(57)【要約】【課題】平滑コンデンサを小容量化したときであっても、モータの回生エネルギーの過電圧による各駆動素子の破壊をより効果的に防止することができ、かつ、回生エネルギーを有効に利用することが可能なモータ制御装置を提供する。【解決手段】交流電源１が供給する電力を整流回路２の入力とし、整流回路２の出力を通常用いられる容量の１／１００程度の容量の小さい平滑用のコンデンサ３の入力とする。コンデンサ３は、整流回路２の出力の母線間の正極ノードＮＡと、負極ノードＮＢとの間に設けられる。整流回路１３であるダイオード１３ｕ，１３ｖ，１３ｗは、インバータ４の各相出力とそれぞれ接続される。整流回路１３は、コンデンサ１４を介して負極ノードＮＢと接続される。整流回路１３は、インバータ４の出力からコンデンサ１４の向きにのみ電流が流れるように接続されている。負荷１２はコンデンサ１４と並列に接続される。【選択図】図１
2011200020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相交流電源を入力とする第１の整流回路と、
前記第１の整流回路と接続され、前記第１の整流回路で得られた直流電力を平滑化する第１のコンデンサと、
前記第１のコンデンサと並列に接続されて、直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記インバータの出力側と接続されたモータと、
前記インバータを制御する制御回路と、
前記モータの回生エネルギーを吸収する調整回路とを備え、
前記調整回路は、
前記インバータの出力側と接続された第２の整流回路と、
前記第２の整流回路と接続され、前記モータの回生エネルギーを吸収するために設けられた第２のコンデンサと、
前記第２のコンデンサと並列に接続された負荷とを含む、モータ制御装置。
【請求項２】
単相交流電源を入力とする第１の整流回路と、
前記第１の整流回路と接続され、前記第１の整流回路で得られた直流電力を平滑化する第１のコンデンサと、
前記第１のコンデンサと並列に接続されて、直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記インバータの出力側と接続されたモータと、
前記インバータを制御する制御回路と、
前記制御回路に電圧を供給する電源回路とを備え、
前記電源回路は、
前記単相交流電源を入力とする第２の整流回路と、
前記第２の整流回路と接続され、前記第２の整流回路で得られた直流電力を平滑化する第２のコンデンサと、
前記第２のコンデンサと並列に接続されて、直流高電圧を直流低電圧に変換して前記制御回路に供給する電圧変換回路とを含み、
前記第２のコンデンサと前記インバータの出力側とを接続する第３の整流回路をさらに備える、モータ制御装置。
【請求項３】
前記第２のコンデンサは、前記第１のコンデンサよりも容量が大きい、請求項１または２記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記モータの回生エネルギーは、前記第１および第２のコンデンサで吸収される、請求項１〜３のいずれかに記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記モータの回生エネルギーは、前記制御回路を負荷として用いられる、請求項２に記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はモータ駆動用の制御装置に関し、例えば小容量コンデンサを用いたモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、モータ制御装置を小型化するために、平滑コンデンサを大幅に小容量化する取り組みがなされている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この方法は、平滑コンデンサを大幅に小容量化することで、故意に直流電圧に電源の２倍の周波数のリプルを発生させ、簡易な方式で入力電流波形の改善と、高力率化を実現することができる。
【０００４】
また、交流電源と整流回路との間に挿入するコイルの容量も大幅に小さくしたり、あるいはなくしたりすることができる。
【０００５】
一方で、平滑コンデンサの小容量化は、モータの停止時などに生じた大きな回生エネルギーを平滑コンデンサが吸収する際に電圧を急激に上昇させてしまう。この過電圧によりモータ制御装置のインバータのスイッチング素子を破壊してしまう可能性がある。
【０００６】
そこで、平滑コンデンサを小容量化したときであっても、モータの回生エネルギーの過電圧によるスイッチング素子等の各駆動素子の破壊を防止する方式が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
図５は、従来のモータ制御装置のブロック図である。
図５に示されるように、従来のモータ制御装置は、交流電源１が供給する電力を整流回路２の入力とし、整流回路２の出力を通常用いられる容量の１／１００程度の容量の小さい平滑用のコンデンサ３の入力とするように接続されている。インバータ４は、６個のトランジスタ（５ｕ〜５ｚ）と、このトランジスタと逆向きに接続されたダイオード（６ｕ〜６ｚ）とを３相ブリッジ接続しており、コンデンサ３と並列に接続されている。
【０００８】
インバータ４の出力を入力とするようにモータ７は接続され、制御回路８はインバータ４のトランジスタ（５ｕ〜５ｚ）のゲートを駆動し、電源回路９は制御回路８に電力を供給している。
【０００９】
コンデンサ１０は、整流回路であるダイオード１１を介して平滑用のコンデンサ３と並列接続されており、負荷１２がコンデンサ１０とさらに並列に接続されている。したがって、モータの回生エネルギーをコンデンサ３とコンデンサ１０とで吸収し、電圧が耐電圧を超える前に、負荷１２でエネルギーを消費させるため各駆動素子の破壊を防ぐことが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−５１５８９号公報
【特許文献２】特開２００５−１９８３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記の構成では、モータ７で発生した回生エネルギーをコンデンサ３とコンデンサ１０とで吸収するためには、インバータ４のダイオード６ｕあるいは／及び６ｖあるいは／及び６ｗが導通し、その後、整流回路であるダイオード１１が導通するために時間遅れが生じる。この時間遅れのために電圧が耐電圧を超える可能性がある。
【００１２】
また、回生エネルギーを負荷１２で利用することに関して、インバータ４のダイオード６ｕあるいは／及び６ｖあるいは／及び６ｗの１つめのダイオードと、整流回路であるダイオード１１の２つめのダイオードとの２つの素子を介してコンデンサ１０に回生エネルギーが吸収されるため、その２つの素子分の損失が発生し、負荷１２で利用できるエネルギーが減少する。
【００１３】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、平滑コンデンサを小容量化したときであっても、モータの回生エネルギーの過電圧による各駆動素子の破壊をより効果的に防止することができ、かつ、回生エネルギーを有効に利用することが可能なモータ制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のある局面に従うモータ制御装置は、単相交流電源を入力とする第１の整流回路と、第１の整流回路と接続され、第１の整流回路で得られた直流電力を平滑化する第１のコンデンサと、第１のコンデンサと並列に接続されて、直流電力を交流電力に変換するインバータと、インバータの出力側と接続されたモータと、インバータを制御する制御回路と、モータの回生エネルギーを吸収する調整回路とを備える。調整回路は、インバータの出力側と接続された第２の整流回路と、第２の整流回路と接続され、モータの回生エネルギーを吸収するために設けられた第２のコンデンサと、第２のコンデンサと並列に接続された負荷とを含む。
【００１５】
本発明の別の局面に従うモータ制御装置は、単相交流電源を入力とする第１の整流回路と、第１の整流回路と接続され、第１の整流回路で得られた直流電力を平滑化する第１のコンデンサと、第１のコンデンサと並列に接続されて、直流電力を交流電力に変換するインバータと、インバータの出力側と接続されたモータと、インバータを制御する制御回路と、制御回路に電圧を供給する電源回路とを備える。電源回路は、単相交流電源を入力とする第２の整流回路と、第２の整流回路と接続され、第２の整流回路で得られた直流電力を平滑化する第２のコンデンサと、第２のコンデンサと並列に接続されて、直流高電圧を直流低電圧に変換して制御回路に供給する電圧変換回路とを含む。第２のコンデンサとインバータの出力側とを接続する第３の整流回路をさらに備える。
【００１６】
好ましくは、第２のコンデンサは、第１のコンデンサよりも容量が大きい。
好ましくは、モータの回生エネルギーは、第１および第２のコンデンサで吸収される。
【００１７】
特に、モータの回生エネルギーは、制御回路を負荷として用いられる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のある局面に従うモータ制御装置は、モータの回生エネルギーを吸収する調整回路を備える。調整回路は、インバータの出力側と接続された第２の整流回路と、第２の整流回路と接続され、モータの回生エネルギーを吸収するために設けられた第２のコンデンサと、第２のコンデンサと並列に接続された負荷とを含む。したがって、モータの回生エネルギーが発生したときに回生エネルギーをコンデンサで吸収し、負荷で回生エネルギーを消費するようにしたので、回生エネルギーの過電圧による各駆動素子の破壊を防ぐことができる。ここで、コンデンサをインバータの出力に整流回路を介して接続するため、従来技術に比べ、回生エネルギー発生時により早くエネルギーの吸収を開始することができ、電圧上昇をより早く抑えることができる。すなわち、より効果的に各駆動素子の破壊を防止することができる。また、１つの整流回路を介して回生エネルギーがコンデンサに吸収されるため、エネルギー損失が従来よりも小さくなり、より有効にコンデンサに蓄えられた回生エネルギーを利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１に従うモータ制御装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１に従うモータ制御装置のコンデンサ３における電圧波形を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態１に従うコンデンサ３の両端の電圧値の特性を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態２に従うモータ制御装置のブロック図である。
【図５】従来のモータ制御装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を附してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に従うモータ制御装置のブロック図である。
【００２２】
図１を参照して、本発明の実施の形態１に従うがモータ制御装置は、交流電源１が供給する電力を整流回路２の入力とし、整流回路２の出力を通常用いられる容量の１／１００程度の容量の小さい平滑用のコンデンサ３の入力とするように接続されている。コンデンサ３は、整流回路２の出力の母線間の正極ノードＮＡと、負極ノードＮＢとの間に設けられる。
【００２３】
インバータ４は、６個のトランジスタ（５ｕ〜５ｚ）と、このトランジスタと逆向きに接続されたダイオード（６ｕ〜６ｚ）とを３相ブリッジ接続しており、コンデンサ３と並列に接続されている。
【００２４】
また、インバータ４の出力を入力とするようにモータ７は接続され、制御回路８はインバータ４のトランジスタ（５ｕ〜５ｚ）のゲートを駆動し、電源回路９は制御回路８に電力を供給している。
【００２５】
そして、本発明の実施の形態１に従うモータ制御装置においては、モータ７の回生エネルギーを吸収するための調整回路が設けられる。
【００２６】
具体的には、調整回路は、整流回路１３と、コンデンサ１４と、負荷１２とで構成される。
【００２７】
整流回路１３は、ダイオード１３ｕ，１３ｖ，１３ｗを含み、ダイオード１３ｕ，１３ｖ，１３ｗは、インバータ４の各相出力とそれぞれ接続される。
【００２８】
また、整流回路１３であるダイオード１３ｕ，１３ｖ，１３ｗは、コンデンサ１４を介して負極ノードＮＢと接続される。整流回路１３は、インバータ４の出力（モータ７の入力）からコンデンサ１４の向きにのみ電流が流れるようにするために接続されている。
【００２９】
また、負荷１２がコンデンサ１４と並列に接続される。例えば、ここでは、負荷の一例として抵抗とする。
【００３０】
ここで、モータ７で生じる回生エネルギーは、小容量である平滑用のコンデンサ３と、コンデンサ１４とで吸収される。そして、コンデンサ１４に蓄積されたエネルギーは、コンデンサ１４と並列に接続された負荷１２で消費される。
【００３１】
電源回路９は、インバータ４を制御する制御回路８に電力を供給している。
以上のように構成された本実施の形態１に従うモータ制御装置について、以下その動作を説明する。
【００３２】
図２は、本発明の実施の形態１に従うモータ制御装置のコンデンサ３における電圧波形を説明する図である。
【００３３】
まず、モータ７で、ごくわずかなエネルギーのみが消費されているとする。ここで、交流電源１を単相２００Ｖ、５０Ｈｚとすると、コンデンサ３の両端の電圧が、図２の電圧波形ＰＡに示すように、２８２Ｖの平滑された電圧となる。
【００３４】
次に、モータ７の消費エネルギーを少し大きくしていくとコンデンサ３の充電電荷が使われ、電圧波形ＰＢに示すように瞬時最低電圧が低下してくる。ただし、交流電源１の電圧から決まる瞬時最高電圧は２８２Ｖで変わらない。
【００３５】
さらに、モータ７の消費エネルギーを大きくしていくと、コンデンサ３には、ほとんど充電電荷が蓄えられず、電圧波形ＰＣに示すように瞬時最低電圧がほとんど０Ｖまで低下してくる。ただし、交流電源１の電圧から決まる瞬時最高電圧は２８２Ｖで変わらない。
【００３６】
このようにコンデンサ３が小容量の場合、負荷電流を取り出すと、ほとんど平滑されず入力の交流電源１を全波整流した波形となる。コンデンサ３の電圧及び電流のリプルは大きくなるためフィルムコンデンサを使用するとよい。
【００３７】
一方、コンデンサ１４は、整流回路１３を介してインバータ４の出力と並列接続しているため、コンデンサ１４のエネルギーを消費するものは負荷１２のみであり、モータ７のエネルギー消費が大きくなったとしても、両端にかかる電圧はほぼ平滑された状態となる。
【００３８】
次に、大きな回生エネルギーが発生した場合について説明する。
図３は、本発明の実施の形態１に従うコンデンサ３の両端の電圧値の特性を説明する図である。
【００３９】
図３を参照して、今ここで、図３のインバータ駆動停止のタイミングでインバータ４のトランジスタ５ｕ〜５ｚを全てオフとした場合、モータ７内の巻線に蓄えられたエネルギーがインバータ４に回生する。
【００４０】
図５に示す従来のモータ制御装置のように、インバータ４内のダイオード６ｕあるいは／及び６ｖあるいは／及び６ｗが導通し、その後、整流回路１１が導通する場合、回生エネルギーがコンデンサ３及びコンデンサ１０に到達するまでの時間遅れが大きくなり、図３の従来の電圧波形ＱＡに示すように、電圧の上昇抑制が遅れる。
【００４１】
ここで、使用しているインバータ４の耐電圧を４５０Ｖとすると、この耐電圧である４５０Ｖを超え過電圧となる。したがって、過電圧の影響によりインバータの各駆動素子が破壊されてしまう可能性がある。
【００４２】
一方、本発明の実施の形態１に従うモータ制御装置では、モータの回生エネルギーを吸収する調整回路を設けた構成となっている。具体的には、コンデンサ１４は、整流回路１３を介してインバータ４の出力と接続されるために回生エネルギーの時間遅れが小さい。そして、コンデンサ１４で蓄積されたエネルギーが負荷１２で消費されるため図３の電圧波形ＱＢに示すように、従来のモータ制御装置に比べ素早く電圧の上抑制が図れ、回生エネルギーによる電圧の上昇が耐電圧以下となる。つまり、従来のモータ制御装置がダイオードが２段の直列接続であるのに対して、本発明の実施の形態１に従うモータ制御装置ではダイオードは１段構成であるため、時間遅れが小さくなる。
【００４３】
また、図５に示す従来のモータ制御装置では、コンデンサ１０に吸収した回生エネルギーを負荷で利用する場合、インバータ４のダイオード６ｕあるいは／及び６ｖあるいは／及び６ｗの１つめのダイオードと、整流回路１１の２つめのダイオードとの両方に電流が流れるため、このダイオード２段分での損失が発生し、負荷で利用できるエネルギーが減少する。
【００４４】
本発明の実施の形態１に従うモータ制御装置では、インバータ４のダイオード６ｕあるいは／及び６ｖあるいは／及び６ｗは通過せず、整流回路１３の１つめのダイオードのみを介して回生エネルギーがコンデンサ１４に吸収されるため、エネルギー損失が従来よりも小さくなり、より有効にコンデンサ１４に蓄えられた回生エネルギーを負荷１２で利用することができる。
【００４５】
ここで、コンデンサ１４は、リプルがほとんどないため、リプルの熱による破損を考慮する必要がなく、安価な電解コンデンサを使用できるので、小型で安価な回生エネルギーの過電圧による各駆動素子の破壊を防ぐモータ制御装置を実現することが可能となる。
【００４６】
また、コンデンサ３としては、故意に直流電圧に電源の２倍の周波数のリプルを発生させ、入力電流波形の改善と、高力率化を実現するため十分小さな容量（例えば１０μＦ）のものを使用し、コンデンサ１４としては、回生エネルギーによる電圧の上昇を抑えるため、コンデンサ３よりも大きな容量（例えば、５０μＦ）のものを使用する。
【００４７】
さらに、コンデンサ３に蓄積されたエネルギーは、インバータ４の駆動停止中は維持されるが、インバータ４の駆動を再開する際に消費される。あるいは、抵抗などの負荷（図示せず）をコンデンサ３と並列に接続すれば、インバータ４の駆動停止中でも負荷でエネルギーが消費される。
【００４８】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に従うモータ制御装置のブロック図である。
【００４９】
図４を参照して、本発明の実施の形態２に従うモータ制御装置は、図１で説明した実施の形態１に従うモータ制御装置と比較して、コンデンサ１４および負荷１２を削除するとともに、電源回路９＃の構成が異なる。
【００５０】
具体的には、整流回路１３は、電源回路９＃と接続される。その他の点については、図１で説明した実施の形態１に従うモータ制御装置と同様の構成であるのでその詳細な説明は繰り返さない。
【００５１】
図４に示されるように、電源回路９＃は、交流電源１の交流電力を直流電力に整流する整流回路１５と、この整流回路１５に並列に接続されるコンデンサ１４＃と、コンデンサ１４＃に並列に接続される直流高電圧を直流低電圧に変換する電圧変換回路１６とから構成されている。そして、この電圧変換回路１６から制御回路８に必要な電圧が供給される。コンデンサ１４＃は、整流回路１５の出力の母線間の正極ノードＮＣと、負極ノードＮＤとの間に設けられる。
【００５２】
本発明の実施の形態２においては、電源回路９＃の直流高電圧の平滑を目的としたコンデンサ１４＃を上述した回生エネルギーを吸収するコンデンサとしても用いる。
【００５３】
具体的には、正極ノードＮＣと整流回路１３とを接続する。
当該構成により実施の形態１で説明したのと同様に、モータ７内の巻線に蓄えられたエネルギーは、回生エネルギーとして、コンデンサ３と、コンデンサ１４＃に吸収される。
【００５４】
したがって、電源回路９＃用の直流高電圧の平滑を目的としたコンデンサと回生エネルギー吸収用のコンデンサとをコンデンサ１４＃で共用できるので、部品点数を削減でき、小型で安価な回生エネルギーの過電圧による各駆動素子の破壊を防ぐモータ制御装置を実現することが可能となる。
【００５５】
また、負荷１２をインバータ４の制御回路８とすることにより、部品点数を削減することができるとともに、コンデンサ１４＃に蓄えられた回生エネルギーを制御回路８のエネルギーとすることで、効率のよい運転を行うことができる。
【００５６】
また、上述したように、図５に示す従来のモータ制御装置では、コンデンサ１０に吸収した回生エネルギーを負荷で利用する場合、インバータ４のダイオード６ｕあるいは／及び６ｖあるいは／及び６ｗの１つめのダイオードと、整流回路１１の２つめのダイオードとの両方に電流が流れるため、このダイオード２段分での損失が発生し、負荷で利用できるエネルギーが減少する。
【００５７】
本発明の実施の形態２に従うモータ制御装置では、インバータ４のダイオード６ｕあるいは／及び６ｖあるいは／及び６ｗは通過せず、整流回路１３の１つめのダイオードのみを介して回生エネルギーがコンデンサ１４＃に吸収されるため、エネルギー損失が従来よりも小さくなり、より有効にコンデンサ１４＃に蓄えられた回生エネルギーを制御回路８のエネルギーとして利用することができる。
【００５８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５９】
１  交流電源、２，１１，１３，１５  整流回路、３，１０，１４，１４＃  コンデンサ、４  インバータ、７  モータ、５ｕ〜５ｚ  トランジスタ、６ｕ〜６ｚ，１３ｕ，１３ｖ，１３ｗ  ダイオード、８  制御回路、９，９＃  電源回路、１２  負荷、１６  電圧変換回路。
【図１】
2011200020.tif 000003
【図２】
2011200020.tif 000004
【図３】
2011200020.tif 000005
【図４】
2011200020.tif 000006
【図５】
2011200020.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成23年7月11日(2011.7.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
本発明のある局面に従うモータ制御装置は、単相交流電源を入力とする第１の整流回路と、第１の整流回路と接続され、第１の整流回路で得られた直流電力を平滑化する第１のコンデンサと、第１のコンデンサと並列に接続されて、直流電力を交流電力に変換するインバータと、インバータの出力側と接続されたモータと、インバータを制御する制御回路と、制御回路に電圧を供給する電源回路とを備える。電源回路は、単相交流電源を入力とする第２の整流回路と、第２の整流回路と接続され、第２の整流回路で得られた直流電力を平滑化する第２のコンデンサと、第２のコンデンサと並列に接続されて、直流高電圧を直流低電圧に変換して制御回路に供給する電圧変換回路とを含む。第２のコンデンサとインバータの出力側とを接続する第３の整流回路をさらに備える。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相交流電源を入力とする第１の整流回路と、
前記第１の整流回路と接続され、前記第１の整流回路で得られた直流電力を平滑化する第１のコンデンサと、
前記第１のコンデンサと並列に接続されて、直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記インバータの出力側と接続されたモータと、
前記インバータを制御する制御回路と、
前記制御回路に電圧を供給する電源回路とを備え、
前記電源回路は、
前記単相交流電源を入力とする第２の整流回路と、
前記第２の整流回路と接続され、前記第２の整流回路で得られた直流電力を平滑化する第２のコンデンサと、
前記第２のコンデンサと並列に接続されて、直流高電圧を直流低電圧に変換して前記制御回路に供給する電圧変換回路とを含み、
前記第２のコンデンサと前記インバータの出力側とを接続する第３の整流回路をさらに備える、モータ制御装置。
【請求項２】
前記第２のコンデンサは、前記第１のコンデンサよりも容量が大きい、請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記モータの回生エネルギーは、前記第１および第２のコンデンサで吸収される、請求項１または２に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記モータの回生エネルギーは、前記制御回路を負荷として用いられる、請求項１〜３のいずれかに記載のモータ制御装置。