(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024065469
(43)【公開日】2024-05-15
(54)【発明の名称】電源装置
(51)【国際特許分類】
H02M 7/12 20060101AFI20240508BHJP
H02P 3/14 20060101ALI20240508BHJP
【FI】
H02M7/12 Q
H02P3/14 D
【審査請求】未請求
【請求項の数】2
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022174345
(22)【出願日】2022-10-31
(71)【出願人】
【識別番号】000004606
【氏名又は名称】ニチコン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100122426
【弁理士】
【氏名又は名称】加藤 清志
(72)【発明者】
【氏名】村西 充
【テーマコード(参考)】
5H006
5H530
【Fターム(参考)】
5H006AA02
5H006BB05
5H006CA02
5H006CA07
5H006CB01
5H006DA02
5H006DA04
5H006DB01
5H006DC02
5H006DC05
5H530AA12
5H530CC19
5H530CE16
5H530DD14
5H530EE05
5H530EF03
(57)【要約】
【課題】誘導性負荷において発生した回生電力を再利用し、省エネルギー効果を高めることができる電源装置を提供する。
【解決手段】電源装置1は、交流電源ACを整流するとともに平滑化する直流化部10と、コンデンサ15に印加される印加電圧を入力電圧Vaとして入力し、力率を改善する力率改善部20と、力率改善部20の出力電圧の目標値である目標出力電圧Vtと、入力電圧Vaとに基づいて、力率改善部20による力率改善動作を制御する制御部40とを備え、モータ駆動装置100からの回生電圧Vcをコンデンサ15に回生させる。
【選択図】
図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換して該直流電圧を用いて誘導性負荷を駆動する電源装置において、
前記交流電圧を整流ダイオードにより整流するとともにコンデンサにより平滑する直流化部と、
前記コンデンサに印加される印加電圧を入力電圧として入力し、力率を改善する力率改善部と、
前記力率改善部の出力電圧の目標値である目標出力電圧と、前記入力電圧とに基づいて、前記力率改善部による力率改善動作を制御する制御部と、を備え、
前記誘導性負荷からの回生電圧を前記コンデンサに回生させることを特徴とする電源装置。
【請求項2】
前記回生電圧が前記直流化部の出力電圧より大きいとき、
前記制御部は、前記回生電圧が前記目標出力電圧より小さい場合には、前記力率改善動作を開始させる制御を行い、前記回生電圧が前記目標出力電圧以上の場合には、前記力率改善動作を停止させる制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電源装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、モータの回転、停止を制御することにより、アーム等を動作させる産業用ロボット等が広く普及している。
このような産業用ロボットに搭載されたモータを減速・停止させる制御が行われたとき、モータの慣性回転等により回生電力が発生し、発生した電力が、モータ駆動用電源部に戻され、モータ駆動用電源部の電圧が上昇することがある。
モータ駆動用電源部の電圧が、一定値以上に上昇すると、モータ駆動用電源部は異常電圧として検出し、回路を保護するために動作を停止させる場合があった。
そのため、モータ駆動用電源に回生電力放電抵抗を設け、発生した回生電力を回生電力放電抵抗で放電させ、熱として消費させることにより、モータ駆動用電源部の電圧上昇を抑える技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、特許文献1に記載の発明では、モータにおいて発生した回生電力を熱として消費させているため、発生した電力エネルギーを有効に活用できていなかった。
【0005】
そこで、本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、誘導性負荷において発生した回生電力を再利用し、省エネルギー効果を高めることができる電源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】
【0006】
形態1;本発明の1またはそれ以上の実施形態は、交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換して該直流電圧を用いて誘導性負荷を駆動する電源装置において、前記交流電圧を整流ダイオードにより整流するとともにコンデンサにより平滑する直流化部と、前記コンデンサに印加される印加電圧を入力電圧として入力し、力率を改善する力率改善部と、前記力率改善部の出力電圧の目標値である目標出力電圧と、前記入力電圧とに基づいて、前記力率改善部による力率改善動作を制御する制御部とを備え、前記誘導性負荷からの回生電圧を前記コンデンサに回生させる電源装置を提案している。
この構成によれば、力率改善部には、直流化部の出力電圧と、誘導性負荷からの回生電圧とが入力される。
回生電圧を力率改善部後(例えば力率改善部後段の出力コンデンサ)に回生させると、回生電圧が力率改善部の出力電圧よりも低い場合には回生電力を再利用することができないが、本発明によれば回生電圧が力率改善部に入力されることから、誘導性負荷において発生した回生電力を電源装置の電力供給源として再利用できる。
そのため、交流電源から供給される電力を低減することができ、省エネルギー効果を高めることができる。
【0007】
形態2;本発明の1またはそれ以上の実施形態は、前記回生電圧が前記直流化部の出力電圧より大きいとき、前記制御部は、前記回生電圧が前記目標出力電圧より小さい場合には、前記力率改善動作を開始させる制御を行い、前記回生電圧が前記目標出力電圧以上の場合には、前記力率改善動作を停止させる制御を行う電源装置を提案している。
これにより、誘導性負荷において発生した回生電力を、電源装置の電力供給源として再利用できる。
そのため、交流電源から供給される電力を低減することができ、省エネルギー効果を高めることができる。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、誘導性負荷において発生した回生電力を再利用し、省エネルギー効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【
図1】本発明の実施形態に係る電源装置の構成図である。
【
図2】本発明の実施形態に係る電源装置の回路構成を示す図である。
【
図3】本発明の実施形態に係る電源装置の力率改善部に入力される入力電圧と、制御部の動作とを示す図である。
【
図4】本発明の実施形態に係る電源装置の制御部のフローを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
<実施形態>
図1から
図4を用いて、本実施形態に係る電源装置1について説明する。
【0011】
<電源装置1の構成>
図1に示すように、本実施形態に係る電源装置1は、直流化部10と、力率改善部20と、DC/DCコンバータ部30と、制御部40と、含んで構成されている。
電源装置1の出力は、モータ駆動装置100に供給される。
なお、モータ駆動装置100の詳細については、後述する。
【0012】
(直流化部10の構成)
直流化部10は、交流電圧を整流ダイオードにより整流するとともにコンデンサにより平滑する。
具体的には、交流電源から供給された交流電圧を全波整流し、全波整流後の電圧を平滑することで直流電圧に変換する。
図2に示すように、直流化部10は、整流ダイオード11~14と、コンデンサ15とを含んで構成されている。
交流電源ACの一端が、整流ダイオード11のアノード電極と、整流ダイオード12のカソード電極とに接続され、交流電源ACの他端が、整流ダイオード13のアノード電極と、整流ダイオード14のカソード電極とに接続されている。
整流ダイオード11のカソード電極と、整流ダイオード13のカソード電極とが接続されている。
また、整流ダイオード12のアノード電極と、整流ダイオード14のアノード電極とがグランドに接続されている。
つまり、整流ダイオード11~14によりブリッジ回路が構成され、交流電源ACから供給された交流電圧を全波整流する。
なお、直流化部10には、交流電源ACから、例えば、AC電圧200Vの電力が供給される。
コンデンサ15の一端は、整流ダイオード11のカソード電極および整流ダイオード13のカソード電極に接続され、コンデンサ15の他端はグランドに接続されている。
つまり、上述したブリッジ回路において全波整流された電圧は、コンデンサ15に接続されることにより平滑されて直流電圧に変換される。
コンデンサ15には、例えばフィルムコンデンサが用いられる。
直流電圧に変換された直流化部10の出力電圧は、力率改善部20に入力される。
【0013】
(力率改善部20の構成)
力率改善部20は、直流化部10の出力側に接続され、コンデンサ15に印加される印加電圧を入力電圧として入力し、力率を改善する。
力率改善部20は、昇圧型スイッチング電源により構成されている。
力率改善部20は、直流化部10のコンデンサ15に印加されている入力電圧Vaを、目標出力電圧Vtに昇圧する。
図2に示すように、力率改善部20は、コイル21と、ダイオード22と、トランジスタ23と、コンデンサ24と、を少なくとも含んで構成されている。
コイル21の一端は、直流化部10のコンデンサ15の一端と接続され、コイル21の他端は、ダイオード22のアノード電極と、トランジスタ23のドレイン電極とに接続されている。
トランジスタ23のソース電極はグランドに接続され、トランジスタ23のゲート電極は、後述する制御部40に接続されている。
ここで、トランジスタ23としては、金属-酸化膜-半導体型電界効果トランジスタ(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor FET)を例示することができる。
ダイオード22のカソード電極は、コンデンサ24の一端に接続されている。
コンデンサ24の他端は、グランドに接続されている。
力率改善部20の出力電圧Vbは、DC/DCコンバータ部30に入力される。
【0014】
(DC/DCコンバータ部30の構成)
DC/DCコンバータ部30は、例えば、絶縁型DC/DCコンバータ回路により構成され、力率改善部20から供給された出力電圧Vbを、DC/DC変換して、モータ駆動装置100に安定した電力を供給する。
【0015】
(制御部40の構成)
制御部40は、例えば、マイコンや専用ICで構成され、トランジスタ23のオンオフを制御することにより、力率改善部20の出力電圧を制御する。
具体的には、制御部40は、
図2に示すB点の出力電圧Vbと、力率改善部20の目標出力電圧Vtとが同じ値になるように制御を行う。
より具体的には、制御部40は、出力電圧Vbの値を取り込み、目標出力電圧Vtとの電圧差に基づいて、力率改善部20のトランジスタ23をオンオフさせるタイミングを制御する。
ここで、上述した力率改善部20の目標出力電圧Vtは、例えば、300Vに設定されている。
なお、制御部40の制御の詳細については、後述する。
【0016】
(モータ駆動装置100の構成)
モータ駆動装置100は、回生電圧生成部110と、モータ120とを、少なくとも含んで構成されている。
モータ駆動装置100は、例えば、産業用ロボットであって、電源装置1から供給された電力によって、誘導性負荷であるモータ120を駆動し、ロボットのアーム等を動作させる装置である。
なお、モータ120は、DC駆動である。
回生電圧生成部110は、モータ120において発生した回生電力から回生電圧Vcを生成し、その回生電圧を電源装置1に供給する。
具体的には、回生電圧生成部110は、モータ120が減速や停止するときに発生する回生電力から回生電圧Vcを生成し、電源装置1に供給する。
なお、回生電圧生成部110が生成した回生電圧Vc(
図2のC点)は、ダイオード50を介して、コンデンサ15の一端(
図2のA点)に接続されている。
【0017】
(入力電圧Vaの値について)
図3を用いて、力率改善部20に入力される入力電圧Vaについて説明する。
モータ駆動装置100が接続された電源装置1の入力電圧Vaの電圧値(
図2のA点の電圧値)は、直流化部10の出力電圧値と、回生電圧生成部110から供給される回生電圧Vcの電圧値とにより決定される。
回生電圧Vcが、直流化部10の出力電圧(例えば、200V)より小さい場合には、直流化部10の出力電圧が入力電圧Vaとなる。
つまり、回生電圧Vcが、直流化部10の出力電圧より小さい場合には、電源装置1は、交流電源ACから電力供給を受けて動作する。
一方で、回生電圧Vcが、直流化部10の出力電圧より大きい場合には、回生電圧Vcが入力電圧Vaとなる。
つまり、回生電圧Vcが、直流化部10の出力電圧より大きい場合には、電源装置1は、モータ駆動装置100のモータ120において発生した回生電力から電力供給を受けて動作する。
なお、回生電圧Vcが、直流化部10の出力電圧より大きい期間は、直流化部10のブリッジ回路(整流ダイオード11~14)により、交流電源ACからの電流が流れないため、交流電源ACからの電力供給はゼロとなる。
ここで、回生電圧Vcは、ダイオード50を介してA点に接続されているため、より具体的には、(直流化部10の出力電圧+ダイオード50の順方向電圧値Vf)<回生電圧Vcのとき、入力電圧Vaには、Va=(回生電圧Vc-ダイオード50の順方向電圧値Vf)が出力される。
【0018】
(制御部40の制御)
制御部40は、力率改善部20の出力電圧の目標値である目標出力電圧Vtと、入力電圧Vaとに基づいて、力率改善部20による力率改善動作を制御する。
回生電圧Vcが直流化部10の出力電圧より大きいとき、制御部40は、入力電圧Va(=回生電圧Vc)が目標出力電圧Vtより小さい場合には、力率改善動作を開始させる制御を行い、入力電圧Va(=回生電圧Vc)が目標出力電圧Vt以上の場合には、力率改善動作を停止させる制御を行い、回生電力を利用してDC/DCコンバータ部30を動作させる。
具体的には、
図3に示すように、回生電圧Vcが直流化部10の出力電圧より大きく、且つ、回生電圧Vcが目標出力電圧Vtより小さい場合には、制御部40は、回生電圧Vcを目標出力電圧Vtに昇圧する力率改善動作を開始させる制御を行う。
また、回生電圧Vcが直流化部10の出力電圧より大きく、且つ、回生電圧Vcが目標出力電圧Vt以上の場合には、回生電圧Vcを目標出力電圧Vtに昇圧する力率改善動作を停止させる制御を行う。
つまり、制御部40は、回生電圧Vcが目標出力電圧Vtより小さい場合には、回生電圧Vcを目標出力電圧Vtに昇圧する力率改善動作を開始させるが、回生電圧Vcが目標出力電圧Vt以上の場合には、昇圧する必要がないために、力率改善動作を停止させる。
また、
図3に示すように、回生電圧Vcが直流化部10の出力電圧より小さい場合には、直流化部10の出力電圧が入力電圧Vaとなる。
このとき、制御部40は、直流化部10の出力電圧が目標出力電圧Vtより小さいため、直流化部10の出力電圧を目標出力電圧Vtに昇圧する力率改善動作を開始させる。
なお、回生電圧生成部110からの回生電圧VcがDCパルス状の場合であって、回生電圧Vc(ピーク値)が目標出力電圧Vt以上の場合は、力率改善部20は力率改善動作の停止と再起動を繰り返し、回生電力と交流電源(直流化部10の出力電力)の一部を利用してDC/DCコンバータ部30を動作させる。
以上、説明したように、制御部40は、力率改善部20の出力電圧の目標出力電圧Vtと、力率改善部20に入力される入力電圧Vaとに基づいて、力率改善部20における力率改善動作(昇圧動作)の開始および停止を制御する。
【0019】
(制御部40の処理)
図4を用いて、制御部40の処理のフローについて説明する。
【0020】
制御部40は、電源装置1がオンされたか否かを判定する(ステップS110)。
制御部40は、電源装置1がオンされたと判定した場合(ステップS110の「YES」)には、処理をステップS120に移行させる。
一方で、制御部40は、電源装置1がオンされていないと判定した場合(ステップS110の「NO」)には、処理をステップS110に戻し、待機状態に移行させる。
【0021】
制御部40は、電源装置1がオンされたと判定した場合(ステップS110の「YES」)には、入力電圧Vaの電圧値を取得し(ステップS120)、処理をステップS130に移行させる。
【0022】
制御部40は、入力電圧Vaが目標出力電圧Vt以上か否かを判定する(ステップS130)。
具体的には、制御部40は、ステップS120において取得した入力電圧Vaと、力率改善部20の出力の目標出力電圧Vtとを比較し、入力電圧Vaが目標出力電圧Vt以上か否かを判定する。
制御部40は、入力電圧Vaが目標出力電圧Vt以上と判定した場合(ステップS130の「YES」)には、処理をステップS140に移行させる。
一方で、制御部40は、入力電圧Vaが目標出力電圧Vtより小さいと判定した場合(ステップS130の「NO」)には、処理をステップS150に移行させる。
【0023】
制御部40は、入力電圧Vaが目標出力電圧Vt以上と判定した場合(ステップS130の「YES」)には、力率改善動作を停止し(ステップS140)、処理をステップS160に移行させる。
具体的には、制御部40は、力率改善部20のトランジスタ23のゲート電極に接続された制御信号により、トランジスタ23をオフさせる。
【0024】
制御部40は、入力電圧Vaが目標出力電圧Vtより小さいと判定した場合(ステップS130の「NO」)には、力率改善動作(昇圧制御)を開始し(ステップS150)、処理をステップS160に移行させる。
【0025】
制御部40は、電源装置1がオフされたか否かを判定する(ステップS160)。
制御部40は、電源装置1がオフされていないと判定した場合(ステップS160の「NO」)には、処理をステップS120に戻し、処理を継続させる。
一方で、制御部40は、電源装置1がオフされたと判定した場合(ステップS160の「YES」)には、処理を終了させる。
【0026】
<作用効果>
以上、説明したように、本発明の実施形態に係る電源装置1は、交流電源ACから供給される交流電圧を直流電圧に変換して、その直流電圧を用いて誘導性負荷を駆動する電源装置であって、交流電源ACを整流するとともに平滑化する直流化部10と、コンデンサ15に印加される印加電圧を入力電圧Vaとして入力し、力率を改善する力率改善部20と、力率改善部20の出力電圧の目標値である目標出力電圧Vtと、入力電圧Vaとに基づいて、力率改善部20による力率改善動作を制御する制御部40とを備え、誘導性負荷(モータ120)からの回生電圧Vcをコンデンサ15に回生させる電源装置である。
この実施形態に係る電源装置1によれば、誘導性負荷(モータ120)において発生した回生電力を電源装置1の電力供給源として再利用できるため、交流電源ACから供給される電力を低減することができる。
これにより、電源装置1の省エネルギー効果を高めることができる。
【0027】
また、本発明の実施形態に係る電源装置1の制御部40は、回生電圧Vcが直流化部10の出力電圧より大きいとき、回生電圧Vcが目標出力電圧Vtより小さい場合には、力率改善動作を開始させる制御を行い、回生電圧Vcが目標出力電圧Vt以上の場合には、力率改善動作を停止させる制御を行う。
これにより、回生電圧Vcが直流化部10の出力電圧より大きいとき、モータ120において発生した回生電力を、電源装置1の電力供給源として再利用できる。
そのため、交流電源ACから供給される電力を低減することができ、省エネルギー効果を高めることができる。
【0028】
<その他の実施例>
図1および
図2には、電源装置1とモータ駆動装置100とが、別体で構成された例を示したが、電源装置1がモータ駆動装置100を備えた構成であってもよい。
【0029】
以上、この発明の実施形態につき、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【符号の説明】
【0030】
1;電源装置
10;直流化部
20;力率改善部
30;DC/DCコンバータ部
40;制御部
100;モータ駆動装置
110;回生電圧生成部
120;モータ