电能变换系统以及电能变换装置的制作方法

专利名称：电能变换系统以及电能变换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种检测基于电动机控制电路上的阻抗变化以及系统变化的异常电流、特别是对相间短路(phase-to-phase short)的预兆进行检测的逆变器驱动电动机的异常检测装置。
背景技术：
以往，公知对由交流电动机、逆变器控制装置和电动机缆线形成的电动机控制电路上的异常进行检测的方法，有一种根据短路时的电流相位变化或频率变化来检测断线或相间短路的方法。例如，在专利文献1中，若供给三相电能的引线中流动的各相电流的相位差从正常时的120度变化为180度，则在判断单元中判定为在该二相间短路。然而，正不断要求提高针对电动机的异常检测的可靠性。专利文献1 JP特开2008-206337号公报

发明内容
本发明的课题在于，提供一种谋求进一步提高可靠性的电能变换系统以及电能变换装置。本发明的电能变换系统，具有电动机；逆变器电路，其将U相电流、V相电流、以及 W相电流输出给所述电动机；电流传感器，其对所述U相电流、所述V相电流以及所述W相电流进行检测，和控制电路，其根据转矩指令值以及由所述电流传感器检测出的检测值，对该逆变器电路进行控制，以使从所述逆变器电路输出的所述U相电流、所述V相电流以及所述W相电流成为正弦波状，所述控制电路具有电流分量运算部，其根据所述电流传感器的检测值按每相提取叠加于所述U相电流、所述V相电流以及所述W相电流的电流分量；和交流电流异常检测部，其基于所述U相电流、所述V相电流以及所述W相电流之中的任意两相的所述电流分量的相位来检测对所述电动机通电的交流电流的异常。本发明的电能变换装置，具有逆变器电路，其将U相电流、V相电流以及W相电流输出给电动机；电流传感器，其对所述U相电流、所述V相电流以及所述W相电流进行检测；和控制电路，其根据转矩指令值以及由所述电流传感器检测出的检测值，对该逆变器电路进行控制，以使从所述逆变器电路输出的所述U相电流、所述V相电流以及所述W相电流成为正弦波状，所述控制电路具有电流分量运算部，其根据所述电流传感器的检测值按每相提取叠加于所述U相电流、所述V相电流以及所述W相电流的电流分量；和交流电流异常检测部，其基于所述U相电流、所述V相电流以及所述W相电流之中的任意两相的所述电流分量的相位来检测对所述电动机通电的交流电流的异常。根据本发明，能够提供可靠性高的电能变换系统以及电能变换装置。


图1是表示本发明的第一实施方式的电动机控制方框图。
图2是表示本发明的实施方式的相间局部短路时的电流波形。图3是本发明的实施方式的相间局部短路时的高频分量的提取波形。图4(a)是本发明的第一实施方式的异常检测流程图。图4(b)是本发明的第一实施方式的异常检测流程图。图5是本发明的第一实施方式的高频分量的检测时序图。图6是本发明第一实施方式的相位差判定方法的概念图。图7是本发明的第二实施方式的电动机控制方框图。图8是本发明的第二实施方式的异常检测模拟的模型图。图9是本发明的第二实施方式的异常检测模拟的模拟结果。图10是应用了本发明的第二实施方式的异常检测时的电流控制系统增益切换的模拟结果。图11是本发明的第二实施方式的异常检测流程图。图12本发明的第二实施方式的高频分量的检测时序图。图13是本发明的实施方式的电流波形，(a)是相间短路时的电动机电流波形、(b) 是相间短路时的提取电流分量、(c)是机壳短路时的电动机电流波形、(d)是机壳短路时的提取电流分量。图14是本发明的实施方式的控制系统的方框图。图15(a)是本发明的第三实施方式的转矩指令电流的变化率大时的电流波形图。图15(b)是本发明的第三实施方式的转矩指令电流的变化率大时的阈值的设定方法。图16是本发明的第四实施方式的电动机的转矩-速度曲线。图17是本发明的第五实施方式的电动机控制的方框图。图18是与本发明的第五实施方式的异常信息存储相关的流程图。图19是与向本发明的第六实施方式的低负荷工作模式的切换相关的流程图。图20是与本发明的第六实施方式的电流控制的增益切换相关的流程图。图21是与本发明的第三实施方式的转矩指令值的变化率大时的异常电流分量的判定相关的流程图。图22是与本发明的第三实施方式的电动机的与转速对应的异常电流分量的判定相关的流程图。图中I-交流电动机，2-逆变器电路，3a、3b、3c_ 电流传感器，4-电流指令生成部，5-电流控制部，5a-电流控制器，5b-电流控制器(PI增益小)，6-二相三相变换部，7-三相二相变换部，
8-电流检测部，9-速度/位置检测部，10_H、P、F，11-电流指令二相三相变换部，12-电流运算部，100-控制电路。
具体实施例方式除了在上述发明解决的课题栏或发明效果栏记载的内容以外，在以下的实施方式中，还能够在产品化的基础上解决所希望解决的技术问题、或在产品化的基础上发挥所希望的效果。在接下来对这些进行阐述的同时，还在实施方式的说明中，针对具体的技术问题的解决或具体的效果进行说明。针对本发明的实施方式的电能变换系统以及电能变换装置，简单地说明原理。在三相交流电动机中，在完全发生二相间的短路而使各相的电流基本波的相位变化时或在三相电流的基本波的振幅发生较大变化时等，检测出针对三相电动机电流的各基本波的相位或电流比率，以使保护动作发挥作用的情况下，在电流变化少的短路初期或局部短路(rare short)时有不能检测出异常的可能性。尤其，二相间的电流相位完全成为180度的相位差的状态是二相间完全短路时所看到的变化，在实际的电动机控制装置的动作中，这样的短路状态突然发生的概率极低。在考虑到电动机控制装置的实际使用状况的情况下，自然会考虑为在转移至相间短路之前， 会经过初期的微妙的短路状态即局部短路状态，而逐渐使系统发生变化。此外，由于在交流电动机中流动的电流，会以交流时时刻刻使电流发生变化，因此，难以认为也会从局部短路状态突然成为完全的相间短路状态。如此在电动机的实际使用上突然发生完全的相间短路的可能性极少，且在实际的电动机驱动中发生相间短路时，首先成为局部短路状态，并逐渐发展至短路的程度。但是，在由此进行异常检测之前，会对逆变器电路的开关元件持续施加异常的负荷，并在检测出完全的相间电路之前，有破坏开关元件的可能性。即使假设通过检测出完全的相间短路而使保护起到作用，也会有在该时刻已对开关元件施加了过多的负荷的担心。本发明的实施方式的电能变换系统以及电能变换装置，通过检测出电动机电流基本波的基本电流分量以外的电流分量来判定异常，从而通过对电流控制系统的增益调整或输出电流进行限制，能够减轻施加于开关元件的负荷，提供一种谋求进一步提高可靠性的电动机控制装置。以下参照附图详细地进行说明。<第一实施方式>图1是第一实施方式的电动机控制装置的控制方框图。交流电动机1是永久磁铁同步电动机，旋转速度以及磁极位置是通过旋转变压器(resolver)或编码器等的旋转传感器来检测的。而且，本发明中的异常检测方法是根据检测叠加于三相电流的高频分量来实施的，交流电动机1除了是流过三相交流电流的感应电动机，还可以是三相交流驱动的感应负荷机。交流电动机1，经由缆线与逆变器电路2连接，接受电能的供给。逆变器电路2由IGBT等半导体开关元件构成，通过由PWM信号对各相上下臂进行开关来进行电能变换。从逆变器电路2输出的经由缆线流向交流电动机1的电流，由电流传感器3a 3c进行检测。 由电流传感器3a 3c检测出的逆变器输出电流值，由基于微型计算机(以下，称为微机) 的A/D变换功能等的电流检测部8进行采样。电流指令，以来自上位控制器的转矩指令值τ *和由速度/位置检测部9检测出的交流电动机1的旋转速度以及磁极位置为基础，由电流指令生成部4生成。所生成的电流指令值，利用由三相二相变换部7变换了由电流检测部8检测出的电动机电流值而得到的二相电流反馈值，由电流控制部5进行控制。第一实施方式中的异常检测方法，是针对由电流传感器3a 3c检测出的电动机电流值，通过设置微分电路等，从而通过提取超过逆变器输出电流的基本频率的高频分量的高通滤波器(以下H. P. F) 10来进行异常电流分量的检测以及异常判定。图2是交流电动机1中的V相与W相间局部短路实验时的电动机电流波形。以下，以V相和W相的相间局部短路实验结果为例进行说明。在本实验中，交流电动机1以基本频率IOOHz、电流指令500A来驱动。关于本实验中的交流电动机1，电动机电流500是超过额定的大电流，由于持续流过该大电流，而使电动机绕线发热。本来，与图2的U相电流波形同样，V相以及W相也流动正弦波电流。但是，在本实验中，由于伴随大电流的电动机驱动的电动机绕线的发热，而使施加于电动机绕线的绝缘材料逐渐劣化或炭化，由此导致电动机绕线间绝缘电阻降低，而成为相间局部短路状态。如图2所示，在相间局部短路状态下，由于在相间残留有电阻分量，因此电动机电流基本波在各相间保持有120度的相位差， 且并未出现在完全的相间短路时所看到的短路相间的电流基本波的相位差向大致180度变化的现象。但是，由于因相间的电阻降低，而使电动机的绕线电阻以及电感发生了变化， 因此，作为电动机控制电路系统的阻抗变化呈现出成为如图2的V相以及W相所示的叠加于电动机电流基本波的高频分量。图3是假设在相间局部短路时通过H. P. F.来提取叠加于电动机电流基本波的高频分量时的波形。在被提取出的高频分量中，由于系统的阻抗变化而呈现出在短路相间具有大致180度的相位差的特征。因此，通过在提取出的二相间的高频分量中检测出超过大致120度而小于大致240度的相位差，能够判定为在电动机控制电路上正要发生相间短路的状态，即发生了相间局部短路。而且，当被提取出的二相间的高频分量的相位差落入170 度至190度的范围内时，几乎确实发生了相间局部短路，当被提取出的二相间的高频分量的相位差落入150度至170度或190度至210度的范围内时，是发生相间局部短路的可能性高的区域。另一方面，由于在电动机控制电路上无异常时，三相逆变器输出电流以基本频率的正弦波流动，因此由H. P. F.提取出的高频分量是开关脉动(switching ripple)等的分量，所提取出的电流振幅小。因此，在叠加于逆变器输出电流基本波的高频分量的检测部中，例如通过设定20A以上等的阈值，且对有无该阈值以上的高频分量进行检测，就能够判定电动机控制电路上有无异常。接着，在电动机相间短路的预兆即相间局部短路的判定中，对从逆变器输出电流基本波提取出的高频分量的相位差判定方法进行说明。图4(a)是本实施方式的电动机控制电路上的异常检测方法的流程图。首先，在步骤100中，经缆线流向交流电动机1的三相逆变器输出电流，由电流传感器3a 3c来检测。所检测出的各电流，在步骤101中，通过基于由电阻值和静电电容或运算放大器构成的微分电路等的H. P. F.，提取叠加于电流基本波的高频分量。所提取的高频分量的振幅，在步骤102中超过所任意设定的阈值时，判断为在电动机控制电路上有异常，并实施提取出的高频分量的相位差判定。而且，也可以采用如下结构，即在检测出振幅超过所设定的阈值的高频分量的时刻，向外部发出失败(fail)信号，以作为在电动机控制电路上发生了异常的情形。此外，该阈值也可以如后面所述，根据转矩指令的变化率或电动机的旋转速度而变化。所提取出的高频分量的相位差，能够在所提取出的各相高频分量中，通过计算各二相的相加值来简单地进行判定。由于相间短路时的短路二相电流成为相位反转为大致 180度的电流波形，因此，基本上，通过相加而成为0。但是，在该方法中，当所提取出的高频分量中有自0点的偏差(offset)时相加值并不限于成为0，因此也可以采用接下来的方法。提取出的高频分量的相位差，通过对某一相的基本电流波形的过零(zero cross) 时刻的其它二相的高频分量的电流值以及其前后采样周期时刻的电流值的合计3点值分别进行采样，来对变化量以及变化符号进行运算处理，从而进行相位差的判定。图5是表示 U相电流基本波的过零时刻的V相以及W相高频分量检测时序图。此外，图6是高频分量的检测时刻以及变化量与变化符号的判别示意图。分别检测U相电流基本波过零时刻的V相以及W相的高频分量的电流值作为 An(V)、An(W)，并分别检测采样周期前后的电流值作为An-I (V)、An-I (W)以及An+1 (V)、 An+l(W)。利用所检测出的本次值An，上次值Αη-l、下次值Αη+l的合计三点值，来运算各个差分 Δ Iv_A = An (V) -An-I (V)、Δ Ιν_Β = An+1 (V) -An (V)以及 Δ Iw_A = An (W) -An-I (W)、 Δ Iw_B = An+1 (W) -An (W)。根据所运算出的各个差分，如 Δ Ιν_Α < 0、Δ Ιν_Β > 0、Δ Iw_A > 0、Δ Iw_B < 0 或 Δ Ιν_Α > 0、Δ Iv_B < 0、Δ Iw_A < 0、Δ Iw_B > 0 这样，当二相间的高频分量的变化量以及变化符号相反时，能够判定为在二相间有大致180度的相位差。如此， 通过在二相的高频分量中检测出大致180度的相位差，就能够判定在该二相间发生了相间局部短路。在图4(a)的步骤103以下，通过采用上述判定方法来确定有异常的相。首先，在步骤103中，检测U相基本波的过零点。接着，在步骤104中，提取所检测出的U相过零点及其前后点的V相以及W相的高频分量。进一步，采用上述方法对所提取出的V相以及W 相的高频分量进行比较，在 Δ Ιν_Α < 0、Δ Ιν_Β > 0、Δ Iw_A > 0、Δ Iw_B < 0 或 Δ Ιν_Α > 0、Δ Ιν_Β < 0、Δ Iw_A < 0、Δ Iw_B > 0时，判断为V_W相间发生了短路。在不是Δ Ιν_Α < 0、Δ Ιν_Β > 0、Δ Iw_A > 0、Δ Iw_B < 0 或 Δ Ιν_Α > 0、Δ Ιν_Β < 0、Δ Iw_A < 0、Δ Iw_ B > 0的情况下，转移至步骤105。在步骤105中，检测V相基本波的过零点，并在U相以及W相上进行与步骤104同样的比较运算，以判断U-W相间发生短路。步骤107以及步骤108也进行与步骤103以及步骤104同样的处理，当判断为在U-V相间未发生短路时，判断为有其它异常。而且，在本实施例中，虽然从检测U相基本波过零点开始，但既可以从检测V相基本波过零点开始，也可以从检测W相基本波过零点开始。图4(b)是并非仅在某一相电流基本波过零时刻，而是在每个采样周期对三相高频分量进行采样时的本发明的实施方式的电动机控制装置的异常检测流程图。流向交流电动机1的三相电动机电流的检测、以及直至根据所检测出的各电流经H.P.F.提取叠加于电动机电流基本波的高频分量为止，与图4(a)所示的流程图相同。在本方法中，只是根据所提取出的高频分量来判定相位差时的采样时刻不同，在每个采样周期对三相高频分量进行采样，并根据过去三点值对变化量以及相位差进行运算。从步骤110至112，随时对高频分量进行采样，从步骤113至115进行运算，当判定为任何相间都未短路时，从步骤110返回112，反复进行同样的处理。通过反复进行从步骤110至115的处理，虽然需要运算处理能力，但由于在二相高频分量中出现大致180度的相位差的时刻能够早期判定相间局部短路，因此会提高可靠性。此外，总进行采样，并且若仅在过去三点值的变化量从正反转为负时、或从负变化为正时，进行从步骤113至115的判定，则与上述方法相比，运算负荷降低，对CPU等的负荷减少。此外，由于运算负荷减少，能够高速地进行运算。〈第二实施方式〉图7是第二实施方式的电动机控制装置的控制方框图。交流电动机1的基本控制部的结构，与图1所示的第一实施方式相同。第二实施方式中的异常检测方法，通过利用由二相三相变换11对由电流指令生成部4生成的纯粹的电流指令值进行变换后得到的三相电流指令值、和由电流检测部8检测出的电流传感器3a 3c的电动机电流值，在电流运算部12进行运算处理，从而进行电动机控制电路上的异常电流分量的检测以及异常判定。而且，此时，为了可靠地检测出由电动机控制电路的异常产生的高频分量，由电流检测部8检测出的来自电流传感器3a 3c的电动机电流值，优选以超过电动机电流的基本波的频率被采样，若可能的话，优选以对逆变器电路2进行开关的载波频率以上进行采样。图8是第二实施方式的异常检测模拟的模型图。本模拟模拟了交流电动机1为基本频率IOOHz，且在以电流指令100A驱动中，在U相以及V相发生了相间局部短路时的举动。图9表示U相以及V相的相间局部短路时的模拟结果。各波形分别表示(a)三相逆变器输出电流、(b)三相电动机电流指令、(C)U相电流的高频分量、(d) V相电流的高频分量、(e)W相电流的高频分量。三相逆变器输出电流，开始是振幅100A、基本频率IOOHz的正弦波，若在模拟开始 0. 02秒时刻发生U相以及V相的相间局部短路，则在各个高频分量被叠加于各个电动机电流中。另一方面，三相电动机电流指令是根据比电流控制回路更外侧的二相电流指令来运算的指令，因此，是即使在电动机控制电路上发生了相间局部短路等异常时，也不受影响的纯粹的电动机电流指令。因此，通过获取三相逆变器输出电流与三相电动机电流指令值的差分，能够提取叠加于各相电流中的电流基本分量以外的高频分量。在本模拟中，如图9(c)以及图9(d) 所示，在相间局部短路时提取了叠加于U相以及V相的逆变器输出电流基本波中的高频分量。如第一实施方式所记载的那样，在所提取出的高频分量中，出现了由于系统的电感变化而在短路相间具有大致180度的相位差的特征。因此，通过在所提取出的二相间的高频分量中检测出超过大致120度而小于大致240度的相位差，就能够判定为在电动机控制电路上正要发生相间短路的状态，即发生了相间局部短路。而且，与实施例1同样，当所提取出的二相间的高频分量的相位差落入从170度至190度的范围内时，几乎确实发生了相间局部短路，当所提取出的两相间的高频分量的相位差落入从150度至170度或从190 度至210度的范围内时，是发生相间局部短路的可能性高的区域。另一方面，当在电动机控制电路上无异常时，三相电动机电流以基本频率的正弦波流动，因此，所提取出的高频分量是开关脉动等的分量且电流振幅较小。因此，由叠加于电动机电流基本波的高频分量的检测部，例如预先设定20A以上等的阈值，通过判定有无该阈值以上的高频分量，就能判定电动机控制电路上有无异常。对从如以上所构成的第二实施方式中的逆变器输出电流基本波中所提取出的高频分量的相位差判定的方法进行说明。图11是第二实施方式的电动机控制电路异常检测方法的流程图。在步骤203中，将由上位控制器生成的纯粹的二相电流指令变换为三相电流指令。而且，在此所说的纯粹的二相电流指令不是图7所示的由三相二相变换部7所变换的电流指令值，而是通过根据交流电动机1所具备的编码器或旋转变压器等由速度/位置检测部9检测出的电动机速度以及磁极位置、和来自上位控制器的转矩指令τ *而在电流指令生成部4所生成的指令电流值，不是在电动机控制电路上发生异常时与此时的电流反馈值一起变化的指令值本身。接着，在步骤201中，获取由电流传感器3a 3c检测出的三相逆变器输出电流与三相指令电流的差分。当步骤102中电流的差分的振幅，即异常电流分量振幅为阈值以上时，判定在哪个相间发生了短路。通过取三相指令电流与三相检测电流的差分，从而在电动机控制电路上有异常等未按指令流过电流时，该差分会成为0以上，因此，当超过任意设定的规定值时，能够根据该差分进行该电动机控制电路上的异常检测。此外，取电流指令值与电流检测值的差分，还能够在完全相间短路时等的在逆变器输出电流基本波中不叠加高频分量的异常发生时进行异常检测。本来，若在电动机控制电路上无异常，则在电动机电流基本波中是包含开关脉动等小振幅的高频分量的程度，因此，在步骤102中，当检测出振幅大的高频分量的时刻，就能够简单地判定电动机控制电路上有无异常。当在步骤102中判定为发生异常电流时，从步骤205进入步骤210。采用图12对从步骤205至210的相位判定方法进行说明。在本实施方式中，所提取出的各相的异常电流分量的相位判定，是自对每次进行采样的高频分量中的两点的过零点以及两点间的峰值电流点进行检测的时刻起进行判定的。图12是根据相间局部短路时的提取电流分量中的两点的过零点来表示相位差判定方法的概念图。从图11的步骤205 至207，如图12所示，求出U相高频分量中的两点过零时刻Tn-I (U)、Tn+1 (U)、过零两点间的峰值点时刻Tn⑶=Tn-I⑶+ {(Tn+1⑶-Tn-I⑶)/2)}，根据V相以及W相的提取电流分量也同样检测出Tn-l(V)Jn+l(V)以及他-丨⑷^！！+！⑷，以求出！^⑴以及Tn (W)。从步骤208至210，通过对这些峰值点时刻进行比较，来判定在哪个相间发生了短路。在步骤 208中，如Tn(U) = Tn(V)所示，当两相的峰值点时刻相等时，判定为在所提取出的高频分量中在U-V相间有180度的相位差，判定为在U-V相间发生了短路。在步骤209以及步骤 210中，也在V-W相间、W-U相间进行同样的判定。此外，如Tn(U) = Tn(V)所示，即使值不完全一致，若落入Tn (U) 士 Δ的范围，则也可以判定为在U-V相间有180度的相位差。在此所说的士 △的范围，是被定义为在该范围内若落入其它相的峰值点时刻，则即使判定为有 180度的相位差也没有问题的范围。若采用上述方法，则能够更可靠地检测出相间短路。另一方面，在要求快速的情况下，也能够通过各相的高频分量的有无的检测，来简单地确定发生异常的相。此外，也可以仅通过检测提取电流分量的过零点时刻Tn-I⑶、Tn-I (V)、Tn-I (W)，来判定提取电流分量的过零点时刻是否相同，从而简单地判定有无相位差。根据通过这样的指令电流与检测电流的差分比较而提取出的各相高频分量中的电流值或相位差，来推定电动机控制电路上的异常状态或故障模式。而且，关于提取电流分量的相位差判定方法，也可以采用基于第一实施方式中图4(a)以及图4(b)所示的提取电流分量的变化量以及符号判定的相位差判定方法。同样地，也可以在第一实施方式中采用基于图11所示的提取电流分量的变化量以及符号判定的相位差判定方法。图13是表示电动机控制电路上的各异常时的电流波形。图13(a)是假设相间短路的电动机电流波形。若成为完全相间短路状态，则电动机电流，由于从逆变器观察到的电动机绕线的电感以及电阻变得极小，因此电动机电流值骤然增大，并且，短路的二相电流波形变化为通常的120度至大致180度的相位差。若根据本发明而获取电流指令值与电流检测值的差分，则能够检测出图13(b)所示的电流分量。此外，图13(c)是假设一相的机壳短路的电动机电流波形。假设了交流电动机1的壳体或逆变器控制装置的壳体与U相电动机缆线短路的情形，由于在由短路相形成的电动机缆线与壳体间的电路中经电动机缆线流动漏电流，因此仅在短路相上叠加高频分量。图 13 (d)是取电流指令值与电流检测值的差分的波形。通过取得差分，能够提取机壳短路相的高频分量。如图13(b)、图13(d)这样的完全相间短路，当机壳短路等的电动机控制电路异常时，除了电动机电流基本波发生变化，关于异常相还会叠加异常电流分量。因此，如图 13(a)、图13(c)所示，通过取基于电流传感器3a 3c的检测电流值与由电流指令生成部 4生成的电流指令值的差分，能够根据有无该差分来简单地判定电动机控制电路上有无异常。而且，通过提取各个异常电流分量，并对提取电流的相位差进行比较，从而在有大致180 度的相位差时，能够判定为在电动机控制电路上发生了相间局部短路。如上所述，在第二实施方式中，即使异常时的叠加于电动机电流基本波的分量的高频分量不被滤波电路提取，通过取电流指令值与电流检测值的差分，也能够提取异常电流分量，因此，能够通过检测异常电流分量的有无来检测电动机控制电路上的异常。而且， 在进行再生制动时，与作为电动机来进行驱动时相比，只是电流的相位反转，因此，上述第一实施方式以及第二实施方式都能够使用。<第三实施方式>在第三实施方式中，使第二实施方式所示的图11的步骤102中的阈值变化。对于除此以外的部分与第二实施方式相同。首先，针对转矩指令骤然增加的情况，使用图14来进行说明。图14是将该电能变换系统或电能变换装置应用于车辆时的控制系统图。例如，在车辆中，在突然踩下加速踏板 200时，根据加速踏板的踏入量，转矩指令τ*的变化率变大。上位控制器经由信号传输路50向控制电路100输出上述转矩指令。在控制电路100中，根据转矩指令来计算并输出指令电流，因此，当转矩指令值的变化率较大时，电流指令值的变化率也变大，指令电流与实际电流的偏差变大。因此，即使未发生相间短路，如图15(a)所示，指令电流与实际电流的差分也变大。图15(b)是表示图15(a)所示的指令电流与未发生相间短路的实际电流的差分的图。若如图15(b)所示地设定异常电流判定的阈值，则当指令电流与实际电流有较大差分时，例如，即使未发生相间短路，也有可能判定为相间短路。因此，当加速踏板200的踏入量较多时，即转矩指令值的变化率大于规定的值时，通过使异常电流判定的阈值变化，而使在正常时误检测为相间短路的可能性降低，因此会提高控制上的可靠性。突然踏下制动器踏板203的再生制动的情况也同样，制动控制装置204输出与制动器踏板203的踏入量相应的变化率大的转矩指令值。通过根据该转矩指令值的变化率来改变阈值，从而使在正常时相间短路的误检测的可能性降低，因此，会提高控制上的可靠性。此外，使车辆启动时也需要启动转矩，由于转矩指令值的变化量大，因此，当如上所述转矩指令值的变化率为规定的变化率以上时，通过使阈值变化，从而使在正常时误检测为相间短路的可能性降低，因此，会提高控制上的可靠性。此外，在第一实施方式中，也可以如上所述地根据转矩指令值的变化率而使异常电流判定的阈值变化。通过根据转矩指令值的变化率而使异常电流判定的阈值变化，从而使在正常时误检测为相间短路的可能性降低，因此，会提高控制上的可靠性。图21表示根据转矩指令值的变化量而使异常电流分量的判定中使用的阈值变化时的流程图。在步骤500中，控制电路100计算出转矩指令值的变化率△ τ*。接着，在步骤501中，控制电路100判定转矩指令值的变化率△ τ *是否为规定值以上，当转矩指令值的变化率△ τ*为规定值以下时，以当前所设定的阈值进行异常电流分量的判定。另一方面，当转矩指令值的变化率△ τ*为规定值以上时，在步骤502中通过增大阈值来进行异常电流分量的判定。而且，变化的阈值既可以使用预定的阈值，也可以根据转矩指令值的变化率Δ τ *来决定。〈第四实施方式〉在第四实施方式中，根据电动机的转速使第一实施方式以及第二实施方式的异常电流判定的阈值变化。除此以外的部分与第一实施方式以及第二实施方式相同。多数情况下，逆变器一般是通过PWM(Pulse Width Modulation 脉冲宽度调制) 驱动方式来驱动的。但是，在以降低开关损耗等为目的在电动机的转速高的区域中，即使开关次数若干变少，电流失真也不会成为问题，因此，采用按照每个电动机的电气角2 π对各相开关元件进行每回一次的接通/断开的矩形波控制方式、或与其它的PWM控制方式相比脉冲数较少的控制方法等。图16是电动机转矩-速度曲线。当电动机转速达到规定转速以上时，控制电路 100从PWM驱动方式切换为上述矩形波控制方式等，降低开关损耗，进行提高电能利用效率的控制。切换转速，例如设定2000rpm等。在如上所述地切换控制方式时，在控制的切换时刻或切换的瞬间等，存在控制不稳定的可能性，此时，有时会在三相逆变器输出电流中叠加有噪声。如第一实施方式以及第二实施方式那样，若将用于进行异常电流判定的阈值设定为固定值，则在对控制进行切换时，由于所叠加的噪声，而有尽管正常也会误检测为相间短路的可能性。
因此，在本实施方式中，通过与对控制方式进行切换的电动机转速相配合来提高进行异常电流判定的阈值。通过该结构，能够防止误检测，提高控制上的可靠性。图22是根据电动机转速使阈值变化时的流程图。在步骤600中，控制电路100根据来自旋转传感器的信息来检测电动机的转速。接着，在步骤601中，控制电路100进行电动机的转速是否是规定值的判定。而且，该规定值以从当前的逆变器驱动方式切换至其它的逆变器驱动方式的转速来设定。当电动机的转速不是规定值时，进入步骤603，使用当前所设定的阈值来进行异常电流分量的判定。另一方面，当电动机的转速是规定值时，进入步骤602，使由异常电流分量判定器30设定的阈值变大。而且，在从PWM驱动控制方法切换为其它的逆变器驱动控制方法的转速中有宽度，因此，优选该规定值也是与切换转速的宽度对应的值。接着，在步骤604中，使用已变更的阈值来进行异常电流分量的判定。在步骤 605中，进行与步骤601同样的判定，当转速不是规定值时，将异常电流分量判定器30的阈值恢复为原来的阈值，进行异常判定。〈第五实施方式〉第五实施方式涉及当超过在第一实施方式至第四实施方式中进行电流判定的阈值时的处理内容。对于除此以外的内容，与第一实施方式至第四实施方式相同。图17与图1基本相同。不同点在于，在控制电路100的内部，具有易失性存储器 40以及非易失性存储器41。而且，在此虽然为了方便而采用了第一实施方式的图1，但也可以在第二实施方式的结构图的图7的控制电路100内具有易失性存储器40以及非易失性存储器41。图18是在非易失性存储器41中存储异常信息之前的流程图。向异常电流分量判定器30输出的信息，不仅是异常电流分量，还输出各相的电压值、电流值、逆变器的开关元件温度等。在步骤301中，向易失性存储器40输出这些信息，按时间序列顺序地存储这些信息。接着，在步骤302中，在异常电流分量判定器中判定所输出的各相间是否发生了短路，当没有相间短路时返回步骤300，总是在易失性存储器40中继续存储各相的电压值、电流值、逆变器的开关元件温度等。另一方面，在各相间有短路时，异常电流分量判定器30向易失性存储器40输出记录指示信号。易失性存储器40根据记录指示信号，将相间短路发生时的电压值、电流值、逆变器的元件温度等信息和其前后的电压值、电流值、逆变器的开关元件温度等信息输出给非易失性存储器41。通过在非易失性存储器41中预先存储这些信息，能够对实际进行异常判定时的状态进行解析，能够对进行车辆的维护时等有用。而且，在该非易失性存储器41中存储的内容，不局限于各相的电压值、电流值、逆变器的开关元件温度，还可以存储后述的异常判定时的低负荷工作模式的各状态信息。此外，在本实施方式中，虽然在控制电路100内具有易失性存储器40以及非易失性存储器41，但在上位控制器202内具有易失性存储器40以及非易失性存储器41也没问题。优选通过与近年来搭载于车辆的行驶记录功能协同工作，能够跟踪异常发生时以及此前的HEV/EV系统的状态。〈第六实施方式〉通过提取叠加于从第一实施方式至第五实施方式所示的电动机电流基本波的高频分量，从而在任一实施方式中提取出的高频分量的二相间检测大致180度的相位差，并
13在判定为发生了相间局部短路时，若检测出的高频分量的振幅小于任意规定值，则通过限制由电流指令生成部4生成的指令值的最大输出值，能够继续电动机驱动。另一方面，当检测出的高频分量的振幅为任意规定值以上时，可以通过停止来自上位控制器的电流指令， 使电动机驱动停止。采用图19对具体的控制方法进行说明。图19是相间短路发生时的其后的处理的流程。首先，当由异常电流分量判定器30判定为相间短路时，在步骤401中判定高频分量的振幅是否是规定值以上。而且，该规定值是与阈值不同的值，是在使车辆继续进行运转的基础上安全上没问题的电流值。当判定为高频分量的振幅为规定值以上时，进入步骤402， 从控制电路向上位控制器202输出电流指令停止信号，停止电动机1。另一方面，当判定为高频分量的振幅为规定值以下时，异常电流分量判断部30向电流指令生成部4输出对电流指令值的最大输出进行限制的最大输出值限制信号，进行对发动机输出的电流的限制。在以如此限制最大电流的模式(低负荷工作模式)进行驱动时，如步骤406所示，总是对高频分量的振幅是否未达到规定值以上进行监视，当高频分量的振幅达到规定值以上时，立即进入步骤402，停止电动机的驱动。此外，在相间局部短路时叠加于电动机电流基本波的高频分量，取决于伴随系统阻抗变化的控制系统的响应，在电动机电流基本波中检测出高频分量而判定为在电动机控制电路上有异常的时刻，通过进行减小电流控制系统的增益、或者切换电流控制器等的调整，能够抑制高频分量的振幅，还能够继续电动机驱动。图10是在异常检测时切换电流控制系统的增益时的模拟结果。在本发明的异常检测方法中，在检测出叠加于电流基本波的异常电流分量的时刻，判定为在电动机控制电路上有异常，并且通过将电流控制系统的控制器切换为PI增益小的控制器，能够抑制相间短路发生时的电动机电流的振动。图20是减小电流控制系统的增益时的流程图。基本上与图19相同。不同点在于， 取代步骤403而采用了步骤413。此外，除了上述控制方法，还在提取出的高频分量的二相间检测出大致180度的相位差，并判定为发生了相间局部短路时，由异常检测部输出失败信号，并以该失败信号为基础在电动机控制装置的操作盘或控制设备中进行显示。例如，在应用于电动汽车时，通过实施使内部面板点亮警告灯等，能够向电动机控制装置操作者或维护人员通知发生了相间局部短路。通过采用上述控制方法，例如即使发生了相间短路，也不会立即停止电动机，能够确保电动机工作的稳定性。以上，通过使用上述第一至第六实施方式，能够早期发现相间短路，能够防止逆变器装置的破坏，能够提供可靠性高的电能变换装置。而且，即使在检测出相间短路的情况下，也不停止电动机，能够继续进行驱动，因此能够提供可靠性高的电能变换装置。作为本发明的应用范围，除了利用在本文中所示例的交流电动机驱动系统的汽车或电梯、压缩机等，还可以不是交流电动机而是驱动流通三相交流电流的三相交流感应负载机的系统和利用该系统的全部设备。
权利要求
1.一种电能变换系统，具有 电动机；逆变器电路，其将U相电流、V相电流、以及W相电流输出给所述电动机； 电流传感器，其对所述U相电流、所述V相电流以及所述W相电流进行检测；和控制电路，其根据转矩指令值以及由所述电流传感器检测出的检测值，对该逆变器电路进行控制，以使从所述逆变器电路输出的所述U相电流、所述V相电流以及所述W相电流成为正弦波状，所述控制电路，具有电流分量运算部，其根据所述电流传感器的检测值按每相提取叠加于所述U相电流、 所述V相电流以及所述W相电流的电流分量；和交流电流异常检测部，其基于所述U相电流、所述V相电流以及所述W相电流之中的任意两相的所述电流分量的相位来检测对所述电动机通电的交流电流的异常。
2.根据权利要求1所述的电能变换系统，其特征在于，所述电流分量是在所述U相电流、所述V相电流以及所述W相电流的交流频率以上的高频分量，所述电流分量运算部是提取所述高频分量的滤波电路。
3.根据权利要求1所述的电能变换系统，其特征在于，所述电流分量是在所述U相电流、所述V相电流以及所述W相电流的交流频率以上的高频分量，所述电流分量运算部，通过获取由所述电流传感器检测出的检测值与基于所述转矩指令值而计算出的三相指令电流之差，来提取所述高频分量。
4.根据权利要求2所述的电能变换系统，其特征在于，所述交流电流异常检测部，在所述高频分量的振幅为阈值以上时，判定为对所述电动机通电的交流电流异常。
5.根据权利要求2或3所述的电能变换系统，其特征在于，所述交流异常检测部，在所述U相电流、所述V相电流以及所述W相电流之中的任意两相的所述高频分量的相位差为大致180度时，判定为异常。
6.根据权利要求1所述电能变换系统，其特征在于，所述控制电路具有根据所述转矩指令值来生成最大电流指令值以下的电流指令的电流指令生成部，所述电流指令生成部，在由所述交流电流异常检测部判定为异常时，减小所述电流指令的所述最大电流指令值。
7.根据权利要求1所述的电能变换系统，其特征在于，所述控制电路具有根据所述转矩指令值来生成电流指令的电流指令生成部， 所述电流指令生成部，在由所述交流电流异常检测部判断为异常时，停止生成所述电流指令。
8.根据权利要求1所述的电能变换系统，其特征在于， 所述控制电路具有若不通电则消除所存储的内容的易失性存储器；和即使不通电，也不消除所存储的内容的非易失性存储器，所述异常交流电流检测部将对电动机输出的电流信息输出给所述易失性存储器，而且，在由该异常交流电流检测部判定为异常时，将异常信号输出给该易失性存储器，该易失性存储器，若输入所述异常信号，则将所存储的内容输出给所述非易失性存储ο
9.根据权利要求4所述的电能变换系统，其特征在于，所述异常交流电流检测部，在所述转矩指令值的变化率大于规定值时，增大所述阈值。
10.根据权利要求4所述的电能变换系统，其特征在于，所述异常交流电流检测部，在所述电动机的转速大于规定值时，增大所述阈值。
11.一种电能变换装置，具有逆变器电路，其将U相电流、V相电流以及W相电流输出给电动机； 电流传感器，其对所述U相电流、所述V相电流以及所述W相电流进行检测；和控制电路，其根据转矩指令值以及由所述电流传感器检测出的检测值，对该逆变器电路进行控制，以使从所述逆变器电路输出的所述U相电流、所述V相电流以及所述W相电流成为正弦波状，所述控制电路具有电流分量运算部，其根据所述电流传感器的检测值按每相提取叠加于所述U相电流、 所述V相电流以及所述W相电流的电流分量；和交流电流异常检测部，其基于所述U相电流、所述V相电流以及所述W相电流之中的任意两相的所述电流分量的相位来检测对所述电动机通电的交流电流的异常。
12.根据权利要求11所述的电能变换装置，其特征在于，所述电流分量是在所述U相电流、所述V相电流以及所述W相电流的交流频率以上的高频分量，所述电流分量运算部是提取所述高频分量的滤波电路。
13.根据权利要求11所述的电能变换装置，其特征在于，所述电流分量是在所述U相电流、所述V相电流以及所述W相电流的交流频率以上的高频分量，所述电流分量运算部，通过获取由所述电流传感器检测出的检测值与基于所述转矩指令值而计算出的三相指令电流之差，来提取所述高频分量。
14.根据权利要求12所述的电能变换装置，其特征在于，所述交流电流异常检测部，在所述高频分量的振幅为阈值以上时，判定为对所述电动机通电的交流电流异常。
15.根据权利要求12所述的电能变换装置，其特征在于，所述交流异常检测部，在所述U相电流、所述V相电流以及所述W相电流之中的任意两相的所述高频分量的相位差为大致180度时，判定为异常。
全文摘要
本发明提供一种谋求可靠性进一步提高的电能变换系统以及电能变换装置。该电能变换系统具有电动机；逆变器电路，其将U相电流、V相电流、以及W相电流输出给电动机；电流传感器，其对U相电流、V相电流以及W相电流进行检测；和控制电路，其根据转矩指令值以及由电流传感器检测出的检测值，对该逆变器电路进行控制，以使从逆变器电路输出的U相电流、V相电流以及W相电流成为正弦波状，控制电路具有电流分量运算部，其根据电流传感器的检测值按每相提取叠加于U相电流、V相电流以及W相电流的电流分量；和交流电流异常检测部，其基于U相电流、V相电流以及W相电流之中的任意两相的电流分量的相位来检测对电动机通电的交流电流的异常。
文档编号G01R25/00GK102315622SQ20111017653
公开日2012年1月11日 申请日期2011年6月28日 优先权日2010年6月30日
发明者八幡光一, 松井大和, 能登康雄, 赤石贤生 申请人:日立汽车系统株式会社