专利名称：交流电动机系统及控制方法、相关的电力转换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及交流电动机系统、交流电动机系统的控制方法以及具有驱动交流电动机的整流器(converter)和逆变器(inverter)的电力转换装置，特别涉及在紧急加速减速等的苛刻运转时，也适于稳定地驱动系统而不停止装置的交流电动机系统、交流电动机系统的控制方法以及与其相关的电力转换装置。
背景技术：
作为用于驱动交流电动机等的电力转换装置，采用了利用整流器将交流电源的电力转换为直流，通过逆变器将直流转换为交流的方式，在整流器与逆变器之间的直流部连接有平滑电容器。而且，控制整流器的控制装置对整流器的输出电流进行控制，以使与直流部连接的平滑电容器的两端电压，即直流电压成为规定的值；控制逆变器的控制装置对逆变器的输出电流进行控制，以使交流电动机的速度成为规定的值。一般而言，逆变器容量根据交流电动机的输出特性来设计，整流器容量相对所述逆变器容量被设计成能够与电力的授受对应。
这里，在逆变器侧存在负载变化的情况下，由于整流器侧的直流电压控制系统的延迟，直流电压会以过渡的方式变动。因此，以往采用的方式是运算逆变器侧的输入输出电力，通过将其结果前馈地加法运算到整流器的电流指令中，对直流电压的变动进行控制(例如特开平3-190594号公报的内容)。
专利文献1特开平3-190594号公报当使用具有恒定转矩特性和恒定输出特性的带励磁减弱的交流电动机时，在恒定输出特性区域(励磁减弱区域)中，与速度成反比例进行控制，以降低电动机的磁通使得输出恒定。这里，一般电动机磁通的变化中存在着依赖于电动机的设计常数的时间常数，例如在进行紧急加速运转的情况下，通过相对速度变化而延迟电动机磁通的降低，在逆变器一侧可能以过渡方式超过恒定输出而不会成为恒定输出特性。而且，在整流器无法对应此时的过渡方式的超过电力时，电力的授受会产生不一致，有可能产生直流电压大幅变动的问题。
为了稳定运转系统，将该直流电压控制为恒定是很重要的，在现有技术中，通过将逆变器的电力以前馈的方式加法运算到整流器中，具有能够抑制因整流器的控制延迟而引起的直流电压变动的效果，但是，对上述那样的因为超过整流器的控制能力的逆变器电力超过而引起的直流电压变动进行控制是不起作用的。为了在紧急加速减速等的苛刻运转下也能够使系统稳定动作，需要增加整流器容量以便包括所述过渡的超过电力在内也能够对应，或者为了使电动机磁通急剧变化需要增加逆变器容量，可是每一种方法都不经济。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种通过在苛刻的运转时也能控制过渡的超过电力，使系统稳定动作，从而可以经济地设计整流器和逆变器而不会无益地增加转换器容量的交流电动机系统、交流电动机系统的控制方法以及与其相关的电力转换装置。
为了实现上述目的，在本发明中，更具体而言，在频率增加的情况下，通过抑制逆变器的输出电流，来抑制因基于电动机时间常数的磁通降低延迟而引起的逆变器的电力增加。或者构成为，根据逆变器的电压和电流，运算逆变器的转矩电流限制值，按照不超过转矩电流限制值的方式控制逆变器的转矩电流。通过设定整流器能够对应的逆变器的电力值，运算出逆变器的输入输出电力不超过前述设定值那样的逆变器侧的转矩电流限制值，以该转矩电流限制值限制转矩电流指令，由此控制过渡的超过电力。另外，为了根据整流器的运转状态来对应通过整流器能够对应的电力量的变动，考虑了交流电源电压的变化而对前述电力值的设定值进行运算。而且，作为其他的方法，根据整流器电流指令值相对整流器电流限制值的富余量，来运算前述电力值的设定值。
根据本发明，即使在苛刻的运转时，通过抑制过渡的超过电力，也可以使系统稳定地动作，从而，能够经济地设计整流器和逆变器，而不会无益地增加转换器容量。
图1是表示本发明的第一实施方式的电力转换装置的构成图。
图2是通常加速时的波形图。
图3是迅速加速时的波形图。
图4交流电动机的电流和电压的矢量图。
图5是表示本发明的第二实施方式的电力转换装置的其他构成图。
图6是表示本发明的第三实施方式的电力转换装置的构成图。
图7是表示本发明的第四实施方式的电力转换装置的构成图。
图中1-交流电源，2-整流器，3-逆变器，4-电动机，5-平滑电容器，6-整流器控制装置，7-逆变器控制装置，8、11-电流检测器，9-直流电压检测器，10-速度检测器，12-交流电压检测器，61-直流电压指令发生器，62-直流电压控制器，63、74-电流控制器，64、75-脉冲生成器，65-整流器电流指令限制器，66、79-功率限制设定值运算器，71-速度指令发生器，72-速度控制器，73-励磁电流指令运算器，76-功率限制值设定器，77-功率限制运算器，78-转矩电流指令限制器。
具体实施例方式
下面，参照附图对实施本发明的最佳方式进行说明。
图1是本发明的整体构成图。1是交流电源，2是将所述交流电源1的交流电力转换为直流电力的整流器，3是将所述整流器2输出的直流电力转换为所期望的电力的逆变器，4是以所述逆变器3输出的电力被驱动的交流电动机，5是设置在所述整流器和逆变器之间的平滑电容器，6是对所述整流器2进行操作以使直流电压成为规定值的整流器控制装置，7是对所述逆变器3进行操作以使所述电动机4的输出转矩与速度满足所期望的特性的逆变器控制装置。8是电流检测器，检测并输出所述整流器2的输出电流。9是电压检测器，检测并输出平滑电容器5的两端电压，即直流电压。10是与电动机4直接连接的速度检测器，检测并输出电动机的速度。11是电流检测器，检测并输出所述逆变器3的输出电流。12是交流电压检测器，检测并输出所述逆变器3的输出电压。所述电流检测器8、直流电压检测器9的输出信号被输入到整流器控制装置6，整流器控制装置6进行各种运算处理，输出对所述整流器2进行操作的信号。所述速度检测器10、电流检测器11、交流电压检测器12的输出信号被输入到逆变器控制装置7，逆变器控制装置7进行各种运算处理，输出对所述逆变器3进行操作的信号。
接着，对各控制装置的主要动作进行说明。首先，在整流器控制装置6中，从直流电压指令发生器61输出的直流电压指令值和从直流电压检测器9输出的直流电压检测值被输出到直流电压控制器62，在直流电压控制器62中运算并输出整流器输出电流指令值，以使直流电压检测值与直流电压指令值一致。然后，所述整流器输出电流指令值和从电流检测器8输出的整流器输出电流检测值被输入到电流控制器63，在电流控制器63中运算并输出整流器电压指令值，以使整流器输出电流检测值与整流器输出电流指令值一致。然后，所述整流器电压指令值被输入到脉冲生成器64，在脉冲生成器64中运算并输出对整流器2的开关元件进行接通/断开的脉冲信号，以使整流器2的整流器输出电压与整流器输出电压指令值一致。
在逆变器控制装置7中，从速度指令发生器71输出的速度指令值和从速度检测器10输出的速度检测值被输入到速度控制器72，在速度控制器72中运算并输出转矩电流指令值，以使速度检测值与速度指令值一致。而且，速度检测值也被输入到励磁电流指令运算器73，在励磁电流指令运算器中运算并输出励磁电流指令值，该励磁电流指令值用于当采用具有恒定转矩特性和恒定输出特性的带励磁减弱的交流电动机时，在恒定输出特性区域(励磁减弱区域)中根据速度检测值降低电动机的磁通。然后，所述转矩电流指令值、励磁电流指令值和从电流检测器11输出的逆变器输出电流检测值被输入到电流控制器74，在电流控制器74中运算并输出逆变器电压指令值，以使逆变器输出电流检测值与电流指令值一致。然后，所述逆变器电压指令值被输入到脉冲生成器75，在脉冲生成器75中运算并输出对逆变器3的开关元件进行接通/断开的脉冲信号，以使逆变器3的逆变器输出电压与逆变器输出电压指令值一致。
接着，对本发明的控制动作进行说明。首先，利用图2和图3，对于加速带励磁减弱的交流电动机时的逆变器侧、整流器侧的各控制量的举动进行说明。图2表示加速时间比与电动机的磁通变化速度相关的二维时间常数大，即进行缓慢加速时的各波形的一个例子。(a)是速度，以缓和的变化率进行加速。(b)是电动机内的磁通，在基本速度以上、以与速度成反比例的关系减少。(c)是励磁电流，对励磁电流进行控制以使磁通成为(b)的举动，一般而言，以过渡的方式被施加考虑了磁通的变化时间常数的微分成分。(d)是转矩电流，根据必要的负载转矩以及加速转矩被控制。(e)是逆变器的输出电力，到基本速度为止电力与速度成比例地增加，在基本速度以上成为大致恒定的输出(基本速度以上也被称作恒定输出特性区域或励磁减弱区域)。(f)是整流器电流，电流根据(e)的逆变器侧的输出电力被控制。而且，(g)是直流电压，在整流器、逆变器的电力授受中，(f)的整流器电流被控制以使该直流电压成为恒定。另一方面，图3表示加速时间比电动机的二次时间常数(2次時定数)小，即急剧加速时的各波形的一个例子。(a)是速度，以快的变化率进行急剧加速。(b)是电动机内的磁通，按照在基本速度以上以与速度成反比例的关系减少的方式控制(c)的励磁电流，但在加速时间比电动机的二维时间常数小的情况下，为了使磁通急剧变化，增大微分成分，如果该励磁电流被根据逆变器容量而决定的电流限制值限制，则磁通的减少会产生延迟。(d)是转矩电流，根据必要的负载转矩以及加速转矩而被控制。(e)是逆变器的输出电力，在基本速度以上应该成为大致恒定的输出，但是，由于磁通的减少延迟，使得速度与磁通的乘积，即感应电压成分增加，导致逆变器输出电力增大。(f)是整流器电流，必要电流根据(e)的逆变器侧的输出电力的增大而增加，在超过整流器的控制能力时，电流被电流指令限制器65限制。而且，(g)是直流电压，由于整流器侧的电流被限制，所以，整流器和逆变器的电力授受产生不一致，导致直流电压大幅变动。在系统的稳定运转中，将该直流电压控制为恒定是很重要的，急剧的变动对电流控制精度也会造成影响，存在着因过电流等导致系统停止的危险。为了防止该情况，需要增加能够对应包括过渡的超过电力在内的整流器容量，或为了使电动机磁通急剧变化而需要增加逆变器容量，但这些都不经济。
鉴于此，为了将因逆变器侧的紧急加速减速时的磁通控制延迟而产生的过渡的逆变器输出电力，控制为能够通过整流器对应的值，将由整流器控制能力决定的逆变器输出电力最大值设定于功率限制值设定器76，将功率限制值设定器76的设定值、由逆变器输出电流检测器11检测的电流检测值和逆变器输出的由交流电压检测器12检测的电压检测值输入到功率限制运算器77中，在功率限制运算器77中运算出由电流检测值和电压检测值运算的逆变器电力值不超过所述设定值那样的转矩电流限制值，将运算后的限制值输入到转矩电流指令限制器78，在转矩电流指令限制器78中根据被输入的限制值限制转矩电流指令值。
接着，对于在功率限制运算器77中进行的、由电流检测值和电压检测值运算出逆变器电力值不超过所述设定值那样的转矩电流限制值的方法进行阐述。图4表示逆变器的电流和电压的矢量图，这里，V1是一次电压，I1是一次电流，Ψ是功率因数，Vd是d轴电压，Vq是q轴电压，Id是d轴电流(励磁电流)，Iq是q轴电流(转矩电流)。忽略过渡项，将矢量控制时的Vd和Vq表示为(数式1)(数式2)(数式1)Vd≈r1×Id-ω1×Lσ×Iq(数式2)Vq≈r1×Iq+ω1×Lσ×Id+ω1×φd这里，r1、Lσ是电动机参数，分别为一次电阻、合成阻抗。而且，ω1以逆变器频率大致与速度一致，Φd是电动机磁通。而且，逆变器的输出电力Pinv表示为(数式3)。
(数式3)Pinv＝V1×I1×cosψ＝Vq×Iq+Vd×Id如图3所示，在急剧加速时，针对与速度成反比例的磁通而言，当实际的磁通的减少产生了延迟时，(数式2)的速度电动势或被称作感应电压成分的第三项成分相对理想值而增加，(数式3)的逆变器输出电力也增大。鉴于此，在本发明中，通过(数式4)运算由整流器控制能力决定的逆变器输出电力最大值Pmax那样的转矩电流限制值Iqlim。
(数式4)Iqlim＝(Pmax-Vd×Id)/Vq
而且，通过由(数式4)运算出的Iqlim限制转矩电流指令值，可抑制逆变器输出的过渡增大。
另外，在本实施方式中，由电流检测值、电压检测值运算转矩电流限制值，但是采用电流指令值、电压指令值进行运算，也能够得到同样的效果。
由此，在急剧加速减速等的苛刻运转时也能够可靠地抑制直流电压的变动，不会无益地增加转换器容量，从而可以稳定地运转而不停止系统。
图5是本发明装置的其他实施例，替代功率限制值设定器76，而设置功率限制设定值运算器79和检测出交流电源1的变动量的电源电压变动量检测器80，检测出的电源电压变动量被输入到所述功率限制设定值运算器79，在功率限制设定值运算器79中根据电源电压变动量运算功率限制设定值，运算后的设定值被输入到功率限制运算器77，这一点与图1不同。在图1中，将由整流器侧的控制能力决定的逆变器输出电力最大值作为固定值设定于功率限制值设定器76，但是整流器的控制能力会根据整流器侧的运转条件而变动。例如，当产生了交流电源电压的降低时，能够与相同逆变器的输出电力对应的整流器电流值增加。即，整流器的控制能力降低了。因此，在图1那样的固定值的情况下，当电源电压降低时，有可能功率限制功能不会良好地发挥功能，导致直流电压大幅变动。也可以考虑电源电压降低而预先增大功率限制设定值，但是通常有可能无益地抑制逆变器侧的转矩电流指令值。鉴于此，在图5中根据电源电压变动量运算功率限制设定值。
由此，也可以对应因电源电压变动而引起整流器控制能力的变化，能够可靠地控制直流电压的变动，取得与图1等同的效果。
图6是本发明装置的其他实施例，在整流器侧的电流指令限制器65中，输出整流器电流指令相对整流器电流限制值的富余量，输入到功率限制器设定值运算器79。在功率限定设定值运算器79中，根据整流器电流指令的富余量运算功率限定设定值，运算出的设定值被输入到功率限制运算器77，这一点与图5不同。在图5中，仅将整流控制能力的变动设为电源电压变动。但是，虽然电源电压变动的影响大，但变压器的效率变动或直流电压变动等其它的多种因素也会使控制能力变动。因此，通过这些影响所引起的整流器控制能力变动，会导致功率限制功能不会良好地发挥作用，有直流电压大幅变动的可能性。另一方面，因这些影响引起的整流器控制能力的变动，通过整流器的直流电压控制器被反映于整流器电流指令值，相对整流器电流限制值的富余量表示了包括所有影响方面的电力不足量。因此，在图6中，根据整流器电流指令值的富余量，运算功率限制器设定值。
由此，可以对应于包含所有因素的整流器控制能力的变化，能够可靠地抑制直流电压的变动，得到与图1等同的效果。
图7是本发明的其他实施例，与图6的不同点在于，多个逆变器与公共整流器连接，以及替代各逆变器控制装置内的功率限定运算器77，在整流器控制装置6内设置功率限定设定值运算器66，将在各逆变器控制装置7a、7b，7c、…内运算出的各逆变器的输出电力，与整流器电流指令相对整流器电流限制值的富余量一同输入到功率限制设定值运算器66，在功率限制设定值运算器66中，根据整流器电流指令的富余量和各逆变器输出电力，运算各逆变器的功率限制设定值，该运算值被输入到各逆变器的控制装置7a、7b，7c、…内的功率限制运算器77，来限制各逆变器的转矩电流指令值。在多个逆变器与公共整流器连接的情况下，根据各逆变器的输出电力的总计输出电力控制整流器电流，将直流电压控制为恒定。这里，在由各逆变器进行紧急加速等的苛刻运转，使得总计输出电力超过了整流器的控制能力时，与单一的整流器/逆变器系统同样存在着直流电压会产生大的变动的危险。因此，图7中将功率限制设定值运算器66设置在整流器侧，根据整流器电流指令值的富余量运算功率限制设定值，根据各逆变器的状况，将所述功率限制设定值分配到各逆变器每一个的功率限制设定值。分配方法，可以为向各逆变器中输出最大电力的逆变器施加功率限制设定值，由于各逆变器的输出由容量决定，所以，也可以通过容量比分配各逆变器的功率限制设定值。而且，也可以考虑各逆变器的作为系统的重要度，向重要度低的逆变器施加功率限制设定值。另外，虽然在图7中向功率限制设定值运算器66输入了整流器电流指令相对整流器电流限制值的富余量，但是也可以如图5那样，根据电源电压变动量，运算功率限制设定值，还可以如图1所示，将由整流器控制能力决定的逆变器总计输出电力最大值作为功率限制设定值而赋予为固定值，将其如上所述分配给各逆变器。
由此，在将多个逆变器与公共整流器连接的系统中也能够可靠地控制直流电压的变动，得到与图1、图5、图6同等的效果。
权利要求
1.一种电力转换装置，具备将交流电源转换成直流电力的整流器；和将所述整流器的输出转换成期望频率的交流电力，并提供给电动机的逆变器，在所述频率增加的情况下，抑制所述逆变器的输出电流，来抑制因基于所述电动机时间常数的磁通降低延迟而引起的所述逆变器的电力增加。
2.一种电力转换装置，具备将交流电源转换成直流电力的整流器；和将所述整流器的输出转换成期望频率的交流电力，并提供给电动机的逆变器，根据所述逆变器的电压和电流运算逆变器的转矩电流限制值，并按照不超过所述转矩电流限制值的方式，来控制所述逆变器的转矩电流。
3.根据权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，设定整流器能够对应的逆变器的电力最大值，根据所述逆变器的电压和电流，以及所述设定后的电力最大值，运算所述转矩电流限制值。
4.根据权利要求3所述的电力转换装置，其特征在于，根据电源电压变动检测值来运算整流器能够对应的逆变器的电力最大值的设定值。
5.根据权利要求3所述的电力转换装置，其特征在于，根据整流器电流指令值相对整流器电流限制值的富余量，来运算整流器能够对应的逆变器的电力最大值的设定值。
6.一种电力转换装置，具备将交流电源转换成直流电力的整流器；和共用所述整流器的多个逆变器，将所述整流器的输出分支，通过所述多个逆变器使其分别转换成期望频率的交流电力，提供给电动机，设定整流器能够对应的电力最大值，根据所述电力最大值分配所述各个逆变器的电力最大值，根据所述逆变器的电压以及所述逆变器的电流，运算出不超过所述各个逆变器被分配的所述电力最大值那样的所述各个逆变器的转矩电流限制值，根据所述各个转矩电流限制值，限制所述各个逆变器的转矩电流。
7.根据权利要求6所述的电力转换装置，其特征在于，根据电源电压变动检测值来运算整流器能够对应的电力最大值的设定值。
8.根据权利要求6所述的电力转换装置，其特征在于，根据整流器电流指令值相对整流器电流限制值的富余量，来运算整流器能够对应的电力最大值的设定值。
9.根据权利要求6、7、8中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，在分配各逆变器的电力最大值时，将各逆变器的电力最大值分配给输出最大电力的逆变器。
10.根据权利要求6、7、8中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，在分配各逆变器的电力最大值时，根据各逆变器的容量比来分配各逆变器的电力最大值。
11.根据权利要求6、7、8中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，在分配各逆变器的电力最大值时，考虑了各逆变器在系统中的重要性而分配各逆变器的电力最大值。
12.一种电力转换器的控制方法，通过整流器将交流电源转换成直流电力，通过逆变器将所述整流器的输出转换成期望频率的交流电力，并提供给电动机，在所述频率增加的情况下，抑制所述逆变器的输出电流，来抑制因基于所述电动机时间常数的磁通降低延迟而引起的所述逆变器的电力增加。
13.一种电力转换器的控制方法，通过整流器将交流电源转换成直流电力，通过逆变器将所述整流器的输出转换成期望频率的交流电力，并提供给电动机，根据所述逆变器的电压和电流来运算逆变器的转矩电流限制值，按照不超过所述转矩电流限制值的方式，控制所述逆变器的转矩电流。
14.一种电力转换器的控制方法，通过整流器将交流电源转换成直流电力，对所述整流器的输出进行分支，通过多个逆变器将其转换成期望频率的交流电力，并提供给电动机，设定所述整流器能够对应的电力最大值，根据所述电力最大值，分配所述各个逆变器的电力最大值，根据所述逆变器的电压以及所述逆变器的电流，运算出不超过所述各个逆变器被分配的所述电力最大值那样的所述各个逆变器的转矩电流限制值，根据所述各个转矩电流限制值，限制所述各个逆变器的转矩电流。
15.一种交流电动机系统，具有将交流电源转换成直流电力的整流器、将所述整流器的输出转换成期望频率的交流电力的逆变器、和以所述逆变器的输出进行旋转的电动机，在所述频率增加的情况下，抑制所述逆变器的输出电流，来抑制因基于所述电动机时间常数的磁通降低延迟而引起的所述逆变器的电力增加。
16.一种交流电动机系统，具有将交流电源转换成直流电力的整流器、将所述整流器的输出转换成期望频率的交流电力的逆变器、和以所述逆变器的输出进行旋转的电动机，根据所述逆变器的电压和电流运算转矩电流限制值，按照不超过所述转矩电流限制值的方式，来控制所述逆变器的转矩电流。
17.一种交流电动机系统，具有将交流电源转换成直流电力的整流器和共用所述整流器的多个逆变器，将所述整流器的输出分支，通过所述多个逆变器使其分别转换成期望频率的交流电力，提供给电动机，设定整流器能够对应的电力最大值，根据所述电力最大值分配所述各个逆变器的电力最大值，根据所述逆变器的电压以及所述逆变器的电流，运算出不超过所述各个逆变器被分配的所述电力最大值那样的所述各个逆变器的转矩电流限制值，根据所述各个转矩电流限制值，限制所述各个逆变器的转矩电流。
全文摘要
本发明的目的为提供即使在急剧加速减速等苛刻运转时，也能够可靠地抑制直流电压的变动的电力转换装置。为了将逆变器侧的因紧急加速减速时的磁通控制延迟而产生的过渡的逆变器输出电力，抑制成能够由整流器对应的值，将根据整流器控制能力决定的逆变器输出电力最大值设定于功率限制设定器(76)，将功率限制设定器的设定值、由逆变器输出电流检测器(11)检测的电流检测值和由逆变器输出电压检测器(12)检测的电压检测值输入到功率限制运算器(77)，在功率限制运算器中运算出由电流检测值和电压检测值运算出的逆变器电力值不超过所述设定值那样的转矩电流限制值，将运算后的限制值输入到转矩电流指令限制器(78)，在转矩电流指令限制器中根据被输入的限制值限制转矩电流指令值。
文档编号H02P27/04GK101022261SQ20061015675
公开日2007年8月22日 申请日期2006年12月28日 优先权日2006年2月13日
发明者秋田佳稔, 执行正谦 申请人:株式会社日立制作所