JP2009159776A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ駆動装置において、電源回生時の入力電源電圧の歪みを抑制する。
【解決手段】入力交流電力を直流電力に変換する電源回生機能を有したコンバータ回路（２）と、前記直流電力を受電して直流-交流電力変換を行い、得られた交流電力によりモータを駆動するインバータ回路（３）とを備えるモータ駆動装置（１ａ）は、コンバータ回路の直流側に接続された平滑用コンデンサ（６）と、インバータ回路の直流側に接続されており、モータからの回生エネルギーを充電する充電用コンデンサ（１０）と、平滑用コンデンサと前記充電用コンデンサの間に、平滑用コンデンサから充電用コンデンサへの１方向に電流を流す第１の回路（１６）と、充電用コンデンサの電圧を前記第１の回路により降圧して前記平滑用コンデンサに供給する降圧回路（１４）とを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、モータ減速時に発生する回生エネルギーをコンデンサに充電して、加速時に力行エネルギーとして利用し、かつ、コンデンサ容量を超えた回生エネルギーについては、電源回生によりＡＣ電源に戻すモータ駆動装置に関する。

図１は特許文献１に記載の従来のモータ駆動装置の構成を示す回路図である。図１において、モータ駆動装置１は、例えば交流２００Ｖの三相商用電源（ＡＣ電源）９からの交流電力をリアクタンス８を介して受け取り、直流電力に変換するコンバータ回路２と、この直流電力を可変の電圧及び周波数の交流電力に変換してモータ４に供給するインバータ回路３と、インバータ回路３を制御して所望の電圧及び周波数の交流電力をインバータ回路３から出力させるインバータ制御回路５と、コンバータ回路２とインバータ回路３の間に接続された充電用のコンデンサ６と、コンバータ制御回路７とを備えている。

コンバータ制御回路７は、コンバータ回路２を制御してモータ４の減速時に生じる回生電力（回生エネルギー又は減速エネルギー）によりコンデンサ６の両端電圧（ＤＣリンク電圧）がその上限電圧を超える場合に、回生電力を電源に回生させることによりＤＣリンク電圧を低下させ、コンデンサ６への回生電力の充電を停止させる。

上記従来のモータ駆動装置においては、モータ４の減速時に発生する回生エネルギーをコンデンサ６に充電して、モータ４の加速時に力行エネルギーとして利用し、かつ、コンデンサ６の容量を超えた回生エネルギーについては、電源回生によりＡＣ電源９に戻している。したがって、より多くの回生エネルギーを、より少ないコンデンサ容量で充電するために、ＤＣリンク電圧の上昇許容値を高く設定する必要がある。つまり、電源回生開始電圧を入力電圧の波高値に対し使用している素子の耐圧仕様に対して許容できる範囲で高く設定する必要がある。

特開2006-54947号公報

回生電流を電源に帰還させる（電源回生）方法としては、三相ＡＣ電源９に対し、電源電圧の絶対値が高い２つの相に回生電流を流すようにスイッチング素子をオンオフ制御する。スイッチング素子がオンのときＤＣリンクと三相ＡＣ電源９とが接続されて、電源電圧の回生電流を帰還させている相間電圧に、ＤＣリンク電圧が現れる。このＤＣリンク電圧が三相ＡＣ電源９からの入力電圧に干渉するのを避けるために、通常、電源回生開始電圧を入力電圧の波高値に対し、それほど高くは設定しない。

しかし、図１に示した従来のモータ駆動装置では、電源回生開始電圧を、入力電圧の波高値に対し非常に高く設定するので、電源回生時の入力電源電圧はＤＣリンク電圧の干渉を受けて歪み、ＡＣ電源９と同一電源系統に接続される他の機器に対して悪影響を及ぼす可能性がある。

この問題を図２により説明する。
図２は図１に示した従来のモータ駆動装置において、モータ減速中及び電源回生中の各部電圧波形を示すグラフ図である。図２において、横軸は秒（ｓ）を単位とする時間ｔを表し縦軸は２００ボルト又は２００アンペアを１単位とする電圧Ｖ又は電流Ａを表している。図２においては、充電用コンデンサ６に回生エネルギーを充電するために、電源回生型コンバータの回生開始電圧を３９０Ｖに設定し、回生休止電圧を３７０Ｖに設定した場合のグラフが示されている。図２の波形２に示すように、電源回生中の入力電圧（三相ＡＣ電源９からの出力電圧）はコンデンサ６の両端電圧（ＤＣリンク電圧）の歪みの影響を受けて大きく歪んでいることがわかる。
本発明の目的は、モータ駆動装置において、かかる問題を解決して、電源回生時の入力電源電圧の歪みを抑制することにある。

本発明の第１の態様により提供されるものは、コンバータ回路の直流側に接続された平滑用コンデンサと、インバータ回路の直流側に接続されており、モータからの回生エネルギーを充電する充電用コンデンサと、平滑用コンデンサと充電用コンデンサの間に平滑用コンデンサから充電用コンデンサへの１方向に電流を流す第１の回路と、充電用コンデンサの電圧を第１の回路により降圧して平滑用コンデンサに供給する降圧回路と、を備えていることを特徴とするモータ駆動装置である。

第２の態様によれば、第１の回路は、ダイオードで構成されている。

第３の態様によれば、モータからの回生エネルギーにより充電用コンデンサが充電されて電圧が上昇する場合、充電用コンデンサの電圧が交流電源からの入力電圧の波高値電より高く充電用コンデンサの耐圧より低い第１の閾値電圧を超えたときに、降圧回路を動作させて充電用コンデンサから平滑用コンデンサにエネルギーを放電し、充電用コンデンサの電圧が第1の閾値電圧より低い第２の閾値電圧より低くなったら降圧回路の動作を停止させるようにした。

第４の態様によれば、充電用コンデンサから降圧回路を通して充電された平滑用コンデンサの電圧が上昇し交流電源からの入力電圧の波高値より高い第３の閾値電圧を超えたら電源回生動作を行うようにした。

上記の構成により、電源回生した場合の入力電圧の歪みは抑えられる。

以下、本発明の実施の形態を図面により詳述する。全図を通して同一参照符号は同一のものを示す。
図３は本発明の一実施の形態によるモータ駆動装置の構成を示す回路図である。図３において、平滑用コンデンサ６を含む電源回生型のコンバータ回路２とインバータ回路３を備えたモータ駆動装置１ａにおいて、コンバータ回路２とインバータ回路３の間（ＤＣリンク）に、回生エネルギーを充電するための充電用コンデンサ１０が並列接続されている。

コンバータ回路２及びインバータ回路３はそれぞれ、従来のモータ駆動装置におけるものと同じ構成を有しており、パワー素子（例えばトランジスタ等）とこれらパワー素子に逆並列入れるに接続されるダイオードからなるブリッジ回路を備えている。

ここで、電源回生型のコンバータ回路２の回生開始電圧は、通常設定の入力電圧の波高値より少し高めの電圧（第３の閾値電圧）に設定する。

さらに、電源回生型のコンバータ回路２と充電用コンデンサ１０の間に、カソード側に充電用コンデンサ１０が接続されるようにダイオード１６が直列接続されている。また、ダイオード１６の順方向と逆方向に降圧回路１４が接続されている。

モータ４の加速時に、このダイオード１６を通して、コンバータ回路２からインバータ回路３に電力が供給されるが、モータ４の減速時の回生エネルギーはダイオード１６によりブロックされるので、電源回生型のコンバータ回路２を介してＡＣ電源９には戻されない。

そのため、モータ４が減速を開始すると、回生エネルギーが充電用コンデンサ１０に充電されて充電用コンデンサ１０の電圧が上昇するが、電源回生型のコンバータ回路２の出力部（平滑用コンデンサ６の両端）の電圧は、入力電圧の波高値に留まる。

充電用コンデンサ１０の両端電圧が充電用コンデンサの電圧が入力ＡＣ電源９からの入力電圧の波高値電より高く充電用コンデンサ１０の耐圧より低い第１の閾値電圧を超えたときに、降圧回路１４は動作し、それにより入力電圧の波高値より少し高い電圧（電源回生開始電圧程度）に降圧しながら回生エネルギーを平滑用コンデンサ６を介して電源回生型のコンバータ回路２に渡す。

平滑用コンデンサ６の両端電圧（電源回生型のコンバータ回路２の出力部の電圧）は、降圧回路１４により入力電圧の波高値に近い値まで降圧されているので、電源回生をしても、入力電圧の歪みは小さく、同一電源系統に接続される他の機器に対して悪影響を及ぼさない。

充電用コンデンサ１０の両端電圧が、第１の閾値電圧より低い第２の閾値電圧より低くなると、降圧回路１４は動作を停止し、それにより充電用コンデンサ１０の電圧を高く維持することで、次のモータ加速時のエネルギー供給に備える。

なお、降圧回路１４と充電用コンデンサ１０の間に接続されている予備充放電回路１７は、電源投入時の突入電流を抑制するためのものである。

図３に示したモータ駆動装置１ａにより、モータ減速時に発生する回生エネルギーを充電用コンデンサ１０に受電して、加速時に力行エネルギーとして利用し、かつ、充電用コンデンサ１０の容量を超えた回生エネルギーについては、電源回生によりＡＣ電源９に戻すモータ駆動装置において、電源回生時の入力電圧の歪みを抑制することができる。

以下、図３に示した装置の動作を更に詳細に説明する。
（１）電源投入後、予備充電回路１７により、充電用コンデンサ１０の初期充電を行う、ＤＣリンク電圧は、初期充電により入力電圧の波高値と等しくなる。ここで、予備充電回路１７の動作は本発明に無関係なので説明を省略する。

（２）モータ４が加速する。この段階では、充電用コンデンサ１０に、回生エネルギーが充電されていないので、ＡＣ電源９よりエネルギーを供給する。ダイオード１６は、順方向に電圧が印加されるので導通する。

（３）モータ４が減速を開始する。この段階では、回生エネルギーが充電用コンデンサ１０に充電される。充電用コンデンサ１０の電圧は、回生エネルギーの量に応じて上昇する。ダイオード１６は逆方向に電圧が印加されるので、回生エネルギーは電源回生型のコンバータ回路２へは流れない。電源回生型のコンバータ回路２の出力電圧は、入力電圧の波高値に留まる。

（４）充電用コンデンサ１０の両端電圧が、第１の閾値電圧を越えて充電用コンデンサ１０の耐圧近くまで上昇する。この段階では、回生エネルギーを、これ以上充電用コンデンサ１０に充電することができない。次いで、降圧回路１４が動作を開始する。降圧回路１４は、電源回生型のコンバータ回路２の出力電圧を監視しながら、電源回生開始電圧程度に降圧して回生エネルギーを電源回生型のコンバータ回路２に渡す。このとき、電源回生型のコンバータ回路２の出力であるＤＣリンクに接続されている平滑用コンデンサ６を、降圧回路１４の出力電圧平滑用コンデンサとして使用する。

（５）電源回生型のコンバータ回路２により、回生エネルギーをＡＣ電源９に戻す。この段階では、電源回生型のコンバータ回路２は、降圧回路１４から回生エネルギーが渡されるので、その出力電圧が上昇する。電源回生型のコンバータ回路２は、その出力部の電圧が、入力電圧の波高値より少し高くなると(第３の閾値電圧に達すると）電源回生を開始する。ＡＣ電源９に対し、電源電圧の絶対値が高い２つの相に回生電流を流すように制御回路７によりコンバータ回路２内のパワー素子からなるスイッチング素子をオンオフ制御して、回生エネルギーをＡＣ電源９に戻す。このとき、電源回生型のコンバータ回路２の出力電圧は、降圧回路１４により十分降圧されているので、その電圧が入力電源電圧に現れても、ＡＣリアクトル８で抑制できる。

（６）充電用コンデンサ１０の端子間電圧が低下する。この段階では、降圧回路１４を経由して、電源回生型コンバータ回路２から回生エネルギーがＡＣ電源９に戻されるので、充電用コンデンサ１０の両端電圧は低下する。充電用コンデンサ１０の両端電圧が第１の閾値電圧より低い第２の閾値電圧より低くなると、降圧回路１４は動作を停止する。降圧回路１４が動作を停止することで、再び回生エネルギーは、充電用コンデンサ１０に充電される。再度充電用コンデンサ１０の電圧が第３の閾値電圧を越えてコンデンサ耐圧近くの第１の閾値電圧になると、再び降圧回路１４が動作する。

（７）モータ４が加速する。この段階では、充電用コンデンサ１０に充電された回生エネルギーを使用する。充電用コンデンサ１０に充電された回生エネルギーで、モータ４の加速に必要なエネルギーが補えない分は、ＡＣ電源９より供給する。

以後、（３）〜（７）の動作を繰り返す。

図４は図３に示したモータ駆動装置におけるモータ減速中及び電源回生中の各部電圧波形を示すグラフ図である。図４において、横軸は秒（ｓ）を単位とした時間ｔを表し縦軸は２００ボルト又は２００アンペアを１単位とする電圧Ｖ又は電流Ａを表している。波形１はモータ減速中に降圧回路１４が動作した場合の各部電圧波形を示し、波形２は電源回生中の入力電圧波形を示している。

モータ減速中は、波形１に示されるように、充電用コンデンサ１０の両端電圧と、平滑用コンデンサ６の両端電圧（電源回生型のコンバータ回路２の出力電圧と）は、分離されている。また、電源回生中は、波形２に示されるように、平滑用コンデンサ６の両端電圧（電源回生型のコンバータ回路２の出力電圧）は、入力電圧の波高値付近であることがわかる。図２に示した従来の波形２と比較して、入力電圧波形の歪みは殆ど無い。

本発明によれば、モータ駆動装置において、電源回生時の入力電源電圧の歪みを抑制することができるので、同一電源系統に接続される他の機器に対して悪影響を及ぼさない。

従来のモータ駆動装置の構成を示す回路図である。 図１に示した従来のモータ駆動装置におけるモータ減速中及び電源回生中の各部電圧波形を示すグラフ図である。 本発明の一実施の形態によるモータ駆動装置の構成を示す回路図である。 図３に示したモータ駆動装置におけるモータ減速中及び電源回生中の各部電圧波形を示すグラフ図である。

符号の説明

１ａ モータ駆動装置
２ 電源回生型のコンバータ回路
３ インバータ回路
４ モータ
６ 平滑用コンデンサ
１０ 充電用コンデンサ
１４ 降圧回路
１６ ダイオード

Claims (4)

1. 交流電源からの入力交流電力を直流電力に変換する電源回生機能を有したコンバータ回路と、前記直流電力を受電して直流-交流電力変換を行い、得られた交流電力によりモータを駆動するインバータ回路とを備えるモータ駆動装置において、
   前記コンバータ回路の直流側に接続された平滑用コンデンサと、
   前記インバータ回路の直流側に接続されており、前記モータからの回生エネルギーを充電する充電用コンデンサと、
   前記平滑用コンデンサと前記充電用コンデンサの間に、前記平滑用コンデンサから前記充電用コンデンサへの１方向に電流を流す第１の回路と、
   前記充電用コンデンサの電圧を前記第１の回路により降圧して前記平滑用コンデンサに供給する降圧回路と、
   を備えていることを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記第１の回路は、ダイオードで構成されている請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記モータからの回生エネルギーにより前記充電用コンデンサが充電されて電圧が上昇する場合、前記充電用コンデンサの電圧が前記交流電源からの入力電圧の波高値電より高く前記充電用コンデンサの耐圧より低い第１の閾値電圧を超えたときに、前記降圧回路を動作させて前記充電用コンデンサから前記平滑用コンデンサにエネルギーを放電し、前記充電用コンデンサの電圧が前記第1の閾値電圧より低い第２の閾値電圧より低くなったら前記降圧回路の動作を停止させるようにした請求項１に記載のモータ駆動装置。
4. 前記充電用コンデンサから前記降圧回路を通して充電された前記平滑用コンデンサの電圧が上昇し前記交流電源からの入力電圧の波高値より高い第３の閾値電圧を超えたら電源回生動作を行うようにした請求項３に記載のモータ駆動装置。

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