JP2016040972A - 蓄電装置に接続されるモータ駆動用のpwm整流器 - Google Patents
蓄電装置に接続されるモータ駆動用のpwm整流器 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2016040972A JP2016040972A JP2014164340A JP2014164340A JP2016040972A JP 2016040972 A JP2016040972 A JP 2016040972A JP 2014164340 A JP2014164340 A JP 2014164340A JP 2014164340 A JP2014164340 A JP 2014164340A JP 2016040972 A JP2016040972 A JP 2016040972A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- voltage
- value
- command
- power
- unit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- 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
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
- Control Of Ac Motors In General (AREA)
- Rectifiers (AREA)
Abstract
【課題】モータの加減速時の電力ピークを抑制し電源側の電源設備容量を低減するモータ駆動用PWM整流器を実現する。
【解決手段】PWM整流器1は、PWM制御信号に基づき交直両方向に電力変換を行う主回路部11と、主回路部11の直流電圧値を直流電圧指令に一致させる電流指令を生成する直流電圧ループ制御部51と、電流指令の絶対値が制限値を超えた場合は制限値、それ以外の場合は電流指令、を最終電流指令とする電流指令制限部52と、最終電流指令に制限値が設定された場合は飽和状態、それ以外の場合は非飽和状態と判定する直流電圧ループ飽和判定部53と、非飽和状態の場合は直流電圧指令を維持、飽和状態の場合は非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最小値又は最大値にオフセットを加えた値に直流電圧指令を変更する直流電圧指令計算部54と、最終電流指令からPWM制御信号を生成するPWM制御信号生成部55とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】PWM整流器1は、PWM制御信号に基づき交直両方向に電力変換を行う主回路部11と、主回路部11の直流電圧値を直流電圧指令に一致させる電流指令を生成する直流電圧ループ制御部51と、電流指令の絶対値が制限値を超えた場合は制限値、それ以外の場合は電流指令、を最終電流指令とする電流指令制限部52と、最終電流指令に制限値が設定された場合は飽和状態、それ以外の場合は非飽和状態と判定する直流電圧ループ飽和判定部53と、非飽和状態の場合は直流電圧指令を維持、飽和状態の場合は非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最小値又は最大値にオフセットを加えた値に直流電圧指令を変更する直流電圧指令計算部54と、最終電流指令からPWM制御信号を生成するPWM制御信号生成部55とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、PWM信号を用いてスイッチング素子を制御して三相交流電力を直流電力に変換するモータ駆動用のPWM整流器に関し、特に、直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力との間で電力変換を行う逆変換器の直流側に、直流電力を蓄積し得る蓄電装置を介して接続されるPWM整流器に関する。
工作機械、産業機械、鍛圧機械、射出成形機、あるいは各種ロボット内のモータを駆動するモータ駆動装置においては、交流電源側から入力された交流電力を直流電力に一旦変換したのちさらに交流電力に変換し、この交流電力を駆動軸ごとに設けられたモータの駆動電力として用いている。モータ駆動装置は、商用三相交流電源のある交流電源側から供給された交流電力を整流して直流電力を出力する整流器と、整流器の直流側である直流リンクに接続され、直流リンクの直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力とを相互電力変換する逆変換器と、を備え、当該逆変換器の交流側に接続されたモータの速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御する。
モータ駆動装置でモータを加速もしくは減速制御する際には、交流電源に対して大きな交流電力の出力もしくは回生が要求されるので電力ピークが発生する。そこで、モータ駆動装置に電力を供給する交流電源側の電源設備容量はこのモータの加減速時に発生する電力ピークを考慮して設計されるのが一般的である。しかしながら、モータの加減速時に発生する電力ピークを考慮した設計によると、単純にモータ駆動装置の平均電力を考慮して設計した場合に比べ、電源設備容量は大きなものとならざるを得ない。特にモータを急加速、急減速させる機会の多いモータ駆動装置においては、電源設備容量は、より大きなものとなる。電源設備容量が大きくなるほど設置コストおよび運用コストが増大するので、電源設備容量を低減するのが望ましい。
電源設備容量を低減するために、交流電力を直流電力に変換する力行動作(順変換動作)および直流電力を交流電力に変換する回生動作(逆変換動作)を行うことができるPWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)整流器と、PWM整流器の直流側に並列に接続され、直流電力を蓄積し得る蓄電装置と、がモータ駆動装置に設けられることがある。これによれば、PWM整流器による交流電力を直流電力に変換する力行動作(順変換動作)および直流電力を交流電力に変換する回生動作(逆変換動作)において各電力変換量を適宜制御することにより、モータの減速時にモータから発生する回生電力を蓄電装置に蓄積させたり、蓄積した電力をモータの加速時に再利用したりすることができるので、電源設備容量を低減することができる。
図10は、PWM整流器を有する一般的なモータ駆動装置の構成を示す図である。以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。モータ駆動装置100は、商用三相交流電源(以下、単に「交流電源」と称することがある。)4からの交流電力を直流電力に変換するPWM整流器10と、PWM整流器10から出力された直流電力をモータ3の駆動電力として供給される所望の周波数の交流電力に変換しまたはモータ3から回生される交流電力を直流電力に変換する逆変換器2と、を備え、当該逆変換器2の交流側に接続されたモータ3の速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御する。PWM整流器10の三相交流入力側には交流リアクトル5が接続される。
逆変換器2は、複数の駆動軸に対応してそれぞれ設けられる各モータ3に個別に駆動電力を供給してモータ3を駆動制御するためにモータ3の個数と同数個設けられる。なお、図示の例では、モータ3の個数を1個としており、したがって、この場合、逆変換器2の個数も1個である。一方、PWM整流器10は、モータ駆動装置100のコストや占有スペースを低減する目的で、複数の逆変換器2に対して1個が設けられることが多い。
PWM整流器10は、スイッチング素子およびこれに逆並列に接続されたダイオードのブリッジ回路からなる主回路部11と、主回路部11内のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するPWM制御信号を生成するPWM整流器制御部12とで構成される。モータ駆動装置100の制御によりモータ3を減速させる際には、モータ3にて回生電力が発生するが、この回生電力については逆変換器2を経てPWM整流器10へ戻すことができる。PWM整流器10は、その内部のスイッチング素子のスイッチング動作がPWM制御信号により制御されて直流電力を交流電力に変換する回生動作(逆変換動作)を行い、逆変換器2から戻された回生エネルギーを交流電源4側へ戻すことができる。
PWM整流器10内のPWM整流器制御部12では、交流電圧検出部21により検出された交流電源4側の交流電圧値と、交流電流検出部22により検出された交流電源4側の交流電流値と、直流電圧検出部23により検出された蓄電装置6の直流電圧値(PWM整流器10の主回路部11と逆変換器2との間にある直流リンクの直流電圧値)とから、PWM制御信号を生成する。PWM制御信号は、PWM整流器10の主回路部11に力率1の交流電力を発生させるとともにPWM整流器10の出力である直流電圧値を所望の値に保つようにするために生成され、PWM整流器10の主回路部11内のスイッチング素子に印加される。
図11は、図10に示すPWM整流器制御部の構成を説明するブロック図である。PWM整流器制御部12は、直流電圧ループ制御部31と、電源位相演算部32と、3相DQ変換部33と、電流ループ制御部34と、DQ3相変換部35と、PWM変調部36とを備える。
直流電圧ループ制御部31は、直流電圧検出部23により検出された直流電圧値と入力された直流電圧指令とに基づいて、直流電圧値を直流電圧指令に一致させるような電流指令を生成する。なお、PWM整流器10においては、一般的には、直流電圧指令は固定値が用いられる。交流電流検出部22により検出された交流電流値から電源位相演算部32により電源位相が演算され、3相DQ変換部33はこの電源位相を用いて、交流電流検出部22により検出された3相の交流電流値をDQ座標平面上の電流値(以下、「DQ相電流値」と称する)に変換する。電流ループ制御部34は、DQ相電流値を電流指令に一致させるようなDQ座標平面上の電圧指令(以下、「DQ相電圧指令」と称する。)を生成する。DQ3相変換部35は、電源位相を用いてDQ相電圧指令を3相の電圧指令(以下、「3相電圧指令」と称する。)に変換する。PWM変調部36は、3相電圧指令と所定のキャリア周波数の三角波キャリア信号とを比較し、PWM整流器10の主回路部11内の半導体スイッチング素子のスイッチング動作を制御するためのPWM制御信号を生成する。これにより、PWM整流器10の主回路部11においては、内部のスイッチング素子のスイッチング動作がPWM制御信号により制御され、力行動作もしくは回生動作が行われる。
図12は、図11に示す直流電圧ループ制御部の構成を説明するブロック図である。直流電圧ループ制御部31は、減算器41と、PI制御部42と、電流指令制限部43とを備える。直流電圧ループ制御部31が生成する電流指令の絶対値には、一般に、PWM整流器11内のスイッチング素子などの定格電流に応じて上限値が定められている。電流指令制限部43は電流指令の大きさが上限値以上の場合、当該電流指令を上限値でクランプする。また例えば、電源設備容量を低減したい場合には、電流指令制限部43における電流指令の制限値を電源設備容量に応じてさらに低い値に設定することが行われる。以下、電流指令が制限値に達した状態を「直流電圧ループ制御部の飽和状態」と称する。直流電圧ループ制御部が飽和状態にあるときは、電流指令は制限値にクランプされているので、PWM整流器10からは一定振幅の直流電力が常に出力されることになり、直流電圧を直流電圧指令に追従させることはできない。このため、PWM整流器10が力行状態であれば直流電圧値が下降し、回生状態であれば直流電圧値が上昇することになる。
減算器41により求められた直流電圧指令と直流電圧値との差分を、PI制御部42により比例積分制御(PI制御)し、電流指令を作成する。電流指令制限部43では電流指令の大きさが上限値以上の場合、当該電流指令を上限値でクランプする。
上述のようなPWM整流器10を有するモータ駆動装置100では、モータ3の力行時にPWM整流器10の直流電圧指令を予め下げておくことにより、モータ3の減速時に発生する回生エネルギーを交流電源側に戻すことなく蓄電装置6に蓄え、次回のモータ3の力行時に使用することで効率を高め、電源設備容量を低減している。
例えば、PWM整流器の電流を所定の電流制限値内に制御することで、交流電源から供給される交流電力のピークを抑制する方法がある(例えば、特許文献1参照。)。
図13は、特許文献1(特開2000−236679号公報)に記載されたモータ駆動装置の動作を模式的に示すタイミングチャートである。ここでは、特許文献1に記載された方法に従い図10〜図12に示されたモータ駆動装置100を動作させて、モータ3を停止、加速、一定速、減速、停止の順に動作させる場合について説明する。なお、図13では、それぞれ上段から、「モータ速度」、「モータ出力」、「整流器出力」、「直流電圧指令および直流電圧値」を示している。また、直流電圧指令は破線で示す。
まず、時刻t0から時刻t1までモータ停止状態にある間、PWM整流器10のPWM整流器制御部12は、蓄電装置6の直流電圧値を直流電圧指令に一致させるように制御する。
時刻t1にてモータ3の加速を開始すると、時刻t2まではモータ3の加速に必要なエネルギーは全て、PWM整流器10を介して交流電源4側から供給される。その後、時刻t2にてモータ3の加速に必要なエネルギーが制限値に達すると、PWM整流器10を介して交流電源4側から供給されるエネルギーだけでは足りなくなるので、時刻t2において蓄電装置6からのモータ3へのエネルギー供給が開始される。このため時刻t2から時刻t3の間は直流電圧値(蓄電装置6の電位)は下降する。制限値は、PWM整流器10の出力がモータ最大出力未満の値となるような値に設定する。
時刻t3にてモータ3の加速をやめて一定速で運転すると、モータ3の駆動に必要なエネルギーはPWM整流器10が出力するエネルギーよりも小さくて済むので、時刻t3からは直流電圧値(蓄電装置6の電位)は上昇に転じる。そして、時刻4にて直流電圧値は直流電圧指令の値まで戻る。時刻t4から時刻t5までは、直流電圧値は直流電流指令に追従して一定となり、モータ3の一定速運転に必要なエネルギーは全て、PWM整流器10を介して交流電源4側から供給される状態となる。
時刻t5にてモータ3の減速を開始すると、モータ3から逆変換器2へ回生エネルギーが戻される。逆変換器2は回生エネルギーを直流電力へ変換し、直流リンク側へ戻す。このとき、PWM整流器10も回生動作を行うが、回生エネルギー由来の直流電力の絶対値は、PWM整流器10の出力の制限値の絶対値よりも大きいため、蓄電装置6に直流電力が蓄積されて直流電圧値(蓄電装置6の電位)は上昇する。時刻t6にてモータ3からの回生電力の絶対値がPWM整流器10の出力の制限値の絶対値よりも小さくなると、時刻t6から時刻t7の間は直流電圧値(蓄電装置6の電位)は下降する。
時刻t7にてモータ3が停止しても、直流電圧値(蓄電装置6の電位)は直流電圧指令の値に達していないので、PWM整流器10は直流電圧値(蓄電装置6の電位)が直流電圧指令に達するまで交流電源4側にエネルギーを戻す。そして、時刻8にて直流電圧値は直流電圧指令の値まで戻る。時刻t8以降は、PWM整流器10は、直流電圧値を直流電圧指令に一致させるように制御する。
また例えば、モータの加速時に直流電圧指令を除々に下げ、モータの減速時に直流電圧指令を除々に上げることによりモータの回生エネルギーを蓄電装置に蓄えるようにすることで、交流電源から供給される交流電力を抑制する方法がある(例えば、特許文献2参照。)。
また例えば、モータの運転パターン毎に最適な直流電圧指令を設定してモータの回生エネルギーを蓄電装置に蓄えるようにすることで、交流電源から供給される交流電力を抑制する方法がある(例えば、特許文献3参照。)。
図14は、特許文献2(特開2012−085512号公報)および特許文献3(特開2010−260094号公報)に記載されたモータ駆動装置の動作を模式的に示すタイミングチャートである。ここでは、特許文献2もしくは特許文献3に記載された方法に従い図10〜図12に示されたモータ駆動装置100を動作させて、モータ3を停止、加速、一定速、減速、停止の順に動作させる場合について説明する。なお、図14では、それぞれ上段から、「モータ速度」、「モータ出力」、「整流器出力」、「直流電圧指令および直流電圧値」を示している。また、直流電圧指令は破線で示す。
時刻t0から時刻t1までの間はモータ3を停止し、時刻t1から時刻t3までの間はモータ3を加速させ、時刻t3から時刻t4までの間はモータ3を一定速で運転し、時刻t4から時刻t5までの間はモータを減速させ、時刻t5から時刻t7の間はモータを停止するような運転パターンにおいて、一例として図示のような直流電圧指令を設定してモータ3の回生エネルギーを蓄電装置に蓄えるようにした場合について説明する。具体的には、モータ3の加速時にはPWM整流器10の直流電圧指令を下げることにより、蓄電装置6に蓄積されたエネルギーを放電させてモータ3に供給し、モータ3の減速時にはPWM整流器10の直流電圧指令を上げることにより、モータ3で発生する回生エネルギーを電源に戻すことなく蓄電装置6に蓄えるようにする。
まず、時刻t0から時刻t1までモータ停止状態にある間、PWM整流器10のPWM整流器制御部12は、蓄電装置6の直流電圧値を直流指令に一致させるように制御する。
時刻t1にてモータ3の加速を開始すると、時刻t2まではモータ3の加速に必要なエネルギーは全て、PWM整流器10を介して交流電源4側から供給される。その後、時刻t2にてモータ3の加速に必要なエネルギーが制限値に達すると、PWM整流器10を介して交流電源4側から供給されるエネルギーだけでは足りなくなるので、時刻t2において直流電圧指令を低下させることで、蓄電装置6からもモータ3へエネルギーが供給するように制御する。このため時刻t2から時刻t3の間は直流電圧指令の低下に合わせて直流電圧値(蓄電装置6の電位)は下降する。
時刻t3にてモータ3の加速をやめて一定速で運転したとき、モータ3の駆動に必要なエネルギーは、PWM整流器10が出力するエネルギーよりも小さくなる。図示の例では、蓄電装置6に蓄積されたエネルギーを有効に利用するため、直流電圧指令を、時刻t2から時刻t3のモータ減速時よりは小さい割合で低下させ、蓄電装置6からモータ3へのエネルギー供給を継続する。このため、時刻t3から時刻t4までは、モータ3の一定速運転に必要なエネルギーは、PWM整流器10を介して交流電源4側から供給されるエネルギーと蓄電装置6からのエネルギーとで賄われる。
時刻t4にてモータ3の減速を開始すると、モータ3から逆変換器2へ回生エネルギーが戻される。逆変換器2は回生エネルギーを直流電力へ変換し、直流リンク側へ戻す。このとき、PWM整流器10の電力変換動作は停止させ、かつ直流電圧指令は上昇させるように制御することで、回生エネルギー由来の直流電力を蓄電装置6に蓄積させる。したがって、時刻t4から時刻t5までの間は、蓄電装置6に直流電力が蓄積されて直流電圧値(蓄電装置6の電位)は上昇する。
時刻t5にてモータ3が停止したとき、PWM整流器10は、直流電圧値を、一定に維持した直流電圧指令に一致させるように制御する。PWM整流器10の内部抵抗等により蓄電装置6に蓄積されたエネルギーは消費されるので、PWM整流器10は、直流電圧値を直流電圧指令に一致させるように制御して、交流電源4側からの交流電力を直流電力に変換してその消費分を補うだけのエネルギーを賄う。
上述のように、モータを加速もしくは減速する際に発生する電力ピークに対応しようとうすると交流電源側の電源設備容量は大きくなりがちである。
特許文献1(特開2000−236679号公報)に記載された発明によれば、PWM整流器の出力に上限を設けることでPWM整流器がから供給するエネルギーのピークを抑制することができる。しかしながら、直流電圧指令は常に一定であることから、PWM整流器はモータの加速終了後も交流電源側から直流リンクへエネルギーを供給し続けることになり、このため蓄電装置はモータ加速前の状態にまで充電されるので、モータの減速時に発生する回生エネルギーを蓄電装置に貯めることができず、交流電源側に当該回生エネルギーを戻すかあるいは直流リンク内の放電抵抗(図示せず)で消費しなければならない。このように、特許文献1(特開2000−236679号公報)に記載された発明では、モータの減速時に発生した回生電力を、次のモータの始動に有効に再利用することができず、電源設備容量をあまり低減することができない。
また、特許文献2(特開2012−085512号公報)および特許文献3(特開2010−260094号公報)に記載された発明によれば、モータ減速時にはPWM整流器の直流電圧指令を上げることによりモータで発生する回生エネルギーを電源に戻すことなく蓄電装置に蓄え、モータ加速時にはPWM整流器の直流電圧指令を下げることにより蓄電装置に蓄積されたエネルギーを放電させてモータの加速に再利用することで、モータの加減速の際に発生する電力ピークに抑制し、交流電源側の電源設備容量を低減している。しかしながら、モータの運転パターン毎に直流電圧指令を試行錯誤的に設定しなければならず、実用的とはいえない。
従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、モータの加減速時に発生する電力ピークを抑制し、交流電源側の電源設備容量を低減できる、モータ駆動用のPWM整流器を提供することにある。
上記目的を実現するために、本発明においては、直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力との間で電力変換を行う逆変換器の直流側に、直流電力を蓄積し得る蓄電装置を介して接続されるPWM整流器は、受信したPWM制御信号に基づきスイッチング素子のスイッチング動作がPWM制御されて交流電源側の交流電力と直流側の直流電力との間で電力変換を行う主回路部と、主回路部の直流側の直流電圧値を、受信した直流電圧指令に一致させる電流指令を生成する直流電圧ループ制御部と、電流指令の絶対値が所定の制限値を超えた場合は制限値を、それ以外の場合は電流指令を、最終電流指令として設定する電流指令制限部と、電流指令制限部が制限値を最終電流指令として設定した場合は直流電圧ループ制御部は飽和状態にあると判定し、それ以外の場合は非飽和状態にあると判定する直流電圧ループ飽和判定部と、直流電圧ループ飽和判定部が非飽和状態と判定した場合は、直流電圧指令を維持し、直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定した場合は、直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最小値もしくは最大値に所定のオフセットを加えた値に変更する直流電圧指令計算部と、最終電流指令を用いてPWM制御信号を生成して主回路部へ出力するPWM制御信号生成部と、を備える。
ここで、PWM整流器は、最終電流指令が正の場合は主回路部は力行状態にあると判定し、最終電流指令が負の場合は主回路部は回生状態にあると判定する動作状態判定部を備え、直流電圧指令計算部は、直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定しかつ動作状態判定部が力行状態と判定した場合に、直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最小値に所定の正のオフセットを加えた値に変更する。
また、PWM整流器は、最終電流指令が正の場合は主回路部は力行状態にあると判定し、最終電流指令が負の場合は主回路部は回生状態にあると判定する動作状態判定部と、直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定しかつ動作状態判定部が回生状態と判定した場合に、主回路部によるスイッチング動作の停止を指令するPWM動作停止指令部と、を備え、直流電圧指令計算部は、直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定しかつ動作状態判定部が回生状態と判定した場合に、直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最大値に所定の負のオフセットを加えた値に変更する。
PWM動作停止指令部は、直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定しかつ動作状態判定部が回生状態と判定した場合において、さらに直流電圧値が所定の値を超えた場合は、主回路部によるスイッチング動作の停止を解除するようにしてもよい。
電流指令制限部は、直流電圧値が第1の閾値を超えた場合もしくは第1の閾値よりも小さい第2の閾値を下回った場合は、制限値をより大きい値の制限値に変更し、上記より大きな値の制限値への変更後に直流電圧値が第1の閾値と第2の閾値との間の範囲に収まった場合は、上記の変更前の制限値に戻す制限値変更部を有するようにしてもよい。
直流電圧指令計算部は、上位制御装置から入力された初期化指令に応じて、直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定した際に変更した直流電圧指令を、上記の変更前の直流電圧指令に設定し戻すようにしてもよい。
上記の変更前の直流電圧指令は、PWM整流器を構成する部品が有する連続定格値よりも大きくかつ短時間定格値よりも小さい値に設定してもよい。
直流電圧指令計算部は、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最小値および最大値を抽出する抽出部を有するようにしてもよい。
本発明によれば、モータの加減速時に発生する電力ピークを抑制し、交流電源側の電源設備容量を低減できる、モータ駆動用のWM整流器を実現することができる。
本発明の第1の実施例によれば、PWM整流器の主回路部の出力の制限値がモータの最大出力未満となるような値に設定することで、PWM整流器(電源)から供給するエネルギーのピークを制限するとともに、さらには、直流電圧ループ飽和判定部により飽和状態と判定されかつ動作状態判定部により回生状態と判定されたときに、PWM整流器の回生動作を停止してモータからの回生電力に起因する直流電力を商用三相交流電源側へ戻さずに蓄電装置へ蓄積し、この蓄積されたエネルギーをモータの次回の加速に利用するので、従来例に比べて、効率の良い運転が実現可能であり、電源設備容量を大幅に低減することができる。
また、本発明の第1の実施例によれば、直流電圧ループ制御部が飽和状態になった場合は、直流電圧検出部によって検出した直流電圧値に基づいて直流電圧指令が設定されるので、特許文献2(特開2012−085512号公報)および特許文献3(特開2010−260094号公報)に記載された発明のようにモータの運転パターン毎に直流電圧指令を試行錯誤的に設定する手間を省くことができ、効率的である。
また、本発明の第2の実施例によれば、モータの減速時により生じる回生エネルギーが蓄電装置の蓄電可能容量を超えて蓄電装置が充電しきれなくなったときにはPWM整流器の回生動作を再開させるので、上述の第1の実施例による効果に加え、蓄電装置が有する耐圧を超える事態を回避することができるという効果をさらに奏する。
また、本発明の第3の実施例によれば、モータの加速時に直流電圧値(蓄電装置の電位)が想定以上に下降したり、モータの減速時に直流電圧値(蓄電装置の電位)が想定以上に上昇した場合に、当初設定されていた制限値をより大きな値に変更するので、上述の第1および第2の実施例による効果に加え、直流電圧値(蓄電装置6の電位)を正常な範囲に収めることができるという効果をさらに奏する。
また、本発明の第4の実施例によれば、上位制御装置から入力された初期化指令に応じて、直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定した際に変更した直流電圧指令を、変更前の直流電圧指令に設定し戻すので、蓄電装置が取り得る電位をPWM整流器を構成する部品の耐圧の範囲内に収めることができるので、上述の第1〜第3の実施例による効果に加え、蓄電装置の容量を小さくすることができるという効果をさらに奏する。
図1は、本発明の第1の実施例によるPWM整流器の原理ブロック図である。モータ駆動装置100の三相交流入力側には交流リアクトル5を介して商用三相交流電源4が接続され、モータ駆動装置100の交流出力モータ側には三相のモータ3が接続される。モータ駆動装置100は、本発明の第1の実施例によるPWM整流器1と、PWM整流器1の直流側である直流リンクに設けられる蓄電装置6と、直流側には蓄電装置6が接続され、交流側には三相のモータ3が接続される逆変換器2と、を備える。
なお、本実施例も含め以下の実施例では、いずれも1個のモータ3を駆動制御するモータ駆動装置100について説明するが、駆動制御するモータ3の個数は、本発明を特に限定するものではなく、複数個のモータ3を駆動制御するモータ駆動装置にも適用可能である。また、モータ駆動装置100によって駆動されるモータ3の種類についても本発明を特に限定するものではなく、例えば誘導モータであっても同期モータであってもよい。また、逆変換器2の種類についても本発明を特に限定するものではなく、直流リンクにおける直流電力とモータ3の駆動電力もしくは回生電力である交流電力とを相互電力変換するものであればどのようなものであってもよい。例えば、逆変換器2は、内部にスイッチング素子を有するPWMインバータとして構成され、直流リンク側から供給される直流電力を、上位制御装置から受信したモータ駆動指令に基づき内部のスイッチング素子をスイッチング動作させ、モータ3を駆動するための所望の電圧および所望の周波数の三相交流電力に変換する。モータ3は、供給された電圧可変および周波数可変の三相交流電力に基づいて動作することになる。また、モータ3の制動時には回生電力が発生するが、上位制御装置から受信したモータ駆動指令に基づき、モータ3で発生した回生電力である交流電力を、直流電力へ変換して直流リンクへ戻す。
PWM整流器1は、モータ制御装置100において、直流電力とモータ3の駆動電力もしくは回生電力である交流電力との間で電力変換を行う逆変換器2の直流側に、直流電力を蓄積し得る蓄電装置6を介して接続される。本発明の第1の実施例によるPWM整流器1は、主回路部11と、直流電圧ループ制御部51と、電流指令制限部52と、直流電圧ループ飽和判定部53と、直流電圧指令計算部54と、PWM制御信号生成部55と、動作状態判定部56と、PWM動作停止指令部57と、を備える。
交流電源側から入力された交流電力を直流電力に一旦変換したのちさらに交流電力に変換してこれをモータの駆動電力として用いるモータ駆動装置100では交流電源側の交流電圧値および交流電流値ならびに直流リンクにおける直流電圧値をモータ3の駆動制御に用いるので、モータ駆動装置100にはこれらを検出する交流電圧検出部21、交流電流検出部22および直流電圧検出部23が一般的に設けられている。本発明の第1の実施例によるPWM整流器1では、後述するように、交流電圧検出部21が検出した交流電圧値、交流電流検出部22が検出した交流電流値および直流電圧検出部23が検出した直流電圧値をその制御に用いる。
主回路部11は、スイッチング素子およびこれに逆並列に接続されたダイオードのブリッジ回路からなり、PWM制御信号生成部55から受信したPWM制御信号に基づきスイッチング素子のスイッチング動作がPWM制御されることで、交流電源4側の交流電力と直流側の直流電力との間で電力変換を行う。すなわち、受信したPWM制御信号に従い、交流電力を直流電力に変換する力行動作(順変換動作)および直流電力を交流電力に変換する回生動作(逆変換動作)のいずれかを行う。スイッチング素子の例としては、IGBT、サイリスタ、GTO(Gate Turn−OFF thyristor:ゲートターンオフサイリスタ)、トランジスタなどがあるが、スイッチング素子の種類自体は本発明を限定するものではなく、その他の半導体素子であってもよい。
直流電圧ループ制御部51は、直流電圧検出部23により検出された主回路部11の直流側の直流電圧値を、受信した直流電圧指令に一致させるような電流指令を生成する。
電流指令制限部52は、電流指令の絶対値が所定の制限値を超えた場合は制限値を、それ以外の場合は電流指令を、最終電流指令として設定する。電流指令制限部52による処理に用いられる上記制限値は、PWM整流器1の主回路部11の出力の制限値に対応するものである。電流指令制限部52による処理に用いられる上記制限値は、主回路部11の出力の制限値がモータ3の最大出力未満となるような値に設定される。この制限値により、PWM整流器1(電源)から供給するエネルギーのピークを制限することができる。電流指令制限部52の動作の詳細については後述する。
直流電圧ループ飽和判定部53は、電流指令制限部52が制限値を最終電流指令として設定した場合は、直流電圧ループ制御部52は飽和状態にあると判定し、それ以外の場合は直流電圧ループ制御部52は非飽和状態にあると判定する。直流電圧ループ飽和判定部53の動作の詳細については後述する。
直流電圧指令計算部54は、「直流電圧ループ制御部52は非飽和状態にある」と直流電圧ループ飽和判定部53が判定した場合は、直流電圧指令を維持する。また、直流電圧指令計算部54は、「直流電圧ループ制御部52は飽和状態にある」と直流電圧ループ飽和判定部53が判定した場合は、直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最小値もしくは最大値に所定のオフセットを加えた値に変更する。なお、直流電圧指令計算部54は、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最小値および最大値を抽出する抽出部(図示せず)を有する。直流電圧指令計算部54の動作の詳細については後述する。
PWM制御信号生成部55は、最終電流指令と所定のキャリア周波数の三角波キャリア信号とを比較し、PWM整流器1の主回路部11内のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するためのPWM制御信号を生成し、これを主回路部11へ出力する。PWM制御信号は、PWM整流器1の主回路部11に力率1の交流電力を発生させるとともにPWM整流器1の出力である直流電圧値を所望の値に保つようにするために生成され、PWM整流器1の主回路部11内のスイッチング素子に印加される。これにより、主回路部11は、受信したPWM制御信号に従い、交流電力を直流電力に変換する力行動作(順変換動作)および直流電力を交流電力に変換する回生動作(逆変換動作)のいずれかを行う。なお、PWM制御信号の生成の際には、図11を参照して説明したようにDQ座標変換処理が用いられる。
動作状態判定部56は、最終電流指令が正の場合は主回路部11は力行状態にあると判定し、最終電流指令が負の場合は主回路部11は回生状態にあると判定する。
PWM動作停止指令部57は、直流電圧ループ飽和判定部53が飽和状態と判定しかつ動作状態判定部56が回生状態と判定した場合に、主回路部11によるスイッチング動作の停止を指令する。
続いて、図1に示すPWM整流器の動作について図2〜図4を参照して説明する。図2は、図1に示すPWM整流器の動作を模式的に示すタイミングチャートである。また、図3は、直流電圧ループ制御部が飽和状態にありかつPWM整流器が力行状態にある場合における直流電圧指令計算部による直流電圧指令の設定を説明する図である。また、図4は、直流電圧ループ制御部が飽和状態にありかつPWM整流器が回生状態にある場合における直流電圧指令計算部による直流電圧指令の設定を説明する図である。なお、図2では、それぞれ上段から、「モータ速度」、「モータ出力」、「整流器出力」、「直流電圧指令および直流電圧値」、「直流電圧ループ制御部の状態」を示している。また、図2〜4において、直流電圧指令は破線で示し、直流電圧値の最小値もしくは最大値は1点破線で示す。
ここでは、本発明の第1の実施例によるPWM整流器1を有するモータ駆動装置100を動作させて、モータ3を停止、加速、一定速、減速、停止の順に動作させる場合について説明する。
まず、時刻t0から時刻t1までモータ停止状態にある間、PWM整流器1の直流電圧ループ制御部51、電流指令制御部52、およびPWM制御信号生成部55は、蓄電装置6の直流電圧値を直流電圧指令に一致させるように制御する。この間、PWM整流器1の内部抵抗等により蓄電装置6に蓄積されたエネルギーの消費を補うだけの直流電力がPWM整流器1から出力されるよう、PWM制御信号生成部55は、PWM整流器1により力行動作が行われるようなPWM制御信号を生成し、主回路部11へ出力する。
時刻t1にてモータ3の加速を開始すると、PWM制御信号生成部55は、PWM整流器1による力行動作においてPWM整流器1の直流出力を徐々に増加させるようなPWM制御信号を生成し、主回路部11へ出力する。時刻t1から時刻t2までの間は、直流電圧ループ制御部51が生成する電流指令の絶対値は所定の制限値を超えていないので、電流指令制限部52は、直流電圧ループ制御部51が生成する電流指令を、最終電流指令として設定する。PWM制御信号生成部55は、最終電流指令と所定のキャリア周波数の三角波キャリア信号とを比較し、PWM整流器1の主回路部11内のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するためのPWM制御信号を生成し、これを主回路部11へ出力する。蓄電装置6の直流電圧値を直流電圧指令に一致させるように制御されているので、時刻t2まではモータ3の加速に必要なエネルギーは全て、PWM整流器1による力行動作を介して交流電源4側から供給される。また、動作状態判定部56は、最終電流指令が正であるので、主回路部11は力行状態にあると判定する。
その後、時刻t2にてモータ3の加速に必要なエネルギーが制限値に達すると、電流指令制限部52は、電流指令の絶対値が所定の制限値を超えたと判断して、当該制限値を最終電流指令として設定する。PWM制御信号生成部55は、電流指令制限部52により当該制限値に設定された最終電流指令に基づいて、PWM制御信号を生成し、これを主回路部11へ出力する。これにより、主回路部11から出力される直流電力は一定の値に制限されるが、この間もモータ3は加速され続けているので、PWM整流器1の力行動作を介した交流電源4側からのエネルギー供給だけでは足りなくなる。したがって、蓄電装置6からのモータ3へのエネルギー供給が開始される。この結果、時刻t2から時刻t3の間は、直流電圧検出部23が検出する直流電圧値(蓄電装置6の電位)は下降する。
また、時刻t2以降は、電流指令制限部52は制限値を最終電流指令として設定するので、直流電圧ループ飽和判定部53は、「直流電圧ループ制御部52は飽和状態にある」と判定する。また、動作状態判定部56は、最終電流指令が正であるので、「主回路部11は力行状態にある」と判定する。したがって、直流電圧ループ飽和判定部53により飽和状態と判定されかつ動作状態判定部56により力行状態と判定されたので、直流電圧指令計算部54は、直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における前記直流電圧値の最小値に所定の正のオフセットを加えた値に変更する。ここで、直流電圧ループ制御部51が飽和状態にありかつPWM整流器1が力行状態にある場合における直流電圧指令計算部54による直流電圧指令の設定について、図3を参照して説明する。図3は、図2における時刻t2前後から時刻t4前後までの「直流電圧指令および直流電圧値」、「直流電圧ループ制御部の状態」を示している。
モータ3が加速して、直流電圧ループ制御部51が飽和状態になりかつPWM整流器1が力行状態にある場合、直流電圧検出部23が検出する直流電圧値(蓄電装置6の電位)は下降する(時刻t2から時刻t3)。一般に、モータ3を一定速で運転するときに必要なエネルギーは、モータ3を加速するときに必要なエネルギーよりも小さい。したがって、モータ3の加速を完了して一定速運転を開始すると(時刻t3)、加速時よりも小さいエネルギーでモータ3を駆動することになるので、PWM整流器1により交流電源4側から取り込まれるエネルギーのうちモータ3の一定速運転に用いられるエネルギーを除いた分のエネルギーが、蓄電装置6に蓄積されることになり、蓄電装置6の電位は上昇に転じる。ここで蓄電装置6の電位が上昇を開始するタイミングt3と、直流電圧ループ飽和判定部53による「直流電圧ループ制御部52は飽和状態にある」との判定から「直流電圧ループ制御部52は非飽和状態にある」との判定に転じるタイミングt4の間に、若干のタイムラグを設ける。すなわち、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最小値Vminに所定の正のオフセットΔ(以下、「加速完了検知レベル」と称する。)を加えた値を、直流電圧指令として用いる。加速完了検知レベルΔは、直流電圧ループ制御部51の飽和状態から非飽和状態への切換えのヒステリシスに相当する値であり、その値はモータ3の駆動に用いられる電圧の仕様等に応じて設定すればよい。
図示の例では、時刻t2から時刻t3までの間において直流電圧値は徐々に下降していくので最小値Vminが逐次更新されていくが、そのたびに、加速完了検知レベルΔを加算して得られた値「Vmin+Δ」が、直流電圧指令として設定されていく。時刻t3にてモータ3の加速が完了するので、時刻t3のときの直流電圧値が最小値Vminの最小となり、時刻t3から時刻4までの間は、時刻t3のときに得られた直流電圧値である最小値Vminに加速完了検知レベルΔを加えた値「Vmin+Δ」が、直流電圧指令として維持される。
図2に戻ると、時刻t3にてモータ3の加速を完了して一定速運転を開始すると上述のように直流電圧値は上昇に転じ、時刻t4で直流電圧値は直流電圧指令に一致する。直流電圧ループ飽和判定部56は、直流電圧値が直流電圧指令に一致した時点(時刻t4)で、「直流電圧ループ制御部52は非飽和状態にある」と判定する。
時刻t4から時刻t5までのモータ3の一定運転の間は、蓄電装置6の直流電圧値を直流電圧指令に一致させるように制御されているので、モータ3の一定速運転に必要なエネルギーは全て、PWM整流器1による力行動作を介して交流電源4側から供給される。この間、動作状態判定部56は、電流指令(最終電流指令)が正であるので、主回路部11は力行状態にあると判定する。
時刻t5にてモータ3の減速を開始すると、モータ3にて回生電力が発生するが、この回生電力については逆変換器2を経て直流リンクへ戻され、PWM整流器1には回生電力に起因する直流電力が供給される。このことは、PWM整流器1の直流出力側に負の直流電力が出力されたことと同じ意味である。電流指令制限部52は、電流指令の絶対値が所定の制限値を超えた場合と判断して、当該制限値を最終電流指令として設定する。PWM制御信号生成部55は、電流指令制限部52により当該制限値に設定された最終電流指令に基づいて、PWM制御信号を生成し、これを主回路部11へ出力する。これにより、主回路部11から出力される直流電力は一定の値に制限され、また、主回路部11は制限値に当たる量の回生動作(逆変換動作)を行う。また、動作状態判定部56は、最終電流指令が負であるので主回路部11は回生状態にあると判定する。
時刻t5から時刻t6までの間は、電流指令制限部52は制限値を最終電流指令として設定するので、直流電圧ループ飽和判定部53は、「直流電圧ループ制御部52は飽和状態にある」と判定する。また、動作状態判定部56は、最終電流指令が負であるので、「主回路部11は回生状態にある」と判定する。したがって、時刻t6にてPWM動作停止指令部57は主回路部11によるスイッチング動作の停止を指令する。t6において、PWM動作停止指令部57は主回路部11に対してスイッチング動作の停止指令を出力しているので、PWM整流器1の回生動作は停止し、回生電力に起因する直流電力を交流電源4側へ戻せなくなる。このため、蓄電装置6への直流電力の蓄積が開始され、直流電圧検出部23が検出する直流電圧値(蓄電装置6の電位)は上昇に転じる。
また、時刻t6以降は、電流指令制限部52は制限値を最終電流指令として設定するので、直流電圧ループ飽和判定部53は、「直流電圧ループ制御部52は飽和状態にある」と判定する。また、動作状態判定部56は、最終電流指令が負であるので、「主回路部11は回生状態にある」と判定する。したがって、「直流電圧ループ飽和判定部53が飽和状態にある」と判定されかつ「動作状態判定部56が回生状態にある」と判定されたので、直流電圧指令計算部54は、直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最大値に所定の負のオフセットを加えた値に変更する。ここで、直流電圧ループ制御部51が飽和状態にありかつPWM整流器1が回生状態にある場合における直流電圧指令計算部54による直流電圧指令の設定について、図4を参照して説明する。図4は、図2における時刻t6前後から時刻t8前後までの「直流電圧指令および直流電圧値」、「直流電圧ループ制御部の状態」を示している。
モータ3が減速して、直流電圧ループ制御部51が飽和状態になりかつPWM整流器1が回生状態にある場合、上述のようにPWM動作停止指令部57は主回路部11によるスイッチング動作の停止を指令するので、PWM整流器1の回生動作は停止し、回生電力に起因する直流電力を交流電源4側へ戻せなくなり、直流電圧検出部23が検出する直流電圧値(蓄電装置6の電位)は上昇する(時刻t6から時刻t7)。モータ3の減速を完了してモータ3が停止すると(時刻t7)、モータ3からの回生電力が逆変換器12を介して直流リンクへ供給されなくなり、また、PWM整流器1の内部抵抗等により蓄電装置6に蓄積された直流電力が消費されるので、蓄電装置6の電位は減少に転じる。ここで蓄電装置6の電位が減少に開始するタイミングt7と、直流電圧ループ飽和判定部53による「直流電圧ループ制御部52は飽和状態にある」との判定から「直流電圧ループ制御部52は非飽和状態にある」との判定に転じるタイミングt8の間に、若干のタイムラグを設ける。そこで、直流電圧ループ飽和判定部53による判定の誤検出の防止とモータ3の減速完了の早期検知の調和の観点から、現在までの直流電圧指令に代えて、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最大値Vmaxに所定の負のオフセット−Δ(以下、「減速完了検知レベル」と称する。)を加えた値を、直流電圧指令として新たに用いる。減速完了検知レベル「−Δ」は、直流電圧ループ制御部51の飽和状態から非飽和状態への切換えのヒステリシスに相当する値であり、その値はモータ3の駆動に用いられる電圧の仕様等に応じて設定すればよい。
図示の例では、時刻t6から時刻t7までの間において直流電圧値は徐々に上昇していくので最大値Vmaxが逐次更新されていくが、そのたびに、減速完了検知レベル「−Δ」を加算して得られた値「Vmax−Δ」が、直流電圧指令として設定されていく。時刻t7にてモータ3の減速が完了してモータ3が停止するので、時刻t7のときの直流電圧値が最大値Vmaxの最大となり、時刻t7から時刻8までの間は、時刻t7のときに得られた直流電圧値である最大値Vmaxに減速完了検知レベル「−Δ」を加えた値「Vmax−Δ」が、直流電圧指令として維持される。
図2に戻ると、時刻t7にてモータ3の減速を完了してモータ3が停止すると、PWM整流器1の内部抵抗等により蓄電装置6に蓄積された直流電力が消費されるので、直流電圧値は下降に転じ、時刻t8で直流電圧値は直流電圧指令に一致する。直流電圧ループ飽和判定部56は、直流電圧値が直流電圧指令に一致した時点(時刻t8)で、「直流電圧ループ制御部52は非飽和状態にある」と判定する。
時刻t8にて直流電圧値が直流電圧指令に一致した以降は、PWM動作停止指令部57は、主回路部11によるスイッチング動作の停止を解除する解除指令を主回路部11に対して出力し、時刻t0から時刻t1までのモータ停止状態の場合と同じように、PWM整流器1の内部抵抗等により蓄電装置6に蓄積されたエネルギーの消費を補うだけの直流電力がPWM整流器1から出力されるよう、PWM制御信号生成部55は、PWM整流器1により力行動作が行われるようなPWM制御信号を生成し、主回路部11へ出力する。これにより、直流電圧値は直流電流指令に維持される。
このように、本発明の第1の実施例によれば、電流指令制限部52による処理に用いられる上記制限値を、主回路部11の出力の制限値がモータ3の最大出力未満となるような値に設定することで、PWM整流器1(電源)から供給するエネルギーのピークを制限することができる。
また、本発明の第1の実施例によれば、直流電圧ループ飽和判定部53により飽和状態と判定されかつ動作状態判定部により回生状態と判定されたときに、PWM動作停止指令部57は主回路部11に対してスイッチング動作の停止指令を出力するので(図2および図4の時刻t6)、PWM整流器1の回生動作が停止し、回生電力に起因する直流電力を交流電源4側へ戻さずに蓄電装置6へ蓄積するので、この蓄積されたエネルギーをモータ3の次回の加速に利用することができ、効率の良い運転が実現可能である。
また、本発明の第1の実施例によれば、直流電圧ループ制御部51が飽和状態になった場合は、直流電圧検出部23によって検出した直流電圧値に基づいて直流電圧指令が設定されるので、特許文献2(特開2012−085512号公報)および特許文献3(特開2010−260094号公報)に記載された発明のようにモータの運転パターン毎に直流電圧指令を試行錯誤的に設定する手間を省くことができ、効率的である。
図5は、本発明の第2の実施例によるPWM整流器の原理ブロック図である。また、図6は、図5に示すPWM整流器の動作を模式的に示すタイミングチャートである。なお、図6では、それぞれ上段から、「モータ速度」、「モータ出力」、「整流器出力」、「直流電圧指令および直流電圧値」、「直流電圧ループ制御部の状態」を示している。また、直流電圧指令は破線で示し、直流電圧値の最小値もしくは最大値は1点破線で示す。
本発明の第2の実施例は、図1の第1の実施例におけるPWM整流器1におけるPWM動作停止指令部57をさらに発展させたものである。すなわち、本発明の第2の実施例によれば、PWM動作停止指令部57は、直流電圧ループ飽和判定部53が飽和状態と判定しかつ動作状態判定部56が回生状態と判定した場合において、さらに直流電圧検出部23が検出した直流電圧値が所定の値を超えた場合は、主回路部11によるスイッチング動作の停止を解除する。したがって、直流電圧検出部23が検出した直流電圧値は、PWM動作停止指令部57にも入力される。また、直流電圧値との比較に用いられる上記「所定の値」は、蓄電装置6の蓄電可能容量に対応する耐圧よりも小さい値に設定すればよい。なお、これ以外の回路構成要素については図1に示す回路構成要素と同様であるので、同一の回路構成要素には同一符号を付して当該回路構成要素についての詳細な説明は省略する。
本発明の第2の実施例では、まず、第1の実施例と同様に、直流電圧ループ飽和判定部53により飽和状態と判定されかつ動作状態判定部56により回生状態と判定されたときに、PWM動作停止指令部57は主回路部11に対してスイッチング動作の停止指令を出力してPWM整流器1の回生動作を停止させ、回生電力に起因する直流電力を交流電源4側へ戻さずに蓄電装置6へ蓄積させる。そのうえでさらに、本発明の第2の実施例では、回生電力に起因する直流電力が蓄電装置6の蓄電可能容量を超え、蓄電装置6が蓄積しきれなくなったときは、PWM動作停止指令部57は、主回路部11によるスイッチング動作の停止を解除する解除指令を主回路部11に対して出力し、PWM整流器1の回生動作を再開させる。本発明の第2の実施例では、PWM動作停止指令部57をこのように動作させることにより、逆変換器2から戻された回生エネルギーを交流電源4側へ戻すことができ、蓄電装置6が有する耐圧を超えるような事態を回避することができる。
本発明の第2の実施例におけるPWM動作停止指令部57の動作例として、図6に示すようにモータ3を一定速、減速、停止の順に動作させる場合について説明する。なお、図6では、それぞれ上段から、「モータ速度」、「モータ出力」、「整流器出力」、「直流電圧指令および直流電圧値」、「直流電圧ループ制御部の状態」を示している。
時刻t0から時刻t1までのモータ3の一定運転の間は、第1の実施例における時刻t4から時刻t5の場合と同様に、蓄電装置6の直流電圧値を直流電圧指令に一致させるように制御されているので、モータ3の一定速運転に必要なエネルギーは全て、PWM整流器1による力行動作を介して交流電源4側から供給される。この間、動作状態判定部56は、電流指令(最終電流指令)が正であるので、主回路部11は力行状態にあると判定する。また、一定速運転時は加速時よりも小さいエネルギーでモータ3を駆動することになるので、PWM整流器1の直流出力が制限値を超えることはなく、したがって、直流電圧ループ飽和判定部53は、「直流電圧ループ制御部51は非飽和状態にある」と判定する。
時刻t1にてモータ3の減速を開始すると、第1の実施例における時刻t5の場合と同様に、モータ3にて回生電力が発生し、この回生電力については逆変換器2を経て直流リンクへ戻され、PWM整流器1には回生電力に起因する直流電力が供給される。電流指令制限部52は、電流指令の絶対値が所定の制限値を超えた場合と判断して、当該制限値を最終電流指令として設定する。PWM制御信号生成部55は、電流指令制限部52により当該制限値に設定された最終電流指令に基づいて、PWM制御信号を生成し、これを主回路部11へ出力する。これにより、主回路部11から出力される直流電力は一定の値に制限され、また、主回路部11は制限値に当たる量の回生動作(逆変換動作)を行う。また、動作状態判定部56は、最終電流指令が負であるので主回路部11は回生状態にあると判定する。
時刻t1から時刻t2までの間は、第1の実施例における時刻t5から時刻t6の場合と同様に、電流指令制限部52は制限値を最終電流指令として設定するので、直流電圧ループ飽和判定部53は、「直流電圧ループ制御部52は飽和状態にある」と判定する。また、動作状態判定部56は、最終電流指令が負であるので、「主回路部11は回生状態にある」と判定する。したがって、時刻t2にてPWM動作停止指令部57は主回路部11によるスイッチング動作の停止を指令する。時刻t2において、PWM動作停止指令部57は主回路部11に対してスイッチング動作の停止指令を出力しているので、PWM整流器1の回生動作は停止し、回生電力に起因する直流電力を交流電源4側へ戻せなくなる。このため、蓄電装置6への直流電力の蓄積が開始され、直流電圧検出部23が検出する直流電圧値(蓄電装置6の電位)は上昇に転じる。
また、時刻t2以降は、電流指令制限部52は制限値を最終電流指令として設定するので、直流電圧ループ飽和判定部53は、「直流電圧ループ制御部52は飽和状態にある」と判定する。また、動作状態判定部56は、最終電流指令が負であるので、「主回路部11は回生状態にある」と判定する。したがって、「直流電圧ループ飽和判定部53が飽和状態にある」と判定されかつ「動作状態判定部56が回生状態にある」と判定されたので、直流電圧指令計算部54は、直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最大値に所定の負のオフセットを加えた値に変更する。
直流電圧検出部23が検出する直流電圧値(蓄電装置6の電位)が上昇し、時刻t3にて、直流電圧検出部23が検出した直流電圧値が所定の値を超えた場合は、回生電力に起因する直流電力が蓄電装置6の蓄電可能容量を超え、蓄電装置6が蓄積しきれなくなったことを意味するので、PWM動作停止指令部57は、主回路部11によるスイッチング動作の停止を解除する解除指令を主回路部11に対して出力し、PWM整流器1の回生動作を再開させる。PWM整流器1の回生動作を再開したら再開時点の直流電圧指令を維持する。これにより、逆変換器2から戻された回生エネルギーの一部は交流電源4側へ戻され、直流電圧検出部23が検出する直流電圧値(蓄電装置6の電位)は下降する。直流電圧検出部23が検出する直流電圧値が直流電圧指令に一致するまで(時刻t4)、PWM整流器1の回生動作を実行する。
時刻t4にて直流電圧値が直流電圧指令に一致したとき、直流電圧ループ飽和判定部53は、「直流電圧ループ制御部51が非飽和状態となった」と判定する。以後、PWM動作停止指令部57は、主回路部11によるスイッチング動作の停止を解除する解除指令を主回路部11に対して出力し、PWM整流器1の内部抵抗等により蓄電装置6に蓄積されたエネルギーの消費を補うだけの直流電力がPWM整流器1から出力されるよう、PWM制御信号生成部55は、PWM整流器1により力行動作が行われるようなPWM制御信号を生成し、主回路部11へ出力する。これにより、直流電圧値は直流電流指令に維持される。
このように、本発明の第2の実施例によれば、モータ3の減速時により生じる回生エネルギーが蓄電装置6の蓄電可能容量を超えて蓄電装置6が充電しきれなくなったときには、PWM動作停止指令部57は、主回路部11によるスイッチング動作の停止を解除する解除指令を主回路部11に対して出力して、PWM整流器1の回生動作を再開させるので、逆変換器2から戻された回生エネルギーを交流電源4側へ戻すことができ、蓄電装置6が有する耐圧を超えるような事態を回避することができる。
図7は、本発明の第3の実施例によるPWM整流器の原理ブロック図である。また、図8は、図7に示すPWM整流器の動作を模式的に示すタイミングチャートである。なお、図8では、それぞれ上段から、「モータ速度」、「モータ出力」、「整流器出力」、「直流電圧指令および直流電圧値」、「直流電圧ループ制御部の状態」を示している。また、直流電圧指令は破線で示し、直流電圧値の最小値もしくは最大値は1点破線で示す。
本発明の第3の実施例は、図1の第1の実施例におけるPWM整流器1における電流指令制限部52もしくは図5の第2の実施例におけるPWM整流器1における電流指令制限部52をさらに発展させたものである。なお、図7は、図5の第2の実施例におけるPWM整流器1における電流指令制限部52内に制限値変更部61を設けた場合を示している。
本発明の第3の実施例は、モータ3の加速時に直流電圧値(蓄電装置6の電位)が想定以上に下降したり、モータ3の減速時に直流電圧値(蓄電装置6の電位)が想定以上に上昇した場合に、当初設定されていた制限値をより大きな値に変更することで、直流電圧値(蓄電装置6の電位)を正常な範囲に収めるようにするものである。
本発明の第3の実施例によれば、電流指令制限部52は、直流電圧検出部23が検出した直流電圧値が第1の閾値を超えた場合、もしくは第1の閾値よりも小さい第2の閾値を下回った場合は、制限値をより大きい値の制限値に変更し、「より大きな値の制限値」への変更後に、直流電圧検出部23が検出した直流電圧値が第1の閾値と第2の閾値との間の範囲に収まった場合は、上述の変更前の制限値に戻す制限値変更部61を有する。このため、直流電圧検出部23が検出した直流電圧値は、電流指令制限部52内の制限値変更部61にも入力されるが、直流電圧指令計算部54による直流電圧指令の変更処理に用いられる直流電圧値は、上限は第1の閾値でクランプされ、下限は第2の閾値でクランプされる。すなわち、本発明の第3の実施例では、直流電圧指令は、第1の閾値がその上限値となり、第2の閾値がその下限値となる。これ以外の回路構成要素については図5に示す回路構成要素と同様であるので、同一の回路構成要素には同一符号を付して当該回路構成要素についての詳細な説明は省略する。
本発明の第3の実施例における電流指令制限部52内の制限値変更部61の動作例として、図8に示すようにモータ3を停止、加速、一定速、減速、停止の順に動作させる場合について説明する。なお、図8では、それぞれ上段から、「モータ速度」、「モータ出力」、「整流器出力」、「直流電圧指令および直流電圧値」、「直流電圧ループ制御部の状態」を示している。
時刻t0から時刻t3までの動作は、第1の実施例における時刻t0から時刻t3の場合と同様であるので説明は省略する。特に時刻t2から時刻t3までの間は、第1の実施例における時刻t2から時刻t3の場合と同様、直流電圧ループ飽和判定部53により飽和状態と判定されかつ動作状態判定部56により力行状態と判定されたので、直流電圧指令計算部54は、直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最小値Vminに所定の正のオフセット(加速完了検知レベルΔ)を加えた値「Vmin+Δ」に変更する。
時刻t3において、モータ3の加速により、直流電圧検出部23が検出した直流電圧値(蓄電装置6の電位)が第2の閾値を下回った場合、電流指令制限部52内の制限値変更部61は、当初設定されていた制限値に代えて、当該制限値より大きい値の制限値を新たに設定する。電流指令制限部52は、上記新たな制限値を、直流電圧ループ制御部51が生成した電流指令の絶対値との比較に用いる。
また、時刻t3以降は、時刻t3の時点の直流電圧値Vminに加速完了検知レベルΔを加算した値が、直流電圧指令として用いられる。
このように、当初設定されていた制限値が解除され、より大きい上記新たな制限値が設定されることで(時刻t3)、PWM整流器1は、交流電源4側から直流リンクへエネルギーをさらに取り込むことになる。この結果、蓄電装置6にエネルギーが蓄積されて、直流電圧検出部23が検出する直流電圧値(蓄電装置6の電位)は上昇に転じる。
直流電圧検出部23が検出する直流電圧値(蓄電装置6の電位)が上昇して第2の閾値まで戻ったら(時刻t4)、電流指令制限部52は、上述の当初設定されていた制限値に戻す。
時刻t4から時刻t9までの動作は、第1の実施例における時刻t3から時刻t7の場合と同様であるので説明は省略する。
時刻t9において、モータ3の減速により、直流電圧検出部23が検出した直流電圧値(蓄電装置6の電位)が第1の閾値を上回った場合、電流指令制限部52内の制限値変更部61は、当初設定されていた制限値に代えて、当該制限値より大きい値の制限値を新たに設定する。電流指令制限部52は、上記新たな制限値を、直流電圧ループ制御部51が生成した電流指令の絶対値との比較に用いる。
また、時刻t9以降は、時刻t9の時点の直流電圧値Vmaxに減速完了検知レベル「−Δ」を加算した値が、直流電圧指令として用いられる。
このように、当初設定されていた制限値が解除され、より大きい上記新たな制限値が設定されることで(時刻t9)、PWM整流器1は、直流リンクから交流電源4側へエネルギーをさらに戻す(回生する)ことになる。この結果、蓄電装置6のエネルギーが放電されて、直流電圧検出部23が検出する直流電圧値(蓄電装置6の電位)は下降する。
直流電圧検出部23が検出する直流電圧値(蓄電装置6の電位)が下降して第1の閾値まで戻ったら(時刻t10)、電流指令制限部52は、上述の当初設定されていた制限値に戻す。
時刻t10から時刻t13までの動作は、第2の実施例における時刻t3から時刻t5の場合と同様であるので説明は省略する。
このように、本発明の第3の実施例によれば、モータ3の加速時に直流電圧値(蓄電装置6の電位)が想定以上に下降したり、モータ3の減速時に直流電圧値(蓄電装置6の電位)が想定以上に上昇した場合は、当初設定されていた制限値をより大きな値に変更するので、直流電圧値(蓄電装置6の電位)を正常な範囲に収めることができる。
図9は、本発明の第4の実施例によるPWM整流器の原理ブロック図である。本発明の第4の実施例は、上述の第1の実施例、第2の実施例もしくは第3の実施例をさらに発展させたものである。なお、図9は、図7の第3の実施例における直流電圧指令計算部54に上位制御装置71が接続された場合を示している。
直流電圧指令計算部54は、上位制御装置71から入力された初期化指令に応じて、直流電圧ループ飽和判定部53が飽和状態と判定した際に変更した直流電圧指令を、変更前の直流電圧指令に設定し戻す。ここで、変更前の直流電圧指令は、PWM整流器1を構成する部品が有する連続定格値よりも大きくかつ短時間定格値よりも小さい値に設定される。これにより、蓄電装置6が取り得る電位をPWM整流器1を構成する部品の耐圧の範囲内に収めることができるので、蓄電装置6の容量を小さくすることができる。
1 PWM整流器
2 逆変換器
3 モータ
4 商用三相交流電源
5 交流リアクトル
6 蓄電装置
21 交流電圧検出部
22 交流電流検出部
23 直流電圧検出部
11 主回路部
51 直流電圧ループ制御部
52 電流指令制限部
53 直流電圧ループ飽和判定部
54 直流電圧指令計算部
55 PWM制御信号生成部
56 動作状態判定部
57 PWM動作停止指令部
61 制限値変更部
71 上位制御装置
100 モータ駆動装置
2 逆変換器
3 モータ
4 商用三相交流電源
5 交流リアクトル
6 蓄電装置
21 交流電圧検出部
22 交流電流検出部
23 直流電圧検出部
11 主回路部
51 直流電圧ループ制御部
52 電流指令制限部
53 直流電圧ループ飽和判定部
54 直流電圧指令計算部
55 PWM制御信号生成部
56 動作状態判定部
57 PWM動作停止指令部
61 制限値変更部
71 上位制御装置
100 モータ駆動装置
直流電圧ループ制御部31は、直流電圧検出部23により検出された直流電圧値と入力された直流電圧指令とに基づいて、直流電圧値を直流電圧指令に一致させるような電流指令を生成する。なお、PWM整流器10においては、一般的には、直流電圧指令は固定値が用いられる。交流電圧検出部21により検出された交流電圧値から電源位相演算部32により電源位相が演算され、3相DQ変換部33はこの電源位相を用いて、交流電流検出部22により検出された3相の交流電流値をDQ座標平面上の電流値(以下、「DQ相電流値」と称する)に変換する。電流ループ制御部34は、DQ相電流値を電流指令に一致させるようなDQ座標平面上の電圧指令(以下、「DQ相電圧指令」と称する。)を生成する。DQ3相変換部35は、電源位相を用いてDQ相電圧指令を3相の電圧指令(以下、「3相電圧指令」と称する。)に変換する。PWM変調部36は、3相電圧指令と所定のキャリア周波数の三角波キャリア信号とを比較し、PWM整流器10の主回路部11内の半導体スイッチング素子のスイッチング動作を制御するためのPWM制御信号を生成する。これにより、PWM整流器10の主回路部11においては、内部のスイッチング素子のスイッチング動作がPWM制御信号により制御され、力行動作もしくは回生動作が行われる。
時刻t3にてモータ3の加速をやめて一定速で運転すると、モータ3の駆動に必要なエネルギーはPWM整流器10が出力するエネルギーよりも小さくて済むので、時刻t3からは直流電圧値(蓄電装置6の電位)は上昇に転じる。そして、時刻t4にて直流電圧値は直流電圧指令の値まで戻る。時刻t4から時刻t5までは、直流電圧値は直流電流指令に追従して一定となり、モータ3の一定速運転に必要なエネルギーは全て、PWM整流器10を介して交流電源4側から供給される状態となる。
本発明によれば、モータの加減速時に発生する電力ピークを抑制し、交流電源側の電源設備容量を低減できる、モータ駆動用のPWM整流器を実現することができる。
直流電圧ループ飽和判定部53は、電流指令制限部52が制限値を最終電流指令として設定した場合は、直流電圧ループ制御部51は飽和状態にあると判定し、それ以外の場合は直流電圧ループ制御部51は非飽和状態にあると判定する。直流電圧ループ飽和判定部53の動作の詳細については後述する。
直流電圧指令計算部54は、「直流電圧ループ制御部51は非飽和状態にある」と直流電圧ループ飽和判定部53が判定した場合は、直流電圧指令を維持する。また、直流電圧指令計算部54は、「直流電圧ループ制御部51は飽和状態にある」と直流電圧ループ飽和判定部53が判定した場合は、直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最小値もしくは最大値に所定のオフセットを加えた値に変更する。なお、直流電圧指令計算部54は、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最小値および最大値を抽出する抽出部(図示せず)を有する。直流電圧指令計算部54の動作の詳細については後述する。
また、時刻t2以降は、電流指令制限部52は制限値を最終電流指令として設定するので、直流電圧ループ飽和判定部53は、「直流電圧ループ制御部51は飽和状態にある」と判定する。また、動作状態判定部56は、最終電流指令が正であるので、「主回路部11は力行状態にある」と判定する。したがって、直流電圧ループ飽和判定部53により飽和状態と判定されかつ動作状態判定部56により力行状態と判定されたので、直流電圧指令計算部54は、直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における前記直流電圧値の最小値に所定の正のオフセットを加えた値に変更する。ここで、直流電圧ループ制御部51が飽和状態にありかつPWM整流器1が力行状態にある場合における直流電圧指令計算部54による直流電圧指令の設定について、図3を参照して説明する。図3は、図2における時刻t2前後から時刻t4前後までの「直流電圧指令および直流電圧値」、「直流電圧ループ制御部の状態」を示している。
モータ3が加速して、直流電圧ループ制御部51が飽和状態になりかつPWM整流器1が力行状態にある場合、直流電圧検出部23が検出する直流電圧値(蓄電装置6の電位)は下降する(時刻t2から時刻t3)。一般に、モータ3を一定速で運転するときに必要なエネルギーは、モータ3を加速するときに必要なエネルギーよりも小さい。したがって、モータ3の加速を完了して一定速運転を開始すると(時刻t3)、加速時よりも小さいエネルギーでモータ3を駆動することになるので、PWM整流器1により交流電源4側から取り込まれるエネルギーのうちモータ3の一定速運転に用いられるエネルギーを除いた分のエネルギーが、蓄電装置6に蓄積されることになり、蓄電装置6の電位は上昇に転じる。ここで蓄電装置6の電位が上昇を開始するタイミングt3と、直流電圧ループ飽和判定部53による「直流電圧ループ制御部51は飽和状態にある」との判定から「直流電圧ループ制御部51は非飽和状態にある」との判定に転じるタイミングt4の間に、若干のタイムラグを設ける。すなわち、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最小値Vminに所定の正のオフセットΔ(以下、「加速完了検知レベル」と称する。)を加えた値を、直流電圧指令として用いる。加速完了検知レベルΔは、直流電圧ループ制御部51の飽和状態から非飽和状態への切換えのヒステリシスに相当する値であり、その値はモータ3の駆動に用いられる電圧の仕様等に応じて設定すればよい。
図2に戻ると、時刻t3にてモータ3の加速を完了して一定速運転を開始すると上述のように直流電圧値は上昇に転じ、時刻t4で直流電圧値は直流電圧指令に一致する。直流電圧ループ飽和判定部53は、直流電圧値が直流電圧指令に一致した時点(時刻t4)で、「直流電圧ループ制御部51は非飽和状態にある」と判定する。
時刻t4から時刻t5までのモータ3の一定速運転の間は、蓄電装置6の直流電圧値を直流電圧指令に一致させるように制御されているので、モータ3の一定速運転に必要なエネルギーは全て、PWM整流器1による力行動作を介して交流電源4側から供給される。この間、動作状態判定部56は、電流指令(最終電流指令)が正であるので、主回路部11は力行状態にあると判定する。
時刻t5から時刻t6までの間は、電流指令制限部52は制限値を最終電流指令として設定するので、直流電圧ループ飽和判定部53は、「直流電圧ループ制御部51は飽和状態にある」と判定する。また、動作状態判定部56は、最終電流指令が負であるので、「主回路部11は回生状態にある」と判定する。したがって、時刻t6にてPWM動作停止指令部57は主回路部11によるスイッチング動作の停止を指令する。時刻t6において、PWM動作停止指令部57は主回路部11に対してスイッチング動作の停止指令を出力しているので、PWM整流器1の回生動作は停止し、回生電力に起因する直流電力を交流電源4側へ戻せなくなる。このため、蓄電装置6への直流電力の蓄積が開始され、直流電圧検出部23が検出する直流電圧値(蓄電装置6の電位)は上昇に転じる。
また、時刻t6以降は、電流指令制限部52は制限値を最終電流指令として設定するので、直流電圧ループ飽和判定部53は、「直流電圧ループ制御部51は飽和状態にある」と判定する。また、動作状態判定部56は、最終電流指令が負であるので、「主回路部11は回生状態にある」と判定する。したがって、「直流電圧ループ飽和判定部53が飽和状態にある」と判定されかつ「主回路部11が回生状態にある」と判定されたので、直流電圧指令計算部54は、直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最大値に所定の負のオフセットを加えた値に変更する。ここで、直流電圧ループ制御部51が飽和状態にありかつPWM整流器1が回生状態にある場合における直流電圧指令計算部54による直流電圧指令の設定について、図4を参照して説明する。図4は、図2における時刻t6前後から時刻t8前後までの「直流電圧指令および直流電圧値」、「直流電圧ループ制御部の状態」を示している。
モータ3が減速して、直流電圧ループ制御部51が飽和状態になりかつPWM整流器1が回生状態にある場合、上述のようにPWM動作停止指令部57は主回路部11によるスイッチング動作の停止を指令するので、PWM整流器1の回生動作は停止し、回生電力に起因する直流電力を交流電源4側へ戻せなくなり、直流電圧検出部23が検出する直流電圧値(蓄電装置6の電位)は上昇する(時刻t6から時刻t7)。モータ3の減速を完了してモータ3が停止すると(時刻t7)、モータ3からの回生電力が逆変換器2を介して直流リンクへ供給されなくなり、また、PWM整流器1の内部抵抗等により蓄電装置6に蓄積された直流電力が消費されるので、蓄電装置6の電位は減少に転じる。ここで蓄電装置6の電位が減少に開始するタイミングt7と、直流電圧ループ飽和判定部53による「直流電圧ループ制御部51は飽和状態にある」との判定から「直流電圧ループ制御部51は非飽和状態にある」との判定に転じるタイミングt8の間に、若干のタイムラグを設ける。そこで、直流電圧ループ飽和判定部53による判定の誤検出の防止とモータ3の減速完了の早期検知の調和の観点から、現在までの直流電圧指令に代えて、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最大値Vmaxに所定の負のオフセット−Δ(以下、「減速完了検知レベル」と称する。)を加えた値を、直流電圧指令として新たに用いる。減速完了検知レベル「−Δ」は、直流電圧ループ制御部51の飽和状態から非飽和状態への切換えのヒステリシスに相当する値であり、その値はモータ3の駆動に用いられる電圧の仕様等に応じて設定すればよい。
図2に戻ると、時刻t7にてモータ3の減速を完了してモータ3が停止すると、PWM整流器1の内部抵抗等により蓄電装置6に蓄積された直流電力が消費されるので、直流電圧値は下降に転じ、時刻t8で直流電圧値は直流電圧指令に一致する。直流電圧ループ飽和判定部53は、直流電圧値が直流電圧指令に一致した時点(時刻t8)で、「直流電圧ループ制御部51は非飽和状態にある」と判定する。
時刻t8にて直流電圧値が直流電圧指令に一致した以降は、PWM動作停止指令部57は、主回路部11によるスイッチング動作の停止を解除する解除指令を主回路部11に対して出力し、時刻t0から時刻t1までのモータ停止状態の場合と同じように、PWM整流器1の内部抵抗等により蓄電装置6に蓄積されたエネルギーの消費を補うだけの直流電力がPWM整流器1から出力されるよう、PWM制御信号生成部55は、PWM整流器1により力行動作が行われるようなPWM制御信号を生成し、主回路部11へ出力する。これにより、直流電圧値は直流電圧指令に維持される。
また、本発明の第1の実施例によれば、直流電圧ループ飽和判定部53により飽和状態と判定されかつ動作状態判定部56により回生状態と判定されたときに、PWM動作停止指令部57は主回路部11に対してスイッチング動作の停止指令を出力するので(図2および図4の時刻t6)、PWM整流器1の回生動作が停止し、回生電力に起因する直流電力を交流電源4側へ戻さずに蓄電装置6へ蓄積するので、この蓄積されたエネルギーをモータ3の次回の加速に利用することができ、効率の良い運転が実現可能である。
時刻t0から時刻t1までのモータ3の一定速運転の間は、第1の実施例における時刻t4から時刻t5の場合と同様に、蓄電装置6の直流電圧値を直流電圧指令に一致させるように制御されているので、モータ3の一定速運転に必要なエネルギーは全て、PWM整流器1による力行動作を介して交流電源4側から供給される。この間、動作状態判定部56は、電流指令(最終電流指令)が正であるので、主回路部11は力行状態にあると判定する。また、一定速運転時は加速時よりも小さいエネルギーでモータ3を駆動することになるので、PWM整流器1の直流出力が制限値を超えることはなく、したがって、直流電圧ループ飽和判定部53は、「直流電圧ループ制御部51は非飽和状態にある」と判定する。
時刻t1から時刻t2までの間は、第1の実施例における時刻t5から時刻t6の場合と同様に、電流指令制限部52は制限値を最終電流指令として設定するので、直流電圧ループ飽和判定部53は、「直流電圧ループ制御部51は飽和状態にある」と判定する。また、動作状態判定部56は、最終電流指令が負であるので、「主回路部11は回生状態にある」と判定する。したがって、時刻t2にてPWM動作停止指令部57は主回路部11によるスイッチング動作の停止を指令する。時刻t2において、PWM動作停止指令部57は主回路部11に対してスイッチング動作の停止指令を出力しているので、PWM整流器1の回生動作は停止し、回生電力に起因する直流電力を交流電源4側へ戻せなくなる。このため、蓄電装置6への直流電力の蓄積が開始され、直流電圧検出部23が検出する直流電圧値(蓄電装置6の電位)は上昇に転じる。
また、時刻t2以降は、電流指令制限部52は制限値を最終電流指令として設定するので、直流電圧ループ飽和判定部53は、「直流電圧ループ制御部51は飽和状態にある」と判定する。また、動作状態判定部56は、最終電流指令が負であるので、「主回路部11は回生状態にある」と判定する。したがって、「直流電圧ループ飽和判定部53が飽和状態にある」と判定されかつ「主回路部11が回生状態にある」と判定されたので、直流電圧指令計算部54は、直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における直流電圧値の最大値に所定の負のオフセットを加えた値に変更する。
時刻t4にて直流電圧値が直流電圧指令に一致したとき、直流電圧ループ飽和判定部53は、「直流電圧ループ制御部51が非飽和状態となった」と判定する。以後、PWM動作停止指令部57は、主回路部11によるスイッチング動作の停止を解除する解除指令を主回路部11に対して出力し、PWM整流器1の内部抵抗等により蓄電装置6に蓄積されたエネルギーの消費を補うだけの直流電力がPWM整流器1から出力されるよう、PWM制御信号生成部55は、PWM整流器1により力行動作が行われるようなPWM制御信号を生成し、主回路部11へ出力する。これにより、直流電圧値は直流電圧指令に維持される。
Claims (8)
- 直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力との間で電力変換を行う逆変換器の直流側に、直流電力を蓄積し得る蓄電装置を介して接続されるPWM整流器であって、
受信したPWM制御信号に基づきスイッチング素子のスイッチング動作がPWM制御されて交流電源側の交流電力と直流側の直流電力との間で電力変換を行う主回路部と、
前記主回路部の直流側の直流電圧値を、受信した直流電圧指令に一致させる電流指令を生成する直流電圧ループ制御部と、
前記電流指令の絶対値が所定の制限値を超えた場合は前記制限値を、それ以外の場合は前記電流指令を、最終電流指令として設定する電流指令制限部と、
前記電流指令制限部が前記制限値を前記最終電流指令として設定した場合は前記直流電圧ループ制御部は飽和状態にあると判定し、それ以外の場合は非飽和状態にあると判定する直流電圧ループ飽和判定部と、
前記直流電圧ループ飽和判定部が非飽和状態と判定した場合は、前記直流電圧指令を維持し、前記直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定した場合は、前記直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における前記直流電圧値の最小値もしくは最大値に所定のオフセットを加えた値に変更する直流電圧指令計算部と、
前記最終電流指令を用いて前記PWM制御信号を生成して前記主回路部へ出力するPWM制御信号生成部と、
を備えることを特徴とするPWM整流器。 - 前記最終電流指令が正の場合は前記主回路部は力行状態にあると判定し、前記最終電流指令が負の場合は前記主回路部は回生状態にあると判定する動作状態判定部を備え、
前記直流電圧指令計算部は、前記直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定しかつ前記動作状態判定部が力行状態と判定した場合に、前記直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における前記直流電圧値の最小値に所定の正のオフセットを加えた値に変更する請求項1に記載のPWM整流器。 - 前記最終電流指令が正の場合は前記主回路部は力行状態にあると判定し、前記最終電流指令が負の場合は前記主回路部は回生状態にあると判定する動作状態判定部と、
前記直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定しかつ前記動作状態判定部が回生状態と判定した場合に、前記主回路部によるスイッチング動作の停止を指令するPWM動作停止指令部と、を備え、
前記直流電圧指令計算部は、前記直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定しかつ前記動作状態判定部が回生状態と判定した場合に、前記直流電圧指令を、非飽和状態から飽和状態への遷移後における前記直流電圧値の最大値に所定の負のオフセットを加えた値に変更する請求項1または2に記載のPWM整流器。 - 前記PWM動作停止指令部は、前記直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定しかつ前記動作状態判定部が回生状態と判定した場合において、さらに前記直流電圧値が所定の値を超えた場合は、前記主回路部によるスイッチング動作の停止を解除する請求項3に記載のPWM整流器。
- 前記電流指令制限部は、前記直流電圧値が第1の閾値を超えた場合もしくは前記第1の閾値よりも小さい第2の閾値を下回った場合は、前記制限値をより大きい値の制限値に変更し、前記より大きな値の制限値への変更後に前記直流電圧値が前記第1の閾値と前記第2の閾値との間の範囲に収まった場合は、前記の変更前の制限値に戻す制限値変更部を有する請求項2〜4のいずれか一項に記載のPWM整流器。
- 前記直流電圧指令計算部は、上位制御装置から入力された初期化指令に応じて、前記直流電圧ループ飽和判定部が飽和状態と判定した際に変更した前記直流電圧指令を、前記の変更前の直流電圧指令に設定し戻す請求項1に記載のPWM整流器。
- 前記の変更前の直流電圧指令は、前記PWM整流器を構成する部品が有する連続定格値よりも大きくかつ短時間定格値よりも小さい値に設定される請求項6に記載のPWM整流器。
- 前記直流電圧指令計算部は、非飽和状態から飽和状態への遷移後における前記直流電圧値の最小値および最大値を抽出する抽出部を有する請求項1〜7のいずれか一項に記載のPWM整流器。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014164340A JP5887389B1 (ja) | 2014-08-12 | 2014-08-12 | 蓄電装置に接続されるモータ駆動用のpwm整流器 |
DE102015112830.6A DE102015112830B4 (de) | 2014-08-12 | 2015-08-05 | An eine elektrische Speichervorrichtung angeschlossener PWM- Gleichrichter für einen Motorantrieb |
US14/821,895 US9602039B2 (en) | 2014-08-12 | 2015-08-10 | PWM rectifier for motor drive connected to electric storage device |
CN201510490525.2A CN105375797B (zh) | 2014-08-12 | 2015-08-11 | Pwm整流器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014164340A JP5887389B1 (ja) | 2014-08-12 | 2014-08-12 | 蓄電装置に接続されるモータ駆動用のpwm整流器 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP5887389B1 JP5887389B1 (ja) | 2016-03-16 |
JP2016040972A true JP2016040972A (ja) | 2016-03-24 |
Family
ID=55235095
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014164340A Active JP5887389B1 (ja) | 2014-08-12 | 2014-08-12 | 蓄電装置に接続されるモータ駆動用のpwm整流器 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US9602039B2 (ja) |
JP (1) | JP5887389B1 (ja) |
CN (1) | CN105375797B (ja) |
DE (1) | DE102015112830B4 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2022014554A (ja) * | 2020-07-07 | 2022-01-20 | 東芝三菱電機産業システム株式会社 | 電力変換装置 |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10800262B2 (en) * | 2018-05-18 | 2020-10-13 | Deere & Company | Methods and systems for controlling a DC bus voltage from a three-phase voltage source |
JP7359673B2 (ja) * | 2019-12-09 | 2023-10-11 | ファナック株式会社 | 電源回生機能を有する整流器及びモータ駆動装置 |
CN112789801B (zh) * | 2020-12-30 | 2023-04-04 | 日立电梯(中国)有限公司 | 母线电压控制方法、装置、电梯控制器和存储介质 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000236679A (ja) * | 1999-02-16 | 2000-08-29 | Fuji Electric Co Ltd | 電動機制御用電力変換装置の制御方法 |
JP2009136058A (ja) * | 2007-11-29 | 2009-06-18 | Aida Eng Ltd | モータ駆動装置の制御方法および装置 |
JP2010260094A (ja) * | 2009-05-11 | 2010-11-18 | Aida Eng Ltd | サーボプレス装置の制御方法および装置 |
JP2012085512A (ja) * | 2010-09-16 | 2012-04-26 | Fanuc Ltd | 蓄電器を用いたモータ駆動装置 |
JP2013070565A (ja) * | 2011-09-26 | 2013-04-18 | Denso Wave Inc | ロボットシステム |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002330554A (ja) * | 2001-04-27 | 2002-11-15 | Kobelco Contstruction Machinery Ltd | ハイブリッド車両の電力制御装置および当該電力制御装置を備えたハイブリッド建設機械 |
US7102305B2 (en) * | 2003-05-22 | 2006-09-05 | Toyoda Koki Kabushiki Kaisha | Apparatus and method for controlling motor |
JP4390843B2 (ja) | 2007-10-05 | 2009-12-24 | ファナック株式会社 | モータ駆動装置 |
KR101372533B1 (ko) * | 2007-11-20 | 2014-03-11 | 엘지전자 주식회사 | 전동기 제어장치 |
WO2010137127A1 (ja) * | 2009-05-27 | 2010-12-02 | トヨタ自動車株式会社 | 電圧変換装置の制御装置およびそれを搭載した車両、電圧変換装置の制御方法 |
JP5670505B2 (ja) * | 2013-04-15 | 2015-02-18 | ファナック株式会社 | 停電判定手段を有するモータ制御装置 |
-
2014
- 2014-08-12 JP JP2014164340A patent/JP5887389B1/ja active Active
-
2015
- 2015-08-05 DE DE102015112830.6A patent/DE102015112830B4/de active Active
- 2015-08-10 US US14/821,895 patent/US9602039B2/en active Active
- 2015-08-11 CN CN201510490525.2A patent/CN105375797B/zh active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000236679A (ja) * | 1999-02-16 | 2000-08-29 | Fuji Electric Co Ltd | 電動機制御用電力変換装置の制御方法 |
JP2009136058A (ja) * | 2007-11-29 | 2009-06-18 | Aida Eng Ltd | モータ駆動装置の制御方法および装置 |
JP2010260094A (ja) * | 2009-05-11 | 2010-11-18 | Aida Eng Ltd | サーボプレス装置の制御方法および装置 |
JP2012085512A (ja) * | 2010-09-16 | 2012-04-26 | Fanuc Ltd | 蓄電器を用いたモータ駆動装置 |
JP2013070565A (ja) * | 2011-09-26 | 2013-04-18 | Denso Wave Inc | ロボットシステム |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2022014554A (ja) * | 2020-07-07 | 2022-01-20 | 東芝三菱電機産業システム株式会社 | 電力変換装置 |
JP7278996B2 (ja) | 2020-07-07 | 2023-05-22 | 東芝三菱電機産業システム株式会社 | 電力変換装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN105375797B (zh) | 2017-04-26 |
US20160049895A1 (en) | 2016-02-18 |
DE102015112830B4 (de) | 2017-09-21 |
DE102015112830A1 (de) | 2016-02-18 |
US9602039B2 (en) | 2017-03-21 |
CN105375797A (zh) | 2016-03-02 |
JP5887389B1 (ja) | 2016-03-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4021431B2 (ja) | コンバータ装置、インバータ装置及びdcリンク電圧の制御方法 | |
CN105531922B (zh) | 用于在可调速驱动中控制再生能量的***以及方法 | |
JP5954313B2 (ja) | モータ制御システム、制御装置及び制御方法 | |
US10749344B2 (en) | Motor drive system including power storage device | |
US20130193897A1 (en) | Motor drive pwm rectifier having modulation scheme selector | |
JP6426775B2 (ja) | モータ駆動装置 | |
JP5887389B1 (ja) | 蓄電装置に接続されるモータ駆動用のpwm整流器 | |
JPWO2008152761A1 (ja) | モータ駆動装置、モータ装置、および集積回路装置 | |
US10965151B2 (en) | Motor drive system including power storage device | |
CN108574446B (zh) | 伺服电动机控制装置以及伺服电动机控制*** | |
JP2019075863A (ja) | 複数巻線バッファ用サーボモータを有するモータ駆動システム | |
CN109039165B (zh) | 具有蓄电装置的异常检测部的电动机驱动*** | |
CN110086379B (zh) | 具有蓄电装置的电动机驱动*** | |
JP5480054B2 (ja) | 電力変換器制御装置とその制御方法 | |
EP3083468B1 (en) | Pwm strategy for regenerative multilevel drive | |
JP2017158239A (ja) | トルク指令制限部を有するモータ制御装置 | |
JP7111557B2 (ja) | 蓄電装置を有するモータ駆動システム | |
CN110829471A (zh) | 电动机驱动*** | |
JP6616199B2 (ja) | モータの減速用速度変化率を変更する手段を有するモータ制御装置 | |
JP5272333B2 (ja) | モータ駆動装置およびモータ装置 | |
JP6450507B2 (ja) | 電気ブレーキユニット | |
JP5313493B2 (ja) | モータ駆動装置 | |
JP2016052142A (ja) | モータ制御装置 | |
WO2018127960A1 (ja) | 電力変換装置 | |
JP2014068500A (ja) | 電動機制御装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20160119 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20160215 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5887389 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |