JP6383028B2 - モータ駆動装置 - Google Patents
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Description
本発明は、DCリンクコンデンサの漏れ電流低減機能を有するモータ駆動装置に関する。
工作機械、産業機械、鍛圧機械、射出成形機、あるいは各種ロボット内のモータを駆動するモータ駆動装置が知られている(例えば、特許文献1〜3参照)。図3は、このようなモータ駆動装置の一例を示す図である。図3に示すモータ駆動装置1Xは、交流電源2からの三相交流電力を直流電力に変換する順変換器11と、順変換器11からの直流電力を三相交流電力に変換する逆変換器12とを備え、三相交流電力をモータ3に供給する。順変換器11と逆変換器12との間のDCリンク部には、DCリンクコンデンサ13が設けられている。
モータ駆動装置のDCリンクコンデンサとして、アルミ電解コンデンサ等の電解液を用いた電解コンデンサが使用されることがある。電解コンデンサは、長時間にわたって通電が行われないと(例えば、アルミ電解コンデンサでは約2年以上)、漏れ電流が増加してしまう。
この点に関し、特許文献4には、タンタルコンデンサの漏れ電流が大きくなった時、漏れ電流を小さくすることができるタンタルコンデンサの自己修復回路が開示されている。この回路は、タンタルコンデンサの電圧を監視し、タンタルコンデンサの電圧が所定電圧以下のとき、タンタルコンデンサに一定の直流電圧(タンタルコンデンサの内部の酸化皮膜が修復される閾値電圧、例えば5V〜10V)を印加する。これにより、タンタルコンデンサの内部の酸化皮膜が修復され、タンタルコンデンサの漏れ電流の不具合が修復される。
本発明は、DCリンクコンデンサの漏れ電流を低減することができるモータ駆動装置を提供することを目的とする。
(1)本発明に係るモータ駆動装置(例えば、後述のモータ駆動装置1)は、電源(例えば、後述の交流電源2)からの交流電力を入力し、モータ(例えば、後述のモータ3)を駆動するモータ駆動装置であって、前記電源からの交流電力を直流電力に変換する順変換器(例えば、後述の順変換器11)と、前記順変換器からの前記直流電力を交流電力に変換して前記モータに供給する逆変換器(例えば、後述の逆変換器12)と、前記順変換器と前記逆変換器との間のDCリンク部に設けられたDCリンクコンデンサ(例えば、後述のDCリンクコンデンサ13)と、前記DCリンクコンデンサの電圧を検出する電圧検出部(例えば、後述の電圧検出部14)と、前記DCリンクコンデンサの漏れ電流が増加する前記DCリンクコンデンサの非通電期間の閾値と、前記DCリンクコンデンサの漏れ電流を減少させるための前記DCリンクコンデンサの印加電圧の閾値とを予め記憶する第1記憶部(例えば、後述の第1記憶部15)と、前記DCリンクコンデンサの前回の通電時期を記録する第2記憶部(例えば、後述の第2記憶部16)と、前記DCリンクコンデンサの電圧を制御する制御部(例えば、後述の制御部17)とを備え、前記制御部は、前記モータ駆動装置の起動時に、前記第2記憶部に記録された前記前回の通電時期に基づいて前記DCリンクコンデンサの非通電期間を求め、求めた非通電期間が前記第1記憶部に記憶された前記非通電期間の閾値よりも長い場合に、前記モータを加速させた後に前記モータから前記電源への回生動作を停止させ、前記モータの減速エネルギーにより、前記電圧検出部で検出された電圧に基づいて前記DCリンクコンデンサの電圧を前記第1記憶部に記憶された前記印加電圧の閾値まで上昇させる。
(2) (1)に記載のモータ駆動装置において、前記制御部は、前記電圧検出部で検出された前記DCリンクコンデンサの電圧が前記第1記憶部に記憶された前記印加電圧の閾値に達したときに、前記モータから前記電源への回生動作を開始させてもよい。
(3) (1)又は(2)に記載のモータ駆動装置において、前記制御部は、前記順変換器の動作を停止させることにより、前記モータから前記電源への回生動作を停止させてもよい。
(4) (1)から(3)のいずれかに記載のモータ駆動装置において、前記制御部は、前記モータ駆動装置の起動時に、求めた非通電期間が前記非通電期間の閾値よりも長い場合に、前記モータを加速させた後に前記モータから前記電源への回生動作を停止させてもよい。
(5) (1)から(4)のいずれかに記載のモータ駆動装置において、前記第1記憶部は、外部から前記非通電期間の閾値及び前記印加電圧の閾値を書き換え可能であってもよい。
本発明によれば、DCリンクコンデンサの漏れ電流を低減することができるモータ駆動装置を提供することができる。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態の一例について説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
図1は、本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の回路構成を示す図である。図1に示すモータ駆動装置1は、商用の三相交流電源2からの三相交流電力を入力し、モータ3を駆動する。なお、交流電源2は、三相交流に限定されず、例えば、単相交流であってもよい。
モータ駆動装置1は、順変換器11と、逆変換器12と、DCリンクコンデンサ13と、電圧検出部14と、第1記憶部15と、第2記憶部16と、制御部17とを備える。
順変換器11は、交流電源2からの交流電力を直流電力に変換する。順変換器11は、例えば、パワー半導体素子及びパワー半導体素子に逆並列に接続されたダイオードのブリッジ回路を有するダイオード整流コンバータ又はPWMコンバータで構成される。
逆変換器12は、順変換器11からの直流電力を交流電力に変換し、この交流電力をモータ3に供給する。逆変換器12は、例えば、パワー半導体素子及びこれに逆並列に接続されたダイオードを有するブリッジ回路から構成される。逆変換器12は、これらのパワー半導体素子を制御部(図示せず)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及び周波数の交流電圧に変換する。
また、逆変換器12は、モータ3から回生される交流電力を直流電力に変換して、この直流電力を逆変換器12と順変換器11との間のDCリンク部に供給する。
DCリンクコンデンサ13は、順変換器11と逆変換器12との間のDCリンク部に設けられている。DCリンクコンデンサ13は、順変換器11からの直流電力、及び、逆変換器12からの直流電力(回生電力)を蓄える。また、DCリンクコンデンサ13は、順変換器11又は逆変換器12によって変換された直流電圧を平滑化する。DCリンクコンデンサ13は、アルミ電解コンデンサ等の電解液を用いた電解コンデンサである。
電圧検出部14は、DCリンクコンデンサ13と並列に設けられ、DCリンクコンデンサ13の両端電圧を検出する。電圧検出部14としては、例えば、既存の電圧検出回路を用いることができる。
第1記憶部15は、DCリンクコンデンサ13の漏れ電流が増加するDCリンクコンデンサ13の非通電期間の閾値(例えば、アルミ電解コンデンサの非通電期間の閾値は約2年)を予め記憶する。また、第1記憶部15は、DCリンクコンデンサ13の漏れ電流を減少させるためのDCリンクコンデンサ13の印加電圧の閾値を予め記憶する。具体的には、印加電圧の閾値は、DCリンクコンデンサ13の定格電圧値である。
第2記憶部16は、前回のモータ駆動装置1の停止時に、DCリンクコンデンサ13の前回の通電時期を記録する。
第1記憶部15及び第2記憶部16は、例えばEEPROM等の書き換え可能なメモリである。これにより、第1記憶部15は、例えばコンピュータ等の外部機器によって非通電期間の閾値及び印加電圧の閾値を書き換え可能である。また、第1記憶部15又は第2記憶部16は、制御部17の各種機能を実現するための所定のソフトウェア(プログラム)を格納する。
制御部17は、DCリンクコンデンサ13の電圧を制御する。制御部17は、モータ駆動装置1の起動時、例えば外部から取得した時刻に関する情報に基づいてDCリンクコンデンサ13の今回の通電時期を認識し、認識した今回の通電時期と、第2記憶部16に記録された前回の通電時期(時刻)とに基づいて、DCリンクコンデンサ13の非通電期間を求める。そして、制御部17は、求めた非通電期間が第1記憶部15に記憶された非通電期間の閾値よりも長い場合に、モータ3を加速させた後にモータ3から交流電源2への回生動作を停止させる。具体的には、制御部17は、順変換器11の動作を停止させる。
これにより、制御部17は、モータ3からの減速エネルギーにより、電圧検出部14で検出された電圧に基づいてDCリンクコンデンサ13の電圧を第1記憶部15に記憶された印加電圧の閾値まで上昇させる。
また、制御部17は、電圧検出部14で検出されたDCリンクコンデンサ13の電圧が、第1記憶部15に記憶された印加電圧の閾値に達したとき、モータ3から交流電源2への回生動作を開始させる。具体的には、制御部17は、順変換器11の動作を開始させる。
これにより、モータ3からの減速エネルギーが交流電源2へ回生され、DCリンクコンデンサ13の電圧が印加電圧の閾値、すなわちDCリンクコンデンサ13の定格電圧値以上に上昇することを防止する。
また、制御部17は、モータ駆動装置1の停止時に、例えば外部から取得した時刻に関する情報に基づいてDCリンクコンデンサ13の通電終了時期を認識し、第2記憶部16に記録したDCリンクコンデンサ13の前回の通電時期を更新する。
制御部17は、例えば、DSP(Digital Signal Processor)、FPGA(Field−Programmable Gate Array)等の演算プロセッサで構成される。制御部17の機能は、第1記憶部15又は第2記憶部16に格納された所定のソフトウェア(プログラム)を実行することで実現される。制御部17の機能は、ハードウェアとソフトウェアとの協働で実現されてもよいし、ハードウェア(電子回路)のみで実現されてもよい。
ここで、DCリンクコンデンサ13に使用されるアルミ電解コンデンサ等の電解液を用いた電解コンデンサは、長時間にわたって通電が行われないと(例えば、アルミ電解コンデンサでは約2年以上)、漏れ電流が増加してしまう。しかし、電解コンデンサは、定格電圧を印加することにより、電解液の修復作用によって漏れ電流を減少させることができる。
ところで、DCリンクコンデンサ13は、交流電源2から入力する電圧の波高値よりも高い定格電圧を有するように設計される。例えば電源電圧の実効値が200Vrmsの場合、電源電圧の波高値は200V×√(2)=283Vdcである。この場合、DCリンクコンデンサ13として、定格電圧が450Vdcであるコンデンサが用いられる。そのため、モータ駆動装置1を起動してDCリンクコンデンサ13に電源電圧(波高値)を印加しただけでは、DCリンクコンデンサ13に定格電圧を印加することができず、漏れ電流を減少させることができない。
そこで、本実施形態では、モータ3の減速エネルギー(回生エネルギー)を利用してDCリンクコンデンサ13の電圧を定格電圧値又はその付近まで上昇させて、DCリンクコンデンサ13の漏れ電流を減少させる。
以下、図2を参照して、モータ駆動装置1によるDCリンクコンデンサ13の漏れ電流の低減動作を説明する。図2は、モータ駆動装置1によるDCリンクコンデンサ13の漏れ電流の低減動作中のDCリンクコンデンサ13の電圧の時間変化を示す図である。
モータ駆動装置1の起動時、制御部17は、DCリンクコンデンサ13の今回の通電時期を認識し、認識した今回の通電時期と、第2記憶部16に記録された前回の通電時期(時点)とに基づいて、DCリンクコンデンサ13の非通電期間を求める。
次に、制御部17は、求めた非通電期間が第1記憶部15に記憶された非通電期間の閾値よりも長い場合に、モータ3を一旦加速させた後にモータ3を減速させる。このとき、制御部17は、モータ3を加速させた後にモータ3から交流電源2への回生動作を停止させる。具体的には、制御部17は、順変換器11のスイッチング素子への制御電圧の供給を停止させて、順変換器11の動作を停止させる。
これにより、制御部17は、モータ3からの減速エネルギーにより、電圧検出部14で検出された電圧に基づいて、DCリンクコンデンサ13の電圧を、電源電圧(波高値)Vinから、第1記憶部15に記憶された印加電圧の閾値、すなわち定格電圧値Vrまで上昇させる(図2の区間T1)。
このように、DCリンクコンデンサ13、すなわちアルミ電解コンデンサ等の電解液を用いた電解コンデンサに定格電圧を印加することにより、電解液の修復作用によって漏れ電流が減少する。
次に、制御部17は、電圧検出部14で検出されたDCリンクコンデンサ13の電圧が、第1記憶部15に記憶された印加電圧の閾値、すなわち定格電圧値Vrに達したとき、モータ3から交流電源2への回生動作を開始させる。具体的には、制御部17は、順変換器11のスイッチング素子への制御電圧の供給を開始させて、順変換器11の動作を開始させる(図2の区間T2)。
ここで、アルミ電解コンデンサ等の電解液を用いた電解コンデンサにおいて、定格電圧を超える電圧印加は、急激な漏れ電流の増加を招く。そこで、本実施形態では、DCリンクコンデンサ13の電圧が定格電圧値に達してもなお減速エネルギーがある場合、モータ3からの減速エネルギーを交流電源2へ回生させ、DCリンクコンデンサ13の電圧が定格電圧値以上に上昇することを防止する。
以上説明したように、本実施形態のモータ駆動装置1によれば、モータ駆動装置1の起動時に、前回の通電時期に基づいてDCリンクコンデンサ13の非通電期間を求め、求めた非通電期間が閾値(DCリンクコンデンサ13の漏れ電流が増加するDCリンクコンデンサ13の非通電期間の閾値)よりも長い場合に、モータ3を加速させた後にモータ3から交流電源2への回生動作を停止させ、モータ3の減速エネルギーにより、DCリンクコンデンサ13の電圧を閾値(DCリンクコンデンサ13の漏れ電流を減少させるためのDCリンクコンデンサ13の印加電圧の閾値、すなわちDCリンクコンデンサ13の定格電圧値又はその近傍)まで上昇させる。これにより、DCリンクコンデンサ13の漏れ電流を減少させることができる。
また、本実施形態のモータ駆動装置1によれば、DCリンクコンデンサ13の電圧が閾値(DCリンクコンデンサ13の印加電圧の閾値、すなわちDCリンクコンデンサ13の定格電圧値又はその近傍)に達したときに、モータ3から交流電源2への回生動作を開始させる。これにより、DCリンクコンデンサ13の電圧が定格電圧値以上に上昇することを防止することができ、DCリンクコンデンサ13に定格電圧値を超える電圧が印加することにより急激に漏れ電流が増加することを防止することができる。
ところで、DCリンクコンデンサの漏れ電流が増加した状態でモータ駆動装置が動作すると、DCリンクコンデンサ内部での発熱が増加することにより、また、DCリンクコンデンサの容量が低下することにより、モータ駆動装置の信頼性の低下を招く。そのため、従来、長時間にわたって通電が行われていないモータ駆動装置において、DCリンクコンデンサをモータ駆動装置から一度取り外し、DCリンクコンデンサに定格電圧を印加して漏れ電流を減少させた後、DCリンクコンデンサを再度モータ駆動装置に組み込んでいた。そのため、手間がかかるという問題があった。
しかし、本実施形態のモータ駆動装置1によれば、DCリンクコンデンサ13をモータ駆動装置1から一度取り外し、DCリンクコンデンサ13に定格電圧を印加し、DCリンクコンデンサ13を再度モータ駆動装置1に取り付ける手間を省くことができ、これらの工数を削減できる。
また、本実施形態のモータ駆動装置1において、非通電期間の閾値及び印加電圧の閾値は、外部機器によって書き換え可能であるため、モータ駆動装置1は、一旦、値を設定した後であっても、これらの閾値を適切な値に変更することができる。例えば、本実施形態では、電源電圧が200Vrmsの場合にDCリンクコンデンサ13の定格電圧を450Vdcに設計する一例を示した。しかし、電源電圧が400Vrmsの場合があり、この場合には例えばDCリンクコンデンサ13の定格電圧は900Vdcに設計される。このような場合でも、本実施形態によれば、印加電圧の閾値を、設定された450Vdcから900Vdcに容易に変更することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
また、上述した実施形態では、DCリンクコンデンサ13に印加電圧の閾値、すなわち定格電圧値を1回だけ印加したが、複数回印加してもよい。図2に示すように、DCリンクコンデンサ13に定格電圧値Vrを印加できるのは短時間であるため、DCリンクコンデンサ13への定格電圧値Vrの印加回数を増やせば、漏れ電流の減少効果を高めることができる。
また、上述した実施形態では、今回の通電時期及び前回の通電時期を認識するために、時刻に関する情報を外部から取得したが、例えば時計等の時刻に関する情報を生成する手段を自装置に備えていてもよい。或いは、前回の通電時期から今回の通電時期までの経過時間に関する情報を生成するタイマー等の手段を自装置に備えていてもよい。
また、上述した実施形態では、前回の通電時期を前回のモータ駆動装置1の停止時としたが、モータ駆動装置1の連続動作時間が短い場合には、前回の通電時期をモータ駆動装置1の起動時としてもよい。この場合、モータ駆動装置1の起動時に認識した今回の通電時期を用いて第2記憶部16の前回の通電時期を更新してもよい。
1,1X モータ駆動装置
2 交流電源
3 モータ
11 順変換器
12 逆変換器
13 DCリンクコンデンサ
14 電圧検出部
15 第1記憶部
16 第2記憶部
17 制御部
2 交流電源
3 モータ
11 順変換器
12 逆変換器
13 DCリンクコンデンサ
14 電圧検出部
15 第1記憶部
16 第2記憶部
17 制御部
Claims (5)
- 電源からの交流電力を入力し、モータを駆動するモータ駆動装置であって、
前記電源からの交流電力を直流電力に変換する順変換器と、
前記順変換器からの前記直流電力を交流電力に変換して前記モータに供給する逆変換器と、
前記順変換器と前記逆変換器との間のDCリンク部に設けられたDCリンクコンデンサと、
前記DCリンクコンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、
前記DCリンクコンデンサの漏れ電流が増加する前記DCリンクコンデンサの非通電期間の閾値と、前記DCリンクコンデンサの漏れ電流を減少させるための前記DCリンクコンデンサの印加電圧の閾値とを予め記憶する第1記憶部と、
前記DCリンクコンデンサの前回の通電時期を記録する第2記憶部と、
前記DCリンクコンデンサの電圧を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記モータ駆動装置の起動時に、前記第2記憶部に記録された前記前回の通電時期に基づいて前記DCリンクコンデンサの非通電期間を求め、
求めた非通電期間が前記第1記憶部に記憶された前記非通電期間の閾値よりも長い場合に、前記モータから前記電源への回生動作を停止させ、前記モータの減速エネルギーにより、前記電圧検出部で検出された電圧に基づいて前記DCリンクコンデンサの電圧を前記第1記憶部に記憶された前記印加電圧の閾値まで上昇させる、
モータ駆動装置。 - 前記制御部は、前記電圧検出部で検出された前記DCリンクコンデンサの電圧が前記第1記憶部に記憶された前記印加電圧の閾値に達したときに、前記モータから前記電源への回生動作を開始させる、請求項1に記載のモータ駆動装置。
- 前記制御部は、前記順変換器の動作を停止させることにより、前記モータから前記電源への回生動作を停止させる、請求項1又は2に記載のモータ駆動装置。
- 前記制御部は、前記モータ駆動装置の起動時に、求めた非通電期間が前記非通電期間の閾値よりも長い場合に、前記モータを加速させた後に前記モータから前記電源への回生動作を停止させる、請求項1〜3の何れか1項に記載のモータ駆動装置。
- 前記第1記憶部は、外部から前記非通電期間の閾値及び前記印加電圧の閾値を書き換え可能である、請求項1〜4の何れか1項に記載のモータ駆動装置。
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