JP3919204B1

JP3919204B1 - モータ負荷の給電装置

Info

Publication number: JP3919204B1
Application number: JP2006351201A
Authority: JP
Inventors: 孝雄六藤
Original assignee: 株式会社パワーシステム
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2026-12-27
Also published as: JP2008167517A

Abstract

【課題】主電源に併設した蓄電装置からのピークカット電力の供給、回生電力による充電を効率よく行えるようにする。
【解決手段】主電源１にキャパシタ蓄電装置３を並列に接続して起動停止を繰り返し所定のパターンで加速−減速するモータ負荷５に給電するモータ負荷の給電装置であって、所定のパターンで加速−減速する負荷電流のパターン信号が与えられ、負荷電流のパターン信号を目標値として電流を制御して負荷に給電する電流制御電源１と、電流制御電源に並列接続されるキャパシタ蓄電装置３と、キャパシタ蓄電装置３の充電電圧が電圧基準値以下のとき電流基準値に基づきキャパシタ蓄電装置３を定電流充電する充電装置２とを備えると共に、電流制御電源１は、電流を制限基準値以下に制限する機能を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主電源の電流制御電源にキャパシタ蓄電装置を並列に接続して、起動停止を繰り返し行い所定のパターンで加速−減速するモータ負荷に給電するモータ負荷の給電装置であって、特に、搬送機械、プレス、クレーン等でモータの起動停止を繰り返す負荷に給電するモータ負荷の給電装置に関する。

交流電源を整流回路で整流して直流に変換してこの直流出力回路に蓄電装置を接続し、そして変換装置（インバータ装置）で直流を交流に変換して負荷に交流電力を供給（又は制御）する制御方式の事例は多く見られる。このような制御方式を採用した電力貯蔵システムとして、例えば、交流電源を直流に変換して蓄電手段である電池に充電し、必要に応じてこの電力を変換装置で交流に変換し負荷に電力を供給するシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このシステムでは、電池の充放電制御のために電池の蓄電状態が検出され、必要な時に充放電される。
特開２００４−７２８１３号公報

しかし、上記従来のシステムでは、電力貯蔵する蓄電装置を備えこれに蓄えた電力を整流装置と変換装置で相互に融通することで契約電力の低減を図ることが狙いであるために、整流装置、蓄電装置および変換装置の制御上での連携はされることなく、充放電を独立して行なうことができるシステムとなっている。

また、蓄電装置として過渡応答に優れたキャパシタを用いる場合には、負荷に電力を供給した後の整流装置からの再充電時に過大な電流がキャパシタに流れないように整流装置には電流を制限する機能を持つことが一般的である。しかし、この電流制限機能を有する整流装置は、変換装置に直流電力を供給すると共に蓄電装置を充電し充電装置として作用しているため、変換装置から出力する場合の入力電力は、整流装置と蓄電装置の両方から内部抵抗で決まる分担比率で供給されて、ピーク負荷に関係なく電力を供給することになる。そうすると、蓄電装置は、通常負荷に対しても常時放電するので、消費電力をピークカットする場合、これに備えて蓄電装置の蓄電容量を大きくしなければならない。また、回生負荷がある場合には、回生電力を蓄電する前に整流装置から商用電源で充電されるため、回生電力を吸収すると、蓄電装置の電圧が許容値を超えてしまい、回生電力を制限しなければならなくなる。

本発明は、上記課題を解決するものであって、主電源に併設した蓄電装置からのピークカット電力の供給、回生電力による充電を効率よく行えるようにするものである。

そのために本発明は、主電源の電流制御電源にキャパシタ蓄電装置を並列に接続して起動停止を繰り返し行い所定のパターンで加速−減速するモータ負荷に給電するモータ負荷の給電装置であって、前記所定のパターンで加速−減速する負荷電流のパターン信号が与えられ、前記負荷電流のパターン信号を目標値として電流を制御して負荷に給電する電流制御電源と、前記電流制御電源に並列接続されるキャパシタ蓄電装置と、前記キャパシタ蓄電装置の充電電圧が電圧基準値以下のとき電流基準値に基づき前記キャパシタ蓄電装置を定電流充電する充電装置とを備えると共に、前記電流制御電源は、電流を制限基準値以下に制限する機能を有することを特徴とする。

前記電流制御電源は、制御整流素子からなり交流電源に接続される整流回路と、前記整流回路の出力を平滑する平滑回路と、前記整流回路の出力電流を検出する電流検出回路と、前記電流検出回路により検出された出力電流を前記負荷電流のパターン信号及び前記制限基準値と比較して前記制御整流素子を制御する制御回路からなり、前記充電装置は、制御整流素子からなり交流電源に接続される整流回路と、前記整流回路の出力を平滑する平滑回路と、前記整流回路の出力電流を検出する電流検出回路と、前記整流回路の出力電圧を検出する電圧検出回路と、前記電流検出回路により検出された出力電流を前記電流基準値と比較し前記電圧検出回路により検出された出力電圧を前記電圧基準値と比較して前記制御整流素子を制御する制御回路からなることを特徴とする。

本発明によれば、整流装置をゲート付素子例えばサイリスタ、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ等により構成し、インバータ装置と同じ負荷電流のパターン信号を整流装置に与えてインバータ装置から電力負荷に供給する電力と整流装置からインバータ装置に供給する電力を一致させるので、低負荷でのキャパシタ蓄電装置への充放電を防ぐことができる。そして、ピーク負荷が整流装置の上限である制限電流値を越えると、整流装置の電流がこの制限電流値に制限され、出力は増加しなくなるので、不足する電力がキャパシタ蓄電装置から放電されて負荷に供給される。充電装置は、整流装置と別に設けられ電流制御されて負荷の制御サイクル以内で蓄電装置を所定電圧まで再充電するために使用される。このように電流を絞って定電流充電するキャパシタ蓄電装置を設けて負荷のピーク電力の供給源にするので、商用電力の負担軽減と平準化や負荷の回生電力吸収を効率的に行なって商用電源の節電効果を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明に係るモータ負荷の給電装置の実施の形態を示す図、図２は本実施形態に係る給電装置の各部の電流波形の例を示す図である。図中、１は電流制御直流電源、２は定電流充電装置、３はキャパシタ蓄電装置、４はインバータ装置、５はモータ負荷、６は負荷制御装置を示す。

図１において、モータ負荷５は、交流を電源とし所定のサイクルで繰り返し起動停止する負荷であり、負荷制御装置６は、起動停止を繰り返し行い所定のパターンで加速−減速するモータ負荷５の負荷電流のパターン信号をインバータ装置４及び電流制御直流電源１に供給するものである。インバータ装置４は、直流を交流に変換してモータ負荷５に交流を給電するものであり、負荷制御装置６から供給される負荷電流のパターン信号に基づき、起動停止を繰り返し行い所定のパターンで加速−減速するモータ負荷５の給電を制御する。電流制御直流電源１は、インバータ装置４を通してモータ負荷５に給電する主要な直流電源であり、インバータ装置４と同様、負荷制御装置６から供給される負荷電流のパターン信号に基づき、起動停止を繰り返し行い所定のパターンで加速−減速するモータ負荷５の給電に同期して出力を制御する。キャパシタ蓄電装置３は、電流制御直流電源１に並列接続（併設）されて定電流充電装置２より充電され、電流制御直流電源１の供給電力が所定値を越える場合にピークカットして、そのピークカットした電力を給電するものであり、ピーク負荷時のピークカット負荷を供給する補助の蓄電電源である。また、キャパシタ蓄電装置３は、モータ負荷５からの回生電力を回収して充電するため、定電流充電装置２よる充電を所定の充電電圧に制限している。

電流制御直流電源１は、直流を入力として出力制御素子に接続し、或いは交流を入力として制御整流素子からなる整流回路に接続して、制御素子を目標値に基づき制御して所望の直流出力を得るものであり、出力制御素子、制御整流素子には、ゲート付素子例えばサイリスタ、パワートランジスタ、ＩＧＢＴその他のスイッチング制御素子が用いられる。さらに、電流制御直流電源１には、スイッチング制御された出力を平滑する平滑回路、出力電流を検出する電流検出回路、出力電圧を検出する電圧検出回路が適宜接続される。この電流制御直流電源１には、出力電流Ｉ_Sの制限値Ｉ_limが設定され、電流制御直流電源１は、負荷電流のパターン信号を制御の目標値として出力電流Ｉ_Sを制御し、出力電流Ｉ_Sが制限値Ｉ_limより大きくなるような負荷電流のパターン信号を入力すると、出力電流Ｉ_Sを制限値Ｉ_limに制限する。

定電流充電装置２は、電流制御直流電源１と同様、入力を直流として出力制御素子を接続し、或いは入力を交流として制御整流素子からなる整流回路を接続して、制御素子を目標値に基づき制御して所望の出力を得るものであり、さらに、定電流充電装置２にも、スイッチング制御された出力を平滑する平滑回路、出力電流を検出する電流検出回路、出力電圧を検出する電圧検出回路が適宜接続される。この定電流充電装置２には、充電電流の基準値Ｉ_f、充電電圧の基準値Ｖ_fが設定され、定電流充電装置２は、基準値Ｉ_fに基づき充電電流を制御してキャパシタ蓄電装置３を充電し、充電電圧が基準値Ｖ_fに達すると充電を停止する。

次に、本実施形態のモータ負荷の給電装置の動作を具体的に説明する。モータ負荷５の繰り返し起動停止を行い加速−減速する動作パターンにしたがい、例えば図２（ａ）に示すパターンの負荷電流Ｉ_Lをインバータ装置４に供給する場合の動作を説明すると、まず、負荷電流Ｉ_Lが立ち上がる前のｔ０時点までに、キャパシタ蓄電装置３は、定電流充電装置２により充電電圧Ｖ_Cが基準値Ｖ_fに達するまで充電された状態にある。その後、ｔ１時点から図２（ａ）に示すパターンの負荷電流Ｉ_Lが要求されると、立ち上がりとともにその電流が全て電流制御直流電源１の出力電流Ｉ_Sから供給される。

ｔ２時点で電流制御直流電源１の出力電流Ｉ_Sが制限値Ｉ_limまで増大すると、出力電流Ｉ_Sは、その後制限値Ｉ_limに維持される。そのため、不足分（ア）に対応して、キャパシタ蓄電装置３から電流Ｉ_C（イ）の放電電流が電流制御直流電源１の出力電流Ｉ_Sに加わり、さらにキャパシタ蓄電装置３の放電による電圧低下と共に定電流充電装置２から電流Ｉ_rの充電電流（ウ）が加わる。つまり、制限された電流制御直流電源１の出力電流Ｉ_Sを越えるピークカット電力（ア）に相当する分がキャパシタ蓄電装置３と定電流充電装置２から供給される。

負荷電流Ｉ_Lが減少パターンに移行して、ｔ５時点で制限値Ｉ_limまで減少すると、以後負荷電流Ｉ_Lが全て電流制御直流電源１の出力電流Ｉ_Sから供給されるようになる。そして、ピークカット電力を供給して充電電圧が低下したキャパシタ蓄電装置３は、引き続き定電流充電装置２から供給される電流Ｉ_rにより充電電圧が基準値Ｖ_fに達するｔ７時点まで充電される。この間、キャパシタ蓄電装置３は、基準値Ｉ_fに基づき制御される定電流充電装置２の電流Ｉ_rにより定電流充電（エ）される。また、キャパシタ蓄電装置３は、モータ負荷５からの回生電力があると充電される。この場合には、既に充電電圧が基準値Ｖ_fまで充電されているので、充電電圧はこれを越えてさられ上昇する。そのため、キャパシタ蓄電装置３は、その設計において、モータ負荷５からの回生電力を吸収することにより充電電圧が上昇しても充電電圧が許容値を越えないようにそれぞれキャパシタ蓄電装置３の容量、基準値Ｖ_fの設定値が設計されることは勿論である。

図３は本発明に係るモータ負荷の給電装置の他の実施の形態を示す図、図４は整流装置の回路構成例を説明する図、図５は整流装置の電圧、電流特性を説明する図、図６は充電装置の回路構成例を説明する図、図７は充電装置の電圧、電流特性を説明する図、図８はインバータ装置の構成例を説明する図、図９はインバータ装置の回路構成例を示す図である。図中、１′は整流装置、２′は充電装置、４′はインバータ装置、６′は制御回路、７は交流電源、１１、２１は整流回路、１２、２２は制御回路、１３、２３は電流検出器、１４、２４は電圧検出器、１５、２５は平滑リアクトル、１６、２６は平滑キャパシタ、４１はインバータ主回路、４２は電流検出器、４３は電圧検出器、４４は負荷電圧検出器を示す。

図３に示す実施形態は、交流電源６を共通の電源として、出力制御機能を有する整流装置１′と充電装置２′により、図１に示す実施形態の電流制御直流電源１と定電流充電装置２を構成したものであり、これら整流装置１′と充電装置２′をインバータ装置４′の入力電源として負荷パターン（負荷パターンの例を後の図１１、図１２で示す。）に基づき交流のモータ負荷５に電力を供給する。これらのうち、整流装置１′の構成例を示したのが図４であり、充電装置２′の構成例を示したのが図６であり、インバータ装置４′の構成例を示したのが図８である。

整流装置１′は、図４に示すように制御整流素子からなり交流電源に接続され交流を全波整流して直流を出力する整流回路１１、整流回路１１の出力を平滑する平滑リアクトル１５と平滑キャパシタ１６からなる平滑回路、整流回路１１の出力電流を検出する電流検出器１３、電流検出器１３により検出された出力電流を負荷電流のパターン信号及び制限基準値と比較して整流回路１１の制御整流素子を制御する制御回路１２を備えている。制御回路１２は、電流検出器１３により検出された出力電流を負荷電流のパターン信号と比較して出力電流を負荷電流のパターン信号に追従させ、負荷電流のパターン信号が予め設定されている制限基準値（Ｉ０１）を越える場合には、図５に示すように出力電流を制限基準値で一定値に制限するように整流回路１１の制御整流素子を制御する。また、電圧検出器１４により検出される出力電圧を入力して、図５に示すように出力電圧が予め設定されている電圧（Ｅ０１）を維持するように整流回路１１の制御整流素子を制御する。

充電装置２′は、図６に示すように制御整流素子からなり交流電源に接続され交流を全波整流して直流を出力する整流回路２１、整流回路２１の出力を平滑する平滑リアクトル２５と平滑キャパシタ２６からなる平滑回路、整流回路２１の出力電流を検出する電流検出器２３、整流回路２１の出力電圧を検出する電圧検出器２４、電流検出器２３により検出された出力電流を予め設定されている電流基準値と比較し電圧検出器２４により検出された出力電圧を電圧基準値と比較して整流回路２１の制御整流素子を制御する制御回路２２を備えている。制御回路２２は、図７に示すように電流検出器２３により検出された出力電流（充電電流）が予め設定されている電流基準値Ｉ０２となるように整流回路２１の制御整流素子を制御する。さらに、充電により電圧が上昇すると、出力電流を制限して電圧検出器２４により検出された出力電圧が予め設定されている電圧基準値Ｅ０２を越えないように整流回路２１の制御整流素子を制御する。

インバータ装置４′は、図８に示すように制御整流素子のブリッジ回路からなり入力の直流を３相交流に変換するインバータ主回路４１、インバータ主回路４１の入力電流を検出する電流検出器４２、入力電圧を検出する電圧検出器４３、出力電圧を検出する負荷電圧検出器４４、制御回路６′を備えている。制御回路６′は、負荷パターンと、電流検出器４２、電圧検出器４３、負荷電圧検出器４４の各検出検出信号に基づいてインバータ主回路４１の制御整流素子を制御し、整流装置１′に負荷電流のパターン信号を送出する。インバータ装置４′において、モータ負荷５に供給される電力は電力パターンに基づき発生される。図９に示すようにこの電力パターンが電圧検出器４３で検出された、インバータ装置４′の電源となる直流電圧と共に除算器に入力されて負荷電流のパターン信号が発生される。インバータ主回路４１は、この電流パターンに基づき制御回路４′で制御され所定の電力がモータ負荷５に与えられる。この負荷電流のパターン信号は、整流装置１′に同じく指令として送出されて、整流装置１′で出力電流が決められる。したがって、負荷電流のパターン信号が制限値以下の領域で作用する場合には、モータの速度制御に必要な電流値になる。

図１０は電流パターンによる電力制御の構成を説明する図である。本実施形態の給電装置では、モータ負荷が制限値以上のピーク電流を必要とする場合はキャパシタ蓄電装置より電流が供給される。この原理について図１０に示す電流パターンによる電力制御構成で説明する。既に述べたようにインバータ装置より負荷に与えられる電力は、電力パターンにて決められる。このパターンにより負荷電流のパターン信号が発生するが、これに基づき図１０に示すように整流装置の出力電流とインバータ装置の入力電流は一致するように定電流源にて制御される。これにより整流装置の出力電流とインバータ装置の出力電流が一致していると、この直流母線に接続された蓄電装置からは電流は出力されない。しかし、負荷電流のパターン信号が整流装置の電流制限値以上になると、整流装置からの電流はリミットされて出力制限されるので、電気的には出力インピーダンスが増大し電流は増加しない。これ以降はインバータ駆動に必要な余剰の電流はキャパシタ蓄電装置より供給されるようになる。

蓄電装置に電気二重層キャパシタを用いた場合は放電につれて直流電圧が低下するが、これを前述の図８の電圧検出器が検出して電力パターンに従い負荷電流のパターン信号を増加させてインバータ制御される。整流装置にも同じくこの増加した負荷電流のパターン信号が与えられるが、電流制限作用により電流値の増加は生じない。キャパシタ蓄電装置からピーク電力を放電することにより、キャパシタ蓄電装置の電圧は次第に低下するが（二次電池の場合は電圧低下が原理上少ない）、充電装置はこの放電電力を駆動制御装置の制御サイクルの終端にて初期充電値に戻すために作用する。この装置も交流電源電力を整流して負荷となるキャパシタ蓄電装置を電流制御して充電する。従って装置は電流検出器と電圧検出器が用いられ、充電電流がＩＯ２に制御されて、キャパシタ蓄電装置が所定の値ＥＯ２に達すると充電電流は絞り込まれる。

図１１は駆動制御装置の制御特性の例を説明する図である。インバータ装置の負荷パターンは電力として上段の電力チャートに示されている。この例では１０秒後は１００ｋＷの電力が２０秒後には零ｋＷに、４０秒時には再度電力パターンが立ち上がり５０秒時には８０ｋＷに達し６０秒で零ｋＷとなっている。負荷電流のパターン信号はこの電力を整流装置で供給するための電流値で与えられる情報で、整流装置は制限電力を６０ｋＷにしているので、電流制限される以降には負荷電流以下となるので、負荷にはキャパシタ蓄電装置より電流が供給されて蓄電装置の電圧は約３７０Ｖ付近まで降下している。充電装置
により蓄電装置は再充電され電圧が上昇するが、次のピーク負荷８０ｋＷ放電で再度電圧降下して制御サイクルの終了時刻８０秒時には初期電圧まで回復する充電制御がされる。この制御で、負荷パターンに基づきインバータ装置から整流装置に負荷電流のパターン信号が与えられているので、図１１の下段の電流チャートに示されているように、整流装置の商用電源は電流制限下で負荷電流のパターン信号に従って電流制御されている。電力パターンチャートで６０ｋＷリミット電力を超える商用電源分や負荷電力を若干上回る電力分はキャパシタを再充電する充電装置の電力を示している。電流チャートで蓄電装置での下方に落ち込んでいる部分はピーク負荷に対する蓄電装置の放電電流を示している。

図１２は回生制御をする場合の駆動制御装置の制御特性の例を説明する図である。ピーク負荷は最大１００ｋＷで、この後に回生電力がピーク値で８０ｋＷある場合である。このときは整流装置の制限電力は２０ｋＷに制限されキャパシタ蓄電装置の負担を大きくして放電させている。キャパシタ蓄電電圧は２２０Ｖまで降下して、回生電力８０ｋＷのピ
ーク電力を吸収して初期の電圧まで回復している。この制御では充電装置の充電電流は零Ａに制御されている。この状態は電力チャートの商用電力が最初のピーク負荷を供給した後は零ｋＷになっていることを示している。

以上のように整流装置の電流制限機能を使い負荷電流のパターン信号をインバータ装置から整流装置に与えることで、整流装置の出力電流は、インバータ電流と一致してこれにより図１１に示すように回生電力がない場合には負荷のピーク電力のうち基底分を商用電力で負担し、ピーク分はキャパシタ蓄電装置で合理的に負担することで、蓄電装置の有効利用と商用電源の平準化をはかり、商用電源の契約電力を抑えることが出来る。また図１２で示すように、回生電力がある場合には、充電装置の充電を制限し、また整流装置の電流制限機能を低く抑えて、キャパシタ蓄電装置の放電を増やして回生電力を蓄電装置で有効に蓄電することが可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、インバータ装置で直流を交流に変換して起動停止を繰り返し行い所定のパターンで加速−減速する交流モータの負荷に給電する給電装置として説明したが、インバータ装置を介することなく、そのまま直流モータに給電して同様に起動停止を繰り返し行い所定のパターンで加速−減速する直流モータの負荷の給電装置にも適用可能であることはいうまでもない。

本発明に係るモータ負荷の給電装置の実施の形態を示す図。本実施形態に係る給電装置の各部の電流波形の例を示す図。本発明に係るモータ負荷の給電装置の他の実施の形態を示す図。整流装置の回路構成例を説明する図。整流装置の電圧、電流特性を説明する図。充電装置の回路構成例を説明する図。充電装置の電圧、電流特性を説明する図。インバータ装置の構成例を説明する図。インバータ装置の回路構成例を示す図。電流パターンによる電力制御の構成を説明する図。駆動制御装置の制御特性の例を説明する図。回生制御をする場合の駆動制御装置の制御特性の例を説明する図。

符号の説明

１…電流制御直流電源、２…定電流充電装置、３…キャパシタ蓄電装置、４…インバータ装置、５…モータ負荷、６…負荷制御装置

Claims

主電源の電流制御電源にキャパシタ蓄電装置を並列に接続して、起動停止を繰り返し行い所定のパターンで加速−減速するモータ負荷に給電するモータ負荷の給電装置であって、
前記所定のパターンで加速−減速する負荷電流のパターン信号が与えられ、前記負荷電流のパターン信号を目標値として電流を制御して負荷に給電する電流制御電源と、
前記電流制御電源に並列接続されるキャパシタ蓄電装置と、
前記キャパシタ蓄電装置の充電電圧が電圧基準値以下のとき電流基準値に基づき前記キャパシタ蓄電装置を定電流充電する充電装置と
を備えると共に、前記電流制御電源は、電流を制限基準値以下に制限する機能を有することを特徴とするモータ負荷の給電装置。
前記電流制御電源は、制御整流素子からなり交流電源に接続される整流回路と、前記整流回路の出力を平滑する平滑回路と、前記整流回路の出力電流を検出する電流検出回路と、前記電流検出回路により検出された出力電流を前記負荷電流のパターン信号及び前記制限基準値と比較して前記制御整流素子を制御する制御回路からなることを特徴とする請求項１記載のモータ負荷の給電装置。
前記充電装置は、制御整流素子からなり交流電源に接続される整流回路と、前記整流回路の出力を平滑する平滑回路と、前記整流回路の出力電流を検出する電流検出回路と、前記整流回路の出力電圧を検出する電圧検出回路と、前記電流検出回路により検出された出力電流を前記電流基準値と比較し前記電圧検出回路により検出された出力電圧を前記電圧基準値と比較して前記制御整流素子を制御する制御回路からなることを特徴とする請求項１記載のモータ負荷の給電装置。