JP6352967B2 - 停電検出条件設定機能を有するモータ制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、モータの制御装置に関し、特に、電源の停電を検出する条件を設定若しくは変更する機能を有するモータ制御装置に関する。
モータ制御装置、及びその周辺機器の通常動作の継続が不可能となるような停電の際には、モータ制御装置を使用した機械の動作に障害が生じる。そのため、モータ制御装置は停電検出手段を備えており、通常動作の継続が出来なくなる前に機械を停止させるといった保護動作を行うのが一般的である。
停電の際に、モータの制御装置及びその周辺機器の通常動作を継続させるのに必要となるエネルギー量を「停電耐量」と呼ぶ。また、停電を検出するまでの時間の上限値を「上限規定時間」と定義する。また、電源電圧低下により停電を検出する電圧を「規定電圧」と定義する。そうすると、上限規定時間及び規定電圧は、この「停電耐量」によって決定されるが、「停電耐量」は機械によって異なるため、上記上限規定時間及び規定電圧も個々の機械に応じてそれぞれ決定される必要がある。
そこで、モータ制御装置が選択回路を備えることで、複数の時間閾値から規定時間を切り替えて選択可能とする方法が提案されている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載の発明では、停電検出閾値として電圧閾値及び時間閾値を定義している。また、モータが発電機動作をする場合と、しない場合の２つの場合において、停電時の制御用電圧の変化が異なる。そのため、特許文献１では選択回路を用いて検出閾値を２つの検出閾値から選択するように切り替える方法が提案されている。
また、検出した電源電圧が所定の閾値以下となった場合に、電源遮断と判定しモータの電源遮断時の動作状態を不揮発性記憶手段に記憶させるモータ制御方法であって、モータの負荷に応じて閾値を変更するモータ制御方法が提案されている（例えば、特許文献２）。しかしながら、特許文献２には、時間に関する閾値に関しては開示されていない。
また、停電耐量と電圧振幅の関係を実測し、停電を検出する手法が知られている（例えば、特許文献３）。しかしながら、停電耐量と電圧振幅の関係は機械ごとに異なるが、特許文献３には、停電耐量と電圧振幅の関係を変更する具体的な手段については言及されていない。
上述したように「停電耐量」は機械によって異なるため、多数の検出時間を記憶し、切り替えを行う従来技術では回路構成が複雑化する。これはコストアップや装置の肥大化の原因となる。
特許第５２８３７５２号公報 特開２００４−２２９４１０号公報 特開２０１１−１５５８０３号公報
本発明は、回路構成の複雑化に伴うコストアップなどの問題を回避し、機械に応じた最適な停電検出条件の設定若しくは変更を可能とし、電源電圧が低下した際において機械を停止させる頻度を必要最小限に抑えることで、稼働率を向上させることが可能なモータ制御装置を提供することを目的とする。
本発明の一実施例に係るモータ制御装置は、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して出力する整流器と、交流電源の交流電圧値を検出して検出値として出力する交流電圧検出部と、出力された検出値が規定電圧以下となっている状態が規定時間以上継続した場合に停電が発生したものと判定する停電検出部と、規定時間を設定若しくは変更する停電検出条件設定部と、を有することを特徴とする。
本発明の一実施例に係るモータ制御装置によれば、回路構成の複雑化に伴うコストアップなどの問題を回避し、機械に応じた最適な停電検出時間の設定若しくは変更を可能とし、電源電圧が低下した際において機械を停止させる頻度を必要最小限に抑えることで、稼働率を向上させることが可能なモータ制御装置を提供することができる。
本発明の実施例１に係るモータ制御装置の構成図である。 本発明の実施例１に係るモータ制御装置の動作手順を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施例１に係るモータ制御装置における電源電圧、停電状態及び機械状態のそれぞれの時間的変化を表すタイミングチャートである。 本発明の実施例２に係るモータ制御装置の構成図である。 本発明の実施例２に係るモータ制御装置の停電耐量曲線を示すグラフである。 本発明の実施例２に係るモータ制御装置の動作手順を説明するためのフローチャートである。
以下、図面を参照して、本発明に係るモータ制御装置について説明する。
［実施例１］
まず、本発明の実施例１に係るモータ制御装置について説明する。図１に、本発明の実施例１に係るモータ制御装置の構成図を示す。本発明の実施例１に係るモータ制御装置１０１は、整流器１と、交流電圧検出部３と、停電検出部４と、停電検出条件設定部５と、を有する。
整流器１は、交流電源１０から供給される交流電力を直流電力に変換して出力する。整流器１の直流出力側である直流リンク部には平滑コンデンサ７が設けられている。
本発明の実施例１に係るモータ制御装置１０１は、逆変換器２をさらに有していてもよい。整流器１から出力された直流電力は平滑コンデンサ７によって平滑化された後、逆変換器２に供給される。逆変換器２は、整流器１が出力した直流電力を所望の交流電力に変換する。逆変換器２は、上アーム及び下アームのそれぞれにパワー素子（図示せず）を備え、該パワー素子のスイッチングにより直流電力を交流電力に変換してモータ（図示せず）を駆動する。
交流電圧検出部３は、交流電源１０の交流電圧値を検出して検出値として停電検出部４に出力する。さらに、交流電圧検出部３は、検出値を振幅値に変換するようにしてもよい。交流電源１０として三相交流電源を用いることができる。三相交流電圧の検出値を振幅値に変換する方法として、検出値の波高値を求める手法や、三相−二相変換したベクトルノルムを求める手法などを用いることができる。また、交流電源１０として単相交流電源を用いることができる。単相交流電圧の場合は検出値のピーク値を求める手法などがある。
停電検出部４は、出力された検出値が規定電圧以下となっている状態が規定時間以上継続した場合に停電が発生したものと判定する。ここで、交流電源１０の電圧の検出値が規定電圧未満の電圧値に低下した時点から、停電が発生しているか否かを判定するまでの時間を「停電検出時間」と定義する。「上限規定時間」は、機械に応じて決定される時間であって、停電検出時間の上限値となる。「規定電圧」は、停電が発生しているか否かを判定するための電圧値である。交流電源１０の電圧の検出値が規定電圧を下回った時点で、停電検出部４は、停電が発生したか否かの判断を開始する。規定時間内に交流電源１０の電圧の検出値が規定電圧以上となった場合は、停電は発生しなかったものと判断する。一方、規定時間が経過した時点で交流電源１０の電圧の検出値が規定電圧未満となっている場合は停電が発生したものと判定する。停電検出部４は、停電が発生したものと判定した場合には、逆変換器２に対して機械の保護動作を開始する指令（保護動作開始指令）を通知（入力）する。停電の判定方法の詳細については後述する。
停電検出条件設定部５は、モータ制御装置１０１及びその周辺機器の通常動作を継続させるのに必要となるエネルギー量である停電耐量に応じて規定時間を設定する。更に停電耐量に応じて規定電圧を設定してもよい。
次に、本発明の実施例１に係るモータ制御装置の動作手順について、図２に示したフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ１０１において、停電検出部４が交流電圧検出部３から振幅値を取得する。
次に、ステップＳ１０２において、停電検出部４が、停電が発生しているか、あるいは停電は発生していない（非停電）かを判定する。即ち、停電検出部４は、まず、振幅値が規定電圧未満（振幅値＜規定電圧）となっているか否かを判断する。振幅値が規定電圧未満となっている場合は、この条件が継続している時間が規定時間を超えているか（上記条件継続時間＞規定時間）否かを判断する。
振幅値が規定電圧以上となっているか、あるいは、一旦、振幅値が規定電圧未満となったものの規定時間が経過する前に振幅値が規定電圧以上となった場合は、ステップＳ１０３において、停電検出部４は停電は発生していない状態（非停電）と判定する。一旦、振幅値が規定電圧未満となったものの規定時間が経過する前に振幅値が規定電圧以上となる場合の例として、瞬時停電の場合が考えられる。瞬時停電の場合は、モータ制御装置は正常に動作することが可能であるので、停電検出部４は、瞬時停電の場合は停電が発生したものとは判定しない。
一方、振幅値が規定電圧未満となっており、かつ、この条件が継続している時間が規定時間を超えている場合は、ステップＳ１０４において、停電検出部４が、停電が発生したものと判定する。停電検出部４は、停電が発生したものと判定した場合には、逆変換器２に対して機械の保護動作を開始する指令（保護動作開始指令）を通知（入力）する。
次に、ステップＳ１０５において、逆変換器２が機械の保護動作を開始する。その後、ステップＳ１０６において、モータ制御装置１０１によって、機械を駆動するモータ及びその周辺機器が制御され、機械が停止する。
次に、停電の有無の判定方法について説明する。図３に、本発明の実施例１に係るモータ制御装置における電源電圧、停電状態及び機械状態のそれぞれの時間的変化を表すタイミングチャートを示す。
停電検出部４が、ある時点（時刻０）で交流電圧検出部３が検出した交流電源１０の電源電圧の検出値（例えば、振幅値）が規定電圧未満となる電圧低下状態を検出したものとする。停電検出部４は、その時点を起点として電源電圧の検出値が規定電圧未満となっている状態が継続している時間である停電検出時間を計測する。
停電検出時間が規定時間Ｔ0に達した場合は、停電検出部４は停電が発生したものと判定する。このとき、停電状態を示す信号が非停電状態から停電状態になり、停電検出部４が逆変換器２に対して機械の保護動作を開始する指令を出力する。従って、停電検出時間が規定時間Ｔ0に達したことが保護動作開始トリガーとなっている。
保護動作を開始してから機械が停止するまでに要する一定の時間をＴ2とする。逆変換器２が停電検出部４から保護動作を開始する指令を受けてからＴ2が経過した時点で機械が停止する。
停電検出部４が、交流電源１０の電源電圧の検出値が規定電圧未満となる電圧低下状態を検出した時点から、機械が停止するまでの時間Ｔ3は、モータ制御装置及びその周辺機器の動作が制御によって正常に停止するまでの時間である。
従って、停電が発生したものと判定された場合に、保護動作によって機械を確実に停止させるためには、規定時間Ｔ0をＴ1より小さく設定する必要がある。即ち、Ｔ1は規定時間の上限値（上限規定時間）であり、Ｔ1＝Ｔ3−Ｔ2で表される。規定時間Ｔ0は、０＜Ｔ0＜Ｔ1の範囲で規定される。
一方、機械は規定時間の上限値Ｔ1より短い瞬時の停電には耐えることができるので、規定時間Ｔ0をできる限りＴ1に近い値に設定することが望ましい。このように規定時間を設定することによって、電源電圧が低下した際に機械停止を行う頻度を必要最小限にすることができ、機械の稼働率を向上させることができる。
［実施例２］
次に、本発明の実施例２に係るモータ制御装置について説明する。図４に本発明の実施例２に係るモータ制御装置の構成図を示す。実施例２に係るモータ制御装置１０２が、実施例１に係るモータ制御装置１０１と異なっている点は、停電検出条件設定部５が、交流電源１０の電源電圧に応じて規定時間を変更する点である。実施例２に係るモータ制御装置１０２のその他の構成は、実施例１に係るモータ制御装置１０１と同様であるので、詳細な説明は省略する。
停電検出条件設定部５は、交流電源１０から供給される電源電圧に応じて規定時間を変更する。停電検出条件設定部５は、機械停止を行う頻度を必要最小限にするため、停電検出時間を細かく設定若しくは変更可能とすることが好ましい（例えば、所定の単位時間１［ｍｓｅｃ］）。
交流電源１０から逆変換器２への電力の供給が停止しても、平滑コンデンサ７に蓄積された電力によって、モータは、ある期間において通常の動作を行うことができる。この通常動作が継続可能な時間は交流電源１０から供給される電源電圧に依存する。図５は電源電圧と通常動作が継続可能な時間の関係を示す停電耐量曲線である。図５において、縦軸は交流電源１０の電源電圧を示し、横軸は正常運転を継続することが可能な時間を表している。この時間の範囲内で停電を検出する必要が有る。すなわち、横軸は上限規定時間Ｔ１に相当する。
例えば、図５において電源電圧が７０％まで低下した場合は１０［ｍｓｅｃ］までは正常動作が可能であり、０％まで低下した場合には３［ｍｓｅｃ］まで正常動作可能である。また、先に段落〔００３４〕で述べたように、機械が正常に動作可能な時間は交流電源１０から供給される電力に依存する。従って、電源電圧が停電耐量曲線で決められる閾値以上の場合は、機械は通常動作を継続することができるため非停電と判定し、電源電圧が停電耐量曲線で決められる閾値未満の場合（図５の斜線部）は、機械は通常動作を継続することができないので停電と判定する。
電源電圧が規定電圧Ｖ1よりもΔＶ1だけ低下した場合、通常動作が継続可能な時間は上限規定時間Ｔ1よりもΔＴ1だけ短くなる。停電検出条件設定部５では、電源電圧が電圧閾値Ｖ1よりも低下した場合に、規定時間を更に小さい値に変更する。これによって、機械の停電耐量に応じた保護動作をより適切に行うことが可能となる。
規定時間は、停電耐量曲線に従って変更してもよいし、停電耐量曲線の代表点からステップ状に変更してもよい。
次に、本発明の実施例２に係るモータ制御装置の動作手順について、図６に示したフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ２０１において、停電検出部４が交流電圧検出部３から振幅値を取得する。
次に、ステップＳ２０２において、停電検出部４が停電耐量曲線を参照する。
次に、ステップＳ２０３において、停電検出部４が電源電圧の振幅値と停電耐量曲線から規定時間を計算する。
次に、ステップＳ２０４において、停電検出部４が、停電が発生しているか、あるいは停電は発生していない（非停電）かを判定する。即ち、停電検出部４は、まず、振幅値が規定電圧未満（振幅値＜規定電圧）となっているか否かを判断する。振幅値が規定電圧未満となっている場合は、この条件が継続している時間が規定時間を超えているか（上記条件継続時間＞規定時間）否かを判断する。
振幅値が規定電圧以上となっているか、あるいは、一旦、振幅値が規定電圧未満となったものの規定時間が経過する前に振幅値が規定電圧以上となった場合は、ステップＳ２０５において、停電検出部４は停電が発生していない状態（非停電）と判定する。一旦、振幅値が規定電圧未満となったものの規定時間が経過する前に振幅値が規定電圧以上となる場合の例として、瞬時停電の場合が考えられる。瞬時停電の場合は、モータ制御装置は正常に動作することが可能であるので、瞬時停電の場合は停電が発生したものとは判定しない。
一方、振幅値が規定電圧未満となっており、かつ、この条件が継続している時間が規定時間を超えている場合は、ステップＳ２０６において、停電検出部４が、停電が発生したものと判定する。停電検出部４は、停電が発生したものと判定した場合には、逆変換器２に対して機械の保護動作を開始する指令（保護動作開始指令）を通知（入力）する。
次に、ステップＳ２０７において、逆変換器２が機械の保護動作を開始する。その後、ステップＳ２０８において、モータ制御装置１０２によって、機械を駆動するモータ及びその周辺機器が制御され、機械が停止する。
本発明の実施例１及び２に係るモータ制御装置１０１若しくは１０２は、停電検出条件記憶部を更に有していてもよい。停電検出条件記憶部６は、設定された規定時間及び規定電圧を記憶する。停電検出条件設定部５及び停電検出条件記憶部６は、モータ制御装置１０１若しくは１０２を制御する上位コントローラ（図示せず）に設けられていてもよいし、整流器１に設けられていてもよい。
以上説明したように、本発明の実施例２に係るモータ制御装置によれば、回路構成の複雑化に伴うコストアップなどの問題を回避し、停電を検出するまでの時間を機械の「停電耐量」に応じて柔軟に変更可能とすることができる。その結果、機械に応じた最適な停電検出時間を設定若しくは変更することができ、電源電圧が低下した際において機械を停止させる頻度を必要最小限に抑え、機械の稼働率を向上させることができる。
１ 整流器
２ 逆変換器
３ 交流電圧検出部
４ 停電検出部
５ 停電検出条件設定部
６ 停電検出条件記憶部
７ 平滑コンデンサ
１０ 交流電源

Claims (3)

  1. 交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して出力する整流器と、
    交流電源の交流電圧値を検出して検出値として出力する交流電圧検出部と、
    出力された前記検出値が規定電圧以下となっている状態が規定時間Ｔ 0 以上継続した場合に停電が発生したものと判定する停電検出部と、
    前記規定時間Ｔ 0 を設定若しくは変更する停電検出条件設定部と、
    前記整流器が出力した直流電力を所望の交流電力に変換する逆変換器と、
    を有し、
    前記停電検出部は、停電検出時に機械の保護動作を開始する指令である保護動作開始指令を前記逆変換器に入力し、
    前記規定時間Ｔ 0 は、規定時間の上限値（上限規定時間）Ｔ 1 により、以下の式で規定され、
    ０＜Ｔ 0 ＜Ｔ 1
    ただし、
    Ｔ 1 ＝Ｔ 3 −Ｔ 2
    Ｔ 2 ：保護動作を開始してから機械が停止するまでに要する一定の時間
    Ｔ 3 ：前記停電検出部が、交流電源の電源電圧の検出値が規定電圧未満となる電圧低下状態を検出した時点から、機械が停止するまでの時間
    前記停電検出条件設定部は、モータ制御装置及びその周辺機器の通常動作を継続させるのに必要となるエネルギー量である停電耐量に応じて前記規定時間Ｔ 0 を設定する、
    ことを特徴とするモータ制御装置。
  2. 前記停電検出条件設定部は、交流電源から供給される電源電圧に応じて前記規定時間Ｔ 0 を変更する、請求項１に記載のモータ制御装置。
  3. 前記停電検出条件設定部は、モータ制御装置及びその周辺機器の停電耐量に応じて前記規定電圧を設定する、請求項１または２に記載のモータ制御装置。
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