(57)【要約】【課題】ＤＣリンク部に設けられた複数のコンデンサの短絡故障を早期に検知して安全が確保されるモータ駆動装置を実現する。【解決手段】モータ駆動装置１は、交流電源２の交流電力をＰＷＭ制御により直流電力に変換して出力するＰＷＭコンバータ１１と、ＰＷＭコンバータ１１の直流出力側に設けられ、直列接続された複数のコンデンサを有するＤＣリンク部１２と、ＤＣリンク部１２に接続され、ＤＣリンク部１２の直流電力をモータ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１３と、ＤＣリンク電圧検出部１６と、電源電圧検出部１７と、ＤＣリンク電圧値が電源電圧の波高値を下回った場合、複数のコンデンサのうち少なくとも１つが短絡したと判定する短絡判定部１４と、短絡判定部１４が複数のコンデンサのうち少なくとも１つが短絡したと判定した場合、交流電源２からＰＷＭコンバータ１１への交流電力の流入を遮断する遮断部１５とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から入力された交流電力をＰＷＭ制御により直流電力に変換して出力するＰＷＭコンバータと、
前記ＰＷＭコンバータの直流出力側に並列接続され、互いに直列接続された複数のコンデンサを有するＤＣリンク部と、
前記ＤＣリンク部に並列接続され、前記ＤＣリンク部における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、
前記ＤＣリンク部の正負両極端子に印加される電圧の値であるＤＣリンク電圧値を検出するＤＣリンク電圧検出部と、
前記ＰＷＭコンバータの交流入力側に印加される電源電圧の波高値を検出する電源電圧検出部と、
前記ＤＣリンク電圧値と前記電源電圧の波高値とを比較し、比較の結果、前記ＤＣリンク電圧値が前記電源電圧の波高値を下回った場合、前記ＤＣリンク部内の前記複数のコンデンサのうち少なくとも１つが短絡したと判定する短絡判定部と、
前記短絡判定部が前記複数のコンデンサのうち少なくとも１つが短絡したと判定した場合、前記交流電源から前記ＰＷＭコンバータへの交流電力の流入を遮断する遮断部と、
を備える、モータ駆動装置。
【請求項２】
前記複数のコンデンサのそれぞれは、電解コンデンサである、請求項１に記載のモータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣリンク部のコンデンサの短絡判定部を有するモータ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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を駆動するモータ駆動装置においては、交流電源から供給される交流電力をＰＷＭコンバータにて直流電力に変換してＤＣリンク部へ出力し、さらにインバータにてＤＣリンク部における直流電力を交流電力に変換して、この交流電力を駆動軸ごとに設けられたモータに駆動電力として供給している。
【０００３】
ＤＣリンク部には、ＰＷＭコンバータの直流出力の脈動分を抑える機能とともに直流電力を蓄積する機能も有するコンデンサが設けられる。このようなコンデンサは、ＤＣリンクコンデンサや平滑コンデンサとも称される。一般にコンデンサには耐圧があることから、ＤＣリンク部における大きな直流電圧に耐えられるよう、複数のコンデンサが直列接続されることが多い。ＤＣリンク部に設けられるコンデンサの例としては、電解コンデンサがある。
【０００４】
例えば、特許文献１に記載されているように、モータを駆動するインバータ回路に、前記モータの回生電力を充電可能な蓄電部を有するＤＣリンクを介して接続されるとともに、電源から供給される交流電力を直流電力に変換して、前記ＤＣリンクを介して前記インバータ回路に供給するコンバータ装置において、前記ＤＣリンクのＤＣリンク電圧を検出する電圧検出部と、前記蓄電部による前記回生電力の充電開始時に検出されるＤＣリンク電圧を保持する電圧保持部と、現在検出されたＤＣリンク電圧が、前記電圧保持部に保持されているＤＣリンク電圧に所定の電位差を加えた上限電圧を超えるとき、前記蓄電部への充電を停止する充電停止部と、を備えることを特徴とするコンバータ装置が知られている。
【０００５】
例えば、特許文献２に記載されているように、主電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ部と、前記コンバータ部から出力される直流電圧を整流するＤＣリンク部と、前記ＤＣリンク部により整流された直流電圧を半導体スイッチング素子によりモータを駆動するための交流電圧に変換するインバータ部と、主電源とは独立して設けられ、前記ＤＣリンク部に電圧を印加する電圧印加部と、前記電圧印加部により電圧を印加した後の前記ＤＣリンク部の電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部により検出された電圧の所定時間に渡って測定した値、および電圧の時間的変化率に基づいて、前記ＤＣリンク部の異常の有無を判定する異常判定部と、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。
【０００６】
例えば、特許文献３に記載されているように、交流電源（7）からの電圧を整流するコンバータ回路（2）と、上記コンバータ回路（2）の出力に並列に接続され複数のスイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）のスイッチング動作により上記コンバータ回路（2）からの電力を所定の電圧及び周波数の交流電力に変換し、該交流電力をモータ（8）に出力するインバータ回路（6）と、上記複数のスイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）のスイッチング動作を制御するインバータ回路制御部（13）と、上記インバータ回路（6）の入力に並列に接続され上記複数のスイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）のスイッチング動作により生じる電圧の脈動を平滑するための第１コンデンサ（3a）を有し、上記コンバータ回路（2）とインバータ回路（6）とを接続する直流リンク部（3）と、直列に接続される第２コンデンサ（4c）及びスイッチ（5a）を有し、上記第１コンデンサ（3a）に並列に接続される直列回路（5）と、上記直流リンク部（3）の過電圧を抑制するように上記スイッチ（5a）の開閉を制御するスイッチ制御部（14）とを備えることを特徴とする電力変換装置が知られている。
【０００７】
例えば、特許文献４に記載されているように、三相交流入力電圧を直流電圧に変換するコンバータ部(１)と、上記コンバータ部(１)により変換された上記直流電圧を所定の三相交流出力電圧に変換するインバータ部(２)と、上記コンバータ部(１)と上記インバータ部(２)とを接続する正極側の第１直流リンク部(Ｌ１)および負極側の第２直流リンク部(Ｌ２)と、上記第１直流リンク部(Ｌ１)と上記第２直流リンク部(Ｌ２)との間に接続され、少なくとも２つのキャパシタンス素子(Ｃ１,Ｃ２,Ｃ３)を有するクランプ回路(３,１３,２３)とを備え、上記クランプ回路(３,１３,２３)は、上記第１直流リンク部(Ｌ１)と上記第２直流リンク部(Ｌ２)との間に上記各キャパシタンス素子(Ｃ１,Ｃ２,Ｃ３)が直列に接続された状態で、上記インバータ部(２)からの回生電流により上記各キャパシタンス素子(Ｃ１,Ｃ２,Ｃ３)に充電される一方、上記第１直流リンク部(Ｌ１)と上記第２直流リンク部(Ｌ２)との間に上記各キャパシタンス素子(Ｃ１,Ｃ２,Ｃ３)が並列に接続された状態で上記キャパシタンス素子(Ｃ１,Ｃ２,Ｃ３)から放電されることを特徴とする直接形交流電力変換装置が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４０２１４３１号公報
【特許文献２】特許第５６８９４９７号公報
【特許文献３】特開２０１４−１３１４４６号公報
【特許文献４】特開２００７−２９５６８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
モータ駆動装置内のＰＷＭコンバータとインバータとの間のＤＣリンク部に設けられた直列接続された複数のコンデンサのうちのいずれかに短絡故障が発生すると、短絡故障していない正常なコンデンサには、これまでよりも高電圧が印加されることになる。正常な（すなわち当初は短絡故障していなかった）コンデンサに耐圧以上の過電圧が長時間にわたって続くと破損したり、発火したりすることがある。特に電解コンデンサの場合、過電圧が長時間にわたって印加され続けると、電解液が噴き出し、最悪の場合、発火することがある。その結果、モータ、当該モータを駆動するモータ駆動装置、当該モータ駆動装置が駆動するモータが組み込まれた機械やシステムなどが、破損したり変形するなどといった何らかの障害が発生してしまうという問題がある。このため、ＤＣリンク部に設けられたコンデンサの短絡故障を早期に検知することは非常に重要である。例えば、直列接続された複数のコンデンサのそれぞれに印加される電圧を常に監視して短絡故障を検知することも考えられる。しかしながら、各コンデンサについて個々に電圧監視回路を設けることは、部品点数の増加、回路の追加、ひいてはコストの増加を招き、好ましくない。したがって、モータ駆動装置内のＰＷＭコンバータとインバータとの間のＤＣリンク部に設けられた直列接続された複数のコンデンサの短絡故障を追加の回路を設けることなく早期に検知して安全を確保することができる技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の一態様によれば、モータ駆動装置は、交流電源から入力された交流電力をＰＷＭ制御により直流電力に変換して出力するＰＷＭコンバータと、ＰＷＭコンバータの直流出力側に並列接続され、互いに直列接続された複数のコンデンサを有するＤＣリンク部と、ＤＣリンク部に並列接続され、ＤＣリンク部における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、ＤＣリンク部の正負両極端子に印加される電圧の値であるＤＣリンク電圧値とＰＷＭコンバータの交流入力側に印加される電源電圧の波高値とを比較し、比較の結果、ＤＣリンク電圧値が電源電圧の波高値を下回った場合、ＤＣリンク部内の複数のコンデンサのうち少なくとも１つが短絡したと判定する短絡判定部と、短絡判定部が複数のコンデンサのうち少なくとも１つが短絡したと判定した場合、交流電源からＰＷＭコンバータへの交流電力の流入を遮断する遮断部とを備える。
【発明の効果】
【００１１】
本開示の一態様によれば、ＰＷＭコンバータとインバータとの間のＤＣリンク部に設けられた直列接続された複数のコンデンサの短絡故障を追加の回路を設けることなく早期に検知して安全が確保されるモータ駆動装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本開示の実施形態によるモータ駆動装置を示す図である。
【図２】モータ駆動装置におけるＤＣリンク部並びに三相のＰＷＭコンバータ及びインバータの一例を示す回路図である。
【図３】ＤＣリンク部における複数のコンデンサのうちいずれか１つが故障したときにおける電源電圧の波高値、ＤＣリンク電圧値及びＤＣリンク電流値を例示する図であって、（Ａ）は本実施形態によるモータ駆動装置における各部波形を例示し、（Ｂ）は従来のモータ駆動装置における各部波形を例示する。
【図４】本実施形態によるモータ駆動装置の動作フローを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下図面を参照して、ＤＣリンク部のコンデンサの短絡判定部を有する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。
【００１４】
図１は、本開示の実施形態によるモータ駆動装置を示す図である。また、図２は、モータ駆動装置におけるＤＣリンク部並びに三相のＰＷＭコンバータ及びインバータの一例を示す回路図である。なお、図２では、図１で示したＰＷＭコンバータ制御部２１及びインバータ制御部２２については省略している。
【００１５】
一例として、交流電源２に接続されたモータ駆動装置１により、１巻線タイプの交流モータ（以下、単に「モータ」と称する。）３を１個制御する場合について説明する。モータ３の個数は本実施形態を特に限定するものではなくこれ以外の個数であってもよく、また、モータ３は複数巻線タイプであってもよい。インバータ１３は、モータ３の巻線ごとに設けられる。例えば、インバータ１３は、１巻線タイプのモータ３が複数個ある場合はモータ３ごとに設けられ、複数巻線タイプのモータ３が１個ある場合は巻線ごとに設けられ、複数巻線タイプのモータ３が複数個ある場合は各モータ３の巻線ごとに設けられる。なお、交流電源２及びモータ３の相数は本実施形態を特に限定するものではなく、例えば三相であっても単相であってもよい。また、モータ３の種類についても本実施形態を特に限定するものではなく、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。ここで、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、各種電化製品、電車、自動車、航空機などが含まれる。
【００１６】
モータ駆動装置１は、一般的なモータ駆動装置と同様、ＤＣリンク部１２の直流電力とモータ３の駆動電力もしくは回生電力である交流電力との間で電力変換を行うインバータ１３を制御することで、モータ３の駆動を制御する。モータ駆動装置１内のインバータ制御部２２は、速度検出器２３によって検出されたモータ３の（回転子の）回転速度（速度フィードバック）、モータ３の巻線に流れる電流（電流フィードバック）、所定のトルク指令、及びモータ３の動作プログラムなどに基づいて、モータ３の速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御するためのスイッチング指令を生成する。インバータ制御部２２によって作成されたスイッチング指令に基づいて、インバータ１３による電力変換動作が制御される。
【００１７】
図１に示すように、モータ駆動装置１は、ＰＷＭコンバータ１１と、ＤＣリンク部１２と、インバータ１３と、短絡判定部１４と、遮断部１５と、ＤＣリンク電圧検出部１６と、電源電圧検出部１７とを備える。また、モータ駆動装置１は、ＰＷＭコンバータ１１の電力変換動作を制御するためのＰＷＭコンバータ制御部２１と、インバータ１３の電力変換動作を制御するためのインバータ制御部２２とを備える。また、図１及び図２に示す例では、モータ駆動装置１は、電磁接触器１８を備えるが、後述するように遮断部１５により閉指令を受信した場合に交流電源２からＰＷＭコンバータ１１への交流電力の流入を遮断できるものであれば、電磁接触器１８に代えて、例えばリレーやパワー半導体スイッチング素子などの開閉装置であってもよい。
【００１８】
ＰＷＭコンバータ１１は、交流電源２から入力された交流電力をＰＷＭ制御により直流電力に変換して直流側に出力するＰＷＭスイッチング制御方式の整流回路である。ＰＷＭコンバータ１１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、ＰＷＭコンバータ制御部２１から受信したＰＷＭ制御に基づく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ることにより、交流電源２側の交流電力とＤＣリンク部１２における直流電力との間で電力変換する。すなわち、ＰＷＭコンバータ１１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直流側へ出力することができるとともにＤＣリンク部１２における直流電力を交流電力に変換して交流電源２側へ戻すことができる。スイッチング素子の例としては、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ  Ｔｕｒｎ−ＯＦＦ  ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ゲートターンオフサイリスタ）、トランジスタなどがあるが、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。ＰＷＭコンバータ１１は、交流電源２が三相である場合は三相のブリッジ回路として構成され、交流電源２が単相である場合は単相ブリッジ回路で構成される。図２は、一例として、三相の交流電源２に接続される三相のＰＷＭコンバータ１１のブリッジ回路を例示している。なお、ＰＷＭコンバータ１１の交流入力側には交流リアクトルやＡＣラインフィルタ等が設けられるが、ここでは図示を省略している。
【００１９】
ＤＣリンク部１２は、ＰＷＭコンバータ１１の直流出力側及びインバータ１３の直流入力側に並列接続される。ＤＣリンク部１２は、直列接続された複数のコンデンサＣ1〜Ｃn（ｎは２以上の整数）を有する。ＤＣリンク部１２におけるコンデンサＣ1〜Ｃnは、ＰＭＷコンバータ１１の直流出力の脈動分を抑える機能とともに直流電力を蓄積する機能を有する。コンデンサＣ1〜Ｃn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。なお、図１及び図２で、直列接続された複数のコンデンサＣ1〜Ｃnが１組である例を示したが、直列接続された複数のコンデンサＣ1〜Ｃnの組を複数備え、これら各組が並列接続されてＤＣリンク部１２を構成してもよい。
【００２０】
インバータ１３は、ＤＣリンク部１２に並列接続され、ＤＣリンク部１２における直流電力をモータ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１３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る。インバータ１３は、モータ３が三相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が単相である場合は単相ブリッジ回路で構成される。図２は、一例として、三相のモータ３に接続される三相のインバータ１３のブリッジ回路を例示している。インバータ１３は、インバータ制御部２２から受信したスイッチング指令に基づき各スイッチング素子がオンオフ制御されることにより、ＤＣリンク部１２における直流電力とモータ３の駆動電力もしくは回生電力である交流電力との間で電力変換する。より詳しくは、インバータ１３は、インバータ制御部２２から受信したスイッチング指令に基づき内部のスイッチング素子をスイッチング動作させ、ＤＣリンク部１２を介してＰＷＭコンバータ１１から供給される直流電力を、モータ３を駆動するための所望の電圧（電流）の大きさ及び所望の周波数の交流電力に変換し、出力する（逆変換動作）。これにより、モータ３は、供給された電圧可変及び周波数可変の交流電力に基づいて動作することになる。また、モータ３の減速時には回生電力が発生するが、インバータ制御部２２から受信したスイッチング指令に基づき内部のスイッチング素子をスイッチング動作させ、モータ３で発生した交流の回生電力を直流電力へ変換し、ＤＣリンク部１２へ戻す（順変換動作）。スイッチング素子の例としては、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯ、トランジスタなどがあるが、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。
【００２１】
ＤＣリンク電圧検出部１６は、ＤＣリンク部１２の正負両極端子に印加される電圧の値であるＤＣリンク電圧値を検出する。ＤＣリンク部１２の正負両極端子に印加される電圧は、言い換えれば、コンデンサＣ1の正極端子とコンデンサＣnの負極端子との間の電位差である。以下、ＤＣリンク部１２の正負両極端子に印加される電圧を、単に「ＤＣリンク電圧」と称する。例えばＤＣリンク部１２に２個のコンデンサＣ1及びＣ2が設けられる場合、コンデンサＣ1の正極端子とコンデンサＣ2の負極端子との間の電位差がＤＣリンク電圧となる。
【００２２】
電源電圧検出部１７は、交流電源２によりＰＷＭコンバータ１１の交流入力側に印加される電圧（相電圧）の波高値を検出する。以下、交流電源２によりＰＷＭコンバータ１１の交流入力側に印加される電圧の波高値を、単に「電源電圧の波高値」と称する。
【００２３】
電磁接触器１８は、交流電源２とＰＷＭコンバータ１１との間の電路を開閉するものである。電磁接触器１８は、遮断部１５の制御に従い、交流電源２とＰＷＭコンバータ１１との間を電気的に接続する閉動作及び電気的に遮断する開動作を行う。すなわち、交流電源２とＰＷＭコンバータ１１との間を電気的に接続する閉動作は、電磁接触器１８の接点が閉成することにより実現され、交流電源２とＰＷＭコンバータ１１との間を電気的に遮断する開動作は、電磁接触器１８の接点が開離することにより実現される。なお、遮断部１５により閉指令を受信した場合に交流電源２からＰＷＭコンバータ１１への交流電源の流入を遮断できるものであれば、電磁接触器１８に代えて、例えばリレーやパワー半導体スイッチ素子などであってもよい。
【００２４】
ＰＷＭコンバータ制御部２１は、ＰＷＭコンバータ１１の電力変換動作を制御する。一般にＰＷＭコンバータ１１はその原理上、ＤＣリンク電圧値が電源電圧の波高値よりも高い場合においてのみ、ＰＷＭ制御に基づく電力変換動作が可能である。よって、ＰＷＭコンバータ制御部２１は、ＤＣリンク電圧検出部１６によって検出されたＤＣリンク電圧値及び電源電圧検出部１７によって検出された電源電圧の波高値に基づいて、ＤＣリンク電圧が電源電圧の波高値よりも高くなるよう制御するためのスイッチング指令を生成する。例えば、交流電源２側から入力される電源電圧の波高値に対するＰＷＭコンバータ１１の出力電圧の値の割合（すなわち、ＰＷＭコンバータ１１が出力する直流電圧の値／交流電源２側から入力される電源電圧の波高値×１００［％］）である「昇圧率」を適宜変更することにより、ＰＷＭコンバータ１１の出力電圧の値を制御することができる。ＰＷＭコンバータ制御部２１により生成されたスイッチング指令は、ＰＷＭコンバータ１１内のスイッチング素子に送信される。ＰＷＭコンバータ１１は、ＰＷＭコンバータ制御部２１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ることにより、交流電源２側の交流電力を直流電力に変換してＤＣリンク部１２へ出力し、ＤＣリンク部１２における直流電力を交流電力に変換して交流電源２側へ戻す。
【００２５】
インバータ制御部２２は、速度検出器２３によって検出されたモータ３の回転速度、モータ３の巻線に流れる電流、所定のトルク指令、及びモータ３の動作プログラムなどに基づいて、モータ３の速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御するためのスイッチング指令を生成する。インバータ制御部２２により生成されたスイッチング指令は、インバータ１３内のスイッチング素子に送信される。インバータ１３は、インバータ制御部２２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ることにより、ＤＣリンク部１２における直流電力を、モータ３の駆動のための交流電力に変換して出力する。モータ３は、インバータ１３から出力された交流電力に基づき駆動される。
【００２６】
短絡判定部１４は、ＤＣリンク電圧値と電源電圧の波高値とを比較し、この比較の結果、ＤＣリンク電圧値が電源電圧の波高値を下回ったことを検知した場合は、ＤＣリンク部１２内の複数のコンデンサＣ1〜Ｃnのうち少なくとも１つが短絡したと判定する。ＤＣリンク部１２内の複数のコンデンサＣ1〜Ｃnのいずれもが正常である場合、ＰＷＭコンバータ１１は、ＰＷＭコンバータ制御部２１によりＤＣリンク電圧値（すなわちＰＷＭコンバータ１１の直流出力側の電圧値）が電源電圧の波高値（すなわちＰＷＭコンバータ１１の交流入力側の電圧波高値）よりも高くなるように制御される。ＤＣリンク部１２内の複数のコンデンサＣ1〜Ｃnのうち少なくとも１つが短絡すると、ＤＣリンク電圧は電源電圧の波高値より低くなる。そこで、本実施形態では、ＤＣリンク電圧値がＰＷＭコンバータ１１の交流入力側の電源電圧の波高値を下回ったか否かを判別し、ＤＣリンク電圧値が電源電圧の波高値を下回った場合は、複数のコンデンサＣ1〜Ｃnのうち少なくとも１つが短絡したと判定する。短絡判定部１４の短絡判定処理の詳細については後述する。
【００２７】
遮断部１５は、短絡判定部１４が複数のコンデンサＣ1〜Ｃnのうち少なくとも１つが短絡したと判定した場合、交流電源２からＰＷＭコンバータ１１への交流電力の流入を遮断する。図１に示すように例えば交流電源２とＰＷＭコンバータ１１との間の電路を開閉するために電磁接触器１８が設けられる場合、遮断部１５は、短絡判定部１４により複数のコンデンサＣ1〜Ｃnのうち少なくとも１つが短絡したと判定されると、電磁接触器１８に対して遮断指令（開指令）を出力して、電磁接触器１８の接点を開離させ、ＰＷＭコンバータ１１への交流電源２からの電力供給を遮断することによって、モータ３の駆動を停止させ、安全を確保する。遮断部１５による遮断動作は、短絡判定部１４により複数のコンデンサＣ1〜Ｃnのうち少なくとも１つが短絡したと判定されてからできるだけ早く実行されるのが好ましい。なお、電磁接触器１８に代えてリレーやパワー半導体スイッチング素子などの開閉装置が設けられる場合も、遮断部１５は、複数のコンデンサＣ1〜Ｃnのうち少なくとも１つが短絡したと判定すると、当該開閉装置に対して、遮断指令（開指令）を出力してＰＷＭコンバータ１１への交流電源２からの電力供給を遮断させる動作を行わせる。遮断部１５の遮断処理の詳細について後述する。
【００２８】
このように、本実施形態において、複数のコンデンサＣ1〜Ｃnのうち少なくとも１つが短絡したと判定したときに、ＰＷＭコンバータ１１の電力変換動作を単に停止させるのではなく、ＰＷＭコンバータ１１への交流電源２からの電力供給を物理的に遮断するのは次の理由による。ＰＷＭコンバータ１１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るので、スイッチング素子をオープン（開）にしたとしても、ダイオードを介して電流が流れ、交流電源２からＤＣリンク部１２へのＰＷＭコンバータ１１を介した電力の流れを完全には遮断することはできない。この結果、ＰＷＭコンバータ１１の電力変換動作を単に停止しただけでは、短絡故障していない正常なコンデンサには高電圧が印加され続け、破壊に至る可能性がある。そこで、本実施形態では、複数のコンデンサＣ1〜Ｃnのうち少なくとも１つが短絡したと判定したときに、ＰＷＭコンバータ１１への交流電源２からの電力供給を物理的に遮断する（図１及び図２の例では、電磁接触器１８を開動作する）ことによって、交流電源２からＤＣリンク部１２へのＰＷＭコンバータ１１を介した電力の流れを確実に断ち切る。これにより、短絡故障していない正常なコンデンサには電流が流れ込まず、電圧が印加されないので破壊に至ることはない。
【００２９】
続いて、短絡判定部１４の短絡判定処理及び遮断部１５の遮断処理について、図３を参照してより詳細に説明する。
【００３０】
図３は、ＤＣリンク部における複数のコンデンサのうちいずれか１つが故障したときにおける電源電圧の波高値、ＤＣリンク電圧値及びＤＣリンク電流値を例示する図であって、（Ａ）は本実施形態によるモータ駆動装置における各部波形を例示し、（Ｂ）は従来のモータ駆動装置における各部波形を例示する。図３において、一点鎖線は電源電圧の波高値を例示し、実線はＤＣリンク電圧値を例示し、破線はＤＣリンク電流値を例示する。なお、ここで示した波形はあくまでも一例であり、モータ駆動システムの運用状況によって多少異なり得る。
【００３１】
まず、本実施形態によるモータ駆動装置１における各部波形について、図３（Ａ）を参照して説明する。
【００３２】
ＤＣリンク部１２内の複数のコンデンサＣ1〜Ｃnのいずれも短絡故障がない正常な状態の下でインバータ制御部２２によりインバータ１３の電力変換動作を制御してモータ３の駆動を行っている場合において、時刻ｔ1で複数のコンデンサＣ1〜Ｃnのうちのいずれか１つに短絡故障が発生したと例を考える。図３（Ａ）に示すように、時刻ｔ1までは、ＰＷＭコンバータ１１は、ＰＷＭコンバータ制御部２１により、ＤＣリンク電圧値が電源電圧の波高値よりも高くなるように制御される。時刻ｔ1で、複数のコンデンサＣ1〜Ｃnのうちいずれか１つに短絡故障が発生する。時刻ｔ2以降、ＤＣリンク電圧値は電源電圧の波高値より低くなる。このとき、短絡故障していないコンデンサの各々には時刻ｔ1以前のときよりも高電圧がそれぞれ印加されることになり、ＰＷＭコンバータ１１からＤＣリンク部１２へ出力されるＤＣリンク電流値は増加する。時刻ｔ2以降、短絡判定部１４は、ＤＣリンク電圧値が電源電圧の波高値を下回ったことを検知し、ＤＣリンク部１２内の複数のコンデンサＣ1〜Ｃnのうち少なくとも１つが短絡したと判定する。時刻ｔ4において、遮断部１５は、交流電源２からＰＷＭコンバータ１１への交流電力の流入を遮断する。遮断部１５による遮断動作は、短絡判定部１４により複数のコンデンサＣ1〜Ｃnのうち少なくとも１つが短絡したと判定されてからできるだけ早く実行されるのが好ましく、すなわち、時刻ｔ2から時刻ｔ4までの時間はできるだけ短いほうが好ましい。図１に示すように例えば交流電源２とＰＷＭコンバータ１１との間の電路を開閉するために電磁接触器１８が設けられる場合、遮断部１５は、電磁接触器１８に対して遮断指令（開指令）を出力して、電磁接触器１８の接点を開離させ、ＰＷＭコンバータ１１への交流電源２からの電力供給を遮断する。これにより、短絡故障していない正常なコンデンサにはＤＣリンク電流が流れ込まず、高電圧は印加されないので、短絡故障していない正常なコンデンサがさらに短絡故障することはない。例えば、ＤＣリンク部１２に２個のコンデンサＣ1及びＣ2が設けられ、各コンデンサＣ1及びＣ2の耐圧が４５０［Ｖ］であり、ＤＣリンク電圧が８００［Ｖ］である場合、コンデンサＣ1及びＣ2のいずれもが正常であるときはこれら２つコンデンサＣ1及びＣ2の組は９００［Ｖ］まで耐えることができる。このとき、仮にコンデンサＣ1に短絡故障が発生したとすると、正常なコンデンサＣ2には８００［Ｖ］の過電圧が印加されることになる。本実施形態によれば、コンデンサＣ1に短絡故障が発生したとき、遮断部１５は交流電源２からＰＷＭコンバータ１１への交流電力の流入を遮断するので、正常なコンデンサＣ2に過電圧が長時間印加される事態を回避することができる。
【００３３】
一方、従来のモータ駆動装置における各部波形について、図３（Ｂ）を参照して説明すると次の通りである。ＤＣリンク部内の複数のコンデンサのいずれも短絡故障がない正常な状態の下でインバータの電力変換動作を制御してモータの駆動を行っている場合において、時刻ｔ1で複数のコンデンサのうちのいずれか１つに短絡故障が発生したと例を考える。図３（Ｂ）に示すように、時刻ｔ1までは、ＰＷＭコンバータは、ＤＣリンク電圧値は電源電圧の波高値よりも高くなるように制御される。時刻ｔ1で、複数のコンデンサのうちいずれか１つに短絡故障が発生する。時刻ｔ2以降、ＤＣリンク電圧値は電源電圧の波高値より低くなる。このとき、短絡故障していないコンデンサの各々には時刻ｔ1以前のときよりも高電圧がそれぞれ印加され続けることになり、ＰＷＭコンバータからＤＣリンク部へ出力されるＤＣリンク電流値は増加する。正常な（すなわち当初は短絡故障していなかった）コンデンサに耐圧以上の過電圧が長時間にわたって続くことで、時刻ｔ5で短絡故障していなかったコンデンサについても破損または発火が発生して短絡が発生し、最終的には短絡故障していなかった全てのコンデンサについても同様に短絡し、ＤＣリンク電圧はゼロになり大電流が流れてしまう。例えば電解コンデンサの場合、過電圧が長時間にわたって印加され続けると、電解液が噴き出し、最悪の場合、発火することがある。
【００３４】
図４は、本実施形態によるモータ駆動装置の動作フローを示すフローチャートである。
【００３５】
本実施形態によるモータ駆動装置１において、インバータ制御部２２によりインバータ１３の電力変換動作を制御してモータ３の駆動を行っている場合において（ステップＳ１０１）、ステップＳ１０２では、短絡判定部１４は、ＤＣリンク電圧値と電源電圧の波高値とを比較する。ステップＳ１０２において、短絡判定部１４がＤＣリンク電圧値は電源電圧の波高値を下回ったことを検知した場合、ステップＳ１０３へ進み、そうでない場合はステップＳ１０１へ戻る。
【００３６】
ステップＳ１０３において、短絡判定部１４は、ＤＣリンク部１２内の複数のコンデンサＣ1〜Ｃnのうち少なくとも１つが短絡したと判定する。
【００３７】
ステップＳ１０４において、遮断部１５は、交流電源２からＰＷＭコンバータ１１への交流電力の流入を遮断する。図１に示すように例えば交流電源２とＰＷＭコンバータ１１との間の電路を開閉するために電磁接触器１８が設けられる場合、遮断部１５は、複数のコンデンサＣ1〜Ｃnのうち少なくとも１つが短絡したと判定すると、電磁接触器１８に対して遮断指令（開指令）を出力して、電磁接触器１８の接点を開離させ、ＰＷＭコンバータ１１への交流電源２からの電力供給を遮断することによって、モータ３の駆動を停止させ、安全を確保する。
【００３８】
上述した短絡判定部１４、遮断部１５、ＰＷＭコンバータ制御部２１及びインバータ制御部２２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。この場合、例えばＡＳＩＣやＤＳＰなど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て各部の機能を実現することができる。短絡判定部１４及び遮断部１５はＰＷＭコンバータ制御部２１内に設けてもよく、またはインバータ制御部２２の外部のＡＳＩＣやＤＳＰなどの演算処理装置に上記ソフトウェアプログラムを実行させることで各部の機能を実現させてもよく、あるいは、短絡判定部１４及び遮断部１５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。
【００３９】
また、短絡判定部１４による短絡判定処理に用いられるＤＣリンク電圧を検出するＤＣリンク電圧検出部１６及び電源電圧の波高値を検出する電源電圧検出部１７は、例えばＤＣリンク部１２のコンデンサＣ1〜Ｃnの電圧制御に用いられるＤＣリンク電圧の値を検出するために一般的に設けられる電圧検出器を流用することができ、追加の回路を別途設けなくてもよいので低コストでコンデンサの短絡故障を検知することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１    モータ駆動装置
２    交流電源
３    モータ
１１    コンバータ
１２    ＤＣリンク部
１３    インバータ
１４    短絡判定部
１５    遮断部
１６    ＤＣリンク電圧検出部
１７    電源電圧検出部
１８    電磁接触器
２１    ＰＷＭコンバータ制御部
２２    インバータ制御部
２３    速度検出器
Ｃ1〜Ｃn    コンデンサ
【図１】
2019146348.tif 000003
【図２】
2019146348.tif 000004
【図３】
2019146348.tif 000005
【図４】
2019146348.tif 000006