JP2016137577A - 電動射出成形機の電力供給装置の制御方法および電力供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＷＭコンバータを備えた電動射出成形機の電力供給装置において、エネルギ損失が小さく、短期間に大容量の電力を供給できる制御方法を提供する。【解決手段】外部の三相交流電圧（ＰＷ）を直流電圧（Ｐ、Ｎ）に変換して電動射出成形機に供給する電力供給装置（１）をＰＷＭコンバータ（２）から構成する。ＰＷＭコンバータ（２）をＰＷＭ制御により制御するとき、大電力を必要とする射出工程においてＰＷＭ信号のキャリア周波数を高くし、他の工程においてはキャリア周波数を低くする。射出工程においてキャリア周波数が高いので効率よく直流電圧に変換でき安定して電力を供給できる。一方、他の工程ではキャリア周波数が小さいのでＰＷＭコンバータ（２）のスイッチング損失を抑制できる。【選択図】 図２

Description

本発明は、電動射出成形機のサーボアンプに電力を供給する電力供給装置の制御方法および電力供給装置に関するものである。

射出成形機は従来周知のように一対の金型、これらの金型を型締する型締装置、樹脂を溶融して金型内に射出する射出装置等から構成され、射出装置は射出シリンダ、この射出シリンダ内で回転方向と軸方向とに駆動されるスクリュ、プランジャ等から構成されている。電動射出成形機においては、これらの装置はサーボモータによって駆動され、サーボモータは所定のインバータつまりサーボアンプから供給される三相交流電圧で駆動される。電動射出成形機にはこのようなサーボアンプに直流電圧を供給するために、外部から供給される商用の三相交流電圧を直流電圧に変換する電力供給装置を備えている。電力供給装置は、力率が１近傍になるように制御することができ、そしてサーボモータから回生された電力を外部の三相交流電圧に回生することができるＰＷＭコンバータから構成されることが比較的多い。そしてＰＷＭコンバータの入力側の三相交流電圧線にはリアクトルが設けられ、電流が制御されると共に所望の電圧に昇圧された直流電圧が得られるようになっている。

特開２００９−２４１２８７号公報

本発明と直接関係はないが、特許文献１には電動射出成形機の電力供給装置が記載され、この電力供給装置はＰＷＭコンバータからなる交流直流変換器と電力貯蔵装置とから構成されている。そして電力貯蔵装置において直流電圧の電力を貯蔵したり貯蔵した電力を直流電圧として供給できるようになっている。従ってこの文献によると、成形サイクルの各工程のうち消費電力が小さい工程において電力を貯蔵して、高出力が要求される射出工程において貯蔵された電力を供給することができ、それによって商用の三相交流電源から供給される最大電力を低減できるという効果が得られる。つまり成形サイクルの各工程で必要な電力を平滑化して外部から供給される最大電力を低減することができる。

これも本発明と直接関係はないが、モータに三相交流電圧を供給するインバータをいわゆるＰＷＭ制御によって制御するときに、ＰＷＭのキャリア周波数を可変にする制御方法が周知である。ＰＷＭ制御によってインバータを駆動して三相交流電圧を生成するとき、キャリア周波数が小さいとインバータから発生する電磁ノイズは小さい。しかしながら生成される三相交流電圧の波形は正弦波からのずれが大きくなり、駆動されるモータから騒音が発生し易いという問題がある。一方キャリア周波数を大きくすると三相交流電圧の波形が整ってモータの騒音は低減するが、電磁ノイズが発生し易くなる。モータの適用分野によって、許容される騒音や電磁ノイズは相違している。そこで、ＰＷＭのキャリア周波数を可変にする制御方法が適用される。つまりインバータを制御するＰＷＭ制御においてキャリア周波数を調整し、それによってモータの騒音および電磁ノイズを所望の許容範囲に調整することができる。

ＰＷＭコンバータは、ＩＧＢＴからなるスイッチ素子が複数個設けられ、これらをスイッチングすることによって商用の三相交流電圧を直流電圧に変換したり、直流電圧を三相交流電圧に回生するようになっている。ＰＷＭコンバータはいわゆるＰＷＭ制御によって制御している。ＰＷＭ制御は、各スイッチ素子をＯＮ／ＯＦＦするＰＷＭ信号において、ＯＮ時間つまりパルス幅を変化させる制御方法であり、これによって電流を制御することができる。ＰＷＭ信号においてパルス幅を精度良く変化させると正弦波の三相交流電圧を安定した電圧の直流電圧に変換することができるが、ＰＷＭ信号の時間分解能はキャリア周波数に依存している。パルス幅の更新周期はキャリア周波数の逆数で与えられ、パルス幅は更新周期を最大として変化する。キャリア周波数が高いと、更新周期が短くなるので、パルス幅を滑らかに変化させて感度良く三相交流電圧から直流電圧に変換することができるが、キャリア周波数が低いと、更新周期が長くなってパルス幅の変化が粗くなるので、感度が鈍くなって直流電圧は若干乱れて品質が低下する。特に電圧を昇圧できるＰＷＭコンバータの場合には、直流電圧の供給の安定性の違いは大きい。安定的な直流電圧の供給という点に関しては、キャリア周波数は高い方が有利である。

ところでＰＷＭコンバータをＰＷＭ制御するとき、色々な要因で損失が発生する。まずスイッチ素子における損失がある。この損失には飽和損失とスイッチング損失とがある。飽和損失は、スイッチ素子がＯＮされて安定し完全に通電状態つまり飽和状態に達したときの損失であり、スイッチ素子において発生する電圧とスイッチ素子を流れる電流の積で与えられる。一方スイッチング損失はスイッチ素子をスイッチした瞬間の過渡状態において発生する損失である。このスイッチング損失は、便宜的に、スイッチ素子電圧とスイッチ素子通電電流とスイッチング時間とキャリア周波数の積で算出することができる。つまりキャリア周波数に影響する。ＰＷＭコンバータにおいてはリアクトルの損失もある。この損失には巻線抵抗によるいわゆる銅損と、鉄芯において発生する鉄損とがある。鉄損は磁気ヒステリシス等の磁気的な原因に起因する損失であり電圧が一定であれば周波数によって増減する。このようにＰＷＭコンバータにおいては、色々な損失が発生するが、ＰＷＭ制御のキャリア周波数によって変化するのはスイッチング損失ということができる。キャリア周波数が大きいと、スイッチング損失が増大してしまうので、ＰＷＭコンバータの損失という点に関してはキャリア周波数は低い方が有利である。そうするとキャリア周波数は、電力の変換の効率とスイッチング損失とを考慮して決定する必要がある。

近年、電動射出成形機は高性能化の要求が強く、射出速度および射出圧力が高いものが要求されてきている。このような高性能の電動射出成形機は消費電力が大きい。成形サイクルの中では、特に射出工程において短時間に大電力を必要とするが、この大電力に対応できるように電動射出成形機の電力供給装置は大容量のものが必要になっている。特許文献１に記載の射出成形機の電力供給装置は、電力貯蔵装置を備えることによって短時間で大容量の電力を供給することができるようになっており、この問題を解決していると言える。しかしながら、電力供給装置の制御方法に関してもさらなる改善の余地はあると思われる。本発明は、短期間に大容量の電力を必要とする電動射出成形機において、商用の三相交流電圧を直流電圧に変換するＰＷＭコンバータを備えた電力供給装置を制御するとき、電力変換の効率を向上させると共に損失をできるだけ低下させることができる制御方法、およびそのような電力供給装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、外部の三相交流電圧を直流電圧に変換して電動射出成形機に供給するＰＷＭコンバータからなる電力供給装置の制御方法であって、前記ＰＷＭコンバータをＰＷＭ制御するとき、ＰＷＭ信号のキャリア周波数を、前記電動射出成形機における成形サイクルの工程に応じて変化させることを特徴とする電動射出成形機の電力供給装置の制御方法として構成される。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の制御方法において、前記キャリア周波数は、射出工程において高くし、他の成形サイクルにおいて低くすることを特徴とする電動射出成形機の電力供給装置の制御方法として構成される。
請求項３に記載の発明は、外部の三相交流電圧を直流電圧に変換して電動射出成形機に供給するＰＷＭコンバータからなる電力供給装置であって、前記電力供給装置は、前記電動射出成形機の成形サイクルの工程に応じてＰＷＭ信号のキャリア周波数が変化するようになっていることを特徴とする電動射出成形機の電力供給装置として構成される。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の電力供給装置において、前記キャリア周波数は、射出工程において高く、他の成形サイクルにおいて低くなることを特徴とする電動射出成形機の電力供給装置として構成される。

本発明は、外部の三相交流電圧を直流電圧に変換して電動射出成形機に供給するＰＷＭコンバータからなる電力供給装置の制御方法として構成されている。そしてこの制御において、ＰＷＭコンバータをＰＷＭ制御するとき、ＰＷＭ信号のキャリア周波数を、電動射出成形機における成形サイクルの工程に応じて変化させるようになっている。そうすると、消費電力が小さい工程ではキャリア周波数を低くし、消費電力が大きい工程ではキャリア周波数を高くして運転することができる。これによって消費電力が小さい工程ではＰＷＭコンバータにおけるスイッチング損失を抑制することができ、消費電力が大きい工程では、安定的に外部の三相交流電圧を直流電圧に変換することができる。なお、消費電力が小さい工程においては、キャリア周波数を低下させることによって電力の供給においては若干安定性が低下するが、ＰＷＭコンバータが供給する直流電圧は小さい消費電力に比して十分に足りているので問題はほとんない。そして消費電力が大きい工程においては、キャリア周波数を高くすることによって一時的にスイッチング損失は増加するが、安定的に直流電圧を変換できるメリットの方が大きいので問題はない。他の発明によると、キャリア周波数は、射出工程において高くし、他の成形サイクルにおいて低くするように構成されている。つまり、成形サイクルのうち最も消費電力が大きい射出工程においてキャリア周波数を高くして直流電圧を安定的に供給できるようになり、他の工程ではスイッチング損失を抑制できる。

本実施の形態に係る電力供給装置を示す図で、その（ア）は電力供給装置と、これから直流電圧の供給を受ける射出成形機の各サーボアンプを模式的に説明する配線図、その（イ）は電力供給装置を構成しているＰＷＭコンバータを示す回路図である。 本実施の形態に係る電力供給装置の制御方法を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を説明する。本実施の形態に係る電動射出成形機の電力供給装置１は図１の（ア）に示されているが、この電力供給装置１も従来と同様にＰＷＭコンバータ２を備えている。電力供給装置１は、外部の商用電源ＰＷから供給される三相交流電圧を直流電圧に変換する。そして、必要に応じて回生電力を直流電圧から三相交流電圧に回生するようになっている。電力供給装置１によって変換された直流電圧は直流電圧線Ｐ、Ｎによって各サーボアンプＳＡ１、ＳＡ２、ＳＡ３、…に供給される。サーボアンプＳＡ１、ＳＡ２、ＳＡ３、…は直流電圧を三相交流電圧に変換し、サーボモータＳＭ１、ＳＭ２、ＳＭ３、…を駆動する。サーボモータＳＭ１、ＳＭ２、ＳＭ３、…は、スクリュを軸方向に駆動する射出軸、スクリュを回転方向に駆動する可塑化軸、型開閉軸、…であるが、射出軸のサーボモータＳＭ１は強力な射出力が得られるように他のサーボモータに比して大型のモータから構成されている。従って、このサーボモータＳＭ１に対応しているサーボアンプＳＡ１も大容量の三相交流電圧を生成できるインバータから構成されている。

本実施の形態に係るＰＷＭコンバータ２は、図１の（イ）に示されているように従来のＰＷＭコンバータと同様に構成されている。まず主要部は６個のダイオード１１、１２、…と、６個のＩＧＢＴと呼ばれるパワートランジスタ２１、２２、…とから構成されている。これらのダイオード１１、１２、…は、従来と同様に極性を一方向に揃えられて２個ずつ直列になるように、直流電圧線Ｐと負の直流電圧線Ｎに接続されている。つまり正負の直流電圧線Ｐ、Ｎ間には３列が並行に接続され、それぞれの列には２個のダイオード１１、１２、…が直列に接続されている。外部の電源ＰＷからの３本の交流電線は、それぞれの列の、２個のダイオード１１、１２、…の間に接続されている。そして、トランジスタ２１、２２、…は、それぞれのダイオード１１、１２、…に対して並列に接続され、トランジスタ２１、２２、…を作動すると、ダイオード１１、１２、…と逆方向に電流を流せるようになっている。従って、従来のＰＷＭコンバータと同様にこれらのトランジスタ２１、２２、…をスイッチングして三相交流電圧を直流電圧に変換することができ、直流電圧線ＰＮから戻ってくる回生電力を外部電源ＰＷに回生することができる。このような正負の直流電圧線Ｐ、Ｎ間には、従来と同様に１個のコンデンサ３０も接続されており、直流電圧が平滑化されるようになっている。本実施の形態においては、ＰＷＭコンバータ２は、入力側すなわち三相交流電線にそれぞれリアクトル３１、３２、３３を備えている。これらのリアクトル３１、３２、３３によって、トランジスタ２１、２２、…を適切にスイッチングすると、三相交流電圧を所定の電圧に昇圧して直流電圧に変換することができる。

このように本実施の形態に係る電力供給装置１は従来の電力供給装置と同様に構成されている。電力供給装置１はＰＷＭコンバータ２から構成されているので、従来と同様にＰＷＭ制御を実施する。ＰＷＭ制御は周知のように、各トランジスタ２１、２２、…をスイッチングするときに、ＯＮ時間の長さ、つまりパルス幅を変化させるようにする。本発明は、このＰＷＭ制御の制御方法に特徴がある。

ＰＷＭ制御においては、各トランジスタ２１、２２、…をスイッチングするＰＷＭ信号は、パルス状のＯＮ／ＯＦＦの信号から構成されている。このＰＷＭ信号における各パルス幅は、所定の単位時間の整数倍になっている。この単位時間、すなわちパルス幅の更新周期は、ＰＷＭ信号を生成するＣＰＵの発振周波数、つまりキャリア周波数によって決定される。例えばキャリア周波数が４ｋＨｚの場合には、パルス幅の更新周期は０．０００２５秒になり、パルス幅はこの周期を最大として周期毎に変更されることになる。本発明の実施の形態に係る制御方法は、電動射出成形機の成形サイクルの工程に応じて、このようなキャリア周波数を変更する。そして変更されたキャリア周波数に基づいてＰＷＭ信号を生成し、ＰＷＭコンバータを制御する。ところで成形サイクルは、射出材料を計量する計量工程、金型を型閉じして型締めする型閉工程、射出材料を型締めされた金型に射出する射出工程、射出材料の冷却固化を待って型開する型開工程、成形品を突き出す突出工程からなる。これらの各工程は、図２のグラフに示されている順番で実施されており、射出工程が最大の電力を消費し、他の工程は射出工程に比して消費される電力は少なくて済む。本実施の形態に係る電動射出成形機では、電動射出成形機を制御するコントローラ３が電力供給装置１に現在実施中の工程を通知する。すなわち工程情報を通知する。電力供給装置１は工程情報を元にしてＰＷＭ信号のキャリア周波数を変化させる。具体的には、射出工程においてはＰＷＭ信号のキャリア周波数を８ｋＨｚにし、他の工程においてはキャリア周波数を４ｋＨｚに変化させて、ＰＷＭコンバータ２をＰＷＭ制御する。このようにＰＷＭコンバータ２を制御するので、大電力が必要になるときにキャリア周波数が高くなり、商用電源ＰＷの三相交流電圧の直流電圧への安定供給が可能となる。つまり効率よく直流電圧に変換することができ直流電圧の低下を防止できる。そして他の工程において、キャリア周波数が低くなるので必然的にトランジスタ２１、２２、…のＯＮ／ＯＦＦの頻度が低下する。これによってトランジスタ２１、２２、…におけるスイッチング損失を小さくすることができる。

本発明の実施の形態に係る制御方法は色々な変形が可能である。例えば、キャリア周波数は４ｋＨｚと８ｋＨｚの２種類だけで変化させるように説明したが、３種類、あるいはそれ以上に変化させるようにしてもよい。また、キャリア周波数は、射出工程のときだけ高くするようにしたが、射出工程に先立って早めに高くするようにし、射出工程が終了後も所定時間だけ高いキャリア周波数で維持するようにしてもよい。また、他の工程においても大電力が必要な工程があればキャリア周波数を高くすることができる。さらに他の変形も可能である。本実施の形態においては、コントローラ３が電力供給装置１に通知するのは工程情報であり、電力供給装置１側で工程情報を元にキャリア周波数を変化させるようになっているが、コントローラ３側で工程情報に基づいてキャリア周波数を決定し、電力供給装置１に通知するのはコントローラ３が決定したキャリア周波数であってもよい。

１ 電力供給装置
２ ＰＷＭコンバータ
３ コントローラ
１１、１２、… ダイオード
２１、２２、… トランジスタ
３０ コンデンサ
ＰＷ 商用電源
Ｐ 正の直流電圧線
Ｎ 負の直流電圧線

Claims (4)

1. 外部の三相交流電圧を直流電圧に変換して電動射出成形機に供給するＰＷＭコンバータからなる電力供給装置の制御方法であって、
   前記ＰＷＭコンバータをＰＷＭ制御するとき、ＰＷＭ信号のキャリア周波数を、前記電動射出成形機における成形サイクルの工程に応じて変化させることを特徴とする電動射出成形機の電力供給装置の制御方法。
2. 請求項１に記載の制御方法において、前記キャリア周波数は、射出工程において高くし、他の成形サイクルにおいて低くすることを特徴とする電動射出成形機の電力供給装置の制御方法。
3. 外部の三相交流電圧を直流電圧に変換して電動射出成形機に供給するＰＷＭコンバータからなる電力供給装置であって、
   前記電力供給装置は、前記電動射出成形機の成形サイクルの工程に応じてＰＷＭ信号のキャリア周波数が変化するようになっていることを特徴とする電動射出成形機の電力供給装置。
4. 請求項３に記載の電力供給装置において、前記キャリア周波数は、射出工程において高く、他の成形サイクルにおいて低くなることを特徴とする電動射出成形機の電力供給装置。

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