JP2007129876A - 直流電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交流電源からの入力電圧の変動に起因して負荷での回生エネルギが急増する事態を未然に防止すること。
【解決手段】整流平滑回路９から給電される負荷２は、インバータ主回路４に加わる回生電圧が予め設定された上限レベル以上となった状態で回生電流スイッチ６オンして回生電流放電抵抗５に回生電流を流す。ゲート制御回路１１は、第１の電圧検出回路１０により検出された電源電圧が、ピーク値に達した後に予め設定された目標電圧レベルまで低下したタイミング毎に、トライアック８をオンさせると共に、そのオン状態を電源電圧が零になるまで保持するというスイッチング制御を実行し、これにより整流平滑回路９の入力電圧が目標電圧レベル以下となるように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータを可変速駆動するためのインバータ主回路及び当該インバータ主回路に加わる回生電圧が予め設定された上限レベル以上となった状態で機能する回生電流放電抵抗を備えた負荷に対して整流平滑出力を供給するための直流電源装置に関する。

例えば工業用ロボットに備えられたサーボモータを、直流電源装置から給電されるインバータ主回路により可変速駆動する場合には、そのサーボモータの減速時に発生する余剰エネルギ（回生エネルギ）を回生電流放電抵抗により吸収することが行われている（例えば、特許文献１、２参照）。従来、このような用途に供される直流電源装置にあっては、交流電源からの出力を整流平滑してインバータ主回路に供給する構成とされるのが一般的となっている。
特開平６−１５５９０号公報 特開平１０−１９３２９３号公報

交流電源は、その出力電圧レベルの変動が避けられないという一般的事情があるが、このような交流電源において出力電圧（実効値）の変動があった場合、つまり、直流電源装置の入力電圧の変動があった場合には、その直流電源装置の出力電圧（波高値）が約１．４倍変動することになる。従って、交流電源電圧が上昇した場合には、これに応じた直流電源装置の出力電圧上昇に連れて回生電流放電抵抗でのエネルギ消費量が急拡大することになるため、無駄に消費するエネルギ量も急増して、回生電流放電抵抗での発熱量が無闇に増大することになり、この結果、工業用ロボットの筐体内温度の異常上昇を来たす恐れが出てくる。また、回生電流放電抵抗の大容量化が必要であるため、装置コストの高騰を招くという問題点も出てくる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、交流電源からの入力電圧の変動に起因して負荷での回生エネルギが急増する事態を未然に防止できるようになる直流電源装置を提供することにある。

請求項１記載の手段によれば、モータを可変速駆動するためのインバータ主回路に加わる回生電圧が予め設定された上限レベル以上となった状態で、回生電流放電抵抗に回生電流が流れるようになる。このような回生電流放電抵抗でのエネルギ消費量は、交流電源出力を整流平滑して上記インバータ主回路に供給するために設けられた平滑整流回路の出力電圧の上昇に伴い増加することになる。一方、制御手段は、電源電圧検出手段による検出電圧（交流電源の出力電圧）の絶対値が、ピーク値に達した後に予め設定された目標電圧レベルまで低下したタイミング毎に、整流平滑回路の前段に設けられた半導体スイッチング素子をオンさせると共に、そのオン状態を少なくとも前記電源電圧検出手段による検出電圧の絶対値が前記目標電圧レベルに上昇するまでの期間中に設定された所定時期まで保持するというスイッチング制御を実行する。

従って、電源電圧が常時よりも上昇した場合でも、整流平滑回路に印加される電圧が目標電圧レベル以下に抑制されることになって、その整流平滑回路の出力電圧が上昇する事態が未然に防止されるから、回生電流放電抵抗でのエネルギ消費量の増大も防止できるようになる。つまり、電源電圧の変動に伴い、無駄に消費する回生エネルギが急増する事態を未然に防止できるようになる。

請求項２記載の手段によれば、スイッチング素子として設けられたトライアックのオフタイミングを制御する必要がなくなるから、制御手段により行われるスイッチング制御を簡単化できる利点がある。

請求項３記載の手段によれば、補助電圧検出手段による検出電圧（整流平滑回路の出力電圧）と前記目標電圧との差が所定電圧以上あるときに、その差が縮小するように半導体スイッチング素子のオンタイミングを調整する制御が実行されるから、整流平滑回路の出力電圧を正確にフィードバック制御できるようになり、負荷での回生エネルギ急増を防止する機能の信頼性を高め得るようになる。

以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説明する。
電気的構成を示す図１において、直流電源装置１から給電される負荷２は、モータ３、このモータ３を可変速駆動するためのインバータ主回路４、回生電流放電抵抗５、インバータ主回路４に加わる回生電圧が予め設定された上限レベル以上となった状態でオンして回生電流放電抵抗５に回生電流を流す回生電流スイッチ６、インバータ主回路４及び回生電流スイッチ６の制御などを行う制御回路（図示せず）を備えた構成となっている。

直流電源装置１は、例えば単相２００Ｖの商用交流電源７に対してトライアック８（半導体スイッチング素子に相当）を介して接続された整流平滑回路９を備えており、この整流平滑回路９は、全波整流回路９ａ及び平滑コンデンサ９ｂにより構成されている。

第１の電圧検出回路１０（電源電圧検出手段に相当）は、交流電源７の出力電圧（以下、電源電圧とも呼ぶ）を検出し、その検出電圧Ｖｄ１をゲート制御回路１１（制御手段に相当）へ出力するように構成されている。尚、上記検出電圧Ｖｄ１は、絶対値として出力される。

第２の電圧検出回路１２（補助電圧検出手段に相当）は、直流電源装置１の出力電圧（平滑コンデンサ７の端子電圧）を検出し、その検出電圧Ｖｄ２をゲート制御回路１１へ出力するように構成されている。

ゲート制御回路１１は、トライアック８のオンタイミングを制御するために設けられたもので、マイクロコンピュータ、前記各電圧検出回路１０及び１２からの検出電圧Ｖｄ１、Ｖｄ２をデジタルデータに変換してマイクロコンピュータに与えるＡ／Ｄ変換部、マイクロコンピュータからの指令に応じてトライアック８のためのゲートトリガパルスを発生するゲートトリガ回路など（何れも図示せず）を含んで構成されている。尚、ゲート制御回路１１の電源は、例えば、交流電源７の出力を降圧・整流するように設けられた安定化電源回路（図示せず）から供給される構成となっている。また、図１中には示していないが、直流電源装置１のオン操作（起動操作）及びオフ操作（停止操作）を行うための電源スイッチが設けられており、ゲート制御回路１１には、この電源スイッチの操作状態を示す信号（オン信号、オフ信号）が入力される構成となっている。

ゲート制御回路１１は、以下に述べるようなスイッチング制御を実行する構成となっている。
即ち、ゲート制御回路１１は、直流電源装置１のための図示しない電源スイッチがオフされた期間には、トライアック８をオフ状態に保持しており、この状態から電源スイッチがオンされたときには、第１の電圧検出回路１０による検出電圧Ｖｄ１（電源電圧）が、ピーク値に一旦到達した後に予め設定された目標電圧レベル（例えば、２００Ｖ）まで低下したタイミング毎に、トライアック８に対してゲートトリガパルスを与えてこれをオンさせる、というスイッチング制御を実行する。

つまり、図２（ａ）に示すように、実効値が２００Ｖの交流電源７の出力電圧波形は、そのピーク値の絶対値が約２８０Ｖになるものであるが、ゲート制御回路１１は、図２（ｂ）に示すように、その電圧波形がピーク値に達した後に目標電圧レベルである２００Ｖ（ピーク値が−２８０Ｖの場合は−２００Ｖ）まで下がるタイミングｔ１毎に、ゲートトリガパルスを発生してトライアック８をオンする、というスイッチング制御を行うものである。この場合、トライアック８のオン状態は、電源電圧の極性が反転するまで（電源電圧が０Ｖになるまで）維持され、そのオン期間中にトライアック８を通じて給電された整流平滑回路９から整流平滑出力が出力されるようになる。

このようなスイッチング制御が行われる結果、電源電圧が常時よりも上昇した場合でも、整流平滑回路９に印加される電圧が目標電圧レベル以下に抑制されることになって、その整流平滑回路９の出力電圧が上昇する事態が未然に防止されるから、回生電流放電抵抗５でのエネルギ消費量の増大も防止できるようになる。つまり、電源電圧の変動に伴い、無駄に消費する回生エネルギが急増する事態を未然に防止できるようになり、回生電流放電抵抗５での発熱量が無闇に増大する恐れがなくなる。このため、負荷２の筐体内温度の異常上昇を来たす可能性が低くなると共に、回生電流放電抵抗５の大容量化が不要になり、以て装置コストの高騰を抑制できるようになる。また、ゲート制御回路１１においては、スイッチング制御時においてトライアック８のオフタイミングを制御する必要がなくなるから、その制御を簡単化できる利点もある。

さらに、ゲート制御回路１１は、第２の電圧検出回路１２による検出電圧Ｖｄ２（直流電源装置１の出力電圧）を監視し、その検出電圧Ｖｄ２と目標電圧レベルとの誤差が限度以上に拡大した場合には、その誤差が縮小する方向にトライアック８のオンタイミングを調整する、というフィードバック制御を実行する構成となっている。この構成の結果、直流電源装置１の出力電圧を正確に制御できるようになり、負荷で３の回生エネルギ急増を防止する機能の信頼性を高め得るようになる。

（その他の実施の形態）
尚、本発明は上記し且つ図面に示した実施例に限定されるものではなく、例えば以下に述べるような変形或いは拡大が可能である。
半導体スイッチング素子として、電力用ＦＥＴ、ＩＧＢＴなどを利用しても良く、この場合には、電源電圧（検出電圧Ｖｄ１）がピーク値に達した後に目標電圧レベルまで低下したタイミング毎に半導体スイッチング素子をオンさせると共に、そのオン状態を少なくとも電源電圧が目標電圧レベルに上昇するまでの期間中に設定された所定時期まで保持する構成とすれば良い。また、交流電源が３相の場合にも適用できることは勿論である。

本発明の一実施例を示す電気的構成図 作用説明用のタイミングチャート

符号の説明

１は直流電源装置、２は負荷、３はモータ、４はインバータ主回路、５は回生電流放電抵抗、６は回生電流スイッチ、７は商用交流電源、８はトライアック（半導体スイッチング素子）、９は整流平滑回路、１０は第１の電圧検出回路（電源電圧検出手段）、１１はゲート制御回路（制御手段）、１２は第２の電圧検出回路（補助電圧検出手段）を示す。

Claims (3)

1. モータを可変速駆動するためのインバータ主回路及び当該インバータ主回路に加わる回生電圧が予め設定された上限レベル以上となった状態で機能する回生電流放電抵抗を備えた負荷のための直流電源装置において、
   交流電源に対して半導体スイッチング素子を介して接続され、その整流平滑出力を前記インバータ主回路に供給する整流平滑回路と、
   前記交流電源の出力電圧を検出する電源電圧検出手段と、
   この電源電圧検出手段による検出電圧の絶対値がピーク値に達した後に予め設定された目標電圧レベルまで低下したタイミング毎に前記半導体スイッチング素子をオンさせると共に、そのオン状態を少なくとも前記電源電圧検出手段による検出電圧の絶対値が前記目標電圧レベルに上昇するまでの期間中に設定された所定時期まで保持するというスイッチング制御を実行する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする直流電源装置。
2. 前記半導体スイッチング素子はトライアックにより構成され、
   前記制御手段は、前記電源電圧検出手段による検出電圧の絶対値がピーク値に達した後に前記目標電圧レベルまで低下したタイミング毎に前記トライアックにゲートトリガ信号を与えることにより前記スイッチング制御を実行することを特徴とする請求項１記載の直流電源装置。
3. 前記整流平滑回路の出力電圧を検出する補助電圧検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記補助電圧検出手段による検出電圧と前記目標電圧との差が所定電圧以上あるときに、その差が縮小するように前記半導体スイッチング素子のオンタイミングを調整する制御を実行することを特徴とする請求項１または２記載の直流電源装置。
   

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