JP5997302B2 - 蓄電器を用いたモータ駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、モータ駆動装置に関し、特に、モータ駆動時に電源から供給される電力ピークや、モータ減速時に電源へ回生される電力ピークを低減するために、PWMコンバータと蓄電器を用いたモータ駆動装置に関する。
工作機械や産業機械、ロボット等を駆動するモータ駆動装置において、入力交流電力を直流電力に変換するコンバータとして、パワー半導体素子のPWMスイッチング動作により、力率がほぼ1で、DCリンク電圧を入力電圧波高値以上の所望の電圧に昇圧制御できるPWMコンバータが広く採用されている。
例えば、PWMコンバータの出力部に蓄電器を接続し、入出力電流を制限するようにPWMスイッチング動作によりPWMコンバータを動作させて、これによりモータを駆動させるために不足する電力は、蓄電器の電力を利用することで、モータ加速時に電源から供給される電力ピークや、モータ減速時に電源に回生される回生電力ピークを抑制する手法が知られている(例えば、特許文献1)。
ここで、モータ加速時に必要な電力X[W]に対して、PWMコンバータが入力電力をY[W]に制限したとすると、不足する電力Z[W]は下記の式(1)で与えられ、蓄電器から供給されることになる。
Z[W]=X[W]−Y[W] (1)
ここで、モータ加速期間をT[s]とすると、蓄電器から供給されるエネルギーE[J]は、E[J]=Z[W]×T[s]となる。このときの蓄電器の電圧は、下記の式(2)に基づいて、V1[V]からV2[V]に低下する。
E[J]=1/2×C×(V12−V22) (2)
ただし、V1は電力供給前の蓄電器電圧[V]、V2は電力供給後の蓄電器電圧[V]、Cは蓄電器の静電容量[F]である。
V2[V]に低下した蓄電器電圧は、PWMコンバータを介して電源から充電するか、モータ減速時の回生電力を充電することで、元の電圧V1[V]に戻す。そして、次のモータ加速時の供給に備える(例えば、特許文献2参照)。
PWMコンバータのPWMスイッチング動作による入出力電流の制限は、DCリンク電圧(=蓄電器電圧)が、入力電圧波高値よりも高い場合に可能である。
DCリンク電圧が入力電圧波高値に等しい場合は、モータ加速時に要求される電力は、PWMコンバータ内のパワー半導体素子のダイオード部に電流が流れる為、PWMスイッチング動作による入力電力の制限ができない。所謂、ダイオード整流型のコンバータと同じである。
つまり、モータ加速時に、蓄電器から電力を供給して、蓄電器電圧が低下して、入力電圧波高値に到達したとする。そうすると、PWMコンバータ内のダイオードを通して電流が流れるようになるため、入出力電力を制限できなくなる。その後のモータ加速時に必要な電力は、すべて、電源から供給されることになり、ピーク電力を抑制するという目的を果たせないという問題が生じる。
そこで、上記の問題を回避するために、電力供給後の蓄電器電圧V2が入力電圧波高値より低くならないように蓄電器容量C[F]を選定する必要がある。例えば、下記の条件を式(1)及び(2)に当てはめて蓄電器容量C[F]を選定する。
X[W],T[s]:モータの運転条件から決まる。
Y[W]:電源が供給可能な電力に制限する。
V1[V]:蓄電器やPWMコンバータの耐圧以下である必要がある。
V2[V]:電源電圧波高値以上の電圧である必要がある。かつ、モータを駆動するために、最低限必要な電圧である必要がある。
式(2)より、蓄電器容量を削減するためには、電位差V1−V2を大きく取ることが好ましいことが分かる。また、蓄電器は、高価であり、大きな設置スペースを要するので、できるだけ削減することが好ましい。
上限のV1は、蓄電器やPWMコンバータの内部素子の耐圧で決まるので、さらに高くするのは難しい。下限のV2は電源電圧によって決まるので、設置される電源により左右される。
例えば、電源電圧が高い等の理由でV2が低く取れない場合は、電位差V1−V2を大きく取れないため、その分、蓄電器の容量C[F]が多く必要になる。しかしながら、上述のように、電位差V1−V2を大きく取ることが好ましい。
また、モータ駆動時に、PWMコンバータが入出力電流を制限して、不足分を蓄電器から供給することで、結果的にPWMコンバータに入出力する電力が小さくなるので、モータ出力より容量の小さいPWMコンバータを選定することができる。
しかしながら、モータの出力より容量の小さいPWMコンバータを選定した場合は、モータ出力が想定より大きかったり、経年劣化で蓄電器容量が低下したりした場合に、モータ加速の際の供給時に、蓄電器電圧が入力電圧波高値を下回り、モータ負荷が、そのままPWMコンバータに印加されて、PWMコンバータが破損する可能性がある。
特開2000−236679号公報 特許第4917680号公報
従来は、モータ駆動時に電源から供給される電力ピークや、モータ減速時に電源へ回生される電力ピークを低減するために、蓄電器の容量を削減することができないという問題があった。
第一の発明に係るモータ駆動装置は、低電圧交流電源から入力される交流電力をPWM制御により直流電力へ変換するPWMコンバータと、直流電力を受電し、モータを駆動するための交流電力へ変換するインバータと、PWMコンバータとインバータとの間に接続された蓄電器と、を備え、PWMコンバータは、入出力電流あるいは入出力電力をある設定された値に制限するように動作し、低電圧交流電源から、モータを駆動するために必要な電圧より低い電圧を供給され、出力電圧であるDCリンク電圧をモータ駆動可能な電圧まで昇圧することにより、蓄電器の充放電時の電位差を大きく取って、蓄電器の容量を削減することを特徴とする。
また、第二の発明に係るモータ駆動装置は、交流電源から入力される交流電力をPWM制御により直流電力へ変換するPWMコンバータと、直流電力を受電し、モータを駆動するための交流電力へ変換するインバータと、PWMコンバータとインバータとの間に接続された蓄電器と、交流電源とPWMコンバータとの間に接続された降圧トランスと、を備え、PWMコンバータは、入出力電流あるいは入出力電力をある設定された値に制限するように動作し、降圧トランスから、交流電源の電圧より低い電圧を供給され、蓄電器の充放電時の電位差を大きく取って、蓄電器の容量を削減することを特徴とする。
第一または第二の発明に係るモータ駆動装置によれば、モータ駆動時に電源から供給される電力ピークや、モータ減速時に電源へ回生される電力ピークを低減するために、蓄電器の充放電時の電位差を大きく取って、蓄電器の容量を削減することが可能なPWMコンバータと蓄電器を用いたモータ駆動装置を提供することができる。
本発明の実施例1に係るモータ駆動装置のブロック図である。 本発明の実施例2に係るモータ駆動装置のブロック図である。 本発明の実施例2に係るモータ駆動装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施例3に係るモータ駆動装置のブロック図である。 本発明の実施例4に係るモータ駆動装置のブロック図である。
以下、図面を参照して、本発明に係るモータ駆動装置について説明する。
[実施例1]
まず、本発明の実施例1に係るモータ駆動装置について説明する。図1に、本発明の実施例1に係るモータ駆動装置のブロック図を示す。本発明の実施例1に係るモータ駆動装置101は、低電圧交流電源14´から入力される交流電力をPWM制御により直流電力へ変換するPWMコンバータ2と、直流電力を受電し、モータ8を駆動するための交流電力へ変換するインバータ3と、PWMコンバータ2とインバータ3との間に接続された蓄電器4と、を備え、PWMコンバータ2は、入出力電流あるいは入出力電力をある設定された値に制限するように動作し、低電圧交流電源14´から、モータ8を駆動するために必要な電圧より低い電圧を供給され、出力電圧であるDCリンク電圧をモータ駆動可能な電圧まで昇圧することにより、蓄電器の充放電時の電位差を大きく取って、蓄電器の容量を削減することを特徴とする。
図1に示すように、低電圧交流電源14´は3相の交流電源であり、ACリアクトル13を介してPWMコンバータ2に交流電力を供給する。低電圧交流電源14´から供給された交流電圧は入力電圧検出部11により検出される。また、ACリアクトル13を介してPWMコンバータ2に入力される電流は入力電流検出部12により検出される。
PWMコンバータ2に入力された交流電力は、PWMコンバータ2内の半導体スイッチング素子21〜26のスイッチングをPWMコンバータ制御回路5により制御することにより直流電力に変換される。変換後の直流電圧は、出力電圧検出部10により検出される。
PWMコンバータ2によって整流された直流電力は第1平滑コンデンサ9及び第2平滑コンデンサ9´により平滑化され、インバータ3に入力される。インバータ3に入力される電流はインバータ入力電流検出部15により検出される。PWMコンバータ2は、入出力電流あるいは入出力電力をある設定された値に制限するように動作し、モータ駆動時に、PWMコンバータが入出力電流を制限したことによる不足分を蓄電器4から供給する。
インバータ3に入力された直流電力は、インバータ3内の半導体スイッチング素子31〜36のスイッチングをインバータ制御回路6により制御することによりモータ8を駆動するための交流電力に変換される。PWMコンバータ制御回路5及びインバータ制御回路6はコントローラ7により制御される。
本発明の実施例1に係るモータ駆動装置101においては、モータ駆動装置101をモータ駆動電圧より低い電圧の電源である低電圧交流電源14´に接続し、PWMコンバータ2により、DCリンク電圧をモータ駆動電圧まで昇圧して、モータ8を駆動する。
例えば、AC400[V]で駆動されるモータ駆動装置を、AC200[V]の交流電源に接続する場合を例にとって説明する。
従来、AC400[V]系のモータ駆動装置をAC400[V]に接続した場合、部品の耐圧から、V1をDC800[V]と設定すると、入力電圧AC400[V]の場合は、入力電圧波高値はDC566[V]になるので、蓄電器は、V1:DC800[V]〜V2:DC566[V]の間で充放電することになる。ただし、V1は電力供給前の蓄電器電圧[V]、V2は電力供給後の蓄電器電圧[V]である。
一方、本発明の実施例1に係るモータ駆動装置において、AC200[V]の交流電源で、AC400[V]タイプのモータを駆動する為に、DCリンク(=蓄電器)はDC800[V]まで昇圧する。これにより、AC400[V]タイプのモータも駆動可能となる。
また、AC200[V]電源の入力電圧波高値は、DC283[V]のため、蓄電器は、V1:DC800[V]〜V2:DC283[V]の間で充放電することになる。その結果、従来に比べて、必要なコンデンサ容量C[F]は、43%削減できる。
実際にはDCリンク電圧(=蓄電器電圧)がDC283[V]まで低下すると、AC400[V]タイプのモータを駆動することができない可能性があるので、モータを駆動できる範囲で、V2の電圧を設定するとよい。
以上説明したように、本発明の実施例1に係るモータ駆動装置によれば、低い電圧でモータを駆動でき、かつ、蓄電器電圧も大きく取れるので、蓄電器容量を削減することができる。
[実施例2]
次に、本発明の実施例2に係るモータ駆動装置について説明する。図2に、本発明の実施例2に係るモータ駆動装置のブロック図を示す。本発明の実施例2に係るモータ駆動装置102は、交流電源14から入力される交流電力をPWM制御により直流電力へ変換するPWMコンバータ2と、直流電力を受電し、モータ8を駆動するための交流電力へ変換するインバータ3と、PWMコンバータ2とインバータ3との間に接続された蓄電器4と、交流電源14とPWMコンバータ2との間に接続された降圧トランス16と、を備え、PWMコンバータ2は、降圧トランス16から、交流電源14の電圧より低い電圧を供給され、入出力電流あるいは入出力電力をある設定された値に制限するように動作することにより、蓄電器の充放電時の電位差を大きく取って、蓄電器の容量を削減することを特徴とする。
図2に示すように、交流電源14は3相の交流電源であり、降圧トランス16及びACリアクトル13を介してPWMコンバータ2に交流電力を供給する。降圧トランス16で降圧された交流電圧は入力電圧検出部11により検出される。また、ACリアクトル13を介してPWMコンバータ2に入力される電流は入力電流検出部12により検出される。
PWMコンバータ2に入力された交流電力は、PWMコンバータ2内の半導体スイッチング素子21〜26のスイッチングをPWMコンバータ制御回路5により制御することにより直流電力に変換される。変換後の直流電圧は、出力電圧検出部10により検出される。
PWMコンバータ2によって整流された直流電力は第1平滑コンデンサ9及び第2平滑コンデンサ9´により平滑化され、インバータ3に入力される。インバータ3に入力される電流はインバータ入力電流検出部15により検出される。PWMコンバータ2は、入出力電流あるいは入出力電力をある設定された値に制限するように動作し、モータ駆動時に、PWMコンバータが入出力電流を制限したことによる不足分を蓄電器4から供給する。
インバータ3に入力された直流電力は、インバータ3内の半導体スイッチング素子31〜36のスイッチングをインバータ制御回路6により制御することによりモータ8を駆動するための交流電力に変換される。PWMコンバータ制御回路5及びインバータ制御回路6はコントローラ7により制御される。
交流電源14とPWMコンバータ2との間に降圧トランス16を入れることで、PWMコンバータ2に入力される交流電圧を低くすることができる。例えば、交流電源14の電源電圧をAC480[V]として、降圧トランスでAC380[V]に降圧する場合について説明する。
従来、降圧トランスなしで、AC480[V]の電源に接続した場合、部品の耐圧から、無負荷時のDCリンク電圧(=蓄電器電圧)をPWMコンバータによりDC800[V]に昇圧したとする。そうすると、入力電圧AC480[V]の場合は、入力電圧波高値はDC680[V]になるので、蓄電器は、V1:DC800[V]〜V2:DC680[V]の間で充放電することになる。ただし、V1は電力供給前の蓄電器電圧[V]、V2は電力供給後の蓄電器電圧[V]である。
一方、本発明の実施例2に係るモータ駆動装置によれば、降圧トランスで、AC380[V]に降圧した場合は、PWMコンバータに入力される入力電圧波高値はDC540[V]になるので、V1:DC800[V]〜V2:DC540[V]の間で、蓄電器を充放電することになる。従って、従来に比べて、必要なコンデンサ容量C[F]は、49%削減できる。
次に、本発明の実施例2に係るモータ駆動装置の動作例について説明する。図3に本発明の実施例2に係るモータ駆動装置の動作を説明するためのタイミングチャートを示す。図3には、モータ出力、電源電流(電源出力)、蓄電器電流、及びDCリンク電圧(蓄電器電圧)のそれぞれの時刻T0〜T6における時間的変化を示す。
まず、時刻T0〜T1間における動作について説明する。この期間においては、モータ8は動作を停止しており、PWMコンバータ2は、DCリンク電圧(蓄電器4の電圧)を入力電圧波高値より高い、一定電圧V1に制御する。
次に、時刻T1〜T2間における動作について説明する。時刻T1でモータ8の加速を開始する。モータ8の出力はPWMコンバータ2の入力電流制限値以下であるため、交流電源14から電流が供給される。入力電流制限値は、予め設定されているものとする。
次に、時刻T2〜T3間における動作について説明する。交流電源14からの供給電流が、入力電流制限値以上になったので、PWMコンバータ2は入力電流を制限する。入力電流制限値以上の電流は、蓄電器4より供給する。それに伴い、蓄電器4の電圧は低下する。ここで、蓄電器4の電圧が、入力電圧波高値以下にならないことが重要である。
次に、時刻T3〜T4間における動作について説明する。モータ8は定速回転中であり、このような低負荷では、モータ8の出力がPWMコンバータ2の入力電流の制限値以下であるため、PWMコンバータ2を介して、交流電源14から電流が供給される。
次に、時刻T4〜T5間における動作について説明する。時刻T4で、モータ8の減速を開始する。回生電流は、蓄電器4に充電される。その結果、蓄電器4の電圧は上昇する。
次に、時刻T5〜T6間における動作について説明する。蓄電器4の電圧が上昇して、DCリンク電圧が制御目標値V1より高くなると、PWMコンバータ2は、回生電力を入力電源に回生する。
以上説明したように、本発明の実施例2に係るモータ駆動装置によれば、PWMコンバータの入力部に降圧トランスを設置して、PWMコンバータ入力部の電圧を低くすることで、放電後の蓄電電圧V2を低く設定することができる。V2を低く選定することで、電位差V1−V2を大きく取れるので、蓄電器容量を少なくすることができる。
[実施例3]
次に、本発明の実施例3に係るモータ駆動装置について説明する。図4に、本発明の実施例3に係るモータ駆動装置のブロック図を示す。本発明の実施例3に係るモータ駆動装置103が、本発明の実施例2に係るモータ駆動装置102と異なっている点は、PWMコンバータ2は、蓄電器4の電圧を監視する監視部17と、蓄電器4の電圧が入力電圧波高値より高いある値以下になった場合に、PWMコンバータ2を過負荷から保護する為に、モータ8を停止するためにアラームを発生するアラーム発生部18と、を備える点である。また、PWMコンバータ2は、モータの出力より容量の小さいものが接続されて、入出力電流あるいは入出力電力をある設定された値に制限するように動作する。実施例3に係るモータ駆動装置103のその他の構成は、実施例2に係るモータ駆動装置102の構成と同様であるので詳細な説明は省略する。
本発明の実施例3に係るモータ駆動装置によれば、モータの出力より容量の小さいPWMコンバータを選定した場合は、モータ加速の際の供給時に、蓄電器電圧が入力電圧波高値を下回り、モータ負荷が、そのままPWMコンバータに印加されると、PWMコンバータが破損する可能性があるので、DCリンク電圧(=蓄電器電圧)を監視して、未然にアラーム停止することができる。
なお、図4には、実施例2に示したモータ駆動装置102におけるPWMコンバータ2に監視部17及びアラーム発生部18を設けた例を示したが、このような例には限られず、実施例1に係るモータ駆動装置101におけるPWMコンバータ2に監視部17及びアラーム発生部18を設けるようにしてもよい。
[実施例4]
次に、本発明の実施例4に係るモータ駆動装置について説明する。図5に、本発明の実施例4に係るモータ駆動装置のブロック図を示す。本発明の実施例4に係るモータ駆動装置104が実施例2に係るモータ駆動装置102と異なっている点は、蓄電器4の代わりに平滑コンデンサ9及び9´を利用している点である。実施例4に係るモータ駆動装置のその他の構成は、実施例2に係るモータ駆動装置102における構成と同様であるので詳細な説明は省略する。
本発明の実施例1〜3に係るモータ駆動装置に接続される蓄電器4は、モータを駆動可能なエネルギーを蓄電できるものを想定している。例えば、大容量の電解コンデンサ、電気2重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、その他の大容量キャパシタ等である。
一方、本発明の実施例4に係るモータ駆動装置においては、蓄電器4の代わりに、第1平滑コンデンサ9及び第2平滑コンデンサ9´に溜まったエネルギーを使用することが可能であるので、蓄電器4を使用しなくて済むという利点がある。
なお、図5に示した例では、実施例2に示したモータ駆動装置102における蓄電器4の代わりに平滑コンデンサ9及び9´を用いる例を示したが、このような例には限られず、実施例1に係るモータ駆動装置101あるいは実施例3に係るモータ駆動装置103における蓄電器4の代わりに平滑コンデンサ9及び9´を用いるようにしてもよい。
2 PWMコンバータ
3 インバータ
4 蓄電器
5 PWMコンバータ制御回路
6 インバータ制御回路
7 コントローラ
8 モータ
9 第1平滑コンデンサ
9´ 第2平滑コンデンサ
10 出力電圧検出部
11 入力電圧検出部
12 入力電流検出部
13 ACリアクトル
14 交流電源
14´ 低電圧交流電源
15 インバータ入力電流検出部
16 降圧トランス
101、102、103、104 モータ駆動装置

Claims (4)

  1. 低電圧交流電源から入力される交流電力をPWM制御により直流電力へ変換するPWMコンバータと、
    前記直流電力を受電し、モータを駆動するための交流電力へ変換するインバータと、
    前記PWMコンバータと前記インバータとの間に接続された蓄電器と、
    前記低電圧交流電源から前記PWMコンバータに供給される交流電圧を検出する入力電圧検出部と、
    前記低電圧交流電源から前記PWMコンバータに入力される電流を検出する入力電流検出部と、
    前記PWMコンバータによる変換後の直流電圧を検出する出力電圧検出部と、を備え、
    前記PWMコンバータは、
    前記入力電流検出部によって検出された入出力電流あるいは前記入力電圧検出部、前記入力電流検出部、及び前記出力電圧検出部によって検出された入出力電力をある設定された値に制限するように動作し、
    前記低電圧交流電源から、モータを駆動するために必要な電圧範囲の下限値或いは下限値より低い波高値の交流電圧を供給され、
    出力電圧であるDCリンク電圧をモータ駆動可能な電圧まで昇圧することにより、前記蓄電器の容量を削減する、
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  2. 交流電源から入力される交流電力をPWM制御により直流電力へ変換するPWMコンバータと、
    前記直流電力を受電し、モータを駆動するための交流電力へ変換するインバータと、
    前記PWMコンバータと前記インバータとの間に接続された蓄電器と、
    交流電源と前記PWMコンバータとの間に接続された降圧トランスと、
    前記降圧トランスから前記PWMコンバータに供給される交流電圧を検出する入力電圧検出部と、
    前記降圧トランスから前記PWMコンバータに入力される電流を検出する入力電流検出部と、
    前記PWMコンバータによる変換後の直流電圧を検出する出力電圧検出部と、を備え、
    前記交流電圧は、モータを駆動するために必要な範囲内の電圧であり、
    前記PWMコンバータは、
    前記降圧トランスから、前記交流電源の電圧より低い電圧を供給され、
    入出力電流あるいは入出力電力をある設定された値に制限するように動作し、
    前記蓄電器の容量を削減する、
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  3. 前記PWMコンバータは、
    前記蓄電器の電圧を監視する監視部と、
    前記蓄電器の電圧が入力電圧波高値より高いある値以下になった場合に、前記PWMコンバータを過負荷から保護する為に、モータを停止するためにアラームを発生するアラーム発生部と、を備える、請求項1又は2に記載のモータ駆動装置。
  4. 前記蓄電器の代わりに平滑コンデンサを利用する、請求項1乃至3のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
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