JP2008161002A - モータ駆動用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電装置に蓄えられたエネルギーを無駄に消費することなくモータへの電力供給を停止することができ、また、放電回路を小型化できるモータ駆動用電源装置を提供する。
【解決手段】モータ駆動用電源装置は、電源２及び蓄電装置７とモータ１５Ａ，１５Ｂとの電気的な接続及び切断を切り替え可能な開閉装置（電源開閉装置３及び蓄電装置開閉装置６）を備える。モータ１５Ａ，１５Ｂを停止させておくなどの目的でモータ１５Ａ，１５Ｂへの電力供給を停止したい場合には、電源開閉装置３及び蓄電装置開閉装置６を開とすることにより電源２及び蓄電装置７とモータ１５Ａ，１５Ｂとを電気的に切断することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータに駆動電力を供給するモータ駆動用電源装置に関する。

モータに駆動電力を供給するモータ駆動用電源装置において、インバータを用いてモータの可変速制御を行うように構成したものが、例えば、下記特許文献１〜３に開示されている。
特許文献１，２に示された装置では、インバータへ駆動電力を供給する直流バスに、コンデンサ等によって構成された蓄電装置を接続し、モータ減速時にモータから得られる回生電力を蓄電装置に蓄え、蓄えられた電力をモータ加速時に使用することにより、エネルギー損失を小さくしている。
特許文献３に示された装置では、蓄電装置の蓄電電力を消費するための放電回路を設けておき、たとえばモータを停止させておきたい場合に、モータへの電力供給を停止するために放電回路により蓄電装置の電力を放電するように構成されている。

特許第３７０８７２８号公報 特開２００３−２９０９９８号公報 特開２００３−１８９６８８号公報

近年、大型のインバータが実現できるようになり、プレス機械やトランスファー装置など大型の機械装置もインバータ制御のモータで駆動されるようになってきたことに伴い、蓄電装置も大型になり、大きなエネルギーが蓄えられている。従来の構成では、蓄電装置に蓄えられたエネルギーを放電するため、エネルギーが熱に変換されて無駄に消費されるという問題がある。また、放電が頻繁に行なわれる場合には、放電回路の抵抗器の熱容量を大きくする必要があり、放電回路が大型化するという問題がある。

本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、蓄電装置に蓄えられたエネルギーを無駄に消費することなくモータへの電力供給を停止することができ、また、放電回路を小型化できるモータ駆動用電源装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のモータ駆動用電源装置は、以下の技術的手段を採用する。
（１）すなわち、本発明は、モータに駆動電力を供給するモータ駆動用電源装置であって、電源からの電力を前記モータに導くための直流バスと、前記電源と電気的に並列に前記直流バスに接続され充電と放電が可能な蓄電装置と、前記電源及び前記蓄電装置と前記モータとの電気的な接続及び切断を切り替え可能な開閉装置と、を備えることを特徴とする。

このように、電源及び蓄電装置とモータとの電気的な接続及び切断を切り替え可能な開閉装置を備えるので、モータを停止させておくなどの目的でモータへの電力供給を停止したい場合には、開閉装置を開とすることにより電源及び蓄電装置とモータとを電気的に切断することができる。したがって、放電回路により蓄電装置の電力を放電する必要が無いので、蓄電装置に蓄えられたエネルギーを無駄に消費することなく蓄電装置にエネルギーを蓄えたままモータへの電力供給を停止することができる。また、放電の頻度を低くできることから放電回路の抵抗器の熱容量が小さくて済むので、放電回路を小型化できる。

（２）また、上記のモータ駆動用電源装置において、前記開閉装置は、前記直流バスと前記電源との間の電気回路を開閉可能な電源開閉装置と、前記直流バスと前記蓄電装置との間の電気回路を開閉可能な蓄電装置開閉装置とからなる。

開閉装置が、上記のような電源開閉装置と蓄電装置開閉装置からなる場合には、電源開閉装置と蓄電装置開閉装置の両方を開とすることにより電源及び蓄電装置とモータとを電気的に切断することができる。また、この構成の場合、蓄電装置に何らかの支障が発生した場合には、蓄電装置開閉装置を常に開にして直流バスと蓄電装置の間の電気回路を切断し、電源から供給される電力のみでモータを運転することも可能となる。

（３）また、上記のモータ駆動用電源装置において、前記開閉装置は、前記直流バスのうち前記蓄電装置との接続点よりもモータ側の位置の電気回路を開閉可能な直流バス開閉装置である。

この構成により、直流バス開閉装置を開とするだけで、電源と蓄電装置の両方を同時にモータから電気的に切断することができる。

（４）また、上記のモータ駆動用電源装置において、所定の運転状態のときに前記電源及び前記蓄電装置と前記モータとを電気的に切断するように前記開閉装置を制御する制御器を備える。

このような制御器を備えることにより、開閉装置の開閉の切り替えを自動制御により実現できる。

本発明によれば、蓄電装置に蓄えられたエネルギーを無駄に消費することなくモータへの電力供給を停止することができ、また、放電回路を小型化できるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

［第１実施形態］
図１に、本発明の第１実施形態にかかるモータ駆動用電源装置１の回路構成を示す。
このモータ駆動用電源装置１は、電源２からの電力をモータ１５Ａ，１５Ｂに導くための直流バス５と、電源２と電気的に並列に直流バス５に接続され充電と放電が可能な蓄電装置７と、電源２及び蓄電装置７とモータ１５Ａ，１５Ｂとの電気的な接続及び切断を切り替え可能な開閉装置とを備える。

本実施形態において電源２は３相交流電源である。３相交流電源としては、電力会社から供給される電力を変圧器によって適当な電圧に変圧するようにした構成や、エンジンで駆動される発電機から電力を得るようにした構成などを採用することができる。
電源２は、電気回路を開閉可能な電源開閉装置３を介して整流器４に接続されている。整流器４は直流バス５に接続されている。したがって、電源開閉装置３は、直流バス５と電源２との間の電気回路を開閉することができる。
上記のように構成されているので、電源２から供給された交流電流は、電源開閉装置３を経由して整流器４により直流電流に整流されて直流バス５に供給される。整流器４としては、半導体ダイオードをブリッジ構成にしたものなどがある。

直流バス５には、電気回路を開閉可能な蓄電装置開閉装置６を介して上記の蓄電装置７が接続されている。したがって、蓄電装置開閉装置６は、直流バス５と蓄電装置７との間の電気回路を開閉することができる。
蓄電装置７は、直流バス５から電流が流れ込んで充電されることもできるし、逆に、放電して直流バス５へ電流を流し出すこともできる。
本実施形態において、蓄電装置７は、電気エネルギーを蓄積・放出することができる蓄電部８と、蓄電部８が放電した状態で充電を開始するときに流れる突入電流を制限する突入電流制限回路９と、蓄電部８に充電されたエネルギーを放電するための放電回路１２で構成される。

蓄電部８としては、例えば、アルミ電解コンデンサや電気二重層コンデンサ、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の充電可能な電池を採用することができる。また、蓄電部８は、フライホィールをモータで駆動しモータを発電機として使用して電力を取り出す構成であってもよい。

本実施形態において、突入電流制限回路９は、電流を制限するための電流制限抵抗器１０と、充電が進行したら電流制限抵抗器１０をバイパスするためのバイパス用開閉器１１とを電気的に並列に接続した構成としている。また、本実施形態において、放電回路１２は、電気エネルギーを熱に変換する放電抵抗器１３と、放電抵抗器１３に電流を流すかどうかを決める開閉器１４を直列に接続した構成としている。

上記のような構成において、電源開閉装置３と蓄電装置開閉装置６の両方を開とすることにより電源２及び蓄電装置７とモータ１５Ａ，１５Ｂとを電気的に切断することができる。すなわち、本実施形態では、電源開閉装置３と蓄電装置開閉装置６とで、電源２及び蓄電装置７とモータ１５Ａ，１５Ｂとの電気的な接続及び切断を切り替え可能な開閉装置を構成している。

直流バス５からインバータ１６Ａ，１６Ｂを経由してモータ１５Ａ，１５Ｂが接続されている。インバータ１６Ａ，１６Ｂによって制御された電流・電圧がモータ１５Ａ，１５Ｂへ供給され、モータ１５Ａ，１５Ｂを所望のトルク・回転数で回転させることができる。
インバータ１６Ａ，１６Ｂとしては、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴなどの半導体電力制御素子をブリッジ構成とし、所望のトルク及び回転数が得られるようにＰＷＭ変調された制御信号が半導体電力制御素子に与えられ、駆動用の三相交流が生成されてモータ１５Ａ，１５Ｂに供給される構成などを採用することができる。またインバータ１６Ａ，１６Ｂ内の回路には、モータ１５Ａ，１５Ｂの回生電力を得るためにダイオードが組み込まれている。
モータ１５Ａ，１５Ｂとしては、例えば、かご型誘導モータや永久磁石を用いた回転子を有する同期モータなどを用いることができる。

また、モータ駆動用電源装置１は、所定の運転状態のときに電源２及び蓄電装置７とモータとを電気的に切断するように開閉装置（本実施形態では電源開閉装置３及び蓄電装置開閉装置６）を制御する制御器１７を備えている。制御器１７は、所望の運転状態に応じて電源開閉装置３、蓄電装置開閉装置６を開閉させるための電気信号を発生する。また、突入電流制限回路９のバイパス用開閉器１１と放電回路１２の開閉器１４を開閉させるための電気信号も発生する。

上記の電源開閉装置３、蓄電装置開閉装置６、突入電流制限回路９内のバイパス用開閉器１１、放電回路１２内の開閉器１４としては、電磁コイルで駆動されるコンタクタや、電気信号で導通状態を変化できる半導体スイッチを用いることができる。これらの開閉装置、開閉器は、制御器１７が発生した電気信号により開閉される。制御器１７としては、電気的に結線されたリレーと機械式タイマーで構成されたものや、プログラム制御される電子式のプログラマブルコントローラで構成されたものを採用することができる。

以下、本実施形態の動作、作用、効果を説明する。
蓄電装置７が放電している状態から本実施形態の稼動を開始させるときには、蓄電装置開閉装置６を閉とし、放電回路１２内の開閉器１４を開（放電しない状態）とし、突入電流制限回路９内のバイパス用開閉器１１を開（バイパスしない状態）としておき、この状態から電源開閉装置３を閉じる。
すると、蓄電部８には突入電流制限回路９内の電流制限抵抗器１０を通って電流が流れ込み、蓄電部８の充電が開始される。蓄電部８の両端の電圧が電源２の電圧を整流器４で整流した電圧とほぼ一致するようになったならば、すなわち蓄電部８が充電されたならば、突入電流制限回路９内のバイパス用開閉器１１を閉とし、直流バス５と蓄電部８との間で流れる電流が電流制限抵抗器１０を通過せずバイパス用開閉器１１を通過するようにする。以降、本実施形態の稼働中、突入電流制限回路９内のバイパス用開閉器１１は常に閉じておく。

モータ運転時には、電源開閉装置３を閉とし、蓄電装置開閉装置６を閉とし、突入電流制限回路９内のバイパス用開閉器１１を閉(バイパスする状態)とし、放電回路１２内の開閉器１４を開（放電しない状態）としておき、モータ１５Ａ，１５Ｂに所望のトルク・回転数に応じてベクトル制御等の方法によりインバータ１６Ａ，１６Ｂ内の半導体電力制御素子を制御する。
モータ１５Ａ，１５Ｂの加速時、すなわちモータ１５Ａ，１５Ｂが力行するときには、モータ１５Ａ，１５Ｂが必要とする電力は、電源２から整流器４を介して供給される電力と、蓄電装置７からの放電による電力により賄われる。すなわち、電源２から供給され整流器４で整流された電流と、蓄電装置７内の蓄電部８から放電された電流が直流バス５に流れこみ、インバータ１６Ａ，１６Ｂへ供給され、モータ１５Ａ，１５Ｂが駆動される。
モータ１５Ａ，１５Ｂの減速時、すなわちモータ１５Ａ，１５Ｂが回生するときには、モータ１５Ａ，１５Ｂで発生した回生電力により蓄電装置７が充電される。すなわちインバータ１６Ａ，１６Ｂから流れ出した電流が直流バス５を経由して蓄電部８に流れ込む。

以上、モータ１５Ａ，１５Ｂの力行・回生に応じて、蓄電部８が放電・充電する動作は、特許第３７０８７２８号、特開２００３−２９０９９８号に述べられているところと同じである。
モータ１５Ａ，１５Ｂを停止させておくなどの目的でモータ１５Ａ，１５Ｂへの電力供給を停止したい場合には、電源開閉装置３および蓄電装置開閉装置６を開とし、電源２及び蓄電装置７が直流バス５と電気的に接続されていないようにする。この場合、放電回路１２内の開閉器１４は開（放電しない状態）のまま、すなわち蓄電部８は充電したままとする。モータ１５Ａ，１５Ｂを再び運転したいときには、電源開閉装置３および蓄電装置開閉装置６を閉にする。

本実施形態の稼動を終了するときには、電源開閉装置３を開にする。さらに、放電回路１２内の開閉器１４を閉じ、蓄電部８からの電流を放電回路１２内の放電抵抗器１３に流し、蓄電部８を放電させる。

本実施形態の装置を稼動・運転させたい状態に応じて、上述の動作のために必要な、電源開閉装置３を開閉させる信号、蓄電装置開閉装置６を開閉させる信号、突入電流制限回路９内のバイパス用開閉器１１を開閉させる信号、放電回路１２内の開閉器１４を開閉させる信号は、制御器１７で発生される。

本実施形態によれば、電源２及び蓄電装置７とモータ１５Ａ，１５Ｂとの電気的な接続及び切断を切り替え可能な開閉装置（電源開閉装置３及び蓄電装置開閉装置６）を備えるので、モータ１５Ａ，１５Ｂを停止させておくなどの目的でモータ１５Ａ，１５Ｂへの電力供給を停止したい場合には、開閉装置を開とすることにより電源２及び蓄電装置７とモータ１５Ａ，１５Ｂとを電気的に切断することができる。したがって、放電回路１２により蓄電装置７内の蓄電部８を放電する必要が無いので、蓄電装置７に蓄えられたエネルギーを無駄に消費することなく蓄電装置７にエネルギーを蓄えたままモータ１５Ａ，１５Ｂへの電力供給を停止することができる。また、放電の頻度を低くできることから放電回路１２内の放電抵抗器１３の熱容量が小さくて済むので、放電回路１２を小型化できる。

また、本実施形態によれば、蓄電装置７に何らかの支障が発生した場合には、蓄電装置開閉装置６を常に開にして直流バス５と蓄電装置７の間の電気回路を切断し、一方で電源開閉装置３は閉としたままとすることにより、電源２から供給される電力のみでモータ１５Ａ，１５Ｂを運転することも可能となる。この場合、支障の発生の判断、及び電源開閉装置３と蓄電装置開閉装置６の開閉状態の制御は、制御器１７によって行われる。

［第２実施形態］
図２に、本発明の第２実施形態にかかるモータ駆動用電源装置１の回路構成を示す。
図１に示した第１実施形態では蓄電装置開閉装置６を設けたが、図２に示すように、本実施形態では、蓄電装置開閉装置６ではなくて、直流バス５のうち蓄電装置７との接続点よりもモータ１５Ａ，１５Ｂ側の位置の電気回路を開閉可能な直流バス開閉装置１８を設けた。

この構成により、直流バス開閉装置１８を開とするだけで、電源２と蓄電装置７の両方を同時にモータ１５Ａ，１５Ｂから電気的に切断することができる。すなわち、本実施形態では、電源開閉装置３の開閉によらず直流バス開閉装置１８の開閉により、電源２及び蓄電装置７とモータ１５Ａ，１５Ｂとの電気的な接続及び切断を切り替え可能な開閉装置を構成している。なお、直流バス開閉装置１８は、制御器１７からの電気信号により開閉制御される。
本実施形態の他の部分の構成は、上述した第１実施形態と同様である。

本実施形態において、モータ１５Ａ，１５Ｂを停止させておくなどの目的でモータへの電力供給を停止したい場合には、直流バス開閉装置１８を開とし、電源２及び蓄電装置７がモータ１５Ａ，１５Ｂと電気的に接続されていないようにする。この場合、放電回路１２内の開閉器１４は開（放電しない状態）のまま、すなわち蓄電部８は充電したままとする。また、この場合、電源開閉装置３は、必要に応じて開閉を決定することができる。例えば、蓄電装置７を充電する必要があれば閉のままとし、蓄電装置７を充電する必要が無ければ開としてもよい。

モータ１５Ａ，１５Ｂを再び運転したいときには、直流バス開閉装置１８を閉にする。また、もし電源開閉装置３が開ならば閉にする。
本実施形態において、上記のようにモータ１５Ａ，１５Ｂへの電力供給を停止したい場合以外の場合（稼動の開始・停止時、モータの運転時）の動作は、蓄電装置開閉装置６に関する部分を除き、上述した第１実施形態と同様であり、この場合、直流バス開閉装置１８は常に閉としておく。

本実施形態によっても、第１実施形態と同様に、モータ１５Ａ，１５Ｂを停止させておくなどの目的でモータ１５Ａ，１５Ｂへの電力供給を停止したい場合には、電源２及び蓄電装置７とモータ１５Ａ，１５Ｂとを電気的に切断することができるので、蓄電装置７に蓄えられたエネルギーを無駄に消費することなくモータ１５Ａ，１５Ｂへの電力供給を停止することができ、また、放電回路１２を小型化できるという効果が得られる。

［その他の実施形態］
上述した各実施形態では、電源２として、３相交流電源を用いたが、単相交流電源や直流電源でもよい。直流電源の場合、整流器４は不要である。
突入電流制限回路９及び放電回路１２の構成は、上述した実施形態と同等の機能を実現できればよく、実施形態に示す構成に限られない。
突入電流が流れても回路の動作に支障がないならば、突入電流制限回路９を省略してもよい。
駆動電力が供給されるモータは、１つあるいは３つ以上であってもよい。この場合、インバータはモータの数に対応して設けられる。

部品表面や大気を介した自然放電で蓄電部８が放電するのを待つことが可能であれば、放電回路１２を省略してもよい。
整流器４のかわりに回生型のコンバータを使用して電力の一部を３相交流電源に戻してもよい。
蓄電装置開閉装置６や直流バス開閉装置１８を閉じるとき、開閉装置の両端の電位差をゆるやかに変化させるため、開閉装置を閉じる直前に、開閉装置と並列に抵抗を接続して電流をあらかじめ流しておき、電位差を小さくしてから開閉装置を閉じる構成も可能である。

上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の第１実施形態にかかるモータ駆動用電源装置の回路構成を示す図である。 本発明の第２実施形態にかかるモータ駆動用電源装置の回路構成を示す図である。

符号の説明

１ モータ駆動用電源装置
２ 電源
３ 電源開閉装置
４ 整流器
５ 直流バス
６ 蓄電装置開閉装置
７ 蓄電装置
８ 蓄電部
９ 突入電流制限回路
１０ 電流制限抵抗器
１１ バイパス用開閉器
１２ 放電回路
１３ 放電抵抗器
１４ 開閉器
１５Ａ，１５Ｂ モータ
１６Ａ，１６Ｂ インバータ
１７ 制御器
１８ 直流バス開閉装置

Claims (4)

1. モータに駆動電力を供給するモータ駆動用電源装置であって、
   電源からの電力を前記モータに導くための直流バスと、
   前記電源と電気的に並列に前記直流バスに接続され充電と放電が可能な蓄電装置と、
   前記電源及び前記蓄電装置と前記モータとの電気的な接続及び切断を切り替え可能な開閉装置と、を備えることを特徴とするモータ駆動用電源装置。
2. 前記開閉装置は、前記直流バスと前記電源との間の電気回路を開閉可能な電源開閉装置と、前記直流バスと前記蓄電装置との間の電気回路を開閉可能な蓄電装置開閉装置とからなる請求項１記載のモータ駆動用電源装置。
3. 前記開閉装置は、前記直流バスのうち前記蓄電装置との接続点よりもモータ側の位置の電気回路を開閉可能な直流バス開閉装置である請求項１記載のモータ駆動用電源装置。
4. 所定の運転状態のときに前記電源及び前記蓄電装置と前記モータとを電気的に切断するように前記開閉装置を制御する制御器を備える請求項１乃至３のいずれか記載のモータ駆動用電源装置。

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