JP2010074918A

JP2010074918A - 電力計算手段を備えたモータ駆動装置

Info

Publication number: JP2010074918A
Application number: JP2008238346A
Authority: JP
Inventors: Heisuke Iwashita; 平輔岩下; Hajime Okita; 肇置田; Yuichi Yamada; 裕一山田; Takahiro Akiyama; 隆洋秋山; Shigeki Hanyu; 茂樹羽生; Shoichi Niwa; 正一丹羽
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2008-09-17
Filing date: 2008-09-17
Publication date: 2010-04-02

Abstract

【課題】商用電源を直流電源に変換する単一のコンバータ部につながる複数のインバータ部の全てで消費される電力またはコンバータ部から商用電源に回生される回生電力を一括計算する手段を備えたモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】三相交流入力電源を直流電源に変換する単一コンバータ部１５０と、コンバータ部１５０で変換した直流電源を所望の周波数の交流電源に変換する複数のインバータ部２０１、２０２、…、２０Ｎを有するモータ駆動装置は、コンバータ部１５０の三相交流の入力電圧および入力電流からモータ駆動装置１００の消費電力または回生電力を演算する入力電力計算手段１３を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は電力を測定する機能を有するモータ駆動装置に関し、特に工作機械、鍛圧機械、射出成形機、産業機械および産業用ロボット等に装備された複数のモータを駆動するモータ駆動装置に関する。

特許文献１のインバータ装置の三相電力測定装置には、コンバータ入力部に電圧と電流を測定する手段を設けて入力電力を測定する手法が開示されている（同文献１に記載の三相電力測定装置の従来例を示す図４参照）。

図２は従来技術によるモータ駆動装置を示す図である。工作機械、鍛圧機械、射出成形機、産業機械および産業用ロボット等に装備された複数のモータを駆動するモータ駆動装置６００は、図２に示すように、商用電力を直流電力に変換するコンバータ部６５０を共通化し、コンバータ部６５０のコンバータパワー回路６５１により交流電力を直流電力に変換して複数のインバータ部６０１、６０２、…、６０Ｎのインバータパワー回路６１０、６２０、…、６Ｎ０に直流電力を供給し、サーボモータ或いはスピンドルモータを駆動する。

モータ駆動装置６００は、複数のインバータ部６０１、６０２、…、６０Ｎにおける出力電力計算手段６１３、６２３、…、６Ｎ３において、対応するインバータ部の出力電圧指令６１１、６２１、…、６Ｎ１および電流検出回路６１２、６２２、…、６Ｎ２により検出された出力電流から複数のインバータ部６０１、６０２、…、６０Ｎにおける対応する各モータ１、２、…、Ｎに対する出力電力を計算する。

昨今の省エネルギー化の流れから、機械で消費する電力をモニタし、或いはモータの減速時にコンバータ部６５０から商用電源に回生される電力をモニタする手段が提供されている。この場合、従来は各インバータ部６０１、６０２、…、６０Ｎにおいて、駆動しているモータ１、２、…、Ｎが消費或いは回生する電力を該モータにより駆動される軸毎に計算し、上位の制御装置７００側の総出力電力計算手段７０１で各軸の消費、回生電力を合計計算することで、全体の消費電力、回生電力を求める方法が取られている。

実開平４−２５４８５

しかしながら、従来の方法では、商用電源から直接コンバータ部に入力される電力ではなく、インバータ側が出力する電力の合計であるため、コンバータ部の入出力変換効率（損失）およびインバータ部の入出力変換効率（損失）の分だけ値がずれる。

また、従来の方法では、各インバータ部で軸毎に電力計算を同時並行に行い、更に上位コントローラにおいて各インバータ部で電力計算した値の合計を計算する必要があるため、処理のための負担が大きい等のデメリットがある。

それゆえ、本発明は、上記問題を解決し、商用電源を直流電源に変換する単一のコンバータ部につながる複数のインバータ部の全てで消費される電力またはコンバータ部から商用電源に回生される回生電力を一括計算する手段を備えたモータ駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明によるモータ駆動装置は、三相交流入力電源を直流電源に変換する単一コンバータ部と、コンバータ部で変換した直流電源を所望の周波数の交流電源に変換する複数のインバータを有するモータ駆動装置において、前記コンバータ部の三相交流の入力電圧および入力電流から前記駆動装置の消費電力または回生電力を演算する電力計算手段を備えたことを特徴とする。

上記モータ駆動装置において、前記電力計算手段により計算された消費電力または回生電力の履歴を記憶する手段を備えたことを特徴とする。

上記モータ駆動装置において、前記電力計算手段により計算された消費電力または回生電力の瞬時値または履歴を表示する手段を備えたことを特徴とする。

上記モータ駆動装置において、前記コンバータ部の三相交流の入力電圧および入力電流の同相成分を乗じて得られる各相毎の値を合算したものを前記電力計算手段の演算結果とすることを特徴とする。

上記モータ駆動装置において、前記コンバータ部の三相交流の入力電圧および入力電流の各々を該三相交流入力電圧および三相交流入力電流と等価な静止座標（α-β座標）上の二相交流電圧および二相交流電流に座標変換（α-β変換）し、各々の同相成分を乗じて得られる各相毎の値を合算したものを前記電力計算手段の演算結果とすることを特徴とする。

上記モータ駆動装置において、前記コンバータ部の三相交流の入力電圧および入力電流の各々と等価な静止座標（α-β座標）上の二相交流入力電圧および二相交流入力電流を該二相交流入力電圧および二相交流入力電流と等価な回転座標（d-q座標）上の二相電圧および二相電流に座標変換（d-q変換）し、各々の同相成分を乗じて得られる各相毎の値を合算したものを前記電力計算手段の演算結果とすることを特徴とする。

上記モータ駆動装置において、前記の回転座標（d-q座標）上の二相電圧および二相電流から前記モータ駆動装置の有効電力、無効電力または皮相電力を演算する電力計算手段を備えたことを特徴とする。

上記構成によれば、消費電力および回生電力が正確に算出でき、かつ電力計算のためのＣＰＵの負担も大幅に低減する事が可能となる。

図１は本発明の一実施形態に係るモータ駆動装置を示す図である。図１に示すモータ駆動装置１００は、単一のコンバータ部１５０の入力の電圧検出回路１１および電流検出回路１２により検出された電圧および電流から入力電力計算手段１３によりモータ駆動装置１００全体の電力を計算する。

コンバータ部１５０のコンバータパワー回路１０により交流電力を直流電力に変換して複数のインバータ部２０１、２０２、…、２０Ｎのインバータパワー回路２１０、２２０、…、２Ｎ０に直流電力を供給し、各インバータ部２０１、２０２、…、２０Ｎはサーボモータ或いはスピンドルモータ等１、２、…、Ｎを駆動する。

この実施形態では、電圧検出回路１１および電流検出回路１２がコンバータ部１５０に含まれているが、必ずしもその必要はなく、独立した検出モジュールにより電圧検出回路および電流検出回路を構成してもよい。

また、入力電力計算手段１３/入力電力履歴の記憶手段１４／入力電力の表示手段１５もコンバータ部に含まれている。入力電力計算手段１３により計算された入力電力の瞬時値の履歴が記憶手段１４に記憶される。入力電力の表示手段１５は、機械で消費する電力をモニタし、或いはモータの減速時にコンバータ部１５０から商用電源に回生される電力をモニタし、ディスプレイに表示する手段である。表示手段１５は記憶手段１４に記憶された入力電力の瞬時値の履歴を表示する。

この実施形態では、入力電力計算手段１３/入力電力履歴の記憶手段１４／入力電力の表示手段１５もコンバータ部に含まれているが、その必要はなく、これらの手段を不図示の上位制御装置に実装した構成にしてもよい。

次に図１に示す入力電力計算手段１３による電力の計算方法の具体例を以下に説明する。
第１計算方法：
コンバータ部の三相交流入力電圧ベクトルｖ_abcおよび三相交流電流ベクトルi_abcを、それぞれ式（１）

とおいた場合に、式（１）を用いて電力計算手段により電力Ｐを以下のように下式（２）で計算する。

このように、コンバータ部の三相交流入力電圧および三相交流入力電流の同相成分を乗じて得られる各相毎の値を合算したものを前記電力計算手段の演算結果とする。

第２計算方法：
コンバータ部の三相交流入力電圧ベクトルv_abcおよび三相交流電流ベクトルi_abcに対し、以下の座標変換（いわゆるαβ（変換）を施し、すなわち下記の式（３−１）および式（３−２）を計算し、静止座標上の二相交流電圧ベクトルv_αβおよび二相交流電流ベクトルi_αβに変換する。

とおいた場合に、式（３−１）および式（３−２）を用いて電力計算手段により電力Ｐを以下のように下式（４）で計算する。

このように、コンバータ部の三相交流入力電圧および三相交流入力電流の各々をこれらの三相交流入力電圧および三相交流入力電流と等価な静止座標（α-β座標）上の二相交流電圧および二相交流電流に座標変換（α-β変換）し、各々の同相成分を乗じて得られる各相毎の値を合算したものを電力計算手段の演算結果とする。

第３計算方法：
静止座標上の二相交流電圧ベクトルv_αβおよび二相交流電流ベクトルi_αβに対し、以下の座標変換（いわゆるd-q変換）を施し、すなわち下記の式（５−１）および式（５−２）を計算し、回転座標上の二相電圧ベクトルｖ_dqおよび電流ベクトルｉ_dqに変換する。

ただし、θは電圧ベクトルｖ_αβの位相である。
とおいた場合に、式（５−１）および式（５−２）を用いて電力計算手段により電力Ｐを以下のように下式（６）で計算する。

このように、コンバータ部の三相交流の入力電圧および三相交流入力電流の各々と等価な静止座標（α-β座標）上の二相交流入力電圧および二相交流入力電流を該二相交流入力電圧および二相交流入力電流と等価な回転座標（d-q座標）上の二相電圧および二相電流に座標変換（d-q変換）し、各々の同相成分を乗じて得られる各相毎の値を合算したものを電力計算手段の演算結果とする。

回転座標上の二相電圧ベクトルv_dq、および電流ベクトルi_dqから有効電力Ｐ、無効電力Ｑおよび皮相電力Ｓをそれぞれ以下のように下式（７−１）、（７−２）および（７−３）で計算する。

本発明の一実施形態に係るモータ駆動装置を示す図である。従来技術によるモータ駆動装置を示す図である。

符号の説明

１、２、…、Ｎモータ
１０コンバータパワー回路
１１電圧検出回路
１２電流検出回路
１３入力電力計算手段
１００モータ駆動装置
１５０コンバータ部
２０１、２０２、…、２０Ｎインバータ部
２１０、２２０、…、２Ｎ０インバータパワー回路

Claims

三相交流入力電源を直流電源に変換する単一コンバータ部と、コンバータ部で変換した直流電源を所望の周波数の交流電源に変換する複数のインバータを有するモータ駆動装置において、
前記コンバータ部の三相交流の入力電圧および入力電流から前記駆動装置の消費電力または回生電力を演算する電力計算手段を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。
前記電力計算手段により計算された消費電力または回生電力の履歴を記憶する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
前記電力計算手段により計算された消費電力または回生電力の瞬時値または履歴を表示する手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のモータ駆動装置。
前記コンバータ部の三相交流の入力電圧および入力電流の同相成分を乗じて得られる各相毎の値を合算したものを前記電力計算手段の演算結果とすることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のモータ駆動装置。
前記コンバータ部の三相交流の入力電圧および入力電流の各々を該三相交流入力電圧および三相交流入力電流と等価な静止座標（α-β座標）上の二相交流電圧および二相交流電流に座標変換（α-β変換）し、各々の同相成分を乗じて得られる各相毎の値を合算したものを前記電力計算手段の演算結果とすることを特徴とする請求項1乃至３の何れか１項に記載のモータ駆動装置。
前記コンバータ部の三相交流の入力電圧および入力電流の各々と等価な静止座標（α-β座標）上の二相交流入力電圧および二相交流入力電流を該二相交流入力電圧および二相交流入力電流と等価な回転座標（d-q座標）上の二相電圧および二相電流に座標変換（d-q変換）し、各々の同相成分を乗じて得られる各相毎の値を合算したものを前記電力計算手段の演算結果とすることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のモータ駆動装置。
前記の回転座標（d-q座標）上の二相電圧および二相電流から前記モータ駆動装置の有効電力、無効電力または皮相電力を演算する電力計算手段を備えたことを特徴とする請求項６に記載のモータ駆動装置。