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技術 コンバータ装置、及びコンバータ装置を備えるインバータ装置

出願人 ファナック株式会社
発明者 八重嶋守羽生茂樹加々美秀樹山田裕一
出願日 2004年1月14日 (15年11ヶ月経過) 出願番号 2004-007226
公開日 2005年7月28日 (14年4ヶ月経過) 公開番号 2005-204391
状態 特許登録済
技術分野 整流装置 インバータ装置 交流電動機の制御一般
主要キーワード 減速開始前 加速開始前 下降電圧 電圧平滑用コンデンサ 上昇電圧 電圧変動幅 下降指令 電圧下降
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2005年7月28日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

課題

コンデンサの容量を増やすことなく電圧平滑用コンデンサによる負荷へのエネルギー供給や負荷からのエネルギー回収の作用をより効果的なものとすること。

解決手段

PWM制御によりDCリンク電圧を制御するコンバータ装置において、負荷へのエネルギー供給を開始する前の時点においてDCリンクの電圧を上昇させ、負荷からのエネルギー回収を開始する前の時点においてDCリンクの電圧を下降させる。負荷にエネルギーを供給する場合には、DCリンクの電圧は通常のDCリンク電圧よりも高く設定され、コンデンサは通常よりも多くのエネルギーが蓄積し、負荷に対して一時に多くのエネルギーを供給する。負荷からエネルギーを回収する場合には、DCリンクの電圧は通常のDCリンク電圧よりも低く設定され、コンデンサは通常よりも多くのエネルギーを回収することができ、負荷から一時に多くのエネルギーを回収することができる。

概要

背景

インバータ装置は、印加されたDCリンク電圧交流電圧に変換する装置であり、例えば、誘導電動機駆動用として使用されている。このインバータ装置は、パルス幅制御等を行うことによって、印加されたDCリンク電圧を交流電圧に変換する。

このようなインバータ装置において、DCリンク電圧は、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ装置によって得たDCリンク電圧を用いる構成が知られている。

このような、コンバータ装置及びコンバータ装置を備えたインバータ装置において、DCリンクコンデンサを接続する構成が知られている。このコンデンサは、交流電圧から直流電圧に変換した電圧平滑化する他に、負荷に対してエネルギーの供給及び吸収を助ける作用が知られている。

例えば、インバータ装置によりモータを駆動する場合には、モータの加減速時において、インバータ装置内のDCリンクに接続された電圧平滑用のコンデンサに蓄積されたエネルギーをモータに供給することにより、モータ加速に要するエネルギーを短時間に供給することを助け、また、モータの減速時において、モータから回生されるエネルギーをインバータ装置内のDCリンクに接続された電圧平滑用のコンデンサに吸収させることにより、モータ減速に発生するエネルギーを短時間に吸収することを助ける。
これにより、電源からのエネルギーの供給量を低減させ、また、電源によるエネルギーの回収を低減させることができ、電源の設備容量を大きくすることなく、電源からのエネルギーの急激な供給や電源へのエネルギーの急激な回収に対応することができる。また、電源ラインでのエネルギーロスを低減することができる。
このようなインバータ装置内に設けた電圧平滑用コンデンサによる作用はよく知られている技術事項である。

概要

コンデンサの容量を増やすことなく電圧平滑用コンデンサによる負荷へのエネルギー供給や負荷からのエネルギー回収の作用をより効果的なものとすること。PWM制御によりDCリンクの電圧を制御するコンバータ装置において、負荷へのエネルギー供給を開始する前の時点においてDCリンクの電圧を上昇させ、負荷からのエネルギー回収を開始する前の時点においてDCリンクの電圧を下降させる。負荷にエネルギーを供給する場合には、DCリンクの電圧は通常のDCリンク電圧よりも高く設定され、コンデンサは通常よりも多くのエネルギーが蓄積し、負荷に対して一時に多くのエネルギーを供給する。負荷からエネルギーを回収する場合には、DCリンクの電圧は通常のDCリンク電圧よりも低く設定され、コンデンサは通常よりも多くのエネルギーを回収することができ、負荷から一時に多くのエネルギーを回収することができる。

目的

そこで、本発明は、上記した従来の課題を解決して、コンデンサの容量を増やすことなく電圧平滑用コンデンサによる負荷へのエネルギー供給や負荷からのエネルギー回収の作用をより効果的なものとすることを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
2件

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請求項1

PWM制御によりDCリンク電圧を制御するコンバータ装置において、負荷へのエネルギー供給開始前におけるDCリンクの電圧上昇、及び/又は負荷からのエネルギー回収開始前におけるDCリンクの電圧下降を特徴とするコンバータ装置。

請求項2

PWM制御によりDCリンクの電圧を制御することが可能なモータを駆動するコンバータ装置において、前記モータ加速時の手前でDCリンクの電圧を上げ、及び/又はモータ減速時の手前でDCリンクの電圧を下げることを特徴とするコンバータ装置。

請求項3

前記DCリンクの電圧上昇は、モータの制御プログラムDCリンク電圧上昇指令に基づいて行い、当該DCリンク電圧上昇指令はモータの加速指令よりも所定時間前に出力することを特徴とする請求項2に記載のコンバータ装置。

請求項4

前記DCリンク電圧上昇時の入力電流の大きさは前記プログラムの指令により任意に設定可能であることを特徴とする請求項3に記載のコンバータ装置。

請求項5

記入力電流の大きさは、プログラムにおいてDCリンクの上昇電圧幅及び上昇に要する時間幅を定めることにより設定することを特徴とする請求項4に記載のコンバータ装置。

請求項6

前記DCリンクの電圧下降は、モータの制御プログラムのDCリンク電圧下降指令に基づいて行い、当該DCリンク電圧下降指令はモータの減速指令よりも所定時間前に出力することを特徴とする請求項2に記載のコンバータ装置。

請求項7

前記DCリンク電圧下降時の入力電流の大きさは前記プログラムの指令により任意に設定可能であることを特徴とする請求項6に記載のコンバータ装置。

請求項8

前記入力電流の大きさは、プログラムにおいてDCリンクの下降電圧幅及び下降に要する時間幅を定めることにより設定することを特徴とする請求項7に記載のコンバータ装置。

請求項9

前記コンバータ装置を備えることを特徴とする請求項1乃至8の何れか一つに記載のインバータ装置

技術分野

0001

本発明は、コンバータ装置、及びコンバータ装置を備えるインバータ装置に関し、特に、DCリンク電圧の制御に関する。

背景技術

0002

インバータ装置は、印加されたDCリンク電圧を交流電圧に変換する装置であり、例えば、誘導電動機駆動用として使用されている。このインバータ装置は、パルス幅制御等を行うことによって、印加されたDCリンク電圧を交流電圧に変換する。

0003

このようなインバータ装置において、DCリンク電圧は、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ装置によって得たDCリンク電圧を用いる構成が知られている。

0004

このような、コンバータ装置及びコンバータ装置を備えたインバータ装置において、DCリンクコンデンサを接続する構成が知られている。このコンデンサは、交流電圧から直流電圧に変換した電圧平滑化する他に、負荷に対してエネルギーの供給及び吸収を助ける作用が知られている。

0005

例えば、インバータ装置によりモータを駆動する場合には、モータの加減速時において、インバータ装置内のDCリンクに接続された電圧平滑用のコンデンサに蓄積されたエネルギーをモータに供給することにより、モータ加速に要するエネルギーを短時間に供給することを助け、また、モータの減速時において、モータから回生されるエネルギーをインバータ装置内のDCリンクに接続された電圧平滑用のコンデンサに吸収させることにより、モータ減速に発生するエネルギーを短時間に吸収することを助ける。
これにより、電源からのエネルギーの供給量を低減させ、また、電源によるエネルギーの回収を低減させることができ、電源の設備容量を大きくすることなく、電源からのエネルギーの急激な供給や電源へのエネルギーの急激な回収に対応することができる。また、電源ラインでのエネルギーロスを低減することができる。
このようなインバータ装置内に設けた電圧平滑用コンデンサによる作用はよく知られている技術事項である。

発明が解決しようとする課題

0006

上記した構成のコンバータ装置やインバータ装置において、負荷へのエネルギーの円滑な供給、及び、負荷から回生されるエネルギーの円滑な吸収の作用をより効果的なものとするには、例えば、電圧平滑用コンデンサの容量を増やすことが考えられる。
しかしながら、電圧平滑用コンデンサの容量を増やした場合には、コンバータ装置やインバータ装置の装置規模が大型になるという問題がある。

0007

そこで、本発明は、上記した従来の課題を解決して、コンデンサの容量を増やすことなく電圧平滑用コンデンサによる負荷へのエネルギー供給や負荷からのエネルギー回収の作用をより効果的なものとすることを目的とする。

課題を解決するための手段

0008

本発明は、DCリンクの電圧をダイナミックに制御することによって、コンデンサに蓄積されるエネルギーによるエネルギー供給や、コンデンサへの余剰エネルギー回収の作用をより効果的なものとし、電源からのエネルギー供給や電源へのエネルギー回収をより効果的に低減させるものである。DCリンク電圧のダイナミックな制御は、モータの制御プログラム指令により行うことができる。

0009

本発明は、コンバータ装置の態様、及びコンバータ装置を備えるインバータ装置の態様とすることができる。
コンバータ装置は、PWM制御によりDCリンクの電圧を制御するコンバータ装置において、負荷へのエネルギー供給を開始する前の時点においてDCリンクの電圧を上昇させる、及び/又は、負荷からのエネルギー回収を開始する前の時点においてDCリンクの電圧を下降させる。

0010

これにより、負荷にエネルギーを供給する場合には、DCリンクの電圧は通常のDCリンク電圧よりも高く設定されることになり、コンデンサには通常よりも多くのエネルギーが蓄積され、負荷に対して一時に多くのエネルギーを供給することができる。これにより、電源からの供給電力を低減させ、また、小さい電源容量のままで、多くの電力を負荷に供給することができる。

0011

また、負荷からエネルギーを回収する場合には、DCリンクの電圧は通常のDCリンク電圧よりも低く設定されることになり、コンデンサは通常よりも多くのエネルギーを回収することができる状態となり、負荷から一時に多くのエネルギーを回収することができる。これにより、電源からの回生電流を低減させて電源ラインでのエネルギーロスを低減させることができる。また、電源からの回生電流を抵抗回生する場合には、抵抗消費するエネルギーを低減させることができる。
また、インバータ装置の態様は、交流電源との間に上記コンバータ装置を備えた構成とする。

0012

本発明のコンバータ装置及びインバータ装置はモータ負荷に適用することができる。モータ負荷に適用した態様は以下の構成とすることができる。
PWM制御によりDCリンクの電圧を制御することが可能なモータを駆動するコンバータ装置において、モータ加速時の手前でDCリンクの電圧を上げる、及び/又はモータ減速時の手前でDCリンクの電圧を下げる。

0013

コンバータ装置の態様では、PWM制御によりDCリンクの電圧を制御することが可能なモータを駆動するコンバータ装置において、モータ加速時の手前でDCリンクの電圧を上げ、モータ減速時の手前でDCリンクの電圧を下げる構成とする。
DCリンクの電圧を上昇させる場合には、DCリンクの電圧上昇はモータの制御プログラムのDCリンク電圧上昇指令に基づいて行う。このDCリンク電圧上昇指令はモータの加速指令よりも所定時間前に出力する。

0014

DCリンク電圧上昇時の入力電流の大きさは、プログラムの指令により任意に設定可能とすることができ、例えば、電源やコンバータ装置において許容される電流値に基づいて、DCリンクの上昇電圧幅や上昇に要する時間幅を定め、これら電圧幅や時間幅をプログラムに設定する。

0015

DCリンクの電圧を下降させる場合には、DCリンクの電圧下降はモータの制御プログラムのDCリンク電圧下降指令に基づいて行う。このDCリンク電圧下降指令はモータの減速指令よりも所定時間前に出力する。

0016

DCリンク電圧下降時の入力電流の大きさは、プログラムの指令により任意に設定可能とすることができ、例えば、電源やコンバータ装置において許容される電流値に基づいて、DCリンクの下降電圧幅や下降に要する時間幅を定め、これら電圧幅や時間幅をプログラムに設定する。

発明の効果

0017

本発明のコンバータ装置及びコンバータ装置を備えたインバータ装置によれば、コンデンサの容量を増やすことなく電圧平滑用コンデンサによる負荷へのエネルギー供給や負荷からのエネルギー回収の作用をより効果的なものとすることができる。

発明を実施するための最良の形態

0018

以下、本発明のインバータ装置について、図を用いて説明する。
図1は本発明のインバータ装置の概要を説明するための概略図である。図1に示すインバータ装置1は、交流電源の交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路2と、電圧平滑用のコンデンサ3と、直流電圧を所定の周波数に変換して負荷(モータM)に供給するインバータ回路4を備える。

0019

本発明のインバータ装置1では、DCリンク電圧の制御をコンバータ回路2において行う。図2は、コンバータ回路の構成例である。コンバータ回路2の制御は、制御回路5によってIGBTトランジスタスイッチング制御するPWM制御により行うことができる。なお、制御回路5はプログラム制御により制御することができる。

0020

次に、本発明のコンバータ回路の制御について、モータ負荷を例として説明する。
コンバータ回路のDCリンクには電圧平滑用のコンデンサ3が設置されている。このコンデンサはエネルギーの蓄積及び放出を行う効果がある。そのコンデンサが蓄積あるいは放出するエネルギーはDCリンクの電圧の変化に依存し、以下の式で表すことができる。

0021

コンデンサのエネルギー=(V22−V12)/2C …(1)
なお、ここで、
V1:DCリンクの初期電圧
V2:DCリンクの制御後電圧
である。

0022

上記式(1)から、コンデンサにおいて、エネルギーをより多く貯えるもしくは放出するためは、DCリンクの制御後の電圧V2と初期電圧V1との電圧差の絶対値|V2−V1|を大きくすると良い。

0023

本発明は、このコンデンサに蓄積あるいは放出されるエネルギーは、DCリンクの制御後の電圧V2と初期電圧V1との電圧差の絶対値の依存することを利用するものであり、DCリンクの制御後の電圧V2をダイナミックに制御することによって、コンデンサに蓄積するエネルギーあるいはコンデンサから放出されるエネルギーを、電圧制御を行わない場合と比較して大きくし、電源から負荷へのエネルギー供給において、電源からのエネルギー供給に加えてコンデンサからの蓄積エネルギーの供給を付加し、また、負荷からのエネルギー回収において、電源によるエネルギー回収に加えてコンデンサによるエネルギー回収の作用を付加する。これにより、エネルギー供給及びエネルギー回収の作用をより効果的なものとし、電源からのエネルギー供給や電源へのエネルギー回収をより効果的に低減させる。

0024

DCリンク電圧のダイナミックな制御は、モータの制御プログラム指令により行うことができる。
以下、モータの加速時及び減速時について説明する。モータの加速時や減速時には、DCリンクのコンデンサを介し電源とモータ間でエネルギーのやり取りが行われる。
ここで、前記式(1)で示したように、DCリンクの制御後の電圧V2と初期電圧V1との電圧差の絶対値|V2−V1|が大きい程、電源がやり取りするエネルギーの量を低減することができる。

0025

はじめに、モータ加速時におけるDCリンク電圧の制御について図3を用いて説明する。
モータ加速時には、モータ加速前に、できるだけ多くのエネルギーをDCリンクのコンデンサに多く貯えることによって、電源からの供給電力を低減させ、電源容量を小さくすることができる。

0026

図3において、DCリンクの初期電圧(符号aで示す)からDCリンクの電圧を上昇させて(符号b)、DCリンクの制御後の電圧V2(符号cで示す)とする。DCリンクの電圧を上昇させた状態からモータへのエネルギー供給を開始してモータの加速を開始する(図中の符号Aで示すモータ加速開始時点)。モータを加速することにより、DCリンクの電圧は降下し(符号cで示す)、DC電圧は符号eの電圧となる。

0027

このDC電圧をモータ加速開始前に上昇させることにより、コンデンサには符号cと符号eの電位差ΔVによるエネルギーをモータに供給することができる。この電位差ΔVは、DC電圧を上昇させない場合よりも大きくなり、その分だけコンデンサに蓄積するエネルギーを多くしてモータに多くのエネルギーを供給することができる。

0028

次に、モータ減速時におけるDCリンク電圧の制御について図4を用いて説明する。
モータ減速時には、モータからの回生エネルギーをできるだけ多くコンデンサに回収させることによって、電源への供給電力を低減させ、電源容量を小さくすることができる。
図4において、DCリンクの初期電圧(符号fで示す)からDCリンクの電圧を下降させて(符号g)、DCリンクの制御後の電圧V2(符号hで示す)とする。DCリンクの電圧を下降させた状態からモータの減速を開始し、モータからの回生エネルギーの回収を開始する(図中の符号Bで示すモータ減速開始時点)。モータを減速することにより、回収されるエネルギーによってDCリンクの電圧は上昇し(符号iで示す)、DC電圧は符号jの電圧となる。

0029

このDC電圧をモータ減速開始前に下降させることにより、コンデンサには符号hと符号jの電位差ΔVによるエネルギーをコンデンサに回収することができる。この電位差ΔVは、DC電圧を下降させない場合よりも大きくなり、その分だけコンデンサが回収するエネルギーを多くしてモータから多くのエネルギーを回収し、電源への回生分あるいは抵抗により回生分を減らすことができる。電源回生は、回生電流により電源ラインのエネルギーロスとなり、また、抵抗回生される回生分も熱エネルギーとして消費されるが、本発明によれば、電源回生あるいは抵抗回生を低減させることによりエネルギーロスを減らすことができる。

0030

図5は、DCリンク電圧とモータ速度との関係を示している。プログラム中には、モータの加速指令に先だってDCリンク電圧を上昇させる指令が設定される。なお、DCリンク電圧を上昇させる指令は、モータが所定速度に上昇した段階で解除される。
また、プログラム中には、モータの減速指令に先だってDCリンク電圧を下降させる指令が設定される。なお、DCリンク電圧を下降させる指令は、モータが所定速度(例えば、速度)に下降した段階で解除される。

0031

本発明によりDCリンク電圧制御によれば、DCリンクの充放電時に、電源電圧とDCリンク電圧の電位差が大きくなることにより過大な入力電流が流れる場合がある。
本発明は、この入力電流を機器定格電流等の所定電流内に納めるように、上昇電圧幅あるいは下降電圧幅等の電圧変動幅、及び電圧の上昇あるいは下降に要する時間幅をパラメータとして設定する。

0032

図6は、電圧変動幅と時間幅との関係を説明するための図である。
電圧の上昇あるいは下降に要する時間幅Tは、コンデンサの容量CとコンバータのPWM制御により制御された電流と、電圧変動幅dV(=V2−V1)とを変数として有する。

0033

したがって、コンバータ装置や電源の定格で定まる許容電流値を定めたとき、電圧変動幅dVは許容電流値とコンバータのPWM制御により制御された電流とにより制限を受け、時間幅Tは電圧変動幅dVとコンバータのPWM制御により制御された電流とによって制限を受ける。
また、電圧変動幅dVを定めたとき、大きな電流を流せる場合には時間幅Tを短くすることができるが(図中のT1)(図6(a),(b)の実線)、大きな電流を流せない場合には時間幅Tは長くなる(図中のT2)(図6(a),(b)の破線)。
また、電流を定めたときには、電圧変動幅と時間幅は互いに逆方向に作用し、電圧変動幅を大きく採れば時間幅を短くすることができ、電圧変動幅を小さく採れば時間幅を長くする必要がある。

0034

本発明のコンバータ装置及びコンバータ装置を備えるインバータ装置は、電力の供給、回収を行うモータに適用することができる。また、エネルギーの回生を行わずエネルギーの消費のみを行うモータについても適用することができる。

図面の簡単な説明

0035

本発明のインバータ装置の概要を説明するための概略図である。
本発明のコンバータ回路の構成例を示す図である。
本発明のモータ加速時におけるDCリンク電圧の制御を説明するための図である。
本発明のモータ減速時におけるDCリンク電圧の制御を説明するための図である。
本発明のDCリンク電圧とモータ速度との関係を示す図である。
本発明の電圧変動幅と時間幅との関係を説明するための図である。

符号の説明

0036

1インバータ装置
2コンバータ回路
3コンデンサ
4インバータ回路
5 制御回路

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