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JP7359673B2 - 電源回生機能を有する整流器及びモータ駆動装置 - Google Patents

電源回生機能を有する整流器及びモータ駆動装置 Download PDF

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Description

本発明は、電源回生機能を有する整流器及び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の駆動を制御するモータ駆動装置においては、三相交流電源から供給された交流電力を整流器にて直流電力に変換してＤＣリンクへ出力し、さらにインバータにてＤＣリンクにおける直流電力を交流電力に変換して、この交流電力をモータを駆動するための電力として供給している。「ＤＣリンク」とは、整流器の直流出力側とインバータの直流入力側とを電気的に接続する回路部分のことを指し、「ＤＣリンク部」、「直流リンク」、「直流リンク部」、「直流母線」あるいは「直流中間回路」などとも別称されることもある。
モータ駆動装置における整流器として、モータ減速時に生じる回生電力を三相交流電源側に戻すことができる１２０度通電方式の整流器が広く用いられている。１２０度通電方式の整流器は、整流素子とスイッチング素子とを有するパワー素子が、三相の各相の上アーム及び下アームの各々に設けられる三相ブリッジ回路からなる。１２０度通電方式の整流器では、三相交流電源の位相を検出し、三相交流電源の各相の電圧が入れ替わる度に、各相のうち、三相交流電源の電圧が最大となる相の上アームにおけるスイッチング素子をオンするとともに三相交流電源の電圧が最小となる相における下アームのスイッチング素子をオンすることで、直流電力を交流電力に変換して三相交流電源に回生する。ここで、「１２０度」における「度」とは、三相電圧または三相電流の位相角を表す単位である。
例えば、直流電力を交流電力に変換して交流電源に回生するコンバータと、１２０度通電方式を用いて前記コンバータから交流電源へ電力を回生するように前記コンバータを制御する１２０度通電回生制御部と、ＰＷＭ制御方式を用いて前記コンバータから交流電源へ電力を回生するように前記コンバータを制御するＰＷＭ回生制御部と、交流電源から前記コンバータへ入力される電源電圧を検出する入力電圧検出部と、前記コンバータの出力電圧であるＤＣリンク電圧を検出するＤＣリンク電圧検出部と、電源回生動作時において、１２０度通電方式及びＰＷＭ制御方式を前記ＤＣリンク電圧検出部の電圧値に基づいて任意に切り替える回生方式切替部と、を有することを特徴とするモータ駆動装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
例えば、制御可能な半導体スイッチ（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６）を装備したブリッジ回路を有する基本周波数スイッチング動作の系統側電力変換器（１０）の回生電力調整のための方法であって、半導体スイッチ（Ｔ１～Ｔ６）の基本周波数スイッチング動作が、ブリッジ回路を介する電力流れの所望方向に依存して行なわれ、半導体スイッチ（Ｔ１～Ｔ６）のための制御信号（３０）が、基本周波数スイッチング動作と、電力変換器（１０）のシステム量に依存した投入遅れとから導き出され、投入遅れが、その都度のシステム量に依存して予め与えられる又は予め与え得る特性（φ1）に基づいて求められる方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
例えば、三相交流電源からの交流電力を直流電力に可逆変換する電力変換部と、上記三相交流電源の電圧位相を検出する位相検出手段と、上記三相交流電源と上記電力変換部との間を流れる三相交流電流を検出する電流検出手段と、上記電力変換部の出力側の直流電圧を検出する直流電圧検出手段とを備え、上記電力変換部は、上記三相交流電源の各相毎に整流素子とこの整流素子に対して逆並列に接続されたスイッチング素子の組を直列接続した３つのアームを有する一方、上記直流電力を上記三相交流電源側に回生させる回生モード時には、上記位相検出手段で検出された上記電圧位相に基づいて上記各相アームのスイッチング素子をオン／オフ駆動する駆動信号を出力する駆動信号出力手段を備えた三相コンバータ装置において、上記駆動信号出力手段は、上記回生モード時において、上記位相検出手段で検出された上記三相交流電源の電圧位相に基づき、各相の電圧の大きさが入れ替わる度に、電圧が最大の相と電圧が最小の相とを判定し、３つの上アームと３つの下アームのうち、電圧が最大の相に接続される上アームのスイッチング素子と電圧が最小の相に接続される下アームのスイッチング素子が共にオンとなるようにオン動作時間が設定された基準の駆動信号を設定するとともに、上記電流検出手段で検出される上記三相交流電流に基づいて直流量を演算してこの直流量の大きさに応じたオフ動作時間を設定し、このオフ動作時間により、上記基準の駆動信号の上記オン動作時間が短くなるように調整したオン補正駆動信号を出力するものである、ことを特徴とする三相コンバータ装置が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
例えば、三相交流入力電源を直流電源に変換する整流器と、該直流電源を所望の周波数の交流電源に変換する逆変換器と、を備え、該整流器を制御して電源回生を行うモータ駆動装置であって、該三相交流入力電源から供給される入力電圧及び入力電流を検出する検出部と、該検出部によって検出される入力電圧及び入力電流に基づいて、該整流器から該逆変換器に供給される瞬時有効電力を演算する瞬時有効電力演算部と、該瞬時有効電力演算部によって演算される電力値に基づいて、該整流器から該逆変換器に供給される有効電力の直流成分を演算する直流成分演算部と、該直流成分演算部によって演算される直流成分の値と所定の閾値とを比較し、該直流成分の値が該閾値よりも大であれば、該逆変換器から供給される回生電力を該三相交流入力電源に戻す電源回生動作を停止する判定を行なう回生動作停止判定部と、を具備するモータ駆動装置が知られている（例えば、特許文献４参照。）。
例えば、三相交流電源と三相誘導電動機を可変速制御する制御装置との間に配置され、前記三相交流電源の電圧位相を検出する位相検出手段と、前記三相誘導電動機の減速時に発生する誘導起電力を蓄積する平滑コンデンサの端子電圧をスイッチングして前記三相交流電源に電力回生動作を行う回生トランジスタと、前記回生トランジスタのオン・オフ駆動信号を前記位相検出手段の検出信号に基づき生成する回生信号生成手段とを備える電源回生コンバータにおいて、前記三相交流電源の電圧波形を監視し、相電圧の入れ替わりタイミングにずれを検出したとき、前記回生信号生成手段が生成する前記回生トランジスタのオン・オフ駆動信号の変化タイミングを補正する補正手段、を備えたことを特徴とする電源回生コンバータが知られている（例えば、特許文献５参照。）。
例えば、交流電源と直流負荷または直流電源間での電力変換を行う電力変換装置であって、インバータ回路と、前記交流電源の交流電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段で検出された交流電流信号に基づき前記インバータ回路の指令電圧を生成する電圧制御器と、特定の周波数に対しゲインを有し前記交流電流信号に基づき前記指令電圧を補正する補正部とを備え、前記補正部は、前記電圧制御器から出力された後の前記指令電圧を補正することを特徴とする電力変換装置が知られている（例えば、特許文献６参照。）。
特開２０１７－４２０１６号公報 特開２０１０－２２１８７号公報 特開２０１３－１６５６００号公報 特開２０１１－１５１９１８号公報 特開２００４－１８０４２７号公報 特開２０１７－１８４３６５号公報
整流素子とスイッチング素子とを有するパワー素子が、三相の各相の上アーム及び下アームの各々に設けられる三相ブリッジ回路からなる整流器では、力行時においては、三相交流電源側の入力電圧の波高値が直流側の直流電圧よりも高ければ、整流器内の整流素子を介して三相交流電源側から直流側へ向けて電流が流れる。一方、回生時においては、整流器内のスイッチング素子のオンオフ動作を制御することで、整流器内のスイッチング素子を介して直流側から三相交流電源側へ向けて電流が流れるようにすることができる。１２０度通電方式の整流器では、回生状態から力行状態に切り替わる際、スイッチング素子のオンオフ動作の実行は停止することにより突入電流が発生する。突入電流の大きさは、例えば、整流器及びインバータにおけるインピーダンスやＤＣリンクに設けられるコンデンサの容量などに依存する。突入電流が発生すると、整流器内の部品や整流器の直流側に設けられたコンデンサなどが破損する問題がある。
また、１２０度通電方式の整流器では、回生時において直流側から三相交流電源側へ回生される回生電力の大きさとは無関係に、常に三相交流電源の１周期あたり１２０度の区間にわたって各スイッチング素子がオン状態となる。回生電力が大きい場合、直流側から三相交流電源側へ安定して電力が回生される。しかしながら、回生電力が小さい場合には、回生状態に切り換わった直後に整流器の直流側の直流電圧が急激に低下する過回生が発生する。過回生が発生すると回生動作が停止されて力行状態に戻り、これにより直流電圧が再度上昇すると、再び回生動作が開始されるといったように、回生状態と力行状態との切替えが頻繁に繰り返されるいわゆる「共振」が発生する。共振の頻度は、例えば、整流器及びインバータにおけるインピーダンスやＤＣリンクに設けられるコンデンサの容量などに依存する。回生状態と力行状態との間で頻繁に状態が遷移する共振が発生すると、整流器の直流側に設けられたコンデンサなどの部品が異常発熱する問題がある。
したがって、電源回生機能を有する整流器及びこれを備えるモータ駆動装置においては、回生状態から力行状態に切り替わる際に発生する突入電流を防止するとともに、回生電力が小さい場合に発生する回生状態と力行状態との切替えが頻繁に繰り返される共振を防止する技術が望まれている。
本開示の一態様によれば、整流器は、整流素子及び整流素子に逆並列に接続されたスイッチング素子を有し、整流素子の整流動作及びスイッチング素子のオンオフ動作により、三相交流電源側の交流電力と直流側の直流電力との間で電力変換を行う主回路部と、主回路部を介して三相交流電源側と直流側との間に流れる電力の値を計算する電力計算部と、スイッチング素子のオンオフ動作を実行するよう制御する制御部と、電力計算部により計算された電力の値に基づいて、主回路部が三相交流電源側の交流電力を直流電力に変換して直流側に出力する力行状態にあるかあるいは主回路部が直流側の直流電力を交流電力に変換して三相交流電源側に出力する回生状態にあるかを判定する状態判定部と、を備え、制御部は、状態判定部により力行状態と判定されかつ電力計算部により計算された電力の値が第１の電力閾値より小さい場合、電力計算部により計算された電力の値に応じて、スイッチング素子について実行されるオンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さを変更する。
また、本開示の一態様によれば、モータ駆動装置は、上記整流器と、整流器の直流側であるＤＣリンクに設けられるコンデンサと、ＤＣリンクを介して整流器に接続され、ＤＣリンクから供給され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出力するインバータと、を備える。
本開示の一態様によれば、電源回生機能を有する整流器及びこれを備えるモータ駆動装置において、回生状態から力行状態に切り替わる際に発生する突入電流を防止することができるともに、回生電力が小さい場合に発生する回生状態と力行状態との切替えが頻繁に繰り返される共振を防止することができる。
本開示の一実施形態による整流器及びモータ駆動装置を示す図である。 整流器内の主回路部を例示する回路図であって、（Ａ）は整流素子がダイオードで構成される第１の形態によるパワー素子を有する主回路部を示し、（Ｂ）は整流素子がスイッチング素子で構成される第２の形態によるパワー素子を有する主回路部を示す。 １２０度通電方式による電源回生を行う整流器の動作を説明する図であって、（Ａ）はパワー素子の三相ブリッジ回路からなる整流器を示す回路図であり、（Ｂ）は電源回生時における三相交流電源電圧の波形とパワー素子内のスイッチング素子のオンオフ動作との関係を示す図である。 本開示の一実施形態による整流器の動作を説明する図であって、（Ａ）は回生電力が小さい場合に発生する回生状態と力行状態との切替えが頻繁に繰り返される共振を例示し、（Ｂ）は本開示の一実施形態による整流器におけるスイッチング素子の１周期あたりのオン期間の長さの変更についての第１の例を示し、（Ｃ）は本開示の一実施形態による整流器におけるスイッチング素子の１周期あたりのオン期間の長さの変更についての第２の例を示す。 本開示の一実施形態による整流器１における三相交流電源電圧の波形とパワー素子内のスイッチング素子のオンオフ動作との関係を示す図であって、（Ａ）は回生電力が大きい領域における三相交流電源電圧の波形とスイッチング素子のオンオフ動作との関係を示し、（Ｂ）は回生電力が小さい領域における三相交流電源電圧の波形とスイッチング素子のオンオフ動作との関係を示す。 本開示の一実施形態による整流器の動作フローを示すフローチャートである。 本開示の一実施形態の第１の変形例による整流器における動作フローを示すフローチャートである。 本開示の一実施形態の第２の変形例による整流器及びモータ駆動装置を示す図である。 本開示の一実施形態の第２の変形例による整流器における動作フローを示すフローチャートである。
以下図面を参照して、電源回生機能を有する整流器及びモータ駆動装置について説明する。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。図面に示される形態は実施をするための一つの例であり、図示された実施形態に限定されるものではない。
ここでは一例として、モータ駆動装置に設けられる整流器について説明するが、各実施形態はモータ駆動装置以外の機械に整流器が設けられる場合においても適用可能である。
図１は、本開示の一実施形態による整流器及びモータ駆動装置を示す図である。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。
一例として、三相交流電源２に接続されたモータ駆動装置１００により、モータ３を制御する場合について示す。モータ３の種類は特に限定されず、例えば誘導モータであっても同期モータであってもよい。また、モータ３の相数も限定されない。図１では一例として、モータ３を三相交流モータとしている。モータ３が設けられる機械には、例えば工作機械、ロボット、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、輸送機械、各種電化製品などが含まれる。三相交流電源２の一例を挙げると、三相交流４００Ｖ電源、三相交流２００Ｖ電源、三相交流６００Ｖ電源などがある。
本開示の一実施形態によるモータ駆動装置１００は、整流器１と、コンデンサ４と、インバータ５とを備える。
整流器１は、電源回生機能を有し、三相交流電源２側の交流電力と直流側の直流電力との間で電力変換を行う。整流器１の構成及び動作の詳細については後述する。なお、整流器１の三相交流電源２側には、電磁接触器及び交流リアクトルなどが接続されることがあるが、これらについては図示を省略している。
コンデンサ４は、整流器１の直流出力側とインバータ５の直流入力側とを接続するＤＣリンクに設けられる。コンデンサ４は、インバータ５が交流電力を生成するために用いられる直流電力を蓄積する機能及び整流器１の直流出力の脈動分を抑える機能を有する。コンデンサ４の例としては、例えば電解コンデンサやフィルムコンデンサなどがある。
インバータ５は、ＤＣリンクを介して整流器１に接続され、ＤＣリンクから供給された直流電力をモータ３の駆動のための交流電力に変換して出力する。インバータ５は、直流電力を交流電流に変換することができる構成を有していればよく、例えば、内部にスイッチング素子を備えるＰＷＭインバータなどがある。インバータ５は、モータ３が三相交流モータである場合は三相のブリッジ回路として構成され、モータ３が単相モータである場合は単相ブリッジ回路で構成される。インバータ５がＰＷＭインバータとして構成される場合は、整流素子及びこれに逆並列に接続されたスイッチング素子のブリッジ回路からなる。この場合、スイッチング素子の例としては、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯサイリスタ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ－ＯＦＦ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ゲートターンオフサイリスタ）、バイポーラトランジスタなどがあるが、その他の半導体素子であってもよい。モータ３は、インバータ５から供給される交流電力に基づいて、速度、トルクまたは回転子の位置が制御される。なお、インバータ５は、スイッチング素子のオンオフ動作が適切にＰＷＭ制御されることにより、モータ３で回生された交流電力を直流電力に変換して直流側のＤＣリンクへ戻すこともできる。
次に、整流器１の構成について説明する。
本開示の一実施形態による整流器１は、主回路部１１と、電力計算部１２と、状態判定部１３と、制御部１４とを備える。また、整流器１は、入力電圧検出部１５と、直流電圧検出部１６と、入力電流検出部２１と、直流電流検出部２２と、位相検出部２３とを備える。
主回路部１１は、整流素子の整流動作及びスイッチング素子のオンオフ動作により、三相交流電源２側の交流電力と直流側の直流電力との間で電力変換を行う。主回路部１１は、整流素子とこの整流素子に逆並列に接続されたスイッチング素子とからなるパワー素子が各相の上アーム及び下アームの各々に設けられた三相ブリッジ回路を有する。スイッチング素子の例としては、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯサイリスタ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ－ＯＦＦ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ゲートターンオフサイリスタ）、バイポーラトランジスタなどがあるが、その他の半導体素子であってもよい。
主回路部１１の三相のそれぞれの相において、上アーム及び下アームの各々に設けられるパワー素子は、整流機能を担う整流素子と電源回生機能を担うスイッチング素子との組からなる。ここで、パワー素子の形態を以下に列記する。図１に示す例では、整流素子としてダイオードを用いているが、この代替例として、整流素子についてもスイッチング素子を用いてもよい。
図２は、整流器内の主回路部を例示する回路図であって、（Ａ）は整流素子がダイオードで構成される第１の形態によるパワー素子を有する主回路部を示し、（Ｂ）は整流素子がスイッチング素子で構成される第２の形態によるパワー素子を有する主回路部を示す。
図２（Ａ）に示すように整流素子としてダイオードＤを用いる第１の形態の場合、スイッチング素子Ｓがオンしたときの導通方向がダイオードＤの導通方向と逆方向になるように、スイッチング素子ＳとダイオードＤとは逆並列に接続される。スイッチング素子ＳとダイオードＤとの組で構成されるパワー素子は、三相の各相において、上アーム及び下アームの各々に設けられる。力行状態においてはダイオードＤの整流動作により三相交流電源２側の交流電力を直流電力に変換して直流側に出力し、回生状態においてはスイッチング素子Ｓのオンオフ動作により直流側の直流電力を交流電力に変換して三相交流電源２側に出力する。
図２（Ｂ）に示すように整流素子としてスイッチング素子Ｓ2を用いる第２の形態の場合、スイッチング素子Ｓ1がオンしたときの導通方向がスイッチング素子Ｓ2がオンしたときの導通方向と逆方向になるように、スイッチング素子Ｓ1とスイッチング素子Ｓ2とは逆並列に接続される。スイッチング素子Ｓ1とスイッチング素子Ｓ2との組で構成されるパワー素子は、三相の各相において、上アーム及び下アームの各々に設けられる。スイッチング素子Ｓ1は電源回生機能を担い、スイッチング素子Ｓ2は整流機能を担う。力行状態においてはスイッチング素子Ｓ2を常時オンすることにより三相交流電源２側の交流電力を直流電力に変換して直流側に出力し、回生状態においてはスイッチング素子Ｓ1のオンオフ動作により直流側の直流電力を交流電力に変換して三相交流電源２側に出力する。このように、図２（Ｂ）に示す整流素子としてスイッチング素子Ｓ2はあくまでの整流素子としての機能を有するものであるので、電源回生のために用いられるものではない。本実施形態及び後述する第１及び第２の変形例では、主回路部１１が回生状態にある場合及び主回路部が力行状態にありかつ電力計算部により計算された電力の値Ｐが第１の電力閾値Ｐth1より小さい場合においてオンオフ動作が実行される「スイッチング素子」とは、整流機能を担うスイッチング素子Ｓ2ではなく、電源回生機能を担うスイッチング素子Ｓ1を指す。
図１に説明を戻すと、電力計算部１２は、主回路部１１を介して三相交流電源２側と直流側との間に流れる電力の値Ｐを計算する。ここで、例えば、主回路部１１を介して三相交流電源２側から直流側へ流れる電力の向きを正と規定し、主回路部１１を介して直流側から三相交流電源２側へ流れる電力の向きを負と規定する。したがって、力行状態においては電力計算部１２により計算される電力（力行電力）の値は正となり、回生状態においては電力計算部１２により計算される電力（回生電力）の値は負となる。ここで、電力計算部１２による計算処理の形態を以下に列記する。
第１の形態による電力計算部１２は、三相交流電源２側から主回路部１１に入力される入力電圧の値と入力電流の値とを乗算することによって、主回路部１１を介して三相交流電源２側と直流側との間に流れる電力の値Ｐを算出する。三相交流電源２側から主回路部１１に入力される入力電圧の値は、入力電圧検出部１５によって検出される。三相交流電源２側から主回路部１１に入力される入力電流の値は、入力電流検出部２１によって検出される。入力電圧及び入力電流はいずれもベクトルとして検出され、したがって、電力計算部１２により計算される電力の値Ｐは、正、負、または０のいずれかを示す。
第２の形態による電力計算部１２は、主回路部１１の直流出力側の電圧の値と主回路部１１の直流出力側から出力される電流の値とを乗算することによって、主回路部１１を介して三相交流電源２側と直流側との間に流れる電力の値Ｐを算出する。主回路部１１の直流出力側の電圧の値は、直流電圧検出部１６によって検出される。すなわち直流電圧検出部１６は、主回路部１１の直流出力側の正側端子に現れる正電位と主回路部１１の直流出力側の負側端子に現れる負電位との間の電位差の値を、主回路部１１の直流出力側の電圧の値として検出する。あるいは、直流電圧検出部１６は、コンデンサ４の正負両極端子間に印加される電圧の値を、主回路部１１の直流出力側の電圧の値として検出してもよい。主回路部１１の直流出力側から出力される電流の値は、直流電流検出部２２によって検出される。ここで、主回路部１１の直流出力側の正側端子から流出し負側端子に流入する電流の向きを正とする。このように直流電圧及び直流電流の正負を規定することで、電力計算部１２により計算される電力の値は、正、負、または０のいずれかを示す。
なお、電力計算部１２は、第１の形態または第２の形態のいずれか一方で実現すればよい。電力計算部１２を第２の形態にて実現する場合、直流電圧検出部１６及び直流電流検出部２２については、インバータ５に備え付けられたものを流用してもよい。
状態判定部１３は、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐに基づいて、主回路部１１が三相交流電源２側の交流電力を直流電力に変換して直流側に出力する力行状態にあるかあるいは主回路部１１が直流側の直流電力を交流電力に変換して三相交流電源２側に出力する回生状態にあるかを判定する。上述のように、一例として、主回路部１１を介して三相交流電源２側から直流側へ流れる電力の向きを正と規定し、主回路部１１を介して直流側から三相交流電源２側へ流れる電力の向きを負と規定している。よって、状態判定部１３は、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが正である場合は主回路部１１が力行状態にあると判定し、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが負である場合は主回路部１１が回生状態にあると判定する。
制御部１４は、状態判定部１３の判定結果に応じて、主回路部１１内のスイッチング素子のオンオフ動作を制御する。より詳しくは、制御部１４は、状態判定部１３により主回路部１１が回生状態にあると判定された場合、及び、状態判定部１３により力行状態と判定されかつ電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが第１の電力閾値Ｐth1より小さい場合のいずれにおいても、主回路部１１内のスイッチング素子のオンオフ動作を実行するよう制御する。また、状態判定部１３により主回路部１１が回生状態にあると判定された場合は、制御部１４は、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが第２の電力閾値Ｐth2以下であるか否かに応じて、主回路部１１のスイッチング素子の制御に１２０度通電方式を採用するか否かを決定する。制御部１４の動作の詳細については後述する。
位相検出部２３は、三相交流電源２の各相の電圧の位相を検出する。位相検出部２３により検出された電圧の位相は、制御部１４に送られ、主回路部１１のスイッチング素子の制御に用いられる。
電力計算部１２、状態判定部１３、及び制御部１４は、例えばソフトウェアプログラム形式で構築されてもよく、あるいは各種電子回路とソフトウェアプログラムとの組み合わせで構築されてもよく、あるいは各種電子回路のみで構成されてもよい。例えばこれらをソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、例えばＤＳＰやＦＰＧＡなどの演算処理装置をこのソフトウェアプログラムに従って動作させることで、上述の各部の機能を実現することができる。またあるいは、電力計算部１２、状態判定部１３、及び制御部１４を、各部の機能を実現するソフトウェアプログラムを書き込んだ半導体集積回路として実現してもよい。またあるいは、電力計算部１２、状態判定部１３、及び制御部１４を、各部の機能を実現するソフトウェアプログラムを書き込んだ記録媒体として実現してもよい。また、電力計算部１２、状態判定部１３、及び制御部１４は、例えば工作機械の数値制御装置内に設けられてもよく、ロボットを制御するロボットコントローラ内に設けられてもよい。また、入力電圧検出部１５、直流電圧検出部１６、入力電流検出部２１、直流電流検出部２２、及び位相検出部２３については、アナログ回路とディジタル回路との組み合わせで構成してもよく、あるいは、ソフトウェアプログラム形式で構築された演算処理装置にて実現されてもよく、あるいは、アナログ回路のみで構成してもよい。
次に１２０度通電方式による電源回生の原理について図３を参照して説明する。
図３は、１２０度通電方式による電源回生を行う整流器の動作を説明する図であって、（Ａ）はパワー素子の三相ブリッジ回路からなる整流器を示す回路図であり、（Ｂ）は電源回生時における三相交流電源電圧の波形とパワー素子内のスイッチング素子のオンオフ動作との関係を示す図である。
図３（Ａ）に示すように、整流器１の主回路部１１は、Ｒ相、Ｓ相、及びＴ相の３つのレグを有する。各相のレグは、上アーム及び下アームを有する。上アーム及び下アームはそれぞれ、整流素子とこの整流素子に逆並列に接続されたスイッチング素子とからなるパワー素子が設けられる。ここでは、各アームを、Ｒ相上アーム、Ｒ相下アーム、Ｓ相上アーム、Ｓ相下アーム、Ｔ相上アーム、及びＴ相下アームと称する。整流器１において１２０度通電方式に従い電源回生を行う場合、三相交流電源の位相を検出し、三相交流電源の各相の電圧が入れ替わる度に、各相のうち、三相交流電源の電圧が最大となる相の上アームにおけるスイッチング素子をオンするとともに三相交流電源の電圧が最小となる相における下アームのスイッチング素子をオンする。
図３（Ｂ）に示すように、例えば三相交流電源２の電圧がＲ相で最大となりＴ相で最小となる６０度位相区間では、Ｒ相上アーム及びＴ相下アームのスイッチング素子がそれぞれオンとなり、それ以外のアームのスイッチング素子はオフとなる。この結果、図３（Ａ）の矢印で示すような直流側から三相交流電源２側への電流経路が形成されるので、直流側の直流電力が交流電力に変換されて電源回生される。
また例えば、三相交流電源２の電圧がＳ相で最大となりＴ相で最小となる６０度位相区間では、Ｓ相上アーム及びＴ相下アームのスイッチング素子がそれぞれオンとなる。三相交流電源２の電圧がＳ相で最大となりＲ相で最小となる６０度位相区間では、Ｓ相上アーム及びＲ相下アームのスイッチング素子がそれぞれオンとなる。三相交流電源２の電圧がＴ相で最大となりＲ相で最小となる６０度位相区間では、Ｔ相上アーム及びＲ相下アームのスイッチング素子がそれぞれオンとなる。三相交流電源２の電圧がＴ相で最大となりＳ相で最小となる６０度位相区間では、Ｔ相上アーム及びＳ相下アームのスイッチング素子がそれぞれオンとなる。三相交流電源２の電圧がＲ相で最大となりＳ相で最小となる６０度位相区間では、Ｒ相上アーム及びＳ相下アームのスイッチング素子がそれぞれオンとなる。
このように１２０度通電方式による電源回生においては、各スイッチング素子それぞれについて、オンとなる状態が、三相交流電源２の１周期あたり１２０度の位相区間にわたって存在する。
次に、整流器１の動作について説明する。
図４は、本開示の一実施形態による整流器の動作を説明する図であって、（Ａ）は回生電力が小さい場合に発生する回生状態と力行状態との切替えが頻繁に繰り返される共振を例示し、（Ｂ）は本開示の一実施形態による整流器におけるスイッチング素子の１周期あたりのオン期間の長さの変更についての第１の例を示し、（Ｃ）は本開示の一実施形態による整流器におけるスイッチング素子の１周期あたりのオン期間の長さの変更についての第２の例を示す。
図４（Ａ）に示すように、従来の１２０度通電方式の整流器においては、力行状態においては、整流器内のスイッチング素子のオンオフ動作は停止してダイオードによる整流動作により三相交流電源側の交流電力を直流電力に変換して直流側に出力する。回生状態においては、整流器内のスイッチング素子を１２０度通電方式に従いオンオフ動作させて直流側の直流電力を交流電力に変換して三相交流電源側に出力する。すなわち、従来の１２０度通電方式の整流器においては、力行状態においては整流器内のスイッチング素子のオンオフ動作を完全に停止し、回生状態においては整流器内のスイッチング素子を１２０度通電方式に従いオンオフ動作させている。従来の１２０度通電方式の整流器においては、回生時において直流側から三相交流電源側へ回生される回生電力の大きさとは無関係に、常に三相交流電源の１周期あたり１２０度の区間にわたって各スイッチング素子がオン状態となる。回生電力が小さい領域では、回生状態に切り換わった直後に整流器の直流側の直流電圧が急激に低下する過回生が発生する。過回生が発生すると回生動作が停止されて力行状態に戻り、これにより直流電圧が再度上昇すると、再び回生動作が開始されるといったように、回生状態と力行状態との切替えが頻繁に繰り返される共振が発生する。回生状態と力行状態との間で頻繁に状態が遷移する共振が発生すると、整流器の直流側に設けられたコンデンサなどの部品が異常発熱する。また、従来の１２０度通電方式の整流器では、回生状態から力行状態に切り替わる際、それまで実行していたスイッチング素子のオンオフ動作を完全に停止させるので、突入電流が発生する。突入電流が発生すると、整流器内の部品や整流器の直流側に設けられたコンデンサなどが破損する。
これに対し、本開示の一実施形態による整流器１では、状態判定部１３により主回路部１１が力行状態にある判定されかつ電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが第１の電力閾値Ｐth1より小さい場合、制御部１４は、スイッチング素子のオンオフ動作を実行するよう制御する。主回路部１１が力行状態にある場合においてスイッチング素子について実行されるオンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さΦは、１２０度通電方式における１周期あたりのオン期間の長さ（すなわち１２０度）よりも短い値に設定される。図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）に示す例では、主回路部１１が力行状態にありかつ電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが第１の電力閾値Ｐth1より小さい場合における１周期あたりのオン期間の長さΦを一定値とした。この代替例として、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐ（力行状態なのでＰは正の値）が大きいほど、１周期あたりのオン期間の長さΦがより短い値となる減少関数に基づいて、１周期あたりのオン期間の長さΦを設定してもよい。この代替例の場合、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが０（ゼロ）のとき、１周期あたりのオン期間の長さΦはΦminとなり、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが第１の電力閾値Ｐth1の一致するときに１周期あたりのオン期間の長さΦは０（ゼロ）となる。また、さらなる代替例として、１周期あたりのオン期間の長さΦを書き換え可能な記憶部（図示せず）に記憶し、外部機器によって１周期あたりのオン期間の長さΦを書き換え可能としてもよい。この代替例の場合、例えば整流器１及びモータ駆動装置１００を動作させている最中に、１周期あたりのオン期間の長さΦをオンラインでリアルタイムに変更することができる。
なお、第１の電力閾値Ｐth1は、整流器１の適用環境に応じて適宜設定すればよく、一例を挙げると、整流器１の定格出力電力の値（正の値）の例えば数パーセントから十数パーセント程度に設定されるが、これ以外の値に設定されてもよい。また、第１の電力閾値Ｐth1については、書き換え可能な記憶部（図示せず）に記憶されて外部機器によって書き換え可能であってもよく、第１の電力閾値Ｐth1を一旦設定した後であっても、必要に応じて適切な値に変更することができる。このように本開示の一実施形態による整流器１では、回生状態から力行状態に切り替わった直後の力行電力が小さい領域においても、スイッチング素子をオンオフ動作させることで直流側から三相交流電源２側に向かう電流経路を確保されるので、突入電流の発生を抑制することができる。
また、本開示の一実施形態による整流器１では、状態判定部１３により主回路部１１が回生状態と判定された場合、制御部１４は、スイッチング素子のオンオフ動作を実行するよう制御する。主回路部１１が回生状態にある場合においてスイッチング素子について実行されるオンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さΦは、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐに応じて、変更される。より詳細に説明すると次の通りである。
主回路部１１が回生状態にあるときにおいて、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが第２の電力閾値Ｐth2より大きい場合、制御部１４は、スイッチング素子について実行されるオンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さΦを、１２０度通電方式における１周期あたりのオン期間の長さである１２０度よりも短い値に設定し、この値にてスイッチング素子のオンオフ動作を実行するよう制御する。この場合、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐの絶対値｜Ｐ｜が小さいほど、スイッチング素子について実行されるオンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さΦはより短い値に設定される。主回路部１１が回生状態にあるときにおいて、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが第２の電力閾値Ｐth2以下の場合、制御部１４は、１２０度通電方式により、スイッチング素子のオンオフ動作を実行するよう制御する。なお、第２の電力閾値Ｐth2は、整流器１の適用環境に応じて適宜設定すればよく、一例を挙げると、整流器１の定格入力電力の値（正の値）にマイナス（－）符号を付けた値の例えば数パーセントから十数パーセント程度に設定されるが、これ以外の値に設定されてもよい。また、第２の電力閾値Ｐth2については、書き換え可能な記憶部（図示せず）に記憶されて外部機器によって書き換え可能であってもよく、第２の電力閾値Ｐth2を一旦設定した後であっても、必要に応じて適切な値に変更することができる。
主回路部１１が回生状態にありかつ電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが第２の電力閾値Ｐth2より大きい場合において、スイッチング素子について実行されるオンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さΦは、１２０度通電方式における１周期あたりのオン期間の長さである１２０度よりも短く、なおかつ電力計算部１２により計算された電力の値Ｐの絶対値｜Ｐ｜が小さいほど当該オン期間の長さΦはより短い値に設定される。すなわちこの場合、スイッチング素子について実行されるオンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さΦは、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐを変数とした関数ｆ（Ｐ）で表される。主回路部１１が回生状態にありかつ電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが第２の電力閾値Ｐth2より大きい場合におけるオン期間の長さΦを表す関数ｆ（Ｐ）は、減少関数であればよい。
スイッチング素子について実行されるオンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さΦは、例えば図４（Ｂ）に示すように、電力計算部１２により計算された電力の値ＰがＰth2（負の値）のときに１２０度となり、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが０（ゼロ）のときにΦmin（ただし、０＜Φmin＜１２０度）となるような１次直線の減少関数ｆ（Ｐ）に従って設定される。この代替例として、１周期あたりのオン期間の長さΦを表す関数ｆ（Ｐ）を、図４（Ｂ）に示した１次直線の減少関数ではなく、より高次の減少関数あるいは双曲線などの関数であってもよいが、当該関数は、電力計算部１２により計算された電力の値ＰがＰth2（負の値）から０（ゼロ）の区間においては単調減少を示すことが好ましい。
またあるいは、スイッチング素子について実行されるオンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さΦは、例えば図４（Ｃ）に示すように、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐの絶対値｜Ｐ｜が小さいほどオン期間の長さΦを段階的に短い値に設定される階段関数ｆ（Ｐ）に従って設定されてもよい。この場合、回生状態側に複数の電力閾値を設け、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐと各電力閾値の値との比較結果に基づいて、１周期あたりのオン期間の長さΦが決定される。図４（Ｃ）に示す例では、一例として３つの電力閾値Ｐth2a、Ｐth2b、及びＰth2cを設け、電力計算部１２により計算された電力の値ＰがＰth2c（負の値）のときにΦが１２０度となり、電力計算部１２により計算された電力の値ＰがＰth2aから０（ゼロ）のときにΦがΦmin（ただし、０＜Φmin＜１２０度）となるような階段関数ｆ（Ｐ）をオン期間の長さΦとして設定している。
またあるいは、スイッチング素子について実行されるオンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さΦは、例えば、回生電力が増加傾向にあるときと減少傾向にあるときとでヒステリシスを設けた関数ｆ（Ｐ）に従って設定されてもよい。
図５は、本開示の一実施形態による整流器１における三相交流電源電圧の波形とパワー素子内のスイッチング素子のオンオフ動作との関係を示す図であって、（Ａ）は回生電力が大きい領域における三相交流電源電圧の波形とスイッチング素子のオンオフ動作との関係を示し、（Ｂ）は回生電力が小さい領域における三相交流電源電圧の波形とスイッチング素子のオンオフ動作との関係を示す。本開示の一実施形態による整流器１によれば、図５（Ａ）に示すように、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが第２の電力閾値Ｐth2以下の場合である回生電力が大きい領域では、制御部１４は、１２０度通電方式により、スイッチング素子のオンオフ動作を実行するよう制御する。また、本開示の一実施形態による整流器１によれば、図５（Ｂ）に示すように、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが第２の電力閾値Ｐth2より大きい場合である回生電力が小さい領域では、制御部１４は、１２０度通電方式における１周期あたりのオン期間の長さである１２０度よりも短いオン期間Φ＝ｆ（Ｐ）にてスイッチング素子のオンオフ動作の実行を制御する。図５（Ｂ）において斜線で示した部分は、三相交流電源２の電圧の１周期において三相の各相の上アーム及び下アームに設けられる全てのスイッチング素子がオンしない期間である。図５（Ｂ）に示すように、回生電力が小さい領域では、三相交流電源２の電圧の１周期において三相の各相の上アーム及び下アームに設けられる全てのスイッチング素子がオンしない期間が必ず設けられ、当該オンしない期間においては、直流側から三相交流電源２側への電力の移動が遮断される。よって、回生電力が小さい場合に発生する回生状態と力行状態との切替えが頻繁に繰り返される共振を防止することができる。また、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが０（ゼロ）のときにオン期間の長さΦminを、主回路部１１が力行状態にある判定されかつ電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが第１の電力閾値Ｐth1より小さい場合に設定されるオン期間の長さΦと同一にすることで、回生状態から力行状態への切替えの際に発生し得る突入電流をより確実に抑制することができる。
図６は、本開示の一実施形態による整流器の動作フローを示すフローチャートである。
ステップＳ１０１において、電力計算部１２は、主回路部１１を介して三相交流電源２側と直流側との間に流れる電力の値Ｐを計算する。
ステップＳ１０２において、状態判定部１３は、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐに基づいて、主回路部１１が三相交流電源２側の交流電力を直流電力に変換して直流側に出力する力行状態にあるかあるいは主回路部１１が直流側の直流電力を交流電力に変換して三相交流電源２側に出力する回生状態にあるかを判定する。主回路部１１が力行状態にあると判定された場合はステップＳ１０３へ進み、主回路部１１が回生状態にあると判定された場合はステップＳ１０４へ進む。
ステップＳ１０３において、制御部１４は、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが第１の電力閾値Ｐth1より小さいか否かを判定する。電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが第１の電力閾値Ｐth1より小さいと判定された場合はステップＳ１０７へ進み、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが第１の電力閾値Ｐth1以上であると判定された場合はステップＳ１０８へ進む。
ステップＳ１０７において、制御部１４は、スイッチング素子のオンオフ動作を実行するよう制御する。ここで、スイッチング素子について実行されるオンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さΦは、１２０度通電方式における１周期あたりのオン期間の長さ（すなわち１２０度）よりも短い値であるΦminに設定される。これにより、回生状態から力行状態に切り替わった直後の力行電力が小さい領域においても、突入電流は発生しない。
ステップＳ１０８において、制御部１４は、スイッチング素子のオンオフ動作の実行を停止するよう制御する。これにより、整流素子の整流動作のみにて、三相交流電源２側の交流電力が直流電力に変換されて直流側へ出力される。
ステップＳ１０２において、主回路部１１が回生状態にあると判定された場合は、ステップＳ１０４において、制御部１４は、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが第２の電力閾値Ｐth2以下であるか否かを判定する。電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが第２の電力閾値Ｐth2以下であると判定された場合はステップＳ１０５へ進み、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが第２の電力閾値Ｐth2より大きいと判定された場合はステップＳ１０６へ進む。
ステップＳ１０５において、制御部１４は、１２０度通電方式により、スイッチング素子のオンオフ動作を実行するよう制御する。これにより、直流側の直流電力が交流電力に変換されて三相交流電源２側へ出力される。
ステップＳ１０６において、制御部１４は、スイッチング素子について実行されるオンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さΦを、１２０度通電方式における１周期あたりのオン期間の長さである１２０度よりも短い値に設定し、この値にてスイッチング素子のオンオフ動作を実行するよう制御する。この場合、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐの絶対値｜Ｐ｜が小さいほど、スイッチング素子について実行されるオンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さΦはより短い値に設定される。これにより、回生電力が小さい場合においても回生状態と力行状態との切替えが頻繁に繰り返される共振が発生することなく、直流側の直流電力が交流電力に変換されて三相交流電源２側へ出力される。
ステップＳ１０５～Ｓ１０８が実行中は、Ｓ１０１における電力計算処理及びステップＳ１０２～Ｓ１０４の判定処理が、所定の周期にて実行される。ただし、図６では、便宜上、ステップＳ１０５～Ｓ１０８が実行後にＳ１０１へ処理が戻るよう表記している。
続いて、主回路部１１が回生状態にある場合において主回路部１１のスイッチング素子の制御に１２０度通電方式を採用するか否かの決定手法についての変形例について、以下にいくつか列記する。
上述した実施形態では、主回路部１１が回生状態にある場合において主回路部１１のスイッチング素子の制御に１２０度通電方式を採用するか否かは、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐと第２の電力閾値Ｐth2との比較に基づいて決定していた。第１の変形例では、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐと第２の電力閾値Ｐth2との比較に代えて、制御部１４は、三相交流電源２側から主回路部１１に入力される入力電圧の波高値と主回路部１１の直流側の直流電圧値とに基づいて、主回路部１１が回生状態にある場合において主回路部１１のスイッチング素子の制御に１２０度通電方式を採用するか否かを決定する。
図７は、本開示の一実施形態の第１の変形例による整流器における動作フローを示すフローチャートである。
図７に示すステップＳ１０１～Ｓ１０３及びＳ１０５～Ｓ１０８の各処理は、図６に示すステップＳ１０１～Ｓ１０３及びＳ１０５～Ｓ１０８の各処理と同じである。ただし、ステップＳ１０２において主回路部１１が回生状態にあると判定された場合はステップＳ１０９へ進む。
ステップＳ１０９において、制御部１４は、主回路部１１の直流側の直流電圧値と入力電圧の波高値との差が電圧閾値Ｖthより大きいか否かを判定する。主回路部１１の直流側の直流電圧値は直流電圧検出部１６によって検出され、三相交流電源２側から主回路部１１に入力される入力電圧の波高値は入力電圧検出部１５によって検出される。なお、図１においては、入力電圧検出部１５及び直流電圧検出部１６から制御部１４に向かう矢印については図示を省略している。電圧閾値Ｖthについては、整流器１の適用環境に応じて適宜設定すればよく、一例を挙げると、整流器１の定格出力電圧の値の例えば十数パーセントから数十パーセント程度に設定されるが、これ以外の値に設定されてもよい。なお、電圧閾値Ｖthについては、書き換え可能な記憶部（図示せず）に記憶されて外部機器によって書き換え可能であってもよく、電圧閾値Ｖthを一旦設定した後であっても、必要に応じて適切な値に変更することができる。ステップＳ１０９において、主回路部１１の直流側の直流電圧値と入力電圧の波高値との差が電圧閾値Ｖthより大きいと判定された場合はステップＳ１０５へ進み、主回路部１１の直流側の直流電圧値と入力電圧の波高値との差が電圧閾値Ｖth以下であると判定された場合はステップＳ１０６へ進む。
ステップＳ１０５において、制御部１４は、１２０度通電方式により、スイッチング素子のオンオフ動作を実行するよう制御する。これにより、直流側の直流電力が交流電力に変換されて三相交流電源２側へ出力される。
ステップＳ１０６において、制御部１４は、スイッチング素子について実行されるオンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さΦを、１２０度通電方式における１周期あたりのオン期間の長さである１２０度よりも短い値に設定し、この値にてスイッチング素子のオンオフ動作を実行するよう制御する。この場合、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐの絶対値｜Ｐ｜が小さいほど、スイッチング素子について実行されるオンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さΦはより短い値に設定される。
本開示の一実施形態による整流器１の第２の変形例では、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐと第２の電力閾値Ｐth2との比較に代えて、制御部１４は、状態判定部１３により回生状態と判定されてから所定の時間内における回生状態と力行状態との切替えの回数と回数閾値Ｃthとの比較に基づいて、主回路部１１のスイッチング素子の制御に１２０度通電方式を採用するか否かを決定する。
図８は、本開示の一実施形態の第２の変形例による整流器及びモータ駆動装置を示す図である。
図８に示すように、本開示の一実施形態の第２の変形例による整流器１は、図１に示した整流器１において、切替え回数判定部１７をさらに備える。
切替え回数判定部１７は、状態判定部１３による判定結果に基づいて、状態判定部１３により回生状態と判定されてから所定の時間内に回生状態と力行状態との切替えが回数閾値Ｃth以上行われたか否かを判定する。切替え回数判定部１７による判定結果は、制御部１４に通知される。上記「所定の時間」は、整流器１の適用環境に応じて適宜設定すればよく、一例を挙げると、数秒程度に設定されるが、これ以外の値に設定されてもよい。なお、回数閾値Ｃth及び上記「所定の時間」については、書き換え可能な記憶部（図示せず）に記憶されて外部機器によって書き換え可能であってもよく、回数閾値Ｃth及び上記「所定の時間」を一旦設定した後であっても、必要に応じて適切な値に変更することができる。
制御部１４は、切替え回数判定部１７により所定の時間内に回生状態と力行状態との切替えが回数閾値Ｃth以上行われたと判定された場合、スイッチング素子について実行されるオンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さを、１２０度通電方式における１周期あたりのオン期間の長さよりも短い値に設定し、この値にてスイッチング素子のオンオフ動作を実行するよう制御する。この場合、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐの絶対値｜Ｐ｜が小さいほど、スイッチング素子について実行されるオンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さΦはより短い値に設定されてもよい。
制御部１４は、切替え回数判定部１７により所定の時間内に回生状態と力行状態との切替えが回数閾値Ｃth以上行われたと判定されなかった場合、制御部１４は、１２０度通電方式により、スイッチング素子のオンオフ動作を実行するよう制御する。なお、回数閾値Ｃthは、整流器１の適用環境に応じて適宜設定すればよく、一例を挙げると、数回程度に設定されるが、これ以外の値に設定されてもよい。回数閾値Ｃthの値を小さい値に設定するほど、回生状態と力行状態との切替えが頻繁に繰り返される共振によるコンデンサの異常発熱を抑制することができる。
第２の変形例において、切替え回数判定部１７及び制御部１４以外の回路構成要素については図１に示す回路構成要素と同様であるので、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。
切替え回数判定部１７は、例えばソフトウェアプログラム形式で構築されてもよく、あるいは各種電子回路とソフトウェアプログラムとの組み合わせで構築されてもよく、あるいは各種電子回路のみで構成されてもよい。例えばこれらをソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、例えばＤＳＰやＦＰＧＡなどの演算処理装置をこのソフトウェアプログラムに従って動作させることで、上述の各部の機能を実現することができる。またあるいは、切替え回数判定部１７を、各部の機能を実現するソフトウェアプログラムを書き込んだ半導体集積回路として実現してもよい。またあるいは、切替え回数判定部１７を、各部の機能を実現するソフトウェアプログラムを書き込んだ記録媒体として実現してもよい。また、切替え回数判定部１７は、例えば工作機械の数値制御装置内に設けられてもよく、ロボットを制御するロボットコントローラ内に設けられてもよい。
図９は、本開示の一実施形態の第２の変形例による整流器における動作フローを示すフローチャートである。
図９に示すステップＳ１０１～Ｓ１０３及びＳ１０５～Ｓ１０８の各処理は、図６に示すステップＳ１０１～Ｓ１０３及びＳ１０５～Ｓ１０８の各処理と同じである。ただし、ステップＳ１０２において主回路部１１が回生状態にあると判定された場合はステップＳ１１０へ進む。
ステップＳ１１０において、切替え回数判定部１７は、状態判定部１３による判定結果に基づいて、状態判定部１３により回生状態と判定されてから所定の時間内に回生状態と力行状態との切替えが回数閾値Ｃth以上行われたか否かを判定する。ステップＳ１１０において、所定の時間内に回生状態と力行状態との切替えが回数閾値Ｃth以上行われたと判定されなかった場合はステップＳ１０５へ進み、所定の時間内に回生状態と力行状態との切替えが回数閾値Ｃth以上行われたと判定された場合はステップＳ１０６へ進む。
ステップＳ１０５において、制御部１４は、１２０度通電方式により、スイッチング素子のオンオフ動作を実行するよう制御する。これにより、直流側の直流電力が交流電力に変換されて三相交流電源２側へ出力される。
ステップＳ１０６において、制御部１４は、スイッチング素子について実行されるオンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さΦを、１２０度通電方式における１周期あたりのオン期間の長さである１２０度よりも短い値に設定し、この値にてスイッチング素子のオンオフ動作を実行するよう制御する。この場合、電力計算部１２により計算された電力の値Ｐの絶対値｜Ｐ｜が小さいほど、スイッチング素子について実行されるオンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さΦはより短い値に設定される。
以上説明したように、第１の変形例及び第２の変形例においても、ステップＳ１０３において電力計算部１２により計算された電力の値Ｐが第１の電力閾値Ｐth1より小さいと判定された場合はステップＳ１０７においてスイッチング素子のオンオフ動作を実行するよう制御するので、回生状態から力行状態に切り替わった直後の力行電力が小さい領域においても、突入電流が発生することはない。また、第１の変形例のステップＳ１０９及び第２の変形例のステップＳ１１０の判定結果に基づき回生状態と力行状態との切替えが頻繁に繰り返される共振を防止するようスイッチング素子のオンオフ動作が制御されるので、コンデンサが異常発熱することはない。
１ 整流器
２ 三相交流電源
３ モータ
４ コンデンサ
５ インバータ
１１ 主回路部
１２ 電力計算部
１３ 状態判定部
１４ 制御部
１５ 入力電圧検出部
１６ 直流電圧検出部
１７ 切替え回数判定部
２１ 入力電流検出部
２２ 直流電流検出部
２３ 位相検出部
１００ モータ駆動装置
Ｄ ダイオード
Ｓ、Ｓ1、Ｓ2 スイッチング素子

Claims (9)

  1. 整流素子の整流動作及びスイッチング素子のオンオフ動作により、三相交流電源側の交流電力と直流側の直流電力との間で電力変換を行う主回路部と、
    前記主回路部を介して前記三相交流電源側と前記直流側との間に流れる電力の値を計算する電力計算部と、
    前記スイッチング素子の前記オンオフ動作を実行するよう制御する制御部と、
    前記電力計算部により計算された前記電力の値に基づいて、前記主回路部が前記三相交流電源側の交流電力を直流電力に変換して前記直流側に出力する力行状態にあるかあるいは前記主回路部が前記直流側の直流電力を交流電力に変換して前記三相交流電源側に出力する回生状態にあるかを判定する状態判定部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記状態判定部により力行状態と判定されかつ前記電力計算部により計算された前記電力の値が第１の電力閾値より小さい場合、前記電力計算部により計算された前記電力の値に応じて、前記スイッチング素子について実行される前記オンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さを変更する、整流器。
  2. 前記制御部は、前記状態判定部により回生状態と判定された場合、前記電力計算部により計算された前記電力の値に応じて、前記スイッチング素子について実行される前記オンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さを変更する、請求項１に記載の整流器。
  3. 前記制御部は、前記状態判定部により力行状態にあると判定されかつ前記電力計算部により計算された前記電力の値が前記第１の電力閾値以上の場合、前記スイッチング素子の前記オンオフ動作の実行を停止するよう制御する、請求項１に記載の整流器。
  4. 前記主回路部は、前記整流素子と前記整流素子に逆並列に接続された前記スイッチング素子とからなるパワー素子が各相の上アーム及び下アームの各々に設けられた三相ブリッジ回路を有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の整流器。
  5. 前記制御部は、
    前記状態判定部により回生状態と判定されかつ前記電力計算部により計算された前記電力の値が第２の電力閾値以下の場合、各前記相の電圧が入れ替わる度に、各前記相のうち、前記三相交流電源の電圧が最大となる相の上アームにおける前記スイッチング素子をオンするとともに前記三相交流電源の電圧が最小となる相における下アームの前記スイッチング素子をオンする１２０度通電方式により、前記スイッチング素子の前記オンオフ動作を実行するよう制御し、
    前記状態判定部により回生状態と判定されかつ前記電力計算部により計算された前記電力の値が前記第２の電力閾値より大きい場合、前記スイッチング素子について実行される前記オンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さを、前記１２０度通電方式における１周期あたりのオン期間の長さよりも短い値に設定する、請求項４に記載の整流器。
  6. 前記制御部は、前記状態判定部により回生状態と判定されかつ前記電力計算部により計算された前記電力の値が前記第２の電力閾値より大きい場合、前記電力計算部により計算された前記電力の値の絶対値が小さいほど、前記スイッチング素子について実行される前記オンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さをより短い値に設定する、請求項５に記載の整流器。
  7. 前記三相交流電源側から前記主回路部に入力される入力電圧の波高値を検出する入力電圧検出部と、
    前記主回路部の前記直流側の直流電圧値を検出する直流電圧検出部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記状態判定部により回生状態と判定されかつ前記直流電圧値と前記入力電圧の波高値との差が電圧閾値より大きい場合、各前記相の電圧が入れ替わる度に、各前記相のうち、前記三相交流電源の電圧が最大となる相の上アームにおける前記スイッチング素子をオンするとともに前記三相交流電源の電圧が最小となる相における下アームの前記スイッチング素子をオンする１２０度通電方式により、前記スイッチング素子の前記オンオフ動作を実行するよう制御し、
    前記状態判定部により回生状態と判定されかつ前記直流電圧値と前記入力電圧の波高値との差が電圧閾値以下の場合、前記スイッチング素子について実行される前記オンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さを、前記１２０度通電方式における１周期あたりのオン期間の長さよりも短い値に設定する、請求項４に記載の整流器。
  8. 前記制御部は、前記状態判定部により回生状態と判定されかつ前記直流電圧値と前記入力電圧の波高値との差が前記電圧閾値以下の場合、前記電力計算部により計算された前記電力の値の絶対値が小さいほど、前記スイッチング素子について実行される前記オンオフ動作における１周期あたりのオン期間の長さをより短い値に設定する、請求項７に記載の整流器。
  9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の整流器と、
    前記整流器の前記直流側であるＤＣリンクに設けられるコンデンサと、
    前記ＤＣリンクを介して前記整流器に接続され、前記ＤＣリンクから供給され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出力するインバータと、
    を備える、モータ駆動装置。
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