(57)【要約】【課題】本発明は、演算負担を増加させることなく、運転条件に適合した駆動を行い、スイッチング素子の素子寿命を延ばすことができるインバータ装置を提供することを目的とする。【解決手段】加工機械用モータ１９を、ＰＷＭ変調方式を用いてパワーモジュール２０により複数の運転条件で駆動するインバータ装置であって、  前記複数の運転条件に対応して、前記ＰＷＭ変調方式のキャリア周波数のパターンを設定するキャリア発生手段を有することを特徴とする。【選択図】図１
2012135118.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工機械用モータを、ＰＷＭ変調方式を用いてパワーモジュールにより複数の運転条件で駆動するインバータ装置であって、
前記複数の運転条件に対応して、前記ＰＷＭ変調方式のキャリア周波数のパターンを設定するキャリア発生手段を有することを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
前記キャリア周波数のパターンは、通常の周波数の通常モードと、該通常モードよりも低い周波数の低キャリア周波数モードとを有し、
前記複数の運転条件に応じて、前記通常モードと前記低キャリア周波数モードは選択可能であることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
【請求項３】
前記低キャリア周波数モードは、複数段階のモードを有することを特徴とする請求項２に記載のインバータ装置。
【請求項４】
前記パワーモジュールの温度に関連する温度情報を検出する温度情報検出手段と、
該温度情報検出手段で検出された温度情報に基づいて、前記キャリア周波数を補正する補正手段とを更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のインバータ装置。
【請求項５】
前記補正手段による補正は、前記キャリア周波数を低周波数側に変化させる補正であることを特徴とする請求項４に記載のインバータ装置。
【請求項６】
前記運転条件は、工程に応じて定められる条件であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のインバータ装置。
【請求項７】
前記キャリア周波数のパターンは、工程の切り替わりタイミングに基づいてモードが切り替えられることを特徴とする請求項６に記載のインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ装置に関し、特に、加工機械用モータを、ＰＷＭ変調方式を用いてパワーモジュールにより複数の運転条件で駆動するインバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、逆変換部の主回路要素をＰＷＭ制御し、逆変換部には零周波数近辺を含む出力を得て電動機を駆動する静止型インバータにおいて、逆変換部の出力周波数が予め設定した設定値より低く、かつ出力電流が予め設定した設定値より高いことを判定する判定手段と、判定手段に判定出力が得られたときにＰＷＭ制御の搬送周波数を正規の周波数から低い周波数に切り換える切換手段を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
かかる静止型インバータによれば、逆変換部の出力周波数と出力電流とから、電動機速度が零付近になるときには、主回路素子のスイッチング周波数を下げ、主回路素子のスイッチング損失を減らし、素子寿命を延ばすことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２７５３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、逆変換部の搬送周波数及び出力電流を常に監視し、判定手段を動作させる必要があるため、演算負担が増加するという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、演算負担を増加させることなく、運転条件に適合した駆動を行い、スイッチング素子の素子寿命を延ばすことができるインバータ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】
【０００７】
上記目的を達成するため、第１の発明に係るインバータ装置は、加工機械用モータを、ＰＷＭ変調方式を用いてパワーモジュールにより複数の運転条件で駆動するインバータ装置であって、
前記複数の運転条件に対応して、前記ＰＷＭ変調方式のキャリア周波数のパターンを設定するキャリア発生手段を有することを特徴とする。
【０００８】
これにより、運転条件に対応した適切なキャリア周波数のパターンを設定することができ、制御応答性の必要性の度合いに応じてキャリア周波数を設定することにより、パワーモジュールの長寿命化と適切な制御性を両立させることができる。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明に係るインバータ装置において、
前記キャリア周波数のパターンは、通常の周波数の通常モードと、該通常モードよりも低い周波数の低キャリア周波数モードとを有し、
前記複数の運転条件に応じて、前記通常モードと前記低キャリア周波数モードは選択可能であることを特徴とする。
【００１０】
これにより、運転者が種々の状況を考慮して選択を行いたい場合には、運転者による選択設定が可能となり、柔軟な運転駆動を行うことができる。
【００１１】
第３の発明は、第２の発明に係るインバータ装置において、
前記低キャリア周波数モードは、複数段階のモードを有することを特徴とする。
【００１２】
これにより、運転条件に応じた適切な駆動を行うことができ、パワーモジュールの長寿命化と適切な制御性を両立させることができる。
【００１３】
第４の発明は、第１〜３のいずれかの発明に係るインバータ装置において、
前記パワーモジュールの温度に関連する温度情報を検出する温度情報検出手段と、
該温度情報検出手段で検出された温度情報に基づいて、前記キャリア周波数を補正する補正手段とを更に有することを特徴とする。
【００１４】
これにより、パワーモジュールの温度も考慮し、必要に応じてキャリア周波数の補正を行い、適切なキャリア周波数とすることにより、より適切な駆動を行うことができる。
【００１５】
第５の発明は、第４の発明に係るインバータ装置において、
前記補正手段による補正は、前記キャリア周波数を低周波数側に変化させる補正であることを特徴とする。
【００１６】
これにより、パワーモジュールの長寿命化を図ることができ、キャリア周波数を低下させても良い場合には、積極的に低キャリア周波数による駆動を促進することができる。
【００１７】
第６の発明は、第１〜５のいずれかの発明に係るインバータ装置において、
前記運転条件は、工程に応じて定められる条件であることを特徴とする。
【００１８】
これにより、工程ベースで運転条件を定めることができ、簡素かつ適切にキャリア周波数の設定を行うことができる。
【００１９】
第７の発明は、第６の発明に係るインバータ装置において、
前記キャリア周波数のパターンは、工程の切り替わりタイミングに基づいてモードが切り替えられることを特徴とする。
【００２０】
これにより、モードの切り替えを簡素かつ合理的に行うことができ、確実にパワーモジュールの長寿命化を図ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、適切な制御性を保ちつつ、パワーモジュールの長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例に係るインバータ装置の一例を示した構成図である。
【図２】パワーモジュールに取り付けられた温度検出手段の一例を示した図である。
【図３】射出成形加工における射出モータ及び型開閉モータの運転条件の変化とキャリア周波数の設定変化の例を示した図である。図３（Ａ）は、射出モータのキャリア周波数の一例を示した図である。図３（Ｂ）は、射出ユニットの工程の一例を示した図である。図３（Ｃ）は、型開閉ユニットの一例を示した図である。図３（Ｄ）は、型開閉モータのキャリア周波数の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
【００２４】
図１は、本発明の実施例に係るインバータ装置の一例を示した構成図である。図１において、本実施例に係るインバータ装置は、パワーモジュール２０と、温度検出手段３０と、平滑コンデンサ４０と、コンバータ部５０と、三相交流電源６０と、キャリア発生手段７０と、キャリア周波数設定手段８０と、コントローラ９０と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation、パルス幅変調）信号発生手段１００とを備える。また、キャリア発生手段７０は、内部に補正手段７１を備える。また、図１において、関連構成要素として、駆動対象のモータ１０が示されている。
【００２５】
モータ１０には、パワーモジュール２０が接続され、パワーモジュール２０のスイッチング駆動によりモータ１０が駆動されるようになっている。また、パワーモジュール２０は、ＰＷＭ信号発生手段１００に接続され、ＰＷＭ信号発生手段１００から出力されるＰＷＭ信号によりパワーモジュール２０がスイッチング駆動される。なお、パワーモジュール２０には、前段に平滑コンデンサ４０、更に平滑コンデンサ４０の前段にコンバータ部５０が接続され、コンバータ部５０は三相交流電源６０に接続されている。ＰＷＭ信号発生手段１００は、キャリア発生手段７０に接続され、キャリアが供給されるようになっているとともに、コントローラ９０に接続され、電圧指令信号が供給されるようになっている。また、キャリア発生手段７０には、キャリア周波数設定手段８０が接続された構成となっている。
【００２６】
モータ１０は、加工機械用のモータ１０であり、種々の加工機械用のモータを用いることができる。例えば、射出成形機に用いるモータであってもよいし、他の加工機械に用いるモータであってもよい。モータは、三相誘導モータが一般的に用いられる。
【００２７】
パワーモジュール２０は、モータ１０をスイッチング駆動する駆動手段である。パワーモジュール２０には、半導体素子が用いられてよく、例えば、ＩＧＢＴ（Insulator Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲートトランジスタ）や、パワーＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor−Field Effect Transistor）等が用いられてよい。図１においては、紙面の都合のためパワーモジュール２０が１つのトランジスタで示されているが、実際には、複数備えられていてよく、例えば、三相の各相に２つずつトランジスタが備えられていてよい。パワーモジュール２０は、直流を交流に変換するインバータ部として機能する。
【００２８】
インバータ部として機能するパワーモジュール２０の前段には、平滑コンデンサ４０とコンバータ部５０が設けられ、三相交流電源６０に接続されている。コンバータ部５０は、三相交流電源６０から供給された三相交流電圧を、整流して直流電圧に変換する。よって、コンバータ部５０はダイオードを備えて構成される。平滑コンデンサ４０は、変換された直流電圧を平滑化し、インバータ部であるパワーモジュール２０に供給する。インバータ部であるパワーモジュール２０は、平滑コンデンサ２０で平滑された直流電圧を順次切り換えて、可変電圧・可変周波数を出力する。
【００２９】
温度検出手段３０は、パワーモジュール２０の温度に関連する温度情報を検出し、パワーモジュール２０の温度を検出する手段であり、必要に応じて設けられてよい。ここで、温度に関連する情報とは、パワーモジュール２０の温度、電流、モータ１０の回転数等、パワーモジュール２０の温度変化に関連性を有し、パワーモジュール２０の温度が検出可能な情報を意味する。これらの情報から、パワーモジュール２０の温度を推定することができ、パワーモジュール２０の温度を直接的又は間接的に検出することができる。
【００３０】
図２は、パワーモジュール２０に取り付けられた温度検出手段３０の一例を示した図である。図２において、パワーモジュール２０の直近に温度検出手段３０が設けられている。温度検出手段３０は、例えばこのように、パワーモジュール２０のケース側面や、ヒートシンク部２１等のパワーモジュール直近に設けられてよい。なお、温度検出手段３０は、必須ではなく、必要に応じて設けるようにしてよい。
【００３１】
図１に戻る。キャリア発生手段７０は、キャリア周波数を設定してキャリアを発生する手段である。本実施例に係るインバータ装置においては、キャリア発生手段７０が、キャリア周波数を運転条件に応じて設定する。加工機械においては、加工工程により運転条件が異なる場合が多いので、運転条件は、加工工程に応じて定められることになる。キャリア発生手段７０内に示したキャリア周波数変化Ｐのように、キャリア周波数ｆは、工程に応じて、通常周波数ｆｎの通常モードに設定する場合と、低キャリア周波数ｆ１の低キャリア周波数モードに設定する場合がある。図１においては、工程Ａ及び工程Ｃでは通常モードに設定しているが、工程Ｂにおいては、低キャリア周波数モードに設定している。例えば、射出成形加工において、射出工程の後に圧力を一定に保つ保圧工程や、金型を押圧する型締工程等は、モータ１０の回転自体は低速であるが、同じ位置でトルクを与え続ける負荷自体は高い工程である。このような工程では、高い制御応答性は必要とされず、モータ１０を低速で動作させることが求められる運転条件である。このような場合に、キャリア周波数ｆを通常周波数ｆｎに維持し続けると、パワーモジュール２０は高速にスイッチングを繰り返すと発熱が大きくなり、熱ストレスを強く受けるので、消耗が大きく、パワーモジュール２０の低寿命化に結びついてしまう。そこで、本実施例に係るインバータ装置においては、工程の相違による運転条件の相違に着目し、求められる運転条件の変化に応じてキャリア周波数ｆの設定を変化させている。キャリア発生手段７０は、このような複数の運転条件に基づいて、適切なキャリア周波数を自動的に設定する。
【００３２】
キャリア周波数変化Ｐに対応したキャリア周波数波形Ｑにおいて、工程Ｂに対応する波形のキャリア周期が、工程Ａ及び工程Ｃよりも長くなっている。これにより、パワーモジュール２０のスイッチング周期を長くして単位時間当たりのスイッチング回数を低減させ、パワーモジュール２０の消耗を低減させることができる。このように、キャリア周波数を運転条件に応じて変化させ、高速スイッチングが不要な運転条件下の場合には、キャリア周波数を低下させることにより、パワーモジュール２０のスイッチングを減らし、適切な制御性を維持しつつパワーモジュール２０の長寿命化を図ることができる。
【００３３】
また、本実施例においては、キャリア周波数の切り換えを、出力電流等の検出によらず、工程の切り替えによる運転条件の変化に基づいて行っているので、キャリア周波数の切り替えに際し、複雑な演算処理は不要であり、簡素な構成で適切な切り替え制御を行うことができる。
【００３４】
キャリア発生手段７０は、必要に応じて、補正手段７１を備えてよい。補正手段７１は、温度検出手段３０で検出したパワーモジュール２０の温度に応じて、一旦、運転条件に対応させて設定したキャリア周波数を補正する手段である。例えば、キャリア周波数が通常周波数ｆｎに設定されている工程であっても、必ずしも常に通常周波数ｆｎが適切な訳ではなく、高い制御応答性が必要とされる工程・状況と、周波数を低下させても大きな問題とならないような工程・状況がある。例えば、キャリア周波数が通常周波数ｆｎに設定されている工程であっても、温度検出手段３０により、パワーモジュール２０が所定温度以上の高温であることを検出した場合には、キャリア周波数ｆｎを低下させる補正を行うことが好ましい。そのような場合には、補正手段７１は、キャリア周波数を低下させても制御性に問題が生じない範囲内で、キャリア周波数を低下させる補正制御を行う。つまり、キャリア周波数を低下させても問題の生じない工程・状況下でキャリア周波数を低下させ、パワーモジュール２０のスイッチング周波数を低下させる制御を行う。これにより、制御性に影響を与えない範囲で、パワーモジュール２０の温度状態も考慮しつつ、適切な駆動制御を行うことができる。なお、補正手段７１によるキャリア周波数の低下幅は、低キャリア周波数ｆ１と同じ程度としてもよいし、それよりも低下幅を減少させた補正としてもよく、用途に応じて適切な設定とすることができる。
【００３５】
キャリア周波数設定手段８０は、加工機械の運転者が、キャリア周波数の設定を行うための手段である。上述のように、本実施例に係るインバータ装置においては、キャリア発生手段７０が、運転条件に基づいて自動的に適切なキャリア周波数を設定するが、運転者が、運転状況に応じてキャリア周波数を手動で設定することができるように構成されている。キャリア周波数設定手段８０は、運転者がキャリア周波数の設定を行うことができれば、種々の手段として構成されてよいが、例えば、ディスプレイにメニュー画面として表示されてもよい。例えば、各工程と、設定できるキャリア周波数の選択肢が表示されていれば、運転者は、メニュー選択を行うだけで、容易に各工程のキャリア周波数を設定することができる。
【００３６】
なお、運転者によるキャリア周波数の設定は、例えば、運転者が低キャリア周波数モードのオン・オフの切り替えを行うことができ、更に必要に応じて、低キャリア周波数モードの強弱の選択も行えるようにすることが好ましい。かかる運転者による低キャリア周波数モードのオン・オフの切り替えは、工程毎に行うことができるように構成される。また、低キャリア周波数モードの強弱の選択についても、工程毎に行えるように構成されてよい。例えば、キャリア発生手段７０の方では、通常モードに設定しているような場合であっても、部品の劣化具合から要注意と運転者が判断し、低キャリア周波数モードに設定することも可能である。更に、低キャリア周波数モードの中でも、スイッチング周波数の高低をも設定できるようになっていれば、部品の劣化度や工程運転の状況を運転者が把握しているときには、より適切なキャリア周波数の設定を行うことができる。このように、運転者が、工程の状況等を見て、キャリア周波数の設定を変更したい場合には、キャリア周波数設定手段８０からキャリア周波数の設定が可能な構成としておけば、パワーモジュール２０の負担を考慮しつつ、非常に柔軟度の高い加工を行うことが可能となる。
【００３７】
コントローラ９０は、ＰＷＭ信号発生手段１００に電圧指令を与える手段である。図１において、電圧指令の一例が、電圧指令信号Ｒとして示されている。かかる電圧指令により、ＰＷＭ信号のデューティー比が定まる。
【００３８】
ＰＷＭ信号発生手段１００は、ＰＷＭ信号を発生させてパワーモジュール２０に供給し、パワーモジュール２０を駆動する手段である。ＰＷＭ信号発生手段１００は、電圧指令信号Ｒとキャリア信号Ｑに基づいて、ＰＷＭ変調によりＰＷＭ信号Ｓを発生する。このとき、キャリア周波数が反映され、低キャリア周波数ｆ１の領域では、モータ１０の駆動間隔が長いＰＷＭ信号が出力されることになる。そして、コントローラ９０からの出力指令に応じてＰＷＭ信号Ｓをパワーモジュール２０に出力することにより、パワーモジュール２０がＰＷＭ信号に従ってモータ１０を駆動する。モータ１０に高応答性が必要とされるときには、パワーモジュール２０も高速スイッチング駆動し、一方、モータ１０が低速回転で十分であるときには、パワーモジュール２０は低速スイッチング駆動し、パワーモジュール２０の不要な消耗を低減することができる。
【００３９】
次に、図３を用いて、具体的なキャリア周波数の変更例について説明する。図３は、射出成形加工における射出モータ及び型開閉モータの運転条件の変化とキャリア周波数の設定変化の例を示した図である。また、図３（Ａ）は、射出モータのキャリア周波数の一例を示した図であり、図３（Ｂ）は、射出ユニットの工程の一例を示した図である。また、図３（Ｃ）は、型開閉ユニットの一例を示した図であり、図３（Ｄ）は、型開閉モータのキャリア周波数の一例を示した図である。なお、横軸は時間ｔを示し、縦軸はキャリア周波数ｆを示している。また、キャリア周波数ｆは、ｆ１＜ｆ２＜ｆ３＜ｆｎの関係で示されている。
【００４０】
まず、時刻ｔ０からの休止状態では、金型が開いた状態で、射出モータ及び型開閉モータの双方とも、低キャリア周波数ｆ１を維持している。時刻ｔ１で型開閉モータのキャリア周波数が増加し、通常周波数ｆｎに到達してから、時刻ｔ２で型閉工程が開始する。この間、時刻ｔ３まで、型開閉モータのキャリア周波数は通常周波数ｆｎに保たれ、射出モータのキャリア周波数は低キャリア周波数ｆ１に保たれる。時刻ｔ４まで、型開閉モータのキャリア周波数が低キャリア周波数ｆ３に低下するとともに、射出モータのキャリア周波数が通常周波数ｆｎまで上昇する。
【００４１】
時刻ｔ４において、射出ユニットは射出工程に入り、型開閉ユニットは型締工程に入る。射出ユニットの射出工程では、射出モータのキャリア周波数は通常周波数ｆｎに保たれる。また、型開閉ユニットの型開閉モータにおいては、通常周波数ｆｎよりも１段階周波数が低下した低キャリア周波数ｆ３に保たれる。
【００４２】
時刻ｔ５において、射出工程が終了すると、射出モータのキャリア周波数は、通常周波数ｆｎから低キャリア周波数ｆ２に低下する。また、型開閉モータの方も、更に１段階周波数が低下し、低キャリア周波数ｆ２となる。
【００４３】
時刻ｔ６から、射出ユニットは保圧工程に入るが、保圧工程では、射出モータは、高応答性は不要となり、低キャリア周波数ｆ２に低下する。型開閉ユニットにおいては、型締工程が維持され、型開閉モータは低キャリア周波数ｆ２に保たれる。
【００４４】
時刻ｔ７で保圧工程は終了するが、射出モータは高応答性が不要な状態が継続し、そのまま低キャリア周波数ｆ２が維持される。一方、型開閉ユニットでは、型締工程が継続するが、型開閉モータは、更に時刻ｔ８までで低キャリア周波数ｆ１に変化する。これは、型締工程を時刻ｔ４から継続しているため、徐々に更に低周波数側にシフトさせても締め力は低下しないからである。
【００４５】
時刻ｔ８から、射出ユニットは計量工程に入るが、射出モータは低キャリア周波数ｆ２が維持される。また、型開閉ユニットでは、型締工程が継続するが、型開閉モータは、低キャリア周波数ｆ１が維持される。
【００４６】
時刻ｔ９において、射出ユニットの軽量工程及び型開閉ユニットの型締工程が終了する。ここで、射出モータは、低下を開始し、時刻ｔ１０で低キャリア周波数ｆ１になり、型開閉モータは上昇を開始して時刻ｔ１０で通常周波数ｆｎになる。
【００４７】
時刻ｔ１０で、射出ユニットは一連の工程が終了しているので、射出モータは低キャリア周波数ｆ１となる。一方、型開閉ユニットは、型開工程が開始し、型開閉モータは通常キャリア周波数ｆｎとなる。
【００４８】
時刻ｔ１１で型開工程が終了し、型開閉モータのキャリア周波数が低下を開始する。時刻ｔ１２で、型開閉モータは低キャリア周波数ｆ２になる。そして、時刻ｔ１２から、低キャリア周波数ｆ２の状態で、エジェクト工程が実施され、型開閉ユニットも一連の工程が終了する。
【００４９】
このように、工程が要求する運転条件に応じて、ＰＷＭ変調方式のキャリア周波数を変化させることにより、パワーモジュール２０の消耗を少なくしつつ、適切に加工工程の駆動制御を行うことができる。また、図３に示したように、低キャリア周波数ｆ１〜ｆ３を、複数段階に設定することにより、より適切な制御とパワーモジュール２０のスイッチング負担を低減させることが可能となる。
【００５０】
なお、図３における低キャリア周波数ｆ１〜ｆ３の工程毎の設定は、キャリア発生手段７０によるキャリア周波数ｆ１〜ｆ３の自動設定と、運転者による手動設定を併用可能としてよい。また、図３に示した例においても、温度検出手段３０で検出された温度情報に基づいて、設定された運転条件毎のキャリア周波数を適宜補正するようにしてもよい。
【００５１】
このように、本実施例に係るインバータ装置によれば、柔軟かつ適切な駆動制御が可能となり、適切な制御を実施しつつパワーモジュール２０を長寿命化することができる。
【００５２】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、射出成形機、スタッカ等、サーボモータで駆動しており、低速で大トルクを発生するような運転条件を有する装置全般に利用することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１０    モータ
２０    パワーモジュール
３０    温度検出手段
４０    平滑コンデンサ
５０    コンバータ部
６０    三相交流電源
７０    キャリア発生手段
７１    補正手段
８０    キャリア周波数設定手段
９０    コントローラ
１００    ＰＷＭ信号発生手段
【図１】
2012135118.tif 000003
【図２】
2012135118.tif 000004
【図３】
2012135118.tif 000005