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公開番号2021005962
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210114
出願番号2019118995
出願日20190626
発明の名称2つの直流電圧モードを有する電力変換装置及びモータ駆動装置
出願人ファナック株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類H02M 7/48 20070101AFI20201211BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】低交流電源電圧用と高交流電源電圧用に対応可能な製造容易で低コストの電力変換装置及びモータ駆動装置を実現する。
【解決手段】電力変換装置1は、入力された直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ部11と、正極がインバータ部11の直流入力側の正極に接続された第1のコンデンサ群12と、負極がインバータ部11の直流入力側の負極に接続された第2のコンデンサ群13と、第1のコンデンサ群12の正極に接続された第1の端子部14と、第1のコンデンサ群12の負極に接続された第2の端子部15と、第2のコンデンサ群13の正極に接続された第3の端子部16と、第2のコンデンサ群13の負極に接続された第4の端子部17とを備え、第1の端子部14と第3の端子部16との間の距離と第2の端子部15と第4の端子部17との間の距離とが略同一である。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
入力された直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ部と、
1つまたは互いに並列接続された複数のコンデンサからなる第1のコンデンサ群であって、前記第1のコンデンサ群の正極が前記インバータ部の直流入力側の正極に電気的に接続された第1のコンデンサ群と、
1つまたは互いに並列接続された複数のコンデンサからなる第2のコンデンサ群であって、前記第2のコンデンサ群の負極が前記インバータ部の直流入力側の負極に電気的に接続された第2のコンデンサ群と、
前記第1のコンデンサ群の前記正極に電気的に接続された第1の端子部と、
前記第1のコンデンサ群の負極に電気的に接続された第2の端子部と、
前記第2のコンデンサ群の正極に電気的に接続された第3の端子部と、
前記第2のコンデンサ群の前記負極に電気的に接続された第4の端子部と、
を備え、
前記第1の端子部と前記第3の端子部との間の距離と、前記第2の端子部と前記第4の端子部との間の距離とが略同一である、電力変換装置。
続きを表示(約 1,800 文字)【請求項2】
前記第1の端子部と前記第3の端子部との間の距離と、前記第2の端子部と前記第4の端子部との間の距離と、前記第2の端子部と前記第3の端子部との間の距離とが略同一である、請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項3】
前記第1の端子部と前記第3の端子部との間を電気的に接続するための第1の電気伝導体と、前記第2の端子部と前記第4の端子部との間を電気的に接続するための第2の電気伝導体と、前記第2の端子部と前記第3の端子部との間を電気的に接続するための第3の電気伝導体とを備える、請求項1または2に記載の電力変換装置。
【請求項4】
前記インバータ部に入力される直流電圧のモードとして、前記第1の端子部と前記第3の端子部との間が前記第1の電気伝導体により電気的に接続されかつ前記第2の端子部と前記第4の端子部との間が前記第2の電気伝導体により電気的に接続された低直流電圧モードと、前記第2の端子部と第3の端子部との間が前記第3の電気伝導体により電気的に接続された高直流電圧モードとが、選択的に切り替えられる、請求項3に記載の電力変換装置。
【請求項5】
前記第1のコンデンサ群に並列接続される第1の抵抗であって、前記の並列接続時には前記第1の抵抗の一端が前記第1の端子部に接続される、第1の抵抗と、
前記第2のコンデンサ群に並列接続される第2の抵抗であって、前記の並列接続時には前記第2の抵抗の一端が前記第4の端子部に接続される、第2の抵抗と、
を備え、
前記高直流電圧モードにおいては、前記第1の抵抗が前記第1のコンデンサ群に並列接続されかつ前記第2の抵抗が前記第2のコンデンサ群に並列接続され、
前記低直流電圧モードにおいては、前記第1の抵抗が前記第1のコンデンサ群から取り外されかつ前記第2の抵抗が前記第2のコンデンサ群から取り外される、請求項4に記載の電力変換装置。
【請求項6】
前記第4の端子部と前記第1の端子部との間に発生する電圧を検出する第1の電圧検出部と、
前記第4の端子部と前記第3の端子部との間に発生する電圧を検出する第2の電圧検出部と、
前記第1のコンデンサ群及び前記第2のコンデンサ群を充電した場合において、前記第1の電圧検出部により検出された前記第4の端子部と前記第1の端子部との間の電圧と、前記第2の電圧検出部により検出された前記第4の端子部と前記第3の端子部との間の電圧と、に応じてアラームを出力するアラーム出力部と、
をさらに備える、請求項4または5に記載の電力変換装置。
【請求項7】
前記アラーム出力部は、前記低直流電圧モードにおいて、前記第1のコンデンサ群及び前記第2のコンデンサ群を充電したときに、前記第1の電圧検出部により検出された前記第4の端子部と前記第1の端子部との間の電圧と、前記第2の電圧検出部により検出された前記第4の端子部と前記第3の端子部との間の電圧と、の差が予め規定された第1の電圧範囲外である場合に、アラームを出力する、請求項6に記載の電力変換装置。
【請求項8】
前記アラーム出力部は、前記高直流電圧モードにおいて、前記第1のコンデンサ群及び前記第2のコンデンサ群を充電したときに、前記第1の電圧検出部により検出された前記第4の端子部と前記第1の端子部との間の電圧と、前記第2の電圧検出部により検出された前記第4の端子部と前記第3の端子部との間の電圧の2倍と、の差が予め規定された第2の電圧範囲外である場合にアラームを出力する、請求項6または7に記載の電力変換装置。
【請求項9】
前記第1の電気伝導体、前記第2の電気伝導体、及び前記第3の電気伝導体の各々は、バスバーからなる、請求項3〜8のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項10】
前記第1の端子部、前記第2の端子部、前記第3の端子部、及び前記第4の端子部の各々は、スルーホールにおけるランドからなる、請求項1〜9のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項11】
交流電源から入力された交流電圧を直流電圧に変換して出力する整流器と、
前記整流器に接続され、前記整流器から入力された直流電圧を、モータを駆動するための交流電圧に変換して出力する、請求項1〜10のいずれか一項に記載の電力変換装置と、
を備える、モータ駆動装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、2つの直流電圧モードを有する電力変換装置及びモータ駆動装置に関する。
続きを表示(約 7,500 文字)【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の駆動を制御するモータ駆動装置においては、交流電源から入力された交流電圧を整流器(コンバータ)にて直流電圧に変換してDCリンクへ出力し、さらにインバータにてDCリンクにおける直流電圧を交流電圧に変換して、この交流電圧を駆動軸ごとに設けられたモータに駆動電圧として供給している。「DCリンク」とは、整流器の直流出力側とインバータの直流入力側とを電気的に接続する回路部分のことを指し、「DCリンク部」、「直流リンク」、「直流リンク部」、「直流母線」あるいは「直流中間回路」などとも別称されることもある。
【0003】
DCリンクには、整流器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が設けられる。このようなコンデンサは、平滑コンデンサやDCリンクコンデンサとも称される。DCリンクに蓄積できる直流電力が多いほど、インバータはモータに多くの駆動電力を供給することができ、モータ制御の自由度が増す。このため、DCリンクに設けられるコンデンサとして、単一の大容量コンデンサが用いられたり、複数のコンデンサが並列接続されたものが用いられている。
【0004】
DCリンクにおけるコンデンサとして用いられることの多い電解コンデンサは、少ない体積で大きい容量を確保することができるという利点を有する一方で、耐圧が低いという欠点がある。そこで、DCリンクにおける高い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たり、複数のコンデンサが並列接続されてなるコンデンサ群が直列接続されることがある。
【0005】
例えば、米国や欧州など交流電源電圧が高い地域で使用されるモータ駆動装置では、整流器による整流後の直流電圧すなわちDCリンクにおけるコンデンサに印加される直流電圧も高くなる(例えば400[V])。このような場合、複数のコンデンサを直列接続することで、個々のコンデンサに印加される電圧が耐圧を超えないようにすることが多い。一方で、交流電源電圧が低い地域で使用されるモータ駆動装置では、DCリンクにおけるコンデンサに印加される直流電圧も低くなるので(例えば200[V])、コンデンサの耐圧を超えないことがある。このような場合、複数のDCリンクコンデンサを直列接続する必要はない。
【0006】
このように、低交流電源電圧地域と高交流電源電圧地域とでは、要求されるモータ駆動装置内のインバータの直流入力側(すなわちDCリンク)の構成が異なるので、複数種類のインバータを作り分ける必要がある。このため、部品点数が多くなる問題があった。そこで、モータ駆動装置の製造にあたっては、並列接続された複数のコンデンサからなるコンデンサ群を2つ構成し、切替用部品を用いてこれら2つのコンデンサ群の接続関係を選択的に切り替えるようにすることで、出荷される地域に応じたモータ駆動装置を低コストで効率よく製造できるようにしている。例えば、高交流電源電圧地域に出荷されるモータ駆動装置を製造する場合は、切替用部品を用いて2つのコンデンサ群を直列接続し、低交流電源電圧地域に出荷されるモータ駆動装置を製造する場合は、切替用部品を用いて2つのコンデンサ群を並列接続する。
【0007】
例えば、入力端に受電した交流を整流する入力整流器と、入力整流器の出力側に接続された第一のインバータ及び第二のインバータと、該インバータそれぞれの出力側に接続された高周波トランスと、この高周波トランスの出力側に接続された出力整流器とで形成される直流生成手段と、該インバータそれぞれの入力側の直流電圧を二種類の受電電圧系に対応し切換える切換手段とによって、形成されるアーク応用機器電源装置において、該入力整流器の出力端をインバータ入力端に接続する部分で直列・並列切替え自在にして所定の直流電圧がインバータ入力端に給電されるようにし、直列接続の場合において第一のインバータ入力端電圧と第二のインバータ入力端電圧との電圧分担の不均衡を抑制する為の電圧均衡制御手段を具備することを特徴としたアーク応用機器電源装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
【0008】
例えば、配線パターンが基板上に形成された入力電源回路にて変換された電源を用いて電池を充電する充電回路装置において、入力電源回路が、全波整流回路用の配線と半波整流回路用の配線の共通となる配線部分をランドとして形成された配線パターン上に、所定のランド間に該当する部品と、該当する部品のないランド間にはジャンパー部品を実装して全波整流回路又は半波整流回路を形成することを特徴とする充電回路装置が知られている(例えば、特許文献2参照。)。
【0009】
例えば、内部接続の切換えにより低電圧、高電圧の2種の交流電源それぞれを入力電源として動作するインバータ構成の電源装置において、前記入力電源を整流する入力整流器と、前記入力整流器の正、負出力端子にそれぞれ一端が接続された第1、第2の平滑コンデンサと、前記入力電源の低電圧時前記両平滑コンデンサの他端を前記入力整流器の負、正出力端子それぞれに接続し、前記入力電源の高電圧時前記両平滑コンデンサの他端を直結する接続切換器と、前記入力整流器の正、負出力端子間に直列接続されて交互にスイッチングするインバータ用の2個のスイッチング素子と、前記入力整流器の正、負出力端子間に直列接続された2個の直流カット兼インバータ電源用コンデンサと、前記両スイッチング素子の接続点と前記両直流カット兼インバータ電源用コンデンサの接続点との間に1次巻線が設けられ2次巻線に負荷が接続される出力変圧器とを備えた電源装置が知られている(例えば、特許文献3参照。)。
【0010】
例えば、コンデンサを構成する対向する少なくとも一対の電極、及び当該電極と接続する端子とを含む複数の配線部と、前記配線部の端子間の接続を選択的に切り換える切換部とを備え、前記切換部による端子間の選択的接続により所定のコンデンサ容量を形成することを特徴とするプリント基板が知られている(例えば、特許文献4参照。)。
【0011】
例えば、NPNトランジスタのコレクタは第一の抵抗を介して第一のコンデンサの正極に接続し、該NPNトランジスタのエミッタは前記第一のコンデンサの負極に接続し、前記第一のコンデンサの正極と前記NPNトランジスタのベース間に第二の抵抗を接続し、PNPトランジスタのコレクタは第三の抵抗を介して第二のコンデンサの負極に接続し、該PNPトランジスタのエミッタは前記第二のコンデンサの正極に接続し、前記第二のコンデンサの負極と前記PNPトランジスタのベース間に第四の抵抗を接続し、前記NPNトランジスタのエミッタと前記PNPトランジスタのエミッタを接続し、前記NPNトランジスタのベースと前記PNPトランジスタのベースを接続して構成したことを特徴とするコンデンサ直列体の分圧回路が知られている(例えば、特許文献5参照。)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0012】
特開2004−358543号公報
特開平5−38061号公報
実開平5−23795号公報
特開2005−243742号公報
特開平10−295081号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
モータ駆動装置を低交流電源電圧用と高交流電源電圧用とに作り分けるために用いられる、並列接続された複数のコンデンサからなる2つのコンデンサ群の接続関係を切り替えるための切替用部品は、大電流が流れることから、バスバーにて構成されることが多い。バスバーは、例えば銅、真鍮、アルミなどの金属からなり、板金加工により製造される。しかしながら、板金加工は金型の費用が高く、その結果、モータ駆動装置の製造コストの増大を招く。また、低交流電源電圧用及び高交流電源電圧用のそれぞれについて、切替用部品を用意する必要があることから、製造時に、複数種類の切替用部品の在庫を確保しておかなければならず、製造管理が煩雑になる。したがって、低交流電源電圧用と高交流電源電圧用に対応可能な、製造容易で低コストの電力変換装置及びモータ駆動装置が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本開示の一態様によれば、電力変換装置は、入力された直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ部と、1つまたは互いに並列接続された複数のコンデンサからなる第1のコンデンサ群であって、第1のコンデンサ群の正極がインバータ部の直流入力側の正極に電気的に接続された第1のコンデンサ群と、1つまたは互いに並列接続された複数のコンデンサからなる第2のコンデンサ群であって、第2のコンデンサ群の負極がインバータ部の直流入力側の負極に電気的に接続された第2のコンデンサ群と、第1のコンデンサ群の正極に電気的に接続された第1の端子部と、第1のコンデンサ群の負極に電気的に接続された第2の端子部と、第2のコンデンサ群の正極に電気的に接続された第3の端子部と、第2のコンデンサ群の負極に電気的に接続された第4の端子部と、を備え、第1の端子部と第3の端子部との間の距離と、第2の端子部と第4の端子部との間の距離とが略同一である。
【0015】
また、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直流電圧に変換して出力する整流器と、整流器に接続され、整流器から入力された直流電圧を、モータを駆動するための交流電圧に変換して出力する上記電力変換装置とを備える。
【発明の効果】
【0016】
本開示の一態様によれば、低交流電源電圧用と高交流電源電圧用に対応可能な、製造容易で低コストの電力変換装置及び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】
【0017】
本開示の第1の実施形態による電力変換装置を示す図であって、(A)は電力変換装置内の第1〜第4の端子部の配置を例示する正面図であり、(B)は電力変換装置の回路図である。
スルーホールにおけるランドからなる第1〜第4の端子部を例示する図であって、(A)は断面図であり、(B)は正面図である。
本開示の第1の実施形態による低直流電圧モードにおける電力変換装置を示す図であって、(A)は第1の電気伝導体及び第2の電気伝導体の設置例を示す正面図であり、(B)は電力変換装置の回路図である。
本開示の第1の実施形態による高直流電圧モードにおける電力変換装置を示す図であって、(A)は第3の電気伝導体の設置例を示す正面図であり、(B)は電力変換装置の回路図である。
本開示の第1の実施形態による電力変換装置を例示する外観図である。
本開示の第1〜第4の実施形態による電力変換装置を備えるモータ駆動装置を示す図である。
本開示の第2の実施形態による電力変換装置を示す図であって、(A)は電力変換装置内の第1〜第4の端子部の配置を例示する正面図であり、(B)は電力変換装置の回路図である。
本開示の第2の実施形態による電力変換装置における第1〜第3の電気伝導体の設置例を示す正面図であって、(A)は低直流電圧モードにおける第1〜第3の電気伝導体の設置例を示し、(B)は高直流電圧モードにおける第1〜第3の電気伝導体の設置例を示す。
本開示の第3の実施形態による電力変換装置を示す回路図であって、(A)は電気伝導体が接続されていないときの電力変換装置を示し、(B)は低直流電圧モードにおける電力変換装置を示し、(C)は高直流電圧モードにおける電力変換装置を示す。
本開示の第4の実施形態による電力変換装置を示す回路図である。
本開示の第4の実施形態による電力変換装置の製造時における検査処理を示すフローチャートである。
本開示の第4の実施形態による電力変換装置の製造時における検査処理の変形例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】
【0018】
以下図面を参照して、2つの直流電圧モードを有する電力変換装置及び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を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。なお、説明を簡明なものとするために、各要素を「電気的に接続する」との表現については、単に「接続する」と表記することがある。
【0019】
図1は、本開示の第1の実施形態による電力変換装置を示す図であって、(A)は電力変換装置内の第1〜第4の端子部の配置を例示する正面図であり、(B)は電力変換装置の回路図である。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。
【0020】
本開示の第1の実施形態による電力変換装置1は、インバータ部11と、第1のコンデンサ群12と、第2のコンデンサ群13と、第1の端子部14と、第2の端子部15及び15’と、第3の端子部16及び16’と、第4の端子部17と、第1の抵抗18と、第2の抵抗19とを備える。また、電力変換装置1は、直流入力側に、正極直流端子41と負極直流端子42とを備える。
【0021】
インバータ部11は、入力された直流電圧を交流電圧に変換して出力する。すなわち、インバータ部11は、インバータ制御部(図示せず)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、インバータ部11の直流側の正極と負極との間に印加された直流電圧を交流電圧に変換し、この交流電圧をインバータ部11の交流側の端子間に出力する。また、インバータ部11は、インバータ制御部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、インバータ部11の交流側の端子間に印加された交流電圧を直流電圧に変換し、この直流電圧をインバータ部11の直流側の正極と負極との間に出力することもできる。
【0022】
インバータ制御部(図示せず)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、DSPやFPGAなどの演算処理装置をこのソフトウェアプログラムに従って動作させることで、上述の各部の機能を実現することができる。またあるいは、インバータ制御部を、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。また、インバータ制御部は、例えば工作機械の数値制御装置内に設けられてもよい。
【0023】
インバータ部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。インバータ部11の交流側に接続される負荷が、三相の電気機器である場合には、三相交流電圧を出力するために三相のブリッジ回路として構成され、単相の電気機器である場合には、単相交流電圧を出力するために単相のブリッジ回路として構成される。インバータ部11の交流側に接続される負荷の例としては、モータなどがある。インバータ部11のブリッジ回路を構成する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。
【0024】
インバータ部11の直流側の正極及び負極には、第1のコンデンサ群12及び第2のコンデンサ群13が接続される。
【0025】
第1のコンデンサ群12は、1つまたは互いに電気的に並列接続された複数のコンデンサからなる。第1のコンデンサ群12の正極は、インバータ部11の直流入力側の正極に電気的に接続される。
【0026】
第2のコンデンサ群13は、1つまたは互いに電気的に並列接続された複数のコンデンサからなる。第2のコンデンサ群13の負極は、インバータ部11の直流入力側の負極に電気的に接続される。
【0027】
第1のコンデンサ群12及び第2のコンデンサ群13は、インバータ部11が交流電圧を出力するのに用いられる直流電力を蓄積する機能を有するととともに、電力変換装置1の直流側に整流器(図1では図示せず)が設けられた際の整流器の直流出力の脈動分を抑える機能を有する。第1のコンデンサ群12及び第2のコンデンサ群13を構成する各コンデンサは、例えば電解コンデンサであるが、その代替例としてフィルムコンデンサなどであってもよい。
【0028】
なお、第1のコンデンサ群12及び第2のコンデンサ群13を構成するコンデンサの個数は、本実施形態を特に限定するものではない。図1では一例として、第1のコンデンサ群12及び第2のコンデンサ群13が各々、4個のコンデンサが並列接続されて構成される場合を示している。第1のコンデンサ群12及び第2のコンデンサ群13の各々が1個のコンデンサからなる場合は、例えば単体の大容量コンデンサで構成されてもよい。
【0029】
第1の抵抗18は、第1のコンデンサ群12に電気的に並列接続され、第1の抵抗18の一端は後述する第1の端子部14に電気的に接続される。
【0030】
第2の抵抗19は、第2のコンデンサ群13に電気的に並列接続され、第2の抵抗19の一端は第4の端子部17に電気的に接続される。
(【0031】以降は省略されています)

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