CN103166570A - 电动机控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动机控制装置，其监控工作母机的电功率消耗。电动机控制装置（100）具有：检测多相电源的多相交流电压的相位的相位检测电路（35）、根据相位检测电路检测的相位选择特定的相的交流电流并将其转换成直流电流的选择器电路（50）、将选择器电路转换的直流电流平均化而求出平均直流电流的平均化电路（60）、将用平均化电路求出的平均直流电流乘以系数的系数乘法电路（110）、将在系数乘法电路乘以了系数后的平均直流电流和变换器单元的负载侧的直流电压相乘而运算出电功率的电功率运算电路（120），以及将用电功率运算电路运算出的电功率按时间进行积分而运算出累计电功率的电功率累计电路（140）。

Description

电动机控制装置

技术领域

本发明涉及具备电功率监控功能的电动机控制装置。

背景技术

近年来，在生产厂中，要求对工厂内的消耗电量更加严格地进行管理。因此，对生产厂所设置的工作母机的消耗电量单独地进行监控。例如，在电动注塑成型机或工作母机中，为了掌握该母机的消耗电量，在控制该母机的动作的电动机控制装置中设计有电功率监控功能。

电动注塑成型机等使用的电动机控制装置通常具备对交流电流进行整流的变换器（コンバ一タ）、驱动电动机的多个逆变器。作为用电动机控制装置监控消耗电量的方法，例如有如下四种方法：第一至第四种方法。

首先，第一种方法是在电动机控制装置中设置电表，利用该电表掌握工作母机的消耗电量的方法。

其次，第二种方法是如下述专利文献1中公开的方法，即，通过运算分别求出电动机的消耗电功率、驱动电动机的放大器的损耗电功率、工作母机的固定消耗电功率，将求出的各电功率按时间进行积分，来掌握工作母机的消耗电量。

第三种方法是如下述专利文献2中公开的方法，即，检测变换器和逆变器之间的电压值和电流值，将基于检测的电压值和电流值运算的电功率按时间进行积分，由此，掌握工作母机的消耗电量。

最后，第四种方法是如下述专利文献3中公开的方法，检测三相交流电源侧和PWM变换器之间的电压值和电流值，根据检测的电压值和电流值运算消耗电功率和再生电功率，来掌握工作母机的消耗电量。

专利文献1：日本特开2010－115063号公报

专利文献2：日本特开2002－192588号公报

专利文献3：日本特开2010－110936号公报

但是，在第一种方法的情况下，由于需要另外设置电表，增加了构成电动机控制装置的零部件的零部件件数及成本。

在第二种方法的情况下，为了求出电动机的消耗电功率、放大器的损耗电功率等电功率，需要求出电动机的转矩常数、电动机的线圈电阻值、放大器电功率损耗系数等许多参数并储存。另外，在变换器连接有多个逆变器，与逆变器连接的电动机的机种有多种的情况下，需要对各电动机每个求出个别的参数并储存。在其另一方面，由于没有考虑电动机的铁损及母机损耗，不能说消耗电功率的检测精度是高的。

在第三种方法的情况下，需要检测变换器和逆变器之间的电压值和电流值的检测器。一般情况下，在只进行整流的变换器中不设置检测电流的检测器。这样，因为需要另外设置检测电流的检测器，所以增加了构成电动机控制装置的零部件的零部件件数及成本。

在第四种方法的情况下，对于一般的120°通电电源再生变换器，为了低成本化而不设置检测三相交流电压的检测器。这样，因为需要另外设置检测三相交流电压的检测器，所以增加了构成电动机控制装置的零部件的零部件件数及成本。

发明内容

本发明是为了解决如上所述的现有不利问题而完成的，目的在于提供一种电动机控制装置，其具有不使用电动机常数等许多的参数，也不设置用于运算电功率的特别的检测器，而是在120°通电电源再生变换器中，利用为了变换器控制而设置的已有检测器就能够监控消耗电功率的电功率监控功能。

用于解决上述课题的本发明的电动机控制装置具有与多相电源连接的变换器单元和与电动机连接的逆变器单元，变换器单元和逆变器单元协作以控制电动机的驱动及再生。

电动机控制装置具有相位检测电路、选择器电路、平均化电路、系数乘法电路、电功率运算电路、电功率累计电路。相位检测电路、选择器电路、平均化电路利用为了控制变换器的驱动及再生而设置的现有电路。

相位检测电路检测多相电源的多相交流电压的相位。选择器电路根据相位检测电路检测的相位来选择特定的相的交流电流并将其转换成直流电流。平均化电路将选择器电路转换的直流电流进行平均化而求出平均直流电流。通过选择器电路和平均化电路的动作，从基于多相交流电压的相位而选择的特定的相的交流电流，能够求出平均直流电流。

系数乘法电路对用平均化电路求出的平均直流电流乘以系数。电功率运算电路将在系数乘法电路乘以了系数的平均直流电流和变换器单元的负载侧的直流电压相乘而运算电功率。电功率累计电路将在电功率运算电路运算的电功率按时间进行积分而运算累计电功率。

发明效果

根据如上所述构成的本发明，能够使用现有的相位检测电路、选择器电路、平均化电路求出从多相交流电源供应的平均直流电流，使用求出的平均直流电流和变换器单元负载侧的直流电压求出累计电功率。

因而，不使用电动机常数等许多的参数，也不设置用于运算电功率的特别的检测器，而是利用为了变换器控制而设置的已有检测器就可监控消耗电功率。

附图说明

图1是本实施方式的电动机控制装置的方块图；

图2是提供对图1所示的电动机控制装置的动作说明的波形图；

图3是提供对图1所示的电动机控制装置的动作说明的波形图。

符号说明

10R、10S、10T电抗器

20变换器单元

25电容器

30逆变器单元

40电流选择信号生成电路

45R、45S电流检测器

50选择器电路

55边缘检测电路（エツジ検出回路）

60平均化电路

65极性判定电路

70停止信号产生电路

75电源电压波高值检测电路

80再生开始检测电路

85门信号生成电路

100电动机控制装置

110系数乘法电路

120电功率运算电路

130滤波器电路

140电功率累计电路

200三相交流电源

300电动机

具体实施方式

下面，对本实施方式的电动机控制装置进行说明。图1是本实施方式的电动机控制装置的方块图。

［电动机控制装置的构成］

为了向电动机300供应电力，电动机控制装置100具备电抗器10R、10S、10T、变换器单元20、电容器25、逆变器单元30。

电抗器10R、10S、10T在连接三相电源200和变换器单元20的各个三相电源线R、S、T上，串联连接在三相电源200和变换器单元20之间。电抗器10R、10S、10T对分别流过三相电源线R、S、T的电流进行调节。

变换器单元20将来自三相电源200的交流转换成直流。变换器单元20是将六个半导体开关元件进行桥式连接而构成。半导体开关元件由被称为IGBT的绝缘栅双极晶体管20A和二极管20D构成。二极管20D连接在绝缘栅双极晶体管20A的集电极－发射极之间。各二极管20D在对电动机300驱动时将三相交流全波整流成直流，但以不使再生电流流动的极性相连接。另外，半导体开关元件也可以代替IGBT而使用对于IGBT附加保护电路的IPM。

电容器25使用容量大的电解电容器，且使变换器单元20输出的直流电流平滑化。

逆变器单元30将变换器单元20输出的直流转换成交流而供应给电动机300。逆变器单元30和变换器单元20同样地，将六个半导体开关元件进行桥式连接而构成。半导体开关元件由被称为IGBT的绝缘栅双极晶体管30A和二极管30D构成。二极管30D被连接在绝缘栅双极晶体管30A的集电极－发射极之间。另外，各二极管30D以在电动机300再生时可将电动机300发电的交流整流成直流的极性相连接。

电动机控制装置100在电动机300的驱动时和再生时，大体上如下进行动作。

在驱动电动机300时，从三相电源200供应的交流电流通过变换器单元20暂时转换成直流电流，且用电容器25形成大致完全的直流电流。进而，直流电流由逆变器单元30转换成所要求的频率、电压的交流电流，且用该交流电流驱动电动机300。

另一方面，在使用电动机300发电的电流再生时，用电动机300发电的交流电流由逆变器单元30转换成直流电流。进而，直流电流由变换器单元20转换成商用频率、电压的交流，朝向三相电源200进行再生。

另外，在本实施方式中，通过使变换器单元20所包含的六个半导体开关元件以120°导通模式导通，进行用电动机300发电的电流的再生。

电动机控制装置100通过控制变换器单元20及逆变器单元30的绝缘栅双极晶体管20A、30A的转换，来调节电动机300的再生时及驱动时的电流。

为了控制绝缘栅双极晶体管20A、30A的转换，电动机控制装置100具备：相位检测电路35、电流选择信号生成电路40、电流检测器45R、45S、选择器电路50、边缘检测电路55、平均化电路60、极性判定电路65、停止信号产生电路70、电源电压波高值检测电路75、再生开始检测电路80、门信号生成电路85。

相位检测电路35检测外加在三相电源线R、S、T上的三相交流电压的相位，并且输出与三相交流电压的相位的变化相应的相位信号S4。

电流选择信号生成电路40基于相位检测电路35输出的相位信号S4生成电流选择信号S3。电流选择信号S3是用于从三相区分的交流电流（三相分の交流電流）中选择特定的相的交流电流的信号。

电流检测器45R、45S检测流过三相电源线R、S的两相交流电流。流过T相的电流根据两相交流电流通过运算而求出。

选择器电路50基于电流选择信号生成电路40生成的电流选择信号S3，从通过电流检测器45R、45S检测的和进一步通过运算求出的三相交流电流中，选择R相、S相、T相、－R相、－S相、－T相。因而，由选择器电路50进行的交流电流的选择等效于对从三相电源200供应的交流电流进行交流－直流转换。因而，能够用选择器电路50这样的简单的构成将交流电流转换成直流电流。

边缘检测电路55检测电流选择信号S3的边缘，并且根据边缘的检测输出定时信号。在本实施方式中是检测电流选择信号S3的边缘，但也可以检测从相位检测电路35输出的相位信号S4的边缘而输出定时信号。

平均化电路60基于边缘检测电路55输出的定时信号，将由选择器电路50选择的电流值进行平均化而求出平均直流电流。因而，平均化电路60将R相、S相、T相、－R相、－S相、－T相的交流电流依次进行平均化。

另外，为了控制变换器，相位检测电路35、电流选择信号生成电路40、电流检测器45R、45S、选择器电路50、边缘检测电路55、平均化电路60使用设于电动机控制装置100中的电路。

极性判定电路65根据从平均化电路60输出的平均直流电流值是否变为0，或者平均直流电流的极性是从＋变为－，还是从－变为＋，来判定电动机300是否从驱动向再生转移或从再生向驱动转移。

当极性判定电路65的判定显示从再生转移到驱动时，停止信号产生电路70输出停止信号S2。

电源电压波高值检测电路75对外加在三相电源线R、S、T上的三相交流电压进行全波整流并检测全波整流后的电源电压的波高值。

再生开始检测电路80对变换器单元20输出的直流电压和用电源电压波高值检测电路75检测的全波整流后的电源电压的波高值进行比较。当变换器单元20输出的直流电压比全波整流后的电源电压的波高值高大约15V时，再生开始检测电路80判定为进入再生状态，且输出再生开始信号S1。

门信号生成电路85基于相位检测电路35输出的相位信号S4，向构成变换器单元20的绝缘栅双极晶体管20A输出门信号S5。另外，门信号生成电路85基于再生开始检测电路80输出的再生开始信号S1，向绝缘栅双极晶体管20A输出门信号S5。进而，门信号生成电路85基于停止信号产生电路70输出的停止信号S2，停止门信号S5的输出。

电动机控制装置100在驱动电动机300时使变换器单元20以交流-直流转换模式进行动作。而当电动机300变为再生状态时，电动机控制装置100使变换器单元20以直流-交流转换模式进行动作。

变为再生状态的情况通过再生开始检测电路80进行检测。在变为再生状态时，从门信号生成电路85向变换器单元20输出门信号S5。变换器单元20由门信号S5来控制，绝缘栅双极晶体管20A根据电源相位定时仅在120°区间被通电。进行所谓的120°通电的电源再生控制。通过电源再生控制，电动机300的发电的电功率再生到三相电源200中。

然后，当电动机300从再生状态转移到驱动状态（也包含再生状态结束的情况）时，电动机控制装置100再次使变换器单元20以交流－直流转换模式进行动作。极性判定电路65检测变为驱动状态的情况。当检测到变为驱动状态时，由于停止信号产生电路70输出停止信号S2，所以不会从门信号生成电路85输出门信号S5，而停止电源再生。

为了监控电动机控制装置100及电动机300的消耗电功率，电动机控制装置100具备系数乘法电路110、电功率运算电路120、滤波器电路130、电功率累计电路140。

系数乘法电路110将平均化电路60平均化了的直流电流乘以设定的系数而推定变换器20输出的直流电流值。系数乘法电路110设定的系数在电动机300驱动时和再生时为不同的值。驱动时和再生时的系数预先在实际的使用状态下进行测定，再设定成该测定的值。另外，因为变换器20的损耗与直流电流的大小成正比，所以系数也可以通过估计变换器20的损耗而预先设定。从而可以运算出更加正确的消耗电功率。

电功率运算电路120将用系数乘法电路110推定的直流电流和变换器20的直流电压相乘而运算电功率。

滤波器电路130是将用电功率运算电路120运算的电功率波形的高频成分消掉的低通滤波器。

电功率累计电路140将通过了滤波器130的没有噪声（noise）的电功率波形进行时间积分而运算出将电动机控制装置100供应到电动机300的电量、由电动机300再生的电量、电动机控制装置100自身消耗的电量进行合计后的累计电量。所运算的累计电量被输出到外部的装置。

另外，也可以对三相电源200的三相电源电压进行全波整流而算出电源电压的平均值，并且将电源电压的平均值被乘以系数后的值和所平均化的直流电流被乘以系数后的值进行乘法计算，通过滤波器电路130运算平均电功率。

另外，电抗器10R、10S、10T也可以配置为比电流检测器45R、45S更靠电源侧。在本实施方式中，一台变换器单元20连接有一台逆变器单元30，但即使一台变换器单元20连接有多台逆变器单元30的方式，也可以进行消耗电功率的运算。

电动机控制装置100检测流过三相电源200的电流，将其检测的电流乘以系数而推定变换器单元20输出的直流电流值，将推定的直流电流值乘以变换器单元20的输出电压而运算平均电功率。而且，通过对运算的平均电功率按时间进行积分，求出正确的消耗电功率。

另外，构成本实施方式的电动机控制装置100的各电路也可以用硬件构成，或也可以用软件在微型计算机等的内部形成。

［电动机控制装置的动作］

接着，参照图2及图3，说明电动机控制装置100的具体的动作。图2及图3是提供对图1所示的电动机控制装置的动作说明的波形图。

图2（A）所示的波形为三相电源200分别外加在三相电源线R、S、T上的电源电压VR、VS、VT。电源电压VR、VS、VT具有相同的电压波形且各自的相位相差120°。

图2（B）表示图1的相位检测电路35输出的相位信号S4。相位检测电路35对三相电源线R、S、T的电源电压VR、VS、VT进行比较，输出相位信号PR1、PS1、PT1、PR2、PS2、PT2。

将电源电压VR和电源电压VS或电源电压VT进行比较，在电源电压VR比电源电压VS或电源电压VT大时，相位信号PR1变高；在电源电压VR比电源电压VS或电源电压VT小时，相位信号PR1变低。在电源电压VS比电源电压VR或电源电压VT大时，相位信号PS1变高；在电源电压VS比电源电压VR或电源电压VT小时，相位信号PS 1变低。在电源电压VT比电源电压VR或电源电压VS大时，相位信号PT1变高；在电源电压VT比电源电压VR或电源电压VS小时，相位信号PT1变低。

将电源电压VR和电源电压VS或电源电压VT进行比较，在电源电压VR比电源电压VS或电源电压VT小时，相位信号PR2变高；在电源电压VR比电源电压VS或电源电压VT大时，相位信号PR2变低。在电源电压VS比电源电压VR或电源电压VT小时，相位信号PS2变高；在电源电压VS比电源电压VR或电源电压VT大时，相位信号PS2变低。在电源电压VT比电源电压VR或电源电压VS小时，相位信号PT2变高，在电源电压VT比电源电压VR或电源电压VS大时，相位信号PT2变低。

因而，相位信号PR1、PS1、PT1表示各相的电源电压比其他相的电压大的区间，相位信号PR2、PS2、PT2表示各相的电源电压在负侧（minus側）比其他相的电压大的区间。

在对电动机300驱动时，对来自三相电源200的三相交流电力，用变换器单元20的续流二极管（freewheel diode）20D进行整流，将整流后的直流电力向电容器25和逆变器单元30输出，转换成交流电力而驱动电动机300。在电动机300加速时，变换器单元20输出的直流电压如图3（A）所示缓慢地降低，从平均化电路60输出的平均直流电流逐渐地增大。其后，当电动机300变为定速状态时，平均直流电流的值变为恒定。用于获得平均直流电流值的动作后面进行描述。在驱动电动机300时，门信号生成电路85停止动作。

在电动机300再生时，变换器单元20输出的直流电压如图3（A）所示逐渐升高。变换器单元20输出的直流电压比电源电压波高值检测电路75检测的电源电压的波高值高。再生开始检测电路80输出再生开始信号S1。

当再生开始信号S1被输入门信号生成电路85时，门信号生成电路85基于相位信号PR1、PS1、PT1、PR2、PS2、PT2生成门信号S5。生成的门信号S5被输出到变换器单元20。

变换器单元20的六个晶体管20A根据门信号S5以120°的导通模式进行导通，使再生的电功率再生到在三相电源200中。

图2（C）表示用电流选择信号生成电路40生成的电流选择信号S3的内容。在图2（C）中，S、R、T及－S、－R、－T的显示，意思是分别选择流过三相电源线R、S、T的电流的IR、IS、IT及其反转信号。

流过图2（D）所示的三相电源线R、S、T的各相的电流IR、IS、IT，形成使电流IR、IS、IT以各电角度每隔120°流动的形态，以使变换器单元20按照120°导通模式向三相电源200侧再生各相的电流的方式进行动作。

例如，图2（C）的电流选择信号“－S”表示选择流过三相电源线S的电流IS，选择器电路50输出该电流的极性反转信号的情况。另外，图2（C）的电流选择信号“R”表示选择流过三相电源线R的电流IR，选择器电路50直接输出该电流的情况。图2（C）的电流选择信号“－T”表示选择流过三相电源线T的电流IT，选择器电路50输出该电流的极性反转信号的情况。电流选择信号“S”、“－R”、“T”表示的事项参照上述的电流选择信号“R”、“－T”表示的事项。

图2（E）表示将由选择器电路50选择的电流按时序排列的电流选择输出。当由选择器电路50选择了三相区分的电流时，平均化电路60将这些三相区分的电流进行平均化而输出。

图2（F）为平均化电路60输出的平均直流电流的波形。平均化电路60每次在三相区分的电流值的输入结束时进行平均化处理，平均直流电流的值根据电流值的变化而阶段性地进行变化。

图3（B）表示相对于图2（F）将时间轴的长度缩短时的平均直流电流的变化。在再生期间，由于电流从电动机300侧向三相交流电源200侧流动，因此若在驱动状态下，例如以输出正极性的平均直流电流的值的方式生成电流选择信号S3时，则再生时的平均直流电流值变为负极性。当电动机300的旋转速度降低、再生电功率减小时，平均直流电流的值也因此而降低。

理论上说，可以判定为在平均直流电流的值变为“0”的时刻，再生已结束。但是，平均直流电流的值变为“0”的附近的电流变化是不稳定的，容易产生误判。于是，在本实施方式中，在极性判定电路65中，从平均直流电流的值超出预定的值而朝向零变化之后，在经过了一定时间的时刻，平均直流电流的值是否变为0、或者其极性是否发生变化，来判定是否从再生转移到了驱动。

因而，在本实施方式中被误判的可能性很小。当极性判定电路65判定平均直流电流的值变为0或者检测到其极性反转时，停止信号产生电路70则产生停止信号S2。

当从停止信号产生电路70输出停止信号S2时，门信号生成电路85停止门信号的生成动作，变换器单元20的六个晶体管20A变为断开状态。以后，如果逆变器单元30进行动作，就通过由变换器单元20的六个二极管20D构成的整流电路输出直流电力。

图3（C）为通过将平均化电路60输出的平均直流电流乘以在系数乘法电路110中设定的系数而求出的变换器单元20的直流电流推定值。在对电动机300驱动时，相比图3（B）的平均直流电流的上升角度，图3（C）的直流电流推定值的上升角度变大。而在电动机300再生时，图3（B）的平均直流电流的上升角度和图3（C）的直流电流推定值的上升角度大致相同。这是因为将在系数乘法电路110中设定的系数在电动机300的驱动时和再生时设定为不同的值。

图3（D）为通过滤波器电路130后得到的平均电功率的波形。图3（E）为用电功率累计电路140将平均电功率进行时间积分而得到的电量的波形。观察图3（E）可以清楚的是，在对电动机300驱动时电量增加，在电动机300再生时电量减少。

通过对用电功率累计电路140运算的电量进行监控，能够简单且正确地以低成本掌握包括电动机控制装置100的电动机300的消耗电功率。能够简单地掌握电量是因为不必使用电动机常数等许多参数，成为低成本是因为不必设置用于运算电功率的特别的检测器，而是利用为了变换器控制而设置的已有检测器。

如上所述，根据本实施方式的电动机控制装置，能够简单且正确地以低成本掌握消耗电功率。

Claims (7)

1.一种电动机控制装置，其具备与多相电源连接的变换器单元和与电动机连接的逆变器单元，所述变换器单元和所述逆变器单元协作以控制所述电动机的驱动及再生，所述电动机控制装置包括：

相位检测电路，其检测所述多相电源的多相交流电压的相位；

选择器电路，其根据所述相位检测电路检测的相位选择特定的相的交流电流并将其转换成直流电流；

平均化电路，其将所述选择器电路转换的直流电流进行平均化而求出平均直流电流；

系数乘法电路，其将用所述平均化电路求出的平均直流电流乘以系数；

电功率运算电路，其将在所述系数乘法电路乘以了系数的平均直流电流和所述变换器单元的负载侧的直流电压相乘而运算出电功率；以及

电功率累计电路，其将用所述电功率运算电路运算出的电功率按时间进行积分而运算出累计电功率，其中

所述相位检测电路、所述选择器电路、所述平均化电路是为了控制所述电动机的驱动及再生而设置的现有电路。

2.如权利要求1所述的电动机控制装置，其中，所述多相电源为三相电源，所述电动机控制装置还具有检测流过三相中的两相的交流电流的两个电流检测器，流过所述三相中的另一相的交流电流通过运算而求出。

3.如权利要求2所述的电动机控制装置，其中，所述选择器电路进行的交流电流的选择等效于对从所述多相电源供应的交流电流进行交流－直流转换。

4.如权利要求1～3中任一项所述的电动机控制装置，其中，在所述相位检测电路和所述选择器电路之间设有电流选择信号生成电路，

所述电流选择信号生成电路基于所述相位检测电路输出的相位信号，向所述选择器电路输出用于选择特定的相的交流电流的电流选择信号。

5.如权利要求4所述的电动机控制装置，其中，在所述电流选择信号生成电路和所述平均化电路之间设有边缘检测电路，

所述边缘检测电路检测从所述电流选择信号生成电路输出的电流选择信号的边缘，根据边缘的检测向所述平均化电路输出用于将直流电流进行平均化的定时信号。

6.如权利要求1～3中任一项所述的电动机控制装置，其中，所述系数乘法电路中使用的系数在所述电动机的驱动时和再生时不同。

7.如权利要求1～3中任一项所述的电动机控制装置，其中，所述变换器单元通过使所述变换器单元具备的半导体开关元件以120°导通模式导通，来将用所述电动机发电的电功率再生到所述多相电源中。

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