CN105580267A - 电力转换装置和电力转换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种即使在转子空转期间使绕组短路时没有电流流动的情况下或者旋转频率为低速时,也能够进行空转中的转子位置和频率的推算,使电动机重启的电力转换装置。其包括:包括半导体开关元件的电力转换器,其利用所述半导体开关元件的开/关的组合,将直流电压转换成任意的电压来驱动交流电动机;控制装置,控制所述电力转换器的半导体开关元件,以从所述电力转换器对该交流电动机施加任意的电压;和检测或推算该交流电动机中流动的电流的电流检测器,其中,所述控制装置在该交流电动机空转或停止时从所述电力转换器对该交流电动机施加任意的电压,基于该交流电动机中流动的电流和施加电压的时间获得该交流电动机的感应电压频率和相位,使用该获得的感应电压频率和相位来重启该交流电动机。
Description
技术领域
本发明涉及电力转换装置和电力转换方法。
背景技术
作为本技术领域的背景技术,有日本专利特开平11-75394号公报(专利文献1)。该公报中记载了这样的内容,“本发明涉及电动机驱动装置等交流旋转电动机用电力转换装置,包括驱动永磁同步电动机等电动机的逆变器,和为了将电动机的绕组电流控制在规定值而生成并输出以构成逆变器的半导体开关元件为对象的开/关信号的控制装置。在电动机的转子空转时,利用空转重启控制部使逆变器的半导体开关元件的其中至少一个导通而使电动机的绕组短路,基于此时流动的绕组电流推算转子的位置,通过逆变器重启电动机”(参见摘要)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平11-75394号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
上述专利文献1中针对电动机的重启方法进行了描述。然而,在专利文献1公开的重启方法中,例如在使用感应电动机用于风扇用途的情况下,在感应电动机因外力(风等)而发生空转时即使使绕组短路也不会有电流流动,无法推算转子位置和频率。此外,例如在永磁式同步电动机中,在转子空转的旋转频率为低速(转速低)时,由于绕组短路时产生的电流值低,也无法高精度地推算转子位置和频率。
因此,本发明提供一种电力转换装置(功率转换装置),与以专利文献1中公开的发明为首的现有技术相比,即使在使绕组短路时没有电流流动的情况下或者旋转频率为低速时,也能够进行空转中的转子位置和频率的推算。
解决问题的技术手段
为了解决上述问题,例如采用权利要求书记载的技术方案。
本申请包含多种解决上述问题的技术手段,举其一例如下。一种电力转换装置,包括:包括半导体开关元件的电力转换器,其利用所述半导体开关元件的开/关的组合,将直流电压转换成任意的电压来驱动交流电动机;控制装置,控制所述电力转换器的半导体开关元件,以从所述电力转换器对该交流电动机施加任意的电压;和检测或推算该交流电动机中流动的电流的电流检测器,其中,所述控制装置在该交流电动机空转或停止时从所述电力转换器对该交流电动机施加任意的电压,基于该交流电动机中流动的电流和施加电压的时间获得该交流电动机的感应电压频率/相位,使用该获得的感应电压频率/相位来重启该交流电动机。
发明效果
根据本发明,能够提供一种即使在转子空转期间使绕组短路时没有电流流动的情况下或者旋转频率为低速时,也能够进行空转中的转子位置和频率的推算,使电动机重启的电力转换装置。
上述之外的技术问题、技术方案和技术效果可根据以下实施方式的说明而明确。
附图说明
图1是实施例1的电力转换装置的结构图之一例。
图2是实施例1的电力转换装置的重启控制部之一例。
图3是实施例1的电力转换装置的结构图之变形例。
图4是实施例1的电力转换装置的重启控制部之一例。
图5是实施例1的电力转换装置的重启控制部之一例。
图6是从实施例1的电力转换装置施加的任意的交流电压之一例。
图7是对实施例1的电力转换装置施加了任意的直流电压时的电流检测时刻与电流变化之一例。
图8是实施例1的电力转换装置的旋转方向推算时刻之一例。
图9是实施例1的电力转换装置的重启控制部之一例。
图10是实施例2的电力转换装置的结构图之一例。
图11是实施例2的电力转换装置的重启控制部之一例。
图12是使从实施例2的电力转换装置施加的任意的直流电压逐渐上升之一例。
图13是使从实施例2的电力转换装置施加的任意的交流电压的振幅逐渐增大之一例。
图14是实施例2的电力转换装置的两相感应电压之一例。
具体实施方式
以下利用附图对本发明的实施例进行说明。
实施例1
在本实施例中,对能够推算空转中的交流电动机的转子位置和频率的电力转换装置的结构之一例进行说明。
图1是实施例1的电力转换装置的结构图之一例。
用于驱动永磁式同步电动机105的电力转换装置101包括平滑电容器102、电力转换器(功率转换器)103、电流检测器104和控制装置106。
平滑电容器102是用于将直流电压平滑化的平滑电容器,但也可不经平滑而直接输入直流电压。电力转换器103按照半导体开关元件的开/关的组合,将直流电压转换成任意的电压。
电流检测器104例如为分流电阻或霍尔CT(电流互感器),检测电力转换器103的三相输出电流。也可仅检测两相,根据三相交流的总和为零来计算出剩余的一相。此外,也可在电力转换器103的输入的正极或负极配置分流电阻,根据分流电阻中流动的电流来推算三相输出电流。
控制装置106包括交流电动机控制部107、重启控制部108和栅极信号控制部109。
交流电动机控制部107为了任意地控制永磁式同步电动机105的速度或转矩而输出基于三相输出电流的电压指令。
重启控制部108接收断路准位(level,水平)设定值、交流电动机常数设定值和由电流检测器104检测出的三相输出电流,向交流电动机控制部107输出频率、相位、旋转方向,并向栅极信号控制部109输出断路指令。
栅极信号控制部109从交流电动机控制部107接收电压指令,控制半导体开关元件的开/关来对永磁式同步电动机105施加基于电压指令的电压。此外,栅极信号控制部109在从重启控制部108接收到断路指令时,使半导体开关元件全部关断来中断对永磁式同步电动机105施加电压。
在此,对根据施加任意的电压时流动的电流来推算永磁式同步电动机105的磁极位置和旋转角速度的方法进行说明。为了使永磁式同步电动机105从空转状态重启,由于变成过流状态后会无法正常地重启,因此在重启时需要将电力转换器103的输出电压的振幅、相位、频率设定为与永磁式同步电动机105的感应电压的各项大致相同的值。此外,还需要知道永磁式同步电动机105的旋转方向。
图2是图1所示的电力转换装置的重启控制部之一例。在对重启控制部108输入例如三相输出电流iu、iv、iw的情况下,峰值电流生成部201中生成峰值电流。此时,在电压施加处理部202中,在所生成的峰值电流低于电流断路准位的情况下,施加任意的电压。根据因施加任意的电压而流动的电流生成峰值电流,在该峰值电流高于电流断路准位的情况下,为了避免过流而中断施加任意的电压。
图3是实施例1的电力转换装置的结构图之变形例。
如图3所示,电力转换装置301配备检测直流电压的直流电压检测器310,将使用该直流电压检测器310检测出的直流电压输入到控制装置306内的重启控制部308中。
图4是实施例1的电力转换装置的重启控制部之一例。
如图4所示,电压施加控制部402能够基于输入到重启控制部308中的直流电压来判断任意的电压的施加和中断,以避免过流。
图5是实施例1的电力转换装置的重启控制部之一例。
如图5所示,也可使用峰值电流、直流电压两者来判断任意的电压的施加和中断。
频率/相位推算处理部203以三相输出电流、交流电动机常数为输入,输出频率、相位、旋转方向。
作为频率/相位推算处理部203的内部处理,例如首先利用微分计算部204根据检测出的三相输出电流的本次值与上次值计算电流的差分值。接着,根据各相的电流差分值和预先获知的交流电动机常数,利用感应电压推算处理部205计算各相感应电压瞬时值。然后,根据推算出的各相感应电压瞬时值利用频率运算处理部206计算频率,利用相位运算处理部207计算相位,并且利用旋转方向判断处理部208根据相位推算旋转方向。推算出的频率、相位、旋转方向被输出到交流电动机控制部107,并基于它们进行控制来执行电力转换装置101的重启。
图6是从实施例1的电力转换装置施加的任意的交流电压之一例。
在本实施例中,对例如基于施加任意的直流电压时流动的电流来推算频率和相位的方法进行说明,但施加的电压也可为如图6所示的任意的交流电压。由于为交流电压,所以能够使各半导体开关元件的负载均匀。
首先,说明感应电压瞬时值的推算方法。转子空转中因例如施加任意的直流电压而流动的电流被作为三相电流检测出或推算出。令u、v、w各相的电流分别为iu、iv、iw,则各相的感应电压瞬时值eu、ev、ew可根据电压方程式通过式1求出。其中,在式1中,v为任意的施加电压,R为永磁式同步电动机105的绕组电阻,L为永磁式同步电动机105的绕组电感,下标u、v、w为各个量的u轴、v轴、w轴成分。
[式1]
在此,若假定电压施加时间极短,由于可忽略R,因此可得到式2。
[式2]
使用式1或式2的其中之一来计算各相的感应电压瞬时值eu、ev、ew即可。此外,式1和式2计算三相的值,但也可仅计算两相,根据三相交流总和为零来计算剩余的一相。
从式2中也可知,为了推算感应电压瞬时值需要电流的时间微分。例如在利用软件执行的情况下,通过获取每个电流采样时间Δt的电流增量Δi来进行运算。
图7是对实施例1的电力转换装置施加任意的直流电压时的电流检测时刻与电流变化之一例。例如在施加任意的直流电压后,如果电流增加达到断路准位,则中断电压的施加。在此之间,以任意的采样间隔获取电流,如式3所示地求取与上次获取的电流值的差,求得电流增量值。因此,最少需要两个电流采样点。
[式3]
其中,下标n表示每一次电压施加期间的电流采样次数,n>0。
令电流采样时间为Δt,则式2可如式4所示地表示。
[式4]
接着,对感应电压频率的推算方法进行说明。令ω为角速度,则感应电压常数Κe与感应电压振幅值Ε1有式5的关系。
[式5]
E1=ωKe
令感应电压频率为f,根据ω=2πf,式5可如式6所示地表示。
[式6]
此外,若使用感应电压瞬时值,则感应电压振幅值由式7求出。
[式7]
依据式6和式7,能够根据推算出的各相感应电压瞬时值eu、ev、ew推导出感应电压频率。
如上所述,通过检测至少两点处的电流,能够推导出永磁式同步电动机105的感应电压频率。
接着,对感应电压相位的推算方法进行说明。
首先,对通过式1导出的各相感应电压瞬时值eu、ev、ew基于式8进行坐标变换,推导出变换为两相固定坐标系的感应电压瞬时值eα、eβ。
[式8]
感应电压相位θ根据感应电压瞬时值eα、eβ由式9求出。
[式9]
最后,对永磁式同步电动机105的旋转方向推算方法进行说明。角速度ω与感应电压相位θ的关系由式10表示。
[式10]
永磁式旋转电机105的旋转方向可根据角速度ω的符号来判别,即,根据式9得到的相位每单位时间的增量方向,可实现旋转方向的推算。
此外,永磁式同步电动机105的旋转方向因时刻的不同存在无法精确推算的情况。图8是实施例1中的电力转换装置的旋转方向推算时刻之一例。例如,如图8所示,在以T1时刻的相位为基准时,通过使用t秒后的T2时刻的相位,能够正确地推算旋转方向,但如果使用t’秒后的T2’时刻的相位来推算旋转方向,则会发生误推算。
但在本申请中,通过如上所述地检测至少两点处的电流,能够推导出永磁式同步电动机105的感应电压频率,因此使用推导出的频率来决定感应电压相位θ的导出时刻,则能够进行精确的旋转方向推算。
另外,在本申请中,图9为实施例1的电力转换装置的重启控制部之一例。在图9的交流电动机状态判断部909中,还能够根据断路指令时间即电压施加中断时间来判断永磁式同步电动机105是否处于停止中或低速旋转中。交流电动机状态判断部909中,将断路指令时间与任意设定的停止判断时间或低速判断时间相比较,在断路指令时间超过停止判断时间或低速判断时间的情况下,判断为处于停止中或低速中。此外,也可同时进行停止判断和低速判断。另外,停止判断时间和低速判断时间也可各自独立地设定。
在判断为永磁式同步电动机105处于低速旋转中的情况下,也可通过对永磁式同步电动机105施加任意的直流电压并对永磁式同步电动机105进行制动使其停止,而能够使永磁式同步电动机105平滑地重启。此外,在对永磁式同步电动机105制动时施加的直流电压也可为零电压。
如上所述,能够根据施加任意的直流电压而得到的各相电流和已知的交流电动机常数,推算感应电压的频率、相位、旋转方向。
实施例2
在本实施例中,对于与实施例1通用的部分使用相同的标记进行说明,并针对不同的部分详细进行说明。
图10是实施例2的电力转换装置的结构图之一例。
用于驱动永磁式同步电动机105的电力转换装置1001包括平滑电容器102、电力转换器103、电流检测器104和控制装置1006。
控制装置1006包括交流电动机控制部107、重启控制部1008和栅极信号控制部109。
重启控制部1008接收断路准位设定值、交流电动机常数设定值和三相输出电流,向交流电动机控制部107输出频率、相位、旋转方向,并向栅极信号控制部109输出断路指令。
图11是实施例2的电力转换装置的重启控制部之一例。
在频率/相位推算处理部1103内的旋转方向判断处理部1108中,能够根据各次推导出的至少两相的感应电压瞬时值的关系来推算旋转方向。
图12是从实施例2的电力转换装置施加的任意的直流电压之一例。
在本实施例中,例如基于如图12所示逐渐施加任意的直流电压时流动的电流来推算永磁式同步电动机105的感应电压频率和相位。通过逐渐施加任意的直流电压,在例如永磁式同步电动机105以高转速空转的情况下,能够抑制电流的迅速增加。此外,在永磁式同步电动机105产生的感应电压非常小的情况下,即永磁式同步电动机105以低转速空转的情况下,能够通过逐渐施加电压来使电流增加平缓,即,能够在不降低永磁式同步电动机105的转速的前提下进行推算。
图13是使从实施例2的电力转换装置施加的任意的交流电压的振幅逐渐增大之一例。
逐渐施加图13所示的交流电压也能够获得同样的效果。
作为电压施加开始的值,可根据交流电动机常数的绕组电阻与电流断路准位值的关系来决定电压施加的值。此外,通过从永磁式同步电动机105的额定电压的一半的值开始施加电压,能够将其与永磁式同步电动机105产生的感应电压瞬时值的最大电位差抑制到最小。进一步地,在例如图7所示地进行多次电流采样的情况下,也可根据上次电流采样时推算出的永磁式同步电动机105的感应电压频率或感应电压振幅值来决定下一次施加的电压值。
在本实施例中,关于永磁式同步电动机105的感应电压频率和相位的推算方法,由于与实施例1相同故省略说明。
图14的Ta为u相感应电压从正变化成负的时刻。另一个感应电压为v相感应电压。在该时刻,根据接下来推导出的两相感应电压的增加方向来推算旋转方向。在Ta时,例如如果u相感应电压向负侧增加,v相感应电压向正侧增加,则判断为正转,反之如果u相感应电压向正侧增加,v相感应电压向负侧增加,则判断为反转。
图14的Tb为u相感应电压为振幅最大值(负侧)的时刻。在该时刻,如果v相感应电压向负侧增加,则判断为正转,反之如果v相感应电压向正侧增加,则判断为反转。
图14的Tc为u相感应电压从负变化成正的时刻。在该时刻,如果u相感应电压向正侧增加,v相感应电压向负侧增加,则判断为正转,反之如果u相感应电压向负侧增加,v相感应电压向正侧增加,则判断为反转。
图14的Td为u相感应电压为振幅最大值(正侧)的时刻。在该时刻,如果v相感应电压向正侧增加,则判断为正转,反之如果v相感应电压向负侧增加,则判断为反转。
此外,本旋转方向判断方法虽然因判断时刻的不同而存在无法精确推算的情况,但与实施例1的旋转方向判断方法同样地,使用推导出的频率来决定旋转方向判断时刻,则能够进行精确的旋转方向判断。
此外,上述实施方式针对应用于永磁式同步电动机的情况进行了说明,但也可应用于例如感应电动机或转子中不使用永磁铁的同步电动机那样的,在不产生感应电压的状态下因外力旋转或停止的电动机。
本申请并不限定于上述实施例,还包含各种变形例。例如,上述实施例是为了使本发明简单易懂而进行的详细说明,并非限定必须具备所说明的全部的结构。此外,可将某实施例的结构的一部分替换成其它实施例的结构,或者可在某实施例的结构上添加其它实施例的结构。另外,针对各实施例的结构的一部分,能够进行其它结构的追加、删除、替换。
此外,上述各结构、功能、处理部、处理单元等,其一部分或全部例如可以通过集成电路设计等而利用硬件实现。此外,上述各结构、功能等,也可以通过由处理器解释、执行实现各功能的程序而利用软件实现。实现各功能的程序、表、文件等信息能够保存在存储器、硬盘、SSD(SolidStateDrive)等记录装置,或者IC卡、SD卡、DVD等记录介质中。
此外,控制线和信息线表示了说明上必要的部分,并不一定表示了产品上所有的控制线和信息线。实际上也可以认为几乎所有结构都相互连接。
附图标记说明
101……电力转换装置,102……平滑电容器,103……电力转换器,104……电流检测器,105……永磁式同步电动机,106……控制装置,107……交流电动机控制部,108……重启控制部,109……栅极信号控制部,201……峰值电流生成部,202……电压施加处理部,203……频率/相位推算处理部,204……微分运算部,205……感应电压推算处理部,206……频率运算处理部,207……相位运算处理部,208……旋转方向判断处理部,301……电力转换装置,306……控制装置,308……重启控制部,310……直流电压检测器,402……电压施加处理部,502……电压施加处理部,909……交流电动机状态判断部,1001……电力转换装置,1006……控制装置,1008……重启控制部,1103……频率/相位推算处理部,1108……旋转方向判断处理部
Claims (20)
1.一种电力转换装置,其特征在于,包括:
包括半导体开关元件的电力转换器,其利用所述半导体开关元件的开/关的组合,将直流电压转换成任意的电压来驱动交流电动机;
控制装置,控制所述电力转换器的半导体开关元件,以从所述电力转换器对该交流电动机施加任意的电压;和
检测或推算该交流电动机中流动的电流的电流检测器,其中,
所述控制装置在该交流电动机空转或停止时从所述电力转换器对该交流电动机施加任意的电压,基于该交流电动机中流动的电流和施加电压的时间获得该交流电动机的感应电压频率和相位,使用该获得的感应电压频率和相位来重启该交流电动机。
2.如权利要求1所述的电力转换装置,其特征在于:
在该交流电动机空转或停止时从所述电力转换器对该交流电动机施加的电压是电压值逐渐增大的任意频率的电压。
3.如权利要求1所述的电力转换装置,其特征在于:
在该交流电动机中流动的电流超过规定的电流值的情况下,中断对该交流电动机的电压施加,在该交流电动机中流动的电流低于规定的电流值的情况下,恢复对该交流电动机的电压施加。
4.如权利要求1所述的电力转换装置,其特征在于:
包括检测输入到所述电力转换器的直流电压的直流电压检测器,
在检测出的直流电压超过规定的电压值的情况下,中断对该交流电动机的电压施加。
5.如权利要求4所述的电力转换装置,其特征在于:
在检测出的直流电压低于规定的电压值的情况下,恢复对该交流电动机的电压施加。
6.如权利要求3所述的电力转换装置,其特征在于:
对该交流电动机至少进行一次电压施加和电压施加中断的组合,
使用当前为止获得的该交流电动机的感应电压频率中的至少一个,决定下一次前的电压施加中断时间。
7.如权利要求3所述的电力转换装置,其特征在于:
使用各次获得的该交流电动机的感应电压相位中的至少一个来推算该交流电动机的旋转方向。
8.如权利要求3所述的电力转换装置,其特征在于:
基于该交流电动机中流动的电流和施加电压的时间获得该交流电动机的感应电压瞬时值,使用各次获得的该交流电动机的感应电压瞬时值中的至少两相来推算该交流电动机的旋转方向。
9.如权利要求3所述的电力转换装置,其特征在于:
根据中断该交流电动机的电压施加之前的时间来判断该交流电动机是停止还是处于低速旋转中。
10.如权利要求9所述的电力转换装置,其特征在于:
在判断为该交流电动机处于低速旋转中的情况下,对该交流电动机施加任意的直流电压进行制动。
11.一种电力转换方法,其特征在于,包括:
电力转换步骤,包括半导体开关元件,利用所述半导体开关元件的开/关的组合,将直流电压转换成任意的电压来驱动交流电动机;
控制步骤,控制所述电力转换器的半导体开关元件,以从所述电力转换器对该交流电动机施加任意的电压;和
检测或推算该交流电动机中流动的电流的电流检测步骤,其中,
在所述控制步骤中,在该交流电动机空转或停止时通过所述电力转换步骤对该交流电动机施加任意的电压,基于该交流电动机中流动的电流和施加电压的时间获得该交流电动机的感应电压频率和相位,使用该获得的感应电压频率和相位来重启该交流电动机。
12.如权利要求11所述的电力转换方法,其特征在于:
在该交流电动机空转或停止时通过所述电力转换步骤对该交流电动机施加的电压是电压值逐渐增大的任意频率的电压。
13.如权利要求11所述的电力转换方法,其特征在于:
在该交流电动机中流动的电流超过规定的电流值的情况下,中断对该交流电动机的电压施加,在该交流电动机中流动的电流低于规定的电流值的情况下,恢复对该交流电动机的电压施加。
14.如权利要求11所述的电力转换方法,其特征在于:
包括检测输入到所述电力转换步骤的直流电压的直流电压检测步骤,
在检测出的直流电压超过规定的电压值的情况下,中断对该交流电动机的电压施加。
15.如权利要求14所述的电力转换方法,其特征在于:
在检测出的直流电压低于规定的电压值的情况下,恢复对该交流电动机的电压施加。
16.如权利要求13所述的电力转换方法,其特征在于:
对该交流电动机至少进行一次电压施加和电压施加中断的组合,
使用当前为止获得的该交流电动机的感应电压频率中的至少一个,决定下一次前的电压施加中断时间。
17.如权利要求13所述的电力转换方法,其特征在于:
使用各次获得的该交流电动机的感应电压相位中的至少一个来推算该交流电动机的旋转方向。
18.如权利要求13所述的电力转换方法,其特征在于:
基于该交流电动机中流动的电流和施加电压的时间获得该交流电动机的感应电压瞬时值,使用各次获得的该交流电动机的感应电压瞬时值中的至少两相来推算该交流电动机的旋转方向。
19.如权利要求13所述的电力转换方法,其特征在于:
根据中断该交流电动机的电压施加之前的时间来判断该交流电动机是停止还是处于低速旋转中。
20.如权利要求19所述的电力转换方法,其特征在于:
在判断为该交流电动机处于低速旋转中的情况下,对该交流电动机施加任意的直流电压进行制动。
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