CN101557194B - 电动机驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电动机驱动装置，其具有控制向电容器或者来自电容器的充放电的充放电控制电路；以及对该充放电控制电路的放电电流进行控制的电流控制单元，上述电容器与转换器和逆变器之间的链路部并联连接。该电流控制单元为了使来自转换器的输出电流成为预定值，根据向逆变器的输入电流或来自转换器的输出电流等的值控制充放电控制电路的放电电流。

Description

电动机驱动装置
技术领域
本发明涉及通过在功率运行时提供在电容器中积蓄的电能，来降低来自电源的供给电流的电动机驱动装置。
背景技术
例如在特开2000-141440号公报中公开的那样，已知以下的电动机驱动装置，其具备：将来自交流电源的交流电压转换为直流电压的转换器；将转换后的直流电压再次转换为交流电压的逆变器；与所述转换器和所述逆变器之间的DC链路部并联连接的电容器；以及控制向所述电容器的充电以及来自所述电容器的放电的充放电控制电路。
使用图10来说明所述电动机驱动装置中的电动机的速度、DC链路部的电流、DC链路部的功率的关系。
首先，当观察电动机速度时，在该图10的例子中，设电动机首先加速，然后进行减速。
然后，当观察DC链路部的电流时，在电动机加速时，在DC链路部中流过图示的关系成立的电流。当逆变器的输入电流超过了阈值I时，放电电路的开关接通，积蓄在电容器中的电能急剧地开始放电。结果，来自转换器的输出电流急剧地减少。
另一方面，当电动机开始减速时，在电容器中流入再生电能。并且，超过了电容器的容量的再生电能通过电源再生或电阻放电来得到处理。
然后，当观察DC链路部的功率时，在电动机的加速时，从电源供给电力，直到输出P为止，另一方面，超过输出P、将放电电路的开关接通之后的电力由电容器供给。因此，当接通放电电路的开关时，电容器的电能急剧地放电。
另一方面，当电动机开始减速时，在电容器中流入再生电能，超过电容器的容量的再生电能通过电源再生或电阻放电来得到处理。
在所述电动机驱动装置中，在电动机的功率运行时，从接通放电电路的开关的时刻开始，因为不对电容器中积蓄的电能进行控制，或者只进行为了不超过一定的电流值的控制，所以在电容器中积蓄的电能急剧地放电，难以从电容器向逆变器以足够的时间长度来供给电能。
因此，为了使来自电源的供给电流降低至希望的值，需要使用大容量的电容器来积蓄很多的电能。此外，对应于从电容器向逆变器供给电能，电源电流被切断或者降低，所以难以将电源电流抑制到希望的值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动机驱动装置，其通过控制在电容器中积蓄的电能的供给量，将来自电源的输入电流限制为任意的值，并且通过有效地使用在电容器中积蓄的电能，可以降低电容器的容量。
本发明的电动机驱动装置具有：将来自电流电源的交流电压转换为直流电压的转换器；将转换后的直流电压再次转换为交流电压的逆变器；与所述转换器和所述逆变器之间的链路部并联连接的电容器；控制向所述电容器的充电以及来自所述电容器的放电的充放电控制电路；以及控制所述充放电控制电路的放电电流的电流控制单元。并且，该电流控制单元为了使所述转换器的输入输出电流或转换器的输入输出功率成为规定值，根据以下1)至5)中的至少一个值控制所述充放电控制电路的放电电流，
1)逆变器的输入电流或输入功率、
2)逆变器的输出功率、
3)电动机输出功率、
4)转换器的输入电流或输入功率、
5)转换器的输出电流或输出功率。
在此，在电流的检测中使用了电流传感器。通过由电流传感器检测出的电流和对该电流流过的电路的电压进行检测后的值的乘积来检测功率。此外，上述“2)逆变器的输出功率”、或上述“3)电动机输出功率”还可以利用在控制电动机的控制软件内进行计算而求出的值。
所述电流控制单元只在所述1)～5)的值超过所述转换器的输入输出电流或转换器的输入输出功率的规定值时，控制所述放电控制电路的放电电流。
所述电动机驱动装置还可以具有计算所述1)～3)的值和所述规定值的差来作为指令值的指令值计算单元。并且，所述电流控制单元可以控制所述充放电控制电路的放电电流值，以使其与所述指令值计算单元计算出的指令值一致。
并且，所述电流控制单元可以具有输入所述指令值和所述充放电控制电路中流过的电流值的具有磁滞的比较器，根据来自所述比较器的输出信号，控制所述充放电控制电路的放电电流。此外，所述电流控制单元为了使所述充放电控制电路中流过的电流值与所述指令值一致，可以通过根据所述指令值和所述充放电控制电路中流过的电流值进行电流控制而生成的PWM指令，控制所述充放电控制电路的放电电流。
所述电动机驱动装置还可以具有降低在所述指令值上叠加的高频成分的影响的低通滤波器。此外，该低通滤波器可以采用所述指令值的规定期间内的最大值作为指令值。
所述电流控制单元控制放电电流，以便在所述4)或5)的值成为规定的值时，从所述充放电控制电路流出放电电流，在所述4)或5)的值通过该动作降低为规定的值时，停止来自所述充放电控制电路的放电电流。
本发明因为具有以上的结构，所以可以控制并优化来自电容器的电能的供给量，可以降低电容器的容量。
此外，根据本发明，因为可以把向电动机驱动装置流入的电源电流控制为希望的值，所以可以按照设置电动机驱动装置的电源设备所具有的电源电流的限制值，来设定流入电动机驱动装置的电源电流。
附图说明
通过参照附图对以下的实施方式进行说明，本发明上述以及其他目的以及特征将会变得明确。在这些附图中：
图1是本发明的电动机驱动装置的第一实施方式的概要结构图。
图2是图1的电动机驱动装置具有的充放电控制电路的概要结构图。
图3表示电动机进行了加速和减速时的电动机速度的一例。
图4表示构成图1的电动机驱动装置的逆变器或转换器中的DC链路部的电流值。
图5表示对图1所示的电动机供给的功率。
图6表示将来自图2所示的充放电控制电路的电流传感器(CT2)的电流值与任意的指令值进行比较的磁滞比较器。
图7表示在图1的电动机装置中执行了磁滞控制时的、指令值与电流传感器(CT2)检测值的关系。
图8表示生成PWM控制信号的电路。
图9说明PWM控制。
图10表示电动机进行了加速和减速的动作时的电动机速度、构成现有的电动机驱动装置的逆变器或转换器中的DC链路部的电流值、以及对该电动机供给的功率。
图11是本发明的电动机驱动装置第二实施方式的概要结构图。
图12是图11的电动机驱动装置具有的充放电控制电路的概要结构图。
图13表示将来自图12所示的充放电控制电路的电流传感器(CT2)的电流值与任意的指令值进行比较的磁滞比较器。
图14说明在开关SW1接通时流过图11的电动机驱动装置中的电容器充放电电流，其大小为逆变器输入电流(预定的值)减去转换器输出电流后的值。
具体实施方式
图1是本发明的电动机驱动装置的第一实施方式的概要结构图。
该实施方式的电动机驱动装置1由三相交流电源供给电压。转换器2将供给的交流电压转换为直流电压。然后，逆变器3将该转换后的直流电压转换为电压以及频率可变的交流电压，对电动机4进行供给。平滑电容器6连接在转换器2和逆变器3之间，是用于使由转换器2转换而得的直流电压平滑，来输入给逆变器3的DC链路部。
转换器2由功率元件(例如晶体管等)以及与这些功率元件逆并联连接的二极管形成的桥电路构成。该转换器2在功率运行时使用6个二极管对三相交流电源进行全波整流来转换为直流电压，另一方面，在功率再生时，驱动6个功率元件使电源一侧再生再生功率。
此外，逆变器3由功率元件(例如晶体管等)以及与这些功率元件逆并联连接的二极管形成的桥电路构成。并且，通过由逆变器控制电路5对这些功率元件进行接通/关断控制，将希望的电压以及频率的交流电压提供给电动机4。
第一电流传感器9(CT1)测定向逆变器3流入的电流值。
经由充放电控制电路8，与平滑电容器6并联连接电容器7。该电容器7通过充放电控制电路8的控制，向逆变器3供给电能以及使用再生能量进行充电。使用图2对充放电控制电路8进行更加详细的说明。
图2表示图1所示的电动机驱动装置1具有的充放电控制电路8的一例。如参照图1说明的那样，该充放电控制电路8在电动机驱动装置1中与作为DC链路部的平滑电容器6并联连接。该充放电控制电路8具有：第二电流传感器20(CT2)、DC电抗线圈21、放电控制用开关22(SW1)、充电控制用开关23(SW2)、升压用开关24(SW4)、二极管26a、26b、26c。各个开关22、23、24例如可以使用IGBT等。符号27是二极管。
在此说明图2的充放电控制电路8的动作。在电容器7中积蓄电能时，进行控制将充电控制用开关23(SW2)接通，将放电控制用开关22(SW1)关断，将升压用开关24(SW4)关断。由此，经由充电控制用开关23(SW2)、DC电抗线圈21、二极管26c，在电容器7中，通过来自DC链路部(平滑电容器6)的电能进行充电。
另一方面，将电容器7中积蓄的电能经由充放电控制电路8进行放电时，在使放电控制用开关22(SW1)接通、使充电控制用开关23(SW2)关断的状态下，对升压用开关24(SW4)的接通和关断高速地进行切换控制。在升压用开关24(SW4)接通时在DC电抗线圈21中作为磁能积蓄的电能，在该升压用开关24(SW4)关断时经由二极管26a流入DC链路部(平滑电容器6)，提供给逆变器3。
或者，通过使用电流控制单元来控制放电控制用开关22(SW1)的接通和关断，可以将电容器7中积蓄的电能提供给逆变器3。根据第一电流传感器9(CT1)和第二电流传感器20(CT2)的电流检测值来进行放电控制用开关22(SW1)的接通和关断的控制。
然后，关于在怎样的时刻控制充放电控制电路8来进行向电容器7的充电和放电，以电动机4(参照图1)正在进行图3所示的加速和减速的情况为例来进行说明。
如图3所示，在电动机4的功率运行时，随着流入逆变器3流入的逆变器输入电流11增大，电动机4进行加速。在此，当由第一电流传感器9(CT1)检测出的逆变器输入电流11超过作为电源电流的限制值的阈值I时，控制充放电控制电路8，以使电容器7中积蓄的电能开始放电。此外，关于上述阈值I的设定，可以设定为电源电流的限制值，或者可以设定比限制电流低的适当的值。
如图4所示，还可以在向逆变器3的输入电流11超过了阈值I时进行控制，以使来自第一电流传感器9(CT1)的电流值与来自第二电流传感器20(CT2)的电流值的差成为转换器2的输出电流(预定值)，第一电流传感器9(CT1)检测向逆变器3的输入电流11，第二电流传感器20(CT2)检测从充放电控制电路8流出的放电电流。
还可以只在转换器2的输出电流10超过了预定值时，控制充放电控制电路8，以便将来自电容器7的放电电流提供给逆变器3。通过如此进行控制，可以有效地使用在电容器7中积蓄的电能。
此外，设为在电动机的减速期间进行向电容器7的再生功率的充电。向电容器7的充电完成后的剩余的再生功率可以通过电源再生或电阻放电来进行处理。
以上是使用由第一电流传感器9(CT1)检测到的、输入逆变器3的逆变器输入电流11，来对电容器7中积蓄的电能进行放电控制的例子。接下来，说明使用对于控制电动机4的逆变器控制电路5的控制指令的值，对在电容器7中积蓄的电能进行放电控制的例子。
由第一电流传感器9(CT1)检测的电流值是逆变器输入电流11。该电流是为了根据指令来控制电动机4，通过使用逆变器控制电路5对逆变器3的晶体管进行开关而决定的值。
图6是将来自第二电流传感器20(CT2)的电流值与任意的指令值进行比较的磁滞比较器，该第二电流传感器20(CT2)检测从充放电控制电路8流出的放电电流。通过该磁滞比较器，使来自第二电流传感器20(CT2)电流值与任意的指令值一致，由此可以根据任意的指令值控制电容器的放电。根据该磁滞比较器的输出，对充放电控制电路8的放电控制用开关22(SW1)进行接通/关断控制。磁滞比较器的输出如图7所示，在指令值+α＜第二电流传感器(CT2)的检测电流值时，从接通置为关断，另一方面，在指令值-β＞第二电流传感器(CT2)的检测电流值时，从关断置为接通，由此可以使在充放电控制电路8中流过的电流追随于任意的指令值。此外，上述α、β是用于给出磁滞宽度的常数。
图8表示生成PWM控制信号的电路。通过对放电控制用开关22(SW1)的接通/关断控制进行PWM控制，可以使由电流传感器20(CT2)检测到的电流值追随于任意的指令值。
此外，如图4所示，用于上述的电容器7的放电控制的“任意的指令值”是指向逆变器3的输入电流11的电流值与来自转换器2的转换器输出电流10的电流限制值(为阈值I，为预定值)的差。
下面，对除去叠加在指令值上的高频成分的单元进行说明。作为除去高频成分的单元，对采用预定期间内的最大值的低通滤波器进行说明。
考虑减少叠加在输入信号S上的(1/X)Hz以上的频率成分。
准备N个寄存器R[i](i：0～N-1；N：正数)。
以X/(N-1)为周期对输入信号S进行采样，从R[0]开始按顺序存储采样值。每当(以(X/(N-1)为周期)存储新的值时，将所存储的采样值中的最大值作为滤波器的输出。
当到R[N-1]为止存储了值时(在该时刻，R[N-1]的值为最新的值)，通过下一次的采样而得到的值还从R[0]开始进行存储。
R[0]：存储从现在起X秒前的值
R[N-3]：存储从现在起2X/(N-1)秒前的值
R[N-2]：存储从现在起X/(N-1)秒前的值
R[N-1]：存储现在的(最新的)值
通过上述低通滤波器，可以在除去高频成分的同时，对于输入信号急剧的上升，可以使输出的上升为相同的程度。
然后，对采用预定期间内的最大值的低通滤波器的一个实施例进行说明。
在图1所示的电动机驱动装置1中，为了将电动机4加速时的来自转换器2的输出信号控制为Iref(t)以下，尝试对充放电控制电路8给出具体的指令值。
在转换器2和逆变器3的链路部中流过的电流成为“转换器输出电流+充放电控制电路的放电电流”。
在此，当想要把来自转换器2的输出电流控制为Iref(t)时，充放电控制电路8的充电电流的指令值成为“第一电流传感器(CT1)的检测值(逆变器输入电流)-Iref(t)”。
此时，因为在第一电流传感器(CT1)(逆变器输入电流)上叠加了由三相交流电源导致的电源纹波(ripple)成分，所以需要除去电源纹波成分。如果不除去，则会在指令值上叠加电源纹波成分。
为了除去电源纹波成分(例如50Hz→300Hz)，当对第一电流传感器CT1的输出使用时间常数3～4ms左右的RC滤波器时，由于时间常数而导致指令值延迟，对于负载(第一电流传感器CT1的输出)急剧的上升，响应性恶化。
因此，通过对于第一电流传感器CT1的输出，使用采用3～4ms之间的最大值的低通滤波器，可以不损害针对负载(第一电流传感器CT1的输出)急剧的上升的响应性地降低电源纹波成分的影响。
下面，使用图11～图14说明本发明的电动机驱动装置的第二实施方式。
在该实施方式中，电动机驱动装置中的电流控制单元，在转换器的输入电流或输入功率的值、或者转换器的输出电流或输出功率的值降低至预定的值时，停止来自充放电控制电路的放电电流。
在图11中，CT3是对转换器输出电流10进行检测的第三电流传感器13。图13表示把由该第三电流传感器13(CT3)检测到的转换器输出电流10和预定的电流值进行比较的磁滞比较器，在转换器输出电流10成为预定的值以上时，将图12所示的充放电控制电路8的放电控制用开关22(SW1)接通。
图11所示的逆变器输入电流11成为与电动机4的输出相对应的电流值，不取决于图12的充放电控制电路8中的放电控制用开关22(SW1)变为接通而流过的电容器充放电电流12。因此，当流过电容器充放电电流12时，转换器输出电流10如图14所示减小。该现象的产生是因为以下的关系成立。
转换器输出电流10+电容器充放电电流12＝逆变器输入电流11
在转换器输出电流成为磁滞比较器内的预定值以下时，将放电控制用开关22(SW1)关断。通过反复进行以上的动作，将转换器的输出电流控制为预定的值。

Claims (8)

1.一种电动机驱动装置，具备：将来自交流电源的交流电压转换为直流电压的转换器；将转换后的直流电压再次转换为交流电压的逆变器；与所述转换器和所述逆变器之间的链路部并联连接的电容器；以及控制向所述电容器的充电以及来自所述电容器的放电的充放电控制电路，该电动机驱动装置的特征在于，
具有电流控制单元，其为了使所述转换器的输入输出电流或转换器的输入输出功率成为规定值，根据以下1)至5)中的至少一个值控制所述充放电控制电路的放电电流，
1)逆变器的输入电流或输入功率、
2)逆变器的输出功率、
3)电动机输出功率、
4)转换器的输入电流或输入功率、
5)转换器的输出电流或输出功率。
2.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，
所述电流控制单元在所述1)～5)中的至少一个值超过所述转换器的输入输出电流或输入输出功率的规定值时，控制所述充放电控制电路的放电电流。
3.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，
还具有指令值计算单元，其计算所述1)～3)中的至少一个值和所述规定值的差来作为指令值，
所述电流控制单元控制所述充放电控制电路的放电电流值，以使其值与所述指令值计算单元计算出的指令值一致。
4.根据权利要求3所述的电动机驱动装置，其特征在于，
所述电流控制单元具有输入所述指令值和所述充放电控制电路中流过的电流值的磁滞比较器，根据来自所述磁滞比较器的输出信号，控制所述充放电控制电路的放电电流。
5.根据权利要求3所述的电动机驱动装置，其特征在于，
所述电流控制单元，为了使所述充放电控制电路中流过的电流值与所述指令值一致，通过根据所述指令值和所述充放电控制电路中流过的电流值进行电流控制而生成的PWM指令，控制所述充放电控制电路的放电电流。
6.根据权利要求3所述的电动机驱动装置，其特征在于，
还具有低通滤波器，其用于降低在所述指令值上叠加的高频成分的影响。
7.根据权利要求6所述的电动机驱动装置，其特征在于，
所述低通滤波器采用所述指令值的规定时间内的最大值作为指令值。
8.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，
所述电流控制单元控制放电电流，以便在所述4)或5)的值成为第一规定值时，从所述充放电控制电路流出放电电流，在所述4)或5)的值通过该动作降低为第二规定值时，停止来自所述充放电控制电路的放电电流。
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