CN105846753B - 电动机驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例所涉及的电动机驱动装置的特征在于，具备：PWM转换器，其通过PWM控制来将从低电压交流电源输入的交流电力转换为直流电力；逆变器，其接收直流电力并将该直流电力转换为用于对电动机进行驱动的交流电力；以及在PWM转换器与逆变器之间被连接的蓄电器，其中，PWM转换器以将输入输出电流或输入输出电力限制为某个设定的值的方式进行动作，从低电压交流电源被供给比对电动机进行驱动所需的电压低的电压，将作为输出电压的DC环节电压升高至能够驱动电动机的电压，由此使蓄电器的充放电时的电位差的取值大，从而削减蓄电器的容量。

Description

电动机驱动装置

技术领域

本发明涉及一种电动机驱动装置，特别涉及一种使用PWM转换器和蓄电器以降低在电动机驱动时从电源供给的电力峰值、在电动机减速时向电源再生的电力峰值的电动机驱动装置。

背景技术

在对机床、产业机械、机器人等进行驱动的电动机驱动装置中，作为将输入交流电力转换为直流电力的转换器，广泛采用以下的PWM转换器：通过功率半导体元件的PWM开关动作，能够以几乎为1的功率因数来将DC(直流)环节电压升压控制为输入电压峰值以上的期望的电压。

例如，已知以下技术：将蓄电器连接于PWM转换器的输出部，通过PWM开关动作使PWM转换器进行动作以限制输入输出电流，对于由此导致的用于驱动电动机的电力的不足，利用蓄电器的电力，从而抑制在电动机加速时从电源供给的电力峰值、在电动机减速时向电源再生的再生电力峰值(例如，日本特开2000-236679号公报)。

在此，当设PWM转换器针对电动机加速时所需的电力X[W]将输入电力限制为Y[W]时，通过下述的式(1)给出不足的电力Z[W]，从蓄电器供给该电力Z[W]。

Z[W]＝X[W]-Y[W] (1)

在此，当将电动机加速期间设为T[s]时，从蓄电器供给的能量E[J]为E[J]＝Z[W]×T[s]。此时的蓄电器的电压基于下述的式(2)而从V1[V]下降至V2[V]。

E[J]＝1/2×C×(V1²-V2²) (2)

其中，V1为电力供给前的蓄电器电压[V]，V2为电力供给后的蓄电器电压[V]，C为蓄电器的静电容量[F]。

下降至V2[V]的蓄电器电压是通过经由PWM转换器从电源进行充电、或者充入电动机减速时的再生电力而恢复为原来的电压V1[V]。然后，为下一次电动机加速时的供给做好准备(例如，日本专利第4917680号公报)。

在DC环节电压(＝蓄电器电压)高于输入电压峰值的情况下能够通过PWM转换器的PWM开关动作对输入输出电流进行限制。

在DC环节电压与输入电压峰值相等的情况下，对于电动机加速时所要求的电力，电流流过PWM转换器内的功率半导体元件的二极管部，因此无法通过PWM开关动作来限制输入电力。与所谓的二极管整流型的转换器相同。

也就是说，假设在电动机加速时从蓄电器供给电力，蓄电器电压下降并达到输入电压峰值。于是，电流经过PWM转换器内的二极管而流动，因此无法对输入输出电力进行限制。之后的电动机加速时所需的电力是全部从电源供给的，从而产生无法达成抑制峰值电力这样的目的的问题。

因此，为了避免上述的问题，需要以使电力供给后的蓄电器电压V2不低于输入电压峰值的方式选定蓄电器容量C[F]。例如，将下述的条件应用于式(1)和式(2)来选定蓄电器容量C[F]。

X[W]、T[s]：根据电动机的运转条件来决定。

Y[W]：限制为电源所能够供给的电力。

V1[V]：需要在蓄电器、PWM转换器的耐压以下。

V2[V]：需要是电源电压峰值以上的电压。并且，需要是对电动机进行驱动所需的最低限度的电压。

根据式(2)可知，为了削减蓄电器容量，优选的是取大的电位差V1-V2。另外，蓄电器昂贵且需要大的设置空间，因此优选的是尽可能削减蓄电器。

上限的V1是以蓄电器、PWM转换器的内部元件的耐压来决定的，因此难以进一步提高。下限的V2是由电源电压决定的，因此受制于所设置的电源。

例如，在由于电源电压高等原因而无法取低的V2的情况下，无法取大的电位差V1-V2，因此需要与此相应地增加蓄电器的容量C[F]。然而，如上所述，优选的是取大的电位差V1-V2。

另外，在电动机驱动时，PWM转换器对输入输出电流进行限制，从蓄电器供给不足的部分，由此从结果而言向PWM转换器输入和从PWM转换器输出的电力变小，因此能够选定容量小于电动机输出的PWM转换器。

然而，在选定了容量小于电动机的输出的PWM转换器的情况下，当电动机输出比设想大、或者由于经年劣化而蓄电器容量下降时，在进行电动机加速时的供给时，蓄电器电压低于输入电压峰值，电动机负荷按原样施加于PWM转换器，PWM转换器有可能会损坏。

发明内容

以往，存在以下问题：为了降低在电动机驱动时从电源供给的电力峰值、在电动机减速时向电源再生的电力峰值而无法削减蓄电器的容量。

第一发明所涉及的电动机驱动装置的特征在于，具备：PWM转换器，其通过PWM控制来将从低电压交流电源输入的交流电力转换为直流电力；逆变器，其接收直流电力并将该直流电力转换为用于对电动机进行驱动的交流电力；以及在PWM转换器与逆变器之间被连接的蓄电器，其中，PWM转换器以将输入输出电流或输入输出电力限制为某个设定的值的方式进行动作，PWM转换器从低电压交流电源被供给比对电动机进行驱动所需的电压低的电压，PWM转换器将作为输出电压的DC环节电压升高至能够驱动电动机的电压，由此使蓄电器的充放电时的电位差的取值大，从而削减蓄电器的容量。

另外，第二发明所涉及的电动机驱动装置的特征在于，具备：PWM转换器，其通过PWM控制来将从交流电源输入的交流电力转换为直流电力；逆变器，其接收直流电力并将该直流电力转换为用于对电动机进行驱动的交流电力；在PWM转换器与逆变器之间被连接的蓄电器；以及降压变压器，其连接于交流电源与PWM转换器之间，其中，PWM转换器以将输入输出电流或输入输出电力限制为某个设定的值的方式进行动作，PWM转换器从降压变压器被供给比交流电源的电压低的电压，从而使蓄电器的充放电时的电位差的取值大，来削减蓄电器的容量。

附图说明

通过与附图相关联的下面的实施方式的说明，本发明的目的、特征以及优点会更明确。在该附图中，

图1是本发明的实施例1所涉及的电动机驱动装置的框图，

图2是本发明的实施例2所涉及的电动机驱动装置的框图，

图3是用于说明本发明的实施例2所涉及的电动机驱动装置的动作的时序图，

图4是本发明的实施例3所涉及的电动机驱动装置的框图，

图5是本发明的实施例4所涉及的电动机驱动装置的框图。

具体实施方式

下面参照附图来对本发明所涉及的电动机驱动装置进行说明。

[实施例1]

首先，对本发明的实施例1所涉及的电动机驱动装置进行说明。在图1中示出本发明的实施例1所涉及的电动机驱动装置的框图。本发明的实施例1所涉及的电动机驱动装置101的特征在于，具备：PWM转换器2，其通过PWM控制来将从低电压交流电源14′输入的交流电力转换为直流电力；逆变器3，其接收直流电力并将该直流电力转换为用于对电动机8进行驱动的交流电力；以及在PWM转换器2与逆变器3之间被连接的蓄电器4，其中，PWM转换器2以将输入输出电流或输入输出电力限制为某个设定的值的方式进行动作，PWM转换器2从低电压交流电源14′被供给比对电动机8进行驱动所需的电压低的电压，PWM转换器2将作为输出电压的DC环节电压升高至能够驱动电动机的电压，由此使蓄电器的充放电时的电位差的取值大，从而削减蓄电器的容量。

如图1所示，低电压交流电源14′是3相的交流电源，经由AC电抗器13向PWM转换器2供给交流电力。通过输入电压检测部11来检测从低电压交流电源14′供给的交流电压。另外，通过输入电流检测部12来检测经由AC电抗器13向PWM转换器2输入的电流。

通过PWM转换器控制电路5来控制PWM转换器2内的半导体开关元件21～26的开关动作，由此将输入到PWM转换器2的交流电力转换为直流电力。通过输出电压检测部10来检测转换后的直流电压。

通过PWM转换器2整流而得到的直流电力被第一平滑电容器9和第二平滑电容器9′平滑化后输入到逆变器3。通过逆变器输入电流检测部15来检测输入到逆变器3的电流。PWM转换器2以将输入输出电流或输入输出电力限制为某个设定的值的方式进行动作，在电动机驱动时，从蓄电器4供给由于PWM转换器对输入输出电流进行限制而导致的不足部分。

通过逆变器控制电路6来控制逆变器3内的半导体开关元件31～36的开关动作，由此将输入到逆变器3的直流电力转换为用于对电动机8进行驱动的交流电力。通过控制器7来对PWM转换器控制电路5和逆变器控制电路6进行控制。

在本发明的实施例1所涉及的电动机驱动装置101中，将电动机驱动装置101连接于作为电压比电动机驱动电压低的电源的低电压交流电源14′，通过PWM转换器2来将DC环节电压升高至电动机驱动电压以对电动机8进行驱动。

例如，以将用AC400[V]进行驱动的电动机驱动装置连接于AC200[V]的交流电源的情况为例来进行说明。

以往，在将AC400[V]系的电动机驱动装置连接于AC400[V]的电源的情况下，当根据部件的耐压而将V1设定为DC800[V]时，在输入电压为AC400[V]的情况下输入电压峰值为DC566[V]，因此蓄电器在V1：DC800[V]～V2：DC566[V]之间进行充放电。其中，V1为电力供给前的蓄电器电压[V]，V2为电力供给后的蓄电器电压[V]。

另一方面，在本发明的实施例1所涉及的电动机驱动装置中，为了用AC200[V]的交流电源来驱动AC400[V]型的电动机，DC环节(＝蓄电器)升压至DC800[V]。由此，也能够驱动AC400[V]型的电动机。

另外，AC200[V]电源的输入电压峰值为DC283[V]，因此蓄电器在V1：DC800[V]～V2：DC283[V]之间进行充放电。其结果，与以往相比，所需的电容器容量C[F]能够削减43％。

实际上，当DC环节电压(＝蓄电器电压)下降至DC283[V]时，有可能无法驱动AC400[V]型的电动机，因此可以将V2的电压设定在能够驱动电动机的范围内。

如以上所说明的那样，根据本发明的实施例1所涉及的电动机驱动装置，能够用低的电压来驱动电动机，并且，还能够使蓄电器的充放电时的电位差的取值大，因此能够削减蓄电器容量。

[实施例2]

接着，对本发明的实施例2所涉及的电动机驱动装置进行说明。在图2中示出本发明的实施例2所涉及的电动机驱动装置的框图。本发明的实施例2所涉及的电动机驱动装置102的特征在于，具备：PWM转换器2，其通过PWM控制来将从交流电源14输入的交流电力转换为直流电力；逆变器3，其接收直流电力并将该直流电力转换为用于对电动机8进行驱动的交流电力；在PWM转换器2与逆变器3之间被连接的蓄电器4；以及降压变压器16，其连接于交流电源14与PWM转换器2之间，其中，PWM转换器2从降压变压器16被供给比交流电源14的电压低的电压，PWM转换器2以将输入输出电流或输入输出电力限制为某个设定的值的方式进行动作，由此使蓄电器的充放电时的电位差的取值大，从而削减蓄电器的容量。

如图2所示，交流电源14是3相的交流电源，经由降压变压器16和AC电抗器13向PWM转换器2供给交流电力。通过输入电压检测部11来检测被降压变压器16降压后的交流电压。另外，通过输入电流检测部12来检测经由AC电抗器13向PWM转换器2输入的电流。

通过PWM转换器控制电路5来控制PWM转换器2内的半导体开关元件21～26的开关动作，由此将输入到PWM转换器2的交流电力转换为直流电力。通过输出电压检测部10来检测转换后的直流电压。

通过PWM转换器2整流而得到的直流电力被第一平滑电容器9和第二平滑电容器9′平滑化后输入到逆变器3。通过逆变器输入电流检测部15来检测输入到逆变器3的电流。PWM转换器2以将输入输出电流或输入输出电力限制为某个设定的值的方式进行动作，在电动机驱动时，从蓄电器4供给由于PWM转换器对输入输出电流进行限制而导致的不足部分。

通过逆变器控制电路6来控制逆变器3内的半导体开关元件31～36的开关动作，由此将输入到逆变器3的直流电力转换为用于对电动机8进行驱动的交流电力。通过控制器7来对PWM转换器控制电路5和逆变器控制电路6进行控制。

通过在交流电源14与PWM转换器2之间加入降压变压器16，能够降低输入到PWM转换器2的交流电压。例如，对将交流电源14的电源电压设为AC480[V]、用降压变压器降低至AC380[V]的情况进行说明。

以往，在不通过降压变压器而连接于AC480[V]的电源的情况下，假设根据部件的耐压而通过PWM转换器将无负载时的DC环节电压(＝蓄电器电压)升高至DC800[V]。于是，在输入电压为AC480[V]的情况下，输入电压峰值为DC680[V]，因此蓄电器在V1：DC800[V]～V2：DC680[V]之间进行充放电。其中，V1为电力供给前的蓄电器电压[V]，V2为电力供给后的蓄电器电压[V]。

另一方面，根据本发明的实施例2所涉及的电动机驱动装置，在通过降压变压器降低至AC380[V]的情况下，输入到PWM转换器的输入电压峰值变为DC540[V]，因此蓄电器在V1：DC800[V]～V2：DC540[V]之间进行充放电。因而，与以往相比，所需的电容器容量C[F]能够削减49％。

接着，对本发明的实施例2所涉及的电动机驱动装置的动作例进行说明。在图3中示出用于说明本发明的实施例2所涉及的电动机驱动装置的动作的时序图。在图3中示出电动机输出、电源电流(电源输出)、蓄电器电流以及DC环节电压(蓄电器电压)各自在时刻T0～T6的随时间的变化。

首先，对时刻T0～T1期间的动作进行说明。在该期间内，电动机8停止动作，PWM转换器2将DC环节电压(蓄电器4的电压)控制为高于输入电压峰值的固定电压V1。

接着，对时刻T1～T2期间的动作进行说明。在时刻T1，开始电动机8的加速。电动机8的输出为PWM转换器2的输入电流限制值以下，因此从交流电源14供给电流。输入电流限制值是预先设定的。

接着，对时刻T2～T3期间的动作进行说明。来自交流电源14的供给电流变为输入电流限制值以上，因此PWM转换器2对输入电流进行限制。由蓄电器4供给输入电流限制值以上的电流。与此相伴地，蓄电器4的电压下降。在此，重要的是，蓄电器4的电压不会变为输入电压峰值以下。

接着，对时刻T3～T4期间的动作进行说明。电动机8正在进行恒速旋转，在这样的低负荷下，电动机8的输出为PWM转换器2的输入电流限制值以下，因此经由PWM转换器2从交流电源14供给电流。

接着，对时刻T4～T5期间的动作进行说明。在时刻T4，开始电动机8的减速。再生电流被充入蓄电器4。其结果，蓄电器4的电压上升。

接着，对时刻T5～T6期间的动作进行说明。当蓄电器4的电压上升而DC环节电压变得比控制目标值V1高时，PWM转换器2将再生电力向输入电源进行再生。

如以上所说明的那样，根据本发明的实施例2所涉及的电动机驱动装置，在PWM转换器的输入部设置降压变压器来降低PWM转换器输入部的电压，由此能够将放电后的蓄电器电压V2设定得低。通过选定低的V2来能够取大的电位差V1-V2，因此能够减少蓄电器容量。

[实施例3]

接着，对本发明的实施例3所涉及的电动机驱动装置进行说明。在图4中示出本发明的实施例3所涉及的电动机驱动装置的框图。本发明的实施例3所涉及的电动机驱动装置103与本发明的实施例2所涉及的电动机驱动装置102的不同之处在于，PWM转换器2具备：监视部17，其对蓄电器4的电压进行监视；以及警报产生部18，其在蓄电器4的电压变为高于输入电压峰值的某个值以下的情况下，为了停止电动机8而产生警报，以保护PWM转换器2免于过载。另外，连接容量比电动机的输出小的PWM转换器2，该PWM转换器2以将输入输出电流或输入输出电力限制为某个设定的值的方式进行动作。实施例3所涉及的电动机驱动装置103的其它结构与实施例2所涉及的电动机驱动装置102的结构相同，因此省略详细的说明。

根据本发明的实施例3所涉及的电动机驱动装置，在选定了容量比电动机的输出小的PWM转换器的情况下，在进行电动机加速时的供给时，当蓄电器电压低于输入电压峰值而电动机负载按原样施加于PWM转换器时，PWM转换器有可能会损坏，因此对DC环节电压(＝蓄电器电压)进行监视，从而能够事前进行警报停止。

此外，在图4中示出了对实施例2所示出的电动机驱动装置102中的PWM转换器2设置了监视部17和警报产生部18的例子。然而，不限于这样的例子，也可以对实施例1所涉及的电动机驱动装置101中的PWM转换器2设置监视部17和警报产生部18。

[实施例4]

接着，对本发明的实施例4所涉及的电动机驱动装置进行说明。在图5中示出本发明的实施例4所涉及的电动机驱动装置的框图。本发明的实施例4所涉及的电动机驱动装置104与实施例2所涉及的电动机驱动装置102的不同之处在于，利用平滑电容器9及9′来取代蓄电器4。实施例4所涉及的电动机驱动装置的其它结构与实施例2所涉及的电动机驱动装置102中的结构相同，因此省略详细的说明。

对于本发明的实施例1～3所涉及的电动机驱动装置中连接的蓄电器4所设想的是能够蓄积能够驱动电动机的能量的蓄电器。例如是大容量的电解电容器、双电层电容器、锂离子电容器以及其它大容量电容器等。

另一方面，在本发明的实施例4所涉及的电动机驱动装置中，能够取代蓄电器4，而使用蓄积于第一平滑电容器9和第二平滑电容器9′的能量，因此具有无需使用蓄电器4的优点。

此外，在图5所示的例子中，示出了取代实施例2所示出的电动机驱动装置102中的蓄电器4而使用平滑电容器9及9′的例子，但是不限于这样的例子，也可以取代实施例1所涉及的电动机驱动装置101或实施例3所涉及的电动机驱动装置103中的蓄电器4而使用平滑电容器9及9′。

如以上所说明的那样，根据实施例1至4所涉及的电动机驱动装置，能够提供一种使用PWM转换器和蓄电器以降低在电动机驱动时从电源供给的电力峰值、在电动机减速时向电源再生的电力峰值的电动机驱动装置，该电动机驱动装置能够使蓄电器的充放电时的电位差的取值大来削减蓄电器的容量。

Claims (6)

1.一种电动机驱动装置，其特征在于，具备：

PWM转换器，其通过PWM控制来将从低电压交流电源输入的交流电力转换为直流电力；

逆变器，其接收所述直流电力并将该直流电力转换为用于对电动机进行驱动的交流电力；以及

在所述PWM转换器与所述逆变器之间被连接的蓄电器；

输入电压检测部，其检测从所述低电压交流电源供给到所述PWM转换器的交流电压；

输入电流检测部，其检测从所述低电压交流电源输入到所述PWM转换器的电流；以及

输出电压检测部，其检测通过所述PWM转换器转换后的直流电压，

其中，所述PWM转换器以将输入输出电流或输入输出电力限制为某个设定的值的方式进行动作，

所述PWM转换器从所述低电压交流电源被供给对电动机进行驱动所需的电压范围的下限值或比下限值低的峰值的交流电压，

所述PWM转换器将作为输出电压的DC环节电压升高至能够驱动电动机的电压，由此削减所述蓄电器的容量。

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PWM转换器具备：

监视部，其对所述蓄电器的电压进行监视；以及

警报产生部，其在所述蓄电器的电压变为高于输入电压峰值的某个值以下的情况下，为了停止电动机而产生警报，以保护所述PWM转换器免于过载。

3.根据权利要求1或2所述的电动机驱动装置，其特征在于，

利用平滑电容器来取代所述蓄电器。

4.一种电动机驱动装置，其特征在于，具备：

PWM转换器，其通过PWM控制来将从交流电源输入的交流电力转换为直流电力；

逆变器，其接收所述直流电力并将该直流电力转换为用于对电动机进行驱动的交流电力；

在所述PWM转换器与所述逆变器之间被连接的蓄电器；以及

降压变压器，其连接于交流电源与所述PWM转换器之间；

输入电压检测部，其检测从所述降压变压器供给到所述PWM转换器的交流电压；

输入电流检测部，其检测从所述降压变压器输入到所述PWM转换器的电流；以及

输出电压检测部，其检测通过所述PWM转换器转换后的直流电压，

其中，所述交流电压是对电动机进行驱动所需的范围内的电压，

所述PWM转换器从所述降压变压器被供给比所述交流电源的电压低的电压，

所述PWM转换器以将输入输出电流或输入输出电力限制为某个设定的值的方式进行动作，削减所述蓄电器的容量。

5.根据权利要求4所述的电动机驱动装置，其特征在于，

所述PWM转换器具备：

监视部，其对所述蓄电器的电压进行监视；以及

警报产生部，其在所述蓄电器的电压变为高于输入电压峰值的某个值以下的情况下，为了停止电动机而产生警报，以保护所述PWM转换器免于过载。

6.根据权利要求4或5所述的电动机驱动装置，其特征在于，

利用平滑电容器来取代所述蓄电器。