JP5291763B2 - エネルギー蓄積部を有するモータ駆動装置 - Google Patents

エネルギー蓄積部を有するモータ駆動装置 Download PDF

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Description

本発明は、交流電源からの交流電力を直流電力に変換したのちさらに交流電力に変換してこれを駆動電力とするモータを制御するモータ駆動装置に関し、特に、交流電源から供給される電力およびモータから回生された電力を蓄積し、蓄積した電力をモータに供給することができるエネルギー蓄積部を有するモータ駆動装置に関する。
工作機械システムにおいては、工作機械の駆動軸ごとにモータを有し、これらモータをモータ駆動装置により駆動制御する。モータ駆動装置は、工作機械の駆動軸を駆動する駆動軸数分のモータに対し、モータの速度、トルク、もしくは回転子の位置を指令し制御する。
モータ駆動装置は、三相の商用交流電力を直流電力に変換する交流直流変換器と、直流電力をモータ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から回生される交流電力を直流電力に変換する直流交流変換器と、交流直流変換器の直流側と直流交流変換器の直流側とを接続し、直流電力の受け渡しを行うＤＣリンク部と、を備え、当該直流交流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。
直流交流変換器は、工作機械における複数の駆動軸に対応してそれぞれ設けられる各モータに個別に駆動電力を供給してモータを駆動制御するためにモータの個数と同数個設けられることが多いが、場合によっては１つのモータに対して複数設けられることもある。一方、交流直流変換器は、モータ駆動装置のコストや占有スペースを低減する目的で、複数の直流交流変換器に対して１個が設けられることが多い。
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。このような電力ピークを抑制するために、モータの減速時にモータから発生する回生電力を蓄積し、蓄積した電力をモータの加速時に再利用することができるエネルギー蓄積装置がＤＣリンク上に設けられることがある。なお、この場合、モータから回生された交流電力を、エネルギー蓄積部で蓄積できる直流電力へ変換する必要があるので、直流交流変換器は、直流電力を交流電力に変換するのみではなく、交流電力を直流電力に変換することもできる、すなわち交直両方向に変換可能である半導体電力変換器として構成される。
エネルギー蓄積装置として、フライホイールを用いたものがある（例えば、特許文献１参照。）。図６は、従来技術によるフライホイールを用いたモータ駆動装置の一例を示す図である。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。従来技術によるフライホイールを用いたモータ駆動装置１００は、交流電源３からの交流電力を直流電力に変換する交流直流変換器１１と、直流電力をモータ２の駆動のための交流電力に変換する直流交流変換器１２と、交流直流変換器１１の直流側と直流交流変換器１２の直流側とを接続し、直流電力の受け渡しを行うＤＣリンク部１３と、ＤＣリンク部１３に接続され、直流電力を蓄積もしくは出力するフライホイール蓄積部５１と、モータ２の動作を指令するモータ動作指令に基づいてモータ２の速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御するとともに、フライホイール蓄積部５１が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する制御部５２と、を備える。直流交流変換器１２ごとにモータ２が接続される。例えば工作機械における各駆動軸はモータ２に連結される。直流交流変換器１２は、制御部５２からのモータ動作指令によりスイッチング動作が制御されることで所望のモータ動作をさせるための周波数および波形を有する交流電流を出力する。モータ２には直流交流変換器１２が出力した交流電流が入力され、これによりモータ２は回転動作を行う。フライホイール蓄積部５１は、イナーシャ回転用モータ５１−１と、イナーシャ５１−２と、直流交流変換器５１−３とを有する。制御部５２は、フライホイール蓄積部５１が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する指令を直流交流変換器５１−３へ出力する。直流交流変換器５１−３は、受信した指令がフライホイール蓄積部５１による直流電力の出力を示すものである場合には交流電力を直流電力へ変換する順変換動作を行うことでイナーシャ５１−２に蓄えられたエネルギーがＤＣリンク部１３側へ流れるようにし、受信した指令がフライホイール蓄積部５１による直流電力の蓄積を示すものである場合には直流電力を交流電力へ変換する逆変換動作を行うことでＤＣリンク部１３からのエネルギーがイナーシャ回転用モータ５１−１側へ流れるようにしてイナーシャ５１−２が付いたイナーシャ回転用モータ５１−１が回転するようにする。これにより、流入した電力エネルギーがイナーシャ５１−２の回転エネルギーの形として蓄積されるようになる。このような構成を備えることにより、モータ２の加速時には、交流電源３からのエネルギーに加えてイナーシャ蓄積部５１に蓄積されたエネルギーがモータ２に供給されてモータ２の加速のための動力として利用され、モータ２の減速時には、モータ２から回生されたエネルギーがフライホイール蓄積部５１へ流れて蓄積される。フライホイール蓄積部５１に蓄積されたエネルギーは、モータ２の加速時に再利用される。
エネルギー蓄積装置のさらに別の例として、キャパシタを用いたものがある（例えば、特許文献２参照。）。図７は、従来技術によるキャパシタを用いたモータ駆動装置の一例を示す図である。従来技術によるキャパシタを用いたモータ駆動装置１００は、交流電源３からの交流電力を直流電力に変換する交流直流変換器１１と、直流電力をモータ２の駆動のための交流電力に変換する直流交流変換器１２と、交流直流変換器１１の直流側と直流交流変換器１２の直流側とを接続し、直流電力の受け渡しを行うＤＣリンク部１３と、ＤＣリンク部１３に接続され、直流電力を蓄積もしくは出力するキャパシタ蓄積部６１と、キャパシタ蓄積部６１が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御するエネルギー制御部６２と、モータ２の動作を指令するモータ動作指令に基づいてモータ２の速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御するモータ制御部６３と、を備える。直流交流変換器１２ごとにモータ２が接続される。例えば工作機械における各駆動軸はモータ２に連結される。直流交流変換器１２は、モータ制御部６３からのモータ動作指令によりスイッチング動作が制御されることで所望のモータ動作をさせるための周波数および波形を有する交流電流を出力する。モータ２には直流交流変換器１２が出力した交流電流が入力され、これによりモータ２は回転動作を行う。キャパシタ蓄積部６１は、大容量のキャパシタ６１−１と、直流直流変換器（ＤＣ−ＤＣコンバータ）６１−２とを有する。エネルギー制御部６２は、キャパシタ蓄積部６１が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する指令を直流直流変換器６１−２へ出力する。直流直流変換器６１−２は、受信した指令がキャパシタ蓄積部６１による直流電力の出力を示すものである場合にはキャパシタ６１−１が接続された側の直流電圧がＤＣリンク部１３が接続された側の直流電圧よりも大きくなるような動作を行うことでキャパシタ６１−１に蓄えられたエネルギーがＤＣリンク部１３側へ流れるようにし、受信した指令がキャパシタ蓄積部６１による直流電力の蓄積を示すものである場合にはキャパシタ６１−１が接続された側の直流電圧がＤＣリンク部１３が接続された側の直流電圧よりも小さくなるような動作を行うことでＤＣリンク部１３からのエネルギーがキャパシタ６１−１側へ流れるようにして該エネルギーがキャパシタ６１−１に蓄えられるようにする。このような構成を備えることにより、モータ２の加速時には、交流電源３からのエネルギーに加えてキャパシタ蓄積部６１に蓄積されたエネルギーがモータ２に供給されてモータ２の加速のための動力として利用され、モータ２の減速時には、モータ２から回生されたエネルギーがキャパシタ蓄積部６１へ流れて蓄積される。キャパシタ蓄積部６１に蓄積されたエネルギーは、モータ２の加速時に再利用される。
特開２００８−０２３５９９号公報 特許第４３３９９１６号公報
上述の従来技術によるフライホイール蓄積部は、イナーシャの単位体積あたりの蓄積可能なエネルギー量は大きいという利点がある。しかしながら、イナーシャにエネルギーを蓄積もしくは供給させる際のイナーシャ回転用モータの損失により、蓄積されたエネルギーの一部を失うので、エネルギー利用効率は悪い。蓄積もしくは供給の際に生じるモータ損失は、例えば総エネルギーの１０〜２０％にも及ぶ。
また、上述の従来技術によるキャパシタ蓄積部は、エネルギーを蓄積もしくは供給する際の大容量キャパシタの損失は数％以下（電解コンデンサの場合）と小さく、エネルギー利用効率が高いという利点がある。さらに大容量キャパシタは急速充放電が可能なので、モータに対して急峻な駆動電力の供給が要求される場合にも対応可能であるという利点もある。しなしながら、キャパシタ蓄積部は、単位体積あたりの蓄積可能なエネルギー量がフライホイール蓄積装置より小さいので、大容量キャパシタの設置スペースの関係で十分な蓄積エネルギー量を確保できず、交流電源の電力ピークを思うように抑制できない場合がある。
従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、交流電源からの交流電力を直流電力に変換する交流直流変換器と、直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換しまたはモータから回生される交流電力を直流電力に変換する直流交流変換器と、直流電力を蓄積もしくは出力するエネルギー蓄積部と、を備えるモータ駆動装置において、エネルギー蓄積部におけるエネルギー利用効率が高く、交流電源のピーク値を効率的に抑制することができるモータ駆動装置を提供することにある。
上記目的を実現するために、本発明の第１の態様においては、モータ駆動装置は、交流電源からの交流電力を直流電力に変換する交流直流変換器と、直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換しまたはモータから回生される交流電力を直流電力に変換する直流交流変換器と、交流直流変換器の直流側と直流交流変換器の直流側とを接続し、直流電力の受け渡しを行うＤＣリンク部と、ＤＣリンク部に接続され、直流電力をＤＣリンク部から蓄積しまたはＤＣリンク部へ供給する、少なくとも１つのキャパシタ蓄積部および少なくとも１つのフライホイール蓄積部を有するエネルギー蓄積部と、エネルギー蓄積部が直流電力をＤＣリンク部から蓄積しもしくはＤＣリンク部へ供給するよう制御するエネルギー制御部と、モータの動作を指令するモータ動作指令に基づき、直流交流変換器が所望の交流電力を出力するよう制御するモータ制御部と、を備える。
上記エネルギー制御部は、キャパシタ蓄積部のみ、フライホイール蓄積部のみ、またはキャパシタ蓄積部およびフライホイール蓄積部の両方が、直流電力をＤＣリンク部へ供給しまたはＤＣリンク部から蓄積するよう制御する。
エネルギー制御部においては、モータ制御部によるモータの加速制御時にエネルギー蓄積部がＤＣリンク部へ供給する直流電力のキャパシタ蓄積部とフライホイール蓄積部との間における供給分担率、およびモータ制御部によるモータの減速制御時にエネルギー蓄積部がＤＣリンク部から蓄積する直流電力のキャパシタ蓄積部とフライホイール蓄積部との間における蓄積分担率が設定されてもよい。
また、エネルギー制御部は、エネルギー蓄積部がＤＣリンク部へ供給する直流電力を、エネルギー蓄積部による直流電力供給開始時はキャパシタ蓄積部のみにより供給し、キャパシタ蓄積部が蓄積している直流電力が所定の電力量以下になったときは、フライホイール蓄積部のみにより供給するよう制御してもよい。
また、エネルギー制御部は、エネルギー蓄積部がＤＣリンク部から蓄積する直流電力を、エネルギー蓄積部による直流電力蓄積開始時はキャパシタ蓄積部のみに蓄積し、キャパシタ蓄積部が蓄積している直流電力が所定の電力量以上になったときは、フライホイール蓄積部のみに蓄積するよう制御してもよい。
また、エネルギー制御部は、エネルギー蓄積部がＤＣリンク部へ供給する直流電力の増加率が所定の値以下のときは、この直流電力をフライホイール蓄積部のみにより供給するよう制御してもよい。この場合、エネルギー制御部は、エネルギー蓄積部がＤＣリンク部へ供給する直流電力の増加率が上記所定の値より大きいときは、この直流電力をキャパシタ蓄積部のみによりまたはキャパシタ蓄積部およびフライホイール蓄積部の両方により供給するよう制御してもよい。
また、エネルギー制御部は、エネルギー蓄積部がＤＣリンク部から蓄積する直流電力の増加率が所定の値以下のときは、この直流電力をフライホイール蓄積部のみに蓄積するよう制御してもよい。この場合、エネルギー制御部は、エネルギー蓄積部がＤＣリンク部から蓄積する直流電力の増加率が所定の値より大きいときは、この直流電力をキャパシタ蓄積部のみにまたはキャパシタ蓄積部およびフライホイール蓄積部の両方に蓄積するよう制御してもよい。
また、エネルギー制御部は、エネルギー蓄積部がＤＣリンク部へ供給する直流電力を、この直流電力が所定の電力量以下のときはキャパシタ蓄積部のみにより供給し、この直流電力が上記所定の電力量より大きいときはフライホイール蓄積部のみによりまたはキャパシタ蓄積部およびフライホイール蓄積部の両方により供給するよう制御してもよい。
また、エネルギー制御部は、エネルギー蓄積部がＤＣリンク部から蓄積する直流電力を、この直流電力が所定の電力量以下のときはキャパシタ蓄積部のみに蓄積し、この直流電力が上記所定の電力量より大きいときはフライホイール蓄積部のみにまたはキャパシタ蓄積部およびフライホイール蓄積部の両方に蓄積するよう制御してもよい。
また、エネルギー制御部は、交流電源から交流直流変換器、ＤＣリンク部および直流交流変換器を経てモータに供給される交流電力が、所定の抑制値を超えるとき、モータを駆動するために必要な交流電力から上記所定の抑制値を減算した分の交流電力を得るのに必要な直流電力を、エネルギー蓄積部が出力するように制御してもよい。
また、エネルギー制御部は、モータから回生されて直流交流変換器、ＤＣリンク部および交流直流変換器を経て交流電源へ戻される交流電力が、所定の抑制値を超えるとき、モータから回生された交流電力から所定の抑制値を減算した分の交流電力を変換して得られる直流電力を、エネルギー蓄積部が蓄積するように制御してもよい。
また、エネルギー制御部は、モータが停止しているとき、またはモータの駆動のための交流電力が所定の値以下のとき、エネルギー蓄積部がＤＣリンク部から直流電力を蓄積するよう制御してもよい。
本発明の第２の態様においては、モータ駆動装置は、交流電源からの交流電力を直流電力に変換する交流直流変換器と、直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換しまたはモータから回生される交流電力を直流電力に変換する直流交流変換器と、交流直流変換器の直流側と直流交流変換器の直流側とを接続し、直流電力の受け渡しを行うＤＣリンク部と、ＤＣリンク部に接続され、直流電力をＤＣリンク部から蓄積しまたはＤＣリンク部へ供給する、異なる種類のキャパシタを複数有するエネルギー蓄積部と、エネルギー蓄積部が直流電力をＤＣリンク部から蓄積しもしくはＤＣリンク部へ供給するよう制御するエネルギー制御部と、モータの動作を指令するモータ動作指令に基づき、直流交流変換器が所望の交流電力を出力するよう制御するモータ制御部と、を備える。
本発明によれば、交流電源からの交流電力を直流電力に変換する交流直流変換器と、直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換しまたはモータから回生される交流電力を直流電力に変換する直流交流変換器と、直流電力を蓄積もしくは出力するエネルギー蓄積部と、を備えるモータ駆動装置において、エネルギー蓄積部を構成するキャパシタ蓄積部とフライホイール蓄積部とを適宜選択して利用するので、エネルギー蓄積部におけるエネルギー利用効率が高く、交流電源のピーク値を効率的に抑制することができる。
本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置を示すブロック図である。 本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置の動作の第１の具体例を示す図である。 本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置の動作の第２の具体例を示す図である。 本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置の動作の第３の具体例を示す図である。 本発明の第２の実施例によるモータ駆動装置を示すブロック図である。 従来技術によるフライホイールを用いたモータ駆動装置の一例を示す図である。 従来技術によるキャパシタを用いたモータ駆動装置の一例を示す図である。
以下で説明する本発明の第１および第２の実施例によるモータ駆動装置には、工作機械の送り軸および主軸を駆動する駆動軸数分のモータが接続される。各実施例では、工作機械の駆動軸数を２個としたので２個のモータが設けられるが、これらの個数はあくまでも一例であり、本発明を限定するものではない。
図１は、本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置を示すブロック図である。図示の例では、工作機械の駆動軸数を２個としたので２個のモータ２が設けられる。本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置１は、交流電源３からの交流電力を直流電力に変換する交流直流変換器１１と、直流電力をモータ２の駆動のための交流電力に変換しまたはモータ２から回生される交流電力を直流電力に変換する直流交流変換器１２と、交流直流変換器１１の直流側と直流交流変換器１２の直流側とを接続し、直流電力の受け渡しを行うＤＣリンク部１３と、ＤＣリンク部１３に接続され、直流電力をＤＣリンク部１３から蓄積しまたはＤＣリンク部１３へ供給する、少なくとも１つのキャパシタ蓄積部１４Ａおよび少なくとも１つのフライホイール蓄積部１４Ｂを有するエネルギー蓄積部１４と、エネルギー蓄積部１４が直流電力をＤＣリンク部１３から蓄積しもしくはＤＣリンク部１３へ供給するよう制御するエネルギー制御部１５と、モータ２の動作を指令するモータ動作指令に基づいて、直流交流変換器１２が変換する交流電力を制御するモータ制御部１６と、を備える。
交流直流変換器１１は、例えばパワー半導体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ダイオード整流コンバータまたはＰＷＭコンバータから構成される。交流直流変換器１１は、モータ２へ電力を供給するときすなわちモータ２の力行時には６つのダイオードによって三相の商用交流電源からの交流電圧を全波整流して直流電圧に変換し、電力回生時には６つのパワー半導体素子をＰＷＭ制御によりスイッチング制御して、交流電力を交流電源３側へ回生させる。
直流交流変換器１２は、例えばパワー半導体素子およびこれに逆並列に接続されたダイオードからなるブリッジ回路から構成される。そして、これらのパワー半導体素子をモータ制御装置１６からの指令によりオンオフ制御（例えばＰＷＭ制御）することにより、直流電圧を所望の波形および周波数の交流電圧に変換する。直流交流変換器１２は、出力した交流電流をモータ２に供給する。直流交流変換器１２はモータ制御部１６によりそのスイッチング動作が制御される。すなわち、モータ制御部１６は、モータ２が所望の速度（加速、減速、定速、停止など）、トルク、もしくは回転子の位置で動作するための指令を作成し、この指令に基づいた動作をモータ２がするために必要な波形や周波数を有する交流電流を直流交流変換器１２が出力するよう、直流交流変換器１２内のパワー半導体素子に向けてオンオフ指令を出力する。モータ２には直流交流変換器１２が出力した交流電流が入力され、これによりモータ２は回転動作を行う。
ＤＣリンク部１３は、交流直流変換器１１の直流側と直流交流変換器１２の直流側とを接続し、直流電力の受け渡しを行うものであり、交流直流変換器１１もしくは直流交流変換器１２によって変換された直流電圧を平滑化する平滑コンデンサ（図示せず）を備える。
エネルギー蓄積部１４は、少なくとも１つのキャパシタ蓄積部１４Ａおよび少なくとも１つのフライホイール蓄積部１４Ｂを有する。図１では、一例としてキャパシタ蓄積部１４Ａおよびフライホイール蓄積部１４Ｂを１つずつ備えたものを示した。
キャパシタ蓄積部１４Ａは、大容量のキャパシタ１４Ａ−１と、直流直流変換器（ＤＣ−ＤＣコンバータ）１４Ａ−２とを有する。キャパシタ蓄積部１４Ａが蓄積もしくは出力すべき直流電力量は、エネルギー制御部１５により制御される。すなわち、エネルギー制御部１５は、キャパシタ蓄積部１４Ａが蓄積（充電）もしくは出力（放電）すべき直流電力量を制御する指令を直流直流変換器１４Ａ−２へ出力する。直流直流変換器１４Ａ−２は、エネルギー制御部１５から受信した指令がキャパシタ蓄積部１４Ａによる直流電力の出力（放電）を示すものである場合にはキャパシタ１４Ａ−１が接続された側の直流電圧がＤＣリンク部１３が接続された側の直流電圧よりも大きくなるような動作を行うことでキャパシタ１４Ａ−１に蓄えられたエネルギーがＤＣリンク部１３側へ流れるようにし、エネルギー制御部１５から受信した指令がキャパシタ蓄積部１４Ａによる直流電力の蓄積（充電）を示すものである場合にはキャパシタ１４Ａ−１が接続された側の直流電圧がＤＣリンク部１３が接続された側の直流電圧よりも小さくなるような動作を行うことでＤＣリンク部１３からのエネルギーがキャパシタ１４Ａ−１側へ流れるようにして該エネルギーがキャパシタ１４Ａ−１に蓄えられるようにする。このような構成を備えることにより、モータ２の加速時には、交流電源３からのエネルギーに加えてキャパシタ蓄積部１４Ａに蓄積されたエネルギーがモータ２に供給されてモータ２の加速のための動力として利用され、モータ２の減速時には、モータ２から回生されたエネルギーがキャパシタ蓄積部１４Ａへ流れて蓄積される。キャパシタ蓄積部１４Ａに蓄積されたエネルギーは、モータ２の加速時に再利用される。
フライホイール蓄積部１４Ｂは、イナーシャ回転用モータ１４Ｂ−１と、イナーシャ１４Ｂ−２と、直流交流変換器１４Ｂ−３とを有する。フライホイール蓄積部１４Ｂが蓄積もしくは出力すべき直流電力量は、エネルギー制御部１５により制御される。すなわち、エネルギー制御部１５は、フライホイール蓄積部１４Ｂが蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する指令を直流交流変換器１４Ｂ−３へ出力する。直流交流変換器１４Ｂ−３は、エネルギー制御部１５から受信した指令がフライホイール蓄積部１４Ｂによる直流電力の蓄積を示すものである場合には直流電力を交流電力へ変換する逆変換動作を行うことでＤＣリンク部１３からのエネルギーがイナーシャ回転用モータ１４Ｂ−１側へ流れるようにしてイナーシャ１４Ｂ−２が付いたイナーシャ回転用モータ１４Ｂ−１が回転するようにする。これにより、流入した電力エネルギーがイナーシャ１４Ｂ−２の回転エネルギーの形でとして蓄積されるようになる。また、直流交流変換器１４Ｂ−３は、エネルギー制御部１５から受信した指令がフライホイール蓄積部１４Ｂによる直流電力の出力を示すものである場合には交流電力を直流電力へ変換する順変換動作を行うことでイナーシャ１４Ｂ−２に蓄えられた回転エネルギーが回転用モータ１４Ｂ−１および直流交流変換器１４Ｂ−３を介して電気エネルギーへ変換される。このような構成を備えることにより、モータ２の加速時には、交流電源３からのエネルギーに加えてイナーシャ蓄積部１４Ｂに蓄積されたエネルギーがモータ２に供給されてモータ２の加速のための動力として利用され、モータ２の減速時には、モータ２から回生されたエネルギーがフライホイール蓄積部１４Ｂへ流れて蓄積される。フライホイール蓄積部１４Ｂに蓄積されたエネルギーは、モータ２の加速時に再利用される。
このように、本発明の第１の実施例では、モータ駆動装置１は、エネルギー蓄積部１４として、キャパシタ蓄積部１４Ａおよびフライホイール蓄積部１４Ｂを有する。これらキャパシタ蓄積部１４Ａおよびフライホイール蓄積部１４Ｂは、エネルギー制御部１５により制御される。
なお、エネルギー制御部１５およびモータ制御部１６は、例えば演算処理判断可能なプロセッサからなる。また、モータ制御部１６は、モータ２の動作を制御するにあたり、モータ２に流出入する交流電流、モータ２の回転速度、直流交流変換器１２の入力出力の電圧および交流出力の電圧などを検出し、これらを処理に用いる必要があるが、図１ではこれらの検出器およびセンサについては図示を省略する。一方、エネルギー制御部１５は、キャパシタ蓄積部１４Ａからはキャパシタ１４Ａ−１の直流電圧を、フライホイール蓄積部１４Ｂからはイナーシャ回転用モータ１４Ｂ−１の回転速度などを検出し、これらを処理に用いる。
次に、エネルギー制御部１５の動作について説明する。
本発明の第１の実施例によれば、直流電力を蓄積および供給するエネルギー蓄積部１４として、キャパシタ蓄積部１４Ａとフライホイール蓄積部１４Ｂとを併用する。例えば、エネルギー利用効率および直流電力の蓄積もしくは供給の速度の面では、キャパシタ蓄積部１４Ａが優れ、蓄積エネルギー量の面では、フライホイール蓄積１４Ｂが優れている。そこで、本発明の第１の実施例においては、これらキャパシタ蓄積部１４Ａおよびフライホイール蓄積部１４Ｂの特性や、モータの動作条件や動作状況などに応じて、キャパシタ蓄積部１４Ａとフライホイール蓄積部１４Ｂのうちいずれかでもしくはその両方で直流電力を蓄積もしくは供給を切り替える。すなわち、エネルギー制御部１５は、モータ制御部１６から受信したモータ動作指令、またはキャパシタ蓄積部１４Ａおよびフライホイール蓄積部１４Ｂの蓄積可能量もしくは充放電速度などの特性などに応じて、キャパシタ蓄積部１４Ａのみ、フライホイール蓄積部１１４Ｂのみ、またはキャパシタ蓄積部１４Ａおよびフライホイール蓄積部１５Ｂの両方が、直流電力をＤＣリンク部１３へ供給（放電）しまたはＤＣリンク部１３から蓄積（充電）するよう制御する。
エネルギー制御部１５においては、モータ制御部１６によるモータ２の加速制御時にエネルギー蓄積部１４がＤＣリンク部１３へ供給する直流電力のキャパシタ蓄積部１４Ａとフライホイール蓄積部１４Ｂとの間における供給分担率、およびモータ制御部１６によるモータ２の減速制御時にエネルギー蓄積部１４がＤＣリンク部１３から蓄積する直流電力のキャパシタ蓄積部１４Ａとフライホイール蓄積部１４Ｂとの間における蓄積分担率が設定される。例えば、キャパシタ蓄積部１４Ａおよびフライホイール蓄積部１４Ｂのうちのどちらか一方を動作させない（停止させる）場合には、その動作させない（停止させる）ほうの供給分担率もしくは蓄積分担率を「ゼロ（０）」とすればよい。これら供給分担率および蓄積分担率は、可変であり、時間の関数として制御内容に応じて変更し、これをキャパシタ蓄積部１４Ａおよびフライホイール蓄積部１４Ｂ内の直流直流変換器１４Ａ−２および直流交流変換器１４Ｂ−３に対するスイッチング指令をするためのＰＷＭ制御信号の生成に用いる。
モータ駆動装置１を設計者が設計するにあたっては、まず、エネルギー蓄積部１４におけるエネルギーの蓄積可能量および最大出力を、負荷であるモータ２の駆動条件、モータ駆動装置１が接続される交流電源３に許容される電力ピーク、あるいは、モータ駆動装置１の仕様として定めたい電力ピークなどに基づいて決定する。エネルギー蓄積部１４におけるエネルギーの蓄積可能量および最大出力が決定されると、エネルギー蓄積部１４の設置スペースおよびコストを適宜考慮して、キャパシタ蓄積部１４Ａとフライホイール蓄積部１４Ｂとの間における蓄積分担率を決定する。キャパシタ蓄積部１４Ａとフライホイール蓄積部１４Ｂとの間における蓄積分担率が決定されると、次式によりキャパシタ蓄積部１４Ａのキャパシタ容量、及び、フライホイール蓄積部１４Ｂのモータ・イナーシャを決する。
キャパシタ蓄積部１４Ａで蓄積もしくは供給するエネルギーをＪA〔Ｊ〕、キャパシタ１４Ａ−１の容量をＣ〔Ｆ〕、キャパシタ１４Ａ−１の充電電圧の上限をＶ1〔Ｖ〕、キャパシタ１４Ａ−１の充電電圧の下限をＶ2〔Ｖ〕としたとき、式１の関係があるので、キャパシタ１４Ａ−１の容量Ｃ〔Ｆ〕を求めることができる。
Figure 0005291763
また、キャパシタ１４Ａ−１の電圧をＶ〔Ｖ〕、キャパシタ１４Ａ−１に流出入する電流をＩ〔Ａ〕としたとき、キャパシタ蓄積部１４Ａの出力ＷA〔Ｗ〕は式２から求めることができる。
Figure 0005291763
一方、フライホイール蓄積部１４Ｂで蓄積もしくは供給するエネルギーをＪB〔Ｊ〕、イナーシャ１４Ｂ−２の値をＩ〔ｋｇｍ2〕、モータ２の角速度の上限をω1〔ｒａｄ／ｓ〕、モータ２の角速度の下限をω2〔ｒａｄ／ｓ〕としたとき、式３の関係があるので、イナーシャ１４Ｂ−２の値Ｉ〔ｋｇｍ2〕を求めることができる。
Figure 0005291763
なお、このイナーシャ１４Ｂ−２の値にはイナーシャ回転用モータ１４Ｂ−１が有するイナーシャも含まれる。図１に示す例では、イナーシャ１４Ｂ−２をイナーシャ回転用モータ１４Ｂ−１の回転軸に結合したものとしたが、このイナーシャ１４Ｂ−２を、イナーシャ回転用モータ１４Ｂ−１とは別体のものではなく、イナーシャ回転用モータ１４Ｂ−１自身の回転軸が有するイナーシャとしてもよい。
また、モータ２のトルクをＴ〔Ｎｍ〕、モータ２の角速度をω〔ｒａｄ／ｓ〕としたとき、フライホイール蓄積部１４Ｂの出力ＷB〔Ｗ〕は式４から求めることができる。
Figure 0005291763
次に、本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置１の動作について、具体例をいくつか挙げて説明する。
図２は、本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置の動作の第１の具体例を示す図である。第１の具体例は、キャパシタ蓄積部１４Ａとフライホイール蓄積部１４Ｂとの間における供給分担率および蓄積分担率を１対４とし、これら供給分担率および蓄積分担率に基づいてエネルギー制御部１５がエネルギー蓄積部１４を制御するものである。これら供給分担率および蓄積分担率は、上述のように式１〜４に基づき決定されたものである。
図２（ａ）に示すように、モータ制御部１６の制御により、モータ２をまず加速し、一定期間一定速度で回転させた後、減速させる場合を考える。図２（ａ）に示すように、モータ２の加速時には正のトルクが発生し、モータ２の減速時には負のトルクが発生する。
エネルギー制御部１５は、交流電源３から交流直流変換器１１、ＤＣリンク部１３および直流交流変換器１２を経てモータ２に供給される交流電力が、所定の抑制値を超えるとき、モータ２を駆動するために必要な交流電力からこの所定の抑制値を減算した分の交流電力を得るのに必要な直流電力を、エネルギー蓄積部１４が出力するように、特にキャパシタ蓄積部１４Ａおよびフライホイール蓄積部１４Ｂが供給分担率１対４で出力するように、制御する。図２（ｂ）に示すように、モータ２の加速制御期間中はモータ出力は増加し続けるが、エネルギー制御部１５は、モータ出力が所定の抑制値に達するまではエネルギー蓄積部１４は動作させず、したがって、この間は交流電源３からのみ電力が供給させることになる。
モータ２の加速制御期間中にモータ出力が所定の抑制値に達したとき、エネルギー制御部１５は、交流電源３からの電力に加え、キャパシタ蓄積部１４Ａおよびフライホイール蓄積部１４Ｂから１対４の割合で電力が供給されることになるよう、キャパシタ蓄積部１４Ａ内の直流直流変換器１４Ａ−２およびフライホイール蓄積部１４Ｂ内の直流交流変換器１４Ｂ−３を制御する。
モータ２の一定速度制御期間中は、モータ２の加速もしくは減速制御期間中の場合に比べて駆動電力は少なく済むので、エネルギー制御部１５は、エネルギー蓄積部１４の動作を停止させる。
その後、モータ２の減速制御期間に移行すると、モータ２からは回生電力が発生する。エネルギー制御部１５は、モータ２から回生されて直流交流変換器１２、ＤＣリンク部１３および交流直流変換器１１を経て交流電源３へ戻される交流電力が、所定の抑制値を超えるとき、モータ２から回生された交流電力からこの所定の抑制値を減算した分の交流電力を変換して得られる直流電力を、エネルギー蓄積部１４が蓄積するように、特にキャパシタ蓄積部１４Ａおよびフライホイール蓄積部１４Ｂが蓄積分担率１対４で蓄積するように、制御する。すなわち所定の抑制値までの電力については交流電源３側に回生されるが、残りの電力について、エネルギー制御部１５は、回生された電力をキャパシタ蓄積部１４Ａおよびフライホイール蓄積部１４Ｂが蓄積負担率１対４の割合で蓄積するよう、キャパシタ蓄積部１４Ａ内の直流直流変換器１４Ａ−２およびフライホイール蓄積部１４Ｂ内の直流交流変換器１４Ｂ−３を制御する。その後、所定の抑制値まで電力の回生が進んだら、エネルギー制御部１５は、エネルギー蓄積部１４の動作を停止させる。すると、交流電源３側への電力の回生のみになる。
図３は、本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置の動作の第２の具体例を示す図である。第２の具体例は、直流電力供給開始時および直流電流蓄積開始時はキャパシタ蓄積部１４Ａのみを動作させるものである。これは大容量のキャパシタは急速充放電が可能であるという特性、キャパシタ蓄積部におけるエネルギーの蓄積もしくは供給する際の損失は、フライホイール蓄積部のものよりも小さいのでエネルギー利用効率が良いという、キャパシタ蓄積部の特性、および、フライホイール蓄積部は単位体積あたりの蓄積可能なエネルギー量がキャパシタ蓄積部よりも大きいという特性を利用したものである。
図３（ａ）に示すように、モータ制御部１６の制御により、モータ２をまず加速し、一定期間一定速度で回転させた後、減速させる場合を考える。図３（ａ）に示すように、モータ２の加速時には正のトルクが発生し、モータ２の減速時には負のトルクが発生する。
エネルギー制御部１５は、交流電源３から交流直流変換器１１、ＤＣリンク部１３および直流交流変換器１２を経てモータ２に供給される交流電力が、所定の抑制値を超えるとき、モータ２を駆動するために必要な交流電力からこの所定の抑制値を減算した分の交流電力を得るのに必要な直流電力を、エネルギー蓄積部１４が出力するように制御する。図３（ｂ）に示すように、モータ２の加速制御期間中はモータ出力は増加し続けるが、エネルギー制御部１５は、モータ出力が所定の抑制値に達するまではエネルギー蓄積部１４は動作させず、したがって、この間は交流電源３からのみ電力が供給させることになる。
モータ２の加速制御期間中にモータ出力が所定の抑制値に達したとき、エネルギー制御部１５は、交流電源３からの電力に加え、キャパシタ蓄積部１４Ａから電力が供給されることになるよう、キャパシタ蓄積部１４Ａ内の直流直流変換器１４Ａ−２およびフライホイール蓄積部１４Ｂ内の直流交流変換器１４Ｂ−３を制御する。
モータ２の一定速度制御期間中は、モータ２の加速もしくは減速制御期間中の場合に比べて駆動電力は少なく済むので、エネルギー制御部１５は、キャパシタ蓄積部１４Ａ内の直流直流変換器１４Ａ−２およびフライホイール蓄積部１４Ｂ内の直流交流変換器１４Ｂ−３を制御してエネルギー蓄積部１４の動作を停止させる。モータ２の加速制御期間中にモータ出力が所定の抑制値に達したとき、エネルギー制御部１５は、交流電源３からの電力に加え、キャパシタ蓄積部１４Ａから電力が供給されることになるよう、キャパシタ蓄積部１４Ａ内の直流直流変換器１４Ａ−２を制御する。ある程度、キャパシタ蓄積部１４Ａによる電力の供給が進むと、キャパシタ蓄積部１４Ａに蓄積されていた電力が枯渇に近づくので、エネルギー制御部１５は、キャパシタ１４Ａ−１の充電電圧が下限値Ｖ2となったことを検出したら、フライホイール蓄積部１４Ｂ内の直流交流変換器１４Ｂ−３を制御してフライホイール蓄積部１４Ｂからの電力の供給を開始する。本実施例では、図３（ｂ）に示すように、フライホイール蓄積部１４Ｂからの電力の供給の開始時に、供給分担率を変更してキャパシタ蓄積部１４Ａから供給する直流電力の量を徐々に減少させ始めることで、ＤＣリンク部１３への直流電力の供給元をキャパシタ蓄積部１４Ａからフライホイール蓄積部１４Ｂへと徐々に切り替えていく。あるいはこの代替例として、フライホイール蓄積部１４Ｂからの電力の供給の開始時に、キャパシタ蓄積部１４Ａによる直流電力の供給を停止してもよい。
モータ２の一定速度制御期間中は、モータ２の加速もしくは減速制御期間中の場合に比べて駆動電力は少なく済むので、エネルギー制御部１５は、キャパシタ蓄積部１４Ａ内の直流直流変換器１４Ａ−２およびフライホイール蓄積部１４Ｂ内の直流交流変換器１４Ｂ−３を制御してエネルギー蓄積部１４の動作を停止させる。
その後、モータ２の減速制御期間に移行すると、モータ２からは回生電力が発生する。エネルギー制御部１５は、モータ２から回生されて直流交流変換器１２、ＤＣリンク部１３および交流直流変換器１１を経て交流電源３へ戻される交流電力が、所定の抑制値を超えるとき、モータ２から回生された交流電力からこの所定の抑制値を減算した分の交流電力を変換して得られる直流電力を、キャパシタ蓄積部１４Ａが蓄積する。すなわち所定の抑制値までの電力については交流電源３側に回生されるが、残りの電力について、エネルギー制御部１５は、回生された電力をキャパシタ蓄積部１４Ａが蓄積するよう、キャパシタ蓄積部１４Ａ内の直流直流変換器１４Ａ−２を制御する。ある程度、キャパシタ蓄積部１４Ａへの直流電力の蓄積が進むと、キャパシタ蓄積部１４Ａに蓄積される直流電力量が蓄積可能量に近づくので、エネルギー制御部１５は、キャパシタ１４Ａ−１の充電電圧が上限値Ｖ1となったことを検出したら、フライホイール蓄積部１４Ｂ内の直流交流変換器１４Ｂ−３を制御してフライホイール蓄積部１４Ｂへの直流電力の蓄積を開始する。本実施例では、図３（ｂ）に示すように、フライホイール蓄積部１４Ｂへの電力の蓄積の開始時に、蓄積分担率を変更してキャパシタ蓄積部１４Ａへ蓄積する直流電力の量を徐々に減少させ始め、ＤＣリンク部１３からの直流電力の蓄積先をキャパシタ蓄積部１４Ａからフライホイール蓄積部１４Ｂへと徐々に切り替えていく。あるいはこの代替例として、フライホイール蓄積部１４Ｂへの直流電力の蓄積の開始時に、キャパシタ蓄積部１４Ａへの直流電力の蓄積を停止してもよい。その後、所定の抑制値まで電力の回生が進んだら、エネルギー制御部１５は、キャパシタ蓄積部１４Ａ内の直流直流変換器１４Ａ−２およびフライホイール蓄積部１４Ｂ内の直流交流変換器１４Ｂ−３を制御してエネルギー蓄積部１４の動作を停止させる。すると、交流電源３側への電力の回生のみになる。
このように第２の具体例では、キャパシタ蓄積部１４Ａからの供給エネルギーが足りなくなった場合や、キャパシタ蓄積部１４Ａが、モータ２からの回生電力をこれ以上蓄積出来なくなった場合に、フライホイール蓄積部１４Ｂを使用する。すなわち、エネルギー制御部１５は、エネルギー蓄積部１４がＤＣリンク部１３へ供給する直流電力を、該直流電力が所定の電力量以下のときはキャパシタ蓄積部１４Ａのみにより供給し、該直流電力が上記所定の電力量より大きいときはフライホイール蓄積部２４Ｂのみによりまたはキャパシタ蓄積部１４Ａおよびフライホイール蓄積部１４Ｂの両方により供給するよう制御する。エネルギー制御部１５は、エネルギー蓄積部１４がＤＣリンク部１３から蓄積する直流電力を、該直流電力が所定の電力量以下のときはキャパシタ蓄積部１４Ａのみに蓄積し、該直流電力が上記所定の電力量より大きいときは１４Ｂフライホイール蓄積部のみにまたはキャパシタ蓄積部１４Ａおよびフライホイール蓄積部１４Ｂの両方に蓄積するよう制御する。
図４は、本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置の動作の第３の具体例を示す図である。第３の具体例は、負荷であるモータ２の負荷変動が速く、交流電源の電力ピークを抑制するためには急峻な電力の蓄積もしくは供給が必要である場合には、特にキャパシタ蓄積部を優先的に使用するものである。モータ２を加速若しくは減速制御をする際にモータ２を駆動するための交流電力はピーク値となるが、エネルギー蓄積部１４からの電力の供給およびエネルギー蓄積部１４への電力の蓄積が遅れると、交流電源３からの電力の供給もしくは交流電源３への電力の蓄積が本来想定されていたよりも余分に要求されることになる。上述のように駆動電力の蓄積もしくは供給の速度は、キャパシタ蓄積部１４Ａの方がフライホイール蓄積部１４Ｂよりも優れるので、駆動電力の蓄積もしくは供給の速度が要求される場合は、エネルギー蓄積部１４のうちキャパシタ蓄積部１４Ａを使用する。
ここでは、図４（ａ）に示すように、モータ制御部１６の制御により、モータ２の加速および一定速度で回転させた後、さらに加速させる場合を考える。図４（ａ）に示すように、モータ２の加速時には正のトルクが発生する。
エネルギー制御部１５は、交流電源３から交流直流変換器１１、ＤＣリンク部１３および直流交流変換器１２を経てモータ２に供給される交流電力が、所定の抑制値を超えるとき、モータ２を駆動するために必要な交流電力からこの所定の抑制値を減算した分の交流電力を得るのに必要な直流電力を、エネルギー蓄積部１４が出力するように制御する。図４（ｂ）に示すように、モータ２の加速制御期間中はモータ出力は増加し続けるが、エネルギー制御部１５は、モータ出力が所定の抑制値に達するまではエネルギー蓄積部１４は動作させず、したがって、この間は交流電源３からのみ電力が供給させることになる。
モータ２の加速制御期間中にモータ出力が所定の抑制値に達したとき、エネルギー制御部１５は、交流電源３からの電力に加え、キャパシタ蓄積部１４Ａのみにより、フライホイール蓄積部１４Ｂのみにより、またはキャパシタ蓄積部１４Ａおよびフライホイール蓄積部１４Ｂの両方により供給するよう、キャパシタ蓄積部１４Ａ内の直流直流変換器１４Ａ−２およびフライホイール蓄積部１４Ｂ内の直流交流変換器１４Ｂ−３を制御する。具体的には、エネルギー制御部１５は、エネルギー蓄積部１４がＤＣリンク部１３へ供給する直流電力の増加率が所定の値以下のときは、該直流電力をフライホイール蓄積部１４Ｂのみにより供給し、エネルギー蓄積部１４がＤＣリンク部１３へ供給する直流電力の増加率が所定の値より大きいときは、該直流電力をキャパシタ蓄積部１４Ａのみによりまたはキャパシタ蓄積部１４Ａおよびフライホイール蓄積部１４Ｂの両方により供給するよう、キャパシタ蓄積部１４Ａ内の直流直流変換器１４Ａ−２およびフライホイール蓄積部１４Ｂ内の直流交流変換器１４Ｂ−３を制御する。なお、図示の例では、モータ２の加速制御および一定速度制御時におけるエネルギー蓄積部１４による電力の供給についてのみ示したが、モータ２から回生される電力の蓄積についても同様である。すなわち、エネルギー制御部１５は、エネルギー蓄積部１４がＤＣリンク部１３から蓄積する直流電力の増加率が所定の値以下のときは、該直流電力をフライホイール蓄積部１４Ｂのみに蓄積するよう、フライホイール蓄積部１４Ｂ内の直流交流変換器１４Ｂ−３を制御し、エネルギー蓄積部１４がＤＣリンク部１３から蓄積する直流電力の増加率が所定の値より大きいときは、該直流電力をキャパシタ蓄積部１４Ａのみにまたはキャパシタ蓄積部１４Ａおよびフライホイール蓄積部１４Ｂの両方に蓄積するよう、キャパシタ蓄積部１４Ａ内の直流直流変換器１４Ａ−２およびフライホイール蓄積部１４Ｂ内の直流交流変換器１４Ｂ−３を制御する。その後、所定の抑制値まで電力の回生が進んだら、エネルギー制御部１５は、キャパシタ蓄積部１４Ａ内の直流直流変換器１４Ａ−２およびフライホイール蓄積部１４Ｂ内の直流交流変換器１４Ｂ−３を制御してエネルギー蓄積部１４の動作を停止させる。すると、交流電源３側への電力の回生のみになる。
以上説明したように、エネルギー制御部１５は、モータ制御部１６から受信したモータ動作指令、またはキャパシタ蓄積部１４Ａおよびフライホイール蓄積部１４Ｂの蓄積可能量もしくは充放電速度などの特性に応じて、キャパシタ蓄積部１４Ａのみ、フライホイール蓄積部１１４Ｂのみ、またはキャパシタ蓄積部１４Ａおよびフライホイール蓄積部１５Ｂの両方が、直流電力をＤＣリンク部１３へ供給（放電）しまたはＤＣリンク部１３から蓄積（充電）するよう制御する。上述の図２〜４を参照して説明した第１〜第３の具体例は一例であり、モータ駆動装置１についてここで示した運転状況以外の状況であっても、その状況に応じて、エネルギー制御部１５は、キャパシタ蓄積部１４Ａのみ、フライホイール蓄積部１１４Ｂのみ、またはキャパシタ蓄積部１４Ａおよびフライホイール蓄積部１５Ｂの両方が、直流電力をＤＣリンク部１３へ供給（放電）しまたはＤＣリンク部１３から蓄積（充電）するよう制御すればよい。例えば、上述の第１〜第３の具体例を適宜組み合わせて実行してもよい。
モータ駆動装置１の電源を投入したときは、エネルギー蓄積部１４は充電されておらず、また、モータ２から回生される電力が少ない駆動条件下においては、エネルギー蓄積部１４に蓄積される電力も少量となることがある。このような場合、エネルギー蓄積部１４に蓄積された少量の電力では、次にモータ２を加速制御する際に必要な駆動電力をまかないきれず、その結果、交流電源３側から供給される電力が大きくなり、電力ピークが大きくなってしまう。このようなエネルギー蓄積部１４が供給するエネルギーが得られない駆動条件であっても、交流電源３に要求される電力ピークを抑制するために、エネルギー蓄積部１４が電力を供給できる体制を整えておく必要がある。そこで、モータ２が停止、あるいは、モータ２の駆動電力がある値以下の場合に、エネルギー蓄積部１４には、電流を制限しながら電力を蓄積しておくのが好ましい。すなわち、エネルギー制御部１５は、モータ２が停止しているとき、またはモータ２の駆動のための交流電力が所定の値以下のときには、エネルギー蓄積部１４がＤＣリンク部１３から直流電力を蓄積するよう、キャパシタ蓄積部１４Ａ内の直流直流変換器１４Ａ−２およびフライホイール蓄積部１４Ｂ内の直流交流変換器１４Ｂ−３を制御する。
続いて、本発明の第２の実施例によるモータ駆動装置について説明する。本発明の第２の実施例は、図１〜４を参照して説明した第１の実施例において、エネルギー蓄積部の構成として、キャパシタ蓄積部およびフライホイール蓄積部の構成から、異なる種類のキャパシタを有するキャパシタ蓄積部を複数備える構成に変更したものである。
図５は、本発明の第２の実施例によるモータ駆動装置を示すブロック図である。図示の例では、工作機械の駆動軸数を２個としたので２個のモータ２が設けられる。
本発明の第２の実施例によるモータ駆動装置１は、交流電源３からの交流電力を直流電力に変換する交流直流変換器１１と、直流電力をモータ２の駆動のための交流電力に変換しまたはモータ２から回生される交流電力を直流電力に変換する直流交流変換器１２と、交流直流変換器１１の直流側と直流交流変換器１２の直流側とを接続し、直流電力の受け渡しを行うＤＣリンク部１３と、ＤＣリンク部１３に接続され、直流電力をＤＣリンク部１３から蓄積しまたはＤＣリンク部１３へ供給する、異なる種類のキャパシタをそれぞれ有するキャパシタ蓄積部１４Ｃおよび１４Ｄを有するエネルギー蓄積部１４と、エネルギー蓄積部１４が直流電力をＤＣリンク部１３から蓄積しもしくはＤＣリンク部１３へ供給するよう制御するエネルギー制御部１５と、モータ２の動作を指令するモータ動作指令に基づいて、直流交流変換器１２が変換する交流電力を制御するモータ制御部１６と、を備える。
すなわち、図１で示した第１の実施例においては、エネルギー蓄積部１４を、少なくとも１つのキャパシタ蓄積部１４Ａおよび少なくとも１つのフライホイール蓄積部１４Ｂを有するものとして構成したが、図５に示す第２の実施例では、エネルギー蓄積部１４を、キャパシタ蓄積部１４Ｃとキャパシタ蓄積部１４Ｄとで、内部に有するキャパシタの種類が異なるものとして構成する。このようにキャパシタの種類によって定格電圧が異なるので、キャパシタ別に直流直流変換器を設けた別々のキャパシタ蓄積部を設けることは、エネルギー制御部１５がキャパシタの種類毎に異なる許容電圧範囲で制御することから、有効な手段である。なお、図示の例では、キャパシタ蓄積部の数を２個としたが、これらの個数はあくまでも一例であり、２個以上であればいくつであってもよい。また、これら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し、以下、キャパシタ蓄積部１４Ｃおよび１４Ｄについて説明する。
キャパシタ蓄積部１４Ｃおよび１４Ｄが有するキャパシタ（蓄電器）としては、電解コンデンサ、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、次世代の大容量キャパシタ等がある。なお、図５に示す第２の実施例では、キャパシタ蓄積部１４Ｃが有するキャパシタを電界コンデンサ１４Ｃ−１とし、キャパシタ蓄積部１４Ｄが有するキャパシタを電気二重層キャパシタ１４Ｄ−１とした。
キャパシタ蓄積部１４Ｃが有する電界コンデンサ１４Ｃ−１とＤＣリンク部１３との間には直流直流変換器（ＤＣ−ＤＣコンバータ）１４Ｃ−２が接続され、キャパシタ蓄積部１４Ｄが有する電気二重層キャパシタ１４Ｄ−１とＤＣリンク部１３との間には直流直流変換器（ＤＣ−ＤＣコンバータ）１４Ｄ−２が接続される。キャパシタ蓄積部１４Ｃおよび１４Ｄが蓄積もしくは出力すべき直流電力量は、エネルギー制御部１５により制御される。すなわち、エネルギー制御部１５は、キャパシタ蓄積部１４Ｃが蓄積（充電）もしくは出力（放電）すべき直流電力量を制御する指令を直流直流変換器１４Ｃ−２へ出力する。直流直流変換器１４Ｃ−２は、受信した指令が電界コンデンサ１４Ｃ−１による直流電力の出力（放電）を示すものである場合に電界コンデンサ１４Ｃ−１が接続された側の直流電圧がＤＣリンク部１３が接続された側の直流電圧よりも大きくなるような動作を行うことで電界コンデンサ１４Ｃ−１に蓄えられたエネルギーがＤＣリンク部１３側へ流れるようにし、受信した指令がキャパシタ蓄積部１４Ｃによる直流電力の蓄積（充電）を示すものである場合には電界コンデンサ１４Ｃ−１が接続された側の直流電圧がＤＣリンク部１３が接続された側の直流電圧よりも小さくなるような動作を行うことでＤＣリンク部１３からのエネルギーが電界コンデンサ１４Ｃ−１側へ流れるようにして該エネルギーが電界コンデンサ１４Ｃ−１に蓄えられるようにする。電気二重層キャパシタ１４Ｄ−１および直流直流変換器１４Ｄ−２を有するキャパシタ蓄積部１４Ｄについてもその動作は電界コンデンサ１４Ｃ−１および直流直流変換器１４Ｃ−２を有するキャパシタ蓄積部１４Ｃと同じであるので説明は省略する。
電解コンデンサ１４Ｃ−１は、頻繁かつ急速な充放電が可能だが、容量密度は小さいという特性を有する。一方、電気２重層キャパシタは、容量密度は大きいが、発熱が大きくなることから頻繁な充放電はできない。そこで、本発明の第２の実施例では、蓄積・供給が緩やかで時間を要するような場合は、エネルギー制御部１５は、キャパシタ蓄積部１４Ｄ内の直流直流変換部１４Ｄ−２を制御して電気ニ重層キャパシタ１４Ｄ−１にて電力の供給もしくは蓄積を行い、蓄積・供給が頻繁だが小容量で済むような場合には、エネルギー制御部１５は、キャパシタ蓄積部１４Ｃ内の直流直流変換部１４Ｃ−２を制御して電解コンデンサ１４Ｃにて電力の供給もしくは蓄積を行う。
本発明は、工作機械の駆動軸ごとにモータを有する工作機械システムにおいて、これらモータ（サーボモータ）を、入力された交流を直流に変換する交流直流変換器と、交流直流変換器から出力された直流を各モータの駆動電力としてそれぞれ供給される交流に変換する直流交流変換器と、を有するモータ駆動装置で駆動する場合に適用することができる。
１ モータ駆動装置
２ モータ
３ 交流電源
１１ 交流直流変換器
１２ 直流交流変換器
１３ ＤＣリンク部
１４ エネルギー蓄積部
１４Ａ、１４Ｃ、１４Ｄ キャパシタ蓄積部
１４Ａ−１ キャパシタ
１４Ａ−２ 直流直流変換器
１４Ｂ フライホイール蓄積部
１４Ｂ−１ イナーシャ回転用モータ
１４Ｂ−２ イナーシャ
１４Ｂ−３ 直流交流変換器。
１５ エネルギー制御部
１６ モータ制御部

Claims (11)

  1. 交流電源からの交流電力を直流電力に変換する交流直流変換器と、
    直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換しまたはモータから回生される交流電力を直流電力に変換する直流交流変換器と、
    前記交流直流変換器の直流側と前記直流交流変換器の直流側とを接続し、直流電力の受け渡しを行うＤＣリンク部と、
    前記ＤＣリンク部に接続され、直流電力を前記ＤＣリンク部から蓄積しまたは前記ＤＣリンク部へ供給する、少なくとも１つのキャパシタ蓄積部および少なくとも１つのフライホイール蓄積部を有するエネルギー蓄積部と、
    モータの動作を指令するモータ動作指令に基づき、前記直流交流変換器が所望の交流電力を出力するよう制御するモータ制御部と、
    前記エネルギー蓄積部が直流電力を前記ＤＣリンク部から蓄積しもしくは前記ＤＣリンク部へ供給するよう制御することで交流電源のピーク値を抑制するエネルギー制御部と、
    を備え、
    前記キャパシタ蓄積部および前記フライホイール蓄積部は、前記エネルギー蓄積部の設置スペースおよびコストに応じてそれぞれ選定され、
    前記エネルギー制御部は、前記エネルギー蓄積部が前記ＤＣリンク部へ供給する直流電力を、前記エネルギー蓄積部による直流電力供給開始時は前記キャパシタ蓄積部のみにより供給し、前記キャパシタ蓄積部が蓄積している直流電力が所定の電力量以下になったときは、前記フライホイール蓄積部のみにより供給するよう制御することを特徴とするモータ駆動装置。
  2. 交流電源からの交流電力を直流電力に変換する交流直流変換器と、
    直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換しまたはモータから回生される交流電力を直流電力に変換する直流交流変換器と、
    前記交流直流変換器の直流側と前記直流交流変換器の直流側とを接続し、直流電力の受け渡しを行うＤＣリンク部と、
    前記ＤＣリンク部に接続され、直流電力を前記ＤＣリンク部から蓄積しまたは前記ＤＣリンク部へ供給する、少なくとも１つのキャパシタ蓄積部および少なくとも１つのフライホイール蓄積部を有するエネルギー蓄積部と、
    モータの動作を指令するモータ動作指令に基づき、前記直流交流変換器が所望の交流電力を出力するよう制御するモータ制御部と、
    前記エネルギー蓄積部が直流電力を前記ＤＣリンク部から蓄積しもしくは前記ＤＣリンク部へ供給するよう制御することで交流電源のピーク値を抑制するエネルギー制御部と、
    を備え、
    前記キャパシタ蓄積部および前記フライホイール蓄積部は、前記エネルギー蓄積部の設置スペースおよびコストに応じてそれぞれ選定され、
    前記エネルギー制御部は、前記エネルギー蓄積部が前記ＤＣリンク部から蓄積する直流電力を、前記エネルギー蓄積部による直流電力蓄積開始時は前記キャパシタ蓄積部のみに蓄積し、前記キャパシタ蓄積部が蓄積している直流電力が所定の電力量以上になったときは、前記フライホイール蓄積部のみに蓄積するよう制御することを特徴とするモータ駆動装置。
  3. 交流電源からの交流電力を直流電力に変換する交流直流変換器と、
    直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換しまたはモータから回生される交流電力を直流電力に変換する直流交流変換器と、
    前記交流直流変換器の直流側と前記直流交流変換器の直流側とを接続し、直流電力の受け渡しを行うＤＣリンク部と、
    前記ＤＣリンク部に接続され、直流電力を前記ＤＣリンク部から蓄積しまたは前記ＤＣリンク部へ供給する、少なくとも１つのキャパシタ蓄積部および少なくとも１つのフライホイール蓄積部を有するエネルギー蓄積部と、
    モータの動作を指令するモータ動作指令に基づき、前記直流交流変換器が所望の交流電力を出力するよう制御するモータ制御部と、
    前記エネルギー蓄積部が直流電力を前記ＤＣリンク部から蓄積しもしくは前記ＤＣリンク部へ供給するよう制御することで交流電源のピーク値を抑制するエネルギー制御部と、
    を備え、
    前記キャパシタ蓄積部および前記フライホイール蓄積部は、前記エネルギー蓄積部の設置スペースおよびコストに応じてそれぞれ選定され、
    前記エネルギー制御部は、前記エネルギー蓄積部が前記ＤＣリンク部へ供給する直流電力の増加率が所定の値以下のときは、該直流電力を前記フライホイール蓄積部のみにより供給するよう制御することを特徴とするモータ駆動装置。
  4. 前記エネルギー制御部は、前記エネルギー蓄積部が前記ＤＣリンク部へ供給する直流電力の増加率が前記所定の値より大きいときは、該直流電力を前記キャパシタ蓄積部のみによりまたは前記キャパシタ蓄積部および前記フライホイール蓄積部の両方により供給するよう制御する請求項３に記載のモータ駆動装置。
  5. 交流電源からの交流電力を直流電力に変換する交流直流変換器と、
    直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換しまたはモータから回生される交流電力を直流電力に変換する直流交流変換器と、
    前記交流直流変換器の直流側と前記直流交流変換器の直流側とを接続し、直流電力の受け渡しを行うＤＣリンク部と、
    前記ＤＣリンク部に接続され、直流電力を前記ＤＣリンク部から蓄積しまたは前記ＤＣリンク部へ供給する、少なくとも１つのキャパシタ蓄積部および少なくとも１つのフライホイール蓄積部を有するエネルギー蓄積部と、
    モータの動作を指令するモータ動作指令に基づき、前記直流交流変換器が所望の交流電力を出力するよう制御するモータ制御部と、
    前記エネルギー蓄積部が直流電力を前記ＤＣリンク部から蓄積しもしくは前記ＤＣリンク部へ供給するよう制御することで交流電源のピーク値を抑制するエネルギー制御部と、
    を備え、
    前記キャパシタ蓄積部および前記フライホイール蓄積部は、前記エネルギー蓄積部の設置スペースおよびコストに応じてそれぞれ選定され、
    前記エネルギー制御部は、前記エネルギー蓄積部が前記ＤＣリンク部から蓄積する直流電力の増加率が所定の値以下のときは、該直流電力を前記フライホイール蓄積部のみに蓄積するよう制御することを特徴とするモータ駆動装置。
  6. 前記エネルギー制御部は、前記エネルギー蓄積部が前記ＤＣリンク部から蓄積する直流電力の増加率が前記所定の値より大きいときは、該直流電力を前記キャパシタ蓄積部のみにまたは前記キャパシタ蓄積部および前記フライホイール蓄積部の両方に蓄積するよう制御する請求項５に記載のモータ駆動装置。
  7. 交流電源からの交流電力を直流電力に変換する交流直流変換器と、
    直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換しまたはモータから回生される交流電力を直流電力に変換する直流交流変換器と、
    前記交流直流変換器の直流側と前記直流交流変換器の直流側とを接続し、直流電力の受け渡しを行うＤＣリンク部と、
    前記ＤＣリンク部に接続され、直流電力を前記ＤＣリンク部から蓄積しまたは前記ＤＣリンク部へ供給する、少なくとも１つのキャパシタ蓄積部および少なくとも１つのフライホイール蓄積部を有するエネルギー蓄積部と、
    モータの動作を指令するモータ動作指令に基づき、前記直流交流変換器が所望の交流電力を出力するよう制御するモータ制御部と、
    前記エネルギー蓄積部が直流電力を前記ＤＣリンク部から蓄積しもしくは前記ＤＣリンク部へ供給するよう制御することで交流電源のピーク値を抑制するエネルギー制御部と、
    を備え、
    前記キャパシタ蓄積部および前記フライホイール蓄積部は、前記エネルギー蓄積部の設置スペースおよびコストに応じてそれぞれ選定され、
    前記エネルギー制御部は、前記エネルギー蓄積部が前記ＤＣリンク部へ供給する直流電力を、該直流電力が所定の電力量以下のときは前記キャパシタ蓄積部のみにより供給し、該直流電力が前記所定の電力量より大きいときは前記フライホイール蓄積部のみによりまたは前記キャパシタ蓄積部および前記フライホイール蓄積部の両方により供給するよう制御することを特徴とするモータ駆動装置。
  8. 交流電源からの交流電力を直流電力に変換する交流直流変換器と、
    直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換しまたはモータから回生される交流電力を直流電力に変換する直流交流変換器と、
    前記交流直流変換器の直流側と前記直流交流変換器の直流側とを接続し、直流電力の受け渡しを行うＤＣリンク部と、
    前記ＤＣリンク部に接続され、直流電力を前記ＤＣリンク部から蓄積しまたは前記ＤＣリンク部へ供給する、少なくとも１つのキャパシタ蓄積部および少なくとも１つのフライホイール蓄積部を有するエネルギー蓄積部と、
    モータの動作を指令するモータ動作指令に基づき、前記直流交流変換器が所望の交流電力を出力するよう制御するモータ制御部と、
    前記エネルギー蓄積部が直流電力を前記ＤＣリンク部から蓄積しもしくは前記ＤＣリンク部へ供給するよう制御することで交流電源のピーク値を抑制するエネルギー制御部と、
    を備え、
    前記キャパシタ蓄積部および前記フライホイール蓄積部は、前記エネルギー蓄積部の設置スペースおよびコストに応じてそれぞれ選定され、
    前記エネルギー制御部は、前記エネルギー蓄積部が前記ＤＣリンク部から蓄積する直流電力を、該直流電力が所定の電力量以下のときは前記キャパシタ蓄積部のみに蓄積し、該直流電力が前記所定の電力量より大きいときは前記フライホイール蓄積部のみにまたは前記キャパシタ蓄積部および前記フライホイール蓄積部の両方に蓄積するよう制御することを特徴とするモータ駆動装置。
  9. 前記エネルギー制御部は、交流電源から前記交流直流変換器、前記ＤＣリンク部および前記直流交流変換器を経てモータに供給される交流電力が、所定の抑制値を超えるとき、モータを駆動するために必要な交流電力から前記所定の抑制値を減算した分の交流電力を得るのに必要な直流電力を、前記エネルギー蓄積部が出力するように制御する請求項１〜８のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
  10. 前記エネルギー制御部は、モータから回生されて前記直流交流変換器、前記ＤＣリンク部および前記交流直流変換器を経て交流電源へ戻される交流電力が、所定の抑制値を超えるとき、モータから回生された交流電力から前記所定の抑制値を減算した分の交流電力を変換して得られる直流電力を、前記エネルギー蓄積部が蓄積するように制御する請求項１〜８のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
  11. 前記エネルギー制御部は、モータが停止しているとき、またはモータの駆動のための交流電力が所定の値以下のとき、前記エネルギー蓄積部が前記ＤＣリンク部から直流電力を蓄積するよう制御する請求項１〜８のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
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