(57)【要約】【課題】電源インピーダンスの大きさ如何に関わらずＤＣリンクコンデンサの初期充電時間を最適化するコンバータ装置を実現する。【解決手段】コンバータ装置１は、交流電源２から入力される交流を直流に変換し、直流側であるＤＣリンクへ出力する主回路部１１と、ＤＣリンクに設けられたＤＣリンクコンデンサ１２と、主回路部１１の交流入力側の交流電圧波高値を検出する交流電圧検出部１３と、ＤＣリンクコンデンサ電圧値を検出するＤＣリンクコンデンサ電圧検出部１４と、主回路部１１とＤＣリンクコンデンサ１２との間の電路を開閉するスイッチ２１とこれに並列接続された充電抵抗２２とを有する初期充電部１５と、主回路部１１に流入もしくは主回路部１１から流出する電流値を検出する電流検出部１６と、スイッチ２１が開から閉に切り換えられたときに電流検出部１６が検出した電流値に応じて、電圧基準値を設定する電圧基準値設定部１７とを備える。【選択図】図１
2018191416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から入力される交流を直流に変換し、直流側であるＤＣリンクへ出力する主回路部と、
前記ＤＣリンクに設けられたＤＣリンクコンデンサと、
前記主回路部の交流入力側の交流電圧波高値を検出する交流電圧検出部と、
前記ＤＣリンクコンデンサに印加されるＤＣリンクコンデンサ電圧値を検出するＤＣリンクコンデンサ電圧検出部と、
前記主回路部と前記ＤＣリンクコンデンサとの間の電路を開閉するスイッチと前記スイッチに並列接続された充電抵抗とを有する初期充電部であって、前記スイッチの開期間中に前記充電抵抗を介して供給される前記主回路部からの直流電力により前記ＤＣリンクコンデンサを初期充電し、前記ＤＣリンクコンデンサ電圧値と前記交流電圧波高値との差が電圧基準値以下になったときに前記スイッチが開から閉に切り換えられることで前記ＤＣリンクコンデンサの初期充電動作を完了する初期充電部と、
前記主回路部に流入もしくは前記主回路部から流出する電流値を検出する電流検出部と、
前記スイッチが開から閉に切り換えられたときに前記電流検出部が検出した電流値に応じて、前記電圧基準値を設定する電圧基準値設定部と、
を備える、コンバータ装置。
【請求項２】
前記電圧基準値設定部は、予め規定された許容突入電流値と前記スイッチが開から閉に切り換えられたときに前記電流検出部が検出した電流値との差に応じて、前記電圧基準値を設定する、請求項１に記載のコンバータ装置。
【請求項３】
前記電圧基準値設定部は、前記許容突入電流値と前記スイッチが開から閉に切り換えられたときに前記電流検出部が検出した電流値との差が、予め規定された電流基準値より大きい場合、前記電圧基準値を、既に設定されていた値よりもより大きな値に変更して設定する、請求項２に記載のコンバータ装置。
【請求項４】
前記電圧基準値設定部は、前記許容突入電流値と前記スイッチが開から閉に切り換えられたときに前記電流検出部が検出した電流値との差が、前記電流基準値より小さい場合、前記基準電圧値についての変更処理を停止する、請求項３に記載のコンバータ装置。
【請求項５】
前記電圧基準値設定部は、前記許容突入電流値と前記スイッチが開から閉に切り換えられたときに前記電流検出部が検出した電流値との差が、略一定値に収束したとき、前記基準電圧値についての変更処理を停止する、請求項３に記載のコンバータ装置。
【請求項６】
前記電圧基準値設定部は、前記コンバータ装置に対する制御電源の供給が遮断されたとき、既に設定されていた前記電圧基準値をリセットする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のコンバータ装置。
【請求項７】
前記電圧基準値設定部は、リセット指令を受信したとき、既に設定されていた前記電圧基準値をリセットする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のコンバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣリンクコンデンサの初期充電時間を最適化するコンバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械やロボットなどを含む機械に設けられたモータを駆動するモータ駆動装置においては、交流電源から入力される交流をコンバータ装置（順変換器）にて直流に変換してＤＣリンクへ出力し、さらにインバータ装置（逆変換器）にてＤＣリンクの直流を交流に変換し、この交流の電力をモータの駆動電力として用いている。
【０００３】
モータ駆動装置のコンバータ装置の直流出力側とインバータ装置の直流入力側とを接続するＤＣリンクには、ＤＣリンクコンデンサが設けられる。ＤＣリンクコンデンサは、コンバータ装置の直流出力の脈動分を抑える機能、及びインバータ装置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を有する。
【０００４】
ＤＣリンクコンデンサは、モータ駆動装置の起動直後からモータの駆動開始前（すなわちインバータ装置による電力変換動作開始前）までに充電しておく必要がある。この充電は、一般に初期充電（もしくは予備充電）と称される。初期充電は、スイッチとスイッチに並列接続された充電抵抗とを有する初期充電部によって行われる。初期充電部のスイッチは、モータ駆動装置の起動直後のＤＣリンクコンデンサの初期充電期間中のみ開放（オフ）され、モータ駆動装置がモータを駆動する通常動作期間中は閉路（オン）した状態を維持する。より詳細には、モータ駆動装置の起動直後（電源投入直後）からモータの駆動開始前までの初期充電期間中はスイッチを開放（オフ）することで、コンバータ装置から出力された直流電力が充電抵抗を通じてＤＣリンクコンデンサに流れ込み、ＤＣリンクコンデンサが充電される。ＤＣリンクコンデンサが所定の電圧まで充電されると、スイッチを開から閉に切り換えて初期充電動作を完了する。初期充電部のスイッチを開から閉に切り換えて初期充電動作を完了する際には、コンバータ装置には入力された交流電圧の波高値とＤＣリンクコンデンサ電圧値との差分（電圧差）に応じた大きな突入電流が流れる。
【０００５】
特許文献１には、「リレーの後段に備えられる電源ノイズ吸収のための平滑コンデンサの動作に起因するものであり、リレーオン時にコンデンサの充電電圧が低いと、コンデンサへの突入電流がリレーを介して流れる」と記載されている。
【０００６】
例えば、交流電源からの交流電流を抑制する電流抑制用抵抗と該抵抗を短絡するスイッチ素子と該スイッチ素子のオン、オフを制御するスイッチ制御部とを含む突入電流防止部と、該突入電流防止部を介して入力される交流電圧を整流する整流回路と、該整流回路による整流出力電圧を、リアクトルとダイオードとを介して印加するコンデンサと、前記リアクトルにエネルギを蓄積し、該エネルギを前記ダイオードを介して前記コンデンサに入力するようにスイッチングするスイッチング・トランジスタと、電流を検出して設定電流を超えないように、前記スイッチング・トランジスタのオン、オフのオン時比率を制御するスイッチング制御部とを含む力率改善部とを備え、動作開始時に前記突入電流防止部の前記スイッチ素子をオフとし、所定時間後に前記力率改善部の前記スイッチング・トランジスタのオン，オフ動作を開始させた後、所定時間後に前記突入電流防止部の前記スイッチ素子をオンとして前記電流抑制用抵抗を短絡するようにタイミングを制御するシーケンス制御部を設けたことを特徴とする突入電流抑制回路が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００７】
また例えば、交流電源の交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、該コンバータ部が変換した直流電力を周波数可変の交流電力に変換するインバータ部と、から成るモータ駆動装置において、前記コンバータ部は、交流電源の各相電圧を監視し停電を検出する電源電圧監視部と、ＤＣリンク電圧を監視し低電圧を検出するＤＣリンク電圧検出手段と、前記コンバータ部および前記インバータ部に搭載されているＤＣリンク平滑用コンデンサの総容量を算出する手段と、瞬時停電時のＤＣリンク低電圧アラーム検出レベルを必要に応じて可変させる手段と、前記ＤＣリンク電圧を監視し前記ＤＣリンク低電圧アラーム検出レベルを下回った場合にはアラームを発生させて前記コンバータ部を保護する手段と、を有し、前記交流電源の前記電源電圧監視部が停電を検出した場合には前記ＤＣリンク低電圧アラーム検出レベルを前記ＤＣリンク平滑用コンデンサの総容量に応じて上げ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３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１３−１９８１７２号公報
【特許文献２】特開２０００−０６０１２７号公報
【特許文献３】特開２０１３−２１９８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来より、コンバータ装置では、入力される交流電圧の波高値とＤＣリンクコンデンサ電圧値との差（すなわち電圧差）が、ある電圧基準値に達した場合に、初期充電部のスイッチを開から閉に切り換えて初期充電動作を完了する方法がとられている。一般に、電源インピーダンスが小さいほど、初期充電部のスイッチを開から閉に切り換えた際にコンバータ装置に発生する突入電流は大きくなる。よって、初期充電動作の完了の判断基準（すなわち初期充電部のスイッチを開から閉に切り換えるか否かの判断基準）となる電圧基準値は、電源インピーダンスが最も小さい値である「ゼロ」であると一意的に仮定し、この仮定の下で発生が予想される突入電流が、コンバータ装置を破壊しない最大電流（以下、「許容突入電流」と称する。）を超えることがないような値に設定していた。
【００１０】
しかしながら、実際には電源インピーダンスはゼロではない。特に電源インピーダンスが大きい場合は、電源インピーダンスがゼロの場合に比べて、初期充電部のスイッチを開から閉に切り換えた際にコンバータ装置に発生する突入電流は、より小さなものとなる。したがって、電源インピーダンスがゼロであるとの仮定の下で設定した基準電圧値は、電源インピーダンスが大きい場合においては、突入電流によるコンバータ装置の破壊を必要以上に危惧して設定した値であると言え、コンバータ装置が本来的に有する許容突入電流に対して過剰なマージンが存在している。また、電源インピーダンスが大きいほど充電電流が小さくなりＤＣリンクコンデンサの初期充電時間も長くなる。よって、電源インピーダンスがゼロであると一意的に仮定して設定した基準電圧値は、必ずしも最適なものであるとはいえない。
【００１１】
したがって、直流出力側にＤＣリンクコンデンサを有するコンバータ装置においては、電源インピーダンスの大きさ如何に関わらず、ＤＣリンクコンデンサの初期充電時間を最適化できる技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本開示の一態様によれば、コンバータ装置は、交流電源から入力される交流を直流に変換し、直流側であるＤＣリンクへ出力する主回路部と、ＤＣリンクに設けられたＤＣリンクコンデンサと、主回路部の交流入力側の交流電圧波高値を検出する交流電圧検出部と、ＤＣリンクコンデンサに印加されるＤＣリンクコンデンサ電圧値を検出するＤＣリンクコンデンサ電圧検出部と、主回路部とＤＣリンクコンデンサとの間の電路を開閉するスイッチとこのスイッチに並列接続された充電抵抗とを有する初期充電部であって、スイッチの開期間中に充電抵抗を介して供給される主回路部からの直流電力によりＤＣリンクコンデンサを初期充電し、ＤＣリンクコンデンサ電圧値と交流電圧波高値との差が電圧基準値以下になったときにスイッチが開から閉に切り換えられることでＤＣリンクコンデンサの初期充電動作を完了する初期充電部と、主回路部に流入もしくは主回路部から流出する電流値を検出する電流検出部と、スイッチが開から閉に切り換えられたときに電流検出部が検出した電流値に応じて、電圧基準値を設定する電圧基準値設定部と、を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本開示の一態様によれば、直流出力側にＤＣリンクコンデンサを有するコンバータ装置において、電源インピーダンスの大きさ如何に関わらずＤＣリンクコンデンサの初期充電時間を最適化するコンバータ装置を実現することができる。
【００１４】
本開示の一態様によれば、初期充電動作が実行される度に電圧基準値設定部による基準電圧値についての変更処理が実行されるので、初期充電時間を効率よく最適化することができる。例えば、マシニングセンタは、加工室の扉が開閉されるたびに初期充電動作を行うが、本開示の一態様によれば、加工室の扉の開閉に伴い実行される初期充電動作ごとに初期充電動作に要する時間が徐々に最適化されていくので、マシニングセンタにおけるタクトタイムを効率よく短縮することができる。
【００１５】
また、本開示の一態様によれば、電圧基準値設定部により設定された基準電圧値は、当該基準電圧値が設定されたときにコンバータ装置に接続されていた交流電源が交換されない場合のみ有効であり、交流電源が交換された場合は基準電圧値はリセットされるので、異なる電源インピーダンスを有する交流電源に交換されても、突入電流によりコンバータ装置が破壊される危険性はない。
【００１６】
また、本開示の一態様によれば、交換後の交流電源が接続されたコンバータ装置については基準電圧値についての変更処理を再び実行し、交換後の交流電源の電源インピーダンスに対応した新たなる電圧基準値を生成する、電源インピーダンスの大きさ如何に関わらずＤＣリンクコンデンサの初期充電時間を容易に最適化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】一実施形態によるコンバータ装置を示す図である。
【図２】一実施形態によるコンバータ装置の１回あたりの初期充電動作の動作フローを示すフローチャートである。
【図３】一実施形態によるコンバータ装置における初期充電期間中のＤＣリンクコンデンサ電圧及びＤＣリンクコンデンサに流れ込む電流の各波形を例示する図であって、（Ａ）は１回目の初期充電動作における各波形を例示し、（Ｂ）は２回目の初期充電動作における各波形を例示し、（Ｃ）ｎ回目の初期充電動作における各波形を例示する。
【図４】主回路部の交流入力側に電流検出部が設けられた一実施形態によるコンバータ装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下図面を参照して、ＤＣリンクコンデンサの初期充電時間を最適化するコンバータ装置について説明する。各図面において、同様の部材には同様の参照符号が付けられている。また、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。また、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。
【００１９】
図１は、一実施形態によるコンバータ装置を示す図である。ここでは、一例として、交流電源２から三相交流がコンバータ装置１に供給される場合について説明する。なお、交流電源２の相数は本発明を特に限定するものではなく、例えば単相であってもよい。
【００２０】
図１では、コンバータ装置１の直流出力側であるＤＣリンクに接続される機器については、図示を省略している。コンバータ装置１の直流出力側であるＤＣリンクに接続される機器としては、例えば、交流モータに駆動電力を供給するインバータ装置、フライホイール型エネルギー蓄積装置との間で電力の出し入れを行うインバータ装置、蓄電池、及び燃料電池などがある。ここで、交流モータが設けられる機械には、工作機械、ロボット、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、各種電化製品、電車、自動車、航空機などが含まれる。また、コンバータ装置１が、例えば交直双方向に電力変換が可能なコンバータ装置として構成される場合は、例えば太陽光発電装置が接続されることもある。
【００２１】
図１に示すように、一実施形態によるコンバータ装置１は、主回路部１１と、ＤＣリンクコンデンサ１２と、交流電圧検出部１３と、ＤＣリンクコンデンサ電圧検出部１４と、初期充電部１５と、電流検出部１６と、電圧基準値設定部１７とを備える。
【００２２】
主回路部１１は、交流電源２から入力される交流を直流に変換し、直流側であるＤＣリンクへ出力する。図示の例では、主回路部１１は、交流電源２から三相交流が供給されるので三相ブリッジ回路からなるが、交流電源２から単相交流が供給される場合は単相ブリッジ回路からなる。主回路部１１の例としては、ダイオード整流回路、１２０度通電型整流回路、及びＰＷＭスイッチング制御方式の整流回路などがある。主回路部１１がダイオード整流回路である場合は、交流電源２から入力された交流電流を整流し、ＤＣリンクに直流電流を出力する。主回路部１１が１２０度通電型整流回路やＰＷＭスイッチング制御方式の整流回路である場合は、交流電源２から入力された交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクへ出力し、ＤＣリンクの直流電力を交流電力に変換して交流電源２へ出力する、交直双方向に変換可能である電力変換器として実現することができる。また例えば、主回路部１１がＰＷＭスイッチング制御方式の整流回路である場合は、スイッチング素子及びこれに逆並列に接続されたダイオードのブリッジ回路からなり、電力変換制御部（図示せず）から受信したスイッチング指令に応じて各スイッチング素子がオンオフ制御されて交直双方向に電力変換を行う。スイッチング素子の例としては、ＦＥＴなどのユニポーラトランジスタ、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯなどがあるが、スイッチング素子の種類自体は本実施形態を限定するものではなく、その他のスイッチング素子であってもよい。
【００２３】
主回路部１１の直流出力側であるＤＣリンクには、ＤＣリンクコンデンサ１２が設けられる。ＤＣリンクコンデンサ１２は、順変換器１１の直流出力の脈動分を抑える機能に加え、直流電力を蓄積する機能も有する。例えば、ＤＣリンクにインバータ装置（図示せず）が接続される場合は、ＤＣリンクコンデンサ１２に蓄積された直流電力は、インバータ装置が交流電力を生成するために用いられる。
【００２４】
交流電圧検出部１３は、主回路部１１の交流入力側の交流電圧波高値（交流電圧実効値の√２倍）を検出する。検出された交流電圧波高値は、初期充電部１５内の制御部２０に送られる。
【００２５】
ＤＣリンクコンデンサ電圧検出部１４は、ＤＣリンクコンデンサ１２に印加されるＤＣリンクコンデンサ電圧の値（以下、「ＤＣリンクコンデンサ電圧値」と称する。）を検出する。検出されたＤＣリンクコンデンサ電圧値は、初期充電部１５内の制御部２０に送られる。
【００２６】
初期充電部１５は、主回路部１１とＤＣリンクコンデンサとの間の電路を開閉するスイッチ２１と、スイッチ２１に並列接続された充電抵抗２２と、スイッチ２１の開閉を制御する制御部２０とを有する。スイッチ２１の例としては、サイリスタやＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子や、リレーなどの機械式スイッチなどがある。
【００２７】
コンバータ装置１に電源が投入されて主回路部１１に対して交流電源２から交流電力の供給が開始されると、スイッチ２１は、制御部２０から開指令を受信して開放（オフ）され、初期充電が開始される。初期充電期間中は、スイッチ２１は開状態を維持するので、主回路部１１から出力される電流は充電抵抗２２を介して充電電流としてＤＣリンクコンデンサ１２へ流れ込み、ＤＣリンクコンデンサ１２は充電される。初期充電期間中は、主回路部１１から出力される電流は充電抵抗２２を流れることで、初期充電期間中における過大な突入電流の発生は抑制される。制御部２０は、ＤＣリンクコンデンサ電圧検出部１４により検出されたＤＣリンクコンデンサ電圧値と、交流電圧検出部１３により検出された交流電圧波高値と、の差（電圧差）を監視する。制御部２０は、ＤＣリンクコンデンサ電圧値と交流電圧波高値との差が電圧基準値以下になったと判定したとき、スイッチ２１に対して出力される指令を開指令から閉指令に切り換える。これにより、スイッチ２１が開から閉に切り換えられ、ＤＣリンクコンデンサ１２の初期充電動作を完了する。スイッチ２１の閉状態時の抵抗値は充電抵抗２２の抵抗値より低いので、初期充電完了動作後は、主回路部１１から出力される電流は、閉状態にあるスイッチ２１を通じて、ＤＣリンクに接続された各種機器（図示せず）へ向けて流れることになる。
【００２８】
電流検出部１６は、主回路部１１の直流出力側に設けられ、主回路部１１から流出する電流の値（以下、単に「電流値」と称することがある。）を検出する。特に初期充電期間中は、電流検出部１６は主として突入電流値の検出に用いられる。
【００２９】
電圧基準値設定部１７は、スイッチ２１が開から閉に切り換えられたとき（すなわち初期充電部１５による初期充電動作が完了したとき）に電流検出部１６が検出した電流値に応じて、電圧基準値を設定する。電圧基準値設定部１７により設定された電圧基準値は、次回行われる初期充電部１５による初期充電動作についての完了の判断基準（すなわち次回行われる初期充電において初期充電部１５のスイッチ２１を開から閉に切り換えるか否かの判断基準）として用いられる。より詳細に説明すると次の通りである。
【００３０】
電圧基準値設定部１７は、スイッチ２１が開から閉に切り換えられたとき（すなわち初期充電部１５による初期充電動作が完了したとき）に電流検出部１６が検出した電流値と予め規定された許容突入電流値との差に応じて、次回行われる初期充電部１５による初期充電動作の完了の判断基準（すなわち次回行われる初期充電においてスイッチ２１を開から閉に切り換えるか否かの判断基準）となる電圧基準値を設定する。ここで、許容突入電流値は、コンバータ装置１を構成する部品を破壊することがない突入電流の最大電流値が設定される。コンバータ装置１を構成する部品の例としては、主回路部１１内のダイオード及びスイッチング素子、ＤＣリンクコンデンサ１２、交流電圧検出部１３、ＤＣリンクコンデンサ電圧検出部１４、初期充電部１５内のスイッチ２１及び充電抵抗２２、電流検出部１６、導線、端子、その他電子部品などがある。
【００３１】
電圧基準値設定部１７は、許容突入電流値とスイッチ２１が開から閉に切り換えられたときに電流検出部１６が検出した電流値との差が、予め規定された電流基準値より大きい場合に、電圧基準値を、当該時点において既に設定されていた値よりもより大きな値に変更して設定する。予め規定された電流基準値については後述する。電圧基準値設定部１７による電圧基準値の変更処理により、次回の初期充電時におけるスイッチ２１が開から閉に切り換えられたときに電流検出部１６が検出する電流値と許容突入電流値との差が小さくなり、初期充電時間はより最適値に近づくことになるが、この詳細については後述する。新たに設定された電圧基準値は、次回行われる初期充電部１５による初期充電動作の完了の判断基準（すなわち次に行われる初期充電においてスイッチ２１を開から閉に切り換えるか否かの判断基準）として用いられる。なお、電圧基準値をどれくらい大きな値に変更するかについては作業者が任意に設定可能であり、コンバータ装置１が適用される環境や用途などに応じて、適宜設定すればよい。
【００３２】
また、電圧基準値設定部１７による電圧基準値の設定変更処理は、次の場合に停止する。
【００３３】
例えば、電圧基準値設定部１７は、許容突入電流値とスイッチ２１が開から閉に切り換えられたときに電流検出部１６が検出した電流値との差が、予め規定された電流基準値以下になったとき、基準電圧値についての変更処理を停止する。許容突入電流値と電流検出部１６が検出した突入電流の値との差がゼロになった際に設定されていた基準電圧値が、本来的な最適値であるので、上記電流基準値はゼロに設定するのが理想的ではある。しかしながら、電流基準値をゼロに設定すると、突入電流に何らかのノイズが含まれた場合に許容突入電流値を超えて部品破壊を招く危険性がある。そこで、本実施形態では、電流基準値は、多少のマージンを持たせる意味でゼロに近い値に設定する。つまり、電流基準値は、発生した突入電流の値が許容突入電流値を超えず、なおかつ許容突入電流値と発生した突入電流の値との差が大きくなり過ぎない程度の値に設定される。なお、電流基準値については作業者が任意に設定可能であり、コンバータ装置１が適用される環境や用途などに応じて、適宜設定すればよい。
【００３４】
また、この代替例として、許容突入電流値と電圧基準値設定部１７は、スイッチ２１が開から閉に切り換えられたときに電流検出部１６が検出した電流値との差が、略一定値に収束したとき、基準電圧値についての変更処理を停止するようにしてもよい。
【００３５】
以上説明した電圧基準値設定部１７による基準電圧値についての変更処理は、初期充電時間を最適化する基準電圧値が生成されるまで、初期充電動作が実行される度に実行される。すなわち、通常の初期充電動作が繰り返し実行される間に、初期充電時間が最適化されていくので効率がよい。例えば、マシニングセンタは、加工室の扉が開閉されるたびに初期充電動作を行う。本実施形態によるコンバータ装置１をマシニングセンタ内のモータ駆動装置に組み込めば、加工室の扉の開閉の度に初期充電動作が実行されるにつれて、初期充電時間が最適化されていくので、タクトタイムを効率的に短縮することができる。
【００３６】
上述のように電圧基準値設定部１７により設定された基準電圧値は、ある特定の交流電源２に接続されたコンバータ装置１において、最適化された初期充電時間にて初期充電動作を行うことができるようにするものである。ただし、コンバータ装置１に接続される交流電源２が変更されると電源インピーダンスも変わるので、電圧基準値設定部１７により設定された基準電圧値は、変更後の交流電源２が設定されたコンバータ装置１に対しては、最適化された初期充電時間を提供しない。例えば電源インピーダンスが高い交流電源２に接続されていたコンバータ装置１について最適化された初期充電時間を提供する基準電圧値が電圧基準値設定部１７により設定されていた場合において、コンバータ装置１に接続される交流電源２が電源インピーダンスが低いものに交換されると、既に設定されていた基準電圧値を用いたまま初期充電動作を行うと、スイッチ２１が開から閉に切り換えられたとき（すなわち初期充電部１５による初期充電動作が完了したとき）に、コンバータ装置１に関して規定されていた許容突入電流値を超える突入電流が発生し、コンバータ装置１が破壊される危険性がある。
【００３７】
そこで本実施形態では、電圧基準値設定部１７により設定された基準電圧値は、当該基準電圧値が設定されたときにコンバータ装置１に接続されていた交流電源２が交換されない場合のみ有効であるとする。このため、電圧基準値設定部１７は、コンバータ装置１に接続されていた交流電源２が交換されたとき、既に設定されていた電圧基準値をリセットする。交換後の交流電源２が接続されたコンバータ装置１については、電圧基準値設定部１７が基準電圧値についての変更処理を再び実行し、交換後の交流電源２の電源インピーダンスに対応した新たなる電圧基準値を生成することで、初期充電時間を最適化する。このように、本実施形態によれば、直流出力側にＤＣリンクコンデンサ１２を有するコンバータ装置１において、電源インピーダンスの大きさ如何に関わらずＤＣリンクコンデンサの初期充電時間を最適化することができる。
【００３８】
なお、コンバータ装置１に接続されていた交流電源２が交換されたか否かは、例えば、コンバータ装置１に対する制御電源の供給が遮断されたか否かに基づいて判定することができる。制御電源は、コンバータ装置１内の各制御系を駆動するために用いられるものであり、例えば交流電源２側から供給された交流を整流して得られた直流をＤＣＤＣコンバータによって３．３［Ｖ］、５［Ｖ］及び２４［Ｖ］などの直流電圧に変圧することで得られる。交換のために交流電源２をコンバータ装置１から取り外すと、ＤＣＤＣコンバータに直流が供給されなくなるので、制御電源の供給が遮断される。よって、制御電源の供給が遮断されたときは、交流電源２が交換されたと判断することができる。そこで、電圧基準値設定部１７は、コンバータ装置１に対する制御電源の供給が遮断されたとき、既に設定されていた電圧基準値をリセットする。
【００３９】
また、この変形例として、電圧基準値設定部１７は、コンバータ装置１に対する制御電源の供給が遮断されたときにおいて、さらに無効指令を受信したときには、上述の電圧基準値のリセット動作を無効にする（すなわち、既に設定されていた電圧基準値をリセットせずに維持する）処理を行うようにしてもよい。例えば、コンバータ装置１に接続されている交流電源２が、この交流電源２と同程度の電源インピーダンスを有するものに交換される場合にも、その交換作業中は制御電源の供給が遮断される。同程度の電源インピーダンスを有する交流電源２に交換するのであれば、既に設定されていた基準電圧値を用いたまま初期充電動作を行っても、許容突入電流値を超える突入電流が発生する虞はない。つまり、既に設定されていた基準電圧値は、同程度の電源インピーダンスを有する交流電源２にとっては依然として有効なものであるので、制御電源の供給の遮断に伴い基準電圧値をリセットすることは、無駄であるといえる。そこで、コンバータ装置１に接続される交流電源２を「同程度の電源インピーダンスを有するものに交換する」場合は、作業者が無効指令を交換する際に例えば入力装置を介して電圧基準値設定部１７に入力し、電圧基準値設定部１７は、この無効指令を受信したときには上述の電圧基準値のリセット動作を無効にする処理を行うようにしてもよい。
【００４０】
また、さらなる代替例として、電圧基準値設定部１７は、リセット指令を受信したとき、既に設定されていた電圧基準値をリセットするようにしてもよい。リセット指令は、作業者がコンバータ装置１に接続されていた交流電源２を交換する際に、例えば入力装置を介して電圧基準値設定部１７に入力する。
【００４１】
なお、作業者が上述の無効指令およびリセット指令を入力するのに用いる入力装置には、キーボード、タッチパネル、マウス、及び音声認識装置などがある。入力装置は、単体としての入力装置であってもよいが、例えばコンバータ装置１がモータ駆動装置に組み込まれている場合には、モータ駆動装置の上位コントローラである数値制御装置、この数値制御装置の上位コントローラであるセル制御装置、あるいはこのセル制御装置の上位コントローラである生産管理システムに付属の入力装置であってもよい。
【００４２】
以上説明した交流電圧検出部１３、ＤＣリンクコンデンサ電圧検出部１４、初期充電部１５内の制御部２０、電流検出部１６、及び電圧基準値設定部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、このソフトウェアプログラムに従って動作させるためのコンピュータを設けたり、コンバータ装置１を組み込んだモータ駆動装置に接続される数値制御装置内の演算処理装置にこのソフトウェアプログラムを動作させたりすることで、上述の各部の機能を実現することもできる。またあるいは、交流電圧検出部１３、ＤＣリンクコンデンサ電圧検出部１４、初期充電部１５内の制御部２０、電流検出部１６、及び電圧基準値設定部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。
【００４３】
図２は、一実施形態によるコンバータ装置の１回あたりの初期充電動作の動作フローを示すフローチャートである。
【００４４】
コンバータ装置１に電源が投入されて主回路部１１に対して交流電源２から交流電力の供給が開始されると、ステップＳ１０１において、スイッチ２１は、制御部２０から開指令を受信して開放（オフ）される。これにより、初期充電動作が開始する。初期充電期間中は、スイッチ２１は開状態を維持するので、主回路部１１から出力される電流は充電抵抗２２を介して充電電流としてＤＣリンクコンデンサ１２へ流れ込み、ＤＣリンクコンデンサ１２は充電され、ＤＣリンクコンデンサ電圧は徐々に上昇する。
【００４５】
ステップＳ１０２において、制御部２０は、ＤＣリンクコンデンサ電圧検出部１４により検出されたＤＣリンクコンデンサ電圧値と、交流電圧検出部１３により検出された交流電圧波高値と、の差（電圧差）が電圧基準値以下になったか否か、すなわち、初期充電動作を完了すべきか否かを判定する。ＤＣリンクコンデンサ電圧値と交流電圧波高値との差が電圧基準値以下になったと判定した場合、初期充電動作は完了すべきであるとしてステップＳ１０３へ進む。
【００４６】
ステップＳ１０３では、制御部２０は、スイッチ２１に対して出力される指令を開指令から閉指令に切り換える。これにより、スイッチ２１が開から閉に切り換えられ、ＤＣリンクコンデンサ１２の初期充電動作を完了する。
【００４７】
ステップＳ１０４では、電流検出部１６は、スイッチ２１が開から閉に切り換えられたとき（すなわち初期充電部１５による初期充電動作が完了したとき）に発生した突入電流（より詳細には、突入電流の最大値）を検出する。
【００４８】
ステップＳ１０５において、電圧基準値設定部１７は、許容突入電流値とスイッチ２１が開から閉に切り換えられたときに電流検出部１６が検出した電流値（突入電流値）との差が、予め規定された電流基準値よりも大きいか否かを判定する。ステップＳ１０５において、電圧基準値設定部１７により許容突入電流値と電流検出部１６が検出した電流値との差が電流基準値よりも大きいと判定された場合は、ステップＳ１０６へ進む。一方、。ステップＳ１０５において、電圧基準値設定部１７により許容突入電流値と電流検出部１６が検出した電流値との差が電流基準値よりも小さいと判定された場合は、この時点で設定されている電圧基準値は最適であり、初期充電時間は最適化されたとみなして、今回の初期充電動作を終了する。ステップＳ１０６に進まないで初期充電動作を終了した場合は、現状の電圧基準値を維持するが、この電圧基準値は、次回に行われる初期充電部１５による初期充電動作に用いられる。
【００４９】
ステップＳ１０６では、電圧基準値設定部１７は、電圧基準値を、当該時点において既に設定されていた値よりもより大きな値に変更して設定し、今回の初期充電動作を終了する。ステップＳ１０６において新たに設定された電圧基準値により、スイッチ２１が開から閉に切り換えられたときに電流検出部１６が検出する電流値（突入電流値）と電流基準値との和と許容突入電流値との差（電流差）は小さくなり、初期充電時間はより最適値に近づく。ステップＳ１０６において新たに設定された電圧基準値は、次回に行われる初期充電部１５による初期充電動作に用いられる。
【００５０】
なお、図２を参照して説明した初期充電動作は１回あたりのものであり、次回以降の初期充電動作の際にも再度ステップＳ１０１から実行される。
【００５１】
続いて、電圧基準値設定部による電圧基準値の変更処理の具体例について、図３を参照して説明する。
【００５２】
図３は、一実施形態によるコンバータ装置における初期充電期間中のＤＣリンクコンデンサ電圧及びＤＣリンクコンデンサに流れ込む電流の各波形を例示する図であって、（Ａ）は１回目の初期充電動作における各波形を例示し、（Ｂ）は２回目の初期充電動作における各波形を例示し、（Ｃ）ｎ回目（ｎは正の整数）の初期充電動作における各波形を例示する。図３において、交流電圧検出部１３が検出した交流電圧波高値を一点鎖線で示し、許容突入電流値を二点鎖線で示している。
【００５３】
図３（Ａ）は、１回目の初期充電動作において、時刻ゼロで主回路部１１に対して交流電源２から交流電力の供給が開始され、スイッチ２１が開放（オフ）されて初期充電が開始された場合を例示している。ここで、１回目の初期充電動作における初期充電動作の完了の判断基準となる電圧基準値の初期値をＶref1とする。初期充電期間中は、スイッチ２１は開状態を維持するので、主回路部１１から出力される電流は充電抵抗２２を介して充電電流としてＤＣリンクコンデンサ１２へ流れ込み、ＤＣリンクコンデンサ１２は充電されて徐々に電圧が上昇する。制御部２０は、ＤＣリンクコンデンサ電圧検出部１４により検出されたＤＣリンクコンデンサ電圧値と、交流電圧検出部１３により検出された交流電圧波高値と、の差（電圧差）が、電圧基準値Ｖref1以下になったと判定したとき、スイッチ２１に対して出力される指令を開指令から閉指令に切り換える。これにより、スイッチ２１は開から閉に切り換えられ、１回目の初期充電動作が完了する（時刻ｔ1）。１回目の初期充電動作が完了した時刻ｔ1において、許容突入電流値と電流検出部１６が検出した電流値との間には、電流値差Ｉ1が発生する。図３（Ａ）に例示した電流値差Ｉ1は比較的大きな値であり、このことは、電圧基準値の初期値Ｖref1は初期充電動作の完了の判断基準として最適ではないことを意味している。そこで、電圧基準値設定部１７は、２回目の初期充電動作における初期充電動作の完了の判断基準となる電圧基準値を、Ｖref1よりも大きな値であるＶref2に変更する。
【００５４】
図３（Ｂ）は、２回目の初期充電動作において、時刻ゼロで主回路部１１に対して交流電源２から交流電力の供給が開始され、スイッチ２１が開放（オフ）されて初期充電が開始された場合を例示している。初期充電期間中は、スイッチ２１は開状態を維持するので、主回路部１１から出力される電流は充電抵抗２２を介して充電電流としてＤＣリンクコンデンサ１２へ流れ込み、ＤＣリンクコンデンサ１２は充電されて徐々に電圧が上昇する。制御部２０は、ＤＣリンクコンデンサ電圧値と交流電圧波高値との差（電圧差）が、電圧基準値Ｖref2以下になったと判定したとき、スイッチ２１に対して出力される指令を開指令から閉指令に切り換える。これにより、スイッチ２１は開から閉に切り換えられ、２回目の初期充電動作が完了する（時刻ｔ2）。２回目の初期充電動作が完了した時刻ｔ2において、許容突入電流値と電流検出部１６が検出した電流値との間には、電流値差Ｉ2が発生する。図３（Ｂ）に示した２回目の初期充電動作の時刻ｔ2におけるＤＣリンクコンデンサ電圧値と交流電圧波高値との差は、図３（Ａ）に示した１回目の初期充電動作の時刻ｔ1におけるＤＣリンクコンデンサ電圧値と交流電圧波高値との差よりも大きいので、２回目の初期充電動作のほうが１回目の初期充電動作よりも大きな突入電流が発生する。したがって、２回目の初期充電動作における許容突入電流値と電流検出部１６が検出した電流値との電流値差Ｉ2は、１回目の初期充電動作における許容突入電流値と電流検出部１６が検出した電流値との電流値差Ｉ1より小さくなる。また、２回目の初期充電動作における電圧基準値Ｖref2は１回目の初期充電動作における電圧基準値Ｖref1よりも大きいので、２回目の初期充電動作においてスイッチ２１は開から閉に切り換えられた時刻ｔ2は、１回目の初期充電動作においてスイッチ２１は開から閉に切り換えられた時刻ｔ1よりも早くなる。このことは、２回目の初期充電動作に用いられた電圧基準値Ｖref2は、２回目の初期充電動作に用いられた電圧基準値Ｖref1よりも、より適切なものになったことを意味している。また、２回目の初期充電動作において電流検出部１６が検出した電流値と許容突入電流値との電流値差Ｉ2は、１回目の初期充電動作において電流検出部１６が検出した電流値と許容突入電流値との電流値差Ｉ1より小さくなったので、電圧基準値設定部１７は、３回目の初期充電動作における初期充電動作の完了の判断基準となる電圧基準値Ｖref3を、Ｖref2よりも大きな値に設定する。
【００５５】
図３（Ｃ）は、ｎ回目の初期充電動作により、スイッチ２１が開から閉に切り換えられたときに電流検出部１６が検出した電流値と許容突入電流値との電流値差が、予め規定された電流基準値以下になったとき、基準電圧値についての変更処理を停止した場合を例示している。電圧基準値設定部１７が基準電圧値についての変更処理を「ｎ−１」回繰り返し、ｎ回目の初期充電動作の開始までの間に電圧基準値Ｖrefnを設定した場合において、制御部２０は、ＤＣリンクコンデンサ電圧値と交流電圧波高値との差が電圧基準値Ｖrefn以下になったと判定したとき、スイッチ２１に対して出力される指令を開指令から閉指令に切り換える。これにより、スイッチ２１は開から閉に切り換えられ、ｎ回目の初期充電動作が完了する（時刻ｔn）。スイッチ２１が開から閉に切り換えられた時刻ｔnにおいて許容突入電流値と電流検出部１６が検出した電流値との電流値差Ｉnが、予め規定された電流基準値Ｉref以下になったとき、基準電圧値についての変更処理を停止する。図３（Ｃ）に例示した電流値差Ｉnは、発生した突入電流の値が許容突入電流値を超えずなおかつ発生した突入電流の値と許容突入電流値との差が大きくなり過ぎない程度に設定された電流基準値Ｉref以下であるので、このときに設定されていた電圧基準値Ｖrefnは初期充電動作の完了の判断基準として最適であり、したがって初期充電時間は最適化されたといえる。
【００５６】
なお、図１に示したコンバータ装置１では、電流検出部１６は、主回路部１１の直流出力側に設けられたが、主回路部１１の交流入力側に設けられてもよい。図４は、主回路部の交流入力側に電流検出部が設けられた一実施形態によるコンバータ装置を示す図である。図４に示すように、電流検出部１６は、主回路部１１の交流入力側に設けられ、主回路部１１へ流入する電流の値を検出する。主回路部１１からＤＣリンクへ出力される電流は、交流電源２から入力される交流電流に基づいて生成されるので、ＤＣリンクに現れる突入電流は、主回路部１１の交流入力側においても突発的に大きな電流として現れる。したがって、電流検出部１６を主回路部１１の交流入力側に設けても、初期充電期間中における突入電流値を検出することができる。これ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その詳細な説明は省略する。
【符号の説明】
【００５７】
１    コンバータ装置
２    交流電源
１１    主回路部
１２    ＤＣリンクコンデンサ
１３    交流電圧検出部
１４    ＤＣリンクコンデンサ電圧検出部
１５    初期充電部
１６    電流検出部
１７    電圧基準値設定部
２０    制御部
２１    スイッチ
２２    充電抵抗
【図１】
2018191416.tif 000003
【図２】
2018191416.tif 000004
【図３】
2018191416.tif 000005
【図４】
2018191416.tif 000006