专利名称：交流电动机驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过逆变器将来自直流电源的直流电力转换为交流电力并供给至交流电动机的交流电动机驱动装置，特别是涉及一种具备对供给至逆变器的直流电力补偿电力的电力补偿装置的交流电动机驱动装置。
背景技术：
以往的交流电动机的驱动装置由供给直流电力的直流电源、将来自该直流电源的直流电力转换为交流电力后供给至交流电动机的逆变器以及它们的控制装置构成。作为在该情况下使用的直流电源，根据交流电动机的应用对象而有各种种类。例如，如果交流电动机是电动车辆驱动用电动机，则直流架线成为直流电源。另外，在交流电动机为伺服电动机等面向产业的电动机等的情况下，通过转换器将来自电源系统的交流电力进行整流后供给直流电力。另外，具有各种特性的交流电动机被产品化，其中有具有短时间额定输出和连续额定输出这两种额定输出的交流电动机。在这种情况下，短时间额定输出与连续额定输出相比交流电动机的额定输出值设定得非常大。其原因是，例如在使交流电动机进行加减速运转的情况等下，通过仅在加减速时等的比较短的时间内以短时间额定输出来运转，能够缩短实现速度变化所需的时间。在该情况下，需要针对短时间额定输出选定直流电源、逆变器，与此相应地，电源设备也需要事先确保耐得住短时间额定输出的容量。但是，当实际进行运转时，峰值电力与短时间额定输出相当，而从时间平均来看，有时其平均电力变低，存在无法实现所准备的电源设备的有效活用的问题。相反，与短时间额定输出相应的电源设备的准备成为瓶颈，有时难以引入装置。针对这种问题，以往开发了各种技术。例如在下述专利文献I的现有技术中，设置具备蓄积电力的电容器、变换电压水平的升降压电路的电力补偿装置，在逆变器、转换器所处理的电力、电流超过规定值的情况下，从该电力补偿装置释放能量，抑制直流电源的电流峰值。另外，在下述专利文献2的现有技术中，在连接于逆变器的直流母线的电压或电流超过规定值的情况下释放或吸收电力补偿装置的电力。当应用这种专利文献1、2所公开的现有技术时，通过在产生峰值电力需求时释放蓄积在电力补偿装置中的电力，突破电源设备容量的限制而能够实现基于短时间额定输出的交流电动机驱动。专利文献1:日本专利第4339916号公报专利文献2 :日本特开2005-328618号公报
发明内容
然而，在上述专利文献1、2所示的现有技术中有如下问题。即，在这些专利文献1、2中，在动力运行状态下产生超过直流电源所能够授受的大小的电力需求时，从电力补偿装置进行放电。而且，为了满足这种电力需求，需要预先对电力补偿装置适当地进行充电，而该情况下的充电主要在从交流电动机反馈能量的再生状态下实施。在此，在动力运行和再生的电力需求交替地以大致相同的频度产生的情况下，对于电力补偿装置的电力的充放电均衡，因此不会那么成为问题。但是，在如仅在动力运行或仅在再生那样相同状态的电力需求连续的情况下，导致蓄积在电力补偿装置中的电力不足或过剩。例如在作为交流电动机的应用对象而风扇、泵、机床的切削用途等、再生状态少而主要进行动力运行动作的情况下，蓄积在电力补偿装置中的电力不足这一问题变得显著。另外，在对伴随交流电动机的加减速的电力进行补偿的情况等下，由于交流电动机、逆变器、以及电力补偿装置自身的损耗，再生的电力需求的大小小于动力运行的电力需求的大小的情况多。因而，如果如专利文献1、2所记载的现有技术那样主要在再生状态时实施向电力补偿装置的充电，则电力补偿装置的电力量往往不足。针对电力补偿装置的电力不足、电力过剩这样的问题，如果将内置于电力补偿装置的电容器等的蓄电装置设为大容量则能够比较容易地应对，但其结果存在导致成本、尺寸、重量的增加等的问题。本发明是为了解决上述所示的问题而完成的，其目的在于提供一种如下交流电动机驱动装置该交流电动机驱动装置即使不将内置于电力补偿装置的电容器等的蓄电装置设为大容量，在动力运行或再生之类的相同状态的电力需求连续时，也能够始终实现可靠的电力补偿。本发明的交流电动机驱动装置具备直流电源，供给直流电力；逆变器，将所述直流电力转换为交流电力并供给至交流电动机；电力补偿装置，与所述逆变器的直流电力输入部并联连接，所述电力补偿装置具有升降压电路，对直流电力的电压水平进行转换；蓄电装置，吸收或释放电力；控制装置，对它们进行控制，所述控制装置实施如下处理电力补偿处理A，释放或吸收所述蓄电装置的电力使得所述直流电源所授受的直流电力的绝对值不超过根据所述直流电源的特性决定的直流电源电力限制；蓄电调整处理B，释放或吸收电力使得所述蓄电装置的电压成为规定值。根据本发明，在对交流电动机进行驱动时，电力补偿装置在对于交流电动机的电力需求超过规定值的情况下，从蓄电装置进行充放电来实施电力补偿，在不需要电力补偿的情况下，根据直流电源电力限制和逆变器的所需电力求出向蓄电装置的输入输出电力的电力余量，在其范围内实施蓄电装置的补充充电以蓄积电力。由此，即使不将内置于电力补偿装置的电容器等的蓄电装置设为大容量，在动力运行或再生之类的相同状态的电力需求连续时，也能够始终可靠地实现电力补偿。
图1是表示本发明的实施方式I所涉及的交流电动机驱动装置的整体的结构图。图2是表示该装置中的直流电源和逆变器的电路结构图。图3是表示该装置中的其它种类的直流电源和逆变器的电路结构图。图4是该装置中的升降压电路的电路结构图。图5是该装置中的其它种类的升降压电路的电路结构图。图6是表示设置在该装置的电力补偿装置中的控制装置的详情的结构图。图7是表示图6的控制装置所具备的直流电力计算部的详情的结构图。
图8是表示图6的控制装置所具备的电力补偿控制部的详情的结构图。图9是表示图6的控制装置所具备的恒压控制部的详情的结构图。图10是表示在图6的控制装置所具备的电力补偿控制部中进行蓄电调整处理B的情况下的与电力补偿处理A的一系列关联动作的时序图。图11是表示图6的控制装置所具备的电流指令加法部的详情的结构图。图12是表示图6的控制装置所具备的电流控制部的详情的结构图。图13是表示在本发明的实施方式I中的电力补偿装置中交流电动机的动力运行时的电力补偿处理A和蓄电调整处理B的动作说明的一例的时序图。图14是本发明的实施方式2中的交流电动机驱动装置中的升降压电路的电路结构图。图15是用于说明由本发明的实施方式3中的交流电动机驱动装置所具备的电力补偿装置进行的蓄电装置的电压指令设定动作的时序图。图16是用于说明由本发明的实施方式3中的交流电动机驱动装置所具备的电力补偿装置进行的蓄电装置的其它电压指令设定动作的时序图。图17是表示在本发明的实施方式3中的交流电动机驱动装置中设置在电力补偿装置内的蓄电装置电压指令产生部的详情的结构图。图18是表示在本发明的实施方式4中的交流电动机驱动装置中设置在电力补偿装置内的蓄电装置电压指令产生部的详情的结构图。
具体实施例方式实施方式1.图1是表示基于本发明的实施方式I的交流电动机驱动装置和由该装置驱动的交流电动机的结构图。从直流电源I输出的直流电力经由直流母线2供给至逆变器3。通过逆变器3进行直交电力转换来将适当的交流电力供给至交流电动机4。电力补偿装置5与将直流电源I和逆变器3电连接的直流母线2并联连接，以升降压电路10、蓄电装置15、控制装置16以及电压、电流的检测器6、7、11、12为主体而构成。直流电源I使用对来自电源系统的交流电力进行整流的二极管转换器(diodeconverter)、PWM转换器。例如在交流电动机4为电动车辆驱动用的情况下，由于从直流架线接受电力供给，因此直流架线相当于直流电源。图2表示作为直流电源I应用二极管转换器的情况下的结构，图3表示作为直流电源I使用PWM转换器的情况下的结构。此外，在此还一并记载逆变器3。图2所示的二极管转换器由于无法向电源系统侧返送电力而设置再生用的电阻Rl和开关元件Ql来进行未由电力补偿装置5吸收完的再生电力的处理。另外，图3所示的PWM转换器能够控制流向电源系统的电流，能够控制自身处理的电力。升降压电路10进行直流母线2与蓄电装置15的电压水平转换来实施电力的交换。作为该情况下的升降压电路10，例如有如图4所示那样包括开关元件Q2、Q3、电抗器LI以及平滑用的电容器C3的斩波电路，从直流母线2侧来看成为降压动作。另外，根据运转条件、蓄电装置15的规格，有蓄电装置15的电压比直流母线2的电压高的情况。在该情况下，能够使用如图5所示那样的包括开关元件Q4 Q7、电抗器L2以及平滑用的电容器C4的能够进行升降压动作的电路。蓄电装置15进行能量蓄积，电解电容器、电双层电容器等的电容器类、锂离子电池等的电池类等与其相当。控制装置16基于从各检测器6、7、11、12得到的直流母线2、蓄电装置15的电压和电流信号等的信息而输出对升降压电路10进行控制的开关指令17，来将蓄电装置15的电力放出到直流母线2侧，或者进行向蓄电装置15的充电。特别是在本实施方式I中，控制装置16在从直流电源I输入输出至直流母线2的直流电力的绝对值为规定值以上的情况下，实施由电力补偿装置5进行的电力补偿以免从直流电源I输入输出至直流母线2的电力超过直流电源I的电力限制值、即容许范围(以后将该处理称为电力补偿处理A。)。但是，如果仅通过该电力补偿处理A，则在动力运行或再生之类的相同状态的电力需求连续的情况下，在蓄电装置15的电力量上产生过多或不足。因此，控制装置16除了执行电力补偿处理A以外，根据需要还执行对于蓄电装置15的充放电动作(以后，将该处理称为蓄电调整处理B)。进行该蓄电调整处理B的情况下能够由直流电源I供给的电力的范围是如后面详细说明的那样由基于直流电源I的电力限制与逆变器3的所需电力之差的对于蓄电装置15的电力余量度决定的。在图6中示出控制装置16的整体结构的具体例。控制装置16具备直流电力计算部16A、电力补偿控制部16C、恒压控制部16E、电流指令加法部16G、电流控制部161以及PWM控制部16K。在此，上述直流电力计算部16A被输入由检测器6、7检测出的直流电源I的输出电流(即，直流母线电流)8和直流电源I的输出电压(S卩，直流母线电压)9，将两者8、9相乘来计算直流电源电力16B。另外，电力补偿控制部16C被输入直流电源电力16B来输出用于进行电力补偿处理A的电流指令16D。另一方面，恒压控制部16E被输入由直流电力计算部16A得到的直流电源电力16B和由检测器11、12得到的蓄电装置电流13和蓄电装置电压14，输出用于进行蓄电调整处理B的电流指令16F。电流指令加法部16G将两个电流指令16D、16F相加并将该相加所得的电流指令作为对于蓄电装置15的电流指令16H输出，以使电力补偿处理A和蓄电调整处理B无间断地平滑进行。电流控制部161为了使蓄电装置15以与电流指令16H相应的所需的电流进行充放电，输出以使由检测器13检测出的蓄电装置电流13与电流指令16H—致的方式进行电流控制的电压指令16 J。PWM处理部16K基于从电流控制部161提供的电压指令16J输出用于控制升降压电路10的电压的开关指令17，使得蓄电装置15以所需的电流进行充放电。升降压电路10基于该开关指令17进行动作。接着，进一步详细说明上述的控制装置16的各部的结构。首先，直流电力计算部16A如图7所示那样通过乘法器18计算由检测器6、7检测出的直流母线电流8与直流母线电压9的积，求出直流电源电力16B并输出。但是，在直流母线电压9非常小的情况下，通过乘法器19乘上预先设定在校正系数表20中的与直流母线电压9的大小相应的校正系数kl，由此校正直流电源电力16B。这基于如下理由。在交流电动机4的负荷增大而对逆变器3产生大的电力需求的情况下，直流电源I处理大的电流。此时，如果直流电源I为了自身的保护而进行限制或截止所处理的电流的动作，则直流母线2的电压发生变动。例如在如图2、图3所示的直流电源I中，对设置在直流母线2侧的电容器Cl、C2进行充放电，直流母线2的电压发生变动。在该电容器Cl、C2正在充放电的期间输入输出到直流电源I的电力成为与逆变器3的电力需求相同的值，但是由于上述的动作而直流母线2的电压急剧减少或急剧上升。因此，尽管在交流电动机4侧产生了需要电力补偿的电力需求，但电力补偿处理A的动作不会立即开始，作为其结果，有时电力补偿处理A的响应降低而无法进行适当的电力补偿。设置在直流电力计算部16A中的校正系数表20是用于解决该问题的，起到如下作用:针对直流母线电压9的急剧的降低或上升，通过使直流电源电力16B明显变大来使电力补偿处理A迅速地进行。接着，在图8中示出电力补偿控制部16C的详细结构。此外，在此，为了便于说明，使在电力补偿装置5内部检测出的各部的电流和电压的正方向取箭头的方向。因而，直流电源电力16B在动力运行状态下为正。另外，在蓄电装置电流13沿正方向流动时，蓄电装置15被充电。S卩，吸收电力。电力补偿控制部16C被输入由直流电力计算部16A得到的直流电源电力16B，通过直流电源电力比较判定部32比较判定该直流电源电力16B的绝对值是否为阈值PowTH以上，该阈值PowTH是考虑直流电源I能够供给的直流电力的范围来预先设定的。如果直流电源电力16B的绝对值小于上述阈值PowTH，则能够通过从直流电源I供给的直流电源电力16B供应交流电动机4的电力需求，不需要进行电力补偿处理A。因此，直流电源电力比较判定部32将两个开关SWa、SWb都连接到“O”输出侧。即，不输出用于电力补偿处理A的电流指令16D。与此相对，如果直流电源电力16B的绝对值为上述阈值PowTH以上，则无法仅通过从直流电源I供给的直流电源电力16B来完全供应交流电动机4的电力需求，需要由电力补偿装置5进行的电力补偿处理A。因此，直流电源电力比较判定部32将各开关SWa、Sffb都连接到以积分控制为主体的环路侧。在补偿控制部16C中预先设定有根据直流电源I的特性与动力运行和再生状态相应地确定的能够进行电力供给的上下限值即直流电源动力运行电力限制LMla(正值)和直流电源再生电力限制LMlb (负值)。而且，在如上所述那样各开关SWa、SWb都连接到以积分控制为主体的环路侧的情况下，电力补偿控制部16C的各减法器33a、33b求出所输入的直流电源电力16B相对于直流电源动力运行电力限制LMla及直流电源再生电力限制LMlb的差分，使用该差分通过积分器34a、34b实施积分控制来输出向蓄电装置15的电流指令16D。在这种情况下，在各积分器34a、34b的积分控制的环路的中途设置有限幅器35a、35b。这些限幅器35a、35b用于防止在不需要电力补偿动作A的情况下信号过剩地蓄积到积分器34a、34b，并且进行抑制使得针对蓄电装置15充放电时的电流不超过根据蓄电装置15的特性而预先设定的能够充放电的电流的上下限值即蓄电装置放电电流限制LM2a(负值)和蓄电装置充电电流限制LM2b (正值)而电流指令16D收敛在规定的范围内。特别是，限幅器35a、35b在电力补偿处理A的动作从启动转变为关闭时，使蓄积在积分器34a、34b中的信号平滑地减衰来防止抖动(chattering)。另外，蓄电装置15如上所述那样由电池、电容器类等构成，而它们具有适当的温度范围，有为了能够高效地交换电能而根据蓄电状态、即蓄电装置15的电压值而推荐的适当的电流。因此，为了以适当的状态使用蓄电装置15，需要限制充放电时的电流。这是通过对设定在各限幅器35a、35b中的电流限制值LM2a、LM2b进行操作来实现的。此外，在上述直流电源直流电力比较判定部32中预先设定的阈值PowTH被设定为比直流电源I的动力运行、再生的各电力限制LMla、LMlb的绝对值稍小的值。这是因为，如果设定为相同的值，则直流电源电力16B的绝对值变为阈值PowTH的前后在积分器34a、34b中发生抖动，因此需要防止该情况。另外，在此，动力运行侧和再生侧都将阈值PowTH设定为相同的值，但是也可以设定分别不同的阈值。例如在直流电源I为图2所示的二极管转换器的情况下，再生电力为电阻Rl所引起的消耗，因此与动力运行电力相比所能够处理的量少的情况多，在动力运行侧与再生侧将阈值PowTH设为不同的值。接着，在图9中示出恒压控制部16E的详细结构。该恒压控制部16E计算用于进行蓄电调整处理B的电流指令16F。S卩，恒压控制部16E为了使蓄电装置15的电压为规定值，通过减法器40求出由检测器12检测出的当前时刻的蓄电装置电压14与从蓄电装置电压指令产生部16L提供的作为对于蓄电装置15的蓄电电压的控制目标值的电压指令16M的差分，使用该差分通过积分器41实施积分控制，来求出用于对蓄电装置15进行恒压控制的电流指令16F。在由该积分器41进行的积分控制中，需要在直流电源I所能够处理的电力范围、即直流电源I中有电力余量的限度内向蓄电装置15投入电力。因此，需要对积分器41设置用于规定与直流电源I的电力余量对应的限度的电流限制。为此，首先计算直流电源I的电力余量。在此，通过减法器43求出前述的由直流电力计算部16A得到的直流电源电力16B与通过乘法器42将由检测器11、12得到的蓄电装置电流13和蓄电装置电压14相乘而得到的蓄电装置电力Wb的差分(=16B-Wb)，来得到逆变器电力Wiv。接着，通过减法器44a、44b求出逆变器电力Wiv相对于与直流电源I的动力运行和再生状态相应地确定的能够进行电力供给的上下限值即前述的直流电源动力运行电力限制LMla(正值)和直流电源再生电力限制LMlb (负值)的差分。使用逆变器3的电力Wiv是因为，由于通过该恒压控制部16E自身的动作而直流电源I的电力发生变化，因此仅通过直流电源电力16B的检测是无法直接知道。而且，由该减法器44a、44b得到的电力差分为直流电源I的电力余量，接着，在除法器45a、45b中将该电力差分除以蓄电装置电压14，来得到与直流电源I的电力余量对应的电流限制。在紧接着由除法器45a、45b进行的除法之后设置的限幅器46a、46b用于防止与电力补偿处理A的干扰。例如在由一方的减法器44a得到的电力的差分为负的情况下，逆变器3所需要的逆变器电力Wiv超过直流电源I的供给能力而没有电力余量，因而不是应进行蓄电调整处理B的状态而是应进行电力补偿处理A的状态，因此在由减法器44a得到的电力的差分为负时，通过该限幅器46a排除输出。在再生状态的情况下也同样。经过以上的过程而得到与直流电源I的电力余量对应的对于蓄电装置15的电流限制。该电流限制不能超过根据蓄电装置15的特性确定的前述的蓄电装置放电电流限制LM2a (负值)和蓄电装置充电电流限制LM2b (正值)，因此通过选择电路47a、47b选择其绝对值小的一方。然后，通过将由各选择电路47a、47b选择的电流限制提供至在积分器41的积分控制的环路的中途设置的限幅器48，对积分器41设定与直流电源I的电力余量对应的电流限制。通过设为这种结构，不妨碍电力补偿处理A而能够实施蓄电调整处理B。S卩，能够优先实施电力补偿处理A。并且，能够将蓄电调整处理B在直流电源I的电力余量的范围内实施，还能够利用逆变器电力Wiv。此外，在此，为了削减电流检测器，构成为通过使用减法器43来根据直流电源电力16B和蓄电装置电力Wb计算逆变器电力Wiv。另外，来自蓄电装置15的电力存在因升降压电路10引起的损失，因此通过在逆变器电力Wiv的导出中设置升降压电路损耗校正电路49，来实施损耗校正。此外，只要能够计算逆变器电力Wiv即可，因此也可以设为在逆变器3的输入侧设置电流检测器并通过与直流母线2的积来求出逆变器电力Wiv的结构。另夕卜，蓄电装置电压指令产生部16L中的对于蓄电装置15的电压指令16M还基于运转状况、目的，而当设为蓄电装置15的额定电压Vf时，能够实施将重点放在动力运行的电力补偿的电力补偿。此外，关于在图8、图9中说明的直流电源I的动力运行、再生的电力限制值LMla、LMlb，在直流电源I为图2所示的二极管转换器的情况下，使用预先确定的额定电力值。另夕卜，在直流电源I为图3所示的PWM转换器的情况下，为了图8、图9所示的电力补偿控制部16C、恒压控制部16E的动作而设为比预先确定的额定电力值稍微小的值，或者将PWM转换器自身的电力制限值设定为比预先确定的额定值稍微大的值。这是因为PWM转换器能够自身控制及限制电力，因此成为用于正常地进行图8、图9中示出的处理的措施。接着，参照图10来说明在电力补偿控制部16C中进行蓄电调整处理B的情况下的关于与电力补偿处理A的关联的一系列动作。如图10的(a)所示，逆变器电力Wiv随着时间而变化。在这种情况下，逆变器电力Wiv与直流电源动力运行电力限制LMla的差Wl为能够使用于如图10的(b)所示那样向蓄电装置15充电的方向的蓄电调整处理B的电力余量Ma。另外，逆变器电力Wiv与直流电源再生电力限制LMlb的差W2为能够使用于如图10的(b)所示那样从蓄电装置15放电的方向的蓄电调整处理B的电力余量Mb。图10中的以符号TA表示的期间是逆变器电力Wiv超过直流电源I的动力运行、再生的各电力限制LMla、LMlb的绝对值的期间，是电力补偿控制部16C正在进行动作的状态。在这种情况下，电力补偿处理A与蓄电调整处理B之间虽然有优先级的差异，但根据电力的方向而能够同时进行两个处理A、B的动作。例如在图10中示为Tc的期间，处于从逆变器3反馈电力的再生状态，包括电力补偿处理A，但能够同时实施向蓄电装置15充电的方向的蓄电调整处理B。也可以视直流电源I的电力余量而排他性地实施电力补偿处理A和蓄电调整处理B，但是如果设为使以上说明的蓄电调整处理B始终动作并通过限幅器48调整蓄电调整处理B的电流指令16F的处理，则能够使蓄电装置15的电压迅速地转变为作为目标的规定值。接着，在图11中示出电流指令加法部16G的详细结构。该电流指令加法部16G通过加法器50将从电力补偿控制部16C提供的蓄电装置15的电流指令16D与从恒压控制部16E提供的蓄电装置恒压控制用的电流指令16F相加，以使电力补偿处理A和蓄电调整处理B无间断地平滑进行。在通过这样得到的电流指令16H为微小的值的情况下，有时由于后级的电流控制部161的处理而蓄电装置15的电流有摆动(hunting)的倾向，因此在变为微小的电流指令时，进行通过设置于其内部的钳位处理部51将电流指令16H强制性地钳位为“O”的处理。另外，通过设置限幅器52加以限制使得不超过对蓄电装置15所容许的充放电电流的各电流限制LM2a、LM2b，在此基础上作为蓄电装置15的电流指令16H输出。接着，在图12中示出电流控制部161的结构的详情。该电流控制部161被输入由电流指令加法部16G得到的对于蓄电装置15的电流指令16H。然后，电流控制部161通过减法器60求出该电流指令16H与由检测器11检测出的蓄电装置电流13的差分，基于该差分通过PI控制部61进行PI控制，计算对于升降压电路10的电压指令16J。此时，在PI控制部61的控制环路的中途以及PI控制部61的输出侧分别设置以不超过能够施加到蓄电装置15的电压的上限值即蓄电装置电压限制LM3的方式进行限制的电压限幅器62、63，由此防止对蓄电装置15施加过剩的电压。通过该电压限幅器62、63能够实现如从恒流充放电向恒压充放电平滑地转移那样的处理。此外，在图12的PI控制部61中，61a表示比例增益，61b表示积分增益。此外，在图12中将各电压限幅器62、63的下限设为“0”，但是在不是初期充电时的状态下，也可以根据蓄电装置15的种类、状态(SOC)等适当地进行设定。另外，在电流指令16H为“O”的情况下，电力补偿处理A和蓄电调整处理B中的任一个处理动作都不进行，因此通过开关切换电路64对开关65、66进行切换，代替PI控制部61内的积分器67的输出和电压指令16J的输出而选择输出蓄电装置电压14。由此，具有如下效果在下一个向蓄电装置15的充放电电流指令发出的情况下，能够立即执行电流控制动作。接着，说明PWM控制部16K的详情。该PWM控制部16K按照从电流指令加法部16G提供的电流指令16H、从电流控制部161提供的电压指令16J以及基准电压计算“O”至“I”的范围的占空比，进行基于载波比较的PWM处理。在此，上述基准电压为直流母线电压9。在这种情况下，既可以使构成升降压电路10的P侧和N侧的各开关元件互补地进行动作，例如在蓄电装置15的电流指令16H为正的情况下，也可以使N侧的开关元件始终输出断开指令。由此，能够使断开的开关元件的驱动电路停止，使得能够削减电力损失。另外，不需要为了防止短路而插入死时间(deadtime)，能够放大所能够控制的电压范围。此外，在从电流控制部161提供的电压指令16J为O的情况下，PWM控制部16K输出使升降压电路10的P侧和N侧中的任一侧的开关元件都断开的指令。关于具有上述结构和作用的电力补偿装置5的控制装置16，在图13中示出交流电动机4的动力运行时的电力补偿处理A和蓄电调整处理B的一例。在此，图13的(a)表示逆变器电力Wiv与直流电源电力16B的关系。图13的(b)表示蓄电装置电流13，而且图13的(c)表示蓄电装置电压14。随着逆变器3的电力需求产生而开始电力补偿处理A的动作。因此，如图13的(b)所示那样蓄电装置电流13以负方向流过而实施放电。在此，在不实施蓄电调整处理B而反复产生电力需求的情况下，蓄积在蓄电装置15中的电力量逐渐消失，最后变得不能进行电力补偿处理A。与此相对，在本实施方式I中，在电力补偿处理A的动作结束后，蓄电调整处理B的动作为主，对蓄电装置15进行充电动作。由此，还能够应对下一次的逆变器3的电力需求。此外，如图13所示，在蓄电调整处理B的动作过程中，直流电源电力16B大致收敛为直流电源动力运行电力限制LMla以下的值。如以上所说明的那样，在本实施方式I的交流电动机驱动装置中，在例如如图6所示那样构成电力补偿装置5内的控制装置16时，针对逆变器3所需要的电力需求能够将电力补偿处理A和蓄电调整处理B互不干扰地平滑地实施，直流电源I的电力不会大幅超过电力限制LMla、LMlb。因而，在内置于机床、电压机、注射成型机等这些机器的交流电动机4要求短时间的高输出运转的情况下也能够有效地利用。另外，如上所述，蓄电调整处理B进行使用直流电源I的电力余量将蓄电装置15充放电至一定电压的动作，因此能够与电力补偿处理A的动作无干扰地进行针对蓄电装置15的充放电。其结果，在逆变器3中，即使如动力运行或再生那样的相同方向的电力需求连续产生，也能够进行适当的补偿。特别是在如进行切削那样的机床、风扇泵等、动力运行负荷相对多的情况下非常有效。实施方式2.在上述实施方式I中的交流电动机驱动装置的电力补偿装置5中，作为负责电压水平转换的升降压电路10的一例示出了图4或图5所示的电路。但是，根据蓄电装置15的规格，需要事先控制所流入的电流纹波(ripple)，因此例如能够使用如图14所示那样的多路复用电路(在此为3相电路)。在这种情况下，也可以通过同一开关指令17使多路复用的各相电路的开关元件动作。另外，如果均等地分割电流指令16J并针对多路复用的各相设置电流控制部161和PWM处理部16K，则多路复用的各相的电流变得均等。此外，在这种情况下，如果将使用于开关指令17的生成的载波信号的相位错开，则能够进一步得到电流纹波削减效果。例如在图14所示的3相电路中，使相位各错开360度/3=120度。实施方式3.在上述实施方式I中的交流电动机驱动装置的电力补偿装置5中，在由控制装置16将蓄电装置15的电压控制为恒定的蓄电调整处理B中，作为对于蓄电装置15的蓄电电压的控制目标值而使用了与额定电压Vf相应的电压指令16M。在预先知道逆变器3所需要的电力的情况下，在控制装置16内的恒压控制部16E中设置非易失性半导体存储器等的存储装置，能够在该存储装置中预先登记表示电力变化的电力模式(pattern)。图15是用于说明蓄电装置15的电压指令设定动作的时序图。此外，在本例中，设逆变器电力Wiv如图15的(a)所示那样以固定周期重复特定的模式。在此，通过将逆变器电力Wiv与直流电源I的动力运行和再生电力限制LMla、LMlb进行比较，如图15的(b)所示那样得到电力补偿处理A所需的电力(瞬时值)模式。这些是对蓄电装置15进行充放电的时序的组合，当按各时序进行累计时，如图15的(c)所示那样知道蓄电装置15应该释放或吸收的电力量。在图15的(c)中，以黑圆记号表示的值相当于该累计电力量的最大值。 蓄积在蓄电装置15中的电力量与蓄电装置15的电压一一对应。因而，能够将所蓄积的电力量换算为根据构成蓄电装置15的电池、电容器的特性所应该保持的电压。因此，在逆变器3中产生动力运行侧的电力需求而从蓄电装置15释放电力的情况下，能够根据该应该释放的电力量决定对于蓄电装置15的电压指令。相反地，在逆变器3中产生再生侧的电力需求而向蓄电装置15吸收电力的情况下，能够决定对于蓄电装置15的电压指令以确保该应该吸收的电力量的吸收余地。在该情况下，需要在电力补偿处理A、蓄电调整处理B开始之前的前阶段预先进行调整，使得处于能够将蓄电装置15的电力量放电或充电的状态。例如在图15的(c)的图中，符号X、Z表不动力运行时的电力补偿处理A的时序,符号Y表不再生时的电力补偿处理A的时序。在该情况下，当例如关注一个时序Z时，在从时序Y的开始时间点至时序Z的开始紧前的区间预先设定好该时序Z的蓄电装置15的电压指令。如前述的实施方式I中所示出的那样，电力补偿处理A优先于蓄电调整处理B而执行，因此时序Z的蓄电装置15的电压指令不会干扰时序Y。如上，在逆变器电力Wiv按特定的模式以固定周期变化的情况下，求出对于蓄电装置15的一系列电压指令的结果为图15的(d)所示的蓄电装置电压指令表TBl。在此，例如时序X是如上所述那样动力运行时的电力需求，通过电力补偿处理A从蓄电装置15放电。此时，需要将蓄电装置15的电力量Wa预先确保为能够电力补偿的状态，即，在时序X开始的前阶段预先进行调整使得蓄电装置电压14为由蓄电装置电压指令表TBl指定的电压指令16P (在图15中以符号Va表示的值)以上。在该情况下，在达到时序X的前阶段实际的蓄电装置电压14已经充分大于上述电压指令16P(Va)的情况下，为了与电压指令16P(Va)相一致而进行无用的放电动作。为了防止该情况，如图15的(e)所示那样设置蓄电装置电压指令状态转移表TB2，通过该蓄电装置电压指令状态转移表TB2预先存储表示需要的各状态V、W的转移的区间信息，使得能够知道需要蓄电装置电压14大于由蓄电装置电压指令表TBl指定的电压指令16P的状态、还是需要蓄电装置电压14小于由蓄电装置电压指令表TBl指定的电压指令16P的状态。由此，能够判别在蓄电装置电压指令状态转移表TB2中示出的V状态的区间需要设为蓄电装置电压14为由蓄电装置电压指令表TBl指定的电压指令16P(Va )以上的状态。另外，时序Y是再生时的电力需求，通过电力补偿处理A而蓄电装置15被充电。此时，需要将蓄电装置15的电力量Wi3预先确保为能够进行电力补偿的状态。也就是说，需要在时序Y开始的前阶段预先进行调整，使得蓄电装置电压14为由蓄电装置电压指令表TBl指定的电压指令16P(在图15中以符号νβ表示的值)以下，换言之确保蓄电装置15的额定电压Vf与由蓄电装置电压指令表TBl指定的电压指令16Ρ(νβ)之间的电压差AV以上的电压差。因而，在这种情况下，也能够通过使用蓄电装置电压指令状态转移表ΤΒ2，来判别在蓄电装置电压指令状态转移表ΤΒ2中示出的符号W状态的区间需要设为蓄电装置电压14为由蓄电装置电压指令表TBl指定的电压指令16Ρ(νβ)以下的状态。此外，图15中说明的蓄电装置电压指令表TBl和蓄电装置电压指令状态转移表ΤΒ2也可以是如下方法:如图16所示，为与再生电力需求对应地通过蓄电装置15进行充电的情况准备而降低电压指令16Ρ，在除此以外的情况下将蓄电装置15的额定电压Vf设为指令。在这种情况下，也能够同样地进行蓄电装置电压指令状态转移表ΤΒ2的设定。关于以上说明的各表ΤΒ1、ΤΒ2的生成处理，既可以在交流电动机驱动装置的动作前以脱机状态进行处理来事先求出蓄电装置15的电压指令模式，并保存在内置于控制装置16的存储装置中，也可以将逆变器电力或电力补偿处理A所需的电力预先保存在存储装置中，在交流电动机驱动装置的动作开始后以联机状态求出电压指令16P。图17是表示在本实施方式3中的交流电动机驱动装置中设置在控制装置16内的恒压控制部16E中的蓄电装置电压指令部16L的详情的结构图。本实施方式3的蓄电装置电压指令部16L为代替实施方式I (参照图9)的结构而具备蓄电装置电压指令表存储部16La、蓄电装置电压指令状态转移表存储部16Lb以及同步时刻信号产生部16Lc的结构。而且，在蓄电装置电压指令表存储部16La中，图15的(d)或图16的(d)所示的蓄电装置电压指令表TBl模式化而保存，而且在蓄电装置电压指令状态转移表存储部16Lb中，图15的(e)或图16的(e)所示的蓄电装置电压指令状态转移表TB2模式化而被保存。并且，在同步时刻信号产生部16Lc中保存有逆变器3的电力模式。同步时刻信号产生部16Lc被输入逆变器3的电力信号和定时器信号，并与内置的逆变器3的电力表进行对照，来判定当前的时刻为逆变器3的周期性的电力模式中的哪一点的时刻，并作为周期内时刻信号16Q输出。逆变器3的电力信号使用在实施方式I中说明的信号Wiv。参照该周期内时刻信号16Q来从蓄电装置电压指令表存储部16La所保存的蓄电装置电压指令表TBl中按时间序列读出电压指令16P的信息，并且蓄电装置电压指令状态转移表存储部16Lb所保存的蓄电装置电压指令状态转移表TB2的各状态V、W的区间信息也按时间系列读出，这些信息输入到电压指令选择部16Le。与此相应地，电压指令选择部16Le还被输入由检测器12检测出的蓄电装置电压14。电压指令选择部16Le参照蓄电装置电压指令状态转移表TB2的各状态V、W的区间信息来选择蓄电装置电压14或由蓄电装置电压指令表TBl指定的电压指令16P中的某一方，并作为蓄电装置15的电压指令16M输出。例如，在蓄电装置电压指令状态转移表TB2中示出的区间为图15的符号V状态的区间，并且如果蓄电装置电压14小于从蓄电装置电压指令表存储部16La读出的电压指令16P，则需要蓄电装置15的充电。在这种情况下，将从蓄电装置电压指令表存储部16La读出的电压指令16P选择输出为蓄电装置I的电压指令16M。另外，由蓄电装置电压指令状态转移表TB2指定的区间是图15的符号V状态的区间，并且如果蓄电装置电压14大于从蓄电装置电压指令表存储部16La读出的电压指令16P，则处于在蓄电装置15中已经蓄积有最低限度所需的电力的状态。而且，在这种情况下，不需要特别进行充放电，将蓄电装置电压14选择输出为蓄电装置15的电压指令16M。通过这样，在图9所示的恒压控制部16E中，积分器41的输入变为“O”而能够使动作停止。另外，由蓄电装置电压指令状态转移表TB2指定的区间是图15的符号W状态的区间，并且如果蓄电装置电压14大于从蓄电装置电压指令表存储部16La读出的电压指令16P，则需要放电。在这种情况下，将从蓄电装置电压指令表存储部16La读出的电压指令16P作为蓄电装置15的电压指令16M输出。另外，由蓄电装置电压指令状态转移表TB2指定的区间是图15的以符号W表示的期间，并且如果蓄电装置电压14小于从蓄电装置电压指令表存储部16La读出的蓄电装置电压指令16Lc，则与蓄电装置15的额定电压Vf之间的电压差被充分确保而在蓄电装置15中剩有最低限度所需的充电余力。而且，在这种情况下，不需要特别进行充放电，将蓄电装置电压14选择输出为蓄电装置15的电压指令16M。通过这样，在图9所示的恒压控制部16E中，积分器41的输入变为“O”而能够使动作停止。如以上所说明的那样，在本实施方式3的交流电动机驱动装置中，在预先已知逆变器3所需要的电力的情况下，在控制装置16的恒压控制部16E中设置保存有蓄电装置电压指令表TBl的蓄电装置电压指令表存储部16La和保存有蓄电装置电压指令状态转移表TB2的电压指令状态转移表存储部16Lb来导出蓄电装置15的电压指令16M，由此能够执行蓄电调整处理B，因此能够有效地使用蓄电装置15。因此，能够削减使用于蓄电装置15的电池、电容器的容量，能够实现交流电动机驱动装置的成本、尺寸的降低。特别是在逆变器3中反复产生相同的电力需求的情况下有效。实施方式4.
在上述实施方式3中的交流电动机驱动装置的电力补偿装置5中，作为蓄电装置电压指令部16L设置了保存有蓄电装置电压指令表TBl的蓄电装置电压指令表存储部16La和保存有蓄电装置电压指令状态转移表TB2的蓄电装置电压指令状态转移表存储部16Lb，基于从这些存储部16La、16Lb读出的信息设定了电压指令。但是，也能够设为通过通信从外部的控制器获取蓄电装置电压指令表TBl、蓄电装置电压指令状态转移表TB2的信息的结构。例如，在机床等中使用的交流电动机驱动装置是与数控装置(NC)71组合使用的。该数控装置71在内部生成交流电动机4的位置或速度指令。另外，在稍微提前的时间能够掌握交流电动机4如何动作的情况多。因此，能够在交流电动机4的实际的动作之前得到连接于交流电动机4的逆变器3所需要的电力需求信息，如果使用该信息，则能够根据逆变器3的电力需求来准备蓄电装置15的电力量。图18示出了能够通过通信从交流电动机驱动装置的外部获取蓄电装置电压指令表16Ld、蓄电装置电压指令转移表16Lc的信息的结构的一例。S卩，以数控装置71作为外部控制装置，在其内部，根据交流电动机4的位置和速度指令和使用状况等估 计交流电动机4的电力，将逆变器3中的电力损耗加以考虑来求出逆变器3的电力。并且，使用在前述的实施方式3中说明的过程来制作蓄电装置电压指令表TBl、蓄电装置电压指令状态转移表TB2，将该蓄电装置电压指令表TBl的电压指令16P的指令信息和蓄电装置电压指令状态转移表TB2的各区间V、W的信息经由作为通信单元的通信线路72和通信处理部73输入到电压指令选择部16Le。然后，基于这些所输入的信息在电力补偿装置5的控制装置16内实施蓄电调整处理B。此外，也可以不从数控装置71获取电压指令16P、各区间V、W的信息而获取逆变器3的电力信息、交流电动机4的位置和速度指令和使用状况动作指令信号等。在这种情况下，由数控装置71实施的蓄电装置电压指令表TB1、蓄电装置电压指令转移表TB2的信息制作处理在交流电动机驱动装置的控制装置16的内部进行。或者，也可以设为如下结构:代替在实施方式3中说明的同步时刻信号产生部16Lc，而从数控装置71获取周期内时刻信号16Q、或通知逆变器3的电力模式的开始、或图15或图16所示的TB2的状态切换的同步触发信号，据此产生周期内时刻信号16Q。如果设为该结构，则不需要内置逆变器3的电力模式。如以上所说明的那样，根据本实施方式4，能够事先根据逆变器3的电力需求准备蓄电装置15的电力量，因此能够高效地使用蓄电装置15。因此，能够削减使用于蓄电装置15的电池、电容器的容量，能够实现交流电动机驱动装置的成本、尺寸的降低。特别是在连接在数控装置71等外部控制器的情况下有效。
权利要求
1.一种交流电动机驱动装置，具备:直流电源，供给直流电力；逆变器，将所述直流电力转换为交流电力并供给至交流电动机；电力补偿装置，与所述逆变器的直流电力输入部并联连接，所述电力补偿装置具有:升降压电路，对所述直流电力的电压水平进行转换；蓄电装置，吸收或释放电力；控制装置，对所述升降压电路和所述蓄电装置进行控制，所述控制装置实施如下处理:电力补偿处理A，释放或吸收所述蓄电装置的电力使得所述直流电源所授受的直流电力的绝对值不超过根据所述直流电源的特性决定的直流电源电力限制；蓄电调整处理B，释放或吸收电力使得所述蓄电装置的电压成为规定值。
2.根据权利要求1所述的交流电动机驱动装置，其特征在于，所述控制装置在所述直流电源所授受的直流电力的绝对值超过规定值的情况下实施所述电力补偿处理A。
3.根据权利要求1或2所述的交流电动机驱动装置，其特征在于，所述控制装置基于所述逆变器的电力和所述直流电源的所述直流电源电力限制求出能够对所述蓄电装置输入输出的电力范围，在该电力范围内实施所述蓄电调整处理B。
4.根据权利要求1 3中的任一项所述的交流电动机驱动装置，其特征在于，所述控制装置具有存储了预先确定的所述逆变器的电力模式、或预先确定的所述电力补偿装置的所述电力补偿处理A用的电力指令模式、或预先确定的所述蓄电装置的电压指令模式的存储装置，基于存 储在所述存储装置中的信息执行所述蓄电调整处理B。
5.根据权利要求4所述的交流电动机驱动装置，其特征在于，所述控制装置具有与决定所述交流电动机的动作的外部控制装置之间的通信单元，从所述外部控制装置输入表示预先确定的所述逆变器的电力模式的定时、或预先确定的所述电力补偿装置的所述电力补偿处理A用的电力指令模式的定时、或预先确定的所述蓄电装置的电压指令模式的定时的触发信号，基于该信息执行所述蓄电调整处理B。
6.根据权利要求1 3中的任一项所述的交流电动机驱动装置，其特征在于，所述控制装置具有与决定所述交流电动机的动作的外部控制装置之间的通信单元，从所述外部控制装置接收所述逆变器的电力、或用于所述电力补偿装置的所述电力补偿处理A的电力指令、或所述蓄电装置的电压指令，基于接收到的该指令信息实施所述蓄电调整处理B。
全文摘要
在将来自直流电源(1)的直流电力通过逆变器(3)转换为交流电力并供给至交流电动机(4)的情况下，与逆变器(3)的直流电力输入部并联连接电力补偿装置(5)，通过该电力补偿装置(5)的控制装置(16)，在对于交流电动机(4)的电力需求超过规定值的情况下，从蓄电装置(15)进行充放电来实施电力补偿处理A，在不需要电力补偿处理A的情况下，实施考虑能够从直流电源(1)向蓄电装置(15)输入输出的电力余量来在其范围内进行蓄电装置(15)的补充充电的蓄电调整处理B。
文档编号H02M7/797GK103081336SQ201080068960
公开日2013年5月1日 申请日期2010年9月6日 优先权日2010年9月6日
发明者古谷真一, 田渊朗子, 筒井和彦, 堤下洋治, 服部纯, 大桥学 申请人:三菱电机株式会社