltage V reaches the lower limit value K2
  • the present invention is not limited to this example.
  • a PID (Proportional Integral Differential) control system is configured in the inverter control calculation unit 20b, and the torque command or the rotation speed command is continuously changed according to the difference value between the detected value Vd of the bus voltage V and the lower limit value K2. Also good. Note that the system can be configured relatively easily when implemented in steps. Moreover, if it implements continuously, a torque change or a rotation speed change can be made smooth.
  • FIG. 3 is a flowchart showing an operation flow in converter device 1 of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a flowchart showing an operation flow in the inverter device 2 of the first embodiment.
  • the input current determination unit 10a receives the detection value Ia of the input current I detected by the current detector 16 (step S101), and compares the detection value Ia with the threshold value Is (step S102).
  • This threshold value Is corresponds to the value of A1 or A2 shown in FIG.
  • step S103 When the detected value Ia is greater than or equal to the threshold value Is (step S103, Yes), the input current determination unit 10a transmits an input current limit signal to the converter control calculation unit 10b, and the converter control calculation unit 10b The input current is limited using the signal (step S104). At this time, the input current determination unit 10a generates a PWM signal based on the input current limit signal so as to limit the input current. After the process of step S104 is complete
  • step S103 when the detection value Ia is less than the threshold value Is (step S103, No), the converter control calculation unit 10b skips the process of step S104, generates a PWM signal, and returns to step S101. Thereafter, the above-described processing is repeated.
  • step S103 the case where the detected value Ia is equal to the threshold value Is is determined as “Yes” and the process proceeds to step S104. However, the determination is “No” and the process returns to step S101. Also good. That is, the case where the detection value Ia and the threshold value Is are equal may be determined as “Yes” or “No”.
  • the bus voltage determination unit 20a receives the detection value Vd of the bus voltage V (step S201).
  • the bus voltage determination unit 20a may detect the bus voltage.
  • the bus voltage determination unit 20a compares the detection value Vd with the threshold value Vs (step S202). This threshold value Vs corresponds to the lower limit value K2 of the bus voltage V shown in FIG.
  • the bus voltage determination unit 20a transmits a determination result as to whether or not the detection value Vd is less than the threshold value Vs to the inverter control calculation unit 20b as an output signal.
  • a torque command or an output power limit signal for limiting the rotation speed is output to the inverter control calculation unit 20b.
  • the inverter control calculation unit 20b receives the determination result of the bus voltage determination unit 20a and performs a process of limiting the output power of the inverter device 2 described above (step S204). Specifically, the PWM signal is generated so as to limit the output power. After the process of step S204 is complete
  • step S203 when the detected value Vd is equal to or higher than the threshold value Vs (step S203, No), the inverter control calculation unit 20b skips the process of step S204 and returns to step S201. Thereafter, the above-described processing is repeated.
  • step S203 the case where the detected value Vd and the threshold value Vs are equal is determined as “No” and the process proceeds to step S204. However, the determination is “Yes” and the process returns to step S201. Also good. That is, the case where the detection value Vd and the threshold value Vs are equal may be determined as “Yes” or “No”.
  • converter device 1 in the first embodiment has a function of controlling input current I or input power so as not to exceed the upper limit value based on detected value Ia of input current I.
  • the inverter device 2 in the first embodiment has a function of limiting the output power to the motor 6 by detecting a decrease in the bus voltage V due to the restriction of the input current I or the input power. Therefore, in the motor drive device 50 according to the first embodiment, it is possible to suppress the input current I or the input power below the set limit value while continuing the operation of the system, that is, the peak cut of the input current or the input power is possible. It becomes.
  • the input current I or the input power is generated more than expected on the AC side of the converter device 1 without providing communication means in the converter device 1 and the inverter device 2.
  • the load of the motor drive system 100 becomes the maximum load described in the background art section, that is, the load becomes excessive only during a certain specific operation period as in the prior art.
  • the peripheral device such as the inverter device 2 and the converter device 1 arranged in the preceding stage of the inverter device 2 and the circuit breaker 4 and the reactor 5 take into consideration the maximum load of the motor drive system 100 as in the past. No need to select.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating an example of a hardware configuration that realizes the functions of the converter control calculation unit 10b and the inverter control calculation unit 20b in the first embodiment by software.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating another example of a hardware configuration that realizes the functions of the converter control calculation unit 10b and the inverter control calculation unit 20b in the first embodiment by software.
  • a processor 200 that performs calculation and a program read by the processor 200 are stored.
  • the memory 202 and the interface 204 for inputting and outputting signals can be used.
  • the processor 200 may be an arithmetic means such as an arithmetic device, a microprocessor, a microcomputer, a CPU (Central Processing Unit), or a DSP (Digital Signal Processor).
  • the memory 202 includes a nonvolatile or volatile semiconductor memory such as a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), a flash memory, an EPROM (Erasable Programmable ROM), an EEPROM (registered trademark) (Electrically EPROM), Examples include magnetic disks, flexible disks, optical disks, compact disks, mini disks, DVDs (Digital Versatile Disc), and BDs (Blu-ray (registered trademark) Disk).
  • the memory 202 stores a program for executing the functions of the converter control calculation unit 10b and the inverter control calculation unit 20b and a table referred to by the processor 200.
  • the processor 200 transmits and receives necessary information via the interface 204, the processor 200 executes the program stored in the memory 202, and the processor 200 refers to the table stored in the memory 202, whereby the converter control described above is performed. Arithmetic processing by the arithmetic unit 10b and the inverter control arithmetic unit 20b can be performed.
  • the calculation result by the processor 200 can be output to other functional units via the interface 204.
  • the processor 200 and the memory 202 shown in FIG. 5 may be replaced with a processing circuit 203 as shown in FIG.
  • the processing circuit 203 corresponds to a single circuit, a composite circuit, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field-Programmable Gate Array), or a combination thereof. Note that some processing in the converter control calculation unit 10 b and the inverter control calculation unit 20 b may be performed by the processing circuit 203, and processing not performed by the processing circuit 203 may be performed by the processor 200 and the memory 202.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of a motor drive system according to a modification of the first embodiment.
  • the current detector 16 is provided on the AC side of the converter device 1.
  • the current detector 18 that detects the current of the DC bus 7 is provided on the DC side of the converter device 1. May be.
  • a current detector 18 is provided at the DC-side positive terminal of the converter device 1 and the output current of the converter circuit 12 is detected. Since the relationship between the input power and the output power of the converter circuit 12 is equal, the input current to the converter circuit 12 can be calculated by detecting the output current of the converter circuit 12. Therefore, even when the current detector 18 is provided on the DC side of the converter device 1, it is possible to apply the method of the first embodiment in which control is performed based on the input current I to the converter circuit 12.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the operation of the motor drive device according to the second embodiment.
  • the basic configuration of the motor drive device according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment.
  • converter control operation unit 10 b of the second embodiment has a function of controlling bus voltage V.
  • converter control calculation unit 10b operates as a voltage control unit that controls bus voltage V.
  • control unit 10 of converter device 1 includes a bus voltage detection unit for detecting bus voltage V.
  • FIG. 8 shows the time-varying waveform of the input current I in the upper part of FIG. In the middle part of FIG. 8, two time-varying waveforms of the bus voltage V are shown. Of the two waveforms, the waveform indicated by the thick broken line is the same as that shown in FIG. 2, and the waveform indicated by the thick solid line is obtained by using the bus voltage control function in the converter device 1 to obtain the normal bus voltage V. This is a waveform when the value K3 is set higher than the hour value K1.
  • the normal value K1 generally indicates a minimum voltage command value necessary for the control unit 10 of the converter device 1 to perform current control. Therefore, the value K3 is a value higher than the minimum voltage value necessary for the control unit 10 of the converter device 1 to perform current control.
  • the normal value K1 may be a nominal value, for example.
  • the converter device 1 can realize control for increasing the bus voltage using the detected value of the bus voltage V. That is, since the voltage command value in the converter control calculation unit 10b for controlling the bus voltage V can be set to K3 higher than K1, the voltage width until the bus voltage V reaches the lower limit value K2 from the state of K3. It can be secured. Thereby, the effect that the start time which the inverter apparatus 2 restrict
  • the energy stored in the smoothing capacitor is proportional to the square of the voltage. For this reason, the effect of raising the bus voltage is not simply proportional, but a square effect can be obtained.
  • Embodiment 3 FIG.
  • the motor driving device 50 drives one motor 6.
  • the motor driving device 50 drives a plurality of motors 6 will be described.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of a motor drive system 100A including the motor drive device 50A according to the third embodiment.
  • the motor driving device 50A shows an inverter device 2A for driving the motor 6A and an inverter device 2B for driving the motor 6B.
  • the inverter devices 2A and 2B are examples of a plurality of inverter devices. Inverter devices 2A and 2B are connected to a common DC bus 7 in parallel.
  • the individual configurations of the inverter devices 2A and 2B are the same.
  • the motors 6A and 6B are examples of a plurality of motors.
  • symbol and the same name are attached
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the operation of the motor drive device 50A according to the third embodiment.
  • the time-varying waveform of the input current I is shown.
  • the waveform shown in the upper part of FIG. 10 is equivalent to that shown in the upper part of FIG.
  • a time-varying waveform of the bus voltage V is shown.
  • the waveform shown in the middle upper part of FIG. 10 is equivalent to that shown in the middle part of FIG.
  • a time-varying waveform of the output power of the inverter device 2A is shown.
  • a time change waveform of the output power of the inverter device 2B is shown in the lower part of FIG.
  • FIG. 10 shows a situation where only the inverter device 2A operates until time t11, and both the inverter device 2A and inverter device 2B operate from time t11.
  • the output power P21 of the inverter device 2B is added to the output power P11 of the inverter device 2A.
  • the input current I increases.
  • the bus voltage V decreases from the value K1 at time t12.
  • the bus voltage V continues to decrease as illustrated.
  • the output power of the inverter device 2A is limited.
  • the limit of the output power of the inverter device 2A is performed by controlling the torque command or the rotation speed command in a decreasing direction.
  • the output power of the inverter device 2A is reduced from P11 to P12 at time t13.
  • the case where the output power of the inverter device 2 ⁇ / b> A is limited is illustrated, but is not limited to this example.
  • the output power of the inverter device 2B may be limited, or the output power of both the inverter devices 2A and 2B may be limited.
  • the output power limiting function may be given only to a specific inverter device.
  • a function for limiting output power is given only to an inverter device that has a small effect on the tact time in the production process, and the output power is limited in the inverter device to which the restriction function is given. According to this example, it is possible to cut the peak of the input current and the input power while maintaining the productivity.
  • the inverter device may be stored in advance in the memory 202 of the corresponding inverter device, or the user may select the corresponding inverter device from the outside. You may enable it to input into the inverter control calculating part 20b.
  • the inverter devices are controlled to be in a regenerative state when the detection value Vd of the bus voltage V is lowered to a predetermined set value.
  • the set value may be the lower limit value K2, or a value larger than the lower limit value K2. According to this example, it is possible to obtain the effect of extending the start time for limiting the output power as compared with the case where some of the inverter devices are not controlled to be in the regenerative state, and the time during which the motor driving device 50A is in the limiting operation. It is also possible to obtain an effect of shortening the length.
  • Embodiment 4 FIG. Although Embodiments 1 to 3 are embodiments at the time of powering, Embodiment 4 will describe an embodiment at the time of regeneration. In this embodiment, since the purpose is to cut the peak of regenerative energy, the direction of the energy flow is opposite to that during powering, but the rest is the same as in the first to third embodiments.
  • the sign of the power factor of the input current and the input voltage on the AC side of the converter device 1 is negative. That is, in the fourth embodiment, the phase relationship is such that energy is regenerated.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the operation of the motor drive device according to the fourth embodiment.
  • the bus voltage V increases. This is to limit the input current I or the input power regenerated to the AC side of the converter device 1 without limiting the regenerative energy from the motor 6. Therefore, in the fourth embodiment, an upper limit value K4 of the bus voltage V is provided, and when the bus voltage V reaches the upper limit value K4, the energy regenerated from the motor 6 to the converter device 1 via the inverter device 2 is limited. Stop raising the bus voltage V.
  • the inverter control calculation unit 20b When the inverter control calculation unit 20b receives the result determined by the bus voltage determination unit 20a that the bus voltage V has reached the upper limit value K4, the inverter control calculation unit 20b limits the regenerative energy from the motor 6. The regenerative output power from the inverter circuit 24 is adjusted.
  • the input current I or the input power on the AC side of the converter device 1 at the time of regeneration is also performed when the regeneration control is performed. Can be suppressed. Thereby, the effect which suppresses the capacity

Abstract

交流電源（３）から供給される交流電力を受電してモータ（６）を駆動するモータ駆動装置（５０）は、交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路（１２）、コンバータ回路（１２）から供給される直流電力を交流電力に変換してモータを駆動するインバータ回路（２４）、及びコンバータ回路（１２）の交流側に流れる入力電流を検出する電流検出器（１６）を備える。モータ駆動装置（５０）は、電流検出器（１６）の検出値に基づいて入力電流、又はコンバータ回路（１２）に供給される入力電力を上限値に抑制する制御部（１０）をコンバータ装置（１）に備え、コンバータ回路（１２）とインバータ回路（２４）をつなぐ直流母線（７）の電圧である母線電圧を検出し、母線電圧の検出値が設定された下限値に達するとインバータ回路（２４）の出力電力を制限する制御部（２０）をインバータ装置（２）に備える。

Description

モータ駆動装置
　本発明は、交流電源から供給される交流電力を受電して負荷であるモータを駆動するモータ駆動装置に関する。
　モータ駆動装置において、モータを駆動するインバータ装置の前段に配置されるコンバータ装置及び周辺機器は、モータ駆動装置を含むモータ駆動システムの最大負荷を考慮して、それらの容量が選定されている。
　ところが、実際の運転環境において、モータ駆動システムの負荷が最大負荷となるのは、ある特定の僅かな運転期間のみである。従って、モータ駆動システムにおいて、最大負荷を考慮して周辺機器を選定することは、システムの規模が大型化し、システム構築のコストが上昇する要因となっていた。
　上記課題に対し、下記特許文献１には、以下の技術が開示されている。
　（１）交流電源からコンバータ装置に供給される入力電流又は入力電力が所定の範囲外となった場合、その旨の情報を、通信手段によって後段のインバータ装置に伝える。
　（２）入力電流又は入力電力が所定の範囲外である旨の情報を受信したインバータ装置は、モータを駆動する際のトルク又は回転速度を制限し、インバータ装置からモータに供給される交流電力を小さくする。これにより、コンバータ装置の交流側に許容値を超えた過大な入力電流が流れることが防止される。
特開２０１３－１５３６０７号公報
　上述のように、特許文献１の技術では、コンバータ装置とインバータ装置との双方が通信手段を備える必要がある。従って、特許文献１の技術を採用した場合には、専用の通信手段が必要とされると共に、通信手段を成す、通信回路及び通信線を敷設するための工数が必要とされる。このため、システム構築の期間が長くなり、システム構築のコストが上昇するという課題が生ずる。
　また、専用の通信手段を有する構成の場合、通信の際のノイズの影響、及び通信線を介して回り込むノイズ電流によって機器の誤動作を引き起こすといった懸念も生ずる。
　さらに、通信手段を有するシステムの場合、コンバータ装置の検知情報がインバータ装置に送信される際の遅延時間が問題となることがある。例えば、コンバータ装置とインバータ装置との間の通信において、きめ細かい制御を行うためにアナログ値を送信する場合には、ノイズ対策のために冗長ビットを追加することがよく行われる。このようなシステムの場合、送信される情報量が多くなり、遅延時間の影響が顕著に現れる。このため、モータに対するトルク制限又は回転速度制限の制御が遅延し、コンバータ装置の入力側すなわち交流側に、想定以上の入力電流又は入力電力が発生し、機器を破損させるおそれがある。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コンバータ装置とインバータ装置とに通信手段を設けることなく、コンバータ装置の交流側に想定以上の入力電流又は入力電力が発生するのを抑止することができるモータ駆動装置を得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、本発明は、交流電源から供給される交流電力を受電してモータを駆動するモータ駆動装置である。モータ駆動装置は、交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路、及びコンバータ回路から供給される直流電力を交流電力に変換してモータへ供給することによりモータを駆動するインバータ回路を備える。また、モータ駆動装置は、コンバータ回路の交流側に流れる入力電流、又はコンバータ回路に供給される入力電力が上限値を超えないように制御するコンバータ制御部を備える。また、モータ駆動装置は、コンバータ回路とインバータ回路をつなぐ直流母線の電圧である母線電圧を検出し、母線電圧の検出値が設定された下限値に達するとインバータ回路の出力電力を制限するインバータ制御部を備える。
　本発明によれば、コンバータ装置とインバータ装置とに通信手段を設けることなく、コンバータ装置の交流側に想定以上の入力電流又は入力電力が発生するのを抑止できるという効果を奏する。
実施の形態１に係るモータ駆動装置を含むモータ駆動システムの構成図 実施の形態１に係るモータ駆動装置の動作説明に供する図 実施の形態１のコンバータ装置における動作フローを示すフローチャート 実施の形態１のインバータ装置における動作フローを示すフローチャート 実施の形態１におけるコンバータ制御部及びインバータ制御部の各演算部の機能をソフトウェアで実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図 実施の形態１におけるコンバータ制御部及びインバータ制御部の各演算部の機能をソフトウェアで実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図 実施の形態１の変形例に係るモータ駆動システムの構成図 実施の形態２に係るモータ駆動装置の動作説明に供する図 実施の形態３に係るモータ駆動装置を含むモータ駆動システムの構成図 実施の形態３に係るモータ駆動装置の動作説明に供する図 実施の形態４に係るモータ駆動装置の動作説明に供する図
　以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において、モータは三相モータを例示するが、三相モータ以外のモータを使用してもよい。また、電源は三相交流を例示するが、三相以外の交流電源を使用してもよい。また、図面に記載の半導体素子は一例であり、他の記号の半導体スイッチ素子を使用してもよい。また、以下の説明では、物理的な接続と電気的な接続とを区別せずに、単に「接続」と称する。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係るモータ駆動装置５０を含むモータ駆動システム１００の構成図である。図１に示すように、実施の形態１に係るモータ駆動システム１００は、配線用遮断器４と、リアクトル５と、モータ駆動装置５０と、モータ６とを有する。また、モータ駆動装置５０は、交流電源３から交流電力が供給されるコンバータ装置１と、コンバータ装置１から直流電力が供給されるインバータ装置２とを有する。図１では、コンバータ装置１の一例として、交流側の電流を制御可能な三相パルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：以下「ＰＷＭ」と表記）コンバータを示している。
　なお、本実施の形態では、コンバータ装置１の一例としてＰＷＭコンバータを用いた場合を説明するが、交流側の電流を制御可能なコンバータであれば、ＰＷＭコンバータに限定する必要はない。
　図１において、交流電源３は、コンバータ装置１に交流電力を供給する電力供給源である。交流電源３とコンバータ装置１との間には、配線用遮断器４及びリアクトル５が配置されている。リアクトル５は、電気エネルギーを一時的に蓄積する回路要素を含む装置である。配線用遮断器４は、交流電源３とコンバータ装置１とを接続する電気配線に配され、交流電源３とコンバータ装置１との間に流れる電流を遮断可能な装置である。配線用遮断器４の一例は、ＭＣＣＢ（Ｍｏｌｄｅｄ　Ｃａｓｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｂｒｅａｋｅｒ）である。モータ６は、モータ駆動装置５０の駆動対象である。図示しない負荷が工作機械である場合、モータ６は、サーボモータ及びスピンドルモータである。
　なお、本実施の形態では周辺機器として配線用遮断器４とリアクトル５を示したが、配線用遮断器４は備えなくてもよいし、これら以外の周辺機器を備えていてもよい。
　コンバータ装置１は、制御部１０と、コンバータ回路１２と、平滑コンデンサ１４とを有する。コンバータ回路１２とリアクトル５との間には、電流検出器１６が配置されている。
　図１では、電流検出器１６は一相のみに設けられているが、全三相に設けられていてもよい。三相の電流を検出することによって、電流検出値にアンバランスが生じた場合に平均値を用いることが可能なため、電圧不平衝時にロバスト性が高いというメリットが得られる。
　コンバータ回路１２は、トランジスタ素子とダイオードとが逆並列に接続されたスイッチング素子１２ａを複数用いて構成される。なお、コンバータ回路１２におけるスイッチング素子１２ａの配置及び接続は公知であり、ここでの説明は割愛する。
　インバータ装置２は、制御部２０と、平滑コンデンサ２２と、インバータ回路２４とを有する。
　インバータ回路２４は、トランジスタ素子とダイオードとが逆並列に接続されたスイッチング素子２４ａを複数用いて構成される。なお、インバータ回路２４におけるスイッチング素子２４ａの配置及び接続は公知であり、ここでの説明は割愛する。
　コンバータ回路１２とインバータ回路２４は、直流母線７を用いて接続される。直流母線７は、コンバータ回路１２とインバータ回路２４とをつなぐ電気配線である。直流母線７は、高電位側導体７Ｐと、低電位側導体７Ｎとを有する。コンバータ回路１２において、直流母線７に接続される側が直流側であり、交流電源３に接続される側が交流側である。また、インバータ回路２４において、直流母線７に接続される側が直流側であり、モータ６に接続される側が交流側である。
　コンバータ回路１２は、交流電源３から供給される交流電力を、配線用遮断器４及びリアクトル５を介して受電する。コンバータ回路１２は、受電した交流電力を直流電力に変換してインバータ回路２４に供給する。インバータ回路２４は、コンバータ回路１２から供給される直流電力を任意の大きさ及び任意の周波数の交流電力に変換してモータ６に供給することでモータ６を駆動する。
　平滑コンデンサ１４は、コンバータ回路１２の後段において、コンバータ回路１２の両端に並列に接続される。平滑コンデンサ１４の一端は直流母線７の高電位側導体７Ｐに接続され、平滑コンデンサ１４の他端は直流母線７の低電位側導体７Ｎに接続される。コンバータ回路１２によって変換された直流電力は、平滑コンデンサ１４に蓄電される。
　平滑コンデンサ２２は、インバータ回路２４の前段において、インバータ回路２４の両端に並列に接続される。平滑コンデンサ２２の一端は直流母線７の高電位側導体７Ｐに接続され、平滑コンデンサ２２の他端は直流母線７の低電位側導体７Ｎに接続される。
　上記のように、平滑コンデンサ１４及び平滑コンデンサ２２は、共に直流母線７の高電位側導体７Ｐと、直流母線７の低電位側導体７Ｎとの間に接続されている。このため、平滑コンデンサ１４の一端と平滑コンデンサ２２の一端とは同電位であり、平滑コンデンサ１４の他端と平滑コンデンサ２２の他端とは同電位である。つまり、平滑コンデンサ１４と平滑コンデンサ２２は互いに並列に接続される。また、コンバータ回路１２によって変換された直流電力は、平滑コンデンサ２２にも蓄電される。なお、本実施の形態では平滑コンデンサ１４、２２を備えた構成を説明するが、少なくともいずれか一方を備えていればよい。
　次に、制御部１０の機能について説明する。制御部１０は、入力電流判定部１０ａと、コンバータ制御演算部１０ｂと、駆動部１０ｃとを有する。電流検出器１６は、リアクトル５とコンバータ回路１２との間に流れる電流である入力電流Ｉを検出する。電流検出器１６の検出値Ｉａは、入力電流判定部１０ａ及びコンバータ制御演算部１０ｂに入力される。
　入力電流判定部１０ａは、電流検出器１６の検出値Ｉａが電流上限値を超えていないかを判定する。入力電流判定部１０ａは、この判定結果である信号をコンバータ制御演算部１０ｂへ送信する。
　コンバータ制御演算部１０ｂは、コンバータ回路１２をＰＷＭ制御するためのＰＷＭ信号を生成する。コンバータ制御演算部１０ｂは、ＰＷＭ信号を生成する際に、入力電流Ｉが電流上限値を超えないように、ＰＷＭ信号のパルス幅を調整する。すなわち、コンバータ制御演算部１０ｂは、従来のコンバータ制御で用いる信号に加えて、入力電流判定部１０ａから送られてきた信号を用いて、入力電流Ｉが上限値を超えないように制御する。
　上述のように、入力電流Ｉは、入力電流判定部１０ａ及びコンバータ制御演算部１０ｂの機能によって、電流上限値を超えないように制御される。電流上限値は、制御部１０の内部に設定される。電流上限値は、外部から動的に入力されるものであってもよい。
　また、電流上限値に代えて、電力上限値を用いてもよい。電力上限値は、内部で保持されるものであってもよく、又は外部から入力されるものであってもよい。なお、一般的に、モータ駆動システム１００を動作させるときの交流電源３の出力電圧は、予め決められている。このため、コンバータ装置１に供給される入力電力は、電流検出器１６の検出値Ｉａに基づいて算出可能である。また、精度のよい制御を行うため、交流電源３の出力電圧、又はコンバータ装置１の入力電圧を検出する電圧検出部を設けてもよい。この構成の場合、コンバータ装置１への入力電力は、電圧検出部の検出値と、電流検出器１６の検出値Ｉａとに基づいて、動的に求められる。
　駆動部１０ｃは、コンバータ制御演算部１０ｂで生成されるＰＷＭ信号を用いて、コンバータ回路１２のスイッチング素子１２ａを駆動するための駆動信号を生成する。コンバータ回路１２のスイッチング素子１２ａがＰＷＭ信号によってＰＷＭ制御されることにより、入力電流Ｉの大きさが調整される。
　次に、制御部２０の機能について説明する。制御部２０は、母線電圧判定部２０ａと、インバータ制御演算部２０ｂと、駆動部２０ｃとを有する。
　母線電圧判定部２０ａは、直流母線７の電圧である母線電圧Ｖを所定値と比較する。母線電圧Ｖは、コンバータ装置１の出力電圧であり、インバータ装置２の入力電圧である。また、図１の回路構成の場合、母線電圧Ｖは、平滑コンデンサ１４及び平滑コンデンサ２２の各電圧に等しい。母線電圧判定部２０ａの判定結果は、インバータ制御演算部２０ｂに入力される。
　インバータ制御演算部２０ｂは、インバータ回路２４をＰＷＭ制御するためのＰＷＭ信号を生成する。インバータ制御演算部２０ｂは、ＰＷＭ信号を生成する際に、モータ６の出力トルクがトルク指令に一致するように、ＰＷＭ信号のパルス幅を調整する。或いは、インバータ制御演算部２０ｂは、ＰＷＭ信号を生成する際に、モータ６の回転速度が回転速度指令に一致するように、ＰＷＭ信号のパルス幅を調整する。
　上記の機能に加え、実施の形態１のインバータ制御演算部２０ｂには、母線電圧Ｖの判定結果に基づいて、モータ６への出力電力を制御する機能が付加される。具体的に、母線電圧判定部２０ａの内部には、母線電圧Ｖの下限値が設定される。下限値は、外部から動的に入力されるものであってもよい。母線電圧判定部２０ａは、母線電圧Ｖと予め定められた下限値とに基づいて、母線電圧Ｖの低下を検出する。母線電圧判定部２０ａによって、母線電圧が予め定められた下限値に到達したと判定された場合、インバータ制御演算部２０ｂは、モータ６への出力電力を制限する。このとき、インバータ制御演算部２０ｂは、インバータ回路２４の出力電力を制限する制限部として動作する。出力電力の制限は、トルク指令又は回転速度指令を下げる方向に制御することで行うことができる。インバータ制御演算部２０ｂは、ＰＷＭ信号を生成する際に、母線電圧Ｖが下限値を下回らないように、ＰＷＭ信号のパルス幅を調整する。
　駆動部２０ｃは、インバータ制御演算部２０ｂで生成されたＰＷＭ信号を用いて、インバータ回路２４のスイッチング素子２４ａを駆動するための駆動信号を生成する。インバータ回路２４のスイッチング素子２４ａがＰＷＭ制御されることにより、出力電力の大きさが調整される。なお、インバータ回路２４の出力電力がインバータ装置２の出力電力としてモータ６へ出力される。
　なお、コンバータ装置１の制御部１０と、インバータ装置２の制御部２０とを符号無しで示す場合には、制御部１０を「コンバータ制御部」と呼び、制御部２０を「インバータ制御部」と呼ぶ。
　次に、実施の形態１に係るモータ駆動装置５０の動作について、図１及び図２の図面を参照して説明する。図２は、実施の形態１に係るモータ駆動装置５０の動作説明に供する図である。
　図２の上段部には、入力電流Ｉの時間変化波形が示されている。図２の中段部には、母線電圧Ｖの時間変化波形が示されている。図２の下段部には、インバータ装置２の出力電力の時間変化波形が示されている。
　前述したように、実施の形態１に係るコンバータ装置１では、入力電流Ｉが電流上限値を超えないように制御される。図２において、時刻ｔ１は、この制御が開始される時刻である。時刻ｔ１において、入力電流Ｉは、波形で見ると、図示のように山側の振幅がＡ１に抑えられ、谷側の振幅がＡ２に抑えられている。波形が正負対称であれば、Ａ２＝－Ａ１である。
　入力電流Ｉに制限がかけられると、図示のように母線電圧Ｖは、時刻ｔ１の値Ｋ１から低下して行く。母線電圧Ｖが低下する一方で、インバータ装置２の出力電力は上昇する。母線電圧Ｖが低下するのは、入力電流Ｉに制限がかけられているにも関わらず、インバータ装置２の出力電力が増加して行くからである。インバータ装置２の出力電力は、モータ６によって消費される電力と等価である。すなわち、モータ６の消費電力が、コンバータ装置１からの供給電力を上回るため、母線電圧Ｖは低下して行く。
　母線電圧Ｖの値がＫ２に達する時刻ｔ２において、インバータ装置２の出力電力に制限がかけられる。前述の通り、インバータ装置２の出力電力の制限は、トルク指令又は回転速度指令を下げる方向に制御することで行うことができる。図２の例では、時刻ｔ２においてインバータ装置２の出力電力がＰ１に達し、出力電力の制限によって、インバータ装置２の出力電力がＰ２に低下させられる様子が示されている。この制御によって、母線電圧Ｖの低下が下げ止まる。従って、システムに必要な必要最低限の母線電圧を維持できるため、母線電圧Ｖの低下によってシステムが停止することはなく、システムの動作は継続される。
　なお、図２では、母線電圧Ｖが下限値Ｋ２に達したときをトリガとしてステップ的にトルク指令又は回転速度指令を切り替えて行く例を示しているが、この例に限定されない。インバータ制御演算部２０ｂにＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｔｅｇｒａｌ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御系を構成し、母線電圧Ｖの検出値Ｖｄと下限値Ｋ２との差分値に応じて、連続的にトルク指令又は回転速度指令を変更してもよい。なお、ステップ的に実施すると比較的簡単にシステムが構成できる。また、連続的に実施するとトルク変化、又は回転数変化を滑らかにできる。
　図３は、実施の形態１のコンバータ装置１における動作フローを示すフローチャートである。図４は、実施の形態１のインバータ装置２における動作フローを示すフローチャートである。
　まず、図３において、入力電流判定部１０ａは、電流検出器１６が検出した入力電流Ｉの検出値Ｉａを受け取り（ステップＳ１０１）、検出値Ｉａと閾値Ｉｓとを比較する（ステップＳ１０２）。この閾値Ｉｓは、図２で示したＡ１もしくはＡ２の値、すなわち入力電流Ｉにおける電流上限値に対応する。
　検出値Ｉａが閾値Ｉｓ以上である場合（ステップＳ１０３、Ｙｅｓ）、入力電流判定部１０ａは、入力電流制限信号をコンバータ制御演算部１０ｂに対して送信し、コンバータ制御演算部１０ｂは、入力電流制限信号を用いて入力電流を制限する（ステップＳ１０４）。この際、入力電流判定部１０ａは、入力電流制限信号に基づき、入力電流を制限するようにＰＷＭ信号を生成する。ステップＳ１０４の処理の終了後、ステップＳ１０１に戻り、上述した処理を繰り返す。
　一方、検出値Ｉａが閾値Ｉｓ未満である場合（ステップＳ１０３、Ｎｏ）、コンバータ制御演算部１０ｂは、ステップＳ１０４の処理をスキップしてＰＷＭ信号を生成し、ステップＳ１０１に戻る。以降、上述した処理を繰り返す。
　なお、上記のステップＳ１０３の判定処理では、検出値Ｉａと閾値Ｉｓとが等しい場合を“Ｙｅｓ”と判定してステップＳ１０４に移行しているが、“Ｎｏ”と判定してステップＳ１０１に戻ってもよい。すなわち、検出値Ｉａと閾値Ｉｓとが等しい場合を“Ｙｅｓ”又は“Ｎｏ”の何れで判定してもよい。
　また、図４において、母線電圧判定部２０ａは、母線電圧Ｖの検出値Ｖｄを受け取る（ステップＳ２０１）。なお、母線電圧判定部２０ａが母線電圧を検出してもよい。母線電圧判定部２０ａは、検出値Ｖｄと閾値Ｖｓとを比較する（ステップＳ２０２）。この閾値Ｖｓは、図２で示した母線電圧Ｖの下限値Ｋ２に対応する。
　母線電圧判定部２０ａは、検出値Ｖｄが閾値Ｖｓ未満であったか否かの判定結果を出力信号としてインバータ制御演算部２０ｂに送信する。検出値Ｖｄが閾値Ｖｓ未満である場合（ステップＳ２０３、Ｙｅｓ）、インバータ制御演算部２０ｂにトルク指令又はまたは回転数を制限する出力電力制限信号を出力する。インバータ制御演算部２０ｂは、母線電圧判定部２０ａの判定結果を受けて、上述したインバータ装置２の出力電力に制限をかける処理を行う（ステップＳ２０４）。具体的には、出力電力を制限するようにＰＷＭ信号を生成する。ステップＳ２０４の処理の終了後、ステップＳ２０１に戻り、上述した処理を繰り返す。
　一方、検出値Ｖｄが閾値Ｖｓ以上である場合（ステップＳ２０３、Ｎｏ）、インバータ制御演算部２０ｂは、ステップＳ２０４の処理をスキップして、ステップＳ２０１に戻る。以降、上述した処理を繰り返す。
　なお、上記のステップＳ２０３の判定処理では、検出値Ｖｄと閾値Ｖｓとが等しい場合を“Ｎｏ”と判定してステップＳ２０４に移行しているが、“Ｙｅｓ”と判定してステップＳ２０１に戻ってもよい。すなわち、検出値Ｖｄと閾値Ｖｓとが等しい場合を“Ｙｅｓ”又は“Ｎｏ”の何れで判定してもよい。
　以上のように、実施の形態１におけるコンバータ装置１は、入力電流Ｉの検出値Ｉａに基づいて入力電流Ｉ又は入力電力が上限値を超えないように制御する機能を有する。また、実施の形態１におけるインバータ装置２は、入力電流Ｉ又は入力電力の制限による母線電圧Ｖの低下を検出して、モータ６への出力電力を制限する機能を有する。従って、実施の形態１に係るモータ駆動装置５０では、システムの動作を継続しながら、入力電流Ｉ又は入力電力を設定した制限値以下に抑制すること、すなわち入力電流又は入力電力のピークカットが可能となる。
　これにより、コンバータ装置１とインバータ装置２とに通信手段を設けることなく、コンバータ装置１の交流側に想定以上の入力電流Ｉ又は入力電力が発生するのを抑止することができる。その結果、モータ駆動システム１００の負荷が、背景技術の項で説明した最大負荷となること、すなわち従来の様にある特定の僅かな運転期間のみに負荷が過大となるのを回避することができる。これにより、インバータ装置２、並びにインバータ装置２の前段に配置されるコンバータ装置１、及び配線用遮断器４、リアクトル５といった周辺機器は、従来の様にモータ駆動システム１００の最大負荷を考慮して選定する必要がなくなる。また、通信回路及び通信線を敷設する必要もないので、システム規模の大型化、システム構築のコスト上昇を抑制することが可能となる。更に、通信手段を用いることがないので、ノイズによる誤動作及び通信エラーの懸念がなくなる。また、通信による遅延がないため、制御の高速性が得られる。
　なお、従来、コンバータ制御及びインバータ制御を行う場合、保護又は制御精度を高めるため、入力電流及び母線電圧の検出信号を用いた制御を行うことが一般的である。本実施に係るモータ駆動装置によれば、既に使用されている検出信号を用いることによって、上記の効果を得ることが可能となる。
　次に、実施の形態１におけるコンバータ制御演算部１０ｂ及びインバータ制御演算部２０ｂの機能をソフトウェアで実現するためのハードウェア構成について、図５及び図６の図面を参照して説明する。図５は、実施の形態１におけるコンバータ制御演算部１０ｂ及びインバータ制御演算部２０ｂの機能をソフトウェアで実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図６は、実施の形態１におけるコンバータ制御演算部１０ｂ及びインバータ制御演算部２０ｂの機能をソフトウェアで実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図である。
　実施の形態１におけるコンバータ制御演算部１０ｂ及びインバータ制御演算部２０ｂの機能をソフトウェアで実現する場合には、図５に示すように、演算を行うプロセッサ２００、プロセッサ２００によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ２０２、及び信号の入出力を行うインタフェース２０４を含む構成とすることができる。
　プロセッサ２００は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）といった演算手段であってもよい。また、メモリ２０２には、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　ＥＰＲＯＭ）といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃ）、ＢＤ（Ｂｌｕ－ｒａｙ（登録商標）　Ｄｉｓｋ）を例示することができる。
　メモリ２０２には、コンバータ制御演算部１０ｂ及びインバータ制御演算部２０ｂの機能を実行するプログラム及びプロセッサ２００によって参照されるテーブルが格納されている。プロセッサ２００は、インタフェース２０４を介して必要な情報を授受し、メモリ２０２に格納されたプログラムをプロセッサ２００が実行し、メモリ２０２に格納されたテーブルをプロセッサ２００が参照することにより、上述したコンバータ制御演算部１０ｂ及びインバータ制御演算部２０ｂによる演算処理を行うことができる。プロセッサ２００による演算結果は、インタフェース２０４を介して他の機能部に出力することができる。
　図５に示すプロセッサ２００及びメモリ２０２は、図６のように処理回路２０３に置き換えてもよい。処理回路２０３は、単一回路、複合回路、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。なお、コンバータ制御演算部１０ｂ及びインバータ制御演算部２０ｂにおける一部の処理を処理回路２０３で実施し、処理回路２０３で実施しない処理をプロセッサ２００及びメモリ２０２で実施してもよい。
　図７は、実施の形態１の変形例に係るモータ駆動システムの構成図である。実施の形態１では、コンバータ装置１の交流側に電流検出器１６を設けたが、図７に示すように、コンバータ装置１の直流側に直流母線７の電流を検出する電流検出器１８を設けてもよい。例えば、コンバータ装置１の直流側正極端に電流検出器１８を設け、コンバータ回路１２の出力電流を検出する場合を考える。コンバータ回路１２の入力電力と出力電力の関係は等しいことから、コンバータ回路１２の出力電流を検出すれば、コンバータ回路１２への入力電流を算出することができる。従って、電流検出器１８をコンバータ装置１の直流側に設けた場合も、コンバータ回路１２への入力電流Ｉに基づいて制御を行う実施の形態１の手法を適用することが可能である。
実施の形態２．
　実施の形態２では、コンバータ装置１に母線電圧の制御機能が付加されている場合の制御例について説明する。図８は、実施の形態２に係るモータ駆動装置の動作説明に供する図である。なお、実施の形態２に係るモータ駆動装置の基本構成は、実施の形態１と同一である。
　図１の構成において、実施の形態２のコンバータ制御演算部１０ｂは、母線電圧Ｖを制御する機能を有する。このとき、コンバータ制御演算部１０ｂは、母線電圧Ｖを制御する電圧制御部として動作する。なお、コンバータ装置１において、母線電圧Ｖを決められた値に制御する場合には、母線電圧Ｖの情報が必要である。この場合、コンバータ装置１の制御部１０は、母線電圧Ｖを検出するための母線電圧検出部を有する。
　図８の上段部には、入力電流Ｉの時間変化波形が示されている。図８の中段部には、母線電圧Ｖの時間変化波形が２つ示されている。２つの波形のうち、太破線で示される波形は図２に示したものと同一であり、太実線で示される波形は、コンバータ装置１における母線電圧制御機能を利用して、母線電圧Ｖを通常時の値Ｋ１よりも高めの値Ｋ３に設定したときの波形である。なお、通常時の値Ｋ１は、一般的にはコンバータ装置１の制御部１０が電流制御を行う上で必要最小限の電圧指令値を指す。従って、値Ｋ３は、コンバータ装置１の制御部１０が電流制御を行う上で必要な最低電圧値よりも高い値である。なお、通常時の値Ｋ１は、例えば、公称値としてもよい。
　また、図８の下段部には、インバータ装置２の出力電力の時間変化波形が２つ示されている。時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間に示される２つの波形のうち、太破線で示される波形は図２に示されるものと同一であり、太実線で示される波形は、母線電圧ＶをＫ３に設定したときに対応する波形である。
　図８において、時刻ｔ１では、図２で説明したように、入力電流Ｉには制限がかけられ、母線電圧Ｖは、低下して行く。図２の例では、図８の太破線で示されるように、インバータ装置２の出力電力がＰ１に達する時刻ｔ２において、出力電力に制限をかける制御が行われていた。これに対し、母線電圧ＶをＫ３に設定した場合には、母線電圧Ｖが下限値であるＫ２に達するまでの時間が長くなり、インバータ装置２の出力電力を制限する開始時刻を延ばすことが可能となる。図８の例では、時刻ｔ３においてインバータ装置２の出力電力がＰ３に達し、出力電力の制限によって、インバータ装置２の出力電力がＰ２に低下させられる様子が示されている。
　実施の形態２の制御によれば、コンバータ装置１が母線電圧Ｖの検出値を用いて、母線電圧を高くする制御を実現できる。すなわち、母線電圧Ｖを制御するためのコンバータ制御演算部１０ｂにおける電圧指令値をＫ１よりも高いＫ３に設定できるため、母線電圧ＶがＫ３の状態から下限値であるＫ２に達するまでの電圧幅を確保できる。これにより、インバータ装置２が出力電力を制限する開始時刻を遅くすることができるという効果が得られる。なお、一般的に平滑コンデンサに蓄えられるエネルギーは、電圧の２乗に比例する。このため、母線電圧を上げる効果は単なる比例ではなく、２乗の効果が得られる。
実施の形態３．
　実施の形態１，２は、モータ駆動装置５０が１台のモータ６を駆動する実施の形態であった。実施の形態３では、モータ駆動装置５０が複数台のモータ６を駆動する実施の形態について説明する。
　図９は、実施の形態３に係るモータ駆動装置５０Ａを含むモータ駆動システム１００Ａの構成図である。図９において、モータ駆動装置５０Ａには、モータ６Ａを駆動するインバータ装置２Ａと、モータ６Ｂを駆動するインバータ装置２Ｂとが示されている。インバータ装置２Ａ，２Ｂは、複数のインバータ装置の例示である。インバータ装置２Ａ，２Ｂは、共通の直流母線７に互いに並列に接続される。インバータ装置２Ａ，２Ｂの個々の構成は、同一である。モータ６Ａ，６Ｂは、複数のモータの例示である。なお、図１の構成と同一又は同等の構成部には同一の符号及び同一名称を付し、重複する説明は割愛する。
　次に、実施の形態３に係るモータ駆動装置５０Ａの動作について、図９及び図１０の図面を参照して説明する。図１０は、実施の形態３に係るモータ駆動装置５０Ａの動作説明に供する図である。
　図１０の上段部には、入力電流Ｉの時間変化波形が示されている。図１０の上段部に示される波形は、図２の上段部に示されるものと同等である。図２の中上段部には、母線電圧Ｖの時間変化波形が示されている。図１０の中上段部に示される波形は、図２の中段部に示されるものと同等である。図１０の中下段部には、インバータ装置２Ａの出力電力の時間変化波形が示されている。図１０の下段部には、インバータ装置２Ｂの出力電力の時間変化波形が示されている。
　図１０において、時刻ｔ１１まではインバータ装置２Ａのみが動作し、時刻ｔ１１からはインバータ装置２Ａとインバータ装置２Ｂの双方が動作する状況が示されている。時刻ｔ１１以降では、インバータ装置２Ａの出力電力Ｐ１１にインバータ装置２Ｂの出力電力Ｐ２１が加わる。このため、時刻ｔ１１以降では、インバータ装置全体の出力電力が大きくなり、入力電流Ｉが大きくなって行く。そして、時刻ｔ１２のときに入力電流Ｉに制限がかけられ、母線電圧Ｖは、時刻ｔ１２の値Ｋ１から低下して行く。インバータ装置２Ａ，２Ｂの双方が動作を継続することにより、母線電圧Ｖは図示のように低下し続ける。そして、母線電圧Ｖの値がＫ２に達する時刻ｔ１３において、インバータ装置２Ａの出力電力に制限がかけられる。前述の通り、インバータ装置２Ａの出力電力の制限は、トルク指令又は回転速度指令を下げる方向に制御することで行われる。図１０の例では、時刻ｔ１３においてインバータ装置２Ａの出力電力がＰ１１からＰ１２に下げられる様子が示されている。この制御によって、母線電圧Ｖの低下が下げ止まる。従って、母線電圧Ｖの低下によって、システムが停止することはなく、システムの動作は継続される。
　なお、図１０の例では、インバータ装置２Ａの出力電力に制限をかける場合を例示したが、この例に限定されない。インバータ装置２Ｂの出力電力に制限をかけてもよいし、インバータ装置２Ａ，２Ｂの双方の出力電力に制限をかけてもよい。
　また、特定のインバータ装置のみに出力電力の制限機能を付与してもよい。１つの例として、生産工程におけるタクトタイムに及ぼす影響が小さいインバータ装置のみに出力電力の制限機能を付与し、当該制限機能が付与されたインバータ装置において出力電力の制限を実施する例が挙げられる。この例によれば、生産性を維持しつつ、入力電流及び入力電力のピークカットが可能となる。
　複数のインバータ装置のうちの１つに出力電力の制限機能を付与するためには、予め、該当するインバータ装置のメモリ２０２に記憶させておいてもよいし、ユーザが外部から該当するインバータ装置のインバータ制御演算部２０ｂに入力できるようにしておいてもよい。
　また、他の１つの例として、母線電圧Ｖの検出値Ｖｄが予め定められた設定値まで低下した場合に、一部のインバータ装置を回生状態に制御する例が挙げられる。なお、設定値としては、下限値Ｋ２であってもよいし、下限値Ｋ２よりも大きな値が選ばれてもよい。この例によれば、一部のインバータ装置を回生状態に制御しない場合に比して、出力電力を制限する開始時刻を延ばすという効果が得られるのと共に、モータ駆動装置５０Ａが制限動作となる時間を短くできるという効果も得られる。
実施の形態４．
　実施の形態１から３は、力行時の実施の形態であったが、実施の形態４では、回生時の実施の形態について説明する。本実施の形態では、回生エネルギーのピークカットを目的とするため、エネルギーの流れの向きが力行時と逆になるが、その他は実施の形態１から３と同様である。
　実施の形態４では、コンバータ装置１の交流側の入力電流と入力電圧の力率の符号が負となる。すなわち、実施の形態４では、エネルギーが回生となるような位相の関係性となる。
　図１１は、実施の形態４に係るモータ駆動装置の動作説明に供する図である。実施の形態４において、入力電流Ｉの振幅を制限すると、母線電圧Ｖは上昇する。これは、モータ６からの回生エネルギーを制限することなく、コンバータ装置１の交流側に回生する入力電流Ｉあるいは入力電力を制限するためである。そのため、実施の形態４では、母線電圧Ｖの上限値Ｋ４を設け、母線電圧Ｖがこの上限値Ｋ４に達するとモータ６からインバータ装置２を介してコンバータ装置１へ回生されるエネルギーを制限し、母線電圧Ｖを上げ止める。
　母線電圧判定部２０ａにより母線電圧Ｖが上限値Ｋ４に達したと判定された結果を、インバータ制御演算部２０ｂが受信すると、インバータ制御演算部２０ｂは、モータ６からの回生エネルギーを制限するために、インバータ回路２４からの回生出力電力を調整する。
　実施の形態４によれば、実施の形態１から３の様に力行制御を行う場合に加えて、回生制御を行う場合にも、回生時におけるコンバータ装置１の交流側の入力電流Ｉ又は入力電力のピークを抑制することができる。これにより、周辺機器の容量を抑制する効果が得られる。つまり、周辺機器の容量が小さくても、力行制御に加えて回生制御を実施することができる。
　なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
　１　コンバータ装置、２，２Ａ，２Ｂ　インバータ装置、３　交流電源、４　配線用遮断器、５　リアクトル、６，６Ａ，６Ｂ　モータ、７　直流母線、７Ｐ　高電位側導体、７Ｎ　低電位側導体、１０，２０　制御部、１０ａ　入力電流判定部、１０ｂ　コンバータ制御演算部、２０ｂ　インバータ制御演算部、１０ｃ，２０ｃ　駆動部、１２　コンバータ回路、１２ａ，２４ａ　スイッチング素子、１４，２２　平滑コンデンサ、１６，１８　電流検出器、２０ａ　母線電圧判定部、２４　インバータ回路、５０，５０Ａ　モータ駆動装置、１００，１００Ａ　モータ駆動システム、２００　プロセッサ、２０２　メモリ、２０３　処理回路、２０４　インタフェース。

Claims (8)

  1. 　交流電源から供給される交流電力を受電してモータを駆動するモータ駆動装置であって、
    　前記交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路と、
    　前記コンバータ回路から供給される直流電力を交流電力に変換して前記モータへ供給することにより前記モータを駆動するインバータ回路と、
    　前記コンバータ回路の交流側に流れる入力電流、又は前記コンバータ回路に供給される入力電力が上限値を超えないように制御するコンバータ制御部と、
    　前記コンバータ回路と前記インバータ回路をつなぐ直流母線の電圧である母線電圧を検出し、前記母線電圧の検出値が設定された下限値に達すると前記インバータ回路の出力電力を制限するインバータ制御部と、
    　を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。
  2. 　前記コンバータ制御部は、前記入力電流が前記上限値を超えないように前記コンバータ回路のスイッチング素子をパルス幅変調制御し、
    　前記インバータ制御部は、前記母線電圧が前記下限値を下回らないように前記インバータ回路のスイッチング素子をパルス幅変調制御することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
  3. 　前記インバータ制御部は、前記モータへの出力電力制限値を連続的に変化させることを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ駆動装置。
  4. 　前記コンバータ制御部は、前記母線電圧を制御するための電圧指令値を、電流制御をする上で必要な最低電圧値よりも高い値に設定することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のモータ駆動装置。
  5. 　前記インバータ回路と前記インバータ制御部とを備えたインバータ装置を複数備え、複数の前記インバータ装置は、前記直流母線に互いに並列に接続されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のモータ駆動装置。
  6. 　複数の前記インバータ装置のうちの特定の前記インバータ装置において、前記インバータ制御部が、前記インバータ回路の出力電力を制限することを特徴とする請求項５に記載のモータ駆動装置。
  7. 　前記母線電圧が、予め定められた設定値まで低下した場合には、複数の前記インバータ装置のうちの一部の前記インバータ装置が回生状態に制御されることを特徴とする請求項５に記載のモータ駆動装置。
  8. 　前記モータのエネルギーを回生制御する場合、前記インバータ制御部は、前記母線電圧が設定された上限値に達すると、前記インバータ回路の回生出力電力を制限することを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載のモータ駆動装置。
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