(57)【要約】【課題】交流電動機に直流を供給する「発電制動制御」を行うことで速度を制御する方式を踏襲しつつも、発電制動回路に組み込むスイッチ機構として、交流電圧の印加阻止の機能と、交流電動機へ直流を供給する機能とを、直列に接続した２つのスイッチング素子の夫々に分担させるようにした。【解決手段】交流電動機１０に直流を供給して発電制動による速度制御を行うようにした発電制動回路１８において、その発電制動による速度制御の非動作時には、前記交流電動機１０に供給される交流が該発電制動回路１８に印加されるのを第１スイッチング素子２４で阻止し、前記発電制動による速度制御を終了する際には、前記交流電動機１０への直流供給を第２スイッチング素子２２により遮断するよう構成した。【選択図】図２
2006005994.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電動機(10)に直流を供給して発電制動による速度制御を行うようにした発電制動回路(18)において、
その発電制動による速度制御の非動作時には、前記交流電動機(10)に供給される交流が該発電制動回路(18)に印加されるのを第１スイッチング素子(24)で阻止し、
前記発電制動による速度制御を終了する際には、前記交流電動機(10)への直流供給を第２スイッチング素子(22)により遮断するよう構成した
ことを特徴とする発電制動回路。
【請求項２】
前記第１スイッチング素子(24)は、前記発電制動回路(18)から交流電動機(10)へ供給される直流のオン動作を専ら担当するオン制御素子であり、前記第２スイッチング素子(22)は、前記発電制動回路(18)から交流電動機(10)へ供給される直流のオン動作及びオフ動作を担当するオン・オフ制御素子であって、該第１スイッチング素子(24)のオン動作は第２スイッチング素子(22)のオン動作に先立って実行される請求項１記載の発電制動回路。
【請求項３】
前記第１スイッチング素子(24)としては、高耐圧のサイリスタ(ＳＣＲ)が使用され、前記第２スイッチング素子(22)としては、低耐圧の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(ＩＧＢＴ)や金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(ＭＯＳＦＥＴ)が使用される請求項１記載の発電制動回路。
【請求項４】
前記発電制動回路(18)における直流電源(20)の高電位入力側(Pi)に接続した第２スイッチング素子(22)と、該発電制動回路(18)における交流電動機(10)への高電位出力側(Po)に接続した第１スイッチング素子(24)とを直列に接続すると共に、これら第２スイッチング素子(22)及び第１スイッチング素子(24)の接続点と直流電源(20)の低電位入力側(Ｎi)との間に、該交流電動機(10)からの回生エネルギーを熱エネルギーに変換する転流回路(32)を接続してなる請求項１記載の発電制動回路。
【請求項５】
前記転流回路(32)は直列に接続した多数のダイオードからなり、該ダイオードの順方向電圧降下特性により回生エネルギーを熱エネルギーに変換する請求項４記載の発電制動回路。
【請求項６】
前記転流回路(32)と並列に分圧抵抗(34)を介装することで、前記第２スイッチング素子(22)への過電圧の印加を防止する請求項４又は５記載の発電制動回路。
【請求項７】
前記第１スイッチング素子(24)と並列に第１スナバ回路(36)を介装すると共に、第２スイッチング素子(22)と並列に第２スナバ回路(38)を介装し、これら第１スイッチング素子(24)のオン動作時及び第２スイッチング素子(22)のオン・オフ動作時に生ずるスパイク電圧を防止する請求項４記載の発電制動回路。
【請求項８】
前記分圧抵抗(34)は、前記第１スナバ回路(36)及び第２スナバ回路(38)の各定数Ｒｓ/Ｃｓのインピーダンスより低い値に設定される請求項６又は７記載の発電制動回路。
【請求項９】
前記発電制動回路(18)において、オン制御素子として機能する第１スイッチング素子(24)と、オン・オフ制御素子として機能する第２スイッチング素子(22)との制御シーケンスは以下の通り設定される請求項２記載の発電制動回路。
［1］発電制動回路(18)の非動作時：第１スイッチング素子(24)及び第２スイッチング素子(22)は何れもオフ
［2］発電制動回路(18)の運転開始時：第１スイッチング素子(24)がオンしてから第２スイッチング素子(22)がオン
［3］発電制動回路(18)の運転中：第１スイッチング素子(24)及び第２スイッチング素子(22)は何れもオン
［4］発電制動回路(18)の運転停止：第２スイッチング素子(22)がオフしてから第１スイッチング素子(24)がオフ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、交流電動機に直流を供給して速度制御を行う発電制動回路の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、工場等で使用される天井走行クレーンは、平面座標上のＸ方向(横行)及びＹ方向(縦行)の動きと、Ｚ方向の巻上げ・巻下げの動きとを有しており、その運転操作に際しては、運搬物を所定の位置へ円滑かつ速やかに移動させることが要求される。この種のクレーンの駆動源としては、一般に交流電動機が使用され、該電動機の加速・減速・停止等の速度制御方式として発電制動制御(所謂ダイナミックブレーキ制御)が採用されている。
【０００３】
この発電制動制御は、駆動用の電動機をその回転方向のままで発電機として動作させ、運動エネルギーを電気エネルギーに変換して、その電機子回路中に抵抗損として吸収する方法である。すなわち交流供給の遮断後にも惰性で回転している交流電動機へ直流(一例として５０Ｖ／１００Ａ)を流すことで、該交流電動機を発電機として機能させ、発生電力を負荷抵抗へ供給して逆方向のトルクを発生させて制動を与えるものである。例えば、図１は従来技術に掛かる発電制動回路を組み込んだ電動機の制御ブロックを示し、三相誘導電動機に代表される交流電動機１０の一次側は電磁接触器１２を介して三相交流電源１４に接続され、該交流電動機１０の二次側は短絡回路１６に接続されている。また符号１８は発電制動回路を示し、該発電制動回路１８の高圧側入力端子Ｐｉ及び低圧側入力端子Ｎｉは直流電源２０に接続している。更に、発電制動回路１８の高圧側出力端子Ｐｏ及び低圧側出力端子Ｎｏは、交流電動機１０の一次側のＶ相及びＷ相に夫々接続されている。なお、電磁接触器１２の動作中に発電制動回路１８が同時に動作することのないよう、相互間にインターロックがなされている。
【特許文献１】特開平６−４８５２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１に示す従来の発電制動回路１８の内部には、機械的接点を有する電磁接触器(MC)が組み込まれている。しかし、この種の有接点式接触器では、開閉操作時に直流アークが接点間に飛んで接点の損耗や寿命低減等を生じ、定期的な交換やメンテナンス作業を要する欠点がある。このような点弧現象による接点のダメージを回避するには、在来の発電制動制御方式を廃止して、インバータ若しくはサイリスタ制御に置き換えることが提案されるが、この場合はクレーン等の機械構造設備における電気制御系の大幅な設備更新を必要とすることになり、コストの増大を招く新たな難点を生ずる。
【０００５】
そこで、クレーン等の速度制御に従来通り発電制動制御方式を採用しつつ、前記発電制動回路１８での接点損耗を回避するには、無接点型のスイッチング素子の導入が考えられる。この場合に、交流電動機１０に前述の発電制動制御を行わせるには、(1)発電制動回路１８の非動作時には、交流電動機１０へ供給されている交流電圧が該発電制動回路１８に印加されるのを阻止し、(2)発電制動回路１８の動作時には、交流電動機１０へ直流を供給する必要がある。なお、無接点型のスイッチング素子としては、一般に自己消弧能力を有する電力用半導体素子(ＧＴＲ)や、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(ＩＧＢＴ)等が広く知られている。
【０００６】
このような無接点型のスイッチング素子を発電制動回路１８中に組み込んで使う場合、該発電制動回路１８は前記２つの機能(非動作時は交流電圧を阻止し、動作時は直流を流す)を満たす必要があり、従って交流電圧の阻止耐圧が高く、かつ許容電流の大きい素子が求められる。しかし、これら２つの高いハードルを同時にクリアするスイッチング素子は一般にコスト高であり、しかも長期の信頼性に欠けて入手も容易でない、という欠点がある。
更に、発電制動制御を行う場合は、交流電動機１０からの回生エネルギーを熱エネルギーに変換するために専ら大容量の抵抗ボックスを必要としているが、これにより発電制動回路１８の大型化や、インダクタンスによる跳ね上がり(フライバック)電圧の発生が問題になる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述した課題を解決し、所期の目的を好適に達成するため本発明は、交流電動機に直流を供給して発電制動による速度制御を行うようにした発電制動回路において、
その発電制動による速度制御の非動作時には、前記交流電動機に供給される交流が該発電制動回路に印加されるのを第１スイッチング素子で阻止し、
前記発電制動による速度制御を終了する際には、前記交流電動機への直流供給を第２スイッチング素子により遮断するよう構成したことを特徴とする。
【０００８】
この場合に、前記第１スイッチング素子は、前記発電制動回路から交流電動機へ供給される直流のオン動作を専ら担当するオン制御素子であり、また前記第２スイッチング素子は、前記発電制動回路から交流電動機へ供給される直流のオン動作及びオフ動作を担当するオン・オフ制御素子である。より具体的には、第１スイッチング素子としては、例えば高耐圧のサイリスタ(ＳＣＲ)が好適に使用可能であり、また第２スイッチング素子としては、例えば低耐圧の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(ＩＧＢＴ)や、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(ＭＯＳＦＥＴ)が選択的かつ好適に使用可能である。
【０００９】
すなわち本発明は、交流電動機に直流を供給する「発電制動制御」を行うことで速度を制御する方式を踏襲しつつも、発電制動回路に組み込むスイッチ機構として、交流電圧の印加阻止の機能と、交流電動機へ直流を供給する機能とを、直列に接続した２つのスイッチング素子の夫々に分担させるようにしたものである。例えば、ライン電圧が４００Ｖの交流電圧を阻止するには、高耐圧で信頼性が高く構造の単純なサイリスタ(ＳＣＲ)を第１スイッチング素子として使用する。この種のサイリスタの規格は、最大許容電圧８００Ｖ(耐圧１６００Ｖ)の如く高耐圧で信頼性があり、かつ構造も簡単だからである。また発電制動回路を介して交流電動機へ直流を流すには、その直流電圧は５０Ｖ程度と低いので、低耐圧の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(ＩＧＢＴ)や、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(ＭＯＳＦＥＴ)を第２スイッチング素子として使用する。これらＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴは、低耐圧タイプであれば入手容易で、コストも安く汎用性に富んでいる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る発電制動回路によれば、交流電動機を発電制動制御するに際して、交流電圧の阻止は高耐圧の第１スイッチング素子に分担させ、また直流電流の遮断は低耐圧の第２スイッチング素子に分担させるものであって、このような役割分担によって、信頼性が高く長寿命のスイッチ機構を発電制動回路に組み込み可能となるものである。本発明により奏される効果を整理すれば、以下の通りである。
(a)発電制動制御に際し、交流電動機へ供給される交流電圧が高く、また発電制動回路が扱う直流電流が大きい程、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との組合せによるメリットが大きくなる。
(b)電流値の制御は、第２スイッチング素子のスイッチング動作により可能である。
(c)直流のオン(投入)動作は第１スイッチング素子で行うことで、過大なラッシュカーレント(突入電流)により第２スイッチング素子が蒙る負担を回避する。また第２スイッチング素子の遮断特性を緩やかにしているため、該第２スイッチング素子により直流をオフ(遮断)することで跳ね上がり電圧を抑制することができる。
なお、直流遮断後に交流電動機の惰性回転に起因する回生電流は、ダイオードの順方向電圧降下特性を利用した転流回路を介することで、熱エネルギーに変換することができる。従って、従来必要としていた大型の抵抗ボックスが不要となり、発電制動回路の小型化が達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明に係る発電制動回路につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照しながら以下説明する。図２は、実施例に掛かる発電制動回路１８を示すものであって、この発電制動回路１８の高圧側入力端子Ｐｉ及び低圧側入力端子Ｎｉが直流電源２０に接続し、該発電制動回路１８の高圧側出力端子Ｐｏ及び低圧側出力端子Ｎｏが交流電動機１０のＶ相及びＷ相に夫々接続されていることは、図１に関して説明した通りである。また発電制動回路１８には、前述したインターロック回路や直流電圧監視回路等の保護機能が必要であるが、これらの図示は省略してある。
【００１２】
図２の発電制動回路１８には、直流電源２０の高圧側入力端子Ｐｉ(高電位入力側)に一端が接続する第２スイッチング素子２２と、該発電制動回路１８の高圧側出力端子Ｐｏ(高電位出力側)に一端が接続する第１スイッチング素子２４とが直列に接続されている。また発電制動回路１８の低圧側入力端子Ｎｉ(低電位入力側)と低圧側出力端子Ｎｏ(低電位出力側)とは、アースライン２６により接続されている。ここで使用される第１スイッチング素子２４は、発電制動回路１８から交流電動機１０へ供給される直流のオン動作だけを専ら担当するものであって、オン制御素子と言い換えることが出来る。また第２スイッチング素子２２は、発電制動回路１８から交流電動機１０へ供給される直流のオン動作及びオフ動作を担当するものであって、オン・オフ制御素子と言い換えることが出来る。
【００１３】
すなわち第１スイッチング素子２４は、発電制動回路１８の非動作時(交流電動機１０の発電制動制御がなされない時)に、交流電動機１０に供給される交流が該発電制動回路１８に印加されるのを阻止するものであって、具体的には、高耐圧のサイリスタ(ＳＣＲ)が使用される。勿論、この第１スイッチング素子２４は、発電制動回路１８から交流電動機１０へ直流を供給する際にはオン動作を行う。また第２スイッチング素子２２は、前記交流電動機１０に対する発電制動制御の終了時には、該交流電動機１０への直流供給の遮断を行うものであって、具体的には、低耐圧の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(ＩＧＢＴ)や、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(ＭＯＳＦＥＴ)が使用される。
【００１４】
発電制動回路１８において、第２ドライバ２８は第２スイッチング素子２２のドライバ回路を示し、第１ドライバ３０は第１スイッチング素子２４のドライバ回路を示している。また第１スイッチング素子２４及び第２スイッチング素子２２の接続点と前記アースライン２６(直流電源の低電位側)との間には、交流電動機１０からの回生エネルギーを熱エネルギーに変換する転流回路３２が接続されている。この転流回路３２は、例えば多数のダイオードを直列に接続して構成され、該ダイオードの順方向電圧降下特性により回生エネルギーを熱エネルギーに変換し得るようになっている。
【００１５】
また前記転流回路３２と並列に分圧抵抗３４が介装され、これによって前記第２スイッチング素子２２への過電圧の印加を防止するようになっている。更に、第１スイッチング素子２４と並列に第１スナバ回路３６が介装されると共に、第２スイッチング素子２２と並列に第２スナバ回路３８が介装されている。これらのスナバ回路３６,３８はコンデンサＣと抵抗Ｒの直列結合で構成され、第１スイッチング素子２４のオン動作時及び第２スイッチング素子２２のオン・オフ動作時に生ずるスパイク電圧を防止するものである。ちなみに分圧抵抗３４は、第１スナバ回路３６及び第２スナバ回路３８の各定数ＲS/ＣSのインピーダンスより低い値に設定される。
【００１６】
次に、本発明に係る発電制動回路による制御シーケンスにつき説明する。なお、図１に示す交流電動機１０の制御ブロックにおける発電制動回路１８は、図２の発電制動回路１８に置き換えられているものとする。先ず、運転中の交流電動機１０を、発電制動制御により減速・停止させる手順は以下の通りである。
（1）電磁接触器１２を作動させて、交流電動機１０へ供給されている一次側交流電源を遮断する。しかし交流電動機１０は、慣性により回転(惰動)を続けるため、即時停止には至らない。
（2）交流電動機１０の二次側に接続した短絡回路１６の抵抗を小さくすることで、回転速度を減少させる。
（3）発電制動回路１８から交流電動機１０の一次側巻線に直流電圧を印加することで、該電動機１０を発電機として作動させることで発電制動を与え、回転速度を急激に減速させる。
（4）機械的ブレーキ(図示せず)により交流電動機１０を完全に停止させる。
【００１７】
第１スイッチング素子２４及び第２スイッチング素子２２を組み込んだ発電制動回路１８の動作シーケンスは、次の通りである。
（1）発電制動回路の非動作状態
交流電動機１０には、電磁接触器１２を介して三相交流が供給されている。このため交流電動機１０に接続する発電制動回路１８の高圧側出力端子Ｐｏ及び低圧側出力端子Ｎｏにも交流電圧Ｖacが印加される。この交流電圧Ｖacは、例えば４００Ｖの高電圧であるため、該電圧が発電制動回路１８に印加されると内部の直流回路は瞬時に破懐されてしまう。この高い交流電圧が発電制動回路１８へ流入するのを阻止する機能を、サイリスタ(ＳＣＲ)に代表される前記第1スイッチング素子２４が果たしている。すなわち第１スイッチング素子２４はオフ状態になっている。ちなみに第２スイッチング素子２２も、このときはオフ状態になっている。
（2）発電制動回路の動作時
電磁接触器１２がオフ動作することにより、交流電動機１０への交流供給は遮断される。この電磁接触器１２のオフ動作中に、発電制動回路１８は以下の動作を行って発電制動を行う。なお、発電制動回路１８は、オン制御素子としての特性を有する第１スイッチング素子２４及びオン・オフ制御素子としての特性を有する第２スイッチング素子２２を直列に接続したものであるから、該発電制動回路１８の操作順序には４通りの方法が発生する(何れの素子もオフ、何れかの素子がオン、何れの素子もオン)。
【００１８】
(a) 発電制動の開始
図２の第１ドライバ３０を起動して第１スイッチング素子２４にゲート信号を供給すると、該素子２４はオン動作に切り替わる。しかし第２ドライバ２８は起動していないため、図３のタイムチャートに示すように、第２スイッチング素子２２はオフ状態にある。すなわち交流電動機１０への直流供給は未だなされない。
【００１９】
(b) 発電制動中
次に、第２ドライバ２８を起動して第２スイッチング素子２２にゲート信号を供給することで、該素子２２はオン動作に切り替わる。これにより第１スイッチング素子２４及び第２スイッチング素子２２の双方がオン状態になるので、
直流電源２０からの直流が両素子２２,２４を経由して交流電動機１０に供給される。すなわち交流電動機１０には、発電制動動作(ダイナミックブレーキ)が与えられ、回転速度の減少がもたらされる。
【００２０】
(c) 運転停止の開始
前述の減速制御がなされた交流電動機１０の運転を停止させるには、図３に示すように、第２スイッチング素子２２を第１スイッチング素子２４より先にオフ動作させる。この第２スイッチング素子２２としては、例えばＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴが使用されるが、これら素子の電流遮断特性を緩やかにしているため(オフ動作開始から完全遮断に至る降下曲線が緩徐である)、交流電動機１０や配線のインダクタンスにより発生するフライバック(跳ね上がり)電圧の発生を減少させ得る利点がある。
【００２１】
(d) 運転停止の完了
第２スイッチング素子２２の電流が減少する過程で、交流電動機１０に流れている電流はインダクタンス分だけ持続するが、この電流は転流回路３２へ転流させられる。すなわち、交流電動機１０からの電流は、発電制動回路１８の低圧側出力端子Ｎｏから多数のダイオードを直列に接続してなる転流回路３２に入り、第１スイッチング素子２４及び高圧側出力端子Ｐｏを経て交流電動機１０に帰還するルートを辿ることになる。そして転流回路３２は、ダイオードの順方向電圧降下特性によって、交流電動機１０に蓄積されたインダクタンスエネルギーを熱エネルギーに変換させる役割を果たす。また転流回路３２は、フライバック電圧を下げるために低インダクタンス配線を必要とするが、ダイオードを使用することで低インダクタンス化が可能である。なお、前記転流回路３２と並列に分圧抵抗３４が介装されているので、第２スイッチング素子２２への過大な電圧の印加が防止される。
【００２２】
（3）第１スイッチング素子２４のオフ動作  交流電動機１０からの電流は、前述した如く、転流回路３２でのエネルギー消費により徐々に減少し、第１スイッチング素子２４の保持電流Ｉｈ以下になると、該素子２４の自己消弧作用により自然にオフ動作するに至る。すなわち、一般に交流電動機１０や配線のインダクタンスにおける電流を急激に遮断すると、高いフライバック(跳ね上がり)電圧が発生して周辺機器に耐圧破壊を及ぼすことも起こり得る。しかし本動作によれば、第１スイッチング素子２４の持つ自己消弧作用によりオフ動作させるため、極めて安全に遮断できて周辺機器に耐圧破壊を及ぼすこともない。仮に第２スイッチング素子２２でオフ動作を行うとなると、前記要因を排除するため先ず電流停止を検出し、その後に制御信号を遮断する等の複雑な機能を必要とすることになる。
【００２３】
先に説明したように、第１スイッチング素子２４と並列に第１スナバ回路３６が介装され、また第２スイッチング素子２２と並列に第２スナバ回路３８が介装されているので、これら第１スイッチング素子２４のオン動作時および第２スイッチング素子２２のオン・オフ動作時に生ずる高いスパイク電圧が有効に防止される。なお、前記分圧抵抗３４の値は、第１スナバ回路３６及び第２スナバ回路３８の各定数Ｒｓ/Ｃｓのインピーダンスより低く設定される。
【００２４】
本発明に係る発電制動回路１８は、オンフ制御素として機能する第１スイッチング素子２４と、オン・オフ制御素として機能する第２スイッチング素子２２との組み合わせからなるが、その制御シーケンスを纏めると以下の通りである。
(1)発電制動回路１８の非動作時：第１スイッチング素子２４及び第２スイッチング素子２２は何れもオフ
(2)発電制動回路１８の運転開始時：第１スイッチング素子２４がオンしてから、所要時間だけ遅延した後に第２スイッチング素子２２がオン
(3)発電制動回路１８の運転中：第１スイッチング素子２４及び第２スイッチング素子２２は何れもオン
(4)発電制動回路１８の運転停止：第２スイッチング素子２２がオフしてから、所要時間だけ遅延した後に第１スイッチング素子２４がオフ
【産業上の利用可能性】
【００２５】
実施例では、天井走行クレーンの交流電動機を発電制動制御する場合について説明したが、各種の機械構造設備の駆動源として交流電動機を採用すると共に、該交流電動機の速度制御に発電制動制御を使用する場合の全てに、本発明に係る発電制動回路を好適に応用し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来技術に係る発電制動回路を組み込んだ交流電動機の制御ブロック図である。
【図２】図１に示した制御ブロックに設けられる本発明の好適実施例に係る発電制動回路の概略構成図である。
【図３】本発明の好適実施例に係る発電制動回路のタイミングチャート図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０  交流電動機
１２  電磁接触器
１４  三相交流電源
１８  発電制動回路
２０  直流電源
２２  第２スイッチング素子
２４  第１スイッチング素子
２６  アースライン
２８  第２ドライバ回路(第２スイッチング素子２２の)
３０  第１ドライバ回路(第１スイッチング素子２４の)
３２  転流回路
３４  分圧抵抗
３６  第１スナバ回路
３８  第２スナバ回路
【図１】
2006005994.tif 000003
【図２】
2006005994.tif 000004
【図３】
2006005994.tif 000005