专利名称：电力变换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括用于变速控制感应电动机的矢量控制装置的电力变换装置。
背景技术：
不具备再生功能的以往技术的电力变换装置如图8所示。在图8中，将交流电源1提供的三相交流电压用顺变换器2转换为直流电压，用平滑电容器3对直流电压平滑，再由逆变换器4把直流电压转换成任意频率的三相交流电压，施加到感应电动机5上。
逆变换器4是由例如IGBT等电力半导体元件构成。利用电流检测器12、电压检测器13测得的电流、电压，控制部10计算出电压指令V*，通过PWM门脉冲计算部11来控制逆变换器4。由于顺变换器2由二极管整流器构成，因此再生电流(图8箭头方向的电流I)流过的时候，对平滑电容器3充电，并使直流电压Vdc升高。直流电压超过平滑电容器的允许值时可能损坏电容器。
再生电流主要是在使电动机减速时产生。因此，在不具备再生功能的电力变换装置中，电动机减速时，或停止从变换器向电动机的供电让它自然减速，或采取符合根据负载电动机转速下降的规律，让转速指令缓慢下降的方式。因此电动机的减速、停止需要相当于自由减速的时间，因而很慢。以电动机的机械旋转角速度为ω时，自由减速产生的减速比dω/dt如式(1)所示。另外J是电动机和机械系统的转动惯量(惯性矩)，τL是负载转矩。
J×dω/dt＝-τL(1)当电动机的负载是风扇时，转动惯量J会非常大，dω/dt(减率比)变小，到电动机停止，需要几十分钟到几小时的时间。
因此，为了缩短电动机的减速时间，以往的技术如专利文献1中所述，输入减速指令，频率指令一旦下降，用图8中的直流电压检测部14，检测出平滑电容器的直流电压Vdc，降低频率指令值使直流电压不超过规定值。
在上述以往的技术中，由于必须测量平滑电容器的直流电压Vdc，增加了设备的部件数目和软件的负担。另外，大幅度的降低频率指令，即转差频率向负方向增大的时候，由于电动机磁通降低，容易引起控制力矩的波动和再生功率的增大，即发生变换器输出功率向负的方向增大，容易产生平滑电容器的直流电压Vdc升高。
专利文献1特开2001-333587号公报。
发明内容
本发明的目的在于不需要制动电阻和直流检测的追加部件，可以提供一种稳定进行感应电动机制动的电力变换装置。
本发明的电力变换装置在感应电动机制动时，按照给定电流指令值控制流过该电动机的电流，而且检测或计算变换器输出功率，控制输出电压的频率使该功率达到规定的功率指令值。这时，励磁电流设定为额定电流的程度，力矩电流设定为比励磁电流充分小，接近零的值。
图1表示实施例1的控制部的说明图。
图2表示与实施例1相关的电力变换装置结构图。
图3表示实施例2的d轴电流指令计算部的说明图。
图4表示实施例4的功率控制部的说明图。
图5表示实施例5功率控制部和速度指令补偿部的说明图。
图6表示实施例5的速度指令值的变化的说明图。
图7表示实施例6的制动控制动作指令部的说明8表示以往技术的电力变换装置的说明图。
图中1-交流电源，2-顺变换器，3-平滑电容器，4-逆变换器，5-感应电动机，10-控制部，11-PWM门脉冲计算部，12-电流检测器，13-电压检测器，20-电压指令计算部，21-坐标变换部，22-相位计算部，30-功率控制部，31-频率指令补偿值计算部，32-功率差分计算部，33-功率指令计算部，34-功率计算部，35-频率指令值补偿部，36-比率限制器，40-d轴电流控制部，41-d轴电压补偿值计算部，42-d轴电流差分计算部，43-d轴电流指令计算部，44-d轴电压指令补偿部，50-q轴电流控制部，51-q轴电压补偿值计算部，52-q轴电流差分计算部，53-q轴电流指令计算部，54-q轴电压指令补偿部，60-制动控制动作指令部，70-速度指令补偿部。
具体实施形式以下采用附图详细说明本发明。
(实施例1)用图1、图2说明本发明的第1实施例。图2是与本实施例相关的电力变换装置的结构图，图1是图2的主要部分，即控制部的详细图。图2与图8的不同部分是不具备直流电压检测部14。
对本实施例控制部10详细说明。在图1中，在频率指令值补偿部35，将功率控制部30计算出的频率指令补偿值Δω与速度指令值ωr*相加生成ωr**，再加上转差频率补偿值ωs作为频率指令值ω1*。使用频率指令值ω1*，在相位计算部22计算出相位θ*。在控制部30中，根据由功率计算部34检测出的电压V、电流I计算出功率P，并在功率差分计算部32，求出与功率指令计算部33给出的功率指令值P*的偏差，在频率指令补偿值计算部31计算出频率指令补偿值Δω。功率控制部30按照制动控制动作指令部60的指令执行动作的ON(启)、OFF(停)。
接着在图1中利用频率指令值ω1*和励磁(d轴)电流指令值Id*和力矩(q轴)电流指令值Iq*，在电压指令计算部20分别计算出d轴电压指令(电动时)和q轴电压指令(电动时)。另外d轴、q轴是以ω1旋转的旋转坐标系。接着在这些电压指令值上，使用由d轴电流控制部40和q轴电流控制50生成的d轴电压指令补偿值Δd*和q轴电压指令补偿值Δq*分别在d轴电压指令补偿部44、q轴电压指令补偿部54进行修正，修正的结果作为d轴电压指令值(制动时)Vd*、q轴电压指令值(制动时)Vq*。
d轴电压指令值Vd*、q轴电压指令值Vq*在坐标变换部21，利用相位θ变换为三相交流电压指令值V*。
在d轴电流控制部40，将由d轴电流指令计算部43生成的励磁(d轴)电流指令值Id**在d轴电流差分计算部42计算与检测d轴电流Id之间的偏差，再在d轴电压补偿值计算部41计算出d轴电压补偿值ΔVd*。在q轴电流控制部50，将在q轴电流指令计算部53生成的力矩(q轴)电流指令值Iq**在q轴电流差分计算部52计算与q轴电流Iq之间的偏差，再在q轴电压补偿计算部51计算出q轴电压补偿值ΔVq*。d轴电流控制部40和q轴电流控制部50按照制动控制动作指令部60的指令动作。
在本实施例中，励磁(d轴)电流指令值Id*、Id**、力矩(q轴)电流指令值Iq*、Iq**、功率指令P*，以如下方式设定。在电动时，励磁(d轴)电流指令值Id*设定为额定励磁电流，力矩(q轴)电流指令值Iq*使用检测出的力矩电流并经过一定滤波后的信号。另外，电动时，功率控制部30、d轴电流控制部40、q轴电流控制部50不动作。在制动时，励磁(d轴)电流指令值Id*、力矩(q轴)电流指令Iq*与电动时相同，但功率控制部30、d轴电流控制部40、q轴电流控制部50动作，励磁(d轴)电流指令值Id**设定为额定电流(额定励磁电流和额定力矩电流的合成)，力矩(q轴)电流指令值Iq**设定成远小于励磁(d轴)电流指令值Id**。例如，力矩(q轴)电流指令值Iq**设定在额定电流的10％以下的负值，为了使d轴电流和q轴电流的合成电流I1不超过规定值，力矩(q轴)电流指令值Iq**设定在额定电流的+10％～-10％之间。
功率指令值P*在电动时不进行功率控制，制动时把功率指令值P*设定为零或者额定功率的5％～6％，平滑电容器的直流电压Vdc过大时候，要增大功率指令值P*。这是为了防止因再生使平滑电容器的直流电压升高的原故，但功率指令值P*过高地话，制动力矩会消失，功率指令值P*的上限值如式(2)所示，达到电动机1次阻抗消耗的部分。这是因为要产生如式(3)所示的那样减速力矩Δτ＜0的原故。在这里，τL是负载力矩，ωr是电动机旋转速度。
P*上限值≤3×R1×((Id**)2+(Iq**)2) (2)Δτ＝{P-3×R1×(Id2+Iq2)}/ωr-τL＜0 (3)
在本实施例中，制动时功率大致控制在零以上的正值。另外励磁(d轴)电流Id控制在额定电流(额定励磁电流的几倍)，力矩(q轴)电流Iq控制成远小于励磁(d轴)电流Id，因此再生功率主要被3×R1×Id2所消耗。另外，制动力矩Δτ按照式(3)产生，能够制动电动机。而且这时电动机的励磁(d轴)电流Id比额定电流大数倍，因此电动机的磁通处于饱和状态而稳定，容易制动。
另外，在本实施例中，检测或者计算出变换器的输出功率，控制频率使其达到指令值，也可以检测或者计算直流电压Vdc，控制频率使其到达规定的值或不超过规定值，这些同样都能收到稳定减速控制的效果。
另外，使上述控制动作的期间，变换器的输出频率ω1和ωr之间差值的转差频率ωs的绝对值被控制得比额定转差频率小很多。因此，电动机磁通以及力矩波动很小，可能实现稳定地制动。
(实施例2)使用图3说明本实施例，在d轴电流指令计算部43，设定励磁电流指令值Id**的时候，将从制动开始之前的电流指令值(Id*额定励磁电流)切换到制动开始后的电流指令值(额定电流)的值通过在规定时间内变化的比率限制器来设定Id**。变换率从0升至额定励磁电流为止的电动机2次时间常数T2秒以内。本实施例中励磁电流指令值能够由制动前的值(额定励磁电流)平滑地变到制动所需的值(额定电流)，因此能够抑制电流的急剧的突变，同时能够抑制功率的波动和平滑电容器的直流电压Vdc的升高。
(实施例3)对本实施例进行说明。只叙述本实施例与实施例1不同之处。在本实施例中，使励磁电流指令值Id**以规定的频率振动。由于这样，励磁电流成分也流入电动机的2次侧。因此在实施例1中(式2)(式3)所表示的只是发生在电动机1次阻抗上的损耗，但本实施例中由于电动机2次阻抗的损耗也发生，所以(式3)所示的减速力矩Δτ是负的更大的值，减速效果更加明显。
(实施例4)采用图4对本实施例进行说明。在功率控制部30中，在频率指令补偿值计算部31的后面设置了限制变化率的比率限制器36，或者在频率指令补偿值计算部31之前设置比率限制器也可以。在本实施例中能够抑制伴随频率指令控制值Δω急剧变化的电流、功率的波动，能够抑制过电流和平滑电容器的直流电压Vdc的急剧的升高。
(实施例5)采用图5、图6对本实施例进行说明。只对图5的功率控制部30与其他实施例不同之处进行说明。在功率控制部30中，功率指令值P*＞功率P的时候，在速度指令补偿部70中，不改变速度指令，这样如图6所示，意味着制动时功率指令值P*＞功率P时，ωr*不降低，保持为一恒定值，由于这样功率P比功率指令值P*小的时候，能够抑制由于ωr*进一步下降而功率降为负值，同时能够抑制平滑电容器的直流电压Vdc的增加。
(实施例6)采用图7对本实施例进行说明。在本实施例中，制动开始时，功率控制部30、d轴电流控制部40、q轴电流控制部50以规定的变化率慢慢动作。以图7对制动控制动作指令部60进行描述。在制动控制动作指令部60中，设定制动前后的0和1的值，使其以比率限制器规定的变化率变化。这样从0变到1的时间能充分满足在电动机磁通变化时间常数的二次时间常T2秒以内。
接下来，以从0到1变化的值乘以在频率指令补偿值计算部31、d轴电压补偿值计算部41、q轴电压补偿值计算部51中的检测值和指令值之差值。或者也可以直接乘以各计算出的补偿值本身。另外，也可以根据制动控制动作指令部60的信号改变图4中的比率限制器36的限定值。这种补偿值例如用比例-积分(PI)电路计算。
依据本实施例，由于制动时不让控制瞬时动作，因此能够抑制电流、功率的急剧变化，能够抑制过流和平滑电容器的直流电压Vdc的升高。
如上所述，由于励磁电流与额定电流相当，电动机的磁通接近饱和，一方面可以稳定地控制，另一方面产生铜耗，而消耗再生能量，产生减速力矩。这些动作不是在制动开始时刻立即进行，而是慢慢地动作。因此，在本发明中，一方面可以防止直流电压的超压和过流，另一方面可以缩短电动机的减速时间。另外由于不需制动阻抗，直流电压的检测并不一定需要，如果是已有的进行电动机电压、电流检测的逆变器，就不需追加部件。
在本发明的电力变换装置中，一方面无需追加直流电压检测部件，可以防止直流电压的超压和过流，另一方面能缩短电动机的减速时间。
权利要求
1.一种电力变换装置，控制感应电动机的转动速度，其特征在于，在制动时，根据给定的电流指令值控制在该电动机中流动的电流，并且检测出或者计算出变换器输出功率，按照让该功率成为给定的功率指令值那样控制输出电压的频率。
2.一种电力变换装置，控制感应电动机的转动速度，其特征在于，在制动时，检测出或者计算出变换器输出功率，按照让该功率成为给定的功率指令值那样控制输出电压的频率，根据该功率或者该功率指令值控制在该电动机中流动的电流。
3.一种电力变换装置，控制感应电动机的转动速度，其特征在于，在制动时，根据励磁电流检测值和励磁电流指令值之间的偏差，控制d轴电压指令值；根据力矩电流检测值和力矩电流指令值之间的偏差，控制q轴电压指令值；根据该电动机的功率检测值或功率计算值与功率指令值之间的偏差，控制频率指令值。
4.一种电力变换装置，控制感应电动机的转动速度，其特征在于，将制动时的励磁电流控制成比电动时的励磁电流大的值，而且，在制动时检测或计算变换器输出功率或变换器直流电压，按照让该功率或该直流电压达到给定的指令值那样控制输出电压的频率。
5.一种电力变换装置，控制感应电动机的转动速度，其特征在于，将制动时的励磁电流控制成比电动时的励磁电流大的值，并以给定频率振动，而且，在制动时检测或计算变换器输出功率或变换器直流电压，按照让该功率或该直流电压达到给定的指令值那样控制输出电压的频率。
6.一种电力变换装置，控制感应电动机的转动速度，其特征在于，将制动时的励磁电流控制成比电动时的励磁电流大的值，在制动时将力矩电流控制成比额定电流小的值，按照励磁电流和力矩电流的合成电流不超过给定值那样进行控制。
7.根据权利要求3所述的电力变换装置，其特征在于，将电动时的励磁电流指令值作为初始值，让制动时的励磁电流指令值以给定的变化率增加。
8.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，在制动中，当所述功率在所述功率指令值以下或者所述变换器直流电压在给定值以上时，抑制或停止速度指令值或频率指令值的降低。
9.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，制动时的所述功率控制和电流控制，从制动开始的时刻逐渐动作。
10.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，作为制动时的变换器输出频率和电动机速度之间的偏差，即转差频率的绝对值比电动机的额定转差频率要小。
全文摘要
本发明提供一种电力变换装置，在电动机制动时按照给定的电流指令值控制在该电动机中流动的电流，并且检测或者运算变换器输出功率，控制输出电压的频率以便让该功率成为给定的功率指令值。这时，将励磁电流设定成额定电流的程度，将力矩电流设定成比励磁电流充分小的值。在电动时不进行控制，在制动时将功率指令值设定成零或者额定功率的5％～6％。
文档编号H02P21/00GK1578099SQ20041005986
公开日2005年2月9日 申请日期2004年6月24日 优先权日2003年6月25日
发明者永田浩一郎, 奥山俊昭, 冈松茂俊, 根本治郎 申请人:株式会社日立制作所