(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流入力側から供給された交流電力を整流して直流電力を出力する整流器と、
前記整流器の直流出力側である直流リンクに設けられる平滑コンデンサと、
前記直流リンクにおける直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力とを相互電力変換する逆変換器と、
スイッチ部と、前記スイッチ部に並列接続された充電抵抗と、を有する初期充電手段であって、モータ駆動開始前に、前記スイッチ部を開放して充電抵抗を介し、前記整流器から出力された直流電流で前記平滑コンデンサを充電する初期充電手段と、
前記整流器の三相交流入力側の交流電流値を検出して交流電流検出値を出力する電流検出手段と、
前記交流電流検出値を前記直流リンクにおける直流電流に相当する値に変換して得られる変換値を出力する電流変換手段と、
前記初期充電手段による前記平滑コンデンサの充電期間中に前記電流変換手段から出力された変換値を積算して得られる積算値を出力する電流積算手段と、
前記積算値が第１の閾値以上の場合、アラームを出力するアラーム出力手段と、
受信した指令に応じて前記整流器への交流電力の供給を遮断可能な遮断手段と、
前記アラームが出力されたとき、前記遮断手段に対して交流電力の供給遮断を指令する保護手段と、
を備えることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記第１の閾値は、前記充電抵抗を流れる電荷量により該充電抵抗が溶断することになる当該電荷量よりも小さい値に設定される請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記平滑コンデンサの直流電圧値を検出して直流電圧検出値を出力する電圧検出手段と、
前記初期充電手段による前記平滑コンデンサの充電開始時からの前記直流電圧検出値の上昇分である直流電圧上昇値を算出する電圧上昇値算出手段と、
をさらに備え、
前記アラーム出力手段は、前記積算値が前記第１の閾値以上かつ前記直流電圧上昇値が第２の閾値未満の場合、前記アラームを出力する請求項１または２に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記第２の閾値は、前記積算値が前記第１の閾値に達した場合における前記直流電圧上昇値の最小値より小さい値に設定される請求項３に記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記アラームが出力されたときに、前記直流電圧上昇値に基づいて前記初期充電手段のアラーム発生要因を判別する要因判別手段をさらに備える請求項３または４に記載のモータ制御装置。
【請求項６】
前記要因判別手段は、前記アラームが出力されたときの前記直流電圧上昇値が、第３の閾値未満である場合は、アラーム発生要因は前記直流リンクの短絡にあると判定し、第３の閾値以上である場合は、アラーム発生要因は前記直流リンクに設けられた前記平滑コンデンサの容量過多にあると判定する請求項５に記載のモータ制御装置。
【請求項７】
前記第３の閾値は、前記電圧検出手段が有する検出誤差に応じて、前記第２の閾値より小さい値に設定される請求項６に記載のモータ制御装置。
【請求項８】
前記電流変換手段は、前記変換値として、前記交流電流検出値を三相二相変換して得られた二相座標上のベクトルノルム、または、前記交流電流検出値の電流波高値を算出する請求項１〜７のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三相交流電源から供給された交流電力を直流電力に変換して直流リンクへ出力したのちさらにモータの駆動のための交流電力に変換してモータへ供給するモータ制御装置に関し、特に、直流リンクに設けられた平滑コンデンサの充電に用いられる充電抵抗の保護手段を有するモータ制御装置に関する。
【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制御装置においては、交流電源側から入力された交流電力を直流電力に一旦変換したのちさらに交流電力に変換し、この交流電力を駆動軸ごとに設けられたモータの駆動電力として用いている。
【０００３】
図７は、一般的なモータ制御装置の構成を示す図である。モータ制御装置１００は、三相交流入力電源３からの交流電力を整流して直流電力を出力する整流器１１と、整流器１１の直流側である直流リンクに接続され、整流器１１から出力された直流電力をモータ２の駆動電力として供給される所望の電圧および所望の周波数の交流電力に変換しまたはモータ２から回生される交流電力を直流電力に変換する逆変換器１２と、を備え、当該逆変換器１２の交流側に接続されたモータ２の速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御する。なお、図中、整流器１１の三相交流入力側の交流リアクトルをＬで表している。
【０００４】
逆変換器１２は、複数の駆動軸に対応してそれぞれ設けられる各モータ２に個別に駆動電力を供給してモータ２を駆動制御するために、モータ２の個数と同数個、並列接続される。各逆変換器１２の直流入力側には平滑コンデンサ３２がそれぞれ設けられる。なお、図７では簡明化のためモータ２の個数を１個としており、したがって、逆変換器１２は１個である。一方、整流器１１は、モータ制御装置１００のコストや占有スペースを低減する目的で、複数の逆変換器１２に対して１個が設けられることが多い。
【０００５】
平滑コンデンサ３２は、モータ制御装置１００の起動直後からモータ２の駆動開始前（すなわち逆変換器１２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。以下、モータ２の駆動開始前の平滑コンデンサ３２の充電を「初期充電」と称する。初期充電開始時の平滑コンデンサ３２にエネルギーが蓄積されていない状態においては、整流器１１に大きな突入電流が流れる。特に平滑コンデンサ３２の容量が大きいほど、より大きな突入電流が発生する。この突入電流対策として、モータ制御装置１００には、整流器１１と平滑コンデンサ３２との間に、または整流器１１の三相交流入力側に、初期充電手段１３が設けられるのが一般的である。図７に示す例では、整流器１１と平滑コンデンサ３２との間に初期充電手段１３が設けられる場合を示している。ここでは図示しないが、例えば逆変換器１２が複数並列接続される場合はこれに応じて平滑コンデンサ３２についても互いに並列接続された関係を有することになるが、初期充電手段１３は、整流器１１と平滑コンデンサ３２との間に設けられる場合には、整流器１１とこれら平滑コンデンサ３２との間に、１個設けられる。また例えば、ここでは図示しないが、初期充電手段１３が整流器１１の三相交流入力側に設けられる場合には、逆変換器１２の接続個数に関わらず、整流器１１の三相交流入力側の三相のうち少なくとも二相それぞれに、初期充電手段１３が設けられる。
【０００６】
初期充電手段１３は、スイッチ部３３とスイッチ部３３に並列接続された充電抵抗３１とを有する。スイッチ部３３は、モータ制御装置１００の起動直後の平滑コンデンサ３２の初期充電期間中のみ開放（オフ）され、モータ制御装置１００がモータ２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。より具体的にいえば、モータ制御装置１００の起動直後からモータ２の駆動開始前までの初期充電期間中はスイッチ部３３を開放（オフ）することで、整流器１１から出力された直流電力が充電抵抗３１を通じて平滑コンデンサ３２に流れ込み、平滑コンデンサ３２が充電される。平滑コンデンサ３２が所定の電圧まで充電されると、スイッチ部３３を閉路（オン）して初期充電動作を完了する。この後、逆変換器１２は電力変換動作を開始してモータ２に駆動電力を供給し、この駆動電力に基づきモータ２は駆動することになる。
【０００７】
このように、平滑コンデンサ３２の初期充電期間中はスイッチ部３３は開放（オフ）されるので、整流器１１から出力された直流電力は充電抵抗３１を流れることになり、充電抵抗３１にて熱としてある程度消費されることになるので、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。しかしながら、充電抵抗３１に電流が流れることにより発生する熱が大き過ぎると、充電抵抗３１は溶断してしまう。一般に充電抵抗３１は、溶断に耐え得る熱量として定義される瞬時負荷耐量（以下、単に「耐量」と称することがある。）を有している。瞬時負荷耐量以上の熱量を発生させる直流電流が充電抵抗３１に流れ続けると、充電抵抗３１は溶断することになる。
【０００８】
初期充電期間中に充電抵抗３１に流れる直流電流は平滑コンデンサ３２の容量に依存し、なおかつ充電抵抗３１に発生する熱量は充電抵抗３１流れる直流電流に依存するので、モータ制御装置１００に設置可能な平滑コンデンサ３２の最大容量は、充電抵抗３１が有する耐量に応じて決定される。モータ制御装置１００の設計にあたっては、設計者は、充電抵抗３１が有する耐量と当該耐量の下で設置可能な平滑コンデンサの最大容量との関係性を考慮し、当該最大容量を超えない範囲で、平滑コンデンサ３２を選定するのが通常である。
【０００９】
設計者が、上記設計要件を満たさない容量の平滑コンデンサ３２（すなわち充電抵抗３１が有する耐量に応じて決定される平滑コンデンサ３２の最大容量を超えた容量の平滑コンデンサ３２）を誤って選定すると、充電抵抗３１に耐量以上の直流電流が流れ、充電抵抗３１が溶断するといった初期充電手段の異常が発生する。例えば、設計者が、複数のモータ２を駆動することを目的として複数の逆変換器１２を設けたモータ制御装置１００を設計する場合や、その後のメンテナンスなどで平滑コンデンサ３２を容量の大きなものに交換したり新たな平滑コンデンサ３２を追加したような場合に、複数の平滑コンデンサ３２の容量を合成した容量が、充電抵抗３１が有する耐量に応じて決定される平滑コンデンサ３２の最大容量を超えてしまうことがある（以下、このような状態を単に「平滑コンデンサ３２の容量過多」と称することがある。）。
【００１０】
またあるいは、上述の設計要件を満たすモータ制御装置１００を設計できた場合であっても、例えば整流器１１や逆変換器１２のスイッチング素子などの故障により直流リンクが短絡すると、初期充電期間中においては充電抵抗３１に耐量以上の直流電流が流れ、充電抵抗３１が溶断するといった初期充電手段の異常が発生する。
【００１１】
以上説明したように、充電抵抗３１に耐量以上の直流電流が流れる主な要因としては、平滑コンデンサ３２の容量過多、および、整流器１１や逆変換器１２のスイッチング素子などの故障による直流リンクの短絡がある。なお、ここでは初期充電手段１３が整流器１１と平滑コンデンサ３２との間に設けられる場合について説明したが、初期充電手段１３が整流器１１の三相交流入力側に設けられる場合にも、同様に充電抵抗３１の溶断の問題が生じる。
【００１２】
従来より、初期充電手段の異常を検出する技術として、初期充電手段の出力電流を時間積分した値と、インバータの直流側の両端に接続されたコンデンサの容量と電圧とを乗算した値と、を比較し、比較の結果、これら２つの値に所定の設定値以上の開きがある場合に、初期充電手段に異常があると判定し、充電動作の回路を遮断するものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【００１３】
またあるいは、負荷の入力側に並列に接続されるコンデンサの容量とプリチャージ回路の抵抗値とから特定される時定数を、プリチャージされるコンデンサの電圧上昇特性から検出し、検出される時定数に基づいてプリチャージ回路もしくはコンデンサの故障を判定する技術がある（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０００−１５２６４３号公報
【特許文献２】特開２０１３−２０５２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述の従来技術によれば、整流器１１や逆変換器１２のスイッチング素子などの故障による直流リンクの短絡を要因とする初期充電手段の異常については検出することができるが、平滑コンデンサ３２の容量過多を要因とする初期充電手段の異常については検出することができないという問題がある。上述のように、設計者が、複数のモータ２を駆動することを目的として複数の逆変換器１２を設けたモータ制御装置１００を設計する場合や、その後のメンテナンスなどで平滑コンデンサ３２を容量の大きなものに変更したり新たな平滑コンデンサ３２を追加した場合に、複数の平滑コンデンサ３２の容量を合成した容量が、充電抵抗３１が有する耐量に応じて決定される平滑コンデンサ３２の最大容量を超えてしまう可能性がある。平滑コンデンサ３２が並列接続されてもあるいは容量の異なる平滑コンデンサに交換しても、平滑コンデンサ３２の両端の直流電圧値は変わらないので、上述の従来技術では「平滑コンデンサ３２の容量過多」を要因とする初期充電手段の異常を検出することができない。初期充電手段の異常を検出することができなければ、初期充電手段（特に充電抵抗）を適切に保護することができない。
【００１６】
従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、直流リンクに設けられた平滑コンデンサの初期充電に用いられる初期充電手段を確実に保護することができるモータ制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を実現するために、本発明においては、モータ制御装置は、三相交流入力側から供給された交流電力を整流して直流電力を出力する整流器と、整流器の直流出力側である直流リンクに設けられる平滑コンデンサと、直流リンクにおける直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力とを相互電力変換する逆変換器と、スイッチ部とスイッチ部に並列接続された充電抵抗とを有する初期充電手段であって、モータ駆動開始前に、スイッチ部を開放して充電抵抗を介し、整流器から出力された直流電流で平滑コンデンサを充電する初期充電手段と、整流器の三相交流入力側の交流電流値を検出して交流電流検出値を出力する電流検出手段と、交流電流検出値を直流リンクにおける直流電流に相当する値に変換して得られる変換値を出力する電流変換手段と、初期充電手段による平滑コンデンサの充電期間中に電流変換手段から出力された変換値を積算して得られる積算値を出力する電流積算手段と、積算値が第１の閾値以上の場合、アラームを出力するアラーム出力手段と、受信した指令に応じて整流器への交流電力の供給を遮断可能な遮断手段と、アラームが出力されたとき、遮断手段に対して交流電力の供給の遮断を指令する保護手段と、を備える。
【００１８】
ここで、第１の閾値は、充電抵抗を流れる電荷量により該充電抵抗が溶断することになる当該電荷量よりも小さい値に設定される。
【００１９】
また、モータ制御装置は、平滑コンデンサの直流電圧値を検出して直流電圧検出値を出力する電圧検出手段と、初期充電手段による平滑コンデンサの充電開始時からの直流電圧検出値の上昇分である直流電圧上昇値を算出する電圧上昇値算出手段と、をさらに備えてもよく、この場合、アラーム出力手段は、上記積算値が第１の閾値以上かつ直流電圧上昇値が第２の閾値未満の場合、アラームを出力する。
【００２０】
ここで、第２の閾値は、上記積算値が第１の閾値に達した場合における直流電圧上昇値の最小値より小さい値に設定される。
【００２１】
また、モータ制御装置は、アラームが出力されたときに、直流電圧上昇値に基づいて初期充電手段のアラーム発生要因を判別する要因判別手段をさらに備えてもよい。
【００２２】
ここで、要因判別手段は、アラームが出力されたときの直流電圧上昇値が、第３の閾値未満である場合は、アラーム発生要因は直流リンクの短絡にあると判定し、第３の閾値以上である場合は、アラーム発生要因は直流リンクに設けられた平滑コンデンサの容量過多にあると判定する。
【００２３】
また、第３の閾値は、電圧検出手段が有する検出誤差に応じて、第２の閾値より小さい値に設定される。
【００２４】
電流変換手段は、上記変換値として、交流電流検出値を三相二相変換して得られた二相座標上のベクトルノルム、または、交流電流検出値の電流波高値を算出するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、直流リンクに設けられた平滑コンデンサの初期充電に用いられる初期充電手段を確実に保護することができるモータ制御装置を実現することができる。
【００２６】
本発明の第１の実施例によれば、「充電抵抗を流れる電荷量により充電抵抗が溶断することになる当該電荷量」よりも低い値に第１の閾値を設定し、この第１の閾値と整流器の三相交流入力側の交流電流検出値に対して所定の計算処理を施して得られた値とを比較して充電抵抗が溶断する可能性の有無を判定するので、平滑コンデンサ３２の容量過多や整流器１１や逆変換器１２のスイッチング素子などの故障による直流リンクの短絡といった要因に関わらず、保護手段が遮断手段に対して交流電力の供給の遮断指令を出力することができるので、充電抵抗に対しては瞬時負荷耐量以上の直流電流が流れることを防ぐことができる。
【００２７】
本発明の第２の実施例によれば、上述の第１の閾値に加えてさらに第２の閾値を充電抵抗が溶断する可能性の有無を判定するための判断条件として用いるので、より高精度に充電抵抗が溶断する可能性をより高精度に検出することができ、したがって、充電抵抗に対しては瞬時負荷耐量以上の直流電流が流れることをより確実に防ぐことができる。
【００２８】
本発明の第３の実施例によれば、電圧検出手段が有する検出誤差に応じて第２の閾値より小さい値に設定された第３の閾値と、平滑コンデンサ３２の充電開始時からの直流電圧検出値の上昇分である直流電圧上昇値とを用いてアラーム発生要因を判別することができるので、設計者や作業従事者は、アラーム発生要因を容易に知ることができ、モータ制御装置のメンテナンスや設計変更など適切な対応を迅速にとることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施例によるモータ制御装置の原理ブロック図である。
【図２】三相交流電流を例示する図である。
【図３】三相二相変換を説明する図である。
【図４】本発明の第２の実施例によるモータ制御装置の原理ブロック図である。
【図５】本発明の第３の実施例によるモータ制御装置の原理ブロック図である。
【図６】本発明において整流器の三相交流入力側に初期充電手段が設けられるモータ制御装置の原理ブロック図である。
【図７】一般的なモータ制御装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１は、本発明の第１の実施例によるモータ制御装置の原理ブロック図である。以降、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。
【００３１】
なお、第１〜第３の実施例では、モータ制御装置１の三相交流入力側には三相交流入力電源３が接続され、モータ制御装置１の交流モータ側には三相のモータ２が接続される。なお、第１〜第３の実施例いずれも１個のモータ２を駆動制御するモータ制御装置１について説明するが、駆動制御するモータ２の個数は、本発明を特に限定するものではなく、複数個のモータ２を駆動制御するモータ制御装置にも適用可能である。また、モータ制御装置によって駆動されるモータ２の種類についても本発明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。
【００３２】
本発明の第１の実施例によれば、モータ制御装置１は、整流器１１と、逆変換器１２と、平滑コンデンサ３２と、初期充電手段１３と、電流検出手段２１と、電流変換手段２２と、電流積算手段２３と、アラーム出力手段２４と、遮断手段２５と、保護手段２６とを備える。
【００３３】
整流器１１は、商用の三相交流入力電源３のある三相交流入力側から供給された交流電力を整流し、整流器１１の直流出力側である直流リンクに直流電力を出力する。本発明では、用いられる整流器１１の実施形態は特に限定されず、例えば１２０度通電回生機能付き３相全波整流回路、あるいはＰＷＭ制御方式の整流回路などがある。整流器１１の三相交流入力側には交流リアクトルＬが接続される。
【００３４】
逆変換器１２は、直流リンクにおける直流電力とモータ２の駆動電力もしくは回生電力である交流電力とを相互電力変換する。逆変換器１２は、例えばＰＷＭインバータなどのような、内部にスイッチング素子を有する変換回路として構成される。逆変換器１２は、直流リンク側から供給される直流電力を、上位制御装置（図示せず）から受信したモータ駆動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２を駆動するための所望の電圧および所望の周波数の三相交流電力に変換する。モータ２は、供給された電圧可変および周波数可変の三相交流電力に基づいて動作することになる。また、モータ２の制動時には回生電力が発生するが、上位制御装置から受信したモータ駆動指令に基づき、モータ２で発生した回生電力である交流電力を、直流電力へ変換して直流リンクへ戻す。なお、モータ制御装置１で複数のモータ２を駆動制御する場合には、各モータ２に個別に駆動電力を供給してモータ２を駆動制御するために、逆変換器１２は、モータ２の個数と同数個、並列接続される。
【００３５】
整流器１１の三相交流入力側には、受信した指令に応じて整流器１１への交流電力の供給を遮断可能な遮断手段２５が設けられる。遮断手段２５は、非常時にモータ制御装置１内の整流器１１や逆変換器１２を保護するためにモータ制御装置１の入力段に一般的に設けられるものであり、例えば上位制御装置（図示せず）から遮断指令を受信したときに遮断手段２５内の開閉スイッチ（図示せず）を開放し、交流電力が整流器１１へ供給されることを遮断する。また、本発明の第１の実施例では、後述するように保護手段２６から遮断指令を受信した際にも遮断手段２５内の開閉スイッチ（図示せず）を開放し、交流電力が整流器１１へ供給されることを遮断する。
【００３６】
平滑コンデンサ３２は、整流器１１の直流側と逆変換器１２の直流側とを接続する直流リンクに設けられる。平滑コンデンサ３２は、整流器１１もしくは逆変換器１２の直流出力の脈動分を抑える機能ともに、整流器１１もしくは逆変換器１２から出力される直流電力を一時的に蓄積する機能も有する。
【００３７】
なお、図１では逆変換器１２を１個設けた例を示したが、例えば逆変換器１２が複数並列接続される場合は、各逆変換器１２の直流入力側に平滑コンデンサ３２がそれぞれ設けられ、したがって、平滑コンデンサ３２についても互いに並列接続された関係を有することになる。
【００３８】
初期充電手段１３は、モータ制御装置１の起動後から実際にモータを駆動する制御を開始する前までの間に、整流器１１から出力された直流電流で平滑コンデンサ３２を充電するためのものであり、本発明の第１の実施例では、整流器１１と平滑コンデンサ３２との間に設けられる。この代替例として、後述するように初期充電手段１３を整流器１１の三相交流入力側に設けてもよい。また、図１では逆変換器１２を１個設けた例を示したが、例えば逆変換器１２が複数並列接続される場合は平滑コンデンサ３２についても互いに並列接続された関係を有することになるので、整流器１１とこれら平滑コンデンサ３２との間に、初期充電手段１３が１個設けられることになる。
【００３９】
初期充電手段１３は、スイッチ部３３とスイッチ部３３に並列接続された充電抵抗３１とを有する。スイッチ部３３は、例えばメカニカルスイッチ、またはＩＧＢＴもしくはサイリスタなどの半導体スイッチング素子で構成される。
【００４０】
スイッチ部３３は、モータ制御装置１の起動直後の平滑コンデンサ３２の初期充電期間中のみ開放（オフ）され、モータ制御装置１がモータ２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。より具体的にいえば、モータ制御装置１の起動直後からモータ２の駆動開始前までの初期充電期間中はスイッチ部３３を開放（オフ）することで、整流器１１から出力された直流電流が充電抵抗３１を通じて平滑コンデンサ３２に流れ込み、平滑コンデンサ３２が充電される。平滑コンデンサ３２が所定の電圧まで充電されると、スイッチ部３３を閉路（オン）して初期充電動作を完了する。この初期充電動作完了後、逆変換器１２は電力変換動作を開始してモータ２に駆動電力を供給し、この駆動電力に基づきモータ２は駆動することになる。
【００４１】
電流検出手段２１は、整流器１１の三相交流入力側の交流電流値を検出して交流電流検出値を出力する。モータ制御装置１によるモータ２の駆動制御に用いられる交流電流値を検出するためにモータ制御装置１には電流検出手段２１が一般的に設けられているが、本発明の第１の実施例では、電流検出手段２１により出力された交流電流検出値は電流変換手段２２にも送られる。
【００４２】
電流変換手段２２は、交流電流検出値を直流リンクにおける直流電流に相当する値に変換して出力する。以下、電流変換手段２２により出力される値を単に「変換値」と称する。電流変換手段２２により出力された変換値は電流積算手段２３に送られる。
【００４３】
電流変換手段２２は、例えば、交流電流検出値を三相二相変換して得られた二相座標上のベクトルノルムを算出し、これを上記変換値として出力する。図２は、三相交流電流を例示する図であり、図３は、三相二相変換を説明する図である。図２に示すようなＵＶＷ三相の交流電流は、三相座標上では図３（ａ）のような電流ベクトルで表される。この三相座標上の電流ベクトルを三相二相変換すると、図３（ｂ）に示すような二相座標上の電流ベクトルとなり、このベクトルノルムを上記変換値として用いる。なお、図示の例では、三相二相変換としてαβ変換を用いたが、ｄｑ変換を用いてもよい。
【００４４】
本の第１の実施例では、電流変換手段２２は、上記変換値としてベクトルノルムを算出したが、この代替例として、交流電流検出値の電流波高値を算出し、これを上記変換値として出力してもよい。
【００４５】
電流積算手段２３は、初期充電手段１３による平滑コンデンサ３２の充電期間中に電流変換手段２２から出力された変換値を積算した値を出力する。以下、電流積算手段２３により出力される値を単に「積算値」と称する。電流積算手段２３により出力された積算値はアラーム出力手段２４に送られる。
【００４６】
上記「積算値」は、具体的には、「モータ制御装置１の起動時点から平滑コンデンサ３２の充電完了時点まで」の初期充電期間中にわたって電流変換手段２２から出力された変換値を積分することによって求められ、その単位は電荷の単位である「Ｑ（クーロン）」である。初期充電期間中は逆変換器１２は未だ電力変換動作を行っていないので、整流器１１から出力された直流電流は、充電抵抗３１で制限されながら平滑コンデンサ３２に流れ込み、蓄積される。したがって、電流積算手段２３によって出力される上記「積算値」は、「充電抵抗３１を通過して平滑コンデンサ３２に流れ込んだ電荷量」に相当するとみなせる。
【００４７】
アラーム出力手段２４は、電流積算手段２３から受信した積算値が、第１の閾値以上であるか否かを判定し、第１の閾値以上である場合には、アラームを出力する。
【００４８】
ここで、アラーム出力手段２４におけるアラーム出力処理に用いられる第１の閾値の設定について説明する。上述したように、初期充電期間中に充電抵抗３１に流れる直流電流は平滑コンデンサ３２の容量に依存し、なおかつ充電抵抗３１に発生する熱量は充電抵抗３１流れる直流電流に依存するので、モータ制御装置１に設置可能な平滑コンデンサ３２の最大容量は、充電抵抗３１が有する耐量に応じて決定される。充電抵抗３１（Ｒ［Ω］）の瞬時負荷耐量ＪMAX［Ｊ］は、モータ制御装置１に設置可能な平滑コンデンサ３２の最大容量をＣMAX［Ｆ］、整流器１１の三相交流入力側に印加される交流電圧の仕様上限値の波高値をＶMAX［Ｖ］とすると、式１のように表される。
【００４９】
【数１】
0005820021.tif 000002
【００５０】
初期充電期間中において整流器１１や逆変換器１２のスイッチング素子などの故障により直流リンクが短絡した場合に、瞬時負荷耐量がＪMAX［Ｊ］である充電抵抗３１が溶断するまでの時間をＴSHT［秒］、充電抵抗３１の抵抗値をＲ［Ω］とすると、式２の関係式が成り立つ。
【００５１】
【数２】
0005820021.tif 000003
【００５２】
式１に式２を代入すると、充電抵抗３１が溶断するまでの時間ＴSHT［秒］を表す式３が得られる。
【００５３】
【数３】
0005820021.tif 000004
【００５４】
直流リンクが短絡した場合に充電抵抗３１に流れる電流ＩSHT［Ａ］は式４のように表される。
【００５５】
【数４】
0005820021.tif 000005
【００５６】
よって、直流リンクが短絡した場合に、充電抵抗３１が溶断するまでに平滑コンデンサ３２に流れ込む電荷量ＱSHT［Ｃ］は、式３および式４を用いて式５のように表される。
【００５７】
【数５】
0005820021.tif 000006
【００５８】
式５で表される電荷量ＱSHT［Ｃ］は、「充電抵抗３１を流れる電荷量により充電抵抗３１が溶断することになる当該電荷量」を意味する。そこで、本発明の第１の実施例では、モータ制御装置１の起動時点から平滑コンデンサ３２の充電完了時点までの初期充電期間中に充電抵抗３１に流れる直流電流により充電抵抗３１が溶断しないようにするために、式６に示すように第１の閾値Ｔｈ1を「充電抵抗３１を流れる電荷量により充電抵抗３１が溶断することになる当該電荷量ＱSHT［Ｃ］」よりも低い値に設定し、この第１の閾値Ｔｈ1を、充電抵抗３１が溶断する可能性の有無を判定するための判断条件として用いる。
【００５９】
【数６】
0005820021.tif 000007
【００６０】
アラーム出力手段２４は、上記積算値が第１の閾値Ｔｈ1以上であると判定した場合は、充電抵抗３１が溶断する可能性が高いことからアラームを出力し、それ以外の場合には、アラームは出力しない。
【００６１】
保護手段２６は、アラーム出力手段２４からアラームが出力されたとき、遮断手段２５に対して交流電力の供給の遮断指令を出力する。この遮断指令を受信した遮断手段２５は、その内部の開閉スイッチ（図示せず）を開放し、交流電力が整流器１１へ供給されることを遮断する。交流電力の入力が遮断されると、整流器１１からは直流電力が出力されなくなり、結果として初期充電手段１３には直流電流が流れなくなるので、初期充電手段１３を保護することができる。上述のように、充電抵抗３１に耐量以上の直流電流が流れる主な要因としては、平滑コンデンサ３２の容量過多、および、整流器１１や逆変換器１２のスイッチング素子などの故障による直流リンクの短絡があるが、本発明の第１の実施例によれば、整流器１１の三相交流入力側の交流電流検出値に対して上述の計算処理を施して得られた値と第１の閾値Ｔｈ1とを比較し、充電抵抗３１が溶断する可能性があることを検知するので、整流器１１や逆変換器１２のスイッチング素子などの故障や平滑コンデンサ３２の容量過多といった充電抵抗３１に過大な直流電流が流れる要因（すなわちアラーム発生要因）に影響を受けない。アラーム発生要因の内容に関わらず、充電抵抗３１が溶断する可能性があることを示すアラームが出力されたときには保護手段２６が遮断手段２５に対して交流電力の供給の遮断指令を出力するので、充電抵抗３１に耐量以上の直流電流が流れることを防ぐことができ、初期充電手段を確実に保護することができる。
【００６２】
図４は、本発明の第２の実施例によるモータ制御装置の原理ブロック図である。本発明の第２の実施例は、図１の第１の実施例におけるモータ制御装置１に、平滑コンデンサ３２の両端に印加される直流電圧値を検出して直流電圧検出値を出力する電圧検出手段２７と初期充電手段１３による平滑コンデンサ３２の充電開始時からの直流電圧検出値の上昇分である直流電圧上昇値を算出する電圧上昇値算出手段２８とをさらに追加し、充電抵抗３１が溶断する可能性の有無を判定するための判断条件として上記第１の閾値Ｔｈ1に加え第２の閾値Ｔｈ2を用いるものである。なお、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、同一の回路構成要素には同一符号を付して当該回路構成要素についての詳細な説明は省略する。
【００６３】
上述の第１の実施例において、第１の閾値Ｔｈ1が、直流リンクが短絡して充電抵抗３１が溶断するまでに平滑コンデンサ３２に流れ込む電荷量ＱSHT［Ｃ］に等しい場合を考えると、モータ制御装置１に設置される平滑コンデンサ３２の容量がＣMAX／２から最大容量ＣMAXまでの範囲にある場合は、故障ではないにもかかわらず、アラーム出力手段２４はアラームを出力してしまう。そこで、本発明の第２の実施例では、初期充電手段１３による平滑コンデンサ３２の充電開始時からの直流電圧検出値の上昇分である直流電圧上昇値と第２の閾値Ｔｈ2との大小関係を比較することで、故障の検出精度を向上させる。
【００６４】
一般に、平滑コンデンサ３２の直流電圧検出値は、モータ制御装置１によるモータ２の駆動制御に用いられるが、モータ制御装置１にはこの直流電圧値を検出するための電圧検出手段２７が一般的に設けられている。本発明の第２の実施例では、電圧検出手段２７により出力された直流電圧検出値は電圧上昇値算出手段２８にも送られる。
【００６５】
電圧上昇値算出手段２８は、初期充電手段１３による平滑コンデンサ３２の充電開始時からの直流電圧検出値の上昇分である直流電圧上昇値を算出する。
【００６６】
アラーム出力手段２４は、電流積算手段２３から受信した積算値が第１の閾値Ｔｈ1以上であるか否かを判定するとともに、電圧上昇値算出手段２８から受信した直流電圧上昇値が第２の閾値Ｔｈ2未満であるか否かを判定する。アラーム出力手段２４は、積算値が第１の閾値Ｔｈ1以上かつ直流電圧上昇値が第２の閾値Ｔｈ2未満の場合、アラームを出力する。
【００６７】
ここで、アラーム出力手段２４におけるアラーム出力処理に用いられる第２の閾値Ｔｈ2の設定について説明する。上記のように設定された第１の閾値Ｔｈ1と同じ量の電荷量が平滑コンデンサ３２に流れ込んだ場合、初期充電手段１３による平滑コンデンサ３２の充電開始時からの直流電圧上昇値が最も小さい値ΔＶDCMIN［Ｖ］（以下、単に「直流電圧上昇値の最小値」と称する。）となるのは、モータ制御装置１に設けられた平滑コンデンサ３２の容量が最大容量ＣMAX［Ｆ］であるときである。すなわちこの場合、式７の関係式が成り立つ。
【００６８】
【数７】
0005820021.tif 000008
【００６９】
式７を変形すると、式８が得られる。
【００７０】
【数８】
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【００７１】
故障が発生していない状態であれば、電圧上昇値算出手段により算出された直流電圧上昇値が上記最小値ΔＶDCMIN［Ｖ］を下回ることはない。逆に言えば、電圧上昇値算出手段により算出された直流電圧上昇値が上記最小値ΔＶDCMIN［Ｖ］よりも小さい場合は、何らかの故障が発生していると言える。したがって、本発明の第２の実施例では、式９に示すように、第２の閾値Ｔｈ2を、第１の閾値Ｔｈ1と同じ量の電荷量が平滑コンデンサ３２に流れ込んだ場合における直流電圧上昇値の最小値ΔＶDCMIN［Ｖ］より小さい値に設定する。上述したように、「充電抵抗３１を通過して平滑コンデンサ３２に流れ込んだ電荷量」は、電流積算手段２３により「積算値」として算出されたものと等価であるので、「第１の閾値Ｔｈ1と同じ量の電荷量が平滑コンデンサ３２に流れ込んだ場合」とは、「電流積算手段２３により算出された積算値が第１の閾値Ｔｈ1に達した場合」と同じ意味であるといえる。したがって、上記第２の閾値Ｔｈ2の定義を、「電流積算手段２３により算出された積算値が第１の閾値Ｔｈ1に達した場合における直流電圧上昇値の最小値より小さい値に設定されるもの」として言い換えることができる。
【００７２】
【数９】
0005820021.tif 000010
【００７３】
本発明の第２の実施例では、第１の閾値Ｔｈ1および第２の閾値Ｔｈ2を、充電抵抗３１が溶断する可能性の有無を判定するための判断条件として用いることで、より高精度に充電抵抗が溶断する可能性の有無をより高精度に判定する。アラーム出力手段２４は、上記積算値が第１の閾値Ｔｈ1以上かつ直流電圧上昇値が第２の閾値Ｔｈ2未満であると判定した場合は、充電抵抗３１が溶断する可能性が高いことからアラームを出力し、それ以外の場合には、アラームは出力しない。本発明の第２の実施例によれば、より高精度に充電抵抗が溶断する可能性を検出することができるので、平滑コンデンサ３２の容量過多や整流器１１や逆変換器１２のスイッチング素子などの故障による直流リンクの短絡といった要因に関わらず、保護手段が遮断手段に対して交流電力の供給の遮断指令を出力することができるので、充電抵抗に対しては瞬時負荷耐量以上の直流電流が流れることをより確実に防ぐことができる。
【００７４】
図５は、本発明の第３の実施例によるモータ制御装置の原理ブロック図である。本発明の第３の実施例は、図４に示す第２の実施例におけるモータ制御装置１に、アラーム発生要因を判別する要因判別手段２９をさらに追加したものである。なお、これ以外の回路構成要素については図４に示す回路構成要素と同様であるので、同一の回路構成要素には同一符号を付して当該回路構成要素についての詳細な説明は省略する。
【００７５】
要因判別手段２９は、アラーム出力手段２４からアラームが出力されたとき、電圧上昇値算出手段２８によって算出された直流電圧上昇値と第３の閾値Ｔｈ3とに基づいて初期充電手段１３のアラーム発生要因を判別する。第３の閾値Ｔｈ3は、電圧検出手段２７が有する検出誤差に応じて、第２の閾値Ｔｈ2より小さい値に設定される。
【００７６】
ここで、要因判別手段２９におけるアラーム発生要因判別処理に用いられる第３の閾値Ｔｈ3について説明する。整流器１１や逆変換器１２のスイッチング素子などの故障による直流リンクの短絡の場合、理想的には、電圧上昇値算出手段２８が算出する直流電圧上昇値は０となるが、実際には、電圧検出手段２７による直流電圧の検出誤差により、０にはならない。また、アラーム出力手段２４は、積算値が第１の閾値Ｔｈ1以上かつ直流電圧上昇値が第２の閾値Ｔｈ2未満の場合にアラームを出力するので、式１０に示すように第３の閾値Ｔｈ3を０より大きく第２の閾値Ｔｈ2より小さい値に設定しておけば、積算値が第１の閾値Ｔｈ1以上かつ直流電圧上昇値が第２の閾値Ｔｈ2未満であるとしてアラームが出力された場合に、要因判別手段２９はこのときの直流電圧上昇値が第３の閾値Ｔｈ3未満であるか否かを判定することで、故障要因が直流リンクの短絡であるか否かを判別することができる。
【００７７】
【数１０】
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【００７８】
要因判別手段２９は、アラームが出力されたときに電圧上昇値算出手段２８が算出した直流電圧上昇値が、第３の閾値Ｔｈ3未満である場合は、アラーム発生要因は直流リンクの短絡にあると判定し、第３の閾値Ｔｈ3以上である場合は、アラーム発生要因は直流リンクに設けられた前記平滑コンデンサの容量過多にあると判定する。要因判別手段２９による判定結果を、例えばモータ制御装置１に設けられたディスプレイ（図示せず）に表示したりあるいは記憶手段（図示せず）に保存するにしてもよい。これにより、設計者や作業従事者は、アラーム発生要因を知ることができるので、モータ制御装置１のメンテナンスや設計変更など適切な対応をとることが容易となる。例えば、作業従事者は、アラーム発生要因が直流リンクの短絡にあるということを要因判別手段２９から知った場合は、故障の原因となった整流器１１や逆変換器１２のスイッチング素子を交換もしくは修理するといった対応を即座にとることができる。また例えば、設計者は、アラーム発生要因が平滑コンデンサ３２の容量過多にあるということを要因判別手段２９から知った場合は、より容量の小さい平滑コンデンサ３２に交換するといった対応を即座にとることができる。
【００７９】
上述の各実施例については、初期充電手段１３を整流器１１と平滑コンデンサ３２との間に設けたが、この代替例として、初期充電手段１３を整流器１１の三相交流入力側に設けても、本発明を実現することができる。図６は、本発明において整流器の三相交流入力側に初期充電手段が設けられるモータ制御装置の原理ブロック図である。図６に示す例では、図１を参照して説明した第１の実施例におけるモータ制御装置において、初期充電手段１３を、整流器１１の三相交流入力側にある交流リアクトルＬと遮断手段２５との間に移設した場合について説明するが、第２および第３の実施例についても同様に適用できる。初期充電手段１３において、充電抵抗３１とスイッチ部３３が並列接続された組が、３相のうちの少なくとも２相に設けられる。なお、図示の例では３相すべてに設けられている。初期充電期間中はスイッチ部３３を開放（オフ）し、モータ制御装置１がモータ２を駆動する通常動作期間中はスイッチ部３３を閉路（オン）した状態を維持する。より具体的にいえば、モータ制御装置１の起動直後からモータ２の駆動開始前までの初期充電期間中はスイッチ部３３を開放（オフ）することで、三相交流入力電源３からの交流電流は充電抵抗３１を通じて整流器１１に入力されて整流され、整流器１１から出力された直流電流が平滑コンデンサ３２に流れ込み、平滑コンデンサ３２が充電される。平滑コンデンサ３２が所定の電圧まで充電されると、スイッチ部３３を閉路（オン）して初期充電動作を完了する。この後、逆変換器１２は電力変換動作を開始してモータ２に駆動電力を供給し、この駆動電力に基づきモータ２は駆動することになる。なお、これ以外の回路構成要素については上述した各実施例における回路構成要素と同様であるので、同一の回路構成要素には同一符号を付して当該回路構成要素についての詳細な説明は省略する。
【００８０】
なお、上述の各実施例にて説明した電流変換手段２２、電流積算手段２３、アラーム出力手段２４、保護手段２６、および要因判別手段２９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。例えばこれらの手段をソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、モータ制御装置１内の演算処理装置はこのソフトウェアプログラムに従って動作することで上述の各手段の機能が実現される。また、既存のモータ制御装置にこれら手段に係るソフトウェアプログラムを当該モータ制御装置内の演算処理装置に追加的にインストールすることで本発明を適用することも可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１    モータ制御装置
２    モータ
３    三相交流入力電源
１１    整流器
１２    逆変換器
１３    初期充電手段
２１    電流検出手段
２２    電流変換手段
２３    電流積算手段
２４    アラーム出力手段
２５    遮断手段
２６    保護手段
２７    電圧検出手段
２８    電圧上昇値算出手段
２９    要因判別手段
３１    充電抵抗
３２    平滑コンデンサ
３３    スイッチ部
【要約】
【課題】直流リンクに設けられた平滑コンデンサを初期充電する初期充電手段を確実に保護するモータ制御装置を実現する。
【解決手段】モータ制御装置１は、整流器１１と、整流器１１の出力側の直流リンクに設けられる平滑コンデンサ３２と、直流リンクの直流電力とモータ２側の交流電力とを電力変換する逆変換器１２と、モータ駆動開始前に整流器１１からの直流電流で平滑コンデンサ３２を充電する初期充電手段１３と、整流器１１の入力側の交流電流の検出値を検出する電流検出手段２１と、検出値を直流リンク電流相当に変換した変換値を出力する電流変換手段２２と、上記変換値を積算した積算値を出力する電流積算手段２３と、積算値が第１の閾値以上の場合、アラーム出力するアラーム出力手段２４と、指令に応じて整流器１１への交流電力を遮断可能な遮断手段２５と、アラーム出力時に遮断手段２５に交流電力遮断を指令する保護手段２６とを備える。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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