JP5260719B2

JP5260719B2 - 停電の有無を判定する停電判定部を有するモータ駆動装置

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Inventors: 平輔岩下; 肇置田; 正一丹羽
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Filing date: 2011-11-30
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Description

本発明は、交流側から供給された交流電力を直流電力に変換して出力したのちさらにモータの駆動のための交流電力に変換してモータへ供給するモータ駆動装置に関し、特に、停電の有無を判定する停電判定部を有するモータ駆動装置に関する。

工作機械、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、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においては、駆動軸ごとに設けられたモータに対し、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。図８は、複数のモータを駆動する一般的なモータ駆動装置の構成を示す図である。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。モータ駆動装置１００は、商用三相交流電源３からの交流電力を直流電力に変換する１２０度通電型整流器１１と、１２０度通電型整流器１１から出力された直流電力をモータ２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２から回生される交流電力を直流電力に変換する逆変換器１２と、を備え、当該逆変換器１２の交流側に接続されたモータ２の速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御する。

逆変換器１２は、複数の駆動軸に対応してそれぞれ設けられる各モータ２に個別に駆動電力を供給してモータ２を駆動制御するためにモータ２の個数と同数個設けられる。一方、１２０度通電型整流器１１は、モータ駆動装置１００のコストや占有スペースを低減する目的で、複数の逆変換器１２に対して１個が設けられることが多い。

モータ駆動装置１００でモータを減速制御する際には、モータ２から回生電力が発生する。この回生電力は逆変換器１２を経て１２０度通電型整流器１１に戻される。１２０度通電型整流器１１は、モータ減速時に発生する電力を電源に返す電源回生機能を有する比較的安価な整流器であり、交流電力を直流電力に変換する力行動作のみではなく、直流電力を交流電力に変換する回生動作も実行することができるので、１２０度通電型整流器１１は、逆変換器１２から戻された回生エネルギーを商用三相交流電源３側へ戻すことができる。

このようなモータ駆動装置１００では、１２０度通電型整流器１１の交流側において停電が発生し入力電源電圧が低下した場合、モータ２の正常な運転を継続することができなくなる。このため、１２０度通電型整流器１１の交流側に停電検出部５２を設け、停電検出部５２が停電発生を検出したら、モータ駆動装置１００の動作を切り換え、モータ駆動装置１００、当該モータ駆動装置１００が駆動するモータに接続されたツール、および、当該ツールが加工する加工対象などを保護するようにするのが一般的である。停電検出部５２は、交流電圧検出部５１により検出された交流電圧に基づき、停電の発生の有無を検出する。停電検出部５２が停電の発生を検知しない正常時においては、上位制御装置５３は、スイッチ部５５のスイッチ５５−１をオンするとともにスイッチ５５−２をオフする。これにより商用三相交流電源３からの交流電力は、１２０度通電型整流器１１により直流電力に変換され、逆変換器１２へ供給されることになる。上位制御装置５３は、各逆変換器１２に対してモータ駆動指令を送信して当該逆変換器１２による直流電力から交流電力への変換動作（より具体的には、当該逆変換器１２内のスイッチング素子のスイッチング動作）を制御することで、当該逆変換器１２から所望の交流電力が出力されるように制御する。逆変換器１２から出力された交流電力を駆動電力としてモータ２は動作するので、逆変換器１２から出力される交流電力を制御すれば、当該逆変換器１２の交流側に接続されたモータ２の速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御することができる。一方、停電検出部５２が交流電圧検出部５１により検出された交流電圧に基づき停電の発生を検知したときは、上位制御装置５３は、スイッチ部５５のスイッチ５５−１をオフするとともにスイッチ５５−２をオンする。これにより蓄電器５４から直流電力が逆変換器１２へ供給される。上位制御装置５３は、各逆変換器１２に対して、モータ駆動装置１００、当該モータ駆動装置１００が駆動するモータに接続されたツール、および、当該ツールが加工する加工対象を保護するためのモータ駆動指令を送信する。

図９は、一般的なモータ駆動装置による力行動作時の１２０度通電型整流器における電流の流れを説明する回路図である。なお、図示の例では１２０度通電型整流器１１に平滑コンデンサＣを介して接続される逆変換器１２については省略している。１２０度通電型整流器１１は、モータに対して駆動電力を供給するときは、Ｒ相、Ｓ相およびＴ相の全てのスイッチＳＷ_R1、ＳＷ_R2、ＳＷ_S1、ＳＷ_S2、ＳＷ_T1およびＳＷ_T2をオフするように制御する。以下、これを「１２０度整流器の力行動作」と称する。１２０度整流器１１の力行動作時において例えばある周期において商用三相交流電源３からの電流がＲ相に発生していた場合は、当該交流電流はＲ相のダイオードＤ_R1を通って直流側に出力され、直流側からの電流は、Ｔ相のダイオードＤ_T2を通って商用三相交流電源３へ戻る。他の時刻において発生し得る各相の電流についても同様である。

図１０は、一般的なモータ駆動装置による回生動作時の１２０度通電型整流器における電流の流れを説明する回路図である。なお、図示の例では１２０度通電型整流器１１に平滑コンデンサＣを介して接続される逆変換器１２については省略している。１２０度通電型整流器１１は、逆変換器を介してモータ２から戻された回生電力を交流電力に変換して商用三相交流電源３へ戻すために、Ｒ相、Ｓ相およびＴ相の各スイッチＳＷ_R1、ＳＷ_R2、ＳＷ_S1、ＳＷ_S2、ＳＷ_T1およびＳＷ_T2を適宜オンオフ制御する。以下、これを「１２０度整流器の回生動作」と称する。１２０度整流器１１の回生動作時において例えばある時刻においてＲ相のスイッチＳＷ_R1およびＴ相のスイッチＳＷ_T2がオンし、それ以外のスイッチＳＷ_R2、ＳＷ_S1、ＳＷ_S2およびＳＷ_Tについてはオフするように制御する。これにより、ある時刻におけるモータ２からの回生電力が逆変換器を介して１２０度通電型整流器１１へ戻されることにより生じる電流は、Ｒ相のスイッチＳＷ_R1を経由して商用三相交流電源３へ戻され、商用三相交流電源３からの電流はＴ相のスイッチＳＷ_T2を経由して直流側へ戻る。他の時刻において発生し得るＲ相およびＴ相の各電流についても同様である。

モータ駆動装置における停電判定方法として、例えば、三相交流入力電圧を二相座標上の電圧ベクトルに変換し、そのベクトルの振幅から入力電圧の振幅を計算し、その値が所定の基準電圧値を下回る状態が所定の基準時間継続したことをもって停電と判定するような方法がある（例えば、特許文献１参照。）。図１１は、三相交流入力電圧の振幅に基づき停電の有無を判定する停電判定部を示す回路図である。商用三相交流電源３からの電圧を交流電圧検出部１２２で検出し、電圧振幅検出部１２６により電圧の振幅を計算する。停電判定部１２５は、電圧振幅検出部１２６により計算した電圧の振幅がその値が所定の基準電圧値を下回る状態が所定の基準時間継続したことをもって停電と判定する。

また、モータ駆動装置における別の停電判定方法として、例えば、入力電圧の周波数（電源周波数）を演算し、その演算値が所定の範囲を逸脱したことで停電と判定する方法が提案されている（例えば、特許文献２または３参照。）。図１２は、三相交流入力電圧の周波数に基づき停電の有無を判定する停電判定部を示す回路図であり、図１３は、三相交流入力電圧の周波数に基づき停電の有無を判定する停電判定部の原理説明図である。商用三相交流電源３からの電圧を交流電圧検出部１２２で検出し、周波数演算部１２３により周波数を計算する。停電判定部１２５は、周波数演算部１２３により計算した周波数に基づき１２０度通電型整流器１１の交流側の停電の有無を判定する。例えば、図１３に示すように、商用電源の周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）を中心値として所定の範囲を有する正常周波数範囲を予め設定しておく、周波数演算部１２３が算出する周波数は、１２０度通電型整流器１１の交流側が停電していない場合にはほぼ一定値を示すが、図１３の点Ａの時点で停電が発生すると、周波数演算部１２３が算出する周波数は変動する。図示の例では、停電の発生により周波数が徐々に増加する場合を一例として示しているが、停電の発生状況により、周波数が減少したり、あるいは振動し発散したりするようなこともある。そして点Ｂの時点で正常周波数範囲を逸脱すると、停電判定部１２５は、１２０度通電型整流器１１の交流側に停電が発生したと判定する。

特開２００６−１４５４６公報特開平６−１６９５０１号公報特開平６−１８９４１１号公報

上述の特許文献１（特開２００６−１４５４６公報）に記載されたような三相交流入力電圧の振幅に基づき停電を判定する方法では、商用三相交流電源からの交流電力を直流電力へ変換する順変換器として１２０度通電型整流器を用いた場合、１２０度通電型整流器の回生動作中に交流電源側に停電が発生すると停電を検知することができない。図１４および１５は、１２０度通電型整流器を用いた場合において、電圧の振幅に基づき停電判定するときの問題点を説明する図であって、図１４は１２０度通電型整流器の力行動作時の停電判定を示し、図１５は１２０度通電型整流器の回生動作時の停電判定を示す。なお、図示の例では１２０度通電型整流器１１に平滑コンデンサＣを介して接続される逆変換器１２については省略している。

図１４に示すように、モータ駆動装置により１２０度通電型整流器１１が力行動作している時にモータ駆動装置の１２０度通電型整流器１１の交流側に停電が発生すると、１２０度通電型整流器１１内の各スイッチＳＷ_R1、ＳＷ_R2、ＳＷ_S1、ＳＷ_S2、ＳＷ_T1およびＳＷ_T2は全てオフしているので、電圧検出部１２２が検出する１２０度通電型整流器１１の交流側の電圧はほぼゼロとなり、これを検知することで交流側の停電を判定することができる。

しかしながら、図１５に示すように、モータ駆動装置により１２０度通電型整流器１１が回生動作している時にモータ駆動装置の１２０度通電型整流器１１の交流側に停電が発生すると、オンしているスイッチを通じて直流出力電圧が、電圧検出部１２２に現れるため、電圧振幅が低下せず停電を検出できない。図示の例で言えば、スイッチＳＷ_R1およびＳＷ_T2がオンされているので、直流出力電圧は、スイッチＳＷ_R1およびＳＷ_T2を通じて１２０度通電型整流器１１の交流側に現れることになる。このため、実際に停電が発生したとしても、１２０度通電型整流器１１の交流側の電圧の振幅は低下しないので、停電の発生を検出することができない。

また、上述の特許文献２（特開平６−１６９５０１号公報）および特許文献３（特開平６−１８９４１１号公報）に記載されたような三相交流入力電圧の周波数に基づき停電の有無を判定する方法では、上述の三相交流入力電圧の振幅に基づき停電の有無を判定する方法とは異なり、１２０度通電型整流器の回生動作中においても交流電源側の停電を検出することができる。しかしながら、停電の検出を早めるために正常周波数範囲の範囲を狭めると停電の誤検出の可能性が高くなり、逆に、停電の誤検出を防ぐために正常周波数範囲の範囲を広げると停電を検出するまでに要する時間がかかり、モータ駆動装置、当該モータ駆動装置が駆動するモータに接続されたツール、および、当該ツールが加工する加工対象などを保護することができなくなる。図１６および１７は、１２０度通電型整流器を用いた場合において、電圧の周波数に基づき停電判定するときの問題点を説明する図であって、図１６は正常周波数範囲を狭めた場合の停電判定を示し、図１７は正常周波数範囲を広げた場合の停電判定を示す。

図１６に示すように、停電の検出を早めるために正常周波数範囲の範囲を狭めると、例えば図１６の点Ｄの時点で停電が発生すると、周波数演算部１２３が算出する周波数は変動（図１６の例では増加）するが、点Ｅの時点で正常周波数範囲を逸脱すると、停電判定部１２５は、１２０度通電型整流器１１の交流側に停電が発生したと判定する。正常周波数範囲の範囲を狭めるほど、停電発生（点Ｄ）から停電検知（点Ｅ）までの、周波数異常を検出するまでに要する時間は短くなる。１２０度通電型整流器の回生動作中に停電が発生した場合の電源周波数の変化は、モータ駆動装置の負荷やインピーダンスに依存しており、変化が緩やかな場合もあるため、停電を早く検出するという観点で言えば、周波数変動に対する検出感度は高い方が望ましい。しかしながら、実際の商用三相交流電源３の周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）は正常な状態であっても多少の変動をしており、停電が発生していない正常時であっても、周波数の変動のいかんによっては、図１６の点Ｃのように正常周波数範囲を逸脱することがある。例えば、交流電源側が分散型電源による小規模な電源等である場合には、周波数変動は大きく、停電の誤検出の発生の可能性が高くなる。

一方、図１７に示すように、停電の誤検出を防ぐために正常周波数範囲の範囲を広げると、例えば点Ｆの時点の停電発生後、周波数演算部１２３が算出する周波数は変動（図１７の例では増加）するが、正常周波数範囲の逸脱により１２０度通電型整流器１１の交流側に停電が発生したと停電判定部１２５が判定する点Ｇに到達するまでの時間が長くなってしまう。このため、モータ駆動装置、当該モータ駆動装置が駆動するモータに接続されたツール、および、当該ツールが加工する加工対象などを保護するための動作が間に合わなくなる可能性が高くなる。

したがって本発明の目的は、上記問題に鑑み、１２０度通電型整流器の回生動作中であっても交流電源側の停電を高速に検出して装置を保護することができるとともに、停電の誤検出のない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、本発明においては、力行動作時には交流側から供給された交流電力を直流電力に変換して出力し、回生動作時には直流側から供給された直流電力を交流電力に変換して出力する１２０度通電型整流器と、力行動作時には１２０度通電型整流器が出力した直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換してモータへ供給し、回生動作時にはモータからの回生交流電力を直流電力に変換して１２０度通電型整流器へ戻す逆変換器と、１２０度通電型整流器の直流出力側の直流電圧を検出する直流電圧検出部と、１２０度通電型整流器の交流出力側の交流電圧を検出する交流電圧検出部と、交流電圧検出部が検出した交流電圧の周波数を算出する周波数演算部と、１２０度通電型整流器の回生動作開始時点において直流電圧検出部が検出した直流電圧を基準値として記憶する記憶部と、１２０度通電型整流器の回生動作期間中、直流電圧検出部が検出した直流電圧と、記憶部に記憶された基準値と、周波数演算部が算出した交流電圧の周波数と、を用いて、１２０度通電型整流器の交流側の停電の有無を判定する停電判定部と、を備える。

本発明の第１の態様によれば、上記停電判定部は、１２０度通電型整流器の回生動作期間中、直流電圧検出部が検出した直流電圧が基準値よりも大きいか否かを判定する電圧判定部と、１２０度通電型整流器の回生動作期間中、直流電圧検出部が検出した直流電圧が基準値よりも大きいと電圧判定部が判定した場合、周波数演算部が算出した交流電圧の周波数が正常周波数範囲外にあるか否かを判定する周波数異常検知部と、を有し、周波数演算部が算出した交流電圧の周波数が正常周波数範囲外にあることを周波数異常検知部が所定の期間継続して検知した場合、１２０度通電型整流器の交流側が停電したと判定する。

本発明の第２の態様によれば、モータ駆動装置は、交流電圧検出部が検出した交流電圧の振幅を算出する振幅演算部をさらに備え、上記停電判定部は、１２０度通電型整流器の回生動作期間中、直流電圧検出部が検出した直流電圧が基準値よりも大きいか否かを判定する電圧判定部と、１２０度通電型整流器の回生動作期間中、直流電圧検出部が検出した直流電圧が基準値よりも大きいと電圧判定部が判定した場合、周波数演算部が算出した交流電圧の周波数が正常周波数範囲外にあるか否かを判定する周波数異常検知部と、周波数演算部が算出した交流電圧の周波数が正常周波数範囲外にあることを周波数異常検知部が所定の期間継続して検知した場合、１２０度通電型整流器による直流電力から交流電力への変換動作を停止する回生停止部と、振幅演算部が算出した交流電圧の振幅が所定の値以下になったか否かを検知する振幅判定部と、を有し、回生停止部により１２０度通電型整流器の変換動作が停止した後に、振幅演算部が算出した交流電圧の振幅が所定の値以下になったことを振幅判定部が検知した場合、１２０度通電型整流器の交流側が停電したと判定する。

ここで、上記正常周波数範囲は、１２０度通電型整流器の回生動作開始時点に周波数演算部が算出した周波数を中心値として規定される範囲としてもよい。

本発明によれば、交流側から供給された交流電力を１２０度通電型整流器によって直流電力に変換して出力したのちさらに逆変換器によってモータの駆動のための交流電力に変換してモータへ供給するモータ駆動装置において、１２０度通電型整流器の直流側の直流電圧と、１２０度通電型整流器の回生動作開始時点の１２０度通電型整流器の直流側の直流電圧である基準値と、１２０度通電型整流器の交流側の交流電圧の周波数と、を用いて、１２０度通電型整流器の交流側の停電の有無を判定することで、１２０度通電型整流器の回生動作期間中であっても交流電源側の停電を検出して装置を保護することができ、また、正常時において停電を誤検出することもない。

本発明の第１の態様によれば、１２０度通電型整流器の回生動作期間中、１２０度通電型整流器の直流側の直流電圧が基準値よりも大きくなおかつ１２０度通電型整流器の交流側の交流電圧の周波数が正常周波数範囲外にあるときに、１２０度通電型整流器の交流側が停電したと判定するので、停電判定をより正確に行うことができるとともに、正常時において停電を誤検出することもない。

本発明の第２の態様によれば、１２０度通電型整流器の回生動作期間中、１２０度通電型整流器の直流側の直流電圧が基準値よりも大きくなおかつ１２０度通電型整流器の交流側の交流電圧の周波数が正常周波数範囲外にあるときに１２０度通電型整流器による直流電力から交流電力への変換動作を停止しこのときの１２０度通電型整流器の交流側の交流電圧の振幅が所定の値以下になったときに１２０度通電型整流器の交流側が停電したと判定するので、停電判定をより正確に行うことができるとともに、正常時において停電を誤検出することもない。

本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置を示す回路図である。本発明の第１の実施例における停電判定部の動作を説明する図である。本発明の第２の実施例によるモータ駆動装置を示す回路図である。本発明の第２の実施例における停電判定部の動作を説明する図である。本発明の第１の実施例の変形例によるモータ駆動装置を示す回路図である。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１における動作判定部の構成を示す回路図である。１２０度通電型整流器の力行動作と回生動作との切換えを説明する図である。複数のモータを駆動する一般的なモータ駆動装置の構成を示す図である。一般的なモータ駆動装置による力行動作時の１２０度通電型整流器における電流の流れを説明する回路図である。一般的なモータ駆動装置による回生動作時の１２０度通電型整流器における電流の流れを説明する回路図である。三相交流入力電圧の振幅に基づき停電の有無を判定する停電判定部を示す回路図である。三相交流入力電圧の周波数に基づき停電の有無を判定する停電判定部を示す回路図である。三相交流入力電圧の周波数に基づき停電の有無を判定する停電判定部の原理説明図である。１２０度通電型整流器を用いた場合において、電圧の振幅に基づき停電判定するときの問題点を説明する図であって、１２０度通電型整流器の力行動作時の停電判定を示す図である。１２０度通電型整流器を用いた場合において、電圧の振幅に基づき停電判定するときの問題点を説明する図であって、１２０度通電型整流器の回生動作時の停電判定を示す図である。１２０度通電型整流器を用いた場合において、電圧の周波数に基づき停電判定するときの問題点を説明する図であって、正常周波数範囲を狭めた場合の停電判定を示す図である。１２０度通電型整流器を用いた場合において、電圧の周波数に基づき停電判定するときの問題点を説明する図であって、正常周波数範囲を広げた場合の停電判定を示す図である。

以下に説明する実施例では、複数個のモータを駆動制御するモータ制御装置について説明するが、駆動制御するモータの個数は、本発明を特に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回路図である。本発明の第１の実施例によるモータ２を駆動するためのモータ駆動装置１は、１２０度通電型整流器１１と、逆変換器１２と、直流電圧検出部２１と、交流電圧検出部と２２と、周波数演算部２３と、記憶部２４と、停電判定部２５とを備える。

１２０度通電型整流器１１は、力行動作時には商用三相交流電源３より供給された交流電力を直流電力に変換して出力し、回生動作時にはモータ２の回生により逆変換器１２から供給された直流電力を交流電力に変換して出力する、交直双方向に変換可能である電力変換器である。

逆変換器１２は、１２０度通電型整流器１１に直流リンクを介して接続されており、力行動作時には１２０度通電型整流器１１が出力した直流電力をモータ２の駆動のための交流電力に変換してモータ２へ供給し、回生動作時にはモータ２からの回生交流電力を直流電力に変換して１２０度通電型整流器１１へ戻す。

直流電圧検出部２１は、１２０度通電型整流器１１の直流出力側の直流電圧を検出する。一方、交流電圧検出部２２は、１２０度通電型整流器１１の交流出力側の交流電圧を検出する。

周波数演算部２３は、交流電圧検出部２２が検出した交流電圧の周波数を算出する。

記憶部２４は、１２０度通電型整流器１１の回生動作開始時点において直流電圧検出部２１が検出した直流電圧を基準値として記憶する。

モータ２による回生電力発生後少し間をおいて１２０度通電型整流器１１の回生動作を開始する場合、１２０度通電型整流器１１の直流側の直流電圧は１２０度通電型整流器１１の回生動作開始直後の直流電圧よりも下がるはずであるが、１２０度通電型整流器１１の回生動作開始後しばらくしても直流出力電圧が１２０度通電型整流器１１の回生開始時の直流電圧よりも大きいということは、１２０度通電型整流器１１の直流側から交流側へエネルギーが流れていないということであり、すなわち１２０度通電型整流器１１の交流側において停電が発生している可能性が高い。そこで本発明では、停電判定部２５は、１２０度通電型整流器１１の回生動作期間中、直流電圧検出部２１が検出した直流電圧と、記憶部２４に記憶された基準値と、周波数演算部２３が算出した交流電圧の周波数と、を用いて、１２０度通電型整流器１１の交流側の停電の有無を判定する。停電判定部２５は、例えばＤＳＰやＦＰＧＡなどの演算処理プロセッサからなり、その動作はソフトウェアプログラムにより規定される。

本発明の第１の実施例における停電判定部２５の構成および動作についてより詳細に説明すると下記の通りである。本発明の第１の実施例における停電判定部２５は、第１の条件として、１２０度通電型整流器１１の回生動作期間中に直流電圧検出部２１が検出した直流電圧が、１２０度通電型整流器１１の回生動作開始時点において直流電圧検出部２１が検出した直流電圧である基準値より大きいこと、第２の条件として、周波数演算部２３が算出した交流電圧の周波数が、正常周波数範囲外にあることを周波数異常検知部が所定の期間継続して検知したこと、の２つ同時に満たすときに、１２０度通電型整流器１１の交流側が停電したと判断するようにする。これにより、正常周波数範囲の幅を狭めたとしても、上記第１の条件および第２の条件の両方を満たさない限りは停電と判断されないので、正常周波数範囲の幅を狭めることで停電の検出時間を早めることが可能となる。また、例えば１２０度通電型整流器１１の力行動作時に周波数演算部２３が算出した交流電圧の周波数が正常周波数範囲外にあることを周波数異常検知部が所定の期間継続して検知したとしても、上記第１の条件を満たさないので、停電の誤検出を防ぐことができる。

したがって、本発明の第１の実施例における停電判定部２５は、１２０度通電型整流器１１の回生動作期間中、直流電圧検出部２１が検出した直流電圧が、１２０度通電型整流器１１の回生動作開始時点において直流電圧検出部２１が検出した直流電圧である基準値よりも大きいか否かを判定する電圧判定部３１と、１２０度通電型整流器１１の回生動作期間中、直流電圧検出部２１が検出した直流電圧が基準値よりも大きいと電圧判定部３１が判定した場合、周波数演算部が算出した交流電圧の周波数が正常周波数範囲外にあるか否かを判定する周波数異常検知部３２と、を有するように構成する。そして、停電判定部２５は、周波数演算部２３が算出した交流電圧の周波数が正常周波数範囲外にあることを周波数異常検知部が所定の期間継続して検知した場合、１２０度通電型整流器１１の交流側が停電したと判定する。なお、本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置１は、１２０度通電型整流器１１の回生動作期間中における停電の発生の有無を、１２０度通電型整流器１１の回生動作開始時点において直流電圧検出部２１が検出した直流電圧である基準値を用いて判定するが、１２０度通電型整流器１１の回生動作が一旦終了して力行動作に移行した後、再度、１２０度通電型整流器１１の回生動作が開始したときには、モータ駆動装置１は、当該新しい回生動作開始時点において直流電圧検出部２１が検出した直流電圧を新たなる基準値として記憶部２４に記憶し、当該新しい回生動作期間中の停電の発生の有無を、当該新たなる基準値を用いて判定する。

図２は、本発明の第１の実施例における停電判定部の動作を説明する図である。一例として、モータ駆動装置１の制御により、点Ｉの時点で１２０度通電型整流器１１が力行動作から回生動作に切り替わり、点Ｊの時点で１２０度通電型整流器１１の交流側で停電が発生した場合を考える。

図２に示すように、１２０度通電型整流器１１の交流側で停電が無い状態すなわち正常時において１２０度通電型整流器１１の力行動作が行われている場合は１２０度通電型整流器１１の直流側の直流電圧は一定値である。このときモータ２による回生電力が発生すると、当該回生電力のエネルギーが逆変換器１２を介して１２０度通電型整流器１１の直流側に流れ込むので、直流電圧検出部２１が検出する直流電圧は増加し始める。１２０度通電型整流器１１の直流側の直流電圧が所定の値に達したとき、モータ駆動装置１の制御により、１２０度通電型整流器１１が力行動作から回生動作に切り替わり（図２の点Ｉ）、当該回生電力のエネルギーは、１２０度通電型整流器１１の交流側に流れ始めるので、直流電圧検出部２１が検出する直流電圧は減少し始める。ここで、図２の点Ｊの時点で停電が発生すると、直流電圧検出部２１が検出する直流電圧は一転して上昇を始め、周波数演算部２３が算出する周波数が変動し始める。図示の例では、周波数の変動の一例として周波数演算部２３が算出する周波数が徐々に増加する場合を示している。記憶部２４には、１２０度通電型整流器１１の回生開始時点（図２の点Ｉ）において直流電圧検出部２１が検出した直流電圧が基準値として記憶されているが、停電判定部２５内の電圧判定部３１は、直流電圧検出部２１が検出した直流電圧が、記憶部２４に記憶された基準値よりも大きいか否かを判定する。図２の点Ｋの時点で、直流電圧検出部２１が検出した直流電圧が、記憶部２４に記憶された基準値よりも大きいと判定すると、停電検出部２５の周波数異常検出部３２は、周波数演算部が算出した交流電圧の周波数が正常周波数範囲外にあるか否かを判定する。図２の点Ｌの時点で周波数演算部が算出した交流電圧の周波数が正常周波数範囲外となるが、周波数異常検出部が周波数演算部２３が算出した交流電圧の周波数が正常周波数範囲外にあることを周波数異常検知部が所定の期間継続して検知した場合、停電判定部２５は、１２０度通電型整流器１１の交流側が停電したと判定する。つまり、本発明の第１の実施例における停電判定部２５は、直流電圧検出部２１が検出した直流電圧が記憶部２４に記憶された基準値よりも大きいと判定され（図２の点Ｋ）なおかつ周波数異常検出部３２が周波数異常を検出したときに、初めて停電が発生したと判定するので、正常周波数範囲の範囲を狭めたとしても、停電の検出を早めることができるとともに正常時に停電を誤検出することもなくなる。１２０度通電型整流器１１が力行動作時にある図２の点Ｈの時点で、周波数演算部２３により算出された交流電圧の周波数が何らかの原因により予め設定された正常周波数範囲を超えてしまったとしても、１２０度通電型整流器１１の回生動作期間中ではないことから、停電判定部２５は停電と誤判断することはない。

続いて、本発明の第２の実施例について説明する。図３は、本発明の第２の実施例によるモータ駆動装置を示す回路図である。本発明の第２の実施例によるモータ駆動装置１は、１２０度通電型整流器１１と、逆変換器１２と、直流電圧検出部２１と、交流電圧検出部と２２と、周波数演算部２３と、記憶部２４と、判定部２５と、振幅演算部２６を備える。本発明の第２の実施例における１２０度通電型整流器１１、逆変換器１２、直流電圧検出部２１、交流電圧検出部２２、周波数演算部２３、および記憶部２４は、上述の第１の実施例と同様であるので、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する。

停電判定部２５は、１２０度通電型整流器１１の回生動作期間中、直流電圧検出部２１が検出した直流電圧と、記憶部２４に記憶された基準値と、周波数演算部２３が算出した交流電圧の周波数と、を用いて、１２０度通電型整流器１１の交流側の停電の有無を判定する。停電判定部２５は、例えばＤＳＰやＦＰＧＡなどの演算処理プロセッサからなり、その動作はソフトウェアプログラムにより規定される。

本発明の第２の実施例における停電判定部２５の構成および動作についてより詳細に説明すると下記の通りである。本発明の第２の実施例における停電判定部２５は、第１の条件として、１２０度通電型整流器１１の回生動作期間中に直流電圧検出部２１が検出した直流電圧が、１２０度通電型整流器１１の回生動作開始時点において直流電圧検出部２１が検出した直流電圧である基準値より大きいこと、第２の条件として、周波数演算部２３が算出した交流電圧の周波数が正常周波数範囲外にあることを周波数異常検知部が所定の期間継続して検知したこと、の２つ同時に満たすときに、１２０度通電型整流器１１による直流電力から交流電力への変換動作（すなわち回生動作）を停止する。１２０度通電型整流器１１による回生動作が停止すると、１２０度通電型整流器１１内の半導体スイッチが全てオフされるので、交流電圧検出部２２が検出する１２０度通電型整流器１１の交流側の交流電圧は商用三相交流電源３の定格電圧よりも低下する。したがって、交流電圧検出部２２が検出する交流電圧の振幅が所定の値以下となったとき、停電したと判断するようにする。ここで、上記「所定の値」は、モータ２の運用状況などに応じてユーザが任意に設定してもよく、例えば商用三相交流電源３の定格電圧の数％〜数十％減の値に設定することが考えられる。またあるいは、上記「所定の値」を交流電圧検出部２２の検出限界に応じて設定してもよい。

このように、交流電圧検出部２２が検出する交流電圧の振幅が所定の値以下となったとき、停電したと判断するようにすることで、仮に正常周波数範囲の幅を狭く設定したとしても、上記第１の条件および第２の条件の両方を満たさない限りは停電と判断されないので、正常周波数範囲の幅を狭めて停電の検出時間を早めることが可能となる。また、例えば１２０度通電型整流器１１の力行動作時に周波数演算部２３が算出した交流電圧の周波数が正常周波数範囲外にあることを周波数異常検知部が所定の期間継続して検知したとしても、上記第１の条件を満たさないので、停電の誤検出を防ぐことができる。

したがって、本発明の第２の実施例における停電判定部２５は、１２０度通電型整流器１１の回生動作期間中、直流電圧検出部２１が検出した直流電圧が基準値よりも大きいか否かを判定する電圧判定部３１と、１２０度通電型整流器１１の回生動作期間中、直流電圧検出部２１が検出した直流電圧が基準値よりも大きいと電圧判定部３１が判定した場合、周波数演算部２３が算出した交流電圧の周波数が正常周波数範囲外にあるか否かを判定する周波数異常検知部３２と、１２０度通電型整流器１１の回生動作期間中、周波数演算部２３が算出した交流電圧の周波数が正常周波数範囲外にあることを周波数異常検知部３２が所定の期間継続して検知した場合、１２０度通電型整流器１１による直流電力から交流電力への変換動作を停止する回生停止部３３と、交流電圧検出部２２が検出した交流電圧の振幅を算出する振幅演算部２６と、振幅演算部２６が算出した交流電圧の振幅が所定の値以下になったか否かを検知する振幅判定部３４と、を有するように構成する。そして、停電判定部２５は、回生停止部３３により１２０度通電型整流器１１の変換動作が停止した後に、振幅判定部３４が振幅演算部２６が算出した交流電圧の振幅が所定の値以下になったことを検知した場合、１２０度通電型整流器１１の交流側が停電したと判定する。本発明の第２の実施例によるモータ駆動装置１においては、１２０度通電型整流器１１の回生動作が一旦終了して力行動作に移行した後、再度、１２０度通電型整流器１１の回生動作が開始したときには、モータ駆動装置１は、当該新しい回生動作開始時点において直流電圧検出部２１が検出した直流電圧を新たなる基準値として記憶部２４に記憶し、当該新しい回生動作期間中の停電の発生の有無を、当該新たなる基準値を用いて判定する。

図４は、本発明の第２の実施例における停電判定部の動作を説明する図である。一例として、モータ駆動装置１の制御により、点Ｎの時点で１２０度通電型整流器１１が力行動作から回生動作に切り替わり、点Ｏの時点で１２０度通電型整流器１１の交流側で停電が発生した場合を考える。

図４に示すように、１２０度通電型整流器１１の交流側で停電が無い状態すなわち正常時において１２０度通電型整流器１１の力行動作が行われている場合は１２０度通電型整流器１１の直流側の直流電圧は一定値である。このときモータ２による回生電力が発生すると、当該回生電力のエネルギーが逆変換器１２を介して１２０度通電型整流器１１の直流側に流れ込むので、直流電圧検出部２１が検出する直流電圧は増加し始める。１２０度通電型整流器１１の直流側の直流電圧が所定の値に達したとき、モータ駆動装置１の制御により、１２０度通電型整流器１１が力行動作から回生動作に切り替わり（図４の点Ｎ）、当該回生電力のエネルギーは、１２０度通電型整流器１１の交流側に流れ始めるので、直流電圧検出部２１が検出する直流電圧は減少し始める。ここで、図４の点Ｏの時点で停電が発生すると、直流電圧検出部２１が検出した直流電圧は一転して上昇を始め、周波数演算部２３が算出する周波数も変動し始める。図示の例では、周波数の変動の一例として周波数演算部２３が算出する周波数が徐々に増加する場合を示している。記憶部２４には、１２０度通電型整流器１１の回生開始時点（点Ｎ）において直流電圧検出部２１が検出した直流電圧が基準値として記憶されているが、停電判定部２５内の電圧判定部３１は、直流電圧検出部２１が検出した直流電圧が、記憶部２４に記憶された基準値よりも大きいか否かを判定する。図４の点Ｐの時点で、直流電圧検出部２１が検出した直流電圧が、記憶部２４に記憶された基準値よりも大きいと判定すると、停電検出部２５の周波数異常検出部３２は、１２０度通電型整流器１１の回生動作期間中、周波数演算部が算出した交流電圧の周波数が正常周波数範囲外にあるか否かを判定する。図４の点Ｑの時点で周波数演算部が算出した交流電圧の周波数が正常周波数範囲外となるが、周波数異常検出部が周波数演算部２３が算出した交流電圧の周波数が正常周波数範囲外にあることを周波数異常検知部が所定の期間継続して検知した場合、回生停止部３３は、１２０度通電型整流器１１による直流電力から交流電力への変換動作を停止する。その後、１２０度通電型整流器１１の交流側の電圧の振幅が所定の値以下になったとこと振幅判定部３４が検知したとき、１２０度通電型整流器１１の交流側が停電したと判定する。つまり、本発明の第２の実施例における停電判定部２５においても、第１の実施例の場合同様、、１２０度通電型整流器１１の回生動作期間中は、直流電圧検出部２１が検出した直流電圧が記憶部２４に記憶された基準値よりも大きいと判定されなおかつ周波数異常検出部３２が周波数異常を検出したときに、初めて停電が発生したと判定するので、正常周波数範囲の範囲を狭めたとしても、停電の検出を早めることができるとともに正常時に停電を誤検出することもなくなる。また、１２０度通電型整流器１１が力行動作時にある図４の点Ｍの時点で、周波数演算部２３により算出された交流電圧の周波数が何らかの原因により予め設定された正常周波数範囲を超えてしまったとしても、１２０度通電型整流器１１の回生動作期間中ではないことから、停電判定部２５は停電と誤判断することはない。

なお、上述の本発明の第１および第２の実施例において、上記正常周波数範囲は、商用周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）を中心値として規定される範囲としたが、商用周波数が変動することを考慮して、１２０度通電型整流器１１の回生動作開始時点に周波数演算部２３が算出した周波数を中心値として規定される範囲としてもよい。

上述の本発明の第１および第２の実施例の変形例として、上述の停電判定部に加え、１２０度通電型整流器の交流側の交流電圧の振幅を演算し、その値が所定の値よりも小さい場合に停電と判定するもう一つの停電判定部を設けて、上述の停電判定部との論理和で停電の有無を判定するようにしてもよい。これについて本発明の第１の実施例の場合を例にとり説明すると次の通りである。図５は、本発明の第１の実施例の変形例によるモータ駆動装置を示す回路図である。図１を参照して説明した本発明の第１の実施例における停電判定部２５を、図５では参照符号２５−１で示す。さらなる停電判定部２５−２は、振幅演算部２６により算出された１２０度通電型整流器１１の交流側の電圧の振幅が、所定の値よりも小さい場合に停電と判定する。停電判定部２５−１および停電判定部２５−２のうちの少なくとも１つが停電と判定したとき、最終的な判断として、１２０度通電型整流器１１の交流側が停電していると判定する。本発明の第２の実施例についても同様の変形が可能である。

なお、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１は、上述のように１２０度通電型整流器１１が力行動作状態にあるか回生動作状態にあるかにより停電判定の処理内容が決まるため、１２０度通電型整流器１１を力行動作させるか回生動作させるかを決定する動作決定部２７を備える。図６は、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１における動作判定部の構成を示すブロック図である。図６では、説明を簡明にするために主として動作決定部２７の構成を示している。また、図７は、１２０度通電型整流器の力行動作と回生動作との切換えを説明する図である。

１２０度通電型整流器１１内のスイッチが全てオフの状態で力行動作時にある場合おいて、モータ２から回生電力が発生し逆変換器１２から当該回生電力が供給され始めると、平滑コンデンサＣに電荷が蓄積され、１２０度通電型整流器１１の直流側の直流電圧が上昇していく（図７の点Ｒ）。そこで、動作決定部２７内の回生動作開始判定ブロック６４は、直流電圧検出部２１により検出された直流電圧が所定の値を超えた場合に、または、直流電圧検出部２１により検出された直流電圧と、電圧振幅演算ブロック６２により算出された１２０度通電型整流器１１の交流側の相間電圧の振幅との電位差が所定の値を超えた場合に、１２０度通電型整流器１１を力行動作から回生動作に切り替えることを決定する（図７の点Ｓ）。この決定に基づき、スイッチングパターンパターン演算ブロック６６は、１２０度通電型整流器１１に対し、直流電力から交流電力への変換動作（すなわち回生動作）をするような半導体スイッチに対するオン／オフ信号を出力し、この信号に基づき、１２０度通電型整流器１１は、直流電力から交流電力への変換動作（すなわち回生動作）を行う。このとき、１２０度通電型整流器１１の交流側に停電が無ければ、平滑コンデンサＣに蓄積された回生エネルギーは１２０度通電型整流器１１を経由して商用三相交流電源３側に戻されることになるので、直流電圧検出部２１により検出された直流電圧は低下し（図７の点Ｔ）、その後、ほぼ一定値となる。逆変換器１２からの回生電力の供給が終了すると、電力演算部６３により演算される１２０度通電型整流器１１の交流側の電力が少なくともゼロ以上の値（すなわち負ではない値）になる。この１２０度通電型整流器１１の交流側の電力が所定の閾値を超えたとき、回生動作停止判定ブロック６５は回生動作停止を決定してスイッチングパターン演算ブロック６６に対してその旨を通知する。スイッチングパターン演算ブロック６６は、回生動作開始判定ブロック６４、回生動作停止判定ブロック６５および電圧位相演算部６１からの指令に基づき、１２０度通電型整流器１１内の半導体スイッチに対するオンオフ信号を作成する。

なお、上述の周波数演算部２３、停電判定部２５、２５−１および２５−２、振幅演算部２６、動作決定部２７、電圧判定部３１、周波数異常検出部３２、回生停止部３３、振幅判定部３４などは、例えばＤＳＰやＦＰＧＡなどの演算処理プロセッサからなり、その動作はソフトウェアプログラムにより規定される。

本発明は、工作機械、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、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として、入力された交流を直流に変換する１２０度通電型整流器と、直流変換部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逆変換器と、を有するものにおいて、１２０度通電型整流器の交流側の停電の発生の有無の判定に適用することができる。

１モータ駆動装置
２モータ
３商用三相交流電源
１１１２０度通電型整流器
１２逆変換器
２１直流電圧検出部
２２交流電圧検出部
２３周波数演算部
２４記憶部
２５、２５−１、２５−２停電判定部
２６振幅演算部
２７動作決定部
３１電圧判定部
３２周波数異常検出部
３３回生停止部
３４振幅判定部

Claims

力行動作時には交流側から供給された交流電力を直流電力に変換して出力し、回生動作時には直流側から供給された直流電力を交流電力に変換して出力する１２０度通電型整流器と、
力行動作時には前記１２０度通電型整流器が出力した直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換してモータへ供給し、回生動作時にはモータからの回生交流電力を直流電力に変換して前記１２０度通電型整流器へ戻す逆変換器と、
前記１２０度通電型整流器の直流出力側の直流電圧を検出する直流電圧検出部と、
前記１２０度通電型整流器の交流出力側の交流電圧を検出する交流電圧検出部と、
前記交流電圧検出部が検出した交流電圧の周波数を算出する周波数演算部と、
前記１２０度通電型整流器の回生動作開始時点において前記直流電圧検出部が検出した直流電圧を、基準値として記憶する記憶部と、
前記１２０度通電型整流器の回生動作期間中、前記直流電圧検出部が検出した直流電圧と、前記記憶部に記憶された前記基準値と、前記周波数演算部が算出した交流電圧の周波数と、を用いて、前記１２０度通電型整流器の交流側の停電の有無を判定する停電判定部と、
を備え、
前記停電判定部は、
前記１２０度通電型整流器の回生動作期間中、前記直流電圧検出部が検出した直流電圧が前記基準値よりも大きいか否かを判定する電圧判定部と、
前記１２０度通電型整流器の回生動作期間中、前記直流電圧検出部が検出した直流電圧が前記基準値よりも大きいと前記電圧判定部が判定した場合、前記周波数演算部が算出した交流電圧の周波数が正常周波数範囲外にあるか否かを判定する周波数異常検知部と、
を有し、前記周波数演算部が算出した交流電圧の周波数が前記正常周波数範囲外にあることを前記周波数異常検知部が所定の期間継続して検知した場合、前記１２０度通電型整流器の交流側が停電したと判定することを特徴とするモータ駆動装置。
力行動作時には交流側から供給された交流電力を直流電力に変換して出力し、回生動作時には直流側から供給された直流電力を交流電力に変換して出力する１２０度通電型整流器と、
力行動作時には前記１２０度通電型整流器が出力した直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換してモータへ供給し、回生動作時にはモータからの回生交流電力を直流電力に変換して前記１２０度通電型整流器へ戻す逆変換器と、
前記１２０度通電型整流器の直流出力側の直流電圧を検出する直流電圧検出部と、
前記１２０度通電型整流器の交流出力側の交流電圧を検出する交流電圧検出部と、
前記交流電圧検出部が検出した交流電圧の周波数を算出する周波数演算部と、
前記１２０度通電型整流器の回生動作開始時点において前記直流電圧検出部が検出した直流電圧を、基準値として記憶する記憶部と、
前記１２０度通電型整流器の回生動作期間中、前記直流電圧検出部が検出した直流電圧と、前記記憶部に記憶された前記基準値と、前記周波数演算部が算出した交流電圧の周波数と、を用いて、前記１２０度通電型整流器の交流側の停電の有無を判定する停電判定部と、
前記交流電圧検出部が検出した交流電圧の振幅を算出する振幅演算部と、
を備え、
前記停電判定部は、
前記１２０度通電型整流器の回生動作期間中、前記直流電圧検出部が検出した直流電圧が前記基準値よりも大きいか否かを判定する電圧判定部と、
前記１２０度通電型整流器の回生動作期間中、前記直流電圧検出部が検出した直流電圧が前記基準値よりも大きいと前記電圧判定部が判定した場合、前記周波数演算部が算出した交流電圧の周波数が正常周波数範囲外にあるか否かを判定する周波数異常検知部と、
前記周波数演算部が算出した交流電圧の周波数が前記正常周波数範囲外にあることを前記周波数異常検知部が所定の期間継続して検知した場合、前記１２０度通電型整流器による直流電力から交流電力への変換動作を停止する回生停止部と、
前記振幅演算部が算出した交流電圧の振幅が所定の値以下になったか否かを検知する振幅判定部と、
を有し、前記回生停止部により前記１２０度通電型整流器の前記変換動作が停止した後に、前記振幅演算部が算出した交流電圧の振幅が所定の値以下になったことを前記振幅判定部が検知した場合、前記１２０度通電型整流器の交流側が停電したと判定することを特徴とするモータ駆動装置。
前記正常周波数範囲は、前記１２０度通電型整流器の回生動作開始時点に前記周波数演算部が算出した周波数を中心値として規定される範囲である請求項１または２に記載のモータ駆動装置。