电力转换装置的制作方法

[0001]
本发明涉及电力转换装置，例如涉及对负载供电的电力转换装置中的过载保护技术。


背景技术：

[0002]
以往，在对电动机等负载供电的电力转换装置中，作为过电流或过载时的保护方式，使用在通向电力转换装置的电源供给线中设置电流检测断路装置(热继电器)的方式。但是，该方式是对检测出的电流值与阈值单纯地进行比较的方式，所以存在不能考虑电动机的运转速度等运转状态、而不能适当地进行电力转换装置和电动机的过载保护的情况。
[0003]
作为解决这样的问题的技术，可以举出日本特公昭62-55379号公报(专利文献1)中示出的逆变器装置。该逆变器装置事先存储表示考虑了电动机固有的冷却效果的可连续运转时间的热时限特性，对该热时限特性与根据对电动机供给的电流值运算出的热历程模拟值(积分值)进行比较。由此，能够考虑电动机的运转状态地适当地进行过载保护。该方式一般被称为电子热继电器。
[0004]
现有技术文献
[0005]
专利文献
[0006]
专利文献1：日本特公昭62-55379号公报


技术实现要素：

[0007]
发明要解决的课题
[0008]
一般而言，在电动机和电力转换装置中，在高输出化的同时要求小型化。为了消除由此发生的散热效果的降低，在电动机和电力转换装置中较多搭载冷却风扇。该情况下，上述电子热继电器用的热时限特性是以冷却风扇正常工作为前提而决定的。
[0009]
但是，冷却风扇例如存在随着故障、经年劣化或污染等而转速降低的情况。这样，在随着冷却风扇的转速降低、冷却效果降低的状况下，用电子热继电器适当地进行过载保护可能变得困难。结果，存在发生电动机或电力转换装置的烧毁、破损等的风险。
[0010]
本发明是鉴于这样的情况得出的，其目的之一在于提供一种即使在冷却风扇的转速降低的情况下也能够适当地进行过载保护的电力转换装置。
[0011]
本发明的上述以及其他目的和新的特征，将根据本说明书的描述和附图而明了。
[0012]
用于解决课题的技术方案
[0013]
对本申请中公开的实施方式中的代表性的实施方式的概要简单地进行说明，如下所述。
[0014]
本发明的代表性的实施方式的电力转换装置包括：逆变器电路，其将直流电压转换为交流电压，用该交流电压对负载通电；检测负载中流动的负载电流的电流检测器；对逆变器电路或负载进行冷却的冷却风扇；和保护逆变器电路或负载的过载保护部。过载保护部保存用于决定负载电流与可连续通电时间的对应关系的热时限特性映射，根据冷却风扇
的转速来修正该热时限特性映射，在负载电流的连续通电时间达到基于该修正后热时限特性映射的可连续通电时间时发出通电停止命令。
[0015]
发明的效果
[0016]
对由本申请公开的发明中的、代表性的实施方式获得的效果简单地进行说明，即使在冷却风扇的转速降低的情况下也能够适当地进行过载保护。
附图说明
[0017]
图1是表示本发明的一个实施方式的电力转换装置周边的结构例的框图。
[0018]
图2是表示图1的电力转换装置周边的外形例的概略图。
[0019]
图3是表示图1中的过载保护部的详细结构例的框图。
[0020]
图4是概念性地表示图3中的相加用的热时限特性映射的内容的图。
[0021]
图5是概念性地表示图3中的减法用的热时限特性映射的内容的图。
[0022]
图6是表示积分方式的示意性的动作例的概念图。
[0023]
图7是表示图3中的相加用和减法用的热时限特性映射的实际的保持内容的一例的图。
[0024]
图8是表示图1的电力转换装置的动作例的概略图。
具体实施方式
[0025]
以下实施方式中，在提及要素的数量等(包括个数、数值、量、范围等)的情况下，除了特别指出的情况和原理上明确限定为特定数量等情况以外，都不限定于该特定数量，也可以是特定数量以上或以下。另外，以下实施方式中，其构成要素(也包括要素步骤等)除了特别明确示出的情况和原理上明确认为必需等情况以外，都不是必需的。同样地，以下实施方式中，在提及构成要素等的形状、位置关系等时，除了特别明确示出的情况和原理上明确认为并非如此等情况以外，都包括实质上与其形状等近似或类似的形状等。这对于上述数值和范围也是同样的。
[0026]
以下，基于附图详细地说明本发明的实施方式。另外，在用于说明实施方式的全部图中，对于同一部件原则上附加同一附图标记，省略其反复的说明。
[0027]
《电力转换装置周边的结构》
[0028]
图1是表示本发明的一个实施方式的电力转换装置周边的结构例的框图。图1中，在电力转换装置10之外，也示出了对电力转换装置10提供电源的三相电源3、和被供给来自电力转换装置10的电力的负载。负载例如是电动机(三相电动机)1等。电力转换装置10具备逆变器电路2、转换器电路4、电流检测器5、控制器6、过载保护部8和电流传感器9。
[0029]
转换器电路4将来自外部的三相电源3的交流电压转换为直流电压vdc并对逆变器电路2供给。逆变器电路2将直流电压vdc转换为交流电压(三相交流电压vu、vv、vw)，以该三相交流电压vu、vv、vw对电动机1进行通电。电流传感器9设置在该三相交流电压vu、vv、vw的供给线上。电流检测器5经由电流传感器9检测电动机1中流动的负载电流。该例子中，电流检测器5经由电流传感器9检测u相电流iu和w相电流iw，将其坐标转换为d轴电流id和q轴电流iq。然后，电流检测器5通过对d轴电流id与q轴电流iq进行矢量合成，来检测负载电流i1。
[0030]
控制器6以使电动机1的工作状态接近目标状态的方式控制逆变器电路2。该例子
中，控制器6接受来自外部的速度指令值nref，使用无位置传感器的矢量控制生成使电动机1以基于该速度指令值nref的旋转速度旋转用的三相电压指令值vuref、vvref、vwref。
[0031]
具体而言，控制器6例如使用感应电压观测器等推算电动机1的旋转速度，基于该旋转速度与速度指令值nref的误差计算d轴和q轴的电流指令值，基于该电流指令值与d轴电流id和q轴电流iq的误差计算三相电压指令值vuref、vvref、vwref。逆变器电路2通过按基于该三相电压指令值vuref、vvref、vwref的pwm(pulse width modulation)信号进行开关动作而生成三相交流电压vu、vv、vw。另外，电动机1带有位置检测器等情况下，也可以根据该位置检测器输出的时间差分结果导出电动机1的旋转速度并对控制器6输入。
[0032]
此处，在电力转换装置10或电动机1中，设置用于对电力转换装置10(特别是逆变器电路2)或电动机1进行冷却用的冷却风扇7。冷却风扇7例如搭载旋转编码器等旋转角传感器，对电力转换装置10和电动机1的一者或两者设置。无论逆变器电路2或电动机1是否工作，冷却风扇7都总是进行旋转动作。特别是，在处理kw级的电力的电力转换装置10和电动机1中，较多搭载这样的冷却风扇7。
[0033]
过载保护部8保护逆变器电路2或电动机1不受过载影响。对于过载保护部8，输入从冷却风扇7的旋转角传感器得到的转速nfan、来自电流检测器5的负载电流i1、清除信号con_clr、和、预先设定的电子热值(electronic thermal level)ith和累加阈值sth。过载保护部8使用这些输入信息，反映冷却风扇7的转速nfan同时判断是过载状态还是非过载状态。过载保护部8在判断为过载状态的情况下，通过动作允许信号con对逆变器电路2发出通电停止命令。与此相应地，逆变器电路2停止对电动机1的通电。
[0034]
图1中，电流检测器5、控制器6和过载保护部8代表性地由微控制器等构成。该情况下，电流检测器5通过使用模拟数字转换器对检测出的u相电流iu和w相电流iw进行程序处理，而计算负载电流i1、d轴电流id和q轴电流id。控制器6和过载保护部8也通过程序处理实现。但是，其一部分或全部当然也能够用专用的硬件电路构成。
[0035]
图2是表示图1的电力转换装置周边的外形例的概略图。电力转换装置10例如由在内部搭载了图1所示的各个模块的一个壳体构成。在该壳体中，例如也设置操作面板11等。冷却风扇7a以对该壳体内进行冷却的方式设置，特别对逆变器电路2的晶体管产生的热进行冷却。过载保护部8基于该冷却风扇7a的旋转角传感器检测冷却风扇7a的转速nfan_a。另外，冷却风扇7b设置在电动机1中，例如对电动机1的线圈(其寄生电阻)产生的热进行冷却。过载保护部8基于该冷却风扇7b的旋转角传感器检测冷却风扇7b的转速nfan_b。
[0036]
《过载保护部的概要》
[0037]
图3是表示图1中的过载保护部的详细的结构例的框图。图3所示的过载保护部8具备预先保存热时限特性映射801、802的存储部81、绝对值运算部803、映射数据读取处理部804、807、修正部82、过载判断部83和锁存处理部813。首先，设想冷却风扇7设置于电力转换装置10或电动机1中的任一者的情况，对于过载保护部8的概念性的处理内容进行说明。
[0038]
热时限特性映射801、802决定负载电流i1与可连续通电时间的对应关系。修正部82通过对热时限特性映射801、802与冷却风扇的转速nfan相应地进行修正而生成修正后热时限特性映射。过载判断部83在负载电流i1的连续通电时间到达基于修正后热时限特性映射的可连续通电时间时，通过过载检测信号con_res发出通电停止命令。
[0039]
图4是概念性地表示图3中的相加用的热时限特性映射801的内容的图。图5是概念
性地表示图3中的减法用的热时限特性映射802的内容的图。图4所示的相加动作时间δtp表示在使用积分方式决定逆变器电路2的可连续通电时间时逐次加上的时间。可连续通电时间在相加动作时间δtp越增加时越变长，在相加动作时间δtp越减少时越缩短。同样地，图5所示的减法动作时间δtm表示使用积分方式决定逆变器电路2的可连续通电时间时逐次减去的时间。可连续通电时间与相加动作时间δtp的情况相反地，在减法动作时间δtm越增加时越缩短，在减法动作时间δtm越减少时越变长。
[0040]
相加动作时间δtp如图4中的冷却风扇的转速nfan正常时的特性(称为基准特性20p)所示，在负载电流i1是电子热值ith时是无穷大，与电子热值ith相比越增大则越减少。该减少特性考虑伴随负载电流i1的发热，相对于负载电流i1是n次幂特性。电子热值ith表示额定电流，表示即使持续流动电流也不会产生问题的水平。另外，相加动作时间δtp如图4中的冷却风扇的转速nfan降低时的特性(称为修正后特性21p)所示，以基准特性20p为基准，在转速nfan越降低时越向减少方向偏移。
[0041]
另一方面，减法动作时间δtm如图5中的基准特性20m所示，在负载电流i1是电子热值ith时是无穷大，与电子热值ith相比越减小则越按相对于负载电流i1的n次幂特性减少。另外，减法动作时间δtm如图5中的修正后特性21m所示，以基准特性20m为基准，在冷却风扇的转速nfan越降低时越向增加方向偏移。这样，修正部82通过对图4和图5的基准特性20p、20m(即图3的热时限特性映射801、802)与冷却风扇7的转速nfan相应地进行修正，而生成如图4和图5的修正后特性21p、21m所示的修正后热时限特性映射。
[0042]
图6是表示积分方式的示意性的动作例的概念图。过载保护部8例如使用如图6所示的积分方式对可连续通电时间tz进行控制。可连续通电时间tz相当于容器15内的水。对于容器15内的水，用供给阀16和排出阀17进行控制。图3的过载判断部83例如在容器15内的水消失时，对逆变器电路2发出动作停止命令。
[0043]
图4和图5中、负载电流i1是电子热值ith的状态，在图6中相当于供给阀16和排出阀17同时全开的状态。该状态下，可连续通电时间tz并不增减，逆变器电路2能够使负载电流i1持续流动。此处，如图4所示，负载电流i1与电子热值ith相比增大，相加动作时间δtp减少时，与其减少量相应地对供给阀16向闭方向控制。结果，可连续通电时间tz被向减少方向控制。另外，冷却风扇的转速nfan降低，相加动作时间δtp向减少方向偏移时，供给阀16向闭方向变化，可连续通电时间tz被向减少方向控制。
[0044]
另一方面，如图5所示，负载电流i1与电子热值ith相比减小，减法动作时间δtm减少时，与其减少量相应地对排出阀17向闭方向控制。结果，可连续通电时间tz被向增加方向控制。如上所述，以冷却风扇7总是持续旋转为前提时，在“i1<ith”的情况下，冷却效果超过发热效果，所以通过设置这样的减法动作时间δtm，能够使可连续通电时间tz增加。另外，冷却风扇的转速nfan降低，减法动作时间δtm向增加方向偏移时，排出阀17向开方向变化，可连续通电时间tz被向减少方向控制。
[0045]
《过载保护部的详情》
[0046]
接着，对于图3的过载保护部8的详细的处理内容进行说明。图7是表示图3中的相加用和减法用的热时限特性映射801、802的实际的保持内容的一例的图。相加用的热时限特性映射801实际上如图7的基准特性22p所示，决定比电子热值ith更大的负载电流i1、与对应于可连续通电时间的相加值dth_p的对应关系。减法用的热时限特性映射802实际上如
图7的基准特性22m所示，决定比电子热值ith更小的负载电流i1、与对应于可连续通电时间的相减值dth_m的对应关系。
[0047]
图7所示的基准特性22p、22m分别是使图4和图5所示的基准特性20p、20m的极性反转的特性。图3的过载保护部8实际上在图6中不是在容器15的水消失的情况下、而是在容器15充满水的情况下进行对逆变器电路2发出通电停止命令的动作。该情况下，可连续通电时间tz相当于容器15内的剩余容量。过载保护部8在相加值dth_p越增加时使供给阀16越打开而对可连续通电时间tz向减少方向控制，在相减值dth_m越增加时使排出阀17越打开而对可连续通电时间tz向增加方向控制。
[0048]
图3中，绝对值运算部803将负载电流i1转换为负载电流(绝对值)|i1|。相加用的映射数据读取处理部804按每个规定的控制周期，以负载电流(绝对值)|i1|作为指针值ath_p，从相加用的热时限特性映射801中读取与负载电流i1对应的相加值dth_p。修正部82对读取的相加值dth_p按与冷却风扇的转速nfan成比例的系数加权而进行修正，生成修正后相加值dth_p_cal。该例子中，修正部82对相加值dth_p乘以对转速nfan乘以系数“kfp”得到的值的倒数“1/(nfan
×
kfp)”而生成修正后相加值dth_p_cal。
[0049]
减法用的映射数据读取处理部807按每个规定的控制周期，以负载电流(绝对值)|i1|作为指针值ath_m，从减法用的热时限特性映射802中读取与负载电流i1对应的相减值dth_m。修正部82通过对读取的相减值dth_m按与冷却风扇的转速nfan成比例的系数加权而进行修正，生成修正后相减值dth_m_cal。该例子中，修正部82通过对相减值dth_m乘以对转速nfan乘以系数“kfm”得到的值“nfan
×
kfm”而生成修正后相减值dth_m_cal。
[0050]
这样，修正部82对读取的相加值dth_p以冷却风扇的转速nfan越降低则越增大的方式进行修正，由此生成修正后相加值dth_p_cal。另外，修正部82对读取的相减值dth_m以冷却风扇的转速nfan越降低则越减小的方式进行修正，由此生成修正后相减值dth_m_cal。结果，修正后相加值dth_p_cal如图7的修正后特性23p所示，是使基准特性22p向增加方向偏移的特性，修正后相减值dth_m_cal如图7的修正后特性23m所示，是使基准特性22m向减少方向偏移的特性。
[0051]
过载判断部83对用修正部82修正后的修正后相加值dth_p_cal或修正后相减值dth_m_cal逐次累加，在该累加值超过预先决定的累加阈值sth时发出通电停止命令。具体而言，过载判断部83具备加法减法切换处理部810、累加处理部811和比较处理部812。加法减法切换处理部810对负载电流(绝对值)|i1|与电子热值ith进行比较。然后，加法减法切换处理部810在“|i1|≥ith”的情况下选择修正后相加值dth_p_cal、在“|i1|<ith”的情况下选择修正后相减值dth_m_cal，作为输出的相加相减值dth_cal。
[0052]
累加处理部811通过对按每个规定的控制周期逐次输入的相加相减值dth_cal进行累加而计算累加值sint。比较处理部812对累加值sint与累加阈值sth进行比较。然后，比较处理部812在“sint≥sth”的情况下，判断为过载状态并使过载检测信号con_res有效(assert)，在“sint<sth”的情况下，判断为非过载状态并使过载检测信号con_res维持在无效电平(negate level)。
[0053]
锁存处理部813在过载检测信号con_res有效时(即处于过载状态时)，对动作允许信号con进行无效(即发出通电停止命令)。逆变器电路2在动作允许信号con处于有效电平的期间中进行通电动作，在动作允许信号con处于无效电平的期间中停止通电动作。另外，
锁存处理部813在接受了清除信号con_clr时，使动作允许信号con恢复为有效电平(即允许通电状态)。
[0054]
《电力转换装置的动作》
[0055]
图8是表示图1的电力转换装置的动作例的概略图。图8中，例如，期间t1对应于电动机1的加速期间，期间t2相当于电动机1的稳态旋转期间，期间t3相当于电动机1的减速期间(反方向的负载电流i1的发生期间)。通常，将电动机1的稳态旋转期间(期间t2)中发生的负载电流(绝对值)|i1|设定为在电子热值ith以下。
[0056]
另一方面，实际使用上，存在在电动机1的加速期间(期间t1)和减速期间(期间t3)中，流动比电子热值ith更大的负载电流(绝对值)|i1|的情况。例如，为了即使在这样流过超过电子热值ith的负载电流(绝对值)|i1|的情况下，也使电力转换装置10和电动机1的动作不是停止而是持续，使用积分方式进行过载保护是有益的。
[0057]
图8中，关于冷却风扇的转速nfan正常时的积分特性25，在期间t1中，基于图7的基准特性22p决定相加值dth_p，累加值sint以与该相加值dth_p相应的正的斜率增加。在期间t2中，基于图7的基准特性22m决定相减值dth_m，累加值sint以与该相减值dth_m相应的负的斜率减少。在期间t3中，基于图7的基准特性22p，决定与期间t1的情况相比更大的相加值dth_p，累加值sint以与该相加值dth_p相应的正的斜率增加。该例子中，累加值sint在期间t3内的时刻(tn)超过累加阈值sth。与此相应地，动作允许信号con从有效电平转移至无效电平。
[0058]
另一方面，冷却风扇的转速nfan降低时，如积分特性26所示，期间t1、t3中的正的斜率，基于图7的修正后特性23p，与积分特性25的情况相比增大。另外，期间t2中的负的斜率，基于图7的修正后特性23m，与积分特性25的情况相比减小。随此，累加值sint在比期间t3内的时刻(tn)更早的时刻(tc)超过累加阈值sth。结果，冷却风扇的转速nfan降低时的可连续通电时间tz与转速nfan正常时的情况相比缩短。
[0059]
《实施方式的主要效果》
[0060]
以上，通过使用实施方式的电力转换装置10，能够与冷却风扇7的转速nfan的降低量相应地缩短可连续通电时间tz，所以即使在冷却风扇7的转速nfan降低的情况下也能够适当地进行过载保护。结果，能够防止电力转换装置10和电动机1的烧毁、破损等，能够使系统的可靠性提高。
[0061]
另外，此处，以在电力转换装置10或电动机1中的任一者中设置冷却风扇7的情况为例进行了说明，在对两者设置冷却风扇7的情况下，例如，设置2种(电力转换装置10用和电动机1用的)图3所示的过载保护部8即可。然后，构成为在从该2种过载保护部8的至少一者发出了通电停止命令的情况下、逆变器电路2的动作停止即可。
[0062]
以上，对本发明人得出的发明基于实施方式具体地进行了说明，但本发明不限定于上述实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内进行各种变更。例如，上述实施方式是为了易于理解地说明本发明而详细说明的，并不限定于必须具备说明的全部结构。另外，能够将某个实施方式的结构的一部分置换为其他实施方式的结构，也能够在某个实施方式的结构上添加其他实施方式的结构。另外，对于各实施方式的结构的一部分，能够追加、删除、置换其他结构。
[0063]
例如，此处，以将实施方式的过载保护部8应用于以电动机1为负载的电动机系统
的情况为例，但过载保护部8不特别限定于此，对于用冷却风扇对发热进行冷却的各种电力系统能够同样地应用。
[0064]
附图标记说明
[0065]
1 电动机
[0066]
2 逆变器电路
[0067]
3 三相电源
[0068]
4 转换器电路
[0069]
5 电流检测器
[0070]
6 控制器
[0071]
7 冷却风扇
[0072]
8 过载保护部
[0073]
9 电流传感器
[0074]
10 电力转换装置
[0075]
81 存储部
[0076]
82 修正部
[0077]
83 过载判断部
[0078]
801、802 热时限特性映射
[0079]
804、807 映射数据读取处理部
[0080]
con 动作允许信号
[0081]
dth_m 相减值
[0082]
dth_p 相加值
[0083]
i1 负载电流
[0084]
ith 电子热值
[0085]
nfan 转速
[0086]
sint 累加值
[0087]
sth 累加阈值
[0088]
tz 可连续通电时间。