CN102474218B - 电动机驱动装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种电动机驱动装置,其能够判断在电动机驱动装置中的电力变换装置输出侧是否具备共模滤波器,并且避免共模滤波器特性的提高以及过大滤波器电流所引起的电力变换装置的损耗增加和共模扼流圈中的磁饱和。该电动机驱动装置具有以下单元:在实际运转前,利用与上述电力变换装置的载波频率对应的预定的PWM导通关断驱动信号来驱动上述开关元件,判断有无连接在上述电力变换装置与上述电动机之间的共模滤波器的单元;以及在实际运转时,根据上述共模滤波器的有无判断结果,变更设定上述电力变换装置的PWM控制方式的单元。
Description
技术领域
本发明涉及具有向电动机进行供电的电力变换装置的电动机驱动装置。
背景技术
作为电动机驱动装置中的电力变换装置输出侧的普遍问题,可举出高频漏电流、传导EMI(Electro Magnetic Interference:电磁干扰噪声)、辐射EMI、电动机轴承的电蚀等。鉴于这样的问题,在现有电动机驱动装置中,在电力变换装置的输出侧设置共模滤波器来进行应对。
关于日本特开2001-069762号公报(第9页、图18)所公开的第1电动机驱动装置,在逆变器与电气设备之间连接共模扼流圈,电容器和电阻的串联连接体的一端连接共模扼流圈与电气设备间的各个线,串联连接体的另一端公共连接。此外,在电力变换装置的输出侧具有泄漏电流降低滤波器,该泄漏电流降低滤波器的特征是,该公共连接的串联连接体的另一端与虚拟接地电位部连接,该虚拟接地电位部对于比输入的交流电源高的频率成分具有和接地同等的电位。
日本特开平09-084357号公报(第3-4页、图7)所公开的第2电动机驱动装置具备:在PWM逆变器与由该逆变器驱动的交流电动机之间***的共模电抗器;与共模电抗器和交流电动机的连接点连接的3相星形接线的电抗器;以及使电抗器的中性点接地的电容器。在电力变换装置的输出侧具有PWM逆变器用滤波电路,该PWM逆变器用滤波电路的特征是,以共模电抗器与电容器的谐振频率位于逆变器的输出基本波频率与载波频率的中间、且与两个频率充分远离的方式,选定共模电抗器的电感和电容器的电容。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2001-069762号公报(第9页、图18)
专利文献2:日本特开平09-084357号公报(第3-4页、图7)
发明内容
发明要解决的课题
在现有电动机驱动装置的电力变换装置与共模滤波器的组合中存在如下这样的问题:在电力变换装置的PWM控制方式是2相调制方式的情况下,即使将用于共模电压降低的共模滤波器附加到电力变换装置的输出侧,也会残留3f成分(运转频率的3倍成分)的共模电压。另外,还存在这样的问题:在电力变换装置的PWM控制方式是2相调制方式的情况下,会流过包含2相调制切换时的共模扼流圈的瞬间磁饱和引起的谐振电流的过大滤波器电流。
而且,根据电动机驱动装置中的电力变换装置的用途,有时要变更载波频率。但是,因为在共模滤波器中存在谐振点,所以当电力变换装置的载波频率与共模滤波器的谐振频率过于接近时,还具有在共模滤波器中流入过大的谐振电流、或者共模扼流圈引起磁饱和的问题。
一般情况下,共模滤波器的谐振频率不会向电动机驱动装置的用户公开,所以,还存在必需在电动机驱动装置的实际运转之前手动地重新设定PWM控制方式的变更、避开共模滤波器的谐振点这样的对载波频率的变更等问题。
本发明是鉴于这样的问题点而完成的,其目的是提供一种电动机驱动装置,该电动机驱动装置判断电动机驱动装置中的电力变换装置的输出侧是否具有共模滤波器,当判断为具有共模滤波器时,可任意地提取并设定电力变换装置的载波频率,该载波频率避开共模滤波器的谐振频率附近。
为了解决上述问题,本申请的代表性发明构成如下。
电动机驱动装置具有电力变换装置,该电力变换装置由主电路部和驱动控制部构成,向电动机供电,该主电路部具有多个开关元件以及检测输出电流的电流检测器,该驱动控制部输出针对上述开关元件的PWM导通关断驱动信号,该电动机驱动装置具有以下单元:在实际运转前,利用与上述电力变换装置的载波频率对应的预定的PWM导通关断驱动信号来驱动上述开关元件,判断有无连接在上述电力变换装置与上述电动机之间的共模滤波器的单元;以及在实际运转时,根据上述共模滤波器的有无判断结果,变更设定上述电力变换装置的PWM控制方式的单元。
发明的效果
根据本申请的代表性发明,判断在电动机驱动装置中的电力变换装置的输出侧是否具备共模滤波器,在判断为具备共模滤波器的情况下,可变更为最佳的PWM控制方式的变更并进行设定,并能够避免共模滤波器特性的提高以及过大滤波器电流所引起的电力变换装置的损耗增加和共模扼流圈中的磁饱和。
另外,在判断为具备共模滤波器的情况下,可任意地提取并设定避开共模滤波器的谐振频率附近的电力变换装置的载波频率,还能够避免共模滤波器特性的提高以及过大滤波器电流所引起的电力变换装置的损耗增加以及共模扼流圈中的磁饱和。
附图说明
图1是本发明实施方式中的电动机驱动装置的概略结构图。
图2A是示出共模滤波器附加时的滤波器附加判断用PWM设定器25所输出的PWM驱动信号的图。
图2B是示出图2A时的共模滤波器前级的共模电压的图。
图2C是示出图2A时的共模滤波器前后的相电流以及滤波器电流的图。
图3是示出电力变换装置中的开关元件导通关断状态的组合A的情况的电流路径的图。
图4是示出电力变换装置中的开关元件导通关断状态的组合B时的电流路径的图。
图5是示出初始设定模式中的图1的电动机驱动装置的各部测定波形(Vc1、If、Iu1、Iv1、Iw1)的图。
图6是示出初始设定模式中的电力变换装置的载波频率与图1的电动机驱动装置的各部电流(If,Iu1、Iv1、Iw1)的关系的图。
图7是示出在图6条件下的共模滤波器的共模扼流圈内产生的与运转频率对应的磁通密度的图。
图8是现有的具备共模滤波器以及电力变换装置的电动机驱动装置的概略结构图。
图9是示出图8的电动机驱动装置中的各部测定波形(Vc1、Vc2、If)的图。
图10是示出在图8的电动机驱动装置中的共模滤波器的共模扼流圈内产生的与运转频率对应的磁通密度的图。
具体实施方式
以下,参照附图来说明本发明的实施方式。
实施例1
首先,采用图8、9、10来说明现有的电动机驱动装置。
图8示出具备共模滤波器以及电力变换装置的电动机驱动装置的概略结构图。
该电动机驱动装置由电力变换装置(主电路部10、驱动控制部40)和其输出侧具备的共模滤波器30构成。将交流电源1输入至主电路部10,并根据来自驱动控制部40的PWM驱动信号对主电路部10中的开关元件S1-S6进行导通关断驱动,进行交流-直流变换,然后经由共模滤波器30向电动机2供电。
另外,在驱动控制部40中,控制器47根据来自主电路部10所具备的电流检测器CT的输出电流检测信号、来自上位(未图示)的指令信号和载波频率设定器44以及PWM设定器46中的设定值进行PWM控制运算,向PWM信号器48输出PWM驱动信号。而且,PWM信号器48根据PWM驱动信号,输出对开关元件S1-S6进行导通关断驱动的栅极驱动信号。
共模滤波器30由共模扼流圈Lc、电容器Cn、Cc、正常模式电流降低用变压器31以及阻尼电阻Rf构成。另外,U1、V1、W1分别表示共模滤波器30的输入端子,U2、V2、W2分别表示共模滤波器30的输出端子。另外,Vc1表示共模滤波器30前级的共模电压,Vc2表示共模滤波器30后级的共模电压,If表示在电力变换装置与共模滤波器30内循环的滤波器电流。
这里,控制器47中的PWM控制方式可举出3相调制方式或者2相调制方式等。2相调制方式具有这样的优点:使电力变换装置各个桥臂的开关在一定区间内始终导通,由此能够使开关损耗与3相调制方式的开关损耗相比降低到大约2/3倍。但另一方面,具有电压精度比3相调制方式差的缺点。因此,电动机的转速为低速区域时的PWM控制方式大多采用3相调制方式,中高速区域时的PWM控制方式大多采用2相调制方式,在电力变换装置的初始设定中大多预先设定用于自动切换PWM控制方式的阈值即运转频率(相当于电动机的转速)。
图9是示出图8的电动机驱动装置中的各部测定波形(Vc1、Vc2、If)的图。图中,纵轴是电压(Vc1、Vc2)、电流(If),横轴是时间轴(Vc1、Vc2、If)。
在图中,关于PWM控制方式,低速区域(运转频率小于10Hz)中的PWM控制方式为3相调制方式,中高速区域(运转频率是10Hz以上)中的PWM控制方式为2相调制方式。另外,关于电力变换装置的载波频率,例如,假定在3相调制方式中以10kHz进行运转,在2相调制方式中以15kHz进行运转。
在3相调制方式(运转频率5Hz)中,共模滤波器后级的共模电压Vc2低于共模滤波器前级的共模电压Vc1。另一方面,在2相调制方式(运转频率10、30、60Hz)中,关于共模滤波器后级的共模电压Vc2,虽然降低了载波频率(15kHz)成分以上的共模电压,但还残留有3f成分(运转频率的3倍成分)的共模电压。另外,关于滤波器电流If,在3相调制方式中流过载波频率(10kHz)成分的滤波器电流If,在2相调制方式中,除了载波频率(15kHz)成分之外,还流过在2相调制切换时流过的过大谐振电流。
图10是示出在图8的电动机驱动装置中的共模滤波器的共模扼流圈内产生的与运转频率对应的磁通密度的图。图中,纵轴是磁通密度B[T],横轴是运转频率[Hz]。另外,与图8以及9相同,关于PWM控制方式,低速区域(运转频率小于10Hz)中的PWM控制方式为3相调制方式,中高速区域(运转频率是10Hz以上)中的PWM控制方式为2相调制方式。
在图中,当比较载波频率成分的磁通密度时,与2相调制方式(运转频率是10Hz以上)相比,3相调制方式(运转频率小于10Hz)的磁通密度高。另外,如果比较在2相调制切换时产生的谐振成分,则由于本来3相调制方式始终进行开关,所以不存在切换点,因此没有谐振成分,而仅存在于2相调制方式中。从而,在2相调制方式中,共模扼流圈的磁通密度在2相调制切换时非常高,共模扼流圈瞬间引起磁饱和,流过包含谐振电流的过大滤波器电流If。
如上所述,在现有的电动机驱动装置中具有上述的问题点。
图1是本发明实施方式中的电动机驱动装置的概略结构图。
在图中,本发明的电动机驱动装置具有电力变换装置(主电路部10、驱动控制部20)和其输出侧具备的共模滤波器30。此外,在图中图示了电动机驱动装置具有共模滤波器30的情况。将交流电源1输入至主电路部10,并根据来自驱动控制部20的PWM驱动信号对主电路部10中的开关元件S1-S6进行导通关断驱动,进行交流-直流变换,然后经由电力变换装置的输出侧具备的共模滤波器30向电动机2供电。
共模滤波器30由共模扼流圈Lc、电容器Cn、Cc、正常模式电流降低用变压器31以及阻尼电阻Rf构成。另外,U1、V1、W1分别表示共模滤波器30的输入端子,U2、V2、W2分别表示共模滤波器30的输出端子。另外,Vc1表示共模滤波器30前级的共模电压,Vc2表示共模滤波器30后级的共模电压,If表示在电力变换装置和共模滤波器30内循环的滤波器电流。
驱动控制部20具有选择器21、22、滤波器附加判断器23、载波频率设定器24、滤波器附加判断用PWM设定器25、PWM设定器26、控制器27、PWM信号器28。此外,选择器21、22可以是硬件结构也可以是软件结构。另外,在驱动控制部20中,具有2个模式即电动机驱动装置的实际运转之前的初始设定模式和作为通常运转的实际运转模式。
首先,电动机驱动装置在实际运转前的初始设定模式中,驱动控制部20如下所示进行动作。
以使来自电流检测器CT的输出电流检测信号输入至滤波器附加判断器23的方式,连接选择器21。另外,以使来自载波频率设定器24的载波频率设定信号输入至滤波器附加判断用PWM设定器25的方式,连接选择器22。
滤波器附加判断器23根据来自电流检测器CT的输出电流检测信号,通过后述的滤波器附加判断方法来判断在主电路部10的输出侧是否附加有共模滤波器30。
在滤波器附加判断器23利用后述的滤波器附加判断方法判断为附加有共模滤波器30时,载波频率设定器24按照需要,以使电力变换装置的载波频率与共模滤波器30的谐振频率不过于接近的方式,根据包含谐振电流的滤波器电流If适当设定载波频率。此外,滤波器电流If可利用设置在其电流路径上的电流检测器CT等进行检测。
滤波器附加判断用PWM设定器25根据来自载波频率设定器24的载波频率设定信号,向PWM信号器28输出PWM驱动信号。
PWM信号器28根据PWM驱动信号,输出对开关元件S1-S6进行导通关断驱动的栅极驱动信号。
接着,在电动机驱动装置的通常运转即实际运转模式中,驱动控制部20如下所示进行动作。
以使来自电流检测器CT的输出电流检测信号输入至控制器27的方式,连接选择器21。另外,以使来自载波频率设定器24的载波频率设定信号输入至PWM设定器26的方式,连接选择器22。
在驱动控制部20中,控制器27根据来自主电路部10具有的电流检测器CT的输出电流检测信号、来自上位(未图示)的指令信号、载波频率设定器24以及PWM设定器26中的设定值进行PWM控制运算,向PWM信号器48输出PWM驱动信号。而且,PWM信号器28根据PWM驱动信号,输出对开关元件S1-S6进行导通关断驱动的栅极驱动信号。
此外,载波频率设定器24中的设定值(载波频率)以及PWM设定器26中的设定值(PWM控制方式)是根据上述初始设定模式中的滤波器附加判断器23的关于有无共模滤波器的判断结果、载波频率设定器24的载波频率的变更设定来决定的。
图2A是示出共模滤波器附加的情况的滤波器附加判断用PWM设定器25所输出的PWM驱动信号的图,图2B是示出图2A时的共模滤波器前级的共模电压的图,图2C是示出图2A时的共模滤波器前后的相电流以及滤波器电流的图。此外,Vc1表示共模滤波器30前级的共模电压,If表示在电力变换装置与共模滤波器30内循环的滤波器电流,Iu1、Iv1、Iw1表示共模滤波器30前级的相电流,Iu2、Iv2、Iw2表示共模滤波器30后级的相电流。
在电动机驱动装置实际运转前的初始设定模式中,为了由滤波器附加判断器23判断共模滤波器30的附加,滤波器附加判断用PWM设定器25以如下方式输出PWM驱动信号:主电路部10的上侧桥臂的开关元件(S1、S3、S5)全部为导通状态且下侧桥臂的开关元件(S2、S4、S6)全部为关断状态的组合(以下,称作组合A)、和主电路部10的上侧桥臂的开关元件(S1、S3、S5)全部为关断状态且下侧桥臂的开关元件(S2、S4、S6)全部为导通状态的组合(以下,称作组合B)以与来自载波频率设定器24的载波频率设定信号对应的载波周期进行交替(参照图2A)。
这里,主电路部10输出侧的共模电压Vc1(共模滤波器30前级的共模电压)可用式(1)来表示。Uun、Vvn、Vwn是以中性点为基准的U相端子电压、V相端子电压、W相端子电压。
Vc1=(Vun+Vvn+Vwn)/3 …(1)
由此,主电路部10的开关元件导通关断状态的组合A的情况下的主电路部10输出侧的共模电压Vc1可用式(2)表示,另外,组合B的情况下的主电路部10输出侧的共模电压Vc1可用式(3)表示(参照图2B)。此外,Vpn是主电路部10中的直流母线PN间电压。
Vc1=Vpn/2 …(2)
Vc1=-Vpn/2 …(3)
图3是示出主电路部10中的开关元件导通关断状态的组合A的情况的电流路径的图,图4是示出主电路部10中的开关元件导通关断状态的组合B的情况的电流路径的图。
在两图中,主电路部10中的开关元件导通关断状态的组合A、组合B的情况都是回流(還流)模式,所以不向电动机2供电,不流过通向电动机的电流Iu2、Iv2、Iw2。因此,不使电动机2改变速度,就可检测出滤波器电流If,作为结果,可判断是否附加有共模滤波器30。在没有附加共模滤波器的情况下,在主电路部10中的开关元件导通关断状态的组合A、B的情况下,都不流过滤波器电流If,所以可判断为没有附加共模滤波器30。
图5是示出初始设定模式中的图1的电动机驱动装置的各部测定波形(Vc1、If、Iu1、Iv1、Iw1)的图。图中,纵轴是电压(Vc1、Vc2)、电流(If、Iu1、Iv1、Iw1),横轴是时间轴(Vc1、If、Iu1、Iv1、Iw1)。另外,fc是电力变换装置中的载波频率。
图中,如果观察主电路部输出侧的共模电压Vc1则可知,如图2B以及式(2)、式(3)那样,滤波器附加判断用PWM设定器25将基于来自载波频率设定器24的载波频率设定信号(15、10、5、3.5kHz)的PWM驱动信号输出至PWM信号器28,PWM信号器28根据该PWM驱动信号对开关元件S1-S6进行导通关断驱动。
另外,在初始设定模式的情况下,如上所述,不流过通向电动机的电流Iu2、Iv2、Iw2,所以滤波器电流If可用式(4)表示(参照图2C)。
If=Iu1+Iv1+Iw1=3×Iu1 …(4)
因此,在初始设定模式中,滤波器附加判断器23例如可根据来自U相的电流检测器CT的输出电流检测信号与滤波器电流If之间的式(4)关系,来判断在主电路部10的输出侧是否附加有共模滤波器30。
这里,例示了图1的电动机驱动装置中的共模滤波器30的谐振频率fr是2.9kHz的情况。在图中可知,随着载波频率fc接近于共模滤波器30的谐振频率(随着从15kHz下降到3.5kHz),滤波器电流If(If=Iu1+Iv1+Iw1)增加。可利用在使该载波频率fc变化时滤波器电流If也变化的情况,来运算共模滤波器的谐振频率fr。
例如,在初始设定模式中监视滤波器电流If,伴随着载波频率的增减,达到滤波器电流If的振幅峰值时的载波频率fc可与共模滤波器的谐振频率fr大致相同,或者,当滤波器电流If成为预定的设定值以上时,可判断为载波频率fc接近于滤波器的谐振频率fr。
图6是示出实际运转模式中的图1的电动机驱动装置的各部测定波形(Vc1、Vc2、If)的图。图中,纵轴是电压(Vc1、Vc2)、电流(If),横轴是时间轴(Vc1、Vc2、If)。
这里,在上述初始设定模式中,当滤波器附加判断用PWM设定器25根据预先设定的载波频率设定信号向PWM信号器28输出PWM驱动信号而通过导通关断状态的组合A或B来驱动主电路部10中的开关元件(S1-S6)时,滤波器附加判断器21将滤波器电流If(If=3×Iu1)用于根据例如来自U相的电流检测器CT的输出电流检测信号来判断在主电路部10的输出侧附加有共模滤波器30。
另外,在滤波器附加判断器21判断共模滤波器30的附加后,载波频率设定器24以使电力变换装置的载波频率与共模滤波器30的谐振频率不过于接近的方式,根据包含谐振电流的滤波器电流If,增减载波频率,进行提取并进行设定(载波频率fc=10kHz)。而且,PWM设定器26响应于滤波器附加判断器21判断出共模滤波器30的附加的情况,为了避免上述电力变换装置的PWM控制方式为2相调制方式时的课题(3f成分的共模电压残留的问题、流过包含2相调制切换时的共模扼流圈的瞬间磁饱和引起的谐振电流的过大滤波器电流的问题),将电力变换装置的PWM控制方式设定为2相调制方式以外的方式(例如,3相调制方式、3次谐波叠加调制(3倍調波重畳变調)方式等)。
在图中可知,如果与图9(示出图8的电动机驱动装置中的各部测定波形(Vc1、Vc2、If)的图)相对比,相对于运转频率(5、10、30、60Hz),电力变换装置的PWM控制方式是固定(3相调制方式)的,所以能够解决上述2相调制方式时的课题,结果,能够使共模滤波器特性相比于现有技术得到提高。
图7是示出与在图6条件下的共模滤波器的共模扼流圈内产生的运转频率对应的磁通密度的图。在图中,纵轴是磁通密度B[T],横轴是运转频率[Hz]。在图中,载波频率成分的磁通密度没有在2相调制方式时产生的磁饱和现象。另外,关于在2相调制切换时产生的谐振成分,因为本来3相调制方式始终进行开关,所以不存在切换点,因此没有谐振成分。因而,与2相调制方式不同,关于共模扼流圈的磁通密度,共模扼流圈没有瞬间磁饱和,也不会流过包含谐振电流的过大滤波器电流If。
这样,根据本发明,可判断在电动机驱动装置的电力变换装置的输出侧是否具备共模滤波器,并且在判断为具备共模滤波器的情况下,可变更为最佳的PWM控制方式并进行设定,能够避免共模滤波器特性的提高以及过大滤波器电流所引起的电力变换装置的损耗增加、和共模扼流圈中的磁饱和。
另外,在判断为具备共模滤波器的情况下,可任意地提取并设定避开共模滤波器的谐振频率附近的电力变换装置的载波频率,并能够避免共模滤波器特性的提高以及过大滤波器电流所引起的电力变换装置的损耗增加、和共模扼流圈中的磁饱和。
标号说明
1交流电源
2电动机
10主电路部
20驱动控制部
21、22选择器
23滤波器附加判断器
24载波频率设定器
25滤波器附加判断用PWM设定器
26PWM设定器
27控制器
28PWM信号器
30共模滤波器
31正常模式电流降低用变压器
S1-S6开关元件
CT电流检测器
Lc共模扼流圈
Cn、Cc电容器
Rf阻尼电阻
U1、V1、W1共模滤波器30的输入端子
U2、V2、W2共模滤波器30的输出端子
Vc1共模滤波器30前级的共模电压
Vc2共模滤波器30后级的共模电压
If滤波器电流。
Claims (5)
1.一种电动机驱动装置,其具有电力变换装置,该电力变换装置由主电路部和驱动控制部构成,向电动机供电,该主电路部具有多个开关元件以及检测输出电流的电流检测器,该驱动控制部输出针对上述开关元件的PWM导通关断驱动信号,该电动机驱动装置的特征在于,该电动机驱动装置具有以下单元:
在实际运转前,利用与上述电力变换装置的载波频率对应的预定的PWM导通关断驱动信号来驱动上述开关元件,判断连接在上述电力变换装置与上述电动机之间的共模滤波器的有无的单元;以及
在实际运转时,根据上述共模滤波器的有无判断结果,变更设定上述电力变换装置的PWM控制方式的单元。
2.根据权利要求1所述的电动机驱动装置,其特征在于,
在实际运转前利用与上述电力变换装置的载波频率对应的预定的PWM导通关断驱动信号来驱动上述开关元件判断连接在上述电力变换装置与上述电动机之间的共模滤波器的有无的单元还具备:
在实际运转前,在判断为连接有上述共模滤波器的情况下,以使上述共模滤波器的谐振频率与上述载波频率不接近的方式,变更设定上述载波频率的单元。
3.根据权利要求1所述的电动机驱动装置,其特征在于,
上述预定的PWM导通关断驱动信号以如下方式输出:上述开关元件的上桥臂全部导通且下桥臂全部关断的状态的组合、和上述开关元件的上桥臂全部关断且下桥臂全部导通的状态的组合以与上述载波频率对应的载波周期进行交替。
4.根据权利要求1所述的电动机驱动装置,其特征在于,
在实际运转前利用与上述电力变换装置的载波频率对应的预定的PWM导通关断驱动信号来驱动上述开关元件判断连接在上述电力变换装置与上述电动机之间的共模滤波器的有无的单元根据在上述主电路部和上述共模滤波器中回流的滤波器电流,判断有无上述共模滤波器。
5.根据权利要求1所述的电动机驱动装置,其特征在于,
在连接有上述共模滤波器的情况下,变更设定上述电力变换装置的PWM控制方式的单元将上述PWM控制方式变更设定为2相调制方式以外的方式。
Applications Claiming Priority (3)
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